JP2007033369A

JP2007033369A - 座標補正装置、座標補正方法、および、これに用いられるプログラム

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Publication number: JP2007033369A
Application number: JP2005220332A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kudo; 浩一工藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP4882304B2

Abstract

【課題】任意に設定された測定経路に応じた最適な補正量により測定対象を画面中心に置いて測定することができる座標補正の技術を提供。
【解決手段】撮像された画像からパターン位置を検出して、予め与えられた基準対するずれ量を求めるずれ量検出機能２２ａと、検出されたずれ量から得られたずれを補正する座標線形補正機能２２ｂと、撮像から測定までの一連の手順を制御する測定制御機能２２ｃとを構築する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定位置の座標補正の技術に関するものである。

高精度が要求される光学測定装置においては、測定光学系の収差等の影響を最小限に抑えるため、測定対象を撮像視野内に高精度に位置決めし画像計測を行わなくてはならない。測定対象位置への移動に先立ち、従来、測定経路を考慮せず単純に測定試料上の既知の座標から線形補正量計算を行い、測定対象位置の座標を補正し移動を行っていた。

座標測定機により非測定物の座標を測定する技術としては、例えば、特許文献１、２に記載されるものがある。

特開平８-２９１５２号公報特開平９−１４８２３３号公報

しかし、測定対象にオペレータが設定した任意の測定経路(測定順)の取り方によっては、位置決め精度に起因して、測定位置が測定光学系の光軸からずれた位置となる。このため、測定光学系の収差等の影響による測定再現性が悪化するという問題があった。

本発明は、任意に設定された測定経路に応じた最適な補正量により測定対象を画面中心に置いて測定することができる座標補正の技術を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、
測定試料をＸＹ平面において変位させると共に、測定試料の画像を取得する測定系と、測定系において取得した画像に基づいて座標の線形補正分の補正量を求める情報処理系とを備え、
前記情報処理系は、
撮像視野内での測定対象点の、基準位置を基に対するずれ量を検出する手段と、
測定対象位置に移動するための座標を、既に測定された測定対象点についての前記ずれ量を用いて線形補正分について補正量を求める線形補正手段と、を有し、
前記線形補正手段は、既に測定された測定対象点のずれ量に基づいて計算される補正量が、次の測定対象点での線形補正分を反映するかを判定し、反映する場合には、その補正量に基づいて、次の測定対象点を決め、反映しない場合には、これまでの測定対象点による補正量が次の測定対象点の線形補正分を反映していない場合には、それらの測定対象点のずれ量に基づく補正量を用いず、次の測定対象点に対して線形補正分が反映されると、判定されるまで、さらなる測定対象点についての測定を行わせること、を特徴とする。

オペレータが任意に設定した測定経路に応じた最適な補正量を自動的に判断し測定対象位置への移動を行い、測定パターンを画面中心に置き撮像することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学測定装置の構成の一例を示すブロック図である。

図示するように、本実施形態の光学測定装置は、測定試料（例えば半導体ウェハ）１について測定を行う測定系１０と、測定系１０において得られた画像に基づいて補正値を求める処理などの測定に関する演算処理、測定の制御などの処理を行う情報処理系２０とを有する。

測定系１０は、測定試料１を支持すると共に、ＸＹ平面において変位させる手段として機能するＸＹステージ１１と、対物レンズ１３および他の光学系を有する光学ヘッド１４と、対物レンズ１３により取り込まれる、測定対象の画像を撮像する、例えばＣＣＤカメラ等の撮像装置１５と、ＸＹステージ１１および撮像装置１５の駆動を制御するシステムコントローラ１６と、該システムコントローラ１６に内蔵され、撮像された画像を記憶する画像メモリ１７と、を有する。

ＸＹステージ１１には、例えば、図1に示す測定試料１(半導体ウエハ等)が置かれる。ＸＹステージ１１は、図示していないＸＹ駆動機構を有し、システムコントローラ１６からの指示に応じて、ＸＹ平面において、対物レンズ１３に対して相対変位を行う。

