JPH09101116A - Automatic focusing method and its device, and pattern detection method and its device - Google Patents

Automatic focusing method and its device, and pattern detection method and its device

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JPH09101116A
JPH09101116A JP25856995A JP25856995A JPH09101116A JP H09101116 A JPH09101116 A JP H09101116A JP 25856995 A JP25856995 A JP 25856995A JP 25856995 A JP25856995 A JP 25856995A JP H09101116 A JPH09101116 A JP H09101116A
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JP
Japan
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pattern
light
optical system
dark
image
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Application number
JP25856995A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Hiroi
高志 広井
Yoshitada Oshida
良忠 押田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To do focusing with high precision through a low-cost optical unit, and detect a clear image signal by projecting a bright and dark pattern onto an object, causing the same to be reflected, and converting a bright and dark image pattern obtained from an image forming optical unit into a contrast signal. SOLUTION: An illuminating optical unit 12 projects a bright and dark pattern, which has bright and dark linear edges extending practically radially from an illuminating light source 9 via a mask 10, onto an object 4 via a condenser lens 11 and an objective lens 3. A pattern detecting image sensor 8 detects an optical image formed on the object 4 from a pattern to be detected by a lens 3. A focusing position at which a contrast signal of the bright and dark pattern composed of a difference signal between signals 31A, 31B obtained from sensors 14A, 14B after penetrating shade masks 13A, 13B and a bright and dark contrast signal composed of a difference signal between signals 32A, 32B obtained from sensors 16A, 16B after penetrating shade masks 15A, 15B approximately coincide with each other is judged by a focusing position judgement circuit 17 so as to adjust the (z) direction of the object.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばLSIウエ
ハ上に形成された重ね合わせパターン等の高低差のある
複数のパターンの間の寸法ずれを計測する寸法計測方法
及びその装置やLSIウエハ、プリント配線基板、薄膜
多層基板、TFT薄膜等のパターン欠陥を検査する検査
方法及びその装置などのパターンを検出するパターン検
出方法及びその装置並びにパターン検出方法及びその装
置等に好適な自動焦点合せ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 dimension measuring method for measuring a dimension deviation between a plurality of patterns having height differences such as a superposition pattern formed on an LSI wafer, an apparatus therefor, an LSI wafer, and a print. An inspection method for inspecting a pattern defect of a wiring board, a thin film multi-layered substrate, a TFT thin film, etc., a pattern detection method for detecting a pattern such as the apparatus and its apparatus, a pattern detection method and an automatic focusing method suitable for the apparatus, and the like Regarding the device.

【0002】[0002]

【従来の技術】パターンを投影する形式の自動焦点合せ
に関する従来技術としては、特開昭59−155919
号公報(従来技術1)、特開昭61−235808号公
報(従来技術2)および特開昭62−115114号公
報(従来技術3)等に記載されたものが知られている。
これら中で、従来技術1および2に記載されている代表
的な例を図15に示す。照明光学系161により一軸方
向に繰り返される格子状の縞パターン171(図16に
示す。)を形成した投影パターンマスク162の一軸方
向に繰り返される格子状の縞パターン171を対物レン
ズ163を介して対象物164上に投影し、その格子状
の縞パターン171を対物レンズ163を介して合焦点
位置の前後に設置された焦点検出用一次元リニアイメー
ジセンサ(図16に示す如く受光画素172を一次元に
配列した一次元リニアイメージセンサ)165、166
で検出し、検出パターンよりパターンコントラストを計
算し焦点位置のずれを判断し、試料台167のZ方向の
位置を移動することで対象物164の焦点位置への調整
を可能とし、パターン検出用イメージセンサ168での
正確なパターン検出を可能としていた。
2. Description of the Related Art As a conventional technique relating to automatic focusing in the form of projecting a pattern, Japanese Patent Laid-Open No. 59-155919 is known.
There are known ones described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-235808 (Prior Art 1), Japanese Patent Laid-Open No. 61-235808 (Prior Art 2), Japanese Patent Laid-Open No. 62-115114 (Prior Art 3), and the like.
Among these, a typical example described in the prior arts 1 and 2 is shown in FIG. A projection pattern mask 162 having a grid-shaped striped pattern 171 (shown in FIG. 16) that is repeated in the uniaxial direction by the illumination optical system 161 is subjected to the grid-shaped striped pattern 171 that is repeated in the uniaxial direction through the objective lens 163. A one-dimensional linear image sensor for focus detection, which is projected on the object 164 and has its grid pattern 171 installed before and after the in-focus position via the objective lens 163 (one-dimensionally detects the light receiving pixels 172 as shown in FIG. 16). One-dimensional linear image sensor arrayed in 165), 165, 166
And the pattern contrast is calculated from the detected pattern to determine the shift of the focus position, and the position of the sample stage 167 in the Z direction is moved to enable adjustment to the focus position of the object 164, and a pattern detection image is obtained. The sensor 168 enables accurate pattern detection.

【0003】自動焦点合わせは以下のようにして行うも
のである。一軸方向に繰り返される格子状の縞パターン
171(図16に示す。)を形成した投影パターンマス
ク162は、合焦点位置に投影されるように設け、合焦
点位置に対して上方に一距離離したところが結像位置と
なるように焦点検出用一次元リニアイメージセンサ(図
16に示す如く受光画素172を一次元に配列した一次
元リニアイメージセンサ)165、下方の同一距離離し
たところが結像位置となるように焦点検出用一次元リニ
アイメージセンサ(図16に示す如く受光画素172を
一次元に配列した一次元リニアイメージセンサ)166
を設ける。これにより、図17(a)(b)に示すよう
に対象物164の表面が合焦点位置にあるときは焦点検
出用一次元リニアイメージセンサ165、166の各々
で検出される例えば3画素毎の出力信号の差で得られる
コントラスト信号(図17においては最大出力と最小出
力の差)は等しい。図17(c)(d)に示すように対
象物164の表面が合焦点位置より上に位置すると焦点
検出用一次元リニアイメージセンサ165で検出される
コントラスト信号(図17においては最大出力と最小出
力の差)が図17(c)で示す如く大きくなる。一方、
対象物164の表面が合焦点位置より下に位置すると焦
点検出用イメージセンサ166で検出されるコントラス
ト信号(図17においては最大出力と最小出力の差)が
図17(f)で示す如く大きくなる。焦点検出用一次元
リニアイメージセンサ165、166の各々から出力さ
れるコントラスト信号の差(図17における(a)と
(b)との差、(c)と(d)との差、(c)と(d)
との差)は図18に示すようにS字カーブとなる。この
カーブがほぼ0のときは焦点位置Zが合焦点位置に対し
て許容範囲なので試料台167は移動せず、正の値のと
きは対象物164の表面は上にあるので試料台167は
下に微移動させ、負の値のときは対象物164の表面は
下にあるので試料台167は上に微移動させ、対象物1
64の表面を対物レンズ163の合焦点位置に制御す
る。
The automatic focusing is performed as follows. A projection pattern mask 162 having a grid-shaped stripe pattern 171 (shown in FIG. 16) that is repeated in the uniaxial direction is provided so as to be projected at the in-focus position, and is separated by one distance above the in-focus position. However, a one-dimensional linear image sensor for focus detection (one-dimensional linear image sensor in which light-receiving pixels 172 are arranged in a one-dimensional array as shown in FIG. 16) 165 is arranged so that the image forming position is formed, and the same distance below is the image forming position. So that the one-dimensional linear image sensor for focus detection (one-dimensional linear image sensor in which the light receiving pixels 172 are arranged in one dimension as shown in FIG. 16) 166
Is provided. As a result, when the surface of the object 164 is at the in-focus position as shown in FIGS. 17A and 17B, for example, every three pixels detected by each of the focus detecting one-dimensional linear image sensors 165 and 166. The contrast signals (the difference between the maximum output and the minimum output in FIG. 17) obtained by the difference between the output signals are equal. As shown in FIGS. 17C and 17D, when the surface of the object 164 is located above the in-focus position, the contrast signal detected by the focus detecting one-dimensional linear image sensor 165 (the maximum output and the minimum output in FIG. 17). The output difference) becomes large as shown in FIG. on the other hand,
When the surface of the object 164 is located below the in-focus position, the contrast signal (the difference between the maximum output and the minimum output in FIG. 17) detected by the focus detection image sensor 166 becomes large as shown in FIG. 17 (f). . Differences in contrast signals output from each of the focus detecting one-dimensional linear image sensors 165 and 166 (difference between (a) and (b) in FIG. 17, difference between (c) and (d), (c)). And (d)
The difference) is an S-shaped curve as shown in FIG. When this curve is approximately 0, the focus position Z is within the allowable range with respect to the in-focus position, so that the sample table 167 does not move. When the value is a negative value, the surface of the object 164 is below, so the sample table 167 is slightly moved to the above.
The surface of 64 is controlled to the in-focus position of the objective lens 163.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】合焦点位置の制御は、
従来技術では問題なくできるが、焦点検出用一次元リニ
アイメージセンサ165、166とその制御回路の規模
が大きく価格が高いという課題を有していた。また高精
度な合焦点位置の制御をする場合には、一軸方向に繰り
返される格子状の縞パターン171のピッチPを焦点検
出用一次元リニアイメージセンサ165、166の数画
素ピッチと等しくなるようにする必要がある。このた
め、一般には対物レンズ163を含めた検出光学系に倍
率調整機構及び焦点検出用一次元リニアイメージセンサ
165、166の各々が設置された合焦点位置の前後の
共役位置で検出倍率を等しくするため射出側テレセント
リックな光学系とする必要がある。しかしながら、対物
レンズ163を含めた検出光学系が射出側テレセントリ
ックでない場合には、主光線の向きが像高により異な
り、焦点検出用一次元リニアイメージセンサ165、1
66の各々を合焦点位置以外に設置すると検出倍率が変
化する。即ち合焦点位置の前では倍率は小さく、合焦点
位置の後では倍率は大きくなる。このため、上記格子状
の縞パターン171のピッチPを合焦点位置の前後の2
箇所に設けた焦点検出用一次元リニアイメージセンサ1
65、166の画素ピッチのいずれとも整数倍に保つこ
とは困難となり、焦点合わせの制御精度が低下すること
になる。つまり、倍率調整可能な射出側テレセントリッ
ク光学系、一次元リニアイメージセンサ及び制御回路の
何れも高価であり、上記従来技術においてはこの点につ
いて十分配慮されていなかった。
The focus position control is
Although it is possible to solve the problem with the conventional technique, there is a problem that the scales of the focus detecting one-dimensional linear image sensors 165 and 166 and their control circuits are large and the cost is high. Further, when controlling the in-focus position with high accuracy, the pitch P of the grid-like striped pattern 171 repeated in the uniaxial direction is made equal to the several pixel pitch of the one-dimensional linear image sensors 165 and 166 for focus detection. There is a need to. For this reason, generally, the detection magnifications are made equal at the conjugate positions before and after the focusing position where the magnification adjusting mechanism and the focus detecting one-dimensional linear image sensors 165 and 166 are installed in the detection optical system including the objective lens 163. Therefore, it is necessary to use a telecentric optical system on the exit side. However, when the detection optical system including the objective lens 163 is not telecentric on the exit side, the direction of the principal ray differs depending on the image height, and the one-dimensional linear image sensors 165, 1 for focus detection are used.
If each of 66 is installed at a position other than the focus position, the detection magnification changes. That is, the magnification is small before the focused position and is large after the focused position. Therefore, the pitch P of the grid-shaped stripe pattern 171 is set to 2 before and after the focused position.
One-dimensional linear image sensor for focus detection 1
It becomes difficult to keep both the pixel pitches of 65 and 166 at an integral multiple, and the control accuracy of focusing is lowered. That is, all of the exit side telecentric optical system capable of adjusting the magnification, the one-dimensional linear image sensor, and the control circuit are expensive, and the above-mentioned conventional techniques have not sufficiently considered this point.

【0005】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決すべく、自動焦点合わせ光学系として安価な光
学系を用いて対象物または試料の表面を高精度に焦点合
わせ制御できるようにした自動焦点合わせ方法及びその
装置を提供することにある。また本発明の目的は、自動
焦点合わせ光学系として安価な光学系を用いて対象物ま
たは試料の表面を高精度に焦点合わせ制御できるように
して対象物または試料の表面に形成された被検出用のパ
ターンの光像を合焦点状態にして結像光学系で結像させ
て被検出用のパターンの鮮明な画像信号を検出できるよ
うにしたパターン検出方法及びその装置を提供すること
にある。また本発明の目的は、自動焦点合わせ光学系と
して安価な光学系を用いて対象物または試料の表面を高
精度に焦点合わせ制御できるようにして対象物または試
料の表面に高低差のある複数のパターンで形成された被
検出用のパターンの光像を合焦点状態にして結像光学系
で結像させて被検出用のパターンの鮮明な画像信号を検
出して複数のパターンの間の寸法を高精度に測定できる
ようにしたパターン検出方法及びその装置を提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to solve the problems in the above-mentioned prior art by using an inexpensive optical system as an automatic focusing optical system so that the surface of an object or a sample can be focused and controlled with high precision. It is to provide a focusing method and an apparatus therefor. Another object of the present invention is to use an inexpensive optical system as an automatic focusing optical system so that the surface of an object or a sample can be focus-controlled with high accuracy and the object to be detected formed on the surface of the object or the sample. It is an object of the present invention to provide a pattern detection method and apparatus capable of detecting a clear image signal of a pattern to be detected by forming an optical image of the pattern in a focused state by an imaging optical system. It is also an object of the present invention to use an inexpensive optical system as an automatic focusing optical system so that the surface of an object or a sample can be focus-controlled with high accuracy, so that a plurality of objects having different heights can be provided on the surface of the object or the sample. The optical image of the pattern to be detected formed by the pattern is focused and imaged by the imaging optical system to detect a clear image signal of the pattern to be detected to determine the dimension between the plurality of patterns. An object of the present invention is to provide a pattern detection method and a device therefor capable of highly accurate measurement.

【0006】[0006]

【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、対象物(半導体ウエハ等の基板)に対し
て結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から実質的
に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パタ
ーンを投影し、前記対象物から反射して前記結像光学系
を通して得られる明暗パターンの像を光電変換手段で受
光して明暗パターンのコントラスト信号に変換し、この
変換された明暗パターンのコントラスト信号に基づいて
前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制
御することを特徴とする自動焦点合わせ方法である。ま
た本発明は、対象物に対して結像光学系を通してこの結
像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線
状エッジを有する明暗パターンを投影し、前記対象物か
ら反射して前記結像光学系を通して得られる明暗パター
ンの像の内、暗パターンの像を第1の光電変換素子で受
光して暗パターンに相応する第1の信号に変換すると共
に、明パターンの像を第2の光電変換素子で受光して明
パターンに相応する第2の信号に変換して得られる明暗
パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系
の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御することを特
徴とする自動焦点合わせ方法である。
In order to achieve the above object, the present invention provides an object (a substrate such as a semiconductor wafer) through an imaging optical system, and substantially from the optical axis of the imaging optical system. A bright / dark pattern having radially extending bright and dark linear edges is projected, and an image of the bright / dark pattern that is reflected from the object and obtained through the imaging optical system is received by a photoelectric conversion unit to form a contrast signal of the bright / dark pattern. The automatic focusing method is characterized in that the object is converted, and the object is relatively controlled at a focus position of the imaging optical system based on the converted contrast signal of the light-dark pattern. The present invention also projects a light-dark pattern having straight light and dark edges extending substantially radially from the optical axis of the imaging optical system through an imaging optical system, and reflecting the pattern from the object. The image of the dark pattern among the images of the bright pattern obtained through the image forming optical system is received by the first photoelectric conversion element and converted into the first signal corresponding to the dark pattern, and at the same time, the image of the bright pattern is formed. The object is relatively moved to the focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern obtained by receiving the light by the second photoelectric conversion element and converting it into the second signal corresponding to the light pattern. It is an automatic focusing method characterized by controlling.

【0007】また本発明は、対象物に対して結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影
し、前記対象物から反射して前記結像光学系を通して得
られる明暗パターンの像を、合焦点位置の前後の共役な
位置に配置された第1及び第2の光電変換手段の各々で
受光して第1及び第2の明暗パターンのコントラスト信
号に変換し、これら変換された第1及び第2の明暗パタ
ーンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合
焦点位置に前記対象物を相対的に制御することを特徴と
する自動焦点合わせ方法である。また本発明は、対象物
に対して結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から
実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明
暗パターンを投影し、前記対象物から反射して前記結像
光学系を通して得られる明暗パターンの像を、合焦点位
置の前後の共役な位置に配置された第1及び第2の光電
変換手段の各々を構成する第1の光電変換素子で受光し
て暗パターンに相応する第1の信号に変換すると共に、
前記第1及び第2の光電変換手段の各々を構成する第2
の光電変換素子で受光して明パターンに相応する第2の
信号に変換して、前記第1及び第2の光電変換手段の各
々における第1及び第2の信号から前記第1及び第2の
光電変換手段に対応させて得られる第1及び第2の明暗
パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系
の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御することを特
徴とする自動焦点合わせ方法である。
Further, according to the present invention, a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system is projected onto the object, and the object is projected. The image of the bright and dark pattern reflected from the image forming optical system and received by each of the first and second photoelectric conversion means arranged at a conjugate position before and after the in-focus position is received by the first and second photoelectric conversion means. And converting the contrast signals of the two bright and dark patterns, and relatively controlling the object at the focus position of the imaging optical system based on the converted contrast signals of the first and second bright and dark patterns. It is a featured automatic focusing method. The present invention also projects a light-dark pattern having a straight edge of light and dark extending substantially radially from the optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system onto the object and reflecting from the object. The image of the bright and dark pattern obtained through the image forming optical system is received by the first photoelectric conversion elements constituting each of the first and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the focus position. And convert it to the first signal corresponding to the dark pattern,
A second constituting each of the first and second photoelectric conversion means
The photoelectric conversion element receives the light, converts it into a second signal corresponding to the bright pattern, and converts the first and second signals from the first and second photoelectric conversion means into the first and second signals. Automatic focusing, characterized in that the object is relatively controlled to a focus position of the imaging optical system based on the contrast signals of the first and second bright and dark patterns obtained corresponding to the photoelectric conversion means. Is the way.

【0008】また本発明は、対象物上の被検出パターン
領域の周辺に対して結像光学系を通してこの結像光学系
の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジ
を有する明暗パターンを投影し、前記周辺から反射して
前記結像光学系を通して得られる明暗パターンの像を光
電変換手段で受光して明暗パターンのコントラスト信号
に変換し、この変換された明暗パターンのコントラスト
信号に基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記対象
物を相対的に制御する焦点合わせ工程と、該焦点合わせ
工程で制御された対象物上の被検出パターン領域から前
記結像光学系を通して得られる光を被検出用光電変換手
段で受光して被検出パターンの画像信号を検出する被検
出パターン検出工程とを有することを特徴とするパター
ン検出方法である。また本発明は、対象物上の被検出パ
ターン領域の周辺に対して結像光学系を通してこの結像
光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線状
エッジを有する明暗パターンを投影し、前記周辺から反
射して前記結像光学系を通して得られる明暗パターンの
像の内、暗パターンの像を第1の光電変換素子で受光し
て暗パターンに相応する第1の信号に変換すると共に、
明パターンの像を第2の光電変換素子で受光して明パタ
ーンに相応する第2の信号に変換して得られる明暗パタ
ーンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合
焦点位置に前記対象物を相対的に制御する焦点合わせ工
程と、該焦点合わせ工程で制御された対象物上の被検出
パターン領域から前記結像光学系を通して得られる光を
被検出用光電変換手段で受光して被検出パターンの画像
信号を検出する被検出パターン検出工程とを有すること
を特徴とするパターン検出方法である。
Further, according to the present invention, a bright and dark linear edge which extends substantially radially from the optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system with respect to the periphery of the pattern area to be detected on the object is provided. A pattern is projected, a light-dark pattern image reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system is received by a photoelectric conversion unit and converted into a light-dark pattern contrast signal, and the converted light-dark pattern contrast signal is obtained. Based on the focusing step of relatively controlling the object to the in-focus position of the imaging optical system on the basis of the detected pattern area on the object controlled by the focusing step, the image is obtained through the imaging optical system. And a detected pattern detecting step of detecting the image signal of the detected pattern by receiving the received light by the photoelectric conversion means for the detected pattern detection method. Further, according to the present invention, a light-dark pattern having linear edges of light and dark extending substantially radially from the optical axis of the imaging optical system is projected to the periphery of the detected pattern area on the object through the imaging optical system. Then, of the bright and dark pattern images reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system, the dark pattern image is received by the first photoelectric conversion element and converted into a first signal corresponding to the dark pattern. With
The image of the bright pattern is received by the second photoelectric conversion element and converted into a second signal corresponding to the bright pattern, and the target is located at the focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the bright / dark pattern obtained. A focusing step for relatively controlling the object, and light obtained through the imaging optical system from the pattern area to be detected on the object controlled in the focusing step is received by the photoelectric conversion means for detection and is received. And a detected pattern detecting step of detecting an image signal of a detection pattern.

【0009】また本発明は、対象物上の被検出パターン
領域の周辺に対して結像光学系を通してこの結像光学系
の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジ
を有する明暗パターンを投影し、前記周辺から反射して
前記結像光学系を通して得られる明暗パターンの像を、
合焦点位置の前後の共役な位置に配置された第1及び第
2の光電変換手段の各々で受光して第1及び第2の明暗
パターンのコントラスト信号に変換し、これら変換され
た第1及び第2の明暗パターンのコントラスト信号に基
づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対
的に制御する焦点合わせ工程と、該焦点合わせ工程で制
御された対象物上の被検出パターン領域から前記結像光
学系を通して得られる光を被検出用光電変換手段で受光
して被検出パターンの画像信号を検出する被検出パター
ン検出工程とを有することを特徴とするパターン検出方
法である。また本発明は、対象物上の被検出パターン領
域の周辺に対して結像光学系を通してこの結像光学系の
光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを
有する明暗パターンを投影し、前記周辺から反射して前
記結像光学系を通して得られる明暗パターンの像を、合
焦点位置の前後の共役な位置に配置された第1及び第2
の光電変換手段の各々を構成する第1の光電変換素子で
受光して暗パターンに相応する第1の信号に変換すると
共に、前記第1及び第2の光電変換手段の各々を構成す
る第2の光電変換素子で受光して明パターンに相応する
第2の信号に変換して、前記第1及び第2の光電変換手
段の各々における第1及び第2の信号から前記第1及び
第2の光電変換手段に対応させて得られる第1及び第2
の明暗パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像
光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御する焦
点合わせ工程と、該焦点合わせ工程で制御された対象物
上の被検出パターン領域から前記結像光学系を通して得
られる光を被検出用光電変換手段で受光して被検出パタ
ーンの画像信号を検出する被検出パターン検出工程とを
有することを特徴とするパターン検出方法である。
Further, according to the present invention, a bright and dark linear edge extending substantially radially from the optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system with respect to the periphery of the detected pattern region on the object is provided. An image of a bright-dark pattern obtained by projecting a pattern, reflecting from the periphery and obtained through the imaging optical system,
Each of the first and second photoelectric conversion means arranged at a conjugate position before and after the in-focus position receives the light and converts the light into a contrast signal of the first and second light-dark patterns, and the converted first and second contrast signals are obtained. A focusing step of relatively controlling the object to a focus position of the imaging optical system based on a contrast signal of a second bright-dark pattern, and a detected pattern on the object controlled in the focusing step. And a detected pattern detecting step of detecting the image signal of the detected pattern by receiving the light obtained from the area through the image forming optical system by the photoelectric conversion means for the detection. The present invention also projects a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from the optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system to the periphery of the detected pattern area on the object. Then, the images of the bright and dark patterns reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system are arranged at the conjugate positions before and after the in-focus position.
The first photoelectric conversion element constituting each of the photoelectric conversion means receives the light and converts it into a first signal corresponding to the dark pattern, and the second signal constitutes each of the first and second photoelectric conversion means. The photoelectric conversion element receives the light and converts it into a second signal corresponding to the bright pattern, and the first and second signals in each of the first and second photoelectric conversion means are converted into the first and second signals. First and second obtained corresponding to photoelectric conversion means
A focusing step of relatively controlling the object to a focusing position of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern, and a detected pattern area on the object controlled in the focusing step. And a detected pattern detecting step of detecting the image signal of the detected pattern by receiving light obtained through the imaging optical system by the photoelectric conversion means for detection.

