JP2946344B2

JP2946344B2 - パターン認識装置およびパターン認識方法

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Publication number: JP2946344B2
Application number: JP2100509A
Authority: JP
Inventors: 裕二今井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-04-18
Filing date: 1990-04-18
Publication date: 1999-09-06
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JPH041504A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は物体の位置を検出するために、物体上のパタ
ーンを認識する装置に関し、特に半導体素子等の製造工
程で使われるウェハの位置決めやアライメント時のマー
ク検出に好適なパターン認識装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より、半導体素子等の製造に使われるウェハは、
様々な装置を介して処理されるが、取り分けマスクやレ
チクルの回路パターンをウェハ上に転写する露光装置
（アライナー、ステッパー等）では、ウェハ上に回路パ
ターンともに形成されたアライメントマークを検出し
て、マスクやレチクルとウェハとを精密に位置合わせす
ることが必須となっている。通常、この作業のことを
「アライメント」と呼んでいるが、現在ではその意味が
広義に解釈され、単にウェハ上のマークを検出して、そ
の位置（レチクルに対する位置）を特定するまでの作業
をもって「アライメント」と呼ぶこともある。そしてス
テッパー等の場合では、レチクルとウェハとを実際に位
置合わせする動作のことは、「ステッピング」と呼ぶこ
ともある。

さて、そのアライメントのために露光装置には各種の
アライメントセンサーが装着され、現在半導体素子の製
造ラインで実用に供されている露光装置の多くは光学的
な自動アライメント系を備えている。その中で特に、ウ
ェハ上にレーザ光等のスポット光を照射し、このスポッ
ト光とウェハとを相対的に走査してウェハ上の特定位置
に設けられた微細なアライメントマークからの光情報
（散乱光、回折光等）を光電検出する方式は、現時点で
は良好な検出精度が得られるアライメント方式として多
用されてきている。このアライメント方式は、光電検出
された信号に基づいてスポット光とウェハとの走査位置
でアライメントマークからの光情報が得られた位置を検
出することによって、ウェハのマスク（又はレチクル）
に対する位置を決定するものである。さらにこのアライ
メント方式は２種類に分けられ、一方はアナログの光電
信号は所定のスライスレベルで２値化して、その２値化
信号と走査位置に応じたクロックパルスとのもとでマー
ク位置をデジタル的にカウントして決定するものであ
り、他方はアナログの光電信号を走査位置に応じてデジ
タルサンプリングして信号波形をメモリ上に記憶し、そ
の信号波形上の特徴からマーク位置を算出するものであ
る。

また他の検出方式のアライメントセンサーとして、ウ
ェハ上のマークを顕微鏡で観察し、その拡大像をビジコ
ン、CCD等の撮像素子で光電検出し、マークに応じた画
像（ビデオ）信号を処理することで、マーク位置を検出
するものも使われている。この場合、撮像素子はウェハ
表面のマークを含む局所領域の像を複数の走査線で構成
されたフレーム単位で受光するため、１本、又は複数の
走査線に対応したビデオ信号を抽出して、画素（ピクセ
ル）毎に信号レベルをデジタルサンプリングして波形と
してメモリに記憶した後、デジタル演算処理によってマ
ーク位置を算出している。

このような画像処理方式のアライメントセンサーは、
通常は明視野でマーク像を受光するが、撮像素子に至る
光学系路内の瞳面（フリーエ面、又は対物レンズの前側
焦点面）に空間フィルターを設けたり、あるいはウェハ
上の撮像領域に対して暗視照明を行なう照明系を設ける
ことによって、マーク像を暗視野で受光してビデオ信号
を得ることもある。また先に述べたスポット光走査方式
のアライメントセンサーでも、明視野方式でマーク等か
らの光情報を光電検出することもできる。いずれの方式
を用いても、マーク検出にあたっては、ウェハ上のマー
クを含む局所領域の位置検出方向に関する光学的、又は
物理的な特性変化に応じたアナログ信号を発生させ、そ
のアナログ信号を解析することによって、マークを認識
せざるを得ない。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のこの種のアライメントセンサーでは、スポット
光（又は走査線）によってウェハ上の局所領域（又はそ
の像）を走査するため、走査軌跡上にゴミや傷あるいは
マークに類似した表面の不整（凹凸）等が存在すると、
これら欠陥部からもマークからの光情報と同等の光情報
が発生し、それをマークと誤認識することがあった。ま
たウェハのマークが走査範囲内（計測範囲内）に位置す
るようにウェハとアライメントセンサーとをプリアライ
メントしておかないと、このマークが検出できないとい
う問題点もあった。特にアライメントマークの付近に微
細なパターン構造の回路部分が存在し、プリアライメン
トの精度が劣化した場合には、ミスアライメントを起す
といった問題が生じる。

