JP2017111031A - パターン検査装置及びパターン検査方法 - Google Patents

Abstract

【目的】ステージに傾きが生じても少なくとも一方向についての高精度な位置を測定することが可能な検査装置を提供する。
【構成】本発明の一態様のパターン検査装置１００は、パターンが形成された基板を載置する、２次元移動可能なＸＹθテーブル１０２と、ＸＹθテーブル１０２上であって基板とは異なる位置に配置された２次元スケールの測定用の配置高さの異なる複数の検出器８１，８２と、複数の検出器に対向する位置に固定して配置された２次元スケールのスケール本体８０と、基板が載置されたＸＹθテーブル１０２が２次元面上の一方向に移動している状態で、基板に形成されたパターンの光学画像を撮像するフォトダイオードアレイ１０５と、２次元スケールにより測定された位置情報を用いて、光学画像の撮像位置を演算する位置回路１０７と、光学画像の撮像位置に対応する参照画像を用いて、光学画像と参照画像とを画素毎に比較する比較回路１０８と、を備えたことを特徴とする。
【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、半導体製造に用いる試料となる物体のパターン欠陥を検査するパターン検査技術に関し、半導体素子や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を製作するときに使用されるフォトマスク、ウェハ、あるいは液晶基板などの極めて小さなパターンの欠陥を検査する検査装置に関する。

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。

検査手法としては、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方法が知られている。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（ダイ−ダイ）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（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（ダイ−データベース）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。

検査装置では、ステージ上の試料に検査光を照射してその透過光或いは反射光を光学系に取り込む。ステージの位置を把握する手法として、例えば、レーザ干渉計を用いたレーザ測長法が挙げられる。そして、かかるレーザ測長した結果を用いて、試料のｘ，ｙ位置および試料の回転角が計算される。しかしながら、レーザ光は空気の揺らぎの影響を受ける。そのため、レーザ測長した結果を所定の時間をかけて平均化する必要がある。よって、レーザ測長法では高速かつ高精度に位置測定を行うことは困難である。

空気流や温度変化の影響を受けにくい測長方法として、２次元スケールが検討されている。検査装置とは異なるが、露光装置のウェハステージの中央にウェハを配置して、ウェハステージの４隅にヘッドを取り付け、ヘッドから上方に向けて計測ビームを露光光の照射口の周囲に配置されたスケール板に照射することでウェハステージ位置を測定することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、検査装置では、試料を配置する領域は光路となるので、ステージ推力の作用点上にステージ重心を配置したステージの中央に試料を配置することは困難である。そのため、駆動時におけるステージのピッチングやローリングによりステージ姿勢が傾きやすい。計測ビームを照射するヘッドがステージ上に配置されると、ステージの傾きによりビームの照射位置がずれてしまう。そのため測定位置に誤差が生じてしまう。よって、高精度な検査を行うためには、高精度な位置を測定することが望まれるが十分な解決法が確立されていない。

特開２０１４−０１７５０１号公報

そこで、本発明は、ステージに傾きが生じても少なくとも一方向についての高精度な位置を測定することが可能な検査装置及び方法を提供する。

本発明の一態様のパターン検査装置は、
パターンが形成された基板を載置する、２次元移動可能なステージと、
ステージ上であって基板とは異なる位置に配置された２次元スケールの測定用の配置高さの異なる複数の検出器と、
複数の検出器に対向する位置に固定して配置された２次元スケールのスケール本体と、
基板が載置されたステージが２次元面上の一方向に移動している状態で、基板に形成されたパターンの光学画像を撮像するセンサと、
２次元スケールにより測定された位置情報を用いて、光学画像の撮像位置を演算する演算部と、
光学画像の撮像位置に対応する参照画像を用いて、光学画像と参照画像とを画素毎に比較する比較部と、
を備えたことを特徴とする。

また、複数の検出器は、第１と第２の検出器を有し、
第１と第２の検出器が、同じスケール本体から位置を測定すると好適である。

また、上述した一方向に沿って、第１と第２の検出器が配列されると好適である。

また、基板に照明される検査光の光軸と、スケール本体の中心とが、共に上述した一方向上に位置するように、スケール本体が配置されると好適である。

本発明の一態様のパターン検査方法は、
パターンが形成された基板を載置する、２次元移動可能なステージが２次元面上の一方向に移動している状態で、基板に形成されたパターンの光学画像を撮像する工程と、
光学画像の撮像と同期して、ステージ上であって基板とは異なる位置に配置された２次元スケールの配置高さの異なる第１の検出器と第２の検出器により、第１と第２の検出器に対向する位置に固定して配置された２次元スケールの同じスケール本体からそれぞれ位置を測定する工程と、
第１の検出器によって測定された位置と第２の検出器によって測定された位置とを用いて、光学画像の撮像位置のずれ量が補正された光学画像の撮像位置を演算する工程と、
光学画像の撮像位置に対応する参照画像を用いて、光学画像と参照画像とを画素毎に比較し、結果を出力する工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ステージの傾きが生じても少なくとも一方向についての高精度な位置を測定できる。よって、検査精度を向上させることができる。

