JP2019113329A - 変位計測装置及び電子ビーム検査装置 - Google Patents

Abstract

【目的】パターンが形成された基板の高さ変位を測定する場合に、高さ変位の計測誤差を補正可能な変位計測装置を提供する。【構成】本発明の一態様の変位計測装置４００は、試料面に対し、斜め方向から光を照射する照明光学系２１３と、光が照射された試料面からの反射光を受光するセンサ４８と、試料面に対するフーリエ面における反射光を分岐するハーフミラー４６と、フーリエ面において分岐された光を撮像するカメラ４９と、フーリエ面において撮像された光の光量分布に応じて、センサの受光面における反射光の重心シフト量を演算する重心シフト量演算部５６と、重心シフト量を用いてセンサにより受光された反射光の重心位置を補正した補正重心位置の情報を用いて、光てこ法により試料面の高さ方向変位を計測するｚ変位計測部５８と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、変位計測装置及び電子ビーム検査装置に関する。例えば、電子ビームを照射して放出されるパターン像の２次電子画像を取得してパターンを検査する検査装置の試料の高さ変位を測定する手法に関する。

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。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パターン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、基板上に形成されているパターンを所定の倍率で撮像した測定画像と、設計データ、あるいは基板上の同一パターンを撮像した測定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、同一基板上の異なる場所の同一パターンを撮像した測定画像データ同士を比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄｉｅ（ダイ−ダイ）検査」や、設計パターンの画像データ（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、検査対象基板はステージ上に載置され、電子ビームによるマルチビームを基板に照射して、基板から放出される各ビームに対応する２次電子を検出して、パターン像を取得する検査装置の開発も進んでいる（例えば、特許文献１参照）。マルチビームを用いたパターン検査装置では、マルチビームで得られた２次電子画像を参照画像と比較することになる。

ここで、パターン検査装置では、検査対象となる基板に照射する電子ビームの焦点を合わせる必要がある。しかしながら、検査対象となる基板面の高さは、一様ではなく変化する。基板のたわみやステージ走行時のステージの上下動等がかかる基板面の高さ変位の原因の一例として挙げられる。

そのため、かかる検査装置では、基板の高さ変位を計測する。基板の変位計測の手法の１つとして、光てこ式の変位測定装置が挙げられる。しかしながら、変位計測用のビームを検査対象の基板に照射した際、かかるビームの照射位置にパターンが存在すると、かかるパターンによって回折光を生じる。そして、かかる回折光の影響で受光する光の測定位置にずれが生じてしまう場合がある。その結果、高さ変位の計測値に誤差が生じてしまう場合があるといった問題があった。

特開２０１１−１５５１１９号公報

そこで、本発明の一態様は、パターンが形成された基板の高さ変位を測定する場合に、高さ変位の計測誤差を補正可能な変位計測装置およびこれを用いた検査装置を提供する。

本発明の一態様の変位計測装置は、
試料面に対し、斜め方向から光を照射する照明光学系と、
光が照射された試料面からの反射光を受光するセンサと、
試料面に対するフーリエ面における反射光を分岐する光学系と、
フーリエ面において分岐された光を撮像するカメラと、
フーリエ面において撮像された光の光量分布に応じて、センサの受光面における反射光の重心シフト量を演算する重心シフト量演算部と、
重心シフト量を用いてセンサにより受光された反射光の重心位置を補正した補正重心位置の情報を用いて、光てこ法により試料面の高さ方向変位を計測する計測部と、
を備えたことを特徴とする。

また、フーリエ面の共役位置におけるアパーチャ像の各位置に対応するセンサの受光面におけるアパーチャ像の設計位置からの重心シフト量をそれぞれ定義したビームシフトマップを記憶する記憶装置をさらに備え、
重心シフト量演算部は、ビームシフトマップを用いて光量分布に応じた反射光の重心シフト量を演算すると好適である。

本発明の一態様の電子ビーム検査装置は、
図形パターンが形成された試料の試料面に対し、斜め方向から光を照射する照明光学系と、
光が照射された試料面からの反射光を受光するセンサと、
試料面に対するフーリエ面における反射光を分岐する光学系と、
フーリエ面において分岐された光を撮像するカメラと、
フーリエ面において撮像された光の光量分布に応じて、センサの受光面における反射光の重心シフト量を演算する重心シフト量演算部と、
重心シフト量を用いてセンサにより受光された反射光の重心位置を補正した補正重心位置の情報を用いて、光てこ法により試料面の高さ方向変位を計測する計測部と、
試料面の高さ方向変位の測定値を用いて電子ビームのフォーカス位置を調整しながらフォーカス位置が調整された電子ビームで試料面を走査し、電子ビームでの走査によって試料から放出される反射電子を含む２次電子を検出して、図形パターンの２次電子画像を取得する２次電子画像取得機構と、
参照画像を用いて、２次電子画像と参照画像とを比較する比較部と、
を備えたことを特徴とする。

また、２次電子画像取得部は、電子ビームを試料面に結像する対物レンズを有し、
対物レンズは、電子ビームの走査中に、変化する試料面の高さ方向変位の測定値を用いて電子ビームのフォーカス位置を調整すると好適である。

或いは、２次電子画像取得部は、
試料を載置するステージと、
ステージを駆動するステージ駆動機構と、
を有し、
ステージ駆動機構は、電子ビームの走査中に、変化する試料面の高さ方向変位の測定値を用いてステージ高さを変化させることによって、電子ビームのフォーカス位置を調整すると好適である。

