(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像信号を出力する光電変換素子と、
対象物上に形成されているパターンの像を前記光電変換素子に結像する結像光学系と、
前記パターン像が結像された前記光電変換素子の領域を、前記パターン像の延在方向に沿って複数の領域に区分し、前記区分された領域毎に前記パターン像の延在方向に前記画像信号を積算し、前記パターン像の中心位置情報を測定するパターン情報測定手段と、
前記パターン情報測定手段による前記パターン像の中心位置情報の測定結果に対し、前記結像光学系の有する収差に起因する測定誤差、及び前記対象物の載置されるステージとの角度誤差に関する補正データに基づいて補正をする補正手段とを有することを特徴とするパターン情報測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパターン情報測定装置において、
前記補正手段の補正データは、前記結像光学系の有する収差がないとした場合のテストパターンの中心位置情報（理想位置情報）と、前記テストパターンの像を前記光電変換素子で受光して求めた前記テストパターンの中心位置情報（実測値）とに基づき求められることを特徴とするパターン情報測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載のパターン情報測定装置において、
前記補正手段は、前記補正データを線形補間、あるいは非線形補間して、前記複数の領域毎に、前記結像光学系の有する収差に起因する測定誤差の補正データを求めることを特徴とするパターン情報測定装置。
【請求項４】
請求項２に記載のパターン情報測定装置において、
前記補正データは、記憶装置に記憶され、前記パターン測定装置の製造過程、可動開始後の定期点検時あるいは所定時間経過した後に、更新され、
前記補正データは、表示装置に表示させられることを特徴とするパターン情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の複数の層間で重ね合わせて形成されるパターン間の重ね合わせ精度やパターンの位置、あるいはパターンの線幅等を計測するパターン情報測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上の下地の層（第１層）に対する上地の層（第２層）に形成された回路パターンの重ね合わせ精度を測定する際の指標として、たとえばボックスマークと呼ばれる正方形の枠状のパターンが用いられる。このボックスマークは、第１層に形成されるボックスマークと、第１層に形成されるボックスマークとは大きさが異なり、第２層に形成されるボックスマークとで構成される。そして、小さいボックスマークの中心位置と大きいボックスマークの中心位置とのずれを測定することにより、第１層および第２層それぞれに形成される回路パターンの２次元方向の位置ずれの度合い、すなわち重ね合わせ精度を測定することができる。
【０００３】
上述した重ね合わせ精度の測定には、たとえば座標測定装置が用いられる。座標測定装置は、ボックスマークの拡大像を撮像装置の受光面に結ぶ測定光学系を有しており、撮像装置から出力されるボックスマークの拡大像の画像信号を処理することにより、ナノメートルオーダーの測定精度で上述した重ね合わせ精度を測定することが可能である。
【０００４】
基板に形成される回路パターンの線幅は、要求集積度が上がるのにつれて細くなりつつある。回路パターンの線幅が細くなるのにつれ、要求重ね合わせ精度も年々高精度化している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、要求重ね合わせ精度が高精度化するのにともなって座標測定装置の測定光学系が有する収差が無視できなくなってきた。つまり、測定光学系の有する収差により、撮像装置の受光面上に結ばれるボックスマークの拡大像に歪みを生じる。要求重ね合わせ精度が高精度化するのにともない、ボックスマークの拡大像に生じる歪みが無視できなくなってきて、相対的に測定精度が低下する場合があった。この問題は、パターンの位置やパターンの線幅を測定する場合にも同様に起こりうることである。
【０００６】
本発明の目的は、測定光学系の有する収差の影響を減じ、より高い測定精度を得ることの可能なパターン情報測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図１に対応付けて以下の発明を説明する。
（１）請求項１に記載の発明に係るパターン情報測定装置は、画像信号を出力する光電変換素子３０と；対象物４０上に形成されているパターンの像を光電変換素子３０に結像する結像光学系２２，２４および２６と；パターン像が結像された光電変換素子３０の領域を、パターン像の延在方向に沿って複数の領域に区分し、区分された領域毎にパターン像の延在方向に画像信号を積算し、パターン像の中心位置情報を測定するパターン情報測定手段３２と；パターン情報測定手段３２によるパターン像の中心位置情報の測定結果に対し、結像光学系２２，２４および２６の有する収差に起因する測定誤差、及び対象物４０の載置されるステージとの角度誤差に関する補正データに基づいて補正をする補正手段３２とを有することにより上述の目的を達する。
