JP4347676B2 - ウエハホルダおよび電子顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体素子製造分野で使用して好適な検査観察用の電子顕微鏡用に関し、特に電子顕微鏡用ウエハホルダに関する。

電子顕微鏡装置は光学式顕微鏡と比較して高い倍率を有するため、観察中に試料が振動すると、画像にブレ等が生じ分解能が低下する。特に半導体素子製造分野にて使用される検査観察用の電子顕微鏡装置では、厚さ数百マイクロメートル程度の薄い円盤状のウエハが観察対象となる。半導体用ウエハは、面積に比して厚さが薄いため、面と垂直な方向に変形及び振動し易い。

近年、生産効率の向上のため半導体用ウエハは大径化が進行しており、最新の製造ラインでは直径３００ミリメートルのウエハが使用されている。このように大径化したウエハの場合でも、厚みはあまり増加していない。そのため、ウエハの曲がり、すなわちベンドによる振動が生じ易い傾向がある。
ウエハホルダの例として、下記の特許文献１、２に記載された例が知られている。

電子顕微鏡により半導体素子のパターン側壁などを仔細に観察しようとする場合に、電子線をウエハに対して傾斜方向から入射させる必要がある。そのために、傾斜ステージや傾斜ビーム等の傾斜観察機能を備えた電子顕微鏡が用いられる。傾斜観察機能を備えた電子顕微鏡では、ウエハの振動によって画像に乱れが生ずる。

図３を参照してウエハのベンド振動と画像の乱れの関係を説明する。図３（Ａ）に示すように、電子線３１をウエハの表面に対して垂直に入射させた場合には、ウエハ振動によって直接的に画像振動は生じないが、図３（Ｂ）のように電子線３１をウエハの表面に対して傾斜した方向から入射させた場合には、ウエハの振動によって画像振動が生ずる。半導体ウエハ観察用の電子顕微鏡の画像分解能は通常数ナノメートル程度であるため、極めて僅かなウエハの振動によっても有害な画像の乱れが生ずる。これが傾斜観察機能を備えた電子顕微鏡における課題となっている。

ウエハ観察用の電子顕微鏡において、ウエハの振動を防止するためのウエハホルダが提案されている。例えば、特開２００２−４２７０８号公報には、静電チャックを使用する方法が記載されている。静電チャックでは、ウエハ裏面が静電吸着力によりチャック面全面に密着するため、ウエハの湾曲又は振動を効果的に低減することができる。

特開平３−９５８４５号公報 特許３１９７２２０号公報 特開２００２−４２７０８号公報

しかしながら、静電チャックを使用すると、ウエハ裏面に付着した異物がチャックにより保持され、次の製造プロセスに搬入される。ウエハ裏面に付着した異物は、次の製造工程にて、表面に回りこむことがあり、製品不良の原因となると考えられている。従って、近年はウエハ裏面に異物が付着することを極力回避することが必要になっている。

本発明の目的は、ウエハの振動を効果的に低減し、しかも、異物付着等の問題のないウエハホルダを実現することにある。

本発明によると、ウエハを支持する支持座のうち少なくとも３個を剛性の高い固定座とし、他の支持座を高減衰材料を用いた減衰座とする。

また、本発明では減衰座として、樹脂材料の薄板を使用し、ウエハ裏面との接触部を上下方向に弾性的に移動可能に支持する構造を用いる。

本発明によれば、ウエハを正確な位置に保持しつつ高減衰化が可能であるためウエハの振動を効果的に防止する。ウエハ裏面への接触面積を極力小さくして異物の付着を回避することができる。

図１は本発明のウエハホルダ２０の１例を示す斜視図、図２は図１に示したウエハホルダ２０にウエハ１を装着した状態を示す斜視図である。本例のウエハホルダ２０は、電子顕微鏡の試料移動プレートにて使用して好適である。本例のウエハホルダ２０はプレート２とプレート２上に設けられた２個の固定ピン３、１個の可動ピン４、６個の固定座５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６及び３個の減衰座６を有する。図２に示すように、ウエハ１は２個の固定ピン３と１個の可動ピン４によって横方向の移動が阻止され、６個の固定座５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６によって厚さ方向の支持位置が決められる。更に、３個の減衰座６によってウエハ１のベンド振動が減衰される。