本発明の一態様によれば、パターンが形成された基板の高さ変位を測定する場合に、高さ変位の計測誤差を補正できる。

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における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。 実施の形態１における基板に形成される複数のチップ領域の一例を示す図である。 実施の形態１におけるマルチビームの照射領域と測定用画素との一例を示す図である。 実施の形態１における変位計測装置の構成を示す図である。 実施の形態１における光てこ法の原理を説明するための図である。 実施の形態１における反射光と回折光との一例を示す図である。 実施の形態１におけるパターン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におけるピンホールの位置とピンホール像の計測位置との関係の一例を示す図である。 実施の形態１におけるビームシフトマップの一例を示す図である。 実施の形態１におけるフーリエ面での光量分布の一例を示す図である。 実施の形態１におけるフォーカス位置調整の仕方の一例を説明するための図である。 実施の形態１におけるフォーカス位置調整の仕方の他の一例を説明するための図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態において、被検査基板上に形成されたパターンを撮像する（被検査画像を取得する）手法の一例として、電子ビームによるマルチビームを被検査基板に照射して２次電子像を撮像する場合について説明する。但し、これに限るものではない。被検査基板上に形成されたパターンを撮像する手法として、例えば、１本の電子ビームによるシングルビームを被検査基板に照射して２次電子像を撮像する（被検査画像を取得する）場合であってもよい。

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、基板に形成されたパターンを検査する検査装置１００は、電子ビーム検査装置及びパターン検査装置の一例である。検査装置１００は、画像取得機構１５０（２次電子画像取得機構）、及び制御系回路１６０（制御部）を備えている。画像取得機構１５０は、電子ビームカラム１０２（電子鏡筒）、検査室１０３、投光装置２１２、受光装置２１４、検出回路１０６、ストライプパターンメモリ１２３、レーザ測長システム１２２、及び駆動機構１４４を備えている。電子ビームカラム１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、縮小レンズ２０５、制限アパーチャ基板２０６、対物レンズ２０７、主偏向器２０８、副偏向器２０９、一括ブランキング偏向器２１０、及び検出器２２２が配置されている。

投光装置２１２及び受光装置２１４は、例えば検査室１０３上において電子ビームカラム１０２を挟んで配置される。但し、これに限るものではない。投光装置２１２及び受光装置２１４は、検査室１０３内或いは電子ビームカラム１０２内に配置される場合であっても構わない。

検査室１０３内には、ＸＹＺ方向に移動可能なステージ１０５が配置される。ステージ１０５上には、検査対象となる複数の図形パターンが形成された基板１０１が配置される。基板１０１には、上述したように、露光用マスクやシリコンウェハ等の半導体基板が含まれる。基板１０１は、例えば、パターン形成面を上側に向けてステージ１０５に配置される。また、ステージ１０５上には、検査室１０３の外部に配置されたレーザ測長システム１２２から照射されるレーザ測長用のレーザ光を反射するミラー２１６が配置されている。検出器２２２は、電子ビームカラム１０２の外部で検出回路１０６に接続される。検出回路１０６は、ストライプパターンメモリ１２３に接続される。

制御系回路１６０では、検査装置１００全体を制御する制御計算機１１０が、バス１２０を介して、位置回路１０７、比較回路１０８、参照画像作成回路１１２、ステージ制御回路１１４、レンズ制御回路１２４、ブランキング制御回路１２６、偏向制御回路１２８、高さ変位計測回路１４０、オートフォーカス回路１４２、磁気ディスク装置等の記憶装置１０９、モニタ１１７、メモリ１１８、及びプリンタ１１９に接続されている。また、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、ステージ１０５は、ステージ制御回路１１４の制御の下に駆動機構１４４により駆動される。また、ステージ１０５は、Ｘ方向、Ｙ方向、及び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、図示しない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。さらに、ステージ１０５は、ピエゾ素子等を用いてＺ方向に移動可能となっている。そして、ステージ１０５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。レーザ測長システム１２２は、ミラー２１６からの反射光を受光することによって、レーザ干渉法の原理でステージ１０５の位置を測長する。

実施の形態１における変位計測装置４００は、図１に示す、投光装置２１２、受光装置２１４、及び高さ変位計測回路１４０を有している。投光装置２１２から照射された光が斜め方向から基板１０１に照射され、基板１０１面で反射されて、受光装置２１４に反射光が受光される。かかる受光された光の変位量を用いて、光てこ法により基板１０１面の高さ方向変位が計測される。

電子銃２０１には、図示しない高圧電源回路が接続され、電子銃２０１内の図示しないカソードとアノード間への高圧電源回路からの加速電圧の印加と共に、所定のバイアス電圧の印加と所定の温度のカソードの加熱によって、カソードから放出された電子群が加速させられ、電子ビームとなって放出される。照明レンズ２０２、縮小レンズ２０５、及び対物レンズ２０７は、例えば電子レンズが用いられ、共にレンズ制御回路１２４によって制御される。一括ブランキング偏向器２１０は、例えば２極の電極対によって構成され、ブランキング制御回路１２６によって制御される。主偏向器２０８及び副偏向器２０９は、それぞれ少なくとも４極の電極群により構成され、偏向制御回路１２８によって制御される。

基板１０１が露光用マスクの場合には、例えば、電子ビーム描画装置等の図示しない描画装置で露光用マスクに複数の図形パターンを形成する際に、かかる描画装置で用いた描画データが検査装置１００の外部から入力され、記憶装置１０９に格納される。基板１０１が半導体基板の場合には、半導体基板に露光用マスクのマスクパターンを露光転写する際の基板上の露光イメージが定義された露光イメージデータが検査装置１００の外部から入力され、記憶装置１０９に格納される。露光イメージデータは、例えば、図示しない空間像撮像装置等によって作成されればよい。

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を記載している。検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成を備えていても構わない。

