JP2699883B2

JP2699883B2 - 露光装置

Info

Publication number: JP2699883B2
Application number: JP6206437A
Authority: JP
Inventors: 秀和三好
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JPH0878302A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は露光装置に関し、特に半
導体装置製造用の露光装置に備えられた半導体ウェハの
プリアライメント機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程において、半導体
ウェハにホトリソグラフィ技術が繰り返し使用される。
このホトリソグラフィ技術には、半導体ウェハに塗布し
たレジスト膜のパターンを形成するために露光装置が必
要である。この種の露光装置には、半導体ウェハを露光
上の正確な位置に設定することが必要不可欠であり、こ
の位置合わせの精度は、半導体ウェハ内の回路の集積度
を決定する一因である。

【０００３】半導体ウェハには、円周上の一部に直線状
の切り欠きが設けられており、これをオリエンテーショ
ンフラット（略してオリフラ）という。このオリフラの
部分を基準として、ウェハの回転角度を一定に合わせる
ことができる。

【０００４】次に、半導体ウェハが基準位置からどのく
らい偏位しているかは、ウェハの主表面に沿ったＸ軸及
びＹ軸と、ウェハの主表面に垂直なＺ軸とで表現できる
が、主表面になんらかの目印例えばレジスト膜やこれに
よって残された薄膜等が形成されていれば、Ｘ軸，Ｙ軸
の偏位を検出することは容易であるが、主表面にこのよ
うな目印がまだ形成されていない最初の工程の場合に
は、このウェハの円周上の一部を基準にしなければなら
ない。Ｚ軸は、このウェハを載置するＸ−Ｙ軸のなす平
面を有するステージの高さ位置によって定まるから、基
準位置からの偏位を検出することは容易である。

【０００５】以上の通り、半導体ウェハの位置を正確に
検出して、偏位の程度を知ることが、半導体ウェハを露
光する前に必要であり、次にこの偏位を基準に正確に移
動させる制御手段が必要となる。

【０００６】このような正確な位置合わせを行うため、
露光の直前に最終的に半導体ウェハの正確な位置合わせ
を行う微調整機構（ファインアライメント機構ともい
う）があり、この微調整の前にこの機構が半導体ウェハ
の位置ずれが検出できるように、所定の範囲内に入れて
おく必要がある。所定の範囲外に位置ずれした半導体ウ
ェハは、ダイナミックレンジを外し、もはや微調整機構
では検出できず、微調整は手動で行わなければならな
い。この前段階の粗調整機構を、プリアライメント機構
ともいう。

【０００７】このような微，粗調整機構を備えた露光装
置を示す図４の上面図を参照すると、この装置は、パル
スモータ１２等によって駆動されるウェハ搬送部４と、
プリアライメントステージ５と、パルスモータ１３等に
よって駆動されるウェハ搬送アーム８と、露光ステージ
９とを備えており、これらを固定している本体や制御手
段等を図示していない。

【０００８】半導体ウェハは、ウェハキャリア３内に、
所定の間隔をおいて上下方向に多数積み重ねられてお
り、キャリア３の側面から順次一枚ずつ取り出されるよ
うに、開口しており、このキャリア３は手動又は自動的
にこの露光装置の定位置に固定される。ウェハ搬送部４
は、キャリア３内に収納された半導体ウェハ１を順次吸
着もしくは挟持してＹ軸方向に取り出し、これを平面上
１８０°回転させて、プリアライメントステージ５上に
移送される。ここで、キャリア内の半導体ウェハ１のオ
リフラ２は、ランダムな位置にあり、ステージ５上のウ
ェハ１のオリフラ２もランダムな位置にある。移送され
たウェハ１は、ウェハ中心がウェハチャック７の中心に
合うよう設定され、このウェハチャック７に吸着固定さ
れる。この状態で、ウェハチャック７が回転し、ウェハ
１も回転する。そして、オリフラ２がオリフラ検知器６
を通過するときに得られる透過光を電気信号に変換し
て、この電気信号によりウェハ１の停止位置を決定し、
粗調整即ちプリアライメントが行われる。このプリアラ
イメントが終了すると、ウェハチャック７は、ウェハ１
の吸着をはずし、ウェハ１を静かに解放状態にする。そ
して、ウェハ搬送アーム８が、このウェハ１を吸着固定
する形で受け取り、ウェハ３０の状態でＹ軸方向に沿っ
て露光ステージ９上に移送する。

