JP7310617B2 - アライメントマーク検出装置およびアライメントマーク検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、アライメントマークを検出するアライメントマーク検出装置およびアライメントマーク検出方法に関する。

従来、半導体素子、プリント基板、液晶基板等のパターンをフォトリソグラフィにより製造する工程において、露光装置が使用される。露光装置は、パターンを形成したマスクと、そのパターンが転写されるワークとが所定の位置関係となるように位置合わせ（アライメント）した後、ワークにマスクを介して露光光を照射し、マスクパターンをワークに転写（露光）する。
例えば特許文献１、２には、上記のようにマスクとワークとの位置合わせを行う露光装置について開示されている。

露光装置におけるマスクとワークの位置合せには、一般にアライメント顕微鏡が用いられる。具体的には、アライメント顕微鏡により撮像されたマスクマークとワークマークとの画像を制御部において画像処理してそれぞれの位置座標を求め、両者の位置が予め設定された位置関係になるようにマスクおよびワークの少なくとも一方を移動させる。

特開平９－８２６１５号公報 特開２０１１－６６１８５号公報

ワークマークは、アライメント顕微鏡により撮像された画像において、ワークマークに対応する部分と、ワークマーク以外に対応する部分（背景部分）とにおけるコントラスト（輝度値の差）を利用することで検出することができる。例えば、ワークマークを撮像した画像において隣り合う画素の輝度値の差が所定値以上となる画素をつなぎ合わせることで、ワークマークを検出することができる。
しかしながら、近年、ワークの種類の多様化等により、形成されたワークマークとその背景との輝度値の差が、非常に小さいものが存在するようになってきた。このようにワークマークと背景との輝度値の差が小さい場合、ワークマークを適切に検出することができない。

そこで、本発明は、背景に対して輝度差の小さいワークマークであっても適切に検出することができるアライメントマーク検出装置およびアライメントマーク検出方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係るアライメントマーク検出装置の一態様は、ワーク上に形成されたアライメントマークを検出するアライメントマーク検出装置であって、前記ワークにおける前記アライメントマークを含む領域が撮像された第一画像を取得し、当該第一画像の各画素の輝度値を取得する第一の輝度取得部と、前記第一画像と同じ領域が撮像された第二画像を取得し、当該第二画像の各画素の輝度値を取得する第二の輝度取得部と、前記第一の輝度取得部により取得された前記第一画像の各画素の輝度値と前記第二の輝度取得部により取得された前記第二画像の各画素の輝度値とを加算し、加算した各画素の輝度値から前記第一画像および前記第二画像の少なくとも一方の各画素の輝度に基づく値を差し引いた重ね合わせ画像を作成する重ね合わせ画像作成部と、前記重ね合わせ画像作成部により作成された重ね合わせ画像に基づいて、前記アライメントマークを検出するアライメントマーク検出部と、を備える。

このように、ワーク上のアライメントマークを含む領域を撮像して得られた複数枚の画像を重ね合わせることで、背景に対して輝度差の小さいアライメントマークを撮像した画像であっても、背景とアライメントマークとにコントラストを付けた重ね合わせ画像を作成することができ、アライメントマークを適切に検出することができる。また、重ね合わせに使用する画像は、一つの同じ画像ではなく、複数回の撮像により得られた画像であるため、ノイズを除去しつつコントラストを付けることができる。
さらに、重ね合わせ画像の作成に際し、足し合わせた輝度値から、第一画像および第二画像の少なくとも一方の各画素の輝度に基づく値を差し引くので、重ね合わせ画像の各画素の輝度値がグレースケールの上限値を超える（オーバーフローする）ことを防止することができる。また、差し引く値は、第一画像および第二画像の少なくとも一方の各画素の輝度に基づく値とするため、重ね合わせ画像が元画像の全体の明るさに対して大幅に変化してしまうことを抑制することもできる。

また、上記のアライメントマーク検出装置において、前記重ね合わせ画像作成部は、前記加算した各画素の輝度値から、前記第一画像および前記第二画像の少なくとも一方の平均輝度値を差し引き、前記重ね合わせ画像を作成してもよい。
この場合、重ね合わせ画像の各画素の輝度値がオーバーフローすることを確実に防止することができる。また、元画像に対して全体の明るさを変えずに重ね合わせ画像を作成することができるので、重ね合わせ画像に基づくアライメントマークの検出を適切に行うことができる。さらに、重ね合わせ画像を用いたアライメントマークの目視による確認を行いやすくすることができる。

さらに、上記のアライメントマーク検出装置において、前記重ね合わせ画像作成部は、前記加算した各画素の輝度値から、前記第一画像および前記第二画像の少なくとも一方における前記アライメントマークを含まない背景領域の輝度値を差し引き、前記重ね合わせ画像を作成してもよい。
アライメントマークを含む領域を撮像した画像において、背景領域は大部分を占める。そのため、背景領域の輝度値は、撮像画像の平均輝度値に近い値となる。したがって、この場合、重ね合わせ画像の各画素の輝度値がオーバーフローすることを確実に防止することができる。また、元画像に対して全体の明るさを変えずに重ね合わせ画像を作成することができるので、重ね合わせ画像に基づくアライメントマークの検出を適切に行うことができる。さらに、重ね合わせ画像を用いたアライメントマークの目視による確認を行いやすくすることができる。

