JP4300802B2

JP4300802B2 - マーク位置検出装置、マーク位置検出方法、重ね合わせ測定装置、および、重ね合わせ測定方法

Info

Publication number: JP4300802B2
Application number: JP2003000569A
Authority: JP
Inventors: 洋青木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-01-06
Also published as: JP2004212252A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の被検マークの位置を検出するマーク位置検出装置、マーク位置検出方法、重ね合わせ測定装置、および、重ね合わせ測定方法に関し、特に、半導体素子などの製造工程における高精度な位置検出に好適なマーク位置検出装置などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク(レチクル)に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより(加工工程)、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パターンが転写される（パターン形成工程）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成される。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち露光工程の前に、マスクと基板とのアライメントを行い、さらに、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている。
【０００５】
ちなみに、マスクと基板とのアライメント（露光工程の前）は、マスク上の回路パターンと、１つ前のパターン形成工程で基板上に形成された回路パターンとのアライメントであり、各々の回路パターンの基準位置を示すアライメントマークを用いて行われる。
また、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査（加工工程の前）は、１つ前のパターン形成工程で形成された回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査であり、下地パターンとレジストパターンの各々の基準位置を示す重ね合わせマークを用いて行われる（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
そして、これらのアライメントマークや重ね合わせマーク（総じて「被検マーク」という）の位置検出は、この被検マークを装置の視野領域内に位置決めし、ＣＣＤカメラなどを用いて被検マークの画像８０（図７(ａ)）を取り込み、画像８０中から被検マークのエッジ対に関わるエッジ信号８１,８２（図７(ｂ)）を抽出し、得られたエッジ信号８１,８２の中心座標Ｃ₈₀に基づいて行われる。なお、図７(ｂ)の横軸は画像８０のサンプル点の位置を表し、縦軸は輝度値を表す。
【０００７】
また、画像８０中からエッジ信号８１,８２を抽出するに当たっては、信号ノイズの低減を図るために、前処理として、いわゆるプロジェクション処理が行われる。
プロジェクション処理とは、画像８０中に現れたエッジ対の像を広く含むような測定枠８３,８４の中で画像信号を積算する処理である。積算方向は、中心座標Ｃ₈₀の検出方向に垂直な方向である。プロジェクション処理では、画像信号の積算数が多いほど信号ノイズの低減効果を上げることができる。
【０００８】