（２）請求項２に記載の発明に係るパターン情報測定装置は、補正手段３２の補正データは、結像光学系２２，２４および２６の有する収差がないとした場合のテストパターンの中心位置情報（理想位置情報）と、テストパターンの像を光電変換素子３０で受光して求めたテストパターンの中心位置情報（実測値）とに基づき求められることを特徴とする。
（３）請求項３に記載の発明に係るパターン情報測定装置は、補正手段３２は、補正データを線形補間、あるいは非線形補間して、複数の領域毎に、結像光学系２２，２４および２６の有する収差に起因する測定誤差の補正データを求めることを特徴とする。
（４）請求項４に記載の発明に係るパターン情報測定装置は、補正データは、記憶装置３８に記憶され、パターン測定装置の製造過程、可動開始後の定期点検時あるいは所定時間経過した後に、更新され、補正データは、表示装置３６に表示させられることを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係るパターン情報測定装置の概略的構成を示す図である。パターン情報測定装置の移動ステージ５０上には被測定物である基板４０が載置される。光源５２から出射される光はコンデンサレンズ５４により集光され、ハーフミラー２８により下方に反射される。この光は対物光学系２２を経て基板４０を落射照明する。なお、以下の説明では、対物光学系２２の光軸に平行な方向にＺ軸をとり、Ｚ軸に直交する平面内でＸステージ４の移動方向に平行な方向にＸ軸を、Ｙステージ２の移動方向に平行な方向にＹ軸をとる。そしてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれに平行な方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と称する。
【００１０】
移動ステージ５０は、Ｙステージ２と、アクチュエータ８と、Ｘステージ４と、アクチュエータ６と、θステージ３とを有する。Ｘステージ４は、Ｙステージ２上をＸ方向に移動可能に設置されており、アクチュエータ６によりＹステージ２上でＸ方向に駆動される。Ｙステージ２は、アクチュエータ８によりＹ方向に駆動される。これらのＹステージ２、アクチュエータ８、Ｘステージ４、アクチュエータ６の組み合わせにより、Ｘステージ４はＸ方向およびＹ方向に駆動される。
【００１１】
Ｘステージ４の上には不図示のアクチュエータによりＺ軸回りの回転方向に駆動されるθステージ３が設置される。これらのＹステージ２、Ｘステージ４およびθステージ３それぞれの位置は、不図示の位置計測装置（たとえばリニアスケール等）で計測され、かつ、その位置は制御回路３４により制御される。
【００１２】
対物光学系２２から出射する光線はミラー２４で反射され、撮像光学系２６に入射する。基板４０上に回路パターンとともに形成されている、重ね合わせ精度を計測するための計測マークは、これら対物光学系２２および撮像光学系２６で拡大され、固体撮像素子３０の光電変換面上にこの計測マークの拡大像が形成される。
【００１３】
ここで、基板４０に形成される計測マークについて説明する。基板４０上に複数形成されている回路パターンそれぞれの周辺部、たとえば四隅付近には回路パターンとともに計測マークが形成されている。この計測マークの形状はいろいろあるが、本実施の形態において基板４０に形成される計測マークの形状はボックスマークであるものとする。ボックスマークは、正方形の枠状の形状を有する。たとえば、基板４０の第１層に形成される回路パターンとともに形成されるボックスマークは一辺３０μｍ程度の正方形の枠となっており、第２層に形成される回路パターンとともに形成されるボックスマークは一辺２０μｍ程度の正方形の枠となっている。
【００１４】
第１層および第２層の回路パターンが理想的に重ね合わせて露光されると、これらのボックスマークは同心状に形成される。つまり、両ボックスマークの中心位置が一致することになる。逆に、第１層および第２層の回路パターンがずれて形成されている場合、第１層のボックスマークと第２層のボックスマークとは同心状に形成されず、両ボックスマークの中心位置がずれる。つまり、第１層のボックスマークと第２層のボックスマークとの間の中心位置ずれを測定することにより第１層に形成される回路パターンと第２層に形成される回路パターンとの間のずれ量、すなわち重ね合わせ精度を測定することができる。
【００１５】
以上に説明したボックスマークは光源５２から出射される光で照明され、対物光学系２２、ミラー２４および撮像光学系２６Ａで構成される拡大光学系によって拡大され、その拡大像がＣＣＤやＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子３０の受光面上に結像される。固体撮像素子３０から出力される画像信号は画像処理装置３２で画像処理される。そしてこの画像処理装置３２の画像処理により、第１層のボックスマークと第２層のボックスマークとの間の中心位置ずれが測定され、重ね合わせ精度の測定結果が制御回路３４に出力される。
