JP4484041B2 - エッジ位置検出装置 - Google Patents

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Description

この発明は基板上のマークのエッジ位置を検出するエッジ位置検出装置に関する。
基板上に様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせて半導体素子等が製造される。回路パターンを精度よく重ね合わせるため、製造途中で重ね合わせマークを用いて重ね合わせ状態の検査が行われる。
この重ね合わせマークの位置検出はマークを装置の視野領域内に位置決めし、ＣＣＤカメラを用いてマークを撮像し、得られた画像信号のうち輝度値の急変するエッジ信号に基づいて行われる。
特開２００４−７９９７０号公報
エッジ信号は複数のサンプル点で構成される画像信号を取得することによって得られた画像濃度プロファイル波形から選別される。
マークの線幅を測定するためには波形の中心を対称軸として対称位置にあるエッジ信号を正確に選別して、エッジ間の距離を測定する必要がある。マークのエッジは画像濃度プロファイル波形のボトム、ピーク又は予め指定された閾値で決定される画素（画像信号）の位置に対応する。
図４はノイズ、外乱の影響が現れていない画像濃度プロファイル波形の一例を示す図である。
図４において、縦軸及び横軸はそれぞれ輝度及び距離を示す。
図４に示すように波形の中心Ｃを対称軸として対称位置にある２つのボトム１１，１２（エッジ信号として特定された画素位置）が存在する。
ボトム１１，１２間の距離１３を測定したり、予め指定された閾値で決定される画素１４ａ，１４ｂ間の距離１４を測定したりすることで、マークの線幅を測定することができる。
しかし、ノイズ、外乱の影響が大きい場合には以下のような問題がある。
図５はノイズ、外乱の影響が現れた画像濃度プロファイル波形の一例を示す図である。
図５において、縦軸及び横軸はそれぞれ輝度及び距離を示す。
図５の画像濃度プロファイル波形にはノイズ、外乱によって対称位置以外にボトム２３が発生している。
この波形には３つのボトム２１，２２，２３が存在するため、ボトム間の距離としてボトム２１とボトム２３との間の距離２４、ボトム２３とボトム２２との間の距離２５が測定される。そのため、マークの線幅を正確に測定することができないという問題が起きる。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題はマークの線幅を正確に測定することができるエッジ位置検出装置を提供することである。
前述の課題を解決するため請求項１記載の発明は、基板上に形成された少なくとも１対以上のエッジを有するマークの光学像を撮像し、複数のサンプル点で構成される画像信号を取得する撮像手段と、前記画像信号に基く画像濃度プロファイル波形を取得し、前記波形の仮の中心位置を基準として左右方向に相関関数処理を実行し、その相関関数の最大相関値を示す位置を中心位置として検出する検出手段と、前記画像信号のうち輝度値の急変部分をエッジ信号として抽出する抽出手段と、前記波形の中心位置を対称軸として、前記エッジ信号と対称な位置にエッジ信号があるか否かを検出し、前記エッジ信号と対称な位置にエッジ信号がない場合には前記エッジ信号を非エッジ信号として抽出する非エッジ検出手段と、前記エッジ信号の中から前記非エッジ信号を除去し、この除去後のエッジ信号に基づいて前記エッジの位置を検出するエッジ位置検出手段とを備えていることを特徴とする検出装置。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のエッジ位置検出装置において、前記エッジ信号の中から前記非エッジ信号を除去した後のエッジ信号に基づいて閾値を決め、この閾値が前記エッジ信号の中から抽出された前記非エッジ信号に基づいて決められた閾値より大きいとき、エラー情報を生成するエラー情報生成手段を備えていることを特徴とする。
