JP2643744B2

JP2643744B2 - 画像位置検出装置

Info

Publication number: JP2643744B2
Application number: JP34158692A
Authority: JP
Inventors: 祐治左近
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JPH06167306A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置や液晶表
示装置の製造工程中で用いられる装置、例えば膜厚測定
装置などに適用可能な画像位置検出装置、特に、半導体
ウエハなどの基板上に形成された所定パターンの像を光
学顕微鏡で拡大し、さらにその拡大像を入力画像として
撮像するとともに、その入力画像を予め登録しておいた
基準画像とマッチングさせてその画像位置を検出する装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】分析、測定等の技術分野において、被測
定物の所望部位（以下「被測定部位」という）に狙いを
定めて測定を行う場合に、被測定部位を、測定装置が測
定を実行する位置（以下「測定実行位置」という）に位
置決めするため、パターンマッチング法を採用すること
が一般に行われている。これは、被測定部位と所定の位
置関係にある被測定物上の領域の画像（以下「基準画
像」という）を予め登録しておき、被測定物を撮像して
得られた映像のなかから基準画像と一致する位置を検出
し、もって被測定部位の位置を特定するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
半導体ウエハ上に形成された透明薄膜の膜厚を測定する
膜厚測定装置のように、透明薄膜が形成された被測定物
について位置検出を行う場合には、従来のパターンマッ
チング手法では、入力画像と基準画像との照合による位
置検出が著しく不安定になり、信頼性が低下していた。
具体的には、半導体ウエハ上に並んで形成された複数の
チップごとに、あるいは半導体ウエハごとに、回路パタ
ーンの所定の部位の線幅や絶縁膜の厚みを繰り返し測定
する場合において、従来の手法では、基準画像に対応す
るとして検出されるべきところが検出されず、測定され
るべき被測定部位の測定が行われないことがあった。

【０００４】そこで、本発明者が鋭意研究した結果、以
下のことが判明した。すなわち、透明薄膜を形成した被
測定物については、同一のパターンが形成された部位を
撮像しても、得られた入力画像はそのパターンのうち少
なくとも部分的に濃淡（即ち光の強弱）の関係が反転し
たものとなってしまうことがある。そして、そのように
濃淡関係が反転した入力画像では、パターンが同一の基
準画像と照合しても、両者が一致しているとはみなされ
ず、基準画像に対当するとの検出がなされないことが発
生していた。そして、この濃淡関係の反転は、主として
被測定物に形成された透明薄膜の厚みにむらがあること
に起因することが判明した。以下、その理由を図１３お
よび図１４を参照しつつ説明する。

【０００５】図１３は被測定物である半導体ウエハの一
例を示す図である。この半導体ウエハでは、同図に示す
ように、半導体ウエハ１上に所定形状に区分けしてパタ
ーニングされたシリコン窒化膜１ａおよびシリコン酸化
膜層２が形成されている。例えば、図１３(a) の２点鎖
線で示す部分の画像は、図１４(a) に示すように、シリ
コン窒化膜１ａの一部に対応する画像領域（領域１）と
シリコン酸化膜層２の一部に対応する画像領域（領域
２）とを有する。ここで、図１４(a) の１点鎖線に沿っ
て入力画像の光の強度を調べると、同図(b) に示すよう
に、領域１の強度が領域２のそれよりも大きくなってい
る。しかしながら、膜厚にむらが生じて、シリコン酸化
膜層２の膜厚ｔ（図１３(b) 参照）が変化すると、図１
４(c) に示すように、領域２からの反射光の強度が大き
くなって領域１との濃淡関係が逆転し、その結果として
図１４(b) の場合と比べて２つの領域の濃淡関係が逆転
することがある。

【０００６】ところで、ある波長について考えれば上記
のように膜厚の変化によって濃度反転が生じることは容
易に理解することができるが、一般的な画像位置検出で
は光源に白色光を用いているので、画像の濃度反転は生
じないのではないかという見解がある。この見解は、図
１５に示すように、透明薄膜を形成した被測定物につい
ての入力画像の強度は各波長成分の積分値（同図の斜線
で示す領域の面積に対応する値）となるので、膜厚ｔが
異なっても、入力画像の強度はほぼ等しくなり、画像の
濃度反転は生じないという理論に基づいている。

