JP2009075068A - パターン検査装置及びパターン検査方法 - Google Patents

Abstract

【目的】短波長のパルス光源を用いた検査装置を提供することを目的とする。
【構成】本発明の一態様の検査装置１００は、パルス光を発生するパルス光源１５０と、フォトマスク１０１を載置するＸＹθテーブル１０２と、２次元配列された複数の受光素子を有し、複数の受光素子を用いてパルス光が照射されたフォトマスク１０１の２次元領域のパターン像を撮像する２次元センサアレイ１０５と、パターン像のデータを所定の参照パターンデータと比較する比較回路１０８と、を備え、ステージは、パルス光のパルス間に１画素の自然数倍の画素数だけずれるように移動することを特徴とする。本発明によれば、短波長のパルス光源を用いた場合でも検査時間の増大化を抑制すると共に光量誤差を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パターン検査装置及びパターン検査方法に関する。例えば、パルス光を用いてパターンを検査する検査装置及び方法に関する。

近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の高集積化及び大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅はますます狭くなってきている。これらの半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（マスク或いはレチクルともいう。以下、マスクと総称する）を用いて、いわゆるステッパ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。よって、かかる微細な回路パターンをウェハに転写するためのマスクの製造には、微細な回路パターンを描画することができる電子ビームを用いたパターン描画装置を用いる。かかるパターン描画装置を用いてウェハに直接パターン回路を描画することもある。或いは、電子ビーム以外にもレーザビームを用いて描画するレーザビーム描画装置の開発が試みられている。

そして、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。しかし、１ギガビット級のＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に代表されるように、ＬＳＩを構成するパターンは、サブミクロンからナノメータのオーダーになろうとしている。歩留まりを低下させる大きな要因の一つとして、半導体ウェハ上に超微細パターンをフォトリソグラフィ技術で露光、転写する際に使用されるマスクのパターン欠陥があげられる。近年、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って、パターン欠陥として検出しなければならない寸法も極めて小さいものとなっている。そのため、ＬＳＩ製造に使用される転写用マスクの欠陥を検査するパターン検査装置の高精度化が必要とされている。

一方、マルチメディア化の進展に伴い、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：液晶ディスプレイ）は、５００ｍｍ×６００ｍｍ、またはこれ以上への液晶基板サイズの大型化と、液晶基板上に形成されるＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：薄膜トランジスタ）等のパターンの微細化が進んでいる。従って、極めて小さいパターン欠陥を広範囲に検査することが要求されるようになってきている。このため、このような大面積ＬＣＤのパターン及び大面積ＬＣＤを製作する時に用いられるフォトマスクの欠陥を短時間で、効率的に検査するパターン検査装置の開発も急務となってきている。

ここで、従来のパターン検査装置では、拡大光学系を用いてリソグラフィマスク等の試料上に形成されているパターンを所定の倍率で撮像した光学画像と、設計データ、あるいは試料上の別な領域にある同一パターンを撮像した光学画像と比較することにより検査を行うことが知られている。例えば、パターン検査方法として、同一マスク上の異なる場所の同一パターンを撮像した光学画像データ同士を比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄｉｅ検査」や、パターン設計されたＣＡＤデータをマスクにパターンを描画する時に描画装置が入力するための装置入力フォーマットに変換した描画データ（設計パターンデータ）を検査装置に入力して、これをベースに設計画像データ（参照画像）を生成して、それとパターンを撮像した測定データとなる光学画像とを比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄａｔａｂａｓｅ検査」がある。かかる検査装置における検査方法では、試料はステージ上に載置され、ステージが動くことによって光束が試料上を走査し、検査が行われる。試料には、光源及び照明光学系によって光束が照射される。試料を透過あるいは反射した光は光学系を介して、センサ上に結像される。センサで撮像された画像は測定データとして比較回路へ送られる。比較回路では、画像同士の位置合わせの後、測定データと参照データとを適切なアルゴリズムに従って比較し、一致しない場合には、パターン欠陥有りと判定する（例えば、特開２００７−１０２１５３号公報参照）。

従来、照明光としては連続光の光を利用していた。パターン検査装置でさらに微細な欠陥を検出するには、さらに短波長の光を利用する必要がある。これに該当する短波長の光としては、例えば、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザや波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザが挙げられる。しかしながら、エキシマレーザは、パルスレーザである。また、近年、１９３ｎｍのレーザを発光できる全個体レーザ装置が製品化されたが、これもパルスレーザである。短波長の光はこのように多くの場合パルスレーザ光となってしまう。これらのパルスレーザは、１ｋＨｚ〜数ＭＨｚの周波数で発振するものであり、なおかつ１パルスあたり、数ｎ秒程度の発光しか得られない。さらに、パルス光毎に、３０％程度の光強度の差が生じ、そのため測定した光量に大きな誤差が生じてしまう。
特開２００７−１０２１５３号公報

従来は、試料の照明に連続光を用いていた。すなわち、試料は常に照明され明るい状態であった。この状態で、例えば、画素の光量を測定するセンサとして、１度に１次元方向の画像を受光する１次元配列のラインセンサを用い、ステージを一定速度で連続移動させながら、光学画像を撮像していた。（この１回のステージ連続移動によって検査される領域を以下では、フレームと呼ぶことにする。）あるいは、上記１次元のラインセンサの代わりに、ステージ移動と直角方向に１０００個、移動方向に５個程度の受光素子を並べたセンサー（ＴＤＩセンサ）を用いるものもある。ＴＤＩセンサの各受光素子は、所定の時間だけ光量を測定し、その結果をステージ移動方向にある隣の受光素子に渡し、隣の受光素子は、受け取った測定結果に自身が所定時間測定した光量を加算し、さらに隣の受光素子に加算結果を渡す。これを繰り返して最終段の受光素子からは、全測定光量が出力される。これによって、試料上の１つの画素の情報は５つの受光センサが測定した光強度の和として測定される。これら従来の方法では、例えば、２時間程度で１枚の試料の検査を行うことができた。いずれの場合も、連続光を用いており、試料の計測領域は常に照明され続け明るい状態であることが、すべての前提であり、それを利用して各領域からの光量を測定し、欠陥を検査することができた。

しかし、これらの方法をそのままパルスレーザに利用することはできない。
図１８は、パルスレーザ光源のパルス光周期と光量の一例を示す図である。図１８において、パルス光９２，９４，９６は、周期Ｔで発光する。ここで、上述したように、周期Ｔは、１ｋＨｚ〜数ＭＨｚとなるが、発光時間は数ｎ秒程度となり、その瞬間しか試料からの光情報を取り出すことができない。加えて、パルス毎にその光量が３０％も変動してしまうため、従来のステージ速度でステージを連続移動させた場合、以下述べるように、光量の測定結果が大きな誤差を持ったものとなり、正確な欠陥検査が不可能となる。

ここで検査領域を１０×１０ｃｍとする。また、受光素子の数をステージ移動方向に１個、直角方向に２０００個とし、受光素子１つが試料上の１００ｎｍ×１００ｎｍ領域の光量を測定できるものとする。この場合、フレーム巾（ステージ連続移動方向と直角方向）は１００ｎｍｘ２０００個＝２００μｍ＝０．２ｍｍとなる。フレームの数は１０ｃｍ／０．２ｍｍ＝５００となる。ここで、例えば、検査時間を２時間あるいは２０時間で抑えることとする。この場合、ステージ１フレームあたりの検査時間は１４．４秒あるいは１４４秒となる。フレームの長さ（ステージ連続移動方向）は１０ｃｍなので、この時のステージ速度は１０ｃｍ／１４．４秒＝６．９４ｍｍ／秒、あるいは、１０ｃｍ／１４４秒＝０．６９４ｍｍ／秒となる。一方、パルスレーザの発振周波数を例えば４０ｋＨｚとすると、発振周期は１／４０ｋＨｚ＝０．０２５ｍ秒＝２５μ秒となる。パルスレーザが試料を照明し、センサがある場所の光量を測定し、２５μ秒後にパルスレーザが試料を照明する時、ステージと試料は移動しており、その移動量は６．９４ｍｍ／秒ｘ２５μ秒＝１７３．５ｎｍ、あるいは０．６９４ｍｍ／秒×２５μ秒＝１７．３５ｎｍである。前者の場合、１画素あたりに用いられるパルスレーザの照射回数は、１００ｎｍ／１７３．５ｎｍ＝０．５７回、後者の場合は５．７回となる。上述のように、パルス毎の光量は３０％程度変動するので、１画素あたりの測定光量の変動はそれぞれ、３０％／√０．５７＝３９．７３％、及び３０％／√５．７＝１２．６％、に及び、これらは、光量の測定誤差となり欠陥検査に耐えるものではない。

以上の例は、ラインセンサを利用した場合であったが、前述のＴＤＩセンサを利用する場合も、以下に述べるように、ほぼ同様である。ステージ連続移動方向に受光素子が５個ならぶとすると、１画素あたりのパルスレーザの照明回数が５倍になる。 この場合の画素あたりの測定光量の変動は３０％／√（０．５７×５）＝１７．７７％、及び３０％／√（５．７×５）＝５．６２％、となる。やはり、欠陥検査に耐えるものではない。

