JP2000149845A - 試料の保持方法，試料の保持装置、および荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ウェハ周辺の電界乱れを緩和する、実施容易な
試料の保持方法，試料の保持装置、および荷電粒子線装
置を提供する。 【解決手段】試料を保持する保持装置を貫通する昇降ピ
ンに試料を載せ、昇降ピンを下降させて保持装置に設け
られた支持台に試料を載せ、試料が保持装置に保持され
たときに試料の表面とほぼ同じ高さ、かつ試料の端面と
の隙間が０.５ ミリメートル以下となる導体板と試料と
に同じ電圧を印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料の保持方法，
試料の保持装置、および荷電粒子線装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子線を用いて半導体ウェハを加工
する装置または半導体ウェハ上の回路パターンを検査す
る装置は、被加工物または被検査物である半導体ウェハ
を保持する装置を有している。

【０００３】このような装置の一例として、電子線測長
機がある。これは、半導体ウェハ上に作り込まれた回路
パターンの幅，位置を測定するもので、荷電粒子線とし
て電子線を用い、電子線プローブ，画像処理装置，レー
ザ測長器付き試料ステージ等から構成されている。この
電子ビーム測長機においては、電子線によって回路パタ
ーンの素子を損傷させることなく、所望の精度，分解能
で回路パターンの幅，位置を測定するために、半導体ウ
ェハに電圧を印加して電子線の照射エネルギ強度を制御
している。この電圧の印加をリターディングと呼ぶ。こ
の技術は例えば、特開平2−142045 号公報や特開平5−2
58703 号公報に記載されている。

【０００４】ところで、リターディングにより半導体ウ
ェハの上方空間に電界が生ずるが、この電界は半導体ウ
ェハの端部付近で均一でなく乱れており、その結果、電
子線の軌道が不規則に曲げられるため、半導体ウェハの
端部付近では正確な回路パターンの位置の測定が困難で
あった。このような電界の乱れによる影響は、電子線測
長機に限らず、荷電粒子線を用いてリターディングを採
用した装置であれば発生する可能性がある。上記従来技
術には、半導体ウェハの端部の電界乱れについて記載さ
れていない。

【０００５】また、上記のような荷電粒子線装置に試料
である半導体ウェハを固定するために、試料の保持装置
が用いられるが、上記リターディングのための電圧の試
料への印加は、保持装置を介して行われる。

【０００６】この試料の保持装置の構成は従来より種々
工夫されており、例えば特開昭60−167245号公報には、
真空中で作用する保持体によって半導体ウェハを確実に
保持する構成が記載されている。しかしながら、上記リ
ターディングによって発生する半導体ウェハの端部の電
界乱れについて、試料の保持装置の側から対応したもの
は見当たらない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、試料の保持
装置を介して試料にリターディングのための電圧を印加
することに着目し、上述の半導体ウェハの端部の電界乱
れを緩和できる実施容易な試料の保持方法，試料の保持
装置、および荷電粒子線装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、下記の構成としたものである。

【０００９】試料の保持方法においては、保持装置を貫
通する昇降ピンに試料を載せ、昇降ピンを下降させて保
持装置に設けた支持台に試料を載せ、試料が保持装置に
保持されたときに試料の表面とほぼ同じ高さ、かつ試料
の端面との隙間が０.５ ミリメートル以下となる導体板
と試料とに同じ電圧を印加するものである。

【００１０】試料の保持装置においては、試料を載せる
昇降ピンが貫通するとともに、昇降ピンが下降して試料
を載せる支持台と、試料が支持台に載せられたときに試
料の表面とほぼ同じ高さ、かつ試料の端面との隙間が
０.５ ミリメートル以下であり、試料と同じ電圧が印加
される導体板とを有するものである。

