JP2822263B2 - 半導体ウェハの位置合わせ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は、半導体ウェハに形成されたオリエンテーシ
ョン・フラット（以下、OFと略称する）を検出し、その
検出した信号に基づいてウェハの位置合わせを行う装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体製造のための露光装置やウェハ上の各種パター
ン等を検査する検査装置に於いては、パターンの露光や
検査を行う際にウェハの位置合わせを行ってから、露光
用もしくは検査用のステージに載せる必要がある。

位置合わせ装置として、従来から提案されているもの
には、以下のようなものがある。

例えばその一つは、特公昭55−39901号に掲載されて
おり、それは第４図に示すように、ウェハ３をウェハ３
の中心もしくは中心近傍を軸にして回転させるために保
持するウェハ載置台４と、ウェハ載置台４を回転させる
回転駆動装置５と、前記回転させられているウェハ３の
OF部では入射し、OF部以外の円弧状周縁部ではビームの
一部がOF部が通過する時よりも多く遮光されるように配
置された発光部材１−Ａと受光部材２−Ａ及び、発光部
材１−Ｂと受光部材２−Ｂにより構成された２つのフォ
トカプラーと、前記の受光部材２−A,2−Ｂの出力信号
a,bを利用し、その２つの信号の差が零になる位置に回
転駆動装置５の回転を制御する不図示の制御装置と、に
より構成されるウェハの位置合わせ装置である。

尚、第４図の受光部材２−A,2−Ｂの出力信号a,b及び
その差信号ａ−ｂと、ウェハの回転角θとの関係を第５
図に示す。

第５図において、差信号ａ−ｂが零となる時のウェハ
の回転角度ｒが、ウェハの位置合わせ位置の基準となる
角度である。

この位置合わせ装置に用いられる発光部材のビーム径
は、ウェハ３のウェハ載置台４への設置位置が多少ずれ
ても、ウェハ３のOF部で発光部材１−A,1−Ｂからのビ
ームの一部が確実に遮光されるように５〜10mm程度のも
のが用いられている。

以下、この装置を「第１の装置」と仮称する。

他の一つの装置は、第６図に示すように、ウェハ３を
ウェハ３の中心もしくは中心近傍を軸にして回転させる
ために保持するウェハ載置台４と、ウェハ載置台４を回
転させる回転駆動装置５と、発光部材１−Ｃからのビー
ムが、ウェハ３のOF部を除く円弧状周縁部より内側でし
かもOF部ではウェハ３の外側になるようにし、回転する
ウェハ３のOF部外側を通過したビームを受光部材２−Ｃ
に導くように配置した発光部材１−Ｃ、受光部材２−Ｃ
により構成される一つのフォトカプラーと、ウェハ３の
回転角θを検出する為に、前記回転駆動装置５の回転軸
に取り付けられたロータリーエンコーダー装置（以下、
エンコーダー装置と略称する）の目盛り円板６−A,及び
目盛り円板６−Ａの目盛り読み取り検出器６−Ｂと、受
光部材２−Ｃの出力信号と前記エンコーダー装置の検出
器６−Ｂからの信号とに基づいて、ウェハ３の位置合わ
せを行う不図示の制御装置と、を用いたウェハの位置合
わせ装置である。

第７図に示した、第６図の受光部材２−Ｃの出力信号
ｃと、ウェハの回転角θとの関係を用いて第６図の装置
の動作を説明すると、回転しているウェハ３が、前記発
光部材１−Ｃのビームを遮光した瞬間及びビームが通過
した瞬間を基準レベルc₀において検出し、その瞬間の２
点の回転角p,qを前記目盛り円板６−Ａから前記検出器
６−Ｂで読み取る。読み取った回転角p,qの中点を演算
により求め、求めた値を所望の回転角度値ｒとし、再
び、エンコーダー装置の検出器６−Ｂの値が前記回転角
度値ｒになるように回転駆動装置５の回転を制御するこ
とでウェハの位置合わせを行う。

尚、この際の基準レベルc₀は、受光部材の出力信号の
レベル，受光感度特性や誤差等を考慮し、第７図に記載
しているように、予め、前記出力信号ｃのピーク値のお
よそ中間レベルに決めておく。

以下、この装置を「第２の装置」と仮称する。

〔発明が解決しようとする課題〕

これら従来の装置では、回路パターンの高集積化が進
むにつれてより高い位置合わせ精度が要求される為、以
下にあげる問題点がある。

第１図で示した「第１の装置」では、第６図で示した
「第２の装置」のように、回転駆動装置５の回転角度を
エンコーダー装置で読み取る必要がなく構成を比較的簡
単にできる長所をもつが、経年劣化等によって誤差が生
じやすい。

