JP4163794B2 - 荷電粒子線装置における合わせマークの検出方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線描画装置や光露光装置等の半導体製造装置を用いて微細パターンを試料上に重ね合わせて描画あるいは露光する際などに行われる合わせマークの検出方法、及び合わせマークを用いたパターンの描画あるいは露光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程では、電子線描画装置や光露光装置等の微細パターン形成装置を用いて、半導体ウェハ等の試料上に素子のパターンや回路パターン等の微細パターンを形成することが行われる。これらのデバイスパターンの形成に当たっては、試料上に既に形成されているパターンに対して次の層のパターンを高精度に位置合わせして形成することが必要とされ、この位置合わせのために合わせマークが使用される。また、半導体ウェハ等に形成したパターンが設計通りのものであるかどうかを検査するために、パターンの所定箇所の寸法を電子顕微鏡を用いて計測することが行われるが、このような場合にも計測位置を特定するために合わせマークが使用される。合わせマークはデバイスパターンとは別個の専用のマークとして試料上に用意されることもあるし、デバイスパターンの一部が合わせマークとして利用されることもある。
【０００３】
この合わせマーク検出方法として、試料上の合わせマークに対応する像をテンプレート画像として予め登録しておき、試料を電子線走査又は光学的に撮像して得られる被検出画像から正規化相関を用いてテンプレート画像に含まれる合わせマークの基準位置を検出するテンプレートマッチングといわれる方法がある。また、テンプレート画像を用いることなく、試料を電子線走査又は光学的に撮像して得られた被検出画像から合わせマークを直接検出する方法もある。
【０００４】
特開平８−１４８４０２号公報には、検出の対象となるマーク上を電子線で走査して得られるマーク波形とその波形を横反転して得られるマーク波形を用いて相関演算を行い、その相関関数の極値位置から相対的にマーク中心位置を検出する方法が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１２は、従来の方法で作業者により抽出されたテンプレート画像の説明図である。作業者は、ステージ上の試料の画像から合わせマークＭ１に対応した領域を任意に切出すことによってテンプレート画像Ｔ１の登録を行う。
ステージに保持された試料上に電子線描画あるいは露光によってパターンを重ねて形成するためには、ステージ座標における合わせマークＭ１の絶対位置が必要となる。しかし、従来のテンプレートマッチングの方法では、テンプレート画像Ｔ１の登録は、作業者がステージ上の試料の画像から合わせマークＭ１に対応した領域を任意に切出すことによって行うため、テンプレート画像Ｔ１に対する合わせマークＭ１の基準位置、例えばＰ１の座標（Ｘp1，Ｙp1）が分からず、ステージ座標における合わせマークＭ１の絶対位置を知ることができなかった。
【０００６】
この対策として、合わせマークの形状の特徴を表す設計値に基づいて、図１３に示す様な理想的なテンプレート画像Ｔ２を形成して、合わせマークを検出する方法がある。この方法では、テンプレート画像Ｔ２の作成時に、テンプレート画像Ｔ２における合わせマークＭ１の基準位置、例えばＰ１の座標を、例えば（０，０）と予め指定しているため、ステージ座標における合わせマークの絶対位置を知ることができる。
【０００７】
しかし、設計値に基づいて形成されたテンプレート画像Ｔ２の場合、例えば、半導体製造プロセスの影響により、工程毎に合わせマークの形状や段差構造が異なることがある。図１１は、この様子を模式的に示すもので、試料上に形成された合わせマークは半導体製造プロセス等において加工されて変形することがあり、そのため実際の電子線走査あるいは光学的な撮像により得られた試料上の合わせマークの画像１１０は、設計値に基づいて形成されたテンプレート画像の合わせマーク１１１と形状や段差構造が異なったものとなり、これが原因となって正確な合わせマークの検出ができない場合があった。
【０００８】
また、テンプレート画像を用いることなく、試料を電子線走査又は光学的に撮像して得られた被検出画像から合わせマークを直接検出する方法においても、発明者らの知る限り、検出された合わせマークの基準位置を２次元画像の画像処理によって高精度に求める方法は見当たらない。特開平８−１４８４０２号公報に記載された方法では、電子線走査線上でのマーク中心位置しか検出することはできない。また、マークが形成されているウェハが回転したような場合には、ウェハの回転に伴ってマーク上を電子線で走査して得られるマーク波形のピーク位置がシフトするため、検出されるマーク中心位置も誤差を含んだものになる。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、ステージ座標系における合わせマークの基準位置の絶対座標を得ることができ、また、半導体製造プロセスの影響を受けずに正しく合わせマークの基準位置を求めることができる新規な方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、試料上に対称形の合わせマーク配置されている場合、その合わせマークを含むようにして得られた画像及びその画像を回転させた画像を用いて、合わせマークの基準位置を求める。そして、その位置を基準にテンプレート画像を作成し、テンプレート画像における合わせマークの基準位置を既知とすることにより、ステージ座標系における合わせマークの基準位置の絶対座標を得る。同様に、合わせマークを含むようにして得られた被検出画像及びその画像を回転させた画像を用いて合わせマークの基準位置を直接求めることにより、ステージ座標系における合わせマークの基準位置の絶対座標を得る。
【００１１】
本明細書でいう対称なマークとは、回転対称なマークである。合わせマークを含む試料の画像は、例えば電子線描画装置の場合には試料に形成された合わせマーク上を電子線で走査することにより得られ、また光露光装置の場合には、合わせマークを含む試料の領域を光学的に撮像することによって得られる。
すなわち、本発明による合わせマーク検出方法は、試料に形成された対称な合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、試料から合わせマークを含む被検出画像を取得するステップと、被検出画像及び被検出画像を回転させた回転画像を用いて被検出画像内における合わせマークの基準位置を検出するステップとを含むことを特徴とする。
【００１２】
被検出画像は、必ずしも合わせマークの全体を完全に含んでいる必要はない。例えば、被検出画像上の特定の点が、被検出画像を回転させたとき合わせマークに対してどの位置に移動するかを求め、移動前後の２点の中点を検出することで、合わせマークの対称中心を求めることができる。このように、前記の画像操作によって直接求まるのは対称な合わせマークの対称中心位置である。合わせマークの基準位置は、この対称中心の位置であってもよいし、対称中心に方向及び長さが既知のバイアスを加えた位置であってもよい。被検出画像と被検出画像を各々異なる角度に回転した複数の回転画像とを用いて基準位置を検出することもできる。
【００１３】
本発明による合わせマーク検出方法は、また、テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、前述の合わせマーク検出方法で検出された基準位置を基準として被検出画像からテンプレート画像を抽出することを特徴とする。
本発明による合わせマーク検出方法は、また、試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、試料から合わせマークを含む被検出画像を取得するステップと、被検出画像のうち前記合わせマークを含む部分領域の画像を仮のテンプレート画像として被検出画像から合わせマークを検出する際に得られる評価値のうち、最も高い評価値が得られるピクセル位置及びその周囲のピクセル位置における評価値の傾向から、被検出画像における合わせマークの基準位置を推測するステップとを含み、合わせマークの基準位置をピクセル以下の分解能で検出することを特徴とする。合わせマークを含む被検出画像の部分領域の画像は、必ずしも合わせマークの全体を完全に含んでいなくてもよい。
