JP4218093B2

JP4218093B2 - 試料の保持方法，試料の保持装置、および荷電粒子線装置

Info

Publication number: JP4218093B2
Application number: JP32632598A
Authority: JP
Inventors: 隆佐藤; 和仁鴫原; 雅之大塚; 功一早川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-17
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: JP2000149845A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の保持方法，試料の保持装置、および荷電粒子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子線を用いて半導体ウェハを加工する装置または半導体ウェハ上の回路パターンを検査する装置は、被加工物または被検査物である半導体ウェハを保持する装置を有している。
【０００３】
このような装置の一例として、電子線測長機がある。これは、半導体ウェハ上に作り込まれた回路パターンの幅，位置を測定するもので、荷電粒子線として電子線を用い、電子線プローブ，画像処理装置，レーザ測長器付き試料ステージ等から構成されている。この電子ビーム測長機においては、電子線によって回路パターンの素子を損傷させることなく、所望の精度，分解能で回路パターンの幅，位置を測定するために、半導体ウェハに電圧を印加して電子線の照射エネルギ強度を制御している。この電圧の印加をリターディングと呼ぶ。この技術は例えば、特開平2−142045 号公報や特開平5−258703 号公報に記載されている。
【０００４】
ところで、リターディングにより半導体ウェハの上方空間に電界が生ずるが、この電界は半導体ウェハの端部付近で均一でなく乱れており、その結果、電子線の軌道が不規則に曲げられるため、半導体ウェハの端部付近では正確な回路パターンの位置の測定が困難であった。このような電界の乱れによる影響は、電子線測長機に限らず、荷電粒子線を用いてリターディングを採用した装置であれば発生する可能性がある。上記従来技術には、半導体ウェハの端部の電界乱れについて記載されていない。
【０００５】
また、上記のような荷電粒子線装置に試料である半導体ウェハを固定するために、試料の保持装置が用いられるが、上記リターディングのための電圧の試料への印加は、保持装置を介して行われる。
【０００６】
この試料の保持装置の構成は従来より種々工夫されており、例えば特開昭60−167245号公報には、真空中で作用する保持体によって半導体ウェハを確実に保持する構成が記載されている。しかしながら、上記リターディングによって発生する半導体ウェハの端部の電界乱れについて、試料の保持装置の側から対応したものは見当たらない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、試料の保持装置を介して試料にリターディングのための電圧を印加することに着目し、上述の半導体ウェハの端部の電界乱れを緩和できる実施容易な試料の保持方法，試料の保持装置、および荷電粒子線装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、下記の構成としたものである。
【０００９】
試料の保持方法においては、保持装置を貫通する昇降ピンに試料を載せ、昇降ピンを下降させて保持装置に設けた支持台に試料を載せ、試料に電子線の照射エネルギ強度を制御するリターディング電圧を印加し、試料の外縁を取囲むように設けられ、試料が保持装置に保持されたときに試料の表面との高さの差が２００マイクロメートル以下であり、かつ試料の端面との隙間が０.５ミリメートル以下となる導体板に試料に印加されるリターディング電圧と同じ電圧を印加するものである。
【００１０】
試料の保持装置においては、試料を載せる昇降ピンが貫通するとともに、昇降ピンが下降して試料を載せ、電子線の照射エネルギ強度を制御するリターディング電圧を印加する支持台と、試料の外縁を取囲むように設けられ、試料が支持台に載せられたときに試料の表面との高さの差が２００マイクロメートル以下であり、かつ試料の端面との隙間が０.５ミリメートル以下であり、試料に印加されるリターディング電圧と同じ電圧が印加される導体板とを有するものである。
【００１１】
