JP2005221495A - ターゲット画像を使用してステージの位置を判定する方法およびシステム - Google Patents
ターゲット画像を使用してステージの位置を判定する方法およびシステムInfo
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Abstract
【課題】製造物品を指示または保持するのに使用されるステージを正確に位置決めする。
【解決手段】ステージの位置を判定する。該ステージ上に配置された複数のターゲットの画像が取得される。該複数のターゲットの取得された画像は、保存されている画像と比較され、それぞれのターゲットの変位座標を求める。ターゲットの該変位座標は、ステージの位置座標に変換される。
【選択図】図5
【解決手段】ステージの位置を判定する。該ステージ上に配置された複数のターゲットの画像が取得される。該複数のターゲットの取得された画像は、保存されている画像と比較され、それぞれのターゲットの変位座標を求める。ターゲットの該変位座標は、ステージの位置座標に変換される。
【選択図】図5
Description
本発明は、製造の際に使用されるステージの正確な位置決めに関し、より具体的には、ターゲット画像を使用してステージの位置を判定することに関する。
多くの製造プロセスにおいて、製造の際に使用されるステージ(stage)の正確な位置決めが必要とされる。尚、この「ステージ」という用語が意味するところは、製造物品を支持または保持するべく使用される何らかのプラットホーム(のせ台、土台)または装置のことであり、即ちステージとは、別の物体に取り付けられることができる何らかの物体のことである。
製造中における位置決めの際には、ステージが基準位置に対してどこに位置しているのかを正確に判定しなければならない。例えば、半導体プロセスで使用される可動ステージを基準位置に対して配置する際には、いくつかのタイプのシステムを使用することができる。例えば、自己混合型フィードバック・レーザ(self-mixing feedback laser))を使用し、基準位置に対する位置を判定することができる。例えば、特許文献1を参照されたい。
高分解能を必要とするアプリケーションの場合には、他のタイプのシステムを使用し、基準位置に対するステージの位置を判定することができる。例えば、2波長の合成波長干渉計を使用することができる。例えば、特許文献2を参照されたい。代替的に、格子センサ(grating sensor)を使用することもできる。例えば、特許文献3を参照されたい。
米国特許第6,233,045号明細書
米国特許第4,907,886号明細書
米国特許第4,176,276号明細書
しかしながら、自己混合型フィードバック・レーザを使用する計測の精度は、現時点においては、1ミリメートルに制限されており、これは、いくつかのアプリケーションにおいて不十分である。
また、特許文献2および特許文献3のような、これらソリューションのそれぞれの欠点は、これらのシステムのそれぞれには比較的高いコストが伴うことである。
基準位置に対する位置を正確に判定するには、他のタイプのシステムも使用可能である。例えば、Keyence Corporationから提供されているKeyence光電子センサPS47などの反射センサを使用することができる。しかしながら、このシステムの場合には、自由度毎に1つのセンサが必要であり、システムの構造が複雑化することになる。
MTI Instruments, Inc.から提供されているMTI−2000 Fotonic vibration sensorなどの光ファイバ・バンドル・センサ(optical fiber bundle sensor)も使用することができる。但し、このような光ファイバ・バンドル・センサの場合、通常、存在するステージ・クリアランス(stage clearance)は約1ミリメートルであり、これは、多くのアプリケーションにおいて不十分である。
本発明の一実施形態によれば、ステージの位置が判定される。まず、ステージ上に配置された複数のターゲットの画像を取得する。そして、この取得した複数のターゲットの画像を、保存されている画像と比較し、それぞれのターゲットの変位座標を算出する。そして、このターゲットの変位座標を、ステージの位置座標に変換する。
図1は、基準位置に対するステージ10の位置を検出するのに使用するシステムを示す概略図である。このシステムは、センサ11、センサ12、およびセンサ13を使用する。これら3つのセンサ11、12、および13を使用して、6つの自由度における位置を計測する。この6つの自由度には、3つの垂直軸(x軸、y軸、およびz軸)に沿った移動と、これら3つの垂直軸を中心とする回転とが含まれている。