実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１におけるＸＹθテーブルの構成と２Ｄスケールと試料との配置構成を示す上面図である。 図２のＡＡ矢視を示す実施の形態１におけるＺθテーブルと２Ｄスケールと試料との配置構成を示す断面図である。 実施の形態１におけるステージが傾いていない状態での測定位置の一例を示す図である。 実施の形態１におけるステージが傾いた状態での測定位置の一例を示す図である。 実施の形態１における検査領域を説明するための概念図である。 実施の形態１における比較回路の内部構成の一例を示す構成図である。 実施の形態１における検査方法の要部工程を示すフローチャート図である。 実施の形態１におけるフィルタ処理を説明するための図である。

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構成図である。図１において、試料、例えばマスクに形成されたパターンの欠陥を検査する検査装置１００は、光学画像取得部１５０、及び制御系回路１６０（制御部）を備えている。

光学画像取得部１５０は、光源１０３、照明光学系１７０、移動可能に配置されたＸＹθテーブル１０２、拡大光学系１０４、及びフォトダイオードアレイ１０５（センサの一例）、センサ回路１０６、ストライプパターンメモリ１２３、２次元（２Ｄ）スケールのスケール本体８０、２Ｄスケールの複数の検出器８１，８２、及び２Ｄスケール測長回路１２２を有している。ＸＹθテーブル１０２上には、試料１０１と２Ｄスケールの複数の検出器８１，８２とが配置されている。検出器８１，８２は、共に、スケール本体８０から位置を読み取るエンコーダ機能を有している。検出器８１，８２として、例えば、エンコーダヘッドが挙げられる。試料１０１（基板）として、例えば、ウェハにパターンを転写する露光用のフォトマスク（マスク基板）及びパターンが形成されたウェハ（半導体基板）等が含まれる。また、この試料１０１には、検査対象となる複数の図形パターンによって構成されたパターンが形成されている。試料１０１は、例えば、パターン形成面を下側に向けてＸＹθテーブル１０２に配置される。また、スケール本体８０には、位置測定用に格子状の目盛りが形成されている。また、図１の例では、２つの検出器８１，８２が配置されているが、３つ以上の検出器が配置されていても良い。

制御系回路１６０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、展開回路１１１、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、及びプリンタ１１９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１２３に接続され、ストライプパターンメモリ１２３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。

検査装置１００では、光源１０３、ＸＹθテーブル１０２、照明光学系１７０、拡大光学系１０４、フォトダイオードアレイ１０５、及びセンサ回路１０６により高倍率の検査光学系が構成されている。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、例えばリニアモータを用いることができる。ＸＹθテーブル１０２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である。そして、ＸＹθテーブル１０２上に配置された試料１０１の移動位置は、２Ｄスケール測長システムを構成するスケール本体８０、及び複数のエンコーダ８１，８２により測定され、２Ｄスケール測長回路１２２で試料１０１の位置データとして演算され、位置回路１０７に供給される。

被検査試料１０１のパターン形成の基となる設計パターンデータ（描画データ）が検査装置１００の外部から入力され、磁気ディスク装置１０９に格納される。

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。

試料１０１に形成されたパターンには、適切な光源１０３から、検査光となる紫外域以下の波長のレーザ光（例えば、ＤＵＶ光）が照明光学系１７０を介して照射される。試料１０１を透過した光は拡大光学系１０４を介して、フォトダイオードアレイ１０５（センサの一例）に光学像として結像し、入射する。

図２は、実施の形態１におけるＸＹθテーブルの構成と２Ｄスケールと試料との配置構成を示す上面図である。図２において、ＸＹθテーブル１０２は、Ｚθステージ７０（第１のステージ）と、ｘステージ７４（第２のステージ）と、ｘ軸ガイドレール７５と、ｙステージ７６ａ，７６ｂと、ｙ軸ガイドレール７７ａ，７７ｂと、を有している。ｘステージ７４とｘ軸ガイドレール７５とを用いてｘ方向のリニアステージが構成される。ｙステージ７６ａ，７６ｂとｙ軸ガイドレール７７ａ，７７ｂとを用いてｙ方向のリニアステージが構成される。Ｚθステージ７０は、θ方向の移動の他、ｚ方向（高さ方向、或いは光軸方向）の位置調整についても制御可能に構成される。例えば、図示しない複数のピエゾ素子が配置され、Ｚθステージ７０のｚ方向の位置が制御されればよい。

