JP3375775B2 - 位置決め装置およびこれを利用した半導体ウエハの測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば膜厚測定装置な
どに適用可能で半導体装置や液晶表示装置の製造工程中
において被測定物の位置決めを行う位置決め装置、特
に、半導体ウエハなどの基板上に形成された所定パター
ンの像を光学顕微鏡で拡大し、さらにその拡大像を入力
画像として撮像するとともに、その入力画像を予め登録
しておいた基準画像とマッチングさせて位置決めを行う
位置決め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】分析または測定等の技術分野において、
被測定物の所望部位（以下「被測定部位」という）に狙
いを定めて測定を行う場合に、被測定部位を、測定装置
が測定を実行する位置（以下「測定実行位置」という）
に位置決めするため、パターンマッチング法を採用する
ことが一般に行われている。これは、被測定部位と所定
の位置関係にある被測定物上の領域の画像（以下「基準
画像」という）を予め登録しておき、被測定物を撮像し
て得られた映像のなかから基準画像と一致する位置を検
出し、もって被測定部位の位置を特定するものである
（特願平４−３４１５８６号参照）。そして、従来例で
は、全ての被測定部位についてパターンマッチングを行
って位置決めしていた。

【０００３】図１９(a)は従来例における被測定物であ
る半導体ウエハの一例を示す部分拡大図であり、図１９
(b)はそのＡ−Ａ断面図である。この半導体ウエハで
は、同図に示すように、半導体ウエハ１上に所定形状に
区分けしてパターニングされたシリコン窒化膜１ａおよ
びシリコン酸化膜２が形成されている。例えば、図１９
(a) の２点鎖線で示す部分の画像は、図２０に示すよう
に、シリコン窒化膜１ａの一部に対応する画像領域（領
域１）とシリコン酸化膜２の一部に対応する画像領域
（領域２）とを有する。ここで、両領域１，２へ光を照
射し、反射した光の強度を調べると、領域１の強度が領
域２のそれよりも大きくなっている。そこで、カメラな
どの撮像手段を介して画像を撮像し、両領域１，２から
の光の強度から例えば図２０に示したパターンを認識す
ることで基準画像を特定していた。具体的には、次の手
順で登録処理および測定処理を行っていた。

【０００４】１）登録処理 まず、基準となる半導体ウエハ１を、外部から一定の精
度で位置決めしながら座標読み取り機能を有するＸＹス
テージに搬送する。次に、パネルキーの操作によりＸＹ
ステージを移動させ、視野のほぼ中心に測定点を合わせ
て座標を読み取る。かかるステージ移動操作および座標
の読み取り操作を所定の回数繰り返し、読み取った複数
個の座標を記憶する。かかる座標は、測定処理において
パターンマッチングの前段階の測定点の機械的位置決め
のための座標値として用いられる。

【０００５】そして、被測定部位近傍の画像を基準パタ
ーンとして登録する。このパターン登録時には図２１に
示したような枠型標線５および十字型標線６を用いる。
該枠型標線５および十字型標線６は、パネルキーの操作
により個々に画面７内を移動させることができる。ここ
で、枠型標線５で囲まれた画像がパターンマッチングに
用いられる画像であり、十字型標線６の交点が検出され
る座標である。そして、パネルキーを押して枠型標線５
で囲んだパターンを記憶（図２２参照）するとともに、
パターン８と測定点（十字型標線６の交点）との相対位
置データを記憶する。

【０００６】２）測定処理 登録処理と同様に被測定物である半導体ウエハは、ま
ず、所定の精度で位置決めされつつ外部からＸＹステー
ジ上に搬送されてくる。次に、ＸＹステージは第１の測
定ポイントの座標へ自動的に移動する。このとき、ウエ
ハ外径のばらつきや搬送装置の位置決め精度等により視
野内での測定点の位置が登録時とは異なっている。そこ
で、パターンマッチングを実行し、パターンの位置を検
出するとともに、記憶されていたそのパターンと、その
パターンに関しての十字型標線６の交点との相対位置デ
ータから測定点の座標が算出される。ここで算出した測
定点の座標と、視野内に予め光学的に設定されている位
置とを計算し、かかる計算結果に基づいてステージを移
動させ、膜厚等の測定処理を行う。ここで、従来例で
は、かかるパターンマッチングを全ての測定点について
実行していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来例で
は、上述のようなパターンの認識作業を各被測定部位に
ついて逐一行わなくてはならない。このため、半導体ウ
エハ１の表面内の多くの被測定部位について絶縁膜の厚
み等を繰り返し測定する場合、多大な位置決め時間を要
し、処理効率を悪化させる原因となっていた。

【０００８】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、総合的な位置決め時間を短縮することで測
定処理効率を高め得る位置決め装置を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
課題解決手段は、位置決めの対象物上に設定された３以
上の部位を、前記対象物の外部に設定された所定位置に
順次に位置決めする際に使用される位置決め装置であっ
て、前記対象物を保持する保持手段と、前記所定位置を
含む撮像範囲において前記被対象物を撮像可能な撮像手
段と、前記撮像手段と前記保持手段とを相対的に移動さ
せる移動手段と、前記対象物が前記保持手段上の基準位
置にある場合に前記部位の夫々に対応して前記対象物上
に設定された目標点が有すべき座標値を登録座標値とし
て記憶する登録目標点座標記憶手段と、前記部位のうち
第１と第２の部位につき前記撮像を通じて実測された前
記目標点の実測座標値に基づいて前記移動手段に移動指
令信号を与えることにより前記第１と第２の部位を前記
所定位置へ順次に移動させる第１の移動指令手段と、前
記第１と第２の部位における前記登録座標値と前記実測
座標値との偏差に基づいて前記保持手段における前記対
象物の実際の位置と前記基準位置との２次元的位置ずれ
量を演算して求める演算手段と、前記部位のうち前記第
１と第２の部位以外について前記登録座標値を前記２次
元的位置ずれ量で補正して得られる結果に基づいて前記
移動手段に移動指令信号を与えることにより当該部位を
前記所定位置に移動させる第２の移動指令手段とを備え
る。

