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JP2532926B2 - Alignment mark position detection method - Google Patents

Alignment mark position detection method

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Publication number
JP2532926B2
JP2532926B2 JP63242598A JP24259888A JP2532926B2 JP 2532926 B2 JP2532926 B2 JP 2532926B2 JP 63242598 A JP63242598 A JP 63242598A JP 24259888 A JP24259888 A JP 24259888A JP 2532926 B2 JP2532926 B2 JP 2532926B2
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JP
Japan
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mark
mask
wafer
image signal
alignment
Prior art date
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JP63242598A
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Japanese (ja)
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勤 宮武
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0291502A publication Critical patent/JPH0291502A/en
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  • Image Analysis (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Image Processing (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はウエハ上に回路パターンを焼付けるX線露光
装置等の露光装置に用いられるプロキシミティーアライ
ナやステッパーにおいて、マスク上に形成されたマスク
マークとウエハ上に形成されたウエハマークから成るア
ライメントマークを検出し、その検出波形からマスクと
ウエハ間の相対位置を高精度に求める方法に関する。
The present invention relates to a mask formed on a mask in a proximity aligner or stepper used in an exposure apparatus such as an X-ray exposure apparatus that prints a circuit pattern on a wafer. The present invention relates to a method of detecting an alignment mark including a mark and a wafer mark formed on a wafer, and obtaining a relative position between the mask and the wafer from the detected waveform with high accuracy.

[従来の技術] 一般に、アライメントマークの検出波形からその位置
を高精度に求める方法として、フレネルゾーン等を利用
した回折格子法とパターン計測法の2種類の方法が使用
されている。この内、回折格子法は、マスクとウエハ間
のギャップの変動に検出精度が大きく左右され、段差の
あるアライメントマークを精度良く検出できないという
欠点がある。一方、パターン計測法は、検出されるべき
アライメントマークのパターンの形状に精度が依存する
ため、アライメントマークのパターン形状の劣化により
検出精度が悪くなるという欠点がある。ここで、回折格
子法がアライメントマークの対称性に依存する例は、19
79年4月発行のアイ・イー・イー・イー トランザクシ
ョン オン エレクトロン ディバイセズ(IEEE TRANS
ACTION ON ELECTRON DEVICES)の論文雑誌のVOL.ED−2
6,No.4に「オートマチック アライメント システム
フォー オプチカル プロジェクション プリンティン
グ(Automatic Alignment System for Optical Project
ion Printing)」という題の論文に、ギジ・ブーハウ
ス(Gijs Bouwhuis)他により提案されている。また、
パターン計測法がアライメントマークの対称性に依存す
る例は、特開昭62−54918号公報や特開昭61−199633号
公報に開示されている。
[Prior Art] In general, two types of methods, a diffraction grating method using a Fresnel zone or the like and a pattern measuring method, are used as a method for obtaining the position of an alignment mark from a detected waveform with high accuracy. Among them, the diffraction grating method has a drawback that the detection accuracy is greatly influenced by the variation of the gap between the mask and the wafer, and the alignment mark having a step cannot be detected accurately. On the other hand, the pattern measurement method has a drawback that the accuracy depends on the shape of the pattern of the alignment mark to be detected, and thus the detection accuracy deteriorates due to the deterioration of the pattern shape of the alignment mark. Here, an example in which the diffraction grating method depends on the symmetry of the alignment mark is 19
IEEE TRANS Transaction on Electron Devices issued in April 1979 (IEEE TRANS
ACTION ON ELECTRON DEVICES) VOL.ED-2
6, No. 4 "Automatic alignment system
For Optical Projection Printing (Automatic Alignment System for Optical Project)
Ion Printing) ”by Gijs Bouwhuis and others. Also,
An example in which the pattern measuring method depends on the symmetry of the alignment mark is disclosed in JP-A-62-54918 and JP-A-61-199633.

パターン計測法は、さらに大別して、コントラスト法
とエッジ検出法の2つに分類される。
The pattern measurement method is roughly classified into two methods, a contrast method and an edge detection method.

この内、コントラスト法の従来例は、特開昭61−2361
17号公報に開示されている。この特開昭61−236117号公
報では、次式で表される対称性パターンマッチング処理
を行っている。
Among these, the conventional example of the contrast method is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 61-2361.
No. 17 is disclosed. In this Japanese Patent Laid-Open No. 61-236117, a symmetric pattern matching process represented by the following equation is performed.

又は、 但し、D(n)は微分値、Mは比較範囲、nは位置を示
す。
Or However, D (n) is a differential value, M is a comparison range, and n is a position.

上式は、通常の画像処理におけるパターンマッチング
処理の応用であり、この特開昭61−236117号公報は、ア
ライメントマークのパターンが線対称性である点を利用
して、このことを上式に取り入れている。即ち、線対称
な図形の中心線を求めるために、図形を半分に折って、
その中心線を求める操作を行っているに等しい。半分に
折って合わす場所は勿論エッジであるが、これは、一般
的な画像処理手法である微分によるエッジ抽出法により
処理されたエッジを用いている。
The above expression is an application of the pattern matching processing in the normal image processing, and this Japanese Laid-Open Patent Publication No. 61-236117 utilizes the fact that the pattern of the alignment mark is line symmetric, and this is expressed in the above expression. I am incorporating it. That is, to find the center line of a line-symmetric figure, fold the figure in half,
It is equivalent to performing the operation to find the center line. The place of folding in half is of course an edge, but this uses an edge processed by the edge extraction method by differentiation which is a general image processing method.

