JPH07225109A - Method for measuring positional deviation between superposed patterns - Google Patents

Method for measuring positional deviation between superposed patterns

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JPH07225109A
JPH07225109A JP1617894A JP1617894A JPH07225109A JP H07225109 A JPH07225109 A JP H07225109A JP 1617894 A JP1617894 A JP 1617894A JP 1617894 A JP1617894 A JP 1617894A JP H07225109 A JPH07225109 A JP H07225109A
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JP
Japan
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pattern
reflected light
intensity
slope
positional deviation
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Application number
JP1617894A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroo Fujita
宏夫 藤田
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Citizen Watch Co Ltd
Original Assignee
Citizen Watch Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a method for optically measure the positional deviation between two patterns superposed upon another at the time of manufacturing an integrated circuit by superposing semiconductor elements upon another. CONSTITUTION:When a first pattern and second pattern formed on a substrate in a superposing state respectively have slopes, the focal point of irradiating laser light 41 is controlled twice so that the intensity of reflected light from the substrate can become equal to that of reflected light from the first pattern and the intensity of reflected light from the first pattern can become equal to that of reflected light from the second pattern and the minimum-intensity positions of the intensity signals 43 and 44 of the two reflected light detected at their focal points are detected. Since the minimum-intensity positions respectively correspond to the centers of the slopes of the first and second patterns, the positional deviation between the two patterns is measured from the difference between the distances to the centers of the slopes. Therefore, the positional deviation can be measured with high accuracy regardless of the shape of the slopes and the reflectivity, surface roughness, and level difference of the members. In addition, this measuring method can be suitably used for in-line measurement of production lines, because the method does not require any complicated software.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子を重ね合わせ
て集積回路を製造するときの、重ね合わせられたパター
ンの相互の位置ズレを光学的に測定する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for optically measuring mutual positional deviation of superposed patterns when superposing semiconductor elements to manufacture an integrated circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】ICの製造においては、各種のパターン
を順次重ね合わせて所定のパターンを形成している。こ
のパターンの重ね合わせでは、下地となるパターンと重
ね合わせられる上地パターンとの相互の位置関係が重要
であり、重ね合わせパターンの位置ズレ測定が必要にな
っている。一般には位置ズレ検出のためにテストパター
ンを作成し、そのパターンを測定して位置ズレを管理し
ているが、最近の高集積化に伴い、パターン位置ズレは
0.05μm程度の測定精度が要求されている。この位
置ズレ測定には電子顕微鏡、レーザなどの光波を用いる
方法が多く用いられている。しかし、生産ライン中での
測定には自動計測化が容易となる光波を用いる方法が有
利である。そのため、初期には白色光源を用いてパター
ンを拡大して検出するTVカメラ方式が用いられてきた
が、測定の分解能に限界があることなどの理由から、最
近ではレーザ走査顕微鏡(LSM)が多く用いられるよ
うになってきた。LSMは微小スポットに集光したレー
ザ光をパターン面上に照射して走査し、パターンからの
反射光強度変化を検出してパターン像を得る光学装置で
ある。LSMはハードウエアーとしては像検出のコント
ラスト特性、S/N比が高い、分解能が高いことなど、
TVカメラ法に比べて多くの特徴があるが、重ね合わせ
パターンの位置ズレ測定に応用するときは、パターンエ
ッジを高精度に検出するエッジ検出方法が重要になる。
2. Description of the Related Art In the manufacture of ICs, various patterns are sequentially superposed to form a predetermined pattern. In the superposition of these patterns, the mutual positional relationship between the underlying pattern and the overlying pattern to be superposed is important, and it is necessary to measure the positional deviation of the superposed patterns. Generally, a test pattern is created to detect the positional deviation, and the positional deviation is managed by measuring the pattern, but with the recent high integration, the pattern positional deviation requires a measurement accuracy of about 0.05 μm. Has been done. A method using a light wave of an electron microscope, a laser or the like is often used for the measurement of the displacement. However, for the measurement in the production line, a method using a light wave that facilitates automatic measurement is advantageous. Therefore, a TV camera system that uses a white light source to magnify and detect a pattern has been used in the early days, but recently laser scanning microscopes (LSM) are often used because of the limited resolution of measurement. It has come to be used. The LSM is an optical device that irradiates and scans a laser beam focused on a minute spot on a pattern surface, detects a change in intensity of reflected light from the pattern, and obtains a pattern image. As for LSM, as a hardware, the contrast characteristics of image detection, high S / N ratio, high resolution, etc.
Although it has many features as compared with the TV camera method, an edge detection method that detects pattern edges with high accuracy is important when applied to the measurement of positional deviation of overlay patterns.

