JP4753150B2 - 画像計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に形成された被検マークの位置を計測する画像計測装置、特に、半導体製造工程においてウエハ上に形成された重ね合わせマークの位置を計測するための重ね合わせ画像計測装置に関する。

従来、半導体製造工程においてウエハ上に形成された重ね合わせマークの位置を計測するための重ね合わせ画像計測装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。この装置では、まずステージに載置されたウエハを高精度に位置決めし、オートフォーカスを行う。そしてオートフォーカスの完了に際し、ウエハ上に形成された回路パターンの基準となる重ね合わせマークをＣＣＤカメラによって数回撮影する。そして撮影した画像を積算することでマーク位置計測用の画像を得て、この画像から重ね合わせマークの位置を計測することができる。
特開2004-22797号公報

上述のような従来の重ね合わせ画像計測装置では、ウエハの種類に合わせて光源光又は結像光として使用する光の波長帯域（以下、本明細書において単に「使用波長帯域」という。）を制限して計測を行う方が精度の高い計測値を得られることも多い。
しかしながら、光学フィルタを手動で光路内に挿脱して白色光源の光から所望の波長帯域の光を選択的に取り出して計測を行う方法は、例えフィルタの挿脱を自動で行うことが可能であっても、使用者が試行錯誤又は長期の経験に基づいてフィルタを予め計画する必要があるため、高度で時間を要する作業となってしまう。

そして、ウエハごとに最適なフィルタを選別することができても、ＣＣＤカメラの撮像素子による色シェーディングと光学系を構成する各要素によって付加される色シェーディングからなる固定パターンノイズがフィルタごとに異なって発生してしまう。このため、固定パターンノイズを完全に補正することができず、このノイズが装置の計測精度に悪影響を及ぼしてしまうという問題があった。

そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、使用波長帯域を光学フィルタによって切り替え可能で、かつＣＣＤカメラと光学系とに起因して発生する固定パターンノイズを使用波長帯域に合わせて補正可能な重ね合わせ画像計測装置を提供する。

上記課題を解決のために本発明は、
基板上に形成された被検マークを照明するための照明光学系と、
照明された前記被検マークからの反射光を結像するための結像光学系と、
結像された前記被検マークの像を撮像するための撮像手段と、
前記照明光学系或いは前記結像光学系に配置されており、透過させる光の波長帯域が異なる複数の光学フィルタを備え当該複数の光学フィルタのうちの１つを光路内に選択的に配置するための波長帯域選択手段と、
前記結像光学系の合焦位置に対する前記結像光学系の光軸方向へのずれ量ごとに、かつ前記波長帯域ごとにシェーディングを補正するための補正データを記憶している記憶手段と、
前記撮像手段で撮像された前記被検マークの画像を前記補正データに基づいて補正する画像演算手段とを有し、
前記画像演算手段によって得られた補正画像により前記被検マークの位置を計測することを特徴とする画像計測装置を提供する。

また本発明の好ましい態様によれば、
前記撮像手段は、前記被検マークを複数回撮像し、
前記画像演算手段は、複数回の撮像によって得られた前記被検マークの複数の画像を前記補正データに基づいて補正し、積算することが望ましい。

また本発明の好ましい態様によれば、
さらに、前記結像光学系の合焦状態を検出する合焦検出機構を有し、
前記画像演算手段は、前記合焦検出機構から出力される合焦位置からの前記結像光学系の光軸方向のずれ量に応じて、前記被検マークの画像を補正することが望ましい。
また本発明の好ましい態様によれば、
前記記憶手段は、前記光学フィルタを透過する光の波長帯域ごとに、前記撮像手段で前記被検マークを撮像する際の明るさを変数として求めた複数の補正データを記憶していることが望ましい。

また本発明は、
発光する波長帯域が異なる複数の光源を備え、基板上に形成された被検マークを照明するための照明光学系と、
前記複数の光源から光源を選択する光源選択手段と、
照明された前記被検マークからの反射光を結像するための結像光学系と、
結像された前記被検マークの像を撮像するための撮像手段と、
前記結像光学系の合焦位置に対する前記結像光学系の光軸方向へのずれ量ごとに、かつ前記光源ごとにシェーディングを補正するための補正データを記憶している記憶手段と、
前記撮像手段で撮像された前記被検マークの画像を前記補正データに基づいて補正する画像演算手段とを有し、
前記画像演算手段によって得られた補正画像により前記被検マークの位置を計測することを特徴とする画像計測装置を提供する。
また本発明の好ましい態様によれば、
前記結像光学系は対物レンズを含み、
前記照明光学系は、前記対物レンズを通して、前記基板を照明していることが望ましい。