【００１０】本発明の請求項２に係る課題解決手段は、
請求項１記載の位置決め装置であって、前記対象物は、
所定のパターンが主面上に形成された基板であり、前記
目標点は、前記パターンの所定の角点に設定される。

【００１１】本発明の請求項３に係る課題解決手段は、
対象物としての半導体ウエハについて、３以上の被測定
部位につき所定の特性を測定する装置であって、前記位
置決め装置と、前記半導体ウエハの撮像領域からの反射
光を、前記所定位置に相当する第１の光とそれ以外の第
２の光とに分離する光分離手段と、前記第１の光を受け
て前記半導体ウエハの所定の特性を測定する測定部とを
備え、前記第２の光が前記撮像手段に導かれる。

【００１２】

【作用】本発明請求項１に係る位置決め装置では、ま
ず、対象物を保持手段で保持し、対象物の撮像範囲を撮
像手段にて撮像する。そして、撮像を通じて実測された
目標点の実測座標値に基づいて、第１の移動指令手段は
移動手段に移動指令信号を与え、第１と第２の部位を所
定位置へ順次に移動させ位置決めする。しかる後、第１
と第２の部位に対応して設定された目標点の登録座標値
と実測座標値との偏差に基づいて、演算手段は、保持手
段における対象物の実際の位置と基準位置との２次元的
位置ずれ量を演算して求める。その後は、登録座標値を
２次元的位置ずれ量で補正して得られる結果に基づい
て、第２の移動指令手段は移動手段に移動指令信号を与
えて、当該部位を所定位置に移動させる。そうすると、
第３の部位以後について、第１および第２の部位を特定
するための撮像および実測等と同様の処理を行わなくて
も、前述のような補正で得られた結果に基づいて保持手
段を移動すればよい。したがって、第３の部位以後の処
理時間を大幅に削減できる。

【００１３】本発明請求項２に係る位置決め装置では、
目標点をパターンの所定の角点に設定しているので、位
置決め専用のパターンを形成しなくても正確な位置決め
を行うことができる。したがって、半導体ウエハの面積
効率の低下を防止できる。

【００１４】本発明請求項３に係る半導体ウエハの測定
装置では、位置決めを正確に行えさえすれば、光分離手
段にて所定位置に相当する第１の光を測定部に向けて分
離でき、正確かつ効率的な処理を行い得る。

【００１５】

【実施例】

＜半導体ウエハの説明＞まず、本発明の一実施例におい
て処理対象となる半導体ウエハ１について説明する。該
半導体ウエハ１は、例えば図１の如く、シリコン窒化膜
１ａとシリコン酸化膜２の各薄膜がパターニングされて
成り、後工程においてシリコン酸化膜２中の格子状のス
クライブラインＳＣに沿って切断（ダイシング）される
ことで複数個のチップに分断されるものである。そし
て、本実施例の半導体ウエハ１の所定の複数位置には、
例えば図２の如く、膜厚測定点としての複数の被測定部
位Ｐ１が設定される。かかる被測定部位Ｐ１は図２のよ
うに全てのチップに対して１個ずつ設定してもよいし、
あるいは、いくつかのチップをサンプルとして特定し当
該チップに対応する数の被測定部位Ｐ１のみを限定して
設定してもよい。ここで、該複数個の被測定部位Ｐ１
は、図１の如く、膜厚測定の対象となる各チップのパタ
ーン（シリコン窒化膜１ａとシリコン酸化膜２の各薄
膜）の配置に対して予め決められた所定の位置に設定さ
れる。

【００１６】そして、本実施例では、前記被測定部位Ｐ
１の位置を特定するため、図１の如く、各被測定部位Ｐ
１の近傍で且つ各被測定部位Ｐ１に対して所定の距離関
係にあるチップ上のパターンのいずれかの角点を特定
し、かかる角点を登録目標点Ｐ２として設定している。
これにより、図１の如く、被測定部位Ｐ１をスクライブ
ラインＳＣの中間位置に設定した場合のように画像処理
上で被測定部位Ｐ１を一点に抽出し難い場合でも、一点
抽出が容易な角点としての登録目標点Ｐ２を抽出してか
ら、これと所定の位置関係にある前記被測定部位Ｐ１を
抽出することができ、直接に前記被測定部位Ｐ１を目分
量等で抽出するのに比べて位置抽出が正確となる。ま
た、前記登録目標点Ｐ２を決定する半導体ウエハ１のパ
ターンは、該登録目標点Ｐ２を決定する目的で形成され
た専用パターンではなく、半導体ウエハ１上で本来の電
気的機能を司ることを目的として形成されたものがその
まま利用される。これにより、専用パターンを形成する
のに比べて、半導体ウエハ１中でのパターン面積を軽減
してロット数を向上できる。

【００１７】＜膜厚測定装置の構成＞次に、本実施例の
膜厚測定装置の構成について説明する。図３は本実施例
の位置決め装置が適用された膜厚測定装置を示す図であ
り、図４はその膜厚測定装置のブロック図である。以下
の説明では、半導体ウエハの説明、および膜厚測定装置
の構成および動作を説明することにより、本実施例の位
置決め装置の構成および動作を明らかにする。

【００１８】本実施例の膜厚測定装置は、基準となる半
導体ウエハ１で作成したマッピング座標とステージ上に
置かれた被測定用の半導体ウエハ１との位置ずれをパタ
ーンマッチングを用いて補正してから膜厚の測定を行う
ものであって、実際には半導体ウエハ１の表面上の２ポ
イントでパターンマッチングを行なった後、座標のずれ
を求めて実際の位置を計算する。該膜厚測定装置は、図
３の如く、照明光学系１０と結像光学系２０とを備えて
いる。

【００１９】前記照明光学系１０には、白色光を出射す
る光源１１が設けられており、該光源１１からの光はコ
ンデンサーレンズ１２，開口絞り１３，視野絞り１４お
よびコンデンサーレンズ１５を介して結像光学系２０に
入射される。

