(57)【要約】【課題】撮影対象であるウエハやマスクの照明輝度や光学系の差に影響されず、少ない撮影回数で最適な焦点調整を行う、半導体製造装置のウエハとマスクの位置合わせ用カメラの焦点調整装置を提供する。【解決手段】焦点調整装置１を、一定間隔で配置されたパターン７を撮影する撮影手段３と、撮影された画像中の画素値のパターン配置に沿った変化のスペクトル強度の最大ピーク値を算出するスペクトル強度算出手段１３と、焦点位置と、該焦点位置に対応する前記最大ピーク値との間の関数を導出する関数導出手段１５と、該関数に基づいて、前記最大ピーク値が最大となる焦点位置を算出する焦点位置算出手段１７とを備えて構成した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の焦点位置にある面上に一定間隔で配置されたパターンを撮影する撮影手段と、
前記撮影手段により撮影された前記パターンの画像における、画素値の前記配置に沿う変化のスペクトル強度の最大ピーク値を算出するスペクトル強度算出手段と、
前記撮影手段の焦点位置と、該焦点位置において撮影した前記パターンの画像に対応する前記最大ピーク値との間の関数を、複数の焦点位置と、前記各焦点位置において各々撮影した前記パターンの画像に対応する前記最大ピーク値とにより導出する関数導出手段と、
前記関数導出手段により導出した前記関数に基づいて、前記最大ピーク値が最大となる焦点位置を、前記撮影手段の焦点調整目標値として算出する焦点位置算出手段とを備える焦点調整装置。
【請求項２】
前記画素値は、明度を表すことを特徴とする請求項１に記載の焦点調整装置。
【請求項３】
前記関数は、前記焦点位置の多項式近似式により表されることを特徴とする請求項１に記載の焦点調整装置。
【請求項４】
前記スペクトル強度算出手段は、前記撮影手段により撮影された前記パターンの画像をフーリエ変換することにより、スペクトル強度を算出することを特徴とする請求項１に記載の焦点調整装置。
【請求項５】
前記撮影手段は、マスク上の転写パターンを転写対象に転写する露光装置において、前記マスクと前記転写対象との位置合わせのために、前記マスクまたは前記転写対象のうちいずれか少なくとも１つに付される位置合わせ用パターンを撮影する撮影手段であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の焦点調整装置。
【請求項６】
前記パターンは、前記位置合わせ用パターンであることを特徴とする請求項５に記載の焦点調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影装置の焦点位置調整装置に関するものであり、特に電子線露光装置等の露光装置において、転写パターンを有するマスクと該パターンが転写される転写対象との位置合わせのために使用される撮影装置の焦点位置調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子製造工程において使用される、ステッパと呼ばれる、光学式または電子ビーム式の露光装置においては、転写すべきパターンが正確にレジストに転写されるように、転写パターンを有するマスクと転写対象であるウエハとの間の位置合わせを行っている。
図１３は、このようなマスクとウエハの位置合わせ装置２０１の概略構成図である。ウエハ２０３には、光または電子ビームに感光するレジストが塗布されており、転写パターン（図示せず）を有するマスク２０５を通過する光源または電子ビーム（図示せず）により感光し、転写パターンが転写される。ウエハ２０３はウエハチャック２０７に保持され、ウエハチャック２０７は、ＸＹステージ２０９に載置される。ＸＹステージ２０９は図に示すＸ方向、Ｙ方向に移動であり、さらにウエハチャック２０７を図に示すθ方向に回転させ、Ｚ方向に昇降することができる。
【０００３】
このような、ウエハ２０３とマスク２０５間の位置合わせの概略を、以下に説明する。
ウエハ２０３上には、位置合わせ用ウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙに付されている。一方、マスク２０５上には、ほぼ透明の膜部分（メンブレン）２１７が設けられており、メンブレン２１７上に位置合わせ用マスク側パターン２１５ｘおよび２１５ｙが付されている。
そして、撮影手段２１１は、前記ウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙをメンブレン２１７を通して撮影することにより、ウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙ、ならびにマスク側パターン２１５ｘおよび２１５ｙを同時に撮影する。
図１４（ａ）はウエハ２０３上の中心部分のセル２１９付近に付されたウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙを、図１４（ｂ）はマスク２０５のメンブレン２１７に付された位置合わせ用マスク側パターン２１５ｘおよび２１５ｙ、ならびにメンブレン２１７を、図１４（ｃ）はこれら位置合わせ用パターンを上から同時に見た上面図である。