【０００７】しかしながら、画像位置検出装置ではカメ
ラなどの撮像手段を介して画像が撮像されるため、その
カメラ自体の波長特性の影響を受け、入力画像として得
られるのは、膜厚ｔの変化に伴う影響とカメラの波長特
性とをかけ合わせたものとなる。したがって、光源に白
色光を用いていた場合であっても、実際に得られる入力
画像には上記のような濃淡反転がよく観察されている。

【０００８】この発明は、上記課題を解決するためにな
されたもので、透明薄膜を形成した被測定物について
も、精度良く位置検出を行うことができる画像位置検出
装置および方法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】請求項１の発明は、上記
目的を達成するため、所定の照明位置に照明光を照射す
る照明光学系と、その一方主面に透明薄膜を形成してな
る被測定物を搭載しながら、その被測定物の任意の撮像
領域を前記照明位置に位置させるステージと、前記撮像
領域からの反射光を所定位置に集光させて前記撮像領域
の像を結像する結像光学系と、前記撮像領域の像を撮像
して、入力画像を得る撮像手段と、前記撮像手段によっ
て撮像された同一パターンで、しかも少なくとも部分的
に濃淡関係が相互に反転状態にある２つの画像をそれぞ
れ第１及び第２の基準画像として記憶する記憶手段と、
前記入力画像の部分画像が前記第１及び第２の基準画像
のうち少なくとも一方とほぼ一致することをもって、前
記入力画像の部分画像のうちから前記第１あるいは第２
基準画像と一致する部分画像位置を特定する手段と、を
備えている。

【００１０】

【作用】この発明では、同一パターンで、しかも部分的
に濃淡関係が相互に反転状態にある２つの画像がそれぞ
れ第１及び第２の基準画像として記憶される。また、被
測定物の撮像領域の像が撮像されて、入力画像が得られ
る。そして、前記入力画像の部分画像が第１及び第２の
基準画像のうち少なくとも一方とほぼ一致することをも
って、基準画像に対応するパターンの、入力画像上にお
ける位置を検出する。したがって、入力画像で部分的に
濃淡反転が生じた場合であっても、第１あるいは第２の
基準画像との照合によって位置検出を行うことができ
る。

【００１１】

【実施例】図１はこの発明のかかる画像位置検出装置を
適用することができる膜厚測定装置を示す図であり、図
２はその膜厚測定装置のブロック図である。以下の説明
では、その膜厚測定装置の構成および動作を説明するこ
とにより、画像位置検出装置の一実施例を明らかにす
る。

【００１２】Ａ．膜厚測定装置の構成この膜厚測定装置は、照明光学系１０と結像光学系２０
を備えている。この照明光学系１０には、白色光を出射
する光源１１が設けられており、この光源１１からの光
はコンデンサーレンズ１２，開口絞り１３，視野絞り１
４およびコンデンサーレンズ１５を介して結像光学系２
０に入射される。

【００１３】結像光学系２０は対物レンズ２１，ビーム
スプリッタ２２および結像レンズ２３からなり、照明光
学系１０からの照明光はビームスプリッタ２２によって
反射させ、対物レンズ２１を介して所定の照明位置ＩＬ
に照射される。なお、図１において、２４は瞳位置を示
している。

【００１４】その照明位置ＩＬの近傍には、ＸＹステー
ジ３０が配置されている。このＸＹステージ３０は、シ
リコン窒化膜１ａとシリコン酸化膜２の各薄膜がパター
ニングされて形成されている半導体ウエハ１を、被測定
物として搭載しながら、ＸＹステージ駆動回路３１から
の制御信号に応じてＸ，Ｙ方向に移動し、半導体ウエハ
１表面の任意の領域（撮像を所望する領域）を照明位置
ＩＬに位置させる。なお、図面への図示を省略するが、
このＸＹステージ３０には、その位置（Ｘ，Ｙ座標）を
検出して、その位置情報を装置全体を制御する制御ユニ
ット６０に与えられるようになっている。

