JP2675167B2 - パターン認識方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は例えばLSIウェーハやTFTなどのパターンを比
較して欠陥を認識する方法に係り、特に高精度な位置合
わせによるパターン認識方法に関する。

〔従来の技術〕

従来のパターン認識方法は、特開昭57−196377号公報
に記載のように対象のパターンを検出し、検出したパタ
ーンを記憶しておき、１つ前に記憶しておいたパターン
と検出したパターンとを画素単位に位置合わせし、位置
合わせした２つのパターンの誤差を検出・比較すること
により、パターンの欠陥を認識するようになっていた。

この認識対象は第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）に例示
するようなメモリ用LSIなどの半導体ウェーハのパター
ンや、TFT（Thin Film Transistr）のパターンや、プリ
ント配線板のパターンや、セラミック基板のパターン
や、それらを製造する工程で用いるマスクやレチクルな
どのパターンなどである。ここでは一例として半導体ウ
ェーハのパターンについて説明するが、他のパターンに
対しても同じことが成り立つ。半導体ウェーハのパター
ンは最終的に切り離されて個別製品となるチップが数10
個１枚のウェーハに載っており、それらは互いに同じパ
ターンを持っている。このようなパターンの欠陥を認識
する原理を第２図（ａ）〜（ｃ）により説明する。

第２図（ａ）〜（ｃ）は従来の一般的なパターン比較
方式によりパターン欠陥検査方法の原理説明図で、第２
図（ａ）は記憶パターン、第２図（ｂ）は検出パター
ン、第２図（ｃ）はパターン差である。各チップが全く
同一のパターンを持っていることに着目し、第２図
（ａ）のパターンを検出して記憶しておき、第２図
（ｂ）のそれと同一であるはずの別のパターンを次に検
出して、２つのパターンを画素単位に位置合わせし、第
２図（ｃ）の位置合わせした２つのパターンの誤差を抽
出して比較する。いずれのパターンにも欠陥が存在しな
い場合にはパターンの差はほとんどないが、いずれかの
パターンたとえば第２図（ｂ）の検出パターンに欠陥が
存在する場合には、第２図（ｃ）のように欠陥部分でパ
ターンに差があるため、パターンの比較により誤差を生
じる場所を検出することでパターン欠陥を認識すること
ができる。なおここでパターン比較して差があればいず
れかのパターンに欠陥があると言えるが、いずれのパタ
ーンに欠陥があるかを判別することはできない。これを
判別する手段としては種々のがあるが、本発明に係る技
術とは直接には関係ないのでここでは特に説明しない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は画像をデジタル化して入力するためサ
ンプリング点の情報しか得られずサンプリング誤差の発
生が避けられないが、このサンプリング誤差の影響で小
さい欠陥の認識が困難となる問題がある。このことを第
３図（ａ）〜（ｅ）により説明する。

第３図（ａ）〜（ｅ）は第２図（ａ）〜（ｃ）のパタ
ーンの波形例図で、第３図（ａ）は第２図（ａ）の記憶
パターンの検出信号波形、第３図（ｂ）は第２図（ｂ）
の検出パターンの検出信号波形、第３図（ｃ）は第２図
（ｂ）の検出パターンの第２図（ａ）の記憶パターンに
対してサンプリング誤差のない場合の検出信号波形、第
３図（ａ）は第３図（ａ）と第３図（ｂ）のサンプリン
グ誤差ありとの差信号波形、第３図（ｅ）は第３図
（ａ）と第３図（ｃ）のサンプリング誤差なしとの差信
号波形であり、図中の・印はサンプリング点での検出信
号を示している。第３図（ｂ），（ｃ）のように本来は
全く同一のパターンに対してもサンプリング点をパター
ンに対して同一に設定することができないためサンプリ
ング点での検出波形が異なったものとなり、検出信号波
形や検出パターンに誤差を生じ、この誤差をサンプリン
グ誤差と呼ぶ。比較する検出パターンにサンプリング誤
差がない場合には第３図（ｅ）のように欠陥部差信号は
正常部差信号より十分大きく欠陥の認識が容易である
が、検出パターンにサンプリング誤差がある場合には第
３図（ｄ）のように欠陥部差信号が正常誤差信号と同程
度となり欠陥の認識が困難となる。

本発明の目的はパターンの位置合わせ精度を検出画素
サイズ以下としてサンプリング誤差の影響を軽減できる
パターン認識方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のパターン認識方
法はパターンを画素単位で位置合わせした後に画素単位
以下の精度で位置合わせするようにしたものである。す
なわち対象のパターンを検出し、検出したパターンを記
憶しておき、１つ前に記憶しておいたパターンと検出し
たパターンを画素単位に位置合わせし、あらかじめ画素
単位に位置合わせしたパターンに対して画素単位以下の
精度で位置合わせし、画素単位以下の精度で位置合わせ
した２つのパターンの誤差を抽出・比較して、パターン
の欠陥を認識するものである。

