JPS63228007A - パタ−ン認識装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は特有のパターンを光電的に認識する装置に関し
、特に光ビームを物体に照射し、該光ビームをプローブ
光として上記パターンを認識する装置、例えば半導体素
子の製造で使われる各種基１Ｆ１ｉ（マスク、レチクル
、ウェハ等）の位置を検出して、該基板をアライメント
するための検出装置に適用されるものに関する。

〔従来の技術〕

従来、この種のパターン認識装置としては、例えば特開
昭６１−１２８１０６号公報に開示されているように、
ウェハ上に形成されたアライメントマークからの回折光
、散乱光を検出光学系の瞳共役面で選択的に抽出し、所
謂暗視野的にアライメントマークを認識する装置が知ら
れている。

この装置では、検出光学系の結像対物レンズがテレセン
トリック系であり、結像対物レンズの瞳（特に射出［）
と共役な面を検出光学系内に作り出し、ここに、アライ
メントマークからの回折光（０次光も含む）や散乱光の
みを通すような透明開口部を有する空間フィルターが配
置され、この空間フィルターを通過した光を光電検出す
るように構成されている。そしてアライメントマーク検
出用の照明光として、レーザ光が結像対物レンズを介し
てウェハ上に照射され、ウェハ上にはレーザ光の集光し
たスポットが結像し、このスポット光とアライメントマ
ークとを相対走査することで、スポット光をプローブ光
にしてマーク検出を行なうものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来装置では、瞳共役面に空間フィルターが設けら
れ、瞳面内で本来マークからの回折光や散乱光が通るべ
き領域に透明開口部（例えば矩形）が形成されているた
め、瞳面上のそれ以外の領域に達する光は遮断されるこ
とになり、余分の光情報（バックグラウンドノイズ等）
がカットされる。しかしながら、従来の空間フィルター
は、単に光を透過する領域と遮断する領域とを区画する
だけの構成であった。このため、ウェハ上のスポット光
の照射部分全体から生じる平均的なバックグラウンドノ
イズ成分（指向性がなく平均的な大きさで生じる散乱光
成分）が大きくなると、空間フィルターの透明開口部を
通るノイズ成分も本来の信号（回折光等）成分の絶対量
に比較して相対的に多くなる。この結果光電検出時のＳ
／Ｎ比を悪化させ、マークの検出精度すなわちマークの
認識率を低下させるといった問題が生じる。

〔問題点を解決する為の手段〕

この問題点を解決するために、本発明では空間フィルタ
ー（瞳共役面等）上で、アライメントマーク等のパター
ンからの固有の光情報（正反射光、回折光、及び指向性
をもつ散乱光）が通る部分に、光ビームの強度分布（例
えばレーザ光の場合はガウス分布）と所定の相関関係で
抽出率が変化するフィルター部、−例としては透過率が
ガウス分布を持つ濃淡部を形成するようにした。

〔作　用〕

このように例えば透過型の空間フィルターにガウス分布
の透過率（濃淡部）を持たせて回折光等を抽出するよう
にすると、光ビーム自体がガウス分布である場合に、瞳
面を通る回折光の強度分布も本来ガウス状であることか
ら、パターンからの回折光が強調されることになり、バ
ックグラウンドノイズが相対的に低減されることになる
。すなわち本発明では検出すべき光情報が持つべき本来
の光強度分布と、空間フィルターの抽出率が変化する部
分（濃淡分布）との光学的な掛は算を行なうことにより
、検出された信号のＳ／Ｎ比を改善しようとするもので
ある。