さらに、マスク検査時間を２時間に抑える上述の例では、あるパルスでの照明の後、次のパルスで照明するまでに、ステージは１７３．５ｎｍだけ移動することになる。画素のサイズは１００ｎｍなので、このステージ移動は１．７３５画素分の移動である。この移動量は１画素よりも０．７３５画素多い。これが意味する所は、先に照明した画素の隣に存在する画素よりも、さらに０．７３５画素分だけ余計にセンサの（相対）位置が進んでしまうということである。その結果、ラインセンサを利用する場合には、この隣の画素内部の０．７３５画素分（７３．５％）の光量はラインセンサで測定できない。当然、この測定できない領域での欠陥の有無は判定できない。これは欠陥検査を行う上での致命的問題である。ＴＤＩセンサを利用する場合にも次のような問題が生じる。１．７３５画素分だけセンサが移動した場合、ＴＤＩセンサの１つの受光素子の位置は２つの画素の境界をまたぐ位置となる。よって、ひとつの受光素子には、二つの画素の光量が、それぞれ、０．２７画素分と０．７３画素分あわせたものとして測定される。しかも、この分配比率はパルスの発生タイミングによって変化するので、従来法のままでは制御することができない。結果、ＴＤＩセンサで測定した光量の情報は２つの画素の光量情報が制御されずに入り混じったものとなって、測定精度が劣化し、欠陥検査能力が下がることになる。

このように、連続光を利用する従来方法をそのままパルスレーザの場合に適用する場合、正確な欠陥の判定が不可能になるという致命的欠陥があった。

そこで、本発明は、かかる問題点を克服し、短波長のパルス光源を用いた検査装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様のパターン検査装置は、
パルス光を発生する光源と、
被検査試料を載置するステージと、
２次元配列された複数の受光素子を有し、前記複数の受光素子を用いて前記パルス光が照射された前記被検査試料の２次元領域のパターン像を撮像するセンサと、
前記パターン像のデータを所定の参照パターン像データと比較する比較部と、
を備え、
前記ステージは、前記パルス光のパルス間に１画素の自然数倍の画素数だけずれるように移動することを特徴とする。

本発明の他の態様のパターン検査装置は、
パルス光を発生する光源と、
被検査試料を載置するステージと、
２次元配列された複数の受光素子を有し、前記複数の受光素子を用いて前記パルス光が照射された前記被検査試料の２次元領域のパターン像を撮像するセンサと、
前記パターン像のデータを所定の参照パターン像データと比較する比較部と、
前記光源と前記センサとの間に配置され、開閉することで所定のパルス数の前記パルス光を前記センサ側に通過させる開閉部と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様のパターン検査方法は、
パルス光を発生し、
前記パルス光のパルス間に１画素の自然数倍の画素数だけずれるように被検査試料が載置されたステージを移動させながら、２次元配列された複数の受光素子を有するセンサを用いて、前記パルス光が照射された前記被検査試料の２次元領域のパターン像を撮像し、
前記パターン像のデータを所定の参照パターン像データと比較し、その結果を出力する、
ことを特徴とする。

本発明の他の態様のパターン検査方法は、
被検査試料が停止した状態で所定のパルス数のパルス光を発生し、
２次元配列された複数の受光素子を有するセンサを用いて、前記パルス光が照射された前記被検査試料の２次元領域のパターン像を撮像し、
前記パターン像のデータを所定の参照パターン像データと比較し、その結果を出力し、
前記所定のパルス数のパルス光が前記被検査試料に照射された後に、前記被検査試料を移動させる、
ことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、短波長のパルス光源を用いた場合でも光量誤差を低減することができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す概念図である。図１において、試料、例えばマスクの欠陥を検査する検査装置１００は、光学画像取得部と制御系回路を備えている。光学画像取得部は、パルス光源１５０、シャッタ１５２、光電素子を利用した光センサ１５３、ＸＹθテーブル１０２（ステージ）、光学系１０３、拡大光学系１０４、２次元センサアレイ１０５、センサ回路１０６、レーザ測長システム１２２、及びオートローダ１３０を備えている。制御系回路では、コンピュータとなる制御計算機１１０が、バス１２０を介して、位置回路１０７、比較回路１０８、参照回路１１２、オートローダ制御回路１１３、テーブル制御回路１１４、磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレシキブルディスク装置（ＦＤ）１１６、ＣＲＴ１１７、パターンモニタ１１８、プリンタ１１９、パルスコントローラ１４０に接続されている。また、センサ回路１０６は、ストライプパターンメモリ１４２に接続され、ストライプパターンメモリ１４２は、比較回路１０８に接続されている。また、ＸＹθテーブル１０２は、Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータ、θ軸モータにより駆動される。ＸＹθテーブル１０２は、ステージの一例となる。ここで、図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成部分について記載している。検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成が含まれても構わないことは言うまでもない。

検査装置１００では、パルス光源１５０、シャッタ１５２、光電素子を利用した光センサ１５３、ＸＹθテーブル１０２、光学系１０３、拡大光学系１０４、２次元センサアレイ１０５、センサ回路１０６により高倍率の検査光学系が構成されている。パルス光源は４０ｋＨｚで自動的に発振し、パルスレーザを発生させる。光センサ１５３は、シャッタ下部に設置され、シャッタが開いてシャッタをレーザパルスが通った時、これを検知し、パルスが発生した旨の信号をパルスコントローラ１４０に送る。また、ＸＹθテーブル１０２は、制御計算機１１０の制御の下にテーブル制御回路１１４により駆動される。Ｘ方向、Ｙ方向、θ方向に駆動する３軸（Ｘ−Ｙ−θ）モータの様な駆動系によって移動可能となっている。これらの、Ｘモータ、Ｙモータ、θモータは、例えばステップモータを用いることができる。そして、ＸＹθテーブル１０２の移動位置はレーザ測長システム１２２により測定され、位置回路１０７に供給される。また、ＸＹθテーブル１０２上のフォトマスク１０１はオートローダ制御回路１１３により駆動されるオートローダ１３０から自動的に搬送され、検査終了後に自動的に排出されるものとなっている。

被検査試料となるフォトマスク１０１は、ＸＹθ各軸のモータによって水平方向及び回転方向に移動可能に設けられたＸＹθテーブル１０２上に載置される。そして、フォトマスク１０１に形成されたパターンはパルス光源１５０によってパルス光が光学系１０３を介して照明される。照明されたパターンは、フォトマスク１０１を透過し、光は拡大光学系１０４を介して、２次元センサアレイ１０５上に光学像として結像し、受光素子が画素毎の光量を測定する。

図２は、実施の形態１における２次元センサアレイの配置状態の一例を示す図である。図２において、２次元センサアレイ１０５は、２次元配列された複数の受光素子２０を有している。そして、これらの複数の受光素子２０を用いてパルス光が照射されたフォトマスク１０１の２次元領域のパターン像を一度に撮像する。このような２次元センサアレイ１０５を用いて以下のように撮像する。

図３は、実施の形態１における光学画像の取得手順を説明するための概念図である。被検査領域は、図３に示すように、Ｙ方向に長手で、Ｘ方向に幅Ｗの短冊状の複数の検査ストライプ１０に仮想的に分割される。そして、分割された検査ストライプ１０毎にステップアンドリピート方式で走査されるようにＸＹθテーブル１０２の動作が制御され、Ｙ方向に移動と停止を繰り返し、停止時に光学画像が取得される。そして、第１の検査ストライプにおける画像を取得した後、第２の検査ストライプにおける画像を今度は逆方向にステップアンドリピート方式で移動しながら同様に幅Ｗの画像を入力する。そして、第３の検査ストライプにおける画像を取得する場合には、第２の検査ストライプにおける画像を取得する方向とは逆方向、すなわち、第１の検査ストライプにおける画像を取得した方向にステップアンドリピート方式で移動しながら画像を取得する。このように、画像を取得していくことで、無駄な処理時間を短縮することができる。１回の２次元撮像領域１２は２次元方向に複数の画素１４が入る領域となる。

図４は、実施の形態１における光学画像の取得手順を説明するための他の概念図である。ここでは、検査ストライプ１０のＸ方向幅Ｗを２次元センサアレイ１０５のＸ方向の受光素子の配列幅にする場合について示している。例えば、２次元センサアレイ１０５に２０００×２０００画素分の受光素子２０（例えばフォトダイオード）が配置されているものを用いると、１回の２次元撮像領域１２は２０００個×２０００個の複数の画素が入る領域となる。下記では、ステージを停止した状態で試料上の測定場所を照明する際、パルスレーザを１０００回照明するものとする。