図２は、実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。図２において、成形アパーチャアレイ基板２０３には、２次元状の横（ｘ方向）ｎ_１列×縦（ｙ方向）ｍ_１列（ｎ_１，ｍ_１は一方が１以上の整数、他方が２以上の整数）の穴（開口部）２２が所定の配列ピッチでマトリクス状に形成されている。図２では、例えば、横縦（ｘ，ｙ方向）に５１２×５１２列の穴２２が形成される。各穴２２は、共に同じ寸法形状の矩形で形成される。或いは、同じ外径の円形であっても構わない。これらの複数の穴２２を電子ビーム２００の一部がそれぞれ通過することで、マルチビーム２０が形成されることになる。ここでは、横縦（ｘ，ｙ方向）が共に２列以上の穴２２が配置された例を示したが、これに限るものではない。例えば、横縦（ｘ，ｙ方向）どちらか一方が複数列で他方は１列だけであっても構わない。また、穴２２の配列の仕方は、図２のように、横縦が格子状に配置される場合に限るものではない。例えば、縦方向（ｙ方向）ｋ段目の列と、ｋ＋１段目の列の穴同士が、横方向（ｘ方向）に寸法ａだけずれて配置されてもよい。同様に、縦方向（ｙ方向）ｋ＋１段目の列と、ｋ＋２段目の列の穴同士が、横方向（ｘ方向）に寸法ｂだけずれて配置されてもよい。

次に検査装置１００における画像取得機構１５０の動作について説明する。電子銃２０１（放出部）から放出された電子ビーム２００は、照明レンズ２０２によりほぼ垂直に成形アパーチャアレイ基板２０３全体を照明する。成形アパーチャアレイ基板２０３には、矩形の複数の穴２２（開口部）が形成され、電子ビーム２００は、すべての複数の穴２２が含まれる領域を照明する。複数の穴２２の位置に照射された電子ビーム２００の各一部が、かかる成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２をそれぞれ通過することによって、例えば矩形形状の複数の電子ビーム（マルチビーム）２０ａ〜ｅが形成される。

成形アパーチャアレイ基板２０３によって形成されたマルチビーム２０ａ〜ｅは、縮小レンズ２０５によって、縮小され、制限アパーチャ基板２０６に形成された中心の穴に向かって進む。ここで、縮小レンズ２０５と制限アパーチャ基板２０６の間に配置された一括ブランキング偏向器２１０によって、マルチビーム２０ａ〜２０ｄ全体が一括して偏向された場合には、制限アパーチャ基板２０６の中心の穴から位置がはずれ、制限アパーチャ基板２０６によって遮蔽される。一方、一括ブランキング偏向器２１２によって偏向されなかったマルチビーム２０ａ〜２０ｄは、図１に示すように制限アパーチャ基板２０６の中心の穴を通過する。かかる一括ブランキング偏向器２１２のＯＮ／ＯＦＦによって、ブランキング制御が行われ、ビームのＯＮ／ＯＦＦが一括制御される。このように、制限アパーチャ基板２０６は、一括ブランキング偏向器２１２によってビームＯＦＦの状態になるように偏向されたマルチビーム２０ａ〜２０ｄを遮蔽する。そして、ビームＯＮになってからビームＯＦＦになるまでに形成された、制限アパーチャ基板２０６を通過したマルチビーム２０ａ〜２０ｄは、対物レンズ２０７により試料１０１面上に焦点が合わされ、所望の縮小率のパターン像（ビーム径）となり、主偏向器２０８及び副偏向器２０９によって、制限アパーチャ基板２０６を通過したマルチビーム２０全体が同方向に一括して偏向され、各ビームの基板１０１上のそれぞれの照射位置に照射される。かかる場合に、主偏向器２０８によって、マルチビーム２０が走査するマスクダイの基準位置にマルチビーム２０全体を一括偏向する。ＸＹステージ１０５を連続移動させながらスキャンを行う場合にはさらにＸＹステージ１０５の移動に追従するように、トラッキング偏向を行う。そして、副偏向器２０９によって、各ビームがそれぞれ対応する領域内を走査するようにマルチビーム２０全体を一括偏向する。一度に照射されるマルチビーム２０は、理想的には成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２の配列ピッチに上述した所望の縮小率（１／ａ）を乗じたピッチで並ぶことになる。このように、電子ビームカラム１０２は、一度に２次元状のｍ_１×ｎ_１本のマルチビーム２０を基板１０１に照射する。基板１０１の所望する位置にマルチビーム２０が照射されたことに起因して基板１０１からマルチビーム２０の各ビームに対応する、反射電子を含む２次電子の束（マルチ２次電子３００）が放出される。基板１０１から放出されたマルチ２次電子３００は、検出器２２２に入射することによって検出される。ここで、マルチ２次電子３００は、照射用のマルチビーム２０に比べて運動エネルギーが小さい。そのため、図示しない偏向器等によって、弱い電場を基板１０１面上に生じさせることで、大きな加速電圧によって加速させられている照射用のマルチビーム２０を偏向させずに、運動エネルギーが小さいマルチ２次電子３００だけを検出器２２２側に偏向させるように構成しても好適である。

図３は、実施の形態１における基板に形成される複数のチップ領域の一例を示す図である。図３では、基板１０１が半導体基板（ウェハ）である場合を示している。図３において、基板１０１の検査領域３３０には、複数のチップ（ウェハダイ）３３２が２次元のアレイ状に形成されている。各チップ３３２には、露光用マスク基板に形成された１チップ分のマスクパターンが図示しない露光装置（ステッパ）によって例えば１／４に縮小されて転写されている。各チップ３３２内は、例えば、２次元状の横（ｘ方向）ｍ_２列×縦（ｙ方向）ｎ_２段（ｍ_２，ｎ_２は２以上の整数）個の複数のマスクダイ３３に分割される。実施の形態１では、かかるマスクダイ３３が単位検査領域となる。