本発明はこの様な問題点に鑑みてなされたもので、特
定のマーク（パターン）を誤認識することなく正確に、
しかも高速に見つけ出す装置を提供することを目的とす
る。

さらに本発明は、位置決定すべき物体の表面に形成さ
れたパターンを検出する際、本来のパターンからの情報
以外にランダムなノイズとなり得る情報が混在する場合
であっても、高い精度でかつ高速に本来のパターンを識
別する装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決する為の手段〕

かかる問題点を解決するため本発明においては、所定
のパターンが位置検出すべき方向に所定間隔で複数形成
された物体を保持する保持手段と、複数のパターンに応
じて強度変化する信号を出力する検出手段とを有し、信
号の強度を解析することによって所定のパターンうち特
定のパターンを認識する装置において、検出手段の信号
を記憶する記憶手段と；記憶手段に記憶された信号か
ら、順次複数のパターンの所定の間隔に応じた位置関係
の複数の信号値を読み出し、複数の信号値を合成して合
成信号を合成する合成手段と；合成信号の強調された信
号部分を検出することによって特定のパターンの位置を
識別する識別手段とを備えたことを特徴とする。

又、本発明における合成信号は、記憶手段に記憶され
ることを特徴とする。

又、本発明における識別手段は、合成波形で強調され
識別された特定のパターンの位置に基づいて、特定のパ
ターンの位置を決定する位置決定手段を含むことを特徴
とする。

又、本発明における識別手段は、合成波形で強調され
識別された特定のパターンの位置に基づいて、複数のパ
ターンのうち少なくとも一つのパターンの信号を用いて
複数のパターンの位置を決定する位置決定手段とを含む
ことを特徴とする。

かかる問題点を解決するため本発明においては、所定
の複数のパターンに応じて強度変化する信号の波形を解
析することによって特定パターンを認識するパターン認
識方法において、複数のパターンの所定の間隔に応じた
位置関係の複数の信号値を順次読み出し、複数の信号値
を順次合成し、合成により得られた合成信号の強調され
た信号部分を検出することによって複数のパターンの位
置を識別することを特徴とする。

〔作用〕

本発明においては、ビデオ信号、あるいはレーザビー
ムの相対走査によって得られるアナログ信号等の波形デ
ータ（デジタル又はアナログ）を、複数（２つ以上）の
パターン、あるいは単なるエッジの設計上の間隔量だ
け、間隔方向にシフトさせた波形とシフト前の波形とを
加算（又は乗算）によって合成することで、特定パター
ンの波形上の位置に対応した部分波形のみを強調するこ
とができる。このため元々のアナログ信号に重畳してく
るノイズ（ランダム成分）が多い場合でも、合成波形上
では相対的にS/N比が向上し、特定パターンの認識（電
気的な弁別、演算による弁別）率が極めて高くなるとい
った利点がある。

〔実施例〕

本発明においては、基本的に次の２つの事項を前提と
している。

物体上にほぼ同一形状のパターン（又は単なるエッ
ジ）の複数（２つ以上）を位置検出方向に設計上で決め
た所定の間隔で形成しておくこと。

それら複数のパターンを位置検出方向に関して走査
して、各パターンの光学的、又は物理的な特性変化に応
じたアナログ信号を得ること。

この、の構成を有するものであれば、原理的には
どのような分野にも応用できるが、ここでは半導体製造
装置又は半導体検査装置のアライメントセンサーに本発
明を適用した場合に限って実施例を説明する。上記、
の構成を備えた露光装置用のアライメント方式は、例
えば特開昭60−256002号公報に開示され、公知であるの
で、アライメントセンサーについては以下第１図、第２
図を用いて簡単に説明する。

第２図は本発明の第１の実施例によるパターン認識装
置がアライメントセンサーとして適用される投影露光装
置の構成を示す図である。回路パターンを有するレチク
ルＲとウェハＷとの間には、少なくともウェハ側（像
側）がテレセントリックな投影レンズPLが設けられ、ウ
ェハＷはステップアンドリピート露光時、あるいはアラ
イメント時に２次元的にｘ、ｙ移動するようにステージ
ST上に記載される。このウェハＷにはレチクルＲとのア
ライメントのために、例えば回折格子状のマークWMの複
数本が形成される。第１図はウェハＷ上でのマーク配置
を示し、ここではｙ方向に伸びた同一形状の３本のマー
クM₁、M₂、M₃がｘ方向に間隔D₁、D₂で形成されているも
のとする。マークM₁、M₂、M₃の夫々はｙ方向に微小な矩
形要素（凸部、又は凹部）を1:1のデューティで一列に
並べた回折格子であり、これらの光ビームを垂直方向か
ら照射すると、ｙ軸とｚ軸（ウェハ面と垂直）とを含む
面内で広がって反射する回折光が得られる。

