(57)【要約】【課題】本発明は、試料の一部が浮いたように変形したウエハであっても、試料移動時の試料変形に効果的に抑制する試料保持装置、及び荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、試料を第１の高さにて支持する複数の支持台を備えた試料保持装置において、前記試料が配置されていない状態で、前記第１の高さより高い第２の高さに、その先端が位置する接触体と、当該接触体を上下移動可能に支持するガイドと、当該ガイドに支持された前記接触体の先端が、前記第２の高さより下方に移動したときに、前記接触体を上方に押圧する押圧部材を備えた試料保持装置、及び当該試料保持装置を備えた荷電粒子線装置を提案する。【選択図】  図３
2011014241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を第１の高さにて支持する複数の支持台を備えた試料保持装置において、
前記試料が配置されていない状態で、前記第１の高さより高い第２の高さに、その先端が位置する接触体と、当該接触体を上下移動可能に支持するガイドと、当該ガイドに支持された前記接触体の先端が、前記第２の高さより下方に移動したときに、前記接触体を上方に押圧する押圧部材を備えたことを特徴とする試料保持装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ガイドと前記接触体間の静止摩擦力は、前記接触体の自重より大きく、前記押圧部材の押圧力より小さいことを特徴とする試料保持装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記押圧部材は、ばねで構成され、前記静止摩擦力は、前記接触体の自重より大きく、当該ばねの反力から前記接触体の自重を差し引いた値より小さいことを特徴とする試料保持装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記押圧部材は、ばねで構成され、当該ばねの反力から前記接触体の自重を差し引いた値は、４グラム以上１０グラム以下に設定されることを特徴とする試料保持装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記接触体は、当該接触体の前記移動方向に対し垂直方向の面内において、前記試料中心から当該試料の径の１／２の範囲内に設置されることを特徴とする試料保持装置。
【請求項６】
荷電粒子光学系と、当該荷電粒子光学系から照射される荷電粒子線が照射される試料を保持する試料保持装置と、当該試料保持装置を試料室内にて移動するステージを備えた荷電粒子線装置において、
前記試料保持装置は、試料を第１の高さにて支持する複数の支持台と、前記試料が配置されていない状態で、前記第１の高さより高い第２の高さに、その先端が位置する接触体と、当該接触体を上下移動可能に支持するガイドと、当該ガイドに支持された前記接触体の先端が、前記第２の高さより下方に移動したときに、前記接触体を上方に押圧する押圧部材を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
試料を、荷電粒子線を照射するための試料室に導入し、当該導入された試料に前記荷電粒子線を照射することによって、前記試料の測定、或いは検査を行う試料測定，検査方法において、
表面に引張歪みを与えられた試料を、複数の支持台が設けられた試料保持装置によって保持すると共に、当該試料保持装置によって保持する際に、当該支持台より高い位置にその接触面が位置する接触体によって、前記試料を支持し、当該試料を支持した状態で、前記試料を移動するための試料ステージによる移動を行い、前記試料上の複数位置の測定、或いは検査を行うことを特徴とする試料測定，検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料を保持する試料保持装置、及び試料保持装置を備えた荷電粒子線装置に係り、特に上方に向かって凸状に変形した試料を保持するのに好適な試料保持装置、及び試料保持装置を備えた荷電粒子線装置を提供する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハは、通常円板状であり、円板の径が大きいと、１枚のウエハから多くのチップを切り出すことができるため、近年大型化する傾向にある。このように円板径の大型化に対し、試料の厚みはそれ程変化がないため、大型化に伴い、試料の曲がり、即ちベンドによる振動が生じやすくなっている。このような振動を効果的に抑制する試料ホルダが特許文献１に開示されている。特許文献１には、試料を保持する支持座の少なくとも１つを、上下方向に弾性的に移動可能に支持する機構を備えた試料ホルダが開示されている。