JP2007317013A

JP2007317013A - 位置検出装置

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Publication number: JP2007317013A
Application number: JP2006147054A
Authority: JP
Inventors: Yasutoshi Kaneko; 泰俊金子
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】サブピクセル単位での高精度な位置検出を短時間で行う。
【解決手段】対象画像２１の中から既知のテンプレート画像２２との類似性が最も高い部分画像２Ｂをピクセル単位で探索し（Ｓ２）、部分画像２Ｂの各画素値を所定方向に積算して１次元の信号波形の第１データを作成し（Ｓ３）、テンプレート画像の各画素値を所定方向に積算して１次元の信号波形の第２データを作成すると共に、第２データをサブピクセル単位でシフトさせた１つ以上の第３データを作成し（Ｓ５）、第１データと第２データと第３データとを用いて、テンプレート画像と部分画像との位置ずれ量をサブピクセル単位で算出し（Ｓ６）、この位置ずれ量と部分画像２Ｂの位置とに基づいて、対象画像の中のテンプレート画像との合致位置を決定する（Ｓ７）。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像処理のテンプレートマッチングによりマークの位置検出を行う位置検出装置に関する。

マークの画像を取り込み、この画像の中から既知のテンプレート画像に合致するターゲット部分をピクセル単位で探索し（テンプレートマッチング）、マークの位置検出を行う装置が知られている。さらに、マークの画像からピクセル単位で探索したターゲット部分から、サブピクセル単位での高精度な位置検出を行う装置も提案されている（例えば特許文献１を参照）。
特開平５−１２０４３６号公報

しかし、上記の装置では、サブピクセル単位での高精度な位置検出を行う場合、演算処理に長い時間が掛かるため、その位置検出を短時間で行うことはできなかった。
本発明の目的は、サブピクセル単位での高精度な位置検出を短時間で行える位置検出装置を提供することにある。

本発明の位置検出装置は、対象画像の中から既知のテンプレート画像との類似性が最も高い部分画像をピクセル単位で探索する探索手段と、前記テンプレート画像と前記部分画像との何れか一方の各画素値を所定方向に積算して１次元の信号波形の第１データを作成する第１処理手段と、前記テンプレート画像と前記部分画像との何れか他方の各画素値を前記所定方向に積算して１次元の信号波形の第２データを作成すると共に、該第２データをサブピクセル単位でシフトさせた１つ以上の第３データを作成する第２処理手段と、前記第１処理手段が作成した前記第１データと、前記第２処理手段が作成した前記第２データおよび前記第３データとを用いて、前記テンプレート画像と前記部分画像との位置ずれ量をサブピクセル単位で算出する算出手段と、前記探索手段が探索した前記部分画像の位置と、前記算出手段が算出した前記位置ずれ量とに基づいて、前記対象画像の中の前記テンプレート画像との合致位置を決定する決定手段とを備えたものである。

また、上記の位置検出装置において、前記算出手段は、前記第２処理手段が作成した前記第２データおよび前記第３データの中から、前記第１処理手段が作成した前記第１データとの類似性が最も高いデータを特定し、該データのシフト量に基づいて前記位置ずれ量を算出することが好ましい。
また、上記の位置検出装置において、前記算出手段は、前記第２処理手段が作成した前記第２データおよび前記第３データと前記第１処理手段が作成した前記第１データとの類似性に関わる各々の指標と、前記第２データおよび前記第３データの各々のシフト量との関係を、所定の関数によって近似し、前記指標の最大値または最小値に対応するシフト量に基づいて前記位置ずれ量を算出することが好ましい。

本発明の位置検出装置によれば、サブピクセル単位での高精度な位置検出を短時間で行うことができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
ここでは、半導体素子の製造工程において、露光工程の前に半導体ウエハの位置合わせを行う装置（つまり露光装置のアライメント系）に組み込まれた位置検出装置を例に説明する。半導体ウエハは、下地層に多数のアライメントマークを有し、最上層がレジスト層となっている。レジスト層にはまだ回路パターンが形成されていない。レジスト層に回路パターンが形成されるのは、露光工程と現像工程とを経た後である。