さて、第２図において、レーザ光源１からのレーザビ
ームLBはシリンドリカルレンズ２、ビームスプリッタ
３、対物レンズ４、及びミラー５を介して投影レンズPL
の瞳epの中心に向かって入射する。投影レンズPLはウェ
ハＷ上にレーザビームLBを垂直に照射させ、ウェハＷ上
には第１図に示したようにｙ方向に伸びたシート状（又
はスリット状）のスポット光SPが結像する。ウェハＷ上
のスポット光照射部から生じる光情報は、投影レンズPL
を介して元の照明光路を逆進し、ミラー５、対物レンズ
４を介してビームスプリッタ３で反射され、リレー系６
を通って空間フィルター７に達する。リレー系６は空間
フィルター７の位置に投影レンズPLの瞳epの像を結像す
るもので、空間フィルター７は瞳epと共役に配置され
る。空間フィルター７はウェハＷからの光情報のうち、
マークWM（M₁、M₂、M₃）からの特定次数の回折光（又は
散乱光）のみを空間的に分散抽出するもので、抽出され
た回折光等は集光レンズ８によって光電素子（フォトマ
ル等）９の受光面に集められる。増幅器（AMP）10は光
電素子９からの光電信号を一定量だけ増幅し、増幅され
た光電信号はアナログデジタル変換器（ADC）11に入力
し、信号レベルに応じたデジタル値に変換される。その
デジタル値は信号波形記憶（取り込み）用のメモリ（RA
M）12に順次格納される。ADC11の変換タイミングやRAM1
2のアドレス設定はカウンタ回路（CNT）13によって行な
われる。CNT13は、ステージSTの位置を計測するレーザ
干渉計14からのアップ、ダウンパルス信号（例えばステ
ージSTが0.01μｍ移動する毎に１パルスとなる信号）を
ステージコントローラ15を介して入力する。またウェハ
ステージSTの移動はステージコントローラ15の管理のも
とにモータ16で行なわれ、ステージSTの移動位置決めは
主制御部（CPU）17とステージコントローラ16との間で
指令や情報をやり取りすることによって行なわれる。高
速演算専用のプロセッサー（Ｂ′S P）18はRAM12に取り
込まれた信号波形の特徴等に基づいて、マークWMの位置
を高速に算出し、その結果をCPU17に出力する。CPU17は
決定された位置を基準にして、干渉計14の計測座標値を
モニターしながらステージSTを任意の位置に移動させ
る。具体的には、レチクルＲの回路パターンの投影像が
ウェハＷ上の所定の領域（ショット領域）と合致するよ
うに位置決めする。

尚、CNT13によるRAM12のアドレス指定は、ADC10から
の波形データを書き込む時だけ行なわれ、RAM12からデ
ータを読み出す時はBSP18がCNT13の代りにアドレス指定
を行なう。また第２図では模式的に示したがレーザビー
ムLBのスポット光SPはＸ方向用とＹ方向用の２組が投影
レンズPLを介してウェハＷへ投射され、干渉計14もＸ方
向用とＹ方向用との２軸が設けられている。

第３図は、Ｘ方向用、Ｙ方向用のスポット光SPx、SPy
の投影レンズフィールドIF内での平面配置を示す。第３
図では投影レンズPLの光軸が通る点をXY座標系の原点と
仮定し、そのＸ軸とＹ軸の夫々にレーザ干渉計の測長軸
が一致しているものとする。Ｙ方向に伸びたスポット光
SPxはＹ軸上のフィールドIF内の周辺に固定され、Ｘ方
向に伸びたスポット光SPyはＸ軸上のフィールドIF内の
周辺に固定されるが、必らずしも正確ではない。一方、
レチクルＲの回路パターン領域PAの中心Rcも、レチクル
アライメント時の残留誤差やシステムオフセットによっ
て投影レンズPLの光軸（XY座標系の原点）とは必ずしも
一致していない。そこでレチクルＲがステッパーに装着
されてアライメントされた後、レチクルＲの中心Rcとス
ポット光SPxとのＸ方向のずれ量ΔBxと、中心Rcとスポ
ット光SPyとのＹ方向のずれ量ΔByとを、他のアライメ
ントセンサーやステージST上の基準マークを用いて予め
測定しておく。このずれ量（ΔBx、ΔBy）はベースライ
ン量と呼ばれるもので、以降そのレチクルＲが変換され
るまで、又はベースライン量の再測定が行なわれるま
で、CPU17内に定数として記憶される。

さて、スポット光SPとマークWMとの相対走査によって
光電素子９から発生したアナログ信号波形はデジタルデ
ータとしてRAM12に記憶されるが、その相対走査の範囲
は、第１図においてはマークWMのＸ方向の全幅とウェハ
Ｗのプリアライメント精度とを考慮して決められる。CP
U17は、RAM12に波形データを書き込み始めたときのステ
ージSTの座標位置（X₀）を記憶する。こうしてRAM12に
書き込まれた波形データのアドレス値はステージSTの0.
01μｍ毎の位置と、一義的に対応したものとなる。BSP1
8はその波形データを処理するものであるが、本実施例
ではそれを全てプログラムされたソフトウェアによる演
算で実行する。

