JP3739550B2 - ウェハの測定位置決定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体ウェハの測定点に関する測定情報を作成し、この測定情報を用いて測定点の位置を決定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハは、その製造工程において種々の測定装置によって測定が行われる。測定処理の際には、ウェハ上の予め定められた測定点に測定プローブ（光学素子や電極等）を正確に位置決めする「位置合わせ処理（アライメント処理）」が行なわれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数の測定装置を用いて同一の測定を行いたい場合がある。しかし、複数の測定装置にウェハをセットすると、ウェハの向きや位置がそれぞれの装置で異なるので、ウェハ上の測定点の座標も互いに異なる値を取る。従って、従来は、複数の測定装置の間では、測定位置を含む測定情報を流用することができないという問題があった。
【０００４】
また、同一の測定装置を用いた場合にも、複数のウェハを載置した場合には各ウェハ上の測定点の座標が互いに異なる値を取ることがある。例えば、測定装置にセットされたウェハの向きが常に正確に一定の向きにならず、或る程度任意の角度を取りうる場合には、測定点の座標は、各ウェハ毎に異なる値を取る。従って、同一の測定装置においても、測定点の位置を正確に決定することが困難であるという問題があった。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、複数の測定装置の間において測定位置を含む測定情報を流用することができる技術を提供することを第１の目的とする。また、このような測定情報を用いて、ウェハ上の測定点の位置を決定できる技術を提供することを第２の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、この発明の方法は、被測定ウエハを載置するステージを備えた測定装置を用いて被測定ウェハの測定位置を決定する方法であって、
（ａ）被測定ウェハ上で定義されたウェハ座標系の座標値で表されている測定点の位置を少なくとも含む測定情報を用い、各測定点のウェハ座標系の座標値を前記ステージ上で定義されたステージ座標系の座標値に変換する工程と、
（ｂ）各測定点に関する前記ステージ座標系の座標値を用いて、前記被測定ウェハ上の各測定点の位置決めを実行する工程と、
を備え、
前記測定情報は、前記被測定ウェハ表面の位置合わせ基準点と前記測定点との位置関係を含むとともに、前記被測定ウェハ表面の前記位置合わせ基準点の近傍の画像に対してパターンマッチングを行う際に用いられる第１のテンプレート画像と、前記測定点の近傍の画像に対してパターンマッチングを行う際に用いられる第２のテンプレート画像と、を含み、
前記工程（ｂ）は、
（ｉ）前記位置合わせ基準点の近傍の領域について第１の画像を取り込む工程と、
（ｉｉ）前記第１の画像に関して前記第１のテンプレート画像を用いたパターンマッチング処理を含む第１の処理を行うことによって、前記ステージ座標系における前記被測定ウェハの回転方向と前記位置合わせ基準点の位置とを決定する工程と、
（ｉｉｉ）決定された前記回転方向および前記位置合わせ基準点の位置と、予め登録された前記位置合わせ基準点と前記測定点との位置関係に基づいて、前記ステージ座標系における前記測定点の予測位置を決定する工程と、
（ｉＶ）前記予測位置の近傍の領域について第２の画像を取り込む工程と、
（Ｖ）前記第２の画像に関して前記第２のテンプレート画像を用いたパターンマッチング処理を含む第２の処理を行うことによって、前記測定点の実測位置を決定する工程と、
を備え、
前記工程（ｉｉ）における第１の処理は、
前記第１の画像に含まれる直線部分を分析することによって、前記被測定ウェハが取り得る回転角度として、互いに９０度の整数倍異なる４つの等価回転角度を決定する工程と、
前記画像に対して前記第１のテンプレート画像を用いたパターンマッチングを行なうことによってマッチングパターンを検出し、前記マッチングパターンの方向に基づいて前記４つの等価回転角度の中からウェハ座標系において予め定められていた１つの基準方向に対応する１つの等価回転角度を選択する工程と、
前記選択された等価回転角度から前記被測定ウェハの回転方向を決定する工程と、
を含むことを特徴とする。
【０００７】
上記第１の方法では、測定点の位置がウェハ座標系の座標値で表されているので、複数の測定装置の間において測定点位置を含む測定情報を流用することができる。また、ステージ上に載置されるウェハの位置や向きが常に一定とはならないような測定装置を用いる場合にも、各ウェハ上の測定点の位置を決定するために、この測定情報を用いることができる。
【０００８】
上記第１の方法において、
前記測定情報は、さらに、各測定点近傍において撮像された画像についてパターンマッチングを実行することによって測定点の位置を決定する際に使用されるテンプレート画像を含むようにしてもよい。
【０００９】
こうすれば、テンプレート画像を用いたテンプレートマッチングを行うことによって、測定点の位置を高精度に決定することができる。
【００１０】
本発明の第２の方法は、ウエハを載置するステージを備えた測定装置を用いてウェハの測定位置を決定する方法であって、
（ａ）上記第１の方法に従って作成された前記測定情報を用い、各測定点のウェハ座標系の座標値を前記ステージ上で定義されたステージ座標系の座標値に変換する工程と、
（ｂ）各測定点に関する前記ステージ座標系の座標値を用いて、前記ウェハ上の各測定点の位置決めを実行する工程と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
こうすれば、測定情報内の測定点の座標値を用いて、ウェハ上の測定点の位置を決定することができる。
【００１２】
上記第２の方法において、
前記測定装置は、さらに、ウェハ上の画像を撮像するための撮像光学系を備えており、
前記方法は、さらに、
前記撮像光学系で定義された撮像座標系における座標と、前記ステージ座標系における座標との間の回転を含む座標変換を規定する座標変換係数を決定する工程と、
前記座標変換係数を用いて、前記撮像光学系で撮像された撮像画像内における撮像座標系の座標と前記ステージ座標系の座標との間の座標変換を実行する工程と、を含むようにしてもよい。
【００１３】
こうすれば、撮像座標系がステージ座標系から傾いている場合にも、撮像画像内の任意の点の位置に関するステージ座標系の座標に正確に求めることができる。
【００１４】
【発明の他の態様】
この発明は、以下のような他の態様も含んでいる。第１の態様は、ウェハ上の測定点に関する測定情報を作成する装置であって、
前記ウェハ上における測定点の位置と、各測定点における測定条件とを含む測定情報を作成する測定情報作成手段を備え、
前記測定点の位置は、前記ウェハ上で定義されたウェハ座標系の座標値で表されていることを特徴とする。
【００１５】
第２の態様は、ウエハを載置するステージを備えた測定装置を用いてウェハの測定位置を決定する装置であって、
上記の方法または装置によって作成された前記測定情報を用い、各測定点のウェハ座標系の座標値を前記ステージ上で定義されたステージ座標系の座標値に変換する手段と、
各測定点に関する前記ステージ座標系の座標値を用いて、前記ウェハ上の各測定点の位置決めを実行する測定位置決定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
第３の態様は、コンピュータに上記の発明の各工程または各手段の機能を実行させるコンピュータプログラムを記録した記録媒体である。記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータが読取り可能な携帯型の記憶媒体や、コンピュータシステムの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置、あるいは、これ以外のコンピュータプログラムが記録された媒体であってコンピュータシステムが読取り可能な種々の媒体を利用できる。
【００１７】
第４の態様は、コンピュータに上記の発明の各工程または各手段の機能を実行させるコンピュータプログラムを通信経路を介して供給するプログラム供給装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
Ａ．装置の構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、この発明の実施例を適用して半導体ウェハの位置合わせ処理（アラインメント処理）を行なう機能を有する測定装置の構成を示すブロック図である。この測定装置は、制御操作ユニット３０と、撮像光学系としての光学ユニット４０と、画像処理ユニット５０とを備えている。
【００１９】
制御操作ユニット３０は、表示部３１と、操作部３２と、制御部３３と、ステージ駆動部３４と、ステージ座標読み込み部３５と、ＸＹステージ３６とを備えている。表示部３１としては、例えばモニタや液晶ディスプレイ等が使用される。また、操作部３２としては、例えばキーボードやマウス等が用いられる。ＸＹステージ３６の上には、半導体ウェハＷＦが載置される。半導体ウェハＷＦの表面には、タイル状に配列された矩形の複数の半導体チップが形成されている。なお、この装置は、ＸＹステージ３６を回転させる機構は有していない。
【００２０】
光学ユニット４０は、カメラ４１と、光源４２と、ハーフミラー４３と、対物レンズ４４とを備えている。ハーフミラー４３は、光源４２から出射された光を対物レンズ４４に向けて反射し、ＸＹステージ３６上の半導体ウェハＷＦに光を照射する。半導体ウェハＷＦの表面で反射されたは光は、対物レンズ４４とハーフミラー４３とを通過して、カメラ４１に入射する。すなわち、カメラ４１は、半導体ウェハＷＦの表面の画像を撮像する。画像としては、多階調画像（グレー画像）を読取ることが好ましい。なお、この実施例では、カメラ４１の視野サイズは、半導体ウェハの表面に形成された半導体チップの１個分のサイズよりも小さい。後で詳述するように、半導体ウェハＷＦの多階調画像は、画像処理ユニット５０によって処理され、これによって半導体ウェハＷＦの回転方向が検出される。画像処理ユニット５０のモニタ１３６には、半導体ウェハＷＦの一部の撮像領域の多階調画像が表示される。
【００２１】
ユーザが操作部３２を操作してＸＹステージ３６に対する移動指令を入力すると、その指令に応じて、制御部３３がステージ駆動部３４を制御してＸＹステージ３６をＸ方向とＹ方向に移動させる。また、操作部３２からステージの座標読み込み指令が入力されると、その時点のステージ座標情報がステージ座標読み込み部３５によって読込まれて制御部３３に供給される。ステージ座標情報は、必要に応じて表示部３１に表示される。ステージ座標情報は、さらに、双方向の通信経路３８を介して制御部３３から画像処理ユニット５０にも供給される。後述するように、画像処理ユニット５０は、画像処理によって認識されたウェハの回転方向と、このステージ座標情報とを利用することによって、ウェハの正確な回転方向や測定位置を決定する。
【００２２】
図２は、画像処理ユニット５０の内部構成を示すブロック図である。この画像処理ユニット５０は、ＣＰＵ１１０と、ＲＯＭ１１４と、ＲＡＭ１１６と、入出力インタフェイス１４０とが、バスライン１１２に接続されたコンピュータシステムとして構成されている。入出力インタフェイス１４０には、モニタ１３６と、磁気ディスク１３８と、通信経路３８とが接続されている。
【００２３】
ＲＡＭ１１６には、等価回転方向決定手段１５０と、撮像位置決定手段１５２と、パターンマッチング手段１５４と、角度選択手段１５６と、回転方向決定手段１５８と、基準位置決定手段１６０と、測定位置決定手段１６２と、座標変換手段１６４と、測定情報作成手段１６６と、の機能を実現するアプリケーションプログラムが格納されている。これらの各手段の機能については後述する。
【００２４】
なお、これらの各手段の機能を実現するコンピュータプログラム（アプリケーションプログラム）は、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の携帯型の記録媒体（可搬型の記録媒体）に記録された形で提供され、この記録媒体からコンピュータシステムの外部記憶装置に転送される。そして、実行時には、ＲＡＭ１１６に記憶される。あるいは、通信経路を介してプログラム供給装置からコンピュータシステムにコンピュータプログラムを供給するようにしてもよい。この明細書において、コンピュータシステムとは、ハードウェアとオペレーションシステムとを含み、オペレーションシステムの制御の下で動作する装置を意味している。アプリケーションプログラムは、このようなコンピュータシステムに、上述の各部の機能を実現させる。なお、上述の機能の一部は、アプリケーションプログラムでなく、オペレーションシステムによって実現されていても良い。
【００２５】
Ｂ．位置合わせ処理の概要：
図３は、実施例における位置合わせ処理の概要を示す説明図である。基準ウェハ（図３（Ａ））とは、位置合わせ処理の対象となる被測定ウェハ（図３（Ｂ））と同じパターンが形成されたウェハである。一般的には、同一のロットで処理された複数のウェハの１枚を基準ウェハＷＦ１として使用し、他のウェハが被測定ウェハＷＦ２となる。１枚のウェハには、位置合わせ基準点ＲＰと、複数の測定点ＰＭ１〜ＰＭ１５（白丸で示す）とが設定される。図３（Ａ），（Ｂ）にも示されているように、ウェハがＸＹステージ３６上に載置された時には、任意の回転方向を取りうるものと仮定している。ステージ３６上にウェハを搬送するための搬送装置（図示せず）の構成によっては、ウェハのノッチＮＴがほぼ所定方向（例えば時計の６時方向）を向くようにウェハが載置される場合もある。しかし、このような場合でもウェハの向きが正確に調整されるとは限らず、或る程度傾いた状態でステージ３６上に載置されることが多い。そこで、この実施例では、ウェハが任意の向きを取り得るものと仮定している。なお、図１に示す測定装置は、ＸＹステージ３６上に載置されたウェハを回転するための回転機構を備えていないので、ウェハの向き（回転方向）は、画像処理によって認識され、補正される。
【００２６】
図４は、実施例における位置合わせ処理の全体手順を示すフローチャートである。ウェハの測定点の位置合わせ処理は、基準ウェハを用いたプリアライメント前処理（ステップＴ１）と、基準ウェハを用いたファインアライメント前処理（ステップＴ２）と、被測定ウェハを用いたプリアライメント処理（ステップＴ３）と、被測定ウェハを用いたファインアライメント処理（ステップＴ４）とに大別される。ステップＴ１，Ｔ３におけるプリアライメント処理は、基準位置決定手段１６０（図２）の制御の下に、測定位置決定手段１６２以外の他の手段１５０，１５２，１５４，１５６，１５８，１６４が協力して実行する。ステップＴ２，Ｔ４におけるファインアライメント処理は、測定位置決定手段１６２の制御の下に、撮像位置決定手段１５２とパターンマッチング手段１５４と撮像光学系座標変換手段１６４とが協力して実行する。
【００２７】
図４のステップＴ１における基準ウェハＷＦ１を用いたプリアライメント前処理では、撮像座標とステージ座標との間の座標変換係数と、ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換係数とが決定される。ここで、「撮像座標」とは、撮像光学系である光学ユニット４０で撮像された撮像画像の領域内で定義された座標系（「撮像座標系」と呼ぶ）の座標である。「ステージ座標」は、ＸＹステージ３６上で定義された座標系（「ステージ座標系」と呼ぶ）の座標であり、「ウェハ座標」は、ウェハ上で定義された座標系（「ウェハ座標系」と呼ぶ）の座標である。
【００２８】
ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換係数は、ＸＹステージ３６上に載置された基準ウェハＷＦ１の回転角度θ１と、位置合わせ基準点ＲＰのステージ座標値とから決定される（図３（Ａ））。ここで、基準ウェハＷＦ１の回転角度θ１は、ステージ座標系の基準方向Ｄｓと基準ウェハＷＦ１の基準方向Ｄ１とのなす角度である。ステージ座標系の基準方向Ｄｓは、ＸＹステージ３６に対して固定された方向であり、例えばＸＹステージ３６上のＸ方向（時計の３時方向）に設定される。基準ウェハＷＦ１の基準方向Ｄ１は、基準ウェハＷＦ１に対して固定された方向であり、例えば基準ウェハＷＦ１のノッチＮＴを時計の６時方向とした時の３時の方向に設定される。なお、これらの基準方向Ｄｓ，Ｄ１の設定の仕方は任意であり、これ以外の定義も可能である。
【００２９】
ステップＴ２における基準ウェハＷＦ１を用いたファインアライメント前処理では、基準ウェハＷＦ１上の複数の測定点ＰＭ１〜ＰＭ１５の位置と、各測定点における測定条件とを含む測定レシピを登録する。各測定点の位置は、ウェハ座標系の座標値として登録される。なお、ステップＴ１，Ｔ２で決定された各種の情報を含む測定レシピ１３９は、測定情報作成手段１６６によって作成されて磁気ディスク１３８に格納される。
【００３０】
ステップＴ３，Ｔ４は、被測定ウェハＷＦ２を用いたプリアライメント処理とファインアライメント処理である。ステップＴ３のプリアライメント処理では、ステップＴ１と同様に、撮像座標とステージ座標との間の座標変換係数と、ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換係数とが決定される。また、ステップＴ４のファインアライメント処理では、測定レシピ１３９を用いて、各測定点の位置が決定されるとともに、各測定点において測定が実行される。
