JP2019020274A - パターン検査方法およびパターン検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学系の焦点位置をマスクの表面に正確に位置付け可能なパターン検査方法を提供する。【解決手段】パターン検査方法は、光源からの光で試料を照明する工程と、試料で反射した光を第１センサに集光して照明光学系の光強度分布を得る工程と、第１スリットを介して試料で反射した光を検出する第１焦点位置センサと第２スリットを介して試料で反射した光を検出する第２焦点位置センサとを用いて照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせる焦点位置調整が可能か否かを、光強度分布に基づいて制御部で判定する工程と、焦点位置調整が可能と判定された場合、第１および第２焦点位置センサを用いて照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせ、焦点位置調整が不可と判定された場合、予め作成され試料の歪みを示す歪みマップに基づいて照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせる工程と、照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせながら、撮像センサで試料の前記パターンを撮像する工程とを具備する。【選択図】図５

Description

本発明による実施形態は、パターン検査方法およびパターン検査装置に関する。

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、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が用いられる。また、このような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や、テンプレートのパターンをウェハに押し付けて転写するナノインプリント技術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、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移行している。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または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を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、パターン設計の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、該参照画像とパターンの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。

このようなパターン検査装置では、マスクの表面を対物レンズの結像面内に正確に合わせて、マスクの表面に形成されたパターンの画像を取得する必要がある。マスクの表面を結像面に合わせるために、スリット投影型のマスク面位置測定装置によるオートフォーカス機能が用いられることがある。しかし、マスクの表面のパターンが微細であると、マスクへの入射光に対する反射光の回折により、入射光に対するオフセット誤差が反射光に生じる。このオフセット誤差は、マスクのパターンが微細になるほど大きくなる。オフセット誤差が大きくなると、マスクの表面を対物レンズの結像面に合わせることが難しくなり、焦点位置の調整が困難になる。

特開２０１５−１３８２０７号公報

そこで、本発明は、かかる問題点を克服し、マスクに微細パターンがある場合でも、マスクのパターンの検査時において、光学系の焦点位置をマスクの表面に正確に位置付けることができるパターン検査方法およびパターン検査装置を提供する。

本実施形態によるパターン検査方法は、光源からの光を試料に照明する照明光学系と、試料で反射した光を撮像センサに結像する結像光学系と、照明光学系および前記結像光学系を制御する制御部とを備え、撮像センサに結像した像を用いて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パターン検査方法であって、光源からの光で試料を照明する工程と、試料で反射した光から照明光学系の光強度分布を得る工程と、第１スリットを介して試料で反射した光を検出する第１焦点位置センサと第２スリットを介して試料で反射した光を検出する第２焦点位置センサとを用いて照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせる焦点位置調整が可能か否かを、光強度分布に基づいて制御部で判定する工程と、焦点位置調整が可能と判定された場合、第１および第２焦点位置センサを用いて照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせ、焦点位置調整が不可と判定された場合、予め作成され前記試料の歪みを示す歪みマップに基づいて照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせる工程と、照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせながら、撮像センサで試料のパターンを撮像する工程と、を具備する。

光強度分布は、第１センサに集光して得られた照明光学系の対物レンズの瞳の光強度分布でよい。

光強度分布は、第１焦点位置センサと第２焦点位置センサとに集光して得られた前記照明光学系の光強度分布でよい。

制御部は、第１焦点位置センサに設けられた複数の第１センサ部で検出された全体の光強度に対する或る第１センサ部で検出された光強度の比率、または、第２焦点位置センサに設けられた複数の第２センサ部で検出された全体の光強度に対する或る第２センサ部で検出された光強度の比率に基づいて、第１焦点位置センサと第２焦点位置センサとを用いて照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせることが可能か否かを判定してよい。

パターン検査方法は、試料と同じ材質でありかつパターンの形成されていない基準試料に光源からの光を照明する工程と、第１および第２焦点位置センサを用いて照明光学系の焦点位置と基準試料の表面とを合わせるように、基準試料の表面に対して略垂直方向に該基準試料を移動させる工程と、基準試料の略垂直方向における高さ位置を測定する工程と、基準試料の表面に対して略平行方向へ基準試料を移動させながら測定された基準試料の表面の各座標における高さ位置を、歪みマップとして生成する工程と、をさらに具備してもよい。

パターン検査方法は、焦点位置調整が不可と判定された場合、第１および第２焦点位置センサを用いることなく、歪みマップにおける基準試料の高さ位置を用いて、試料の表面の歪み方向とは反対方向へ歪み分だけ該試料を移動させて照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせてもよい。

本実施形態によるパターン検査装置は、光源からの光を試料に照明する照明光学系と、試料で反射した光を検出し試料に形成されたパターンを撮像する撮像センサと、試料で反射した光を検出する第１センサと、第１スリットを介して試料で反射した光を検出する第１焦点位置センサと、第２スリットを介して試料で反射した光を検出する第２焦点位置センサと、第１および第２焦点位置センサで得られた光強度分布を用いて照明光学系の焦点位置を検出する焦点位置検出部と、第１センサまたは第１および第２焦点位置センサで検出された照明光学系の光強度分布に基づいて、照明光学系の焦点位置に試料を合わせる焦点位置調整が可能か否かを判定する光強度判定部と、焦点位置調整が可能と判定された場合に、第１および第２焦点位置センサによって照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせ、焦点位置調整が不可と判定された場合に、予め作成され試料の歪みを示す歪みマップに基づいて照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせる焦点調整切替部と、を備える。

第１実施形態におけるパターン検査装置の構成例を示す構成図。 第１実施形態による照明光学系および結像光学系の内部構成の一例を示す図。 第１実施形態における検査領域を説明するための概念図。 試料の歪みを示す断面図。 第１実施形態による焦点位置調整方法の一例を示すフロー図。 オートフォーカス機能の判定手法を示す説明図。 オートフォーカス機能の判定手法を示す説明図。 オートフォーカス機能の判定手法を示す説明図。 第２実施形態に従ったオートフォーカス機能の判定手法を示す説明図。 第２実施形態に従ったオートフォーカス機能の判定手法を示す説明図。 第２実施形態に従ったオートフォーカス機能の判定手法を示す説明図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態におけるパターン検査装置の一例を示す構成図である。検査装置１００は、試料１０１に形成されたパターンの欠陥を検査する光学画像取得部１５０および制御系回路１６０（制御部）を備えている。尚、点線で囲まれた部分ａ，ｂは、それぞれ、図２の照明光学系ａおよび結像光学系ｂに対応する。図１では、照明光学系ａおよび結像光学系ｂの内部構成の図示を省略している。

光学画像取得部１５０は、照明光学系ａと、結像光学系ｂと、ステージ１０２と、フォトダイオードアレイ２５（撮像センサの一例）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とを備える。

