JPH08285539A - Pattern measuring method and device - Google Patents

Pattern measuring method and device

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Publication number
JPH08285539A
JPH08285539A JP7092757A JP9275795A JPH08285539A JP H08285539 A JPH08285539 A JP H08285539A JP 7092757 A JP7092757 A JP 7092757A JP 9275795 A JP9275795 A JP 9275795A JP H08285539 A JPH08285539 A JP H08285539A
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JP
Japan
Prior art keywords
pattern
sample
optical system
image signal
optical path
Prior art date
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Pending
Application number
JP7092757A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Hiroi
高志 広井
Yoshitada Oshida
良忠 押田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP7092757A priority Critical patent/JPH08285539A/en
Publication of JPH08285539A publication Critical patent/JPH08285539A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

PURPOSE: To accurately measure the overlapping dimension deviation of the pattern of an LSI wafer with a high step difference by forming each of light images from two patterns onto the image sensor of a detection optical system by applying light to a region on a sample. CONSTITUTION: A lighting optical system 2 is provided with a light source 1, and a detection optical system 8 is provided with an objective lens system 3, a branch optical system 4, relay optical systems 5a and 5b of different light path lengths with a plurality of focusing positions, a plurality of image sensors 6a and 6b corresponding to each light path, and an automatic focusing system 7. A stage system 11 is provided with a traveling stage 9 and a sample stand 10 for placing a sample 13. Then, a control system 12 drives and controls the Z stage of the stage system 11 based on the automatic focusing information on the surface of the sample 13 for the objective lens system 3 obtained from the automatic focusing system 7, and finely moves the surface of the sample 13 to a proper focusing distance to position the sample 13 in Z-axis direction, thus detecting the signals at different focusing positions simultaneously with the sensors 6a and 6b, since the light path length each of the relay optical systems 5a and 5b is different from each other.

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、特に高段差パターン対
応できるように、例えばLSIウエハの重ね合わせパタ
ーンの重ね合わせ寸法ずれを計測する試料上の高低差の
あるパターンの寸法測定方法及びその装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for measuring the size of a pattern having a height difference on a sample, for example, for measuring the size deviation of the overlay pattern of an LSI wafer so that a pattern with a high level difference can be dealt with. Regarding

【0002】[0002]

【従来の技術】従来技術1として、論文("MINIMISING
OPTICAL OVERLAY MEASUREMENT ERRORS", SPIE Vol.1926
pp.450-462)において、試料台を上下して特定の位置
に焦点が合った高さ、又は複数の高さで2重、3重のタ
ーゲットパターン検出し、それらを処理することで高段
差の重ね合わせパターンの寸法を測定することが記載さ
れている。工具誘導シフト(TIS:Tool Induced Shi
ft)の測定についても記載されている。また、従来技術
2(特開昭58−48918号公報)には、プロキシミ
ティ露光装置において、マスクに形成されたアライメン
トパターンの光像とウエハに形成されたアライメントパ
ターンの反射光像との各々を対物レンズにより光路長を
変えてセンサ上に結像させてセンサから得られる画像信
号により両パターンの中心のずれ量を求めてこのずれが
なくなるようにマスクとウエハとを相対的にアライメン
トする技術が記載されている。また、従来技術3(特開
平6−232228号公報)には、ウエハ上に形成され
た段差を有する複数のパターンの反射光像の各々を、こ
の段差に相当する高さに応じて光路長を変えた検出光学
系によりセンサ上に結像させてセンサから得られる鮮明
な画像データに基づいて複数のパターンの相対的位置ず
れを測定する技術が記載されている。
2. Description of the Related Art As prior art 1, a paper ("MINIMISING
OPTICAL OVERLAY MEASUREMENT ERRORS ", SPIE Vol.1926
pp.450-462), double and triple target patterns are detected at the height where the sample stand is moved up and down and a specific position is in focus, or at multiple heights, and these are processed to obtain a high step. It is described that the dimension of the superposition pattern of is measured. Tool-induced shift (TIS: Tool Induced Shi)
ft) measurement is also described. Further, in Prior Art 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 58-48918), an optical image of an alignment pattern formed on a mask and a reflected light image of an alignment pattern formed on a wafer are each provided in a proximity exposure apparatus. A technique for aligning the mask and the wafer relative to each other so that the optical path length is changed by the objective lens and an image is formed on the sensor to obtain the deviation amount of the centers of both patterns from the image signal obtained from the sensor and the deviation is eliminated Has been described. Further, in the prior art 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 6-232228), each of the reflected light images of a plurality of patterns having a step formed on the wafer has an optical path length according to the height corresponding to the step. A technique is described in which the relative displacement of a plurality of patterns is measured based on clear image data obtained by forming an image on a sensor by using a different detection optical system.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】近年、LSIウエハ等
のパターンは微細化するとともに高段差化し、各工程の
重ねあわせ精度は100nm以下と厳しくなってきてい
る。これに加え、多層レジストが使用されますます高段
差化に拍車がかかってきている。このような状況化にお
いて、この重ねあわせ精度100nm以下を確保するた
めには、下地の基準パターンと、その上に形成した次の
層のパターンをエッチングするためのマスクとなる測定
対象のレジストパターンのずれ精度を10nm以下の高
精度で計測し、プロセス状態の変動をモニタすることが
必要となってきている。しかしながら、従来技術1にお
いては、段差を有するターゲットパターンを載置したス
テージを第1の焦点位置から第2の焦点位置に上下に移
動することが必要となり、ステージの上下動によるXY
方向のずれ及び振動の発生に基づく誤差要因が生じ、マ
ージンを著しく減少してしまうという課題をもってい
た。また従来技術2記載の同時に複数の焦点を持つ光学
系においては、複数の焦点位置の画像が重なることにな
り、焦点が十分にあったパターンの画像と焦点のあって
いないパターンの画像が1つのセンサ上に重なってお
り、寸法測定精度の点で十分配慮されていないという課
題を有していた。また従来技術3記載の同時に複数の焦
点位置の画像を複数のセンサで検出する方式において
は、センサ間のドリフト、振動などの誤差要因について
十分配慮されていないという課題を有していた。
In recent years, the patterns of LSI wafers have become finer and have higher steps, and the overlay accuracy in each process has become severe at 100 nm or less. In addition to this, multi-layer resists are used. Increasing steps are being spurred. In such a situation, in order to ensure the overlay accuracy of 100 nm or less, the base reference pattern and the resist pattern to be measured which serves as a mask for etching the pattern of the next layer formed thereon are to be formed. It has become necessary to measure the deviation accuracy with high accuracy of 10 nm or less and monitor the fluctuation of the process state. However, in the related art 1, it is necessary to move the stage on which the target pattern having the step is placed up and down from the first focus position to the second focus position, and the XY due to the vertical movement of the stage is required.
There is a problem that an error factor is generated due to the deviation of the direction and the occurrence of vibration, and the margin is significantly reduced. Further, in the optical system having a plurality of focal points at the same time as described in Related Art 2, images at a plurality of focal points are overlapped with each other, and an image of a sufficiently focused pattern and an image of a defocused pattern are one. There was a problem in that it was overlapped on the sensor, and sufficient consideration was not given to the dimension measurement accuracy. Further, in the method described in Related Art 3 in which images at a plurality of focal positions are simultaneously detected by a plurality of sensors, there is a problem in that error factors such as drift between sensors and vibration are not sufficiently considered.

【0004】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
LSIウエハ等のパターンの微細化に伴う高段差の対応
の重ね合わせパターンの重ね合わせ寸法ずれを10nm
以下の高精度で計測できるようにした試料上の高低差の
あるパターンの計測方法及びその装置を提供することに
ある。また本発明の他の目的は、LSIウエハ等のパタ
ーンの微細化に伴う高段差の対応の重ね合わせパターン
の重ね合わせ寸法ずれを簡素化した構成により10nm
以下の高精度で計測できるようにした試料上の高低差の
あるパターンの計測装置を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above problems.
Overlay dimension deviation of overlay pattern corresponding to high step due to miniaturization of patterns such as LSI wafer is 10 nm
An object of the present invention is to provide the following method and apparatus for measuring a pattern having a height difference on a sample that can be measured with high accuracy. Another object of the present invention is to reduce the overlay dimension deviation of the overlay pattern corresponding to a high step due to the miniaturization of the pattern of the LSI wafer or the like to 10 nm.
An object of the present invention is to provide a measuring device for a pattern having a height difference on a sample which can be measured with the following high accuracy.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、所定の領域に高低差のある第1のパター
ンと第2のパターンとを形成した試料に対して前記高低
差に応じて検出光学系における第1の光路と第2の光路
との間の光路長差を微調整し、前記試料上の領域を前記
検出光学系の視野内に位置付けし、前記検出光学系に対
して前記試料の表面を自動焦点合わせし、前記試料上の
領域に照明して前記第1及び第2のパターンからの光像
の各々を前記検出光学系の第1及び第2の光路の各々に
よりイメージセンサ上に結像させて該イメージセンサか
ら画像信号を検出し、該検出された画像信号に対して第
1及び第2のパターンに対応する画像信号を示す範囲を
設定することによって第1のパターンの画像信号と第2
のパターンの画像信号とを抽出し、該夫々抽出された第
1のパターンの画像信号から第1のパターンの中心位置
を算出し、抽出された第2のパターンの画像信号から第
2のパターンの中心位置を算出し、該算出された第1の
パターンの中心と第2のパターンの中心との間の寸法に
対して前記検出光学系の倍率とオフセット補正とを施し
て正確な寸法を算出することを特徴とする試料上の高低
差のあるパターンの寸法測定方法である。また本発明
は、所定の領域に高低差のある第1のパターンと第2の
パターンとを形成した試料に対して前記高低差に応じて
検出光学系における第1の光路と第2の光路との間の光
路長差を微調整し、前記試料上の領域を前記検出光学系
の視野内に位置付けし、前記検出光学系に対して前記試
料の表面を自動焦点合わせし、前記試料上の領域に照明
して前記第1及び第2のパターンからの光像の各々を前
記検出光学系の第1及び第2の光路の各々によりイメー
ジセンサ上に結像させて該イメージセンサから画像信号
を検出し、該検出された画像信号に対して第1及び第2
のパターンに対応する画像信号を示す範囲を設定するこ
とによって第1のパターンの画像信号と第2のパターン
の画像信号とを抽出し、該夫々抽出された第1のパター
ンの画像信号を第1のパターンのデジタル画像信号に変
換して対称性パターンマッチング処理によって第1のパ
ターンの中心位置を算出し、抽出された第2のパターン
の画像信号から第2のパターンのデジタル画像信号に変
換して対称性パターンマッチング処理によって第2のパ
ターンの中心位置を算出し、該算出された第1のパター
ンの中心と第2のパターンの中心との間の寸法に対して
前記検出光学系の倍率とオフセット補正とを施して正確
な寸法を算出することを特徴とする試料上の高低差のあ
るパターンの寸法測定方法である。
In order to achieve the above object, the present invention provides a sample in which a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined region are formed to have the height difference. Accordingly, the optical path length difference between the first optical path and the second optical path in the detection optical system is finely adjusted, and the region on the sample is positioned within the visual field of the detection optical system. To automatically focus the surface of the sample and illuminate an area on the sample so that each of the light images from the first and second patterns is directed by each of the first and second optical paths of the detection optics. By forming an image on the image sensor, detecting an image signal from the image sensor, and setting a range indicating the image signal corresponding to the first and second patterns with respect to the detected image signal, Image signal of pattern and second
And the image signal of the pattern, the center position of the first pattern is calculated from the extracted image signal of the first pattern, and the center position of the first pattern is calculated from the extracted image signal of the second pattern. The center position is calculated, and the dimension between the calculated center of the first pattern and the center of the second pattern is subjected to magnification and offset correction of the detection optical system to calculate an accurate dimension. This is a method for measuring the dimension of a pattern having a height difference on a sample. Further, the present invention provides a first optical path and a second optical path in a detection optical system according to the height difference with respect to a sample on which a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined area are formed. Fine adjustment of the optical path length difference between, the region on the sample is positioned in the field of view of the detection optics, the surface of the sample is autofocused with respect to the detection optics, the region on the sample And illuminate each of the light images from the first and second patterns to form an image on the image sensor by each of the first and second optical paths of the detection optical system to detect an image signal from the image sensor. Then, the first and second image signals are detected with respect to the detected image signal.
The image signal of the first pattern and the image signal of the second pattern are extracted by setting the range indicating the image signal corresponding to the pattern of the first pattern, and the image signal of the extracted first pattern is first extracted. The center position of the first pattern is calculated by the symmetric pattern matching processing by converting into the digital image signal of the pattern, and the extracted image signal of the second pattern is converted into the digital image signal of the second pattern. The center position of the second pattern is calculated by the symmetric pattern matching process, and the magnification and offset of the detection optical system with respect to the calculated dimension between the center of the first pattern and the center of the second pattern. It is a method for measuring the size of a pattern having a height difference on a sample, which is characterized in that an accurate size is calculated by performing correction.

