(57)【要約】【課題】基板上の複数の測定点の中にエッジ部の信号波形が非対称となるものが存在しても、精度よく測定値（複数の重ね合わせずれ量の集合）を取得可能な重ね合わせ測定装置および方法を提供する。【解決手段】基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像のうち、第１マークに関わる部分の代表波形と反転波形との相関関数における最大相関値ＭＡを算出すると共に、第２マークに関わる部分の代表波形と反転波形との相関関数における最大相関値ＭＢを算出し（Ｓ２〜Ｓ６）、最大相関値ＭＡ，ＭＢを予め定めた閾値と比較し（Ｓ８）、最大相関値ＭＡ，ＭＢが閾値より大きいときに、最大相関値ＭＡ，ＭＢに基づいて、第１マークと第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する（Ｓ７，Ｓ９）。【選択図】      図１
2005030776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む画像取込手段と、
前記画像のうち前記第１マークに関わる部分の第１信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出すると共に、前記画像のうち前記第２マークに関わる部分の第２信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出する相関演算手段と、
前記相関演算手段が前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値との少なくとも一方を予め定めた閾値と比較する比較手段と、
前記比較手段による比較対象の最大相関値が前記閾値より大きいときに、前記相関演算手段が前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出手段とを備えた
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の重ね合わせ測定装置において、
前記算出手段が算出した前記重ね合わせずれ量に基づいて、露光装置の補正用データを生成する生成手段を備えた
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
【請求項３】
基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む画像取込手段と、
前記画像のうち前記第１マークに関わる部分の第１信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出すると共に、前記画像のうち前記第２マークに関わる部分の第２信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出する相関演算手段と、
前記相関演算手段が前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出手段と、
前記相関演算手段が前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値との少なくとも一方を予め定めた閾値と比較する比較手段と、
前記比較手段による比較対象の最大相関値が前記閾値より大きいときに前記重ね合わせずれ量を選択し、前記閾値以下のときに前記重ね合わせずれ量を除外する選別手段とを備えた
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の重ね合わせ測定装置において、
前記選別手段が選択した前記重ね合わせずれ量に基づいて、露光装置の補正用データを生成する生成手段を備えた
ことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
【請求項５】
基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む画像取込工程と、
前記画像のうち前記第１マークに関わる部分の第１信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出すると共に、前記画像のうち前記第２マークに関わる部分の第２信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出する相関演算工程と、
前記相関演算工程で前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値との少なくとも一方を予め定めた閾値と比較する比較工程と、
前記比較工程での比較対象の最大相関値が前記閾値より大きいときに、前記相関演算工程で前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出工程とを備えた
ことを特徴とする重ね合わせ測定方法。
【請求項６】
