JPS62239116A - Method and device for focus position detection - Google Patents

Method and device for focus position detection

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Publication number
JPS62239116A
JPS62239116A JP8222886A JP8222886A JPS62239116A JP S62239116 A JPS62239116 A JP S62239116A JP 8222886 A JP8222886 A JP 8222886A JP 8222886 A JP8222886 A JP 8222886A JP S62239116 A JPS62239116 A JP S62239116A
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JP
Japan
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pattern
image sensor
light
measured
circuit
Prior art date
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Pending
Application number
JP8222886A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yukio Matsuyama
松山 幸雄
Hisafumi Iwata
岩田 尚史
Hiroshi Makihira
牧平 坦
Hitoshi Kubota
仁志 窪田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To find an optimum position with a high precision by detecting a ratio of the area of a thin film pattern to the foundation area of an object to be measured in the area where a stripe pattern is projected and correcting the focus position decision result detected in accordance with a contrast curve of the stripe pattern. CONSTITUTION:Pattern masks 3a and 3b are irradiated through a lens 2, and light having a wavelength lambda1 or longer is intercepted. The light of stripes which are projected to a sample 6 has the wavelength lambda1 or longer cut off by a filter 14 and is focused on an image sensor 9, and meanwhile, the light of said stripes has the wavelength lambda1 or shorter cut off by a filter 15 to eliminate influences of masks 3a and 3b and is focused on an image sensor 16. The output of the image sensor 16 is binarized, and a pattern density is operated by a pattern density calculating circuit 17 and is inputted to a contrast detecting circuit 18. The circuit 18 calculates the contrast of projected stripe patterns 3a and 3b and uses the calculated pattern density to correct the extent of deviation of the focus, and a stage 12 is finely moved in accordance with the direction of deviation. By this constitution, the optimum focus position is detected with a high precision.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体ウェハなどを観察する顕微鏡装置におけ
る焦点位置検出方法及び装置に係り、特にウェハ面上に
レジストパターンなど段差をもつ薄膜パターンが形成さ
れている場合にも常に最適焦点位置を検出可能とするこ
とを図った焦点位置検出方法及び装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method and device for detecting a focal point position in a microscope device for observing semiconductor wafers, etc., and particularly relates to a method and device for detecting a focal point position in a microscope device for observing semiconductor wafers, etc., and particularly for detecting a thin film pattern having steps such as a resist pattern on a wafer surface. The present invention relates to a focus position detection method and apparatus that are capable of always detecting the optimum focus position even when the focus position is

〔従来の技術〕[Conventional technology]

高集積LS 1.バブルメモリ、撮像管面板等の外観検
査を行う場合、これらは2〜37Jの微細パターンを有
するため高倍率の顕微鏡が使用される。
Highly integrated LS 1. When inspecting the appearance of bubble memories, image pickup tube face plates, etc., a high-magnification microscope is used because these items have fine patterns of 2 to 37 J.

高倍率の顕微鏡の焦点深度は1/711以下であり、外
観検査を自動で行う場合には精密な自動焦点合せ機構が
要求される。
The depth of focus of a high-magnification microscope is 1/711 or less, and a precise automatic focusing mechanism is required when visual inspection is performed automatically.

このための焦点位置検出装置として、従来は、鋭い先端
を有する触針による接触型の装置、細いノズル先端から
噴出する空気の流れ抵抗からノズル端と物体表面の間隙
を求める装置、静電容量から間隙を求める非接触型の装
置等があった。しかしながら、接触型の装置では触針に
より試料に傷を付けるおそれがあった。間隙を求める装
置、非接触型の装置は、顕微鏡の対物レンズの他にノズ
ルやピックアップが必要であることからスペースがない
ときには使用不可能であるという問題があった。
Conventional focal position detection devices for this purpose include a contact type device using a stylus with a sharp tip, a device that determines the gap between the nozzle end and the surface of the object based on the flow resistance of the air ejected from the thin nozzle tip, and a device that uses capacitance to determine the gap between the nozzle end and the surface of the object. There were non-contact devices that measure gaps. However, in contact type devices, there is a risk that the sample may be damaged by the stylus. The non-contact type device for determining the gap requires a nozzle and a pickup in addition to the objective lens of the microscope, so there is a problem that it cannot be used when there is no space.

