JP2004294526A

JP2004294526A - Focusing unit

Info

Publication number: JP2004294526A
Application number: JP2003083339A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Yamagata; 智生山形; Akira Higuchi; 朗樋口
Original assignee: RIIPURU KK; Tokyo Seimitsu Co Ltd; Reaple Inc
Current assignee: RIIPURU KK; Tokyo Seimitsu Co Ltd; Reaple Inc
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a focusing unit of a camera for positioning a wafer and a mask on a semiconductor manufacturing apparatus that perform the optimum focus adjustment through less-frequency photography without being influenced by lighting luminance to the wafer and wafer to be photographed and the differences of an optical system. <P>SOLUTION: The focusing unit 1 is equipped with a photographing means 3 of photographing patterns 7 arranged at fixed intervals, a spectrum intensity calculating means 13 of calculating the maximum peak value of spectrum intensity of variation along pattern arrangement of pixel values in a photographed image, a function deriving means 15 of deriving a function between a focus position and the maximum peak value corresponding to the focus position, and a focus position calculating means 17 of calculating the focus position maximizing the maximum peak value. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影装置の焦点位置調整装置に関するものであり、特に電子線露光装置等の露光装置において、転写パターンを有するマスクと該パターンが転写される転写対象との位置合わせのために使用される撮影装置の焦点位置調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子製造工程において使用される、ステッパと呼ばれる、光学式または電子ビーム式の露光装置においては、転写すべきパターンが正確にレジストに転写されるように、転写パターンを有するマスクと転写対象であるウエハとの間の位置合わせを行っている。
図１３は、このようなマスクとウエハの位置合わせ装置２０１の概略構成図である。ウエハ２０３には、光または電子ビームに感光するレジストが塗布されており、転写パターン（図示せず）を有するマスク２０５を通過する光源または電子ビーム（図示せず）により感光し、転写パターンが転写される。ウエハ２０３はウエハチャック２０７に保持され、ウエハチャック２０７は、ＸＹステージ２０９に載置される。ＸＹステージ２０９は図に示すＸ方向、Ｙ方向に移動であり、さらにウエハチャック２０７を図に示すθ方向に回転させ、Ｚ方向に昇降することができる。
【０００３】
このような、ウエハ２０３とマスク２０５間の位置合わせの概略を、以下に説明する。
ウエハ２０３上には、位置合わせ用ウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙに付されている。一方、マスク２０５上には、ほぼ透明の膜部分（メンブレン）２１７が設けられており、メンブレン２１７上に位置合わせ用マスク側パターン２１５ｘおよび２１５ｙが付されている。
そして、撮影手段２１１は、前記ウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙをメンブレン２１７を通して撮影することにより、ウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙ、ならびにマスク側パターン２１５ｘおよび２１５ｙを同時に撮影する。
図１４（ａ）はウエハ２０３上の中心部分のセル２１９付近に付されたウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙを、図１４（ｂ）はマスク２０５のメンブレン２１７に付された位置合わせ用マスク側パターン２１５ｘおよび２１５ｙ、ならびにメンブレン２１７を、図１４（ｃ）はこれら位置合わせ用パターンを上から同時に見た上面図である。
【０００４】
図１３に示す画像処理手段２１９は、撮影手段２１１により得られる画像の画像処理を行い、図１４（ｄ）に示す位置合わせ用パターン２１３ｘ、２１３ｙ、２１５ｘ、および２１５ｙの撮影画像を変位量算出手段２２１に出力する。変位量算出手段２２１は、画像中のウエハ側パターン２１３ｘとマスク側パターン２１５ｘの差であるΔｘ、ウエハ側パターン２１３ｙとマスク側パターン２１５ｙの差であるΔｙを検出する。そしてステージ駆動手段２２３は、検出された変位Δｘ、Δｙに基づいてＸＹステージ２０９を移動させ位置合わせを行う。
【０００５】
前記位置合わせを正確に行うためには、撮影手段２１１が、位置合わせ用パターン２１３ｘ、２１３ｙ、２１５ｘ、および２１５ｙを明瞭に撮影する必要がある。このためには、撮影手段２１１の焦点位置が正確にウエハ２０３およびマスク２０５に合っていなければならない。
【０００６】
従来の焦点位置の調整装置では、例えば、マスク２０５との焦点位置調整を行う場合、マスク２０５上の転写パターンを撮影した撮影手段２１１による画像における、転写パターンのエッジ部分におけるマスク２０５と背景との明度（グレイスケール）の差が明瞭になるように調整を行っていた。
【０００７】
