これらの要求条件を満たすよう設計された測定装置「DSM200」のブロック図をに示す（図1）。機械の安定性と平坦な基準面を得るためグラナイト（御影石）のベースプレートがあり、全ての動きが最小限の摩擦で行われるように、グラナイト上にXY平行移動ステージが取り付けてある。グラナイトは、測定箇所でのフォーカス再調整を最小限にする、もしくは不要にするため、表面全域で2μmの表面仕上げになるように研磨されている。

　フィールド実績のある非接触式プリアライナ付きロボット搬送システム（図2）も、プリアライナのセンサーヘッドやロボットのエンドエフェクタなどをハードウェア的にまったく交換することなく、簡単かつ迅速にウェーハのサイズを変更することができる。測定装置は完全に自動モードで動作するため、人為的な影響を受けずに表面から裏面への測定結果を50w/hの速度で測定することができる。ウェーハ上のデバイス部にて搬送の影響を受けやすいアプリケーションには、エッジバキュームの機能も用意されており、MEMSまたはオプトデバイスのアプリケーションなど、脆弱なウェーハや裏面にデバイスが構成されているウェーハを扱うことが可能である。また、ファクトリオートメーションを取り入れた最新の生産方式に対応するため、SEC/GEMインタフェース、カセット用RF IDリーダー、ウェーハIDリーダーなども用意されている。

　オーバーレイ確認箇所を自由に、柔軟に選択できるようにするため、チャックには大きな観察領域があり、この領域内にてウェーハの上下面から容易にアクセスすることができる（図3）。6インチウェーハでは、4000mm2以上を観察することができる。

　表裏のオーバーレイの測定は、垂直に重ねた顕微鏡にて行う（図4）。表裏の基準画像をCCDカメラで同時に観察。これら2つのターゲットをCognex社製のソフトウェアに基づくパターン認識アルゴリズムを使用して確認する。ターゲットサイズは30〜300μmに対応しているが、X、Y方向共に約100μmというサイズが一般的である。Cognexシステムは、非常に耐久性があり、フィールド実績のあるソフトウェアプラットフォームを利用しているため、コントラストの変動や画像の回転、画像トーンの反転などがあっても影響を受けることがない。

　この最初の箇所で表裏のオーバーレイを確認した後、希望位置のそれぞれに対するアライメント基準がカメラの視野に入る位置にアライメントステージが自動的に移動し、プロセスが繰り返される。

　ウェーハの表面と裏面の構造物のアライメント精度を正確に測定するときの大きな課題の1つは、顕微鏡の光軸の間でのオフセットのような操作中に発生するハード欠陥にある。ウェーハを測定するたびにこうした逸脱を抑制しておくため、DSM200では、最初の測定サイクルの最後に基板を180°自動的に回転する（図5）。これによって、顕微鏡の光軸でのミスアライメントなどのエラーがキャンセルされるため、最終結果は全ての測定箇所で正確かつ信頼できるものになる。

　表裏ターゲット間の最終的なオーバーレイを次式で算出する。

　測定装置が有効であるためには、再現性と精度によって一貫した測定結果が得られなければならない。再現性を測定するため、SUSS MicroTecのリソグラフィツールでSiウェーハの表裏面パターンを作成、現像後、パターンをDSM200にて測定した。

　測定結果の再現性は、サンプルを何回もステージに載せかえて測定を行いオーバーレイの再現性を記録し、その後出力データの統計解析を行うことで数値化できる。検出の再現性は、同じオーバーレイをそのつど測定し、ドリフトやばらつきの兆候がないかデータを解析、さらに調査することで、歩留まりの向上などに役立てることができる。

　検出再現性のエラーで考えられる原因には、ウェーハチャッキングやカメラマウント用ステージの機械的ドリフト、位置検知アルゴリズムの不確実さ、装置の振動、熱ドリフトなどがある。これらの原因はどれも重大なエラーの一因になることがあり、装置を設計するときに最初からシステムレベルの視点で慎重に考慮する必要がある。

　ツールの測定精度は、リソグラフィのフォトマスクと同様に片面にCrの非常に薄いパターンがある透明基板を測定する方法で数値化した。光学的に透明でフォトマスクに対して常に平行な厚さ1mmの石英基板にレーザーライターでパターン形成し、次にパターン形成された形状をドライエッチングにて下のCr層に転写した。次に、このウェーハを上側の顕微鏡を使用してSUSS DMS200で測定し、上側形状の1つを見ながら下側の顕微鏡でも同じ形状（期待されるオーバーレイ精度0μm）を、または上面の隣の形状（期待されるオーバーレイ精度20μm）を観測した（図6）。