また、特許文献２には、ウエハ裏面に接触するウエハ接触部と、当該ウエハ接触部を弾性的に移動可能に支持する支持部を備えたウエハホルダが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４２４７１号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体デバイスの高速化のため、例えばＳｉウエハ表面に引張歪みを与える半導体の製造手法がある。例えばφ３００mmのシリコンウエハの場合、引張歪みを与えることによって、最大４００μｍ程度パターン形成側（上側）に凸変形し、ウエハの中央部が盛り上がったようになる。このような試料を測定装置等の試料ステージ上に載置すると、試料の中央部が浮いたような状態となるため、試料ステージによる移動の際の振動がウエハに伝播し、ステージ停止後もその振動がしばらく残留する。特に、半導体ウエハを測定，検査、或いは加工する装置は、更なる高スループット化が求められ、そのため、測定装置等のステージの移動速度は増加する傾向にある。試料の大型化、及び測定装置等の高スループット化が進むと、ステージの移動に伴って発生する振動はより顕著なものとなる。
【０００５】
特許文献１，２に開示された試料ホルダは、平坦な試料の振動を抑制するのに優れた効果を発揮するが、中央部近傍が凸形状に変形した試料の振動を抑制することについては言及がなされていない。
【０００６】
以下に試料の一部が浮いたように変形したウエハであっても、試料移動時の試料変形に効果的に抑制することを目的とした試料保持装置、及び試料保持装置を備えた荷電粒子線装置について説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、試料を第１の高さにて支持する複数の支持台を備えた試料保持装置において、前記試料が配置されていない状態で、前記第１の高さより高い第２の高さに、その先端が位置する接触体と、当該接触体を上下移動可能に支持するガイドと、当該ガイドに支持された前記接触体の先端が、前記第２の高さより下方に移動したときに、前記接触体を上方に押圧する押圧部材を備えた試料保持装置、及び当該試料保持装置を備えた荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、試料が凸状に変形した試料であっても、試料移動時等に発生する可能性のある振動を効果的に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】走査電子顕微鏡の概略説明図。
【図２】試料保持装置の上視図。
【図３】防振機構の詳細断面図。
【図４】防振機構の防振効果を示す周波数解析結果の一例を説明する図。
【図５】ガイドと接触体間の静止摩擦力と、防振効果との関係を説明する周波数解析結果を説明する図。
【図６】防振機構の他の例を説明する図。
【図７】防振機構の更に他の例を説明する図。
【図８】防振機構を採用した場合における試料表面の高さ分布の一例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ｓｉウエハ等の表面に引張歪みを与えると、ウエハ中央部が凸状に変形する場合がある。例えばφ３００mmのシリコンウエハの場合、ウエハ中央部が最大４００μｍ程度上方に変形する。このような試料を、荷電粒子線装置による測定，検査等のために、装置の試料保持装置上に配置すると、試料保持装置上でウエハの中央部が浮いてしまう。
【００１１】
一方、イオンビーム装置や走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置からなる加工・検査装置は近年の高スループット化により、ウエハ搬送速度が高速化の一途をたどっている。これに伴い試料保持装置を備えるステージの加速度も上昇し、ステージ加減速時にウエハへ与えられる衝撃も増大している。
【００１２】
ウエハが凸形状に変形していると、ウエハ中央部を支えるものがなくなるため、ステージの加減速で与えられた衝撃によりウエハが振動し、ステージ停止後もしばらく振動が残留してしまう。もしくはステージ移動時に与えられた振動がウエハと共振した場合なども同様である。
【００１３】
このようにウエハに振動が残留すると、ステージ停止後に行われる検査・加工精度を低下させてしまう可能性がある。ウエハが大口径化すると小さい衝撃でも振動しやすくなり、またその残留時間も長くなるため、更なる精度低下が懸念される。
【００１４】
上述のような振動の影響に対し、上下移動可能な支持座を設け、試料を支持するようにすれば、或る程度の防振を実現できるが、可動支持座は弾性材によって支持するだけでは、ウエハと共振してしまうため、観察時に固定する機構が必要となる。
【００１５】
この可動支持座を試料観察時に固定する際、可動な支持座の固定方向は理想的に支持座の可動方向と垂直でないと固定時に支持座が上下する可能性があるため、試料との接触状態を維持し、かつこれを再現性よく実現するためには固定前に数十グラム以上の力で試料に押圧させておかなければならない。したがって単なる可動支持座と、観察時に当該可動支持座を固定する固定部材の組み合わせでは、ウエハへ局所的に機械的歪が加わる可能性もある。