なお、本発明に関して記載すべき先行技術文献はない。出願人が知っている先行技術が文献公知発明に係るものではないからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の調整装置では、マスク２０５などの撮影対象を照らすための照明手段の照明輝度が十分に大きくないと、撮影画像の転写パターンのエッジ部分におけるマスク２０５のエッジ部分と背景との明度（グレイスケール）の差が小さくなり、焦点調整が困難になる場合があった。
【０００９】
また、撮影手段２１１に使用する顕微鏡の光学系の差異（例えば、明視野顕微鏡、暗視野顕微鏡、位相差顕微鏡）などにより、撮影される画像の表現形式が異なるために、使用する光学系に固有のアルゴリズム、パラメータに変更する必要があった。
【００１０】
さらに、最適な焦点位置における撮影画像を得るためには、焦点調整手段２２５は撮影手段２１１の焦点を小刻みに駆動して撮影しなければならず、撮影回数が多くそのために調整に時間がかかっていた。
【００１１】
したがって、本発明では撮影対象の照明輝度や光学系の差に影響されず、少ない撮影回数で最適な焦点調整を行うことを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、焦点位置調整のために使用する撮影画像として所定間隔のパターンの撮影画像を使用し、前記画像が周期性を有しており、そのスペクトル強度の最大ピーク値が、焦点距離を変えて撮影した画像の明瞭度により変化することを利用することとする。
【００１３】
このため、本発明の第１の実施例は、一定間隔に配置された前記パターンの撮影画像における、前記配置の間隔に起因する前記配置に沿う、画素値の変化のスペクトル強度の最大ピーク値を算出するスペクトル強度算出手段と、
前記撮影手段の焦点位置と、該焦点位置において撮影した前記各パターンの画像に対応する前記最大ピーク値との間の関数を導出する関数導出手段と、
前記関数において前記最大ピーク値が最大となる焦点位置を算出する焦点位置算出手段とを備えることとする。
【００１４】
本発明の第１の実施例は、撮影画像のスペクトル強度の最大ピーク値を比較することにより目標焦点位置を定めるために、所定間隔のパターンの撮影画像の階調差が小さくても焦点調整目標値を決定することができ、照明輝度による影響が少なくて済む。
また、撮影画像のスペクトル強度の最大ピーク値の比較は、撮影手段に使用する各種光学系に依存しないので、光学系によってアルゴリズム、パラメータを変更する必要がない。
さらに、各焦点位置とこれに対応する最大ピーク値との間の関数を導出して、目標調整値の算出に使用するために、前記所定間隔のパターンの画像の撮影回数を少なくすることが可能である。
【００１５】
なお、撮影画像の画素値は、明度を表す数値を使用することが好適である。また、前記関数には、種々の近似式が使用可能であるが、多項式回帰分析の手法により導出された、焦点位置を変数とする多項式近似式（４次式など）が好適に使用可能である。
さらに、前記スペクトル強度算出手段は、周波数スペクトルの最大値の算出を、フーリエ変換を用いて行うのが好適である。
【００１６】
本発明の第２の実施例は、前記第１の実施例を、前述した露光装置の位置合わせ装置に適用したものであり、前記所定間隔のパターンとして、前記マスクと前記転写対象との位置合わせのために使用される位置合わせ用パターンを使用し、焦点調整装置は、前記位置合わせ用パターンを撮影する撮影手段の焦点位置を調整することとする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の第１実施例である、焦点調整装置１の概略構成図である。撮影手段３は、所望の焦点位置にある面５上を撮影する。ここに、面５上には一定間隔でパターン７が配置されている。図２は、一定間隔で配置されたパターン７を例示する図である。図２に示すように、パターン７と下地である面５とは明度が異なっている。図１に示す撮影手段３は、撮影した画像信号を画像処理手段１１に出力し、画像処理手段１１は入力された画像信号に基づき、撮影画像データを作成して、スペクトル強度算出手段１３に出力する。
【００１８】
スペクトル強度算出手段１３に入力される撮影画像は、撮影されたパターンの一定間隔の配置のために、その配置方向に沿って周期的に画素値が変化している。スペクトル強度算出手段１３は、このような入力画像の空間周波数特性を求めて、そのスペクトル強度の最大ピーク値を算出する。
【００１９】
関数導出手段１５は、一定間隔で配置された前記パターンを撮影した撮影手段３の複数の焦点位置と、各焦点位置において撮影した撮影画像のスペクトル強度の最大ピーク値とを、それぞれ対応付ける近似関数を導出する。このような近似関数として、多項式回帰分析の手法により導出された焦点位置を変数とする多項式近似式が使用される。
【００２０】
そして、焦点位置算出手段１７は、導出した関数が最大値をとる焦点位置を算出して、焦点調整の目標値をして焦点調整手段１９に出力する。焦点調整手段１９は入力された目標値に基づき撮影手段３の焦点を調整する。
【００２１】
図３は、本発明の第１実施例の焦点調整装置１による焦点調整方法のフローチャートである。
まず、焦点調整手段１９を駆動して、前記関数の導出に使用するスペクトル強度のピーク値の測定値の測定を行うべき、いずれか焦点位置に撮影手段３の焦点位置を調整する（Ｓ３１）は、そして一定間隔に配置された前記パターンを撮影し（Ｓ３３）、その撮影画像のスペクトル強度の最大ピーク値を算出する（Ｓ３５）。以上のステップを焦点調整範囲の全範囲にわたって繰り返す（Ｓ３７）。
【００２２】
焦点調整範囲の全範囲における最大ピーク値の測定値を取得したのち、撮影した各焦点位置と、各焦点位置における最大ピーク値とをそれぞれ対応付ける近似関数を導出する（Ｓ３９）。そして導出した関数が最大値をとる焦点位置を算出して、焦点調整の目標値とする（Ｓ４１）。その後、焦点調整手段を駆動して、入力された目標値に基づき撮影手段３の焦点を調整する（Ｓ４３）。
【００２３】
以下、スペクトル強度算出手段１３の動作を、添付図面を参照して詳説する。
図４は、スペクトル強度算出手段１３において使用する、画像処理手段１１から出力される撮影画像を説明する図である。撮影画像は、Ｘ方向、Ｙ方向に配列された画素Ｐ_ｊｋの集合６１からなり、いま画素Ｐ_ｊｋはＸ方向にｊ番目、Ｙ方向にｋ番目の画素を表す。今、パターン７はＸ方向に沿って配置されるように撮影され、パターン７に対応するパターン部分６３、下地である面５に対応する下地部分６５、および両者の境界部分６７は、図４に示すように撮影画像に表されていることとする。今簡単のため画素Ｐ_ｊｋは明度を表す数値からなるとする。
【００２４】
図５は、撮影画像の空間周波数特性を導出するために用いる、Ｘ方向に沿って周期的に変化する画素値データの列を抽出する方法を説明する図である。
まず、全画素のうち、パターン部分６３に重複する行であるＭ行目からＭ＋Ｎ行目までの、各列の画素値の合計値である画素値データ、
【数１】