まず、ある検査ストライプ１０の２次元撮像領域１２ａのパターン像が２次元センサアレイ１０５によって撮像できる位置にＸＹθテーブル１０２を移動させる。そして、照射工程として、パルス光源１５０はパルス光を発生し続ける。シャッタ１５２は、パルス光源１５０と２次元センサアレイ１０５との間に配置される。より具体的には、シャッタ１５２は、パルス光源１５０の照射口付近に配置される。シャッタ１５２は、パルスコントローラ１４０によって開閉が制御される。シャッタが開いている時、光センサはパルスレーザを検知し、そのたびにパルスコントローラに信号を送る。パルスコントローラは受け取った信号の回数をカウントし、１０００回のパルス発生を確認した後、シャッタを閉める。このように、シャッタ１５２は、開閉することで所定のパルス数のパルス光を２次元センサアレイ１０５側に通過させる。そして、シャッタ１５２を開いたときに、所定のパルス数のパルスレーザで試料が照明される。シャッタ１５２は、開閉部の一例となる。試料の照明された部分が、２次元センサアレイ１０５上で結像する。そして、撮像工程として、ＸＹθテーブル１０２を停止させた状態で、２次元センサアレイ１０５は、パルス光が照射されたフォトマスク１０１の２次元撮像領域１２ａのパターン像を撮像する。よって、２次元センサアレイ１０５の各受光素子２０には所定のパルス数の光量が蓄積されることになる。所定のパルス数のパルス光が２次元センサアレイ１０５側に照射されたことをパルスコントローラが確認した後、パルスコントローラはシャッタ１５２を閉じる。そして、センサで取得した画像データは比較回路に送られ、検査に利用される。これと同時にＸＹθテーブル１０２は、Ｙ方向に向かって、次の２次元撮像領域１２ｂの位置に移動する。ＸＹθテーブル１０２の移動は、テーブル制御回路１１４によって制御されるが、テーブル制御回路１１４は、パルスコントローラ１４０からの送られる照明終了を示す信号によって移動時期を判断する。そして、移動後、（画像データの比較回路への転送終了を確認した後、）ＸＹθテーブル１０２が停止した状態でシャッタ１５２が開き、所定のパルス数のパルス光が照射される。２次元センサアレイ１０５は、パルス光が照射されたフォトマスク１０１の２次元撮像領域１２ｂのパターン像を撮像する。そして、所定のパルス数のパルス光が２次元センサアレイ１０５側に照射されるとシャッタ１５２が閉じる。そしてセンサで取得した画像データは比較回路に送られ、検査に利用される。また、ＸＹθテーブル１０２は、Ｙ方向に向かって、さらに次の２次元撮像領域１２ｃの位置に移動する。このように、ＸＹθテーブル１０２は、シャッタ１５２が開いている間は停止し、シャッタ１５２が閉じている間に、パルス光が照射される次の２次元撮像領域１２の位置に移動する。以上のようにステップアンドリピートを繰り返しながら検査ストライプ１０の終端まで撮像を繰り返す。このようにして、フォトマスク１０１の光学画像を取得していく。

図４では、検査ストライプ１０のＸ方向スキャン幅Ｗを２次元センサアレイ１０５のＸ方向の幅にする場合について示したがこれに限るものではない。例えば、検査ストライプ１０のＸ方向幅Ｗを２次元センサアレイ１０５のＸ方向の幅のＮ倍に設定しても好適である。

図５は、実施の形態１における光学画像の取得手順を説明するための他の概念図である。ここでは、検査ストライプ１０のＸ方向幅Ｗを２次元センサアレイ１０５のＸ方向の幅の３倍に設定する場合について示している。図４の例では、Ｙ方向にのみステップ＆リピート動作を行なったが、図４ではさらにＸ方向にパルス光源からのパルス光をステップ＆リピートさせる動作を行なう。

図６は、実施の形態１におけるパルス光を走査する場合を説明するための概念図である。光源側に、音響光学素子を利用した走査用光学素子を配置し、パルスレーザ光の光路を試料上のＸ方向に移動できる構成となっており、また、これと連動して、センサ側の走査用光学素子でレーザの光路を変更し、試料上のパターンをセンサに結像させる構造となっている。このふたつの走査用光学素子によって、ステージを停止したまま、Ｘ方向に２次元撮像領域１２をステップ＆リピート移動させることができる。

まず、ある検査ストライプ１０の座標（ｉ，ｊ）で示す２次元撮像領域１２のパターン像が２次元センサアレイ１０５によって撮像できる位置にＸＹθテーブル１０２を移動させる。パルス光源１５０はパルス光を発生しつづける。そして、照射工程として、所定のパルス数が照射される間だけシャッタ１５２を開ける。これは、前述の例と同様、光センサからの情報を利用して、パルスコントローラが制御しておこなう。そして、撮像工程として、ＸＹθテーブル１０２を停止させた状態で、２次元センサアレイ１０５は、座標（ｉ，ｊ）の２次元撮像領域１２のパターン像を撮像する。よって、２次元センサアレイ１０５の各受光素子２０には所定のパルス数の光量が蓄積されることになる。所定のパルス数のパルス光が２次元センサアレイ１０５側に照射されるとシャッタ１５２が閉じる。そして、センサで取得した画像データは比較回路に送られ、検査に利用される。これと同時に、２つの走査用光学素子を用いてレーザ光の光路をＸ方向に変更し、座標（ｉ＋１，ｊ）の２次元撮像領域１２の位置が照明され、センサに集光されるようにする。（画像データの比較回路への転送終了を確認した後、）その位置でシャッタ１５２が開き、所定のパルス数のパルス光が照射される。２次元センサアレイ１０５は、座標（ｉ＋１，ｊ）の２次元撮像領域１２のパターン像を撮像する。そして、所定のパルス数のパルス光が２次元センサアレイ１０５側に照射されるとシャッタ１５２が閉じ、センサで取得した画像データは比較回路に送られ、検査に利用される。同様に、座標（ｉ＋２，ｊ）の２次元撮像領域１２のパターン像を撮像し終わると、今度は、シャッタ１５２が閉じた状態で、センサで取得した画像データは比較回路に送られ、検査に利用される。また同時にＸＹθテーブル１０２が、Ｙ方向に向かって、座標（ｉ＋２，ｊ＋１）の２次元撮像領域１２の位置に移動する。そして、−Ｘ方向に向かって、同様に、パルス光源１５１によるステップ＆リピート動作により座標（ｉ，ｊ＋１）の２次元撮像領域１２のパターン像まで撮像し終わると、今度は、シャッタ１５２が閉じた状態で、ＸＹθテーブル１０２が、Ｙ方向に向かって、座標（ｉ，ｊ＋２）の２次元撮像領域１２の位置に移動する。以上のようにＸ方向とＹ方向にステップアンドリピートを繰り返しながら検査ストライプ１０の終端まで撮像を繰り返す。このようにして、フォトマスク１０１の光学画像を取得していく。

ここで、検査時間の計算例について述べると以下にようになる。フォトマスク１０１の検査領域（測定領域）をＬ×Ｌ（ｃｍ）とする。また、画素サイズをｐ×ｐ（ｎｍ）とし、Ｘ個×Ｙ個の受光素子２０（例えばフォトダイオード）が配置された２次元センサアレイ１０５を用いる。また、１箇所で受光するパルス数をＫとする。そして、照明光に例えばＮ（ｋＨｚ）のパルスレーザ光を用いた場合、撮像時間ｔ（ｓ）は以下の式（１）で計算することができる。
（１）ｔ＝Ｋ・Ｌ^２・１０^１１／（ｐ^２・Ｎ・Ｘ・Ｙ）

例えば、フォトマスク１０１の検査領域（測定領域）を１０ｃｍ×１０ｃｍとする。また、画素サイズを１００ｎｍでピッチｐ＝１００ｎｍとし、縦２０００個×横２０００個（Ｘ，Ｙ＝２０００）の受光素子２０（例えばフォトダイオード）が配置された２次元センサアレイ１０５を用いる。その場合、２次元センサアレイ１０５によるセンサ領域は０．２ｍｍ×０．２ｍｍとなる。また、１箇所で受光するパルス数Ｋ＝１０００とする。そして、照明光に例えば４０ｋＨｚのパルスレーザ光を用いた場合、撮像時間ｔは６．２５×１０^３（ｓ）≒１．７時間となる。また、上述したように、光量誤差が３０％とするとＫ＝１０００パルスを受光することで、光量誤差が３０／√１０００≒１％程度に抑えることができる。また、この条件でのステップ回数（撮像領域を移動する回数）は５００×５００＝２．５×１０^５回となる。

（ケース１）：図４のように、ステージのステップ＆リピートのみを使う場合を考える。ＸＹθテーブル１０２が移動時間０．０２（ｓ）／ステップで移動する場合
検査領域全体の検査が終了までのＸＹθテーブル１０２の移動時間は、２．５×１０^５回×０．０２≒１．４時間程度となる。よって、撮像時間と合わせると検査時間を３．１時間とすることができる。

（ケース２）：図５のように、ステージをＹ方向にステップ＆リピートさせ、Ｘ方向には、走査用光学素子を利用して、光学的にステップ＆リピートさせる場合を考える。ＸＹθテーブル１０２が移動時間０．１（ｓ）／ステップで移動し、Ｘ方向への光学的なステップ時間は１回あたり、０．０１（ｓ）であるとする。
検査ストライプ１０の幅を２ｍｍとすると、ある検査ストライプ１０を撮像する際にＸ方向に１０回走査することになる。よって、ＸＹθテーブル１０２のステップ回数は、（１０ｃｍ／２ｍｍ）×（１０ｃｍ／０．２ｍｍ）＝２．５×１０^４回となる。また、光学的なステップ回数は、５００×５００＝２．５×１０^５回となる。検査領域全体の検査が終了までのＸＹθテーブル１０２の移動時間は、２５００（ｓ）となる。他方、光学的なステップ時間の総和は、２５００（ｓ）となる。よって、検査領域全体の検査が終了までのＸＹθテーブル１０２の移動時間とパルス光源１５１の走査時間の合計は、１．４時間程度となる。よって、撮像時間と合わせると検査時間を３．１時間とすることができる。すなわち、ＸＹθテーブル１０２のステップあたりの移動時間を遅くしても光学的なステップを組み合わせることで全体の移動時間を短縮することができる。

