JP2004193485A - 重ね合わせ測定装置および重ね合わせ測定方法 - Google Patents
重ね合わせ測定装置および重ね合わせ測定方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】重ね合わせマークのサイズに拘わらず、重ね合わせずれ量の測定値の異常や測定エラーの発生率を低減できる重ね合わせ測定装置と方法を提供する。
【解決手段】基板１１のうち重ね合わせマークが形成された複数のマーク領域の画像を取り込む画像取込手段１２〜２２と、マーク領域の画像中から重ね合わせマークに関わる部分画像を切り出す画像切出手段２２と、部分画像に基づいて重ね合わせずれ量を算出すると共に、基板の複数のマーク領域における重ね合わせずれ量の算出を順に実行する算出手段２２,２３とを備える。そして画像切出手段は、算出手段による重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、算出手段が前回までに算出した重ね合わせずれ量に基づいてマークマーク領域の画像中から部分画像を切り出す位置を決定する。
【選択図】 図１
【解決手段】基板１１のうち重ね合わせマークが形成された複数のマーク領域の画像を取り込む画像取込手段１２〜２２と、マーク領域の画像中から重ね合わせマークに関わる部分画像を切り出す画像切出手段２２と、部分画像に基づいて重ね合わせずれ量を算出すると共に、基板の複数のマーク領域における重ね合わせずれ量の算出を順に実行する算出手段２２,２３とを備える。そして画像切出手段は、算出手段による重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、算出手段が前回までに算出した重ね合わせずれ量に基づいてマークマーク領域の画像中から部分画像を切り出す位置を決定する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や液晶表示素子の製造工程において、基板の異なる層に形成された複数のパターンの重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定装置および重ね合わせ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク(レチクル)に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより(加工工程)、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パターンが転写される（パターン形成工程）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成される。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の測定を行い、製品の歩留まり向上を図っている。これは、１つ前のパターン形成工程で形成された回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査である。
【０００５】
重ね合わせ検査においては、通常、下地パターンの基準位置を示す下地マークと、レジストパターンの基準位置を示すレジストマークとが用いられる。これらの下地マーク,レジストマークは、上記のパターン形成工程で下地パターン,レジストパターンと同時に形成された凹凸構造である。なお、下地マークとレジストマークの間には、下地パターンとレジストパターンの間と同様、加工対象となる材料膜が形成されている。
【０００６】
この状態において、下地マークの位置とレジストマークの位置との差（重ね合わせずれ量）を測定し、得られた重ね合わせずれ量が許容範囲内に含まれるか否かを判断することにより、下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ検査が行われる。
また、重ね合わせずれ量の測定に当たっては、基板上の下地マークとレジストマークを含む観察領域が装置の視野内に位置決めされ、この観察領域の画像がＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて取り込まれる（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
そして、取り込んだ観察領域の画像中から基板上の下地マーク,レジストマークに関わる各々の部分画像が切り出され、各々の部分画像に現れたエッジ部の位置に基づいて重ね合わせずれ量が測定される。エッジ部とは、部分画像の中で輝度値が急変する箇所である。
観察領域の画像中における部分画像の切り出し範囲は、重ね合わせ検査を効率良く行うため、検査前に作成されたレシピに基づいて自動設定されることが一般的である。つまり、基板上の下地マーク,レジストマークに関わる各々の部分画像は、観察領域の画像中からレシピに基づいて自動的に切り出されていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２５８７９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、検査前に作成されたレシピに基づいて部分画像を自動的に切り出すと、観察領域の画像中に現れたエッジ部に対して適切な範囲を切り出せるとは限らない。つまり、切り出された部分画像の中に、(１)エッジ部の一部分しか含まれなかったり、(２)エッジ部が全く含まれなかったり、(３)２つのエッジ部が同時に含まれたりすることがあった。これは、測定しようとしている重ね合わせずれ量に応じてエッジ部の位置が変わるからである。
【００１０】
そして、上記(１)の場合には、部分画像中のエッジ部の位置に基づいて測定される重ね合わせずれ量の値が異常値となってしまう。また、上記(２)と(３)の場合は、重ね合わせずれ量の測定値を得ることができない(測定エラー)。このような事態は、重ね合わせマーク（下地マーク,レジストマーク）のサイズが小さいほど発生しやすい。
【００１１】
本発明の目的は、重ね合わせマークのサイズに拘わらず、重ね合わせずれ量の測定値の異常や測定エラーの発生率を低減できる重ね合わせ測定装置および重ね合わせ測定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、基板の異なる層に形成された第１パターンと第２パターンとの重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定装置であって、前記第１パターンの基準位置を示す第１マークと前記第２パターンの基準位置を示す第２マークとが形成された複数のマーク領域の画像を取り込む画像取込手段と、前記マーク領域の画像中から前記第１マークに関わる第１部分画像および前記第２マークに関わる第２部分画像を切り出す画像切出手段と、前記第１部分画像および前記第２部分画像に基づいて前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出すると共に、前記画像取込手段および前記画像切出手段を制御して、前記複数のマーク領域における前記重ね合わせずれ量の算出を順に実行する算出手段とを備え、前記画像切出手段は、前記算出手段による前記重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、前記算出手段が前回までに算出した前記重ね合わせずれ量に基づいて前記マーク領域の画像中から前記第１部分画像および前記第２部分画像を切り出す位置を決定するものである。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の重ね合わせ測定装置において、前記算出手段は、前記複数のマーク領域のうち、前記重ね合わせずれ量が小さいと予想されるものから順に、前記重ね合わせずれ量の算出を実行するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の重ね合わせ測定装置において、前記算出手段は、前記複数のマーク領域のうち、前記基板の中心に近いものから順に、前記重ね合わせずれ量の算出を実行するものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の重ね合わせ測定装置において、前記算出手段による前記重ね合わせずれ量の算出が、該重ね合わせずれ量の成分数に応じた回数だけ実行されるまでの間に、前記算出手段による各回の算出結果に基づいて前記重ね合わせずれ量の成分を１つずつ抽出する抽出手段をさらに備え、前記画像切出手段は、前記算出手段による前記重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、前記算出手段が前回までに算出した前記重ね合わせずれ量から前記抽出手段が抽出した１つ以上の前記成分を考慮して、前記第１部分画像および前記第２部分画像を切り出すものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、基板の異なる層に形成された第１パターンと第２パターンとの重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定方法であって、前記第１パターンの基準位置を示す第１マークと前記第２パターンの基準位置を示す第２マークとが形成された複数のマーク領域の画像を取り込む画像取込工程と、前記マーク領域の画像中から前記第１マークに関わる第１部分画像および前記第２マークに関わる第２部分画像を切り出す画像切出工程と、前記第１部分画像および前記第２部分画像に基づいて前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出すると共に、前記画像取込工程および前記画像切出工程を制御して、前記複数のマーク領域における前記重ね合わせずれ量の算出を順に実行する算出工程とを備え、前記画像切出工程では、前記算出工程による前記重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、前記算出工程にて前回までに算出された前記重ね合わせずれ量に基づいて前記マーク領域の画像中から前記第１部分画像および前記第２部分画像を切り出す位置を決定するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項５に対応する。
【００１７】
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０は、図１に示すように、ウエハ１１を支持する検査ステージ１２と、ウエハ１１側に向けて照明光Ｌ１を射出する照明光学系(１３〜１７)と、ウエハ１１の像を形成する結像光学系(１８〜２０)と、撮像素子２１と、画像処理部２２と、制御部２３と、焦点検出部(４１〜４８)とで構成されている。
【００１８】
この重ね合わせ測定装置１０について具体的に説明する前に、ウエハ１１（基板）の説明を行う。
ウエハ１１には、図２(ａ)に示すように、複数のショット領域５０がＸＹ方向に沿って２次元配列されている。また、各々のショット領域５０には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面上に積層されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００１９】
さらに、ウエハ１１の各ショット領域５０の四隅や中央には、図２(ｂ)に示すように、重ね合わせマーク３０が形成されている。この重ね合わせマーク３０は、重ね合わせ測定装置１０により、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態を測定するために形成されたマークである。
重ね合わせマーク３０は、図２(ｃ),(ｄ)に示すように、大きさが異なる２つの矩形マーク（つまり外側の下地マーク３１と内側のレジストマーク３２）により構成されている。図２(ｃ)は平面図であり、図２(ｄ)は断面図である。また、重ね合わせマーク３０は、そのサイズが非常に小さい（例えば、下地マーク３１のサイズＸ１が５μｍ、レジストマーク３２のサイズＸ２が２μｍ）。
【００２０】
下地マーク３１,レジストマーク３２は、各々、下地パターン,レジストパターンと同時に形成され、下地パターン,レジストパターンの基準位置を示す。上記の下地パターン,レジストパターンは、請求項の「第１パターン」「第２パターン」に対応する。下地マーク３１,レジストマーク３２は、請求項の「第１マーク」「第２マーク」に対応する。
【００２１】
また、下地マーク３１は、Ｘ方向に関して、１つのエッジ対Ｅ１を含む。つまり、左側のエッジＥ１Lと右側のエッジＥ１Rとで構成されている。下地マーク３１のＹ方向に関しても同様である。レジストマーク３２は、Ｘ方向に関して、１つのエッジ対Ｅ２を含む。つまり、左側のエッジＥ２Lと右側のエッジＥ２Rとで構成されている。レジストマーク３２のＹ方向に関しても同様である。
【００２２】
なお、図示省略したが、レジストマーク３２,レジストパターンと、下地マーク３１,下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜(不図示)が形成されている。この材料膜は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ検査後、レジストマーク３２,レジストパターンの下地マーク３１,下地パターンに対する重ね合わせ状態が正確な場合に、実際に加工される。
【００２３】
重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ検査は、詳細は後述するように、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２との差（重ね合わせずれ量Ｒ）を測定し、得られた重ね合わせずれ量Ｒが許容範囲内に含まれるか否かの判断により行われる。
重ね合わせずれ量Ｒの原因として考えられるのは、主に、次の４つの成分▲１▼〜▲４▼である。４つの成分▲１▼〜▲４▼は、何れも、ウエハ１１の最上層のレジスト膜に対する露光時の誤差成分であり、露光機にフィードバックすることで補正可能な線形成分である。ウエハ１１の各々の重ね合わせマーク３０における重ね合わせずれ量Ｒは、成分▲１▼〜▲４▼のうち１つ以上からなる。