【００３１】
被測定ウェハＷＦ２に関するステップＴ３，Ｔ４の処理は、ステップＴ１，Ｔ２で用いた測定装置と同じ装置で実行することも可能であり、また、別の測定装置を用いて実行することも可能である。同じ測定装置を用いる場合には、撮像座標とステージ座標との座標変換の係数はステップＴ１で求めたものと同じものを使用することができる。しかし、被測定ウェハＷＦ２の向きは、図３（Ｂ）に示すように任意の向きを取り得ると仮定しているので、ステージ座標とウェハ座標との座標変換の係数はステップＴ３において改めて求められる。
【００３２】
一方、ステップＴ１，Ｔ２で使用されたものとは異なる他の測定装置を用いて測定を行う場合には、ステップＴ３においてステップＴ１と同様な処理が行われ、撮像座標とステージ座標との座標変換の係数も決定される。なお、ステップＴ３，Ｔ４において他の測定装置を用いる場合には、基準ウェハＷＦ１（第１のウェハ）を用いたステップＴ１，Ｔ２の処理を行う測定装置を「第１の測定装置」と呼び、被測定ウェハＷＦ２（第２のウェハ）を用いたステップＴ３，Ｔ４の処理を行う測定装置を「第２の測定装置」と呼ぶ。第１と第２の測定装置は、同じ構成を有していてもよく、また、互いに異なる構成を有していてもよい。
【００３３】
Ｃ．基準ウェハを用いたプリアライメント前処理：
図５ないし図８は、基準ウェハＷＦ１を用いたプリアライメント前処理の手順を示すフローチャートである。図５のステップＴ１１では、基準ウェハＷＦ１の画像回転角度β１が求められる。以下に説明するように、画像回転角度β１は、光学ユニット４０で撮像した画像を回転して、正立した画像を得るための角度である。
【００３４】
図６は、ステップＴ１１の詳細手順を示すフローチャートである。ステップＳ１では、ウェハのチップ寸法と、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のチップ個数とをユーザが入力する。
【００３５】
図９は、半導体ウェハの表面に形成されたチップの配列を示す概念図である。半導体ウェハＷＦの表面上には、同一サイズの矩形の複数のチップＣＰがタイル状に配置される。Ｘ軸方向とＹ軸方向に沿ったチップ個数の偶数と奇数の組合わせは、偶数−偶数、奇数−偶数、偶数−奇数、奇数−奇数の４通りある。図９（Ａ）は偶数−偶数の例であり、図９（Ｂ）は、偶数−奇数の例である。このような４通りの組み合わせのいずれであるかを示す情報と、チップの縦横のピッチＬＸ，ＬＹとから、ウェハの中心Ｏを基準にして、中心付近のチップの位置を算出することができる。従って、ステップＳ１では、少なくともチップ個数の４通りの組合わせのいずれであるかを示す情報と、チップのピッチＬＸ，ＬＹを示す情報とが入力される。
【００３６】
図６のステップＳ２では、基準ウェハＷＦ１の中心位置において多階調画像（グレー画像）がカメラ４１によって取り込まれる。ウェハが最初にＸＹステージ３６上に載置される時には、図９に示すように、ウェハの外周が、ＸＹステージ３６のウェハ保持アーム３６ａ，３６ｂで保持されて、ＸＹステージ３６のほぼ中央に位置決めされる。この状態において、カメラ４１によって撮像すると、ウェハの中心付近の画像を得ることができる。
【００３７】
図１０は、ウェハの中心付近を拡大して示す概念図である。この実施例では、各チップＣＰの右上の角に、他の３つの角にはない特徴的なパターンＰＴが形成されているものとする。このパターンＰＴを含む画像部分は、後述するパターンマッチングにおいて、第１のテンプレート画像として利用される。チップＣＰは、直交するスクライブラインＳＬによって区分されている。ウェハ表面を撮像して得られた多階調画像では、スクライブラインＳＬは暗領域として識別されることもあり、あるいは、明領域として識別されることもある。いずれの場合においても、スクライブラインＳＬは、チップＣＰとは明度が異なる領域として識別可能である。
【００３８】
図１０には、チップ個数の４種類の組み合わせに応じたカメラ４１の視野Ｗ１〜Ｗ４の位置が例示されている。前述したように、カメラ４１の視野サイズは、チップ１個分のサイズよりも小さいので、視野内に１個のチップがすべて含まれることはない。第１の視野Ｗ１は、チップ個数が偶数−偶数の場合におけるウェハ中央での撮像領域に相当する。この視野Ｗ１は、スクライブラインＳＬの交点のほぼ中心に位置している。第２の視野Ｗ２は、チップ個数が偶数−奇数の場合におけるウェハ中央での撮像領域に相当する。この視野Ｗ２は、２つのチップに挟まれた位置にある。第３の視野Ｗ３は、チップ個数が奇数−偶数の場合におけるウェハ中央での撮像領域に相当する。この視野Ｗ３も、チップに挟まれた位置にある。第４の視野Ｗ４は、チップ個数が奇数−奇数の場合におけるウェハ中央での撮像領域に相当する。この視野Ｗ４も、２つのチップのほぼ中央に挟まれた位置にある。なお、実際には、基準ウェハＷＦ１の向きは図１０の位置から回転しているので、視野Ｗ１〜Ｗ４は、スクライブラインＳＬで示される正規の方位から傾いた状態となる。
【００３９】
図６のステップＳ２では、ウェハの中心位置において画像を取り込むので、図１０の視野Ｗ１〜Ｗ４のいずれかの位置における画像が得られる。この画像は、次のステップＳ３において、画像内に含まれる直線部分（スクライブラインＳＬ等）を認識するために使用される。チップの個数が奇数−奇数の場合には、図１０の第４の視野Ｗ４のように直線部分が含まれない可能性が高い。そこで、この場合には、チップのピッチＬＸまたはＬＹの１／２だけウェハの中心からずらした位置において撮像するようにしてもよい。
【００４０】
図６のステップＳ３では、等価回転方向決定手段１５０（図２）が、画像に含まれる直線エッジ情報を検出するとともに、その直線エッジ情報から、基準ウェハの粗回転角度を決定する。「粗回転角度」とは、直線エッジ情報から得られる比較的低精度の回転角度を意味する。直線エッジ情報の抽出方法としては、以下に説明する１次元投影法やソベルオペレータ法等を利用することができる。
【００４１】
図１１は、１次元投影法による直線エッジ情報の検出処理を示す説明図である。図１１には、水平方向にのみ直線部分が存在する２次元多階調画像が示されている。１次元投影法では、この２次元多階調画像を種々の方向に１次元投影して、画素値を加算する。直線部分に平行な方向に投影した場合には、直線部分が存在する座標における画素値が大きなピーク値を持つ。一方、直線部分と平行でない方向に投影した場合には、加算された画素値のピーク値はこれよりも小さくなる。このように、２次元画像をさまざまな方向に１次元投影して、画素値の累算値のピーク値が最大となる投影方向を、直線部分の方向として決定することができる。投影方向は、１８０°の範囲にわたる複数の投影方向を選択するようにすればよい。この直線部分の方向から、粗回転角度が決定される。例えば、ステージ座標系（ＸＹステージ３６に固定された座標系）の所定の方向（例えば時計の３時方向）を基準方向として、この基準方向から反時計回りに直線部分の方向まで測った角度を粗回転角度とすることができる。
【００４２】
図１２ないし図１４は、ソベルオペレータ法による直線エッジ情報の検出処理を示す説明図である。図１２は、ソベルオペレータによる画像処理の方法を示している。ソベルオペレータ法では、まず、図１２（Ａ−１）または（Ａ−２）に示すような、エッジ画素を含む所定サイズの画素ブロック（図１２の例では、３×３ブロック）を多階調画像の中から選択する。ここで、「エッジ画素」は、「８近傍の画素のうちで、少なくとも１つの画素の画素値が、自分自身（図１２（Ａ−１），（Ａ−２）の中心画素）の画素値と異なっており、かつ、画像の境界上にない画素」と定義される。図１２（Ａ−１）では、画像の角部分の画素がエッジ画素として認識される状態を示しており、図１２（Ａ−２）では、直線部分の画素がエッジ画素として認識される状態を示している。エッジ画素の識別は、３×３ブロックを多階調画像内で走査し、ブロックの中央画素が上記の定義に合致するか否かを判断することによって行なわれる。
【００４３】
図１２（Ｂ−１），（Ｂ−２）は、水平方向と垂直方向のソベルオペレータをそれぞれ示している。エッジ画素を含む３×３ブロックに対して、これらの水平方向オペレータと垂直方向オペレータとをそれぞれ作用させることによって、水平エッジ値と垂直エッジ値とがそれぞれ求められる。図１２（Ｃ）は、水平方向オペレータを作用させた場合の演算の例を示している。水平方向オペレータを３×３ブロックの画素値に作用させると水平エッジ値が得られ、同様にして、垂直方向オペレータを３×３ブロックの画素値に作用させると垂直エッジ値が得られる。
【００４４】
図１３は、ソベルオペレータを用いて得られた水平エッジ値ｘと垂直エッジ値ｙとから、画像の直線部分の角度を算出する方法を示す説明図である。図１３（Ａ）に示すように、画像の直線部分の角度αは、ｔａｎ-1（ｙ／ｘ）で与えられる。ここで、角度αは、水平右向き方向（時計の３時方向）から反時計回りに測った角度である。例えば、図１３（Ｂ）の例では、垂直エッジ値が０であり水平エッジ値が４なので、角度αは０°であると判定できる。また、図１３（Ｃ）の例では、垂直エッジ値と水平エッジ値がいずれも１なので、角度αは４５°であると判定できる。なお、角度αは０°〜１８０°の範囲の値を取るものとする。１８０°〜３６０°の範囲は、０°〜１８０°の範囲と等価である。
【００４５】
図１４は、処理対象となる多階調画像の一例と、この多階調画像からソベルオペレータ法によって検出された角度αのヒストグラムを示す説明図である。図１４（Ａ）に示す多階調画像内において、図１２（Ａ−１）または図１２（Ａ−２）のようなエッジ画素を中心画素とする３×３ブロックを検出し、エッジ画素を含む各３×３ブロックについて図１３に示す方法で角度αを決定する。図１４（Ｂ）は、このようして多数の３×３ブロックについて得られた角度αの頻度を示すヒストグラムである。この例では、４０°と１３０°の位置にピークが存在し、４０°の位置のピークが最大である。この時、最大ピーク位置の角度α１を、多階調画像内の直線部分の回転方向を示す粗回転角度であるとして採用する。
【００４６】
なお、上述した１次元投影法やソベルオペレータ法を用いて検出された粗回転角度α１には、９０°の整数倍異なる４つの等価な角度が存在する。換言すれば、粗回転角度α１は、１／４の不確定さを有している。図１５は、４つの等価回転角度を示す説明図である。図１５（Ａ）に示すように、カメラ４１の視野Ｗ内にスクライブラインＳＬの交点付近の画像が見えている場合を考える。この実施例ではカメラ４１の視野サイズがチップサイズに比べて小さいので、チップの回転方向が図１５（Ｂ）〜（Ｅ）の４種類のいずれであるかを画像データから特定することができない。従って、ウェハの正しい回転角度は、９０°おきの４つの等価な回転角度の中の１つである。図６のステップＳ３においては、この４つの等価な回転角度の少なくとも１つを粗回転角度として検出する。等価な回転角度の１つが検出できれば、他の等価な回転角度も検出できたものと考えることができる。
【００４７】
なお、ステップＳ３において得られる直線エッジ情報とその粗回転角度は、ほとんどの場合はスクライブラインＳＬのものである。但し、スクライブラインＳＬに限らず、ウェハの多階調画像内に存在する直線的な画像部分に関する直線エッジ情報やその粗回転角度を検出してもよい。チップ内の回路が有する直線的な部分は、スクライブラインＳＬに平行なものがほとんどである。従って、スクライブラインＳＬ以外の直線的画像部分を検出しても、ウェハの粗回転角度を求めることができる。
【００４８】
図６のステップＳ４では、ステップＳ３で検出された直線エッジ情報が信頼できるか否かが判定される。この判定は、例えば、図１３に示す１次元投影法を用いた場合には、累算画素値のピーク値が所定の閾値以上であるか否かによって行なうことができる。また、図１２〜図１４に示すソベルオペレータ法を用いた場合には、図１４（Ｂ）のヒストグラムのピーク値が所定の閾値以上であるか否かによって判定することができる。あるいは、モニタ１３６にウェハの画像を表示しておけば、はっきりとした直線エッジが画像内に含まれるか否かをユーザが目視で判定することができる。直線エッジ情報が信頼できないものである場合には、ステップＳ５において、ＸＹステージ３６を所定量（例えば１視野分）だけ移動させ、ウェハ中心付近の別の位置において多階調画像を取り込む。そして、ステップＳ３を再度実行することによって直線エッジ情報を検出し、粗回転角度α１を求める。
【００４９】
こうして、粗回転角度α１が求められると、ステップＳ６において、撮像位置決定手段１５２が、ウェハの中心付近においてスクライブラインＳＬの交点位置を視野に含むように、ＸＹステージ３６の目標位置座標を算出して移動させる。前述したように、Ｘ軸方向とＹ軸方向に沿ったチップの個数の４種類の組み合わせ（偶数−偶数、偶数−奇数、奇数−偶数、奇数−奇数）によって、ウェハの中心における初期の視野の位置は図１０に示す４つの視野Ｗ〜Ｗ４の位置にほぼ決まっている。撮像位置決定手段１５２（図２）は、ステップＳ３で得られた粗回転角度α１と、チップの寸法（ピッチＬＸ，ＬＹ）と、チップの個数情報から、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれどの程度移動させればスクライブラインＳＬの交点位置を視野内に含む位置に移動できるかを算出する。画像処理ユニット５０は、この移動量を制御部３３（図１）に通知して、ＸＹステージ３６を移動させる。その後、カメラ４１によって多階調画像を再度撮像する。なお、粗回転角度α１には１／４の不確定さがあるので、１回の移動によって、視野の中心がスクライブラインＳＬの交点位置に到達できるとは限らない。この場合には、例えばウェハの中央位置を中心として９０°回転した方向に移動方向を変更して、同じ距離だけ移動すれば、スクライブラインＳＬの交点位置に視野（すなわち撮像領域）の中心を移動させることができる。図１６は、スクライブラインＳＬの交点位置に視野の中心を移動させた状態を示している。図１６に示したように、ウェハの直線部分（スクライブラインＳＬ）の方向は、ステージ座標系の基準方向Ｄｓから粗回転角度α１だけ回転している。ステップＳ６においてカメラ４１で取り込んだ画像はモニタ１３６に表示される。
【００５０】
図６のステップＳ７では、ステップＳ６で取り込まれた画像を時計回りに粗回転角度α１だけ回転させる画像処理を行う。ステップＳ８では、撮像位置決定手段１５２が、スクライブラインＳＬの交点Ｐａのステージ座標値を求めて、これを保存する。スクライブラインＳＬの交点位置の座標値は、後に、基準ウェハＷＦ１の位置合わせ基準点を決定する際に使用される。基準ウェハのスクライブラインＳＬの交点位置は、例えば、図１６に示すカメラ４１の視野Ｗａの中心点Ｐａの座標で代表される。この点Ｐａの位置は、ユーザがモニタ１３６に表示された画像上において、マウス等のポインティングデバイスを用い、カーソルを移動させて指定することができる。あるいは、カメラ４１で取り込んだ多階調画像を処理することによって、スクライブラインＳＬの交点の中心位置の座標を自動的に決定することも可能である。画像処理で交点の中心位置を求める場合には、まず、前述したステップＳ３と同様な方法に従って直線エッジを検出する。そして、スクライブラインＳＬのエッジを近似した直線を求める。さらに、これらの近似直線で構成される４つの角部の中心位置を、スクライブラインＳＬの交点位置として決定する。なお、視野Ｗａの原点は、視野Ｗａ内の所定の位置（例えば視野の左下点）に設定され、この原点を基準にして撮像座標が定義される。撮像画像の原点のステージ座標系の座標は、ステージ座標読み込み部３５（図１）で取り込まれた座標値で示される。視野Ｗａ内の任意の位置のステージ座標系の座標は、視野Ｗａ内の撮像座標系におけるその任意の位置の座標値と、視野Ｗａの原点のステージ座標値とから算出される。
【００５１】
なお、ステップＳ８においては、第１のテンプレート画像ＭＰａの基準点Ｑａと、スクライブライン交点Ｐａとのステージ座標値のオフセット（δｘ，δｙ）も測定される。
【００５２】
図６のステップＳ９では、ステップＳ７で回転した画像の中からパターンマッチング用の第１のテンプレート画像（モデルパターンとも呼ぶ）を切り出して登録する。図１７は、第１のテンプレート画像ＭＰａの登録の様子を示す説明図である。ステップＳ７では、まず、スクライブラインＳＬ交点位置における多階調画像（図１７（Ａ））を、図１７（Ｂ）に示すように粗回転角度α１だけ時計回りに回転させて、回転後の画像をモニタ１３６に表示する。画像の回転は、アフィン変換によって実行される。ユーザは、表示された画像を観察して、テンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンが存在するか否かを判断する。テンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンとは、その画像パターンの向きから、粗回転角度α１として等価な４つ等価回転角度の中の１つを選択できるような画像パターンを意味する。テンプレート画像ＭＰａとしては、９０°の整数倍の回転対称性が無い画像パターンが好ましい。換言すれば、９０°の整数倍の回転対称性（９０°，１８０°，２７０°の回転対称性）のいずれかを有する画像パターンは、テンプレート画像ＭＰａとしては不適切である。スクライブラインＳＬの交点付近の視野Ｗａには、隣接する４つのチップのそれぞれの角部が含まれるので、これらの４つの角部の内の１つにのみ含まれる特有の画像パターンを第１のテンプレート画像ＭＰａとして登録することができる。
【００５３】
