JPH05151922A - 試料交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大気中のカセット室と真空雰囲気にある試料
室と間で、前記カセット室に試料カセットごと載置され
る試料を交換する試料交換装置において、真空にしたり
大気に戻したりする回数を減らすことによって試料交換
のスループットを向上させた試料交換装置を得ること。 【構成】 外部環境と隔離可能なカセット室３に複数の
試料を収納した試料カセットを載置した後、第２ゲート
バルブ５を閉じてカセット室３を真空にし、さらに試料
室１との間の第１ゲートバルブ６を開放することによっ
て、複数の試料を一回で試料室と同じ真空雰囲気にして
から、試料の交換を行うようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料交換装置に関し、
特に、真空環境において電子ビームで試料を観察、測定
する走査型電子顕微鏡に用いられる試料交換装置に関す
る。

【０００２】

【従来技術】従来、この種の試料交換装置は、図３に示
すような構成であった。走査型電子顕微鏡本体５０に設
けられた試料室５１は、ゲートバルブ５６を介して、ウ
ェハ搬送室５２に接続され、前記搬送室５２は、ゲート
バルブ５５を介してカセット室５３に接続されている。
それぞれの部屋（室）は、互いにゲートバルブを閉じた
状態において隣の部屋と隔離されている。真空ポンプ５
４は、バルブ５８，５９を介して搬送室５２及び試料室
５３に接続されている。搬送室５２は、もう一つのバル
ブ５７が接続され、大気と接続されている。

【０００３】この試料交換装置で試料を交換する手順を
図４を用いて説明する。試料である複数の半導体ウェハ
を収納した不図示のウェハカセットをカセット室５３に
載置する（７０）と、この試料交換装置はバルブ５８を
閉じバルブ５７を開いて、搬送室５２を大気圧に戻す
（７１）。つぎに、ゲートバルブ５５を開く（７２）
と、ウェハ搬送装置５２′はカセット室５３の前記カセ
ットから一枚目の試料を搬送室５２までロードする（７
４）。試料交換装置は、つぎに、前記ゲートバルブ５５
を閉じて搬送室５２を閉空間にし（７５）、さらにバル
ブ５７、５９を閉じた後、バルブ５８を開いて真空ポン
プ５４により搬送室５２を真空にする（７６）。搬送室
５２が真空に引けたら前記バルブ５９を開く。

【０００４】その後、試料交換装置は、ゲートバルブ５
６を開いて（７７）試料室５１と搬送室５２とを接続
し、ウェハ搬送装置５２′は搬送室５２から試料室５１
内のステージ（不図示）まで試料を搬送する（７８）。

【０００５】前記ステージ上に試料が載置されると、走
査型電子顕微鏡は、試料の検査や測定を行う（７９〜８
２）。前記試料の検査や測定の終了後、ウェハ搬送装置
５２′は、試料室５１のステージから搬送室５２に試料
を搬送し（８３）、ゲートバルブ５６を閉じる（８
４）。つぎに、バルブ５８を閉じバルブ５７を開き、搬
送室５２に大気圧に戻す（８５）。その後、ゲートバル
ブ５５を開き（８６）、カセット室５３の試料カセット
に試料をアンロードする（８７）。以上の動作７４〜８
７を、試料カセットに載せた試料の数だけ、繰り返し行
う（７３）。全ての試料が、試料カセットにアンロード
されると、試料を試料カセットごとカセット室５３から
取り出す（９０）。

【０００６】以上のようにして、大気中と真空中との間
で、複数の試料を交換していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記搬
送室を真空にしたり大気圧に戻したりするにはある程度
の時間が必要であり、大気の出し入れを行うことは、試
料交換のスループットの低下をさけることができなかっ
た。また、頻繁に大気を引いたり満たしたりすること
は、試料交換装置しいては検査、観察装置本体やその試
料室へ大気中の塵が混入したり、また、試料上に塵が付
着するなど、汚染による問題があった。

【０００８】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであり、本発明の目的は、大気中と真空中とで試料
を交換する際の大気の出し入れ回数を少なくすることに
よって試料交換のスループットをあげるとともに汚染が
少ない試料交換装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明の試料交換装置は、試料室（１）と、複数の試
料を収納する試料カセットを載置するカセット室（３）
と、前記試料室と前記カセット室との間で前記試料を搬
送する搬送手段（２′）を備えた搬送室（２）と、前記
カセット室と前記搬送室とを遮断する第１ゲートバルブ
（６）と、前記搬送室と前記試料室とを真空にする真空
手段（４）とを有する試料交換装置において、前記カセ
ット室に前記カセットを出し入れするための第２ゲート
バルブ（５）を有し、前記真空手段は前記第２ゲートバ
ルブが外部環境と前記カセット室とを遮断している時に
前記カセット室を真空にし、前記搬送手段は前記カセッ
ト室が真空で前記第１ゲートバルブが開いている時に前
記試料を搬送するものとした。