図２の例では、ｙ軸ガイドレール７７ａ上にｙステージ７６ａがｙ方向に走行（移動）可能に配置され、ｙ軸ガイドレール７７ｂ上にｙステージ７６ｂがｙ方向に走行（移動）可能に配置される。ｙ軸ガイドレール７７ａ，７７ｂは平行に配置される。よって、ｙステージ７６ａ，７６ｂは平行に走行することになる。２つのｙステージ７６ａ，７６ｂ上には、２つのｙステージ７６ａ，７６ｂに跨るようにｘ軸ガイドレール７５が配置される。ｘ軸ガイドレール７５は、ｙ軸ガイドレール７７ａ，７７ｂとは直交するｘ方向に延びるように配置される。ｘ軸ガイドレール７５上にｘステージ７４がｘ方向に走行（移動）可能に配置される。そして、ｘステージ７４上にはＺθステージ７０が配置される。

ここで、実施の形態１におけるＺθステージ７０は、Ｚθステージ７０の重心７１（Ｇ）から外れた位置で、ｘステージ７４に片持ち支持される。なお、これに限るものではなく、Ｚθステージ７０の重心７１（Ｇ）でｘステージ７４に片持ち支持されてもよい。しかし、パターンが形成された被検査試料１０１は、駆動作用点になるｘステージ７４上から外れた位置で載置される。図２の例では、駆動作用点になるｘステージ７４上よりも−ｙ側の領域に配置される。

また、２Ｄスケール本体８０から位置を検出する検出器８１（第１の検出器）と検出器８２（第２の検出器）とがＺθステージ７０上であって試料１０１とは異なる位置に配置される。図２の例では、試料１０１の中心が試料１０１に照明される検査光の光軸１２上に位置する場合を示している。特に、実施の形態１では、検出器８１と検出器８２とが試料１０１の中心を通る直交する２軸（ｘ，ｙ軸）の一方の軸上（図２の例ではｘ軸上）（一方向）に沿って配列される。言い換えれば、検出器８１の測定位置と検出器８２の測定位置と試料１０１の中心がｘ方向の一方向に沿って配列される。

また、スケール本体８０は、当該光軸１２を通る直交する２軸（ｘ，ｙ軸）の一方の軸上（図２の例ではｘ軸上）に配置される。言い換えれば、試料１０１に照明される検査光の光軸１２と、スケール本体８０の中心とが、共にｘ方向の一方向上に位置するように、スケール本体８０が配置される。検査時に検査光が照射する範囲が試料１０１面上なので、検査光の光軸１２とスケール本体８０の中心とを同じｘ軸上に配置することで、スケール本体８０のｘ，ｙサイズを試料１０１のｘ，ｙサイズ（さらに言えば試料１０１の検査領域サイズ）と同程度まで小さくできる。

また、実施の形態１では、スケール本体８０ではなく、検出器８１と検出器８２とをＺθステージ７０上に配置するため、スケール本体８０をＺθステージ７０上に配置する場合に比べてＺθステージ７０のサイズを小さくできる。光軸方向（ｚ軸方向）から見た場合に、スケール本体８０がＺθステージ７０からはみ出していても構わない。このように、実施の形態１では、特に、ｘ方向サイズを小さくできる。よって、その分、駆動時の進行方向（ｘ方向）に直交する左右方向（ｙ方向）を軸とする回転（ピッチング）によるステージの上下方向の傾きを小さくできる。同様に、ヨーイングやローリング等による回転も小さくできる。

