WO2006057451A1 - オートフォーカス装置および光学測定評価方法 - Google Patents

オートフォーカス装置および光学測定評価方法 Download PDF

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WO2006057451A1
WO2006057451A1 PCT/JP2005/022138 JP2005022138W WO2006057451A1 WO 2006057451 A1 WO2006057451 A1 WO 2006057451A1 JP 2005022138 W JP2005022138 W JP 2005022138W WO 2006057451 A1 WO2006057451 A1 WO 2006057451A1
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focus
image
optical system
observation
error signal
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PCT/JP2005/022138
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tomoaki Yamada
Tatsuo Fukui
Original Assignee
Nikon Corporation
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Priority claimed from JP2004343688A external-priority patent/JP2006153621A/ja
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals
    • G02B7/34—Systems for automatic generation of focusing signals using different areas in a pupil plane
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
    • G03F9/70—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7003—Alignment type or strategy, e.g. leveling, global alignment
    • G03F9/7023—Aligning or positioning in direction perpendicular to substrate surface
    • G03F9/7026—Focusing

Definitions

  • the present invention relates to an optical device, for example, a autofocus device used for an overlay measuring machine or the like for detecting a displacement of a circuit pattern formation position when a circuit pattern is laminated on a wafer.
  • an optical device for example, a autofocus device used for an overlay measuring machine or the like for detecting a displacement of a circuit pattern formation position when a circuit pattern is laminated on a wafer.
  • the present invention also provides, for example, a method of optically measuring a position detection pattern mark or the like used for detecting a misalignment of the formation position of a circuit pattern when a circuit pattern is formed on a wafer in a stacked manner. Relates to an optical measurement evaluation method for obtaining an optimum focus position in this optical measurement. Background art
  • a plurality of patterns are laminated one by one using a plurality of reticles each having a pattern corresponding to each process.
  • a plurality of pattern layers are stacked and formed, it is necessary to form the lower layer pattern and the upper layer pattern stacked thereon in the correct positional relationship.
  • a position detection pattern mark is formed simultaneously with the formation of each pattern layer, and the positional detection of the upper and lower pattern layers is detected by optically detecting the position detection pattern mark. It is known to perform (overlapping detection) (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 1-3 1 7 9 1 3).
  • the positional deviation measurement (overlay measurement) using the position detection pattern mark formed for each layer in this way is performed by optically positioning the position detection pattern mark. This is performed using an optical measuring device for observation. Specifically, a measurement calculation is performed based on the image of the position detection pattern mark obtained by this optical measurement device, and the positional deviation is measured, but such an optical measurement device has an autofocus mechanism. This autofocus mechanism automatically adjusts the focus.
  • FIG. 1 An example of such an optical measuring device will be briefly described with reference to FIG.
  • the optical measuring device of FIG. 1 is also related to the embodiment of the present invention, the basic configuration is the same as the conventional one, so the configuration of the conventional optical measuring device with reference to FIG. Is described below.
  • the detailed configuration of the optical measuring device will be described in the description of the preferred embodiment of the present invention. Here, only the portions necessary for explaining the conventional problems will be described, and the rest will be described very simply.
  • the illumination light emitted from the light source 1 is reflected by the first half mirror 6 through the diffusion plate 2, the condenser lens 3, the AF slit plate 4 and the projection lens 5, 1 Illuminate the position detection pattern mark M on the surface of the wafer W held by the wafer stage 3 3 through the objective lens 7.
  • Light reflected from the surface of the wafer W by illuminating the position detection pattern mark M passes through the first objective lens 7 and the first half mirror 6 to the second half mirror 8, and is transmitted through the second half mirror 8.
  • the light enters the observation optical system 10, and the light reflected by the second half mirror 8 enters the autofocus optical system 20.
  • the focusing light reflected by the second half mirror 8 is reflected and divided by the wedge mirror 23 located substantially at the pupil position through the AF second objective lens 21, Subsequently, the AF photoelectric conversion element 26 is irradiated through the focusing imaging lens 24 and the cylindrical lens 25.
  • the relay lens 22 is not provided. As a result, in the photoelectric conversion element for AF 26, 8
  • a segmented image that is substantially conjugate with the wafer in the autofocus measurement direction and pupil conjugate in the non-measurement direction is captured.
  • the image information (autofocus detection signal) obtained by the AF photoelectric conversion element 26 in this way is sent to the focus position detection device 31 and measures the distance between the two images divided here. To obtain the focus error signal.
  • the focus actuator driving device 32 drives the wafer stage 33 to move the wafer W in the direction of the optical axis (perpendicular to the surface of the wafer W. This direction Is referred to as the Z direction) to adjust the auto focus.
  • the wedge mirror 23 in the autofocus optical system 20 performs image division on the pupil plane, so that the center of focus is the just focus position (this is referred to as the “just focus position”).
  • Auto focus between the position where the focus shift occurs on the front side referred to as “front focus shift position” and the position where the focus shift occurs on the rear side (referred to as “rear focus shift position”).
  • front focus shift position the position where the focus shift occurs on the front side
  • rear focus shift position refers the position where the focus shift occurs on the rear side.
  • the phenomenon that the detection signal has an asymmetric peak (ringing phenomenon) occurs.
  • Figure 2 shows this ringing phenomenon.
  • the distance between the two images is measured to obtain the focus error signal.
  • the distance between the images is reduced to the peak.
  • the focus position is shifted.
  • the auto focus adjustment becomes unstable because the peak position reverses from the inside to the outside of the image when the front focus shifts slightly from the just focus position and when the rear focus shift slightly occurs. Or non-linearity with respect to the set autofocus position.
  • the inter-image distances obtained by the focus position detection device 31 are indicated by L 1, L 1, L 2, L 3, and L 4.
  • the horizontal axis shows the Z-direction position (focus adjustment offset amount A F), and the vertical axis shows the focus error signal ES.
  • the focus error signal ES is compared to the amount of deviation from the just focus position (the amount of movement of the wafer W in the Z direction) as shown by the broken line! In this case, accurate and stable autofocus adjustment is possible.
  • the problem is that a deviation of the force error signal ES between the characteristic indicated by the broken line and the characteristic indicated by the solid line in FIG. 3 occurs, but this deviation amount ⁇ ES differs depending on the wavelength of the light.
  • the horizontal axis indicates the Z-direction position (focus adjustment offset AF), and the vertical axis
  • the shift amount ⁇ ES of the focus error signal (that is, the value corresponding to the focus error signal difference between the broken line and the solid line in FIG. 3) is shown for each wavelength.
  • the shift amount of the focus error signal in the case of blue light is indicated by a solid line ES 1 (B), and the shift amount of the focus error signal in the case of red light is indicated by a solid line ES 1 (R).
  • the offset correction amount for the axial chromatic aberration in the observation optical system 10 is indicated by a broken line
  • the offset correction amount in the case of blue light is represented by the broken line ES 2 (B), the red light.
  • the amount of offset correction is indicated by a broken line ES 2 (R).
  • Red light shift amount ES 1 (R) is greater than blue light shift amount ES 1 (B) (ES 1 (R) is located on the upper side in the vertical axis direction of the reverse) In the region where the force Z is positive (ES 1 (R) is located on the lower side of the vertical axis of the graph).
  • the offset correction amount in the observation optical system 10 is such that the red light correction amount ES 2 (H) is larger than the blue light correction amount ES 2 (B) in all regions (in the vertical axis direction of the graph). ES 2 (R) is on the top).
  • the magnitude relationship between the shift amount of the focus error signal in blue light and red light is negative with respect to the magnitude relationship of the offset correction amount of the observation optical system with respect to the axial chromatic aberration of blue light and red light.
  • the opposite direction is obtained when the forces S and Z in the same direction are positive, and there is a problem that the autofocus adjustment is more likely to become unstable depending on the color of light, that is, the wavelength.
  • the semiconductor pattern formed on the wafer has been increasingly miniaturized recently, and the thickness of each pattern has also become thinner. For this reason, the step of the position detection mark formed at the time of forming each pattern has become very small, and accurate focus adjustment is necessary when optically detecting this.
  • the position detection pattern mark formed on the wafer corresponding to the pattern formed on the wafer is formed in a rectangular shape formed together with the lower layer pattern. The first mark and the second mark that is formed to extend in parallel with the first mark when the upper layer pattern is formed on the lower layer pattern.
  • the step of the position detection pattern mark formed for each layer is determined according to the thickness of the pattern provided for each layer, and the step of the position detection pattern mark is different for each layer. It is common.
  • such misalignment measurement (overlapping measurement) using the position detection pattern mark is performed using an optical measurement device that optically observes the position detection pattern mark. Specifically, a measurement calculation is performed based on the image of the position detection pattern mark obtained by this optical measuring device, and the positional deviation is measured.
  • Such an optical measurement apparatus has an autofocus mechanism, and automatic focus adjustment is performed by this autofocus mechanism.
  • the step of the position detection pattern mark formed for each layer is different.
  • the focus position adjusted by the auto focus may be focused on the pattern mark of a specific layer, and defocus may occur with respect to the pattern mark of another layer.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides an autofocus device that improves the non-linear characteristics caused by ringing phenomenon in an autofocus optical system and enables stable autofocus adjustment. For the purpose.
  • the present invention further provides an optical measurement evaluation method that can be used to determine an optimum condition for adjusting the focus position when optically shifting the position detection pattern marks formed in a plurality of layers.
