(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハの外周端に形成された切欠部を検出するウエハアライナ装置において、ウエハを保持する保持手段と、該保持手段に保持されたウエハの外周端を部分的に拡大して撮像する撮像手段を持つと共に、該撮像手段が有する撮像素子面の異なる検出領域に前記切欠部を含む１個所と少なくとも他の２個所のウエハ外周端像を導く導光光学系を持つ検出手段と、前記撮像手段により撮像された画像を処理してウエハの中心位置情報と前記切欠部の位置情報とを求める演算手段と、を備えることを特徴とするウエハアライナ装置。
【請求項２】
請求項１のウエハアライナ装置は、前記検出手段の検出前にウエハの切欠部の位置を検出するプリアライナ手段と、該プリアライナ手段により検出されたウエハの切欠部の位置情報に基づき前記撮像手段の何れかの検出範囲に前記切欠部が入るようにウエハを移動する移動手段と、を備えることを特徴とするウエハアライナ装置。
【請求項３】
請求項１の導光光学系は、前記撮像手段の各検出範囲に他のウエハ外周端像が映り込まないように撮像範囲を制限する絞りを有することを特徴とするウエハアライナ装置。
【請求項４】
請求項１のウエハアライナ装置において、前記検出手段は前記撮像手段の各検出範囲に異なるサイズのウエハの外周端像を導く第２の導光光学系を持つことを特徴とするウエハアライナ装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかのウエハアライナ装置を備えることを特徴とするウエハ検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハの切欠部の位置検出を行うウエハアライナ装置、及びこれを備えるウエハ検査装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
半導体ウエハの表面やパターンを顕微鏡で検査するウエハ検査装置、半導体製造に使用される露光装置等の半導体製造装置においては、ウエハの位置合わせが重要である。このため、ウエハには位置合わせの基準にするノッチと呼ばれる凹状の切欠部が外周端に形成されている。このノッチ及びウエハの中心位置を検出する方法としては、図１０（ａ）、（ｂ）に示す２つのアライナ装置が知られている。
【０００３】
図１０（ａ）に示す装置は、照明光源１００によりウエハ５０を照明し、ウエハ５０の全体像をＣＣＤカメラ１０１で撮像してウエハ外周端の形状情報を得る。その外周形状の情報から、ノッチ５１の位置及びウエハ５０の中心位置（偏心量）を求める。
図１０（ｂ）に示す装置は、ステージ１１０に載せられたウエハ５０を回転させると共に、外周端に設けられた照明光源１１１及びラインセンサ１１２からなる１組の検出手段を用いたものであり、ウエハ５０を回転させながら明暗信号の変化を検出することによりウエハ外周端の形状情報を得る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来装置には次のような問題があった。前者の装置はウエハ全体をカメラ１０１で撮像するため、位置検出の精度が粗くなる。特に、近年はウエハが直径３００ｍｍに大型化しており、この方式はウエハの大型化に伴って検出精度の低下となる。
また、後者の装置はステージ１１０の回転角の制御に検出精度が依存すると共に、やはりウエハの大型化に伴って精度の低下となる。加えて、回転させながら位置検出を行うため、検出に時間が掛かるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、ウエハの切欠部やウエハの中心位置の検出を精度良く行えるウエハアライナ装置及びこれを備えるウエハ検査装置を提供することを技術課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１）  ウエハの外周端に形成された切欠部を検出するウエハアライナ装置において、ウエハを保持する保持手段と、該保持手段に保持されたウエハの外周端を部分的に拡大して撮像する撮像手段を持つと共に、該撮像手段が有する撮像素子面の異なる検出領域に前記切欠部を含む１個所と少なくとも他の２個所のウエハ外周端像を導く導光光学系を持つ検出手段と、前記撮像手段により撮像された画像を処理してウエハの中心位置情報と前記切欠部の位置情報とを求める演算手段と、を備えることを特徴とする。
（２）  （１）のウエハアライナ装置は、前記検出手段の検出前にウエハの切欠部の位置を検出するプリアライナ手段と、該プリアライナ手段により検出されたウエハの切欠部の位置情報に基づき前記撮像手段の何れかの検出範囲に前記切欠部が入るようにウエハを移動する移動手段と、を備えることを特徴とする。