【0003】一般には重ね合わせパターンの位置ズレは
ウエハー内の特定の場所に設けられたテストパターンで
測定される。図2に位置ズレ測定用のテストパターンの
例を示す。(a)は平面図、(b)は高さ方向の断面図
である。テストパターンはほぼ正方形で、一定の段差を
有する2つのパターンからなり、パターンを構成する部
材の材質は異なっている。20はSi2などからなる基
板部、21はアルミニュームあるいはポリシリコンから
成る下地パターン(第一のパターン)、22はレジスト
膜などからなる上地パターン(第二のパターン)であ
る。このパターンでは(a)に示したX方向のエッジ位
置Ax,Bx,Cx,Dx、及びY方向のエッジ位置A
y,By,Cy,Dyを決定し、下地パターン21と上
地パターン22のエッジ間距離の差(例えばAx−Bx
とCx−Dxの差)からパターン位置ズレを測定する。
ICの場合はパターンの断面形状は理想的な垂直ではな
く、(b)に示すように、下地パターン21、上地パタ
ーン22は各々一定の幅を有する斜面部23、24を持
った形状である。
Generally, the positional deviation of the overlay pattern is measured by a test pattern provided at a specific place in the wafer. FIG. 2 shows an example of a test pattern for measuring displacement. (A) is a plan view and (b) is a cross-sectional view in the height direction. The test pattern is substantially square and is composed of two patterns having a constant step, and the materials forming the patterns are different. 20 substrate portion made of S i O 2, 21 is the base pattern (first pattern) consisting of aluminum or polysilicon, 22 is a front cloth pattern made of a resist film (a second pattern). In this pattern, the edge positions Ax, Bx, Cx, Dx in the X direction and the edge position A in the Y direction shown in (a) are shown.
y, By, Cy, Dy are determined, and the difference between the distances between the edges of the base pattern 21 and the top pattern 22 (for example, Ax-Bx) is determined.
And Cx-Dx)), the pattern position deviation is measured.
In the case of an IC, the cross-sectional shape of the pattern is not ideal vertical, and as shown in (b), the base pattern 21 and the upper ground pattern 22 each have slope portions 23 and 24 having a constant width. .

【0004】このような斜面部を有するパターンの位置
ズレを測定するには、下地パターン21の下面エッジ位
置212、214、及び上地パターン22の下面エッジ
位置222、224の決定が重要になってくる。例えば
エッジ間距離Ax−Bxは、下面エッジ位置212、2
22の間の距離である。この重ね合わせられたパターン
にレーザ光を照射したときは、斜面部23、24は照射
レーザ光に対して散乱体、基板20、下地パターン2
1、上地パターン22の平坦部は反射体となり、反射光
強度は斜面形状(幅)、各パターンの段差、反射率、表
面粗さ、及び照射レーザ光の強度分布と焦点設定位置に
応じて変化する。ICのような微細パターンの場合、斜
面幅は0.1〜0.2μm程度であるが、照射レーザ光
のビーム直径が小さくなってくると、斜面形状が反射光
の強度変化に大きな影響を与える。したがって、エッジ
位置の決定には斜面形状が重要な要素になってくる。
In order to measure the positional deviation of the pattern having such a slope portion, it is important to determine the lower surface edge positions 212 and 214 of the base pattern 21 and the lower surface edge positions 222 and 224 of the upper ground pattern 22. come. For example, the distance Ax-Bx between the edges is determined by the lower edge positions 212, 2 and 2.
It is the distance between 22. When the overlapping pattern is irradiated with the laser beam, the slopes 23 and 24 scatter the irradiated laser beam, the substrate 20, and the underlying pattern 2.
1. The flat portion of the upper pattern 22 serves as a reflector, and the intensity of reflected light varies depending on the slope shape (width), the step of each pattern, the reflectance, the surface roughness, and the intensity distribution of the irradiation laser light and the focus setting position. Change. In the case of a fine pattern such as an IC, the slope width is about 0.1 to 0.2 μm, but as the beam diameter of the irradiation laser light becomes smaller, the slope shape greatly affects the intensity change of the reflected light. . Therefore, the slope shape is an important factor in determining the edge position.