本実施形態の位置検出装置１０は、図１に示す通り、ウエハ１０Ａを支持するステージ１１と、光学系１２と、カメラ１３と、画像処理部１４と、記憶部１５とで構成されている。位置検出装置１０は、画像処理のテンプレートマッチングによってウエハ１０Ａ上のアライメントマーク(不図示)の位置検出を行う装置である。
ステージ１１は、不図示の搬送系によってウエハカセットから搬送されてきたウエハ１０Ａを上面に載置し、例えば真空吸着により固定保持する。ステージ１１は、少なくとも水平面内で２次元的に移動可能であり、位置検出の際にはウエハ１０Ａ上のアライメントマークを順に所定の視野（カメラ１３の撮像視野）内に位置決めする。このステージ１１は、露光装置のステージと共通である。

このため、位置検出装置１０によるアライメントマークの位置検出が終わると、ウエハ１０Ａをステージ１１に載置させた状態で位置合わせが行われ、レジスト層に対する露光工程に進む。そして、露光工程が終わると、そのウエハ１０Ａはステージ１１から回収され、別のウエハ１０Ａがステージ１１に載置され、同様の処理（位置検出→位置合わせ→露光工程）が繰り返される。

光学系１２は、ステージ１１上のウエハ１０Ａの局所領域（例えばアライメントマークおよびその近傍領域）の光像を形成する。カメラ１３は、不図示の撮像素子によりウエハ１０Ａの局所領域（アライメントマーク）の光像を撮像し、撮像信号を画像処理部１４に出力する。画像処理部１４は、カメラ１３から撮像信号を取り込むと、これを所定ビットのディジタル画像に変換し、必要に応じて所定の前処理を行い、探索対象の入力画像２１（図２(ａ)）を生成する。

記憶部１５は、探索対象の入力画像２１（図２(ａ)）に対するテンプレートマッチング用のテンプレート画像２２（図２(ｂ)）を記憶する。記憶部１５に予め（位置検出前に）記憶されるテンプレート画像２２は、レシピ作成時に作成したものである。テンプレート画像２２の作成は、例えばテストウエハ上に形成されたアライメントマークの画像を位置検出装置１０の画像処理部１４によって取り込み、その画像からマニュアルでマーク部分を切り出すことにより行われる。テストウエハとは設計値に近い状態のウエハである。また、その他、ＣＡＤデータなどの寸法値（設計情報）からテンプレート画像を作成してもよいし、半導体素子の製造工程の途中段階でテンプレート画像を作成し直してもよい。

次に、本実施形態の位置検出装置１０におけるウエハ１０Ａ上のアライメントマークの位置検出について具体的な手順を説明する。本実施形態では、図３に示すフローチャートの手順（ステップＳ１〜Ｓ８）にしたがって画像処理部１４が位置検出の処理を行う。
画像処理部１４は、まず（ステップＳ１,Ｓ２）、ウエハ１０Ａ上のアライメントマークの画像（図２(ａ)の入力画像２１）を取り込むと、この入力画像２１を対象画像として、記憶部１５に記憶された既知のテンプレート画像２２（図２(ｂ)）を用いて、ピクセル単位でのテンプレートマッチングを行う。

つまり、ステップＳ２では、入力画像２１の中から演算用の部分画像２Ａ（図４(ａ)）を抽出し、部分画像２Ａとテンプレート画像２２（図２(ｂ)）とのマッチング演算を行い、入力画像２１の中で部分画像２Ａの位置を少しずつ変化させながら同様のマッチング演算を繰り返す。そして、各々のマッチング演算の結果を大小比較することにより、入力画像２１の中からテンプレート画像２２との類似性が最も高い部分画像２Ｂ（図４(ｂ)）をピクセル単位で探索する。

マッチング演算を周知の相互相関法により行った場合、マッチング演算の結果は、部分画像２Ａとテンプレート画像２２との類似性が高いほど（すなわち部分画像２Ｂに近づくほど）大きな値を示す。また、マッチング演算を周知の残差逐次検定法(ＳＳＤＡ法)により行う場合、マッチング演算の結果は部分画像２Ａとテンプレート画像２２との類似性が高いほど小さな値を示す。マッチング演算は、相互相関法や残差逐次検定法に限らず、濃度ヒストグラムまたは色ヒストグラムなどの特徴量を用いて行ってもよい。