本発明によれば、使用波長帯域を光学フィルタによって切り替え可能で、かつＣＣＤカメラと光学系とに起因して発生する固定パターンノイズを使用波長帯域に合わせて補正可能な重ね合わせ画像計測装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置を添付図面に基づいて詳細に説明する。
はじめに、図１を参照して本実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置の構成を示す図である。

本実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置において、白色光源１から射出された白色光は、回転式波長選択フィルタ２に入射する。この回転式波長選択フィルタ２は、白色光、赤色光、緑色光、青色光のみをそれぞれ透過可能な４つのフィルタを回転切り替え可能に備えており、これらのフィルタを任意に切り替えることで前記白色光から所望の波長帯域の光のみを取り出すことができる。なお、回転式波長選択フィルタ２には、不図示の回転駆動部が設けられており、前述の回転切り替えは使用者の指示で自動的に行うことができる。

そして、回転式波長選択フィルタ２を透過した光（白色光、赤色光、緑色光、又は青色光）は、投影レンズ３、ハーフミラー４、第１対物レンズ５を順に介してシリコンウエハ６上の後述する重ね合わせマーク７に照射される。シリコンウエハ６で反射した重ね合わせマーク７の情報を含んだ光は、再び第１対物レンズ５を介し、ハーフミラー４を透過する。

そしてこの光は、第２対物レンズ８、結像レンズ９を介してＣＣＤカメラ１０の撮像面上に像を結び、該カメラ１０によって撮像される。このようにして使用波長の撮影画像、即ち所望の波長帯域の光による撮影画像を得ることができ、得られた画像は画像演算部１１に出力されることとなる。
ここでＣＣＤカメラ１０は、不図示のオートフォーカス機構を備えており、重ね合わせマーク７に対して焦点が合った状態での撮影が可能なだけでなく、焦点位置を光軸方向へ任意にずらした状態での撮影も行うことができる。

また、回転式波長選択フィルタ２付近には、フィルタ位置検出部１２が備えられており、使用中のフィルタ即ち使用波長帯域を確認し、フィルタ確認信号としてカメラコントロール部１３に出力する。
フィルタ確認信号を得たカメラコントロール部１３は、フィルタの切り替えが完了していることを認識し、ＣＣＤカメラ１０へシャッター信号を出力する。また、カメラコントロール部１３は、ＣＣＤカメラ１０から出力される画像がどの使用波長帯域のものであるかを識別するための波長識別信号をメモリコントローラ部１４に出力する。

メモリコントローラ部１４は、ＣＣＤカメラ１０で撮影された画像の使用波長帯域に対応するシェーディング補正データをメモリＷ，Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれかより読み出し、画像演算部１１に出力する。
ここで、シェーディング補正データについて説明する。図２（ａ）は白色フィルタを透過した光に対するＣＣＤカメラの感度特性を示す図であり、また図２（ｂ）は赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタを透過した光に対するＣＣＤカメラの感度特性をそれぞれ示す図である。

通常、ＣＣＤカメラは、図２に示すように取り込む光の波長帯域（色）によって感度特性が異なり、また、撮像素子自体が色シェーディングを有している。したがって重ね合わせ画像計測装置では、上述のように撮像素子自体が有する色シェーディングと、装置を構成する光学系の各要素によって付加される色シェーディングとからなる固定パターンノイズが発生し、装置の計測精度に悪影響を及ぼしてしまう。
このため本実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置は、波長帯域ごとに固定パターンノイズを補正するためのシェーディング補正データが予め作成されており、それぞれメモリＷ，Ｒ，Ｇ，Ｂに記憶されている。

またさらに本実施の形態においては、波長帯域ごとにＡＦ値をパラメータとするシェーディング補正データがそれぞれ設けられている。具体的には、ＡＦ値とは、ＣＣＤカメラ１０によって撮影を行う際に、重ね合わせマーク７の任意のポイントに対して焦点が合った状態を０（ＡＦ値＝０）とし、この状態から焦点位置を光軸方向に所定量Δずつずらした状態（ＡＦ値＝・・・、−２Δ、−Δ、０、＋Δ、＋２Δ、・・・）を示すものであって、このＡＦ値ごとに作成されたシェーディング補正データがメモリＷ，Ｒ，Ｇ，Ｂに補正テーブルとしてそれぞれ記憶されている。これにより本実施の形態では、例えばＡＦ値＝０から焦点位置をずらして重ね合わせマーク７全体を一様のフォーカス状態で撮影したい場合等でも、ＡＦ値に合わせてより高精度に固定パターンノイズを補正することが可能となる。

