JP2000298004A - 位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワーク上の複数の位置決めマークを一括して
位置計測可能な位置計測装置を提供すること。 【解決手段】 各アライメントマークについて、イメー
ジガイド６０で画像の合成を行って、画像処理装置８０
において撮像素子７２からの一画面分の画像信号を処理
することにより、それらのＸＹ座標をそれぞれ分離して
個別に計測する。このように、各アライメントマークに
ついて一括して位置計測を行うことができるので、複数
のアライメントマークであっても迅速な位置計測が可能
となり、レーザアニール装置の処理のスループットを向
上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は、測定対象物をア
ライメントする等の目的でその測定対象物の位置を計測
する位置計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工装置では、被加工体であるワ
ークを、加工用のレーザ光を照射する照射光学系に対し
て予め位置合わせする。

【０００３】レーザ加工装置として、例えばガラス基板
上に形成したアモルファス状の半導体薄膜をレーザで加
熱して多結晶化するレーザアニール装置がある。このよ
うなレーザアニール装置においては、照射光学系からの
ライン状やスポット状のビームをガラス基板上で走査す
る場合があり、このような走査に際しては、レーザアニ
ール装置に組み込まれた位置計測装置を利用してステー
ジ上に載置したガラス基板を予め高精度で位置検出し、
照射光学系とガラス基板との間のアライメントが行われ
る。

【０００４】従来の位置計測装置では、ガラス基板等の
ワークの位置計測を正確に行うため、ワークの表面に形
成した複数の位置決めマークをＣＣＤカメラで順次読み
取り、読み取った画像データに必要な画像処理を施して
位置決めマークごとに位置検出信号を得ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
位置計測装置では、ワーク上の複数の位置決めマークの
各々について、マークがＣＣＤカメラの画界中に入るよ
うにステージを移動させて個別に位置計測を行っている
ので、迅速な位置計測やアライメントが困難である。

【０００６】そこで、本発明は、ワーク上の複数の位置
決めマークを一括して位置計測可能な位置計測装置を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の位置計測装置は、ステージ上の異なる２点
からの像光が入射する一対の入射端を有するとともに、
一対の入射端からの一対の像光をこの一対の像光が重な
るように合成し、合成された像光を出射端まで伝送する
イメージガイドと、イメージガイドの出射端から射出さ
れる合成された像光を画像信号に変換する撮像手段と、
撮像手段の変換した画像信号から合成前の一対の像光に
含まれる所定の位置情報をそれぞれ分離して検出する信
号処理手段とを備える。

【０００８】上記位置計測装置では、イメージガイドが
一対の入射端からの一対の像光をこの一対の像光が重な
るように合成し、信号処理手段が撮像手段の変換した画
像信号から合成前の一対の像光に含まれる所定の位置情
報をそれぞれ分離して検出するので、ステージ上に配置
された測定対象物の表面に上記異なる２点に対応して一
対の位置決めマークが形成されていれば、これら位置決
めマークについて一括して位置情報を検出することがで
きる。よって、斯かる位置計測装置では、複数の位置決
めマークについて迅速な位置計測が可能となり、このよ
うな位置計測結果を利用してアライメントを行うレーザ
加工装置等の処理のスループットを向上させることがで
きる。

【０００９】なお、上記のような位置計測装置を用いた
場合、スーパインポーズ処理による画像合成や画像処理
装置を用いた画像合成のように特殊な電子機器が不要で
あり、簡易かつ安価な画像合成が可能となる。また、ハ
ーフミラーを用いた画像合成に比較して合成すべき画像
の配置（すなわち光軸）に自由度がある。

【００１０】上記位置計測装置は、例えばレーザアニー
ル装置に組み込んで好適である。レーザアニール装置
は、ガラス基板上に形成したアモルファス状の半導体薄
膜を加熱するレーザ光を発生する光源と、このレーザ光
をライン状或いはスポット状にして基板上に導く照射光
学系と、測定対象物でもあるガラス基板を載置したステ
ージを照射光学系やイメージガイドに設けた一対の入射
端に対して相対的に移動させる駆動手段とを備える。こ
の場合、位置計測装置によって、照射光学系に対してガ
ラス基板を迅速にアライメントできるので、レーザアニ
ールの工程がより迅速となり、半導体薄膜の製造のスル
ープットを高めることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る位
置計測装置について、図面を参照しつつ具体的に説明す
る。