このように、特開昭61−236117号公報は、図形の対称
性をうまく取入れ、比較的簡単な演算式でその中心線を
求めることができる。この、対称性パターンマッチング
処理を、プロキシミティーアライナやステッパーで、マ
スクやウエハ上のアライメントマークの検出に用いるこ
とにより、各アライメントマークの中心線から相対的位
置関係を求めることができる。
As described above, in Japanese Patent Laid-Open No. 61-236117, the symmetry of the figure can be taken into account and the center line can be obtained by a relatively simple arithmetic expression. By using this symmetric pattern matching process to detect the alignment mark on the mask or the wafer by the proximity aligner or stepper, the relative positional relationship can be obtained from the center line of each alignment mark.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、この特開昭61−236117号公報に述べら
れている対称性パターンマッチング処理を用いた方法に
は、次に述べるような欠点がある。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the method using the symmetric pattern matching process described in Japanese Patent Laid-Open No. 61-236117 has the following drawbacks.

即ち、この方法は、図形が対称であることを前提とし
ている。理想的には、マスク上のマスクマーク(クロム
形成マーク)もウエハ上のウエハマーク(レジスト形成
マークやプロセス形成マーク)も線対称であるが、実際
には、さまざまな要素によりその対称性は崩れる。
That is, this method presupposes that the figure is symmetrical. Ideally, the mask mark (chrome forming mark) on the mask and the wafer mark (resist forming mark or process forming mark) on the wafer are line symmetric, but in reality, the symmetry is broken by various factors. .

例えば、レジスト形成マークの場合、アライメントマ
ークを露光する時のX線等の照射角度やレジストの現像
速度等により、アライメントマークの対称性は崩れる
(第2図参照)。また、プロセス形成マークの場合、さ
らに、アライメントマークの対称性は崩れ易く、プロセ
スによるアライメントマークの熱変形(化学変形、力に
よる変形)や、アライメントマーク上に塗布される薄膜
により、簡単にアライメントマークの対称性が崩れてし
まう(第3図参照)。
For example, in the case of a resist formation mark, the symmetry of the alignment mark is broken due to the irradiation angle of X-rays when exposing the alignment mark, the developing speed of the resist, etc. (see FIG. 2). Further, in the case of the process formation mark, the symmetry of the alignment mark is likely to be broken, and the alignment mark can be easily deformed due to thermal deformation (chemical deformation, deformation due to force) of the process or a thin film applied on the alignment mark. The symmetry of is broken (see Fig. 3).

以上の説明で明らかなように、実際のウエハ上のウエ
ハマークにおいては、その対称性をすべての層(レイア
ー)で保証することは極めて困難である。従って、対称
性を前提条件とした演算に対して、対称でないアライメ
ントマークのデータを用いるということは、そこに矛盾
を生じ、演算結果は誤差を含む。つまり、アライメント
マークの対称性が崩れれば崩れる程、演算結果に含まれ
る誤差は益々大きくなる。
As is clear from the above description, in the actual wafer mark on the wafer, it is extremely difficult to guarantee the symmetry in all layers (layers). Therefore, using the data of the alignment mark which is not symmetric with respect to the calculation assuming the symmetry causes a contradiction, and the calculation result includes an error. That is, as the symmetry of the alignment mark is broken, the error included in the calculation result is further increased.

このアライメントマークの非対称性により精度が低下
するのを防止する対策例が上述した特開昭62−54918号
公報や特開昭61−199633号公報に開示されている。特開
昭62−54918号公報では、ウエハ上に塗布されたホトレ
ジストの膜厚分布を測定してこの測定された膜厚分布よ
りウエハアライメントパターン位置検出誤差を求め、該
位置検出誤差にもとづきアライメント量を補正してい
る。しかしながら、この方法では、処理が複雑になると
いう欠点がある。また、特開昭61−199633号公報では、
アライメントマークの形状そのものを位置検出誤差が生
じにくいものにしている。しかしながら、この特開昭61
−199633号公報に開示されたアライメントマークは、そ
の形状が非常に複雑となるという欠点がある。
Examples of measures for preventing the accuracy from being deteriorated due to the asymmetry of the alignment mark are disclosed in the above-mentioned JP-A-62-54918 and JP-A-61-199633. In JP-A-62-54918, the film thickness distribution of the photoresist coated on the wafer is measured, the wafer alignment pattern position detection error is determined from the measured film thickness distribution, and the alignment amount is determined based on the position detection error. Is being corrected. However, this method has a drawback that the processing becomes complicated. Further, in JP-A-61-199633,
The shape of the alignment mark itself does not easily cause a position detection error. However, this JP-A-61
The alignment mark disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 199633 has a drawback that its shape is very complicated.

