(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は、撮像装置、アライメント方法およびアライメント装置に関し、簡易な構成で対象物の位置を測定することを目的とする。【解決手段】光軸に近い部分の倍率と前記光軸から離れた部分の倍率とが異なる撮影光学系２１と、前記撮影光学系からの被写体像を撮像する撮像手段２７と、前記撮像手段で撮像された前記被写体像の歪みに基づいて前記被写体像の中心の前記光軸からのずれ量を求める画像処理手段１７とを有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸に近い部分の倍率と前記光軸から離れた部分の倍率とが異なる撮影光学系と、
前記撮影光学系からの被写体像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された前記被写体像の歪みに基づいて前記被写体像の中心の前記光軸からのずれ量を求める画像処理手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の撮像装置において、
前記画像処理手段は、
前記被写体像の歪みを示す歪み値と前記被写体像の中心の前記光軸からのずれ量との関係を予め記憶する記憶手段と、
前記撮像手段で撮像された前記被写体像の歪み値を前記関係に照合し前記被写体像の前記光軸からのずれ量を求めるずれ量検出手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項２記載の撮像装置において、
前記歪み値は、前記撮像手段に撮像される前記被写体像の画素面積であることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項２記載の撮像装置において、
前記歪み値は、前記撮像手段に撮像される前記被写体像の真円度であることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載の撮像装置において、
前記記憶手段に記憶される歪み値を、前記撮像手段で撮像された前記被写体像から求めることを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項３または請求項４記載の撮像装置において、
前記記憶手段に記憶される歪み値を、前記撮影光学系の投影曲線から求めることを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の撮像装置において、
前記撮影光学系は、前記光軸に近い部分の倍率が前記光軸から離れた部分の倍率より高いことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の撮像装置において、
前記撮影光学系は、視野角が９０度以上であることを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
ステージに保持される対象物を、光軸に近い部分の倍率と前記光軸から離れた部分の倍率とが異なる撮影光学系を備えた撮像装置により撮像し、前記撮像装置で撮像された前記対象物の像の歪みに基づいて前記像の中心の前記光軸からのずれ量を求め前記対象物の位置決めを行うことを特徴とするアライメント方法。
【請求項１０】
請求項９記載のアライメント方法において、
前記撮影光学系は、前記光軸に近い部分の倍率が前記光軸から離れた部分の倍率より高いことを特徴とするアライメント方法。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０記載のアライメント方法において、
前記撮影光学系は、視野角が９０度以上であることを特徴とするアライメント方法。
【請求項１２】
請求項９ないし請求項１１のいずれか１項記載のアライメント方法において、
前記対象物は、半導体ウエハであることを特徴とするアライメント方法。
【請求項１３】
請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項記載のアライメント方法において、
前記投影光学系の光軸に近い部分により前記対象物に記載された文字情報を読み取ることを特徴とするアライメント方法。
【請求項１４】
請求項９ないし請求項１３のいずれか１項記載のアライメント方法において、
前記対象物に形成される特異形状の位置を検出することを特徴とするアライメント方法。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の撮像装置を有することを特徴とするアライメント装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置、アライメント方法およびアライメント装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体ウエハの製造では、露光時のパターンの位置合わせ、製膜、エッチング、研磨工程等において、ステージ上に載置される半導体ウエハを所定位置に位置決めする必要がある。従来、このような位置決め方法として、要求される位置決め精度に応じて、プリアライメント、ラフアライメント、ファインアライメント等が行われている。