【００１０】

【作用】本発明の試料交換装置は次のように動作する。
本発明の装置は、第２ゲートバルブを開いてから複数の
試料を収納したカセットをカセット室に載置する。つぎ
に、第２ゲートバルブを閉じてから真空手段によってカ
セット室を真空にし、第１ゲートバルブを開いて、カセ
ット室と搬送室及び試料室とで一体の真空空間を形成す
る。その後に、カセットに収納された試料の各々は、搬
送手段によって前記カセットと試料室との間で交換され
る。また、全ての試料の交換が終わると、本発明の装置
は、第１ゲートバルブを閉じた後に第２ゲートバルブを
開いて、カセット室からカセットを取り出す。

【００１１】このように、本発明の試料交換装置は、複
数の試料を収納したカセットをカセット室に出し入れす
る時だけ、真空が破られる。したがって、従来の試料交
換装置が試料の搬送ごとに搬送室の真空が破られていた
のに比べて、本発明の試料交換装置は真空にしたり大気
圧に戻したりする回数を少なくすることができる。これ
によって、本発明の試料交換装置はスループットをあげ
ることができる。

【００１２】つぎに、本発明の試料交換装置によりスル
ープットが向上する理由を説明する。ただし、従来の装
置において、容積ｖの搬送室を真空にしたり大気圧に戻
したりするそれぞれの所要時間をｔ〔sec 〕、本発明の
装置において容積Ｖ（但し、ｖ≪Ｖ）のカセット室を真
空にしたり大気圧に戻したりするそれぞれの所要時間を
Ｔ〔sec 〕とし、また、ゲートバルブの開閉時間は従来
の装置と本発明の装置とは同じものとみなし、ゲートバ
ルブを開く時間をＡ〔sec 〕、ゲートバルブを閉じる時
間をａ〔sec 〕とする。また、前記真空にしたり大気圧
に戻したりするそれぞれの所要時間ｔ，Ｔは容積に比例
するものとする。

【００１３】図３に示す従来の装置において、ｎ個の試
料を交換するまでに搬送室を真空にしたり大気圧に戻し
たりするための合計時間は、試料ごとに行われるので、
次のようになる。ゲートバルブを開く時の合計時間がＡ
（２ｎ＋１）〔sec 〕、ゲートバルブを閉じる時の合計
時間がａ（２ｎ＋１）〔sec〕、搬送室の容積ｖを真空
にしたり大気圧に戻したりする時の合計時間が２ｔ（ｎ
＋１）〔sec 〕となる。したがって、合計時間は、これ
らを合わせたＡ（２ｎ＋１）＋ａ（２ｎ＋１）＋２ｔ
（ｎ＋１）〔sec 〕である。

【００１４】本発明の装置において、ｎ個の試料を交換
するまでにカセット室を真空にしたり大気圧に戻したり
するための合計時間は、次のようになる。ただし、搬送
室２は予め真空にされ、以後ずっと真空を維持するの
で、無視できるものと見なして省略する。ゲートバルブ
を開く時の合計時間が３Ａ〔sec 〕、ゲートバルブを閉
じる時の合計時間が３ａ〔sec 〕、カセット室の容積Ｖ
を真空にしたり大気圧に戻したりする時の合計時間が４
Ａ〔sec 〕となる。したがって、合計時間は、３Ａ＋３
ａ＋４Ｔ〔sec 〕である。

【００１５】上記計算において、２つの合計時間の関係
が少なくとも３Ａ＋３ａ＋４Ｔ＜Ａ（２ｎ＋１）＋ａ
（２ｎ＋１）＋２ｔ（ｎ＋１）の関係を満たすように、
カセットが収納する試料の数ｎと、このカセットを収納
するカセット室の容積Ｖを設定することによって、本発
明の試料交換装置は、スループットを向上させることが
できる。

【００１６】次に、前記計算式に具体的な数字の例をあ
げて説明する。試料の数ｎ＝２５、ゲートバルブを開け
る時間Ａ≒５〔sec 〕、閉じる時間ａ≒１〔sec 〕、従
来の装置の搬送室の容積ｖを真空にしたり大気圧に戻し
たりする時間ｔ≒１５〔sec〕とし、本発明のカセット
室は、２５個の試料を収納するカセットを載置できる容
積が必要であるため容積Ｖ≒６ｖとみなして、本発明の
カセット室の容積Ｖ≒６ｖを真空にしたり大気圧に戻し
たりするそれぞれの時間Ｔ≒６×１５＝９０〔sec 〕と
する。したがって、従来の装置の合計時間は１０８６
〔sec 〕、また、本発明の装置の合計時間は３７８〔se
c 〕となる。このように、本発明の装置は、従来の装置
に比べて、真空にしたり大気圧に戻したりするための時
間が、１／３程度の時間で済むことが分かる。

