JP4226241B2 - ウエハの位置決め方法、位置決め装置並びに処理システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハの検査、加工、移送工程等の前段階で使用され、ウエハを定められた向きおよび位置に正確に位置させるウエハ位置決め方法および、この方法を用いたウエハ位置決め装置、並びに、ウエハ位置決め装置を備えて上記方法を用いるウエハ処理システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウエハがクリーンルーム内で、図１に示すような複数の棚段を備えたカセット２０に複数枚収納されて運搬される。また最近は、ウエハ上の微細な電気回路の短絡に繋がる異物が付着するのを高度に防止するため、ウエハが、密閉式の清浄容器の中に収納されて運搬され、高清浄クリーンブースの中でその清浄容器から取り出されて、検査、加工等種々の処理を受ける。そしてその後、カセットまたは清浄容器へウエハをロボット等の搬送装置を用いて戻す際には、ウエハをカセットの壁等に当ててウエハを傷つけたり落下させたりする等の不具合が生ずるのを防止するため、そのカセット等への収納作業開始前に、ロボットのフィンガの中心位置にウエハの中心点を合わせる必要がある。
【０００３】
また、例えばパターニング、蒸着、化学蒸気沈着等の加工、各種の検査等の、ウエハの位置情報が必須な工程においては、オリエンテーションフラット（以後「オリフラ」という）やノッチ等のウエハ外周縁の切り欠き部とウエハ中心点とを常に所定位置に正確に位置させることは重要な前段階作業である。そのため、上記工程に移る前に、一般にアライナと呼ばれるウエハ位置決め装置にウエハを乗せてウエハの中心点の位置と切り欠き部の向きとを検出し、ウエハを正しい位置に正確に移動させてから、各種加工装置、各種検査装置やロボット等に受け渡すことが必要となる。
【０００４】
上記ウエハ位置決め装置は通常、ウエハが置ける程度の大きさのスピンドルと呼ばれる小さな円形台をウエハ座として回転軸上に備え、そのスピンドルをその上に置かれたウエハとともに上記回転軸の回転によって回転させて、その回転軸ひいてはスピンドルの回転軸線からウエハ外周縁までの偏芯半径と回転角度とをラインセンサとエンコーダ等の角度センサとで検知し、円形のウエハの中心点の位置と切り欠き部の位置とを算出する。そしてその後、ウエハを、Ｘ軸およびＹ軸の延在方向に上記算出した距離だけ移動させ、さらに上記算出した角度だけ回転させて、所定の位置および向きに正確に位置させる。
【０００５】
従来のウエハ位置決め装置としては例えば特開平５−３４３５０１号公報記載のものがあり、この装置では、ウエハ座をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動させるとともに回転させる駆動手段を備え、ウエハを回転させることで外周縁検出手段により得たデータをＡ／Ｄ変換し、それを記憶回路へＤＭＡデータ伝送手段により直接伝送して計算時間の短縮を行い、併せて図１１に示すように、切り欠き部の一端点θｘ1 および回転軸線Ｂ周りにその点θｘ1 から９０°ずつ隔たった外周縁上の他の３点θｘ2 、θｘ3 、θｘ4 におけるウエハ外周縁信号Ｌｘ1 、Ｌｘ2 、Ｌｘ3 、Ｌｘ4 から、偏芯量Ｌｅと偏芯角度θ0 とを次式、
Ｌｅ＝１／２・｛（Ｌｘ3 −Ｌｘ1 ）2 ＋（Ｌｘ4 −Ｌｘ2 ）2 ｝1/2
θ0 ＝tan -1｛（Ｌｘ3 −Ｌｘ1 ）／（Ｌｘ4 −Ｌｘ2 ）｝
を用いて中央演算手段により算出している。
【０００６】
ここで切り欠き部の一端の偏芯角度θ0 については、ウエハが３６０°回転する間に、上記４点で得る微小角Δθｘとこれに対する偏芯半径ΔＬｘとの比と、その直前のΔＬｘ-1／Δθｘ-1比とを記憶比較しながら、比が一定値以上、且つ最大のΔＬｘとなる点を求めて決定している。そしてその結果、まずウエハ中心点を所定位置に移動させ、一旦持ち変えて回転軸線をウエハ中心点にあわせ、次に切り欠き部を所定の位置まで回転させて止めるという方法がとられ、これにより、それまで全工程で８〜１０秒かかっていたところを３〜４秒にまで位置決め時間の短縮を達成している。
【０００７】
また特開平６−２２４２８５号公報でも、上記と同様の機械構成のウエハ位置決め装置を用い、図１２に示すように、回転軸線Ｂを通り互いに直交する直線がウエハ外周縁を切る４点までの４つの偏芯半径の和がほぼ直径の２倍であると近似している。この直交直線を一定角度θ（＝約１０°）づつ３６０°回転させて偏芯半径ａｎ、ｂｎ、ｃｎ、ｄｎを測定してゆくと、Ｌｎ＝ａｎ＋ｂｎ＋ｃｎ＋ｄｎは、３６０°に渡ってほぼ一定となるが、切り欠き部位置で最小となるとして、切り欠き部位置を求めている。ここで、回転軸線Ｂとウエハ中心点とのずれは、前記の直交直線がウエハ中心点を通る４つの偏芯半径から求めている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の半導体プロセスにおいては、生産性向上のためにウエハ直径３００ｍｍというようにウエハの大型化が進み、ウエハ重量も２倍以上重くなっている。そしてウエハ位置決め装置に対しても、ウエハが大型化したにもかかわらず、さらなる高速化と高精度化が要求されるようになってきている。
【０００９】
しかしながら前記従来の装置では、いずれも、回転軸線を通る直交直線がウエハ外周縁を切る４点につき微小角度ごとに３６０°のデ−タをとるので、大量のデータを採取して計算処理するため時間がかかるばかりでなく、ウエハを少なくとも１周はさせねばならず、回転時間もその分必要である。さらに、従来の前者の装置では、ウエハ中心点合わせ移動と切り欠き部の角度合わせの間に持ち替えが必要で、全所要時間が十分短いとはいえない。
【００１０】
また、前記従来の装置ではいずれも、３６０°を分割する角度が粗く、また切り欠き部検出に当たって、例えば図９に示す偏芯半径と回転角度との関係線図が描く滑らかな線から最も落ち込んだ極小点を切り欠き部中心として扱い、本来切り欠き部中心ではない位置を採用しているため、正確さに欠け、従ってウエハの位置決め精度が低いという問題があった。
【００１１】
そこで上述の高速化と高精度化の問題を解決するために、本願発明者は、ウエハ持ち替えや回転途中での停止・再回転といった時間を要する動作工程や、計算機等の演算手段に負荷をかける大量のデータの処理工程が不要な位置決め方法について鋭意研究を重ね、その結果従来より大幅に高精度化と時間短縮する方法を見出し、併せてウエハ位置決め装置とウエハ処理システムとを開発した。
【００１２】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明では、従来用いられていなかった、全く新しい、近似値を用いない正確な理論式を誘導し、必要最低数のデータを採取してそれに代入するようにして、前述の目的を達成している。
【００１３】
すなわち、本発明のウエハ位置決め方法は、ラインセンサと、ウエハを乗せ得るウエハ座と、そのウエハ座を２次元または３次元方向に移動させ得るとともに所定の回転軸線周りに回転させ得るウエハ座駆動手段と、演算手段と、を備えるウエハ位置決め装置が、前記ウエハ座駆動手段での前記ウエハ座の回転角度とそのウエハ座に乗せられた円形のウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づく前記演算手段でのウエハの中心点位置および切り欠き部角度の算出工程を経て、ウエハの中心点を前記ウエハ位置決め装置に対する所定位置に移動させるとともにそのウエハの切り欠き部を前記ウエハ位置決め装置に対する所定方向に向かせてウエハの位置決めを行うに際し、前記ウエハ座駆動手段が、前記ラインセンサの中心部を通ってその延在方向に延在する直線上に前記ウエハ座の回転軸線を位置させて、前記ウエハを乗せた前記ウエハ座をその回転軸線周りに回転させ、前記演算手段が、前記ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられた前記ウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づき、前記ウエハの切り欠き部位置および、前記ウエハの最大偏芯半径もしくはその最大偏芯半径が前記切り欠き部位置にある場合は最小偏芯半径、または前記ウエハの最小偏芯半径もしくはその最小偏芯半径が前記切り欠き部位置にある場合は最大偏芯半径を求め、その求めた最大偏芯半径または最小偏芯半径と、その最大偏芯半径または最小偏芯半径が求まったときのウエハ座の回転角度とから、前記ウエハの中心点が前記所定位置に位置してそのウエハの切り欠き部が前記所定方向に向く時の前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度を幾何学的に算出し、前記ウエハ座駆動手段が、前記ウエハを持ち替えることなく、前記算出した回転軸線位置および回転角度に前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度が一致するように前記ウエハ座を移動および回転させて停止させることを特徴とするものである。
【００１４】
かかる本発明の方法によれば、ウエハ座駆動手段がラインセンサの中心部を通ってその延在方向に延在する直線上にウエハ座の回転軸線を位置させて、ウエハを乗せたウエハ座をその回転軸線周りに回転させている間に、ラインセンサがそのウエハ座に乗せられたウエハの外周縁を検出し、演算手段が、ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられたウエハの外周縁のラインセンサでの検出結果とに基づき、ウエハの切り欠き部位置と、ウエハの最大偏芯半径または最小偏芯半径とを求め、その求めた結果から、ウエハの中心点が所定位置に位置してそのウエハの切り欠き部が所定方向に向く時のウエハ座の回転軸線位置および回転角度を幾何学的に算出し、そしてウエハ座駆動手段が、ウエハを持ち替えることなく、上記算出した回転軸線位置および回転角度にウエハ座の回転軸線位置および回転角度が一致するようにウエハ座を移動および回転させて停止させるので、ウエハ持ち替えや回転途中での停止・再回転といった時間を要する動作工程や、演算手段に負荷をかける大量のデータの処理工程を不要にし得て、従来より大幅にウエハ位置決めを高精度化するとともに時間短縮することができる。
【００１５】
具体的には本発明のウエハ位置決め方法では、前記演算手段が、前記ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられた前記ウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づいてα、β1 、β2 およびＬm を求め、以下の式（１）からｄを、以下の式（２）からθを、以下の式（３）からΔＸを、以下の式（４）からΔＹを、それぞれ算出する。
ｄ＝Ｌm −ｒ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（１）
θ＝γ＋〔β1 ＋β2 ＋arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β1 −α) ｝
＋arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β2 −α)｝｝／２‐‐‐‐‐‐‐（２）
ΔＸ＝d sin(θ−α)‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（３）
ΔＹ＝d cos(θ−α)‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（４）
但し、
Ｌm ：ウエハの最大偏芯半径または最小偏芯半径、
ｄ：偏芯中心（ウエハ座回転軸線）とウエハ中心点とのずれ距離、
