JPH01132132A

JPH01132132A - ウエハの光学的プリアライメント装置

Info

Publication number: JPH01132132A
Application number: JP63213900A
Authority: JP
Inventors: Koichi Murakami; 浩一村上; Hideo Sakakawa; 坂川　英生
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1988-08-29
Publication date: 1989-05-24
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: JPH0722178B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体ウェハの光学的プリアライメント装置
に関し、通常のシリコン半導体ウェハや光透過性のＳ　
ＯＳ　（ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　５ａｐｐｈｉｒｅ　）
ウェハなど各種の半導体ウェハの光学的プリアライメン
ト装置に関するものである。

（従来の技術）古くは、例えばウエハプローバ等における半導体ウェハ
のアライメントは、１枚目のウェハを測定ステージ上に
搬送載置した上でアライメントしそのまま電気的特性の
測定を行ない１次いで、２枚目以降のウェハについても
同様に順次測定ステージに搬送載置してアライメントし
た上で測定するというように、測定ステージ上で行なわ
れていた。しかし、この方式は、ウェハアライメントと
測定を同一の測定ステージ上で交互に行なうことから、
作業能率が悪く、スループットを上げることができない
ため、近年では、測定ステージに搬送される前の段階で
ウェハのプリアライメントを行ない、その後にプリアラ
イメントした状態を保持しつつ、測定ステージにウェハ
を搬送して、アライメントと測定を別々の位置で並行的
に行なうのが通例となってきた。

このような半導体ウェハのプリアライメント装置として
は、従来、半導体ウェハのオリエンテーションフラット
（以下、単にオリフラという）を接触部材などで機械的
に検出するものが多く、又。

特に図示しないが、容量センサによりウェハ載置台とウ
ェハへ向けて所定量照射した光の反射を検出してウェハ
のプリアライメントを行なう装置もあった。

（従来技術の課題）しかしながら、上記した接触部材等による機械的なプリ
アライメントでは、アライメント精度が不十分で、かつ
、エッヂ等と接触部材との接触により摩擦、塵など好ま
しくない状態を生ずるという課題がある。

また、容量センサを用いて搬送台部分とウェハ部分の反
射光の容量の相違を検出してプリアライメントすれば、
上記問題は生じないが、容量センサを用いた装置自体が
非常に高くなってしまい、大幅なコスト高を招来すると
いう課題がある。しかも、この容量センサによるプリア
ライメントでは、光を１反射する通常の半導体ウェハと
異なり光を透過する、例えばＳ　ＯＳ　（ｓｉｌｉｃｏ
ｎ　ｏｎ　５ａｐｐｈｉｒｅ）ウェハなどの光透過性の
半導体ウェハにおいては光が透過して容量センサの測定
量を狂わすため。

正確なプリアライメントを行なえないという課題があっ
た。

本発明は、上記の課題に鑑み、各種の半導体ウェハに対
して極めて正確にプリアライメントでき、かつ発塵等の
問題の生じず、しかも比較的安価なウェハのプリアライ
メント装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）本発明は、上述のような課題を解決するため次のように
構成した。

すなわち、ウェハの予め定められた位置へのアライメン
トを発光素子と受光素子により光学的に検出しアライメ
ントする装置において、上記発光素子による照射をウェ
ハに対して傾斜状態に設定し、上記ウェハのエッヂに照
射されるよう構成した。

また、ウェハの予め定められた位置へのアライメントを
発光素子と受光素子により光学的に検出しアライメント
する装置において、ウェハの表裏面の一面に発光素子を
、他面に受光素子をそれぞれ配置し、この受光素子の受
光量を検出してウェハの中心位置と偏心量を算出し、ウ
ェハの偏心補正とウェハのオリフラの位置決めを行なう
ことによりウェハをプリアライメントするよう構成した
。

（作用）本発明は、上述のように発光素子による照射をウェハに
対して傾斜状態に設定し、ウェハのエッヂに照射される
ように構成したので、ウェハにあたる照射光は該ウェハ
のエッヂ部でほぼ反射され極めて僅かしか透過しない、
このエッヂ部での乱反射現象を利用し、ウェハのエッヂ
ライン及び偏心量を正確にセンシングすることができ、
ウェハの高精度かつクリーンなプリアライメントを行う
ことができる。