上記の画素単位以下の精度で位置合わせする手段は例
えば次に示す最小２乗法を用いるすなわち２枚のパター
ンをｆ（x,y）,g（x,y）とするとき、あらかじめ次の
（１）式のε_２（dx,dy）を最小とする位置（dx₀,dy₀）
に画素単位で位置合わせして、x,y座標とも０画素目と
１画素目の間に２枚のパターンの差を最小とする位置
（δx₀,δy₀）があるように位置合わせする。

ε_２（dx,dy）＝ε（dx,dy）＋ε（dx＋1,dy） ＋ε（dx,dy＋１）＋ε（dx＋1,dy＋１） （１） ε（dx,dy）＝ΣΣ|f（x,y）−ｇ（ｘ＋dx,y＋dy）｜
（２） ここでx,yは画素単位のパターンの画評、dx,dyは２枚の
パターンの画素単位の位置合わせ量、δx,δｙは画素以
下の位置合わせ量、dx₀,dy₀はε_２を最小とする画素単
位の位置合わせ量dx,dy、δx₀,δy₀はε_２を最小とする
画素以下の位置合わせ量δx,δｙ、ΣΣは位置合わせす
る範囲のx,y座標に関する和を各々示す。

ｇを画素単位で位置合わせするには次の（５）式で示
すｇをシフトしたg₁を用いる。

g₁（x,y）＝ｇ（ｘ＋dx,y＋dy） （３） 画素と画素の中間の値を（４），（５）式で定義す f_d（ｘ＋δx,y＋δｙ） ＝ｆ（x,y）＋δｘ＊（ｆ（ｘ＋１−ｙ）−ｆ（x,y）） ＋δｙ＊（ｆ（x,y＋１）−ｆ（x,y）） （４） g_1d（ｘ−δx,y−δｙ） ＝g₁（x,y）＋δｘ＊（g₁（ｘ−1,y）−g₁（x,y）） ＋δｙ＊（g₁（x,y−１）−g₁（x,y）） （５） ２乗誤差は（６）式で定義できる。

ε_ｄ（δx,δｙ）＝ΣΣ（f_d（ｘ＋δx,y＋δｙ） −g_1d（ｘ−δx,y−δｙ））＊＊２ （６） （６）式をδx,δｙで偏微分して＝０と置いたものを整
理して（７），（８）式を得る。

ここで、 C₀＝ｆ（x,y）−g₁（x,y） C_i＝（ｆ（ｘ＋1,y）−ｆ（x,y）） −（g₁（ｘ−1,y）−g₁（x,y）） （９） C_j＝（ｆ（x,y＋１）−ｆ（x,y）） −（g₁（x,y−１）−g₁（x,y）） 画素以下の位置合わせ量δx₀,δy₀より位置合わせ後の
パターンf₂,g₂を次の（10），（11）式で計算する。

f₂（x,y）＝f_d（ｘ＋δx₀,y＋δy₀） （10） g₂（x,y）＝g_1d（ｘ−δx₀,y−δy₀） （11） 〔作用〕 上記パターン認識方法の作用を第４図（ａ）〜（ｄ）
および第５図により説明する。

第４図（ａ）〜（ｄ）は本発明による第２図のパター
ンのサブピクセルマッチングの動作例の波形図で、第４
図（ａ）は記憶波形、第４図（ｂ）は欠陥のない検出波
形、第４図（ｃ）は単純差波形、第４図（ｄ）はサブピ
クセル位置合せ後差波形である。第５図は第４図（ａ）
〜（ｄ）の数値表図で、サンプリング位置０〜15の記憶
波形、検出波形、単純差波形、サブピクセル位置合せ後
のf₂,g₂,|f₂−g₂|の数値を各々示す。記憶波形と検出波
形が例えば第４図（ａ），（ｂ）および第５図のようで
あったとし、ここで第４図（ｂ）の検出波形は第４図
（ａ）の記憶波形の前後２画素の平均をとった波形でほ
ぼ0.5画素のシフトをさせた波形と同等である。これら
の波形に上記の最小２乗法を適用してδx₀を求め、実際
に計算するとδx₀＝0.2となり、この値より（10），（1
1）式を用いて位置合わせを後のパターンf₂・g₂を求め
る。このときサブピクセル位置合わせをした場合としな
い場合の差信号波形は第４図（ｄ），（２）および第５
図のようになり、残差は半減している。これによりサン
プリング誤差によるパターンの差の値は欠陥の値より十
分に小さくなるので、欠陥を容易に識別できる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を第１図，第６図，第７図によ
り説明する。