試料１０１が載置されるステージ１０２は、水平方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動可能なＸＹステージ（図示せず）と垂直方向（Ｚ方向）に移動可能なＺステージ（図示せず）とからなる。ＸＹステージは、回転方向（θ方向）にも移動可能となっている。ステージ１０２は、制御計算機１１０の制御の下にステージ制御回路１１４により駆動されるエアスライダでよい。ステージ１０２は、θ方向、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に駆動する４軸モータ等の駆動系によって移動可能となっている。これらのθモータ、Ｘモータ、Ｙモータ、Ｚモータは、例えば、リニアモータやステップモータなどを用いることができる。そして、ステージ１０２上に配置された試料１０１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に転送される。

ステージ１０２上には、試料１０１が配置され、試料１０１はステージ１０２とともに移動する。試料１０１としては、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やＮＩＬ（Nano-Imprint Lithography）技術に用いられるテンプレートが含まれる。フォトマスクやテンプレートには、検査対象となる複数の図形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ステージ１０２上に配置される。

フォトダイオードアレイ２５は、試料１０１に形成されたパターンを撮像する撮像センサである。フォトダイオードアレイ２５は、その撮像面上に結像した試料１０１のパターン像を光電変換し、そのパターン像をセンサ回路１０６へ送る。フォトダイオードアレイ２５は、例えば、撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラを一列に並べたラインセンサである。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。

センサ回路１０６は、フォトダイオードアレイ２５から受け取ったパターン像をＡ／Ｄ（Analogue-to-Digital）変換し、そのパターン像の画像データを位置回路１０７へ送る。Ａ／Ｄ変換された画像データは、例えば、８ビットの符号なしデータであって、フォトダイオードアレイ２５の各画素の明るさの階調を表現したものである。

オートローダ１３０は、制御計算機１１０の制御を受けてオートローダ制御回路１１３によって駆動され、検査対象となる試料１０１をステージ１０２上に自動で載置し、検査終了後には試料１０１をステージ１０２から自動で搬出する。試料１０１がステージ１０２上に載置されると、試料１０１に形成されたパターンに対し、ステージ１０２の下方に配置された照明光学系ａから光が照射される。そして、試料１０１で反射した光は、結像光学系ｂにあるセンサ２５に結像する。尚、検査装置１００は、試料１０１の透過光をセンサ２５に導く構成としてもよい。この構成と、図１に示す構成とを併せ持つ場合には、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。

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、ステージ制御回路１１４、光強度判定回路１２６、焦点調整切替回路１２７、焦点位置検出回路１２８、ストレージ１０９、ディスプレイ１１７、パターンモニタ１１８、および、プリンタ１１９に接続されている。

ストレージ１０９に格納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、ストレージ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。展開回路１１１で変換されたイメージデータは、参照回路１１２に送られて、参照画像の生成に用いられる。参照回路１１２で生成された参照画像は、比較回路１０８に送られ、検査対象となる試料１０１の光学画像と比較される。

一方、試料１０１の光学画像は、上述の通り、フォトダイオードアレイ２５で撮像されてＡ／Ｄ変換され、位置回路１０７へ送られる。検査に好適な光学画像を得るためには、試料１０１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。照明光学系ａの焦点位置に試料１０１の表面（パターンの形成された面：以下、パターン面とも言う）を合わせるために、光強度判定回路１２６は、焦点位置の検出および焦点位置の調整の際に、照明光学系ａの光強度分布に基づいて、焦点位置センサ（図２の２９，３０）の自動焦点位置調整機能（以下、オートフォーカス機能ともいう）の信頼性を判定する。

焦点調整切替回路１２７は、オートフォーカス機能の信頼性が高い場合には、焦点位置センサ２９，３０による焦点位置によって照明光学系ａの焦点位置と試料１０１のパターン面との相対位置を調整することを選択する。一方、焦点調整切替回路１２７は、オートフォーカス機能の信頼性が低い場合には、焦点位置センサのオートフォーカス機能を用いず、予め作成された試料１０１の歪みを示す歪みマップに基づいて照明光学系ａの焦点位置と試料１０１のパターン面との相対位置を調整することを選択する。尚、オートフォーカス機能の信頼性の判定および焦点調整手法の切替えについては、後で詳細に説明する。

焦点位置検出回路１２８は、焦点調整切替回路１２７からの情報を受け取って、焦点位置を検出する。オートフォーカス機能を用いる場合には、焦点位置検出回路１２８は、結像光学系ｂに配置された焦点位置検出用のセンサ（図２の２９，３０）で検出されたスリット像から、照明光学系ａの焦点位置が試料１０１のパターン面に適合したことを検出する。あるいは、歪みマップを用いる場合には、焦点位置検出回路１２８は、歪みマップに基づいて試料１０１の歪みを解消するようにステージ１０２を移動させ、照明光学系ａの焦点位置が試料１０１のパターン面に適合したものと判断する。

制御計算機１１０は、焦点位置検出回路１２８からの情報に基づき、ステージ制御回路１１４を制御して、検出した焦点位置が試料１０１のパターン面に位置するよう、ステージ１０２をＺ方向（高さ方向）に移動させる。これにより、試料１０１のパターン面を焦点位置に合わせるよう調整する。尚、焦点位置の調整は、試料１０１のパターン面の位置と焦点位置とを相対的に移動させることによって実行される。従って、焦点位置の調整は、焦点位置自体を移動させることで実行してもよいが、本実施形態のように、ステージ１０２を移動させることで実行してもよい。

試料１０１のパターン面を照明光学系ａの焦点位置に適合させると、フォトダイオードアレイ２５が試料１０１のパターンの光学画像を撮像する。実際には、フォトダイオードアレイ２５は、図３に示すようにストライプごとに連続的に試料１０１のパターンを撮像する。従って、オートフォーカス機能の信頼性の判定は、パターンの撮像の直前にほぼリアルタイムで実行される。光学画像は、センサ回路１０６でＡ／Ｄ変換されて、位置回路１０７から出力されたステージ１０２上での試料１０１の位置を示すデータとともに、比較回路１０８に送られる。

比較回路１０８は、上述の通り、光学画像データと参照画像データとを、適切な比較判定アルゴリズムを用いて比較する。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。

尚、図１では、第１実施形態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。また、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、光強度判定回路１２６、焦点調整切替回路１２７、焦点位置検出回路１２８、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等のコンピュータで動作可能なソフトウェアとして実現されてもよい。また、これらの回路は、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。

図２は、第１実施形態による照明光学系ａおよび結像光学系ｂの内部構成の一例を示す図である。照明光学系ａは、光源１と、レンズ４，６と、スリット５と、ハーフミラー７と、対物レンズ８とを有する。照明光学系ａは、検査対象となるパターンが形成された試料１０１を光源１からの光で照明する。一方、結像光学系ｂは、対物レンズ８と、ハーフミラー７，１７，２０と、レンズ１０，１１，１２，１３，１５と、ミラー１６と、第１スリット２３と、第２スリット２４と、フォトダイオードアレイ２５、第１センサ２６と、第１焦点位置センサ２９と、第２焦点位置センサ３０とを有する。結像光学系ｂは、試料１０１からの反射光をセンサ２５，２６，２９，３０の各受光面に結像または集光させる。