また、上記のアライメントマーク検出装置において、前記アライメントマーク検出部は、前記重ね合わせ画像作成部により作成された重ね合わせ画像を、前記アライメントマークのテンプレート画像と比較するパターンサーチにより前記アライメントマークを検出してもよい。
この場合、アライメントマークを適切に検出することができる。重ね合わせ画像は、画像全体の明るさの変化を抑制しつつ、背景とアライメントマークとのコントラストが付けられた画像となっているため、パターンサーチに適している。

さらに、上記のアライメントマーク検出装置は、前記第一画像および前記第二画像と同じ領域が撮像された第三画像を取得し、当該第三画像の各画素の輝度値を取得する第三の輝度取得部をさらに備え、前記重ね合わせ画像作成部は、さらに、前記重ね合わせ画像の各画素の輝度値と、前記第三の輝度取得部により取得された前記第三画像の各画素の輝度値とを加算し、加算した各画素の輝度値から前記重ね合わせ画像および前記第三画像の少なくとも一方の各画素の輝度に基づく値を差し引き、前記重ね合わせ画像を更新してもよい。
このように、画像の重ね合わせを繰り返し行い、重ね合わせ画像を更新してもよい。この場合、背景とアライメントマークとのコントラストをより高めることができ、アライメントマークの検出を精度良く行うことが可能となる。

また、上記のアライメントマーク検出装置において、前記重ね合わせ画像作成部は、予め設定された回数だけ前記重ね合わせ画像の更新を繰り返してもよい。この場合、重ね合わせ画像の更新の要否を判断する処理が不要となり、処理を単純化することができる。
さらにまた、上記のアライメントマーク検出装置において、前記重ね合わせ画像作成部は、前記重ね合わせ画像において隣り合う画素の輝度値の差が所定値以上となるまで、前記重ね合わせ画像の更新を繰り返してもよい。この場合、不必要に重ね合わせ画像の更新を行うことを防止することができ、その分の処理負荷を軽減することができる。

また、上記のアライメントマーク検出装置において、前記重ね合わせ画像が２５６階調の画像である場合、前記所定値は、１５以上２０以下の値であってもよい。この場合、適切にアライメントマークを検出することができる。
さらに、上記のアライメントマーク検出装置は、前記重ね合わせ画像作成部により作成された重ね合わせ画像を表示する表示部をさらに備えてもよい。この場合、表示された重ね合わせ画像から、ユーザ（作業者等）はアライメントマークを目視により確認することができる。

また、本発明に係るアライメントマーク検出方法の一態様は、ワーク上に形成されたアライメントマークを検出するアライメントマーク検出方法であって、前記ワークにおける前記アライメントマークを含む領域が撮像された第一画像を取得し、当該第一画像の各画素の輝度値を取得するステップと、前記第一画像と同じ領域が撮像された第二画像を取得し、当該第二画像の各画素の輝度値を取得するステップと、前記第一画像の各画素の輝度値と前記第二画像の各画素の輝度値とを加算し、加算した各画素の輝度値から前記第一画像および前記第二画像の少なくとも一方の各画素の輝度に基づく値を差し引いた重ね合わせ画像を作成するステップと、前記重ね合わせ画像に基づいて、前記アライメントマークを検出するステップと、を含む。
これにより、背景に対して輝度差の小さいワークマークであっても適切に検出することができる。

本発明によれば、背景に対して輝度差の小さいワークマークであっても適切に検出することができる。

本実施形態の露光装置の概略構成の一例を示す図である。 アライメントマーク検出処理の手順を示すフローチャートである。 アライメントマークの検出手順を説明する図である。 表示画像の一例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の露光装置１００の基本的な構成を示す図である。
露光装置１００は、露光光を出射する光照射部１１を備える。
光照射部１１から出射した露光光は、マスクパターンＭＰが形成されたマスクＭと、投影レンズ１２とを介して、レジストを塗布したワークＷ上に照射され、マスクパターンＭＰがワークＷ上に投影され露光される。

マスクＭは、マスクステージＭＳにより保持されている。マスクＭには、マスク・アライメントマーク（以下、「マスクマーク」という。）ＭＡＭが形成されている。また、ワークＷは、ワークステージＷＳにより保持されている。ワークＷには、ワーク・アライメントマーク（以下、「ワークマーク」という。）ＷＡＭが形成されている。
なお、マスクＭとワークＷとは、ワークステージＷＳ面に対して平行な面内（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ軸回りの回転方向）において位置合わせを行うために、マスクマークＭＡＭとワークマークＷＡＭとは、それぞれ２ヶ所以上形成される。

また、露光装置１００は、投影レンズ１２とワークＷとの間に、図１の矢印方向に移動可能なアライメント顕微鏡２０を備える。アライメント顕微鏡２０は、マスクパターンＭＰをワークＷに露光する前に図１に示す位置に挿入され、マスクマークＭＡＭとワークマークＷＡＭとを検出する。アライメント顕微鏡２０によって検出されたマスクマークＭＡＭおよびワークマークＷＡＭを用いてマスクＭとワークＷの位置合わせが行われる。位置合せ後、アライメント顕微鏡２０は、ワークＷ上から所定の退避位置に退避する。
なお、図１では、アライメント顕微鏡２０を１つのみ示しているが、上記したように、マスクマークＭＡＭおよびワークマークＷＡＭは、それぞれ２ヶ所以上形成されているため、実際はアライメント顕微鏡２０もそれに応じて２ヶ所以上設けられる。

