JP3058781B2 - 合焦点位置検出方法 - Google Patents

合焦点位置検出方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体露光装置
においてレチクルと装置、及びウエハと装置の位置を検
出する際に位置合わせマークの最適光学位置を自動的に
合わせる場合など、光学系レンズを利用して撮像するに
際し焦点合わせを行うことが必要な装置に好適に利用で
きる合焦点位置検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の自動焦点合わせ装置あるいは方法
においては、撮像して得られた画像データを微分し、微
分画像データを利用して評価関数を作り、各光学位置に
おける評価関数の極値を与える位置を合焦点とするもの
があった。その評価関数としては、微分画像データの絶
対値の最大値や、微分画像データの絶対値の総和
【０００３】
【数１】
【０００４】や、微分画像データの絶対値の２乗和
【０００５】
【数２】
【０００６】（但し、Ｄn は微分画像データの絶対値、
ｎは画面内またはある窓内の全画素に対するアドレスに
対応する指標）を用いるものがある（特開昭６２−２７
２２１６号公報参照）。
【０００７】具体的に説明すると、まずビデオカメラ等
の画像入力装置の出力（映像信号）から対象画像の各画
素における濃度データを得る。図１１に示すように、対
象物の画像の各画素に対応する画素濃度データａ、ｂ、
ｃ、・・を得るのである。
【０００８】次に、例えば図１１に示すように、注目画
素ｂとその周囲の３つの画素からなる１×３の部分画像
６０を設定して微分処理をする。この微分処理は、具体
的には図１３に示すような１列、３行の係数マトリック
スを使ったフィルタ処理にて行われる。
【０００９】図１３の係数マトリックスを使う場合、注
目画素に対し検出線上の左領域の画素の濃度データと、
検出線上の右領域の画素の濃度データの差を出す。図１
３の処理を数式で表すと以下の通りになる。
【００１０】演算結果＝〔ｃ〕−〔ａ〕 部分画像６０における処理が終わると、横に１画素分ず
らせ、画素ａが無くなり、代わりに画素ｄが右側に加わ
った部分画像６１を設定し、同様の処理を行い、終わる
と、再び１画素分ずらせて同じ処理を繰り返し行って、
次々と抽出処理して行く。
【００１１】こうして得られた微分画像データを用いて
上記のような評価関数を演算し、次いで対象物に対する
光学位置を異ならせ、上記処理を行って評価関数を演算
する。この動作を対象物に対する光学位置を順次異なら
せて行い、評価関数の極値を与える位置を合焦点位置と
している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例の微分画像データを利用して評価関数を作る方法で
は以下の問題がある。
【００１３】例えば、対象物及び対象物に対する光学位
置は図１１の場合と同じであるが光量が異なった結果、
図１２の示すように画素濃度データＡ、Ｂ、Ｃ、・・が
得られたものとする。ここで、図１１における部分画像
６０と、図１２における部分画像６２に属する濃度デー
タがそれぞれ図１４、図１５に示すようになった場合、
いずれも注目画素に対して検出線上の左・右領域の間に
ついて２倍のコントラスト（濃淡差）があり、画像上に
おいては視覚的には良く目立つものである。
【００１４】しかしながら、部分画像６０（図１４）の
場合、演算結果＝２０であり、他方部分画像６２（図１
５）の場合、演算結果＝４０であり、倍も違うために評
価関数の値が大きく異なってしまう。この例は極端であ
るが、合焦点位置検出のために対象物に対する光学位置
を順次異ならせて撮像する間に対象物を照射する照明の
光量が変動し、その結果評価関数の値が異なった場合に
は合焦点位置の検出精度に大きな影響を与えることにな
る。このような光量変動等に伴う濃度変動を大局的濃度
変動と呼ぶと、同じ光学位置でもこのように大局的濃度
変動によって評価関数が左右されると、合焦点位置の検
出精度が低下し、繰り返し再現性が低下してしまうこと
になる。
【００１５】これに対して、光量変動の程度に合わせて
評価関数を自動的に変動させることも考えられるが、光
量変動を的確に認識し、評価関数を自動的に変動するル
ーチンを組み入れると、処理アルゴリズムが非常に複雑
になり、抽出段階で時間がかり過ぎて実用的でなくなっ
てしまうという問題がある。
【００１６】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、大局