【０００４】
図１３に示す画像処理手段２１９は、撮影手段２１１により得られる画像の画像処理を行い、図１４（ｄ）に示す位置合わせ用パターン２１３ｘ、２１３ｙ、２１５ｘ、および２１５ｙの撮影画像を変位量算出手段２２１に出力する。変位量算出手段２２１は、画像中のウエハ側パターン２１３ｘとマスク側パターン２１５ｘの差であるΔｘ、ウエハ側パターン２１３ｙとマスク側パターン２１５ｙの差であるΔｙを検出する。そしてステージ駆動手段２２３は、検出された変位Δｘ、Δｙに基づいてＸＹステージ２０９を移動させ位置合わせを行う。
【０００５】
前記位置合わせを正確に行うためには、撮影手段２１１が、位置合わせ用パターン２１３ｘ、２１３ｙ、２１５ｘ、および２１５ｙを明瞭に撮影する必要がある。このためには、撮影手段２１１の焦点位置が正確にウエハ２０３およびマスク２０５に合っていなければならない。
【０００６】
従来の焦点位置の調整装置では、例えば、マスク２０５との焦点位置調整を行う場合、マスク２０５上の転写パターンを撮影した撮影手段２１１による画像における、転写パターンのエッジ部分におけるマスク２０５と背景との明度（グレイスケール）の差が明瞭になるように調整を行っていた。
【０００７】
なお、本発明に関して記載すべき先行技術文献はない。出願人が知っている先行技術が文献公知発明に係るものではないからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の調整装置では、マスク２０５などの撮影対象を照らすための照明手段の照明輝度が十分に大きくないと、撮影画像の転写パターンのエッジ部分におけるマスク２０５のエッジ部分と背景との明度（グレイスケール）の差が小さくなり、焦点調整が困難になる場合があった。
【０００９】
また、撮影手段２１１に使用する顕微鏡の光学系の差異（例えば、明視野顕微鏡、暗視野顕微鏡、位相差顕微鏡）などにより、撮影される画像の表現形式が異なるために、使用する光学系に固有のアルゴリズム、パラメータに変更する必要があった。
【００１０】
さらに、最適な焦点位置における撮影画像を得るためには、焦点調整手段２２５は撮影手段２１１の焦点を小刻みに駆動して撮影しなければならず、撮影回数が多くそのために調整に時間がかかっていた。
【００１１】
したがって、本発明では撮影対象の照明輝度や光学系の差に影響されず、少ない撮影回数で最適な焦点調整を行うことを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、焦点位置調整のために使用する撮影画像として所定間隔のパターンの撮影画像を使用し、前記画像が周期性を有しており、そのスペクトル強度の最大ピーク値が、焦点距離を変えて撮影した画像の明瞭度により変化することを利用することとする。
【００１３】
このため、本発明の第１の実施例は、一定間隔に配置された前記パターンの撮影画像における、前記配置の間隔に起因する前記配置に沿う、画素値の変化のスペクトル強度の最大ピーク値を算出するスペクトル強度算出手段と、
前記撮影手段の焦点位置と、該焦点位置において撮影した前記各パターンの画像に対応する前記最大ピーク値との間の関数を導出する関数導出手段と、
前記関数において前記最大ピーク値が最大となる焦点位置を算出する焦点位置算出手段とを備えることとする。
【００１４】
本発明の第１の実施例は、撮影画像のスペクトル強度の最大ピーク値を比較することにより目標焦点位置を定めるために、所定間隔のパターンの撮影画像の階調差が小さくても焦点調整目標値を決定することができ、照明輝度による影響が少なくて済む。
また、撮影画像のスペクトル強度の最大ピーク値の比較は、撮影手段に使用する各種光学系に依存しないので、光学系によってアルゴリズム、パラメータを変更する必要がない。
さらに、各焦点位置とこれに対応する最大ピーク値との間の関数を導出して、目標調整値の算出に使用するために、前記所定間隔のパターンの画像の撮影回数を少なくすることが可能である。
【００１５】
なお、撮影画像の画素値は、明度を表す数値を使用することが好適である。また、前記関数には、種々の近似式が使用可能であるが、多項式回帰分析の手法により導出された、焦点位置を変数とする多項式近似式（４次式など）が好適に使用可能である。
さらに、前記スペクトル強度算出手段は、周波数スペクトルの最大値の算出を、フーリエ変換を用いて行うのが好適である。
【００１６】
本発明の第２の実施例は、前記第１の実施例を、前述した露光装置の位置合わせ装置に適用したものであり、前記所定間隔のパターンとして、前記マスクと前記転写対象との位置合わせのために使用される位置合わせ用パターンを使用し、焦点調整装置は、前記位置合わせ用パターンを撮影する撮影手段の焦点位置を調整することとする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の第１実施例である、焦点調整装置１の概略構成図である。撮影手段３は、所望の焦点位置にある面５上を撮影する。ここに、面５上には一定間隔でパターン７が配置されている。図２は、一定間隔で配置されたパターン７を例示する図である。図２に示すように、パターン７と下地である面５とは明度が異なっている。図１に示す撮影手段３は、撮影した画像信号を画像処理手段１１に出力し、画像処理手段１１は入力された画像信号に基づき、撮影画像データを作成して、スペクトル強度算出手段１３に出力する。