アライメント顕微鏡２０は、ハーフミラー２１と、レンズ２２、２３と、ＣＣＤカメラ２４とを備える。また、アライメント顕微鏡２０は、撮像するワークＷの表面を照明するための照明部２５を備える。照明部２５は、例えばＬＥＤとすることができる。
アライメント顕微鏡２０のＣＣＤカメラ２４により撮像されたマスクマークＭＡＭの画像やワークマークＷＡＭの画像などは、制御部３０に送られる。

制御部３０は、ＣＣＤカメラ２４により撮像された画像に対して画像処理を行う画像処理部３１と、画像処理部３１において得られたデータを記憶する記憶部３２と、を備える。
画像処理部３１は、ＣＣＤカメラ２４により撮像された画像を取り込み、モニタ４０に表示させることができる。また、画像処理部３１は、ＣＣＤカメラ２４により撮像された画像に対して画像処理を行った後の画像を、モニタ４０に表示させることもできる。つまり、モニタ４０には、マスクマークＭＡＭの画像やワークマークＷＡＭの画像を表示することができる。露光装置１００の作業者は、モニタ４０に表示される画像を目視することで、マスクマークＭＡＭやワークマークＷＡＭの検出を確認することができる。

画像処理部３１は、撮像されたマスクマークＭＡＭの画像からマスクマークＭＡＭを検出し、マスクマークＭＡＭの中心位置座標を演算することができる。同様に、画像処理部３１は、撮像されたワークマークＷＡＭの画像からワークマークＷＡＭを検出し、ワークマークＷＡＭの中心位置座標を演算することができる。そして、画像処理部３１は、マスクマークＭＡＭの中心位置とワークマークＷＡＭの中心位置とが一致するように、不図示のマスクステージ駆動機構およびワークステージ駆動機構の少なくとも一方を駆動して、マスクＭおよびワークＷの少なくとも一方を移動させる。

マスクマークＭＡＭやワークマークＷＡＭの検出方法としては、パターンサーチを用いることができる。例えばワークマークＷＡＭを検出する場合、画像処理部３１は、ワークＷの、ワークマークＷＡＭを含む領域を撮像した画像をサーチ画像として取得する。そして、画像処理部３１は、サーチ画像を、予め登録しておいたワークマークＷＡＭのテンプレート画像と比較するパターンサーチを行う。
具体的には、画像処理部３１は、サーチ画像中で、テンプレート画像を例えば画像の左上から順番に移動させながら、テンプレート画像とサーチ画像におけるテンプレート画像と重なる部分との画像の類似度（相関係数）を演算する。類似度としては、例えばＳＳＤ（Sum of Squared Difference）やＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）など、各画素の輝度値の差に基づく値を用いることができる。画像処理部３１は、演算した類似度をもとに、サーチ画像中でテンプレート画像と最も類似する領域を検出することで、ワークマークＷＡＭを検出することができる。

上記の手法によりアライメントマークを適切に検出するためには、画像中のアライメントマークに対応する画素の輝度値と、アライメントマークに対応する画素に隣接する画素の輝度値との差が、所定値以上である必要がある。当該所定値は、例えば２５６階調のグレースケール画像において、１５以上２０以下の値である。即ち、アライメントマークを含む領域を撮像した２５６階調のグレースケール画像において、アライメントマークに対応する画素の輝度値と背景に対応する画素の輝度値との差が１５以上あれば、アライメントマークを検出することができる。

一般に、マスクＭは繰り返し使用されるものであり、マスクマークＭＡＭは検出しやすく精確に形成されている。これに対して、ワークＷは消耗品であり、ワークマークＷＡＭは精確に形成されない傾向がある。
また、近年、ワークＷの種類が多様化しており、ワークＷの表面の状態も多種多様に異なってきている。ワークＷとしては、例えば半導体基板として知られるシリコンウェハがあるが、中には単なるシリコンではなく金属を含むウェハが存在する。また、基板の多層化により、層内に設けられたワークマークＷを検出する場合もある。
つまり、ワークＷについては、ワークマークＷＡＭに対応する部分の輝度と、ワークマークＷＡＭ以外に対応する背景部分の輝度との差（コントラスト）が非常に小さいものが存在するようになってきた。このようにワークマークＷＡＭと背景とのコントラストが小さい場合、ワークマークＷＡＭを適切に検出することができない。

そこで、本実施形態では、ワークＷの、ワークマークＷＡＭを含む領域について複数回撮像し、撮像された各画像の重ね合わせ画像をもとに、ワークマークＷＡＭを検出する。具体的には、制御部３０は、ワークＷにおけるワークマークＷＡＭを含む領域が撮像された第一画像を取得し、第一画像の各画素の輝度値を取得する。また、制御部３０は、第一画像と同じ領域について撮像された第二画像を取得し、第二画像の各画素の輝度値を取得する。そして、制御部３０は、第一画像の各画素の輝度値と第二画像の各画素の輝度値とを画素ごとに加算し、各画素について、加算された輝度値から第一画像と第二画像との平均輝度値を差し引き、第一画像と第二画像との重ね合わせ画像を作成する。
本実施形態では、制御部３０が、ワークＷ上に形成されたワークマークＷＡＭを検出するアライメントマーク検出装置に対応している。