【0010】また本発明は、試料(半導体ウエハ等)上
に高低差のある第1のパターン(基準パターン)と第2
のパターン(測定パターン:レジストパターン等)とを
形成した被検出パターン領域の周辺に対して結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影
し、前記周辺から反射して前記結像光学系を通して得ら
れる明暗パターンの像を光電変換手段で受光して明暗パ
ターンのコントラスト信号に変換し、この変換された明
暗パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学
系の合焦点位置に前記試料を相対的に制御する焦点合わ
せ工程と、該焦点合わせ工程で制御された前記試料上の
被検出パターン領域における前記第1及び第2のパター
ンからの光像を前記結像光学系を通して前記高低差に応
じて光路長差をつけた検出光学系により結像させて光電
変換手段で受光して第1及び第2のパターンの画像信号
を検出し、この第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、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、これら算出さ
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
間の寸法を算出する被検出パターン検出工程とを有する
ことを特徴とするパターン検出方法である。
Further, according to the present invention, a first pattern (reference pattern) and a second pattern having a height difference on a sample (semiconductor wafer or the like) are provided.
Pattern (measurement pattern: resist pattern, etc.) is formed on the periphery of the detected pattern area, and a straight line edge of light and darkness that extends substantially radially from the optical axis of the imaging optical system is formed through the imaging optical system. An image of a light-dark pattern obtained by projecting a light-dark pattern having the light reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system is received by a photoelectric conversion unit and converted into a contrast signal of the light-dark pattern, and the contrast of the converted light-dark pattern is converted. A focusing step of relatively controlling the sample to a focusing position of the imaging optical system based on a signal; and the first and second detection pattern areas on the sample controlled in the focusing step. The optical image from the pattern is imaged through the imaging optical system by the detection optical system having an optical path length difference according to the height difference and received by the photoelectric conversion means. The image signals of the first and second patterns are detected, the center position of the first pattern is calculated from the image signal of the first pattern, and the center position of the second pattern is calculated from the image signal of the second pattern. The detected pattern detecting step of calculating a dimension between the calculated center of the first pattern and the calculated center of the second pattern.

【0011】また本発明は、試料(半導体ウエハ等)上
に高低差のある第1のパターン(基準パターン)と第2
のパターン(測定パターン:レジストパターン等)とを
形成した被検出パターン領域の周辺に対して結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影
し、前記周辺から反射して前記結像光学系を通して得ら
れる明暗パターンの像の内、暗パターンの像を第1の光
電変換素子で受光して暗パターンに相応する第1の信号
に変換すると共に、明パターンの像を第2の光電変換素
子で受光して明パターンに相応する第2の信号に変換し
て得られる明暗パターンのコントラスト信号に基づいて
前記結像光学系の合焦点位置に前記試料を相対的に制御
する焦点合わせ工程と、該焦点合わせ工程で制御された
前記試料上の被検出パターン領域における前記第1及び
第2のパターンからの光像を前記結像光学系を通して前
記高低差に応じて光路長差をつけた検出光学系により結
像させて光電変換手段で受光して第1及び第2のパター
ンの画像信号を検出し、この第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、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、
これら算出された第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を算出する被検出パターン検出工
程とを有することを特徴とするパターン検出方法であ
る。
Further, according to the present invention, a first pattern (reference pattern) and a second pattern having a height difference on a sample (semiconductor wafer or the like) are provided.
Pattern (measurement pattern: resist pattern, etc.) formed on the periphery of the detected pattern area through a focusing optical system to form a straight edge of light and darkness that extends substantially radially from the optical axis of the focusing optical system. A first pattern corresponding to the dark pattern is obtained by receiving the image of the dark pattern among the images of the bright pattern obtained by projecting the bright pattern and the reflected pattern from the periphery and obtained through the imaging optical system. The image forming optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern obtained by converting the signal of the light pattern into the second signal corresponding to the light pattern by receiving the image of the light pattern by the second photoelectric conversion element. From the focusing step of relatively controlling the sample to the in-focus position, and the first and second patterns in the detected pattern region on the sample controlled in the focusing step. An optical image is formed through the image forming optical system by a detection optical system having an optical path length difference according to the height difference and is received by photoelectric conversion means to detect image signals of first and second patterns, The center position of the first pattern is calculated from the image signal of the first pattern, and the center position of the second pattern is calculated from the image signal of the second pattern,
The detected pattern detection step of calculating a dimension between the calculated center of the first pattern and the calculated center of the second pattern is a pattern detection method.

【0012】また本発明は、試料(半導体ウエハ等)上
に高低差のある第1のパターン(基準パターン)と第2
のパターン(測定パターン:レジストパターン等)とを
形成した被検出パターン領域の周辺に対して結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影
し、前記周辺から反射して前記結像光学系を通して得ら
れる明暗パターンの像を、合焦点位置の前後の共役な位
置に配置された第1及び第2の光電変換手段の各々で受
光して第1及び第2の明暗パターンのコントラスト信号
に変換し、これら変換された第1及び第2の明暗パター
ンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合焦
点位置に前記試料を相対的に制御する焦点合わせ工程
と、該焦点合わせ工程で制御された前記試料上の被検出
パターン領域における前記第1及び第2のパターンから
の光像を前記結像光学系を通して前記高低差に応じて光
路長差をつけた検出光学系により結像させて光電変換手
段で受光して第1及び第2のパターンの画像信号を検出
し、この第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、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、これら算出された第
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
法を算出する被検出パターン検出工程とを有することを
特徴とするパターン検出方法である。
Further, according to the present invention, a first pattern (reference pattern) and a second pattern having a height difference on a sample (semiconductor wafer or the like) are provided.
Pattern (measurement pattern: resist pattern, etc.) formed on the periphery of the detected pattern area through a focusing optical system to form a straight edge of light and darkness that extends substantially radially from the optical axis of the focusing optical system. An image of a bright-dark pattern obtained by projecting a bright-dark pattern that is provided, reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system, of the first and second photoelectric conversion units disposed at conjugate positions before and after the focus position. The light is received by each and converted into contrast signals of the first and second light and dark patterns, and the sample is placed at the focus position of the imaging optical system based on the converted contrast signals of the first and second light and dark patterns. And a focusing step for relatively controlling the focusing step, and an optical image from the first and second patterns in the detected pattern area on the sample controlled by the focusing step Through the detection optical system having an optical path length difference according to the height difference, and the photoelectric conversion means receives the light to detect the image signals of the first and second patterns, and the image signal of the first pattern. From the image signal of the second pattern, the center position of the second pattern is calculated from the image signal of the second pattern, and the calculated center of the first pattern and the center of the second pattern are calculated. And a detected pattern detecting step of calculating a dimension between them.

【0013】また本発明は、試料(半導体ウエハ等)上
に高低差のある第1のパターン(基準パターン)と第2
のパターン(測定パターン:レジストパターン等)とを
形成した被検出パターン領域の周辺に対して結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影
し、前記周辺から反射して前記結像光学系を通して得ら
れる明暗パターンの像を、合焦点位置の前後の共役な位
置に配置された第1及び第2の光電変換手段の各々を構
成する第1の光電変換素子で受光して暗パターンに相応
する第1の信号に変換すると共に、前記第1及び第2の
光電変換手段の各々を構成する第2の光電変換素子で受
光して明パターンに相応する第2の信号に変換して、前
記第1及び第2の光電変換手段の各々における第1及び
第2の信号から前記第1及び第2の光電変換手段に対応
させて得られる第1及び第2の明暗パターンのコントラ
スト信号に基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記
試料を相対的に制御する焦点合わせ工程と、該焦点合わ
せ工程で制御された前記試料上の被検出パターン領域に
おける前記第1及び第2のパターンからの光像を前記結
像光学系を通して前記高低差に応じて光路長差をつけた
検出光学系により結像させて光電変換手段で受光して第
1及び第2のパターンの画像信号を検出し、この第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、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、これら算出された第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を算出する被
検出パターン検出工程とを有することを特徴とするパタ
ーン検出方法である。
Further, according to the present invention, a first pattern (reference pattern) and a second pattern having a height difference on a sample (semiconductor wafer or the like) are provided.
Pattern (measurement pattern: resist pattern, etc.) formed on the periphery of the detected pattern area through a focusing optical system to form a straight edge of light and darkness that extends substantially radially from the optical axis of the focusing optical system. An image of a bright-dark pattern obtained by projecting a bright-dark pattern which is provided, reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system, of the first and second photoelectric conversion means arranged at a conjugate position before and after the focus position The first photoelectric conversion element constituting each receives the light and converts it into the first signal corresponding to the dark pattern, and the second photoelectric conversion element constituting each of the first and second photoelectric conversion means. Light is received and converted into a second signal corresponding to the bright pattern, and the first and second signals in each of the first and second photoelectric conversion means correspond to the first and second photoelectric conversion means. First obtained And a second focusing step for relatively controlling the sample to a focusing position of the imaging optical system based on the contrast signal of the dark and light pattern, and a detected pattern on the sample controlled in the focusing step. The light images from the first and second patterns in the area are imaged through the imaging optical system by a detection optical system having an optical path length difference according to the height difference, and received by photoelectric conversion means to receive the first image. And the image signal of the second pattern is detected, the center position of the first pattern is calculated from the image signal of the first pattern, and the center position of the second pattern is calculated from the image signal of the second pattern. And a detected pattern detecting step of calculating a dimension between the calculated center of the first pattern and the calculated center of the second pattern.

【0014】また本発明は、対象物に対して結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影す
る明暗パターン投影光学系と、該明暗パターン投影光学
系で投影された明暗パターンによって前記対象物から反
射して前記結像光学系を通して得られる明暗パターンの
像を受光して明暗パターンのコントラスト信号に変換す
る光電変換手段と、該光電変換手段によって変換された
明暗パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像光
学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御する制御
手段とを備えたことを特徴とする自動焦点合わせ装置で
ある。また本発明は、対象物に対して結像光学系を通し
てこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明
暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影する明暗
パターン投影光学系と、該明暗パターン投影光学系で投
影された明暗パターンによって前記対象物から反射して
前記結像光学系を通して得られる明暗パターンの像の
内、暗パターンの像を受光して暗パターンに相応する第
1の信号に変換し、明パターンの像を受光して明パター
ンに相応する第2の信号に変換する第1及び第2の光電
変換素子と、該第1の光電変換素子から変換された第1
の信号と前記第2の光電変換素子から変換された第2の
信号とから得られる明暗パターンのコントラスト信号に
基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相
対的に制御する制御手段とを備えたことを特徴とする自
動焦点合わせ装置である。
The present invention also provides a light-dark pattern projection optics for projecting a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the image-forming optical system through an image-forming optical system onto an object. System and photoelectric conversion means for receiving an image of a light-dark pattern reflected from the object by the light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system and obtained through the imaging optical system and converting it into a contrast signal of the light-dark pattern. And auto-focusing means for relatively controlling the object at the focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern converted by the photoelectric conversion means. It is a matching device. The present invention also relates to a light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the image-forming optical system through the image-forming optical system onto an object, A first image corresponding to the dark pattern by receiving the image of the dark pattern among the images of the bright and dark pattern reflected from the object by the bright and dark pattern projected by the light and dark pattern projection optical system and obtained through the imaging optical system. First and second photoelectric conversion elements for converting the signal into a second signal corresponding to the bright pattern by receiving an image of the bright pattern, and a first photoelectric conversion element converted from the first photoelectric conversion element.
Control for relatively controlling the object at the focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern obtained from the signal of No. 2 and the second signal converted from the second photoelectric conversion element. And an automatic focusing device.

【0015】また本発明は、対象物に対して結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影す
る明暗パターン投影光学系と、該明暗パターン投影光学
系で投影された明暗パターンによって前記対象物から反
射して前記結像光学系を通して得られる明暗パターンの
像を、各々で受光して第1及び第2の明暗パターンのコ
ントラスト信号に変換するように合焦点位置の前後の共
役な位置に配置された第1及び第2の光電変換手段と、
該第1の光電変換手段で変換された第1の明暗パターン
のコントラスト信号及び前記第2の光電変換手段で変換
された第2の明暗パターンのコントラスト信号に基づい
て前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に
制御する制御手段とを備えたことを特徴とする自動焦点
合わせ装置である。また本発明は、対象物に対して結像
光学系を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射
状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを
投影する明暗パターン投影光学系と、該明暗パターン投
影光学系で投影された明暗パターンによって前記対象物
から反射して前記結像光学系を通して得られる明暗パタ
ーンの像の内、暗パターンを受光して暗パターンに相応
する第1の信号に変換する第1の光電変換素子及び明パ
ターンを受光して明パターンに相応する第2の信号に変
換する第2の光電変換素子を有し、前記第1及び第2の
信号から第1及び第2の明暗パターンのコントラスト信
号を得る合焦点位置の前後の共役な位置に配置された第
1及び第2の光電変換手段と、該第1及び第2の光電変
換手段の各々から得られる第1及び第2の明暗パターン
のコントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合焦点
位置に前記対象物を相対的に制御する制御手段とを備え
たことを特徴とする自動焦点合わせ装置である。
The present invention also relates to a light-dark pattern projection optics for projecting a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from the optical axis of the image-forming optical system through an image-forming optical system onto an object. First and second bright and dark patterns by receiving light from each of a system and a bright and dark pattern projected by the bright and dark pattern projection optical system to obtain an image of the bright and dark pattern obtained from the object through the imaging optical system. First and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the in-focus position so as to be converted into the contrast signal of
Focusing point of the imaging optical system based on the contrast signal of the first light-dark pattern converted by the first photoelectric conversion means and the contrast signal of the second light-dark pattern converted by the second photoelectric conversion means An automatic focusing device, comprising: a control unit that relatively controls the object at a position. The present invention also relates to a light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the image-forming optical system through the image-forming optical system onto an object, A first signal corresponding to the dark pattern, which is received by the dark pattern of the image of the bright and dark pattern reflected from the object by the bright and dark pattern projection optical system and obtained from the object through the imaging optical system. And a second photoelectric conversion element for receiving the bright pattern and converting it into a second signal corresponding to the bright pattern. The first and second signals are converted into first and second photoelectric conversion elements. First and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the focus position for obtaining the contrast signal of the second bright-dark pattern, and first photoelectric conversion means obtained from each of the first and second photoelectric conversion means. 1st and 1st Is the automatic focusing apparatus characterized by comprising a control means for relatively controlling the object in-focus position of the imaging optical system on the basis of the contrast signal light and dark pattern.

【0016】また本発明は、対象物上の被検出パターン
領域からの被検出パターンの光像を結像させる結像光学
系と、該結像光学系で結像された被検出パターンの光像
を受光して被検出パターンの画像信号を検出する被検出
用光電変換手段とを有するパターン検出装置であって、
前記対象物上の被検出パターン領域の周辺に対して前記
結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から実質的に
放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パター
ンを投影する明暗パターン投影光学系と、該明暗パター
ン投影光学系で投影された明暗パターンによって前記対
象物から反射して前記結像光学系を通して得られる明暗
パターンの像を受光して明暗パターンのコントラスト信
号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段によって
変換された明暗パターンのコントラスト信号に基づいて
前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制
御する制御手段とを有する焦点合わせ装置を備えたこと
を特徴とするパターン検出装置である。また本発明は、
対象物上の被検出パターン領域からの被検出パターンの
光像を結像させる結像光学系と、該結像光学系で結像さ
れた被検出パターンの光像を受光して被検出パターンの
画像信号を検出する被検出用光電変換手段とを有するパ
ターン検出装置であって、前記対象物に対して結像光学
系を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に
延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影
する明暗パターン投影光学系と、該明暗パターン投影光
学系で投影された明暗パターンによって前記対象物から
反射して前記結像光学系を通して得られる明暗パターン
の像の内、暗パターンの像を受光して暗パターンに相応
する第1の信号に変換し、明パターンの像を受光して明
パターンに相応する第2の信号に変換する第1及び第2
の光電変換素子と、該第1の光電変換素子から変換され
た第1の信号と前記第2の光電変換素子から変換された
第2の信号とから得られる明暗パターンのコントラスト
信号に基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記対象
物を相対的に制御する制御手段とを有する焦点合わせ装
置を備えたことを特徴とするパターン検出装置である。
Further, according to the present invention, an image forming optical system for forming an optical image of the detected pattern from the detected pattern region on the object, and an optical image of the detected pattern formed by the image forming optical system. A pattern detection device having a photoelectric conversion means for detection for receiving an image signal of a detection pattern by receiving
A light-dark pattern for projecting a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from the optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system to the periphery of the detected pattern region on the object. A projection optical system and a photoelectric device that receives a light-dark pattern image reflected by the object by the light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system and obtained through the imaging optical system and converts it into a contrast signal of the light-dark pattern. A focusing device having conversion means and control means for relatively controlling the object at a focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern converted by the photoelectric conversion means is provided. It is a pattern detection device characterized by the above. The present invention also provides
An image forming optical system for forming a light image of the detected pattern from the detected pattern region on the object, and a light image of the detected pattern formed by the image forming optical system are received to detect the detected pattern. A pattern detection apparatus having a photoelectric conversion means for detection for detecting an image signal, the bright and dark pattern extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system with respect to the object. A light-dark pattern projection optical system that projects a light-dark pattern having linear edges, and an image of a light-dark pattern obtained through the imaging optical system by being reflected from the object by the light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system. First and second of which a dark pattern image is received and converted into a first signal corresponding to the dark pattern, and a light pattern image is received and converted into a second signal corresponding to the bright pattern.
Of the photoelectric conversion element, the first signal converted from the first photoelectric conversion element, and the second signal converted from the second photoelectric conversion element based on the contrast signal of the light-dark pattern, It is a pattern detection apparatus comprising a focusing device having a control means for relatively controlling the object at a focus position of an imaging optical system.

【0017】また本発明は、対象物上の被検出パターン
領域からの被検出パターンの光像を結像させる結像光学
系と、該結像光学系で結像された被検出パターンの光像
を受光して被検出パターンの画像信号を検出する被検出
用光電変換手段とを有するパターン検出装置であって、
前記対象物に対して結像光学系を通してこの結像光学系
の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジ
を有する明暗パターンを投影する明暗パターン投影光学
系と、該明暗パターン投影光学系で投影された明暗パタ
ーンによって前記対象物から反射して前記結像光学系を
通して得られる明暗パターンの像を、各々で受光して第
1及び第2の明暗パターンのコントラスト信号に変換す
るように合焦点位置の前後の共役な位置に配置された第
1及び第2の光電変換手段と、該第1の光電変換手段で
変換された第1の明暗パターンのコントラスト信号及び
前記第2の光電変換手段で変換された第2の明暗パター
ンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合焦
点位置に前記対象物を相対的に制御する制御手段とを有
する焦点合わせ装置を備えたことを特徴とするパターン
検出装置である。
Further, according to the present invention, an image forming optical system for forming an optical image of the detected pattern from the detected pattern region on the object, and an optical image of the detected pattern formed by the image forming optical system. A pattern detecting device having a photoelectric conversion means for detection for detecting an image signal of a detection pattern by receiving
A light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the image-forming optical system through the image-forming optical system onto the object, and the light-dark pattern projection An image of a light-dark pattern reflected from the object by the light-dark pattern projected by an optical system and obtained through the imaging optical system is received by each and converted into a contrast signal of the first and second light-dark patterns. The first and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the in-focus position, the contrast signal of the first bright-dark pattern converted by the first photoelectric conversion means, and the second photoelectric conversion means. A focusing device having control means for relatively controlling the object at a focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the second bright-dark pattern converted by the conversion means. A pattern detection device characterized by comprising a.

【0018】また本発明は、対象物上の被検出パターン
領域からの被検出パターンの光像を結像させる結像光学
系と、該結像光学系で結像された被検出パターンの光像
を受光して被検出パターンの画像信号を検出する被検出
用光電変換手段とを有するパターン検出装置であって、
前記対象物に対して結像光学系を通してこの結像光学系
の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジ
を有する明暗パターンを投影する明暗パターン投影光学
系と、該明暗パターン投影光学系で投影された明暗パタ
ーンによって前記対象物から反射して前記結像光学系を
通して得られる明暗パターンの像の内、暗パターンを受
光して暗パターンに相応する第1の信号に変換する第1
の光電変換素子及び明パターンを受光して明パターンに
相応する第2の信号に変換する第2の光電変換素子を有
し、前記第1及び第2の信号から第1及び第2の明暗パ
ターンのコントラスト信号を得る合焦点位置の前後の共
役な位置に配置された第1及び第2の光電変換手段と、
該第1及び第2の光電変換手段の各々から得られる第1
及び第2の明暗パターンのコントラスト信号に基づいて
前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制
御する制御手段とを有する焦点合わせ装置を備えたこと
を特徴とするパターン検出装置である。
Further, according to the present invention, an image forming optical system for forming an optical image of the detected pattern from the detected pattern region on the object, and an optical image of the detected pattern formed by the image forming optical system. A pattern detecting device having a photoelectric conversion means for detection for detecting an image signal of a detection pattern by receiving
A light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having a straight edge of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the image-forming optical system through the image-forming optical system onto the object, and the light-dark pattern projection Converting the first and second light signals corresponding to the dark pattern among the images of the light and dark pattern reflected from the object by the light and dark pattern projected by the optical system and obtained through the imaging optical system; 1
Photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element for receiving the bright pattern and converting it into a second signal corresponding to the bright pattern, and the first and second bright and dark patterns from the first and second signals. First and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the in-focus position for obtaining the contrast signal of
A first obtained from each of the first and second photoelectric conversion means
And a focusing device having a control means for relatively controlling the object at the focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the second bright-dark pattern. Is.

【0019】また本発明は、試料上に高低差のある第1
のパターンと第2のパターンとを形成した被検出パター
ン領域における前記第1及び第2のパターンからの光像
を結像光学系を通して前記高低差に応じて光路長差をつ
けて結像させて光電変換手段で受光して第1及び第2の
パターンの画像信号を検出する検出光学系と、前記光電
変換手段により変換された第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、前記光電変換手
段により変換された第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、これら算出された第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
を算出する算出手段とを有するパターン検出装置であっ
て、前記被検出パターン領域の周辺に対して前記結像光
学系を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状
に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投
影する明暗パターン投影光学系と、該明暗パターン投影
光学系で投影された明暗パターンによって前記対象物か
ら反射して前記結像光学系を通して得られる明暗パター
ンの像を受光して明暗パターンのコントラスト信号に変
換する光電変換手段と、該光電変換手段によって変換さ
れた明暗パターンのコントラスト信号に基づいて前記結
像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御する
制御手段とを有する焦点合わせ装置を備えたことを特徴
とするパターン検出装置である。
The present invention also provides a first method in which there is a height difference on a sample.
The optical images from the first and second patterns in the detected pattern area in which the second pattern and the second pattern are formed by forming an optical path length difference according to the height difference through an image forming optical system. A detection optical system that receives the image signals of the first and second patterns received by the photoelectric conversion means, and the center position of the first pattern is calculated from the image signal of the first pattern converted by the photoelectric conversion means. Then, from the image signal of the second pattern converted by the photoelectric conversion means to the second
The center position of the pattern is calculated, and the calculated first position is calculated.
A pattern detecting device having a calculating means for calculating a dimension between the center of the pattern and the center of the second pattern, wherein the image is formed on the periphery of the detected pattern region through the image forming optical system. A light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from the optical axis of the optical system, and reflection from the object by the light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system. Photoelectric conversion means for receiving an image of a light-dark pattern obtained through the imaging optical system and converting it into a contrast signal of the light-dark pattern, and the image formation based on the contrast signal of the light-dark pattern converted by the photoelectric conversion means. A pattern detection device comprising a focusing device having a control means for relatively controlling the object at a focus position of an optical system. It is a device.

【0020】また本発明は、対象物に対して結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影
し、前記対象物から反射して前記結像光学系を通して得
られる明暗パターンの像を、この明暗パターンに対応す
るパターンを有する遮光マスク(受光窓)を通して透過
光量として光電変換手段で受光して明暗パターンのコン
トラスト信号に変換し、この変換された明暗パターンの
コントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合焦点位
置に前記対象物を相対的に制御することを特徴とする自
動焦点合わせ方法である。また本発明は、対象物に対し
て結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から実質的
に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パタ
ーンを投影し、前記対象物から反射して前記結像光学系
を通して得られる明暗パターンの像の内、暗パターンの
像を、この暗パターンに対応するパターンを有する遮光
マスク(受光窓)を通して透過光量として第1の光電変
換素子で受光して暗パターンに相応する第1の信号に変
換すると共に、明パターンの像を、この明パターンに対
応するパターンを有する遮光マスク(受光窓)を通して
透過光量として第2の光電変換素子で受光して明パター
ンに相応する第2の信号に変換してこの第1の信号と第
2の信号の差信号として得られる明暗パターンのコント
ラスト信号に基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前
記対象物を相対的に制御することを特徴とする自動焦点
合わせ方法である。
Further, according to the present invention, a bright-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system is projected on the object, and the object is projected. The image of the light-dark pattern reflected from the image-forming optical system is received by the photoelectric conversion means as the amount of transmitted light through a light-shielding mask (light-receiving window) having a pattern corresponding to the light-dark pattern and converted into a contrast signal of the light-dark pattern. The automatic focusing method is characterized in that the object is converted, and the object is relatively controlled to a focus position of the imaging optical system based on the converted contrast signal of the light-dark pattern. The present invention also projects a light-dark pattern having a straight edge of light and dark extending substantially radially from the optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system onto the object and reflecting from the object. The image of the dark pattern among the images of the bright and dark patterns obtained through the imaging optical system is received by the first photoelectric conversion element as the amount of transmitted light through the light shielding mask (light receiving window) having the pattern corresponding to this dark pattern. And converts it into a first signal corresponding to the dark pattern, and an image of the bright pattern is received by the second photoelectric conversion element as a transmitted light amount through a light-shielding mask (light receiving window) having a pattern corresponding to the bright pattern. Focusing of the imaging optical system based on a contrast signal of a light-dark pattern which is converted into a second signal corresponding to the bright pattern and is obtained as a difference signal between the first signal and the second signal. An automatic focusing method characterized by relatively controlling the object in position.

