JP4880941B2 - 真空搬送装置およびこれを備えた荷電粒子線検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば半導体ウェハなどの試料の搬送およびその検査などに用いられる真空搬送装置およびこれを備えた荷電粒子線検査装置に関する。

一般に、半導体ウェハなどの検査では、荷電粒子線を用いたものが多く、半導体検査装置の真空試料室内に半導体ウェハなど検査試料を搬入し、減圧雰囲気下で荷電粒子線を走査することにより取得される画像などからライン幅、スルーホール径の測定などの検査処理が行なわれるようになっている。
ところで、このように減圧雰囲気下で半導体ウェハなどの検査処理などを行う半導体検査装置では、スループットの向上、省フットプリント化（省フットスペース化）などが要求される。
この理由は、スループット向上による半導体デバイスの量産（生産歩留りの向上）および省フットプリント化によるクリーンルームの占有面積の削減を可能にすることが、半導体デバイスのコスト低減に大きく貢献できる点があるからである。

このような背景から、荷電粒子線を用いた半導体検査装置においては、真空試料室にゲートバルブによって開閉自在に仕切られた真空試料室より容積の小さい予備排気室（ロードロック室）を設け、この予備排気室を介して半導体ウェハなどを真空試料室内に対して搬送装置により搬入・搬出させるように構成されている。
このような構成にすることによって、真空試料室内を大気圧（常圧）に戻すことなく、半導体ウェハなどを真空試料室内に搬入・搬出することを可能にし、検査装置のスループットの向上を図っている。つまり、半導体ウェハなどを真空試料室内に搬入・搬出する毎に、真空試料室内を大気圧に戻すと、再び真空試料室内を減圧状態まで立ち上げて処理を開始するまでに多くの時間を要し、スループットの低下を招くことになる。

そこで、半導体ウェハなどを真空試料室内に対して搬入・搬出する毎に、真空試料室内を大気圧に戻すことなく、そして、真空試料室内に対する半導体ウェハなどの搬入・搬出を効率的かつ短時間で可能にするなどによってスループットの向上を狙った多種多様の搬送装置が提案され、知られている。
従来の搬送装置は、一般的に多関節アーム方式が知られており、この搬送装置は、大気側に置かれた駆動源の動力を、ベルトおよびプーリなどを用いて伝達して、それぞれ屈曲可能に直列に接続されている例えば３本のアームからなるアーム部全体を伸縮させるように構成されている。また、他の形態の搬送装置としては、いわゆる蛙の足のように屈曲可能な回転部を有するフロッグレッグ方式の搬送装置も知られている（例えば、特許文献１および特許文献２）。

また、従来では、旋回可能に支持された旋回アームと、この旋回アームの先端に屈曲可能に支持させた回転アームと、この回転アームの先端に、試料載置アームの中央部を回転可能に支持させることにより、試料載置アームの両端に設けられている載置部によって２枚の半導体ウェハの搬送を一度に取り扱うことができるように構成された搬送装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、従来では、第１から第３の３本のアーム部からそれぞれ屈曲可能に形成された多関節アーム方式の２つの搬送アームを、旋回軸の旋回中心に対して点対称に配置し、第３のアーム部の先端に半導体ウェハが載置されるウェハ載置部を設けることにより、２枚の半導体ウェハの搬送を一度に取り扱うことができるように構成された２つの搬送アームを有するフロッグレッグ方式の搬送装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。

また、駆動源によって回転させられるように中央部を回転可能に支持させた１本の回転アームの両端に、この回転アームの回転に伴って回転する短尺な中間アームをそれぞれ回転可能に支持させ、さらにこの中間アームの回転に伴って回転するとともに半導体ウェハが載置される試料載置アーム（セッティングプレート）を、前記両中間アームの先端にそれぞれ回転可能に支持させることにより、２枚の半導体ウェハの搬送を一度に取り扱うことができるように構成された搬送装置が知られている（例えば、特許文献５参照）。

特開平９−２８３５８８号公報（段落番号００２３、図１および図４） 特開２００１−１１８９０５公報（段落番号００１９〜００２１、図２、図３および図６） 特開平７−１４２５５１号公報（段落番号００１３〜００１７、図１および図２） 特開平７−１４２５５２号公報（段落番号００１４〜００２０、図１、図３および図７） 特開平８−１９５４２７号公報（段落番号００１１〜００１３、図１および図２）

ところで、特許文献３に記載の搬送装置は、未検査ウェハと検査済ウェハとの交換作業の際に、旋回アームに対して重なるように回転アームを縮退させた後に、試料載置アームをその中央部を支点として１８０度回転させる必要があることから、搬送装置が備えられる半導体検査装置の予備排気室は試料載置アームの回転半径分の占有面積が必要となり、それだけで大きな予備排気室が必要となる。
また、交換作業の際に、始めに未検査ウェハを試料載置アームの一端載置部に載置させた後に、旋回アームを所定の角度だけ旋回させて、試料載置アームの空の他端載置部を真空試料室側に向ける。この状態で回転アームを旋回アームに対して回転伸張させて試料載置アームの他端載置部を真空試料室に侵入させ、他端載置部で検査済ウェハを受け取る。
その後、回転アームを旋回アームに対して重なるように回転縮退させることにより試料載置アームを真空試料室から予備排気室に一旦退避（後退）させ、予備排気室で試料載置アームを１８０度回転させて未検査ウェハが載置されている試料載置アームの一端載置部を真空試料室側に向ける。この状態で再度、回転アームを旋回アームに対して回転伸張させて未検査ウェハを真空試料室に搬入させる動作が必要となる。つまり、旋回アームに対する回転アームの回転伸縮と試料載置アームを単独で１８０度回転させる２段階の回転動作が必要となる。
このように、特許文献３に記載の搬送装置は、試料載置アームの回転半径分に相当する占有面積の予備排気室が必要であることから、予備排気時間が長引く、しかも、検査済ウェハと未検査ウェハとの交換作業に時間が掛かり、結果として、必ずしもスループットの向上に優れているとはいえないものであった。
また、旋回用、伸縮用、回転用の３つの駆動源とそれぞれの動力伝達機構が必要であることから、構造の複雑化を招く。