【００１６】
制御回路３４は、画像処理装置３２から出力される測定結果を入力すると、不図示の位置計測装置から出力される移動ステージ５０の位置情報を入力しつつ移動ステージ５０を移動して次のボックスマークを拡大光学系の視野内に捕らえ、引き続き重ね合わせ精度を測定する。なお、制御回路３４には補助記憶装置３８および表示装置３６が接続されているが、これら補助記憶装置３８および表示装置については後で説明する。
【００１７】
ところで、従来技術でも説明したとおり、対物光学系２２、ミラー２４、撮像光学系２６で構成される拡大光学系が有する収差により、固体撮像素子３０の受光面上に結ばれるボックスマークの拡大像に歪みを生じる場合がある。加えて、図１において移動ステージ５０の移動方向（Ｘ方向またはＹ方向）と基板４０に形成されるパターンの基準方向（走り）との間に角度誤差を生じる場合がある。つまり、移動ステージ５０上に載置される基板４０は、θテーブル３によってＺ軸まわりに角度調整され、図１のＸ、Ｙ方向とパターンの格子方向とが揃えられるものの、最終的にこの角度誤差を零にすることは難しく、僅かではあるが角度誤差を生じる場合がある。つまり、パターンの格子方向と、固体撮像素子３０における個々の光電変換素子（画素）の配列方向とが同一方向にならない場合がある。
【００１８】
ここで図１および図２を参照して重ね合わせ精度の測定方法を説明し、続いて図３、図４を参照してボックスマークの拡大像に生じる歪み、あるいは上記角度誤差が重ね合わせ測定精度に及ぼす影響について説明する。
【００１９】
図２は、画像処理装置３２が固体撮像素子３０から出力される画像信号を処理することにより重ね合わせ精度を測定する例について概念的に示す図である。図２において、紙面の縦方向にＹ軸を、横方向にＸ軸をとる。図２におけるこれらＸ軸およびＹ軸の方向は、図１のＸ軸およびＹ軸の方向にそれぞれ一致するものとする。これらＸ軸およびＹ軸の方向はまた、固体撮像素子３０の画素の配列方向に一致している。
【００２０】
固体撮像素子３０の受光面上には、基板４０の第１層に形成されるボックスマークの拡大像ＢＭ１および第２層に形成されるボックスマークの拡大像ＢＭ２が結ばれる。図２のＸ方向の重ね合わせ精度を測定する場合、画像処理装置３２は二つのボックスマークの拡大像ＢＭ１およびＢＭ２のＹ方向に沿う辺Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３およびＸ４の拡大像のＸ方向位置を以下に説明するようにして求める。
【００２１】
画像処理装置３２は、辺Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３およびＸ４の拡大像が結ばれる領域をそれぞれ囲う領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４について画像処理を行う。たとえば、領域Ａ１およびＡ２内にはＸ方向にｎｘ個、Ｙ方向にｎｙ個の画素のデータがそれぞれ存在し、領域Ａ３およびＡ４内にはＸ方向にｍｘ個、Ｙ方向にｍｙ個のデータがそれぞれ存在するものとする。つまり、領域Ａ１およびＡ２に対応してｎｙ行ｎｘ列のマトリクスデータが、領域Ａ３およびＡ４に対応してｍｙ行ｍｘ列のマトリクスデータがそれぞれ存在する。画像処理装置３２は、これらのマトリクスデータをＹ方向、すなわち縦方向に加算することにより曲線Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４で模式的に示されるような積算値を得る。上述のようにして積算値を得ることにより、固体撮像素子３０から出力される画像信号に含まれるノイズが平均化されて重ね合わせ測定精度を向上することができる。以下では、上記マトリクスデータをＹ方向に加算して積算値を得ることを単に「データをＹ方向に積算する」と称する。
【００２２】
画像処理装置３２は、これらの積算値に基づいて各辺Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３およびＸ４のＸ方向の位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を求める。画像処理装置３２が上記位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を求める方法としては、たとえば曲線Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４それぞれの半値幅の中点を求める方法がある。このとき、曲線Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４それぞれの谷の幅が狭い、すなわちこれらの曲線の変化が急峻である程、より精度の高い測定結果を得ることができる。
【００２３】
