JPH10294267A - アライメントマーク検出装置とアライメントマーク検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 撮像手段５により撮像した映像信号によ
りアライメントマークを検出するにあたり、コントラス
ト不足、エッジ不明瞭、ノイズ発生等によるアライメン
トマーク検出精度の低下を防止する。 【解決手段】 ＮＡを変化させる絞り１１を設け、ＮＡ
を変えて複数回のアライメントマーク２の位置検出を繰
り返し、その複数回の位置検出結果の平均値を以てアラ
イメントマーク２の検出位置と認識するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アライメントマー
クのある被写体を撮像手段により撮像し、該撮像手段か
ら出力された映像信号を映像信号処理手段により処理し
てアライメントマークの位置を検出するアライメントマ
ーク検出装置と、アライメントマーク検出方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造過程には、露光工程が
数多くあり、半導体ウェハに対して例えばフォトマスク
（或いはレチクル）を位置合わせするということが何度
も繰り返される。そして、その位置合わせは、半導体ウ
ェハの表面に形成されたアライメントマークとフォトマ
スクに形成されたアライメントマークとを指標として為
される。

【０００３】従って、その位置合わせには当然にアライ
メントマークを認識し、そのアライメントマークの位置
を検出することが必要である。

【０００４】そして、現在実際に用いられているアライ
メントマークの位置検出技術は概ね二種類あり、一つは
アライメントマークのあるものに対してレーザ光を照射
し、その回折光の強度分布を検出し、その分布を示す波
形からアライメントマーク位置を検出するものである。
この検出技術は、マークや下地の表面荒れが小さく、ア
ライメントマークの対称性が良く、マークの段差が低い
場合に適している。

【０００５】他の位置検出技術は、撮像手段（例えばＣ
ＣＤ型固体撮像装置等）を用いて撮像することによって
アライメントマークの位置を検出するものであり、表面
荒れがあり、マークの非対称性が悪く、マークの段差の
大きいものを検出する場合に適している。

【０００６】図５（Ａ）乃至（Ｃ）は撮像手段を用いた
アライメントマーク検出装置の従来例を説明するための
もので、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は半導体ウェハ上
に形成されたアライメントマークの一例を示す平面図、
（Ｃ）はアライメントマークによる理想的な映像信号を
示す波形図である。

【０００７】図面において、１は半導体ウェハ、２は該
ウェハ２の表面に形成されたアライメントマーク、３は
被写体を後述する固体撮像装置（ＣＣＤ）の撮像面に結
像するレンズ、４はアライメントマーク２の位置認識に
あたっての指標となる指標マークで、これとアライメン
トマークとの撮像面上におけるズレが無くなるように半
導体ウェハ２の位置修正が為される。

【０００８】５は撮像手段であるＣＣＤ型固体撮像装
置、６は照明用光源、７は映像信号処理手段で、該ＣＣ
Ｄ型固体撮像装置５と、証明用光源６と、該撮像装置５
の出力である映像信号に対して増幅、波形整形、Ａ／Ｄ
変換等の処理をする処理ユニット８とから成る。９は該
ユニット８から出力された映像データを各種演算等の処
理をする処理部で、コンピュータ１０からなる。１１は
撮像画像を表示するディスプレイである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、アライメン
トマークがアルミニウム層からなる場合、従来はマーク
段差が大きいケースが多く、しかも、その表面に大きな
荒れがあり、マークは非対称になるので、撮像手段で撮
像する検出方法が採られている。しかし、最近は、マー
ク段差が小さくなるケースが増えつつある。というの
は、微細化に伴ってアルミニウム配線膜などの膜厚が薄
くなるケースが増えているからである。

【００１０】そのため、エッジを精度良く検出すること
が相当に難しい。また、アライメントマークの段差がか
なり大きい場合にもエッジを高精度に検出することは容
易なことではないし、ノイズが発生した場合にはアライ
メントマークの検出精度は低下する等問題が少なくな
い。

【００１１】図６（Ａ）乃至（Ｃ）は問題の生じる各ケ
ースを示すもので、各々上がアライメントマークを、下
が映像信号の波形を示す。

【００１２】同図（Ａ）はコントラストが小さい場合を
示し、この場合は映像信号の振幅が小さくなり、正確な
位置検出が難しくなる。かかるコントラスト不足はアラ
イメントマークと、その下地との色調が近い場合に生じ
る。即ち、コントラストが小さいと解像度（解像度＝Ｋ
₁ ・λ／ＮＡ 但し、Ｋ₁ ：定数、ＮＡ：開口数アパー
チャーナンバー、λ：光線の波長）が低下し、信号は振
幅が小さく、人間が肉眼で視たのと同様に識別がしにく
くなる。