【0005】図3に前述したLSMにより微小スポット
のレーザ光をパターン面上で走査したときに得られる反
射光強度信号波形を示して従来のエッジ検出法を説明す
る。ここで基板20、下地パターン21、上地パターン
22の反射率をr1、r2、r3としたとき、r1<r
2、r2>r3の関係、及び下地パターン21、上地パ
ターン22の段差h1、h2は照射レーザ光の焦点深度
h0よりも大きいと仮定する。例えば照射レーザ光の焦
点位置を下地パターン21の平坦部に設定した場合、反
射光強度信号波形31は、レーザ光が基板20に照射さ
れているときは強度レベルが32となり、斜面部23の
近傍では散乱によって反射光強度が低下し、ある照射状
態において最小強度33となる。下地パターン21の上
面に照射されてくれば反射光強度が増加し、一定の強度
レベル34となる。さらに、上地パターン22の斜面部
24に照射されてくれば再び強度が減少して極値強度3
5となり、平坦部では強度レベル36となる。このよう
な強度信号31において、強度レベル32と最小強度3
3の中間強度(50%強度)となる強度322及び32
4を決定して2値化処理を行い、そのクロス点となる走
査位置を図2(b)に示したパターンのエッジ位置21
2、214と定義する。また、強度34と極小強度35
の中間強度342、344を決定し、2値化処理を行っ
て上地パターン22のエッジ位置222、224を定義
する。このように、従来は反射光強度にスライスレベル
を設けて2値化法によりエッジ位置を決定し、エッジ間
を走査した距離からパターン位置ズレを測定していた。
A conventional edge detection method will be described with reference to FIG. 3 which shows a reflected light intensity signal waveform obtained when a laser beam having a minute spot is scanned on the pattern surface by the above-mentioned LSM. Here, when the reflectances of the substrate 20, the base pattern 21, and the upper pattern 22 are r1, r2, and r3, r1 <r
2, the relationship of r2> r3, and the steps h1 and h2 of the base pattern 21 and the upper pattern 22 are assumed to be larger than the focal depth h0 of the irradiation laser light. For example, when the focal position of the irradiation laser light is set on the flat portion of the base pattern 21, the reflected light intensity signal waveform 31 has an intensity level of 32 when the laser light is applied to the substrate 20, and the vicinity of the slope portion 23. Then, the intensity of reflected light decreases due to scattering, and reaches the minimum intensity 33 in a certain irradiation state. When the upper surface of the base pattern 21 is irradiated, the intensity of the reflected light increases and the intensity level 34 becomes constant. Further, if the slope 24 of the upper ground pattern 22 is irradiated, the intensity decreases again and the extreme intensity 3
5, the intensity level becomes 36 at the flat portion. In such intensity signal 31, intensity level 32 and minimum intensity 3
Strengths 322 and 32 that are intermediate strength (50% strength) of 3
4 is determined and binarization processing is performed, and the scanning position serving as the cross point is set to the edge position 21 of the pattern shown in FIG.
It is defined as 2,214. In addition, strength 34 and minimum strength 35
Intermediate strengths 342 and 344 of the above are determined, and binarization processing is performed to define the edge positions 222 and 224 of the upper ground pattern 22. As described above, conventionally, the slice level is provided for the reflected light intensity, the edge position is determined by the binarization method, and the pattern position deviation is measured from the distance scanned between the edges.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】パターンからの反射光
強度信号波形の形状、強度レベルは、基板20とパター
ン21、22の反射率、表面粗さ、段差、さらには斜面
部23、24の形状に応じて変化する。これら各種の要
因のなかで反射光強度信号に最も大きな影響を及ぼすの
は斜面部23、24の幅である。それは斜面部23、2
4が散乱体となるために反射光強度が大きく低下するた
めで、照射レーザ光のスポット径が小さくなる、あるい
は斜面幅が広くなるにしたがって反射光強度低下が大き
くなる。そのため、反射光強度の2値化処理を行う従来
方法では、中間強度位置は斜面幅によって大きく変化す
るため、2値化法で検出されたパターンエッジ位置は本
来のエッジ位置とは一致しなくなり正確なエッジ位置の
検出ができなくなるという問題点が生じる。また、2値
化処理を行うときの中間強度設定においては、パターン
の平坦部の表面粗さ、反射率の変動によっても反射光強
度が変動するため、測定されたエッジ位置の変動が大き
くなる。本発明は上記問題点を解決し、斜面幅の影響や
部材の表面粗さ、反射率の変動を受けずに高精度にパタ
ーン位置ズレを測定する新規な測定方法を提供すること
を目的とする。
The shape and intensity level of the reflected light intensity signal waveform from the pattern are such that the reflectance, surface roughness and level difference between the substrate 20 and the patterns 21 and 22, and the shape of the slope portions 23 and 24. Change according to. Of these various factors, the width of the slopes 23 and 24 has the greatest effect on the reflected light intensity signal. It is slope 23,2
Since 4 is a scatterer, the intensity of the reflected light is greatly reduced. Therefore, the intensity of the reflected light is greatly reduced as the spot diameter of the irradiation laser beam becomes smaller or the slope width becomes wider. Therefore, in the conventional method of binarizing the reflected light intensity, the intermediate intensity position changes greatly depending on the slope width, so the pattern edge position detected by the binarization method does not match the original edge position and is accurate. There is a problem that it is not possible to detect a different edge position. Further, in the setting of the intermediate intensity when performing the binarization process, the intensity of the reflected light also varies depending on the variation of the surface roughness and the reflectance of the flat portion of the pattern, and thus the variation of the measured edge position becomes large. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems and provide a new measuring method for measuring a pattern position deviation with high accuracy without being affected by the slope width, the surface roughness of a member, and the fluctuation of reflectance. .

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は以下に示す方法をとる。基板上に形成され
た斜面部を有する第一のパターンと該第一のパターン上
に形成された斜面部を有する第二のパターンがあって、
前記第一のパターンと第二のパターンの位置ズレを測定
するとき、前記基板と第一のパターンからの反射光強度
が等しくなる位置に照射レーザ光の第一の焦点制御を行
い、その焦点位置で照射レーザ光の第一の走査を行って
第一の反射光強度信号を作成すると共に、前記第一のパ
ターンと第二のパターンからの反射光強度が等しくなる
位置に照射レーザ光の第二の焦点制御を行い、その焦点
位置で照射レーザ光の第二の走査を行って第二の反射光
強度信号を作成し、前記第一と第二の反射光強度信号の
各々について最小強度位置を検出して前記第一のパター
ンと第二のパターンの斜面中央部の位置を検出し、該第
一のパターンと第二のパターンの斜面中央部の位置の差
から前記第一のパターンと第二のパターンの位置ズレを
測定するものである。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following methods. There is a first pattern having a sloped portion formed on a substrate and a second pattern having a sloped portion formed on the first pattern,
When measuring the positional deviation between the first pattern and the second pattern, the first focus control of the irradiation laser light is performed at a position where the reflected light intensity from the substrate and the first pattern are equal, and the focus position The first scanning of the irradiating laser light is performed to create a first reflected light intensity signal, and the second irradiating laser light is placed at a position where the reflected light intensities from the first pattern and the second pattern are equal. The focus control of, the second scanning of the irradiation laser light at the focus position to create a second reflected light intensity signal, the minimum intensity position for each of the first and second reflected light intensity signal The first pattern and the second pattern are detected by detecting the position of the central portion of the slope of the first pattern and the second pattern, and detecting the position of the central portion of the slope of the first pattern and the second pattern. To measure the positional deviation of the pattern .