[課題を解決するための手段] 本発明によるアライメントマークの位置検出方法は、
ウエハ上に形成されたウエハマークとマスク上に形成さ
れたマスクマークから成るアライメントマークを撮像装
置で撮像して得られるアナログ画像信号をディジタル画
像信号に変換し、この変換されたディジタル画像信号を
処理することにより前記ウエハと前記マスクの相対位置
を検出する方法に於て、前記ウエハマークと前記マスク
マークは、前記ウエハマークを1次微分したウエハマー
ク微分信号と前記マスクマークを1次微分したマスクマ
ーク微分信号とが、水平移動すればほぼ互いに重なりあ
う相似性を保ったマーク形状を有し、前記ディジタル画
像信号処理が、前記ディジタル画像信号を微分し、この
微分された信号について、 (ここで、V′(j)はディジタル画像信号の微分値、
Rは相関区間、Pは相関区間の開始点、及びWは互いに
隣接する前記マスクマークの中心位置と前記ウエハマー
クの中心位置間の距離)等の相似性パターンマッチング
を行う処理であり、この処理結果が最大となる位置か
ら、前記ウエハと前記マスクの相対位置を検出すること
を特徴とする。
[Means for Solving the Problems] The alignment mark position detection method according to the present invention is
An analog image signal obtained by imaging an alignment mark consisting of a wafer mark formed on a wafer and a mask mark formed on a mask with an image pickup device is converted into a digital image signal, and the converted digital image signal is processed. In the method for detecting the relative position between the wafer and the mask by performing the above, the wafer mark and the mask mark are a wafer mark differential signal obtained by first differentiating the wafer mark and a mask obtained by first differentiating the mask mark. The mark differential signal has a mark shape that maintains the similarity of being substantially overlapped with each other when horizontally moved, the digital image signal processing differentiates the digital image signal, and with respect to the differentiated signal, (Here, V '(j) is the differential value of the digital image signal,
R is a correlation section, P is a start point of the correlation section, and W is a similarity pattern matching process such as the distance between the center position of the mask mark and the center position of the wafer mark which are adjacent to each other. The relative position between the wafer and the mask is detected from the position where the result is maximum.

[実施例] 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
[Embodiment] An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

先ず最初に本発明の原理について述べる。 First, the principle of the present invention will be described.

本発明では、パターン計測の分野で一般的に適用され
ているパターンマッチングの手法の一部を変形した特徴
を有する。処理の流れは、入力画像に対して微分オペレ
ータを働かせることによって、パターンのエッジ抽出を
行い、エッジ抽出したデータに対して相似性パターンマ
ッチングを行う手順となっている。なお、相似性パター
ンマッチングの定義やその方法については、以下の説明
により次第に明らかになるだろう。相似性パターンマッ
チングでは、周知の自己相関関数の一部を変形した式を
用いている。
The present invention has a feature that a part of the pattern matching method generally applied in the field of pattern measurement is modified. The flow of processing is a procedure for performing edge extraction of a pattern by operating a differential operator on an input image, and performing similarity pattern matching on the edge-extracted data. The definition of similarity pattern matching and its method will be gradually clarified by the following explanation. In the similarity pattern matching, an expression obtained by modifying a part of the known autocorrelation function is used.

通常のパターンマッチングあるいは波形データ処理で
は、自己相関関数は次式で定義されている。
In normal pattern matching or waveform data processing, the autocorrelation function is defined by the following equation.

ここで、i=0,1,…,N−1、w(i)は有限個Nのサ
ンプル値、Rx(i)は自己相関関数である。
Here, i = 0, 1, ..., N−1, w (i) is a finite number N of sample values, and Rx (i) is an autocorrelation function.

上式をあるマッチングを目的とするデータあるいは信
号波形に適用することによって、ある一定の基準になる
パターンあるいは信号波形の相関結果を得ることができ
る。この式から明らかなように、この演算は相当回数の
積和計算を必要とするので、計算に時間が掛かる。その
ため、自己相関関数は、バッチ処理には向くが、リアル
タイム処理には到底対応しきれない。
By applying the above equation to data or signal waveform for the purpose of matching, it is possible to obtain a correlation result of a pattern or signal waveform serving as a certain reference. As is clear from this equation, this calculation requires a considerable number of sum-of-products calculations, so the calculation takes time. For this reason, the autocorrelation function is suitable for batch processing, but cannot fully support real-time processing.

例えば、X線露光装置等のアライメント処理に上式を
用いた場合、演算時間が長いということは、X/Yステー
ジも含めて、アライメントの処理結果をフィードバック
信号として用いる制御系に対しても、大きな障害とな
る。さらに、演算時間が長いということが装置全体とし
てのスループットを低下させる最大の原因となってしま
い、致命的な欠陥となりかねない。
For example, when the above equation is used for alignment processing of an X-ray exposure apparatus, the long calculation time means that the control system including the X / Y stage also uses the alignment processing result as a feedback signal. It becomes a big obstacle. Furthermore, the long calculation time is the biggest cause of the decrease in the throughput of the entire apparatus, which may cause a fatal defect.

そこで、本発明では、アライメントマークの形状を工
夫したうえで、上述の式で表される自己相関関数の演算
結果を数100分の1あるいは数1000分の1に短縮するた
めに、自己相関関数の式の変形を次のように行った。
Therefore, in the present invention, in order to shorten the calculation result of the autocorrelation function represented by the above formula to several hundredths or several thousandths, the autocorrelation function is devised after devising the shape of the alignment mark. The equation was transformed as follows.

(1)アライメントマークの形状の工夫 アライメントマークの入力画像に対して、1次微分オ
ペレータを働かせることによってエッジ抽出したデータ
信号において、一般的な自己相関関数による重ね合わせ
手法が可能となるアライメントマーク形状とした。
(1) Deviation of alignment mark shape An alignment mark shape that allows a general superposition function by an autocorrelation function in a data signal whose edges have been extracted by applying a first-order differential operator to the input image of the alignment mark. And

即ち、ウエハ上に形成されたウエハマークとマスク上
に形成されたマスクマークを、ウエハマークを1次微分
したウエハマーク微分信号とマスクマークを1次微分し
たマスクマーク微分信号とが、平行移動すれば、ほぼ互
いに重なり合う相似性を保ったマーク形状とした。
That is, the wafer mark formed on the wafer and the mask mark formed on the mask are moved in parallel by a wafer mark differential signal obtained by first-order differentiation of the wafer mark and a mask mark differentiated signal obtained by first-order differentiation of the mask mark. For example, the shape of the mark was such that the two overlapped with each other and maintained similarities.