【0021】また本発明は、対象物に対して結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影
し、前記対象物から反射して前記結像光学系を通して得
られる明暗パターンの像を、合焦点位置の前後の共役な
位置に配置された第1及び第2の光電変換手段の各々で
前記明暗パターンに対応するパターンを有する遮光マス
ク(受光窓)を通して透過光量として受光して第1及び
第2の明暗パターンのコントラスト信号に変換し、これ
ら変換された第1及び第2の明暗パターンのコントラス
ト信号に基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記対
象物を相対的に制御することを特徴とする自動焦点合わ
せ方法である。
According to the present invention, a light-dark pattern having straight linear edges of light and dark extending substantially radially from the optical axis of the imaging optical system is projected on the object, and the object is projected. An image of a light-dark pattern reflected from the image-forming optical system and obtained by the image-forming optical system is formed by a pattern corresponding to the light-dark pattern by each of the first and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the focus position. The light is received as a transmitted light amount through a light-shielding mask (light receiving window) having the above, and is converted into the contrast signals of the first and second light and dark patterns, and the above-mentioned result is obtained based on the converted contrast signals of the first and second light and dark patterns. The automatic focusing method is characterized in that the object is controlled relatively to a focus position of the image optical system.

【0022】前記構成により、結像光学系(対物レン
ズ)を含む検出光学系として、高価な倍率調整可能な射
出側テレセントリックな光学系を用いることなく、対象
物または試料の表面を高精度に焦点合わせを実現するこ
とができる。また前記構成により、結像光学系(対物レ
ンズ)を含む検出光学系として、高価な倍率調整可能な
射出側テレセントリックな光学系を用いることなく、更
に光電変換素子として、高価な一次元リニアイメージセ
ンサを用いることなく、対象物または試料の表面を高精
度に焦点合わせを実現することができる。また前記構成
により、結像光学系(対物レンズ)を含む検出光学系と
して、高価な倍率調整可能な射出側テレセントリックな
光学系を用いることなく、対象物または試料の表面を高
精度に焦点合わせを実現し、その結果対象物または試料
の表面に形成された被検出用のパターンの光像を合焦点
状態にして結像光学系で結像させて被検出用のパターン
の鮮明な画像信号を検出して被検出用のパターン上の微
細な欠陥検査を高信頼度で実現することができる。また
前記構成により、結像光学系(対物レンズ)を含む検出
光学系として、高価な倍率調整可能な射出側テレセント
リックな光学系を用いることなく、対象物または試料の
表面を高精度に焦点合わせを実現し、その結果対象物ま
たは試料の表面に高低差のある複数のパターンで形成さ
れた被検出用のパターンの光像を合焦点状態にして結像
光学系で結像させて被検出用のパターンの鮮明な画像信
号を検出して複数のパターンの間の寸法を高精度に測定
することができる。
With the above structure, the surface of the object or sample can be focused with high accuracy without using an expensive exit-side telecentric optical system with adjustable magnification as a detection optical system including an imaging optical system (objective lens). Matching can be achieved. Further, with the above-mentioned configuration, an expensive one-dimensional linear image sensor is further used as a photoelectric conversion element without using an expensive exit-side telecentric optical system with adjustable magnification as a detection optical system including an imaging optical system (objective lens). It is possible to realize highly accurate focusing of the surface of the object or sample without using. Further, with the above configuration, the surface of the object or sample can be focused with high accuracy without using an expensive exit-side telecentric optical system with adjustable magnification as a detection optical system including an imaging optical system (objective lens). Realized, and as a result, the optical image of the pattern to be detected formed on the surface of the object or sample is focused and focused by the imaging optical system to detect a clear image signal of the pattern to be detected. As a result, a fine defect inspection on the pattern to be detected can be realized with high reliability. Further, with the above configuration, the surface of the object or sample can be focused with high accuracy without using an expensive exit-side telecentric optical system with adjustable magnification as a detection optical system including an imaging optical system (objective lens). As a result, the light image of the pattern to be detected formed on the surface of the object or sample with a plurality of patterns with height differences is focused and focused by the imaging optical system to form an image. It is possible to detect a clear image signal of a pattern and measure the dimension between a plurality of patterns with high accuracy.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面を用いて説
明する。図1は、本発明に係る自動焦点合わせ方法及び
その装置を備えたパターン検出方法及びその装置の第1
の実施例を示す概略構成図である。即ち、自動焦点合わ
せ装置は、焦点検出用の照明光源9、例えば図2(a)
に示すように実質的に半径方向以外にエッジを持たない
明暗パターン(対物レンズ3の光軸を中心に実質的に放
射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パター
ン)を3回程度以上繰り返して形成した(中心部101
はパターン検出イメージセンサ8が検出する視野であ
る。)マスク10、および該マスク10に形成された明
暗パターンを対物レンズ(結像光学系)3を通して対象
物(試料)4の表面に投影して結像させる集光レンズ1
1を有する照明光学系12と、対物レンズ(結像光学
系)3と、被検出用のパターンが形成された半導体ウエ
ハ、プリント配線基板、薄膜多層基板、TFT薄膜等の
対象物(試料)4と、対象物(試料)4上に形成された
被検出用のパターンから対物レンズ(結像光学系)3に
よって結像される光像(反射光像、透過光像であっても
良い。)を検出する(受光して画像信号に変換する)パ
ターン検出用イメージセンサ(リニアイメージセンサ、
TVカメラ等)8と、合焦点位置に対して前側に一定距
離離した位置に設けられて明暗パターンの内明パターン
を通して暗パターンを遮光する遮光マスク13Aおよび
その透過光量を検出する受光素子(センサ)14A並び
に合焦点位置に対して前側に所定の距離h離した位置に
設けられて明暗パターンの内暗パターンを通して明パタ
ーンを遮光する(遮光マスク13Aに対して透過率を反
転した)遮光マスク13Bおよびその透過光量を検出す
る受光素子(センサ)14Bと、合焦点位置に対して後
側に所定の距離h離した位置(上記遮光マスク13A,
13Bと共役位置)に設けられて明暗パターンの内明パ
ターンを通して暗パターンを遮光する遮光マスク15A
およびその透過光量を検出する受光素子(センサ)16
A並びに合焦点位置に対して後側に一距離離した位置に
設けられて明暗パターンの内暗パターンを通して明パタ
ーンを遮光する(遮光マスク15Aに対して透過率を反
転した)遮光マスク15Bおよびその透過光量を検出す
る受光素子(センサ)16Bと、上記受光素子(セン
サ)14Aから得られる信号31A(S14A)と受光
素子(センサ)14Bから得られる信号31B(S14
B)との例えば差信号からなる明暗パターンのコントラ
スト信号CAと上記受光素子(センサ)16Aから得ら
れる信号32A(S16A)と受光素子(センサ)16
Bから得られる信号32B(S16B)との例えば差信
号からなる明暗パターンのコントラスト信号CBとが許
容範囲においてほぼ一致にする合焦点位置を判定する焦
点位置判定回路17と、該焦点位置判定回路17よりの
判定結果を元に対象物4の表面のZ方向の位置を調整す
るために試料台7を上下させる上下機構18とより構成
される。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a first block diagram of an automatic focusing method and pattern detection method including the apparatus according to the present invention
It is a schematic structure figure showing an example of. That is, the automatic focusing device includes an illumination light source 9 for focus detection, for example, FIG.
As shown in FIG. 2, a light-dark pattern having substantially no edges other than the radial direction (a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially around the optical axis of the objective lens 3) is repeated about three times or more. Formed (center 101
Is a visual field detected by the pattern detection image sensor 8. ) A mask 10 and a condenser lens 1 for projecting a light-dark pattern formed on the mask 10 onto the surface of an object (sample) 4 through an objective lens (imaging optical system) 3 to form an image.
1, an objective lens (imaging optical system) 3, an object (sample) 4 such as a semiconductor wafer on which a pattern for detection is formed, a printed wiring board, a thin film multilayer substrate, a TFT thin film, etc. And an optical image (which may be a reflected light image or a transmitted light image) formed by the objective lens (imaging optical system) 3 from the pattern to be detected formed on the object (sample) 4. Image sensor (linear image sensor, which detects light (receives light and converts it into an image signal))
(TV camera or the like) 8, a light-shielding mask 13A which is provided at a position apart from the in-focus position by a certain distance in the front side and shields a dark pattern through an inner bright pattern of a light-dark pattern, and a light-receiving element (sensor) for detecting the amount of transmitted light. ) 14A and a light-shielding mask 13B which is provided at a position separated by a predetermined distance h to the front side from the in-focus position and shields the light pattern through the dark and light patterns of the light-dark pattern (the transmittance is inverted with respect to the light-shielding mask 13A). And a light receiving element (sensor) 14B that detects the amount of transmitted light, and a position (a light shielding mask 13A,
13B and a light-shielding mask 15A that is provided at a position conjugate with 13B and shields the dark pattern through the inner-light pattern of the light-dark pattern
And a light receiving element (sensor) 16 for detecting the amount of transmitted light
A and a light-shielding mask 15B which is provided at a position away from the in-focus position by a distance to the rear side and shields the light pattern through the inner-dark pattern of the light-dark pattern (the transmittance is inverted with respect to the light-shielding mask 15A), and the light-shielding mask 15B. A light receiving element (sensor) 16B for detecting the amount of transmitted light, a signal 31A (S14A) obtained from the light receiving element (sensor) 14A, and a signal 31B (S14) obtained from the light receiving element (sensor) 14B.
B), for example, a contrast signal CA of a light-dark pattern formed of a difference signal, a signal 32A (S16A) obtained from the light receiving element (sensor) 16A, and a light receiving element (sensor) 16
A focus position determination circuit 17 that determines the in-focus position where the signal 32B (S16B) obtained from B and the contrast signal CB of the light-dark pattern, which is, for example, a difference signal, substantially match in the allowable range, and the focus position determination circuit 17 The vertical movement mechanism 18 is configured to move the sample table 7 up and down in order to adjust the position of the surface of the object 4 in the Z direction on the basis of the determination result.

【0024】次に対象物4の表面上における被検出パタ
ーンの周辺に対物レンズ3を通して投影される実質的に
半径方向以外にエッジを持たずに3回程度以上繰り返さ
れる明暗パターン(対物レンズ3の光軸を中心に実質的
に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する3回程度
以上繰り返される明暗パターン)を作るマスク10につ
いて説明する。図2(a)にマスク10の一実施例を示
す。即ち、マスク10aは、対象物4上における被検出
パターンをパターン検出用イメージセンサ8で検出する
領域(視野)に対して照明光源9から出射された光を照
明する透明な円形領域からなる中心部101と、対物レ
ンズ3の光軸を中心に実質的に放射状に延びた明暗の直
線状エッジを有する明暗パターン(透明パターンと不透
明パターン)を全周に亘って繰り返して形成した外周部
102とから形成されている。この外周部102は、自
動焦点合わせのために、対象物4の表面に対して対物レ
ンズ3を通して投影する上記明暗パターンが形成された
領域である。この明暗パターン(明暗の直線状境界(直
線状エッジ)の延長線が対物レンズ3の光軸に向かって
円周方向に繰り返される明暗パターン)は、円周方向に
例えば5度毎に明部(透明部)/暗部(不透明部)の繰
り返しで形成されている。そしてマスク10aは、Cr
等(暗部(不透明部)を形成する。)のガラスマスクま
たはエッチングマスクで構成される。なお、対象物4上
における被検出パターンをパターン検出用イメージセン
サ8で検出する領域(視野)に対して照明する照明光源
として、上記照明光源9とは別に設けた場合には、上記
中心部101を不透明な領域にすることが必要となる。
Next, a bright and dark pattern (of the objective lens 3) repeated about three times or more is projected around the pattern to be detected on the surface of the object 4 through the objective lens 3 with substantially no edge other than in the radial direction. A mask 10 that creates a light-dark pattern that is repeated about three times or more and that has bright and dark linear edges extending substantially radially around the optical axis will be described. An example of the mask 10 is shown in FIG. That is, the mask 10a has a central portion formed of a transparent circular region that illuminates the light emitted from the illumination light source 9 with respect to the region (field of view) in which the pattern detection image sensor 8 detects the detected pattern on the object 4. 101 and an outer peripheral portion 102 formed by repeatedly forming a light-dark pattern (transparent pattern and opaque pattern) having straight edges of light and dark extending substantially radially around the optical axis of the objective lens 3 over the entire circumference. Has been formed. The outer peripheral portion 102 is an area in which the light-dark pattern is projected on the surface of the object 4 through the objective lens 3 for automatic focusing. This light-dark pattern (bright-dark pattern in which an extended line of a light-dark linear boundary (linear edge) is repeated in the circumferential direction toward the optical axis of the objective lens 3) has a bright portion (for example, every 5 degrees in the circumferential direction). It is formed by repeating transparent portions / dark portions (opaque portions). And the mask 10a is made of Cr
Etc. (forms a dark portion (opaque portion).) A glass mask or etching mask. When the illumination light source for illuminating the detected pattern on the object 4 to the area (field of view) detected by the image sensor 8 for pattern detection is provided separately from the illumination light source 9, the central portion 101 is provided. To be an opaque area.

【0025】またマスク10の他の実施例を図4(a)
および図5(a)に示す。図4(a)に示すマスク10
bにおいては、明暗パターンを形成した領域を外周部1
02の片側領域に形成した場合を示したものである。図
5(a)に示すマスク10cにおいては、明暗パターン
を形成した領域を外周部102の対称領域に形成した場
合を示したものである。図4(a)および図5(a)に
示すマスク10b、10cは、照明光源9から出射され
た光を照明する透明な円形領域からなる中心部101
と、対物レンズ3の光軸を中心に実質的に放射状に延び
た明暗の直線状エッジを有する明暗パターン(透明パタ
ーンと不透明パターン)を3回程度以上繰り返して形成
した外周部102とから形成されている。図6(a)に
は、図2(a)に示すマスク10aと同様な形状のもの
を示す。
Another embodiment of the mask 10 is shown in FIG.
And shown in FIG. The mask 10 shown in FIG.
In b, the area where the light-dark pattern is formed is the outer peripheral portion 1
2 shows the case of being formed in one side area of No. 02. In the mask 10c shown in FIG. 5A, the case where the area where the bright and dark pattern is formed is formed in the symmetrical area of the outer peripheral portion 102 is shown. The masks 10b and 10c shown in FIG. 4A and FIG. 5A have a central portion 101 formed of a transparent circular region that illuminates light emitted from the illumination light source 9.
And a peripheral portion 102 formed by repeating a light-dark pattern (transparent pattern and opaque pattern) having straight edges of light and dark extending substantially radially around the optical axis of the objective lens 3 about three times or more. ing. FIG. 6A shows a shape similar to the mask 10a shown in FIG.

【0026】次に受光素子(センサ)14A、16Aの
各々前に設置された遮光マスク13A、15A並びに受
光素子(センサ)14B、16Bの各々前に設置された
遮光マスク13B、15Bについて説明する。図2
(b)に示すように、遮光マスク13Aa、15Aa
は、自動焦点合せ以外のパターンを遮光する中心部10
3と、対象物4の表面に対して投影されて反射されて対
物レンズ3を通して得られる明暗パターンの光像の内、
明パターンの光像を通過させる透明部と暗パターンの光
像を遮光する不透明部とを全周に亘って繰り返して形成
した外周部104とから形成されている。この外周部1
04は、マスク10aの外周部102の明暗パターンと
相似形で形成される。図2(c)に示すように、遮光マ
スク13Ba、15Baは、自動焦点合せ以外のパター
ンを遮光する中心部103と、対象物4の表面に対して
投影されて反射されて対物レンズ3を通して得られる明
暗パターンの光像の内、暗パターンの光像を通過させる
透明部と明パターンの光像を遮光する不透明部とを全周
に亘って繰り返して形成した外周部104とから形成さ
れている。この外周部104は、マスク10aの外周部
102の明暗パターンと相似形で形成される。
Next, the light-shielding masks 13A and 15A installed in front of the light-receiving elements (sensors) 14A and 16A and the light-shielding masks 13B and 15B installed in front of the light-receiving elements (sensors) 14B and 16B will be described. FIG.
As shown in (b), the light-shielding masks 13Aa and 15Aa
Is a central portion 10 that shields patterns other than automatic focusing.
3 and the light image of the light-dark pattern projected through the surface of the object 4 and reflected and obtained through the objective lens 3,
An outer peripheral portion 104 is formed by repeatedly forming a transparent portion that transmits a light pattern light image and an opaque portion that blocks a dark pattern light image over the entire circumference. This peripheral part 1
04 is formed in a shape similar to the light-dark pattern of the outer peripheral portion 102 of the mask 10a. As shown in FIG. 2C, the light-shielding masks 13Ba and 15Ba are obtained through the objective lens 3 by being projected and reflected on the central portion 103 which shields the pattern other than the automatic focusing and the surface of the object 4. Of the light image of the bright and dark pattern to be formed, it is formed of a transparent portion that transmits the light image of the dark pattern and an outer peripheral portion 104 that is repeatedly formed over the entire circumference and an opaque portion that blocks the light image of the bright pattern. . The outer peripheral portion 104 is formed in a shape similar to the light-dark pattern of the outer peripheral portion 102 of the mask 10a.

【0027】また遮光マスク13A、15A、13B、
15Bの他の実施例を図4(b)(c)および図5
(b)(c)および図6(b)(c)に示す。図4
(b)に示す遮光マスク13Ab、15Abにおいて
は、明パターンの光像を通過させる透明部と暗パターン
の光像を遮光する不透明部とを繰り返して形成した領域
を外周部104の片側領域に形成した場合を示したもの
である。図4(c)に示す遮光マスク13Bb、15B
bにおいては、暗パターンの光像を通過させる透明部と
明パターンの光像を遮光する不透明部とを繰り返して形
成した領域を外周部104の片側領域に形成した場合を
示したものである。図5(b)に示す遮光マスク13A
c、15Acにおいては、明パターンの光像を通過させ
る透明部と暗パターンの光像を遮光する不透明部とを繰
り返して形成した領域を外周部104の対称領域に形成
した場合を示したものである。図5(c)に示す遮光マ
スク13Bc、15Bcにおいては、暗パターンの光像
を通過させる透明部と明パターンの光像を遮光する不透
明部とを繰り返して形成した領域を外周部104の対称
領域に形成した場合を示したものである。図6(b)に
示す遮光マスク13Ad、15Adにおいては、明パタ
ーンの光像および暗パターンの光像を通過させる透明部
(円輪状)で形成した領域を外周部104の全周に亘っ
て形成した場合を示したものである。図6(c)に示す
遮光マスク13Ba、15Baにおいては、図2(c)
に示すのと同様に、暗パターンの光像を通過させる透明
部と明パターンの光像を遮光する不透明部とを全周に亘
って繰り返して形成した領域を外周部104に形成した
場合を示したものである。図4(b)(c)および図5
(b)(c)および図6(b)(c)に示す遮光マスク
13A、15A、13B、15Bは、自動焦点合せ以外
のパターンを遮光する不透明な円形領域からなる中心部
103と、マスク10に形成されたパターンと相似形の
対物レンズ3の光軸を中心に実質的に放射状に延びた明
暗の直線状エッジを有する明暗パターン(透明パターン
と不透明パターン)を3回程度以上繰り返して形成した
外周部104とから形成されている。これら遮光マスク
13A、13B、15A、15Bは、マスク10と同様
に、Cr等(暗部(不透明部)を形成する。)のガラス
マスクまたはエッチングマスクで構成される。また遮光
マスク13A、13B、15A、15Bは、受光素子
(センサ)14A、14B、16A、16Bの受光面に
形成してもよい。
Further, the light shielding masks 13A, 15A, 13B,
Another embodiment of 15B is shown in FIG. 4 (b) (c) and FIG.
6 (b) and 6 (c) and FIGS. 6 (b) and 6 (c). FIG.
In the light-shielding masks 13Ab and 15Ab shown in (b), a region formed by repeatedly forming a transparent portion that transmits a light pattern light image and an opaque portion that shields a dark pattern light image is formed in one region of the outer peripheral portion 104. This shows the case where Shading masks 13Bb and 15B shown in FIG.
In b, a region in which a transparent portion that transmits a dark pattern light image and an opaque portion that blocks a bright pattern light image are repeatedly formed is formed in one side region of the outer peripheral portion 104. Shading mask 13A shown in FIG.
In c and 15Ac, a case is shown in which a region formed by repeatedly forming a transparent portion that transmits a light pattern light image and an opaque portion that blocks a dark pattern light image is formed in a symmetrical region of the outer peripheral portion 104. is there. In the light-shielding masks 13Bc and 15Bc shown in FIG. 5C, a region formed by repeatedly forming a transparent portion that allows the light image of the dark pattern to pass therethrough and an opaque portion that blocks the light image of the light pattern is a symmetrical region of the outer peripheral portion 104. It shows the case of forming. In the light-shielding masks 13Ad and 15Ad shown in FIG. 6B, a region formed by a transparent portion (a ring shape) that allows the light image of the bright pattern and the light image of the dark pattern to pass is formed over the entire circumference of the outer peripheral portion 104. This shows the case where In the light-shielding masks 13Ba and 15Ba shown in FIG. 6C, FIG.
Similarly to the case shown in FIG. 3, a case is shown in which an outer peripheral portion 104 is formed with a region in which a transparent portion that transmits a dark pattern light image and an opaque portion that blocks a light pattern light image are repeatedly formed over the entire circumference. It is a thing. 4 (b) (c) and FIG.
The light-shielding masks 13A, 15A, 13B, and 15B shown in (b) and (c) and FIGS. 6B and 6C have a central portion 103 formed of an opaque circular region that shields a pattern other than automatic focusing, and the mask 10. The light-dark pattern (transparent pattern and opaque pattern) having linear edges of light and dark extending substantially radially around the optical axis of the objective lens 3 similar to the pattern formed in FIG. It is formed from the outer peripheral portion 104. These light-shielding masks 13A, 13B, 15A, and 15B are made of a glass mask such as Cr (which forms a dark portion (opaque portion)) or an etching mask, like the mask 10. Further, the light shielding masks 13A, 13B, 15A and 15B may be formed on the light receiving surfaces of the light receiving elements (sensors) 14A, 14B, 16A and 16B.

【0028】従って、受光素子(センサ)14A、16
Aは、遮光マスク13Aa、15Aaを通過した明パタ
ーンの光量を検出することになり、対象物4の表面のZ
座標(焦点位置Z)に対して図2(d)に示すような光
量信号31A、32Aを出力することになる。この光量
信号31A、32Aが最大の位置Zが合焦位置となる。
受光素子(センサ)14B、16Bは、遮光マスク13
Ba、15Baを通過した暗パターンの光量を検出する
ことになり、対象物4の表面のZ座標(焦点位置Z)に
対して図2(e)に示すような光量信号31B、32B
を出力することになる。この光量信号31B、32Bが
最小の位置Zが合焦位置となる。そこで、計算機21で
ある焦点位置判定回路17において、図2(d)に示す
光量信号31A、32Aと図2(e)に示す光量信号3
1B、32Bとの差(コントラスト)をとることによっ
て対象物4の表面のZ座標(焦点位置Z)に対して図2
(f)に示すようなコントラスト信号33(CA)、3
4(CB)を算出(抽出)することができる。そして、
このコントラスト信号33(CA)、34(CB)は、
図2(f)に示すように合焦点位置においてピークの値
を示す。
Therefore, the light receiving elements (sensors) 14A, 16
A is to detect the light amount of the bright pattern that has passed through the light shielding masks 13Aa and 15Aa, and Z of the surface of the object 4 is detected.
The light amount signals 31A and 32A as shown in FIG. 2D are output for the coordinates (focal point Z). The position Z where the light amount signals 31A and 32A are maximum is the in-focus position.
The light receiving elements (sensors) 14B and 16B are the light shielding mask 13.
The light amount of the dark pattern that has passed through Ba and 15Ba is detected, and the light amount signals 31B and 32B as shown in FIG.
Will be output. The position Z where the light amount signals 31B and 32B are the minimum is the in-focus position. Therefore, in the focus position determination circuit 17, which is the computer 21, the light amount signals 31A and 32A shown in FIG. 2D and the light amount signal 3 shown in FIG.
By taking the difference (contrast) from 1B and 32B, the Z coordinate (focal point Z) of the surface of the object 4 is shown in FIG.
The contrast signals 33 (CA), 3 as shown in (f)
4 (CB) can be calculated (extracted). And
The contrast signals 33 (CA) and 34 (CB) are
As shown in FIG. 2F, the peak value is shown at the in-focus position.