また、特許文献４に記載の２つの搬送アームを有する搬送装置は、略同じように形成される２つの搬送アームを必要とすることから、構造が複雑で、装置自体が大型になり易く、結果として、広い占有面積の予備排気室が必要となり、その分、予備排気室の容積が増大して予備排気に時間がかかる問題がある。
また、真空試料室から一方の搬送アームにより検査済ウェハを受け取った後、一方の搬送アームを予備排気室に縮退させて装置全体を１８０度回転させるなどの２段階の動作が必要となり、結果として、検査済ウェハと未検査ウェハとの交換作業に時間が掛かり、必ずしもスループットの向上に優れているとはいえないものであった。

また、特許文献５に記載の搬送装置は、交換作業の際に、正転および逆転（反転）する動きをする回転アームの一連の回転動作の流れによって、真空試料室からの検査済ウェハの受け取り搬出と、未検査ウェハの試料真空室への搬入とを行うことができるために、前記した特許文献３および特許文献４に比べて交換作業の時間は短くて済む。しかし、回転アームの回転に伴う中間アームの回転、そして、この中間アームの回転に伴う試料載置アームの回転に、回転のズレが生じる恐れがある。
すなわち、試料載置アームの回転動力は、駆動源からの動力によって直接回転させられる回転アームの回転が、中間アームの回転を経由して伝達される。
したがって、中間アームの回転を試料載置アームに伝達するために、中間アームの回転部から試料載置アームの回転部に渡り備えられる動力伝達機構（両回転部に備えられるプーリと、この両プーリに渡り巻回状に張架される無端状のベルト）に空回りなどの伝達不良が生じると、回転アームの回転が中間アームを経由して試料載置アームに正確に伝達されず、該試料載置アームの回転に、回転のズレが生じる。
たとえば、一方の試料載置アームを真空試料室に回転侵入させて検査済ウェハを受け取る方向に回転アームが回転しても、中間アームの回転に伴って試料載置アームが検査済ウェハを受け取る位置まで正確に回転侵入されないなどの伝達不良による故障を引き起こす恐れがあり、信頼性の面で必ずしも優れているとはいえないものであった。

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るために創案されたものであり、その目的とするところは、構造が簡単で、試料の交換作業を短時間で行なうことができ、スループットの向上と、占有面積を低減させて省フットプリント化を実現させることができる真空搬送装置およびこれを備えた荷電粒子線検査装置を提供することにある。さらに、予備排気室の塵や埃などの異物の発生防止を実現することができる真空搬送装置およびこれを備えた荷電粒子線検査装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、第１の発明に係る真空搬送装置では、回転と上下の駆動源と、前記回転と上下の駆動源によって回転・上下動作が可能に支持されているアームと、前記アームの一端に回転可能に支持され、前記アームの回転に伴って回転し、試料を載置搬送する第1のハンドと、前記アームの他端に回転可能に支持され、前記アームの回転に伴って回転し、試料を載置搬送する第２のハンドと、前記アームの回転を前記第１のハンドおよび前記第２のハンドそれぞれの回転部に伝達することによって、前記第１のハンドと第２のハンドを、真空試料室と、当該真空試料室に試料を搬入するときに予備排気を行う予備排気室との間で移動させる動力伝達機構と、を備え、前記第１のハンドと前記第２のハンドとは互いに上下方向に離間するように支持されると共に、前記真空試料室と予備排気室との間の開口が閉鎖されているときには、前記アーム、第１のハンド、及び第２のハンドは、前記真空試料室に位置し、前記真空試料室と予備排気室との間の開口を開閉するゲートバルブを、前記開口の開放時、前記予備排気室の空間外に配置し、かつ、前記予備排気室は、その下壁に前記第1のハンドとその関節部および前記第２のハンドとその関節部を内部に入り込ませる掘り込みが設けられ、前記予備排気室の下面に載置された未検査ウェハを、前記掘り込み内に入り込んだ前記第1のハンドまたは前記第２のハンドが、上昇することにより受け取り前記真空試料室に搬送する一方、前記真空試料室から前記第1のハンドまたは前記第２のハンドで前記予備排気室内に搬送した検査済ウェハを、前記第1のハンドまたは前記第２のハンドを前記掘り込み内に下降させることで前記予備排気室の下面に載置して前記予備排気室に戻す。

第２の発明に係る荷電粒子線検査装置では、荷電粒子線を照射し、荷電粒子線を偏向後、試料上に照射する機能を有する荷電粒子線光学系と、前記荷電粒子線の照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出器と、前記試料が搬入される真空試料室と、前記真空試料室に前記試料を搬入・搬出するように隣接して備えられる予備排気室と、前記真空試料室内で搬入載せられた前記試料を特定の位置にまで移動させる試料ステージと、を有する荷電粒子線検査装置であって、前記予備排気室と前記真空試料室との間で、前記試料の搬送受け渡しを行うために、前記真空試料室に、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の真空搬送装置を設けて構成したことにある。

本発明によれば、第１のハンドと第２のハンドとを支持させたアームの回転と上下動作との２つの制御のみによって、例えば検査済ウェハの搬出と未検査ウェハの搬入とを同時に行うことが可能になり、試料の受け渡し交換を含めた搬送時間を大幅に短縮することができる。それによって、スループットの向上が図られるとともに、構造の簡素化を図ることができる。

また、本発明によれば、予備排気室は半導体ウェハ等の試料が収まる程度の容積と試料の搬送に必要な容積のみに抑えることができ、予備排気室の容積を必要最小限にすることが可能になり、省フットプリント化を実現するとともに、予備排気室の排気時間を大幅に短縮することができる。また、予備排気室に昇降駆動部が存在しないので、汚染の原因になる塵や埃などの異物の発生を抑えることができる。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の発明に係る真空搬送装置の一実施例を示す斜視図であり、図２は、同真空搬送装置の概略断面図であり、図３は、同真空搬送装置における動力伝達機構の一例を示す概略斜視図である。