このように、ステージを静止させた状態で、所定回数、パルスレーザで照明することによって、画素毎の測定誤差を抑え、短時間で検査することが可能となる。

しかしながら、上述した条件に限るものではない。まず、実用化にあたっては光量誤差を５％以下に抑えることが望ましい。１パルスの光量の変動を３０％とし、また、パルス数をＫとすると、Ｋ回のパルス照射による光量の変動は３０％／√（Ｋ）となるので、この変動を５％とするためには、Ｋ＝３６、回のパルスレーザの照射回数が必要となる。すなわち、Ｋ＝３６パルス程度は２次元センサアレイ１０５の各受光素子２０がパルス光を受光することが必要となる。この条件を前提にして、例えば、次のような条件でも実用化は可能である。例えば、フォトマスク１０１の検査領域（測定領域）を１０ｃｍ×１０ｃｍとする。また、画素サイズを１００ｎｍでピッチｐ＝１００ｎｍとし、縦２００個×横２００個（Ｘ，Ｙ＝２００）の受光素子２０（例えばフォトダイオード）が配置された２次元センサアレイ１０５を用いる。その場合、２次元センサアレイ１０５によるセンサ領域は０．０２ｍｍ×０．０２ｍｍとなる。また、１箇所で受光するパルス数を簡単のため例えば、Ｋ＝５０とする。そして、照明光に例えば４０ｋＨｚのパルスレーザ光を用いた場合、撮像時間ｔは８．６８時間となる。確かに撮像時間としては長くなってしまうが、パルス間の光量誤差が３０％とするとＫ＝５０パルスを受光することで、光量誤差を３０／√５０≒４．３％程度に抑えることができる。そして、上述したケース２の場合、ＸＹθテーブル１０２のステップ回数は、（１０ｃｍ／２ｍｍ）×（１０ｃｍ／０．０２ｍｍ）＝２．５×１０^５回となる。また、パルス光源１５１の走査回数は、（１０ｃｍ／０．０２ｍｍ）×（１０ｃｍ／０．０２ｍｍ）＝２．５×１０^７回となる。検査領域全体の検査が終了までのＸＹθテーブル１０２の移動時間は、２５０００（ｓ）となる。他方、パルス光源１５１の走査時間は、２５０００（ｓ）となる。よって、検査領域全体の検査が終了までのＸＹθテーブル１０２の移動時間とパルス光源１５１の走査時間の合計は、１４時間程度となる。よって、撮像時間と合わせると検査時間は２２．５７時間となる。

以上のようにして２次元センサアレイ１０５上に結像されたパターンの像は、２次元センサアレイ１０５の各受光素子２０によって光電変換され、更にセンサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。

センサ回路１０６から出力された測定データ（光学画像）は、ストライプパターンメモリ１４２に検査ストライプ１０毎に格納された後、位置回路１０７から出力されたＸＹθテーブル１０２上におけるフォトマスク１０１の位置を示すデータとともに比較回路１０８に送られる。測定データは例えば８ビットの符号なしデータであり、各画素の明るさの階調を表現している。測定データは、例えば、２０００画素×２０００画素の画像データ毎に区分けされ、その内部の画素毎に比較される。

また、参照画像作成工程として、ｄｉｅ ｔｏ ｄａｔａｂａｓｅ検査の場合、まず、参照回路１１２は、磁気ディスク装置１０９から制御計算機１１０を通して設計データを読み出す。そして、読み出されたフォトマスク１０１の設計データを２値ないしは多値のイメージデータに変換して、参照データ（参照画像）を作成する。ｄｉｅ ｔｏ ｄｉｅ検査の場合は、被検査試料と共に撮像された参照試料の測定データ（参照画像）が、ストライプパターンメモリ１４２に検査ストライプ１０毎に格納された後、位置回路１０７から出力されたＸＹθテーブル１０２上におけるフォトマスク１０１の位置を示すデータとともに比較回路１０８に送られる。

そして、比較工程として、比較回路１０８内にて、まず、測定データと参照データとの位置合わせを行なう。そして、比較部となる比較回路１０８は、測定データの各画素信号と参照データの参照画素信号とを所定のアルゴリズムに従って比較し、欠陥の有無を判定する。そして、比較された結果は出力される。比較された結果は、例えば、磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、ＦＤ１１６、ＣＲＴ１１７、パターンモニタ１１８、或いはプリンタ１１９に出力される。或いは、外部に出力されても構わない。

なお、この実施形態では、シャッタを開いている時間の制御はパルスの数を計測しておこなったが、これに限ったものではない。例えば、単純に、１０００パルス分の時間だけシャッタを開いておくという制御でも良い。例えば、パルスレーザの発振周波数が４０ｋＨｚの場合は、この時間は（１／４０ｋＨｚ）×１０００＝２５ｍ秒とすれば良い。

以上のように構成することで、一度に広い領域の画像を撮像することができる。そのため、パルス光を照明光とした場合でも、広い領域の画像を一度に撮像する分だけ撮像時間を短縮することができる。そして、撮像時間を短縮することで節約した時間を使って、受光するパルス数を増やすことができる。よって、短波長のパルス光源を用いた場合でも検査時間の増大化を抑制することができる。さらに、短波長のパルス光源を用いた場合でも光量誤差を低減することができる。

以上のように、ステージがステップアンドリピート移動する検査手法において、短波長のパルス光源を用いた場合でも光量誤差を低減することができる。

以上のように、実施の形態１におけるパターン検査装置１００では、試料内の（計測対象の）１部領域と２次元配列された複数の受光素子からなるセンサとを所定の相対位置関係として、パルスレーザを所定回数あるいは所定時間、照射・照明することによって、計測対象の部分からの光信号をセンサで測定する第１の機能を備えている。さらに、測定領域を移動して、試料の全測定対象領域からの光信号を測定する第２の機能を備えている。そして、測定した光信号を用いて試料上の欠陥を識別する。

さらに、パターン検査装置１００は、試料内の（計測対象の）１部領域を照射・照明する際、試料内の計測対象の領域と上述したセンサとを所定の相対位置関係に相対的に静止させ、パルスレーザを所定回数あるいは所定時間、照射・照明する。

ここで、検査装置１００の光学系の収差・画像ひずみについて補足する。フォトマスク１０１と２次元センサアレイ１０５との間の拡大光学系１０４に配置される対物レンズに非球面レンズを用いると、収差・画像ひずみが充分小さな光学系を構成することができる。対物レンズのひずみによるずれは１／１０画素以下、より望ましくは１／６４画素以下であることが好適である。なぜなら、ずれによって一つの画素の情報がふたつ以上の画素センサに分配されるために測定上の誤差となるからであり、ずれが１／１０画素以下であれば、この誤差は１０％程度以下に抑制され、ずれが１／６４画素以下であればこの誤差は1.6%程度に抑制されるからである。このような小さなひずみは、対物レンズとして通常用いられる球面レンズに代えて、ひずみの少ない非球面レンズを利用することによって実現できる。よって、拡大光学系１０４に配置される対物レンズに非球面レンズを用いるのが好適である。但し、非球面レンズを用いると光学系が高価となる。そこで、球面レンズを用いて収差・画像ひずみが発生し、所定の画素以上のずれ（たとえば、１／１０画素あるいは１画素以上のずれ）が生じる場合には下記のようにこのひずみを補正することができる。これにより、球面レンズを用いることもでき、装置のコストを抑えることも可能である。収差が発生する場合に次のように補正する。

図７は、実施の形態１におけるひずみ補正を説明するための概念図である。得られた測定画像３２は、図７に示すように収差により歪んでいる場合、画素３０の位置も歪むことになる。そこで、測定画像３２を補正画像３４のように補正することで画素３０の位置を所望する画素位置に補正することができる。

図８は、実施の形態１におけるひずみの様子を説明するための概念図である。ある画素３０が、試料面上では本来、位置（Ｘ’，Ｙ’）にあるものとする。また、この画素３０の光学情報は、２次元センサアレイ１０５面上で位置（Ｘ，Ｙ）にある画素センサとなる受光素子２０で観測されるものとする。光学系のひずみ（より正確には、フォトマスク１０１と２次元センサアレイ１０５との間の対物レンズのひずみ）が、この（Ｘ，Ｙ）と（Ｘ’，Ｙ’）との関係をゆがめる。ここで、その関係が次の式（２−１）及び式（２−２）で表されるものとする。
（２−１） Ｘ＝ａ’＋ｂ’_１・Ｘ’＋ｂ’_２・Ｙ’＋ｃ’_１・Ｘ’^２
＋ｃ’_２・Ｘ’Ｙ’＋ｃ’_３・Ｙ’^２
（２−２） Ｙ＝ｐ’＋ｑ’_１・Ｘ’＋ｑ’_２・Ｙ’＋ｒ’_１・Ｘ’^２
＋ｒ’_２・Ｘ’Ｙ’＋ｒ’_３・Ｙ’^２