荷電粒子線装置においては、荷電粒子線の試料への照射に際して試料へリターディングの電圧を供給するリターディング電圧供給装置と、試料を載せる昇降ピンが貫通するとともに、昇降ピンが下降して試料を載せる支持台と、試料の外縁を取囲むように設けられ、試料が支持台に載せられたときに試料の表面との高さの差が２００マイクロメートル以下であり、かつ試料の端面との隙間が０.５ミリメートル以下であり、試料に印加されるリターディング電圧と同じ電圧が印加される導体板とからなる試料の保持装置とを有するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。図１に電子線測長機の構成の概略を縦断面図で示す。図１において、試料であるウェハ１はキャリア２からアームが回転と上昇をするＲΘＺ駆動型の搬送ロボット３により搬出され、エアロックチャンバ４内にゲート５を通して搬入された後、ホルダ６上に移載される。次に、ゲート５が閉じられ、バルブ７が開けられ、ポンプ８によりエアロックチャンバ４内が真空排気される。ゲート９で仕切られたワークチャンバ１０内は常時真空排気され、両チャンバの真空度が近づいた後、ゲート９が開けられ、ウェハ１が搭載されたホルダ６がワークチャンバ１０内のステージ１１上に搬入，移載され、測定環境へのウェハ１の搬入が終了する。
【００１３】
次に、ウェハ１上の測定対象である第一のパターンが電子光学系装置１２の下方にくるようにステージ１１が移動し、ステージ１１が停止した後、リターデング電圧の印加されたウェハ１に向って電子線１４が入射する。ステージ１１はレーザ干渉計１３により位置が計測されており、その位置情報によって移動が制御される。
【００１４】
放出される二次電子１５は検出器１６に導かれ検出される。電子線１４の走査により、前記第一のパターンを含む走査領域の信号がＥＢプローブ画像処理制御部１０５に取込まれる。画像処理では、信号処理により得られる第一のパターンの中心から基準座標までの偏差とステージ（またはウェハ）の位置に対応した計測座標との加減算から、第一のパターンの中心の座標が測定される。次に、第二のパターンが同様にして測定され、第一のパターンの中心と第二のパターンの中心の差に基づいて、両パターンのピッチが計算される。
【００１５】
ウェハ１について予定された一連の測定が実行された後、ウェハ１の搬出のため、ホルダ６はエアロックチャンバ４まで、ウェハ１は更にキャリア２まで、前記と逆の順序で搬送され、引続き次のウェハ１が順次同様に測定される。
【００１６】
上記各制御は、ウェハ搬送制御部１０１，ホルダ搬送制御部１０２，真空排気制御部１０３，ステージ駆動位置計測制御部１０４，ＥＢプローブ画像処理制御部１０５とそれらを統括する中央処理装置１００の協調により実行される。
【００１７】
本発明の第一の実施例を図２から図５に示す。
【００１８】
図２は機械的保持方式のホルダ２１を上から見た上面図、図３は図２に示す導体板３３ａ，３３ｂの一部を切り欠いた上面図、図４と図５は図２のＡＡ断面図である。
【００１９】
図３において、ホルダ２１上にはウェハ２２の底面を支持する支持台２３ａ，２３ｂ，２３ｃが固定され、また、ウェハ２２の端面あるいは端面ノッチ部に対応してウェハ２２を固定する固定保持ピン２４ａ，２４ｂが取付けられ、ウェハ２２を挟み込むように作用する移動保持ピン２４ｃとの協調により、移載後のウェハ２２を水平方向（ＸＹΘ方向）に位置決め、保持する。
【００２０】
ここで移動保持ピン２４ｃは支点２５により揺動案内された従動レバー２６に取付けられ、該従動レバー２６は同様に揺動案内された駆動レバー２７に設けられた圧縮ばね２８により、駆動ピン２９に押付けられ、図１に示したエアロックチャンバ４での真空あるいは大気圧状態に対応して伸縮する大気圧ガスが封入されたベローズ３０の作用により、真空では移動保持ピン２４ｃがウェハ２２を挟み込む（すなわち、閉じる）ように、大気圧では開くように動作する。
【００２１】
更に、駆動レバー２７には斜面３１ａ，３１ｂが設けられ、各々支点３２ａ，３２ｂにより揺動案内された導体板３３ａ，３３ｂの底面に設けられた従動ピン３４ａ，３４ｂに対応し、引張りばね３５ａ，３５ｂにより閉じる方向に付勢された導体板３３ａ，３３ｂを、真空では閉じるように、大気圧では開くように駆動する。
【００２２】
大気圧から真空に移行する過程において、導体板３３ａ，３３ｂは、固定保持ピン２４ａ，２４ｂに向ってウェハ２２を挟み込む移動保持ピン２４ｃを追うように閉じ、その後には、導体板３３ａ，３３ｂと固定保持ピン２４ａ，２４ｂが移動保持ピン２４ｃとウェハ２２とを挟み込む状態になる。
【００２３】
ここで、導体板３３ａ，３３ｂは、ホルダ２１に固定されたばね掛け３６と引張りばね３５ａ，３５ｂにより、ホルダ２１に対し電気的に接続され、更に移動保持ピン２４ｃを経由してウェハ２２に接続されている。一方、ウェハ２２の他端は固定保持ピン２４ａ，２４ｂを経由してホルダ２１に接続され、また、該固定保持ピン２４ａ，２４ｂの外側には、第３の導体板３３ｃが電気的接続を兼ねてホルダ２１に固定され、前記導体板３３ａ，３３ｂと併せてウェハ２２の全周を取囲んでいる。
【００２４】