基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む画像取込工程と、
前記画像のうち前記第１マークに関わる部分の第１信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出すると共に、前記画像のうち前記第２マークに関わる部分の第２信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出する相関演算工程と、
前記相関演算工程で前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出工程と、
前記相関演算工程で前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値との少なくとも一方を予め定めた閾値と比較する比較工程と、
前記比較工程での比較対象の最大相関値が前記閾値より大きいときに前記重ね合わせずれ量を選択し、前記閾値以下のときに前記重ね合わせずれ量を除外する選別工程とを備えた
ことを特徴とする重ね合わせ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や液晶表示素子の製造工程において、基板の異なる層に形成された複数のパターンの重ね合わせ状態を測定する重ね合わせ測定装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク（レチクル）に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより（加工工程）、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パターンが転写される（パターン形成工程）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成される。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の測定を行い、製品の歩留まり向上を図っている。これは、１つ前のパターン形成工程で形成された回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査である。
【０００５】
重ね合わせ検査においては、通常、下地パターンの基準位置を示す下地マークと、レジストパターンの基準位置を示すレジストマークとが用いられる。これらの下地マーク，レジストマークは、上記のパターン形成工程で下地パターン，レジストパターンと同時に形成された凹凸構造である。なお、下地マークとレジストマークの間には、下地パターンとレジストパターンの間と同様、加工対象となる材料膜が形成されている。
【０００６】
基板上の下地マークとレジストマークを用いた重ね合わせ検査時、これらのマークを含む観察領域が装置の視野内に位置決めされ、この観察領域の画像がＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて取り込まれる（例えば特許文献１を参照）。
そして、周知の相関法というアルゴリズムを用い、観察領域の画像のうちエッジ部（各マークに関わる部分，輝度値が急変する箇所）の信号波形の相関演算により、下地マークとレジストマークの中心座標の差（つまり重ね合わせずれ量）が算出される。相関法では、エッジ部の信号波形の全体を使って相関演算を行うため、信号ノイズの影響を受け難く、重ね合わせずれ量を再現性よく算出できる。
【０００７】
また、１つの基板における重ね合わせずれ量の算出は、通常、予め指定された複数の測定点で順に行われる（例えば１００点）。測定点とは、下地マークとレジストマークの形成箇所（観察領域）である。そして、指定された全ての測定点で重ね合わせずれ量を算出し終えると、得られた重ね合わせずれ量の全てに基づいて、露光装置の補正用データが生成される。露光装置は、前述の露光工程で使用される装置である。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２５８７９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、個々の測定点での重ね合わせずれ量の算出に用いた相関法は、エッジ部の信号波形が左右対称であることを前提としたアルゴリズムである。このため、個々の測定点では、エッジ部の信号波形の対称性が低下するほど、重ね合わせずれ量の算出結果に含まれる誤差（オフセット）が増大することになる。
【００１０】
そして、予め指定された全ての測定点での算出結果（複数の重ね合わせずれ量）の集合を１つの測定値として捉えると、この測定値の精度は、個々の測定点での誤差の増大に伴って低下する。測定値（複数の重ね合わせずれ量の集合）は、上記した露光装置の補正用データの生成に用いられるため、できるだけ精度を向上させることが望まれる。
【００１１】
