JP2000077323A - 半導体製造装置における合わせマークの検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステージ座標系における合わせマークの基準
位置の絶対座標を得ることができ、また、半導体製造プ
ロセスの影響を受けずに正しく合わせマークの基準位置
を求めることができる方法を提供する。 【解決手段】 試料上に配置された対称な合わせマーク
を含む画像４３その画像を回転させた画像４４を用いる
ことにより、被検出画像１２におけるマーク位置４６を
求める。この位置４６はテンプレート画像の形成の基準
として、あるいは直接、マーク検出の結果として用いら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線描画装置や
光露光装置等の半導体製造装置を用いて微細パターンを
試料上に重ね合わせて描画あるいは露光する際などに行
われる合わせマークの検出方法、及び合わせマークを用
いたパターンの描画あるいは露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程では、電子線描画装置や
光露光装置等の微細パターン形成装置を用いて、半導体
ウェハ等の試料上に素子のパターンや回路パターン等の
微細パターンを形成することが行われる。これらのデバ
イスパターンの形成に当たっては、試料上に既に形成さ
れているパターンに対して次の層のパターンを高精度に
位置合わせして形成することが必要とされ、この位置合
わせのために合わせマークが使用される。また、半導体
ウェハ等に形成したパターンが設計通りのものであるか
どうかを検査するために、パターンの所定箇所の寸法を
電子顕微鏡を用いて計測することが行われるが、このよ
うな場合にも計測位置を特定するために合わせマークが
使用される。合わせマークはデバイスパターンとは別個
の専用のマークとして試料上に用意されることもある
し、デバイスパターンの一部が合わせマークとして利用
されることもある。

【０００３】この合わせマーク検出方法として、試料上
の合わせマークに対応する像をテンプレート画像として
予め登録しておき、試料を電子線走査又は光学的に撮像
して得られる被検出画像から正規化相関を用いてテンプ
レート画像に含まれる合わせマークの基準位置を検出す
るテンプレートマッチングといわれる方法がある。ま
た、テンプレート画像を用いることなく、試料を電子線
走査又は光学的に撮像して得られた被検出画像から合わ
せマークを直接検出する方法もある。

【０００４】特開平８−１４８４０２号公報には、検出
の対象となるマーク上を電子線で走査して得られるマー
ク波形とその波形を横反転して得られるマーク波形を用
いて相関演算を行い、その相関関数の極値位置から相対
的にマーク中心位置を検出する方法が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図１２は、従来の方法
で作業者により抽出されたテンプレート画像の説明図で
ある。作業者は、ステージ上の試料の画像から合わせマ
ークＭ１に対応した領域を任意に切出すことによってテ
ンプレート画像Ｔ１の登録を行う。ステージに保持され
た試料上に電子線描画あるいは露光によってパターンを
重ねて形成するためには、ステージ座標における合わせ
マークＭ１の絶対位置が必要となる。しかし、従来のテ
ンプレートマッチングの方法では、テンプレート画像Ｔ
１の登録は、作業者がステージ上の試料の画像から合わ
せマークＭ１に対応した領域を任意に切出すことによっ
て行うため、テンプレート画像Ｔ１に対する合わせマー
クＭ１の基準位置、例えばＰ１の座標（Ｘ_p1，Ｙ_p1）が
分からず、ステージ座標における合わせマークＭ１の絶
対位置を知ることができなかった。

【０００６】この対策として、合わせマークの形状の特
徴を表す設計値に基づいて、図１３に示す様な理想的な
テンプレート画像Ｔ２を形成して、合わせマークを検出
する方法がある。この方法では、テンプレート画像Ｔ２
の作成時に、テンプレート画像Ｔ２における合わせマー
クＭ１の基準位置、例えばＰ１の座標を、例えば（０，
０）と予め指定しているため、ステージ座標における合
わせマークの絶対位置を知ることができる。

【０００７】しかし、設計値に基づいて形成されたテン
プレート画像Ｔ２の場合、例えば、半導体製造プロセス
の影響により、工程毎に合わせマークの形状や段差構造
が異なることがある。図１１は、この様子を模式的に示
すもので、試料上に形成された合わせマークは半導体製
造プロセス等において加工されて変形することがあり、
そのため実際の電子線走査あるいは光学的な撮像により
得られた試料上の合わせマークの画像１１０は、設計値
に基づいて形成されたテンプレート画像の合わせマーク
１１１と形状や段差構造が異なったものとなり、これが
原因となって正確な合わせマークの検出ができない場合
があった。

