JPH0663740B2 - アライメントマークの位置検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はウエハ上に回路パターンを焼付けるＸ線露光装
置等の露光装置に用いられるプロキシミティーアライナ
やステッパーにおいて、マスクやウエハ上のアライメン
トマークを検出し、その検出波形からアライメントマー
クの中心位置を高精度に求める方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、アライメントマークの検出波形からその中心位
置を高精度に求める方法として、フレネルゾーン等を利
用した回折各子法とパターン計測法の２種類の方法が使
用されている。この内、回折格子法は、マスクとウエハ
間のギャップの変動に検出精度が大きく左右され、段差
のあるアライメントマークを精度良く検出できないとい
う欠点がある。一方、パターン計測法は、検出されるべ
きアライメントマークのパターンの形状に精度が依存す
るため、アライメントマークのパターン形状の劣化によ
り検出精度が悪くなるという欠点がある。ここで、回折
格子法がアライメントマークの対称性に依存する例は、
1979年４月発行のアイ・イー・イー・イー トランザク
ション オン エレクトロン ディバイセズ（IEEE TR
ANSACTION ON ELECTRON DEVICES）の論文雑誌のVOL.
ED−26,No.4に、「オートマチック アライメント シ
ステム フォー オプチカル プロジェクション プリ
ンディング（Automatic Alignment System for Opt
ical Printing）」という題の論文に、ギジ・ブーハウ
ス（Gijs Bouwhuis）他により提案されている。また、
パターン計測法がアライメントマークの対称性に依存す
る例は、特開昭62-54918号公報や特開昭61-199633号公
報に開示されている。

パターン計測法は、さらに大別して、コントラトス法と
エッジ検出法の２つに分類される。

この内、コントラスト法の従来例は、特開昭61-236117
号公報に開示されている。この特開昭61-236117号公報
では、次式で表される対称性パターンマチング処理を行
っている。

又は 但し、Ｄ（ｎ）は微分値、Ｍは比較範囲、ｎは位置を示
す。

上式は、通常の画像処理におけるパターンマッチング処
理の応用であり、この特開昭61-236117号公報は、アラ
イメントマークのパターンが線対称性である点を利用し
て、そのことを上式に取り入れている。即ち、線対称な
図形の中心線を求めるために、図形を半分に折って、そ
の中心線を求める操作を行っているに等しい。半分に折
って合わす場所は勿論エッジであるが、これは、一般的
な画像処理手法である微分によるエッジ抽出法により処
理されたエッジを用いている。

このように、特開昭61-236117号公報は、図形の対称性
をうまく取入れ、比較的簡単な演算式でその中心線を求
めることができる。この、対称性パターンマチング処理
を、プロキシミティーアライナやステッパーで、マスク
やウエハ上のアライメントマークの検出に用いることに
より、各アライメントマークの中心線から相対的位置関
係を求めることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、この特開昭61-236117号公報に述べられ
ている対称性パターンマチング処理を用いた方法は、次
に述べるような欠点がある。

即ち、この方法は、図形が対称であることを前提として
いる。理想的には、マスク上のアライメントマーク（ク
ロム形成マーク）もウエハ上のアライメントマーク（レ
ジスト形成マークやプロセス形成マーク）も線対称であ
るが、実際には、さまざまな要素によりその対称性は崩
れる。

例えば、レジスト形成マークの場合、アライメントマー
クを露光する時のＸ線等の照射角度やレジストの現像速
度等により、アライメントマークの対称性は崩れる（第
２図参照）。また、プロセス形成マークの場合、さら
に、アライメントマークの対称性は崩れ易く、プロセス
によるアライメントマークの熱変形（化学変形、力によ
る変形）や、アライメントマーク上に塗布される薄膜に
より、簡単にアライメントマークの対称性が崩れてしま
う（第３図参照）。

以上の説明で明らかなように、実際のエウハ上のアライ
メントマークにおいては、その対称性をすべての層（レ
イアー）で保証することは極めて困難である。従って、
対称性を前提条件とした演算に対して、対称でないアラ
イメントマークのデータを用いるということは、そこに
矛盾を生じ、演算結果は誤差を含む。つまり、アライメ
ントマークの対称性が崩れば崩れる程、演算結果に含ま
れる誤差は益々大きくなる。

