JP5386137B2 - 試料測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料測定装置に係り、特に、測定装置と試料を保管する保管ケースとの間に空気清浄空間を形成する装置を備えた試料測定装置に関する。

半導体集積回路の製造では、シリコンウエーハ上に回路パタンを形成していくが、微細化の進展が進み、現在では１００ｎｍレベルの大きさの異物がパタン上に付着することが許されない状態になりつつある。

このため、半導体製造装置等が置かれるクリーンルームの清浄度（クリーン度）も高められている。また、クリーンルームの清浄度を高めなくとも、試料の搬送・保管，製造・検査装置といった、試料の周辺のみ局所的にクリーン度を高め、それ以外はクリーン度をさほど高くしなくとも良い方法が普及している。

この方式では、試料の搬送・保管時にクリーン度の高いケースを使用し、製造・検査装置にロードポートに、当該このケースを置き、ロードポートはこのケースの開閉を制御し、ロボットにて製造・検査装置の試料搬入口まで搬送する。この場合、ケースの出口から装置の試料搬入口までをロボットも含んで清浄度を局所的に高める。

この方式はミニエンバイラメント（以下、ミニエンと称することもある）方式と呼ばれ、上記清浄度を高める必要がある部分を覆い、異物除去フィルタあるいはケミカルフィルタを備えたフィルタファンユニット（Filter Fun Unit：ＦＦＵ）を通じて空気を巡回させ、さらにこの空気の圧力を外部より若干高めることで清浄度を保っている。

ミニエン内のＦＦＵによって与圧された空間の圧力が何等かの原因で低下すると、所定のクリーン度を維持できない可能性がある。特許文献１には、与圧された空間（内部空間）と外部空間の差圧を圧力センサで検知し、その差圧が所定値以下となったときに、警告を発生する内圧監視回路が説明されている。

特開２００３−２４３２７２号公報

特許文献１に開示の技術によれば、内部の圧力低下を常時監視することができるため、圧力低下を検知したときには、試料の搬送を中止し、クリーン度を回復する等の対応を採ることができる。しかしながら、保管ケースからの試料の搬出、或いは搬入中に、上記圧力低下を検知した場合、圧力低下に基づく汚染のリスクは、保管ケース内に保管されている他の試料にも及ぶ可能性がある。

以下に、ミニエン内の圧力低下が発生したとしても、保管ケース内の試料への汚染の到達の抑制を目的とする試料処理装置を説明する。

上記目的を達成するために、以下に試料を測定する測定装置と、当該測定装置に対し、試料を搬送する搬送装置と、当該搬送装置による試料の搬送軌道が存する空間を与圧する空間与圧機構と、前記試料を複数保管する試料保管ケース、或いは当該試料保管ケースを載置可能な保管ケース台を備えた試料測定装置において、前記空間与圧機構によって与圧される空間の圧力を検知する圧力センサと、前記保管ケース内を与圧する保管ケース用与圧機構を備え、当該保管ケース与圧機構は、前記圧力センサによって検知される前記与圧空間の圧力値が、所定の値以下となったときに、前記保管ケース内の与圧を開始することを特徴とする試料測定装置を提供する。

上記構成によれば、ミニエンの異常により、試料が存する空間の清浄な雰囲気を保てなくなった場合であっても、保管ケースに保持されている試料を汚染から守ることが可能となる。

以下の説明は、ＳＭＩＦ ＰＯＤやＦＯＵＰといったウエーハやフォトマスクを収納したケースから半導体製造・測定・検査装置内に移載するとき、周囲の環境よりも清浄度を局所的に高めることにより、試料への異物付着を防止するミニエンバイラメント方式の試料搬送機構に関するものであり、特にフォトマスク上のパタンを測定するＣＤ−ＳＥＭに使用する試料搬送機構を対象としたものである。

半導体集積回路製造では、上記局所的に清浄度を保つための移送・保管手段が規格化されており、特にＳＥＭＩ（Semiconductor Equipment and Materials Institute）においては、ＳＭＩＦ（Standard of Mechanical Interface)やＦＯＵＰ（Front-Opening Unified Pod）として規格が規定されている。