本発明の目的は、基板上の複数の測定点の中にエッジ部の信号波形が非対称となるものが存在しても、精度よく測定値（複数の重ね合わせずれ量の集合）を取得可能な重ね合わせ測定装置および方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む画像取込手段と、前記画像のうち前記第１マークに関わる部分の第１信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出すると共に、前記画像のうち前記第２マークに関わる部分の第２信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出する相関演算手段と、前記相関演算手段が前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値との少なくとも一方を予め定めた閾値と比較する比較手段と、前記比較手段による比較対象の最大相関値が前記閾値より大きいときに、前記相関演算手段が前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出手段とを備えたものである。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の重ね合わせ測定装置において、前記算出手段が算出した前記重ね合わせずれ量に基づいて、露光装置の補正用データを生成する生成手段を備えたものである。
請求項３に記載の発明は、基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む画像取込手段と、前記画像のうち前記第１マークに関わる部分の第１信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出すると共に、前記画像のうち前記第２マークに関わる部分の第２信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出する相関演算手段と、前記相関演算手段が前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出手段と、前記相関演算手段が前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値との少なくとも一方を予め定めた閾値と比較する比較手段と、前記比較手段による比較対象の最大相関値が前記閾値より大きいときに前記重ね合わせずれ量を選択し、前記閾値以下のときに前記重ね合わせずれ量を除外する選別手段とを備えたものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の重ね合わせ測定装置において、前記選別手段が選択した前記重ね合わせずれ量に基づいて、露光装置の補正用データを生成する生成手段を備えたものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む画像取込工程と、前記画像のうち前記第１マークに関わる部分の第１信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出すると共に、前記画像のうち前記第２マークに関わる部分の第２信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出する相関演算工程と、前記相関演算工程で前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値との少なくとも一方を予め定めた閾値と比較する比較工程と、前記比較工程での比較対象の最大相関値が前記閾値より大きいときに、前記相関演算工程で前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出工程とを備えたものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、基板の異なる層に形成された第１マークと第２マークの画像を取り込む画像取込工程と、前記画像のうち前記第１マークに関わる部分の第１信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出すると共に、前記画像のうち前記第２マークに関わる部分の第２信号波形と該波形を折り返して生成した波形との相関関数における最大相関値を算出する相関演算工程と、前記相関演算工程で前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重ね合わせずれ量を算出する算出工程と、関演算工程で前記第１信号波形から算出した最大相関値と前記第２信号波形から算出した最大相関値との少なくとも一方を予め定めた閾値と比較する比較工程と、前記比較工程での比較対象の最大相関値が前記閾値より大きいときに前記重ね合わせずれ量を選択し、前記閾値以下のときに前記重ね合わせずれ量を除外する選別工程とを備えたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０は、図１に示すように、ウエハ１１を支持する検査ステージ１２と、ウエハ１１側に向けて照明光Ｌ１を射出する照明光学系（１３〜１５）と、ウエハ１１の像を形成する結像光学系（１６，１７）と、撮像素子１８と、画像処理部１９と、制御部２０とで構成されている。
