JPH08327324A - 位置合せ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 位置合せ対象体に描かれたマークを精度よく
検出するためにマークの照明光を最適値に自動的に調整
する。 【構成】 マークを照明する照明光量を複数段階の試験
照明光量に亘って変化させ、各試験照明光量における画
像信号における所定領域の全画素の信号値の統計的な分
散値を算出し、算出された複数の分散値のうち最高分散
値に対応する試験照明光量をマークの照射光量と設定す
る。また、照明光量を複数段階の試験照明光量に亘って
変化させ、各試験照明光量における画像信号における所
定領域の全画素の信号値の統計的な分散値を算出し、算
出結果に基づいて分散値の試験照明光量を変数とした場
合の関数を近似計算し、関数値が最大値を示す試験照明
光量をマークの照射光量と設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体製造装置
内に組込まれ、移動ステージに搭載されたウエハ等を所
定位置に位置合せする位置合せ装置に係わり、特に、ウ
エハ等の位置合せ対象の位置を検出するために用いるマ
ークを照明する場合の光量を自動調整する位置合せ装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】移動ステージに搭載されたウエハ等（以
下ウエハと略記する）を所定位置に移動させるために、
製造工程においてウエハにマークを付けた後、移動ステ
ージに搭載されたウエハのマーク位置を検出して、この
マーク位置が予め定められた基準位置に位置するように
移動ステージを移動制御している。

【０００３】この場合、ウエハのマーク位置を検出する
ために、マークを含む所定領域を画像センサで撮影し、
この画像センサにて得られた画像データを画像処理し
て、ウエハ上におけるマーク位置を決定する。

【０００４】そして、画像センサでマークを含む所定領
域を撮影する場合に、該当所定領域を照明している。こ
の照明する場合に、マークと背景（下地）とのコントラ
ストが最大になるように照明光量を調整する必要があ
る。

【０００５】このマークが含まれる所定領域を高いコン
トラストが得られるように照明する照明方式として、
「明視野照明方式」と「暗視野照明方式」との２種類の
照明方式が実用化されている。

【０００６】明視野照明方式においては背景を明るく照
明し、暗視野照明方式においては背景を暗く照明してい
る。ここで、明視野照明方式の視覚的な見え方は白地に
黒いパータンとなり、パターン全体形状を把握できる。
一方、暗視野照明方式の視覚的な見え方は黒地に白いパ
ータンとなり、パターンと背景との境界を把握できる。

【０００７】いずれの照明方式を採用するかは、測定対
象や背景（下地）となる材料によって異なるので、いず
れの照明方式においても、それぞれ最良の照明光量を決
定する必要がある。

【０００８】この明視野照明方式，暗視野照明方式にお
ける各最適照明光量の決定手法は例えば特開昭６０−２
３３９８３号公報に開示されている。明視野照明方式に
おいては、画像センサにて得られるマークを含む所定領
域の画像信号における全画素の信号値の平均値を算出し
て、この平均値に基づいて最適照明光量を決定する。し
たがって、所定領域全体は常に一定した光量で照明され
る。

【０００９】また、暗視野照明方式においては、画像セ
ンサにて得られるマークを含む所定領域の画像信号にお
ける全画素の信号値の最大値を検出して、この最大値に
基づいて最適照明光量を決定する。したがって、マーク
と背景との境界部分が常に一定した光量で照明される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
各照明方式における各最適照明光量の決定手法において
もまだ解消すべき次のような課題があった。すなわち、
明視野照明方式で平均値に基づいて照明光量を決定する
場合においては、パターン面積の前記所定領域の面積に
対する比率が変化した場合には、照明光量が変化するこ
とになり、常に最良のコントラストが得られる最適照明
光量となるとは限らない。

【００１１】また、暗視野照明方式で最大値に基づいて
照明光量を決定する場合においては、照明光量を順次変
化させていった場合における信号値の最大値の照明光量
が必ずしも最良のコントラストが得らる照明光量とは限
らない。

【００１２】よって、常に最良のマーク位置検出精度が
得られるとは限らない。本発明はこのような事情に鑑み
てなされてものであり、マークを含む所定領域の画像信
号における全画素の信号値の分散値を用いることによっ
て、この所定領域を照射する光の照明光量を、明視野照
明方式及び暗視野照明方式における常に最良のコントラ
ストが得られる最適照明光量へ自動的に調整できる位置
合せ装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、移動ステージ
上に載置された位置合せ対象体に描かれたマークに対し
て光を照射する照明手段と、マークを含む所定領域の画
像信号を得る画像取込手段と、得られた画像信号から前
記マークの位置を算出し算出されたマーク位置が所定の
基準位置に位置するように移動ステージを移動させる移
動制御手段とを具備する位置合せ装置に適用される。

