JP4444486B2 - 半導体ウェハの周縁微小領域におけるマーク読取方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハの周縁面取り部に形成された微小マークの光学的な読取方法に関し、特にウェハキャリア内に収容された状態で複数枚の半導体ウェハのうち任意のウェハに対する前記微小マークの形成領域を効率的に検出して位置決めし、同マークの正確な光学的読取りを可能にする各種の微小マークの読取方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から半導体素子の製造装置におけるウェハの露光転写工程などにおいてウェハを所定の位置に位置決めするための位置決め装置が多数提案されてきており、近年では位置決め精度を更に高めると共に高速位置決めを達成すべく、例えば特開平４−２１２４３６号公報や特開平６−４５２２６号公報による提案が多数なされている。
【０００３】
ところで、これらの公報に開示されたウェハの位置決め装置をも含めて、従来のこの種の位置決め装置にあっては、すべからくウェハの周縁に形成されたオリエンテーションフラットやＶノッチ部のような基準マークの形成位置を検出するとともに、その検出位置と予め設定された位置決め設定位置とを合致させるようにウェハを三軸方向に補正移動させて位置決めをしている。
【０００４】
一方、ウェハの製造工程或いは半導体製造工程における多様な処理履歴やロット毎の履歴特性などの加工履歴情報を、ドットマークをウェハの例えばオリフラ部分の表面やウェハ裏面に形成して表示することにより行われている。更に近年では、本出願人が特願平１０−３３４００９号により先に提案したごとく、例えば上下寸法が０．０１〜５μｍ、最大幅が１〜１５μｍの極めて微小で且つ視認性にも優れた特異な形態を有するドットマークを形成することが可能となったがために、そのマーキング領域も一挙に拡大され、例えば半導体チップ単位に切断するための切断線領域であるスクライブラインや、ウェハ周縁の面取り部、果てはウェハ周縁に形成される位置決めのための基準マークである上記Ｖノッチの面取り部などの微小領域にマーキングがなされるようになってきている。
【０００５】
半導体ウェハＷの周縁の表裏面との境界領域とＶノッチの内面には、それぞれに面取りがなされている。これらの面取りは、図１に示すように、ウェハＷの周縁及びＶノッチ１の上下中央部分の垂直面領域１ａを挟んで、その上下の面取り領域１ｂ及び１ｃに形成される。前記Ｖノッチ１の中央奥底部１ｄと入口隅部１ｅとは、それぞれがアール部分を介して隣り合う側面に略Ｓ字状に連続している。
【０００６】
従って、上記Ｖノッチ１の上下面取り領域１ｂ，１ｃに形成される面取りも、ウェハＷの周面からアール部分を介して直線的に内側に入り込んだ後、再びアール部分を介して直線的に外側に切り出されて、アール部分を介して更にウェハＷの周面へと連続している。そのため、Ｖノッチ１の上下面取り領域１ｂ，１ｃは裁頭円錐面１ｂ’，１ｃ’を挟んで左右に平坦面１ｂ″，１ｃ″を有することになる。
【０００７】
因みに、前記中央奥底部１ｄの内面屈曲角度はほぼ９０°であり、同中央奥底部１ｄからウェハ周縁までの半径上の寸法は略１ｍｍ〜１．２ｍｍ程度である。また、前記上下の面取り領域１ｂ，１ｃの平坦面１ｂ″，１ｃ″は、中央奥底部１ｄの方向に略０．６ｍｍ、上下方向に略０．０８ｍｍの細長い微小な矩形状を呈しており、その面取り角度は２０°〜３０°の間である。
【０００８】
この平坦面１ｂ″，１ｃ″に本出願人による先の出願に係る特願平１０−３３４００９号に開示されたドットマーキング方法により、上下寸法が０．０１μｍ〜５μｍ、最大幅が１μｍ〜１５μｍで、中央部が前記上下の平坦面１ｂ″，１ｃ″に隆起する微小形態のドットマークが形成される。これらのドットマークによる各種情報のうち、横一直線に描かれる１２文字分に要する領域は、縦０．０４ｍｍ、横０．３２ｍｍの微小な平坦面領域となる。
【０００９】
しかして、かかる微小で視認性に優れ且つ特異な形態をもつ微小なドットマークは上記出願により初めて実現されたものである。従って、上述のごとくウェハの単にオリフラやＶノッチ部を位置決め用の基準マークとして検出するために開発された多様な技術を、Ｖノッチの面取り部平坦面にそのまま適用することはできず、ウェハの前記周縁面取り部やＶノッチ面取り部の極めて微小な平坦面にまで着眼する技術の開発がなされていないのも当然である。
【００１０】
ところで、例えば上記特開平６−４５２２６号公報にも開示されているように、従来の一般的な半導体ウェハの各種の処理にあたっては、ウェハキャリヤに収納されたウェハの裏面を個別に搬送アームに吸着支持させて前記キャリヤ内から搬出し、位置決め装置のターンテーブル上に受け渡し、同テーブル上に吸着固定して光学的な処理を行う、いわゆる枚葉処理が中心となっている。
【００１１】
一方、半導体素子の製造工程では高いクリーン度が要求されており、特にウェハに対してはその特性に影響をもたらすことから、ウェハの製造から半導体製造工場への搬入に到る間はいわずもがな、半導体素子の製造工程にあっても他部材との接触を極力回避して、ウェハの表面に微小な傷や埃がつくこと、或いはコンタミ等が発生しないように心掛けている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかして、マークの光学的読取りにあたって、半導体ウェハの位置決めには、投光器及び受光器をドットマークの読取装置の光学系とは別にＶノッチに近接して配さなければならない。しかるに、読取り面が微小領域に形成された極めて微小なマークを読み取ろうとする場合、これらの機器の配設空間も自ずと制限されることになる。こうした狭小な空間に設置される機器の点数は可能な限り少なくすることが望ましい。
【００１３】
一方、既述したごとき従来の半導体ウェハの一般的な位置決め操作にあっては、その位置決めを行うに際してウェハキャリヤに収納された複数枚のウェハのうちから、一枚のウェハを同キャリヤからロボットなどを使ってハンドリングにより抜き出し、位置決め装置まで搬送したのち、同位置決め装置に移載して吸着固定し、位置決めを実行するものである。しかも、この位置決め装置上における位置決め後には、同装置から各種のマーキング装置、検査装置、或いは露光装置などの各種半導体製造装置上に改めて搬送されて移載しなければならない。
【００１４】
このように、従来ではウェハをウェハキャリヤから抜き取り、次工程に移送するまでに数回のハンドリングが行われ、その度にウェハの裏面とはいえ搬送部材との接触を余儀なくされる。その結果、ウェハがウェハキャリヤ以外の機器類と接触することにより、ウェハ表面に不純物が付着しやすくなり、或いは傷付く機会が増え、コンタミを発生させる機会も多くなり、半導体素子製造工程の汚染による製品の歩留りが低下するばかりでなく、数回の搬送と装置へのセットの繰り返しにより時間が浪費され、半導体素子製造におけるウェハの品質を低下させると共に高速化を阻害する要因ともなっている。しかも、一般の製造設備に組み込めず、位置決め専用設備となるがため、その設置スペースをも必要とする。
【００１５】
本発明は、こうした状況を踏まえて開発されたものであり、マークの読取方法にあって、半導体ウェハの周辺から余分な機器を排除して専有空間を減少させると共に、半導体ウェハに対する他部材との接触の機会を減じ、簡易な構成をもって微小で局部的な平坦面領域を迅速に且つ正確に検出し得る微小領域における微小マークの光学的読取方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
本発明は、ウェハキャリアに収容された複数枚の半導体ウェハの周縁面取り部、特にＶノッチの面取り部に形成された各微小マークを、キャリアに収容した状態で順次光学的に読み取るために好適な微小マークの読取り方法にある。
【００１７】
請求項１に係る発明は、半導体ウェハの周縁部の各微小マーク形成領域を光学的に検出し、同領域に形成された微小マークを光学的に読み取る方法であって、半導体ウェハの周縁部にマーク読取り光学系を対峙させること、照明手段により前記半導体ウェハの周縁をマーク読取り時よりも高い照明強度をもって照明すること、前記半導体ウェハを、その中心軸線を中心に回転させること、回転する前記半導体ウェハの周縁の反射光を、前記マーク読取り光学系にて検出すること、その検出の間に、反射光の強度変化に基づき検出される一部の連続する高輝度領域をマーク形成領域であると判断すること、この判断時に、同ウェハの回転を停止させること、前記照明手段の照明強度を通常の読取り時の照明強度に切り換えること、及び前記マーク読取り光学系の焦点を前記高輝度領域の表面に合わせてマークを読み取ること、を含んでなることを特徴とする半導体ウェハの周縁微小領域におけるマーク読取方法にある。
【００１８】