【００１１】荷電粒子線装置においては、荷電粒子線の
試料への照射に際して試料へリターディングの電圧を供
給するリターディング電圧供給装置と、試料を載せる昇
降ピンが貫通するとともに、昇降ピンが下降して試料を
載せる支持台と、試料が支持台に載せられたときに試料
の表面とほぼ同じ高さ、かつ試料の端面との隙間が０.
５ ミリメートル以下であり、試料と同じ電圧が印加さ
れる導体板とからなる試料の保持装置とを有するもので
ある。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。図１に電子線測長機の構成の概略を縦断
面図で示す。図１において、試料であるウェハ１はキャ
リア２からアームが回転と上昇をするＲΘＺ駆動型の搬
送ロボット３により搬出され、エアロックチャンバ４内
にゲート５を通して搬入された後、ホルダ６上に移載さ
れる。次に、ゲート５が閉じられ、バルブ７が開けら
れ、ポンプ８によりエアロックチャンバ４内が真空排気
される。ゲート９で仕切られたワークチャンバ１０内は
常時真空排気され、両チャンバの真空度が近づいた後、
ゲート９が開けられ、ウェハ１が搭載されたホルダ６が
ワークチャンバ１０内のステージ１１上に搬入，移載さ
れ、測定環境へのウェハ１の搬入が終了する。

【００１３】次に、ウェハ１上の測定対象である第一の
パターンが電子光学系装置１２の下方にくるようにステ
ージ１１が移動し、ステージ１１が停止した後、リター
デング電圧の印加されたウェハ１に向って電子線１４が
入射する。ステージ１１はレーザ干渉計１３により位置
が計測されており、その位置情報によって移動が制御さ
れる。

【００１４】放出される二次電子１５は検出器１６に導
かれ検出される。電子線１４の走査により、前記第一の
パターンを含む走査領域の信号がＥＢプローブ画像処理
制御部１０５に取込まれる。画像処理では、信号処理に
より得られる第一のパターンの中心から基準座標までの
偏差とステージ（またはウェハ）の位置に対応した計測
座標との加減算から、第一のパターンの中心の座標が測
定される。次に、第二のパターンが同様にして測定さ
れ、第一のパターンの中心と第二のパターンの中心の差
に基づいて、両パターンのピッチが計算される。

【００１５】ウェハ１について予定された一連の測定が
実行された後、ウェハ１の搬出のため、ホルダ６はエア
ロックチャンバ４まで、ウェハ１は更にキャリア２ま
で、前記と逆の順序で搬送され、引続き次のウェハ１が
順次同様に測定される。

【００１６】上記各制御は、ウェハ搬送制御部１０１，
ホルダ搬送制御部１０２，真空排気制御部１０３，ステ
ージ駆動位置計測制御部１０４，ＥＢプローブ画像処理
制御部１０５とそれらを統括する中央処理装置１００の
協調により実行される。

【００１７】本発明の第一の実施例を図２から図５に示
す。

【００１８】図２は機械的保持方式のホルダ２１を上か
ら見た上面図、図３は図２に示す導体板３３ａ，３３ｂ
の一部を切り欠いた上面図、図４と図５は図２のＡＡ断
面図である。

【００１９】図３において、ホルダ２１上にはウェハ２
２の底面を支持する支持台２３ａ，２３ｂ，２３ｃが固
定され、また、ウェハ２２の端面あるいは端面ノッチ部
に対応してウェハ２２を固定する固定保持ピン２４ａ，
２４ｂが取付けられ、ウェハ２２を挟み込むように作用
する移動保持ピン２４ｃとの協調により、移載後のウェ
ハ２２を水平方向（ＸＹΘ方向）に位置決め、保持す
る。

【００２０】ここで移動保持ピン２４ｃは支点２５によ
り揺動案内された従動レバー２６に取付けられ、該従動
レバー２６は同様に揺動案内された駆動レバー２７に設
けられた圧縮ばね２８により、駆動ピン２９に押付けら
れ、図１に示したエアロックチャンバ４での真空あるい
は大気圧状態に対応して伸縮する大気圧ガスが封入され
たベローズ３０の作用により、真空では移動保持ピン２
４ｃがウェハ２２を挟み込む（すなわち、閉じる）よう
に、大気圧では開くように動作する。