を算出する。これを各列順に並べて画素値データ列
Ｂ＝（Ｂ_１，Ｂ_２，…，Ｂ_ｘ，…）
を導出する。ここに、図４の各列の画素の幅が一定であるとすれば、前記画素値データ列は、パターン７の配置方向に沿った撮影画像中の画素値（明度）の空間的変化を示す。
【００２５】
図６は、上記のようにして求めた、パターン７の配置方向に沿った画素値の空間的変化の様子を示す。ここに、パターン７に対応する撮影画像のパターン部分を領域６３、下地である面５に対応する下地部分を領域６５、および両者の境界部分を領域６７に示す。
この画像の場合では、画素値は、最も明るいパターン部分６３で最も大きく、下地部分６５ではやや小さくなり、境界部分６７は最も暗く撮影されるために画素値が最も小さくなる。このように、画素値はパターン７の配置間隔に起因して周期的に変化する。
【００２６】
図７は、スペクトル強度算出手段１３により、周期性を有する画素値データ列をフーリエ変換することにより導出可能な、パターン７の配置方向に沿った画素値の空間周波数特性を示す図である。図７に示すように、スペクトル強度は、パターン７が配置される一定間隔に対応する周波数ｆ_１において最大ピーク値となる。スペクトル強度算出手段１３は、この最大ピーク値を算出する。
【００２７】
次に、撮影する焦点位置の変動によって、最大ピーク値がどのように変化するか図８から図１０を用いて説明する。
図８は、それぞれ異なる焦点位置において撮影したパターン７の撮影画像を示す図である。ここに、図８（ａ）は適切な焦点位置において撮影したものであり、図８（ｂ）は不適切な焦点位置において撮影したものである。図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、不適切な焦点位置において撮影した画像は、パターン部分６３、下地部分６５、および両者の境界部分６７のそれぞれの境界が、適切な焦点位置において撮影したものよりも不明瞭となる。
【００２８】
図９は、図８の撮影画像に対応した画素値の空間的変化を示した図である。ここに図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図８（ａ）、（ｂ）の撮影画像に対応する。図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、不適切な焦点位置において撮影した不明瞭な画像の画素値は、適切な焦点位置において撮影した画像の画素値と比較すると、その変化が緩やかになり、さらに境界部分６７である最暗部による振幅ΔＢ_ｂ２も小さくなる。すなわち、パターン７の配置方向に沿った撮影画像の画素値の空間的変化の度合いや、その振幅は、焦点位置の相違による画像の明瞭度の差異により変化する。
【００２９】
図１０は、異なる焦点位置Ｘ_ｆ１、Ｘ_ｆ２、およびＸ_ｆ３における撮影画像中の画素値の変化の、空間周波数特性を示す図である。
画素値の空間的周波数特性は、上述した焦点位置の相違に起因する、その変化の度合いや振幅の変化により変化するが、最大ピーク値が最も大きくなるのは、撮影された画像の明瞭度が最も大きい場合、すなわち適切な焦点位置においてパターンを撮影したときである。したがって適切な焦点位置に撮影手段３の焦点を調整するには、最大ピーク値が最も大きくなる焦点位置を求め、この焦点位置に調整すればよい。
【００３０】
図１１は、関数導出手段１５によって導出される関数を示す図である。図１１中のプロットされている点は、実際に撮影した焦点位置と、該焦点位置における最大ピーク値を示す実測定点である。関数導出手段１５は、多項式回帰分析の手法により、これら実測定点の集合から焦点位置を変数とする、最大ピーク値を計算する多項式近似式を導出する。
その後、焦点位置算出手段１７は、前記近似式が最大値をとる焦点位置を算出し、焦点調整の目標値とする。このように関数導出手段１５および焦点位置算出手段１７は、最大ピーク値の実測定値から、各測定値間を補間する近似関数を導出して最大値を算出するために、少ない撮影回数でも、適切な焦点位置を算出すること可能である。
【００３１】
図１２は、本発明の第２実施例として、本発明の焦点調整装置１を、図１３に示した位置合わせ用装置２０１に適用した場合の概略構成図である。ここでは、露光装置のウエハとマスクの位置合わせ用パターンを撮影する撮影手段３（撮影手段２１１）が、本発明の焦点調整装置１によって、焦点位置調整される。
この場合、撮影手段３により撮影される一定間隔で配置されたパターンとして、ウエハ２０３上に付された位置合わせ用ウエハ側パターン２１３ｘおよび２１３ｙ、ならびにマスク２０５上に付された位置合わせ用マスク側パターン２１５ｘおよび２１５ｙを使用することとしてよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、撮影対象であるウエハやマスクの照明輝度や、撮影手段に使用する光学系の差に影響されず、少ない撮影回数で最適な焦点調整を行う焦点調整装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による焦点調整装置の概略構成図である。