  • the purpose is to provide
  • the first aspect of the present invention provides an illumination optical system that irradiates an observation target with illumination light (for example, the light source 1, the diffusion plate 2, the condenser lens 3, and the AF slit plate in the embodiment). 4, an illumination optical system composed of a projection lens 5 and a first half mirror 6) and an observation optical system that obtains an image of the observation object by receiving reflected light from the observation object (for example, the second pair in the embodiment) An observation optical system 10) having an object lens 11, an observation imaging lens 12 and a two-dimensional photoelectric conversion element 13), and using the reflected light from the observation target, An autofocus device that performs focus adjustment, An imaging unit that divides a pupil of the observation optical system and detects an image of the observation target that passes through one area of the pupil and an image of the observation target that passes through the other area of the pupil (for example, an embodiment) Shield / divider placed at approximately pupil position in the optical path from the second half mirror 8 to the photoelectric conversion element 26 for AF (a wedge mirror
  • a focus position detector for calculating, and a focus actuator for adjusting the relative position of the observation target in the optical axis direction based on the focus error signal calculated by the focus position detector (for example, A correction optical system (for example, the relay lens 22 in the embodiment in the direction of arrow A) that shifts the imaging position of the image captured by the imaging device by a predetermined amount.
  • a correction optical system for example, the relay lens 22 in the embodiment in the direction of arrow A
  • the magnitude relationship of the shift amount of the focus error signal for each wavelength of the reflected light is the same as the magnitude relationship of the offset correction amount in the observation optical system with respect to axial chromatic aberration for each wavelength of the reflected light. It is preferable that the imaging position is shifted so as to be in the direction.
  • the focus position detecting means is configured to calculate the focus error signal from an inter-image distance between the two images, and the correction optical system is configured to generate the focus error signal due to a ringing phenomenon that occurs in the two images. It is preferable that the focus position is shifted so as to avoid the non-linear portion occurring in the lens.
  • the second aspect of the present invention includes an illumination optical system that irradiates the observation target with illumination light, and an observation optical system that receives the reflected light from the observation target and obtains an image of the observation target.
  • An autofocus device that adjusts the pupil of the observation optical system, and an image of the observation target that passes through one area of the pupil and an image of the observation target that passes through the other area of the pupil
  • An imaging means for detecting the focus, a focus position detection means for calculating a focus error signal based on an image picked up by the image pickup means, and a focus error signal calculated by the focus position detection means.
  • a focus actuator that adjusts the relative position in the optical axis direction, sets a predetermined focus error signal, and sets the focus actuator until the focus position detection means detects the predetermined focus error signal. Control, and then control the inversion of the focus actuator by an amount corresponding to the predetermined focus error signal. Constituted by a that control means.
  • the correction optical system arranged in the autofocus optical path shifts the imaging position of the image captured by the imaging means in the autofocus optical system by a predetermined amount.
  • the detection means calculates the focus error signal based on the image picked up by the image pickup means, it is possible to adjust the autofocus of the observation optical system while avoiding the non-linear part caused by the ringing phenomenon that occurs in this image. And stable autofocus control.
  • a third aspect of the present invention is a method for performing a measurement evaluation when performing optical measurement of a focus position of a pattern formed on each of two or more layers formed in a stacked manner, and the state in which the layers are formed
  • a third step of calculating a correlation function with a comparison pattern for each region a fourth step of calculating an evaluation value indicating a peak length of the correlation function for each region, and for each region.
  • the calculated evaluation value And a sixth step for calculating an optimal force position based on the total index. It consists of.
  • the correlation function can be calculated using the self-folding pattern as a comparison pattern.
  • the correlation function can be calculated using a template pattern as a comparison pattern.
  • the evaluation value indicating the sharpness of the correlation function can be calculated using the peak value of the correlation function and the correlation function values adjacent to the position indicating the peak value.
  • the equation E V p— ⁇ V ( The evaluation value E indicating the length of the correlation function can be calculated from a) + V (b) ⁇ Z 2.
  • the sum of the reciprocals of the evaluation values calculated for each region can be calculated as the comprehensive index.
  • the first to fifth steps are performed while changing the offset position of the pattern in the optical axis direction when the pattern is optically photographed to acquire an image in the first step.
  • the change characteristic of the comprehensive index is obtained, and the offset position that becomes the optimum focus position can be obtained in the sixth step from the change characteristic thus obtained.
  • the optimum value can be evaluated using the evaluation value extracted from the image, so that the optimum condition can be calculated efficiently in a short time.
  • the optimum evaluation can be automatically performed, so that the measurement accuracy can be improved.
  • the contrast of the position detection pattern marks for each layer is different and the contrast is compatible.
  • the optimum condition for adjusting the focus position can be determined easily and accurately.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical measuring device having an autofocus device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a relationship between two images photographed by the AF photoelectric conversion element 2 6 and the focus position shift in the conventional autofocus device.
  • FIG. 3 is a graph showing the focus error signal characteristic with respect to the focus position offset amount in the conventional autofocus device.
  • Fig. 4 is a graph showing the relationship between the amount of shift of the focus error signal relative to the focus position offset amount in a conventional autofocus device and the amount of offset correction corresponding to axial chromatic aberration in the observation optical system for blue light and red light. It is.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the two images taken by the photoelectric conversion element 26 for AF and the focus position shift in the autofocus device of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the focus error signal characteristic with respect to the focus position offset amount in the auto focus apparatus of the present invention.
  • FIG. 7 shows the relationship between the focus error signal shift amount with respect to the focus position offset amount and the offset correction amount corresponding to the longitudinal chromatic aberration in the observation optical system in the case of blue light and red light. It is a graph to show.
  • FIG. 8 is a plan view and a cross-sectional view showing an example of a position detection pattern mark to be measured by an optical measuring device having the autofocus device according to the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart for explaining the auto focus adjustment according to the second embodiment. Yat.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing the configuration of an optical measurement apparatus that is an object of the optical measurement evaluation method according to the present invention.
  • FIG. 11 is a flowchart showing the contents of the measurement method using the optical measurement evaluation method according to the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of an evaluation function calculated in the optical measurement evaluation method according to the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of a comprehensive index calculated in the optical measurement evaluation method according to the present invention.
  • the observation optical system 10 has a second objective lens 1 1, an observation imaging lens 1 2 and a two-dimensional photoelectric conversion element 1 3, and the light transmitted through the second half mirror 8 is the second object lens 1 1 and
  • the observation imaging lens 12 passes through the two-dimensional photoelectric conversion element 13, and an image of the position detection pattern mark M is taken by the two-dimensional photoelectric conversion element 13. Then, based on the image captured by the two-dimensional photoelectric conversion element 13 in this way, the displacement measurement is performed.
  • the autofocus optical system 20 includes an AF second objective lens 21 and a relay lens 22, a wedge mirror 23, a focusing imaging lens 24, a cylindrical lens 25, and an AF.
  • a photoelectric conversion element 26 is provided.
  • the divided image obtained by the photoelectric conversion element 26 for AF is located at the just focus position due to the ringing phenomenon.
  • a peak occurs on the inner or outer edge of the image and the focus position shifts.
  • the optical measurement apparatus of the present embodiment is configured by slightly moving the position of the relay lens 22 in the autofocus optical system 20 from the just focus position in the optical axis direction (arrow A direction). ing.
  • the primary imaging plane 2 8 exists between the AF system second objective lens 2 1 and the relay lens 2 2, but by moving the relay lens 2 2 in the direction of arrow A, the photoelectric conversion element 2 for AF
  • the focus position of the image taken in step 6 will be shifted by the corresponding amount.
  • the movement of the relay lens 22 may be achieved by manual operation along the lens guide mechanism, or may be achieved by electric operation by a motor.
  • FIG. 5 shows an example of a divided image taken by the A / F photoelectric conversion element 26 when the focus position is thus shifted.
  • a peak appears on the outside. That is, as can be seen by comparing FIG. 2 and FIG. 5, the divided image shifted to the rear focus shift position as a whole is taken by the AF photoelectric conversion element 26. Adjustments are made.
  • the characteristics when no ringing occurs are indicated by broken lines, and the actual characteristics (characteristics when ringing occurs) in the present embodiment are indicated by solid lines.
  • the relay lens 22 is slightly moved in the direction of the arrow A.
  • the solid line ES 1 (B) and the solid line ES 1 ( The deviation indicated by R) changes as if the line in Fig. 4 was shifted to the right.
  • the magnitude relationship between the shift amount of the focus error signal in light and the magnitude relationship between the offset correction amounts of the observation optical system are the same. Therefore, stable and good autofocus control is performed for both blue light and red light.
  • Example 1 In this embodiment, an example in which the focus error signal is obtained from the distance between the images divided into two using the wedge mirror 23 and the auto focus control is performed. However, it is of course possible to use a configuration in which the focus error signal is obtained using a knife edge, a split prism, or the like instead.
  • Example 1
  • FIG. 8 shows an example of the force position detection pattern mark M in which the position shift detection is performed based on the position detection pattern mark M formed on the surface of the wafer W.
  • the first pattern layer L 1 is formed on the surface of the wafer W, and the first mark M 1 is formed when the first pattern layer L 1 is formed.
  • the second mark M 2 is formed as a part of the second pattern layer L 2.
  • a large number of reticle (photomask) patterns are reduced and projected onto the wafer W, and a plurality of position detection pattern marks M are formed adjacent to each projection pattern. It is possible to detect misalignment for each transfer pattern.
  • an image of the position detection pattern mark M is taken by the two-dimensional photoelectric conversion element 13 in the observation optical system 10, and the first pattern is based on the taken image.
  • a displacement of the second pattern layer L 2 with respect to the layer L 1 is detected.
  • the wafer stage 33 is driven using the photofocus optical system 20, The auto focus control is performed by moving the wafer W in the Z-axis direction.
  • the auto focus control The just focus position to be adjusted is often set to one of the two marks M l and M 2. However, for the measurement of misalignment, both marks M 1 and M 2 are required to be photographed well, and the focus position is adjusted so that equal contrast is obtained for both marks M l and M 2 ( Focus adjustment is performed.
  • the pattern layer formed on the surface of the wafer W has a different layer thickness (film thickness), and the spectral characteristics from the marks M l and M 2 may differ depending on the film thickness. . That is, the wavelength (color) of the reflected light from the first mark M 1 may be different from the wavelength (color) of the reflected light from the second mark M 2. In this example, the wavelength is set as shown in Fig. 7. Thus, stable focus adjustment is possible even when the reflected light wavelength of each mark is different.
