JP4912815B2

JP4912815B2 - ウェハ支持装置及びウェハ観察装置

Info

Publication number: JP4912815B2
Application number: JP2006270856A
Authority: JP
Inventors: 卓司池田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-10-02
Also published as: JP2008091626A

Description

本発明は、倒立型顕微鏡によってウェハを観察する際にウェハを支持するウェハ支持装置、及び倒立型顕微鏡を用いたウェハ観察装置に関する。

倒立型顕微鏡を用いた従来のウェハ観察装置として、下記の特許文献１に記載されたレーザ顕微鏡がある。このレーザ顕微鏡は、モータによって駆動されるＸ方向ステージ及びＹ方向ステージを備えており、Ｘ方向ステージには、倒立型顕微鏡の対物レンズが臨む開口が設けられている。そして、このＸ方向ステージ上には、ウェハ等の試料が臨む透明板が嵌められた開口を有する試料保持用のホルダが載置される。
特開平９−２３６６４０号公報

しかしながら、上述したレーザ顕微鏡には、次のような問題が存在する。すなわち、上述したレーザ顕微鏡においては、Ｘ方向ステージ及びＹ方向ステージの移動によって倒立型顕微鏡の対物レンズに対して試料の位置合せが行われるので、Ｘ方向ステージの開口をホルダの開口と略同一或いはそれ以上の広さにする必要がある。そのため、透明板を介して光学的な観察を行う際には、球面収差を抑えるために、透明板の厚さを薄くするのが好ましいものの、透明板の厚さを薄くすると、試料の重さにより透明板が撓むおそれがある。また、試料に対し、バイアス電圧等を印加すべく針当て（いわゆるプロービング）を行うと、試料がホルダと共に撓み、最悪の場合、試料が破損するおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ウェハを支持する光透過部材が撓むのを抑制することができ、更には、プロービング等によってウェハに何らかの外圧が作用しても、ウェハが撓むのを抑制することができるウェハ支持装置及びウェハ観察装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るウェハ支持装置は、倒立型顕微鏡によってウェハを観察する際にウェハを支持するウェハ支持装置であって、倒立型顕微鏡の対物レンズが臨む第１の開口が設けられたベースと、光透過部材が嵌められた第２の開口が設けられ、光透過部材とウェハとが面接触するようにウェハを保持するウェハホルダと、第１の開口と第２の開口とが重なった状態で、ベースと光透過部材とが面接触するようにベースに対してウェハホルダを固定する固定手段と、を備え、第１の開口は、第２の開口より狭いことを特徴とする。

また、本発明に係るウェハ観察装置は、ウェハを観察するための倒立型顕微鏡と、倒立型顕微鏡の対物レンズが臨む第１の開口が設けられたベースと、光透過部材が嵌められた第２の開口が設けられ、光透過部材とウェハとが面接触するようにウェハを保持するウェハホルダと、第１の開口と第２の開口とが重なった状態で、ベースと光透過部材とが面接触するようにベースに対してウェハホルダを固定する固定手段と、を備え、第１の開口は、第２の開口より狭いことを特徴とする。

これらのウェハ支持装置及びウェハ観察装置では、ベースの第１の開口に臨む倒立型顕微鏡の対物レンズに対して、ウェハホルダの第２の開口に嵌められた光透過部材に臨むウェハの位置合せが行われた後、固定手段によってベースに対してウェハホルダが固定される。このとき、光透過部材とウェハとが面接触していると共に、ベースと光透過部材とが面接触しており、しかも、ベースの第１の開口がウェハホルダの第２の開口より狭くなっている。これにより、ウェハを支持する光透過部材の厚さを薄くしても、ウェハの重さにより光透過部材が撓むのを抑制できる。また、倒立型顕微鏡によってウェハを観察する際に、プロービング等によってウェハに何らかの外圧が作用しても、ウェハが撓むのを抑制することが可能となる。

なお、「第１の開口と第２の開口とが重なった状態」とは、少なくともそれぞれの一部同士が重なった状態を含む意味である。また、「第１の開口が第２の開口より狭い」とは、第１の開口の面積が第２の開口の面積より小さいことや、第２の開口の外形が第１の開口の外形を包含し得ること等を含む意味である。

