JP2007299908A - 半導体ウェハ撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱エネルギーによってマスクが変形するのを抑制すること。
【解決手段】発光ダイオードＬＤの発光による照射光を半導体ウェハ１８とマスク４０の照明エリアに対して照射する照明手段として、発光ダイオードＬＤと、発光ダイオードＬＤを間欠的に点灯する点灯制御回路を備える。点灯制御回路は、発光ダイオードＬＤを必要なときにのみ点灯するために、発光ダイオードＬＤを瞬時ストロボ発光させる。マスク４０に常時光が照射されることはなく、マスク４０に与える熱エネルギーの影響が極めて小さくなり、マスク４０の変形を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハ上に設けた位置決め用のウェハマークと半導体ウェハに重ねるように配置されたマスクに形成したマスクマークに光を照射してその反射光を入射してウェハマークとマスクマークを撮像し、当該撮像による撮像データを処理して、ウェハマークの位置を認識する半導体ウェハ撮像装置に関するものである。

従来、例えば、半導体露光装置、イオン注入装置、組立・検査装置、精密工作機械等に用いられる位置決め装置としては、高精度に位置決め可能なテーブルに位置決め対象物を載置（保持）し、位置決めが行われる。半導体露光装置、イオン注入装置等では、位置決め対象物である半導体ウェハを１区画（１チップ）毎に所定のパターンのマスクを施し、作業するようになっている。

このような場合、通常、半導体ウェハに各区画毎に設けられた位置決めマーク(ウェハマーク)を光源からの光で照明するとともに、ＣＣＤカメラ等の撮像素子によって撮像し、その検出位置と基準位置との誤差に基づいて、位置決めがなされる。

半導体ウェハを光源からの光で照明するに際して、従来技術では、光源に白色色のハロゲンランプを用いるとともに、ハロゲンランプを常時点灯して連続発光（照射）する構成を採用していたので、ハロゲンランプの発光エネルギーによってマスク、特にメンブレンが変形することがあり、マスクを正確に位置決めできないことあった。しかも、連続発光に伴ってハロゲンランプの寿命が短くなっていた。本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、熱エネルギーによってマスクが変形するのを抑制することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、半導体ウェハと前記半導体ウェハに重ねるように配置されたマスクの撮像領域に対して光を照射する照明手段と、前記照明手段から前記半導体ウェハと前記マスクに照射された光の反射光を入射して、前記半導体ウェハ上に形成された位置決め用のウェハマークと前記マスクに形成したマスクマークを撮像する撮像手段と、前記撮像手段の撮像による撮像データを処理して前記ウェハマークの前記マスクマークに対する相対位置を認識する認識手段とを備え、前記照明手段は、発光素子と、前記発光素子を間欠的に点灯する点灯制御回路とから構成したことを特徴としている。

上記構成によれば、発光素子を間欠的に発光するようにしたため、マスクに常時光が照射されることはなく、マスクに与える熱（発光）エネルギーの影響が極めて小さくなり、マスクの変形を抑制することができ、マスクを正確に位置決めすることが可能になる。また、発光素子はハロゲンランプよりも発熱量が小さいので、光源周辺に対する熱エネルギーの影響を少なくすることができるとともに、長寿命化を図ることができ、事実上メンテナンスフリーを実現できる。

また、本発明においては、前記点灯制御回路は、前記位置決め用のウェハマークを検知すべきタイミングに合わせて前記発光素子をストロボ発光させることができる。

本発明によれば、マスクの変形を抑制することができ、マスクを正確に位置決めすることが可能になる。

図１には、本実施の形態に係る半導体位置決め装置（以下、単に位置決め装置という）１０が示されている。位置決め装置１０は、定盤１２に対して支柱１４が立設され、支柱１４の上端には、天板１６が取付けられ、位置決め装置１０の筐体を構成している。位置決め装置１０は、半導体ウェハ１８を対象として、当該半導体ウェハ１８を位置決めする役目を有している。位置決め装置１０の定盤１２上には、ワーク位置決めステージ部２０と、マスクステージ部２２と、が設置されている。

ワーク位置決めステージ部２０は、ベース２４と、ベース２４上に設けられて第１のスライダ２６をＸ軸方向に摺動可能に支持するＸ軸方向摺動装置２８及び第１のスライダ２６をＸ軸方向に駆動するＸ軸方向駆動装置２９とを備えている。また、第１のスライダ２６上には第２のスライダ３０が設けられ、この第２のスライダ３０は、Ｙ軸方向摺動装置３２により、Ｙ軸方向に摺動可能に支持され、図示しないＹ軸方向駆動装置によりＹ軸方向に駆動される。また、第２のスライダ３０には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に位置決めされる半導体ウェハ１８等の試料ベースとしてのワークステージ３４が支持されている。ワークステージ３４には、半導体ウェハ１８を保持するウェハチャック３６が取付けられている。