例えば、第4図に示される様なパターンであれば、自
己相関関数による重ね合わせ手法が可能である。第4図
において、(a)は上面図、(b)は側面図、(c)は
ラスター圧縮画像V、及び(d)はラスター圧縮画像1
次微分値V′をそれぞれ表わしている。第4図(d)か
ら明らかなように、ラスター圧縮画像Vの1次微分値
V′は、それを左右に平行移動すれば、位置L1及びL2
で、それ自身とほぼ重なり合う。従って、(L2+L1)/2
により、マスクとウエハの相対位置が計測できる。
For example, if the pattern is as shown in FIG. 4, a superimposing method using an autocorrelation function is possible. In FIG. 4, (a) is a top view, (b) is a side view, (c) is a raster compressed image V, and (d) is a raster compressed image 1.
Each of them represents the secondary differential value V '. As is apparent from FIG. 4 (d), if the first-order differential value V'of the raster compressed image V is moved in parallel to the left and right, the positions L1 and L2
So it almost overlaps with itself. Therefore, (L2 + L1) / 2
Thus, the relative position between the mask and the wafer can be measured.

又、他の例が、第5図に示されている。第5図におい
て、(a)は上面図、(b)は側面図、(c)はラスタ
ー圧縮画像V、及び(d)はラスター圧縮画像Vの1次
微分値V′をそれぞれ表わしている。第5図の例は、第
4図の場合と同様に、(L2+L1)/2により、マスクとウ
エハの相対位置が計測できる。
Another example is shown in FIG. In FIG. 5, (a) is a top view, (b) is a side view, (c) is a raster compressed image V, and (d) is a primary differential value V ′ of the raster compressed image V, respectively. In the example of FIG. 5, as in the case of FIG. 4, the relative position of the mask and the wafer can be measured by (L2 + L1) / 2.

第4図及び第5図の例では、ウエハマークとマスクマ
ークを、ウエハマークを1次微分したウエハマーク微分
信号とマスクマークを1次微分したマスクマーク微分信
号とが、平行移動すれば、ほぼ互いに重なり合う相似性
を保ったマーク形状としたが、ウエハマークとマスクマ
ークを、ウエハマークを1次微分したウエハマーク微分
信号とマスクマークを1次微分して極性反転したマスク
マーク微分反転信号とが、平行移動すれば、ほぼ互いに
重なり合う相似性を保ったマーク形状としても良い。
In the examples of FIGS. 4 and 5, if the wafer mark and the mask mark are translated in parallel, the wafer mark differential signal obtained by the first-order differentiation of the wafer mark and the mask mark differentiated signal obtained by the first-order differentiation of the mask mark are almost the same. Although the mark shapes are maintained so as to overlap each other, the wafer mark and the mask mark have a wafer mark differential signal which is the first derivative of the wafer mark and a mask mark differential inversion signal which is the first derivative of the mask mark and the polarity of which is inverted. If the marks are moved in parallel, the marks may be shaped so as to overlap each other and maintain the similarities.

(2)自己相関関数の式変形 本発明では、自己相関関数の式を変形するために、露
光装置で使用されるアライメントマークの特長に着目
し、アライメントマークを撮像装置で撮像して得られる
アナログ画像信号(入力画像)に対して1次微分オペレ
ータを働かせることによって得られる信号(エッジパタ
ーン)が通常の信号波形とは異なる次の3点を基本とし
て変形する。
(2) Formula modification of autocorrelation function In the present invention, in order to modify the formula of the autocorrelation function, attention is paid to the feature of the alignment mark used in the exposure apparatus, and an analog image obtained by imaging the alignment mark with an imaging device is used. The signal (edge pattern) obtained by operating the first-order differential operator on the image signal (input image) is transformed based on the following three points different from the normal signal waveform.

[1]パターンマッチングを取る2つのエッジパターン
間の距離Wは基本的には一定値であり、かつプロセスに
よる距離Wの変動は極僅かである。
[1] The distance W between two edge patterns for pattern matching is basically a constant value, and the variation of the distance W due to the process is extremely small.

[2]パターンマッチングを取る範囲は、エッジパター
ン付近についてのみ設定すればよい。
[2] The range for pattern matching may be set only near the edge pattern.

[3]検出座標(TVカメラ上の座標)におけるマスク/
ウエハのアライメントマークの位置は、アライメント手
順において、コースアライメント(粗い位置合せ)によ
り、ほぼ定位置にあると考えてよい。
[3] Mask at detection coordinates (coordinates on TV camera) /
The position of the alignment mark on the wafer may be considered to be almost at a fixed position due to coarse alignment (coarse alignment) in the alignment procedure.

この特長[1],[2],及び[3]に基づいて、自
己相関関数の式変形の過程を次に説明する。
Based on these features [1], [2], and [3], the process of formula transformation of the autocorrelation function will be described below.

離散値に対する自己相関関数は、上述したように次式
で表される。
The autocorrelation function for discrete values is expressed by the following equation as described above.