【００２１】更に、駆動レバー２７には斜面３１ａ，３
１ｂが設けられ、各々支点３２ａ，３２ｂにより揺動案
内された導体板３３ａ，３３ｂの底面に設けられた従動
ピン３４ａ，３４ｂに対応し、引張りばね３５ａ，３５
ｂにより閉じる方向に付勢された導体板３３ａ，３３ｂ
を、真空では閉じるように、大気圧では開くように駆動
する。

【００２２】大気圧から真空に移行する過程において、
導体板３３ａ，３３ｂは、固定保持ピン２４ａ，２４ｂ
に向ってウェハ２２を挟み込む移動保持ピン２４ｃを追
うように閉じ、その後には、導体板３３ａ，３３ｂと固
定保持ピン２４ａ，２４ｂが移動保持ピン２４ｃとウェ
ハ２２とを挟み込む状態になる。

【００２３】ここで、導体板３３ａ，３３ｂは、ホルダ
２１に固定されたばね掛け３６と引張りばね３５ａ，３
５ｂにより、ホルダ２１に対し電気的に接続され、更に
移動保持ピン２４ｃを経由してウェハ２２に接続されて
いる。一方、ウェハ２２の他端は固定保持ピン２４ａ，
２４ｂを経由してホルダ２１に接続され、また、該固定
保持ピン２４ａ，２４ｂの外側には、第３の導体板３３
ｃが電気的接続を兼ねてホルダ２１に固定され、前記導
体板３３ａ，３３ｂと併せてウェハ２２の全周を取囲ん
でいる。

【００２４】上記導体板３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、そ
の表面高さがウェハ２２の表面とほぼ同一に、閉状態で
のウェハ２２の外縁との隙間が０.５ ミリメートル以下
に構成されている。この高さは後述する発明者らの実験
により、２００マイクロメートル以下であると、電界の
乱れを緩和する効果がある。

【００２５】また、固定保持ピン２４ａ,２４ｂ，移動
保持ピン２４ｃや支点３２ａ,３２ｂの表面高さも、ウ
ェハ２２の表面に近く構成され、ステージ１１の上でホ
ルダ２１の底面から印加されたリターデング電圧による
ウェハ２２の表面側の周辺の電界乱れを緩和する助けと
なっている。

【００２６】次に、ウェハ２２の搬送，移載について説
明する。ウェハ２２の搬入に際し、図１に示したエアロ
ックチャンバ４は大気開放され、ゲート５は開き、図３
に示したホルダ２１の導体板３３ａ，３３ｂ，移動保持
ピン２４ｃも開き、図４に示す昇降駆動部３７の上部に
設けられた昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃは、ホルダ
２１の対応する穴を通って上昇状態で待機している。図
４中に破線で示したハンド３９は図１に示した搬送ロボ
ット３の一部であり、昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃ
はこのハンド３９と干渉しないように配置されている。

【００２７】図４に示すように、ウェハ２２はハンド３
９により図１に示したゲート５を通ってホルダ２１を貫
通する昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃの上に搬送さ
れ、ハンド３９が下降して、ウェハ２２が昇降ピン３８
ａ，３８ｂ，３８ｃへ載せられた後、ハンド３９はゲー
ト５の外へ後退し、昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃが
下降する途中でウェハ２２は支持台２３ａ，２３ｂ，２
３ｃの上へ載せられる。このようにして、ウェハ２２
は、図２または図３に示すように固定保持ピン２４ａ，
２４ｂ，移動保持ピン２４ｃの内接円内に置かれる。な
お、ウェハ２２の搬出は上記と逆の順序で行われる。

【００２８】以上述べた、本発明の第一の実施例におけ
る効果を下記する。

【００２９】１．ウェハはホルダと一体の支持台上で保
持されるため、安定して保持される。２．ウェハはその
端面が保持ピンと、裏面がロボットハンド，昇降ピン，
支持台と接触するのみであるため、異物付着の可能性が
少なくなり、付着異物を低減できる。