半導体ウェハ１８は、このウェハチャック３６に支持された状態で固定されるようになっている。なお、ワークステージ３４は、半導体ウェハ１８をチェックした状態のウエハチェック３６の６自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向及び各軸周りの回動）の微調整が可能な機構を有している。上記構成のワーク位置決めステージ部２０により、ウェハチャック３６は、ＸＹ平面内のステップ送り及び６自由度の微小な位置及び姿勢の調整が可能となる。

ワークステージ３４よりも上方には、マスクステージ部２２の一部を構成するマスクチャック３８が、第２のステージ３０に対向配置されている。マスクチャック３８は、ウェハチャック３６との対向面にマスク４０を保持している。また、マスクチャック３８は、マスクθ軸ベース４２に支持されており、θ軸方向（Ｚ軸周りの回動）の調整が可能となっている。

また、マスクθ軸ベース４２は、マスクＺ軸方向移動機構４４に支持されている。さらに、マスクＺ軸方向移動機構４４は、マスク用Ｘ−Ｙテーブル４６に支持されている。なお、マスク用Ｘ−Ｙテーブル４６は、移動テーブル部２０と同様の構成であるため、構成の説明は省略する。このマスクステージ部２２により、マスク４０は、Ｘ−Ｙ−Ｚ−θの各軸方向への調整が可能となっている。

位置決め装置１０の筐体を構成する天板１６は、その中央部（半導体ウェハ１８が位置決めされる基準となる軸周り）に開口部１６Ａが設けられている。天板１６には、半導体ウェハ１８に設けた位置決め用のウェハマークＷ１乃至Ｗ３（図２参照）を検出し、半導体ウェハ１８のワークステージ３４上の位置を検出するためのアライメントユニット５０が取付けられている。図１では１組のみ示しているが、それぞれのウェハマークに対応し、１組ずつ、計３組のアライメントユニット５０が配されている。

図２に示される如く、シリコン基板である半導体ウェハ１８の表面には、例えば、３０ｍｍ×３０ｍｍ程度のパターン領域１８Ａがマトリクス状に多数配置されている。各パターン領域１８Ａ間には後のチップ切り出しのための、例えば、数十ミクロン幅の隔離領域１８Ｂが格子状に確保されている。この隔離領域１８Ｂ内の適当な場所に１つの領域につき３つのウェハマークＷ１〜Ｗ３がシリコン酸化膜によって予め線状に形成されている。図示の例では、ウェハマークＷ１、Ｗ２がＹ軸方向、ウェハマークＷ３がＸ軸方向に生成されている。なお、図２では、ハッチングを施した中央のパターン領域１８Ａに対応するウェハマークＷ１〜Ｗ３のみを示しているが、全てのパターンの周囲に同様にウェハマークＷ１〜Ｗ３が配されている。

シリコン酸化膜の部分は、周囲のシリコンの部分と比べて反射率が低く、暗いため、ウェハマークＷ１〜Ｗ３は観測可能である。また、ウェハマークＷ１〜Ｗ３は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に限らず、Ｘ軸及びＹ軸に対して４５°の方向のマークを設けてもよい。

なお、ウェハマークＷ１、Ｗ２、Ｗ３は線状のシリコン酸化膜を周囲の部分と面一あるいは僅かに隆起した状態とすることで得ることができるが、この代わりに、半導体ウェハ１８上にシリコン酸化膜の線状のパターンを突出させるパターンとしてもよい。あるいは逆にウェハマークＷ１、Ｗ２、Ｗ３をシリコンとしてその周囲をシリコン酸化膜で囲むようにしてもよい。アライメントユニット５０では、このウェハマークＷ１、Ｗ２、Ｗ３を検出することで、半導体ウェハ１８の位置を認識し、位置決め補正を実行するデータを生成することになる。