【0008】[0008]

【作用】重ね合わせられた2つのパターンがそれぞれ段
差と斜面部を有する場合、基板と下地パターンからの反
射光強度、及び下地パターンと上地パターンからの反射
光強度が等しくなるように第一と第二の2回の照射レー
ザ光の焦点位置制御を行う。この照射条件でレーザ光を
パターン面上で走査すれば、ガウス強度分布をもつレー
ザ光の強度最大部が斜面の中央部に照射された走査位置
で斜面部からの光散乱が最大になり、反射光強度が最小
になる。したがって反射光強度信号の最小強度位置から
パターンの斜面中央位置を決定することができる。第一
の焦点制御によるレーザ光の走査で下地パターンの斜面
中央位置を決定し、第二の焦点制御による走査で上地パ
ターンの斜面中央位置を決定する。こうして得られた4
つの斜面中央位置の間の距離の変化からパターン位置ズ
レを測定する。このようにして決定された斜面中央位置
はパターンを構成する部材の反射率、表面粗さ、斜面幅
などには依存しない。したがって、本発明は斜面をもっ
たパターンの下面エッジ位置を検出するかわりに、斜面
中央部位置を検出することで、重ね合わせパターンの位
置ズレを正確に測定するものである。
When the two superposed patterns each have a step and a slope, the first and second patterns are arranged so that the reflected light intensity from the substrate and the underlying pattern and the reflected light intensity from the underlying pattern and the top pattern are equal. The focus position control of the second irradiation laser light is performed. If the laser light is scanned on the pattern surface under this irradiation condition, the maximum intensity of the laser light having a Gaussian intensity distribution will be the maximum at the scanning position where the central part of the slope is irradiated, and the light scattering from the slope will be maximized. Light intensity is minimized. Therefore, the center position of the slope of the pattern can be determined from the minimum intensity position of the reflected light intensity signal. The slope center position of the ground pattern is determined by scanning the laser beam by the first focus control, and the slope center position of the upper ground pattern is determined by the scan by the second focus control. Thus obtained 4
The pattern position shift is measured from the change in the distance between the center positions of the two slopes. The center position of the slope thus determined does not depend on the reflectance, surface roughness, slope width, etc. of the members forming the pattern. Therefore, the present invention accurately measures the positional deviation of the superposed pattern by detecting the central position of the slope instead of detecting the lower edge position of the pattern having the slope.

【0009】[0009]

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。図1は本発明のパターン位置ズレ測定方法を
示すブロック図である。10はレーザ光源で、例えば半
導体レーザ、He−Neレーザ等から構成され、直線偏
光を有するレーザ光100を放射する。11は偏光ビー
ムスプリッター(PBS)で、反射光検出の際の光路変
換を行う。PBS11を透過したレーザ光はX軸方向へ
レーザ光を走査する第一のビーム走査器12と、Y軸方
向へレーザ光を走査する第二のビーム走査器13へ入射
する。第一のビーム走査器12は第一の走査ドライバー
120、第二のビーム走査器13は第二の走査ドライバ
ー130からの駆動信号によって走査が制御される。1
10は対物レンズで、2次元面内で走査されるレーザ光
105を微小なスポットに集光して位置ズレが測定され
る微細パターン14の面上に照射する。なお、パターン
14は図2に示した構成である。パターン14からの反
射光は再度第一と第二のビーム走査器12、13を透過
してPBS11で反射され、集光レンズ140を介して
受光器115で検出される。反射光145は照射レーザ
光がパターン14の面上のどの位置を走査していても常
に受光器115の一定位置に入射するため、走査定点位
置での検出が可能になる。したがって、受光器115の
面上に一定幅をもつスリットを張り付け、反射光の強度
分布の中央部を含む一部の範囲の強度を検出すれば共焦
点型のレーザ走査顕微鏡の構成になる。この構成では、
反射光強度の全体を検出する非共焦点型の検出と比べて
面内分解能を上げることが可能になり、斜面中央位置の
検出精度が高められる。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a pattern position deviation measuring method of the present invention. Reference numeral 10 denotes a laser light source, which is composed of, for example, a semiconductor laser, a He-Ne laser, or the like, and emits laser light 100 having linearly polarized light. Reference numeral 11 denotes a polarization beam splitter (PBS) that performs optical path conversion when detecting reflected light. The laser light transmitted through the PBS 11 enters a first beam scanner 12 that scans the laser light in the X-axis direction and a second beam scanner 13 that scans the laser light in the Y-axis direction. The scanning of the first beam scanner 12 is controlled by a driving signal from the first scanning driver 120, and the scanning of the second beam scanner 13 is controlled by a driving signal from the second scanning driver 130. 1
Reference numeral 10 denotes an objective lens, which collects a laser beam 105 scanned in a two-dimensional plane into a minute spot and irradiates it onto the surface of a fine pattern 14 whose position shift is measured. The pattern 14 has the configuration shown in FIG. The reflected light from the pattern 14 again passes through the first and second beam scanners 12 and 13, is reflected by the PBS 11, and is detected by the light receiver 115 via the condenser lens 140. The reflected light 145 is always incident on a fixed position of the light receiver 115 regardless of which position on the surface of the pattern 14 is scanned by the irradiation laser light, so that detection at the scanning fixed point position becomes possible. Therefore, if a slit having a constant width is attached to the surface of the light receiver 115 and the intensity of a part of the range including the central portion of the intensity distribution of the reflected light is detected, a confocal laser scanning microscope is constructed. With this configuration,
The in-plane resolution can be increased as compared with the non-confocal type detection in which the entire reflected light intensity is detected, and the detection accuracy of the slope center position is improved.