  • FIG. 9 shows a modification of the above-described embodiment, and shows a flowchart of the apparatus excluding the relay lens 22 from FIG.
  • the other configurations are the same as those in FIG. 1, so the description is omitted here, and different configurations are described in detail.
  • the wafer stage 33 is moved to a predetermined differential in the Z-axis direction.
  • Drive to the orcas position that is, drive to the default position where ringing does not occur and drive control is completed at a position with good linearity
  • step S2 when the focus position detection device 31 detects a predetermined amount of defocus, the signal output to the focus actuator drive device 3 2 is stopped, and the wafer stage 3 3 is driven in the Z-axis direction. Is stopped.
  • step S 3 when it is confirmed that the driving of the wafer stage 33 is stopped, the focus actuator driving device 3 2 forcibly prohibits reception of the focus error signal from the focus position detecting device 31.
  • the focus actuator driving device 32 drives the driving amount corresponding to the predetermined defocus amount set in step S 1 in the direction opposite to the driving direction in step S 2.
  • step S4 the focus actuator driving device 32 determines whether or not the reverse driving corresponding to the predetermined defocus amount has been completed.
  • step S5 when the inversion driving in step S4 is completed, the optical measurement apparatus (for example, semiconductor manufacturing apparatus) in FIG. 1 enters the sequence of the next inspection process.
  • the optical measurement apparatus for example, semiconductor manufacturing apparatus
  • This optical measuring device includes a light source 1001, a diffuser plate 102, a condenser lens 10.03, an AF slit plate 10.04, a projection lens 10.05, and a first half mirror 1. And an illumination optical system consisting of six.
  • this illumination optical system the illumination light emitted from the light source 101 is made uniform by the diffuser plate 102 and condensed by the condenser lens 103, and auto-focused by the AF slit plate 1004.
  • a slit-shaped luminous flux is formed, and an appropriate illumination magnification is given by the projection lens 1 0 5 to reach the first half mirror 1 0 6.
  • the slit illumination light reflected by the first half mirror 106 and irradiated vertically downward passes through the first objective lens 107 and the surface of the wafer W gripped by the wafer gripping device 1 33 Illuminate the position detection pattern mark M.
  • the light reflected from the surface of the wafer W by illuminating the position detection pattern mark M in this way passes through the first objective lens 10 7 and the first half mirror 1 0 6 and the second half mirror 1 0. Up to 8.
  • the light transmitted through the second half mirror 110 8 enters the observation optical system 110, and the light reflected by the second half mirror 10 108 enters the autofocus optical system 120.
  • the observation optical system 1 1 0 has a second objective lens 1 1 1, an observation imaging lens 1 1 2 and a two-dimensional photoelectric conversion element 1 1 3, and the light transmitted through the second half mirror 1 0 8 is The second objective lens 1 1 1 and the observation imaging lens 1 1 2 pass through to the two-dimensional photoelectric conversion element 1 1 3 and the two-dimensional photoelectric conversion element 1 1 3 takes an image of the position detection pattern mark M. The Then, based on the image photographed by the two-dimensional photoelectric conversion element 113 as described above, the positional deviation measurement is performed.
  • the auto-focus optical system 1 2 0 includes a relay lens 1 2 1, a total reflection mirror 1 2 2, a knife edge 1 2 3 (a splitting prism can be used instead), and a focusing imaging lens 1 2 4, cylindrical lens 1 2 5, and AF photoelectric conversion element 1 2 6.
  • the light reflected by the second half mirror 1 0 8 and incident on the autofocus optical system 1 2 0 passes through the relay lens 1 2 1 and is totally reflected by the total reflection mirror 1 2 2, and is almost at the pupil position.
  • the knife edge 1 2 3 is reached, and then the AF photoelectric conversion element 1 2 6 is irradiated through the focusing imaging lens 1 2 4 and the cylindrical lens 1 2 5.
  • the photoelectric conversion element 126 for AF captures an image that is substantially conjugate with the wafer in the autofocus measurement direction and pupil-conjugated in the non-measurement direction.
  • the image information (signal) obtained by photographing with the A / F photoelectric conversion element 1 26 in this way is sent to the focus position detection device 1 31, where the optimum focus position is obtained.
  • a drive control signal is sent from the focus position detection device 1 3 1 to the focus actuator drive device 1 3 2 to obtain the optimum focus position and to set the obtained optimum focus position.
  • the focus actuator driving device 1 3 2 receives this drive control signal and drives the wafer gripping device 1 3 3.
  • the focus position detecting device 1 3 1 performs based on the image information obtained by photographing with the photoelectric conversion element 1 2 6 for AF.
  • the control contents optical measurement evaluation method and optical measurement condition setting method
  • step S 11 global alignment (detection and correction of the rotational position of the wafer W) of the wafer W held by the wafer holding device 1 33 and placed on the stage is performed.
  • step S 11 global alignment (detection and correction of the rotational position of the wafer W) of the wafer W held by the wafer holding device 1 33 and placed on the stage is performed.
  • step S 11 global alignment (detection and correction of the rotational position of the wafer W) of the wafer W held by the wafer holding device 1 33 and placed on the stage is performed.
  • step S 11 global alignment (detection and correction of the rotational position of the wafer W) of the wafer W held by the wafer holding device 1 33 and placed on the stage is performed.
  • the position detection pattern mark M is, for example, the same as that shown in FIG. It has the composition of.
  • an image of the position detection pattern mask M is taken by the two-dimensional photoelectric conversion element 1 13 in the observation optical system 110, and based on the taken image.
  • the displacement of the second pattern layer L 2 with respect to the first pattern layer L 1 is detected.
  • the following is used using the auto focus optical system 1 2 0. Control is performed.
  • an A F offset value (initial value) is set in step S13.
  • the autofocus adjustment is performed by moving the wafer W in the optical axis direction (the direction perpendicular to the surface of the wafer W, this direction is called the Z direction) by the wafer gripping device 1 3 3. In 3, it is set to a position offset by a predetermined amount in advance from the autofocus position.
  • evaluation values for the first mark M 1 and the second mark M 2 are calculated from the image of the position detection pattern mark M photographed by the two-dimensional photoelectric conversion element 1 1 3 in the offset state (step) S 1 4).
  • the evaluation value calculation in step S 14 will be described in detail below.
  • the image area of the first mark M 1 and the image area of the second mark M 2 are separated from the image of the position detection pattern mark M photographed by the two-dimensional photoelectric conversion element 112. This region separation may be performed based on the design value of the pattern, or may be performed by teaching. Then, for each of the first and second marks M 1 and M 2, the folding correlation function in the horizontal direction (X direction in FIG. 8) and the vertical direction (Y direction in FIG. 8) is calculated. In this example, a method of calculating the correlation function based on the self-folding pattern is adopted, but the correlation function may be calculated using a template pattern.
  • the X direction of each of the first and second marks M 1 and M 2 The correlation values V (p + 2) and V (p-2) at positions two pixels away from the position of this signal peak value V ⁇
  • the evaluation value E indicating the sharpness of the peak is calculated by the following formula (1).
  • the evaluation value E is calculated from equation (1) using the correlation values V (p + 2) and V (p-2) on both sides. This is because, even if the correlation value is slightly small, the measured value is considered to be stable when the difference from the adjacent correlation value is large (when the peak is sharp), and the difference between the correlation value and the adjacent correlation value In view of the above, an evaluation value E (an evaluation value indicating the sharpness of the peak) is calculated, where the measured value is most stable. In this example, since the evaluation values from different images are compared, normalization is not performed when calculating the evaluation values.
  • the evaluation value E based on the equation (1) is calculated in the X direction and the Y direction of the first and second marks M1 and M2, respectively, and these evaluation values are expressed as E (X1), Let E (Y1), E (X2), and E (Y2).
  • E (X1) is the evaluation value of the first mark M1 in the X direction
  • E (Y1) is the evaluation value of the first mark M1 in the Y direction
  • E (X2) is the second mark M2
  • E (Y2) is the evaluation value of the second mark M2 in the Y direction.
  • a comprehensive index TE is calculated from the sum of the reciprocals of these four evaluation values E (XI), E (Y1), E (X2), and E (Y2) (step S15). Since each evaluation value E (XI), E (Y1), E (X2), E (Y2) is a desired characteristic, the overall index TE is a desired characteristic. As a result, the total index TE is calculated using the above four evaluation values so that the specific gravity is placed on the layer whose measurement accuracy is relatively limited. Then, the process proceeds from step S16 to step S17, where the increment value of the AF offset value is added, and the AF offset value is calculated in step S13. The position of the wafer W in the Z direction is corrected so that only the increment value is changed (drive control of the wafer gripping device 1 33 is performed so as to move in the Z direction corresponding to the increment value).
  • step S4 and step S15 are performed, and the evaluation values E (X1), E (Y1), E (X2), E (Y2) And the overall index TE.
  • iterative calculation is performed while changing only the increment value, and each evaluation value E (X1), E (Y1), E (X2) at the AF offset position corresponding to each increment value change , E (Y2) and overall index TE.
  • step S 16 the process proceeds from step S 16 to step S 18 and the optimum A F optimum value is calculated.
  • the horizontal axis shows the AF offset value
  • the vertical axis shows the evaluation values E (XI), E (Y1), E (X2), and E (Y2) obtained as described above.
  • Fig. 13 shows a grab showing the total index TE on the vertical axis. 'The calculated total index is indicated by the broken line TE (a) in Fig. 13.
  • the AF offset position at which the total index TE is the minimum is the optimal focus position, but the calculation total index TE (a) has a large fluctuation as shown in the figure, so its approximate value is obtained by a predetermined polynomial calculation.