【００１５】この照明位置ＩＬに位置する半導体ウエハ
１の撮像領域で反射された光は、対物レンズ２１，ビー
ムスプリッタ２２および結像レンズ２３を介して所定の
結像位置に集光され、撮像領域の像が拡大投影される。
この結像位置の近傍には、中心部にピンホール４１を有
する反射鏡４０が配置されている。そのため、反射光の
うちピンホール４１を通過した反射光ＬS が分光ユニッ
ト５０に入射される。

【００１６】分光ユニット５０は、反射光ＬS を分光す
る回折格子５１と、回折格子５１により回折された回折
光の分光スペクトルを検出する光検出器５２とで構成さ
れている。回折格子５１としては、例えば分光スペクト
ルを平面上に結像するフラットフィールド型回折格子や
掃引機構付の回折格子などを用いることができる。一
方、光検出器５２は、例えばフォトダイオードアレイや
ＣＣＤなどにより構成されており、ピンホール４１と共
役な関係に配置されている。このため、分光ユニット５
０に取り込まれた光ＬS は回折格子５１に分光され、そ
の光ＬS の分光スペクトルに対応した信号が光検出器５
２から演算回路５３（図２）に与えられる。この演算回
路５３では、その信号に基づき従来より周知の手法（こ
こでは、その説明は省略する）を用いて半導体ウエハ１
に形成された薄膜（図示省略）の膜厚を求め、その結果
を制御ユニット６０に出力する。

【００１７】一方、半導体ウエハ１からの光のうち反射
鏡４０により反射された反射光は撮像ユニット７０に入
射される。この撮像ユニット７０では、反射鏡４０から
の反射光はリレーレンズ７１を介して２次元撮像カメラ
７２の撮像面７２ａ上に集光される。これによって、半
導体ウエハ１の撮像領域の像が結像される。なお、２次
元撮像カメラ７２によって撮像された画像（入力画像）
に関連する画像信号は画像処理ユニット７３に与えら
れ、さらに、その画像処理ユニット７３で適当に処理さ
れた後、ＣＲＴ７４上に表示されるとともに、制御ユニ
ット６０に出力される。

【００１８】制御ユニット６０は、図２に示すように、
論理演算を実行する周知のＣＰＵ６１と、そのＣＰＵ６
１を制御する種々のプログラム等を予め記憶するととも
に、装置動作中に種々のデータを一時的に記憶するメモ
リ６２とを備えている。これらＣＰＵ６１，メモリ６２
はそれぞれコモンバス６３によって相互に接続される一
方、そのコモンバス６３を介して入出力ポート６４とも
接続されている。そして、その入出力ポート６４により
制御ユニット６０は外部との入出力、例えばパネルキー
６５や、前記ＸＹステージ駆動回路３１，演算回路５３
および画像処理ユニット７３との間で信号の授受を行
う。

【００１９】Ｂ．膜厚測定装置の動作次に、図１の膜厚測定装置の動作について図３のフロー
チャートを参照しつつ説明する。まず、実際の膜厚測定
に先立って、膜厚測定を行う被測定部位の登録や画像位
置検出を行うための基準画像の登録を行う（ステップＳ
１）。

【００２０】図４は、この登録処理の手順を示すフロー
チャートである。この登録処理を行うにあたっては、ま
ず、図示を省略するハンドリング・マシンによって登録
用の半導体ウエハ１を一定精度で位置決めしながらＸＹ
ステージ３０上に搬送する（ステップＳ１１）。そし
て、オペレータがパネルキー６５を操作して、ＣＲＴ７
４に写し出される入力画像のほぼ中心にある膜厚測定装
置の測定実行位置、すなわち反射鏡４０にピンホール４
１が形成されているために入力画像に現れる黒点状の影
のような像（図５におけるピンホール像４１ａ）の近傍
に、被測定部位が位置するようにＸＹステージ３０を移
動させる。その後、オペレータがパネルキー６５に設け
られた登録用のキー（図示省略）を押すと、入出力ポー
ト６４を介してメモリ６２にＸＹステージ３０の座標値
がその被測定部位の概略座標値として記憶される（ステ
ップＳ１２）。