この発明のエッジ位置検出装置によれば、マークの線幅を正確に測定することができる。
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１はこの発明の第１実施形態に係るエッジ位置検出装置を示す概念図である。
このエッジ位置検出装置は、ウエハ（基板）４２を載置するＸＹステージ４１と、ウエハ４２の像を形成する結像光学系ＩＯと、ＣＣＤカメラ（撮像手段）４５と、画像処理装置４６とを備えている。
ウエハ４２の表面には、重ね合わせ状態の検査に用いられる少なくとも一対以上のエッジを有する重ね合わせマーク（図示せず）が形成されている。
ＸＹステージ４１はウエハ４２を水平状態に維持するとともに、水平面内で任意の位置に移動可能である。ＸＹステージ４１を移動させることにより、ウエハ４２の重ね合わせマークを含む観察領域が結像光学系ＩＯの視野内に位置決めされる。
結像光学系ＩＯは対物レンズ４３とオプティカルヘッド４４とで構成されている。オプティカルヘッド４４は結像レンズ（図示せず）やウエハ４２を照明するための光源（図示せず）等を有する。
ウエハ４２の観察領域（重ね合わせマークを含む領域）には照明光が照射され、その反射光は対物レンズ４３、オプティカルヘッド４４を介してＣＣＤカメラ４５の撮像素子（図示せず）の撮像面上に結像される。このとき、撮像素子の撮像面には反射光に基づく反射像（光学像）が形成される。
撮像素子は複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、撮像面上の反射像を撮像し、画像信号を画像処理装置４６へ出力する。画像信号は複数のサンプル点からなる。画像信号は撮像素子の撮像面における各画素毎の輝度値に関する分布（輝度分布）を表している（画像濃度プロファイル波形）。
画像処理装置４６は撮像素子からの画像信号に基いて、ウエハ４２の観察領域の反射像を画像データとして取得する。画像処理装置４６は画像データに基づいて画像処理を行なう。画像処理装置４６は請求項１の検出手段、抽出手段、非エッジ検出手段及びエッジ位置検出手段に対応する。なお、画像処理装置４６はメモリ４６ａを備えている。また、検出手段、抽出手段、非エッジ検出手段及びエッジ位置検出手段は個別部品で構成したり、それらの機能を例えば４ビットの１チップマイクロコンピュータを用いたストアードプログラム制御したりすることで実現すればよい。
次に、このエッジ位置検出装置によるマークの線幅の測定手順を図２、図３を用いて説明する。
図２はマークの線幅の測定手順を説明するフローチャート、図３は画像濃度プロファイル波形の一例を示す図である。図２において、Ｓ１〜Ｓ８は処理の各ステップを示す。また、図３において、縦軸及び横軸はそれぞれ輝度及び距離を示す。
ラインプロファイルの取得
ＣＣＤカメラ４５で取得された画像信号から画像濃度プロファイル波形（図３参照）を取得する（Ｓ１）。
スムージング処理
得られた前記波形から撮像素子の感度のバラツキ等に起因するノイズ信号を除去する(Ｓ２)。
仮の中心位置設定
前記波形の基準位置（中心位置）３７の検出に先立ち、仮の中心位置３４を設定する（Ｓ３）。仮の中心位置３４は通常画像の中心座標である。
対称性演算
仮の中心位置３４を基準にして左右方向に相互関数処理を行ない、仮の中心位置３４を基準にして位置３５と位置３６との間で左右の関係を示す相関関数Ｇ（Ｉ）を求める。インデックスＩは画素位置に対応する（Ｓ４）。
中心位置の決定
相関関数Ｇ（Ｉ）の演算を行い、最大相関値Ｇ（Ｉ）maxを示すＩの位置（相関値が最も高くなる位置）を中心位置とする（Ｓ５）。
ボトムの検出
画像濃度プロファイル波形からボトム検出アルゴルズム（例えば微分法）によって輝度値の急変部分（ボトム）をエッジ信号として抽出し、その画素位置を特定する。ボトムの画素位置の輝度値を低い順に並べたボトム位置リストを作成し（Ｓ６）、これを例えばメモリ４６ａに記憶させる。
非対称ボトムの排除
