(57)【要約】【課題】  本発明は、生物模倣吸着パッドを試料保持部材とした試料ホルダ、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、本発明では、試料（２０１）を保持する試料ホルダであって、試料を支持する複数の支持部材（３０１）を備え、当該支持部材（３０１）と前記試料（２０１）との間に生物模倣吸着パッド（３０３）が位置するように、当該生物模倣吸着パッド（３０３）を前記支持部材（３０１）に設けた試料ホルダ、及び当該試料ホルダを備えた荷電粒子線装置を説明する。【選択図】図３
2015026552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を保持する試料ホルダにおいて、
前記試料を支持する複数の支持部材を備え、当該支持部材と前記試料との間に生物模倣吸着パッドが位置するように、当該生物模倣吸着パッドを前記支持部材に設けたことを特徴とする試料ホルダ。
【請求項２】
請求項１において、
前記生物模倣吸着パッドの前記試料との接触面は、曲面であることを特徴とする試料ホルダ。
【請求項３】
請求項２において、
前記生物模倣吸着パッドを弾性支持するための弾性部材を備えたことを特徴とする試料ホルダ。
【請求項４】
請求項１において、
前記生物模倣吸着パッドは、垂直配向型のカーボンナノチューブであることを特徴とする試料ホルダ。
【請求項５】
請求項１において、
前記生物模倣吸着パッドは、ファンデルワース力によって前記試料を保持することを特徴とする試料ホルダ。
【請求項６】
請求項１において、
前記試料を前記生物模倣吸着パッドから離脱させる試料離脱機構を備え、当該試料離脱機構は、前記試料を傾斜支持した後に、前記生物模倣吸着パッドから、前記試料を離脱させることを特徴とする試料ホルダ。
【請求項７】
荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームが照射される試料を保持する試料ホルダを備えた荷電粒子線装置において、
前記試料ホルダは、前記試料を支持する複数の支持部材を備え、当該支持部材と前記試料との間に生物模倣吸着パッドが位置するように、前記生物模倣吸着パッドを前記支持部材に設けたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記試料を前記生物模倣吸着パッドから離脱させる試料離脱機構を備え、当該試料離脱機構は、前記試料を傾斜支持した後に、前記生物模倣吸着パッドから、前記試料を離脱させることを特徴とする試料ホルダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体ウエハやフォトマスク等の試料を保持する試料ホルダ、及び荷電粒子線装置に係り、特に生物模倣吸着パッドを備えた試料ホルダ、及び荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸着部材として、垂直配向したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シートからなる接着テープが知られている。特許文献１には、垂直配向したＣＮＴシートからなる接着テープが開示されている。また、特許文献２は、基板を保持するための静電チャック機構の試料保持面に、カーボンナノチューブを満たすことで、試料保持面と試料との間の摩擦を抑制することが説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２０１７７２号公報
【特許文献２】ＵＳＰ８，１６９，７６８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、半導体ウエハ等の測定や検査を行う荷電粒子線装置では、測定等の対象となるウエハを装置内に搬入した後、試料ステージによって測定または観察位置に移動し、測定等を行っている。ウエハは位置ずれによる破損防止や位置決め精度の向上のため、メカクランプあるいは静電チャック機構を備えた試料ステージが採用されている。
【０００５】
メカクランプあるいは静電チャックを使用してウエハを試料ステージに固定することによって、高速に試料ステージを動かした場合であっても、ウエハが滑り落ちを防止することができる。ウエハを固定しなくても測定することは可能であるが、その場合はステージの移動速度を遅くする必要があり、スループットは著しく低下する。したがって何らかの手段を用いてウエハを試料ステージに固定する必要があるが、ウエハエッジ部をクランプする方式の場合、ウエハエッジ部にピンなどを押しつけてウエハを固定するため、特にウエハ外周部にレジスト残り等の付着物が付着しているような場合には、接触部から僅かながらも異物が発生する場合がある。一方、静電チャック方式ではウエハエッジ部での接触がないためメカクランプの場合のようなウエハエッジからの異物は抑制されるものの、ウエハの裏面異物が増加する傾向がある。また静電チャックではウエハの搬送を繰り返すと徐々に、静電チャック表面に電荷が蓄積する。この静電チャックに蓄積した電荷は残留吸着の要因となり、残留吸着が生じている状態で強引にウエハ脱着すると、ウエハが弾み、裏面異物が増加する問題やウエハの位置ずれによる搬送エラー、場合によってはウエハの破損につながる可能性がある。