画像処理装置３２は、上述のようにして求められた各辺Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３およびＸ４のＸ方向の位置から、第１層に形成されるボックスマークの拡大像のＸ方向中心位置と第２層に形成されるボックスマークの拡大像のＸ方向の中心位置とを求め、それぞれの中心位置の差δｘを求める。このようにして求められたＸ方向の中心位置の差δｘが基板４０の第１層に形成されるボックスマークの拡大像ＢＭ１と第２層に形成されるボックスマークの拡大像ＢＭ２とのＸ方向の位置ずれ量となる。画像処理装置３２は、固体撮像素子の画素の配列ピッチと拡大光学系の倍率とに基づいて基板４０の第１層に形成されるパターンと第２層に形成されるパターンとのＸ方向の重ね合わせ精度を求め、制御回路３４に出力する。
【００２４】
図１および図２を参照しての以上の説明が、固体撮像素子３０の受光面上にボックスマークの拡大像ＢＭ１およびＢＭ２が理想的に結像されている場合の例である。ところが、実際には拡大光学系の有する収差によりボックスマークの拡大像ＢＭ１およびＢＭ２は図３に示されるように歪みを生じることがある。
【００２５】
また、先述のように移動ステージ５０の移動方向と基板４０に形成されるパターンの走りとの間に角度誤差を有する場合、図４に示されるように固体撮像素子の画素の配列方向に対してボックスマークの拡大像ＢＭ１およびＢＭ２は傾きを有することがある。
【００２６】
ボックスマークの拡大像ＢＭ１およびＢＭ２が図３または図４に示される状態にある場合、図２を参照して説明した方法でデータをＹ方向に積算して得られる曲線Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４は、図３または図４で示されるように谷の幅が拡がってしまい、これらの曲線の変化はなだらかなものとなる。このように曲線Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４の変化がなだらかになると、中心位置の算出結果はこの曲線に乗っている細かな凹凸の変化の影響を受け易くなり、測定誤差を生じ易くなる。要求重ね合わせ精度が比較的緩いものである場合、この測定誤差が問題となることはないが、要求重ね合わせ精度が高まるにつれて、この測定誤差の影響が相対的に高まる。
【００２７】
上述した拡大光学系の収差および角度誤差の影響を低減するため、本発明の実施の形態に係るパターン情報測定装置では以下に説明する手順により拡大光学系が有する収差に起因する測定誤差が求められ、この測定誤差を補正するための補正データが補助記憶装置３８に記憶される。そして、基板４０に形成されるパターンの重ね合わせ精度を測定する際に上記補正データが参照される。以下では、まず拡大光学系の有する収差に起因する測定誤差を補正するための補正データの求め方について説明し、次いで重ね合わせ精度の測定方法について説明する。
【００２８】
−  拡大光学系の有する収差に起因する測定誤差を補正するための補正データの求め方  −
拡大光学系の収差測定に際しては、基板４０に代えて基準板（不図示）が移動ステージ５０上に載置される。そしてこの基準板の上に形成されるテストパターンの拡大像が拡大光学系によって固体撮像素子３０の受光面に形成される。この基準板は、石英等の低膨張係数の透明材料の表面にクロム等の遮光層を形成し、この遮光層にエッチングを施してテストパターンが形成される。このテストパターンはごく微細なものである。すなわち、拡大光学系の視野の大きさ、たとえば５０μｍ四方のエリア内に正方形の枠状のパターンが複数（図５の例ではｎ2個）形成されている。
【００２９】
図５（ａ）は、拡大光学系によって固体撮像素子３０の受光面に結像される上記基準板のテストパターンの拡大像を模式的に示すものである。図５（ａ）に示されるように、固体撮像素子３０の受光面上には複数の枠状のパターンの拡大像Ｐ１１、Ｐ１２、…、Ｐｎｎが結像される。固体撮像素子３０から画像処理装置３２へは、この像に対応する画像信号が出力される。画像処理装置３２は、拡大光学系の視野内におけるこれら複数のパターンの拡大像Ｐ１１、Ｐ１２、…、Ｐｎｎそれぞれの中心位置を測定する。
【００３０】
図５（ｂ）は、画像処理装置３２が複数のパターンの拡大像Ｐ１１、Ｐ１２、…、Ｐｎｎのそれぞれの中心位置を測定する際の手順を模式的に示す図である。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）においても紙面の縦方向にＹ軸を、横方向にＸ軸をとる。図５（ａ）および図５（ｂ）におけるこれらＸ軸およびＹ軸の方向も図１のＸ軸およびＹ軸の方向にそれぞれ一致するものとする。
【００３１】
図５（ｂ）は、固体撮像素子３０の受光面上に結像される複数のパターン拡大像のうちの、一つのパターン拡大像Ｐｉｊを示している。画像処理装置３２は、辺Ｘ１１、Ｘ１２、Ｙ１１およびＹ１２の拡大像が結ばれる領域をそれぞれ囲う領域Ａ１１、Ａ１２、Ａ２１およびＡ２２について画像処理を行う。つまり、図２を参照して説明したのと同様に、領域Ａ１１およびＡ１２のデータをＹ方向に積算してＸ１１およびＸ１２のＸ方向の位置を求め、領域Ａ２１およびＡ２２のデータをＸ方向に積算してＹ１１およびＹ１２のＹ方向の位置を求める。
【００３２】