【００３０】３．ウェハの直径がばらついても、導体板
は移動保持ピンを挟んで位置決めされるため、ウェハの
外縁と導体板との隙間を０.５ ミリメートル以下にする
ことが可能である。

【００３１】４．以上のように構成が簡単なので、実際
の装置の製作，各部の動作の信頼性の確保が容易であ
る。

【００３２】本発明の第二の実施例を図６から図８に示
す。

【００３３】図６は静電吸着方式のホルダ４１を上から
見た上面図、図７と図８は図６の縦断面図である。

【００３４】図７において、ホルダ４１上にはウェハ２
２を支持台を兼ねて静電吸着保持する静電チャック４２
と、ウェハ２２を取囲むようにホルダ４１に固定された
導体板４３が設けられ、ステージ１１上においてリター
デング電圧Ｅｒが導体板４３に、静電チャック電圧Ｅｓ
がホルダ４１に印加されるように構成されている。

【００３５】エアロックチャンバ４には、図８に示す昇
降駆動部３７がホルダ４１の下方に設けられ、ホルダ４
１に設けられた穴を通して昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３
８ｃを駆動することによりウェハ２２を昇降する。

【００３６】図８中に破線で示したハンド３９により昇
降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃの上に搬入され、載せら
れたウェハ２２は、第一の実施例におけるホルダ上の保
持ピンによる位置決めの代りに、ホルダ４１の上方のハ
ンド３９と競合しない位置に配置された中心合せ方式の
ウェハ位置決め装置４４により、ウェハ２２を取囲むよ
うに開いた導体板４３の開口と同心のＸＹΘ位置に位置
決めされ、昇降ピン３８ａ，３８ｂ，３８ｃの下降によ
り静電チャック４２の上に、導体板４３の開口の中心と
中心を合せて載せられる。そして、静電チャック電圧Ｅ
ｓの印加によりウェハ２２はホルダ４１に保持され、測
定が行われる。

【００３７】導体板４３の高さとウェハ２２の高さの差
は、本発明の第一の実施例と同様に２００マイクロメー
トル以下、隙間は０.５ ミリメートル以下に設定されて
いる。

【００３８】なお、ウェハ２２に設けられたノッチやオ
リエンテーション・フラットを検出するようにすれば、
ウェハ２２の回転位置をパターンウェハ位置決め装置４
４で補正することも可能である。

【００３９】以上述べた、本発明の第二の実施例におけ
る効果を下記する。

【００４０】１．ウェハの直径がばらついても、ウェハ
位置決め装置により中心合せが行われるため、ウェハの
外縁と導体板との隙間を０.５ ミリメートル以下にでき
る。

【００４１】２．ウェハの回転を検出し、ウェハ位置決
め装置のΘ駆動に帰還することにより、ステージ座標軸
に対する回転補正ができる。

【００４２】なお、本発明の第一の実施例および第二の
実施例は、本発明による試料の保持装置および保持方法
を電子線測長機に適用した場合について述べたが、他の
例として、ウェハ上のパターンをこれより離れた位置に
ある同一形状のパターンと比較してパターンの欠陥を検
出する検査装置に適用した場合、ウェハの縁に近い部分
に形成された半導体チップの検査の精度が上がり、また
不良原因究明が容易になって歩留まり向上に寄与するこ
とができるという効果がある。また、半導体ウェハの加
工装置，上記実施例以外の測定装置，検査装置に用いて
も、試料の端部まで加工，測定，検査が可能になるとい
う効果がある。

【００４３】以上述べた実施例による、電界の乱れの緩
和の効果を説明する。

【００４４】図９に、ウェハ２２の端部に導体板３３
ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３の突起がウェハ２２より１ミ
リメートルだけ高い場合の電界シミュレーションの結果
による電界分布図を示す。電界の状態を示す等電位線５
０の疎密が均等でない場所が電界が乱れている場所であ
る。勾配シールド電極５１はウェハ２２と同電位として
ウェハ２２の表面に電位勾配を生じないようにするもの
である。また、シミュレーションのため、ウェハ２２は
上記本発明の実施例のように支持台２３ａ，23ｂ，２３
ｃの上に載せられている構造とはなっていない。図９
（ａ）は電子線１４の照射位置が突起から５ミリメート
ル離れている場合、図９（ｂ）は電子線１４の照射位置
が突起から１０ミリメートル離れている場合である。