固定ピン３と可動ピン４は、ウエハ１の外周部の位置に適当な数だけ設けられる。図示の例では、２個の固定ピン３と１個の可動ピン４が設けられているが、これより多い個数であってもよい。

６個の固定座のうち３個の固定座５−４、５−５、５−６はウエハ１の外周部の位置に設けられ、他の３個の固定座５−１、５−２、５−３は、固定ピン３及び可動ピン４より半径方向内側に同一円周上に配置される。固定座５は少なくとも３個あればよい。

減衰座６は好ましくは固定座５−１〜５−６より半径方向内側に同一円周上に配置される。減衰座６は少なくとも１個あればよい。しかしながら、減衰座６を中央部に１つだけ設けると、ウエハ中心部の上下動を主体とする最低次の共振モードの低減には有効だが、ウエハ中心の上下動を伴わない高次のベンド共振には効果が少なくなる。このため本例では減衰座６をウエハ中心からやや離して３つ設け、ウエハの高次の共振も有効に減衰させる構成としている。

６個の固定座５−１〜５−６は、その上面が全て同一高さとなるように装着されている。同様に、３個の減衰座６は、その上端が全て同一高さとなるように装着されている。しかしながら、減衰座６の上端は、固定座５−１〜５−６の上面より僅かに高い位置に配置される。ウエハが固定座５−１〜５−６によって支持されているとき、減衰座６は弾性変形した状態でウエハを支持する。

ウエハ１を安定的に支持するためには、固定ピン３、可動ピン４、固定座５−１〜５−６等の固定的な支持座の個数を増やせばよい。ウエハ１の振動を有効に防止するためには減衰座６の個数を増やせばよい。しかしながら、各種のプロセスを経たウエハは、残留応力により反りを有する場合がある。従って、支持座及び減衰座の個数を増やしても全ての支持座及び減衰座がウエハに接触するとは限らない。従って、支持座及び減衰座の個数を増やしすぎても意味がない。

以下に、減衰座６の減衰特性について詳細に説明する。一般に、振動を低減するには減衰を与えることが有効であることが知られている。ウエハの振動を低減するためには、ウエハを支持する支持座に高減衰特性を付与すればよい。しかし、そもそも減衰とは材料の内部摩擦等により振動のエネルギが熱エネルギに変換される現象である。したがって、支持座に高減衰特性を付与するには、支持座の材質又は構造を、剛性が低く変形し易いように選択すればよい。しかしながら、支持座が変形し易いと、ウエハを安定的に支持することができない。

本例では、固定座５によってウエハを厚さ方向に支持し、減衰座６によってウエハのベンド振動を減衰させる。本例のように固定座と減衰座を用いてウエハを支持する場合の、減衰座の最適な減衰特性について以下に考察する。

図４は周辺を固定したウエハの中央部に減衰座を当てた場合の、ウエハ振動の減衰係数の変動を計算した結果を示すグラフである。図中、ηはウエハ振動の振動系全体の減衰係数、ηｃは減衰座の減衰係数、ｋｃは減衰座のウエハ支持部の縦方向のばね定数、ｋｗは周辺を固定したウエハの中央部に上下方向の力を加えた場合の、ウエハのベンドによる中央部の変位に関するばね定数である。グラフ５１の縦軸は減衰係数の比η／ηｃ、横軸はばね定数の比ｋｃ／ｋｗである。減衰係数の比η／ηｃは、ばね定数の比ｋｃ／ｋｗの増加に応じて上昇して極大となった後、減少する特性となる。

このような中央部が高い特性となるのは以下の理由による。
（１）減衰座のばね定数がウエハのベンドのばね定数に比較して小さい領域（ｋｃ／ｋｗ＝０．１〜１）では、ウエハ振動に従って減衰座が変形し、減衰座の変形によって振動エネルギが吸収され、減衰作用が働く。但し、減衰座のばね定数が小さいほどウエハと減衰座の間に働く力は小さく、振動エネルギの伝達量は小さくなるため、振動系全体としての減衰は小さくなる。
（２）減衰座のばね定数がウエハベンドのばね定数に比較して数倍以上となる領域（ｋｃ／ｋｗ＝５〜１００）では、ウエハ振動に伴ってウエハと減衰座の間に働く力は大きくなるが、減衰座が硬いため変形しにくく、ウエハは減衰座に接触していない部分で大きく変形することになる。このため減衰座のばね定数が大きいほど、減衰座による振動エネルギの吸収はかえって小さくなる。
（３）結局、減衰座のばね定数がウエハベンドのばね定数に比較して数倍となる領域（ｋｃ／ｋｗ＝１〜５：ハッチング領域５２）では、減衰座によってウエハ振動が有効に減衰する。従って、ばね定数の比が１から５までとなるように減衰座のばね定数を決めるのが良い。