そして、画像８０の測定枠８３,８４の中でのプロジェクション処理後、得られた低ノイズな画像信号のうち輝度値の急変部分がエッジ信号８１,８２として抽出され、エッジ信号８１,８２の中心座標Ｃ₈₀に基づいて、被検マークの位置検出が行われる。低ノイズな画像信号から抽出されたエッジ信号８１,８２も低ノイズである。このため、被検マークの位置を再現性よく検出できる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２５８７９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したプロジェクション処理では、図７(ａ)に示すように、被検マークのエッジ対の像が直線形状であることを前提としている。このため、図８(ａ)の画像８５のように、エッジ対の像の形状が丸みを帯びている場合には、エッジ対の像を広く含むような測定枠８６,８７の中で画像信号を積算すると、次の問題が生じてしまう。
【００１１】
つまり、測定枠８６,８７内での積算後の画像信号も、そこから抽出されたエッジ信号８８,８９（図８(ｂ)）も、ブロードな信号波形となるため、エッジ信号８８,８９の中心座標Ｃ₈₅を再現性よく求めることができず、結果として、被検マークの位置も再現性よく検出できない。
【００１２】
なお、被検マークの位置検出の再現性が低下する問題は、上記したエッジ対の像の形状が丸みを帯びている場合(図８(ａ))に限らず、エッジ対の像の形状が直線形状から外れている場合には、同様に起こりうる。
本発明の目的は、被検マークのエッジ対の像の形状に拘わらず再現性よく被検マークの位置を検出できるマーク位置検出装置、マーク位置検出方法、重ね合わせ測定装置、および、重ね合わせ測定方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のマーク位置検出装置は、基板上で第１方向に対向配置されたエッジ対を含む被検マークの画像を取り込む画像取込手段と、前記画像中で前記第１方向に垂直な第２方向に沿って異なる複数の箇所から前記エッジ対に関わるエッジ信号を抽出する抽出手段と、前記複数の箇所で抽出された前記エッジ信号の各々における前記第１方向の中心座標を算出すると共に、それら中心座標の平均値から前記被検マークの前記第１方向の位置を算出する位置算出手段とを備え、前記位置算出手段は、前記平均値の算出に先立ち、前記エッジ信号の各々における前記中心座標のうち閾値から外れたものを異常値として除去するものである。
【００１４】
本発明のマーク位置検出方法は、基板上で第１方向に対向配置されたエッジ対を含む被検マークの画像を取り込む画像取込工程と、前記画像中で前記１方向に垂直な第２方向に沿って異なる複数の箇所から前記エッジ対に関わるエッジ信号を抽出する抽出工程と、前記複数の箇所で抽出された前記エッジ信号の各々における前記第１方向の中心座標を算出すると共に、それら中心座標の平均値から前記被検マークの前記第１方向の位置を算出する位置算出工程とを備え、前記位置算出工程では、前記平均値の算出に先立ち、前記エッジ信号の各々における前記中心座標のうち閾値から外れたものを異常値として除去するものである。
【００１５】
本発明の重ね合わせ測定装置は、本発明のマーク位置検出装置を用いて、基板の異なる層に形成された複数のパターンの各々の基準位置を示す被検マークの位置を各々検出する検出手段と、前記検出手段により検出された前記各々の位置の差に基づいて、前記複数のパターンどうしの重ね合わせずれ量を算出するずれ量算出手段とを備えたものである。
【００１６】
本発明の重ね合わせ測定方法は、本発明のマーク位置検出方法を用いて、基板の異なる層に形成された複数のパターンの各々の基準位置を示す被検マークの位置を各々検出する検出工程と、前記検出工程により検出された前記各々の位置の差に基づいて、前記複数のパターンどうしの重ね合わせずれ量を算出するずれ量算出工程とを備えたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
ここでは、本実施形態のマーク位置検出装置について、図１に示す重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。
【００１８】