これに対処して、本出願人は先に、縞パターンを試料表
面に投影し、そのコントラストを検出することにより焦
点位置を検出する装置を提案した(特開昭58−705
40号、特開昭58−120106号)。
In response to this, the applicant previously proposed a device that detects the focal position by projecting a striped pattern onto the sample surface and detecting its contrast (Japanese Patent Laid-Open No. 58-705
No. 40, JP-A-58-120106).

第13図はその基本構成で、光源1からの光はレンズ2
を介して2つのパターンマスク3a、3bを照明する。
Figure 13 shows its basic configuration. Light from light source 1 is transmitted through lens 2.
The two pattern masks 3a and 3b are illuminated through the light.

パターンマスク3a、3bは第14図に示すように明瞭
なコントラストの明部と暗部を交互に配列した縞パター
ンで、照明光学系光軸に沿って前後にずれた位置に、光
軸と直角平面内に並べて配置される。このマスクのパタ
ーンは半透鏡4、対物レンズ5を介して試料6に投影さ
れる。
As shown in FIG. 14, the pattern masks 3a and 3b are striped patterns in which bright and dark areas with clear contrast are arranged alternately. are arranged side by side within. The pattern of this mask is projected onto a sample 6 via a semi-transparent mirror 4 and an objective lens 5.

試料面に投影されたパターンは対物レンズ5、半透鏡4
.7を介してイメージセンサ9の受光面上に結像する。
The pattern projected onto the sample surface is formed by an objective lens 5 and a semi-transparent mirror 4.
.. An image is formed on the light-receiving surface of the image sensor 9 via the image sensor 7 .

イメージセンサ9の検出信号の例を第15図に示す。左
側がマスク3aの投影パターン、右側がマスク3bの投
影パターンの検出信号である。ここで、左側、右側それ
ぞれのコントラストCa、Cbは、投影パターン3a、
3bの結像面が光軸方向にずれているため、試料6の光
軸方向の位置によって第16図のように変化する。そこ
で、第13図に示す試料観察用のイメージセンサ8の合
焦位置を前記コントラストCa、Cbが等しくなる点Z
。に設定すれば、両コントラストの比較により、焦点ず
れの方向を判別できるとするものである。第13図の例
では、コントラスト検出回路10が投影パターン3a、
3bのコントラストから焦点ずれ方向を判別しそれに応
じた信号を出力する。
An example of the detection signal of the image sensor 9 is shown in FIG. The left side is the projection pattern of the mask 3a, and the right side is the detection signal of the projection pattern of the mask 3b. Here, the contrasts Ca and Cb on the left and right sides are the projection pattern 3a,
Since the imaging plane 3b is shifted in the optical axis direction, it changes depending on the position of the sample 6 in the optical axis direction as shown in FIG. Therefore, the focusing position of the image sensor 8 for sample observation shown in FIG. 13 is set to a point Z where the contrasts Ca and Cb are equal.
. If set to , the direction of defocus can be determined by comparing both contrasts. In the example of FIG. 13, the contrast detection circuit 10 includes the projection pattern 3a,
The direction of defocus is determined from the contrast of 3b, and a signal corresponding to the direction is output.

そして、駆動回路11は例えばピエゾ素子で構成したス
テージ微動機構12を駆動する。これによりイメージセ
ンサ8に対して自動的に焦点を合せることができる。
The drive circuit 11 drives a stage fine movement mechanism 12 composed of, for example, a piezo element. This allows the image sensor 8 to be automatically focused.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

以上のように、第13図に示した装置によれば、縞パタ
ーンを試料上に投影し、得た反射光のコントラストによ
り焦点位置検出が達成可能であるが、しかし、これを第
17図に示すような、例えば半導体ウェハに厚さdが1
虜程度のレジストパターンなどの薄膜パターン21が段
差をもって下地20上に形成されている試料に対して使
用する場合、数10倍以上の高倍率の対物レンズを用い
ると、下地20の表面Zd、薄膜パターン21の表面Z
uのどちらに焦点を合せてもパターンエツジはぼけて観
察されるという問題点がある。このような試料に対し、
パターンエツジのコントラストが最大となるようにする
には、ZdとZuのほぼ中央あたりの点zoに焦点を合
せる必要がある。
As described above, according to the apparatus shown in FIG. 13, it is possible to project a striped pattern onto the sample and detect the focal point position by the contrast of the obtained reflected light. For example, if a semiconductor wafer has a thickness d of 1 as shown in
When using a sample in which a thin film pattern 21 such as a resist pattern of a size similar to that of a capacitor is formed on a base 20 with a step difference, if an objective lens with a high magnification of several tens of times or more is used, the surface Zd of the base 20, the thin film Surface Z of pattern 21
There is a problem in that no matter which side of u is focused, the pattern edges are observed to be blurred. For such samples,
In order to maximize the contrast of the pattern edges, it is necessary to focus on a point zo approximately in the middle of Zd and Zu.