図３は、図２のＡＡ矢視を示す実施の形態１におけるＺθテーブルと２Ｄスケールと試料との配置構成を示す断面図である。上述したように、試料１０１を透過した検査光は、拡大光学系１０４に取り込まれる。そのため、図３に示すように、Ｚθステージ７０の領域のうち、試料１０１が配置される領域下には、拡大光学系１０４が配置される。言い換えれば、Ｚθステージ７０面の領域のうち、試料１０１が配置される領域は光軸１２上に位置する。なお、上述したように、試料１０１は、試料１０１のパターン形成面が下向きになるようにＺθステージ７０に配置される。Ｚθステージ７０には、試料１０１が配置される領域に貫通する開口部が形成され、試料の外周部の少なくとも一部が載置されるように保持されればよい。検出器８１，８２の一方（ここでは、検出器８２）は、図３に示すように、試料１０１のパターン形成面（図３における下面）と同一面に測定用ビーム照射及び受光面（下面）が位置するようにＺθステージ７０に配置される。検出器８１，８２の他方（ここでは、検出器８１）は、図３に示すように、試料１０１のパターン形成面（図３における下面）とは異なる高さ位置に測定用ビーム照射及び受光面（下面）が位置するようにＺθステージ７０に配置される。言い換えれば、検出器８１と検出器８２は、配置高さが異なるように配置される。図３の例では、検出器８２が検出器８１よりも高い位置に配置される場合を示している。検出器８１と検出器８２は、どちらが高い位置に配置されてもよい。

また、図３に示すように、検出器８１と検出器８２に対向する位置（ここでは、検出器８１，８２下）には、２Ｄスケール本体８０が配置される。スケール本体８０は、支持台８４に固定される。検出器８１の測定位置座標を通るｚ軸と検出器８１の測定ビームの照射及び受光面（下面）との交点（ｘ１，ｙ１）が試料１０１中心からｘ方向にＬ_Ｘ１だけ離れ、ｙ方向にはずれていない位置になるように、検出器８１が配置される。これにより、検出器８１は、試料１０１中心からｘ方向にＬ_Ｘ１だけ離れ、ｙ方向にはずれていない位置において２Ｄスケール本体８０の値を検出できる。検出器８１は、例えば、発光デバイスによって２Ｄスケール本体８０の格子目盛をレーザ光で照射して、２Ｄスケール本体８０から反射された回折光を受光デバイスで受け、２Ｄスケール８０本体表面の刻線の間隔を読取ることで位置を測定すればよい。

同様に、検出器８２の測定位置座標を通るｚ軸と検出器８２の測定ビームの照射及び受光面（下面）との交点（ｘ２，ｙ２）が試料１０１中心からｘ方向にＬ_Ｘ２だけ離れ、ｙ方向にはずれていない位置になるように、検出器８２が配置される。これにより、検出器８２は、試料１０１中心からｘ方向にＬ_Ｘ２だけ離れ、ｙ方向にはずれていない位置において２Ｄスケール本体８０の値を検出できる。検出器８２は、例えば、発光デバイスによって２Ｄスケール本体８０の格子目盛をレーザ光で照射して、２Ｄスケール本体８０から反射された回折光を受光デバイスで受け、２Ｄスケール８０本体表面の刻線の間隔を読取ることで位置を測定すればよい。

以上のように、検出器８１と検出器８２は、同じ２Ｄスケール本体８０から位置を測定する。

図４は、実施の形態１におけるステージが傾いていない状態での測定位置の一例を示す図である。図４に示すように、Ｚθステージ７０（ＸＹθテーブル１０２）にピッチングによる傾きが生じていない場合には、検出器８１，８２による測定位置にずれは生じない。検出器８１，８２は、水平に設置されている場合には垂直方向の位置を測定する。よって、試料１０１のｘ方向位置Ｘｍは、検出器８１により検出されたｘ方向位置ｘ１を用いて以下の式（１）で定義される。同様に、試料１０１のｘ方向位置Ｘｍは、検出器８２により検出されたｘ方向位置ｘ２を用いて次の式（２）で定義される。
（１） Ｘｍ＝ｘ１−Ｌ_Ｘ１
（２） Ｘｍ＝ｘ２−Ｌ_Ｘ２

なお、試料１０１のｙ方向位置Ｙｍは、検出器８１により検出されたｙ方向位置ｙ１と同じである。同様に、試料１０１のｙ方向位置Ｙｍは、検出器８２により検出されたｙ方向位置ｙ２と同じである。但し、ここでは検査方向がｘ方向の場合を想定しているので、Ｚθステージ７０（ＸＹθテーブル１０２）のｙ方向の位置移動量ΔＹｍはゼロとなる。