重ね合わせ測定装置１０は、図１に示すように、ウエハ１１を支持する検査ステージ１２と、ウエハ１１側に向けて照明光Ｌ１を射出する照明光学系(１３〜１５)と、ウエハ１１の像を形成する結像光学系(１６,１７)と、撮像素子１８と、画像処理部１９とで構成されている。
この重ね合わせ測定装置１０について具体的に説明する前に、ウエハ１１（基板）の説明を行う。
【００１９】
ウエハ１１には、複数の回路パターン（何れも不図示）が異なる層に形成されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００２０】
そして、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態が重ね合わせ測定装置１０によって検査される。このため、ウエハ１１の表面には、重ね合わせ状態の測定に用いられる重ね合わせマーク３０（図２）が形成されている。図２は重ね合わせマーク３０の平面図である。
重ね合わせマーク３０は、大きさが異なる２つのマーク（つまり外側マーク３１と内側マーク３２）により構成されている。また、外側マーク３１,内側マーク３２はボックス状の凹凸構造である。
【００２１】
このため、外側マーク３１は、Ｘ方向に対向配置された１つのエッジ対（つまり左側のエッジＥ１_Lと右側のエッジＥ１_R）を含み、内側マーク３２も、Ｘ方向に対向配置された１つのエッジ対（つまり左側のエッジＥ２_Lと右側のエッジＥ２_R）を含む。外側マーク３１,内側マーク３２のＹ方向に関しても同様である。さらに、重ね合わせマーク３０は、そのサイズが非常に小さい。例えば、外側マーク３１のサイズＸ１が５μｍ程度、内側マーク３２のサイズＸ２が２μｍ程度である。つまり、重ね合わせマーク３０は、露光機の解像度の性能以下の微小マークである。このため、外側マーク３１のエッジ対(Ｅ１_L,Ｅ１_R)の形状も、内側マーク３２のエッジ対(Ｅ２_L,Ｅ２_R)の形状も、丸みを帯びている。
【００２２】
また、外側マーク３１,内側マーク３２は、一方が下地マーク、他方がレジストマークである。下地マーク,レジストマークは、各々、下地パターン,レジストパターンと同時に形成され、下地パターン,レジストパターンの基準位置を示す。外側マーク３１,内側マーク３２は、請求項の「被検マーク」に対応する。
図示省略したが、レジストマーク,レジストパターンと、下地マーク,下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜(不図示)が形成されている。この材料膜は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ検査後、レジストマーク,レジストパターンの下地マーク,下地パターンに対する重ね合わせ状態が正確な場合に、実際に加工される。
【００２３】
重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ検査は、詳細は後述するように、外側マーク３１の位置Ａと内側マーク３２の位置Ｂとの差（重ね合わせずれ量Ｒ）を測定し、得られた重ね合わせずれ量Ｒが許容範囲内に含まれるか否かの判断により行われる。
さて次に、重ね合わせ測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
【００２４】
検査ステージ１２は、図示省略したが、ウエハ１１を水平状態に保って支持するホルダと、このホルダを水平方向(ＸＹ方向)に駆動するＸＹ駆動部とで構成されている。検査ステージ１２のホルダの法線方向をＺ方向とする。
検査ステージ１２のホルダをＸＹ方向に移動させることにより、ウエハ１１のうち重ね合わせマーク３０(図２)が形成された観察領域を、結像光学系(１６,１７)の視野領域内に位置決めすることができる。
【００２５】
照明光学系(１３〜１５)は、光軸Ｏ１に沿って順に配置された光源１３と照明レンズ１４とプリズム１５とで構成されている。プリズム１５は、反射透過面１５ａが光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１６,１７)の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系(１３〜１５)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１６,１７)の光軸Ｏ２に垂直である。