【００１３】同図（Ｂ）はアライメントマークのエッジ
がはっきりしない場合を示し、この場合はマークの端部
に相当するところがぼけた映像信号になる。

【００１４】つまり、理想的波形は、映像信号が下地か
らマークのエッジになるとき信号レベルが急激に変化
（この場合レベル低下）し、エッジを過ぎると信号レベ
ルが稍その変化と逆方向に変化（この場合レベル上昇）
し、マークのもう一方のエッジに近づくとまたこの変化
と逆方向に変化（この場合レベル低下）し、エッジにな
ると急激に元の（下地に対応する）レベルに戻る変化が
生じるような波形、つまり、マークのエッジで一旦下が
るがそこを過ぎると上がり、もう一方のエッジに近づく
とまた下がり、そのエッジに達すると急激に上がるよう
な、謂わばマーク内に対応する部分に高い山が生じるよ
うな波形であって、その山の高さが充分な波形である。

【００１５】しかし、実際にはその山の高さは充分では
ない場合が多いのである。このようなエッジがはっきり
しない場合というのはアライメントマークの段差が大き
く、そのため充分なフォーカスマージン（ＤＯＦ＝Ｋ₂
・λ／（ＮＡ）²[μｍ] 但しＫ₂ ：定数、λ：光線の
波長、ＮＡ：開口数）を得ることができないときに発生
する。

【００１６】また、同図（Ｃ）はノイズが発生した場合
を示し、この場合も映像信号に乗ったノイズによりエッ
ジの検出が困難になる。このようなノイズは、主として
高温アルミニウム形成プロセスによりアルミニウム配線
を形成した場合に下地等に激しい荒れが生じ、その荒れ
が激しい信号レベル変化をもたらし、その変化がノイズ
となって映像信号中に入ってしまうのである。

【００１７】従って、光学系のＮＡが或る値を有すると
して、その値が或る一つのケースには最適であり精度の
高い検出が可能であったとしても他のケースでは不適切
な値になり、検出精度が低くなるという問題があった。

【００１８】本発明はこのような問題点を解決すべく為
されたものであり、撮像手段により撮像した映像信号に
よりアライメントマークを検出するアライメントマーク
検出装置或はアライメントマーク検出方法において、コ
ントラスト不足、エッジ不明瞭、ノイズ発生等によるア
ライメントマーク検出精度の低下を防止乃至軽減するこ
とを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明アライメントマー
ク検出装置は、被写体を撮像手段に結像する光学経路に
設けたＮＡ可変の絞りを変化させて、アライメントマー
ク検出を複数回行い、複数の検出結果の平均を求め得る
ようにしたことを特徴とする。

【００２０】従って、本発明アライメントマーク検出装
置によれば、一つのＮＡの下での測定結果の精度が低く
ても、ＮＡを変えて複数回マーク検出を行い、その複数
の検出結果の平均値を求めることにより、精度の高い検
出結果を得ることができる。本発明アライメントマーク
検出方法は、被写体を撮像手段に結像する光学経路に設
けたＮＡ可変の絞りを変化させて、アライメントマーク
検出を複数回行い、複数の検出結果の平均を求め、それ
を以てマーク検出位置と認識することを特徴とする。

【００２１】従って、本発明アライメントマーク検出方
法によれば、一つのＮＡの下での測定結果の精度が低く
ても、ＮＡを変えて複数回マーク検出を行い、その複数
の検出結果の平均値を求めるので、精度の高い検出結果
を得ることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明は、被写体、例えば半導体
ウェハのアライメントマークが視認できる表面を、撮像
手段（例えばＣＣＤ型固体撮像装置等）の撮像面に結像
する光学経路にそのレンズのＮＡを変化させるための絞
りを設け、ＮＡを変えて複数回マーク検出を行い、その
複数の検出結果（各結果は例えばＸ，Ｙ座標として表さ
れる。）の平均値を求めることができるようにし、そし
て、その平均値を以てアライメントマークの位置と認識
する。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を図示実施例に従って詳細に説
明する。