図５は、実施の形態１におけるステージが傾いた状態での測定位置の一例を示す図である。図５に示すように、Ｚθステージ７０（ＸＹθテーブル１０２）にピッチングによる傾きθ’が生じた場合には、検出器８１，８２は、水平に設置されないので垂直方向（ｚ軸方向）の位置を測定しない。言い換えれば、検出器８１，８２に、いわゆる光軸ずれが生じてしまう。図５に示すように、傾きθに応じた垂直方向（ｚ軸方向）から傾きθの角度ずれた方向の位置をｘ１，ｘ２として測定してしまう。よって、測定された位置に誤差が生じる。よって、検出器８１の下面と２Ｄスケール本体８０との距離Ｌ_Ｚ１と、検出器８２の下面と２Ｄスケール本体８０との距離Ｌ_Ｚ２とを用いて、傾き誤差を補正した試料１０１のｘ方向位置Ｘｍは、次の式（３）（４）で定義される。図５に示す断面において、傾きθ’は反時計回り（左回り）を正とした場合を示す。
（３） Ｘｍ＝ｘ１−Ｌ_Ｘ１−Ｌ_Ｚ１・θ’
（４） Ｘｍ＝ｘ２−Ｌ_Ｘ２−Ｌ_Ｚ２・θ’

よって、傾きθ’がわからない場合に、検出器８１により検出されたｘ方向位置ｘ１、或いは検出器８２により検出されたｘ方向位置ｘ２だけでは、ｘ方向位置Ｘｍを求めることは困難である。また、検出器８１，８２を同じ高さ位置に設置すると、検出器８１の下面と２Ｄスケール本体８０との距離Ｌ_Ｚ１と、検出器８２の下面と２Ｄスケール本体８０との距離Ｌ_Ｚ２とが同じ値になってしまうので、同様に、ｘ方向位置Ｘｍを求めることは困難である。そこで、実施の形態１では、あえて検出器８１，８２を異なる高さ位置に設置する。これにより、式（３）（４）から傾きθは、次の式（５）で定義できる。
（５） θ’＝（ｘ２−ｘ１）／（Ｌ_Ｚ２−Ｌ_Ｚ１）

よって、傾き誤差を補正した試料１０１のｘ方向位置Ｘｍは、次の式（６）で定義できる。
（６） Ｘｍ＝ｘ１−Ｌ_Ｘ１−Ｌ_Ｚ１・（ｘ２−ｘ１）／（Ｌ_Ｚ２−Ｌ_Ｚ１）

かかる関係を用いて、試料１０１のパターン検査を実施する。

図６は、実施の形態１における検査領域を説明するための概念図である。試料１０１の検査領域１０（検査領域全体）は、図６に示すように、例えばｙ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２０に仮想的に分割される。そして、検査装置１００では、検査ストライプ２０毎に画像（ストライプ領域画像）を取得していく。検査ストライプ２０の各々に対して、レーザ光を用いて、当該ストライプ領域の長手方向（ｘ方向）に向かって当該ストライプ領域内に配置される図形パターンの画像を撮像する。ＸＹθテーブル１０２のうち、ｘステージ７４の移動によって、Ｚθステージ７０がｘ方向に移動させられ、その結果、フォトダイオードアレイ１０５が相対的にｘ方向に連続移動しながら光学画像が取得される。フォトダイオードアレイ１０５では、図６に示されるようなスキャン幅Ｗの光学画像を連続的に撮像する。言い換えれば、センサの一例となるフォトダイオードアレイ１０５は、Ｚθステージ７０（ｘステージ７４を含む）と相対移動しながら、検査光を用いて試料１０１に形成されたパターンの光学画像を撮像する。実施の形態１では、１つの検査ストライプ２０における光学画像を撮像した後、ｙ方向に次の検査ストライプ２０の位置まで移動して今度は逆方向に移動しながら同様にスキャン幅Ｗの光学画像を連続的に撮像する。すなわち、往路と復路で逆方向に向かうフォワード（ＦＷＤ）−バックフォワード（ＢＷＤ）の方向で撮像を繰り返す。

ここで、撮像の方向は、フォワード（ＦＷＤ）−バックフォワード（ＢＷＤ）の繰り返しに限るものではない。一方の方向から撮像してもよい。例えば、ＦＷＤ−ＦＷＤの繰り返しでもよい。或いは、ＢＷＤ−ＢＷＤの繰り返しでもよい。

図７は、実施の形態１における比較回路の内部構成の一例を示す構成図である。図７において、比較回路１０８内には、磁気ディスク装置等の記憶装置５０，５２，５６、フレーム分割部６０、位置合わせ部６２、比較処理部６４、及びメモリ６６が配置されている。フレーム分割部６０、位置合わせ部６２、及び比較処理部６４といった各「〜部」は、処理回路を有する。かかる処理回路は、例えば、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置を含む。各「〜部」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いても良いし、或いは異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。フレーム分割部６０、位置合わせ部６２、及び比較処理部６４に入出力される情報および演算中の情報はメモリ６６にその都度格納される。