【0006】また本発明は、所定の領域に高低差のある
基準マークとレジストパターンとを形成した試料に対し
て前記高低差に応じて検出光学系における第1の光路と
第2の光路との間の光路長差を微調整し、前記試料上の
領域を前記検出光学系の視野内に位置付けし、前記検出
光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わせし、前
記試料上の領域に照明して前記基準マーク及びレジスト
パターンからの光像の各々を前記検出光学系の第1及び
第2の光路の各々によりイメージセンサ上に結像させて
該イメージセンサから画像信号を検出し、該検出された
画像信号に対して基準マーク及びレジストパターンに対
応する画像信号を示す範囲を設定することによって基準
マークの画像信号とレジストパターンの画像信号とを抽
出し、該夫々抽出された基準マークの画像信号から基準
マークの中心位置を算出し、抽出されたレジストパター
ンの画像信号からレジストパターンの中心位置を算出
し、該算出された基準マークの中心とレジストパターン
の中心との間の寸法に対して前記検出光学系の倍率とオ
フセット補正とを施して正確な寸法を算出することを特
徴とする試料上の高低差のあるパターンの寸法測定方法
である。また本発明は、所定の領域に高低差のある第1
のパターンと第2のパターンとを形成した試料を載置す
る試料ステージと、前記試料上の領域を照明する照明光
学系と、互いに光路長差を有する第1の光路と第2の光
路とを形成し、前記第1のパターンと第2のパターンと
の間の高低差に応じて前記第1の光路と第2の光路との
間の光路長差を微制御する微制御光学系を備え、前記第
1及び第2のパターンからの光像の各々を前記第1及び
第2の光路の各々によりイメージセンサ上に結像させて
該イメージセンサから画像信号を検出する検出光学系
と、前記試料ステージを移動させて前記試料上の領域を
前記検出光学系の視野内に位置付けする位置付け手段
と、前記検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点
合わせをする自動焦点合わせ手段と、前記検出光学系の
イメージセンサから検出された画像信号に対して第1及
び第2のパターンに対応する画像信号を示す範囲を設定
することによって第1のパターンの画像信号と第2のパ
ターンの画像信号とを抽出し、該夫々抽出された第1の
パターンの画像信号から第1のパターンの中心位置を算
出し、抽出された第2のパターンの画像信号から第2の
パターンの中心位置を算出し、該算出された第1のパタ
ーンの中心と第2のパターンの中心との間の寸法に対し
て前記検出光学系の倍率とオフセット補正とを施して正
確な寸法を算出する算出手段とを備えたことを特徴とす
る試料上の高低差のあるパターンの寸法測定装置であ
る。
Further, according to the present invention, the first optical path and the second optical path in the detection optical system are formed according to the height difference with respect to the sample in which the reference mark and the resist pattern having the height difference in a predetermined area are formed. Fine adjustment of the optical path length difference between, position the region on the sample in the field of view of the detection optics, automatically focus the surface of the sample with respect to the detection optics, in the region on the sample By illuminating, each of the light images from the reference mark and the resist pattern is imaged on an image sensor by each of the first and second optical paths of the detection optical system to detect an image signal from the image sensor, The image signal of the reference mark and the image signal of the resist pattern are extracted by setting a range indicating the image signal corresponding to the reference mark and the resist pattern with respect to the detected image signal, and the respective image signals are extracted. The center position of the reference mark is calculated from the image signal of the reference mark obtained, the center position of the resist pattern is calculated from the image signal of the extracted resist pattern, and the center of the calculated reference mark and the center of the resist pattern are calculated. A dimension measuring method of a pattern having a height difference on a sample is characterized in that a magnification of the detection optical system and an offset correction are applied to a dimension between them to calculate an accurate dimension. The present invention is also directed to the first area having a height difference in a predetermined area.
The sample stage on which the sample having the pattern and the second pattern is placed, the illumination optical system for illuminating the area on the sample, and the first optical path and the second optical path having optical path length differences from each other. And a fine control optical system for finely controlling the optical path length difference between the first optical path and the second optical path according to the height difference between the first pattern and the second pattern, A detection optical system that forms an image of each of the light images from the first and second patterns on an image sensor by each of the first and second optical paths and detects an image signal from the image sensor, and the sample. Positioning means for moving the stage to position an area on the sample within the field of view of the detection optical system; automatic focusing means for automatically focusing the surface of the sample with respect to the detection optical system; Detect from optical image sensor The image signal of the first pattern and the image signal of the second pattern are extracted by setting a range indicating the image signals corresponding to the first and second patterns with respect to the generated image signal, and the respective image signals are extracted. The center position of the first pattern is calculated from the extracted image signal of the first pattern, the center position of the second pattern is calculated from the extracted image signal of the second pattern, and the calculated first position is calculated. On the sample, there is provided a calculating means for calculating an accurate dimension by performing magnification and offset correction of the detection optical system with respect to a dimension between the center of the pattern and the center of the second pattern. It is a dimensional measuring device for patterns having height differences.

【0007】また本発明は、前記試料上の高低差のある
パターンの寸法測定装置において、前記検出光学系の第
1の光路及び第2の光路の各々に、リレー光学系を備え
たことを特徴とする。また本発明は、前記試料上の高低
差のあるパターンの寸法測定装置において、前記検出光
学系の第1の光路及び第2の光路の各々に、互いに光路
長が異なるリレー光学系を備えたことを特徴とする。ま
た本発明は、前記試料上の高低差のあるパターンの寸法
測定装置において、前記検出光学系の第1の光路及び第
2の光路の各々に、リレー光学系を備え、前記イメージ
センサとして前記光路に対応させて複数備えたことを特
徴とする。
Further, according to the present invention, in the dimension measuring apparatus for a pattern having a height difference on the sample, a relay optical system is provided in each of the first optical path and the second optical path of the detection optical system. And Further, according to the present invention, in the dimension measuring apparatus for a pattern having a height difference on the sample, each of the first optical path and the second optical path of the detection optical system is provided with a relay optical system having different optical path lengths. Is characterized by. The present invention also provides a dimension measuring apparatus for a pattern having a height difference on the sample, wherein each of the first optical path and the second optical path of the detection optical system is provided with a relay optical system, and the optical path is used as the image sensor. It is characterized by having a plurality corresponding to.

【0008】また本発明は、前記試料上の高低差のある
パターンの寸法測定装置において、前記検出光学系にお
ける微制御光学系を、前記第1の光路又は第2の光路の
何れかに備えたことを特徴とする。また本発明は、前記
試料上の高低差のあるパターンの寸法測定装置におい
て、前記検出光学系における微制御光学系を、複屈折素
子で構成したことを特徴とする。
Further, according to the present invention, in the dimension measuring apparatus for a pattern having a height difference on the sample, the fine control optical system in the detection optical system is provided in either the first optical path or the second optical path. It is characterized by Further, the present invention is characterized in that, in the dimension measuring apparatus for a pattern having a height difference on the sample, the fine control optical system in the detection optical system is constituted by a birefringent element.

【0009】また本発明は、所定の領域に高低差のある
第1のパターンと第2のパターンとを形成した試料を載
置する試料ステージと、前記試料ステージを移動させて
前記試料上の領域を検出光学系の視野内に位置付けする
位置付け手段と、検出光学系に対して前記試料の表面を
自動焦点合わせをする自動焦点合わせ手段と、前記試料
上の領域を照明する照明光学系と、互いに光路長差を有
するようにリレー光学系を備えた第1の光路と第2の光
路とを形成し、前記第1のパターンと第2のパターンと
の間の高低差に応じて前記第1の光路と第2の光路との
間の光路長差を微制御する複屈折光学素子を備え、前記
第1及び第2のパターンからの光像の各々を前記第1及
び第2の光路の各々により第1及び第2のイメージセン
サの各々の上に結像させて各イメージセンサから画像信
号を検出する検出光学系と、前記試料ステージを移動さ
せて前記試料上の領域を前記検出光学系の視野内に位置
付けする位置付け手段と、前記検出光学系に対して前記
試料の表面を自動焦点合わせをする自動焦点合わせ手段
と、前記検出光学系の各イメージセンサから検出された
画像信号に対して第1及び第2のパターンに対応する画
像信号を示す範囲を設定することによって第1のパター
ンの画像信号と第2のパターンの画像信号とを抽出し、
該夫々抽出された第1のパターンの画像信号から第1の
パターンの中心位置を算出し、抽出された第2のパター
ンの画像信号から第2のパターンの中心位置を算出し、
該算出された第1のパターンの中心と第2のパターンの
中心との間の寸法に対して前記検出光学系の倍率とオフ
セット補正とを施して正確な寸法を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする試料上の高低差のあるパター
ンの寸法測定装置である。
Further, according to the present invention, a sample stage on which a sample having a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined region is placed, and the sample stage is moved to move the region on the sample. Positioning means for positioning within the field of view of the detection optical system, automatic focusing means for automatically focusing the surface of the sample with respect to the detection optical system, and illumination optical system for illuminating an area on the sample, A first optical path and a second optical path having a relay optical system are formed so as to have an optical path length difference, and the first optical path and the second optical path are formed in accordance with a height difference between the first pattern and the second pattern. A birefringent optical element for finely controlling a difference in optical path length between the optical path and the second optical path is provided, and each of the optical images from the first and second patterns is provided by each of the first and second optical paths. Bonded on each of the first and second image sensors. A detection optical system for detecting an image signal from each image sensor, a positioning means for moving the sample stage to position an area on the sample within the visual field of the detection optical system, and the detection optical system. Automatic focusing means for automatically focusing the surface of the sample, and a range indicating image signals corresponding to the first and second patterns with respect to the image signals detected by the image sensors of the detection optical system are set. To extract the image signal of the first pattern and the image signal of the second pattern,
The center position of the first pattern is calculated from the image signals of the extracted first patterns, and the center position of the second pattern is calculated from the image signals of the extracted second patterns,
And a calculating means for calculating a correct dimension by applying magnification and offset correction of the detection optical system to the calculated dimension between the center of the first pattern and the center of the second pattern. A dimension measuring apparatus for a pattern having a height difference on a sample, which is characterized in that

【0010】また本発明は、所定の領域に高低差のある
第1のパターンと第2のパターンとを形成した試料を載
置する試料ステージと、前記試料上の領域を照明する照
明光学系と、互いに光路長差を有する第1の光路と第2
の光路とを形成し、前記第1のパターンと第2のパター
ンとの間の高低差に応じて前記第1の光路と第2の光路
との間の光路長差を微制御する微制御光学系を備え、前
記第1及び第2のパターンからの光像の各々を前記第1
及び第2の光路の各々によりイメージセンサ上に結像さ
せて該イメージセンサから画像信号を検出する検出光学
系と、前記試料ステージを移動させて前記試料上の領域
を前記検出光学系の視野内に位置付けする位置付け手段
と、前記検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点
合わせをする自動焦点合わせ手段と、前記検出光学系の
イメージセンサから検出された画像信号に対して第1及
び第2のパターンに対応する画像信号を示す範囲を設定
することによって第1のパターンの画像信号と第2のパ
ターンの画像信号とを抽出し、該夫々抽出された第1の
パターンの画像信号を第1のパターンのデジタル画像信
号に変換して対称性パターンマッチング処理によって第
1のパターンの中心位置を算出し、抽出された第2のパ
ターンの画像信号から第2のパターンのデジタル画像信
号に変換して対称性パターンマッチング処理によって第
2のパターンの中心位置を算出し、該算出された第1の
パターンの中心と第2のパターンの中心との間の寸法に
対して前記検出光学系の倍率とオフセット補正とを施し
て正確な寸法を算出する算出手段とを備えたことを特徴
とする試料上の高低差のあるパターンの寸法測定装置で
ある。
Further, according to the present invention, there is provided a sample stage on which a sample having a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined area is placed, and an illumination optical system for illuminating an area on the sample. , A first optical path and a second optical path having an optical path length difference from each other
And fine control optics for finely controlling the optical path length difference between the first optical path and the second optical path according to the height difference between the first pattern and the second pattern. A system, wherein each of the light images from the first and second patterns is transferred to the first
And a detection optical system that forms an image on the image sensor by each of the second optical paths and detects an image signal from the image sensor, and the sample stage is moved so that an area on the sample is within the visual field of the detection optical system. Positioning means for positioning the sample surface, automatic focusing means for automatically focusing the surface of the sample with respect to the detection optical system, and first and second image signals detected by the image sensor of the detection optical system. The image signal of the first pattern and the image signal of the second pattern are extracted by setting the range indicating the image signal corresponding to the second pattern, and the image signals of the first patterns extracted respectively are The image signal of the second pattern extracted by converting the digital image signal of the first pattern and calculating the center position of the first pattern by symmetric pattern matching processing. To a digital image signal of the second pattern and calculates the center position of the second pattern by symmetric pattern matching processing, and calculates the center position of the second pattern between the calculated center of the first pattern and the center of the second pattern. The dimension measuring apparatus for a pattern having a height difference on a sample, further comprising: a calculating unit that performs the magnification of the detection optical system and the offset correction with respect to the dimension to calculate an accurate dimension.

【0011】また本発明は、所定の領域に高低差のある
第1のパターンと第2のパターンとを形成した試料を載
置する試料ステージと、前記試料ステージを移動させて
前記試料上の領域を検出光学系の視野内に位置付けする
位置付け手段と、検出光学系に対して前記試料の表面を
自動焦点合わせをする自動焦点合わせ手段と、前記試料
上の領域を照明する照明光学系と、互いに光路長差を有
するようにリレー光学系を備えた第1の光路と第2の光
路とを形成し、前記第1のパターンと第2のパターンと
の間の高低差に応じて前記第1の光路と第2の光路との
間の光路長差を微制御する複屈折光学素子を備え、前記
第1及び第2のパターンからの光像の各々を前記第1及
び第2の光路の各々により第1及び第2のイメージセン
サの各々の上に結像させて各イメージセンサから画像信
号を検出する検出光学系と、前記試料ステージを移動さ
せて前記試料上の領域を前記検出光学系の視野内に位置
付けする位置付け手段と、前記検出光学系に対して前記
試料の表面を自動焦点合わせをする自動焦点合わせ手段
と、前記検出光学系の各イメージセンサから検出された
画像信号に対して第1及び第2のパターンに対応する画
像信号を示す範囲を設定することによって第1のパター
ンの画像信号と第2のパターンの画像信号とを抽出し、
該夫々抽出された第1のパターンの画像信号を第1のパ
ターンのデジタル画像信号に変換して対称性パターンマ
ッチング処理によって第1のパターンの中心位置を算出
し、抽出された第2のパターンの画像信号から第2のパ
ターンのデジタル画像信号に変換して対称性パターンマ
ッチング処理によって第2のパターンの中心位置を算出
し、該算出された第1のパターンの中心と第2のパター
ンの中心との間の寸法に対して前記検出光学系の倍率と
オフセット補正とを施して正確な寸法を算出する算出手
段とを備えたことを特徴とする試料上の高低差のあるパ
ターンの寸法測定装置である。
Further, according to the present invention, a sample stage on which a sample having a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined area is placed, and the sample stage is moved to move the area on the sample. Positioning means for positioning within the field of view of the detection optical system, automatic focusing means for automatically focusing the surface of the sample with respect to the detection optical system, and illumination optical system for illuminating an area on the sample, A first optical path and a second optical path having a relay optical system are formed so as to have an optical path length difference, and the first optical path and the second optical path are formed in accordance with a height difference between the first pattern and the second pattern. A birefringent optical element for finely controlling a difference in optical path length between the optical path and the second optical path is provided, and each of the optical images from the first and second patterns is provided by each of the first and second optical paths. Bonded on each of the first and second image sensors. A detection optical system for detecting an image signal from each image sensor, a positioning means for moving the sample stage to position an area on the sample within the visual field of the detection optical system, and the detection optical system. Automatic focusing means for automatically focusing the surface of the sample, and a range indicating image signals corresponding to the first and second patterns with respect to the image signals detected by the image sensors of the detection optical system are set. To extract the image signal of the first pattern and the image signal of the second pattern,
The extracted image signals of the first pattern are converted into digital image signals of the first pattern, the center position of the first pattern is calculated by the symmetric pattern matching process, and the extracted second pattern of the second pattern is calculated. The image signal is converted into a digital image signal of the second pattern, the center position of the second pattern is calculated by symmetric pattern matching processing, and the calculated center of the first pattern and the center of the second pattern are calculated. A dimension measuring apparatus for a pattern having a height difference on a sample, characterized by comprising a calculating means for performing a magnification of the detection optical system and an offset correction for a dimension between is there.