【００２６】
結像光学系(１６,１７)は、光軸Ｏ２に沿って順に配置された対物レンズ１６と結像レンズ１７とで構成されている（光学顕微鏡部）。結像光学系(１６,１７)の光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。結像レンズ１７は、第２対物レンズとして機能する。なお、対物レンズ１６と結像レンズ１７との間には、照明光学系(１３〜１５)のプリズム１５が配置されている。
【００２７】
上記の照明光学系(１３〜１５)および結像光学系(１６,１７)において、光源１３から射出された光は、照明レンズ１４を介してプリズム１５に導かれ、その反射透過面１５ａで反射した後（照明光Ｌ１）、対物レンズ１６側に導かれる。そして、対物レンズ１６を通過した後（照明光Ｌ２）、検査ステージ１２上のウエハ１１に入射する。このとき、視野領域内に位置決めされた観察領域（重ね合わせマーク３０(図２)を含む）は、照明光Ｌ２により略垂直に照明される。
【００２８】
そして、照明光Ｌ２が照射されたウエハ１１の観察領域からは、そこでの凹凸構造（重ね合わせマーク３０）に応じて反射光Ｌ３が発生する。この反射光Ｌ３は、対物レンズ１６とプリズム１５とを介して結像レンズ１７に導かれ、対物レンズ１６と結像レンズ１７の作用によって撮像素子１８の撮像面上に結像される。その結果、撮像素子１８の撮像面上には、反射光Ｌ３に基づく観察領域の拡大像（反射像）が形成される。
【００２９】
撮像素子１８は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサ（例えばＣＣＤカメラ）であり、撮像面上の拡大像を撮像し、画像信号を画像処理部１９に出力する。画像信号は、複数のサンプル点からなり、撮像素子１８の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。
画像処理部１９は、撮像素子１８からの画像信号に基づいて、ウエハ１１の観察領域（重ね合わせマーク３０を含む）の拡大像を画像として取り込む。ここで、ウエハ１１の観察領域に含まれる重ね合わせマーク３０の画像（以下「マーク画像４０」という）には、図３に示すように、Ｘ方向に沿って４本のエッジ像Ｆ１_L,Ｆ２_L,Ｆ２_R,Ｆ１_Rが現れる。マーク画像４０中でのＸ方向は、ウエハ１１上でのＸ方向に対応する。
【００３０】
このうち、外側の２本のエッジ像Ｆ１_L,Ｆ１_Rは、図２に示す外側マーク３１のエッジ対(Ｅ１_L,Ｅ１_R)に対応し、内側の２本のエッジ像Ｆ２_L,Ｆ２_Rは、内側マーク３２のエッジ(Ｅ２_L,Ｅ２_R)に対応する。これらのエッジ像Ｆ１_L,Ｆ２_L,Ｆ２_R,Ｆ１_Rは、何れも、図２に示すエッジ対(Ｅ１_L,Ｅ１_R)(Ｅ２_L,Ｅ２_R)と同様、その形状が丸みを帯びている。
【００３１】
そして、画像処理部１９は、マーク画像４０のうち、外側マーク３１に関わるエッジ像Ｆ１_L,Ｆ１_Rに基づいて外側マーク３１のＸ方向の位置Ａを検出すると共に、内側マーク３２に関わるエッジ像Ｆ２_L,Ｆ２_Rに基づいて内側マーク３２のＸ方向の位置Ｂを検出し（後述する）、その後、外側マーク３１と内側マーク３２とのＸ方向の重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
【００３２】
なお、ウエハ１１の観察領域のマーク画像４０には、Ｙ方向（マーク画像４０中でのＸ方向に垂直な方向）に沿って、外側マーク３１,内側マーク３２のエッジ像が同様に現れる。そして、外側マーク３１,内側マーク３２のＹ方向の位置Ａ,Ｂおよび重ね合わせずれ量も、Ｘ方向と同じ手順で算出可能である。このため、以下では、「Ｘ方向」に関する説明のみを行い、「Ｙ方向」に関する説明を省略する。
【００３３】