【００２０】前記結像光学系２０は対物レンズ２１，ビ
ームスプリッタ２２および結像レンズ２３からなり、照
明光学系１０からの照明光はビームスプリッタ２２によ
って反射させ、対物レンズ２１を介して所定の照明位置
ＩＬに照射される。なお、図３中の２４は瞳位置を示し
ている。なお、前記対物レンズ２１としては、後述する
パターンマッチング時に登録目標点Ｐ２が搬送装置の位
置決め精度内で確実に視野に入ることを考慮して、低倍
レンズが用いられる。

【００２１】前記照明位置ＩＬの近傍には、ＸＹステー
ジ３０（保持手段）が配置されている。該ＸＹステージ
３０は、シリコン窒化膜１ａとシリコン酸化膜２の各薄
膜がパターニングされて形成されている半導体ウエハ１
を被測定物として搭載しながら、前記ＸＹステージ３０
を後述の撮像ユニット７０に対して移動させるべく、Ｘ
Ｙステージ駆動回路３１（移動手段）からの制御信号に
応じてＸ，Ｙ方向に移動し、半導体ウエハ１表面の任意
の領域（撮像を所望する領域）を照明位置ＩＬに位置さ
せる。なお、図面への図示を省略するが、該ＸＹステー
ジ３０には、その位置（Ｘ，Ｙ座標）を検出して、その
位置情報を装置全体を制御する制御ユニット（制御部）
６０（図４）に与える位置検出器が付設されている。

【００２２】前記照明位置ＩＬに位置する半導体ウエハ
１の撮像領域で反射された光は、図３の如く、対物レン
ズ２１，ビームスプリッタ２２および結像レンズ２３を
介して所定の結像位置に集光され、撮像領域の像が拡大
投影される。該結像位置の近傍には、中心部にピンホー
ル４１を有する反射鏡４０（光分離手段）が配置されて
いる。そのため、反射光のうちピンホール４１を通過し
た反射光ＬS が分光ユニット５０に入射される。

【００２３】前記分光ユニット５０は、反射光ＬS を分
光する回折格子５１と、回折格子５１により回折された
回折光の分光スペクトルを検出する光検出器５２とで構
成されている。回折格子５１としては、例えば分光スペ
クトルを平面上に結像するフラットフィールド型回折格
子や掃引機構付の回折格子などを用いることができる。
一方、光検出器５２は、例えばフォトダイオードアレイ
やＣＣＤなどにより構成されており、ピンホール４１と
共役な関係に配置されている。このため、分光ユニット
５０に取り込まれた光ＬS は回折格子５１によって分光
され、その光ＬS の分光スペクトルに対応した信号が光
検出器５２から演算回路５３（図４）に与えられる。該
演算回路５３では、その信号に基づき従来より周知の手
法（ここでは、その説明は省略する）を用いて半導体ウ
エハ１に形成された薄膜の膜厚を求め、その結果を制御
ユニット６０に出力する。

【００２４】一方、半導体ウエハ１からの光のうち反射
鏡４０により反射された反射光は撮像ユニット７０（撮
像手段）に入射される。該撮像ユニット７０では、反射
鏡４０からの反射光はリレーレンズ７１を介して２次元
撮像カメラ７２の撮像面７２ａ上に集光される。これに
よって、半導体ウエハ１の撮像領域の像が結像される。
なお、２次元撮像カメラ７２によって撮像された画像
（入力画像）に関連する画像信号は、図４の如く、画像
処理ユニット７３にて所定の処理が施された後、ＣＲＴ
７４上に表示されるとともに、制御ユニット６０に出力
される。

【００２５】制御ユニット６０は、図４に示すように、
論理演算を実行する周知のＣＰＵ６１と、そのＣＰＵ６
１を制御する種々のプログラム等を予め記憶するととも
に、装置動作中に種々のデータを一時的に記憶するメモ
リ６２とを備えている。これらＣＰＵ６１，メモリ６２
は夫々コモンバス６３によって相互に接続される一方、
そのコモンバス６３を介して入出力ポート６４とも接続
されている。そして、その入出力ポート６４により制御
ユニット６０は外部との入出力、例えばパネルキー６５
や、前記ＸＹステージ駆動回路３１，演算回路５３およ
び画像処理ユニット７３との間で信号の授受を行う。