このアライメントマークの非対称性により精度が低下す
るのを防止する対策例が上述した特開昭62-54918号公報
や特開昭61-199633号公報に開示されている。特開昭62-
54918号公報では、ウエハ上に塗布されたホトレジスト
の膜厚分布を測定してこの測定された膜厚分布よりウエ
ハアライメントパターン位置検出誤差を求め、該位置検
出誤差にもとづきアライメント量を補正している。しか
しながら、この方法では、処理が複雑になるという欠点
がある。また、特開昭61-19933号公報では、アライメン
トマークの形状そのものを位置検出誤差が生じにくいも
のにしている。しかしながら、この特開昭61-199633号
公報に開示されたアライメントマークは、その形状が非
常に複雑となるという欠点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によるアライメントマークの位置検出方法は、ア
ライメントマークを撮像装置で撮像して得られるアナラ
グ画像信号をディジタル画像信号に変換し、この変換し
て得られたディジタル画像信号を処理することによりア
ライメントマークの中心位置を求める方法において、前
記アライメントマークは、一方のマーク部分を平行移動
すれば他方のマーク部分と重なり合うような形状を有す
る少なくとも２つのマーク部分からなり、前記ディジタ
ル画像信号の処理が、前記ディジタル画像信号を微分
し、この微分された信号について相似性パターンマッチ
ングを行う処理であり、その処理結果が最大となる位置
を前記アライメントマークの中心位置として認識するこ
とを特徴とする。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

先ず最初に本発明の原理について述べる。

本発明では、パターン計測の分野で一般的に適用されて
いるパターンマッチングの手法の一部を変形した特長を
有する。処理の流れは、入力画像に対して微分オペレー
タを働かせることによって、パターンのエッジ抽出を行
い、エッジ抽出したデータに対して相似性パターンマッ
チングを行う手順となっている。なお、相似性パターン
マッチングの定義やその方法については、以下の説明に
より次第に明らかになるだろう。相似性パターンマッチ
ングでは、周知の自己相関関数の一部を変形した式を用
いている。

通常のパターンマッチングあるいは波形データ処理で
は、自己相関関係は次式で定義されている。

ここで、ｉ＝0,1,…,N−１、ｘ（ｉ）は有限個Ｎのサン
プル値、Rx（ｉ）は自己相関関数である。

上式をあるマッチングを目的とするデータあるいは信号
波形に適用することによって、ある一定の基準になるパ
ターンあるいは信号波形の相関結果を得ることができ
る。この式から明らかなように、この演算は相対回数の
積和計算を必要とするので、計算に時間が掛かる。その
ため、自己相関関数は、バッチ処理に向くが、リアルタ
イム処理には到底対応しきれない。

例えば、Ｘ線露光装置等のアライメント処理に上式を用
いた場合、演算時間が長いということは、Ｘ／Ｙステー
ジも含めて、アライメントの処理結果をフィードバック
信号として用いる制御系に対しても、大きな障害とな
る。さらに、演算時間が長いということが装置全体とし
てのスループットを低下させる最大の原因となってしな
い、致命的な欠陥となりかねない。

そこで、本発明では、アライメントマークの形状を工夫
したうえで、上述の式で表される自己相関関数の演算結
果を数100分の１に短縮するために、自己相関関数の式
の変形を次のように行った。

（１） アライメントマークの形状の工夫 アライメントマークの入力画像に対して、１次微分オペ
レータを働かせることによってエッジ抽出したデータ信
号において、一般的な自己相関関数による重ね合わせ手
法が可能となるアライメントマーク形状とした。即ち、
アライメントマークは少なくとも２つのマーク部分から
なり、一方のマーク部分をデータ信号上で平行移動すれ
ば、もう一方のマーク部分と重ね合う形状とした。例え
ば、アライメントマークが、第３図に示したような、矩
形の形状であると、自己相関関数による重ね合う手法が
不可能である（第４図参照）。これに対し、第５図に示
されるような、互いに近接して配置された矩形の２つの
マーク部分からなるアライメントマークでは、自己相関
関数による重ね合わせ手法が可能である。