〔実施例〕

第２図は本発明の実施例によるパターン認識装置を投影
露光装置に適用した場合を示す構成図である。本実施例
では、先の特開昭６１−１２８１０６号公報に開示され
たものと同様に、光ビームが静止し、この光ビームに対
して認識すべきパターン、ここではアライメントマーク
を有するウェハを移動させる場合について述べるが、光
ビームを静止したウェハに対して走査する場合でも同様
に本発明を適用できる。第２図において、露光用照明系
の一部であるコンデンサーレンズ１からの露光光は回路
パターン等を有するレチクルＲを均一に照明し、その回
路パターンの像は、射出瞳がほぼ無限遠、すなわち露光
されるべきウェハＷ側がテレセントリックな投影レンズ
２を介して、所定の結像面に形成される。そしてこの結
像面内に予めフォトレジストの塗布されたウェハＷが位
置するようにウェハＷを載置するための２次元移動ステ
ージ３が設けられる。ステージ３はモータ４により移動
され、その位置はレーザ光波干渉測長器（干渉計）５に
より検出される。一方、アライメント（マーク検出）用
のレーザ光源１０から射出したレーザ光は不図示のビー
ムエクスパンダ−を介してシリンドリカルレンズ１１に
入射し、ビームスプリッタ１２、対物レンズ１３を介し
てミラー１４で反射した後、投影レンズ２に軸外からア
ライメント用レーザ光ＬＢとして入射する。この対物レ
ンズ１３も好ましくはテレセントリック系で設計される
。さて、レーザ光ＬＢは投影レンズ２の瞳ｅｐの中心を
通り、かつビ・−ムサイズが瞳ｅｐではその径よりも小
さくなるように送光される。このため投影レンズ２から
ウェハＷに達するレーザ光ＬＢは光軸ＡＸと平行になり
、ウェハＷ上にはシリンドリカルレンズ１１の作用で、
ウェハＷ上のアライメントマークＡＭと平行に伸びたス
リット（又はシート）状のスポット光が形成される。そ
して、このスポット光がマークＡＭを照射すると、マー
クＡＭからは正反射光の他に回折光やエツジ散乱光が生
じ、これら光情報は投影レンズ２、ミラー１４、対物レ
ンズ１３を介してビームスプリッタ１２に入射し、さら
にここで反射されて、瞳ｅｐをリレーするリレー系１５
を介して、空間フィルター２０に達する。この空間フィ
ルター２０で光学的な相関演算が行なわれた光情報はフ
ォトマルチプライヤ等の受光素子２２に受光され、その
光量に応じた光電信号に変換される。

上記構成において、ウェハＷ上のアライメントマークＡ
Ｍは従来通りの回折格子パターンとし、その幅とスポッ
ト光の幅とはほぼ等しいものとする。また空間フィルタ
ー２０は、対物レンズ１３、リレー系１５によって作り
出された投影レンズ２の瞳ｅｐの共役面に配置される。

さて、このような構成で瞳ｅｐの中心を通るレーザ光Ｌ
ＢがウェハＷに達すると、ここで正反射した光はテレセ
ントリックの特性から、再び瞳ｅｐの中心をレーザ光Ｌ
Ｂと同一形状、同一寸法の分布で通ることになる。また
瞳ｅｐにおけるレーザ光ＬＢの断面形状はシリンドリカ
ルレンズ１１の作用で、ウェハＷ上に形成されるスポッ
ト光の長手方向と直交する方向に伸びたスリット状に形
成される。これは、シリンドリカルレンズ１１、対物レ
ンズ１３、投影レンズ２を幾何光学的に配置することと
、レーザ光源１０からのレーザ光がほぼ平行であること
に起因して生じる現象である。

第３図はウェハＷ上のマークＡＭとスポット光の配置と
、瞳ｅｐにおける各種光情報の分布との関係を示す。第
３図（ａ）に示すように、マークＡＭはＸ方向に時定ピ
ッチで格子要素（凸又は凹）Ｇを配列した直格子であり
、このマークＡＭの計測方向はＸ方向である。このため
スポット光ＳＰはＸ方向に細長く伸びたシート状に配置
される。このスポット光ＳＰのウェハＷ上での強度分布
はＸ方向、Ｘ方向ともガウス分布になる。これは照明光
としてレーザ光を用いるからである。ただし、レーザ光
ＬＢの送光光路中に絞りを設けて、ビームの外周で１　
／　ｅ　”以下の強度部分を遮断してしまう場合もある
が、この場合もガウス分布の特徴的な形状はほとんど保
存されていると言える。