  • the indicator is indicated by the solid line TE (b).
  • the position of A F offset value 0.2, which is the minimum value of this approximate value index TE (b), is the current optimum focus position.
  • step S19 the wafer gripping device 133 is driven to perform setting control so as to reach this AF offset position. Do. After that, position shift detection is performed from the image of the position detection pattern mark M photographed by the two-dimensional photoelectric conversion element 113 (step S20).
  • the comprehensive index TE (a) or TE (b) obtained as described above The measurement reproducibility is shown by the solid line TE (c) in Fig. 13. However, the overall index TE (a) and TE (b) has a good correlation with the measurement reproducibility TE (c). I understand that

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Abstract

　照明光学系および観察光学系１０を備えた光学測定装置におけるオートフォーカス装置が、オートフォーカス光路内におけるほぼ瞳位置に配設されたウエッジミラー２３と、ウエッジミラーを通った反射光を受けてウエハＷ上の位置検出マークＭとほぼ共役な像を得るＡＦ用光電変換素子２６と、この素子２６により撮像された像に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出装置３１と、フォーカス誤差信号に基づいてウエハの光軸方向の位置調整を行うウエハステージ３３とを備え、オートフォーカス光路内に配設されたリレーレンズ２２は矢印Ａ方向に移動されて像のピント位置を所定分だけずらせる。

Description

明 糸田 オートフォーカス装置および光学測定評価方法 技術分野
本発明は、 光学装置、 例えば、 ウェハ上に回路パターンを積層形成する ときにおいて、 回路パターンの形成位置ずれを検出する重ね合わせ測定機 等に用いられるォ一トフォーカス装置に関する。
本発明はまた、 例えば、 ウェハ上に回路パターンを積層形成するときに おいて、 回路パターンの形成位置ずれを検出するために用いられる位置検 出パターンマーク等を光学的に測定する方法、 さらに詳しくは、 この光学 測定において最適なフォーカス位置を求めるための光学測定評価方法に関 する。 背景技術
ウェハ上に半導体パターンを形成するリソグラフイエ程では、 各工程毎 に対応するパターンが形成された複数のレチクルを用レ、て複数のパターン がー層ずつ積層形成される。 このように複数のパターン層を積層形成する ときに、 下層パターンとその上に積層される上層パターンとを正しい位置 関係で形成する必要がある。 このような上下パターン層の位置関係を検査 するために、 各パターン層の形成と同時に位置検出パターンマークを形成 し、 この位置検出パターンマークを光学的に検出して上下パターン層の位 置ずれ検出 （重ね合わせ検出） を行うことが知られている (例えば、 特開 2 0 0 1 - 3 1 7 9 1 3号公報参照）。
ところで、 このように各層毎に形成される位置検出パターンマークによ る位置ずれ測定 （重ね合わせ測定） は、 位置検出パターンマークを光学的 に観察する光学測定装置を用いて行われる。 具体的には、 この光学測定装 置により得られた位置検出パターンマークの画像に基づいて測定演算がな されて位置ずれが測定されるが、 このような光学測定装置はォートフォー カス機構を有しており、 このォートフォーカス機構により自動的なフォー カス調整が行われる。
このような光学測定装置の一例を、 図 1を参照して簡単に説明する。 図 1 の光学測定装置は本発明の実施形態に係るものでもあるが、 基本構成は従 来と同一であるので、 図 1を参照して従来の光学測定装置の構成おょぴそ の問題点を以下に説明する。 伹し、 この光学測定装置の詳細構成説明は本 発明の好ましい実施形態の説明に譲り、 ここでは従来の問題点を説明する に必要な部分のみを注目してその他は極く簡単に説明する。
この光学測定装置においては、 光源 1から出射された照明光は、 拡散板 2、 コンデンサレンズ 3、 A F用スリ ッ ト板 4および投影レンズ 5を通つ て第 1ハーフミラー 6により反射され、 第 1対物レンズ 7を通ってウェハ ステージ 3 3により把持されたウェハ Wの表面の位置検出パターンマーク Mを照明する。位置検出パターンマーク Mを照明してウェハ Wの表面から 反射された光は、 第 1対物レンズ 7および第 1ハーフミラー 6を通って第 2ハーフミラー 8に至り、 第 2ハーフミラー 8を透過した光は観察光学系 1 0に入射し、 第 2ハーフミラー 8において反射された光はォートフォー カス光学系 2 0に入射する。
ォートフオーカス光学系 2 0においては、 第 2ハーフミラー 8において 反射されたフォーカス用の光が、 A F系第 2対物レンズ 2 1を通ってほぼ 瞳位置に位置するゥヱッジミラー 2 3により反射されて分割され、 続いて フォーカス用結像レンズ 2 4およびシリ ンドリカルレンズ 2 5を通って A F用光電変換素子 2 6に照射される。 なお、 従来の装置では、 リ レーレン ズ 2 2は設けられていない。この結果、 A F用光電変換素子 2 6において、 8
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オートフォーカス計測方向にウェハと略共役で且つ非計測方向に瞳共役な 分割像が撮影される。
このようにして A F用光電変換素子 2 6により撮影されて得られた画像 情報 （オートフォーカス検出信号） は、 フォーカス位置検出装置 3 1に送 られ、 ここで分割された二つの像間距離を計測してフォーカス誤差信号を 求める。 そして、 このフォーカス誤差信号を受けたフォーカスァクチユエ ータ駆動装置 3 2はウェハステージ 3 3を駆動させて、 ウェハ Wを光軸方 向 （ウェハ Wの表面に垂直な方向であり、 この方向を Z方向と称する） に 移動させてォートフォーカス調整が行われる。
このような構成のオートフォーカス装置では、 オートフォーカス光学系 20においてゥエッジミラー 2 3は瞳面上で像分割を行っているため、 ジ ヤストフォ カス位置を中心として （これを 「ジャストピント位置」 と 称する）、 前側にピントずれが生じる位置 （これを 「前側ピントずれ位置」 と称する） と、 後側にピントずれが生じる位置 （これを 「後側ピントずれ 位置」 と称する） とで、 オートフォーカス検出信号が非対称なピークを持 つという現象 （リンギング現象） が発生する。
このリンギング現象を図 2に示している。 ジャストピント位置 （AF= 0 の位置） の状態では、 二分割された像は図 2 (C) に示すように非対称な ピークが発生することがないが、 前側ピントずれが若干生じた位置 （AF =— 1の位置） においては、 図 2 (B) に示すように分割像における内側 にピークが発生し、前側ピントずれが大きくなる（AF =— 2の位置） と、 図 2 (A) に示すようにピークがなだらかとなる。 一方、 ジャス トピント 位置から後側ピントずれが若干生じた位置 （AF=+ 1の位置） において は、 図 2 (D) に示すように分割像における外側にピークが発生し、 後側 ピントずれが大きくなる （AF==+ 2の位置） と、 図 2 (E) に示すよう にピークがなだらかとなる。 05 022138
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ところで、 フォーカス位置検出装置 3 1においては二つに分割された像 間距離を計測してフォーカス誤差信号を求めるのであるが、 このようにリ ンギング現象によるピークが発生すると、 像間距離がピーク分だけずれて 算出され、 フォーカス位置がずれるという問題がある。 特に、 ジャス トピ ント位置から僅かに前側ピントずれが生じる場合と、 僅か 後側ピントず れが生じる場合とでピーク発生位置が像の内側から外側へと逆転するため、 ォートフォーカス調整が不安定となったり、 設定したォートフォーカス位 置に対して非線形を生じたりするという問題がある。 具体的には、 図 2で は、 フォーカス位置検出装置 3 1により求められた像間距離が L , L 1 , L 2 , L 3 , L 4で示されている。 これら像間距離 L， 1^ 1〜 4はリン ギング現象が生じていないときの正常値を示している （画像出力 X， Yの 重心間距離）。 し力 し、 図 2のようにリンギング現象が生じると、 像間距離 が正常値から非線形なシフトが生じる。
これをもう少し詳しく説明する。 図 3には、 横軸に Z方向位置 （ピント 調整オフセッ ト量 A F ) を示し、 縦軸にフォーカス誤差信号 E Sを示して いる。 リンギングが発生しない場合には、 フォーカス誤差信号 E Sは、 破 線で示すようにジャストピント位置からのずれ量 （ウェハ Wの Z方向移動 量） に比^！して線形に変化するはずであり、 この場合には正確で且つ安定 したオートフォーカス調整が可能である。 しかしながら、 実際にはリンギ ング現象が発生するため、 図 3に実線で示すように、 ジャストピント位置 ( Z == 0すなわち A F = 0の位置） の前後で非線形な特性となり、 オート フォーカス調整が不安定となりやすいという問題が発生する。