【００２４】図１（Ａ）は本発明アライメントマーク検
出装置の第１の実施例を示す概略構成図、（Ｂ）は半導
体ウェハ表面部に形成されたアライメントマークの一例
を示す平面図、（Ｃ）はアライメントマークを撮像して
得た理想的な映像信号を示す波形図である。

【００２５】同図において、１は半導体ウェハ、２は該
ウェハ２の表面に形成されたアライメントマークで、例
えば図１（Ｂ）に示す平面形状を有する。３は被写体を
後述する固体撮像装置（５）の撮像面に結像するレンズ
で、ＴＶカメラの光学系を成し、後述する絞り（１２）
を内蔵する。４はアライメントマーク２の位置認識にあ
たっての指標となる指標マークで、これとアライメント
マーク２との撮像面上におけるズレが無くなるように半
導体ウェハ１の位置修正が為される。

【００２６】５は撮像手段である例えばＣＣＤ型の固体
撮像装置、６は照明用光源で、上記レンズ３を介して半
導体ウェハ２表面を照射する。７は画像処理部で、上記
ＣＣＤ型固体撮像装置５と、それから出力された映像信
号に対して増幅、波形整形、Ａ／Ｄ変換等の処理をする
処理ユニット８と、上記照明用光源６からなる。１０は
上記該ユニット８（画像処理部７）から出力された映像
データを各種演算等の処理をするコンピュータ９からな
る制御部、１１は撮像画像を表示するディスプレイであ
る。

【００２７】１２は被写体を上記固体撮像装置５の撮像
面に結像する光学系に設けられた絞りで、上記コンピュ
ータ９により制御される。そして、この絞り１２を設
け、コンピュータ９により光学系のＮＡを調整するよう
にしたことが本アライメントマーク検出装置の一つの特
徴である。

【００２８】次に、図１に示したアライメントマーク検
出装置の動作を説明する。本アライメントマーク検出装
置は、基本的には次に動作をする。先ず、照明用光源６
から出射された光はレンズ３を経て半導体ウェハ１上に
至り、アライメントマーク２に入射する。そして、その
反射光がレンズ３を経て画像処理部７の撮像手段たる例
えばＣＣＤ型の固体撮像装置５の撮像面に入射される。
該反射光はレンズ３によりアライメントマーク２を該撮
像面上に結像する光となる。この光は該撮像装置５によ
り電気信号[ 理想的には図１（Ｂ）に示すようにな
る。] に変換され、処理ユニット８でアライメントのた
めの演算が行われる。

【００２９】そして、その演算の結果が制御部９のコン
ピュータ１０により処理され、半導体ウェハ１の露光位
置の制御が為される。斯かる演算等は、具体的には、ア
ライメントマーク２の中心と、上記指標マーク４の中心
とのずれを求め、そして、そのずれが０になるように半
導体ウェハ１の位置を調整する位置調整量を算出するの
である。

【００３０】更に、本アライメントマーク検出装置は、
撮像装置５により得られた画像信号、即ちマークにより
反射された光とその下地にて反射された光とによるコン
トラストを成す信号により精度良くマーク中心を検出で
き得るようにするため、絞り１２を設け、レンズ３のＮ
Ａ（開口数）をコンピュータ１０により変化させること
ができるようになっている。そして、ＮＡを変えての複
数回（例えば４回、勿論それ以上回数が多くても良い
し、少ない場合もある。）のアライメントマーク２の位
置検出を繰り返し、その位置検出結果の平均値を求め、
その平均値を以てアライメントマーク２の検出位置と判
断することができるようになっているのである。これ
が、本アライメントマーク検出装置の他の特徴である。

【００３１】図２（Ａ）乃至（Ｃ）は下地とアライメン
トマーク２との色調が似通い、信号のコントラストが小
さい場合について示すもので、（Ａ）はマーク形状を示
し、（Ｂ）は画像信号を示し、（Ｃ）はＮＡを変化させ
た場合の画像信号の変化を示す。信号のコントラストが
小さいと解像度が低下し、マーク２とその下地との境界
が識別しにくくなり、その結果位置検出精度が低くなる
という傾向がある。特に、絞りが強く、ＮＡが小さい場
合にその傾向が強い。従って、もしＮＡが小さい状態に
あり、その状態での位置検出結果を以て検出位置と認識
したとすると、精度のかなり低い位置検出になる。