【００２４】
成分▲１▼は、露光機のオフアクシスアライメント(投影レンズを介さないアライメント)に起因する平行方向の位置ずれ成分（適宜「オフセット成分▲１▼」という）である。このオフセット成分▲１▼は、ウエハ１１内での重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)に拘わらず同じ量だけ含まれると考えられる。
【００２５】
成分▲２▼は、ウエハ１１に対する露光工程で、レジスト膜に照射された光が熱に変わって引き起こされるウエハ１１の収縮／膨張による位置ずれ成分（適宜「スケーリング成分▲２▼」という）である。このスケーリング成分▲２▼は、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)がウエハ１１の中心Ｃ０に近いほど小さいと考えられる。
【００２６】
成分▲３▼は、ウエハ１１に対する露光工程の前に、ウエハ１１を露光機のウエハステージに載置するときの回転方向の位置ずれ成分（適宜「ローテーション成分▲３▼」という）である。このローテーション成分▲３▼も、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)がウエハ１１の中心Ｃ０に近いほど小さいと考えられる。
成分▲４▼は、露光機のウエハステージが２軸ステージの場合で、ウエハステージをＸＹ方向にステップ移動させたときに、ウエハステージの直交度に起因して引き起こされる位置ずれ成分（適宜「直交度成分▲４▼」という）である。この直交度成分▲４▼も、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)がウエハ１１の中心Ｃ０に近いほど小さいと考えられる。
【００２７】
また、上記した４つの成分▲１▼〜▲４▼の大小関係は、一般に“▲１▼＞▲２▼＞▲３▼,▲４▼”となっている。さらに、ウエハ１１の各々の重ね合わせマーク３０における重ね合わせずれ量Ｒは、成分▲１▼〜▲４▼のうち１つ以上からなるため、一般に、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)がウエハ１１の中心Ｃ０に近いほど小さく、中心Ｃ０から周辺に外れるほど大きくなると考えられる。
【００２８】
さて次に、重ね合わせ測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
検査ステージ１２は、図示省略したが、ウエハ１１を水平状態に保って支持するホルダと、このホルダを水平方向(ＸＹ方向)に駆動するＸＹ駆動部と、ホルダを鉛直方向(Ｚ方向)に駆動するＺ駆動部とで構成されている。
検査ステージ１２のホルダをＸＹ方向に移動させることにより、ウエハ１１のショット領域５０(図２(ａ),(ｂ))のうち重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａを１つずつ順に結像光学系(１８〜２０)の視野領域内に位置決めできる。観察領域１１ａは、請求項の「マーク領域」に対応する。
【００２９】
照明光学系(１３〜１７)は、光軸Ｏ１に沿って順に配置された光源１３とコンデンサレンズ１４と視野絞り１５と投影レンズ１６とハーフミラー１７とで構成されている。ハーフミラー１７は、光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１８〜２０)の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系(１３〜１７)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１８〜２０)の光軸Ｏ２に垂直である。
【００３０】
結像光学系(１８〜２０)は、光軸Ｏ２に沿って順に配置された第１対物レンズ１８と第２対物レンズ１９と結像レンズ２０とで構成された光学顕微鏡部である。結像光学系(１８〜２０)の光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。なお、第１対物レンズ１８と第２対物レンズ１９との間には、照明光学系(１３〜１７)のハーフミラー１７と、後述する焦点検出部(４１〜４８)のハーフミラー４１とが配置されている。
【００３１】
上記の照明光学系(１３〜１７)および結像光学系(１８〜２０)において、光源１３から射出された光は、コンデンサレンズ１４と視野絞り１５と投影レンズ１６を介してハーフミラー１７に導かれ、そこで反射した後（照明光Ｌ１）、結像光学系(１８〜２０)の第１対物レンズ１８を通過して、検査ステージ１２上のウエハ１１に入射する。このとき、視野領域内に位置決めされた１つの観察領域１１ａ（図２(ｂ)参照）は、照明光Ｌ１により略垂直に照明される。
【００３２】
そして、照明光Ｌ１が照射されたウエハ１１の観察領域１１ａからは、そこでの凹凸構造（重ね合わせマーク３０）に応じて反射光Ｌ２が発生する。この反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１８とハーフミラー１７,４１とを介して第２対物レンズ１９に導かれ（光Ｌ３）、第１対物レンズ１８と第２対物レンズ１９の作用によって一次結像される。
【００３３】
さらに、一次結像後の光は、結像レンズ２０の作用によって撮像素子２１の撮像面上に再結像される。このとき、撮像素子２１の撮像面上には、反射光Ｌ２に基づく観察領域１１ａの拡大像（反射像）が形成される。
撮像素子２１は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサ（例えばＣＣＤカメラなどの２次元光電変換素子）であり、撮像面上の拡大像を撮像し、画像信号を画像処理部２２に出力する。画像信号は、複数のサンプル点からなり、撮像素子２１の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。
【００３４】
画像処理部２２は、撮像素子２１からの画像信号に基づいて、ウエハ１１の観察領域１１ａ（重ね合わせマーク３０を含む）の拡大像を画像として取り込む。ここで、ウエハ１１の観察領域１１ａの画像には、例えば図３(ａ)に示すように、Ｘ方向に関して、４本のエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rが現れる。
エッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rの各々の幅Ｄは、結像光学系(１８〜２０)の分解能などに起因して所定の広がりを持っている（例えばウエハ１１上での０.６μｍ相当）。
【００３５】
このうち、外側の２本のエッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rは、図２(ｃ),(ｄ)に示す下地マーク３１のエッジＥ１L,Ｅ１Rに対応し、内側の２本のエッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rは、レジストマーク３２のエッジＥ２L,Ｅ２Rに対応する。そして、画像処理部２２は、観察領域１１ａの画像（エッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１R）に基づいて、下地マーク３１とレジストマーク３２とのＸ方向の重ね合わせずれ量Ｒを算出する（詳細は後述する）。
【００３６】
なお、ウエハ１１の観察領域１１ａの画像には、Ｙ方向に関して、下地マーク３１,レジストマーク３２のエッジ像が同様に現れる。そして、下地マーク３１,レジストマーク３２Ｙ方向の重ね合わせずれ量も、Ｘ方向と同じ手順で算出可能である。このため、以下では、「Ｘ方向」に関する説明のみを行い、「Ｙ方向」に関する説明を省略する。
【００３７】
次に、焦点検出部(４１〜４８)について説明する。焦点検出部(４１〜４８)は、検査ステージ１２上のウエハ１１の観察領域１１ａが結像光学系(１８〜２０)の撮像素子２１の撮像面に対して合焦状態にあるか否かを、ナイフエッジ法により検出するものである。
この焦点検出部(４１〜４８)は、光軸Ｏ３に沿って順に配置されたハーフミラー４１とリレーレンズ４２とミラー４３とナイフエッジ４４と結像レンズ４５とシリンドリカルレンズ４６とからなるＡＦ光学系と、ＡＦセンサ４７と、信号処理部４８とで構成されている。ハーフミラー４１は、光軸Ｏ３に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１８〜２０)の光軸Ｏ２上にも配置される。光軸Ｏ３は、光軸Ｏ２に垂直である。ナイフエッジ４４は、略瞳位置に配置されている。
【００３８】
ＡＦセンサ４７はラインセンサであり、その撮像面には複数の画素が１次元配列されている（ＡＦ用光電変換素子）。シリンドリカルレンズ４６は、ＡＦセンサ４７の撮像面における画素の配列方向（図中Ａ方向）に対して垂直な方向の屈折力を持つ。Ａ方向は、計測方向に対応する。
焦点検出部(４１〜４８)において、ハーフミラー４１で反射した光（Ｌ４）は、リレーレンズ４２とミラー４３を介してナイフエッジ４４に入射し、そこで瞳の半分が遮光された後、結像レンズ４５とシリンドリカルレンズ４６を介して、ＡＦセンサ４７の撮像面の近傍に集光される。
【００３９】
このとき、撮像面には、画素の配列方向（Ａ方向）に関してウエハ１１と略共役で、かつ、Ａ方向に垂直な方向に関して略瞳共役なＡＦ像が形成される。そして、ＡＦセンサ４７は、撮像面に形成されたＡＦ像の強度プロファイルに関する情報を検出信号として信号処理部４８に出力する。
信号処理部４８は、ＡＦセンサ４７からの検出信号に基づいて、検査ステージ１２上のウエハ１１の観察領域１１ａが合焦状態にあるか否かに応じたフォーカス信号を制御部２３に出力する。信号処理部４８では、ＡＦの原点から外れた位置（重ね合わせずれ量Ｒの測定に最適な位置）に観察領域１１ａを合焦させるため、フォーカス信号を故意にオフセットさせることもある。
【００４０】
制御部２３は、検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御して、ホルダ（ウエハ１１）をＸＹ方向に移動させ、ウエハ１１の観察領域１１ａを１つずつ順に重ね合わせ測定装置１０の視野領域内に位置決めする。そして、焦点検出部(４１〜４８)からのフォーカス信号に基づいて検査ステージ１２のＺ駆動部を制御し、ホルダ（ウエハ１１）をＺ方向に上下動させる。その結果、ウエハ１１の観察領域１１ａを撮像素子２１に対して合焦させることができる（自動焦点合わせ）。
【００４１】
また、制御部２３は、重ね合わせ測定装置１０における重ね合わせ検査前にレシピを作成し、これを内部のメモリ(不図示)に記憶している。レシピの内容には、ユーザによって指定された測定対象の重ね合わせマーク３０のウエハ１１内での位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)や測定順序の情報が含まれる。さらに、後述するプロジェクション処理のための切り出し範囲に関する情報もレシピに含まれている。
【００４２】
測定順序とは、複数の重ね合わせマーク３０が測定対象として指定されたときに、各々の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)に基づいて、複数の重ね合わせマーク３０をウエハ１１の中心Ｃ０に近いものから並べた順序である。これは、重ね合わせずれ量Ｒが最も小さいと予想されるものから並べた順序に相当している。
本実施形態では、ユーザによって希望する測定順序が指定された場合でも、その測定順序に拘わらず、複数の重ね合わせマーク３０をウエハ１１の中心Ｃ０に近いものから順に並び替えて、新たな測定順序を設定する。そして、新たに設定した測定順序をレシピとして登録する。
【００４３】
上記の検査ステージ１２,照明光学系(１３〜１７),結像光学系(１８〜２０),撮像素子２１,画像処理部２２は、総じて、請求項の「画像取込手段」に対応する。画像処理部２２は「画像切出手段」に対応する。画像処理部２２,制御部２３は、総じて「算出手段」に対応する。
【００４４】
次に、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０において、下地マーク３１とレジストマーク３２とのＸ方向の重ね合わせずれ量Ｒ（図２(ｄ)）を算出する際の前処理について説明しておく。
重ね合わせずれ量Ｒの算出に先立ち、画像処理部２２は、ウエハ１１の観察領域１１ａの画像(例えば図３(ａ))中から下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像を切り出す。そして、部分画像中の画像信号を重ね合わせずれ量Ｒの算出方向(Ｘ方向)とは垂直な方向(Ｙ方向)に沿って積算する。これは、信号ノイズを低減させるための処理である。このプロジェクション処理によって生成される積算後の画像信号の波形を「代表波形」という。
【００４５】
例えば、図３(ａ)に点線で示すように、観察領域１１ａの画像に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rを含むような切り出し範囲３３を設定し、この切り出し範囲３３内で画像信号をＹ方向に積算した場合、得られる画像信号の代表波形は、図３(ｂ)に示すような形状となる。
図３(ｂ)の横軸は、代表波形の各々のサンプル点（画素）の位置を表し、縦軸は輝度値を表している。図３(ｂ)において、代表波形の輝度値が極小となるボトム付近は、各々、図３(ａ)のエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対応する。
【００４６】
そして、画像処理部２２は、観察領域１１ａの画像から切り出された部分画像(３３)内でのプロジェクション処理後、得られた代表波形（図３(ｂ)参照）を用い、テンプレートマッチングにより下地マーク３１,レジストマーク３２の重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