【0012】[0012]

【作用】前記構成により、高段差化した複数のパターン
を有する試料に対してこれらパターン間の寸法を簡単な
構成により、高精度に測定することができる。また前記
構成により、LSIウエハ等のパターンの微細化に伴っ
て高段差化された下地の基準パターンと、その上に形成
した次の層のパターンをエッチングするためのマスクと
なる測定対象のレジストパターンのずれ精度を10nm
以下の高精度で計測し、プロセス状態の変動をモニタす
ることが可能になった。また前記構成により、多層レジ
ストが使用され、益々高段差化に拍車がかっても下地の
基準パターンと、その上に形成した次の層のパターンを
エッチングするためのマスクとなる測定対象のレジスト
パターンのずれ精度を10nm以下の高精度で再現性を
持って計測することができ、多層レジスト対応のプロセ
ス状態の変動をモニタすることが可能になった。
With the above-mentioned structure, the dimension between these patterns can be measured with high accuracy for a sample having a plurality of patterns with high steps. Further, with the above-described configuration, the reference pattern of the base having a high step height due to the miniaturization of the pattern of the LSI wafer and the resist pattern to be measured serving as a mask for etching the pattern of the next layer formed thereon Deviation accuracy of 10 nm
It has become possible to monitor the process state fluctuations by measuring with the following high precision. Further, with the above-described configuration, a multilayer resist is used, and even if the step height is further increased, the reference pattern of the base and the resist pattern of the measurement object, which serves as a mask for etching the pattern of the next layer formed thereon, are formed. It is possible to measure the deviation accuracy with high accuracy of 10 nm or less and with reproducibility, and it is possible to monitor the variation of the process state corresponding to the multilayer resist.

【0013】[0013]

【実施例】本発明の実施例を図面を用いて説明する。ま
ず、パターンの寸法を計測(測定)しようとする計測対
象について説明する。近年、LSIウエハ等のパターン
は微細化するとともに多層レジストが使用されて益々高
段差化し、各工程の重ね合わせ精度は100nm以下と
厳しくなってきている。本発明に係わるパターン計測方
法及びその装置は、この重ね合わせ精度を計測する目的
で、例えば、図1、図8、図9、図10に示すように、
試料(半導体ウエハ)上に形成された計測対象(計測パ
ターン)100である下地の基準パターン(基準マー
ク)101とその上に形成した次の層のパターンをエッ
チングするためのマスクとなる測定対象のレジストパタ
ーン102とのずれ精度を10nm以下の精度で計測
し、プロセス状態の変動をモニタするものである。そし
て、このモニタ結果が必要に応じて投影露光装置等へフ
ィードバックされる。また、もし、計測されて位置ずれ
が大きい場合には、レジストを取り除く等の作業が行わ
れる。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the measurement target for measuring (measuring) the dimensions of the pattern will be described. In recent years, as patterns of LSI wafers have become finer and multilayer resists have been used, step heights have become higher and higher, and the overlay accuracy in each process has become severe at 100 nm or less. For the purpose of measuring the overlay accuracy, the pattern measuring method and apparatus according to the present invention, for example, as shown in FIG. 1, FIG. 8, FIG. 9, and FIG.
The measurement target (measurement pattern) 100 formed on the sample (semiconductor wafer) is a base reference pattern (reference mark) 101 and the measurement target is a mask for etching the pattern of the next layer formed thereon. The deviation accuracy from the resist pattern 102 is measured with an accuracy of 10 nm or less, and the fluctuation of the process state is monitored. Then, this monitor result is fed back to the projection exposure apparatus or the like as necessary. Further, if the measured position shift is large, the work such as removing the resist is performed.

【0014】次に上記計測対象100に対するパターン
計測について説明する。以下計測対象100として図1
に示す場合について説明する。図2および図3は、本発
明に係わるパターン計測装置の基本構成を示す。図2に
示すパターン計測装置は、光源1を有する照明光学系
2、対物レンズ系3と分岐光学系4と複数焦点位置を持
つ光路長の異なるリレー光学系5a、5bとそれぞれの
光路に対応した複数のイメージセンサ6a,6bと自動
焦点系7とを備えた検出光学系8、移動ステージ9と試
料13を載置する試料台10とを備えたステージ系11
及び画像処理を含めた制御系(コンピュータ)12より
構成される。図3に示すパターン計測装置は、光源1を
有する照明光学系2、対物レンズ系3と分岐光学系4と
光路長の異なる複数の光路14a、14bと合成光学系
15とリレー光学系5と同時に異なる焦点位置の信号を
検出する1つのイメージセンサ6と自動焦点系7とを備
えた検出光学系8、移動ステージ9と試料13を載置す
る試料台10よりなるステージ系11及び画像処理を含
めた制御系(コンピュータ)12より構成される。
Next, the pattern measurement for the measurement object 100 will be described. Hereinafter, FIG.
The case will be described. 2 and 3 show the basic configuration of the pattern measuring apparatus according to the present invention. The pattern measuring apparatus shown in FIG. 2 corresponds to an illumination optical system 2 having a light source 1, an objective lens system 3, a branching optical system 4, relay optical systems 5a and 5b having a plurality of focal positions and different optical path lengths, respectively. A detection optical system 8 including a plurality of image sensors 6a and 6b and an automatic focusing system 7, a stage system 11 including a moving stage 9 and a sample table 10 on which a sample 13 is placed.
And a control system (computer) 12 including image processing. The pattern measuring apparatus shown in FIG. 3 includes an illumination optical system 2 having a light source 1, an objective lens system 3, a branching optical system 4, a plurality of optical paths 14a and 14b having different optical path lengths, a combining optical system 15, and a relay optical system 5. Including a detection optical system 8 having one image sensor 6 for detecting signals at different focus positions and an autofocus system 7, a stage system 11 including a moving stage 9 and a sample stage 10 on which a sample 13 is mounted, and image processing. And a control system (computer) 12.

【0015】まず、図2、図3いずれの場合も、制御系
(コンピュータ)12は、自動焦点系7から得られる対
物レンズ系3に対する試料(半導体ウエハ)13の表面
の自動焦点情報に基づいてステージ系11のZステージ
を駆動制御して試料(半導体ウエハ)13の表面を適切
な焦点位置に微動させてZ軸方向に位置決めする。その
結果、図2の場合は、リレー光学系5aと5bで光路長
が異なるためセンサ6aと6bで同時に異なる焦点位置
の信号を検出することができる。また、図3の場合は、
光路14aと14bで光路長が異なるため合成光学系1
5で合成された光学像は複数の焦点位置を持つことにな
り、センサ6で同時に異なる焦点位置の信号を検出する
ことができる。これにより、同時に測定しているためス
テージは、測定精度より大きな再現で上下しても良く、
検出光学系8は振動していても問題ない。唯一、図2の
場合には光路長の異なるリレー光学系5a、5bとそれ
ぞれの光路に対応した複数のセンサ6a,6b、図3の
場合には光路長の異なる複数の光路14a、14bが各
焦点位置に対して異なる系となっているため振動等の安
定性の影響を受ける。そこで、一定間隔、例えば1時間
または1日等の適切な間隔でセンサ位置変動のオフセッ
ト値を補正する。
First, in both cases of FIG. 2 and FIG. 3, the control system (computer) 12 is based on the autofocus information of the surface of the sample (semiconductor wafer) 13 with respect to the objective lens system 3 obtained from the autofocus system 7. The Z stage of the stage system 11 is drive-controlled to finely move the surface of the sample (semiconductor wafer) 13 to an appropriate focus position and position it in the Z-axis direction. As a result, in the case of FIG. 2, since the optical path lengths of the relay optical systems 5a and 5b are different, the signals of different focus positions can be simultaneously detected by the sensors 6a and 6b. In the case of FIG. 3,
Since the optical paths 14a and 14b have different optical path lengths, the synthetic optical system 1
The optical image synthesized at 5 has a plurality of focal positions, and the sensor 6 can detect signals at different focal positions at the same time. As a result, since the measurement is performed simultaneously, the stage may move up and down with a reproduction greater than the measurement accuracy,
There is no problem even if the detection optical system 8 is vibrating. Only in the case of FIG. 2, the relay optical systems 5a, 5b having different optical path lengths and the plurality of sensors 6a, 6b corresponding to the respective optical paths, and in the case of FIG. 3, the plurality of optical paths 14a, 14b having different optical path lengths are provided. Since the system is different for the focal position, it is affected by stability such as vibration. Therefore, the offset value of the sensor position fluctuation is corrected at regular intervals, for example, at appropriate intervals such as one hour or one day.

【0016】次にイメージセンサ6a,6bの位置の差
のオフセット値βと、倍率補正値Δαの設定方法につい
て説明する。まず、コンピュータ12において、オフセ
ットβを0、倍率補正値Δαを1に設定する。次に校正
用試料(エッチング等で段差を設けたウエハ)を試料台
10に載置して該校正用試料の同じ段差部の間隔を、コ
ンピュータ12における画像処理21において、イメー
ジセンサ6aから出力される検出信号30aとイメージ
センサ6bから出力される検出信号30bとに基づいて
計測して、その間隔比率を算出することによって倍率補
正値Δαを算出することができる。次に、試料(半導体
ウエハ)13または校正用試料を通常の方法で測定す
る。即ち、コンピュータ12における画像処理21にお
いて、センサ6aから出力される検出信号30aに基づ
いてセンサ6a上での基準マーク101の位置をCa
0、センサ6bから出力される検出信号30bに基づい
てセンサ6b上でのレジストパターン102の位置をC
b0として測定する。このとき、基準マーク101に対
するレジストパターン102の相対的位置ずれである測
定値δ0は、次の(数1)式の関係を有することにな
る。 δ0=((Ca0−Cb0)*Δα)+β (数1) ここで、αは倍率、Δαは倍率補正値(倍率のずれ:倍
率の微変動)(テレセントリックな検出光学系を用いる
場合、Δαはないものとして算出処理をすることができ
る。)、βはセンサの相対的位置ずれのパラメータ、即
ちオフセット値である。
Next, a method of setting the offset value β of the difference between the positions of the image sensors 6a and 6b and the magnification correction value Δα will be described. First, in the computer 12, the offset β is set to 0 and the magnification correction value Δα is set to 1. Next, the calibration sample (wafer having a step formed by etching or the like) is placed on the sample table 10, and the interval between the same step portions of the calibration sample is output from the image sensor 6a in the image processing 21 of the computer 12. The magnification correction value Δα can be calculated by measuring based on the detection signal 30a and the detection signal 30b output from the image sensor 6b and calculating the interval ratio. Next, the sample (semiconductor wafer) 13 or the calibration sample is measured by a usual method. That is, in the image processing 21 in the computer 12, the position of the reference mark 101 on the sensor 6a is determined based on the detection signal 30a output from the sensor 6a.
0, the position of the resist pattern 102 on the sensor 6b is C based on the detection signal 30b output from the sensor 6b.
Measure as b0. At this time, the measured value δ0, which is the relative displacement of the resist pattern 102 with respect to the reference mark 101, has the relationship of the following (Equation 1). δ0 = ((Ca0-Cb0) * Δα) + β (Equation 1) where α is the magnification, Δα is the magnification correction value (magnification deviation: slight variation in magnification) (when a telecentric detection optical system is used, Δα is The calculation process can be performed assuming that there is no sensor), and β is a parameter of the relative displacement of the sensor, that is, an offset value.

【0017】次に、試料(半導体ウエハ)13または校
正用試料を180度回転して同様な測定を行う。即ち、
コンピュータ12における画像処理21において、セン
サ6aから出力される検出信号30aに基づいてセンサ
6a上での基準マーク101の位置をCa1、センサ6
bから出力される検出信号30bに基づいてセンサ8b
上でのレジストパターン102の位置をCb1として測
定する。このとき、基準マーク101に対するレジスト
パターン102の相対的位置ずれである測定値δ1は、
次の(数2)式の関係を有することになる。 δ1=((Ca1−Cb1)*Δα)+β (数2) ここで、Δα及びβは上記(数1)式の値と同じ値をと
ることになる。ところで、上記センサ6aとセンサ6b
とは固定されている関係で、δ0とδ1は同一の試料
(試料(半導体ウエハ)13または校正用試料)を18
0回転させただけなので、相対位置ずれの絶対値は同じ
で、符号が反転したものとなる。その結果、δ0+δ1
=0となる。そこで、βの値は、次の(数3)式で求ま
る。
Next, the sample (semiconductor wafer) 13 or the calibration sample is rotated 180 degrees and the same measurement is performed. That is,
In the image processing 21 of the computer 12, the position of the reference mark 101 on the sensor 6a is set to Ca1, the sensor 6 is set to the sensor 6 based on the detection signal 30a output from the sensor 6a.
The sensor 8b based on the detection signal 30b output from b
The position of the resist pattern 102 above is measured as Cb1. At this time, the measured value δ1, which is the relative displacement of the resist pattern 102 with respect to the reference mark 101, is
The relationship of the following (Equation 2) is obtained. δ1 = ((Ca1-Cb1) * Δα) + β (Equation 2) Here, Δα and β take the same values as the values of the above (Equation 1). By the way, the sensor 6a and the sensor 6b
Is a fixed relationship, and δ0 and δ1 are the same sample (sample (semiconductor wafer) 13 or calibration sample) 18
Since only 0 rotations have been made, the absolute value of the relative positional deviation is the same, and the sign is inverted. As a result, δ0 + δ1
= 0. Therefore, the value of β is obtained by the following equation (3).

【0018】 β=−0.5*((Ca0−Cb0)+(Ca1−Cb1))*Δα (数3) 従って、倍率補正値Δαは、前述したように算出されて
いるので、コンピュータ12は、上記(数3)式に基づ
いて、センサ相対的位置ずれ量のパラメータβを算出す
ることができる。つまり、オフセット値βを算出するこ
とができる。
Β = −0.5 * ((Ca0−Cb0) + (Ca1−Cb1)) * Δα (Equation 3) Therefore, the magnification correction value Δα is calculated as described above, so the computer 12 The parameter β of the sensor relative position deviation amount can be calculated based on the above equation (3). That is, the offset value β can be calculated.