【0029】また図4(a)および図5(a)に示すマ
スク10b、10cを用い、図4(b)(c)および図
5(b)(c)に示す遮光マスク13Ab、15Ab、
13Bb、15Bb、13Ac、15Ac、13Bc、
15Bcを用いた場合においても、同様なコントラスト
信号を得ることができる。また図6(a)に示すマスク
10aを用い、図6(b)に示す遮光マスク13Ad、
15Adを用いた場合には、受光素子(センサ)14
A、16Aは、遮光マスク13Ad、15Adを通過し
た明暗パターンの全光量を検出することになり、対象物
4の表面のZ座標(焦点位置Z)に対してほぼ一定の光
量信号31A、32Aを出力することになり、受光素子
(センサ)14B、16Bは、遮光マスク13Ba、1
5Baを通過した暗パターンの光量を検出することにな
り、対象物4の表面のZ座標(焦点位置Z)に対して図
2(e)に示すような光量信号31B、32Bを出力す
ることになる。従って、焦点位置判定回路17において
算出するほぼ一定の光量信号31A、32Aと図2
(e)に示す光量信号31B、32Bとの差(コントラ
スト)であるコントラスト信号は、対象物4の表面のZ
座標(焦点位置Z)に対して図2(e)に示す信号とほ
ぼ同様な波形を示すことになる。
Using the masks 10b and 10c shown in FIGS. 4A and 5A, the light-shielding masks 13Ab and 15Ab shown in FIGS. 4B and 5C and FIGS.
13Bb, 15Bb, 13Ac, 15Ac, 13Bc,
Even when 15Bc is used, a similar contrast signal can be obtained. Also, using the mask 10a shown in FIG. 6A, the light-shielding mask 13Ad shown in FIG.
When 15Ad is used, the light receiving element (sensor) 14
A and 16A detect the total amount of light of the light-dark pattern that has passed through the light-shielding masks 13Ad and 15Ad, and output almost constant light amount signals 31A and 32A with respect to the Z coordinate (focus position Z) of the surface of the object 4. Therefore, the light receiving elements (sensors) 14B and 16B are output from the light shielding masks 13Ba and 1Ba, respectively.
The light amount of the dark pattern that has passed through 5Ba is detected, and the light amount signals 31B and 32B as shown in FIG. 2E are output with respect to the Z coordinate (focal point Z) of the surface of the object 4. Become. Therefore, the substantially constant light amount signals 31A and 32A calculated in the focus position determination circuit 17 and those in FIG.
The contrast signal, which is the difference (contrast) between the light amount signals 31B and 32B shown in (e), is the Z of the surface of the object 4.
With respect to the coordinates (focal point Z), a waveform substantially similar to the signal shown in FIG.

【0030】図1に示す実施例においては、遮光マスク
13A、13Bも含めて受光素子(センサ)14A、1
4Bと遮光マスク15A、15Bも含めて受光素子(セ
ンサ)16A、16Bとを、対物レンズ3に対する合焦
点位置の前後の共役位置(一定な距離を示す位置)hに
設置したので、焦点位置判定回路17は、受光素子14
Aから出力される光量信号31A(S14A)と受光素
子14Bから出力される光量信号31B(S14B)と
の差で示されるコンタラスト信号33(CA)と、受光
素子16Aから出力される光量信号32A(S16A)
と受光素子16Bから出力される光量信号32B(S1
6B)との差で示されるコンタラスト信号34(CB)
とを例えば次の(数1)式または(数2)式または(数
3)式に基づいて算出し、これら算出されたコンタラス
ト信号33(CA)とコンタラスト信号34(CB)と
の差が許容範囲ε内に入るように(コントラスト信号3
3とコントラスト信号34とが許容範囲εにおいて一致
するように)、対象物(試料)4の表面をZ軸方向に微
動させるように上下機構18を駆動制御(PID制御)
し、これら算出されたコンタラスト信号33とコンタラ
スト信号34との差が許容範囲内に入ったとき(コント
ラスト信号33とコントラスト信号34とが許容範囲に
おいて一致したとき)対象物(試料)4の表面が対物レ
ンズ(結像光学系)3に対して合焦点状態と判定する。
In the embodiment shown in FIG. 1, the light-receiving elements (sensors) 14A and 1A including the light-shielding masks 13A and 13B are included.
4B and the light-shielding masks 15A and 15B, and the light-receiving elements (sensors) 16A and 16B are installed at conjugate positions (positions indicating a constant distance) h before and after the in-focus position with respect to the objective lens 3. The circuit 17 includes the light receiving element 14
A contrast signal 33 (CA) indicated by the difference between the light amount signal 31A (S14A) output from A and the light amount signal 31B (S14B) output from the light receiving element 14B, and the light amount signal 32A output from the light receiving element 16A. (S16A)
And the light quantity signal 32B (S1
6B) and the contrast signal 34 (CB)
And are calculated based on, for example, the following equation (1), equation (2), or equation (3), and the difference between the calculated contrast signal 33 (CA) and the contrast signal 34 (CB) is calculated. To be within the allowable range ε (contrast signal 3
3 and the contrast signal 34 coincide with each other within the allowable range ε), and the up-and-down mechanism 18 is drive-controlled (PID control) so as to finely move the surface of the object (sample) 4 in the Z-axis direction.
However, when the calculated difference between the contrast signal 33 and the contrast signal 34 falls within the allowable range (when the contrast signal 33 and the contrast signal 34 match within the allowable range), the object (sample) 4 The surface is determined to be in focus with respect to the objective lens (imaging optical system) 3.

【0031】即ち、焦点位置判定回路17は、受光素子
(センサ)14A、16A、14B、16Bのそれぞれ
からの出力信号(光量信号)31A(S14A)、32
A(S16A)、31B(S14B)、32B(S16
B)を元に、合焦点位置の前後の位置(遮光マスク13
A、13Bと遮光マスク15A、15Bとの各々が配置
された位置)において例えば次の(数1)式または(数
2)式または(数3)式に基づいてコントラスト信号3
3(CA)、34(CB)を算出する。 CA=(S14A−S14B)/(S14A+S14B) CB=(S16A−S16B)/(S16A+S16B) (数1) CA=(S14B−2×S14A)/S14B CB=(S16B−2×S16A)/S16B (数2) CA=S14A CB=S16A (数3) そして、計算機21である焦点位置判定回路17は、C
A−CBまたは(CA−CB)/(CA+CB)の値を
用いて試料台7の上下機構18をPID制御で制御す
る。また焦点位置判定回路17は、コントラスト信号3
3(CA)とコントラスト信号34(CB)とを比較し
て、CAがCB+許容値εより大きい場合は試料台7の
上下機構18を駆動制御して試料台7を下に微移動さ
せ、CAがCB−許容値εより小さい場合は試料台7の
上下機構18を駆動制御して試料台7を上に微移動さ
せ、CAがCB±許容値ε内に入ったとき(CAとCB
との差が±許容値ε内になったとき)対象物4の表面が
対物レンズ3の合焦点位置になったと判定し、自動合焦
点合わせ動作を終了させる。即ち、自動焦点合わせ系の
受光素子14A、14B、16A、16Bのそれぞれか
ら検出される対象物4の表面合焦点情報に基づいて、焦
点位置判定回路17は上下機構18をZ軸方向に微動制
御して被検出用のパターンを適切な合焦点位置に位置付
ける。
That is, the focus position determination circuit 17 outputs signals (light quantity signals) 31A (S14A) and 32 from the light receiving elements (sensors) 14A, 16A, 14B and 16B, respectively.
A (S16A), 31B (S14B), 32B (S16
Based on B), the positions before and after the in-focus position (shading mask 13
At the positions where A and 13B and the light-shielding masks 15A and 15B are respectively arranged), the contrast signal 3 is calculated based on, for example, the following (Formula 1), (Formula 2) or (Formula 3).
3 (CA) and 34 (CB) are calculated. CA = (S14A-S14B) / (S14A + S14B) CB = (S16A-S16B) / (S16A + S16B) (Equation 1) CA = (S14B-2 * S14A) / S14B CB = (S16B-2 * S16A) / S16B (Number) 2) CA = S14A CB = S16A (Equation 3) Then, the focus position determination circuit 17 which is the computer 21
The vertical mechanism 18 of the sample stage 7 is controlled by PID control using the value of A-CB or (CA-CB) / (CA + CB). Further, the focus position determination circuit 17 uses the contrast signal 3
3 (CA) and the contrast signal 34 (CB) are compared, and when CA is larger than CB + allowable value ε, the up-and-down mechanism 18 of the sample table 7 is drive-controlled to slightly move the sample table 7 downward, and CA Is smaller than CB-permissible value ε, the up-and-down mechanism 18 of the sample table 7 is drive-controlled to slightly move the sample table 7 upward, and when CA is within the CB ± allowable value ε (CA and CB
(When the difference between and is within the allowable value ε)), it is determined that the surface of the object 4 is at the in-focus position of the objective lens 3, and the automatic in-focus operation is ended. That is, the focus position determination circuit 17 finely controls the up-and-down mechanism 18 in the Z-axis direction based on the in-focus information of the surface of the object 4 detected from each of the light receiving elements 14A, 14B, 16A, and 16B of the automatic focusing system. Then, the pattern to be detected is positioned at an appropriate focus position.

【0032】即ち、対象物(試料)4の表面が対物レン
ズ(結像光学系)3の合焦点位置にあるときは、遮光マ
スク13A、13Bの位置でのコントラスト信号33と
遮光マスク15A、15Bの位置でのコントラスト信号
34は等しい。対象物4の表面が対物レンズ(結像光学
系)3の合焦点位置より上に移動(位置)すると遮光マ
スク13A、13Bの位置で検出されるコントラスト信
号33の方が大きくなる。一方、対象物4の表面が対物
レンズ(結像光学系)3の合焦点位置より下に移動(位
置)すると遮光マスク13A、13Bの位置で検出され
るコントラスト信号34の方が大きくなる。以上説明し
たように、4個の遮光マスク13A、13Bおよび15
A、15Bと4個の受光部が1つの4個の受光素子(セ
ンサ)14A、14Bおよび16A、16Bとの組み合
わせで、対物レンズ(結像光学系)3として通常の安価
な射出側テレセントリックでない光学系を用いても、対
象物(試料)4の表面を高精度に合焦点合わせを行うこ
とができる。
That is, when the surface of the object (sample) 4 is at the in-focus position of the objective lens (imaging optical system) 3, the contrast signal 33 at the positions of the light shielding masks 13A and 13B and the light shielding masks 15A and 15B. The contrast signals 34 at the positions are equal. When the surface of the object 4 moves (positions) above the focus position of the objective lens (imaging optical system) 3, the contrast signal 33 detected at the positions of the light shielding masks 13A and 13B becomes larger. On the other hand, when the surface of the object 4 moves (positions) below the focus position of the objective lens (imaging optical system) 3, the contrast signal 34 detected at the positions of the light shielding masks 13A and 13B becomes larger. As described above, the four light shielding masks 13A, 13B and 15
A, 15B and four light-receiving portions are combined with four light-receiving elements (sensors) 14A, 14B and 16A, 16B, and the objective lens (imaging optical system) 3 is not a usual inexpensive exit side telecentric. Even if an optical system is used, the surface of the object (sample) 4 can be focused with high accuracy.

【0033】ところで、対物レンズ(結像光学系)3と
して通常の安価な射出側テレセントリックでない光学系
を用いた場合、図3(a)に示すように、主光線の向き
が像高により異なり、遮光マスクを含めた受光素子(セ
ンサ)を合焦点位置100以外に設置すると合焦点位置
の前後位置101、102における検出像(図3(b)
(d)に示す。)は、合焦点位置100での検出像(図
3(c)に示す。)に対して検出倍率が変化することに
なる。しかし、上記の如く、対象物(試料)4の表面に
投影された投影パターンは、マスク10上に形成された
図2(a)、図4(a)および図5(a)に示すような
明暗の直線状境界(直線状エッジ)の延長線が対物レン
ズ3の光軸に向かって円周方向に繰り返される明暗パタ
ーンであるため、検出倍率が変化したとしても、明暗パ
ターンの角度形状(角度情報)は維持されることにな
る。従って、受光素子14A、14Bに遮光マスク13
A、13Bを、受光素子16A、16Bに遮光マスク1
5A、15Bを設置するだけで、対物レンズ(結像光学
系)3として通常の安価な射出側テレセントリックでな
い光学系を用いて検出倍率が変化したとしても、この検
出倍率の変化に影響を受けることなく、高精度に合焦点
合わせを実現することができ、その結果パターン検出イ
メージセンサ8により対象物(試料)4上に形成された
被検出用のパターンを高解像度で検出することが可能と
なる。即ち、対物レンズ(結像光学系)3として倍率調
整可能な射出側テレセントリックな光学系を用いる必要
がなくなり、安価でしかも高精度に合焦点位置を測定可
能で、即ち合焦点位置に制御可能で、且つパターン検出
イメージセンサ8により被検出パターンを高解像度で検
出して被検出パターンの寸法を高精度に測定したり、被
検出パターン上に存在する微細な欠陥を高精度に検査す
ることができる。
By the way, when an ordinary inexpensive optical system on the exit side, which is not telecentric, is used as the objective lens (imaging optical system) 3, the direction of the chief ray differs depending on the image height as shown in FIG. When a light-receiving element (sensor) including a light-shielding mask is installed at a position other than the in-focus position 100, detection images at front and rear positions 101 and 102 of the in-focus position (FIG. 3B).
It shows in (d). ), The detection magnification changes with respect to the detection image at the in-focus position 100 (shown in FIG. 3C). However, as described above, the projection pattern projected on the surface of the object (sample) 4 is as shown in FIGS. 2 (a), 4 (a) and 5 (a) formed on the mask 10. Since the extension line of the light-dark linear boundary (linear edge) is a light-dark pattern that is repeated in the circumferential direction toward the optical axis of the objective lens 3, even if the detection magnification changes, the angle shape (angle) of the light-dark pattern is changed. Information) will be maintained. Therefore, the light-shielding mask 13 is provided on the light receiving elements 14A and 14B.
A and 13B are used as light-shielding masks 1 on the light receiving elements 16A and 16B.
Even if only the 5A and 15B are installed, even if the detection magnification is changed by using an ordinary inexpensive optical system on the exit side telecentric as the objective lens (imaging optical system) 3, the change in the detection magnification is affected. Without this, it is possible to realize focusing with high accuracy, and as a result, it becomes possible to detect the pattern to be detected formed on the object (sample) 4 with high resolution by the pattern detection image sensor 8. . That is, it is not necessary to use an exit side telecentric optical system with adjustable magnification as the objective lens (imaging optical system) 3, and it is possible to inexpensively and highly accurately measure the in-focus position, that is, to control the in-focus position. In addition, the pattern detection image sensor 8 can detect the detected pattern with high resolution to measure the size of the detected pattern with high accuracy, and inspect the microscopic defects existing on the detected pattern with high accuracy. .

【0034】次に上記実施例における第1の変形例につ
いて、図6を用いて説明する。即ち、受光素子14A、
16Aの各々に対応して設置された遮光マスク13A、
15Aとして、自動焦点検出に用いる外周部104は全
周に亘って透過部で形成し、中心部103は遮光部で形
成した遮光マスク13Ad、15Adを用い、受光素子
14B、16Bの各々に対応して設置された遮光マスク
13B、15Bとして、明パターンを遮光して暗パター
ンを透過する遮光マスク13Ba、15Baを用いる。
そして焦点位置判定回路17は、受光素子14A、14
B、16A、16Bのそれぞれから出力される出力信号
31A(S14A)、31B(S14B)、32A(S
16A)、32B(S16B)から前述した(数2)式
に基づいてそれぞれの焦点位置Z(Z座標)におけるコ
ントラスト信号33(CA)、34(CB)を計算す
る。また上記とは逆に、受光素子14A、16Aの各々
に対応して設置された遮光マスク13A、15Aとし
て、暗パターンを遮光して明パターンを透過する遮光マ
スク13Aa、15Aaを用い、受光素子14B、16
Bの各々に対応して設置された遮光マスク13B、15
Bとして、自動焦点検出に用いる外周部104は全周に
亘って透過部で形成し、中心部103は遮光部で形成し
た遮光マスクを用いても良い。この場合においても、焦
点位置判定回路17は、受光素子14A、14B、16
A、16Bのそれぞれから出力される出力信号31A
(S14A)、31B(S14B)、32A(S16
A)、32B(S16B)から前述した(数2)式に基
づいてそれぞれの焦点位置Z(Z座標)におけるコント
ラスト信号33(CA)、34(CB)を計算すれば良
い。このような変形例によれば、遮光マスク13A、1
5Aまたは遮光マスク13B、15Bの何れかは、外周
部104においてパターンが無いため、マスク10によ
って対象物4の表面に投影される明暗パターンとの位置
合わせを不要とすることができる。しかし、遮光マスク
13A、15Aとして暗パターンを遮光して明パターン
を透過する遮光マスク13Aa、15Aaを用い、遮光
マスク13B、15Bとして明パターンを遮光して暗パ
ターンを透過する遮光マスク13Ba、15Baを用い
た場合に比較して多少コントラスト信号の感度は多少低
下することになる。
Next, a first modification of the above embodiment will be described with reference to FIG. That is, the light receiving element 14A,
16A corresponding to each of 16A,
As 15A, the outer peripheral portion 104 used for automatic focus detection is formed of a transmissive portion along the entire circumference, and the central portion 103 uses light-shielding masks 13Ad and 15Ad formed of light-shielding portions, which correspond to the respective light-receiving elements 14B and 16B. As the light-shielding masks 13B and 15B installed as the light-shielding masks, light-shielding masks 13Ba and 15Ba that shield a light pattern and transmit a dark pattern are used.
Then, the focus position determination circuit 17 includes the light receiving elements 14A and 14A.
Output signals 31A (S14A), 31B (S14B), 32A (S) output from B, 16A, and 16B, respectively.
16A) and 32B (S16B), the contrast signals 33 (CA) and 34 (CB) at the respective focus positions Z (Z coordinates) are calculated based on the above-described equation (2). In contrast to the above, the light-shielding masks 13Aa and 15Aa that shield the dark pattern and transmit the light pattern are used as the light-shielding masks 13A and 15A installed corresponding to the light-receiving elements 14A and 16A, respectively. , 16
Light-shielding masks 13B, 15 installed corresponding to each of B
As B, the outer peripheral portion 104 used for automatic focus detection may be formed of a transparent portion over the entire circumference, and the central portion 103 may be a light shielding mask formed of a light shielding portion. Also in this case, the focus position determination circuit 17 uses the light receiving elements 14A, 14B, 16
Output signal 31A output from each of A and 16B
(S14A), 31B (S14B), 32A (S16
From A) and 32B (S16B), the contrast signals 33 (CA) and 34 (CB) at the respective focal positions Z (Z coordinates) may be calculated based on the above-mentioned equation (2). According to such a modification, the light shielding masks 13A, 1
5A or the light-shielding masks 13B and 15B does not have a pattern in the outer peripheral portion 104, and thus alignment with the light-dark pattern projected on the surface of the object 4 by the mask 10 can be eliminated. However, as the light-shielding masks 13A and 15A, light-shielding masks 13Aa and 15Aa that shield a dark pattern and transmit a light pattern are used, and as the light-shielding masks 13B and 15B, light-shielding masks 13Ba and 15Ba that shield a light pattern and transmit a dark pattern are used. The sensitivity of the contrast signal will be slightly lowered as compared with the case where it is used.

【0035】また上記実施例における第2の変形例につ
いて説明する。即ち、前記実施例では、受光素子および
遮光マスクを各々4個設置した場合を示したが、受光素
子14Aに遮光マスク13Aを、受光素子16Aに遮光
マスク15Aを設置して明パターンからなるコントラス
ト信号で合焦点合わせする構成、または受光素子14B
に遮光マスク13Bを、受光素子16Bに遮光マスク1
5Bを設置して暗パターンからなるコントラスト信号で
合焦点合わせする構成でも焦点合わせ精度は多少劣るが
実現することができる。即ち、遮光マスク13B、15
B及び受光素子(センサ)14B、16Bを設置するの
を不要とする。この場合、焦点位置判定回路17は、受
光素子(センサ)14A、16Aのそれぞれから出力さ
れる出力信号S14A、S16Aから前述した(数3)
式に基づいてそれぞれの焦点位置Z(Z座標)における
コントラスト信号33(CA)、34(CB)を計算す
る。この変形例によれば、光量の正規化をしていないた
め精度がやや低いが遮光マスク13B、15B、センサ
14B、16Bを用いないため装置構成を簡素化するこ
とができる。
A second modification of the above embodiment will be described. That is, in the above-described embodiment, the case where four light receiving elements and four light blocking masks are installed is shown. However, the light blocking mask 13A is installed on the light receiving element 14A and the light blocking mask 15A is installed on the light receiving element 16A, and a contrast signal composed of a bright pattern is provided. Focusing with or configuration of light receiving element 14B
To the light-shielding mask 13B, and the light-receiving element 16B to the light-shielding mask 1
Even if 5B is installed and focusing is performed with a contrast signal consisting of a dark pattern, the focusing accuracy can be realized although it is slightly inferior. That is, the light shielding masks 13B and 15
It is not necessary to install B and the light receiving elements (sensors) 14B and 16B. In this case, the focus position determination circuit 17 described above from the output signals S14A and S16A output from the light receiving elements (sensors) 14A and 16A, respectively (Formula 3).
The contrast signals 33 (CA) and 34 (CB) at each focus position Z (Z coordinate) are calculated based on the equation. According to this modification, since the light amount is not normalized, the accuracy is slightly low, but the device configuration can be simplified because the light shielding masks 13B and 15B and the sensors 14B and 16B are not used.

【0036】また上記実施例における第3の変形例につ
いて説明する。即ち、計算機21である焦点位置判定回
路17は、受光素子(センサ)14A、14B、16
A、16Bのそれぞれから出力される出力信号S14
A、S14B、S16A、S16Bから前述した(数
1)式に基づいて、それぞれの焦点位置Zにおけるコン
トラスト信号CA、CBを計算し、CA−CBまたは
(CA−CB)/(CA+CB)の値を用いて試料台7
の上下機構18をPID制御で制御する。この変形例に
よれば、回路をデジタルでも組むことができるがアナロ
グ回路のみで構成することもでき、装置構成を簡素化し
て、高速に自動合焦点制御を実現することができる。ま
た上記実施例における第4の変形例について説明する。
図7に示すように、照明光源9として、ハロゲンランプ
等の光源9’から出射された光をファイバ9”を用いて
導く構成でもよい。またマスク10を用いずに、明暗の
直線状境界(直線状エッジ)の延長線が対物レンズ3の
光軸に向かって円周方向に繰り返される明暗パターンの
光束を部分照明光源で実現することもできる。即ち、部
分照明光源内に設けたレンズ光学系やミラー光学系で実
現することができる。また上記マスクとして液晶表示素
子で構成してもよい。この場合、遮光マスクに形成され
た遮光パターンの形状に、対象物4の表面に投影される
明暗パターン(明暗の直線状境界(直線状エッジ)の延
長線が対物レンズ3の光軸に向かって円周方向に繰り返
される明暗パターン)の形状を最適状態に調整可能とな
る。また上記実施例における第5の変形例について説明
する。即ち、図2に示す遮光マスク13A、13B、1
5A、15Bと受光素子(センサ)14A、14B、1
6A、16Bを用いる替わりに、遮光マスク13A、1
3B、15A、15Bの透過部分に相当する部分のみに
感度を有するセンサを用いても実現することができる。
この変形例の場合、遮光マスクを用いる必要がないた
め、光学系が単純となる。
A third modification of the above embodiment will be described. That is, the focus position determination circuit 17, which is the computer 21, uses the light receiving elements (sensors) 14A, 14B, 16
Output signal S14 output from each of A and 16B
From A, S14B, S16A, and S16B, the contrast signals CA and CB at the respective focal positions Z are calculated based on the above-described equation (1), and the value of CA-CB or (CA-CB) / (CA + CB) is calculated. Using sample stand 7
The up / down mechanism 18 is controlled by PID control. According to this modified example, the circuit can be assembled digitally, but it can be configured only with an analog circuit, so that the device configuration can be simplified and high-speed automatic focusing control can be realized. A fourth modification of the above embodiment will be described.
As shown in Fig. 7, the illumination light source 9 may be configured to guide the light emitted from a light source 9'such as a halogen lamp using a fiber 9 ". Further, without using the mask 10, a bright and dark linear boundary ( A partial illumination light source can also realize a light beam of a bright and dark pattern in which an extended line of a linear edge) is repeated in the circumferential direction toward the optical axis of the objective lens 3. That is, a lens optical system provided in the partial illumination light source. Or a mirror optical system, or the liquid crystal display element may be used as the mask. In this case, the shape of the light-shielding pattern formed on the light-shielding mask is projected on the surface of the object 4. It becomes possible to adjust the shape of the pattern (bright and dark pattern in which the extended line of the light-dark linear boundary (linear edge) is repeated in the circumferential direction toward the optical axis of the objective lens 3) to an optimum state. A fifth modified example of No. 1 will be described, that is, the light shielding masks 13A, 13B, 1 shown in FIG.
5A, 15B and light receiving elements (sensors) 14A, 14B, 1
Instead of using 6A and 16B, shading masks 13A and 1A
It can also be realized by using a sensor having sensitivity only to the portions corresponding to the transmissive portions of 3B, 15A and 15B.
In the case of this modification, since it is not necessary to use a light shielding mask, the optical system becomes simple.