なお、図３(ａ),(ｂ)は、非常に小さな重ね合わせマーク３０（例えば、下地マーク３１,レジストマーク３２のサイズＸ１＝５μｍ,Ｘ２＝２μｍ）において、下地マーク３１,レジストマーク３２の重ね合わせずれ量Ｒが０の場合を例示したものである。これは、ウエハ１１の中心Ｃ０の近傍に位置する重ね合わせマーク３０（図６の３０Ａ参照）の例である。
【００４７】
同じサイズの重ね合わせマーク３０において、下地マーク３１,レジストマーク３２の重ね合わせずれ量Ｒが小さい場合（例えばウエハ１１上での０.２μｍ相当）、観察領域１１ａの画像は、図４(ａ)に示すようになる。これは、ウエハ１１の中心Ｃ０から少し離れている重ね合わせマーク３０（図６の３０Ｂ参照）の例である。
【００４８】
また、同じサイズの重ね合わせマーク３０において、下地マーク３１,レジストマーク３２の重ね合わせずれ量Ｒが大きい場合（例えばウエハ１１上での０.４μｍ相当）、観察領域１１ａの画像は、図５(ａ)に示すようになる。これは、ウエハ１１の中心Ｃ０から大きく離れた重ね合わせマーク３０（図６の３０Ｃ参照）の例である。
【００４９】
何れの場合でも、画像処理部２２は、観察領域１１ａの画像から切り出された部分画像(３３)内でのプロジェクション処理後、得られた代表波形（図４,図５の(ｂ)参照）を用いて、テンプレートマッチングにより重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
ところで、実際の重ね合わせずれ量Ｒの算出は、初めに下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２を別々に検出して、得られた各々の中心位置Ｃ１,Ｃ２の差を計算することにより行われる（図２(ｄ)参照）。
【００５０】
したがって、上記のような代表波形（図３〜図５の(ｂ)参照）を生成するためのプロジェクション処理は、図３〜図５の(ｃ)に点線で示すように、切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rを各々設定して実施される。
切り出し範囲３４L,３４Rは、下地マーク３１に関わる部分画像(３４L),(３４R)を切り出すためのものであり、この部分画像(３４L),(３４R)内での画像信号の積算により代表波形(不図示)が生成され、得られた代表波形が下地マーク３１の中心位置Ｃ１の検出に用いられる。
【００５１】
また、切り出し範囲３５L,３５Rは、レジストマーク３２に関わる部分画像(３５L),(３５R)を切り出すためのものであり、この部分画像(３５L),(３５R)内での画像信号の積算により代表波形(不図示)が生成され、得られた代表波形がレジストマーク３２の中心位置Ｃ２の検出に用いられる。
図３〜図５の(ｃ)の切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rは、従来と同様の方法により、重ね合わせ検査前に作成されたレシピに基づいて、同じ位置に自動設定した例である。つまり、図３〜図５の(ｃ)は、レシピに基づいて、同じ位置の部分画像(３４L),(３５L),(３５R),(３４R)を切り出す例である。本実施形態の切り出し方法については後で説明する。
【００５２】
図３〜図５の(ｃ)のうち、図３と図４の(ｃ)では、重ね合わせずれ量Ｒが０または小さい(０.２μｍ相当)ため、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像(３４L),(３５L),(３５R),(３４R)が切り出されている。
すなわち、部分画像(３４L)の中には、Ｘ方向に関して、１つのエッジ像Ｆ１Lの全てが含まれている。同様に、部分画像(３５L)の中には、１つのエッジ像Ｆ２Lの全てが含まれている。また、部分画像(３５R),(３４R)の中には、各々、エッジ像Ｆ２R,Ｆ１Rの全てが含まれている。
【００５３】
この場合、画像処理部２２では、部分画像(３４L),(３４R)の各々に現れたエッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rの代表波形に基づいて、下地マーク３１のＸ方向の中心位置Ｃ１を正確に検出できる。また、部分画像(３５L),(３５R)の各々に現れたエッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rの代表波形に基づいて、レジストマーク３２のＸ方向の中心位置Ｃ２を正確に検出できる。その結果、これらの中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて、Ｘ方向の重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することもできる。
【００５４】
しかし、図５の(ｃ)では、重ね合わせずれ量Ｒが大きい(０.４μｍ相当)ため、観察領域１１ａの画像中に現れた外側のエッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rに対して適切な位置の部分画像(３４L),(３４R)が切り出されているものの、内側のエッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rに対して適切な位置の部分画像(３５L),(３５R)が切り出されていない。
【００５５】
すなわち、部分画像(３４L),(３４R)の中には、各々、エッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rの全てが含まれているものの、部分画像(３５L),(３５R)の中には、各々、エッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rの一部分しか含まれていない。
この場合、画像処理部２２では、部分画像(３４L),(３４R)に現れたエッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rの代表波形に基づいて、下地マーク３１の中心位置Ｃ１を正確に検出できるが、部分画像(３５L),(３５R)に現れたエッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rの代表波形は一部分であるため、レジストマーク３２の中心位置Ｃ２の検出結果は異常値となる。その結果、重ね合わせずれ量Ｒの値も異常値となる。
【００５６】
さらに、図示省略したが、図５の例よりも重ね合わせずれ量Ｒが大きい場合、同様の切り出し範囲３４L,３４R,３５L,３５Rを自動設定すると、部分画像(３４L),(３４R),(３５L),(３５R)の中に、エッジ像が全く含まれなかったり、２つのエッジ像が同時に含まれたりすることがある。このとき、画像処理部２２では、重ね合わせずれ量Ｒの値を算出することができない(測定エラー)。
【００５７】
そこで、本実施形態では、必要に応じて切り出し範囲３４L,３４R,３５L,３５Rの設定を変更し、変更後の切り出し範囲内でプロジェクション処理を行い、得られた代表波形に基づいて中心位置Ｃ１,Ｃ２を検出し、最終的に重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
最後に、重ね合わせ測定装置１０における重ね合わせずれ量Ｒの算出手順について、図７のフローチャートを用いて具体的に説明する。
【００５８】
制御部２３は、ユーザによって測定対象の重ね合わせマーク３０が指定されると、指定された重ね合わせマーク３０のウエハ１１内での位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)に基づいて測定順序を決定し（ステップＳ１）、これをレシピに登録する。
既に説明したように、レシピに登録される測定順序は、ウエハ１１の中心Ｃ０に近いものから並べた順序（重ね合わせずれ量Ｒが最も小さいと予想されるものから並べた順序）である。このため、例えば図６に示した３つの重ね合わせマーク３０Ａ,３０Ｂ,３０Ｃが指定された場合、測定順序は、３０Ａ→３０Ｂ→３０Ｃとなる。
【００５９】
また、制御部２３は、重ね合わせマーク３０のサイズＸ１,Ｘ２と、結像光学系(１８〜２０)の拡大倍率や分解能などの光学条件とを考慮し、さらに、重ね合わせずれ量Ｒが０の場合を想定して、１回目の重ね合わせずれ量Ｒの算出時に観察領域１１ａの画像中に設定するのに適した切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４R（図３(ｃ)参照）を決定し（ステップＳ２）、これをレシピに登録する。
【００６０】
そして、レシピの作成が終了すると、制御部２３は、測定順序の第１番目の重ね合わせマーク３０Ａ（図６）が形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像（図３(ａ)）を取り込ませる（ステップＳ３）。
画像処理部２２は、制御部２３内のメモリに記憶されているレシピを参照し、その内容に基づいて切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rを設定し（図３(ｃ)）、観察領域１１ａの画像中から下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像(３４L),(３４R),(３５L),(３５R)を切り出す（ステップＳ４）。
【００６１】
このとき、図３(ｃ)に示すように、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像(３４L),(３５L),(３５R),(３４R)を切り出すことができる。
そして次に、下地マーク３１に関わる部分画像(３４L),(３４R)内でのプロジェクション処理によって代表波形を生成し、代表波形のうち輝度値の急変部分をエッジ信号として抽出し、エッジ信号の波形に基づいて、テンプレートマッチングにより下地マーク３１のＸ方向の中心位置Ｃ１を検出する（ステップＳ５）。部分画像(３４L),(３４R)の切り出しが適切であるため、中心位置Ｃ１の検出を正確に行うことができる。
【００６２】
また、レジストマーク３２に関わる部分画像(３５L),(３５R)内でのプロジェクション処理によって代表波形を生成し、代表波形のうち輝度値の急変部分をエッジ信号として抽出し、エッジ信号の波形に基づいて、テンプレートマッチングによりレジストマーク３２のＸ方向の中心位置Ｃ２を検出する（ステップＳ６）。部分画像(３５L),(３５R)の切り出しが適切であるため、中心位置Ｃ２の検出を正確に行うことができる。
【００６３】
さらに、画像処理部２２は、ステップＳ５,Ｓ６で正確に検出できた中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて、測定順序の第１番目の重ね合わせマーク３０Ａ（図６）の重ね合わせずれ量Ｒ（＝０μｍ）を正確に算出することができる（ステップＳ７）。
なお、第１番目の重ね合わせマーク３０Ａの重ね合わせずれ量Ｒは、上述した４つの成分▲１▼〜▲４▼のうち、ウエハ１１の中心Ｃ０の近傍で優勢なオフセット成分▲１▼と考えられる。このため、画像処理部２２は、１回目の算出結果に基づいてオフセット成分▲１▼を抽出し、２回目以降の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）で利用する。ここでは、オフセット成分▲１▼は０である。
【００６４】
このようにして第１番目の重ね合わせマーク３０Ａに対する算出処理が終了すると、制御部２３は、測定順序の第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂが形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像（図４(ａ)）を取り込ませる（Ｓ３）。
画像処理部２２は、オフセット成分▲１▼に基づいて第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂの重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して、レシピに登録された切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rのうち、レジストマーク３２用の切り出し範囲３５L,３５Rの位置をずらして設定する。
【００６５】
ここではオフセット成分▲１▼が０であるため、結果として１回目の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）と同じ切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rが設定され（図４(ｃ)）、下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像(３４L),(３４R),(３５L),(３５R)が切り出される（Ｓ４）。
【００６６】
この場合にも、図４(ｃ)に示すように、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像(３４L),(３５L),(３５R),(３４R)を切り出すことができる。
したがって、次のステップＳ５〜Ｓ７の処理により、測定順序の第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂの下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出することができ、かつ、正確な中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて重ね合わせずれ量Ｒ（＝０.２μｍ）を正確に算出することもできる。
【００６７】
なお、第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂの重ね合わせずれ量Ｒは、上述した４つの成分▲１▼〜▲４▼のうち、オフセット成分▲１▼とスケーリング成分▲２▼とが優勢と考えられる。このため、画像処理部２２は、２回目の算出結果と既に抽出されたオフセット成分▲１▼とに基づいてスケーリング成分▲２▼を抽出し、３回目以降の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）で利用する。