また、ウェハの表裏面の一面に発光素子を、他面に受光
素子をそれぞれ配置し、この受光素子の受光量を検出す
るようにしたので、光を透過しない通常のウェハを回転
させつつセンシングすると、受光素子は、ウェハで遮ら
れずに光の当る面積に比例して例えば電流を出力する。

この受光素子の出力を基にウェハの中心位置と偏心量を
算出して。

高精度かつクリーンなプリアライメントを行なうことが
できる。

（実施例）以下に１本発明の実施例を図面に従って説明する。

第１図は本発明のプリアライメント装置の一実施例を示
す側面図で、図中、１はプリアライメント装置の保持部
であり、該保持部１の先端下側には、コ字形状に形成し
た光センサ取付部１′がボルト等の取付は手段により傾
斜状態で一体的に配設されている。この二字形状光セン
サ取付部１′の垂下部のうち、ＳＯ８半導体ウェハ（サ
ファイアの基板上にシリコン膜を形成したもの）６の上
方に位置する一側鍔部には発光素子３が内設され、他一
方の垂下部の対応する鍔部位置で上記発光素子３からの
光路には受光素子４が内設され、該発受光素子３．４に
より光センサ２が構成されている。該光センサ２の光軸
は１発光素子３による照射をＳＯ８半導体ウェハ６に対
して傾斜状態に設定し該ウェハ６のエッヂに照射される
よう、サブチャック５に載置されるＳＯ８半導体ウェハ
６のエッヂに位置させており、具体的には、ウェハサイ
ズに対応してＹステージ７及び前記サブチャック５を形
成した２ステージ８を所定位置に移動・停止させること
で、上記の如く傾斜状態で光センサ取付部１′に配設さ
れた該光センサ２の上記光軸をＳＯ８半導体ウェハ６の
エッヂに位置させている。また、上記光センサ２の発光
素子３は、例えば発光ダイオードを設け、投光レンズを
介してなり、又、受光素子４は１例えばフォトダイオー
ドからなりレンズを介してなるが、発光素子３及び受光
素子４は、上記以外の任意の素子をも使用し得る１本例
では上記光センサ２の傾斜角度を該エッヂに対するセン
サ光の入射角が約７５＠どなるよう設定しているが、傾
斜状態に受発光素子３゜４を配設した光センサ２の光軸
がＳＯ８半導体ウェハ６の外周エッヂの一部に位置する
よう構成されていれば光センサ２の傾斜角度は特に限定
されるものではなく、光透過性のＳＯ８半導体ウェハ６
のエッヂにセンサ光が当たった場合に、その大部分が反
射される角度、即ち約４５°以上９０゜未満の角度であ
ってＳＯ８半導体ウェハ６の光反射特性に応じた適宜の
角度を設定することができる。これは、即ち、平面は光
透過性のウェハでもエッヂ部の加工は乱反射部となるこ
とを利用したものであり、仮に容量センサを用いた従来
方法でこのようなＳＯ８半導体ウェハ、ガラスウェハな
どの光透過性の半導体ウェハのプリアライメントを行な
えば、ＩＣチップなどのウェハ部分も光センサの照射光
を透過してしまうため、第１２図に示す如くセンサの出
力データがばらついてプリアライメントの精度が極めて
低くなり、到底実施に堪えない状況となるのを、上述の
構成によってプリアライメント可能にしたものである。

第１図では上記光センサ２の発光素子３及び受光素子４
は各々１つしか設けていないが、各々複数段け、ＳＯ８
半導体ウェハ６のウェハサイズ（３，５，８インチ等）
に対応して複数の発光素子３及び受光素子４を同一の回
路内に配設し、切換制御回路を介してプリアライメント
を行うことができるように構成してもよい、このアライ
メントは１例えば、ウェハのＯＦで光が全部透過するこ
とによるフォトトランジスタでの光電流の変化をみて実
行できる。