【0037】次に本発明に係る自動焦点合わせ方法及び
その装置を備えたパターン検出方法及びその装置の第2
の実施例を図7及び図9を用いて説明する。図7及び図
9は、LSIの重ね合わせ寸法計測装置の構成図であ
る。まず、LSIの重ね合わせ寸法測定について説明す
る。近年、LSIウエハ等のパターンは微細化すると共
に多層レジストが使用され、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。本発明に係る自動焦点合わせ方法及びその装置を備
えた被検出パターンの寸法測定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、図8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パタ
ーン(被検出用パターン)90である下地の基準パター
ン(第1のパターン)91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計測対象
のレジストパターン(第2のパターン)92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、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。
Secondly, the automatic focusing method according to the present invention and the pattern detection method including the apparatus and the second apparatus
The embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 9. FIG. 7 and FIG. 9 are block diagrams of an LSI overlay dimension measuring apparatus. First, the measurement of the overlay dimension of the LSI 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 step has become severe at 100 nm or less. For the purpose of measuring the overlay accuracy, a method for measuring the size of a pattern to be detected and an apparatus therefor provided with the automatic focusing method and apparatus therefor according to the present invention, as shown in FIG. A measurement target resist pattern serving as a mask for etching the underlying reference pattern (first pattern) 91 that is the formed measurement target pattern (detection target pattern) 90 and the pattern of the next layer formed thereon. The deviation accuracy from the (second pattern) 92 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. In addition, if the measured positional deviation is large, work such as removing the resist is performed.

【0038】次に上記計測対象パターン90に対するパ
ターン計測について説明する。以下計測対象パターン9
0として図8に示す場合について説明する。図7及び図
9に示す重ね合わせ寸法計測装置は、高段差を有する基
準パターン(第1のパターン)91に対する計測パター
ン(第2のパターン)92の相対ずれ量を10nm以下
の精度で計測(測定)する装置である。LSIの重ね合
わせ装置は、例えばファイバとハロゲンランプで構成さ
れる照明光源9と対象物(半導体ウエハ93)4の表面
の合焦点位置と共役な位置に設けたマスク10と、上記
照明光源9によって照明されてマスク10に形成された
対物レンズ3の光軸を中心に実質的に放射状に延びた明
暗の直線状エッジを有する明暗パターンを対物レンズ
(結像光学系)3を通して対象物(半導体ウエハ93)
4の表面に投影して結像させる集光レンズ11とで構成
された照明光学系12と、対物レンズ(結像光学系)3
と、被検出用のパターンである計測対象パターン90が
形成された対象物(半導体ウエハ93)4から反射して
対物レンズ(結像光学系)3を通して結像される光像を
検出して画像信号に変換する検出光学系35と、該検出
光学系35のX軸用及びY軸用のパターン検出一次元イ
メージセンサ8a、8bの各々からの画像信号38a、
38bに基づいて高段差パターンからなる基準パターン
(第1のパターン)91に対する計測パターン(第2の
パターン)92の相対ずれ量を算出する合わせずれ判定
部(計算機)19と、対象物4の表面の合焦点位置に対
して前後に所定距離h離したところが共役位置となるよ
うに設けた遮光マスク13A、13B及び遮光マスク1
5A、15Bとその透過光量を検出する受光素子(セン
サ)14A、14B及び受光素子(センサ)16A、1
6Bと、該受光素子14A、14B、16A、16Bか
らの信号31A、31B、32A、32Bに基づいてそ
れぞれの焦点位置Z(Z座標)におけるパターンコント
ラストを計算し、対象物4の表面の許容範囲を含む合焦
点位置を判定する焦点位置判定回路17と、焦点位置判
定回路17よりの判定結果に基づいて対象物4の表面の
焦点位置Z(Z座標)を調整するため試料台7の上下機
構18と、対象物4を位置決めするXYステージ系20
と、画像処理も含む制御系(計算機)21とより構成さ
れる。上記検出光学系35には、対物レンズ(結像光学
系)3とハーフミラー21とで構成された対物レンズ系
と、ビームスプリッタである分岐光学系27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36を含むリレー光学系37a、37bと、
それぞれの光路に対応した同期信号を共通化した2つの
イメージセンサ(TVカメラでもよい。)8a、8bと
が備えられている。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、計算機21に画像処理する際の
計算範囲61、62を指定したり、対象物(半導体ウエ
ハ93)4上に形成された基準パターン(第1のパター
ン)91及びレジストパターン(第2のパターン)92
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、計算機21に検出光学
系35の設計情報や画像処理用のプログラム、合焦点制
御用のPID(Proportional(比例)−Integral(積分)−
Differential(微分))制御用のプログラム、演算プログ
ラム等を入力する。43はディスプレイ等の表示手段
で、イメージセンサ8、8a、8bで検出された画像信
号38、38a、38b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、上記入力手段等で入力された検出光学系
8の設計情報や対象物(半導体ウエハ)4上に形成され
た基準パターン91及びレジストパターン92の設計情
報等のデータを記憶するものである。計算機21内に
は、CPU及びプログラム等を記憶するメモリがあり、
制御を行うと共に、合わせずれ判定部(画像処理)19
においてイメージセンサ8、8a、8bで検出された画
像信号38、38a、38bを基に演算処理を施して基
準パターン91に対するレジストパターン92のずれ量
を10nm以下の超精度で算出する。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
ても良い。
Next, the pattern measurement for the measurement target pattern 90 will be described. Measurement target pattern 9 below
The case shown in FIG. 8 as 0 will be described. The overlay dimension measuring apparatus shown in FIGS. 7 and 9 measures (measures) the relative displacement amount of the measurement pattern (second pattern) 92 with respect to the reference pattern (first pattern) 91 having a high step with an accuracy of 10 nm or less. ) Is a device. The LSI superposition device is composed of an illumination light source 9 composed of, for example, a fiber and a halogen lamp, a mask 10 provided at a position conjugate with a focus position on the surface of the object (semiconductor wafer 93) 4, and the illumination light source 9 described above. An object (semiconductor wafer) formed through the objective lens (imaging optical system) 3 with a bright-dark pattern having straight edges of light and dark that are substantially radially extended about the optical axis of the objective lens 3 which is illuminated and formed on the mask 10. 93)
4. An illumination optical system 12 including a condenser lens 11 for projecting an image on the surface of 4 and forming an image, and an objective lens (imaging optical system) 3
And an optical image that is reflected from the object (semiconductor wafer 93) 4 on which the measurement target pattern 90, which is a pattern to be detected, and is imaged through the objective lens (imaging optical system) 3 is detected to form an image. A detection optical system 35 for converting into a signal, and image signals 38a from each of the X-axis and Y-axis pattern detection one-dimensional image sensors 8a and 8b of the detection optical system 35,
Alignment deviation determination unit (calculator) 19 that calculates the relative deviation amount of the measurement pattern (second pattern) 92 with respect to the reference pattern (first pattern) 91 that is a high step pattern based on 38b, and the surface of the object 4. The light-shielding masks 13A and 13B and the light-shielding mask 1 which are provided so that a position separated by a predetermined distance h to the front and rear of the in-focus position is the conjugate position.
5A, 15B and light receiving elements (sensors) 14A, 14B and light receiving elements (sensors) 16A, 1A for detecting the amount of transmitted light.
6B and the pattern contrast at each focus position Z (Z coordinate) based on the signals 31A, 31B, 32A, 32B from the light receiving elements 14A, 14B, 16A, 16B, and the allowable range of the surface of the object 4. A focus position determination circuit 17 for determining the in-focus position, and a vertical mechanism for the sample table 7 for adjusting the focus position Z (Z coordinate) of the surface of the object 4 based on the determination result from the focus position determination circuit 17. 18 and an XY stage system 20 for positioning the object 4
And a control system (computer) 21 including image processing. The detection optical system 35 includes an objective lens system including an objective lens (imaging optical system) 3 and a half mirror 21, a branching optical system 27 which is a beam splitter, and an optical path having a plurality of focal positions. Relay optical systems 37a, 37b having different lengths and including a wedge 36 for fine adjustment of optical path length;
Two image sensors (a TV camera may be used) 8a and 8b that share a synchronization signal corresponding to each optical path are provided. In addition, 41 is an output means which outputs the measured data. Reference numeral 42 denotes an input means composed of a keyboard or the like, which designates calculation ranges 61 and 62 for image processing on the computer 21 and a reference pattern (first pattern) formed on the object (semiconductor wafer 93) 4. ) 91 and resist pattern (second pattern) 92
It is input so that it can be associated with the design information of. Further, the input means 42 is designed such that the computer 21 has design information of the detection optical system 35, an image processing program, and a PID (Proportional-Integral) for focus control.
Differential Input a control program, calculation program, etc. Reference numeral 43 is a display means such as a display for displaying the image signals 38, 38a, 38b detected by the image sensors 8, 8a, 8b and the calculation ranges 61, 62 etc. inputted by the input means 42. An external storage device 44 stores data such as design information of the detection optical system 8 input by the input means or the like and design information of the reference pattern 91 and the resist pattern 92 formed on the object (semiconductor wafer) 4. To do. In the computer 21, there is a memory for storing a CPU and programs,
Along with the control, the misalignment determination unit (image processing) 19
In step 3, arithmetic processing is performed based on the image signals 38, 38a, 38b detected by the image sensors 8, 8a, 8b to calculate the deviation amount of the resist pattern 92 with respect to the reference pattern 91 with a super precision of 10 nm or less. Then, the calculated result may be output by the output means 41 or may be directly output to the projection exposure apparatus via the network 46.

【0039】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7上には、例えば図8に示すような
下地の基準パターン(第1のパターン)91上に計測対
象パターンのレジストパターン92が形成された計測対
象パターン90の試料4が、例えば基準面にオリフラ合
わせにより回転方向(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7上に載置される計測対
象パターン90が形成された試料4には、レジストパタ
ーン92の厚さや自動合焦点合わせ系(自動合焦点合わ
せ装置)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、計算機21には、上記の如
く、計測対象パターン90が形成された半導体ウエハ9
3が試料台7上に載置されるのに合わせて、入力手段4
2によって計測対象パターン90の品種の情報が入力さ
れる。すると、計算機21は、外部記憶装置44に記憶
された品種に対応した半導体ウエハ上に形成された基準
パターン91とレジストパターン92の設計情報に基づ
いて、基準パターン91とレジストパターン92との標
準の段差H0に対する品種に対応した基準パターン91
とレジストパターン92との段差の変化ΔHに対応する
光路長微調整用組み楔36の厚さを算出する。リレー光
学系37a、37bとの間の光路長の差は、基準パター
ン91とレジストパターン92との標準の段差H0に対
応するように構成されている。従って、計算機21は、
リレー光学系37aとリレー光学系37bとの間におい
て、半導体ウエハの品種に応じた基準パターン91とレ
ジストパターン92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36の厚さを調整(制
御)すると共に、自動合焦点合わせ系の合焦点オフセッ
ト値を調整(制御)する。即ち、自動合焦点合わせ系
は、計測対象パターン90に対する複数の合焦点位置の
合わせであるため、計測対象パターン90の品種に応じ
て自動合焦点合わせ系の合焦点オフセット値も合わせる
必要がある。そこで、計算機21は、外部記憶装置44
に記憶された品種に対応した計測対象パターン90の設
計情報に基づいて、標準の計測対象パターン90に対す
る品種に対応した自動合焦点合わせ系の合焦点オフセッ
ト値を算出することによって自動合焦点合わせ系の合焦
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 7, for example, the sample 4 of the measurement target pattern 90 in which the resist pattern 92 of the measurement target pattern is formed on the base reference pattern (first pattern) 91 as shown in FIG. The reference plane is placed so that the orientation flat alignment does not cause a deviation in the rotation direction (θ direction). The thickness of the resist pattern 92 and the surface condition of the sample to be adjusted by the automatic focusing system (automatic focusing device) are set on the sample 4 having the measurement target pattern 90 formed on the sample table 7. Various different varieties are possible. Therefore, in the computer 21, as described above, the semiconductor wafer 9 on which the measurement target pattern 90 is formed is formed.
As the sample 3 is placed on the sample table 7, the input means 4
2 inputs information on the type of the measurement target pattern 90. Then, the computer 21 determines the standard of the reference pattern 91 and the resist pattern 92 based on the design information of the reference pattern 91 and the resist pattern 92 formed on the semiconductor wafer corresponding to the type stored in the external storage device 44. Reference pattern 91 corresponding to the product type for the step H0
Then, the thickness of the optical path length fine adjustment wedge 36 corresponding to the change ΔH in level difference between the resist pattern 92 and the resist pattern 92 is calculated. The difference in optical path length between the relay optical systems 37a and 37b is configured to correspond to the standard step difference H0 between the reference pattern 91 and the resist pattern 92. Therefore, the computer 21
Between the relay optical system 37a and the relay optical system 37b, the optical path length fine adjustment wedge 36 is provided so that a difference in optical path length corresponding to a step between the reference pattern 91 and the resist pattern 92 depending on the type of semiconductor wafer can be obtained. The thickness of is adjusted (controlled) and the focus offset value of the automatic focusing system is adjusted (controlled). That is, since the automatic focusing system adjusts a plurality of focusing positions with respect to the measurement target pattern 90, it is also necessary to adjust the focusing focus offset value of the automatic focusing system according to the type of the measurement target pattern 90. Therefore, the computer 21 uses the external storage device 44.
The automatic focusing system by calculating the focusing point offset value of the automatic focusing system corresponding to the standard pattern 90 to be measured based on the design information of the measuring target pattern 90 corresponding to the type stored in It is possible to adjust (control) the in-focus offset value of.

【0040】次に対象物(半導体ウエハ93)4を試料
台7に搭載後、計算機21は、計測パターン90の設計
情報に基づいて、XYステージ20を移動し、図8に示
す如く高段差を有する基準パターン(第1のパターン)
91と計測パターン(第2のパターン)92とよりなる
計測対象パターン90の中心位置がほぼ対物レンズ3の
光軸に位置付けする。次にイメージセンサ8aからは、
図10に示すような検出画像信号38aが検出されて、
計算機21の画像処理(合わせずれ判定部)19に入力
される。計算機21の画像処理19において、上記検出
された検出画像信号38a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
信号の中心位置を求め、該中心位置が上記イメージセン
サ8aの検出視野51の中心(対物レンズ3の光軸)に
ほぼ位置するように、XYステージ系20を移動させて
位置決めする。また計算機21において、検出された検
出画像信号38aをディスプレイ等の表示手段43に表
示し、表示された検出画像信号38aの全体の中心が、
表示手段43の画面上に設定された検出光学系35の光
軸に合うようにXYステージ系20を移動させて計測対
象パターン90を位置決めしても良い。
Next, after the object (semiconductor wafer 93) 4 is mounted on the sample table 7, the computer 21 moves the XY stage 20 based on the design information of the measurement pattern 90 to make a high step as shown in FIG. Reference pattern to have (first pattern)
The center position of the measurement target pattern 90 composed of 91 and the measurement pattern (second pattern) 92 is positioned substantially on the optical axis of the objective lens 3. Next, from the image sensor 8a,
When the detected image signal 38a as shown in FIG. 10 is detected,
It is input to the image processing (misalignment determination unit) 19 of the computer 21. In the image processing 19 of the computer 21, the detected image signal 38a thus detected is converted into, for example, a digital signal and converted into a binarized signal with a predetermined threshold value, the center position of the binarized signal is obtained, and the center of the binarized signal is calculated. The XY stage system 20 is moved and positioned so that the position is substantially located at the center of the detection field 51 of the image sensor 8a (optical axis of the objective lens 3). Further, in the computer 21, the detected detection image signal 38a is displayed on the display means 43 such as a display, and the center of the whole of the displayed detection image signal 38a is
The measurement target pattern 90 may be positioned by moving the XY stage system 20 so as to align with the optical axis of the detection optical system 35 set on the screen of the display means 43.

【0041】次に自動合焦点合わせ系について説明す
る。照明光源9から出射された光は、マスク10に対し
て照明され、マスク10の外周部102に形成された対
物レンズ3の光軸を中心に実質的に放射状に延びた明暗
の直線状エッジを有する明暗パターンが集光レンズ11
により集光され、対物レンズ(結像光学系)3を通して
対象物(半導体ウエハ93)4上の計測対象パターン9
0の周囲の表面に投影して結像される。マスク10の中
心部101を通過した照明光は、集光レンズ11により
集光され、対物レンズ(結像光学系)3を通して対象物
(半導体ウエハ93)4上の計測対象パターン90を照
明する。対象物(半導体ウエハ93)4上の計測対象パ
ターン90の周囲の表面に投影して結像された明暗パタ
ーンの反射光は、対物レンズ3及びハーフミラー22を
通して遮光マスク13A、13Bと遮光マスク15A、
15Bとの間の中間位置(合焦点位置)近傍に結像され
る。受光素子(センサ)14A、16Aは、遮光マスク
13A、15Aを通過した明パターンの光量を受光し
て、対象物4の表面のZ座標に対して図2(d)に示す
ような光量信号31A(S14A)、32A(S16
A)を出力する。受光素子(センサ)14B、16B
は、遮光マスク13B、15Bを通過した暗パターンの
光量を受光して、対象物4の表面のZ座標に対して図2
(e)に示すような光量信号31B(S14B)、32
B(S16B)を出力する。焦点位置判定回路17は、
受光素子(センサ)14A、16Aの各々から出力され
る図2(d)に示すような光量信号31A、32Aと受
光素子(センサ)14B、16Bの各々から出力される
図2(e)に示すような光量信号31B、32Bとの差
(コントラスト)をとって対象物4の表面のZ座標に対
する図2(f)に示すようなコントラスト信号33、3
4を算出する。即ち、焦点位置判定回路17は、受光素
子(センサ)14A、16A、14B、16Bのそれぞ
れからの出力信号(光量信号)S14A、S16A、S
14B、S16Bを元に、合焦点位置の前後の位置(遮
光マスク13A、13Bと遮光マスク15A、15Bと
の各々が配置された位置)において例えば前述した(数
1)式または(数2)式または(数3)式に基づいてコ
ントラスト信号33(CA)、34(CB)を算出す
る。
Next, the automatic focusing system will be described. The light emitted from the illumination light source 9 illuminates the mask 10 and has a bright and dark linear edge that extends substantially radially around the optical axis of the objective lens 3 formed on the outer peripheral portion 102 of the mask 10. The light and dark pattern that it has is the condenser lens 11.
Is collected by the object lens (imaging optical system) 3 and the measurement target pattern 9 on the target object (semiconductor wafer 93) 4 is collected.
It is projected and imaged on the surface around 0. The illumination light that has passed through the central portion 101 of the mask 10 is condensed by the condenser lens 11 and illuminates the measurement target pattern 90 on the target object (semiconductor wafer 93) 4 through the objective lens (imaging optical system) 3. The reflected light of the light-dark pattern projected and imaged on the surface around the measurement target pattern 90 on the target object (semiconductor wafer 93) 4 passes through the objective lens 3 and the half mirror 22 and the light blocking masks 13A and 13B and the light blocking mask 15A. ,
An image is formed in the vicinity of an intermediate position (focus point position) between 15B and 15B. The light receiving elements (sensors) 14A and 16A receive the light amount of the light pattern having passed through the light shielding masks 13A and 15A, and the light amount signal 31A as shown in FIG. 2 (d) with respect to the Z coordinate of the surface of the object 4. (S14A), 32A (S16
A) is output. Light receiving element (sensor) 14B, 16B
2 receives the amount of light of the dark pattern that has passed through the light-shielding masks 13B and 15B, and
Light amount signals 31B (S14B), 32 as shown in FIG.
B (S16B) is output. The focus position determination circuit 17
The light amount signals 31A and 32A as shown in FIG. 2D output from the light receiving elements (sensors) 14A and 16A and the light amount signals 31A and 32A output from the light receiving elements (sensors) 14B and 16B are shown in FIG. 2E. The contrast signals 33, 3 as shown in FIG. 2F with respect to the Z coordinate of the surface of the object 4 are obtained by taking the difference (contrast) from the light amount signals 31B, 32B.
Calculate 4. That is, the focus position determination circuit 17 includes output signals (light amount signals) S14A, S16A, S from the light receiving elements (sensors) 14A, 16A, 14B, 16B, respectively.
Based on 14B and S16B, at the positions before and after the in-focus position (the positions where the light-shielding masks 13A and 13B and the light-shielding masks 15A and 15B are arranged), for example, the formula (1) or the formula (2) described above is used. Alternatively, the contrast signals 33 (CA) and 34 (CB) are calculated based on the equation (3).

【0042】そして、焦点位置判定回路17は、CA−
CBまたは(CA−CB)/(CA+CB)の値を用い
て試料台7の上下機構18をPID制御で制御する。ま
た焦点位置判定回路17は、コントラスト信号33(C
A)とコントラスト信号34(CB)とを比較して、C
AがCB+許容値εより大きい場合は試料台7の上下機
構18を駆動制御して試料台7を下に微移動させ、CA
がCB−許容値εより小さい場合は試料台7の上下機構
18を駆動制御して試料台7を上に微移動させ、CAが
CB±許容値ε内に入ったとき(CAとCBとの差が±
許容値ε内になったとき)対象物4の表面が対物レンズ
3の合焦点位置になったと判定し、自動合焦点合わせ動
作を終了させる。即ち、自動合焦点合わせ系の受光素子
14A、14B、16A、16Bのそれぞれから検出さ
れる対象物(半導体ウエハ93)4の表面合焦点情報に
基づいて、計算機21における焦点位置判定回路17は
上下機構18をZ軸方向に微動制御して計測対象パター
ン90を適切な合焦点位置に位置付ける。このように、
対象物(半導体ウエハ93)4上の計測対象パターン9
0の周囲の表面に投影して結像された明暗パターンが対
物レンズ3の光軸を中心に実質的に放射状に延びた明暗
の直線状エッジを有する明暗パターンであるため、対物
レンズ(結像光学系)3として通常の安価な射出側非テ
レセントリック光学系を用いても、対象物(半導体ウエ
ハ93)4上の計測対象パターン90の周囲の表面を高
精度に合焦点合わせをすることができる。
Then, the focus position determination circuit 17 is set to CA-
The vertical mechanism 18 of the sample table 7 is controlled by PID control using the value of CB or (CA-CB) / (CA + CB). Further, the focus position determination circuit 17 uses the contrast signal 33 (C
A) is compared with the contrast signal 34 (CB) to obtain C
When A is larger than CB + allowable value ε, the up-and-down mechanism 18 of the sample table 7 is drive-controlled to slightly move the sample table 7 downward, and CA
Is smaller than CB-tolerance ε, the up-and-down mechanism 18 of the sample table 7 is drive-controlled to slightly move the sample table 7 upward, and when CA is within the CB ± tolerance ε (the difference between CA and CB). The difference is ±
It is determined that the surface of the object 4 has reached the focusing position of the objective lens 3 (when the value is within the allowable value ε), and the automatic focusing operation is ended. That is, the focus position determination circuit 17 in the computer 21 moves up and down based on the surface focusing information of the object (semiconductor wafer 93) 4 detected from each of the light receiving elements 14A, 14B, 16A, 16B of the automatic focusing system. The mechanism 18 is finely controlled in the Z-axis direction to position the measurement target pattern 90 at an appropriate focus position. in this way,
Measurement target pattern 9 on the target object (semiconductor wafer 93) 4
Since the light-dark pattern projected and imaged on the surface around 0 is a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially around the optical axis of the objective lens 3, the objective lens (image formation Even if a normal inexpensive exit side non-telecentric optical system is used as the optical system 3, the surface around the measurement target pattern 90 on the object (semiconductor wafer 93) 4 can be focused with high accuracy. .