【0019】次に、図2に示した基本構成に対応した本
発明の実施例を図4を用いて説明する。即ち、図4は、
LSIウエハの重ね合わせ用のパターン計測装置の一実
施例を示す全体構成図である。このパターン計測装置
は、試料13を照明するための照明光源1と集光レンズ
25とを有する照明光学系2、検出光学系8、移動ステ
ージ9と試料13を載置する試料台10とよりなるステ
ージ系11及び画像処理21を含む制御系(コンピュー
タ)12で構成されている。上記検出光学系8は、対物
レンズ23とハーフミラー24とから構成された対物レ
ンズ系3と、ビームスプリッタである分岐光学系4と、
複数の焦点位置を持つように光路長を異ならしめ、光路
長微調整用組み楔16を含むリレー光学系5a、5b
と、それぞれの光路に対応した同期信号を共通化した2
個のTVカメラであるイメージセンサ6a,6bと、エ
アマイクロよりなる自動焦点系7とを備えている。
Next, an embodiment of the present invention corresponding to the basic structure shown in FIG. 2 will be described with reference to FIG. That is, in FIG.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an embodiment of a pattern measuring device for overlaying LSI wafers. This pattern measuring apparatus includes an illumination optical system 2 having an illumination light source 1 for illuminating the sample 13 and a condenser lens 25, a detection optical system 8, a moving stage 9 and a sample table 10 on which the sample 13 is mounted. It is composed of a control system (computer) 12 including a stage system 11 and image processing 21. The detection optical system 8 includes an objective lens system 3 including an objective lens 23 and a half mirror 24, a branching optical system 4 which is a beam splitter,
Relay optical systems 5a and 5b, which have different optical path lengths so as to have a plurality of focal points and include a wedge 16 for fine adjustment of the optical path length.
And a common sync signal corresponding to each optical path 2
Image sensors 6a and 6b, which are individual TV cameras, and an autofocus system 7 including an air micro are provided.

【0020】なお、41は出力手段で、計測されたデー
タを出力するものである。42はキーボード等で構成さ
れた入力手段で、コンピュータ12に画像処理する際の
計算範囲61、62を指定したり、試料(半導体ウエ
ハ)13上に形成された基準マーク101及びレジスト
パターン102の設計情報を含めて該試料の品種の情報
を基準マーク101及びレジストパターン102の設計
情報と対応させることができるように入力するものであ
る。更に入力手段42は、コンピュータ12に検出光学
系8の設計情報や画像処理のプログラムを入力する。4
3はディスプレイで、センサ6、6a,6bで検出され
た検出信号30、30a,30b及び入力手段42で入
力された計算範囲61、62等を表示するものである。
44は外部記憶装置で、上記入力手段42またはフロッ
ピ41等で入力されたコンピュータ12に検出光学系8
の設計情報や試料(半導体ウエハ)13上に形成された
基準マーク101及びレジストパターン102の設計情
報等のデータを記憶するものである。コンピュータ12
内には、CPU及びプログラム等を記憶するメモリがあ
り、制御を行うとともに、画像処理21においてセンサ
6、6a,6bで検出された検出信号30、30a,3
0bをもとに演算処理を施して基準マーク101に対す
るレジストパターン102のずれ量を10nm以下の精
度で算出する。そして、この算出された結果を、出力手
段41によって出力したり、或いは直接投影露光装置に
ネットワーク46を介して出力してもよい。
Reference numeral 41 is an output means for outputting measured data. Reference numeral 42 designates an input means composed of a keyboard or the like for designating calculation ranges 61 and 62 for image processing on the computer 12 and designing a reference mark 101 and a resist pattern 102 formed on a sample (semiconductor wafer) 13. The information including the information of the kind of the sample is input so that it can be associated with the design information of the reference mark 101 and the resist pattern 102. Further, the input means 42 inputs the design information of the detection optical system 8 and the image processing program into the computer 12. Four
A display 3 displays the detection signals 30, 30a, 30b detected by the sensors 6, 6a, 6b and the calculation ranges 61, 62 input by the input means 42.
Reference numeral 44 is an external storage device, and the detection optical system 8 is input to the computer 12 input by the input means 42 or the floppy 41.
Of the reference mark 101 and the resist pattern 102 formed on the sample (semiconductor wafer) 13 and the like. Computer 12
There is a CPU, a memory for storing programs, and the like therein, which controls the detection signals 30, 30a, 3 detected by the sensors 6, 6a, 6b in the image processing 21.
The amount of deviation of the resist pattern 102 with respect to the reference mark 101 is calculated with an accuracy of 10 nm or less by performing arithmetic processing based on 0b. Then, the calculated result may be output by the output unit 41 or may be directly output to the projection exposure apparatus via the network 46.

【0021】次にパターン計測装置の動作について説明
する。まず、試料台10上には、例えば、図1に示すよ
うな下地の基準パターン(基準マーク)101上に測定
対象のレジストパターン102が形成された計測対象1
00の試料が、例えば基準面にオリフラを合わせより回
転方向(θ方向)にずれが生じないようにして載置され
る。なお、試料台10上に載置される計測対象(試料)
100には、レジストパターン102の厚さや自動焦点
系7で合わされる試料の表面状態が異なる様々な品種が
考えられる。そこで、コンピュータ12には、上記の如
く、計測対象(試料)100が試料台10上に載置され
るのにあわせて、入力手段42によって計測対象(試
料)100の品種の情報が入力される。すると、コンピ
ュータ12は、外部記憶装置44に記憶された品種に対
応した試料(半導体ウエハ)13上に形成された基準マ
ーク101及びレジストパターン102の設計情報に基
づいて、基準マーク101とレジストパターン102と
の標準の段差H0に対する品種に対応した基準マーク1
01とレジストパターン102との段差の変化ΔHを算
出し、この算出された品種に対応した段差の変化ΔHに
対応する光路長微調整用組み楔16の厚さを算出する。
リレー光学系5a,5bとの間の光路長の差は、基準マ
ーク101とレジストパターン102との標準の段差H
0に対応するように構成されている。従って、コンピュ
ータ12は、リレー光学系5aとリレー光学系5bとの
間において、試料13の品種に応じた基準マーク101
とレジストパターン102の段差に相当する光路長の差
が得られるように光路長微調整用組み楔16の厚さを調
整(制御)すると共に、エアマイクロである自動焦点系
7の焦点オフセット値を調整(制御)する。即ち、自動
焦点系7は、計測対象100に対する複数の焦点位置の
合わせであるため、計測対象100の品種に応じて自動
焦点系7の焦点オフセット値も合わせる必要がある。そ
こで、コンピュータ12は、外部記憶装置44に記憶さ
れた品種に対応した試料(半導体ウエハ)13上に計測
対象100の設計情報に基づいて、標準の計測対象10
0に対する品種に対応した自動焦点系7の焦点オフセッ
ト値を算出することによって自動焦点系7の焦点オフセ
ット値を調整(制御)することができる。
Next, the operation of the pattern measuring device will be described. First, on the sample table 10, for example, a measurement target 1 in which a resist pattern 102 to be measured is formed on a base reference pattern (reference mark) 101 as shown in FIG.
The sample No. 00 is placed, for example, by aligning the orientation flat with the reference plane so as not to cause a deviation in the rotation direction (θ direction). The measurement target (sample) placed on the sample table 10
As 100, various types in which the thickness of the resist pattern 102 and the surface state of the sample to be matched by the autofocus system 7 are different can be considered. Therefore, as described above, the information of the type of the measurement target (sample) 100 is input to the computer 12 by the input means 42 in accordance with the measurement target (sample) 100 being placed on the sample table 10. . Then, the computer 12 causes the reference mark 101 and the resist pattern 102 to be based on the design information of the reference mark 101 and the resist pattern 102 formed on the sample (semiconductor wafer) 13 corresponding to the type stored in the external storage device 44. Standard mark 1 corresponding to the standard step difference H0 with
01, the change ΔH in the level difference between the resist pattern 102 and the resist pattern 102 is calculated, and the thickness of the optical path length fine adjustment assembly wedge 16 corresponding to the calculated change ΔH in the level corresponding to the product type is calculated.
The difference in optical path length between the relay optical systems 5a and 5b is the standard step H between the reference mark 101 and the resist pattern 102.
It is configured to correspond to 0. Therefore, the computer 12 sets the reference mark 101 according to the type of the sample 13 between the relay optical system 5a and the relay optical system 5b.
And the thickness of the optical path length fine adjustment wedge 16 is adjusted (controlled) so as to obtain a difference in optical path length corresponding to the step of the resist pattern 102, and the focus offset value of the automatic focusing system 7 which is an air micro is adjusted. Adjust (control). That is, since the autofocus system 7 is for adjusting a plurality of focus positions with respect to the measurement target 100, it is necessary to adjust the focus offset value of the autofocus system 7 according to the type of the measurement target 100. Therefore, the computer 12 sets the standard measurement target 10 based on the design information of the measurement target 100 on the sample (semiconductor wafer) 13 corresponding to the type stored in the external storage device 44.
The focus offset value of the autofocus system 7 can be adjusted (controlled) by calculating the focus offset value of the autofocus system 7 corresponding to 0 for the product type.

【0022】次に、コンピュータ12は、計測対象10
0の設計情報に基づいて、移動ステージ9の移動を制御
して、試料台10上に載置された試料(半導体ウエハ)
の計測対象100の中心がほぼ検出光学系8の光軸に位
置する。次にイメージセンサ6aからは、図5に示すよ
うな検出信号30aが検出されて、コンピュータ12の
画像処理21に入力される。コンピュータ12の画像処
理21において、上記検出された検出信号30a’を、
例えばディジタル信号に変換して所定の閾値で2値化信
号に変換し、その2値化信号の中心を求め、該中心が上
記イメージセンサ6aの検出視野51の中心(検出光学
系8の光軸)にほぼ位置するように、移動ステージ9を
移動させて位置決めする。またコンピュータ12におい
て、検出された検出信号30a’をディスプレイ43に
表示し、表示された検出信号30aの全体の中心が、デ
ィスプレイ43の画面上に設定された検出光学系8の光
軸に対応する基準マークに合わせるように移動ステージ
9を移動させて計測対象100の位置決めを行っても良
い。
Next, the computer 12 displays the measurement object 10
A sample (semiconductor wafer) mounted on the sample table 10 by controlling the movement of the moving stage 9 based on the design information of 0.
The center of the measurement target 100 is located substantially on the optical axis of the detection optical system 8. Next, the detection signal 30a as shown in FIG. 5 is detected from the image sensor 6a and is input to the image processing 21 of the computer 12. In the image processing 21 of the computer 12, the detected signal 30a ′ thus detected is
For example, it is converted into a digital signal and converted into a binarized signal with a predetermined threshold value, the center of the binarized signal is obtained, and the center is the center of the detection visual field 51 of the image sensor 6a (the optical axis of the detection optical system 8). The movable stage 9 is moved and positioned so that the movable stage 9 is almost located at the position (a). In the computer 12, the detected detection signal 30a ′ is displayed on the display 43, and the center of the entire displayed detection signal 30a corresponds to the optical axis of the detection optical system 8 set on the screen of the display 43. The measurement target 100 may be positioned by moving the moving stage 9 so as to match the reference mark.

【0023】次にエアマイクロ等の自動焦点系7から検
出される試料13の表面の焦点情報に基づいて、コンピ
ュータ12はステージ系11のZステージをz軸方向に
微動制御して計測対象100を適切な焦点位置に位置付
ける。次に、照明光学系2で照明された計測対象100
よりの反射光を対物レンズ系3で捉え(集光し)、ハー
フミラーである分岐光学系4で分けてイメージセンサ6
aとイメージセンサ6bとの各々で同時に異なる焦点位
置の基準マーク101とレジストパターン102とを示
す検出信号30aと検出信号30bとを検出する。これ
ら検出された検出信号30a,30bの波形を図6、図
7に示す。図6はイメージセンサ6aで検出した図1の
計測対象100の中心部のX方向の波形、図7はイメー
ジセンサ6bで検出した図1の計測対象100の中心部
のX方向の波形である。イメージセンサ6aでは基準マ
ーク101、イメージセンサ6bはレジストパターン1
02に焦点があっている。
Next, based on the focus information of the surface of the sample 13 detected from the automatic focusing system 7 such as an air micro, the computer 12 finely controls the Z stage of the stage system 11 in the z-axis direction to set the measuring object 100. Position it at the proper focus position. Next, the measurement target 100 illuminated by the illumination optical system 2
The reflected light from the image sensor 6 is captured (focused) by the objective lens system 3 and divided by the branch optical system 4 which is a half mirror.
A and the image sensor 6b simultaneously detect a detection signal 30a and a detection signal 30b indicating the reference mark 101 and the resist pattern 102 at different focus positions. Waveforms of these detected detection signals 30a and 30b are shown in FIGS. 6 is a waveform in the X direction of the central portion of the measurement target 100 in FIG. 1 detected by the image sensor 6a, and FIG. 7 is a waveform in the X direction of the central portion of the measurement target 100 in FIG. 1 detected by the image sensor 6b. The image sensor 6a has the reference mark 101, and the image sensor 6b has the resist pattern 1
The focus is on 02.

