JPH1183439A - 画像計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 視野内におけるマークの位置決め精度が比較
的ラフであっても、高精度に該マークの幾何学的情報を
計測できる画像計測装置を提供する。 【解決手段】 本画像計測装置は、マーク２５、２７の
画像を取得し、該マークに関する幾何学的情報を計測す
る。補正データ保持部３７に、装置の視野の基準位置に
マークを位置させた状態で計測した基準値と、該視野の
一般位置にマークを位置させた状態で該情報を計測した
一般値との位置偏差を、該視野の座標に対応した補正デ
ータとして予め保持しておく。そして、位置偏差補正部
３９で、マークの視野内位置に対応させて該マークの位
置偏差を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体リソグラフ
ィーの重ね合わせ精度を測定するためのレジストレーシ
ョン装置に代表される、マークを画像処理してその幾何
学的情報を計測する画像計測装置に関する。特には、画
像処理装置の視野内におけるマークの位置決め精度が比
較的ラフでも、高精度に幾何学的情報を計測できるよう
改良を加えた画像計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス製造工程における転写露
光の重ね合わせ精度測定を例にとって説明する。図５
は、半導体デバイスの転写露光における重ね合わせ精度
測定用のマークの平面図である。図中に、大小二つの正
方形のボックスマーク２５、２７が示されている。マー
ク２５は下地マークであり、その上の中央部に上地マー
ク２７が載っている。ここで下地マーク２５は、例え
ば、前工程で成膜された半導体デバイスプロセス層であ
り、２７は直前のフォトリソグラフィ工程で形成された
現像済のフォトレジスト層である。両マーク２５、２７
の中心位置のズレを計測することにより、上記フォトリ
ソグラフィ工程の重ね合わせ精度を知ることができる。

【０００３】このようなマークの寸法は数μm であり、
半導体デバイスの造り込まれるシリコンウェハ上に何点
か形成されている。マークの位置計測は、ＣＣＤカメラ
を備えた顕微鏡で、マークの拡大像を電気信号化された
画像として取り込み、この画像を処理することにより行
う（詳細は実施例中で詳説）。

【０００４】この際、通常は、図５（Ａ）に示すよう
に、マーク２５、２７を観察視野のほぼ中心に位置させ
て（ウェハステージで移動させて）画像を取り込む。そ
して取り込んだ画像の中の各マーク２５、２７の各辺
（エッジ）２５ａ〜２５ｄ、２７ａ〜２７ｄを自動的に
認識し、辺２５ａと２５ｂとの中心をマーク２５の中心
のＸ座標、辺２５ｃと２５ｄとの中心をマーク２５の中
心のＹ座標とする。さらに、マーク２７についても同様
に中心のＸ、Ｙ座標を読み取る。そして、両マーク２
５、２７の中心のＸ、Ｙ座標を比較して両マーク中心の
ズレ（重ね合わせ誤差）を読み取る。

【０００５】この際、ウェハステージを動かして測定マ
ークを視野中心に位置させ、その座標と測定マーク２５
及び２７の測定範囲を予め登録する。次に、登録した座
標にステージが厳密に一致するように移動させ、各測定
マーク２５及び２７の各辺２５ａ〜２５ｄ及び２７ａ〜
２７ｄの測定を行っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には以下
のような問題点があった。 （１）測定マークが視野内において、図５（Ｂ）のよう
に視野中心から外れた位置で計測すると、測定マークか
らの反射光が結像光学系を経てＣＣＤカメラに結像され
る過程の歪み（収差等）により、ＣＣＤカメラで得られ
る像に同心円方向に歪みが生じ、測定結果の値が変わ
る。 （２）測定マーク２５と測定マーク２７は異なるもので
あり、お互いの位置関係は細かく見るとあいまいで、片
一方を視野中心に移動させると、もう片方は視野中心か
ら外れてしまい、同じ視野内にも関わらずＣＣＤカメラ
で得られる像の測定マークそれぞれの歪みの影響が異な
ってくる欠点があった。

