JP3656337B2 - 膜厚測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の表面に形成された薄膜の厚さを測定する膜厚測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、集積回路等の半導体デバイスを製造するためには、半導体ウエハに対して成膜処理やエッチング処理等を繰り返しながら所望の回路素子を微細加工で形成して行く。近年の技術発達に伴って、半導体デバイスにおいても、記憶容量の大型化及びマイクロプロセッサ等における処理速度の高速化が益々要求されており、このため、デバイスの更なる高集積化、高微細化が求められている。
このような状況下において、各種の成膜の膜厚コントロールにも高い精度が要求されるようになった。例えばマイクロプロセッサ等のトランジスタに用いるゲート酸化膜に例をとれば、従来においてはゲート酸化膜を形成する熱酸化膜の厚みを例えば２００Åとすれば、その厚みの許容範囲は±５Å程度でも特性上問題は生じなかったが、次世代デバイスにおいては４０〜５０Å程度の極めて薄い膜厚が要求されている。このように極めて薄い膜厚の場合には、許容される膜厚の偏差は±０．５Å程度であり、極めて精度の高い膜厚のコントロールが要求される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、薄膜化することによって生じる問題の１つとして膜厚の測定技術が存在する。例えば半導体ウエハに所定の膜厚の成膜を施した後に、これを同じ膜厚測定装置で測定すると、時間が経過するに従って、膜厚の測定値が次第に大きくなってしまって、正確な膜厚を測定できなくなるという問題が生ずる。例えば図４は半導体ウエハ表面上の薄膜の膜厚測定値の時間依存性を示すグラフであり、ウエハ上に１００Åの熱酸化膜を形成し、成膜後のウエハをクリーンルーム中に放置してこの放置時間を長くしていった時の膜厚測定値の変化を示している。
【０００４】
グラフから明らかなように、成膜後、３分経過した時の測定値は略１００Åで良好な値を示しているが、成膜後、３０分経過した時の測定値は略１０１Åに増加し、更に３００分後には略１０３Åに増加している。
このように、±０．５Å程度の膜厚測定変動しか許容できない次世代デバイスに要求される膜厚を適正に評価するためには、成膜後、略３分以内に測定しなければならないが、このためには各成膜装置に対して一対一対応で膜厚測定装置を設置しなければならず、これでは高コスト化を招いてしまって現実的ではない。
【０００５】
また、一対一対応で測定装置を設けたとしても成膜後のウエハの時間管理を厳しく行なわなければならず、作業性が劣ってしまう。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、極めて不純物の少ない雰囲気ガス中で膜厚測定を行なうことにより、膜厚測定値の変動を抑制するようにした膜厚測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、膜厚測定値の変動要因を鋭意研究した結果、雰囲気ガス中の不純物、特に水分やハイドロカーボン等がウエハ表面に付着することにより測定値が変動する、という知見を得ることにより本発明に至ったものである。
すなわち、本発明は、被検査体が複数収容されたキャリアを載置する昇降台を有する導入ステージから前記被検査体を内部に取り込み、前記被検査体を検査台まで搬送して前記検査台に移載し、前記被検査体に測定光を照射して前記被検査体の表面に形成されている薄膜の厚さを測定する膜厚測定装置において、前記導入ステージの下方に設けられて覆い部材により密閉状態で形成されたキャリア搬送空間と、前記キャリア搬送空間に連通して設けられて覆い部材により密閉状態に形成された被検査体搬送空間と、前記被検査体搬送空間に連通して設けられて覆い部材により密閉状態に形成された測定空間と、前記キャリア搬送空間内に設けられて前記昇降台を昇降させて前記キャリアを内部に取り込むための垂直移載アームと、前記キャリア搬送空間内に設けられて前記キャリアを前記被検査体搬送空間内へ搬入するためのキャリアエレベータと、前記キャリア搬送空間内に設けられて前記載置台と前記キャリアエレベータとの間で前記キャリアを移載するためのキャリア搬送アームと、前記被検査体搬送空間内に設けられて、前記キャリアエレベータによって前記被検査体搬送空間内に導入された前記キャリアと前記検査台との間で前記被検査体を移載する搬送アームと、前記キャリア搬送空間と前記被検査体搬送空間と前記測定空間に、不純物が極めて少ない純粋ガスが充填されているガス源より前記純粋ガスを導入するようにそれぞれ設けられた純粋ガス導入部と、を備えるように構成したことを特徴とする膜厚測定装置である。
【０００７】
これにより、導入ステージに載置された被検査体は、覆い部材により覆われた搬送空間内に取り込まれ、更に覆い部材により覆われた測定空間内の検査台上に載置される。そして、この被検査体表面に測定光が照射されて、膜厚の測定が行なわれることになる。ここで、搬送空間内及び測定空間内は、純粋ガス導入部より導入した不純物が極めて少ない純粋ガスにより満たされているので、被検査体の表面に付着する不純物、例えば水分やハイドロカーボン等の量が極めて少なくなり、成膜後の時間に関係なく膜厚の測定値が変動することを抑制することが可能となる。
この純粋ガスとしては、露点が例えば−５０℃以下、この好ましくは−１００℃以下の乾燥ガスを用いるのがよい。また、ガスが乾燥していることから純粋ガス導入部にイオナイザを設け、導入ガスに静電気が帯びないようにするのがよい。
また、搬送空間や測定空間は外部に対して僅かに圧力が高い陽圧状態にして外部のクリーンルーム内のガスが内部に侵入しないようにしておくのがよい。このように内部を陽圧状態に維持するのであれば、内部空間は、外部に対して完全密閉されていなくても良く、高いシール性を必要としない。
【０００８】