【００３２】しかるに、一つのＮＡによる位置検出結果
を以て検出位置と認識するのではなく、ＮＡを変化させ
て位置検出を複数回繰り返し、各ＮＡ毎にそのアライメ
ントマーク２のマーク中心位置を求め、その位置の座標
データの平均値を求め、この平均値を以てマーク中心位
置の座標とし、これと指標マーク４の中心位置の座標と
のずれを算出すると、従来において生じていたところの
コントラスト不足な状態での誤差の多い一つの検出結果
を以てアライメントマーク２の位置と認識して大きなア
ライメント誤差が生じるというおそれを、なくすことが
でき、アライメント精度を向上させることができる。

【００３３】図３（Ａ）乃至（Ｃ）はアライメントマー
ク２とその下地との段差が大きい場合を示すもので、
（Ａ）はマーク形状を示し、（Ｂ）は画像信号を示し、
（Ｃ）はＮＡを変化させた場合の画像信号の変化を示
す。

【００３４】このように段差が大きい場合には、充分な
ＤＯＦ（焦点深度）が得られないため、マークの端部が
ぼけてしまうので、位置検出精度が低下する傾向があ
る。特に、ＮＡが大きいとその傾向が強い。従って、も
しＮＡが大きい状態にあり、その状態での位置検出結果
を以て検出位置と認識したとすると、精度のかなり低い
位置検出になる。

【００３５】しかるに、一つのＮＡによる位置検出結果
を以て検出位置と認識するのではなく、ＮＡを変化させ
て位置検出を複数か繰り返すこととし、そして、各ＮＡ
毎にそのアライメントマーク２のマーク中心位置を求
め、その位置の座標データの平均値を求め、この平均値
を以てマーク中心位置の座標とし、これと指標マーク４
の中心位置の座標とのずれを算出すると、従来生じてい
たところのコントラスト不足な状態で誤差の多い一つの
検出結果を以てアライメントマーク２の位置と認識して
大きなアライメント誤差が生じるというおそれを、なく
すことができ、アライメント精度を向上させることがで
きる。

【００３６】これは次のようにも説明することができ
る。このようなにマークのエッジに相当するところがぼ
けた映像信号になるときは、ＮＡを小さくすることによ
りフォーカスマージン（ＤＯＦ）を大きくしてアライメ
ントマークのエッジの見え方を向上させ、位置検出デー
タ中に精度の高いデータ成分を入れて、検出精度を高め
ることができる。

【００３７】元来、理想的には、下地からマークのエッ
ジになるとき映像信号が急激にレベル低下し、エッジを
過ぎると信号レベルが稍レベル上昇し、マークのもう一
方のエッジに近づくとまたレベル低下し、エッジになる
と急激に元のレベルに急激に戻るような波形変化が生じ
るのが好ましい。つまり、マークのエッジで一端下がる
がそこを過ぎると上がり、もう一方のエッジに近づくと
また下がり、そのエッジに達すると急激に上がるよう
な、謂わばマーク内に対応する部分に高い山が生じるよ
うな波形であって、その山の高さが充分に高いことが望
ましいのである。そこで、もしＮＡを小さくするとフォ
ーカスマージンが大きくなり、マーク内に対応する部分
に生じる山の高さが高く、エッジのはっきりした波形が
得られるので精度が高くなり、これが位置検出データの
中にはいるので、アライメントマークの位置検出精度が
高くなる。従って、一つのＮＡによる位置検出結果のみ
で位置認識をした場合において生じるところの検出精度
が著しく低くなる可能性をなくすことができるのであ
る。

【００３８】図４（Ａ）乃至（Ｃ）はアライメントマー
ク２の下地の荒れが激しく、画像信号にノイズが多い場
合を示すもので、（Ａ）はマーク形状を示し、（Ｂ）は
画像信号を示し、（Ｃ）はＮＡを変化させた場合の画像
信号の変化を示す。この場合は、映像信号に乗ったノイ
ズによりエッジの検出が困難になる傾向になる。そのノ
イズの発生原因は、主として高温アルミニウム形成プロ
セスによりアルミニウム配線を形成した場合に下地に激
しい荒れが生じることにより発生するのであり、特に、
ＮＡが小さいときにその傾向が強い。というのは、ＮＡ
が小さく且つ下地に焦点（ピント）が合っているとノイ
ズの発生源たるその下地の撮像情報がタップリ入るから
である。従って、もし一つのＮＡによる位置検出結果の
みで位置認識をした場合にはそのＮＡが大きいときには
ノイズにより精度の落ちた位置認識結果が生じてしまう
が、ＮＡを変えての位置検出を複数回繰り返して平均値
をとると、ＮＡを大きくした状態での位置検出結果（下
地の撮像情報が少なくなり、ノイズが少なくなる。）が
位置検出データ中に入るので、アライメントマーク検出
精度が高くなるのである。