【0043】次に照明光学系12で照明された計測対象
パターン90よりの反射光を対物レンズ3で捉え(集光
し)、ハーフミラーである分岐光学系27で分けてイメ
ージセンサ8aとイメージセンサ8bとの各々で同時に
異なる合焦点位置での基準パターン(第1のパターン)
91とレジストパターン(第2のパターン)とを示す検
出画像信号38aと検出画像信号38bとを検出する。
これら検出された検出画像信号38a、38bの波形を
図11及び図12に示す。図11はイメージセンサ8a
で検出した図8の計測対象パターン90の中心部のX方
向の波形、図12はイメージセンサ8bで検出した図8
の計測対象パターン90の中心部のX方向の波形であ
る。イメージセンサ8aでは、基準パターン91、イメ
ージセンサ8bはレジストパターン92に焦点が合って
いる。計算機21における画像処理19において、上記
検出画像信号38a、38bの各々をディジタル信号に
変換し、それぞれのパターンの中心位置を対称性パター
ンマッチング処理に基づいて計算する。即ち、対称性パ
ターンマッチング処理は、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(検出画像信号)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CP
を検出信号の正確な中心位置とする処理である。先ず、
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f(c+x)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をパターンの中心位置CPとする。計算機2
1における画像処理19において、基準パターン91の
中心位置CPa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パターン中心計算範囲61のデー
タを用い、レジストパターン92の中心位置CPb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
準パターン中心計算範囲62のデータを用いる。従っ
て、計算機21における画像処理19において、計算さ
れた基準パターン91の中心位置はCPa、計算された
レジストパターン92の中心位置はCPbとなる。
Next, the reflected light from the pattern 90 to be measured illuminated by the illumination optical system 12 is captured (focused) by the objective lens 3 and divided by the branching optical system 27 which is a half mirror to divide it into the image sensor 8a and the image sensor. 8b and a reference pattern (first pattern) at different in-focus positions at the same time
The detected image signal 38a and the detected image signal 38b indicating 91 and the resist pattern (second pattern) are detected.
The waveforms of the detected image signals 38a and 38b thus detected are shown in FIGS. FIG. 11 shows an image sensor 8a
The waveform in the X direction of the central portion of the measurement target pattern 90 of FIG. 8 detected by FIG. 8 is detected by the image sensor 8b in FIG.
Is a waveform in the X direction at the center of the measurement target pattern 90. In the image sensor 8a, the reference pattern 91 and the image sensor 8b are focused on the resist pattern 92. In the image processing 19 in the computer 21, each of the detected image signals 38a and 38b is converted into a digital signal, and the center position of each pattern is calculated based on the symmetric pattern matching processing. That is, in the symmetry pattern matching process, c is set as the symmetric center position coordinate, the detection signal (detection image signal) is folded back at this symmetric center c, and compared, and the symmetric center position CP with the highest degree of coincidence is obtained.
Is the accurate center position of the detection signal. First,
The folding center c is determined, and the difference (f (c-x) between -x f (c-x) and + x f (c + x) is determined from this folding center c.
x) -f (c + x)) is integrated by changing the value of x in the set calculation range, then the same is changed by changing the value of the folding center c, and folding is performed such that these integrated values show the minimum. The center c is the center position CP of the pattern. Calculator 2
When the center position CPa of the reference pattern 91 is calculated by performing the symmetry pattern matching process in the image processing 19 of No. 1, the data of the reference pattern center calculation range 61 set by being input as the value of the range of x, for example. When calculating the center position CPb of the resist pattern 92 by performing the symmetric pattern matching process, the data of the reference pattern center calculation range 62 that is input and set as the value of the range of x is used. Therefore, in the image processing 19 in the computer 21, the calculated center position of the reference pattern 91 is CPa, and the calculated center position of the resist pattern 92 is CPb.

【0044】次に計算機21は、次に示す(数4)式に
基づいて、これら基準パターン91の中心位置CPaと
レジストパターン92の中心位置CPbとの差に、イメ
ージセンサ8a、8bの位置の差のオフセット値βを差
し引き、射出側が非テレセントリック光学系で構成され
た対物レンズ3を含めた検出光学系35における倍率補
正値(倍率のずれ:倍率の微変動、特に高段差に合わせ
て光路長を変えたことに基づく倍率の微変動)Δαを補
正した値δが、基準パターン91とレジストパターン9
2とのX方向のずれ量として計算する。Y方向も同様な
方法で計算する。 δ=((CPa−CPb)*Δα)+β (数4) これにより、イメージセンサ8a、8b上における基準
パターン91とレジストパターン92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(半
導体ウエハ)上におけるずれ量は、計算機21におい
て、イメージセンサ8a、8b上のずれ量δを、対物レ
ンズ3も含めた検出光学系35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8a、8b上で1μm以下の精度で
ずれ量δを算出できれば、試料(半導体ウエハ)上で1
0nm以下の精度で計測できることになる。なお、倍率
αは、対物レンズ3も含めた検出光学系35の設計情報
をキーボード等の入力手段42で計算機21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っ
て測定された寸法との関係から上記(数3)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
って計算機21は、対物レンズ3も含めた検出光学系3
5の倍率αを正確に決定することができる。
Next, the computer 21 calculates the positions of the image sensors 8a and 8b based on the difference between the center position CPa of the reference pattern 91 and the center position CPb of the resist pattern 92 based on the following equation (4). The offset value β of the difference is subtracted, and the magnification correction value in the detection optical system 35 including the objective lens 3 configured by the non-telecentric optical system on the exit side (magnification deviation: slight fluctuation of magnification, particularly optical path length according to high step) The value δ obtained by correcting Δα is the reference pattern 91 and the resist pattern 9
It is calculated as the amount of deviation from 2 in the X direction. The Y direction is calculated by the same method. [delta] = ((CPa-CPb) * [Delta] [alpha]) + [beta] (Equation 4) As a result, it is possible to measure the shift amount [delta] between the reference pattern 91 and the resist pattern 92 on the image sensors 8a and 8b in the X and Y directions. Then, the shift amount on the sample (semiconductor wafer) is calculated by the computer 21 by dividing the shift amount δ on the image sensors 8a and 8b by the magnification α of the detection optical system 35 including the objective lens 3. be able to. When the magnification α is 100 times, if the deviation amount δ can be calculated with an accuracy of 1 μm or less on the image sensors 8a and 8b, it will be 1 on the sample (semiconductor wafer).
The measurement can be performed with an accuracy of 0 nm or less. The magnification α is determined by inputting the design information of the detection optical system 35 including the objective lens 3 into the calculator 21 by the input means 42 such as a keyboard. Further, the magnification α and the like can be calculated from the relationship of the above equation (3) from the relationship with the dimension measured by the pattern measuring device using a calibration sample whose dimension is known using SEM or the like. That is, as a result, the computer 21 causes the detection optical system 3 including the objective lens 3 to be detected.
The factor α of 5 can be accurately determined.

【0045】以上により、一つの計測対象パターン90
に対するパターンのずれが計測される。以降、計測すべ
き次の計測対象パターンに移動する。これを繰り返し、
すべての計測対象パターンについて計測終了後に試料
(半導体ウエハ)を取外し、計測を終了する。本実施例
によれば安価でしかも高精度でしかも高速に焦点位置合
せができ、高速、高精度な合わせずれ計測が実現でき
る。
From the above, one measurement target pattern 90
The deviation of the pattern with respect to is measured. After that, the process moves to the next measurement target pattern to be measured. Repeat this,
After the measurement is completed for all the patterns to be measured, the sample (semiconductor wafer) is removed and the measurement is completed. According to the present embodiment, it is possible to perform focus position adjustment at low cost, with high accuracy, and at high speed, and to realize high-speed, high-precision alignment deviation measurement.

【0046】次に、本発明に係る自動焦点合わせ方法及
びその装置を備えたパターン検出方法及びその装置の第
3の実施例を図13を用いて説明する。図13はLSI
のパターン欠陥検査装置の構成図である。LSIのパタ
ーン検査装置は、照明光源9の光を対物レンズ3を介し
て対象物(半導体ウエハ)4の検査視野(検査領域)に
照明する照明光学系1と、対象物(半導体ウエハ)4の
合焦点位置と共役な位置に設けられ、実質的に半径方向
にエッジを持たない明暗パターン(対物レンズ3の光軸
を中心に実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを
有する明暗パターン)を円周方向に3回程度以上繰り返
して形成したマスク10と、対物レンズ3と対象物4よ
りの照明光の反射像を受光して画像信号を出力するイメ
ージセンサ8と、イメージセンサ8より得られる画像信
号を元にパターン欠陥を検出する欠陥判定回路19’
と、対象物4の合焦点位置に対して上方に所定距離h離
したところが共役位置となるように設けた遮光マスク1
3A、13B及びその透過光量を検出する受光素子14
A、14B並びに対象物4の合焦点位置に対して下方に
所定距離h離したところが共役位置となるように設けた
遮光マスク15A、15B及びその透過光量を検出する
受光素子16A、16Bと、受光素子14A、14B、
16A、16Bよりの光量信号を元にそれぞれの焦点位
置Zにおけるコントラストを計算して対象物4の合焦点
位置を判定する焦点位置判定回路17と、焦点位置判定
回路17よりの判定結果を元に対象物4の合焦点位置を
調整するため試料台7の上下機構18と、対象物4を走
査するXYステージ20と、全体制御計算機21より構
成される。
Next, a third embodiment of the automatic focusing method and the pattern detecting method including the apparatus and the apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. Figure 13 shows the LSI
It is a block diagram of the pattern defect inspection apparatus of. The pattern inspection apparatus for an LSI includes an illumination optical system 1 that illuminates the light from an illumination light source 9 onto an inspection field (inspection region) of an object (semiconductor wafer) 4 via an objective lens 3 and an object (semiconductor wafer) 4. A light-dark pattern provided at a position conjugate with the in-focus position and having substantially no edge in the radial direction (a light-dark pattern having light-dark linear edges extending substantially radially around the optical axis of the objective lens 3) The mask 10 is formed by repeating the above process about 3 times or more in the circumferential direction, the image sensor 8 that receives the reflected image of the illumination light from the objective lens 3 and the object 4, and outputs an image signal. Defect determination circuit 19 'for detecting a pattern defect based on the received image signal
And a light-shielding mask 1 provided such that a position separated by a predetermined distance h above the in-focus position of the object 4 is a conjugate position.
3A, 13B and light receiving element 14 for detecting the amount of transmitted light
A, 14B and light-shielding masks 15A, 15B provided so as to be conjugate positions at a predetermined distance h below the in-focus position of the object 4, and light-receiving elements 16A, 16B for detecting the amount of transmitted light, Elements 14A, 14B,
Based on the focus position determination circuit 17 that determines the in-focus position of the object 4 by calculating the contrast at each focus position Z based on the light amount signals from 16A and 16B, and the determination result from the focus position determination circuit 17. It comprises an up-and-down mechanism 18 of the sample table 7 for adjusting the focus position of the object 4, an XY stage 20 for scanning the object 4, and an overall control computer 21.

【0047】このパターン検査装置は、対象物(被検査
対象の半導体ウエハ)4を試料台7に搭載後、全体制御
計算機21よりの指令でXYステージ20を走査する。
焦点位置判定回路17は、受光素子14A、14B、1
6A、16Bのそれぞれから出力される出力信号S14
A、S14B、S16A、S16Bから前述した例えば
(数1)式に基づいてそれぞれの焦点位置におけるコン
トラスト信号CA、CBを計算し、XYステージ20を
走査するときには常時自動焦点制御をかける。CAがC
B+許容値εより大きい場合は試料台7の上下機構18
を下に移動させ、CAがCB−許容値εより小さい場合
は試料台7の上下機構18を上に移動させ、CAがCB
±許容値εの場合には上下機構18を移動させない。こ
の動作を走査時に繰返すことで常時自動焦点制御をかけ
る。そして、マスク10の中心部101に対応する対象
物(被検査対象の半導体ウエハ)4上の被検出用のパタ
ーン領域からの反射光または透過光は、対物レンズ3に
よって結像される。イメージセンサ8は、この結像され
た反射光像または透過光像を受光して上記被検出用のパ
ターン領域に存在する配線パターン等の回路パターンの
濃淡画像信号が得られる。また照明光として輪帯状照明
を施して上記回路パターンから対物レンズ3を通して得
られる正反射光を遮光して回折反射光像をイメージセン
サ8で受光することによって、鮮明な回路パターンの回
折反射光による濃淡画像信号が得られる。これら得られ
た濃淡画像信号について、チップ比較またはセル比較す
ることによって回路パターンに存在する欠陥を検出する
ことができる。
In this pattern inspection apparatus, an object (semiconductor wafer to be inspected) 4 is mounted on the sample stage 7, and then the XY stage 20 is scanned by a command from the overall control computer 21.
The focus position determination circuit 17 includes light receiving elements 14A, 14B, 1
Output signal S14 output from each of 6A and 16B
From A, S14B, S16A, and S16B, the contrast signals CA and CB at the respective focus positions are calculated based on, for example, the above-described equation (1), and automatic focus control is always performed when the XY stage 20 is scanned. CA is C
If it is larger than B + tolerance ε, the vertical mechanism 18 of the sample table 7
When CA is smaller than CB−allowable value ε, the up / down mechanism 18 of the sample table 7 is moved up so that CA is CB.
If the value is within ± allowable value ε, the vertical mechanism 18 is not moved. By repeating this operation during scanning, automatic focus control is always applied. Then, the reflected light or transmitted light from the pattern area for detection on the object (semiconductor wafer to be inspected) 4 corresponding to the central portion 101 of the mask 10 is imaged by the objective lens 3. The image sensor 8 receives the formed reflected light image or transmitted light image and obtains a grayscale image signal of a circuit pattern such as a wiring pattern existing in the pattern area for detection. In addition, a ring-shaped illumination is applied as the illumination light, the specular reflection light obtained from the circuit pattern through the objective lens 3 is blocked, and the diffracted reflection light image is received by the image sensor 8. A grayscale image signal is obtained. Defects existing in the circuit pattern can be detected by performing chip comparison or cell comparison on the obtained grayscale image signals.

【0048】いずれにしても対物レンズ(結像光学系)
3として通常の安価な射出側が非テレセントリックであ
る光学系を用いて検出倍率が変化したとしても、この検
出倍率の変化に影響を受けることなく、高精度に合焦点
合わせを実現することができ、その結果イメージセンサ
8により半導体ウエハ上に形成された回路パターンの濃
淡画像信号を高解像度で検出することが可能となり、回
路パターン上に存在する微小欠陥を検出することができ
る。本実施例においては、分岐光学系であるハーフミラ
ー23を集光レンズ11とマスク10との間に設置し
た。この実施例によれば、マスク10と遮光マスク15
A、15Bとを近接して設置されるためドリフトの影響
が小さく、レンズ光学系がマスク10と遮光マスク15
A、15Bの間に無いため調整が容易となる。
In any case, the objective lens (imaging optical system)
Even if the detection magnification is changed by using an ordinary inexpensive optical system whose exit side is non-telecentric as 3, the focusing can be realized with high accuracy without being affected by the change in the detection magnification. As a result, the image sensor 8 can detect the grayscale image signal of the circuit pattern formed on the semiconductor wafer with high resolution, and the minute defect existing on the circuit pattern can be detected. In this embodiment, the half mirror 23, which is a branch optical system, is installed between the condenser lens 11 and the mask 10. According to this embodiment, the mask 10 and the light blocking mask 15
Since A and 15B are installed close to each other, the influence of drift is small, and the lens optical system includes the mask 10 and the light-shielding mask 15.
Adjustment is easy because it is not between A and 15B.

【0049】以上説明したように、本実施例によれば、
安価で、高精度で、しかも高速に焦点位置合せができ、
その結果高速、高精度なパターン欠陥検査を実現するこ
とができる。次に本実施例における第1の変形例につい
て説明する。図2に示すマスク10、遮光マスク13
A,13B(15A,15B)の替わりに図5に示した
マスク10c、遮光マスク13Ac、13Bcの各パタ
ーンを用いても良い。この変形例によると複数の扇型の
マスクを用いているため、リニアイメージセンサ8を複
数の扇型の隙間に配置することが可能となり、リニアイ
メージセンサ8の使用する視野を広くとることができ
る。
As described above, according to this embodiment,
Inexpensive, highly accurate, and fast focusing,
As a result, high-speed and highly accurate pattern defect inspection can be realized. Next, a first modification of this embodiment will be described. The mask 10 and the light-shielding mask 13 shown in FIG.
Instead of A, 13B (15A, 15B), each pattern of the mask 10c and the light shielding masks 13Ac, 13Bc shown in FIG. 5 may be used. According to this modification, since a plurality of fan-shaped masks are used, the linear image sensor 8 can be arranged in a plurality of fan-shaped gaps, and the field of view used by the linear image sensor 8 can be widened. .

【0050】また本発明に係る自動合焦点合わせ方法及
びその装置として図14に示す構成にしても良い。即
ち、実質的に半径方向にエッジを持たない明暗パターン
(対物レンズ3の光軸を中心に実質的に放射状に延びた
明暗の直線状エッジを有する明暗パターン)を円周方向
に3回程度以上繰り返して形成したマスクとして、図5
に示す構成の半分の各々10A、10Bを、対物レンズ
4の合焦点位置と共役な位置の前後に所定の距離h’離
して設置し、対物レンズ4の合焦点位置と共役な位置に
遮光マスク15A、15Bを設置した場合を示したもの
である。この実施例の場合、受光素子16A、16Bの
各々をマスク10A、10Bの各々に対応させて2つの
受光素子16AA、16AB、16BA、16BBで構
成する。そして焦点位置判定回路17は、受光素子16
AAから得られる光量信号141Aと受光素子16BA
から得られる光量信号141Bとの差信号から次の(数
5)式または(数6)式に基づいて、マスク10Aによ
って投影された明暗パターンのコントラスト信号CA’
を計算し、同様に受光素子16ABから得られる光量信
号142Aと受光素子16BBから得られる光量信号1
42Bとの差信号から次の(数5)式または(数6)式
に基づいて、マスク10Bによって投影された明暗パタ
ーンのコントラスト信号CB’を計算し、CA’がC
B’+許容値ε’より大きい場合は試料台7の上下機構
18を駆動制御して下に微移動させ、CA’がCB’−
許容値ε’より小さい場合は、試料台7の上下機構18
を駆動制御して上に移動させ、CA’がCB’±許容値
ε’内に入ったとき(CA’とCB’とが許容値ε’内
で一致したとき)対象物4の表面が合焦点位置に位置付
けられたと判定し、自動合焦点動作を終了する。
The automatic focusing method and apparatus according to the present invention may have the configuration shown in FIG. That is, a light-dark pattern having substantially no edge in the radial direction (a light-dark pattern having a straight edge of light and dark extending substantially radially around the optical axis of the objective lens 3) is provided about three times or more in the circumferential direction. As a repeatedly formed mask, FIG.
10A and 10B, which are half of the structure shown in FIG. This is a case where 15A and 15B are installed. In the case of this embodiment, each of the light receiving elements 16A and 16B is composed of two light receiving elements 16AA, 16AB, 16BA and 16BB corresponding to each of the masks 10A and 10B. Then, the focus position determination circuit 17 includes the light receiving element 16
Light amount signal 141A and light receiving element 16BA obtained from AA
The contrast signal CA ′ of the bright-dark pattern projected by the mask 10A based on the following (Equation 5) or (Equation 6) from the difference signal with the light amount signal 141B obtained from
Similarly, the light amount signal 142A obtained from the light receiving element 16AB and the light amount signal 1 obtained from the light receiving element 16BB are calculated similarly.
The contrast signal CB ′ of the light-dark pattern projected by the mask 10B is calculated from the difference signal with respect to 42B based on the following equation (5) or equation (6), and CA ′ is C
If it is larger than B ′ + allowable value ε ′, the vertical movement mechanism 18 of the sample table 7 is drive-controlled to be slightly moved downward, and CA ′ is CB′−.
If it is smaller than the allowable value ε ', the vertical movement mechanism 18 of the sample table 7
When CA 'is within CB' ± tolerance ε '(when CA' and CB 'match within tolerance ε'), the surface of the target object 4 is aligned. It is determined that the focus position is reached, and the automatic focusing operation is ended.

【0051】 CA’=(141A−141B)/(141A+141B) CB’=(142A−142B)/(142A+142B) (数5) CA’=(141B−2×141A)/141B CB’=(142B−2×142A)/142B (数6) この実施例の場合、マスク10A、10Bの各々に形成
された明暗パターンが対象物4の表面の異なる領域に対
物レンズ3を通して投影され、受光素子16AA及び1
6BAと受光素子16AB及び16BBとは各々対物レ
ンズ3を通して結像される異なる領域の明暗パターンの
反射光像を受光することになる。そこで、対象物4の表
面上の上記異なる領域においてパターンの密度等が変化
して反射特性が変わると、受光素子16AA及び16B
Aと受光素子16AB及び16BBとが遮光マスク15
A、15Bの各々を通して受光する光量が変化し、C
A’がCB’と一致したとしても対象物4の表面が合焦
点位置とはならなくなってしまう。即ち、この実施例の
場合、対象物4の表面における反射特性の変動の影響を
受けやすい。従って、対象物4の表面において反射特性
の変動のないものへの適用は、前記実施例と同様に高精
度に合焦点合わせを実現することができる。
CA ′ = (141A-141B) / (141A + 141B) CB ′ = (142A-142B) / (142A + 142B) (Equation 5) CA ′ = (141B-2 × 141A) / 141B CB ′ = (142B-2) × 142A) / 142B (Equation 6) In the case of this embodiment, the light and dark patterns formed on each of the masks 10A and 10B are projected onto different areas of the surface of the object 4 through the objective lens 3 to receive the light receiving elements 16AA and 16A.
The 6BA and the light receiving elements 16AB and 16BB respectively receive the reflected light images of the bright and dark patterns of different regions formed through the objective lens 3. Therefore, when the pattern density or the like changes in the different area on the surface of the object 4 and the reflection characteristic changes, the light receiving elements 16AA and 16B are received.
A and the light receiving elements 16AB and 16BB are the light-shielding mask 15.
The amount of light received through each of A and 15B changes, and C
Even if A ′ coincides with CB ′, the surface of the object 4 will not be in the in-focus position. That is, in the case of this embodiment, it is easily affected by the fluctuation of the reflection characteristic on the surface of the object 4. Therefore, when the object 4 is applied to the surface of which the reflection characteristic does not change, the focusing can be realized with high accuracy as in the above embodiment.

【0052】[0052]

【発明の効果】本発明によれば、結像光学系(対物レン
ズ)を含む検出光学系として、高価な倍率調整可能な射
出側テレセントリックな光学系を用いることなく、対象
物または試料の表面を高精度に焦点合わせを実現するこ
とができる効果を奏する。
According to the present invention, the surface of the object or sample can be measured without using an expensive exit side telecentric optical system capable of adjusting magnification as a detection optical system including an imaging optical system (objective lens). The effect that the focusing can be realized with high accuracy is achieved.

【0053】また本発明によれば、結像光学系(対物レ
ンズ)を含む検出光学系として、高価な倍率調整可能な
射出側テレセントリックな光学系を用いることなく、更
に光電変換素子として、高価な一次元リニアイメージセ
ンサを用いることなく、対象物または試料の表面を高精
度に焦点合わせを実現することができる効果を奏する。
また本発明によれば、結像光学系(対物レンズ)を含
む検出光学系として、高価な倍率調整可能な射出側テレ
セントリックな光学系を用いることなく、対象物または
試料の表面を高精度に焦点合わせを実現し、その結果対
象物または試料の表面に形成された被検出用のパターン
の光像を合焦点状態にして結像光学系で結像させて被検
出用のパターンの鮮明な画像信号を検出して被検出用の
パターン上の微細な欠陥を高信頼度で検査することがで
きる。また本発明によれば、結像光学系(対物レンズ)
を含む検出光学系として、高価な倍率調整可能な射出側
テレセントリックな光学系を用いることなく、対象物ま
たは試料の表面を高精度に焦点合わせを実現し、その結
果対象物または試料の表面に高段差のある複数のパター
ンで形成された被検出用のパターンの光像を合焦点状態
にして結像光学系で結像させて被検出用のパターンの鮮
明な画像信号を検出して複数のパターンの間の寸法を高
精度に計測することができる効果を奏する。
Further, according to the present invention, as a detection optical system including an imaging optical system (objective lens), an expensive telephotocentric optical system capable of adjusting the magnification is not used, and a photoelectric conversion element is expensive. It is possible to achieve highly accurate focusing of the surface of the object or the sample without using the one-dimensional linear image sensor.
Further, according to the present invention, as the detection optical system including the imaging optical system (objective lens), the surface of the object or the sample is focused with high accuracy without using an expensive exit side telecentric optical system capable of adjusting the magnification. As a result, the optical image of the pattern to be detected formed on the surface of the object or sample is focused and focused by the imaging optical system to form a clear image signal of the pattern to be detected. Can be detected to inspect a fine defect on the pattern to be detected with high reliability. Further, according to the present invention, an imaging optical system (objective lens)
As a detection optical system that includes a high-accuracy adjustable exit side telecentric optical system, the surface of the object or sample can be focused with high accuracy, and as a result, the surface of the object or sample can be highly focused. A plurality of patterns are formed by detecting the clear image signal of the pattern to be detected by focusing the optical image of the pattern to be detected formed by a plurality of steps The effect that the dimension between the two can be measured with high accuracy is achieved.

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

【図1】本発明に係る自動合焦点合わせ装置を備えたパ
ターン検出装置の第1の実施例を示した概略構成図であ
る。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a pattern detection device including an automatic focusing device according to the present invention.