第１図は本発明によるパターン認識方法の第１の実施
例を示すLSIウェーハのパターン認識装置の構成図であ
る。本実施例ではLSIウェーハのパターンを例に説明す
るが、TETなどのパターンにも適用できることは言うま
でもない。本パターン認識装置はウェーハ１を走査する
XYステージ２とウェーハを照明する光源３と照明光学系
４と照明されたウェーハの光学像を検出する対物レンズ
５と１次元イメージセンサ６よりなる検出部と、１次元
イメージセンサ６の信号をデジタル化して記憶するため
のA/D変換器７と画像メモリ部８よりなる画像入力部９
と、画像入力部に入力された検出画像10と比較画像11を
画像メモリ８より取り出す画像取り出し部12と検出画像
10と比較画像11より（２）式で表わされる画像の差を計
算して比較画像を（３）式のように移動させて位置合わ
せする画素単位マッチング部13と画素単位マッチング部
よりの画素単位位置補正の終わった画像14と検出画像10
から（７），（８）式で表わされる画素以下の位置合わ
せ量δx₀,δy₀を計算するサブピクセルマッチング部15
とサブピクセルマッチング部よりの位置合わせ量を基に
（10），（11）式で表わされる位置補正を行なう位置合
わせ部16と位置合わせの終わった差画像17を抽出する差
画像抽出部18と差画像を２値化して差の存在する場所の
各種特徴量を抽出して欠陥判定を行なう欠陥判定部19よ
りなる他の画像処理部20と、XYステージ２の制御と画像
処理部20より出力される欠陥情報の記憶や表示と全体シ
ーケンスの管理を行なう計算機よりなる全体制御部21と
から構成される。

上記構成によりパターン欠陥を検出する動作を次に説
明する。まず全体制御部21よりの指令で各部のイニシャ
ライズ後に、XYステージ２の走査に同期して、光源３照
明光学系４で照明されたウェーハ１のパターンを対物レ
ンズ５を介して１次元のパターンを検出し、A/D変換器
７でデジタル化した２次元の検出画像10とし、得られた
検出画像は画像メモリ部８に記憶する。画像取り出し部
12は画像メモリ部８の一定のアドレスを参照することに
より比較画像11を取り出す。ここで画素単位マッチング
部13の動作を第６図により説明する。

第６図は第１図の画素単位マッチング部13の動作原理
説明図である。上記の検出画像10と比較画像11より、比
較画像を△X,△Ｙ方向に位置ずれ許容量の±δ画素（本
実施例ではδ＝１で説明するが、検出対象の寸法精度と
欠陥検出装置の位置決め精度で決まる値であり必要な値
を適当に設定するものとする）だけずらしたときの検出
画像10と比較画像11の画像の差を（２）式で計算し、
（１）式のε_２（第６図のS₁）を最小とするdx₀,dy
₀（第６図の△Ｘ＝−1,△Ｙ＝０）を計算し、比較画像1
1を（３）式を用いて位置補正を行ない、画素単位位置
補正の終わった画像14を出力する。

サブピクセルマッチング部15は画素単位マッチング部
13よりの画素単位位置補正の終った画像14と検出画像10
から（７），（８）式で表わされる画素以下の位置合わ
せ量δx₀,δy₀を計算する。位置合わせ部16はサビピク
セルマッチング部15よりの位置合わせ量を基に（10），
（11）式で表わされる位置補正を行なう。差画像抽出部
18は位置補正の終わった画像より次の（12）式で差画像
17を抽出する。

Ｓ（i,j）＝|f₂（i,j）−g₂（i,j）｜ （12） 欠陥判定部19は差画像17を欠陥判定の閾値Vthで２値化
して、差の存在する場所の面積や幅や投影長などの各種
特徴量を抽出して欠陥判定を行なう。

本実施例によれば、検出画像と記憶画像の２枚のパタ
ーンの両方を同じだけ反対方向に移動させて画素以下の
位置合わせ画像を作っているため、画像の平滑化効果
（例えばδx₀＝0.5,δx₀＝０の場合にf₂（x,y）＝（ｆ
（ｘ＋1,y）＋ｆ（x,y））/2で平均値フイルタをかけた
ことと等価）が２枚のパターンで同じになり、これによ
り生じる差画像の誤差を最小限にできる効果がある。