センサ11は、ターゲット領域17を照射して、該ターゲット領域17の画像を取得する。センサ11とターゲット領域17間における光は、光路14に沿って伝播する。センサ12は、ターゲット領域18を照射して、該ターゲット領域18の画像を取得する。センサ12とターゲット領域18間における光は、光路15に沿って伝播する。センサ13は、ターゲット領域19を照射して、該ターゲット領域19の画像を取得する。センサ13とターゲット領域19間における光は、光路16に沿って伝播する。処理ソフトウェア20を使用して、これらのターゲットから取得した画像を処理し、これらの画像を、保存されている画像と比較して、それぞれのターゲットについて、該ターゲットの変位座標(displacement coordinate)を生成する。次いで、処理ソフトウェア20は、これらのターゲットの変位座標を、ステージ10の絶対位置座標(これは、基準位置から計られる)に変換する。尚、この処理ソフトウェア20の各部分を、センサ11、12、および13内に配置してもよい。代替的に、画像処理に使用する処理ソフトウェア20を、センサ11、12、および13の外部にある別個の処理システム内に配置してもよい。
図2は、センサ11の概略図である。センサ11は、光源21、撮像チップ22、および光学部品(optics)23を含むよう示されている。例えば、光源21は、なんらかの色の非コヒーレント光の低パワー源である。このような光源は、例えば、狭角の発光ダイオード(LED)を使用して、安価に実装可能である。代替的に、光源21をセンサ11内に含むのではなく、ターゲット領域17を自己照射型(self-illuminating)としてもよい。
撮像チップ22は、例えば、CMOSイメージャ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor Imager)、またはCCD(Charged Coupled Device)アレイ、またはその他のタイプの撮像ハードウェア、またはカメラである。処理ソフトウェア20は、部分的に撮像チップ22内に配置されることができる。代替的に、画像処理に使用される処理ソフトウェア20は、撮像チップの外部にある別個の処理システム内に配置されてもよい。
光学部品23には、例えば、1つまたは複数の光学レンズが含まれている。光学部品23を使用して、ターゲット領域17内のターゲートの画像を拡大し、該画像を撮像チップ22のセンサまたは、撮像チップ22に接続されたセンサパッケージに向かって投影する。
図3は、ターゲット領域17を示す概略図である。ターゲット領域17は、例えば、ステージ10内の窪んだ領域である。ターゲット構造32には、ターゲットパターンが含まれており、これは、該ターゲットパターンのターゲット面が、ステージ10の表面に対して傾斜角をなすように配置されている。光学部品31は、光路14内にターゲットパターンを合焦する。光学部品31には、例えば、1つまたは複数の光学レンズが含まれる。
図4は、ターゲットパターン34の一例を示している。ターゲットパターン34を、画像処理に使用するアルゴリズムに従って変更することができる。ターゲットパターンは、図4に示されている同心円パターンのような規則的なパターンであることができる。代替的に、ターゲットパターン34は、不規則なパターンから構成されることができ、または、ランダムなパターンによっても構成されることができる。
図5は、基準位置に対するステージの位置を検出するための撮像方法を示す概略のフローチャートである。ブロック71において、光源21(図2に示されている)により、ターゲット領域17内のターゲットパターン34(図4に示されている)を照射する。ブロック72において、ターゲットパターン34の画像は、光路14に沿って反射され、光学部品23を通り、撮像チップ22(図2に示されている)によって取得される。尚、ターゲット領域18およびターゲット領域19内のターゲットパターンの画像も、同様に取得される。
ブロック73において、センサ11、12、および13(図1に示されている)内の撮像チップまたは外部の処理システム内のいずれかに配置されている画像処理ソフトウェア/ファームウェアを使用し、該取得した画像を、メモリ内に保存されているそれぞれのターゲットの基準画像と比較する。それぞれの取得画像について、該それぞれの取得画像と、関連する保存された基準画像との間における変位を示す変位座標を算出する。
ブロック74において、センサ11、12、および13のすべてから報告された変位座標を変換して、6つの自由度におけるステージ50の位置座標を算出する。