【００１４】
本発明による合わせマーク検出方法は、また、テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、前述の方法によって試料に形成された合わせマークの基準位置をピクセル以下の分解能で検出し、基準位置をピクセル単位で丸め、その基準位置が含まれるピクセルを基準にテンプレート画像を抽出するとともに丸めにより切捨てた分を補正値として保持し、前記テンプレート画像及び前記補正値を用いて試料に形成された合わせマークの基準位置を検出することを特徴とする。補正値は、例えば電子線描画装置による描画時に描画制御系にオフセットとして供給して描画位置を補正するためや、合わせマーク検出を行った結果をオフセット補正するために用いられる。
【００１５】
本発明による合わせマーク検出方法は、また、テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、前述の方法によって試料に形成された合わせマークの基準位置をピクセル以下の分解能で検出し、その基準位置がテンプレート画像の基準位置となるように試料から合わせマークを含む被検出画像を再取得し、再取得した被検出画像からテンプレート画像を抽出することを特徴とする。
【００１６】
以上の合わせマーク検出方法において、合わせマークの設計値に基づいて予め形成したテンプレート画像を用いて、合わせマークの基準位置を検出する前に、合わせマークの基準位置を粗く求めるようにしてもよい。あるいは、合わせマークの特徴量を求めておき、被検出画像から前記特徴量を含む領域を抽出することにより、合わせマークの基準位置を検出する前に、合わせマークの基準位置を粗く求めるようにしてもよい。
【００１７】
本発明によるパターン形成方法は、電子線描画装置又は光露光装置を用いて試料にパターンを形成するパターン形成方法において、前記したいずれかの本発明による合わせマーク検出方法によって試料の合わせマークを検出し、検出された合わせマークに対して予め定められた位置関係となるようにパターン形成を行うことを特徴とする。
【００１８】
本発明の合わせマーク検出方法は、合わせマークを含む画像を回転させることにより合わせマークの基準位置を求めるため、半導体製造工程ごとの合わせマークの形状ばらつきの影響を受けずに、電子線描画装置など装置内の絶対座標系における合わせマークの基準位置を高精度に検出することができる。また、その高精度に検出した基準位置に基づいてテンプレート画像を形成することで、テンプレート画像における合わせマークの基準位置座標を既知とすることができるため、テンプレート画像を用いて検出した合わせマークのステージ座標における絶対位置を知ることができる。
【００１９】
また、被検出画像を用いてマーク検出する際に得られる評価値のうち、最も高い評価値が得られるピクセル位置における評価値及びそのピクセル位置の周囲のピクセル位置における評価値の傾向から、合わせマークの基準位置に一致した前記被検出画像における位置を推測することにより、合わせマークの基準位置をピクセル単位以下の分解能で求めることができ、高精度な合わせマーク検出が可能となる。
【００２０】
本発明によると、合わせマークの２次元の基準位置を一度に高精度に検出することができる。また、合わせマークが形成されているウェハ等が回転したとしても、その影響を受けることなく合わせマークの基準位置を高精度に検出することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは、電子線描画装置におけるウェハの合わせマーク検出について説明する。また、合わせマークの対称中心が基準位置であるとして説明を行う。ただし、ここでの説明は単に本発明の一例についての説明であり、これにより本発明を限定することを意図するものではない。例えば、合わせマークの基準位置は、合わせマークの対称中心と既知の関係にある任意の位置を基準位置とすることが可能である。
【００２２】
図１は、本発明による合わせマーク位置検出を行うための電子線描画装置の概略図である。電子銃１１から放射された電子線１２は、偏向器１３により偏向され、図示しないレンズ系によって集束されて、ステージ２０上に保持されたウェハ１９に照射される。この電子線描画装置は、ウェハ１９上に設けられた合わせマーク１８を画像として検出するための機構として、電子検出器１６、電子検出器１６の出力を増幅する増幅器１４、合わせマーク検出器１５を備える。合わせマーク検出器１５で検出された合わせマークのデータは描画制御系１７に供給され、電子線描画の際に利用される。
【００２３】
図２は、本発明によるテンプレート画像作成のための合わせマーク中心位置の検出処理を説明するフローチャートである。まず、ステップ２１０において、テンプレート画像を作成するための画像を取得する。テンプレート画像を作成するための画像取得に当たっては、偏向器１３を制御して、電子線１２によりウェハ１９上に配置された十字や井桁の様な対称な合わせマーク１８が含まれる領域を走査する。この電子線照射によって電子線１２が照射されたウェハ１９上の位置から発生される二次電子や反射電子を、電子検出器１６により検出する。電子検出器１６の出力は、増幅器１４により増幅された後、画像データとして合わせマーク検出器１５に入力される。なお、増幅器１４の出力は、合わせマーク検出器１５に入力される前に、画像のコントラストなどを調整するためにレベル設定が行われる。
【００２４】
次に、ステップ２２０において、テンプレート画像を形成するための画像において合わせマーク位置を粗く求める。このステップ２２０において、合わせマークの基準位置を粗く求めた後、その結果の周辺において、合わせマーク程度の領域の大きさでステップ２３０の処理を行うことにより、処理時間の短縮及び周囲のパターンによらない正確な検出が可能となる。なお、ステップ２２０を省略して直ちにステップ２３０に進み、テンプレート画像を作成する画像の全領域に対して、テンプレートを作成するための画像における合わせマークの中心位置を求める処理を行うことも可能である。ステップ２２０を実行する方法の例としては、次の２つの方法がある。
【００２５】
第１の方法は、合わせマークの形状の特徴を表す設計値に基づいて理想的なテンプレート画像を予め形成し、その画像を用いて合わせマークの中心位置を絞り込む方法である。理想的なテンプレート画像とは、例えば、合わせマークのマーク幅、マークの縦横の大きさにより形状が決定され、さらに、合わせマークと背景の画素値を２値化（多値化）して表すことによって作成されるものである。合わせマークの中心位置の絞り込みは、例えば、正規化相関により求める。
【００２６】
第２の方法は、合わせマークの特徴量を用いる方法である。例えば、特徴量として分散を用い、分散を求めるフィルタの大きさを合わせマークの大きさ程度とし、このフィルタを画像の全ピクセルで移動させて計算する。フィルタを移動させることにより、フィルタに含まれる合わせマークの領域が変化する。そのため、合わせマークが含まれる領域が大きくなる程、分散値が高くなる。これを利用して、分散値の大きさが最も高くなる部分を合わせマークの中心位置として絞り込むことができる。
【００２７】
なお、特徴量としては、分散以外に、例えば、微分値、エントロピー、パワースペクトルなどを用いてもよいし、複数の特徴量を組み合わせて用いてもよい。また、合わせマークの特徴量の大きさとなる領域を閾値法や予め与えておいた教師信号を基とした最短距離法などを用いることで合わせマークのみを抽出した後、合わせマークとして抽出された連結領域を取り出し、その重心位置を合わせマークの中心位置として絞り込むことができる。
【００２８】
次に、図２のステップ２３０においてテンプレート画像の作成を行う。テンプレート画像においては、合わせマークの中心位置を求める必要がある。これを行う方法として、十字型や井桁型の様な１８０度回転させた場合に重なる回転対称な合わせマークの場合、例えば図４に示す方法がある。