スポット光ＳＰがＸ方向に相対走査されマークＡＭと重
なると、瞳ｅｐには第３図（ｂ）に示すような光分布が
現われる。第３図（ｂ）において、瞳ｅｐの中心にはレ
ーザ光ＬＢそのものが分布するとともに、同じ位置に正
反射光（０次光）Ｄｏが重なって分布する。尚、この０
次光り。はスポット光ＳＰがウェハＷ上に集光している
限り常に発生する。そしてマークＡＭの格子定数、レー
ザ光波長に応じてＯ次光ＤｏのＸ方向の両脇には高次回
折光ＤＩ、Ｄｔ　、Ｄ３・・・・・・が互いに分離して
分布する。例えば０次光Ｄ０の左側には正の１次光＋Ｄ
１．２次光＋Ｄｔ、３次光＋Ｄ、が０次光Ｄ０とほぼ相
似形で分布し、右側には負の１次光−Ｄ、　、２次光−
Ｄ２．３次光−Ｄ、が０次光り。とほぼ相似形で分布す
る。これら高次光り、、Ｄ　ｚ　、Ｄ　：＋の分布はス
ポット光ＳＰがマークＡＭと重なっている間は同時に発
生する。またマークＡＭのＸ方向に伸びたエツジ（各格
子要素Ｇの工ッジ）からは高次光Ｄｒ　、ｌ）ｚ　、、
Ｄｓとは異なる方向にエツジ散乱光が生じ、これは瞳ｅ
ｐ上の０次光Ｄ０の分布を挟んでＸ方向に広がった散乱
光分布（以下０次光散乱光とする）Ｄｆとなる。このＯ
次数乱光Ｄｆは本実施例では特に考慮せず、専ら回折光
Ｄｏ　、Ｄｒ　、Ｄｔ　、Ｄ：ｌについて考えるものと
する。ところでウェハＷ上のスポット光ＳＰの光強度分
布は第４図（ａ）に示すように、スポット光ＳＰのＸ方
向の中心（幅方向の中心）においてはＸ方向にガウス分
布Ｅｙとなり、Ｘ方向の中心（長手方向の中心）におい
てはＸ方向にガウス分布Ｅ、となる。このため第４図（
ｂ）に示すように、瞳ｅｐ面での回折光り、（ただし、
ここではｎ＝ｏ、１．２．３）についてもＸ方向に関す
る分布Ｆｘ、３’方向に関する分布Ｆ、はともにガウス
状になる。

そこで、本実施例では回折光Ｄｏ　、Ｄｒ　、Ｄｉ、Ｄ
３のうち０次光Ｄ０を除く高次光Ｄ＋、Ｄｚ、Ｄ３に対
して空間フィルター２０による光学的相関演算を行なう
ようにする。このため空間フィルター２０には第１図（
ａ）に示すように、高次光ＤＩ、Ｄ２　、Ｄｓの夫々が
通るべき位置に面内での透過率がガウス分布で変化する
濃淡にュートラルデンシティ）フィルター部２０ａ、２
０ｂ、２０ｃが遮光面２０ｄ中に形成される。フィルタ
ー部２０ａは１次光±Ｄ、に対してガウス分布との相関
演算を行ない、フィルター部２０ｂは２次光±Ｄ２に対
してガウス分布との相関演算を行ない、フィルター部２
０ｃは３次光±Ｄ、に対してガウス分布との相関演算を
行なうように定められる。

これらフィルター部２０ａ、２０ｂ、２０ｃの各透過率
の２次元的な分布は第１図（ｂ）に示すように、第４図
（ｂ）に示した分布とＦＸ、Ｆ。

と相イ以のＦ、’　、Ｆ、″　になるように、すなわち
中心部で透過率が高く周辺で低くなるように定められ、
各フィルター部の形状、寸法は空間フィルター２０が位
置する瞳共役面における各回折光Ｄ７の形状、寸法とな
るべく一致するように作られる。これは相関演算を最適
に実行させて、マーク検出時のＳ／Ｎ比を最大にするた
めには重要なことである。もちろん、フィルター部２０
ａ、２０ｂ、２０ｃの形状、寸法をそのように最適に合
わせることなく、回折光Ｄｎに対して余裕をもたせた大
きさく又は小さな寸法）にしても相関演算による効果は
得られる。また本実施例のフィルター部２０ａ、２０ｂ
、２０ｃの透過率分布ＦＸｌ、Ｐｙ゛において、中心の
透過率Ｐつ、Ｐｙはほぼ１００％になるように作られて
いる。また各フィルター部は必らずしも連続的に透過率
が変化するものに限られず、段階的に、又は離散的に変
化するものでも、全体としてガウス分布に近似していれ
ば十分である。