図6は、3つのターゲットの変位座標を、6つの自由度におけるステージの位置座標に変換するのに使用される典型的なアルゴリズムを説明するのに使用される、本発明の実施形態を概略的に示している。ステージ50は、ステージ50の1つのコーナー上に配置されたターゲット面57を含む。ターゲット面57の領域は、ターゲット面57の表示を簡略化する目的で、強調して大きく示されていると共に、ステージ50のコーナーに配置されている(該コーナーは、内側に向けてわずかな距離だけ入り込んで(カットされて)いる)。また、ステージ50には、ステージ50の別のコーナー上に配置されたターゲット面58と、ステージ50のさらに別のコーナー上に配置されたターゲット面59も含まれている。これらのターゲット面58およびターゲット面59の領域も、それぞれターゲット面58およびターゲット面59の表示を簡略化する目的で、強調して大きく示されていると共に、ステージ50のコーナーに配置されている(該コーナーは、内側に向けてわずかな距離だけ入り込んで(カットされて)いる)。
ターゲット面57は、第1の座標W0と第2の座標V0により、二次元で定義される。ターゲット面58は、第1の座標W1と第2の座標V1により、二次元で定義される。ターゲット面59は、第1の座標W2と第2の座標V2により、二次元で定義される。
ステージ50の動きの6つの自由度が、x軸に沿った並進移動(dx)、y軸に沿った並進移動(dy)、z軸に沿った並進移動(dz)、x軸を中心とする回転移動(dRx)、y軸を中心とする回転移動(dRy)、およびz軸を中心とする回転移動(dRz)として定義される。
ステージ50の寸法は、x軸に沿って2X、y軸に沿って2Y、およびz軸に沿って2Zである。すなわち、x軸に沿った、ターゲット57とターゲット58間の距離は、2Xである。y軸に沿った、ターゲット57とターゲット59間の距離は、2Yである。ターゲット57、ターゲット58、およびターゲット59によって定義される面と、xy面間の距離は、z軸に沿ってZである。
ターゲット面57、58、および59は、すべて、ステージ50の3つの直交面(xy面、xz面、およびyz面)に対してarctan(√2)(すなわち、54.73561度)に位置している。
センサ60は、ターゲット面57の画像を取得し、従って、該センサ60は、座標(W0,V0)を監視するのに使用される。センサ61は、ターゲット面58の画像を取得し、従って、該センサ61は、座標(W1,V1)を監視するのに使用される。センサ62は、ターゲット面59の画像を取得し、従って、該センサ62は、座標(W2,V2)を監視するのに使用される。これらのセンサ60、61、62の光軸は、ターゲット画像の光学的な歪みを最小化する目的で、個々のターゲット面57、58、59に対して公称的に(nominally)垂直になっている。
ステージ50の三次元並進移動(dx、dy、dz)と三次元回転移動(dRx、dRy、dRz)により、ターゲット面58は、x、y、およびz軸に沿って、それぞれ、Δx1、Δy1、Δz1の合計だけ移動することになる。この移動は、次のように、ターゲット座標の読取値の変化ΔW1およびΔV1として現れる。
ΔW1=−αΔx1−αΔy1
ΔV1=βΔx1−βΔy1−2βΔz1
ここで、α=√2/2であり、β=√6/6である。
ΔV1=βΔx1−βΔy1−2βΔz1
ここで、α=√2/2であり、β=√6/6である。
ステージ50の三次元並進移動(dx、dy、dz)と三次元回転移動(dRx、dRy、dRz)により、ターゲット面57は、x、y、およびz軸に沿って、それぞれ、Δx0、Δy0、Δz0の合計だけ移動することになる。この移動は、次のように、ターゲット座標の読取値の変化ΔW0およびΔV0として現れる。
ΔW0=−αΔx0+αΔy0
ΔV0=−βΔx0−βΔy0−2βΔz0
ステージ50の三次元並進移動(dx、dy、dz)と三次元回転移動(dRx、dRy、dRz)により、ターゲット面59は、x、y、およびz軸に沿って、それぞれ、Δx2、Δy2、Δz2の合計だけ移動することになる。この移動は、次のように、ターゲット座標の読取値の変化ΔW2およびΔV2として現れる。
ΔV0=−βΔx0−βΔy0−2βΔz0
ステージ50の三次元並進移動(dx、dy、dz)と三次元回転移動(dRx、dRy、dRz)により、ターゲット面59は、x、y、およびz軸に沿って、それぞれ、Δx2、Δy2、Δz2の合計だけ移動することになる。この移動は、次のように、ターゲット座標の読取値の変化ΔW2およびΔV2として現れる。
ΔW2=αΔx2+αΔy2
ΔV2=−βΔx2+βΔy2−2βΔz2
このステージの並進(dx、dy、dz)とステージの回転(dRx、dRy、dRz)の両方に起因するそれぞれのターゲット位置における合計移動Δx、Δy、Δzは、次の表1に示されているように、単純な幾何学によって関係付けられる。
ΔV2=−βΔx2+βΔy2−2βΔz2
