JP4433371B2

JP4433371B2 - 画像計測装置

Info

Publication number: JP4433371B2
Application number: JP2003171654A
Authority: JP
Inventors: 洋文有馬
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: JP2005010248A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はシリコンウエハ上の重ね合わせパターンを画像計測する画像計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置を製造するためのフォトリソグラフィ工程においては、レチクル又はマスクに形成された回路パターンを通してウエハ上に露光する。このとき、露光に先立って観察装置を用いてウエハ面を観察することによりウエハ上の重ね合わせマークを検出し、この検出結果に基いてマスクとウエハとの相対的な位置合わせを行う。この位置合わせは画像計測装置を用いて露光工程において投影されるマスクパターンと下地パターンとの重ね合わせずれ量を測定することにより行われる。
【０００３】
また、露光工程及び現像工程を経たレジストパターンと１つ前のパターン形成工程で基板上に形成された回路パターンとのアライメントを行うため、各々の回路パターンの基準位置を示すマークとレジストパターンの基準位置を示すマークとが重ね合わせマークとして用いられる。
【０００４】
この場合、重ね合わせマークに対して照明光を照射し、この重ね合わせマークからの反射光を対物レンズ等を介して所定面に結像させ、ＣＣＤカメラ等で撮像して画像処理を行ない、重ね合わせずれ量を測定する。
【０００５】
【特許文献】
特開平７−１５１５１４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この画像計測装置では、ウエハを載置したステージの位置決め完了を示す位置決め完了信号とオートフォーカス完了を示す合焦信号とをトリガ信号としてＣＣＤカメラによる画像取得が行われる。
【０００７】
しかし、ステージが移動したりウエハ搬送機構が作動したりした場合等に発生した振動はＣＣＤカメラに伝わり、ＣＣＤカメラが振動する。
【０００８】
ＣＣＤカメラが振動している状態で画像を取得したとき、位置決めやオートフォーカスが完了しているにもかかわらず、取得した画像がぶれる。また、取得した複数の画像を積算して重ね合わせマークの位置を画像計測したとき、ＣＣＤカメラのぶれによって画像位置の異なる複数の画像が積算される。
【０００９】
その結果、重ね合わせマークのエッジがぼやけ、正確な画像計測を行えなくなるという問題がある。
【００１０】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題はステージの移動やウエハ搬送機構の作動等の揺れの影響を受けることなく重ね合わせマークの一部を確実に検出し、正確な画像計測を行うことができる画像計測装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため請求項１記載の発明は、ウエハ上の重ね合わせマークを画像計測する画像計測装置であって、前記ウエハを載置するステージと、前記重ね合わせマークを拡大した拡大像を作る顕微鏡光学系と、前記重ね合わせマークの拡大像を撮像する撮像部と、前記撮像部の振動を検出する振動検出部と、複数の加速度における前記振動に対する前記重ね合わせマークの拡大像のエッジ部の濃度変化具合を記憶する記憶部と、前記重ね合わせマークの拡大像の一部を用いて、検出された撮像部の振動状態と前記記憶されたエッジ部の濃度変化具合に基づいて前記拡大像のエッジ位置を補正する画像補正部とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の画像計測装置において、前記画像補正部は、前記重ね合わせマークのエッジの像の劣化を補正することを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の画像計測装置において、前記振動検出部の検出結果に基づいて前記撮像部の画像取得タイミングを制御する画像取得タイミング制御部をさらに備え、該画像取得タイミング制御部は、前記振動検出部の検出結果を加速度成分に変換し、その振動加速度が所定値以下のとき、前記撮像部に画像取得を開始させる制御信号を出力することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１はこの発明の一実施形態に係る画像計測装置のブロック図である。