画像処理装置３２は、以上のようにして求められた辺Ｘ１１およびＸ１２の位置からパターン拡大像Ｐｉｊの中心ＣｉｊのＸ座標Ｘｉｊを求め、辺Ｙ１１およびＹ１２の位置からパターン拡大像Ｐｉｊの中心ＣｉｊのＹ座標Ｙｉｊを求める。
【００３３】
画像処理装置３２は、上記処理を繰り返してパターンの拡大像Ｐ１１、Ｐ１２、…、Ｐｎｎのそれぞれの中心Ｃ１１、Ｃ１２、…、ＣｎｎのＸ座標およびＹ座標を測定する。
【００３４】
以上の測定を終え、画像処理装置３２は予め入力されているテストパターンの中心位置情報に基づき、拡大光学系に収差がないと仮定した場合の各テストパターンの拡大像の中心位置座標すなわち理想位置座標を求める。続いて画像処理装置３２は、中心Ｃ１１、Ｃ１２、…、ＣｎｎのＸ座標およびＹ座標の実測値と理想位置座標とに基づいて拡大光学系の有する収差に起因する測定誤差の補正データを以下に説明するようにして求める。
【００３５】
いま、各テストパターンの拡大像の中心位置座標の実測値をＸ、Ｙとし、対応する理想位置座標をｘ、ｙとする。なお、以下の説明ではこれらの値を、単に「実測値Ｘ、Ｙ」、「理想値ｘ、ｙ」と称する。画像処理回路３２は、実測値Ｘ、Ｙと理想値ｘ、ｙとの間に以下に示す式（１）の関係が成り立つものとして、上記実測値Ｘ、Ｙおよび理想値ｘ、ｙの全データを用い、式（１）中の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ΔｘおよびΔｙを求める。
【数１】
0004120107.tif 000002
【００３６】
ところで、基準板上に形成されるテストパターンの配列方向と移動ステージ５０の移動方向すなわちＸ、Ｙ方向とは必ずしも誤差０で合っているとは限らず、角度誤差を有しうる。また、テストパターンの移動ステージ５０上のＸ、Ｙ方向の載置位置にも誤差を有しうる。画像処理装置３２は、以下に示す式（２）を用いて上述した角度誤差および載置位置誤差の影響を抑制し、拡大光学系の有する収差に起因する測定誤差を補正するための補正データＸ’、Ｙ’を各テストパターンの拡大像の結ばれる位置ごとに求める。これにより、拡大光学系の有する収差に起因する測定誤差を補正するための補正マップデータが作成される。
【数２】
0004120107.tif 000003
【００３７】
以上が本発明の実施の形態に係るパターン情報測定装置における拡大光学系の有する収差に起因する測定誤差を補正するための補正データの求め方である。上述した補正マップデータを求める手順は、パターン情報測定装置の製造過程、可動開始後の定期点検時、あるいは所定時間（日数）が経過した後に行われる。以上のようにして求められた補正マップデータは、図１に示される補助記憶装置３８に記憶される。この補正マップデータは、必要に応じて表示装置３６に表示することができる。以上では、上記手順が画像処理装置３２により行われるものについて説明したが、制御回路３４が上記手順を実行するものであってもよい。
【００３８】
−  重ね合わせ精度の測定方法  −
図６〜図８を参照し、画像処理装置３２による重ね合わせ精度の測定方法について説明する。図６は、画像処理装置３２が固体撮像素子３０から出力される画像信号を処理することにより重ね合わせ精度を測定する方法について概念的に示す図である。図６において、紙面の縦方向にＹ軸を、横方向にＸ軸をとる。図６におけるこれらＸ軸およびＹ軸の方向は、図１のＸ軸およびＹ軸の方向にそれぞれ一致するものとする。これらＸ軸およびＹ軸の方向はまた、固体撮像素子３０の画素の配列方向に一致している。
【００３９】
固体撮像素子３０の受光面上には、基板４０の第１層に形成されるボックスマークの拡大像ＢＭ１１および第２層に形成されるボックスマークの拡大像ＢＭ１２が結ばれる。図６に示す例では、拡大光学系の有する収差により、両ボックスマークの拡大像ＢＭ１１およびＢＭ１２とも糸巻き状の歪みが生じている様子が誇張して描かれている。
【００４０】
図６のＸ方向の重ね合わせ精度を測定する場合、画像処理装置３２は二つのボックスマークの拡大像ＢＭ１１およびＢＭ１２のＹ方向に沿う辺Ｘ２１、Ｘ２２、Ｘ２３およびＸ２４の拡大像のＸ方向位置を以下に説明するように求める。
【００４１】
画像処理装置３２は、辺Ｘ２１、Ｘ２２、Ｘ２３およびＸ２４の拡大像が結ばれる領域をそれぞれ含む領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐと、ＡＸ２１、ＡＸ２２、…、ＡＸ２ｐと、ＡＸ３１、ＡＸ３２、…、ＡＸ３ｑと、ＡＸ４１、ＡＸ４２、…、ＡＸ４ｑとについて画像処理を行う。このとき、たとえば辺Ｘ２１の拡大像のＸ方向位置を測定する場合、領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐで囲われる部分ごとに後述する画像処理を行って各領域内における辺Ｘ２１の拡大像のＸ方向位置を求める。
【００４２】