ここで、フォトダイオードアレイ２５は、試料１０１のパターンの欠陥検査用の光学画像を撮像する撮像センサとして用いられる。また、センサ２６は、試料１０１で反射した光を受けて照明光学系ａの対物レンズ８の瞳の光強度分布を得るセンサ（第１センサ）として用いられる。センサ２９，３０は、照明光学系ａの光の焦点位置に試料１０１のパターン面を合わせるように、試料１０１の位置を自動で調整する第１および第２焦点位置センサとして用いられる。即ち、第１および第２焦点位置センサ２９，３０は、オートフォーカス用のセンサである。センサ２６，２９，３０は、例えば、５１２×５１２画素のＣＣＤカメラ等でよい。

図３は、検査領域の撮像の様子を示す概念図である。試料１０１の検査領域Ｒ１０は、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Ｒ２０に仮想的に分割される。検査装置１００では、検査ストライプＲ２０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Ｒ２０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形成されたパターンの画像を撮像する。ステージ１０２の移動によってフォトダイオードアレイ２５が相対的にＸ方向に連続移動しながら光学画像を取得する。フォトダイオードアレイ２５では、図３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、フォトダイオードアレイ２５は、ステージ１０２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。本実施形態では、１つの検査ストライプＲ２０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Ｒ２０の位置まで移動して次に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）−バックワード（ＢＷＤ）の方向で撮像を繰り返す。

撮像の方向は、フォワード（ＦＷＤ）−バックワード（ＢＷＤ）の繰り返しに限るものではなく、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。

通常、試料１０１には、寸法の異なる複数のパターンが形成されている。上述した通り、反射光の回折によるオートフォーカスの困難性は、パターンの寸法（線幅等）に依存する。即ち、寸法の大きなパターン（例えば、５０ｎｍ以上の線幅を有するパターン）については、回折の影響は比較的小さい。回折が小さい場合、試料１０１への入射光と試料１０１からの反射光とのずれ（オフセット誤差）が小さくなる。従って、図２の第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能を用いて、焦点位置に試料１０１のパターン面を合わせることができる。しかし、寸法の小さなパターン（例えば、５０ｎｍ未満の線幅を有するパターン）については、回折の影響が比較的大きくなる。回折が大きい場合、オフセット誤差が大きくなる。このため、第１および第２焦点位置センサ２９，３０のオートフォーカス機能を用いて焦点位置に試料１０１のパターン面を合わせることが困難となる。

そこで、本実施形態による光強度判定回路１２６は、試料１０１で反射した光をセンサ２６に集光して照明光学系ａの対物レンズ８の瞳（あるいは、対物レンズ８と共役な位置における瞳）の光強度分布を用いて、第１および第２焦点位置センサ２９，３０による照明光学系のオートフォーカス機能の信頼性を判定する。そして、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が信頼性を有すると判定した場合には、検査装置１００は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能によって照明光学系ａの焦点位置を調整する。一方、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が信頼性を有しないと判定した場合には、検査装置１００は、予め作成された試料１０１の歪みを示す歪みマップに基づいて照明光学系ａの焦点位置を調整する。

（歪みマップの作成）
図４は、試料１０１の歪みを示す断面図である。試料（例えば、マスク）１０１は、ステージ１０２上に搭載されると、自重により歪む（撓む）場合がある。歪みマップは、ステージ１０２上に搭載された試料１０１のパターン面内の各座標における歪みの度合いを示すマップである。

歪みマップは、検査の前に予め作成される。このため、歪みマップの作成には、基準試料（基準マスク）１０１ａを用いる。基準試料１０１ａは、試料１０１と同じ材質でありかつパターンの形成されていない材料（マスクブランクス）でよい。これにより、基準試料１０１ａは、パターンを有しないものの、パターン検査時における試料１０１とほぼ同じ歪みを再現することができる。即ち、歪みマップは、基準試料１０１ａを用いて生成され、試料１０１の歪みマップとして用いることができる。

歪みマップの作成の際には、基準試料１０１ａをステージ１０２上に載置し、基準試料１０１ａの表面に対して略垂直方向（Ｚ方向）に該基準試料１０１ａを移動させ、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能で照明光学系ａの焦点位置に基準試料１０１ａの表面を合わせる。このとき、基準試料１０１ａの表面には、微細パターンは形成されていないので、ステージ制御回路１１４は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０を用いて、照明光学系ａの焦点位置に基準試料１０１ａの表面を正確に合わせることができる。

図３を参照して説明したように、ステージ１０２を照明光に対してＸ方向およびＹ方向に移動させながら、照明光学系ａの焦点位置に基準試料１０１ａの表面を合わせ、そのときのステージ１０２の高さ位置を計測する。高さ位置は、照明光学系ａまたは対物レンズ８に対するステージ１０２または試料１０１の高さ（Ｚ座標）である。高さの計測は、レーザ測長システム１２２で行えばよい。例えば、図４に示すように、基準試料１０１ａは、両端部Ｅに対して、中心部Ｃは、Ｄだけ−Ｚ方向に歪んでいる。基準試料１０１ａの他の座標についても、Ｚ方向あるいは−Ｚ方向の歪みが測定される。

位置回路１０７は、座標（Ｘ，Ｙ）およびそれに対応する高さ位置（Ｚ）をレーザ測長システム１２２から受け取り、ストレージ１０９へ格納する。位置回路１０７は、座標（Ｘ，Ｙ）およびそれに対応する高さ位置（Ｚ）をそのままストレージ１０９へ格納してもよく、あるいは、或る基準座標（Ｘ０、Ｙ０）における高さ位置（Ｚ０）を基準として、他の座標（Ｘ、Ｙ）の高さ位置（Ｚ）と基準座標の高さ位置（Ｚ０）との相対差を格納してもよい。例えば、一端部Ｅの高さ位置（Ｚ０）を基準として、該端部Ｅの高さ位置（Ｚ０）に対する他の座標（Ｘ、Ｙ）の相対的な高さ位置（Ｚ）、即ち、Ｚ−Ｚ０をストレージ１０９へ格納してもよい。

これにより、基準試料１０１ａの面内の各座標の歪みを示す歪みマップが生成され、ストレージ１０９に格納される。高さ位置（Ｚ）を測定する座標（Ｘ，Ｙ）の間隔は任意でよい。基準試料１０１ａの歪みマップは、試料１０１の歪みマップとして用いられる。ただし、歪みマップには、ステージ１０２の振動等のような非再現成分も含まれる。このため、座標（Ｘ，Ｙ）における高さ位置（Ｚ）を複数回測定し、その平均値で歪みマップを作成してもよい。あるいは、連続して測定された複数の座標における高さ位置の移動平均で歪みマップを作成してもよい。
このように作成された歪みマップは、ストレージ１０９に予め格納され、以下に説明する焦点位置調整方法において参照される。

（焦点位置調整方法）
図５は、第１実施形態による焦点位置調整方法の一例を示すフロー図である。図２および図５を参照して、焦点位置調整方法について説明する。

試料１０１は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動可能なステージ１０２上に載置される。そして、試料１０１に形成されたパターンの撮像および検査が開始される（Ｓ１０）。