【００２１】
この画像計測装置は、ステージ２０と、顕微鏡光学系３０と、ＣＣＤカメラ（撮像部）４０と、画像記憶部４１と、画像処理部４２と、加速度センサ（振動検出部）５０と、タイミング制御部（画像取得タイミング制御部）６０と、演算制御部１０とを備える。
【００２２】
ウエハ（測定対象物）５が載置されるステージ２０は定盤２１に載置され、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向へ移動可能であり、演算制御部１０からの制御信号に基づいて所定の位置へ移動する。
【００２３】
顕微鏡光学系３０はＣＣＤカメラ４０と一体的に構成されている。顕微鏡光学系３０はウエハ５に露光されている重ね合わせマーク（図示せず）の像をＣＣＤカメラ４０の撮像面上に結像させる。顕微鏡光学系３０は光軸上に配置される。
【００２４】
ＣＣＤカメラ４０はＣＣＤを用いたＴＶカメラである。ＣＣＤカメラ４０の撮像面には顕微鏡光学系３０によって拡大された重ね合わせマークの像が結像する。ＣＣＤは光の強弱の光学像をその強弱に応じた映像信号に変換して出力する。このＣＣＤカメラ４０はタイミング制御部６０からの撮像トリガ信号（制御信号）６０ａに基づいて重ね合わせマークの画像を撮像する。
【００２５】
顕微鏡光学系３０及びＣＣＤカメラ４０は定盤２１に固定された支持部材２２に支持されている。
【００２６】
画像記憶部４１は、ＣＣＤカメラ４０で撮像した重ね合わせマークの画像データをイメージ信号４０ａとして取り込み、記憶する。
【００２７】
画像処理部４２は画像記憶部４１から出力された画像データであるイメージ信号４１ａを入力し、画像積算や画像補正等の画像処理を行う。画像処理部４２は画像処理が終了したとき、処理終了信号４２ａを出力する。なお、図示しないが、画像処理部４２はＣＣＤカメラ４０で取得された画像を補正する画像補正部（画像補正手段）を有する。
【００２８】
加速度センサ５０は、ステージ２０の移動やウエハ搬送機構（図示せず）の作動等によって発生し、波形矢印で示すように支持部材２２を介してＣＣＤカメラ４０に伝わる振動を加速度成分に変換し、振動信号５０ａとして出力する。加速度センサ５０としては例えば圧電型のものを用いる。圧電型のセンサは小型・軽量であり、５Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度までの測定周波数範囲を得ることができる特徴を有する。
【００２９】
タイミング制御部６０は加速度センサ５０から出力された振動信号５０ａを入力する。タイミング制御部６０は振動信号５０ａを監視し、監視結果に基づいて画像取得を開始する撮像トリガ信号６０ａをＣＣＤカメラ４０へ出力する。
【００３０】
また、タイミング制御部６０は振動メモリ６１を有する。振動メモリ６１は振動信号５０ａを振動記録信号６０ｂとして記憶する。
【００３１】
更に、タイミング制御部６０は後述するモード制御信号１０ａに基づく処理の結果を結果伝達信号６０ｃとして出力する。
【００３２】
演算制御部１０は画像記憶部４１に記憶された複数の画像データの内から任意の画像データをイメージ信号４１ａとして出力させるための画像処理制御信号１０ｂを出力する。
【００３３】
また、演算制御部１０は撮像トリガ信号６０ａをＣＣＤカメラ４０へ出力するタイミングを決定し、画像を取得するモードを選択するためのモード制御信号１０ａを出力する。
【００３４】
以下、各モードにおける画像取得方法を説明する。
【００３５】
図２は第１の画像取得モードに係る画像取得タイミングを示す図であり、図２（ａ）は加速度センサの出力波形を示す図、図２（ｂ）は画像取得のタイミングを示す図である。
【００３６】
演算制御部１０は、画像処理制御信号１０ｂを画像処理部４２へ出力するとともに、モード制御信号１０ａをタイミング制御部６０へ出力し、タイミング制御部６０を第１の画像取得モードにセットする。