しかし、上記構成による自動焦点検出装置では、縞パタ
ーンが薄膜パターン21上に投影されるが下地20上に
投影されるかによって焦点位置が変動してしまうという
問題点がある。第18図に示すように薄膜パターン21
上に縞パターン3a、3bが投影されている時は薄膜パ
ターン21の表面Zuに焦点が合され、第19図に示す
ように下地20上に縞パターン3a、3bが投影されて
いる時には下地20の表面Zdに焦点が合されてしまう
。すなわち、第20図、第21図に示すようにコントラ
スト曲線Ca、Cbの交点が最適焦点位@Zllに対し
て前後にずれてしまうため、試料観察用のイメージセン
サに対し、常に最適な焦点位置に試料を移動することが
できなくなり、検出される試料像は焦点がぼけたものに
なってしまうという問題点があった6本発明の目的は、
上記した従来技術の問題点を解決し、段差の大きな試料
を高倍率で観察する場合でも、常に被l111察試料の
最適焦点位置を検出できる高精度な焦点位置検出方法及
び装置を提供することにある。
However, the automatic focus detection device having the above configuration has a problem in that the stripe pattern is projected onto the thin film pattern 21, but the focal position varies depending on whether it is projected onto the base 20. As shown in FIG. 18, the thin film pattern 21
When the striped patterns 3a and 3b are projected onto the surface Zu of the thin film pattern 21, the focus is on the surface Zu of the thin film pattern 21, and when the striped patterns 3a and 3b are projected onto the base 20 as shown in FIG. The focus is on the surface Zd. In other words, as shown in Figs. 20 and 21, the intersection of the contrast curves Ca and Cb shifts back and forth with respect to the optimum focus position @Zll, so the optimum focus position is always determined for the image sensor for sample observation. There was a problem that the sample could no longer be moved, and the detected sample image would be out of focus6.The purpose of the present invention is to:
It is an object of the present invention to provide a highly accurate focus position detection method and apparatus that solves the problems of the prior art described above and can always detect the optimum focus position of a sample to be observed even when observing a sample with a large step difference at high magnification. be.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記目的は、縞パターンが投影されている領域内の被測
定物体の下地部の面積に対する薄膜パターンの面積比す
なわちパターン密度(下地部の面積をa、薄膜パターン
部の面積をbとするとパターン密度ρはp= (b/ 
(a+b))X100で与えられる)を検出し、縞パタ
ーンのコントラスト曲線から検出された合焦位置判定結
果に対して補正を加えることにより、達成される。
The above objective is the area ratio of the thin film pattern to the area of the base part of the object to be measured in the region on which the striped pattern is projected, that is, the pattern density (where the area of the base part is a and the area of the thin film pattern part is b), the pattern density is ρ is p= (b/
(a+b)) given by X100) and corrects the focus position determination result detected from the contrast curve of the striped pattern.

〔作用〕 縞パターン投影領域内のパターン密度が100%すなわ
ち縞パターンが第18図に示すように被測定物体のパタ
ーン部に投影されている時は、コントラスト曲線の交点
から求まる合焦判定位置はZuであり、第19図に示す
ように縞パターン領域内のパターン密度が0%すなわち
縞パターンが被測定物体の下地部に投影されている時は
、コントラスト曲線の交点から求まる合焦判定位置はZ
dとなる。すなわちコントラスト曲線の交点から求めら
れる合焦判定位置は第22図に示すように、縞パターン
投影領域内のパターン密度に対し直線的に変化する。
[Operation] When the pattern density in the stripe pattern projection area is 100%, that is, when the stripe pattern is projected onto the pattern part of the object to be measured as shown in FIG. 18, the focus judgment position determined from the intersection of the contrast curves is Zu, and as shown in FIG. 19, when the pattern density in the striped pattern area is 0%, that is, when the striped pattern is projected onto the underlying part of the object to be measured, the focus judgment position determined from the intersection of the contrast curves is Z
d. That is, the focus determination position determined from the intersection of the contrast curves changes linearly with the pattern density within the striped pattern projection area, as shown in FIG.