本発明における特徴は、従来のごとく半導体ウェハのマーク形成領域の近傍に配するマーク形成領域を検出するための投受光器を配し、単一の読取り光学系と単一の照射手段とをマーク形成領域の近傍に配するようにしている。つまり、本発明では、マーク形成領域の照明には単一の照明手段を採用すると共に、単一のマーク読取り光学系に本来のマーク読取り機能と、前記照明手段及びマーク読取り光学系にマーク形成領域を検出するための投受光器としての機能をももたせて、半導体ウェハの周辺に配される機器の点数を少なくする。
【００１９】
本発明にあっては、マーク読取りに先立って、マーク読取りに使われる機器をもって半導体ウェハのマーク形成領域を予め検出する。これは、既述したごとくマーク形成領域が微小であることと、特にウェハキャリア内に収容される半導体ウェハは変位しやすく、ウェハキャリア内で正確に同一方向を向いて配されているという保障はなく、キャリア内に収容された状態で半導体ウェハの周縁領域に形成された微小形態のマークを読み取るためには、マークの読取りごとに改めて正確な位置決めをする必要があることとから、先ずは各半導体ウェハごとのマーク形成領域を検出して位置決めをする必要があるためである。
【００２０】
本発明者等による様々の実験の結果、マーク形成領域の検出にあたって、マーク読取り時の照明強度よりも高い照明強度をもってマークの非形成領域を照射すると、同マーク形成表面における反射光はマークの非形成領域における反射光と比較すると、マーク形成表面の全域にわたり極めて輝度が高くハレーション状態にある明るい画像が得られることを知った。この現象を利用すれば、どんなに微小なマーク形成領域であっても、その領域を簡単に検出することが可能となり、結果的に微小な形態をもつマーク、特にドット状のマークに対する読取り効率を向上させることができる。
【００２１】
なお、マーク形成領域の検出時における照明強度は、必ずしも一律ではなく、例えばマーク形成面における刻印深さやマーク密度などによって、最適な照明強度が選択される。この照明強度は、通常のマーク読取り時における照明強度の略３〜５倍である。
【００２２】
本発明では、例えばウェハキャリア内に収容されている複数枚の半導体ウェハのうち、マークを読み取ろうとするマーク形成領域を含むウェハの周縁面取り部に光軸を直交させて読取り光学系を対峙させる。投光器の光軸はウェハの周縁面取り部と読取り光学系の光軸との交差部に向けられる。ここで、照明電源を入れて、投光器により通常のマーク読取り時の照明強度よりも高い照明強度をもつ照射光を前記交差部に向けて投光する。次いで、ウェハキャリアをウェハの中心軸線を中心に回転させる。
【００２３】
このキャリアの回転時には、前記照明光の反射光は読取り光学系を介して、同光学系に接続された画像処理部に画像信号として入力される。ウェハの周縁面取り部のマーク形成領域から外れた平坦面領域では反射して読取り光学系により捕らえられる光量が少ないが、マーク形成領域の反射光は、その表面に形成されたマークの凹凸面で乱反射してハレーション状態となって高輝度で反射するようになり、その反射光が読取り光学系に入り、画像処理部に入力される画像信号も一気に増加する。このときのハレーション状態の画像は、マーク形成領域で連続して発生しており、この間、前記画像処理部の画像信号も平坦領域における反射光量による画像信号と比較すると大幅に増加する。
【００２４】
前記画像処理部では、ハレーション状態にあるときの入力信号の範囲内にある所定の値を基準値として設定すると共に、同基準値を越える入力信号の継続時間を設定しておき、その継続時間を入力信号の値が前記基準値を連続して越えるとき、その領域をマーク形成領域であると判断して、ウェハキャリアの回転を停止させる。ただ、単にマーク形成領域を検出するだけであれば、オペレータによる直接の観察によっても視認することは可能である。次いで、半導体ウェハのオーバランの分だけウェハキャリアを微速で逆転させ、前記継続時間帯のほぼ中央部で逆転を停止させて、ハレーション画像を画面上の中心位置へと移動させて位置決めを終了する。この位置決めもマニュアル操作で行うことができる。
【００２５】
なお、本発明にあっては、半導体ウェハのマーク読取りをウェハキャリアに収容した状態で順次行う場合に限らず、枚葉でマークの読取りを行ってもよい。
【００２６】
本発明にあっては、更に前記照明手段の照明強度を通常の読取り時の照明強度に切り換えること、及び前記マーク読取り光学系の焦点を前記高輝度領域の表面に合わせてマークを読み取るものである。
【００２７】
上述のごとく位置決めが終了すると、照明強度を通常のマーク読取り時の強度まで低下させると共に、マーク読取り光学系の焦点をマーク形成面に合わせる。この焦点の位置合わせがなされると、マーク形成面上に形成されたマーク画像がマーク読取り光学系により明瞭に捉えられ、同マーク読取り光学系に接続された画像処理部において同マークの読取り処理がなされる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面を参照しながら具体的に説明する。以下の説明では、ウェハキャリアに収容された複数枚の半導体ウェハを、同キャリアに収容したまま、各ウェハに形成されたマークを順次読み取る場合について説明するが、本発明は個々の半導体ウェハを、例えば回転テーブル上で回転させて、一枚ずつそのマークを読み取る、いわゆる枚葉読取りにも適用できる。
【００２９】
図１は半導体ウェハのマーク読取部であるＶノッチの一般的な形態を示す部分拡大図、図２は本発明に実施形態に適用されるウェハキャリヤの代表的な形状例を示す裏面側から見た斜視図、図４は本発明の代表的な実施形態であるウェハキャリアに収容された複数枚の半導体ウェハの外周面やＶノッチの面取り部の平坦面１ｂ″，１ｃ″に形成された微小形態をもつドット状のマークをウェハキャリアに収容した状態で順次読み取る方法を実施するための代表的なマーク読取装置の概略構成を示している。この実施形態にあって、前記読取装置により検出される平坦面領域を、前記ドットマークが形成されたＶノッチ１の上面取り部１ｂにおける極めて微小な領域である平坦面１ｂ″としている。
【００３０】
ここで、前記平坦面に形成されるドットマークは、既述したとおり上下寸法が０．０１μｍ〜５．００μｍ、最大幅が１μｍ〜１５μｍと極めて微小な寸法を有している。その代表的な形態は、マーク中央部が平坦面１ｂ″の表面から隆起した視認性に優れた形態である。このドットマーク形態としては、従来から広く知られた凹穴形状であってもよい。マーク中央部が隆起する形態の微小な前記ドットマークの形成方法は、本件発明者等により特願平１０−３３４００９号として先に提案されており、その詳細は同出願明細書に記載されているため、ここではそれらの説明は省略する。
【００３１】
しかして、図１に示すように、例えば上記ドットマークの読取りにあたっては、前記平坦面１ｂ″に対向してドットマーク読取装置の読取り光学系１０２ｂの入光部を接近させて設置する必要があり、本実施形態にあっては同平坦面１ｂ″に近接させて、傾斜する前記平坦面１ｂ″のマーキング領域を検出すると共に、そこに形成されたドットマークの読取りを行うには、読取り光学系を含めてドットマーク読取装置を可能な限り不動とすることが望ましい。そこで本実施形態では、ドットマーク読取装置を一旦設置したのちは大きく動かす必要がないように、被測定物でありマーク読取り形成領域をもつ半導体ウェハＷの方を動かすようにしている。
【００３２】
近年のウェハは径が２００ｍｍから３００ｍｍへと大型化してきており、こうした大型化に伴いウェハを収納する搬送容器であるウェハキャリヤの形態や剛性も大きく変化している。図２（ａ）は従来の２００ｍｍの径をもつウェハを収納するためのウェハキャリヤの代表的な形態を示しており、同図（ｂ）は同じく３００ｍｍの径をもつウェハを収容するためのウェハキャリヤの代表的な形態を示している。
【００３３】
図２（ａ）に示すウェハキャリヤ１０にあっては、ウェハＷの略半周縁部を嵌合支持する多数の支持溝１１ａをもつ第１及び第２の円弧状周壁１１，１２と、その周壁を挟んで表裏に配される平板状壁部１３，１４とからなり、一端にウェハＷの抜き差し口１５を有する容器からなり、前記各支持溝１１ａにはそれぞれに前記抜き差し口１５から挿入される半導体ウェハＷが嵌合して支持される。表裏に配される平板状壁部１３，１４のうち、裏面側に配される壁部１４の外面にはウェハキャリヤを正確に位置決めするための略Ｈ字状に突出するクロスバー１０ａが一体に形成されている。また、同図（ｂ）に示す３００ｍｍ用のウェハキャリヤ２０にあっても、その裏面側に配される平板状壁部１４の外面周縁部の３箇所に断面が略Ｍ字状の突出片からなるウェハキャリヤ位置決め部２１が一体に形成されている。
【００３４】