ｒ：ウエハの半径（既知数）
θ：ウエハの初期基準位置から切り欠き部を所定方向に向けて止めるためのウエハ座の回転角度、
α：偏芯中心周りのウエハの初期基準位置から最初に偏芯半径が最大または最小となるまでの角度、
β1 ：偏芯中心周りのウエハの初期基準位置から切り欠き部初端までの角度、
β2 ：偏芯中心周りのウエハの初期基準位置から切り欠き部終端までの角度、
γ：ウエハ中心点周りの、所定方向に向いた切り欠き部とセンサ方向とのなすべき角度（指定値）、
ΔＸ：Ｘ軸方向移動距離、
ΔＹ：Ｙ軸方向移動距離、
である。
【００１６】
ここで、切り欠き部両端角度β1 、β2 を求めるに際しては、従来から公知の方法で求めてもよいが、近似を全く用いない式（６）、式（７）に従って求めるのが正確さを追求する上で最も好ましい。すなわち、図８に示す回転中心Ｂとウエハ中心点Ｏとを通る直線がウエハの回転中にセンサ方向となす角度をρとすると、回転角度ρに対する偏芯半径Ｌt は理論的に以下の式（８）で示され、この関係を図示すると図９のようになる。
Ｌt ＝ｄcos ρ＋（ｒ2 −ｄ2 sin2ρ）1/2 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（８）
【００１７】
従って、偏芯半径Ｌt は切り欠き部では実測値Ｌと異なってくるので、それらの差ΔＬ＝Ｌt −Ｌを検出すれば切り欠き部の位置がわかる。ここで、図６に示すようにウエハの回転前の初期基準位置Ａ0 から見ると、切り欠き部の両端での回転角度ρはβ1 、β2 であり、それらは式（８）でのρよりαだけ小さい。従って、以下の式（６）において、偏芯中心（ウエハ座の回転軸線）から見てウエハの初期基準位置Ａ0 から回転した角度の微小変位角に対してΔＬ1 が０から正になった所での０における角度β1 を求め、また以下の式（７）において、偏芯中心（ウエハ座の回転軸線）から見てウエハの初期基準位置Ａ0 から回転した角度の微小変位角に対してΔＬ2 が正から０になった所での０における角度β2 を求めることが好ましい。
【００１８】
以上、全く近似を用いない上記式（１）〜式（４）、式（６）、式（７）を用いるのが好ましいが、実用的には上記式（２）に変えて、これをテイラー展開して得られる、誤差の少ない以下の式（５）を用いることもできる。
【００１９】
上記式（１）〜式（７）の演算のためのラインセンサでのデ−タ取り用のウエハ座の回転駆動には、アナログ回路式制御手段を適用してもよいが、３６０°を４，０００〜８０，０００パルスに分割して駆動制御するデジタル回路式制御手段を用いてもよい。そしてこのパルス数は、高速化のために数パルスで１ポイントに区切って駆動制御してもよい。
【００２０】
本発明に用いるラインセンサは、透過型であっても反射型であってもよいが、微細な電気部品である半導体ウエハに対して悪影響を及ぼさないようにするために、電磁式ではなく光学式であることが好ましい。この光学式ラインセンサとしては、受光素子の受光窓をスリット状にしたもの、発光素子または受光素子に蒲鉾型レンズを取り付けて集光するもの、レーザ光を用いるもの、赤外光を用いるもの、ＣＣＤ受光素子を用いるもの等の公知のラインセンサを使用することができる。本発明におけるラインセンサの光線は、基準板に対して直角に照射させても良いが、透過型センサを用いる場合は、発光素子へ反射光が直接帰ってくると干渉が発生して光強度が変化する等の不安定さがある等の場合には直角から少しずらしてもよい。
【００２１】
また、本発明では、円形のウエハの偏芯量と受光量とを高精度に対応させる校正手段を、前記演算手段等の、ラインセンサのデータ処理を行う手段に組み込んでもよい。さらに、前記回転軸線周りのウエハ座の回転角度を正確に検知するために、ロ−タリエンコーダ等の回転角度センサを用いてもよいが、ウエハ座の回転駆動にステッピングモータを使用する場合は、回転角度センサを省略することができる。なお、ウエハ座の回転駆動用モータには、上記ステッピングモータの他に、直流サーボモータ、交流サーボモータ等の公知のモータを使用できる。
【００２２】
さらに、本発明では、前記切り欠き部が、ウエハの一部を直線的に切り取ったオリフラ（オリエンテーションフラット）であっても、外周縁の一部に半円状に切り込んだノッチであっても、それらの両端を検出して演算に用いるので特に区別する必要はない。ただ、オリフラの場合は切り欠き部分が大きく、従来装置の方法では誤差が大きくなりがちであったので、本発明のウエハ位置決め方法は精度をだすためには特に好ましい。
【００２３】
この一方、上記本発明のウエハ位置決め方法を用いる本発明のウエハ位置決め装置は、ラインセンサと、ウエハを乗せ得るウエハ座と、そのウエハ座を２次元または３次元方向に移動させ得るとともに所定の回転軸線周りに回転させ得るウエハ座駆動手段と、演算手段と、を備え、前記ウエハ座駆動手段での前記ウエハ座の回転角度とそのウエハ座に乗せられた円形のウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づく前記演算手段でのウエハの中心点位置および切り欠き部角度の算出工程を経て、ウエハの中心点を所定位置に移動させるとともにそのウエハの切り欠き部を所定方向に向かせてウエハの位置決めを行うウエハ位置決め装置において、前記ウエハ座駆動手段が、前記ラインセンサの中心部を通ってその延在方向に延在する直線上に前記ウエハ座の回転軸線を位置させて、前記ウエハを乗せた前記ウエハ座をその回転軸線周りに回転させ、さらに、前記演算手段が算出する回転軸線位置および回転角度に前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度が一致するように前記ウエハ座を移動および回転させて停止させ、前記演算手段が、前記ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられた前記ウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づき、前記ウエハの切り欠き部位置と、前記ウエハの最大偏芯半径または最小偏芯半径とを求め、その求めた結果から、前記ウエハの中心点が前記所定位置に位置してそのウエハの切り欠き部が前記所定方向に向く時の前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度を幾何学的に算出することを特徴としている。
【００２４】
かかる本発明のウエハ位置決め装置によれば、上述した本発明のウエハ位置決め方法を実行し得るので、ウエハ持ち替えや回転途中での停止・再回転といった時間を要する動作工程や、演算手段に負荷をかける大量のデータの処理工程を不要にし得て、従来より大幅にウエハ位置決めを高精度化するとともに時間短縮することができる。
【００２５】
なお、本発明のウエハ位置決め装置は、ウエハ座駆動手段でのウエハ座の移動が２次元（Ｘ−Ｙ軸方向）、３次元（Ｘ−Ｙ−Ｚ軸方向）の何れの場合にも適用できる。すなわち、例えばラインセンサの中心部を通ってそのセンサの延在方向に延在する直線の延在方向をＹ軸方向とすると、位置決めのためのウエハ座回転軸線の延在方向はＺ軸方向、ウエハ座の移動はＸ−Ｙ軸平面上とすることができる。そして、ウエハの載置あるいは取り出しの際、ウエハ座の上下動が必要ならばウエハ位置決め装置のウエハ座駆動手段をＺ軸方向可動としてもよいが、ウエハ搬送装置がＺ軸方向可動でウエハの載置・取り出しを行う場合は、ウエハ位置決め装置のウエハ座駆動手段はＺ軸駆動機構を省略することができる。さらに本発明のウエハ位置決め装置は図５に示すように、ウエハ搬送用のアームおよびフィンガと、それらのアームおよびフィンガの駆動手段とを備えていてもよい。
【００２６】
また、本発明のウエハ処理システムは図１に示すように、上記本発明のウエハ位置決め装置と、ウエハ搬送用のアームおよびフィンガと、それらのアームおよびフィンガの駆動手段とを備え、上記本発明のウエハ位置決め方法を用いるウエハ処理システムにおいて、前記ウエハ位置決め装置がウエハを受け取った位置から前記ウエハ座を上昇させてウエハの位置決めを行う場合は、前記アームおよびフィンガの駆動手段は、前記フィンガを、前記ウエハ座にウエハを引き渡した位置に待機させ、前記ウエハ位置決め装置がウエハを受け取った位置に前記ウエハ座を維持してウエハの位置決めを行う場合は、前記アームおよびフィンガの駆動手段は、前記フィンガを、前記ウエハ座にウエハを引き渡した位置の下の位置に待機させるものであることを特徴としている。
【００２７】
かかるウエハ処理システムによれば、フィンガを、ウエハ位置決め装置のウエハ座にウエハを引き渡した後、その位置または下方に少しさげた位置に待機させることによって、ウエハ位置決め装置へウエハ搬送用のアームがウエハをとりに行く時間が省略でき、より生産性の向上に寄与することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、本発明のウエハ位置決め方法の一実施例を用いた、本発明のウエハ位置決め装置の一実施例を組込んだウエハ処理システムを示す一部切り欠き斜視図である。図１に示すように、ここにおけるウエハ位置決め装置１は、工業用ロボット等からなる通常のウエハ搬送装置４０と、ウエハのエッチング処理等を行う通常のウエハ処理装置３０とに隣接して設けられてそれらとともに、本発明のウエハ処理システムの一実施例のウエハ処理システム５０を構成し、ウエハ２１が棚段状に収納されている清浄容器であるウエハカセット２０内からウエハ搬送装置４０によりウエハ処理装置３０へウエハ２１を移送する際にウエハ２１の向きと中心点位置との位置決めを行うものである。
【００２９】
これらウエハ搬送装置４０、ウエハ処理装置３０およびウエハ位置決め装置１はそれぞれ、例えばコンピュータを有する図示しない通常の制御装置を備えており、このウエハ処理システム５０は、それらの制御装置を制御してウエハ搬送装置４０とウエハ処理装置３０とウエハ位置決め装置１とを協調作動させるため、これも例えばコンピュータを有する図示しない上位の制御装置も備えている。なお、これらウエハ搬送装置４０、ウエハ処理装置３０およびウエハ位置決め装置１が置かれた領域をカバーで区切り、そのカバ−の天井部にファン・フィルタ・ユニットを設けることで、そのカバー内に一般にミニエンバイロンメントと呼ばれる高清浄領域を設けて、ウエハ上への異物の付着を防止することもできる。
【００３０】
上記実施例のウエハ位置決め装置１は、図２に示すように、その装置１の上部に、ウエハ仮置き台７が立設された上面プレ−ト１５を備えるとともに、その装置１の下部に、互いに直交する直線移動機構であるＸ軸移動機構２とＹ軸移動機構３とを備えており、それらＸ軸移動機構２およびＹ軸移動機構３によって、上面プレ−ト１５の下方に配置されたブラケット１８を水平なＸＹ平面上で移動可能としている。また上記実施例のウエハ位置決め装置１は、そのブラケット１８上に昇降機構９を介して支持された、ウエハを回転させるためのモ−タ８を備えており、そのモ−タ８の、回転軸線が垂直方向であるＺ軸方向に延在する出力軸は、ウエハを水平に乗せるウエハ座としてのスピンドル１６の下部に設けられた回転軸１９に直接的に結合されている。
【００３１】
Ｘ軸移動機構２は、ベース２２上に固定されたモータ１０と、図２では左奥から右手前にかけて軸線が延在する姿勢で両端部をベース２２に回転可能に支持されて、上記モータ１０により直接に回転駆動されるボールネジ軸１１と、そのネジ軸１１に螺合してそのネジ軸１１の回転により図２では左奥から右手前にかけて延在するＸ軸方向に移動するボールナット１２と、ベース２２上に固定されてそのＸ軸方向の直線移動を案内するスライドガイド１３と、そのスライドガイド１３に沿って滑動するスライド軸受１４と、前記ボールナット１２と前記スライド軸受１４とを固定された略直方体状の移動ブロックとから構成されている。