【００６８】
このようにして第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂに対する算出処理が終了すると、制御部２３は、測定順序の第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃが形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像（図５(ａ)）を取り込ませる（Ｓ３）。
画像処理部２２は、オフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼に基づいて第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃの重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して、レシピに登録された切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rのうち、レジストマーク３２用の切り出し範囲３５L,３５Rの位置をずらして設定する。
【００６９】
その結果、図８に示すように、１回目,２回目の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）とは異なる切り出し範囲３６L,３６Rがレジストマーク３２用に設定され、下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像(３４L),(３４R),(３６L),(３６R)が切り出される（Ｓ４）。つまり、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像(３４L),(３６L),(３６R),(３４R)を切り出すことができる。
【００７０】
したがって、ステップＳ５〜Ｓ７の処理により、測定順序の第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃの下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出することができ、かつ、正確な中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて重ね合わせずれ量Ｒ（＝０.４μｍ）を正確に算出することもできる。
なお、第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃの重ね合わせずれ量Ｒは、上述した４つの成分▲１▼〜▲４▼のうち、オフセット成分▲１▼とスケーリング成分▲２▼とローテーション成分▲３▼が優勢と考えられる。このため、画像処理部２２は、３回目の算出結果と既に抽出されたオフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼とに基づいてローテーション成分▲３▼を抽出し、４回目以降の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）で利用する。
【００７１】
このようにして第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃに対する算出処理が終了すると、制御部２３は、測定順序の第４番目の重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像を取り込ませる（Ｓ３）。
画像処理部２２は、オフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼,ローテーション成分▲３▼に基づいて第４番目の重ね合わせマーク３０の重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して、レシピに登録された切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rのうち、レジストマーク３２用の切り出し範囲３５L,３５Rの位置をずらして設定する。
【００７２】
その結果、１回目〜３回目の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）とは異なる切り出し範囲がレジストマーク３２用に設定され、下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像が切り出される（Ｓ４）。つまり、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像を切り出すことができる。
【００７３】
したがって、ステップＳ５〜Ｓ７の処理により、測定順序の第４番目の重ね合わせマーク３０の下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出することができ、かつ、正確な中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することもできる。
なお、第４番目の重ね合わせマーク３０の重ね合わせずれ量Ｒには、上述した４つの成分▲１▼〜▲４▼が全て含まれると考えられる。このため、画像処理部２２は、４回目の算出結果と既に抽出されたオフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼,ローテーション成分▲３▼とに基づいて直交度成分▲４▼を抽出し、５回目以降の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）で利用する。
【００７４】
このようにして第４番目の重ね合わせマーク３０Ｃに対する算出処理が終了すると、制御部２３は、測定順序の第５番目の重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像を取り込ませる（Ｓ３）。
画像処理部２２は、オフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼,ローテーション成分▲３▼,直交度成分▲４▼に基づいて第５番目の重ね合わせマーク３０の重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して、レシピに登録された切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rのうち、レジストマーク３２用の切り出し範囲３５L,３５Rの位置をずらして設定する。
【００７５】
その結果、１回目〜４回目の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）とは異なる切り出し範囲がレジストマーク３２用に設定され、下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像が切り出される（Ｓ４）。つまり、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像を切り出すことができる。
【００７６】
したがって、ステップＳ５〜Ｓ７の処理により、測定順序の第５番目の重ね合わせマーク３０の下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出することができ、かつ、正確な中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することもできる。
【００７７】
測定順序の第６番目以降の重ね合わせマーク３０についても、上記の第５番目と同様に、オフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼,ローテーション成分▲３▼,直交度成分▲４▼に基づいて重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測して、レジストマーク３２用の切り出し範囲を設定するため、下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出でき、重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することもできる。
【００７８】
このように、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、重ね合わせずれ量Ｒの２回目以降の算出に際し、前回までの算出結果を考慮してレジストマーク３２用の切り出し範囲を設定するため、重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することができる。すなわち、重ね合わせずれ量Ｒの測定値の異常や測定エラーが発生する確率を確実に低減することができる。
【００７９】
また、重ね合わせずれ量Ｒの原因として考えられる４つの成分▲１▼〜▲４▼を１つずつ抽出すると共に、前回までに抽出した１つ以上の成分に基づいて重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して切り出し範囲を設定するため、正確な重ね合わせずれ量Ｒを効率良く算出することができる。
（変形例）
上記した実施形態では、重ね合わせマーク３０のウエハ１１内での位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)に基づいて測定順序を決定したが、本発明はこれに限定されない。重ね合わせマーク３０のショット領域５０内での位置座標(Ｘｓ,Ｙｓ)に基づいて測定順序を決定してもよいし、位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)と位置座標(Ｘｓ,Ｙｓ)の双方に基づいて測定順序を決定してもよい。この場合、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｓ,Ｙｓ)がショット領域５０の中心に近いほど、重ね合わせずれ量Ｒが小さい、という傾向を利用することが好ましい。
【００８０】
また、測定順序は、露光機（例えばＥＢ露光機）の特性に合わせて、ウエハ１１のレジスト膜に対する露光順を考慮して決定してもよい。露光（ショット）を繰り返すにしたがってウエハ１１に熱が蓄積し、ウエハ１１のスケーリング成分▲２▼が徐々に増大すると考えられるからである。この場合、最初に露光されたショット領域５０の重ね合わせずれ量が最も小さいため、そこから順に重ね合わせずれ量を測定することが好ましい。
【００８１】
さらに、上記した実施形態では、box in box マークからなる重ね合わせマーク３０を用いたが、その種類は他のもの（例えば frame in frame マークや barin bar マークなど）でも良い。ボックスとフレームとバーのうち２種類の組み合わせでも良い。
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０内の画像処理部２２および制御部２３により、重ね合わせずれ量Ｒの算出処理などを行ったが、重ね合わせ測定装置１０に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、重ね合わせマークのサイズに拘わらず、重ね合わせずれ量の測定値の異常や測定エラーの発生率を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】ウエハ１１上のショット領域５０(ａ),(ｂ)と、重ね合わせマーク３０の凹凸構造(ｃ),(ｄ)を説明する図である。
【図３】重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａの画像(ａ)と、代表波形の例(ｂ)と、切り出し範囲３４,３５の設定例(ｃ)を示す図である。
【図４】重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａの画像(ａ)と、代表波形の例(ｂ)と、切り出し範囲３４,３５の設定例(ｃ)を示す図である。
【図５】重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａの画像(ａ)と、代表波形の例(ｂ)と、切り出し範囲３４,３５の設定例(ｃ)を示す図である。
【図６】ウエハ１１上の異なる位置に形成された重ね合わせマーク３０と重ね合わせずれ量Ｒとの関係を説明する概略図である。
【図７】重ね合わせ測定装置１０における測定手順を示すフローチャートである。
【図８】図５の重ね合わせマーク３０における切り出し範囲の設定変更の例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 重ね合わせ測定装置
１１ ウエハ
１２ 検査ステージ
１３ 光源
１４ コンデンサレンズ
１５ 視野絞り
１６ 投影レンズ
１７，４１ ハーフミラー
１８ 第１対物レンズ
１９ 第２対物レンズ
２０ 結像レンズ
２１ 撮像素子
２２ 画像処理部
２３ 制御部
３０ 重ね合わせマーク
３３，３４，３５，３６ 切り出し範囲
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や液晶表示素子の製造工程において、基板の異なる層に形成された複数のパターンの重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定装置および重ね合わせ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク(レチクル)に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより(加工工程)、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パターンが転写される（パターン形成工程）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成される。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の測定を行い、製品の歩留まり向上を図っている。これは、１つ前のパターン形成工程で形成された回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査である。