そこで、縞パターン投影により得られるコントラスト曲
線から求められる合焦判定位置に対し、縞パターン投影
領域内のパターン密度を検出し、これを用いて常に焦点
位置がZ。どなるように補正を加えることにより高精度
な焦点合せが可能となる。
Therefore, the pattern density within the stripe pattern projection area is detected with respect to the focus determination position determined from the contrast curve obtained by stripe pattern projection, and this is used to ensure that the focus position is always Z. Highly accurate focusing becomes possible by applying the correction.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、本発明の実施例を図に従い説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例を説明する構成図で、第13
図と同一の構成部品には同一の符号が付しである。光源
1はキセノンランプのように可視光領域での分光特性が
ほぼ一様なものを使用する。光源1からの光はレンズ2
を介して2つのパターンマスク3a、3bを照明し、半
透鏡4、対物レンズ5を介して試料6上に縞パターン3
a、3bを投影する。ここでパターンマスク3a、3b
の明部はすべての波長の光を透過し、暗部は第3図に示
すように波長λ1以下の光は遮断する特性を持つ。試料
6に投影された明暗の縞パターンは対物レンズ5、半透
鏡4.7及び13を介し、さらに光学フィルタ14を介
してイメージセンサ9の受光面に結像する。光学フィル
タ14は縞パターンのコントラストを高めるため、第2
図に示すように波長λ、以上の光を遮断する特性を持つ
。半透鏡13で反射された光は光学フィルタ15を介し
てイメージセンサ16に入射する。光学フィルタ15は
パターンマスク3a、3bの暗部と同様に第3図で示す
特性を有する。光学フィルタ15を用いることによりイ
メージセンサ16では、パターンマスク3a、3bの影
響をほとんど受けることなく、試料6の縞パターンが投
影されている領域を撮像することができる。17はパタ
ーン密度算出回路で、イメージセンサ16の出力信号か
ら試料6のパターン密度を算出する。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating one embodiment of the present invention.
Components that are the same as in the figures are given the same reference numerals. As the light source 1, one having substantially uniform spectral characteristics in the visible light region, such as a xenon lamp, is used. Light from light source 1 passes through lens 2
The striped pattern 3 is illuminated on the sample 6 through the semi-transparent mirror 4 and the objective lens 5.
Project a and 3b. Here, pattern masks 3a and 3b
The bright part transmits light of all wavelengths, and the dark part has the characteristic of blocking light of wavelength λ1 or less, as shown in FIG. The bright and dark striped pattern projected onto the sample 6 forms an image on the light-receiving surface of the image sensor 9 via the objective lens 5, the semi-transparent mirrors 4.7 and 13, and further via the optical filter 14. The optical filter 14 is provided with a second filter to enhance the contrast of the striped pattern.
As shown in the figure, it has the property of blocking light with a wavelength of λ or more. The light reflected by the semi-transparent mirror 13 enters the image sensor 16 via the optical filter 15. The optical filter 15 has the characteristics shown in FIG. 3 similarly to the dark areas of the pattern masks 3a and 3b. By using the optical filter 15, the image sensor 16 can image the area on which the striped pattern of the sample 6 is projected, almost without being affected by the pattern masks 3a, 3b. A pattern density calculation circuit 17 calculates the pattern density of the sample 6 from the output signal of the image sensor 16.

第4図はパターン密度算出回路の一実施例の構成を示す
もので、イメージセンサ16からの出力を2値化回路4
0によりあるしきい値VTRで2値化する。41は2値
化された信号“1″、11017の個数を計数するカウ
ンタであり、試料の下地上に形成されているパターン部
の明るさが下地部に比べて明るい場合には“1”の個数
がパターン部の面積に、II OIIの個数が下地部の
面積に対応し、逆にパターン部の明るさが下地部に比べ
て暗い場合には“0”の個数がパターン部の面積に、′
1”の個数が下地部の面積に対応する。したがって、カ
ウンタ41の計数結果により、縞パターン投影領域にお
ける試料のパターン密度を算出することができる。
FIG. 4 shows the configuration of an embodiment of the pattern density calculation circuit, in which the output from the image sensor 16 is converted into a binarization circuit 4.
Binarization is performed using a certain threshold VTR using 0. 41 is a counter that counts the number of binary signals "1", 11017, and when the brightness of the pattern part formed on the base of the sample is brighter than the base part, the number of "1" is counted. The number of "0" corresponds to the area of the pattern part, the number of II OII corresponds to the area of the base part, and conversely, when the brightness of the pattern part is darker than the base part, the number of "0" corresponds to the area of the pattern part, ′
The number of 1" corresponds to the area of the base portion. Therefore, the pattern density of the sample in the striped pattern projection area can be calculated from the counting result of the counter 41.

