JPH0723846B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する分野］ 本発明は、被検物体そのものまたは被検物体上のパター
ン位置を検出する装置に関し、特にテレビカメラ（撮像
管）あるいはCCD等の撮像手段で撮像して得た画像信号
を適応的に二値化し、その二次元二値画像中の特定画像
パターンの位置座標を比較的小型のテンプレートを用い
たテンプレートマッチング処理により検出する位置検出
装置に関する。

このような位置検出装置は、例えば半導体焼付工程でウ
エハあるいはマスク（またはレチクル）を位置合せする
場合に好適に用いられる。

［従来の技術］ 従来より、様々な位置検出装置において、ある対象物例
えばマーク等を検出するとき、撮像手段によって得られ
る対象物の映像出力信号を例えば256階調（８ビット）
あるいは64階調（６ビット）等にデジタル化して一旦フ
レームメモリに格納した後二値化処理を行ない、この二
値化データについてテンプレートマッチング処理によっ
て被検物体の画像パターンを検出することは広く知られ
ている。

この二値化処理における二値化閾値は、撮像時の照明光
の光量、被撮像物の反射率等の入力状況により変化し、
このことは対象物を明瞭に切り出した二値画像を得るこ
とを困難としている。

このような場合、二値化閾値を得るには入力画像の全画
素について濃度ヒストグラムを抽出し、その谷にあたる
部分を閾値とする方法が一般的である。例えば、第９図
（ａ）のような画像の濃度ヒストグラムは同図（ｂ）の
ようになり、背景による山と対象物による山が現われ
る。従って、２つの山の谷の部分を閾値とすれば対称物
と背景に分離できる。

しかし、特に半導体焼付装置等において、ウエハ上のあ
るマークを検出するために、撮像手段によって得られた
入力画像を二値化する場合、 （１）ウエハの種類、ウエハの表面処理の違い、照度む
ら、照明光の経時的光量変化により二値化閾値が変化す
る （２）濃度ヒストグラムより二値化閾値を決定する場
合、第９図（ｃ）のように撮像視野に対してマークの大
きさが非常に小さいと、その濃度ヒストグラムは同図
（ｄ）のようになり背景による山がヒストグラムの大部
分を占め、同図（ｂ）のような谷ができず二値化閾値を
はっきりと決定できない という問題点により対象物（マーク）を明瞭に切り出し
た二値画像を得ることは困難であった。

また、テンプレートマッチング処理ではテンプレートを
大きくするとメモリ容量が増え、ハードウェア規模が大
きくなったり、処理速度が低下するという問題がある。

一方、テンプレートを小さくした場合、 （１）目的パターンの特徴をテンプレートに充分に反映
することができず、誤検知の原因となる （２）ノイズパターンの影響を受け易く、誤検知の原因
となる というような欠点がある。

以上のように、従来は対象物（マーク）の特徴が明瞭に
現われた二値画像を得ることは困難であり、一方、対象
物の特徴が明瞭に現われていない二値画像を用いてテン
プレートマッチング処理を行なうと、未検知、誤検知の
原因となるという問題点があった。

また、従来技術においては、例えば、特公昭第52−1411
2号公報に開示されているように、二次元二値画像デー
タ全面を対象にして逐次テンプレートのマッチングをと
るが、この処理に長時間を要するという問題もある。

［発明の構成と作用］ 本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、
位置検出装置において、検出率を高めかつマッチングに
要する時間を短縮することにある。

この目的を達成するため本発明の位置検出装置は、物体
の形状または該物体上の位置検出用のマークの画像パタ
ーンを撮像して映像信号を出力する撮像手段と、上記映
像信号を量子化し二次元の濃淡画像データとする量子化
手段と、上記二次元濃淡画像データを二値化し二次元二
値画像データとする手段と、上記画像パターンの複数の
部分画像テンプレートを格納するテンプレート群格納メ
モリと、上記二次元二値画像データと上記部分画像テン
プレートのパターンを比較するパターン比較回路と、上
記パターン比較回路を制御して上記テンプレート群格納
メモリの一つの捜索用部分画像テンプレートと上記二次
元二値画像データとの第１のパターン比較を行い、パタ
ーンが一致したときは一致位置近辺の小領域を設定し、
前記小領域内で前記捜索用部分画像テンプレートとは異
なる前記部分画像テンプレートを指定して第２のパター
ン比較を行うと共に前記第１のパターン比較結果に基づ
いて前記画像パターンか否かの判定を行うテンプレート
マッチング制御回路とを備える。