また、このミニエンバイラメント方式の試料搬送方式は半導体集積回路製造でのウエーハの搬送だけでなく、フォトリソグラフィの原版であるフォトマスクの製造においても、使用されている。

フォトマスクでは、シリコンウエーハに比べ、１枚当たりの重量が重く、プロセス処理にて１枚毎の枚葉処理が多いため、フォトマスクを１枚ずつ搬送することが多い。このため、製造・検査装置局所的に清浄度を高める方式として１枚用収納ポッドのＳＭＩＦ ＰＯＤを保管，搬送用のケースとして使用している例が多い。この場合、パタン測定用ＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension−ＳＥＭ）では、このＳＭＩＦ ＰＯＤに収納されたマスクを１枚毎ロードポートに載せて、そこからロボットにより装置内のロードロック室に搬送され、大気→真空状態で雰囲気が変わり、真空チャンバ内ステージに移載され、電子ビームにてパタン寸法測定が行われる。

しかし、この方式では、１枚のマスクの測定が終わってから、次のマスクの準備を行い測定する必要があるため、作業効率が悪い。そこで、複数枚のマスクを連続して測定を行うために、搬送機構内にロードポート，ＳＭＩＦとは別に複数枚の保管庫を設けられている。つまり１枚のマスクが収納されたＳＭＩＦ ＰＯＤをロードポートに置き、ロードポートがポッドを開け、ロボットがこのマスクを新たに設けた保管庫の、オペレータか外部制御によって指定された収納段にマスクを移載する。次にオペレータが別のマスクが収納されたＳＭＩＦ ＰＯＤをロードポートに置き、保管庫の別の収納段を指定することで、複数枚のマスクが収納されていく。これらマスクの測定時には、ロボットが保管庫の指定した位置からマスクを取り出し、上記の搬送・測定動作を行う。この方式により、マスクの測定を連続的に行うことが可能となり作業効率が向上する。

ミニエンバイラメント方式の試料搬送機構内には、搬送機構内の空気の圧力を外部よりも高い状態であることを保つため、機構内に設けられた差圧センサが設けられている。このセンサが機構内の気圧異常を検出した場合、ミニエン方式試料搬送機構内の空気圧が低くなり、外部の異物汚染された空気が進入し、搬送機構内の清浄度が保たれなくなり、半導体製造ラインの歩留まり低下の可能性がある。そのため、ロードロック室と搬送機構との間に設けられたゲートバルブを閉じ、またロボットの動作を停止することで、ロードロック室・真空チャンバをミニエン方式搬送機構と隔離し、清浄度を保つことが、必要である。

しかし、ここで問題となるのはミニエン方式試料搬送機構内のロボット上や、複数枚収納用保管庫に収納されているマスクについてである。差圧センサが異常を検出したあとも、ロードロック室と真空チャンバは、異常が検出されたミニエン方式試料搬送機構とは隔離されているため、搬送済みのマスクの測定作業は続行される。マスク１枚毎の枚葉処理は多く、時間がかかるために、ミニエン方式試料搬送機構内のロボット上や、複数枚収納用保管庫に収納されているマスクは、その間清浄度が保たれていない状況下に放置され、異物汚染される可能性があるのである。さらには、１枚用収納ポッドのＳＭＩＦ ＰＯＤのみを使用する場合に比べ、複数枚収納用保管庫を設けたことにより、保管庫内に収納されている測定前・測定後のマスク全てが異物汚染されてしまうことになる。

以下に図面を用いて、ミニエンバイラメント方式の試料搬送機構内に設けられた複数枚収納用保管庫にゲートバルブと、ＦＦＵを設置し、差圧センサが異常を検出した際には、保管庫内の清浄度を保つことが可能な手段を備えた試料計測装置の一例を説明する。