第5図はパターン密度算出回路の他の実施例の構成を示
すブロック図で、差分回路42.43、積分回路44、
割算回路45から成る。イメージセンサ16の出力から
予め測定しておいた下地部の明るさを減じた後その差分
を積分回路44で積分で積分する。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of another embodiment of the pattern density calculation circuit, in which difference circuits 42, 43, integration circuits 44,
It consists of a division circuit 45. After subtracting the brightness of the base portion measured in advance from the output of the image sensor 16, the difference is integrated by an integration circuit 44.

積分回路44の出力をさらに、パターン部の明るさと下
地部の明るさとの差で割算することによりパターン密度
を算出することができる。
The pattern density can be calculated by further dividing the output of the integrating circuit 44 by the difference between the brightness of the pattern portion and the brightness of the underlying portion.

このようにして求めたパターン密度を縞パターンのコン
トラスト検出回路18(第1図)に入力する。コントラ
スト検出回路18はイメージセンサ9で撮像した投影縞
パターン3a、3bのコントラストCa、Cbを算出す
るが、求めたコントラストから焦点ずれ方向を判定する
際にパターン密度算出回路17で求めたパターン密度を
用いて焦点ずれ量の補正を行う。すなわち第6図に示す
ようにパターン密度がρ。より大きいときには負の補正
量を、ρ。より小さい時には正の補正量を、コントラス
ト曲線から求めた焦点ずれ量に加えた後、焦点ずれ方向
を判定する。駆動回路11はコントラスト検出回路18
からの出力である焦点ずれ方向に対応してステージ微動
機構12を駆動する。
The pattern density thus determined is input to the striped pattern contrast detection circuit 18 (FIG. 1). The contrast detection circuit 18 calculates the contrasts Ca and Cb of the projected fringe patterns 3a and 3b imaged by the image sensor 9, but when determining the defocus direction from the calculated contrast, the pattern density calculated by the pattern density calculation circuit 17 is used. to correct the amount of defocus. That is, as shown in FIG. 6, the pattern density is ρ. If it is larger than ρ, use a negative correction amount. If it is smaller, a positive correction amount is added to the amount of defocus determined from the contrast curve, and then the direction of defocus is determined. The drive circuit 11 is a contrast detection circuit 18
The stage fine movement mechanism 12 is driven in accordance with the defocus direction output from the stage.

試料6がSiウェハ上に形成したレジストパターンのよ
うな透明パターンを含む場合には、下地部とパターン部
の明るさの違いが明瞭でなく、第1図実施例構成ではパ
ターン密度を求めることが困難となる場合がある。第7
図はそのような試料に対する本発明の他の実施例の構成
である。縞パターンマスクの暗部は第1図実施例で説明
したと同様に第9図に示すように波長λ1以上の光を遮
断する特性を持つ。本実施例では半透鏡13で反射した
光をさらに半透鏡30で光路を2つに分け、一方は光学
フィルタ34を介してイメージセンサ16に、他方は光
学フィルタ35を介してイメージセンサ36にそれぞれ
入射させる。ここで、光学フィルタ34は第10図に示
すように波長λ1〜λ2の範囲の光を透過し、光学フィ
ルタ35は第11図に示すように波長λ2〜λ、の範囲
の光を透過するようにしておく。
When the sample 6 includes a transparent pattern such as a resist pattern formed on a Si wafer, the difference in brightness between the base part and the pattern part is not clear, and it is difficult to determine the pattern density with the configuration of the embodiment shown in FIG. It can be difficult. 7th
The figure shows the configuration of another embodiment of the invention for such a sample. The dark portion of the striped pattern mask has a characteristic of blocking light having a wavelength of λ1 or more, as shown in FIG. 9, as described in the embodiment of FIG. In this embodiment, the light reflected by the semi-transparent mirror 13 is further divided into two optical paths by the semi-transparent mirror 30, one of which is transmitted to the image sensor 16 via an optical filter 34, and the other is transmitted to the image sensor 36 via an optical filter 35. Make it incident. Here, the optical filter 34 transmits light in a wavelength range of λ1 to λ2 as shown in FIG. 10, and the optical filter 35 transmits light in a wavelength range of λ2 to λ as shown in FIG. Keep it.