【０００８】また、テンプレート画像を用いることな
く、試料を電子線走査又は光学的に撮像して得られた被
検出画像から合わせマークを直接検出する方法において
も、発明者らの知る限り、検出された合わせマークの基
準位置を２次元画像の画像処理によって高精度に求める
方法は見当たらない。特開平８−１４８４０２号公報に
記載された方法では、電子線走査線上でのマーク中心位
置しか検出することはできない。また、マークが形成さ
れているウェハが回転したような場合には、ウェハの回
転に伴ってマーク上を電子線で走査して得られるマーク
波形のピーク位置がシフトするため、検出されるマーク
中心位置も誤差を含んだものになる。

【０００９】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたもので、ステージ座標系における合わせ
マークの基準位置の絶対座標を得ることができ、また、
半導体製造プロセスの影響を受けずに正しく合わせマー
クの基準位置を求めることができる新規な方法を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明においては、試料
上に対称形の合わせマーク配置されている場合、その合
わせマークを含むようにして得られた画像及びその画像
を回転させた画像を用いて、合わせマークの基準位置を
求める。そして、その位置を基準にテンプレート画像を
作成し、テンプレート画像における合わせマークの基準
位置を既知とすることにより、ステージ座標系における
合わせマークの基準位置の絶対座標を得る。同様に、合
わせマークを含むようにして得られた被検出画像及びそ
の画像を回転させた画像を用いて合わせマークの基準位
置を直接求めることにより、ステージ座標系における合
わせマークの基準位置の絶対座標を得る。

【００１１】本明細書でいう対称なマークとは、回転対
称なマークである。合わせマークを含む試料の画像は、
例えば電子線描画装置の場合には試料に形成された合わ
せマーク上を電子線で走査することにより得られ、また
光露光装置の場合には、合わせマークを含む試料の領域
を光学的に撮像することによって得られる。すなわち、
本発明による合わせマーク検出方法は、試料に形成され
た対称な合わせマークを検出する合わせマーク検出方法
において、試料から合わせマークを含む被検出画像を取
得するステップと、被検出画像及び被検出画像を回転さ
せた回転画像を用いて被検出画像内における合わせマー
クの基準位置を検出するステップとを含むことを特徴と
する。

【００１２】被検出画像は、必ずしも合わせマークの全
体を完全に含んでいる必要はない。例えば、被検出画像
上の特定の点が、被検出画像を回転させたとき合わせマ
ークに対してどの位置に移動するかを求め、移動前後の
２点の中点を検出することで、合わせマークの対称中心
を求めることができる。このように、前記の画像操作に
よって直接求まるのは対称な合わせマークの対称中心位
置である。合わせマークの基準位置は、この対称中心の
位置であってもよいし、対称中心に方向及び長さが既知
のバイアスを加えた位置であってもよい。被検出画像と
被検出画像を各々異なる角度に回転した複数の回転画像
とを用いて基準位置を検出することもできる。

【００１３】本発明による合わせマーク検出方法は、ま
た、テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせ
マークを検出する合わせマーク検出方法において、前述
の合わせマーク検出方法で検出された基準位置を基準と
して被検出画像からテンプレート画像を抽出することを
特徴とする。本発明による合わせマーク検出方法は、ま
た、試料に形成された合わせマークを検出する合わせマ
ーク検出方法において、試料から合わせマークを含む被
検出画像を取得するステップと、被検出画像のうち前記
合わせマークを含む部分領域の画像を仮のテンプレート
画像として被検出画像から合わせマークを検出する際に
得られる評価値のうち、最も高い評価値が得られるピク
セル位置及びその周囲のピクセル位置における評価値の
傾向から、被検出画像における合わせマークの基準位置
を推測するステップとを含み、合わせマークの基準位置
をピクセル以下の分解能で検出することを特徴とする。
合わせマークを含む被検出画像の部分領域の画像は、必
ずしも合わせマークの全体を完全に含んでいなくてもよ
い。

【００１４】本発明による合わせマーク検出方法は、ま
た、テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせ
マークを検出する合わせマーク検出方法において、前述
の方法によって試料に形成された合わせマークの基準位
置をピクセル以下の分解能で検出し、基準位置をピクセ
ル単位で丸め、その基準位置が含まれるピクセルを基準
にテンプレート画像を抽出するとともに丸めにより切捨
てた分を補正値として保持し、前記テンプレート画像及
び前記補正値を用いて試料に形成された合わせマークの
基準位置を検出することを特徴とする。補正値は、例え
ば電子線描画装置による描画時に描画制御系にオフセッ
トとして供給して描画位置を補正するためや、合わせマ
ーク検出を行った結果をオフセット補正するために用い
られる。