（３）  （１）の導光光学系は、前記撮像手段の各検出範囲に他のウエハ外周端像が映り込まないように撮像範囲を制限する絞りを有することを特徴とする。
（４）  （１）のウエハアライナ装置において、前記検出手段は前記撮像手段の各検出範囲に異なるサイズのウエハの外周端像を導く第２の導光光学系を持つことを特徴とする。
（５）  ウエハ検査装置は（１）〜（４）の何れかのウエハアライナ装置を備えることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１（ａ）は本実施の形態のウエハ検査装置１を上方から見たときの図であり、図１（ｂ）はウエハ検査装置１の側面を示した図である。
【０００８】
２はウエハ５０を収納しているキャリアである。図中のウエハ５０は外径（直径）がφ３００ｍｍのものを示している。６はウエハ５０のノッチ位置の概略求めるプリアライナであり、５はプリアライナ６での検出時にウエハ５０を回転させるための回転ステージである。３はロボットアームであり、キャリア２、回転ステージ５及びチェンジアーム７の間でウエハ５０を受け渡す役目をする。例えば、キャリヤ２内のスロットに１枚ずつ収納されたウエハ５０がロボットアーム３によって取り出されたり、キャリヤ２内に収納される。チェンジアーム７は３つの保持アームを持つ。
【０００９】
８はＸＹステージであり、ウエハ５０を保持して図１（ａ）に示すＸＹ方向に移動する。また、ＸＹステージ８は保持軸を中心に回転する回転機能も備えている。９はウエハ５０を拡大観察するための顕微鏡であり、ＸＹステージ８によりウエハ５０を移動することによって、任意の位置を観察することができる。尚、ロボットアーム３、回転ステージ５、チェンジアーム７、ＸＹステージ８は、図示なき真空ポンプなどの真空源によりウエハ５０を吸着して保持する。
１０はメインのアライナであり、ウエハ５０のエッジ（外周端）を部分的に拡大撮影し、ノッチ５１（図２参照）及びウエハ５０の中心位置をプリアライナ６よりも更に精密に検出する。
【００１０】
図２はプリアライナ６の構成を説明する図であり、図２（ａ）はプリアライナ６とウエハ５０を上から見たときの図、図２（ｂ）は側面を示した図である。プリアライナ６は、ウエハエッジに向けて検出光を投光するＬＥＤ７１ａ及びその検出光を受光するラインセンサ等の受光素子７２ａからなる第１検出光学系７０ａと、同じくＬＥＤ７１ｂ及び受光素子７２ｂからなる第２検出光学系７０ｂを備える。第１検出光学系７０ａはウエハ５０がφ３００ｍｍの場合に使用し、第２検出光学系７０ｂはウエハ５０がφ２００ｍｍの場合に使用する。４２は回転ステージ５を回転する駆動ユニットである。
【００１１】
図３はアライナ１０の構成を説明する図である。図３（ａ）はアライナ１０を上方から見たときの図、図３（ｂ）はアライナ１０の側面を示した図である。
ＸＹステージ８の移動支基１２（ＸＹ方向に可動）の上面には、面発光ＬＥＤ１１が９０°間隔に４個設けられており、ＸＹステージ８に保持されたφ３００ｍｍのウエハ５０のエッジを部分的に下方から略均一に照明する。ウエハ５０の上方（Ｚ方向）には固定支基１３が配置されている。固定支基１３は図示なき固定部材により、ウエハ検査装置１に固定されている。固定支基１３の上には、ミラー１４、三角孔の絞り１５がそれぞれ９０°間隔に４ヶ所配置されている。また、ミラー１４の下部の固定支基１３には、ＬＥＤ１１からの光が通過するように穴１８が空けられている。固定支基１３の中央には４つの反射面を持つピラミッド型ミラー１６が配置されており、その上方に撮像素子と撮影レンズを持つ１つのＣＣＤカメラ１７が配置されている。これらＬＥＤ１１、ミラー１４、絞り１５、ピラミッド型ミラー１６、ＣＣＤカメラ１７により、φ３００ｍｍのウエハ５０の中心位置及びノッチ５１を検出する光学系が構成される。
【００１２】
ＬＥＤ１１からの照明光はウエハ５０のエッジを照明する。ウエハ５０で遮られなかった光はミラー１４に反射された後、絞り１５を経てさらにピラミッド型ミラー１６のミラー面によって反射され、ＣＣＤカメラ１７に導かれる。このとき、ＣＣＤカメラ１７の撮像面の異なる領域に４個所のエッジ像が導かれるようにミラー１４、絞り１５及びミラー１６が構成されている。
【００１３】
図５はＣＣＤカメラ１７に撮像されるウエハ５０のエッジ像の様子を示した図である。略３角形に４分割された領域７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄがそれぞれ４組のＬＥＤ１１〜ミラー１６によってそれぞれ導かれるエッジ像の撮像領域を示している。各領域７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ内の領域６０ａ，６０ｂ，６０ｃ、６０ｄが検出領域として設定されている。絞り１５は、各検出領域に他のエッジ像が映り込まないように光束を制限するために設けられている。絞り１５の配置は、できるだけウエハ５０側が好ましく、穴１８を絞り１５の代わりとしても良い。