図４は、ステップ２３０において行われる、合わせマーク４０の中心位置を求める方法の一例を説明する図である。図５のフローチャートを用いて、図４に示した方法について説明する。図４（ａ）に示した画像４２は、図２のステップ２２０で粗く求めた合わせマーク位置に基づいて切り出した、テンプレート画像を作成するための画像である。ステップ５１０において、テンプレート画像を作成するための画像４２の中心位置４１を中心に、縦横大きさＡとなる上下左右対称な領域の画像４３を図４（ｂ）のように抽出する。次にステップ５２０において、その画像４３を１８０度回転させて、図４（ｃ）に示すように、仮のテンプレート画像４４を作成する。
【００２９】
次にステップ５３０において、仮のテンプレート画像４４とテンプレート画像を作成するための画像４２を正規化相関などでテンプレートマッチングさせて、図４（ｄ）に示すように、最もマッチした位置（画像４２中において画像４４の中心位置に相当する位置）４５を得る。続いて、ステップ５４０において、得られた位置４５とテンプレート画像を作成するための画像４２の中心位置４１との中点を求める。この中点は合わせマークの中心位置４６となり、ステップ５５０において、この位置４６を中心に上下左右対称な領域を抽出し、これをテンプレート画像とする。
【００３０】
ここでは、テンプレート画像を作成するための画像４２の中心位置４１が、それを１８０゜回転させた画像に基づく仮のテンプレート画像４４と元の画像４２とのテンプレートマッチングで位置４５に移動することを検出し、位置４１と位置４５の中点４６を合わせマーク４０の対称中心として求めた。しかし、画像４２の中心位置４１に代えて、画像４２から抽出された画像４３中に含まれる任意の点、あるいは画像４３と既知の位置関係にある任意の点に着目し、その点が画像４２を１８０゜回転した画像４４と元の画像４２とのテンプレートマッチングでどこに移動するかを検出し、テンプレート画像を作成するための画像４２上でその点の移動前後の中点を合わせマークの対称中点としても同じ結果が得られる。
【００３１】
図６は、同一画像を用いて合わせマークの中心位置を求める他の方法の説明図である。先に、図４及び図５により、同一画像を用いて合わせマーク中心位置を求める方法について説明した。合わせマークが十字や井桁の様な３回以上の回転対称なマークの場合、図６に示す方法は、先に説明した画像を１８０度回転させる方法よりもノイズに強く、また、合わせマークの中心位置が正しく求められているかの検証が容易な方法である。この方法について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３２】
図７のステップ７１０において、テンプレート画像を作成するための画像６０の中心位置６１から縦横大きさＡとなる画像を抽出する。次に、ステップ７２０において、その画像を９０゜回転した仮のテンプレート画像６２を作成する。続くステップ７３０では、作成した仮のテンプレート画像６２とテンプレート画像を作成するための画像６０とを正規化相関などでテンプレートマッチングさせ、ステップ７４０で最もマッチした位置Ｄ１を求める。このステップ７２０〜７４０の処理を３回繰り返し、１８０゜回転した画像、２７０゜回転した画像をそれぞれ仮のテンプレート画像６３，６４とした時のマッチング位置Ｄ２，Ｄ３を求める。次に、ステップ７５０からステップ７６０に進み、得られた３つの検出位置Ｄ１〜Ｄ３及びテンプレート画像を作成するための画像６０の中心位置６１からなる４点の重心位置６５を求める。ステップ７７０では、この重心位置６５を中心に上下左右対称な領域を抽出し、テンプレート画像を作成する。
【００３３】
この方法は、１回の合わせマークの撮像で３回の合わせマーク検出を行うため、図４に示した１８０度回転させる方法と比較して、撮像時間を同等としながら、画像のノイズに強い合わせマーク中心位置検出を可能とする効果がある。さらに、画像６０の中心位置６１と検出位置Ｄ１〜Ｄ３は、合わせマーク検出が正確に行われている場合、正方形を形成することから、合わせマーク中心位置６５が正しく求めることができたかを、点６１，Ｄ１〜Ｄ３で形成される正方形の形状により検証することができる。
【００３４】
また、ここでは、テンプレート画像を作成するための画像６０の中心位置６１が、それを９０゜，１８０゜，２７０゜回転させた画像に基づく仮のテンプレート画像６２，６３，６４と元の画像６０とのテンプレートマッチングで位置Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に移動することを検出し、それらの重心位置６５を合わせマークの対称中心として求めた。しかし、画像６０の中心位置６１に代えて、画像６０から抽出された画像中に含まれる任意の点、あるいはその抽出画像と既知の位置関係にある任意の点に着目し、その点が仮のテンプレート画像６２，６３，６４と元の画像６０とのテンプレートマッチングでどこに移動するかを検出し、それらの重心を合わせマークの対称中点としても同じ結果が得られる。
【００３５】
ここで、図２に戻る。ところで、合わせマークの中心位置としては、描画又は露光の精度上、サブピクセル単位以下の分解能が必要となる。しかし、図２のステップ２３０に関して図４〜図７で説明した方法では、合わせマークの中心位置をピクセル単位の分解能でしか求めることができない。一方、例えば、テンプレート画像を作成するための画像から合わせマークを含む領域を抽出してそれを仮のテンプレート画像とし、この仮のテンプレート画像を用い、評価値として相関値を採用して、テンプレート画像を作成するための画像とのテンプレートマッチングを行うと、図８に示すように、相関値は合わせマーク中心位置で最大となり、合わせマーク中心位置から離れるに従い小さくなる。そこで、図２のステップ２４０において、この手法を用いてサブピクセル以下の分解能で合わせマークの中心位置を求める。 ここでは、ステップ２３０で求められた合わせマークの中心位置が含まれるピクセルとその周辺のピクセルに対して、合わせマークを含む領域からなる仮のテンプレート画像を用いてテンプレートマッチングを行い、図９に示すように評価値を求める。こうして得られた評価値のうち、合わせマークの中心位置として求められた評価値が最も高いピクセル位置Ｂ０、及びその周辺のピクセル位置Ｂｉにおいて求められた複数の評価値から、それらの評価値の変化の傾向を、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を同時に２次元の２次式により近似し、その近似式より、評価値が最大となる位置を求め、これを合わせマークの中心位置として推測することにより、合わせマークの中心位置をサブピクセル単位以下の分解能で求める。なお、近似式は、２次元の２次式以外にも別の次数の式や、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を別々に１次元で近似する方法、スプラインなどで近似する方法など種々の方法が考えられ、そのいずれの方法を用いてもよい。
【００３６】
次のステップ２５０では、ステップ２４０により求めたサブピクセル単位以下の分解能で表現された合わせマークの中心位置を基準に、テンプレート画像を作成するための画像よりテンプレート画像を抽出する。テンプレート画像の抽出に当たっては、ステップ２４０で求めた結果の整数部を用いて、図１０に示すように、合わせマークの中心位置１０５をピクセル単位で丸めて、このマーク中心位置１０５が含まれるピクセル１００のピクセル位置１０１を中心に上下左右対称に画像を抽出してテンプレート画像を形成する。小数部による残差１０６は補正値として記憶保持しておき、この補正値をパターン描画時にオフセットとしてフィードバックをかけるためや、合わせマーク検出結果に対して補正を行うために用いる。 あるいは、同様に、サブピクセル単位以下の分解能で合わせマークの中心位置１０５を求めた後、その位置が、テンプレート画像を作成するための画像の中心のピクセル位置となる様に、ステージ２０を移動させて合わせマーク１８を再撮像し、テンプレート画像を作成するための画像の中心位置から上下左右対称な領域を抽出することにより最終的なテンプレート画像を形成してもよい。
【００３７】
