JPH0722178B2

JPH0722178B2 - ウエハの光学的プリアライメント装置

Info

Publication number: JPH0722178B2
Application number: JP21390088A
Authority: JP
Inventors: 浩一村上; 英生坂川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1988-08-29
Publication date: 1995-03-08
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: JPH01132132A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体ウエ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エハや光透過性のSOS
（silicon on sapphire）ウエハなど各種の半導体ウエ
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エハ
のアライメントは、１枚目のウエ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、次いで、２枚目以降のウエハについても
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、ウエハアライメントと
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
ウエ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、測定ステージにウエハ
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エハのプリアライメント装置として
は、従来、半導体ウエ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
ンサによりウエハ載置台とウエハへ向けて所定量照射し
た光の反射を検出してウエ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エハ部分の反
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、光を反射する通常の半導体ウエハと異
なり光を透過する、例えばSOS（silicon on sapphire）
ウエハなどの光透過性の半導体ウエ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、光透過性の半導体ウエハ
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エハのプリア
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、光透過性の半導体ウエ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
に検出してアライメントする装置において、上記発光素
子による照射光軸を半導体ウエハに対して傾斜状態に設
定し、この半導体ウエハのエッジに斜め方向から照射さ
れる光の反射を利用して半導体ウエハのエッジラインと
その偏心量をセンシングするように構成した。

また、上記した光透過性の半導体ウエハの一面に設けた
発光素子による前記半導体ウエハに対して傾斜した照射
光軸をライン状に配置した受光素子で受光するのが好ま
しい。

（作用）本発明は、上述のように発光素子による照射をウエハに
対して傾斜状態に設定し、ウエハのエッヂに照射される
ように構成したので、ウエハにあたる照射光は該ウエハ
のエッヂ部でほぼ反射され極めて僅かしか透過しない。
このエッヂ部での反射現象を利用し、ウエハのエッヂラ
イン及び偏心量を正確にセンシングすることができ、ウ
エ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。

半導体ウエハ面に対して斜め方向から光を照射すると、
前記光はウエハ面で反射されるものとウエハ面での入射
角度に応じて、屈折して透過するものとに分かれてしま
う。

ところが、ウエハエッジが前記両素子の間に入らない場
合には、発光素子から受光素子に向かう光の全量が途中
で遮られることなく、全量が受光素子により受光され
る。従って、ウエハエッジが量素子の間に入る場合と入
らない場合とによって、受光素子が受けとる光の量に差
がつき、よって、ウエハエッジの検出が可能である。

上記した半導体ウエハの一面に設けた発光素子による半
導体ウエハに対して傾斜した照射光軸をライン状に配置
した受光素子により受光したので、光透過性のウエハの
中心位置の偏心量により、ウエハエッジが遮る光路の位
置が移動し、これが為、発光素子が１点ではウエハエッ
ジが遮る光路の位置を捕捉できない程、光路が広がりを
もつ。

このため、受光素子をライン状に配置することで、光透
過性ウエハの中心位置の偏心量が大きくなっても、十分
巾をもって検出できる。

（実施例）以下に、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′がボルト等の取付け手段により傾
斜状態で一体的に配設されている。このコ字形状光セン
サ取付部１′の垂下部のうち、SOS半導体ウエハ（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、
発光素子３による照射をSOS半導体ウエハ６に対して傾
斜状態に設定し該ウエハ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SOS半導体ウエハ６のエッ
ヂに位置させており、具体的には、ウエハサイズに対応
してＹステージ７及び前記サブチャック５を形成したＺ
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SOS半導体ウエハ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、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。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°と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SOS半
導体ウエハ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SOS半導体ウエハ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SOS半導体
ウエハ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エハで
もエッヂ部の下降は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SO
S半導体ウエハ、ガラスウエハなどの光透過性の半導体
ウエハのプリアライメントを行なえば、ICチップなどの
ウエ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、各々複数設け、SOS半
導体ウエハ６のウエハサイズ（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、例えば、ウエハの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、SOS半導体ウエハ６を載置し、SOS半導体ウエハ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エ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等の作動をチェックした後、第１枚目
のサンプルSOS半導体ウエハ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Ｚステージ８、
サブチャック５ともどもSOS半導体ウエハ６をＹ方向に
移動させ、次いで、SOS半導体ウエハ６を１回転し、光
センサ２により該SOS半導体ウエハ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
積分してウエハ面積を算出してウエハサイズをチェック
し、ウエ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SOS半導体ウエハ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SOS半導体ウエハ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SOS半導体ウエハ６のエッ
ヂ近傍に受光素子３からセンサ光を照射し、該ウエハを
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、SOS半導体ウエ
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を動か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SOS半導体ウエハ６のプリアライメ
ントに際しては、ウエ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SOS半導体ウエハ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
SOS半導体ウエハ６のエッヂに位置し、発光素子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Ｄ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。