【００２６】そして、該制御ユニット６０は、図５の如
く、次の（ａ）〜（ｋ）を備えている。

【００２７】（ａ） 前記ＸＹステージ３０に付設され
た位置検出器から読み取ったＸＹステージ３０上におけ
る前記半導体ウエハ１の複数個の前記登録目標点Ｐ２
（図６中のＰ２ａおよび図７中のＰ２ｂ等）の座標デー
タを記憶する登録目標点座標記憶手段８２、（ｂ） 予
め前記各登録目標点Ｐ２に対応する前記被測定部位Ｐ１
のＸＹステージ３０上の離間距離および方向（すなわち
位置関係）の情報を記憶する位置関係記憶手段８３、
（ｃ） 前記登録目標点Ｐ２に対応する登録目標点対応
位置を測定時に抽出するためのパターンマッチング用の
基準画像を予め記憶する基準画像記憶手段８４、（ｄ）
測定時に、前記画像処理ユニット７３からの画像情報
と、基準画像記憶手段８４に記憶されている基準画像情
報とでパターンマッチングを行い、前記１ポイント目の
登録目標点Ｐ２ａに対応する部位となる登録目標点対応
部位Ｐ２ａ’の画像上の座標、または前記２ポイント目
の登録目標点Ｐ２ｂに対応する部位となる登録目標点対
応部位Ｐ２ｂ’の画像上の座標を抽出する登録目標点対
応部位座標抽出手段８７、（ｅ） 測定実行位置、すな
わちピンホール４１に対応して光学的に予め設定されて
いる位置Ｐ３（以下この位置を「測定目標点」と称す）
の画像上の座標を予め記憶する測定目標点記憶手段８
５、（ｆ） 測定目標点記憶手段８５に記憶された測定
目標点Ｐ３の画像上の座標と、登録目標点対応部位座標
抽出手段８７により抽出された登録目標点対応部位Ｐ２
ａ’の画像上の座標及び登録目標点対応部位Ｐ２ｂ’の
画像上の座標との距離と方向を算出し、ＸＹステージ３
０上の距離と方向に変換する距離算出手段８６、（ｇ）
登録目標点座標記憶手段８２に記憶されている１ポイ
ント目のＸＹステージ３０上における登録目標点Ｐ２ａ
の座標と、前記距離算出手段８６により算出された測定
目標点Ｐ３と登録目標点対応部位Ｐ２ａ’とのＸＹステ
ージ３０上での距離と方向とから、登録目標点Ｐ２ａの
座標を補正し、ＸＹステージ３０上における登録目標点
対応部位Ｐ２ａ’の座標を算出する第１の位置ずれ補正
手段８９、（ｈ） 登録目標点座標記憶手段８２に記憶
されている２ポイント目のＸＹステージ３０上における
登録目標点Ｐ２ｂの座標と、前記距離算出手段８６によ
り算出された測定目標点Ｐ３と登録目標点対応部位Ｐ２
ｂ’とのＸＹステージ３０上での距離と方向とから、登
録目標点Ｐ２ｂの座標を補正し、ＸＹステージ３０上に
おける登録目標点対応部位Ｐ２ｂ’の座標を算出する第
２の位置ずれ補正手段９０、（ｉ） 第１の位置ずれ補
正手段８９と第２の位置ずれ補正手段９０とにより算出
されたＸＹステージ３０上における登録目標点対応部位
Ｐ２ａ’の座標及びＸＹステージ３０上における登録目
標点対応部位Ｐ２ｂ’の座標を記憶する登録目標点対応
部位座標記憶手段９１、（ｊ） 登録目標点座標記憶手
段８２に記憶された１ポイント目の登録目標点Ｐ２ａの
座標及び２ポイント目の登録目標点Ｐ２ｂの座標と、登
録目標点対応部位座標記憶手段９１に記憶されたＸＹス
テージ３０上における登録目標点対応部位Ｐ２ａ’の座
標及びＸＹステージ３０上における登録目標点対応部位
Ｐ２ｂ’の座標とから半導体ウエハ１の位置ずれ量を算
出する位置ずれ量算出手段９２、（ｋ） 登録目標点座
標記憶手段８２に記憶された３ポイント目以降の登録目
標点Ｐ２の座標に対して、位置ずれ量算出手段９２によ
り算出された半導体ウエハ１の位置ずれ量に基づいて座
標補正を行う第３の位置ずれ補正手段９３、（ｌ） 第
１の位置ずれ補正手段８９と第２の位置ずれ補正手段９
０とにより算出されたＸＹステージ３０上における１ポ
イント目の登録目標点対応部位Ｐ２ａ’の座標、ＸＹス
テージ３０上における２ポイント目の登録目標点対応部
位Ｐ２ｂ’の座標、及び第３の位置ずれ補正手段９３に
より算出された補正後の３ポイント目以降の登録目標点
対応部位Ｐ２’の座標の各々と、位置関係記憶手段８３
に記憶された被測定部位Ｐ１と登録目標点Ｐ２とのＸＹ
ステージ３０上での距離及び方向とから夫々の被測定部
位の座標を算出し、ＸＹステージ駆動回路３１に移動指
令信号を出す被測定部位移動指令手段９４、（ｍ） 測
定時において前記登録目標点座標記憶手段８２に記憶さ
れている登録目標点Ｐ２のうちの１ポイント目の登録目
標点Ｐ２ａ（図６）または２ポイント目の登録目標点Ｐ
２ｂ（図７）の座標にもとづいてＸＹステージ３０を移
動させる登録目標点移動指令手段８１。

【００２８】なお、前記登録目標点移動指令手段８１、
前記登録目標点対応部位座標抽出手段８７、前記距離算
出手段８６、前記第１の位置ずれ補正手段８９、前記第
２の位置ずれ補正手段９０、前記位置ずれ量算出手段９
２、前記第３の位置ずれ補正手段９３、および前記被測
定部位移動指令手段９４は、前記メモリ６２に記憶され
たプログラムにしたがって前記ＣＰＵ６１が実現する各
機能ブロックに相当する。また、前記登録目標点座標記
憶手段８２、前記位置関係記憶手段８３、基準画像記憶
手段８４、前記測定目標点記憶手段８５および登録目標
点対応部位座標記憶手段９１としては、前記メモリ６２
内に確保された所定の記憶領域が利用されるものであ
る。

【００２９】また、前記登録目標点移動指令手段８１、
前記登録目標点対応部位座標抽出手段８７、前記測定目
標点記憶手段８５、前記距離算出手段８６、前記第１の
位置ずれ補正手段８９、前記第２の位置ずれ補正手段９
０、位置関係記憶手段８３、および被測定部位移動指令
手段９４は、１，２ポイント目の被測定部位Ｐ１を測定
目標点Ｐ３へ順次に移動させる第１の移動指令手段を構
成している。また、前記登録目標点対応部位座標記憶手
段９１、位置ずれ量算出手段９２、第３の位置ずれ補正
手段９３、位置関係記憶手段８３、および被測定部位移
動指令手段９４は、３ポイント目以後について測定目標
点Ｐ３に被測定部位Ｐ１を移動させる第２の移動指令手
段を構成する。

【００３０】＜動作＞次に、上記の膜厚測定装置の動作
の概略について図８のフローチャートを参照しつつ説明
する（詳細は後述）。まず、実際の膜厚測定に先立っ
て、登録用の半導体ウエハ１を使用することにより、膜
厚測定を行う被測定部位の登録や画像位置検出を行うた
めの基準画像の登録を行う（ステップＳ１）。しかる
後、実際の測定対象となる半導体ウエハ１を搬送し（ス
テップＳ２）、ＸＹステージ３０の駆動により被測定部
位Ｐ１を測定目標点Ｐ３に移動する（ステップＳ３）。
そして、膜厚測定を実行する（ステップＳ４）。そし
て、全被測定部位Ｐ１について測定が完了したか否かを
判断し（ステップＳ５）、まだ完了していない場合は再
びステップＳ３からの処理を繰り返す。一方、全被測定
部位Ｐ１について測定が完了したと判断した場合は、半
導体ウエハ１を搬出する（ステップＳ６）。以上の動作
を、複数個の半導体ウエハ１について実行し、全ての半
導体ウエハ１について測定が完了したら、動作を終了す
る（ステップＳ７）。ここで、ステップＳ１の登録処理
と、ステップＳ２からステップＳ６までの位置検出、移
動および膜厚測定処理について夫々詳述する。