これらのウェハキャリヤ１０，２０は、内部に複数枚のウェハＷを収容した状態で半導体製造工程間を搬送し、或いは図示せぬ蓋体により上記抜き差し口１５を閉塞すると共に、同蓋体をもって内部に収容されたウェハの周縁の一部を弾性的に支持してウェハ製造工場から半導体製造工場へと輸送するときの搬送或いは輸送容器として使われる。ウェハキャリヤ１０，２０に収納されるウェハＷは、図３に示すように一部の周面が外部に露出した状態で上記各支持溝１１ａに嵌合支持されている。
【００３５】
このウェハキャリヤ１０，２０に収容されるウェハＷは、例えばシリコンウェハやガラス材からなるガラスウエハからなり、その周縁の一部には位置決め基準マークとなるオリフラやノッチが形成されている。従来のウェハに対する位置決めは、先ずロボット等のハンドリングによりウェハキャリヤ１０，２０から個々のウェハＷを抜き出し、ウェハ専用の位置決め装置まで搬送して、各ウェハＷごとに位置決めを行っている。
【００３６】
本実施形態にあっては、マーク読取り時のウェハＷの位置決めを、各ウェハＷをウェハキャリヤ１０，２０から抜き出すことをしないで、ウェハキャリヤ１０，２０に収納された状態で各ウェハＷの位置決めを行う。つまり、ウェハキャリヤ１０，２０に多段に収納された複数枚の各ウェハＷの外部露出面に向けて読取り装置を相対的に上下に移動させて、個々のウェハＷの位置決めを行いながら、順次マークの読取りを行う。
【００３７】
図４は、本実施例によるウェハ位置決め機能を備えたマーク読取り装置の典型的な例を示しており、同図によれば基台１００に回転テーブル１０１が設置されており、同回転テーブル１０１の上面には、上記ウェハキャリヤ１０，２０の平板状壁部に形成されたウェハキャリヤ位置決め用のクロスバー１０ａ或いはウェハキャリヤ位置決め部２１を嵌着する嵌着部１０１ａが形成されている。従って、ウェハキャリヤ１０，２０のクロスバー１０ａ或いはウェハキャリヤ位置決め部２１を回転テーブル１０１の前記嵌着部１０１ａに嵌着させて、前記回転テーブル１０１の上面にウェハキャリヤ１０，２０を載置すると、ウェハキャリヤ１０，２０が回転テーブル１０１の回転と共に回転する。
【００３８】
回転テーブル１０１の回転駆動機構は、例えば特開平４−２１２４３６号公報に記載され、従来から知られている一般的な機構を採用することができ、例えばその駆動源としてステッピングモータや各種のサーボモータを使って、コントローラ１０５により、その回転角度θを高精度に制御する。
【００３９】
一方、本実施形態にあっては、前記基台１００には前記回転テーブル１０１の他に、ウェハＷの周縁面取り部に形成された微小なドットマークを検出して読み取るマーク読取装置１０２を支持して上下に案内する支柱１０３が立設されている。前記マーク読取装置１０２は、例えばＶノッチの上面側の面取り部の平坦面１ｂ″に向けて斜めに微小スポット光を照射するための平行光束を発生する光照射器１０２ａと、前記平坦面１ｂ″に直交する光軸上に配されるマーク読取り光学系１０２ｂであるＣＣＤカメラとを一体に組合せて構成され、前記支柱１０３に沿って上下方向（ｚ軸方向）に制御移動可能なアーム１０４の先端に取り付けられている。前記支柱１０３は前記Ｖノッチの奥底部中心に向かう直線上（ｙ軸方向）を制御移動可能とされている。前記支柱１０３及び前記アーム１０４の駆動制御はコントローラ１０５により行われる。
【００４０】
前記マーク読取装置１０２は、高輝度ＬＥＤからなる光照射器１０２ａと通常のマーク読取り光学系１０２ｂであるＣＣＤカメラとから構成されると共に、図４及び図５に示すごとく、画像処理部１１１に接続され、ウェハ周縁に沿って光照射器１０２ａと共に相対的に移動させ、その移動時の画像処理部１１１に入力される画像信号の変化に基づき位置決め情報を演算する。
【００４１】
また、本実施形態では回転テーブル１０１を制御回転させると共に、上記支柱１０３に沿ってマーク読取装置１０２を上下に制御移動させると共に、マーク形成領域に向けてｙ軸方向に制御移動させているが、回転テーブル１０１を制御回転させると共にｙ軸方向に制御移動させることもでき、この場合には前記支柱１０３は不動とする。更には、マーク読取装置１０２を上記アーム１０４の軸中心回りに制御回動させることも可能である。
【００４２】
いずれにしても、本実施形態にとって重要な点は、ウェハキャリヤ１０，２０に多段に収納された各ウェハＷのウェハ抜き差し口１５から外部に露呈する部分に向けて、マーク読取装置１０２を相対的に移動させると共に、ウェハＷの周縁に沿って相対的に移動させ、次位のウェハＷの位置決めにあたってはウェハキャリヤ１０，２０とマーク読取装置１０２との上下方向（ｚ軸方向）の相対位置を変更して、マーク読取装置１０２のマーク読取り光学系１０２ｂを次位のウェハＷに向けることにより、ウェハキャリヤ１０，２０に収納された多数のウェハＷを、同キャリヤ１０，２０に収納されたままで順次位置決めして、マークを読み取る点にある。
【００４３】
上記光照射器１０２ａは高輝度ＬＥＤからなり、投入電流を変化させることにより、照射面の輝度が変化する。本発明にあって、前記マーク読取り光学系１０２ｂによる位置決めのためのマーク形成領域の検出とマークの読取りは、前記光照射器１０２ａに対する投入電流値を変えて照明強度を変化させることにより行われる。
【００４４】
すなわち、マーク形成領域の検出にあたっては、前記光照射器１０２ａの照明強度を、通常のマーク読取り時に必要な照明強度よりも高く設定して照射面に照射する。このときの照明強度は、一般的には通常のマーク読取り時の照明強度の略３〜５倍とすることが好ましいが、マーク形成領域におけるマークの形態、寸法などにより適正な照明強度が選択される。
【００４５】
図５は上記マーク読取装置１０２の全体的な制御ブロック図を示している。この実施形態では、前記回転テーブル１０１が左右（ｘ軸方向）、前後（ｙ軸方向）及び上下方向（ｚ軸方向）の３軸座標系に制御移動を可能とされており、更に前記ｚ軸回りの制御回転を可能としている。これらの制御動作は、画像処理部１１１に接続された主制御部１１０からの信号によりステージ制御部（コントローラ）１０５を経てモータドライバ部１１２を駆動することにより行われる。
【００４６】
前記ウェハキャリヤ１０，２０に収納された複数枚の半導体ウェハＷのうち任意の一枚のウェハＷの露呈周縁の一点に向けて照明手段である光照射器１０２ａとマーク読取り光学系であるＣＣＤカメラ（受像器）１０２ｂとが所定の位置関係をもって固定して配置されている。光照射器１０２ａの照明強度などは上記画像処理部１１１の照明制御部１１１ａからの信号に基づいて照明電源１１５を制御することにより行われる。また、前記ＣＣＤカメラ１０２ｂの焦点などは同じく画像処理部１１１の画像入力部１１１ｂからの信号を受けてカメラ制御部１１４ａにより制御される。
【００４７】
本実施例にあっては光の照射面であるＶノッチの読取り面に対してカメラ１０２ｂの光軸はほぼ垂直に向けられており、そのカメラ１０２ｂの光軸とＶノッチの読み取り面との交点に対して光照射器１０２ａは所望の対向角をもって斜め上方に配される。このカメラ１０２ｂと光照射器１０２ａとの配置関係は逆になってもよい。しかして、本発明にあっては光照射器１０２ａから発せられる光は、コヒーレント光よりも、自然光による照射と同様にインコヒーレント光による照射であることが好ましいが、勿論コヒーレント光によってもよい。本実施例による、カメラ１０２ｂによる受光は平行光による均一な方向性をもつ平行な反射光ではなく、照射面から乱反射される所定領域内の乱反射光束となる。
【００４８】
かかる照明と受光の関係は、光照射器１０２ａとカメラ１０２ｂとの配置に関して厳しい位置決め精度が要求されず、様々な配置を設定できるため有利であり、しかも半導体ウェハＷのＶノッチに形成されるドットマークが隆起形態をもつ場合には、ドットマークとその周辺の照射面とを比較したとき、カメラ１０２ｂで受光する乱反射光の殆どがドットマーク表面でなされたものとなり、これを例えば図示せぬ集束レンズを介して受光すれば、周辺との輝度差が大きくなり、ドットマークの認識が確実になされる。
【００４９】
本実施形態によれば、マーク形成領域の検出時に照射される光照射器１０２ａの投入電流値を２０ｍＡとしている。そのときのマーク形成面における輝度は８０００ｍｃｄ／ｍ2 であってハレーション状態となり、他のマーク非形成領域における輝度は一段と低くなる。一方、前記投入電流値にてマーク形成領域を照射して焦点を合わせたとしても、輝度が高すぎてマークを画像として捉えることができない。そこで、本発明にあっては、マークの読取り時には、上記光照射器１０２ａに対する投入電流値を通常の読取り時における電流値である５〜１０ｍＡに切り換える。
【００５０】
いま、前記マーク読取装置１０２をｚ軸及びｙ軸方向に相対的に移動させて、同装置１０２の光照射器１０２ａをウェハキャリア１０，２０に多段に収容された半導体ウェハＷのうち、マークを読み取ろうとする特定のウェハＷの周縁面取り部に対して斜めに照射光軸を合わせると共に、ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸をマーク形成領域の平坦面１ｂ″と直交するように位置合わせして対峙させる。