例えば、フォトマスク１０１に形成されたパターンの元となるパターンデータ（設計データ）を用いて画像をシミュレーションする。そして、実際の測定された画像と比較して欠陥を検出する場合を考える。まず、ひずみがないものとして各画素の光量をシミュレーションして求める。そして、各画素の位置（Ｘ’，Ｙ’）がひずみによってどの位置（Ｘ，Ｙ）に変化しているかを上記式（２−１）及び式（２−２）で求める。位置（Ｘ’，Ｙ’）と位置（Ｘ，Ｙ）との対応関係がわかれば、位置（Ｘ’，Ｙ’）にある画素の光量が２次元センサアレイ１０５面上で位置（Ｘ，Ｙ）に位置する受光素子で検出されることがわかる。かかる演算は、センサ回路１０６内で行う。

図９は、実施の形態１におけるテストパターンの一例を示す図である。まず、所定の間隔で敷き詰められたマーク４２が形成されたテストマスク４０を作成する。そして、このテストマスク４０の各マーク４２の位置を検査装置１００で検査する。これにより、収差による歪み量を把握することができる。ひずむ前と後での位置を上記式（２−１）及び式（２−２）で近似（フィッティング）して各係数ａ’〜ｒ’_３を求める。得られた係数ａ’〜ｒ’_３をセンサ回路１０６に設定する。センサ回路１０６は、各係数ａ’〜ｒ’_３が設定された式（２−１）及び式（２−２）を用いて、実際の被検査試料となるフォトマスク１０１から得られた測定画像を補正すればよい。かかる補正により比較回路１０８で比較する際に収差による歪み分を排除することができ、検査精度を向上させることができる。また、ひずみによって元の画素がちょうどひずんだ後の画素領域に収まらず、画素間を跨ぐ結果となることもあり得る。その場合には、以下のように補間するとよい。

図１０は、実施の形態１における光量補間の手法を説明するための図である。図１０において、元の画素がひずんだ後に、画素間を跨ぐ結果となった場合には、画素の境界で分けた場合の面積比で光量を分割し、それぞれの画素に対応する受光素子の光量に分配すれば良い。

また、図２において、Ｘ方向とＹ方向に２次元配列された複数の受光素子２０を有している２次元センサアレイ１０５について説明したが、配列の仕方はこれに限るものではない。

図１１は、実施の形態１における２次元センサアレイの配置状態の他の一例を示す図である。例えば、図１１に示すように、各受光素子２２を６角形に形成して、各辺に合わせて複数の受光素子２２を配列するようにしても好適である。

実施の形態２．
実施の形態１では、ステップアンドリピート方式で撮像する場合について説明したが、実施の形態２では、ＸＹθテーブル１０２を連続移動させながら撮像する場合について説明する。

図１２は、実施の形態２におけるパターン検査装置の構成を示す概念図である。図１２において、シャッタ１５２、光センサ１５３及びパルスコントローラ１４０の代わりに同期回路１４６が配置された点以外は図１の構成と同様である。ここで、図１２では、実施の形態２を説明する上で必要な構成部分について記載している。検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成が含まれても構わないことは言うまでもない。ここでは簡単のため、光学系は非球面レンズを利用し収差、歪がないものとする。

図１３は、実施の形態２における光学画像の取得手順を説明するための概念図である。フォトマスク１０１の被検査領域は、図１３に示すように、Ｘ方向に向かって、スキャン幅Ｗの短冊状の複数の検査ストライプ１０に仮想的に分割される。そして、更にその分割された各検査ストライプ１０が連続的に走査されるようにＸＹθテーブル１０２の動作が制御される。そして、Ｙ方向に移動しながら光学画像が取得される。２次元センサアレイ１０５では、図１３に示されるようなスキャン幅Ｗの画像を連続的に入力される。そして、第１の検査ストライプにおける画像を取得した後、第２の検査ストライプにおける画像を今度は逆方向に移動しながら同様にスキャン幅Ｗの画像を連続的に入力する。そして、第３の検査ストライプにおける画像を取得する場合には、第２の検査ストライプにおける画像を取得する方向とは逆方向、すなわち、第１の検査ストライプにおける画像を取得した方向に移動しながら画像を取得する。

図１４は、実施の形態２における光学画像の取得手順を説明するための他の概念図である。ここでは、検査ストライプ１０のＸ方向幅Ｗを２次元センサアレイ１０５のＸ方向の受光素子の配列幅にする場合について示している。例えば、２次元センサアレイ１０５に２０００×２０００画素分の受光素子２０が配置されているものを用いる。そして、ＸＹθテーブル１０２は、パルス光のパルス間に所定の画素数だけずれるように連続移動する。

まず、検査対象のストライプの撮像開始位置の手前にＸＹθテーブル１０２を移動させる。そして、ステージを加速させ、撮像領域が検査領域に入った時には、所定の一定スピードでステージを走行させる。また同時に、照射工程として、同期回路から信号が送られ、パルス光源１５０がパルス光を発生する。この時のＸＹθテーブル１０２の連続移動速度は、パルス光のパルス間隔１回あたりに、Ｙ方向に所定の画素数（１画素の自然数倍の画素数：例えば図１４の例では４画素）だけずれる速度とする。これは、レーザ測長システムで計測されたステージの位置情報を位置回路１０７を経由して同期回路１４６が取得し、位置にあわせて、パルス光源１５０に発光指示の信号を送ることによって行う。この時、パルスレーザの照射と同時に行われる撮像工程は、２次元センサアレイ１０５が、パルス光が照射されたフォトマスク１０１の２次元撮像領域１８のパターン像を撮像するものである。具体的には、ＸＹθテーブル１０２を連続移動させながら、ｋパルス目のパルスレーザで、２次元撮像領域１８を撮像し、その後もＸＹθテーブル１０２は一定速度で走行して、これによって所定画素数分移動した時、ｋ＋１パルス目のパルスレーザで照明を行い、は所定の画素数分だけ移動した２次元撮像領域１８の撮像を行う。図１４の例では、２次元撮像領域１８が非撮像領域１６側に４画素進む場合を示している。

図１５は、図１４に示す場合の、２次元センサアレイ側から見た画素の移動の様子を示す図である。例えば、試料上のある場所・画素Ａの情報はｋパルス目の照明である受光素子Ｂ１で測定され、次の（ｋ＋１）パルス目の照明では４つ隣の受光素子Ｂ２で測定され、さらに次のパルスの照明では、さらに４つ隣の受光素子で測定され、・・・と繰り返し測定される。この画素Ａの光量測定は、移動方向の受光素子数（２０００）／１パルス間隔で移動する画素数（４）＝５００回行われることになる。２次元センサアレイ１０５はこれに対応して、内部で次の式（３）に示すように、画素Ａからの全光学情報・光量を積算する。
（３）画素Ａからの全光量＝ｋパルス目の照明の際、受光素子Ｂ１で得られた光量
＋（ｋ＋１）パルス目の照明の際、受光素子Ｂ２で得られた光量
＋（ｋ＋２）パルス目の照明の際、受光素子Ｂ３で得られた光量
＋・・・・・・

このような動作を行う２次元センサアレイ１０５とその制御の一例を以下で説明する。２次元センサアレイ１０５はほぼ従来のＴＤＩセンサと同じである。２次元センサアレイ１０５には、外部から画素位置のシフト量を与えられる構造となっている。２次元センサアレイ１０５はそのシフト量を与えられた時、内部の各受光素子に蓄えられた測定光量情報を、すべて、（ステージ連続移動方向に）外部から指示されたシフト量だけ離れた受光素子に移動させる。例えば、シフト量として４を与えられた時、図１５の受光素子Ｂ１にたくわえられた測定光量情報は、Ｂ２に移動される。他の受光素子に蓄えられた測定光量の情報も同様に４つ離れた受光素子に移動される。また、この時、２次元センサアレイ１０５の（測定光量を移動させる方向の）最終のｎ段に存在する受光素子（上記の例では２０００画素／段×４段＝）８０００画素分）に蓄えられた測定光量情報は外部に出力される。