そして、これ等のアライメントに使用される計測、検査装置では、ラフアライメントとファインアライメントとで倍率の異なる撮影光学系を備えたカメラが使用されている。また、観察専用の光学系を搭載した装置、あるいは、ウエハのノッチやオリフラを検出するラインセンサーを搭載した装置もある。
【特許文献１】特開平３−８４９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このように一つの計測、検査装置において複数のカメラ、観察系、センサー等を搭載すると装置システムが非常に複雑になるという問題があった。
本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、簡易な構成で対象物の位置を測定することができる撮像装置、アライメント方法および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】
【０００４】
第１の発明の撮像装置は、光軸に近い部分の倍率と前記光軸から離れた部分の倍率とが異なる撮影光学系と、前記撮影光学系からの被写体像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で撮像された前記被写体像の歪みに基づいて前記被写体像の中心の前記光軸からのずれ量を求める画像処理手段とを有することを特徴とする。
第２の発明の撮像装置は、第１の発明の撮像装置において、前記画像処理手段は、前記被写体像の歪みを示す歪み値と前記被写体像の中心の前記光軸からのずれ量との関係を予め記憶する記憶手段と、前記撮像手段で撮像された前記被写体像の歪み値を前記関係に照合し前記被写体像の前記光軸からのずれ量を求めるずれ量検出手段とを有することを特徴とする。
【０００５】
第３の発明の撮像装置は、第２の発明の撮像装置において、前記歪み値は、前記撮像手段に撮像される前記被写体像の画素面積であることを特徴とする。
第４の発明の撮像装置は、第２の発明の撮像装置において、前記歪み値は、前記撮像手段に撮像される前記被写体像の真円度であることを特徴とする。
第５の発明の撮像装置は、第３または第４の発明の撮像装置において、前記記憶手段に記憶される歪み値を、前記撮像手段で撮像された前記被写体像から求めることを特徴とする。
【０００６】
第６の発明の撮像装置は、第３または第４の発明の撮像装置において、前記記憶手段に記憶される歪み値を、前記撮影光学系の投影曲線から求めることを特徴とする。
第７の発明の撮像装置は、第１ないし第６のいずれか１の発明の撮像装置において、前記撮影光学系は、前記光軸に近い部分の倍率が前記光軸から離れた部分の倍率より高いことを特徴とする。
【０００７】
第８の発明の撮像装置は、第１ないし第７のいずれか１の発明の撮像装置において、前記撮影光学系は、視野角が９０度以上であることを特徴とする。
第９の発明のアライメント方法は、ステージに保持される対象物を、光軸に近い部分の倍率と前記光軸から離れた部分の倍率とが異なる撮影光学系を備えた撮像装置により撮像し、前記撮像装置で撮像された前記対象物の像の歪みに基づいて前記像の中心の前記光軸からのずれ量を求め前記対象物の位置決めを行うことを特徴とする。
【０００８】
第１０の発明のアライメント方法は、第９の発明のアライメント方法において、前記撮影光学系は、前記光軸に近い部分の倍率が前記光軸から離れた部分の倍率より高いことを特徴とする。
第１１の発明のアライメント方法は、第９または第１０の発明のアライメント方法において、前記撮影光学系は、視野角が９０度以上であることを特徴とする。
【０００９】
第１２の発明のアライメント方法は、第９ないし第１１のいずれか１の発明のアライメント方法において、前記対象物は、半導体ウエハであることを特徴とする。
第１３の発明のアライメント方法は、第１０ないし第１２のいずれか１の発明のアライメント方法において、前記投影光学系の光軸に近い部分により前記対象物に記載された文字情報を読み取ることを特徴とする。
【００１０】
第１４の発明のアライメント方法は、第９ないし第１３のいずれか１の発明のアライメント方法において、前記対象物に形成される特異形状の位置を検出することを特徴とする。
第１５の発明のアライメント装置は、第１ないし第８のいずれか１の発明の撮像装置を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、簡易な構成で対象物の位置を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
(第１の実施形態)
図１は、本発明の撮像装置の一実施形態を備えたアライメント装置を示している。
アライメント装置は、ウエハステージ１１、撮像装置１３を有している。