図２は、制御部３０が実行するアライメントマーク検出処理（ワークマーク検出処理）の手順を示すフローチャートである。この図２に示す処理は、ワークＷに対する露光処理が行われる前など、マスクＭとワークＷとの位置合わせが必要なタイミングで実行される。
まずステップＳ１において、制御部３０は、モニタ４０に表示している表示画像を取得し、記憶部３２に含まれる第１のメモリ（例えばｂａｃｋｕｐメモリ）に保存する。このとき、制御部３０は、表示画像の各画素の輝度値を取得し、取得した輝度値とともに表示画像を保存する。
なお、モニタ４０に画像が表示されていない場合には、制御部３０は、ＣＣＤカメラ２４によってワークＷのワークマークＷＡＭを含む領域の画像を取り込み、取り込んだ画像の各画素の輝度値を取得し、取得した輝度値とともに取り込んだ画像を保存する。

ステップＳ２では、制御部３０は、ＣＣＤカメラ２４により撮像された、ワークＷのワークマークＷＡＭを含む領域の画像を取り込み、ステップＳ３に移行する。このステップＳ２において取り込む画像は、ステップＳ１において保存した画像と同じ領域を撮像した画像である。例えば、制御部３０は、ＣＣＤカメラ２４により撮像された連続画像（映像）から、ステップＳ１において保存した画像（フレーム画像）とは異なるタイミングで撮像されたフレーム画像を取り込んでもよい。
ステップＳ３では、制御部３０は、ステップＳ２において取り込んだ取込画像を取得し、当該取込画像の各画素の輝度値を取得し、取得した輝度値とともに取込画像を記憶部３２に含まれる第２のメモリ（例えばｃｕｒｒｅｎｔメモリ）に保存する。

ステップＳ４では、制御部３０は、第１のメモリに保存された画像の各画素の輝度値と、第２のメモリに保存された画像の各画素の輝度値との平均値である平均輝度値を計算し、ステップＳ５に移行する。
ステップＳ５では、制御部３０は、各画素について、第１のメモリに保存された輝度値と、第２のメモリに保存された輝度値とを加算し、加算された輝度値からステップＳ４において計算された平均輝度値を差し引く。つまり、このステップＳ５では、画像に含まれる全画素分の繰り返し計算を行う。

ステップＳ６では、制御部３０は、ステップＳ５における輝度計算により作成される重ね合わせ画像をモニタ４０に表示し、ステップＳ７に移行する。
ステップＳ７では、制御部３０は、重ね合わせ画像のコントラストが所定値以上であるか否かを判定する。具体的には、制御部３０は、重ね合わせ画像における隣り合う画素の輝度値の差が、予め設定された所定値（例えば、２５６階調の画像で２０）以上であるか否かを判定する。

そして、制御部３０は、重ね合わせ画像のコントラストが所定値未満であると判定した場合にはステップＳ１に戻り、重ね合わせ画像のコントラストが所定値以上であると判定した場合には、ステップＳ８に移行する。
重ね合わせ画像のコントラストが所定値未満であると判定された場合、ステップＳ１では、モニタ４０に表示されている重ね合わせ画像が、各画素の輝度値とともに第１のメモリに保存される。また、ステップＳ２では、再度、ＣＣＤカメラ２４により撮像された、ワークＷのワークマークＷＡＭを含む領域の画像が取り込まれ、ステップＳ３では、その取込画像が、各画素の輝度値とともに第２のメモリに保存される。そして、ステップＳ４では、重ね合わせ画像と再度取り込んだ取込画像との平均輝度値が計算され、ステップＳ５において、重ね合わせ画像が更新される。この重ね合わせ画像の更新は、当該重ね合わせ画像のコントラストが所定値以上となるまで繰り返される。

ステップＳ８では、制御部３０は、ステップＳ５における輝度計算により作成された重ね合わせ画像に基づいて、ワークマークＷＡＭを検出する。具体的には、制御部３０は、重ね合わせ画像を、ワークマークＷＡＭのテンプレート画像と比較するパターンサーチによって、ワークマークＷＡＭを検出する。制御部３０は、ワークマークＷＡＭを検出すると、図２に示す処理を終了する。
なお、図２に示す処理において、ステップＳ１の処理が第一の輝度取得部に対応し、ステップＳ３の処理が第二の輝度取得部または第三の輝度取得部に対応している。また、ステップＳ４、Ｓ５およびＳ７の処理が、重ね合わせ画像作成部に対応している。また、ステップＳ６の処理が表示部に対応し、ステップＳ８の処理がアライメントマーク検出部に対応している。

以下、図３を用いて、アライメントマーク（ワークマーク）の検出手順について具体的に説明する。ここでは、分かりやすいように、以下のように極端に単純化した例を用いて説明する。
（前提）
アライメント顕微鏡２０により撮像された画像は、四つの画素（ｐｘ１，ｐｘ２，ｐｘ３，ｐｘ４）に分けられている。ワークマークＷＡＭは、画素ｐｘ２に存在する。四つの画素の輝度値が、制御部３０の画像処理部３１による画像処理により２０階調のグレースケールで得られる。ここで、輝度は、輝度値が大きいほど高く（明るく）、輝度値が小さいほど低い（暗い）。そして、隣り合う画素の輝度値の差が５以上あれば、アライメントマークとして検出できるものとする。