このような純粋ガスとしては窒素などの不活性ガスや、オペレータへ安全を考慮する場合には不活性ガスと所定量の酸素との混合ガスを用いることができる。更には、導入ステージに昇降台を設け、成膜後の被検査体をキャリアに収容し、これを密閉キャリアボックス内に収納した状態で導入ステージに載置するようにして、上記昇降台によりキャリアを内部に取り込むようにすれば、成膜後の被検査体をこの膜厚測定装置まで搬送するまでの間に被検査体表面に不純物が付着することも防止することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る膜厚測定装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る膜厚測定装置を示す断面構成図、図２は図１に示す装置の導入ステージ近傍を示す拡大断面図、図３はキャリアを移載するキャリア移載アームを示す図である。
この膜厚測定装置２は基台ベース４を有しており、図中、右側が被検査体を搬出入する搬出入エリア６として構成され、左側が測定エリア８として構成される。
【００１０】
搬出入エリア６の基台ベース４の端部は、被検査体である例えば半導体ウエハを導入するための導入ステージ１０として構成され、このステージ１０上にオペレータや自動搬送装置（図示せず）等が多数枚の半導体ウエハＷを収容した密閉キャリアボックス１２を載置するようになっている。
図２にも示すようにこの密閉キャリアボックス１２は、１つのカセットＣを収容し得る程度の大きさになされて下部が開口された容器本体１４と、この開口部を密閉可能に閉塞する容器底部１６とにより主に構成され、内部にカセットＣを収容した状態で大気圧に対して陽圧になされた高いクリーン度の純粋ガスが充填されている。このため、この容器本体１４には純粋ガスを内部に導入するバルブ付きのガス導入部１８が形成されている。容器本体１４の上部には、これを把持する把手２４が設けられる。
【００１１】
容器底部１６は容器本体１４の下部のフランジ部１４ＡにＯリング等のシール部材（図示せず）を介して気密に密閉可能に取り付けられる。この容器底部１６の周縁部の適宜箇所には外側へ出没可能になされたロックピン２０が設けられており、このロックピン２０を容器底部１６の中央部に設けた回転リンク機構２２に連結してこれを回転することにより容器本体１４との接合離脱を行い得るようになっている。このボックス１２の全体は、例えばポリプロン樹脂等により形成されており、例えば特開平１−２２２４２９号公報に示されるようなＳＭＩＦ−ＰＯＤ（商標）を用いることができるが、これに限定されないのは勿論である。また、上記カセットＣ内には、複数枚、例えば２５枚のウエハＷを一度に収容できるようになっている。
【００１２】
一方、ボックス１２を実際に載置する導入ステージ１０には、ボックス１２のフランジ部１４Ａの内径よりも大きく且つその外径よりも小さくなされてカセットＣを挿通できる大きさになされたカセット挿通孔２６が形成され、この挿通孔２６には、周縁部をその外方へ下向き傾斜させてテーパ状に形成することにより導入ステージより下方向に開閉可能乃至昇降可能とした昇降台２８が設けられる。この昇降台２８の中央部には、上記容器底部１６の回転リンク機構２２に係合する回転ピン３０が設けられており、これを回転することにより上記回転リンク機構２２を作動させてロックピン２０を出没し得るようになっている。カセット挿通孔２６の外側の導入ステージ１０には、起倒自在になされた容器ホルダ２９が設けられ、容器本体１４のフランジ部１４Ａをステージ側へ固定するようになっている。
【００１３】
また、この昇降台２８は、図１にも示すようにボールネジ３２によって垂直方向（上下方向）へ移動可能になされた垂直移動アーム３４の先端に取り付けられており、容器本体１４を上方に残して容器底部１６とこの上面に載置されているカセットＣのみを沈み込ませてキャリア搬送空間３６内に取り込むようになっている。そして、このキャリア搬送空間３６は、例えばステンレススチール等よりなる覆い部材３８により全体が覆われており、この空間３６を外気から遮断している。
【００１４】
そして、この覆い部材３８の底部には、上下方向に円弧を描いて揺動乃至旋回可能になされたキャリア搬送アーム４０が設けられており、図３にも示すようにその先端には常に水平状態になるように遊嵌状態で首振り可能になされたアーム補助部材４０Ａが設けられ、その両端には開閉可能になされた爪部４２が設けられている。アーム４２を上方へ旋回させた状態でこの爪部４２を開閉作動することにより、沈み込んでいる上記カセットＣの上部側壁を把持してカセットＣを搬送し得るようになっている。
そして、キャリア搬送アーム４０が倒れ込んでくる位置には、上下方向へ昇降可能になされたキャリアエレベータ４４が配置されており、アーム４０により搬送されてくるキャリアＣをエレベータ台４４Ａに載置し得るようになっている。
【００１５】
そして、このキャリアエレベータ４４の上方の基台ベース４には、キャリア挿通孔４６が形成されており、エレベータ台４４Ａに載置したキャリアＣを、このキャリア挿通孔４６を介してウエハ搬送空間４８内に搬入できるようになっている。
このウエハ搬送空間４８に隣設してウエハ表面の膜厚を測定するための測定空間５０が設けられており、両空間４８、５０は、例えばステンレススチール等よりなる覆い部材５２により一体的に全体が覆われており、外気から遮断されている。測定空間５０の底部には、被検査体である半導体ウエハＷを載置するための検査台５４が設けられる。そして、この検査台５４の斜め上方には、このウエハ表面に対して例えばレーザ光よりなる測定光Ｌを照射する測定光照射部５６が配置され、反対側の斜め上方には、ウエハ表面からの反射光を受ける測定光検出部５８が配置されており、例えば測定光の波長と反射光の位相差からウエハ表面上の薄膜の厚さを測定し得るようになっている。
【００１６】
そして、この検査台５４の上方の測定空間５０をウエハ搬送空間４８側からある程度区画するために測定空間５０の上方のみを囲むようにして区画壁６０が設けられている。従って、両空間４８、５０の下部は連通されている。また、この検査台５４と上記キャリア挿通孔４６との間に例えば多関節アームよりなる搬送アーム６２が設置されており、エレベータ台４４Ａ上のキャリアＣと検査台５４との間でウエハＷの移載を行ない得るようになっている。