≪真空搬送装置の説明≫
真空搬送装置２６は、図１に示されているように、大気Ｍ側（図２参照）に置かれる回転と上下との２つの駆動源２，１０によって回転と上下動作が可能に支持されるアーム１を真空Ｎ側（図２参照）に備えている。このアーム１の両端には第1のハンド２２および第２のハンド２３がそれぞれ回転可能に支持されており、アーム１の回転に伴って回転して半導体ウェハ２１などの試料を搬送するようにしている。アーム１の回転は、後記する動力伝達機構を介して第１のハンド２２および第２のハンド２３にそれぞれ伝達されて、第１のハンド２２および第２のハンド２３は、アーム１の回転に伴って回転するように構成されている。

≪アームの回転駆動源の説明≫
回転駆動源２は、アーム１を時計方向と反時計方向に回転させる正逆回転切換えを可能とするモータなどからなり、図２に示されているように、大気Ｍ側に配置され、この大気Ｍ側において同軸上に配されるカップリング３と、大気Ｍ側と真空Ｎ側とを仕切る仕切り壁Ｓに貫通状に設けられるシール４と、を介して真空Ｎ側に回転動力が導入されるようにしている。
ちなみに、シール４は、主に磁性体と蒸気圧の低い油の混成となる磁性流体シールであり、以下においてシール４を磁性流体シール４とも称する場合がある。

また、図２に示されているように、回転駆動源２は、真空Ｎ側において磁性流体シール４にカップリング３を介して同軸上に結合されるアーム１の回転駆動軸５を回転させるようにしている。この回転駆動軸５は、真空Ｎ側に設けられるベースプレート１４に転がり軸受１２を介して回転可能に支持されている。
また、回転駆動軸５は、真空Ｎ側に設けられるアーム支持部７に上下方向に移動が自由で、回転方向に拘束（係合）されて支持されている。つまり、回転駆動軸５とアーム支持部７との間にはボールスプライン構造が備えられており、このボールスプライン構造によって回転駆動軸５が上下方向に自由で、回転方向に拘束（係合）された状態でアーム支持部７に支持されて、このアーム支持部７に回転動力を伝達するようにしている。

アーム支持部７は、図２に示されているように、回転駆動軸５が摺動可能に貫通するアーム１の長さ方向中央部位に結合されて、回転駆動軸５の回転動力をアーム１に直結して伝達するようになっている。
また、アーム支持部７にはアーム支持部７の回転を動力伝達機構の後記する第１のプーリ１７に伝える回転フランジ８が同軸上に備えられており、この回転フランジ８は、アーム支持部７に対して回転方向に自由で、上下方向に拘束（係合）された状態で転がり軸受９を介してアーム支持部７に支持されている。そして、この回転フランジ８に第１のプーリ１７が同軸上に取り付けられている。

≪アームの上下駆動源の説明≫
上下駆動源１０は、アーム１が回転動作する際はアーム１を下降させ、そして、アーム１の回転に伴って回転する第１のハンド２２および第２のハンド２３によって半導体ウェハ２１（後記する検査済ウェハ２７および未検査ウェハ２８）などの試料をそれぞれ受け取ったり、受け渡すなどの際には上昇と下降とを繰り返すようになっている。
上下駆動源１０は、図２に示されているように、回転駆動源２と同様に大気Ｍ側に配置されるモータなどからなり、大気Ｍ側において同軸上に配されるカップリング３と、大気Ｍ側と真空Ｎ側とを仕切る仕切り壁Ｓに貫通状に設けられる磁性流体シール４と、を介して真空Ｎ側に回転動力を導入し、回転動力を同軸上に配されるアーム上下駆動用のボールネジ１１に回転させるようにしている。

ボールネジ１１は、図２に示されているように、真空Ｎ側において磁性流体シール４にカップリング３で同軸上に結合されるとともに、ベースプレート１４に転がり軸受１２を介して回転可能に支持されている。
そして、ボールネジ１１は、図２に示されているように、ベースプレート１４に直立に取り付けられているガイドベース１３に直動ガイド部材１６によって上下方向に移動可能に取り付けられたプーリベース１５に鍔付きナット部材１１ａを介して連結されて、プーリベース１５を上下方向に移動させるようにしている。つまり、ボールネジ１１の回転がプーリベース１５を上下させる上下動作に変換されることにより、アーム１を上昇させたり、下降させるように構成されている。（後記の図８および図９参照）

≪アーム、第１のハンドおよび第２のハンドの説明≫
図２に示されているように、アーム１は、その長さ方向中央部位をアーム支持部７に結合され、このアーム支持部７を介して回転駆動軸５に回転と上下動作が可能に支持されている。そして、このアーム１の両端には転がり軸受２０を介して第１のハンド２２および第２のハンド２３のそれぞれの回転軸１８，１９が回転自由で、上下方向に拘束された状態で取り付けられている。

回転軸１８，１９は、図２に示されているように、アーム１に対して一方が低く、他方が高くなるように取り付けられて、第１のハンド２２と第２のハンド２３とが互いに上下方向に適宜の間隔をおいて離間された状態で支持（配置）されるようにしている。そして、回転軸１８，１９のアーム１から下方に突出させた部位には、動力伝達機構の後記する第２のプーリ２４がそれぞれ同軸上に取り付けられており、第１のプーリ１７とベルト２５を介して連係されることによって、アーム１の回転駆動軸５の回転に伴って回転するようにしている。

このように、アーム１に対して第１のハンド２２と第２のハンド２３とを回転可能に、かつ、第１のハンド２２と第２のハンド２３とを上下方向に離間させて支持させることにより、第１のハンド２２および第２のハンド２３は、互いに干渉（衝突）することなく、アーム１の回転に伴って回転し、それぞれに載置される半導体ウェハ２１などの試料を搬送し得るようにしている。
なお、第１のハンド２２と第２のハンド２３との上下の離間間隔は特に限定されるものではないが、半導体ウェハ２１の厚みより大きい程度とすることが望ましい。

