JP6268297B2 - シリコンウエハのプリアライメント装置及びその方法 - Google Patents

シリコンウエハのプリアライメント装置及びその方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体製造装置の分野に関し、より詳しくは、ウエハプリアライメント装置及びその方法に関する。
シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）はチップ間接続における最先端技術であり、チップ間やウエハ間における上下接続を生成するものである。ＴＳＶは様々な点で有利であり、即ち、パッケージサイズを小型化し、信号転送速度を向上させ、及び、電力消費を抑制する。
ＴＳＶプロセスにおける標準的なウエハには、ボンディング不整列に起因して軸ズレが起こったり、エッヂが損耗していたり、ケガキ線が残っていたり、ウエハ表面上に金属又は絶縁コート材が飛び散っていたり、ウエハが歪んでいたり、といったエッヂ欠陥が散見される。また、ノッチについて言えば、切断が不十分であったり、損傷していたり、金属や接着剤などで目詰りや閉塞となっていたり、金属線が残っていたり、といった欠陥が知られている。ウエハノッチの多大なる形態学的な悪化により、現時点で有名なＴＳＶパッケージ技術を採用する世界中の製造ラインにおいてはＴＳＶウエハ（ノッチ付きウエハ）の露出のために整列装置が用いられており、それはノッチを活用することなく手動で整列するために設けられたマークに基づいて行われている。しかしながら、ＴＳＶウエハのための従来のプリアライメント方法は様々な問題を抱えており、例えば、効率は低く、プリアライメントの精度は出ないし、作業者の混乱に対して脆弱であり、自動化にも適さない。
ＴＳＶウエハのプリアライメントに限らず、様々なプロセスを経たウエハは位置決めが現実として必要とされ、ここでいうウエハとは例えば、反りのあるウエハや極薄ウエハ、ＴＡＩＫＯウエハが挙げられる。しかしながら、異なるプロセスを経たウエハごとに芯出しやオリエンテーションに関する異なる課題が生じており、反りのあるウエハや極薄ウエハ、ＴＡＩＫＯウエハを含む多様なプロセスを経たウエハを取り扱うのに適したプリアライメント装置をどのように実現するかは、当業者間で喫緊の課題とされていた。
本発明の第１の目的は、現存するＴＳＶウエハのプリアライメント方法を採用することで生じている、効率が低く、プリアライメントの精度は出ないし、作業者の混乱に対して脆弱であり、自動化にも適さないといった問題を解決することができる、ＴＳＶウエハプリアライメント装置及びその方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、同一のプリアライメント装置では多様なプロセスを経たウエハを取り扱うことができないという従来技術が抱える問題を解決すべく、多様なプロセスにも対応したウエハプリアライメント装置、及びそのための方法を提供することにある。
上述の課題を解決すべく、本発明は、ウエハを保持する第１のチャックを有し、前記ウエハを回転させ又は上下動可能に構成された第１ユニットと、前記第１のチャックに対して前記ウエハを変位可能な第２ユニットと、光源と、前記第１のチャックの上方に配置された画像センサと、前記第１のチャックの下方に配置されたレンズと、を有する位置検出器と、を備え、前記光源からの光線が前記ウエハ、前記第１のチャック、前記レンズを通過することで、前記第１のチャックに対する前記ウエハの位置を示す情報を前記画像センサに与え、前記第１ユニット及び前記第２ユニットは、前記画像センサによって得られた前記情報に基づいて前記第１のチャックに対する前記ウエハの位置を調整可能に構成されている、ウエハプリアライメント装置を提供する。
好ましくは、前記情報は、前記第１のチャックの中心からの前記ウエハの中心の偏りを含み、前記第１ユニット及び前記第２ユニットは、前記偏りに基づいて前記第１のチャックに対する前記ウエハの半径方向の位置を調整可能に構成されている。
好ましくは、前記第１ユニットは、更に、前記第１のチャックを回転可能な回転モータと、前記第１のチャックを上下動可能な昇降モータと、を有する。
好ましくは、前記第２ユニットは、第２のチャックと変位モータを有し、前記第２のチャックは、前記第１のチャックの側方に配置され、前記昇降モータは、前記第１のチャックと前記第２のチャックの間で前記ウエハを移載可能に構成されており、前記変位モータは、前記第１のチャックに対する前記ウエハの半径方向における位置を調整するように、前記第２のチャックと前記ウエハを変位可能に構成されている。
好ましくは、前記第１のチャック及び前記第２のチャックは、それぞれ、複数の吸引孔を有している。
好ましくは、前記画像センサは、一次元の直線配列された複数のＣＣＤを有し、前記一次元の直線配列の延長線は、前記第１のチャックの前記中心を通る。
好ましくは、前記位置検出器は、反射型光学システム及び／又はカタディオプトリック型光学システムを有する。
好ましくは、前記反射型光学システムは、前記光源、第１レンズアッセンブリ、前記画像センサ、及び、前記レンズを含み、前記光源は第１波長を有する光線を生成する第１光源として機能し、前記レンズは前記第１波長を有する前記光線を反射する反射型レンズであり、前記第１レンズアッセンブリは、前記第１のチャックの上方及び前記画像センサの下方に配置されており前記第１波長を有する前記光線を前記ウエハ及び前記反射型レンズへ向かわせるように構成され、前記光線は反射して前記画像センサに向かう。
好ましくは、前記カタディオプトリック型光学システムは、前記光源、第２レンズアッセンブリ、前記画像センサ、及び、前記レンズを含み、前記光源は第２波長を有する光線を生成する第２光源として機能し、前記レンズは前記第２波長を有する前記光線の透過を許容する透過型レンズであり、前記第２レンズアッセンブリは、前記第１のチャックの下方に配置されており前記第２波長を有する前記光線を前記ウエハ及び前記透過型レンズを通って前記画像センサに至るように構成されている。
好ましくは、前記レンズは第１波長を有する光線は反射し、第２波長を有する光線の透過は許容するフィルタリングレンズである。