本発明に係るウェハ支持装置においては、固定手段は、ベースに設けられた複数のエア吸引口を有することが好ましい。これにより、ベースに対してウェハホルダを真空吸着で確実に固定することができる。また、エア吸引口をベースに設けることで、ウェハホルダの構造を単純化することができる。

本発明に係るウェハ支持装置においては、エア吸引口は、第１の開口を包囲するように設けられていることが好ましい。この場合、第１の開口と第２の開口とが重なった状態でのベースに対するウェハホルダの固定を確実化することができる。

本発明に係るウェハ支持装置においては、エア吸引口によるエアの吸引は、個別に制御されることが好ましい。例えば、複数のエア吸引口のうち、ウェハホルダによって完全に塞がれていないエア吸引口によるエアの吸引を停止すると共に、ウェハホルダによって完全に塞がれているエア吸引口によるエアの吸引を強化することで、ベースに対してウェハホルダを確実に固定することが可能となる。

本発明に係るウェハ支持装置においては、ベースには、複数のエア噴射口が設けられていることが好ましい。これにより、ベースに対してウェハホルダをエアベアリングでスムーズに移動させることができる。また、エア噴射口をベースに設けることで、ウェハホルダの構造を単純化することができる。

本発明に係るウェハ支持装置は、ベースに対してウェハホルダを移動させる移動手段を備え、ウェハホルダは、移動手段に片持支持されていることが好ましい。ウェハホルダが移動手段に片持支持された構成によって、例えば、ベースに対するウェハホルダの移動をエアベアリングで行った場合に、風圧によってウェハホルダをベースから容易に浮上させることができ、ベースに対してウェハホルダをスムーズに移動させることが可能となる。

本発明に係るウェハ支持装置においては、ウェハホルダは、第２の開口が形成されたウェハホルダ本体を有し、光透過部材のベース側の面は、ウェハホルダ本体のベース側の面と略同一の平面上、又はウェハホルダ本体のベース側の面からベース側に片寄った平面上に位置していることが好ましい。この場合、光透過部材のベース側の面がベースに確実に面接触することになるため、ウェハが撓むのを抑制することが可能となる。

本発明によれば、ウェハを支持する光透過部材が撓むのを抑制することができ、更には、プロービング等によってウェハに何らかの外圧が作用しても、ウェハが撓むのを抑制することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書において、「上」、「下」等の語は、図面に示す状態に基づいており、便宜的なものである。

図１に示されるように、ウェハ観察装置１は、ウェハ支持装置５によって支持されたウェハＷをその裏面側から倒立型顕微鏡２によって観察するものである。ウェハＷは半導体ウェハであり、その表面に複数の機能素子がマトリックス状に形成されている。なお、ウェハＷの裏面側から（すなわち、倒立型顕微鏡２の対物レンズ３をウェハＷの裏面に向けて）ウェハＷの観察を行うのは、多層化するメタル配線の機能素子への採用等により、ウェハＷの表面からの観察が困難となってきているからである。

一例として、ウェハ観察装置１では、次のように倒立型顕微鏡２によってウェハＷの観察が行われる。まず、ウェハＷに対して裏面側から赤外レーザ光を照射することで、機能素子のパターン像を取得する。続いて、プロービングによって機能素子にバイアス電圧等を印加し、機能素子の内部で起こる様々な異常現象に起因する微弱な発光を検出することで、発光像を取得する。そして、先に取得したパターン像と発光像とを重ね合わせることで、発光位置を特定し、機能素子の故障解析を行う。

ウェハ支持装置５は、倒立型顕微鏡２の対物レンズ３が臨む円形状の開口（第１の開口）６が形成されたベース７を備えている。ベース７は、ベース本体８を有しており、ベース本体８上には、ベース板９が取り付けられている。

ベース７上には、ウェハＷを保持するウェハホルダ１１が配置されている。ウェハホルダ１１は、円形状の開口（第２の開口）１２が形成された金属製板状のウェハホルダ本体１３を有しており、開口１２には、ウェハＷの裏面が臨むガラス製板状の光透過部材１４が嵌められている。なお、ウェハホルダ１１の開口１２の直径は、ベース７の開口６の直径より大きい（すなわち、ベース７の開口６は、ウェハホルダ１１の開口１２より狭い）。