【図２】図１の焦点調整装置の一定間隔に配置されたパターンの例示図である。
【図３】図１の焦点調整装置の動作フローチャートである。
【図４】画素データ列導出手段に入力される画像データを説明する図である。
【図５】画素データ列導出手段による画素データ列の導出方法の説明図である。
【図６】パターンの配置方向に沿った画素値の空間的変化を説明する図である。
【図７】画素データ列をフーリエ変換することにより導出した周波数特性図である。
【図８】異なる焦点位置において撮影した撮影画像を示す図である。
【図９】異なる焦点位置において撮影撮影した撮影画像に対応した画素データ列を示した図である。
【図１０】異なる焦点位置において撮影した画素データ列の周波数特性を示す図である。
【図１１】関数導出手段によって導出される関数を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施例の概略構成図である。
【図１３】従来のマスクとウエハの位置合わせ装置の概略構成図である。
【図１４】図１３に示す位置合わせ装置に使用する位置合わせパターンの上面図である。
【符号の説明】
３…撮影手段
７…パターン
１１…画像処理手段
１３…スペクトル強度算出手段
１５…関数導出手段
１７…焦点位置算出手段
１９…焦点調整手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a focus position adjusting device of a photographing device, and particularly to an exposure device such as an electron beam exposure device, which is used for alignment between a mask having a transfer pattern and a transfer target onto which the pattern is transferred. The present invention relates to a focus position adjusting device of a photographing device.
[0002]
[Prior art]
In an optical or electron beam type exposure apparatus called a stepper, which is used in a semiconductor element manufacturing process, a mask having a transfer pattern and a transfer target are used so that a pattern to be transferred is accurately transferred to a resist. Alignment with the wafer is performed.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of such a mask-wafer alignment apparatus 201. A resist sensitive to light or an electron beam is applied to the wafer 203, and is exposed by a light source or an electron beam (not shown) passing through a mask 205 having a transfer pattern (not shown), and the transfer pattern is transferred. Is done. The wafer 203 is held by a wafer chuck 207, and the wafer chuck 207 is mounted on an XY stage 209. The XY stage 209 can move in the X and Y directions shown in the figure, and can rotate the wafer chuck 207 in the θ direction shown in the figure to move up and down in the Z direction.
[0003]
An outline of such positioning between the wafer 203 and the mask 205 will be described below.
On the wafer 203, the alignment