ウエハステージ１１は、直径２００ｍｍの円形状をしている。ウエハステージ１１の上面には、直径２００ｍｍの円形状の半導体ウエハＷが固定可能とされている。ウエハステージ１１は、図１のＸ、Ｙ、Ｚの３方向に移動可能とされている。また、θｘ、θｙ、θｚの３方向に回動可能とされている。
【００１３】
撮像装置１３は、カメラ１５、画像処理手段１７を有している。
カメラ１５は、カメラ本体１９、撮影レンズ２１を有している。カメラ本体１９は、支持部材２３を介して支柱２５に固定されている。カメラ本体１９には、撮影レンズ２１が固定されている。撮影レンズ２１は、ウエハステージ１１の上方に位置されている。
カメラ本体１９には、ＣＣＤ等からなる撮像素子２７が収容されている。撮像素子２７は、Ｘ、Ｙ平面に平行になるように位置されている。撮像素子２７の撮像素子面の中心は、撮影レンズ２１の光軸２１ａ上に位置されている。撮像素子２７の画素数は１４５万画素（１３９２×１０４０）、画素ピッチは６．４５ミクロンである。撮像素子面の中心は画素位置で（７０４，５１５）である。
【００１４】
図２は、上述した撮影レンズ２１の投影曲線を示している。
横軸には視野角(Incident Angle)が、縦軸には像高(Image Height)がとられている。この撮影レンズ２１は、画像中心の倍率が周辺の倍率よりも高倍率であるという特性を示すもので、通常のｆ・ｔａｎθ、ｆ・θとは特性の異なる広角レンズである。撮影レンズ２１は９０度以上の視野角を有している。そして、視野角が大きくなる程被写体像の歪みが大きくなる。
【００１５】
図３は、上述したカメラ１５により撮像され画像処理された半導体ウエハＷの画像を示している。
図３の(ａ)は、撮影レンズ２１の略光軸２１ａ上に半導体ウエハＷの中心を位置させて撮像した時の画像を示している。この画像は、カメラ１５により撮像された半導体ウエハＷを画像処理して得られたもので、半導体ウエハＷの外周の輪郭形状が抽出されている。より具体的には、半導体ウエハＷの画像を白黒画像にて取得し、その濃度値（０〜２５５）データの濃度重心により２値化して得られた半導体ウエハＷの領域画像である。
【００１６】
図３の(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)、(ｅ)は、撮影レンズ２１の光軸２１ａ上から、半導体ウエハＷの中心を、それぞれ３ｃｍ、６ｃｍ、９ｃｍ、１２ｃｍだけ横方向にずらして撮像し、図３の(ａ)と同様に画像処理した時の画像を示している。半導体ウエハＷの中心を撮影レンズ２１の光軸２１ａ上から横方向にずらす程、画像の歪みが大きくなっている。
図４は、上述した画像が撮像素子２７の画素に占める画素面積Ｓと横方向のずれ量との関係を示している。横軸には横方向のずれ量が、縦軸には画素面積Ｓがとられている。図４中の符号ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅで示す点は、図３の(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)、(ｅ)の画像の横方向のずれ量および画素面積Ｓを示している。この図から横方向のずれ量と画素面積Ｓとは直線ｆの特性関数で示すように略比例関係にあることがわかる。すなわち、半導体ウエハＷの中心を撮影レンズ２１の光軸２１ａ上から横方向にずらす程、画像の歪みが大きくなり、画素面積Ｓが小さくなる。従って、カメラ１５により撮像された半導体ウエハＷを画像処理し画素面積Ｓを求めることにより、撮影レンズ２１の光軸２１ａの位置からの半導体ウエハＷの中心のずれ量を知ることが可能になる。
【００１７】
図５は、上述した画像の真円度Ｋと横方向のずれ量との関係を示している。横軸には横方向のずれ量が、縦軸には真円度Ｋがとられている。真円度Ｋは、画素面積をＳ、画像の円周長をＬとすると、Ｋ＝４πＳ／Ｌ2で求められる。真円度Ｋは円が真円なほど１に近い値である。図５中の符号ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’、ｅ’で示す点は、図３の(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)、(ｅ)の画像の横方向のずれ量および真円度Ｋを示している。この図から横方向のずれ量と真円度Ｋとは直線ｇの特性関数で示すように略比例関係にあることがわかる。すなわち、半導体ウエハＷの中心を撮影レンズ２１の光軸２１ａ上から横方向にずらす程、画像の歪みが大きくなり真円度Ｋが小さくなる。従って、カメラ１５により撮像された半導体ウエハＷを画像処理し真円度Ｋを求めることにより、撮影レンズ２１の光軸２１ａの位置からの半導体ウエハＷの中心のずれ量を知ることが可能になる。
【００１８】
画像処理手段１７は、ＣＰＵ３１、画像処理部３３、記憶部３５、ずれ量検出部３７を有している。
ＣＰＵ３１は、画像処理手段１７内で行われる各種演算を制御する。