【００３１】１）登録処理 図９は、本実施例の登録処理の手順を示すフローチャー
トである。登録処理を行うにあたっては、まず、図示を
省略するハンドリング・マシンによって登録用の半導体
ウエハ１を一定精度で位置決めしながらＸＹステージ３
０上に搬送する（ステップＳ１１）。そして、オペレー
タがパネルキー６５を操作して、ＣＲＴ７４に映し出さ
れる入力画像のほぼ中心に登録目標点Ｐ２が位置するよ
うＸＹステージ３０を移動させる。この際の位置合わせ
は次のように行う。まず、反射鏡４０にピンホール４１
が形成されているために常に入力画像のほぼ中心に現れ
る黒点状の影のような像（ピンホール像）を、図１０に
おける測定目標点Ｐ３とし、該測定目標点Ｐ３と、位置
決めの基準となるパターンの角点等の登録目標点Ｐ２と
が互いに一致するようにＸＹステージ３０を移動させ
る。このとき、被測定部位Ｐ１は、測定目標点Ｐ３（登
録目標点Ｐ２）に対して一定距離だけ離間した所定のベ
クトルに位置される。ここで、オペレータがパネルキー
６５に設けられた登録用のキー（図示省略）を押すと、
入出力ポート６４を介してメモリ６２中の登録目標点座
標記憶手段８２にＸＹステージ３０上の登録目標点Ｐ２
の座標値が記憶される（図９中のステップＳ１２）。

【００３２】図９中のステップＳ１３では、登録目標点
Ｐ２の読取回数が所定値になったかどうかを判別し、所
定回数に達するまで、上記ステップＳ１２の処理が複数
の登録目標点Ｐ２について繰り返し実行される。本実施
例の場合、図２中の全ての被測定部位Ｐ１に対応する登
録目標点Ｐ２について登録を行う。こうして、複数の登
録目標点Ｐ２のＸＹステージ３０上の座標値がメモリ６
２中の登録目標点座標記憶手段８２に記憶される。

【００３３】上記の動作を繰り返して最後の登録目標点
Ｐ２の座標読取が完了した時点では、ＣＲＴ７４のほぼ
中央部の測定目標点Ｐ３（ピンホール像）に半導体ウエ
ハ１の登録目標点Ｐ２が重ねられた状態となっている。
具体的には、該ＣＲＴ７４には、図１０に示すように、
撮像ユニット７０によって撮像された半導体ウエハ１の
パターン、すなわちシリコン酸化膜２の領域およびシリ
コン窒化膜１ａの領域が入力画像として映し出されてお
り、特に、両領域の境界の角点（登録目標点Ｐ２）を画
像中心の測定目標点Ｐ３に重ね合わせた状態とされてい
る。またＣＲＴ７４の画像上には、枠型標線９７と、十
字型標線９８とが半導体ウエハ１のパターン上に重ねて
表示されている。この枠型標線９７と、十字型標線９８
は、操作者がパネルキー６５を押すことで夫々独立して
画面上を上下左右に移動させることができるものであ
る。ここでは図１０に示すように、登録目標点Ｐ２を含
む位置に枠型標線９７を移動させるとともに、十字型標
線９８を登録目標点Ｐ２の位置に移動させる。そして、
操作者が登録用のキーを押動することにより、枠型標線
９７で囲まれた部分画像が基準画像として基準画像記憶
手段８４に記憶されるとともに、枠型標線９７と十字型
標線９８との画像上の相対位置も基準画像記憶手段８４
に記憶される（ステージＳ１４）。

【００３４】次に、図１０の如く、測定目標点Ｐ３に合
致された登録目標点Ｐ２（パターンの角点等）の座標を
原点として、被測定部位Ｐ１までのＸＹステージ３０上
における位置関係をベクトル値（Ｘ，Ｙ）で入力し、位
置関係記憶手段８３に記憶させる（ステップＳ１５）。
ここでの入力方法としては、図１１の如く、キー入力方
法とステージ読み取り方法のいずれか一方の入力方法を
キーボード入力により操作者の選択（ステップＳ２１）
により実行する。

【００３５】キー入力方法を選択した場合は、Ｘ方向
（ステップＳ２２）およびＹ方向（ステップＳ２３）の
各数値を直接キー入力して順次入力する。一方、ステー
ジ読み取り方法では、まず測定目標点Ｐ３と、登録目標
点Ｐ２とを互いに合致するようにＸＹステージ３０を移
動し、所定のパネルキー６５を押動することにより、登
録目標点Ｐ２のＸＹステージ３０上の座標を読み取る
（認識すべきパターン位置読み取り：ステップＳ２
４）。

【００３６】次に、被測定部位Ｐ１が、測定目標点Ｐ３
と一致するようにＸＹステージ３０を移動させ、所定の
パネルキー６５を押動することにより、該被測定部位Ｐ
１のＸＹステージ３０上の座標を読み取る（ステップＳ
２５）。そして、両点Ｐ１，Ｐ２の座標のベクトル差を
ＣＰＵ６１で求めればよい（ステップＳ２６）。なお、
被測定部位Ｐ１は入力画像の外部に位置してもかまわな
い。その後、半導体ウエハ１を搬出し、登録処理が完了
する（ステップＳ１６）。

【００３７】２）位置検出、移動および膜厚測定処理 次に図１２にしたがって位置検出、移動および膜厚測定
動作の説明を続ける。上記した登録処理が予め済んでい
るものとする。ハンドリング・マシンによって膜厚測定
の対象となる半導体ウエハ１を一定精度で位置決めしな
がらＸＹステージ３０上に搬送する（図１２中のステッ
プＳ３１）。そして、図６の如く、登録目標点移動指令
手段８１は、登録目標点座標記憶手段８２に記憶されて
いた１ポイント目の登録目標点Ｐ２ａの座標を読み出
し、それにもとづいてＸＹステージ駆動回路を駆動し、
ＸＹステージ３０を移動させる（図１２中のステップＳ
３２）。この際の位置決め精度はある程度の誤差を有し
ている。