ステップ２１０からステップ２５０までの処理によって合わせマークの位置が既知のテンプレート画像が得られると、次にステップ２６０に進み、そのテンプレート画像を用いたマーク検出を行う。ステップ２１０〜２５０で形成されたテンプレート画像は合わせマーク検出器１５に保持され、マーク検出を行うとき、検出の対象とする合わせマークを走査して、そこで得られた信号を被検出画像として合わせマーク検出器１５に入力する。その後、テンプレート画像と被検出画像を対象として、例えば正規化相関を行い合わせマーク検出を行う。ステップ２７０において全ての合わせマークの検出が終了したと判定されるまで、ステップ２６０の処理を繰り返す。なお、次のウェハで合わせマーク検出を行う場合は、合わせマーク検出器１５に保持されているテンプレート画像を用いることによりステップ２１０〜２５０を省略し、ステップ２６０〜２７０の処理のみを行ってもよい。
【００３８】
これまで、テンプレート画像を作成するために取得した画像から合わせマークの位置が既知のテンプレート画像を形成する方法について説明してきた。ところで、これまで説明したテンプレート画像を作成するための画像及びこれと同一の画像を回転させて合わせマークを検出する方法、及び複数の評価値を近似することにより合わせマークの中心位置をサブピクセル単位以下の分解能で求める方法は、上記説明の様にテンプレート画像を形成するために合わせマークの中心位置を求めるためのみではなく、描画や露光のために直接、合わせマークの中心位置を検出するために利用することも可能である。
【００３９】
この場合の基本的な処理は、図３のフローチャートに示す通りである。すなわち、最初にステップ３１０において合わせマーク検出を行う被検出画像を取得する。具体的には、マーク検出の対象とする合わせマークを走査して、そこで得られた信号を被検出画像として合わせマーク検出器１５に入力する。次に、ステップ３２０で被検出画像において合わせマーク位置を粗く求め、ステップ３３０において被検出画像において合わせマーク位置を求める。次に、ステップ３４０において被検出画像において合わせマーク位置をピクセル以下の分解能で求める。この処理をステップ３５０において、全マークの検出が終了したと判定されるまで繰り返す。
【００４０】
図３のステップ３１０，３２０，３３０，３４０は、それぞれ図２のステップ２１０，２２０，２３０，２４０に対応し、図２の場合と同様の処理を行う。ステップ３３０は、図５あるいは図７に詳細を示したフローチャートに従って行われることも同様である。ただし、描画や露光のために合わせマークの中心位置を検出する場合には、図５のステップ５５０の処理、図７のステップ７７０の処理は除く。各ステップにおける具体的な処理の方法は、テンプレート画像作成の場合と同じであり、説明が重複するので省略する。
【００４１】
以上、本発明を電子線描画装置におけるウェハの合わせマーク検出に適用する場合について説明してきた。しかし、本発明の適用は電子線描画装置における合わせマークの検出だけに限られるわけではない。例えば、図１４に概略を示す光露光装置における合わせマークの検出に適用することも勿論可能である。光露光装置は、光源１４０１からの露光光で照明されたレチクル１４０２の像を投影光学系１４０３によってフォトレジスト等の感光材が塗布された半導体ウェハ等の基板（試料）１４０４上に投影露光する装置である。
【００４２】
基板１４０４は移動ステージ１４０５に保持されており、レチクル１４０２の投影領域に対して基板１４０４の露光領域が正確に一致するように移動ステージ１４０５が精密制御される。基板１４０４には、合わせマーク１４０６が形成されており、この合わせマーク１４０６の位置を基板アライメント顕微鏡１４１１、ＣＣＤカメラ等の撮像装置１４１４を含むアライメント光学系で検出することにより、移動ステージ１４０５の制御が行われる。基板１４０４上の合わせマーク１４０６は、基板アライメント顕微鏡１４１１、ミラー１４１２、リレーレンズ１４１３を介して撮像装置１４１４で撮像され、撮像装置から出力される画像データが合わせマーク検出器１４１５に供給される。合わせマーク検出器１４１５では、今まで電子線描画装置に関連して説明してきたのと同様の処理を行って合わせマーク１４０６の位置を検出し、ステージ制御系１４１６はその検出結果に基づいてステージ駆動部１４１７を制御し、基板１４０４の位置合わせを行う。
【００４３】
上記の電子線描画装置や光露光装置以外にも、合わせマークを検出する必要のある装置、例えばウェハに形成されたパターンに対して合わせマークを基準にして指定される箇所の寸法計測を行う走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、あるいは微細加工を行う集束イオンビーム加工装置などにおける電子線画像、イオンビーム画像、Ｘ線画像などに対しても、本発明は同様に適用することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によると、半導体製造工程による合わせマークの形状のばらつきの影響を受けずに装置内の絶対座標系における高精度な合わせマークの基準位置検出が可能となる。また、合わせマークの基準位置をピクセル単位以下の分解能で求めることができるため、高精度な合わせマーク検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子線描画装置の該略図。
【図２】テンプレート画像作成のための合わせマーク中心位置の検出フローチャート。
【図３】描画（露光）などのための合わせマーク中心位置検出フローチャート。
【図４】合わせマークの中心位置を求める方法の一例の説明図。
【図５】合わせマークの中心位置を求める方法の一例のフローチャート。
【図６】合わせマークの中心位置を求める方法の他の例の説明図。
【図７】合わせマークの中心位置を求める方法の他の例のフローチャート。
【図８】相関値の傾向例を示す図。
【図９】合わせマークの中心位置をピクセル単位以下の分解能で求めるための説明図
【図１０】合わせマークの中心位置をピクセル単位で丸めた時に生じる残差の説明図。
【図１１】設計値に基づいて作成した合わせマークと実際の合わせマークの説明図。
【図１２】作業者により抽出されたテンプレートの説明図。
【図１３】設計値に基づいて作成されたテンプレートの説明図。
【図１４】光露光装置の概略図。
【符号の説明】
１１…電子銃、１２…電子線、１３…偏向器、１４…増幅器、１５…合わせマーク検出器、１６…電子検出器、１７…描画制御系、１８…合わせマーク、１９…ウェハ、２０…ステージ、４０…合わせマーク、４１…画像の中心位置、４２…テンプレート画像を作成するための画像又は被検出画像、４３…中心位置から上下左右対称に抽出した領域、４４…仮のテンプレート画像、４５…最もマッチした位置、４６…マーク中心位置、６０…テンプレート画像を作成するための画像又は被検出画像、６１…画像の中心位置、６２〜６４…仮のテンプレート画像、６５…重心位置、１００…マーク中心位置が含まれるピクセル、１０１…ピクセル位置、１０５…マーク中心位置、１０６…丸め誤差、１１０…実際の合わせマーク、１１１…設計値に基づいて作成された合わせマーク、１４０１…光源、１４０２…レチクル、１４０３…投影光学系、１４０４…基板、１４０５…移動ステージ、１４０６…合わせマーク、１４１１…基板アライメント顕微鏡、１４１２…ミラー、１４１３…リレーレンズ、１４１４…撮像装置、１４１５…合わせマーク検出器、１４１６…ステージ制御系、１４１７…ステージ駆動系、Ｔ１，Ｔ２…テンプレート画像、Ｍ１，Ｍ２…合わせマーク、Ｐ１…合わせマークの中心位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線描画装置や光露光装置等の半導体製造装置を用いて微細パターンを試料上に重ね合わせて描画あるいは露光する際などに行われる合わせマークの検出方法、及び合わせマークを用いたパターンの描画あるいは露光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程では、電子線描画装置や光露光装置等の微細パターン形成装置を用いて、半導体ウェハ等の試料上に素子のパターンや回路パターン等の微細パターンを形成することが行われる。これらのデバイスパターンの形成に当たっては、試料上に既に形成されているパターンに対して次の層のパターンを高精度に位置合わせして形成することが必要とされ、この位置合わせのために合わせマークが使用される。また、半導体ウェハ等に形成したパターンが設計通りのものであるかどうかを検査するために、パターンの所定箇所の寸法を電子顕微鏡を用いて計測することが行われるが、このような場合にも計測位置を特定するために合わせマークが使用される。合わせマークはデバイスパターンとは別個の専用のマークとして試料上に用意されることもあるし、デバイスパターンの一部が合わせマークとして利用されることもある。