wafer side patterns

213x and 213y are provided. On the other hand, a substantially transparent film portion (membrane) 217 is provided on the mask 205, and the mask-

side patterns

215x and 215y for positioning are provided on the membrane 217.
Then, the photographing means 211 photographs the wafer-

side patterns

213x and 213y through the membrane 217 to simultaneously photograph the wafer-

side patterns

213x and 213y and the mask-

side patterns

215x and 215y.
14A shows the wafer-

side patterns

213x and 213y provided near the center cell 219 on the wafer 203, and FIG. 14B shows the alignment mask-side pattern 215x provided on the membrane 217 of the mask 205. FIG. 14C is a top view showing the

alignment patterns

215y and 215y and the membrane 217 as viewed from above at the same time.
[0004]
The image processing unit 219 shown in FIG. 13 performs image processing on the image obtained by the imaging unit 211, and converts the captured images of the

alignment patterns

213x, 213y, 215x, and 215y shown in FIG. 221 is output. The displacement amount calculating means 221 detects Δx which is the difference between the wafer-side pattern 213x and the mask-side pattern 215x in the image, and Δy which is the difference between the wafer-side pattern 213y and the mask-side pattern 215y. Then, the stage driving unit 223 moves and moves the XY stage 209 based on the detected displacements Δx and Δy to perform the alignment.
[0005]
In order to accurately perform the alignment, the imaging unit 211 needs to clearly image the