【００１４】そして、上述した課題を解消するために、
本発明の位置合せ装置においては、マークに対する照射
光量を複数の段階に亘って変化させる光量変化手段と、
各段階の光量における前記画像信号に基づく所定領域の
全画素の信号値の統計的な分散値を算出し、この分散値
のうちの最高値に対応する照射光量を最適照射光量と決
定する照射光量決定手段とを具備しててる。

【００１５】また、別の発明においては、上述した発明
の位置合せ装置における照射光量決定手段は、分散値の
照明光量を変数とした場合の関数を近似計算し、この関
数の値が最大値を示す照射光量を最適照射光量と決定す
るようにしている。

【００１６】

【作用】このように構成された位置合せ装置において
は、各試験照明光量における画像信号における所定領域
の全画素の信号値の統計的な分散値を算出している。す
なわち、画像センサから得られる画像信号にはマークを
含む所定領域の各画素位置の信号値が含まれる。そし
て、背景位置に相当する各画素の信号値はほぼ一定値で
あり、かつマーク位置に相当する各画素の信号値はほぼ
一定値であると仮定すると、背景位置に相当する信号値
とマーク位置に相当する信号値との統計的な差の値が分
散値になる。

【００１７】したがって、分散値が大きいと、画像信号
における背景部分とマーク部分との間の信号差、すなわ
ちコントラストが大きくなる。よって、照明光量を複数
段階の試験照明光量に亘って変化させた場合の各分散値
を算出し、算出された各分散値のなかの最大分散値に対
応する試験照明光量をマークの照射光量と設定すれば、
マークと背景との間の最大コントラストが得られる。

【００１８】また、別の発明においては、各試験照明光
量と分散値との関係を関数で近似して、この関数の値が
最大値に対応する試験照明光量をマークの照射光量と設
定している。したがって、たとえ少ない試験照明光量で
あったとしても、結果的に各試験照明光量相互間の照明
光量に対応する分散値が補間されることになり、より最
適なマークの照射光量が設定可能である。

【００１９】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。図１は実施例の位置合せ装置の概略構成図である。
この実施例の位置合せ装置はウエハの回転位置調整を行
う。

【００２０】真空チャンバ１内に配設された移動ステー
ジとしてのホルダ２上に位置合せ対象体としての円盤状
のウエハ３が取付けられている。ホルダ２はＸＹＺステ
ージ４でＸ，Ｙ，Ｚ方向の任意位置へ移動制御される。
また、ホルダ２上の基準位置のＸ，Ｙ，Ｚ方向の各位置
はＸスケール４ａ，Ｙスケール４ｂ及びＺスケール４ｃ
で検出される。さらに、ホルダ２は回転ステージ５によ
りＺ軸回りに回転制御される。

【００２１】ステージ制御部６はデテクタ９を介してＸ
スケール４ａ，Ｙスケール４ｂ及びＺスケール４ｃから
実際の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）位置を検出している。
そして、ステージ制御部６は、ＣＰＵ７からホルダ２の
３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）位置及びＺ軸回りの角度θが
与えられると、ドライバ８を介してＸＹＺステージ４及
び回転ステージ５を駆動して、ホルダ２の３次元座標
（ｘ，ｙ，ｚ）位置及びＺ軸回りの角度θを指定された
位置及び角度位置に移動制御する。

【００２２】ホルダ２が収納される真空チャンバ１の上
面に設けられた観察窓１０の対向位置に一対の光学部１
１ａ，１１ｂが配設されている。この各光学部１１ａ，
１１ｂ内には、ホルダ２に取付けられたウエハ３に描か
れたマーク１２を含む所定領域を照射するレンズや絞り
等の照明用光学部材が収納されている。照明光は光ファ
イバ１３ａ，１３ｂを介して外部のランプハウス１４か
ら供給される。

【００２３】さらに、各光学部１１ａ，１１ｂ内の絞り
の形状を任意に切換え選択できる。例えば、明視野照明
方式においては図６に示した円形状を選択し、暗視野照
明方式においては図７（ａ）に示すドーナツ形状又は図
７（ｂ）に示すような放射形状を選択可能である、ラン
プハウス１４内には可変光源が収納されており、この可
変光源の光量はＣＰＵ７の指令に基づいて光量調整部１
５にて任意の値に制御される。