【００２１】ステップＳ１３では、被測定部位の読取回
数が所定値になったかどうかを判別し、所定回数に達す
るまで、上記ステップＳ１２の処理が繰り返し実行され
る。こうして、１個あるいは複数の被測定部位の概略座
標値がメモリ６２に一時的に記憶される。複数の被測定
部位についての記憶は、例えば、その半導体ウエハ１上
に並んで形成された複数のチップの各々について所定の
被測定部位の測定を行う場合になされる。

【００２２】上記のようにして最後の被測定部位の座標
読取が完了した時点では、ＣＲＴ７４のほぼ中央部には
半導体ウエハ１の被測定部位近傍が表示されている。具
体的には、このＣＲＴ７４には、図５に示すように、撮
像ユニット７０によって撮像された半導体ウエハ１の被
測定部位近傍の入力画像、即ち、シリコン酸化膜の領域
Ａ１と、シリコン窒化膜の領域Ａ２とが映し出されてい
る。そしてその入力画像に重ねて、十字型標線８１と、
画像の一部を取り囲む枠型標線８２が表示されている。

【００２３】これら標線８１、８２は、画像処理ユニッ
ト７３で電気的に作成され半導体ウエハ１の映像と重ね
て表示され、パネルキー６５を操作することにより、画
像内を、おのおの独立して移動するものである。

【００２４】オペレータはパネルキー６５を操作して、
画像に映っている半導体ウエハ上の被測定部位に十字型
標線８１を合わせ、その測定部位の近傍でしかも特徴的
なパターンの領域（例えば図１４(a) と同一のパター
ン；パターンＡ）を枠型標線８２で取り囲む（図６）。
この例は、シリコンン酸化膜のうち図６の十字型標線８
１で示す位置の膜厚を測定する場合を示す。

【００２５】そして、オペレータが登録用のキーを押動
することによって、枠型標線８２で取り囲まれた部分画
像が第１の基準画像としてメモリ６２に記憶されるとと
もに、その枠型標線と十字型標線８１との相対位置デー
タがメモリ６２に記憶される（ズテップＳ１４）。

【００２６】次に、ステップＳ１５で、例えば同じ半導
体ウエハ１上の他のチップにおける被測定部位につい
て、上記パターンＡと同一パターンで、ただし濃度反転
（なお、この濃淡反転は、同じ半導体ウエハ１上であっ
ても、部位によって、形成されている薄膜の厚みにむら
があるために生じる）が生じているパターン（例えば図
１４(a),(c) と同一のパターン；パターンＢ）を有する
部分画像を第２の基準画像としてメモリ６２に記憶す
る。具体的は、オペレータがＣＲＴ７４を見ながらパネ
ルキー６５を操作して、ＣＲＴ７４上にパターンＢが写
し出されるようにＸＹステージ３０を移動させた後、枠
８２を移動させてそのパターンＢを枠８２で取り囲み、
また、半導体ウエハ１上の被測定部位に十字型標線８１
を位置させ、さらに登録用のキーを押動する。

【００２７】その後で、ハンドリング・マシンによって
登録用半導体ウエハ１を元の保管位置に搬出する（ステ
ップＳ１６）。

【００２８】こうして、同一パターンで、しかも濃淡関
係が相互に反転状態にある２つの部分画像（第１及び第
２の基準画像）と、被測定部位の位置とをメモリ６２に
記憶する処理、つまり登録処理が完了する。

【００２９】次に、図３に戻って、膜厚測定動作の説明
を続ける。上記のようにして登録処理が完了すると、ハ
ンドリング・マシンによって膜厚測定の対象となる半導
体ウエハ１を一定精度で位置決めしながらＸＹステージ
３０上に搬送する（ステップＳ２）。

【００３０】そして、ステップＳ３で、メモリ６２から
被測定部位の概略座標値を読み出し、その座標値に基づ
き半導体ウエハ１を位置決めする。これによって、その
被測定部位を含む近傍の領域（撮像領域）が照明位置Ｉ
Ｌ（図１）に概略座標値の精度で位置決めされ、その撮
像領域の画像がＣＲＴ７４上に写し出されるとともに、
その入力画像がメモリ６２に一時的に記憶される。