図４は、実施の形態１におけるマルチビームの照射領域と測定用画素との一例を示す図である。図４において、各マスクダイ３３は、例えば、マルチビームのビームサイズでメッシュ状の複数のメッシュ領域に分割される。かかる各メッシュ領域が、測定用画素３６（単位照射領域）となる。図４の例では、８×８列のマルチビームの場合を示している。１回のマルチビーム２０の照射で照射可能な照射領域３４は、（マルチビーム２０のｘ方向のビーム間ピッチにｘ方向のビーム数を乗じたｘ方向サイズ）×（マルチビーム２０のｙ方向のビーム間ピッチにｙ方向のビーム数を乗じたｙ方向サイズ）で定義される。図４の例では、照射領域３４がマスクダイ３３と同じサイズの場合を示している。但し、これに限るものではない。照射領域３４がマスクダイ３３よりも小さくても良い。或いは大きくても構わない。そして、照射領域３４内に、１回のマルチビーム２０の照射で照射可能な複数の測定用画素２８（１ショット時のビームの照射位置）が示されている。言い換えれば、隣り合う測定用画素２８間のピッチがマルチビームの各ビーム間のピッチとなる。図４の例では、隣り合う４つの測定用画素２８で囲まれると共に、４つの測定用画素２８のうちの１つの測定用画素２８を含む正方形の領域で１つのサブ照射領域２９を構成する。図４の例では、各サブ照射領域２９は、４×４画素３６で構成される場合を示している。

実施の形態１におけるスキャン動作では、マスクダイ３３毎にスキャン（走査）される。図４の例では、ある１つのマスクダイ３３を走査する場合の一例を示している。マルチビーム２０がすべて使用される場合には、１つの照射領域３４内には、ｘ，ｙ方向に（２次元状に）ｍ_１×ｎ_１個のサブ照射領域２９が配列されることになる。１つ目のマスクダイ３３にマルチビーム２０が照射可能な位置にＸＹステージ１０５を移動させる。主偏向器２０８によって、マルチビーム２０が走査するマスクダイ３３の基準位置にマルチビーム２０全体を一括偏向する。その位置でＸＹステージ１０５を停止させ、当該マスクダイ３３を照射領域３４として当該マスクダイ３３内を走査（スキャン動作）する。ＸＹステージ１０５を連続移動させながらスキャンを行う場合には、主偏向器２０８によって、さらにＸＹステージ１０５の移動に追従するように、トラッキング偏向を行う。マルチビーム２０を構成する各ビームは、互いに異なるいずれかのサブ照射領域２９を担当することになる。そして、各ショット時に、各ビームは、担当サブ照射領域２９内の同じ位置に相当する１つの測定用画素２８を照射することになる。図４の例では、副偏向器２０９によって、各ビームは、１ショット目に担当サブ照射領域２９内の最下段の右から１番目の測定用画素３６を照射するように偏向される。そして、１ショット目の照射が行われる。続いて、副偏向器２０９によってマルチビーム２０全体を一括してｙ方向に１測定用画素３６分だけビーム偏向位置をシフトさせ、２ショット目に担当サブ照射領域２９内の下から２段目の右から１番目の測定用画素３６を照射する。同様に、３ショット目に担当サブ照射領域２９内の下から３段目の右から１番目の測定用画素３６を照射する。４ショット目に担当サブ照射領域２９内の下から４段目の右から１番目の測定用画素３６を照射する。次に、副偏向器２０９によってマルチビーム２０全体を一括して最下段の右から２番目の測定用画素３６の位置にビーム偏向位置をシフトさせ、同様に、ｙ方向に向かって、測定用画素３６を順に照射していく。かかる動作を繰り返し、１つのビームで１つのサブ照射領域２９内のすべての測定用画素３６を順に照射していく。１回のショットでは、成形アパーチャアレイ基板２０３の各穴２２を通過することによって形成されたマルチビームによって、最大で各穴２２と同数の複数のショットに応じたマルチ２次電子３００が一度に検出される。

以上のように、マルチビーム２０全体では、マスクダイ３３を照射領域３４として走査（スキャン）することになるが、各ビームは、それぞれ対応する１つのサブ照射領域２９を走査することになる。そして、１つのマスクダイ３３の走査（スキャン）が終了すると、隣接する次のマスクダイ３３が照射領域３４になるように移動して、かかる隣接する次のマスクダイ３３の走査（スキャン）を行う。かかる動作を繰り返し、各チップ３３２の走査を進めていく。マルチビーム２０のショットにより、その都度、照射された各測定用画素３６から２次電子が放出され、マルチ２次電子３００が検出器２２２にて検出される。実施の形態１では、検出器２２２の単位検出領域サイズは、各測定用画素３６から上方に放出されたマルチ２次電子３００を測定用画素３６毎（或いはサブ照射領域２９毎）に検出する。

以上のようにマルチビーム２０を用いて走査することで、シングルビームで走査する場合よりも高速にスキャン動作（測定）ができる。なお、ステップアンドリピート動作で各マスクダイ３３のスキャンを行っても良いし、ＸＹステージ１０５を連続移動させながら各マスクダイ３３のスキャンを行う場合であってもよい。照射領域３４がマスクダイ３３よりも小さい場合には、当該マスクダイ３３中で照射領域３４を移動させながらスキャン動作を行えばよい。