【0024】コンピュータ12における画像処理21に
おいて、上記検出信号30a,30bの各々をディジタ
ル信号に変換し、それぞれのマークの中心位置を次に示
す(数4)式に基づいて計算する。なお、(数4)式
は、cを対称の中心位置座標とし、この対称の中心cで
検出信号を折り返して比較して最も一致度が高い対称の
中心位置Cを検出信号の正確な中心位置とする対称性パ
ターンマッチング処理を表すものである。即ち、まず、
折り返し中心cを決め、この折り返し中心cから−xの
f(c−x)と+xのとの差(f(c−x)−f(c+x))
を、設定された計算範囲においてxの値を変えて積分
し、次に折り返し中心cの値を変えて同様に積分し、こ
れら積分された値が最小を示す折り返し中心cをマーク
の中心位置Cとする。
In the image processing 21 of the computer 12, each of the detection signals 30a and 30b is converted into a digital signal, and the center position of each mark is calculated based on the following equation (4). In the equation (4), c is a symmetric center position coordinate, the detection signal is folded back at this symmetric center c and compared, and the symmetric center position C with the highest degree of coincidence is determined as the accurate center position of the detection signal. Is a symmetry pattern matching process. That is, first
The folding center c is determined, and the difference between f (c−x) of −x and + x from this folding center c (f (c−x) −f (c + x))
Is integrated by changing the value of x in the set calculation range, then the value of the folding center c is changed, and the same is integrated, and the folding center c at which the integrated value is the minimum is set at the center position C of the mark. And

【0025】[0025]

【数4】 [Equation 4]

【0026】コンピュータ12における画像処理21に
おいて、基準マーク101の中心位置Caを対称性パタ
ーンマッチング処理を行って計算する際、例えば上記x
のとる範囲の値として入力されて設定された基準マーク
中心位置計算範囲61のデータを用い、レジストパター
ン102の中心位置Cbを対称性パターンマッチング処
理を行って計算する際、例えば上記xのとる範囲の値と
して入力されて設定されたレジストパターン中心位置計
算範囲62のデータを用いる。コンピュータ12におけ
る画像処理21において、計算された基準マーク101
の中心位置はCa、計算されたレジストパターン102
の中心位置はCbとなる。次にコンピュータ12は、次
に示す(数5)式に基づいて、これら基準マーク101
の中心位置Caとレジストパターン102の中心位置C
bとの差に、前述したように算出されたイメージセンサ
6a、6bの位置の差のオフセット値βを差し引き、倍
率補正値(倍率のずれ:倍率の微変動)Δαを補正した
値δが、基準マーク101とレジストパターン102の
X方向のずれ量である。Y方向も同様な方法で計算す
る。 δ=((Ca−Cb)*Δα)+β (数5) これにより、イメージセンサ6a,6b上における基準
マーク101とレジストパターン102とのX及びY方
向のずれ量δを計測することができる。そして試料上に
おけるずれ量は、コンピュータ12において、イメージ
センサ上のずれ量δを検出光学系8の倍率αで割算する
ことによって算出することができる。倍率αが100倍
の場合、イメージセンサ上で1μm以下の精度でずれ量
δを算出できれば、試料上で10nm以下の精度で計測
できることになる。なお、倍率αは、検出光学系8の設
計情報をキーボード等の入力手段42でコンピュータ1
2に入力することによって定められる。またSEM等を
用いて寸法が既知の校正用試料を用いて上記パターン計
測装置により測定された寸法との関係から上記(数5)
式の関係から、倍率α等を算出することもできる。即
ち、これによってコンピュータ12は正確な倍率αを決
定することができる。
In the image processing 21 in the computer 12, when the center position Ca of the reference mark 101 is calculated by performing the symmetric pattern matching processing, for example, the above-mentioned x
When the center position Cb of the resist pattern 102 is calculated by performing the symmetric pattern matching process using the data of the reference mark center position calculation range 61 which is input and set as the value of the range of, The data of the resist pattern center position calculation range 62 input and set as the value of is used. The fiducial mark 101 calculated in the image processing 21 in the computer 12
The center position of Ca is Ca, and the calculated resist pattern 102
The center position of is Cb. Next, the computer 12 calculates the reference marks 101 based on the formula (5) shown below.
Center position Ca of the resist pattern 102 and center position C of the resist pattern 102
The value δ obtained by subtracting the offset value β of the difference between the positions of the image sensors 6a and 6b calculated as described above from the difference with b, and correcting the magnification correction value (magnification deviation: slight variation in magnification) Δα is It is the amount of deviation in the X direction between the reference mark 101 and the resist pattern 102. The Y direction is calculated by the same method. δ = ((Ca−Cb) * Δα) + β (Equation 5) As a result, it is possible to measure the shift amount δ between the reference mark 101 and the resist pattern 102 on the image sensors 6a and 6b in the X and Y directions. The deviation amount on the sample can be calculated by the computer 12 by dividing the deviation amount δ on the image sensor by the magnification α of the detection optical system 8. When the magnification α is 100 times, if the shift amount δ can be calculated on the image sensor with an accuracy of 1 μm or less, the measurement can be performed on the sample with an accuracy of 10 nm or less. It should be noted that the magnification α is obtained by using the input means 42 such as a keyboard to input the design information of the detection optical system 8 to the computer 1.
Determined by entering 2. Further, from the relationship with the dimension measured by the pattern measuring device using a calibration sample whose dimension is known by using SEM or the like, the above (Equation 5)
The magnification α and the like can also be calculated from the relationship of the formula. That is, this allows the computer 12 to determine an accurate magnification α.

【0027】以上により、一つの計測対象100に対す
るパターンのずれが計測される。以降、計測すべき次の
計測対象に移動する。これをくり返し、すべての計測対
象について計測終了後に試料を取り外し、計測を終了す
る。次に第1の変形実施例について説明する。上記セン
サ6a,6bとしてTVカメラを用いる実施例を説明し
たが、TVカメラの代りにX,Y方向に2組みの一次元
のイメージセンサを用いても良い。この変形実施例によ
れば、1画面分の検出時間がTVカメラに比して高速な
ため、高速な計測を実現することができる。
As described above, the deviation of the pattern with respect to one measurement object 100 is measured. After that, it moves to the next measurement target to be measured. This is repeated, and after the measurement is completed for all measurement objects, the sample is removed and the measurement is completed. Next, a first modified example will be described. Although the embodiment in which the TV camera is used as the sensors 6a and 6b has been described, two sets of one-dimensional image sensors in the X and Y directions may be used instead of the TV camera. According to this modified example, since the detection time for one screen is faster than that of a TV camera, high-speed measurement can be realized.

【0028】次に第2の変形実施例について説明する。
上記自動焦点系7としてエアマイクロを用いる実施例を
説明したが、エアマイクロの代わりに三角測量、ぼけの
効果等を応用した光学式の自動焦点系を用いても良い。
この変形実施例によれば、一般にエアマイクロより光学
式のセンサの方が高速なため、高速な計測を実現するこ
とができる。次に第3の変形実施例について説明する。
複数台のTVカメラは近接して設置することによって、
剛性高く保持することができる。または、上記センサ6
a,6bとして、同一のセンサ素子を2分して2枚の像
を1つのセンサで検出するように構成すれば、安定性が
高いため、高精度な計測を実現することができる。
Next, a second modification will be described.
Although the embodiment in which the air micro is used as the auto focus system 7 has been described, an optical auto focus system to which triangulation, blur effect, etc. are applied may be used instead of the air micro.
According to this modified example, since the optical sensor is generally faster than the air micro, high-speed measurement can be realized. Next, a third modified example will be described.
By installing multiple TV cameras close to each other,
The rigidity can be kept high. Alternatively, the sensor 6
If the same sensor element is divided into two as a and 6b and two images are detected by one sensor, stability is high and highly accurate measurement can be realized.

【0029】次に第4の変形実施例について説明する。
リレー光学系5a、5bを、分岐光学系4と対物レンズ
系3の間にリレー光学系5として設置すれば、構成を単
純にすることができる。次に第5の変形実施例について
説明する。リレー光学系5a、5bまたは分岐光学系4
と対物レンズ系3の間に設置したリレー光学系5に、射
出側テレセントリックな光学系を用いる。対物レンズ系
3の入射側は、通常テレセントリックな光学系で形成さ
れている。従って、この実施例の場合、検出光学系8は
両側テレセントリックな光学系で構成されるので、焦点
位置が変化しても倍率が変化しないため高精度な計測を
実現することができる。次に第6の変形実施例について
説明する。初期設定として光路長微調整用組み楔16を
用いて光路長差を設定するのではなく、コンピュータ1
2は、光路長微調整用組み楔16を制御しながら、計測
パターン検出時に検出信号30a,30bをディスプレ
イ43に表示するなどして検出信号波形の状態を調べ
て、最適な光路長差を設定する。この実施例によれば、
計測対象の段差が変化しても追従できるため高精度な計
測を実現することができる。即ち、品種毎に基準マーク
101とレジストパターン102の段差合わせて光路長
調整用組み楔16の厚さを、調整しておくことができ、
各種段差を持ったパターンに対応可能となる。またエア
マイクロである自動焦点系7の焦点オフセット値を調整
しておくことにより、各種段差を持ったパターンに対応
可能となる。以上説明した実施例によれば、高段差試料
の高精度計測と装置価格の低減とを実現することができ
る。また、いずれの場合も複数の焦点位置の画像は重な
っておらず、性能低下の心配もない。更に、複数のセン
サの相対的位置変動に対しても補正動作を行っており、
安定に性能を維持することができる。
Next, a fourth modification will be described.
If the relay optical systems 5a and 5b are installed as the relay optical system 5 between the branch optical system 4 and the objective lens system 3, the configuration can be simplified. Next, a fifth modified example will be described. Relay optical system 5a, 5b or branch optical system 4
An exit side telecentric optical system is used as the relay optical system 5 installed between the objective lens system 3 and the objective lens system 3. The incident side of the objective lens system 3 is usually formed by a telecentric optical system. Therefore, in the case of this embodiment, since the detection optical system 8 is constituted by the both-side telecentric optical system, the magnification does not change even if the focal position changes, so that highly accurate measurement can be realized. Next, a sixth modified example will be described. Instead of setting the optical path length difference using the optical path length fine adjustment wedge 16 as the initial setting, the computer 1
The reference numeral 2 sets the optimum optical path length difference by controlling the optical path length fine adjustment wedge 16 and checking the detection signal waveform state by displaying the detection signals 30a and 30b on the display 43 when detecting the measurement pattern. To do. According to this embodiment,
Even if the step of the measurement target changes, it is possible to follow, so that highly accurate measurement can be realized. In other words, the thickness of the optical path length adjusting wedge 16 can be adjusted by adjusting the step difference between the reference mark 101 and the resist pattern 102 for each product type.
It is possible to support patterns with various steps. Further, by adjusting the focus offset value of the automatic focusing system 7 which is an air micro, it is possible to cope with a pattern having various steps. According to the embodiment described above, it is possible to realize highly accurate measurement of a high step sample and reduction of the device cost. Further, in both cases, images at a plurality of focal positions do not overlap each other, and there is no fear of performance deterioration. Furthermore, correction operation is also performed for relative position fluctuations of multiple sensors,
The performance can be maintained stably.

【0030】次に図3に示す本発明の基本構成に対応す
る本発明の他の実施例を図11を用いて説明する。即
ち、パターン計測装置は、試料13を照明するための照
明光源1と集光レンズ25とを有する照明光学系2、検
出光学系8、移動ステージ9と計測対象100を形成し
た試料13を載置する試料台10とよりなるステージ系
11及び画像処理21を有する制御系(コンピュータ)
12で構成される。検出光学系8は、対物レンズ23と
ハーフミラー24とを有する対物レンズ系3と、ビーム
スプリッタである分岐光学系4と、該分岐光学系4で分
岐され、互いに光路長が異なり、光路長微調整用組み楔
16を含む複数の光路14a,14bと、ミラーである
合成光学系15と、リレー光学系5と、TVカメラであ
るセンサ6と、エアマイクロよりなる自動焦点系7とよ
り構成される。なお、26、27は光路14a,14b
を形成するためのミラーである。
Next, another embodiment of the present invention corresponding to the basic configuration of the present invention shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG. That is, the pattern measuring apparatus mounts the illumination optical system 2 having the illumination light source 1 for illuminating the sample 13 and the condenser lens 25, the detection optical system 8, the moving stage 9 and the sample 13 on which the measurement target 100 is formed. Control system (computer) having a stage system 11 including the sample table 10 and an image processing 21
It consists of 12. The detection optical system 8 includes an objective lens system 3 having an objective lens 23 and a half mirror 24, a branching optical system 4 which is a beam splitter, and a branching optical system 4 which is branched and has different optical path lengths. It is composed of a plurality of optical paths 14a and 14b including adjusting wedges 16, a synthetic optical system 15 which is a mirror, a relay optical system 5, a sensor 6 which is a TV camera, and an autofocus system 7 which is an air micro. It Incidentally, 26 and 27 are optical paths 14a and 14b.
Is a mirror for forming.

【0031】本実施例は、図3に示す実施例と検出光学
系8の構成が相違するのみで、基準マーク101とレジ
ストパターン102とのずれ量の計測は、図3に示す実
施例と同様に行われる。即ち、試料(半導体ウエハ)1
3に形成された計測対象100の品種毎に、コンピュー
タ12は、2個の光路14aと光路14bとの間におい
て予め決められた量だけ、基準マーク101とレジスト
パターン102との段差に相当する光路長差を持つよう
に光路長調整用組み楔16の厚さを調整(制御)し、エ
アマイクロである自動焦点系7の焦点オフセット値を算
出して焦点オフセットを調整しておく。次に、試料13
を試料台10に搭載し、移動ステージ9を移動させて計
測対象100のある位置に移動させる。次にコンピュー
タ12は、自動焦点系7で検出される自動焦点情報に基
づいてステージ系11のZステージをZ軸方向に微動さ
せて試料13上の計測対象100を適切な焦点位置に位
置付ける。次に、照明光学系2で照明された試料13上
の計測対象100よりの反射光を対物レンズ系3で集光
する(捉える)。そして、ビームスプリッタである分岐
光学系4で分けて2個の光路14aと14bを通過し、
ミラーである合成光学系15でこれら光路長の異なる光
を合成し、リレー光学系5を介してイメージセンサ6で
同時に異なる焦点位置の検出信号30を検出する。コン
ピュータ12の画像処理21において、前記検出信号3
0を元に基準マーク101とレジストパターン102と
のX及びY方向のずれ量δを、前記(数4)式及び(数
5)式に基づいて計算(計測)する。以降、計測すべき
次の計測対象に移動する。これをくり返し、すべての計
測対象の計測終了後に、試料を取り外し、計測を終了す
る。
The present embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 3 only in the configuration of the detection optical system 8, and the measurement of the deviation amount between the reference mark 101 and the resist pattern 102 is the same as the embodiment shown in FIG. To be done. That is, the sample (semiconductor wafer) 1
For each product type of the measurement target 100 formed in No. 3, the computer 12 uses the optical path corresponding to the step between the reference mark 101 and the resist pattern 102 by a predetermined amount between the two optical paths 14a and 14b. The thickness of the optical path length adjusting wedge 16 is adjusted (controlled) so as to have a difference in length, and the focus offset value of the autofocus system 7 which is an air micro is calculated to adjust the focus offset. Next, sample 13
Is mounted on the sample table 10 and the moving stage 9 is moved to a position where the measurement target 100 is located. Next, the computer 12 finely moves the Z stage of the stage system 11 in the Z axis direction based on the autofocus information detected by the autofocus system 7 to position the measurement target 100 on the sample 13 at an appropriate focus position. Next, the reflected light from the measurement target 100 on the sample 13 illuminated by the illumination optical system 2 is condensed (captured) by the objective lens system 3. Then, the light is split by the branch optical system 4 which is a beam splitter and passes through the two optical paths 14a and 14b,
The combining optical system 15 which is a mirror combines these lights having different optical path lengths, and the image sensor 6 simultaneously detects the detection signals 30 of different focal positions via the relay optical system 5. In the image processing 21 of the computer 12, the detection signal 3
Based on 0, the shift amount δ between the reference mark 101 and the resist pattern 102 in the X and Y directions is calculated (measured) based on the equations (4) and (5). After that, it moves to the next measurement target to be measured. This is repeated, and after the measurement of all the measurement objects is completed, the sample is removed and the measurement is completed.