【００５１】
次いで、光照射器１０２ａに対する投入電流値を上述のごとく高くして、電源を入れて、前記ウェハＷの周円面取り部に向けて斜めに照明光を照射する。ここで、回転テーブル１０１を制御回転させて、ウェハキャリア１０，２０と共に内部に収容された半導体ウェハＷを相対回転させる。この回転の途中で、前記ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がマーク形成領域に入ると、図６の（ａ）に示すように、それまでの輝度の低い反射光がハレーション状態にある極めて輝度の高い反射光となって、その大きな値を示す画像信号が画像処理部１１１に入力される。前記ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がマーク形成領域に達しない間は、輝度の低い反射光がＣＣＤカメラ１０２ｂにより捉えられ、画像処理部１１１にも低い画像信号が入力される。前記ハレーション状態にある反射光は、マークが形成されている限り連続画像として画像処理部に入力され続ける。
【００５２】
図７は、このときのＣＣＤカメラ１０２ｂを介して画像処理部１１１に送られる画像信号のレベル変動を示している。同図において、（ａ）はＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がマーク形成領域にないときの画像信号のレベル変動状態を示しており、（ｂ）はＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がマーク形成領域にかかったときの画像信号のレベル変動状態を示している。
【００５３】
いま、回転テーブル１０１が回転すると、ウェハキャリヤ１０，２０に収容されたウェハＷも一緒に回転する。マーク形成領域であるＶノッチの上記面取り部分の平坦面が前記ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸の前面を通過する。面取り部分の奥底部中心以外の面は平坦面からなり、その平坦面に微小なマークが形成されている。前記中心位置では僅かなＲ（アール）を介して９０°に屈曲している。
【００５４】
ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がＶノッチの上記平坦面以外の領域に対向しているときは、図７（ａ）に示すように、画像処理部１１１に入力される画像信号は低い値で推移する。Ｖノッチの屈曲点である中心位置では僅かなＲ（アール）面であるため、光照射器１０２ａからの平行光は設定された反射角と異なる反射角をもって反射するため、ＣＣＤカメラ１０２ｂに達する光量が極端に減少し、画像信号の出力も比例して減少する。一方、ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がＶノッチの上記平坦面にあるマーク形成領域に達すると、同図（ｂ）に示すように、マーク形成領域に形成されたマークの凹凸により乱射光となり、ＣＣＤカメラ１０２ｂは高輝度の反射光を受けて、ハレーション状態にあるときの極めて大きな画像信号を画像処理部に出力する。
【００５５】
画像処理部１１１においては、入力される画像信号が予め設定された基準値ａを越えると共に、その基準値ａを越える入力画像信号が予め設定された基準時間帯ｔを継続して入力されているか否か図示せぬ判断部において判断する。すなわち、前記判断部において設定基準値ａを越える前記ハレーション状態にある極めて大きな画像信号が設定時間ｔ以上を連続して入力され続ける。ここで、前記判断部はその画像領域がマークの形成されている領域であると判断して、コントローラ１０５に回転テーブル１０１の回転を停止するように信号が送られ、ウェハキャリア１０，２０と共に内部に収容された半導体ウェハＷの回転も停止する。
【００５６】
しかるに、前記判断部がマーク形成領域であると判断して、コントローラ１０５を介してウェハキャリア１０，２０とマーク読取装置１０２との間の相対的な回転を停止させるとき、回転テーブル１０１、つまりウェハキャリア１０，２０が慣性によりオーバランする場合があり、或いは停止タイミングがずれて、前記マーク形成領域の中心がモニタの中心からずれる場合がある。こうしたときは、前記ウェハキャリア１０，２０とマーク読取装置１０２との間の相対的な回転速度を緩やかにして逆転させると共に、画像を上下に調整してモニタ中心へと移動させる。因みに、前記ハレーション状態にあるときの反射光の強度は、マーク非形成領域の反射光の強度の数倍（３倍以上）となっている。
【００５７】
こうして、ウェハキャリヤ１０，２０に収納された複数枚のウェハＷのうちの一枚について、その位置決めがなされると、主制御部１１０から光照射器１０２ａに対して照明強度切換え信号が出力されて、光照射器１０２ａに対する投入電流が、通常のマーク読取り時における電流値である５〜１０ｍＡまで下げられ、前記マーク形成領域を低い照明強度をもって照明する。ここで、ＣＣＤカメラ１０２ｂの焦点がマーク形成面に合わせられると、同形成面上のマークが鮮明な画像となってＣＣＤカメラ１０２ｂに捉えられ、その画像信号が画像処理部１１１に入力処理されて、そのデータが主制御部１１０に記憶されると共に、モニター上には図６の（ｂ）に示すようなマーク画像が鮮明に表示される。
【００５８】
前記ウェハＷのマーク読取りが終了すると、コントローラ１０５を介して、次回のウェハＷの検出のための信号が、ｙ軸方向、ｚ軸方向及びテーブル回転用の各制御駆動モータに送られ、各制御駆動モータを駆動して、マーク読取り装置１０２を次位のウェハＷに向けて、上述の検出・位置決め操作及びマークの読取りを行い、これをウェハキャリヤ１０，２０に収納された複数枚のウェハＷについて、それぞれ順次繰り返して、ウェハキャリヤ１０，２０ごとの各ウェハＷの位置決め及びマークの読取りデータを逐次主制御部１１０に記憶させる。
【００５９】
ウェハキャリヤ１０，２０に収納された全てのウェハＷの位置決めデータが主制御部１１０に記憶されたのち、同ウェハキャリヤ１０，２０は例えば半導体製造工程のうちの露光工程に搬送される。同露光工程ではロボットにより前記ウェハキャリヤ１０，２０からウェハＷを順次抜き取り露光装置上の露光位置に移載する。このとき、主制御部１１０からはウェハＷごとの上記位置決めデータがロボットに送られ、必要な補正を行いながら各ウェハＷを露光装置にセットする。
【００６０】
以上は、本発明の典型的な実施形態について述べたものであるが、本発明は、当然に上記請求項に記載した範囲において多様な変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の読取装置による半導体ウェハのマーク読取領域を示す部分拡大図である。
【図２】ウェハキャリヤの典型的な形態例を示す立体図である。
【図３】ウェハが収納されたウェハキャリヤを示す立体図である。
【図４】本発明のマーク読取方法を実施するための代表的な読取装置の代表的な構成例を示す概略斜視図である。
【図５】前記マーク読み取り装置における信号処理系の概略構成を示すブロック図である。
【図６】本発明方法により検出されるマーク形成領域とその周辺の画像を概略で示す説明図である。
【図７】前記画像の輝度変化に基づく画像処理部における画像信号の対応変動図である。
【符号の説明】
１ Ｖノッチ
１ａ 垂直面領域
１ｂ，１ｃ 上下面取り領域
１ｂ’，１ｃ’ 裁頭円錐面
１ｂ″，１ｃ″ 平坦面
１ｄ 中央奥底部
１ｅ 入口隅部
１０ ウェハキャリヤ
１０ａ クロスバー
１１ 第１円弧状周壁
１１ａ 支持溝
１２ 第２円弧状周壁
１３，１４ 平板状壁部
１５ 抜き差し口
２０ ウェハキャリヤ
２１ ウェハキャリヤ位置決め部
１００ 基台
１０１ 回転テーブル
１０２ マーク読取装置
１０２ａ 光照射器
１０２ｂ ＣＣＤカメラ（マーク読取り光学系）
１０３ 支柱
１０４ アーム
１０５ コントローラ（ステージ制御部）
１１０ 主制御部
１１１ 画像処理部
１１１ａ 照明制御部
１１１ｂ 画像入力部
１１２ モータドライバ部
１１４ａ カメラ制御部
１１５ 照明電源
Ｗ （半導体）ウェハ
ａ 基準電流値
ｔ 連続画像の基準時間
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハの周縁面取り部に形成された微小マークの光学的な読取方法に関し、特にウェハキャリア内に収容された状態で複数枚の半導体ウェハのうち任意のウェハに対する前記微小マークの形成領域を効率的に検出して位置決めし、同マークの正確な光学的読取りを可能にする各種の微小マークの読取方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から半導体素子の製造装置におけるウェハの露光転写工程などにおいてウェハを所定の位置に位置決めするための位置決め装置が多数提案されてきており、近年では位置決め精度を更に高めると共に高速位置決めを達成すべく、例えば特開平４−２１２４３６号公報や特開平６−４５２２６号公報による提案が多数なされている。