【０００９】露光ステージ９上にセットされたウェハ４
０は、最初の露光なら、そのまま露光作業が行われる
が、第２回目以降の露光では、電気光学的手段でウェハ
４０の主表面上のアライメントマークを検知し、自動的
にウェハ位置の微調整（ファインアライメント）をする
ようになっている（この部分は図示していない）。ここ
で、ステージ５上のプリアライメントによる位置調整が
悪い場合即ち微調整の範囲、例えば±５０μｍ以内にウ
ェハ１の主表面上のアライメントマークが無い場合には
これを自動的に検出することができず、このため微調整
が不可能となり、手動で行う必要がある。

【００１０】このように微調整不可となる原因として、
ステージ５上でのプリアライメントの精度があるが、こ
の他にウェハ搬送アーム８がウェハ２０を吸着するとき
の機械的微振動に起因する位置ずれや、ウェハ３０を移
送中のアーム８が微振動することに起因する位置ずれ、
アーム８が露光ステージ９上にウェハ４０をセットした
際の機械的微振動による位置ずれ等があり、これらの原
因が加算されるようなベクトルの位置ずれが生じた場合
には微調整不可となり、互いに相殺されるようなベクト
ルの位置ずれが生じた場合には微調整可能な範囲とな
る。このような制御系を高速度で作動させると、特に微
調整不可という事故が多発し、しかもウェハ４０の位置
ずれは、常に一定量の偏位ではなく、個々のウェハで各
々相違していることが判明した。

【００１１】一方、微調整を行った際、このウェハの位
置ずれ量を計測し、その値をプリアライメントステージ
での補正量として、プリアライメント制御部へフィード
バックしている特開平１−２０５３５号公報を参照する
と、ウェハの回転角度０を微調整段階で補正すると、そ
の補正量をそのまま粗調整段階で補正することにより、
微調整不可を解消しようとする技術が記載されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述した前者の露光装
置では、プリアライメント終了後、ウェハ２０を露光ス
テージ９へ移送するウェハ搬送アーム８へ受け渡しを行
うが、その際に一担位置が決まったウェハ２０を吸着解
除によりフリーの状態にして行われている。さらに、ウ
ェハの平坦度とウェハ搬送アーム８の表面状態により、
ウェハ吸着を解除した時ウエハ４０の位置ズレが生じ、
特に第２回目の露光では、自動微調整範囲外となる場合
が生じ、作業者による手動調整が必要となるという問題
があった。特にプリアライメント時等に位置ずれが生じ
ると、アライメントマーク位置がその検出範囲即ち検索
可能エリアから外れてしまう。その場合、自動作業して
いた装置は、アライメントができない為エラーを発し、
作業者のアシスト待ちとなる。作業者がエラーを見つ
け、手動にて調整（アライメントマークを捜し、検出範
囲内に移動させること）をするまで作業停止状態とな
り、装置の生産性は著しく劣る。

【００１３】露光装置では、一製品をつくるのに複数枚
特に２０枚前後の異なるパターンを重ねて転写するの
で、各パターンごとにウェハの位置合わせが必要で毎回
すべての工程（１ｓｔ以外）で手動調整が必要になる可
能性がある。

【００１４】また後者の露光装置では、微調整量をその
まま粗調整機構へフィードバックしているため、前述し
た微−粗調整機構間で発生し、ウェハ毎に補正量の相違
する位置ずれを補正することができないという欠点があ
る。即ち、ウェハ３０が搬送アーム８上に移載したとき
に生ずる位置ずれが、常に一定量でかつ一定方向でな
い。これは、ウェハ３０の反り具合や搬送アーム８とウ
ェハ３０との接触面の状態によって違う。従って、フィ
ードバック制御での追い込みが困難であり、またプログ
ラム制御系も複雑になり、最適化するのに工数がかか
る。また、プリアライメント段階の自動補正量と前記フ
ィードバックした補正量とをいかに組み合わせるかにつ
いては記載されておらず、複雑なプログラム制御手段が
必要となる欠点がある。