【0032】ところで、本実施例の場合、一つのセンサ
6で検出するため、センサにおいて相対位置の変動をな
くすことができる。そして本実施例の場合、検出された
各焦点位置のパターンはセンサ6上で互いに重ならない
ように工夫されている。図1に示す計測対象100に対
するセンサ6で検出される検出信号30の波形を図12
に示す。図12は、センサ6で検出した図1に示す計測
対象100の中心部のX方向の信号波形である。光路1
4aを通過した光は基準マーク101に焦点があってお
り、光路14bを通過した光はレジストパターン102
に焦点があっている。センサ6で検出した信号波形は、
これらの和であり、基準マーク101とレジストパター
ン102のいずれにもある程度焦点が合っている。コン
ピュータ12の画像処理21は、この波形よりそれぞれ
のマークの中心位置を前記した(数4)式で計算する。
このとき、基準マーク101の中心位置Caは、コンピ
ュータ12において算出設定される基準マーク中心位置
計算範囲122のデータを用い、レジストパターン10
2の中心位置Cbは、コンピュータ12において算出設
定されるレジストパターン中心位置計算範囲121のデ
ータを用いて計算する。これら基準マーク中心位置計算
範囲122及びレジストパターン中心位置計算範囲12
1は、(数4)式におけるxのとる値の範囲を示す。計
算した基準マーク101の中心位置をCa、レジストパ
ターン102の中心位置Cbとする。そしてコンピュー
タ12は、前記(数5)式に基づいて、これらマーク位
置の差(Ca−Cb)に光路14a、14bの位置の差
のオフセット値βを差し引き、倍率補正値(倍率の違
い)Δαを補正して、基準マーク101とレジストパタ
ーン102のX方向のずれ量δを算出する。Y方向も同
様な方法で計算する。
By the way, in the case of this embodiment, since the detection is performed by one sensor 6, it is possible to eliminate the fluctuation of the relative position in the sensor. In the case of the present embodiment, the patterns of the detected focus positions are devised so that they do not overlap each other on the sensor 6. FIG. 12 shows the waveform of the detection signal 30 detected by the sensor 6 for the measurement target 100 shown in FIG.
Shown in FIG. 12 is a signal waveform in the X direction at the center of the measurement target 100 shown in FIG. 1 detected by the sensor 6. Light path 1
The light passing through 4a is focused on the reference mark 101, and the light passing through the optical path 14b is reflected by the resist pattern 102.
Is focused on. The signal waveform detected by the sensor 6 is
It is the sum of these, and both the reference mark 101 and the resist pattern 102 are in focus to some extent. The image processing 21 of the computer 12 calculates the center position of each mark from this waveform by the above-mentioned equation (4).
At this time, for the center position Ca of the reference mark 101, the data of the reference mark center position calculation range 122 calculated and set by the computer 12 is used, and the resist pattern 10 is used.
The center position Cb of 2 is calculated using the data of the resist pattern center position calculation range 121 calculated and set in the computer 12. These reference mark center position calculation range 122 and resist pattern center position calculation range 12
1 indicates the range of the value of x in the equation (4). The calculated center position of the reference mark 101 is Ca and the center position Cb of the resist pattern 102 is set. Then, the computer 12 subtracts the offset value β of the difference between the positions of the optical paths 14a and 14b from the difference between the mark positions (Ca-Cb) based on the equation (5) to obtain a magnification correction value (difference in magnification) Δα. Is corrected to calculate the shift amount δ between the reference mark 101 and the resist pattern 102 in the X direction. The Y direction is calculated by the same method.

【0033】次に第1の変形実施例について説明する。
センサ6がTVカメラである実施例の代りにX,Y方向
にそれぞれ一次元のイメージセンサを用いても良い。こ
の実施例の場合、X方向はセンサ1本で、2つの焦点位
置の画像を検出できる。これに対してY方向は2本のセ
ンサを用いることで、それぞれの焦点位置の画像を検出
することができる。この実施例によれば、1画面分の検
出時間がTVカメラに比して高速なため、高速な計測を
実現することができる。
Next, a first modified embodiment will be described.
Instead of the embodiment in which the sensor 6 is a TV camera, a one-dimensional image sensor in each of the X and Y directions may be used. In the case of this embodiment, one sensor in the X direction can detect images at two focal positions. On the other hand, by using two sensors in the Y direction, it is possible to detect an image at each focus position. According to this embodiment, since the detection time for one screen is faster than that of a TV camera, high-speed measurement can be realized.

【0034】次に第2の変形実施例について説明する。
自動焦点系7としてエアマイクロの実施例の代わりに三
角測量、ぼけの効果等を応用した光学式の自動焦点系を
用いても良い。この実施例によれば、一般にエアマイク
ロより光学式のセンサの方が高速なため、高速な計測を
実現することができる。次に第3の変形実施例について
説明する。合成光学系15としてビームスプリッタの実
施例の代りに結像位置とほぼ共役な位置に置いた基準マ
ークの部分だけを通過するよう穴を開けたミラーを用い
ても良い。この実施例によれば、基準マーク101とレ
ジストパターン102のいずれにも正確に焦点が合って
いるため、正確計測することができる。但し、異なる各
種計測対象に対応するにはミラーを切り替える必要があ
る。本実施例においても、品種毎に基準マーク101と
レジストパターン102との段差合わせて光路長調整用
組み楔16の厚さ、エアマイクロである自動焦点系7の
焦点オフセットを調整しておくことができ、各種段差を
持った計測対象(計測パターン)に対応可能となる。ま
た、1個のセンサ6で信号波形を検出しているためセン
サの構成を簡素化することができる。次に、本発明に係
わる他の実施例を図13を用いて説明する。パターン計
測装置は、試料13を照明するための光源1と集光レン
ズ25とを有する照明光学系2、検出光学系8、移動ス
テージ9と試料台10よりなるステージ系11及び画像
処理21を有する制御系(コンピュータ)12で構成さ
れる。検出光学系8は、対物レンズ23とハーフミラー
24とを有する対物レンズ系3と、部分的に厚さが異な
る複数の硝子板17とその切替機構18よりなる光路長
変更部19と、結像光学系20と、TVカメラであるセ
ンサ6と、エアマイクロよりなる自動焦点系7とにより
構成される。
Next, a second modification will be described.
As the autofocus system 7, an optical autofocus system to which triangulation, blur effect, etc. are applied may be used instead of the air micro embodiment. According to this embodiment, since the optical sensor is generally faster than the air micro, high-speed measurement can be realized. Next, a third modified example will be described. As the synthesizing optical system 15, instead of the embodiment of the beam splitter, a mirror having a hole so as to pass only a portion of the reference mark placed at a position substantially conjugate with the image forming position may be used. According to this embodiment, since the reference mark 101 and the resist pattern 102 are accurately focused, accurate measurement can be performed. However, it is necessary to switch the mirror in order to deal with different measurement targets. Also in this embodiment, the thickness of the optical path length adjusting wedge 16 and the focus offset of the automatic focusing system 7 which is an air micro can be adjusted by adjusting the step between the reference mark 101 and the resist pattern 102 for each product type. Therefore, it becomes possible to deal with a measurement target (measurement pattern) having various steps. Further, since the signal waveform is detected by one sensor 6, the configuration of the sensor can be simplified. Next, another embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. The pattern measuring apparatus has an illumination optical system 2 having a light source 1 for illuminating a sample 13 and a condenser lens 25, a detection optical system 8, a stage system 11 including a moving stage 9 and a sample table 10, and an image processing 21. It is composed of a control system (computer) 12. The detection optical system 8 includes an objective lens system 3 having an objective lens 23 and a half mirror 24, an optical path length changing unit 19 including a plurality of glass plates 17 having partially different thicknesses and a switching mechanism 18 thereof, and an image formation. It is composed of an optical system 20, a sensor 6 which is a TV camera, and an autofocus system 7 made of an air micro.

【0035】本実施例は、図3及び図11に示す実施例
と検出光学系8の構成が相違するのみで、基準マーク1
01とレジストパターン102とのずれ量の計測は、図
3に示す実施例と同様に行われる。即ち、予め、計測対
象の品種毎にあらかじめ決められた量だけ、基準マーク
101とレジストパターン102との段差に相当する光
路長差が得られるように、複数の硝子板17の部分的な
厚さの差を選択し、エアマイクロである自動焦点系7の
焦点オフセットを調整しておく。次に、試料13を試料
台10に載置し、移動ステージ9を移動させて計測対象
100のある位置に移動させる。次にコンピュータ12
は、自動焦点系7で検出される自動焦点情報に基づいて
ステージ系11のZステージをZ軸方向に微動させて試
料13上の計測対象100を適切な焦点位置に位置付け
る。次に、照明光学系2で照明された試料13の計測対
象100よりの反射光を対物レンズ系3で捉える。この
光を光路長変更部19で部分的に光路長を変更し、視野
の一部の焦点位置を変えて、結像光学系20を介してセ
ンサ6で同時に異なる焦点位置の基準マーク101とレ
ジストパターン102との検出信号30cを検出する。
コンピュータ12の画像処理21において、前記検出信
号30を元に基準マーク101とレジストパターン10
2とのX及びY方向のずれ量δを、前記(数4)式及び
(数5)式に基づいて計算(計測)する。以降、計測す
べき次の計測対象に移動する。これをくり返し、すべて
の計測対象の計測終了後に、試料を取り外し、計測を終
了する。
This embodiment is different from the embodiment shown in FIGS. 3 and 11 only in the structure of the detection optical system 8 and is different from the reference mark 1 in FIG.
The amount of deviation between 01 and the resist pattern 102 is measured in the same manner as in the embodiment shown in FIG. That is, the partial thicknesses of the plurality of glass plates 17 are set so that the optical path length difference corresponding to the step between the reference mark 101 and the resist pattern 102 can be obtained in advance by an amount determined in advance for each product type to be measured. Is selected to adjust the focus offset of the automatic focusing system 7 which is an air micro. Next, the sample 13 is placed on the sample table 10, and the moving stage 9 is moved to a certain position of the measurement target 100. Computer 12
Is finely moving the Z stage of the stage system 11 in the Z-axis direction based on the autofocus information detected by the autofocus system 7 to position the measurement target 100 on the sample 13 at an appropriate focus position. Next, the reflected light from the measurement target 100 of the sample 13 illuminated by the illumination optical system 2 is captured by the objective lens system 3. The light path length changing unit 19 partially changes the light path length of this light to change the focus position of a part of the visual field, and the sensor 6 through the imaging optical system 20 simultaneously registers the reference mark 101 and the registration mark of different focus positions. The detection signal 30c with the pattern 102 is detected.
In the image processing 21 of the computer 12, the reference mark 101 and the resist pattern 10 are based on the detection signal 30.
The shift amount δ in the X and Y directions from 2 is calculated (measured) based on the equations (4) and (5). After that, it moves to the next measurement target to be measured. This is repeated, and after the measurement of all the measurement objects is completed, the sample is removed and the measurement is completed.

【0036】図14に光路長変更部19における一つの
硝子板17の形状を示す。この硝子板17は、中心部と
周辺部で厚さの異なるガラス板である。これを結像位置
の近傍、または基準パターン101とレジストパターン
102との検出信号波形を十分分離できる位置に設け
る。これにより中心部と周辺部とで光路長が変わる。
FIG. 14 shows the shape of one glass plate 17 in the optical path length changing portion 19. The glass plate 17 is a glass plate having different thicknesses in the central portion and the peripheral portion. This is provided near the image forming position or at a position where the detection signal waveforms of the reference pattern 101 and the resist pattern 102 can be sufficiently separated. As a result, the optical path length changes between the central part and the peripheral part.

【0037】センサ6で検出された検出信号30cの波
形を図15に示す。図15はセンサ6で検出した図1の
計測対象100の中心部のX方向の波形である。基準マ
ーク101とレジストパターン102とのいずれにも焦
点があっている。コンピュータ12の画像処理21は、
この波形よりそれぞれのマークの中心位置を前記した
(数4)式で計算する。このとき、基準マーク101の
中心位置Caは、コンピュータ12において算出設定さ
れる基準マーク中心位置計算範囲151のデータを用
い、レジストパターン102の中心位置Cbは、コンピ
ュータ12において算出設定されるレジストパターン中
心位置計算範囲152のデータを用いて計算する。これ
ら基準マーク中心位置計算範囲151及びレジストパタ
ーン中心位置計算範囲152は、(数4)式におけるx
のとる値の範囲を示す。計算した基準マーク101の中
心位置をCa、レジストパターン102の中心位置Cb
とする。そしてコンピュータ12は、前記(数5)式に
基づいて、これらマーク位置の差(Ca−Cb)に数値
的なオフセット値βを差し引き、倍率補正値(倍率の違
い)Δαを補正して、基準マーク101とレジストパタ
ーン102のX方向のずれ量δを算出する。Y方向も同
様な方法で計算する。
The waveform of the detection signal 30c detected by the sensor 6 is shown in FIG. FIG. 15 is a waveform in the X direction of the central portion of the measurement target 100 of FIG. 1 detected by the sensor 6. Both the reference mark 101 and the resist pattern 102 are in focus. The image processing 21 of the computer 12 is
From this waveform, the center position of each mark is calculated by the above-mentioned equation (4). At this time, the center position Ca of the reference mark 101 uses the data of the reference mark center position calculation range 151 calculated and set in the computer 12, and the center position Cb of the resist pattern 102 is the center of the resist pattern calculated and set in the computer 12. Calculation is performed using the data of the position calculation range 152. The reference mark center position calculation range 151 and the resist pattern center position calculation range 152 are defined by x in the formula (4).
Indicates the range of values taken by. The calculated center position of the reference mark 101 is Ca, and the center position Cb of the resist pattern 102 is Cb.
And Then, the computer 12 subtracts the numerical offset value β from the mark position difference (Ca−Cb) based on the equation (5), corrects the magnification correction value (difference in magnification) Δα, and sets the reference value. A shift amount δ in the X direction between the mark 101 and the resist pattern 102 is calculated. The Y direction is calculated by the same method.