画像処理部３３は、カメラ１５により撮像された半導体ウエハＷを画像処理し、図３に示すように半導体ウエハＷの外周の輪郭形状を抽出する。具体的には、半導体ウエハＷの画像を白黒画像にて取得し、その濃度値（０〜２５５）データの濃度重心により２値化して得られた半導体ウエハＷの領域画像を取得する。
【００１９】
記憶部３５は、カメラ１５で撮像された半導体ウエハＷの歪みを示す歪み値と、撮影レンズ２１の光軸２１ａの位置からの半導体ウエハＷの中心のずれ量との関係を予め記憶する。この実施形態では、記憶部３５には、図４に示す直線ｆの特性関数が記憶される。この特性関数は、図３および図４に示すようにして予め求められる。すなわち、この実施形態では、画素面積Ｓが半導体ウエハＷの歪みを示す歪み値として採用される。なお、図５に示す直線ｇの特性関数を歪み値として採用しても良い。
【００２０】
ずれ量検出部３７は、カメラ１５で撮像され画像処理部３３で画像処理された半導体ウエハＷの画素面積Ｓを求める。そして、この画素面積Ｓを記憶部３５に記憶される図４に示す直線ｆの特性関数に照合し半導体ウエハＷの横方向ずれ量を求める。すなわち、横方向ずれ量と画素面積Ｓとの間には、図４に示すような関係が存在するため横方向ずれ量を求めることができる。
【００２１】
図６は、上述したアライメント装置によるアライメント方法を説明するフローチャートである。
ステップＳ１：ウエハステージ１１上に搬送され載置された半導体ウエハＷをカメラ１５により撮像する。
ステップＳ２：撮像された半導体ウエハＷを画像処理し、図３に示すように半導体ウエハＷの外周の輪郭形状を抽出する。画像処理は画像処理部３３により行われる。
【００２２】
ステップＳ３：画像処理された半導体ウエハＷの画素面積Ｓを求める。画素面積Ｓはずれ量検出部３７により求められる。
ステップＳ４：画像処理された半導体ウエハＷの画素面積Ｓからウエハステージ１１上の半導体ウエハＷの横方向ずれ量を求める。横方向ずれ量はずれ量検出部３７により求められる。
【００２３】
ステップＳ５：求められた横方向ずれ量に対応する距離だけウエハステージ１１を移動する。これにより、ウエハステージ１１上の半導体ウエハＷの中心が、カメラ１５の撮影レンズ２１の光軸２１ａ上に位置しアライメントが終了する。
上述したアライメント装置では、光軸２１ａに近い部分の倍率と光軸２１ａから離れた部分の倍率とが異なる撮影レンズ２１を備えたカメラ１５によりウエハステージ１１上の半導体ウエハＷを撮影し、撮像素子２７で撮像された半導体ウエハＷの画素面積Ｓ(歪み量)に基づいて、半導体ウエハＷの中心の撮影レンズ２１の光軸２１ａからのずれ量を求めるようにしたので、簡易な構成で対象物の位置を測定することができる。
【００２４】
また、撮影レンズ２１の視野角を大きくしたので、より大型の半導体ウエハＷを撮影して位置合わせを行うことができる。そして、撮影レンズ２１を半導体ウエハＷに近づけて近接撮影を行うことが可能になるため、撮像素子２７上での像の大きさを大きくし検出能力を増大することができる。
なお、記憶部３５に、図５に示す直線ｇの特性関数を歪み値として記憶させる場合には、図６のフローチャートの画素面積Ｓを真円度Ｋに置き換えることでアライメントが可能になるため詳細な説明を省略する。
(第２の実施形態)
この実施形態では、図７に示すように、半導体ウエハＷに形成されたダイＤを測定することにより半導体ウエハＷの中心位置が決定される。なお、この実施形態において第１の実施形態と同一の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２５】
半導体ウエハＷには、図７の(ａ)に模式的に示すように、ダイＤが規則的な間隔を置いて形成されている。そして、半導体ウエハＷの中心が撮影レンズ２１の光軸２１ａ上に位置している時には、カメラ１５により撮影された画像Ｇは、図７の(ｂ)に示すようになる。すなわち、中央のダイＤＯに対して、中央の両側のダイＤが撮影レンズ２１の投影曲線に従った間隔を置いて規則的に位置する。そして、この時の重心の位置は、中心のダイＤＯから各ダイＤまでの距離をｒ、各ダイＤの画素面積をＳとすると、ΣＳｒとなる。
【００２６】
一方、図８の(ａ)に示すように、半導体ウエハＷの中心が撮影レンズ２１の光軸２１ａ上からずれている時には、カメラ１５により撮影された画像Ｇ’は、図８の(ｂ)に示すようになる。すなわち、中央のダイＤＯに対して、中央の両側のダイＤが撮影レンズ２１の投影曲線に従って不規則的に位置する。そして、この時には、ΣＳｒの値は、図７の(ｂ)で求めたΣＳｒの値に対して大きく変化する。
【００２７】
従って、予め、図７の(ｂ)に示すように半導体ウエハＷの中心が撮影レンズ２１の光軸２１ａ上に位置している時のΣＳｒの値を求め、この値になるようにウエハステージ１１を移動することにより半導体ウエハＷの中心位置を決定することができる。
なお、この実施形態にいおいて、半導体ウエハＷ上のダイＤの認識は、エッジ検出のように画像上の近接の画素の濃淡情報を求めることで行うことができる。より具体的には、一次微分や二次微分を利用して濃度情報の変化点を検出する方法、あるいは、その近傍の値の重心などを用いる方法が用いられる。