alignment patterns

213x, 213y, 215x, and 215y. For this purpose, the focus position of the photographing means 211 must be accurately aligned with the wafer 203 and the mask 205.
[0006]
In the conventional focus position adjusting apparatus, for example, when performing the focus position adjustment with the mask 205, the image of the transfer pattern on the mask 205 by the photographing unit 211 and the image of the mask 205 at the edge portion of the transfer pattern and the background The adjustment was performed so that the difference in lightness (gray scale) became clear.
[0007]
There are no prior art documents to be described with respect to the present invention. This is because the prior art known by the applicant is not related to the invention known in the literature.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional adjusting device, if the illumination luminance of the illumination means for illuminating the object to be photographed such as the mask 205 is not sufficiently large, the brightness (the brightness between the edge portion of the mask 205 and the background in the edge portion of the transfer pattern of the photographed image) (Gray scale) was small, and focus adjustment was sometimes difficult.
[0009]
In addition, since the expression form of an image to be photographed is different due to a difference in an optical system of a microscope used for the photographing unit 211 (for example, a bright field microscope, a dark field microscope, a phase contrast microscope), etc. Algorithm and parameters had to be changed.
[0010]
Further, in order to obtain a photographed image at the optimum focal position, the focus adjusting unit 225 must drive the focal point of the photographing unit 211 in small increments for photographing. Was.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to perform optimal focus adjustment with a small number of times of imaging without being affected by the difference in illumination luminance or optical system of the imaging target.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention uses a photographed image of a pattern at a predetermined interval as a photographed image used for focus position adjustment, the image has periodicity, and the maximum of the spectrum intensity is obtained. The fact that the peak value changes depending on the clarity of an image captured by changing the focal length will be used.
[0013]
Therefore, in the first embodiment of the present invention, the maximum peak value of the spectral intensity of the pixel value change in the captured image of the pattern arranged at a constant interval along the arrangement caused by the arrangement interval is determined. Calculating a spectrum intensity calculating means,
Function deriving means for deriving a function between the focal position of the photographing means and the maximum peak value corresponding to the image of each pattern photographed at the focal position;
A focus position calculating unit that calculates a focus position at which the maximum peak value is maximum in the function.
[0014]
In the first embodiment of the present invention, the target focus position is determined by comparing the maximum peak values of the spectral intensities of the photographed images. The value can be determined, and the influence of the illumination luminance is small.
Further, since the comparison of the maximum peak value of the spectrum intensity of the captured image does not depend on various optical systems used for the image capturing means, it is not necessary to change the algorithm and parameters depending on the optical system.
Furthermore, it is possible to reduce the number of times of taking images of the pattern at the predetermined interval in order to derive a function between each focus position and the corresponding maximum peak value and use the function to calculate the target adjustment value. It is.
[0015]
It is preferable to use a numerical value representing lightness as a pixel value of a captured image. Various approximate expressions can be used for the function, but a polynomial approximate expression (such as a quartic equation) using the focal position as a variable, which is derived by a polynomial regression analysis method, can be suitably used. .
Further, it is preferable that the spectrum intensity calculating means calculates the maximum value of the frequency spectrum using a Fourier transform.
[0016]
In a second embodiment of the present invention, the first embodiment is applied to the above-described alignment apparatus of the exposure apparatus, and the alignment of the mask and the transfer target is performed as the pattern of the predetermined interval. The focus adjustment device adjusts the focal position of the photographing means for photographing the alignment pattern using the alignment pattern used for the adjustment.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a focus adjustment device 1 according to a first embodiment of the present invention. The photographing means 3 photographs the surface 5 at a desired focal position. Here, patterns 7 are arranged on the surface 5 at regular intervals. FIG. 2 is a diagram illustrating patterns 7 arranged at regular intervals. As shown in FIG. 2, the brightness of the pattern 7 is different from that of the surface 5 which is the base. The photographing means 3 shown in FIG. 1 outputs a photographed image signal to the image processing means 11, and the image processing means 11 creates photographed image data based on the input image signal and outputs the photographed image data to the spectrum intensity calculating means 13. I do.
[0018]
In the captured image input to the spectrum intensity calculation means 13, the pixel value periodically changes along the arrangement direction due to the arrangement of the photographed patterns at constant intervals. The spectrum intensity calculation means 13 obtains such a spatial frequency characteristic of the input image and calculates the maximum peak value of the spectrum intensity.
[0019]
The function deriving unit 15 calculates an approximate function that associates a plurality of focal positions of the photographing unit 3 photographing the pattern arranged at regular intervals with the maximum peak value of the spectrum intensity of a photographed image photographed at each focal position. Derive. As such an approximation function, a polynomial approximation formula using the focus position derived by the method of polynomial regression analysis as a variable is used.
[0020]
Then, the focal position calculating means 17 calculates the focal position at which the derived function takes the maximum value, sets a target value for the focus adjustment, and outputs the target value to the focus adjusting means 19. The focus adjusting means 19 adjusts the focus of the photographing means 3 based on the input target value.
[0021]
FIG. 3 is a flowchart of a focus adjusting method by the focus adjusting device 1 according to the first embodiment of the present invention.
First, the focus adjusting unit 19 is driven to adjust the focal position of the photographing unit 3 to any one of the focal positions at which the measured value of the peak value of the spectrum intensity used for deriving the function should be measured (S31). Then, the patterns arranged at regular intervals are photographed (S33), and the maximum peak value of the spectrum intensity of the photographed image is calculated (S35). The above steps are repeated over the entire focus adjustment range (S37).
[0022]
After acquiring the measured value of the maximum peak value in the entire range of the focus adjustment range, an approximation function for associating each captured focal position with the maximum peak value at each focal position is derived (S39). Then, the focus position at which the derived function takes the maximum value is calculated and set as the focus adjustment target value (S41). Thereafter, the focus adjusting means is driven to adjust the focus of the photographing means 3 based on the input target value (S43).
[0023]
Hereinafter, the operation of the spectrum intensity calculation means 13 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 4 is a diagram illustrating a captured image output from the image processing unit 11 and used by the spectrum intensity calculation unit 13. Captured image is made the X-direction, Y set of directions arrayed pixels P _jk 61, now the pixel P _jk is the j-th in X-direction represents the k th pixel in the Y direction. Now, the pattern 7 is photographed so as to be arranged along the X direction, and the pattern portion 63 corresponding to the pattern 7, the base portion 65 corresponding to the surface 5 which is the base, and the boundary portion 67 between them are shown in FIG. It is assumed that it is represented in the captured image as shown. For the sake of simplicity, it is assumed that the pixel _Pjk consists of a numerical value representing lightness.
[0024]
FIG. 5 is a diagram illustrating a method of extracting a column of pixel value data that changes periodically along the X direction and is used to derive a spatial frequency characteristic of a captured image.
First, of all the pixels, pixel value data that is the total value of the pixel values of each column from the Mth row to the M + Nth row, which is a row overlapping the pattern portion 63,
(Equation 1)