撮像装置１５は、例えば、ＣＣＤ、露光制御装置、Ａ−Ｄ変換器等を有する。撮像装置１５は、撮像した画像をデジタル情報として出力する。なお、撮像装置１５からの出力を、システムコントローラ１６においてデジタルデータに変換する構成としてもよい。

システムコントローラ１６は、ＸＹステージ１１に関する制御、撮像装置１５の制御情報の設定、撮像指示、画像の蓄積等を行う。これらの制御のためのハードウェアと、画像の地区的ためのメモリ１７とを有する。

情報処理系２０は、情報処理装置２１と、外部記憶装置２４と、入力装置２５と、表示装置２６とを有する。情報処理装置２１は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）２２と、メモリ２３とを有する。外部記憶装置２４は、例えば、ハードディスク装置により構成され、ＶＣＰＵ２２が実行するプログラム、データ等を記憶する。入力装置２５は、ユーザが指示操作、文字等の入力を行うための装置であって、例えば、キーボード、マウス等により構成される。表示装置２６は、測定画像等の表示を行う、例えば、液晶ディスプレイなどの、フラットパネルディスプレイ等により構成される。情報処理装置２１は、システムコントローラ１６と接続され、制御情報の授受、および、画像の授受を行う。

ＣＰＵ２２は、外部記憶装置２４からプログラムをロードして、本発明の各種機能を実現するための手段を構築する。例えば、撮像された画像からパターン位置を検出して、予め与えられた基準に対するずれ量を求めるずれ量検出機能２２ａと、検出されたずれ量から得られたずれを補正する座標線形補正機能２２ｂと、撮像から測定までの一連の手順を制御する測定制御機能２２ｃとを構築する。

ずれ量検出機能２２ａは、ＹＹステージ１１に置かれている測定試料１上の測定パターン（例えば、図２示すようなもの）を撮像し、得られた画像内の測定パターンの位置と、画像内の基準位置（例えば画面中心）とのずれ量を検出する。例えば、図２に示すように、測定パターン３２は、設計座標では、本来画面中心３１に位置するものとすると、測定試料上では設計座標とのずれ量４１が存在する。ずれ量検出機能２２ａは、このパターン位置と画面中心とのずれ量４１を、例えば、パターンマッチング等の手法を用いて検出する。さらに、ずれ量検出機能２２ａは、画面上でのずれ量４１を、ＸＹステージ１１の座標上での設計座標とのずれ量に換算することができる。

ずれ量検出機能２２ａは、測定パターンそのものの位置検出を行わず、同一取得画像内での基準マーク３３を検出し、この位置を基準に、基準位置３１とのずれ量４２を基に、測定パターン３２の位置を定める方式とすることもできる。

次に、座標線形補正機能２２ｂについて説明する。各点での設計座標と測定試料上パターン位置とのずれは、測定試料が全面においてほぼ一様な歪みを持つと想定されるため、測定試料全面においての線形成分と非線形成分に分離可能である。歪みのうち、線形成分に関しては座標補正の対象となる。座標線形補正機能２２ｂは、測定試料上で平面を構成する最低３測定対象点でのずれ量を基に、補正量の算出を行う。

測定制御２２ｃは、例えば、測定試料１について、図４において太線で模式的に示す測定経路６１に基づいて測定を行うための制御を実行する。測定は、測定経路６１に沿う各点の数字の順位（本実施形態では昇順）にしたがって行われる。この測定経路６１および各点の順位は、オペレータが定めることができる。この測定では、測定制御２２ｃにより制御され、システムコントローラ１６を介して、ＸＹステージ１１による測定試料１の対物レンズ１３に対する相対移動と、撮像装置１５による撮像とが行われる。ずれ量検出機能２２ａは、撮像された画像情報から、測定対象点におけるパターン位置を検出する。

