(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光によって照明した被検査物体の像が結像する撮像素子と、前記撮像素子で得られる測定値を用いて高速フーリエ変換又は離散的フーリエ変換することにより前記被検査物体の位置情報を得る演算手段とを有する位置計測装置において、前記演算手段は、該照明光によって形成される被検査物体上における照度分布に基づいてハニングのウインドウ関数を変化させ、該変化させたウインドウ関数を前記測定値に掛け、前記ウインドウ関数を掛けた測定値を高速フーリエ変換又は離散的フーリエ変換することを特徴とした位置計測装置。
【請求項２】
前記被検査物体の位置に基準となる基準物体を配置して測定を行い、該基準物体の測定値に基づいて前記照明光の照度分布を求めることを特徴とする請求項１記載の位置計測装置。
【請求項３】
前記基準物体の測定を測定範囲全体で該基準物体を静止した状態で同時に行うことを特徴とする請求項２記載の位置計測装置。
【請求項４】
前記基準物体の測定を動かしながら行い、前記撮像素子の各要素に対して常に該基準物体の同一箇所が対応するように測定することを特徴とする請求項２記載の位置計測装置。
【請求項５】
前記位置情報が被検査物体の三次元形状に基づく位置に関する情報であることを特徴とした請求項１記載の位置計測装置。
【請求項６】
前記位置情報が被検査物体上に予め形成されたマ−クの位置情報であることを特徴とする請求項１記載の位置計測装置。
【請求項７】
原版のパターンをウエハーに露光する露光装置において、ウエハー上のアライメントマークに照明光を照射する照射手段と、該アライメントマ−クの像を受光する撮像素子と、該照明光によって被検査物体上に形成される照度分布に基づいてハニングのウインドウ関数を変化させ、該変化させたウインドウ関数を前記撮像素子で得られる測定値に掛け、前記ウインドウ関数を掛けた測定値を高速フーリエ変換又は離散的フーリエ変換することにより前記アライメントマークの位置情報を得る演算手段とを含む位置計測手段を有すること特徴とする露光装置。
【請求項８】
パタ−ンの形成されていないベアシリコンウエハ−を用いて前記被検査物体上に形成される照度分布を求めることを特徴とする請求項７記載の位置計測装置。
【請求項９】
前記照度分布がガウス分布であることを特徴とする請求項８記載の位置計測装置。
【請求項１０】
照明光で照明された被検査物体の像を撮像素子上に結像する工程と、前記撮像素子で得られる測定値に該照明光によって被検査物体上に形成される照度分布に基づいて変化させたハニングのウインドウ関数を掛ける工程と、前記ハニングのウインドウ関数を掛けた前記測定値を高速フーリエ変換又は離散的フーリエ変換することにより前記被検査物体の位置情報を得る工程とを有することを特徴とした位置計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被計測物体の形状や位置の計測を行う為の位置計測方法及び位置計測装置に関し、特にＦＦＴあるいはＤＦＴを用いて高速に位置情報に関する信号を処理する高精度に位置情報を計測する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、物体の形状あるいは位置の精密な計測方法や計測装置は、例えば半導体製造装置においてウエハ−の位置検出に見られるように広範な需要を持っている。このような計測において位置情報の信号処理においてはＦＦＴ（高速Ｆｏｕｒｉｅｒ変換）又はＤＦＴ（離散的Ｆｏｕｒｉｅｒ変換）が頻繁に用いられている。
【０００３】
例えば形状計測に例を取るとＪＯＳＡ  Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．１／Ｊａｎｕａｒｙ  ｐ１５６にＦＦＴを使用した計測法が紹介されている。この例では、被計測物体上に格子パターンを投影し、物体の形状で変形した変形格子をＣＣＤカメラ等の撮像素子で受光し、ＦＦＴを使用して物体の形状を求めている。変形した格子を簡単のため一次元でｇ（ｘ）として表わすと、