【００３２】
また、上記Ｘ軸方向と直交するＹ軸移動機構３は、Ｘ軸移動機構２と同様、上記移動ブロック上に固定されたモータ１０と、図２では左手前から右奥にかけて軸線が延在する姿勢で両端部を上記移動ブロックに回転可能に支持されて、上記モータ１０により直接に回転駆動されるボールネジ軸１１と、そのネジ軸１１に螺合してそのネジ軸１１の回転により図２では左手前から右奥にかけて延在するＹ軸方向に移動するボールナット１２と、上記移動ブロック上に固定されてそのＹ軸方向の直線移動を案内するスライドガイド１３と、そのスライドガイド１３に沿って滑動するスライド軸受１４と、前記ボールナット１２と前記スライド軸受１４とを固定された上記ブラケット１８略直方体状の移動ブロックとから構成されている。
【００３３】
そして昇降機構９は、上記Ｘ軸駆動機構２およびＹ軸駆動機構３と同様に構成されて、回転軸１９を介しスピンドル１６を支持するモータ８をＺ軸方向移動すなわち昇降させることができ、そのスピンドル１６は、そこに水平に置かれたウエハを吸着支持するための多数の真空孔１７を有している。従って、これらＸ軸駆動機構２、Ｙ軸駆動機構３、昇降機構９およびモ−タ８は、ウエハ座駆動手段を構成している。
【００３４】
図３は、上記実施例のウエハ位置決め装置１を上側から見た状態で示す平面図であり、図２および図３に示すようにこの実施例の装置１は、上面プレ−ト１５の切り欠かれた一部に、スピンドル１６上のウエハ２１の周辺部を上下から挟むようにラインセンサ４を備え、このラインセンサ４は、直線状の発光部を持つ投光器５と、直線状の受光部を持つ受光器６とを、ウエハ２１の下方と上方とに互いに対向する配置で有しており、その発光部および受光部の延在方向は、Ｘ軸方向移動機構２によるスピンドル１６ひいてはウエハ２１の移動方向に垂直になるよう設定されている。このラインセンサ４は、スピンドル１６の回転軸線に対するウエハ外周縁の偏芯量を、下方の投光器５から発光部に沿って照射されるレーザ、ＬＥＤ等の公知の光がウエハで遮光されるときの遮光長さ（１次元量）として、投光器５に対向して取り付けられた受光器６で測定するものであり、受光器６による測定値は、Ｘ軸移動機構２の下方に位置するベース２２内に収容された演算手段としての、この実施例の装置１の制御装置に信号として伝達される。
【００３５】
図４は、 ラインセンサ４が上面プレ−ト１５の側部に添設された、本発明のウエハ位置決め装置の他の一実施例を上側から見た状態で示す平面図である。図３または図４に示すウエハ位置決め装置１において、ウエハ２１は一般的には、スピンドル１６上にそのスピンドル１６の回転軸線に対し偏芯してウエハ搬送装置４０により戴置されるので、ウエハ位置決め装置１は、スピンドル１６上のウエハ２１を回転させて偏芯量を検出し、上記制御装置により、適切なウエハ中心点位置にウエハ２１の実際の中心点位置が位置するようにウエハ２１を水平移動させるとともに、適切な切り欠き部位置に実際の切り欠き部位置が位置するようにウエハ２１を回転させる。
【００３６】
図５（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明のウエハ位置決め装置のさらに他の一実施例を示す平面図、正面図および側面図であり、この実施例のウエハ位置決め装置１は先の実施例と同様の構成を備えるとともに、ウエハ搬送用のアーム４２およびフィンガ４１と、それらのアーム４２およびフィンガ４１を通常のウエハ搬送装置４０と同様に水平に２次元的に動かす、アームおよびフィンガの駆動手段としての図示しない通常の駆動機構とを備え、そこでのウエハの受け渡しは、図示のようにウエハ座としてのスピンドル１６が上記昇降機構で駆動されて上下移動して行う。
【００３７】
図６および図７は、上記実施例の位置決め方法においてスピンドル１６の回転軸線Ｂに対するウエハ中心点Ｏの位置およびノッチまたはオリフラの向きを求める幾何学的方法を示す説明図であり、それらの図における記号は、次の通りである。
Ｏ：ウエハの中心。
Ｂ：スピンドル１６の回転軸線。
Ｃ：ウエハのノッチもしくはオリフラの中心。
Ｄ：スピンドル１６の回転軸線からみた、ウエハに対するラインセンサ４の相対回転前の初期のラインセンサ４の中央部の延在方向。以下、この方向を「基準方向」と呼ぶ。また、初期にこの延在方向に延在し、ラインセンサ４の相対回転に伴ってウエハに対して回転する直線を「基準線」と呼ぶ。
Ｅ：スピンドル１６の回転軸線からみて、偏芯半径（スピンドル１６の回転軸線とウエハの外周縁との距離）が最大または最小になる方向。
Ｆ：ノッチを指定した方向（所定方向）に向けた際の、スピンドル１６の回転軸線からみたラインセンサ４の方向。
Ｇ：ウエハ上からラインセンサ４をみた、ウエハに対してラインセンサ４が相対回転すると考える方向。
【００３８】
上記ウエハ位置決め装置の演算手段としての制御装置があらかじめ与えられたプログラムに基づき実行する上記実施例のウエハ位置決め方法の手順について、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。ここでは先ず、ステップＳ１で、切り欠き部の停止角度を入力して指定し、次いでステップＳ２で、ウエハ搬送装置１または図５に示すウエハ位置決め装置等のフィンガにより、ウエハ位置決め装置１のスピンドル１６上にウエハを載置し、それと同時にスピンドル１６でウエハを吸着支持する。このときウエハの中心点がスピンドル１６の回転軸線上にあることが望ましいが、詳細に見れば通常は偏芯している。
【００３９】
次いでここでは、ステップＳ３で、上記制御装置の指示に基づきモ−タ８で駆動されてスピンドル１６が回転を開始し、スピンドル１６上に載置されたウエハの外周縁部によりラインセンサ４が遮光され、ラインセンサ４は、上記制御装置に遮光量の情報を電気信号として伝達する。これにより上記制御装置は、そのウエハ外周縁部があらかじめ決めておいた測定可能な範囲内にあるかどうかを確認し、なければ持ち替えて適正位置にウエハを置き換え、測定可能な範囲内にあれば基準となる始点データを採取して次にすすむ。
【００４０】
次のステップＳ４では、上記制御装置がモ−タ８によりスピンドル１６を回転させ、この間ラインセンサ４を動作させてウエハによる遮光量を電気信号に変換し、最大または最小の偏芯半径Ｌm と、そこまでの角度αと、オリフラまたはノッチの両端部の角度β1 、β2 とを算出するためのデータをラインセンサ４は測定して上記制御装置に送る。これにより上記制御装置は、ステップＳ５で、前述した式（１）から式（７）までに必要とされるデータが揃ったかどうか確認し、揃っていない場合はステップＳ４で再度データを取り直し、揃っていれば次に進む。
【００４１】
次のステップＳ６では、上記制御装置が、ラインセンサ４から送られたデ−タと、モ−タ８によるスピンドル１６の回転角度とに基づき、式（１）から偏芯量ｄを算出し、式（６）、式（７）から角度β1 、β2 をそれぞれ算出し、次いで式（２）から回転角度θ、式（３）からＸ軸方向移動距離ΔＸ、式（４）からＹ軸方向移動距離ΔＹをそれぞれ算出する。そしてその後は、ステップＳ７で、上記制御装置が、Ｘ軸駆動機構２、Ｙ軸駆動機構３およびモ−タ８に指示を出し、それら駆動機構２，３およびモ−タ８は、この指示に従いスピンドル１６の回転軸線が所定位置（ウエハ搬送装置４０へのウエハ引き渡し位置）に位置するようにスピンドル１６を移動させるとともにスピンドル１６の回転を指定角度で止めてウエハの切り欠き部を所定方向に向け、位置決め動作を終了する。
【００４２】
上記ステップＳ６での算出方法を詳しく説明すると、図６において、基準線Ｄすなわち、モ−タ８が動作を開始する位置でのラインセンサ４とウエハの外周縁部との交点Ａ0 と回転軸線Ｂとを結んだ線から、モ−タ８が動作を開始して図示しない微小角λ毎にラインセンサ４がウエハの外周縁を測定し、そのときのラインセンサ４とウエハ外周縁との交点を順にＡ1 からＡn とする。そして、スピンドル１６の回転軸線Ｂから上記Ａ0 〜Ａn までのそれぞれの距離を偏芯半径Ｌ0〜Ｌn に換算する。回転角度θとは、ウエハが最初にスピンドル１６上に置かれた位置でスピンドル１６の回転軸線Ｂを通るとともにラインセンサ４の中央部を通ってその延在方向へ延在する基準線が、ウエハ座ひいてはウエハの回転に伴ってウエハに対し回転して最終的に停止すべき位置（切り欠き部が所定方向に向くときの位置）で、ラインセンサ４の中央部を通ってその延在方向へ延在する直線となす角度をいう。
【００４３】
上記制御装置は、ウエハの偏芯半径Ｌ0 〜Ｌn の情報を蓄積および演算するとともに、ラインセンサ４が検出したノッチまたはオリフラの位置β1 、β2 を算出して記憶する。上記制御装置は、ノッチまたはオリフラの位置以外での最大または最小の偏芯半径Ｌm から偏芯中心（ウエハ座回転軸線）とウエハ中心点とのずれ距離（偏芯距離）ｄを算出し、そのときの回転角度αを求める。ここで、最大偏芯半径の場合はｄが正となり、最小偏芯半径の場合はｄが負となるが、何れかを検出すれば充分である。
【００４４】
最大または最小の偏芯ウエハ外周点Ａe を検出する方法は、一定微小角度λ毎の測定値Ｌ0 からＬn の中から最大または最小に偏芯している測定値とそのときのＡe を選出することにより得られる。すなわち、ウエハの中心点Ｏと回転軸線Ｂとは、偏芯半径が最大または最小をなす直線Ｅ上に位置する。また、ウエハの偏芯距離（偏芯量）ｄを算出する方法は、先ほどの測定値Ｌ0 からＬn の中から選出した最大または最小に偏芯している測定値Ｌm は測定点Ａe において現れるので、それを既知のウエハ半径ｒと比較し、偏芯量ｄをその差ｄ＝Ｌm −ｒとして算出する。なお、検出した最大の偏芯ウエハ外周点の前後での測定値の変化からその最大の偏芯ウエハ外周点が切り欠き部にあると判明した場合には最小の偏芯ウエハ外周点の測定値を用いて偏芯量ｄを算出し、逆に、検出した最小の偏芯ウエハ外周点の前後での測定値の変化からその最小の偏芯ウエハ外周点が切り欠き部にあると判明した場合には最大の偏芯ウエハ外周点の測定値を用いて偏芯量ｄを算出する。
【００４５】
ウエハの引き渡し位置への移動距離は、回転軸線Ｂとウエハの中心点Ｏとのズレである偏芯量ｄから求める。ＸＹ座標系上の位置として、回転軸線Ｂの座標を（Ｘb ，Ｙb ）とし、ウエハの中心点Ｏの座標を（Ｘ0 ，Ｙ0 ）としたとき、偏芯量ｄは次のように表される。
ΔＸ＝Ｘb −Ｘ0 ＝d sin(θ−α）‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（３）
ΔＹ＝Ｙb −Ｙ0 ＝d cos(θ−α）‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（４）
と表される。ウエハ搬送装置４０への引き渡しの際、ウエハ位置決め装置１がウエハの中心点を移動させる距離は、上記式（３）、式（４）の通りである。実動作としては、引き渡しのためにウエハ中心点の座標位置（Ｘ0 ，Ｙ0 ）をラインセンサの正面に位置調整するために、回転軸線Ｂは座標（Ｘb ，Ｙb ）に移動される。
Ｘb ＝Ｘ0 −d sin(θ−α）
Ｙb ＝Ｙ0 −d cos(θ−α）
【００４６】
次に、ラインセンサ４から得られた測定値情報群に基づき、オリフラあるいはノッチの位置を算出するための方法を、図８の切り欠き部のない円盤２１ｂを参考に説明する。回転軸線Ｂから外周縁Ａまでの理論距離をＬt とすると幾何学的に、
と表され、Ｌt について解くと、
Ｌt ＝ｄcos ρ＋（ｒ2 −ｄ2 sin 2 ρ）1/2
となる。この理論式を図示したのが図９である。
【００４７】
実際のウエハのＬ（測定値）は切り欠き部２１ａで理論値と異なるので、Ｌt≠Ｌとなる点を、ラインセンサ４で検出した情報群より選び出す。その点の存在範囲の始点と終点が、図６の切り欠き部の端点Ｈ，Ｉとして認識され、それらの角度をβ1 、β2 とする。すなわち、始点ではΔＬ1 ＝Ｌt −Ｌが０から正に変わった時の０での角度β1 を求め、終点ではΔＬ2 ＝Ｌt −Ｌが正から０に変わった時の０での角度β2 を求める。