【００１７】
さて、このようにキャリア搬送空間３６、ウエハ搬送空間４８及び測定空間５０が覆い部材３８、５２により覆われて外気に対して区画された状態となっており、これらの空間内には不純物純度が極めて少ない純粋ガスにより満たされることになる。このため、覆い部材３８、５２の適当箇所には、ノズル状になされた純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅが設けられている。具体的には、各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅは、検査台５４の側方の壁面と、測定空間５０の天井部と、ウエハ搬送空間４８の天井部と、キャリア搬送空間３６の対向する一対の側壁にそれぞれ設けられている。尚、純粋ガス導入部の数量及び取り付け位置はこれらに限定されない。各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅには、それぞれガス供給管６６が接続されており、このガス供給管６６は、マスフローコントローラ６８及び開閉弁７０を介して純粋ガス源としてのＮ2ボンベ７２及びＯ2ボンベ７４に共通
に接続されて窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを導入し得るようになっている。
【００１８】
ここで使用される純粋ガスに関して、パーティクルに対するクリーン度は、通常のクリーンルームと同様に勿論高く維持されているが、その他に、膜厚測定値の変動原因となる水分やハイドロカーボンの含有量が非常に小さくなるように調整されている。例えば、水分に関しては両ガスの露点は、例えば−５０℃以下、好ましくは−１００℃以下に設定するのがよい。また、窒素に酸素との混合比は、人間に対する安全性を考慮して例えば４：１として、通常の大気の混合比と略同じとなる様に設定するのがよい。
そして、各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅからは、含有水分の極めて少ないドライガスを放出することからこれが静電気を帯びている恐れもあり、そのため、この静電気を中和する目的で各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅの先端近傍には、イオナイザ７５が取り付けられている。
また、キャリア搬送空間３６を覆う覆い部材３８及びウエハ搬送空間５２を覆う覆い部材５２には、それぞれ内部雰囲気を排出する排気口７６、７８が設けられており、これらの排気口７６、７８は、図示しない工場排気系に接続される排気通路８０に連結されている。そして、この工場排気系の圧力変動に備えて、この排気通路８０には、自動圧力調整弁８２が介設されている。
【００１９】
次に、以上のように構成された本実施例の動作について説明する。
まず、オペレータ等が、キャリアＣが内部に収納された密閉キャリアボックス１２を導入ステージ１０上の所定の位置に載置し、この容器本体１４のフランジ部１４Ａを容器ホルダ２９でステージ１０側へ固定する。このキャリアＣ内には、膜厚測定のために多数枚、例えば２５枚のウエハＷが収容されており、また、ボックス１２内には、膜厚測定装置内の雰囲気ガスと同じガス、すなわちパーティクルが少ないのは勿論のこと水分やハイドロカーボン等の不純物も極めて少ない純粋ガスにより満たされており、ウエハ表面にこれらの不純物が付着することを抑制している。
フランジ部１４Ａをステージ側へ固定したならば、キャリア搬送空間３６内に位置する垂直移載アーム３４を上昇させて、昇降台２８の回転ピン３０を容器底部１６の回転リング機構２２に係合させ、これを回転してロックピン２０を内側へ引き込むことによって容器底部１６とフランジ部１４Ａとの係合を断つ。この状態で垂直移載アーム３４を降下させると、容器底部１６上に収納されているカセットＣが一体的に沈み込んで、キャリアＣがキャリア搬送空間３６内に取り込まれることになる。尚、この状態では、カセット挿通孔２６は、容器本体１４により閉塞されており、内部空間は外気と遮断されている。
【００２０】
カセットＣの取り込みを完了したならば、次に、キャリア搬送アーム４０を駆動して、この爪部４２でキャリアＣの上部を把持し（図３参照）、アーム４０を下方向へ旋回させることによってキャリアＣを隣のキャリアエレベータ４４のエレベータ台４４Ａ上に移載する。そして、このキャリアエレベータ４４を上昇駆動させて、エレベータ台４４Ａを持ち上げ、キャリア挿通孔４６を介してキャリアＣをウエハ搬送空間４８内に導入する。
キャリアＣをウエハ搬送空間４８内に導入したならば、この空間４８内に設けられている搬送アーム６２を屈伸及び旋回させてキャリアＣ内のウエハＷを検査台５４上に移載する。そして、検査台５４上に移載されたウエハＷの表面に、測定光照射部５６より測定光Ｌを照射し、この反射光を測定光検出部５８にて検出することによりこのウエハ表面に形成されている膜厚を測定することになる。
膜厚の測定が完了したウエハＷは、搬送アーム６２によりエレベータ台４４Ａ上のカセットＣ内に戻され、この高さ調整をして未測定の次のウエハＷをアーム６２で保持し、検査台５４に移載して同様に膜厚測定を行なう。
そして、カセットＣ内の全てのウエハＷの膜厚測定が完了したならば、前記した操作と逆の工程を経て密閉キャリアボックス１２内にカセットＣを戻し、膜厚の測定操作を終了することになる。
【００２１】
さて、このような膜厚測定を行なう間、この装置内は純粋ガスにより満たされているので、ウエハ表面にパーティクルは勿論のこと膜厚変動要因となる水分やハイドロカーボン等の不純物が付着することはなく、膜厚を精度良く評価することができる。すなわち、覆い部材３８、５２に設けた５つの純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅから、高純度のＮ2ガスとＯ2ガスを内部に導入して、この純粋ガス