本実施例の変形例として次のものがある。すなわちXY
ステージ２の走査に同期して１次元イメージセンサ６で
光電変換することにより２次元のパターンを検出する代
わりに、XYステージ２をステップ移動させてTVカメラで
光電変換することにより２次元のパターンを検出する。
または１次元イメージセンサ６の代りにフォトマルなど
のポイント型センサと走査機構を用いるなどいかなる形
のセンサも用いることができる。

また検出画像と比較画像の差を（２）式で計算し、各
ずらし量に対応した画素の差をマッチング値として出力
する代わりに、検出画像と比較画像にそれぞれフィルタ
をかけることによりエッジを抽出し、そのエッジ画像に
たいして画像の差を（２）式で計算し、各ずらし量に対
応した画像の差をマッチング値として出力する。または
検出画像と比較画像に各々フイルタをかけて２値化し、
そのエッジ２値画像にたいして画像の差を（２）式で計
算し、各ずらし量に対応した画像の差として出力する。
本変形例によれば、エッジを用いるため検出画像と比較
画像のパターンの明るさの違いなどによる影響を受けに
くくする効果がある。

また（４），（９），（10）式の代りに次の（13），
（14），（15）を用いる。

f_d（ｘ＋δx,y＋δｙ）＝ｆ（x,y） （13） C₀＝ｆ（x,y）−g₁（x,y） Ci＝−（g₁（ｘ−1,y）−g₁（x,y）） （14） Cj＝−（g₁（x,y−１）−g₁（x,y） f₂（x,y）＝f_d（x,y） （15） 本変形例によれば、検出画像を変化させないで、比較
画像のみを変化させているので構成が単純となる効果が
ある。

また比較画像を検出して記憶した画像を用いる代わり
に、あらかじめ記憶しておいた良品画像を用いる。本変
形例によれば、繰り返し性のある欠陥に対しても見逃す
ことなく認識できる効果がある。また比較画像を検出し
て記憶した画像を用いる代わりに、検出系をもう一式設
けてこれで検出した画像を用いる。本変形例によれば、
画像メモリ部が不要になり回路規模が小さくなる効果が
ある。

第７図は本発明によるパターン認識方法の第２の実施
例を示すLSIウェーハのパターン認識装置の構成図であ
る。本パターン認識装置はウェーハ１を走査するXYステ
ージ２とウェーハを照明する光源３と照明光学系４と照
明されたウェーハの光学像を検出する対物レンズ５と１
次元イメージセンサ６よりなる検出部と、１次元イメー
ジセンサ６の信号をデジタル化して記憶するためのA/D
変換器７と画像メモリゥ８よりなる画像入力部９と、画
像入力部に入力された検出画像10と比較画像11を画像メ
モリ部８より取り出す画像取り出し部12と検出画像10と
比較画像11より（２）式で表わされる画像の差を計算し
て比較画像の位置合わせ量dx₀,dy₀を出力する画素単位
マッチング部13と画素単位マッチング部13よりの画素単
位位置合わせ量から後の（16），（17）式で表わされる
画素以下の位置合わせ量δx₀,δy₀を出力する画素単位
マッチング部13と画素単位マッチング部13よりの画素単
位位置合わせ量から後の（16），（17）式で表わされる
画素以下の位置合わせ量δx₀,δy₀を計算するサビピク
セル演算部22とサブピクセル演算部22よりの位置合わせ
量を基に（３），（10），（11）式で表わされる位置補
正を行なう位置合わせ部16と位置合わせの終わった画像
の差画像17を抽出する差画像抽出部18と差画像を２値化
して差の存在する場所の各種特徴量を抽出して欠陥判定
を行なう欠陥判定部19よりなる画像処理部20と、XYステ
ージ２の制御と画像処理部20より出力される欠陥情報の
記憶や表示と全体シーケンスの管理を行なう計算機より
なる全体制御部21とから構成される。

上記構成によりパターン欠陥を検出する動作を次に説
明する。まず全体制御部21よりの指令で各部のイニシャ
ライズ後に、XYステージ２の走査に同期して、光源３と
照明光学系４で照明されたウェーハ１のパターンを対物
レンズ５を介して１次元イメージセンサ６で光電変換す
ることにより２次元のパターンを検出し、A/D変換器７
デジタル化した２次元の検出画像10とし、得られた検出
画像は画像メモリ部８に記憶する。画像取り出し部12は
画像メモリ部８の一定のアドレスを参照することにより
比較画像を取り出す。画素単位マッチング部13は検出画
像10と比較画像11より比較画像を△X,△Ｙ方向に位置ず
れ許容量の±δ画素だけずらしたときの検出画像10と比
較画像11の画像の差を（２）式で計算し（１）式のε_２
を最小とするdx₀,dy₀を出力する。