【００３７】
タイミング制御部６０は加速度センサ５０の出力である振動信号５０ａを監視する。
【００３８】
タイミング制御部６０は、加速度がほぼ０（振動が画像取得に影響を与えない値以下）に減衰した後（図２（ａ）参照）、ＣＣＤカメラ４０へ撮像トリガ信号６０ａを出力する。
【００３９】
ＣＣＤカメラ４０は撮像トリガ信号６０ａに基づいて重ね合わせマークの画像を取得する。
【００４０】
取得された画像は画像記憶部４１に記憶されるとともに、画像処理部４２で画像積算される。
【００４１】
この第１のモードによれば、振動が画像取得に影響を与えない値以下に減衰した後に画像を取得するので、ＣＣＤカメラ４０で取得した画像がぶれたり、取得した複数の画像を積算して重ね合わせマークの位置を画像計測するとき、画像位置が異なる複数の画像が積算されたりすることがなく、重ね合わせマークのエッジがぼやけることがない。
【００４２】
図３は第２の画像取得モードに係る画像取得タイミングを示す図であり、図３（ａ）は加速度センサの出力波形を示す図、図３（ｂ）は画像取得のタイミングを示す図である。
【００４３】
演算制御部１０は、画像処理制御信号１０ｂを画像処理部４２へ出力するとともに、モード制御信号１０ａをタイミング制御部６０へ出力し、タイミング制御部６０を第２の画像取得モードにセットする。
【００４４】
タイミング制御部６０は加速度センサ５０の出力である振動信号５０ａ（加速度）を監視する。
【００４５】
タイミング制御部６０は、加速度が所定値以下に減衰しているとき（図３（ａ）参照）、ＣＣＤカメラ４０へ撮像トリガ信号６０ａを出力する。
【００４６】
また、ＣＣＤカメラ４０に伝わる振動は所定の固有振動をしながら減衰していくので、加速度センサ５０で検出される振動の加速度が０になるタイミングに同期させてＣＣＤカメラ４０へ撮像トリガ信号６０ａを出力するようにしてもよい。
【００４７】
ＣＣＤカメラ４０は撮像トリガ信号６０ａに基づいて重ね合わせマークの画像を取得する。
【００４８】
取得された画像は画像記憶部４１に記憶されるとともに、画像取得に同期して振動信号５０ａが振動メモリ６１に振動記録信号６０ｂとして記憶される。
【００４９】
取得された画像は画像処理部４２で画像積算される。
【００５０】
この第２のモードによれば、加速度が所定値以下に減衰したときに画像を取得するので、ＣＣＤカメラ４０で取得した画像がぶれたり、取得した複数の画像を積算して重ね合わせマークの位置を画像計測するとき、大きく画像位置が異なる複数の画像が積算されたりすることがなく、重ね合わせマークのエッジのぼやけを大幅に改善することができる。
【００５１】
図４は第３の画像取得モードに係る画像取得タイミングを示す図であり、図４（ａ）は加速度センサの出力波形を示す図、図４（ｂ）は画像取得のタイミングを示す図である。
【００５２】
演算制御部１０は、画像処理制御信号１０ｂを画像処理部４２へ出力するとともに、モード制御信号１０ａをタイミング制御部６０へ出力し、タイミング制御部６０を第３の画像取得モードにセットする。
【００５３】
ウエハの位置決めやオートフォーカスが完了した後、タイミング制御部６０は重ね合わせマークの画像取得を開始する。また、この画像取得に同期して振動信号５０ａを振動メモリ６１に振動記録信号６０ｂとして記憶させる。
【００５４】
全ての画像を取得した後、演算制御部１０とタイミング制御部６０とを用いて振動メモリ６１に記憶された振動記録信号６０ｂを参照するとともに、加速度が所定値以下に減衰している振動記録信号６０ｂに対応する画像を画像記憶部４１から選択する。
【００５５】
選択された画像は画像処理部４２で画像積算される。
【００５６】
この第３の画像取得モードによれば、加速度が所定値以下に減衰した画像だけを計測に用いるので、ＣＣＤカメラ４０で取得した画像がぶれたり、取得した複数の画像を積算して重ね合わせマークの位置を画像計測するとき、大きく画像位置が異なる複数の画像が積算されたりすることがなく、重ね合わせマークのエッジのぼやけを大幅に改善することができる。
【００５７】
この実施形態によれば、ステージの移動やウエハ搬送機構の作動等の揺れの影響を受けることなく重ね合わせマークのエッジを確実に検出し、正確な画像計測を行うことができる。
【００５８】