【００３１】次に、ステップＳ４で、メモリ６２から入
力画像と、第１及び第２の基準画像とを読み出し、図７
及び図８のフローチャートにしたがって入力画像中にお
ける基準画像の位置を検出する。以下、位置検出の手順
について詳説する。

【００３２】ステップＳ４１で、後で説明する判別基準
となるしきい値として、値Ｃ(H) を設定する。なお、こ
の実施例では、相互に判別基準が異なる２種類のしきい
値Ｃ(H) ，Ｃ(L) を予めメモリ６２に記憶しておき、ま
ず最初により厳しい判別基準（しきい値Ｃ(H) ）に基づ
いて位置検出を行い、それで位置検出を行うことができ
ない場合に、続いてより緩い判別基準（しきい値Ｃ(L)
）で位置検出を行うようにしている。

【００３３】ステップＳ４２で、メモリ６２より入力画
像および第１の基準画像を読み出し、第１の基準画像
（登録パターンＡ）に基づくサーチ照合を行って、相関
係数Ｃ1 を求める。すなわち、入力画像Ｑ(X,Y) の全域
にわたって、図９に示すように、第１の基準画像ｒ(x,
y) と、入力画像Ｑ(X,Y) の部分画像ｑ(x,y) との相関
係数（マッチングの度合を示す情報）Ｃ1 を従来より周
知の計算方法で求める。

【００３４】そして、ステップＳ４３で、上記のように
して求められた相関係数Ｃ1 をしきい値Ｃ(H) と比較す
る。ここで、不等式（Ｃ(H) ＜Ｃ1 ）を満足する相関係
数Ｃ1 が存在するということは、その座標位置で第１の
基準画像と同一のパターンが存在するということであ
る。なお、以上のような入力画像Ｑ（Ｘ，Ｙ）の全域に
わたってのサーチ照合の際、第１の基準画像ｒ（ｘ，
ｙ）と異なるがしかし類似のパターンが入力画像中に偶
然存在する場合には、前記しきい値Ｃ(H) をこえる相関
係数を示す部分画像が複数あらわれることが考えられる
が、その場合には、最大の相関係数を示した部分画像の
座標位置に第１の基準画像と同一のパターンが存在する
ものとする。

【００３５】ところで、不等式（Ｃ(H) ＜Ｃ1 ）が満足
されない、つまり第１の基準画像による位置検出を行う
ことができない場合には、次のステップＳ４４の処理が
実行される。

【００３６】ステップＳ４４では、第１の基準画像の代
わりにメモリ６２から第２の基準画像（登録パターン
Ｂ）を読み出し、ステップＳ４２と同様に、入力画像Ｑ
(X,Y)の全域にわたって、第２の基準画像（登録パター
ンＢ）に基づくサーチ照合を行って、相関係数Ｃ2 を求
める。

【００３７】そして、ステップＳ４５で、ステップＳ４
３と同様に、上記のようにして求められた相関係数Ｃ2
をしきい値Ｃ(H) と比較する。このように、この実施例
では、同一パターンで、しかも濃淡関係が相互に反転状
態にある第１及び第２の基準画像を用いて、マッチング
を行っているので、入力画像の濃淡反転が生じた場合で
あっても、高い確率で入力画像の位置を検出することが
できる。

【００３８】しかしながら、入力画像や第１あるいは第
２の基準画像の画質が悪い場合には、上記位置検出処理
によって比較的高い相関係数Ｃ1 ，Ｃ2 が得られず、不
等式（Ｃ(H) ＜Ｃ1 ），（Ｃ(H) ＜Ｃ2 ）が満足され
ず、第１および第２の基準画像による位置検出を行うこ
とができない場合がある。

【００３９】このような場合に対処すべき、この実施例
では以下のステップＳ４６〜Ｓ５２を実行する。すなわ
ち、ステップＳ４６で、メモリ６２よりしきい値Ｃ(L)
を読み出す。そして、上記ステップＳ４２と同様にし
て、第１の基準画像（登録パターンＡ）に基づく相関係
数Ｃ1 を求めた（ステップＳ４７）後、上記ステップＳ
４４と同様にして第２の基準画像（登録パターンＢ）に
基づいて相関係数Ｃ2 を求める（ステップＳ４８）。