【００４８】
切り欠き部両端でρ＝β1 −αまたはρ＝β2 −αであるから、式（６）、式（７）が導かれる。
【００４９】
次に、オリフラ、ノッチ等の切り欠き部の正しい中心方向を理論的に導く。上記制御装置は、オリフラ、ノッチ等の切り欠き部分の始点と終点が、回転前の基準線からβ1 ，β2 だけ回転した位置にあると認識していることと、回転軸線Ｂとウエハの中心点Ｏ間とのズレの偏芯量ｄとを考慮する。指定されたウエハのオリフラ方向角度γは、図６のＯＦ’（二点鎖線）方向で、回転軸線Ｂからみるとそれに平行なＢＦの方向となる。その角度算出方法について図６およびその拡大図である図７を参照して説明する。すなわち、直線Ｆは指定されたオリフラ方向まで回転軸線Ｂを中心にウエハが回転したとき、回転軸線Ｂからみてラインセンサ４がある方向である。
【００５０】
図７に示すように、γはウエハの中心点Ｏとオリフラの中点Ｃとを通る直線と直線Ｆとがなす角度で、前述のようにあらかじめ指定された既知の角度である。また、βはウエハの中心点Ｏとオリフラの中点Ｃとを通る直線が、回転軸線Ｂとウエハ中心点Ｏとを通る直線となす角度で、測定値に基づいて算出される。図６および図７中、
∠ＪＯＭ＝∠ＫＯＭ＝ε であることより、△ＯＪＫにおいてβは、
β＝ε＋δ1 ‐‐‐‐‐（１０）
δ2 ＝ε＋β ‐‐‐‐‐（１１）
式（１０）から式（１１）を引くと、
β＝（δ1 ＋δ2 ）／２ ‐‐‐‐‐（１２）
と表され、βはδ1,δ2 の平均値である。
【００５１】
また図７のδ1,δ2 は、図６における△ＢＨＪと△ＢＩＫより、
δ1 ＝β1 ＋φ1 ‐‐‐‐‐（１３）
δ2 ＝β2 ＋φ2 ‐‐‐‐‐（１４）
さらに△ＢＯＨにおいて、
φ1 は、sin φ1 ／ｄ＝sin(β1 ―α）／ｒ
△ＢＩＯにおいて、
φ2 は、sin φ2 ／ｄ＝sin(β2 ―α）／ｒより
φ1 ＝arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β1 ―α）｝ ‐‐‐‐‐（１５）
φ2 ＝arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β2 ―α）｝ ‐‐‐‐‐（１６）
【００５２】
これら式（１５）、式（１６）を、式（１３）、式（１４）にそれぞれ代入して、
δ1 ＝β1 ＋arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β1 ―α）｝ ‐‐‐‐‐（１７）
δ2 ＝β2 ＋arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β2 ―α）｝ ‐‐‐‐‐（１８）
式（１２）と式（１７）と式（１８）より
角度θ＝β＋γであるから式（１９）より、
が求まる。
【００５３】
ここで、算出処理速度を短縮するため近似を行ってもよい。式（２）をテーラー展開すると、ｄ／ｒは微小であるから２次項以降を省略すれば、
と算出され、角度θだけウエハを回転させることによりオリフラやノッチを指定角度に向けることが可能となる。この式（５）の近似による誤差は、３００ｍｍウエハにおいて、ｄが２ｍｍの時θの振れが０．００００９°程度、ｄが５ｍｍの時でもθの振れが０．０００２°程度であるから、式（５）は近似であっても極めて誤差が少く、実用上全く問題ない。
【００５４】
以上で上記制御装置の一連のウエハ位置決め演算作業がウエハ回転中に終了となり、上記制御装置は、Ｘ，Ｙ軸移動機構２，３およびモ−タ８に命令信号を発信して、式（２）または式（５）により、スピンドル１６をθだけ回転させ、式（３）、式（４）によりスピンドル１６を移動させて回転軸線Ｂを座標（Ｘb ，Ｙb ）に移動させ、そこで移動および回転を停止させる。停止前の３つの動作は同時に行うのが好ましいが、任意の順番で行っても良い。
その後、上記制御装置は、吸着用真空を切り、ウエハはウエハ搬送装置４０のフィンガーに引き渡されウエハ処理装置３０や清浄容器２０等に搬送される。これによりウエハの中心点がウエハ搬送装置４０へのウエハ引き渡し位置に移動され、ウエハのオリフラやノッチの向きは指定された角度に向く。この一連の手順により極めて高速に、且つ、正確にウエハ位置決め動作を行い終了する。
【００５５】
かくして上記実施例の方法および装置によれば、円形ウエハの偏芯回転の理論式と、ウエハ外周縁部にあるオリフラやノッチの中心の理論的位置とを初めて導き、極めて正確に位置決めすることができた。また、一部理論式の代わりに近似式を用いても、誤差が非常に少なく、実用上全く問題がないことも解った。さらに、ウエハ回転中に、最大または最小どちらかの偏芯半径とその時の角度、オリフラやノッチの両端部の角度データのみを求めるので、ウエハ１回転未満で採取できる。例えば、図９の例のように最大値とオリフラとが１１０°程度で表れれば、１２０°回転でデータの採取は終わる。従って、回転中に演算し終わり、指定角度に回転させるのも１回転以内であるので、極めて短時間に位置決めできるようになった。もちろん位置決め動作中のウエハ持ち替えも不要である。これによりスピンドル回転開始から、従来の２分の１乃至３分の１である僅か１．５乃至１．７秒の位置決め時間を達成することができた。
【００５６】
以上、実施例に基づき説明したが、この発明は上記の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で適宜変更しうるものも含むことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のウエハ位置決め方法の一実施例を用いた、本発明のウエハ位置決め装置の一実施例を組込んだウエハ処理システムを示す一部切り欠き斜視図である。
【図２】 上記実施例のウエハ位置決め装置をカバ−を除いた状態で示す斜視図である。
【図３】 上記実施例のウエハ位置決め装置の平面図である。
【図４】 ラインセンサの配置が異なる、本発明のウエハ位置決め装置の他の一実施例の平面図である。
【図５】 （Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明のウエハ位置決め装置のさらに他の一実施例を示す平面図、正面図および側面図である。
【図６】 上記実施例のウエハ位置決め方法においてスピンドルの回転軸線に対するウエハ中心点の位置およびノッチやオリフラの向きを求める幾何学的方法を示す説明図である。
【図７】 図６の中心付近を拡大した説明図である。
【図８】 上記実施例のウエハ位置決め方法においてスピンドルの回転軸線に対するノッチやオリフラの向きを求める幾何学的方法を示す他の説明図である。
【図９】 オリフラを持つウエハ外周縁部の描く実測線と円盤の描く理論線とを示す偏芯半径と回転角度との関係線図である。
【図１０】 上記実施例のウエハ位置決め方法の手順を示すフローチャートである。
【図１１】 従来の装置でのウエハ位置決め方法を示す説明図である。
【図１２】 他の従来の装置でのウエハ位置決め方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ウエハ位置決め装置
２ Ｘ軸移動機構
３ Ｙ軸移動機構
４ ラインセンサ
５ 投光器
６ 受光器
７ ウエハ仮置き台
８ モータ
９ 昇降機構
１０ モータ
１１ ボールネジ軸
１２ ボールナット
１３ スライドガイド
１４ スライド軸受
１５ 上面プレート
１６ スピンドル
１７ 真空孔
１８ ブラケット
１９ 回転軸
２０ 清浄容器
２１ ウエハ
２１ａ ウエハのオリエンテーションフラット（オリフラ）
２１ｂ 円盤の外周縁
２２ 制御装置を収容したベ−ス
３０ ウエハ処理装置
３１ ウエハ仮置き台
４０ ウエハ搬送装置
５０ ウエハ処理システム
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハの検査、加工、移送工程等の前段階で使用され、ウエハを定められた向きおよび位置に正確に位置させるウエハ位置決め方法および、この方法を用いたウエハ位置決め装置、並びに、ウエハ位置決め装置を備えて上記方法を用いるウエハ処理システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウエハがクリーンルーム内で、図１に示すような複数の棚段を備えたカセット２０に複数枚収納されて運搬される。また最近は、ウエハ上の微細な電気回路の短絡に繋がる異物が付着するのを高度に防止するため、ウエハが、密閉式の清浄容器の中に収納されて運搬され、高清浄クリーンブースの中でその清浄容器から取り出されて、検査、加工等種々の処理を受ける。そしてその後、カセットまたは清浄容器へウエハをロボット等の搬送装置を用いて戻す際には、ウエハをカセットの壁等に当ててウエハを傷つけたり落下させたりする等の不具合が生ずるのを防止するため、そのカセット等への収納作業開始前に、ロボットのフィンガの中心位置にウエハの中心点を合わせる必要がある。
【０００３】
また、例えばパターニング、蒸着、化学蒸気沈着等の加工、各種の検査等の、ウエハの位置情報が必須な工程においては、オリエンテーションフラット（以後「オリフラ」という）やノッチ等のウエハ外周縁の切り欠き部とウエハ中心点とを常に所定位置に正確に位置させることは重要な前段階作業である。そのため、上記工程に移る前に、一般にアライナと呼ばれるウエハ位置決め装置にウエハを乗せてウエハの中心点の位置と切り欠き部の向きとを検出し、ウエハを正しい位置に正確に移動させてから、各種加工装置、各種検査装置やロボット等に受け渡すことが必要となる。
【０００４】
上記ウエハ位置決め装置は通常、ウエハが置ける程度の大きさのスピンドルと呼ばれる小さな円形台をウエハ座として回転軸上に備え、そのスピンドルをその上に置かれたウエハとともに上記回転軸の回転によって回転させて、その回転軸ひいてはスピンドルの回転軸線からウエハ外周縁までの偏芯半径と回転角度とをラインセンサとエンコーダ等の角度センサとで検知し、円形のウエハの中心点の位置と切り欠き部の位置とを算出する。そしてその後、ウエハを、Ｘ軸およびＹ軸の延在方向に上記算出した距離だけ移動させ、さらに上記算出した角度だけ回転させて、所定の位置および向きに正確に位置させる。
【０００５】
従来のウエハ位置決め装置としては例えば特開平５−３４３５０１号公報記載のものがあり、この装置では、ウエハ座をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動させるとともに回転させる駆動手段を備え、ウエハを回転させることで外周縁検出手段により得たデータをＡ／Ｄ変換し、それを記憶回路へＤＭＡデータ伝送手段により直接伝送して計算時間の短縮を行い、併せて図１１に示すように、切り欠き部の一端点θｘ1 および回転軸線Ｂ周りにその点θｘ1 から９０°ずつ隔たった外周縁上の他の３点θｘ2 、θｘ3 、θｘ4 におけるウエハ外周縁信号Ｌｘ1 、Ｌｘ2 、Ｌｘ3 、Ｌｘ4 から、偏芯量Ｌｅと偏芯角度θ0 とを次式、
Ｌｅ＝１／２・｛（Ｌｘ3 −Ｌｘ1 ）2 ＋（Ｌｘ4 −Ｌｘ2 ）2 ｝1/2
θ0 ＝tan -1｛（Ｌｘ3 −Ｌｘ1 ）／（Ｌｘ4 −Ｌｘ2 ）｝
を用いて中央演算手段により算出している。
【０００６】
ここで切り欠き部の一端の偏芯角度θ0 については、ウエハが３６０°回転する間に、上記４点で得る微小角Δθｘとこれに対する偏芯半径ΔＬｘとの比と、その直前のΔＬｘ-1／Δθｘ-1比とを記憶比較しながら、比が一定値以上、且つ最大のΔＬｘとなる点を求めて決定している。そしてその結果、まずウエハ中心点を所定位置に移動させ、一旦持ち変えて回転軸線をウエハ中心点にあわせ、次に切り欠き部を所定の位置まで回転させて止めるという方法がとられ、これにより、それまで全工程で８〜１０秒かかっていたところを３〜４秒にまで位置決め時間の短縮を達成している。