すなわち、 図 3において破線で示す特性と実線で示す特性とのフォー力 ス誤差信号 E Sのずれが発生するのが問題であるが、 このずれ量 Δ E Sは 光の波長によって相違する。 その一例を、 図 4を参照して説明する。 図 4 には、 横軸に Z方向位置 （ピント調整オフセット量 A F ) を示し、 縦軸に フォーカス誤差信号のずれ量 Δ E S (すなわち、 図 3における破線と実線 とのフォーカス誤差信号の差に対応する値） を波長毎に示している。 図 4 では、 青色光の場合のフォーカス誤差信号のずれ量を実線 E S 1 (B)、赤色 光の場合のフォーカス誤差信号のずれ量を実線 E S 1 (R)で示している。さ らに、 図 4においては、 観察光学系 1 0における軸上色収差に対するオフ セット修正量を破線で示しており、 青色光の場合のオフセット修正量を破 線 E S 2 (B), 赤色光の場合のオフセット修正量を破線 E S 2 (R)で示して いる。
図 4から分かるように、 実線 E S 1 (B)と実線 E S 1 (H)とは Z = 0の近 傍で交差しており、 フォーカス誤差信号のずれ量 Δ E Sは Zが負の領域で は赤色光のずれ量 E S 1 (R)が青色光のずれ量 E S 1 (B)より大きい （ダラ フの縦軸方向で E S 1 (R)が上側に位置する） 力 Zが正の領域では逆 （グ ラフの縦軸方向で E S 1 (R)が下側に位置する） となる。 これに対して、 観 察光学系 1 0におけるオフセット修正量は、 全ての領域において赤色光の 修正量 E S 2 (H)が青色光の修正量 E S 2 (B)より大きい （グラフの縦軸方 向で E S 2 (R)が上側に位置する）。
このように、 青色光および赤色光におけるフォーカス誤差信号のずれ量 の大小関係が、 青色光および赤色光の軸上色収差に対する観察光学系のォ フセッ ト修正量の大小関係に対して、 Zが負の領域では同一方向である力 S、 Zが正の領域では逆の関係となり、 光の色すなわち波長の相違に応じてォ 一トフォーカス調整がより不安定化しやすいという問題がある。
一方、 最近においてはウェハ上に形成される半導体パターンがますます 微細化されており、 これに伴って各パターンの厚さもますます薄くなつて きている。 このため、 各パターン形成時に形成される位置検出用マークの 段差が非常に小さくなつてきており、 これを光学的に検出するときに正確 なフォーカス調整が必要である。 なお、 本出願人の出願による特開 2 0 0 4 - 2 2 6 9 8号公報には、 ウェハ上に積層形成されるパターンに対応し てウェハ上に形成される位置検出パターンマークを、 下層パターンを形成 する時に一緒に形成される矩形状の第 1マークと、 下層パターンの上に上 層パターンを形成するときに第 1マークと隣接して平行に延びて形成され る矩形状の第 2マークとから構成し、 これら第 1および第 2マークの幅 w 1 , w 2と積層方向の段差 t 1， t 2力 S、 t 1く t 2であるときには、 w 1 < w 2に設定し、 t 1〉 t 2であるときには、 w 1 > w 2に設定して、 コントラストを高めることが提案されている。
ところで、 このように各層毎に形成される位置検出パターンマークの段 差は、各層毎に設けられるパターンの厚さに応じて決められるものであり、 各層毎に位置検出パターンマークの段差は相違するのが一般的である。 一 方、 このような位置検出パターンマークによる位置ずれ測定 （重ね合わせ 測定） は、 位置検出パターンマークを光学的に観察する光学測定装置を用 いて行われる。 具体的には、 この光学測定装置により得られた位置検出パ ターンマークの画像に基づいて測定演算がなされて位置ずれが測定される。 このような光学測定装置はォートフォーカス機構を有しており、 このォ 一トフォーカス機構により自動的なフォーカス調整が行われるが、 上述の ように各層毎に形成される位置検出パターンマークの段差が相違している と、 ォートフォーカスにより調整されたフォーカス位置が特定の層のパタ —ンマークに合焦して、 他の層のパターンマークに対して焦点ずれが生じ るような場合がある。 ところが、 位置ずれ測定のためには上下両層の位置 検出パターンマーク （例えば、 上記第 1および第 2マーク） に対して最適 なフォーカス位置を設定することが正確な測定に必要であり、 従来ではォ 一トフォーカス機構により調整されたフォーカス位置をこのように最適な フォーカス位置に設定し直す調整が手動等により行われていた。
しかしながら、 このような手動によるオフセット調整は、 操作者の直感 による場合が多く、 最適なフォーカス位置調整が行われるとは限られない ものであった。 なお、 このオフセッ ト調整条件を変えて複数回の測定を行 い、 測定再現性を指標として条件を決めることも行われているが、 信頼す るに足る結果を得るためには測定回数を増やさねばならず、 条件決定に時 間がかかるという問題があった。 発明の開示
本発明は以上説明したような問題に鑑みたもので、 ォートフォーカス光 学系におけるリンギング現象により発生する非線形特性を改善して安定し たォートフォーカス調整が可能となるようなォートフォーカス装置を提供 することを目的とする。
本発明はまた、 波長 （色） が相違する光に対するリ ンギング現象の相違 に起因する非線形特性を改善して安定したォートフォーカス調整が可能と なるようなォートフォーカス装置を提供することを目的とする。
本発明はさらに、 複数層に形成された位置検出パターンマークの位置ず れを光学的に行うときに、 フォーカス位置調整を行うための最適条件を決 めるために用いることができる光学測定評価方法を提供することを目的と する。
このような目的達成のため、 第 1の本発明は、 観察対象に照明光を照射 する照明光学系 （例えば、 実施形態における光源 1と、 拡散板 2と、 コン デンサレンズ 3と、 A F用スリット板 4と、 投影レンズ 5と、 第 1ハーフ ミラー 6とからなる照明光学系） および前記観察対象からの反射光を受け て前記観察対象の像を得る観察光学系 （例えば、 実施形態における第 2対 物レンズ 1 1、 観察用結像レンズ 1 2および二次元光電変換素子 1 3を有 してなる観察光学系 1 0 ) を備え、 前記観察対象からの反射光を用いて前 記観察光学系のフォーカス調整を行うオートフォーカス装置であって、 前記観察光学系の瞳を分割し、 前記瞳の一方の領域を通過する前記観察 対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検出する 撮像手段 （例えば、 実施形態における第 2ハーフミラー 8から A F用光電 変換素子 2 6に至る光路内におけるほぼ瞳位置に配設された遮蔽 ·分割器 (ゥエッジミラー 2 3であるが、ナイフエッジ、分割プリズム等でも良い） と、 この遮蔽 ·分割器を通った反射光を受けて観察対象とほぼ共役な像を 得る A F用光電変換素子 2 6 ) と、 前記撮像手段により撮像された像に基 づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出手段と、 前記フ オーカス位置検出手段により算出されたフォーカス誤差信号に基づいて前 記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカスァクチユエータ (例えば、 実施形態におけるウェハステージ 3 3 ) とを備え、 前記撮像手 段により撮像される像の結像位置を所定分だけずらせる補正光学系 （例え ば、 実施形態におけるリレーレンズ 2 2を矢印 A方向にずらせる光学系) を有する。
なお、 前記補正光学系は、 前記反射光の波長毎における前記フォーカス 誤差信号のずれ量の大小関係が前記反射光の波長毎の軸上色収差に対する 前記観察光学系におけるオフセット修正量の大小関係と同一方向となるよ うに前記結像位置をずらせるように構成されているのが好ましい。
また、 前記フォーカス位置検出手段は前記二つの像の像間距離から前記 フォーカス誤差信号を算出するように構成されており、 前記補正光学系は 前記二つの像に発生するリンギング現象により前記フォーカス誤差信号に 生じる非線形部分を避けるようにピント位置をずらせるように構成されて いるのが好ましい。
また、 第 2の本発明は、 観察対象に照明光を照射する照明光学系おょぴ 前記観察対象からの反射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を 備え、 前記観察対象からの反射光を用いて前記観察光学系のフォーカス調 整を行うオートフォーカス装置であって、 前記観察光学系の瞳を分割し、 前記瞳の一方の領域を通過する前記観察対象の像と前記瞳の他方の領域を 通過する前記観察対象の像とを検出する撮像手段と、 前記撮像手段により 撮像された像に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検 出手段と、 前記フォーカス位置検出手段により算出されたフォーカス誤差 信号に基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカス ァクチユエ一タとを備え、 所定の前記フォーカス誤差信号を設定し、 前記 フォーカス位置検出手段が前記所定のフォーカス誤差信号を検出するまで 前記フォーカスァクチユエータを制御し、 その後、 前記所定のフォーカス 誤差信号に相当する量、 前記フォーカスァクチユエータを反転制御する制 御手段とを備えて構成される。
本発明のォートフォーカス装置によれば、 ォートフォーカス光路内に配 設された補正光学系がォートフォーカス光学系において撮像手段により撮 像される像の結像位置を所定分だけずらせるので、 フォーカス位置検出手 段が撮像手段により撮像された像に基づいてフォーカス誤差信号を算出す るときに、 この像に発生するリンギング現象による生じる非線形部分を避 けて観察光学系のォートフォーカス調整を行うことができ、 安定したォー トフオーカス制御を行うことができる。
次に、 第 3の本発明は、 積層形成された二つ以上の層上にそれぞれ形成 されたパターンのフォーカス位置の光学測定を行う場合の測定評価を行う 方法であって、 積層形成された状態の二つ以上の前記パターンを光学的に 撮影して画像を取得する第 1のステップと、 前記画像から前記層のそれぞ れにおける前記パターンを含む領域を切り出す第 2のステップと、 切り出 された前記領域毎について比較パターンとの相関関数を計算する第 3のス テツプと、 前記領域毎について前記相関関数のピークの銳さを示す評価値 を算出する第 4のステップと、 前記領域毎について算出された前記評価値 を用いて相対的に測定精度を制限している層に比重が置かれるような総合 指標を算出する第 5のステップと、 前記総合指標から最適な前記フォー力 ス位置を評価する第 6のステップとから構成される。