基板１０１が露光用マスク基板である場合には、露光用マスク基板に形成された１チップ分のチップ領域を例えば上述したマスクダイ３３のサイズで短冊状に複数のストライプ領域に分割する。そして、ストライプ領域毎に、上述した動作と同様の走査で各マスクダイ３３を走査すればよい。露光用マスク基板におけるマスクダイ３３のサイズは、転写前のサイズなので半導体基板のマスクダイ３３の４倍のサイズとなる。そのため、照射領域３４が露光用マスク基板におけるマスクダイ３３よりも小さい場合には、１チップ分のスキャン動作が増加する（例えば４倍）ことになる。しかし、露光用マスク基板には１チップ分のパターンが形成されるので、４チップよりも多くのチップが形成される半導体基板に比べてスキャン回数は少なくて済む。

以上のように、画像取得機構１５０は、マルチビーム２０を用いて、図形パターンが形成された被検査基板１０１上を走査し、マルチビーム２０が照射されたことに起因して被検査基板１０１から放出される、マルチ２次電子３００を検出する。検出器２２２によって検出された各測定用画素３６からの２次電子の検出データ（測定画像：２次電子画像：被検査画像）は、測定順に検出回路１０６に出力される。検出回路１０６内では、図示しないＡ／Ｄ変換器によって、アナログの検出データがデジタルデータに変換され、チップパターンメモリ１２３に格納される。このようにして、画像取得機構１５０は、基板１０１上に形成されたパターンの測定画像を取得する。そして、例えば、１つのチップ３３２分の検出データが蓄積された段階で、チップパターンデータとして、位置回路１０７からの各位置を示す情報と共に、比較回路１０８に転送される。

ここで、検査対象となる基板１０１は、表面が完全な平面とは限らない。表面の凹凸、基板のたわみ、ステージ走行時のステージの上下動等により、基板面の高さ位置は一様ではなく変化する場合が多い。よって、スキャン動作の間、焦点位置を１点に固定してしまうと焦点ずれが生じてしまう。そのため、検査装置１００では、検査対象となる基板１０１に照射するマルチビーム２０（電子ビーム）の焦点を合わせる必要がある。そのため、検査装置１００では、変位計測装置４００を使って基板１０１の高さ変位を計測する。そして、測定された基板１０１の高さ変位Δｚをオートフォーカスに利用する。実施の形態１では、基板の変位計測の手法の１つとして、光てこ式の変位計測装置を用いる。かかる変位計測装置４００で用いられる光のスポット径は、基板１０１上に形成されるパターンサイズよりも大きいため、基板１０１上に形成されるパターンの凹凸による基板１０１の高さ変位は変位計測装置４００での測定値によって平均化される。しかし、表面の凹凸、基板のたわみ、ステージ走行時のステージの上下動等による基板１０１の高さ変位の波長は、光のスポット径よりも大きいため、十分に測定可能となる。

図５は、実施の形態１における変位計測装置の構成を示す図である。図５において、変位計測装置４００は、投光装置２１２、受光装置２１４、及び高さ変位計測回路１４０を有している。

投光装置２１２内には、光源１２、搬入搬出可能なピンホール基板１４、ミラー１６、レンズ１８、及びミラー１９が配置される。ミラー１６、レンズ１８、及びミラー１９によって照明光学系２１３が構成される。照明光学系２１３には、ミラー１６、レンズ１８、及びミラー１９の他に、レンズ或いは／ミラー等の光学素子が配置されても構わない。また、光源１２として、例えば、ＬＥＤ、或いは光ファイバー等を用いても好適である。

受光装置２１４内には、ミラー４０、レンズ４２、ミラー４４、ハーフミラー４６、センサ４８、及びカメラ４９が配置される。ミラー４０、レンズ４２、及びミラー４４によって結像光学系２１５が構成される。結像光学系２１５には、ミラー４０、レンズ４２、及びミラー４４の他に、レンズ或いは／ミラー等の光学素子が配置されても構わない。また、センサ４８として、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）センサ（光位置センサ）を用いると好適である。

受光装置２１４内において、ハーフミラー４６（光学系）は、基板１０１面に対するフーリエ面に配置される。また、カメラ４０は、ハーフミラー４６で分岐された光が入射される位置に配置される。フーリエ面の一例として、例えば、レンズ４２に対して基板１０１面側のレンズ４２の焦点距離と同じ距離だけレンズ４２から基板１０１面側とは反対側に離れた位置が該当する。

高さ変位計測回路１４０内には、磁気ディスク装置等の記憶装置５０，５２，５４、ビームシフトマップ作成部５５、重心シフト量演算部５６、重心補正部５７、及びｚ変位計測部５８が配置される。ビームシフトマップ作成部５５、重心シフト量演算部５６、重心補正部５７、及びｚ変位計測部５８といった各「〜部」は、処理回路を含み、その処理回路には、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、半導体装置等が含まれる。また、各「〜部」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いてもよい。或いは、異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。ビームシフトマップ作成部５５、重心シフト量演算部５６、重心補正部５７、及びｚ変位計測部５８内に必要な入力データ或いは演算された結果はその都度図示しないメモリに記憶される。

図６は、実施の形態１における光てこ法の原理を説明するための図である。図６において、基板１０１面上に角度θの斜め方向から光１０が照射されると、基板１０１から角度θで反射して、反射光１１（実線）が出力される。ここで、基板１０１面が高さ方向にΔｚだけ変位した場合、同じ位置から照射される光１０は、前回よりも変位ｘだけ手前で基板１０１に当たり、基板１０１から角度θで反射して、反射光１１（点線）が出力される。よって、基板１０１面の高さ位置がΔｚだけ変位する前と後とでは、反射光の光軸（重心）がΔＬだけ変位することになる。ここで、変位ｘは、次の式（１）で定義できる。
（１） ｘ＝Δｚ／ｔａｎθ