上記導体板３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、その表面高さがウェハ２２の表面とほぼ同一に、閉状態でのウェハ２２の外縁との隙間が０.５ミリメートル以下に構成されている。この高さは後述する発明者らの実験により、２００マイクロメートル以下であると、電界の乱れを緩和する効果がある。
【００２５】
また、固定保持ピン２４ａ,２４ｂ，移動保持ピン２４ｃや支点３２ａ,３２ｂの表面高さも、ウェハ２２の表面に近く構成され、ステージ１１の上でホルダ
２１の底面から印加されたリターデング電圧によるウェハ２２の表面側の周辺の電界乱れを緩和する助けとなっている。
【００２６】
次に、ウェハ２２の搬送，移載について説明する。ウェハ２２の搬入に際し、図１に示したエアロックチャンバ４は大気開放され、ゲート５は開き、図３に示したホルダ２１の導体板３３ａ，３３ｂ，移動保持ピン２４ｃも開き、図４に示す昇降駆動部３７の上部に設けられた昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃは、ホルダ２１の対応する穴を通って上昇状態で待機している。図４中に破線で示したハンド３９は図１に示した搬送ロボット３の一部であり、昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃはこのハンド３９と干渉しないように配置されている。
【００２７】
図４に示すように、ウェハ２２はハンド３９により図１に示したゲート５を通ってホルダ２１を貫通する昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃの上に搬送され、ハンド３９が下降して、ウェハ２２が昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃへ載せられた後、ハンド３９はゲート５の外へ後退し、昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃが下降する途中でウェハ２２は支持台２３ａ，２３ｂ，２３ｃの上へ載せられる。
このようにして、ウェハ２２は、図２または図３に示すように固定保持ピン
２４ａ，２４ｂ，移動保持ピン２４ｃの内接円内に置かれる。なお、ウェハ２２の搬出は上記と逆の順序で行われる。
【００２８】
以上述べた、本発明の第一の実施例における効果を下記する。
【００２９】
１．ウェハはホルダと一体の支持台上で保持されるため、安定して保持される。２．ウェハはその端面が保持ピンと、裏面がロボットハンド，昇降ピン，支持台と接触するのみであるため、異物付着の可能性が少なくなり、付着異物を低減できる。
【００３０】
３．ウェハの直径がばらついても、導体板は移動保持ピンを挟んで位置決めされるため、ウェハの外縁と導体板との隙間を０.５ミリメートル以下にすることが可能である。
【００３１】
４．以上のように構成が簡単なので、実際の装置の製作，各部の動作の信頼性の確保が容易である。
【００３２】
本発明の第二の実施例を図６から図８に示す。
【００３３】
図６は静電吸着方式のホルダ４１を上から見た上面図、図７と図８は図６の縦断面図である。
【００３４】
図７において、ホルダ４１上にはウェハ２２を支持台を兼ねて静電吸着保持する静電チャック４２と、ウェハ２２を取囲むようにホルダ４１に固定された導体板４３が設けられ、ステージ１１上においてリターデング電圧Ｅｒが導体板４３に、静電チャック電圧Ｅｓがホルダ４１に印加されるように構成されている。
【００３５】
エアロックチャンバ４には、図８に示す昇降駆動部３７がホルダ４１の下方に設けられ、ホルダ４１に設けられた穴を通して昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃを駆動することによりウェハ２２を昇降する。
【００３６】
図８中に破線で示したハンド３９により昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃの上に搬入され、載せられたウェハ２２は、第一の実施例におけるホルダ上の保持ピンによる位置決めの代りに、ホルダ４１の上方のハンド３９と競合しない位置に配置された中心合せ方式のウェハ位置決め装置４４により、ウェハ２２を取囲むように開いた導体板４３の開口と同心のＸＹΘ位置に位置決めされ、昇降ピン
３８ａ，３８ｂ，３８ｃの下降により静電チャック４２の上に、導体板４３の開口の中心と中心を合せて載せられる。そして、静電チャック電圧Ｅｓの印加によりウェハ２２はホルダ４１に保持され、測定が行われる。
【００３７】
導体板４３の高さとウェハ２２の高さの差は、本発明の第一の実施例と同様に２００マイクロメートル以下、隙間は０.５ミリメートル以下に設定されている。
【００３８】
