JP4538782B2

JP4538782B2 - 撮像装置

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Publication number: JP4538782B2
Application number: JP2004004297A
Authority: JP
Inventors: 洋文有馬
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: JP2005197591A

Description

本発明は、画像計測等に用いられる撮像装置に関する。

半導体デバイスは一般的に、複数のリソグラフィ工程を経て複数の配線層が多層に積み重ねられた構成となっている。この配線層の積み重ねは、ウエハ上に形成されたパターンの上に更にパターンを重ね合わせて転写することにより行われるが、その際には、ウエハ上に形成されたパターンとの位置合わせ（アライメント）が行われる。この位置合わせは、重ね合わせ測定装置を用いることにより投影露光工程において形成されたレジストパターンと下地パターンとの重ね合わせズレ量を測定して行う。重ね合わせ測定装置は、重ね合わせ（位置合わせ）用マークに対して照明光を照射し、このマークからの反射光を結像光学系を介してＣＣＤ等の撮像素子の撮像面に結像し、マーク像をカメラ等で数回撮像してその画像を積算し、積算された計測用画像に基づいてマークの位置を画像計測している。このため、下層側および上層側に形成されたマークの凹凸形状は明瞭でなければならず、撮像画像全体が高いコントラストで撮像されている必要がある。なお、照明光にはウエハの種類に関係なく、白色光（５００ｎｍ〜８００ｎｍ）が用いられることが多い（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３４９０１４号公報

撮像装置、特に上述のような重ね合わせ測定装置において、照明光に白色光のようなブロードな（広い）波長を持った光を用いると、結像画像が波長毎にＣＣＤの撮像面の異なった位置に結像して、全体としてエッジのシャープさを損なう場合がある。そのため、ウエハの種類によっては、照明光若しくは結像光の波長を絞ったナローな（狭い）波長を持った光を用いた方が良い画像を得られる場合も多い。しかしながら、波長を絞るためのフィルタの使用は、その出し入れを手動で行う必要があることや、このフィルタの出し入れを自動化したとしても時間が掛かる作業であるという課題があった。特に、半導体量産工場では、重ね合わせ測定装置におけるこのようなフィルタの交換によるスループットの劣化は適用の妨げとなっている。また、たとえ各ウエハ毎に最適なフィルタを選別できても、フィルタを切り替えながらの測定には時間がかかり、ウエハを単位時間当たりに処理できる装置のスループットの大幅な劣化は必至であり、実運用されずらいという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、スループットを劣化させずにコントラストの高い画像を得ることができる撮像装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る撮像装置（例えば、実施形態における重ね合
わせ測定装置１）は、光源と、画像情報を取得するカメラ（例えば、実施形態における高
倍用ＣＣＤカメラ１６）と、光源から出射した照明光が物体（例えば、実施形態における
ウエハ８）に照射されてこの物体で反射した反射光をカメラの撮像面に集光結像する結像
光学系（例えば、実施形態における高倍用結像光学系１７）と、カメラから出力される信
号を処理して物体の画像を得る画像処理部とを備えて構成される。また、本撮像装置は、
照明光若しくは反射光の光路上に設けられ、互いに異なる波長帯域の光を透過させるため
時分割的に自動切替可能に設けられる少なくとも２つのフィルタ部（例えば、実施形態に
おける赤色フィルタ部ＦＲ、緑色フィルタ部ＦＧ、青色フィルタ部ＦＢ）と、カメラによ
る画像情報の取得を制御するカメラコントロール部とを備え、カメラコントロール部は、
カメラにより取得された画像を、上記フィルタ部の自動切替における時分割部分ごとに記
憶させる制御を行い、画像処理部は、時分割部分ごとに記憶された画像からコントラスト
の最も高い画像を選択して、コントラストの最も高いが画像が得られるフィルタ部がいず
れのフィルタ部であるかを上記時分割部分に対応づけることにより特定し、コントラスト
の最も高い画像を出力するように構成される。

なお、物体の画像を低倍率と高倍率の２つの倍率を切り替えて撮像するように構成され、画像を低倍率で撮像するときに、並行して画像処理部がコントラストの高い画像が得られる波長帯域を選択し、画像を高倍率で撮像するときに、選択された波長帯域の画像を出力するように構成されることが好ましい。

本発明に係る撮像装置を以上のように構成すると、スループットを劣化させずにコントラストの高い画像を得ることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。なお、以降の実施例においては、撮像装置として、半導体ウエハ上の重ね合わせ用マークを画像計測する重ね合わせ測定装置に基づいて説明を行う。