【０００７】（３）測定マーク２５と測定マーク２７は
構成物質が異なり反射光の特性も異なるため、光源から
両測定マークを経てＣＣＤカメラから出力される過程の
歪みの出方が異なってくる欠点があった。 （４）上記（１）の理由により、測定対象物のより厳密
な位置決めが不可欠になり、高精度のＸＹステージが必
要とされていた。また、測定対象物をそのような高精度
で位置決めするまでにかなりの時間を要する欠点があっ
た。

【０００８】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、画像処理装置の視野内におけるマークの位
置決め精度が比較的ラフであっても、高精度に該マーク
の幾何学的情報を計測できるよう改良を加えた画像計測
装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の画像計測装置は、 計測対象物（以下マー
クという）の画像を取得し、該画像を処理して該マーク
に関する幾何学的情報を計測する装置であって； 該装
置の視野の基準位置にマークを位置させた状態で該情報
を計測した値（基準値）と、該視野の一般位置にマーク
を位置させた状態で該情報を計測した値（一般値）との
差（位置偏差）を、該視野の座標に対応した補正データ
として予め保持しておく補正データ保持部と、 マーク
の視野内位置に対応させて該マークの位置偏差を補正す
る位置偏差補正部と、 を具備することを特徴とする。

【００１０】本発明では、上記のように位置偏差補正部
を設けたので、視野内での測定マークの位置が多少ずれ
ようとも、位置に依存する測定マークの測定値を補正す
ることにより、再現性の良い測定が可能になる。また、
複数の測定マーク間の距離を計測する場合においては、
測定マーク毎に補正データを持つこととすれば、測定マ
ーク間の距離に対して良好な線形特性を得ることが可能
となる。さらに、測定マークの位置合わせ時の許容範囲
を大きくすることが可能になり、位置合わせの整定時間
が短くなるため、測定マーク１個当たりの測定時間が短
縮できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ説明す
る。図１は、本発明の１実施例に係る画像計測装置の全
体構成を模式的に示す図である。図２は、計測時の補正
の手順を示すフローチャートである。

【００１２】図１において、半導体ウェハ２３上にマー
ク２５及び２７が示されている。マーク２５は下地マー
クであり、その上の中央部に上地マーク２７が載ってい
る。ここで下地マーク２５は、例えば、前工程で成膜さ
れた半導体デバイスプロセス層であり、２７は直前のフ
ォトリソグラフィ工程で形成された現像済のフォトレジ
スト層である。両マーク２５、２７の中心位置のズレを
図１の計測装置で計測することにより、上記フォトリソ
グラフィ工程の重ね合わせ精度を知ることができる。

【００１３】この実施例の計測装置は、照明用の光源１
１を有する。光源１１から発した照明光１３は、光源１
１と同軸上に配置されているコンデンサレンズ１５を通
って適当な照明倍率に調整される。コンデンサレンズ１
５を出た照明光１９は、コンデンサレンズ１５の軸と、
対物レンズ２１や結像レンズ３１の軸とが交差する点に
置かれているハーフミラー１７に当って下方に偏向さ
れ、ハーフミラー１７の下方に置かれている対物レンズ
２１を通過してマーク２５及びマーク２７を照明する。
この種の計測装置においては、照明の均一性を保つため
に、照明光学系の配置としていわゆるケーラー照明を採
用している。なお、マーク２５及びマーク２７は、対物
レンズ２１の光軸付近に、ウェハステージ２４によって
位置決めされる。

【００１４】マーク２５及びマーク２７に当てられた光
は反射して（反射光２８）、対物レンズ２１及び、ハー
フミラー１７を通過し、さらに同レンズ２１と同軸で上
方に配置された結像レンズ３１を通過する。その後、さ
らに上方に配置されたＣＣＤカメラ（光電変換器）３３
の光電変換面に達し結像する。