以後、本実施例ではマークWM内の中央のマークM₂を検
出すべき特定のパターンとして考えることにし、第１図
に示されているように、マークM₁とM₂のＸ方向の中心間
隔D₁とマークM₂とM₃の中心間隔D₂とは、パターン認識上
有利になる様に異なった値（ここではD₁＜D₂）にしてお
く。より好しくは、各マークM₁、M₂、M₃のＸ方向の幅を
ｌとしたとき、D₁＜D₂＋ｌの条件とするのがよい。もち
ろん、各マークM₁、M₂、M₃に対応した信号波形部分が全
て分離するようにマーク幅ｌ、スポット光SPの幅、及び
間隔D₁、D₂の各値が決められる。

次に第４図、第５図を参照して、BSP18の波形処理を
説明する。第４図はBSP18内の処理アルゴリズムの流れ
を示し、第５図はRAM12内の波形データとその処理の様
子を示す。第５図（Ａ）は、第１図のようにスポット光
SPがマークM₁から順にマークM₃まで相対走査したときに
RAM12内に得られた波形データを示し、以後、これを原
波形データと呼ぶ。第５図で横軸はＸ方向の走査位置に
対応したRAM12のアドレス値（１番地あたり0.01μｍ）
を表し、縦軸は信号強度Ｓを表す。第５図（Ａ）のよう
に、原波形データはサンプリング・ポイント数をSDとし
て、RAM12内のアドレス値MsからMs＋SDまでの間に格納
されているものとする。また、RAM12内にはシフト加算
をした後の波形データを格納するための領域が確保され
ており、それはアドレス値M₀からM₀＋SDにあるものとす
る。

さて、BSP18内には、RAM12のアドレス指定のために複
数のアドレスポインターIXn（ｎ＝０、１、２、３…）
が設定されているものとする。さらにBSP18内には，マ
ークM₁とM₂き中心間隔D₁（μｍ）に対応したポイント数
（アドレス数）Faと、マークM₂とM₃の中心間隔D₂（μ
ｍ）に対応したポイント数Fbとが予めセットされてい
る。第４図に示すように、BSP18はステップ100におい
て、ポインターIX₀には原波形データ上のスタートアド
レス値Msをセットし、ポインターIX₁には原波形データ
上のスタートアドレス値Msからポイント数Faを差し引い
た値（Ms−Fa）をセットし、ポインターIX₃には原波形
データ上のスタートアドレス値Msにポイント数Fbを加算
した値（Ms＋Fb）をセットし、ポインターIX₄には、加
算合成した結果の波形データを格納するためのスタート
アドレス値M₀をセットするとともに、処理ポイント数SD
をカウントするレジスタｒに零をセットする。次にBSP1
8は、ステップ102でRAM12に記憶された原波形データ中
から３つのアドレス値に格納されているデータRAM（IX₀
＋ｒ）、RAM（IX₁＋ｒ）、RAM（IX₂＋ｒ）を読み出して
加算し、その加算値をデータDTとして求める。そしてBS
P18は次のステップ104において、そのデータDTをRAM12
のアドレス（IX₃＋ｒ）へ格納した後、レジスタｒをイ
ンクリメント（ｒ＋１）する。次にBSP18は、レジスタ
ｒのカウント数がSDよりも大きくなったか否かを判定し
（ステップ106）、小さいときは再びステップ102からの
動作を実行する。ステップ106でｒ＞SDが真と判断され
ると、シフト加算の演算は全て終了し、RAM12のアドレ
スM₀〜M₀＋SDには、第５図（Ｄ）に示すように、第５図
（Ａ）の原波形データに対してFaだけ右にずれた第５図
（Ｂ）の波形データと、原波形データに対してFbだけ左
にずれた第５図（Ｃ）の波形データとが、原波形データ
とともに加算される。

以上のフローチャートは、ほんの一例にすぎず、同等
の機能をはたすものであれば、どのようなアルゴリズム
でもかまわない。さて、BSP18は第５図（Ｄ）の波形デ
ータから、最も大きな波高値を示すポイント位置PXを求
め、そのポイント位置PXに対応した原波形データ上のポ
イント値（アドレス値）を決定する。実際にマークM₂の
中心位置を決定するには、第５図（Ｄ）の波形データを
使う場合と、第５図（Ａ）の原波形データを使う場合と
の２通りが考えられる。第５図（Ｄ）の合成波形を用い
た場合は、３つのマークM₁、M₂、M₃の夫々に対応した波
形部分の加算であるために、個々の波形歪みの影響によ
って合成波形部分の歪みが大きくなることもある。従っ
て、精密にマークM₂の位置を検出するには、原波形デー
タに基づいて波形解析を行なった方が望ましく、第５図
（Ｄ）の合成波形はあくまでも真のマークのサーチ（認
識）目的のためだけに使った方がよい。もちろん波形歪
みが少ない場合等は、合成波形の波形解析によってマー
ク位置を決定してもよい。一般的な波形解析とては、特
定のマーク波形部分の立上りと立下りで、最も急峻な部
分に対応したレベルでスライスを行ない、そのスライス
レベルと波形立上り部、波形立下り部の各交点位置を求
め、その中点をマークM₂の中心位置として算出する手
法、マーク波形部分の立上り、立下りを低いスライスレ
ベルと比較して２つの交点位置に求め、その間の波形の
重心（積分値を1/2にする位置）を中心位置とする手法
等がある。