（第一の工程）
アライメント顕微鏡２０により、ワークＷの、ワークマークＷＡＭを含む領域を撮像する。このとき撮像された画像を第一画像とする。第一画像は、画像処理部３１において画像処理され、各画素の輝度値が演算される。図３（ａ）にその結果を示す。ここでは、四つの画素（ｐｘ１，ｐｘ２，ｐｘ３，ｐｘ４）の輝度値が、（８，５，７，７）である場合について説明する。演算された輝度値は、画像データとともに記憶部３２に記憶される。
上記したように、ワークマークＷＡＭは、画素ｐｘ２に存在する。そのため、画素ｐｘ２の輝度は、隣り合う画素（ｐｘ１,ｐｘ３）よりも若干暗い。しかしながら、その差は、画素ｐｘ１に対しては輝度値で３、画素ｐｘ３に対しては輝度値で２しかない。したがって、この第一画像からは、ワークマークＷＡＭを検出することができない。

（第二の工程）
アライメント顕微鏡２０により、第一の工程で撮像された第一画像と同じ撮像領域を再度撮像する。このとき撮像された画像を第二画像とする。そして、第一画像と同様に、第二画像の各画素の輝度値を求める。図３（ｂ）にその結果を示す。この第二画像の各画素の輝度値は、それぞれ（７，４，６，６）であったとする。演算された輝度値は、画像データとともに記憶部３２に記憶される。
第二画像においても、第一画像と同様に、画素ｐｘ２の輝度は、隣り合う画素（ｐｘ１,ｐｘ３）よりもやや暗いが、やはりその差は輝度値で５未満である。したがって、この第二画像からも、ワークマークＷＡＭを検出することはできない。

（第三の工程）
記憶部３２に記憶された第一画像の各画素の輝度値と第二画像の各画素の輝度値とを呼び出し、呼び出した輝度値を画素ごとに加算する。これにより作成された画像を、加算画像とする。加算画像の各画素の輝度値は、図３（ｃ）に示すように（１５，９，１３，１３）となる。
その一方で、第一画像と第二画像との平均輝度値を計算する。ここで、平均輝度値とは、第一画像の各画素の輝度値と第二画像の各画素の輝度値との合計を、第一画像の画素数と第二画像の画素数との和で割った値である。即ち、第一画像と第二画像との平均輝度値は、以下のようになる。
平均輝度値＝｛（8+5+7+7）＋（7+4+6+6）｝／（4+4）＝6.25 ………（１）
なお、平均輝度値は、処理の簡略化のため、小数点以下を四捨五入してもよい。ここでは、平均輝度値を６とする。

次に、図３（ｃ）の加算画像の各画素の輝度値から、平均輝度値６を差し引く。これにより作成された画像を、第一画像と第二画像との重ね合わせ画像［イ］とする。この重ね合わせ画像［イ］の各画素の輝度値は、図３（ｄ）に示すように（９，３，７，７）となる。演算された輝度値は、画像データとともに記憶部３２に記憶される。
この重ね合わせ画像［イ］においては、画素ｐｘ２と画素ｐｘ１との輝度値の差は６であり、所定値５以上となっている。しかしながら、画素ｐｘ２と画素ｐｘ３との輝度値の差は４であり、所定値５未満である。したがって、この重ね合わせ画像［イ］からも、ワークマークＷＡＭを検出することは難しい。

（第四の工程）
背景とワークマークＷＡＭとのコントラストをより大きくするために、アライメント顕微鏡２０により、第一画像および第二画像と同じ撮像領域を再度撮像する。このとき撮像された画像を第三画像とする。そして、第三画像の各画素の輝度値を求める。図３（ｅ）にその結果を示す。この第三画像の各画素の輝度値は、それぞれ（９，７，８，８）であったとする。演算された輝度値は、画像データとともに記憶部３２に記憶される。

（第五の工程）
記憶部３２に記憶された重ね合わせ画像［イ］の各画素の輝度値と第三画像の各画素の輝度値とを呼び出し、呼び出した輝度値を画素ごとに加算する。これにより作成された加算画像の各画素の輝度値は、図３（ｆ）に示すように（１８，１０，１５，１５）となる。
また、上記の第三の工程と同様に、重ね合わせ画像［イ］と第三画像との平均輝度値を計算すると、平均輝度値は以下のようになる。
平均輝度値＝｛（9+3+5+5）＋（9+7+8+8）｝／（4+4）＝6.75 ………（２）
なお、ここでは上記と同様に、小数点以下を四捨五入し、平均輝度値を７とする。

次に、図３（ｆ）の加算画像の各画素の輝度から、平均輝度値７を差し引く。これにより作成された画像を、重ね合わせ画像［イ］と第三画像との重ね合わせ画像［ロ］とする。この重ね合わせ画像［ロ］は、第一画像と第二画像と第三画像とに対して重ね合わせ処理をした画像となる。重ね合わせ画像［ロ］の各画素の輝度値は、図３（ｇ）に示すように（１１，３，８，８）となる。
この重ね合わせ画像［ロ］においては、画素ｐｘ２と画素ｐｘ１との輝度値の差が８、画素ｐｘ２と画素ｐｘ３との輝度値の差が５であり、いずれも所定値５以上となっている。したがって、この重ね合わせ画像［ロ］からは、画素ｐｘ２に存在するワークマークＷＡＭを適切に検出することができる。