【００１５】以上の諸問題に鑑み、本発明では次の課題
を掲げる。（１）微調整段階で半導体ウェハがすべて微
調整可能範囲となるようにすること。（２）従来のプリ
アライメントステージ、ウェハ搬送部等の設計変更をと
もなう大幅な構造変更のないようにすること。（３）ウ
ェハの受け渡し中に位置ずれが生じないようにするこ
と。（４）手動操作を省き、生産性を向上させること。
（５）プリアライメント時間を短縮すること。（６）ス
テージ上での、ウェハ裏面とウェハチャックとのまさつ
による屑や汚れ等の発生を少なくし、もって位置合わせ
精度の低下を防止すること。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の構成は、半導体
ウェハの位置合わせを行うプリアライメントステージ
と、前記ステージにて位置合わせを行った前記ウェハを
露光ステージまで搬送するウェハ搬送手段とを備えた露
光装置において、前記ウェハ搬送手段が、前記ウェハの
位置合わせを行うアライメント機構を備えたことを特徴
とし、特に前記アライメント機構が、前記半導体ウェハ
のオリエンテーションフラットを含む３側面を挟み込ん
で位置合わせを行う機構であることを特徴とする。

【００１７】また、特に前記位置合わせを行う機構が前
記ウェハのオリエンテーションフラット部分の側面に当
接する平面を有する第１のピンと、前記フラットと略平
行な線上のうち前記ウェハの略中心を通過する線上にあ
る前記ウェハの側面に当接する第２のピンと、前記第
１，第２のピンに前記ウェハの側面が当接するように前
記ウェハを弾力的に圧迫する第３のピンとを有すること
を特徴とする。

【００１８】さらに、特に前記ウェハ搬送手段が前記露
光ステージ上で前記ウェハが吸着されてから、前記アラ
イメント機構が挟み込んだ前記ウェハを解放する制御手
段を有することを特徴とする。

【００１９】また、特に前記制御手段が、前記ウェハを
解放する際に、前記第３のピンを前記ウェハの側面から
離した後に前記第１，第２のピンを前記ウェハの側面か
ら離すように制御する手段を有することを特徴とする。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の一実施例の露光装置を示す上
面図である。図１において本実施例の露光装置は、ウェ
ハ搬送アーム８上にオリフラ２の位置を規定する位置決
めピン１０ａと、そのオリフラ２の側面に平行な直線の
うちウェハ２０の中心を通過する線がウェハ２０の外周
と交わる点を規定する位置決めピン１０ｂ、そしてこれ
ら位置決めピン１０ａ，１０ｂにウェハ２０を押しあて
るための位置合わせ機構１１とを備えている。

【００２１】このウェハ搬送アーム８とウェハの受け渡
し制御部分以外は、図１の従来例と共通するため、この
共通する部分の説明は省略する。

【００２２】ここで、ウェハ搬送アーム８は、図２
（ａ）の上面図、（ｂ）の側面図に示すように、コの字
形状の本体５０の主面に４個の貫通穴３５が開口されて
いる。

【００２３】位置決めピン１０ａは、一対即ち２個の円
柱状のピンを備え、このピン１０ａが入る貫通穴３５が
本体５０にそれぞれ開口している。このピンは、ウェハ
３０のオリフラの側面を当接させて位置合わせをするた
め、少なくとも２個必要である。載置されたウェハ３０
の中心方向にこれらピン１０ａを移動させて、載置され
たウェハ３０のオリフラに当接させるため、このウェハ
３０の中心方向に移動させる必要があり、このためこの
移動距離だけ遊びを有する直径の貫通穴３５がそれぞれ
形成されている。

【００２４】ウェハ３０の受け渡し時に、このウェハ３
０の中心方向とこの逆方向にピン１０ａを駆動させる駆
動手段１０ａ′（例えばエアシリンダーやパルスモータ
等を備えた駆動装置）が、本体５０の裏面に固定され
る。

【００２５】ウェハ３０の中心方向への最大移動位置
は、ここに用意されるウェハ３０の直径と関係している
ため、適宜調整できるように、マイクロメータを有する
位置調整装置等の公知の設定位置可変手段がさらに追加
されてよい。