以上、本実施例ではマークM₁、M₂、M₃の各間隔D₁、D₂
を異なった値にしたため、原波形データを正方向にFaだ
けシフトした波形データと、負方向にFbだけシフトした
波形データとの合成波形は、位置PXでのみ３つのマーク
波形部分が合成されて強調されることになり、認識が極
めて容易になる。もちろん、マーク間隔はD₁＝D₂として
も全く同様にして特定マークの認識ができる。しかしな
がら、３つのマーク波形部分に信号強度差が生じた場
合、あるいはマークM₁、M₂、M₃以外の部分に強いノイズ
が発生した場合には、検出能力（波形の強調度）が低下
する可能性もある。さらにサーチ用のマークは最低２本
あれば、同様に波形合成による強調化が可能であるが、
本実施例のように、少なくとも３本のマークが異なった
間隔で配置されたとき、極めて強い認識力を持つ。その
一例を第６図を参照して説明する。第６図（Ａ）は原波
形データを示し、ここでは特定マークM₂に対応した波形
部分のレベルが、他のマークM₁、M₃の夫々に対応した波
形部分のレベルと比べて小さくなり、かつ、ノイズＮに
よる波形部分が特定マークM₂に対して−2Faの位置に、
信号強度（マークM₁、M₃）と同程のレベルで混在すると
いう。極めて悪い条件を想定する。従来のように原波形
データのみを解析してマークM₂を認識しようとする場
合、極めて高い確率でマークM₁をマークM₂と誤認識して
しまう。ところが本実施例のように、原波形に対して正
方向にFaだけシフトさせた第６図（Ｂ）の波形データ
と、負方向にFbだけシフトさせた第６図（Ｃ）の波形デ
ータと、さらに原波形との３つを加算すると第６図
（Ｄ）のような合成波形が得られ、位置C₀で最大値S₀が
得られる。ここで第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）から明
らかなように、位置C₀ではマークM₁、M₂、M₃の３つの部
分波形が全て合成されるのに対し、第６図（Ｄ）中、位
置C₀の左側に現われる次に大きな合成波形は、マークM₁
とノイズＮの各部分波形の合成によって得られたもので
あり、第６図（Ｃ）のようにマークM₂の部分波形はそこ
から（Fa−Fb）だけずれるために合成には寄与しない。
従って、たとえ大きなノイズＮがたまたま設計間隔（F
a、又はFbだけ離れた位置に現れたとしても、本実施例
による波形合成の手法を使うと、極めて容易に特定マー
クを認識することができる。

第７図は本発明の第２の実施例による処理回路のブロ
ック図であり、第１の実施例がソフトウェア上でパター
ン認識したのに対し、本実施例ではハードウェア上で同
様の認識をリアルタイムに行なう。本実施例でもウェハ
Ｗ上のマーク配列は第１図と同じであり、従って走査に
よって得られる光電信号も第５図（Ａ）、又は第６図
（Ａ）と同様のアナログ波形となる。さて、第７図にお
いて、AMP10からの光電信号のレベルはADC11により逐次
デジタルデータ（例えば８ビット）DT₀に変換される。
このデジタルデータDT₀はそのままRAMボート12′へ送ら
れ、原波形データとして記憶される。さらにデータDT₀
はデジタルシフトレジスタ（SR）20によって、マーク間
隔D₂に対応したポイント数Fb分だけ遅れたデータDT₁と
なって、次のシフトレジスタ（SR）21に入力する。SR21
は、マーク間隔D₁に対応したポイント数Fa分だけデータ
DT₁を遅らせたデータDT₂を出力する。これらSR20、21の
データシフト動作はCNT13から出力されるパルス（１パ
ルスあたり0.01μｍ）に同期して行なわれる。このパル
スはCNT13の最下位ビットから作られるものとする。各S
R20、21からのデータDT₁、DT₂は加算器（ADD）22で１シ
フト動作毎に加算され、その加算データDT₃は次の加算
器（ADD）23によって、原波形のデータDT₀と加算され
る。ADD23での加算データDT₄はRAMボード12′へ送られ
ると共に、ピークホールド回路（PH）24へ送られる。PH
24は、CNT13から時系列的に出力されるパルス（最下位
ビット等）に同期して、データDT₄を入力すると共に、
それまでにホールドされているデータとの大小関係を比
較し、新たに入力したデータDT₄の方が大きいときは、
その新たなデータDT₄をホールドすると同時に、ラッチ
回路（LT）25にトリガパルスTPを出力する。LT25はPH24
からのトリガパルスTPを受けたときだけ、CNT13からの
カウント値（RAMボート12′に対するアドレス値）を記
憶する。