【0010】15は照射レーザ光の焦点制御部で、重ね
合わせパターンの場合には2回の焦点位置制御を行う。
第一の焦点制御は、パターン14の基板部20からの反
射光強度と下地パターン(第一のパターン)21からの
反射光強度が等しくなるような高さ位置に焦点制御を行
う。第二の焦点制御は、下地パターン21からの反射光
強度と上地パターン(第二のパターン)22からの反射
光強度が等しくなる高さ位置に焦点制御を行う。この焦
点制御はパターン14を光軸方向(Z方向)に移動させ
るZステージ150を介して行う。16は第一の反射光
強度信号作成部で、第一の焦点制御されたレーザ光をパ
ターン14の面上に照射して第一の走査を行い、走査の
各点で検出された反射光強度データをメモリー回路に記
憶し、走査の一周期に対応した第一の反射光強度信号を
作成する。17は第二の反射光強度信号作成部で、第二
の焦点制御されたレーザ光をパターン14の面上に照射
して第二の走査を行い、走査の各点で検出された反射光
強度データをメモリー回路に記憶し、走査の一周期に対
応した第二の反射光強度信号を作成する。165は第一
の最小強度位置検出部で、第一の反射光強度信号の強度
が最小となる走査位置を検出する。175は第二の最小
強度位置検出部で、第二の反射光強度信号の強度が最小
となる走査位置を検出する。この最小強度となる走査位
置はパターン14の斜面中央部に相当するため、第一の
走査で下地パターン21の斜面23の中央部、第二の走
査で上地パターン22の斜面24の中央部が検出され
る。18はパターン位置ズレ検出部で、下地パターン2
1及び上地パターン22の斜面中央位置の距離の差か
ら、パターン位置ズレを判定する。
Reference numeral 15 denotes a focus control unit for the irradiation laser beam, which performs focus position control twice in the case of a superposition pattern.
In the first focus control, focus control is performed at a height position such that the intensity of reflected light from the substrate portion 20 of the pattern 14 and the intensity of reflected light from the base pattern (first pattern) 21 become equal. In the second focus control, the focus control is performed at a height position where the intensity of reflected light from the underlying pattern 21 and the intensity of reflected light from the upper pattern (second pattern) 22 are equal. This focus control is performed via the Z stage 150 that moves the pattern 14 in the optical axis direction (Z direction). Reference numeral 16 denotes a first reflected light intensity signal generation unit, which irradiates the surface of the pattern 14 with the first focus-controlled laser light to perform the first scanning, and the reflected light intensity detected at each point of the scanning. The data is stored in a memory circuit and a first reflected light intensity signal corresponding to one scanning cycle is created. Reference numeral 17 denotes a second reflected light intensity signal generation unit, which irradiates the surface of the pattern 14 with the second focus-controlled laser light to perform the second scanning, and the reflected light intensity detected at each point of the scanning. The data is stored in the memory circuit and a second reflected light intensity signal corresponding to one scanning cycle is created. A first minimum intensity position detection unit 165 detects a scanning position where the intensity of the first reflected light intensity signal is minimum. A second minimum intensity position detector 175 detects a scanning position where the intensity of the second reflected light intensity signal is minimum. Since the scanning position with the minimum intensity corresponds to the center of the slope 14 of the pattern 14, the center of the slope 23 of the base pattern 21 in the first scan and the center of the slope 24 of the upper pattern 22 in the second scan. To be detected. Reference numeral 18 denotes a pattern position deviation detection unit, which is a base pattern 2
The pattern position shift is determined from the difference in the distance between the center position of the slope 1 and the center position of the upper ground pattern 22.

【0011】パターン位置ズレの測定にはX,Y方向の
測定が必要である。そのため、上述した測定をX、Yの
各々の方向について行えば、X、Y方向の斜面中央位置
が決定されるため、2次元としての位置ズレが測定でき
る。以上のように本発明によるパターン位置ズレ測定方
法は、パターンの下面エッジ位置を直接に検出すること
なく、斜面部の中央位置を安定に検出することで、パタ
ーン位置ズレを高精度に測定することを可能とする。
Measurement of the pattern positional deviation requires measurement in the X and Y directions. Therefore, if the above-described measurement is performed in each of the X and Y directions, the center position of the slope in the X and Y directions is determined, so that the two-dimensional positional deviation can be measured. As described above, the pattern misalignment measuring method according to the present invention can measure the pattern misalignment with high accuracy by stably detecting the center position of the slope without directly detecting the lower edge position of the pattern. Is possible.