図２の光源１は、例えば、レーザ光源でよい。光源１から出射された光は、まず、光軸３２に沿って伝播していく。この光は、レンズ４，６を透過してハーフミラー７へ入射する。光の一部は、レンズ４を透過した後、スリット５を介してレンズ６へ入射し、レンズ６を透過してハーフミラー７へ入射する。

ハーフミラー７は、例えば、光軸３２に対して４５度傾いて配置されている。レンズ６で屈折された光はハーフミラー７に入射する。ハーフミラー７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６からハーフミラー７に入射した光の一部は、試料１０１の方向に反射される。つまり、光軸３２は、ハーフミラー７によって９０度曲げられることになる。

ハーフミラー７で反射された照明光は、対物レンズ８に入射する。対物レンズ８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８の瞳は、光源１の像を結像する。対物レンズ８は、入射した光を屈折した後、試料１０１を照明する。上記したように、照明光の一部は、スリット５を透過している。したがって、スリット５の像も試料１０１に投影されている。このとき、スリット５の像は、検査視野とは異なる領域に投影される。

試料１０１で反射された光は、ハーフミラー７までは照明光と共通の光路を伝播していく。すなわち、試料１０１からの反射光は、対物レンズ８で屈折されてハーフミラー７に入射する。対物レンズ８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７を透過してレンズ１０に入射する。

レンズ１０を透過した光の一部はミラー１６で反射して光路を曲げられ、レンズ１３に入射する。ミラー１６で反射する光は、試料１０１に投影されたスリット５の像の反射光となるようにする。レンズ１３は、入射した光を屈折してハーフミラー１７に入射させる。

ハーフミラー１７で反射した光は、第１センサ２６に入射する。第１センサ２６に入射する光は、スリット５を介さず試料１０１に投影され、対物レンズ８を透過した光（対物レンズ８の瞳全体の光）である。従って、第１センサ２６は、照明光学系ａの対物レンズ８の瞳の光強度分布を観察する（Ｓ２０）。この光強度分布は、光強度判定回路１２６へ転送され、光強度判定回路１２６において、第１および第２焦点位置センサ２９，３０による自動焦点位置調整機能（オートフォーカス機能）が有効であるか否かの判定に用いられる（Ｓ３０）。

ここで、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が有効であるか否かの判定手法について説明する。

図６（Ａ）〜図８（Ｂ）は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能の判定手法を示す説明図である。図６（Ａ）、図７（Ａ）および図８（Ａ）は、それぞれ第１センサ２６で検出された対物レンズ８の瞳の光強度分布の画像（所謂、フーリエ画像）を示す。図６（Ｂ）、図７（Ｂ）および図８（Ｂ）は、それぞれ図６（Ａ）、図７（Ａ）および図８（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った位置における光強度分布のグラフを示す。

また、図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、試料１０１のパターンが比較的大きな場合における光強度分布を示す。撮像範囲に大きなパターンが多い場合には、試料１０１からの反射光の回折が比較的小さいため、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、反射光（回折光）は対物レンズ８の瞳の中心に比較的近く、光強度が高くなる。この場合、第１センサ２６において光強度の高い画素領域が大きくなる。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、試料１０１のパターンが図６（Ａ）および図６（Ｂ）のそれよりも微細な場合における光強度分布を示し、図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、試料１０１のパターンが図７（Ａ）および図７（Ｂ）のそれよりもさらに微細な場合における光強度分布を示す。撮像範囲に微細なパターンが比較的多くなると、試料１０１からの反射光の回折が大きくなるため、図７（Ａ）〜図８（Ｂ）に示すように、反射光（回折光）は対物レンズ８の瞳の中心から乖離して、光強度が低下する。この場合、第１センサ２６において光強度の高い画素領域が小さくなる。

光強度判定回路１２６は、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）、図８（Ｂ）に示す光強度分布に基づいて、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が有効であるか否かを判定する。例えば、所定値Ａを超える光強度を検出した画素数が閾値以上であれば、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能の信頼性は高い。従って、光強度判定回路１２６は、そのオートフォーカス機能を有効であると判定する。一方、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）、図８（Ｂ）に示す光強度が所定値Ａを超える画素数が閾値未満であれば、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能の信頼性は低い。従って、光強度判定回路１２６は、そのオートフォーカス機能は無効であると判定する。尚、オートフォーカス機能が有効である、とは、第１および第２焦点位置センサ２９，３０のオートフォーカス機能を用いて、照明光学系ａの焦点位置に試料１０１のパターン面を合わせることができることを意味する。オートフォーカス機能が無効であることは、逆に、第１および第２焦点位置センサ２９，３０のオートフォーカス機能では、照明光学系ａの焦点位置に試料１０１のパターン面を合わせることができないことを意味する。

図６（Ｂ）では、光強度が所定値Ａを超える画素数は、ｍ画素である。ｍが閾値以上である場合、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカスは可能であると判定する。

図７（Ｂ）では、光強度が所定値Ａを超える画素数は、ｎ（ｎ＜ｍ）画素である。ｎが閾値以上である場合、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカスは可能であると判定する。ｎが閾値未満である場合、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカスは不可であると判定する。

図８（Ｂ）では、光強度が所定値Ａを超える画素数は、０画素である。この場合、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカスは不可であると判定する。

このように、光強度判定回路１２６は、第１センサ２６で検出された対物レンズ８の瞳の光強度分布に基づいて、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が有効であるか否かを判定することができる。

再度、図２および図５を参照して焦点位置調整方法の説明を続ける。上記判定手法において、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が有効であると判定された場合（Ｓ３０のＹＥＳ）、焦点調整切替回路１２７は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能を選択する（Ｓ４０）。この場合、ステージ制御回路１１４は、以下のように、第１および第２焦点位置センサ２９，３０のオートフォーカス機能を用いて試料１０１のパターン面を焦点位置に合わせる。

例えば、図２のハーフミラー１７を透過した光は、レンズ１５によってハーフミラー２０に入射し、ハーフミラー２０によって分岐される。ハーフミラー２０を透過した光は、第１スリット２３を透過した後、第１焦点位置センサ２９に入射する。一方、ハーフミラー２０で反射した光は、第２スリット２４を透過した後、第２焦点位置センサ３０に入射する。スリット２３，２４を透過し、センサ２９，３０に入射する光は、試料１０１に投影されたスリット５の像の反射光である。

スリット２３は、試料１０１の共役位置の前側に位置するようにし（前ピン）、スリット２４は、試料１０１の共役位置の後側に位置するようにする（後ピン）。尚、スリット２４を、試料１０１の共役位置の前側に位置するようにし（前ピン）、スリット２３を、試料１０１の共役位置の後側に位置するようにしてもよい（後ピン）。スリット２３，２４の幅は、対物レンズ８の開口数ＮＡで拡がる光束の半分、つまり、対物レンズ８の瞳径の半分に相当する値とする。第１および第２焦点位置センサ２９，３０には、例えば、フォトダイオードや光電子増倍管等を用いる。