引き続き、本実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置の構成について説明する。
画像演算部１１は、上述のＣＣＤカメラ１０からの撮影画像に対し、メモリコントローラ部１４からのシェーディング補正データを用いて補正を行い、画像計測処理部１５へ出力する。また画像演算部１１では、ＣＣＤカメラ１０で重ね合わせマーク７を複数回撮影した際に、得られた画像の積算を行う。これにより、撮影に際して画像内に不規則に発生するランダムノイズを除去することができ、よりシャープな画像を得ることができるため、装置の計測精度をより向上させることができる。

最後に画像計測処理部１５は、画像演算部１１から出力された画像、詳しくは固定パターンノイズとランダムノイズとを除去した画像から、重ね合わせマーク７の位置を計測することができる。ここで本実施の形態において、重ね合わせマーク７とは、例えばシリコンウエハ６上に設けられている下地マークと同じくシリコンウエハ６上に形成されたレジストマークとからなる。そして詳細には、画像計測処理部１５では、重ね合わせマーク７の画像から下地マークとレジストマークとの重ね合わせのずれが計測されることとなる。

以上の構成により本実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置は、シリコンウエハ６等の被検物の特性に合わせて使用波長帯域を切り替え、かつ使用波長帯域ごとに固定パターンノイズを適切に補正し、さらにランダムノイズも補正することができる。これにより、重ね合わせマーク７の位置をより高精度に計測することができる。

次に、上記構成の下、本実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置で行われる画像演算処理のシーケンスについて図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置で行われる画像演算処理を示すシーケンス図である。

はじめに、使用者による測定開始の指示に伴い図３に示すシーケンスが開始される。
ステップ１：使用者からの、回転式波長選択フィルタ２で使用波長帯域を切り替える指示、又は光源等の各種設定を変更する旨の指示の有無を確認する。指示が確認された場合はステップ２へ進み、指示が確認されない場合は計測を終了する。

ステップ２：使用者からの指示に従って回転式波長選択フィルタ２を自動的に回転させることで、フィルタ２を通過させる光即ち使用波長帯域を切り替える。そして切り替え完了後、ステップ３へ進む。
ステップ３：ＣＣＤカメラ１０によって重ね合わせマーク７を撮影して画像を取得するとともに、シェーディング補正データを使用波長帯域に対応するメモリＷ，Ｒ，Ｇ，Ｂから読み出す。
ステップ４：画像演算部１１が、ステップ３で得られた画像に対しシェーディング補正データを用いて補正を行い、得られた補正画像を積算する。

ステップ５：ステップ４で得られた画像の積算枚数が予め設定してある枚数（ｎ枚：ｎは整数）に達しているか確認する。画像がｎ枚に達している場合はステップ６へ進み、達していない場合はステップ３へ戻り再度ステップ３及びステップ４を実行する。
ステップ６：画像計測処理部１５が、積算して得られた画像から重ね合わせマーク７の位置（ずれ）を計測し、再びステップ１へ戻る。

以上のシーケンスにより本実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置は、補正画像の積算を行っても、回転式波長選択フィルタ２を連続で切り替えながら計測を行っても、使用波長帯域ごとにスムーズな画像補正を行うことができる。なお、フィルタ切り替えの指示から切り替えが完了する際に、シリコンウエハ６を載置している不図示のステージの移動も同時に行うことができる。

なお、上述のように本実施の形態では、回転式波長選択フィルタ２によって白色光、赤色光、緑色光、及び青色光を切り替えている。しかしながら波長帯域及びその組み合わせはこれに限られず、例えば、可視光帯域ではより狭い波長帯域の赤色光や、緑色光と青色光の混合光等、また、可視光外ではＣＣＤが感知できる範囲での短波長帯域（５００ｎｍ以下）とすることもできる。
また、上述のように本実施の形態において回転式波長選択フィルタ２は、白色光源１側に配置されているが、該フィルタ２の配置場所はこれに限られず、シリコンウエハ６とＣＣＤカメラ１０との間の光路中等に配置してもよい。

また、上述のように本実施の形態では、使用波長帯域を回転式波長選択フィルタ２によって切り替えている。しかしながらこれに限られず、フィルタ２を用いずに赤色光、緑色光、及び青色光を発するＬＥＤを光源として複数配置し、任意に選択する構成とすることもできる。