【００１５】ＣＣＤカメラ３３で取り込んだ画像の信号
は画像処理制御部３５に送られて、次のように処理され
る。すなわち、各マーク２５、２７の各辺（エッジ）２
５ａ〜２５ｄ、２７ａ〜２７ｄを自動的に認識し、辺２
５ａと２５ｂとの中心をマーク２５の中心のＸ座標、辺
２５ｃと２５ｄとの中心をマーク２５の中心のＹ座標と
する。さらに、マーク２７についても同様に中心のＸ、
Ｙ座標を読み取る。そして、両マーク２５、２７の中心
のＸ、Ｙ座標を比較して両マーク中心のズレ（重ね合わ
せ誤差）を読み取る。

【００１６】次に、画像処理制御部３５内の補正データ
保持部３７及び位置偏差補正部３９における計測値の補
正のフローについて図２を参照しつつ説明する。まず、
測定マークの種類及び計測項目を本装置に与えられた指
令情報から読み取る（Ｓ６１）。この例では、マークは
ボックス状の下地マーク２５と上地マーク２７であり、
測定項目は各マークの中心位置及び該位置のズレであ
る。

【００１７】次に、上述のように装置を作動させて両マ
ークの中心位置を検出する（Ｓ６２）。次に、各マーク
の中心位置の視野中心位置（基準位置）からの距離を算
出する（Ｓ６３）。次に、補正データ保持部３７に格納
されている補正データ式を位置偏差補正部３９に呼び出
す。この式は、後述するように、上記距離の適切な偶関
数として、各種マーク毎に決定されている。

【００１８】次に、呼び出した式にマーク中心の視野中
心からの距離を代入して計算し補正値を決定する（Ｓ６
５）。そして、Ｓ６２で検出した値から補正値を差し引
いて（Ｓ６６）、計測結果として出力する（Ｓ６７）。

【００１９】次に、図３及び図４を参照しつつ補正デー
タの取得方法の一例を説明する。図３は、補正データ取
得時にマーク位置を計測する点の分布を示す平面図であ
る。図４は、補正データ取得時の手順を示すフローチャ
ートである。

【００２０】図３に示すように、本実施例では、視野中
心（Ｘ軸、Ｙ軸交点）及び視野中心から同心円状に配置
した点にマーク２５、２７を移動させながら補正データ
を計測した。この例では、４つの同心円（半径Ｒ₁ 〜Ｒ
₄ ）のそれぞれに９０°振り分けで４点の計測点を配置
した。一つの同心円で４点計測しその結果を平均して精
度向上を図った。また、４つの同心円での測定結果か
ら、補正データを適切な偶関数に近似化した。なお、補
正データの補正及び蓄積の仕方は、求められる精度に応
じて各種の方法を採用できる。

【００２１】次に、各マーク２５（外ボックス）、２７
（内ボックス）の左右及び上下の辺（エッジ）の位置の
補正データの作り方を図４のフローチャートに従って説
明する。補正データは外ボックス２５と内ボックス２７
同時に作成する。

【００２２】まず最初に、視野中心における外ボックス
２５と内ボックス２７の左右上下のエッジ位置を計測す
る（Ｓ７１）。次に、図３で前述したように、視野中心
から同心円状に移動するステップ距離（半径Ｒ_N とＲ
_N+1 の差）とステップ回数（同心円の数）を、Ｘ方向及
びＹ方向について補正関数が十分な分解能が得られるよ
うに決定する（Ｓ７２）。次に、Ｓ７１で求めた視野中
心からステップ距離分ＸＹステージを移動させて、ボッ
クスマークを視野中心からずれた位置に配置する（Ｓ７
３）。