【００３９】上述したように、元来、アライメントマー
クとその下地によりＮＡが大きい方がよい場合もあれ
ば、小さい方がよい場合もあるが、どの場合であっても
ＮＡを変えて複数回の位置検出を繰り返し、その位置検
出結果の平均値を求めれば、低い精度の位置検出結果が
生じるおそれがなくなり、比較的高い精度でのアライメ
ントマークの位置検出を行うことができるのである。

【００４０】

【発明の効果】本発明アライメントマーク検出装置によ
れば、一つのＮＡの下での測定結果の精度が低くても、
ＮＡを変えて複数回マーク検出を行い、その複数の検出
結果の平均値を求めることができるので、精度の高い検
出結果を得ることができ得る。本発明アライメントマー
ク検出方法によれば、一つのＮＡの下での測定結果の精
度が低くても、ＮＡを変えて複数回マーク検出を行い、
その複数の検出結果の平均値を求めるので、精度の高い
検出結果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）乃至（Ｃ）は本発明アライメントマーク
検出装置の第１の実施例を説明するためのもので、
（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）はアライメントマークの平
面図、（Ｃ）はアライメントマークによる理想的な映像
信号を示す波形図である。

【図２】（Ａ）乃至（Ｃ）は下地とアライメントマーク
との色調が似通い、信号のコントラストが小さい場合を
示すもので、（Ａ）はマーク形状を示し、（Ｂ）は画像
信号を示し、（Ｃ）はＮＡを変化させた場合の画像信号
の変化を示す。

【図３】（Ａ）乃至（Ｃ）はアライメントマークとその
下地との段差が大きい場合を示すもので、（Ａ）はマー
ク形状を示し、（Ｂ）は画像信号を示し、（Ｃ）はＮＡ
を変化させた場合の画像信号の変化を示す。

【図４】（Ａ）乃至（Ｃ）はアライメントマークの下地
の荒れが激しく、画像信号にノイズが多い場合を示すも
ので、（Ａ）はマーク形状を示し、（Ｂ）は画像信号を
示し、（Ｃ）はＮＡを変化させた場合の画像信号の変化
を示す。

【図５】（Ａ）乃至（Ｂ）はアライメントマーク検出装
置の従来例を説明するためのもので、（Ａ）は概略構成
図、（Ｂ）は半導体ウェハ上に形成されたアライメント
マークの一例を示す平面図、（Ｃ）はアライメントマー
クによる理想的な映像信号を示す波形図である。

【図６】（Ａ）乃至（Ｃ）は本発明が解決しようとする
問題点の各別のケースを示す説明図である。

【符号の説明】

１・・・被写体（ウェハ）、２・・・アライメントマー
ク、３・・・光学系、５・・・撮像手段（ＣＣＤ型固体
撮像装置）、７・・・映像信号処理手段、１２・・・絞
り。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アライメントマークのある被写体を撮像
   手段により撮像し、該撮像手段から出力された映像信号
   を映像信号処理手段により処理してアライメントマーク
   の位置を検出するアライメントマーク検出装置におい
   て、 上記被写体を上記撮像手段の撮像面に結像する光学経路
   に、上記映像信号処理手段によりＮＡ（開口数）制御が
   可能な絞りを有し、 上記ＮＡを変えてのアライメントマーク位置検出を複数
   回行い、複数回の位置検出結果の平均値を求めるように
   してなることを特徴とするアライメントマーク検出装置
2. 【請求項２】 アライメントマークのある被写体を撮像
   手段により撮像し、該撮像手段から出力された映像信号
   を映像信号処理手段により処理してアライメントマーク
   の位置を検出するアライメントマーク検出方法におい
   て、 上記被写体を上記撮像手段の撮像面に結像する光学経路
   に、上記映像信号処理手段によりＮＡ（開口数）制御が
   可能な絞りを設け、 上記ＮＡを変えてのアライメントマーク位置検出を複数
   回行い、複数回の位置検出結果の平均値を求め、これを
   以てアライメントマークの検出位置とすることを特徴と
   するアライメントマーク検出方法