試料6上に形成されたパターンがレジストパターンのよ
うな透明パターンの場合には、照明光の波長により干渉
強度が異なるため、光学フィルタ34゜35の透過波長
λ1〜λ、特性を適当に選択すれば、イメージセンサ1
6及び36での透明パターン部分の受光量は異なったも
のとなる。これに対し、下地の分光反射率がある程度一
様なものであれば、イメージセンサ16と36の出力信
号を比較すれば、透明パターン部分と下地部分を弁別し
パターン密度を算出することができる。パターン密度が
算出できれば第1図実施例で説明したと同様の手順で焦
点位置を検出することができる・ 第8図は第7図実施例におけるパターン密度算出回路の
一実施例の構成を示す。イメージセンサ16の出力信号
とイメージセンサ36の出力信号との差を差分回路46
で演算する。前記したように透明パターン部は照明光の
波長により干渉強度が異なるため差分回路46の出力信
号は下地部が零、パターン部が零でない値を持つ。そこ
で差分回路46の出力信号を2値化回路47により適当
なしきい値V’THで2値化した後、カウンタ47によ
り“0″あるいは“1”の個数を計数することにより、
パターン密度を算出することができる。
If the pattern formed on the sample 6 is a transparent pattern such as a resist pattern, the interference intensity will vary depending on the wavelength of the illumination light, so the transmission wavelengths λ1 to λ and the characteristics of the optical filters 34 and 35 should be appropriately selected. For example, image sensor 1
The amounts of light received by the transparent pattern portions 6 and 36 are different. On the other hand, if the spectral reflectance of the base is uniform to some extent, by comparing the output signals of the image sensors 16 and 36, it is possible to distinguish between the transparent pattern portion and the base portion and calculate the pattern density. If the pattern density can be calculated, the focal position can be detected by the same procedure as explained in the embodiment of FIG. 1. FIG. 8 shows the configuration of an embodiment of the pattern density calculation circuit in the embodiment of FIG. 7. A difference circuit 46 calculates the difference between the output signal of the image sensor 16 and the output signal of the image sensor 36.
Calculate with. As described above, since the interference intensity of the transparent pattern portion varies depending on the wavelength of the illumination light, the output signal of the difference circuit 46 has a value of zero for the base portion and a non-zero value for the pattern portion. Therefore, after the output signal of the difference circuit 46 is binarized by the binarization circuit 47 at an appropriate threshold value V'TH, the counter 47 counts the number of "0" or "1".
Pattern density can be calculated.

第12図は本発明のさらに他の実施例の構成を示すもの
で、第1図実施例との相違点は、第1図では2つの縞パ
ターンの像を1つのイメージセンサで撮像しているのに
対し、本実施例では、1つの縞パターン3の像を光軸方
向の前後にずれた2つのイメージセンサ9,9′で撮像
している点である。本実施例では同−縞パターンを2つ
のイメージセンサで撮像しているため、試料の反射率の
影響を受けずにすむ。このため焦点位置検出の高精度化
が可能となる。同様の方式が第7図実施例に対しても適
用できることはいうまでもない。
FIG. 12 shows the configuration of still another embodiment of the present invention, and the difference from the embodiment in FIG. 1 is that in FIG. 1, images of two striped patterns are captured by one image sensor. On the other hand, in this embodiment, the image of one striped pattern 3 is captured by two image sensors 9 and 9' which are shifted back and forth in the optical axis direction. In this embodiment, since the same striped pattern is imaged by two image sensors, it is not affected by the reflectance of the sample. For this reason, it becomes possible to improve the precision of focal position detection. It goes without saying that a similar method can be applied to the embodiment shown in FIG.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明によれば、段差の大きな試
料を高倍率で観察する場合でも、高精度に焦点位置を検
出することができ、半専体ウェハの外観検査装置等に適
用する場合、その信頼性向上に顕著な効果がある。
As explained above, according to the present invention, the focal position can be detected with high accuracy even when observing a sample with a large step difference at high magnification, and when applied to semi-dedicated wafer appearance inspection equipment, etc. , which has a remarkable effect on improving reliability.