【０００７】
また特開平６−２２４２８５号公報でも、上記と同様の機械構成のウエハ位置決め装置を用い、図１２に示すように、回転軸線Ｂを通り互いに直交する直線がウエハ外周縁を切る４点までの４つの偏芯半径の和がほぼ直径の２倍であると近似している。この直交直線を一定角度θ（＝約１０°）づつ３６０°回転させて偏芯半径ａｎ、ｂｎ、ｃｎ、ｄｎを測定してゆくと、Ｌｎ＝ａｎ＋ｂｎ＋ｃｎ＋ｄｎは、３６０°に渡ってほぼ一定となるが、切り欠き部位置で最小となるとして、切り欠き部位置を求めている。ここで、回転軸線Ｂとウエハ中心点とのずれは、前記の直交直線がウエハ中心点を通る４つの偏芯半径から求めている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の半導体プロセスにおいては、生産性向上のためにウエハ直径３００ｍｍというようにウエハの大型化が進み、ウエハ重量も２倍以上重くなっている。そしてウエハ位置決め装置に対しても、ウエハが大型化したにもかかわらず、さらなる高速化と高精度化が要求されるようになってきている。
【０００９】
しかしながら前記従来の装置では、いずれも、回転軸線を通る直交直線がウエハ外周縁を切る４点につき微小角度ごとに３６０°のデ−タをとるので、大量のデータを採取して計算処理するため時間がかかるばかりでなく、ウエハを少なくとも１周はさせねばならず、回転時間もその分必要である。さらに、従来の前者の装置では、ウエハ中心点合わせ移動と切り欠き部の角度合わせの間に持ち替えが必要で、全所要時間が十分短いとはいえない。
【００１０】
また、前記従来の装置ではいずれも、３６０°を分割する角度が粗く、また切り欠き部検出に当たって、例えば図９に示す偏芯半径と回転角度との関係線図が描く滑らかな線から最も落ち込んだ極小点を切り欠き部中心として扱い、本来切り欠き部中心ではない位置を採用しているため、正確さに欠け、従ってウエハの位置決め精度が低いという問題があった。
【００１１】
そこで上述の高速化と高精度化の問題を解決するために、本願発明者は、ウエハ持ち替えや回転途中での停止・再回転といった時間を要する動作工程や、計算機等の演算手段に負荷をかける大量のデータの処理工程が不要な位置決め方法について鋭意研究を重ね、その結果従来より大幅に高精度化と時間短縮する方法を見出し、併せてウエハ位置決め装置とウエハ処理システムとを開発した。
【００１２】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明では、従来用いられていなかった、全く新しい、近似値を用いない正確な理論式を誘導し、必要最低数のデータを採取してそれに代入するようにして、前述の目的を達成している。
【００１３】
すなわち、本発明のウエハ位置決め方法は、ラインセンサと、ウエハを乗せ得るウエハ座と、そのウエハ座を２次元または３次元方向に移動させ得るとともに所定の回転軸線周りに回転させ得るウエハ座駆動手段と、演算手段と、を備えるウエハ位置決め装置が、前記ウエハ座駆動手段での前記ウエハ座の回転角度とそのウエハ座に乗せられた円形のウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づく前記演算手段でのウエハの中心点位置および切り欠き部角度の算出工程を経て、ウエハの中心点を前記ウエハ位置決め装置に対する所定位置に移動させるとともにそのウエハの切り欠き部を前記ウエハ位置決め装置に対する所定方向に向かせてウエハの位置決めを行うに際し、前記ウエハ座駆動手段が、前記ラインセンサの中心部を通ってその延在方向に延在する直線上に前記ウエハ座の回転軸線を位置させて、前記ウエハを乗せた前記ウエハ座をその回転軸線周りに回転させ、前記演算手段が、前記ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられた前記ウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づき、前記ウエハの切り欠き部位置および、前記ウエハの最大偏芯半径もしくはその最大偏芯半径が前記切り欠き部位置にある場合は最小偏芯半径、または前記ウエハの最小偏芯半径もしくはその最小偏芯半径が前記切り欠き部位置にある場合は最大偏芯半径を求め、その求めた最大偏芯半径または最小偏芯半径と、その最大偏芯半径または最小偏芯半径が求まったときのウエハ座の回転角度とから、前記ウエハの中心点が前記所定位置に位置してそのウエハの切り欠き部が前記所定方向に向く時の前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度を幾何学的に算出し、前記ウエハ座駆動手段が、前記ウエハを持ち替えることなく、前記算出した回転軸線位置および回転角度に前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度が一致するように前記ウエハ座を移動および回転させて停止させることを特徴とするものである。
【００１４】
かかる本発明の方法によれば、ウエハ座駆動手段がラインセンサの中心部を通ってその延在方向に延在する直線上にウエハ座の回転軸線を位置させて、ウエハを乗せたウエハ座をその回転軸線周りに回転させている間に、ラインセンサがそのウエハ座に乗せられたウエハの外周縁を検出し、演算手段が、ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられたウエハの外周縁のラインセンサでの検出結果とに基づき、ウエハの切り欠き部位置と、ウエハの最大偏芯半径または最小偏芯半径とを求め、その求めた結果から、ウエハの中心点が所定位置に位置してそのウエハの切り欠き部が所定方向に向く時のウエハ座の回転軸線位置および回転角度を幾何学的に算出し、そしてウエハ座駆動手段が、ウエハを持ち替えることなく、上記算出した回転軸線位置および回転角度にウエハ座の回転軸線位置および回転角度が一致するようにウエハ座を移動および回転させて停止させるので、ウエハ持ち替えや回転途中での停止・再回転といった時間を要する動作工程や、演算手段に負荷をかける大量のデータの処理工程を不要にし得て、従来より大幅にウエハ位置決めを高精度化するとともに時間短縮することができる。
【００１５】
具体的には本発明のウエハ位置決め方法では、前記演算手段が、前記ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられた前記ウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づいてα、β1 、β2 およびＬm を求め、以下の式（１）からｄを、以下の式（２）からθを、以下の式（３）からΔＸを、以下の式（４）からΔＹを、それぞれ算出する。
ｄ＝Ｌm −ｒ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（１）
θ＝γ＋〔β1 ＋β2 ＋arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β1 −α) ｝
＋arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β2 −α)｝｝／２‐‐‐‐‐‐‐（２）
ΔＸ＝d sin(θ−α)‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（３）
ΔＹ＝d cos(θ−α)‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（４）
但し、
Ｌm ：ウエハの最大偏芯半径または最小偏芯半径、
ｄ：偏芯中心（ウエハ座回転軸線）とウエハ中心点とのずれ距離、
ｒ：ウエハの半径（既知数）
θ：ウエハの初期基準位置から切り欠き部を所定方向に向けて止めるためのウエハ座の回転角度、
α：偏芯中心周りのウエハの初期基準位置から最初に偏芯半径が最大または最小となるまでの角度、
β1 ：偏芯中心周りのウエハの初期基準位置から切り欠き部初端までの角度、
β2 ：偏芯中心周りのウエハの初期基準位置から切り欠き部終端までの角度、
γ：ウエハ中心点周りの、所定方向に向いた切り欠き部とセンサ方向とのなすべき角度（指定値）、
ΔＸ：Ｘ軸方向移動距離、
ΔＹ：Ｙ軸方向移動距離、
である。
【００１６】
ここで、切り欠き部両端角度β1 、β2 を求めるに際しては、従来から公知の方法で求めてもよいが、近似を全く用いない式（６）、式（７）に従って求めるのが正確さを追求する上で最も好ましい。すなわち、図８に示す回転中心Ｂとウエハ中心点Ｏとを通る直線がウエハの回転中にセンサ方向となす角度をρとすると、回転角度ρに対する偏芯半径Ｌt は理論的に以下の式（８）で示され、この関係を図示すると図９のようになる。
Ｌt ＝ｄcos ρ＋（ｒ2 −ｄ2 sin2ρ）1/2 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（８）
【００１７】
従って、偏芯半径Ｌt は切り欠き部では実測値Ｌと異なってくるので、それらの差ΔＬ＝Ｌt −Ｌを検出すれば切り欠き部の位置がわかる。ここで、図６に示すようにウエハの回転前の初期基準位置Ａ0 から見ると、切り欠き部の両端での回転角度ρはβ1 、β2 であり、それらは式（８）でのρよりαだけ小さい。従って、以下の式（６）において、偏芯中心（ウエハ座の回転軸線）から見てウエハの初期基準位置Ａ0 から回転した角度の微小変位角に対してΔＬ1 が０から正になった所での０における角度β1 を求め、また以下の式（７）において、偏芯中心（ウエハ座の回転軸線）から見てウエハの初期基準位置Ａ0 から回転した角度の微小変位角に対してΔＬ2 が正から０になった所での０における角度β2 を求めることが好ましい。
以上、全く近似を用いない上記式（１）〜式（４）、式（６）、式（７）を用いるのが好ましいが、実用的には上記式（２）に変えて、これをテイラー展開して得られる、誤差の少ない以下の式（５）を用いることもできる。
上記式（１）〜式（７）の演算のためのラインセンサでのデ−タ取り用のウエハ座の回転駆動には、アナログ回路式制御手段を適用してもよいが、３６０°を４，０００〜８０，０００パルスに分割して駆動制御するデジタル回路式制御手段を用いてもよい。そしてこのパルス数は、高速化のために数パルスで１ポイントに区切って駆動制御してもよい。
【００２０】
本発明に用いるラインセンサは、透過型であっても反射型であってもよいが、微細な電気部品である半導体ウエハに対して悪影響を及ぼさないようにするために、電磁式ではなく光学式であることが好ましい。この光学式ラインセンサとしては、受光素子の受光窓をスリット状にしたもの、発光素子または受光素子に蒲鉾型レンズを取り付けて集光するもの、レーザ光を用いるもの、赤外光を用いるもの、ＣＣＤ受光素子を用いるもの等の公知のラインセンサを使用することができる。本発明におけるラインセンサの光線は、基準板に対して直角に照射させても良いが、透過型センサを用いる場合は、発光素子へ反射光が直接帰ってくると干渉が発生して光強度が変化する等の不安定さがある等の場合には直角から少しずらしてもよい。
【００２１】
また、本発明では、円形のウエハの偏芯量と受光量とを高精度に対応させる校正手段を、前記演算手段等の、ラインセンサのデータ処理を行う手段に組み込んでもよい。さらに、前記回転軸線周りのウエハ座の回転角度を正確に検知するために、ロ−タリエンコーダ等の回転角度センサを用いてもよいが、ウエハ座の回転駆動にステッピングモータを使用する場合は、回転角度センサを省略することができる。なお、ウエハ座の回転駆動用モータには、上記ステッピングモータの他に、直流サーボモータ、交流サーボモータ等の公知のモータを使用できる。
【００２２】