【０００６】
異物発生や残留吸着等の発生を抑制する生物模倣吸着パッドを適用することが望ましいが、特許文献１にはＣＮＴシートからなる接着テープをウエハのような試料接着に用いることについての開示がなく、また、引用文献２にはＣＮＴを試料吸着に用いることについての開示がない。
【０００７】
以下、生物模倣吸着パッドを試料保持部材とすることを目的とする試料ホルダ、及び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】
【０００８】
上記目的を達成するための一態様として、以下に試料を保持する試料ホルダであって、試料を支持する複数の支持部材を備え、当該支持部材と前記試料との間に生物模倣吸着パッドが位置するように、当該生物模倣吸着パッドを前記支持部材に設けた試料ホルダ、及び当該試料ホルダを備えた荷電粒子線装置を説明する。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成によれば、異物発生や残留吸着等の影響を抑制し得る生物模倣吸着パッドによる試料保持が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】走査電子顕微鏡の概要を示す図。
【図２】メカクランプによりウエハを固定するウエハホルダ。
【図３】生物模倣吸着パッドによりウエハを固定するウエハホルダ、および生物模倣吸着パッドの構成図。
【図４】リフト機構の概略を示す図。
【図５】電子顕微鏡の真空試料室と予備排気室の概要を示す図。
【図６】リフトピンによってウエハをリフトアップした状態を示す図。
【図７】ウエハの搬送工程を示す図。
【図８】支持部材先端に選択的に垂直配向ＣＮＴを設けた例を示す図。
【図９】傾斜機能付き支持部材の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に説明する実施例では、荷電粒子線装置のウエハを保持するステージ（試料ホルダ）に生物模倣吸着パッド（垂直配向ＣＮＴテープ)をウエハに弾性的に接触するように配置し、このパッドとウエハ間に発生するファンデルワールス力で固定する方式を提案する。
【００１２】
以下に例示する生物模倣吸着パッドは、表面に直径数ｎｍから数十ｎｍのカーボンナノチューブを１平方センチメートルあたり数十から数百億本の密度で垂直に配向したものであり、ＣＮＴ先端がウエハと近接する際に発生するファンデルワールス力によって接着される。剥がす際は、端からめくるように引きはがせば容易に剥がせる。
【００１３】
また、複数の支持部材で試料を支持するように構成すると共に、各支持部材と試料との間に垂直配向ＣＮＴテープを配置することによって、過度な吸着力の抑制による試料交換の容易性を確保しつつ、異物等の発生の抑制が可能な試料ホルダの提供が可能となる。また、試料の弾性支持機構を設けることによって、例えば反っているウエハなどを安定して固定することが可能となる。複数の支持部材の吸着面の総面積を、ウエハ裏面の面積より小さくすることで全面吸着する場合と比較して引き剥がしが容易となる。生物模倣吸着パッドは、せん断粘着力が高く、ステージの移動方向であるＸ−Ｙ方向に強い粘着力を発生するため、少ない面積で必要な保持力を発揮することができる。よって複数の支持部材でウエハ裏面の総面積より狭い範囲を吸着することによって、高い試料保持力と容易なウエハの取り外しの両立を実現することができる。
【００１４】
更に、以下に先端が曲面状に形成された複数の支持部材の表面（ウエハの支持部）に、ＣＮＴを垂直に成長させた生物模倣吸着パッドを設け、この生物模倣吸着パッドを弾性支持する弾性支持部を備えた例について説明する。生物模倣吸着パッドの適用によって、ウエハをパッドとの間で発生するファンデルワールス力でウエハ裏面を吸着することが可能となるため、メカクランプのようなウエハエッジ部の接触がなく異物が表面に付着することを防止しつつ、静電チャックで問題となる残留吸着力のない、搬送の信頼性の高い装置を提供することができる。また、ステージ移動速度を高速にすることが可能となり、スループットを向上させることができる。さらに、静電チャックのように専用の直流電源が不要であることから、装置構成が簡単で低コストの装置を提供することができる。
【００１５】