図８は、実施の形態１における検査方法の要部工程を示すフローチャート図である。図８において、実施の形態１における検査方法は、スキャン工程（Ｓ１０２）と、位置演算工程（Ｓ１０８）と、フレーム分割工程（Ｓ１１０）と、参照画像作成工程（Ｓ２０２）と、位置合わせ工程（Ｓ２０４）と、比較工程（Ｓ２０６）と、いう一連の工程を実施する。また、スキャン工程（Ｓ１０２）は、その内部工程として、ストライプ画像取得工程（Ｓ１０４）と位置測定工程（Ｓ１０６）とを実施する。

スキャン工程（Ｓ１０２）として、光学画像取得部１５０は、試料１０１となるフォトマスクの検査ストライプ２０上をスキャンする。

その際、ストライプ画像撮像工程（Ｓ１０４）として、フォトダイオードアレイ１０５は、パターンが形成された試料１０１を載置する、２次元移動可能なＸＹθテーブル１０２（Ｚθステージ７０）が２次元面上のｘ方向（一方向）に移動している状態で、試料１０１に形成されたパターンの光学画像を撮像する。具体的には、以下のように動作する。

まず、ｘステージ７４、及びｙステージ７６を駆動させて、Ｚθステージ７０を対象検査ストライプ２０が撮像可能な位置に移動させる。試料１０１に形成されたパターンには、適切な光源１０３から、検査光となる紫外域以下の波長のレーザ光（例えば、ＤＵＶ光）が照明光学系１７０を介して照射される。言い換えれば、照明光学系１７０は、被検査試料１０１に検査光を照明する。試料１０１を透過した光は拡大光学系１０４を介して、フォトダイオードアレイ１０５（センサの一例）に光学像として結像し、入射する。フォトダイオードアレイ１０５として、例えば、ＴＤＩ（タイム・ディレイ・インテグレーション）センサ等を用いると好適である。フォトダイオードアレイ１０５（センサ）は、被検査試料１０１が載置されたＺθステージ７０（第１のステージ）が移動している状態で、被検査試料１０１に形成されたパターンの光学画像を撮像する。

フォトダイオードアレイ１０５上に結像されたパターンの像は、フォトダイオードアレイ１０５の各受光素子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。そして、ストライプパターンメモリ１２３に、測定対象の検査ストライプ２０の画素データが格納される。かかる画素データ（ストライプ領域画像）を撮像する際、フォトダイオードアレイ１０５のダイナミックレンジは、例えば、照明光の光量が６０％入射する場合を最大階調とするダイナミックレンジを用いる。

また、スキャン工程の際、位置測定工程（Ｓ１０６）として、光学画像の撮像と同期して、ＸＹθテーブル１０２（Ｚθステージ７０）上であって試料１０１とは異なる位置に配置された２次元スケールの配置高さの異なる検出器８１，８２により、検出器８１，８２に対向する位置に固定して配置された２次元スケールの同じスケール本体８０からそれぞれ位置を測定する。２Ｄスケール測長回路１２２は、検出器８１，８２により検出された２Ｄスケール本体８０が示す位置情報を入力し、検出器８１が検出した位置（座標（ｘ１，ｙ１））及び検出器８２が検出した位置（座標（ｘ２，ｙ２））を測長する。そして、かかる位置データは、位置回路１０７に出力される。

位置演算工程（Ｓ１０８）として、位置回路１０７（演算部）は、２次元スケールにより測定された位置情報を用いて、測定対象の検査ストライプ２０の光学画像の撮像位置（Ｘｍ，Ｙｍ）を演算する。具体的には、位置回路１０７は、検出器８１によって測定された位置（座標（ｘ１，ｙ１））と検出器８２によって測定された位置（座標（ｘ２，ｙ２））とを用いて、光学画像の撮像位置のずれ量が補正された光学画像の撮像位置（Ｘｍ，Ｙｍ）を演算する。ｘ方向の撮像位置Ｘｍは、式（６）を用いて演算する。これにより、ピッチングによりＺθステージ７０が傾いたことに起因する光学画像の撮像位置のずれ量が補正できる。ｙ方向の撮像位置Ｙｍは、Ｙｍ＝ｙ１として演算する。

その後、ストライプ領域画像は、位置回路１０７から出力されたＸＹθテーブル１０２（Ｚθステージ７０）上におけるフォトマスク１０１の補正後の撮像位置（Ｘｍ，Ｙｍ）を示すデータと共に比較回路１０８に送られる。測定データ（画素データ）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（光量）を表現している。比較回路１０８内に出力されたストライプ領域画像は、記憶装置５２に格納される。