また、反射光の重心間距離ΔＬは、次の式（２）で定義できる。
（２） ΔＬ＝２ｘ・ｓｉｎθ

よって、重心間距離ΔＬは、次の式（３）に変換できる。
（３） ΔＬ＝２・Δｚ／ｔａｎθ・ｓｉｎθ

したがって、基板１０１面の高さ変位Δｚは、次の式（４）で定義できる。
（４） Δｚ＝ΔＬ・ｔａｎθ／（２・ｓｉｎθ）

よって、予め、光の入射角度θを固定した状態で、重心間距離ΔＬをセンサで測定することで、高さ変位Δｚを演算できる。しかしながら、基板１０１上における変位計測用の光線（ビーム）の照射位置にパターンが存在すると、かかるパターンによって回折光を生じる。かかる回折光の影響で高さ変位の計測値に誤差が生じてしまう場合がある。

図７は、実施の形態１における反射光と回折光との一例を示す図である。図７（ａ）では、基板１０１に対するフーリエ面における光の通過領域の一例を示している。基板１０１にパターンが存在しない場合、基板１０１に照射した光の反射光（０次光）が結像光学系２１５側に入射されるだけで、回折光は生成されない。そのため、基板１０１面に対するフーリエ面上において、図７（ａ）に示す光の領域のうち、回折光（１次光）の通過領域が出現せず、反射光（０次光）が通過することになる。一方、基板１０１にパターンが存在する場合、基板１０１に照射した光の反射光（０次光）の他に、かかるパターンに起因した回折光（１次光）が結像光学系２１５側に入射される。そのため、基板１０１面に対するフーリエ面上において、図７（ａ）に示すように、反射光（０次光）の通過領域の他、反射光（０次光）の通過領域の例えば両側に回折光（１次光）の通過領域ができる。かかる回折光（１次光）の出現の仕方は、パターンに依存するため、異なるパターンでは回折光（１次光）の出現の仕方が異なる。そのため、常に同じ位置が回折光（１次光）の通過領域になるとは限らない。

ここで、回折光（１次光）が生成された場合であっても、変位計測装置４００の結像光学系２１５が完全な無収差であれば、結像光学系２１５による結像面であるセンサ４８面上において、図７（ｂ）に示すように、基板１０１に照射した光の反射光（０次光）と回折光（１次光）が完全に重なり合うため、回折光（１次光）の出現の仕方に関わらず、そのため、結像光学系２１５によりセンサ４８面上に結像される光の重心位置は反射光（０次光）の重心位置となる。よって、計測される光の重心位置にずれは生じない。しかしながら、完全な無収差になるように変位計測装置４００の結像光学系２１５を製作することは実質的に困難である。

変位計測装置４００の結像光学系２１５に収差が存在する場合、かかる収差によって、反射光（０次光）と回折光（１次光）を構成する光線群の各光線が収差に応じて屈折させられてしまうため、結像光学系２１５によりセンサ４８面上に結像される光の重心位置が反射光（０次光）の重心位置からずれてしまう。そして、かかるずれは、回折光（１次光）の出現の仕方によって変化してしまう。そのため、光てこ法のパラメータとなる重心間距離ΔＬの基となる重心位置Ｇに誤差が含まれてしまう。

なお、変位計測装置４００の結像光学系２１５に収差が存在する場合であっても、基板１０１にパターンが存在しない場合、回折光（１次光）が生成されないので、収差に応じて反射光（０次光）が屈折させられる場合でも、基板１０１の各高さ位置での反射光（０次光）が同様に屈折させられる。そのため、それぞれの重心位置Ｇに誤差が含まれる場合でも、相対距離である重心間距離ΔＬでは、かかる誤差が相殺されてしまう。

よって、反射光（０次光）と回折光（１次光）等による光の光量分布がフーリエ面で生じる場合であって、変位計測装置４００の結像光学系２１５に収差が存在する場合に、相殺されない誤差が、光てこ法のパラメータとなる重心間距離ΔＬに含まれることになる。その結果、基板１０１面の高精度な高さ変位Δｚを計測することが困難になってしまう。そこで、実施の形態１では、基板１０１面に対するフーリエ面上での光の光量分布に応じて、重心位置のずれを示す重心シフト量を算出して、測定された重心間距離ΔＬを補正する。

図８は、実施の形態１におけるパターン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におけるパターン検査方法は、基板セット工程（Ｓ１０２）と、ピンホール基板搬入工程（Ｓ１０４）と、ピンホール像位置計測工程（Ｓ１０６）と、ピンホール位置変更工程（Ｓ１０８）と、ビームシフトマップ作成工程（Ｓ１１０）と、ピンホール基板搬出工程（Ｓ１１２）と、光線重心測定工程（Ｓ１１４）と、光量分布測定工程（Ｓ１１６）と、重心シフト量演算工程（Ｓ１１８）と、重心補正工程（Ｓ１２０）と、高さ変位量演算工程（Ｓ１２２）と、スキャン（オートフォーカス）工程（Ｓ２０２）と、検査工程（Ｓ２０６）と、いう一連の工程を実施する。

かかる一連の工程のうち、基板セット工程（Ｓ１０２）と、ピンホール基板搬入工程（Ｓ１０４）と、ピンホール像位置計測工程（Ｓ１０６）と、ピンホール位置変更工程（Ｓ１０８）と、ビームシフトマップ作成工程（Ｓ１１０）と、ピンホール基板搬出工程（Ｓ１１２）と、光線重心測定工程（Ｓ１１４）と、光量分布測定工程（Ｓ１１６）と、重心シフト量演算工程（Ｓ１１８）と、重心補正工程（Ｓ１２０）と、高さ変位量演算工程（Ｓ１２２）とが、実施の形態１における位置変位計測方法として実施される。