【０００３】
ところで、これらの公報に開示されたウェハの位置決め装置をも含めて、従来のこの種の位置決め装置にあっては、すべからくウェハの周縁に形成されたオリエンテーションフラットやＶノッチ部のような基準マークの形成位置を検出するとともに、その検出位置と予め設定された位置決め設定位置とを合致させるようにウェハを三軸方向に補正移動させて位置決めをしている。
【０００４】
一方、ウェハの製造工程或いは半導体製造工程における多様な処理履歴やロット毎の履歴特性などの加工履歴情報を、ドットマークをウェハの例えばオリフラ部分の表面やウェハ裏面に形成して表示することにより行われている。更に近年では、本出願人が特願平１０−３３４００９号により先に提案したごとく、例えば上下寸法が０．０１〜５μｍ、最大幅が１〜１５μｍの極めて微小で且つ視認性にも優れた特異な形態を有するドットマークを形成することが可能となったがために、そのマーキング領域も一挙に拡大され、例えば半導体チップ単位に切断するための切断線領域であるスクライブラインや、ウェハ周縁の面取り部、果てはウェハ周縁に形成される位置決めのための基準マークである上記Ｖノッチの面取り部などの微小領域にマーキングがなされるようになってきている。
【０００５】
半導体ウェハＷの周縁の表裏面との境界領域とＶノッチの内面には、それぞれに面取りがなされている。これらの面取りは、図１に示すように、ウェハＷの周縁及びＶノッチ１の上下中央部分の垂直面領域１ａを挟んで、その上下の面取り領域１ｂ及び１ｃに形成される。前記Ｖノッチ１の中央奥底部１ｄと入口隅部１ｅとは、それぞれがアール部分を介して隣り合う側面に略Ｓ字状に連続している。
【０００６】
従って、上記Ｖノッチ１の上下面取り領域１ｂ，１ｃに形成される面取りも、ウェハＷの周面からアール部分を介して直線的に内側に入り込んだ後、再びアール部分を介して直線的に外側に切り出されて、アール部分を介して更にウェハＷの周面へと連続している。そのため、Ｖノッチ１の上下面取り領域１ｂ，１ｃは裁頭円錐面１ｂ’，１ｃ’を挟んで左右に平坦面１ｂ″，１ｃ″を有することになる。
【０００７】
因みに、前記中央奥底部１ｄの内面屈曲角度はほぼ９０°であり、同中央奥底部１ｄからウェハ周縁までの半径上の寸法は略１ｍｍ〜１．２ｍｍ程度である。また、前記上下の面取り領域１ｂ，１ｃの平坦面１ｂ″，１ｃ″は、中央奥底部１ｄの方向に略０．６ｍｍ、上下方向に略０．０８ｍｍの細長い微小な矩形状を呈しており、その面取り角度は２０°〜３０°の間である。
【０００８】
この平坦面１ｂ″，１ｃ″に本出願人による先の出願に係る特願平１０−３３４００９号に開示されたドットマーキング方法により、上下寸法が０．０１μｍ〜５μｍ、最大幅が１μｍ〜１５μｍで、中央部が前記上下の平坦面１ｂ″，１ｃ″に隆起する微小形態のドットマークが形成される。これらのドットマークによる各種情報のうち、横一直線に描かれる１２文字分に要する領域は、縦０．０４ｍｍ、横０．３２ｍｍの微小な平坦面領域となる。
【０００９】
しかして、かかる微小で視認性に優れ且つ特異な形態をもつ微小なドットマークは上記出願により初めて実現されたものである。従って、上述のごとくウェハの単にオリフラやＶノッチ部を位置決め用の基準マークとして検出するために開発された多様な技術を、Ｖノッチの面取り部平坦面にそのまま適用することはできず、ウェハの前記周縁面取り部やＶノッチ面取り部の極めて微小な平坦面にまで着眼する技術の開発がなされていないのも当然である。
【００１０】
ところで、例えば上記特開平６−４５２２６号公報にも開示されているように、従来の一般的な半導体ウェハの各種の処理にあたっては、ウェハキャリヤに収納されたウェハの裏面を個別に搬送アームに吸着支持させて前記キャリヤ内から搬出し、位置決め装置のターンテーブル上に受け渡し、同テーブル上に吸着固定して光学的な処理を行う、いわゆる枚葉処理が中心となっている。
【００１１】
一方、半導体素子の製造工程では高いクリーン度が要求されており、特にウェハに対してはその特性に影響をもたらすことから、ウェハの製造から半導体製造工場への搬入に到る間はいわずもがな、半導体素子の製造工程にあっても他部材との接触を極力回避して、ウェハの表面に微小な傷や埃がつくこと、或いはコンタミ等が発生しないように心掛けている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかして、マークの光学的読取りにあたって、半導体ウェハの位置決めには、投光器及び受光器をドットマークの読取装置の光学系とは別にＶノッチに近接して配さなければならない。しかるに、読取り面が微小領域に形成された極めて微小なマークを読み取ろうとする場合、これらの機器の配設空間も自ずと制限されることになる。こうした狭小な空間に設置される機器の点数は可能な限り少なくすることが望ましい。
【００１３】
一方、既述したごとき従来の半導体ウェハの一般的な位置決め操作にあっては、その位置決めを行うに際してウェハキャリヤに収納された複数枚のウェハのうちから、一枚のウェハを同キャリヤからロボットなどを使ってハンドリングにより抜き出し、位置決め装置まで搬送したのち、同位置決め装置に移載して吸着固定し、位置決めを実行するものである。しかも、この位置決め装置上における位置決め後には、同装置から各種のマーキング装置、検査装置、或いは露光装置などの各種半導体製造装置上に改めて搬送されて移載しなければならない。
【００１４】
このように、従来ではウェハをウェハキャリヤから抜き取り、次工程に移送するまでに数回のハンドリングが行われ、その度にウェハの裏面とはいえ搬送部材との接触を余儀なくされる。その結果、ウェハがウェハキャリヤ以外の機器類と接触することにより、ウェハ表面に不純物が付着しやすくなり、或いは傷付く機会が増え、コンタミを発生させる機会も多くなり、半導体素子製造工程の汚染による製品の歩留りが低下するばかりでなく、数回の搬送と装置へのセットの繰り返しにより時間が浪費され、半導体素子製造におけるウェハの品質を低下させると共に高速化を阻害する要因ともなっている。しかも、一般の製造設備に組み込めず、位置決め専用設備となるがため、その設置スペースをも必要とする。
【００１５】
本発明は、こうした状況を踏まえて開発されたものであり、マークの読取方法にあって、半導体ウェハの周辺から余分な機器を排除して専有空間を減少させると共に、半導体ウェハに対する他部材との接触の機会を減じ、簡易な構成をもって微小で局部的な平坦面領域を迅速に且つ正確に検出し得る微小領域における微小マークの光学的読取方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
本発明は、ウェハキャリアに収容された複数枚の半導体ウェハの周縁面取り部、特にＶノッチの面取り部に形成された各微小マークを、キャリアに収容した状態で順次光学的に読み取るために好適な微小マークの読取り方法にある。
【００１７】
請求項１に係る発明は、半導体ウェハの周縁部の各微小マーク形成領域を光学的に検出し、同領域に形成された微小マークを光学的に読み取る方法であって、半導体ウェハの周縁部にマーク読取り光学系を対峙させること、照明手段により前記半導体ウェハの周縁をマーク読取り時よりも高い照明強度をもって照明すること、前記半導体ウェハを、その中心軸線を中心に回転させること、回転する前記半導体ウェハの周縁の反射光を、前記マーク読取り光学系にて検出すること、その検出の間に、反射光の強度変化に基づき検出される一部の連続する高輝度領域をマーク形成領域であると判断すること、この判断時に、同ウェハの回転を停止させること、前記照明手段の照明強度を通常の読取り時の照明強度に切り換えること、及び前記マーク読取り光学系の焦点を前記高輝度領域の表面に合わせてマークを読み取ること、を含んでなることを特徴とする半導体ウェハの周縁微小領域におけるマーク読取方法にある。
【００１８】
本発明における特徴は、従来のごとく半導体ウェハのマーク形成領域の近傍に配するマーク形成領域を検出するための投受光器を配し、単一の読取り光学系と単一の照射手段とをマーク形成領域の近傍に配するようにしている。つまり、本発明では、マーク形成領域の照明には単一の照明手段を採用すると共に、単一のマーク読取り光学系に本来のマーク読取り機能と、前記照明手段及びマーク読取り光学系にマーク形成領域を検出するための投受光器としての機能をももたせて、半導体ウェハの周辺に配される機器の点数を少なくする。