【００１８】
この重ね合わせ測定装置１０について具体的に説明する前に、ウエハ１１（基板）の説明を行う。
ウエハ１１には、複数の回路パターン（何れも不図示）が異なる層に形成されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００１９】
そして、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態が重ね合わせ測定装置１０によって検査される。このため、ウエハ１１の表面には、重ね合わせ状態の測定に用いられる重ね合わせマーク３０（図２）が形成されている。図２は重ね合わせマーク３０の平面図である。
重ね合わせマーク３０は、大きさが異なる２つの矩形マーク（つまり外側マーク３１と内側マーク３２）により構成されている。また、外側マーク３１，内側マーク３２はボックス状の凹凸構造である。重ね合わせマーク３０は、ボックス・イン・ボックスマークである。
【００２０】
このため、外側マーク３１は、Ｘ方向に対向配置された１つのエッジ対（つまり左側のエッジＥ１Ｌと右側のエッジＥ１Ｒ）を含み、内側マーク３２も、Ｘ方向に対向配置された１つのエッジ対（つまり左側のエッジＥ２Ｌと右側のエッジＥ２Ｒ）を含む。外側マーク３１，内側マーク３２のＹ方向に関しても同様である。
また、外側マーク３１，内側マーク３２は、一方が下地マーク、他方がレジストマークである。下地マーク，レジストマークは、各々、下地パターン，レジストパターンと同時に形成され、下地パターン，レジストパターンの基準位置を示す。上記の下地マーク３１，レジストマーク３２は、請求項の「第１マーク」「第２マーク」に対応する。
【００２１】
図示省略したが、レジストマーク，レジストパターンと、下地マーク，下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜（不図示）が形成されている。この材料膜は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ検査後、レジストマーク，レジストパターンの下地マーク，下地パターンに対する重ね合わせ状態が正確な場合に、実際に加工される。
【００２２】
重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ検査は、詳細は後述するように、外側マーク３１の中心座標Ａと内側マーク３２の中心座標Ｂとの差（重ね合わせずれ量Ｒ）を測定し、得られた重ね合わせずれ量Ｒが許容範囲内に含まれるか否かの判断により行われる。
重ね合わせずれ量Ｒの原因として考えられるのは、主に、次の４つの成分（１）〜（４）である。４つの成分（１）〜（４）は、何れも、ウエハ１１の最上層のレジスト膜に対する露光時の誤差成分であり、露光装置にフィードバックすることで補正可能な線形成分である。本明細書では、これらの４つの成分（１）〜（４）を総じて「露光装置の補正用データ」という。
【００２３】
なお、成分（１）は、露光装置のオフアクシスアライメント（投影レンズを介さないアライメント）に起因する平行方向の位置ずれ成分（適宜「オフセット成分」という）である。
成分（２）は、ウエハ１１に対する露光工程で、レジスト膜に照射された光が熱に変わって引き起こされるウエハ１１の収縮／膨張による位置ずれ成分（適宜「スケーリング成分」という）である。
【００２４】
成分（３）は、ウエハ１１に対する露光工程の前に、ウエハ１１を露光装置のウエハステージに載置するときの回転方向の位置ずれ成分（適宜「ローテーション成分」という）である。
【００２５】
成分（４）は、露光装置のウエハステージが２軸ステージの場合で、ウエハステージをＸＹ方向にステップ移動させたときに、ウエハステージの直交度に起因して引き起こされる位置ずれ成分（適宜「直交度成分」という）である。
通常、１つのウエハ１１における重ね合わせずれ量Ｒの算出は、予め指定された複数の測定点で順に行われる（例えば１００点）。測定点とは、重ね合わせマーク３０（図２）の形成箇所である。そして、指定された全ての測定点での重ね合わせずれ量Ｒの算出処理（図４参照）（後述）が終了すると、得られた重ね合わせずれ量Ｒの集合（測定値）に基づいて、上記した４つの成分（１）〜（４）からなる露光装置の補正用データが生成される。
【００２６】
さて次に、重ね合わせ測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
検査ステージ１２は、図示省略したが、ウエハ１１を水平状態に保って支持するホルダと、このホルダを水平方向（ＸＹ方向）に駆動するＸＹ駆動部とで構成されている。検査ステージ１２のホルダの法線方向をＺ方向とする。