【００１５】本発明による合わせマーク検出方法は、ま
た、テンプレート画像を用いて試料に形成された合わせ
マークを検出する合わせマーク検出方法において、前述
の方法によって試料に形成された合わせマークの基準位
置をピクセル以下の分解能で検出し、その基準位置がテ
ンプレート画像の基準位置となるように試料から合わせ
マークを含む被検出画像を再取得し、再取得した被検出
画像からテンプレート画像を抽出することを特徴とす
る。

【００１６】以上の合わせマーク検出方法において、合
わせマークの設計値に基づいて予め形成したテンプレー
ト画像を用いて、合わせマークの基準位置を検出する前
に、合わせマークの基準位置を粗く求めるようにしても
よい。あるいは、合わせマークの特徴量を求めておき、
被検出画像から前記特徴量を含む領域を抽出することに
より、合わせマークの基準位置を検出する前に、合わせ
マークの基準位置を粗く求めるようにしてもよい。

【００１７】本発明によるパターン形成方法は、電子線
描画装置又は光露光装置を用いて試料にパターンを形成
するパターン形成方法において、前記したいずれかの本
発明による合わせマーク検出方法によって試料の合わせ
マークを検出し、検出された合わせマークに対して予め
定められた位置関係となるようにパターン形成を行うこ
とを特徴とする。

【００１８】本発明の合わせマーク検出方法は、合わせ
マークを含む画像を回転させることにより合わせマーク
の基準位置を求めるため、半導体製造工程ごとの合わせ
マークの形状ばらつきの影響を受けずに、電子線描画装
置など装置内の絶対座標系における合わせマークの基準
位置を高精度に検出することができる。また、その高精
度に検出した基準位置に基づいてテンプレート画像を形
成することで、テンプレート画像における合わせマーク
の基準位置座標を既知とすることができるため、テンプ
レート画像を用いて検出した合わせマークのステージ座
標における絶対位置を知ることができる。

【００１９】また、被検出画像を用いてマーク検出する
際に得られる評価値のうち、最も高い評価値が得られる
ピクセル位置における評価値及びそのピクセル位置の周
囲のピクセル位置における評価値の傾向から、合わせマ
ークの基準位置に一致した前記被検出画像における位置
を推測することにより、合わせマークの基準位置をピク
セル単位以下の分解能で求めることができ、高精度な合
わせマーク検出が可能となる。

【００２０】本発明によると、合わせマークの２次元の
基準位置を一度に高精度に検出することができる。ま
た、合わせマークが形成されているウェハ等が回転した
としても、その影響を受けることなく合わせマークの基
準位置を高精度に検出することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。ここでは、電子線描画装置におけ
るウェハの合わせマーク検出について説明する。また、
合わせマークの対称中心が基準位置であるとして説明を
行う。ただし、ここでの説明は単に本発明の一例につい
ての説明であり、これにより本発明を限定することを意
図するものではない。例えば、合わせマークの基準位置
は、合わせマークの対称中心と既知の関係にある任意の
位置を基準位置とすることが可能である。

【００２２】図１は、本発明による合わせマーク位置検
出を行うための電子線描画装置の概略図である。電子銃
１１から放射された電子線１２は、偏向器１３により偏
向され、図示しないレンズ系によって集束されて、ステ
ージ２０上に保持されたウェハ１９に照射される。この
電子線描画装置は、ウェハ１９上に設けられた合わせマ
ーク１８を画像として検出するための機構として、電子
検出器１６、電子検出器１６の出力を増幅する増幅器１
４、合わせマーク検出器１５を備える。合わせマーク検
出器１５で検出された合わせマークのデータは描画制御
系１７に供給され、電子線描画の際に利用される。

【００２３】図２は、本発明によるテンプレート画像作
成のための合わせマーク中心位置の検出処理を説明する
フローチャートである。まず、ステップ２１０におい
て、テンプレート画像を作成するための画像を取得す
る。テンプレート画像を作成するための画像取得に当た
っては、偏向器１３を制御して、電子線１２によりウェ
ハ１９上に配置された十字や井桁の様な対称な合わせマ
ーク１８が含まれる領域を走査する。この電子線照射に
よって電子線１２が照射されたウェハ１９上の位置から
発生される二次電子や反射電子を、電子検出器１６によ
り検出する。電子検出器１６の出力は、増幅器１４によ
り増幅された後、画像データとして合わせマーク検出器
１５に入力される。なお、増幅器１４の出力は、合わせ
マーク検出器１５に入力される前に、画像のコントラス
トなどを調整するためにレベル設定が行われる。