なお、第１図中、９はサブチャック５が降下したときに
、ＳＯ８半導体ウェハ６を載置し、ＳＯ８半導体ウェハ
６のＸ方向の偏心補正を可能とするピンセットである。

上記した本発明を用いてウェハのプリアライメントを行
うには、第３図のフローチャートに示すごとく、先ず、
受発光素子３．４等の作動をチエツクした後、第１枚目
のサンプルＳＯ８半導体ウェハ６をサブチャック５に載
置し、Ｙステージ７をＹ方向に移動させて２ステージ８
、サブチャック５ともどもＳＯ８半導体ウェハ６をＹ方
向に移動させ、次いで、ＳＯＳ半導体ウェハ６を１回転
し、光センサ２により該ＳＯ８半導体ウェハ６のエッヂ
ラインをセンシングし、第５図に示すセンサ出力に基づ
きΔＳを積分してウェハ面積を算出してウェハサイズを
チエツクし、ウェハエッヂの位置とセンサ出力の相関関
係データをサンプリング採取しつつ、サブチャック５上
に載置されるＳＯ８半導体ウェハ６に対し傾斜状態で配
設される前記光センサ２の光軸が該ＳＯ８半導体ウェハ
６のエッヂに位置するよう理想的な位置にＹステージ７
を移動させていき、Ｙステージ７の初期設定位置を決定
する。このサンプリング採取した相関データは第６図に
示す如く、光軸から離れるに従い非直線状となるため、
データを変換してセンサ出力対エッヂ位置が直線関係と
なるように、相関近似処理を行う。

このようにしてプリアライメント装置を構成した後、サ
ブチャック５上に載置されたＳＯ８半導体ウェハ６のエ
ッヂ近傍に受光素子３からセンサ光を照射し、該ウェハ
を１回転させてエッヂデータをセンシングし、このエッ
ヂデータを上記相関関係に基づいてデータ変換して第４
図に示す如きセンサ出力として取りだし、ＳＯ８半導体
ウェハ６の偏心量を計算して前記Ｙステージ７、サブチ
ャック５及びピンセット９を動がして偏心補正を行い、
更に同様のセンシングを行ってＯＦ位置を判別し、ＯＦ
を定められた角度に位置決めする。

なお、偏心量を計算するにあたり、精度を高めるため、
自己相関演算により電気的ノイズ成分を除去している。

また、２枚目以降のＳＯ８半導体ウェハ６のプリアライ
メントに際しては、ウェハサイズに変動のない限り、最
初からサブチャック５上に載置されるＳＯ８半導体ウェ
ハ６に対し傾斜状態で配設される前記光センサ２の光軸
が該ＳＯ８半導体ウェハ６のエッヂに位置し、発光索子
３からエッヂに照射されるようＹステージ７を最初から
所定位置に移動させればよい。

なお、第８図は上記センサ出力をマイクロコンピュータ
等の演算回路で解析する際のセンサ出力の処理回路の一
例を示したブロック図であり、光センサの出力電流を変
換回路Ａで電圧変換し、ローパスフィルタＢ、サンプル
・ホールド回路Ｃを介して変換回路りでＡＤ変換し、マ
イクロコンピュータのＣＰＵに入力するようにしている
。

次に、本実施例の作用について説明する。

ＳＯ８半導体ウェハ６にあたる照射光は該ウェハ６のエ
ッヂ部でほぼ反射され極めて僅かしか透過しない、この
エッヂ部での乱反射現象を利用し、ＳＯ８半導体ウェハ
６のエッヂライン及び偏心量を正確にセンシングするこ
とができ、ＳＯＳ半導体ウェハ６の高精度かつクリーン
なプリアライメントを行うことができる。

上記実施例では透過光検出形の光学的プリアライメント
装置の例について説明したが、フォトトランジスタの位
置はエッヂ部からの反射光を受光する位置に配設しても
良い。

なお、本発明のウェハのプリアライメント装置は、上記
したＳＯ８半導体ウェハだけでなく、ガラスウェハ、水
晶ウェハ、ＧａＡｓウェハなどの光透過性のウェハのす
べてに適用することができることは言うまでもなく、又
、光を透過しないウェハに対して適用してもよい。