ｇ（ｘ）＝ａ（ｘ）＋ｂ（ｘ）ｃｏｓ〔２πｆｘ＋Φ（ｘ）〕
となる。この式は引用した論文中に二次元の形で表現されている（１）式を、一次元に変換したもので、ｆは格子のキャリヤ周波数、Φ（ｘ）は物体の形状によって変形した位相項である。以下の文中においても説明は簡単のため一次元とするが、２次元への拡張はこれより自明である。
【０００４】
実際の信号処理ではこの関数をＦＦＴする前に、データの両端の不連続の影響で生じるギブスの現象とよばれる数値のうねりを避ける為、ハニングのウインドウと呼ばれる重み関数ｗ（ｘ）を関数ｇ（ｘ）に掛けることが行われる。ｗ（ｘ）はＤを処理するデータのレンジとして、
ｗ（ｘ）＝１−ｃｏｓ（２πｘ／Ｄ）
で表わされる。引用した論文ではＦｉｇ．３が変形格子データで、Ｆｉｇ．４がハニングのウインドウｗ（ｘ）を掛けた後のデータである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら実際の計測系では、数値計算の精度上の現象に対処するだけでなく、他の装置のハ−ドウエア条件から生じる計測の劣化要因に対する対処も必要である。特に照明分布の均一性、所謂照度ムラは計測精度に影響を与え、中でもキヤリヤ周波数ｆと近い周波数を持った照度ムラは問題となってくる。キャリヤ周波数ｆに近い周波数成分はＦＦＴあるいはＤＦＴで処理をする際、信号成分に混じり込んで精度悪化の原因となってくる。照明法を工夫してこのような周波数成分を除去できれば問題は起こらないが、実用的に難しいことが多い。
【０００６】
本発明は被検査物体上を照明する際の照度ムラが存在しても位置情報を高精度に計測することができる位置計測方法及び位置計測装置の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では被検物体を置く位置に反射率の均一性の保証された物体を事前に配置して照度又は照度分布を計測し、光電変換する撮像素子の各画素ごとに補正をかけて最終形としての補正重み関数を求め、これを利用していることを特徴としている。
【０００８】
即ち撮像素子から得られる信号に対する補正重み関数は、ハニングのウインドウを均一性の保証された物体の照度分布で補正した値となる。補正重み関数ＣＦ（ｘ）は前述の均一性を保証された物体で観察される照度分布ｈ（ｘ）、ハニングのウインドウｗ（ｘ）を用いて
ＣＦ（ｘ）＝  ｗ（ｘ）／  ｈ（ｘ）
と示される。ここでｗ（ｘ）、ｈ  （ｘ）は
ｗ（ｘ）＝１−ｃｏｓ（２πｘ／Ｄ）
ｈ（ｘ）＝ａ（ｘ）＋ｂ（ｘ）ｃｏｓ〔２πｆｘ〕
である。格子パターンを投影した場合、ｈ（ｘ）はキャリヤ周波数ｆのｃｏｓファクタ−を持っているが、格子パターンを投影しない通常の照明の場合には、ｈ（ｘ）の後ろのｃｏｓの項は必要ない。
【０００９】
具体的に本発明の位置計測装置は、
◎照明光によって照明した被検査物体の像が結像する撮像素子と、前記撮像素子で得られる測定値を用いて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）又は離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）することにより前記被検査物体の位置情報を得る演算手段とを有する位置計測装置において、前記演算手段は、該照明光によって形成される被検査物体上における照度分布に基づいてハニングのウインドウ関数を変化させ、該変化させたウインドウ関数を前記測定値に掛け、前記ウインドウ関数を掛けた測定値を高速フーリエ変換又は離散的フーリエ変換することを特徴としている。
又、本発明の露光装置は、