図１に走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概要を説明する。なお、以下の説明ではＳＥＭを荷電粒子線装置の一例として説明するが、これに限られることはなく、例えば集束イオンビーム装置や電子線描画装置等の他の荷電粒子線装置に後述するような試料ホルダを適用することも可能である。電子源１及び一次電子加速電極１３に印加された引き出し加速電圧１２によってから発生した電子は、対物レンズ６により集束されて、かつ静電チャック上の半導体ウエハ７に印加されたリターディング電圧１０により減速され試料上に照射される。試料に一次電子線２が照射されると、試料７から二次電子８が発生し、二次電子８はリターディング電圧１０により電子源側に加速される。二次電子８は反射板４にあたり、反射板で発生した二次電子８が二次電子検出器９で補足され、二次電子検出器９に入射する電子の量に応じて二次電子検出器９の出力が変化する。
【００１６】
走査型電子顕微鏡は、走査コイル５により電子線を試料上に走査し、走査に同期して二次電子検出器９の出力を画像の濃淡に変換してディスプレイに表示することで、試料表面の形状を二次元画像として表示する。
【００１７】
図２（ａ）はウエハステージの一例を示す図である。測定試料となるウエハ２０１を固定するためのピン形状のメカクランプ２０２を有したウエハホルダ２０３である。図２（ｂ）はメカクランプ２０２付近の拡大図である。通常、メカクランプ方式でウエハを固定する際はウエハ表面に触れることができないため、ウエハエッジ部を数本のピンで押さえつけウエハを固定する。ピンを押しつける圧力はウエハエッジ部が破損しないよう最適な圧力を設定するが、ウエハのエッジ部分までレジストが回り込んでいるウエハなどではクランプピンとウエハエッジが接触することによって、レジストなどがわずかに削れ、異物発生の原因となる。
【００１８】
図３（ａ）は、生物模倣吸着パッドを備えたウエハホルダの一例である。図３（ｂ）は、生物模倣吸着パッド近傍の拡大図である。生物模倣吸着パッド３０１は、先端が曲面形状をした導電性樹脂材料からなる端子３０２の表面にＣＮＴを垂直に成長させたシート状のＣＮＴフィルム３０３を接着した構造をしている。端子３０２は底面にザグリ穴が設けてあり、この穴にはコイルばね３０４が挿入されている。端子の底面外周部には鍔部３０５が設けてあり、この鍔部３０５により飛ぶ出すことなく保持するカバー３０６によりホルダ２０３に固定されている。このような吸着パッドがホルダ２０３上に５か所備えてあり、ウエハが積載されると自重で沈み込むことにより、ウエハ面内でほぼ均等な荷重でウエハを支持する。ＣＮＴフィルムの表面には、直径数ｎｍから数十ｎｍのカーボンナノチューブが１平方センチメートルあたり数十から数百億本の密度で分布しているため、ウエハ裏面の極微小な粗さになぞらえて近接するため、両者の間にファンデルワールス力が発生しウエハを固定する。
【００１９】
したがって、ウエハエッジを機械的に固定するメカクランプが不要となるため、これによる発塵でウエハ表面に異物が付着することはない。また、静電チャックのように専用の直流電源が不要であることから、装置構成も単純ですむため信頼性が高く装置の製造コストを低く抑えることができる。また、ウエハと吸着パッドの接触も小さくてすむため、裏面異物の増加も小さく抑えることができる。
【００２０】
なお、ウエハは半導体製造工程によっては３００μｍ程度の反りが生じていることもあるが、本実施例では吸着パッドの下部に設けたコイルバネで弾性的に支持するため、ウエハが反っている場合でも再現性よく吸着パッドとウエハが接触できる構造となっており、信頼性の高い構成となっている。またウエハと接触するバッド上部は５０ｍｍから２００ｍｍ程度の曲率で加工することでウエハとの接触を安定させることができる。
【００２１】
なお、本実施例では吸着パッドは端子の上にＣＮＴフィルムを接着した構成としているが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、たとえば実施例と同様な形状の端子部材に直接ＣＮＴを成長させた構成としてもよい。重要なのは、ウエハ裏面を保持するパッドの先端にファンデルワールス力を発生させるＣＮＴを成長させた点であることはいうまでもない。
【００２２】
電子線を用いてウエハを計測する測長ＳＥＭではウエハの電位を安定させることが重要である。この点でも本実施例のホルダは優れた効果を期待することができる。つまり、ＣＮＴには導電性があるため、ホルダにリターディング電圧１０を印加するとコイルばね３０４と端子３０２を介してウエハ２０１と導通してリターディング電圧１０が印加される。ウエハと吸着パッドの接触抵抗の目安としては１ＭΩ以下とするのが望ましい。この抵抗は、吸着パッドの先端の巨視的な曲率半径と個数により調節可能である。