でキャリア搬送空間３６、ウエハ搬送空間４８及び測定空間５０内を満たしているので、ウエハ表面に水分等がほとんど付着することがなく、従って、内部でウエハＷの待機時間が長くなっても膜厚の測定値が変動することを抑制することが可能となる。
この場合、各空間３６、４８、５０内の圧力は、外気に対して、例えば数Ｔｏｒｒ程度の陽圧状態にしておき、シール性の劣る部分からクリーンルーム内の比較的多くの水分等を含む清浄空気が各空間内に侵入してくるのを防止するのがよい。これにより、ウエハ表面に水分等が付着することを一層抑制することができる。
更に、この場合、排気通路８０が接続されている工場排気系に何らかの要因で圧力変動が生じたとしても、この排気通路８０に介設した自動圧力調整弁８２の作用により、各空間３６、４８、５０内の圧力を、常時、陽圧状態に維持することが可能となり、外気が内部に侵入することを略確実に防止することが可能となる。
この時の各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅからのガス流量は、１つの導入部当たり、装置の空間の容量及びガス導入部の数にもよるが、例えば最大５０リットル／分程度である。
【００２２】
また、このように高度に乾燥した純粋ガスを内部に導入すると、ガスが流路を通ってくる時に静電気が発生し、これがために膜厚測定系に種々の悪影響を及ぼすことが考えられるが、各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅには、イオナイザ７５を設けて導入されるガスの静電気を中和するようになっているので、測定系等に悪影響を及ぼすことを未然に防止することができる。
また、密閉キャリアボックス１２には、ガス導入部１８が設けてあるので、このガス導入部１８からも上記純粋ガスを導入するようにすれば、水分等がウエハに付着することを一層防止することが可能となる。
尚、ここでは各空間を覆い部材３８、５２で覆うに際して、かなり高いシール性を持たしているが、前述のように内部を陽圧状態にしておけば、シール性がそれ程高くなくても外気の侵入を防止できるので、水分等の付着を防止するという当初の目的を達成することができる。
【００２３】
また、ここでは純粋ガスとして水分などの不純物が極めて少ないＮ2ガスとＯ 2 ガスの混合ガスを用いたが、これに代えてＮ2ガス単独で用いてもよいし、更 には他の不活性ガス、例えばＡｒガス、Ｈｅガス等を単独で、或いは混合状態で用いるようにしてもよい。
更には、本実施例では、熱酸化膜の膜厚測定を例にとって説明したが、ＣＶＤ成膜の測定に用いてもよく、また、被検査体として半導体ウエハに限らず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも適用できるのは勿論である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の膜厚測定装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
搬送空間と測定空間とを覆い部材で覆って内部を純粋ガスにより満たすようにしたので、被検査体の表面にパーティクルは勿論のこと水分やハイドロカーボン等の不純物が付着することがない。
従って、測定前の待機時間に依存して膜厚測定値が変動することがなく、膜厚の正しい評価を行なうことができる。
また、成膜後の被検査体の時間管理を行なう必要もなくすことができる。
更に、イオナイザを設けることにより、導入される純粋ガス中の静電気を中和することができ、静電気に伴って発生する悪影響をなくすことができる。
また、純粋ガス中のＯ2ガス成分を所定量に設定することにより、オペレータ に対する安全性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る膜厚測定装置を示す断面構成図である。
【図２】図１に示す装置の導入ステージ近傍を示す拡大断面図である。
【図３】キャリアを移載するキャリア移載アームを示す図である。
【図４】半導体ウエハ表面上の薄膜の膜厚測定値の時間依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
２ 膜厚測定装置
４ 基台ベース
１０ 導入ステージ
１２ 密閉キャリアボックス
１４ 容器本体
２８ 昇降台
３６ キャリア搬送空間
３８、５２ 覆い部材
４４ キャリアエレベータ
４８ ウエハ搬送空間
５０ 測定空間
５４ 検査台
５６ 測定光照射部
５８ 測定光検出部
６４Ａ〜６４Ｅ 純粋ガス導入部
７２ Ｎ2ボンベ
７４ Ｏ2ボンベ
７５ イオナイザ
Ｌ 測定光
Ｗ 半導体ウエハ（被検査体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の表面に形成された薄膜の厚さを測定する膜厚測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、集積回路等の半導体デバイスを製造するためには、半導体ウエハに対して成膜処理やエッチング処理等を繰り返しながら所望の回路素子を微細加工で形成して行く。近年の技術発達に伴って、半導体デバイスにおいても、記憶容量の大型化及びマイクロプロセッサ等における処理速度の高速化が益々要求されており、このため、デバイスの更なる高集積化、高微細化が求められている。
このような状況下において、各種の成膜の膜厚コントロールにも高い精度が要求されるようになった。例えばマイクロプロセッサ等のトランジスタに用いるゲート酸化膜に例をとれば、従来においてはゲート酸化膜を形成する熱酸化膜の厚みを例えば２００Åとすれば、その厚みの許容範囲は±５Å程度でも特性上問題は生じなかったが、次世代デバイスにおいては４０〜５０Å程度の極めて薄い膜厚が要求されている。このように極めて薄い膜厚の場合には、許容される膜厚の偏差は±０．５Å程度であり、極めて精度の高い膜厚のコントロールが要求される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、薄膜化することによって生じる問題の１つとして膜厚の測定技術が存在する。例えば半導体ウエハに所定の膜厚の成膜を施した後に、これを同じ膜厚測定装置で測定すると、時間が経過するに従って、膜厚の測定値が次第に大きくなってしまって、正確な膜厚を測定できなくなるという問題が生ずる。例えば図４は半導体ウエハ表面上の薄膜の膜厚測定値の時間依存性を示すグラフであり、ウエハ上に１００Åの熱酸化膜を形成し、成膜後のウエハをクリーンルーム中に放置してこの放置時間を長くしていった時の膜厚測定値の変化を示している。