画像濃度プロファイル波形の基準位置３７を対称軸として、ボトム３３と対称な位置にボトムがあるか否かを確認し、ボトム３３と対称な位置にボトムがない場合にはボトム３３を非対称ボトム（エッジに対応しないエッジ信号（非エッジ信号））として抽出する（Ｓ７）。
例えば、基準位置３７を対称軸としてボトム３３と位置３８とが対称であるとき、位置３８を中心として所定の距離範囲３９及び所定の輝度範囲３１０の輝度を測定することによって、ボトム３３と対称な位置３８の近傍にボトムがあるか否かを検索する。ボトム３３と対称な位置の近傍にボトムがあれば測定対象とし、なければボトム３３をノイズ、外乱としてボトム位置リストから削除する。
非対称ボトムとして抽出されたボトム３３を画像濃度プロファイル波形から除去する。
測定
外乱ノイズ成分が除去された後のエッジ信号に基づいてボトム３１，３２の位置を検出し、マークの線幅（ボトム３１とボトム３２との距離）を測定する（Ｓ８）。
なお、ステップ７において、非対称ボトムとして抽出されたボトム３３を画像濃度プロファイル波形から除去する代わりに、対称性の低いボトムとして処理されるような重み付けをするようにしてもよい。
また、画像処理装置４６は請求項３のエラー情報生成手段に対応する。対称の関係にあるボトム３１、３２に基づいて閾値を決め、この閾値がボトム３３に基づいて決められた閾値より大きいとき、測定に適さないと判断してエラー情報を生成し、線幅の測定を行わないようにしてもよい。
この実施形態によれば、対称位置にあるエッジ信号を正確に選別してマークの線幅を正確に測定することができる。
また、測定対象の画像濃度プロファイル波形が測定に適さない（エラー）ときには以後の測定を行わないので、生産性が向上する。
図１はこの発明の第１実施形態に係るエッジ位置検出装置を示す概念図である。 図２はマークの線幅の測定手順を説明するフローチャートである。 図３は画像濃度プロファイル波形の一例を示す図である。 図４はノイズ、外乱の影響が現れていない画像濃度プロファイル波形の一例を示す図である。 図５はノイズ、外乱の影響が現れた画像濃度プロファイル波形の一例を示す図である。
符号の説明
３７ 基準位置（中心位置）
４２ ウエハ（基板）
４５ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
４６ 画像処理装置（検出手段、抽出手段、非エッジ検出手段、エッジ位置検出手段、エラー情報生成手段）

Claims (2)

  1. 基板上に形成された少なくとも１対以上のエッジを有するマークの光学像を撮像し、複数のサンプル点で構成される画像信号を取得する撮像手段と、
    前記画像信号に基く画像濃度プロファイル波形を取得し、前記波形の仮の中心位置を基準として左右方向に相関関数処理を実行し、その相関関数の最大相関値を示す位置を中心位置として検出する検出手段と、
    前記画像信号のうち輝度値の急変部分をエッジ信号として抽出する抽出手段と、
    前記波形の中心位置を対称軸として、前記エッジ信号と対称な位置にエッジ信号があるか否かを検出し、前記エッジ信号と対称な位置にエッジ信号がない場合には前記エッジ信号を非エッジ信号として抽出する非エッジ検出手段と、
    前記エッジ信号の中から前記非エッジ信号を除去し、この除去後のエッジ信号に基づいて前記エッジの位置を検出するエッジ位置検出手段と
    を備えていることを特徴とするエッジ位置検出装置。
  2. 前記エッジ信号の中から前記非エッジ信号を除去した後のエッジ信号に基づいて閾値を決め、この閾値が前記エッジ信号の中から抽出された前記非エッジ信号に基づいて決められた閾値より大きいとき、エラー情報を生成するエラー情報生成手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のエッジ位置検出装置。
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