従って、所定の範囲を走査して原波形データの取り込
みが完了した時点で、LT25にはマークM₃に対応するアド
レス値が記憶される。CPU17はLT25にラッチされたアド
レス値に基づいて、マークM₂のアドレス値（ポイント数
Fbだけ離れた点）を算出する。ここで各データDT₀、D
T₁、DT₂、DT₃、DT₄の発生の様子を模式的に第８図に示
す。第８図（Ａ）は原波形データDT₀を示し、RAMボード
12′のアドレスMsから逐次記憶されていく。SR20、21の
内容は処理開始前に全て零クリアされており、SR20は第
８図（ｂ）のように、データDT₀が発生し始めてからポ
イント数Fbまでは零を出力し、その後データDT₀の遅延
されたデータDT₁を出力する。さらに第８図（Ｃ）のよ
うに、データDT₁の発生からポイント数Fa分だけ遅れて
データDT₂が出力される。従って３つのマークM₁、M₂、M
₃の夫々に対応した部分波形はアドレスPX′の位置、す
なわち原波形データ中のマークM₃の波形部分で合成され
る。第８図（Ｄ）は波形データDT₁とDT₂の合成波形デー
タDT₃を表し、第８図（Ｅ）は波形データDT₃と原波形デ
ータDT₀との合成波形データDT₄を表わす。この波形デー
タDT₄はRAMボード12′のアドレスM₀から順次記憶されて
いる。PH24が最後にトリガパルスTPを出力するのは、ア
ドレスPX′でデータDT₄の最大値が得られたときであ
り、LT25はそのときのCNT13のカウント値（例えば原波
形上のアドレス値）をラッチしている。従って、本実施
例の場合、合成波形上で直接認識されるのはマークM₃の
位置となる。さらにそこから負方向にFbだけアドレスシ
フトしたところにマークM₂が存在するのは自明のことで
ある。以上本実施例について説明したが、本実施例で
は、シフトレジスタ20、21が本発明の記憶手段に相当
し、ADD22、23が本発明の合成手段に相当し、そしてPH2
4、LT25が本発明の識別手段に相当する。

次に本発明の第３の実施例を、第９図（Ａ）、
（Ｂ）、（Ｃ）を参照して説明する。本実施例では、ウ
ェハＷ上のパターンを撮像素子で検出して、そのビデオ
信号を波形解析する方式のアライメントセンサーを用い
る。撮像素子としてはビジコン等の撮像管でも全く同じ
であるが、ここでは２次元CCDカメラを用いるものとす
る。第９図（Ａ）に示すように、ウェハＷ上のパターン
は、テレセントリックな対物レンズ30、ビームスプリッ
タ31、結像用レンズ系32、共役指標板33、及び再結像レ
ンズ34を介してCCDカメラ35の撮像面上に拡大結像され
る。またウェハＷへの照明は、ファイバー束36の射出端
を対物レンズ30の瞳面epに配置したケーラー照明法で行
なう。さらに指標板33は透明ガラス上に遮光層で指標マ
ークを形成したものであり、CCDカメラ35からのビデオ
信号をCRT上に表示すると、第９図（Ｂ）のように観察
される。第９図（Ｂ）で、フレームFRの左右には指標マ
ークRMa、RMbが位置し、その間にウェハＷ上のマークM
A、MBが存在するようにプリアライメントされる。CCDカ
メラ35の水平走査線をSL₁…SL_nとすると、指標マークRM
a、RMbとウェハマークMA、MBとは、水平走査線と直交す
る方向の直線エッジで構成される。またマークMA、MBの
走査線方向の幅は互いに異なるように決められ、さらに
マークMAとMBの間のスペース幅もそれらマーク幅とは異
なるように決められている。ここでのアライメントは、
第９図（Ｂ）のようにウェハＷを位置決めしたときのス
テージSTの座標値（X₀、Y₀）を記憶し、その状態で指標
マークRMaとRMbとの中点と、例えばマークMAとMBの間の
スペース部の中点との走査線方向の位置ずれ量（Δｘ）
を波形処理によって求め、先に記憶した座標値X₀をΔｘ
だけ補正しておくことで完了する。第９図（Ｃ）は１本
の水平走査線に沿って得られたビデオ信号波形の一例を
示し、走査方向はｘ方向と一致しているものとする。ビ
デオ波形上の左右には指標マークRMa、RMb（黒レベル）
に対応した波形部分REa、REbが生じる。この波形部分は
ウェハＷ上の光学的な特性変化とはほとんど無関係に、
常に良好なコントラストで現れる。しかしながらウェハ
Ｗ上のパターンについては照明光の波長やパターンの材
質、表面処理等によってかならずしもきれいな波形には
ならない。第９図（Ｃ）において、ビデオ波形はマーク
MAの左右のエッジでボトム波形AEl、AErとなり、マーク
MBの左右のエッジでボトム波形BEl、BErとなる。このよ
うにマークエッジでボトムになるのは明視野観察の場合
であって、例えば観察光路中の瞳面epに正反射光（０次
光）カット用の空間フィルターを入れた暗視野観察で
は、マークエッジのところでピーク波形となる。