【図2】(a)はマスクに形成された明暗パターンを示
し、(b)(c)は遮光マスクに形成された遮光パター
ンを示し、(d)(e)は各受光素子で受光する光量と
焦点位置Zとの関係を示し、(f)は焦点位置Zに対す
るコントラスト信号波形を示す図である。
2A is a light-dark pattern formed on a mask, FIG. 2B is a light-shielding pattern formed on a light-shielding mask, and FIG. 2D is an amount of light received by each light-receiving element. And (f) is a diagram showing a contrast signal waveform with respect to the focus position Z.

【図3】(a)は対物レンズ(結像光学系)として射出
側が非テレセントリック光学系で構成した場合におい
て、合焦点位置とその前後の位置とにおける検出倍率が
変化することを示し、(b)(c)(d)は合焦点位置
とその前後の位置とにおける検出像を示し、(e)は遮
光マスクに形成された遮光パターンを示す図である。
FIG. 3A shows that the detection magnification changes between the in-focus position and the positions before and after it, when the exit side is configured by a non-telecentric optical system as an objective lens (imaging optical system), and FIG. ) (C) and (d) show detection images at the focus position and positions before and after it, and (e) is a view showing a light-shielding pattern formed on the light-shielding mask.

【図4】(a)はマスクに形成された図2(a)に示す
ものと異なる明暗パターンを示し、(b)(c)は
(a)に示す明暗パターンに対応させて遮光マスクに形
成された遮光パターンを示す図である。
4A shows a light-dark pattern different from that shown in FIG. 2A formed on the mask, and FIGS. 4B and 4C are formed on the light-shielding mask in correspondence with the light-dark pattern shown in FIG. It is a figure which shows the light shielding pattern.

【図5】(a)はマスクに形成された図2(a)及び図
4(a)に示すものと異なる明暗パターンを示し、
(b)(c)は(a)に示す明暗パターンに対応させて
遮光マスクに形成された遮光パターンを示す図である。
5A shows a light-dark pattern different from that shown in FIGS. 2A and 4A formed on a mask, FIG.
(B) (c) is a figure which shows the light-shielding pattern formed in the light-shielding mask corresponding to the light-dark pattern shown in (a).

【図6】(a)はマスクに形成された図2(a)に示す
もの同じ明暗パターンを示し、(b)(c)は遮光マス
クに形成された遮光パターンを示す図である。
6A is a diagram showing the same light-dark pattern as that shown in FIG. 2A formed on a mask, and FIGS. 6B and 6C are diagrams showing light-shielding patterns formed on a light-shielding mask.

【図7】本発明に係る自動合焦点合わせ装置を備えたパ
ターン検出装置の第2の実施例を示した概略構成図であ
る。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the pattern detection device including the automatic focusing device according to the present invention.

【図8】半導体ウエハ上に形成された高段差を有する基
準パターンとレジストパターンとからなる計測対象パタ
ーンを示す図で、(a)は平面図、(b)は正面断面図
である。
8A and 8B are views showing a pattern to be measured which includes a reference pattern having a high level difference formed on a semiconductor wafer and a resist pattern. FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a front sectional view.

【図9】本発明に係る自動合焦点合わせ装置を備えたパ
ターン検出装置の第2の実施例を示した図7とは異なる
概略構成図である。
FIG. 9 is a schematic configuration view different from FIG. 7 showing a second embodiment of the pattern detection apparatus including the automatic focusing device according to the present invention.

【図10】図7及び図9に示すイメージセンサで検出さ
れる検出画像信号波形を示す図である。
10 is a diagram showing a detected image signal waveform detected by the image sensor shown in FIGS. 7 and 9. FIG.

【図11】図7及び図9に示すイメージセンサで検出さ
れる検出画像信号に基づいて基準パターンの中心位置C
Paを算出するための説明図である。
11 is a center position C of a reference pattern based on a detected image signal detected by the image sensor shown in FIGS. 7 and 9;
It is explanatory drawing for calculating Pa.

【図12】図7及び図9に示すイメージセンサで検出さ
れる検出画像信号に基づいてレジストパターンの中心位
置CPbを算出するための説明図である。
12 is an explanatory diagram for calculating a center position CPb of a resist pattern based on a detection image signal detected by the image sensor shown in FIGS. 7 and 9. FIG.

【図13】本発明に係る自動合焦点合わせ装置を備えた
パターン検出装置の第3の実施例を示した概略構成図で
ある。
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment of a pattern detection device including an automatic focusing device according to the present invention.

【図14】本発明に係る自動合焦点合わせ装置の他の実
施例を示した概略構成図である。
FIG. 14 is a schematic configuration diagram showing another embodiment of the automatic focusing device according to the present invention.

【図15】従来の一次元に繰り返される縞パターン投影
の自動合焦点合わせ装置を示した概略構成図である。
FIG. 15 is a schematic configuration diagram showing a conventional automatic focusing device for one-dimensionally repeating fringe pattern projection.

【図16】従来の一次元に繰り返される縞パターンと一
次元リニアイメージセンサの受光画素との関係を示した
図である。
FIG. 16 is a diagram showing a relationship between a conventional one-dimensionally repeated stripe pattern and light-receiving pixels of a one-dimensional linear image sensor.

【図17】従来の合焦点の前後位置に配置された各一次
元リニアイメージセンサで検出されるコントラスト信号
波形を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a contrast signal waveform detected by each one-dimensional linear image sensor arranged at a position before and after a conventional focusing point.

【図18】従来の各一次元リニアイメージセンサで検出
されるコントラスト信号の差信号と焦点位置Z(Z座
標)との関係を示した図である。
FIG. 18 is a diagram showing a relationship between a contrast signal difference signal detected by each conventional one-dimensional linear image sensor and a focus position Z (Z coordinate).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3…対物レンズ(結像光学系)、 4…対象物(試
料)、 7…試料台 8、8a、8b…イメージセンサ、 9…照明光源 10、10a、10b、10c、10A、10B…マス
ク 11…集光レンズ、 12…照明光学系 13A、13Aa〜13Ad、13B、13Ba〜13
Bc、15A、15Aa〜15Ad、15B、15Ba
〜15Bc…遮光マスク 14A、14B、16A、16B…透過光量を検出する
受光素子(センサ) 17…焦点位置判定回路、 18…上下機構、19…計
算機における合わせずれ判定部(画像処理) 19’…計算機における欠陥検出部(画像処理)、 2
0…XYステージ 21…計算機(全体制御部)、 22〜27…ハーフミ
ラー(分岐光学系) 35…検出光学系、 36…光路長調整用組み楔 37a、37b…リレー光学系、 41…出力手段、
42…入力手段 43…表示手段(ディスプレイ)、 44…外部記憶装
置 90…計測対象パターン、 91…基準パターン 92…測定パターン(レジストパターン)
3 ... Objective lens (imaging optical system), 4 ... Object (sample), 7 ... Sample stand 8, 8a, 8b ... Image sensor, 9 ... Illumination light source 10, 10a, 10b, 10c, 10A, 10B ... Mask 11 ... Condensing lens, 12 ... Illumination optical system 13A, 13Aa to 13Ad, 13B, 13Ba to 13
Bc, 15A, 15Aa to 15Ad, 15B, 15Ba
-15Bc ... Shading mask 14A, 14B, 16A, 16B ... Light receiving element (sensor) that detects the amount of transmitted light 17 ... Focus position determination circuit, 18 ... Vertical mechanism, 19 ... Misalignment determination unit (image processing) in computer 19 '... Defect detection unit (image processing) in the computer, 2
0 ... XY stage 21 ... Calculator (overall control unit), 22-27 ... Half mirror (branching optical system) 35 ... Detection optical system, 36 ... Optical path length adjusting wedge 37a, 37b ... Relay optical system, 41 ... Output means ,
42 ... Input means 43 ... Display means (display), 44 ... External storage device 90 ... Measurement target pattern, 91 ... Reference pattern 92 ... Measurement pattern (resist pattern)

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成8年2月1日[Submission date] February 1, 1996

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】図面の簡単な説明[Correction target item name] Brief description of drawings

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

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

【図1】本発明に係る自動合焦点合わせ装置を備えたパ
ターン検出装置の第1の実施例を示した概略構成図であ
る。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a pattern detection device including an automatic focusing device according to the present invention.

【図2】(a)はマスクに形成された明暗パターンを示
し、(b)(c)は遮光マスクに形成された遮光パター
ンを示し、(d)(e)は各受光素子で受光する光量と
焦点位置Zとの関係を示し、(f)は焦点位置Zに対す
るコントラスト信号波形を示す図である。
2A is a light-dark pattern formed on a mask, FIG. 2B is a light-shielding pattern formed on a light-shielding mask, and FIG. 2D is an amount of light received by each light-receiving element. And (f) is a diagram showing a contrast signal waveform with respect to the focus position Z.

【図3】(a)は対物レンズ(結像光学系)として射出
側が非テレセントリック光学系で構成した場合におい
て、合焦点位置とその前後の位置とにおける検出倍率が
変化することを示し、(b)(c)(d)は合焦点位置
とその前後の位置とにおける検出像を示し、(e)
(f)は遮光マスクに形成された遮光パターンを示す図
である。
FIG. 3A shows that the detection magnification changes between the in-focus position and the positions before and after it, when the exit side is configured by a non-telecentric optical system as an objective lens (imaging optical system), and FIG. ) (C) (d) show detection images at the in-focus position and the positions before and after it, and (e)
(F) is a figure which shows the light-shielding pattern formed in the light-shielding mask.

【図4】(a)はマスクに形成された図2(a)に示す
ものと異なる明暗パターンを示し、(b)(c)は
(a)に示す明暗パターンに対応させて遮光マスクに形
成された遮光パターンを示す図である。
4A shows a light-dark pattern different from that shown in FIG. 2A formed on the mask, and FIGS. 4B and 4C are formed on the light-shielding mask in correspondence with the light-dark pattern shown in FIG. It is a figure which shows the light shielding pattern.

【図5】(a)はマスクに形成された図2(a)及び図
4(a)に示すものと異なる明暗パターンを示し、
(b)(c)は(a)に示す明暗パターンに対応させて
遮光マスクに形成された遮光パターンを示す図である。
5A shows a light-dark pattern different from that shown in FIGS. 2A and 4A formed on a mask, FIG.
(B) (c) is a figure which shows the light-shielding pattern formed in the light-shielding mask corresponding to the light-dark pattern shown in (a).

【図6】(a)はマスクに形成された図2(a)に示す
もの同じ明暗パターンを示し、(b)(c)は遮光マス
クに形成された遮光パターンを示す図である。
6A is a diagram showing the same light-dark pattern as that shown in FIG. 2A formed on a mask, and FIGS. 6B and 6C are diagrams showing light-shielding patterns formed on a light-shielding mask.

【図7】本発明に係る自動合焦点合わせ装置を備えたパ
ターン検出装置の第2の実施例を示した概略構成図であ
る。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the pattern detection device including the automatic focusing device according to the present invention.

【図8】半導体ウエハ上に形成された高段差を有する基
準パターンとレジストパターンとからなる計測対象パタ
ーンを示す図で、(a)は平面図、(b)は正面断面図
である。
8A and 8B are views showing a pattern to be measured which includes a reference pattern having a high level difference formed on a semiconductor wafer and a resist pattern. FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a front sectional view.

【図9】本発明に係る自動合焦点合わせ装置を備えたパ
ターン検出装置の第2の実施例を示した図7とは異なる
概略構成図である。
FIG. 9 is a schematic configuration view different from FIG. 7 showing a second embodiment of the pattern detection apparatus including the automatic focusing device according to the present invention.

【図10】図7及び図9に示すイメージセンサで検出さ
れる検出画像信号波形を示す図である。
10 is a diagram showing a detected image signal waveform detected by the image sensor shown in FIGS. 7 and 9. FIG.

【図11】図7及び図9に示すイメージセンサで検出さ
れる検出画像信号に基づいて基準パターンの中心位置C
Paを算出するための説明図である。
11 is a center position C of a reference pattern based on a detected image signal detected by the image sensor shown in FIGS. 7 and 9;
It is explanatory drawing for calculating Pa.

【図12】図7及び図9に示すイメージセンサで検出さ
れる検出画像信号に基づいてレジストパターンの中心位
置CPbを算出するための説明図である。
12 is an explanatory diagram for calculating a center position CPb of a resist pattern based on a detection image signal detected by the image sensor shown in FIGS. 7 and 9. FIG.

【図13】本発明に係る自動合焦点合わせ装置を備えた
パターン検出装置の第3の実施例を示した概略構成図で
ある。
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment of a pattern detection device including an automatic focusing device according to the present invention.

【図14】本発明に係る自動合焦点合わせ装置の他の実
施例を示した概略構成図である。
FIG. 14 is a schematic configuration diagram showing another embodiment of the automatic focusing device according to the present invention.

【図15】従来の一次元に繰り返される縞パターン投影
の自動合焦点合わせ装置を示した概略構成図である。
FIG. 15 is a schematic configuration diagram showing a conventional automatic focusing device for one-dimensionally repeating fringe pattern projection.

【図16】従来の一次元に繰り返される縞パターンと一
次元リニアイメージセンサの受光画素との関係を示した
図である。
FIG. 16 is a diagram showing a relationship between a conventional one-dimensionally repeated stripe pattern and light-receiving pixels of a one-dimensional linear image sensor.

【図17】従来の合焦点の前後位置に配置された各一次
元リニアイメージセンサで検出されるコントラスト信号
波形を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a contrast signal waveform detected by each one-dimensional linear image sensor arranged at a position before and after a conventional focusing point.

【図18】従来の各一次元リニアイメージセンサで検出
されるコントラスト信号の差信号と焦点位置Z(Z座
標)との関係を示した図である。
FIG. 18 is a diagram showing a relationship between a contrast signal difference signal detected by each conventional one-dimensional linear image sensor and a focus position Z (Z coordinate).

【符号の説明】 3…対物レンズ(結像光学系)、 4…対象物(試
料)、 7…試料台 8、8a、8b…イメージセンサ、 9…照明光源 10、10a、10b、10c、10A、10B…マス
ク 11…集光レンズ、 12…照明光学系 13A、13Aa〜13Ad、13B、13Ba〜13
Bc、15A、15Aa〜15Ad、15B、15Ba
〜15Bc…遮光マスク 14A、14B、16A、16B…透過光量を検出する
受光素子(センサ) 17…焦点位置判定回路、 18…上下機構、19…計
算機における合わせずれ判定部(画像処理) 19’…計算機における欠陥検出部(画像処理)、 2
0…XYステージ 21…計算機(全体制御部)、 22〜27…ハーフミ
ラー(分岐光学系) 35…検出光学系、 36…光路長調整用組み楔 37a、37b…リレー光学系、 41…出力手段、
42…入力手段 43…表示手段(ディスプレイ)、 44…外部記憶装
置 90…計測対象パターン、 91…基準パターン 92…測定パターン(レジストパターン)
[Explanation of reference numerals] 3 ... Objective lens (imaging optical system), 4 ... Object (sample), 7 ... Sample stage 8, 8a, 8b ... Image sensor, 9 ... Illumination light source 10, 10a, 10b, 10c, 10A 10B ... Mask 11 ... Condensing lens 12 ... Illumination optical system 13A, 13Aa-13Ad, 13B, 13Ba-13
Bc, 15A, 15Aa to 15Ad, 15B, 15Ba
-15Bc ... Shading mask 14A, 14B, 16A, 16B ... Light receiving element (sensor) that detects the amount of transmitted light 17 ... Focus position determination circuit, 18 ... Vertical mechanism, 19 ... Misalignment determination unit (image processing) in computer 19 '... Defect detection unit (image processing) in the computer, 2
0 ... XY stage 21 ... Calculator (overall control unit), 22-27 ... Half mirror (branching optical system) 35 ... Detection optical system, 36 ... Optical path length adjusting wedge 37a, 37b ... Relay optical system, 41 ... Output means ,
42 ... Input means 43 ... Display means (display), 44 ... External storage device 90 ... Measurement target pattern, 91 ... Reference pattern 92 ... Measurement pattern (resist pattern)