【００１７】

【実施例】本発明を、半導体ウェハなどの試料を検査す
る走査型電子顕微鏡に用いた実施例を図１に示す。図１
に示すように、試料室１は、走査型顕微鏡本体１０に設
けられ、観察するための半導体ウェハ（以下ウェハとす
る）を載置するステージを有する部屋であり、バルブ９
を介して真空ポンプ４に接続されている。

【００１８】ウェハ搬送室２は、試料室１とカセット室
３との間でウェハを搬送するウェハ搬送装置２′が設け
られた部屋であり、試料室１と同様にバルブ９を介して
真空ポンプ４と接続されている。カセット室３は、複数
のウェハを収納したウェハカセットがロードされる部屋
であり、ゲートバルブ６を介してウェハ搬送室２と接続
され、また、ゲートバルブ５を介して外部環境と接続さ
れるとともに、バルブ８を介して真空ポンプ４に接続さ
れ、バルブ７を介して大気とも接続されている。

【００１９】この走査型電子顕微鏡の試料交換装置は、
図２に示すようにして試料を交換する。図２に示すよう
に、試料交換装置は、まず、ゲートバルブ６が閉じてい
るのを確認した後、バルブ８を閉じバルブ７を開けてカ
セット室３を大気圧に戻し（ステップ２１）、ゲートバ
ルブ５を開く（ステップ２２）。この時、バルブ９は開
放してあり、ウェハ搬送室２および試料室１は真空雰囲
気である。つぎに、複数の試料を収納したウェハカセッ
トがカセット室３にロードされる（ステップ２３）と、
ゲートバルブ５を閉じ（ステップ２４）、さらに、バル
ブ７，９を閉じバルブ８を開放して、カセット室３を真
空雰囲気にする（ステップ２５）。カセット室３が真空
に引けたらバルブ９も開く。その後、ゲートバルブ６を
開放して（ステップ２６）、カセット室３と搬送室２及
び試料室１とを同じ真空雰囲気の空間にする。

【００２０】つぎに、一枚目のウェハが、ウェハ搬送装
置２′によって試料室１上のステージにロードされる
（２８）。ロードされたウェハは、ステージ上で走査型
顕微鏡本体に対してアライメント（ステップ２９）され
た後、測定される（ステップ３１、３２）。この測定
は、まず、前記ウェハ上の測定箇所を電子顕微鏡の光学
系に合わせて移動させ（ステップ３１）、その測定箇所
の測定を行う（ステップ３２）。この測定は、測定箇所
の数だけ繰り返し（ステップ３０）、全部の測定箇所で
の測定が終了したら前記ウェハをカセット室にアンロー
ドする（ステップ３３）。このような測定を、ウェハカ
セットに載せられたウェハの数だけ繰り返し行う（ステ
ップ２７）。最後のウェハの測定が終了し、全てのウェ
ハがウェハカセットに収納されると、ゲートバルブ６に
よってカセット室３と試料室１及び搬送室２とを遮断し
（ステップ３４）、バルブ８を閉じバルブ７を開けてカ
セット室３を大気圧に戻す（ステップ３５）。さらに、
ゲートバルブ５を開けて（ステップ３６）、ウェハカセ
ットをアンロードし（ステップ３７）、ゲートバルブ５
を再び閉めた後、バルブ７，９を閉じバルブ８を開けて
カセット室３を真空にする（ステップ３９）。

【００２１】以上のようにして、試料を大気中に存在す
る状態から真空雰囲気の試料室に搬送すると、以下のよ
うな効果がある。この走査型電子顕微鏡は、カセット室
３内で真空にしたり大気圧に戻したりする回数がウェハ
カセットをロード、アンロードする時だけですむ（ステ
ップ２１、２５、３５、３９）ため、従来のものが搬送
室でウェハ１枚ごとに真空にしたり大気を満たしたりし
ていたのに比べて、真空にしたり、大気を満たしたりす
る回数が少なくなっている。

【００２２】これは、例えば、ウェハ２５枚を収納する
ウェハカセットで比較すると、図４の手順による従来の
ものは、搬送室を大気圧に戻す回数が２６回、真空にす
る回数が２６回なのに対して、図３の手順による本実施
例のものは、カセット室を大気圧に戻す回数が２回、真
空にする回数が２回である。また、ゲートバルブの開閉
も、従来のものが１０２回なのに対し、本実施例のもの
は６回である。