好ましくは、前記ウエハはノッチ及びエッヂを有するＴＳＶウエハ、反りのあるウエハ、極薄ウエハ、又は、ＴＡＩＫＯウエハであり、前記カタディオプトリック型光学システムは、前記第１のチャックに対する前記極薄ウエハ又は前記ＴＡＩＫＯウエハの位置を示す前記情報を取得可能に構成され、前記反射型光学システムは、前記第１のチャックに対する前記ＴＳＶウエハの位置を示す前記情報を取得可能に構成されている。
好ましくは、前記情報は、更に、前記ＴＳＶウエハに対する前記ノッチの位置、及び、前記第１のチャックに関する前記ノッチの位置、を含み、前記第１ユニットは、更に、前記情報に基づいて前記第１のチャックに対する前記ＴＳＶウエハの周方向の位置を調整可能に構成されている。
本発明は、また、ウエハプリアライメント装置を用いたＴＳＶウエハのプリアライメント方法を提供する。ウエハプリアライメント装置を用いたＴＳＶウエハのプリアライメント方法は、吸着により前記ＴＳＶウエハを前記第１のチャックに保持し、前記ＴＳＶウエハの前記エッヂを前記第１光源によって生成された光線によって明るくするステップ１００と、前記第１のチャックを３６０度回転し、同時に前記画像センサを用いて前記第１のチャックに保持されている前記ＴＳＶウエハのエッヂ画像をキャプチャし、前記第１のチャックの前記中心からの前記ＴＳＶウエハの中心の偏りを計算するステップ２００と、前記ＴＳＶウエハを前記第１ユニットから前記第２ユニットに移載し、前記計算した偏りに基づいて前記ＴＳＶウエハを前記第２ユニットを動かし、前記ＴＳＶウエハの前記中心を前記第１のチャックの前記中心に揃えるステップ３００と、前記ＴＳＶウエハを前記第２ユニットから前記第１ユニットに移載し、前記第１のチャックを３６０度回転し、前記画像センサを用いて前記第１のチャック上の前記ＴＳＶウエハのエッヂ画像をキャプチャし、前記第１のチャックの前記中心からの前記ＴＳＶウエハの前記中心の偏りが所定値を下回っているかを決定し、もし真であればステップ５００に進み、もし偽であればステップ３００に戻るステップ４００と、前記画像センサを用いて前記ＴＳＶウエハの前記ノッチの詳細なスキャンを実施して前記ノッチのエッヂ画像を取得し、前記ノッチの前記エッヂ画像から前記ノッチのエッヂ座標を抽出し、前記ノッチの位置属性を特定し、これによりオリエンテーションプロセスを終えるステップ５００と、を含む。
好ましくは、前記第１のチャックの前記中心からの前記ＴＳＶウエハの中心の偏りを計算することは、前記画像センサで前記ＴＳＶウエハの二次元エッヂ画像を取得し、前記ＴＳＶウエハの取得した前記二次元エッヂ画像から前記ＴＳＶウエハのエッヂ座標を抽出するステップ２１０と、前記ＴＳＶウエハの前記エッヂ座標を前記第１のチャックの座標系における座標へと変換するステップ２２０と、前記第１のチャックの前記座標系における前記ＴＳＶウエハの前記中心の座標を最小二乗法を用いて決定するステップ２３０と、前記ＴＳＶウエハの前記中心の前記座標と、前記第１のチャックの前記中心の座標との差分を計算するステップ２４０と、を含む。
好ましくは、ステップ２１０において、前記画像センサは、前記ＴＳＶウエハの一次元エッヂ画像をキャプチャする直線配列されたＣＣＤ画像センサであり、前記キャプチャした一次元エッヂ画像はソフトウェアによって結合されて前記ＴＳＶウエハの前記二次元エッヂ画像となる。
好ましくは、ステップ２００は、更に、前記ＴＳＶウエハの前記エッヂ画像に基づいて前記ＴＳＶウエハの種類を決定することと、前記ＴＳＶウエハの前記決定した種類に基づいて前記第１光源の光強度を決定すること、を含む。
好ましくは、ステップ５００における前記詳細なスキャンは、前記第１のチャックを原点に戻し、前記ＴＳＶウエハの前記ノッチの位置を前記画像センサの下方且つ反時計回りとするステップ５１１と、前記ＴＳＶウエハの前記ノッチが前記画像センサを完全に通過するような角度分、前記第１のチャックを時計回りに回転し、前記画像センサで前記ノッチの一次元画像をキャプチャするステップ５１２と、前記ノッチの前記一次元画像を貼り合わせて二次元画像にするステップ５１３と、前記二次元画像から前記ノッチのエッヂ座標を抽出し、前記ノッチの前記エッヂ座標を前記ノッチの属性と比較し、もし前記ノッチを特定できたら、前記オリエンテーションプロセスを終え、もし前記ノッチを特定できなかったら、カウンタを作動させると共に前記カウンタが示す繰り返し回数に応じて、続けてステップ５１５、ステップ５１６、ステップ５１７、ステップ５１８の何れかに進むステップ５１４と、前記第１のチャックを前記原点に戻し、前記第１のチャックを前記ノッチの円弧角の半分だけ反時計回りに回転し、ステップ５１２からステップ５１４を繰り返し、もし前記ノッチを特定できたら前記オリエンテーションプロセスを終えるステップ５１５と、前記第１のチャックを前記原点に戻し、前記第１のチャックを前記ノッチの前記円弧角の半分だけ時計回りに回転し、ステップ５１２からステップ５１４を繰り返し、もし前記ノッチを特定できたら前記オリエンテーションプロセスを終えるステップ５１６と、光強度を増やし、前記第１のチャックを前記原点に戻し、ステップ５１２からステップ５１４を繰り返し、もし前記ノッチを特定できたら前記オリエンテーションプロセスを終えるステップ５１７と、光強度を減らし、前記第１のチャックを前記原点に戻し、ステップ５１２からステップ５１４を繰り返し、もし前記ノッチを特定できたら前記オリエンテーションプロセスを終えるステップ５１８と、を含む。
好ましくは、ステップ５００において、詳細なスキャンは、更に、ステップ５１４の後に、前記カウンタによって示された繰り返し回数を確認し、もしその数字が設定値を超えていなければ、続けてステップ５１５、ステップ５１６、ステップ５１７、及び、ステップ５１８の何れかに進み、もしその数字が前記設定値を超えていたら、前記オリエンテーションプロセス、ひいては前記プリアライメントを終えるステップ５１９と、を含む。
従来技術と比較すると、本発明のウエハプリアライメント装置及びその方法は、以下の効果を奏する。
（１）画像センサによってキャプチャされた光信号により、ＴＳＶウエハの偏心及び偏りが補償される。