入力画像２１における部分画像２Ｂの位置の情報は、ピクセル単位での位置検出の結果であり、記憶部１５に記憶される。本実施形態のアライメントマークの位置検出は、上記した部分画像２Ｂの位置の情報と、以下に説明するステップＳ３〜Ｓ６の処理結果（部分画像２Ｂとテンプレート画像２２とのサブピクセル単位での位置ずれ量の情報）とに基づいて、高精度に行われる。

次のステップＳ３では、上記の部分画像２Ｂ（図４(ｂ)）の各画素値をＹ方向に積算し（図５(ａ)）、Ｘ方向に関する１次元の信号波形のデータ３１Ｘ（図５(ｂ)）を作成する。図５(ｂ)の横軸はＸ方向の位置、縦軸は画素値の合計を表す。同様に、部分画像２Ｂの各画素値をＸ方向に積算して（図５(ｃ)）、Ｙ方向に関する１次元の信号波形のデータ３１Ｙ（図５(ｄ)）を作成する。図５(ｄ)の横軸はＹ方向の位置、縦軸は画素値の合計を表す。以下、データ３１Ｘ,３１Ｙを「１次元データ３１Ｘ,３１Ｙ」という。

次に（ステップＳ４）、今回がテンプレート画像２２を用いた１回目の位置検出であるか否かを判断し、１回目の場合にはステップＳ５の処理を実行する。ステップＳ５の処理は、テンプレート画像２２の作成ごとに１回だけ実行すればよく、その実行タイミングはステップＳ３の前でもステップＳ１,Ｓ２の前でもよい。テンプレート画像２２の作成時に予めステップＳ５と同様の処理を行い、その結果をテンプレート画像２２と共に記憶させてもよい。

ステップＳ５では、テンプレート画像２２（図２(ｂ)）の各画素値をＹ方向に積算し（図６(ａ)）、Ｘ方向に関する１次元の信号波形のデータ３２Ｘ（図６(ｂ)）を作成すると共に、このデータ３２Ｘを１ピクセルよりも細かいサブピクセル単位でシフトさせ（図６(ｃ),(ｄ)）、１つ以上のデータ３３Ｘを作成する。
同様に、テンプレート画像２２からＹ方向に関する１次元の信号波形のデータ３２Ｙとこれをサブピクセル単位でシフトさせた１つ以上のデータ３３Ｙ（不図示）も作成する。以下、データ３２Ｘ,３２Ｙを「１次元データ３２Ｘ,３２Ｙ」、データ３３Ｘ,３３Ｙを「１次元シフトデータ３３Ｘ,３３Ｙ」という。

サブピクセル単位でシフトさせる処理（例えば図６(ｃ),(ｄ)）は、所望のシフト量に応じて、元の１次元データ３２Ｘ,３２Ｙの画素間の濃淡値（画素値の合計）を補間することにより行われる。本実施形態では、テンプレート画像２２を１次元化して、１次元データ３２Ｘ,３２Ｙをサブピクセル単位でシフトさせるため、短時間で１次元シフトデータ３３Ｘ,３３Ｙを作成することができる。

次に（ステップＳ６）、部分画像２ＢのＸ方向の１次元データ３１Ｘ（図５(ｂ)）と、テンプレート画像２２のＸ方向の１次元データ３２Ｘおよび１次元シフトデータ３３Ｘ（図６(ｂ)〜(ｄ)）とを用いて、部分画像２Ｂとテンプレート画像２２とのＸ方向の位置ずれ量をサブピクセル単位で算出する。
つまり、本実施形態では、次の手順[１]〜[４]によって、部分画像２Ｂとテンプレート画像２２とのＸ方向の位置ずれ量をサブピクセル単位で算出する。

[１] 部分画像２Ｂの１次元データ３１Ｘ（図５(ｂ)）とテンプレート画像２２の１次元データ３２Ｘ（図６(ｂ)）とのマッチング演算を行う。これは、サブピクセル単位でのシフト量がゼロの場合のマッチング演算である。
[２] 同様に、部分画像２Ｂの１次元データ３１Ｘ（図５(ｂ)）とテンプレート画像２２の１次元シフトデータ３３Ｘ（図６(ｃ),(ｄ)）とのマッチング演算を行う。これは、サブピクセル単位でのシフト量がゼロより大きく１ピクセル分より小さい場合のマッチング演算である。