◎原版のパターンをウエハーに露光する露光装置において、ウエハー上のアライメントマークに照明光を照射する照射手段と、該アライメントマ−クの像を受光する撮像素子と、該照明光によって被検査物体上に形成される照度分布に基づいてハニングのウインドウ関数を変化させ、該変化させたウインドウ関数を前記撮像素子で得られる測定値に掛け、前記ウインドウ関数を掛けた測定値を高速フーリエ変換又は離散的フーリエ変換することにより前記アライメントマークの位置情報を得る演算手段とを含む位置計測手段を有すること特徴としている。
又、本発明の位置計測方法は、
◎照明光で照明された被検査物体の像を撮像素子上に結像する工程と、前記撮像素子で得られる測定値に該照明光によって被検査物体上に形成される照度分布に基づいて変化させたハニングのウインドウ関数を掛ける工程と、前記ハニングのウインドウ関数を掛けた前記測定値をＦＦＴ（高速フーリエ変換）又はＤＦＴ（離散的フーリエ変換）することにより前記被検査物体の位置情報を得る工程とを有することを特徴としている。
このような補正重み関数を用いることによって被検査物体の照度ムラの影響による計測誤差を除去し、高精度の計測を行うことを可能としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の位置計測装置の実施形態１の一部分の要部概略図である。同図に示す装置の構成は株式会社新技術コミュニケーションズ出版の『光三次元計測』の８０頁にあるものを利用して示している。
【００１１】
本位置計測装置は格子の投影を用いたモアレによる物体の形状計測法を利用している。プロジェクタＰは格子Ｇを照明して、物体Ｏ上に格子像を投影する。投影された格子は物体Ｏの形状に応じて変形した格子像となり、該変形した格子像をＣＣＤカメラＣＣＤ−Ｃで受光して信号処理を行う。
【００１２】
本実施形態では補正重み関数ＣＦ（ｘ）を求める為に、図２の様に予め計測を行う基準面に基準反射面ＳＲＰを配置して、その像をＣＣＤカメラＣＣＤ−Ｃで受光して計測を行う。基準反射面としては例えばベアＳｉウエハーＢＳＷを用いることができる。
【００１３】
補正重み関数を求める際には様々なパラメ−タ−を考慮している。例えば本実施形態では光源としてハロゲンランプが使用され、調光はランプ電流を変化させて行われる。電流調光を行うと照度ムラが変化するが、高精度計測ではこのような変化も無視できない。電流値を変える毎に基準反射面を計測して補正することも可能であるが、予め電流値と照度ムラの関係を求めておけば、高速に補正重み関数を求めることができる。従って、この場合には補正重み関数を電流値ごとに求めるテ−ブルを持つ必要がある。
【００１４】
調光は電流値の変更だけでなく別のハ−ドウエア−でも行うことができ、例えば減光フィルターＡＦを用いることができる。この場合にはプロジェクタＰ側またはＣＣＤカメラＣＣＤ−Ｃ側に減光フィルターＡＦ（不図示）を挿入あるいは変更可能なように配置して、ハロゲンランプＨＬの電流値が変わって光強度が変化しても、ＣＣＤカメラＣＣＤ−Ｃに受光する光量が一定となるようにしている。減光フィルタの配置により、電流制御単独の場合より大きなダイナミックレンジが達成される。
【００１５】
減光フィルターＡＦが入った場合と入らない場合で照度分布が変わらない、即ち均一性の良い減光フィルターＡＦを使用できる場合には、そのままで電流値に伴った補正重み関数ＣＦ（ｘ）を求めればよい。一方、もし減光フィルターＡＦの均一性が悪く、入った場合と入らない場合で照度分布が変わる場合は、その分布変化を考慮して補正重み関数ＣＦ（ｘ）を求める必要がある。補正重み関数は照度分布の均一性を保証された物体、またはそれを必要としない前述の方法で同様に測定されるが、新規パラメ−タとして光量をランプ電流以外で変更できるファクタ−が加わったことになる。
【００１６】
照度補正に使用できる均一性が保証された物体としては、例えばベア・シリコン・ウエハーがある。ベア・シリコン・ウエハ−の使用に問題があって均一性を保証できない場合は、被計測物体を一回計測した後１８０度回転させて再度計測し、該二回の計測の平均値を使用することが有効である。回転させることで装置自体の持っている照度ムラの非対称分の影響がキャンセルされ、被計測物体の反射率の不均一性の影響を軽減できる。