そして、本実施形態において、アーム１と第１のハンド２２およびアーム１と第２のハンド２３との回転比は１：２の関係に設定されている。さらに、図１に示されているように、アーム１の回転中心となる回転駆動軸５の軸芯Ｐ０から第１のハンド２２の回転軸１８の軸芯Ｐ１および第２のハンド２３の回転軸１９の軸芯Ｐ２までの軸間と、回転軸１８の軸芯Ｐ１と第１のハンド２２の試料載置中心位置Ｐ３および回転軸１９の軸芯Ｐ２と第２のハンド２３の試料載置中心位置Ｐ４との距離が等しく設定されている。

このように構成することにより、第１のハンド２２および第２のハンド２３は、前記したように互いに干渉することなく、アーム１の回転に伴って回転し、それぞれに載置される検査済ウェハ２７および未検査ウェハ２８などの試料を搬送するに際して、アーム１の回転中心（回転駆動軸５の軸芯Ｐ０）を通る直線Ｐ上に沿ってアーム１の回転に伴って回転し、それぞれに載置保持される検査済ウェハ２７および未検査ウェハ２８などの試料を直線的に搬送することとなる（後記の図４参照）。

≪動力伝達機構の説明≫
動力伝達機構の概略は図３に示されているように、第１のプーリ１７と第２のプーリ２４とにスチールなどからなるベルト２５の両端を固定することによって、第１のプーリ１７の回転に伴い第２のプーリ２４が回転するようにしている。そして、第１のプーリ１７と第２のプーリ２４との回転比は１：２となるように、第１のプーリ１７は第２のプーリ２４の２倍のピッチ径を有している。
ベルト２５は、アーム１が時計方向に回転した場合の回転を第１のハンド２２および第２のハンド２３に伝える正転側ベルトと、アーム１が反時計方向に回転した場合の回転を第１のハンド２２および第２のハンド２３に伝える逆転側ベルトと、を備え、この正転側ベルトと逆転側ベルトのそれぞれの端部を第１のプーリ１７と第２のプーリ２４に固定することによって、アーム１の回転に伴い第１のハンド２２および第２のハンド２３を回転させるようにしている。
このように構成することにより、ベルト２５と第１のプーリ１７および第２のプーリ２４との間で滑り現象などを生じることはなく、高い位置再現性を確保することが可能となる。

なお、図示を省略しているが、ベルト２５に換えてワイヤなどの他の連係手段を用いて第１のプーリ１７の回転を第２のプーリ２４に伝達するようにするなどの変更は任意である。

≪真空搬送装置の動作説明≫
つぎに、以上の基本構成からなる真空搬送装置２６の動作を簡単に説明する。
大気側に置かれた回転駆動源２を回転させると、回転動力は磁性流体シール４を介して真空Ｎ側に配置されたアーム１の回転駆動軸５に伝達される。
回転駆動軸５が回転すると、それに伴いアーム支持部７が回転するため、アーム支持部７に取り付けられているアーム１がアーム支持部７の回転方向に応じて回転する。すると、アーム１両端の第１のハンド２２の回転軸１８および第２のハンド２３の回転軸１９にそれぞれに取り付けられている第２のプーリ２４と、アーム支持軸７に回転フランジ８を介して取り付けられている第１のプーリ１７に、端部がそれぞれ固定されて架け渡されているベルト２５の一方が引っ張られ、第２のプーリ２４を回転させる。このとき、ベルト２５の他方側は緩み、第２のプーリ２４に巻き取られることで、第１のハンド２２および第２のハンド２３は回転される。
これにより、第１のハンド２２および第２のハンド２３に載置保持されている半導体ウェハ２１（検査済ウェハ２７および未検査ウェハ２８）などの試料を搬送することができる（後記の図４参照）。

そして、大気Ｍ側に置かれた上下駆動源１０を回転させると、磁性流体シール４を介して真空Ｎ側に配置されているボールネジ１１に伝達される。
ボールネジ１１が回転すると、それに伴いガイドベース１３に直動ガイド部材１６を介して上下移動可能に支持されているプーリベース１５がボールネジ１１の回転方向に応じて上下移動することで、プーリベース１５に取り付けられている第１のプーリ１７、この第１のプーリ１７に取り付けられている回転フランジ８、この回転フランジ８と回転方向が自由で、上下方向に拘束された状態で支持されているアーム支持部７、このアーム支持部７に取り付けられているアーム１、このアーム１の両端に回転可能に支持されている第1のハンド２２および第２のハンド２３も上下に移動する。
これにより、検査済ウェハ２７および未検査ウェハ２８などの試料を上げたり、下げたりする上下移動が可能になる（後記の図８および図９参照）。

≪真空搬送装置のウェハ交換シーケンスの説明≫
図４は、第１の発明に係る真空搬送装置におけるウェハ交換シーケンスの一例を示す図である。
次に、本実施形態の真空搬送装置２６のウェハ交換シーケンスについて、図４を参照しながら説明する。なお、ここでは半導体ウェハ２１を、検査済ウェハ２７と未検査ウェハ２８とに表現を変えて説明する。また、後記する図７、図８および図９をも参照する。
動作を開始する前においてアーム１は、通常、回転角度約９０度の状態で停止している。この状態は、アーム１上に、第１のハンド２２および第２のハンド２３が重なった状態になり、この状態が最も占有面積が小さくなる。この状態を図４（ａ）に示す。また、アーム１は下降した状態になっている（後記の図８参照）。

そして、試料交換位置、たとえば後記する真空試料室３４での検査が終了した検査済ウェハ２７と、後記する予備排気室３８に供給された未検査ウェハ２８との搬送交換を行うために、回転駆動源２によりアーム１を図４（ｂ）に矢印Ｘで示す時計方向へ回転させる。すると、この回転に伴い動力伝達機構により伝達される動力により、第１のハンド２２および第２のハンド２３は、アーム１の回転とは逆方向の反時計方向へ回転する。