また第１図（ｂ）の場合、各フィルター部の周辺は透過
率がなだらかに零とはなっていないが、もちろんなだら
かに零にするような分布にすることがよいことは言うま
でもない。

そこで、このような空間フィルター２０を用いた場合の
作用について、第５図を参照して説明する。第５図（ａ
）はウェハＷの表面に格子要素Ｇの大きさよりも小さな
微小凹凸が平均的に存在した場合に、１つのフィルター
部２０ａに達する光の様子を示している。この場合スポ
ット光ＳＰの照射領域内には無数の微小凹凸が存在する
ことになり、瞳ｅｐの全面にはこれら微小凹凸からほぼ
無指向に発生する散乱光が、はぼ均等なレベルで通るこ
とになる。このためフィルター部２０ａに達する光もほ
ぼ均一なレベルｒのバックグラウンドノイズＮｌとして
通ることになる。第５図（ａ）はフィルター部２０ａの
Ｘ方向（長手方向）の断面方向に関する光強度分布を表
わしたもので、バックグラウンドノイズ（光）Ｎｆｆｉ
はフィルター部２０ａを通過すると、ガウス分布透過率
との相関によって、ノイズ光Ｎｆ’　の分布に変換され
る。

従来はこのフィルター部が単なる開口であったため、ノ
イズ光Ｎ℃はそのままのレベルで透過してしまうが、本
実施例では減光されることになる。

この結果、マークＡＭの存在しない領域から発生した光
によって得られる受光素子２２の出力信号は従来の場合
にくらべて格段に小さくなる。一方、第５図（ｂ）に示
すように、スポット光ＳＰがマークＡＭと重なると、レ
ベルｒのノイズ光とマークＡＭからのレベルｈの１次回
折光との重畳したものが１次光り、となってフィルター
部２０ａに達する。そしてこの１次光り、がフィルター
部２０ａを通過すると、相関演算された１次光り、゛の
分布が得られる。この１次光Ｄ１″はフィルター部の中
心では１００％の透過率であるためそのままのレベル（
ｒ＋ｈ）であるが、周辺にいくにつれて急激に減衰する
。すなわち１次光Ｄ１のようにガウス分布をもつ光情報
に対しては最も良好な相関が得られることになる。この
第５図のような現象は他のフィルター部２０ｂ、２０ｃ
でも同時に生じるため、受光素子２２で受光されるフィ
ルタリング後の各次数光±ＤＩ’、±Ｄ２゛、±Ｄ　３
’は同時にＳ／Ｎ比が向上したものとなる。尚、第５図
はＸ方向についてのみ示したが、Ｘ方向についての相関
検出も全く同様である。

さて、第６図は本発明の第２の実施例による空間フィル
ターと光電検出器との配置を示す平面図である。第６図
において、空間フィルター２００には第１図と同様に±
１次光り、を通すフィルター部２００ａ、±２次光Ｄ２
を通すフィルター部２００　ｂ、±３次光Ｄ３を通ずフ
ィルター部２００ｃが設けられ、さらに０次光り。を通
すためのフィルター部２００ｅも設けられる。そして各
フィルター部の裏側には０次光Ｄ０を受光する素子ＰＤ
、、１次光の正負の各々を独立に受光する２つの素子Ｐ
Ｄ、、２次光の正負の各々を独立に受光する２つの素子
ＰＤ、、及び３次光の正負の各々を独立に受光する２つ
の素子ＰＤ３がそれぞれ配列される。