フレーム分割工程（Ｓ１１０）として、フレーム分割部６０は、検査ストライプ２０のストライプ領域画像（光学画像）の中から対象フレーム領域３０のフレーム画像を切り出すように、ｘ方向に所定のサイズ（例えば、スキャン幅Ｗと同じ幅）でストライプ領域画像を分割する。例えば、５１２×５１２画素のフレーム画像に分割する。ストライプ領域画像から対象フレーム領域３０の画像を切り出す際、位置データが既に補正されているので、ピッチングによるＸＹθテーブル１０２（Ｚθステージ７０）の傾きに起因する位置ずれが補正された状態でフレーム画像を切り出すことができる。かかる処理により、複数のフレーム領域３０に応じた複数のフレーム画像（光学画像）が取得される。複数のフレーム画像は、記憶装置５６に格納される。以上により、検査のために比較される一方の画像（測定された画像）データが生成される。

参照画像作成工程（Ｓ２０２）として、まず、展開回路１１１（参照画像作成部の一例）は、被検査試料１０１のパターン形成の基となる設計パターンデータに基づいて画像展開して設計画像を作成する。具体的には、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し、読み出された設計データに定義された対象フレーム３０の領域の各図形パターンを２値ないしは多値のイメージデータに変換（画像展開）して設計画像を作成する。

ここで、設計パターンデータに定義される図形は、例えば長方形や三角形を基本図形としたもので、例えば、図形の基準位置における座標（ｘ、ｙ）、及び辺の長さ、長方形や三角形等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各パターン図形の形、大きさ、位置等を定義した図形データ（ベクトルデータ）が格納されている。

かかる図形データとなる設計パターンの情報が展開回路１１１に入力されると図形ごと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値ないしは多値の設計画像データを展開し、出力する。言い換えれば、設計データを読み込み、検査領域を所定の寸法を単位とするマス目として仮想分割してできたマス目毎に設計パターンにおける図形が占める占有率を演算し、ｎビットの占有率データを出力する。例えば、１つのマス目を１画素として設定すると好適である。そして、１画素に１／２^８（＝１／２５６）の分解能を持たせるとすると、画素内に配置されている図形の領域分だけ１／２５６の小領域を割り付けて画素内の占有率を演算する。そして、画素毎に８ビットの占有率データの設計画像を作成する。設計画像のデータは参照回路１１２に出力される。

参照回路１１２は、設計画像をフィルタ処理して参照画像を作成する。

図９は、実施の形態１におけるフィルタ処理を説明するための図である。センサ回路１０６から得られた光学画像としての測定データは、拡大光学系１０４の解像特性やフォトダイオードアレイ１０５のアパーチャ効果等によってフィルタが作用した状態、言い換えれば連続変化するアナログ状態にあるため、画像強度（濃淡値）がデジタル値の設計側のイメージデータである基準設計画像データにもフィルタ処理を施すことにより、測定データに合わせることができる。このようにしてフレーム画像（光学画像）と比較する参照画像を作成する。作成された参照画像は比較回路１０８に出力され、比較回路１０８内に出力された参照画像は、記憶装置５０に格納される。以上により、検査のために比較される他方の画像（参照画像）データが生成される。

位置合わせ工程（Ｓ２０４）として、位置合わせ部６２は、比較対象となるフレーム画像（光学画像）を記憶装置５６から読み出し、同様に比較対象となる参照画像を記憶装置５０から読み出す。そして、所定のアルゴリズムで位置合わせを行う。例えば、最小２乗法を用いて位置合わせを行う。

比較工程（Ｓ２０６）として、比較処理部６４は、所定の判定条件に従って画素毎に両者を比較し、例えば形状欠陥といった欠陥の有無を判定する。判定条件としては、例えば、所定のアルゴリズムに従って画素毎に両者を比較し、欠陥の有無を判定する。そして、比較結果が出力される。比較結果は、磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレキシブルディスク装置（ＦＤ）１１６、ＣＲＴ１１７、パターンモニタ１１８、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。

以上のように、実施の形態１によれば、ＸＹθテーブル１０２（Ｚθステージ７０）に傾きが生じても少なくとも一方向（ここでは、例えば、撮像方向：ｘ方向）についての高精度な位置を測定できる。よって、検査精度を向上させることができる。

以上の説明において、「〜回路」と記載したものは、処理回路を有する。かかる処理回路は、例えば、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置を含む。各「〜部」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いても良いし、或いは異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。また、プログラムを用いる場合、プログラムは、磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録される。例えば、位置回路１０７、比較回路１０８、展開回路１１１、参照回路１１２、オートローダ制御回路１１３、及びテーブル制御回路１１４、内の各回路等は、処理回路を有する。かかる処理回路は、例えば、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置を含む。