検査ステージ１２のホルダをＸＹ方向に移動させることにより、ウエハ１１のうち重ね合わせマーク３０（図２）が形成された観察領域（測定点）を、結像光学系（１６，１７）の視野領域内に位置決めすることができる。
【００２７】
照明光学系（１３〜１５）は、光軸Ｏ１に沿って順に配置された光源１３と照明レンズ１４とプリズム１５とで構成されている。プリズム１５は、反射透過面１５ａが光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系（１６，１７）の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系（１３〜１５）の光軸Ｏ１は、結像光学系（１６，１７）の光軸Ｏ２に垂直である。
【００２８】
結像光学系（１６，１７）は、光軸Ｏ２に沿って順に配置された対物レンズ１６と結像レンズ１７とで構成されている（光学顕微鏡部）。結像光学系（１６，１７）の光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。結像レンズ１７は、第２対物レンズとして機能する。なお、対物レンズ１６と結像レンズ１７との間には、照明光学系（１３〜１５）のプリズム１５が配置されている。
【００２９】
上記の照明光学系（１３〜１５）および結像光学系（１６，１７）において、光源１３から射出された光は、照明レンズ１４を介してプリズム１５に導かれ、その反射透過面１５ａで反射した後（照明光Ｌ１）、対物レンズ１６側に導かれる。そして、対物レンズ１６を通過した後（照明光Ｌ２）、検査ステージ１２上のウエハ１１に入射する。このとき、視野領域内に位置決めされた観察領域（重ね合わせマーク３０（図２）を含む）は、照明光Ｌ２により略垂直に照明される。
【００３０】
そして、照明光Ｌ２が照射されたウエハ１１の観察領域からは、そこでの凹凸構造（重ね合わせマーク３０）に応じて反射光Ｌ３が発生する。この反射光Ｌ３は、対物レンズ１６とプリズム１５とを介して結像レンズ１７に導かれ、対物レンズ１６と結像レンズ１７の作用によって撮像素子１８の撮像面上に結像される。その結果、撮像素子１８の撮像面上には、反射光Ｌ３に基づく観察領域の拡大像（反射像）が形成される。
【００３１】
撮像素子１８は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサ（例えばＣＣＤカメラ）であり、撮像面上の拡大像を撮像し、画像信号を画像処理部１９に出力する。画像信号は、複数のサンプル点からなり、撮像素子１８の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。
画像処理部１９は、撮像素子１８からの画像信号に基づいて、ウエハ１１の観察領域（重ね合わせマーク３０を含む）の拡大像を画像として取り込む。ここで、ウエハ１１の観察領域に含まれる重ね合わせマーク３０の画像（以下「マーク画像４０」という）には、図３に示すように、Ｘ方向に沿って４本のエッジ像Ｆ１Ｌ，Ｆ２Ｌ，Ｆ２Ｒ，Ｆ１Ｒが現れる。マーク画像４０中でのＸ方向は、ウエハ１１上でのＸ方向に対応する。外側の２本のエッジ像Ｆ１Ｌ，Ｆ１Ｒは、図２に示す外側マーク３１のエッジ対（Ｅ１Ｌ，Ｅ１Ｒ）に対応し、内側の２本のエッジ像Ｆ２Ｌ，Ｆ２Ｒは、内側マーク３２のエッジ（Ｅ２Ｌ，Ｅ２Ｒ）に対応する。
【００３２】
そして、画像処理部１９は、マーク画像４０のうち、外側マーク３１に関わるエッジ像Ｆ１Ｌ，Ｆ１Ｒに基づいて外側マーク３１のＸ方向の中心座標Ａを検出すると共に、内側マーク３２に関わるエッジ像Ｆ２Ｌ，Ｆ２Ｒに基づいて内側マーク３２のＸ方向の中心座標Ｂを検出し（後述する）、その後、外側マーク３１と内側マーク３２とのＸ方向の重ね合わせずれ量Ｒを算出する。
【００３３】
なお、ウエハ１１の観察領域のマーク画像４０には、Ｙ方向（マーク画像４０中でのＸ方向に垂直な方向）に沿って、外側マーク３１，内側マーク３２のエッジ像が同様に現れる。そして、外側マーク３１，内側マーク３２のＹ方向の中心座標Ａ，Ｂおよび重ね合わせずれ量も、Ｘ方向と同じ手順で算出可能である。このため、以下では、「Ｘ方向」に関する説明のみを行い、「Ｙ方向」に関する説明を省略する。
【００３４】
制御部２０は、重ね合わせ測定装置１０における重ね合わせ検査前にレシピを作成し、これを内部のメモリ（不図示）に記憶している。レシピの内容には、ユーザによって指定された多数の測定点（重ね合わせマーク３０を含む観察領域）の位置座標や測定順序の情報が含まれる。制御部２０は、検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御して、ホルダ（ウエハ１１）をＸＹ方向に移動させ、ウエハ１１の観察領域を１つずつ順に重ね合わせ測定装置１０の視野領域内に位置決めする。
【００３５】
上記の照明光学系（１３〜１５）と結像光学系（１６，１７）と撮像素子１８と画像処理部１９とは、総じて請求項の「画像取込手段」に対応する。画像処理部１９は、請求項の「相関演算手段」，「比較手段」，「算出手段」，「生成手段」に対応する。