（２）ＴＳＶウエハの取り扱いを自動化できない問題が解決される。
（３）ＴＳＶウエハの芯出し及びオリエンテーションがソフトウェアによって達成され、結果的に芯出しとオリエンテーションの精度が向上する。
（４）ウエハの情報を過度に取得し過ぎて画像処理を遅らせたり、面配列されたＣＣＤ画像センサを用いることでウエハエッヂやノッチを特定するのが非効率となるといった問題が、直線配列されたＣＣＤ画像センサによってキャプチャした一次元画像を貼り合わせて二次元画像とする手法を用いることで解決される。
（５）多様なプロセスを経たウエハのプリアライメントに適する。
本発明の第１実施形態に係るウエハプリアライメント装置の模式図である。 本発明の第１実施形態に係るウエハプリアライメント装置の反射型光学システムの模式図である。 本発明の第１実施形態に係るウエハプリアライメント装置の反射型光学システムの光路を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るウエハプリアライメント装置が実行する反射型プリアライメント手法の模式図である。 ウエハプリアライメント装置の円状チャックの模式図である。 ウエハプリアライメント装置の半月形チャックの模式図である。 ウエハプリアライメント装置の円状チャックの基礎を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係るウエハプリアライメント装置の模式図である。 本発明の第３実施形態に係るＴＳＶウエハプリアライメント方法の詳細なスキャン前の、ＣＣＤ画像センサの位置とＴＳＶウエハの位置を示している。 本発明の第３実施形態に係るＴＳＶウエハプリアライメント方法の詳細なスキャン後の、ＣＣＤ画像センサの位置とＴＳＶウエハの位置を示している。 本発明の第３実施形態に係るＴＳＶウエハプリアライメント方法におけるノッチの属性を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係るＴＳＶウエハプリアライメント方法におけるフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るＴＳＶウエハプリアライメント方法におけるステップ２００のフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るＴＳＶウエハプリアライメント方法におけるステップ５００のフローチャートである。
これらの図において、１０はガラス基板であり、２０はＣＣＤ画像センサであり、３０はプリアライメント基礎であり、４０は第１ユニットであり、４１は円状チャック（第１のチャック）であり、４２は円状チャックの基礎であり、４３は回転モータであり、４４は昇降モータであり、４５は可撓性材料であり、４６は吸着孔であり、５０は第２ユニットであり、５１は半月形チャック（第２のチャック）であり、５２は半月形チャックの基礎であり、５３は直動モータであり、５４は直動モータの基礎であり、６０はウエハであり、６１はノッチであり、６２は交点であり、６３は第１側部であり、６４は第２側部であり、６５は２つの側部の交点であり、７０は反射型光学システムであり、７１は光源であり、７２はレンズアッセンブリであり、７３はレンズであり、８０はカタディオプトリック型光学システムであり、８１は光源であり、８２はレンズアッセンブリである。
本発明の主題を更に詳細に説明すべく、以下に詳細な実施形態を説明してその技術的利益について説示する。これらの実施形態は本発明を例示することを目的としたものであって、その範囲を限定することになってはならない。
＜実施形態１＞
図１及び図２に示すように、本発明のウエハプリアライメント装置は、反射型光学システム７０と、画像センサ２０（好ましくはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）画像センサ）と、第１ユニット４０と第２ユニット５０を含む。第１ユニット４０はウエハを回転及び上下動可能に構成され、第２ユニット５０はウエハを変位可能に構成されている。反射型光学システム７０は、光源７１と、レンズアッセンブリ７２と、を含む。任意で、光源７１は、赤色光を生成する。レンズアッセンブリ７２は、光源７１で生成された光をウエハ６０に向かわせるように構成されている。
光源７１で生成されてウエハ６０で反射した光線は、光学的な信号としてＣＣＤ画像センサ２０にキャプチャされ、これに基づいて、第１ユニット４０及び第２ユニット５０はウエハ６０の位置を調整できるようになっている。画像センサでキャプチャされた光信号を用いて果たされるウエハ６０の位置補償を活用することで、本発明は、ウエハ６０のプリアライメントの精度向上、操作の高効率化及び自動化を実現している。
好ましくは、図１で強調して示すように、第１ユニット４０は、円状チャック４１と、回転モータ４３と、昇降モータ４４と、を含む。回転モータ４３は、円状チャック４１を方向Ｒにおいて（即ち、方向Ｚまわりで）回転させ、昇降モータ４４は、円状チャック４１及び回転モータ４３をＺ方向で昇降させる。ウエハ６０は円状チャック４１によって吸着され得る。ＣＣＤ画像センサ２０は、円状チャック４１の中心からのウエハ６０の中心の偏りを検出可能に構成され、ウエハ６０がＴＳＶウエハであるときは、ＣＣＤ画像センサ２０はＴＳＶウエハのノッチの位置も検出するように構成されている。
好ましくは、引き続き図１に示すように、第１ユニット４０は、更に、円状チャック４１のためのチャック基礎４２を含み、円状チャック４１はチャック基礎４２に搭載されている。チャック基礎４２は回転モータ４３に固定されており、回転モータ４３は昇降モータ４４に固定されている。
好ましくは、引き続き図１に示すように、第２ユニット５０は、半月形チャック５１と、直動モータ５３と、を含む。半月形チャック５１は、円状チャック４１の横に配置されており、昇降モータ４４は、円状チャック４１と半月形チャック５１との間でウエハを移載するように機能する。直動モータ５３は、半月形チャック５１とウエハ６０を方向Ｃに変位することでウエハ６０の中心と円状チャック４１の中心との間の偏りを補償する。