画像処理装置３２は、各領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐのそれぞれのデータについて処理を行う。このとき、ボックスマークの拡大像ＢＭ１１は図６に示されるように糸巻き状の歪みを有しているため、辺Ｘ２１の拡大像は弓なりに反っている。したがって、もし領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐ内の全データについてＹ方向にまとめて積算すると、図３を参照して説明したように辺Ｘ２１の拡大像のＸ方向の位置測定精度は低下する。同様に、被測定物である基板４０が移動ステージ５０に対して回転誤差を有して載置されている場合にも位置測定は低下する。
【００４３】
この点、本発明の実施の形態に係るパターン情報測定装置において画像処理装置３２は辺Ｘ２１の拡大像を含む領域を辺Ｘ２１の拡大像の延在方向、すなわち測定対象となるパターン像の延在方向に複数に分割する。そして画像処理装置３２は分割された複数の領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐごとにＹ方向への積算を行い、それぞれの領域内の辺Ｘ２１の部分拡大像のＸ方向の位置を求める。そして、各領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐごとに求められた辺Ｘ２１の拡大像のＸ方向の位置に対し、予め補助記憶装置３８から読み込んでおいた補正マップデータに基づいて補正をする。このように被測定パターン像の延在方向に沿って分割された領域ごとに上記処理を行うことにより、各領域ごとに画像データを積算して得られる曲線の変化がなだらかになって測定精度が低下してしまう不具合を抑制することができる。
【００４４】
このときの複数の領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐの確保方法について説明すると、上記Ｙ方向への積算により、画像信号が平均化されて十分なＳ／Ｎ比が得られる程度にこれら領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐのＹ方向の画素数を決定すればよい。
【００４５】
ところで、図５を参照して説明した基準板上に形成されるテストパターンの拡大像の形成位置と上記複数の領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐの位置とは必ずしも一致しない場合がある。このように両者の位置が一致しない場合、画像処理装置３２は補正マップデータを線形補間、あるいは非線形補間して上記複数の領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐの位置に対応する補正値を算出する。このようにして求められた複数の領域ＡＸ１１、ＡＸ１２、…、ＡＸ１ｐ内における辺Ｘ２１のＸ方向の位置を平均することにより画像処理装置３２は辺Ｘ２１の拡大像のＸ方向位置座標Ｐ２１を得る。
【００４６】
画像処理装置３２は、以上に説明したのと同様の手順で辺Ｘ２２、Ｘ２３およびＸ２４の拡大像のＸ方向位置座標Ｐ２２、Ｐ２３およびＰ２４を求め、ボックスマークの拡大像ＢＭ１１およびＢＭ１２のＸ方向の相対位置ずれ量δｘを求める。画像処理装置３２はさらにボックスマークの拡大像ＢＭ１１およびＢＭ１２のＸ方向に延在する四つの辺の位置を測定し、二つのボックスマークの拡大像ＢＭ１１およびＢＭ１２のＹ方向の位置ずれ量δｙ（不図示）を求める。
【００４７】
測定対象となるパターン像の位置を測定する際、画像処理装置３２は以上に説明したようにこのパターン像を含む領域をパターン像の延在方向に複数に分割する。このように領域を複数に分割することにより、各領域ごとに存在するパターン像の延在方向が固体撮像素子の画素の配列方向に対して角度を有していても、あるいはこのパターン像が歪んでいても、測定誤差の発生を最小限に抑制することができる。加えて、各領域ごとに求められた測定対象パターンの位置に対し、拡大光学系が収差を有することに起因して生じる測定誤差の補正データに基づいて補正をすることにより、さらに高い測定精度を得ることができる。この測定精度をさらに高めようとする場合には、以下に説明する方法によって測定対象パターンの位置を測定することが望ましい。
【００４８】
以上では、固体撮像素子から出力される画像信号のＳ／Ｎ比向上を目的として、測定対象のパターン像を含む領域の画像データをＸ方向またはＹ方向、すなわち固体撮像素子の画素の配列方向に沿って積算するものについて説明した。これに対し、以下に説明するパターン位置測定方法では画素の配列方向に沿ってではなく、パターン像の延在方向に沿って積算を行う。以下、図７および図８を参照してパターン像の延在方向に沿って積算を行う方法について説明する。
【００４９】
図７は、測定対象のパターン像の延在方向に沿って積算を行う方法を説明する図であり、図７（ａ）が固体撮像素子３０のある領域上にボックスマークＢＭ１１の辺Ｘ２１の拡大像が結像されている様子を、図７（ｂ）が固体撮像素子の各画素から出力される信号のレベルを模式的に示している。図７においても紙面の縦方向にＹ軸を、横方向にＸ軸をとる。図７におけるこれらＸ軸およびＹ軸の方向は、図１のＸ軸およびＹ軸の方向とそれぞれ一致するものとする。これらＸ軸およびＹ軸の方向はまた、固体撮像素子３０の画素の配列方向に一致している。図７（ａ）において、Ｘ方向に符号ａ、ｂ、…、ｆ、ｇが付され、Ｙ方向に符号ｐ、ｑ、ｒ、ｓ、ｔが付されている。この図７（ａ）において、ある特定の画素を指し示す際にこれらの符号を用いることとする。たとえば、一番左上の画素を「画素ａｐ」と称し、一番右下の画素を「画素ｇｔ」と称する。