また、上述のように本実施の形態では、使用波長帯域ごとにＡＦ値をパラメータとするシェーディング補正データを備える構成である。しかしながらこれに限られず、ＣＣＤカメラ１０で取り込む画像の明るさを変更するためのシャッタスピード等をパラメータとしてさらに追加したシェーディング補正データを備える構成とすることもできる。これにより、より高精度に固定パターンノイズを補正することが可能となる。

以上、本実施の形態によれば、使用波長帯域を光学フィルタによって自動的に切り替え可能で、かつＣＣＤカメラと光学系とに起因して発生する固定パターンノイズを使用波長帯域に合わせてリアルタイムで補正可能な重ね合わせ画像計測装置を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置の構成を示す図である。 （ａ）は白色フィルタを透過した光に対するＣＣＤカメラの感度特性を示す図であり、（ｂ）は赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタを透過した光に対するＣＣＤカメラの感度特性をそれぞれ示す図である。 本発明の実施の形態に係る重ね合わせ画像計測装置で行われる画像演算処理を示すシーケンス図である。

符号の説明

１ 白色光源
２ 回転式波長選択フィルタ
３ 投影レンズ
４ ハーフミラー
５ 第１対物レンズ
６ シリコンウエハ
７ 重ね合わせマーク
８ 第２対物レンズ
９ 結像レンズ
１０ ＣＣＤカメラ
１１ 画像演算部
１２ フィルタ位置検出部
１３ カメラコントロール部
１３ メモリコントローラ部
Ｗ メモリ（白光用シェーディング補正データを記憶）
Ｒ メモリ（赤光用シェーディング補正データを記憶）
Ｇ メモリ（緑光用シェーディング補正データを記憶）
Ｂ メモリ（青光用シェーディング補正データを記憶）
１５ 画像計測処理部

Claims (6)

1. 基板上に形成された被検マークを照明するための照明光学系と、
   照明された前記被検マークからの反射光を結像するための結像光学系と、
   結像された前記被検マークの像を撮像するための撮像手段と、
   前記照明光学系或いは前記結像光学系に配置されており、透過させる光の波長帯域が異なる複数の光学フィルタを備え当該複数の光学フィルタのうちの１つを光路内に選択的に配置するための波長帯域選択手段と、
   前記結像光学系の合焦位置に対する前記結像光学系の光軸方向へのずれ量ごとに、かつ前記波長帯域ごとにシェーディングを補正するための補正データを記憶している記憶手段と、
   前記撮像手段で撮像された前記被検マークの画像を前記補正データに基づいて補正する画像演算手段とを有し、
   前記画像演算手段によって得られた補正画像により前記被検マークの位置を計測することを特徴とする画像計測装置。
2. 前記撮像手段は、前記被検マークを複数回撮像し、
   前記画像演算手段は、複数回の撮像によって得られた前記被検マークの複数の画像を前記補正データに基づいて補正し、積算することを特徴とする請求項１に記載の画像計測装置。
3. さらに、前記結像光学系の合焦状態を検出する合焦検出機構を有し、
   前記画像演算手段は、前記合焦検出機構から出力される合焦位置からの前記結像光学系の光軸方向のずれ量に応じて、前記被検マークの画像を補正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像計測装置。
4. 前記記憶手段は、前記光学フィルタを透過する光の波長帯域ごとに、前記撮像手段で前記被検マークを撮像する際の明るさを変数として求めた複数の補正データを記憶していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像計測装置。
5. 発光する波長帯域が異なる複数の光源を備え、基板上に形成された被検マークを照明するための照明光学系と、
   前記複数の光源から光源を選択する光源選択手段と、
   照明された前記被検マークからの反射光を結像するための結像光学系と、
   結像された前記被検マークの像を撮像するための撮像手段と、
   前記結像光学系の合焦位置に対する前記結像光学系の光軸方向へのずれ量ごとに、かつ前記光源ごとにシェーディングを補正するための補正データを記憶している記憶手段と、
   前記撮像手段で撮像された前記被検マークの画像を前記補正データに基づいて補正する画像演算手段とを有し、
   前記画像演算手段によって得られた補正画像により前記被検マークの位置を計測することを特徴とする画像計測装置。
6. 前記結像光学系は対物レンズを含み、
   前記照明光学系は、前記対物レンズを通して、前記基板を照明していることを特徴とする請求項１又は請求項５に記載の画像計測装置。

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