現在の視野Ｗａ内にテンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンが存在しない場合には、カメラ４１で取り込んだ画像をモニタ１３６に表示して観察しながら、ＸＹステージ３６を少しずつ移動させる。そして、テンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンが視野内に入る状態に設定する。
【００５４】
現在の視野Ｗａ内にテンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンが存在する場合には、図１７（Ｂ），（Ｃ）に示すように、回転後の画像内からテンプレート画像ＭＰａとして登録する領域を切り出す。テンプレート画像ＭＰａの範囲は、ユーザがマウス等のポインティングデバイスを用いて指定する。テンプレート画像ＭＰａは、スクライブラインＳＬの交点付近に存在すれば望ましいが、必ずしも交点付近に存在しなくても良い。なお、テンプレート画像ＭＰａは、画像内の直線エッジを基準としたときに正立した状態で、測定レシピ１３９内に登録される。ここで、「正立した状態」とは、テンプレート画像ＭＰａの矩形領域の各辺が、画像内の直線エッジとほぼ平行または垂直になる状態を意味する。
【００５５】
図６のステップＳ１０では、第１のテンプレート画像ＭＰａの画像と、テンプレート画像ＭＰａの所定位置にある基準点（例えば図１７（Ｃ）に示す左上点Ｑａ）のステージ座標値が測定される。
【００５６】
図６のステップＳ１１では、ユーザが、回転して切り出したテンプレート画像ＭＰａの所定の方向（例えば時計の３時の方向）を、撮像画像における基準方向（０°方向）Ｄw1であると定めることによって、画像回転角度β１を決定する。例えば、図１７（Ｂ）に示すように、粗回転角度α１だけ時計廻りに回転した画像において、時計の３時方向が撮像画像における基準方向Ｄw1として設定される。なお、この基準方向Ｄw1は、図３（Ａ）に示す基準方向Ｄ１とほぼ一致しているが、後述する撮像光学系の回転角度だけ異なる方向である。なお、ユーザが基準方向Ｄw1を指定せずに、自動的に時計の３時方向が基準方向Ｄw1として設定されるようにしてもよい。ウェハの画像回転角度β１は、ステージ座標系の基準方向Ｄｓから、撮像画像の基準方向Ｄw1までの角度である。従って、図１７（Ｂ）の場合には、基準ウェハの画像回転角度β１は、粗回転角度α１に等しい。なお、撮像画像の基準方向Ｄw1を、時計の３時方向以外の方向に選択した場合には、基準ウェハの画像回転角度β１はα１とは異なる値となる。しかし、この場合にも、粗回転角度α１に所定の値を加算または減算した値が画像回転角度β１になる。例えば、図１７（Ｂ）の状態において、時計の１２時方向が撮像画像の基準方向Ｄw1として選択された場合には、基準ウェハＷＦ１の画像回転角度β１は、（α１＋９０°）となる。図６のステップＳ１２では、この画像回転角度β１の値が測定レシピ１３９に保存される。
【００５７】
光学ユニット４０で撮像された画像は、この画像回転角度β１だけ回転しているので、以下の処理において画像が撮像される際には、この画像回転角度β１だけ撮像画像を回転することによって正立させ、正立した画像に関して処理が実行される。
【００５８】
ところで、光学ユニット４０の光学素子（例えばＣＣＤカメラ４１）がステージ座標系から傾いて取り付けられている場合には、光学ユニット４０で撮像された画像内で定義される撮像座標系が、ステージ座標系から傾いた状態になる。図１８は、撮像座標系の座標（Ｕ，Ｖ）icとステージ座標系の座標（Ｘ，Ｙ）scとの関係を示す説明図である。この図において、座標値の括弧の後の添え字「ic」は撮像座標系の座標であることを意味しており、「sc」はステージ座標系の座標であることを意味している。撮像座標系の座標原点は、視野Ｗａの左下点に設定されており、そのステージ座標系の座標値は（Ｘ１，Ｙ１）scである。また、撮像座標系の座標軸Ｕ，Ｖはステージ座標系の座標軸Ｘ，Ｙから角度δだけ反時計方向に回転している。この角度δは、光学ユニット４０の光学素子の取付誤差等に起因するものであり、以下では「撮像光学系の回転角度」と呼ぶ。撮像座標（Ｕ，Ｖ）icとステージ座標（Ｘ，Ｙ）scとの間の座標変換は、以下の数式１に示す２次元アフィン変換で与えられる。
【００５９】
【数１】
【００６０】
撮像座標（Ｕ，Ｖ）icをステージ座標（Ｘ，Ｙ）scに正確に変換するためには、撮像光学系の回転角度δを知る必要がある。そこで、図５のステップＴ１２では、この撮像光学系の回転角度δが測定される。
【００６１】
図７は、ステップＴ１２の詳細手順を示すフローチャートである。ステップＳ１３では、撮像画像の基準方向Ｄw1に沿って、第１のスクライブライン交点に隣接する第２のスクライブライン交点の位置に撮像領域が来るようにＸＹステージ３６を移動させて画像を撮像する。この移動では、撮像画像の基準方向Ｄw1に沿って、チップのＸ方向ピッチＬＸ（図９（Ａ））だけ移動するようにＸＹステージ３６が制御される。但し、この移動の際には、ステージ座標系の基準方向Ｄｓと、撮像座標系の水平軸（Ｕ軸）とが一致していると見なしている（すなわちδ＝０と考えている）ので、実際には画像の回転角度δだけずれた方向に沿って移動が行われる。第２のスクライブライン交点位置で撮像された画像は、前述した画像回転角度β１（図１７（Ｂ））だけ回転される。
【００６２】
図１９は、第１と第２のスクライブライン交点付近で撮像された画像の視野Ｗａ，Ｗｂを示している。図７のステップＳ１４では、第２のスクライブライン交点付近で撮像された画像について、パターンマッチング処理を行なうことによって、第１のテンプレート画像ＭＰａと同じ画像パターン（マッチングパターン）ＭＰｂを検出する。そして、マッチングパターンＭＰｂを検出した後に、その基準点Ｑｂのステージ座標値を測定する。このときにも、画像の回転角度δは０と仮定している。そして、２つの画像パターンＭＰａ，ＭＰｂの基準点Ｑａ，Ｑｂ同士を結ぶ直線の方向を、基準ウェハＷＦ１の正確な基準方向Ｄ１として決定する。この基準方向Ｄ１は図３（Ａ）に示すものと同じである。ウェハの基準方向Ｄ１は、２つの基準点Ｑａ，Ｑｂのステージ座標値から決定されているので、ウェハの正確な基準方向を示している。一方、画像の直線エッジから決定された画像の基準方向Ｄw1は、撮像光学系の回転角度δが０°であるとの仮定の下で得られているので、ウェハの正確な基準方向Ｄ１から撮像光学系の回転角度δだけずれているはずである。そこで、図７のステップＳ１５では、ウエハの基準方向Ｄ１と画像の基準方向Ｄw1との間の角度を、撮像光学系の回転角度δとして決定する。
【００６３】
なお、撮像光学系の回転角度δを用いるために使用された２つの基準点Ｑａ，Ｑｂのステージ座標値は、回転角度δが０°であると仮定したときの値なので、正確にはこの回転角度δだけのずれを含んでいる。しかし、２つの基準点Ｑａ，Ｑｂの座標値が同じ回転角度δだけずれているので、ウェハの基準方向Ｄ１を決定する際にそのずれは相殺され、この結果、正しい基準方向Ｄ１を得ることができる。
【００６４】
図１９の下部に示すように、ウェハの基準方向Ｄ１と、ステージ座標系の基準方向Ｄｓとの間の角度θ１は、基準ウェハＷＦ１の正確な回転角度を示している。このウェハの回転角度θ１は、画像回転角度β１と、撮像光学系の回転角度δとの和である。換言すれば、画像回転角度β１は、ウェハの回転角度θ１から撮像光学系の回転角度δを減算した値に等しい。
【００６５】
撮像画像内の任意の位置の座標は、こうして得られた撮像光学系の回転角度δを用いて、前述の数式１に従って撮像座標（Ｕ，Ｖ）icからステージ座標（Ｘ，Ｙ）scに変換される。逆に、ステージ座標（Ｘ，Ｙ）scを撮像座標（Ｕ，Ｖ）icに逆変換することも可能である。なお、撮像光学系の回転角度δを求める前にステップＴ１１，Ｔ１２で得られていた各点のステージ座標値については、各点の撮像座標値から数式１に従って正確な値が改めて算出される。
【００６６】
図５のステップＴ１３では、ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換係数が決定される。図８は、ウェハ座標とステージ座標との間の座標変換係数を決定するためのステップＴ１３の詳細手順を示すフローチャートである。まずステップＳ１４では、第１のスクライブライン交点位置から対角方向にある第３のスクライブライン交点位置に撮像領域が来るようにＸＹステージ３６を移動させて画像を撮像する。ステップＳ１７では、この画像について、パターンマッチングを行なうことによって、第１のテンプレート画像ＭＰａと同じ画像パターン（マッチングパターン）ＭＰｃを検出する。
【００６７】
図２０は、ステップＳ１６，Ｓ１７の処理内容を示す説明図である。この例では、第１のテンプレート画像ＭＰａの登録を行なった交点位置から斜め右下に隣接する第３の交点位置に視野Ｗｃを移動させている。
【００６８】
ステップＳ１７においては、マッチングパターンＭＰｃを検出した後に、その基準点Ｑｃのステージ座標値も算出する。ステップＳ１８では、第３のスクライブライン交点Ｐｃ（図２０）の位置が決定される。このとき、第３のスクライブライン交点ＰｃとマッチングパターンＭＰｃとの位置関係は、第１のスクライブライン交点Ｐａとテンプレート画像ＭＰａとの位置関係と等しいものと仮定される。従って、第３のスクライブライン交点Ｐｃの位置は、マッチングパターンＭＰｃの基準点Ｑｃの位置と、第１のスクライブライン交点Ｐａとテンプレート画像ＭＰａの基準点Ｑａの相対位置とに基づいて算出される。
【００６９】
あるいは、第１のスクライブライン交点Ｐａの決定方法と同様の方法によって、第３のスクライブライン交点Ｐｃの位置を決定するようにしても良い。すなわち、第３のスクライブライン交点Ｐｃの位置をユーザが指定してもよく、また、第３の視野Ｗｃ内の画像を解析することによって、第３のスクライブライン交点Ｐｃの位置を自動的に決定するようにしてもよい。
【００７０】
ステップＳ１９では、第１と第３のスクライブライン交点Ｐａ，Ｐｃの中点Ｐａｃのステージ座標が算出され、位置合わせ基準点（図３（Ａ）の点ＲＰ）の座標値として測定レシピ１３９に保存される。この位置合わせ基準点ＲＰは、各測定点の位置を決定するときの原点（すなわちウェハ座標系の座標原点）として使用される。この実施例では、位置合わせ基準点ＲＰの座標が、スクライブラインで規定される格子の対角方向にある２つのスクライブライン交点Ｐａ，Ｐｃの座標から決定されているので、その位置を高精度に設定することができる。
【００７１】
なお、位置合わせ基準点としては、この他にも種々の設定方法がある。例えば、２つの画像パターンＭＰａ，ＭＰｃの基準点Ｑａ，Ｑｃの中点Ｑａｃを位置合わせ基準点として使用することもできる。さらに、スクライブライン交点Ｐａ，Ｐｃと基準点Ｑａ，Ｑｃの中の１つの点を、位置合わせ基準点として選択することも可能である。
【００７２】
基準ウェハＷＦ１の回転角度θ１は、前述した図１９に示したように、画像回転角度β１と、撮像光学系の回転角度δとの和として得られていたが、この代わりに、２つの画像パターンＭＰａ，ＭＰｃの基準点Ｑａ，Ｑｃ同士を結ぶ直線の方向からウェハの回転角度θ１を決定することも可能である。この場合には、図２０の下部に示すように、２つの基準点Ｑａ，Ｑｃの連結方向ＤL1から所定の角度Δθだけ回転した方向が、ウェハの基準方向Ｄ１として採用される。２つの基準点Ｑａ，Ｑｃは格子状に配列されたチップの対角方向に存在するので、この角度Δθの値は、tan Δθ＝ＬＹ／ＬＸ（ＬＸ，ＬＹはチップのピッチ）で与えられる。ウェハの正確な回転角度θ１は、このウェハの基準方向Ｄ１とステージ座標系の基準方向Ｄｓとの間の角度である。こうして回転角度θ１を決定した場合には、この回転角度θ１から画像の回転角度β１を減算することによって、撮像光学系の回転角度δを求めることも可能である（図１９参照）。この場合には、図５のステップＴ１２（図７のステップＳ１３〜Ｓ１５）を省略することができる。
【００７３】
図５のステップＴ１３では、こうして得られた位置合わせ基準点ＲＰのステージ座標（ＸRP，ＹRP）と、基準ウェハＷＦ１の正確な回転角度θ１から、ステージ座標（Ｘ，Ｙ）とウェハ座標（ξ，η）との間の座標変換の係数が決定される。この座標変換係数は、次の数式２で表される２次元アフィン変換の右辺の３×３行列で示される。
【００７４】
【数２】
【００７５】
以上の基準ウェハに関するプリアライメント前処理によって、測定レシピ１３９（図２）内に以下の情報が登録される。
（ａ）画像回転角度β１；
（ｂ）撮像光学系の回転角度δ；
（ｃ）基準ウェハの回転角度θ１；
（ｄ）テンプレート画像ＭＰａの画像データ；
（ｅ）位置合わせ基準点ＲＰのステージ座標値（ＸRP，ＹRP）。
【００７６】
上記の情報（ａ）〜（ｄ）は、撮像座標とステージ座標とウェハ座標との座標変換を規定するための座標変換情報である。すなわち、上述した数式２に示されているように、基準ウェハの回転角度θ１と位置合わせ基準点ＲＰのステージ座標値（ＸRP，ＹRP）とは、ウェハ座標とステージ座標の座標変換係数として使用される。また、数式１に示されているように、撮像光学系の回転角度δは、撮像座標とステージ座標の座標変換係数として使用される。これらの座標変換係数を用いることによって、撮像座標とステージ座標とウェハ座標との間の座標変換を任意に行うことが可能である。例えば、撮像画像内の任意の位置の撮像座標値を、ステージ座標値またはウェハ座標値に変換することが可能である。逆に、ウェハ上の任意の位置のウェハ座標値を、ステージ座標値または撮像座標値に変換することも可能である。
【００７７】
Ｄ．基準ウェハを用いたファインアライメント前処理：
図２１は、基準ウェハＷＦ１を用いたファインアライメント前処理の手順を示すフローチャートである。ファインアライメント前処理では、基準ウェハＷＦ１上の複数の測定点ＰＭ１〜ＰＭ１５（図３（Ａ）において白丸で示す）のウェハ座標系の座標値と、各測定点における測定条件とが、以下のようにして登録される。
【００７８】
ステップＳ２１では、測定点（例えば図３（Ａ）のＰＭ１）を視野内に含む位置をユーザが指定して、ＸＹステージ３６を移動させる。図２２は、ｉ番目の測定点ＰＭｉを含む視野Ｗ（ｉ）を示す説明図である。この視野Ｗ（ｉ）は、アフィン変換によって画像回転角度β１だけ回転した後の正立した画像を示しており、また、各位置は、ウェハ座標系の座標値（ξ，η)で示されている。
【００７９】
図２１のステップＳ２２では、ユーザが図２２に示す画面上でｉ番目の測定点ＰＭｉの位置を、マウスなどのポインティングデバイスを用いて指示する。測定点ＰＭｉのステージ座標値（ξｉ，ηｉ）は、測定レシピ１３９に保存される。ステップＳ２３では、測定点ＰＭｉの近傍において、第２のテンプレート画像ＭＲａ（第２のテンプレート画像）として適切な画像パターンをユーザが探す。第２のテンプレート画像ＭＲａとして適切な画像パターンは、９０°の整数倍の回転対称性が無い画像パターンであることが好ましい。
【００８０】
適切な画像パターンが見いだされると、ステップＳ２４において、その画像パターンが画面の中央になるようにＸＹステージ３６の位置をユーザが調整する。そして、ステップＳ２５において視野内の画像を取り込み、画像回転角度β１だけ画像を回転する。
【００８１】
ステップＳ２６では、ユーザが第２のテンプレート画像ＭＲａの領域を指定することによって、第２のテンプレート画像ＭＲａの画像データを切り出し、その基準点Ｒａのウェハ座標値（ξａ，ηａ）とともに保存する。
【００８２】
なお、第２のテンプレート画像ＭＲａは、プリアライメント前処理で用いられた第１のテンプレート画像ＭＰａ（図１７（Ｃ））と同じものであってもよい。例えば、各測定点の近傍に第１のテンプレート画像ＭＰａが存在する場合には、ステップＳ２６の代わりに、パターンマッチング手段１５４（図２）が、第１のテンプレート画像ＭＰａを用いたパターンマッチング処理を行って基準点Ｒａの位置を決定する。
【００８３】
ステップＳ２７では、第２のテンプレート画像ＭＲａの基準点Ｒａから、ｉ番目の測定点ＰＭｉまでの座標のオフセット（Δξ，Δη）を求めて測定レシピ１３９に保存する。測定点ＰＭｉの位置は、ユーザによって指定される。この座標のオフセット（Δξ，Δη）は、ｉ番目の測定点ＰＭｉの近傍に存在する第２のテンプレート画像ＭＲａと、ｉ番目の測定点ＰＭｉとの位置関係を示す情報である。
【００８４】
ステップＳ２８では、この測定点ＰＭｉにおける測定条件をユーザが設定する。例えばウエハ表面の薄膜の膜厚測定を行う場合には、測定条件としては、測定対象の薄膜の種類（ＳｉＯ2 ，ＳｉＮ等）、薄膜の光学定数、膜厚の取りうる範囲等が設定される。なお、測定条件は、測定点毎に設定する必要は無く、例えばすべての測定点について同じ測定条件が適用されるようにしてもよい。
【００８５】
ステップＳ２９では、他の測定点があるか否かが判断され、他の測定点がある場合にはステップＳ２１に戻り、上述したステップＳ２１〜Ｓ２８の処理が繰り返される。一方、全ての測定点に関してステップＳ２１〜Ｓ２８の処理が終了すると、基準ウェハＷＦ１でのファインアライメント前処理が終了する。
【００８６】
なお、第２のテンプレート画像ＭＲａとしては、全ての測定点に対して共通の１つの画像パターンを使用してもよく、あるいは、各測定点に対してそれぞれ異なる画像パターンを登録しても良い。
【００８７】
上述した基準ウェハＷＦ１のファインアライメント前処理では、複数の測定点に関して以下の情報を含む測定レシピ１３９が登録される。
（ａ）第２のテンプレート画像ＭＲａの画像データ；
（ｂ）各測定点ＰＭｉのウェハ座標値（ξｉ，ηｉ）；
（ｃ）各測定点ＰＭｉと、その近傍のマッチング画像の基準点Ｒａとの間の座標のオフセット（Δξ，Δη）；