例えば、ウェハ３をウェハ載置台４に設置する際のＹ
方向（図に示すように２本の光軸を含む面に垂直な方
向）の設置位置にばらつきがある場合、ウェハ３のOF部
とフォトカプラーのビームの重なり具合に影響し、フォ
トカプラーのビームの照度むらの影響も受けて位置合わ
せの精度が悪くなることが上げられる。

第８図の（ａ），（ｂ）は、第４図のフォトカプラー
の発光部材１−A,1−ＢのビームのＹ方向照度分布の一
例をそれぞれ示す図であり、第８図の（ａ）のように、
第４図の発光部材１−Ａから射出されるビームのＹ方向
の照度分布は均一で、第８図の（ｂ）のように、第４図
の発光部材１−Ｂから射出されるビームのＹ方向の照度
分布はビームの中心では高く周辺部にいくにつれ低くな
る、といった照度むらが２つの発光部材の間にあるもの
とする。

ここで、第４図の発光部材１−A,1−Ｂから出たビー
ムが受光部材２−A,2−Ｂに入射した際の出力信号a₀,b₀
（第８図（ａ），（ｂ））は、それぞれの受光部材に入
射したビームの面積とビームの照度むらによる重みをか
けた値となる。

従って、この装置のように２つの受光部材の出力信号
の差で位置合わせを行う装置において発光部材のビーム
に照度むらがある場合、第９図に示すように、第４図中
のウェハ３をウェハ載置台４に設置する際に２つのフォ
トカプラーの光軸の中心どうしを結ぶ線ｍ−ｎに対して
ウェハ３がＹ方向にΔＹだけずれた場合に、２つの受光
部材からの出力が一致する位置にウェハの位置合わせを
行えば、本来の位置合わせの基準位置（中心線ｍ−ｎ）
に対して、Δθだけ傾いた位置で止まることになる。

また、第10図のように、ウェハ３が中心線ｍ−ｎに対
して−ΔＹだけずれた場合は、ウェハ３のOF部と中心線
ｍ−ｎが平行になる時、ビームの中心付近の照度が高い
受光部材２−Ｂからの出力ｂの方が、受光部材２−Ａか
らの出力信号ａより小さくなるので、２つの受光部材か
らの出力信号が一致する位置までウェハ３を回転させて
停止させると、上記のΔＹだけずれた場合とは逆にウェ
ハ３は、−Δθだけ傾いた位置で止まることになる。

このように２つのフォトカプラーを用いた位置検出装
置を構成した場合、それぞれのビームの照度むら特性の
違いが位置合わせの誤差の原因となる為に第８図のよう
に２つのフォトカプラー間の照度のばらつきが生じると
微妙に位置合わせ精度に影響し、さらに照度むらだけで
なく２つのフォトカプラーの発光量や受光感度が経年劣
化をおこすことによっても位置合わせ誤差を生じること
になり、長期間に渡って初期の精度を保つことが難しか
った。

一方の「第２の装置」では、「第１の装置」のように
複数のフォトカプラーに起因する誤差は起きず、ビーム
をウェハと交差する場所で焦点を結ばせるなどの方法で
小さくする事により、ビームの照度むらによる誤差もあ
る程度小さくすることができる。

しかしこの装置では、ウェハのOF部においてビームを
通過させて、OF部以外の円弧状周縁部では確実にビーム
を遮断させなければならない。

また、１つのビームが、回転させられているウェハに
より断続させられる為に、ビーム径を絞る場合、ビーム
径が絞らない場合よりもウェハのOF部でビームが遮断さ
れる又は通過する２箇所の間の距離が増すことになる。

従って、エンコーダー装置で検出するウェハの回転角
度が大きいことになり、ウェハの位置合わせ精度を上げ
る為にエンコーダー装置の分解能を上げる必要が生じて
くる。

エンコーダー装置の分解能を上げるには、エンコーダ
ー装置の目盛り円板の目盛り数を増やしてやり、その目
盛り数を正確に検出できる検出器を使って分解能を上げ
ればよいのだが、半導体製造装置のように高精度が要求
される装置の場合、コスト高や大型化、複雑化を招く結
果となり、読み取り精度を向上させることが困難である
という欠点があった。