ただし、i=0,1,…,N−1である。 However, i = 0, 1, ..., N−1.

ここで、展開を簡単にするため、正規化係数1/Nを省
く。
Here, the normalization coefficient 1 / N is omitted to simplify the expansion.

(2)式を第6図に示すデータに対して用いる。この
図において、横軸はパターンの距離を表す。画像入力は
2次元カメラで撮像したものを使用し、離散距離は2次
元カメラの撮像管面上の画素数(j)で表される。ま
た、縦軸は2次元カメラで撮像したアナログ画像信号を
ディジタル画像信号に変換し、この変換して得られたデ
ィジタル画像信号に対して1次微分オペレータを働かせ
た結果で、映像信号(ビデオ信号)の1次微分値である
ことから、V′で表す。従って、第6図において、
(2)式は次式に置換えられる。
Equation (2) is used for the data shown in FIG. In this figure, the horizontal axis represents the pattern distance. The image input uses an image captured by a two-dimensional camera, and the discrete distance is represented by the number of pixels (j) on the imaging tube surface of the two-dimensional camera. The vertical axis represents the result of converting the analog image signal captured by the two-dimensional camera into a digital image signal and applying a first-order differential operator to the digital image signal obtained by this conversion. ), It is represented by V '. Therefore, in FIG.
Expression (2) can be replaced with the following expression.

特長[1]から、ウエハマークとマスクマークの距離
Wは、基本的には一定値で、(3)式において、幅Wは
遅れ時間iに相当する。
From the feature [1], the distance W between the wafer mark and the mask mark is basically a constant value, and in the formula (3), the width W corresponds to the delay time i.

(4)式は第6図におけるjの全領域において、左右
の各マーク間の距離Wについて相関を求めている。
Expression (4) finds the correlation with respect to the distance W between the left and right marks in the entire area of j in FIG.

ところが、特長[2]から、相関(重ね合わせ)を取
るパターンは、エッジパターンの存在する部分について
のみ設定すればよく、第6図からも明らかな様に、マス
クマーク及びウエハマークの存在する範囲は有限であ
る。
However, from the feature [2], the pattern for obtaining the correlation (superposition) may be set only for the portion where the edge pattern exists, and as is clear from FIG. 6, the range where the mask mark and the wafer mark exist. Is finite.

また、特長[3]からエッジパターンの存在する位置
は、事前に行なわれる粗い位置検出から、相関区間の開
始点として、Pが与えられる。
Further, from the feature [3], P is given to the position where the edge pattern exists as the starting point of the correlation section from the rough position detection performed in advance.

第6図において、ウエハマークの存在する範囲を相関
区間Rとし、その相関区間の開始点をPとすると、相関
を取る範囲は、第6図上でj=Pからj=P+Rまでの
範囲に限定される。第7図にそのことを示している。
In FIG. 6, assuming that the range in which the wafer mark exists is a correlation section R and the starting point of the correlation section is P, the range of correlation is a range from j = P to j = P + R in FIG. Limited. This is shown in FIG.

このことから、(4)式は、次の様に変形される。 From this, the equation (4) is modified as follows.

なお、(5)式は幅Wの関数として定義されている
が、アライメントマークの特長[2]から、相関区間R
及び相関区間の開始点PについてもAのパラメータとな
る。従って、相関区間R、相関区間の開始点Pについて
もパラメータとすると、(5)式は次の様に変換され
る。
The expression (5) is defined as a function of the width W, but from the feature [2] of the alignment mark, the correlation section R
Also, the start point P of the correlation section is a parameter of A. Therefore, if the correlation section R and the start point P of the correlation section are also parameters, the equation (5) is converted as follows.

以上の展開から自己相関関数の式(2)は、アライメ
ントマークの特長[1],[2]及び[3]を考慮する
ことで、最終的に(6)式を得ることができた。(6)
式は基本的な相似性パターンマッチングの定義式と見な
すことができ、その拡張式としては、次の6つの式が考
えられる。
From the above expansion, the formula (2) of the autocorrelation function could finally obtain the formula (6) by considering the features [1], [2] and [3] of the alignment mark. (6)
The expression can be regarded as a basic definition expression of similarity pattern matching, and the following six expressions can be considered as expansion expressions thereof.

つまり、A(W,P,R)において、W,P,Rを同時にパラメ
ータとして持つものでなく、3つのパラメータのうち、
1つあるいはその組合わせをパラメータとしてもつ相似
性パターンマッチングの式である。
In other words, A (W, P, R) does not have W, P, R as parameters at the same time,
It is an equation for similarity pattern matching having one or a combination thereof as a parameter.

しかしながら、本発明者の実験の結果、関数A(P,W,
R)は、Wの変化によって急激に変化することが明らか
になった。つまり、残りの相関の開始点P、相関区間R
については、Aが最大値をとるWの値にほとんど影響し
ないことがわかった。
However, as a result of the inventor's experiment, the function A (P, W,
It became clear that R) changes rapidly with changes in W. That is, the starting point P of the remaining correlation and the correlation section R
For, it was found that A has almost no effect on the value of W having the maximum value.

Pについては、よほど不適当な値を代入しない限り、
Aが最大値をとるWの値は変化せず、相関区間Rについ
ては、プロセスマークの種類によって、エッジの太さが
変化するため、変数となるはずであるが、実際には一定
値と考えてほとんどさしつかえない。
As for P, unless a very inappropriate value is substituted,
The value of W for which A has the maximum value does not change, and the correlation interval R should be a variable because the thickness of the edge changes depending on the type of process mark, but in reality it is considered to be a constant value. I can hardly do it.