サブピクセル演算部22は画素単位マッチング部13より
のεとdx₀,dy₀から次の（16），（17）式で表わされる
画素以下の位置合わせ量δx₀,δy₀を計算する。

δx₀＝（ε（dx₀,dy₀） ＋ε（dx₀,dy₀＋１）−ε（dx₀＋1,dy₀） −ε（dx₀＋1,dy₀））／ε₀₀ （16） δy₀＝（ε（dx₀,dy₀） −ε（dx₀,dy₀＋１）＋ε（dx₀＋1,dy₀） −ε（dx₀＋1,dy₀＋１））／ε₀₀ （17） ε₀₀＝ε（dx₀,αy₀） ＋ε（dx₀,dy₀＋１）＋ε（dx₀＋1,dy₀） ＋ε（dx₀＋1,dy₀＋１） 位置合わせ部16はサブピクセル演算部22よりの位置合
わせ量を基に（３），（10），（11）式で表わされる位
置補正を行なう。差画像抽出部18は位置補正の終わった
画像より（12）式で差画像17を抽出する欠陥判定部19は
差画像17を欠陥判定の閾値Vthで２値化して、差の存在
する場所の面積や幅や投影長などの各種特徴量抽出して
欠陥判定を行なう。

本実施例によれば、画素以下の位置合わせ量δx₀,δy
₀の演算が単純であり、回路構成を小さくできる効果が
ある。

本実施例の変形例として次のものがある。すなわち
（10），（11）式の代わりに次の（18），（19）式を用
いる。

f₂（x,y）＝（１−δx₀）＊ｆ（x,y） ＋δx₀＊（１−δy₀）＊ｆ（ｘ＋1,y） ＋（１−δx₀）＊δy₀＊ｆ（x,y＋１） ＋δx₀＊δy₀＊ｆ（ｘ＋1,y＋１） （18） g₂（x,y）＝（１−δx₀）＊（１−δy₀）＊g₁（x,y） ＋δx₀＊（１−δy₀）＊g₁（ｘ＋1,y） ＋（１−δx₀）＊δy₀＊g₁（x,y＋１） ＋δx₀＊δy₀＊g₁（ｘ＋1,y＋１） （19） 〔発明の効果〕 本発明によればパターンの位置合わせ精度を検出画素
サイズ以下としてサンプリング誤差の影響を軽減でき、
画素サイズと同程度の大きさの欠陥の検出を容易にでき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパターン認識方法の第１の実施例
を示す装置の構成図、第２図（ａ）〜（ｃ）は従来一般
的なパターン比較方式によるパターン欠陥検出方法の原
理説明図、第３図（ａ）〜（ｅ）は第２図（ａ）〜
（ｃ）のパターン波形例図、第４図（ａ）〜（ｄ）は本
発明による第２図のパターンのサブピクセルマッチング
動作例の波形図、第５図は第４図（ａ）〜（ｄ）の数値
表図、第６図は第１図の画素単位マッチング部の動作原
理説明図、第７図は本発明によるパターン認識方法の第
２の実施例を示す装置の構成図である。 １……ウェーハ、２……XYステージ ３……光源、４……照明光学系 ５……対物レンズ、６……１次元イメージセンサ ７……A/D変換器、８……画像メモリ部 ９……画像入力部、10……検出画像 11……比較用画像、12……画像取り出し部 13……画素単位マッチング部 14……画素単位位置補正の終わった画像 15……サブピクセルマッチング部 16……位置合わせ部、17……差画像 18……差画像抽出部、19……欠陥判定部 20……画像処理部、21……全体制御部 22……サブピクセル演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牧平 坦 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 遠藤 文昭 東京都小平市上水本町５丁目20番１号 株式会社日立製作所武蔵工場内 (56)参考文献 特開 昭61−35303（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−102837（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−182233（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−85835（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−32666（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象のパターンを検出し、検出したパター
   ンとあらかじめ記憶しておいたパターンまたは別途検出
   したパターンとを画素単位に位置合わせし画素単位に位
   置合わせしたパターンに対して画素以下の精度で位置合
   わせし、画素以下の精度で位置合わせした２つのパター
   ンの誤差を抽出・比較して、パターンの欠陥を認識する
   ことを特徴とするパターン認識方法。
2. 【請求項２】画素以下で位置合わせする方法は最小２乗
   法を用いることを特徴とする請求項１記載のパターン認
   識方法。
3. 【請求項３】画素以下の精度で位置合わせする方法は画
   素単位に位置合わせした時のマッチング値より推定する
   ことにより行うことを特徴とする請求項１記載のパター
   ン認識方法。