なお、 前記第 3のステップにおいて、 自己折り返しパターンを比較パタ ーンとして前記相関関数を計算することができる。 もしくは、 テンプレー トパターンを比較パターンとして前記相関関数を計算することもできる。 また、 前記第 4のステップにおいて、 前記相関関数のピーク値と、 前記 ピーク値を示す位置の両隣の相関関数値とを用いて前記相関関数の鋭さを 示す評価値を算出することができる。 このとき、 前記相関関数のピーク値 V pと、前記ピーク値を示す位置の両隣の相関関数値 V p (a), V p (b)とに 基づいて、式 E = V p— { V (a) + V (b) } Z 2 により前記相関関数の銳 さを示す評価値 Eを算出することができる。
前記第 3のステップにおいて、 前記領域毎について算出された前記評価 値の逆数の和を前記総合指標として算出することもできる。
なお、 前記第 1のステップにおいて前記パターンを光学的に撮影して画 像を取得するときの前記パターンの光軸方向のオフセット位置を変化させ ながら、 前記第 1から前記第 5のステップを行って前記総合指標の変化特 性を求め、 このように求めた前記変化特性から前記第 6のステップにて前 記最適なフォーカス位置となる前記オフセット位置を求めることができる。
このような構成の本発明に係る光学測定評価方法によれば、 画像から抽 出した評価値を用いて最適値を評価できるため、 短時間に効率良く最適条 件を算出できる。 特に、 積層形成された二つ以上の層上にそれぞれ形成さ れたパターンのコントラストに差があるときでも、 最適な評価を自動的に 行うことができるため、 測定精度を向上させることができる。 例えば、 複 数層に形成された位置検出パターンマークの位置ずれを光学的に行うとき に、 各層毎の位置検出パターンマークの段差が相違してコントラストが相 違するような場合でも、 フォーカス位置調整を行うための最適条件を簡単 に且つ正確に求めることができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係るオートフォーカス装置を有した光学測定装置の概 略構成図である。
図 2は、 従来のォートフォーカス装置において A F用光電変換素子 2 6 により撮影された二つの像とピント位置ずれとの関係を示す図である。 図 3は、 従来のォートフォーカス装置におけるピント位置オフセット量 に対するフォーカス誤差信号特性を示すグラフである。
図 4は、 従来のォートフォーカス装置におけるピント位置オフセット量 に対するフォーカス誤差信号のずれ量と観察光学系における軸上色収差に 対応したオフセッ ト修正量との関係を青色光および赤色光の場合について 示すグラフである。
図 5は、 本発明のオー トフォーカス装置において A F用光電変換素子 2 6により撮影された二つの像とピント位置ずれとの関係を示す図である。 図 6は、 本発明のォートフォーカス装置におけるピント位置オフセッ ト 量に対するフォーカス誤差信号特性を示すグラフである。
図 7は、 本発明のォートフォーカス装置におけるピント位置オフセッ ト 量に対するフォーカス誤差信号のずれ量と観察光学系における軸上色収差 に対応したオフセット修正量との関係を青色光および赤色光の場合につい て示すグラフである。
図 8は、 本発明に係るォートフォーカス装置を有した光学測定装置の測 定対象となる位置検出パターンマークの一例を示す平面図おょぴ断面図で ある。
図 9は、 第 2の実施例に係るォートフォーカス調整を説明するフローチ ヤートである。
図 1 0は、 本発明に係る光学測定評価方法の対象となる光学測定装置の 構成を示す概略構成図である。
図 1 1は、 本発明に係る光学測定評価方法を用いた測定方法の内容を示 すフローチャートである。
図 1 2は、 本発明に係る光学測定評価方法において算出される評価関数 例を示すグラフである。
図 1 3は、 本発明に係る光学測定評価方法において算出される総合指標 例を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照して、 本発明に係るオートフォーカス装置を有した光 学測定装置の構成について、 図 1を参照して説明する。 なお、 既に説明し たォートフォーカス光学系 2 0の構成説明は省略する。
観察光学系 1 0は第 2対物レンズ 1 1、 観察用結像レンズ 1 2および二 次元光電変換素子 1 3を有し、 第 2ハーフミラー 8を透過した光は第 2対 物レンズ 1 1および観察用結像レンズ 1 2を通って二次元光電変換素子 1 3に至り、 二次元光電変換素子 1 3により位置検出パターンマーク Mの像 が撮影される。 そして、 このよ うにして二次元光電変換素子 1 3により撮 影された像に基づいて、 位置ずれ測定が行われる。
一方、 オー トフォーカス光学系 2 0は、 A F系第 2対物レンズ 2 1およ びリレーレンズ 2 2、ゥエッジミラー 2 3、フォーカス用結像レンズ 2 4、 シリ ンドリカルレンズ 2 5および A F用光電変換素子 2 6を備えて構成さ れる。
ここで前述し、 又図 2に示すように、 A F用光電変換素子 2 6により撮 影されて得られた分割像は、 リ ンギング現象によりジャストピント位置か ら若干でもずれた位置にピントが合うときには像.の内側もしくは外側端に ピークが発生してフォーカス位置がずれるという問題がある。
このようなことから、 本実施形態の光学測定装置においては、 オートフ オーカス光学系 2 0におけるリレーレンズ 2 2の位置をジャストピント位 置から光軸方向 （矢印 A方向） に若干移動させて構成している。 ここで、 A F系第 2対物レンズ 2 1とリレーレンズ 2 2との間に一次結像面 2 8が 存在するが、 リレーレンズ 2 2を矢印 A方向に移動させることにより A F 用光電変換素子 2 6により撮影される像のピント位置がこれに対応した分 だけずれる。 リ レーレンズ 2 2の移動は、 レンズのガイ ド機構に沿って手 動操作によって達成しても良いし、 モータによる電動操作によって達成し ても良い。
このようにピント位.置がずれた場合における A F用光電変換素子 2 6に より撮影される分割像の一例を図 5に示している。 この例では、 ジャス ト ピント位置 （A F = 0 ) の前後所定範囲内においてリ ンギング現象が同一 方向に発生するようにオフセッ ト量を設定している。 実際にジャス トピン ト位置 （A F = 0の位置） となるときに、 図 5 ( c ) に示すように分割像 の外側にピークが発生し、 前側ピントずれが若干生じた位置 （A F == _ 1 の位置） でも同様に外側にピークが発生している。 すなわち、 図 2と図 5 とを比較すれば分かるように、 全体として後側ピントずれ位置にずれた分 割像が A F用光電変換素子 2 6により撮影されることとなり、 この分割像 によりォートフォーカス調整が行われる。
このようにリレーレンズ 2 2を矢印 A方向に、 例えばオフセッ ト量 A F = + 2の分だけ移動させたときのフォーカス誤差信号 E Sの特性を図 6に 示している。 なお、 図 6においても図 3と同様に、 リンギングが発生しな い場合の特性を破線で示し、 本実施形態の場合の実際特性 （リンギングが 発生したときの特性） を実線で示している。 図 5で示したように全体とし て後側ピントずれ位置側にシフトするため、 実線で示す特性も、 図 3の特 性から破線に沿って Z軸方向マイナス側にシフ トした特性となり、 ジャス トピント位置 （Z = 0の位置） を中心とする所定範囲内においては良好な 線形性を有した特性となる。 このため、 このように線形性を有する特性の 範囲内でォートフォーカス調整を行わせれば、安定した調整が可能となる。 また、 光の色 （波長） に対応した特性も同様に良好となる調整が望まし く。 これについて図 4および図 7を参照して説明する。 前述のように図 4 の特性では、 実線 E S 1 (B)と実線 E S 1 (R)とは Z = 0の近傍で交差して おり、 青色光および赤色光におけるフォーカス誤差信号のずれ量の大小関 係が、 青色光および赤色光の軸上色収差に対する観察光学系のオフセッ ト 修正量の大小関係に対して、 Zが負の領域では同一方向であるが Zが、 正 の領域では逆の関係となる。 このため、 このままではジャストピント位置 近傍において、 青色光に対するォートフォーカス調整特性と赤色光に対す るォートフォーカス調整特性とが大きく相違し、 ォートフォーカス制御が 不安定、 不正確となりやすいという問題がある。
ところが、 本実施形態のォートフォーカス光学系 2 0においてはリレー レンズ 2 2を矢印 A方向に若干移動させており、 この結果、 図 7に示すよ うに、 実線 E S 1 (B)および実線 E S 1 (R)で示すずれ量が図 4の線を右方 向にシフトしたように変化している。 このようにシフ トした図 7に示す特 性の場合には、 ジャス トピント位置 （Z = 0の位置） 近傍において、 青色 光および赤色光ともに線形性を有しており、 且つ、 青色光および赤色光に おけるフォーカス誤差信号のずれ量の大小関係と観察光学系のオフセット 修正量の大小関係とが同一となっている。 このため、 青色光に対しても赤 色光に対しても安定した且つ良好なォートフォーカス制御が行われる。 なお、 本実施形態においては、 ゥエッジミラー 2 3を用いて二分割した 像間距離からフォーカス誤差信号を求め、 オー トフォーカス制御を行う例 を示したが、 これに変えてナイフエッジ、 分割プリズム等を用いてフォー カス誤差信号を求める構成でも良いのは無論である。 実施例 1
次に、 上記実施形態に係る光学測定装置を用いて位置ずれ測定 （重ね合 わせ測定） を行う実施例について説明する。 この例では、 ウェハ Wの表面 に形成された位置検出パターンマーク Mに基づいて位置ずれ検出が行われ る力 位置検出パターンマーク Mの一例を図 8に示している。この例では、 ウェハ Wの表面に第 1パターン層 L 1が形成されており、 この第 1パター ン層 L 1の形成時に第 1マーク M lが形成され、 この第 1パターン層 L 1 の上に第 2パターン層 L 2の一部として第 2マーク M 2が形成された場合 を示している。 なお、 フォ トリソグラフィー工程においては、 ウェハ W上 に多数のレチクル （フォ トマスク） パターンが縮小投影されて転写形成さ れるが、 このとき各投影パターンに隣接して複数の位置検出パターンマー ク Mが形成され、 各転写パターン毎の位置ずれ検出を行うことができるよ うになっている。