【０００５】
重ね合わせ検査においては、通常、下地パターンの基準位置を示す下地マークと、レジストパターンの基準位置を示すレジストマークとが用いられる。これらの下地マーク,レジストマークは、上記のパターン形成工程で下地パターン,レジストパターンと同時に形成された凹凸構造である。なお、下地マークとレジストマークの間には、下地パターンとレジストパターンの間と同様、加工対象となる材料膜が形成されている。
【０００６】
この状態において、下地マークの位置とレジストマークの位置との差（重ね合わせずれ量）を測定し、得られた重ね合わせずれ量が許容範囲内に含まれるか否かを判断することにより、下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ検査が行われる。
また、重ね合わせずれ量の測定に当たっては、基板上の下地マークとレジストマークを含む観察領域が装置の視野内に位置決めされ、この観察領域の画像がＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて取り込まれる（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
そして、取り込んだ観察領域の画像中から基板上の下地マーク,レジストマークに関わる各々の部分画像が切り出され、各々の部分画像に現れたエッジ部の位置に基づいて重ね合わせずれ量が測定される。エッジ部とは、部分画像の中で輝度値が急変する箇所である。
観察領域の画像中における部分画像の切り出し範囲は、重ね合わせ検査を効率良く行うため、検査前に作成されたレシピに基づいて自動設定されることが一般的である。つまり、基板上の下地マーク,レジストマークに関わる各々の部分画像は、観察領域の画像中からレシピに基づいて自動的に切り出されていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２５８７９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、検査前に作成されたレシピに基づいて部分画像を自動的に切り出すと、観察領域の画像中に現れたエッジ部に対して適切な範囲を切り出せるとは限らない。つまり、切り出された部分画像の中に、(１)エッジ部の一部分しか含まれなかったり、(２)エッジ部が全く含まれなかったり、(３)２つのエッジ部が同時に含まれたりすることがあった。これは、測定しようとしている重ね合わせずれ量に応じてエッジ部の位置が変わるからである。
【００１０】
そして、上記(１)の場合には、部分画像中のエッジ部の位置に基づいて測定される重ね合わせずれ量の値が異常値となってしまう。また、上記(２)と(３)の場合は、重ね合わせずれ量の測定値を得ることができない(測定エラー)。このような事態は、重ね合わせマーク（下地マーク,レジストマーク）のサイズが小さいほど発生しやすい。
【００１１】
本発明の目的は、重ね合わせマークのサイズに拘わらず、重ね合わせずれ量の測定値の異常や測定エラーの発生率を低減できる重ね合わせ測定装置および重ね合わせ測定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、基板の異なる層に形成された第１パターンと第２パターンとの重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定装置であって、前記第１パターンの基準位置を示す第１マークと前記第２パターンの基準位置を示す第２マークとが形成された複数のマーク領域の画像を取り込む画像取込手段と、前記マーク領域の画像中から前記第１マークに関わる第１部分画像および前記第２マークに関わる第２部分画像を切り出す画像切出手段と、前記第１部分画像および前記第２部分画像に基づいて前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出すると共に、前記画像取込手段および前記画像切出手段を制御して、前記複数のマーク領域における前記重ね合わせずれ量の算出を順に実行する算出手段とを備え、前記画像切出手段は、前記算出手段による前記重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、前記算出手段が前回までに算出した前記重ね合わせずれ量に基づいて前記マーク領域の画像中から前記第１部分画像および前記第２部分画像を切り出す位置を決定するものである。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の重ね合わせ測定装置において、前記算出手段は、前記複数のマーク領域のうち、前記重ね合わせずれ量が小さいと予想されるものから順に、前記重ね合わせずれ量の算出を実行するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の重ね合わせ測定装置において、前記算出手段は、前記複数のマーク領域のうち、前記基板の中心に近いものから順に、前記重ね合わせずれ量の算出を実行するものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の重ね合わせ測定装置において、前記算出手段による前記重ね合わせずれ量の算出が、該重ね合わせずれ量の成分数に応じた回数だけ実行されるまでの間に、前記算出手段による各回の算出結果に基づいて前記重ね合わせずれ量の成分を１つずつ抽出する抽出手段をさらに備え、前記画像切出手段は、前記算出手段による前記重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、前記算出手段が前回までに算出した前記重ね合わせずれ量から前記抽出手段が抽出した１つ以上の前記成分を考慮して、前記第１部分画像および前記第２部分画像を切り出すものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、基板の異なる層に形成された第１パターンと第２パターンとの重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定方法であって、前記第１パターンの基準位置を示す第１マークと前記第２パターンの基準位置を示す第２マークとが形成された複数のマーク領域の画像を取り込む画像取込工程と、前記マーク領域の画像中から前記第１マークに関わる第１部分画像および前記第２マークに関わる第２部分画像を切り出す画像切出工程と、前記第１部分画像および前記第２部分画像に基づいて前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出すると共に、前記画像取込工程および前記画像切出工程を制御して、前記複数のマーク領域における前記重ね合わせずれ量の算出を順に実行する算出工程とを備え、前記画像切出工程では、前記算出工程による前記重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、前記算出工程にて前回までに算出された前記重ね合わせずれ量に基づいて前記マーク領域の画像中から前記第１部分画像および前記第２部分画像を切り出す位置を決定するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項５に対応する。
【００１７】
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０は、図１に示すように、ウエハ１１を支持する検査ステージ１２と、ウエハ１１側に向けて照明光Ｌ１を射出する照明光学系(１３〜１７)と、ウエハ１１の像を形成する結像光学系(１８〜２０)と、撮像素子２１と、画像処理部２２と、制御部２３と、焦点検出部(４１〜４８)とで構成されている。
【００１８】
この重ね合わせ測定装置１０について具体的に説明する前に、ウエハ１１（基板）の説明を行う。
ウエハ１１には、図２(ａ)に示すように、複数のショット領域５０がＸＹ方向に沿って２次元配列されている。また、各々のショット領域５０には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面上に積層されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００１９】
さらに、ウエハ１１の各ショット領域５０の四隅や中央には、図２(ｂ)に示すように、重ね合わせマーク３０が形成されている。この重ね合わせマーク３０は、重ね合わせ測定装置１０により、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態を測定するために形成されたマークである。
重ね合わせマーク３０は、図２(ｃ),(ｄ)に示すように、大きさが異なる２つの矩形マーク（つまり外側の下地マーク３１と内側のレジストマーク３２）により構成されている。図２(ｃ)は平面図であり、図２(ｄ)は断面図である。また、重ね合わせマーク３０は、そのサイズが非常に小さい（例えば、下地マーク３１のサイズＸ１が５μｍ、レジストマーク３２のサイズＸ２が２μｍ）。
【００２０】
下地マーク３１,レジストマーク３２は、各々、下地パターン,レジストパターンと同時に形成され、下地パターン,レジストパターンの基準位置を示す。上記の下地パターン,レジストパターンは、請求項の「第１パターン」「第２パターン」に対応する。下地マーク３１,レジストマーク３２は、請求項の「第１マーク」「第２マーク」に対応する。
【００２１】
また、下地マーク３１は、Ｘ方向に関して、１つのエッジ対Ｅ１を含む。つまり、左側のエッジＥ１Lと右側のエッジＥ１Rとで構成されている。下地マーク３１のＹ方向に関しても同様である。レジストマーク３２は、Ｘ方向に関して、１つのエッジ対Ｅ２を含む。つまり、左側のエッジＥ２Lと右側のエッジＥ２Rとで構成されている。レジストマーク３２のＹ方向に関しても同様である。
【００２２】
なお、図示省略したが、レジストマーク３２,レジストパターンと、下地マーク３１,下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜(不図示)が形成されている。この材料膜は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ検査後、レジストマーク３２,レジストパターンの下地マーク３１,下地パターンに対する重ね合わせ状態が正確な場合に、実際に加工される。
【００２３】
重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ検査は、詳細は後述するように、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２との差（重ね合わせずれ量Ｒ）を測定し、得られた重ね合わせずれ量Ｒが許容範囲内に含まれるか否かの判断により行われる。
重ね合わせずれ量Ｒの原因として考えられるのは、主に、次の４つの成分▲１▼〜▲４▼である。４つの成分▲１▼〜▲４▼は、何れも、ウエハ１１の最上層のレジスト膜に対する露光時の誤差成分であり、露光機にフィードバックすることで補正可能な線形成分である。ウエハ１１の各々の重ね合わせマーク３０における重ね合わせずれ量Ｒは、成分▲１▼〜▲４▼のうち１つ以上からなる。
【００２４】
成分▲１▼は、露光機のオフアクシスアライメント(投影レンズを介さないアライメント)に起因する平行方向の位置ずれ成分（適宜「オフセット成分▲１▼」という）である。このオフセット成分▲１▼は、ウエハ１１内での重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)に拘わらず同じ量だけ含まれると考えられる。
【００２５】
成分▲２▼は、ウエハ１１に対する露光工程で、レジスト膜に照射された光が熱に変わって引き起こされるウエハ１１の収縮／膨張による位置ずれ成分（適宜「スケーリング成分▲２▼」という）である。このスケーリング成分▲２▼は、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)がウエハ１１の中心Ｃ０に近いほど小さいと考えられる。
【００２６】
成分▲３▼は、ウエハ１１に対する露光工程の前に、ウエハ１１を露光機のウエハステージに載置するときの回転方向の位置ずれ成分（適宜「ローテーション成分▲３▼」という）である。このローテーション成分▲３▼も、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)がウエハ１１の中心Ｃ０に近いほど小さいと考えられる。
成分▲４▼は、露光機のウエハステージが２軸ステージの場合で、ウエハステージをＸＹ方向にステップ移動させたときに、ウエハステージの直交度に起因して引き起こされる位置ずれ成分（適宜「直交度成分▲４▼」という）である。この直交度成分▲４▼も、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)がウエハ１１の中心Ｃ０に近いほど小さいと考えられる。
【００２７】
また、上記した４つの成分▲１▼〜▲４▼の大小関係は、一般に“▲１▼＞▲２▼＞▲３▼,▲４▼”となっている。さらに、ウエハ１１の各々の重ね合わせマーク３０における重ね合わせずれ量Ｒは、成分▲１▼〜▲４▼のうち１つ以上からなるため、一般に、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)がウエハ１１の中心Ｃ０に近いほど小さく、中心Ｃ０から周辺に外れるほど大きくなると考えられる。
【００２８】
さて次に、重ね合わせ測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
検査ステージ１２は、図示省略したが、ウエハ１１を水平状態に保って支持するホルダと、このホルダを水平方向(ＸＹ方向)に駆動するＸＹ駆動部と、ホルダを鉛直方向(Ｚ方向)に駆動するＺ駆動部とで構成されている。