【００１９】
本発明にあっては、マーク読取りに先立って、マーク読取りに使われる機器をもって半導体ウェハのマーク形成領域を予め検出する。これは、既述したごとくマーク形成領域が微小であることと、特にウェハキャリア内に収容される半導体ウェハは変位しやすく、ウェハキャリア内で正確に同一方向を向いて配されているという保障はなく、キャリア内に収容された状態で半導体ウェハの周縁領域に形成された微小形態のマークを読み取るためには、マークの読取りごとに改めて正確な位置決めをする必要があることとから、先ずは各半導体ウェハごとのマーク形成領域を検出して位置決めをする必要があるためである。
【００２０】
本発明者等による様々の実験の結果、マーク形成領域の検出にあたって、マーク読取り時の照明強度よりも高い照明強度をもってマークの非形成領域を照射すると、同マーク形成表面における反射光はマークの非形成領域における反射光と比較すると、マーク形成表面の全域にわたり極めて輝度が高くハレーション状態にある明るい画像が得られることを知った。この現象を利用すれば、どんなに微小なマーク形成領域であっても、その領域を簡単に検出することが可能となり、結果的に微小な形態をもつマーク、特にドット状のマークに対する読取り効率を向上させることができる。
【００２１】
なお、マーク形成領域の検出時における照明強度は、必ずしも一律ではなく、例えばマーク形成面における刻印深さやマーク密度などによって、最適な照明強度が選択される。この照明強度は、通常のマーク読取り時における照明強度の略３〜５倍である。
【００２２】
本発明では、例えばウェハキャリア内に収容されている複数枚の半導体ウェハのうち、マークを読み取ろうとするマーク形成領域を含むウェハの周縁面取り部に光軸を直交させて読取り光学系を対峙させる。投光器の光軸はウェハの周縁面取り部と読取り光学系の光軸との交差部に向けられる。ここで、照明電源を入れて、投光器により通常のマーク読取り時の照明強度よりも高い照明強度をもつ照射光を前記交差部に向けて投光する。次いで、ウェハキャリアをウェハの中心軸線を中心に回転させる。
【００２３】
このキャリアの回転時には、前記照明光の反射光は読取り光学系を介して、同光学系に接続された画像処理部に画像信号として入力される。ウェハの周縁面取り部のマーク形成領域から外れた平坦面領域では反射して読取り光学系により捕らえられる光量が少ないが、マーク形成領域の反射光は、その表面に形成されたマークの凹凸面で乱反射してハレーション状態となって高輝度で反射するようになり、その反射光が読取り光学系に入り、画像処理部に入力される画像信号も一気に増加する。このときのハレーション状態の画像は、マーク形成領域で連続して発生しており、この間、前記画像処理部の画像信号も平坦領域における反射光量による画像信号と比較すると大幅に増加する。
【００２４】
前記画像処理部では、ハレーション状態にあるときの入力信号の範囲内にある所定の値を基準値として設定すると共に、同基準値を越える入力信号の継続時間を設定しておき、その継続時間を入力信号の値が前記基準値を連続して越えるとき、その領域をマーク形成領域であると判断して、ウェハキャリアの回転を停止させる。ただ、単にマーク形成領域を検出するだけであれば、オペレータによる直接の観察によっても視認することは可能である。次いで、半導体ウェハのオーバランの分だけウェハキャリアを微速で逆転させ、前記継続時間帯のほぼ中央部で逆転を停止させて、ハレーション画像を画面上の中心位置へと移動させて位置決めを終了する。この位置決めもマニュアル操作で行うことができる。
【００２５】
なお、本発明にあっては、半導体ウェハのマーク読取りをウェハキャリアに収容した状態で順次行う場合に限らず、枚葉でマークの読取りを行ってもよい。
【００２６】
本発明にあっては、更に前記照明手段の照明強度を通常の読取り時の照明強度に切り換えること、及び前記マーク読取り光学系の焦点を前記高輝度領域の表面に合わせてマークを読み取るものである。
【００２７】
上述のごとく位置決めが終了すると、照明強度を通常のマーク読取り時の強度まで低下させると共に、マーク読取り光学系の焦点をマーク形成面に合わせる。この焦点の位置合わせがなされると、マーク形成面上に形成されたマーク画像がマーク読取り光学系により明瞭に捉えられ、同マーク読取り光学系に接続された画像処理部において同マークの読取り処理がなされる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面を参照しながら具体的に説明する。以下の説明では、ウェハキャリアに収容された複数枚の半導体ウェハを、同キャリアに収容したまま、各ウェハに形成されたマークを順次読み取る場合について説明するが、本発明は個々の半導体ウェハを、例えば回転テーブル上で回転させて、一枚ずつそのマークを読み取る、いわゆる枚葉読取りにも適用できる。
【００２９】
図１は半導体ウェハのマーク読取部であるＶノッチの一般的な形態を示す部分拡大図、図２は本発明に実施形態に適用されるウェハキャリヤの代表的な形状例を示す裏面側から見た斜視図、図４は本発明の代表的な実施形態であるウェハキャリアに収容された複数枚の半導体ウェハの外周面やＶノッチの面取り部の平坦面１ｂ″，１ｃ″に形成された微小形態をもつドット状のマークをウェハキャリアに収容した状態で順次読み取る方法を実施するための代表的なマーク読取装置の概略構成を示している。この実施形態にあって、前記読取装置により検出される平坦面領域を、前記ドットマークが形成されたＶノッチ１の上面取り部１ｂにおける極めて微小な領域である平坦面１ｂ″としている。
【００３０】
ここで、前記平坦面に形成されるドットマークは、既述したとおり上下寸法が０．０１μｍ〜５．００μｍ、最大幅が１μｍ〜１５μｍと極めて微小な寸法を有している。その代表的な形態は、マーク中央部が平坦面１ｂ″の表面から隆起した視認性に優れた形態である。このドットマーク形態としては、従来から広く知られた凹穴形状であってもよい。マーク中央部が隆起する形態の微小な前記ドットマークの形成方法は、本件発明者等により特願平１０−３３４００９号として先に提案されており、その詳細は同出願明細書に記載されているため、ここではそれらの説明は省略する。
【００３１】
しかして、図１に示すように、例えば上記ドットマークの読取りにあたっては、前記平坦面１ｂ″に対向してドットマーク読取装置の読取り光学系１０２ｂの入光部を接近させて設置する必要があり、本実施形態にあっては同平坦面１ｂ″に近接させて、傾斜する前記平坦面１ｂ″のマーキング領域を検出すると共に、そこに形成されたドットマークの読取りを行うには、読取り光学系を含めてドットマーク読取装置を可能な限り不動とすることが望ましい。そこで本実施形態では、ドットマーク読取装置を一旦設置したのちは大きく動かす必要がないように、被測定物でありマーク読取り形成領域をもつ半導体ウェハＷの方を動かすようにしている。
【００３２】
近年のウェハは径が２００ｍｍから３００ｍｍへと大型化してきており、こうした大型化に伴いウェハを収納する搬送容器であるウェハキャリヤの形態や剛性も大きく変化している。図２（ａ）は従来の２００ｍｍの径をもつウェハを収納するためのウェハキャリヤの代表的な形態を示しており、同図（ｂ）は同じく３００ｍｍの径をもつウェハを収容するためのウェハキャリヤの代表的な形態を示している。
【００３３】
図２（ａ）に示すウェハキャリヤ１０にあっては、ウェハＷの略半周縁部を嵌合支持する多数の支持溝１１ａをもつ第１及び第２の円弧状周壁１１，１２と、その周壁を挟んで表裏に配される平板状壁部１３，１４とからなり、一端にウェハＷの抜き差し口１５を有する容器からなり、前記各支持溝１１ａにはそれぞれに前記抜き差し口１５から挿入される半導体ウェハＷが嵌合して支持される。表裏に配される平板状壁部１３，１４のうち、裏面側に配される壁部１４の外面にはウェハキャリヤを正確に位置決めするための略Ｈ字状に突出するクロスバー１０ａが一体に形成されている。また、同図（ｂ）に示す３００ｍｍ用のウェハキャリヤ２０にあっても、その裏面側に配される平板状壁部１４の外面周縁部の３箇所に断面が略Ｍ字状の突出片からなるウェハキャリヤ位置決め部２１が一体に形成されている。
【００３４】
これらのウェハキャリヤ１０，２０は、内部に複数枚のウェハＷを収容した状態で半導体製造工程間を搬送し、或いは図示せぬ蓋体により上記抜き差し口１５を閉塞すると共に、同蓋体をもって内部に収容されたウェハの周縁の一部を弾性的に支持してウェハ製造工場から半導体製造工場へと輸送するときの搬送或いは輸送容器として使われる。ウェハキャリヤ１０，２０に収納されるウェハＷは、図３に示すように一部の周面が外部に露出した状態で上記各支持溝１１ａに嵌合支持されている。
【００３５】