【００１４】
また、アライナ１０はφ２００ｍｍウエハのエッジ像をＣＣＤカメラ１７に導く光学系も同時に備える。φ２００ｍｍウエハのエッジに対応させて、移動支基１２には面発光ＬＥＤ２１が９０°間隔に４個設けられており、固定支基１３には光路長補正レンズ２２、ハーフミラー２３が同様に９０°間隔に各４個設けられている。φ２００ｍｍウエハの場合はＬＥＤ１１を消した状態でＬＥＤ２１を点灯する。ＣＣＤカメラ１７は、ミラー１６、絞り１５、ハーフミラー２３、レンズ２２を介してφ２００ｍｍウエハの４個所のエッジを同時に撮像する。
【００１５】
以上のような構成の装置において、その動作を図４の制御系ブロック図を用いて説明する。なお、ウエハ５０はφ３００ｍｍのものとして説明する。
制御部４０はロボットアーム３を駆動させて、キャリヤ２内からウエハ５０を吸着保持する。その後、ウエハ５０を回転ステージ５上まで搬送する。回転ステージ５上にウエハ５０が搭載されると、制御部４０は回転ステージ５を駆動ユニット４２により回転させる。回転が始まるとプリアライナ６によりノッチ５１の概略検出が行われる。ＬＥＤ７１ａからの検出光により、ウエハ５０の下方に取り付けた受光素子７２ａにはウエハエッジの影が投影される。制御部４０は回転ステージ５を一定角度ずつ回転する都度、受光素子７２ａからの信号により回転中心からのエッジ距離を得て、このデータをメモリ４１に記憶する。回転ステージ５の回転により１周分の外周データが得られたら、メモリ４１から記憶したデータを呼び出し、エッジ距離が大きく変化する回転角度をノッチ５１の位置として求める。制御部４０は、ＸＹステージ８にウエハ５０を受け渡した時にノッチ５１がＣＣＤカメラ１７の検出エリア６０ｄの範囲に入るように、回転ステージ５を回転させる。
【００１６】
また、メモリ４１に記憶された回転角度毎のエッジ距離情報から回転ステージ５に置かれたウエハ５０の偏心量を検出し、回転ステージ５上のウエハ５０の中心位置にロボットアーム３のウエハ搬送中心が来るように、制御部４０はロボットアーム３を駆動する。ロボットアーム３は、ウエハ５０の偏心を概ねなくしノッチ５１の位置を考慮した状態で、ウエハ５０を回転ステージ５から受け取る。
【００１７】
ウエハ５０を受け取ったロボットアーム３は、ウエハ５０をチェンジアーム７に受け渡す。チェンジアーム７は、ウエハ５０をＸＹステージ８に受け渡す。チェンジアーム７がウエハ５０をＸＹステージ８へ受け渡した時点で、制御部４０はアライナ１０を作動させる。なお、アライナ１０を作動させるときは、図３のように、ＸＹステージ８の中心がカメラ１７の撮影基準軸と一致する所定位置に置かれる様に駆動ユニット４３により、ＸＹステージ８が動かされる。４つの面発光ＬＥＤ１１を点灯すると、図５の如く、カメラ１７により９０°間隔のウエハ５０の拡大されたエッジ像が一度に撮像される。検出領域の画素数を２５０、この領域で物側５ｍｍのものを撮像するものとした場合、１画素当たりの撮像範囲は２０μｍとなる。すなわち、２０μｍの分解能で検出できる。図５において、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄはそれぞれウエハ５０の外周エッジ像である。６１ｅはノッチ５１部分の像であり、プリアライナ６の角度合わせによりおよその位置出しができているため、ノッチ像６１ｅが検出領域６０ｄに入るようになっている。
【００１８】
図６は、図５の生画像を画像処理部３１で微分画像に変換したものである。微分処理することによりウエハ５０の画像を微分処理した外周端像６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ及びノッチ像６３ｅが強調される。
【００１９】
図７における線分６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄは、図６の微分された外周端像を検出領域６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄにおいて二値化したものである。演算処理部３２はアライナ１０の原点位置からＸ方向へ線分６４ａまでの距離をＸ１、線分６４ｃまでの距離をＸ２として、その平均値Ｘ３＝（Ｘ１−Ｘ２）／２をアライナ１０の原点位置からウエハ５０のＸ方向への偏心量として求める。このＸ３を検出領域６０ａ、６０ｃにおいてＹ軸方向に２００ポイント求め、その平均値Ｘ３'をメモリ４１に記憶する。同様に、Ｙ軸方向も平均値Ｙ３＝（Ｙ１−Ｙ２）／２をアライナ１０の原点位置からＹ方向への偏心量として求める。Ｙ軸方向は、ノッチ５１部分の比較ができないため、この部分を検出領域６０ｂ、６０ｄにおいて省いている。そのため、平均値Ｙ３の値をＸ軸方向に１００ポイント求め、その平均値Ｙ３'をメモリ４１に記憶する。