【００４５】図９（ａ）と（ｂ）とを比較すると、
（ｂ）よりも（ａ）の方、すなわち突起が電子線１４に
近い方が電界の変動がみられる。突起から５ミリメート
ルの範囲は電界の変動がみられ、電子線１４の照射位置
が乱される可能性が高いことが予想される。

【００４６】図１０に、ウェハ２２の端部周囲が空間で
ある場合の電界シミュレーションの結果による電界分布
図を示す。ウェハ２２は静電チャック４２の上に載せら
れている。図１０（ａ）は電子線１４の照射位置がウェ
ハ２２の端部から５ミリメートルの場合、図１０（ｂ）
は電子線１４の照射位置がウェハ２２の端部から１０ミ
リメートルの場合である。

【００４７】図１０（ａ）と（ｂ）とを比較すると、
（ｂ）よりも（ａ）の方、すなわち電子線１４の照射位
置がウェハ２２の端部に近いほど等電位線５０の変動が
大きく、電子線１４の照射位置が乱される可能性が高い
ことが予想される。したがって、ウェハ２２の端部に大
きな空間を設けることは避けなければならないことがわ
かる。

【００４８】ウェハ２２の端部から外側に高さのある突
起または低い空間を設けた場合、電子線１４の照射位置
が乱されない範囲は、ウェハ２２の端部から少なくとも
１０ミリメートル内側であることがわかった。

【００４９】以上の電界シミュレーションの結果による
電界分布図をみると、ウェハ２２の端部の電界の変動を
防いで電子線１４の照射位置への影響を防止するために
は、導体板３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３のウェハ２２
の端部周辺を、ウェハ２２の表面と同じ高さにすると効
果があることが判明した。

【００５０】また、ウェハ２２の高さ寸法と導体板３３
ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３の高さ寸法とを完全に同じに
することは機械加工や組立の時の誤差等により困難であ
るが、発明者らの実験によれば、ウェハ２２の端部表面
と導体板３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，４３の高さの差が２
００マイクロメートル以下であれば、電子線１４の照射
位置への影響がほとんど無視できることがわかった。

【００５１】また、ウェハ２２と導体板３３ａ，３３
ｂ，３３ｃ，４３との間には隙間が出来る。発明者らの
実験によれば、この隙間は０.５ ミリメートル以下であ
れば、電子線１４の照射位置への影響がほとんど無視で
きることがわかった。

【００５２】なお、本発明の構成として、以下に示すも
のでもよい。

【００５３】１．荷電粒子線を照射して試料の加工また
は検査を行う荷電粒子線装置において、前記試料を底面
で支持する支持台と、前記試料を前記支持台の上に搬入
する際、前記試料を底面で支持し前記試料の外縁との干
渉を避けて構成された昇降駆動手段と、前記試料の表面
とほぼ同一高さであって前記試料と同じ電圧が印加され
るとともに前記試料の外縁を取囲むように開閉可能な複
数の導体板とからなる前記試料の保持装置とからなるこ
とを特徴とする荷電粒子線装置。

【００５４】２．荷電粒子線を照射して試料の加工また
は検査を行う荷電粒子線装置において、前記試料を底面
で保持する静電チャックと、前記試料を該静電チャック
の上に搬入する際、前記試料を底面で支持し、前記試料
の外縁との干渉を避けて構成された昇降駆動手段と、前
記搬入前に前記試料を水平方向で位置合せする手段と、
前記試料の表面とほぼ同一高さであって前記試料と同じ
電圧が印加されるとともに前記試料の外縁を取囲むよう
に開閉可能な複数の導体板とからなる前記試料の保持装
置とからなることを特徴とする荷電粒子線装置。