座標線形補正機能２２ｂは、測定により取得された画像データと、予め与えられている当該測定対象点の設計座標値とから、ずれ量ΔＸとΔＹとを求める。この結果を、図５の表５０に示す。図５では、測定対象点のポイント番号５１毎に、設計座標ｘ５２、設計座標ｙ５３、ずれ量Δｘ５４およびずれ量Δｙ５５を記録する。もちろん、表形式は、一例であって、これに限られない。図５に示すデータは、補正実行時に参照され、計算に用いられ、座標補正が行われる。

次に、線形座標補正値の算出について説明する。補正値の算出は、原理的には、次の通りである。すなわち、測定時の各補正要素別に、EGA（エンハンスト・グローバル・アライメント）補正係数を別々に掛け合わせ表現すると次式のようになる。なお、ＥＧＡについては前述した特許文献２の００３３段落に説明されている。ＥＧＡ方式は、ショット配列の規則性に対応したモデル関数の６つのパラメータを最小二乗法により決定し、この決定したパラメータと設計上の座標値とに基づいて、ショット領域毎の座標値を算出するものである。

ここで、（１）式について、Ｘ、Ｙを物理座標、x、yを設計座標、補正係数をＡからＦとし、数式で表すと次の関係式となる。

次に、補正係数Ａ〜Ｆを、各測定マークでのサーチ結果を基にして、（２）式に反映する過程について説明する。補正係数Ａ〜Ｆの初期値は、次の通りである。

ここで、Ａ〜Ｆは、最低限３ショット分のデータがあれば求められる。ただし、実際には、できる限り直線上ではない多数のパターン位置と設計座標とのずれ量を基に演算を行う。ｉ番目の測定対象点でのずれ量を△ｘ_ｉ，△ｙ_ｉとすると、次の関係となる。

（３）式は、次の（４）となる。ここで、△ｘ_ｉ，△ｙ_ｉ最小となるよう最小二乗法によりパラメータＡ〜Ｆを求める。

前述した各機能による補正値を求める動作について、説明する。測定は、複数ポイントでの測定パターンについて行われる。図３に、測定パターン1点に対する測定シーケンスを示す。

各測定パターンについて、図３に示す処理フローに従って、ステージ移動（ステップ３０１）、画像取得（ステップ３０２）、ずれ量検出（ステップ３０３）、座標変換（ステップ３０４）、(中央寄せ)（ステップ３０５）、補正係数算出（ステップ３０６）、検査・測定処理（ステップ３０７）の順に測定パターン計測を繰り返す。

まず、測定制御機能２２ｃが、測定試料１上での指定された複数ポイントでの測定パターンへＸＹステージ１１の移動を指示する。これを受けて、システムコントローラ１６は、ＸＹステージ１１に、目的の位置に相対変位するよう指示する。

例えば、図４に示される測定経路６１に基づき、順次測定を実施して行く場合、パターン一検出機能２２ａにより、各点でのパターン位置が検出され、その位置のずれ量が求められる。これを、各点について、順次行うことにより、図５に示すように、測定対象点毎にずれ量が登録される。

ここでの、ずれ量は、画面上のずれ量として求められる。そこで、この画面上のずれ量を、さらに、ステージ座標によるずれ量に変換する（ステップ３０４）。

測定パターンへの移動時に、座標線形補正機能２２ｂにより座標補正計算を実施する場合、本例では、ポイント３でのずれ量検出が行われると、線形補正計算が可能となる。そこで、このデータをもとに座標補正を行う（ステップ３０６）。その座標補正値を用いて、ポイント４への移動を実施する。この後、検査・測定処理を行う（ステップ３０７）。

なお、座標変換した際、ステージ座標でのずれ量が大きい場合、測定に先立ち、必要に応じて、ステージ座標に座標変換されたずれ量を反映して、ＸＹステージを移動させて、測定パターンを画面の中心に位置させる処理を行う。これにより、ずれ量が大きい場合における低収差での測定を維持することとしている。この操作は、本実施形態の場合、従来技術のように頻繁に行うことはない。すなわち、特別の場合のみ行うため、スループットには、それほど影響を与えない。