これらの手順[１][２]における各々のマッチング演算の結果を図示すると、例えば図７の各点(●)のようになる。図７の横軸はサブピクセル単位でのシフト量、縦軸はマッチング演算の結果（類似性に関わる指標）を表す。
[３] そして、各々のマッチング演算の結果（例えば図７の各点(●)）を大小比較することにより、テンプレート画像２２の１次元データ３２Ｘおよび１次元シフトデータ３３Ｘ（図６(ｂ)〜(ｄ)）の中から、部分画像２Ｂの１次元データ３１Ｘ（図５(ｂ)）との類似性が最も高いデータ３４Ｘを特定する。

図７では、マッチング演算の結果が最大の点を部分画像２Ｂの１次元データ３１Ｘとの類似性が最も高いデータ３４Ｘとしたが、逆に、マッチング演算の結果が最小の点を同様のデータ３４Ｘとする場合もある。これは、上記した通り、マッチング演算の方法（例えば相互相関法やＳＳＤＡ法など）によって異なる。
[４] 上記手順[３]で特定したデータ３４Ｘのシフト量Ｓ_34Xに基づいて、部分画像２Ｂとテンプレート画像２２とのＸ方向の位置ずれ量を算出する。この位置ずれ量（Ｓ_34X）はサブピクセル単位での位置ずれ量であり、記憶部１５に記憶される。

このようにして、部分画像２Ｂとテンプレート画像２２とのＸ方向の位置ずれ量をサブピクセル単位で算出すると、画像処理部１４では、Ｙ方向についても同様の処理を行い、得られた位置ずれ量（Ｓ_34Y）を記憶部１５に記憶する。そして、次のステップＳ７の処理に進む。
ステップＳ７では、入力画像２１からピクセル単位で探索された部分画像２Ｂ（図４(ｂ)）の位置と、ステップＳ６（手順[１]〜[４]）によりサブピクセル単位で算出された位置ずれ量（Ｓ_34X,Ｓ_34Y）とに基づいて、入力画像２１の中のテンプレート画像２２との合致位置を決定する。

この合致位置は、サブピクセル単位での高精度な位置検出の結果である。そして、この合致位置と、入力画像２１を取り込んだときのステージ１１の位置とに基づいて、ウエハ１０Ａのアライメントマーク（カメラ１３の撮像視野内に位置決めされたマーク）の位置を検出することができる。
図３に示すフローチャートの手順では、ウエハ１０Ａの他のアライメントマークの位置検出を行う場合、ステップＳ１の処理に戻って同様の処理を繰り返す。ただし、前回と同じテンプレート画像２２を用いる場合は、ステップＳ５の処理を行わずに、ステップＳ６の処理に進む。そして、全てのマークの位置検出が終わると、図３の処理を終了する。

上記したように、本実施形態の位置検出装置１０では、入力画像２１から探索した部分画像２Ｂと既知のテンプレート画像２２との双方をそれぞれ１次元化して、１次元データ３１Ｘ,３１Ｙ,３２Ｘ,３２Ｙを作成すると共に、テンプレート画像２２に関わる１次元データ３２Ｘ,３２Ｙをサブピクセル単位でシフトさせて、１つ以上の１次元シフトデータ３３Ｘ,３３Ｙを作成する。そして、これらの１次元データ３１Ｘ,３１Ｙ,３２Ｘ,３２Ｙと１次元シフトデータ３３Ｘ,３３Ｙとを用いて、サブピクセル単位での高精度な位置検出を行う。

このため、１次元シフトデータ３３Ｘ,３３Ｙの作成（ステップＳ５）や、１次元シフトデータ３３Ｘ,３３Ｙを利用した演算処理（ステップＳ６のマッチング演算）に掛かる時間を、従来（２次元データの画像で処理する場合）と比べて大幅に短縮できる。したがって、サブピクセル単位での高精度な位置検出を短時間で行うことができる。
本実施形態の位置検出装置１０を用いた位置検出（サブピクセル単位での高精度な位置検出）は、テンプレート画像２２のサイズ（画素数）を増やした場合に特に有効である。また、テンプレート画像２２から予め１次元シフトデータ３３Ｘ,３３Ｙを作成する場合、従来（２次元データのシフト画像を作成する場合）と比べて大幅にデータ量を低減できる利点もある。