検査ステージ１２のホルダをＸＹ方向に移動させることにより、ウエハ１１のショット領域５０(図２(ａ),(ｂ))のうち重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａを１つずつ順に結像光学系(１８〜２０)の視野領域内に位置決めできる。観察領域１１ａは、請求項の「マーク領域」に対応する。
【００２９】
照明光学系(１３〜１７)は、光軸Ｏ１に沿って順に配置された光源１３とコンデンサレンズ１４と視野絞り１５と投影レンズ１６とハーフミラー１７とで構成されている。ハーフミラー１７は、光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１８〜２０)の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系(１３〜１７)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１８〜２０)の光軸Ｏ２に垂直である。
【００３０】
結像光学系(１８〜２０)は、光軸Ｏ２に沿って順に配置された第１対物レンズ１８と第２対物レンズ１９と結像レンズ２０とで構成された光学顕微鏡部である。結像光学系(１８〜２０)の光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。なお、第１対物レンズ１８と第２対物レンズ１９との間には、照明光学系(１３〜１７)のハーフミラー１７と、後述する焦点検出部(４１〜４８)のハーフミラー４１とが配置されている。
【００３１】
上記の照明光学系(１３〜１７)および結像光学系(１８〜２０)において、光源１３から射出された光は、コンデンサレンズ１４と視野絞り１５と投影レンズ１６を介してハーフミラー１７に導かれ、そこで反射した後（照明光Ｌ１）、結像光学系(１８〜２０)の第１対物レンズ１８を通過して、検査ステージ１２上のウエハ１１に入射する。このとき、視野領域内に位置決めされた１つの観察領域１１ａ（図２(ｂ)参照）は、照明光Ｌ１により略垂直に照明される。
【００３２】
そして、照明光Ｌ１が照射されたウエハ１１の観察領域１１ａからは、そこでの凹凸構造（重ね合わせマーク３０）に応じて反射光Ｌ２が発生する。この反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１８とハーフミラー１７,４１とを介して第２対物レンズ１９に導かれ（光Ｌ３）、第１対物レンズ１８と第２対物レンズ１９の作用によって一次結像される。
【００３３】
さらに、一次結像後の光は、結像レンズ２０の作用によって撮像素子２１の撮像面上に再結像される。このとき、撮像素子２１の撮像面上には、反射光Ｌ２に基づく観察領域１１ａの拡大像（反射像）が形成される。
撮像素子２１は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサ（例えばＣＣＤカメラなどの２次元光電変換素子）であり、撮像面上の拡大像を撮像し、画像信号を画像処理部２２に出力する。画像信号は、複数のサンプル点からなり、撮像素子２１の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。
【００３４】
画像処理部２２は、撮像素子２１からの画像信号に基づいて、ウエハ１１の観察領域１１ａ（重ね合わせマーク３０を含む）の拡大像を画像として取り込む。ここで、ウエハ１１の観察領域１１ａの画像には、例えば図３(ａ)に示すように、Ｘ方向に関して、４本のエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rが現れる。
エッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rの各々の幅Ｄは、結像光学系(１８〜２０)の分解能などに起因して所定の広がりを持っている（例えばウエハ１１上での０.６μｍ相当）。
【００３５】
このうち、外側の２本のエッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rは、図２(ｃ),(ｄ)に示す下地マーク３１のエッジＥ１L,Ｅ１Rに対応し、内側の２本のエッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rは、レジストマーク３２のエッジＥ２L,Ｅ２Rに対応する。そして、画像処理部２２は、観察領域１１ａの画像（エッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１R）に基づいて、下地マーク３１とレジストマーク３２とのＸ方向の重ね合わせずれ量Ｒを算出する（詳細は後述する）。
【００３６】
なお、ウエハ１１の観察領域１１ａの画像には、Ｙ方向に関して、下地マーク３１,レジストマーク３２のエッジ像が同様に現れる。そして、下地マーク３１,レジストマーク３２Ｙ方向の重ね合わせずれ量も、Ｘ方向と同じ手順で算出可能である。このため、以下では、「Ｘ方向」に関する説明のみを行い、「Ｙ方向」に関する説明を省略する。
【００３７】
次に、焦点検出部(４１〜４８)について説明する。焦点検出部(４１〜４８)は、検査ステージ１２上のウエハ１１の観察領域１１ａが結像光学系(１８〜２０)の撮像素子２１の撮像面に対して合焦状態にあるか否かを、ナイフエッジ法により検出するものである。
この焦点検出部(４１〜４８)は、光軸Ｏ３に沿って順に配置されたハーフミラー４１とリレーレンズ４２とミラー４３とナイフエッジ４４と結像レンズ４５とシリンドリカルレンズ４６とからなるＡＦ光学系と、ＡＦセンサ４７と、信号処理部４８とで構成されている。ハーフミラー４１は、光軸Ｏ３に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１８〜２０)の光軸Ｏ２上にも配置される。光軸Ｏ３は、光軸Ｏ２に垂直である。ナイフエッジ４４は、略瞳位置に配置されている。
【００３８】
ＡＦセンサ４７はラインセンサであり、その撮像面には複数の画素が１次元配列されている（ＡＦ用光電変換素子）。シリンドリカルレンズ４６は、ＡＦセンサ４７の撮像面における画素の配列方向（図中Ａ方向）に対して垂直な方向の屈折力を持つ。Ａ方向は、計測方向に対応する。
焦点検出部(４１〜４８)において、ハーフミラー４１で反射した光（Ｌ４）は、リレーレンズ４２とミラー４３を介してナイフエッジ４４に入射し、そこで瞳の半分が遮光された後、結像レンズ４５とシリンドリカルレンズ４６を介して、ＡＦセンサ４７の撮像面の近傍に集光される。
【００３９】
このとき、撮像面には、画素の配列方向（Ａ方向）に関してウエハ１１と略共役で、かつ、Ａ方向に垂直な方向に関して略瞳共役なＡＦ像が形成される。そして、ＡＦセンサ４７は、撮像面に形成されたＡＦ像の強度プロファイルに関する情報を検出信号として信号処理部４８に出力する。
信号処理部４８は、ＡＦセンサ４７からの検出信号に基づいて、検査ステージ１２上のウエハ１１の観察領域１１ａが合焦状態にあるか否かに応じたフォーカス信号を制御部２３に出力する。信号処理部４８では、ＡＦの原点から外れた位置（重ね合わせずれ量Ｒの測定に最適な位置）に観察領域１１ａを合焦させるため、フォーカス信号を故意にオフセットさせることもある。
【００４０】
制御部２３は、検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御して、ホルダ（ウエハ１１）をＸＹ方向に移動させ、ウエハ１１の観察領域１１ａを１つずつ順に重ね合わせ測定装置１０の視野領域内に位置決めする。そして、焦点検出部(４１〜４８)からのフォーカス信号に基づいて検査ステージ１２のＺ駆動部を制御し、ホルダ（ウエハ１１）をＺ方向に上下動させる。その結果、ウエハ１１の観察領域１１ａを撮像素子２１に対して合焦させることができる（自動焦点合わせ）。
【００４１】
また、制御部２３は、重ね合わせ測定装置１０における重ね合わせ検査前にレシピを作成し、これを内部のメモリ(不図示)に記憶している。レシピの内容には、ユーザによって指定された測定対象の重ね合わせマーク３０のウエハ１１内での位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)や測定順序の情報が含まれる。さらに、後述するプロジェクション処理のための切り出し範囲に関する情報もレシピに含まれている。
【００４２】
測定順序とは、複数の重ね合わせマーク３０が測定対象として指定されたときに、各々の位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)に基づいて、複数の重ね合わせマーク３０をウエハ１１の中心Ｃ０に近いものから並べた順序である。これは、重ね合わせずれ量Ｒが最も小さいと予想されるものから並べた順序に相当している。
本実施形態では、ユーザによって希望する測定順序が指定された場合でも、その測定順序に拘わらず、複数の重ね合わせマーク３０をウエハ１１の中心Ｃ０に近いものから順に並び替えて、新たな測定順序を設定する。そして、新たに設定した測定順序をレシピとして登録する。
【００４３】
上記の検査ステージ１２,照明光学系(１３〜１７),結像光学系(１８〜２０),撮像素子２１,画像処理部２２は、総じて、請求項の「画像取込手段」に対応する。画像処理部２２は「画像切出手段」に対応する。画像処理部２２,制御部２３は、総じて「算出手段」に対応する。
【００４４】
次に、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０において、下地マーク３１とレジストマーク３２とのＸ方向の重ね合わせずれ量Ｒ（図２(ｄ)）を算出する際の前処理について説明しておく。
重ね合わせずれ量Ｒの算出に先立ち、画像処理部２２は、ウエハ１１の観察領域１１ａの画像(例えば図３(ａ))中から下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像を切り出す。そして、部分画像中の画像信号を重ね合わせずれ量Ｒの算出方向(Ｘ方向)とは垂直な方向(Ｙ方向)に沿って積算する。これは、信号ノイズを低減させるための処理である。このプロジェクション処理によって生成される積算後の画像信号の波形を「代表波形」という。
【００４５】
例えば、図３(ａ)に点線で示すように、観察領域１１ａの画像に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rを含むような切り出し範囲３３を設定し、この切り出し範囲３３内で画像信号をＹ方向に積算した場合、得られる画像信号の代表波形は、図３(ｂ)に示すような形状となる。
図３(ｂ)の横軸は、代表波形の各々のサンプル点（画素）の位置を表し、縦軸は輝度値を表している。図３(ｂ)において、代表波形の輝度値が極小となるボトム付近は、各々、図３(ａ)のエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対応する。
【００４６】
そして、画像処理部２２は、観察領域１１ａの画像から切り出された部分画像(３３)内でのプロジェクション処理後、得られた代表波形（図３(ｂ)参照）を用い、テンプレートマッチングにより下地マーク３１,レジストマーク３２の重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
なお、図３(ａ),(ｂ)は、非常に小さな重ね合わせマーク３０（例えば、下地マーク３１,レジストマーク３２のサイズＸ１＝５μｍ,Ｘ２＝２μｍ）において、下地マーク３１,レジストマーク３２の重ね合わせずれ量Ｒが０の場合を例示したものである。これは、ウエハ１１の中心Ｃ０の近傍に位置する重ね合わせマーク３０（図６の３０Ａ参照）の例である。
【００４７】
同じサイズの重ね合わせマーク３０において、下地マーク３１,レジストマーク３２の重ね合わせずれ量Ｒが小さい場合（例えばウエハ１１上での０.２μｍ相当）、観察領域１１ａの画像は、図４(ａ)に示すようになる。これは、ウエハ１１の中心Ｃ０から少し離れている重ね合わせマーク３０（図６の３０Ｂ参照）の例である。
【００４８】
また、同じサイズの重ね合わせマーク３０において、下地マーク３１,レジストマーク３２の重ね合わせずれ量Ｒが大きい場合（例えばウエハ１１上での０.４μｍ相当）、観察領域１１ａの画像は、図５(ａ)に示すようになる。これは、ウエハ１１の中心Ｃ０から大きく離れた重ね合わせマーク３０（図６の３０Ｃ参照）の例である。
【００４９】
何れの場合でも、画像処理部２２は、観察領域１１ａの画像から切り出された部分画像(３３)内でのプロジェクション処理後、得られた代表波形（図４,図５の(ｂ)参照）を用いて、テンプレートマッチングにより重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
ところで、実際の重ね合わせずれ量Ｒの算出は、初めに下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２を別々に検出して、得られた各々の中心位置Ｃ１,Ｃ２の差を計算することにより行われる（図２(ｄ)参照）。
【００５０】
したがって、上記のような代表波形（図３〜図５の(ｂ)参照）を生成するためのプロジェクション処理は、図３〜図５の(ｃ)に点線で示すように、切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rを各々設定して実施される。
切り出し範囲３４L,３４Rは、下地マーク３１に関わる部分画像(３４L),(３４R)を切り出すためのものであり、この部分画像(３４L),(３４R)内での画像信号の積算により代表波形(不図示)が生成され、得られた代表波形が下地マーク３１の中心位置Ｃ１の検出に用いられる。
【００５１】
また、切り出し範囲３５L,３５Rは、レジストマーク３２に関わる部分画像(３５L),(３５R)を切り出すためのものであり、この部分画像(３５L),(３５R)内での画像信号の積算により代表波形(不図示)が生成され、得られた代表波形がレジストマーク３２の中心位置Ｃ２の検出に用いられる。
図３〜図５の(ｃ)の切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rは、従来と同様の方法により、重ね合わせ検査前に作成されたレシピに基づいて、同じ位置に自動設定した例である。つまり、図３〜図５の(ｃ)は、レシピに基づいて、同じ位置の部分画像(３４L),(３５L),(３５R),(３４R)を切り出す例である。本実施形態の切り出し方法については後で説明する。