ちなみに、実験によるとR=32(一定値)として、す
べてのプロセスマークに対して使用したが、検出精度
は、目標とする0.01μm前後の分解能をすべてのパター
ンに対して得ることができた。
By the way, according to the experiment, R = 32 (constant value) was used for all process marks, but the target detection accuracy was about 0.01 μm for all patterns.

以上のことから、拡張式(6−1)〜(6−6)の中
で実質上意味を持つ式は、(6−3)式であり、これを
基本式とする。
From the above, the expression having a substantial meaning among the expanded expressions (6-1) to (6-6) is the expression (6-3), which is the basic expression.

また、上述からRを定数と考えて良いことから(6−
3)式を部分的に式変形すると、 が得られる。
Further, from the above, R can be considered as a constant (6−
Partly transforming 3), Is obtained.

(7)式により、実験により求めた結果を第8図に示
す。
FIG. 8 shows the result obtained by the experiment using the equation (7).

第8図において、横軸は幅W、奥行軸は相関の間接点
P、縦軸は関数A(P,W)を示している。第8図から関
数A(P,W)のピーク位置はPによらず幅W=204で一定
であることがわかる。
In FIG. 8, the horizontal axis shows the width W, the depth axis shows the inter-contact point P of the correlation, and the vertical axis shows the function A (P, W). It can be seen from FIG. 8 that the peak position of the function A (P, W) is constant with the width W = 204 regardless of P.

又、第8図において関数A(P,W)のピークの高さは
Rの値によって変化し、補間精度に影響を与えるが、実
験結果から、0.01μmオーダーの検出にはさほど影響が
表われないことが確認された。
Further, in FIG. 8, the height of the peak of the function A (P, W) changes depending on the value of R and affects the interpolation accuracy, but the experimental results show that the detection on the 0.01 μm order is significantly affected. It was confirmed that there was not.

次に、自己相関関数(2)式と(7)式の間で、演算
回数を比較する。
Next, the number of calculations is compared between the autocorrelation functions (2) and (7).

データ数を1000個と仮定する。自己相関関数(2)式
の場合、各データにつき、積算回数が999回、和算回数
が998回であるので、全てのデータに対しては、(999+
998)×1000=1997000回の演算回数となる。これに対し
て、(7)式の演算回数を次の仮定の元に求める。
The number of data is assumed to be 1000. In the case of the autocorrelation function (2), since the number of integrations is 999 and the number of summations is 998 for each data, (999+
998) × 1000 = 1997000 times of operations. On the other hand, the number of calculations of the equation (7) is calculated based on the following assumption.

(7)式において、ある一定のプロセス形成マークを
考えた場合、1画素当りのスケール0.1μmとし、開始
点Pを100、相関区間R=30(3μm)及び予想される
パターン幅WをWMIN=200(20μm)、WMAX=210(21μ
m)とするとして、(7)式に代入する。
In the equation (7), when a certain process formation mark is considered, the scale per pixel is 0.1 μm, the starting point P is 100, the correlation section R = 30 (3 μm), and the expected pattern width W is WMIN = 200 (20 μm), WMAX = 210 (21 μ
m) and substitute it into the equation (7).

ただし、W=200,201,…,209,210 (8)式の場合、各Wにつき、積算回数が30回、和算
回数が29回であるので、全演算回数は、(30+29)×11
=649回となる。従って、約3077分の1に短縮される。
実際にこの回数であれば、ディジタル信号処理(DSP)
フィルタを用いても、1ms以下の時間で演算可能であ
る。さらに、最近普及されだした積和演算用(MAC:mulu
tiplier−accumulatror)チップを用いればさらに高速
化が可能となる。
However, in the case of W = 200,201, ..., 209,210 (8), since the number of times of integration is 30 and the number of times of summation is 29 for each W, the total number of operations is (30 + 29) × 11.
= 649 times. Therefore, it is reduced to about 1/3077.
If it is actually this number, digital signal processing (DSP)
Even with a filter, it is possible to calculate in less than 1ms. In addition, for the multiply-accumulate operation (MAC: mulu
The speed can be further increased by using a tiplier-accumulatror) chip.

以上説明したように、自己相関関数をアライメントマ
ークに限って適用することにより、その演算回数を極端
に減少させることができる。
As described above, by applying the autocorrelation function only to the alignment mark, the number of calculations can be extremely reduced.

また、本発明では、(7)式よりパターンの対称性を
前提とせず、マスクマークとウエハマークの相似性に依
存している。
Further, in the present invention, the symmetry of the pattern is not presupposed from the expression (7), but depends on the similarity between the mask mark and the wafer mark.

即ち、本発明の方法は、(6−3)及び(7)式はマ
スク及びウエハアライメントマークの対称性を問わず、
相似性を利用したパターンマッチングの方法であること
から、相似性パターンマッチングと呼ばれる。
That is, according to the method of the present invention, the equations (6-3) and (7) are irrespective of the symmetry of the mask and the wafer alignment mark,
It is called similarity pattern matching because it is a pattern matching method using similarity.