【００２４】次に、ステップ２２０において、テンプレ
ート画像を形成するための画像において合わせマーク位
置を粗く求める。このステップ２２０において、合わせ
マークの基準位置を粗く求めた後、その結果の周辺にお
いて、合わせマーク程度の領域の大きさでステップ２３
０の処理を行うことにより、処理時間の短縮及び周囲の
パターンによらない正確な検出が可能となる。なお、ス
テップ２２０を省略して直ちにステップ２３０に進み、
テンプレート画像を作成する画像の全領域に対して、テ
ンプレートを作成するための画像における合わせマーク
の中心位置を求める処理を行うことも可能である。ステ
ップ２２０を実行する方法の例としては、次の２つの方
法がある。

【００２５】第１の方法は、合わせマークの形状の特徴
を表す設計値に基づいて理想的なテンプレート画像を予
め形成し、その画像を用いて合わせマークの中心位置を
絞り込む方法である。理想的なテンプレート画像とは、
例えば、合わせマークのマーク幅、マークの縦横の大き
さにより形状が決定され、さらに、合わせマークと背景
の画素値を２値化（多値化）して表すことによって作成
されるものである。合わせマークの中心位置の絞り込み
は、例えば、正規化相関により求める。

【００２６】第２の方法は、合わせマークの特徴量を用
いる方法である。例えば、特徴量として分散を用い、分
散を求めるフィルタの大きさを合わせマークの大きさ程
度とし、このフィルタを画像の全ピクセルで移動させて
計算する。フィルタを移動させることにより、フィルタ
に含まれる合わせマークの領域が変化する。そのため、
合わせマークが含まれる領域が大きくなる程、分散値が
高くなる。これを利用して、分散値の大きさが最も高く
なる部分を合わせマークの中心位置として絞り込むこと
ができる。

【００２７】なお、特徴量としては、分散以外に、例え
ば、微分値、エントロピー、パワースペクトルなどを用
いてもよいし、複数の特徴量を組み合わせて用いてもよ
い。また、合わせマークの特徴量の大きさとなる領域を
閾値法や予め与えておいた教師信号を基とした最短距離
法などを用いることで合わせマークのみを抽出した後、
合わせマークとして抽出された連結領域を取り出し、そ
の重心位置を合わせマークの中心位置として絞り込むこ
とができる。

【００２８】次に、図２のステップ２３０においてテン
プレート画像の作成を行う。テンプレート画像において
は、合わせマークの中心位置を求める必要がある。これ
を行う方法として、十字型や井桁型の様な１８０度回転
させた場合に重なる回転対称な合わせマークの場合、例
えば図４に示す方法がある。図４は、ステップ２３０に
おいて行われる、合わせマーク４０の中心位置を求める
方法の一例を説明する図である。図５のフローチャート
を用いて、図４に示した方法について説明する。図４
（ａ）に示した画像４２は、図２のステップ２２０で粗
く求めた合わせマーク位置に基づいて切り出した、テン
プレート画像を作成するための画像である。ステップ５
１０において、テンプレート画像を作成するための画像
４２の中心位置４１を中心に、縦横大きさＡとなる上下
左右対称な領域の画像４３を図４（ｂ）のように抽出す
る。次にステップ５２０において、その画像４３を１８
０度回転させて、図４（ｃ）に示すように、仮のテンプ
レート画像４４を作成する。

【００２９】次にステップ５３０において、仮のテンプ
レート画像４４とテンプレート画像を作成するための画
像４２を正規化相関などでテンプレートマッチングさせ
て、図４（ｄ）に示すように、最もマッチした位置（画
像４２中において画像４４の中心位置に相当する位置）
４５を得る。続いて、ステップ５４０において、得られ
た位置４５とテンプレート画像を作成するための画像４
２の中心位置４１との中点を求める。この中点は合わせ
マークの中心位置４６となり、ステップ５５０におい
て、この位置４６を中心に上下左右対称な領域を抽出
し、これをテンプレート画像とする。

【００３０】ここでは、テンプレート画像を作成するた
めの画像４２の中心位置４１が、それを１８０゜回転さ
せた画像に基づく仮のテンプレート画像４４と元の画像
４２とのテンプレートマッチングで位置４５に移動する
ことを検出し、位置４１と位置４５の中点４６を合わせ
マーク４０の対称中心として求めた。しかし、画像４２
の中心位置４１に代えて、画像４２から抽出された画像
４３中に含まれる任意の点、あるいは画像４３と既知の
位置関係にある任意の点に着目し、その点が画像４２を
１８０゜回転した画像４４と元の画像４２とのテンプレ
ートマッチングでどこに移動するかを検出し、テンプレ
ート画像を作成するための画像４２上でその点の移動前
後の中点を合わせマークの対称中点としても同じ結果が
得られる。