好ましくは、引き続き図１に示すように、第２ユニット５０は、更に、半月形チャック５１のための基礎５２と、直動モータ５３のための基礎５４と、を含む。半月形チャック５１は、基礎５２を介して直動モータ５３と固定的に連結状態にあり、直動モータ５３は、基礎５４を介してプリアライメント基礎３０に固定されている。
好ましくは、第１ユニット４０及び第２ユニット５０は、プリアライメント基礎３０に配置されている。
好ましくは、図３及び図４に示すように、ＣＣＤ画像センサ２０は光源７１と共に、ガラス基板１０から見て同一側に一緒に配置されている。換言すれば、反射型プリアライメント手法が用いられる。特に、図３で強調して示すように、光源７１から放射された光線は、レンズアッセンブリ７２で反射してウエハ６０に垂直に投射し、反射してＣＣＤ画像センサ２０へ向かう。
好ましくは、図１と共に図２で強調して示すように、ウエハ６０が例えばＴＳＶウエハであるとき、反射型光学システム７０における反射型プリアライメントは、具体的には以下を含む。円状チャック４１にウエハ６０を搭載し、円状チャック４１を作動させてウエハ６０を吸着保持し、光源７１が生成した光線がレンズアッセンブリ７２を通ってウエハ６０の表面に投射し、これによりウエハ６０のエッヂを検出可能になり、円状チャック４１はウエハ６０を３６０度回転させ、同時に光線がレンズ７３で反射してＣＣＤ画像センサ２０に向かい、ＣＣＤ画像センサ２０はウエハ６０で反射した光線を集光し、関連するデータを抽出して偏心を計算し、円状チャック４１を下降させてウエハを半月形チャック５１に移載し、半月形チャック５１は計算した偏心に応じて、例えば計算した偏心の量に等しい量の分だけ、ウエハ６０を移動させ、これによりウエハの芯出し、即ち、その中心と円状チャック４１の中心とのアライメントを達成し、円状チャック４１は更にウエハを動かしてウエハ６０のノッチを光線に揃え、これによりウエハのオリエンテーションを許容する。本発明に係る反射型プリアライメント手法は、ノッチが存在しないことによりアライメント及び検出のための光線がウエハの下側にあるウエハベアリング（ｗａｆｅｒ−ｂｅａｒｉｎｇ）のガラス基板１０を通過できないことでＣＣＤ画像センサ２０がキャプチャしたウエハノッチの画像が不鮮明となること、また、ウエハ６０の偏心によりキャプチャされたデータに基づいてウエハエッヂをガラス基板１０のエッヂから区別することができないこと、に起因したウエハの不精確な芯出しやオリエンテーションを解決する。反射型プリアライメント手法によれば、ノッチにおける反射因子とそれ以外における反射因子が異なる性質によりＣＣＤ画像センサ２０に異なる情報が伝わるというウエハの特性を活用することで、ノッチにおけるウエハエッヂを鮮明にキャプチャすることができ、もって特定することができる。結果として、ウエハエッヂはガラス基板１０のエッヂから常に区別することができ、偏心の有無に拘らず、ウエハの芯出しとオリエンテーションを可能としている。
加えて、引き続いて図３に示すように、光源７１で生成した光線はある程度、ウエハ６０の表面上で分散する。好ましくは、円状チャック４１の下方において、レンズ７３がＣＣＤ画像センサ２０に対応した位置に配置される。レンズ７３を配置することで、分散の強度が減じ、ウエハ６０の表面で反射した光線が強くなる。これにより、ＣＣＤ画像センサ２０においてウエハ６０のエッヂ画像はより鮮明となり、もって後続の画像処理を円滑にする。
好ましくは、ＣＣＤ画像センサ２０は、１０２４ピクセルもの一次元直線配列の形式を呈し、その延長線は円状チャック４１の中心を通る。直線配列のＣＣＤ画像センサ２０は、円状チャック４１によりウエハ６０が回転している間に、一定の間隔で画像をキャプチャ可能とされ、キャプチャされた一次元画像はソフトウェアによって一枚の二次元画像に加工される。以上によれば、ウエハの情報を過度に取得し過ぎて画像処理を遅らせたり、面配列されたＣＣＤ画像センサを用いることでウエハエッヂやノッチを特定するのが非効率となるといった問題を解決できる。
好ましくは、図５及び図６で強調して示すように、円状チャック４１及び半月形チャック５１の各吸着ポートの周囲には、好ましくはゴムのような可撓性材料４５が配置される。円状チャック４１及び半月形チャック５１の各吸着ポートの周囲にゴムを配置することで、反りのあるウエハの歪がゴムの変形により吸収され、もって、従来のプリアライメント装置を使用した際に遭遇するような、反りのあるウエハを保持することの難しさに対応することができる。追加的に図７に示すように、本発明によれば、円状チャック４１の上下方向のストロークや、基礎５２の高さＨ（図７）を増加させることで、反りのあるウエハの歪に起因した、その表面の法線の方向（即ち、その表面に対して直交する方向）における寸法増加に適応することができる。
好ましくは、引き続き図５及び図６に示すように、円状チャック４１及び半月形チャック５１は何れも多孔チャックとされ、即ち、円状チャック４１及び半月形チャック５１の各吸着ポートに複数の吸着孔を有している。単一孔チャックによる保持と比較して、多孔チャックによればウエハにとって更に均一に分散された吸着力が提供され、これにより吸着起因で表面が変形してしまうのを抑制できる。結果として、極薄ウエハやＴＡＩＫＯウエハにとって朗報の、損傷からのしっかりとした保護が実現される。
＜実施形態２＞
好ましくは、反射型光学システム７０は、通常のウエハやＴＳＶプロセス以外の多様なプロセスを経たウエハを取り扱う際に用いられるが、実際にはこのシステムは膨大な量のデータを悪い効率で処理しなければならなかった。従って、この実施形態では、ＴＳＶウエハの取り扱いに特化した反射型光学システム７０に加えて、本発明によれば、ＴＳＶウエハ以外のウエハを取り扱うためのカタディオプトリック型光学システム８０を更に備えたウエハプリアライメント装置が提供される。従って、このウエハプリアライメント装置は、多様なプロセスを経たウエハのプリアライメントに適用される。具体的には、図８に示すように、この実施形態に係るウエハプリアライメント装置は、実施形態１のそれとは異なり、更にカタディオプトリック型光学システム８０を備えている。カタディオプトリック型光学システム８０は、光源８１と、レンズアッセンブリ８２を含む。光源８１は緑色光を生成する。光源８１はウエハを挟んでＣＣＤ画像センサ２０と反対側に配置されている。光源８１から放射された光線はレンズアッセンブリ８２を通過し、ウエハの表面に投射する。その後、光線はレンズ７３を透過して直線配列のＣＣＤ画像センサ２０に投射する。