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

第1図は本発明の一実施例の構成図、第2図及び第3図
はそれぞれ第1図中の光学フィルタの特性図、第4図及
び第5図はそれぞれ第1図中のパターン密度算出回路の
ブロック構成図、第6図は実施例における焦点ずれ量補
正の説明図、第7図は本発明の他の実施例の構成図、第
8図は第7図中のパターン密度算出回路のブロック構成
図、第9図、第10図、第11図はそれぞれ第7図中の
光学フィルタの特性図、第12図は本発明のさらに他の
実施例の構成図、第13図は従来の焦点位置検出装置の
構成図、第14図は第13図中のパターンマスクの配置
図、第15図は同じくコントラスト信号の説明図、第1
6図は試料位置によるコントラスト信号の変化説明図、
第17図は被wt察試料の断面図、第18図ないし第2
2図は従来方法における焦点位置の誤検出の説明図で、
第18図はパターンマスク3が薄膜パターン21上に投
影される場合、第19図はパターンマスク3が下地20
上に投影される場合、第20図、第21図はそれぞれ第
18図、第19図に対するコントラスト曲線を示す図、
第22図はパターン密度に対する合焦判定位置の変化を
説明する図である。 く符号の説明〉 1・・・光源       2・・・レンズ3.3a、
3b・・・パターンマスク 4.7.13.30.31・・・半透鏡5・・・対物レ
ンズ
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention, FIGS. 2 and 3 are characteristic diagrams of the optical filter in FIG. 1, and FIGS. 4 and 5 are pattern densities as shown in FIG. 1. A block configuration diagram of the calculation circuit, FIG. 6 is an explanatory diagram of defocus amount correction in the embodiment, FIG. 7 is a configuration diagram of another embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a pattern density calculation circuit in FIG. 7. FIG. 9, FIG. 10, and FIG. 11 are characteristic diagrams of the optical filter in FIG. 7, FIG. 12 is a configuration diagram of still another embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a conventional FIG. 14 is a diagram showing the arrangement of the pattern mask in FIG. 13, and FIG. 15 is an explanatory diagram of the contrast signal.
Figure 6 is an explanatory diagram of the change in contrast signal depending on the sample position.
Figure 17 is a cross-sectional view of the wt sample, Figures 18 to 2
Figure 2 is an explanatory diagram of erroneous detection of the focal position in the conventional method.
In FIG. 18, the pattern mask 3 is projected onto the thin film pattern 21, and in FIG. 19, the pattern mask 3 is projected onto the base 21.
When projected on top, FIGS. 20 and 21 are diagrams showing contrast curves for FIGS. 18 and 19, respectively,
FIG. 22 is a diagram illustrating changes in focus determination position with respect to pattern density. Explanation of symbols> 1...Light source 2...Lens 3.3a,
3b...Pattern mask 4.7.13.30.31...Semi-transparent mirror 5...Objective lens