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】対象物に対して結像光学系を通してこの結
像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線
状エッジを有する明暗パターンを投影し、前記対象物か
ら反射して前記結像光学系を通して得られる明暗パター
ンの像を光電変換手段で受光して明暗パターンのコント
ラスト信号に変換し、この変換された明暗パターンのコ
ントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合焦点位置
に前記対象物を相対的に制御することを特徴とする自動
焦点合わせ方法。
1. A light-dark pattern having straight light-dark edges extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system through an imaging optical system is projected onto an object and reflected from the object. The light-dark pattern image obtained through the image-forming optical system is received by photoelectric conversion means and converted into a light-dark pattern contrast signal, and the focusing point of the image-forming optical system is adjusted based on the converted light-dark pattern contrast signal. An automatic focusing method, characterized in that the object is controlled relative to a position.
【請求項2】対象物に対して結像光学系を通してこの結
像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線
状エッジを有する明暗パターンを投影し、前記対象物か
ら反射して前記結像光学系を通して得られる明暗パター
ンの像の内、暗パターンの像を第1の光電変換素子で受
光して暗パターンに相応する第1の信号に変換すると共
に、明パターンの像を第2の光電変換素子で受光して明
パターンに相応する第2の信号に変換して得られる明暗
パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系
の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御することを特
徴とする自動焦点合わせ方法。
2. A light-dark pattern having straight linear edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system through an imaging optical system is projected onto the object and reflected from the object. The image of the dark pattern among the images of the bright and dark pattern obtained through the imaging optical system is received by the first photoelectric conversion element and converted into the first signal corresponding to the dark pattern, and at the same time, the image of the bright pattern is formed. The object is relatively moved to the focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern obtained by receiving the light by the second photoelectric conversion element and converting it into the second signal corresponding to the light pattern. An automatic focusing method characterized by controlling.
【請求項3】対象物に対して結像光学系を通してこの結
像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線
状エッジを有する明暗パターンを投影し、前記対象物か
ら反射して前記結像光学系を通して得られる明暗パター
ンの像を、合焦点位置の前後の共役な位置に配置された
第1及び第2の光電変換手段の各々で受光して第1及び
第2の明暗パターンのコントラスト信号に変換し、これ
ら変換された第1及び第2の明暗パターンのコントラス
ト信号に基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記対
象物を相対的に制御することを特徴とする自動焦点合わ
せ方法。
3. A light-dark pattern having straight linear edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system through an imaging optical system is projected onto the object and reflected from the object. The image of the bright and dark pattern obtained through the image forming optical system is received by each of the first and second photoelectric conversion means arranged at a conjugate position before and after the in-focus position to receive the first and second bright and dark images. It is characterized in that the object is converted into a contrast signal of a pattern, and the object is relatively controlled at a focus position of the imaging optical system based on the converted contrast signals of the first and second bright and dark patterns. Automatic focusing method.
【請求項4】対象物に対して結像光学系を通してこの結
像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線
状エッジを有する明暗パターンを投影し、前記対象物か
ら反射して前記結像光学系を通して得られる明暗パター
ンの像を、合焦点位置の前後の共役な位置に配置された
第1及び第2の光電変換手段の各々を構成する第1の光
電変換素子で受光して暗パターンに相応する第1の信号
に変換すると共に、前記第1及び第2の光電変換手段の
各々を構成する第2の光電変換素子で受光して明パター
ンに相応する第2の信号に変換して、前記第1及び第2
の光電変換手段の各々における第1及び第2の信号から
前記第1及び第2の光電変換手段に対応させて得られる
第1及び第2の明暗パターンのコントラスト信号に基づ
いて前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的
に制御することを特徴とする自動焦点合わせ方法。
4. A light-dark pattern having straight linear edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the image forming optical system is projected on the object and reflected from the object. The image of the bright and dark pattern obtained through the image forming optical system is received by the first photoelectric conversion elements constituting each of the first and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the focus position. And then converted into a first signal corresponding to the dark pattern, and the second signal corresponding to the bright pattern is received by the second photoelectric conversion element constituting each of the first and second photoelectric conversion means. Converted to the first and second
The imaging optical system based on the contrast signals of the first and second bright and dark patterns obtained from the first and second signals in each of the photoelectric conversion means in correspondence with the first and second photoelectric conversion means. The automatic focusing method, characterized in that the object is controlled relatively to the in-focus position.
【請求項5】対象物上の被検出パターン領域の周辺に対
して結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から実質
的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パ
ターンを投影し、前記周辺から反射して前記結像光学系
を通して得られる明暗パターンの像を光電変換手段で受
光して明暗パターンのコントラスト信号に変換し、この
変換された明暗パターンのコントラスト信号に基づいて
前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制
御する焦点合わせ工程と、 該焦点合わせ工程で制御された対象物上の被検出パター
ン領域から前記結像光学系を通して得られる光を被検出
用光電変換手段で受光して被検出パターンの画像信号を
検出する被検出パターン検出工程とを有することを特徴
とするパターン検出方法。
5. A light-dark pattern having straight light-dark edges extending substantially radially from the optical axis of the imaging optical system is projected onto the periphery of a detected pattern region on an object through the imaging optical system. Then, the image of the light-dark pattern reflected from the periphery and obtained through the image-forming optical system is received by the photoelectric conversion means and converted into a contrast signal of the light-dark pattern, and based on the converted contrast signal of the light-dark pattern, Focusing step for relatively controlling the object to the in-focus position of the imaging optical system, and light obtained through the imaging optical system from the detected pattern region on the object controlled in the focusing step. And a detected pattern detecting step of detecting an image signal of the detected pattern by receiving light from the detected photoelectric conversion means.
【請求項6】対象物上の被検出パターン領域の周辺に対
して結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から実質
的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パ
ターンを投影し、前記周辺から反射して前記結像光学系
を通して得られる明暗パターンの像の内、暗パターンの
像を第1の光電変換素子で受光して暗パターンに相応す
る第1の信号に変換すると共に、明パターンの像を第2
の光電変換素子で受光して明パターンに相応する第2の
信号に変換して得られる明暗パターンのコントラスト信
号に基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物
を相対的に制御する焦点合わせ工程と、 該焦点合わせ工程で制御された対象物上の被検出パター
ン領域から前記結像光学系を通して得られる光を被検出
用光電変換手段で受光して被検出パターンの画像信号を
検出する被検出パターン検出工程とを有することを特徴
とするパターン検出方法。
6. A light-dark pattern having straight line edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system through an imaging optical system to the periphery of a pattern area to be detected on an object. Then, of the bright and dark pattern images reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system, the dark pattern image is received by the first photoelectric conversion element and converted into a first signal corresponding to the dark pattern. Along with the second bright pattern image
The relative control of the object to the focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern obtained by receiving the light by the photoelectric conversion element and converting it into the second signal corresponding to the light pattern. Focusing step and detecting the image signal of the detected pattern by receiving light obtained through the imaging optical system from the detected pattern area on the object controlled in the focusing step by the photoelectric conversion means for detection And a detected pattern detecting step.
【請求項7】対象物上の被検出パターン領域の周辺に対
して結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から実質
的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パ
ターンを投影し、前記周辺から反射して前記結像光学系
を通して得られる明暗パターンの像を、合焦点位置の前
後の共役な位置に配置された第1及び第2の光電変換手
段の各々で受光して第1及び第2の明暗パターンのコン
トラスト信号に変換し、これら変換された第1及び第2
の明暗パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像
光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御する焦
点合わせ工程と、 該焦点合わせ工程で制御された対象物上の被検出パター
ン領域から前記結像光学系を通して得られる光を被検出
用光電変換手段で受光して被検出パターンの画像信号を
検出する被検出パターン検出工程とを有することを特徴
とするパターン検出方法。
7. A light / dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system is projected to the periphery of a pattern area to be detected on an object through the imaging optical system. Then, the image of the bright and dark pattern reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system is received by each of the first and second photoelectric conversion units arranged at conjugate positions before and after the in-focus position. The first and second converted contrast signals of the first and second light and dark patterns, and the converted first and second
A focusing step for relatively controlling the object to a focusing position of the imaging optical system based on the contrast signal of the bright and dark pattern of, and a detected pattern area on the object controlled in the focusing step. And a detected pattern detecting step of detecting the image signal of the detected pattern by receiving the light obtained through the imaging optical system by the photoelectric conversion means for detection.
【請求項8】対象物上の被検出パターン領域の周辺に対
して結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から実質
的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パ
ターンを投影し、前記周辺から反射して前記結像光学系
を通して得られる明暗パターンの像を、合焦点位置の前
後の共役な位置に配置された第1及び第2の光電変換手
段の各々を構成する第1の光電変換素子で受光して暗パ
ターンに相応する第1の信号に変換すると共に、前記第
1及び第2の光電変換手段の各々を構成する第2の光電
変換素子で受光して明パターンに相応する第2の信号に
変換して、前記第1及び第2の光電変換手段の各々にお
ける第1及び第2の信号から前記第1及び第2の光電変
換手段に対応させて得られる第1及び第2の明暗パター
ンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合焦
点位置に前記対象物を相対的に制御する焦点合わせ工程
と、 該焦点合わせ工程で制御された対象物上の被検出パター
ン領域から前記結像光学系を通して得られる光を被検出
用光電変換手段で受光して被検出パターンの画像信号を
検出する被検出パターン検出工程とを有することを特徴
とするパターン検出方法。
8. A light-dark pattern having straight linear edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system is projected onto the periphery of a detected pattern region on an object through the imaging optical system. Then, the image of the bright and dark pattern reflected from the periphery and obtained through the image forming optical system constitutes each of the first and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the in-focus position. The first photoelectric conversion element receives the light and converts it into a first signal corresponding to the dark pattern, and the second photoelectric conversion element constituting each of the first and second photoelectric conversion means receives the light and receives the bright pattern. To a second signal corresponding to the first and second photoelectric conversion means and obtained from the first and second signals in each of the first and second photoelectric conversion means in correspondence with the first and second photoelectric conversion means. Contrast of 1st and 2nd light and dark patterns Focusing step of relatively controlling the object to the focus position of the imaging optical system based on the signal, and the imaging optical system from the detected pattern area on the object controlled in the focusing step. And a detected pattern detecting step of detecting the image signal of the detected pattern by receiving light obtained through the photoelectric conversion means for detection by the detected photoelectric conversion means.
【請求項9】試料上に高低差のある第1のパターンと第
2のパターンとを形成した被検出パターン領域の周辺に
対して結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から実
質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗
パターンを投影し、前記周辺から反射して前記結像光学
系を通して得られる明暗パターンの像を光電変換手段で
受光して明暗パターンのコントラスト信号に変換し、こ
の変換された明暗パターンのコントラスト信号に基づい
て前記結像光学系の合焦点位置に前記試料を相対的に制
御する焦点合わせ工程と、 該焦点合わせ工程で制御された前記試料上の被検出パタ
ーン領域における前記第1及び第2のパターンからの光
像を前記結像光学系を通して前記高低差に応じて光路長
差をつけた検出光学系により結像させて光電変換手段で
受光して第1及び第2のパターンの画像信号を検出し、
この第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、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、これら算出された第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を
算出する被検出パターン検出工程とを有することを特徴
とするパターン検出方法。
9. An imaging optical system is provided to the periphery of a pattern area to be detected in which a first pattern and a second pattern having a height difference are formed on a sample, and substantially from the optical axis of the imaging optical system. A light-dark pattern having a straight edge of light and dark that radially extends to is projected, and the image of the light-dark pattern which is reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system is received by the photoelectric conversion means to form a contrast signal of the light-dark pattern. And a focusing step of relatively controlling the sample to a focusing position of the imaging optical system based on the converted contrast signal of the light-dark pattern, and the focusing step on the sample controlled in the focusing step. The optical images from the first and second patterns in the detected pattern region are imaged through the imaging optical system by a detection optical system having an optical path length difference according to the height difference, and photoelectric conversion is performed. The image signal of the first and second patterns is detected by receiving light by the replacement means,
The center position of the first pattern is calculated from the image signal of the first pattern, the center position of the second pattern is calculated from the image signal of the second pattern, and the calculated center of the first pattern is calculated. A detected pattern detecting step of calculating a dimension between the center of the second pattern and the center of the second pattern.
【請求項10】試料上に高低差のある第1のパターンと
第2のパターンとを形成した被検出パターン領域の周辺
に対して結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から
実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明
暗パターンを投影し、前記周辺から反射して前記結像光
学系を通して得られる明暗パターンの像の内、暗パター
ンの像を第1の光電変換素子で受光して暗パターンに相
応する第1の信号に変換すると共に、明パターンの像を
第2の光電変換素子で受光して明パターンに相応する第
2の信号に変換して得られる明暗パターンのコントラス
ト信号に基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記試
料を相対的に制御する焦点合わせ工程と、 該焦点合わせ工程で制御された前記試料上の被検出パタ
ーン領域における前記第1及び第2のパターンからの光
像を前記結像光学系を通して前記高低差に応じて光路長
差をつけた検出光学系により結像させて光電変換手段で
受光して第1及び第2のパターンの画像信号を検出し、
この第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、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、これら算出された第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を
算出する被検出パターン検出工程とを有することを特徴
とするパターン検出方法。
10. An imaging optical system is provided to the periphery of a pattern area to be detected in which a first pattern and a second pattern having a height difference are formed on a sample, and substantially from the optical axis of the imaging optical system. A light-dark pattern having a straight edge of light and dark that radially extends on the image, and the image of the dark pattern among the image of the light-dark pattern obtained from the periphery and reflected through the imaging optical system is converted into a first photoelectric conversion element. And a light-dark pattern obtained by converting a light-pattern image into a first signal corresponding to a dark pattern, and a light-pattern image received by a second photoelectric conversion element and converted into a second signal corresponding to a light pattern. Focusing step of relatively controlling the sample to a focusing position of the imaging optical system based on the contrast signal of the image forming optical system, and the first and the first and the second patterns in the detected pattern area on the sample controlled in the focusing step. The optical image from the second pattern is imaged through the imaging optical system by the detection optical system having an optical path length difference according to the height difference, and is received by the photoelectric conversion means to receive the first and second patterns. Detect the image signal,
The center position of the first pattern is calculated from the image signal of the first pattern, the center position of the second pattern is calculated from the image signal of the second pattern, and the calculated center of the first pattern is calculated. A detected pattern detecting step of calculating a dimension between the center of the second pattern and the center of the second pattern.
【請求項11】試料上に高低差のある第1のパターンと
第2のパターンとを形成した被検出パターン領域の周辺
に対して結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から
実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明
暗パターンを投影し、前記周辺から反射して前記結像光
学系を通して得られる明暗パターンの像を、合焦点位置
の前後の共役な位置に配置された第1及び第2の光電変
換手段の各々で受光して第1及び第2の明暗パターンの
コントラスト信号に変換し、これら変換された第1及び
第2の明暗パターンのコントラスト信号に基づいて前記
結像光学系の合焦点位置に前記試料を相対的に制御する
焦点合わせ工程と、 該焦点合わせ工程で制御された前記試料上の被検出パタ
ーン領域における前記第1及び第2のパターンからの光
像を前記結像光学系を通して前記高低差に応じて光路長
差をつけた検出光学系により結像させて光電変換手段で
受光して第1及び第2のパターンの画像信号を検出し、
この第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、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、これら算出された第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を
算出する被検出パターン検出工程とを有することを特徴
とするパターン検出方法。
11. An imaging optical system is provided to the periphery of a pattern area to be detected in which a first pattern and a second pattern having a height difference are formed on a sample, and substantially from the optical axis of the imaging optical system. An image of a bright-dark pattern obtained by projecting a bright-dark pattern having radially extending light-dark linear edges on the periphery and being reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system is arranged at a conjugate position before and after a focus position. Each of the first and second photoelectric conversion means receives the light and converts it into the contrast signals of the first and second light and dark patterns, and based on the converted contrast signals of the first and second light and dark patterns, A focusing step of relatively controlling the sample to a focus position of the imaging optical system; and a step of controlling the sample from the first and second patterns in the detected pattern area on the sample controlled by the focusing step. An optical image is formed through the image forming optical system by a detection optical system having an optical path length difference according to the height difference and is received by photoelectric conversion means to detect image signals of first and second patterns,
The center position of the first pattern is calculated from the image signal of the first pattern, the center position of the second pattern is calculated from the image signal of the second pattern, and the calculated center of the first pattern is calculated. A detected pattern detecting step of calculating a dimension between the center of the second pattern and the center of the second pattern.
【請求項12】試料上に高低差のある第1のパターンと
第2のパターンとを形成した被検出パターン領域の周辺
に対して結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から
実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明
暗パターンを投影し、前記周辺から反射して前記結像光
学系を通して得られる明暗パターンの像を、合焦点位置
の前後の共役な位置に配置された第1及び第2の光電変
換手段の各々を構成する第1の光電変換素子で受光して
暗パターンに相応する第1の信号に変換すると共に、前
記第1及び第2の光電変換手段の各々を構成する第2の
光電変換素子で受光して明パターンに相応する第2の信
号に変換して、前記第1及び第2の光電変換手段の各々
における第1及び第2の信号から前記第1及び第2の光
電変換手段に対応させて得られる第1及び第2の明暗パ
ターンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系の
合焦点位置に前記試料を相対的に制御する焦点合わせ工
程と、 該焦点合わせ工程で制御された前記試料上の被検出パタ
ーン領域における前記第1及び第2のパターンからの光
像を前記結像光学系を通して前記高低差に応じて光路長
差をつけた検出光学系により結像させて光電変換手段で
受光して第1及び第2のパターンの画像信号を検出し、
この第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、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、これら算出された第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を
算出する被検出パターン検出工程とを有することを特徴
とするパターン検出方法。
12. An imaging optical system is provided to the periphery of a pattern area to be detected in which a first pattern and a second pattern having a height difference are formed on a sample, and substantially from the optical axis of the imaging optical system. An image of a bright-dark pattern obtained by projecting a bright-dark pattern having radially extending light-dark linear edges on the periphery and being reflected from the periphery and obtained through the imaging optical system is arranged at a conjugate position before and after the in-focus position. The first photoelectric conversion element constituting each of the first and second photoelectric conversion means receives the light and converts it into the first signal corresponding to the dark pattern, and at the same time, the first photoelectric conversion means of the first and second photoelectric conversion means. The second photoelectric conversion element constituting each receives the light and converts it into the second signal corresponding to the bright pattern, and the first and second signals in each of the first and second photoelectric conversion means are converted into the above-mentioned signals. Compatible with the first and second photoelectric conversion means A focusing step of relatively controlling the sample to a focusing position of the imaging optical system based on the contrast signals of the first and second bright and dark patterns obtained by the above; and the focusing step controlled by the focusing step. Optical images from the first and second patterns in the detected pattern region on the sample are imaged through the imaging optical system by a detection optical system having an optical path length difference according to the height difference, and photoelectric conversion means. To detect the image signals of the first and second patterns,
The center position of the first pattern is calculated from the image signal of the first pattern, the center position of the second pattern is calculated from the image signal of the second pattern, and the calculated center of the first pattern is calculated. A detected pattern detecting step of calculating a dimension between the center of the second pattern and the center of the second pattern.
【請求項13】対象物に対して結像光学系を通してこの
結像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直
線状エッジを有する明暗パターンを投影する明暗パター
ン投影光学系と、該明暗パターン投影光学系で投影され
た明暗パターンによって前記対象物から反射して前記結
像光学系を通して得られる明暗パターンの像を受光して
明暗パターンのコントラスト信号に変換する光電変換手
段と、該光電変換手段によって変換された明暗パターン
のコントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合焦点
位置に前記対象物を相対的に制御する制御手段とを備え
たことを特徴とする自動焦点合わせ装置。
13. A light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight line edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the image forming optical system through an image forming optical system on an object. Photoelectric conversion means for receiving an image of a light-dark pattern reflected from the object by the light-dark pattern projection optical system and obtained through the imaging optical system by the light-dark pattern projected by the light-dark pattern to convert it into a contrast signal of the light-dark pattern; An automatic focusing apparatus comprising: a control unit that relatively controls the object at a focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern converted by the photoelectric conversion unit.
【請求項14】対象物に対して結像光学系を通してこの
結像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直
線状エッジを有する明暗パターンを投影する明暗パター
ン投影光学系と、該明暗パターン投影光学系で投影され
た明暗パターンによって前記対象物から反射して前記結
像光学系を通して得られる明暗パターンの像の内、暗パ
ターンの像を受光して暗パターンに相応する第1の信号
に変換し、明パターンの像を受光して明パターンに相応
する第2の信号に変換する第1及び第2の光電変換素子
と、該第1の光電変換素子から変換された第1の信号と
前記第2の光電変換素子から変換された第2の信号とか
ら得られる明暗パターンのコントラスト信号に基づいて
前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制
御する制御手段とを備えたことを特徴とする自動焦点合
わせ装置。
14. A light-dark pattern projection optical system which projects a light-dark pattern having straight edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system through an imaging optical system on an object, A first image corresponding to the dark pattern by receiving the image of the dark pattern among the images of the dark pattern reflected from the object by the bright and dark pattern projection optical system and obtained from the object through the imaging optical system. First and second photoelectric conversion elements for converting the first photoelectric conversion element to a second signal corresponding to the bright pattern by receiving the image of the bright pattern and converting the first signal to the second signal corresponding to the bright pattern. Control for relatively controlling the object at the focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern obtained from the signal of No. 2 and the second signal converted from the second photoelectric conversion element. Means and Automatic focusing apparatus characterized by comprising.
【請求項15】対象物に対して結像光学系を通してこの
結像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直
線状エッジを有する明暗パターンを投影する明暗パター
ン投影光学系と、該明暗パターン投影光学系で投影され
た明暗パターンによって前記対象物から反射して前記結
像光学系を通して得られる明暗パターンの像を、各々で
受光して第1及び第2の明暗パターンのコントラスト信
号に変換するように合焦点位置の前後の共役な位置に配
置された第1及び第2の光電変換手段と、該第1の光電
変換手段で変換された第1の明暗パターンのコントラス
ト信号及び前記第2の光電変換手段で変換された第2の
明暗パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像光
学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御する制御
手段とを備えたことを特徴とする自動焦点合わせ装置。
15. A light-and-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight line edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system through an imaging optical system on an object. An image of a light-dark pattern reflected from the object by the light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system and obtained through the imaging optical system is received by each and contrast signals of the first and second light-dark patterns are received. The first and second photoelectric conversion means arranged at the conjugate positions before and after the in-focus position so as to be converted into, and the contrast signal of the first bright-dark pattern converted by the first photoelectric conversion means, and Control means for relatively controlling the object at a focus position of the imaging optical system based on the contrast signal of the second bright-dark pattern converted by the second photoelectric conversion means. Automatic focusing device according to claim.
【請求項16】対象物に対して結像光学系を通してこの
結像光学系の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直
線状エッジを有する明暗パターンを投影する明暗パター
ン投影光学系と、該明暗パターン投影光学系で投影され
た明暗パターンによって前記対象物から反射して前記結
像光学系を通して得られる明暗パターンの像の内、暗パ
ターンを受光して暗パターンに相応する第1の信号に変
換する第1の光電変換素子及び明パターンを受光して明
パターンに相応する第2の信号に変換する第2の光電変
換素子を有し、前記第1及び第2の信号から第1及び第
2の明暗パターンのコントラスト信号を得る合焦点位置
の前後の共役な位置に配置された第1及び第2の光電変
換手段と、該第1及び第2の光電変換手段の各々から得
られる第1及び第2の明暗パターンのコントラスト信号
に基づいて前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を
相対的に制御する制御手段とを備えたことを特徴とする
自動焦点合わせ装置。
16. A light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight linear edges of light and dark extending substantially radially from an optical axis of the imaging optical system through an imaging optical system on an object. A first signal corresponding to the dark pattern, which is received by the dark pattern of the image of the bright and dark pattern reflected from the object by the bright and dark pattern projection optical system and obtained from the object through the imaging optical system. And a second photoelectric conversion element for receiving the bright pattern and converting it into a second signal corresponding to the bright pattern. The first and second signals are converted into first and second photoelectric conversion elements. First and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the focus position for obtaining the contrast signal of the second bright-dark pattern, and first photoelectric conversion means obtained from each of the first and second photoelectric conversion means. 1st and 1st Automatic focusing apparatus characterized by comprising a control means for relatively controlling the object in-focus position of the imaging optical system based on a contrast signal of the light-dark pattern.
【請求項17】対象物上の被検出パターン領域からの被
検出パターンの光像を結像させる結像光学系と、該結像
光学系で結像された被検出パターンの光像を受光して被
検出パターンの画像信号を検出する被検出用光電変換手
段とを有するパターン検出装置であって、 前記対象物上の被検出パターン領域の周辺に対して前記
結像光学系を通してこの結像光学系の光軸から実質的に
放射状に延びた明暗の直線状エッジを有する明暗パター
ンを投影する明暗パターン投影光学系と、該明暗パター
ン投影光学系で投影された明暗パターンによって前記対
象物から反射して前記結像光学系を通して得られる明暗
パターンの像を受光して明暗パターンのコントラスト信
号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段によって
変換された明暗パターンのコントラスト信号に基づいて
前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制
御する制御手段とを有する焦点合わせ装置を備えたこと
を特徴とするパターン検出装置。
17. An imaging optical system for forming a light image of a detected pattern from a detected pattern region on an object, and a light image of the detected pattern formed by the imaging optical system. And a photoelectric conversion means for detection for detecting an image signal of a detected pattern by means of the imaging optical system for the periphery of the detected pattern area on the object. A light-dark pattern projection optical system that projects a light-dark pattern having straight edges of light and dark that extend substantially radially from the optical axis of the system, and the light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system reflects from the object. Photoelectric conversion means for receiving an image of a light-dark pattern obtained through the imaging optical system and converting it into a contrast signal of the light-dark pattern, and a light-dark pattern controller converted by the photoelectric conversion means. A pattern detection apparatus comprising: a focusing device having a control unit that relatively controls the object at a focus position of the imaging optical system based on a trust signal.
【請求項18】対象物上の被検出パターン領域からの被
検出パターンの光像を結像させる結像光学系と、該結像
光学系で結像された被検出パターンの光像を受光して被
検出パターンの画像信号を検出する被検出用光電変換手
段とを有するパターン検出装置であって、 前記対象物に対して結像光学系を通してこの結像光学系
の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジ
を有する明暗パターンを投影する明暗パターン投影光学
系と、該明暗パターン投影光学系で投影された明暗パタ
ーンによって前記対象物から反射して前記結像光学系を
通して得られる明暗パターンの像の内、暗パターンの像
を受光して暗パターンに相応する第1の信号に変換し、
明パターンの像を受光して明パターンに相応する第2の
信号に変換する第1及び第2の光電変換素子と、該第1
の光電変換素子から変換された第1の信号と前記第2の
光電変換素子から変換された第2の信号とから得られる
明暗パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像光
学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御する制御
手段とを有する焦点合わせ装置を備えたことを特徴とす
るパターン検出装置。
18. An image forming optical system for forming a light image of a detected pattern from a detected pattern region on an object, and a light image of the detected pattern formed by the image forming optical system. And a photoelectric conversion unit for detection for detecting an image signal of a detection pattern, which is substantially radial from an optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system with respect to the object. A light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight dark and light edges, and a light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system to be reflected from the object and obtained through the imaging optical system. Among the images of the light and dark patterns, the image of the dark pattern is received and converted into the first signal corresponding to the dark pattern,
First and second photoelectric conversion elements for receiving an image of a bright pattern and converting it into a second signal corresponding to the bright pattern;
Of the first signal converted from the photoelectric conversion element and the second signal converted from the second photoelectric conversion element based on the contrast signal of the light-dark pattern A pattern detecting apparatus comprising: a focusing device having a control unit that relatively controls the object.
【請求項19】対象物上の被検出パターン領域からの被
検出パターンの光像を結像させる結像光学系と、該結像
光学系で結像された被検出パターンの光像を受光して被
検出パターンの画像信号を検出する被検出用光電変換手
段とを有するパターン検出装置であって、 前記対象物に対して結像光学系を通してこの結像光学系
の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジ
を有する明暗パターンを投影する明暗パターン投影光学
系と、該明暗パターン投影光学系で投影された明暗パタ
ーンによって前記対象物から反射して前記結像光学系を
通して得られる明暗パターンの像を、各々で受光して第
1及び第2の明暗パターンのコントラスト信号に変換す
るように合焦点位置の前後の共役な位置に配置された第
1及び第2の光電変換手段と、該第1の光電変換手段で
変換された第1の明暗パターンのコントラスト信号及び
前記第2の光電変換手段で変換された第2の明暗パター
ンのコントラスト信号に基づいて前記結像光学系の合焦
点位置に前記対象物を相対的に制御する制御手段とを有
する焦点合わせ装置を備えたことを特徴とするパターン
検出装置。
19. An image forming optical system for forming a light image of a detected pattern from a detected pattern region on an object, and a light image of the detected pattern formed by the image forming optical system. And a photoelectric conversion unit for detection for detecting an image signal of a detection target pattern, which is substantially radial from the optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system with respect to the object. A light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight dark and light edges, and a light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system to be reflected from the object and obtained through the imaging optical system. First and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the in-focus position so that the image of the light-dark pattern is received by each and converted into the contrast signals of the first and second light-dark patterns. , Focusing point of the imaging optical system based on the contrast signal of the first light-dark pattern converted by the first photoelectric conversion means and the contrast signal of the second light-dark pattern converted by the second photoelectric conversion means A pattern detection device comprising a focusing device having a control means for controlling the object relative to a position.
【請求項20】対象物上の被検出パターン領域からの被
検出パターンの光像を結像させる結像光学系と、該結像
光学系で結像された被検出パターンの光像を受光して被
検出パターンの画像信号を検出する被検出用光電変換手
段とを有するパターン検出装置であって、 前記対象物に対して結像光学系を通してこの結像光学系
の光軸から実質的に放射状に延びた明暗の直線状エッジ
を有する明暗パターンを投影する明暗パターン投影光学
系と、該明暗パターン投影光学系で投影された明暗パタ
ーンによって前記対象物から反射して前記結像光学系を
通して得られる明暗パターンの像の内、暗パターンを受
光して暗パターンに相応する第1の信号に変換する第1
の光電変換素子及び明パターンを受光して明パターンに
相応する第2の信号に変換する第2の光電変換素子を有
し、前記第1及び第2の信号から第1及び第2の明暗パ
ターンのコントラスト信号を得る合焦点位置の前後の共
役な位置に配置された第1及び第2の光電変換手段と、
該第1及び第2の光電変換手段の各々から得られる第1
及び第2の明暗パターンのコントラスト信号に基づいて
前記結像光学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制
御する制御手段とを有する焦点合わせ装置を備えたこと
を特徴とするパターン検出装置。
20. An imaging optical system for forming a light image of a detected pattern from a detected pattern region on an object, and a light image of the detected pattern formed by the imaging optical system. And a photoelectric conversion unit for detection for detecting an image signal of a detection pattern, which is substantially radial from an optical axis of the imaging optical system through the imaging optical system with respect to the object. A light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having straight dark and light edges, and a light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system to be reflected from the object and obtained through the imaging optical system. A first of the light-dark pattern images, which receives the dark pattern and converts it into a first signal corresponding to the dark pattern.
Photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element for receiving the bright pattern and converting it into a second signal corresponding to the bright pattern, and the first and second bright and dark patterns from the first and second signals. First and second photoelectric conversion means arranged at conjugate positions before and after the in-focus position for obtaining the contrast signal of
A first obtained from each of the first and second photoelectric conversion means
And a focusing device having a control means for relatively controlling the object at a focusing position of the imaging optical system based on a contrast signal of the second bright-dark pattern. .
【請求項21】試料上に高低差のある第1のパターンと
第2のパターンとを形成した被検出パターン領域におけ
る前記第1及び第2のパターンからの光像を結像光学系
を通して前記高低差に応じて光路長差をつけて結像させ
て光電変換手段で受光して第1及び第2のパターンの画
像信号を検出する検出光学系と、前記光電変換手段によ
り変換された第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、前記光電変換手段により変換
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、これら算出された第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を算出する算
出手段とを有するパターン検出装置であって、 前記被検出パターン領域の周辺に対して前記結像光学系
を通してこの結像光学系の光軸から実質的に放射状に延
びた明暗の直線状エッジを有する明暗パターンを投影す
る明暗パターン投影光学系と、該明暗パターン投影光学
系で投影された明暗パターンによって前記対象物から反
射して前記結像光学系を通して得られる明暗パターンの
像を受光して明暗パターンのコントラスト信号に変換す
る光電変換手段と、該光電変換手段によって変換された
明暗パターンのコントラスト信号に基づいて前記結像光
学系の合焦点位置に前記対象物を相対的に制御する制御
手段とを有する焦点合わせ装置を備えたことを特徴とす
るパターン検出装置。
21. An optical image from the first and second patterns in a detected pattern area, in which a first pattern and a second pattern having a height difference are formed on a sample, is passed through the imaging optical system to obtain the height. A detection optical system that forms an image with an optical path length difference according to the difference, receives the light by photoelectric conversion means, and detects the image signals of the first and second patterns, and the first optical system converted by the photoelectric conversion means. The center position of the first pattern is calculated from the image signal of the pattern, the center position of the second pattern is calculated from the image signal of the second pattern converted by the photoelectric conversion means, and the calculated first position is calculated. A pattern detecting device having a calculating means for calculating a dimension between a center of a pattern and a center of a second pattern, wherein the image forming optical system is provided to the periphery of the detected pattern region through the image forming optical system. System A light-dark pattern projection optical system for projecting a light-dark pattern having light-dark straight edges extending substantially radially from an optical axis, and reflecting from the object by the light-dark pattern projected by the light-dark pattern projection optical system, A photoelectric conversion means for receiving an image of a light-dark pattern obtained through the imaging optical system and converting it into a contrast signal of the light-dark pattern, and a photoelectric conversion means of the imaging optical system based on the contrast signal of the light-dark pattern converted by the photoelectric conversion means. A pattern detection apparatus comprising: a focusing device having a control means for relatively controlling the object at a focused position.
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