反射型光学システム７０とカタディオプトリック型光学システム８０を切り替えることで、本実施形態に係るウエハプリアライメント装置は、多様なプロセスを経たウエハをプリアライメントしたり取り扱うのに適している。
具体的には、ＴＳＶウエハを取り扱うときは、光源７１（赤色光を生成する）が有効化される。生成された赤色光は、緑色光は透過し赤色光は透過しないレンズ７３に投射する。従って、光は反射されて戻され、もって、反射型プリアライメント手法が実現される。
ＴＳＶウエハではない別のウエハを取り扱うときは、光源８１（緑色光を生成する）の電源が投入される。生成された緑色光が、緑色光の透過を許容するレンズ７３に投射すると、レンズを通過し、もって、透過型プリアライメント手法が実現される。緑色光は透過し赤色光は透過しないレンズを用いることで、異なる種類の２つの光学システムを同時に備えたウエハプリアライメント装置が実現される。加えて、２つの光学システムをオンラインで切り替えることで、ウエハプリアライメント装置において多様なプロセスを経たウエハを取り扱う際のプリアライメントの効率が最大化される。
本発明のウエハプリアライメント装置は、別のプリアライメントユニットを追加することなく、通常の標準的なウエハのみならず、反りのあるウエハ、ＴＳＶウエハ、極薄ウエハ、ＴＡＩＫＯウエハなどを含む、多様なプロセスを経たウエハのアライメントに用いることができる。これにより、製造装置のコストを低減し、適用範囲が拡大される。
要するに、本発明によれば、多様なプロセスを経たウエハを単一のウエハプリアライメント装置で取り扱うことができ、円状チャック４１及び半月形チャック５１の各吸着ポートのまわりに配置された可撓性材料４５によって反りのあるウエハの歪を補償することができ、直線配列のＣＣＤ画像センサ２０が不鮮明なウエハノッチ画像を取得しないようにした反射型プリアライメント手法を通じて得られたウエハエッヂ情報を用いることで芯出しやオリエンテーションの困難性に対処することができ、単一孔チャックに代えて多孔チャックを用いることで極薄ウエハやＴＡＩＫＯウエハを均一に分散された吸着力で保持することが可能となった。
＜実施形態３＞
図１から図１１と共に図１２で強調して示すように、本発明は、前述したウエハプリアライメント装置に伴うウエハプリアライメント方法（この実施形態では一例としてＴＳＶウエハを取り扱う）を提供する。この方法は、以下のステップを含む。
ステップ１００において、円状チャック４１でウエハ６０を吸着しておきながら、光源７１からの光線をウエハ６０のエッヂに投射する。図９に示すように、ウエハ６０は中心Ｏ、半径ｒ、ノッチ６１を有し、ノッチ６１は、ＣＣＤ画像センサ２０の下方の位置に対して反時計回りに位置している。ノッチ６１は、ウエハ６０のエッヂと２つの点で交差しており、ＣＣＤ画像センサ２０の中心線に近い方の点は、ウエハ６０のエッヂとＣＣＤ画像センサ２０の中心線との交点６２から円弧角ｂだけ離れており、円弧角ｂは主としてＣＣＤ画像センサ２０がノッチ６１をスキャンした距離に基づいて調整することができる。もし長い距離がスキャンされるなら円弧角ｂは増加し、もし短い距離がスキャンされるなら円弧角ｂは減少する。円弧角ｂの値はＣＣＤ画像センサ２０によってキャプチャされたノッチ６１の画像の質を決定付けるので、後続の画像処理プロセスに多大な影響を及ぼす。ノッチ６１は、ウエハ６０の円弧ｃに及んでいる。
ステップ２００において、回転モータ４３は円状チャック４１を３６０度回転させ、同時に円状チャック４１によって連れ回っているウエハ６０のエッヂ画像をＣＣＤ画像センサ２０でキャプチャし、ウエハ６０と円状チャック４１との偏心を芯出しアルゴリズムを用いて計算する。
好ましくは、図１３に示すように、芯出しアルゴリズムは、以下のステップを含む。
ステップ２１０において、ＣＣＤ画像センサ２０は、ウエハ６０の二次元エッヂ画像を取得する。好ましくは、ＣＣＤ画像センサ２０は、直線配列センサであってウエハエッヂの一次元画像をキャプチャし、キャプチャした一次元画像はソフトウェアで結合されて二次元画像とされる。好ましくは、少なくとも２０００枚の一次元画像がキャプチャされる。取得したウエハエッヂ画像は、エッヂ座標に変換される。具体的には、上記変換は、ＣＣＤ画像センサ２０とウエハとの位置的関係をウエハの半径に基づいて確立することで達成される。換言すれば、ウエハの中心からのＣＣＤ画像センサ２０の各ピクセルの距離は既知であるから、ウエハの位置はＣＣＤ画像センサ２０によってキャプチャされた一次元画像を処理することで決定され得る。同様に、２０００枚の一次元画像を結合した二次元画像に基づいても同様に決定され得る。ノッチ６１は２つの側部（即ち、図１１の第１側部６３及び第２側部６４）を有する。第１側部６３及び第２側部６４が一度特定されたら、画像中のノッチ６１の位置が決定され得る。ノッチ６１の座標は円状チャック４１の座標系と同じ座標系にセットされる。
ステップ２２０において、ウエハ６０のエッヂ画像から得られた座標は、円状チャック４１の座標系における座標へと変換される。
ステップ２３０において、円状チャック４１の座標系におけるウエハ６０の中心の座標は、最小二乗法を用いて決定される。
ステップ２４０において、ウエハ６０の中心の座標と円状チャック４１の中心の座標との差分が決定される。
好ましくは、ステップ２００において、ウエハ６０の二次元エッヂ画像に基づいてウエハ６０の種類が決定され、ウエハ６０の種類に基づいて光源７１が生成する光の強度が決定される。特に、本発明では、異なる強度、反射効果、分散効果を有する異なる種類の光でウエハを明るくすることで、異なるプロセスを経たウエハのエッヂ画像及びノッチ画像をキャプチャするのに適している。