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、実施の形態では、照明光学系１７０として、透過光を用いた透過照明光学系を示したが、これに限るものではない。例えば、反射光を用いた反射照明光学系であってもよい。或いは、透過照明光学系と反射照明光学系とを組み合わせて、透過光と反射光を同時に用いてもよい。

また、図２の例では、試料１０１の例えば中心を通る試料１０１の撮像方向（検査方向：ｘ方向）軸に沿って、２Ｄスケール用の異なる高さに配置された複数の検出器を配置する場合を示したが、これに限るものではない。試料１０１の例えば中心を通る、試料１０１の撮像方向（検査方向：ｘ方向）と直交する方向（ｙ方向）軸に沿って、２Ｄスケール用の異なる高さに配置された複数の検出器をさらに配置してもよい。これにより、ピッチングによるＺθステージ７０の傾きによるｘ方向の位置ずれだけではなく、さらに、ローリングによるＺθステージ７０の傾きによるｙ方向の位置ずれを高精度に測定できる。

また、検出器８１，８２の配置位置は、試料１０１の中心を通るｘ方向軸に沿った位置に限るものではない。検出器８１，８２は、試料１０１の中心を通るｘ方向軸からｙ方向にずれて配置されても良い。或いは、検出器８１と検出器８２との間でｙ方向位置が互いにずれて配置されても構わない。実施の形態１の場合に比べて検出位置の精度は劣化するものの位置ずれに対して一定の効果は発揮できる。

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。

１０ 検査領域
２０ 検査ストライプ
３０ フレーム領域
５０，５２，５６ 記憶装置
６０ フレーム分割部
６２ 位置合わせ部
６４ 比較処理部
６６ メモリ
７０ Ｚθステージ
７１ 重心
７４ ｘステージ
７５ ｘ軸ガイドレール
７６ ｙステージ
７７ ｙ軸ガイドレール
８０ スケール本体
８１，８２ 検出器
８４ 支持台
１００ 検査装置
１０１ 試料
１０２ ＸＹθテーブル
１０３ 光源
１０４ 拡大光学系
１０５ フォトダイオードアレイ
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
１１１ 展開回路
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 ２Ｄスケール測長回路
１２３ ストライプパターンメモリ
１５０ 光学画像取得部
１６０ 制御系回路
１７０ 照明光学系

Claims (5)

1. パターンが形成された基板を載置する、２次元移動可能なステージと、
   前記ステージ上であって前記基板とは異なる位置に配置された２次元スケールの測定用の配置高さの異なる複数の検出器と、
   前記複数の検出器に対向する位置に固定して配置された前記２次元スケールのスケール本体と、
   前記基板が載置された前記ステージが前記２次元面上の一方向に移動している状態で、前記基板に形成されたパターンの光学画像を撮像するセンサと、
   前記２次元スケールにより測定された位置情報を用いて、前記光学画像の撮像位置を演算する演算部と、
   前記光学画像の撮像位置に対応する参照画像を用いて、前記光学画像と参照画像とを画素毎に比較する比較部と、
   を備えたことを特徴とするパターン検査装置。
2. 前記複数の検出器は、第１と第２の検出器を有し、
   前記第１と第２の検出器が、同じ前記スケール本体から位置を測定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. 前記一方向に沿って、前記第１と第２の検出器が配列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。
4. 前記基板に照明される検査光の光軸と、前記スケール本体の中心とが、共に前記一方向上に位置するように、前記スケール本体が配置される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. パターンが形成された基板を載置する、２次元移動可能なステージが前記２次元面上の一方向に移動している状態で、前記基板に形成されたパターンの光学画像を撮像する工程と、
   前記光学画像の撮像と同期して、前記ステージ上であって前記基板とは異なる位置に配置された２次元スケールの配置高さの異なる第１の検出器と第２の検出器により、前記第１と第２の検出器に対向する位置に固定して配置された前記２次元スケールの同じスケール本体からそれぞれ位置を測定する工程と、
   前記第１の検出器によって測定された位置と前記第２の検出器によって測定された位置とを用いて、前記光学画像の撮像位置のずれ量が補正された前記光学画像の撮像位置を演算する工程と、
   前記光学画像の撮像位置に対応する参照画像を用いて、前記光学画像と参照画像とを画素毎に比較し、結果を出力する工程と、
   を備えたことを特徴とするパターン検査方法。

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