【０００４】
グラフから明らかなように、成膜後、３分経過した時の測定値は略１００Åで良好な値を示しているが、成膜後、３０分経過した時の測定値は略１０１Åに増加し、更に３００分後には略１０３Åに増加している。
このように、±０．５Å程度の膜厚測定変動しか許容できない次世代デバイスに要求される膜厚を適正に評価するためには、成膜後、略３分以内に測定しなければならないが、このためには各成膜装置に対して一対一対応で膜厚測定装置を設置しなければならず、これでは高コスト化を招いてしまって現実的ではない。
【０００５】
また、一対一対応で測定装置を設けたとしても成膜後のウエハの時間管理を厳しく行なわなければならず、作業性が劣ってしまう。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、極めて不純物の少ない雰囲気ガス中で膜厚測定を行なうことにより、膜厚測定値の変動を抑制するようにした膜厚測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、膜厚測定値の変動要因を鋭意研究した結果、雰囲気ガス中の不純物、特に水分やハイドロカーボン等がウエハ表面に付着することにより測定値が変動する、という知見を得ることにより本発明に至ったものである。
すなわち、本発明は、被検査体が複数収容されたキャリアを載置する昇降台を有する導入ステージから前記被検査体を内部に取り込み、前記被検査体を検査台まで搬送して前記検査台に移載し、前記被検査体に測定光を照射して前記被検査体の表面に形成されている薄膜の厚さを測定する膜厚測定装置において、前記導入ステージの下方に設けられて覆い部材により密閉状態で形成されたキャリア搬送空間と、前記キャリア搬送空間に連通して設けられて覆い部材により密閉状態に形成された被検査体搬送空間と、前記被検査体搬送空間に連通して設けられて覆い部材により密閉状態に形成された測定空間と、前記キャリア搬送空間内に設けられて前記昇降台を昇降させて前記キャリアを内部に取り込むための垂直移載アームと、前記キャリア搬送空間内に設けられて前記キャリアを前記被検査体搬送空間内へ搬入するためのキャリアエレベータと、前記キャリア搬送空間内に設けられて前記載置台と前記キャリアエレベータとの間で前記キャリアを移載するためのキャリア搬送アームと、前記被検査体搬送空間内に設けられて、前記キャリアエレベータによって前記被検査体搬送空間内に導入された前記キャリアと前記検査台との間で前記被検査体を移載する搬送アームと、前記キャリア搬送空間と前記被検査体搬送空間と前記測定空間に、不純物が極めて少ない純粋ガスが充填されているガス源より前記純粋ガスを導入するようにそれぞれ設けられた純粋ガス導入部と、を備えるように構成したことを特徴とする膜厚測定装置である。
【０００７】
これにより、導入ステージに載置された被検査体は、覆い部材により覆われた搬送空間内に取り込まれ、更に覆い部材により覆われた測定空間内の検査台上に載置される。そして、この被検査体表面に測定光が照射されて、膜厚の測定が行なわれることになる。ここで、搬送空間内及び測定空間内は、純粋ガス導入部より導入した不純物が極めて少ない純粋ガスにより満たされているので、被検査体の表面に付着する不純物、例えば水分やハイドロカーボン等の量が極めて少なくなり、成膜後の時間に関係なく膜厚の測定値が変動することを抑制することが可能となる。
この純粋ガスとしては、露点が例えば−５０℃以下、この好ましくは−１００℃以下の乾燥ガスを用いるのがよい。また、ガスが乾燥していることから純粋ガス導入部にイオナイザを設け、導入ガスに静電気が帯びないようにするのがよい。
また、搬送空間や測定空間は外部に対して僅かに圧力が高い陽圧状態にして外部のクリーンルーム内のガスが内部に侵入しないようにしておくのがよい。このように内部を陽圧状態に維持するのであれば、内部空間は、外部に対して完全密閉されていなくても良く、高いシール性を必要としない。
【０００８】
このような純粋ガスとしては窒素などの不活性ガスや、オペレータへ安全を考慮する場合には不活性ガスと所定量の酸素との混合ガスを用いることができる。更には、導入ステージに昇降台を設け、成膜後の被検査体をキャリアに収容し、これを密閉キャリアボックス内に収納した状態で導入ステージに載置するようにして、上記昇降台によりキャリアを内部に取り込むようにすれば、成膜後の被検査体をこの膜厚測定装置まで搬送するまでの間に被検査体表面に不純物が付着することも防止することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る膜厚測定装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る膜厚測定装置を示す断面構成図、図２は図１に示す装置の導入ステージ近傍を示す拡大断面図、図３はキャリアを移載するキャリア移載アームを示す図である。
この膜厚測定装置２は基台ベース４を有しており、図中、右側が被検査体を搬出入する搬出入エリア６として構成され、左側が測定エリア８として構成される。
【００１０】
搬出入エリア６の基台ベース４の端部は、被検査体である例えば半導体ウエハを導入するための導入ステージ１０として構成され、このステージ１０上にオペレータや自動搬送装置（図示せず）等が多数枚の半導体ウエハＷを収容した密閉キャリアボックス１２を載置するようになっている。
