JP2014228670A - 焦点位置調整方法および検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成でありながら、高い検出感度と広い検出範囲で焦点位置を検出して調整することのできる焦点位置調整方法を提供する。【解決手段】光源１から試料１１を照明する光を出射して、照明光学系の瞳と共役な位置に設けられた開口絞り３に入射させ、次いで、マスク６、マスク７の順に入射させてから、マスク６のパターン像を試料１１のパターン面よりも前側に結像するとともに、マスク７のパターン像を試料１１のパターン面よりも後側に結像する。開口絞り３の開口部を第１の径としたときのセンサ１３に結像されたマスク６のパターン像のコントラストとマスク７のパターン像のコントラストとの差分値と、開口絞り３の開口部を第２の径としたときのセンサ１３に結像されたマスク６のパターン像のコントラストとマスク７のパターン像のコントラストとの差分値とに基づいて、焦点位置の調整を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、焦点位置調整方法および検査方法に関する。

大規模集積回路（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Iｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ＬＳＩ）の高集積化および大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路寸法は微細化の一途を辿っている。

半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（マスクまたはレチクルを指す。以下では、マスクと総称する。）を用い、いわゆるステッパまたはスキャナと呼ばれる縮小投影露光装置でウェハ上にパターンを露光転写して回路形成することにより製造される。

多大な製造コストのかかるＬＳＩの製造にとって、歩留まりの向上は欠かせない。一方、最先端のデバイスでは、十数ｎｍの線幅のパターン形成が要求される状況となってきている。ここで、歩留まりを低下させる大きな要因として、マスクパターンの欠陥が挙げられる。半導体ウェハ上に形成されるＬＳＩパターン寸法の微細化に伴い、マスクパターンの欠陥も微細化している。また、マスクの寸法精度を高めることで、プロセス諸条件の変動を吸収しようとしてきたこともあり、マスク検査においては、極めて小さなパターンの欠陥を検出することが必要になっている。こうしたことから、マスクのパターンを検査する装置に対して高い検査精度が要求されている。

検査装置では、光源から出射された光が光学系を介してマスクに照射される。マスクはステージ上に載置されており、ステージが移動することによって、照射された光がマスク上を走査する。マスクで反射した光は、レンズを介してセンサに結像する。そして、センサで撮像された光学画像を基に、マスクの欠陥検査が行われる。

検査工程においては、マスクに照射される光の焦点位置を正確に検出して焦点合わせをすることが重要となる。焦点位置検出方法としては、特許文献１や特許文献２などに開示されたパターン投影方式によるものがある。この方法では、まず、照明光学系によって、焦点位置検出用のパターンがマスクに投影される。このとき、パターンは、画像検出光学系の合焦面に結像されるよう投影される。また、２つのセンサが、焦点位置検出用パターンの結像面を挟み、光軸に沿って前後にずれた位置に合焦面が来るように配置される。すなわち、これらのセンサは、画像検出光学系の合焦面に対し、前側にマスク面がずれたとき（前ピン）、または、後側にマスク面がずれたとき（後ピン）に、焦点位置検出用のパターンのコントラスト値が最大となるような位置に配置される。そして、２つのセンサのそれぞれで検出されたパターンのコントラスト値の大小関係によって、マスクの合焦位置からのずれ量とずれの方向が検出されるようになっている。マスクは、検出された結果に基づいて、画像検出光学系の合焦面に位置するよう高さ調整される。その後、画像検出光学系で検出されたマスクの光学画像は、欠陥判定の基準となる画像と比較され、マスク上に形成されているパターンの良否が判定される。

特許文献１や特許文献２の構成によれば、マスクに検査用の光を照明する照明光学系と、マスクの光学画像を撮像する画像検出光学系に加えて、上記の２つのセンサを備えた、焦点位置を検出するための焦点検出光学系が必要になる。このため、検査装置が大型化しコストも高くなるという問題がある。

昭６２−３１８１５号公報 特開平５−２１５５１１号公報

上記の問題に対しては、照明光学系の前ピンと後ピンに相当する位置に焦点検出用のパターンをそれぞれ配してマスク面に投影した後、画像検出光学系に結像し、投影されたパターンのコントラスト値を読み取って焦点位置を検出する方法が考えられる。この方法によれば、焦点検出光学系を設ける必要がなくなる。しかしながら、焦点位置を検出する感度と範囲を両立することが難しくなる。検出感度の向上のためには、投影パターンとして細いパターンを用い、合焦点からのずれが小さい場合でもコントラスト値の変化量が大きくなるようにするのがよいが、検出範囲を拡げるには、太いパターンを投影パターンとし、合焦位置から大きくずれた場合でもコントラスト値の変化が把握できるようにするのがよいからである。

近年、検査の高速化の要求に応えるため、焦点位置を高精度且つ広範囲に検出することが必要となっている。そこで、上記の構成において、検出感度を優先したパターンと、検出範囲を優先したパターンとをそれぞれ用意し、検出感度を優先したい場合には前者のパターンを使用し、検出範囲を優先したい場合には後者のパターンに切り替えて使用することが考えられる。この方法によれば、検出感度と検出範囲の両立が可能になる。しかしながら、上記の通り、２種類のパターンが必要となるうえ、これらのパターンを切り替えるための切替機構も必要になるという問題がある。

本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、簡単な構成でありながら、高い検出感度と広い検出範囲で焦点位置を検出して調整することのできる焦点位置調整方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、簡単な構成でありながら、高い検出感度と広い検出範囲での焦点位置検出を可能とし、それによって高い精度で検査を行うことのできる検査方法を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、光源の光を対物レンズを介して試料に照明する照明光学系と、前記試料で反射した光または前記試料を透過した光を前記対物レンズを介してセンサに結像する結像光学系とを有し、前記センサに結像した像を用いて、前記試料に形成されたパターンの欠陥検査を行う検査装置における焦点位置調整方法であって、
前記光源から前記試料を照明する光を出射して、前記照明光学系の瞳と共役な位置に設けられた開口絞りに入射させ、次いで、遮光パターンが設けられた第１の遮光部に入射させてから、前記遮光パターンと同一のパターンであって、前記遮光パターンとは光軸に垂直な平面上で重ならない位置に設けられたパターンを有し、前記光軸の方向に前記第１の遮光部とずれて配置された第２の遮光部に入射させて、前記第１の遮光部の像を前記試料のパターン面よりも前側に結像するとともに、前記第２の遮光部の像を前記試料のパターン面よりも後側に結像する工程と、
前記試料に投影された前記第１の遮光部の像を、前記対物レンズを介して、前記センサの前記試料のパターンの像を結像する第１の受光面と同一面上に設けられた第２の受光面に結像する工程と、
前記試料に投影された前記第２の遮光部の像を、前記対物レンズを介して、前記センサの前記試料のパターンの像を結像する第１の受光面と同一面上に設けられた第３の受光面に結像する工程と、
前記第２の受光面に結像された像のコントラストと、前記第３の受光面に結像された像のコントラストとに基づいて、焦点位置を検出する工程と、
前記開口絞りの開口部を第１の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値と、前記開口絞りの開口部を前記第１の径より大きい第２の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値とに基づいて、前記焦点位置の調整を行う工程とを有することを特徴とするものである。

本発明の第１の態様において、前記焦点位置の調整を行う工程は、前記開口絞りの開口部を前記第１の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値を用いて、前記焦点位置を合焦位置の近傍まで近付ける工程と、
前記開口絞りの開口部を前記第２の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値とに基づいて、前記合焦位置の近傍まで近付けられた前記焦点位置の微調整を行う工程とを有することが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記開口絞りは、前記対物レンズの瞳と共役な位置に設けられることが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記開口絞りは、開口部の径を可変可能な構成であり、
前記焦点位置の調整を行う工程では、前記開口部の径を変えて、前記第１の径および前記第２の径にすることが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記焦点位置の調整を行う工程では、前記第１の径の開口部を有する開口絞りと、前記第２の径の開口部を有する開口絞りとの２種類の開口絞りを用いることが好ましい。