そして、継続するアーム１の回転により、ウェハ載置位置までアーム１を回転させ、第１のハンド２２を未検査ウェハ２８の下に、第２のハンド２３を検査済ウェハ２７の下に入れる（図８参照）。その後、上下駆動源１０によりアーム１を上昇させ、第１のハンド２２に未検査ウェハ２８を、第２のハンド２３に検査済ウェハ２７をそれぞれ載置保持させる（図４（ｃ）の状態および図９参照）。このとき、第１のハンド２２と第２のハンド２３は上下方向に離間して配置されているため、まず、第２のハンド２３に検査済ウェハ２７が載置保持され、その後に第１のハンド２２に未検査ウェハ２８が載置保持される。

つぎに、未検査ウェハ２８と検査済ウェハ２７を搬送交換するため、回転駆動源２によりアーム１を図４（ｄ）に矢印Ｙで示す反時計方向に回転させる。すると、この回転に伴い未検査ウェハ２８を載置保持する第１のハンド２２および検査済ウェハ２７を載置保持する第２のハンドは、アーム１の回転とは逆方向の時計方向へ回転する。アームが９０度の状態で未検査ウェハ２８と検査済ウェハ２７が上下重なり合う。この状態を図４（e）に示す。さらに、継続するアーム１の反時計方向の回転により、未検査ウェハ２８と検査済ウェハ２７とはそれぞれの搬送方向に向けられる。この状態を図４（ｆ）に示す。

そして、図７に示されているように、ウェハ載置位置（試料ステージ３５と予備排気室３８）までアーム１を回転させたら、上下駆動源１０によりアーム１を下降させて未検査ウェハ２８と検査済ウェハ２７をそれぞれの場所に載置する。このとき、第１のハンド２２と第２のハンド２３は上下方向に離間して支持されているため、まず、第２のハンド２３に載置された検査済ウェハ２７が離れ、次に、第１のハンド２２に載置保持されている未検査ウェハ２８が離れ、それぞれの場所に載置されることにより、未検査ウェハ２８と検査済ウェハ２７とは完全に入れ替えられる。この状態を図４（g）に示す。

つぎに、回転駆動源２によりアーム１を時計方向に回転させる。この状態を図４（ｈ）に示す。さらに、アーム１を時計方向に継続して回転させ、アーム１の回転角度が約９０度の状態で停止させることで、ウェハ交換シーケンスが終了となる。この状態を図４（ｉ）に示す。
以後は、図４（ａ）の状態から前記した動作順によりシーケンスは繰り返される。

このように、アーム１の回転、上下動作の２つの動作を組み合わ制御することにより、短時間で半導体ウェハ２１の搬送と受け渡し交換を可能にする。

本発明の真空搬送装置２６を用いて搬送した場合、半導体ウェハ２１の中心は直線的に移動するが、アーム１の回転角度に伴い、Ｖノッチなども同時に回転することとなる。そのため、半導体ウェハ２１を供給する際には、あらかじめその回転角度分を見越して供給すれば全く問題にはならない。

以上のように本実施形態の真空搬送装置２６によれば、大気Ｍ側に置かれた回転と上下との２つの駆動源２，１０によって真空Ｎ側に回転および上下動作が可能に支持されるアーム１の両端に、第１のハンド２２と第２のハンド２３とをそれぞれ回転可能に支持させるとともに、動力伝達機構の第１のプーリ１７、第２のプーリ２４およびベルト２５によって第１のハンド２２と第２のハンド２３がアーム１の回転に伴って回転するように構成したことで、アーム１の回転および上下動作させるそれぞれの駆動源２，１０を制御するだけで、第１のハンド２２と第２のハンド２３とにそれぞれ載置された半導体ウェハ２１などの試料の搬送とその受け渡し交換が同時に行うことができる。
これにより、半導体検査装置などに適用した場合には後記する真空試料室３４からの検査済ウェハ２７の搬出、そして予備排気室３８から真空試料室３４への未検査ウェハ２８の搬入受け渡し交換が同時に行うことができ、搬送時間を大幅に短縮することができることから、スループットの向上が図られる。
また、従来装置のように、リフトピンなどにより半導体ウェハ２１を上げ下げするための昇降駆動部などを必要とせずに、第１のハンド２２と第２のハンド２３とを両端に回転可能に支持させたアーム１の回転と上下動作の制御のみによって、検査済ウェハ２７の搬出と未検査ウェハ２８の搬入とを同時に行うことができることから、塵や埃などの異物の発生よる汚染の原因を低減することができる。

また、多関節アーム方式の従来装置のように多くの関節駆動源やその動力伝達機構を必要とせず、検査済ウェハ２７の搬出と未検査ウェハ２８の搬入を同時に行うことができることで、従来装置に比べて、装置の簡素化が期待できる。それにより、故障などを抑えて品質の向上などを図ることができるとともに、可動部が少なくなった分、汚染の原因になる塵や埃などの異物の発生を低減することができる。

また、アーム１の回転駆動軸５から第１のハンド２２の回転軸１８およびアーム１の回転駆動軸５から第２のハンド２３の回転軸１９までの軸間と、第１のハンド２２の回転軸１８から第１のハンド試料中心載置位置Ｐ３および第２のハンド２３の回転軸１９から第２のハンド２３の試料中心載置位置Ｐ４との距離を等しく設定して、検査済ウェハ２７および未検査ウェハ２８の搬送を直線的に行うことができるようにしたことで、真空試料室３４と予備排気室３８との連絡するウェハ搬送用の開口５２面積を小さくすることができる（後記の図７および図８など参照）。また、ウェハ交換時に真空搬送装置２６に作用する負荷は、常にアーム１の回転駆動軸５の軸線対象に作用し偏荷重が作用しないため装置全体の小型化が可能になるなどの効果を期待することができる。

［アームの上下駆動源の他の実施形態の説明］
図５は、アームを上下動作させる上下駆動源の他の実施形態を示す真空搬送装置の縦断面図である。
なお、斯かる実施形態においてはアーム１を上下動作させる上下駆動源の構成形態が異なるのみで、他の構成部分においては前記した実施形態と基本的に同じことから、同じ構成部分に同じ符号を用いることで重複説明は省略する。