まず、第１の実施例として機械式で切り替わるフィルタによりウエハ８に照射される照明光の波長帯域を時分割的に切り替えて、その波長帯域毎に画像を撮像するように構成された重ね合わせ測定装置１について図１を用いて説明を行う。重ね合わせ測定装置１は、光源２から放射された照明光を集光してウエハ７上に形成された重ね合わせマークに照射する照明光学系と、照明光が重ね合わせマークで反射した反射光を低倍用ＣＣＤカメラ１２および高倍用ＣＣＤカメラ１６に結像させる結像光学系と、高倍用ＣＣＤカメラ１６で取得した画像情報を処理して、最適な画像を選択する処理部から構成される。

この重ね合わせ測定装置１において、光源２から出射した照明光は回転式波長選択フィルタ３に照射される。ここで、回転式波長選択フィルタ３は、図２に示すように無色透明の円板３ａ上に、その中心部から円周部に向かって扇状に４分割されたそれぞれの領域のうちの３つに赤色の透過波長が得られる物質が蒸着された赤色フィルタ部ＦＲ、緑色の透過波長が得られる物質が蒸着された緑色フィルタ部ＦＧおよび青色の透過波長が得られる物質が蒸着された青色フィルタ部ＦＢが形成されている。また、残りの何も蒸着されない領域は照明光がそのまま透過するノンフィルタ部ＦＷとなる。この回転式波長選択フィルタ３は、円板３ａの中心を軸として、図示しないブラシレスモータ若しくは高速回転可能なステップモータなどのアクチュエータで回転される。そして、上述のように照明２と投影レンズ５の間で照明２から出射した光線を円板３ａが遮るように光軸に直交するように配設される。そのため、照明２を白色光光源として円板３ａをアクチュエータで回転させると、照明２から出射される照明光の光軸を遮るフィルタ部ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ，ＦＷに応じた波長帯域の照明光に変換される。

なお、それぞれのフィルタ部ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ，ＦＷの境界部の円周部分には光を透過しない不透過蒸着短マーク２１，２１と不透過蒸着長マーク２２，２２が形成されている。また、このマーク２１，２１，２２，２２の位置に対応して円板３ａを挟むようにしてフォトインタラプタ等で構成されたフィルタ位置検出器４が配設されている。例えば、図２（ａ）に示すようにマーク２１，２１，２２，２２が蒸着されている場合に回転式波長選択フィルタ３（円板３ａ）を所定の回転方向に一定速度で回転させると、常に、図２（ｂ）に示すように短いパルスｔ１と長いパルスｔ２で組み合わされたパルス列がフィルタ位置検出器４から出力される。そのため、イニシャライズ時に一度円板３ａを定速度で回転させることにより、パルス列のパルスｔ１，ｔ２と、そのパルスｔ１，ｔ２の検出後に光軸を遮るフィルタ部ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ，ＦＷの対応を特定することができ、フィルタ部ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ，ＦＷの位置をステートマシンとして認識することができる。よって、回転方向を常に同じ方向にすることにより、フィルタ位置検出器４で検出されたパルスｔ１，ｔ２からフィルタ部ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ，ＦＷの入れ替わりタイミングと種類を高速に識別することができる。

この回転式波長選択フィルタ３を透過した光線（照明光）は投影レンズ５で平行光に変換され第１ハーフミラー６に入射する。第１ハーフミラー６は約半分の光を透過し、残りの光を反射するように構成されており、第１ハーフミラー６で反射した照明光を下方に向けて出射する。そして、この第１ハーフミラー６で反射された照明光は、第１対物レンズ７で集光されてウエハ８上に形成された重ね合わせ用マークに照射される。

ウエハ８で反射した重ね合わせマークの情報を含んだ反射光は、再び第１対物レンズ７を透過して平行光に変換された後、更に第１ハーフミラー６を透過して、第２ハーフミラー９に照射される。第２ハーフミラー９も第１ハーフミラー６と同様に、約半分の光を透過し、残りの光を反射するように構成されており、第２ハーフミラー９で反射された反射光は、低倍用第２対物レンズ１０および低倍用結像レンズ１１からなる低倍用結像光学系１３で低倍用ＣＣＤカメラ１２の撮像素子に結像されて画像情報が取得される。

一方、第２ハーフミラー９を透過した反射光は、高倍用第２対物レンズ１４および高倍用結像レンズ１５からなる高倍用結像光学系１７で高倍用ＣＣＤカメラ１６の撮像素子に結像されて画像情報が取得される。