【0012】次に本発明の方法による斜面中央位置検出
の原理を説明する。図4(a)は下地パターン21の斜
面中央位置を検出する例で、斜面中央部にレーザ光が照
射された状態を示す。ICの場合、基板20と下地パタ
ーン21には0.5〜1μm程度の段差があり、また、
各部材の反射率r1,r2は互いに異なる。本例では段
差h1は照射レーザ光の焦点深度以上、反射率はr1<
r2を仮定する。41は照射レーザ光で、その強度分布
はガウス型分布である。このようなパターンに対して照
射レーザ光41の焦点位置を設定するとき、焦点位置は
反射率差、段差に応じて設定する必要がある。本発明で
は基板20と下地パターン21からの反射光強度が互い
に等しくなるように焦点位置を設定する必要があるが、
本例では基板20からの高さがdの位置に焦点設定する
場合を示す。これが第一の焦点制御である。照射レーザ
光41をこの焦点位置で走査したとき、強度最大部41
0が斜面中央部に照射される偏向状態の場合に斜線で囲
んだ領域42からの散乱光強度が最大になる。また、領
域42以外の基板20に照射されている領域422及び
下地パターン21の平坦部に照射されている領域424
からの反射光強度は等しい。そのため、この偏向位置で
は受光器115で検出される反射光強度が最小になる。
下地パターン21と上地パターン22の場合についても
同様である。したがって、反射光強度の最小強度位置か
ら斜面中央位置が検出できる。
Next, the principle of slope center position detection by the method of the present invention will be described. FIG. 4A shows an example of detecting the center position of the slope of the base pattern 21, and shows a state in which the center of the slope is irradiated with laser light. In the case of an IC, there is a step difference of about 0.5 to 1 μm between the substrate 20 and the base pattern 21, and
The reflectances r1 and r2 of the respective members are different from each other. In this example, the step h1 is equal to or larger than the depth of focus of the irradiation laser light, and the reflectance is r1 <
Assume r2. An irradiation laser beam 41 has a Gaussian distribution. When setting the focus position of the irradiation laser beam 41 for such a pattern, it is necessary to set the focus position according to the reflectance difference and the step. In the present invention, it is necessary to set the focal position so that the reflected light intensities from the substrate 20 and the base pattern 21 are equal to each other.
In this example, the focus is set at a position where the height from the substrate 20 is d. This is the first focus control. When the irradiation laser beam 41 is scanned at this focus position, the intensity maximum part 41
In the case of a deflected state in which 0 is radiated to the central portion of the slope, the intensity of scattered light from the region 42 surrounded by the diagonal line becomes maximum. In addition, a region 422 other than the region 42 irradiated on the substrate 20 and a region 424 irradiated on the flat portion of the base pattern 21.
The reflected light intensity from is equal. Therefore, the reflected light intensity detected by the light receiver 115 is minimized at this deflection position.
The same applies to the case of the base pattern 21 and the upper ground pattern 22. Therefore, the central position of the slope can be detected from the minimum intensity position of the reflected light intensity.

【0013】図4(b)に前述の焦点位置に設定したと
きに得られる反射光強度信号波形例を示す。縦軸は反射
光強度、横軸は照射ビームの走査位置(距離)である。
波形43は第一の走査で検出される第一の反射光強度信
号、波形44は第二の走査で検出される第二の反射光強
度信号である。波形43では、強度V1は基板20と下
地パターン21の平坦部からの反射光強度、強度V2は
上地パターン22の平坦部からの反射光強度である。本
例では上地パターン22の反射率は下地パターン21の
反射率よりも小さいと仮定している。第一の焦点制御で
は、照射レーザ光は上地パターン22に対しては焦点ズ
レが大きくなるため、一般には反射光強度の減少が大き
くなる。波形43は走査位置431、433において最
小強度、走査位置435と437において極小強度をと
るが、走査位置431、433は照射レーザ光41が下
地パターン21の斜面中央部に照射された状態である。
ところが、走査位置435、437では上地パターン2
2の斜面中央位置にはならない。それは、上地パターン
22の斜面からの散乱光強度が最大になっても、下地パ
ターン21の平坦部に照射されている領域からの反射光
強度が、上地パターン22の平坦部からの反射光強度よ
りも大きいため、全体としては極小強度にならないため
である。このように、第一の走査で検出された反射光強
度信号43の最小強度位置431、433を検出するこ
とにより、下地パターン21の斜面中央位置が決定でき
る。
FIG. 4B shows an example of the reflected light intensity signal waveform obtained when the focus position is set as described above. The vertical axis represents the reflected light intensity, and the horizontal axis represents the scanning position (distance) of the irradiation beam.
A waveform 43 is a first reflected light intensity signal detected in the first scan, and a waveform 44 is a second reflected light intensity signal detected in the second scan. In the waveform 43, the intensity V1 is the reflected light intensity from the flat portion of the substrate 20 and the underlying pattern 21, and the intensity V2 is the reflected light intensity from the flat portion of the upper ground pattern 22. In this example, it is assumed that the reflectance of the upper pattern 22 is smaller than that of the underlying pattern 21. In the first focus control, the irradiation laser light has a large focus shift with respect to the upper ground pattern 22, so that the reduction of the reflected light intensity is generally large. The waveform 43 has the minimum intensity at the scanning positions 431 and 433 and the minimum intensity at the scanning positions 435 and 437, but at the scanning positions 431 and 433, the irradiation laser beam 41 is applied to the central portion of the slope of the base pattern 21.
However, at the scanning positions 435 and 437, the upper ground pattern 2
It does not come to the center of the slope of No.2. That is, even if the scattered light intensity from the slope of the upper ground pattern 22 is maximized, the reflected light intensity from the area irradiated to the flat portion of the underlying pattern 21 is the reflected light from the flat portion of the upper ground pattern 22. This is because the strength is larger than the strength, so that the strength does not become the minimum strength as a whole. In this way, by detecting the minimum intensity positions 431 and 433 of the reflected light intensity signal 43 detected in the first scan, the slope center position of the base pattern 21 can be determined.