【００１２】図１は、実施形態の位置計測装置を組み込
んだレーザアニール装置の構造を概念的に説明する図で
ある。レーザアニール装置は、アモルファス状Ｓｉ等の
半導体薄膜を上面に形成したガラス板であるワークＷを
載置して３次元的に滑らかに移動可能なステージ１０
と、ワークＷ上の半導体薄膜を加熱するエキシマレーザ
その他のレーザ光ＡＬを発生するレーザ光源２０と、こ
のレーザ光ＡＬをライン状或いはスポット状にして所定
の照度でワークＷ上に入射させる照射光学系３０と、ワ
ークＷを載置したステージ１０を照射光学系３０等に対
して必要量だけ相対的に移動させる駆動手段であるステ
ージ駆動装置４０と、レーザアニール装置全体の各部の
動作を統括的に制御する主制御装置８５とを備える。

【００１３】さらに、このレーザアニール装置は、位置
計測装置として、上記ステージ１０及びステージ駆動装
置４０のほかに、ステージ１０の移動量を光学的な情報
や電気的な情報として検出する移動量計測装置５０と、
測定対象物であるワークＷ上の異なる２点に形成された
一対のアライメントマークの像を同時に読み取って合成
するイメージガイド６０と、このイメージガイド６０の
出射端から出射した合成後の像光を結像投影させるとと
もに投影された像光を画像信号に変換するＣＣＤカメラ
７０と、ＣＣＤカメラ７０から出力された画像信号に適
当な信号処理を施す信号処理手段である画像処理装置８
０とを備える。

【００１４】イメージガイド６０は、グラスファイバを
束ねたもので、ＣＣＤカメラ７０に接続される出力側の
合成部６１と、この合成部６１から分岐された一対の入
力側の分岐部６２、６３とからなる特殊なイメージガイ
ドである。一対の分岐部６２、６３の入射端６２ａ、６
３ａは、それぞれホルダ６４、６５に設けた結像レンズ
６４ａ、６５ａを介してワークＷに対向している。これ
らの結像レンズ６４ａ、６５ａは、入射端６２ａ、６３
ａの光ファイバ端面にワークＷのアライメントマークの
像を拡大若しくは縮小して投影する。一方、合成部６１
の出射端６１ａは、ＣＣＤカメラ７０の結像レンズ７１
を介してＣＣＤ等の撮像手段である撮像素子７２に対向
している。この撮像素子７２の画界には、両分岐部６
２、６３の入射端６２ａ、６３ａに対向するワークＷ上
の一対のアライメントマークを含む領域からの像光が、
イメージガイド６０を案内されるとともにここで合成さ
れて像光として拡大若しくは縮小されて投影される。な
お、ワークＷ上の一対のアライメントマークに対向して
配置されたホルダ６４、６５のうち、一方のホルダ６５
については、移動量が検出できる微動装置６８が設けら
れており、ワークＷの種類等に応じて両ホルダ６４、６
５の間隔を主制御装置８５側から適宜調節できるように
なっている。

【００１５】図２は、ステージ１０に載置されるワーク
Ｗの表面に形成される位置決めマークすなわちアライメ
ントマークの形状及び配置の一例を示す図である。図示
のアライメントマークＭ1、Ｍ2は、ともに明暗２値の十
字パターンである。第１アライメントマークＭ1は、ワ
ークＷの４隅の一箇所に形成されており、第２アライメ
ントマークＭ2は、ワークＷの４隅の他の箇所に形成さ
れている。このように、第１及び第２アライメントマー
クＭ1、Ｍ2をワークＷ上の２箇所に形成しているのは、
ワークＷの位置だけでなくワークＷの回転も検出するた
めである。つまり、第１及び第２アライメントマークＭ
1、Ｍ2の位置計測により、ワークＷ上の２つの基準点の
ＸＹ座標が分かることになり、ワークＷのＺ軸回りの回
転姿勢を修正した上でワークＷを適正な位置に移動させ
るアライメントが可能になる。

【００１６】図３は、イメージガイド６０の構造を説明
する模式図である。合成部６１から分岐した各分岐部６
２、６３の入射端６２ａ、６３ａは、ワークＷ上に形成
された一対のアライメントマークＭ1、Ｍ2にそれぞれ対
向して配置されている。各アライメントマークＭ1、Ｍ2
及びその周辺の像ＩＭ1、ＩＭ2は、結像レンズ６４ａ、
６５ａによってそれぞれ入射端６２ａ、６３ａに投影さ
れる。両分岐部６２、６３を構成するファイバは、互い
違いに間に挿入されるように組み合わされて合成部６１
を形成している。このため、合成部６１の出射端６１ａ
に対向して配置された撮像素子７２の画界には、結像レ
ンズ７１によって両アライメントマークＭ1、Ｍ2を合成
した合成画像ＣＩが投影される。この合成画像ＣＩに
は、合成前の各アライメントマークＭ1、Ｍ2に対応する
アライメントマークＭ1’、Ｍ2’が含まれる。なお、図
面において、一方の分岐部６２を構成するファイバを白
丸とし、他方の分岐部６３を構成するファイバを黒丸と
しているが、これは説明のための便宜上のものである。