【００２３】このように、本実施例の試料交換装置は、
真空にしたり大気を満たしたりする回数やゲートバルブ
の開閉の回数が減るため、カセット室を真空にするのに
要する一回当たりの時間が比較的少なくて済めば、試料
交換に要する時間が少なくなる。カセット室を真空にし
たり大気圧に戻したりする時間は、その容積の大きさの
他に真空度や表面積、真空ポンプの性能などが関係す
る。このため、作用で述べたように真空にしたり大気圧
に戻したりする時間が短い時間となるように試料の数
ｎ、カセット室の容積Ｖを設定すしなけれはならない。
しかしながら、近年、試料室内に希薄な水蒸気やガスを
封入する環境制御型電子顕微鏡（ＥＳＥＭ）などのよう
に真空度が比較的低くてもよい電子顕微鏡の場合、ほぼ
空間の容積に比例すると見なすことができるので、約１
／３の時間で済む。

【００２４】また、カセット室内は、ウェハカセットを
載せる時だけしか大気と接触することがなく、装置内部
が大気中の浮遊物等で汚染される機会が減り、また、搬
送室や試料室は常に真空中にあり、電子顕微鏡本体や試
料室はカセット室よりさらに汚染の可能性が減る。した
がって、良好な状態で試料を観察することができる。

【００２５】尚、本発明は、本実施例の走査型電子顕微
鏡に用いる場合だけでなく、大気中にある試料を真空雰
囲気にある試料室まで搬送して、検査や測定あるいはパ
ターンの描画などを行う他の装置に応用することができ
る。また、本実施例は、カセット室が大気中にある時間
を少なくするため、ウェハカセットをアンロードしてか
ら次のウェハカセットがロードされる時までの間カセッ
ト室を真空にするように制御した。これは、長い間大気
圧にさらされると、カセット室内の側壁等にガス吸着が
起こり、次に真空にする時に余計に時間がかかるためで
ある。したがって、すぐに次のウェハカセットをカセッ
ト室にロードできる場合は、ステップ３８、３９及びス
テップ２１、２２を省いてもよい。このような試料交換
装置は、１つのウェハカセットに対して真空にする回数
が１回、大気圧に戻す回数が１回、ゲートバルブの開閉
回数が４回で済み、実施例の装置よりさらに短い時間で
交換できる。ただし、複数のウェハカセットについて繰
り返し行う場合（１つだけの場合も同じ）、１つ目のウ
ェハカセットをカセット室にロードする時と最後のウェ
ハカセットをアンロードする時は、それぞれ１回づつゲ
ートバルブ５の開閉が増す。

【００２６】さらに、本実施例は、ウェハを搬送する搬
送装置を収納する搬送室と試料室とは別にして構成した
が、試料室内に搬送装置を組み込み、試料室とカセット
室とをゲートバルブ６を介して接続してもよい。また、
真空ポンプは、真空にする能力を高めるために、複数個
の真空ポンプを設けて用いてもよい。

【００２７】

【発明の効果】本発明の試料交換装置によれば、複数の
試料を収納する試料カセットを載置するカセット室を真
空にしたり大気圧に戻したりするので、従来の試料ごと
に搬送室を真空にしたり大気圧に戻したりするのに比べ
て、真空にしたり大気圧に戻したりする回数を１／ｎ
〔回〕（ｎは１個のカセットに収納する試料の数）に減
らすことができる。したがって、本発明の試料交換装置
はスループットをあげることができる。

【００２８】また、この試料交換装置は、真空にしたり
大気に戻したりする回数が少ないため、大気中の浮遊物
等によって試料や装置内部が汚染される可能性が少なく
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】 実施例の制御手順を示すフローチャート図で
ある。

【図３】 従来例の構成を示すブロック図である。

【図４】 従来例の制御手順を示すフローチャート図で
ある。

【符号の説明】

１…試料室 ２…搬送室 ３…カセット室 ４…真空ポンプ ５…第２ゲートバルブ ６…第１ゲートバルブ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料室と、 複数の試料を収納する試料カセットを載置するカセット
   室と、 前記試料室と前記カセット室との間で前記試料を搬送す
   る搬送手段を備えた搬送室と、 前記カセット室と前記搬送室とを遮断する第１ゲートバ
   ルブと、 前記搬送室と前記試料室とを真空にする真空手段と、 を有する試料交換装置において、 前記カセット室に前記カセットを出し入れするための第
   ２ゲートバルブを有し、 前記真空手段は、さらに、前記第２ゲートバルブが外部
   環境と前記カセット室とを遮断している時、前記カセッ
   ト室を真空にし、 前記搬送手段は、前記カセット室が真空で前記第１ゲー
   トバルブが開いている時に前記試料を搬送することを特
   徴とする試料交換装置。