芯出し中においては、ウエハ６０が３６０度回転する間、光強度が維持された状態でキャプチャされたエッヂ画像のグレースケール値又は二値化後の非ゼロポイントの個数が、ウエハ６０の種類を決定する際の基準となり得る。具体的には、異なるプロセスを経たウエハであれば、同じ照明条件においてキャプチャした画像の質感も異なるので、これを利用して、画像処理技術を用いてウエハの種類を決定し得るというものである。
具体的には、以下のように決定し得る。即ち、
（１）同一の光強度において異なる種類のウエハの画像をキャプチャし、
（２）二値化関数を用いて同一の二値化閾値により画像を二値化し、各画像は黒点と白点により表現され、
（３）ウエハごとに白点の個数をカウントし、
（４）異なるプロセスを経たウエハの白点の個数は、相互の大きな違いにより異なるレンジ内に収まることを考慮し、
（５）白点の個数がどのレンジに属するかに応じて各ウエハの種類を決定する。
ウエハ６０の種類に応じて使用する光の強度を最も望ましい値とすることでノッチ６１の画像が完全であってクリアとなり、結果として、画像処理が容易となり、ノッチやエッヂの属性の特定が改善され、プリアライメントの効率が向上する。前述の基準によれば、各プロセスごとに異なる光強度が採用され得る。
ステップ３００において、昇降モータ４４が円状チャック４１を下降させることでウエハ６０が半月形チャック５１に移載する。半月形チャック５１は計算した偏心に応じてウエハ６０を動かし、この結果、ウエハ６０の中心と円状チャック４１の中心が揃う。
ステップ４００において、昇降モータ４４が円状チャック４１を上昇させることでウエハ６０が円状チャック４１に移載する。ステップ２００から３００までは、ＣＣＤ画像センサ２０が検出したウエハ６０と円状チャック４１との偏心が許容範囲内に収まって芯出しが完了するまで繰り返される。
なお、円状チャック４１と半月形チャック５１の間でウエハを移載する際は、ウエハ６０は常時円状チャック４１によってしっかり保持された状態となっており、移載に際して発生する誤差が偏心と比較して無視し得るようになっている。
ステップ５００において、ＣＣＤ画像センサ２０は、ウエハ６０のノッチ６１を詳細にスキャンして、ウエハ６０のノッチ６１の二次元エッヂ画像を取得する。ノッチ６１のエッヂ座標がノッチ６１のエッヂ画像から抽出されることで、ノッチ６１の位置属性が特定される。これにより、オリエンテーションプロセスが完了する。
好ましくは、図１１で強調して示すように、嵌め合わされた二次元画像においてノッチを特定する際、第１側部６３と第２側部６４は、ノッチ６１の属性を特徴付けるものとして機能する。２つの側部の交点６５からウエハの中心Ｏに向かう方向はノッチ６１の方向と見做され、位置は側部の傾斜と側部による遮断によって拘束される。
好ましくは、図１４で強調して示すように、ステップ５００において、詳細なスキャンは更に以下のステップを含む。
ステップ５１１において、円状チャック４１を原点に戻し、ウエハ６０のノッチ６１の位置をＣＣＤ画像センサ２０の下方且つ反時計回りとする。
ステップ５１２において、角度ｂ及びｃの合計に等しい角度ａだけ（即ち、ａ＝ｂ＋ｃ）円状チャック４１を時計回りに回転させる。換言すれば、ウエハ６０のノッチ６１をＣＣＤ画像センサ２０を完全に通過させる。回転の間は、ＣＣＤ画像センサ２０はノッチの一次元画像をキャプチャする。好ましくは、キャプチャした一次元画像の枚数は、２０００以上である。
ステップ５１３において、ノッチ６１の一次元画像を貼り合わせて二次元画像にする。
ステップ５１４において、二次元画像からノッチ６１のエッヂ座標を抽出してノッチの属性と比較する。もしノッチ６１を特定できたら、オリエンテーションプロセスを終える。一方、もしノッチ６１を特定できなかったら、カウンタを起動すると共に、カウンタ内で設定された繰り返し回数に至るまで、続けてステップ５１５、５１６、５１７、５１８を繰り返す。
ステップ５１５において、ノッチ６１が未だ特定できていなかったら、ノッチの位置が反時計回りに偏っていることを検討する。即ち、ノッチが想定よりももっと時計回りに位置している可能性が高い。従って、回転モータ４３の回転軸を原点に戻し（方向Ｒにおいて）、次にノッチの円弧ｃの角度の半分だけ円状チャック４１を反時計回りに回転し（光強度は変更しない）、ステップ５１２から５１４を実行する。もしノッチ６１を特定できたら、オリエンテーションプロセスを終える。
ステップ５１６において、ノッチ６１が未だ特定できていなかったら、ノッチの位置が時計回りに偏っていることを検討する。即ち、ノッチが想定よりももっと反時計回りに位置している可能性が高い。従って、回転モータ４３の回転軸を原点に戻し（方向Ｒにおいて）、次にノッチの円弧ｃの角度の半分だけ円状チャック４１を時計回りに回転し（光強度は変更しない）、ステップ５１２から５１４を実行する。もしノッチ６１を特定できたら、オリエンテーションプロセスを終える。
ステップ５１７において、ノッチ６１が未だ特定できていなかったら、ＣＣＤ画像センサ２０にとって点光源からの光の強度が十分でないことを検討する。従って、光の強度を上げ、円状チャック４１を原点に戻し、ステップ５１２から５１４を実行する。もしノッチ６１を特定できたら、オリエンテーションプロセスを終える。
ステップ５１８において、ノッチ６１が未だ特定できていなかったら、ＣＣＤ画像センサ２０にとって点光源からの光の強度が過剰であることを検討する。従って、光の強度を下げ、円状チャック４１を原点に戻し、ステップ５１２から５１４を実行する。もしノッチ６１を特定できたら、オリエンテーションプロセスを終える。
好ましくは、方法は、更にステップ５１９を含む。
即ち、ノッチ６１が未だ特定できていなかったら、ステップ５１５、５１６、５１７、５１８が繰り返された回数が設定値を超えたか確認する。もし上記ステップが繰り返された回数が設定値を超えていなかったらカウンタ内で設定値に到達するまで上記ステップを繰り返し、他方ではオリエンテーションプロセスひいてはプリアライメントを終える。
本発明のウエハプリアライメント方法によれば、ウエハ６０のプリアライメントを自動化できると共に、プリアライメントの精度を改善することができる。