さらに、本発明では、前記切り欠き部が、ウエハの一部を直線的に切り取ったオリフラ（オリエンテーションフラット）であっても、外周縁の一部に半円状に切り込んだノッチであっても、それらの両端を検出して演算に用いるので特に区別する必要はない。ただ、オリフラの場合は切り欠き部分が大きく、従来装置の方法では誤差が大きくなりがちであったので、本発明のウエハ位置決め方法は精度をだすためには特に好ましい。
【００２３】
この一方、上記本発明のウエハ位置決め方法を用いる本発明のウエハ位置決め装置は、ラインセンサと、ウエハを乗せ得るウエハ座と、そのウエハ座を２次元または３次元方向に移動させ得るとともに所定の回転軸線周りに回転させ得るウエハ座駆動手段と、演算手段と、を備え、前記ウエハ座駆動手段での前記ウエハ座の回転角度とそのウエハ座に乗せられた円形のウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づく前記演算手段でのウエハの中心点位置および切り欠き部角度の算出工程を経て、ウエハの中心点を所定位置に移動させるとともにそのウエハの切り欠き部を所定方向に向かせてウエハの位置決めを行うウエハ位置決め装置において、前記ウエハ座駆動手段が、前記ラインセンサの中心部を通ってその延在方向に延在する直線上に前記ウエハ座の回転軸線を位置させて、前記ウエハを乗せた前記ウエハ座をその回転軸線周りに回転させ、さらに、前記演算手段が算出する回転軸線位置および回転角度に前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度が一致するように前記ウエハ座を移動および回転させて停止させ、前記演算手段が、前記ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられた前記ウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づき、前記ウエハの切り欠き部位置と、前記ウエハの最大偏芯半径または最小偏芯半径とを求め、その求めた結果から、前記ウエハの中心点が前記所定位置に位置してそのウエハの切り欠き部が前記所定方向に向く時の前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度を幾何学的に算出することを特徴としている。
【００２４】
かかる本発明のウエハ位置決め装置によれば、上述した本発明のウエハ位置決め方法を実行し得るので、ウエハ持ち替えや回転途中での停止・再回転といった時間を要する動作工程や、演算手段に負荷をかける大量のデータの処理工程を不要にし得て、従来より大幅にウエハ位置決めを高精度化するとともに時間短縮することができる。
【００２５】
なお、本発明のウエハ位置決め装置は、ウエハ座駆動手段でのウエハ座の移動が２次元（Ｘ−Ｙ軸方向）、３次元（Ｘ−Ｙ−Ｚ軸方向）の何れの場合にも適用できる。すなわち、例えばラインセンサの中心部を通ってそのセンサの延在方向に延在する直線の延在方向をＹ軸方向とすると、位置決めのためのウエハ座回転軸線の延在方向はＺ軸方向、ウエハ座の移動はＸ−Ｙ軸平面上とすることができる。そして、ウエハの載置あるいは取り出しの際、ウエハ座の上下動が必要ならばウエハ位置決め装置のウエハ座駆動手段をＺ軸方向可動としてもよいが、ウエハ搬送装置がＺ軸方向可動でウエハの載置・取り出しを行う場合は、ウエハ位置決め装置のウエハ座駆動手段はＺ軸駆動機構を省略することができる。さらに本発明のウエハ位置決め装置は図５に示すように、ウエハ搬送用のアームおよびフィンガと、それらのアームおよびフィンガの駆動手段とを備えていてもよい。
【００２６】
また、本発明のウエハ処理システムは図１に示すように、上記本発明のウエハ位置決め装置と、ウエハ搬送用のアームおよびフィンガと、それらのアームおよびフィンガの駆動手段とを備え、上記本発明のウエハ位置決め方法を用いるウエハ処理システムにおいて、前記ウエハ位置決め装置がウエハを受け取った位置から前記ウエハ座を上昇させてウエハの位置決めを行う場合は、前記アームおよびフィンガの駆動手段は、前記フィンガを、前記ウエハ座にウエハを引き渡した位置に待機させ、前記ウエハ位置決め装置がウエハを受け取った位置に前記ウエハ座を維持してウエハの位置決めを行う場合は、前記アームおよびフィンガの駆動手段は、前記フィンガを、前記ウエハ座にウエハを引き渡した位置の下の位置に待機させるものであることを特徴としている。
【００２７】
かかるウエハ処理システムによれば、フィンガを、ウエハ位置決め装置のウエハ座にウエハを引き渡した後、その位置または下方に少しさげた位置に待機させることによって、ウエハ位置決め装置へウエハ搬送用のアームがウエハをとりに行く時間が省略でき、より生産性の向上に寄与することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、本発明のウエハ位置決め方法の一実施例を用いた、本発明のウエハ位置決め装置の一実施例を組込んだウエハ処理システムを示す一部切り欠き斜視図である。図１に示すように、ここにおけるウエハ位置決め装置１は、工業用ロボット等からなる通常のウエハ搬送装置４０と、ウエハのエッチング処理等を行う通常のウエハ処理装置３０とに隣接して設けられてそれらとともに、本発明のウエハ処理システムの一実施例のウエハ処理システム５０を構成し、ウエハ２１が棚段状に収納されている清浄容器であるウエハカセット２０内からウエハ搬送装置４０によりウエハ処理装置３０へウエハ２１を移送する際にウエハ２１の向きと中心点位置との位置決めを行うものである。
【００２９】
これらウエハ搬送装置４０、ウエハ処理装置３０およびウエハ位置決め装置１はそれぞれ、例えばコンピュータを有する図示しない通常の制御装置を備えており、このウエハ処理システム５０は、それらの制御装置を制御してウエハ搬送装置４０とウエハ処理装置３０とウエハ位置決め装置１とを協調作動させるため、これも例えばコンピュータを有する図示しない上位の制御装置も備えている。なお、これらウエハ搬送装置４０、ウエハ処理装置３０およびウエハ位置決め装置１が置かれた領域をカバーで区切り、そのカバ−の天井部にファン・フィルタ・ユニットを設けることで、そのカバー内に一般にミニエンバイロンメントと呼ばれる高清浄領域を設けて、ウエハ上への異物の付着を防止することもできる。
【００３０】
上記実施例のウエハ位置決め装置１は、図２に示すように、その装置１の上部に、ウエハ仮置き台７が立設された上面プレ−ト１５を備えるとともに、その装置１の下部に、互いに直交する直線移動機構であるＸ軸移動機構２とＹ軸移動機構３とを備えており、それらＸ軸移動機構２およびＹ軸移動機構３によって、上面プレ−ト１５の下方に配置されたブラケット１８を水平なＸＹ平面上で移動可能としている。また上記実施例のウエハ位置決め装置１は、そのブラケット１８上に昇降機構９を介して支持された、ウエハを回転させるためのモ−タ８を備えており、そのモ−タ８の、回転軸線が垂直方向であるＺ軸方向に延在する出力軸は、ウエハを水平に乗せるウエハ座としてのスピンドル１６の下部に設けられた回転軸１９に直接的に結合されている。
【００３１】
Ｘ軸移動機構２は、ベース２２上に固定されたモータ１０と、図２では左奥から右手前にかけて軸線が延在する姿勢で両端部をベース２２に回転可能に支持されて、上記モータ１０により直接に回転駆動されるボールネジ軸１１と、そのネジ軸１１に螺合してそのネジ軸１１の回転により図２では左奥から右手前にかけて延在するＸ軸方向に移動するボールナット１２と、ベース２２上に固定されてそのＸ軸方向の直線移動を案内するスライドガイド１３と、そのスライドガイド１３に沿って滑動するスライド軸受１４と、前記ボールナット１２と前記スライド軸受１４とを固定された略直方体状の移動ブロックとから構成されている。
【００３２】
また、上記Ｘ軸方向と直交するＹ軸移動機構３は、Ｘ軸移動機構２と同様、上記移動ブロック上に固定されたモータ１０と、図２では左手前から右奥にかけて軸線が延在する姿勢で両端部を上記移動ブロックに回転可能に支持されて、上記モータ１０により直接に回転駆動されるボールネジ軸１１と、そのネジ軸１１に螺合してそのネジ軸１１の回転により図２では左手前から右奥にかけて延在するＹ軸方向に移動するボールナット１２と、上記移動ブロック上に固定されてそのＹ軸方向の直線移動を案内するスライドガイド１３と、そのスライドガイド１３に沿って滑動するスライド軸受１４と、前記ボールナット１２と前記スライド軸受１４とを固定された上記ブラケット１８略直方体状の移動ブロックとから構成されている。
【００３３】
そして昇降機構９は、上記Ｘ軸駆動機構２およびＹ軸駆動機構３と同様に構成されて、回転軸１９を介しスピンドル１６を支持するモータ８をＺ軸方向移動すなわち昇降させることができ、そのスピンドル１６は、そこに水平に置かれたウエハを吸着支持するための多数の真空孔１７を有している。従って、これらＸ軸駆動機構２、Ｙ軸駆動機構３、昇降機構９およびモ−タ８は、ウエハ座駆動手段を構成している。
【００３４】
図３は、上記実施例のウエハ位置決め装置１を上側から見た状態で示す平面図であり、図２および図３に示すようにこの実施例の装置１は、上面プレ−ト１５の切り欠かれた一部に、スピンドル１６上のウエハ２１の周辺部を上下から挟むようにラインセンサ４を備え、このラインセンサ４は、直線状の発光部を持つ投光器５と、直線状の受光部を持つ受光器６とを、ウエハ２１の下方と上方とに互いに対向する配置で有しており、その発光部および受光部の延在方向は、Ｘ軸方向移動機構２によるスピンドル１６ひいてはウエハ２１の移動方向に垂直になるよう設定されている。このラインセンサ４は、スピンドル１６の回転軸線に対するウエハ外周縁の偏芯量を、下方の投光器５から発光部に沿って照射されるレーザ、ＬＥＤ等の公知の光がウエハで遮光されるときの遮光長さ（１次元量）として、投光器５に対向して取り付けられた受光器６で測定するものであり、受光器６による測定値は、Ｘ軸移動機構２の下方に位置するベース２２内に収容された演算手段としての、この実施例の装置１の制御装置に信号として伝達される。
【００３５】
図４は、 ラインセンサ４が上面プレ−ト１５の側部に添設された、本発明のウエハ位置決め装置の他の一実施例を上側から見た状態で示す平面図である。図３または図４に示すウエハ位置決め装置１において、ウエハ２１は一般的には、スピンドル１６上にそのスピンドル１６の回転軸線に対し偏芯してウエハ搬送装置４０により戴置されるので、ウエハ位置決め装置１は、スピンドル１６上のウエハ２１を回転させて偏芯量を検出し、上記制御装置により、適切なウエハ中心点位置にウエハ２１の実際の中心点位置が位置するようにウエハ２１を水平移動させるとともに、適切な切り欠き部位置に実際の切り欠き部位置が位置するようにウエハ２１を回転させる。
【００３６】
図５（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明のウエハ位置決め装置のさらに他の一実施例を示す平面図、正面図および側面図であり、この実施例のウエハ位置決め装置１は先の実施例と同様の構成を備えるとともに、ウエハ搬送用のアーム４２およびフィンガ４１と、それらのアーム４２およびフィンガ４１を通常のウエハ搬送装置４０と同様に水平に２次元的に動かす、アームおよびフィンガの駆動手段としての図示しない通常の駆動機構とを備え、そこでのウエハの受け渡しは、図示のようにウエハ座としてのスピンドル１６が上記昇降機構で駆動されて上下移動して行う。
【００３７】
図６および図７は、上記実施例の位置決め方法においてスピンドル１６の回転軸線Ｂに対するウエハ中心点Ｏの位置およびノッチまたはオリフラの向きを求める幾何学的方法を示す説明図であり、それらの図における記号は、次の通りである。
Ｏ：ウエハの中心。
Ｂ：スピンドル１６の回転軸線。
Ｃ：ウエハのノッチもしくはオリフラの中心。