なお、ウェハ２２に設けられたノッチやオリエンテーション・フラットを検出するようにすれば、ウェハ２２の回転位置をパターンウェハ位置決め装置４４で補正することも可能である。
【００３９】
以上述べた、本発明の第二の実施例における効果を下記する。
【００４０】
１．ウェハの直径がばらついても、ウェハ位置決め装置により中心合せが行われるため、ウェハの外縁と導体板との隙間を０.５ミリメートル以下にできる。
【００４１】
２．ウェハの回転を検出し、ウェハ位置決め装置のΘ駆動に帰還することにより、ステージ座標軸に対する回転補正ができる。
【００４２】
なお、本発明の第一の実施例および第二の実施例は、本発明による試料の保持装置および保持方法を電子線測長機に適用した場合について述べたが、他の例として、ウェハ上のパターンをこれより離れた位置にある同一形状のパターンと比較してパターンの欠陥を検出する検査装置に適用した場合、ウェハの縁に近い部分に形成された半導体チップの検査の精度が上がり、また不良原因究明が容易になって歩留まり向上に寄与することができるという効果がある。また、半導体ウェハの加工装置，上記実施例以外の測定装置，検査装置に用いても、試料の端部まで加工，測定，検査が可能になるという効果がある。
【００４３】
以上述べた実施例による、電界の乱れの緩和の効果を説明する。
【００４４】
図９に、ウェハ２２の端部に導体板３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３の突起がウェハ２２より１ミリメートルだけ高い場合の電界シミュレーションの結果による電界分布図を示す。電界の状態を示す等電位線５０の疎密が均等でない場所が電界が乱れている場所である。勾配シールド電極５１はウェハ２２と同電位としてウェハ２２の表面に電位勾配を生じないようにするものである。また、シミュレーションのため、ウェハ２２は上記本発明の実施例のように支持台２３ａ，23ｂ，２３ｃの上に載せられている構造とはなっていない。図９（ａ）は電子線１４の照射位置が突起から５ミリメートル離れている場合、図９（ｂ）は電子線１４の照射位置が突起から１０ミリメートル離れている場合である。
【００４５】
図９（ａ）と（ｂ）とを比較すると、（ｂ）よりも（ａ）の方、すなわち突起が電子線１４に近い方が電界の変動がみられる。突起から５ミリメートルの範囲は電界の変動がみられ、電子線１４の照射位置が乱される可能性が高いことが予想される。
【００４６】
図１０に、ウェハ２２の端部周囲が空間である場合の電界シミュレーションの結果による電界分布図を示す。ウェハ２２は静電チャック４２の上に載せられている。図１０（ａ）は電子線１４の照射位置がウェハ２２の端部から５ミリメートルの場合、図１０（ｂ）は電子線１４の照射位置がウェハ２２の端部から１０ミリメートルの場合である。
【００４７】
図１０（ａ）と（ｂ）とを比較すると、（ｂ）よりも（ａ）の方、すなわち電子線１４の照射位置がウェハ２２の端部に近いほど等電位線５０の変動が大きく、電子線１４の照射位置が乱される可能性が高いことが予想される。したがって、ウェハ２２の端部に大きな空間を設けることは避けなければならないことがわかる。
【００４８】
ウェハ２２の端部から外側に高さのある突起または低い空間を設けた場合、電子線１４の照射位置が乱されない範囲は、ウェハ２２の端部から少なくとも１０ミリメートル内側であることがわかった。
【００４９】
以上の電界シミュレーションの結果による電界分布図をみると、ウェハ２２の端部の電界の変動を防いで電子線１４の照射位置への影響を防止するためには、導体板３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３のウェハ２２の端部周辺を、ウェハ２２の表面と同じ高さにすると効果があることが判明した。
【００５０】
また、ウェハ２２の高さ寸法と導体板３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３の高さ寸法とを完全に同じにすることは機械加工や組立の時の誤差等により困難であるが、発明者らの実験によれば、ウェハ２２の端部表面と導体板３３ａ，３３ｂ，
３３ｃ，４３の高さの差が２００マイクロメートル以下であれば、電子線１４の照射位置への影響がほとんど無視できることがわかった。
【００５１】
また、ウェハ２２と導体板３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３との間には隙間が出来る。発明者らの実験によれば、この隙間は０.５ミリメートル以下であれば、電子線１４の照射位置への影響がほとんど無視できることがわかった。
【００５２】
なお、本発明の構成として、以下に示すものでもよい。
【００５３】