【０００３】
この合わせマーク検出方法として、試料上の合わせマークに対応する像をテンプレート画像として予め登録しておき、試料を電子線走査又は光学的に撮像して得られる被検出画像から正規化相関を用いてテンプレート画像に含まれる合わせマークの基準位置を検出するテンプレートマッチングといわれる方法がある。また、テンプレート画像を用いることなく、試料を電子線走査又は光学的に撮像して得られた被検出画像から合わせマークを直接検出する方法もある。
【０００４】
特開平８−１４８４０２号公報には、検出の対象となるマーク上を電子線で走査して得られるマーク波形とその波形を横反転して得られるマーク波形を用いて相関演算を行い、その相関関数の極値位置から相対的にマーク中心位置を検出する方法が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１２は、従来の方法で作業者により抽出されたテンプレート画像の説明図である。作業者は、ステージ上の試料の画像から合わせマークＭ１に対応した領域を任意に切出すことによってテンプレート画像Ｔ１の登録を行う。
ステージに保持された試料上に電子線描画あるいは露光によってパターンを重ねて形成するためには、ステージ座標における合わせマークＭ１の絶対位置が必要となる。しかし、従来のテンプレートマッチングの方法では、テンプレート画像Ｔ１の登録は、作業者がステージ上の試料の画像から合わせマークＭ１に対応した領域を任意に切出すことによって行うため、テンプレート画像Ｔ１に対する合わせマークＭ１の基準位置、例えばＰ１の座標（Ｘp1，Ｙp1）が分からず、ステージ座標における合わせマークＭ１の絶対位置を知ることができなかった。
【０００６】
この対策として、合わせマークの形状の特徴を表す設計値に基づいて、図１３に示す様な理想的なテンプレート画像Ｔ２を形成して、合わせマークを検出する方法がある。この方法では、テンプレート画像Ｔ２の作成時に、テンプレート画像Ｔ２における合わせマークＭ１の基準位置、例えばＰ１の座標を、例えば（０，０）と予め指定しているため、ステージ座標における合わせマークの絶対位置を知ることができる。
【０００７】
しかし、設計値に基づいて形成されたテンプレート画像Ｔ２の場合、例えば、半導体製造プロセスの影響により、工程毎に合わせマークの形状や段差構造が異なることがある。図１１は、この様子を模式的に示すもので、試料上に形成された合わせマークは半導体製造プロセス等において加工されて変形することがあり、そのため実際の電子線走査あるいは光学的な撮像により得られた試料上の合わせマークの画像１１０は、設計値に基づいて形成されたテンプレート画像の合わせマーク１１１と形状や段差構造が異なったものとなり、これが原因となって正確な合わせマークの検出ができない場合があった。
【０００８】
また、テンプレート画像を用いることなく、試料を電子線走査又は光学的に撮像して得られた被検出画像から合わせマークを直接検出する方法においても、発明者らの知る限り、検出された合わせマークの基準位置を２次元画像の画像処理によって高精度に求める方法は見当たらない。特開平８−１４８４０２号公報に記載された方法では、電子線走査線上でのマーク中心位置しか検出することはできない。また、マークが形成されているウェハが回転したような場合には、ウェハの回転に伴ってマーク上を電子線で走査して得られるマーク波形のピーク位置がシフトするため、検出されるマーク中心位置も誤差を含んだものになる。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、ステージ座標系における合わせマークの基準位置の絶対座標を得ることができ、また、半導体製造プロセスの影響を受けずに正しく合わせマークの基準位置を求めることができる新規な方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、試料上に対称形の合わせマーク配置されている場合、その合わせマークを含むようにして得られた画像及びその画像を回転させた画像を用いて、合わせマークの基準位置を求める。そして、その位置を基準にテンプレート画像を作成し、テンプレート画像における合わせマークの基準位置を既知とすることにより、ステージ座標系における合わせマークの基準位置の絶対座標を得る。同様に、合わせマークを含むようにして得られた被検出画像及びその画像を回転させた画像を用いて合わせマークの基準位置を直接求めることにより、ステージ座標系における合わせマークの基準位置の絶対座標を得る。
【００１１】
本明細書でいう対称なマークとは、回転対称なマークである。合わせマークを含む試料の画像は、例えば電子線描画装置の場合には試料に形成された合わせマーク上を電子線で走査することにより得られ、また光露光装置の場合には、合わせマークを含む試料の領域を光学的に撮像することによって得られる。
すなわち、本発明による合わせマーク検出方法は、試料に形成された対称な合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、試料から合わせマークを含む被検出画像を取得するステップと、被検出画像及び被検出画像を回転させた回転画像を用いて被検出画像内における合わせマークの基準位置を検出するステップとを含むことを特徴とする。
【００１２】
被検出画像は、必ずしも合わせマークの全体を完全に含んでいる必要はない。例えば、被検出画像上の特定の点が、被検出画像を回転させたとき合わせマークに対してどの位置に移動するかを求め、移動前後の２点の中点を検出することで、合わせマークの対称中心を求めることができる。このように、前記の画像操作によって直接求まるのは対称な合わせマークの対称中心位置である。合わせマークの基準位置は、この対称中心の位置であってもよいし、対称中心に方向及び長さが既知のバイアスを加えた位置であってもよい。被検出画像と被検出画像を各々異なる角度に回転した複数の回転画像とを用いて基準位置を検出することもできる。
【００１３】
本発明による合わせマーク検出方法は、また、テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、前述の合わせマーク検出方法で検出された基準位置を基準として被検出画像からテンプレート画像を抽出することを特徴とする。
本発明による合わせマーク検出方法は、また、試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、試料から合わせマークを含む被検出画像を取得するステップと、被検出画像のうち前記合わせマークを含む部分領域の画像を仮のテンプレート画像として被検出画像から合わせマークを検出する際に得られる評価値のうち、最も高い評価値が得られるピクセル位置及びその周囲のピクセル位置における評価値の傾向から、被検出画像における合わせマークの基準位置を推測するステップとを含み、合わせマークの基準位置をピクセル以下の分解能で検出することを特徴とする。合わせマークを含む被検出画像の部分領域の画像は、必ずしも合わせマークの全体を完全に含んでいなくてもよい。
【００１４】
本発明による合わせマーク検出方法は、また、テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、前述の方法によって試料に形成された合わせマークの基準位置をピクセル以下の分解能で検出し、基準位置をピクセル単位で丸め、その基準位置が含まれるピクセルを基準にテンプレート画像を抽出するとともに丸めにより切捨てた分を補正値として保持し、前記テンプレート画像及び前記補正値を用いて試料に形成された合わせマークの基準位置を検出することを特徴とする。補正値は、例えば電子線描画装置による描画時に描画制御系にオフセットとして供給して描画位置を補正するためや、合わせマーク検出を行った結果をオフセット補正するために用いられる。
【００１５】