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０において、外側マーク３１，内側マーク３２のＸ方向の中心座標Ａ，Ｂの検出処理と重ね合わせずれ量Ｒの算出処理は、図４のフローチャートの手順にしたがって行われる。
【００３６】
予め指定された多数の測定点（重ね合わせマーク３０を含む観察領域）のうち処理対象の１つは、制御部２０によって決定され、重ね合わせ測定装置１０の視野領域内に位置決めされる。
画像処理部１９は、ステップＳ１で、マーク画像４０（図３）を取り込み、ステップＳ２で、マーク画像４０中に現れたエッジ像Ｆ１Ｌ，Ｆ１Ｒを広く含むような測定枠４１Ｌ，４１Ｒ（図５（ａ））を各々指定する。測定枠４１Ｌ，４１Ｒは、外側マーク３１（図２）のＸ方向の中心座標Ａの検出に用いられる枠である。
【００３７】
また同じステップＳ２において、画像処理部１９は、同様に、マーク画像４０中に現れたエッジ像Ｆ２Ｌ，Ｆ２Ｒを広く含むような測定枠４２Ｌ，４２Ｒも各々指定する。この測定枠４２Ｌ，４２Ｒは、内側マーク３２のＸ方向の中心座標Ｂの検出に用いられる枠である。
そして、次のステップＳ３において、画像処理部１９は、測定枠４１Ｌ，４１Ｒ，４２Ｌ，４２Ｒの中の輝度信号を中心座標Ａ，Ｂの検出方向（Ｘ方向）とは垂直な方向（Ｙ方向）に沿って各々積算する。これは、信号ノイズを低減させるための処理である。このプロジェクション処理によって生成される積算後の輝度信号の波形を「代表波形」という。
【００３８】
図５（ｂ）には、測定枠４１Ｌ，４１Ｒ内でのプロジェクション処理により得られた代表波形４３Ｌ，４３Ｒ（第１信号波形）と、測定枠４２Ｌ，４２Ｒ内でのプロジェクション処理により得られた代表波形４４Ｌ，４４Ｒ（第２信号波形）とを、並べて図示した。図５（ｂ）の横軸は、代表波形４３Ｌ，４３Ｒ，４４Ｌ，４４Ｒのサンプル点（画素）の位置を表し、縦軸は輝度値を表している。図５（ｂ）において、代表波形４３Ｌ，４３Ｒ，４４Ｌ，４４Ｒの輝度値が極小となるボトム付近は、各々、図３（ａ）のエッジ像Ｆ１Ｌ，Ｆ２Ｌ，Ｆ２Ｒ，Ｆ１Ｒに対応する。
【００３９】
次いで、画像処理部１９は、代表波形４３Ｌ，４３Ｒを用いて外側マーク３１の中心座標Ａを算出し、代表波形４４Ｌ，４４Ｒを用いて内側マーク３２の中心座標Ｂを算出する。ここでは、代表波形４４Ｌ，４４Ｒを用いた場合の説明を具体的に行う。画像処理部１９は、代表波形４４Ｌ，４４Ｒの間に図６（ａ）のような仮中心座標Ｃを設定し（ステップＳ４）、この仮中心座標Ｃで代表波形４４Ｌ，４４Ｒを折り返し、図６（ｂ）のような反転波形４５Ｌ，４５Ｒを生成する。
【００４０】
そして次のステップＳ５では、周知の相関法というアルゴリズムを用い、代表波形４４Ｌ，４４Ｒに対して反転波形４５Ｌ，４５Ｒを正負の両方にシフトさせながら（図６（ｃ），（ｄ））、相関演算を行う。つまり、代表波形４４Ｌ，４４Ｒと反転波形４５Ｌ，４５Ｒとの相関関数（図６（ｅ））を計算する。相関関数とは、反転波形４５Ｌ，４５Ｒのシフト量と、そのときの相関値との関係を表したものである。相関値は「０〜１」の値をとる。
【００４１】
ここで、相関関数（図６（ｅ））の計算の際、代表波形４４Ｌ，４４Ｒと反転波形４５Ｌ，４５Ｒの離散的な画素データを最小二乗法により内挿補間し（例えば画素データ間を１０ポイントとする）、１回のシフト量を１ポイント単位に設定することが好ましい。なお、１回のシフト量は１画素単位に設定してもよい。
次に、画像処理部１９は、相関関数（図６（ｅ））における最大相関値ＭＢを算出し、最大相関値ＭＢに対応するシフト量ｄＢを算出する（ステップＳ６）。そして、シフト量ｄＢの１／２と仮中心座標Ｃとの加算により、図２に示す内側マーク３２のＸ方向の中心座標Ｂ（＝仮中心座標Ｃ＋シフト量ｄＢ／２）を算出する（ステップＳ７）。
【００４２】
さらに、画像処理部１９は、上記ステップＳ４〜Ｓ７の処理を代表波形４３Ｌ，４３Ｒにも同様に行う。その結果、代表波形４３Ｌ，４３Ｒとその反転波形との相関関数における最大相関値ＭＡと、外側マーク３１のＸ方向の中心座標Ａ（＝仮中心座標＋シフト量ｄＡ／２）が算出される。
ところで、上記の相関法は、代表波形４３Ｌ，４３Ｒと代表波形４４Ｌ，４４Ｒがそれぞれ左右対称であることが前提のアルゴリズムである。このため、例えば図７に示すように代表波形４３Ｌ，４３Ｒの対称性が低下していると、図８の相関関数のように最大相関値ＭＡが小さくなり、最大相関値ＭＡに対応するシフト量ｄＡの算出結果の誤差が増大し、その誤差分だけ、外側マーク３１の中心座標Ａ（＝仮中心座標＋シフト量ｄＡ／２）の算出結果の誤差も増大する。さらに、これから算出しようとしている重ね合わせずれ量Ｒにおける誤差も増大する。
【００４３】