上述した光学測定装置の構成から分かるように、 観察光学系 1 0におい て二次元光電変換素子 1 3により位置検出パターンマーク Mの像が撮影さ れ、 この撮影された像に基づいて第 1パターン層 L 1に対する第 2パター ン層 L 2の位置ずれが検出される。 このときに、 二次元光電変換素子 1 3 に位置検出パターンマーク Mの像を適切にフォーカス調整された状態で結 像させるために、 ォートフオーカス光学系 2 0を用いてウェハステージ 3 3を駆動させ、 ウェハ Wを Z軸方向に移動させてォートフォーカス制御が 行われる。
伹し、 図 8の位置検出パターンマーク Mのように、 第 1マーク M lと第 2マーク M 2との高さ （段差） が相違すると、 オートフォーカス制御によ り調整されるジャス トピント位置は、 両マーク M l , M 2のいずれかに偏 つて設定されることが多い。 しかしながら、 位置ずれ測定には両マーク M 1 , M 2の両方を良好に撮影することが要求され、 両方のマーク M l , M 2に対して等しいコントラストが得られるようなピント位置とする調整 (フォーカス調整） が行われる。
このフォーカス調整はジャス トピント位置 （A F = 0の位置） からピン ト位置を前側もしくは後側に移動させる調整であるが、 本例のォートフォ 一カス光学系 2 0ではリ レーレンズ 2 2を矢印 A方向に移動させて、 図 5 〜図 7に示す特性を設定しているため、 ジャス トピント位置 （A F = 0の 位置） の近傍でのピント位置調整 （少なくとも A F =— 1〜A F = + 1の 範囲内での調整） に対してォートフォーカス検出信号のずれ量 Δ E Sは良 好な線形性を有しており、 このフォーカス調整を安定して且つ正確に行う ことができる。
特に、 ウェハ Wの表面に形成されるパターン層は層の厚さ （膜厚） が相 違しており、 膜厚に応じて各マーク M l， M 2からの分光特性が相違する ことがある。 すなわち、 第 1マーク M 1からの反射光の波長 （色） と第 2 マーク M 2からの反射光の波長 （色） とが相違することがあるが、 本例で は図 7のように設定しており、 このように各マークの反射光の波長が相違 するような場合でも安定したフォーカス調整が可能である。 実施例 2
第 2の実施形態 （変形例） を次に説明する。 図 9は、 上述した実施形態 の変形例を示すもので、 図 1からリ レーレンズ 2 2を除いた装置のフロー チヤ一トを示す。 その他の構成は図 1と同様であるのでここでは説明を省 略し、 異なる構成について詳細に説明する。
この変形例では、 ウェハステージ 3 3を Z軸方向の予め決められたデフ オーカス位置に駆動させ （すなわち、 リンギング現象の出ないデフォー力 ス位置に駆動させ、線形性の良い位置で駆動制御を完了させておき）、その 後、 ウェハステージ 3 3を上記所定のデフォーカス分だけ戻す駆動制御を する。
具体的には、 図 9のステップ S 1において、 リンギング現象の出ないデ フォーカス位置 (例えば、 オフセッ ト量 A F = 3の位置） を、 フォーカス 位置検出装置 3 1の目標位置に設定する。 その目標位置、 すなわち所定の デフォーカス位置 ( A F = 3 ) が検出されるまで、 フォーカスァクチユエ ータ駆動装置 3 2にフォーカス誤差信号を出力する。
ステップ S 2において、 フォーカス位置検出装置 3 1が、 所定のデフォ 一カス量を検出すると、 フォーカスァクチユエータ駆動装置 3 2への信号 出力を中止し、 ウェハステージ 3 3の Z軸方向の駆動が停止される。
ステップ S 3において、 ウェハステージ 3 3の駆動の停止が確認される と、 フォーカスァクチユエータ駆動装置 3 2は、 フォーカス位置検出装置 3 1からのフォーカス誤差信号の受付を強制的に禁止する。 フォーカスァ クチユエータ駆動装置 3 2は、 ステップ S 1で設定された所定のデフォー カス量に相当する駆動量をステップ S 2での駆動方向と逆方向に駆動する。 ステップ S 4において、 フォーカスァクチユエータ駆動装置 3 2が、 所 定のデフォーカス量相当分の反転駆動が終了したか判断する。
ステップ S 5において、 ステップ S 4の反転駆動が終了すると、 図 1の 光学測定装置 （例えば、 半導体製造装置） は、 次の検査工程のシーケンス に入る。
次に、 本発明に係る光学測定評価方法を説明するが、 まず、 この評価方 法が行われる対象となる光学測定装置の構成について、 図 1 0を参照して 説明する。
この光学測定装置は、 光源 1 0 1と、 拡散板 1 0 2と、 コンデンサレン ズ 1 0 3と、 A F用スリ ッ ト板 1 0 4と、 投影レンズ 1 0 5と、 第 1ハー フミラー 1 0 6とからなる照明光学系を備える。 この照明光学系において は、 光源 1 0 1から出射された照明光が拡散板 1 0 2により均一化されて コンデンサレンズ 1 0 3により集光され、 A F用スリ ッ ト板 1 0 4により オートフォーカス用のスリツト状の光束が形成され、 投影レンズ 1 0 5に より適当な照明倍率が与えられて第 1ハーフミラー 1 0 6に至る。
第 1ハーフミラー 1 0 6において反射されて垂直下方に照射されるスリ ット状照明光は、 第 1対物レンズ 1 0 7を通ってウェハ把持装置 1 3 3に より把持されたウェハ Wの表面の位置検出パターンマーク Mを照明する。 このようにして位置検出パターンマーク Mを照明してウェハ Wの表面から 反射された光は、 第 1対物レンズ 1 0 7を通るとともに第 1ハーフミラー 1 0 6を通って第 2ハーフミラー 1 0 8に至る。 そして、 第 2ハーフミラ 一 1 0 8を透過した光は観察光学系 1 1 0に入射し、 第 2ハーフミラー 1 0 8において反射された光はォートフォーカス光学系 1 2 0に入射する。 観察光学系 1 1 0は第 2対物レンズ 1 1 1、 観察用結像レンズ 1 1 2お よび二次元光電変換素子 1 1 3を有し、 第 2ハーフミラー 1 0 8を透過し た光は第 2対物レンズ 1 1 1および観察用結像レンズ 1 1 2を通って二次 元光電変換素子 1 1 3に至り、 二次元光電変換素子 1 1 3により位置検出 パターンマーク Mの像が撮影される。 そして、 このようにして二次元光電 変換素子 1 1 3により撮影された像に基づいて、位置ずれ測定が行われる。 一方、 ォー トフォーカス光学系 1 2 0は、 リ レーレンズ 1 2 1、 全反射 ミラー 1 2 2、 ナイフエッジ 1 2 3 (これに変えて分割プリズムを用いる こともできる）、 フォーカス用結像レンズ 1 2 4、 シリ ンドリカルレンズ 1 2 5および A F用光電変換素子 1 2 6を備えて構成される。 上述のように 第 2ハーフミラー 1 0 8において反射されてォートフォーカス光学系 1 2 0に入射した光は、 リレーレンズ 1 2 1を通って全反射ミラー 1 2 2によ り全反射され、 ほぼ瞳位置に位置するナイフエッジ 1 2 3に至り、 続いて フォーカス用結像レンズ 1 2 4およびシリ ンドリカルレンズ 1 2 5を通つ て A F用光電変換素子 1 2 6に照射される。 この結果、 シリンドリカルレ ンズ 1 2 5の作用等により、 A F用光電変換素子 1 2 6において、 ォート フォーカス計測方向にウェハと略共役で且つ非計測方向に瞳共役な像が撮 影される。
このようにして A F用光電変換素子 1 2 6により撮影されて得られた画 像情報 （信号） は、 フォーカス位置検出装置 1 3 1に送られ、 ここで最適 なフォーカス位置が求められる。 最適なフォーカス位置を求めるため、 お よび求められた最適フォーカス位置を設定するために、 フォーカス位置検 出装置 1 3 1からフォーカスァクチユエータ駆動装置 1 3 2に駆動制御信 号が送られ、 フォーカスァクチユエータ駆動装置 1 3 2はこの駆動制御信 号を受けてウェハ把持装置 1 3 3を駆動させる。
このような図 1 0に示すように構成された光学測定装置において、 A F 用光電変換素子 1 2 6により撮影されて得られた画像情報に基づいて、 フ オーカス位置検出装置 1 3 1により行われる制御内容 （光学測定評価方法 および光学測定条件設定方法） を、 図 1 1を参照して説明する。
この光学測定は、 まずウェハ把持装置 1 3 3により把持されてステージ 上に載置されたウェハ Wのグローバルァライメント （ウェハ Wの回転位置 の検出および補正） が行われる （ステップ S 1 1 )。 次に、 位置ずれ測定対 象となる位置検出パターンマーク Mを第 1対物レンズ 1 0 7からの光が照 射するように、 ウェハ把持装置 1 3 3を駆動させてウェハ Wの位置を移動 させる制御が行われる （ステップ S 1 2 )。
位置検出パターンマーク Mは、 例えば、 前述の図 8に示したものと同一 の構成を有する。
上述した光学測定装置の構成から分かるように、 観察光学系 1 1 0にお いて二次元光電変換素子 1 1 3により位置検出パターンマ ク Mの像が撮 影され、 この撮影された像に基づいて第 1パターン層 L 1に対する第 2パ ターン層 L 2の位置ずれが検出される。 このときに、 二次元光電変換素子 1 1 3に位置検出パターンマーク Mの像を適切にフォーカス調整された状 態で結像させるために、 ォートフォーカス光学系 1 2 0を用いて以下のよ うな制御が行われる。
この制御ではまず、ステップ S 1 3において A Fオフセッ ト値（初期値） が設定される。 オートフォーカス調整はウェハ把持装置 1 3 3によりゥェ ハ Wを光軸方向 （ウェハ Wの表面に垂直な方向であり、 この方向を Z方向 と称する ) に移動させて行われるが、 ステップ S 1 3ではォートフオーカ ス位置から予め所定量だけオフセッ トした位置に設定される。
そして、 このようにオフセットした状態で二次元光電変換素子 1 1 3に より撮影された位置検出パターンマーク Mの像から第 1マーク M 1および 第 2マーク M 2についての評価値計算を行う （ステップ S 1 4 )。 このステ ップ S 1 4における評価値計算を以下に詳しく説明する。
まず、 二次元光電変換素子 1 1 2により撮影された位置検出パターンマ ーク Mの像から第 1マーク M 1の像領域と第 2マーク M 2の像領域とを分 離する。 なお、 この領域分離は、 パターンの設計値に基づいて行っても良 く、 また、 ティーチングによって行っても良い。 そして、 第 1および第 2 マーク M l， M 2のそれぞれについて、 横方向 （図 8の X方向） およぴ縦 方向 （図 8の Y方向） における折り返し相関関数を計算する。 なお、 本例 では自己折り返しパターンに基づいて相関関数を計算する手法を採用して いるが、 テンプレートパターンを用いて相関関数を算出しても良い。 実際 の測定演算では、 第 1および第 2マーク M 1 , M 2のそれぞれの X方向お よび Y方向におけるピーク値 V の位置だけを求めるのではなく、 この信 号ピーク値 V ρの位置から両側に 2ピクセルずつ離れた位置の相関値 V (p+2)および V(p-2)に基づいて、 下記式 （ 1 ) によりピークの鋭さを示す 評価値 Eを算出する。