この２次元センサアレイ１０５を利用した制御法は次のように行う。画素のシフト量は４とし、センサは２０００×２０００の受光素子よりなるものとする。同期回路１４６はステージが所定の位置に到達したことを認識して、パルス光源１５０に発光を指示し、パルス光源１５０がパルスレーザを発光し、フォトマスク１０１を照明し、２次元センサアレイ１０５で光量を測定する。その直後、同期回路１４６はシフト量“４”を２次元センサアレイ１０５に送る。２次元センサアレイ１０５は、これを受けて、各受光素子に蓄えられた測定光量情報を４つ離れた受光素子に移動させる。また、２次元センサアレイ１０５は、最終４段の８０００個の受光素子に蓄えられた測定光量情報を出力し、それは、比較回路におくられて欠陥検査に利用される。ここで、２次元センサアレイ１０５や信号伝達系の動作速度は、“２次元センサアレイ１０５にシフト量を与え２次元センサアレイ１０５が最終４段分の光量情報をすべて出力するまでの全動作が、パルスレーザの周期（４０ｋＨｚ発振の場合は０．０２５秒）以内で終わる”ものとしておく。このような速度にしておくことによって、２次元センサアレイ１０５にシフト量を与え最終４段分の光量情報がすべて出力されるまでの間には、パルスレーザによる照明は行われず、２次元センサアレイ１０５内部の各受光素子は新たな光量を計測しない。その後、ＸＹθテーブル１０２が４画素分移動したことを同期回路１４６が検知し、パルス光源１５０に発光の指示を与え、パルス光源１５０が発光し、２次元センサアレイ１０５がフォトマスク１０１からの各画素の光量を測定する。以上のことを繰り返すことによって、式（３）のように、各画素での光量が計測され、検査に利用されることになる。

これによって、５００回のパルスレーザの照明でえられた画素群の全光量が得られる。上述のように、２次元センサアレイ１０５はこれらの積算情報を、１パルス毎に１回、２０００画素／段×４段の画素分を出力し、出力データは比較回路１０８に送られ欠陥の検査に用いられる。このパルスレーザによる１画素あたり５００回の照明と測定により、光量の誤差は３０％／√（５００）＝１．３４％に抑えられる。

２次元センサアレイ１０５とその制御の他の例を以下で説明する。２次元センサアレイ１０５の動作は上述の例に類似である。２次元センサアレイ１０５には、外部から命令信号Ｃを与えられる構造となっている。この命令信号Ｃを受けると、２次元センサアレイ１０５は内部の各受光素子に蓄えられた測定光量情報を、すべて、ステージ連続移動方向に１つ離れた受光素子に移動させる。また、この時、２次元センサアレイ１０５の測定光量を移動させる方向の最終段に存在する受光素子（上記の例では２０００画素分）に蓄えられた測定光量情報は外部に出力される。また、２次元センサアレイ１０５は、外部に出力し終わった時、出力終了した旨の信号を外部に伝える。

この２次元センサアレイ１０５を利用した制御法は次のように行う。画素のシフト量は４とし、２次元センサアレイ１０５は２０００×２０００の受光素子よりなるものとする。同期回路１４６はステージが所定の位置に到達したことを認識して、パルスレーザ光源に発光を指示し、光源がパルスレーザを発光し、マスクを照明、２次元センサアレイ１０５が光量を測定する。言い換えれば、同期回路１４６はステージの位置にあわせて、光源に発光指示の信号を送る。その直後、同期回路１４６は命令信号Ｃをセンサに送る。２次元センサアレイ１０５は、これを受けて、各受光素子に蓄えられた測定光量情報を、ステージ連続移動方向に１つ離れた受光素子に移動させる。また、２次元センサアレイ１０５は、最終段の２０００個の受光素子に蓄えられた測定光量情報を出力し、それは、比較回路１０８におくられて欠陥検査に利用される。２次元センサアレイ１０５は、この２０００個の測定光量情報を出力し終えると、同期回路１４６に出力終了信号を送る。同期回路１４６はこの出力終了信号を受けた後、再度２次元センサアレイ１０５に命令信号Ｃを送り、２次元センサアレイ１０５は測定光量情報の移動と出力を行い、終了信号を２次元センサアレイ１０５に送る。このような動作を繰り返し、命令信号Ｃと終了信号のやり取りを計４回行う。これによって、２次元センサアレイ１０５内の受光素子に蓄えられた測定光量情報は、ステージ連続移動方向に４つ離れた受光素子に移動し、また、ステージ連続移動方向側端部、最終の４段分の受光素子に蓄えられた測定光量情報は比較回路１０８におくられて欠陥検査に利用されることになる。ここで、２次元センサアレイ１０５や信号伝達系の動作速度は、“１パルスレーザ照射後、同期回路１４６がセンサに最初の命令信号Ｃを与えてから、２次元センサアレイ１０５が最終４段分の光量情報をすべて出力するまでの全動作が、パルスレーザの周期（４０ｋＨｚ発振の場合は０．０２５秒）以内で終わる”ものとしておく。すなわち、２次元センサアレイ１０５は、撮像した所定の画素数列分の光量情報をパルス光の周期以内に出力を終了させる。２次元センサアレイ１０５には受光素子が２次元配列されているので、ステージの移動方向と直交する方向にも受光素子が並んでいる。そのため、ずれる画素数×ずれる方向と直交する方向の画素数の光量情報が画素数列分の光量情報となる。このような速度にしておくことによって、１パルスレーザ照射後、同期回路１４６が２次元センサアレイ１０５に最初の命令信号Ｃを送って、シフト量を与え最終４段分の光量情報がすべて出力されるまでの間には、（パルスレーザによる）照明は行われないので、２次元センサアレイ１０５内部の各受光素子は新たな光量を計測しない。その後、ＸＹθテーブル１０２が４画素分移動したことを同期回路１４６が検知し、パルスレーザ光源に発光の指示を与え、光源が発光、２次元センサアレイ１０５が試料からの各画素の光量を測定する。以上のことを繰り返すことによって、式（３）のように、各画素での光量が計測され、検査に利用されることになる。

ここで、検査時間の計算例について述べると以下にようになる。フォトマスク１０１の検査領域（測定領域）をＬ×Ｌ（ｃｍ）とする。また、画素サイズをｐ×ｐ（ｎｍ）とし、Ｘ方向の素子数Ｘ個×Ｙ方向の素子数Ｙ個の受光素子２０が配置された２次元センサアレイ１０５を用いる。また、１箇所で受光するパルス数をＫとする。但し、実施の形態２ではＫ＝１となる。また、画素のずらす数をＳとする。そして、照明光に例えばＮ（ｋＨｚ）のパルスレーザ光を用いた場合、撮像時間ｔ（ｓ）は以下の式（４）で計算することができる。
（４）ｔ＝Ｋ・Ｌ^２・１０^１１／（ｐ^２・Ｎ・Ｘ・Ｓ）

実施の形態１と同様、例えば、フォトマスク１０１の検査領域（測定領域）を１０ｃｍ×１０ｃｍとする。また、画素サイズを１００ｎｍでピッチｐ＝１００ｎｍとし、縦２０００個×横２０００個（Ｘ，Ｙ＝２０００）の受光素子２０（例えばフォトダイオード）が配置された２次元センサアレイ１０５を用いる。この条件でパルス間に４画素ずつ進む場合、各受光素子２０には５００パルス分の光量が蓄積されることになる。よって、光量誤差を３０／√５００≒１．３％程度に抑えることができる。そして、照明光に例えば４０ｋＨｚのパルスレーザ光を用いた場合、撮像時間ｔは０．８７時間となる。

検査には、あるフレームを検査して、次のフレームを検査するために、ステージを連続移動と直角方向にステップ移動させる時間が必要となるが、それはこの撮像時間に比べると無視できるほど小さい。これを以下で示す。フレームの巾（ステージ連続移動と直角方向の巾）は２００μｍ＝０．２ｍｍであり、フレームの数は５００となる。あるフレームを検査し終わり、次のフレームに移動する際の１回あたりのステージのステップ移動時間を０．１秒とすると、全ステップ移動時間は５０秒となる。 このように、ステージを連続移動させて検査する場合は、ステップ移動時間は、全検査時間に比べて無視できるほど小さい。

また、この条件でパルス間に２画素ずつ進む場合、各受光素子２０には１０００パルス分の光量が蓄積されることになる。よって、光量誤差を３０／√１０００≒０．９５％程度に抑えることができる。そして、照明光に例えば４０ｋＨｚのパルスレーザ光を用いた場合、撮像時間ｔは１．７６時間となる。また、この条件でパルス間に１画素ずつ進む場合、各受光素子２０には２０００パルス分の光量が蓄積されることになる。よって、光量誤差を３０／√２０００≒０．６７％程度に抑えることができる。そして、照明光に例えば４０ｋＨｚのパルスレーザ光を用いた場合、撮像時間ｔは３．４７時間となる。

また、光量誤差を５％以下に抑えることを前提とすると、各受光素子２０には５０パルス分の光量が蓄積されればよい。そこで、縦１０００個×横５０個（Ｘ＝１０００，Ｙ＝５０）の受光素子２０が配置された２次元センサアレイ１０５を用いる。この条件でパルス間に１画素ずつ進む場合、照明光に例えば４０ｋＨｚのパルスレーザ光を用いた場合の撮像時間ｔは６．９時間となる。

また、同様に、光量誤差を５％以下に抑えることを前提とすると、各受光素子２０には５０パルス分の光量が蓄積されればよいので、縦１００個×横１０００個（Ｘ＝１００，Ｙ＝１０００）の受光素子２０が配置された２次元センサアレイ１０５を用いて、パルス間に２０画素ずつ進めばよい。この条件で照明光に例えば４０ｋＨｚのパルスレーザ光を用いた場合の撮像時間ｔは３．４７時間となる。