ここで、上記の照明光学系(１３〜１５)と結像光学系(１６,１７)と撮像素子１８と画像処理部１９とは、総じて請求項の「画像取込手段」に対応する。画像処理部１９は、請求項の「抽出手段」,「位置算出手段」,「ずれ量算出手段」に対応する。マーク画像４０中でのＸ方向,Ｙ方向は、「第１方向」,「第２方向」に対応する。
【００３４】
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０において、外側マーク３１,内側マーク３２のＸ方向の位置Ａ,Ｂの検出と重ね合わせずれ量Ｒの算出は、図４のフローチャートの手順にしたがって行われる。
画像処理部１９は、ステップＳ１において、マーク画像４０(図３)を取り込み、ステップＳ２において、マーク画像４０中に現れたエッジ像Ｆ１_L,Ｆ１_Rを広く含むような測定枠４１_L,４１_R（図５(ａ)）を各々指定する。この測定枠４１_L,４１_Rは、外側マーク３１のＸ方向の位置Ａの検出に用いられる枠である。
【００３５】
また同じステップＳ２において、画像処理部１９は、同様に、マーク画像４０中に現れたエッジ像Ｆ２_L,Ｆ２_Rを広く含むような測定枠４２_L,４２_Rも各々指定する。この測定枠４２_L,４２_Rは、内側マーク３２のＸ方向の位置Ｂの検出に用いられる枠である。
そして、次のステップＳ３において、画像処理部１９は、測定枠４１_L,４１_Rの中の測定ラインＳ_A1〜Ｓ_ANごとに（例えば図５(ａ)ではＮ＝２０）、画像信号の輝度値の急変部分をエッジ信号４３_L,４３_R（図５(ｂ)）として抽出すると共に、測定枠４２_L,４２_Rの中の測定ラインＳ_B1〜Ｓ_BMごとに（例えば図５(ａ)ではＭ＝１１）、画像信号の輝度値の急変部分をエッジ信号４４_L,４４_Rとして抽出する。
【００３６】
図５(ｂ)の横軸はエッジ信号４３_L,４３_R,４４_L,４４_Rのサンプル点（画素）の位置を表し、縦軸は輝度値を表している。図５(ｂ)にて、エッジ信号４３_L,４３_R,４４_L,４４_Rの輝度値が極小となるボトム付近は、各々、図５(ａ)のエッジ像Ｆ１_L,Ｆ２_L,Ｆ２_R,Ｆ１_Rに対応する。
ここで、測定ラインＳ_A1〜Ｓ_AN,Ｓ_B1〜Ｓ_BMの各々は、マーク画像４０中でのＸ方向に沿った１ライン分に相当する。また、測定ラインＳ_A1〜Ｓ_ANどうしは、マーク画像４０中でのＹ方向に沿って異なるラインである。同様に、測定ラインＳ_B1〜Ｓ_BMどうしも、マーク画像４０中でのＹ方向に沿って異なるラインである。
【００３７】
すなわち、ステップＳ３では、測定枠４１_L,４１_Rの中でＹ方向に沿って異なるＮ個の箇所（測定ラインＳ_A1〜Ｓ_ANの各々）でエッジ信号４３_L,４３_Rが抽出され、測定枠４２_L,４２_Rの中でＹ方向に沿って異なるＭ個の箇所（測定ラインＳ_B1〜Ｓ_BMの各々）でエッジ信号４４_L,４４_Rが抽出されたことになる。
また、マーク画像４０中からエッジ信号４３_L,４３_R,…を抽出する際の前処理としてプロジェクション処理を実行しないため、ステップＳ３で抽出されたＮ個のエッジ信号４３_L,４３_RとＭ個のエッジ信号４４_L,４４_Rは、何れも、信号ノイズを多く含むことになるが、急峻な信号波形を保つことができる。
【００３８】
次いで、画像処理部１９は、ステップＳ４において、Ｎ個のエッジ信号４３_L,４３_Rの各々の中心座標Ａ₁〜Ａ_Nをサンプルとして算出すると共に、Ｍ個のエッジ信号４４_L,４４_Rの各々の中心座標Ｂ₁〜Ｂ_Mをサンプルとして算出する。中心座標Ａ₁〜Ａ_N,Ｂ₁〜Ｂ_Mの算出は、左右のエッジ信号(例えば４３_Lと４３_R)の各々のボトム位置に基づいて行ってもよいし、各々の信号波形(エッジプロファイル)から相関法を用いて行ってもよい。
【００３９】
ステップＳ４の処理の結果、測定枠４１_L,４１_Rの中でＹ方向に沿って異なるＮ個の箇所（測定ラインＳ_A1〜Ｓ_ANの各々）で中心座標Ａ₁〜Ａ_Nが算出され、測定枠４２_L,４２_Rの中でＹ方向に沿って異なるＭ個の箇所（測定ラインＳ_B1〜Ｓ_BMの各々）で中心座標Ｂ₁〜Ｂ_Mが算出されたことになる。