より具体的には、差圧センサが異常を検出すると、まずは保管庫内に設置されたＦＦＵを起動し、保管庫内を外部よりも気圧の高い陽圧状態にする。次に保管庫に設けられたゲートバルブを閉じて保管庫をミニエン方式試料搬送機構と隔離し、外部の異物汚染された空気の進入防止する。

この際、ミニエン方式試料搬送機構内のロボット上にマスクが存在している場合、このマスクは、既に異物汚染されている可能性があるが、それ以上の異物汚染を防ぐために、ゲートバルブを閉める前に、保管庫に収納することも可能である。しかし、既に異物汚染されたマスクを保管庫に収納すると、保管庫内のまだ異物汚染されていないマスクまで汚染してしまう可能性があるので、ミニエン方式試料搬送機構内のロボット上にマスクを保管庫に収納するか否かは、オペレータが事前に設定可能とする。

更に、保管庫に設置されたゲートバルブを閉める際、マスクが所定の位置に載置されておらず、ゲートバルブ上に飛び出している場合があり、この状態でゲートバルブを閉めると、ゲートバルブでマスクを破損する可能性があるので、マスク保管庫のゲートバルブ上にマスク等の存在を監視する異物センサを設置する。ゲートバルブを閉める際に、その軌道上にマスクなどが存在していた場合、直ちにゲートバルブの動作を取りやめ、ディスプレイ上に異常を表示する。

上述したような構成によれば、搬送機構内の異常発生時に、機構内に設けられた複数枚収納用保管庫の清浄度を保つことができ、保管庫内に収納されているマスクが汚染されることを防止することが可能である。また、機構内のロボット上に存在するマスクを保管庫に移載することで、ロボット上に残されたマスクの汚染も防止することが可能となる。

以下、試料計測装置の一態様としてＣＤ−ＳＥＭを例に採って説明するが、これに限られることはなく、ＳＭＩＦ ＰＯＤ等の保管ケースから試料を搬出し、ミニエンを通して試料を測定する装置であれば、その用途は問わない。なお、本例にて説明するＣＤ−ＳＥＭは、フォトマスク上のパタン寸法を測定するＣＤ−ＳＥＭとしている。このＣＤ−ＳＥＭでは搬送動作を含めた動作のすべてをコンピュータに制御により実施され、オペレータはマウスやキーボード，表示装置であるＬＣＤディスプレイ画面上のボタンといったユーザーインターフェースを使って搬送動作の指示を出力する。

図１，図２はミニエンバイラメント方式試料搬送機構１の概略構成図である。図１は上面、図２は側面を示している。この搬送機構はＳＭＩＦ対応ロードポート４と、試料搬送ロボット７を備え、マスク３が搬送される部分は局所的にクリーン度を高める必要があるため、全体を箱状に覆っている。この箱の上にはＦＦＵ（Fan Filter Unit）−Ａ １９−１が備えてあり、ＦＦＵ−Ａ １９−１を通してクリーンの高い空気を外部よりも陽圧状態で供給している。このミニエン１には、差圧センサ（圧力センサ）が備えられてあり、外部との空気との圧力差を監視し、気圧変化等の異常を検出している。

マスク保管庫２はロードポート４に隣接して設けてあり、この保管庫２にマスク３が複数枚収納可能である。また、マスク保管庫２とミニエン１はゲートバルブＢ １８−２を介して連結されてある。通常、ミニエン１内部のロボット７からマスク３を、ゲートバルブＢ １８−２を通って移載するものであり、通常ミニエン１外部からの保管庫内マスク３の移載は行わない。保管庫２にはＦＦＵ−Ｂ １９−２が備えられてあり、保管庫２がミニエン１と隔離された状態で起動されると保管庫２の内部を局所的にクリーン度が高い状態に保たれる。