【００４０】それに続いて、ステップＳ４９で、不等式
（Ｃ(L) ＜Ｃ1 ），（Ｃ(L) ＜Ｃ2）のうち少なくとも
一方が満足されているか否かが判別される。このステッ
プＳ４９が満足されていない、つまりしきい値を低くし
た場合でも位置検出を行うことができないと判別される
と、ＣＲＴ７４上にエラーを表示して、オペレータにそ
の旨を知らせる（ステップＳ５０）。

【００４１】一方、ステップＳ４９で上記条件を満足す
ると判別されると、続いて不等式（Ｃ(L) ＜Ｃ1 ），
（Ｃ(L) ＜Ｃ2 ）がともに満足されているか否かが判別
される（ステップＳ５１）。ここで、ともに満足すると
判別された場合にのみ、ステップＳ５２に進み、係数Ｃ
1 ，Ｃ2 のうち大きい値の係数を選択する。すなわち、
大きな値の係数を示した位置にその対応する基準画像
（登録パターン）が存在するとし、その座標位置を画像
位置とする。また、ともには満足しないと判別された場
合には、いずれか片方の式が満足されているのであるか
ら、その満足されている式の方の係数を選択する。すな
わち、その係数を示した位置にその対応する基準画像
（登録パターン）が存在するとし、その座標位置を画像
位置とする。

【００４２】以上のようにして、適当な相関係数が求め
られる、つまりステップＳ４３で（Ｃ(H) ＜Ｃ1 ）が満
足されていると判別された場合にはその相関係数Ｃ1 ，
ステップＳ４５で（Ｃ(H) ＜Ｃ2 ）が満足されていると
判別された場合には相関係数Ｃ2 ，ステップＳ５１で上
記条件が満足しないと判別された場合には相関係数Ｃ1
（＞Ｃ(L) ）あるいはＣ2 （＞Ｃ(L) ），あるいはステ
ップＳ５２で選択された相関係数がそれぞれ求められる
と、ステップＳ５３の処理が実行される。このステップ
Ｓ５３では、求められた相関係数に対応する座標値をそ
の基準画像に対応する部位の座標として決定する。

【００４３】こうして、入力画像中の基準画像に対応す
るパターンの位置（基準画像に対応する部位の座標）を
検出することができる。そして、それとともに、メモリ
６２に記憶された基準画像と、その基準画像に関しての
十字型標線の相対位置データから、入力画像中の被測定
部位の座標が算出される。

【００４４】次に、再度図３に戻って、膜厚測定動作の
説明を続ける。上記のようにして位置検出が完了する
と、求められた被測定部位の座標と測定実行位置ＭＰ
（図１）との距離を演算する。ここで、「測定実行位置
ＭＰ」とは、膜厚測定装置においてピンホール４１と光
学的に共役な位置であり、予め設定されている位置であ
る。そのため、この測定実行位置ＭＰに被測定部位が位
置決めされると、その被測定部位からの反射光がピンホ
ール４１を通過して分光ユニット５０に入射され、その
被測定部位での膜厚測定が可能となる。

【００４５】そして、ステップＳ５で、その演算結果に
基づいて、ＸＹステージ３０を移動させて被測定部位を
測定実行位置ＭＰに位置決めする。このときＣＲＴ７４
の画面上では、ステップＳ１４もしくはＳ１５で指定し
た被測定部位はピンホール像４１ａに重なることにな
る。そして、それに続いて、上記のようにピンホール４
１を介して分光ユニット５０に入射される反射光ＬS を
分光し、その分光スペクトルを求め、さらにその分光ス
ペクトルから被測定部位での膜厚を求める（ステップＳ
６）。

【００４６】次いで、ステップＳ７で、全ての被測定部
位での膜厚測定が完了したか否かの判別を行い、測定が
完了していないと判別されると、ステップＳ３に進み、
上記ステップＳ３〜Ｓ６の動作が繰り返され、各被測定
部位での膜厚測定が行われる。一方、全ての被測定部位
での膜厚測定が完了すると、ステップＳ８に進み、半導
体ウエハ１を所定位置に搬出する。