要するに、本発明は、ウエハプリアライメント装置及びその方法を提供する。装置は、光源１０、画像センサ（好ましくはＣＣＤ画像センサ２０）、第１ユニット４０、第２ユニット５０を含む。第１ユニット４０はウエハを回転且つ上下動可能に構成されており、第２ユニット５０はウエハを変位可能に構成されている。ウエハ６０は第１ユニット４０によって吸着される。ＣＣＤ画像センサ２０は、光源７１で生成されウエハ６０で反射した光線を光学的信号としてキャプチャ可能に構成され、これに基づいて、第１ユニット４０及び第２ユニット５０は、ウエハ６０の芯出し及びオリエンテーションの調整を遂行する。本発明によれば、画像センサによって得られた光学的信号に基づいてウエハ６０の偏心と偏りを補償することができ、もって、ウエハ６０のプリアライメントの精度が向上し、操作効率が向上し、プロセスの自動化が実現される。
当業者であれば、明らかに、本発明の精神と範囲から逸脱しない範囲において種々の変更と改良をすることができる。従って、すべての変更及び改良は、添付のクレーム及びそれと同等のものにおいて定義された発明の範囲に入るように意図されている。

Claims (16)

  1. ウエハを保持する第１のチャックを有し、前記ウエハを回転させ又は上下動可能に構成された第１ユニットと、
    前記第１のチャックに対して前記ウエハを変位可能な第２ユニットと、
    光源と、前記第１のチャックの上方に配置された画像センサと、前記第１のチャックの下方に配置されたレンズと、を有し、前記光源からの光線が前記ウエハ、前記第１のチャック、前記レンズを通過することで、前記第１のチャックに対する前記ウエハの位置を示す情報を前記画像センサに与える、位置検出器と、
    を備え、
    前記位置検出器は、反射型光学システムを有し、
    前記ウエハはエッヂにノッチを有するＴＳＶウエハであり、
    前記反射型光学システムは、前記第１のチャックに対する前記ＴＳＶウエハの位置を示す前記情報を取得可能に構成されており、
    前記反射型光学システムは、前記光源、第１レンズアッセンブリ、前記画像センサ、及び、前記レンズを含み、前記光源は第１波長を有する光線を生成する第１光源として機能し、前記レンズは前記第１波長を有する前記光線を反射する反射型レンズであり、前記第１レンズアッセンブリは、前記第１のチャックの上方及び前記画像センサの下方に配置されており前記第１波長を有する前記光線を前記ウエハ及び前記反射型レンズへ向かわせ、そして、前記光線は前記画像センサへと反射し、
    前記反射型光学システムの前記画像センサにより得られる前記情報は、前記ノッチのエッヂ座標と、前記第１のチャックの中心からの前記ウエハの中心の偏りと、を含み、
    前記第１ユニットは、前記ノッチの前記エッヂ座標に基づいて前記ウエハを回転させ又は上下動させることにより、前記ウエハのオリエンテーションプロセスを達成するように構成され、
    前記第２ユニットは、前記第１のチャックの前記中心からの前記ウエハの前記中心の前記偏りに基づいて、前記ウエハを前記第１のチャックに対して変位させることにより、前記第１のチャックに対する前記ウエハの半径方向の位置を調整するように構成されている、
    ウエハプリアライメント装置。
  2. 請求項１に記載のウエハプリアライメント装置であって、
    前記第１ユニットは、更に、
    前記第１のチャックを回転可能な回転モータと、
    前記第１のチャックを上下動可能な昇降モータと、
    を有する、
    ウエハプリアライメント装置。
  3. 請求項２に記載のウエハプリアライメント装置であって、
    前記第２ユニットは、第２のチャックと変位モータを有し、
    前記第２のチャックは、前記第１のチャックの側方に配置され、前記昇降モータは、前記第１のチャックと前記第２のチャックの間で前記ウエハを移載可能に構成されており、
    前記変位モータは、前記第１のチャックに対する前記ウエハの半径方向における位置を調整するように、前記第２のチャックと前記ウエハを変位可能に構成されている、
    ウエハプリアライメント装置。
  4. 請求項３に記載のウエハプリアライメント装置であって、
    前記第１のチャック及び前記第２のチャックは、それぞれ、複数の吸引孔を有している、
    ウエハプリアライメント装置。
  5. 請求項１に記載のウエハプリアライメント装置であって、
    前記画像センサは、一次元の直線配列された複数のＣＣＤを有し、前記一次元の直線配列の延長線は、前記第１のチャックの前記中心を通る、
    ウエハプリアライメント装置。
  6. 請求項１に記載のウエハプリアライメント装置であって、
    前記位置検出器は、更に、カタディオプトリック型光学システムを有する、
    ウエハプリアライメント装置。
  7. 請求項６に記載のウエハプリアライメント装置であって、
    前記カタディオプトリック型光学システムは、前記光源、第２レンズアッセンブリ、前記画像センサ、及び、前記レンズを含み、前記光源は第２波長を有する光線を生成する第２光源として機能し、前記レンズは前記第２波長を有する前記光線の透過を許容する透過型レンズであり、前記第２レンズアッセンブリは、前記第１のチャックの下方に配置されており前記第２波長を有する前記光線を前記ウエハ及び前記透過型レンズを通って前記画像センサに至るように構成されている、
    ウエハプリアライメント装置。
  8. 請求項６に記載のウエハプリアライメント装置であって、
    前記レンズは第１波長を有する光線は反射し、第２波長を有する光線の透過は許容するフィルタリングレンズである、
    ウエハプリアライメント装置。
  9. 請求項６に記載のウエハプリアライメント装置であって、
    前記ウエハは極薄ウエハ、又は、ＴＡＩＫＯウエハであり、
    前記カタディオプトリック型光学システムは、前記第１のチャックに対する前記極薄ウエハ又は前記ＴＡＩＫＯウエハの位置を示す前記情報を取得可能に構成される、
    ウエハプリアライメント装置。
  10. 請求項１に記載のウエハプリアライメント装置であって、