図２及び図３に示されるように、ウェハホルダ本体１３と光透過部材１４とは、それらの厚さ方向において互いの段部同士が接触した状態で、弾性接着剤１５等によって固定されている。光透過部材１４の上面１４ａは、ウェハホルダ本体１３の上面１３ａと略同一の平面上に位置しており、光透過部材１４の下面１４ｂは、ウェハホルダ本体１３の下面１３ｂからベース７側に片寄った平面上に位置している（下面１３ｂから突出している）。これにより、光透過部材１４の上面１４ａはウェハＷの裏面と面接触し、光透過部材１４の下面１４ｂはベース板９の上面と面接触することになる。なお、ウェハホルダ本体１３と光透過部材１４との固定に弾性接着剤１５を用いるのは、ウェハホルダ本体１３と光透過部材１４との熱膨張差を吸収するためである。

ウェハホルダ本体１３の上面１３ａには、開口１２の直径より大きく且つウェハＷの直径より小さい円に沿って溝１６が形成されており、溝１６は、ウェハホルダ本体１３に形成されたエア吸引路１７と接続されている。これにより、ウェハＷは、その裏面が光透過部材１４の上面１４ａと面接触した状態で、ウェハホルダ１１に真空吸着によって固定される。更に、ウェハホルダ本体１３の上面１３ａには、平面視においてウェハＷの外形と交差する凹部１８が形成されている。この凹部１８にピン等を挿入することで、ウェハＷをウェハホルダ１１から容易に取り外すことができる。

図１に示されるように、ウェハ支持装置５は、ベース７に対してウェハホルダ１１をＸ−Ｙ平面（水平面）に沿って移動させる移動機構（移動手段）２１を備えている。移動機構２１は、Ｘ−Ｙ平面に沿って移動する移動体２２と、移動体２２を手動によって移動させるためのハンドル２３と、移動体２２のＸ軸方向への移動及びＹ軸方向への移動を制止させるブレーキをそれぞれ解除するためのブレーキ解除ボタン２４と、移動体２２のＸ軸方向への移動及びＹ軸方向への移動をそれぞれ微調節するための微調節ネジ２５と、を有している。更に、移動機構２１は、ウェハホルダ１１を片持支持する支持体２６と、移動体２２に対して支持体２６をＹ軸方向に移動させるためのガイドバー２７と、移動体２２に対して支持体２６を固定するための固定レバー２８と、を有している。

このように構成された移動機構２１によって、ベース７の開口６に臨む倒立型顕微鏡２の対物レンズ３に対して、ウェハホルダ１１の開口１２に嵌められた光透過部材１４に臨むウェハＷの位置合せが行われる。なお、ベース７に対してウェハホルダ１１を移動させる際には、支持体２６は、ウェハ支持装置５の奥側で固定レバー２８によって移動体２２に固定されているが、ウェハＷを交換する際には、支持体２６は、固定レバー２８が解除されてウェハ支持装置５の手前側に移動させられる。

ウェハ支持装置５は、ベース７の開口６とウェハホルダ１１の開口１２とが重なった状態で、ベース板９の上面と光透過部材１４の下面１４ｂとが面接触するようにベース７に対してウェハホルダ１１を固定する固定機構（固定手段）３１を備えている。固定機構３１は、開口６を包囲するようにベース板９に形成された複数（ここでは、８個）のエア吸引口３２を有している。これにより、ベース７の開口６とウェハホルダ１１の開口１２とが重なった状態で、ベース板９に対してウェハホルダ１１を真空吸着で確実に固定することができる。また、エア吸引口３２をベース板９に形成することで、ウェハホルダ１１の構造を単純化することができる。

更に、ベース板９には、多数のエア噴射口４１が一様に形成されている。ベース７に対してウェハホルダ１１を移動させる際には、エア噴射口４１だけでなくエア吸引口３２からもエアが噴射される。これにより、移動機構２１に片持支持されたウェハホルダ１１が風圧によってベース板９から容易に浮上することになるため、ベース７に対してウェハホルダ１１をエアベアリングでスムーズに移動させることができる。また、エア噴射口４１をベース板９に形成することで、ウェハホルダ１１の構造を単純化することができる。