そこで本発明は、従来技術の欠点を無くし、半導体ウ
ェハの位置合わせ装置の精度の向上と安定性をはかるこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

従来のウェハ位置合わせ装置の問題を解決する為に本
発明では、半導体ウェハ（３）をそのウェハ（３）の中
心もしくは中心近傍を軸として回転させる回転駆動装置
（4,5,8）と、前記ウェハ（３）に形成されたOF部を光
電的に検出する位置検出位置（１−D,7−A,7−B,2−
Ｄ）とを有し、前記位置検出装置（１−D,7−A,7−B,2
−Ｄ）の出力に基づいて前記ウェハ（３）の位置合わせ
を行う装置に於いて、前記位置検出装置として、例え
ば、第３図に示したような５〜10mm程度のビーム径を持
つほぼ平行なビームを射出する発光部材（１−Ｄ）と、
受光部材（２−Ｄ）と、前記発光部材（１−Ｄ）からの
ほぼ平行なビームを前記回転させられているウェハ
（３）の周縁部と少なくとも２箇所で交差させると共
に、前記ウェハ（３）を介して得られる前記発光部材
（１−Ｄ）からのビームを前記受光部材（２−Ｄ）に導
く光路形成光学部材（７−A,及び７−Ｂ）と、を設けて
なるウェハの位置合わせ装置を提供する。

〔作用〕

本発明の位置検出装置では、第３図に示すような発光
部材（１−Ｄ）からのほぼ平行なビームを光路形成光学
部材（７−A,及び７−Ｂ）で、発光部材（１−Ｄ）から
の方向とは逆方向でかつ平行な方向に折り返して受光部
材（２−Ｄ）に入射させて、そのうちの光路形成光学部
材（７−Ａ）を通過する前、及び光路形成光学部材（７
−Ｂ）を通過後の２箇所で回転させられているウェハの
OF部を含む周縁部と交差するように形成された位置検出
装置であるため、発光部材（１−Ｄ）から射出するビー
ムが略平行光であれば、数10mmはどの光路でのビームの
照度むらは、ビームのどの位置においてもほぼ一定とみ
なすことができ、ウェハとビームとが交差する２箇所に
おけるビームの照度むらは、２つのビームの光軸含む面
に垂直なＹ方向には、交差する２箇所で同一で、前記Ｙ
方向に垂直で且つウェハの表面と平行なＸ方向に対して
は、交差する２箇所では反転した分布とみなせる。

従って、ウエハの回転中心位置が若干ずれたとして
も、２つのビームのＹ方向の照度むらが等しいとみなせ
ることにより、照度むらによる測定誤差はほとんど生じ
ない。

これは、従来の「第１の装置」での２つのフォトカプ
ラーにおける感度差やＹ方向の照度むらまで含めた位置
検出に必要な光学特性が、ウェハとビームとが交わる２
箇所で誤差がない理想的な場合と等価と見なすことがで
きる。

また、ビームをウェハと少なくとも２か所で交差させ
る構成でありながら、１つのフォトカプラーのみで達成
されているので、２つのフォトカプラーを使用した場合
のように２つのフォトカプラー間の光量や受光感度の差
が位置検出精度を劣化させることもなく、構成が簡単で
あるし、１つの受光部材からの出力信号１つだけに着目
すればよいことになり、信号処理等が比較的簡単にでき
るという利点がある。

第２図に、本発明の位置検出装置でのウェハ３の回転
角度θと受光部材１−Ｄからの出力信号ｄとの関係を示
す。

第２図の出力信号ｄが最大値をとる時とは、第９図，
及び第10図の平面図で示した、ウェハ３と交差する２箇
所でのビームの中心どうしを結ぶ線ｍ−ｎと、ウェハ３
のOF部とが、平行になる位置である。

〔発明の実施例〕

第１図に、本発明によるウェハ位置合わせ装置の一実
施例を示す。

この半導体ウェハの位置合わせ装置は、およそ10mm程
度のビーム径をもつほぼ平行なビームを射出する発光部
材１−Ｄと、受光部材２−Ｄと、ウェハ載置台４と、回
転駆動装置５と、エンコーダー装置の目盛り円板６−A,
目盛り読み取り検出器６−Ｂと、プリズム部材７−A,7
−Ｂと、変速ギア８と、小信号増幅器９と、A/D変換器1
0と、制御回路11と、D/A変換器12と、電力増幅器13とで
構成されている。