【００１７】図４（ａ）は、分岐部６２を構成するファ
イバの配置を示す部分拡大断面図であり、図４（ｂ）
は、分岐部６３を構成するファイバの配置を示す部分拡
大断面図であり、図４（ｃ）は、合成部６１を構成する
ファイバの配置を示す部分拡大断面図である。図４
（ａ）及び図４（ｂ）から明らかなように、両分岐部６
２、６３のファイバの組み方は同一である。図４（ｃ）
から明らかなように、合成部６１を構成するファイバ
は、両分岐部６２、６３を構成するファイバをＸ方向に
互い違いに組み上げたもので、分岐部６２からのファイ
バに着目すると、Ｘ方向の寸法が２倍に拡大されてお
り、分岐部６３からのファイバに着目しても、Ｘ方向の
寸法が同様に拡大されている。なお、図中において、符
号Ａ1〜Ａ5、Ｂ1〜Ｂ5は、分岐部６２を構成する各ファ
イバの同一性を示す。

【００１８】図５は、アライメントマークを利用した位
置検出を具体的に説明する図である。図５（ａ）は、図
３の合成画像ＣＩを示したもので、図５（ｂ）は、図３
の合成画像ＣＩのＹ方向の積算光量をＸ座標の関数とし
て示すグラフである。この積算光量は、合成画像ＣＩを
画像処理装置８０で画像処理することによって得られ
る。すなわち、アライメントマークＭ1’、Ｍ2’を含む
合成画像ＣＩはＣＣＤカメラ７０の撮像素子７２に投影
されるが、撮像素子７２の画像信号の出力は画素単位の
データであるので、画像処理装置８０でこれらの画像信
号を各Ｘ座標ごとにＹ方向に全て加算することにより、
図５（ｂ）のような分布が得られる。グラフから明らか
なように、合成後の各アライメントマークＭ1’、Ｍ2’
の十字の縦棒に対応する部分でピークが現れる。この分
布を適当な閾値ＴＨで処理すると、各アライメントマー
クＭ1’、Ｍ2’のＹ方向に延びる縦棒の一対のエッジに
対応する２組のＸ座標（Ｘ1,Ｘ2）、（Ｘ3,Ｘ4）が得ら
れ、これら２組のＸ座標（Ｘ1,Ｘ2）、（Ｘ3,Ｘ4）をそ
れぞれ平均すれば、各アライメントマークＭ1’、Ｍ2’
の中心のＸ座標を決定することができる。

【００１９】なお、撮像素子７２の画素幅とステージ１
０上の距離との間にはイメージガイド６０等による拡
大、縮小率を考慮した上で、精密な対応関係が予め求め
てあり、各アライメントマークＭ1’、Ｍ2’の中心のＸ
座標（合成画像ＣＩ上の座標）から、現実のアライメン
トマークＭ1、Ｍ2のＸ座標を精密に判定できる。

【００２０】以上は、一対のアライメントマークＭ1、
Ｍ2のＸ座標を決定する場合の説明であったが、アライ
メントマークＭ1、Ｍ2のＹ座標の決定も同様である。す
なわち、画像処理装置８０において撮像素子７２からの
画像信号を各Ｙ座標ごとにＸ方向に加算することによ
り、図５（ｂ）と類似する分布が得られ、上記と同様の
手順によって各アライメントマークＭ1’、Ｍ2’、すな
わち各アライメントマークＭ1、Ｍ2の中心のＹ座標を決
定することができる。

【００２１】以下、本実施形態のレーザアニール装置の
動作について説明する。まず、レーザアニール装置のス
テージ１０上にワークＷを搬送して載置する。次に、ア
ニール用のレーザ光ＡＬを導く照射光学系３０に対して
ステージ１０上のワークＷをアライメントする。次に、
照射光学系３０に対してステージ１０を適宜移動させな
がら、レーザ光源２０からのレーザ光ＡＬをライン状或
いはスポット状にしてワークＷ上に入射させる。ワーク
Ｗ上には、非晶質半導体の薄膜が形成されており、レー
ザ光ＡＬの照射によって非晶質半導体がアニール、再結
晶化され、電気的特性の優れた半導体薄膜を提供するこ
とができる。