以上のようにして、３点以上の測定対象点を経過した後は、それまでの測定対象点でのずれ量に基づいて、補正値を求め、次の測定対象点の位置を補正して、移動することにより、精度よく測定が行える。具体的には、線形補正機能２２ｂは、測定対象への移動に先立ち、試料平面上での既知の座標を結んだ多角形を基に線形補正量の計算を行い、この補正量を基に移動を行う。

ところが、測定対象点の取り方によっては、線形補正パラメータ算出上、問題が生じる場合がある。本発明者は、研究を行って結果、測定試料面上で補正係数算出を行うにあたり、補正係数の信頼性を上げるため、以下の点について、留意すべきであるとの知見を見出した。
（１）既知のパターン位置がお互いに近い場合、測定試料全面の線形補正分を反映していない。
（２）補正係数を求めるための既知のパターン位置がお互いに直線に近い場合、面を形成することができず、直線方向と直角方向の補正精度が悪化する。

この知見に対して、本発明では、補正精度向上のための改善策を提案している。すなわち、これまでに得られた測定対象点でのずれ量に基づく補正が、次の測定対象点での線形補正分を反映するかについての判断をする必要があるということである。これまでの測定対象点による補正量が次の測定対象点の線形補正分を反映していない場合には、それらの測定対象点のずれ量に基づく補正量を用いず、さらなる測定対象点についての測定を行って、次の測定対象点に対して線形補正分が反映されるよう改善策をとる。本発明者は、具体例として、次の（ａ）から（ｄ）の改善策を提案する。これらは、それぞれに効果を発揮する。
（ａ）近傍データでの問題改善
図６に示すように、測定経路６２に沿って配置される、最初の測定対象点３点が近傍に存在し、４点目が離れている場合について考える。通常は、補正量を計算した最初の３点の線形補正分が４点目への移動に際し使用される。しかし、図６に示すような測定対象点の分布の場合、最初の３点での線形ひずみが、その周辺のみを反映したものである。そのため、試料全面での補正量を反映していない。従って、十分な精度の補正値でない可能性がある。

このような補正値を使用して４ポイント目への移動を行うと、かえって位置決め精度を悪化させることになる。

そこで、このような事態が生じることを防止するため、補正計算実行に際し、最初の３点での座標間の距離が一定値以内の場合、その計算結果として得られた補正量は、試料全体の線形補正量を反映していないと判断し、補正計算の対象から外す処理を行う。例えば、既知の座標での補正量計算に際し、座標間の距離が一定値以内の場合、その計算結果として得られた補正量は、試料全体の線形補正量を反映していないと判断し、補正計算の対象から外す。

座標線形補正機能２２ｂは、補正計算実行に際し、最初の３点での座標間の距離が一定値以内であるかの判定を行う。３点の座標間の距離が一定値以内である場合に、補正計算の対象から外す処理行う。その結果、２点目、３点目のずれ量を用いられず、４点目、５点目以降の測定対象点において、前述した距離が一定値範囲内になっていない時、補正計算を行う。
（ｂ）直線並びの問題改善
図７に示すように、最初の測定対象点３点が、測定経路６３に沿って、直線に近い並びで存在し、４点目が直線に対し直角方向に離れている場合について考える。この場合、補正量を計算した最初の３点の線形分が４点目への移動に際し使用される。しかし、最初の３点での線形ひずみがその周辺のみを反映したものであり、試料全面での補正量を反映していない。このため、十分な精度の補正値でない可能性がある。

これを防止するため、補正計算実行に際し、最初の３点での座標間の距離が一定値以内の場合、その計算結果として得られた補正量は、試料全体の線形補正量を反映していないと判断し、補正計算の対象から外す処理を行う。例えば、補正量計算において、既知の座標を結んだ多角形が幅、長さの比で一定値以上である場合、面を形成せず直線に近いと判断し、得られた補正量は、試料全体の線形補正量を反映していないと判断し、補正計算の対象から外す手段。

また、図８に示すように、測定経路６４に沿って、１点目から順番の測定を行い、８点目までが直線と判断される場合については、それまでのずれ量は、補正計算には使用されず、９点目に移動時に初めて平面をなすことになるため、この後、１０点目移動時より１〜９点のデータより、１１点目移動時には、１〜１０点目データより、その後も同様の手順で計算された補正量をもとに順次移動を行う。