本発明の第２の態様は、光源の光を対物レンズを介して試料に照明する照明光学系と、前記試料で反射した光または前記試料を透過した光を前記対物レンズを介してセンサに結像する結像光学系とを有し、前記センサに結像した像を用いて、前記試料に形成されたパターンの欠陥検査を行う検査方法であって、
前記光源から前記試料を照明する光を出射して、前記照明光学系の瞳と共役な位置に設けられた開口絞りに入射させ、次いで、遮光パターンが設けられた第１の遮光部に入射させてから、前記遮光パターンと同一のパターンであって、前記遮光パターンとは光軸に垂直な平面上で重ならない位置に設けられたパターンを有し、前記光軸の方向に前記第１の遮光部とずれて配置された第２の遮光部に入射させて、前記第１の遮光部の像を前記試料のパターン面よりも前側に結像するとともに、前記第２の遮光部の像を前記試料のパターン面よりも後側に結像する工程と、
前記試料に投影された前記第１の遮光部の像を、前記対物レンズを介して、前記センサの前記試料のパターンの像を結像する第１の受光面と同一面上に設けられた第２の受光面に結像する工程と、
前記試料に投影された前記第２の遮光部の像を、前記対物レンズを介して、前記センサの前記試料のパターンの像を結像する第１の受光面と同一面上に設けられた第３の受光面に結像する工程と、
前記第２の受光面に結像された像のコントラストと、前記第３の受光面に結像された像のコントラストとに基づいて、焦点位置を検出する工程と、
前記開口絞りの開口部を第１の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値と、前記開口絞りの開口部を前記第１の径より大きい第２の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値とに基づいて、前記焦点位置の調整を行う工程と、
前記焦点位置の調整を終えた後、前記開口絞りが除かれた前記照明光学系と、前記結像光学系とによって、前記試料のパターンの像を前記第１の受光面に結像する工程と、
前記第１の受光面に結像した像を用いて前記試料に形成されたパターンの欠陥検査を行う工程とを有することを特徴とするものである。

本発明の第２の態様において、前記焦点位置の調整を行う工程は、前記開口絞りの開口部を前記第１の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値を用いて、前記焦点位置を合焦位置の近傍まで近付ける工程と、
前記開口絞りの開口部を前記第２の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値とに基づいて、前記合焦位置の近傍まで近付けられた前記焦点位置の微調整を行う工程とを有することが好ましい。

本発明の第２の態様において、前記開口絞りは、前記対物レンズの瞳と共役な位置に設けられることが好ましい。

本発明の第２の態様において、前記開口絞りは、開口部の径を可変可能な構成であり、
前記焦点位置の調整を行う工程では、前記開口部の径を変えて、前記第１の径および前記第２の径にすることが好ましい。

本発明の第２の態様において、前記焦点位置の調整を行う工程では、前記第１の径の開口部を有する開口絞りと、前記第２の径の開口部を有する開口絞りとの２種類の開口絞りを用いることが好ましい。

本発明の焦点位置調整方法によれば、簡単な構成でありながら、高い検出感度と広い検出範囲で焦点位置を検出して調整することができる。

本発明の検査方法によれば、簡単な構成でありながら、高い検出感度と広い検出範囲での焦点位置検出が可能となるので、高い精度で検査を行うことができる。

実施の形態１において、焦点位置の調整に使用される光学系の模式図の一例である。 実施の形態１において、結像位置の関係を示す図である。 実施の形態１において、マスク６のパターンについてのセンサの検出信号を示す図である。 実施の形態１において、マスク７のパターンについてのセンサの検出信号を示す図である。 実施の形態１において、センサで検出される、マスク６のパターン像のコントラストと、マスク７のパターン像のコントラストとの差分を示す図である。 実施の形態１において、センサにおけるマスク６のパターンの出力波形の一例である。 実施の形態１において、センサにおけるマスク６のパターンの出力波形の他の例である。 実施の形態２における検査装置の概略構成図である。 実施の形態２において、試料に形成されたパターンの光学画像の取得手順を説明する図である。

実施の形態１．
図１〜図７を用いて、本実施の形態による焦点位置調整方法を説明する。

図１は、焦点位置の調整に使用される光学系の模式図の一例である。この光学系は、検査対象となるパターンが形成された試料１１を照明する照明光学系ａと、照明された試料１１のパターンの像をセンサ１３の受光面に結像する結像光学系ｂとを有する。

照明光学系ａは、光源１と、レンズ２，４，５，８と、開口絞り３と、焦点位置検出用の投影パターンが形成されたマスク６（第１の遮光部）およびマスク７（第２の遮光部）と、ハーフミラー９と、対物レンズ１０とを有する。一方、結像光学系ｂは、ハーフミラー９と、対物レンズ１０と、レンズ１２と、センサ１３とを有する。ハーフミラー９と対物レンズ１０は、照明光学系ａと結像光学系ｂに対して共通の光学要素となる。つまり、照明光の光路と、試料１１で反射した反射光の光路とは、試料１１からハーフミラー９までで共通している。

試料１１は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動可能なステージ１４の上に載置されている。試料１１としては、例えば、微細な回路パターンをウェハやガラス基板などに転写する際に使用されるマスクが挙げられるが、これに限られるものではなく、マスク上のパターンが転写されたウェハやガラス基板などとすることもできる。

光源１は、レーザ光源、例えば、１９０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の波長のＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を出射する光源とすることができる。光源１から出射された光は、光軸１５に沿って伝播していく。そして、この光は、レンズ２に入射する。レンズ２は、入射した光を屈折して開口絞り３へ導く。開口絞り３は、光束の太さ、すなわち、開口数（ＮＡ）を調整する。開口絞り３は、照明光学系ａの瞳、例えば、対物レンズ１０の瞳と共役な位置に設けられる。開口絞り３を透過した光は、レンズ４に入射して集光された後、レンズ５によって平行光となり、マスク６を均一に照明する。マスク６を透過した光は、続いて、光軸１５に沿ってマスク６から離間して配置されたマスク７に入射する。

マスク６は、例えば、クロム膜を用いたライン・アンド・スペースパターンが、透明なガラス基板上に形成された構成とすることができる。このとき、ライン・アンド・スペースパターンは１種類でよい。つまり、検出感度を上げるための細いライン・アンド・スペースパターンと、検出範囲を拡げるための太いライン・アンド・スペースパターンとを設ける必要はなく、１種類のライン・アンド・スペースパターン、例えば、１μｍＬ／Ｓのパターンのみでよい。また、ライン・アンド・スペースパターンに代えて他の投影パターンを設ける場合にも、同様に１種類でよい。

マスク６において、ラインパターンの部分は遮光パターンとなる。したがって、マスク６に入射した光の一部はこの遮光パターンによって遮光され、遮光パターンがない領域を透過した光が、マスク７を均一に照明する。

マスク７も、マスク６と同様の構成を有している。すなわち、上記例であれば、透明なガラス基板上に、マスク６と同様のライン・アンド・スペースパターンが形成されており、ラインパターンの部分が遮光パターンとなる。

ここで、光軸１５に垂直な平面をＸＹ平面とすると、ＸＹ平面において、マスク７のパターンは、マスク６のパターンとは異なる位置に配置されている。例えば、マスク６とマスク７の中心をＸＹ平面上の原点（０，０）とする。そして、マスク６の原点（０，０）とマスク７の原点（０，０）が、いずれも光軸１５に一致するように配置されているとする。この場合、光源１の側から見て、例えば、マスク６のパターンは、第１象限（Ｘ＞０、Ｙ＞０）と第４象限（Ｘ＞０、Ｙ＜０）に配置され、マスク７のパターンは、第２象限（Ｘ＜０、Ｙ＞０）と第３象限（Ｘ＜０、Ｙ＜０）に配置される。つまり、ＸＹ平面において、マスク６の遮光パターンは、マスク７の遮光パターンと重なっていない。尚、マスク７のパターンとマスク６のパターンとの配置関係はこれに限られるものではなく、両パターン、特に、マスク７の遮光パターンとマスク６の遮光パターンとがＸＹ平面上で重ならなければ他の態様であってもよい。

マスク７を透過した光は、レンズ８に入射する。レンズ８は、入射した光を屈折して集光する。レンズ８は結像レンズであり、光源１の像を結像する。すなわち、レンズ８は、対物レンズ１０の瞳の位置に、光源１の像を結像する。

レンズ８で屈折された光は、ハーフミラー９に入射する。ハーフミラー９は、例えば、光軸１５に対して４５度傾いて配置されている。ハーフミラー９は、入射した光の約半分を反射して、残りの半分を透過する。したがって、レンズ８からハーフミラー９に入射した光の一部は、試料１１の方向に反射される。つまり、光軸１５は、ハーフミラー９によって９０度曲げられることになる。

ハーフミラー９で反射された照明光は、対物レンズ１０に入射する。対物レンズ１０は、鏡筒内に複数のレンズが配置された構造とすることができる。対物レンズ１０の瞳は、光源１の像を結像する。対物レンズ１０は、入射した光を屈折した後、試料１１を照明する。上記したように、照明光は、マスク６，７を透過している。したがって、マスク６，７のパターンが試料１１に投影されている。このとき、マスク６のパターンと、マスク７のパターンとは、試料１１上で異なる位置に投影される。すなわち、マスク６のパターンと、マスク７のパターンとは、試料１１上で重なっていない。

試料１１で反射された光は、ハーフミラー９までは照明光と共通の光路を伝播していく。すなわち、反射光は、対物レンズ１０で屈折されてハーフミラー９に入射する。対物レンズ１０で屈折された光は、略平行な光束となる。そして、この光の一部は、ハーフミラー９を透過してレンズ１２に入射する。

レンズ１２は、結像レンズであり、試料１１の像をセンサ１３の受光面に結像する。合焦位置の場合、試料１１のパターン面は、センサ１３の受光面と共役な結像関係になっている。