第１焦点位置センサ２９は前ピンの光強度（光量）を検出する。一方、第２焦点位置センサ３０は後ピンの光強度を検出する。第１および第２焦点位置センサ２９，３０で検出された光強度は、焦点位置検出回路１２８に送信される。焦点位置検出回路１２８は、この光強度に基づいて焦点位置を検出する。例えば、光の焦点位置に対する試料１０１のパターン面の位置を変えて第１焦点位置センサ２９の光強度と第２焦点位置センサ３０の光強度とを比較すると、試料１０１のＺ方向の移動量（即ち、焦点位置の移動量）に応じて、第１焦点位置センサ２９と第２焦点位置センサ３０との光強度比（光量比）が変化する。光強度比が１：１になったときに焦点位置が試料１０１のパターン面に合う。即ち、このとき、試料１０１のパターン面に対して最適な焦点位置となり、コントラストは最大となる。このように、検査装置１００は、第１および第２焦点位置センサ２９、３０を用いたオートフォーカス機能により、試料１０１のパターン面を焦点位置に自動で合わせることができる。

一方、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が無効であると判定された場合（Ｓ３０のＮＯ）、焦点調整切替回路１２７は、オートフォーカス機能を用いずに、予め作成された試料１０１の歪みを示す歪みマップに基づいた焦点位置調整に切り替える（Ｓ５０）。この場合、ステージ制御回路１１４は、直前あるいは以前にオートフォーカス機能を用いて焦点が合っていた座標（Ｘ１，Ｙ１）における高さ位置（Ｚ１）と、これから歪みマップに基づいた焦点位置調整機能を用いる座標（Ｘ２，Ｙ２）における高さ位置（Ｚ２）との相対差をキャンセルするように、ステージ１０２をＺ方向に移動させる。例えば、座標（Ｘ１，Ｙ１）における高さ位置（Ｚ１）と座標（Ｘ２，Ｙ２）における高さ位置（Ｚ２）との相対差が−Ｄ１である場合、ステージ制御回路１１４は、ステージ１０２を＋Ｚ方向へ歪み分Ｄ１だけ移動させる。即ち、座標（Ｘ１，Ｙ１）に対して座標（Ｘ２，Ｙ２）における−Ｚ方向への歪みがＤ１である場合、ステージ制御回路１１４は、試料１０１の表面の歪みを解消するように、試料１０１の歪み方向（例えば、−Ｚ）とは反対方向（例えば、＋Ｚ）へ歪み分Ｄ１だけステージ１０２を移動させる。これにより、座標（Ｘ２，Ｙ２）における歪みが補正（キャンセル）され、座標（Ｘ２，Ｙ２）の高さ位置が、焦点の合っていた座標（Ｘ１，Ｙ１）の高さ位置とほぼ等しくなる。座標（Ｘ２，Ｙ２）の高さが焦点の合っていた座標（Ｘ１，Ｙ１）の高さとほぼ等しくなることよって、試料１０１のパターン面が照明光学系ａの焦点位置に合う。このように、検査装置１００は、オートフォーカス機能を用いずに、歪みマップで焦点位置を調整することができる。

オートフォーカス機能と歪みマップによる焦点位置調整機能とのいずれかを選択した後、ステージ制御回路１１４は、その選択された焦点位置調整方向で、上記のように試料１０１のパターン面を照明光学系ａの焦点位置に合わせる（Ｓ６０）。

試料１０１のパターン面を照明光学系ａの焦点位置に合わせながら、フォトダイオードアレイ２５は、連続的に試料１０１のパターンを撮像する。また、センサ回路１０６、位置回路１０７、比較回路１０８、展開回路１１１、参照回路１１２は、撮像画像と基準画像とを比較して、パターンの欠陥の有無等を検査する（Ｓ６５）。

ここで、パターンの検査処理について説明する。パターンの検査では、ダイ−データベース方式またはダイ−ダイ方式による検査が実行される。以下、一例として、ダイ−データベース方式による検査方法を述べる。ダイ−データベース方式では、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。ダイ−ダイ方式の場合、基準画像は、検査対象と同一パターンを有する他の領域の光学画像になる。言うまでも無く、本実施形態は、ダイ−ダイ方式に適用してもよい。

尚、設計パターンデータは、ストレージ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。ストレージ１０９は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ(Solid State Drive)等の記憶装置でよい。

ユーザが作成したＣＡＤデータは、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含まれる。一般に、検査装置は、設計中間データを直接読み込めるようには構成されていない。このため、設計中間データは、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。

試料１０１のパターン形成時に用いたフォーマットデータは、ストレージ１０９に格納される。設計パターンに含まれる図形は、長方形や三角形等を基本図形として作成された図形である。図形の基準位置における座標、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。

ストレージ１０９に格納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、ストレージ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、参照画像の生成に用いられる。

センサ回路１０６から出力された試料１０１の光学画像は、位置回路１０７から出力されたステージ１０２上での試料１０１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。

このとき、図３の検査ストライプＲ２０は、適当なサイズに分割されてサブストライプとなる。光学画像から切り出されたサブストライプと、それ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。比較回路１０８は、適切な比較判定アルゴリズムを用いて試料１０１の光学画像と参照画像とを比較する。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。

試料１０１のパターンの全面の撮像および検査が終了するまで、ステップＳ２０〜Ｓ６５が繰り返される（Ｓ７０のＮＯ）。試料１０１のパターンの全面の撮像および検査が終了すると、試料１０１の検査が終了し（Ｓ７０のＹＥＳ）、試料１０１は、ステージ１０２から搬出される。

以上のように、本実施形態による検査装置１００は、第１センサ２６で照明光学系ａの対物レンズ８の光強度分布を得て、この光強度分布に基づいて第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能の信頼性を判定する。試料１０１のパターンが大きくオートフォーカス機能の信頼性が高いと判定された場合、第１および第２焦点位置センサのオートフォーカス機能を用いて焦点位置の調整を行う。試料１０１のパターンが微細であり、オートフォーカス機能の信頼性が低いと判定された場合、オートフォーカス機能を用いずに、予め作成され試料１０１の歪みを示す歪みマップに基づいて焦点位置の調整を行う。これにより、微細パターンによるオフセット誤差をキャンセルし、試料１０１が歪んでいても、試料１０１のパターン面を照明光学系ａの焦点位置に正確に位置付けることができる。

また、本実施形態において、焦点調整切替回路１２７は、光強度判定回路１２６の判定に基づいて撮像を継続しながらリアルタイムで焦点位置の調整方法を切り替える。例えば、光強度判定回路１２６は、撮像直前に撮像箇所について、オートフォーカス機能の信頼性を判定し、焦点調整切替回路１２７は、光強度判定回路１２６の判定に応じて、オートフォーカス機能と歪みマップに基づいた焦点位置調整機能との間で焦点位置調整方法をリアルタイムで切り替える。これにより、検査装置１００は、検査時間を長期化することなく、精度の高い光学画像を得ることができる。