座標線形補正機能２２ｂは、補正計算実行に際し、測定対象点が直線に近い、または、直線であるかの判断を行う。そして、直線から外れた測定対象点が得られてから、測定対象点のデータを補正計算に用いることにする判断を行う。
（ｃ）近距離連続測定時の問題改善
測定試料上において、図９に示す測定経路６５のように、測定対象を、座標の移動距離の近い点から連続して計測して行く場合について考える。この場合、次点への補正計算をできるだけ最新のデータを用いて行ったほうが、目的の移動座標に近い線形成分をもとに補正計算を行うことになるため、補正精度の向上が見込める。例えば、図９において、３点目から４点目への移動は、１〜３点のデータ、４点目から５点目への移動時には、２〜４点のデータを利用し、その後も同じシーケンスで計算を行う。

座標線形補正機能２２ｂは、補正計算実行に際し、測定対象を、座標の移動距離の近い点から連続して計測して行く測定経路指定になっているかを判断する。その場合には、最新のデータ数点のみを評価することとし、補正量を計算し、次の測定対象点への移動時の座標補正に反映する。
（ｄ）目標座標近傍データを使用することによる補正精度改善
測定試料上において、図１０に示すように、測定経路６６が点群の存在領域から一旦離れた点に移り、再び元の点群の近傍に位置する点に進む場合を考える。この場合には、図１０に示すように、測定対象位置５点目への移動時に、目的座標の近傍にある既知の測定対象点1〜３点のみを評価することによって補正量を計算する。この計算結果を用いて、次の測定対象点への移動時の座標補正に反映する。

以上述べたように、本発明においては、前述した（ａ）から（ｄ）の各改善処理を施すことにより、また、これらの改善処理を適宜組み合わせて施すことにより、装置オペレータが任意に設定した測定経路に応じて、最適な補正量を自動的に判断し、測定対象位置への移動を行わせることができて、測定パターンを画面中心に置いて撮像することが可能となる。その結果、低光学収差による測定が可能となり、測定再現性の向上を図ることができる。

また、従来、測定パターンの位置決めが不十分な場合に、ずれ量検出を行った後、測定パターンを画面中心に再度移動させる処理が必要であったが、この再移動処理を無くすことにより、測定処理時間を短縮することが可能となり、装置のスループット向上が期待できる。

図１は本発明の一実施形態に係る光学測定装置の構成の一例を示すブロック図。図２は測定対象の測定パターンの画面中心からのずれを示す説明図。図３は本発明の実施家板による測定動作のシーケンスを示すフローチャート。図４は測定試料上での測定経路の第１の例を示す説明図。図５は測定の結果得られたずれ量を示す図表。図６は測定試料上の近距離での補正値算出例を示す説明図。図７は測定試料上の直線での補正値算出例を示す説明図。図８は測定試料上の直線での補正値算出の他の例を示す説明図。図９は測定試料上の近距離連続測定時の問題改善例を示す説明図。図１０は測定試料上の目標座標近傍データを使用することによる補正精度改善例を示す説明図。

符号の説明

１…測定試料、１０…測定系、１１…ＸＹステージ、１３…対物レンズ、１４…光学ヘッド、１５…撮像装置、１６…システムコントローラ、１７…画像メモリ、２０…情報処理系、２１…情報処理装置、２２…ＣＰＵ、２２ａ…ずれ量検出機能、２２ｂ…座標線形補正機能、２２ｃ…測定制御機能、２３…メモリ、２４…外部記憶装置、２５…入力装置、２６…表示装置。