【００２６】位置決めピン１０ｂには、ウェハ３０の直
径方向に移動できるように遊びのある貫通穴３５が本体
５０に開口する。このピン１０ｂの固定位置は、オリフ
ラの当接する一対のピンの当接点を結ぶ直線に平行な線
のうちウェハ３０の略中心を通過する線上にあり、ウェ
ハ３０の一側面に当接させるために必要である。このピ
ン１０ｂの駆動手段１０ｂ′は、本体５０の裏面に固定
される。この他の部分の構造は、ピン１０ａの場合と共
通するため説明を省く。

【００２７】上記ピン１０ｂ，１０ａとで、ウェハ３０
の位置が決定されるが、この際ウェハ３０の側面をこれ
らピンに当接させる必要があり、このため、位置合わせ
機構１１が設けられる。この機構１１は、ピン１０ａ，
１０ｂと共通したピンを有しているが、本体５０の裏面
に固定された駆動手段１１′は、ウェハ３０の側面押圧
力が一定以上大きくならないように、弾力的に押圧する
手段（例えばスプリングやゴムシート等）が用いられ
る。これは、ウェハ３０の直径が常に一定ではなく、寸
法上のばらつきを吸収するためである。

【００２８】本体５０の主表面に移送されたウェハ３０
を受け取る場合には、これに先立ち、ピン１０ａ，１０
ｂ，位置合わせ機構１１を、各駆動手段１０ａ′１０
ｂ′，１１′により、ウェハ３０の中心から離れる方向
即ち開く方向に駆動しておき、次にピン１０ａ，１０ｂ
を所定の位置まで閉じる方向（ウェハの中心方向）に駆
動する。この次に、位置合わせ機構１１を、閉じる方向
に駆動して、あらかじめ設定した所望の位置にウェハ３
０を固定する。この状態でウェハ搬送アーム８は、露光
ステージ９へ移動する。ウェハ３０を解放する場合に
は、このウェハ３０が吸着固定された直後に、まず位置
合わせ機構１１が開く方向に駆動され、この次にピン１
０ａ，１０ｂが開く方向に駆動される。

【００２９】このようにして、位置合わせのずれの極め
て少ない状態で、露光ステージ９の吸着固定手段に引き
渡すことができ、ここでのファインアライメントは、検
索エリア内にウェハが入っているため、すべて自動調整
が可能となる。

【００３０】今、ウェハキャリア３から取り出されたウ
ェハ１は、ウェハ受け渡し部５にて、オリフラ２の位置
が確認される。その際、オリフラ検出器６で検知できな
い場合は、ウェハ２０の上主表面を吸着したウェハチャ
ック７を回転させ、検出器６が検出した位置で回転を止
めることにより、回転角度が修正される。次に、ウェハ
チャック７はウェハ受け渡し位置まで移動して、ウェハ
搬送アーム８を待つ。ウェハ搬送アーム８は、ウェハ受
け渡し位置へ移動し、ウェハ２０の下側に位置する。そ
してウェハチャック７が下降し、ウェハ搬送アーム８上
にウェハ２０が移載される。位置決めピン１０ｂ，１０
ｂには、ウェハ受け渡し時には、前述したように、プリ
アライメント位置より、ウェハの外側に退避する機構を
有している。

【００３１】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）を用いて、ウ
ェハ３０がウェハ搬送アーム８上に移載され、プリアラ
イメントが行われる手順を説明する。図３（ａ）に示す
ように、ウェハチャック７よりウェハ２０をウェハ搬送
アーム８に移載するときは、位置決めピン１０ａ，１０
ｂ及び位置合わせ機構１１は、プリアライメント位置よ
り退避される。次に、ウェハ３０を受けとると位置決め
ピン１０ａ，１０ｂが（ｂ）に示すようにプリアライメ
ント位置に動く。そして（ｃ）に示すように、位置合わ
せ機構１１により、ウェハ３０を位置決めピン１０ａ，
１０ｂに押しあてる。これにより、プリアライメント動
作は完了し、その状態にてウェハ搬送アーム８は、露光
ステージ９に移動する。

【００３２】露光ステージ９では、今の逆の動作を行
い、ウェハ３０は移載される。この際、ウェハ３０がこ
こでチャックで吸着固定されるまで、退避操作は行われ
ない。このため、この時の受け渡しで位置ずれの生じる
心配がない。