【００２４】さらに、各光学部１１ａ，１１ｂには、前
述したマーク１２を照明するための光学レンズや絞り等
の照明用光学部材の他に、画像センサとしてのＣＣＤカ
メラ１８ａ，１８ｂが取付けらけている。ＣＣＤカメラ
１８ａ，１８ｂはランプハウス１４からの照明光で照明
された状態の前記マーク１２を含む所定領域の画像を読
取って順次画像信号としてカメラコントローラ１９へ送
出する。

【００２５】各ＣＣＤカメラ１８ａ，１８ｂの前方には
マーク１２の取込み画像の光学倍率を変更できるレンズ
系が収納されている。そして、この光学倍率はドライバ
１６を介して光学倍率切換部１７にて「低倍モード」又
は「高倍モード」に切換制御される。なお、光学倍率切
換部１７はＣＰＵ７から切換指令に従ってドライバ１６
を制御する。

【００２６】カメラコントローラ１９は順次入力される
画像信号を各画素毎のデジタルの信号値に変換して、画
像入力部（画像メモリ）２０に書込む。したがつて、画
像入力部（画像メモリ）２０には前記マーク１２を含む
所定領域の各画素の信号値が２次元データとして格納さ
れる。

【００２７】画像処理部２１は画像入力部（画像メモ
リ）２０に記憶された画像データを用いてマーク１２位
置を算出する。次に、ウエハ３の位置合せ動作を説明す
る。

【００２８】まず、ウエハ３は図示しないオリフラ合せ
装置によりオリフラ（オリエーションフラット）合せさ
れ、真空チャンバ１内に図示しないロボットにより搬入
される。そして、ＣＣＤカメラ１８ａ，１８ｂにて自動
焦点操作の後に、このＣＣＤカメラ１８ａ，１８ｂでウ
エハ３上に描かれた２か所のマーク１２を撮影して、画
像処理部２１で画像処理してマーク１２位置を算出す
る。ＣＰＵ７は画像処理部２１で算出されたマーク１２
位置が予められた基準位置に位置するように、ステージ
制御部６を介して各ステージ４，５を移動制御する。

【００２９】ＣＣＤカメラ１８ａ，１８ｂでマーク１２
を撮影する場合に、このマーク１２が背景（下地）に対
して最良のコントラストで撮影されるために、マーク１
２の照明光量Ｅを最適照明光量Ｅ_P に調整する必要があ
る。

【００３０】次に、この最適照明光量Ｅ_P に自動調整す
る動作原理を図２〜図５を用いて説明する。光量調整部
１５にてランプハウス１４から光学部１１ａ，１１ｂへ
供給する照明光量Ｅを予め定められた基準光量Ｅ₀ に設
定する。そして、ＣＣＤカメラ１８ａ，１８ｂを起動し
て図２（ａ）に示すマーク１２を含む所定領域２２の画
像を読取る。

【００３１】ＣＣＤカメラ１８ａ，１８ｂから所定領域
２２を構成する各ラインの画像信号が順次出力されて画
像入力部２０へ格納される。各画像信号のうちマーク１
２を横切るラインの画像信号は図２（ｂ）に示すよう
に、背景部分で輝度値（信号値）Ｐが低くて、マーク１
２位置で輝度値Ｐが高い、山形の信号波形となる。

【００３２】この１ライン分の画像信号を時間（位置
ｄ）微分すると、図２（ｃ）に示すように、マーク１２
のエッジ部１２ａ，１２ｂでそれぞれピークを示す２つ
の山形の信号波形となる。

【００３３】なお、明視野照明方式を採用した場合は理
論的に図２（ｂ）の信号波形が得られ、暗視野照明方式
を採用した場合は理論的に図２（ｃ）の信号波形が得ら
れる。

【００３４】そして、図２（ｃ）に示すマーク１２のエ
ッジ部１２ａ，１２ｂでそれぞれピークを示す微分波形
において、所定領域２２の開始位置ｄ₁ から終了位置ｄ
_N まての各位置ｄ（各画素）の微分された各信号値（輝
度値）ｐ₁ 〜ｐ_N を統計処理して分散値σ² を算出す
る。

【００３５】

【数１】

【００３６】図２（ｃ）に示すように、所定領域２２内
の背景（下地）部分及びマーク１２の中央部分において
は信号値Ｐの変化は少ないので、微分された信号値ｐは
ほとんど０値である。よって、分散値σ² はエッジ部１
２ａ，１２ｂ位置における微分された信号値ｐのピーク
値に対応する。この図２（ｃ）に示すエッジ部１２ａ，
１２ｂにおけるピーク値は、マーク１２と背景（下地）
とのコントラストに対応するので、算出された分散値σ
² は正確にコントラストに対応する。よって、分散値σ
² を高くすれば、コントラストも高くなる。