図５に示されているように、アーム１を上下動作させるエアーシリンダ４２を大気Ｍ側に配置し、電磁弁４３により制御された圧縮空気をエアーシリンダ４２に送り、エアーシリンダ４２の動力を上下方向に伸縮可能な真空ベローズ４４を介して真空Ｎ側に導入させてプーリベース１５を上下方向に移動させるようにしている。
このように、上下駆動源としてエアーシリンダ４２を使用することにより、機構部品を大幅に削減でき、装置の小型化、コスト削減が期待できる。

［動力伝達機構の他の実施形態の説明］
図６は、動力伝達機構の他の実施形態を示す概略斜視図である。
なお、斯かる実施形態においては動力伝達機構の構成形態が異なるのみで、他の構成部分においては前記した実施形態と基本的に同じことから、同じ構成部分に同じ符号を用いることで重複説明は省略する。

図６に示されているように、１本の連続したスチールなどからなるベルト５０が、第１のプーリ１７からそれぞれの第２のプーリ２４に掛け渡されており、このベルト５０に張力を与えるテンション機構を備えて構成している。
このテンション機構は、第１のプーリ１７および第２のプーリ２４の間にテンションプーリ４５を配している。このテンションプーリ４５はプッシュアーム４６の一端に回転自由に支持され、プッシュアーム４６はプッシュアーム回転軸４７により回転可能に支持されている。
そして、プッシュアーム４６の他端には弾性部材である押しバネ４８の一端が取り付けられており、この押しバネ４８の他端はプッシュアームベース４９に支持されて、ベルト５０に張力を与えるように構成されている。ここで、押しバネ４８によってベルト５０に与えられる張力は、第１のハンド２２および第２のハンド２３の起動トルクに対して十分な値となるように設定し構成することが望ましい。
このように構成することにより、ベルト５０には常に一定の張力を与えることができ、ベルト５０と第１のプーリ１７および第２のプーリ２４での回転位置ズレなどが生じることがなくなる。

なお、図示を省略しているが、ベルト５０の内側全周に多数の凸凹を連続させて形成し、この凸凹と第１のプーリ１７および第２のプーリ２４に形成した凸凹と噛み合うようにして掛け渡す構成形態にしてもよい。また、他の動力伝達機構として歯車を複数用いる構成形態としてもよい。

以上のように構成された第１の発明に係る真空搬送装置２６は、例えば半導体ウェハ２１など検査試料を真空試料室３４内に搬入し、減圧雰囲気下で荷電粒子線を走査することにより取得される画像などからライン幅、スルーホール径の測定などの検査処理が行なわれる荷電粒子線検査装置などに適用される。

≪荷電粒子線検査装置の説明≫
図７は、第１の発明の真空搬送装置を備えた荷電粒子線検査装置の一実施例を示す斜視図であり、図８および図９は、同検査装置の一部を示した拡大断面図である。
ここでは、荷電粒子線検査装置の代表的な実施形態として電子線を用いた半導体検査装置の例を挙げて説明する。

≪半導体検査装置の説明≫
図７に示されているように、半導体検査装置は、未検査ウェハ２８を特定の位置まで移動する試料ステージ３５を内部に備える真空試料室３４上に、電子光学系２９を備えており、この電子光学系２９からの電子線の照射によって発生する二次粒子（二次電子）を検出する二次粒子検出器３７を電子光学系２９の鏡体３１に備えている。そして、真空試料室３４とゲートバルブ３９を介して開閉可能に連通させた予備排気室３８が真空試料室３４に隣接させて備えており、さらに、予備排気室３８と真空試料室３４との間で検査済ウェハ２７と未検査ウェハ２８との受け渡し交換を行うために、真空試料室３４内に、第１の発明において説明した真空搬送装置２６を備えて構成されている。
ここで、未検査ウェハ２８を特定の位置まで移動する試料ステージ３５のその特定位置とは、電子光学系２９からの電子線の走査範囲を意味する。つまり、電子光学系２９の真下に位置する真空試料室３４の内部位置のことである。

≪電子光学系の説明≫
電子光学系２９は、図７に示されているように、真空試料室３４に連通された状態で該真空試料室３４上に設けられる鏡体３１の最上部に電子銃３０を備え、この電子銃３０から照射される電子線を真空試料室３４内の試料ステージ３５に真空搬送装置２６により搬入載置された未検査ウェハ２８上に細く収束させる収束レンズ３２、対物レンズ３３などの電子レンズを鏡体３１に備えて構成されている。
電子線は、真空試料室３４内の試料ステージ３５に前記した第１の発明の真空搬送装置２６により搬入載置された未検査ウェハ２８上に細く収束されている。

電子線は、偏向器３６により一方向または二次元的に高精度で未検査ウェハ２８上を走査される構造となっており、この電子線の走査範囲は、小さいため未検査ウェハ２８を試料ステージ３５により前記走査範囲位置まで移動させて未検査ウェハ２８に電子線を照射するようになっている。そして、未検査ウェハ２８からの二次粒子は二次粒子検出器３７で検出され、それによって得られた画像からライン幅の測長などの検査が行なわれるようになっている。

≪真空試料室の説明≫
図７、図８および図９に示されているように、真空試料室３４内に、前記した第１の発明に係る真空搬送装置２６が配設されており、未検査ウェハ２８と検査済ウェハ２７の搬送受け渡し交換を行うようになっている。そして、真空試料室３４に隣接させて真空搬送装置２６のみを配設させるための設置スペース５１が設けられている。

また、真空試料室３４には、図７、図８および図９に示されているように、予備排気室３８が前記の設置スペース５１を介して隣接して設けられており、この予備排気室３８と真空試料室３４との間にはウェハ搬送用の開口５２が開けられている。この開口５２にはゲートバルブ３９が開閉可能に取り付けられている。
このように構成されていることにより、ゲートバルブ３９による開口５２の閉鎖によって真空試料室３４を大気開放状態にすることなく、予備排気室３８に備えられているゲートバルブ４０を開いて予備排気室３８のみを大気開放にした状態で、該予備排気室３８に対する未検査ウェハ２８の搬入、そして、検査済ウェハ２７の搬出を可能にしている。