また、基板セット工程（Ｓ１０２）と、ピンホール基板搬入工程（Ｓ１０４）と、ピンホール像位置計測工程（Ｓ１０６）と、ピンホール位置変更工程（Ｓ１０８）と、ビームシフトマップ作成工程（Ｓ１１０）と、ピンホール基板搬出工程（Ｓ１１２）と、は検査処理の前処理として実施される。また、光線重心測定工程（Ｓ１１４）と、光量分布測定工程（Ｓ１１６）と、重心シフト量演算工程（Ｓ１１８）と、重心補正工程（Ｓ１２０）と、高さ変位量演算工程（Ｓ１２２）との各工程と、スキャン（オートフォーカス）工程（Ｓ２０２）とは、並列に実施される。

基板セット工程（Ｓ１０２）として、図示しない評価基板がステージ１０５上に配置される。その際、評価基板上の高さ位置は、設計上の対物レンズの焦点位置に設定しておくと好適である。パターンが形成されていない基板を評価基板として用いると良い。また、かかる評価基板の高さ位置は変動させないようにすると良い。

ピンホール基板搬入工程（Ｓ１０４）として、投光装置２１２内の光軸上にピンホール基板１４を搬入し、基板１０１面に対するフーリエ面の共役位置にピンホールが形成されたピンホール基板１４を配置する。ピンホール基板１４の搬入は、図示しない駆動装置を用いても良いし、人為的作業により所定の位置に配置しても良い。

ピンホール像位置計測工程（Ｓ１０６）として、光源１２から光をピンホール基板１４に照射して、ピンホール像（アパーチャ像）を形成する。そして、照明光学系２１３によりアパーチャ像の光を基板１０１上に照射する。

次に、基板１０１から反射されたアパーチャ像の反射光は、結像光学系２１５によってセンサ４８の受光面に結像される。センサ４８では、入射したアパーチャ像の反射光の位置を演算により計測して出力する。センサ４８として、例えばＰＳＤセンサを用いる場合、ＰＳＤセンサの受光領域の両端の出力端子から出力される電流は、光の入射位置から出力端子までの距離に比例する抵抗によって変化する。よって両端の出力端子から出力される電流の比からセンサ上での光のスポットの重心位置Ｇを求めることができる。

ピンホール位置変更工程（Ｓ１０８）として、ピンホール基板１４を移動させて、ピンホールの位置を変更する。そして、ピンホール像位置計測工程（Ｓ１０６）に戻り、かかるピンホールの位置でのピンホール像の反射光の位置（重心位置Ｇ）を計測する。ピンホールの位置を可変に変更しながら同様の動作を繰り返す。

図９は、実施の形態１におけるピンホールの位置とピンホール像の計測位置との関係の一例を示す図である。図９（ａ）では、フーリエ面の共役位置におけるピンホール１１の位置を示している。ピンホール１１の位置は、例えば、格子状の各点の位置に順に変更される。そして、ピンホール１１の各位置におけるピンホール像１３の計測位置が図９（ｂ）に示されている。各位置のピンホール像は、変位計測装置４００の反射光を構成する光線群における各位置の光線と同視できる。結像光学系２１５に収差が存在する場合、ピンホール像１３の光線は収差によって屈折させられるため、ピンホール像１３は、設計位置１５から収差に応じてシフトした位置（重心位置Ｇ）で計測される。結像光学系２１５の収差は一定であるため、各位置のピンホール像の設計位置１５からのシフト量（ずれ量）は、位置に依存して一定値になる。また、ピンホール基板１４はフーリエ面の共役位置に配置されるので、評価基板のｚ方向の高さ位置が仮に変化した場合でもピンホール像の位置は変わらない。そして、ピンホール基板１４はフーリエ面の共役位置に配置されるので、各位置のピンホール像の設計位置１５からのシフト量（ずれ量）は、受光装置２１４側のフーリエ面における各位置の光線のずれ量と一致する。よって、各位置のピンホール像の設計位置１５からのシフト量（ずれ量）を計測すれば、受光装置２１４側のフーリエ面においてかかる位置を通る光線が、センサ４８面上でどれだけシフトされるのか、基板１０１のｚ方向の高さ位置に関係なく、そのシフト量（ずれ量）がわかる。

ビームシフトマップ作成工程（Ｓ１１０）として、ビームシフトマップ作成部５５は、センサ４８での測定結果を入力し、フーリエ共役面におけるピンホール１１の各位置（フーリエ面における光線の各位置）と、それぞれの位置でのセンサ４８面でのシフト量（ずれ量）との関係を示すビームシフトマップを作成する。

図１０は、実施の形態１におけるビームシフトマップの一例を示す図である。図１０の例では、ビームシフトマップ１７として、センサ４８の受光面とフーリエ面とをｘ，ｙ方向の２次元状の複数のメッシュ領域に分割して、フーリエ面上のメッシュ領域毎に当該領域を通過する光線のセンサ４８の受光面でのビームシフト量（ずれ量）ｆ（ｘ，ｙ）を定義する２次元マップを示している。図１０の例では、２次元マップを示しているがこれに限るものではない。高さ変位は１次元方向の変位なので、重心間距離ΔＬも１次元方向で測定できればよい。よって、ビームシフトマップ１７についても高さ変位の方向に沿った１次元マップを作成してもよい。作成されたビームシフトマップ１７は、記憶装置５４に格納される。言い換えれば、記憶装置５４に、フーリエ面の共役位置におけるピンホール像（アパーチャ像）の各位置に対応するセンサ４８の受光面におけるピンホール像（アパーチャ像）の設計位置からの重心シフト量をそれぞれ定義したビームシフトマップが記憶される。検査対象となる基板１０１に形成されるパターンは、基板毎に異なる場合が通常である。しかしながら、検査装置１００の変位計測装置４００が変わらない限り光学系の収差自体に変化はない。よって、検査装置１００毎に、或いは変位計測装置４００毎に、ビームシフトマップ１７を作成しておけば、検査対象となる基板１０１が変わる場合でも流用できる。