（ｄ）各測定点ＰＭｉにおける測定条件。
【００８８】
上記の情報（ａ）〜（ｃ）は、ウェハ座標系において、各測定点ＰＭｉの位置を決定するために使用される情報であり、以下では「測定位置情報」と呼ぶ。この測定位置情報を用いることによって、被測定ウェハにおける各測定点の位置を求めることができる。以上のステップＴ１，Ｔ２の処理の結果、座標変換情報と測定位置情報と測定条件とを含む測定レシピ１３９の登録が終了する。
【００８９】
Ｅ．被測定ウェハを用いたプリアライメント処理：
被測定ウェハＷＦ２を用いた測定処理においては、測定レシピの登録に用いた第１の測定装置と同じ装置を用いることもでき、あるいは、他の第２の測定装置を用いることもできる。他の第２の測定装置を用いる場合には、測定レシピ１３９が第１の測定装置から第２の測定装置に転送（コピー）されて利用される。なお、第２の測定装置における座標変換情報は、第１の測定装置における座標変換情報とは異なるので、測定レシピ１３９の中の測定位置情報と測定条件のみを第２の測定装置に転送すればよい。
【００９０】
図２３は、被測定ウェハのプリアライメント処理の手順を示すフローチャートである。図２３のステップＴ２２，Ｔ２３の処理は、基準ウェハに関するプリアライメント前処理と同じであり、ウェハの画像回転角度β２を求めるためのステップＴ２１の処理のみが異なる。なお、測定レシピの登録に用いた第１の測定装置をそのまま用いて被測定ウェハＷＦ２の測定処理を行う場合には、撮像光学系の回転角度δは変わらないのでステップＴ２２の処理は省略され、ステップＴ２１とステップＴ２３の処理だけが行われる。一方、測定レシピの登録に用いた第１の測定装置とは異なる第２の測定装置を用いる場合には、ステップＴ２２の処理も実行される。以下では主に、第１の測定装置とは別の第２の測定装置を用いる場合について説明する。
【００９１】
図２４は、ステップＴ２１の詳細手順を示すフローチャートである。ステップＳ１〜Ｓ６までの処理は、図６に示した基準ウェハに関するプリアライメント前処理の手順と同じである。これによって、ウェハの中心近くのスクライブライン交点の画像が取り込まれる。図２５は、被測定ウェハに設定された視野の一例を示している。ここでは、視野Ｗｄを撮像領域とした画像が取込まれる。図２４のステップＳ３においては、図２５に示す粗回転角度α２prが検出されている。なお、この粗回転角度α２prは、９０°の整数倍の不確定さを有している。被測定ウェハにおいては、不確定さを取除く前の粗回転角度を「予備回転角度」とも呼ぶ。この名前は、不確定さを含む予備的な回転角度であることを意味している。
【００９２】
ステップＳ３１では、パターンマッチング手段１５４（図２）が、この視野Ｗｄ内の画像に関して、基準ウェハの前処理において登録された第１のテンプレート画像ＭＰａを用いたパターンマッチング処理を行なう。
【００９３】
図２６は、被測定ウェハに関するパターンマッチングの方法を示す説明図である。まず、図２６（Ａ）に示す読み取られた画像を、アフィン変換によって予備回転角度α２prだけ時計廻りに回転して、図２６（Ｂ）に示すような画像を作成する。そして、回転後の画像内において、第１のテンプレート画像ＭＰａとマッチングする画像パターンをパターンマッチング処理によって検出する。この時、図２６（Ｃ）に示すように、９０°ずつ回転した４つのテンプレート画像を予め作成しておくことが好ましい。そして、これらの４つのテンプレート画像の中で、マッチング度が最も高くなるテンプレート画像を決定し、これにマッチングした画像パターン（マッチングパターン）の基準点の座標を決定する。図２６（Ｂ）の例では、１８０°回転のテンプレート画像のマッチング度が最も高い。従って、この被測定ウェハの画像回転角度β２は、（α２pr＋１８０°）であることが決定される。すなわち、テンプレート画像を用いたパターンマッチングによって、予備回転角度α２prの不確定さを解消して、画像回転角度β２の値を決定することができる。なお、回転対称な４つのテンプレート画像に関連付けられた角度（０°、９０°、１８０°、２７０°）のうち、パターンマッチングによって選択された角度を、以下では「マッチング角度」と呼ぶ。
【００９４】
図２７は、被測定ウェハの予備回転角度α２prと画像回転角度β２との関係を示す説明図である。この例では、予備回転角度α２prと画像回転角度β２とは１８０°の差がある。もちろん、これらの角度α２pr，β２が等しい場合もある。
【００９５】
図２４のステップＳ３２では、マッチングパターンＭＰｄの基準点Ｑｄのウェハ座標値（ξqd，ηqd）が保存される。ステップＳ３３では、パターンマッチングの結果から、マッチングパターンＭＰｄの近傍にある第１のスクライブライン交点Ｐｄ（図２７）の座標を求める。図２８は、マッチングパターンＭＰｄの基準点Ｑｄと、第１のスクライブライン交点Ｐｄとの関係を示す説明図である。前述したように、パターンマッチング処理では、図２８（ａ）〜（ｄ）に示す４つのマッチング角度のいずれか１つにおいて、画像パターンがマッチングすることが確認される。スクライブライン交点Ｐｄのウェハ座標（ξｄ，ηｄ）は、マッチング角度に応じてそれぞれ以下のように算出される。
【００９６】
（ａ）マッチング角度が０度の場合：
ξｄ＝ξqd＋Δξ，ηｄ＝ηqd＋Δη
【００９７】
（ｂ）マッチング角度が９０度の場合：
ξｄ＝ξqd＋Δη，ηｄ＝ηqd−Δξ
【００９８】
（ｃ）マッチング角度が１８０度の場合：
ξｄ＝ξqd−Δξ，ηｄ＝ηqd−Δη
【００９９】
（ｄ）マッチング角度が２７０度の場合：
ξｄ＝ξqd−Δη，ηｄ＝ηqd＋Δξ
【０１００】
ここで、Δξ，Δηは、前述した基準ウェハのプリアライメント前処理において求められていた、テンプレート画像ＭＰａの基準点Ｑａ（図１７（Ｂ））と、その近傍のスクライブライン交点Ｐａとの座標のオフセットである。この座標のオフセット（Δξ，Δη）を用いることによって、マッチングパターンＭＰｄの基準点Ｑｄのウェハ座標値から、スクライブライン交点Ｐｄのウェハ座標値を上記のように算出することができる。
【０１０１】
こうして被測定ウェハＷＦ２に関するステップＴ２１の処理が終了すると、図２３のステップＴ２２，Ｔ２３において、撮像光学系の回転角度δ、および、ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換の係数が決定される。ステップＴ２２，Ｔ２３の処理手順は、前述した基準ウェハにおけるステップＴ１２，Ｔ１３と同じなので、ここではその詳細は省略する。
【０１０２】
Ｆ．被測定ウェハを用いたファインアライメント処理：
図２９は、被測定ウェハを用いたファインアライメント処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ４１では、プリアライメント処理で得られた情報（プリアライメント情報）を用いて最初の測定点のステージ座標を予測し、測定点の近傍にあるテンプレート画像（マッチング画像）の位置にＸＹステージ３６を移動させる。このとき、まず、まず、測定レシピ１３９に含まれている各測定点のウェハ座標値が、座標変換手段１６４によってステージ座標系の座標値に変換される。ところが、座標変換で得られた測定点のステージ座標値は、ステージの歪み等の原因によって、実際の測定点のステージ座標値から多少ずれる可能性がある。そこで、座標変換で得られたステージ座標値は、測定点の位置を予測するために用いられ、測定点の正確な位置は以下に説明するパターンマッチング処理によって決定される。このように、座標変換で得られたステージ座標値は測定点の予測位置を示すので、これを「予測値」と呼ぶ。一方、パターンマッチング処理によって決定される測定点の正確な位置を「実測位置」と呼び、その座標値を「実測値」と呼ぶ。
【０１０３】
ステップＳ４２では、測定点の予測位置の近傍の画像を取込み、ファインアライメント処理で求めた画像回転角度β２だけ画像を回転する。図３０は、回転後の画像を示す説明図である。この画像は、前述した基準ウェハのプリアライメント処理における図２２の画像とほぼ同じものである。図３０の各点の位置は、ウェハ座標系の座標値で示されている。
【０１０４】
図２９のステップＳ４３では、第２のテンプレート画像ＭＲａ（図２２）を用いたパターンマッチングを行い、マッチングパターンＭＲｂ（図３０）が決定される。ステップＳ４４では、マッチングパターンＭＲｂの基準点Ｒｂのウェハ座標値（ξｂ，ηｂ）を決定する。ステップＳ４５では、基準点Ｒｂのウェハ座標値（ξｂ，ηｂ）を、基準ウェハで求められていた測定点ＰＭｉと基準点Ｒａの座標のオフセット（△ξ，△η）で補正することによって、測定点ＰＭｉの実測位置を決定する。この測定点ＰＭｉの実測位置は、ステージ座標系の座標値に変換される。従って、この測定点ＰＭｉの実測位置に従って、測定プローブを測定点ＰＭｉに正確に位置決めすることができる。
【０１０５】
図２９のステップＳ４６では、他の測定点があるか否かが判断され、他の測定点がある場合にはステップＳ４１に戻ってステップＳ４１〜Ｓ４５の処理が繰返される。こうして、被測定ウェハ上の複数の測定点ＰＭ１〜ＰＭ１５（図３）について、ステップＳ４１〜Ｓ４５を繰返し実行することによって、各測定点の実測位置を正確に決定することができる。各測定点における測定処理（例えば膜厚測定）は、ステップＳ４５とステップＳ４６の間に行うことができる。あるいは、すべての測定点に関してステップＳ４１〜Ｓ４５を繰返して実行した後に、各測定点における測定処理を順次実行するようにしてもよい。
【０１０６】
このように、上記実施例では、測定点の位置をウェハ座標系の座標値として測定レシピ１３９に登録したので、被測定ウェハにおける測定点位置の決定の際に、各測定点のウェハ座標値をステージ座標値に変換することによって、各測定点の位置を決定することができる。上記実施例では、特に、ウェハ座標値からステージ座標値に変換された座標値で示される位置を測定点の予測位置として用い、予測位置近傍でパターンマッチング処理を行ったので、各測定点の実測位置を正確に決定することができる。なお、パターンマッチング処理を行って各測定点ＰＭｉの正確な実測位置を決定せずに、各測定点ＰＭｉのウェハ座標値を変換して得られたステージ座標値を、実測座標としてそのまま使用することも可能である。但し、上述したようにパターンマッチング処理を実行した方が、より高精度に測定点の位置を決定することができる。
【０１０７】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１０８】
（１）上記実施例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
【０１０９】
（２）位置合わせ基準点ＲＰの座標を決定するための第１のパターンマッチングは、位置合わせ基準点ＲＰの近傍の領域の画像に関して行えばよく、位置合わせ基準点を含む領域の画像に対してパターンマッチングを行う必要はない。同様に、各測定点の座標を決定するための第２のパターンマッチングも、各測定点を含む領域の画像に対してパターンマッチングを行う必要はなく、各測定点の近傍の領域の画像に対して行えばよい。
【０１１０】
（３）上記実施例では、位置合わせ基準点ＲＰの位置とウェハの回転角度θ１（またはθ２）とを決定する際に、２つの領域においてパターンマッチングを行うようにしていたが、１カ所の領域におけるパターンマッチングによって位置合わせ基準点ＲＰの位置とウェハの回転角度θ１（またはθ２）とを決定するようにしてもよい。あるいは、３カ所以上の領域についてパターンマッチングを行うことによって、位置合わせ基準点ＲＰの位置とウェハの回転角度θ１（またはθ２）とを決定するようにしてもよい。また、各測定点の位置を決定する際に、複数の領域に関してパターンマッチングを行うようにしてもよい。一般に、パターンマッチングを行う領域の数が増加するほど、それによって決定される座標や回転角度の精度が向上する。
【０１１１】
（４）上記実施例では、装置にウェハの回転機構が備えられていない場合について説明したが、回転機構を有する装置に対しても本発明を適用することが可能である。本発明によれば、回転機能を有する装置においても、ウェハの回転方向（回転角度）を画像処理によって検出することが可能なので、測定点の位置決め処理が簡単であり、また、高速に処理できるという利点がある。
【０１１２】
（５）測定レシピ１３９は、各測定点における測定条件を含む必要は無く、少なくとも各測定点の位置を示す情報を含んでいればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を適用して半導体ウェハの位置合わせ処理を行なう機能を有する測定装置の構成を示すブロック図。
【図２】画像処理ユニット５０の内部構成を示すブロック図。
【図３】実施例における位置合わせ処理の概要を示す説明図。
【図４】実施例における位置合わせ処理の全体手順を示すフローチャート。
【図５】基準ウェハＷＦ１を用いたプリアライメント前処理の手順を示すフローチャート。
【図６】ウェハの画像回転角度β１を求めるためのステップＴ１１の詳細手順を示すフローチャート。
【図７】撮像光学系の回転角度δを求めるためのステップＴ１２の詳細手順を示すフローチャート。
【図８】ウェハ座標とステージ座標との間の座標変換係数を決定するためのステップＴ１３の詳細手順を示すフローチャート。
【図９】半導体ウェハＷＦ内に形成された複数のチップの配列の様子を示す概念図。
【図１０】ウェハの中心付近を拡大して示す概念図。
【図１１】１次元投影法による直線エッジ情報の検出処理を示す説明図。
【図１２】ソベルオペレータによる画像処理の方法を示す説明図。
【図１３】ソベルオペレータを用いて得られた水平エッジ値と垂直エッジ値とから、画像の直線部分の角度を算出する方法を示す説明図。
【図１４】処理対象となる多階調画像の一例と、この多階調画像からソベルオペレータ法によって検出された角度のヒストグラムを示す説明図。
【図１５】４つの等価回転角度を示す説明図。
【図１６】スクライブラインＳＬの交点位置に視野の中心を移動させた状態を示す説明図。
【図１７】テンプレート画像ＭＰａの登録の様子を示す説明図。
【図１８】撮像座標系とステージ座標系との関係を示す説明図。
【図１９】第１と第２のスクライブライン交点位置で撮像された画像の視野Ｗａ，Ｗｂを示す説明図。
【図２０】ステップＳ１６，Ｓ１７の処理内容を示す説明図。
【図２１】基準ウェハＷＦ１を用いたファインアライメント前処理の手順を示すフローチャート。
【図２２】基準ウェハＷＦ１のファインアライメント前処理におけるｉ番目の測定点ＰＭｉを含む視野Ｗ（ｉ）を示す説明図。
【図２３】被測定ウェハのプリアライメント処理の手順を示すフローチャート。
【図２４】被測定ウェハの画像回転角度β２を求めるためのステップＴ２１の手順を示すフローチャート。
【図２５】被測定ウェハにおいて設定される視野の一例を示す説明図。
【図２６】被測定ウェハに関するパターンマッチングの方法を示す説明図。
【図２７】被測定ウェハにおけるウェハの予備回転角度α２prと画像回転角度β２との関係を示す説明図。
【図２８】被測定ウェハにおけるマッチングパターンＭＰｄの基準点Ｑｄと第１のスクライブライン交点Ｐｄとの関係を示す説明図。
【図２９】被測定ウェハを用いたファインアライメント処理の手順を示すフローチャート。
【図３０】被測定ウェハを用いたファインアライメント処理において、測定点の近傍で得られた回転後の画像を示す説明図。
【符号の説明】
３０…制御操作ユニット
３１…表示部
３２…操作部
３３…制御部
３４…ステージ駆動部
３５…ステージ座標読み込み部
３６…ＸＹステージ
３６ａ，３６ｂ…ウェハ保持アーム
３８…通信経路
４０…光学ユニット
４１…カメラ
４２…光源
４３…ハーフミラー
４４…対物レンズ
５０…画像処理ユニット
１１０…ＣＰＵ
１１２…バスライン
１１４…ＲＯＭ
１１６…ＲＡＭ
１３６…モニタ
１３８…磁気ディスク
１３９…測定レシピ
１４０…入出力インタフェイス
１５０…等価回転方向決定手段
１５２…撮像位置決定手段
１５４…パターンマッチング手段
１５６…角度選択手段
１５８…回転方向決定手段
１６０…基準位置決定手段
１６２…測定位置決定手段
１６４…座標変換手段
１６６…測定情報作成手段
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体ウェハの測定点に関する測定情報を作成し、この測定情報を用いて測定点の位置を決定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハは、その製造工程において種々の測定装置によって測定が行われる。測定処理の際には、ウェハ上の予め定められた測定点に測定プローブ（光学素子や電極等）を正確に位置決めする「位置合わせ処理（アライメント処理）」が行なわれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数の測定装置を用いて同一の測定を行いたい場合がある。しかし、複数の測定装置にウェハをセットすると、ウェハの向きや位置がそれぞれの装置で異なるので、ウェハ上の測定点の座標も互いに異なる値を取る。従って、従来は、複数の測定装置の間では、測定位置を含む測定情報を流用することができないという問題があった。
【０００４】