このように構成された重ね合わせ測定装置１を用いてウエハ８上に形成された重ね合わせ用マークを撮像して画像計測を行う場合、まず、低倍用ＣＣＤカメラ１２でウエハ８上に形成されたグローバルマークを低倍率で撮像してウエハ８上の重ね合わせマークを撮像する位置決めをし、その後、高倍用ＣＣＤカメラ１６を用いて重ね合わせ用マークを高倍率で撮像して画像計測が行われる。それでは、回転式波長選択フィルタ３を回転させることでウエハ８の重ね合わせ用マークに照射される照明光の波長帯域を時分割的に切り替えてそれぞれの波長帯域に対応した画像を撮像する場合の構成について説明する。

回転式波長選択フィルタ３が回転すると、その回転に合わせて照明光およびその照明光が重ね合わせ用マークで反射した反射光の波長帯域が時分割的に切り替わり低倍用および高倍用ＣＣＤカメラ１２，１６に集光照射される。上述のように回転式波長選択フィルタ３の回転に合わせてフィルタ位置検出器４からはパルス列（以下「パルス信号４ｓ」と呼ぶ）が出力されており、パルス信号４ｓはカメラコントロール部１８に出力される。このカメラコントロール部１８は、パルス信号４ｓから低倍用および高倍用ＣＣＤカメラ１２，１６に対する画像の取得タイミングの指示と、取得された画像データがどのフィルタ部ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ，ＦＷに対応するのかを判別して画像情報を記憶させる制御を行うものである。

まず、カメラコントロール部１８から低倍用ＣＣＤカメラ１２に対する制御を説明すると、この低倍用ＣＣＤカメラ１２は、上述のようにウエハ８上における重ね合わせ用マークの画像計測を行うための位置決めを行うものであるため、通常用いられている白色光の照明光による画像で十分である。よって、カメラコントロール部１８は、パルス信号４ｓから照明光が白色光であるノンフィルタ部ＦＷを検出すると所定の時間をおいて低倍用シャッター信号１８ａを低倍用ＣＣＤカメラ１２に出力する。低倍用ＣＣＤカメラ１２はこの低倍用シャッター信号１８ａによりこの低倍用ＣＣＤカメラ１２が有する撮像素子より画像情報を取得し、図示しない表示装置等にウエハ８の画像を表示させる。なお、回転式波長選択フィルタ３は回転しているため、ノンフィルタ部ＦＷが照明光の光軸に交差するたびに低倍用ＣＣＤカメラ１２における画像取得が可能であるが、１回の取得画像を表示装置に表示するように構成しても良いし、数回画像情報を取得してそれらの画像情報を積算して表示装置に表示することによりランダムノイズを除去するように構成しても良い。あるいは、連続して表示装置に出力して動画として表示することも可能である。

次に、カメラコントロール部１８から高倍用ＣＣＤカメラ１６に対する制御を説明すると、回転式波長選択フィルタ３で選択されるそれぞれの波長帯域に応じた画像を取得する必要があるため、カメラコントロール部１８はパルス信号４ｓのそれぞれのパルスｔ１，ｔ２を検出するごとに所定の時間をおいて高倍用シャッター信号１８ｂを高倍用ＣＣＤカメラ１６に出力する。高倍用ＣＣＤカメラ１６はこの高倍用シャッター信号１８ｂによりこの高倍用ＣＣＤカメラ１６が有する撮像素子より画像情報を取得し、画像マルチプレクサ部１９に出力する。

画像マルチプレクサ部１９は、高倍用ＣＣＤカメラ１６から出力された画像情報を受取り、パルス信号４ｓに応じてカメラコントロール部１８から出力される波長識別信号１８ｃにより対応する波長帯域の画像メモリ（赤色画像メモリ２０、緑色画像メモリ２１、青色画像メモリ２２、ノンフィルタ画像メモリ２３）に画像を記憶させる。この波長識別信号１８ｃは、高倍用シャッター信号１８ｂで撮像された画像情報がどの波長帯域、すなわち、どのフィルタ部ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ，ＦＷに対応するのかを識別するための情報であり、上述の通りパルス信号４ｓから特定することができる。なお、このとき、回転式波長選択フィルタ３を数回回転させて同じ波長帯域の画像情報を数回取得してそれぞれを積算し、各画像メモリ２０〜２３に記憶させることにより、ランダムノイズが除去された鮮明な画像とすることができる。