【００２２】照射光学系３０に対してステージ１０上の
ワークＷをアライメントするに際しては、位置計測装置
を利用する。すなわち、ステージ１０をステージ駆動装
置４０によって適宜移動させて、各アライメントマーク
Ｍ1、Ｍ2をＣＣＤカメラ７０で撮影する（ステップＳ
１）。ステージ１０上のワークＷの位置は一定の搬送精
度範囲内に収まっているので、イメージガイド６０及び
ホルダ６４、６５に対してステージ１０を適宜移動させ
て、撮像素子７２の画界中に両アライメントマークＭ
1、Ｍ2を合成したアライメントマークＭ1’、Ｍ2’を捕
らえることができる。例えば、ワークＷ上の両アライメ
ントマークＭ1、Ｍ2の位置を主制御装置８５に予め入力
しここに記憶しておけば、これらの位置データに基づい
て、ステージ１０を適宜移動させるだけで、撮像素子７
２の画界中にアライメントマークＭ1’、Ｍ2’をほぼ確
実に入れることが保証される。

【００２３】次に、各アライメントマークＭ1、Ｍ2につ
いて、画像処理装置８０において撮像素子７２からの一
画面分の画像信号を図５に示した方法で処理することに
より、それらのＸＹ座標をそれぞれ分離して個別に計測
する（ステップＳ２）。

【００２４】次に、ステップＳ２で得た第１及び第２ア
ライメントマークＭ1、Ｍ2の精密な座標測定結果に基づ
いて、照射光学系３０に対してワークＷをアライメント
する（ステップＳ３）。具体的には、照射光学系３０を
基準とした第１及び第２アライメントマークＭ1、Ｍ2の
座標測定値に基づいて、ワークＷの位置と回転を求め、
この結果からレーザアニールの開始に際して必要となる
位置に必要な回転姿勢でワークＷを配置する。

【００２５】次に、照射光学系３０から照射されるレー
ザスポットやレーザライン等のレーザ光ＡＬを、ステー
ジ駆動装置４０及び移動量計測装置５０を用いてワーク
Ｗ上で走査させながら、ワークＷ上のアモルファス薄膜
を再結晶化させ、ワークＷ上に多結晶薄膜を順次形成す
る。この際、移動量計測装置５０で移動量を観測しなが
ら、ステージ駆動装置４０によってステージ１０をＸ方
向又はＹ方向に移動させることで、レーザの走査が可能
になる。また、照射光学系３０に走査機能を持たせるこ
と、例えば内部に移動するスリットを設けることによっ
て、レーザの別方向の走査が可能になる。

【００２６】以上説明した装置によれば、各アライメン
トマークＭ1、Ｍ2について一括して位置計測を行うこと
ができる。よって、複数のアライメントマークＭ1、Ｍ2
であっても迅速な位置計測が可能となり、レーザアニー
ル装置の処理のスループットを向上させることができ
る。

【００２７】以上、実施形態に即してこの発明を説明し
たが、この発明は上記実施形態に限定されるものではな
い。例えば、上記実施形態では、一対のアライメントマ
ークＭ1、Ｍ2のサイズを等しくしたが、アライメントマ
ークのサイズを等しくする必要は必ずしもない。例え
ば、検出精度等の用途に応じて一方のアライメントマー
クをサーチアライメント用の大きなサイズとし、他方の
アライメントマークをファインアライメント用の小さな
サイズとすることもできる。

【００２８】図６は、サイズが異なる一対のアライメン
トマークＭ3、Ｍ4をワークＷ上に形成した場合を示す。
この場合、大きな十字のアライメントマークＭ3をサー
チアライメントに使用し、小さな十字のアライメントマ
ークＭ4をファインアライメントに使用する。ここで、
他方の分岐部６３の入射端６３ａに投影されるアライメ
ントマークＭ4の像は、一方の分岐部６２の入射端６２
ａに投影されるアライメントマークＭ3の像よりもより
拡大された状態で合成される。つまり、結像レンズ６５
ａによる投影倍率を、結像レンズ６４ａによる投影倍率
よりも大きくすることになる。

【００２９】この場合の位置計測方法について簡単に説
明する。まず、アライメントマークＭ3の位置計測を行
ってアライメントマークＭ3の座標を決定する。このよ
うな位置計測は、アライメントマークＭ1の場合と同様
である。この状態では、アライメントマークＭ4が撮像
素子７２の画界中に入っていない場合も考えられる。し
かし、各アライメントマークＭ3、Ｍ4の中心を各分岐部
６２、６３の入射端６２ａ、６３ａの中心と、各結像レ
ンズ６４ａ、６５ｂの光軸とに一致させておけば、アラ
イメントマークＭ3について得られた座標に基づいて、
アライメントマークＭ3を画界の中央に移動させること
により、アライメントマークＭ4を撮像素子７２の画界
の中心にほぼ正確に移動させることができる。