【００４７】そして、ステップＳ９で、すべての半導体
ウエハ１に対し、膜厚測定が完了したかどうかを判別
し、完了していないと判別している間、上記ステップＳ
２〜ステップＳ８の処理が繰り返されて、各半導体ウエ
ハ１に対して所定の膜厚測定が連続的に行われる。

【００４８】Ｃ．膜厚測定装置での画像位置検出処理の効果以上のように、この実施例では、同一パターンで、しか
も濃淡関係が相互に反転状態にある２つの部分画像（第
１及び第２の基準画像）を予め登録しておき、被測定物
たる半導体ウエハ１の像を撮像して、入力画像を得た
後、入力画像の全域にわたって、その部分画像を連続的
に選択しながらその選択部分画像を前記第１及び第２の
基準画像と順次照合して相関係数を求め、さらにその相
関係数に基づいて、入力画像中における基準画像の位
置、被測定部位の座標を特定するようにしているので、
入力画像の濃淡反転が生じた場合であっても、精度良く
位置検出を行うことができる。そのため、上記膜厚測定
装置では、画像位置検出処理を行うことによって、所望
の被測定部位の膜厚を高精度で測定することができると
いう効果が得られる。

【００４９】Ｄ．その他なお、上記実施例では、この発明にかかる画像位置検出
装置を反射光に基づいて膜厚測定を行う反射タイプの膜
厚測定装置に適用した場合について説明したが、この画
像位置検出装置は、これ以外に被測定物の裏面側から撮
像領域を照明し、その領域を透過した光に基づいて膜厚
を求める透過タイプの膜厚測定装置にも適用することが
でき、また膜厚測定装置以外の装置にも適用することが
できる。

【００５０】また、上記実施例では、白色光源１１を用
いた膜厚測定装置の場合について説明したが、単色光源
を用いた膜厚測定装置でも同様の効果が得られる。

【００５１】また、上記実施例では、被測定物に形成さ
れている薄膜として、無色透明なシリコン酸化膜の場合
を説明したが、有色透明な薄膜であってもよい。

【００５２】また、上記実施例では、２つの領域（領域
１と領域２）のみからなる比較的単純なパターン（図１
４参照）を有する画像を第１及び第２の基準画像として
いるが、３つ以上の領域からなる比較的複雑なパターン
（例えば、図１０に示すパターン）を有し、かつ濃淡関
係が部分的に反転状態にある２つの画像をそれぞれ第１
及び第２の基準画像として上記位置検出処理を行うこと
も可能であり、また、この場合、上記条件（同一パター
ンで、かつ相互に濃度反転を生じている）を満足する３
つ以上の基準画像を予め登録しておき、上記と同様にし
て位置検出処理を行うことができる。

【００５３】ところで、第１及び第２の基準画像を登録
する場合、上記実施例では、オペレータがＣＲＴ７４を
見ながらパネルキー６５を操作して、第１及び第２の基
準画像を登録するようにしている。これに対し、第１の
基準画像を登録した後、その基準画像の画像データを、
例えば画像処理ユニット７３での電気的処理により反転
させて第２の基準画像を作成することも可能である。し
かしながら、このように単純に電気的処理によって作成
された第２の基準画像を用いることが以下の理由から好
ましくない場合があり、実使用においては、上記のよう
に第１及び第２の基準画像はオペレータによりそれぞれ
登録するほうが好適である。

【００５４】というのも、基準画像にアルミ膜やパター
ンのエッジ部などが存在すると、実際のパターンと電気
的に処理したパターンとが異なってしまうからである。
このことを図１０〜図１２を参照しつつ説明する。な
お、図１０および図１１において図示された斜線領域は
ＣＲＴ７４上に写し出される画像の濃淡を示すものであ
り、その濃淡度合を示すために図１２の濃度スケールに
従って図示されている。

【００５５】＜アルミ膜が形成されている場合＞アルミ
膜を有する領域の画像を撮像すると、例えば、図１０
(a) に示すように、画像にはそのアルミ膜に対応するア
ルミ画像領域９０が現れる。アルミ膜の反射率は比較的
高いため、画像上では比較的明るくなっている。また、
実際に同一パターンで、かつ濃度反転が生じている領域
の画像を撮像すると、例えば同図(b) に示す画像が得ら
れる。この画像においても、他の画像領域９１，９２の
間で濃度反転が生じていても、やはりアルミ画像領域９
０の画像は比較的明るいままである。これに対し、電気
的処理によって単純に図１０(a) の画像の濃度反転処理
を行った場合には、同図(c) に示すように、アルミ画像
領域９０の画像は他の画像領域９１，９２に比べて著し
く暗くなる。このように、電気的処理による濃度反転画
像は、実際に観察される画像と全く異なったものとな
る。