【００３３】以上の通り、本実施例では、プリアライメ
ントが２段階で行われる。第１の段階はオリフラ検出器
６で行われるプリアライメントで、第２の段階はウェハ
搬送アームで行われるプリアライメントである。このよ
うに２段階でアライメントを行うことにより、自動アラ
イメント・ミスが発生しなくなったばかりでなく、前記
第１の段階の調整時間が短縮できるという利点もある。
このプリアライメント時間は、１回の操作中１．５乃至
３．０秒短縮する。しかもアーム８の移送中に、第２の
段階のプリアライメントを行うことができるため、ロス
時間が少ないという利点もある。

【００３４】また、ウェハ搬送アームは、ピン固定のた
め、吸着固定のように吸着面の汚れによる位置ずれが少
ないという利点がある。

【００３５】本実施例では、ウェハ３０のオリフラの側
面を当接させる２個のピンを示したが、この他にこの側
面に当接させる平面を有する平板であってもよい。ま
た、位置合わせ機構１１には、円柱状のピンを設けた
が、円柱状でなく平面状の当接面を有する平板であって
もよい。

【００３６】また、上記ピン１０ａ，１０ｂは、ウェハ
３０の主面方向に移動させることにより、位置合わせを
行ったが、貫通穴３５に沿って上下動させることにより
位置合わせを行ってもよい。この場合は、ピン１０ａ，
１０ｂは、円柱状ではなく、テーパを付けた円錐状のピ
ンが用いられる。

【００３７】この実施例は、キャリア内にあるウェハを
露光ステージへ搬送する場合について述べたが、逆に露
光の終ったウェハをキャリア内に収納される場合に使用
されてもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、ウェハ
搬送アーム上にプリアライメント機構を設け、ウェハ受
け渡し時に発生するウェハの位置ずれを低減することが
できるので、前記各課題が達成され、ウェハのプリアラ
イメントのバラツキが実質的に支障のない範囲内とな
り、作業者による手動調整時間が実質的に解消し、露光
作業の生産性を向上させる等効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の露光装置を示す上面図であ
る。

【図２】（ａ），（ｂ）は図１の露光装置のウェハ搬送
アームを示す上面図、側面図である。

【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ）は図１の露光装置のウ
ェハ搬送アームの動作状態を順に示す上面図である。

【図４】従来の露光装置を示す上面図である。

【符号の説明】

１，２０，３０，４０半導体ウェハ２オリエンテーションフラット（オリフラ）３ウェハキャリア４ウェハ搬送部５ウェハ受け渡し部（プリアライメントステージ）６オリフラ検出器７ウェハチャック８ウェハ搬送アーム９露光ステージ１０ａ，１０ｂ位置決めピン１１位置合わせ機構１２，１３モータ１１′，１０ａ′，１０ｂ′ 駆動手段３５貫通穴５０本体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/30 ５０２Ｊ５０３Ｚ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウェハの位置合わせを行うプリア
ライメントステージと、前記ステージにて位置合わせを
行った前記ウェハを露光ステージまで搬送するウェハ搬
送手段とを備えた露光装置において、前記ウェハ搬送手
段が、前記ウェハの位置合わせを行うアライメント機構
を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項２】前記アライメント機構が、前記半導体ウ
ェハのオリエンテーションフラットを含む３側面を挟み
込んで位置合わせを行う機構である請求項１記載の露光
装置。
【請求項３】前記位置合わせを行う機構が、前記ウェ
ハのオリエンテーションフラット部分の側面に当接する
平面を有する第１のピンと、前記ウェハの略中心を通過
する線上にあって前記ウェハの側面に当接する第２のピ
ンと、前記第１，第２のピンに前記ウェハの側面が当接
するように前記ウェハを弾力的に圧迫する第３のピンと
を有する請求項２記載の露光装置。
【請求項４】前記ウェハ搬送手段が、前記露光ステー
ジ上で前記ウェハが吸着されてから後に、前記アライメ
ント機構が挟み込んだ前記ウェハを解放するように制御
する手段を有する請求項１記載の露光装置。
【請求項５】前記制御手段が、前記ウェハを解放する
際に、前記第３のピンを前記ウェハの側面から離した後
に前記第１，第２のピンを前記ウェハの側面から離すよ
うに制御する手段であることを特徴とする請求項４記載
の露光装置。