【００５２】
図３〜図５の(ｃ)のうち、図３と図４の(ｃ)では、重ね合わせずれ量Ｒが０または小さい(０.２μｍ相当)ため、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像(３４L),(３５L),(３５R),(３４R)が切り出されている。
すなわち、部分画像(３４L)の中には、Ｘ方向に関して、１つのエッジ像Ｆ１Lの全てが含まれている。同様に、部分画像(３５L)の中には、１つのエッジ像Ｆ２Lの全てが含まれている。また、部分画像(３５R),(３４R)の中には、各々、エッジ像Ｆ２R,Ｆ１Rの全てが含まれている。
【００５３】
この場合、画像処理部２２では、部分画像(３４L),(３４R)の各々に現れたエッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rの代表波形に基づいて、下地マーク３１のＸ方向の中心位置Ｃ１を正確に検出できる。また、部分画像(３５L),(３５R)の各々に現れたエッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rの代表波形に基づいて、レジストマーク３２のＸ方向の中心位置Ｃ２を正確に検出できる。その結果、これらの中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて、Ｘ方向の重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することもできる。
【００５４】
しかし、図５の(ｃ)では、重ね合わせずれ量Ｒが大きい(０.４μｍ相当)ため、観察領域１１ａの画像中に現れた外側のエッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rに対して適切な位置の部分画像(３４L),(３４R)が切り出されているものの、内側のエッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rに対して適切な位置の部分画像(３５L),(３５R)が切り出されていない。
【００５５】
すなわち、部分画像(３４L),(３４R)の中には、各々、エッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rの全てが含まれているものの、部分画像(３５L),(３５R)の中には、各々、エッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rの一部分しか含まれていない。
この場合、画像処理部２２では、部分画像(３４L),(３４R)に現れたエッジ像Ｆ１L,Ｆ１Rの代表波形に基づいて、下地マーク３１の中心位置Ｃ１を正確に検出できるが、部分画像(３５L),(３５R)に現れたエッジ像Ｆ２L,Ｆ２Rの代表波形は一部分であるため、レジストマーク３２の中心位置Ｃ２の検出結果は異常値となる。その結果、重ね合わせずれ量Ｒの値も異常値となる。
【００５６】
さらに、図示省略したが、図５の例よりも重ね合わせずれ量Ｒが大きい場合、同様の切り出し範囲３４L,３４R,３５L,３５Rを自動設定すると、部分画像(３４L),(３４R),(３５L),(３５R)の中に、エッジ像が全く含まれなかったり、２つのエッジ像が同時に含まれたりすることがある。このとき、画像処理部２２では、重ね合わせずれ量Ｒの値を算出することができない(測定エラー)。
【００５７】
そこで、本実施形態では、必要に応じて切り出し範囲３４L,３４R,３５L,３５Rの設定を変更し、変更後の切り出し範囲内でプロジェクション処理を行い、得られた代表波形に基づいて中心位置Ｃ１,Ｃ２を検出し、最終的に重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
最後に、重ね合わせ測定装置１０における重ね合わせずれ量Ｒの算出手順について、図７のフローチャートを用いて具体的に説明する。
【００５８】
制御部２３は、ユーザによって測定対象の重ね合わせマーク３０が指定されると、指定された重ね合わせマーク３０のウエハ１１内での位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)に基づいて測定順序を決定し（ステップＳ１）、これをレシピに登録する。
既に説明したように、レシピに登録される測定順序は、ウエハ１１の中心Ｃ０に近いものから並べた順序（重ね合わせずれ量Ｒが最も小さいと予想されるものから並べた順序）である。このため、例えば図６に示した３つの重ね合わせマーク３０Ａ,３０Ｂ,３０Ｃが指定された場合、測定順序は、３０Ａ→３０Ｂ→３０Ｃとなる。
【００５９】
また、制御部２３は、重ね合わせマーク３０のサイズＸ１,Ｘ２と、結像光学系(１８〜２０)の拡大倍率や分解能などの光学条件とを考慮し、さらに、重ね合わせずれ量Ｒが０の場合を想定して、１回目の重ね合わせずれ量Ｒの算出時に観察領域１１ａの画像中に設定するのに適した切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４R（図３(ｃ)参照）を決定し（ステップＳ２）、これをレシピに登録する。
【００６０】
そして、レシピの作成が終了すると、制御部２３は、測定順序の第１番目の重ね合わせマーク３０Ａ（図６）が形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像（図３(ａ)）を取り込ませる（ステップＳ３）。
画像処理部２２は、制御部２３内のメモリに記憶されているレシピを参照し、その内容に基づいて切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rを設定し（図３(ｃ)）、観察領域１１ａの画像中から下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像(３４L),(３４R),(３５L),(３５R)を切り出す（ステップＳ４）。
【００６１】
このとき、図３(ｃ)に示すように、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像(３４L),(３５L),(３５R),(３４R)を切り出すことができる。
そして次に、下地マーク３１に関わる部分画像(３４L),(３４R)内でのプロジェクション処理によって代表波形を生成し、代表波形のうち輝度値の急変部分をエッジ信号として抽出し、エッジ信号の波形に基づいて、テンプレートマッチングにより下地マーク３１のＸ方向の中心位置Ｃ１を検出する（ステップＳ５）。部分画像(３４L),(３４R)の切り出しが適切であるため、中心位置Ｃ１の検出を正確に行うことができる。
【００６２】
また、レジストマーク３２に関わる部分画像(３５L),(３５R)内でのプロジェクション処理によって代表波形を生成し、代表波形のうち輝度値の急変部分をエッジ信号として抽出し、エッジ信号の波形に基づいて、テンプレートマッチングによりレジストマーク３２のＸ方向の中心位置Ｃ２を検出する（ステップＳ６）。部分画像(３５L),(３５R)の切り出しが適切であるため、中心位置Ｃ２の検出を正確に行うことができる。
【００６３】
さらに、画像処理部２２は、ステップＳ５,Ｓ６で正確に検出できた中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて、測定順序の第１番目の重ね合わせマーク３０Ａ（図６）の重ね合わせずれ量Ｒ（＝０μｍ）を正確に算出することができる（ステップＳ７）。
なお、第１番目の重ね合わせマーク３０Ａの重ね合わせずれ量Ｒは、上述した４つの成分▲１▼〜▲４▼のうち、ウエハ１１の中心Ｃ０の近傍で優勢なオフセット成分▲１▼と考えられる。このため、画像処理部２２は、１回目の算出結果に基づいてオフセット成分▲１▼を抽出し、２回目以降の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）で利用する。ここでは、オフセット成分▲１▼は０である。
【００６４】
このようにして第１番目の重ね合わせマーク３０Ａに対する算出処理が終了すると、制御部２３は、測定順序の第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂが形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像（図４(ａ)）を取り込ませる（Ｓ３）。
画像処理部２２は、オフセット成分▲１▼に基づいて第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂの重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して、レシピに登録された切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rのうち、レジストマーク３２用の切り出し範囲３５L,３５Rの位置をずらして設定する。
【００６５】
ここではオフセット成分▲１▼が０であるため、結果として１回目の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）と同じ切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rが設定され（図４(ｃ)）、下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像(３４L),(３４R),(３５L),(３５R)が切り出される（Ｓ４）。
【００６６】
この場合にも、図４(ｃ)に示すように、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像(３４L),(３５L),(３５R),(３４R)を切り出すことができる。
したがって、次のステップＳ５〜Ｓ７の処理により、測定順序の第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂの下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出することができ、かつ、正確な中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて重ね合わせずれ量Ｒ（＝０.２μｍ）を正確に算出することもできる。
【００６７】
なお、第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂの重ね合わせずれ量Ｒは、上述した４つの成分▲１▼〜▲４▼のうち、オフセット成分▲１▼とスケーリング成分▲２▼とが優勢と考えられる。このため、画像処理部２２は、２回目の算出結果と既に抽出されたオフセット成分▲１▼とに基づいてスケーリング成分▲２▼を抽出し、３回目以降の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）で利用する。
【００６８】
このようにして第２番目の重ね合わせマーク３０Ｂに対する算出処理が終了すると、制御部２３は、測定順序の第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃが形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像（図５(ａ)）を取り込ませる（Ｓ３）。
画像処理部２２は、オフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼に基づいて第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃの重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して、レシピに登録された切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rのうち、レジストマーク３２用の切り出し範囲３５L,３５Rの位置をずらして設定する。
【００６９】
その結果、図８に示すように、１回目,２回目の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）とは異なる切り出し範囲３６L,３６Rがレジストマーク３２用に設定され、下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像(３４L),(３４R),(３６L),(３６R)が切り出される（Ｓ４）。つまり、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像(３４L),(３６L),(３６R),(３４R)を切り出すことができる。
【００７０】
したがって、ステップＳ５〜Ｓ７の処理により、測定順序の第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃの下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出することができ、かつ、正確な中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて重ね合わせずれ量Ｒ（＝０.４μｍ）を正確に算出することもできる。
なお、第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃの重ね合わせずれ量Ｒは、上述した４つの成分▲１▼〜▲４▼のうち、オフセット成分▲１▼とスケーリング成分▲２▼とローテーション成分▲３▼が優勢と考えられる。このため、画像処理部２２は、３回目の算出結果と既に抽出されたオフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼とに基づいてローテーション成分▲３▼を抽出し、４回目以降の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）で利用する。
【００７１】