上記フィルター部２００ａ、２００ｂ、２００Ｃ１２０
０ｅはともに第１図（ｂ）に示すようにガウス分布の透
過率を有するものとする。またその形状も従来と同様の
スリンＩ・状に形成されているものとする。そしてこれ
ら７つの受光素子ＰＤ。、ＰＤ、、ＰＤ２、ＰＤ３の各
々からの光電信号は第７図に示すように独立に波形処理
する回路１００に入力し、各次数別又は正負別に信号波
形上の特徴点（レベル差、位相差、歪率差等）が比較さ
れ、７つの光電信号のうちどれをマーク位置検出のため
に使うか、あるいは信号波形上に適宜補正を加えた後マ
ーク位置検出を行なうか等が判断される。この７つの波
形処理回路１００は、干渉計５から出力される単位移動
毎のパルス信号ＣＰに応答して素子ＰＤｏ　、ＰＤ＋　
５ＰＤｚ　、ＰＤ３の各々からの光電信号の強度を同時
にデジタルサンプリングするためのアナログデジタル変
換器（ＡＤＣ）１０１やサンプリングされた信号波形を
記憶するメモリ（ＲＡＭ）１０２等を含んでおり、基本
構成は先に掲げた従来装置のものと同一である。従来と
異なる主な点は、処理回路１００の高速演算用のプロセ
ッサー１０３によって、上記特徴点が高速に比較される
ことである。

このように各次数別に回折光を分離して抽出したのは、
マークＡＭの位置決定にあたって、マーク形状の歪みや
変形、あるいは表面にコートされたレジストによる影響
を推定し、それにより生じた位置検出の誤差量を低減す
るためである。本来、マーク（回折格子）が設計値通り
にできていれば、１次光、２次光、３次光の夫々に対応
した信号波形はともに、スポット光とマークとの相対位
置に関して対称的で相似形となる。しかしマークが変形
したりすると、各次数間の信号波形が微妙に異なってく
る。そこでその変化をとらえて、より精密にマーク位置
を決定するように、分離抽出された各信号波形を再編成
しようとするものである。

従ってプロセッサー１０３は適宜最適なアルゴリズムで
上記再構成を実行し、正確なマーク位置情報ＡＬＧを出
力する。このように本実施例では次数別、正負別に信号
検出を行ない、波形上の特徴点を抽出する構成であるた
め、空間フィルター２００によって各次数光が相関演算
されることで各信号波形の特徴がノイズ成分に影響され
ずに強調することができ、検出精度が向上するといった
効果が得られる。

尚、本実施例のように次数別、正負別に別個に信号検出
を行なうことは、先の第１図に示した空間フィルター２
０を用いる場合でも同等に適用できる。

以上本発明の各実施例においては、いずれも投影レンズ
２（対物光学系）の瞳ｅｐの中心にレーザ光ＬＢが通る
ようにしたが、これは必ずしも必要なことではない。テ
レセントリックな光学系の場合、瞳中心に照明光束を通
すと、正反射光も瞳中心を通るように戻ってくるが、よ
り厳密に表現すれば、瞳面内の照明光束が通る領域に対
して瞳中心と点対称な領域に正反射光が戻るということ
になる。従ってレーザ光ＬＢの中心光線が瞳中心からは
ずれる場合は、正反射光、回折光とも瞳中心から偏心し
て分布することになる。この場合でも、その偏心した分
布に合わせて空間フィルターを設計すればよい。

また各実施例では各次数元側に独立゛したフィルター部
を設けるとしたが、例えば１次光と２次光とを同時に取
り込む大きさ、形状のフィルター部としてもよい。この
場合、１次光と２次光との間に分布する散乱成分も取り
込むためＳ／Ｎ比は多少悪化するが、実用上は何ら問題
のない場合もある。さらに空間フィルターの各フィルタ
ー部は透過形に変えて反射型にしてもよい。この場合は
反射率の分布をガウス状にするだけで、同様の効果が得
られる。またフィルター部の透過率又は反射率等の抽出
率の分布は、かならずしもガウス状である必要はなく、
適宜相関を取るべき分布（逆ガウス状、三角状、半円状
等）に定め得ることは述べるまでもない。

またフィルター部の抽出率の分布は２次元的である必要
もなく、少なくとも１次元に関して所定の分布（単なる
開口の分布は除（）を有していればよい。さらに抽出率
分布を有する空間フィルターと従来と同等の空間フィル
ターとを選択的に瞳共役面に挿入し、両方で得られたマ
ークの情報（例えば信号波形）を比較できるような構成
にしてもよい。