【００３７】このようにして、マーク１２に照射する光
の光量Ｅを基準照射光量Ｅ₀ に設定した場合の分散値σ
² ₀ が得られる。同様に、マーク１２に照射する光の光
量Ｅを基準照射光量Ｅ₀ から所定光量づづつ順次増加し
ていった場合における各試験照射光量Ｅ₁ ．Ｅ₂ ，Ｅ
₃ ，……における各分散値σ² ₁ ，σ² ₂ 、σ² ₃ ，…
…を算出する。

【００３８】図４は、照明光量Ｅを各試験照射光量Ｅ
₁ ．Ｅ₂ ，Ｅ₃ に設定した場合における前述した１ライ
ン分の各画像信号波形を示す。試験照射光量Ｅ₁ ．Ｅ
₂ ，Ｅ₃において、背景部とマーク１２部との間の輝度
差ΔＢ₁ ，ΔＢ₂ ，ΔＢ₃ が大きく変わることが理解で
きる。

【００３９】そして、図３に示すように、基準照射光量
Ｅ₀ を含む各試験照射光量Ｅ₁ ．Ｅ₂ ，Ｅ₃ ，……に対
する各分散値σ² ₀ ，σ² ₁ ，σ² ₂ 、σ² ₃ ，……を
グラフ表示する。すると分散値σ² は図示するようにほ
ぼ山形の波形Ｂを示す。よって、この各分散値σ² のう
ちの最大値を示す分散値σ² に対応する試験照射光量Ｅ
_P を最良コントラストが得られる照明光量Ｅとする。

【００４０】また、分散値σ² は、前述したように、照
明光量Ｅに対してほぼ２次関数で代表される山形の特性
波形を示す。したがって、分散値σ² を下式で示す２次
の曲線関数とみなして、 σ² ＝ａＥ² ＋ｂＥ＋ｃ この曲線関数の各定数ａ．ｂ．ｃを実測値σ² ₀ ，σ²
₁ ，σ² ₂ 、σ² ₃ ，……を用いて近似計算する。

【００４１】図３に示す一点鎖線で示す曲線関数Ａが得
られると、この曲線関数Ａを微分して理論的な最大分散
値σ² max を算出する。そして、この最大分散値σ² ma
x に対応する照明光量Ｅ_PMを最良コントラストが得られ
る照明光量Ｅとする。

【００４２】このように、２次の曲線関数を近似計算に
て求めて、その最大分散値σ² maxを採用することによ
って、より高い精度で最良コントラストを得ることがで
きる。

【００４３】さらに、より少ない実測値σ² ₀ ，σ²
₁ ，σ² ₂ で最良コントラストが得られる。例えば曲線
関数を上式で示す２次関数の場合は、基準照射光量Ｅ₀
を含んで最低３つ試験照明光量で実測すればよい。

【００４４】なお、曲線関数を２次関数以外の３次以上
の関数とすることも可能である。この場合、必要な試験
照明光量数が増加する。このような動作原理に基づいて
ＣＰＵ７は図５に示す流れ図に従って最適照明光量の設
定処理を実行する。

【００４５】流れ図が開始されると、Ｐ（プログラム・
ステップ）１において、外部から指定されたウエハ３等
の下地情報に基づいて明視野照明方式と暗視野照明方式
とのいずれの照明方式を採用するかを設定する。

【００４６】Ｐ２にて照明光量Ｅを基準光量Ｅ₀ に設定
し、ＣＣＤカメラ１８ａ，１８ｂからの画像信号を画像
入力部２０へ取込む。そして、先に明視野照明方式に設
定した場合は（Ｐ４）、画像信号を１次微分して（Ｐ
５）、該当試験照明光量における分散値σ² を算出する
（Ｐ６）。

【００４７】なお、先に暗視野照明方式に設定した場
合、１次微分する必要がないので、Ｐ６にて直ちに分散
値σ² を算出する。Ｐ８にて、設定すべき他の試験照明
光量Ｅ₁ ，…が存在した場合は、その試験照明光量Ｅ
₁ ，…に設定して、Ｐ３へ戻る。

【００４８】Ｐ８にて基準照明光量Ｅ₀ を含む必要な試
験照明光量Ｅ₁ ，…に対応する各分散値σ² ₀ ，σ²
₁ ，σ² ₂ 、σ² ₃ ，σ² が得られると、Ｐ９にて、こ
れらから２次の曲線関数を近似して、最大分散値σ² ma
x を算出して、この最大分散値σ² max に対応する照明
光量Ｅ_PMを求める。そして。この照明光量Ｅ_PMを光量調
整部１５に最適照明光量Ｅとして設定する。

