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

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

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Ｗ_０と第２の座標Ｖ_０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Ｗ_１と第２の座標Ｖ_１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Ｗ_２と第２の座標Ｖ_２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（ｄＲ_ｘ）、ｙ軸を中心とする回転移動（ｄＲ_ｙ）、およびｚ軸を中心とする回転移動（ｄＲ_ｚ）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（Ｗ_０，Ｖ_０）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（Ｗ_１，Ｖ_１）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（Ｗ_２，Ｖ_２）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（ｄＲ_ｘ、ｄＲ_ｙ、ｄＲ_ｚ）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、Δｘ_１、Δｙ_１、Δｚ_１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ΔＷ_１およびΔＶ_１として現れる。

ΔＷ_１＝−αΔｘ_１−αΔｙ_１
ΔＶ_１＝βΔｘ_１−βΔｙ_１−２βΔｚ_１
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（ｄＲ_ｘ、ｄＲ_ｙ、ｄＲ_ｚ）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、Δｘ_０、Δｙ_０、Δｚ_０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ΔＷ_０およびΔＶ_０として現れる。

ΔＷ_０＝−αΔｘ_０＋αΔｙ_０
ΔＶ_０＝−βΔｘ_０−βΔｙ_０−２βΔｚ_０
ステージ５０の三次元並進移動（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ）と三次元回転移動（ｄＲ_ｘ、ｄＲ_ｙ、ｄＲ_ｚ）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、Δｘ_２、Δｙ_２、Δｚ_２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ΔＷ_２およびΔＶ_２として現れる。

ΔＷ_２＝αΔｘ_２＋αΔｙ_２
ΔＶ_２＝−βΔｘ_２＋βΔｙ_２−２βΔｚ_２
このステージの並進（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ）とステージの回転（ｄＲ_ｘ、ｄＲ_ｙ、ｄＲ_ｚ）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（ΔＷ_１、ΔＶ_１、ΔＷ_０、ΔＶ_０、ΔＷ_２、ΔＶ_２）を、６つのステージ移動（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ、ｄＲ_ｘ、ｄＲ_ｙ、ｄＲ_ｚ）から得ることができる。

逆に、６つのステージ移動（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ、ｄＲ_ｘ、ｄＲ_ｙ、ｄＲ_ｚ）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（ΔＷ_１、ΔＶ_１、ΔＷ_０、ΔＶ_０、ΔＷ_２、ΔＶ_２）から算出することができる。この６つのターゲット座標（ΔＷ_１、ΔＶ_１、ΔＷ_０、ΔＶ_０、ΔＷ_２、ΔＶ_２）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。

本発明の実施形態に従う、基準位置に対するステージの位置を検出するのに使用されるシステムを示す概略図。 本発明の実施形態に従う、撮像チップ、光学部品、および光照射器を含むセンサシステムの概略図。 本発明の実施形態に従う、ターゲットおよび光学部品を含むターゲットシステムの概略図。 ターゲットパターンの例を示す概略のブロックダイアグラム。 本発明の実施形態に従う、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。 本発明の他の実施形態に従う、ステージを示す概略図。

符号の説明

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

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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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