Is calculated. This is arranged in the order of each column, and the pixel value data sequence B = (B ₁ , B ₂ ,..., B _x ,...)
Is derived. Here, assuming that the width of the pixels in each column in FIG. 4 is constant, the pixel value data column indicates a spatial change in the pixel value (brightness) in the captured image along the pattern 7 arrangement direction. .
[0025]
FIG. 6 shows a state of the spatial change of the pixel value along the arrangement direction of the pattern 7 obtained as described above. Here, the pattern portion of the captured image corresponding to the pattern 7 is shown in a region 63, the background portion corresponding to the surface 5 which is the background is shown in a region 65, and the boundary portion between them is shown in a region 67.
In the case of this image, the pixel value is the largest in the brightest pattern portion 63, is slightly smaller in the base portion 65, and is the darkest in the boundary portion 67, so that the pixel value is the smallest. As described above, the pixel value periodically changes due to the arrangement interval of the pattern 7.
[0026]
FIG. 7 is a diagram showing spatial frequency characteristics of pixel values along the direction in which the pattern 7 is arranged, which can be derived by Fourier transforming a pixel value data sequence having periodicity by the spectrum intensity calculation means 13. As shown in FIG. 7, the spectral intensity becomes the maximum peak value at a frequency f ₁ corresponding to the predetermined interval pattern 7 is arranged. The spectrum intensity calculation means 13 calculates this maximum peak value.
[0027]
Next, how the maximum peak value changes due to a change in the focal position for shooting will be described with reference to FIGS.
FIG. 8 is a diagram illustrating captured images of the pattern 7 captured at different focal positions. Here, FIG. 8A shows an image taken at an appropriate focal position, and FIG. 8B shows an image taken at an inappropriate focal position. As shown in FIGS. 8A and 8B, in the image photographed at the inappropriate focus position, the boundary between the pattern portion 63, the base portion 65, and the boundary portion 67 between the two portions has an appropriate focus. It is less clear than what was photographed at the location.
[0028]
FIG. 9 is a diagram showing a spatial change of a pixel value corresponding to the captured image of FIG. Here, FIGS. 9A and 9B correspond to the captured images of FIGS. 8A and 8B, respectively. As shown in FIGS. 9A and 9B, the pixel value of an unclear image captured at an inappropriate focus position changes when compared with the pixel value of an image captured at an appropriate focus position. Becomes gentle, and the amplitude ΔB _b2 by the darkest portion which is the boundary portion 67 also becomes small. That is, the degree of the spatial change of the pixel value of the captured image along the arrangement direction of the pattern 7 and the amplitude thereof change due to the difference in the clarity of the image due to the difference in the focal position.
[0029]
FIG. 10 is a diagram illustrating spatial frequency characteristics of changes in pixel values in a captured image at different focal positions X _f1 , X _f2 , and X _f3 .
The spatial frequency characteristic of the pixel value changes depending on the degree of the change and the change in the amplitude due to the difference in the focal position described above, but the maximum peak value is the largest because the clarity of the captured image is high. The largest case, that is, when a pattern is photographed at an appropriate focal position. Therefore, in order to adjust the focus of the photographing means 3 to an appropriate focus position, a focus position at which the maximum peak value becomes the largest may be obtained and adjusted to this focus position.
[0030]
FIG. 11 is a diagram illustrating a function derived by the function deriving unit 15. The plotted points in FIG. 11 are actual measurement points indicating the actually photographed focal position and the maximum peak value at the focal position. The function deriving means 15 derives a polynomial approximation formula for calculating the maximum peak value using the focal position as a variable from the set of the actual measurement points by a polynomial regression analysis technique.
Thereafter, the focal position calculating means 17 calculates a focal position at which the approximate expression takes a maximum value, and sets the focal position as a target value for focus adjustment. As described above, the function deriving unit 15 and the focal position calculating unit 17 derive an approximate function for interpolating between the measured values from the actual measured value of the maximum peak value and calculate the maximum value. It is possible to calculate a proper focus position.
[0031]
FIG. 12 is a schematic configuration diagram in the case where the focus adjustment device 1 of the present invention is applied to the positioning device 201 shown in FIG. 13 as a second embodiment of the present invention. Here, the focus position of the photographing unit 3 (photographing unit 211) for photographing the alignment pattern between the wafer and the mask of the exposure apparatus is adjusted by the focus adjusting device 1 of the present invention.
In this case, as patterns arranged at regular intervals and photographed by the photographing means 3, the alignment