この構成において、第１のパターン比較においては、二
次元二値画像データ全面に対して比較が行われるが部分
的な捜索用部分画像テンプレートが用いられ、かつ一値
した場合のみ第２のパターン比較へ移行して小領域内で
のみ他の部分画像テンプレートとのマッチングが行われ
るため、マッチグ処理が効率的に行われ、処理時間が短
縮される。また、第２のパターン比較は設定された小領
域内でのみ比較が行われるため、その小領域外のパター
ンやノイズパターンの影響が防止される。また、テンプ
レートは分割されており、それぞれ小型のもので十分で
あるため、装置構成がその分簡便なものとなる。

［実施例］ 以下、図面に従って本発明の実施例を説明する。本実施
例では二値化部にラプラシアン回路を用いた場合を示す
が、後述するようにラプラシアン回路に限るわけではな
い。

第７図は、本発明の一実施例に係る位置検出装置が適用
されるパターン焼付け装置の外観を示す。同図におい
て、１は集積回路パターンを具えたマスク（またはレチ
クル）で、他のマスクセッティングマークやファイン・
アライメントマークを具えるものとする。２はマスクチ
ャックで、マスク１を保持してマスク１を平面内並びに
回転方向に移動させる。３は縮小投影レンズである。４
は感光層を具えるウエハで、ファイン・アライメントマ
ークとプリアライメントマークを具えるものとする。５
はウエハステージで、ウエハ４を保持してそれを平面内
並びに回転方向に移動させたり、ウエハ焼付け位置（投
影野内）とテレビ・プリアライメント位置間を移動す
る。６は、テレビ・プリアライメント用検知装置の対物
レンズ、７は撮像管（または固体撮像素子）、８は映像
観察用のテレビ受像器である。９は双眼ユニットで、投
影レンズ３を介してウエハ４の表面を観察するために役
立つ。10は、光源10aを発したマスク照明光を収束させ
るための照明光学系並びにファイン・アライメント用の
検知装置を収容する上部ユニットである。

ウエハステージ５は図示しないウエハ搬送手段により搬
送されたウエハ４を所定の位置で保持し、まず、テレビ
・プリアライメント用対物レンズ６の視野内にウエハの
プリアライメントマークが入る位置まで移動する。この
時の位置精度は機械的なプリアライメント精度によるも
のであり、対物レンズ６の視野はおよそ直径１〜2mm程
度である。この視野内のアライメントマークは撮像管７
で検知され、テレビ・プリアライメント視野内でのアラ
イメントマークの座標位置が検出される。ここで、投影
光学系のファイン・アライメント用の検知位置と前述の
テレビ・プリアライメントにおける座標の原点は予め設
定されているのでこの２点の位置と、テレビ・プリアラ
イメントマークの座標位置からファイン・アライメント
位置へのウエハ・ステージ５の送り込み量が決められ
る。

テレビ・プリアライメントの位置検出精度は±５μ以下
であり、テレビ・プリアライメント位置からファイン・
アライメント位置までのウエハ・ステージ５の移動で発
生する誤差を考慮に入れても、±10μ程度である。従っ
てファイン・アライメントは約±10μの範囲で行なえば
よく、これはテレビ・プリアライメントを行なわない場
合のファイン・アライメントの視野範囲の1/100以下の
範囲であり、ファイン・アライメントがより高速で行な
えることになる。

第８図はテレビ・プリアライメント用検知装置の実施例
を示しており、図中の縮小投影レンズ３、ウエハ４、対
物レンズ６、撮像管７は第７図と同一である。

他方、11は照明用光源で、例えばハロゲンランプを使用
する。12はコンデンサレンズである。13（13Aと13B）は
交換的に着脱される明視野絞りと暗視野絞りで、図では
明視野絞り13Aを光路中に装着している。コンデンサレ
ンズ12は光源11を絞り13上に結像する。14は照明用リレ
ーレンズ、15は接合プリズムで、接合プリズム15は照明
系の光軸と受光系の光軸を共軸にする機能を持ち、内側
反射面15aと半透過反射面15bを備える。ここで光源11、
コンデンサレンズ12、絞り13、照明リレーレンズ14、接
合プリズム15および対物レンズ６は照明系を構成し、対
物レンズ６を射出した光束はウエハ４上を落射照明す
る。

また、16はリレーレンズ、17は光路を折曲げる鏡、19は
撮像レンズで、上に述べた接合プリズム15、リレーレン
ズ16、鏡17および撮像レンズ19は、撮像管７と共に受光
系を構成する。この受光系において、対物レンズ６を通
る光束は接合プリズム15の内側反射面15aで反射して半
透過面15bで反射し、さらに内側反射面15aで再度反射し
てリレーレンズ16へ向う。これにより、ウエハ４上のプ
リアライメントマーク像は撮像管７の撮像面に結像す
る。