本発明による合わせマーク検出方法は、また、テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、前述の方法によって試料に形成された合わせマークの基準位置をピクセル以下の分解能で検出し、その基準位置がテンプレート画像の基準位置となるように試料から合わせマークを含む被検出画像を再取得し、再取得した被検出画像からテンプレート画像を抽出することを特徴とする。
【００１６】
以上の合わせマーク検出方法において、合わせマークの設計値に基づいて予め形成したテンプレート画像を用いて、合わせマークの基準位置を検出する前に、合わせマークの基準位置を粗く求めるようにしてもよい。あるいは、合わせマークの特徴量を求めておき、被検出画像から前記特徴量を含む領域を抽出することにより、合わせマークの基準位置を検出する前に、合わせマークの基準位置を粗く求めるようにしてもよい。
【００１７】
本発明によるパターン形成方法は、電子線描画装置又は光露光装置を用いて試料にパターンを形成するパターン形成方法において、前記したいずれかの本発明による合わせマーク検出方法によって試料の合わせマークを検出し、検出された合わせマークに対して予め定められた位置関係となるようにパターン形成を行うことを特徴とする。
【００１８】
本発明の合わせマーク検出方法は、合わせマークを含む画像を回転させることにより合わせマークの基準位置を求めるため、半導体製造工程ごとの合わせマークの形状ばらつきの影響を受けずに、電子線描画装置など装置内の絶対座標系における合わせマークの基準位置を高精度に検出することができる。また、その高精度に検出した基準位置に基づいてテンプレート画像を形成することで、テンプレート画像における合わせマークの基準位置座標を既知とすることができるため、テンプレート画像を用いて検出した合わせマークのステージ座標における絶対位置を知ることができる。
【００１９】
また、被検出画像を用いてマーク検出する際に得られる評価値のうち、最も高い評価値が得られるピクセル位置における評価値及びそのピクセル位置の周囲のピクセル位置における評価値の傾向から、合わせマークの基準位置に一致した前記被検出画像における位置を推測することにより、合わせマークの基準位置をピクセル単位以下の分解能で求めることができ、高精度な合わせマーク検出が可能となる。
【００２０】
本発明によると、合わせマークの２次元の基準位置を一度に高精度に検出することができる。また、合わせマークが形成されているウェハ等が回転したとしても、その影響を受けることなく合わせマークの基準位置を高精度に検出することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは、電子線描画装置におけるウェハの合わせマーク検出について説明する。また、合わせマークの対称中心が基準位置であるとして説明を行う。ただし、ここでの説明は単に本発明の一例についての説明であり、これにより本発明を限定することを意図するものではない。例えば、合わせマークの基準位置は、合わせマークの対称中心と既知の関係にある任意の位置を基準位置とすることが可能である。
【００２２】
図１は、本発明による合わせマーク位置検出を行うための電子線描画装置の概略図である。電子銃１１から放射された電子線１２は、偏向器１３により偏向され、図示しないレンズ系によって集束されて、ステージ２０上に保持されたウェハ１９に照射される。この電子線描画装置は、ウェハ１９上に設けられた合わせマーク１８を画像として検出するための機構として、電子検出器１６、電子検出器１６の出力を増幅する増幅器１４、合わせマーク検出器１５を備える。合わせマーク検出器１５で検出された合わせマークのデータは描画制御系１７に供給され、電子線描画の際に利用される。
【００２３】
図２は、本発明によるテンプレート画像作成のための合わせマーク中心位置の検出処理を説明するフローチャートである。まず、ステップ２１０において、テンプレート画像を作成するための画像を取得する。テンプレート画像を作成するための画像取得に当たっては、偏向器１３を制御して、電子線１２によりウェハ１９上に配置された十字や井桁の様な対称な合わせマーク１８が含まれる領域を走査する。この電子線照射によって電子線１２が照射されたウェハ１９上の位置から発生される二次電子や反射電子を、電子検出器１６により検出する。電子検出器１６の出力は、増幅器１４により増幅された後、画像データとして合わせマーク検出器１５に入力される。なお、増幅器１４の出力は、合わせマーク検出器１５に入力される前に、画像のコントラストなどを調整するためにレベル設定が行われる。
【００２４】
次に、ステップ２２０において、テンプレート画像を形成するための画像において合わせマーク位置を粗く求める。このステップ２２０において、合わせマークの基準位置を粗く求めた後、その結果の周辺において、合わせマーク程度の領域の大きさでステップ２３０の処理を行うことにより、処理時間の短縮及び周囲のパターンによらない正確な検出が可能となる。なお、ステップ２２０を省略して直ちにステップ２３０に進み、テンプレート画像を作成する画像の全領域に対して、テンプレートを作成するための画像における合わせマークの中心位置を求める処理を行うことも可能である。ステップ２２０を実行する方法の例としては、次の２つの方法がある。
【００２５】
第１の方法は、合わせマークの形状の特徴を表す設計値に基づいて理想的なテンプレート画像を予め形成し、その画像を用いて合わせマークの中心位置を絞り込む方法である。理想的なテンプレート画像とは、例えば、合わせマークのマーク幅、マークの縦横の大きさにより形状が決定され、さらに、合わせマークと背景の画素値を２値化（多値化）して表すことによって作成されるものである。合わせマークの中心位置の絞り込みは、例えば、正規化相関により求める。
【００２６】
第２の方法は、合わせマークの特徴量を用いる方法である。例えば、特徴量として分散を用い、分散を求めるフィルタの大きさを合わせマークの大きさ程度とし、このフィルタを画像の全ピクセルで移動させて計算する。フィルタを移動させることにより、フィルタに含まれる合わせマークの領域が変化する。そのため、合わせマークが含まれる領域が大きくなる程、分散値が高くなる。これを利用して、分散値の大きさが最も高くなる部分を合わせマークの中心位置として絞り込むことができる。
【００２７】
なお、特徴量としては、分散以外に、例えば、微分値、エントロピー、パワースペクトルなどを用いてもよいし、複数の特徴量を組み合わせて用いてもよい。また、合わせマークの特徴量の大きさとなる領域を閾値法や予め与えておいた教師信号を基とした最短距離法などを用いることで合わせマークのみを抽出した後、合わせマークとして抽出された連結領域を取り出し、その重心位置を合わせマークの中心位置として絞り込むことができる。
【００２８】
次に、図２のステップ２３０においてテンプレート画像の作成を行う。テンプレート画像においては、合わせマークの中心位置を求める必要がある。これを行う方法として、十字型や井桁型の様な１８０度回転させた場合に重なる回転対称な合わせマークの場合、例えば図４に示す方法がある。
図４は、ステップ２３０において行われる、合わせマーク４０の中心位置を求める方法の一例を説明する図である。図５のフローチャートを用いて、図４に示した方法について説明する。図４（ａ）に示した画像４２は、図２のステップ２２０で粗く求めた合わせマーク位置に基づいて切り出した、テンプレート画像を作成するための画像である。ステップ５１０において、テンプレート画像を作成するための画像４２の中心位置４１を中心に、縦横大きさＡとなる上下左右対称な領域の画像４３を図４（ｂ）のように抽出する。次にステップ５２０において、その画像４３を１８０度回転させて、図４（ｃ）に示すように、仮のテンプレート画像４４を作成する。
【００２９】
次にステップ５３０において、仮のテンプレート画像４４とテンプレート画像を作成するための画像４２を正規化相関などでテンプレートマッチングさせて、図４（ｄ）に示すように、最もマッチした位置（画像４２中において画像４４の中心位置に相当する位置）４５を得る。続いて、ステップ５４０において、得られた位置４５とテンプレート画像を作成するための画像４２の中心位置４１との中点を求める。この中点は合わせマークの中心位置４６となり、ステップ５５０において、この位置４６を中心に上下左右対称な領域を抽出し、これをテンプレート画像とする。