また、オートフォーカス機能を用いた焦点位置の調整は、歪みマップによる焦点位置調整機能よりも長い時間がかかる。従って、微細なパターンに対して、歪みマップによる焦点位置調整機能を用いることによって、寧ろ、検査時間を短縮することができる。

また、本実施形態によれば、比較的大きな（粗い）パターンに対してはオートフォーカス機能を用いて焦点位置の調整が行われ、微細パターンに対しては歪みマップを用いて焦点位置の調整が行われる。このようにオートフォーカス機能と歪みマップによる焦点位置調整機能との両方が選択的に用いられることにより、歪みマップに非再現成分が含まれていても、大きなパターンでは、オートフォーカス機能によって焦点位置調整が行われるので、歪みマップに含まれる誤差はキャンセルされ得る。

例えば、もし、試料１０１の全面に対して歪みマップに基づく焦点位置調整機能を用いた場合、オートフォーカス機能を全く用いないため、歪みマップに含まれる非再現成分等の誤差は補正されない。

これに対し、本実施形態による検査装置１００では、オートフォーカス機能を用いて試料１０１を焦点位置に合わせた後に、歪みマップによる焦点位置調整機能を用いた場合、歪みマップによる焦点位置調整機能を用いる座標（例えば、歪みＤ２）では、オートフォーカス機能を用いた座標（例えば、歪みＤ３）に対して相対的な歪み分（例えば、Ｄ３−Ｄ２）を解消すればよい。この場合、オートフォーカス機能を用いた座標では焦点位置は試料１０１に合っているので、それまで用いてきた歪みマップに含まれる誤差は引き継がれず、オートフォーカス機能を用いた座標において一旦キャンセル（補正）される。従って、オートフォーカス機能と歪みマップによる焦点位置調整機能との両方を選択的に用いることによって、試料１０１のパターン面を照明光学系ａの焦点位置に、より正確に位置付けることができる。

（第２実施形態）
図９（Ａ）〜図１１（Ｂ）は、第２実施形態に従ったオートフォーカス機能の判定手法を示す説明図である。第２実施形態は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０からの光強度に基づいてオートフォーカス機能の信頼性を判定する。従って、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０から光強度を入力し、その光強度分布に基づいて、第１および第２焦点位置センサ２９，３０のオートフォーカス機能の信頼性を判定する。第２実施形態の構成および他の動作は、第１実施形態と同様でよい。

図９（Ａ）、図１０（Ａ）および図１１（Ａ）は、それぞれ第１および第２焦点位置センサ２９、３０で検出された光強度の検出の概念図を示す。図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）および図１１（Ｂ）は、それぞれ図９（Ａ）、図１０（Ａ）および図１１（Ａ）のフォトセンサＳａ〜Ｓｄにおける光強度分布を示す。

また、図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、試料１０１のパターンが比較的大きな場合における光強度分布を示す。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、試料１０１のパターンが図９（Ａ）および図９（Ｂ）のそれよりも微細な場合における光強度分布を示し、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、試料１０１のパターンが図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）のそれよりもさらに微細な場合における光強度分布を示す。

スリット２３、２４は、図２のスリット５で成形されたスリット光Ｌ２３、Ｌ２４に適合する形状（略相似形）に形成されている。例えば、スリット５で成形されたスリット光Ｌ２３、Ｌ２４が十字形である場合、スリット２３、２４も十字形にする。スリット２３、２４の十字形の内部は、光が通過できるが、その外部では光が遮断される。従って、図９（Ａ）に示すように、スリット光Ｌ２３、Ｌ２４が、スリット２３、２４に適合している場合には、第１および第２焦点位置センサ２９、３０で検出されるスリット光Ｌ２３、Ｌ２４の強度は最大となる。一方、図１１（Ａ）に示すように、スリット光Ｌ２３、Ｌ２４が、スリット２３、２４から外れている場合には、第１および第２焦点位置センサ２９、３０で検出されるスリット光Ｌ２３、Ｌ２４の強度は低下する。

第１および第２焦点位置センサ２９、３０は、第１および第２センサ部として、例えば、それぞれ４つのフォトセンサＳａ〜Ｓｄを備える。フォトセンサＳａ〜Ｓｄは、例えば、十字形のスリット２３、２４の４つの端部にそれぞれ対応して配置されている。これにより、フォトセンサＳａ〜Ｓｄは、十字形のスリット２３、２４の４つの端部を透過してくるスリット光Ｌ２３、Ｌ２４を検出する。尚、図９（Ａ）、図１０（Ａ）および図１１（Ａ）では、便宜的に、スリット２３、２４は重ねて表示されている。従って、フォトセンサＳａ〜Ｓｄも、第１および第２焦点位置センサ２９、３０について重ねて表示されている。しかし、スリット２３のフォトセンサＳａ〜Ｓｄとスリット２４のフォトセンサＳａ〜Ｓｄとはそれぞれ個別にスリット光Ｌ２３とスリット光Ｌ２４とを検出する。

上述の通り、スリット２３は、前ピンに位置し、スリット２４は、後ピンに位置する。よって、第１焦点位置センサ２９は前ピンの光強度を検出し、第２焦点位置センサ３０は後ピンの光強度を検出する。第１焦点位置センサ２９と第２焦点位置センサ３０との光強度比が１：１になったときに、両者の光強度の和が最大となり、試料１０１のパターン面が焦点位置に合う。第２実施形態では、このような第１および第２焦点位置センサ２９、３０の光強度を用いて、オートフォーカス機能の信頼性を判定する。

例えば、試料１０１のパターンが比較的大きなパターンである場合、試料１０１からの反射光の回折が小さく、入射光に対する反射光のオフセット誤差が小さい。従って、図９（Ａ）に示すように、照明光学系ａの焦点を試料１０１のパターン面に合わせたときに、スリット２３を通過したスリット光Ｌ２３とスリット２４を通過したスリット光Ｌ２４とが重複する。この場合、図９（Ｂ）の光強度分布に示すように、フォトセンサＳａ〜Ｓｄで検出される光強度は高く、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能の信頼性は高い。よって、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が有効であると判定できる。

試料１０１のパターンが微細になると、試料１０１からの反射光の回折が大きくなり、入射光に対する反射光のオフセット誤差が大きくなる。従って、照明光学系ａの焦点を試料１０１のパターン面に合わせようとしても、図１０（Ａ）に示すように、スリット光Ｌ２３とスリット光Ｌ２４とが重複しなくなってくる。この場合、図１０（Ｂ）の光強度分布に示すように、例えば、一部のフォトセンサＳｂ、Ｓｃで検出される光強度は高いものの、他のフォトセンサＳａ、Ｓｄで検出される光強度は低くなる。

試料１０１のパターンがさらに微細になると、オフセット誤差がさらに大きくなり、照明光学系ａの焦点を試料１０１のパターン面に合わせようとしても、図１１（Ａ）に示すように、スリット光Ｌ２３とスリット光Ｌ２４とがフォトセンサＳａ、Ｓｄにおいてほとんど重複しない。この場合、図１１（Ｂ）の光強度分布に示すように、例えば、フォトセンサＳａ、Ｓｄで検出される光強度はかなり低下する。よって、この場合には、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が無効であると判定する。