図２にも示すようにこの密閉キャリアボックス１２は、１つのカセットＣを収容し得る程度の大きさになされて下部が開口された容器本体１４と、この開口部を密閉可能に閉塞する容器底部１６とにより主に構成され、内部にカセットＣを収容した状態で大気圧に対して陽圧になされた高いクリーン度の純粋ガスが充填されている。このため、この容器本体１４には純粋ガスを内部に導入するバルブ付きのガス導入部１８が形成されている。容器本体１４の上部には、これを把持する把手２４が設けられる。
【００１１】
容器底部１６は容器本体１４の下部のフランジ部１４ＡにＯリング等のシール部材（図示せず）を介して気密に密閉可能に取り付けられる。この容器底部１６の周縁部の適宜箇所には外側へ出没可能になされたロックピン２０が設けられており、このロックピン２０を容器底部１６の中央部に設けた回転リンク機構２２に連結してこれを回転することにより容器本体１４との接合離脱を行い得るようになっている。このボックス１２の全体は、例えばポリプロン樹脂等により形成されており、例えば特開平１−２２２４２９号公報に示されるようなＳＭＩＦ−ＰＯＤ（商標）を用いることができるが、これに限定されないのは勿論である。また、上記カセットＣ内には、複数枚、例えば２５枚のウエハＷを一度に収容できるようになっている。
【００１２】
一方、ボックス１２を実際に載置する導入ステージ１０には、ボックス１２のフランジ部１４Ａの内径よりも大きく且つその外径よりも小さくなされてカセットＣを挿通できる大きさになされたカセット挿通孔２６が形成され、この挿通孔２６には、周縁部をその外方へ下向き傾斜させてテーパ状に形成することにより導入ステージより下方向に開閉可能乃至昇降可能とした昇降台２８が設けられる。この昇降台２８の中央部には、上記容器底部１６の回転リンク機構２２に係合する回転ピン３０が設けられており、これを回転することにより上記回転リンク機構２２を作動させてロックピン２０を出没し得るようになっている。カセット挿通孔２６の外側の導入ステージ１０には、起倒自在になされた容器ホルダ２９が設けられ、容器本体１４のフランジ部１４Ａをステージ側へ固定するようになっている。
【００１３】
また、この昇降台２８は、図１にも示すようにボールネジ３２によって垂直方向（上下方向）へ移動可能になされた垂直移動アーム３４の先端に取り付けられており、容器本体１４を上方に残して容器底部１６とこの上面に載置されているカセットＣのみを沈み込ませてキャリア搬送空間３６内に取り込むようになっている。そして、このキャリア搬送空間３６は、例えばステンレススチール等よりなる覆い部材３８により全体が覆われており、この空間３６を外気から遮断している。
【００１４】
そして、この覆い部材３８の底部には、上下方向に円弧を描いて揺動乃至旋回可能になされたキャリア搬送アーム４０が設けられており、図３にも示すようにその先端には常に水平状態になるように遊嵌状態で首振り可能になされたアーム補助部材４０Ａが設けられ、その両端には開閉可能になされた爪部４２が設けられている。アーム４２を上方へ旋回させた状態でこの爪部４２を開閉作動することにより、沈み込んでいる上記カセットＣの上部側壁を把持してカセットＣを搬送し得るようになっている。
そして、キャリア搬送アーム４０が倒れ込んでくる位置には、上下方向へ昇降可能になされたキャリアエレベータ４４が配置されており、アーム４０により搬送されてくるキャリアＣをエレベータ台４４Ａに載置し得るようになっている。
【００１５】
そして、このキャリアエレベータ４４の上方の基台ベース４には、キャリア挿通孔４６が形成されており、エレベータ台４４Ａに載置したキャリアＣを、このキャリア挿通孔４６を介してウエハ搬送空間４８内に搬入できるようになっている。
このウエハ搬送空間４８に隣設してウエハ表面の膜厚を測定するための測定空間５０が設けられており、両空間４８、５０は、例えばステンレススチール等よりなる覆い部材５２により一体的に全体が覆われており、外気から遮断されている。測定空間５０の底部には、被検査体である半導体ウエハＷを載置するための検査台５４が設けられる。そして、この検査台５４の斜め上方には、このウエハ表面に対して例えばレーザ光よりなる測定光Ｌを照射する測定光照射部５６が配置され、反対側の斜め上方には、ウエハ表面からの反射光を受ける測定光検出部５８が配置されており、例えば測定光の波長と反射光の位相差からウエハ表面上の薄膜の厚さを測定し得るようになっている。
【００１６】
そして、この検査台５４の上方の測定空間５０をウエハ搬送空間４８側からある程度区画するために測定空間５０の上方のみを囲むようにして区画壁６０が設けられている。従って、両空間４８、５０の下部は連通されている。また、この検査台５４と上記キャリア挿通孔４６との間に例えば多関節アームよりなる搬送アーム６２が設置されており、エレベータ台４４Ａ上のキャリアＣと検査台５４との間でウエハＷの移載を行ない得るようになっている。
【００１７】
さて、このようにキャリア搬送空間３６、ウエハ搬送空間４８及び測定空間５０が覆い部材３８、５２により覆われて外気に対して区画された状態となっており、これらの空間内には不純物純度が極めて少ない純粋ガスにより満たされることになる。このため、覆い部材３８、５２の適当箇所には、ノズル状になされた純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅが設けられている。具体的には、各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅは、検査台５４の側方の壁面と、測定空間５０の天井部と、ウエハ搬送空間４８の天井部と、キャリア搬送空間３６の対向する一対の側壁にそれぞれ設けられている。尚、純粋ガス導入部の数量及び取り付け位置はこれらに限定されない。各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅには、それぞれガス供給管６６が接続されており、このガス供給管６６は、マスフローコントローラ６８及び開閉弁７０を介して純粋ガス源としてのＮ2ボンベ７２及びＯ2ボンベ７４に共通
に接続されて窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを導入し得るようになっている。