【００３０】
ここでは、テンプレート画像を作成するための画像４２の中心位置４１が、それを１８０゜回転させた画像に基づく仮のテンプレート画像４４と元の画像４２とのテンプレートマッチングで位置４５に移動することを検出し、位置４１と位置４５の中点４６を合わせマーク４０の対称中心として求めた。しかし、画像４２の中心位置４１に代えて、画像４２から抽出された画像４３中に含まれる任意の点、あるいは画像４３と既知の位置関係にある任意の点に着目し、その点が画像４２を１８０゜回転した画像４４と元の画像４２とのテンプレートマッチングでどこに移動するかを検出し、テンプレート画像を作成するための画像４２上でその点の移動前後の中点を合わせマークの対称中点としても同じ結果が得られる。
【００３１】
図６は、同一画像を用いて合わせマークの中心位置を求める他の方法の説明図である。先に、図４及び図５により、同一画像を用いて合わせマーク中心位置を求める方法について説明した。合わせマークが十字や井桁の様な３回以上の回転対称なマークの場合、図６に示す方法は、先に説明した画像を１８０度回転させる方法よりもノイズに強く、また、合わせマークの中心位置が正しく求められているかの検証が容易な方法である。この方法について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３２】
図７のステップ７１０において、テンプレート画像を作成するための画像６０の中心位置６１から縦横大きさＡとなる画像を抽出する。次に、ステップ７２０において、その画像を９０゜回転した仮のテンプレート画像６２を作成する。続くステップ７３０では、作成した仮のテンプレート画像６２とテンプレート画像を作成するための画像６０とを正規化相関などでテンプレートマッチングさせ、ステップ７４０で最もマッチした位置Ｄ１を求める。このステップ７２０〜７４０の処理を３回繰り返し、１８０゜回転した画像、２７０゜回転した画像をそれぞれ仮のテンプレート画像６３，６４とした時のマッチング位置Ｄ２，Ｄ３を求める。次に、ステップ７５０からステップ７６０に進み、得られた３つの検出位置Ｄ１〜Ｄ３及びテンプレート画像を作成するための画像６０の中心位置６１からなる４点の重心位置６５を求める。ステップ７７０では、この重心位置６５を中心に上下左右対称な領域を抽出し、テンプレート画像を作成する。
【００３３】
この方法は、１回の合わせマークの撮像で３回の合わせマーク検出を行うため、図４に示した１８０度回転させる方法と比較して、撮像時間を同等としながら、画像のノイズに強い合わせマーク中心位置検出を可能とする効果がある。さらに、画像６０の中心位置６１と検出位置Ｄ１〜Ｄ３は、合わせマーク検出が正確に行われている場合、正方形を形成することから、合わせマーク中心位置６５が正しく求めることができたかを、点６１，Ｄ１〜Ｄ３で形成される正方形の形状により検証することができる。
【００３４】
また、ここでは、テンプレート画像を作成するための画像６０の中心位置６１が、それを９０゜，１８０゜，２７０゜回転させた画像に基づく仮のテンプレート画像６２，６３，６４と元の画像６０とのテンプレートマッチングで位置Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に移動することを検出し、それらの重心位置６５を合わせマークの対称中心として求めた。しかし、画像６０の中心位置６１に代えて、画像６０から抽出された画像中に含まれる任意の点、あるいはその抽出画像と既知の位置関係にある任意の点に着目し、その点が仮のテンプレート画像６２，６３，６４と元の画像６０とのテンプレートマッチングでどこに移動するかを検出し、それらの重心を合わせマークの対称中点としても同じ結果が得られる。
【００３５】
ここで、図２に戻る。ところで、合わせマークの中心位置としては、描画又は露光の精度上、サブピクセル単位以下の分解能が必要となる。しかし、図２のステップ２３０に関して図４〜図７で説明した方法では、合わせマークの中心位置をピクセル単位の分解能でしか求めることができない。一方、例えば、テンプレート画像を作成するための画像から合わせマークを含む領域を抽出してそれを仮のテンプレート画像とし、この仮のテンプレート画像を用い、評価値として相関値を採用して、テンプレート画像を作成するための画像とのテンプレートマッチングを行うと、図８に示すように、相関値は合わせマーク中心位置で最大となり、合わせマーク中心位置から離れるに従い小さくなる。そこで、図２のステップ２４０において、この手法を用いてサブピクセル以下の分解能で合わせマークの中心位置を求める。 ここでは、ステップ２３０で求められた合わせマークの中心位置が含まれるピクセルとその周辺のピクセルに対して、合わせマークを含む領域からなる仮のテンプレート画像を用いてテンプレートマッチングを行い、図９に示すように評価値を求める。こうして得られた評価値のうち、合わせマークの中心位置として求められた評価値が最も高いピクセル位置Ｂ０、及びその周辺のピクセル位置Ｂｉにおいて求められた複数の評価値から、それらの評価値の変化の傾向を、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を同時に２次元の２次式により近似し、その近似式より、評価値が最大となる位置を求め、これを合わせマークの中心位置として推測することにより、合わせマークの中心位置をサブピクセル単位以下の分解能で求める。なお、近似式は、２次元の２次式以外にも別の次数の式や、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を別々に１次元で近似する方法、スプラインなどで近似する方法など種々の方法が考えられ、そのいずれの方法を用いてもよい。
【００３６】
次のステップ２５０では、ステップ２４０により求めたサブピクセル単位以下の分解能で表現された合わせマークの中心位置を基準に、テンプレート画像を作成するための画像よりテンプレート画像を抽出する。テンプレート画像の抽出に当たっては、ステップ２４０で求めた結果の整数部を用いて、図１０に示すように、合わせマークの中心位置１０５をピクセル単位で丸めて、このマーク中心位置１０５が含まれるピクセル１００のピクセル位置１０１を中心に上下左右対称に画像を抽出してテンプレート画像を形成する。小数部による残差１０６は補正値として記憶保持しておき、この補正値をパターン描画時にオフセットとしてフィードバックをかけるためや、合わせマーク検出結果に対して補正を行うために用いる。 あるいは、同様に、サブピクセル単位以下の分解能で合わせマークの中心位置１０５を求めた後、その位置が、テンプレート画像を作成するための画像の中心のピクセル位置となる様に、ステージ２０を移動させて合わせマーク１８を再撮像し、テンプレート画像を作成するための画像の中心位置から上下左右対称な領域を抽出することにより最終的なテンプレート画像を形成してもよい。
【００３７】
ステップ２１０からステップ２５０までの処理によって合わせマークの位置が既知のテンプレート画像が得られると、次にステップ２６０に進み、そのテンプレート画像を用いたマーク検出を行う。ステップ２１０〜２５０で形成されたテンプレート画像は合わせマーク検出器１５に保持され、マーク検出を行うとき、検出の対象とする合わせマークを走査して、そこで得られた信号を被検出画像として合わせマーク検出器１５に入力する。その後、テンプレート画像と被検出画像を対象として、例えば正規化相関を行い合わせマーク検出を行う。ステップ２７０において全ての合わせマークの検出が終了したと判定されるまで、ステップ２６０の処理を繰り返す。なお、次のウェハで合わせマーク検出を行う場合は、合わせマーク検出器１５に保持されているテンプレート画像を用いることによりステップ２１０〜２５０を省略し、ステップ２６０〜２７０の処理のみを行ってもよい。
【００３８】
これまで、テンプレート画像を作成するために取得した画像から合わせマークの位置が既知のテンプレート画像を形成する方法について説明してきた。ところで、これまで説明したテンプレート画像を作成するための画像及びこれと同一の画像を回転させて合わせマークを検出する方法、及び複数の評価値を近似することにより合わせマークの中心位置をサブピクセル単位以下の分解能で求める方法は、上記説明の様にテンプレート画像を形成するために合わせマークの中心位置を求めるためのみではなく、描画や露光のために直接、合わせマークの中心位置を検出するために利用することも可能である。