図３は、マスク４０を説明する説明図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ方向における断面図である。マスク４０はステンシルマスクであり、外形が円形状で相対的に厚手の周縁部４０Ａ、この内側の領域の相対的に薄手のメンブレン部４０Ｂ、メンブレン部４０Ｂの中央部の形成すべきパターンに対応したパターンを有するマスクパターン部４０Ｃ、マスクパターン部４０Ｃの周囲の半導体ウェハ１８のウェハマークＷ１乃至Ｗ３に対応する位置にそれぞれ形成されたマスクマーク（貫通孔）Ｍ１乃至Ｍ３、周縁部４０Ａに形成されたプリアライメント用の切欠部４０Ｄ、並びに粗調整用のグローバルアライメントマーク４０Ｅを有している。

マスク４０は、例えば、シリコンであり、直径４インチ、周縁部４０Ａの厚さ０．５ｍｍ、この中央領域のメンブレン部４０Ｂの厚さ１０μｍである。また、本実施の形態のマスク４０のマスクマークＭ１乃至Ｍ３は、図４に示される如く、複数の貫通孔の集合体で構成されている。

図４は、ＣＣＤカメラ５４（図１参照）の視野領域５４Ａに対する１つのマスクマーク（ここでは、マスクマークＭ１とする）の拡大図が示されている。なお、ＣＣＤカメラ５４の視野領域５４Ａは、照明光源ユニット５２からの照明により、均一な光が照射されている。

第１の貫通孔６０は、ウェハマークＷ１が粗調整によって位置決めされる領域であり、この第１の貫通孔６０の左辺に沿って、かつ当該左辺の寸法（縦寸法）と同一の長手方向寸法を持つ、縦長の第２の貫通孔６２が設けられている。

さらに、第１の貫通孔６０の右辺側には、第３乃至第５の貫通孔６４、６６、６８が設けられ、これらは縦列配置されている。この第３乃至第５の貫通孔６４、６６、６８の縦方向寸法及びこれらの隙間の寸法を足した寸法が、第１の右辺の寸法（縦寸法）と同一の寸法となっている。これにより、第１乃至第５の貫通孔６０、６２、６４、６６、６８を囲む領域は矩形状となる（図４の一点鎖線領域Ｍ１（Ｍ２、Ｍ３）参照）。

ここで、第２乃至第５の貫通孔６２、６４、６６、６８は、それぞれ隣接する貫通孔との間に線幅の仕切り部が形成されることになる。貫通孔６４と６６との間の仕切り部７２は、図４に示す如く、ＣＣＤカメラ５４から見て半導体ウェハ１８の露出部分のうち、マスク４０による影Ｓの部分と重なるように設定される。

また、貫通孔６６と６８との仕切り部７３は、半導体ウェハ１８上に形成される仕切り部７３の影が貫通孔６８内に位置するように、かつ、ＣＣＤカメラ５４から見て仕切り部７３の影と仕切り部７２とが、同時にできるだけピントが合った状態となるように設定されている。マスク４０のメンブレン部４０Ｂの厚み、及び、アライメントユニット５０の取付け角度α（図５参照）が既知なので、マスク４０と半導体ウェハ１８とのギャップｇが設定値と一致する場合に、これらの条件に基づき、仕切り部７２と仕切り部７３との距離を、幾何学的に定まる所定値とすることにより、「ＣＣＤカメラ５４から見て仕切り部７３の影と仕切り部７２とが同時にできるだけピントが合う状態」が求められる。

第１の貫通孔６０と第２の貫通孔６２との間の仕切り部７０及び第１の貫通孔６０と第３の貫通孔６４との間の仕切り部７１はマスクマークＭ１に対するウェハマークＷ１の図４で横方向の相対位置を求めるための基準として用いられる。また、本実施の形態においては、仕切り部７０は、マスクマークＭ１全体の平面方向の一方（ここでは、Ｘ軸方向）の位置ずれ量（シフト量）を検出するために用いられるようになっており、ＣＣＤカメラ５４で撮像すると、この仕切り部７０は、第１の貫通孔６０及び第２の貫通孔６２の濃度（マスク４０によって生じる影Ｓのため暗い）に対して、大きな差で低濃度（明るい）の画像となる。さらに、細い仕切り部７０の両側を挟んで暗くなるようにしており、このことも相俟って仕切り部７０の位置を高精度に検知できる。従って、ＣＣＤカメラ５４の視野領域５４Ａの周縁（図４の左端）から仕切り部７０の中心線までの寸法Ａを精度よく読み取ることができるようになっている。