【００２３】
生物模倣吸着パッドは原理上、吸着力が低下することはないが、半導体ウエハの製造は多数の装置を利用して行われ、搬送時に裏面を何らかの手段で吸着することが多いため、表面に比べると異物が付着していることが多い。このように裏面が汚れているウエハを繰り返し搬送した場合はパッド表面に異物が付着していくため、吸着力が低下し、ステージ移動時にウエハが滑り、目標位置への移動精度が悪化することや搬送位置がずれてウエハ破損につながる恐れがある。このような問題を防ぐには吸着パッド間の抵抗値を監視すればよい。すなわち、パッド表面に異物が付着していくとウエハ裏面とパッド間の抵抗値が増加するため、この抵抗を定期的に監視し抵抗値が予め決めておいたしきい値を超えたら異常と判断し、交換時期をしらせるアラームを発報、装置を停止すればよい。その後吸着パッドを交換すれば、搬送エラーを起こすことなく装置を運用しつづけることができる。
【００２４】
抵抗値を監視すれば、パッドの汚れを監視する以外にも、ウエハが正しく吸着できているかどうかの判定に使用できる。ウエハの反りが異常に大きい場合など、上記で提案した構造でもウエハ裏面とパッドが接触できないことが考えられるが、パッドとウエハ裏面がただしく接触できていない場合、抵抗値が増加するため、これを監視することで正しくパッドとウエハ裏面が接触していることを確認することができる。
【００２５】
図４（ａ）はウエハを生物模倣吸着パッド付きのウエハホルダに吸脱着させるためのリフト機構部の一例を示す図である。パッド下部にバネ等の弾性体を配置することで、吸着時はウエハ２０１裏面は複数のパッド４０２、４０３、４０４と吸着している。この吸着パッドは垂直方向の吸着力は比較的つよいため、ウエハをパッドから脱着させる際に、複数のパッドから同時に持ち上げようとするとウエハに比較的大きな力が作用する。その結果、ウエハの裏面に傷やクラック等が存在する場合には、ウエハが破損する可能性がある。
【００２６】
一方、図４（ｂ）に例示するように、リフト機構のシャフト４０５がウエハを持ち上げるタイミングをずらし、１か所ずつパッドからウエハを脱離していけば、比較的容易に引き剥がすことができる。図４（ｂ）の例ではシャフト４０５の長さをシャフト毎に変化させることによって、ウエハを持ち上げるタイミングをシャフト毎に変化させている。シャフト支持部４０６は通常支持状態のウエハの下方から、ウエハ表面に対して垂直な方向に複数のシャフト４０５を持ち上げるように構成されているため、長さの異なるシャフト４０５をリフトアップすると、時間を変えて次々にウエハ２０１にシャフト４０５が接触することになり、結果として、全体ではなく部分的な引き剥がしを行うことが可能となる。これによってウエハに過度なストレスをかけることなく、引き剥がしを行うことが可能となる。また、１のパッドに対し、１のシャフトを設けておけば、１のパッドごとにウエハを引き剥がすことができるため、ウエハに係るストレスを最小限にすることが可能となる。
【００２７】
図５は、電子顕微鏡の真空試料室５０１と予備排気室５０２の概要を示す図である。真空試料室５０１内には、試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１は図示しない駆動機構によって少なくともＸ−Ｙ方向への移動が可能となるように構成されている。また、真空試料室５０１内には、２つのハンド５０３、５０４を有する搬送機構５０９が設けられている。搬送機構５０９は、真空試料室５０１内にて処理が終了したウエハ７を予備排気室５０２に搬送すると共に、予備排気室５０２内で待機するウエハ（図示せず）を真空試料室５０１内に導入するように、図示しない制御装置によって制御される。試料ステージ１１上にはウエハ７を保持するための生態模倣吸着パッドが先端に設けられた支持部材５０７が設けられている。支持部材５０７によって保持されているウエハは、リフトピン５０８によって支持部材５０７から次々と引き剥がされ、最終的に図７に例示するようにリフトアップされる。図６は、リフトアップされた状態のウエハ７と、試料ステージ１１の拡大図である。
【００２８】
図７の上図は、試料ステージ１１の上視図であり、ウエハ７と試料ステージ１１との間に、ハンド５０３が挿入された状態を示す図である。図７の下図は、生物模倣吸着パッドの吸着力によって保持されたウエハ７を、真空試料室から搬送する過程の一部を示す図である。なお、本例では説明を簡単にするために支持部材が３つの例を説明しているが、これに限られることはなく３つより多くの支持部材を設けることも可能である。なお、以下の動作は図示しない制御装置からの命令によって実行される。
【００２９】