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、明部と暗部を周期的に組合せた縞パターンマスクに
よる光パターンを被測定物体に投影結像し、被測定物体
からの反射光パターンをイメージセンサで撮像して光パ
ターンに対応した明暗情報を得、この明暗情報のコント
ラストから被測定物体面と顕微鏡合焦面との位置関係を
検出する焦点位置検出方法において、被測定物体からの
前記反射光パターンを前記イメージセンサとは別個に配
置される第2のイメージセンサで撮像し、この第2のイ
メージセンサ出力信号から被測定物体の光パターンが投
影されている領域内での下地部とパターン部との面積比
を算出し、算出した面積比に応じて、前記明暗情報から
得られる被測定物体の焦点位置を補正することを特徴と
する焦点位置検出方法。 2、明部と暗部を周期的に組合せた縞パターンマスクに
よる光パターンを被測定物体に投影結像する第1の光学
系と、被測定物体からの反射光パターンをイメージセン
サに撮像させる第2の光学系と、イメージセンサ出力信
号から上記光パターンに対応した明暗情報を得、この明
暗情報のコントラストを処理して被測定物体の焦点位置
を検出するコントラスト検出回路とを備えた焦点位置検
出装置において、被測定物体からの前記反射光パターン
を前記イメージセンサとは別個に撮像する第2のイメー
ジセンサと、この第2のイメージセンサ出力信号から被
測定物体の光パターンが投影されている領域内での下地
部とパターン部との面積比を算出するパターン密度算出
回路と、前記明暗情報から得られる被測定物体の焦点位
置を上記パターン密度算出回路出力に応じて補正する補
正手段とを設けたことを特徴とする焦点位置検出装置。 3、前記縞パターンマスクの明部はすべての波長の光を
透過し、暗部はある波長帯域λ_uの光のみを遮断する
特性を有し、前記第2のイメージセンサの受光面に、上
記波長帯域λ_uの光のみを遮断する光学フィルタを配
置したことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の焦
点位置検出装置。 4、前記縞パターンマスクの明部はすべての波長の光を
透過し、暗部はある波長帯域λ_uの光のみを遮断する
特性を有し、前記第2のイメージセンサは複数個のイメ
ージセンサより成り、それぞれの受光面に、波長帯域λ
_u以外の波長域で互いに重ならない波長帯域の光のみ
を透過する光フィルタを配置したことを特徴とする特許
請求の範囲第2項記載の焦点位置検出装置。 5、前記パターンの密度算出回路は、前記第2のイメー
ジセンサの出力の平均的明るさを用いてパターン密度を
算出する回路であることを特徴とする特許請求の範囲第
3項記載の焦点位置検出装置。 6、前記パターン密度算出回路は、前記第2のイメージ
センサの出力をあるしきい値で2値化し、2値化した画
像の面積比からパターン密度を算出する回路であること
を特徴とする特許請求の範囲第3項記載の焦点位置検出
装置。 7、前記パターン密度算出回路は、前記第2のイメージ
センサ内の複数のイメージセンサの出力を互いに比較す
ることによりパターン密度を算出する回路であることを
特徴とする特許請求の範囲第4項記載の焦点位置検出装
置。
[Claims] 1. A light pattern formed by a striped pattern mask that periodically combines bright and dark areas is projected onto an object to be measured, and the reflected light pattern from the object to be measured is imaged by an image sensor to generate light. In a focus position detection method that obtains brightness information corresponding to a pattern and detects the positional relationship between the surface of the object to be measured and the focal plane of the microscope from the contrast of this brightness information, the reflected light pattern from the object to be measured is detected by the image sensor. An image is captured by a second image sensor arranged separately from the second image sensor, and the area ratio between the base part and the pattern part in the area on which the light pattern of the object to be measured is projected is calculated from the second image sensor output signal. A method for detecting a focal point position, comprising: calculating and correcting a focal position of an object to be measured obtained from the brightness information according to the calculated area ratio. 2. A first optical system that projects and images a light pattern formed by a striped pattern mask that periodically combines bright and dark areas onto an object to be measured, and a second optical system that causes an image sensor to image a reflected light pattern from the object to be measured. and a contrast detection circuit that obtains brightness information corresponding to the light pattern from the image sensor output signal, processes the contrast of this brightness information, and detects the focal position of the object to be measured. a second image sensor that images the reflected light pattern from the object to be measured separately from the image sensor; and a second image sensor that captures an image of the reflected light pattern from the object to be measured; A pattern density calculation circuit for calculating the area ratio between the base portion and the pattern portion, and a correction means for correcting the focal position of the object to be measured obtained from the brightness information in accordance with the output of the pattern density calculation circuit. A focal position detection device characterized by: 3. The bright part of the striped pattern mask transmits light of all wavelengths, and the dark part has a characteristic of blocking only light of a certain wavelength band λ_u, and the light receiving surface of the second image sensor has the property of transmitting light of all wavelengths. 3. The focal position detection device according to claim 2, further comprising an optical filter that blocks only the light of λ_u. 4. The bright part of the striped pattern mask transmits light of all wavelengths, and the dark part has a characteristic of blocking only light of a certain wavelength band λ_u, and the second image sensor is composed of a plurality of image sensors. , wavelength band λ on each light-receiving surface.
3. The focal position detection device according to claim 2, further comprising an optical filter that transmits only light in wavelength bands other than _u that do not overlap with each other. 5. The focal position according to claim 3, wherein the pattern density calculation circuit is a circuit that calculates the pattern density using the average brightness of the output of the second image sensor. Detection device. 6. A patent characterized in that the pattern density calculation circuit is a circuit that binarizes the output of the second image sensor using a certain threshold and calculates the pattern density from the area ratio of the binarized image. A focal position detection device according to claim 3. 7. The pattern density calculation circuit is a circuit that calculates the pattern density by comparing outputs of a plurality of image sensors in the second image sensor with each other, as set forth in claim 4. Focus position detection device.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0236813U (en) * 1988-09-01 1990-03-09
JP2002006226A (en) * 2000-06-19 2002-01-09 Sony Corp Inspecting device

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