また、同様に、光量誤差を５％以下に抑えることを前提とすると、各受光素子２０には５０パルス分の光量が蓄積されればよいので、縦１００個×横１００個（Ｘ＝１００，Ｙ＝１００）の受光素子２０が配置された２次元センサアレイ１０５を用いて、パルス間に２画素ずつ進めばよい。この条件で照明光に例えば４０ｋＨｚのパルスレーザ光を用いた場合の撮像時間ｔは３４．７時間となる。このように、ステージの走行速度制御によるステージ位置制御とパルスレーザによる照明とのタイミングを制御することによって、画素毎の測定誤差を抑制することが可能となる。

上述のように、ステージを“パルス光のパルス間に所定の画素数（１画素の自然数倍の画素数）だけずれるように連続移動させる”ことによって、測定誤差を少なくすることができる。特に、ずらす画素数を２以上にすることにより、上述の例のように、測定時間を大幅に短縮することができる。このように短縮できる背景は、各ステージ位置では１パルス分の照明しか行わないが、ステージ移動方向の受光素子の数を充分に確保することで、１画素あたりのパルスレーザ照明回数を増やして、測定誤差を低減していることがある。また短縮できる理由は、パルス間にずらす画素数を２以上の値とすることで、画素のサイズそのものとステージ速度とを直接の連携をなくしたことにある。すなわち、パルス間隔で１画素しかずらさないとすれば、１パルス間隔に１画素分しかステージが進めないが、２画素以上の移動をゆるすことで、ステージ速度を２倍以上とすることが可能となる。この時、１画素あたりの測定回数は少なくなるが、ステージ連続方向の受光素子の数を確保してあるので、測定精度の劣化は許容レベルに抑えることが可能となっている。この方式は、将来より欠陥判定精度を高めるために画素のサイズをより小さくした時にさらに効果的なものとなる。例えば、画素サイズを１００×１００ｎｍから５０×５０ｎｍや２５×２５ｎｍとする場合、１パルス間隔で１画素分しかステージを移動できないとすると、ステージ速度はそれぞれ、１／２及び１／４となり、対応して、検査時間はそれぞれ２倍及び４倍となる。しかし、２画素以上ずらす手法によれば、前者については、パルス間隔で２画素ずらすことでステージスピードと測定時間を（画素サイズ１００ｘ１００ｎｍの時と）同じにすることができる。また、後者については４画素ずらすことで、ステージスピードと測定時間を（画素サイズ１００×１００ｎｍの時と）同じにすることができる。このように、画素のサイズを小さくしても、２画素以上ずらす本手法によって測定時間の増大を抑えることが可能となる。

実施の形態２では、パルス光の照射タイミングと２次元センサアレイ１０５からの信号を処理するセンサ回路１０６とを同期させる必要があり、上述の例では、ステージの位置にあわせて、同期回路１４６がレーザの発光を制御し、タイミングを制御した。しかし、タイミングの制御は、この方法に限ったものではない。パルスレーザ光源が自動的に発振する場合でも、発振した旨の信号を光源から同期回路１４６に送り、同期回路１４６がステージ速度を制御する形で、パルスレーザの発振とステージ連続移動速度を連動させても良い。あるいは、光センサでパルス発光を検知し、それを同期回路１４６に送って、同期回路１４６がステージ速度を制御する形で、パルスレーザの発振とステージ連続移動速度を連動させても良い。

図１２の構成では、同期回路１４６からパルス光源１５０へ信号が出力されているが、これに限るものではない。パルス光源１５０から発振毎に信号を同期回路１４６に送信しても好適である。

そして、センサ回路１０６から測定データ（光学画像）が出力されてから比較回路による検査結果の出力までの検査装置１００の動作は、実施の形態１と同様である。また、歪み補正や２次元センサアレイ１０５の受光素子の配列の仕方等、実施の形態２で説明されていない部分は、実施の形態１と同様である。

以上のように、実施の形態２におけるパターン検査装置１００は、試料内の（計測対象の）１部領域と２次元配列された複数の受光素子からなる撮像するセンサとを所定の相対位置関係として、パルスレーザを所定回数あるいは所定時間、照射・照明することによって、計測対象の部分からの光信号をセンサで測定する第１の機能を備えている。さらに、測定領域を移動して、試料の全測定対象領域からの光信号を測定する第２の機能を備えている。そして、測定した光信号を用いて試料上の欠陥を識別する。

そして、パターン検査装置１００は、ステージを、連続移動させながら試料からの光量を計測するものであり、上記試料内の（計測対象の）１部領域とセンサとを所定の相対位置関係として行うパルスレーザの照射を１回のみとし、ステージの連続移動はパルス間に所定の画素数（１画素の自然数倍の画素数）だけずれるようにする。

ここで、実施の形態１で記載したように、フォトマスク１０１と２次元センサアレイ１０５との間の拡大光学系１０４に配置される対物レンズに非球面レンズを用いると、収差・画像ひずみが充分小さな光学系を構成することができる。対物レンズのひずみによるずれは１画素以下、より望ましくは１／６４画素以下であることが好適である。これは、対物レンズとして通常用いられる球面レンズに代えて、ひずみの少ない非球面レンズを利用することによって実現できる。よって、拡大光学系１０４に配置される対物レンズに非球面レンズを用いるのが好適である。但し、非球面レンズを用いると光学系が高価となる。そこで、球面レンズを用いると収差・画像ひずみが発生する。

歪がある場合は、光学歪を補正して検査に利用してもよい。この場合は、１パルス毎の画像情報を取得後、実施の形態１で説明したように、歪を補正した光学像を作成、これをパルス毎の全画像情報に施し、得られた画像情報から元に、式（３）によって、各画素の光量を算出し、これを元に、欠陥の判定を行ってもよい。以下、具体的に説明する。

図１６は、実施の形態２におけるひずみの様子を説明するための概念図である。あるひとつの画素３０について注目する。ステージを連続移動させながら、その画素の光量を測定するので、２次元センサアレイ１０５面上でみれば、その画素３０は対物レンズのひずみのために、図１７のように曲線上を移動することになる。すなわち、２次元センサアレイ１０５面上で、試料上の画素は直線的には移動しない。この直線からのずれが受光素子１画素分以上にのぼれば、この画素の光量は２つ以上の画素に分散されることになる。これによって光量情報が分散され、検出精度が劣化することになる。よって、上記対物レンズのひずみによる直線からのずれは１画素以下であることが好適である。より望ましくは１／６４画素以下であることが好適である。そこで、球面レンズを用いて収差・画像ひずみが発生することにより１画素以上のずれが生じる場合には下記のように補正する。これにより、球面レンズを用いることもでき、装置のコストを抑えることも可能である。収差が発生する場合に次のように補正する。

上述した例では、２次元センサアレイ１０５にＴＤＩセンサを用いる場合について説明したが、ひずみ補正を行う場合にはＴＤＩセンサではなく、単なるエリアセンサーを用いる。そして、センサ回路１０６は、１パルス毎に２次元に配置された全ての受光素子の取得データをとりこむ。そして、センサ回路１０６は、１パルスの照射により受光素子で取り込まれたデータからひずみがない場合のデータを算出する。ある画素３０が、試料面上では本来、位置（Ｘ’，Ｙ’）にあるものとし、また、この画素の光学情報は、２次元センサアレイ１０５面上で位置（Ｘ，Ｙ）にある受光素子で観測されるものとする。この（Ｘ，Ｙ）と（Ｘ’，Ｙ’）とはひずみの影響により、以下の式（５−１）及び式（５−２）で示す関係で表すことができる。
（５−１） Ｘ’＝ａ＋ｂ_１・Ｘ＋ｂ_２・Ｙ＋ｃ’_１・Ｘ^２
＋ｃ_２・ＸＹ＋ｃ_３・Ｙ^２
（５−２） Ｙ’＝ｐ＋ｑ_１・Ｘ＋ｑ_２・Ｙ＋ｒ_１・Ｘ^２
＋ｒ_２・ＸＹ＋ｒ_３・Ｙ^２

図９で示したテストマスク４０の各マーク４２の位置を検査装置１００で検査する。これにより、収差による歪み量を把握することができる。ひずむ前と後での位置を上記式（５−１）及び式（５−２）で近似（フィッティング）して各係数ａ〜ｒ_３を求める。得られた係数ａ〜ｒ_３をセンサ回路１０６に設定する。

そして、センサ回路１０６は、式（５−１）及び式（５−２）によって、光量を測定した画素の位置からひずみのない場合の画素の位置への対応のさせ方が決まるので、ひずみがない場合の各画素の光量を算出できる。

また、測定した画素を、ひずみの無い画素に当てはめる場合、図１０で示した場合と同様、測定した画素の位置がひずみの無い画素のいくつかをまたぐ場合があるが、その場合は、図１０で示したように、画素の境界で分けた場合の面積比で光量を分割し、ひずみの無い画素にかかる面積で光量をそれぞれの画素に対応する受光素子の光量に分配すれば良い。

そして、式（３）を用いて、補正された各画素の光量データを所定パルス回数分積算する。これによって、ひずみがない場合の各画素の光量のデータを所定回数のパルス照射によって得られたものとして取得することができる。