（２） 自己相関関数の式変形 本発明では、自己相関関数の式を変形するために、露光
装置で使用されるアライメントマークの特長に着目し、
アライメントマークを撮像装置で撮像して得られるアナ
ログ画像信号（入力画像）に対して１次微分オペレータ
を働かせることによって得られる信号（エッジパター
ン）が通常の信号波形とは異なる次の２点を基本として
変形する。

〔１〕パターンマッチングを取る２つのエッジパターン
間の距離Ｗは基本的には一定値であり、かつプロセスに
よる距離Ｗの変動は極僅かである。

〔２〕パターンマッチングを取る範囲は、エッジパター
ン付近についてのみ設定すればよい。

この特長〔１〕及び〔２〕に基づいて、自己相関関数の
式変形の過程を次に説明する。

離散値に対する自己相関関数は、上述したように次式で
表される。

ただし、ｉ＝0,1,…,N−１である。

ここで、展開を簡単にするため、正規化係数１／Ｎを省
く。

（２）式を第６図（第５図と同じ）に示すデータに対し
て用いる。この図において、横軸はパターンの距離を表
す。画像入力は２次元カメラで撮像したものを使用し、
離散距離は２次元カメラの撮像管面上の画素数（ｊ）で
表される。また、縦軸は２次元カメラで撮像したアナロ
グ画像信号をディジタル画像信号に変換し、この変換し
て得られたディジタル画像信号に対して１次微分オペレ
ータを働かせた結果で、映像信号（ビデオ信号）の１次
微分値であることから、Ｖ′で表す。従って、第６図に
おいて、（２）式は次式に置換えられる。

特長〔１〕から、１つのアライメントマークを形成する
左パターンと右パターンの幅Ｗは、基本的には一定値
で、（３）式において、幅Ｗは遅れ時間ｉに相当する。

（４）式は第６図におけるｊの全領域において、左右の
パターンの幅Ｗについて相関を求めている。

ところが、特長〔２〕から、相関（重ね合わせ）を取る
パターンは、エッジパターンの存在する部分についての
み設定すればよく、第６図からも明らかな様に、左右の
パターンの存在する範囲は有限である。

第６図において、左パターンの存在する範囲を相関区間
Ｒとし、その相関区間の開始点をＰとすると、相関を取
る範囲は、第６図上でｊ＝Ｐからｊ＝Ｐ＋Ｒまでの範囲
に限定される。第７図にそのことを示している。

このことから、（４）式は、次の様に変形される。

なお、（５）式は幅Ｗの関数として定義されているが、
アライメントマークの特長〔２〕から、相関区間Ｒ及び
相関区間の開始点ＰについてもＡのパラメータとなる。
従って、相関区間Ｒ、相関区間の開始点Ｐについてもパ
ラメータとすると、（５）式は次の様に変換される。

以上の展開から自己相関関数の式（２）は、アライメン
トマークの特長〔１〕，〔２〕を考慮することで、最終
的に（６）式を得ることができた。（６）式は基本的な
相似性パターンマッチングの定義式と見なすことがで
き、その拡張式としては、次の６つの式が考えられる。

つまり、Ａ（W,P,R）において、W,P,Rを同時にパラメー
タとして持つものでなく、３つのパラメータのうち、１
つあるいはその組合わせをパラメータとしてもつ相似性
パターンマッチングの式である。

実際に、（６）式で表される相似性パターンマッチング
をプロセス形式マークに対して適用するとき、ほとんど
の場合、W,P,Rの３つのパラメータを同時に持つ必要は
ない。何故なら、特長〔１〕，〔２〕からマーク幅Ｗと
パターン幅Ｒについては、定数とみなせることから、ほ
とんどの場合（６）式はＰをパラメータとする関数Ａ
（Ｐ）の（６−１）式として定義される。あるいは、プ
ロセス形式マークによるマーク幅Ｗがある程度変化する
時は、（６）式は関数Ａ（W,P）の（６−５）式として
定義され、使用される。