さて、CCDカメラを用いた場合も、水平走査線内の各
画素毎に信号レベルをデジタル値に変換してフレームメ
モリ等に記憶すれば、後の処理は第１実施例と全く同様
に実行できる。CCDカメラのビデオ信号を使う場合、通
常はフレームFR内の２本以上の水平走査線の夫々に対応
したビデオ波形を垂直方向の画素について加算して平均
化する処理が行なわれる。従って平均化された後のビデ
オ波形に対して、ボトム波形REaとREbとの間の波形に対
して、ボトム波形REaとREbとの間の波形のみを抽出し
て、第１実施例と同様に横シフト合成を行なうとよい。
一例として、マークMAの幅に対応した水平画素数をQa、
マークMBの幅に対応した水平画素数をQb、そしてマーク
MAとMBの間のスペース幅に対応した画素数とQcとしたと
き、Qb/Qc＝1.5、Qa/Qc＝2.0に設定した場合を想定す
る。第９図（Ｃ）を原波形として、これに対して右（ア
ドレス増加方向）に画素数Qc分だけシフトした右シフト
波形と、原波形に対して左に画素数Qb分だけシフトした
左シフト波形とをそれぞれ加算すると、原波形上のボト
ム波形BElの位置で、右シフト波形上のボトム波形AErと
左シフト波形上のボトム波形BErとが重なって強調さ
れ、他の位置では全く重なり合うボトム波形が生じな
い。従って、この例ではボトム波形BElが特定のマーク
エッジ位置として認識される。この位置がわかれば、ボ
トム波形AErの位置もわかるので、原波形上でボトム波
形AErとBElとの中点を求めればよい。尚、ここでは１つ
のボトム波形部分がマークの１つのエッジに対応すると
して考えたが、マーク幅そのものが極めて小さくなる
と、マークの左右のエッジは１つのボトム波形として現
われるので、極めて細い線状マークの複数本にしても全
く同じ処理が可能である。

以上、CCDカメラ等の２次元撮像素子を用いる場合、
多数の走査線からのビデオ波形の平均化と、横シフト加
算とを混在させることもできる。

例えばフレームFR内で水平走査線30本分のビデオ波形
を抽出する場合、２本おきに10本分のビデオ波形は原波
形として使い、他の２本おきの10本分のビデオ波形は例
えば右シフト波形として使い、残りの２本おきの10本分
のビデオ波形は左シフト波形として使い、計30本分のビ
デオ波形を加算合成しても同様に特定マーク、又は特定
エッジで強調された波形が得られる。ただしより精密に
マーク位置を求めるには、原波形信号のみを再度解析す
るのが好しい。

第10図は他のマーク形状による変形例であり、第10図
中、SL₁、SL₂、SL₃は、レーザビームのスポット（シー
ト状、又は単なる円）の走査線、あるいはテレビカメラ
の水平走査線を表し、マークMCは台形状で左右のエッジ
E₁、E₂は走査線に対して45°だけ傾いている。３本の走
査線SL₁、SL₂、SL₃の夫々は走査と直交する方向に一定
間隔Ｋだけ離れている。そこで例えばエッジE₁を認識す
るには、走査線SL₁にそって得られた信号を原波形と
し、走査線SL₂に沿って得られた信号波形を右へＫだけ
シフトし、走査線SL₃に沿って得られた信号波形を右へ2
Kだけシフトして、それぞれ原波形と合成すればよい。
エッジE₂の認識には、左シフトを同様に行なえばよい。

以上、本発明の各実施例では、いずれも光電信号（ビ
デオ信号）を処理する場合について説明したが、それ以
外に、電子ビームのスポットを物体上で走査して特定の
パターンやエッジ位置を認識する場合でも全く同様に実
施できる。この場合、物体から生じる２次電子や散乱電
子の量が、電子ビームの走査位置に応じて変化すること
から、同様のアナログ信号が得られる。

また各実施例では、いずれもデジタル値に変換した後
でシフト加算を行なったが、アナログ信号の遅延素子
（BBD等）を用いて第７図と同様の手法で遅延した信号
と原信号との合成を行なってもよい。この際、遅延素子
は相対走査の位置変化に対応して発生するパルス、又は
タイマー回路から出力されるクロックパルスに応答し
て、アナログデータのシフト動作を行なうものが好し
い。ただし、アナログ信号のままで遅延を行なってシフ
ト加算を行なうと、合成波形（アナログ）には比較的大
きな歪みが加わることになるので、ラフな位置認識とし
て使うのがよい。