【００１６】
以下に、ウエハが凸形状に大きく変形し、ウエハ中央部が外周部よりも浮いてしまうことによってウエハ中央部を支えることができず、このためにウエハに与えられた振動が減衰しにくくなってしまう場合でも、この振動を抑制し、かつこの振動抑制を、試料ウエハへ機械的歪を加えずに実現する具体的な構成について説明する。
【００１７】
以下具体的に、荷電粒子線装置において、試料の加工，検査面を上側とした時にその下側を一定の高さで保持する支持台を備え、試料の下側から試料に接触し、支持台より高く突き出てた位置から下方に移動可能な接触体と、接触体を一定の静止摩擦力で保持しつつ下方に可動なように遊びを設けたガイドと、下方に移動した接触体を上方へ復元させるばね材から成ることを特徴とする試料保持装置について説明する。上記静止摩擦力は、ばね材の反力と接触体の自重との差より小さく、かつウエハへの接触力は１０グラム以下とすることによって、ウエハに対する機械的歪を抑制することが可能となる。
【００１８】
上記構成によれば、ウエハ平坦度に因らず安定した加工，検査精度をウエハに機械的歪を加えることなく実現できる。また、ステージ加速度を上げてもウエハの振動や、当該振動の残留を抑制することが可能となるため、その結果スループットが向上する効果がある。
【００１９】
図１は、荷電粒子線装置の一例である走査電子顕微鏡の概要を説明する図である。また試料はウエハとする。なお、本実施例では、半導体ウエハはウエハキャリアの一種であるＦＯＵＰ（Front Open Unified Pod、以下フープとする）から搬送される例を説明するがこれに限られることはなく、種々のウエハキャリアの適用が可能である。
【００２０】
測定，検査のために、ミニエンロボット３は、フープ１からウエハ２を取り出す。ロードロック室４には試料保持装置であるホルダ５が待機している。ミニエンロボット３はロードロック室４にウエハ２をロードする。なおロード前には一般的にウエハの向きを合わせるためアライメントが行われるが、そのための機構等の図示は省略する。
【００２１】
ロードロック室４のゲートバルブ６を閉じ、真空排気する。真空到達後、試料室７側のゲートバルブ８を開き、ホルダ５をステージ９へ搬送し、電子光学系１０より電子ビームを照射し、測長を開始する。測長終了後は逆の順序でホルダ５およびウエハ２が搬送され、フープ１に収納される。なお、図１の例では、ロードロック室４と試料室７との間でホルダ５が搬送される例を説明しているが、これに限られることはなく、例えば試料室７まで直接試料を搬送し、試料室７内に設置された試料ホルダに、試料を載置するよう構成しても良い。即ち、試料保持装置は、搬送可能に構成しても良いし、試料ステージ上に固定的に設置されるようにしても良い。
【実施例１】
【００２２】
図２は、図１のホルダ５の詳細を説明する図である。図２は試料保持装置を上から見た平面図である。ウエハは２ヵ所の固定ピン２１ａ，２１ｂと１ヵ所の移動チャックピン２１ｃの計３ヵ所で保持される。ウエハを支える支持台２２ａ，２２ｂはそれぞれウエハ外周側と内側に配置してある。この支持台の高さはそれぞれミクロンオーダーの高精度で加工されている。上述のように構成されたホルダの中央部近傍には、防振機構２５が設置される。配置位置はできるだけウエハ中心に近い方が効果的であり、ウエハ中心から半径の１／２以内（接触体の移動方向に対し垂直な面内における数値）が理想である。このとき防振機構は少なくとも１箇所配置すれば良い。
【００２３】
図３は防振機構の概要を示しており、その断面図である。ウエハの下側と接触する可動の接触体３１と、接触体を貫通し、接触体を上下方向に微小量可動なように遊びを設けたガイド３２とから成り、接触体の下部に配置して接触体を浮かせた位置に保持するばね材３３を有する。ばね材３３は接触体３１を上方に押圧するように作用する。なお、本実施例では接触体が樹脂、ガイドが金属である場合とする。また、本実施例では、押圧部材としてコイルバネを用いているがこれに限られることはなく、後述するように静止摩擦力等との関係において、押圧力を設定できるものであれば、その種類は問わない。
【００２４】
ウエハが無い時はガイド３２のストッパ３２ａで制限された高さ３２ｂで接触体は保持されている。高さ３２ｂは、支持台２２の上端面より高い位置にあり、このとき接触体のウエハとの接触部と前記支持台とのギャップ３２ｃは０.６mmとしてある。このギャップは想定されるウエハの反り量に余裕を加えて決めれば良い。
【００２５】
ウエハを保持装置上に載置すると、接触体はウエハによって押し下げられ、ウエハと接触した状態を保持する。ステージ移動によってウエハに衝撃や振動が加わっても、接触体とガイドとの摺動抵抗によって振動は減衰し、ステージ停止直後ウエハを検査するときにはウエハは静止している。測定、或いは検査等の終了後、ウエハを取り出すとばね材によって再び接触体が３２ｃの初期状態に復元される。