これらの相互の位置関係は、まず、発光部材１−Ｄか
らのビームをプリズム部材７−Ａで90度折り曲げ、前記
プリズム部材７−Ａで折り曲げられたビームをプリズム
部材７−Ｂで前記発光部材１−Ｄからのビームの進行方
向とは逆であるがビームの光路とは平行な方向に折り返
し、前記プリズム部材７−Ｂで折り曲げられたビームを
受光部材２−Ｄで受光するといった光路をとるようにそ
れぞれを配置させて位置検出装置を構成する。

次に、ウェハ３が回転できるようにウェハ３を保持し
て載せるウェハ載置台４が、減速ギア８を介して回転駆
動装置５の回転軸に接続されており、位置検出装置との
位置関係は、前記した位置検出装置のビームと、回転さ
せられているウェハ３の周縁部とが、２箇所において垂
直に交差するように配置されていて、しかも、ビームと
ウェハとの重なり具合が、ウェハがウェハ載置台４に載
置される際に多少ずれた場合でも、回転しているウェハ
のOF部がビームのほぼ中心を通過して、OF部以外の円弧
状周縁部より多くビームを通過するような位置関係にな
るようにビームの光路が形成されている。

また、回転駆動装置５の回転軸には、エンコーダー装
置の目盛り円板６−A,及び前記目盛り円板６−Ａの目盛
り読み取り検出器６−Ｂとが接続されていて、回転させ
られるウェハ３の回転角度θを検出する。

回転させられているウェハ３と発光部材１−Ｄからで
たビームが２箇所で交わった後に、ウェハ３で遮光され
なかったビームが受光部材２−Ｄに入射した時に出力さ
れる受光部材２−Ｄからの出力信号ｄを、小信号増幅器
９で増幅し、増幅した信号を、A/D変換器10で、デジタ
ル信号に変換して制御回路10に入力する。

また、前記エンコーダー装置の検出器６−Ｂで読み取
ったウェハ３の回転角θはデジタル信号の形で、制御回
路11に入力される。

また、制御回路11からの電圧信号が、D/A変換器12で
アナログ電圧信号に変換され、その変換された電圧信号
を、電圧増幅器13で、回転駆動装置５を駆動できる電圧
まで増幅し、その増幅された電圧信号によって、回転駆
動装置５を駆動させる。

次に位置合わせの過程を見ていくと、まず、ウェハ３
が、ウェハ載置台４に載せられると、制御回路11からの
信号によって、回転駆動装置５を高速で駆動させる。

その時に、回転させられているウェハ３のOF部と、位
置検出装置のビームの光路とが交差する時に受光部材２
−Ｄから出力信号ｄが基準電圧shを越えるので、その時
に回転駆動装置５の駆動を止める。

ここでの動作は精密な位置合わせの前段階の位置合わ
せなので、位置合わせ装置のビームの一部を２個所でウ
ェハのOF部が遮断する位置、つまりウェハ３の回転角度
と受光部材２−Ｄの出力信号ｄとの関係を示した第２図
のように受光部材２−Ｄの出力信号ｄが前記基準電圧sh
を越える位置まできていれば良く、精密に出力信号ｄが
最大値をとる位置にウェハを止める必要はない。

次に、制御回路11から、受光部材１−Ｄの出力電圧ｄ
が予め定めておいた基準電圧shになるまでウェハ載置台
４を低速で正転（CW），逆転（CCW）方向に回転させる
信号を出力し、前記基準電圧shになった位置でのウェハ
３の回転角度p,q（第２図に於けるｐ及びｑ）をエンコ
ーダー装置の目盛り円板６−Ａの目盛りから目盛り検出
器６−Ｂで読み取り、制御回路11で演算して、角度値ｐ
とｑの中心角度値ｒを求める。

前記中心角度値ｒの演算結果を元にして、制御回路11
では、前記目盛り検出器６−Ｂの出力信号が中心角度値
ｒとなる位置まで回転駆動装置５を回転させて停止させ
る。

その停止位置が、所望のウェハの位置合わせ位置とな
る。

前述において、受光部材１−Ｄの出力波形は必ず、発
光部材側でウェハと交差する所と、プリズム部材で反射
させた後にウェハと交差する所と、でのビームの照射む
らが、Ｙ方向には同一で、Ｘ方向に左右対象の形となる
ので、（ｐ＋ｑ）/2で求めた値ｒの位置こそ受光部材の
出力信号ｄが最大になる位置であり、且つウェハのOF部
が受光部材及び発光部材を結ぶ線ｍ−ｎと平行になる位
置である。