【００３１】図６は、同一画像を用いて合わせマークの
中心位置を求める他の方法の説明図である。先に、図４
及び図５により、同一画像を用いて合わせマーク中心位
置を求める方法について説明した。合わせマークが十字
や井桁の様な３回以上の回転対称なマークの場合、図６
に示す方法は、先に説明した画像を１８０度回転させる
方法よりもノイズに強く、また、合わせマークの中心位
置が正しく求められているかの検証が容易な方法であ
る。この方法について、図７に示すフローチャートを参
照して説明する。

【００３２】図７のステップ７１０において、テンプレ
ート画像を作成するための画像６０の中心位置６１から
縦横大きさＡとなる画像を抽出する。次に、ステップ７
２０において、その画像を９０゜回転した仮のテンプレ
ート画像６２を作成する。続くステップ７３０では、作
成した仮のテンプレート画像６２とテンプレート画像を
作成するための画像６０とを正規化相関などでテンプレ
ートマッチングさせ、ステップ７４０で最もマッチした
位置Ｄ１を求める。このステップ７２０〜７４０の処理
を３回繰り返し、１８０゜回転した画像、２７０゜回転
した画像をそれぞれ仮のテンプレート画像６３，６４と
した時のマッチング位置Ｄ２，Ｄ３を求める。次に、ス
テップ７５０からステップ７６０に進み、得られた３つ
の検出位置Ｄ１〜Ｄ３及びテンプレート画像を作成する
ための画像６０の中心位置６１からなる４点の重心位置
６５を求める。ステップ７７０では、この重心位置６５
を中心に上下左右対称な領域を抽出し、テンプレート画
像を作成する。

【００３３】この方法は、１回の合わせマークの撮像で
３回の合わせマーク検出を行うため、図４に示した１８
０度回転させる方法と比較して、撮像時間を同等としな
がら、画像のノイズに強い合わせマーク中心位置検出を
可能とする効果がある。さらに、画像６０の中心位置６
１と検出位置Ｄ１〜Ｄ３は、合わせマーク検出が正確に
行われている場合、正方形を形成することから、合わせ
マーク中心位置６５が正しく求めることができたかを、
点６１，Ｄ１〜Ｄ３で形成される正方形の形状により検
証することができる。

【００３４】また、ここでは、テンプレート画像を作成
するための画像６０の中心位置６１が、それを９０゜，
１８０゜，２７０゜回転させた画像に基づく仮のテンプ
レート画像６２，６３，６４と元の画像６０とのテンプ
レートマッチングで位置Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に移動するこ
とを検出し、それらの重心位置６５を合わせマークの対
称中心として求めた。しかし、画像６０の中心位置６１
に代えて、画像６０から抽出された画像中に含まれる任
意の点、あるいはその抽出画像と既知の位置関係にある
任意の点に着目し、その点が仮のテンプレート画像６
２，６３，６４と元の画像６０とのテンプレートマッチ
ングでどこに移動するかを検出し、それらの重心を合わ
せマークの対称中点としても同じ結果が得られる。

【００３５】ここで、図２に戻る。ところで、合わせマ
ークの中心位置としては、描画又は露光の精度上、サブ
ピクセル単位以下の分解能が必要となる。しかし、図２
のステップ２３０に関して図４〜図７で説明した方法で
は、合わせマークの中心位置をピクセル単位の分解能で
しか求めることができない。一方、例えば、テンプレー
ト画像を作成するための画像から合わせマークを含む領
域を抽出してそれを仮のテンプレート画像とし、この仮
のテンプレート画像を用い、評価値として相関値を採用
して、テンプレート画像を作成するための画像とのテン
プレートマッチングを行うと、図８に示すように、相関
値は合わせマーク中心位置で最大となり、合わせマーク
中心位置から離れるに従い小さくなる。そこで、図２の
ステップ２４０において、この手法を用いてサブピクセ
ル以下の分解能で合わせマークの中心位置を求める。
ここでは、ステップ２３０で求められた合わせマークの
中心位置が含まれるピクセルとその周辺のピクセルに対
して、合わせマークを含む領域からなる仮のテンプレー
ト画像を用いてテンプレートマッチングを行い、図９に
示すように評価値を求める。こうして得られた評価値の
うち、合わせマークの中心位置として求められた評価値
が最も高いピクセル位置Ｂ０、及びその周辺のピクセル
位置Ｂｉにおいて求められた複数の評価値から、それら
の評価値の変化の傾向を、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方
向を同時に２次元の２次式により近似し、その近似式よ
り、評価値が最大となる位置を求め、これを合わせマー
クの中心位置として推測することにより、合わせマーク
の中心位置をサブピクセル単位以下の分解能で求める。
なお、近似式は、２次元の２次式以外にも別の次数の式
や、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を別々に１次元で近似する方
法、スプラインなどで近似する方法など種々の方法が考
えられ、そのいずれの方法を用いてもよい。