このウェハキャリヤ１０，２０に収容されるウェハＷは、例えばシリコンウェハやガラス材からなるガラスウエハからなり、その周縁の一部には位置決め基準マークとなるオリフラやノッチが形成されている。従来のウェハに対する位置決めは、先ずロボット等のハンドリングによりウェハキャリヤ１０，２０から個々のウェハＷを抜き出し、ウェハ専用の位置決め装置まで搬送して、各ウェハＷごとに位置決めを行っている。
【００３６】
本実施形態にあっては、マーク読取り時のウェハＷの位置決めを、各ウェハＷをウェハキャリヤ１０，２０から抜き出すことをしないで、ウェハキャリヤ１０，２０に収納された状態で各ウェハＷの位置決めを行う。つまり、ウェハキャリヤ１０，２０に多段に収納された複数枚の各ウェハＷの外部露出面に向けて読取り装置を相対的に上下に移動させて、個々のウェハＷの位置決めを行いながら、順次マークの読取りを行う。
【００３７】
図４は、本実施例によるウェハ位置決め機能を備えたマーク読取り装置の典型的な例を示しており、同図によれば基台１００に回転テーブル１０１が設置されており、同回転テーブル１０１の上面には、上記ウェハキャリヤ１０，２０の平板状壁部に形成されたウェハキャリヤ位置決め用のクロスバー１０ａ或いはウェハキャリヤ位置決め部２１を嵌着する嵌着部１０１ａが形成されている。従って、ウェハキャリヤ１０，２０のクロスバー１０ａ或いはウェハキャリヤ位置決め部２１を回転テーブル１０１の前記嵌着部１０１ａに嵌着させて、前記回転テーブル１０１の上面にウェハキャリヤ１０，２０を載置すると、ウェハキャリヤ１０，２０が回転テーブル１０１の回転と共に回転する。
【００３８】
回転テーブル１０１の回転駆動機構は、例えば特開平４−２１２４３６号公報に記載され、従来から知られている一般的な機構を採用することができ、例えばその駆動源としてステッピングモータや各種のサーボモータを使って、コントローラ１０５により、その回転角度θを高精度に制御する。
【００３９】
一方、本実施形態にあっては、前記基台１００には前記回転テーブル１０１の他に、ウェハＷの周縁面取り部に形成された微小なドットマークを検出して読み取るマーク読取装置１０２を支持して上下に案内する支柱１０３が立設されている。前記マーク読取装置１０２は、例えばＶノッチの上面側の面取り部の平坦面１ｂ″に向けて斜めに微小スポット光を照射するための平行光束を発生する光照射器１０２ａと、前記平坦面１ｂ″に直交する光軸上に配されるマーク読取り光学系１０２ｂであるＣＣＤカメラとを一体に組合せて構成され、前記支柱１０３に沿って上下方向（ｚ軸方向）に制御移動可能なアーム１０４の先端に取り付けられている。前記支柱１０３は前記Ｖノッチの奥底部中心に向かう直線上（ｙ軸方向）を制御移動可能とされている。前記支柱１０３及び前記アーム１０４の駆動制御はコントローラ１０５により行われる。
【００４０】
前記マーク読取装置１０２は、高輝度ＬＥＤからなる光照射器１０２ａと通常のマーク読取り光学系１０２ｂであるＣＣＤカメラとから構成されると共に、図４及び図５に示すごとく、画像処理部１１１に接続され、ウェハ周縁に沿って光照射器１０２ａと共に相対的に移動させ、その移動時の画像処理部１１１に入力される画像信号の変化に基づき位置決め情報を演算する。
【００４１】
また、本実施形態では回転テーブル１０１を制御回転させると共に、上記支柱１０３に沿ってマーク読取装置１０２を上下に制御移動させると共に、マーク形成領域に向けてｙ軸方向に制御移動させているが、回転テーブル１０１を制御回転させると共にｙ軸方向に制御移動させることもでき、この場合には前記支柱１０３は不動とする。更には、マーク読取装置１０２を上記アーム１０４の軸中心回りに制御回動させることも可能である。
【００４２】
いずれにしても、本実施形態にとって重要な点は、ウェハキャリヤ１０，２０に多段に収納された各ウェハＷのウェハ抜き差し口１５から外部に露呈する部分に向けて、マーク読取装置１０２を相対的に移動させると共に、ウェハＷの周縁に沿って相対的に移動させ、次位のウェハＷの位置決めにあたってはウェハキャリヤ１０，２０とマーク読取装置１０２との上下方向（ｚ軸方向）の相対位置を変更して、マーク読取装置１０２のマーク読取り光学系１０２ｂを次位のウェハＷに向けることにより、ウェハキャリヤ１０，２０に収納された多数のウェハＷを、同キャリヤ１０，２０に収納されたままで順次位置決めして、マークを読み取る点にある。
【００４３】
上記光照射器１０２ａは高輝度ＬＥＤからなり、投入電流を変化させることにより、照射面の輝度が変化する。本発明にあって、前記マーク読取り光学系１０２ｂによる位置決めのためのマーク形成領域の検出とマークの読取りは、前記光照射器１０２ａに対する投入電流値を変えて照明強度を変化させることにより行われる。
【００４４】
すなわち、マーク形成領域の検出にあたっては、前記光照射器１０２ａの照明強度を、通常のマーク読取り時に必要な照明強度よりも高く設定して照射面に照射する。このときの照明強度は、一般的には通常のマーク読取り時の照明強度の略３〜５倍とすることが好ましいが、マーク形成領域におけるマークの形態、寸法などにより適正な照明強度が選択される。
【００４５】
図５は上記マーク読取装置１０２の全体的な制御ブロック図を示している。この実施形態では、前記回転テーブル１０１が左右（ｘ軸方向）、前後（ｙ軸方向）及び上下方向（ｚ軸方向）の３軸座標系に制御移動を可能とされており、更に前記ｚ軸回りの制御回転を可能としている。これらの制御動作は、画像処理部１１１に接続された主制御部１１０からの信号によりステージ制御部（コントローラ）１０５を経てモータドライバ部１１２を駆動することにより行われる。
【００４６】
前記ウェハキャリヤ１０，２０に収納された複数枚の半導体ウェハＷのうち任意の一枚のウェハＷの露呈周縁の一点に向けて照明手段である光照射器１０２ａとマーク読取り光学系であるＣＣＤカメラ（受像器）１０２ｂとが所定の位置関係をもって固定して配置されている。光照射器１０２ａの照明強度などは上記画像処理部１１１の照明制御部１１１ａからの信号に基づいて照明電源１１５を制御することにより行われる。また、前記ＣＣＤカメラ１０２ｂの焦点などは同じく画像処理部１１１の画像入力部１１１ｂからの信号を受けてカメラ制御部１１４ａにより制御される。
【００４７】
本実施例にあっては光の照射面であるＶノッチの読取り面に対してカメラ１０２ｂの光軸はほぼ垂直に向けられており、そのカメラ１０２ｂの光軸とＶノッチの読み取り面との交点に対して光照射器１０２ａは所望の対向角をもって斜め上方に配される。このカメラ１０２ｂと光照射器１０２ａとの配置関係は逆になってもよい。しかして、本発明にあっては光照射器１０２ａから発せられる光は、コヒーレント光よりも、自然光による照射と同様にインコヒーレント光による照射であることが好ましいが、勿論コヒーレント光によってもよい。本実施例による、カメラ１０２ｂによる受光は平行光による均一な方向性をもつ平行な反射光ではなく、照射面から乱反射される所定領域内の乱反射光束となる。
【００４８】
かかる照明と受光の関係は、光照射器１０２ａとカメラ１０２ｂとの配置に関して厳しい位置決め精度が要求されず、様々な配置を設定できるため有利であり、しかも半導体ウェハＷのＶノッチに形成されるドットマークが隆起形態をもつ場合には、ドットマークとその周辺の照射面とを比較したとき、カメラ１０２ｂで受光する乱反射光の殆どがドットマーク表面でなされたものとなり、これを例えば図示せぬ集束レンズを介して受光すれば、周辺との輝度差が大きくなり、ドットマークの認識が確実になされる。
【００４９】
本実施形態によれば、マーク形成領域の検出時に照射される光照射器１０２ａの投入電流値を２０ｍＡとしている。そのときのマーク形成面における輝度は８０００ｍｃｄ／ｍ2 であってハレーション状態となり、他のマーク非形成領域における輝度は一段と低くなる。一方、前記投入電流値にてマーク形成領域を照射して焦点を合わせたとしても、輝度が高すぎてマークを画像として捉えることができない。そこで、本発明にあっては、マークの読取り時には、上記光照射器１０２ａに対する投入電流値を通常の読取り時における電流値である５〜１０ｍＡに切り換える。
【００５０】
いま、前記マーク読取装置１０２をｚ軸及びｙ軸方向に相対的に移動させて、同装置１０２の光照射器１０２ａをウェハキャリア１０，２０に多段に収容された半導体ウェハＷのうち、マークを読み取ろうとする特定のウェハＷの周縁面取り部に対して斜めに照射光軸を合わせると共に、ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸をマーク形成領域の平坦面１ｂ″と直交するように位置合わせして対峙させる。
【００５１】