【００１８】
スペクトル強度算出手段１３に入力される撮影画像は、撮影されたパターンの一定間隔の配置のために、その配置方向に沿って周期的に画素値が変化している。スペクトル強度算出手段１３は、このような入力画像の空間周波数特性を求めて、そのスペクトル強度の最大ピーク値を算出する。
【００１９】
関数導出手段１５は、一定間隔で配置された前記パターンを撮影した撮影手段３の複数の焦点位置と、各焦点位置において撮影した撮影画像のスペクトル強度の最大ピーク値とを、それぞれ対応付ける近似関数を導出する。このような近似関数として、多項式回帰分析の手法により導出された焦点位置を変数とする多項式近似式が使用される。
【００２０】
そして、焦点位置算出手段１７は、導出した関数が最大値をとる焦点位置を算出して、焦点調整の目標値をして焦点調整手段１９に出力する。焦点調整手段１９は入力された目標値に基づき撮影手段３の焦点を調整する。
【００２１】
図３は、本発明の第１実施例の焦点調整装置１による焦点調整方法のフローチャートである。
まず、焦点調整手段１９を駆動して、前記関数の導出に使用するスペクトル強度のピーク値の測定値の測定を行うべき、いずれか焦点位置に撮影手段３の焦点位置を調整する（Ｓ３１）は、そして一定間隔に配置された前記パターンを撮影し（Ｓ３３）、その撮影画像のスペクトル強度の最大ピーク値を算出する（Ｓ３５）。以上のステップを焦点調整範囲の全範囲にわたって繰り返す（Ｓ３７）。
【００２２】
焦点調整範囲の全範囲における最大ピーク値の測定値を取得したのち、撮影した各焦点位置と、各焦点位置における最大ピーク値とをそれぞれ対応付ける近似関数を導出する（Ｓ３９）。そして導出した関数が最大値をとる焦点位置を算出して、焦点調整の目標値とする（Ｓ４１）。その後、焦点調整手段を駆動して、入力された目標値に基づき撮影手段３の焦点を調整する（Ｓ４３）。
【００２３】
以下、スペクトル強度算出手段１３の動作を、添付図面を参照して詳説する。
図４は、スペクトル強度算出手段１３において使用する、画像処理手段１１から出力される撮影画像を説明する図である。撮影画像は、Ｘ方向、Ｙ方向に配列された画素Ｐｊｋの集合６１からなり、いま画素ＰｊｋはＸ方向にｊ番目、Ｙ方向にｋ番目の画素を表す。今、パターン７はＸ方向に沿って配置されるように撮影され、パターン７に対応するパターン部分６３、下地である面５に対応する下地部分６５、および両者の境界部分６７は、図４に示すように撮影画像に表されていることとする。今簡単のため画素Ｐｊｋは明度を表す数値からなるとする。
【００２４】
図５は、撮影画像の空間周波数特性を導出するために用いる、Ｘ方向に沿って周期的に変化する画素値データの列を抽出する方法を説明する図である。
まず、全画素のうち、パターン部分６３に重複する行であるＭ行目からＭ＋Ｎ行目までの、各列の画素値の合計値である画素値データ、
【数１】
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を算出する。これを各列順に並べて画素値データ列
Ｂ＝（Ｂ１，Ｂ２，…，Ｂｘ，…）
を導出する。ここに、図４の各列の画素の幅が一定であるとすれば、前記画素値データ列は、パターン７の配置方向に沿った撮影画像中の画素値（明度）の空間的変化を示す。
【００２５】
図６は、上記のようにして求めた、パターン７の配置方向に沿った画素値の空間的変化の様子を示す。ここに、パターン７に対応する撮影画像のパターン部分を領域６３、下地である面５に対応する下地部分を領域６５、および両者の境界部分を領域６７に示す。
この画像の場合では、画素値は、最も明るいパターン部分６３で最も大きく、下地部分６５ではやや小さくなり、境界部分６７は最も暗く撮影されるために画素値が最も小さくなる。このように、画素値はパターン７の配置間隔に起因して周期的に変化する。
【００２６】
図７は、スペクトル強度算出手段１３により、周期性を有する画素値データ列をフーリエ変換することにより導出可能な、パターン７の配置方向に沿った画素値の空間周波数特性を示す図である。図７に示すように、スペクトル強度は、パターン７が配置される一定間隔に対応する周波数ｆ１において最大ピーク値となる。スペクトル強度算出手段１３は、この最大ピーク値を算出する。
【００２７】
次に、撮影する焦点位置の変動によって、最大ピーク値がどのように変化するか図８から図１０を用いて説明する。
図８は、それぞれ異なる焦点位置において撮影したパターン７の撮影画像を示す図である。ここに、図８（ａ）は適切な焦点位置において撮影したものであり、図８（ｂ）は不適切な焦点位置において撮影したものである。図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、不適切な焦点位置において撮影した画像は、パターン部分６３、下地部分６５、および両者の境界部分６７のそれぞれの境界が、適切な焦点位置において撮影したものよりも不明瞭となる。