また、同一の測定装置を用いた場合にも、複数のウェハを載置した場合には各ウェハ上の測定点の座標が互いに異なる値を取ることがある。例えば、測定装置にセットされたウェハの向きが常に正確に一定の向きにならず、或る程度任意の角度を取りうる場合には、測定点の座標は、各ウェハ毎に異なる値を取る。従って、同一の測定装置においても、測定点の位置を正確に決定することが困難であるという問題があった。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、複数の測定装置の間において測定位置を含む測定情報を流用することができる技術を提供することを第１の目的とする。また、このような測定情報を用いて、ウェハ上の測定点の位置を決定できる技術を提供することを第２の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、この発明の方法は、被測定ウエハを載置するステージを備えた測定装置を用いて被測定ウェハの測定位置を決定する方法であって、
（ａ）被測定ウェハ上で定義されたウェハ座標系の座標値で表されている測定点の位置を少なくとも含む測定情報を用い、各測定点のウェハ座標系の座標値を前記ステージ上で定義されたステージ座標系の座標値に変換する工程と、
（ｂ）各測定点に関する前記ステージ座標系の座標値を用いて、前記被測定ウェハ上の各測定点の位置決めを実行する工程と、
を備え、
前記測定情報は、前記被測定ウェハ表面の位置合わせ基準点と前記測定点との位置関係を含むとともに、前記被測定ウェハ表面の前記位置合わせ基準点の近傍の画像に対してパターンマッチングを行う際に用いられる第１のテンプレート画像と、前記測定点の近傍の画像に対してパターンマッチングを行う際に用いられる第２のテンプレート画像と、を含み、
前記工程（ｂ）は、
（ｉ）前記位置合わせ基準点の近傍の領域について第１の画像を取り込む工程と、
（ｉｉ）前記第１の画像に関して前記第１のテンプレート画像を用いたパターンマッチング処理を含む第１の処理を行うことによって、前記ステージ座標系における前記被測定ウェハの回転方向と前記位置合わせ基準点の位置とを決定する工程と、
（ｉｉｉ）決定された前記回転方向および前記位置合わせ基準点の位置と、予め登録された前記位置合わせ基準点と前記測定点との位置関係に基づいて、前記ステージ座標系における前記測定点の予測位置を決定する工程と、
（ｉＶ）前記予測位置の近傍の領域について第２の画像を取り込む工程と、
（Ｖ）前記第２の画像に関して前記第２のテンプレート画像を用いたパターンマッチング処理を含む第２の処理を行うことによって、前記測定点の実測位置を決定する工程と、
を備え、
前記工程（ｉｉ）における第１の処理は、
前記第１の画像に含まれる直線部分を分析することによって、前記被測定ウェハが取り得る回転角度として、互いに９０度の整数倍異なる４つの等価回転角度を決定する工程と、
前記画像に対して前記第１のテンプレート画像を用いたパターンマッチングを行なうことによってマッチングパターンを検出し、前記マッチングパターンの方向に基づいて前記４つの等価回転角度の中からウェハ座標系において予め定められていた１つの基準方向に対応する１つの等価回転角度を選択する工程と、
前記選択された等価回転角度から前記被測定ウェハの回転方向を決定する工程と、
を含むことを特徴とする。
【０００７】
上記第１の方法では、測定点の位置がウェハ座標系の座標値で表されているので、複数の測定装置の間において測定点位置を含む測定情報を流用することができる。また、ステージ上に載置されるウェハの位置や向きが常に一定とはならないような測定装置を用いる場合にも、各ウェハ上の測定点の位置を決定するために、この測定情報を用いることができる。
【０００８】
上記第１の方法において、
前記測定情報は、さらに、各測定点近傍において撮像された画像についてパターンマッチングを実行することによって測定点の位置を決定する際に使用されるテンプレート画像を含むようにしてもよい。
【０００９】
こうすれば、テンプレート画像を用いたテンプレートマッチングを行うことによって、測定点の位置を高精度に決定することができる。
【００１０】
本発明の第２の方法は、ウエハを載置するステージを備えた測定装置を用いてウェハの測定位置を決定する方法であって、
（ａ）上記第１の方法に従って作成された前記測定情報を用い、各測定点のウェハ座標系の座標値を前記ステージ上で定義されたステージ座標系の座標値に変換する工程と、
（ｂ）各測定点に関する前記ステージ座標系の座標値を用いて、前記ウェハ上の各測定点の位置決めを実行する工程と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
こうすれば、測定情報内の測定点の座標値を用いて、ウェハ上の測定点の位置を決定することができる。
【００１２】
上記第２の方法において、
前記測定装置は、さらに、ウェハ上の画像を撮像するための撮像光学系を備えており、
前記方法は、さらに、
前記撮像光学系で定義された撮像座標系における座標と、前記ステージ座標系における座標との間の回転を含む座標変換を規定する座標変換係数を決定する工程と、
前記座標変換係数を用いて、前記撮像光学系で撮像された撮像画像内における撮像座標系の座標と前記ステージ座標系の座標との間の座標変換を実行する工程と、を含むようにしてもよい。
【００１３】
こうすれば、撮像座標系がステージ座標系から傾いている場合にも、撮像画像内の任意の点の位置に関するステージ座標系の座標に正確に求めることができる。
【００１４】
【発明の他の態様】
この発明は、以下のような他の態様も含んでいる。第１の態様は、ウェハ上の測定点に関する測定情報を作成する装置であって、
前記ウェハ上における測定点の位置と、各測定点における測定条件とを含む測定情報を作成する測定情報作成手段を備え、
前記測定点の位置は、前記ウェハ上で定義されたウェハ座標系の座標値で表されていることを特徴とする。
【００１５】
第２の態様は、ウエハを載置するステージを備えた測定装置を用いてウェハの測定位置を決定する装置であって、
上記の方法または装置によって作成された前記測定情報を用い、各測定点のウェハ座標系の座標値を前記ステージ上で定義されたステージ座標系の座標値に変換する手段と、
各測定点に関する前記ステージ座標系の座標値を用いて、前記ウェハ上の各測定点の位置決めを実行する測定位置決定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１６】
第３の態様は、コンピュータに上記の発明の各工程または各手段の機能を実行させるコンピュータプログラムを記録した記録媒体である。記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータが読取り可能な携帯型の記憶媒体や、コンピュータシステムの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置、あるいは、これ以外のコンピュータプログラムが記録された媒体であってコンピュータシステムが読取り可能な種々の媒体を利用できる。
【００１７】
第４の態様は、コンピュータに上記の発明の各工程または各手段の機能を実行させるコンピュータプログラムを通信経路を介して供給するプログラム供給装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
Ａ．装置の構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、この発明の実施例を適用して半導体ウェハの位置合わせ処理（アラインメント処理）を行なう機能を有する測定装置の構成を示すブロック図である。この測定装置は、制御操作ユニット３０と、撮像光学系としての光学ユニット４０と、画像処理ユニット５０とを備えている。
【００１９】
制御操作ユニット３０は、表示部３１と、操作部３２と、制御部３３と、ステージ駆動部３４と、ステージ座標読み込み部３５と、ＸＹステージ３６とを備えている。表示部３１としては、例えばモニタや液晶ディスプレイ等が使用される。また、操作部３２としては、例えばキーボードやマウス等が用いられる。ＸＹステージ３６の上には、半導体ウェハＷＦが載置される。半導体ウェハＷＦの表面には、タイル状に配列された矩形の複数の半導体チップが形成されている。なお、この装置は、ＸＹステージ３６を回転させる機構は有していない。
【００２０】
光学ユニット４０は、カメラ４１と、光源４２と、ハーフミラー４３と、対物レンズ４４とを備えている。ハーフミラー４３は、光源４２から出射された光を対物レンズ４４に向けて反射し、ＸＹステージ３６上の半導体ウェハＷＦに光を照射する。半導体ウェハＷＦの表面で反射されたは光は、対物レンズ４４とハーフミラー４３とを通過して、カメラ４１に入射する。すなわち、カメラ４１は、半導体ウェハＷＦの表面の画像を撮像する。画像としては、多階調画像（グレー画像）を読取ることが好ましい。なお、この実施例では、カメラ４１の視野サイズは、半導体ウェハの表面に形成された半導体チップの１個分のサイズよりも小さい。後で詳述するように、半導体ウェハＷＦの多階調画像は、画像処理ユニット５０によって処理され、これによって半導体ウェハＷＦの回転方向が検出される。画像処理ユニット５０のモニタ１３６には、半導体ウェハＷＦの一部の撮像領域の多階調画像が表示される。
【００２１】
ユーザが操作部３２を操作してＸＹステージ３６に対する移動指令を入力すると、その指令に応じて、制御部３３がステージ駆動部３４を制御してＸＹステージ３６をＸ方向とＹ方向に移動させる。また、操作部３２からステージの座標読み込み指令が入力されると、その時点のステージ座標情報がステージ座標読み込み部３５によって読込まれて制御部３３に供給される。ステージ座標情報は、必要に応じて表示部３１に表示される。ステージ座標情報は、さらに、双方向の通信経路３８を介して制御部３３から画像処理ユニット５０にも供給される。後述するように、画像処理ユニット５０は、画像処理によって認識されたウェハの回転方向と、このステージ座標情報とを利用することによって、ウェハの正確な回転方向や測定位置を決定する。
【００２２】
図２は、画像処理ユニット５０の内部構成を示すブロック図である。この画像処理ユニット５０は、ＣＰＵ１１０と、ＲＯＭ１１４と、ＲＡＭ１１６と、入出力インタフェイス１４０とが、バスライン１１２に接続されたコンピュータシステムとして構成されている。入出力インタフェイス１４０には、モニタ１３６と、磁気ディスク１３８と、通信経路３８とが接続されている。
【００２３】
ＲＡＭ１１６には、等価回転方向決定手段１５０と、撮像位置決定手段１５２と、パターンマッチング手段１５４と、角度選択手段１５６と、回転方向決定手段１５８と、基準位置決定手段１６０と、測定位置決定手段１６２と、座標変換手段１６４と、測定情報作成手段１６６と、の機能を実現するアプリケーションプログラムが格納されている。これらの各手段の機能については後述する。
【００２４】
なお、これらの各手段の機能を実現するコンピュータプログラム（アプリケーションプログラム）は、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の携帯型の記録媒体（可搬型の記録媒体）に記録された形で提供され、この記録媒体からコンピュータシステムの外部記憶装置に転送される。そして、実行時には、ＲＡＭ１１６に記憶される。あるいは、通信経路を介してプログラム供給装置からコンピュータシステムにコンピュータプログラムを供給するようにしてもよい。この明細書において、コンピュータシステムとは、ハードウェアとオペレーションシステムとを含み、オペレーションシステムの制御の下で動作する装置を意味している。アプリケーションプログラムは、このようなコンピュータシステムに、上述の各部の機能を実現させる。なお、上述の機能の一部は、アプリケーションプログラムでなく、オペレーションシステムによって実現されていても良い。
【００２５】
Ｂ．位置合わせ処理の概要：
図３は、実施例における位置合わせ処理の概要を示す説明図である。基準ウェハ（図３（Ａ））とは、位置合わせ処理の対象となる被測定ウェハ（図３（Ｂ））と同じパターンが形成されたウェハである。一般的には、同一のロットで処理された複数のウェハの１枚を基準ウェハＷＦ１として使用し、他のウェハが被測定ウェハＷＦ２となる。１枚のウェハには、位置合わせ基準点ＲＰと、複数の測定点ＰＭ１〜ＰＭ１５（白丸で示す）とが設定される。図３（Ａ），（Ｂ）にも示されているように、ウェハがＸＹステージ３６上に載置された時には、任意の回転方向を取りうるものと仮定している。ステージ３６上にウェハを搬送するための搬送装置（図示せず）の構成によっては、ウェハのノッチＮＴがほぼ所定方向（例えば時計の６時方向）を向くようにウェハが載置される場合もある。しかし、このような場合でもウェハの向きが正確に調整されるとは限らず、或る程度傾いた状態でステージ３６上に載置されることが多い。そこで、この実施例では、ウェハが任意の向きを取り得るものと仮定している。なお、図１に示す測定装置は、ＸＹステージ３６上に載置されたウェハを回転するための回転機構を備えていないので、ウェハの向き（回転方向）は、画像処理によって認識され、補正される。
【００２６】
図４は、実施例における位置合わせ処理の全体手順を示すフローチャートである。ウェハの測定点の位置合わせ処理は、基準ウェハを用いたプリアライメント前処理（ステップＴ１）と、基準ウェハを用いたファインアライメント前処理（ステップＴ２）と、被測定ウェハを用いたプリアライメント処理（ステップＴ３）と、被測定ウェハを用いたファインアライメント処理（ステップＴ４）とに大別される。ステップＴ１，Ｔ３におけるプリアライメント処理は、基準位置決定手段１６０（図２）の制御の下に、測定位置決定手段１６２以外の他の手段１５０，１５２，１５４，１５６，１５８，１６４が協力して実行する。ステップＴ２，Ｔ４におけるファインアライメント処理は、測定位置決定手段１６２の制御の下に、撮像位置決定手段１５２とパターンマッチング手段１５４と撮像光学系座標変換手段１６４とが協力して実行する。
【００２７】
図４のステップＴ１における基準ウェハＷＦ１を用いたプリアライメント前処理では、撮像座標とステージ座標との間の座標変換係数と、ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換係数とが決定される。ここで、「撮像座標」とは、撮像光学系である光学ユニット４０で撮像された撮像画像の領域内で定義された座標系（「撮像座標系」と呼ぶ）の座標である。「ステージ座標」は、ＸＹステージ３６上で定義された座標系（「ステージ座標系」と呼ぶ）の座標であり、「ウェハ座標」は、ウェハ上で定義された座標系（「ウェハ座標系」と呼ぶ）の座標である。
【００２８】
ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換係数は、ＸＹステージ３６上に載置された基準ウェハＷＦ１の回転角度θ１と、位置合わせ基準点ＲＰのステージ座標値とから決定される（図３（Ａ））。ここで、基準ウェハＷＦ１の回転角度θ１は、ステージ座標系の基準方向Ｄｓと基準ウェハＷＦ１の基準方向Ｄ１とのなす角度である。ステージ座標系の基準方向Ｄｓは、ＸＹステージ３６に対して固定された方向であり、例えばＸＹステージ３６上のＸ方向（時計の３時方向）に設定される。基準ウェハＷＦ１の基準方向Ｄ１は、基準ウェハＷＦ１に対して固定された方向であり、例えば基準ウェハＷＦ１のノッチＮＴを時計の６時方向とした時の３時の方向に設定される。なお、これらの基準方向Ｄｓ，Ｄ１の設定の仕方は任意であり、これ以外の定義も可能である。
【００２９】
ステップＴ２における基準ウェハＷＦ１を用いたファインアライメント前処理では、基準ウェハＷＦ１上の複数の測定点ＰＭ１〜ＰＭ１５の位置と、各測定点における測定条件とを含む測定レシピを登録する。各測定点の位置は、ウェハ座標系の座標値として登録される。なお、ステップＴ１，Ｔ２で決定された各種の情報を含む測定レシピ１３９は、測定情報作成手段１６６によって作成されて磁気ディスク１３８に格納される。
【００３０】
ステップＴ３，Ｔ４は、被測定ウェハＷＦ２を用いたプリアライメント処理とファインアライメント処理である。ステップＴ３のプリアライメント処理では、ステップＴ１と同様に、撮像座標とステージ座標との間の座標変換係数と、ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換係数とが決定される。また、ステップＴ４のファインアライメント処理では、測定レシピ１３９を用いて、各測定点の位置が決定されるとともに、各測定点において測定が実行される。
【００３１】
被測定ウェハＷＦ２に関するステップＴ３，Ｔ４の処理は、ステップＴ１，Ｔ２で用いた測定装置と同じ装置で実行することも可能であり、また、別の測定装置を用いて実行することも可能である。同じ測定装置を用いる場合には、撮像座標とステージ座標との座標変換の係数はステップＴ１で求めたものと同じものを使用することができる。しかし、被測定ウェハＷＦ２の向きは、図３（Ｂ）に示すように任意の向きを取り得ると仮定しているので、ステージ座標とウェハ座標との座標変換の係数はステップＴ３において改めて求められる。
【００３２】
一方、ステップＴ１，Ｔ２で使用されたものとは異なる他の測定装置を用いて測定を行う場合には、ステップＴ３においてステップＴ１と同様な処理が行われ、撮像座標とステージ座標との座標変換の係数も決定される。なお、ステップＴ３，Ｔ４において他の測定装置を用いる場合には、基準ウェハＷＦ１（第１のウェハ）を用いたステップＴ１，Ｔ２の処理を行う測定装置を「第１の測定装置」と呼び、被測定ウェハＷＦ２（第２のウェハ）を用いたステップＴ３，Ｔ４の処理を行う測定装置を「第２の測定装置」と呼ぶ。第１と第２の測定装置は、同じ構成を有していてもよく、また、互いに異なる構成を有していてもよい。
【００３３】
Ｃ．基準ウェハを用いたプリアライメント前処理：