【００５５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、半
導体ウェハの端部の電界乱れを緩和できる実施容易な試
料の保持方法，試料の保持装置、および荷電粒子線装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子線測長機の構成の概略を示す縦断面図。

【図２】機械保持方式のホルダの上面図。

【図３】図２に示す導体板の一部を切り欠いた上面図。

【図４】図２のＡＡ断面図。

【図５】図２のＡＡ断面図。

【図６】静電吸着方式のホルダの上面図。

【図７】図６の縦断面図。

【図８】図６の縦断面図。

【図９】ウェハ表面上の縦断面の電界分布シミュレーシ
ョンの結果を示す電界分布図。

【図１０】ウェハ表面上の縦断面の電界分布シミュレー
ションの結果を示す電界分布図。

【符号の説明】

１，２２…ウェハ、６，２１，４１…ホルダ、１４…電
子線、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…支持台、２４ａ，２４
ｂ…固定保持ピン、２４ｃ…移動保持ピン、３３ａ，３
３ｂ，３３ｃ，４３…導体板、３７…昇降駆動部、３８
ａ，３８ｂ，３８ｃ…昇降ピン、４２…静電チャック、
４４…ウェハ位置決め装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大塚 雅之 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 早川 功一 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内 Ｆターム(参考） 5C001 AA01 CC04 CC08

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料に荷電粒子線を照射して加工，検査等
   を行う荷電粒子線装置の試料の保持方法において、 前記試料を保持する保持装置を貫通する昇降ピンに試料
   を載せ、 該昇降ピンを下降させて前記保持装置に設けられた支持
   台に試料を載せ、 前記試料が前記保持装置に保持されたときに前記試料の
   表面とほぼ同じ高さ、かつ前記試料の端面との隙間が
   ０.５ ミリメートル以下となる導体板と前記試料とに同
   じ電圧を印加することを特徴とする試料の保持方法。
2. 【請求項２】請求項１の記載において、 前記導体板と前記試料との高さの差が２００マイクロミ
   リメートル以下であることを特徴とする試料の保持方
   法。
3. 【請求項３】請求項１の記載において、 前記保持装置に設けられた固定保持ピンと移動保持ピン
   とで前記試料の水平方向の移動を拘束するとともに、 前記導体板は分割され、その一部が前記移動保持ピンの
   移動に連動して移動することを特徴とする試料の保持方
   法。
4. 【請求項４】試料に荷電粒子線を照射して加工，検査等
   を行う荷電粒子線装置の試料の保持装置において、 前記試料を載せる昇降ピンが貫通し、 該昇降ピンが下降して前記試料を載せる支持台と、 前記試料が前記支持台に載せられたときに前記試料の表
   面とほぼ同じ高さ、かつ前記試料の端面との隙間が０.
   ５ ミリメートル以下であり、前記試料と同じ電圧が印
   加される導体板とからなることを特徴とする試料の保持
   装置。
5. 【請求項５】請求項４の記載において、 前記導体板と前記試料との高さの差が２００マイクロミ
   リメートル以下であることを特徴とする試料の保持装
   置。
6. 【請求項６】請求項４の記載において、 前記試料の水平方向の移動を拘束する固定保持ピンと移
   動保持ピンとを有するとともに、 前記導体板は分割され、その一部が前記移動保持ピンの
   移動に連動して移動することを特徴とする試料の保持装
   置。
7. 【請求項７】試料に荷電粒子線を照射して加工，検査等
   を行う荷電粒子線装置において、 前記荷電粒子線の前記試料への照射に際して、前記荷電
   粒子線を減速させるリターディングの電圧を前記試料へ
   供給するリターディング電圧供給装置と、 前記試料を載せる昇降ピンが貫通し、該昇降ピンが下降
   して前記試料を載せる支持台と、前記試料が前記支持台
   に載せられたときに前記試料の表面とほぼ同じ高さ、か
   つ前記試料の端面との隙間が０.５ ミリメートル以下で
   あり、前記試料と同じ電圧が印加される導体板とからな
   る試料の保持装置とを有することを特徴とする荷電粒子
   線装置。