【0014】波形44では、強度V3は基板20からの
反射光強度、強度V4は下地パターン21と上地パター
ン22の平坦部からの反射光強度である。第二の焦点制
御では、照射レーザ光は基板20に対しては焦点ズレが
大きくなるために反射光強度が減少する。波形44では
走査位置441、443で最小強度となり、走査位置4
45、447で極小強度をとる。ここで、走査位置44
1、443は照射レーザ光41が上地パターン22の斜
面中央部に照射されている状態である。ところが、走査
位置445、447では前述の説明と同じく下地パター
ン21の斜面中央位置とはならない。このようにして、
第二の走査で検出された反射光強度信号44の最小強度
位置441、443を検出することにより、上地パター
ン22の斜面中央位置を決定する。以上に示した2回の
走査によって検出された下地パターン21の斜面中央位
置431、433、及び上地パターン22の斜面中央位
置441、443において、斜面中央位置431と44
1、及び433と443の間の距離の差を比較すること
でパターン位置ズレを検出する。
In the waveform 44, the intensity V3 is the intensity of reflected light from the substrate 20, and the intensity V4 is the intensity of reflected light from the flat portions of the underlying pattern 21 and the upper pattern 22. In the second focus control, the irradiation laser light has a large focus shift with respect to the substrate 20, and thus the reflected light intensity decreases. In the waveform 44, the minimum intensity is obtained at the scanning positions 441 and 443, and the scanning position 4
A minimum strength is obtained at 45 and 447. Here, the scanning position 44
Reference numerals 1 and 443 represent a state in which the irradiation laser beam 41 is applied to the central portion of the slope of the upper ground pattern 22. However, the scanning positions 445 and 447 do not reach the center position of the slope of the underlying pattern 21 as described above. In this way
By detecting the minimum intensity positions 441 and 443 of the reflected light intensity signal 44 detected in the second scanning, the slope center position of the upper ground pattern 22 is determined. At the slope center positions 431 and 433 of the ground pattern 21 and the slope center positions 441 and 443 of the upper ground pattern 22 detected by the above-described two scans, the slope center positions 431 and 44 are detected.
1, and the pattern position shift is detected by comparing the difference in distance between 433 and 443.

【0015】以上に説明した斜面中央位置の測定精度を
決める最も大きな要因は照射レーザ光の走査精度である
ため、パターン位置ズレ測定には高精度な2次元走査光
学装置が必要である。走査精度の高いビーム走査器とし
ては音響光学偏向素子(以下にAODと略記する)が多
く用いられている。そのため、AODを2個用いて2次
元走査光学装置を構成するすることができる。しかしこ
の構成では光学系が複雑になるという欠点が生じる。そ
こで、X軸方向に走査を行う第一のビーム走査器12に
AODを用いたとき、Y軸方向に走査を行う第二のビー
ム走査器13として、頂角が30゜、60゜の直角プリ
ズムに頂角が60゜の正三角形プリズムを重ねた偏向プ
リズムをPZTで移動させる構成のものを用いれば走査
光学装置を簡略化できる。この二つの走査器を組み合わ
せた2次元走査光学系の構成は本願発明者による特開昭
63−221377号公報、特開昭63−278032
号公報に示されているので本願明細書では詳細は省略す
る。この走査光学系において、例えばX,Y方向共に4
0μm程度の走査距離に設定したとき、各走査素子の駆
動信号を1/4000分割してステップ的にレーザ光を
走査すれば、走査の分解能は0.01μmになる。した
がって、斜面中央位置を0.01μm精度で検出するこ
とが可能である。なお、本発明では各パターンが斜面部
を有する例について説明したが、パターンの断面が垂直
な形状の場合でも、同様に焦点制御された走査によって
得られた最小強度位置がパターンエッジ位置に一致する
ため、垂直パターンの場合でも本発明の方法が適用でき
る。
Since the most important factor that determines the measurement accuracy of the center position of the slope described above is the scanning accuracy of the irradiation laser beam, a highly accurate two-dimensional scanning optical device is required for measuring the pattern positional deviation. An acousto-optic deflecting element (hereinafter abbreviated as AOD) is often used as a beam scanner with high scanning accuracy. Therefore, a two-dimensional scanning optical device can be constructed using two AODs. However, this configuration has a drawback that the optical system becomes complicated. Therefore, when an AOD is used for the first beam scanner 12 that scans in the X-axis direction, the second beam scanner 13 that scans in the Y-axis direction serves as a right-angle prism having apex angles of 30 ° and 60 °. The scanning optical apparatus can be simplified by using a PZT-moving deflecting prism in which regular triangular prisms having an apex angle of 60 ° are superposed. The structure of a two-dimensional scanning optical system combining these two scanners is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 63-221377 and 63-278032 by the present inventor.
The details are omitted in the specification of the present application. In this scanning optical system, for example, 4 in both the X and Y directions.
When the scanning distance is set to about 0 μm, if the driving signal of each scanning element is divided into 1/4000 and the laser light is scanned stepwise, the scanning resolution becomes 0.01 μm. Therefore, it is possible to detect the center position of the slope with an accuracy of 0.01 μm. In the present invention, an example in which each pattern has a sloped portion has been described. However, even when the pattern has a vertical cross section, the minimum intensity position obtained by the focus-controlled scanning also coincides with the pattern edge position. Therefore, the method of the present invention can be applied even in the case of a vertical pattern.