センサ１３としては、例えば、撮像素子であるＣＣＤカメラを一列に並べたラインセンサが挙げられる。ラインセンサには、例えば、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサを用いることができる。この場合、センサ１３の受光画素は、例えば、Ｘ方向またはＹ方向に沿って配列されている。そして、ライン状の受光画素が投影パターンの像を横切るように配置されている。受光画素列では、マスク６，７の投影パターンに応じた明暗が繰り返される。例えば、ラインパターンと、ライン間のスペースに対応するパターンとの境界において、ラインパターンの側は暗部の受光画素に対応し、スペースに対応するパターンの側は明部の受光画素に対応する。したがって、センサ１３で検出される像には、ライン・アンド・スペースパターンに応じたコントラストがある。暗部の受光画素では、受光量が低くなり、明部の受光画素では、受光量が高くなる。

図１に示すように、マスク６とマスク７は、光軸１５の方向にずれて配置されている。このため、マスク６のパターンの結像位置と、マスク７のパターンの結像位置とは異なっている。すなわち、対物レンズ１０によるマスク６のパターンの結像位置は、試料１１のパターン面の前側になる。ここで、「前側」とは、光源１からセンサ１３に向かって伝播する光路の光源１の側を言う。一方、対物レンズ１０によるマスク７の結像位置は、試料１１のパターン面の後側になる。「後側」は、光源１からセンサ１３に向かって伝播する光路のセンサ１３側である。つまり、マスク６のパターンの結像点は、試料１１のパターン面よりも光源１の側にあり、マスク７のパターンの結像点は、試料１１のパターン面よりもセンサ１３の側にある。

試料１１のパターン面が合焦位置から前側（光源１の側）にずれ、マスク６のパターンが試料１１のパターン面に結像すると、センサ１３で検出されるマスク６のパターンのコントラストは最大となる。一方、試料１１のパターン面が合焦位置から後側（センサ１３の側）にずれ、マスク７のパターンが試料１１のパターン面に結像すると、センサ１３で検出されるマスク７のコントラストが最大となる。

マスク６とマスク７の間の面における像が試料１１のパターン面で結像するとき、試料１１のパターン面は合焦位置にある。すなわち、合焦位置において、試料１１のパターン面は、マスク６とマスク７の間の面と共役な結像関係になっている。このとき、マスク６のパターンの結像位置と、マスク７のパターンの結像位置とは、試料１１のパターン面から所定距離離れている。そして、これらの結像位置の間に試料１１のパターン面がある。したがって、試料１１上で、マスク６の投影パターンとマスク７の投影パターンは、いずれもぼやけた状態となる。

図２は、結像位置の関係を示す図である。この図において、Ｚ軸は、光軸に一致する。マスク６のパターンの結像位置は、試料１１のパターン面からずれている。図２において、Ｆ１は、マスク６のパターンの結像位置（合焦位置）である。同様に、マスク７のパターンの結像位置も、試料１１のパターン面からずれている。図２において、Ｆ２は、マスク７のパターンの結像位置（合焦位置）である。そして、試料１１のパターンの結像位置（合焦位置）は、図２のＦ０になる。このように、光軸（Ｚ軸）上における、試料１１のパターン面の結像位置Ｆ０は、Ｆ１とＦ２の間にある。したがって、試料１１のパターン面の結像位置が、センサ１３の受光面上にあるとき、マスク６のパターンの結像位置は、受光面の前側にあり、マスク７のパターンの結像位置は、受光面の後側にある。

上記したように、試料１１は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動可能なステージ１４の上に載置されている。したがって、ステージ１４をＺ方向に移動させることにより、対物レンズ１０と試料１１との距離を変えて、焦点位置を調整することができる。具体的には、ステージ１４の位置を変えることにより、センサ１３で検出される、マスク６のパターン像のコントラストが変化する。同様に、センサ１３で検出される、マスク７のパターン像のコントラストも変化する。

センサ１３は、試料１１のパターンからの反射光を検出する第１の受光面と、マスク６のパターンからの反射光を検出する第２の受光面と、マスク７のパターンからの反射光を検出する第３の受光面とに分かれて構成されている。各受光面は、同一の平面（ＸＹ平面）上に配置されている。換言すると、３つの受光面は、結像光学系ｂの結像面に配置されている。また、各受光面は、この平面上でずれて配置されている。つまり、対物レンズ１０の視野において、各受光面は、異なる位置からの反射光を受光して、それに応じた検出信号を出力する。

尚、センサ１３は、独立した３つのセンサ、すなわち、試料１１のパターンからの反射光を検出するセンサと、このセンサの近傍に配置されてマスク６のパターンからの反射光を検出するセンサおよびマスク７のパターンからの反射光を検出するセンサとによって構成されていてもよい。この場合にも、これらのセンサの受光面は、同一平面（ＸＹ平面）上に配置される。そして、対物レンズ１０の視野において、各センサは、異なる位置からの反射光を受光して、それに応じた検出信号を出力する。

図３は、マスク６のパターンについてのセンサ１３の検出信号を示す図である。また、図４は、マスク７のパターンについてのセンサ１３の検出信号を示す図である。これらの図では、いずれも上から順に、図２中のＦ２，Ｆ０，Ｆ１の位置における検出信号が示されている。尚、横方向は、センサ１３上の位置に対応し、縦方向は、信号強度（受光量）に対応する。

図１において、ステージ１４が対物レンズ１０に近付いて行くと、マスク６のパターンが試料１１のパターン面に結像するようになる。このとき、試料１１のパターンの結像位置は、図２のＦ１になる。したがって、マスク６の投影パターンは、試料１１上ではっきりしたものとなる。つまり、試料１１上におけるマスク６の投影パターンは、センサ１３の受光面からずれた位置に結像するが、マスク６のパターンの結像位置は、試料１１のパターン面に一致するようになる。ここで、図１の照明光学系ａと結像光学系ｂは、試料１１のパターンの結像位置が合焦位置から前側にずれたとき、マスク６のパターンについてのセンサ１３の検出信号が大きくなるように配置されている。したがって、マスク６のパターンが試料１１のパターン面に結像するとき、センサ１３には、マスク６のパターンに対応する明暗がはっきりと現われ、センサ１３で検出されるマスク６のパターンのコントラストは最大となる（図３のＦ１）。

これに対して、ステージ１４が対物レンズ１０に近付いて行くと、マスク７の投影パターンは、試料１１上でぼやけたものとなる。つまり、マスク７のパターンの結像位置は、試料１１のパターン面から大きくずれる。また、試料１１上におけるマスク７の投影パターンも、センサ１３の受光面からずれる。このため、センサ１３で検出されるマスク７のパターンのコントラストは低くなる（図４のＦ１）。

次に、ステージ１４が対物レンズ１０から少し離れるようにすると、試料１１のパターンは、図２のＦ０の位置、すなわち、合焦位置に結像するようになる。このとき、試料１１上でのマスク６の投影パターンは、試料１１のパターンの結像位置がＦ１にあるときよりもぼやけたものとなる。つまり、試料１１におけるマスク６の投影パターンは、センサ１３の受光面に結像するが、マスク６のパターンは、試料１１のパターン面からずれた位置に結像する。このため、センサ１３で検出されるマスク６のパターンのコントラストは低下する。

一方、センサ１３におけるマスク７のパターンは、試料１１のパターンの結像位置がＦ１にあるときよりも、はっきりとするようになる。これは、試料１１上でのマスク７の投影パターンがセンサ１３の受光面に結像し、さらに、マスク７のパターンの結像位置が、試料１１のパターンの結像位置がＦ１にあるときよりも、試料１１のパターン面に近付くためである。したがって、試料１１のパターンがＦ０の位置に結像するとき、センサ１３で検出される、マスク６のパターン像とマスク７のパターン像は、同程度にぼやけたものとなる（図３のＦ０、図４のＦ０）。

続いて、ステージ１４が対物レンズ１０からさらに遠ざかると、試料１１のパターンの結像位置は、図２のＦ２になる。このとき、センサ１３で検出されるマスク６のパターン像は、試料１１のパターンがＦ０の位置に結像するときよりも、一層ぼやけたものとなる。これは、マスク６のパターンの結像位置が、試料１１のパターン面から大きくずれ、さらに、試料１１上におけるマスク６の投影パターンも、センサ１３の受光面からずれるためである。したがって、センサ１３で検出されるマスク６のパターンのコントラストは低下して、図３のＦ２のようになる。

これに対して、センサ１３におけるマスク７のパターンは、試料１１のパターンがＦ０の位置に結像するときよりも、さらにはっきりするようになる。この場合、試料１１上に投影されたマスク７のパターンの結像位置は、センサ１３の受光面からずれるが、試料１１上に投影されるマスク７のパターンの結像位置は、試料１１のパターン面に一致する。ここで、図１の照明光学系ａと結像光学系ｂは、試料１１のパターンの結像位置が合焦位置から後側にずれたとき、マスク７のパターンについてのセンサ１３の検出信号が大きくなるように配置されている。したがって、マスク７のパターンが試料１１のパターン面に結像するとき、センサ１３には、マスク７のパターンに対応する明暗がはっきりと現われ、センサ１３で検出されるマスク７のパターンのコントラストは最大となる（図４のＦ２）。