（第２実施形態）
ここでは、図３のステップＳ６の具体的な手順の変形例を説明する。
上記の第１実施形態では手順[１]〜[４]によって部分画像２Ｂとテンプレート画像２２との位置ずれ量（Ｓ_34X,Ｓ_34Y）をサブピクセル単位で算出したが、第２実施形態では次の手順によって同様の位置ずれ量（図８のシフト量Ｓ_35X,Ｓ_35Y）を算出する。

まず、手順[１][２]と同様に、部分画像２Ｂの１次元データ３１Ｘ（図５(ｂ)）とテンプレート画像２２の１次元データ３２Ｘ,１次元シフトデータ３３Ｘ（図６(ｂ)〜(ｄ)）とのマッチング演算を行う。マッチング演算の各結果を図示すると、例えば図８の各点(●)のようになる。図８の横軸,縦軸は図７と同じである。
その後、次の手順[５]〜[７]を行い、部分画像２Ｂとテンプレート画像２２とのＸ方向の位置ずれ量をサブピクセル単位で算出する。

[５] マッチング演算の各結果（例えば図８の各点(●)）において、テンプレート画像２２の１次元データ３２Ｘ,１次元シフトデータ３３Ｘ（図６(ｂ)〜(ｄ)）と部分画像２Ｂの１次元データ３１Ｘ（図５(ｂ)）との類似性に関わる各々の指標と、１次元データ３２Ｘ,１次元シフトデータ３３Ｘの各々のシフト量との関係を、所定の関数３０（例えば２次関数）によって近似する。

つまり、テンプレート画像２２の１次元データ３２Ｘ,１次元シフトデータ３３Ｘ（図６(ｂ)〜(ｄ)）の中から、部分画像２Ｂの１次元データ３１Ｘ（図５(ｂ)）との類似性が最も高いデータ３４Ｘを特定した後、このデータ３４Ｘとその付近の複数のデータを所定の関数３０（例えば２次関数）によって近似する。
[６] 近似に用いた所定の関数３０において、指標が最大値となる点３５Ｘ（図８(ｂ)に○で示した点）を特定する。なお、図８(ｂ)では、指標が最大値となる点３５Ｘを特定したが、逆に、指標の最小値の点を特定する場合もある。これは、上記した通り、マッチング演算の方法（例えば相互相関法やＳＳＤＡ法など）によって異なる。

[７] 上記の手順[６]で特定した指標の最大値（点３５Ｘ）に対応するシフト量Ｓ_35Xに基づいて、位置ずれ量を算出する。この位置ずれ量（Ｓ_35X）はサブピクセル単位での位置ずれ量であり、記憶部１５に記憶される。
このようにして、部分画像２Ｂとテンプレート画像２２とのＸ方向の位置ずれ量をサブピクセル単位で算出すると、画像処理部１４では、Ｙ方向についても同様の処理を行い、得られた位置ずれ量（Ｓ_35Y）を記憶部１５に記憶する。そして、次のステップＳ７の処理に進む。

第２実施形態の位置検出装置では、マッチング演算の各結果（例えば図８の各点(●)）を所定の関数３０（例えば２次関数）により近似して、指標の最大値（点３５Ｘなど）に対応するシフト量Ｓ_35Xなどに基づいて、位置ずれ量（Ｓ_35X,Ｓ_35Y）を算出する。このため、サブピクセル単位での位置検出の精度がさらに向上する。
（変形例）
上記した実施形態では、テンプレート画像２２から１次元シフトデータ３３Ｘ,３３Ｙ（図６(ｃ),(ｄ)）を作成したが、本発明はこれに限定されない。テンプレート画像２２の代わりに、入力画像２１の部分画像２Ｂ（図４(ｂ)）から同様の１次元シフトデータを作成してもよい。ただし、テンプレート画像２２から１次元シフトデータを生成する方が、サブピクセル単位でのシフト処理の実行回数を少なくできるため、好ましい。