（第六の工程）
重ね合わせ画像［ロ］に基づいて、ワークマークＷＡＭを検出する。具体的には、重ね合わせ画像［ロ］を、ワークマークＷＡＭのテンプレート画像と比較するパターンサーチを行い、ワークマークＷＡＭを検出する。
なお、テンプレート画像は、ワークＷのワークマークＷＡＭを含む領域を複数回撮像した複数のワークマーク画像に対して、ワークマークＷＡＭを検出する場合と同様の重ね合わせ処理を行って作成してもよい。この場合、画像の重ね合わせ回数は、予め設定された所定の回数とすることができる。

また、上記のように、重ね合わせ処理を用いてテンプレート画像を作成した場合、ワークマークＷＡＭを検出する際の重ね合わせ処理における画像の重ね合わせ回数は、上記の予め設定された所定の回数と同等であることが好ましい。この場合、図２のステップＳ７では、画像の重ね合わせ回数が予め設定された回数に達したか否かを判定することで、予め設定された回数だけ重ね合わせ画像の更新を繰り返すようにしてもよい。
なお、画像の重ね合わせ回数は、予め制御部３０にて設定することができる。例えば、何種類かのサンプルから実験を行い、確実にワークマークＷＡＭが検出できる回数を設定するようにしてもよい。重ね合わせの回数が少ないほど、ワークマークＷＡＭの検出に費やす時間を短くし、処理時間全体の短縮化を図ることができるため、重ね合わせの回数は、確実にワークマークＷＡＭが検出できる最低回数に設定することが好ましい。

図４（ａ）～図４（ｃ）は、モニタ４０に表示されたワークマークＷＡＭの画像と、当該画像における検知線Ａ上の各画素の輝度値Ｌと、を示す図である。ここで、図４（ａ）は重ね合わせをしていない元画像、図４（ｂ）は３回の重ね合わせをした重ね合わせ画像、図４（ｃ）は５回の重ね合わせをした重ね合わせ画像について示している。これらの画像は、２５６階調のグレースケール画像である。
図４（ａ）～図４（ｃ）の画像中において、黒い円環状のものがワークマークＷＡＭである。なお、図４（ａ）～図４（ｃ）では、ワークマークＷＡＭに相当する画素の輝度は低く、その周辺の背景の輝度が高い場合について示しているが、例えば照明法（暗視野照明、明視野照明）によって画像中のワークマークＷＡＭの見え方は異なる。

制御部３０は、このワークマークＷＡＭと背景とコントラスト（輝度値の差）を利用して、画像中のワークマークＷＡＭの位置を検出する。
図４（ａ）に示すように、元画像においては、背景に相当する画素の輝度値Ｌ１とワークマークＷＡＭに相当する画素の輝度値Ｌ２との差が小さく、輝度値の差は５であった。そのため、元画像からは、ワークマークＷＡＭを検出することができなかった。
図４（ｂ）に示すように、３回の重ね合わせをした重ね合わせ画像においては、背景に相当する画素の輝度値Ｌ１とワークマークＷＡＭに相当する画素の輝度値Ｌ２との差は、図４（ａ）に示す元画像における輝度値の差よりも大きくなった。輝度値Ｌ１と輝度値Ｌ２との差は１５であった。この場合、ワークマークＷＡＭを検出することができた。
図４（ｃ）に示すように、５回の重ね合わせをすると、背景に相当する画素の輝度値Ｌ１とワークマークＷＡＭに相当する画素の輝度値Ｌ２との差はさらに大きくなり、２５となった。この場合、ワークマークＷＡＭを高精度に検出することができた。

以上説明したように、本実施形態におけるアライメントマーク検出装置としての制御部３０は、ワークＷにおけるワークマークＷＡＭを含む領域が撮像された第一画像を取得し、当該第一画像の各画素の輝度値を取得する。また、制御部３０は、第一画像と同じ領域が撮像された第二画像を取得し、当該第二画像の各画素の輝度値を取得する。さらに、制御部３０は、第一画像の各画素の輝度値と第二画像の各画素の輝度値とを加算し、加算した各画素の輝度値から第一画像と第二画像との平均輝度値を差し引いた重ね合わせ画像を作成する。そして、制御部３０は、作成された重ね合わせ画像に基づいて、ワークマークＷＡＭを検出する。

このように、ワークＷ上のワークマークＷＡＭを含む領域を撮像して得られた複数枚の画像を重ね合わせるので、背景に対して輝度差の小さいワークマークＷＡＭを撮像した画像であっても、背景とワークマークＷＡＭとにコントラストを付けた重ね合わせ画像を作成することができ、ワークマークＷＡＭを適切に検出することができる。また、画像の重ね合わせ処理を繰り返し、重ね合わせ画像を繰り返し更新することで、背景とワークマークＷＡＭとのコントラストをより高めることができる。
つまり、制御部３０は、第一画像および第二画像と同じ領域が撮像された第三画像を取得し、当該第三画像の各画素の輝度値を取得してもよい。そして、制御部３０は、重ね合わせ画像の各画素の輝度値と第三画像の各画素の輝度値とを加算し、加算した各画素の輝度値から重ね合わせ画像と第三画像との平均輝度値を差し引き、重ね合わせ画像を更新してもよい。