SOS半導体ウエハ６にあたる照射光は該ウエハ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
ッヂ部での反射現象を利用し、SOS半導体ウエハ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半導体ウエハ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、本発明のウエハのプリアライメント装置は、上記
したSOS半導体ウエハだけでなく、ガラスウエハ、水晶
ウエハ、GaAsウエハなどの光透過性のウエハのすべてに
適用することができることは言うまでもなく、又、光を
透過しないウエハに対して適用してもよい。

更に、第２図に示した通り、光透過性のウエハの中心位
置の偏心量により、ウエハエッジが遮る光路の位置が移
動し、これが為、受光素子が１点ではウエハエッジが遮
る光路の位置を捕捉できない程、光路が広がりをもつ。

次に、本発明の第２実施例を図面に従って説明する。

第９図は、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、ウエハの
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
ウエハ13を載置し、該サブチャック12を回転させて該ウ
エハ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、センサスリット14aを通過しウエハ13で遮
られる部分以外、即ち、ウエハ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
検出結果を得てウエハ13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、
該ウエハ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エハ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、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、ウエハ13との関係を示した模式図で、発光素子14
からの光は1mm幅、長さ20mmのセンサスリット14aを通
り、ウエハ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″等の各ウエハ
サイズに対応して発光素子14を変えることで、ウエハサ
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、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
ェックする。このユニットチェッ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（Ga
in）と変更量（shift）との関係式は、例えば次のよう
に表わされる。

次いで、最初のプリアライメント用ウエハ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（Gain×1,shift=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L₀と
すると、実測値L₀＝（（n₀+1mm）−n₀）/Nd−Nd+１となる。なお、同一型式の２枚目以降のウエハ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、ウエ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/0.9° データ数 360°/0.9°＝400個サンプリング時間 4800μs/データトータルサンプリング時間 4800×400＝1.92s また、このように採取したデータの雑音除去、平滑化
は、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、ウエハの
偏心有無、偏心量を、例えば以下のように計算する。

第18図において、′はウエハ13の偏心位置、は中心
位置、θは回転補正量、Ｌは移動補正量を各示す。ここ
で、偏心量の計算は、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
180°対向する点Ｂのデータの差が±500μｍ以内（|A−
B|≦500μｍ）であれば、ウエ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
±500μｍを超えているときは、該偏心量に従ってウエ
ハ13の偏心補正を行なう。すなわち、ウエハを回転させ
てθ方向を合わせ、次いでサブチャック12をダウンさ
せ、ウエハ13をピンセット17上に載置して該ピンセット
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|A−B|≦500μｍ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、ウエハのオリフラが図中から始
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＝ax²＋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、式ｙ＝ax
²＋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 εｉ＝yi−Yi＝yi−（ax²＋bx＋ｃ）偏差の二乗和Ｓを最小にするには、式を偏微分により、として連立方程式を解く。すなわち、 nc＋ｂΣXi＋ａΣ▲X² _i▼＝Σyi ｃΣXi＋ｂΣ▲X² _i▼＋ａΣ▲³ _i▼＝ΣXiyi ｃΣ▲X² _i▼＋ｂΣ▲X³ _i▼＋ａΣ▲X⁴ _i▼＝Σ▼X² _i▼yi 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＝ax²＋bx＋ｃ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X₀をオリフラセンタと
する。

このようにして、ウエハのオリフラの位置合わせが終わ
ると、ウエハのプリアライメントは終わり、ウエハはそ
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図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、ウエハにオリフラが設
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、例えばウエハの円周に切欠きノ
ッ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。

発明の効果以上のことから明らかなように、本発明によると、ウエ
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エハに対して傾斜
状態に設定し、上記ウエハのエッヂに照射されるよう構
成したので、ウエ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ウエハ、ガラスウエ
ハなど光透過性のウエハであっても、高精度なプリアラ
イメントを行うことができる。

また、ウエハの表裏面の一面に発光素子を、他面に受光
素子をライン状に配置し、この受光素子の受光量を検出
してウエハの中心位置と偏心量を算出し、ウエハの偏心
補正とウエ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図は同上のウエハ
サイズチェッ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図は光透過性のウエハに対
する同上のセンサ出力を示すグラフ図、第13図はウエハ
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図はユニットチェッ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図はウエ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19図はウエハの偏
心量計算を示す模式図、第20図及び第22図は夫々ウエハ
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……ウエハ、7,10……Ｙス
テージ、8,11……Ｚステージ、14a……センサスリッ
ト、17……ピンセット。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過性の半導体ウエ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
的に検出してアライメントする装置において、上記発光
素子による照射光軸を半導体ウエハに対して傾斜状態に
設定し、この半導体ウエハのエッジに斜め方向から照射
される光の反射を利用して半導体ウエハのエッジライン
とその偏心量をセンシングするように構成したことを特
徴とするウエハの光学的プリアライメント装置。
【請求項２】上記した光透過性の半導体ウエハの一面に
設けた発光素子による前記半導体ウエハに対して傾斜し
た照射光軸をライン状に配置した受光素子で受光したこ
とを特徴とする請求項１記載のウエハの光学的プリアラ
イメント装置。