ベース７上には、平面視においてベース７の開口６を含む大きさの開口を有する板状のプラテン４２が設置されている。プラテン４２は、プラテン操作つまみ４３によって上下動させられる。プラテン４２には、平面視においてベース７の開口６の両側に位置するサブプラテン４４が取り付けられており、各サブプラテン４４には、プロービング用の針４５を有するマニュピレータ４６が取り付けられている。

ベース７の開口６の上方には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能なＣＣＤカメラ４７が設置されており、ＣＣＤカメラ４７によって撮像された画像は、液晶モニタ４８によって映し出される。ＣＣＤカメラ４７は、ウェハホルダ１１に保持されたウェハＷの表面の機能素子に対し、マニュピレータ４６の針４５によってプロービングが行われる様子を撮像するためのものである。なお、マニュピレータ４６の針４５によるプロービングは、プラテン４２が上下動させられることで行われる。

以上のように構成されたウェハ支持装置５延いては観察装置１では、ベース７の開口６に臨む倒立型顕微鏡２の対物レンズ３に対して、ウェハホルダ１１の開口１２に嵌められた光透過部材１４に臨むウェハＷの位置合せが行われた後、固定機構３１によってベース７に対してウェハホルダ１１が固定される。このとき、光透過部材１４の上面１４ａとウェハＷの裏面とが面接触していると共に、ベース板９の上面と光透過部材１４の下面１４ｂとが面接触しており、しかも、ベース７の開口６がウェハホルダ１１の開口１２より狭くなっている。これにより、倒立型顕微鏡２によってウェハＷを観察する際に、プロービングによってウェハＷに外圧が作用しても、ウェハＷが撓むのを抑制することが可能となる。また、光透過部材の厚さを薄くすることができるため、光透過部材に起因する収差の抑制が可能となる。

ここで、固定機構３１によるエアの吸引制御について説明する。図４に示されるように、固定機構３１は、エア吸引口３２とエア吸引源（図示せず）とを接続するエア吸引路３３と、エア吸引口３２の近傍においてエア吸引路３３の途中に設けられた圧力センサ３４及びそのコントローラ３５と、圧力センサ３４よりエア吸引源側においてエア吸引路３３の途中に設けられたバルブ３６と、により構成されたエア吸引系統を、８個のエア吸引口３２毎に８系統有している。各コントローラ３５及び各バルブ３６は、リレー３７と接続されており、リレー３７には、スイッチ３８が接続されている。

図５は、各エア吸引系統におけるエアの吸引制御を示すフローチャートである。つまり、８系統のエア吸引系統のそれぞれにおいて同様のエアの吸引制御が行われる。同図に示されるように、スイッチ３８がＯＮにされると（ステップＳ１）、バルブ３６が開放されて（ステップＳ２）、エア吸引源によってエア吸引口３２からエアの吸引が開始される。

続いて、圧力センサ３４の値がα以上か否かが判断される（ステップＳ３）。その結果、圧力センサ３４の値がα未満の場合は、バルブ３６が閉鎖されて（ステップＳ４）、エア吸引口３２からのエアの吸引が停止される。これは、例えばエア吸引口３２の全体がウェハホルダ１１によって塞がれていない場合である（図６のエア吸引口３２_７参照）。

一方、圧力センサ３４の値がα以上の場合は、圧力センサ３４の値がβ（＞α）以上か否かが判断される（ステップＳ５）。その結果、圧力センサ３４の値がβ未満の場合は、バルブ３６が閉鎖されて（ステップＳ６）、エア吸引口３２からのエアの吸引が停止される。これは、例えばエア吸引口３２の一部がウェハホルダ１１によって塞がれていない場合である（図６のエア吸引口３２_６，３２_８参照）。

一方、圧力センサ３４の値がβ以上の場合は、エア吸引口３２からのエアの吸引が継続され、ベース７に対してウェハホルダ１１が真空吸着で固定される。これは、例えばエア吸引口３２の全体がウェハホルダ１１によって塞がれている場合である（図６のエア吸引口３２_１〜３２_５参照）。

そして、スイッチ３８がＯＦＦにされると（ステップＳ７）、バルブ３６が閉鎖されて（ステップＳ８）、エア吸引口３２からのエアの吸引が停止され、ベース７に対するウェハホルダ１１の固定が終了となる。