的な濃度変動がある場合でも、複雑な処理アルゴリズム
を必要とせずに、対象の濃淡画像から精度よく対象物の
光学系に対する合焦点位置を得ることができる合焦点位
置検出方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の合焦点位置検出
方法は、光学系に対して合焦されるべき対象物を含む量
子化された２次元画像データをその光学系を通して撮像
することによって得る工程と、この２次元画像データ内
に所定領域を設定する工程と、所定領域内の注目画素と
その特定方向線上の周辺の画素とからなる部分画像を設
定する部分画像設定工程と、注目画素に対し特定方向線
上の左右に左領域と右領域を設定する左右領域設定工程
と、左領域の各画素の濃度データを左領域用に設定した
一定方法で演算する左領域演算工程と、右領域の各画素
の濃度データを右領域用に設定した一定方法で演算する
右領域演算工程と、左、右領域演算工程の演算結果の比
を濃淡比として求める濃淡比演算工程と、濃淡比演算工
程を所定領域内で繰り返して濃淡比を用いた評価関数を
演算する工程と、対象物の光学的位置を変化させて上記
工程を繰り返すことによって各光学的位置における複数
の評価関数演算値を求める工程と、その結果に基づき対
象物の光学系に対する合焦点位置を得る工程とを備えた
ことを特徴とする。
【００１８】
【作用】本発明によれば、濃度データの演算結果の比を
とるため、画像の大局的濃度変動の影響をなくすことが
できる。即ち、大局的濃度変動の影響は、濃いにせよ薄
いにせよ部分画像に属する全濃度データに同じ係数
（α）がかかるという形で現れる。例えば、注目画素に
対して特定方向線上の左・右領域のうち、右領域に属す
る濃度データの中の最高の濃度データＭ＝αｍ、左領域
に属する濃度データの中の最低の濃度データＮ＝αｎと
すると、比をとれば、Ｍ／Ｎ＝αｍ／αｎ＝ｍ／ｎとな
り、大局的濃度変動の影響によるαは関係しなくなる。
これは、平均値でも最頻値の場合でも同じことである。
【００１９】従って、大局的濃度変動のある画像であっ
ても、大局的濃度変動に影響されずに必要な画素の抽出
が的確に行えることになる。それに、単に比をとるだけ
のことであるから処理アルゴリズムが複雑化するという
こともない。尚、大局的濃度変動に関しては対象物が変
わっても同じ現象がでることは言うまでもない。
【００２０】また、注目画素だけでなく特定方向に並ぶ
画素の分の濃度データが加味されているため、例えば一
部の濃度データが高い点的なものの影響は少なくなり抽
出が的確になされる。
【００２１】さらに、対象となる画像としては、例えば
半導体ウエハなどの工業製品の表面の合焦点検出用マー
クをビデオカメラ等で撮像した画像だけでなく、完全に
人工的に作った画像も挙げられる。
【００２２】
【実施例】以下、本発明の一実施例の合焦点位置検出方
法について図面を参照しながら説明する。なお、本発明
は下記の実施例に限らないことは言うまでもない。
【００２３】図１に本実施例の合焦点位置検出方法を実
施する装置の構成を、図２に合焦点位置検出動作の主要
部のフローチャートを、図３に部分画像を示す。
【００２４】図１において、上下のＺ方向に移動可能な
ステージ１上の対象物４の表面に向けてハーフミラー５
を介して照明装置６の光を照射するとともにハーフミラ
ー５を介して撮像装置２で対象物４の表面を撮像する。
この撮像装置２はＣＣＤセンサを備えており、各画素毎
の濃淡信号が得られ、これはデジタル化された形で演算
装置３に送り込まれる。演算装置３の中では、画素の行
と列に対応した形で、例えば８ビットの濃度データとし
て記憶部に格納される。なお、演算装置３に以下に述べ
る処理を実行するプログラムが設定されていることは言
うまでもない。
【００２５】ここでは、演算装置３で焦点の合う状態を
認識しながらステージ１を移動させ、最終的に焦点の最
も合うＺ方向の位置を検出する。
【００２６】次に、合焦点位置の検出動作を説明する。
図２において、まずステップ＃１の対象物の撮像工程
で、対象物画像の各画素の濃淡の程度を表す濃度データ
を作成する。
【００２７】次に、ステップ＃２の撮像された画像デー
タに対する累積濃淡比演算工程に移行する。この工程は
次のステップ＃３〜＃７の工程からなる。即ち、まずス
テップ＃３の部分画像設定工程を行う。本実施例の場合
は、図３に示すように、部分画像１０は１×５の５画素
構成である。次に、ステップ＃４の領域設定工程を行
う。部分画像の中心の注目画素１１に対し、左領域２画
素、右領域２画素を設定してある。そして、ステップ＃