(第３の実施形態)
この実施形態では、図９に示すように、半導体ウエハＷに刻印されたＩＤ番号４１の読み取りが行われる。なお、この実施形態において第１の実施形態と同一の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２８】
図１に示したアライメント装置のカメラ１５により半導体ウエハＷをモニターしたところ、図９に示すように半導体ウエハＷのエッジ近傍にＩＤ番号４１が刻印されていることが確認できた。そこで、ウエハステージ１１を移動させ、半導体ウエハＷのＩＤ番号４１直上にて、ＩＤ番号４１をモニターした。ＩＤ番号４１は、アルファベットと数字からなるものであり、文字の上下幅はおよそ１ｍｍであった。その取得画像をＯＣＲにて文字判別したところ、明らかにアルファベット、数字として認識することができた。これにより、半導体ウエハＷの監視や管理が容易に可能になる。
(第４の実施形態)
この実施形態では、図１０に示すように、半導体ウエハＷに形成されたノッチＮの位置が検出される。なお、この実施形態において第１の実施形態と同一の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２９】
図１に示したアライメント装置のカメラ１５により、外周の一部にノッチＮが形成される円形状の半導体ウエハＷを撮影した。半導体ウエハＷの外周の輪郭を第１の実施形態と同様にして抽出した。抽出した輪郭の画像に対して、仮想円Ｃをフィッティングして、最小自乗法により最もずれ量が小さくなる仮想円Ｃを判定した。その仮想円Ｃと画像上のずれ量が最も大きくなる点を求め、比較したところ半導体ウエハＷのノッチＮの位置であった。
【００３０】
なお、この実施形態では、半導体ウエハＷに形成されるノッチＮの位置を検出したが、半導体ウエハＷに形成されるオリフラの位置を同様にして検出することができる。
(実施形態の補足事項)
以上、本発明を上述した実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような形態でも良い。
【００３１】
(１)上述した実施形態では、複数の半導体ウエハＷを直接撮像して図４に示す直線ｆの特性関数あるいは図５に示す直線ｇの特性関数を得た例について説明したが、例えば、撮影レンズ２１の投影曲線に基づいて計算を行い特性関数を求めても良い。
(２)上述した実施形態では、ウエハステージ１１を移動してアライメントを行った例について説明したが、例えば、カメラ１５側を移動してアライメントを行うようにしても良い。
【００３２】
(３)上述した実施形態では、光軸２１ａに近い部分の倍率が光軸２１ａから離れた部分の倍率より高い撮影レンズ２１を用いた例について説明したが、例えば、光軸に近い部分の倍率が光軸から離れた部分の倍率より低い撮影レンズを用いても良い。
(４)上述した実施形態では、半導体ウエハＷのアライメントに本発明を適用した例について説明したが、液晶板等の各種部材の位置決めに広く適用することができる。
【００３３】
(５)上述した実施形態では、円形状の半導体ウエハＷに本発明を適用した例について説明したが、例えば、正方形のように対称性を有する対象物等に広く適用することができる。
(６)上述した実施形態では、専用の画像処理手段１７を設けた例について説明したが、例えば、画像処理手段をパソコン等に設けるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のアライメント装置の一実施形態を示す説明図である。
【図２】図１の撮影レンズの投影曲線を示す説明図である。
【図３】半導体ウエハを画像処理した状態を示す説明図である。
【図４】画素面積と横方向ずれ量との関係を示す説明図である。
【図５】真円度と横方向ずれ量との関係を示す説明図である。
【図６】図１のアライメント装置によるアライメントを示す説明図である。
【図７】撮影レンズの光軸上に半導体ウエハの中心を位置させて撮像された半導体ウエハのダイを示す説明図である。
【図８】撮影レンズの光軸上から半導体ウエハの中心をずらして撮像された半導体ウエハのダイを示す説明図である。
【図９】半導体ウエハに刻印されるＩＤ番号を示す説明図である。
【図１０】半導体ウエハに形成されるノッチを示す説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１…ウエハステージ、１３…撮像装置、１５…カメラ、１７…画像処理手段、２１…撮影レンズ、２１ａ…光軸、２７…撮像素子、３３…画像処理部、３５…記憶部、３７…ずれ量検出部、４１…ＩＤ番号、Ｗ…半導体ウエハ、Ｎ…ノッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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