以上のようにして波長帯域毎に取得されて各画像メモリ２０〜２３に記憶された画像情報は、画像処理部２４により読み出されてコントラストの一番高い波長帯域の画像が選択されて計測画像として使用される（この計測画像を用いて重ね合わせズレ量の測定を行う方法については説明を省略する）。ここで、各波長帯域の画像情報のコントラストの比較には、所定の領域（例えば、エッジ部を含むその近傍）の輝度の差（最も明るい部分と最も暗い部分）からその比率を求めることにより行うことができ、その比が最も大きい波長帯域の画像がコントラストが一番高い画像であると判断することができる。なお、図３に示すように、波長帯域毎に（高倍用）ＣＣＤカメラ１６の撮像素子（ＣＣＤ）の感度が異なるため、同一感度に換算した上でコントラストの比較することが望ましい。また、各波長帯域の画像情報を表示装置に同時に表示して、測定者の肉眼でコントラストの高い画像を確認可能なように構成することもできる。

重ね合わせ測定装置１を以上のような構成とすることにより、撮像対象に最適な波長帯域の画像情報を得ることができ、画像計測の精度を向上させることができる。また、フィルタの選択を自動化することができるとともに、回転式波長選択フィルタ３が一回転する間にそれぞれの波長帯域に対応した画像情報を得ることができるため、重ね合わせ測定装置１のスループット（例えば、単位時間当たりに重ね合わせズレ量の測定を行えるウエハ８の枚数）を劣化させることがない。

なお、この第１実施例では回転式波長選択フィルタ３を照明２と投影レンズ５との間の光路上に配置したが、本発明がこの実施例に限定されることはなく、例えば、第１ハーフミラー６と第１結像レンズ７の間の光路上に配置しても良いし、第２ハーフミラー９と高倍用結像光学系１７の間の光路上に配設しても良い。また、得られた画像のうち最もコントラストの高い波長帯域の選択は、低倍用ＣＣＤカメラ１２を用いて位置決めをしている時に、平行して高倍用ＣＣＤカメラ１６で得られた画像情報から上記処理を実行しておくことにより、高倍用ＣＣＤカメラ１６を用いた重ね合わせズレ量の測定のときには、選択された波長帯域の画像情報のみを対象にすることができるため測定をスムーズに行うことができ、この重ね合わせ測定装置１のスループットを更に向上させることができる。

以上の実施例においては、白色光および赤・緑・青色に対応したフィルタを用いて重ね合わせ用マークを撮像した場合について説明したが、撮像対象となるウエハ８の材質等に応じて、フィルタを選択して、撮像する画像の波長帯域を設定することが可能である。

以上で説明した第１実施例においては、高倍用ＣＣＤカメラ１６で撮像する画像の波長帯域の選択を機械的に回転する回転式波長選択フィルタ３を用いて実現していたが、本第２実施例では高倍用ＣＣＤカメラ１６の撮像素子にオンチップのカラーＣＣＤを用いて、第１実施例のような機械的駆動部分を無くした重ね合わせ測定装置１０１の構成について図４を用いて説明する。なお、第１実施例と同様の構成要素については同一の符号を付すこととし、説明は省略する。

この第２実施例の場合、光源２から出射された照明光（白色光）は照明光学系（投影レンズ５、第１ハーフミラー６および第１対物レンズ７）によりそのままウエハ８上に照射されて、その反射像が低倍用および高倍用ＣＣＤカメラ１２，１１６の撮像素子に結像される。低倍用ＣＣＤカメラ１２によるウエハ８の撮像は第１実施例と同様に、低倍率で撮像した画像を用いて画像計測をするための位置決めに用いられるものであることから、通常の撮像素子（モノクロのＣＣＤ）を用いて構成される。

一方、高倍用ＣＣＤカメラ１１６では、重ね合わせ用マークの反射像の撮像において波長帯域を選択するために、その撮像素子に図５に示されるようなオンチップのカラーＣＣＤ１１６ａが用いられる。このオンチップのカラーＣＣＤとは、モノクロのＣＣＤの画素に、赤・青・緑のカラーフィルタ層を積層することにより、それぞれが赤色光・青色光・緑色光に感応する画素ＰＲ，ＰＧ，ＰＢとなるように構成されたものである。各色画素の配置は、例えば、図５に示すように、撮像面全体に対して均一に分布するように構成されている。

このようなオンチップのカラーＣＣＤ１１６ａを用いた高倍用ＣＣＤカメラ１１６により重ね合わせ用マークを撮像する場合、カメラコントロール部１１８で生成されるシャッター信号１１８ａをトリガーとして高倍用ＣＣＤカメラ１１６から画像情報が画素マルチプレクサ部１１９に出力される。そして、カメラコントロール部１１８は更に画素識別信号１１８ｂを画素マルチプレクサ部１１９に出力して、高倍用ＣＣＤカメラ１１６から出力される画像情報（画素情報）を画素（ピクセル）毎に対応する波長帯域の画像メモリ２０〜２３へ記憶するように構成されている。