    前記情報は、更に、前記ＴＳＶウエハに対する前記ノッチの位置、及び、前記第１のチャックに関する前記ノッチの位置、を含み、前記第１ユニットは、更に、前記情報に基づいて前記第１のチャックに対する前記ＴＳＶウエハの周方向の位置を調整可能に構成されている、
    ウエハプリアライメント装置。
  11. 請求項１に記載のウエハプリアライメント装置を用いたＴＳＶウエハのプリアライメント方法であって、
    吸着により前記ＴＳＶウエハを前記第１のチャックに保持し、前記ＴＳＶウエハの前記エッヂを前記第１光源によって生成された光線によって明るくするステップ１００と、
    前記第１のチャックを３６０度回転し、同時に前記画像センサを用いて前記第１のチャックに保持されている前記ＴＳＶウエハのエッヂ画像をキャプチャし、前記第１のチャックの前記中心からの前記ＴＳＶウエハの中心の偏りを計算するステップ２００と、
    前記ＴＳＶウエハを前記第１ユニットから前記第２ユニットに移載し、前記計算した偏りに基づいて前記ＴＳＶウエハを前記第２ユニットで動かし、前記ＴＳＶウエハの前記中心を前記第１のチャックの前記中心に揃えるステップ３００と、
    前記ＴＳＶウエハを前記第２ユニットから前記第１ユニットに移載し、前記第１のチャックを３６０度回転し、前記画像センサを用いて前記第１のチャック上の前記ＴＳＶウエハのエッヂ画像をキャプチャし、前記第１のチャックの前記中心からの前記ＴＳＶウエハの前記中心の偏りが所定値を下回っているかを決定し、もし真であればステップ５００に進み、もし偽であればステップ３００に戻るステップ４００と、
    前記画像センサを用いて前記ＴＳＶウエハの前記ノッチの詳細なスキャンを実施して前記ノッチのエッヂ画像を取得し、前記ノッチの前記エッヂ画像から前記ノッチの前記エッヂ座標を抽出し、前記ノッチの位置属性を特定し、これにより前記オリエンテーションプロセスを達成するステップ５００と、
    を含む、
    方法。
  12. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記第１のチャックの前記中心からの前記ＴＳＶウエハの中心の偏りを計算することは、
    前記画像センサで前記ＴＳＶウエハの二次元エッヂ画像を取得し、前記ＴＳＶウエハの取得した前記二次元エッヂ画像から前記ＴＳＶウエハのエッヂ座標を抽出するステップ２１０と、
    前記ＴＳＶウエハの前記エッヂ座標を前記第１のチャックの座標系における座標へと変換するステップ２２０と、
    前記第１のチャックの前記座標系における前記ＴＳＶウエハの前記中心の座標を最小二乗法を用いて決定するステップ２３０と、
    前記ＴＳＶウエハの前記中心の前記座標と、前記第１のチャックの前記中心の座標との差分を計算するステップ２４０と、
    を含む、
    方法。
  13. 請求項１２に記載の方法であって、
    ステップ２１０において、前記画像センサは、前記ＴＳＶウエハの一次元エッヂ画像をキャプチャする直線配列されたＣＣＤ画像センサであり、前記キャプチャした一次元エッヂ画像はソフトウェアによって結合されて前記ＴＳＶウエハの前記二次元エッヂ画像となる、
    方法。
  14. 請求項１１に記載の方法であって、
    ステップ２００は、更に、前記ＴＳＶウエハの前記エッヂ画像に基づいて前記ＴＳＶウエハの種類を決定することと、前記ＴＳＶウエハの前記決定した種類に基づいて前記第１光源の光強度を決定すること、を含む、
    方法。
  15. 請求項１１に記載の方法であって、
    ステップ５００における前記詳細なスキャンは、
    前記第１のチャックを原点に戻し、前記ＴＳＶウエハの前記ノッチの位置を前記画像センサの下方且つ反時計回りとするステップ５１１と、
    前記ＴＳＶウエハの前記ノッチが前記画像センサを完全に通過するような角度分、前記第１のチャックを時計回りに回転し、前記画像センサで前記ノッチの一次元画像をキャプチャするステップ５１２と、
    前記ノッチの前記一次元画像を貼り合わせて二次元画像にするステップ５１３と、
    前記二次元画像から前記ノッチのエッヂ座標を抽出し、前記ノッチの前記エッヂ座標を前記ノッチの属性と比較し、もし前記ノッチを特定できたら、前記オリエンテーションプロセスを終え、もし前記ノッチを特定できなかったら、カウンタを作動させると共に前記カウンタが示す繰り返し回数に応じて、続けてステップ５１５、ステップ５１６、ステップ５１７、ステップ５１８の何れかに進むステップ５１４と、
    前記第１のチャックを前記原点に戻し、前記第１のチャックを前記ノッチの円弧角の半分だけ反時計回りに回転し、ステップ５１２からステップ５１４を繰り返し、もし前記ノッチを特定できたら前記オリエンテーションプロセスを終えるステップ５１５と、
    前記第１のチャックを前記原点に戻し、前記第１のチャックを前記ノッチの前記円弧角の半分だけ時計回りに回転し、ステップ５１２からステップ５１４を繰り返し、もし前記ノッチを特定できたら前記オリエンテーションプロセスを終えるステップ５１６と、
    光強度を増やし、前記第１のチャックを前記原点に戻し、ステップ５１２からステップ５１４を繰り返し、もし前記ノッチを特定できたら前記オリエンテーションプロセスを終えるステップ５１７と、
    前記光強度を減らし、前記第１のチャックを前記原点に戻し、ステップ５１２からステップ５１４を繰り返し、もし前記ノッチを特定できたら前記オリエンテーションプロセスを終えるステップ５１８と、
    を含む、
    方法。
  16. 請求項１５に記載の方法であって、更に、
    ステップ５１４の後に、前記カウンタによって示された前記繰り返し回数を確認し、もしその数字が設定値を超えていなければ、続けてステップ５１５、ステップ５１６、ステップ５１７、及び、ステップ５１８の何れかに進み、もしその数字が前記設定値を超えていたら、前記オリエンテーションプロセス、ひいてはプリアライメントを終えるステップ５１９を含む、
    方法。
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