【００２６】
図４に図３に例示したような防振機構を用いなかった場合と、防振機構を搭載した場合のステージ停止後２秒後のウエハ振動状態を示す。これはステージ移動後にウエハ高さをレーザ変位計で測定し、この結果をフーリエ変換したものである。図４において、Ａは防振機構を用いなかった場合で、ＢおよびＣは接触体による接触力がそれぞれ８グラム（０.０８Ｎ）と４グラム（０.０４Ｎ）の場合である。なお本実施例では接触体の自重は１グラム未満である。
【００２７】
上記したような防振機構を用いれば、効果的に防振されていることがわかる。また、接触力が４グラムでも防振効果は得られており、摺動部を有する接触体によってウエハ裏面から接触できていれば十分であることがわかる。
【００２８】
図８に防振機構による接触部付近のウエハ表面の等高図を示す。Ａは接触していない場合でＢは本実施例の８グラムで接触している場合である。最大高さの差はＡとＢで１ミクロン未満であり、１０グラム以下の接触力ではウエハの歪はほとんど無いと言える。また、Ｃは１５グラムで接触した場合であるが、Ａとの差は約４ミクロンあり、ウエハの歪が明らかに認められる。
【００２９】
以上の結果から、少なくとも（ばね材の反力−接触体の自重）が４グラム以上、１０グラム以下であれば、ウエハに歪みを生じさせることなく、適正に防振を行うことができることがわかる。
【００３０】
上記構成によれば、ウエハに歪みを与えない程度の押圧力によって、試料に対し接触体を当接しているため、平坦なウエハに対しても、歪みの影響を抑制し得る。よって、本実施例によれば、試料の形状に係らず、防振が可能であり、且つウエハに対する歪みを抑制し得る試料保持装置の提供が可能となる。
【００３１】
図５は接触体とガイドとのはめあいを変え、静止摩擦力の大きさに応じて、ステージ停止後２秒後のウエハの振動状態が異なることを示した図である。Ｄは静止摩擦力が接触体の自重未満の場合でありＥが、静止摩擦力が接触体の自重より大きい場合である。なおウエハへの接触力は両者とも８グラムである。
【００３２】
Ｄでは若干振動が残っているが、Ｅでは防振されている。接触体とガイドとの最適なはめあいにより有効な静止摩擦力が得られ、十分な防振効果が得られていることが分かる。
【００３３】
以上の結果から、少なくとも静止摩擦力が、接触体の自重より大きいと十分な防振効果が得られることが判る。また、ウエハ２を試料保持装置から離脱させたときに、接触体３１の上面が高さ３２ｂまで復旧するように、静止摩擦力は、（ばね材の反力−接触体の自重）より小さく設定される。
【００３４】
以上のような構成によれば、表面に引張歪みを与えたウエハを、複数の支持台を備えた試料保持装置によって保持する際に、防振機構を適正にウエハに当接させることができ、当該当接状態を維持しつつ、試料移動を伴う複数位置の測定や検査を行うことが可能となる。
【実施例２】
【００３５】
図６は防振機構の他の構成を例示する断面図である。ウエハの下側と接触する可動の接触体４１と、接触体の外周を拘束し、接触体を上下方向に微小量可動なように遊びを設けた保持部４２とから成り、前記接触体の下部に配置して接触体を浮かせた位置に保持するばね材４３を有する。これを試料保持装置に搭載すれば、図３の例と同様に接触体と保持部の接触部に摺動抵抗を持たせることができ、防振効果が得られる。なお保持部は試料保持装置の一部でも良い。
【実施例３】
【００３６】
図７は防振機構の更に他の例を説明する図である。ウエハ面と平行な回転軸５１を設け、この回転軸を中心とする軸５２と、この軸を中心に微小回転可能な外筒５３と、外筒に前記ウエハの下側と接触する接触体５４を設けてある。ウエハが試料保持装置に載置されると、外筒が回転軸周りに回転して接触体がウエハによって押し下げられる。外筒にはウエハが凸変形している時の接触限界の位置を制限するストッパ５５を設けてあり、ウエハが載置されていないときばね材５６によって半時計周りに回転され、前記限界位置で外筒は保持される。
【００３７】
これを試料保持装置に搭載すれば、軸と外筒の接触部に摺動抵抗が存在するため、防振効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  フープ
２  ウエハ
３  ミニエンロボット
４  ロードロック室
５  ホルダ
６  ゲートバルブ（ロードロック室）
７  試料室
８  ゲートバルブ（試料室）
９  ステージ
１０  電子光学系
２０  試料保持装置
２１ａ，２１ｂ  固定ピン
２１ｃ  チャックピン
２２ａ  支持台（外周）
２２ｂ  支持台（内側）
２５  防振機構
３１  接触体
３２  ガイド
３２ａ  ストッパ
３３  ばね材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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