次に、プリアライメントマークの検知作用を述べる。照
明用光源11からの光束は、コンデンサレンズ12で収斂さ
れて絞り13の開口を通過し、さらに照明リレーレンズ14
および接合プリズム15の半透過面15bを透過して反射面1
5aで反射し、対物レンズ６を通ってウエハ４を照明す
る。ウエハ４の表面で反射した光束は対物レンズ６で結
像作用を受け、接合プリズム15へ入射して反射面15aお
よび半透過面15bで反射し、次いで反射面15aで再度反射
してこれを射出し、リレーレンズ16でリレーされて鏡17
で反射し、撮像レンズ19により撮像管７上に結像する。

この場合、絞り13として先ず明視野絞り13Aを用いてウ
エハ４面のプリアライメントマークが撮像管７の撮像野
内にあるか否かを確認し、無ければ必要に応じてウエハ
４を移動し該マークの検索を行なって該マークを撮像野
内に来たらしめる。次いで、絞り13を暗視野絞り13Bと
交換し視野を暗視野状態に切換えて、プリアライメント
マーク像が明瞭に見得るようにし、これを撮像してプリ
アライメントマーク像の位置を検出する。すなわち、検
出されたマーク位置を示すピーク信号に電気的処理を行
ない、マークの位置を検出する。

ウエハステージ５は後述する電気的処理により検出され
たプリアライメントマークの位置に応じてウエハ４が投
影レンズ３の投影視野中の規定位置４′を占める用に移
動して停止する。なお、ウエハ４を一旦標準位置にアラ
イメントし、その投影野中へ移動させる用に変形しても
良い。

第１図は、本発明に係る位置検出装置の画像二値化部の
ハードウェアの構成を示す。同図において、20はアナロ
グ・デジタル変換器（以下、A/D変換器という）で、ア
ナログ信号である映像信号を256階調のデジタル信号に
変換する。21はデジタル信号を記憶する二次元濃淡画像
メモリ、22はラプラシアン回路である。このラプラシア
ン回路22は、デジタル画像処理においてコンボリューシ
ョン（画像データと所定のフィルタとの積和演算）を行
なうもので、このフィルタとしてラプラシアンフィルタ
（二次微分フィルタ）を用いてコンボリューションを行
なうものである。23は比較部で、その動作は後述する。
24はマイクロプロセッサである。25は濃淡画像の濃度ヒ
ストグラムを抽出するヒストグラム抽出部、26は二次元
濃淡画像データを二値化した二値画像を記憶する二次元
二値画像メモリである。テレビカメラ等の画像入力装置
からのビデオ信号はある一定間隔でサンプリングされ、
A/D変換器20により256階調にデジタル化されて濃淡画像
メモリ21に格納される。入力画像は512×512画素に分割
されており、各画素が256階調のうちある濃度をもった
デジタル画像に変換される。二値化動作は、二値化閾
値決定動作および二値化動作の二段階構成となる。比
較部23はの両方の動作に使われる。

まず、二値化閾値決定動作について説明する。マイクロ
プロセッサ24は、濃淡画像メモリ21のある注目画素を中
心とする３×３近傍の画素の濃度値はラプラシアン回路
22へ送り、かつラプラシアン回路22での演算時間分の遅
延の後に注目画素の濃度値を比較部23に送る。ラプラシ
アン回路22は第２図（ａ）または（ｂ）のマトリクスと
送られてきたデータの間で積和演算を行ない、結果を比
較部23へ送る。比較部23ではラプラシアン回路22の演算
結果とマイクロプセッサ24からの指令値（第１回目の指
令値は予め例えば255というように決定しておく）とを
比較し、 （ラプラシアン回路22の演算結果）＞（指令値）の場合
は、濃淡画像メモリ21から送られてきた注目画素の濃度
値をそのままヒストグラム抽出部25に送り、そうでない
場合は０を送る。ヒストグラム抽出部25では送られてき
た濃度値を256階調（０〜255）に区別してその頻度を格
納して濃度ヒストグラムを作成し、かつ０でない濃度値
の数をカウントする。以上の動作を一画面の全画素につ
いて行なう。