このステージの並進(dx、dy、dz)とステージの回転(dRx、dRy、dRz)の両方に起因するそれぞれのターゲット位置における合計移動Δx、Δy、Δzは、次の表1に示されているように、単純な幾何学によって関係付けられる。
行列乗算によってカスケードする(cascading))ことにより、次の表2に示されているように、6つのターゲット座標(ΔW1、ΔV1、ΔW0、ΔV0、ΔW2、ΔV2)を、6つのステージ移動(dx、dy、dz、dRx、dRy、dRz)から得ることができる。
逆に、6つのステージ移動(dx、dy、dz、dRx、dRy、dRz)を、前述の6×6行列式のスケーリングされた逆行列により、6つのターゲット座標の変化(ΔW1、ΔV1、ΔW0、ΔV0、ΔW2、ΔV2)から算出することができる。この6つのターゲット座標(ΔW1、ΔV1、ΔW0、ΔV0、ΔW2、ΔV2)は、センサ61、センサ60、およびセンサ62によって監視されている。次の表3には、これが示されている。
3つのターゲット57、58、および59によって定義される面上に位置するように、x軸およびy軸を定義すると便利である。すなわち、この結果、ターゲット57、ターゲット58、およびターゲット59が、xy面上に位置することになり、事実上、Zが0と等しくなる。このような設計の場合、表3に示されている変換は、次の表4に示されている変換に単純化される。
以上の説明は、本発明の典型的な方法と実施形態を開示および説明したものに過ぎない。当業者であれば、その真意または本質的な特徴から逸脱することなしに、その他の特定の形態で本発明を実施可能であることを理解するであろう。従って、本発明の開示は、本発明の範囲の例示を意図するものであって、これを限定するものではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲に規定されているとおりである。
10、50 ステージ
11〜13、60〜62 センサ
21 光源
34、32、17〜19、57〜59 ターゲット
57、58、59 ターゲット面
11〜13、60〜62 センサ
21 光源
34、32、17〜19、57〜59 ターゲット
57、58、59 ターゲット面
Claims (10)
- ステージの位置を判定する方法であって、
前記ステージ上に配置された複数のターゲットの画像を取得するステップと、
前記複数のターゲットの取得画像を、保存されている画像と比較し、該複数のターゲットのそれぞれの変位座標を算出するステップと、
前記ターゲットの前記変位座標を、前記ステージの位置座標に変換するステップと、
を含む、方法。 - 前記複数のターゲットは、3つのターゲットを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記複数のターゲットのそれぞれについて、2つの変位座標が存在する、
請求項1に記載の方法。 - 前記複数のターゲットのそれぞれのターゲット面が前記ステージのすべての表面に対して傾斜角をなすように、該それぞれのターゲットが配置されており、
前記画像の前記取得は、複数のセンサによって実行され、
該それぞれのターゲットについて、前記複数のセンサうちの1つのセンサが、前記ターゲット面に対して公称的に垂直に位置合わせされている、
請求項1に記載の方法。 - 前記ステージには、6つの位置座標が存在し、該6つの位置座標は、
第1の軸に沿った並進移動と、
第2の軸に沿った並進移動と、
第3の軸に沿った並進移動と、
前記第1の軸を中心とする回転移動と、
前記第2の軸を中心とする回転移動と、
前記第3の軸を中心とする回転移動と、である、
請求項1に記載の方法。 - ステージの位置を判定するためのシステムであって、
前記ステージ上に配置された複数のターゲットのそれぞれの画像を取得する取得ハードウェアと、
前記複数のターゲットの取得画像を、保存されている画像と比較し、前記複数のターゲットのそれぞれの変位座標を求めて、該変位座標を、前記ステージの位置座標に変換する処理ソフトウェアと、
を備える、システム。 - 前記取得ハードウェアは、前記複数のターゲットのそれぞれを照射する複数の光源を含む、
請求項6に記載のシステム。 - 前記複数のターゲットのそれぞれについて、2つの変位座標が存在する、
請求項6に記載のシステム。 - 前記ステージの前記位置座標は、基準位置からの絶対座標である、
請求項6に記載のシステム。 - 前記ステージには、6つの位置座標が存在し、該6つの位置座標は、
第1の軸に沿った並進移動と、
第2の軸に沿った並進移動と、
第3の軸に沿った並進移動と、
前記第1の軸を中心とする回転移動と、
前記第2の軸を中心とする回転移動と、
前記第3の軸を中心とする回転移動と、である、
請求項6に記載のシステム。
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