【００４９】その結果、ホルダ２に支持されたウエハ３
に描かれたマーク１２は、このマーク１２と背景（下
地）との間のコントラストが最大になるような光量Ｅで
照明される。

【００５０】このように構成された位置合せ装置によれ
ば、ホルダ２に新たな種類のウエハ３を搬入した場合
に、図５の流れ図に示す照明光量設定処理を実行して、
この新たな種類のウエハ３に対する最適照明光量が自動
的に設定される。

【００５１】この場合、各画像信号におけるマーク１２
を含む所定領域２２の全画素（位置）の信号値の統計的
な分散値σ² が最大となる照明光量Ｅ_P （Ｅ_PM）を最適
照明光量と設定している。

【００５２】また、画像処理方式を採用しているので、
装置のハード構成が簡素化され、ウエハ３表面の凹凸や
パータン精度，下地種類による影響を受けにくい。さら
に、曲線関数を近似計算手法で求めて、最適照明光量を
算出しているので、最低３つの試験照明光量について実
測すればよいので、処理能率を向上できる。

【００５３】このように、たとえ所定領域２２内におけ
るマーク１２の占有面積が変化したとしても、常に最良
のコントラストが得られる。その結果、画像処理部２１
で実行するマーク１２の位置決定精度が大幅に向上し、
位置合せ装置としてのウエハ３の位置決め精度が大幅に
向上する。

【００５４】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。実施例方法においては、位置合せ装置
をウエハの位置合せ装置とし、位置合せ対象体をウエハ
としたが、ウエハ以外の各種の対象物体に適用できるこ
とは言うまでもない。

【００５５】また、曲線関数を２次関数以外の３次以上
の関数とすることも可能である。この場合、必要な試験
照明光量数が増加する。さらに、試験照明光量Ｅの設定
間隔を狭くして、多数の試験照明光量Ｅに対して分散値
σ² を算出して、そのなかの最大の分散値σ² を用いれ
ば、必ずしも曲線関数に対する近似計算を行う必要がな
い。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の位置合せ装
置によれば、マークを含む所定領域の画像信号における
全画素の信号値の分散値を用いて、最大分散値に対応す
る試験照明光量を最適照明光量と設定している。したが
って、マークを含む所定領域を照射する光の照明光量
を、たとえマークの形状や面積が変化したり、背景条件
が変化したとしても利明視野照明方式及び暗視野照明方
式において、常に最良のコントラストが得られる最適照
明光量に自動的に調整できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係わる位置合せ装置の概
略構成図

【図２】 同実施例装置におけるマークと画像信号波形
及び微分信号波形を示す図

【図３】 同実施例装置における最適照明光量の決定方
法を示す図

【図４】 同実施例装置における各試験照明光量におけ
る画像信号波形を示す図

【図５】 同実施例装置における処理手順を示す流れ図

【図６】 同実施例装置における明視野照明方式に対応
する絞り形状の一例を示す図

【図７】 同実施例装置における暗視野照明方式に対応
する絞り形状の一例を示す図

【符号の説明】

１…真空チャンバ、２…ホルダ、３…ウエハ、４…ＸＹ
Ｚステージ、５…回転ステージ、６…ステージ制御部、
７…ＣＰＵ、１１ａ，１１ｂ…光学部、１２…マーク、
１４…ランプハウス、１５…光量調整部、１８ａ，１８
ｂ…ＣＣＤカメラ、２１…画像処理部、２２…所定領域

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動ステージ上に載置された位置合せ対
   象体に描かれたマークに対して光を照射する照明手段
   と、前記マークを含む所定領域の画像信号を得る画像取
   込手段と、得られた画像信号から前記マークの位置を算
   出し算出されたマーク位置が所定の基準位置に位置する
   ように前記移動ステージを移動させる移動制御手段とを
   具備する位置合せ装置において、 前記マークに対する照射光量を複数の段階に亘って変化
   させる光量変化手段と、 この各段階の光量における前記画像信号に基づく前記所
   定領域の全画素の信号値の統計的な分散値を算出し、こ
   の分散値のうちの最高値に対応する前記照射光量を最適
   照射光量と決定する照射光量決定手段とを具備すること
   を特徴とする位置合せ装置。
2. 【請求項２】 前記照射光量決定手段は、分散値の照明
   光量を変数とした場合の関数を近似計算し、この関数の
   値が最大値を示す前記照射光量を最適照射光量と決定す
   ることを特徴とする請求項１記載の位置合せ装置。