【００３６】次のステップ２５０では、ステップ２４０
により求めたサブピクセル単位以下の分解能で表現され
た合わせマークの中心位置を基準に、テンプレート画像
を作成するための画像よりテンプレート画像を抽出す
る。テンプレート画像の抽出に当たっては、ステップ２
４０で求めた結果の整数部を用いて、図１０に示すよう
に、合わせマークの中心位置１０５をピクセル単位で丸
めて、このマーク中心位置１０５が含まれるピクセル１
００のピクセル位置１０１を中心に上下左右対称に画像
を抽出してテンプレート画像を形成する。小数部による
残差１０６は補正値として記憶保持しておき、この補正
値をパターン描画時にオフセットとしてフィードバック
をかけるためや、合わせマーク検出結果に対して補正を
行うために用いる。 あるいは、同様に、サブピクセル
単位以下の分解能で合わせマークの中心位置１０５を求
めた後、その位置が、テンプレート画像を作成するため
の画像の中心のピクセル位置となる様に、ステージ２０
を移動させて合わせマーク１８を再撮像し、テンプレー
ト画像を作成するための画像の中心位置から上下左右対
称な領域を抽出することにより最終的なテンプレート画
像を形成してもよい。

【００３７】ステップ２１０からステップ２５０までの
処理によって合わせマークの位置が既知のテンプレート
画像が得られると、次にステップ２６０に進み、そのテ
ンプレート画像を用いたマーク検出を行う。ステップ２
１０〜２５０で形成されたテンプレート画像は合わせマ
ーク検出器１５に保持され、マーク検出を行うとき、検
出の対象とする合わせマークを走査して、そこで得られ
た信号を被検出画像として合わせマーク検出器１５に入
力する。その後、テンプレート画像と被検出画像を対象
として、例えば正規化相関を行い合わせマーク検出を行
う。ステップ２７０において全ての合わせマークの検出
が終了したと判定されるまで、ステップ２６０の処理を
繰り返す。なお、次のウェハで合わせマーク検出を行う
場合は、合わせマーク検出器１５に保持されているテン
プレート画像を用いることによりステップ２１０〜２５
０を省略し、ステップ２６０〜２７０の処理のみを行っ
てもよい。

【００３８】これまで、テンプレート画像を作成するた
めに取得した画像から合わせマークの位置が既知のテン
プレート画像を形成する方法について説明してきた。と
ころで、これまで説明したテンプレート画像を作成する
ための画像及びこれと同一の画像を回転させて合わせマ
ークを検出する方法、及び複数の評価値を近似すること
により合わせマークの中心位置をサブピクセル単位以下
の分解能で求める方法は、上記説明の様にテンプレート
画像を形成するために合わせマークの中心位置を求める
ためのみではなく、描画や露光のために直接、合わせマ
ークの中心位置を検出するために利用することも可能で
ある。

【００３９】この場合の基本的な処理は、図３のフロー
チャートに示す通りである。すなわち、最初にステップ
３１０において合わせマーク検出を行う被検出画像を取
得する。具体的には、マーク検出の対象とする合わせマ
ークを走査して、そこで得られた信号を被検出画像とし
て合わせマーク検出器１５に入力する。次に、ステップ
３２０で被検出画像において合わせマーク位置を粗く求
め、ステップ３３０において被検出画像において合わせ
マーク位置を求める。次に、ステップ３４０において被
検出画像において合わせマーク位置をピクセル以下の分
解能で求める。この処理をステップ３５０において、全
マークの検出が終了したと判定されるまで繰り返す。

【００４０】図３のステップ３１０，３２０，３３０，
３４０は、それぞれ図２のステップ２１０，２２０，２
３０，２４０に対応し、図２の場合と同様の処理を行
う。ステップ３３０は、図５あるいは図７に詳細を示し
たフローチャートに従って行われることも同様である。
ただし、描画や露光のために合わせマークの中心位置を
検出する場合には、図５のステップ５５０の処理、図７
のステップ７７０の処理は除く。各ステップにおける具
体的な処理の方法は、テンプレート画像作成の場合と同
じであり、説明が重複するので省略する。