第4図において、次に(6−3)及び(7)式による
処理結果を第9図に示す。第9図において、A(W,P)
の1番目のピークを示す所のWをW1として、2番目のピ
ークを示す所をW2とする。真のピークはW1とW2の中間に
存在するので、補間操作により、真の最大値を示すWの
値を求め、W1-2とおく。これにより、L1=W1-2が求ま
る。
Next, in FIG. 4, the processing result by the equations (6-3) and (7) is shown in FIG. In Fig. 9, A (W, P)
W of the first peak is designated as W1, and that of the second peak is designated as W2. Since the true peak is present in the middle of W1 and W2, by interpolation operation, obtains the value of W indicating the true maximum value, it puts the W 1-2. As a result, L1 = W 1-2 is obtained.

次にL2についても同処理を行い、求まったWをW3-4
すると、L2=W3-4が求まる。これから、マスクマークと
ウエハマークの相対位置が(L1+L2)/2から求められ
る。
Next, the same process is performed for L2, and if the obtained W is W 3-4 , L2 = W 3-4 is obtained. From this, the relative position of the mask mark and the wafer mark is obtained from (L1 + L2) / 2.

次に、本発明の実施例について説明する。 Next, examples of the present invention will be described.

第1図及び第4図において、本実施例では、ウエハマ
ークとマスクマークは、ウエハマークを1次微分したウ
エハマーク微分信号とマスクマークを1次微分したマス
クマーク微分信号とが、平行移動すれば、ほぼ互いに重
なり合う相似性を保ったマーク形状を有する。
In FIG. 1 and FIG. 4, in the present embodiment, the wafer mark and the mask mark are moved in parallel by the wafer mark differential signal obtained by the first-order differentiation of the wafer mark and the mask mark differential signal obtained by the first-order differentiation of the mask mark. For example, it has a mark shape in which the similarities are substantially overlapped with each other.

このアライメントマークを2次元カメラ(撮像装置)
(図示せず)で撮像し、アナログ画像信号を得る。アナ
ログ画像信号はアナログディジタル変換器(図示せず)
でディジタル画像信号に変換される。ここで、ディジタ
ル化の階調数としては6ビット以上とし、好ましくは8
ビットが望ましい。このディジタル画像信号を、同期積
算することにより、雑音除去を行い、S/N比を高めると
同時に、データ圧縮をも行う。ここで、積算回数は任意
の数でよい。次に、このように雑音除去とデータ圧縮が
なされたディジタル画像信号を微分し、アライメントマ
ークのエッジ(輪郭)を抽出する。この微分されたデー
タに対し、(6−3)式あるいは(7)式で表される相
似性パターンマッチング処理を行う。
This alignment mark is a two-dimensional camera (imaging device)
An image is captured (not shown) to obtain an analog image signal. The analog image signal is an analog-digital converter (not shown)
Is converted into a digital image signal. Here, the number of gradations for digitization is 6 bits or more, preferably 8
A bit desirable. By synchronously integrating this digital image signal, noise is removed, the S / N ratio is increased, and at the same time, data compression is performed. Here, the number of times of integration may be any number. Next, the noise-removed and data-compressed digital image signal is differentiated to extract the edge (outline) of the alignment mark. Similarity pattern matching processing represented by equation (6-3) or equation (7) is performed on the differentiated data.

処理の結果、最大値となる位置を求めたあと、補間処
理により、さらに精度よくマーク間の距離L1及びL2を求
め、(L1+L2)/2により、マスクマークとウエハマーク
の相対位置を求める。
As a result of the processing, the maximum value position is obtained, and then the inter-mark distances L1 and L2 are obtained more accurately by interpolation processing, and the relative position between the mask mark and the wafer mark is obtained by (L1 + L2) / 2.

なお、アライメントマークの形状はこの実施例に限定
しないのは言うまでもなく、入力画像を微分オペレータ
で処理したデータが相似性を保つような形状であれば、
どのような形状でも良い。
Needless to say, the shape of the alignment mark is not limited to this embodiment, as long as the data obtained by processing the input image with the differential operator maintains the similarity.
Any shape is acceptable.

この方法を『微小距離離れた2物体の位置検出装置』
の処理装置に組合わせることにより、X線露光装置等の
露光装置におけるアライメントシステムを構成すること
ができる。このアライメントシステムは、任意のギャッ
プ設定を可能にした上で、プロセス依存性の極めて小さ
い、高精度で高スループットのアライメントシステムを
実現可能にする。
This method is called "position detection device for two objects separated by a minute distance"
An alignment system in an exposure apparatus such as an X-ray exposure apparatus can be configured by combining the processing apparatus with the above processing apparatus. This alignment system enables to set an arbitrary gap and to realize a highly accurate and high throughput alignment system with extremely small process dependency.

また、本発明の適用範囲も、露光装置に限定せず、他
のパターン認識の応用分野において予めパターンの形状
及び距離が推測されるものにも適用できる。この場合、
相似性パターンマッチングの式において適当なパラメー
タを与えることにより、従来の自己相関関数や相互相関
関数に基づく場合に比べて演算時間を数100分の1から
数1000分の1に短縮することができる。
Further, the applicable range of the present invention is not limited to the exposure apparatus, but can be applied to those in which the shape and distance of the pattern are estimated in advance in other application fields of pattern recognition. in this case,
By giving appropriate parameters in the similarity pattern matching formula, the calculation time can be shortened from several hundredths to several thousandths as compared with the case of using the conventional autocorrelation function or cross-correlation function. .