一方、第３の貫通孔６４と第４の貫通孔６６との間の仕切り部７２は、ギャップｇを求めるのに使用されるのに加え、本実施の形態においては、マスクマークＭ１全体の平面方向の他方（ここでは、Ｙ軸方向）の位置ずれ（シフト量）を検出するためにも用いられるようになっており、ＣＣＤカメラ５４で撮像すると、この仕切り部７２は、第３の貫通孔６４及び第４の貫通孔６６の濃度（マスク５４によって生じる影Ｓのため暗い）に対して、大きな差で低濃度（明るい）の画像となる。さらに、細い仕切り部７２の両側を挟んで暗くなるようにしており、このことも相俟って仕切り部７２の位置を高精度に検知できる。従って、ＣＣＤカメラ５４の視野領域５４Ａの周縁（図４の左端）から仕切り部７２の中心線までの寸法Ｂを精度よく読み取ることができるようになっている。

上記、寸法Ａ及び寸法Ｂを検出することで、ＣＣＤカメラ５４の視野領域５４Ａと、マスクマークＭ１との相対位置関係を認識することができ、予め定めた基準寸法との差分に応じて、微調整を行うことで、相対位置関係を常に一定に維持することが可能となっている。

なお、位置調整は、ＣＣＤカメラ５４を移動することで実行される。このため、図１に示される如く、天板１６上の撮像部５６は、カメラ用Ｘ−Ｙテーブル７４に支持されている。なお、カメラ用Ｘ−Ｙテーブル７４は、前述した位置決めステージ部２０（図１参照）と同様の構成であるため、構成の説明は省略する。

図１に示される如く、アライメントユニット５０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）ＬＤを光源とする照明光源部５２と、複数のレンズからなる結像光学系５３、ＣＣＤカメラ５４を備えた撮像部５６とによって構成される。

照明光源部５２は、図６に示すように、光源を構成する発光素子である発光ダイオードＬＤと、発光ダイオードＬＤを間欠的に点灯する点灯制御回路５２ａを備えて構成されている。点灯制御回路５２ａは、発光ダイオードＬＤを必要なときにのみ点灯するために、例えば、位置決め用のウェハマークＷ１〜Ｗ３を検知すべきタイミングに合わせて、発光ダイオードＬＤを瞬時ストロボ発光させることで、発光ダイオードＬＤを間欠的に点灯するようになっている。発光ダイオードＬＤはストロボ発光させるに際しては、ＣＣＤカメラ５４の取り込み時間が、例えば、６０ｍｓの場合、発光ダイオードＬＤの発光時間を１００ｍｓ程度に設定することで、発光ダイオードＬＤを瞬時ストロボ発光させることができる。

なお、センサとしてはＣＣＤに限らず、公知の画像処理を行える撮像データの得られるセンサを備えたカメラであれば、これに代えてもよい。照明光源部５２の光軸と、撮像部５６のＣＣＤカメラ５４の光軸とをウェハマークＷ１の面の法線に対して左右対称となるように配置し、照明光源部５２から出射した照明光がウェハマークＷ１で反射して撮像部５６のＣＣＤカメラ５４の入射光となるようにしている。なお、ウェハマークＷ２及びＷ３については、上記と同様の構成（すなわち、計３組のアライメントユニット５０が天板１６上に配置されている。）であるので、構成の説明は省略する。

マスク４０の位置は、予めグローバルアライメント用マーク４０Ｅ（図３参照）を観測することによって粗調整されており、更に半導体ウェハ１８上の所定の基準を用いてワークステージ３４の位置を粗調整する。これにより、ステップ送りにより半導体ウェハ１８のパターンを転写する位置にマスクパターン部４０Ｃが対向するように位置決めされた際に、半導体ウェハ１８のウェハマークＷ１がマスクパターンＭ１の貫通孔６０内に位置するように調整する。更に、半導体ウェハ１８上の１つのパターン領域１８Ａにマスク４０のパターン部４０Ｃが対向された状態で、ＣＣＤカメラ５４によってマスク４０のマスクマークＭ１とウェハマークＷ１とを同時に観測し、マスクマークＭ１の中央に半導体ウェハ１８のウェハマークＷ１が存在するようにワークステージ３４を微調整する。

図1に示される如く、アライメントユニット５０の一部を構成する照明光源部５２は、筐体７６に収容されて、天板１６上に固定配置されている。筐体７６には、発光ダイオードＬＤを保持する図示しない保持体が設けられており、前述したように、マスク４０への光軸を一定に維持している。

図１及び図５に示される如く、発光ダイオードＬＤから照射される光（通常は拡散光）は、ストロボ発光による照射光として、当該照射方向に配設された複数のレンズや、均一な明るさでより広い範囲を照明するためのガラス製のロッドなどからなる照明光学系７８を経由し、マスクマークＭ１を含む領域（図４の照明エリア）をほぼ均一に照明する。