【００１７】
また被計測物体を計測系の検出分解能（例えばＣＣＤカメラの画素のピッチを光学倍率で割った値）に相当する値ずつ移動させて計測を行い、常に同じ部分を計測してキャリブレ−ションを行うこともできる。この方法では前述の均一性を保証した特別な物体を使わずに、補正重み関数を高精度で求めることができる。
【００１８】
図３は本発明の位置計測装置の実施形態２の要部概略図である。同図は半導体製造装置の露光装置のアライメント検出系への適用例を示している。系の構成は本出願人により特開平５−３４３２９１号公報で示したアライメント検出系と同じである。図中、１はレチクルＲ上のパタ−ンを照明系ＩＬからの光でウエハＷ上に転写する投影レンズで、これに対してアライメント用の光学系が配置される。アライメント光学系はレ−ザ−光源２からの光をＡＯ素子３、レンズ４を通して偏光ビ−ムスプリッタ５で反射させる。反射した光はλ／４板６、レンズ７、反射ミラ−８から投影レンズ１に入り、ウエハ上に形成されたアライメントマ−クである格子状マ−クＧＷを照明する。格子状マークＧＷで反射・回折した光は行きの道を再び通り、λ／４板６の効果でレンズ９以下ＣＣＤカメラ１４までのの検出光学系に導かれる。
【００１９】
図４はその検出原理図を検出光学系部５３と投影レンズ１とを合わせて光学系の機能を簡略化して示したものである。レーザー光源から射出した照明光Ｉ０  は、ウエハー上に形成された格子状マークをフ−リエ変換レンズを通して照射する。このフ−リエ変換レンズは投影レンズと検出光学系の行きの部分を合わせたものである。格子状マークから反射・回折した光は再びフ−リエ変換レンズを通り、ストッパ−１２の位置に対象物体である格子状マ−クのフ−リエ変換像を形成する。ストッパ−１２はフ−リエ変換レンズで捕えた回折光のうち±１次回折光Ｉ＋１、Ｉ−１のみを開口部１２ａでフィルタリングして取り出す。取り出された±１次回折光は第２のフ−リエ変換レンズを通って撮像装置上に格子状マークの像を結像する。この位置検出も実施形態１のモアレによる形状計測法と同じくキャリヤ周波数の位相を検知する方式となっており、画像処理法としてＦＦＴが用いられる。
【００２０】
図３には信号処理のブロック図を示している。撮像装置１０１から得られた信号はＡ／Ｄ変換（１０２）、積算（１０３）操作を経て処理信号となり、ＦＦＴ演算（１０４）後、周波数強度検出装置でキャリヤ周波数成分を取り出し（１０５）、位相検出（１０６）でウエハー上の格子状マークの位置を検出する（１０７）。本実施形態ではＦＦＴ演算１０４の時に、ハニングのウインドウを使用した補正重み関数を適用することを特長としている。補正重み関数ＣＦ（ｘ）を求める手順は実施形態１と同様である。このため例えば格子上マ−クを計測系の検出分解能ずつ移動させて計測を行うことで容易に照度分布の補正を行うことができ、高精度な位置検出が可能となる。
【００２１】
本発明には別の効果として光量的に効率の良い光学系を実現できることがあげられる。図３の光学系のレーザー光源２としてＨｅ−Ｎｅレーザーを使用したとする。レーザー光源から射出した照明光Ｉ０  はウエハー上の格子状マークＧＷをケーラー照明で照射する。
【００２２】
図５は図３の検出光学系５３と投影レンズ１とを合わせた光学系の照明系部を図４と同じく機能を簡略化して示したものである。レ−ザ−２を出てから格子状マークＧＷに至るまでのＡＯ素子３から投影レンズ１までの光学系が全体として格子状マークＧＷにＩ０  を照射する照明系ＩＬＭＬとなっている。Ｈｅ−ＮｅレーザーＨＮＬの射出端を照明系ＩＬＭＬの前側（レーザー側）の焦点位置ＦＦＰに配置し、ウエハーＷを照明系ＩＬＭＬの後ろ側（ウエハー側）の焦点位置ＢＦＰに配置するとケーラー照明が達成される。
【００２３】