具体的な判定方法の例は以下の通りである。フォトセンサＳａ〜Ｓｄで検出される光強度をそれぞれＩａ〜Ｉｄとすると、光強度判定回路１２６は、例えば、Ｉａ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）、Ｉｂ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）、Ｉｃ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）、Ｉｄ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）を計算し、これらのパラメータと予め設定された閾値とを比較する。そして、Ｉａ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）、Ｉｂ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）、Ｉｃ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）、Ｉｄ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）の全てが閾値以上であった場合、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が高いと判断し、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が有効と判定する。一方、Ｉａ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）、Ｉｂ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）、Ｉｃ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）、Ｉｄ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）のいずれか１つ以上のパラメータが閾値未満であった場合、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能の信頼性が低いと判断し、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能が無効であると判定する。

もし、光源１が劣化した場合、第１および第２焦点位置センサ２９、３０で検出される光強度全体が低下する。従って、光源１の劣化を考慮した場合、第１および第２焦点位置センサ２９、３０で検出された光強度（光強度の絶対値）で判定を行うと、光強度判定回路１２６は、オートフォーカス機能の信頼性を正確に判定できない場合がある。

これに対し、第２実施形態では、光強度の絶対値ではなく、上述のようにフォトセンサＳａ〜Ｓｄの全体の光強度（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）に対する各フォトセンサ（Ｓａ〜Ｓｄ）の光強度（Ｉａ，Ｉｂ，ＩｃまたはＩｄ）の相対的な比率で判定する。これにより、光源１が劣化しても、光強度判定回路１２６は、オートフォーカス機能の信頼性を正確に判定することができる。従って、フォトセンサＳａ〜Ｓｄの全体の光強度に対する各フォトセンサ（Ｓａ〜Ｓｄ）の比率で判定することが好ましいと言える。

第２実施形態のその他の動作は、第１実施形態と同様でよい。従って、第２実施形態は第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

尚、第２実施形態では、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９、３０の両方で検出された光強度を用いてオートフォーカス機能の信頼性を判定している。しかし、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９、３０のいずれか一方で検出された光強度のみを用いてオートフォーカス機能の信頼性を判定してもよい。

また、光源１がさほど劣化しない場合、光強度判定回路１２６は、フォトセンサＳａ〜Ｓｄの光強度と所定の閾値とを比較して、第１および第２焦点位置センサ２９，３０によるオートフォーカス機能の信頼性を判断してよい。例えば、フォトセンサＳａ〜Ｓｄの全体またはいずれかの光強度が閾値以上である場合に、光強度判定回路１２６は、オートフォーカス機能を有効であると判定し、フォトセンサＳａ〜Ｓｄの全体またはいずれかの光強度が閾値未満である場合に、光強度判定回路１２６は、オートフォーカス機能を無効と判定してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００ 検査装置、１０１ 試料、１５０ 光学画像取得部、１６０ 制御系回路、ａ 照明光学系、ｂ 結像光学系、１０２ ステージ、１０６ センサ回路、１２２ レーザ測長システム、１３０ オートローダ、１１０ 制御計算機、１２０ バス、１０７ 位置回路、１０８ 比較回路、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、１２６ 光強度判定回路、１２７ 焦点調整切替回路、１２８ 焦点位置検出回路、１０９ ストレージ、１１７ ディスプレイ、１１８ パターンモニタ、１１９ プリンタ

本実施形態によるパターン検査装置は、光源からの光を試料に照明する照明光学系と、試料で反射した光または透過した光を検出し試料に形成されたパターンを撮像する撮像センサと、第１スリットを介して試料で反射した光を検出する第１焦点位置センサと、第２スリットを介して試料で反射した光を検出する第２焦点位置センサと、第１および第２焦点位置センサで得られた光強度を用いて照明光学系の焦点位置を検出する焦点位置検出部と、第１および第２焦点位置センサで検出された光強度分布に基づいて、照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせる焦点位置調整が可能か否かを判定する光強度判定部と、焦点位置調整が可能と判定された場合に、第１および第２焦点位置センサによって照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせ、焦点位置調整が不可と判定された場合に、予め作成され試料の歪みを示す歪みマップに基づいて照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせる焦点調整切替部と、を備える。

本実施形態によるパターン検査方法は、光源からの光を試料に照明する照明工程と、試料で反射した光または透過した光を検出し試料に形成されたパターンを撮像する工程と、第１スリットを介して試料で反射した光を検出する第１焦点位置センシング工程と、第２スリットを介して試料で反射した光を検出する第２焦点位置センシング工程と、第１および第２焦点位置センシング工程で得られた光強度を用いて照明工程の焦点位置を検出する焦点位置検出工程と、第１および第２焦点位置センシング工程で検出された光強度分布に基づいて、照明工程の焦点位置と試料の表面とを合わせる焦点位置調整が可能か否かを判定する光強度判定工程と、焦点位置調整が可能と判定された場合に、第１および第２焦点位置センシング工程によって照明工程の焦点位置と試料の表面とを合わせ、焦点位置調整が不可と判定された場合に、予め作成され試料の歪みを示す歪みマップに基づいて照明工程の焦点位置と試料の表面とを合わせる焦点調整切替工程と、を備える。

本実施形態によるパターン検査装置は、光源からの光を試料に照明する照明光学系と、試料で反射した光または透過した光を検出し試料に形成されたパターンを撮像する撮像センサと、第１スリットを介して試料で反射した光を検出する第１焦点位置センサと、第２スリットを介して試料で反射した光を検出する第２焦点位置センサと、第１および第２焦点位置センサで得られた光強度を用いて照明光学系の焦点位置を検出する焦点位置検出部と、試料で反射した光を対物レンズを介して検出する第１センサと、第１センサで検出された対物レンズの瞳の光強度分布に基づいて、照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせる焦点位置調整が可能か否かを判定する光強度判定部と、焦点位置調整が可能と判定された場合に、第１および第２焦点位置センサによって照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせ、焦点位置調整が不可と判定された場合に、予め作成され試料の歪みを示す歪みマップに基づいて照明光学系の焦点位置と試料の表面とを合わせる焦点調整切替部と、を備える。

本実施形態によるパターン検査方法は、光源からの光を試料に照明する照明工程と、試料で反射した光または透過した光を検出し試料に形成されたパターンを撮像する工程と、第１スリットを介して試料で反射した光を検出する第１焦点位置センシング工程と、第２スリットを介して試料で反射した光を検出する第２焦点位置センシング工程と、第１および第２焦点位置センシング工程で得られた光強度を用いて照明工程の焦点位置を検出する焦点位置検出工程と、試料で反射した光を対物レンズを介して検出する第１センシング工程と、第１センシング工程で検出された対物レンズの瞳の光強度分布に基づいて、照明工程で得られた焦点位置と試料の表面とを合わせる焦点位置調整が可能か否かを判定する光強度判定工程と、焦点位置調整が可能と判定された場合に、第１および第２焦点位置センシング工程によって照明工程の焦点位置と試料の表面とを合わせ、焦点位置調整が不可と判定された場合に、予め作成され試料の歪みを示す歪みマップに基づいて照明工程の焦点位置と試料の表面とを合わせる焦点調整切替工程と、を備える。