【0038】なお、本実施例においても、前記した第1
及び第2の変形実施例を適用することができる。次に本
実施例における変形実施例について説明する。光路長変
更部19として複数の硝子板17の代わりに複屈折素子
を用いても良い。複屈折素子として、図16に示す組楔
型、または複屈折素子で作ったレンズ等のバリエーショ
ンがある。組楔ではP偏光とS偏光はそれぞれ複屈折素
子の内部で異なる光路を辿り、焦点距離を変えることが
できる。この場合は、2つの焦点位置の画像を分離する
ため、照明光学系2または対物レンズ系3または光路長
変更部19または結像光学系20に偏光板を挿入し、例
えば基準マーク部分はP偏光、レジストパターン部分は
S偏光のみを通過するようにする。また、照明光学系2
に偏光板を挿入した場合はパターンに対してP、S偏光
は平行または垂直に設け、試料13の段差部で偏光面の
回転を最小限に押さえる必要がある。本変形実施例によ
れば、基準パターン部とレジストパターン部の光路長変
更手段とパターン分離手段を独立にでき、自由度を高く
することができる。
Also in this embodiment, the first
And the second modified embodiment can be applied. Next, a modification of this embodiment will be described. A birefringent element may be used as the optical path length changing unit 19 instead of the plurality of glass plates 17. As the birefringent element, there are variations such as a pair wedge type shown in FIG. 16 or a lens made of the birefringent element. In the paired wedge, P-polarized light and S-polarized light follow different optical paths inside the birefringent element, and the focal length can be changed. In this case, in order to separate the images at the two focal positions, a polarizing plate is inserted in the illumination optical system 2, the objective lens system 3, the optical path length changing unit 19 or the imaging optical system 20, and for example, the reference mark portion is P polarized light. The resist pattern portion is designed to pass only S-polarized light. In addition, the illumination optical system 2
When a polarizing plate is inserted in the plate, it is necessary to provide P and S polarized light in parallel or perpendicular to the pattern and minimize the rotation of the polarization plane at the step portion of the sample 13. According to this modification, the optical path length changing means for the reference pattern portion and the resist pattern portion and the pattern separating means can be made independent, and the degree of freedom can be increased.

【0039】本実施例によれば、品種毎に基準マーク1
01とレジストパターン102の段差合わせて光路長調
整用組み楔16の厚さ、エアマイクロである自動焦点系
7の焦点オフセットを調整しておくことができ、各種段
差を持ったパターンに対応可能となる。また、1個のセ
ンサと1つの光路で波形を検出しているため安定して高
精度で計測することができる。
According to this embodiment, the reference mark 1 is provided for each product type.
01 and the resist pattern 102 can be adjusted to adjust the thickness of the wedge 16 for adjusting the optical path length and the focus offset of the auto-focus system 7 which is an air micro, so that the pattern having various steps can be supported. Become. Further, since the waveform is detected by one sensor and one optical path, stable and highly accurate measurement can be performed.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明によれば、高段差化した複数のパ
ターンを有する試料に対してこれらパターン間の寸法を
簡単な構成により、高精度に測定することができる効果
を奏する。また本発明によれば、LSIウエハ等のパタ
ーンの微細化に伴って高段差化された下地の基準パター
ンと、その上に形成した次の層のパターンをエッチング
するためのマスクとなる測定対象のレジストパターンの
ずれ精度を10nm以下の高精度で計測し、プロセス状
態の変動をモニタすることができる効果を奏する。
According to the present invention, it is possible to measure a sample having a plurality of patterns having a high step difference with a high accuracy by a simple structure. Further, according to the present invention, a reference pattern of a base having a high step due to the miniaturization of a pattern of an LSI wafer or the like and a measurement target serving as a mask for etching a pattern of a next layer formed thereon It is possible to measure the deviation accuracy of the resist pattern with a high accuracy of 10 nm or less and to monitor the fluctuation of the process state.

【0041】また本発明によれば、多層レジストが使用
され、益々高段差化に拍車がかかっても下地の基準パタ
ーンと、その上に形成した次の層のパターンをエッチン
グするためのマスクとなる測定対象のレジストパターン
のずれ精度を10nm以下の高精度で再現性を持って計
測することができ、多層レジスト対応のプロセス状態の
変動をモニタすることができる効果を奏する。
Further, according to the present invention, a multi-layer resist is used, and it becomes a mask for etching the reference pattern of the base and the pattern of the next layer formed thereon even if the step height is further increased. It is possible to measure the deviation accuracy of the resist pattern to be measured with high accuracy of 10 nm or less and with reproducibility, and it is possible to monitor the fluctuation of the process state corresponding to the multilayer resist.

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

【図1】本発明に係わる計測対象の一実施例を示し、
(a)は平面図、(b)は断面図である。
FIG. 1 shows an embodiment of a measurement target according to the present invention,
(A) is a plan view and (b) is a sectional view.

【図2】本発明に係わるパターン計測装置の第1の基本
構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a first basic configuration of a pattern measuring apparatus according to the present invention.

【図3】本発明に係わるパターン計測装置の第2の基本
構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a second basic configuration of the pattern measuring apparatus according to the present invention.

【図4】本発明に係わるパターン計測装置の第1の基本
構成に対応する実施例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment corresponding to the first basic configuration of the pattern measuring apparatus according to the present invention.

【図5】試料上の計測対象を位置決めするために、セン
サから検出される検出信号波形を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a detection signal waveform detected by a sensor for positioning a measurement target on a sample.

【図6】図4に示す実施例において基準マークに焦点合
わせされた検出信号波形を示す図である。
6 is a diagram showing a detection signal waveform focused on a reference mark in the embodiment shown in FIG.

【図7】図4に示す実施例においてレジストパターンに
焦点合わせされた検出信号波形を示す図である。
7 is a diagram showing a detection signal waveform focused on a resist pattern in the embodiment shown in FIG.

【図8】本発明に係わる計測対象の他の一実施例を示
し、(a)は平面図、(b)は断面図である。
8A and 8B show another embodiment of the measuring object according to the present invention, in which FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a sectional view.

【図9】本発明に係わる計測対象の他の一実施例を示
し、(a)は平面図、(b)は断面図である。
9A and 9B show another embodiment of the measuring object according to the present invention, where FIG. 9A is a plan view and FIG. 9B is a sectional view.

【図10】本発明に係わる計測対象の他の一実施例を示
し、(a)は平面図、(b)は断面図である。
10A and 10B show another embodiment of the measuring object according to the present invention, in which FIG. 10A is a plan view and FIG. 10B is a sectional view.

【図11】本発明に係わるパターン計測装置の第2の基
本構成に対応する実施例を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing an embodiment corresponding to the second basic configuration of the pattern measuring apparatus according to the present invention.

【図12】図11に示す実施例において基準マーク及び
レジストパターンに焦点合わせされた検出信号波形を示
す図である。
12 is a diagram showing a detection signal waveform focused on a reference mark and a resist pattern in the embodiment shown in FIG.

【図13】本発明に係わるパターン計測装置の他の実施
例を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing another embodiment of the pattern measuring apparatus according to the present invention.

【図14】図13に示す装置に用いられている光路長変
更部としての硝子板を示す斜視図である。
14 is a perspective view showing a glass plate as an optical path length changing unit used in the apparatus shown in FIG.

【図15】図13に示す実施例において基準マーク及び
レジストパターンに焦点合わせされた検出信号波形を示
す図である。
15 is a diagram showing a detection signal waveform focused on a reference mark and a resist pattern in the embodiment shown in FIG.

【図16】図13に示す装置に用いられている光路長変
更部としての複屈折素子を示す図である。
16 is a diagram showing a birefringent element as an optical path length changing unit used in the device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2…照明光学系、3…対物レンズ系、4…分岐光学系、
5、5a、5b…リレー光学系、6、6a、6b…セン
サ 7…自動焦点系、8…検出光学系、9…移動ステージ、
10…試料台 11…ステージ系、12…制御系(コンピュータ)、1
3…試料 14a、14b…光路、15…合成光学系、19…光路
長変更部 21…画像処理、23…対物レンズ、41…出力手段、
42…入力手段 43…ディスプレイ、44…外部記憶装置 61、62、121、122、151、152…計算範
囲 100…計測対象、101…基準マーク、102…レジ
ストパターン
2 ... Illumination optical system, 3 ... Objective lens system, 4 ... Branch optical system,
5, 5a, 5b ... Relay optical system, 6, 6a, 6b ... Sensor 7 ... Automatic focusing system, 8 ... Detection optical system, 9 ... Moving stage,
10 ... Sample stand 11 ... Stage system, 12 ... Control system (computer), 1
3 ... Samples 14a, 14b ... Optical path, 15 ... Combined optical system, 19 ... Optical path length changing unit 21 ... Image processing, 23 ... Objective lens, 41 ... Output means,
42 ... Input means 43 ... Display, 44 ... External storage device 61, 62, 121, 122, 151, 152 ... Calculation range 100 ... Measurement object 101 ... Reference mark 102 ... Resist pattern