【００２８】
図９は、図８の撮影画像に対応した画素値の空間的変化を示した図である。ここに図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図８（ａ）、（ｂ）の撮影画像に対応する。図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、不適切な焦点位置において撮影した不明瞭な画像の画素値は、適切な焦点位置において撮影した画像の画素値と比較すると、その変化が緩やかになり、さらに境界部分６７である最暗部による振幅ΔＢｂ２も小さくなる。すなわち、パターン７の配置方向に沿った撮影画像の画素値の空間的変化の度合いや、その振幅は、焦点位置の相違による画像の明瞭度の差異により変化する。
【００２９】
図１０は、異なる焦点位置Ｘｆ１、Ｘｆ２、およびＸｆ３における撮影画像中の画素値の変化の、空間周波数特性を示す図である。
画素値の空間的周波数特性は、上述した焦点位置の相違に起因する、その変化の度合いや振幅の変化により変化するが、最大ピーク値が最も大きくなるのは、撮影された画像の明瞭度が最も大きい場合、すなわち適切な焦点位置においてパターンを撮影したときである。したがって適切な焦点位置に撮影手段３の焦点を調整するには、最大ピーク値が最も大きくなる焦点位置を求め、この焦点位置に調整すればよい。
【００３０】
図１１は、関数導出手段１５によって導出される関数を示す図である。図１１中のプロットされている点は、実際に撮影した焦点位置と、該焦点位置における最大ピーク値を示す実測定点である。関数導出手段１５は、多項式回帰分析の手法により、これら実測定点の集合から焦点位置を変数とする、最大ピーク値を計算する多項式近似式を導出する。
その後、焦点位置算出手段１７は、前記近似式が最大値をとる焦点位置を算出し、焦点調整の目標値とする。このように関数導出手段１５および焦点位置算出手段１７は、最大ピーク値の実測定値から、各測定値間を補間する近似関数を導出して最大値を算出するために、少ない撮影回数でも、適切な焦点位置を算出すること可能である。
【００３１】
図１２は、本発明の第２実施例として、本発明の焦点調整装置１を、図１３に示した位置合わせ用装置２０１に適用した場合の概略構成図である。ここでは、露光装置のウエハとマスクの位置合わせ用パターンを撮影する撮影手段３（撮影手段２１１）が、本発明の焦点調整装置１によって、焦点位置調整される。
この場合、撮影手段３により撮影される一定間隔で配置されたパターンとして、ウエハ２０３上に付された位置合わせ用ウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙ、ならびにマスク２０５上に付された位置合わせ用マスク側パターン２１５ｘおよび２１５ｙを使用することとしてよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、撮影対象であるウエハやマスクの照明輝度や、撮影手段に使用する光学系の差に影響されず、少ない撮影回数で最適な焦点調整を行う焦点調整装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による焦点調整装置の概略構成図である。
【図２】図１の焦点調整装置の一定間隔に配置されたパターンの例示図である。
【図３】図１の焦点調整装置の動作フローチャートである。
【図４】画素データ列導出手段に入力される画像データを説明する図である。
【図５】画素データ列導出手段による画素データ列の導出方法の説明図である。
【図６】パターンの配置方向に沿った画素値の空間的変化を説明する図である。
【図７】画素データ列をフーリエ変換することにより導出した周波数特性図である。
【図８】異なる焦点位置において撮影した撮影画像を示す図である。
【図９】異なる焦点位置において撮影撮影した撮影画像に対応した画素データ列を示した図である。
【図１０】異なる焦点位置において撮影した画素データ列の周波数特性を示す図である。
【図１１】関数導出手段によって導出される関数を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施例の概略構成図である。
【図１３】従来のマスクとウエハの位置合わせ装置の概略構成図である。
【図１４】図１３に示す位置合わせ装置に使用する位置合わせパターンの上面図である。
【符号の説明】
３…撮影手段
７…パターン
１１…画像処理手段
１３…スペクトル強度算出手段
１５…関数導出手段
１７…焦点位置算出手段
１９…焦点調整手段
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2004294526.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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