このように、マスク６およびマスク７の各投影パターンを試料１１のパターン面に投影し、これらの投影パターンの像をセンサ１３で検出してコントラストを比較することにより、光源１から出射された照明光の焦点位置を検出することができる。次に、検出した焦点位置が試料１１のパターン面に位置するよう調整する方法について述べる。

図５は、センサ１３で検出される、マスク６のパターン像のコントラストと、マスク７のパターン像のコントラストとの差分を示したものである。横軸は、Ｚ方向、すなわち、図１の光軸１５の方向を表している。また、縦軸は、マスク７のコントラストの値からマスク６のコントラストの値を引いた差分値（Ｄ）を表している。

図５では、Ｆ１の位置において差分値が極小値をとり、Ｆ２の位置において差分値が極大値をとっている。Ｆ１の位置では、マスク７のパターン像のコントラストは低いが、マスク６のパターン像のコントラストは最大となる。したがって、Ｆ１の位置において、差分値は極小となる。一方、Ｆ２の位置では、マスク６のパターンの像のコントラストが低くなり、マスク７のパターン像のコントラストは最大となる。したがって、Ｆ２の位置において、差分値は極大となる。尚、Ｆ１からＦ０を経てＦ２に向かう間、差分値は単調に増加する。

焦点を調整するには、（図５に示すような）光軸上での結像位置と差分値との関係に基づいて、差分値が所定値となるように、すなわち、結像位置がＦ０の位置となるようにする。具体的には、ステージ１４を移動させて、試料１１と対物レンズ１０との距離を変える。例えば、試料１１のパターンの結像位置が、合焦位置Ｆ０からＦ１の方向にずれた場合、差分値は小さくなる。したがって、差分値が増える方向にステージ１４を移動させる。一方、試料１１のパターンの結像位置が、合焦位置Ｆ０からＦ２の方向にずれた場合、差分値は大きくなる。したがって、差分値が小さくなる方向にステージ１４を移動させる。

上記のようにしてステージ１４を移動させることにより、焦点位置を合焦位置に近付けることができる（粗アライメント）。続いて、ステージ１４の位置を微調整して、焦点位置が正確に合焦位置に来るようにする（精アライメント）。ここで、粗アライメントを行うにあたっては、焦点位置の検出範囲を広くする必要がある。一方、精アライメントを行うにあたっては、検出感度を高くする必要がある。

焦点位置検出に対する感度が高いということは、合焦位置から僅かにずれただけでも大きな光量変化を示すということである。試料１１のパターン面がセンサ１３の合焦面の近傍にある場合には、このパターン面の位置を精アライメントすることになるので、高い検出感度が必要とされる。一方、粗アライメントでは、焦点位置に対する検出感度よりも検出範囲の方が優先される。すなわち、検出感度を高くすると、合焦位置からのずれ量が所定値以上になれば、センサ１３にパターンが結像しなくなる。この状態は粗アライメントに適さない。粗アライメントでは、合焦位置からのずれ量に対する光量変化が小さくても、センサ１３に結像可能なずれ量の範囲が大きくなる状態の方が好ましい。

本実施の形態では、図１の構成によって、焦点位置に対する高い検出感度と広い検出範囲とを両立するため、照明光学系ａに開口絞り３を配置する。開口絞り３の開口部の径を変えると、照明光学系ａの開口数（ＮＡ）と、検出光学系ｂの開口数（ＮＡ）との比（σ；照明光学系のコヒーレンスファクタ）が変わる。そして、σ値が小さいほど、合焦位置からのずれに対するコントラストの変化が小さくなる。したがって、この場合は、焦点位置を検出できる範囲が広くなる。一方、σ値が大きくなると、合焦位置から僅かにずれただけでも大きなコントラスト変化を示すようになる。したがって、σ値が大きいほど、高い検出感度が要求される場合に適している。

一般に、照明光学系の開口絞りの開口径をφ１とし、結像光学系の開口絞りの開口径をφ２とすると、σ値は次式で表される。

図１の構成においては、結像光学系ｂに開口絞りは設けられないので、σ値は、照明光学系ａの開口絞り３で決まる。つまり、開口絞り３の開口部の径が大きくなるほど、検出感度が高くなるので、精アライメントに適するようになる。一方、開口絞り３の開口部の径が小さくなるほど、検出感度は低くなるが検出範囲が広くなるので、粗アライメントに適するようになる。

開口絞り３は、開口部の径を変更可能な構造とすることができる。あるいは、開口部の径が異なる複数の開口絞り３を用意し、精アライメントを行うときと、粗アライメントを行うときとで、異なる径の開口絞り３を使い分けるようにしてもよい。後者であれば、照明光学系ａを、開口絞り３が光軸１５上から抜き差し可能な構成とすることが好ましい。

図６は、センサ１３におけるマスク６のパターンの出力波形の一例である。横軸は、センサ１３上での位置を表しており、縦軸は、出力、すなわち、試料１１からの反射光の光量を表している。また、実線は、合焦位置での出力波形である。結像位置が合焦位置から１μｍずれると、波形は大きく変化して点線のようになる。さらに、結像位置がずれ、ずれ量が２μｍになると、波形は１点波線のようになる。尚、ずれ量が３μｍになると、センサ１３にパターンが結像しなくなり、波形は得られない。

上述したように、ずれ量の変化に対する光量変化の大きさ（コントラストの変化）は、σ値と線形関係にあり、σ値が大きいほど光量変化も大きくなる。つまり、σ値が大きいと、僅かのずれ量に対しても光量変化が大きくなるので、検出感度は高くなる。一方、σ値が小さいと、ずれ量に対する光量変化は小さくなる。しかし、この場合、僅かなずれ量の変化でパターンがセンサ１３に結像しなくなるということがなくなるので、検出範囲は広くなる。したがって、粗アライメントを行う際には、開口絞り３の開口を調整してσ値が小さくなるようにし、精アライメントを行う際には、σ値が大きくなるように開口絞り３の開口を調整する。例えば、図６の例では、σ値を１．０とすることができる。ここで、粗アライメントにおける開口絞り３の開口部を第１の径とし、精アライメントにおける開口絞り３の開口部を第２の径とすると、第２の径は第１の径より大きくなる。

図７は、センサ１３におけるマスク６のパターンの出力波形の他の例である。この例では、σ値を０．２としている。σ値が小さくなると、ずれ量に対する光量変化が小さくなることが分かる。すなわち、結像位置が１μｍずれても波形は図６ほど変化しないが、合焦位置からのずれ量が５μｍになっても出力波形が得られている。

図６の例は精アライメントに適しており、図７の例は粗アライメントに適している。そして、マスク７のパターンについても、図６や図７のような出力波形が得られる。そこで、これらを用いて、マスク６のパターン像のコントラストと、マスク７のパターン像のコントラストとの差分値を、精アライメントと粗アライメントのそれぞれについて得る。焦点位置の調整をする際には、まず、粗アライメント用の結像位置と差分値との関係を用いて、結像位置を合焦位置の近傍まで近付ける。続いて、精アライメント用の結像位置と差分値との関係を用いて、結像位置の微調整を行う。これにより、結像位置が正確に合焦位置となるようにすることができる。

本実施の形態の焦点位置調整方法によれば、検出感度を高くするための投影パターンと、検出範囲を広くするための投影パターンの２種類を用意する必要がない。したがって、これらの投影パターンを切り替えるための機構も不要となる。よって、簡単な構成でありながら、高い検出感度と広い検出範囲で焦点位置を検出して調整することが可能となる。

実施の形態２．
本実施の形態では、ダイ−トゥ−データベース方式による検査方法を述べる。したがって、検査対象の光学画像と比較される基準画像は、設計パターンデータから生成された参照画像である。但し、本発明は、ダイ−トゥ−ダイ方式による検査方法にも適用可能であり、その場合の基準画像は、検査対象とは異なる光学画像になる。

図８は、本実施の形態における検査装置の概略構成図である。図８において、図１と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。

尚、図８では、本実施の形態で必要な構成部を記載しているが、検査に必要な他の公知の構成部が含まれていてもよい。また、本明細書において、「〜部」または「〜回路」と記載したものは、コンピュータで動作可能なプログラムにより構成することができるが、ソフトウェアとなるプログラムだけではなく、ハードウェアとソフトウェアとの組合せやファームウェアとの組合せによって実施されるものであってもよい。プログラムにより構成される場合、プログラムは、磁気ディスク装置などの記録装置に記録される。

図１に示すように、検査装置１００は、光学画像取得部を構成する構成部Ａと、構成部Ａで取得された光学画像を用いて検査に必要な処理などを行う構成部Ｂとを有する。

構成部Ａは、実施の形態１で説明した図１の光学系、すなわち、焦点位置の調整に使用される光学系として、検査対象となるパターンが形成された試料１１を照明する照明光学系と、照明された試料１１のパターンの像をセンサ１３の受光面に結像する結像光学系とを有する。