Ｄ：スピンドル１６の回転軸線からみた、ウエハに対するラインセンサ４の相対回転前の初期のラインセンサ４の中央部の延在方向。以下、この方向を「基準方向」と呼ぶ。また、初期にこの延在方向に延在し、ラインセンサ４の相対回転に伴ってウエハに対して回転する直線を「基準線」と呼ぶ。
Ｅ：スピンドル１６の回転軸線からみて、偏芯半径（スピンドル１６の回転軸線とウエハの外周縁との距離）が最大または最小になる方向。
Ｆ：ノッチを指定した方向（所定方向）に向けた際の、スピンドル１６の回転軸線からみたラインセンサ４の方向。
Ｇ：ウエハ上からラインセンサ４をみた、ウエハに対してラインセンサ４が相対回転すると考える方向。
【００３８】
上記ウエハ位置決め装置の演算手段としての制御装置があらかじめ与えられたプログラムに基づき実行する上記実施例のウエハ位置決め方法の手順について、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。ここでは先ず、ステップＳ１で、切り欠き部の停止角度を入力して指定し、次いでステップＳ２で、ウエハ搬送装置１または図５に示すウエハ位置決め装置等のフィンガにより、ウエハ位置決め装置１のスピンドル１６上にウエハを載置し、それと同時にスピンドル１６でウエハを吸着支持する。このときウエハの中心点がスピンドル１６の回転軸線上にあることが望ましいが、詳細に見れば通常は偏芯している。
【００３９】
次いでここでは、ステップＳ３で、上記制御装置の指示に基づきモ−タ８で駆動されてスピンドル１６が回転を開始し、スピンドル１６上に載置されたウエハの外周縁部によりラインセンサ４が遮光され、ラインセンサ４は、上記制御装置に遮光量の情報を電気信号として伝達する。これにより上記制御装置は、そのウエハ外周縁部があらかじめ決めておいた測定可能な範囲内にあるかどうかを確認し、なければ持ち替えて適正位置にウエハを置き換え、測定可能な範囲内にあれば基準となる始点データを採取して次にすすむ。
【００４０】
次のステップＳ４では、上記制御装置がモ−タ８によりスピンドル１６を回転させ、この間ラインセンサ４を動作させてウエハによる遮光量を電気信号に変換し、最大または最小の偏芯半径Ｌm と、そこまでの角度αと、オリフラまたはノッチの両端部の角度β1 、β2 とを算出するためのデータをラインセンサ４は測定して上記制御装置に送る。これにより上記制御装置は、ステップＳ５で、前述した式（１）から式（７）までに必要とされるデータが揃ったかどうか確認し、揃っていない場合はステップＳ４で再度データを取り直し、揃っていれば次に進む。
【００４１】
次のステップＳ６では、上記制御装置が、ラインセンサ４から送られたデ−タと、モ−タ８によるスピンドル１６の回転角度とに基づき、式（１）から偏芯量ｄを算出し、式（６）、式（７）から角度β1 、β2 をそれぞれ算出し、次いで式（２）から回転角度θ、式（３）からＸ軸方向移動距離ΔＸ、式（４）からＹ軸方向移動距離ΔＹをそれぞれ算出する。そしてその後は、ステップＳ７で、上記制御装置が、Ｘ軸駆動機構２、Ｙ軸駆動機構３およびモ−タ８に指示を出し、それら駆動機構２，３およびモ−タ８は、この指示に従いスピンドル１６の回転軸線が所定位置（ウエハ搬送装置４０へのウエハ引き渡し位置）に位置するようにスピンドル１６を移動させるとともにスピンドル１６の回転を指定角度で止めてウエハの切り欠き部を所定方向に向け、位置決め動作を終了する。
【００４２】
上記ステップＳ６での算出方法を詳しく説明すると、図６において、基準線Ｄすなわち、モ−タ８が動作を開始する位置でのラインセンサ４とウエハの外周縁部との交点Ａ0 と回転軸線Ｂとを結んだ線から、モ−タ８が動作を開始して図示しない微小角λ毎にラインセンサ４がウエハの外周縁を測定し、そのときのラインセンサ４とウエハ外周縁との交点を順にＡ1 からＡn とする。そして、スピンドル１６の回転軸線Ｂから上記Ａ0 〜Ａn までのそれぞれの距離を偏芯半径Ｌ0〜Ｌn に換算する。回転角度θとは、ウエハが最初にスピンドル１６上に置かれた位置でスピンドル１６の回転軸線Ｂを通るとともにラインセンサ４の中央部を通ってその延在方向へ延在する基準線が、ウエハ座ひいてはウエハの回転に伴ってウエハに対し回転して最終的に停止すべき位置（切り欠き部が所定方向に向くときの位置）で、ラインセンサ４の中央部を通ってその延在方向へ延在する直線となす角度をいう。
【００４３】
上記制御装置は、ウエハの偏芯半径Ｌ0 〜Ｌn の情報を蓄積および演算するとともに、ラインセンサ４が検出したノッチまたはオリフラの位置β1 、β2 を算出して記憶する。上記制御装置は、ノッチまたはオリフラの位置以外での最大または最小の偏芯半径Ｌm から偏芯中心（ウエハ座回転軸線）とウエハ中心点とのずれ距離（偏芯距離）ｄを算出し、そのときの回転角度αを求める。ここで、最大偏芯半径の場合はｄが正となり、最小偏芯半径の場合はｄが負となるが、何れかを検出すれば充分である。
【００４４】
最大または最小の偏芯ウエハ外周点Ａe を検出する方法は、一定微小角度λ毎の測定値Ｌ0 からＬn の中から最大または最小に偏芯している測定値とそのときのＡe を選出することにより得られる。すなわち、ウエハの中心点Ｏと回転軸線Ｂとは、偏芯半径が最大または最小をなす直線Ｅ上に位置する。また、ウエハの偏芯距離（偏芯量）ｄを算出する方法は、先ほどの測定値Ｌ0 からＬn の中から選出した最大または最小に偏芯している測定値Ｌm は測定点Ａe において現れるので、それを既知のウエハ半径ｒと比較し、偏芯量ｄをその差ｄ＝Ｌm −ｒとして算出する。なお、検出した最大の偏芯ウエハ外周点の前後での測定値の変化からその最大の偏芯ウエハ外周点が切り欠き部にあると判明した場合には最小の偏芯ウエハ外周点の測定値を用いて偏芯量ｄを算出し、逆に、検出した最小の偏芯ウエハ外周点の前後での測定値の変化からその最小の偏芯ウエハ外周点が切り欠き部にあると判明した場合には最大の偏芯ウエハ外周点の測定値を用いて偏芯量ｄを算出する。
【００４５】
ウエハの引き渡し位置への移動距離は、回転軸線Ｂとウエハの中心点Ｏとのズレである偏芯量ｄから求める。ＸＹ座標系上の位置として、回転軸線Ｂの座標を（Ｘb ，Ｙb ）とし、ウエハの中心点Ｏの座標を（Ｘ0 ，Ｙ0 ）としたとき、偏芯量ｄは次のように表される。
ΔＸ＝Ｘb −Ｘ0 ＝d sin(θ−α）‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（３）
ΔＹ＝Ｙb −Ｙ0 ＝d cos(θ−α）‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（４）
と表される。ウエハ搬送装置４０への引き渡しの際、ウエハ位置決め装置１がウエハの中心点を移動させる距離は、上記式（３）、式（４）の通りである。実動作としては、引き渡しのためにウエハ中心点の座標位置（Ｘ0 ，Ｙ0 ）をラインセンサの正面に位置調整するために、回転軸線Ｂは座標（Ｘb ，Ｙb ）に移動される。
Ｘb ＝Ｘ0 −d sin(θ−α）
Ｙb ＝Ｙ0 −d cos(θ−α）
【００４６】
次に、ラインセンサ４から得られた測定値情報群に基づき、オリフラあるいはノッチの位置を算出するための方法を、図８の切り欠き部のない円盤２１ｂを参考に説明する。回転軸線Ｂから外周縁Ａまでの理論距離をＬt とすると幾何学的に、
Ｌt ＝ｄcos ρ＋（ｒ2 −ｄ2 sin 2 ρ）1/2
となる。この理論式を図示したのが図９である。
【００４７】
実際のウエハのＬ（測定値）は切り欠き部２１ａで理論値と異なるので、Ｌt≠Ｌとなる点を、ラインセンサ４で検出した情報群より選び出す。その点の存在範囲の始点と終点が、図６の切り欠き部の端点Ｈ，Ｉとして認識され、それらの角度をβ1 、β2 とする。すなわち、始点ではΔＬ1 ＝Ｌt −Ｌが０から正に変わった時の０での角度β1 を求め、終点ではΔＬ2 ＝Ｌt −Ｌが正から０に変わった時の０での角度β2 を求める。
【００４８】
切り欠き部両端でρ＝β1 −αまたはρ＝β2 −αであるから、式（６）、式（７）が導かれる。
次に、オリフラ、ノッチ等の切り欠き部の正しい中心方向を理論的に導く。上記制御装置は、オリフラ、ノッチ等の切り欠き部分の始点と終点が、回転前の基準線からβ1 ，β2 だけ回転した位置にあると認識していることと、回転軸線Ｂとウエハの中心点Ｏ間とのズレの偏芯量ｄとを考慮する。指定されたウエハのオリフラ方向角度γは、図６のＯＦ’（二点鎖線）方向で、回転軸線Ｂからみるとそれに平行なＢＦの方向となる。その角度算出方法について図６およびその拡大図である図７を参照して説明する。すなわち、直線Ｆは指定されたオリフラ方向まで回転軸線Ｂを中心にウエハが回転したとき、回転軸線Ｂからみてラインセンサ４がある方向である。
【００５０】
図７に示すように、γはウエハの中心点Ｏとオリフラの中点Ｃとを通る直線と直線Ｆとがなす角度で、前述のようにあらかじめ指定された既知の角度である。また、βはウエハの中心点Ｏとオリフラの中点Ｃとを通る直線が、回転軸線Ｂとウエハ中心点Ｏとを通る直線となす角度で、測定値に基づいて算出される。図６および図７中、
∠ＪＯＭ＝∠ＫＯＭ＝ε であることより、△ＯＪＫにおいてβは、
β＝ε＋δ1 ‐‐‐‐‐（１０）
δ2 ＝ε＋β ‐‐‐‐‐（１１）
式（１０）から式（１１）を引くと、
β＝（δ1 ＋δ2 ）／２ ‐‐‐‐‐（１２）
と表され、βはδ1,δ2 の平均値である。
【００５１】
また図７のδ1,δ2 は、図６における△ＢＨＪと△ＢＩＫより、
δ1 ＝β1 ＋φ1 ‐‐‐‐‐（１３）
δ2 ＝β2 ＋φ2 ‐‐‐‐‐（１４）
さらに△ＢＯＨにおいて、
φ1 は、sin φ1 ／ｄ＝sin(β1 ―α）／ｒ
△ＢＩＯにおいて、
φ2 は、sin φ2 ／ｄ＝sin(β2 ―α）／ｒより
φ1 ＝arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β1 ―α）｝ ‐‐‐‐‐（１５）
φ2 ＝arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β2 ―α）｝ ‐‐‐‐‐（１６）
【００５２】
これら式（１５）、式（１６）を、式（１３）、式（１４）にそれぞれ代入して、
δ1 ＝β1 ＋arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β1 ―α）｝ ‐‐‐‐‐（１７）
δ2 ＝β2 ＋arcsin｛（ｄ／ｒ）sin(β2 ―α）｝ ‐‐‐‐‐（１８）
式（１２）と式（１７）と式（１８）より
【００５３】
ここで、算出処理速度を短縮するため近似を行ってもよい。式（２）をテーラー展開すると、ｄ／ｒは微小であるから２次項以降を省略すれば、
【００５４】
以上で上記制御装置の一連のウエハ位置決め演算作業がウエハ回転中に終了となり、上記制御装置は、Ｘ，Ｙ軸移動機構２，３およびモ−タ８に命令信号を発信して、式（２）または式（５）により、スピンドル１６をθだけ回転させ、式（３）、式（４）によりスピンドル１６を移動させて回転軸線Ｂを座標（Ｘb ，Ｙb ）に移動させ、そこで移動および回転を停止させる。停止前の３つの動作は同時に行うのが好ましいが、任意の順番で行っても良い。
その後、上記制御装置は、吸着用真空を切り、ウエハはウエハ搬送装置４０のフィンガーに引き渡されウエハ処理装置３０や清浄容器２０等に搬送される。これによりウエハの中心点がウエハ搬送装置４０へのウエハ引き渡し位置に移動され、ウエハのオリフラやノッチの向きは指定された角度に向く。この一連の手順により極めて高速に、且つ、正確にウエハ位置決め動作を行い終了する。
【００５５】