１．荷電粒子線を照射して試料の加工または検査を行う荷電粒子線装置において、前記試料を底面で支持する支持台と、前記試料を前記支持台の上に搬入する際、前記試料を底面で支持し前記試料の外縁との干渉を避けて構成された昇降駆動手段と、前記試料の表面とほぼ同一高さであって前記試料と同じ電圧が印加されるとともに前記試料の外縁を取囲むように開閉可能な複数の導体板とからなる前記試料の保持装置とからなることを特徴とする荷電粒子線装置。
【００５４】
２．荷電粒子線を照射して試料の加工または検査を行う荷電粒子線装置において、前記試料を底面で保持する静電チャックと、前記試料を該静電チャックの上に搬入する際、前記試料を底面で支持し、前記試料の外縁との干渉を避けて構成された昇降駆動手段と、前記搬入前に前記試料を水平方向で位置合せする手段と、前記試料の表面とほぼ同一高さであって前記試料と同じ電圧が印加されるとともに前記試料の外縁を取囲むように開閉可能な複数の導体板とからなる前記試料の保持装置とからなることを特徴とする荷電粒子線装置。
【００５５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体ウェハの端部の電界乱れを緩和できる実施容易な試料の保持方法，試料の保持装置、および荷電粒子線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子線測長機の構成の概略を示す縦断面図。
【図２】機械保持方式のホルダの上面図。
【図３】図２に示す導体板の一部を切り欠いた上面図。
【図４】図２のＡＡ断面図。
【図５】図２のＡＡ断面図。
【図６】静電吸着方式のホルダの上面図。
【図７】図６の縦断面図。
【図８】図６の縦断面図。
【図９】ウェハ表面上の縦断面の電界分布シミュレーションの結果を示す電界分布図。
【図１０】ウェハ表面上の縦断面の電界分布シミュレーションの結果を示す電界分布図。
【符号の説明】
１，２２…ウェハ、６，２１，４１…ホルダ、１４…電子線、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…支持台、２４ａ，２４ｂ…固定保持ピン、２４ｃ…移動保持ピン、
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３…導体板、３７…昇降駆動部、３８ａ，３８ｂ，３８ｃ…昇降ピン、４２…静電チャック、４４…ウェハ位置決め装置。

Claims

試料に電子線を照射して検査を行う電子線検査装置の試料の保持方法において、
前記試料を保持する保持装置を貫通する昇降ピンに試料を載せ、
該昇降ピンを下降させて前記保持装置に設けられた支持台に試料を載せ、
該試料に前記電子線の照射エネルギ強度を制御するリターディング電圧を印加し、
前記試料の外縁を取囲むように設けられ、前記試料が前記保持装置に保持されたときに前記試料の表面との高さの差が２００マイクロメートル以下であり、かつ前記試料の端面との隙間が０.５ミリメートル以下となる導体板に前記試料に印加されるリターディング電圧と同じ電圧を印加することを特徴とする試料の保持方法。
請求項１の記載において、
前記保持装置に設けられた固定保持ピンと移動保持ピンとで前記試料の水平方向の移動を拘束するとともに、
前記導体板は分割され、その一部が前記移動保持ピンの移動に連動して移動することを特徴とする試料の保持方法。
試料に電子線を照射して検査を行う電子線検査装置の試料の保持装置において、
前記試料を載せる昇降ピンが貫通し、
該昇降ピンが下降して前記試料を載せ、前記電子線の照射エネルギ強度を制御するリターディング電圧を印加する支持台と、
前記試料の外縁を取囲むように設けられ、前記試料が前記支持台に載せられたときに前記試料の表面との高さの差が２００マイクロメートル以下であり、かつ前記試料の端面との隙間が０ . ５ミリメートル以下であり、前記試料に印加されるリターディング電圧と同じ電圧が印加される導体板とからなることを特徴とする試料の保持装置。
請求項３の記載において、
前記試料の水平方向の移動を拘束する固定保持ピンと移動保持ピンとを有するとともに、
前記導体板は分割され、その一部が前記移動保持ピンの移動に連動して移動することを特徴とする試料の保持装置。
試料に電子線を照射して検査を行う電子線検査装置において、
前記電子線の前記試料への照射に際して、前記電子線を減速させるリターディングの電圧を前記試料へ供給するリターディング電圧供給装置と、
前記試料を載せる昇降ピンが貫通し、該昇降ピンが下降して前記試料を載せる支持台と、前記試料の外縁を取囲むように設けられ、前記試料が前記支持台に載せられたときに前記試料の表面との高さの差が２００マイクロメートル以下であり、かつ前記試料の端面との隙間が０ . ５ミリメートル以下であり、前記試料に印加されるリターディング電圧と同じ電圧が印加される導体板とからなる試料の保持装置と
を有することを特徴とする荷電粒子線装置。