本実施例によれば、発光ダイオードＬＤを必要なときにのみ点灯するために、位置決め用のウェハマークＷ１〜Ｗ３を検知すべきタイミングに合わせて、発光ダイオードＬＤを瞬時ストロボ発光させるようにしたため、マスク４０に常時光が照射されることはなく、マスク４０に与える熱（発光）エネルギーの影響が極めて小さくなり、マスク４０の変形を抑制することができ、マスク４０を正確に位置決めすることが可能になる。

また、本実施例によれば、マスク４０は半導体ウェハ１８に与える熱エネルギーが少なくなるので、位置検知における誤差要因を低減することができる。すなわち、熱エネルギーによってマスク４０が変形してメンブレン部４０Ｂが撓むと、ＣＣＤカメラ５４のモニタ上では、マスクマークＭ１〜Ｍ３の位置が変化するので、マスクマークＭ１〜Ｍ３とは異なる画素が検出され、これが位置検知における誤差要因となる。しかし、本実施例では、マスク４０は半導体ウェハ１８に与える熱エネルギーが少なくすることで、位置検知における誤差要因を低減することができる。

また、発光ダイオードＬＤはハロゲンランプよりも発熱量が少ないので、光源周辺に対する熱エネルギーの影響を少なくすることができるとともに、長寿命化を図ることができ、事実上メンテナンスフリーを実現できる。すなわち、発光ダイオードＬＤの光量は電流に比例し、寿命は累積出力（電力量）により決まるが、発熱量の少ない発光ダイオードＬＤを間欠的に点灯することで、長寿命化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る位置決め装置を示す照明図である。 半導体ウェハの平面図であり、１チップ毎の区画、並びに１チップ毎のウェハマークをの位置を示す平面図である。 （ａ）はマスクの平面図、（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 照明エリア及びＣＣＤカメラの視野領域との相対関係を示すマスクマークの拡大平面図である。 アライメントユニットの正面図である。 点灯制御回路と発光ダイオードとの関係を説明するためのブロック構成図である。

符号の説明

Ｗ１乃至Ｗ３ ウェハマーク
Ｍ１乃至Ｍ３ マスクマーク
ＬＤ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０ 半導体位置決め装置
１２ 定盤
１４ 支柱
１６ 天板
１６Ａ 開口部
１８ 半導体ウェハ
２０ 移動ステージ部
２２ 作業ステージ部
２４ ベース
２６ 第１のスライダ
２８ Ｘ軸方向摺動装置
３０ 第２のスライダ
３２ Ｙ軸方向摺動装置
３４ ワークステージ
３６ ウェハチャック
３８ マスクチャック
４０ マスク
４０Ａ 周縁部
４０Ｂ メンブレン部
４０Ｃ マスクパターン部
４０Ｄ 切欠部
４０Ｅ グローバルアライメントマーク
４２ マスクθ軸ベース
４４ マスクＺ軸方向移動機構
４６ マスク用Ｘ−Ｙテーブル
５０ アライメントユニット
５２ 照明光源部
５２ａ 点灯制御回路
５４ ＣＣＤカメラ
５４Ａ 視野領域
６０ 第１の貫通孔（主貫通孔）
６２ 第２の貫通孔（副貫通孔）
６４ 第３の貫通孔（副貫通孔）
６６ 第４の貫通孔（副貫通孔）
６８ 第５の貫通孔（副貫通孔）
７０ 仕切り部（第１の仕切り部）
７２ 仕切り部（第２の仕切り部）
７４ カメラ用ＸーＹテーブル（撮像素子用テーブル）
７６ 筐体
７８ 照明光学系
８０ 集光レンズ

Claims (2)

1. 半導体ウェハと前記半導体ウェハに重ねるように配置されたマスクの撮像領域に対して光を照射する照明手段と、前記照明手段から前記半導体ウェハと前記マスクに照射された光の反射光を入射して、前記半導体ウェハ上に形成された位置決め用のウェハマークと前記マスクに形成したマスクマークを撮像する撮像手段と、前記撮像手段の撮像による撮像データを処理して前記ウェハマークの前記マスクマークに対する相対位置を認識する認識手段とを備え、前記照明手段は、発光素子と、前記発光素子を間欠的に点灯する点灯制御回路とから構成されてなる半導体ウェハ撮像装置。
2. 前記点灯制御回路は、前記位置決め用のウェハマークを検知すべきタイミングに合わせて前記発光素子をストロボ発光させてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハ撮像装置。

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