５、＃６、＃７に進む。図３に従って注目画素１１に対
して右領域に属する濃度データの平均値ＡＶ１を求める
とともに、左領域に属する濃度データの平均値ＡＶ２を
求めた後、平均値ＡＶ１、ＡＶ２の濃淡比をとる。な
お、濃淡比は平均値ＡＶ１とＡＶ２の大きさを比較し、
以下のように定める。
【００２８】 ＡＶ１＞ＡＶ２の場合： 濃淡比＝ＡＶ１／ＡＶ２ ＡＶ１＜ＡＶ２の場合： 濃淡比＝ＡＶ２／ＡＶ１ ＡＶ１＝ＡＶ２の場合： 濃淡比＝１．０ 部分画像１０では、濃淡比の値は、１．１８となる。
【００２９】次に、横に１つ注目画素を移動させて同様
の処理を行い、以下同様の動作を繰り返して濃淡比を求
める。図４に示すように、濃淡比の値は順に、１．２
９、１．２７、１．１８、１．０２となる。
【００３０】このような処理を、図５に示すように、対
象物画像４０の中の合焦点検出用マーク４１部分に設定
した所定の領域４２の範囲で行い、この設定領域内で複
数の濃淡比を抽出した後これらの累積濃淡比を求める。
【００３１】その後、図１のステージ１を焦点移動方向
（Ｚ方向）に順次適当量づつ移動させながら、それぞれ
の位置で上記図２の処理を行い、各位置での累積濃淡比
を求める。図６は横軸にＺ方向位置、縦軸に累積濃淡比
を示している。ここでは、下限位置５０と上限位置５１
の間の範囲で１０点の累積濃淡比５３を求めている。
【００３２】合焦点位置としては最も大きい累積濃淡比
の値を持つ位置５２が選ばれる。
【００３３】また、図７に示すように、複数抽出した位
置とその位置の累積濃淡比５３から近似曲線５５を計算
し、近似曲線５５の最も大きい値を持つ位置５６を合焦
点位置とする場合も考えられる。この場合は、検出位置
精度は非常に高まる。
【００３４】上記実施例では、評価関数として累積濃淡
比を用いたが、濃淡比を２乗して累積したものなど任意
の評価関数を採用することができる。
【００３５】また上記実施例の場合、画素を１個分づつ
移動させて部分画像の設定を行い、非常に細かな走査を
するようにしたが、画像によっては、部分画像の設定に
際し、画素を１個飛び（あるいは２個飛び）に移動さ
せ、飛び越し走査するようにしてもよい。飛び越し走査
する場合は、処理時間が少なくて済む。
【００３６】また、部分画像の設定に際しては、図８に
示すように、検出線方向に対して左領域Ｌ２、右領域Ｌ
３、厚みＬ４を設定するが、この幅は限定されない。
【００３７】また、図９に示すように、不感帯領域Ｌ１
を設定してもよい。この場合、処理時間が少なくて済
む。
【００３８】また、普通、注目画素とその周りの画素か
らなる長方形のものが挙げられるが、これに限らず大き
さや形が異なってもよい。例えば、円形などのかたちで
もよい。また普通、注目画素は部分画像の中心に位置す
るが、例えば２×６画素数の部分画像を設定した場合な
どのように、部分画像の中心と完全には一致しない場合
もあるが、本発明の場合はこのような不完全一致の場合
であってもよい。
【００３９】また、領域の演算方法の種類としては、
平均値を算出する、最頻値を選出する、左領域は最
高値を、右領域は最低値をそれぞれ選出する、左領域
は最低値を、右領域は最高値をそれぞれ選出する、総
和を算出するなどが挙げられるが、限定されるものでは
ない。
【００４０】また、複数抽出した位置と累積濃淡比から
近似曲線を求める場合の方法は、重回帰分析による放物
線の当てはめ、スプライン関数の適用等、様々な方法が
考えられるが、その方法は限定されない。
【００４１】最後に、本発明の合焦点位置検出方法の適
用対象の一つである半導体露光装置の全体構成を図１０
に示す。図１０において、１００はレチクルアライメン
ト光学系、１０１はレチクル（フォトマスク）、１０２
は投影レンズ、１０３はウエハ、１０４はウエハステー
ジ、１０５はレーザ光源、１０６は制御装置、１０７は
ウエハアライメント光学系である。
【００４２】本発明に関係する構成は、レチクルアライ
メント光学系１００、ウエハアライメント光学系１０７
のカメラ、照明装置、光学レンズ、及び制御装置１０６
の画像処理装置であり、レチクル１０１とレチクルアラ
イメント光学系１００、及びウエハステージ１０４とウ
エハアライメント光学系１０７の位置を検出する際に、
位置合わせマークの最適光学位置を自動的に合わせるの
に、本発明の合焦点位置検出方法が適用される。そし
て、本発明を適用することにより、照明装置の光量変動
が±２０％存在する環境の中においても、焦点深度の１
／１３の精度（焦点深度２μｍに対し、精度評価３σで
１５０ｎｍの位置精度）で合焦点位置を検出することが
できる。
【００４３】