【００３８】そして、画像処理ユニット７３からの画像
情報と、基準画像記憶手段８４に記憶されていた基準画
像情報とに基づいて登録目標点対応部位座標抽出手段８
７にてパターンマッチングを行ない、１ポイント目の登
録目標点対応部位Ｐ２ａ’の画像上の座標を抽出する
（図１２中のステップＳ３３）。得られた１ポイント目
の登録目標点対応部位Ｐ２ａ’の画像上の座標と、測定
目標点記憶手段８５に記憶されていた測定目標点Ｐ３
（ピンホール像）の画像上での座標とから、距離算出手
段８６は、１ポイント目の登録目標点対応部位Ｐ２ａ’
から測定目標点Ｐ３（ピンホール像）までの画像上のＸ
Ｙ距離を計算するとともに、その距離をＸＹステージ３
０上の距離に変換する。

【００３９】このように、１ポイント目Ｐ２ａ’と測定
目標点Ｐ３の位置関係を演算した後、引き続き第１の位
置ずれ補正手段８９は、登録目標点座標記憶手段８２に
記憶されている１ポイント目のＸＹステージ３０上にお
ける登録目標点Ｐ２ａの座標と、前記距離算出手段８６
により算出した測定目標点Ｐ３と登録目標点対応部位Ｐ
２ａ’とのＸＹステージ３０上での距離と方向とから、
登録目標点Ｐ２ａの座標を補正し、ＸＹステージ３０上
における登録目標点対応部位Ｐ２ａ’の座標を算出して
そのデータを登録目標点対応部位座標記憶手段９１に送
り込んで記憶させるとともに、前記データを被測定部位
移動指令手段９４に送る。被測定部位移動指令手段９４
では、受け取ったＸＹステージ３０上における登録目標
点対応部位Ｐ２ａ’の座標と、位置関係記憶手段８３に
記憶された位置関係情報とから被測定部位Ｐ１ａの座標
を算出し、その算出した座標に基づいてＸＹステージ駆
動回路３１を制御してＸＹステージ３０を移動させ、図
１４の如く、測定目標点Ｐ３の位置に被測定部位Ｐ１ａ
を自動的に合致させる（図１２中のステップＳ３４）。

【００４０】この時点で、図１４のように測定実行位置
（すなわち測定目標点Ｐ３）が被測定部位Ｐ１ａに合致
しているので、図１の如く、分光ユニット５０に入射さ
れた反射光ＬS を分光し、その分光スペクトルを求め、
さらにその分光スペクトルから１ポイント目Ｐ１ａでの
膜厚を求める（図１２中のステップＳ３５）。

【００４１】続いて、図７の如く、登録目標点移動指令
手段８１は、登録目標点座標記憶手段８２に記憶されて
いた２ポイント目の登録目標点Ｐ２ｂのＸＹステージ３
０上における座標（１ポイント目の登録目標点と異な
る）を読み出し、それに基づいてＸＹステージ駆動回路
３１を駆動し、ＸＹステージ３０を移動させる（図１２
中のステップＳ３６）。次に、画像処理ユニット７３か
らの画像情報と、基準画像記憶手段８４に記憶されてい
た基準画像情報とに基づいて登録目標点対応部位座標抽
出手段８７にてパターンマッチングを行ない、２ポイン
ト目の登録目標点対応部位Ｐ２ｂ’の画像上の座標を抽
出する（図１２中のステップＳ３７）。得られた２ポイ
ント目の登録目標点対応部位Ｐ２ｂ’の画像上の座標
と、測定目標点記憶手段８５に記憶されていた測定目標
点Ｐ３（ピンホール像）の画像上での座標とから、距離
算出手段８６によって２ポイント目の登録目標点対応部
位Ｐ２ｂ’から測定目標点Ｐ３（ピンホール像）までの
画像上のＸＹ距離を算出するとともに、その距離をＸＹ
ステージ３０上における距離に変換する。

【００４２】このように、２ポイント目Ｐ２ｂ（パター
ンの角点）と測定目標点Ｐ３ｂ（ピンホール像）の位置
関係を演算した後、第２の位置ずれ補正手段９０は、登
録目標点座標記憶手段８２に記憶されている２ポイント
目のＸＹステージ３０上における登録目標点Ｐ２ｂの座
標と、前記距離算出手段８６により算出した測定目標点
Ｐ３と登録目標点対応部位Ｐ２ｂ’とのＸＹステージ３
０上での距離と方向とから、登録目標点Ｐ２ｂの座標を
補正し、ＸＹステージ３０上における登録目標点対応部
位Ｐ２ａ’の座標を算出して、そのデータを登録目標点
対応部位座標記憶手段９１に送り込んで記憶させるとと
もに、前記データを被測定部位移動指令手段９４に送り
込む。被測定部位移動指令手段９４では、受け取ったＸ
Ｙステージ３０上における登録目標点対応部位Ｐ２ｂ’
の座標と、位置関係記憶手段８３に記憶された位置関係
情報とから被測定部位Ｐ１ｂの座標を算出し、その算出
した座標に基づいて、ＸＹステージ駆動回路３１を制御
してＸＹステージ３０を移動させ、図１４の如く、測定
目標点Ｐ３の位置に被測定部位Ｐ１ｂを自動的に合致さ
せる（図１２中のステップＳ３８）。この状態で、１ポ
イント目に対応する被測定部位Ｐ１ａでの膜厚測定と同
様にして、２ポイント目Ｐ１ｂでの膜厚を求める（図１
２中のステップＳ３９）。

【００４３】この時点で、位置ずれ量算出手段９２は、
ステージＳ１２で登録目標点座標記憶手段８２に記憶し
たＸＹステージ３０上における１ポイント目の登録目標
点Ｐ２ａの座標と２ポイント目の登録目標点Ｐ２ｂの座
標、及び登録目標点対応部位座標記憶手段９１に記憶さ
れたＸＹステージ３０上における１ポイント目の登録目
標点対応部位Ｐ２ａ’の座標と２ポイント目の登録目標
点対応部位Ｐ２ａ’の座標とから、登録処理時と膜厚測
定処理時（すなわち現在）における半導体ウエハ１の位
置ずれを演算する（ステップＳ４０）。