そして次に、画像処理部１９は、ステップＳ５において、中心座標Ａ₁〜Ａ_N,Ｂ₁〜Ｂ_Mの評価と選別を行う。つまり、中心座標Ａ₁〜Ａ_Nと予め定めた閾値Ａ_Sとを比較し、閾値Ａ_Sから外れたデータを異常値として自動的に除去する。また、中心座標Ｂ₁〜Ｂ_Mと予め定めた閾値Ｂ_Sとを比較し、閾値Ｂ_Sから外れたデータも異常値として自動的に除去する。
【００４０】
閾値Ａ_S,Ｂ_Sの具体例としては次の２通りが考えられる。
(１) ステップＳ４で算出された全ての中心座標Ａ₁〜Ａ_Nの平均値と標準偏差σを求め、平均値から３σ(統計的ばらつき)の２倍以上の上下限値を閾値Ａ_Sとする。閾値Ｂ_Sも同様とする。この場合、特定の中心座標が他の中心座標から著しく逸脱していると、その特定の中心座標が異常値として自動的に除去される。
【００４１】
(２) ステップＳ４で算出された全ての中心座標Ａ₁〜Ａ_Nの平均値を求め、平均値から所定範囲Δ(例えば±５０ｎｍ)の上下限値を閾値Ａ_Sとする。閾値Ｂ_Sも同様とする。なお、所定範囲Δは、重ね合わせマーク３０のサイズごとに、想定される重ね合わせずれ量Ｒを考慮して、設定することが好ましい。
このようにして中心座標Ａ₁〜Ａ_N,Ｂ₁〜Ｂ_Mの評価と選別が終了すると、画像処理部１９は、次のステップＳ６において、閾値Ａ_S内の有効な中心座標(Ａ₁〜Ａ_N)に基づいて平均値Ａ_Hを求め、この平均値Ａ_Hに基づいて、外側マーク３１のＸ方向の位置Ａを検出する。さらに、閾値Ｂ_S内の有効な中心座標(Ｂ₁〜Ｂ_M)に基づいて平均値Ｂ_Hを求め、この平均値Ｂ_Hに基づいて、内側マーク３２のＸ方向の位置Ｂを検出する。
【００４２】
本実施形態では、急峻な信号波形のＮ個のエッジ信号４３_L,４３_R（図５(ｂ)）から各々の中心座標Ａ₁〜Ａ_Nを算出し、閾値Ａ_S内の有効な中心座標(Ａ₁〜Ａ_N)の平均値Ａ_Hに基づいて外側マーク３１のＸ方向の位置Ａを検出するため、信号ノイズの影響を低減でき、マーク画像４０中に現れたエッジ像Ｆ１_L,Ｆ１_Rの形状が丸みを帯びていても、外側マーク３１の位置Ａを再現性よく検出できる。
【００４３】
同様に、急峻な信号波形のＭ個のエッジ信号４４_L,４４_R（図５(ｂ)）から各々の中心座標Ｂ₁〜Ｂ_Nを算出し、閾値Ｂ_S内の有効な中心座標(Ｂ₁〜Ｂ_N)の平均値Ｂ_Hに基づいて内側マーク３２のＸ方向の位置Ｂを検出するため、信号ノイズの影響を低減でき、マーク画像４０中に現れたエッジ像Ｆ２_L,Ｆ２_Rの形状が丸みを帯びていても、内側マーク３２の位置Ｂを再現性よく検出できる。
【００４４】
最後に（ステップＳ７）、画像処理部１９は、ステップＳ６で検出した外側マーク３１の位置Ａと内側マーク３２の位置Ｂとの差に基づいて、Ｘ方向の重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
本実施形態では、上記のように再現性よく位置Ａ,Ｂを検出できるため、ステップＳ７における重ね合わせずれ量Ｒの算出も再現性よく行うことができる。その結果、ウエハ１１の重ね合わせ検査（下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態の検査）における信頼性が向上する。
【００４５】
なお、上記した実施形態では、露光機の解像度の性能以下である微小な重ね合わせマーク３０（エッジ対の形状が丸みを帯びたマーク）を位置検出や重ね合わせ測定の対象としたが、本発明は、エッジ対の形状を故意に丸くしたマークや、露光機の解像度の性能より大きなマーク（エッジ対が直線形状のマーク）を対象とする場合にも適用できる。
【００４６】
マークのエッジ対が直線形状の場合でも、そのサイズが重ね合わせ測定装置１０の光学顕微鏡部(１６,１７)の分解能以下であると、画像処理部１９に取り込まれたマーク画像の中では、エッジ対の像の形状が丸みを帯びてしまう（図３のエッジ像Ｆ１_L,Ｆ１_R,…と同様）ためである。この場合にも、図４の手順を実行することで、マークの位置を再現性よく検出することができる。また、重ね合わせずれ量の算出も再現性よく行うことができる。