wafer side patterns

213 x and 213 y provided on the wafer 203 and the alignment mask side pattern provided on the mask 205. 215x and 215y may be used.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is provided a focus adjustment device that performs optimal focus adjustment with a small number of times of imaging without being influenced by the illumination brightness of a wafer or a mask to be imaged or the difference in the optical system used for the imaging unit. Provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a focus adjustment device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an example of patterns arranged at regular intervals in the focus adjustment device of FIG. 1;
FIG. 3 is an operation flowchart of the focus adjustment device of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram illustrating image data input to a pixel data string deriving unit.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a method of deriving a pixel data string by a pixel data string deriving unit.
FIG. 6 is a diagram illustrating a spatial change of a pixel value along a pattern arrangement direction.
FIG. 7 is a frequency characteristic diagram derived by performing a Fourier transform on a pixel data string.
FIG. 8 is a diagram illustrating captured images captured at different focal positions.
FIG. 9 is a diagram showing a pixel data string corresponding to a captured image captured at different focal positions.
FIG. 10 is a diagram illustrating frequency characteristics of a pixel data sequence photographed at different focal positions.
FIG. 11 is a diagram showing a function derived by a function deriving unit.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a conventional mask-wafer alignment apparatus.
FIG. 14 is a top view of an alignment pattern used in the alignment apparatus shown in FIG.
[Explanation of symbols]
3. Photographing means 7 Pattern 11 Image processing means 13 Spectrum intensity calculating means 15 Function deriving means 17 Focus position calculating means 19 Focus adjusting means

Claims

所望の焦点位置にある面上に一定間隔で配置されたパターンを撮影する撮影手段と、
前記撮影手段により撮影された前記パターンの画像における、画素値の前記配置に沿う変化のスペクトル強度の最大ピーク値を算出するスペクトル強度算出手段と、
前記撮影手段の焦点位置と、該焦点位置において撮影した前記パターンの画像に対応する前記最大ピーク値との間の関数を、複数の焦点位置と、前記各焦点位置において各々撮影した前記パターンの画像に対応する前記最大ピーク値とにより導出する関数導出手段と、
前記関数導出手段により導出した前記関数に基づいて、前記最大ピーク値が最大となる焦点位置を、前記撮影手段の焦点調整目標値として算出する焦点位置算出手段とを備える焦点調整装置。Photographing means for photographing patterns arranged at regular intervals on a plane at a desired focal position,
In the image of the pattern photographed by the photographing unit, a spectrum intensity calculating unit that calculates a maximum peak value of a spectral intensity of a change along the arrangement of pixel values,
A function between the focal position of the photographing means and the maximum peak value corresponding to the image of the pattern photographed at the focal position, a plurality of focal positions, and the image of the pattern photographed at each of the focal positions Function deriving means derived by the maximum peak value corresponding to
A focus adjustment device comprising: a focus position calculation unit that calculates, as a focus adjustment target value of the imaging unit, a focus position at which the maximum peak value is maximum based on the function derived by the function derivation unit.

前記画素値は、明度を表すことを特徴とする請求項１に記載の焦点調整装置。The focus adjustment apparatus according to claim 1, wherein the pixel value represents lightness.

前記関数は、前記焦点位置の多項式近似式により表されることを特徴とする請求項１に記載の焦点調整装置。The focus adjustment device according to claim 1, wherein the function is represented by a polynomial approximation of the focus position.

前記スペクトル強度算出手段は、前記撮影手段により撮影された前記パターンの画像をフーリエ変換することにより、スペクトル強度を算出することを特徴とする請求項１に記載の焦点調整装置。The focus adjustment apparatus according to claim 1, wherein the spectrum intensity calculation unit calculates a spectrum intensity by performing a Fourier transform on the image of the pattern photographed by the photographing unit.

前記撮影手段は、マスク上の転写パターンを転写対象に転写する露光装置において、前記マスクと前記転写対象との位置合わせのために、前記マスクまたは前記転写対象のうちいずれか少なくとも１つに付される位置合わせ用パターンを撮影する撮影手段であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の焦点調整装置。In the exposure apparatus for transferring a transfer pattern on a mask to a transfer target, the photographing unit is attached to at least one of the mask and the transfer target for alignment between the mask and the transfer target. The focus adjustment device according to claim 1, wherein the focus adjustment device is a photographing unit that photographs a positioning pattern.

前記パターンは、前記位置合わせ用パターンであることを特徴とする請求項５に記載の焦点調整装置。The focus adjustment device according to claim 5, wherein the pattern is the alignment pattern.