【００５０】
図７（ａ）に示されるように、ボックスマークＢＭ１１の辺Ｘ２１の拡大像Ｐは矢印Ｄで示される方向に延在している。この矢印Ｄは、撮像素子３０の画素配列方向に対して傾きを有している。パターンの拡大像Ｐは、矢印Ｄと直交する方向に照度分布を有している。つまり、パターンの拡大像の中央部付近が暗く、矢印Ｄに直交する向きに沿ってこの拡大像の周辺部に向かうにつれて明るくなっている。図７（ａ）では簡略化のため、３つの階調でこの様子が描かれているが、実際にはもっと細かい階調を有する。
【００５１】
図７（ｂ）は、固体撮像素子３０の画素上に図７（ａ）に示されるようなパターンの拡大像が結像されているときに各画素から出力される信号の大きさを示すグラフであり、横軸には固体撮像素子上のＸ方向の位置をとり、縦軸には各画素から出力される信号の大きさをとる。図７（ｂ）において、たとえば、パターンの拡大像Ｐによるかげりの影響を殆ど受けることのない画素ａｐから出力される信号は比較的大きい値であるＶａｐとなる。また、パターンの拡大像Ｐの最も暗い部分にかかっている画素ｄｐから出力される出力される信号は比較的小さい値であるＶｄｐとなる。図７（ｂ）において、各画素から出力される信号の大きさが黒い点で表されている。
【００５２】
画像処理装置３２は、固体撮像素子３０のＹ方向に並ぶ各画素から出力される信号に基づき、図７（ｂ）に示されるように補間曲線Ｌｐ、Ｌｑ、Ｌｒ、ＬｓおよびＬｔを求める。つまり、固体撮像素子３０の各画素はある有限の大きさを有しているため、固体撮像素子３０から出力される信号は離散的なものとなっているのに対し、補間曲線を求めることにより、固体撮像素子３０上におけるＸ方向の照度分布を連続的に得ることができる。画像処理装置３２は、これらの補間曲線Ｌｐ、Ｌｑ、Ｌｒ、ＬｓおよびＬｔ上で最小値Ｂｐ、Ｂｑ、Ｂｒ、ＢｓおよびＢｔが得られるＸ方向の位置を求め、これらの最小値Ｂｐ、Ｂｑ、Ｂｒ、ＢｓおよびＢｔを結ぶ直線Ｄｄの方程式を最小二乗近似して求める。画像処理装置３２は続いて直線Ｄｄと平行な直線Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ、Ｄｅ、ＤｆおよびＤｇの方程式を求める。画像処理装置３２は、これらの直線の方程式と上述した補間曲線との交点における照度値を順次矢印Ｄの方向に沿って積算する。
【００５３】
画像処理装置３２による以上の処理の主旨について図８を参照して説明する。図８は、図７（ｂ）に示される図を簡略化して描いたもので、図７と同様に紙面の縦方向にＹ軸をとり、横方向にＸ軸をとる。画像処理装置３２が以上に説明したようにして矢印Ｄの方向に沿ってデータの積算を行うことにより得られる曲線Ｄ１１の曲率は、従来のたとえばＹ方向にデータの積算を行う方法により得られる曲線Ｄ２１の曲率よりも大きくなる。したがって、パターン像の中心位置を精度良く求めることが可能となる。このとき、画像処理装置３２は固体撮像素子３０から出力される画像信号を補間して積算を行うので、固体撮像素子３０の画素の配列ピッチよりも細かい測定分解能を得ることができる。
【００５４】
画像処理装置３２は、パターン像を含む領域をパターン像の延在方向に複数に分割し、各分割領域ごとに上述した方法を用いてパターン像の延在方向に積算を行って各分割領域ごとにパターン像の中心位置を求める。この中心位置に対し、画像処理装置３２は補正マップデータに基づいて補正を施す。画像処理装置３２は、このようにして図６に示されるボックスマークの拡大像ＢＭ１１およびＢＭ１２の位置ずれ量を求める。したがって、拡大光学系の有する収差、あるいは移動ステージ５０の移動方向と基板４０に形成されるパターン像の基準方向（走り）との間に生じる角度誤差によって測定対象となるパターンの拡大像が固体撮像素子の画素配列方向と一致していなくても測定精度が低下することがない。
【００５５】
なお、図７を参照して説明したように画像処理装置３２は分割された領域ごとに測定対象のパターン像の延在方向に沿って積算を行い、パターン像の中心位置を求める。そして画像処理装置３２は求められた中心位置に対し、補正マップデータに基づいて補正を施す。以上のようにしてボックスマークの拡大像ＢＭ１１およびＢＭ１２の位置ずれ量を求めるのに代えて、以下のようにしてもよい。すなわち画像処理装置３２はパターン像の位置測定に先ち、拡大光学系の有する収差に起因する測定対象のパターン像の歪みを補正マップデータに基づいて補正する。つまり、画像データに補正を加えることにより拡大光学系の有する収差の影響を除去する。続いて画像処理装置３２は、被測定物である基板４０が移動ステージ５０に対して回転誤差を有して載置されていることに起因して生じる上記パターン像の延在方向と固体撮像素子３０の画素配列方向との角度ずれを求める。画像処理装置３２は、求められた角度ずれを補正するための座標変換マトリクスを算出し、画像データに対してこの座標変換マトリクスを乗じる。このように処理された画像データは、拡大光学系の収差による影響と上記角度ずれの影響とが排除される。したがって、上記処理が施された画像データを処理してパターン像の位置を測定する際には、固体撮像素子３０の画素の配列方向（Ｘ方向またはＹ方向）に沿って積算するだけで高い測定精度を得ることができる。また、画像処理によって上記角度ずれの影響を除去することにより、被測定物を移動ステージ上に位置決めする際のアライメント精度をラフにすることができ、アライメントに要する時間を短縮して測定時間を短縮することができる。