≪予備排気室の説明≫
予備排気室３８には、図７、図８および図９に示されているように、未検査ウェハ２８を搬入、そして、検査済ウェハ２７を搬出するための出し入れ用の開口５３が開けられており、この開口５３にはゲートバルブ４０が取り付けられている。そして、この予備排気室３８の底部には、未検査ウェハ２８および検査済ウェハ２７を受け渡し交換する際、真空搬送装置２６との干渉を避けるために必要最低限の深さで適宜の開口形状を有する掘り込み５４が設けられている。つまり、真空搬送装置２６の第1のハンド２２および第２のハンド２３を掘り込み５４に入り込ませることで、未検査ウェハ２８を上昇により受け取ったり、検査済ウェハ２７を下降により予備排気室３８に戻すようにしている。

≪試料ステージの説明≫
試料ステージ３５には、図７、図８および図９に示されているように、未検査ウェハ２８および検査済ウェハ２７を受け渡し交換する際、真空搬送装置２６との干渉を避けるために、未検査ウェハ２８および検査済ウェハ２７を受け渡し交換する際、各ウェハ２８，２７を上下に移動させるリフトピン４１が設けられている。

なお、図示を省略しているが、リフトピン４１を固定タイプのピンとし、試料ステージ３５側を上下に移動させるようにするもよく、また、予備排気室３８と同様、試料ステージ３５にも真空搬送装置２６との干渉を避けるために必要最低限の掘り込みを備えるとよい。
また、図示を省略しているが、真空試料室３４と予備排気室３８は、排気手段によって減圧真空雰囲気に吸引排気されるようにしている。

以上のような構成にすることにより、予備排気室３８は、半導体ウェハ２１（未検査ウェハ２８および検査済ウェハ２７）とゲートバルブ３９が収まる容積と搬送に必要な容積のみとなり、予備排気室３８の容積を最小限にすることが可能になる。そのため、予備排気室３８の排気時間を大幅に短縮することが可能になり、スループットが向上する。また、予備排気室３８に駆動部が存在しないので、汚染の原因になる塵や埃などの異物の発生が少なくウェハ汚染の可能性も大幅に削減することができる。

≪半導体検査装置のウェハ交換シーケンスの説明≫
次に、本実施形態における半導体検査装置のウェハ交換シーケンスについて、前記の図４、図８および図９を参照しながら説明する。
通常、半導体検査装置はライン検査のため、真空試料室３４内には未検査ウェハ２８があり電子線を用いて検査している場合が多い。この時、ゲートバルブ３９は閉じられた状態であり、真空搬送装置２６は図４（ａ）の状態にある。この間にゲートバルブ４０が開けられ、外部から予備排気室３８に次の未検査ウェハ２８が供給される。その後、ゲートバルブ４０は閉じられ予備排気室３８は不図示の排気手段によって所定の減圧雰囲気まで吸引排気される。

そして、真空試料室３４内における未検査ウェハ２８の検査が終了すると、試料ステージ３５が試料交換位置へ移動し、リフトピン４１が検査済ウェハ２７を上昇させる。検査済ウェハが上昇されて試料ステージ３５上から離間されると、次に、ゲートバルブ３９によって開口５２が開き、真空搬送装置２６が前記した図４（ａ）〜（ｉ）の順で動作せしめて未検査ウェハ２８と検査済ウェハ２７との搬送受け渡し交換が行なわれる。
未検査ウェハ２８が試料ステージ３５上に受け渡し載置され、検査済ウェハ２７が予備排気室３８に戻されて、真空搬送装置２６が図４（ｉ）の状態なると、ゲートバルブ３９によって開口５２が閉じられ、予備排気室３８が大気圧になるまで窒素ガスが供給される。予備排気室３８が大気圧に戻されると、ゲートバルブ４０によって閉じられていた開口５３が開けられ、検査済ウェハ２７は搬出回収され、予備排気室３８には新しい未検査ウェハ２８が搬入供給される。
以後、前記した動作が繰り返されることで、検査済ウェハ２７の搬出と未検査ウェハ２８の搬入が行なわれるものである。

以上のように本実施形態の半導体検査装置（荷電粒子線検査装置）によれば、第１の発明の真空搬送装置２６を、予備排気室３８ではなく真空試料室３４に隣接させて設けた設置スペース５１内に配設したことにより、予備排気室３８は検査済ウェハ２７および未検査ウェハ２８などの試料が収まる程度の容積と試料の搬送に必要な容積のみに抑えることができ、それにより、予備排気室３８の容積を必要最小限にすることが可能になる。よって、省フットプリント化（省フットスペース化）を実現することができる。しかも、半導体ウェハ２１の搬出回収、そして搬入供給後における予備排気室３８の排気時間を大幅に短縮することができるので、スループットが向上されて半導体ウェハなどの生産コストの低減をも期待できる。
また、予備排気室３８にリフトピンなどの昇降駆動部が存在しないので、汚染の原因となる塵や埃などの異物の発生を抑えたクリーンな予備排気室３８を実現することができる。それによって、異物の付着などによる半導体ウェハの品質の低下をも大幅に削減することができる。

なお、本実施形態の具体的な構成は、前記した各実施形態に限られるものではなく、請求項１〜請求項６に記載の本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計において変更などがあっても本発明に含まれるものである。
たとえば、真空試料室３４内での検査時間が予備排気室３８の排気時間よりも短い場合、試料ステージ３５は試料交換位置で予備排気室３８が排気されるまで待つ必要があり、スループットの低下を招く問題がある。この場合は、真空試料室３４に複数の予備排気室３８と真空搬送装置２６を備えるなどが挙げられる。
また、前記した実施形態においては、半導体ウェハの搬送と受け渡し交換の例について説明したが、ウェハ以外のたとえばマスク基盤などの他の試料の場合にも適用することができる。また、試料の搬送のみならず試料保持機を搬送する搬送手段としても適用することが可能である。