まず、試料が支持部材５０７に吸着された状態（ａ）では３つの支持部材５０８全てにウエハ７が吸着された状態となっている。次に、1以上３未満のリフトピン５０８によって、試料を持ち上げ、傾斜保持（ｂ）する。このとき、全部のリフトピン５０８を動作させるのではなく、一部を選択的に動作させているので、部分的な引き剥がしを行うことになり、ウエハへの過度なストレスを抑制することができる。また、一部を吸着した状態で他の一部の持ち上げているため、垂直方向（Ｚ方向）に対して斜めの方向に向かって引き剥がすことになり、引き剥がしの際のストレス自体を緩和することが可能となる。また、支持部材５０７の先端を曲面状に形成しておくと共に、その曲面上に垂直配向型のＣＮＴを設けておくことによって、傾斜保持状態であっても、吸着している側の支持部材５０７と、ウエハ７との間に十分な接触面積を確保することができ、傾斜状態であっても脱落のリスクを抑制することが可能となる。
【００３０】
一方、傾斜によって接触面積を減らすことによって、引き剥がしの際にウエハ７にかかるストレスを抑制することも考えられる。図８は傾斜によって、支持部材５０７上に設けられたＣＮＴ部８０１とウエハ７との接触面積を減らす例を示す図である。支持部材５０７の先端部にはＣＮＴ部８０１が選択的に設けられている。本例では、ＣＮＴ部８０１が支持部材先端の一部（中心近辺のみ）にしか設けられていないため、水平保持時と比較して傾斜保持時には接触面積が約半分になる。このように構成することによって、水平保持した状態からウエハ７をリフトアップする場合と比較して、引き剥がしの際のウエハ７にかかるストレスを軽減することが可能となる。また、支持部材５０７の先端の頂点部に対し、当該先端部の頂点部から離れた部分の曲率を大きくすることによっても同等の効果を実現することができる。具体的には頂点部から離間するに従って曲率が大きくなるように支持部材５０７の先端を形成することによって、ウエハ７と支持部材５０７との間の接触面積を傾斜に従って減少させることができ、結果として引き剥がしの際のストレスを抑制することが可能となる。なお、ウエハの面積に対するリフトアップ量が小さい場合には、傾斜によるウエハの脱落のリスクが極めて低いため、傾斜によって吸着面積をゼロにするように支持部材５０７の先端を構成するようにしても良い。
【００３１】
傾斜保持（ｂ）の後、残りのリフトピンによるリフトアップを順次、或いは一度に行うことによって、ウエハ７を水平状態にリフトアップ（ｃ）する。リフトアップ（ｃ）によって、アーム５０３を挿入する空間ができるため、アーム５０３を挿入しリフトピンを降下することによって、ウエハ７をアーム５０３上に搭載し、ウエハ７を搬出する。
【００３２】
以上のような構成によれば、引き剥がしの際にウエハにかかるストレスを抑制しつつ、ウエハの搬送を行うことが可能となる。
【００３３】
なお、これまでの説明ではウエハ７をリフトアップすることによってウエハ７を傾斜状態とする例について説明したが、支持部材を傾斜させることによって、ウエハが支持部材に対して相対的に傾斜するようにすることもできる。図９はその例を示す図である。傾斜機能付き支持部材９０１は図示するような傾斜が可能であり、傾斜によってウエハ７との接触面積が減少するＣＮＴ部８０１が設けられている。このような構成によっても図８に例示した構成と同等の効果を達成することが可能となる。
【００３４】
なお、これまでウエハをリフトアップすることによって搬送する例について説明したが、ウエハをリフトアップするのではなく、支持部材を降下させることによって結果的に試料ホルダからウエハを離脱させるウエハ離脱機構を採用するようにしても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１  電子源
２  一次電子線
３  コンデンサレンズ
４  反射板
５  走査コイル
６  対物レンズ
７  ウエハ（試料）
８  二次電子
９  二次電子検出器
１０  リターディング電源
１１  試料ステージ
１２  引き出し加速電圧
１３  一次電子加速電極
２０１  ウエハ
２０２  メカクランプ
２０３  ウエハホルダ
３０１  生物模倣吸着パッド
３０２  端子
３０３  シート状のＣＮＴフィルム
３０４  コイルばね
３０５  鍔部
３０６  保持カバー
４０１  パッド
４０２  パッド
４０３  パッド
４０５  シャフト
【図１】
2015026552.tif 000003
【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】
2015026552.tif 000009
【図８】
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【図９】
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