測定したいマスク３はＳＭＩＦ ＰＯＤ５に収納された状態で装置オペレータあるいはＡＧＶによりロードポート４に載置される。次にロードポート４に置かれたマスク３を保管庫２のどの段に収納するかを装置オペレータがユーザーインターフェースを通じて指示する。ここで、マスク３の種類と収納されている保管の段数は装置内に記憶され、画面上に表示される。また、マスク３を測定する時には、オペレータの指示から、保管庫のマスクを、ゲートバルブＢ １８−２を介して取り出し、マスクＣＤ−ＳＥＭのロードロック室８（真空排気室）へロボット７で搬送し、ロードロック室８にて規定の真空度まで到達した後、真空ステージ９へ搬送する。その後、電子ビームを使用してマスク上のパタンの寸法測定を行う。連続して複数枚のマスク３を測定する場合、一度マスク３を保管庫２に収納し、複数枚のマスク３の測定順序と測定レシピを指示した後はすべて自動で動作を行う。

図３はミニエン１内の差圧センサが異常を検出した際の動作の流れを説明するフローチャートである。ミニエン１内の気圧が陽圧状態を保てなくなるなど異常な状態になると、差圧センサが異常を検出する（ステップ１０）。差圧センサが異常を検出した場合（ミニエン内の圧力値が所定値以下となったとき、或いは外部空間との差圧が所定値以上となったとき）、ロードロック室８とミニエン１を隔離するためゲートバルブＡを閉じる（ステップ１１）。

次に、保管庫２内のＦＦＵ−Ｂ １９−２を起動し、保管庫２内を陽圧状態にする（ステップ１２）。ミニエン上マスク回収モードか否かを判別する（ステップ１３）。ミニエン上マスク回収モードであれば、ミニエン１内のロボット上にマスクがあるかどうか確認し、あればそのマスクを保管庫２に収納する（ステップ１４）。ゲートバルブＢ １８−２を閉じてミニエン１と保管庫２を隔離する（ステップ１５）。隔離された保管庫２内の空気はＦＦＵ−Ｂ １９−２によって巡回され、空気の圧力を外部より若干高められることで清浄度を保つ。ミニエン１とロードロック室８，保管庫２がそれぞれ隔離された後は、ロボット７を停止し搬送動作をストップする（ステップ１６）。

差圧センサが異常を検出した際、ゲートバルブＡ １８−１を閉じてロードロック室８とミニエン１を隔離し、搬送動作を停止するだけだと、ミニエン内にパーティクル等が到達する可能性があるが、保管庫２内を与圧した上で、ミニエン１と保管庫２を隔離することによって、汚染物質の保管庫２内への到達を防ぐことができる。

また、差圧センサ２０が、ミニエン１内の圧力低下を検知したときに、選択的にＦＦＵ−Ｂ １９−２を動作させることによって、通常時のＦＦＵ−Ａ １９−１によるミニエン１内の与圧状態に影響を及ぼすことなく、緊急時にのみ選択的に、保管庫２内の空気清浄度を保つことが可能となる。

保管庫２に設置されたゲートバルブＢ １８−２には、図示しない異物センサが設置されてあり、ゲートバルブＢ １８−２上にマスク等の異物の有無を検出している。

装置オペレータはゲートバルブＢ １８−２上の異物検出異常をディスプレイ上で確認することができ、保管庫２に設けられている窓を通して、確認することができる。また前面の窓６−１を有している窓板２４は窓ネジ２６を取り外すことにより図４のように開けることができ、すぐに保管庫内のマスク３を正常な載置状態に修正することが可能である。

なお、上述のように、ＦＦＵは空気の流れを保管庫２の上部から下部に向かって、形成するように、保管庫２の上部に取り付けられている。また、保管庫２は、複数の試料の収容が可能なように、複数のスロットが設けられている。

このような前提において、パーティクル等が付着している可能性のある試料を、保管庫２の上側のスロットに収容すると、パーティクルが、上記空気の流れ（ダウンフロー）に乗って、下部のスロットに収容されている試料にも及ぶ可能性があることになる。そこで、試料のもともとの収容スロットに依らず、極力下部のスロット（望ましくは最下部）に、試料が収容されるように、図示しない試料搬送用のロボットアームをコントロールするようにすると良い。但し、最下部に既に試料が挿入された状態にある場合等も考えられるので、この場合には、パーティクル等が付着している可能性のある試料を保管庫に戻さない等の別の対応を採ることも可能である。