代表波形４３Ｌ，４３Ｒや代表波形４４Ｌ，４４Ｒの対称性が低下する事態（例えば図７）は、スパッタ工程での金属膜の不均一な堆積、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程でのマーク形状の変形や破壊などに起因して、外側マーク３１のエッジ対（図２のＥ１Ｌ，Ｅ１Ｒ）や、内側マーク３２のエッジ対（Ｅ２Ｌ，Ｅ２Ｒ）の形状が非対称になったときに発生する。また、外側マーク３１や内側マーク３２のエッジ対の形状が左右対称な場合でも、エッジ対にゴミなどが付着していると、代表波形４３Ｌ，４３Ｒや代表波形４４Ｌ，４４Ｒの対称性は低下してしまう。
【００４４】
そこで、図４のステップＳ８では、ステップＳ６で算出した最大相関値ＭＡと最大相関値ＭＢを予め定めた閾値（例えば０．５）と比較する。図６（ｅ）の最大相関値ＭＢと閾値との比較を図９（ａ）に示す。図８の最大相関値ＭＡと閾値との比較を図９（ｂ）に示す。
最大相関値ＭＡは、代表波形４３Ｌ，４３Ｒの対称性を表す指標である。最大相関値ＭＢは、代表波形４４Ｌ，４４Ｒの対称性を表す指標である。閾値は、代表波形４３Ｌ，４３Ｒの対称性と代表波形４４Ｌ，４４Ｒの対称性の判定基準に相当する。また、画像処理部１９のメモリまたはファイルに保存され、ステップＳ８の処理で参照される。
【００４５】
そして画像処理部１９は、ステップＳ８における比較の結果、最大相関値ＭＡ，ＭＢが閾値より大きいときに（Ｓ８がＹｅｓ，図９（ａ）参照）、ステップＳ９の処理に進む。ステップＳ９では、ステップＳ７で算出した外側マーク３１の中心座標Ａと内側マーク３２の中心座標Ｂとの差に基づいて、重ね合わせずれ量Ｒを計算する。
【００４６】
この場合、最大相関値ＭＡ，ＭＢが閾値より大きいため、代表波形４３Ｌ，４３Ｒも代表波形４４Ｌ，４４Ｒも十分に左右対称と考えられる。したがって、最大相関値ＭＡ，ＭＢに対応するシフト量ｄＡ，ｄＢの算出結果の誤差は非常に小さく、中心座標Ａ，Ｂの算出結果の誤差も非常に小さく、最終的に算出された重ね合わせずれ量Ｒの誤差も非常に小さいと考えられる。
【００４７】
一方、ステップＳ８における比較の結果、最大相関値ＭＡ，ＭＢが閾値以下のとき（Ｓ８がＮｏ，図９（ｂ）参照）、画像処理部１９は、ステップＳ９を実行せずに、つまり重ね合わせずれ量Ｒを算出せずに、処理を終了する。
この場合、最大相関値ＭＡ，ＭＢが閾値以下のため、代表波形４３Ｌ，４３Ｒも代表波形４４Ｌ，４４Ｒも左右非対称と考えられる（図７参照）。したがって、最大相関値ＭＡ，ＭＢに対応するシフト量ｄＡ，ｄＢの算出結果の誤差は大きく、中心座標Ａ，Ｂの算出結果の誤差も大きく、最終的に算出されなかった重ね合わせずれ量Ｒの誤差も大きいと考えられる。
【００４８】
つまり、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、代表波形４３Ｌ，４３Ｒと代表波形４４Ｌ，４４Ｒが十分に左右対称なときのみ、外側マーク３１と内側マーク３２との重ね合わせずれ量Ｒを算出し、代表波形４３Ｌ，４３Ｒと代表波形４４Ｌ，４４Ｒが左右非対称なときには、重ね合わせずれ量Ｒを算出しない。このため、１つの測定点（重ね合わせマーク３０を含む観察領域）で、図４の処理（Ｓ１〜Ｓ９）を終えたときに、重ね合わせずれ量Ｒの算出結果が得られた場合、その重ね合わせずれ量Ｒは誤差の非常に小さいものである。
【００４９】
画像処理部１９は、次の測定点（重ね合わせマーク３０を含む観察領域）が装置の視野領域内に位置決めされると、図４の処理（Ｓ１〜Ｓ９）を繰り返す。図４の処理（Ｓ１〜Ｓ９）は、予め指定された多数の測定点で順に行われる。そして、指定された全ての測定点における図４の処理（Ｓ１〜Ｓ９）が終了したときに、複数の重ね合わせずれ量Ｒの算出結果が得られた場合、それらの複数の重ね合わせずれ量Ｒは全て誤差の非常に小さいものとなる。
【００５０】
このように、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、指定された多数の測定点の中に、算出結果の誤差が大きいもの（代表波形４３Ｌ，４３Ｒと代表波形４４Ｌ，４４Ｒが左右非対称となるもの）が存在しても、最大相関値ＭＡ，ＭＢと閾値との比較により（図９参照）、誤差の非常に小さい重ね合わせずれ量Ｒのみを算出結果として選択的に得ることができる。
【００５１】
したがって、指定された全ての測定点における図４の処理（Ｓ１〜Ｓ９）が終了した後、得られた複数の重ね合わせずれ量Ｒの集合を１つの測定値として捉えると、個々の重ね合わせずれ量Ｒの誤差が非常に小さいため、高精度な測定値を取得できたことになる。
最後に、画像処理部１９は、高精度な測定値（複数の重ね合わせずれ量Ｒの集合）に基づいて、周知の統計処理モードにより、露光装置の補正用データ（オフセット成分，スケーリング成分，ローテーション成分，直交度成分）を生成する。測定値（複数の重ね合わせずれ量Ｒの集合）が高精度なため、露光装置の補正用データの精度も向上する。そして、高精度な補正用データを露光装置にフィードバックすることで、露光装置を正確に補正することができ、製品の歩留まりを確実に向上させることができる。
【００５２】
