(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物であるマークの画像を取得し、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である基準値と、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である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し、
上記マークは組となった複数の個別マークから構成されており、上記補正データ保持部は上記補正データを各個別マーク毎に作成保持することを特徴とする画像計測装置。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、計測対象物であるマークの画像を取得し、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である基準値と、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である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し、上記マークは組となった複数の個別マークから構成されており、上記補正データ保持部は上記補正データを各個別マーク毎に作成保持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１１を有する。光源１１から発した照明光１３は、光源１１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１５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）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（Ｓ６５）。
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 〜Ｒ4 ）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ＲN とＲN+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（Ｓ７３）。
【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（Ｓ７６）。
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ＸＹ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
【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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