【００３９】
この場合の基本的な処理は、図３のフローチャートに示す通りである。すなわち、最初にステップ３１０において合わせマーク検出を行う被検出画像を取得する。具体的には、マーク検出の対象とする合わせマークを走査して、そこで得られた信号を被検出画像として合わせマーク検出器１５に入力する。次に、ステップ３２０で被検出画像において合わせマーク位置を粗く求め、ステップ３３０において被検出画像において合わせマーク位置を求める。次に、ステップ３４０において被検出画像において合わせマーク位置をピクセル以下の分解能で求める。この処理をステップ３５０において、全マークの検出が終了したと判定されるまで繰り返す。
【００４０】
図３のステップ３１０，３２０，３３０，３４０は、それぞれ図２のステップ２１０，２２０，２３０，２４０に対応し、図２の場合と同様の処理を行う。ステップ３３０は、図５あるいは図７に詳細を示したフローチャートに従って行われることも同様である。ただし、描画や露光のために合わせマークの中心位置を検出する場合には、図５のステップ５５０の処理、図７のステップ７７０の処理は除く。各ステップにおける具体的な処理の方法は、テンプレート画像作成の場合と同じであり、説明が重複するので省略する。
【００４１】
以上、本発明を電子線描画装置におけるウェハの合わせマーク検出に適用する場合について説明してきた。しかし、本発明の適用は電子線描画装置における合わせマークの検出だけに限られるわけではない。例えば、図１４に概略を示す光露光装置における合わせマークの検出に適用することも勿論可能である。光露光装置は、光源１４０１からの露光光で照明されたレチクル１４０２の像を投影光学系１４０３によってフォトレジスト等の感光材が塗布された半導体ウェハ等の基板（試料）１４０４上に投影露光する装置である。
【００４２】
基板１４０４は移動ステージ１４０５に保持されており、レチクル１４０２の投影領域に対して基板１４０４の露光領域が正確に一致するように移動ステージ１４０５が精密制御される。基板１４０４には、合わせマーク１４０６が形成されており、この合わせマーク１４０６の位置を基板アライメント顕微鏡１４１１、ＣＣＤカメラ等の撮像装置１４１４を含むアライメント光学系で検出することにより、移動ステージ１４０５の制御が行われる。基板１４０４上の合わせマーク１４０６は、基板アライメント顕微鏡１４１１、ミラー１４１２、リレーレンズ１４１３を介して撮像装置１４１４で撮像され、撮像装置から出力される画像データが合わせマーク検出器１４１５に供給される。合わせマーク検出器１４１５では、今まで電子線描画装置に関連して説明してきたのと同様の処理を行って合わせマーク１４０６の位置を検出し、ステージ制御系１４１６はその検出結果に基づいてステージ駆動部１４１７を制御し、基板１４０４の位置合わせを行う。
【００４３】
上記の電子線描画装置や光露光装置以外にも、合わせマークを検出する必要のある装置、例えばウェハに形成されたパターンに対して合わせマークを基準にして指定される箇所の寸法計測を行う走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、あるいは微細加工を行う集束イオンビーム加工装置などにおける電子線画像、イオンビーム画像、Ｘ線画像などに対しても、本発明は同様に適用することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によると、半導体製造工程による合わせマークの形状のばらつきの影響を受けずに装置内の絶対座標系における高精度な合わせマークの基準位置検出が可能となる。また、合わせマークの基準位置をピクセル単位以下の分解能で求めることができるため、高精度な合わせマーク検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子線描画装置の該略図。
【図２】テンプレート画像作成のための合わせマーク中心位置の検出フローチャート。
【図３】描画（露光）などのための合わせマーク中心位置検出フローチャート。
【図４】合わせマークの中心位置を求める方法の一例の説明図。
【図５】合わせマークの中心位置を求める方法の一例のフローチャート。
【図６】合わせマークの中心位置を求める方法の他の例の説明図。
【図７】合わせマークの中心位置を求める方法の他の例のフローチャート。
【図８】相関値の傾向例を示す図。
【図９】合わせマークの中心位置をピクセル単位以下の分解能で求めるための説明図
【図１０】合わせマークの中心位置をピクセル単位で丸めた時に生じる残差の説明図。
【図１１】設計値に基づいて作成した合わせマークと実際の合わせマークの説明図。
【図１２】作業者により抽出されたテンプレートの説明図。
【図１３】設計値に基づいて作成されたテンプレートの説明図。
【図１４】光露光装置の概略図。
【符号の説明】
１１…電子銃、１２…電子線、１３…偏向器、１４…増幅器、１５…合わせマーク検出器、１６…電子検出器、１７…描画制御系、１８…合わせマーク、１９…ウェハ、２０…ステージ、４０…合わせマーク、４１…画像の中心位置、４２…テンプレート画像を作成するための画像又は被検出画像、４３…中心位置から上下左右対称に抽出した領域、４４…仮のテンプレート画像、４５…最もマッチした位置、４６…マーク中心位置、６０…テンプレート画像を作成するための画像又は被検出画像、６１…画像の中心位置、６２〜６４…仮のテンプレート画像、６５…重心位置、１００…マーク中心位置が含まれるピクセル、１０１…ピクセル位置、１０５…マーク中心位置、１０６…丸め誤差、１１０…実際の合わせマーク、１１１…設計値に基づいて作成された合わせマーク、１４０１…光源、１４０２…レチクル、１４０３…投影光学系、１４０４…基板、１４０５…移動ステージ、１４０６…合わせマーク、１４１１…基板アライメント顕微鏡、１４１２…ミラー、１４１３…リレーレンズ、１４１４…撮像装置、１４１５…合わせマーク検出器、１４１６…ステージ制御系、１４１７…ステージ駆動系、Ｔ１，Ｔ２…テンプレート画像、Ｍ１，Ｍ２…合わせマーク、Ｐ１…合わせマークの中心位置
Claims (2)
- テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、試料から合わせマークを含む被検出画像を取得するステップと、前記被検出画像のうち前記合わせマークを含む部分領域の画像を仮のテンプレート画像として前記被検出画像から前記合わせマークを検出する際に得られる評価値のうち、最も高い評価値が得られるピクセル位置及びその周囲のピクセル位置における評価値の傾向から、前記被検出画像における前記合わせマークの基準位置を推測するステップと、前記合わせマークの基準位置をピクセル以下の分解能で検出し、前記基準位置をピクセル単位で丸め、前記基準位置が含まれるピクセルを基準にテンプレート画像を抽出するとともに丸めにより切捨てた分を補正値として保持し、前記テンプレート画像及び前記補正値を用いて試料に形成された合わせマークの基準位置を検出するステップとを有することを特徴とする合わせマーク検出方法。
- テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせマークを検出する合わせマーク検出方法において、試料から合わせマークを含む被検出画像を取得するステップと、前記被検出画像のうち前記合わせマークを含む部分領域の画像を仮のテンプレート画像として前記被検出画像から前記合わせマークを検出する際に得られる評価値のうち、最も高い評価値が得られるピクセル位置及びその周囲のピクセル位置における評価値の傾向から、前記被検出画像における前記合わせマークの基準位置を推測するステップと、前記合わせマークの基準位置をピクセル以下の分解能で検出し、前記基準位置がテンプレート画像の基準位置となるように試料から合わせマークを含む被検出画像を再取得し、前記再取得した被検出画像からテンプレート画像を抽出するステップとを有することを特徴とする合わせマーク検出方法。
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