次に１本発明の第２実施例を図面に従って説明する。

第９図は１本発明の第２実施例に係るプリアライメント
装置を示す斜視図、第１０図は同上のセンシング状態を
示す部分側面図、第１１図は同上のセンサ出力を示すグ
ラフ図である。

本実施例における光学的プリアライメント装置は、基本
的には、上記第９図及び第１０図に示すごとく、ウェハ
のＹ方向の位置決めを行うＹステージ１０と連動すると
ともに昇降自在なＺステージ１１に設けたサブチャック
１２上にウェハ１３を載置し、該サブチャック１２を回
転させて該ウェハ１３を１回転させ、同じくｚステージ
１１に垂直上向きに設けた光センサの発光素子１４から
垂直上向きのセンサ光を照射し、センサスリフト１４ａ
を通過しウェハ１３で遮られる部分以外、即ち、ウェハ
１３のエッヂ外側を通過するセンサ光を、センサ保持部
１５に垂直下向きに形成した受光素子１６で検出して、
第７図に示すような該センサの検出結果を得てウェハ１
３の中心位置及び偏心量を算出し、その結果に基づきＹ
ステージ１０の移動によりＹ方向の位置補正を行い、更
にサブチャック１２を降下させて、該ウェハ１３をＺス
テージ１１に設けたピンセット１７に載せて所定量スラ
イドさせてＸ方向の位置補正を行い。

更に、サブチャック１１を所定角度回転させウェハ１３
のオリフラの位置合せを行うようプリアライメント装置
を構成しているものである。

上記発光素子１４は１本例では赤外ＬＥＤを使用し、又
、受光素子１６には光学フィルタ付フォトダイオードを
使用したが、これに限定されるものではなく、実施に応
じて適宜の発・受光素子を選択し得る。

また、第１３図はセンサスリット１４ａを通過する光と
受光部１６、ウェハ１３との関係を示した模式図で、発
光素子１４からの光は１■一幅、長さ２０ｍ閣のセンサ
スリット１４ａを通り、ウェハ１３に遮られる部分ｄを
除いて受光素子１６に受光される。この場合、第１０図
にあ□るように、発光素子１４を横に複数並べ、３”、
３．５”、４”、５”、６”等の各ウェハサイズに対応
して発光素子１４を変えることで、ウェハサイズ対応機
能を持たせている。

上述した第２実施例のプリアライメント装置によるプリ
アライメントの手順を第１４図にフローチャートで示す
。

すなわち、まず、イニシャライズし１発光素子１４とし
てのＬＥＤ、受光素子１６としてのフォトダイオード受
光センサ、Ａ／Ｄコンバータなどの作動ユニットの初期
設定をチエツクする。このユニットチエツクの設定値モ
デルを第１５図に示す、同図のサンプリングにおいて、
移動量（Ｇａｉｎ）と変更量（ｓｈｉｆｔ）との関係式
は１例えば次のように表わされる。

胛 ■　Ｙ　（１１）　　＝　−コΣｘ　（Ｑ）　十ＦＦＦ
■、Ｙ　（ＱＦ　）　＝−苧ｘ　（８）　＋　７　ＦＦ
ＦＯＹ（２１Ｌ）＝−安Ｘ（ｕ）＋−ｊＦＦＦ◎Ｙ　（
２Ｆ）　＝−審ｘ（９）＋　−４ＦＦＦ次いで、最初の
プリアライメント用ウェハ１３をプリアライメント位置
のサブチャック１２上に載置して、センシングのための
分解能計算（ＧａｉｎＸ　１　ｐ　ｓ　ｈ　ｘ　ｆ　ｔ
　＝０　）を行なう、この場合、第１６図に示すように
、ビット当りの長さＬｏとすると、理論値り、　＝　２
０ｍｍ１０ＦＦＦＨ＝４．８８　ｐ　ｒａ／　ｂｉｔ実
測値り、　＝　（（ｎ、＋１ｍ５）　−ｎｏ）／Ｎｄ−
Ｎｄ＋１となる。なお、同一型式の２枚目以降のウェハ
１３のプリアライメントに際しては、この分解能計算は
不要である。