なお、上記した実施形態では、代表波形４３Ｌ，４３Ｒと代表波形４４Ｌ，４４Ｒの対称性を判定するときに（図４のＳ８）、判定基準の閾値として例えば０．５を用いたが、本発明はこれに限定されない。閾値は０より大きく１より小さい任意の値に設定することができる。
閾値が１に近いほど、測定値に含まれる重ね合わせずれ量Ｒの集合として、さらに誤差の小さなものに厳選することができ、測定値の精度がさらに向上する。ただし、閾値が大きすぎると、測定値に含まれる重ね合わせずれ量Ｒの数が減少するため、露光装置の補正用データの精度が低下し、歩留まりが低下する可能性がある。したがって、判定基準の閾値は、歩留まり（良品率）が高くなるように設定すればよい。
【００５３】
さらに、重ね合わせ測定装置１０に相関関数（図６（ｅ）．図８）の計算機能を設けて、レシピ作成時に、登録ウエハ（測定したい工程の代表的なウエハ）の複数の標準的な重ね合わせマーク３０の最大相関値を自動的に求め、個々の数値、平均値、最小値などに基づいて、閾値を設定してもよい。
また、上記した実施形態では、中心座標Ａ，Ｂを算出した後でかつ重ね合わせずれ量Ｒを算出する前に最大相関値ＭＡ，ＭＢと閾値との比較を行い、最大相関値ＭＡ，ＭＢが閾値より大きい場合のみ重ね合わせずれ量Ｒを算出したが、本発明はこれに限定されない。中心座標Ａ，Ｂを算出する前に最大相関値ＭＡ，ＭＢと閾値との比較を行い、最大相関値ＭＡ，ＭＢが閾値より大きい場合のみ中心座標Ａ，Ｂを算出し、重ね合わせずれ量Ｒを算出してもよい。
【００５４】
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせずれ量Ｒを算出する前に最大相関値ＭＡ，ＭＢと閾値との比較を行い、最大相関値ＭＡ，ＭＢが閾値より大きい場合のみ重ね合わせずれ量Ｒを算出したが、本発明はこれに限定されない。例えば、重ね合わせずれ量Ｒの算出を行った後で、最大相関値ＭＡ，ＭＢと閾値との比較を行い、比較結果に基づいて重ね合わせずれ量Ｒを選別してもよい。この場合の選別処理は、最大相関値ＭＡ，ＭＢが閾値より大きい場合のみ重ね合わせずれ量Ｒを選択し、閾値以下の場合に重ね合わせずれ量Ｒを除外する処理に対応する。そして画像処理部１９は、選別処理の結果、選択した重ね合わせずれ量Ｒの集合（測定値）に基づいて、露光装置の補正用データを生成する。
【００５５】
また、上記した実施形態では、最大相関値ＭＡ，ＭＢと閾値との比較において共通の閾値を用いたが、最大相関値ＭＡの閾値と最大相関値ＭＢの閾値を別にしてもよい。２つの最大相関値ＭＡ，ＭＢを閾値と比較したが、何れか一方のみを閾値と比較してもよい。
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせマーク３０を構成する外側マーク３１と内側マーク３２が共にボックス状の凹凸構造である例（エッジ対が１つ）を説明したが、例えばフレーム状の凹凸構造のようにエッジ対が２つ存在する場合にも、本発明は適用できる。ボックス状とフレーム状とバー状のうち２種類の組み合わせでも良い。
【００５６】
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の画像処理部１９によって重ね合わせずれ量Ｒの算出処理や露光装置の補正用データの生成処理などを行ったが、重ね合わせ測定装置１０に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板上の複数の測定点の中にエッジ部の信号波形が非対称となるものが存在しても、精度よく測定値（複数の重ね合わせずれ量の集合）を取得できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】ウエハ１１に形成された重ね合わせマーク３０の平面図である。
【図３】重ね合わせマーク３０の画像を説明する図である。
【図４】重ね合わせ測定装置１０における重ね合わせ測定の手順を示すフローチャートである。
【図５】重ね合わせマーク３０の画像（ａ）と代表波形（ｂ）を説明する図である。
【図６】代表波形４４Ｌ，４４Ｒを用いた信号処理の説明図（ａ）〜（ｄ）と相関関数（ｅ）を説明する図である。
【図７】代表波形４３Ｌ，４３Ｒの対称性が低下した状態を説明する図である。
【図８】図７の代表波形４３Ｌ，４３Ｒを用いた場合の相関関数を説明する図である。
【図９】最大相関値ＭＡ，ＭＢと閾値との比較について説明する図である。
【符号の説明】
１０  重ね合わせ測定装置
１１  ウエハ
１２  検査ステージ
１３  光源
１４  照明レンズ
１５  プリズム
１６  対物レンズ
１７  結像レンズ
１８  撮像素子
１９  画像処理装置
２０  制御部
３０  重ね合わせマーク
４０  マーク画像
【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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