次いで、光照射器１０２ａに対する投入電流値を上述のごとく高くして、電源を入れて、前記ウェハＷの周円面取り部に向けて斜めに照明光を照射する。ここで、回転テーブル１０１を制御回転させて、ウェハキャリア１０，２０と共に内部に収容された半導体ウェハＷを相対回転させる。この回転の途中で、前記ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がマーク形成領域に入ると、図６の（ａ）に示すように、それまでの輝度の低い反射光がハレーション状態にある極めて輝度の高い反射光となって、その大きな値を示す画像信号が画像処理部１１１に入力される。前記ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がマーク形成領域に達しない間は、輝度の低い反射光がＣＣＤカメラ１０２ｂにより捉えられ、画像処理部１１１にも低い画像信号が入力される。前記ハレーション状態にある反射光は、マークが形成されている限り連続画像として画像処理部に入力され続ける。
【００５２】
図７は、このときのＣＣＤカメラ１０２ｂを介して画像処理部１１１に送られる画像信号のレベル変動を示している。同図において、（ａ）はＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がマーク形成領域にないときの画像信号のレベル変動状態を示しており、（ｂ）はＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がマーク形成領域にかかったときの画像信号のレベル変動状態を示している。
【００５３】
いま、回転テーブル１０１が回転すると、ウェハキャリヤ１０，２０に収容されたウェハＷも一緒に回転する。マーク形成領域であるＶノッチの上記面取り部分の平坦面が前記ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸の前面を通過する。面取り部分の奥底部中心以外の面は平坦面からなり、その平坦面に微小なマークが形成されている。前記中心位置では僅かなＲ（アール）を介して９０°に屈曲している。
【００５４】
ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がＶノッチの上記平坦面以外の領域に対向しているときは、図７（ａ）に示すように、画像処理部１１１に入力される画像信号は低い値で推移する。Ｖノッチの屈曲点である中心位置では僅かなＲ（アール）面であるため、光照射器１０２ａからの平行光は設定された反射角と異なる反射角をもって反射するため、ＣＣＤカメラ１０２ｂに達する光量が極端に減少し、画像信号の出力も比例して減少する。一方、ＣＣＤカメラ１０２ｂの光軸がＶノッチの上記平坦面にあるマーク形成領域に達すると、同図（ｂ）に示すように、マーク形成領域に形成されたマークの凹凸により乱射光となり、ＣＣＤカメラ１０２ｂは高輝度の反射光を受けて、ハレーション状態にあるときの極めて大きな画像信号を画像処理部に出力する。
【００５５】
画像処理部１１１においては、入力される画像信号が予め設定された基準値ａを越えると共に、その基準値ａを越える入力画像信号が予め設定された基準時間帯ｔを継続して入力されているか否か図示せぬ判断部において判断する。すなわち、前記判断部において設定基準値ａを越える前記ハレーション状態にある極めて大きな画像信号が設定時間ｔ以上を連続して入力され続ける。ここで、前記判断部はその画像領域がマークの形成されている領域であると判断して、コントローラ１０５に回転テーブル１０１の回転を停止するように信号が送られ、ウェハキャリア１０，２０と共に内部に収容された半導体ウェハＷの回転も停止する。
【００５６】
しかるに、前記判断部がマーク形成領域であると判断して、コントローラ１０５を介してウェハキャリア１０，２０とマーク読取装置１０２との間の相対的な回転を停止させるとき、回転テーブル１０１、つまりウェハキャリア１０，２０が慣性によりオーバランする場合があり、或いは停止タイミングがずれて、前記マーク形成領域の中心がモニタの中心からずれる場合がある。こうしたときは、前記ウェハキャリア１０，２０とマーク読取装置１０２との間の相対的な回転速度を緩やかにして逆転させると共に、画像を上下に調整してモニタ中心へと移動させる。因みに、前記ハレーション状態にあるときの反射光の強度は、マーク非形成領域の反射光の強度の数倍（３倍以上）となっている。
【００５７】
こうして、ウェハキャリヤ１０，２０に収納された複数枚のウェハＷのうちの一枚について、その位置決めがなされると、主制御部１１０から光照射器１０２ａに対して照明強度切換え信号が出力されて、光照射器１０２ａに対する投入電流が、通常のマーク読取り時における電流値である５〜１０ｍＡまで下げられ、前記マーク形成領域を低い照明強度をもって照明する。ここで、ＣＣＤカメラ１０２ｂの焦点がマーク形成面に合わせられると、同形成面上のマークが鮮明な画像となってＣＣＤカメラ１０２ｂに捉えられ、その画像信号が画像処理部１１１に入力処理されて、そのデータが主制御部１１０に記憶されると共に、モニター上には図６の（ｂ）に示すようなマーク画像が鮮明に表示される。
【００５８】
前記ウェハＷのマーク読取りが終了すると、コントローラ１０５を介して、次回のウェハＷの検出のための信号が、ｙ軸方向、ｚ軸方向及びテーブル回転用の各制御駆動モータに送られ、各制御駆動モータを駆動して、マーク読取り装置１０２を次位のウェハＷに向けて、上述の検出・位置決め操作及びマークの読取りを行い、これをウェハキャリヤ１０，２０に収納された複数枚のウェハＷについて、それぞれ順次繰り返して、ウェハキャリヤ１０，２０ごとの各ウェハＷの位置決め及びマークの読取りデータを逐次主制御部１１０に記憶させる。
【００５９】
ウェハキャリヤ１０，２０に収納された全てのウェハＷの位置決めデータが主制御部１１０に記憶されたのち、同ウェハキャリヤ１０，２０は例えば半導体製造工程のうちの露光工程に搬送される。同露光工程ではロボットにより前記ウェハキャリヤ１０，２０からウェハＷを順次抜き取り露光装置上の露光位置に移載する。このとき、主制御部１１０からはウェハＷごとの上記位置決めデータがロボットに送られ、必要な補正を行いながら各ウェハＷを露光装置にセットする。
【００６０】
以上は、本発明の典型的な実施形態について述べたものであるが、本発明は、当然に上記請求項に記載した範囲において多様な変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の読取装置による半導体ウェハのマーク読取領域を示す部分拡大図である。
【図２】ウェハキャリヤの典型的な形態例を示す立体図である。
【図３】ウェハが収納されたウェハキャリヤを示す立体図である。
【図４】本発明のマーク読取方法を実施するための代表的な読取装置の代表的な構成例を示す概略斜視図である。
【図５】前記マーク読み取り装置における信号処理系の概略構成を示すブロック図である。
【図６】本発明方法により検出されるマーク形成領域とその周辺の画像を概略で示す説明図である。
【図７】前記画像の輝度変化に基づく画像処理部における画像信号の対応変動図である。
【符号の説明】
１ Ｖノッチ
１ａ 垂直面領域
１ｂ，１ｃ 上下面取り領域
１ｂ’，１ｃ’ 裁頭円錐面
１ｂ″，１ｃ″ 平坦面
１ｄ 中央奥底部
１ｅ 入口隅部
１０ ウェハキャリヤ
１０ａ クロスバー
１１ 第１円弧状周壁
１１ａ 支持溝
１２ 第２円弧状周壁
１３，１４ 平板状壁部
１５ 抜き差し口
２０ ウェハキャリヤ
２１ ウェハキャリヤ位置決め部
１００ 基台
１０１ 回転テーブル
１０２ マーク読取装置
１０２ａ 光照射器
１０２ｂ ＣＣＤカメラ（マーク読取り光学系）
１０３ 支柱
１０４ アーム
１０５ コントローラ（ステージ制御部）
１１０ 主制御部
１１１ 画像処理部
１１１ａ 照明制御部
１１１ｂ 画像入力部
１１２ モータドライバ部
１１４ａ カメラ制御部
１１５ 照明電源
Ｗ （半導体）ウェハ
ａ 基準電流値
ｔ 連続画像の基準時間
Claims (1)
- 半導体ウェハの周縁部の各微小マーク形成領域を光学的に検出し、同領域に形成された微小マークを光学的に読み取る方法であって、
半導体ウェハの周縁部にマーク読取り光学系を対峙させること、
照明手段により前記半導体ウェハの周縁をマーク読取り時よりも高い照明強度をもって照明すること、
前記半導体ウェハを、その中心軸線を中心に回転させること、
回転する前記半導体ウェハの周縁の反射光を、前記マーク読取り光学系にて検出すること、
その検出の間に、反射光の強度変化に基づき検出される一部の連続する高輝度領域をマーク形成領域であると判断すること、
この判断時に、同ウェハの回転を停止させること、
前記照明手段の照明強度を通常の読取り時の照明強度に切り換えること、及び
前記マーク読取り光学系の焦点を前記高輝度領域の表面に合わせてマークを読み取ること、
を含んでなることを特徴とする半導体ウェハの周縁微小領域におけるマーク読取方法。
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