以上のように、ステージが連続移動する検査手法において、短波長のパルス光源を用いた場合でも光量誤差を低減することができる。

実施の形態３．
実施の形態２では、ステージが一定速度で移動する場合について説明したが、実施の形態３では、ステージ速度が可変速である場合について説明する。

図１７は、実施の形態３におけるパターン検査装置の構成を示す概念図である。図１７において、光量センサ１５４が追加された点以外は図１２の構成と同様である。ここで、図１７では、実施の形態３を説明する上で必要な構成部分について記載している。検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成が含まれても構わないことは言うまでもない。ここでは簡単のため、光学系は非球面レンズを利用し収差、歪がないものとする。

実施の形態２では、ＸＹθテーブル１０２（ステージ）を一定速度で、“パルス光のパルス間に所定の画素数（１画素の自然数倍の画素数）だけずれるように連続移動させる”。そして、さらに、各受光素子２０には例えば５００パルスという複数回のパルス光が照射される。パルス毎の光量が変動することに対しては，複数回のパルス光が照射されるために光量の総和としては誤差が軽減されるという考えに基づいている。

しかしながら、光量変動は、被検査マスク上のガラス透過部分の半透明欠陥の検出や、コンタクトホールパターン寸法誤差を透過光の光量で判別するといった欠陥検出方法の感度に影響する。

このため、実施の形態３では、上述した複数パルスを照射することによる誤差軽減に加えて、それでも残る光量変動誤差について、以下のように補正する。光量センサ１５４（光量測定部）が、パルス光源１５０から照射されたパルス光の光量を測定する。ここでは、光量センサ１５４が、パルス毎に光量を測定し、その結果を同期回路１４６に出力する。同期回路１４６では、各画素に照射される複数パルス分の回数毎の合計光量を演算する。例えば、各受光素子２０に１０００パルスという複数回のパルス光が照射される場合には、パルス光源１５０から照射された１０００パルス分のパルス光の合計光量を演算する。そして、次の１０００パルス分のパルス光の合計光量を演算する。このようにして、所定パルス毎の合計光量を演算し、その合計光量の変動をモニタする。その結果、合計光量が小さくなった場合には、その分だけ各画素に照射されるパルス光の回数を増やすようにステージ速度を遅くすることで合計光量を一定量に近づけることができる。逆に、合計光量が大きくなった場合には、その分だけ各画素に照射されるパルス光の回数を減らすようにステージ速度を早くすることで合計光量を一定量に近づけることができる。ＸＹθテーブル１０２は、パルス間に１画素の自然数倍の画素数だけずれるように連続移動させているので、この自然数の値を可変にすることで各画素に照射される合計光量の光量変動誤差を補正することができる。そこで、同期回路１４６は、ステージの連続移動中に、合計光量に基づいて自然数を変更する指示をテーブル制御回路１１４に出力する。テーブル制御回路１１４は、変更された自然数を用いて、ステージの連続移動中にステージ速度を変更する。移動方向の受光素子数が例えば４０００個で、１パルス間に移動する画素数が例えば４画素であった場合、ある画素に照射されるパルス光のパルス数＝４０００／４＝１０００回となる。ここで、モニタされた合計光量が大きくなった場合には、画素数を５に変更して、次の画素に照射されるパルス光のパルス数＝４０００／５＝８００回に変更する。実施の形態３の補正は、画素に本来照射されるパルス光のパルス数が多くなればなるほど有効である。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、上述の例では受光素子１つは試料面上で１００×１００ｎｍを検出するものとしたが、５０×５０ｎｍをカバーするものでも良いし、また、パルスレーザの発振周波数は４０ｋＨｚで説明したが、より低い周波数、例えば１０ｋＨｚを利用しても良いし、逆に高い周波数、例えば１００ｋＨｚを利用しても良い。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、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。例えば、検査装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用い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うる全てのパターン検査装置及びパターン検査方法は、本発明の範囲に包含される。

実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す概念図である。 実施の形態１における２次元センサアレイの配置状態の一例を示す図である。 実施の形態１における光学画像の取得手順を説明するための概念図である。 実施の形態１における光学画像の取得手順を説明するための他の概念図である。 実施の形態１における光学画像の取得手順を説明するための他の概念図である。 実施の形態１におけるパルス光を走査する場合を説明するための概念図である。 実施の形態１におけるひずみ補正を説明するための概念図である。 実施の形態１におけるひずみの様子を説明するための概念図である。 実施の形態１におけるテストパターンの一例を示す図である。 実施の形態１における光量補間の手法を説明するための図である。 実施の形態１における２次元センサアレイの配置状態の他の一例を示す図である。 実施の形態２におけるパターン検査装置の構成を示す概念図である。 実施の形態２における光学画像の取得手順を説明するための概念図である。 実施の形態２における光学画像の取得手順を説明するための他の概念図である。 図１４に示す場合の２次元センサアレイ側から見た画素の移動の様子を示す図である。 実施の形態２におけるひずみの様子を説明するための概念図である。 実施の形態３におけるパターン検査装置の構成を示す概念図である。 パルスレーザ光源のパルス光周期と光量の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 検査ストライプ
１２ ２次元撮像領域
１４，３０ 画素
１６ 非撮像領域
１８ ２次元撮像領域
２０，２２ 受光素子
３２ 測定画像
３４ 補正画像
４０ テストマスク
４２ マーク
９２，９４，９６ パルス光
１００ 検査装置
１０１ フォトマスク
１０２ ＸＹθテーブル
１０３ 光学系
１０４ 拡大光学系
１０５ ２次元センサアレイ
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
１１２ 参照回路
１１３ オートローダ制御回路
１１４ テーブル制御回路
１１５ 磁気テープ装置
１１６ ＦＤ
１１７ ＣＲＴ
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
１３０ オートローダ
１４０ パルスコントローラ
１４２ ストライプパターンメモリ
１４６ 同期回路
１５０，１５１ パルス光源
１５２ シャッタ
１５３ 光センサ
１５４ 光量センサ

Claims (14)

1. パルス光を発生する光源と、
   被検査試料を載置するステージと、
   ２次元配列された複数の受光素子を有し、前記複数の受光素子を用いて前記パルス光が照射された前記被検査試料の２次元領域のパターン像を撮像するセンサと、
   前記パターン像のデータを所定の参照パターン像データと比較する比較部と、
   を備え、
   前記ステージは、前記パルス光のパルス間に１画素の自然数倍の画素数だけずれるように移動することを特徴とするパターン検査装置。
2. 前記ステージは、連続移動することを特徴とする請求項１記載のパターン検査装置。
3. 前記センサは、撮像した前記画素数列分の光量情報を前記パルス光の周期以内に出力を終了させることを特徴とする請求項１又は２記載のパターン検査装置。
4. 前記ステージの位置にあわせて、前記光源に発光指示の信号を送る同期回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のパターン検査装置。
5. 前記ステージが前記画素数分移動したことを検知し、前記光源に発光指示の信号を送る同期回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のパターン検査装置。
6. 前記パターン像のデータのひずみを補正する補正部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載のパターン検査装置。
7. 前記ひずみの量が、所定の画素数以上の場合に前記パターン像のデータのひずみが補正されることを特徴とする請求項６記載のパターン検査装置。
8. 前記パルス光の光量を測定する光量測定部をさらに備え、
   前記ステージの連続移動中に、前記光量に基づいて前記自然数が変更されることを特徴とする請求項２記載のパターン検査装置。
9. パルス光を発生する光源と、
   被検査試料を載置するステージと、
   ２次元配列された複数の受光素子を有し、前記複数の受光素子を用いて前記パルス光が照射された前記被検査試料の２次元領域のパターン像を撮像するセンサと、
   前記パターン像のデータを所定の参照パターン像データと比較する比較部と、
   前記光源と前記センサとの間に配置され、開閉することで所定のパルス数の前記パルス光を前記センサ側に通過させる開閉部と、
   を備えたことを特徴とするパターン検査装置。
10. 前記ステージは、前記開閉部が開いている間は停止し、前記開閉部が閉じている間に、前記パルス光が照射される次の２次元領域の位置に移動することを特徴とする請求項９記載のパターン検査装置。
11. 前記パターン像のデータのひずみを補正する補正部をさらに備えたことを特徴とする請求項９又は１０記載のパターン検査装置。
12. 前記ひずみの量が、１画素以上の場合に前記パターン像のデータのひずみが補正されることを特徴とする請求項１１記載のパターン検査装置。
13. パルス光を発生し、
    前記パルス光のパルス間に１画素の自然数倍の画素数だけずれるように被検査試料が載置されたステージを移動させながら、２次元配列された複数の受光素子を有するセンサを用いて、前記パルス光が照射された前記被検査試料の２次元領域のパターン像を撮像し、
    前記パターン像のデータを所定の参照パターン像データと比較し、その結果を出力する、
    ことを特徴とするパターン検査方法。
14. 被検査試料が停止した状態で所定のパルス数のパルス光を発生し、
    ２次元配列された複数の受光素子を有するセンサを用いて、前記パルス光が照射された前記被検査試料の２次元領域のパターン像を撮像し、
    前記パターン像のデータを所定の参照パターン像データと比較し、その結果を出力し、
    前記所定のパルス数のパルス光が前記被検査試料に照射された後に、前記被検査試料を移動させる、
    ことを特徴とするパターン検査方法。

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