次に、自己相関関数（２）式と（６）式の間で、演算回
数を比較する。

データ数を1000個と仮定する。自己相関関数（２）式の
場合、各データにつき、積算回数が999回、和算回数が9
98回であるので、全てのデータに対しては、（999＋99
8）×1000＝1997000回の演算回数となる。これに対し
て、（６）式の演算回数を次の仮定の元に求める。

ある一定のプロセス形成マークを考えた場合、マーク幅
Ｒ及びパターンの存在範囲（パターン幅）Ｗが一定であ
るとすると、（６）式はＰだけの関数、すなわち（６−
１）式となる。ここで、１画素当り0.1μｍとし、開始
点Ｐの範囲が±1.5μｍ、マーク幅Ｒが５μｍ、及びパ
ターン幅Ｗが20μｍとすると、開始点Ｐの範囲、マーク
幅Ｒ、及びパターン幅Ｗは、夫々30点、50点、及び200
点となる。従って、（６−１）式は次式で表される。

（６−１）式の場合、各データにつき、積算回数が50
回、和算回数が49回であるので、全演算回数は、（50＋
49）×30＝2970回となる。従って、約670分の１に短縮
される。実際にこの回数であれば、ディジタル信号処理
（DSP）フィルタを用いても、1ms以下の時間で演算可能
である。さらに、最近普及されだした積和演算用（MAC:
mulutiplier−accumulator）チップを用いればさらに高
速化が可能となる。

以上説明したように、自己相関関数をアライメントマー
クに限って適用することにより、その演算回数を極端に
減少させることができる。

また、本発明では、（６）式よりパターンの対称性を前
提とせず、左右パターンの相似性に依存している。この
ことは、ウエハプロセス依存性に対して比較的強いとい
う特長をもつ。

例えば、レジスト形成マークの場合、第２図に示される
ように、Ｘ線等の照射角度や現像等の条件により、レジ
スト形成マークの対称性が崩れたと仮定してみる。この
場合、本発明では、レジスト形成マークの左右のパター
ンが、第８図に示されるように、近接した場合（20μｍ
前後）に在するため、比較的似通った変化の仕方をす
る。つまり、相似性を保ちながら左右パターンは変形し
ていく。又、第３図に示されるように、プロセス形成マ
ークにおいて、薄膜がプロセス形成マーク上面に塗布さ
れる場合においても、第９図に示されるように、左右パ
ターンが近接しているため、塗布中の条件がほぼ同じで
あることから、相似性を保ちながら塗布される。

以上の説明から明らかなように、（６）式はアライメン
トマークの対称性を問わず、相似性が良く保たれるとい
う性質を利用したパターンマッチングの方法であること
から、相似性パターンマッチングと呼ばれる。

（６）式で定義される相似性パターンマッチングにおい
て、Ｗ＝200,R＝50とし、Ｐをパラメータとした処理結
果Ａ（Ｐ）の一例を第10図に示す。

第10図において、Ａ（Ｐ）の第１のピーク値を示すとこ
ろのＰの位置をP1として、パターンの位置を認識し、Ｐ
−Ａ（Ｐ）座標において、そのパターンの位置をアライ
メントマークの中心位置として、次式で求められる。

また、第10図において、Ａ（Ｐ）の第２のピーク値を示
すところのＰの位置をP2とすると、第10図から明らかな
ように、Ａ（Ｐ）の実際のピークを示すＰの位置は、P1
とP2の間に存在する。この場合、第１のピーク値と第２
のピーク値との間で補間演算を行うことで、P1とP2の間
に存在するピーク位置を求めることができる。補間演算
により求められたピーク位置をP1-2とすると、アライメ
ントマークの中心位置は次式で求められる。

マークの中心位置＝P1-2＋125 …（８） （７）式あるいは（８）式を、マスクアライメントマー
クとウエハアライメントマークについて求めることによ
り、マスクとウエハの位置関係が求められる。