【００４７】
また、エッジ対の像の形状が丸みを帯びている場合（図３のエッジ像Ｆ１_L,Ｆ１_R,…参照）に限らず、エッジ対の像の形状が直線形状から外れている場合には、本発明を適用することにより、マークの位置検出の再現性を向上させることも、重ね合わせずれ量の算出の再現性を向上させることもできる。
ここで、図６(ａ)に示すマーク画像５０のように、外側マークに関わるエッジ像Ｆ１_L,Ｆ１_Rと内側マークに関わるエッジ像Ｆ２_L,Ｆ２_Rが本来は直線形状であるにも拘わらず、エッジ対に付着したゴミの像５１の影響でエッジ像Ｆ１_Lの形状が直線形状から外れてしまった場合を例に、外側マークの位置検出について説明する。
【００４８】
この場合にも、図４のステップＳ１〜Ｓ３の手順を実行することで、測定枠４１_L,４１_Rの中でＹ方向に沿って異なるＮ個の箇所（測定ラインＳ_A1〜Ｓ_ANの各々）でエッジ信号４３_L,４３_R（図６(ｂ)）を抽出することができる。Ｎ個のエッジ信号４３_Lのうち、ゴミの像５１が重なった部分に対応するエッジ信号５２は、信号波形が歪んでいる。
【００４９】
このため、次のステップＳ４において、Ｎ個のエッジ信号４３_L（エッジ信号５２を含む）の各々の中心座標Ａ₁〜Ａ_Nをサンプルとして算出すると、信号波形の歪んだエッジ信号５２の中心座標Ａ_Eのみが他の中心座標から著しく逸脱することになる。しかし、このような特異点（中心座標Ａ_E）は、ステップＳ５で異常値として自動的に除去することができる。
【００５０】
したがって、エッジ対に付着したゴミの像５１の影響でエッジ像Ｆ１_Lの形状が直線形状から外れてしまった場合でも、ゴミの影響を受けることなく、外側マークの位置を再現性よく検出することができる。また、重ね合わせずれ量の算出も再現性よく行うことができる。
（変形例）
上記した実施形態では、マーク画像中での１ライン分に相当する測定ラインＳ_A1〜Ｓ_AN,Ｓ_B1〜Ｓ_BM（図５(ａ),図６(ａ)）ごとにエッジ信号４３_L,４３_R,４４_L,４４_R（図５(ｂ),図６(ｂ)）を抽出する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。
【００５１】
例えば、マーク画像中での複数ライン分に相当する測定ラインごとにエッジ信号を抽出しても構わない。この場合、複数ライン分の画像信号を加算または平均化することで、１つの測定ラインの画像信号を生成し、得られた画像信号の輝度値の急変部分をエッジ信号として抽出する。エッジ信号の抽出を複数の測定ラインの各々で行い、抽出された複数のエッジ信号の中心座標を利用することで、位置検出の再現性を向上させることができる。
【００５２】
エッジ信号の抽出に用いられる複数の測定ラインの位置は、上記した実施形態のように連続しても構わないし、離れていても構わない（各々の測定ラインは、マーク画像中での１つ以上のライン分に相当）。
また、上記した実施形態では、図４のステップＳ５で中心座標(サンプル)の評価と選別を行ったが、この処理を省略しても構わない。エッジ対の像の形状が左右対称（図５(ａ)参照）の場合には、各々の測定ラインで抽出したエッジ信号の中心座標(サンプル)がその平均値の近傍に分布するので、ステップＳ５の処理を省略しても、再現性よく位置検出を行うことができる。
【００５３】
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせマーク３０を構成する外側マーク３１,内側マーク３２がボックス状の凹凸構造である例（エッジ対が１つ）を説明したが、例えばフレーム状の凹凸構造のようにエッジ対が２つ存在する場合にも、本発明は適用できる。
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０内の画像処理部１９によって、エッジ信号の抽出処理や位置Ａ,Ｂの検出処理などを行ったが、重ね合わせ測定装置１０に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００５４】