さらに本発明はレチクルとウェハの夫々に形成されたマ
ークを光ビームで検出するアライメント系に対しても同
様に適用できる。また第３図（ｂ）に示したようにエツ
ジ散乱光Ｄｆについても別個に光電検出する場合は、こ
のエツジ散乱光Ｄｆが到達する空間フィルター上の部分
に、同様のフィルター部を設けてエツジ散乱光Ｄｆを強
調するようにすれば同様の効果が得られる。さらに、光
ビームとして物体に照射されるスポット光にガウス分布
以外の特別な強度分布（例えば三角状）をもたせるよう
にして、空間フィルターによって、その分布との相関を
とるようにしてもよい。

〔発明の効果］ 以上本発明によれば、パターンから発生する設計値に対
応した光情報に重みを付けることができるため、信号の
Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。またパターンがプ
ロセスによって変形を受けて、設計値と異なる光情報に
変形（歪みの付加等）したとしても、このような光情報
から設計上の情報はより多く取り込み、設計値からはず
れた情報は取除くといったフィルター効果が大きくなり
、信号波形（光強度分布等）の歪みを小さくするといっ
た効果も得られる。さらに実施例によれば空間フィルタ
ーのフィルター部の周辺が従来のようにデジクリック（
透過か遮光）ではなく、なめらかな抽出率（透過率又は
反射率）変化になっているため、光情報がフィルター部
の周辺で急激にけられることによる信号波形上の歪みも
小さくなるといった利点もある。

【図面の簡単な説明】

好 第１　　本発明の第１の実施例による空間フィルターの
形状及びフィルター部の特性を示す平面（ノイズ光及び
回折光）に対す空間フィルターの相関演算の様子を示す
図、第６図は本発明の第２の実施例による空間フィルタ
ーの形状と受光素子の配置を示す平面図、第７図は第６
図の受光素子からの信号を処理する回路の回路ブロック
図である。 〔主要部分の符号の説明〕 Ｗ・・・ウェハ ＡＭ・・・アライメントマーク ＬＢ・・・レーザ光 ＳＰ・・・スポット光 ２・・・投影レンズ（対物光学系） ｅｐ・・・瞳 ２０．２００・・・空間フィルター ２２、ＰＤ、、ＰＤ、、ＰＤ、、ＰＤ３・・・受光素子
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２００ａ、２００ｂ。 ２００ｃ、２００ｅ・・・フィルター部Ｄ０・・・０次
光 Ｄ＋　、Ｄ！　、Ｄ３・・・高次回折光Ｄｆ・・・エツ
ジ散乱光

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定形状のパターンが形成された物体に特有の強
   度分布を有する光ビームを照射し、該光ビームが前記パ
   ターンを照射したときに該パターンから生じる光情報を
   対物光学系を介して入射し、該対物光学系の瞳面、又は
   その共役面もしくはそれらの近傍で前記光情報の固有成
   分を選択抽出することによって前記パターンを認識する
   装置において、 前記対物光学系の瞳面、又はその共役面もしくはそれら
   の近傍の検出面に設けられ、前記光情報の固有成分の通
   る領域に、前記光ビームの特有の強度分布と所定の相関
   関係で抽出率が変化するフィルター部を形成した空間フ
   ィルターと；該空間フィルターのフィルター部を介して
   得られる前記光情報の固有成分を光電検出する検出手段
   とを備えたことを特徴とするパターン認識装置。
2. （２）前記対物光学系は少なくとも前記物体側がテレセ
   ントリック系であり、該対物光学系の瞳面上の所定領域
   に該瞳の径よりも小さな寸法で前記光ビームを通すよう
   に、前記光ビームを対物光学系に入射させる送光光学系
   を有し、前記空間フィルターは前記光情報のうちの少な
   くとも回折光成分の通る領域に前記フィルター部を形成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置
   。
3. （３）前記光ビームをレーザビームとしたとき、前記空
   間フィルターのフィルター部をほぼガウス分布の透過率
   を有する透過形に形成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項、又は第２項記載の装置。