次に、０でない濃度値の総数がある一定値（これは画像
中の対象物の大まかな大きさによって決定できる）を越
えていれば、マイクロプロセッサ24はヒストグラム抽出
部25の結果から濃度値０の部分は除いて判別分析法（双
峰性ヒストグラムの分散最大による２分割法）あるいは
Ｐ−タイル法等により二値化閾値を計算する（判別分析
法あるいはＰ−タイル法については、コロナ社「画像認
識論」長尾誠著、“４−1 二値化としきい値処理”に詳
述されている）。

また、０でない濃度値の総数が足りない場合には比較部
23での指令値を下げ、もう一度同じ動作を繰り返す。

以上が二値化閾値決定動作である。二値化動作は、
二値化閾値決定動作によって決定された二値化閾値で
比較部23により濃淡画像メモリ21の全画素を二値化し、
二値化画像メモリ26に結果を格納する。

ラプラシアン回路22は、画像内で濃度変化の起こってい
る部分を検出する回路であるから、第２図（ａ）（ｂ）
に示したマトリクス以外に、一次微分オペレータ、例え
ばRobertsのオペレータやSobelのオペレータを使用して
も同様の効果を得ることができる。

また、他のオペレータとして同図（ｃ）（ｄ）のいずれ
かのマトリックスを使用すると同様の効果を得られ、か
つ回路のハード構成を簡単なものにできる。

この実施例ではラプラシアン回路22を用いることによっ
て入力画像中の対象物のエッジ部分、つまり濃度変化の
起こっている部分にあたる画素についてのみ濃度ヒスト
グラムを作るため、対象物の大きさによらず常に双峰性
のヒストグラムを得ることができ、かつ判別分析法によ
って双峰性を示す二つの山のクラス間分散を計算するた
め安定して二つの山の谷部を発見できる。よって照明光
の明るさ、対象物の大きさによらず、常に安定した二値
画像を得ることが可能である。

さらに、ラプラシアン回路22を使用する代わりに、アナ
ログ微分回路などを用いてエッジ検出部としてA/D変換
器20の前に置き、エッジ位置を検出しながらビデオ信号
のデジタル化を行なうという構成をとることもできる。

この場合も、ラプラシアン回路22を用いた場合と同様の
濃度変化の起こっている部分にあたる画素についてのみ
濃度ヒストグラムを作るため、対象物の大きさによらず
常に双峰性のヒストグラムを得ることができ、常に安定
した二値画像を得ることが可能である。

次に、以上の方法により得られた二値画像からマーク位
置を検出する方法について説明する。

第３図は、本発明に係る位置検出装置の位置検出部のハ
ードウェアの構成を示す。同図において、27はテンプレ
ート群格納メモリ、28はテンプレート群格納メモリ27の
テンプレートと二値画像メモリ26とのパターン比較を行
なうパターン比較回路、29はパターン比較の結果を格納
する比較結果格納メモリである。画像二値化部によって
得られた二値画像に対し、マイクロプロセッサ24より指
定されたテンプレートが、パターン比較回路28にて比較
され、比較結果が比較結果格納メモリ29に記録される。
次にマイクロプロセッサ24により、比較結果の適合性を
判定した後、マーク位置を計算する。マークとして不適
合と判定された場合には、その部分を不図示の０値書き
込み部により、０値で書きつぶし、位置検出の最初の処
理にもどる。

マーク位置検出処理の一例を第４図に示す。同図（Ａ）
のような二値画像からマーク位置を検出する場合、まず
画像内においてテンプレートａのような特徴を持った物
体をテンプレートマッチングにより捜索する。次に、は
たしてそれがマークであるかどうかを調べるために、テ
ンプレートａがマツチした部分の近辺に領域を設定し、
テンプレートb1〜b3をマッチさせる。領域を設定するこ
とにより、他のパターンやノイズパターンの影響を避け
ることができる。次にテンプレートａおよびb1〜b3のマ
ッチした位置関係によりマークとしての適合性を判定す
る。他物体と判定された場合には設定領域を塗りつぶし
て再びテンプレートａによる捜索を行なう。同図（Ｂ）
が上記処理の動作フロー図である。

以上の処理により512×512画素の画像に対し12×８画素
という非常に小さなテンプレートによってマークの検出
が可能であり、テンプレートマッチングによる位置検出
部のハード化が容易となる。

条件判定においては、 （１）テンプレートa,b1〜b3の４点全ての位置関係が合
っている場合のみマーク検知とする （２）テンプレートa,b1〜b3の４点のうち少なくとも３
点の位置関係が合っている場合にマーク検知とする 等があげられる。検出点を増やして条件判定することに
より、検出率および信頼性が向上する。