また、制御部３０は、重ね合わせ画像において隣り合う画素の輝度値の差が所定値以上となるまで、重ね合わせ画像の更新を繰り返すことができる。ここで、重ね合わせ画像が２５６階調の画像である場合、上記所定値は１５以上２０以下の値とすることができる。
これにより、重ね合わせ画像中のワークマークＷＡＭと背景とのコントラストが、ワークマークＷＡＭを検出可能なコントラストとなるまで、確実に画像の重ね合わせ処理を繰り返すことができる。したがって、最終的に作成された重ね合わせ画像に基づいて、適切にワークマークＷＡＭを検出することができる。また、不必要に重ね合わせ画像の更新を繰り返すのを防止することができるので、その分の処理負荷を軽減することができる。

さらに、重ね合わせに使用する画像は、一つの同じ画像ではなく、都度撮像して得られた画像であるため、ノイズを除去しつつコントラストを付けることができる。
撮像した画像には、様々な理由でノイズが含まれる。同じ画像を重ね合わせに使用すると、ノイズによる濃淡も重ね合わせを繰り返すたびに強調されることになり、場合によっては誤検出の原因となる。都度撮像した画像を重ね合わせに使用することで、上記ノイズをキャンセルすることができ、ワークマークＷＡＭの誤検出を抑制することができる。

また、重ね合わせ画像の作成に際し、加算画像の各画素の輝度値から、重ね合わせに使用した画像の平均輝度値を差し引くので、重ね合わせ画像の各画素の輝度値がグレースケールの上限値を超える（オーバーフローする）ことを確実に防止することができる。また、差し引く値を平均輝度値とすることで、重ね合わせ前の画像に対して全体の明るさを変えずに重ね合わせ画像を作成することができる。
画像の重ね合わせに際し、単純に各画素の輝度値を足し合わせるだけでは、各画素の輝度値が大きくなって重ね合わせ画像が全体的に白っぽくなってしまう。また、場合によっては、輝度値がオーバーフローしてしまう。この場合、パターンサーチによるワークマークＷＡＭの検出を適切に行うことができない。また、重ね合わせ画像をモニタ４０に表示した場合、目視でのワークマークＷＡＭの確認ができない。

本実施形態のように、加算画像の各画素の輝度値から平均輝度値を差し引いて重ね合わせ画像を作成することで、重ね合わせ前の画像に対して全体の明るさを変えないようにすることができ、重ね合わせ画像に基づくワークマークＷＡＭの検出や、重ね合わせ画像の目視での確認を適切に行うことができる。
なお、平均輝度値を差し引くのではなく、予め設定した固定値を差し引くことも考えられる。しかしながら、その場合、上記固定値が重ね合わせ前の画像の全体の輝度値に対して小さく設定されていると、固定値を差し引いた後の重ね合わせ画像は白っぽいままとなってしまう。また、上記固定値が重ね合わせ前の画像の全体の輝度値に対して大きく設定されていると、固定値を差し引いた後の重ね合わせ画像は黒っぽくなってしまう。いずれにしても、パターンサーチによるワークマークＷＡＭの検出、および、目視による確認には不適である。

また、平均輝度値は、画像の大部分を占める背景領域の輝度値に近い。そのため、加算画像の各画素の輝度値から平均輝度値を差し引くようにすることで、画像の重ね合わせを繰り返しても、重ね合わせ画像の背景領域の輝度が重ね合わせ前の画像の背景領域の輝度から大きく変化しないようにすることができる。つまり、背景の明るさの変化を抑制しつつ、ワークマークＷＡＭと背景とのコントラストを高めることができる。したがって、パターンサーチによるワークマークＷＡＭの検出、および、目視による確認を適切に行うことができる。

このように、本実施形態におけるアライメントマーク検出装置は、背景に対して輝度差の小さいワークマークＷＡＭであっても適切に検出することができる。

（変形例）
上記実施形態においては、重ね合わせ画像を作成する際に、加算画像の各画素の輝度値から重ね合わせ前の二枚の画像の平均輝度値を差し引く場合について説明したが、いずれか一方の画像の平均輝度値を差し引くようにしてもよい。
また、加算画像の各画素の輝度値から差し引く値は平均輝度値に限定されるものではなく、重ね合わせる前の二枚の画像の少なくとも一方の輝度値に基づく値であればよい。例えば、加算画像の各画素の輝度値から差し引く値は、重ね合わせる前の二枚の画像の少なくとも一方におけるワークマークＷＡＭを含まない背景領域の輝度値であってもよい。

上述したように、ワークマークＷＡＭを撮像した画像の大部分は、ワークマークＷＡＭを含まない背景領域であり、当該画像の平均輝度値は背景領域の輝度値に近い。したがって、背景領域の輝度値を予め取得しておき、加算画像の各画素の輝度値から差し引くようにしても、平均輝度値を差し引く場合と同等の効果が得られる。
背景領域の輝度は、ワークＷの材料や反射率、照明光の色や出力、ＣＣＤカメラ２４の感度に応じて異なる。したがって、ワークＷにおけるワークマークＷＡＭを含む領域のうち、ワークマークＷＡＭを含まない背景領域をＣＣＤカメラ２４によって撮像し、撮像された画像の平均輝度値を計算することで、背景領域の輝度値を取得することが好ましい。このように、加算画像の各画素の輝度値から予め取得した背景領域の輝度値を差し引くようにすることで、画像の重ね合わせを繰り返すたびに平均輝度値を演算する必要がなくなり、その分の処理負荷を軽減することができる。