図５ないし図８は、基準ウェハＷＦ１を用いたプリアライメント前処理の手順を示すフローチャートである。図５のステップＴ１１では、基準ウェハＷＦ１の画像回転角度β１が求められる。以下に説明するように、画像回転角度β１は、光学ユニット４０で撮像した画像を回転して、正立した画像を得るための角度である。
【００３４】
図６は、ステップＴ１１の詳細手順を示すフローチャートである。ステップＳ１では、ウェハのチップ寸法と、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のチップ個数とをユーザが入力する。
【００３５】
図９は、半導体ウェハの表面に形成されたチップの配列を示す概念図である。半導体ウェハＷＦの表面上には、同一サイズの矩形の複数のチップＣＰがタイル状に配置される。Ｘ軸方向とＹ軸方向に沿ったチップ個数の偶数と奇数の組合わせは、偶数−偶数、奇数−偶数、偶数−奇数、奇数−奇数の４通りある。図９（Ａ）は偶数−偶数の例であり、図９（Ｂ）は、偶数−奇数の例である。このような４通りの組み合わせのいずれであるかを示す情報と、チップの縦横のピッチＬＸ，ＬＹとから、ウェハの中心Ｏを基準にして、中心付近のチップの位置を算出することができる。従って、ステップＳ１では、少なくともチップ個数の４通りの組合わせのいずれであるかを示す情報と、チップのピッチＬＸ，ＬＹを示す情報とが入力される。
【００３６】
図６のステップＳ２では、基準ウェハＷＦ１の中心位置において多階調画像（グレー画像）がカメラ４１によって取り込まれる。ウェハが最初にＸＹステージ３６上に載置される時には、図９に示すように、ウェハの外周が、ＸＹステージ３６のウェハ保持アーム３６ａ，３６ｂで保持されて、ＸＹステージ３６のほぼ中央に位置決めされる。この状態において、カメラ４１によって撮像すると、ウェハの中心付近の画像を得ることができる。
【００３７】
図１０は、ウェハの中心付近を拡大して示す概念図である。この実施例では、各チップＣＰの右上の角に、他の３つの角にはない特徴的なパターンＰＴが形成されているものとする。このパターンＰＴを含む画像部分は、後述するパターンマッチングにおいて、第１のテンプレート画像として利用される。チップＣＰは、直交するスクライブラインＳＬによって区分されている。ウェハ表面を撮像して得られた多階調画像では、スクライブラインＳＬは暗領域として識別されることもあり、あるいは、明領域として識別されることもある。いずれの場合においても、スクライブラインＳＬは、チップＣＰとは明度が異なる領域として識別可能である。
【００３８】
図１０には、チップ個数の４種類の組み合わせに応じたカメラ４１の視野Ｗ１〜Ｗ４の位置が例示されている。前述したように、カメラ４１の視野サイズは、チップ１個分のサイズよりも小さいので、視野内に１個のチップがすべて含まれることはない。第１の視野Ｗ１は、チップ個数が偶数−偶数の場合におけるウェハ中央での撮像領域に相当する。この視野Ｗ１は、スクライブラインＳＬの交点のほぼ中心に位置している。第２の視野Ｗ２は、チップ個数が偶数−奇数の場合におけるウェハ中央での撮像領域に相当する。この視野Ｗ２は、２つのチップに挟まれた位置にある。第３の視野Ｗ３は、チップ個数が奇数−偶数の場合におけるウェハ中央での撮像領域に相当する。この視野Ｗ３も、チップに挟まれた位置にある。第４の視野Ｗ４は、チップ個数が奇数−奇数の場合におけるウェハ中央での撮像領域に相当する。この視野Ｗ４も、２つのチップのほぼ中央に挟まれた位置にある。なお、実際には、基準ウェハＷＦ１の向きは図１０の位置から回転しているので、視野Ｗ１〜Ｗ４は、スクライブラインＳＬで示される正規の方位から傾いた状態となる。
【００３９】
図６のステップＳ２では、ウェハの中心位置において画像を取り込むので、図１０の視野Ｗ１〜Ｗ４のいずれかの位置における画像が得られる。この画像は、次のステップＳ３において、画像内に含まれる直線部分（スクライブラインＳＬ等）を認識するために使用される。チップの個数が奇数−奇数の場合には、図１０の第４の視野Ｗ４のように直線部分が含まれない可能性が高い。そこで、この場合には、チップのピッチＬＸまたはＬＹの１／２だけウェハの中心からずらした位置において撮像するようにしてもよい。
【００４０】
図６のステップＳ３では、等価回転方向決定手段１５０（図２）が、画像に含まれる直線エッジ情報を検出するとともに、その直線エッジ情報から、基準ウェハの粗回転角度を決定する。「粗回転角度」とは、直線エッジ情報から得られる比較的低精度の回転角度を意味する。直線エッジ情報の抽出方法としては、以下に説明する１次元投影法やソベルオペレータ法等を利用することができる。
【００４１】
図１１は、１次元投影法による直線エッジ情報の検出処理を示す説明図である。図１１には、水平方向にのみ直線部分が存在する２次元多階調画像が示されている。１次元投影法では、この２次元多階調画像を種々の方向に１次元投影して、画素値を加算する。直線部分に平行な方向に投影した場合には、直線部分が存在する座標における画素値が大きなピーク値を持つ。一方、直線部分と平行でない方向に投影した場合には、加算された画素値のピーク値はこれよりも小さくなる。このように、２次元画像をさまざまな方向に１次元投影して、画素値の累算値のピーク値が最大となる投影方向を、直線部分の方向として決定することができる。投影方向は、１８０°の範囲にわたる複数の投影方向を選択するようにすればよい。この直線部分の方向から、粗回転角度が決定される。例えば、ステージ座標系（ＸＹステージ３６に固定された座標系）の所定の方向（例えば時計の３時方向）を基準方向として、この基準方向から反時計回りに直線部分の方向まで測った角度を粗回転角度とすることができる。
【００４２】
図１２ないし図１４は、ソベルオペレータ法による直線エッジ情報の検出処理を示す説明図である。図１２は、ソベルオペレータによる画像処理の方法を示している。ソベルオペレータ法では、まず、図１２（Ａ−１）または（Ａ−２）に示すような、エッジ画素を含む所定サイズの画素ブロック（図１２の例では、３×３ブロック）を多階調画像の中から選択する。ここで、「エッジ画素」は、「８近傍の画素のうちで、少なくとも１つの画素の画素値が、自分自身（図１２（Ａ−１），（Ａ−２）の中心画素）の画素値と異なっており、かつ、画像の境界上にない画素」と定義される。図１２（Ａ−１）では、画像の角部分の画素がエッジ画素として認識される状態を示しており、図１２（Ａ−２）では、直線部分の画素がエッジ画素として認識される状態を示している。エッジ画素の識別は、３×３ブロックを多階調画像内で走査し、ブロックの中央画素が上記の定義に合致するか否かを判断することによって行なわれる。
【００４３】
図１２（Ｂ−１），（Ｂ−２）は、水平方向と垂直方向のソベルオペレータをそれぞれ示している。エッジ画素を含む３×３ブロックに対して、これらの水平方向オペレータと垂直方向オペレータとをそれぞれ作用させることによって、水平エッジ値と垂直エッジ値とがそれぞれ求められる。図１２（Ｃ）は、水平方向オペレータを作用させた場合の演算の例を示している。水平方向オペレータを３×３ブロックの画素値に作用させると水平エッジ値が得られ、同様にして、垂直方向オペレータを３×３ブロックの画素値に作用させると垂直エッジ値が得られる。
【００４４】
図１３は、ソベルオペレータを用いて得られた水平エッジ値ｘと垂直エッジ値ｙとから、画像の直線部分の角度を算出する方法を示す説明図である。図１３（Ａ）に示すように、画像の直線部分の角度αは、ｔａｎ-1（ｙ／ｘ）で与えられる。ここで、角度αは、水平右向き方向（時計の３時方向）から反時計回りに測った角度である。例えば、図１３（Ｂ）の例では、垂直エッジ値が０であり水平エッジ値が４なので、角度αは０°であると判定できる。また、図１３（Ｃ）の例では、垂直エッジ値と水平エッジ値がいずれも１なので、角度αは４５°であると判定できる。なお、角度αは０°〜１８０°の範囲の値を取るものとする。１８０°〜３６０°の範囲は、０°〜１８０°の範囲と等価である。
【００４５】
図１４は、処理対象となる多階調画像の一例と、この多階調画像からソベルオペレータ法によって検出された角度αのヒストグラムを示す説明図である。図１４（Ａ）に示す多階調画像内において、図１２（Ａ−１）または図１２（Ａ−２）のようなエッジ画素を中心画素とする３×３ブロックを検出し、エッジ画素を含む各３×３ブロックについて図１３に示す方法で角度αを決定する。図１４（Ｂ）は、このようして多数の３×３ブロックについて得られた角度αの頻度を示すヒストグラムである。この例では、４０°と１３０°の位置にピークが存在し、４０°の位置のピークが最大である。この時、最大ピーク位置の角度α１を、多階調画像内の直線部分の回転方向を示す粗回転角度であるとして採用する。
【００４６】
なお、上述した１次元投影法やソベルオペレータ法を用いて検出された粗回転角度α１には、９０°の整数倍異なる４つの等価な角度が存在する。換言すれば、粗回転角度α１は、１／４の不確定さを有している。図１５は、４つの等価回転角度を示す説明図である。図１５（Ａ）に示すように、カメラ４１の視野Ｗ内にスクライブラインＳＬの交点付近の画像が見えている場合を考える。この実施例ではカメラ４１の視野サイズがチップサイズに比べて小さいので、チップの回転方向が図１５（Ｂ）〜（Ｅ）の４種類のいずれであるかを画像データから特定することができない。従って、ウェハの正しい回転角度は、９０°おきの４つの等価な回転角度の中の１つである。図６のステップＳ３においては、この４つの等価な回転角度の少なくとも１つを粗回転角度として検出する。等価な回転角度の１つが検出できれば、他の等価な回転角度も検出できたものと考えることができる。
【００４７】
なお、ステップＳ３において得られる直線エッジ情報とその粗回転角度は、ほとんどの場合はスクライブラインＳＬのものである。但し、スクライブラインＳＬに限らず、ウェハの多階調画像内に存在する直線的な画像部分に関する直線エッジ情報やその粗回転角度を検出してもよい。チップ内の回路が有する直線的な部分は、スクライブラインＳＬに平行なものがほとんどである。従って、スクライブラインＳＬ以外の直線的画像部分を検出しても、ウェハの粗回転角度を求めることができる。
【００４８】
図６のステップＳ４では、ステップＳ３で検出された直線エッジ情報が信頼できるか否かが判定される。この判定は、例えば、図１３に示す１次元投影法を用いた場合には、累算画素値のピーク値が所定の閾値以上であるか否かによって行なうことができる。また、図１２〜図１４に示すソベルオペレータ法を用いた場合には、図１４（Ｂ）のヒストグラムのピーク値が所定の閾値以上であるか否かによって判定することができる。あるいは、モニタ１３６にウェハの画像を表示しておけば、はっきりとした直線エッジが画像内に含まれるか否かをユーザが目視で判定することができる。直線エッジ情報が信頼できないものである場合には、ステップＳ５において、ＸＹステージ３６を所定量（例えば１視野分）だけ移動させ、ウェハ中心付近の別の位置において多階調画像を取り込む。そして、ステップＳ３を再度実行することによって直線エッジ情報を検出し、粗回転角度α１を求める。
【００４９】
こうして、粗回転角度α１が求められると、ステップＳ６において、撮像位置決定手段１５２が、ウェハの中心付近においてスクライブラインＳＬの交点位置を視野に含むように、ＸＹステージ３６の目標位置座標を算出して移動させる。前述したように、Ｘ軸方向とＹ軸方向に沿ったチップの個数の４種類の組み合わせ（偶数−偶数、偶数−奇数、奇数−偶数、奇数−奇数）によって、ウェハの中心における初期の視野の位置は図１０に示す４つの視野Ｗ〜Ｗ４の位置にほぼ決まっている。撮像位置決定手段１５２（図２）は、ステップＳ３で得られた粗回転角度α１と、チップの寸法（ピッチＬＸ，ＬＹ）と、チップの個数情報から、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれどの程度移動させればスクライブラインＳＬの交点位置を視野内に含む位置に移動できるかを算出する。画像処理ユニット５０は、この移動量を制御部３３（図１）に通知して、ＸＹステージ３６を移動させる。その後、カメラ４１によって多階調画像を再度撮像する。なお、粗回転角度α１には１／４の不確定さがあるので、１回の移動によって、視野の中心がスクライブラインＳＬの交点位置に到達できるとは限らない。この場合には、例えばウェハの中央位置を中心として９０°回転した方向に移動方向を変更して、同じ距離だけ移動すれば、スクライブラインＳＬの交点位置に視野（すなわち撮像領域）の中心を移動させることができる。図１６は、スクライブラインＳＬの交点位置に視野の中心を移動させた状態を示している。図１６に示したように、ウェハの直線部分（スクライブラインＳＬ）の方向は、ステージ座標系の基準方向Ｄｓから粗回転角度α１だけ回転している。ステップＳ６においてカメラ４１で取り込んだ画像はモニタ１３６に表示される。
【００５０】
図６のステップＳ７では、ステップＳ６で取り込まれた画像を時計回りに粗回転角度α１だけ回転させる画像処理を行う。ステップＳ８では、撮像位置決定手段１５２が、スクライブラインＳＬの交点Ｐａのステージ座標値を求めて、これを保存する。スクライブラインＳＬの交点位置の座標値は、後に、基準ウェハＷＦ１の位置合わせ基準点を決定する際に使用される。基準ウェハのスクライブラインＳＬの交点位置は、例えば、図１６に示すカメラ４１の視野Ｗａの中心点Ｐａの座標で代表される。この点Ｐａの位置は、ユーザがモニタ１３６に表示された画像上において、マウス等のポインティングデバイスを用い、カーソルを移動させて指定することができる。あるいは、カメラ４１で取り込んだ多階調画像を処理することによって、スクライブラインＳＬの交点の中心位置の座標を自動的に決定することも可能である。画像処理で交点の中心位置を求める場合には、まず、前述したステップＳ３と同様な方法に従って直線エッジを検出する。そして、スクライブラインＳＬのエッジを近似した直線を求める。さらに、これらの近似直線で構成される４つの角部の中心位置を、スクライブラインＳＬの交点位置として決定する。なお、視野Ｗａの原点は、視野Ｗａ内の所定の位置（例えば視野の左下点）に設定され、この原点を基準にして撮像座標が定義される。撮像画像の原点のステージ座標系の座標は、ステージ座標読み込み部３５（図１）で取り込まれた座標値で示される。視野Ｗａ内の任意の位置のステージ座標系の座標は、視野Ｗａ内の撮像座標系におけるその任意の位置の座標値と、視野Ｗａの原点のステージ座標値とから算出される。
【００５１】
なお、ステップＳ８においては、第１のテンプレート画像ＭＰａの基準点Ｑａと、スクライブライン交点Ｐａとのステージ座標値のオフセット（δｘ，δｙ）も測定される。
【００５２】
図６のステップＳ９では、ステップＳ７で回転した画像の中からパターンマッチング用の第１のテンプレート画像（モデルパターンとも呼ぶ）を切り出して登録する。図１７は、第１のテンプレート画像ＭＰａの登録の様子を示す説明図である。ステップＳ７では、まず、スクライブラインＳＬ交点位置における多階調画像（図１７（Ａ））を、図１７（Ｂ）に示すように粗回転角度α１だけ時計回りに回転させて、回転後の画像をモニタ１３６に表示する。画像の回転は、アフィン変換によって実行される。ユーザは、表示された画像を観察して、テンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンが存在するか否かを判断する。テンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンとは、その画像パターンの向きから、粗回転角度α１として等価な４つ等価回転角度の中の１つを選択できるような画像パターンを意味する。テンプレート画像ＭＰａとしては、９０°の整数倍の回転対称性が無い画像パターンが好ましい。換言すれば、９０°の整数倍の回転対称性（９０°，１８０°，２７０°の回転対称性）のいずれかを有する画像パターンは、テンプレート画像ＭＰａとしては不適切である。スクライブラインＳＬの交点付近の視野Ｗａには、隣接する４つのチップのそれぞれの角部が含まれるので、これらの４つの角部の内の１つにのみ含まれる特有の画像パターンを第１のテンプレート画像ＭＰａとして登録することができる。
【００５３】
現在の視野Ｗａ内にテンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンが存在しない場合には、カメラ４１で取り込んだ画像をモニタ１３６に表示して観察しながら、ＸＹステージ３６を少しずつ移動させる。そして、テンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンが視野内に入る状態に設定する。
【００５４】
現在の視野Ｗａ内にテンプレート画像ＭＰａとして使用できる画像パターンが存在する場合には、図１７（Ｂ），（Ｃ）に示すように、回転後の画像内からテンプレート画像ＭＰａとして登録する領域を切り出す。テンプレート画像ＭＰａの範囲は、ユーザがマウス等のポインティングデバイスを用いて指定する。テンプレート画像ＭＰａは、スクライブラインＳＬの交点付近に存在すれば望ましいが、必ずしも交点付近に存在しなくても良い。なお、テンプレート画像ＭＰａは、画像内の直線エッジを基準としたときに正立した状態で、測定レシピ１３９内に登録される。ここで、「正立した状態」とは、テンプレート画像ＭＰａの矩形領域の各辺が、画像内の直線エッジとほぼ平行または垂直になる状態を意味する。
【００５５】
図６のステップＳ１０では、第１のテンプレート画像ＭＰａの画像と、テンプレート画像ＭＰａの所定位置にある基準点（例えば図１７（Ｃ）に示す左上点Ｑａ）のステージ座標値が測定される。
【００５６】