次に、本発明の実施例について説明する。

第１図を参照して、先ず、本実施例では、アライメント
マークは、２つのマーク部分からなり、その形状は、一
方のマーク部分を平行移動すれば他方のマーク部分と重
なり合う形状を有する。本実施例のマーク部分は、図示
の如く、矩形の形状をしている。このアライメントマー
クを２次元カメラ（撮像装置）（図示せず）で撮像し、
アナログ画像信号を得る。アナログ画像信号はアナログ
ディジタル変換器（図示せず）でディジタル画像信号に
変換される。ここで、ディジタル化の階調数としては６
ビット以上とし、好ましくは８ビットが望ましい。この
ディジタル画像信号を、同期積算することにより、雑音
除去を行い、Ｓ／Ｎ比を高めると同時に、データ圧縮を
も行う。ここで、積算回数は任意の数でよい。次に、こ
のように雑音除去とデータ圧縮がなされたディジタル画
像信号を微分し、アライメントマークのエッジ（輪郭）
を抽出する。この微分されたデータに対し、（６）式で
表される相似性パターンマッチング処理を行う。この相
似性パターンマッチング処理の結果が最大となる位置を
アライメントマークの中心位置として認識する。

なお、アライメントマークの形状はこの実施例に限定し
ないのは言うまでもなく、入力画像を微分オペレータで
処理したデータが相似性を保つような形状であれば、ど
のような形状でも良い。

この方法を『微小距離離れた２物体の位置検出装置』の
処理装置に組合わせることにより、Ｘ線露光装置等の露
光装置におけるアライメントシステムを構成することが
できる。このアライメントシステムは、任意のギャップ
設定を可能にした上で、プロセス依存性の極めて小さ
い、高精度で高スループットのアライメントシステムを
実現可能にする。

また、本発明の適用範囲も、露光装置に限定せず、他の
パターン認識の応用分野において予めパターンの形状及
び距離が推測されるものにも適用できる。この場合、相
似性パターンマッチングの式において適当なパラメータ
を与えることにより、従来の自己相関関数や相互相関関
数に基づく場合に比べて、演算時間を数100分の１に短
縮することができる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば、アライ
メントマークを少なくとも２つのマーク部分から構成
し、一方のマーク部分を平行移動すれば他方のマーク部
分と重なり合うような形状とし、画像入力信号を微分し
た信号について相似性パターンマッチングを行なってい
るので、アライメントマークの対称性が崩れても、アラ
イメントマークの中心位置を高精度に、しかも簡単な処
理で認識できるという効果がある。従って、スループッ
トが向上し、生産プロセスの簡素化、生産効率の向上に
大きく貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるアライメントマークの
位置検出方法を説明するための図、第２図は従来のレジ
スト形成マークの対称性の崩れを説明するための図、第
３図は従来のプロセス形成マークの対称性の崩れを説明
するための図、第４図は従来のアライメントマーク形状
の場合に自己相関関数による重ね合わせが不可能である
ことを説明するための図、第５図は本発明のアライメン
トマーク形状の場合に自己相関関数による重ね合わせが
可能であることを説明するための図、第６図は第５図の
アライメントマークの映像信号の１次微分値Ｖ′と２つ
のパターン間の幅Ｗを示す図、第７図は第６図に更に相
関区間の開始点Ｐと相関区間Ｒを示す図、第８図は本実
施例のレジスト形成マークが相似性を保つことを説明す
るための図、第９図は本実施例のプロセス形成マークが
相似性を保つことを説明するための図、第10図は本発明
による相似性パターンマッチングの処理結果の一例を示
す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アライメントマークを撮像装置で撮像して
   得られるアナログ画像信号をディジタル画像信号に変換
   し、この変換して得られたディジタル画像信号を処理す
   ることによりアライメントマークの中心位置を求める方
   法において、前記アライメントマークは、一方のマーク
   部分を平行移動すれば他方のマーク部分と重なり合うよ
   うな形状を有する少なくとも２つのマーク部分からな
   り、前記ディジタル画像信号の処理が、前記ディジタル
   画像信号を微分し、この微分された信号について下記の
   数式で表される相似性パターンマッチングを行う処理で
   あり、 （ここで、Ｖ′（ｊ）はディジタル画像信号の微分値、
   Ｒは相関区間、Ｐは相関区間の開始点、及びＷは互いに
   隣接する２つのマーク部分間の距離）その処理結果が最
   大となる位置を前記アライメントマークの中心位置とし
   て認識することを特徴とするアライメントマークの位置
   検出方法。