【００１８】
ここで使用される純粋ガスに関して、パーティクルに対するクリーン度は、通常のクリーンルームと同様に勿論高く維持されているが、その他に、膜厚測定値の変動原因となる水分やハイドロカーボンの含有量が非常に小さくなるように調整されている。例えば、水分に関しては両ガスの露点は、例えば−５０℃以下、好ましくは−１００℃以下に設定するのがよい。また、窒素に酸素との混合比は、人間に対する安全性を考慮して例えば４：１として、通常の大気の混合比と略同じとなる様に設定するのがよい。
そして、各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅからは、含有水分の極めて少ないドライガスを放出することからこれが静電気を帯びている恐れもあり、そのため、この静電気を中和する目的で各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅの先端近傍には、イオナイザ７５が取り付けられている。
また、キャリア搬送空間３６を覆う覆い部材３８及びウエハ搬送空間５２を覆う覆い部材５２には、それぞれ内部雰囲気を排出する排気口７６、７８が設けられており、これらの排気口７６、７８は、図示しない工場排気系に接続される排気通路８０に連結されている。そして、この工場排気系の圧力変動に備えて、この排気通路８０には、自動圧力調整弁８２が介設されている。
【００１９】
次に、以上のように構成された本実施例の動作について説明する。
まず、オペレータ等が、キャリアＣが内部に収納された密閉キャリアボックス１２を導入ステージ１０上の所定の位置に載置し、この容器本体１４のフランジ部１４Ａを容器ホルダ２９でステージ１０側へ固定する。このキャリアＣ内には、膜厚測定のために多数枚、例えば２５枚のウエハＷが収容されており、また、ボックス１２内には、膜厚測定装置内の雰囲気ガスと同じガス、すなわちパーティクルが少ないのは勿論のこと水分やハイドロカーボン等の不純物も極めて少ない純粋ガスにより満たされており、ウエハ表面にこれらの不純物が付着することを抑制している。
フランジ部１４Ａをステージ側へ固定したならば、キャリア搬送空間３６内に位置する垂直移載アーム３４を上昇させて、昇降台２８の回転ピン３０を容器底部１６の回転リング機構２２に係合させ、これを回転してロックピン２０を内側へ引き込むことによって容器底部１６とフランジ部１４Ａとの係合を断つ。この状態で垂直移載アーム３４を降下させると、容器底部１６上に収納されているカセットＣが一体的に沈み込んで、キャリアＣがキャリア搬送空間３６内に取り込まれることになる。尚、この状態では、カセット挿通孔２６は、容器本体１４により閉塞されており、内部空間は外気と遮断されている。
【００２０】
カセットＣの取り込みを完了したならば、次に、キャリア搬送アーム４０を駆動して、この爪部４２でキャリアＣの上部を把持し（図３参照）、アーム４０を下方向へ旋回させることによってキャリアＣを隣のキャリアエレベータ４４のエレベータ台４４Ａ上に移載する。そして、このキャリアエレベータ４４を上昇駆動させて、エレベータ台４４Ａを持ち上げ、キャリア挿通孔４６を介してキャリアＣをウエハ搬送空間４８内に導入する。
キャリアＣをウエハ搬送空間４８内に導入したならば、この空間４８内に設けられている搬送アーム６２を屈伸及び旋回させてキャリアＣ内のウエハＷを検査台５４上に移載する。そして、検査台５４上に移載されたウエハＷの表面に、測定光照射部５６より測定光Ｌを照射し、この反射光を測定光検出部５８にて検出することによりこのウエハ表面に形成されている膜厚を測定することになる。
膜厚の測定が完了したウエハＷは、搬送アーム６２によりエレベータ台４４Ａ上のカセットＣ内に戻され、この高さ調整をして未測定の次のウエハＷをアーム６２で保持し、検査台５４に移載して同様に膜厚測定を行なう。
そして、カセットＣ内の全てのウエハＷの膜厚測定が完了したならば、前記した操作と逆の工程を経て密閉キャリアボックス１２内にカセットＣを戻し、膜厚の測定操作を終了することになる。
【００２１】
さて、このような膜厚測定を行なう間、この装置内は純粋ガスにより満たされているので、ウエハ表面にパーティクルは勿論のこと膜厚変動要因となる水分やハイドロカーボン等の不純物が付着することはなく、膜厚を精度良く評価することができる。すなわち、覆い部材３８、５２に設けた５つの純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅから、高純度のＮ2ガスとＯ2ガスを内部に導入して、この純粋ガス
でキャリア搬送空間３６、ウエハ搬送空間４８及び測定空間５０内を満たしているので、ウエハ表面に水分等がほとんど付着することがなく、従って、内部でウエハＷの待機時間が長くなっても膜厚の測定値が変動することを抑制することが可能となる。
この場合、各空間３６、４８、５０内の圧力は、外気に対して、例えば数Ｔｏｒｒ程度の陽圧状態にしておき、シール性の劣る部分からクリーンルーム内の比較的多くの水分等を含む清浄空気が各空間内に侵入してくるのを防止するのがよい。これにより、ウエハ表面に水分等が付着することを一層抑制することができる。
更に、この場合、排気通路８０が接続されている工場排気系に何らかの要因で圧力変動が生じたとしても、この排気通路８０に介設した自動圧力調整弁８２の作用により、各空間３６、４８、５０内の圧力を、常時、陽圧状態に維持することが可能となり、外気が内部に侵入することを略確実に防止することが可能となる。
この時の各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅからのガス流量は、１つの導入部当たり、装置の空間の容量及びガス導入部の数にもよるが、例えば最大５０リットル／分程度である。
【００２２】
また、このように高度に乾燥した純粋ガスを内部に導入すると、ガスが流路を通ってくる時に静電気が発生し、これがために膜厚測定系に種々の悪影響を及ぼすことが考えられるが、各純粋ガス導入部６４Ａ〜６４Ｅには、イオナイザ７５を設けて導入されるガスの静電気を中和するようになっているので、測定系等に悪影響を及ぼすことを未然に防止することができる。