照明光学系は、光源１と、レンズ２，４，５，８と、開口絞り３と、焦点位置検出用の投影パターンが形成されたマスク６（第１の遮光部）およびマスク７（第２の遮光部）と、ハーフミラー９と、対物レンズ１０とを有する。

マスク６とマスク７は、光軸方向にずれて配置されている。マスク６は、例えば、クロム膜を用いたライン・アンド・スペースパターンが、透明なガラス基板上に形成された構成とすることができる。このとき、ライン・アンド・スペースパターンは１種類でよい。例えば、１μｍＬ／Ｓのパターンのみでよい。また、ライン・アンド・スペースパターンに代えて他の投影パターンを設ける場合にも、同様に１種類でよい。マスク７も、マスク６と同様の構成を有している。すなわち、上記例であれば、透明なガラス基板上に、マスク６と同様のライン・アンド・スペースパターンが形成されている。

結像光学系は、ハーフミラー９と、対物レンズ１０と、レンズ１２と、センサ１３とを有する。ハーフミラー９と対物レンズ１０は、照明光学系と結像光学系に対して共通の光学要素となる。つまり、照明光の光路と、試料１１で反射した反射光の光路とは、試料１１からハーフミラー９までで共通している。

センサ１３は、試料１１のパターンからの反射光を検出する第１の受光面と、マスク６のパターンからの反射光を検出する第２の受光面と、マスク７のパターンからの反射光を検出する第３の受光面とに分かれて構成されている。各受光面は、同一の平面（ＸＹ平面）上に配置されている。換言すると、３つの受光面は、結像光学系の結像面に配置されている。また、各受光面は、この平面上でずれて配置されている。つまり、対物レンズ１０の視野において、各受光面は、異なる位置からの反射光を受光して、それに応じた検出信号を出力する。

尚、センサ１３は、独立した３つのセンサ、すなわち、試料１１のパターンからの反射光を検出するセンサと、このセンサの近傍に配置されてマスク６のパターンからの反射光を検出するセンサおよびマスク７のパターンからの反射光を検出するセンサとによって構成されていてもよい。この場合にも、これらのセンサの受光面は、同一平面（ＸＹ平面）上に配置される。そして、対物レンズ１０の視野において、各センサは、異なる位置からの反射光を受光して、それに応じた検出信号を出力する。

また、構成部Ａは、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動可能なステージ１４と、センサ回路１０６と、レーザ測長システム１２２と、オートローダ１３０とを有する。ステージ１４は、水平方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動可能なＸＹステージと、このＸＹステージの上に載置されて垂直方向（Ｚ方向）に移動可能なＺステージとからなる構成とすることができる。ＸＹステージは、回転方向（θ方向）にも移動可能な構成とすることができる。

検査対象となる試料１１は、ステージ１４の上に載置される。本実施の形態では、試料１１を、微細な回路パターンをウェハやガラス基板などに転写する際に使用されるマスクとする。但し、試料１１は、マスクに限られるものではなく、マスク上のパターンが転写されたウェハやガラス基板などとすることもできる。

構成部Ａでは、試料１１の光学画像、すなわち、マスク採取データが取得される。マスク採取データは、試料１１の設計パターンデータに含まれる図形データに基づく図形が描画されたマスクの画像である。例えば、マスク採取データは、８ビットの符号なしデータであって、各画素の明るさの階調を表現したものである。

試料１１は、オートローダ１３０によって、ステージ１４の上に載置される。尚、オートローダ１３０は、オートローダ制御回路１１３によって駆動される。また、オートローダ制回路１１３は、制御計算機１１０によって制御される。試料１１がステージ１４の上に載置されると、試料１１に形成されたパターンに対し、ステージ１４の下方に配置された光源１から光が照射される。より詳しくは、光源１から照射される光束が、照明光学系を介して試料１１に照射される。試料１１で反射した光は、結像光学系によってセンサ１３に結像する。

検査に好適な光学画像を得るためには、試料１１に照射される光の焦点位置を正確に検出して焦点合わせをすることが重要となる。そこで、検査装置１００では、焦点位置に対する高い検出感度と広い検出範囲とを両立するため、照明光学系に開口絞り３が配置されている。

開口絞り３は、開口部の径が変更可能な構造であることが好ましい。あるいは、検査装置１００が、開口部の径の異なる複数の開口絞り３を有していてもよい。この場合、照明光学系は、光軸上から開口絞り３を抜き差しできる構成であり、焦点合わせをする際、精アライメントを行うか、粗アライメントを行うかによって、適当な径の開口絞り３を使用するようにする。

開口絞り３の開口部の径を変えると、照明光学系の開口数（ＮＡ）と、検出光学系の開口数（ＮＡ）との比（σ；照明光学系のコヒーレンスファクタ）が変わる。そして、σ値が小さいほど、合焦位置からのずれに対するコントラストの変化が小さくなる。したがって、この場合は、焦点位置を検出できる範囲が広くなる。一方、σ値が大きくなると、合焦位置から僅かにずれただけでも大きなコントラスト変化を示すようになる。したがって、σ値が大きいほど、高い検出感度が要求される場合に適している。

精アライメントに適したσ値と、粗アライメントに適したσ値とは、予め、検査装置１００の仕様、例えば、想定している試料１１のパターンサイズ（マスクパターンの線幅など）、センサ１３の画素数、対物レンズ１０の仕様などを考慮して決定される。そして、これらの値に対応するよう、開口絞り３の開口部の径を変える。あるいは、これらの値に対応した径を有する開口絞り３を用意しておき、精アライメントを行うか、粗アライメントを行うかによって使い分ける。粗アライメントにおける開口絞り３の開口部を第１の径とし、精アライメントにおける開口絞り３の開口部を第２の径とすると、第２の径は第１の径より大きくなる。

尚、検査装置１００は、試料１１の上方から光を照射し、透過光をセンサ１３に導く構成としてもよい。この構成と、図８に示す構成とを併せ持つことにより、透過光と反射光による各光学画像を同時に取得することが可能である。

センサ１３に結像した試料１１のパターン像は光電変換された後、センサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。センサ１３としては、例えば、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサなどが挙げられる。

検査装置１００の構成部Ｂでは、検査装置１００全体の制御を司る制御部としての制御計算機１１０が、データ伝送路となるバス１２０を介して、位置回路１０７、比較部の一例となる比較回路１０８、参照画像生成部の一例となる参照回路１１２、展開回路１１１、焦点位置調整部の一例となる焦点位置調整回路１２５、オートローダ制御回路１１３、ステージ制御回路１１４、保存部の一例となる磁気ディスク装置１０９、ネットワークインターフェイス１１５およびフレキシブルディスク装置１１６、液晶ディスプレイ１１７、パターンモニタ１１８並びにプリンタ１１９に接続されている。ステージ１４は、ステージ制御回路１１４によって制御されたＸ軸モータ、Ｙ軸モータおよびＺ軸モータによって駆動される。これらの駆動機構には、例えば、エアスライダと、リニアモータやステップモータなどとを組み合わせて用いることができる。

図８で「〜回路」と記載したものは、既に述べたように、コンピュータで動作可能なプログラムにより構成することができるが、ソフトウェアとなるプログラムだけではなく、ハードウェアとソフトウェアとの組合せやファームウェアとの組合せによって実施されるものであってもよい。プログラムにより構成される場合、プログラムは、磁気ディスク装置１０９に記録されることができる。例えば、センサ回路１０６、オートローダ制御回路１１３、ステージ制御回路１１４、焦点位置調整回路１２５、展開回路１１１、参照回路１１２、比較回路１０８および位置回路１０７内の各回路は、電気的回路で構成されてもよく、制御計算機１１０によって処理することのできるソフトウェアとして実現されてもよい。また、電気的回路とソフトウェアの組み合わせによって実現されてもよい。

焦点位置調整回路１２５は、センサ回路１０６からの情報を受け取って、焦点位置を検出する。具体的には、試料１１のパターン面に投影された、マスク６とマスク７の各投影パターンの像情報を受け取り、実施の形態１で述べたようにして、これらのコントラストを比較する。これにより、光源１から出射された照明光の焦点位置が検出される。

また、焦点位置調整回路１２５は、検出した焦点位置が試料１１のパターン面に位置するよう、ステージ制御回路１１４を介して、ステージ１４のＺ方向の位置を調整する。この調整は、粗アライメント、精アライメントの順で行われる。

焦点位置調整回路１２５には、予め、マスク６のパターン像のコントラストと、マスク７のパターン像のコントラストとの差分値を、精アライメントと粗アライメントのそれぞれについて得たデータが格納されている。焦点位置の調整をする際には、まず、粗アライメント用の結像位置と差分値との関係を用いて、検出された焦点位置を合焦位置の近傍まで近付ける。続いて、精アライメント用の結像位置と差分値との関係を用いて、焦点位置の微調整を行う。