以上のように、エア吸引口３２によるエアの吸引を個別に制御すれば、８個のエア吸引口３２のうち、ウェハホルダ１１によって完全に塞がれていないエア吸引口３２によるエアの吸引を停止すると共に、ウェハホルダ１１によって完全に塞がれているエア吸引口３２によるエアの吸引を強化することができ、ベース７に対してウェハホルダ１１を確実に固定することが可能となる。なお、各エア吸引系統におけるエアの吸引制御は、同時に行ってもよいし、１系統ずつ順次に行ってもよい。

本発明は上記形態に限定されない。例えば、光透過部材としてガラス製板状の部材を用いたが、光を透過する他の部材を用いてもよい。また、ウェハの固定は真空吸着でなくてもよく、プロービングを伴わない観察であればウェハを必ずしも固定する必要はない。更に、ウェハの移動手段にはＸＹステージとエアベアリングとの組合せを用いたが、エアベアリングの替わりにオイル等による手段を用いてもよいし、ＸＹステージを用いず手動にて動かしてもよい。

本発明に係るウェハ観察装置の一実施形態の斜視図である。図１に示されたウェハ観察装置のウェハホルダの平面図である。図２に示されたIII−III線に沿っての部分断面図である。図１に示されたウェハ観察装置の固定機構の構成図である。図４に示された固定機構の各エア吸引系統におけるエアの吸引制御を示すフローチャートである。図４に示された固定機構のエア吸引口とウェハホルダとの位置関係を示す図である。

符号の説明

１…ウェハ観察装置、２…倒立型顕微鏡、３…対物レンズ、５…ウェハ支持装置、６…開口（第１の開口）、７…ベース、１１…ウェハホルダ、１２…開口（第２の開口）、１３…ウェハホルダ本体、１４…光透過部材、２１…移動機構（移動手段）、３１…固定機構（固定手段）、３２…エア吸引口、４１…エア噴射口、Ｗ…ウェハ。

Claims

倒立型顕微鏡によってウェハを観察する際に前記ウェハを支持するウェハ支持装置であって、
前記倒立型顕微鏡の対物レンズが臨む第１の開口が設けられたベースと、
光透過部材が嵌められた第２の開口が設けられ、前記光透過部材と前記ウェハとが面接触するように前記ウェハを保持するウェハホルダと、
前記第１の開口と前記第２の開口とが重なった状態で、前記ベースと前記光透過部材とが面接触するように前記ベースに対して前記ウェハホルダを固定する固定手段と、を備え、
前記第１の開口は、前記第２の開口より狭いことを特徴とするウェハ支持装置。
前記固定手段は、前記ベースに設けられた複数のエア吸引口を有することを特徴とする請求項１記載のウェハ支持装置。
前記エア吸引口は、前記第１の開口を包囲するように設けられていることを特徴とする請求項２記載のウェハ支持装置。
前記エア吸引口によるエアの吸引は、個別に制御されることを特徴とする請求項２又は３記載のウェハ支持装置。
前記ベースには、複数のエア噴射口が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のウェハ支持装置。
前記ベースに対して前記ウェハホルダを移動させる移動手段を備え、
前記ウェハホルダは、前記移動手段に片持支持されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のウェハ支持装置。
前記ウェハホルダは、前記第２の開口が形成されたウェハホルダ本体を有し、
前記光透過部材の前記ベース側の面は、前記ウェハホルダ本体の前記ベース側の面と略同一の平面上、又は前記ウェハホルダ本体の前記ベース側の面から前記ベース側に片寄った平面上に位置していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のウェハ支持装置。
ウェハを観察するための倒立型顕微鏡と、
前記倒立型顕微鏡の対物レンズが臨む第１の開口が設けられたベースと、
光透過部材が嵌められた第２の開口が設けられ、前記光透過部材と前記ウェハとが面接触するように前記ウェハを保持するウェハホルダと、
前記第１の開口と前記第２の開口とが重なった状態で、前記ベースと前記光透過部材とが面接触するように前記ベースに対して前記ウェハホルダを固定する固定手段と、を備え、
前記第１の開口は、前記第２の開口より狭いことを特徴とするウェハ観察装置。