【００４４】かかる位置ずれの演算は次の手順で行う。
まず、前記した登録処理時に図１５のようなＸＹステー
ジ３０上の半導体ウエハ１位置の状態で登録処理された
２点の座標（ｘ₁₁，ｙ₁₁），（ｘ₂₁，ｙ₂₁）が、膜厚測
定処理時に図１６のようにＸＹステージに置かれた状態
で（ｘ₁₂，ｙ₁₂），（ｘ₂₂，ｙ₂₂）にずれたとする。こ
こで、回転方向のずれΔθ、原点のずれΔｘ，Δｙを求
めれば良い。

【００４５】まず、図１５において二点（ｘ₁₁，
ｙ₁₁），（ｘ₂₁，ｙ₂₁）を結ぶ線分がｘ軸となす角をθ
₁とし、同様に、図１６において二点（ｘ₁₂，ｙ₁₂），
（ｘ₂₂，ｙ₂₂）を結ぶ線分がｘ軸となす角をθ₂とすれ
ば、両角θ₁，θ₂の差Δθは、

【００４６】

【数１】

【００４７】となる。ただし、数１をそのまま用いる
と、角度がπ／２および３π／２で解を持たないので、
実際のθ₁，θ₂の計算には、次の数２を用いる。

【００４８】

【数２】

【００４９】この場合、Δθが求められる条件として、
２点間の距離が０でない、つまり、ｘ₁₁≠ｘ₂₁またはｙ
₁₁≠ｙ₂₁である必要がある。また、次の数３の条件でθ
₁，θ₂を修正して求めなおす。

【００５０】

【数３】

【００５１】ここで、点（ｘ₁₁，ｙ₁₁）に対して、数２
の補正（回転補正）を行なったとすると、補正後の座標
（ｘ₁₃，ｙ₁₃）は次の数４のようになる。

【００５２】

【数４】

【００５３】回転補正後の座標（ｘ₁₃，ｙ₁₃）と、膜厚
測定処理時の図１６における座標（ｘ₁₂，ｙ₁₂）とのず
れΔｘ，Δｙは、

【００５４】

【数５】

【００５５】であるから、次の数６が成立する。

【００５６】

【数６】

【００５７】よって、任意の基準となる半導体ウエハ１
上の座標（Ｘ，Ｙ）が与えられたとき、（Ｘ，Ｙ）に対
応する被測定用の半導体ウエハ１上の座標（Ｘα，Ｙ
α）は次の数７で求められる。

【００５８】

【数７】

【００５９】ここで、数７中の（Ｘ・cosΔθ−Ｙ・sinΔ
θ）および（Ｘ・sinΔθ＋Ｙ・cosΔθ）の項は回転補正
の値を、ΔｘおよびΔｙは原点補正の値を夫々示してい
る。

【００６０】このようにして、登録処理時と膜厚測定処
理時の間の座標変換のためのパラメータが得られた後、
第３の位置ずれ補正手段９３は、該パラメータを用いて
３ポイント目以後のＸＹステージ３０上における登録目
標点Ｐ２の座標を推定計算により補正する（図１３中の
ステップＳ４１）。そして、被測定部位移動指令手段９
４は、かかる補正により得られた結果と位置関係記憶手
段８３に記憶された位置関係情報とにもとづき被測定部
位Ｐ１に該当する点の座標を算出し、ＸＹステージ３０
を移動させて測定目標点Ｐ３の位置に被測定部位Ｐ１を
自動的に合致させる（ステップＳ４２）。この場合、３
ポイント目以後への移動は推定計算による座標を用いれ
ばよいため、パターンマッチングを行なう必要がなくな
る。その後、測定を実行する（ステップＳ４３）。

【００６１】このようにして、全測定点数まで膜厚測定
を繰り返した（ステップＳ４４）後、半導体ウエハ１を
搬出する（ステップＳ４５）。

【００６２】＜変形例＞ （１）上記実施例において、半導体ウエハ１はシリコン
窒化膜１ａとシリコン酸化膜２の各薄膜がパターニング
されて成るものとして説明したが、このことは、半導体
ウエハ１の材料を限定するものではなく、明暗等により
両パターンの境界（特に角点）を光学的に特定できるも
のであれば、その他のいかなる半導体材料であってもよ
く、また、半導体ウエハ１としては、半導体の製造工程
中のいかなる積層工程のものであってもよい。

【００６３】（２）上記実施例では、被測定部位Ｐ１と
して、図１に示すようにスクライブラインＳＣ中の中間
点を選定していたが、図１７のように、被測定部位Ｐ１
としてスクライブラインＳＣから離間した点を選定して
もよい。また、登録目標点Ｐ２として図１に示すように
スクライブラインＳＣ近傍の角点を選定していたが、図
１８のように、登録目標点Ｐ２としてスクライブライン
ＳＣから離間した点を選定してもよい。

【００６４】

【発明の効果】本発明請求項１によると、第１と第２の
部位を所定位置へ順次に移動させて位置決めした後、第
１と第２の部位における登録座標値と実測座標値との偏
差に基づいて保持手段における対象物の実際の位置と基
準位置との２次元的位置ずれ量を演算して求め、登録座
標値を２次元的位置ずれ量で補正して得られる結果に基
づいて移動手段に移動指令信号を与えて所定位置を当該
部位に移動させるよう構成しているので、第３の部位以
後について、第１および第２の部位を特定するための撮
像および実測等と同様の処理を行わなくても、前述のよ
うな補正で得られた結果に基づいて保持手段を移動すれ
ばよい。したがって、第３の部位以後の処理時間を大幅
に削減できるという効果がある。

【００６５】本発明請求項２によると、目標点をパター
ンの所定の角点に設定しているので、位置決め専用のパ
ターンを形成しなくても正確な位置決めを行うことがで
きる。したがって、半導体ウエハの面積効率の低下を防
止できるという効果がある。