【００５６】＜エッヂ部が存在する場合＞薄膜のエッヂ
部を有する領域を撮像すると、その画像は、例えば図１
１(a) に示すように、エッヂ部に対応するエッヂ画像領
域９３が他の画像領域９４，９５に比べて著しく暗くな
る。その理由は、エッヂ部では露出表面が傾斜している
ため照明光の大部分が入射方向と異なる方向に反射さ
れ、結像光学系２０の対物レンズ２１に戻る光はごく一
部になってしまうからである。このことは、画像領域９
４，９５で濃度反転が生じた場合も同様であり、同図
(b) に示すように、エッヂ画像領域９３は暗いままであ
る。しかしながら、同図(a) の画像を単に電気的に濃度
反転処理すると、同図(c) のように、エッヂ画像領域９
３が他の画像領域９４，９５よりも明るくなり、アルミ
膜の場合と同様に、実際に観察される画像と異なったも
のとなってしまう。

【００５７】したがって、第１及び第２の基準画像を登
録する場合、上記のように実際にＣＲＴ７４上の画像を
見ながら適当な画像を登録するほうが望ましい。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、この発明にかかる画像位
置検出装置によれば、同一パターンで、しかも少なくと
も部分的に濃淡関係が相互に反転状態にある２つの画像
をそれぞれ第１及び第２の基準画像として記憶し、被測
定物の撮像領域の像を撮像して得られた入力画像の部分
画像が前記撮像領域の画像位置を特定するようにしてい
るので、入力画像の濃淡反転が生じた場合であっても、
第１あるいは第２の基準画像との照合によって位置検出
を精度良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のかかる画像位置検出方法を適用する
ことができる膜厚測定装置を示す図である。

【図２】その膜厚測定装置のブロック図である。

【図３】図１の膜厚測定装置の動作を示すフローチャー
トである。

【図４】登録処理の手順を示すフローチャートである。

【図５】第１及び第２の基準画像の登録手順を説明する
図である。

【図６】第１及び第２の基準画像の登録手順を説明する
図である。

【図７】位置検出処理の手順を示すフローチャートであ
る。

【図８】位置検出処理の手順を示すフローチャートであ
る。

【図９】サーチ照合の手順を示す模式図である。

【図１０】アルミ膜を含む領域の画像を示す図である。

【図１１】エッヂ部を有する領域の画像を示す図であ
る。

【図１２】図１０および図１１の濃度スケールを示す模
式図である。

【図１３】被測定物の一つである半導体ウエハを示す図
である。

【図１４】撮像された画像の濃度反転を示す図である。

【図１５】膜厚変化にともなう強度変化のようすを示す
グラフである。

【符号の説明】

１半導体ウエハ１０照明光学系２０結像光学系３０ＸＹステージ６０制御ユニット６２メモリ７０撮像ユニット

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の照明位置に照明光を照射する照明
光学系と、その一方主面に透明薄膜を形成してなる被測定物を搭載
しながら、その被測定物の任意の撮像領域を前記照明位
置に位置させるステージと、前記撮像領域からの反射光を所定位置に集光させて前記
撮像領域の像を結像する結像光学系と、前記撮像領域の像を撮像して、入力画像を得る撮像手段
と、前記撮像手段によって撮像された同一パターンで、しか
も少なくとも部分的に濃淡関係が相互に反転状態にある
２つの画像をそれぞれ第１及び第２の基準画像として記
憶する記憶手段と、前記入力画像の部分画像が前記第１及び第２の基準画像
のうち少なくとも一方とほぼ一致することをもって、前
記入力画像の部分画像のうちから前記第１あるいは第２
の基準画像と一致する部分画像位置を特定する手段と、
を備えた画像位置検出装置。