また、密閉キャリアボックス１２には、ガス導入部１８が設けてあるので、このガス導入部１８からも上記純粋ガスを導入するようにすれば、水分等がウエハに付着することを一層防止することが可能となる。
尚、ここでは各空間を覆い部材３８、５２で覆うに際して、かなり高いシール性を持たしているが、前述のように内部を陽圧状態にしておけば、シール性がそれ程高くなくても外気の侵入を防止できるので、水分等の付着を防止するという当初の目的を達成することができる。
【００２３】
また、ここでは純粋ガスとして水分などの不純物が極めて少ないＮ2ガスとＯ 2 ガスの混合ガスを用いたが、これに代えてＮ2ガス単独で用いてもよいし、更 には他の不活性ガス、例えばＡｒガス、Ｈｅガス等を単独で、或いは混合状態で用いるようにしてもよい。
更には、本実施例では、熱酸化膜の膜厚測定を例にとって説明したが、ＣＶＤ成膜の測定に用いてもよく、また、被検査体として半導体ウエハに限らず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも適用できるのは勿論である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の膜厚測定装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
搬送空間と測定空間とを覆い部材で覆って内部を純粋ガスにより満たすようにしたので、被検査体の表面にパーティクルは勿論のこと水分やハイドロカーボン等の不純物が付着することがない。
従って、測定前の待機時間に依存して膜厚測定値が変動することがなく、膜厚の正しい評価を行なうことができる。
また、成膜後の被検査体の時間管理を行なう必要もなくすことができる。
更に、イオナイザを設けることにより、導入される純粋ガス中の静電気を中和することができ、静電気に伴って発生する悪影響をなくすことができる。
また、純粋ガス中のＯ2ガス成分を所定量に設定することにより、オペレータ に対する安全性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る膜厚測定装置を示す断面構成図である。
【図２】図１に示す装置の導入ステージ近傍を示す拡大断面図である。
【図３】キャリアを移載するキャリア移載アームを示す図である。
【図４】半導体ウエハ表面上の薄膜の膜厚測定値の時間依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
２ 膜厚測定装置
４ 基台ベース
１０ 導入ステージ
１２ 密閉キャリアボックス
１４ 容器本体
２８ 昇降台
３６ キャリア搬送空間
３８、５２ 覆い部材
４４ キャリアエレベータ
４８ ウエハ搬送空間
５０ 測定空間
５４ 検査台
５６ 測定光照射部
５８ 測定光検出部
６４Ａ〜６４Ｅ 純粋ガス導入部
７２ Ｎ2ボンベ
７４ Ｏ2ボンベ
７５ イオナイザ
Ｌ 測定光
Ｗ 半導体ウエハ（被検査体）
Claims (6)
- 被検査体が複数収容されたキャリアを載置する昇降台を有する導入ステージから前記被検査体を内部に取り込み、前記被検査体を検査台まで搬送して前記検査台に移載し、前記被検査体に測定光を照射して前記被検査体の表面に形成されている薄膜の厚さを測定する膜厚測定装置において、
前記導入ステージの下方に設けられて覆い部材により密閉状態で形成されたキャリア搬送空間と、
前記キャリア搬送空間に連通して設けられて覆い部材により密閉状態に形成された被検査体搬送空間と、
前記被検査体搬送空間に連通して設けられて覆い部材により密閉状態に形成された測定空間と、
前記キャリア搬送空間内に設けられて前記昇降台を昇降させて前記キャリアを内部に取り込むための垂直移載アームと、
前記キャリア搬送空間内に設けられて前記キャリアを前記被検査体搬送空間内へ搬入するためのキャリアエレベータと、
前記キャリア搬送空間内に設けられて前記載置台と前記キャリアエレベータとの間で前記キャリアを移載するためのキャリア搬送アームと、
前記被検査体搬送空間内に設けられて、前記キャリアエレベータによって前記被検査体搬送空間内に導入された前記キャリアと前記検査台との間で前記被検査体を移載する搬送アームと、
前記キャリア搬送空間と前記被検査体搬送空間と前記測定空間に、不純物が極めて少ない純粋ガスが充填されているガス源より前記純粋ガスを導入するようにそれぞれ設けられた純粋ガス導入部と、
を備えるように構成したことを特徴とする膜厚測定装置。 - 前記導入ステージには、前記キャリアが収納された密閉キャリアボックスが載置され、前記昇降台は前記密閉キャリアボックスの容器本体を前記導入ステージ上に残すと共に、容器底部に前記キャリアを載置した状態で前記キャリア搬送空間内に沈み込むようになされていることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
- 前記純粋ガス導入部の近傍には、これより吹き出される純粋ガスを電気的に中和させるイオナイザを設けるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の膜厚測定装置。
- 前記純粋ガスは、不活性ガス或いはこれに所定量の酸素を含んだ混合ガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の膜厚測定装置。
- 前記純粋ガス導入部の測定空間内の露点は、−５０℃以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の膜厚測定装置。
- 前記キャリア搬送空間と前記被検査体搬送空間と前記測定空間は、それぞれ外気に対して陽圧に維持されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の膜厚測定装置。
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