制御計算機１１０は、焦点位置調整回路１２５から、粗アライメントのための位置情報と、精アライメントのための位置情報を読み出す。そして、この情報に基づき、ステージ制御回路１１４を制御して、ステージ１４をＺ方向に移動させる。これにより、焦点位置が正確に合焦位置となるようにすることができる。

また、制御計算機１１０は、ステージ制御回路１１４を制御して、ステージ１４をＸ方向およびＹ方向にも駆動する。ＸＹ方向におけるステージ１４の移動位置は、レーザ測長システム１２２により測定されて位置回路１０７に送られる。

さらに、制御計算機１１０は、オートローダ制御回路１１３を制御して、オートローダ１３０を駆動する。オートローダ１３０は、試料１１を自動的に搬送し、検査終了後には自動的に試料１１を搬出する。

データベース方式の基準データとなる設計パターンデータは、磁気ディスク装置１０９に格納されており、検査の進行に合わせて読み出されて展開回路１１１に送られる。具体的には、次の通りである。

設計者（ユーザ）が作成したＣＡＤデータは、ＯＡＳＩＳなどの階層化されたフォーマットの設計中間データに変換される。設計中間データには、レイヤ（層）毎に作成されて試料に形成される設計パターンデータが格納される。ここで、一般に、検査装置は、ＯＡＳＩＳデータを直接読み込めるようには構成されていない。すなわち、検査装置の製造メーカー毎に、独自のフォーマットデータが用いられている。このため、ＯＡＳＩＳデータは、レイヤ毎に各検査装置に固有のフォーマットデータに変換された後に検査装置に入力される。フォーマットデータは、検査装置に固有のデータとすることができるが、試料にパターンを描画するのに使用される描画装置と互換性のあるデータとすることもできる。

図８において、上記のフォーマットデータは、磁気ディスク装置１０９に入力される。すなわち、試料１１のパターン形成時に用いた設計パターンデータは、磁気ディスク装置１０９に記憶される。

設計パターンに含まれる図形は、長方形や三角形を基本図形としたものである。磁気ディスク装置１０９には、例えば、図形の基準位置における座標（ｘ、ｙ）、辺の長さ、長方形や三角形などの図形種を区別する識別子となる図形コードといった情報であって、各パターン図形の形、大きさ、位置などを定義した図形データが格納される。

さらに、数百μｍ程度の範囲に存在する図形の集合を一般にクラスタまたはセルと称するが、これを用いてデータを階層化することが行われている。クラスタまたはセルには、各種図形を単独で配置したり、ある間隔で繰り返し配置したりする場合の配置座標や繰り返し記述も定義される。クラスタまたはセルデータは、さらにストライプと称される、幅が数百μｍであって、長さが試料１１のＸ方向またはＹ方向の全長に対応する１００ｍｍ程度の短冊状領域に配置される。

上述したように、磁気ディスク装置１０９に入力されたフォーマットデータには、設計パターンデータが格納されている。この設計パターンデータは、磁気ディスク装置１０９から制御計算機１１０を通して展開回路１１１によって読み出される。

展開回路１１１では、設計パターンデータがイメージデータ（ビットパターンデータ）に変換される。すなわち、展開回路１１１は、設計パターンデータを図形毎のデータにまで展開し、その図形データの図形形状を示す図形コード、図形寸法などを解釈する。そして、所定の量子化寸法のグリッドを単位とするマス目内に配置されるパターンとして、２値ないしは多値のイメージデータに展開される。さらに、センサ画素に相当する領域（マス目）毎に設計パターンにおける図形が占める占有率が演算され、各画素内の図形占有率が画素値となる。

展開回路１１１で変換されたイメージデータは、参照画像生成部としての参照回路１１２に送られて、参照画像（参照データとも称する。）の生成に用いられる。

センサ回路１０６から出力されたマスク採取データは、位置回路１０７から出力されたステージ１４上での試料１１の位置を示すデータとともに、比較回路１０８に送られる。また、上述した参照画像も比較回路１０８に送られる。

比較回路１０８では、マスク採取データと参照データとが、適切な比較判定アルゴリズムを用いて比較される。図１の構成であれば、反射画像同士での比較となるが、透過光学系を用いた構成であれば、透過画像同士での比較、あるいは、透過と反射を組み合わせた比較判定アルゴリズムが用いられる。比較の結果、両者の差異が所定の閾値を超えた場合には、その箇所が欠陥と判定される。

上述したストライプは、適当なサイズに分割されてサブストライプとなる。そして、マスク採取データから切り出されたサブストライプと、マスク採取データに対応する参照画像から切り出されたサブストライプとが、比較回路１０８内の比較ユニットに投入される。投入されたサブストライプは、さらに検査フレームと称される矩形の小領域に分割され、比較ユニットにおいてフレーム単位で比較されて欠陥が検出される。比較回路１０８には、複数の検査フレームが同時に並列して処理されるよう、数十個の比較ユニットが装備されている。各比較ユニットは、１つの検査フレームの処理が終わり次第、未処理のフレーム画像を取り込む。これにより、多数の検査フレームが順次処理されていく。

このような本実施の形態の検査装置によれば、焦点位置の検出感度を高くするための投影パターンと、焦点位置の検出範囲を広くするための投影パターンの２種類を用意する必要がない。したがって、これらの投影パターンを切り替えるための機構も不要となる。よって、簡単な構成でありながら、高い検出感度と広い検出範囲での焦点位置検出が可能となるので、高い精度で検査を行うことができる。

次に、図８の検査装置１００を用いて試料１１を検査する方法の一例を述べる。

＜焦点位置調整工程＞
まず、実施の形態１で述べたようにして、試料１１に光源１からの光を照射して焦点位置を検出し、検出した位置が合焦位置となるように調整する。

具体的には、マスク６およびマスク７の各投影パターンを試料１１のパターン面に投影し、これらの投影パターンの像をセンサ１３で検出する。ここで、センサ１３は、試料１１のパターンからの反射光を検出する部分と、マスク６のパターンからの反射光を検出する部分と、マスク７のパターンからの反射光を検出する部分とに分かれて構成されており、各部分は、対物レンズ１０の視野の異なる位置からの反射光を受光して、それに応じた検出信号を出力する。

焦点位置の検出は、センサ１３で検出された投影パターンの像のコントラストを比較することにより行う。具体的には、センサ１３に結像した試料１１のパターン像は光電変換された後、センサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。焦点位置調整回路１２５は、センサ回路１０６からの情報を受け取って焦点位置を検出する。

例えば、ステージ１４が対物レンズ１０に近付き過ぎると、マスク６のパターンが試料１１のパターン面に結像する。このとき、センサ１３には、マスク６のパターンに対応する明暗がはっきりと現われる。そして、センサ１３で検出されるマスク６のパターンのコントラストは、例えば、実施の形態１で説明した図３のＦ１に示すようになる。一方、マスク７のパターンの結像位置は、試料１１のパターン面から大きくずれ、また、試料１１上におけるマスク７の投影パターンも、センサ１３の受光面からずれるので、センサ１３で検出されるマスク７のパターンのコントラストは、例えば、図４のＦ１に示すように低いものとなる。

試料１１のパターンが合焦位置に結像するとき、試料１１上でのマスク６の投影パターンは、試料１１のパターンの結像位置がＦ１の状態にあるときよりもぼやけたものとなる。このため、センサ１３で検出されるマスク６のパターンのコントラストは低下する。一方、センサ１３におけるマスク７のパターンは、試料１１のパターンの結像位置がＦ１の状態にあるときよりも、はっきりとするようになる。つまり、試料１１のパターンが合焦位置に結像するとき、センサ１３で検出される、マスク６のパターン像とマスク７のパターン像は、図３のＦ０と図４のＦ０に示すように、同程度にぼやけたものとなる。

ステージ１４が対物レンズ１０から遠ざかり過ぎると、センサ１３で検出されるマスク６のパターン像は、試料１１のパターンが合焦位置に結像するときよりも、一層ぼやけたものとなる。したがって、センサ１３で検出されるマスク６のパターンのコントラストは低下して、例えば、図３のＦ２に示すようになる。一方、センサ１３におけるマスク７のパターンは、試料１１のパターンが合焦位置に結像するときよりも、さらにはっきりするようになる。すなわち、センサ１３には、マスク７のパターンに対応する明暗がはっきりと現われ、センサ１３で検出されるマスク７のパターンのコントラストは、例えば、図４のＦ２に示すように最大となる。

このように、マスク６およびマスク７の各投影パターンを試料１１のパターン面に投影し、これらの投影パターンの像をセンサ１３で検出してコントラストを比較することにより、光源１から出射された照明光の焦点位置を検出することができる。

次に、検出した焦点位置が試料１１のパターン面に位置するよう調整する。具体的には、焦点位置調整回路１２５が、検出した焦点位置が試料１１のパターン面に位置するよう、ステージ制御回路１１４を介して、ステージ１４のＺ方向の位置を調整する。この調整は、粗アライメント、精アライメントの順で行われる。