また、この場合に、ゲートバルブを上下方向に移動可能なスライド式の扉として構成すると共に、緊急時に収容する試料が挿入されるスロットの部分だけを選択的に開放し、他部分を閉じることによって、当該選択的に開放されたスロット以外の部分からのパーティクル等の侵入を防ぐことが可能となり、更に、ＦＦＵによるダウンフローの出口を、当該開放部分に集中することができるので、当該部分からのパーティクル等の侵入をも防ぐことが可能となる。

また、ゲートバルブＢ １８−２に設けられている異物センサによる検知の結果、パーティクルの付着が認められなかった場合（パーティクルの存在を示す値が所定値、或いはゼロの場合）には、上記選択的に開放された部分からの試料の挿入を継続し、パーティクルの付着が認められた場合には、その時点から、試料の挿入を中断し、再び、ミニエン内に試料を排出するようなシーケンスを採用するようにしても良い。

ミニエンを備えた走査電子顕微鏡の一例（上視図）を説明する図。 ミニエンを備えた走査電子顕微鏡の一例（側視図）を説明する図。 ミニエン内の差圧センサが異常を検出した際の動作の流れを説明するフローチャート。 試料の保管庫の前面詳細図である。

符号の説明

１ ミニエン（ミニエンバイラメント方式試料搬送機構）
２ 保管庫
３ マスク
４ ロードポート
５ ＳＭＩＦポッド
６−１ 前面の窓
６−２ 上面の窓
６−３ 側面の窓
７ 試料搬送ロボット
８ ロードロック室
９ ステージ
１８−１ゲートバルブＡ
１８−２ ゲートバルブＢ
１９−１ ＦＦＵ−Ａ
１９−２ ＦＦＵ−Ｂ
２０ 差圧センサ
２１ ＦＦＵ
２４ 窓板
２５ 窓フレーム
２６ 窓ネジ
２７ シャフト
２８ ＢＯＬＴＳネジ
３０ 電子光学系
３１ ステージマスク台
３２ ロードロックマスク台

Claims (4)

1. 試料を測定する測定装置と、当該測定装置に設けられる真空排気室に対し、試料を搬送する搬送装置と、当該搬送装置による試料の搬送軌道が存する空間を与圧する空間与圧機構と、前記試料を複数保管する保管ケース、或いは当該試料保管ケースを載置可能な保管ケース台を備えた試料測定装置において、
   前記空間与圧機構によって与圧される空間の圧力を検知する圧力センサと、
   前記保管ケース内を与圧する保管ケース用与圧機構と、
   当該保管ケース用与圧機構を制御する制御装置を備え、
   当該制御装置は、前記圧力センサによって検知される前記与圧空間の圧力値が、所定の値以下となったとき、或いは外部空間との差圧が異常値を示したときに、前記与圧空間と前記真空排気室とを隔離するためのバルブを閉じ、当該バルブを閉じた後に、前記保管ケース内の与圧を開始するように前記保管ケース用与圧機構を制御することを特徴とする試料測定装置。
2. 請求項１において、
   前記保管ケース用与圧機構による与圧後、前記空間与圧機構によって与圧される空間と、前記保管ケースとの間に設けられたゲートバルブを閉じることを特徴とする試料測定装置。
3. 請求項２において、
   前記ゲートバルブは、前記保管ケース用与圧機構による与圧後に、前記試料保管ケースの一部と、前記空間与圧機構によって与圧される空間を選択的に開放し、当該開放個所から、前記試料が挿入された後、前記ゲートバルブを閉じることを特徴とする試料測定装置。
4. 請求項１において、
   前記保管ケースに搬入される試料に付着した異物を検知する異物センサを備え、当該異物センサによって異物が検知された場合には、前記保管ケースに前記試料を搬入しないことを特徴とする試料測定装置。

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