以上、同様のアナログ信号を得る形式としては、対物
レンズを介して拡大されたマーク像を微小スリットで走
査し、そのスリット透過光をフォトマル等で光電検出す
る方式、そのスリットは固定したまま、対物レンズから
のマーク像の光束をスリットの幅方向にミラー等で揺動
する方式等が同様に適用される。さらに、レーザビーム
を回転ポリゴンミラー、カルバノミラー等で偏向し、テ
レセンリック対物レンズを介してスポット光に集光させ
て一次元走査する方式でもよい。この場合、レーザビー
ムの偏向角（偏向位置）に同期してサンプリングパルス
を発生させれば、走査位置に対応した信号波形データが
メモリに抽出される。

以上、本発明の各実施例を説明したが、各実施例で
は、合成波形を得るのにシフト加算を行なった。しかし
ながら、その他シフトした波形とシフト前の波形との乗
算によっても同様の効果が得られる。ただしソフトウェ
ア上のプログラム処理では単純な加算に比べて多少時間
がかかるといった難点もある。そこでより高速な乗算強
調を行なうために、原波形データをメモリに取り込んだ
後、マーク間隔に応じた量だけ原波形に対して左右にシ
フトした波形を所定のスライスレベルで２値化した２値
化シフト波形を作っておく。そしてこの２値化シフト波
形上で「１」になっているサンプリングポイントに対応
した原波形上のデジタルデータは、MSD（最上位ビッ
ト）方向に１つだけシフト（２倍）し、２値化シフト波
形上で「０」になっているサンプリングポイントに対応
した原波形上のデジタルデータはLSD（最下位ビット）
方向に１つだけシフト（1/2倍）するようにすれば、原
波形データのマークに対応した波形部分（スライスレベ
ル以上の部分）は、他の部分に対して最大４倍に強調
（エンハンスメント）される。この場合、サンプリング
データ中に背景ノイズが低いレベルで存在していると、
そのノイズ部分がデータ上で零になり、特定マーク部分
は過大なレベルになるといった顕著な合成波形が得られ
る。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、検出したアナログ信号の強度
変化やノイズ等による擬信号に対しても、常に高いパタ
ーン認識力を持たせることができるので、物体上の広い
領域から特定パターンのみを確実に検出することができ
るといった効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に好適なマーク配置を示す平面
図、第２図は本発明の第１の実施例によるパターン認識
装置が適用される投影型露光装置の構成を示す図、第３
図は第２図の装置における投影視野内のスポット光の配
置を示す平面図、第４図は第１の実施例による動作を説
明するフローチャート図、第５図は第４図に示した動作
に伴って処理される波形データを示す図、第６図は他の
信号波形に対する処理の様子を示す波形図、第７図は第
２の実施例によるパターン認識装置の構成を示す回路ブ
ロック図、第８図は第７図に示した回路で処理される波
形データを示す図、第９図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の第３の実施例
によるパターン認識装置の構成と信号波形とを示す図、第10図はマーク形状の変形列を示す平面図である。〔主要部分の符号の説明〕Ｗ……ウェハ、WM、MA、MB、MC……ウェハマーク、M₁、
M₂、M₃……マーク要素、SP、SPx、SPy……スポット光、
10……アンプ、11……A/D変換器、12……メモリ（RA
M）、18……高速演算プロセッサ、20、21……シフトレ
ジスタ、22、23……加算器、24……ピークホールド、25
……ラッチ、35……撮像素子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のパターンが位置検出すべき方向に所
定間隔で複数形成された物体を保持する保持手段と、前
記複数のパターンに応じて強度変化する信号を出力する
検出手段とを有し、前記信号の強度を解析することによ
って前記所定のパターンうち特定のパターンを認識する
装置において、前記検出手段の信号を記憶する記憶手段と；前記記憶手段に記憶された前記信号から、順次前記複数
のパターンの所定の間隔に応じた位置関係の複数の信号
値を読み出し、前記複数の信号値を合成して合成信号を
合成する合成手段と；前記合成信号の強調された信号部分を検出することによ
って前記特定のパターンの位置を識別する識別手段とを
備えたことを特徴とするパターン認識装置。
【請求項２】前記合成信号は、前記記憶手段に記憶され
ることを特徴とする請求項１記載のパターン認識装置。
【請求項３】前記合成波形で強調され識別された前記特
定のパターンの位置に基づいて、前記識別手段は、前記
特定のパターンの位置を決定する位置決定手段を含むこ
とを特徴とする請求項１又は２記載のパターン認識装
置。
【請求項４】前記合成波形で強調され識別された前記特
定のパターンの位置に基づいて、前記識別手段は、前記
複数のパターンのうち少なくとも一つのパターンの信号
を用いて前記複数のパターンの位置を決定する位置決定
手段とを含むことを特徴とする請求項１、２又は３記載
のパターン認識装置。
【請求項５】所定の複数のパターンに応じて強度変化す
る信号の波形を解析することによって複数のパターンの
うち特定パターンを認識するパターン認識方法におい
て、前記複数のパターンの所定の間隔に応じた位置関係の複
数の信号値を順次読み出し、前記複数の信号値を順次合
成し、合成により得られた合成信号の強調された信号部
分を検出することによって前記特定のパターンの位置を
識別することを特徴とするパターン認識方法。