焦点位置調整回路１２５には、予め、マスク６のパターン像のコントラストと、マスク７のパターン像のコントラストとの差分値を、精アライメントと粗アライメントのそれぞれについて得たデータが格納されている。このデータは、次のようにして得られる。

まず、開口絞り３の開口部の径を変えて、実施の形態１で説明した図６および図７に示すような波形、すなわち、センサ１３におけるマスク６のパターンの出力波形を得る。同様にして、マスク７のパターンについても、センサ１３におけるパターンの出力波形を得る。

開口絞り３の開口部の径が大きくなるほど、検出感度が高くなるので、精アライメントに適するようになる。一方、開口絞り３の開口部の径が小さくなるほど、検出感度は低くなるが検出範囲が広くなるので、粗アライメントに適するようになる。つまり、粗アライメントにおける開口絞り３の開口部を第１の径とし、精アライメントにおける開口絞り３の開口部を第２の径とすると、第２の径は第１の径より大きくなる。

例えば、図６の例（σ＝１．０）は精アライメントに適しており、図７の例（σ＝０．２）は粗アライメントに適している。検査装置１００では、精アライメントに適したσ値と、粗アライメントに適したσ値とは、予め、検査装置１００の仕様、例えば、想定している試料１１のパターンサイズ（マスクパターンの線幅など）、センサ１３の画素数、対物レンズ１０の仕様などを考慮して決定されている。

次に、得られたパターンの出力波形を用いて、マスク６のパターン像のコントラストと、マスク７のパターン像のコントラストとの差分値を、精アライメントと粗アライメントのそれぞれについて得る。

焦点位置の調整をする際には、まず、粗アライメント用の結像位置と差分値との関係を用いて、結像位置を合焦位置の近傍まで近付ける。続いて、精アライメント用の結像位置と差分値との関係を用いて、結像位置の微調整を行う。

制御計算機１１０は、焦点位置調整回路１２５から、粗アライメントのための位置情報と、精アライメントのための位置情報を読み出す。そして、この情報に基づき、ステージ制御回路１１４を制御して、ステージ１４をＺ方向に移動させる。これにより、焦点位置が正確に合焦位置となるようにすることができる。

このような焦点位置の調整方法によれば、検出感度を高くするための投影パターンと、検出範囲を広くするための投影パターンの２種類を検査装置１００に用意する必要がない。したがって、これらの投影パターンを切り替えるための機構を検査装置１００に設ける必要もない。よって、検査装置１００を簡単な構成とすることができる一方、この検査装置１００によれば、高い検出感度と広い検出範囲で焦点位置を検出して調整することが可能となる。

＜光学画像取得工程＞

上記のようにして、焦点位置を検出してその調整を終えた後は、図８の構成部Ａにおいて、試料１１の光学画像を取得する。開口絞り３を上記目的以外に使用しない場合には、この工程において、開口絞り３は不要であるので、光源１からの光束の太さに影響を与えない径とするか、あるいは、照明光学系から取り外しておくことができる。尚、開口絞り３を照明光学系に配置したままの状態とし、目的に応じて使用できるようにしておくことも可能である。

図９は、試料１１に形成されたパターンの光学画像の取得手順を説明する図である。

図９で試料１１は、図１のステージ１４の上に載置されているものとする。また、試料１１上の検査領域は、図９に示すように、短冊状の複数の検査領域、すなわち、ストライプ２０_１，２０_２，２０_３，２０_４，・・・に仮想的に分割されている。各ストライプは、例えば、幅が数百μｍであって、長さが試料１１のＸ方向またはＹ方向の全長に対応する１００ｍｍ程度の領域とすることができる。

光学画像は、ストライプ毎に取得される。すなわち、図９で光学画像を取得する際には、各ストライプ２０_１，２０_２，２０_３，２０_４，・・・が連続的に走査されるように、ステージ１４の動作が制御される。具体的には、ステージ１４が図９の−Ｘ方向に移動しながら、試料１１の光学画像が取得される。そして、図８のセンサ１３に、図９に示されるような走査幅Ｗの画像が連続的に入力される。すなわち、第１のストライプ２０_１における画像を取得した後、第２のストライプ２０_２における画像を取得する。この場合、ステージ１４が−Ｙ方向にステップ移動した後、第１のストライプ２０_１における画像の取得時の方向（−Ｘ方向）とは逆方向（Ｘ方向）に移動しながら光学画像を取得して、走査幅Ｗの画像がセンサ１３に連続的に入力される。第３のストライプ２０_３における画像を取得する場合には、ステージ１４が−Ｙ方向にステップ移動した後、第２のストライプ２０_２における画像を取得する方向（Ｘ方向）とは逆方向、すなわち、第１のストライプ２０_１における画像を取得した方向（−Ｘ方向）にステージ１４が移動する。尚、図９の矢印は、光学画像が取得される方向と順序を示しており、斜線部分は、光学画像の取得が済んだ領域を表している。

図８のセンサ１３上に結像したパターンの像は光電変換され、さらにセンサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。その後、光学画像は、センサ回路１０６から図８の比較回路１０８へ送られる。

尚、Ａ／Ｄ変換されたセンサデータは、画素毎にオフセット・ゲイン調整可能なデジタルアンプ（図示せず）に入力される。デジタルアンプの各画素用のゲインは、キャリブレーション工程で決定される。例えば、透過光用のキャリブレーション工程においては、センサが撮像する面積に対して十分に広い試料１１の遮光領域を撮影中に、黒レベルを決定する。次いで、センサが撮像する面積に対して十分に広い試料１１の透過光領域を撮影中に、白レベルを決定する。このとき、検査中の光量変動を見越して、例えば、白レベルと黒レベルの振幅が８ビット階調データの約４％から約９４％に相当する１０〜２４０に分布するよう、画素毎にオフセットとゲインを調整する。

＜参照画像生成工程＞
（１）記憶工程
ダイ−トゥ−データベース比較方式による検査の場合、欠陥判定の基準となるのは、設計パターンデータから生成する参照画像である。検査装置１００では、試料１１のパターン形成時に用いた設計パターンデータが磁気ディスク装置１０９に記憶される。

（２）展開工程
展開工程においては、図８の展開回路１１１が、磁気ディスク装置１０９から制御計算機１１０を通して設計パターンデータを読み出し、読み出された試料１１の設計パターンデータを２値ないしは多値のイメージデータ（設計画像データ）に変換する。このイメージデータは参照回路１１２に送られる。

（３）フィルタ処理工程
フィルタ処理工程では、図８の参照回路１１２によって、図形のイメージデータである設計パターンデータに適切なフィルタ処理が施される。その理由は、次の通りである。

試料１１のパターンは、その製造工程でコーナーの丸まりや線幅の仕上がり寸法などが加減されており、設計パターンと厳密には一致しない。また、図８のセンサ回路１０６から得られた光学画像としてのマスク採取データは、光学系の解像特性やセンサ１３のアパーチャ効果などによってぼやけた状態、言い換えれば、空間的なローパスフィルタが作用した状態にある。

そこで、検査に先だって検査対象となるマスクを観察し、その製造プロセスや検査装置の光学系による変化を模擬したフィルタ係数を学習して、設計パターンデータに２次元のデジタルフィルタをかける。このようにして、参照画像に対し光学画像に似せる処理を行う。

フィルタ係数の学習は、製造工程で決められた基準となるマスクのパターンを用いて行ってもよく、また、検査対象となるマスク（本実施の形態では試料１１）のパターンの一部を用いて行ってもよい。後者であれば、学習に用いられた領域のパターン線幅やコーナーの丸まりの仕上がり具合を踏まえたフィルタ係数が取得され、マスク全体の欠陥判定基準に反映されることになる。

尚、フィルタ係数の学習に検査対象となるマスクを使用する場合、製造ロットのばらつきや、検査装置のコンディション変動といった影響を排除したフィルタ係数の学習ができるという利点がある。しかし、マスク面内で寸法変動があると、学習に用いた箇所に対しては最適なフィルタ係数になるが、他の領域に対しては必ずしも最適な係数とはならないため、疑似欠陥を生じる原因になり得る。そこで、面内での寸法変動の影響を受け難いマスクの中央付近で学習することが好ましい。あるいは、マスク面内の複数の箇所で学習を行い、得られた複数のフィルタ係数の平均値を用いてもよい。

＜ダイ−トゥ−データベース比較工程＞
光学画像取得工程で取得されたマスク採取データは、センサ回路１０６から比較回路１０８へ送られる。また、参照回路１１２からは、参照データが比較回路１０８へ送られる。比較回路１０８では、マスク採取データと参照データとが、ダイ−トゥ−データベース方式によって比較される。具体的には、撮像されたストライプデータが検査フレーム単位に切り出され、検査フレーム毎に、欠陥判定の基準となるデータと適切な比較判定アルゴリズムを用いて比較される。そして、両者の差が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定される。欠陥に関する情報は、マスク検査結果として保存される。例えば、制御計算機１１０によって、欠陥の座標、欠陥判定の根拠となった光学画像などが磁気ディスク装置１０９に保存される。