図６のステップＳ１１では、ユーザが、回転して切り出したテンプレート画像ＭＰａの所定の方向（例えば時計の３時の方向）を、撮像画像における基準方向（０°方向）Ｄw1であると定めることによって、画像回転角度β１を決定する。例えば、図１７（Ｂ）に示すように、粗回転角度α１だけ時計廻りに回転した画像において、時計の３時方向が撮像画像における基準方向Ｄw1として設定される。なお、この基準方向Ｄw1は、図３（Ａ）に示す基準方向Ｄ１とほぼ一致しているが、後述する撮像光学系の回転角度だけ異なる方向である。なお、ユーザが基準方向Ｄw1を指定せずに、自動的に時計の３時方向が基準方向Ｄw1として設定されるようにしてもよい。ウェハの画像回転角度β１は、ステージ座標系の基準方向Ｄｓから、撮像画像の基準方向Ｄw1までの角度である。従って、図１７（Ｂ）の場合には、基準ウェハの画像回転角度β１は、粗回転角度α１に等しい。なお、撮像画像の基準方向Ｄw1を、時計の３時方向以外の方向に選択した場合には、基準ウェハの画像回転角度β１はα１とは異なる値となる。しかし、この場合にも、粗回転角度α１に所定の値を加算または減算した値が画像回転角度β１になる。例えば、図１７（Ｂ）の状態において、時計の１２時方向が撮像画像の基準方向Ｄw1として選択された場合には、基準ウェハＷＦ１の画像回転角度β１は、（α１＋９０°）となる。図６のステップＳ１２では、この画像回転角度β１の値が測定レシピ１３９に保存される。
【００５７】
光学ユニット４０で撮像された画像は、この画像回転角度β１だけ回転しているので、以下の処理において画像が撮像される際には、この画像回転角度β１だけ撮像画像を回転することによって正立させ、正立した画像に関して処理が実行される。
【００５８】
ところで、光学ユニット４０の光学素子（例えばＣＣＤカメラ４１）がステージ座標系から傾いて取り付けられている場合には、光学ユニット４０で撮像された画像内で定義される撮像座標系が、ステージ座標系から傾いた状態になる。図１８は、撮像座標系の座標（Ｕ，Ｖ）icとステージ座標系の座標（Ｘ，Ｙ）scとの関係を示す説明図である。この図において、座標値の括弧の後の添え字「ic」は撮像座標系の座標であることを意味しており、「sc」はステージ座標系の座標であることを意味している。撮像座標系の座標原点は、視野Ｗａの左下点に設定されており、そのステージ座標系の座標値は（Ｘ１，Ｙ１）scである。また、撮像座標系の座標軸Ｕ，Ｖはステージ座標系の座標軸Ｘ，Ｙから角度δだけ反時計方向に回転している。この角度δは、光学ユニット４０の光学素子の取付誤差等に起因するものであり、以下では「撮像光学系の回転角度」と呼ぶ。撮像座標（Ｕ，Ｖ）icとステージ座標（Ｘ，Ｙ）scとの間の座標変換は、以下の数式１に示す２次元アフィン変換で与えられる。
【００５９】
【数１】
撮像座標（Ｕ，Ｖ）icをステージ座標（Ｘ，Ｙ）scに正確に変換するためには、撮像光学系の回転角度δを知る必要がある。そこで、図５のステップＴ１２では、この撮像光学系の回転角度δが測定される。
【００６１】
図７は、ステップＴ１２の詳細手順を示すフローチャートである。ステップＳ１３では、撮像画像の基準方向Ｄw1に沿って、第１のスクライブライン交点に隣接する第２のスクライブライン交点の位置に撮像領域が来るようにＸＹステージ３６を移動させて画像を撮像する。この移動では、撮像画像の基準方向Ｄw1に沿って、チップのＸ方向ピッチＬＸ（図９（Ａ））だけ移動するようにＸＹステージ３６が制御される。但し、この移動の際には、ステージ座標系の基準方向Ｄｓと、撮像座標系の水平軸（Ｕ軸）とが一致していると見なしている（すなわちδ＝０と考えている）ので、実際には画像の回転角度δだけずれた方向に沿って移動が行われる。第２のスクライブライン交点位置で撮像された画像は、前述した画像回転角度β１（図１７（Ｂ））だけ回転される。
【００６２】
図１９は、第１と第２のスクライブライン交点付近で撮像された画像の視野Ｗａ，Ｗｂを示している。図７のステップＳ１４では、第２のスクライブライン交点付近で撮像された画像について、パターンマッチング処理を行なうことによって、第１のテンプレート画像ＭＰａと同じ画像パターン（マッチングパターン）ＭＰｂを検出する。そして、マッチングパターンＭＰｂを検出した後に、その基準点Ｑｂのステージ座標値を測定する。このときにも、画像の回転角度δは０と仮定している。そして、２つの画像パターンＭＰａ，ＭＰｂの基準点Ｑａ，Ｑｂ同士を結ぶ直線の方向を、基準ウェハＷＦ１の正確な基準方向Ｄ１として決定する。この基準方向Ｄ１は図３（Ａ）に示すものと同じである。ウェハの基準方向Ｄ１は、２つの基準点Ｑａ，Ｑｂのステージ座標値から決定されているので、ウェハの正確な基準方向を示している。一方、画像の直線エッジから決定された画像の基準方向Ｄw1は、撮像光学系の回転角度δが０°であるとの仮定の下で得られているので、ウェハの正確な基準方向Ｄ１から撮像光学系の回転角度δだけずれているはずである。そこで、図７のステップＳ１５では、ウエハの基準方向Ｄ１と画像の基準方向Ｄw1との間の角度を、撮像光学系の回転角度δとして決定する。
【００６３】
なお、撮像光学系の回転角度δを用いるために使用された２つの基準点Ｑａ，Ｑｂのステージ座標値は、回転角度δが０°であると仮定したときの値なので、正確にはこの回転角度δだけのずれを含んでいる。しかし、２つの基準点Ｑａ，Ｑｂの座標値が同じ回転角度δだけずれているので、ウェハの基準方向Ｄ１を決定する際にそのずれは相殺され、この結果、正しい基準方向Ｄ１を得ることができる。
【００６４】
図１９の下部に示すように、ウェハの基準方向Ｄ１と、ステージ座標系の基準方向Ｄｓとの間の角度θ１は、基準ウェハＷＦ１の正確な回転角度を示している。このウェハの回転角度θ１は、画像回転角度β１と、撮像光学系の回転角度δとの和である。換言すれば、画像回転角度β１は、ウェハの回転角度θ１から撮像光学系の回転角度δを減算した値に等しい。
【００６５】
撮像画像内の任意の位置の座標は、こうして得られた撮像光学系の回転角度δを用いて、前述の数式１に従って撮像座標（Ｕ，Ｖ）icからステージ座標（Ｘ，Ｙ）scに変換される。逆に、ステージ座標（Ｘ，Ｙ）scを撮像座標（Ｕ，Ｖ）icに逆変換することも可能である。なお、撮像光学系の回転角度δを求める前にステップＴ１１，Ｔ１２で得られていた各点のステージ座標値については、各点の撮像座標値から数式１に従って正確な値が改めて算出される。
【００６６】
図５のステップＴ１３では、ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換係数が決定される。図８は、ウェハ座標とステージ座標との間の座標変換係数を決定するためのステップＴ１３の詳細手順を示すフローチャートである。まずステップＳ１４では、第１のスクライブライン交点位置から対角方向にある第３のスクライブライン交点位置に撮像領域が来るようにＸＹステージ３６を移動させて画像を撮像する。ステップＳ１７では、この画像について、パターンマッチングを行なうことによって、第１のテンプレート画像ＭＰａと同じ画像パターン（マッチングパターン）ＭＰｃを検出する。
【００６７】
図２０は、ステップＳ１６，Ｓ１７の処理内容を示す説明図である。この例では、第１のテンプレート画像ＭＰａの登録を行なった交点位置から斜め右下に隣接する第３の交点位置に視野Ｗｃを移動させている。
【００６８】
ステップＳ１７においては、マッチングパターンＭＰｃを検出した後に、その基準点Ｑｃのステージ座標値も算出する。ステップＳ１８では、第３のスクライブライン交点Ｐｃ（図２０）の位置が決定される。このとき、第３のスクライブライン交点ＰｃとマッチングパターンＭＰｃとの位置関係は、第１のスクライブライン交点Ｐａとテンプレート画像ＭＰａとの位置関係と等しいものと仮定される。従って、第３のスクライブライン交点Ｐｃの位置は、マッチングパターンＭＰｃの基準点Ｑｃの位置と、第１のスクライブライン交点Ｐａとテンプレート画像ＭＰａの基準点Ｑａの相対位置とに基づいて算出される。
【００６９】
あるいは、第１のスクライブライン交点Ｐａの決定方法と同様の方法によって、第３のスクライブライン交点Ｐｃの位置を決定するようにしても良い。すなわち、第３のスクライブライン交点Ｐｃの位置をユーザが指定してもよく、また、第３の視野Ｗｃ内の画像を解析することによって、第３のスクライブライン交点Ｐｃの位置を自動的に決定するようにしてもよい。
【００７０】
ステップＳ１９では、第１と第３のスクライブライン交点Ｐａ，Ｐｃの中点Ｐａｃのステージ座標が算出され、位置合わせ基準点（図３（Ａ）の点ＲＰ）の座標値として測定レシピ１３９に保存される。この位置合わせ基準点ＲＰは、各測定点の位置を決定するときの原点（すなわちウェハ座標系の座標原点）として使用される。この実施例では、位置合わせ基準点ＲＰの座標が、スクライブラインで規定される格子の対角方向にある２つのスクライブライン交点Ｐａ，Ｐｃの座標から決定されているので、その位置を高精度に設定することができる。
【００７１】
なお、位置合わせ基準点としては、この他にも種々の設定方法がある。例えば、２つの画像パターンＭＰａ，ＭＰｃの基準点Ｑａ，Ｑｃの中点Ｑａｃを位置合わせ基準点として使用することもできる。さらに、スクライブライン交点Ｐａ，Ｐｃと基準点Ｑａ，Ｑｃの中の１つの点を、位置合わせ基準点として選択することも可能である。
【００７２】
基準ウェハＷＦ１の回転角度θ１は、前述した図１９に示したように、画像回転角度β１と、撮像光学系の回転角度δとの和として得られていたが、この代わりに、２つの画像パターンＭＰａ，ＭＰｃの基準点Ｑａ，Ｑｃ同士を結ぶ直線の方向からウェハの回転角度θ１を決定することも可能である。この場合には、図２０の下部に示すように、２つの基準点Ｑａ，Ｑｃの連結方向ＤL1から所定の角度Δθだけ回転した方向が、ウェハの基準方向Ｄ１として採用される。２つの基準点Ｑａ，Ｑｃは格子状に配列されたチップの対角方向に存在するので、この角度Δθの値は、tan Δθ＝ＬＹ／ＬＸ（ＬＸ，ＬＹはチップのピッチ）で与えられる。ウェハの正確な回転角度θ１は、このウェハの基準方向Ｄ１とステージ座標系の基準方向Ｄｓとの間の角度である。こうして回転角度θ１を決定した場合には、この回転角度θ１から画像の回転角度β１を減算することによって、撮像光学系の回転角度δを求めることも可能である（図１９参照）。この場合には、図５のステップＴ１２（図７のステップＳ１３〜Ｓ１５）を省略することができる。
【００７３】
図５のステップＴ１３では、こうして得られた位置合わせ基準点ＲＰのステージ座標（ＸRP，ＹRP）と、基準ウェハＷＦ１の正確な回転角度θ１から、ステージ座標（Ｘ，Ｙ）とウェハ座標（ξ，η）との間の座標変換の係数が決定される。この座標変換係数は、次の数式２で表される２次元アフィン変換の右辺の３×３行列で示される。
【００７４】
【数２】
以上の基準ウェハに関するプリアライメント前処理によって、測定レシピ１３９（図２）内に以下の情報が登録される。
（ａ）画像回転角度β１；
（ｂ）撮像光学系の回転角度δ；
（ｃ）基準ウェハの回転角度θ１；
（ｄ）テンプレート画像ＭＰａの画像データ；
（ｅ）位置合わせ基準点ＲＰのステージ座標値（ＸRP，ＹRP）。
【００７６】
上記の情報（ａ）〜（ｄ）は、撮像座標とステージ座標とウェハ座標との座標変換を規定するための座標変換情報である。すなわち、上述した数式２に示されているように、基準ウェハの回転角度θ１と位置合わせ基準点ＲＰのステージ座標値（ＸRP，ＹRP）とは、ウェハ座標とステージ座標の座標変換係数として使用される。また、数式１に示されているように、撮像光学系の回転角度δは、撮像座標とステージ座標の座標変換係数として使用される。これらの座標変換係数を用いることによって、撮像座標とステージ座標とウェハ座標との間の座標変換を任意に行うことが可能である。例えば、撮像画像内の任意の位置の撮像座標値を、ステージ座標値またはウェハ座標値に変換することが可能である。逆に、ウェハ上の任意の位置のウェハ座標値を、ステージ座標値または撮像座標値に変換することも可能である。
【００７７】
Ｄ．基準ウェハを用いたファインアライメント前処理：
図２１は、基準ウェハＷＦ１を用いたファインアライメント前処理の手順を示すフローチャートである。ファインアライメント前処理では、基準ウェハＷＦ１上の複数の測定点ＰＭ１〜ＰＭ１５（図３（Ａ）において白丸で示す）のウェハ座標系の座標値と、各測定点における測定条件とが、以下のようにして登録される。
【００７８】
ステップＳ２１では、測定点（例えば図３（Ａ）のＰＭ１）を視野内に含む位置をユーザが指定して、ＸＹステージ３６を移動させる。図２２は、ｉ番目の測定点ＰＭｉを含む視野Ｗ（ｉ）を示す説明図である。この視野Ｗ（ｉ）は、アフィン変換によって画像回転角度β１だけ回転した後の正立した画像を示しており、また、各位置は、ウェハ座標系の座標値（ξ，η)で示されている。
【００７９】
図２１のステップＳ２２では、ユーザが図２２に示す画面上でｉ番目の測定点ＰＭｉの位置を、マウスなどのポインティングデバイスを用いて指示する。測定点ＰＭｉのステージ座標値（ξｉ，ηｉ）は、測定レシピ１３９に保存される。ステップＳ２３では、測定点ＰＭｉの近傍において、第２のテンプレート画像ＭＲａ（第２のテンプレート画像）として適切な画像パターンをユーザが探す。第２のテンプレート画像ＭＲａとして適切な画像パターンは、９０°の整数倍の回転対称性が無い画像パターンであることが好ましい。
【００８０】
適切な画像パターンが見いだされると、ステップＳ２４において、その画像パターンが画面の中央になるようにＸＹステージ３６の位置をユーザが調整する。そして、ステップＳ２５において視野内の画像を取り込み、画像回転角度β１だけ画像を回転する。
【００８１】
ステップＳ２６では、ユーザが第２のテンプレート画像ＭＲａの領域を指定することによって、第２のテンプレート画像ＭＲａの画像データを切り出し、その基準点Ｒａのウェハ座標値（ξａ，ηａ）とともに保存する。
【００８２】
なお、第２のテンプレート画像ＭＲａは、プリアライメント前処理で用いられた第１のテンプレート画像ＭＰａ（図１７（Ｃ））と同じものであってもよい。例えば、各測定点の近傍に第１のテンプレート画像ＭＰａが存在する場合には、ステップＳ２６の代わりに、パターンマッチング手段１５４（図２）が、第１のテンプレート画像ＭＰａを用いたパターンマッチング処理を行って基準点Ｒａの位置を決定する。
【００８３】
ステップＳ２７では、第２のテンプレート画像ＭＲａの基準点Ｒａから、ｉ番目の測定点ＰＭｉまでの座標のオフセット（Δξ，Δη）を求めて測定レシピ１３９に保存する。測定点ＰＭｉの位置は、ユーザによって指定される。この座標のオフセット（Δξ，Δη）は、ｉ番目の測定点ＰＭｉの近傍に存在する第２のテンプレート画像ＭＲａと、ｉ番目の測定点ＰＭｉとの位置関係を示す情報である。
【００８４】
ステップＳ２８では、この測定点ＰＭｉにおける測定条件をユーザが設定する。例えばウエハ表面の薄膜の膜厚測定を行う場合には、測定条件としては、測定対象の薄膜の種類（ＳｉＯ2 ，ＳｉＮ等）、薄膜の光学定数、膜厚の取りうる範囲等が設定される。なお、測定条件は、測定点毎に設定する必要は無く、例えばすべての測定点について同じ測定条件が適用されるようにしてもよい。
【００８５】
ステップＳ２９では、他の測定点があるか否かが判断され、他の測定点がある場合にはステップＳ２１に戻り、上述したステップＳ２１〜Ｓ２８の処理が繰り返される。一方、全ての測定点に関してステップＳ２１〜Ｓ２８の処理が終了すると、基準ウェハＷＦ１でのファインアライメント前処理が終了する。
【００８６】
なお、第２のテンプレート画像ＭＲａとしては、全ての測定点に対して共通の１つの画像パターンを使用してもよく、あるいは、各測定点に対してそれぞれ異なる画像パターンを登録しても良い。
【００８７】
上述した基準ウェハＷＦ１のファインアライメント前処理では、複数の測定点に関して以下の情報を含む測定レシピ１３９が登録される。
（ａ）第２のテンプレート画像ＭＲａの画像データ；
（ｂ）各測定点ＰＭｉのウェハ座標値（ξｉ，ηｉ）；
（ｃ）各測定点ＰＭｉと、その近傍のマッチング画像の基準点Ｒａとの間の座標のオフセット（Δξ，Δη）；
（ｄ）各測定点ＰＭｉにおける測定条件。
【００８８】
上記の情報（ａ）〜（ｃ）は、ウェハ座標系において、各測定点ＰＭｉの位置を決定するために使用される情報であり、以下では「測定位置情報」と呼ぶ。この測定位置情報を用いることによって、被測定ウェハにおける各測定点の位置を求めることができる。以上のステップＴ１，Ｔ２の処理の結果、座標変換情報と測定位置情報と測定条件とを含む測定レシピ１３９の登録が終了する。
【００８９】
Ｅ．被測定ウェハを用いたプリアライメント処理：
被測定ウェハＷＦ２を用いた測定処理においては、測定レシピの登録に用いた第１の測定装置と同じ装置を用いることもでき、あるいは、他の第２の測定装置を用いることもできる。他の第２の測定装置を用いる場合には、測定レシピ１３９が第１の測定装置から第２の測定装置に転送（コピー）されて利用される。なお、第２の測定装置における座標変換情報は、第１の測定装置における座標変換情報とは異なるので、測定レシピ１３９の中の測定位置情報と測定条件のみを第２の測定装置に転送すればよい。
【００９０】
図２３は、被測定ウェハのプリアライメント処理の手順を示すフローチャートである。図２３のステップＴ２２，Ｔ２３の処理は、基準ウェハに関するプリアライメント前処理と同じであり、ウェハの画像回転角度β２を求めるためのステップＴ２１の処理のみが異なる。なお、測定レシピの登録に用いた第１の測定装置をそのまま用いて被測定ウェハＷＦ２の測定処理を行う場合には、撮像光学系の回転角度δは変わらないのでステップＴ２２の処理は省略され、ステップＴ２１とステップＴ２３の処理だけが行われる。一方、測定レシピの登録に用いた第１の測定装置とは異なる第２の測定装置を用いる場合には、ステップＴ２２の処理も実行される。以下では主に、第１の測定装置とは別の第２の測定装置を用いる場合について説明する。