周辺を固定した直径３００ミリメートルのシリコンウエハの場合、上述のばね定数ｋｗはおよそ１６ニュートン／ミリメートル程度である。そこで、上述の減衰座のばね定数ｋｃを１６ニュートン／ミリメートルから８０ニュートン／ミリメートルとすればよい。尚、複数個の減衰座を設ける場合には、この値を減衰座の個数で割った値が、各減衰座のばね定数となる。こうして本例では、ウエハベンドのばね定数ｋｗに対する減衰座のばね定数ｋｃの比をｋｃ／ｋｗ＝１〜５とすることにより、減衰座の最適な減衰特性を得ることができる。

図５は本発明による減衰座の第１の例を示す。本例の減衰座６は、薄板４１と取り付けブロック４２からなる。薄板４１はＵ字形に曲げられ、その両端は、取り付けブロック４２の両端面に接続されている。Ｕ字形の先端部分がウエハとの接触するウエハ接触部１１を構成する。取り付けブロック４２は、図示しないねじ又はボルトによってプレート２に取り付けられてよい。減衰座６は図示のようにプレート２に設けた凹部２Ａに配置されてよい。

薄板４１は、厚さが０．１ミリメートルから０．２ミリメートルの樹脂製薄板からなる。薄板４１の材料は、異物の付着又は発生が少ない樹脂であればどのようなものであってもよく、ナイロン、ポリエチレン樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等であってよい。しかしながら、好ましくはフッ素樹脂が使用される。

こうしてＵ字形に曲げられた薄板を用いるため、上述のようにばね定数の比がｋｃ／ｋｗ＝１〜５となる減衰座を容易に実現することができる。例えば、各減衰座のウエハ接触部１１を下向きに押した場合のばね定数が、およそ１０ニュートン／ミリメートルとなるように寸法を定める。６個の減衰座のばね定数は、およそ６０ニュートン／ミリメートルとなる。

本例では、減衰座６のウエハ接触部１１が円筒面状となっており、ウエハ裏面との接触面積が小さい。上述のように、減衰座６の上端は固定座５の上面より僅かに高い位置に配置され、ウエハをウエハホルダに支持すると、減衰座６のウエハ接着部１１は弾性変形した状態でウエハ裏面と接触する。この接触面積は小さいから、ウエハ裏面への異物付着や汚染の可能性は小さい。

図６は本発明による減衰座６の他の例を示す。本例の減衰座６は、ウエハ接触部１１、薄板４１および２つの取り付けブロック４２を有し、これらは略コの字形の一体構造に形成されている。本例の減衰座の材料は、図５の減衰座の第１の例の材料と同様であってよい。本例でも、ウエハ接触部１１は円筒面を有する。２つの取り付けブロック４２は、図示しないねじ又はボルトによってプレート２に取り付けられてよい。減衰座６は図５Ａに示した例と同様に、プレート２に設けた凹部に配置されてよい。

なお、上述の減衰座の第１及び第２の例では、いずれも薄板４１の両端を固定した構造となっている。しかしながら、薄板を片持ちで固定した構造であってもよい。片持ち構造の場合、製造工程が少ない、使用する材料が少ない等の利点があるが、薄板４１が上からの力で変形した場合に、同時にウエハ接触部１１は横方向へ変位する可能性がある。従って、ウエハ裏面との接触が不安定となる欠点がある。