例えば、試料１１に格子状のチップパターンが形成されているとする。検査対象としてｎ番目のチップを考えると、ダイ−トゥ−データベース比較方式においては、ｎ番目のチップの光学画像におけるパターンと、ｎ番目のチップの参照画像におけるパターンとの差が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定される。

欠陥判定は、より具体的には、次の２種類の方法により行うことができる。１つは、参照画像における輪郭線の位置と、光学画像における輪郭線の位置との間に、所定の閾値寸法を超える差が認められる場合に欠陥と判定する方法である。他の１つは、参照画像におけるパターンの線幅と、光学画像におけるパターンの線幅との比率が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する方法である。この方法では、参照画像におけるパターン間の距離と、光学画像におけるパターン間の距離との比率を対象としてもよい。

＜レビュー工程および修正工程＞
保存されたマスク検査結果は、レビュー装置に送られる。レビュー装置は、検査装置の構成要素の１つであってもよく、また、検査装置の外部装置であってもよい。レビューは、オペレータによって、検出された欠陥が実用上問題となるものであるかどうかを判断する動作である。オペレータは、例えば、欠陥判定の根拠となった基準画像と、欠陥が含まれる光学画像とを見比べて、修正の必要な欠陥であるか否かを判断する。

レビュー工程を経て判別された欠陥情報は、図８の磁気ディスク装置１０９に保存される。レビュー装置で１つでも修正すべき欠陥が確認されると、試料１１は、欠陥情報リストとともに、検査装置１００の外部装置である修正装置に送られる。修正方法は、欠陥のタイプが凸系の欠陥か凹系の欠陥かによって異なるので、欠陥情報リストには、凹凸の区別を含む欠陥の種別と欠陥の座標が添付される。

以上述べた本実施の形態の検査方法によれば、焦点位置の検出感度を高くするための投影パターンと、焦点位置の検出範囲を広くするための投影パターンの２種類を用意する必要がない。したがって、これらの投影パターンを切り替えるための機構も不要となる。よって、簡単な構成でありながら、高い検出感度と広い検出範囲での焦点位置検出が可能となるので、高い精度で検査を行うことができる。

本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

また、上記各実施の形態では、装置構成や制御手法など、本発明の説明に直接必要としない部分についての記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができることは言うまでもない。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての検査方法または検査装置は、本発明の範囲に包含される。

ａ 照明光学系
ｂ 結像光学系
１ 光源
２，４，５，８，１２ レンズ
３ 開口絞り
６，７ マスク
９ ハーフミラー
１０ 対物レンズ
１１ 試料
１３ センサ
１４ ステージ
１５ 光軸
２０_１，２０_２，２０_３，２０_４ ストライプ
１００ 検査装置
１０６ センサ回路
１０７ 位置回路
１０８ 比較回路
１０９ 磁気ディスク装置
１１０ 制御計算機
１１１ 展開回路
１１２ 参照回路
１１３ オートローダ制御回路
１１４ ステージ制御回路
１１５ ネットワークインターフェイス
１１６ フレキシブルディスク装置
１１７ 液晶ディスプレイ
１１８ パターンモニタ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２２ レーザ測長システム
１２５ 焦点位置調整回路
１３０ オートローダ

Claims (8)

1. 光源の光を対物レンズを介して試料に照明する照明光学系と、前記試料で反射した光または前記試料を透過した光を前記対物レンズを介してセンサに結像する結像光学系とを有し、前記センサに結像した像を用いて、前記試料に形成されたパターンの欠陥検査を行う検査装置における焦点位置調整方法であって、
   前記光源から前記試料を照明する光を出射して、前記照明光学系の瞳と共役な位置に設けられた開口絞りに入射させ、次いで、遮光パターンが設けられた第１の遮光部に入射させてから、前記遮光パターンと同一のパターンであって、前記遮光パターンとは光軸に垂直な平面上で重ならない位置に設けられたパターンを有し、前記光軸の方向に前記第１の遮光部とずれて配置された第２の遮光部に入射させて、前記第１の遮光部の像を前記試料のパターン面よりも前側に結像するとともに、前記第２の遮光部の像を前記試料のパターン面よりも後側に結像する工程と、
   前記試料に投影された前記第１の遮光部の像を、前記対物レンズを介して、前記センサの前記試料のパターンの像を結像する第１の受光面と同一面上に設けられた第２の受光面に結像する工程と、
   前記試料に投影された前記第２の遮光部の像を、前記対物レンズを介して、前記センサの前記試料のパターンの像を結像する第１の受光面と同一面上に設けられた第３の受光面に結像する工程と、
   前記第２の受光面に結像された像のコントラストと、前記第３の受光面に結像された像のコントラストとに基づいて、焦点位置を検出する工程と、
   前記開口絞りの開口部を第１の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値と、前記開口絞りの開口部を前記第１の径より大きい第２の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値とに基づいて、前記焦点位置の調整を行う工程とを有することを特徴とする焦点位置調整方法。
2. 前記焦点位置の調整を行う工程は、前記開口絞りの開口部を前記第１の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値を用いて、前記焦点位置を合焦位置の近傍まで近付ける工程と、
   前記開口絞りの開口部を前記第２の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値とに基づいて、前記合焦位置の近傍まで近付けられた前記焦点位置の微調整を行う工程とを有することを特徴とする請求項１に記載の焦点位置調整方法。
3. 前記開口絞りは、開口部の径を可変可能な構成であり、
   前記焦点位置の調整を行う工程では、前記開口部の径を変えて、前記第１の径および前記第２の径にすることを特徴とする請求項１または２に記載の焦点位置調整方法。
4. 前記焦点位置の調整を行う工程では、前記第１の径の開口部を有する開口絞りと、前記第２の径の開口部を有する開口絞りとの２種類の開口絞りを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の焦点位置調整方法。
5. 光源の光を対物レンズを介して試料に照明する照明光学系と、前記試料で反射した光または前記試料を透過した光を前記対物レンズを介してセンサに結像する結像光学系とを有し、前記センサに結像した像を用いて、前記試料に形成されたパターンの欠陥検査を行う検査方法であって、
   前記光源から前記試料を照明する光を出射して、前記照明光学系の瞳と共役な位置に設けられた開口絞りに入射させ、次いで、遮光パターンが設けられた第１の遮光部に入射させてから、前記遮光パターンと同一のパターンであって、前記遮光パターンとは光軸に垂直な平面上で重ならない位置に設けられたパターンを有し、前記光軸の方向に前記第１の遮光部とずれて配置された第２の遮光部に入射させて、前記第１の遮光部の像を前記試料のパターン面よりも前側に結像するとともに、前記第２の遮光部の像を前記試料のパターン面よりも後側に結像する工程と、
   前記試料に投影された前記第１の遮光部の像を、前記対物レンズを介して、前記センサの前記試料のパターンの像を結像する第１の受光面と同一面上に設けられた第２の受光面に結像する工程と、
   前記試料に投影された前記第２の遮光部の像を、前記対物レンズを介して、前記センサの前記試料のパターンの像を結像する第１の受光面と同一面上に設けられた第３の受光面に結像する工程と、
   前記第２の受光面に結像された像のコントラストと、前記第３の受光面に結像された像のコントラストとに基づいて、焦点位置を検出する工程と、
   前記開口絞りの開口部を第１の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値と、前記開口絞りの開口部を前記第１の径より大きい第２の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値とに基づいて、前記焦点位置の調整を行う工程と、
   前記焦点位置の調整を終えた後、前記開口絞りが除かれた前記照明光学系と、前記結像光学系とによって、前記試料のパターンの像を前記第１の受光面に結像する工程と、
   前記第１の受光面に結像した像を用いて前記試料に形成されたパターンの欠陥検査を行う工程とを有することを特徴とする検査方法。
6. 前記焦点位置の調整を行う工程は、前記開口絞りの開口部を前記第１の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値を用いて、前記焦点位置を合焦位置の近傍まで近付ける工程と、
   前記開口絞りの開口部を前記第２の径としたときの前記第２の受光面に結像された像のコントラストと前記第３の受光面に結像された像のコントラストとの差分値とに基づいて、前記合焦位置の近傍まで近付けられた前記焦点位置の微調整を行う工程とを有することを特徴とする請求項５に記載の検査方法。
7. 前記開口絞りは、開口部の径を可変可能な構成であり、
   前記焦点位置の調整を行う工程では、前記開口部の径を変えて、前記第１の径および前記第２の径にすることを特徴とする請求項５または６に記載の検査方法。
8. 前記焦点位置の調整を行う工程では、前記第１の径の開口部を有する開口絞りと、前記第２の径の開口部を有する開口絞りとの２種類の開口絞りを用いることを特徴とする請求項５または６に記載の検査方法。