さらに、上記実施形態においては、露光装置１００がアライメントマーク検出装置を備える場合について説明したが、例えば光加工装置（レーザ加工装置など）にも適用可能である。

１１…光照射部、１２…投影レンズ、２０…アライメント顕微鏡、２１…ハーフミラー、２２…ＣＣＤカメラ、２３…レンズ、２４…レンズ、２５…照明部、３０…制御部、３１…画像処理部、３２…記憶部、４０…モニタ、１００…露光装置、Ｍ…マスク、ＭＡＭ…アライメントマーク（マスクマーク）、ＭＰ…マスクパターン、ＭＳ…マスクステージ、Ｗ…ワーク、ＷＡＭ…アライメントマーク（ワークマーク）、ＷＳ…ワークステージ

Claims (10)

1. ワーク上に形成されたアライメントマークを検出するアライメントマーク検出装置であって、
   前記ワークにおける前記アライメントマークを含む領域が撮像された第一画像を取得し、当該第一画像の各画素の輝度値を取得する第一の輝度取得部と、
   前記第一画像と同じ領域が撮像された第二画像を取得し、当該第二画像の各画素の輝度値を取得する第二の輝度取得部と、
   前記第一の輝度取得部により取得された前記第一画像の各画素の輝度値と、前記第二の輝度取得部により取得された前記第二画像の各画素の輝度値とを加算し、加算した各画素の輝度値から前記第一画像および前記第二画像の少なくとも一方の各画素の輝度に基づく値を差し引いた重ね合わせ画像を作成する重ね合わせ画像作成部と、
   前記重ね合わせ画像作成部により作成された重ね合わせ画像に基づいて、前記アライメントマークを検出するアライメントマーク検出部と、を備えることを特徴とするアライメントマーク検出装置。
2. 前記重ね合わせ画像作成部は、
   前記加算した各画素の輝度値から、前記第一画像および前記第二画像の少なくとも一方の平均輝度値を差し引き、前記重ね合わせ画像を作成することを特徴とする請求項１に記載のアライメントマーク検出装置。
3. 前記重ね合わせ画像作成部は、
   前記加算した各画素の輝度値から、前記第一画像および前記第二画像の少なくとも一方における前記アライメントマークを含まない背景領域の輝度値を差し引き、前記重ね合わせ画像を作成することを特徴とする請求項１に記載のアライメントマーク検出装置。
4. 前記アライメントマーク検出部は、
   前記重ね合わせ画像作成部により作成された重ね合わせ画像を、前記アライメントマークのテンプレート画像と比較するパターンサーチにより前記アライメントマークを検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアライメントマーク検出装置。
5. 前記第一画像および前記第二画像と同じ領域が撮像された第三画像を取得し、当該第三画像の各画素の輝度値を取得する第三の輝度取得部をさらに備え、
   前記重ね合わせ画像作成部は、さらに、
   前記重ね合わせ画像の各画素の輝度値と、前記第三の輝度取得部により取得された前記第三画像の各画素の輝度値とを加算し、加算した各画素の輝度値から前記重ね合わせ画像および前記第三画像の少なくとも一方の各画素の輝度に基づく値を差し引き、前記重ね合わせ画像を更新することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のアライメントマーク検出装置。
6. 前記重ね合わせ画像作成部は、予め設定された回数だけ前記重ね合わせ画像の更新を繰り返すことを特徴とする請求項５に記載のアライメントマーク検出装置。
7. 前記重ね合わせ画像作成部は、前記重ね合わせ画像において隣り合う画素の輝度値の差が所定値以上となるまで、前記重ね合わせ画像の更新を繰り返すことを特徴とする請求項５に記載のアライメントマーク検出装置。
8. 前記重ね合わせ画像が２５６階調の画像である場合、前記所定値は、１５以上２０以下の値であることを特徴とする請求項７に記載のアライメントマーク検出装置。
9. 前記重ね合わせ画像作成部により作成された重ね合わせ画像を表示する表示部をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のアライメントマーク検出装置。
10. ワーク上に形成されたアライメントマークを検出するアライメントマーク検出方法であって、
    前記ワークにおける前記アライメントマークを含む領域が撮像された第一画像を取得し、当該第一画像の各画素の輝度値を取得するステップと、
    前記第一画像と同じ領域が撮像された第二画像を取得し、当該第二画像の各画素の輝度値を取得するステップと、
    前記第一画像の各画素の輝度値と前記第二画像の各画素の輝度値とを加算し、加算した各画素の輝度値から前記第一画像および前記第二画像の少なくとも一方の各画素の輝度に基づく値を差し引いた重ね合わせ画像を作成するステップと、
    前記重ね合わせ画像に基づいて、前記アライメントマークを検出するステップと、を含むことを特徴とするアライメントマーク検出方法。

Images