【発明の効果】本発明の合焦点検出方法によれば、以上
のように、部分画像中の注目画素の特定方向の左右領域
における濃度データより得た演算結果の比をとっている
ため、アルゴリズムの複雑化を伴うことなく、画像の大
局的濃度変動の影響を無くすことができ、しかも注目画
素だけでなく特定方向に並ぶ画素の分の濃度データを加
味するため、一部の濃度データが高い点的なものの影響
が少なくなり、抽出が的確になされる。従って、大局的
濃度値の異なる複数画像間において濃度量変動の程度に
合わせて評価関数を変動させることなく、複雑な処理ア
ルゴリズムを必要としないで、合焦点位置を的確に抽出
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の合焦点検出方法における一実施例にお
いて使用する装置の構成図である。
【図２】同実施例の動作の主要部のフローチヤートであ
る。
【図３】同実施例における部分画像を示す図である。
【図４】同実施例における注目画素の演算結果を示す図
である。
【図５】同実施例における対象物画像を示す図である。
【図６】同実施例における位置と累積濃淡比との関係を
示す図である。
【図７】同実施例における近似曲線を示す図である。
【図８】同実施例において設定される部分画像の構成図
である。
【図９】同実施例において設定される別の部分画像の構
成図である。
【図１０】本発明の適用対象の一例としての半導体製造
露光装置の概略構成を示す斜視図である。
【図１１】従来例における部分画像と濃度データを示す
図である。
【図１２】従来例における部分画像と異なった濃度デー
タを示す図である。
【図１３】従来例の微分処理で用いられる係数マトリッ
クスの構成図である。
【図１４】従来例における部分画像の濃度データの説明
図である。
【図１５】従来例における光量変動時の部分画像の濃度
データの説明図である。
【符号の説明】
１ ステージ ２ 撮像装置 ３ 演算装置 ４ 対象物 ６ 照明装置 １０ 部分画像 １１ 注目画素 ２０ 部分画像 ２１ 注目画素 ５３ 各位置での累積濃淡比
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−21318（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−349696（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−160410（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/027 G02B 7/28 G03F 7/207 G03F 9/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光学系に対して合焦されるべき対象物を
    含む量子化された２次元画像データをその光学系を通し
    て撮像することによって得る工程と、この２次元画像デ
    ータ内に所定領域を設定する工程と、所定領域内の注目
    画素とその特定方向線上の周辺の画素とからなる部分画
    像を設定する部分画像設定工程と、注目画素に対し特定
    方向線上の左右に左領域と右領域を設定する左右領域設
    定工程と、左領域の各画素の濃度データを左領域用に設
    定した一定方法で演算する左領域演算工程と、右領域の
    各画素の濃度データを右領域用に設定した一定方法で演
    算する右領域演算工程と、左、右領域演算工程の演算結
    果の比を濃淡比として求める濃淡比演算工程と、濃淡比
    演算工程を所定領域内で繰り返して濃淡比を用いた評価
    関数を演算する工程と、対象物の光学的位置を変化させ
    て上記工程を繰り返すことによって各光学的位置におけ
    る複数の評価関数演算値を求める工程と、その結果に基
    づき対象物の光学系に対する合焦点位置を得る工程とを
    備えたことを特徴とする合焦点位置検出方法。
  2. 【請求項２】 評価関数として、濃淡比又はその２乗値
    の所定領域における累積値を用いることを特徴とする請
    求項１記載の合焦点位置検出方法。
  3. 【請求項３】 複数の光学的位置における複数の評価関
    数演算値に対して補間データを求め、補間データを含め
    た結果に基づき対象物の光学系に対する合焦点位置を得
    ることを特徴とする請求項１記載の合焦点位置検出方
    法。
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