【0016】[0016]

【発明の効果】上記のごとく本発明は微細パターンの斜
面による光散乱効果を利用し、照射レーザ光の焦点位置
制御を2回行うことにより、下地パターン、上地パター
ンの各々について斜面中央部位置を独立に検出する。そ
のため、パターンを構成する部材の反射率、段差、表面
粗さ、斜面幅などの影響を受けず、信頼性の高い計測が
可能である。さらには、反射光強度信号の最小強度位置
のみを検出対象とするため簡易なソフトウエアーでよ
く、高速な測定が可能で、生産ラインでのインライン計
測に適している。
As described above, the present invention utilizes the light scattering effect of the slope of the fine pattern, and the focus position control of the irradiation laser light is performed twice, whereby the center position of the slope of each of the ground pattern and the upper ground pattern is controlled. Are detected independently. Therefore, it is possible to perform highly reliable measurement without being affected by the reflectance, step, surface roughness, slope width, etc. of the members forming the pattern. Furthermore, since only the minimum intensity position of the reflected light intensity signal is detected, simple software is sufficient, high-speed measurement is possible, and it is suitable for in-line measurement on the production line.

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

【図1】本発明のパターン位置ズレ測定方法を説明する
システムブロック図である。
FIG. 1 is a system block diagram illustrating a pattern position shift measuring method of the present invention.

【図2】本発明に適用される重ね合わせパターンの形状
例を説明する図であり、(a)はパターンの平面図、
(b)は断面図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the shape of a superposition pattern applied to the present invention, in which (a) is a plan view of the pattern,
(B) is a sectional view.

【図3】従来の方法による反射光強度信号波形例で、2
値化法によるパターンエッジ検出法を説明する図であ
る。
FIG. 3 shows an example of a reflected light intensity signal waveform obtained by a conventional method.
It is a figure explaining the pattern edge detection method by a value-izing method.

【図4】本発明による斜面中央位置を検出する方法を説
明する図で、(a)は斜面中央部にレーザ光が照射され
た例、(b)は反射光強度信号波形例である。
4A and 4B are diagrams illustrating a method of detecting the center position of a slope according to the present invention. FIG. 4A is an example in which a laser beam is applied to the center of the slope, and FIG. 4B is an example of a reflected light intensity signal waveform.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 レーザ光源 12 第一のビーム走査器 13 第二のビーム走査器 15 フォーカス制御部 16 第一の反射光強度信号作成部 17 第二の反射光強度信号作成部 18 パターン位置ズレ検出部 20 パターンの基板部 21 下地パターン部 22 上地パターン部 41 照射レーザ光 165 第一の最小強度位置検出部 175 第二の最小強度位置検出部 10 Laser Light Source 12 First Beam Scanner 13 Second Beam Scanner 15 Focus Control Section 16 First Reflected Light Intensity Signal Creating Section 17 Second Reflected Light Intensity Signal Creating Section 18 Pattern Misalignment Detection Section 20 Pattern Substrate 21 Base pattern 22 Top pattern 41 Irradiated laser light 165 First minimum intensity position detector 175 Second minimum intensity position detector

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成された斜面部を有する第一
のパターンと該第一のパターン上に形成された斜面部を
有する第二のパターンをレーザ光により走査し、該第一
と第二のパターンの位置ズレを測定する重ね合わせパタ
ーンの位置ズレ測定方法において、前記基板と第一のパ
ターンからの反射光強度が等しくなる位置に照射レーザ
光の第一の焦点制御を行い、その焦点位置で照射レーザ
光の第一の走査を行って第一の反射光強度信号を作成す
ると共に、前記第一のパターンと第二のパターンからの
反射光強度が等しくなる位置に照射レーザ光の第二の焦
点制御を行い、その焦点位置で照射レーザ光の第二の走
査を行って第二の反射光強度信号を作成し、前記第一と
第二の反射光強度信号の各々について最小強度位置を検
出して前記第一のパターンと第二のパターンの斜面中央
部の位置を検出し、該第一のパターンと第二のパターン
の斜面中央部の位置の差から前記第一のパターンと第二
のパターンの位置ズレを測定することを特徴とする重ね
合わせパターンの位置ズレ測定方法。
1. A first pattern having a sloped portion formed on a substrate and a second pattern having a sloped portion formed on the first pattern are scanned by laser light to obtain the first and the second patterns. In the method of measuring the positional deviation of the overlay pattern for measuring the positional deviation of the two patterns, the first focus control of the irradiation laser light is performed at a position where the reflected light intensities from the substrate and the first pattern are equal, and the focus is The first scanning of the irradiation laser light is performed at a position to create a first reflected light intensity signal, and the first portion of the irradiation laser light is arranged at a position where the reflected light intensity from the first pattern and the second pattern become equal. The second focus control is performed, the second scanning of the irradiation laser light is performed at the focus position to create the second reflected light intensity signal, and the minimum intensity position for each of the first and second reflected light intensity signals. To detect the first The position of the turn and the center of the slope of the second pattern is detected, and the positional deviation between the first pattern and the second pattern is measured from the difference in the position of the center of the slope of the first pattern and the second pattern. A method for measuring the positional deviation of an overlay pattern, which comprises:
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