尚、この際の基準電圧shとは、ウェハ３のウェハ載置
台４への設置精度等を考慮して予め実験により適当に決
めておくものとする。

また、前記実施例中の減速ギア８については、より精
密な回転角度を検出し、且つ、装置自体が大型化した
り、複雑にならないでエンコーダー装置の分解能を上げ
る手段として取り付けたもので、エンコーダー装置の目
盛り円板のパルス数と、変速ギア８のギア比とを上手く
考えて組合せることで効果的に要望の分解能が、安価で
実現できることになる。

さらに、前記実施例の中では、２つの測定点の中点を
求めて位置合わせを行うようにしているが、第２図から
も明らかなように受光部材１−Ｄの出力波形はピークの
時に尖った形であり、ピークの時に丸くなっている場合
と違って出力信号ｄの最大値を検出することは容易であ
り、且つ、検出精度も充分得られることから、出力信号
ｄが最大値になったところでウェハ載置台４の回転をと
めることにより、ウェハの位置合わせをすることも可能
である。

〔発明の効果〕

この発明の効果は、ウェハのOF部の回転位置検出に一
つのフォトカプラーのみを使った位置検出装置にするこ
とで、ウェハの位置合わせを行う時のフォトカプラーの
ビームの照度むらや、従来の「第１の装置」に見られた
複数のフォトカプラーを使うことによって生じる個々の
フォトカプラーの特性変化が全体としての位置検出装置
の性能を劣化させることがないので、ウェハ載置台４へ
のウェハ３の設置精度のが多少悪くても問題なく、しか
もフォトカプラー特性の経年劣化の影響を受けないで長
期間にわたって精度の良い位置合わせを行うことが容易
にできることである。

さらに、およそ10mm程度のフォトカプラーのビーム径
を用いて、受光部材２−Ｄの出力信号ｄという尖った波
形の信号を検出しているので、従来の「第２の装置」に
比べて、精密位置合わせをする際に検出するウェハの回
転角度は非常に小さくてすみ、動作時間を短くできる。

また、前述したように、第６図に示す位置合わせ装置
のようにフォトカプラーのビーム径を絞った場合、ウェ
ハ３のOF部においてビームを通過させ、その他の周縁部
では必ず遮断させる必要があるが、本発明でも同じよう
に、OF部ではビームを通過させ、その他の周縁部では遮
光させる方が良いが、第２図に示した出力信号ｄの中の
回転角度値p,qが検出できる程度であれば、必ず、その
他の周縁部で完全にビームを遮光していなくても、位置
合わせの精度に影響しないということも、ウェハ載置台
４へのウェハ３の設置位置のずれに強い事を示してお
り、実施例としておよそ10mmと示したように、５〜10mm
程度のビーム径であれば、十分にウェハの設置位置のず
れに対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す斜視図及び電気ブロック
図であり、第２図は第１図の受光部材２−Ｄの出力信号
ｄとウェハ回転角度θの関係を示す図、第３図は第１図
の要部拡大図、第４図は従来の位置合わせ装置の一例を
示す斜視図、第５図は第４図の受光部材２−A,2−Ｂの
出力信号a,bとウェハ回転角度θの関係を示す図、第６
図は従来の他の位置合わせ装置を示す斜視図、第７図は
第６図の受光部材２−Ｃの出力信号ｃとウェハ回転角度
θの関係を示す図、第８図（ａ），（ｂ）は第４図中の
フォトカプラーのビームの照射面の照度むらの例を示す
図、第９図と第10図は第４図の発光部材１−A,1−Ｂの
ビーム径とウェハとの位置関係の平面図であり、互いに
別の状態を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １−D:発光部材、２−D:受光部材 ７−A,7−B:プリズム部材（光路形成光学部材）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウェハをそのウェハの中心もしくは
   中心近傍を軸として回転させる回転駆動装置と、前記ウ
   ェハに形成されたオリエンテーション・フラットを光電
   的に検出する位置検出装置と、を有し、前記位置検出装
   置の出力に基づいて前記ウェハの位置合わせを行う装置
   に於いて、 前記位置検出装置を、 ほぼ平行なビームを射出する発光部材と、 受光部材と、 前記発光部材からのビームを前記回転させられているウ
   ェハの周縁部と少なくとも２箇所で交差させると共に、
   前記ウェハを介して得られる前記発光部材からのビーム
   を前記受光部材に導く光路形成光学部材と、 により形成したことを特徴とする半導体ウェハの位置合
   わせ装置。