かくして上記実施例の方法および装置によれば、円形ウエハの偏芯回転の理論式と、ウエハ外周縁部にあるオリフラやノッチの中心の理論的位置とを初めて導き、極めて正確に位置決めすることができた。また、一部理論式の代わりに近似式を用いても、誤差が非常に少なく、実用上全く問題がないことも解った。さらに、ウエハ回転中に、最大または最小どちらかの偏芯半径とその時の角度、オリフラやノッチの両端部の角度データのみを求めるので、ウエハ１回転未満で採取できる。例えば、図９の例のように最大値とオリフラとが１１０°程度で表れれば、１２０°回転でデータの採取は終わる。従って、回転中に演算し終わり、指定角度に回転させるのも１回転以内であるので、極めて短時間に位置決めできるようになった。もちろん位置決め動作中のウエハ持ち替えも不要である。これによりスピンドル回転開始から、従来の２分の１乃至３分の１である僅か１．５乃至１．７秒の位置決め時間を達成することができた。
【００５６】
以上、実施例に基づき説明したが、この発明は上記の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で適宜変更しうるものも含むことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のウエハ位置決め方法の一実施例を用いた、本発明のウエハ位置決め装置の一実施例を組込んだウエハ処理システムを示す一部切り欠き斜視図である。
【図２】 上記実施例のウエハ位置決め装置をカバ−を除いた状態で示す斜視図である。
【図３】 上記実施例のウエハ位置決め装置の平面図である。
【図４】 ラインセンサの配置が異なる、本発明のウエハ位置決め装置の他の一実施例の平面図である。
【図５】 （Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明のウエハ位置決め装置のさらに他の一実施例を示す平面図、正面図および側面図である。
【図６】 上記実施例のウエハ位置決め方法においてスピンドルの回転軸線に対するウエハ中心点の位置およびノッチやオリフラの向きを求める幾何学的方法を示す説明図である。
【図７】 図６の中心付近を拡大した説明図である。
【図８】 上記実施例のウエハ位置決め方法においてスピンドルの回転軸線に対するノッチやオリフラの向きを求める幾何学的方法を示す他の説明図である。
【図９】 オリフラを持つウエハ外周縁部の描く実測線と円盤の描く理論線とを示す偏芯半径と回転角度との関係線図である。
【図１０】 上記実施例のウエハ位置決め方法の手順を示すフローチャートである。
【図１１】 従来の装置でのウエハ位置決め方法を示す説明図である。
【図１２】 他の従来の装置でのウエハ位置決め方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ウエハ位置決め装置
２ Ｘ軸移動機構
３ Ｙ軸移動機構
４ ラインセンサ
５ 投光器
６ 受光器
７ ウエハ仮置き台
８ モータ
９ 昇降機構
１０ モータ
１１ ボールネジ軸
１２ ボールナット
１３ スライドガイド
１４ スライド軸受
１５ 上面プレート
１６ スピンドル
１７ 真空孔
１８ ブラケット
１９ 回転軸
２０ 清浄容器
２１ ウエハ
２１ａ ウエハのオリエンテーションフラット（オリフラ）
２１ｂ 円盤の外周縁
２２ 制御装置を収容したベ−ス
３０ ウエハ処理装置
３１ ウエハ仮置き台
４０ ウエハ搬送装置
５０ ウエハ処理システム
Claims (6)
- ラインセンサと、ウエハを乗せ得るウエハ座と、そのウエハ座を２次元または３次元方向に移動させ得るとともに所定の回転軸線周りに回転させ得るウエハ座駆動手段と、演算手段と、を備えるウエハ位置決め装置が、前記ウエハ座駆動手段での前記ウエハ座の回転角度とそのウエハ座に乗せられた円形のウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づく前記演算手段でのウエハの中心点位置および切り欠き部角度の算出工程を経て、ウエハの中心点を前記ウエハ位置決め装置に対する所定位置に移動させるとともにそのウエハの切り欠き部を前記ウエハ位置決め装置に対する所定方向に向かせてウエハの位置決めを行うに際し、
前記ウエハ座駆動手段が、前記ラインセンサの中心部を通ってその延在方向に延在する直線上に前記ウエハ座の回転軸線を位置させて、前記ウエハを乗せた前記ウエハ座をその回転軸線周りに回転させ、
前記演算手段が、前記ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられた前記ウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づき、前記ウエハの切り欠き部位置および、前記ウエハの最大偏芯半径もしくはその最大偏芯半径が前記切り欠き部位置にある場合は最小偏芯半径、または前記ウエハの最小偏芯半径もしくはその最小偏芯半径が前記切り欠き部位置にある場合は最大偏芯半径を求め、その求めた最大偏芯半径または最小偏芯半径と、その最大偏芯半径または最小偏芯半径が求まったときのウエハ座の回転角度とから、前記ウエハの中心点が前記所定位置に位置してそのウエハの切り欠き部が前記所定方向に向く時の前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度を幾何学的に算出し、
前記ウエハ座駆動手段が、前記ウエハを持ち替えることなく、前記算出した回転軸線位置および回転角度に前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度が一致するように前記ウエハ座を移動および回転させて停止させるウエハ位置決め方法であって、
前記演算手段が、前記ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられた前記ウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づいてα、β 1 、β 2 およびＬ m を求め、以下の式（１）からｄを、以下の式（２）からθを、以下の式（３）からΔＸを、以下の式（４）からΔＹを、それぞれ算出することを特徴とする、ウエハ位置決め方法。
ｄ＝Ｌ m −ｒ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（１）
θ＝γ＋〔β 1 ＋β 2 ＋ arcsin ｛（ｄ／ｒ） sin( β 1 −α ) ｝
＋ arcsin ｛（ｄ／ｒ） sin( β 2 −α ) ｝〕／２‐‐‐‐‐‐‐‐（２）
ΔＸ＝ d sin( θ−α ) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（３）
ΔＹ＝ d cos( θ−α ) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（４）
但し、
Ｌ m ：ウエハの最大偏芯半径または最小偏芯半径、
ｄ：偏芯中心（ウエハ座回転軸線）とウエハ中心点とのずれ距離、
ｒ：ウエハの半径（既知数）
θ：ウエハの初期基準位置から切り欠き部を所定方向に向けて止めるためのウエハ座の回転角度、
α：偏芯中心周りのウエハの初期基準位置から最初に偏芯半径が最大または最小となるまでの角度、
β 1 ：偏芯中心周りのウエハの初期基準位置から切り欠き部初端までの角度、
β 2 ：偏芯中心周りのウエハの初期基準位置から切り欠き部終端までの角度、
γ：ウエハ中心点周りの、所定方向に向いた切り欠き部とセンサ方向とのなすべき角度（指定値）、
ΔＸ：Ｘ軸方向移動距離、
ΔＹ：Ｙ軸方向移動距離、
である。 - 前記演算手段が、前記回転角度θを求めるために前記式（２）に代えて以下の近似式（５）を用いることを特徴とする、請求項１記載のウエハ位置決め方法。
θ≒γ＋〔β1 ＋β2 ＋（ｄ／ｒ）｛sin(β1 −α)＋sin(β2 −α)｝〕／２
‐‐‐‐‐（５）
但し、記号は請求項１におけると同じである。 - 前記演算手段が、前記ウエハの切り欠き部位置を求めるために、
以下の式（６）で、偏芯中心周りにウエハの初期基準位置から回転した角度の微小変位角に対してΔＬ1 が０から正になった０での角度β1 を求め、
以下の式（７）で、偏芯中心周りにウエハの初期基準位置から回転した角度の微小変位角に対してΔＬ2 が正から０になった０での角度β2 を求めることを特徴とする、請求項１または２記載のウエハ位置決め方法。
ΔＬ1 ＝〔ｄcos(β1 −α)＋｛ｒ2 −ｄ2 sin2（β1 −α）｝1/2 〕−Ｌ
‐‐‐‐‐（６）
ΔＬ2 ＝〔ｄcos(β2 −α)＋｛ｒ2 −ｄ2 sin2（β2 −α）｝1/2 〕−Ｌ
‐‐‐‐‐（７）
但し、Ｌ：偏芯半径（測定値）であり、その他の記号は請求項１におけると同じである。 - ラインセンサと、ウエハを乗せ得るウエハ座と、そのウエハ座を２次元または３次元方向に移動させ得るとともに所定の回転軸線周りに回転させ得るウエハ座駆動手段と、演算手段と、を備え、
前記ウエハ座駆動手段での前記ウエハ座の回転角度とそのウエハ座に乗せられた円形のウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づく前記演算手段でのウエハの中心点位置および切り欠き部角度の算出工程を経て、ウエハの中心点を所定位置に移動させるとともにそのウエハの切り欠き部を所定方向に向かせてウエハの位置決めを行うウエハ位置決め装置において、
前記ウエハ座駆動手段が、前記ラインセンサの中心部を通ってその延在方向に延在する直線上に前記ウエハ座の回転軸線を位置させて、前記ウエハを乗せた前記ウエハ座をその回転軸線周りに回転させ、さらに、前記演算手段が算出する回転軸線位置および回転角度に前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度が一致するように前記ウエハ座を移動および回転させて停止させ、
前記演算手段が、前記ウエハ座の回転角度と、そのウエハ座に乗せられた前記ウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づき、前記ウエハの切り欠き部位置と、前記ウエハの最大偏芯半径または最小偏芯半径とを求め、その求めた結果から、前記ウエハの中心点が前記所定位置に位置してそのウエハの切り欠き部が前記所定方向に向く時の前記ウエハ座の回転軸線位置および回転角度を幾何学的に算出することを特徴とする、請求項１から３までの何れか記載のウエハ位置決め方法を用いたウエハ位置決め装置。 - ウエハ搬送用のアームおよびフィンガと、前記アームおよびフィンガの駆動手段とを備えることを特徴とする、請求項４記載のウエハ位置決め装置。
- ラインセンサと、ウエハを乗せ得るウエハ座と、そのウエハ座を２次元または３次元方向に移動させ得るとともに所定の回転軸線周りに回転させ得るウエハ座駆動手段と、演算手段と、を備え、前記ウエハ座駆動手段での前記ウエハ座の回転角度とそのウエハ座に乗せられた円形のウエハの外周縁の前記ラインセンサでの検出結果とに基づく前記演算手段でのウエハの中心点位置および切り欠き部角度の算出工程を経て、ウエハの中心点を所定位置に移動させるとともにそのウエハの切り欠き部を所定方向に向かせてウエハの位置決めを行うウエハ位置決め装置と、ウエハ搬送用のアームおよびフィンガと、前記アームおよびフィンガの駆動手段とを備え、請求項１から３までの何れか記載のウエハ位置決め方法を用いるウエハ処理システムにおいて、
前記ウエハ位置決め装置がウエハを受け取った位置から前記ウエハ座を上昇させてウエハの位置決めを行う場合は、前記アームおよびフィンガの駆動手段は、前記フィンガを、前記ウエハ座にウエハを引き渡した位置に待機させ、
前記ウエハ位置決め装置がウエハを受け取った位置に前記ウエハ座を維持してウエハの位置決めを行う場合は、前記アームおよびフィンガの駆動手段は、前記フィンガを、前記ウエハ座にウエハを引き渡した位置の下の位置に待機させるものであることを特徴とする、ウエハ処理システム。
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