【００３０】アライメントマークＭ4を撮像素子７２の
画界のほぼ中心に位置させることができれば、アライメ
ントマークＭ3に適用した上記位置検出方法をアライメ
ントマークＭ4の位置検出にも適用できる。よって、ア
ライメントマークＭ4についても、そのＸＹ座標を決定
することができる。この場合、撮像素子７２に投影され
るアライメントマークＭ4の像は、上記のように拡大率
が大きく、より細かい画素単位でワークＷの画像を検出
するので、より精密な位置検出が可能となる。

【００３１】また、以上の実施形態において、アライメ
ントマークＭ1〜Ｍ4の輪郭は、十字に限られるものでは
なく、例えば環状のマークとすることもでき、サイズの
比も目的とする位置計測精度や画界の広さ等に応じて適
宜調節することができる。さらに、アライメントマーク
Ｍ1〜Ｍ4の明暗コントラストも、要求精度やワークＷの
加工性、表面色等に応じて適宜設定できる。さらに、ア
ライメントマークＭ1〜Ｍ4の位置計測のアルゴリズム
も、アライメントマークの形状等に応じて適宜変更でき
ることは言うまでもない。

【００３２】また、イメージガイド６０も、図１及び図
３に示す構造のものに限定されず、３つ以上のイメージ
ガイドを束ねたものとすることができ、この場合、３つ
以上のアライメントマークを同時に計測できるようにな
る。さらに、イメージガイド６０を構成する合成部６１
と分岐部６２、６３とにおける光ファイバの束ね方も、
分岐部６２、６３からの像光が合成部６１で重なり合う
ように互い違い（交互に順序正しい配置）となる任意の
配置が可能である。

【００３３】また、上記の位置計測装置は、レーザ光Ａ
Ｌを用いてワークＷ上の半導体層をアニーリングするも
のであったが、レーザ光源２０や照射光学系３０等の構
造を適宜変更すれば、半導体材料のアニールのみならず
切断・溶着等を目的とするパルスレーザ加工装置とする
ことができる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る位置計測装置によれば、イメージガイドが一対の
入射端からの一対の像光をこの一対の像光が重なるよう
に合成し、信号処理手段が撮像手段の変換した画像信号
から合成前の一対の像光に含まれる所定の位置情報をそ
れぞれ分離して検出するので、ステージ上に配置された
測定対象物の表面に上記異なる２点に対応して一対の位
置決めマークが形成されていれば、これら位置決めマー
クについて一括して位置情報を検出することができる。
よって、斯かる位置計測装置では、複数の位置決めマー
クについて迅速な位置計測が可能となり、このような位
置計測結果を利用してアライメントを行うレーザ加工装
置等の処理のスループットを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の位置計測装置を組み込んだレーザア
ニール装置を説明する図である。

【図２】図１の装置のステージに載置されたワーク上の
位置計測マークを説明する図である。

【図３】複数の位置計測マークを合成像とするためのイ
メージガイドの構造を説明する図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図３のイメージ
ガイドを構成するファイバの組み方を説明する図であ
る。

【図５】（ａ）は、イメージガイドで合成された位置計
測マークの画像に対応し、（ｂ）はその画像の積算輝度
を説明するグラフである。

【図６】図２に示した位置計測マークの変形例を説明す
る図である。

【符号の説明】

１０ ステージ ２０ レーザ光源 ３０ 照射光学系 ４０ ステージ駆動装置 ５０ 移動量計測装置 ６０ イメージガイド ６１ 合成部 ６１ａ 出射端 ６２,６３ 各分岐部 ６２,６３ 分岐部 ６２ａ,３ａ 入射端 ６３ 分岐部 ６４,６５ ホルダ ６４ａ,６５ａ 結像レンズ ７０ ＣＣＤカメラ ７１ 結像レンズ ７２ 撮像素子 ８０ 画像処理装置 ８５ 主制御装置 Ｍ1,Ｍ2 アライメントマーク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステージ上の異なる２点からの像光が入
   射する一対の入射端を有するとともに、前記一対の入射
   端からの一対の像光を当該一対の像光が重なるように合
   成し、合成された像光を出射端まで伝送するイメージガ
   イドと、 前記イメージガイドの前記出射端から射出される前記合
   成された像光を画像信号に変換する撮像手段と、 前記撮像手段の変換した前記画像信号から合成前の前記
   一対の像光に含まれる所定の位置情報をそれぞれ分離し
   て検出する信号処理手段とを備える位置計測装置。