【００４１】以上、本発明を電子線描画装置におけるウ
ェハの合わせマーク検出に適用する場合について説明し
てきた。しかし、本発明の適用は電子線描画装置におけ
る合わせマークの検出だけに限られるわけではない。例
えば、図１４に概略を示す光露光装置における合わせマ
ークの検出に適用することも勿論可能である。光露光装
置は、光源１４０１からの露光光で照明されたレチクル
１４０２の像を投影光学系１４０３によってフォトレジ
スト等の感光材が塗布された半導体ウェハ等の基板（試
料）１４０４上に投影露光する装置である。

【００４２】基板１４０４は移動ステージ１４０５に保
持されており、レチクル１４０２の投影領域に対して基
板１４０４の露光領域が正確に一致するように移動ステ
ージ１４０５が精密制御される。基板１４０４には、合
わせマーク１４０６が形成されており、この合わせマー
ク１４０６の位置を基板アライメント顕微鏡１４１１、
ＣＣＤカメラ等の撮像装置１４１４を含むアライメント
光学系で検出することにより、移動ステージ１４０５の
制御が行われる。基板１４０４上の合わせマーク１４０
６は、基板アライメント顕微鏡１４１１、ミラー１４１
２、リレーレンズ１４１３を介して撮像装置１４１４で
撮像され、撮像装置から出力される画像データが合わせ
マーク検出器１４１５に供給される。合わせマーク検出
器１４１５では、今まで電子線描画装置に関連して説明
してきたのと同様の処理を行って合わせマーク１４０６
の位置を検出し、ステージ制御系１４１６はその検出結
果に基づいてステージ駆動部１４１７を制御し、基板１
４０４の位置合わせを行う。

【００４３】上記の電子線描画装置や光露光装置以外に
も、合わせマークを検出する必要のある装置、例えばウ
ェハに形成されたパターンに対して合わせマークを基準
にして指定される箇所の寸法計測を行う走査型電子顕微
鏡、透過型電子顕微鏡、あるいは微細加工を行う集束イ
オンビーム加工装置などにおける電子線画像、イオンビ
ーム画像、Ｘ線画像などに対しても、本発明は同様に適
用することが可能である。

【００４４】

【発明の効果】本発明によると、半導体製造工程による
合わせマークの形状のばらつきの影響を受けずに装置内
の絶対座標系における高精度な合わせマークの基準位置
検出が可能となる。また、合わせマークの基準位置をピ
クセル単位以下の分解能で求めることができるため、高
精度な合わせマーク検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子線描画装置の該略図。

【図２】テンプレート画像作成のための合わせマーク中
心位置の検出フローチャート。

【図３】描画（露光）などのための合わせマーク中心位
置検出フローチャート。

【図４】合わせマークの中心位置を求める方法の一例の
説明図。

【図５】合わせマークの中心位置を求める方法の一例の
フローチャート。

【図６】合わせマークの中心位置を求める方法の他の例
の説明図。

【図７】合わせマークの中心位置を求める方法の他の例
のフローチャート。

【図８】相関値の傾向例を示す図。

【図９】合わせマークの中心位置をピクセル単位以下の
分解能で求めるための説明図

【図１０】合わせマークの中心位置をピクセル単位で丸
めた時に生じる残差の説明図。

【図１１】設計値に基づいて作成した合わせマークと実
際の合わせマークの説明図。

【図１２】作業者により抽出されたテンプレートの説明
図。

【図１３】設計値に基づいて作成されたテンプレートの
説明図。

【図１４】光露光装置の概略図。

【符号の説明】

１１…電子銃、１２…電子線、１３…偏向器、１４…増
幅器、１５…合わせマーク検出器、１６…電子検出器、
１７…描画制御系、１８…合わせマーク、１９…ウェ
ハ、２０…ステージ、４０…合わせマーク、４１…画像
の中心位置、４２…テンプレート画像を作成するための
画像又は被検出画像、４３…中心位置から上下左右対称
に抽出した領域、４４…仮のテンプレート画像、４５…
最もマッチした位置、４６…マーク中心位置、６０…テ
ンプレート画像を作成するための画像又は被検出画像、
６１…画像の中心位置、６２〜６４…仮のテンプレート
画像、６５…重心位置、１００…マーク中心位置が含ま
れるピクセル、１０１…ピクセル位置、１０５…マーク
中心位置、１０６…丸め誤差、１１０…実際の合わせマ
ーク、１１１…設計値に基づいて作成された合わせマー
ク、１４０１…光源、１４０２…レチクル、１４０３…
投影光学系、１４０４…基板、１４０５…移動ステー
ジ、１４０６…合わせマーク、１４１１…基板アライメ
ント顕微鏡、１４１２…ミラー、１４１３…リレーレン
ズ、１４１４…撮像装置、１４１５…合わせマーク検出
器、１４１６…ステージ制御系、１４１７…ステージ駆
動系、Ｔ１，Ｔ２…テンプレート画像、Ｍ１，Ｍ２…合
わせマーク、Ｐ１…合わせマークの中心位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大貫 和喜 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 佐々木 実 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内 Ｆターム(参考） 5F046 AA26 DB05 EA02 EB01 ED01 FC06 5F056 BD02 BD05 CC10 FA06