Claims

測定試料をＸＹ平面において変位させると共に、測定試料の画像を取得する測定系と、測定系において取得した画像に基づいて座標の線形補正分の補正量を求める情報処理系とを備え、
前記情報処理系は、
撮像視野内での測定対象点の、基準位置を基にずれ量を検出する手段と、
測定対象位置に移動するための座標を、既に測定された測定対象点についての前記ずれ量を用いて線形補正分について補正量を求める線形補正手段と、を有し、
前記線形補正手段は、既に測定された測定対象点のずれ量に基づいて計算される補正量が、次の測定対象点での線形補正分を反映するかを判定し、反映する場合には、その補正量に基づいて、次の測定対象点を決め、反映しない場合には、これまでの測定対象点による補正量が次の測定対象点の線形補正分を反映していない場合には、それらの測定対象点のずれ量に基づく補正量を用いず、次の測定対象点に対して線形補正分が反映されると、判定されるまで、さらなる測定対象点についての測定を行わせること、を特徴とする座標補正装置。
請求項１に記載の座標補正装置において、
前記線形補正手段は、測定対象点への移動に先立ち、試料平面上での既知の座標を結んだ多角形を基に線形補正量の計算を行い、この補正量を基に移動を行い、
既知の座標での補正量計算に際し、座標間の距離が一定値以内の場合、その計算結果として得られた補正量は、試料全体の線形補正量を反映していないと判断し、補正計算の対象から外すこと、を特徴とする座標補正装置。
請求項１に記載の座標補正装置において、
前記線形補正手段は、前記補正量計算において、既知の座標を結んだ多角形が幅、長さの比で一定値以上である場合、面を形成せず直線に近いと判断し、得られた補正量は、試料全体の線形補正量を反映していないと判断し、補正計算の対象から外すこと、を特徴とする座標補正装置。
請求項１に記載の座標補正装置において、
前記線形補正手段は、前記補正計算において、測定対象を座標の移動距離の近い点から連続して計測して行く場合、最新のデータ数点のみを評価することにより補正量を計算し、次の測定対象点への移動時の座標補正に反映すること、を特徴とする座標補正装置。
請求項１に記載の座標補正装置において、
前記線形補正手段は、前記補正計算において、測定対象点座標の近傍にある既知の測定対象点のみを評価する事により補正量を計算し、次の測定対象点への移動時の座標補正に反映すること、を特徴とする座標補正装置。
測定試料をＸＹ平面において変位させると共に、測定試料の画像を取得する測定系により取得した画像に基づいて座標の線形補正分の補正量を求める座標補正方法において、
撮像視野内での測定対象点の、基準位置を基に対するずれ量を検出し、
測定対象位置に移動するための座標を、既に測定された測定対象点についての前記ずれ量を用いて線形補正分について補正量を算出し、
前記補正量の算出は、既に測定された測定対象点のずれ量に基づいて計算される補正量が、次の測定対象点での線形補正分を反映するかを判定し、反映する場合には、その補正量に基づいて、次の測定対象点を決め、反映しない場合には、これまでの測定対象点による補正量が次の測定対象点の線形補正分を反映していない場合には、それらの測定対象点のずれ量に基づく補正量を用いず、次の測定対象点に対して線形補正分が反映されると、判定されるまで、さらなる測定対象点についての測定を行わせること、を特徴とする座標補正方法。
測定試料をＸＹ平面において変位させると共に、測定試料の画像を取得する測定系により取得した画像に基づいて座標の線形補正分の補正量を、情報処理装置により行うためのプログラムであって、
前記プログラムは、前記情報処理装置に、
撮像視野内での測定対象点の、基準位置を基に対するずれ量を検出する手段と、
測定対象位置に移動するための座標を、既に測定された測定対象点についての前記ずれ量を用いて線形補正分について補正量を求める線形補正手段と、を構築させ、
前記線形補正手段は、既に測定された測定対象点のずれ量に基づいて計算される補正量が、次の測定対象点での線形補正分を反映するかを判定し、反映する場合には、その補正量に基づいて、次の測定対象点を決め、反映しない場合には、これまでの測定対象点による補正量が次の測定対象点の線形補正分を反映していない場合には、それらの測定対象点のずれ量に基づく補正量を用いず、次の測定対象点に対して線形補正分が反映されると、判定されるまで、さらなる測定対象点についての測定を行わせること、を特徴とする、線形補正の補正量を算出させるためのプログラム。