なお、このようなオンチップのカラーＣＣＤ１１６ａは、複数の波長帯域用の画素（この場合、赤用の画素ＰＲ、青用の画素ＰＢ、緑用の画素ＰＧ）が集合した構成となっているため、モノクロのＣＣＤと比較すると解像度が悪くなるが、高解像度のカラーＣＣＤ１１６ａを用いることにより、各波長帯域に対応したそれぞれの画素数（解像度）は、上述の第１実施例とほぼ同じにすることができる。また、図５からも明らかなように、画素の位置が各色毎に規則正しく並んで形成されているため、重ね合わせ用マークの相対的な位置関係も各波長帯域に対応した画像情報間で保持することができる。

以上のようにして、記憶された各波長帯域に対応した画像情報は、第１実施例と同様に、画像処理部２４により読み出されてコントラストの一番高い波長帯域の画像が選択されて計測画像として使用される。コントラストの一番高い波長帯域の画像の選択方法は、第１実施例と同様である。また、それぞれの波長帯域の画像を図示しない表示装置等に同時に表示して測定者の肉眼で画像を確認するように構成することも可能である。

このように、高倍用ＣＣＤカメラ１１６にオンチップのカラーＣＣＤ１１６ａを用いることにより、重ね合わせ用マークを撮像するための照明光（若しくはその反射光）の波長帯域を選択する機構が不要となり、重ね合わせ測定装置１０１を簡単な構成とし、小型化することができる。また、第１実施例のような機械的な機構が不要となるため、調整等が無くなり保守が容易となる。さらに、各波長帯域に対応した画像情報の取得はカラーＣＣＤに対する電気的制御で行うことができるので、各波長帯域に対応した画像の取得からコントラストの一番高い画像の選択およびその出力を短時間で行うことができるため、重ね合わせ測定装置１０１のスループットを向上させることができる。

本発明に係る第１実施例に対応する重ね合わせ測定装置のブロック図である。回転式波長選択フィルタの構造を示す図であり、（Ａ）はフィルタ部を示す図であり、（Ｂ）はフィルタ位置検出器から出力されるパルス列を示す図である。ＣＣＤの分光感度特性を示すグラフであり、（Ａ）はフィルタが無い場合の白色光に対する分光感度特性であり、（Ｂ）は、赤色光、緑色光および青色光に対する分光感度特性である。本発明に係る第２実施例に対応する重ね合わせ測定装置のブロック図である。オンチップのカラーＣＣＤを示す図である。

符号の説明

１，１０１重ね合わせ測定装置（撮像装置）
２光源
３回転式波長選択フィルタ（波長選択装置）
８ウエハ（物体）
１６，１１６高倍用ＣＣＤカメラ（カメラ）
１７高倍用結像光学系（結像光学系）
２４画像処理部
１１６ａカラーＣＣＤ（撮像素子）
ＦＲ，ＦＧ，ＦＢ，ＦＷフィルタ部

Claims

光源と、画像情報を取得するカメラと、前記光源から出射した照明光が物体に照射され
て前記物体で反射した反射光を前記カメラの撮像面に集光結像する結像光学系と、前記カ
メラから出力される信号を処理して前記物体の画像を得る画像処理部とを備えた撮像装置
において、
前記照明光若しくは前記反射光の光路上に設けられ、互いに異なる波長帯域の光を透過
させるため時分割的に自動切替可能に設けられる少なくとも２つのフィルタ部と、
前記カメラによる画像情報の取得を制御するカメラコントロール部とを備え、
前記カメラコントロール部は、前記カメラにより取得された画像を、前記フィルタ部の
自動切替における時分割部分ごとに記憶させる制御を行い、
前記画像処理部は、前記時分割部分ごとに記憶された画像からコントラストの最も高い
画像を選択して、前記コントラストの最も高い画像が得られるフィルタ部がいずれのフィ
ルタ部であるかを前記時分割部分に対応づけることにより特定し、前記コントラストの最
も高い画像を出力することを特徴とする撮像装置。
前記物体の前記画像を低倍率と高倍率との２つの倍率を切り替えて撮像するように構成
され、
前記画像を低倍率で撮像するときに、並行して前記画像処理部がコントラストの高い画
像が得られる波長帯域を選択し、
前記画像を高倍率で撮像するときに、前記選択された波長帯域の画像を出力するように
構成されたことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。