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に形成された対称な合わせマークを
   検出する合わせマーク検出方法において、試料から合わ
   せマークを含む被検出画像を取得するステップと、前記
   被検出画像及び前記被検出画像を回転させた回転画像を
   用いて前記被検出画像内における合わせマークの基準位
   置を検出するステップとを含むことを特徴とする合わせ
   マーク検出方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の合わせマーク検出方法に
   おいて、前記被検出画像と前記被検出画像を各々異なる
   角度に回転した複数の回転画像とを用いて前記基準位置
   を検出することを特徴とする合わせマーク検出方法。
3. 【請求項３】 テンプレート画像を用いて試料に形成さ
   れた合わせマークを検出する合わせマーク検出方法にお
   いて、請求項１又は２記載の合わせマーク検出方法で検
   出された基準位置を基準として前記被検出画像からテン
   プレート画像を抽出することを特徴とする合わせマーク
   検出方法。
4. 【請求項４】 試料に形成された合わせマークを検出す
   る合わせマーク検出方法において、試料から合わせマー
   クを含む被検出画像を取得するステップと、前記被検出
   画像のうち前記合わせマークを含む部分領域の画像を仮
   のテンプレート画像として前記被検出画像から前記合わ
   せマークを検出する際に得られる評価値のうち、最も高
   い評価値が得られるピクセル位置及びその周囲のピクセ
   ル位置における評価値の傾向から、前記被検出画像にお
   ける前記合わせマークの基準位置を推測するステップと
   を含み、前記合わせマークの基準位置をピクセル以下の
   分解能で検出することを特徴とする合わせマーク検出方
   法。
5. 【請求項５】 テンプレート画像を用いて試料に形成さ
   れた合わせマークを検出する合わせマーク検出方法にお
   いて、請求項４記載の合わせマーク検出方法によって試
   料に形成された合わせマークの基準位置をピクセル以下
   の分解能で検出し、前記基準位置をピクセル単位で丸
   め、前記基準位置が含まれるピクセルを基準にテンプレ
   ート画像を抽出するとともに丸めにより切捨てた分を補
   正値として保持し、前記テンプレート画像及び前記補正
   値を用いて試料に形成された合わせマークの基準位置を
   検出することを特徴とする合わせマーク検出方法。
6. 【請求項６】 テンプレート画像を用いて試料に形成さ
   れた合わせマークを検出する合わせマーク検出方法にお
   いて、請求項４記載の合わせマーク検出方法によって試
   料に形成された合わせマークの基準位置をピクセル以下
   の分解能で検出し、前記基準位置がテンプレート画像の
   基準位置となるように試料から合わせマークを含む被検
   出画像を再取得し、前記再取得した被検出画像からテン
   プレート画像を抽出することを特徴とする合わせマーク
   検出方法。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１項記載の合わ
   せマーク検出方法において、前記合わせマークの設計値
   に基づいて予め形成したテンプレート画像を用いて、前
   記合わせマークの基準位置を検出する前に、前記合わせ
   マークの基準位置を粗く求めることを特徴とする合わせ
   マーク検出方法。
8. 【請求項８】 請求項１〜６のいずれか１項記載の合わ
   せマーク検出方法において、前記合わせマークの特徴量
   を求めておき、前記被検出画像から前記特徴量を含む領
   域を抽出することにより、前記合わせマークの基準位置
   を検出する前に、前記合わせマークの基準位置を粗く求
   めることを特徴とする合わせマーク検出方法。
9. 【請求項９】 電子線描画装置又は光露光装置を用いて
   試料にパターンを形成するパターン形成方法において、
   請求項１〜８のいずれか１項記載の合わせマーク検出方
   法によって試料の合わせマークを検出し、検出された合
   わせマークに対して予め定められた位置関係となるよう
   にパターン形成を行うことを特徴とするパターン形成方
   法。