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】所定の領域に高低差のある第1のパターン
と第2のパターンとを形成した試料に対して前記高低差
に応じて検出光学系における第1の光路と第2の光路と
の間の光路長差を微調整し、 前記試料上の領域を前記検出光学系の視野内に位置付け
し、 前記検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わ
せし、 前記試料上の領域に照明して前記第1及び第2のパター
ンからの光像の各々を前記検出光学系の第1及び第2の
光路の各々によりイメージセンサ上に結像させて該イメ
ージセンサから画像信号を検出し、 該検出された画像信号に対して第1及び第2のパターン
に対応する画像信号を示す範囲を設定することによって
第1のパターンの画像信号と第2のパターンの画像信号
とを抽出し、 該夫々抽出された第1のパターンの画像信号から第1の
パターンの中心位置を算出し、抽出された第2のパター
ンの画像信号から第2のパターンの中心位置を算出し、 該算出された第1のパターンの中心と第2のパターンの
中心との間の寸法に対して前記検出光学系の倍率とオフ
セット補正とを施して正確な寸法を算出することを特徴
とする試料上の高低差のあるパターンの寸法測定方法。
1. A first optical path and a second optical path in a detection optical system according to the height difference for a sample having a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined region. Finely adjusting the optical path length difference between, the region on the sample is positioned in the field of view of the detection optical system, the surface of the sample is automatically focused with respect to the detection optical system, the region on the sample And illuminate each of the light images from the first and second patterns to form an image on the image sensor by each of the first and second optical paths of the detection optical system to detect an image signal from the image sensor. The image signal of the first pattern and the image signal of the second pattern are extracted by setting a range indicating the image signal corresponding to the first and second patterns with respect to the detected image signal. , Of each of the extracted first patterns The center position of the first pattern is calculated from the image signal, the center position of the second pattern is calculated from the extracted image signal of the second pattern, and the calculated center position of the first pattern and the second pattern are calculated. A method for measuring the size of a pattern having a height difference on a sample, wherein a size between the center of the pattern and a magnification of the detection optical system and offset correction are applied to calculate an accurate size.
【請求項2】所定の領域に高低差のある第1のパターン
と第2のパターンとを形成した試料に対して前記高低差
に応じて検出光学系における第1の光路と第2の光路と
の間の光路長差を微調整し、 前記試料上の領域を前記検出光学系の視野内に位置付け
し、 前記検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わ
せし、 前記試料上の領域に照明して前記第1及び第2のパター
ンからの光像の各々を前記検出光学系の第1及び第2の
光路の各々によりイメージセンサ上に結像させて該イメ
ージセンサから画像信号を検出し、 該検出された画像信号に対して第1及び第2のパターン
に対応する画像信号を示す範囲を設定することによって
第1のパターンの画像信号と第2のパターンの画像信号
とを抽出し、 該夫々抽出された第1のパターンの画像信号を第1のパ
ターンのデジタル画像信号に変換して対称性パターンマ
ッチング処理によって第1のパターンの中心位置を算出
し、抽出された第2のパターンの画像信号から第2のパ
ターンのデジタル画像信号に変換して対称性パターンマ
ッチング処理によって第2のパターンの中心位置を算出
し、 該算出された第1のパターンの中心と第2のパターンの
中心との間の寸法に対して前記検出光学系の倍率とオフ
セット補正とを施して正確な寸法を算出することを特徴
とする試料上の高低差のあるパターンの寸法測定方法。
2. A first optical path and a second optical path in a detection optical system according to the height difference for a sample having a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined area. Finely adjusting the optical path length difference between, the region on the sample is positioned in the field of view of the detection optical system, the surface of the sample is automatically focused with respect to the detection optical system, the region on the sample And illuminate each of the light images from the first and second patterns to form an image on the image sensor by each of the first and second optical paths of the detection optical system to detect an image signal from the image sensor. The image signal of the first pattern and the image signal of the second pattern are extracted by setting a range indicating the image signal corresponding to the first and second patterns with respect to the detected image signal. , Of each of the extracted first patterns The image signal is converted into a digital image signal of the first pattern, the center position of the first pattern is calculated by symmetric pattern matching processing, and the digital image of the second pattern is calculated from the extracted image signal of the second pattern. The position of the center of the second pattern is calculated by converting the signal into a signal by symmetric pattern matching processing, and the detection optics is measured with respect to the dimension between the calculated center of the first pattern and the center of the second pattern. A method for measuring the size of a pattern having a height difference on a sample, which comprises performing a system magnification and offset correction to calculate an accurate size.
【請求項3】所定の領域に高低差のある基準マークとレ
ジストパターンとを形成した試料に対して前記高低差に
応じて検出光学系における第1の光路と第2の光路との
間の光路長差を微調整し、 前記試料上の領域を前記検出光学系の視野内に位置付け
し、 前記検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わ
せし、 前記試料上の領域に照明して前記基準マーク及びレジス
トパターンからの光像の各々を前記検出光学系の第1及
び第2の光路の各々によりイメージセンサ上に結像させ
て該イメージセンサから画像信号を検出し、 該検出された画像信号に対して基準マーク及びレジスト
パターンに対応する画像信号を示す範囲を設定すること
によって基準マークの画像信号とレジストパターンの画
像信号とを抽出し、 該夫々抽出された基準マークの画像信号から基準マーク
の中心位置を算出し、抽出されたレジストパターンの画
像信号からレジストパターンの中心位置を算出し、 該算出された基準マークの中心とレジストパターンの中
心との間の寸法に対して前記検出光学系の倍率とオフセ
ット補正とを施して正確な寸法を算出することを特徴と
する試料上の高低差のあるパターンの寸法測定方法。
3. An optical path between a first optical path and a second optical path in a detection optical system for a sample having a reference mark and a resist pattern having a height difference in a predetermined area according to the height difference. Fine-tune the length difference, position the area on the sample within the field of view of the detection optics, autofocus the surface of the sample with respect to the detection optics, and illuminate the area on the sample. Each of the light images from the reference mark and the resist pattern is formed on an image sensor by each of the first and second optical paths of the detection optical system, and an image signal is detected from the image sensor, and the detected image signal is detected. An image signal of the reference mark and an image signal of the resist pattern are extracted by setting a range indicating an image signal corresponding to the reference mark and the resist pattern with respect to the image signal, and the extracted reference signals are extracted. The center position of the reference mark is calculated from the image signal of the reference mark, the center position of the resist pattern is calculated from the extracted image signal of the resist pattern, and the center position of the calculated reference mark and the center of the resist pattern are calculated. A dimension measuring method of a pattern having a height difference on a sample, which is characterized by performing a magnification of the detection optical system and an offset correction on the dimension to calculate an accurate dimension.
【請求項4】所定の領域に高低差のある第1のパターン
と第2のパターンとを形成した試料を載置する試料ステ
ージと、 前記試料上の領域を照明する照明光学系と、 互いに光路長差を有する第1の光路と第2の光路とを形
成し、前記第1のパターンと第2のパターンとの間の高
低差に応じて前記第1の光路と第2の光路との間の光路
長差を微制御する微制御光学系を備え、前記第1及び第
2のパターンからの光像の各々を前記第1及び第2の光
路の各々によりイメージセンサ上に結像させて該イメー
ジセンサから画像信号を検出する検出光学系と、 前記試料ステージを移動させて前記試料上の領域を前記
検出光学系の視野内に位置付けする位置付け手段と、 前記検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わ
せをする自動焦点合わせ手段と、 前記検出光学系のイメージセンサから検出された画像信
号に対して第1及び第2のパターンに対応する画像信号
を示す範囲を設定することによって第1のパターンの画
像信号と第2のパターンの画像信号とを抽出し、該夫々
抽出された第1のパターンの画像信号から第1のパター
ンの中心位置を算出し、抽出された第2のパターンの画
像信号から第2のパターンの中心位置を算出し、該算出
された第1のパターンの中心と第2のパターンの中心と
の間の寸法に対して前記検出光学系の倍率とオフセット
補正とを施して正確な寸法を算出する算出手段とを備え
たことを特徴とする試料上の高低差のあるパターンの寸
法測定装置。
4. A sample stage on which a sample having a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined area is placed, an illumination optical system for illuminating an area on the sample, and an optical path to each other. Forming a first optical path and a second optical path having a length difference, and between the first optical path and the second optical path according to a height difference between the first pattern and the second pattern. A fine control optical system for finely controlling the optical path length difference between the first and second patterns, and forming a light image on the image sensor by each of the first and second optical paths. A detection optical system that detects an image signal from an image sensor, a positioning unit that moves the sample stage to position an area on the sample within a field of view of the detection optical system, and a position of the sample with respect to the detection optical system. Autofocus hand to autofocus the surface A step, and by setting a range indicating an image signal corresponding to the first and second patterns with respect to the image signal detected by the image sensor of the detection optical system, the image signal of the first pattern and the second signal of the second pattern are set. The image signal of the pattern is extracted, the center position of the first pattern is calculated from the image signal of the extracted first pattern, and the center of the second pattern is extracted from the image signal of the extracted second pattern. Calculation for calculating a position and performing accurate magnification and offset correction of the detection optical system with respect to the calculated dimension between the center of the first pattern and the center of the second pattern An apparatus for measuring a dimension of a pattern having a height difference on a sample, comprising:
【請求項5】前記検出光学系の第1の光路及び第2の光
路の各々に、リレー光学系を備えたことを特徴とする請
求項4記載の試料上の高低差のあるパターンの寸法測定
装置。
5. The dimension measurement of a pattern having a height difference on a sample according to claim 4, wherein a relay optical system is provided in each of the first optical path and the second optical path of the detection optical system. apparatus.
【請求項6】前記検出光学系の第1の光路及び第2の光
路の各々に、互いに光路長が異なるリレー光学系を備え
たことを特徴とする請求項4記載の試料上の高低差のあ
るパターンの寸法測定装置。
6. The height difference on the sample according to claim 4, wherein each of the first optical path and the second optical path of the detection optical system is provided with a relay optical system having different optical path lengths. A pattern measuring device.
【請求項7】前記検出光学系の第1の光路及び第2の光
路の各々に、リレー光学系を備え、前記イメージセンサ
として前記光路に対応させて複数備えたことを特徴とす
る請求項4記載の試料上の高低差のあるパターンの寸法
測定装置。
7. A relay optical system is provided in each of the first optical path and the second optical path of the detection optical system, and a plurality of relay optical systems are provided as the image sensors corresponding to the optical paths. An apparatus for measuring dimensions of a pattern having a height difference on the sample described.
【請求項8】前記検出光学系における微制御光学系を、
前記第1の光路又は第2の光路の何れかに備えたことを
特徴とする請求項4記載の試料上の高低差のあるパター
ンの寸法測定装置。
8. A fine control optical system in the detection optical system,
The dimension measuring apparatus for a pattern having a height difference on a sample according to claim 4, wherein the dimension measuring apparatus is provided in either the first optical path or the second optical path.
【請求項9】前記検出光学系における微制御光学系を、
複屈折素子で構成したことを特徴とする請求項4記載の
試料上の高低差のあるパターンの寸法測定装置。
9. A fine control optical system in the detection optical system,
The dimension measuring device for a pattern having a height difference on a sample according to claim 4, wherein the dimension measuring device comprises a birefringent element.
【請求項10】所定の領域に高低差のある第1のパター
ンと第2のパターンとを形成した試料を載置する試料ス
テージと、 前記試料ステージを移動させて前記試料上の領域を検出
光学系の視野内に位置付けする位置付け手段と、 検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わせを
する自動焦点合わせ手段と、 前記試料上の領域を照明する照明光学系と、 互いに光路長差を有するようにリレー光学系を備えた第
1の光路と第2の光路とを形成し、前記第1のパターン
と第2のパターンとの間の高低差に応じて前記第1の光
路と第2の光路との間の光路長差を微制御する複屈折光
学素子を備え、前記第1及び第2のパターンからの光像
の各々を前記第1及び第2の光路の各々により第1及び
第2のイメージセンサの各々の上に結像させて各イメー
ジセンサから画像信号を検出する検出光学系と、 前記試料ステージを移動させて前記試料上の領域を前記
検出光学系の視野内に位置付けする位置付け手段と、 前記検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わ
せをする自動焦点合わせ手段と、 前記検出光学系の各イメージセンサから検出された画像
信号に対して第1及び第2のパターンに対応する画像信
号を示す範囲を設定することによって第1のパターンの
画像信号と第2のパターンの画像信号とを抽出し、該夫
々抽出された第1のパターンの画像信号から第1のパタ
ーンの中心位置を算出し、抽出された第2のパターンの
画像信号から第2のパターンの中心位置を算出し、該算
出された第1のパターンの中心と第2のパターンの中心
との間の寸法に対して前記検出光学系の倍率とオフセッ
ト補正とを施して正確な寸法を算出する算出手段とを備
えたことを特徴とする試料上の高低差のあるパターンの
寸法測定装置。
10. A sample stage on which a sample having a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined area is placed, and the sample stage is moved to detect an area on the sample. Positioning means for positioning within the field of view of the system, automatic focusing means for automatically focusing the surface of the sample with respect to the detection optical system, and illumination optical system for illuminating a region on the sample, and optical path length differences from each other. To form a first optical path and a second optical path having a relay optical system, and the first optical path and the second optical path are formed according to a height difference between the first pattern and the second pattern. A birefringent optical element for finely controlling a difference in optical path length between the optical path and the second optical path, and each of the optical images from the first and second patterns is divided into first and second optical paths by the first and second optical paths. Each image is formed on each of the second image sensors. A detection optical system that detects an image signal from an image sensor, a positioning unit that moves the sample stage to position an area on the sample within a field of view of the detection optical system, and a position of the sample with respect to the detection optical system. Automatic focusing means for automatically focusing the surface, and by setting a range indicating image signals corresponding to the first and second patterns with respect to the image signals detected by the image sensors of the detection optical system. The image signal of the first pattern and the image signal of the second pattern are extracted, the center position of the first pattern is calculated from the image signal of the extracted first pattern, and the extracted second image signal is extracted. The center position of the second pattern is calculated from the image signal of the pattern, and the position of the detection optical system with respect to the calculated dimension between the center of the first pattern and the center of the second pattern is calculated. Incidence and offset correction and size measuring device of a pattern difference in height on the sample, characterized in that a calculating means for calculating precise dimensions subjected to.
【請求項11】所定の領域に高低差のある第1のパター
ンと第2のパターンとを形成した試料を載置する試料ス
テージと、 前記試料上の領域を照明する照明光学系と、 互いに光路長差を有する第1の光路と第2の光路とを形
成し、前記第1のパターンと第2のパターンとの間の高
低差に応じて前記第1の光路と第2の光路との間の光路
長差を微制御する微制御光学系を備え、前記第1及び第
2のパターンからの光像の各々を前記第1及び第2の光
路の各々によりイメージセンサ上に結像させて該イメー
ジセンサから画像信号を検出する検出光学系と、 前記試料ステージを移動させて前記試料上の領域を前記
検出光学系の視野内に位置付けする位置付け手段と、 前記検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わ
せをする自動焦点合わせ手段と、 前記検出光学系のイメージセンサから検出された画像信
号に対して第1及び第2のパターンに対応する画像信号
を示す範囲を設定することによって第1のパターンの画
像信号と第2のパターンの画像信号とを抽出し、該夫々
抽出された第1のパターンの画像信号を第1のパターン
のデジタル画像信号に変換して対称性パターンマッチン
グ処理によって第1のパターンの中心位置を算出し、抽
出された第2のパターンの画像信号から第2のパターン
のデジタル画像信号に変換して対称性パターンマッチン
グ処理によって第2のパターンの中心位置を算出し、該
算出された第1のパターンの中心と第2のパターンの中
心との間の寸法に対して前記検出光学系の倍率とオフセ
ット補正とを施して正確な寸法を算出する算出手段とを
備えたことを特徴とする試料上の高低差のあるパターン
の寸法測定装置。
11. A sample stage on which a sample having a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined region is placed, an illumination optical system for illuminating a region on the sample, and an optical path to each other. Forming a first optical path and a second optical path having a length difference, and between the first optical path and the second optical path according to a height difference between the first pattern and the second pattern. A fine control optical system for finely controlling the optical path length difference between the first and second patterns, and forming a light image on the image sensor by each of the first and second optical paths. A detection optical system that detects an image signal from an image sensor, a positioning unit that moves the sample stage to position an area on the sample within a field of view of the detection optical system, and a position of the sample with respect to the detection optical system. Autofocus to surface autofocus The image signal of the first pattern and the image signal of the second pattern by setting a range indicating an image signal corresponding to the first and second patterns with respect to the image signal detected by the image sensor of the detection optical system. The image signal of the pattern is extracted, the extracted image signal of the first pattern is converted into a digital image signal of the first pattern, and the center position of the first pattern is calculated by symmetric pattern matching processing. , The extracted image signal of the second pattern is converted into a digital image signal of the second pattern, the center position of the second pattern is calculated by symmetric pattern matching processing, and the calculated center position of the first pattern is calculated. And a calculating means for calculating an accurate dimension by performing magnification and offset correction of the detection optical system with respect to a dimension between the center and the center of the second pattern. An apparatus for measuring a dimension of a pattern having a height difference on a sample, characterized by:
【請求項12】所定の領域に高低差のある第1のパター
ンと第2のパターンとを形成した試料を載置する試料ス
テージと、 前記試料ステージを移動させて前記試料上の領域を検出
光学系の視野内に位置付けする位置付け手段と、 検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わせを
する自動焦点合わせ手段と、 前記試料上の領域を照明する照明光学系と、 互いに光路長差を有するようにリレー光学系を備えた第
1の光路と第2の光路とを形成し、前記第1のパターン
と第2のパターンとの間の高低差に応じて前記第1の光
路と第2の光路との間の光路長差を微制御する複屈折光
学素子を備え、前記第1及び第2のパターンからの光像
の各々を前記第1及び第2の光路の各々により第1及び
第2のイメージセンサの各々の上に結像させて各イメー
ジセンサから画像信号を検出する検出光学系と、 前記試料ステージを移動させて前記試料上の領域を前記
検出光学系の視野内に位置付けする位置付け手段と、 前記検出光学系に対して前記試料の表面を自動焦点合わ
せをする自動焦点合わせ手段と、 前記検出光学系の各イメージセンサから検出された画像
信号に対して第1及び第2のパターンに対応する画像信
号を示す範囲を設定することによって第1のパターンの
画像信号と第2のパターンの画像信号とを抽出し、該夫
々抽出された第1のパターンの画像信号を第1のパター
ンのデジタル画像信号に変換して対称性パターンマッチ
ング処理によって第1のパターンの中心位置を算出し、
抽出された第2のパターンの画像信号から第2のパター
ンのデジタル画像信号に変換して対称性パターンマッチ
ング処理によって第2のパターンの中心位置を算出し、
該算出された第1のパターンの中心と第2のパターンの
中心との間の寸法に対して前記検出光学系の倍率とオフ
セット補正とを施して正確な寸法を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする試料上の高低差のあるパター
ンの寸法測定装置。
12. A sample stage on which a sample having a first pattern and a second pattern having a height difference in a predetermined region is mounted, and the sample stage is moved to detect a region on the sample. Positioning means for positioning within the field of view of the system, automatic focusing means for automatically focusing the surface of the sample with respect to the detection optical system, and illumination optical system for illuminating a region on the sample, and optical path length differences from each other. To form a first optical path and a second optical path having a relay optical system, and the first optical path and the second optical path are formed according to a height difference between the first pattern and the second pattern. A birefringent optical element for finely controlling a difference in optical path length between the optical path and the second optical path, and each of the optical images from the first and second patterns is divided into first and second optical paths by the first and second optical paths. Each image is formed on each of the second image sensors. A detection optical system that detects an image signal from an image sensor, a positioning unit that moves the sample stage to position an area on the sample within a field of view of the detection optical system, and a position of the sample with respect to the detection optical system. Automatic focusing means for automatically focusing the surface, and by setting a range indicating image signals corresponding to the first and second patterns with respect to the image signals detected by the image sensors of the detection optical system. An image signal of the first pattern and an image signal of the second pattern are extracted, and the extracted image signals of the first pattern are converted into digital image signals of the first pattern to perform symmetric pattern matching processing. Calculate the center position of the first pattern by
Converting the extracted image signal of the second pattern into a digital image signal of the second pattern and calculating the center position of the second pattern by symmetric pattern matching processing,
And a calculating means for calculating a correct dimension by applying magnification and offset correction of the detection optical system to the calculated dimension between the center of the first pattern and the center of the second pattern. An apparatus for measuring a dimension of a pattern having a height difference on a sample, which is characterized in that
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