なお、上記第１〜３の画像取得モードのうち、第２の画像取得モード及び第３の画像取得モードでは加速度がほぼ０の状態で画像を取得していないため、振動に起因して取得された画像（プロジェクション波形）のエッジが劣化する。
【００５９】
そこで、以下に述べるエッジの補正を行い、より信頼性の高い画像計測を行うことができるようにした。
【００６０】
図５（ａ）は加速度がほぼ０の画像のプロジェクション波形を示す図、図５（ｂ）は加速度２ｘの画像のプロジェクション波形を示す図、図５（ｃ）は加速度２ｘの画像のプロジェクション波形を示す図である。
【００６１】
図５はｘ方向（図１参照）へスキャンしたときのプロジェクション波形である。
【００６２】
図５（ａ）は、振動の影響を受けていないエッジが急峻なプロジェクション波形である。重ね合わせマークのエッジがクリア（ぼやけのない）となり、プロジェクション波形の再現性が良い画像計測を行える。
【００６３】
図５（ｂ）及び図５（ｃ）は振動の影響を受けてエッジが劣化したプロジェクション波形である。重ね合わせマークのエッジがなまり、プロジェクション波形の再現性が良い画像計測を行えない。図５（ｂ）及び図５（ｃ）からわかるように、エッジの劣化は振幅や加速度に比例する。
【００６４】
そこで、加速度に対するエッジの傾きを予めデータとしてメモリ（図示せず）記憶させておき、例えば画像取得時に加速度センサ５０で得られた加速度に対応するエッジの傾きの中心値でプロジェクション波形のエッジを補正する。このエッジの補正は画像処理部４２の画像補正部で行われる。
【００６５】
その結果、重ね合わせマークのエッジがクリアとなり、プロジェクション波形の再現性が良い画像計測を行えるようになる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、ステージの移動やウエハ搬送機構の作動等の揺れの影響を受けることなく重ね合わせマークの一部を確実に検出し、正確な画像計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の一実施形態に係る画像計測装置のブロック図である。
【図２】図２は第１の画像取得モードに係る画像取得タイミングを示す図であり、図２（ａ）は加速度センサの出力波形を示す図、図２（ｂ）は画像取得のタイミングを示す図である。
【図３】図３は第２の画像取得モードに係る画像取得タイミングを示す図であり、図３（ａ）は加速度センサの出力波形を示す図、図３（ｂ）は画像取得のタイミングを示す図である。
【図４】図４は第３の画像取得モードに係る画像取得タイミングを示す図であり、図４（ａ）は加速度センサの出力波形を示す図、図４（ｂ）は画像取得のタイミングを示す図である。
【図５】図５（ａ）は加速度がほぼ０の画像のプロジェクション波形を示す図、図５（ｂ）は加速度２ｘの画像のプロジェクション波形を示す図、図５（ｃ）は加速度２ｘの画像のプロジェクション波形を示す図である。
【符号の説明】
５ウエハ
１０演算制御部
２０ステージ
３０顕微鏡光学系
４０ＣＣＤカメラ（撮像部）
５０加速度センサ（振動検出部）
６０タイミング制御部（画像取得タイミング制御部）

Claims

ウエハ上の重ね合わせマークを画像計測する画像計測装置であって、
前記ウエハを載置するステージと、
前記重ね合わせマークを拡大した拡大像を作る顕微鏡光学系と、
前記重ね合わせマークの拡大像を撮像する撮像部と、
前記撮像部の振動を検出する振動検出部と、
複数の加速度における前記振動に対する前記重ね合わせマークの拡大像のエッジ部の濃度変化具合を記憶する記憶部と、
前記重ね合わせマークの拡大像の一部を用いて、検出された撮像部の振動状態と前記記憶されたエッジ部の濃度変化具合に基づいて前記拡大像のエッジ位置を補正する画像補正部と
を備えていることを特徴とする画像計測装置。
前記画像補正部は、前記重ね合わせマークのエッジの像の劣化を補正することを特徴とする請求項１記載の画像計測装置。
前記振動検出部の検出結果に基づいて前記撮像部の画像取得タイミングを制御する画像取得タイミング制御部をさらに備え、
該画像取得タイミング制御部は、前記振動検出部の検出結果を加速度成分に変換し、その振動加速度が所定値以下のとき、前記撮像部に画像取得を開始させる制御信号を出力することを特徴とする請求項１記載の画像計測装置。