ほとんどのレーザーのレーザーの射出端での強度分布はガウス分布で、よってウエハー上での分布も、ガウス分布となる。これはガウス分布のフーリエ変換はガウス分布であることによる。これまでの照明系の設計では、観察範囲ＶＡ内で照度ムラを発生させない為、照明系の光学系の焦点距離を大きな値として、前述のウエハー上でのガウス分布の強度である照明範囲ＩＡの拡がりを観察範囲ＶＡより大きくしていた。この方法はガウス分布の頂点部に当る平らな部分を用いるため照度ムラを発生させないが、照明範囲ＩＡが使用する観察範囲ＶＡよりかなり大きくなることで、ウエハー上での照度が落ち、必要によっては出力の大きなＨｅ−Ｎｅレーザを使用せざるをえない場合があった。
【００２４】
しかしながら本発明では信号処理で照度ムラを補正するため、出力の大きなＨｅ−Ｎｅレーザを使用しなくても済むため、効率の良い検出系が可能となる。照明系として焦点距離の小さいものを使用すれば、狭い照射範囲ＩＡに光を集めることができるため、照度ムラは発生しても照度を上げることができる。そこで本発明の様に照度ムラを補正しながらハニングのウインドウを使用した補正重み関数を適用すれば、ガウス分布の様な照度ムラが精度に与える影響は問題とならない。
【００２５】
以上のように、本発明では精度を落とすことなしで効率の良い検出系を構成することが可能となったため、より少ない出力のレーザーを使用することが可能となり、装置の小型化、あるいはコスト面で大きな改善を達成できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば照度ムラのある検出系においても、計測用の照明光によって形成される被検査物体上の照度分布を予め受光する撮像素子の各素子に対して計測し、該計測値とハニングのウィンドウを用いた補正重み関数を作製してＦＦＴまたはＤＦＴ演算時に使用することにより、高精度の計測が可能となった。更に本発明では補正重み関数の使用によって照度ムラをハ−ド的に高度に補正しなくてもよいため、効率の良い検出光学系を構成することが可能となり、装置の小型化あるいは安価な装置の実現を可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の三次元形状計測系
【図２】本発明の実施形態１で補正重み関数ＣＦを求める時の配置を示す図
【図３】本発明の実施形態２の半導体製造装置のウエハー位置検出装置の構成を示す図
【図４】本発明の実施形態２のウエハー位置検出装置の原理図
【図５】本発明の実施形態２のウエハー位置検出装置の照明光学系の原理図
【符号の説明】
１  投影レンズ                  ２  レ−ザ
３  ＡＯ素子                    ４  レンズ
５  偏光ビ−ムスプリッタ        ６  λ／４板
７  レンズ                      ８  反射ミラ−
９  レンズ                    １０  ビ−ムスプリッタ
１１  フ−リエ変換レンズ        １２  ストッパ−
１３  フ−リエ変換レンズ        １４  ＣＣＤカメラ
２１  フ−リエ変換レンズ        ５３  検出光学系
Ｒ  レチクル                    Ｗ  ウエハ−
ＩＬ  照明系                    ＧＷ  格子状アライメントマ−ク
Ｐ  プロジェクタ                Ｇ  格子
Ｏ  被計測物体          ＣＣＤ−Ｃ  ＣＣＤカメラ
ＳＲＰ  基準反射面              ＢＳＷ  ベアＳｉウエハー
ＨＮＬ  Ｈｅ−Ｎｅレーザ
ＩＬＭＬ  アライメント検出系の照明系
ＦＦＰ  照明光学系の前側焦点面
ＢＦＰ  照明光学系の後側焦点面
ＩＡ  照明範囲                  ＶＡ  観察範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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