このようにして第３番目の重ね合わせマーク３０Ｃに対する算出処理が終了すると、制御部２３は、測定順序の第４番目の重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像を取り込ませる（Ｓ３）。
画像処理部２２は、オフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼,ローテーション成分▲３▼に基づいて第４番目の重ね合わせマーク３０の重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して、レシピに登録された切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rのうち、レジストマーク３２用の切り出し範囲３５L,３５Rの位置をずらして設定する。
【００７２】
その結果、１回目〜３回目の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）とは異なる切り出し範囲がレジストマーク３２用に設定され、下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像が切り出される（Ｓ４）。つまり、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像を切り出すことができる。
【００７３】
したがって、ステップＳ５〜Ｓ７の処理により、測定順序の第４番目の重ね合わせマーク３０の下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出することができ、かつ、正確な中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することもできる。
なお、第４番目の重ね合わせマーク３０の重ね合わせずれ量Ｒには、上述した４つの成分▲１▼〜▲４▼が全て含まれると考えられる。このため、画像処理部２２は、４回目の算出結果と既に抽出されたオフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼,ローテーション成分▲３▼とに基づいて直交度成分▲４▼を抽出し、５回目以降の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）で利用する。
【００７４】
このようにして第４番目の重ね合わせマーク３０Ｃに対する算出処理が終了すると、制御部２３は、測定順序の第５番目の重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａを装置の視野領域内に位置決めし、自動焦点合わせ後、画像処理部２２を制御して観察領域１１ａの画像を取り込ませる（Ｓ３）。
画像処理部２２は、オフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼,ローテーション成分▲３▼,直交度成分▲４▼に基づいて第５番目の重ね合わせマーク３０の重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して、レシピに登録された切り出し範囲３４L,３５L,３５R,３４Rのうち、レジストマーク３２用の切り出し範囲３５L,３５Rの位置をずらして設定する。
【００７５】
その結果、１回目〜４回目の算出処理（Ｓ３〜Ｓ７）とは異なる切り出し範囲がレジストマーク３２用に設定され、下地マーク３１,レジストマーク３２に関わる部分画像が切り出される（Ｓ４）。つまり、観察領域１１ａの画像中に現れた全てのエッジ像Ｆ１L,Ｆ２L,Ｆ２R,Ｆ１Rに対して、適切な位置の部分画像を切り出すことができる。
【００７６】
したがって、ステップＳ５〜Ｓ７の処理により、測定順序の第５番目の重ね合わせマーク３０の下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出することができ、かつ、正確な中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することもできる。
【００７７】
測定順序の第６番目以降の重ね合わせマーク３０についても、上記の第５番目と同様に、オフセット成分▲１▼,スケーリング成分▲２▼,ローテーション成分▲３▼,直交度成分▲４▼に基づいて重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測して、レジストマーク３２用の切り出し範囲を設定するため、下地マーク３１,レジストマーク３２の中心位置Ｃ１,Ｃ２を正確に検出でき、重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することもできる。
【００７８】
このように、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、重ね合わせずれ量Ｒの２回目以降の算出に際し、前回までの算出結果を考慮してレジストマーク３２用の切り出し範囲を設定するため、重ね合わせずれ量Ｒを正確に算出することができる。すなわち、重ね合わせずれ量Ｒの測定値の異常や測定エラーが発生する確率を確実に低減することができる。
【００７９】
また、重ね合わせずれ量Ｒの原因として考えられる４つの成分▲１▼〜▲４▼を１つずつ抽出すると共に、前回までに抽出した１つ以上の成分に基づいて重ね合わせずれ量Ｒとずれ方向を予測し、この予測結果を考慮して切り出し範囲を設定するため、正確な重ね合わせずれ量Ｒを効率良く算出することができる。
（変形例）
上記した実施形態では、重ね合わせマーク３０のウエハ１１内での位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)に基づいて測定順序を決定したが、本発明はこれに限定されない。重ね合わせマーク３０のショット領域５０内での位置座標(Ｘｓ,Ｙｓ)に基づいて測定順序を決定してもよいし、位置座標(Ｘｗ,Ｙｗ)と位置座標(Ｘｓ,Ｙｓ)の双方に基づいて測定順序を決定してもよい。この場合、重ね合わせマーク３０の位置座標(Ｘｓ,Ｙｓ)がショット領域５０の中心に近いほど、重ね合わせずれ量Ｒが小さい、という傾向を利用することが好ましい。
【００８０】
また、測定順序は、露光機（例えばＥＢ露光機）の特性に合わせて、ウエハ１１のレジスト膜に対する露光順を考慮して決定してもよい。露光（ショット）を繰り返すにしたがってウエハ１１に熱が蓄積し、ウエハ１１のスケーリング成分▲２▼が徐々に増大すると考えられるからである。この場合、最初に露光されたショット領域５０の重ね合わせずれ量が最も小さいため、そこから順に重ね合わせずれ量を測定することが好ましい。
【００８１】
さらに、上記した実施形態では、box in box マークからなる重ね合わせマーク３０を用いたが、その種類は他のもの（例えば frame in frame マークや barin bar マークなど）でも良い。ボックスとフレームとバーのうち２種類の組み合わせでも良い。
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０内の画像処理部２２および制御部２３により、重ね合わせずれ量Ｒの算出処理などを行ったが、重ね合わせ測定装置１０に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、重ね合わせマークのサイズに拘わらず、重ね合わせずれ量の測定値の異常や測定エラーの発生率を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】ウエハ１１上のショット領域５０(ａ),(ｂ)と、重ね合わせマーク３０の凹凸構造(ｃ),(ｄ)を説明する図である。
【図３】重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａの画像(ａ)と、代表波形の例(ｂ)と、切り出し範囲３４,３５の設定例(ｃ)を示す図である。
【図４】重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａの画像(ａ)と、代表波形の例(ｂ)と、切り出し範囲３４,３５の設定例(ｃ)を示す図である。
【図５】重ね合わせマーク３０が形成された観察領域１１ａの画像(ａ)と、代表波形の例(ｂ)と、切り出し範囲３４,３５の設定例(ｃ)を示す図である。
【図６】ウエハ１１上の異なる位置に形成された重ね合わせマーク３０と重ね合わせずれ量Ｒとの関係を説明する概略図である。
【図７】重ね合わせ測定装置１０における測定手順を示すフローチャートである。
【図８】図５の重ね合わせマーク３０における切り出し範囲の設定変更の例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 重ね合わせ測定装置
１１ ウエハ
１２ 検査ステージ
１３ 光源
１４ コンデンサレンズ
１５ 視野絞り
１６ 投影レンズ
１７，４１ ハーフミラー
１８ 第１対物レンズ
１９ 第２対物レンズ
２０ 結像レンズ
２１ 撮像素子
２２ 画像処理部
２３ 制御部
３０ 重ね合わせマーク
３３，３４，３５，３６ 切り出し範囲
Claims (5)
- 基板の異なる層に形成された第１パターンと第２パターンとの重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定装置であって、
前記第１パターンの基準位置を示す第１マークと前記第２パターンの基準位置を示す第２マークとが形成された複数のマーク領域の画像を取り込む画像取込手段と、
前記マーク領域の画像中から前記第１マークに関わる第１部分画像および前記第２マークに関わる第２部分画像を切り出す画像切出手段と、
前記第１部分画像および前記第２部分画像に基づいて前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出すると共に、前記画像取込手段および前記画像切出手段を制御して、前記複数のマーク領域における前記重ね合わせずれ量の算出を順に実行する算出手段とを備え、
前記画像切出手段は、前記算出手段による前記重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、前記算出手段が前回までに算出した前記重ね合わせずれ量に基づいて前記マーク領域の画像中から前記第１部分画像および前記第２部分画像を切り出す位置を決定する
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。 - 請求項１に記載の重ね合わせ測定装置において、
前記算出手段は、前記複数のマーク領域のうち、前記重ね合わせずれ量が小さいと予想されるものから順に、前記重ね合わせずれ量の算出を実行する
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。 - 請求項２に記載の重ね合わせ測定装置において、
前記算出手段は、前記複数のマーク領域のうち、前記基板の中心に近いものから順に、前記重ね合わせずれ量の算出を実行する
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。 - 請求項２または請求項３に記載の重ね合わせ測定装置において、
前記算出手段による前記重ね合わせずれ量の算出が、該重ね合わせずれ量の成分数に応じた回数だけ実行されるまでの間に、前記算出手段による各回の算出結果に基づいて前記重ね合わせずれ量の成分を１つずつ抽出する抽出手段をさらに備え、
前記画像切出手段は、前記算出手段による前記重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、前記算出手段が前回までに算出した前記重ね合わせずれ量から前記抽出手段が抽出した１つ以上の前記成分を考慮して、前記第１部分画像および前記第２部分画像を切り出す
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。 - 基板の異なる層に形成された第１パターンと第２パターンとの重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定方法であって、
前記第１パターンの基準位置を示す第１マークと前記第２パターンの基準位置を示す第２マークとが形成された複数のマーク領域の画像を取り込む画像取込工程と、
前記マーク領域の画像中から前記第１マークに関わる第１部分画像および前記第２マークに関わる第２部分画像を切り出す画像切出工程と、
前記第１部分画像および前記第２部分画像に基づいて前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出すると共に、前記画像取込工程および前記画像切出工程を制御して、前記複数のマーク領域における前記重ね合わせずれ量の算出を順に実行する算出工程とを備え、
前記画像切出工程では、前記算出工程による前記重ね合わせずれ量の２回目以降の算出に際し、前記算出工程にて前回までに算出された前記重ね合わせずれ量に基づいて前記マーク領域の画像中から前記第１部分画像および前記第２部分画像を切り出す位置を決定する
ことを特徴とする重ね合わせ測定方法。
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| JP2012078143A (ja) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Hitachi High-Technologies Corp | 異物検査装置及びアライメント調整方法 |
| JP2018508811A (ja) * | 2014-12-31 | 2018-03-29 | シャンハイ マイクロ エレクトロニクス イクイプメント（グループ）カンパニー リミティド | プレアライメント測定装置及び方法 |
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-
2002
- 2002-12-13 JP JP2002362320A patent/JP3994223B2/ja not_active Expired - Lifetime
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