ハーフミラー１７で反射した光は、第１センサ２６に入射する。第１センサ２６に入射する光は、スリット５を介さず試料１０１に投影され、対物レンズ８を透過した光（対物レンズ８の瞳全体の光）である。従って、第１センサ２６は、照明光学系ａの対物レンズ８の瞳の光強度分布を観察する（Ｓ２０：第１センシング工程）。この光強度分布は、光強度判定回路１２６へ転送され、光強度判定回路１２６において、第１および第２焦点位置センサ２９，３０による自動焦点位置調整機能（オートフォーカス機能）が有効であるか否かの判定に用いられる（Ｓ３０）。

第１焦点位置センサ２９は前ピンの光強度（光量）を検出する（第１焦点位置センシング工程）。一方、第２焦点位置センサ３０は後ピンの光強度を検出する（第２焦点位置センシング工程）。第１および第２焦点位置センサ２９，３０で検出された光強度は、焦点位置検出回路１２８に送信される。焦点位置検出回路１２８は、この光強度に基づいて焦点位置を検出する。例えば、光の焦点位置に対する試料１０１のパターン面の位置を変えて第１焦点位置センサ２９の光強度と第２焦点位置センサ３０の光強度とを比較すると、試料１０１のＺ方向の移動量（即ち、焦点位置の移動量）に応じて、第１焦点位置センサ２９と第２焦点位置センサ３０との光強度比（光量比）が変化する。光強度比が１：１になったときに焦点位置が試料１０１のパターン面に合う。即ち、このとき、試料１０１のパターン面に対して最適な焦点位置となり、コントラストは最大となる。このように、検査装置１００は、第１および第２焦点位置センサ２９、３０を用いたオートフォーカス機能により、試料１０１のパターン面を焦点位置に自動で合わせることができる。

上述の通り、スリット２３は、前ピンに位置し、スリット２４は、後ピンに位置する。よって、第１焦点位置センサ２９は前ピンの光強度を検出し（第１焦点位置センシング工程）、第２焦点位置センサ３０は後ピンの光強度を検出する（第２焦点位置センシング工程）。第１焦点位置センサ２９と第２焦点位置センサ３０との光強度比が１：１になったときに、両者の光強度の和が最大となり、試料１０１のパターン面が焦点位置に合う。第２実施形態では、このような第１および第２焦点位置センサ２９、３０の光強度を用いて、オートフォーカス機能の信頼性を判定する。

尚、第２実施形態では、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９、３０の両方で検出された光強度分布を用いてオートフォーカス機能の信頼性を判定している。しかし、光強度判定回路１２６は、第１および第２焦点位置センサ２９、３０のいずれか一方で検出された光強度分布のみを用いてオートフォーカス機能の信頼性を判定してもよい。

Claims (7)

1. 光源からの光を試料に照明する照明光学系と、前記試料で反射した光を撮像センサに結像する結像光学系と、前記照明光学系および前記結像光学系を制御する制御部とを備え、前記撮像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パターン検査方法であって、
   前記光源からの光で前記試料を照明する工程と、
   前記試料で反射した光から前記照明光学系の光強度分布を得る工程と、
   第１スリットを介して前記試料で反射した光を検出する第１焦点位置センサと第２スリットを介して前記試料で反射した光を検出する第２焦点位置センサとを用いて前記照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせる焦点位置調整が可能か否かを、前記光強度分布に基づいて前記制御部で判定する工程と、
   前記焦点位置調整が可能と判定された場合、前記第１および第２焦点位置センサを用いて前記照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせ、前記焦点位置調整が不可と判定された場合、予め作成され前記試料の歪みを示す歪みマップに基づいて前記照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせる工程と、
   前記照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせながら、前記撮像センサで前記試料の前記パターンを撮像する工程と、を具備するパターン検査方法。
2. 前記光強度分布は、第１センサに集光して得られた前記照明光学系における対物レンズの瞳の光強度分布である、請求項１に記載のパターン検査方法。
3. 前記光強度分布は、前記第１焦点位置センサと前記第２焦点位置センサとに集光して得られた前記照明光学系の光強度分布である、請求項１に記載のパターン検査方法。
4. 前記制御部は、前記第１焦点位置センサに設けられた複数の第１フォトセンサ部の全体で検出された光強度に対する或る第１フォトセンサ部で検出された光強度の比率、または、前記第２焦点位置センサに設けられた複数の第２フォトセンサ部の全体で検出された光強度に対する或る第２フォトセンサ部で検出された光強度の比率に基づいて、前記第１焦点位置センサと前記第２焦点位置センサとを用いて前記照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせることが可能か否かを判定する、請求項３に記載のパターン検査方法。
5. 前記試料と同じ材質でありかつパターンの形成されていない基準試料に前記光源からの光を照明する工程と、
   前記第１および第２焦点位置センサを用いて前記照明光学系の焦点位置と前記基準試料の表面とを合わせるように、前記基準試料の表面に対して略垂直方向に該基準試料を移動させる工程と、
   前記基準試料の前記略垂直方向における高さ位置を測定する工程と、
   前記基準試料の表面に対して略平行方向へ前記基準試料を移動させながら測定された前記基準試料の表面の各座標における高さ位置を、前記歪みマップとして生成する工程と、をさらに具備する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパターン検査方法。
6. 前記焦点位置調整が不可と判定された場合、前記第１および第２焦点位置センサを用いることなく、前記歪みマップにおける前記基準試料の高さ位置を用いて、前記試料の表面の歪み方向とは反対方向へ歪み分だけ該試料を移動させて前記照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせる、請求項５に記載のパターン検査方法。
7. 光源からの光を試料に照明する照明光学系と、
   前記試料で反射した光を検出し前記試料に形成されたパターンを撮像する撮像センサと、
   前記試料で反射した光を検出する第１センサと、
   第１スリットを介して前記試料で反射した光を検出する第１焦点位置センサと、
   第２スリットを介して前記試料で反射した光を検出する第２焦点位置センサと、
   前記第１および第２焦点位置センサで得られた光強度分布を用いて前記照明光学系の焦点位置を検出する焦点位置検出部と、
   前記第１センサまたは前記第１および第２焦点位置センサで検出された前記照明光学系の光強度分布に基づいて、前記照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせる焦点位置調整が可能か否かを判定する光強度判定部と、
   前記焦点位置調整が可能と判定された場合に、前記第１および第２焦点位置センサによって前記照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせ、前記焦点位置調整が不可と判定された場合に、予め作成され前記試料の歪みを示す歪みマップに基づいて前記照明光学系の焦点位置と前記試料の表面とを合わせる焦点調整切替部と、を備えたパターン検査装置。