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、マスクに形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程の前に、マスクとウエハ１１とのアライメントを行う装置（露光装置のアライメント系）にも適用できる。この場合には、ウエハ１１上に形成されたアライメントマークの位置を再現性よく検出することができる。また、単一の被検マークとカメラの基準位置との光学的位置ずれを検出する装置にも本発明は適用できる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被検マークのエッジ対の像の形状に拘わらず再現性よく被検マークの位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】ウエハ１１に形成された重ね合わせマーク３０の平面図である。
【図３】重ね合わせマーク３０の画像を説明する図である。
【図４】重ね合わせ測定装置１０における位置検出および重ね合わせ測定の手順を示すフローチャートである。
【図５】重ね合わせマーク３０の画像(ａ)とエッジ信号(ｂ)を説明する図である。
【図６】ゴミの像が重なっているマーク画像の例(ａ)とエッジ信号(ｂ)を説明する図である。
【図７】エッジ対の像が直線形状である場合の画像例を示す図である。
【図８】エッジ対の像が丸みを帯びている場合の画像例を示す図である。
【符号の説明】
１０重ね合わせ測定装置
１１ウエハ
１２検査ステージ
１３光源
１４照明レンズ
１５プリズム
１６対物レンズ
１７結像レンズ
１８撮像素子
１９画像処理部
３０重ね合わせマーク
４０，５０マーク画像
４１，４２測定枠
４３，４４，５２エッジ信号
５１ゴミの像

Claims

基板上で第１方向に対向配置されたエッジ対を含む被検マークの画像を取り込む画像取込手段と、
前記画像中で前記第１方向に垂直な第２方向に沿って異なる複数の箇所から前記エッジ対に関わるエッジ信号を抽出する抽出手段と、
前記複数の箇所で抽出された前記エッジ信号の各々における前記第１方向の中心座標を算出すると共に、それら中心座標の平均値から前記被検マークの前記第１方向の位置を算出する位置算出手段とを備え、
前記位置算出手段は、
前記平均値の算出に先立ち、前記エッジ信号の各々における前記中心座標のうち閾値から外れたものを異常値として除去する
ことを特徴とするマーク位置検出装置。
基板上で第１方向に対向配置されたエッジ対を含む被検マークの画像を取り込む画像取込工程と、
前記画像中で前記１方向に垂直な第２方向に沿って異なる複数の箇所から前記エッジ対に関わるエッジ信号を抽出する抽出工程と、
前記複数の箇所で抽出された前記エッジ信号の各々における前記第１方向の中心座標を算出すると共に、それら中心座標の平均値から前記被検マークの前記第１方向の位置を算出する位置算出工程とを備え、
前記位置算出工程では、
前記平均値の算出に先立ち、前記エッジ信号の各々における前記中心座標のうち閾値から外れたものを異常値として除去する
ことを特徴とするマーク位置検出方法。
請求項１に記載のマーク位置検出装置を用いて、基板の異なる層に形成された複数のパターンの各々の基準位置を示す被検マークの位置を各々検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記各々の位置の差に基づいて、前記複数のパターンどうしの重ね合わせずれ量を算出するずれ量算出手段とを備えた
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
請求項２に記載のマーク位置検出方法を用いて、基板の異なる層に形成された複数のパターンの各々の基準位置を示す被検マークの位置を各々検出する検出工程と、
前記検出工程により検出された前記各々の位置の差に基づいて、前記複数のパターンどうしの重ね合わせずれ量を算出するずれ量算出工程とを備えた
ことを特徴とする重ね合わせ測定方法。