[発明の効果] 以上の説明で明らかなように、本発明によれば、ウエ
ハマークとマスクマークを、ウエハマークを1次微分し
たウエハマーク微分信号とマスクマークを1次微分した
マスクマーク微分信号とが水平移動すれば重なり合う相
似性を保ったマーク形状とし、画像入力信号を微分した
信号について相似性パターンマッチングを行なうことに
より、ウエハマークとマスクマークの相対位置を高精度
に、しかも簡単な処理で認識できるという効果がある。
従って、スループットが向上し、生産プロセスの簡素
化、生産効率の向上に大きく貢献することができる。
EFFECTS OF THE INVENTION As is apparent from the above description, according to the present invention, a wafer mark differential signal obtained by first differentiating a wafer mark and a mask mark and a mask mark differential signal obtained by first differentiating a wafer mark. If and move horizontally, the marks will have overlapping shapes and the similarity will be maintained, and by performing similarity pattern matching on the signal obtained by differentiating the image input signal, the relative position of the wafer mark and mask mark can be processed with high accuracy and with ease. There is an effect that can be recognized in.
Therefore, throughput can be improved, which can greatly contribute to simplification of the production process and improvement of production efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例によるアライメントマークの
位置検出方法を説明するための図、第2図は従来のレジ
スト形成マークの対称性の崩れを説明するための図、第
3図は従来のプロセス形成マークの対称性の崩れを説明
するための図、第4図及び第5図は本発明のアライメン
トマーク形状の場合に自己相関関数による重ね合わせが
可能であることを説明するための図、第6図は第5図の
アライメントマークの映像信号の1次微分値V′とマス
クマークとウエハマークの距離Wを示す図、第7図は第
6図に更に相関区間の開始点Pと相関区間Rを示す図、
第8図は本発明による自己相関関数A(P,W)の実験結
果を示す図、第9図は本発明による相似性パターンマッ
チングの処理結果の一例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining a method of detecting the position of an alignment mark according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram for explaining the breaking of the symmetry of a conventional resist formation mark, and FIG. 3 is a conventional diagram. For explaining the breakage of the symmetry of the process forming mark, and FIGS. 4 and 5 are views for explaining that the alignment marks of the present invention can be superposed by an autocorrelation function. FIG. 6 is a diagram showing the first-order differential value V ′ of the image signal of the alignment mark and the distance W between the mask mark and the wafer mark in FIG. 5, and FIG. 7 is a graph showing the start point P of the correlation section in FIG. A diagram showing a correlation section R,
FIG. 8 is a diagram showing an experimental result of the autocorrelation function A (P, W) according to the present invention, and FIG. 9 is a diagram showing an example of a result of the similarity pattern matching according to the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−104203(JP,A) 特開 昭62−213124(JP,A) 特開 昭60−209104(JP,A) 特開 昭61−126407(JP,A) 特開 昭63−274144(JP,A) 特公 昭63−3244(JP,B2) 特公 平3−7242(JP,B2) 特公 平5−19297(JP,B2) 特公 平6−63729(JP,B2) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A 61-104203 (JP, A) JP-A 62-213124 (JP, A) JP-A 60-209104 (JP, A) JP-A 61- 126407 (JP, A) JP 63-274144 (JP, A) JP 63-3244 (JP, B2) JP 3-7242 (JP, B2) JP 5-19297 (JP, B2) Japanese Patent Publication 6-63729 (JP, B2)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ウエハ上に形成されたウエハマークとマス
ク上に形成されたマスクマークから成るアライメントマ
ークを撮像装置で撮像して得られるアナログ画像信号を
ディジタル画像信号に変換し、この変換されたディジタ
ル画像信号を処理することにより前記ウエハと前記マス
クの相対位置を検出する方法に於て、 前記ウエハマークと前記マスクマークは、前記ウエハマ
ークを1次微分したウエハマーク微分信号と前記マスク
マークを1次微分したマスクマーク微分信号とが、水平
移動すればほぼ互いに重なり合う相似性を保ったマーク
形状を有し、 前記ディジタル画像信号処理が、前記ディジタル画像信
号を微分し、この微分された信号について相似性パター
ンマッチングを行う処理であり、この処理結果が最大と
なる位置から、前記ウエハと前記マスクの相対位置を検
出することを特徴とするアライメントマークの位置検出
方法。
1. An analog image signal obtained by picking up an alignment mark composed of a wafer mark formed on a wafer and a mask mark formed on a mask with an image pickup device is converted into a digital image signal, and this converted image signal is converted. A method of detecting a relative position between the wafer and the mask by processing a digital image signal, wherein the wafer mark and the mask mark are the wafer mark differential signal obtained by first-order differentiating the wafer mark and the mask mark. The mask mark differential signal obtained by the first-order differentiation has a mark shape that substantially overlaps with each other when horizontally moved, and the digital image signal processing differentiates the digital image signal. This is a process for performing similarity pattern matching. From the position where this process result is maximum, Position detecting method of the alignment marks and detecting the Fine a relative position of the mask.
【請求項2】前記相似性パターンマッチング処理が、 (ここで、V′(j)はディジタル画像信号の微分値、
Rは相関区間、Pは相関区間の開始点、及びWは互いに
隣接する前記マスクマークの中心位置と前記ウエハマー
クの中心位置間の距離)であることを特徴とする請求項
1記載のアライメントマークの位置検出方法。
2. The similarity pattern matching process, (Here, V '(j) is the differential value of the digital image signal,
2. The alignment mark according to claim 1, wherein R is a correlation section, P is a start point of the correlation section, and W is a distance between a center position of the mask mark and a center position of the wafer mark which are adjacent to each other. Position detection method.
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