【００６６】本発明請求項３によると、位置決めを正確
に行えさえすれば、光分離手段にて所定位置に相当する
第１の光を測定部に向けて分離でき、正確かつ効率的な
処理を行い得るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における画像上での半導体ウ
エハの表面を示す部分拡大図である。

【図２】本発明の一実施例で取り扱う半導体ウエハおよ
びその被測定部位を示す平面図である。

【図３】本発明の一実施例の位置決め装置が適用された
膜厚測定装置を示す図である。

【図４】本発明の一実施例の位置決め装置が適用された
膜厚測定装置のブロック図である。

【図５】本発明の一実施例の制御ユニットの内部構成を
示すブロック図である。

【図６】本発明の一実施例における画像上での半導体ウ
エハの表面の１ポイント目付近を示す部分拡大図であ
る。

【図７】本発明の一実施例における画像上での半導体ウ
エハの表面の２ポイント目付近を示す部分拡大図であ
る。

【図８】本発明の一実施例の位置決め装置が適用された
膜厚測定装置の動作を示すフローチャートである。

【図９】本発明の一実施例の位置決め装置の登録処理の
手順を示すフローチャートである。

【図１０】本発明の一実施例における画像上での半導体
ウエハの表面を示す部分拡大図である。

【図１１】本発明の一実施例の登録目標点と被測定部位
との位置関係を入力する動作を示すフローチャートであ
る。

【図１２】本発明の一実施例の位置決め装置における位
置検出、移動および膜厚測定処理の手順を示すフローチ
ャートである。

【図１３】本発明の一実施例の位置決め装置における位
置検出、移動および膜厚測定処理の手順を示すフローチ
ャートである。

【図１４】本発明の一実施例の位置決め装置における膜
厚測定実行時の位置決め状態を示す図である。

【図１５】本発明の一実施例の登録処理におけるＸＹス
テージ上での半導体ウエハの様子を示す図である。

【図１６】本発明の一実施例の膜厚測定処理におけるＸ
Ｙステージ上での半導体ウエハの様子を示す図である。

【図１７】本発明の他の実施例の位置決め装置における
画像上での半導体ウエハの表面を示す部分拡大図であ
る。

【図１８】本発明のさらに他の実施例の位置決め装置に
おける画像上での半導体ウエハの表面を示す部分拡大図
である。

【図１９】従来例の位置決め装置における半導体ウエハ
を示す図である。

【図２０】従来例の位置決め装置において撮像された画
像のうちの枠型標線内の部分を示す図である。

【図２１】従来例における画像中の枠型標線および十字
型標線を示す図である。

【図２２】従来例における画像中の枠型標線および十字
型標線を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体ウエハ １ａ シリコン窒化膜 ２ シリコン酸化膜 Ｐ１ 被測定部位 Ｐ２ 登録目標点 Ｐ３ 測定目標点 Ｐ１ａ 被測定部位 Ｐ２ａ 第１の登録目標点 Ｐ１ｂ 被測定部位 Ｐ２ｂ 第２の登録目標点 １０ 照明光学系 ２０ 結像光学系 ３０ ＸＹステージ ３１ ＸＹステージ駆動回路 ４０ 反射鏡 ４１ ピンホール ５０ 分光ユニット ６０ 制御ユニット ７０ 撮像ユニット ８１ 登録目標点移動指令手段 ８２ 登録目標点座標記憶手段 ８３ 位置関係記憶手段 ８４ 基準画像記憶手段 ８５ 測定目標点記憶手段 ８６ 距離算出手段 ８７ 登録目標点対応部位座標抽出手段 ８９ 第１の位置ずれ補正手段 ９０ 第２の位置ずれ補正手段 ９１ 登録目標点対応部位座標記憶手段 ９２ 位置ずれ量算出手段 ９３ 第３の位置ずれ補正手段 ９４ 被測定部位移動指令手段 ９７ 枠型標線 ９８ 十字型標線

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 21/00 - 21/32 H01L 21/68

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位置決めの対象物上に設定された３以上
   の部位を、前記対象物の外部に設定された所定位置に順
   次に位置決めする際に使用される位置決め装置であっ
   て、 前記対象物を保持する保持手段と、 前記所定位置を含む撮像範囲において前記被対象物を撮
   像可能な撮像手段と、 前記撮像手段と前記保持手段とを相対的に移動させる移
   動手段と、 前記対象物が前記保持手段上の基準位置にある場合に、
   前記部位の夫々に対応して前記対象物上に設定された目
   標点が有すべき座標値を登録座標値として記憶する登録
   目標点座標記憶手段と、 前記部位のうち第１と第２の部位につき、前記撮像を通
   じて実測された前記目標点の実測座標値に基づいて前記
   移動手段に移動指令信号を与えることにより、前記第１
   と第２の部位を前記所定位置へ順次に移動させる第１の
   移動指令手段と、 前記第１と第２の部位における前記登録座標値と前記実
   測座標値との偏差に基づいて、前記保持手段における前
   記対象物の実際の位置と前記基準位置との２次元的位置
   ずれ量を演算して求める演算手段と、 前記部位のうち前記第１と第２の部位以外について、前
   記登録座標値を前記２次元的位置ずれ量で補正して得ら
   れる結果に基づいて前記移動手段に移動指令信号を与え
   ることにより、当該部位を前記所定位置に移動させる第
   ２の移動指令手段とを備えることを特徴とする位置決め
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の位置決め装置であって、 前記対象物は、所定のパターンが主面上に形成された基
   板であり、 前記目標点は、前記パターンの所定の角点に設定される
   ことを特徴とする位置決め装置。
3. 【請求項３】 対象物としての半導体ウエハについて、
   ３以上の被測定部位につき所定の特性を測定する装置で
   あって、 請求項１または請求項２記載の位置決め装置と、 前記半導体ウエハの撮像領域からの反射光を、前記所定
   位置に相当する第１の光とそれ以外の第２の光とに分離
   する光分離手段と、 前記第１の光を受けて前記半導体ウエハの所定の特性を
   測定する測定部とを備え、 前記第２の光が前記撮像手段に導かれることを特徴とす
   る、半導体ウエハの測定装置。