【００２０】
次に、ノッチ位置を求めるために図８におけるノッチ強調画像６４ｅを作成する。正確にノッチ位置を求めるためには、図９に示すノッチ強調画像６４ｅにおいて、ノッチ高さＨ１の上部から３０％の距離Ｈ２の位置にＸ方向基準線Ｌを引き、その基準線から上下に１ピクセルづつ２本のラインを引き、それぞれノッチの線分との交点とアライナ１０の原点位置からのＸ方向への距離Xa1〜Xa5、Xb1〜Xb5を求め、次式によりその偏心量Ｘｃを求め、メモリ４１に記憶する。
Ｘｃ=(Xa1+Xa2+Xa3+Xa4+Xa5-Xb1-Xb2-Xb3-Xb4-Xb5)/10
そして、Ｘ方向偏心平均値Ｘ３'、Ｙ方向偏心平均値Ｙ３'、ノッチ偏心量Ｘｃをもとに、ＸＹステージ８の中心位置に対するウエハ５０の中心位置及びノッチ位置の情報を得る。この位置情報を加味して駆動ユニット４３によりＸＹステージ８が移動し、ウエハ５０が顕微鏡９の観察視野下に搬送される。これにより、操作者は高度な位置精度のもとにウエハ５０の表面を検査することができる。
【００２１】
アライナ１０が動作し、オペレータが顕微鏡９でウエハ５０を検査している間には、制御部４０はロボットアーム３により次のウエハ５０をキャリア２から取出し、上記と同様にプリアライナ６での検出を行った後に、チェンジアーム７の次の保持アームで待機させる。これにより、次のウエハ５０がチェンジアーム７から即座にＸＹステージ８に移動されるので、ウエハの位置検出のスループットを速くすることができる。
【００２２】
なお、以上ではウエハ５０のエッジ像を９０度離れた４個所で得る例を示したが、ウエハ５０が完全な円形であると考えたときには、少なくとも３個所の外周端像があれば円の中心位置が求まるので、これをウエハ中心とすれば良い。ノッチ５１を同時に検出する場合には、３個所の内の１つにノッチ５１の像を含ませれば良い。
【００２３】
また、上記実施の形態では、プリアライナ６を設けているが、特にプリアライナ６を設けないで、アライナ１０にその機能を兼ね合わせても良い。例えば、アライナ１０のＸＹステージ８を回転させて、カメラ１７によりウエハ５０の所定回転角毎のウエハ像を撮影し、画像処理部３１によってウエハ５０のエッジ像を画像処理した後、ノッチ５１の位置を求める。また、画像処理部３１によってウエハ５０のエッジ像を画像処理した後、演算処理部３２によってウエハの偏心量を概ね得る。制御部４０は、ＸＹステージ８を上記偏心量に応じた分だけ移動させて概ねウエハの偏心をなくし、ＸＹステージ８を回転させてノッチ５１を所定の位置にあわせる。その後は上述のようにアライナ１０により精度良くウエハ５０の位置検出を行う。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ノッチ（切欠部）位置の検出及びウエハ中心位置の検出を精度良く行うことができる。また、ウエハを回転させずにすむため、検出の高速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウエハ検査装置の外観を示す図である。
【図２】プリアライナーの外観を示す図である。
【図３】アライナーの外観を示す図である。
【図４】制御系を示すブロック図である。
【図５】ウエハエッジの撮影画像を示す図である。
【図６】ウエハの微分画像を示す図である。
【図７】ウエハの微分画像を二値化したものを示す図である。
【図８】ノッチ強調画像を示す図である。
【図９】ノッチの偏心量Ｘを求める図である。
【図１０】従来のウエハ位置検出装置を示す図である。
【符号の説明】
１  ウエハ検査装置
５  回転ステージ
６  プリアライナ
８  ＸＹステージ
１０  アライナ
１１  面発光ＬＥＤ
１４  ミラー
１５  絞り
１６  ピラミッド型ミラー
１７  カメラ
２１  面発光ＬＥＤ
２２  光路長補正レンズ
２３  ハーフミラー
３１  画像処理部
３２  演算処理部
４０  制御部
【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】
0003946485.tif 000009
【図９】
0003946485.tif 000010
【図１０】
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