図７を参照して本発明のウエハホルダの他の例を説明する。本例のウエハホルダは、図１に示した第１の例と比較して、３個の固定座５−４、５−５、５−６の代わりに３個の減衰座６−１、６−２、６−３が設けられている点が異なり、他の構成は同様であってよい。即ち、本例のウエハホルダは、プレート２とプレート２上に設けられた２個の固定ピン３、１個の可動ピン４、３個の固定座５−１、５−２、５−３及び６個の減衰座６−１、６−２、６−３、６、６、６を有する。２個の固定ピン３、１個の可動ピン４は、ウエハ１の外周部の位置に設けられる。３個の減衰座６−１、６−２、６−３は、ウエハ１の外周部の位置に同一円周上に設けられる。３個の固定座５−１、５−２、５−３は、図１の例と同様に、固定ピン３及び可動ピン４より、半径方向内側に同一円周上に設けられる。３個の減衰座６は、図１の例と同様に、更に半径方向内側に同一円周上に設けられる。

本例のウエハホルダは、基本的に図１に示した例と同様な機能および効果を有するが、減衰座の数が多いためより大きな減衰が得られる。ウエハに反りがあっても安定的に支持することができるが、ウエハの上下方向の剛性が低下するため、最低次の共振周波数もやや低くなる。

本例では、図１に示した第１の例と比較して、３個の固定座５−４、５−５、５−６の代わりに３個の減衰座６−１、６−２、６−３を設けたため、固定的な支持座及び減衰座の総数は増加していない。従って、上述のように、ウエハ１に反りがあっても、ウエハに接触しない支持座又は減衰座が存在する可能性は少ない。

図８は本発明によるウエハホルダを備えた傾斜機能付電子顕微鏡の例を示す。本例の電子顕微鏡は、電子光学系カラム２１、真空チャンバ２２、ローダ２３、傾斜プレート２４、Ｘ移動プレート２５、及びＹ移動プレート２６を有する。Ｙ移動プレート２６上にウエハ１を支持するウエハホルダ２０が設けられている。図示のように、ウエハ１は、電子光学系カラム２１の光軸に対して傾斜している。

本発明の電子顕微鏡によると、ウエハの振動を低減できるため、高分解能の傾斜観察が実現でき、半導体微細パターンの観察に好適である。

以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解されよう。

本発明のウエハホルダの第１の例を示す斜視図である。 図１のウエハホルダにウエハを装着した状態を示す斜視図である。 ウエハの振動と電子ビームの関係を示す図である。 減衰係数の比とばね定数の関係を説明するための説明図である。 本発明による減衰座の構造の一例を示す図である。 本発明による減衰座の構造の他の例を示す斜視図である。 本発明のウエハホルダの第２の例を示す斜視図である。 本発明によるウエハホルダを備えた傾斜観察機能を有する電子顕微鏡の概略を示す図である。

符号の説明

１…ウエハ、２…プレート、３…固定ピン、４…可動ピン、５−１〜５−６…固定座、６、６−１〜６−３…減衰座、１１…ウエハ接触部、２０…ウエハホルダ、２１…電子光学系カラム、２２…真空チャンバ、２３…ローダ、２４…傾斜プレート、２５…Ｘ移動プレート、２６…Ｙ移動プレート、３１…電子線、４１…薄板、４２…取り付けブロック

Claims (5)

1. ウエハを支持するための３個以上の固定座とウエハを弾性的に支持する少なくとも１個の減衰座を備えたウエハホルダであって、
   前記減衰座は、ウエハの裏面に接触するウエハ接触部と、該ウエハ接触部を弾性的に移動可能に支持する支持部とを一体的に備え、
   前記減衰座は逆Ｕ字型に形成され、当該逆Ｕ字型の先端部分が前記ウエハ接触部となり、当該逆Ｕ字型の先端部分の前記ウエハ接触部に連接する部分が前記支持部となっている
   ことを特徴とするウエハホルダ。
2. 請求項１に記載のウエハホルダにおいて、
   前記減衰座のウエハ接触部は薄板を湾曲して形成した円筒面からなる
   ことを特徴とするウエハホルダ。
3. 請求項１に記載のウエハホルダにおいて、
   前記減衰座の上端は前記固定座の上面より突出して配置されている
   ことを特徴とするウエハホルダ。
4. 請求項１に記載のウエハホルダにおいて、
   前記固定座はウエハの周辺部に相当する位置に配置され、
   前記減衰座は前記固定座よりウエハの半径方向内側に配置されている
   ことを特徴とするウエハホルダ。
5. 請求項１から４のいずれか１記載のウエハホルダを備え、前記ウエハの表面に対し、電子線を傾斜して照射することを特徴とする電子顕微鏡装置。

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