第１の発明に係る真空搬送装置の実施形態の一例を示す斜視図である。 同真空搬送装置の縦断面図である。 同真空搬送装置における動力伝達機構の実施形態の一例を示す要部の拡大斜視図である。 同真空搬送装置におけるウェハ交換シーケンスの動作の一例を示す図である。 第１の発明に係る真空搬送装置の他の実施形態を示す縦断面図である。 動力伝達機構の他の実施形態を示す要部の拡大斜視図である。 第２の発明に係る荷電粒子線検査装置の実施形態の一例を示す斜視図で、一部を破断して示す。 同荷電粒子線検査装置の一部を拡大して示す縦断面図であり、真空搬送装置のアームを下降させた状態を示す。 同荷電粒子線検査装置の一部を拡大して示す縦断面図であり、真空搬送装置のアームを上昇させた状態を示す。

符号の説明

１ アーム
２，１０ 駆動源
１７ 第１のプーリ
２１ 半導体ウェハ（試料）
２２ 第１のハンド
２３ 第２のハンド
２４ 第２のプーリ
２５，５０ ベルト
２６ 真空搬送装置
２７ 検査済ウェハ（試料）
２８ 未検査ウェハ（試料）
２９ 電子光学系（荷電粒子線光学系）
３０ 電子銃
３１ 鏡体
３２ 収束レンズ
３３ 対物レンズ
３４ 真空試料室
３５ 試料ステージ
３６ 偏向器
３７ 二次粒子検出器
３８ 予備排気室
４２ エアーシリンダ（上下駆動源）
４４ 真空ベローズ（上下駆動源）
４５ テンションプーリ
４６ プッシュアーム
４７ プッシュアーム回転軸
４８ 押しバネ（弾性部材）
４９ プッシュアームベース

Claims (6)

1. 回転と上下の駆動源と、
   前記回転と上下の駆動源によって回転動作と上下動作が可能に支持されるアームと、
   前記アームの一端に回転可能に支持されて、前記アームの回転に伴って回転しその上に試料が載置される第１のハンドと、
   前記アームの他端に回転可能に支持されて、前記アームの回転に伴って回転しその上に試料が載置される第２のハンドと、
   前記アームの回転を、該アームの回転駆動軸から前記第１のハンドおよび前記第２のハンドのそれぞれの回転軸に伝達することによって、前記第１のハンドと第２のハンドを、真空試料室と、当該真空試料室に試料を搬入するときに予備排気を行う予備排気室との間で移動させる動力伝達機構と、を備えてなり、
   前記第１のハンドと前記第２のハンドとは互いに上下方向に離間されて支持されると共に、前記真空試料室と予備排気室との間の開口が閉鎖されているときには、前記アーム、第１のハンド、及び第２のハンドは、前記真空試料室に位置し、
   前記真空試料室と予備排気室との間の開口を開閉するゲートバルブを、前記開口の開放時、前記予備排気室の空間外に配置し、
   かつ、
   前記予備排気室は、その下壁に前記第1のハンドとその関節部および前記第２のハンドとその関節部を内部に入り込ませる掘り込みが設けられ、
   前記予備排気室の下面に載置された未検査ウェハを、前記掘り込み内に入り込んだ前記第１のハンドまたは前記第２のハンドが、上昇することにより受け取り前記真空試料室に搬送する一方、前記真空試料室から前記第１のハンドまたは前記第２のハンドで前記予備排気室内に搬送した検査済ウェハを、前記第１のハンドまたは前記第２のハンドを前記掘り込み内に下降させることで前記予備排気室の下面に載置して前記予備排気室に戻す
   ことを特徴とする真空搬送装置。
2. 請求項１に記載の前記アームと前記第１のハンドおよび前記アームと前記第２のハンドとの回転比は１：２の関係に設定され、
   かつ、前記アームの回転駆動軸から前記第１のハンドの回転軸および前記第２のハンドの回転軸までの軸間と、前記第１のハンドの回転軸と前記第１のハンドの試料載置中心位置および前記第２のハンドの回転軸と第２のハンドの試料載置中心位置との距離が等しく設定されており、前記第１のハンドと第２のハンドとにそれぞれ載置された試料が直線的に搬送されるように構成されていることを特徴としている真空搬送装置。
3. 請求項１に記載の動力伝達機構は、前記アームの回転駆動軸に備えられる第１のプーリと、前記第１のハンドと第２のハンドとの回転軸にそれぞれ備えられる第２のプーリと、ベルトと、で構成され、
   前記ベルトの両端は、前記第１のプーリと前記第２のプーリにそれぞれ固定されていることを特徴とする真空搬送装置。
4. 請求項１に記載の動力伝達機構は、前記アームの回転駆動軸に備えられる第１のプーリと、前記第１のハンドと第２のハンドとの回転軸にそれぞれ備えられる第２のプーリと、前記第１のプーリと前記第２のプーリとに掛け渡されるベルトと、前記アームにそれぞれ装着されて前記ベルトに張力を与えるテンション機構と、で構成され、
   前記テンション機構は、テンションプーリと、このテンションプーリを一端に回転可能に支持するプッシュアームと、このプッシュアームの他端側を回転可能に支持するプッシュアーム回転軸と、前記プッシュアームを弾圧する弾性部材と、を備えていることを特徴とする真空搬送装置。
5. 請求項１に記載の上下駆動源が、エアーシリンダと、このエアーシリンダの動力を真空内に導入させる真空ベローズと、を備えていることを特徴とする真空搬送装置。
6. 荷電粒子線を照射し、荷電粒子線を偏向後、試料上に収束する機能を有する荷電粒子線光学系と、
   前記荷電粒子線の照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出器と、
   前記試料が搬入される真空試料室と、
   前記真空試料室に前記試料を搬入・搬出するように隣接して備えられる予備排気室と、
   前記真空試料室内で搬入載せられた前記試料を特定の位置にまで移動させる試料ステージと、を有する荷電粒子線検査装置であって、
   前記予備排気室と真空試料室との間で、前記試料の搬送受け渡しを行なうために、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の真空搬送装置を設けて構成したことを特徴とする荷電粒子線検査装置。

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