また、上記した実施形態では、十字形状のアライメントマークを例に位置検出の処理を説明したが、マークの形状はこれに限定されない。他の形状（例えばライン＆スペース形状など）のマークであっても、同様の効果を得ることができる。
さらに、上記した実施形態では、露光工程の前に半導体ウエハの位置合わせを行う装置（つまり露光装置のアライメント系）に組み込まれた位置検出装置の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、ウエハ１０Ａのレジストパターンの重ね合わせ検査を行う装置に組み込まれた位置検出装置にも本発明を適用できる。この場合の位置検出装置は、ウエハ１０Ａの下地層とレジスト層に形成された各々の重ね合わせマークの位置を同様のテンプレートマッチングによって検出する。重ね合わせ検査装置のアライメント系に本発明の位置検出装置を組み込む場合にも、同様の効果を得ることができる。

また、上記した実施形態では、半導体素子の製造工程においてウエハ１０Ａに形成されたマーク（アライメントマーク,重ね合わせマーク）の位置をテンプレートマッチングによって検出する場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。液晶表示素子の製造工程において液晶基板（液晶ディスプレイパネル）に形成されたマークの位置をテンプレートマッチングによって検出する場合にも、本発明を適用できる。

さらに、位置検出装置１０の画像処理部１４によりマークの位置検出を行う場合に限らず、位置検出装置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。

本実施形態の位置検出装置１０の概略図である。入力画像２１とテンプレート画像２２を説明する図である。本実施形態の位置検出の手順を示すフローチャートである。ピクセル単位でのマッチング処理を説明する図である。入力画像２１の部分画像２Ｂの１次元化を説明する図である。テンプレート画像２２の１次元化とサブピクセル単位でのシフト処理を説明する図である。サブピクセル単位での位置ずれ量の算出方法を説明する図である。サブピクセル単位での位置ずれ量の算出方法の変形例を説明する図である。

符号の説明

１０位置検出装置 ; １０Ａウエハ ; １１ステージ ; １２光学系 ; １３カメラ ;
１４画像処理部 ; ２１入力画像 ; ２Ｂ部分画像 ; ２２テンプレート画像 ; ３１Ｘ,３１Ｙ,３２Ｘ１次元データ ; ３３Ｘ１次元シフトデータ ; ３０関数

Claims

対象画像の中から既知のテンプレート画像との類似性が最も高い部分画像をピクセル単位で探索する探索手段と、
前記テンプレート画像と前記部分画像との何れか一方の各画素値を所定方向に積算して１次元の信号波形の第１データを作成する第１処理手段と、
前記テンプレート画像と前記部分画像との何れか他方の各画素値を前記所定方向に積算して１次元の信号波形の第２データを作成すると共に、該第２データをサブピクセル単位でシフトさせた１つ以上の第３データを作成する第２処理手段と、
前記第１処理手段が作成した前記第１データと、前記第２処理手段が作成した前記第２データおよび前記第３データとを用いて、前記テンプレート画像と前記部分画像との位置ずれ量をサブピクセル単位で算出する算出手段と、
前記探索手段が探索した前記部分画像の位置と、前記算出手段が算出した前記位置ずれ量とに基づいて、前記対象画像の中の前記テンプレート画像との合致位置を決定する決定手段とを備えた
ことを特徴とする位置検出装置。
請求項１に記載の位置検出装置において、
前記算出手段は、前記第２処理手段が作成した前記第２データおよび前記第３データの中から、前記第１処理手段が作成した前記第１データとの類似性が最も高いデータを特定し、該データのシフト量に基づいて前記位置ずれ量を算出する
ことを特徴とする位置検出装置。
請求項１に記載の位置検出装置において、
前記算出手段は、前記第２処理手段が作成した前記第２データおよび前記第３データと前記第１処理手段が作成した前記第１データとの類似性に関わる各々の指標と、前記第２データおよび前記第３データの各々のシフト量との関係を、所定の関数によって近似し、前記指標の最大値または最小値に対応するシフト量に基づいて前記位置ずれ量を算出する
ことを特徴とする位置検出装置。