ここで、ウェハの回転を開始して、データの採取、平滑
化を行なう、データの採取は、第１７図に示すように行
なうが、例えば、以下のような条件でデータ採取を行な
う。

サンプリング間隔　　データ１０．９＠データ数　　　
　　　３６０”　１０．９°＝４００個サンプリング時
間　　４８００μＳ／デ一タトータルサンプリング時間
　４８００Ｘ４００＝ｌＪ２ｇまた。このように採取し
たデータの雑音除去、平滑化は１等間隔で逐次サンプル
されたデータ点のある範囲に最小二乗誤差で多項式を適
合させる多項式適合法によって行ない、真の信号を抽出
する。

ここで、この平滑化されたデータに基づいて。

ウェハの偏心有無、偏心量を１例えば以下のように計算
する。

第１８図において、６′はウェハ１３の偏心位置、５は
中心位置、θは回転補正量、しは移動補正量を各示す、
ここで、偏心量の計算は１円周上の２点を結ぶ直線の垂
直二等分線上に真の円の中心があり、又、他の線分の垂
直二等分線との交点は円の中心であるとの原理を用い、
採取データから各々の計算を行なう、そして、第１９図
にあるように、データ採取・平滑化後、任意の点Ａと該
点Ａと１８００対向する点Ｂのデータの差が±５００μ
園以内（ＩＡ−Ｂｌ≦５００μ園）であれば、ウェハの
中心が出たものとしてオリフラ位置合わせの段階に入る
。上記データの差が±５００μ■を超えているときは、
該偏心量に従ってウェハ１３の偏心補正を行なう、すな
わち、ウェハを回転させてθ方向を合わせ、次いでサブ
チャック１２をダウンさせ、ウェハ１３をピンセット１
７上に載置して該ビンセット１７の移動によってＸ方向
位置合わせを行った後、サブチャック１２をアップさせ
、再度前記データ採取を行なう、この繰返しは、偏心量
がＩＡ−Ｂｌ≦５００μ論となるまで繰返される。

次いで、偏心量が上記範囲内にある場合には、オリフラ
計算、オリフラの位置合わせを行なう。

本例におけるオリフラ計算の具体的計算式を、第２０図
乃至第２２図を参照しつつ説明する。

第２０図に示すように、ウェハのオリフラが図中０から
始まり、■で終わるものと仮定する。これをＸ、Ｙの直
交座標に変換して、データサンプリングとして表わすと
第２１図のようになる。このとき、推定される曲線を、
二次曲線ｙ＝ａｘ”＋ｂｘ＋ｃとする。また、未知数ａ。

ｂ、ｃを最小二乗法を用いてデータから推定する。

すなわち１式ｙ＝ａｘ”＋ｂｘ＋ｃによるｙの計算値Ｙ
と、実際のデータｙとの差の二乗和が最小になるように
式の係数ａ、ｂ、ｃを決定する。

実データと計算値Ｙとの差Ｅ＝＝　’／ｚ−Ｙ、＝　ＦＱ　−（ａ　ｘ”＋　ｂ　
ｘ　＋　ｃ）偏差の二乗和として連立方程式を解く、すなわち、ｎｃ＋ｂΣ入＋ａΣ〈＝ΣｙＩＣΣ翫＋ｂΣかａΣを＝夏山Ｃ状＋ｂΣすａΣかとｊｚλ これを解いて係数ａ、ｂ、ｃを求める。

また、第２１図において、傾きが０のところがオリフラ
のセンタと考えられるので、曲線ｙ＝ａｘ”＋ｂｘ＋ａを微分すると。

ｙ’　　＝２ａｘ＋ｂ＝０；、Ｘ＝−ｂ／２ａよって、第２２図にあるように、点ＸＩ、をオリフラセ
ンタとする。

このようにして、ウェハのオリフラの位置合わせが終わ
ると、ウェハのプリアライメントは終わり、ウェハはそ
の位置を保ったまま図示しない測定ステージへと搬送さ
れる。

なお、上記第２実施例におけるセンサ出力処理回路等に
ついては、第８図に示す第１実施例と同様の回路を用い
ればよく、その他特に変える必要のないところは同様の
構成とし得る。