【００９１】
図２４は、ステップＴ２１の詳細手順を示すフローチャートである。ステップＳ１〜Ｓ６までの処理は、図６に示した基準ウェハに関するプリアライメント前処理の手順と同じである。これによって、ウェハの中心近くのスクライブライン交点の画像が取り込まれる。図２５は、被測定ウェハに設定された視野の一例を示している。ここでは、視野Ｗｄを撮像領域とした画像が取込まれる。図２４のステップＳ３においては、図２５に示す粗回転角度α２prが検出されている。なお、この粗回転角度α２prは、９０°の整数倍の不確定さを有している。被測定ウェハにおいては、不確定さを取除く前の粗回転角度を「予備回転角度」とも呼ぶ。この名前は、不確定さを含む予備的な回転角度であることを意味している。
【００９２】
ステップＳ３１では、パターンマッチング手段１５４（図２）が、この視野Ｗｄ内の画像に関して、基準ウェハの前処理において登録された第１のテンプレート画像ＭＰａを用いたパターンマッチング処理を行なう。
【００９３】
図２６は、被測定ウェハに関するパターンマッチングの方法を示す説明図である。まず、図２６（Ａ）に示す読み取られた画像を、アフィン変換によって予備回転角度α２prだけ時計廻りに回転して、図２６（Ｂ）に示すような画像を作成する。そして、回転後の画像内において、第１のテンプレート画像ＭＰａとマッチングする画像パターンをパターンマッチング処理によって検出する。この時、図２６（Ｃ）に示すように、９０°ずつ回転した４つのテンプレート画像を予め作成しておくことが好ましい。そして、これらの４つのテンプレート画像の中で、マッチング度が最も高くなるテンプレート画像を決定し、これにマッチングした画像パターン（マッチングパターン）の基準点の座標を決定する。図２６（Ｂ）の例では、１８０°回転のテンプレート画像のマッチング度が最も高い。従って、この被測定ウェハの画像回転角度β２は、（α２pr＋１８０°）であることが決定される。すなわち、テンプレート画像を用いたパターンマッチングによって、予備回転角度α２prの不確定さを解消して、画像回転角度β２の値を決定することができる。なお、回転対称な４つのテンプレート画像に関連付けられた角度（０°、９０°、１８０°、２７０°）のうち、パターンマッチングによって選択された角度を、以下では「マッチング角度」と呼ぶ。
【００９４】
図２７は、被測定ウェハの予備回転角度α２prと画像回転角度β２との関係を示す説明図である。この例では、予備回転角度α２prと画像回転角度β２とは１８０°の差がある。もちろん、これらの角度α２pr，β２が等しい場合もある。
【００９５】
図２４のステップＳ３２では、マッチングパターンＭＰｄの基準点Ｑｄのウェハ座標値（ξqd，ηqd）が保存される。ステップＳ３３では、パターンマッチングの結果から、マッチングパターンＭＰｄの近傍にある第１のスクライブライン交点Ｐｄ（図２７）の座標を求める。図２８は、マッチングパターンＭＰｄの基準点Ｑｄと、第１のスクライブライン交点Ｐｄとの関係を示す説明図である。前述したように、パターンマッチング処理では、図２８（ａ）〜（ｄ）に示す４つのマッチング角度のいずれか１つにおいて、画像パターンがマッチングすることが確認される。スクライブライン交点Ｐｄのウェハ座標（ξｄ，ηｄ）は、マッチング角度に応じてそれぞれ以下のように算出される。
【００９６】
（ａ）マッチング角度が０度の場合：
ξｄ＝ξqd＋Δξ，ηｄ＝ηqd＋Δη
【００９７】
（ｂ）マッチング角度が９０度の場合：
ξｄ＝ξqd＋Δη，ηｄ＝ηqd−Δξ
【００９８】
（ｃ）マッチング角度が１８０度の場合：
ξｄ＝ξqd−Δξ，ηｄ＝ηqd−Δη
【００９９】
（ｄ）マッチング角度が２７０度の場合：
ξｄ＝ξqd−Δη，ηｄ＝ηqd＋Δξ
【０１００】
ここで、Δξ，Δηは、前述した基準ウェハのプリアライメント前処理において求められていた、テンプレート画像ＭＰａの基準点Ｑａ（図１７（Ｂ））と、その近傍のスクライブライン交点Ｐａとの座標のオフセットである。この座標のオフセット（Δξ，Δη）を用いることによって、マッチングパターンＭＰｄの基準点Ｑｄのウェハ座標値から、スクライブライン交点Ｐｄのウェハ座標値を上記のように算出することができる。
【０１０１】
こうして被測定ウェハＷＦ２に関するステップＴ２１の処理が終了すると、図２３のステップＴ２２，Ｔ２３において、撮像光学系の回転角度δ、および、ステージ座標とウェハ座標との間の座標変換の係数が決定される。ステップＴ２２，Ｔ２３の処理手順は、前述した基準ウェハにおけるステップＴ１２，Ｔ１３と同じなので、ここではその詳細は省略する。
【０１０２】
Ｆ．被測定ウェハを用いたファインアライメント処理：
図２９は、被測定ウェハを用いたファインアライメント処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ４１では、プリアライメント処理で得られた情報（プリアライメント情報）を用いて最初の測定点のステージ座標を予測し、測定点の近傍にあるテンプレート画像（マッチング画像）の位置にＸＹステージ３６を移動させる。このとき、まず、まず、測定レシピ１３９に含まれている各測定点のウェハ座標値が、座標変換手段１６４によってステージ座標系の座標値に変換される。ところが、座標変換で得られた測定点のステージ座標値は、ステージの歪み等の原因によって、実際の測定点のステージ座標値から多少ずれる可能性がある。そこで、座標変換で得られたステージ座標値は、測定点の位置を予測するために用いられ、測定点の正確な位置は以下に説明するパターンマッチング処理によって決定される。このように、座標変換で得られたステージ座標値は測定点の予測位置を示すので、これを「予測値」と呼ぶ。一方、パターンマッチング処理によって決定される測定点の正確な位置を「実測位置」と呼び、その座標値を「実測値」と呼ぶ。
【０１０３】
ステップＳ４２では、測定点の予測位置の近傍の画像を取込み、ファインアライメント処理で求めた画像回転角度β２だけ画像を回転する。図３０は、回転後の画像を示す説明図である。この画像は、前述した基準ウェハのプリアライメント処理における図２２の画像とほぼ同じものである。図３０の各点の位置は、ウェハ座標系の座標値で示されている。
【０１０４】
図２９のステップＳ４３では、第２のテンプレート画像ＭＲａ（図２２）を用いたパターンマッチングを行い、マッチングパターンＭＲｂ（図３０）が決定される。ステップＳ４４では、マッチングパターンＭＲｂの基準点Ｒｂのウェハ座標値（ξｂ，ηｂ）を決定する。ステップＳ４５では、基準点Ｒｂのウェハ座標値（ξｂ，ηｂ）を、基準ウェハで求められていた測定点ＰＭｉと基準点Ｒａの座標のオフセット（△ξ，△η）で補正することによって、測定点ＰＭｉの実測位置を決定する。この測定点ＰＭｉの実測位置は、ステージ座標系の座標値に変換される。従って、この測定点ＰＭｉの実測位置に従って、測定プローブを測定点ＰＭｉに正確に位置決めすることができる。
【０１０５】
図２９のステップＳ４６では、他の測定点があるか否かが判断され、他の測定点がある場合にはステップＳ４１に戻ってステップＳ４１〜Ｓ４５の処理が繰返される。こうして、被測定ウェハ上の複数の測定点ＰＭ１〜ＰＭ１５（図３）について、ステップＳ４１〜Ｓ４５を繰返し実行することによって、各測定点の実測位置を正確に決定することができる。各測定点における測定処理（例えば膜厚測定）は、ステップＳ４５とステップＳ４６の間に行うことができる。あるいは、すべての測定点に関してステップＳ４１〜Ｓ４５を繰返して実行した後に、各測定点における測定処理を順次実行するようにしてもよい。
【０１０６】
このように、上記実施例では、測定点の位置をウェハ座標系の座標値として測定レシピ１３９に登録したので、被測定ウェハにおける測定点位置の決定の際に、各測定点のウェハ座標値をステージ座標値に変換することによって、各測定点の位置を決定することができる。上記実施例では、特に、ウェハ座標値からステージ座標値に変換された座標値で示される位置を測定点の予測位置として用い、予測位置近傍でパターンマッチング処理を行ったので、各測定点の実測位置を正確に決定することができる。なお、パターンマッチング処理を行って各測定点ＰＭｉの正確な実測位置を決定せずに、各測定点ＰＭｉのウェハ座標値を変換して得られたステージ座標値を、実測座標としてそのまま使用することも可能である。但し、上述したようにパターンマッチング処理を実行した方が、より高精度に測定点の位置を決定することができる。
【０１０７】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１０８】
（１）上記実施例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
【０１０９】
（２）位置合わせ基準点ＲＰの座標を決定するための第１のパターンマッチングは、位置合わせ基準点ＲＰの近傍の領域の画像に関して行えばよく、位置合わせ基準点を含む領域の画像に対してパターンマッチングを行う必要はない。同様に、各測定点の座標を決定するための第２のパターンマッチングも、各測定点を含む領域の画像に対してパターンマッチングを行う必要はなく、各測定点の近傍の領域の画像に対して行えばよい。
【０１１０】
（３）上記実施例では、位置合わせ基準点ＲＰの位置とウェハの回転角度θ１（またはθ２）とを決定する際に、２つの領域においてパターンマッチングを行うようにしていたが、１カ所の領域におけるパターンマッチングによって位置合わせ基準点ＲＰの位置とウェハの回転角度θ１（またはθ２）とを決定するようにしてもよい。あるいは、３カ所以上の領域についてパターンマッチングを行うことによって、位置合わせ基準点ＲＰの位置とウェハの回転角度θ１（またはθ２）とを決定するようにしてもよい。また、各測定点の位置を決定する際に、複数の領域に関してパターンマッチングを行うようにしてもよい。一般に、パターンマッチングを行う領域の数が増加するほど、それによって決定される座標や回転角度の精度が向上する。
【０１１１】
（４）上記実施例では、装置にウェハの回転機構が備えられていない場合について説明したが、回転機構を有する装置に対しても本発明を適用することが可能である。本発明によれば、回転機能を有する装置においても、ウェハの回転方向（回転角度）を画像処理によって検出することが可能なので、測定点の位置決め処理が簡単であり、また、高速に処理できるという利点がある。
【０１１２】
（５）測定レシピ１３９は、各測定点における測定条件を含む必要は無く、少なくとも各測定点の位置を示す情報を含んでいればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を適用して半導体ウェハの位置合わせ処理を行なう機能を有する測定装置の構成を示すブロック図。
【図２】画像処理ユニット５０の内部構成を示すブロック図。
【図３】実施例における位置合わせ処理の概要を示す説明図。
【図４】実施例における位置合わせ処理の全体手順を示すフローチャート。
【図５】基準ウェハＷＦ１を用いたプリアライメント前処理の手順を示すフローチャート。
【図６】ウェハの画像回転角度β１を求めるためのステップＴ１１の詳細手順を示すフローチャート。
【図７】撮像光学系の回転角度δを求めるためのステップＴ１２の詳細手順を示すフローチャート。
【図８】ウェハ座標とステージ座標との間の座標変換係数を決定するためのステップＴ１３の詳細手順を示すフローチャート。
【図９】半導体ウェハＷＦ内に形成された複数のチップの配列の様子を示す概念図。
【図１０】ウェハの中心付近を拡大して示す概念図。
【図１１】１次元投影法による直線エッジ情報の検出処理を示す説明図。
【図１２】ソベルオペレータによる画像処理の方法を示す説明図。
【図１３】ソベルオペレータを用いて得られた水平エッジ値と垂直エッジ値とから、画像の直線部分の角度を算出する方法を示す説明図。
【図１４】処理対象となる多階調画像の一例と、この多階調画像からソベルオペレータ法によって検出された角度のヒストグラムを示す説明図。
【図１５】４つの等価回転角度を示す説明図。
【図１６】スクライブラインＳＬの交点位置に視野の中心を移動させた状態を示す説明図。
【図１７】テンプレート画像ＭＰａの登録の様子を示す説明図。
【図１８】撮像座標系とステージ座標系との関係を示す説明図。
【図１９】第１と第２のスクライブライン交点位置で撮像された画像の視野Ｗａ，Ｗｂを示す説明図。
【図２０】ステップＳ１６，Ｓ１７の処理内容を示す説明図。
【図２１】基準ウェハＷＦ１を用いたファインアライメント前処理の手順を示すフローチャート。
【図２２】基準ウェハＷＦ１のファインアライメント前処理におけるｉ番目の測定点ＰＭｉを含む視野Ｗ（ｉ）を示す説明図。
【図２３】被測定ウェハのプリアライメント処理の手順を示すフローチャート。
【図２４】被測定ウェハの画像回転角度β２を求めるためのステップＴ２１の手順を示すフローチャート。
【図２５】被測定ウェハにおいて設定される視野の一例を示す説明図。
【図２６】被測定ウェハに関するパターンマッチングの方法を示す説明図。
【図２７】被測定ウェハにおけるウェハの予備回転角度α２prと画像回転角度β２との関係を示す説明図。
【図２８】被測定ウェハにおけるマッチングパターンＭＰｄの基準点Ｑｄと第１のスクライブライン交点Ｐｄとの関係を示す説明図。
【図２９】被測定ウェハを用いたファインアライメント処理の手順を示すフローチャート。
【図３０】被測定ウェハを用いたファインアライメント処理において、測定点の近傍で得られた回転後の画像を示す説明図。
【符号の説明】
３０…制御操作ユニット
３１…表示部
３２…操作部
３３…制御部
３４…ステージ駆動部
３５…ステージ座標読み込み部
３６…ＸＹステージ
３６ａ，３６ｂ…ウェハ保持アーム
３８…通信経路
４０…光学ユニット
４１…カメラ
４２…光源
４３…ハーフミラー
４４…対物レンズ
５０…画像処理ユニット
１１０…ＣＰＵ
１１２…バスライン
１１４…ＲＯＭ
１１６…ＲＡＭ
１３６…モニタ
１３８…磁気ディスク
１３９…測定レシピ
１４０…入出力インタフェイス
１５０…等価回転方向決定手段
１５２…撮像位置決定手段
１５４…パターンマッチング手段
１５６…角度選択手段
１５８…回転方向決定手段
１６０…基準位置決定手段
１６２…測定位置決定手段
１６４…座標変換手段
１６６…測定情報作成手段
Claims (2)
- 被測定ウエハを載置するステージを備えた測定装置を用いて被測定ウェハの測定位置を決定する方法であって、
（ａ）被測定ウェハ上で定義されたウェハ座標系の座標値で表されている測定点の位置を少なくとも含む測定情報を用い、各測定点のウェハ座標系の座標値を前記ステージ上で定義されたステージ座標系の座標値に変換する工程と、
（ｂ）各測定点に関する前記ステージ座標系の座標値を用いて、前記被測定ウェハ上の各測定点の位置決めを実行する工程と、
を備え、
前記測定情報は、前記被測定ウェハ表面の位置合わせ基準点と前記測定点との位置関係を含むとともに、前記被測定ウェハ表面の前記位置合わせ基準点の近傍の画像に対してパターンマッチングを行う際に用いられる第１のテンプレート画像と、前記測定点の近傍の画像に対してパターンマッチングを行う際に用いられる第２のテンプレート画像と、を含み、
前記工程（ｂ）は、
（ｉ）前記位置合わせ基準点の近傍の領域について第１の画像を取り込む工程と、
（ｉｉ）前記第１の画像に関して前記第１のテンプレート画像を用いたパターンマッチング処理を含む第１の処理を行うことによって、前記ステージ座標系における前記被測定ウェハの回転方向と前記位置合わせ基準点の位置とを決定する工程と、
（ｉｉｉ）決定された前記回転方向および前記位置合わせ基準点の位置と、予め登録された前記位置合わせ基準点と前記測定点との位置関係に基づいて、前記ステージ座標系における前記測定点の予測位置を決定する工程と、
（ｉＶ）前記予測位置の近傍の領域について第２の画像を取り込む工程と、
（Ｖ）前記第２の画像に関して前記第２のテンプレート画像を用いたパターンマッチング処理を含む第２の処理を行うことによって、前記測定点の実測位置を決定する工程と、
を備え、
前記工程（ｉｉ）における第１の処理は、
前記第１の画像に含まれる直線部分を分析することによって、前記被測定ウェハが取り得る回転角度として、互いに９０度の整数倍異なる４つの等価回転角度を決定する工程と、
前記画像に対して前記第１のテンプレート画像を用いたパターンマッチングを行なうことによってマッチングパターンを検出し、前記マッチングパターンの方向に基づいて前記４つの等価回転角度の中からウェハ座標系において予め定められていた１つの基準方向に対応する１つの等価回転角度を選択する工程と、
前記選択された等価回転角度から前記被測定ウェハの回転方向を決定する工程と、
を含むことを特徴とするウェハの測定位置決定方法。 - 請求項１記載のウェハの測定位置決定方法であって、
前記測定装置は、さらに、前記被測定ウェハ上の画像を撮像するための撮像光学系を備えており、
前記方法は、さらに、
前記撮像光学系で定義された撮像座標系における座標と、前記ステージ座標系における座標との間の回転を含む座標変換を規定する座標変換係数を決定する工程と、
前記座標変換係数を用いて、前記撮像光学系で撮像された撮像画像内における撮像座標系の座標と前記ステージ座標系の座標との間の座標変換を実行する工程と、を含む、ウェハの測定位置決定方法。
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