【００２３】その位置でのボックスマークの視野内での
位置を計測して実際の視野中心からのズレ量を求める
（Ｓ７４）。そのときの外ボックスと内ボックスの左右
及び上下のエッジ位置を計測する（Ｓ７５）。計測した
エッジ位置の視野中心に対する誤差を算出する（Ｓ７
６）。上記Ｓ７３〜Ｓ７７の作業をＳ７２で決定したス
テップ回数分実行する。

【００２４】視野中心からの距離をパラメータに誤差量
を適切な偶関数に近似する（Ｓ７８）。 近似して求め
た関数を測定条件を記述するレシピ（コンピューター内
の計測プログラム）へ保存する（Ｓ７９）。これで補正
データの作用を終了する。

【００２５】以上のように保存したレシピを用いて実際
にウェハの重ね合わせ誤差を計測する場合には、外ボッ
クスマーク及び内ボックスマークのそれぞれのエッジ位
置を測定し、ボックスマークの各エッジの視野内での視
野中心からの位置ずれ量とレシピに記憶された補正関数
から補正値を求め、エッジ位置を補正してウェハの重ね
合わせの測定結果を導く。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、以下の効果が得られる。 （１）測定マークの位置決めが視野内で変わっても、良
好な測定再現性が得られる。 （２）測定マークの構成物質が異なる場合においても、
測定マーク毎に補正データを持つこととすれば、複数マ
ーク間の距離を計測する際にお互いの距離が変化しても
良好な線形特性が得られる。 （３）測定マークのＸＹステージでの位置決め許容範囲
を大きくとることが可能になり、位置決め時間が短くな
り、装置のスループットが向上する。また、位置決め精
度を緩くすることが可能になり精度のより厳しくないＸ
Ｙステージの使用が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係る画像計測装置の全体構
成を模式的に示す図である。

【図２】本実施例の計測時の補正の手順を示すフローチ
ャートである。

【図３】補正データ取得時にマーク位置を計測する点の
分布を示す平面図である。

【図４】補正データ取得時の手順を示すフローチャート
である。

【図５】半導体デバイス製造工程における重ね合わせ精
度測定用のマークの平面図である。

【符号の説明】

１１ 光源 １３ 照明光 １５ コンデンサレンズ １７ ハーフミラ
ー １９ 照明光 ２１ 対物レンズ ２３ ウェハ ２４ ウェハステ
ージ ２５ マーク ２７ マーク ２８ 反射光 ３１ 結像レンズ ３３ ＣＣＤカメラ ３５ 画像処理制
御部 ３７ 補正データ保持部 ３９ 位置偏差補
正部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計測対象物（以下マークという）の画像
   を取得し、該画像を処理して該マークに関する幾何学的
   情報を計測する装置であって；該装置の視野の基準位置
   にマークを位置させた状態で該情報を計測した値（基準
   値）と、該視野の一般位置にマークを位置させた状態で
   該情報を計測した値（一般値）との差（位置偏差）を、
   該視野の座標に対応した補正データとして予め保持して
   おく補正データ保持部と、 マークの視野内位置に対応させて該マークの位置偏差を
   補正する位置偏差補正部と、 を具備することを特徴と
   する画像計測装置。
2. 【請求項２】 上記マークを上記視野内で移動させる機
   構と、 該マークを照明する照明光学系と、 該マークからの反射光又は透過光を光電変換器に結像す
   る、適正露光量調整機構を有する結像光学系と、 該マークの視野内での位置を検出する機構と、 を具備する請求項１記載の画像計測装置。
3. 【請求項３】 マークの像の計測手順を予め登録する計
   測手順登録部を具備する請求項２記載の画像計測装置。
4. 【請求項４】 上記基準位置が視野中心点であり、 上記補正データ保持部が、視野中心から一般位置までの
   距離に対応させて補正データを保持することを特徴とす
   る請求項１記載の画像計測装置。
5. 【請求項５】 上記マークが組となった複数の個別マー
   クから構成されており、上記補正データを各個別マーク
   毎に作成保持する請求項１記載の画像計測装置。