E = V p - { V(p+2)+ V(p-2)} / 2 ■ · ■ (1)
相関値のピーク V pのみを評価値 Eとするのではなく、 両隣の相関値 V (p+2)および V(p-2)を用いて式 （1) から評価値 Eを計算するのは、 相関 値が若干小さくても隣接する相関値との差が大きいとき （ピークが鋭いと き） には測定値が安定すると考えられるからであり、 相関値の大きさと隣 接する相関値との差の両者を鑑みて測定値が最も安定する評価値 E (ピー クの鋭さを示す評価値） を算出するようにしている。 なお、 この例では異 なる画像からの評価値を比較するため、 評価値算出の際には正規化を行つ ていない。
式（1)に基づく評価値 Eは、上述のように第 1および第 2マーク Ml , M 2のそれぞれの X方向および Y方向における評価値が算出され、 これら 評価値を、 E(X1), E(Y1), E(X2), E(Y2)とする。 なお、 E(X1)が第 1 マーク M 1の X方向の評価値であり、 E(Y1)が第 1マーク M 1の Y方向の 評価値であり、 E(X2)が第 2マーク M 2の X方向の評価値であり、 E(Y2) が第 2マーク M 2の Y方向の評価値である。
次に、 これら四つの評価値 E (XI), E(Y1), E(X2), E(Y2)のそれぞれ の逆数の和から総合指標 TEを算出する （ステップ S 1 5)。 各評価値 E (XI), E(Y1), E(X2), E(Y2)は望大特性であるため、 総合指標 TEは望 小特性となる。 これにより、 上記四つの評価値を用いて相対的に測定精度 を制限している層に比重が置かれるような総合指標 TEが算出される。 そ して、 ステップ S 16からステップ S 1 7に進み、 A Fオフセット値のィ ンクリメント値を加算し、 ステップ S 1 3において A Fオフセット値をこ のインクリメント値だけ変更した値となるようにウェハ Wの Z方向位置を 修正する （インクリメント値に対応した Z方向の移動を行わせるようにゥ ェハ把持装置 1 3 3の駆動制御を行う）。
そして、 このように変更された AFオフセッ ト位置で、 ステップ S 4お よびステップ S 1 5の演算を行い、 各評価値 E(X1), E(Y1)， E(X2), E (Y2)および総合指標 T Eを求める。 以下、 同様にして、 インクリメント値 だけ変更しながら繰り返し演算を行って、 各インクリメント値の変化に対 応する AFオフセッ ト位置での各評価値 E(X1)， E(Y1), E(X2), E(Y2) およぴ総合指標 T Eを求める。
そして、 所定範囲内での AFオフセッ ト位置における演算が完了した時 点でステップ S 1 6からステップ S 1 8に進み、 最適 A F最適値を計算す る。 ここで、 横軸に AFオフセット値を示し、 上記のようにして求められ た各評価値 E (XI), E(Y1), E(X2), E(Y2)を縦軸に示すグラフを図 1 2 に示し、 縦軸に総合指標 TEを示すグラブを図 1 3に示している。 'なお、 演算された総合指標は図 1 3において破線 TE (a) で示している。
総合指標 T Eが最小となる A Fオフセット位置が最適フォーカス位置で あるが、 演算総合指標 TE (a) は図示のように変動が大きいため、 その 近似値を所定多項式演算により求めており、 その近似値指標を実線 TE (b) で示している。 このこの近似値指標 TE (b) の最小値となる A F オフセッ ト値 =0. 2の位置が今回の最適フォーカス位置となる。
このようにして最適フォーカス位置となる A Fオフセッ ト値 = 0. 2が 求められると、 ステップ S 1 9に進み、 ウェハ把持装置 1 33を駆動して この A Fオフセッ ト位置となるような設定制御を行う。 その後、 二次元光 電変換素子 1 1 3により撮影された位置検出パターンマーク Mの像から位 置ずれ検出が行われる （ステップ S 20)。
なお、上記のようにして求められた総合指標 TE (a)もしくは TE (b) に対して測定再現性を、 図 1 3において実線 TE ( c ) で示しているが、 総合指標 TE (a ) および TE (b) と測定再現性 TE (c) とが良い相 関関係を持っていることが分かる。

Claims

青 ま の 範 囲 . 観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反 射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備え、 前記観察対象 からの反射光を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うォート フォーカス装置であって、
前記観察光学系の瞳を分割し、 前記瞳の一方の領域を通過する前記観 察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検 出する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された像に基づいてフォーカス誤差信号を算 出するフォーカス位置検出手段と、
前記フォーカス位置検出手段により算出されたフォーカス誤差信号に 基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカスァ クチユエータとを備え、
前記撮像手段により撮像される像の結像位置を所定分だけずらせる補 正光学系を有することを特徴とするォートフォーカス装置。 . 前記補正光学系は、 前記反射光の波長毎における前記フォーカス誤差 信号のずれ量の大小関係が前記反射光の波長毎の軸上色収差に対する 前記観察光学系におけるオフセッ ト修正量の大小関係と同一方向とな るように前記結像位置をずらせるように構成されていることを特徴と する請求項 1に記載のォートフォーカス装置。 . 前記フォーカス位置検出手段は前記二つの像の像間距離から前記フォ 一カス誤差信号を算出するように構成されており、 前記補正光学系は前 記二つの像に発生するリンギング現象により前記フォーカス誤差信号 に生じる非線形部分を避けるように結像位置をずらせることを特徴と する請求項 1に記載のォートフォーカス装置。 . 観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反 射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備え、 前記観察対象 からの反射光を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うオート フォーカス装置であって、
前記観察光学系の瞳を分割し、 前記瞳の一方の領域を通過する前記観 察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検 出する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された像に基づいてフォーカス誤差信号を算 出するフォーカス位置検出手段と、
前記フォーカス位置検出手段により算出されたフォーカス誤差信号に 基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカスァ クチユエ一タとを備え、
所定の前記フォーカス誤差信号を設定し、 前記フォーカス位置検出手 段が前記所定のフォーカス誤差信号を検出するまで前記フォーカスァ クチユエータを制御し、 その後、 前記所定のフォーカス誤差信号に相当 する量、 前記フォーカスァクチユエータを反転制御する制御手段とを備 えたことを特徴とするオートフォーカス装置。 . 積層形成された二つ以上の層上にそれぞれ形成されたパターンのフォ 一カス位置の光学測定を行う場合の測定評価を行う方法であって、 積層形成された状態の二つ以上の前記パターンを光学的に撮影して画 像を取得する第 1のステップと、
前記画像から前記層のそれぞれにおける前記パターンを含む領域を切 り出す第 2のステップと、
切り出された前記領域毎について比較パターンとの相関関数を計算す る第 3のステップと、
前記領域毎について前記相関関数のピークの銳さを示す評価値を算出 する第 4のステップと、
前記領域毎について算出された前記評価値を用いて相対的に測定精度 を制限している層に比重が置かれるような総合指標を算出する第 5の ステップと、
前記総合指標から最適な前記フォーカス位置を評価する第 6のステツ プとから構成されることを特徴とする光学測定評価方法。
6 . 前記第 3のステップにおいて、 自己折り返しパターンを比較パターン として前記相関関数を計算することを特徴とする請求項 5に記載の光 学測定評価方法。
7 . 前記第 3のステップにおいて、 テンプレートパターンを比較パターン として前記相関関数を計算することを特徴とする請求項 5に記載の光 学測定評価方法。 8 . 前記第 4のステップにおいて、 前記相関関数のピーク値と、 前記ピー ク値を示す位置の両隣の相関関数値とを用いて前記相関関数の銳さを 示す評価値を算出することを特徴とする請求項 5に記載の光学測定評 価方法。 9 . 前記相関関数のピーク値 V pと、 前記ピーク値を示す位置の両隣の相 関関数値 V p (a), V p (b)とに基づいて、 式 E = V p - { V (a) + V (b) } / 2
により前記相関関数の鋭さを示す評価値 Eを算出することを特徴とす る請求項 8に記載の光学測定評価方法。 1 0 . 前記第 3のステップにおいて、 前記領域毎について算出された前記 評価値の逆数の和を前記総合指標として算出することを特徴とする請 求項 5に記載の光学測定評価方法。
1 1 . 前記第 1のステップにおいて前記パターンを光学的に撮影して画像 を取得するときの前記パターンの光軸方向のオフセッ ト位置を変化さ せながら、 前記第 1から前記第 5のステップを行って前記総合指標の変 化特性を求め、 このように求めた前記変化特性から前記第 6のステップ にて前記最適なフォーカス位置となる前記オフセット位置を求めるこ とを特徴とする請求項 5に記載の光学測定評価方法。
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