また、上記各実施例においては、ウェハにオリフラが設
けられている場合を例にとってプリアライメント装置を
説明したが、本発明は１例えばウェハの円周に切欠きノ
ツチ部が設けられているような場合にも適用できること
はいうまでもない。

見匪勿免来以上のことから明らかなように、本発明によると、ウェ
ハの予め定められた位置へのアライメントを発光素子と
受光素子により光学的に検出しアライメントする装置に
おいて、上記発光素子による照射をウェハに対して傾斜
状態に設定し、上記ウェハのエッヂに照射されるよう構
成したので、ウェハのエッヂライン及び偏心量等を極め
て正確に検出することができ、ＳＯＳウェハ、ガラスウ
ェハなど光透過性のウェハであっても、高精度なプリア
ライメントを行うことができる。

また、ウェハの表裏面の一面に発光素子を、他面に受光
素子をそれぞれ配置し、この受光素子の受光量を検出し
てウェハの中心位置と偏心量を算出し、ウェハの偏心補
正とウェハのオリフラの位置決めを行なうよう構成した
ので、比較的安価かつ正確に偏心量等を検出でき、高精
度なプリアライメントを行なうことができる等の効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプリアライメント装置の一実施例を示
す側面図、第２図は同上のセンシング原理図、第３図は
同上のプリアライメントのフローチャート、第４図は同
上のセンサ出力を示すグラフ図、第５図は同上のウェハ
サイズチエツクの際のセンサ出力波形図、第６図は同上
のセンサ出力対エッヂ位置の相関関係を示すセンサデー
タ図。第７図は同上のＯＦの識別波形図、第８図は同上の実施
例におけるセンサ出力処理回路の一例を示したブロック
図であり、第９図は本発明の第２実施例に係る光学式プ
リアライメント装置を示す斜視図、第１０図は同上のセ
ンシング状態を示す部分側面図、第１１図は同上のセン
サ出力を示すグラフ図、第１２図は光透過性のウェハに
対する同上のセンサ出力を示すグラフ図、第１３図はウ
ェハとスリット及びセンサ受光部との関係を示す模式図
、第１４図は同第２実施例に係るプリアライメントのフ
ローチャート、第１５図はユニットチエツクの初期セッ
トデータ図、第１６図は分解能計算の理論値と実測値と
の関係を示す模式図、第１７図はウェハの偏心データ採
取、サンプリングのフローチャート、第１８図及び第１
９図はウェハの偏心量計算を示す模式図、第２０図及び
第２２図は夫々ウェハのオリフラ計算のための模式図で
ある。１，１５・・・・センサの保持部１′・・・・光センサ取付部、　２・・・・光センサ、
３．１４・・・・発光素子、　　４，１６・・・・受光
素子、５．１２・・・・サブチャック、６．１３・・・
・ウェハ。７．１０・・・・Ｙステージ、８，１１・・・・Ｚステ
ージ、１４ａ・・・・センサスリフト、１７・・・−ピ
ンセット。第１図第４図ウェハＩ！ｌ耘Ｐ項第５図 ′７エ八匡Ｉ吸角第６０工！干°位１第７図第８図第９図＠１１’ＳＡ　　　　　　　　第１２図１工八回籾ｌｉ
ｔ雇　　　　　　　　　　　　　　　　ワΩ■回撃勇湿
第１：５図第１５図汗第１４図Ｑ立１つ第１８図第１９図第２０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ウェハの予め定められた位置ヘのアライメントを
発光素子と受光素子により光学的に検出しアライメント
する装置において、上記発光素子による照射をウェハに
対して傾斜状態に設定し、上記ウェハのエッヂに照射さ
れるよう構成したことを特徴とするウェハの光学的プリ
アライメント装置。
（２）ウェハの予め定められた位置へのアライメントを
発光素子と受光素子により光学的に検出しアライメント
する装置において、ウェハの表裏面の一面に発光素子を
、他面に受光素子をそれぞれ配置し、この受光素子の受
光量を検出してウェハの中心位置と偏心量を算出し、ウ
ェハの偏心補正とウェハのオリフラの位置決めを行なう
ことによりウェハをプリアライメントするようにしたウ
ェハの光学的プリアライメント装置。