このように、従来の半導体露光装置等のデジタル画像処
理を用いた整合装置では、TV画面に対してオートアライ
メントマークが小さい（約1/100程度）ということと、
ウェハの特殊性によってテンプレートマッチングのため
に必要な二値化画像データが通常の方法では得られなか
ったが、本発明によれば、テンプレートマッチングの前
に画像データの濃度ヒストグラムを最適化するため、テ
ンプレートマッチングが可能となった。

［発明の変形例］ 次に本発明の位置検出装置における変形例を２通り示
す。

1.第５図のように入力画像をX,Y方向共に例えば16分割
し、一画面を16×16（＝256）領域に細分し、各々の領
域について濃度ヒストグラムを作成して二値化閾値を決
定し、各々の領域ごとに二値化する。この例による場合
には、ハード構成上のエッジ検出回路に相当するラプラ
シアン回路22あるいはアナログ微分回路は不要となる。
そして、照明系、撮像系による照度むらおよび他物体の
明度に影響されない二値化が可能となる。

2.1と同様の画面を分割し、各画素の濃度値から、その
画素を含む１領域内の平均濃度値を減算（減算後の濃度
値が負となる場合は０とする）しておき、その後、二値
化を行なう。領域毎に平均濃度を減算しておいた場合
は、領域毎に濃度ヒストグラムを抽出し、領域毎に二値
化閾値を計算して二値化する必要はなく、複数の領域を
まとめて１つの領域とみて二値化することができる。例
えば第６図に示すように、16×16領域に分割して各々の
領域毎に平均濃度を減算した場合は、次に２×２の領域
分割（つまり16×16分割での64領域を１領域とみる）と
して二値化すれば、二値化閾値の計算回数が16×16（＝
256）回から２×２（＝４）回へと減少するため、複雑
な計算を要する判別分析法を用いた場合には、特に計算
時間が短縮され高速化が図れる。この場合、一画面を４
つの二値化閾値で二値化するが、上述の1.の変形例と同
様の効果が得られる。

画像二値化部においては、以上述べたように、いくつか
の構成を取ることが可能であり、前述の実施例で述べた
ようなエッジ検出を行なうラプラシアン回路やアナログ
微分回路を使用するものに限るわけではない。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、位置検出用のマ
ークの検出率を高めかつその検出におけるマッチング処
理に要する時間を短縮することができる。さらに、装置
構成も簡単なものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る二値化閾値決定回路
および二値化回路のブロック図、 第２図は、第１図の二値化閾値決定回路におけるラプラ
シアン回路の他のオペレータの例を示す図、 第３図は、本発明の一実施例に係るパターンマッチング
回路のブロック図、 第４図は、第３図の回路におけるパターンマッチングの
説明図、 第５および６図は、本発明の他の実施例に係る二値化閾
値を決定する方法を示す図、 第７図は、本発明を適用した半導体焼付装置の外観を示
す斜視図、 第８図は、第７図の装置におけるテレビ・プリアライメ
ント検知系の光学系斜視図、 第９図は、従来の濃淡画像データから濃度ヒストグラム
を抽出して二値化閾値を決定する方法の説明図である。 7:撮像管、20:A/D変換器、21:二次元濃淡画像メモリ、2
2:ラプラシアン回路、23:比較部、24:マイクロプロセッ
サ、25:ヒストグラム抽出部、26:二次元二値画像メモ
リ、27:テンプレート群格納メモリ、28:パターン比較回
路、29:比較結果格納メモリ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/68

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体の形状または該物体上の位置検出用の
   マークの画像パターンを撮像して映像信号を出力する撮
   像手段と、 上記映像信号を量子化し二次元の濃淡画像データとする
   量子化手段と、 上記二次元濃淡画像データを二値化し二次元二値画像デ
   ータとする手段と、 上記画像パターンの複数の部分画像テンプレートを格納
   するテンプレート群格納メモリと、 上記二次元二値画像データと上記部分画像テンプレート
   のパターンを比較するパターン比較回路と、 上記パターン比較回路を制御して上記テンプレート群格
   納メモリの一つの捜索用部分画像テンプレートと上記二
   次元二値画像データとの第１のパターン比較を行い、パ
   ターンが一致したときは一致位置近辺の小領域を設定
   し、前記小領域内で前記捜索用部分画像テンプレートと
   は異なる前記部分画像テンプレートを指定して第２のパ
   ターン比較を行うと共に前記第１のパターン比較結果に
   基づいて前記画像パターンか否かの判定を行うテンプレ
   ートマッチング制御回路と を有する位置検出装置。