【００５６】
以上の実施の形態の説明では、基板上に重ね合わせて形成される回路パターンの重ね合わせ精度を測定するために本発明に係るパターン情報測定装置を用いる例について説明したが本発明はこの例に限られるものではない。本発明に係るパターン情報測定装置によれば、いろいろな種類のパターン情報、すなわちパターンの幅や、パターンの座標値等を測定する場合であっても高い測定精度を得ることができる。また、以上の実施の形態において、画像処理装置３２により実行される処理を制御回路３４によって行うものであってもよい。
【００５７】
本発明は、たとえば走査型電子顕微鏡（ＥＳＥＭ）、撮像機能付きの顕微鏡等に適用可能なのは無論のこと、マスクに形成されたパターンの像を感光基板上に転写する露光装置の各種位置決め装置（アライメント装置など）にも適用することができる。
【００５８】
以上の発明の実施の形態と請求項との対応において、固体撮像素子３０が光電変換素子を、対物レンズ２２およびミラー２４撮像光学系２６で構成される拡大光学系が結像光学系を、画像処理装置３２がパターン情報測定手段、補正手段を、表示装置３６が補正データ表示手段をそれぞれ構成する。
【００５９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は次の効果を奏する。
（１）請求項１に記載の発明によれば、パターン情報の測定結果に対し、結像光学系の有する収差に起因する測定誤差を補正する補正データに基づいて補正をすることにより、結像光学系の有する収差がパターン情報の測定結果に及ぼす影響を減じることができる。このため、パターン情報の測定精度を高めることができる。
（２）請求項２および３に記載の発明は、光電変換素子の複数に区分けされたエリアごとに画像信号を処理してこのエリア内に存するパターン像の情報を測定し、このエリアごとに対応して求められる補正データに基づいてパターン像の情報測定結果に補正を加えるものである。したがって請求項２および３に記載の発明によれば、パターン像に歪みを生じていることや被測定物を移動ステージ上に載置する際に角度ずれを生じていることによる測定精度の低下を抑制することができる。
（３）請求項４に記載の発明よれば、補正データを表示するための表示装置を有することにより結像光学系の有する収差に起因する測定誤差の把握が容易となる。また、結像光学系の有する収差に起因する測定誤差を補正するための補正データを定期保全に際して求めたとき、定期保全前の補正データとの比較も容易となる。したがって、結像光学系の性能変化の有無を知ることも容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るパターン情報測定装置の概略的構成を説明する図である。
【図２】基板上に重ねて形成されたパターンの位置ずれ量を測定する手順を説明する図である。
【図３】パターン情報測定装置の結像光学系が有する収差によりパターン位置ずれ量の測定精度が低下する様子を説明する図である。
【図４】移動ステージ上に載置された測定対象物に形成されるパターンの方向が測定基準方向に対して角度誤差を有することにより、パターン位置ずれ量の測定精度が低下する様子を説明する図である。
【図５】拡大光学系の有する収差に起因する測定誤差を補正するための補正データの求めかたを説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るパターン情報測定装置によるパターン情報測定方法を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るパターン情報測定装置によるパターン情報測定方法を説明する別の図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るパターン情報測定装置によるパターン情報測定方法の効果を説明する図である。
【符号の説明】
２      Ｙステージ
３      θステージ
４      Ｘステージ
２２      対物光学系
２４      ミラー
２６      撮像光学系
３０      固体撮像素子
３２      画像処理装置
３４      制御回路
３６      表示装置
３８      補助記憶装置
【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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