ピンホール基板搬出工程（Ｓ１１２）として、投光装置２１２内の光軸上からピンホール基板１４を搬出する。ピンホール基板１４の搬出は、図示しない駆動装置を用いても良いし、人為的作業により搬出しても良い。

以上の前処理を実施した後、実際の検査に用いる、パターンが形成された基板１０１をステージ１０５上に配置する。そして、検査処理が実施される。

スキャン（オートフォーカス）工程（Ｓ２０２）として、画像取得部１５０は、マルチビーム２０で基板１０１面を走査（スキャン）する。走査（スキャン）の仕方は上述した通りである。そして、かかるスキャン動作と並列に、以下に説明する光線重心測定工程（Ｓ１１４）から高さ変位量演算工程（Ｓ１２２）までの工程を実施し、リアルタイムで基板１０１面に照射された光のスポットの補正重心位置Ｇ’を測定する。そして、高さ変位量Δｚを計測する。

光線重心測定工程（Ｓ１１４）として、変位計測装置４００は、基板１０１の高さ位置に対応する光の重心位置Ｇを測定する。具体的には、投光装置２１２の照明光学系２１３が、図形パターンが形成された基板１０１の基板面に対し、斜め方向から光を照射する。そして、投光装置２１２から照射された光が基板１０１によって反射され、反射された反射光をセンサ４８によって受光する。そして、センサ４８で測定した測定値によって反射光のスポットの重心位置Ｇが得られる。上述したように、センサ４８として、例えばＰＳＤセンサを用いる場合、ＰＳＤセンサの受光領域の両端の出力端子から出力される電流の比からセンサ上での光のスポットの重心位置Ｇを求めることができる。得られた光のスポットの重心位置Ｇの情報（測定値）は、記憶装置５０に格納される。

光量分布測定工程（Ｓ１１６）として、カメラ４９は、フーリエ面において分岐された光を撮像する。撮像されたデータ（光量分布ｇ（ｘ，ｙ））は、記憶装置５２に格納される。光量分布ｇ（ｘ，ｙ）の各要素は、カメラ４９に搭載された各位置（座標）の受光素子で受光された光量を用いればよい。

図１１は、実施の形態１におけるフーリエ面での光量分布の一例を示す図である。図１１の例では、１次方向（例えば、ｘ方向）についての光量を示している。撮像されるフーリエ面での光の光量分布ｇ（ｘ，ｙ）は、基板１０１に形成されるパターンによって異なる。上述したように、例えば回折光の１次光のフーリエ面での通過領域が異なる。

重心シフト量演算工程（Ｓ１１８）として、重心シフト量演算部５６は、フーリエ面において撮像された光の光量分布ｇ（ｘ，ｙ）に応じて、センサ４８の受光面における反射光の重心シフト量ΔＧを演算する。重心シフト量演算部５６は、ビームシフトマップ１７を用いて光量分布ｇ（ｘ，ｙ）に応じた反射光の重心シフト量ΔＧを演算する。具体的には、重心シフト量演算部５６は、ビームシフトマップ１７を記憶装置５４から読み出し、各位置でのビームシフトマップ１７に定義されるビームシフト量（ずれ量）ｆ（ｘ，ｙ）と撮像されたフーリエ面での光の光量分布ｇ（ｘ，ｙ）とを乗じた値の和を各位置での光量分布ｇ（ｘ，ｙ）の和で割った値を演算する。反射光の重心シフト量ΔＧは、次の式（５）で定義できる。
（５） ΔＧ＝Σｆ（ｘ，ｙ）・ｇ（ｘ，ｙ）／Σｇ（ｘ，ｙ）

フーリエ面での光の光量分布ｇ（ｘ，ｙ）が異なれば、得られる反射光の重心シフト量ΔＧも異なってくる。

重心補正工程（Ｓ１２０）として、重心補正部５７は、センサ４８によって測定された測定値による光の重心位置Ｇからフーリエ面において撮像された光の光量分布ｇ（ｘ，ｙ）に応じた重心シフト量ΔＧを補正した補正重心位置Ｇ’を演算する。補正重心位置Ｇ’は、次の式（６）で定義できる。
（６） Ｇ’＝Ｇ−ΔＧ

高さ変位量演算工程（Ｓ１２２）として、ｚ変位計測部５８（計測部）は、重心シフト量ΔＧを用いてセンサ４８により受光された反射光の重心位置Ｇを補正した補正重心位置Ｇ’の情報を用いて、光てこ法により基板１０１（試料）面の高さ方向変位Δｚを計測する。重心間距離ΔＬは、得られた重心シフト量ΔＧと、基準となる高さ方向位置ｚ_０で測定されるセンサ４８面での光のスポットにおける補正重心位置Ｇ_０’との差（ΔＬ＝Ｇ’−Ｇ_０’）によって得ることができる。そして、上述した式（４）に示すように、補正後の重心間距離ΔＬを使って基板１０１（試料）面の高さ方向変位Δｚを演算できる。

なお、上述したように、光線重心測定工程（Ｓ１１４）と、光量分布測定工程（Ｓ１１６）と、重心シフト量演算工程（Ｓ１１８）と、重心補正工程（Ｓ１２０）と、高さ変位量演算工程（Ｓ１２２）との一連の工程と、スキャン（オートフォーカス）工程（Ｓ２０２）とは、並列に実施される。しかし、例えば、基板１０１のスキャン開始前に、基板１０１の基準となる高さ方向位置ｚ_０において、光線重心測定工程（Ｓ１１４）から重心補正工程（Ｓ１２０）までの工程を実施することによって、上述した基準となる高さ方向位置ｚ_０で測定される光のスポットにおける補正重心位置Ｇ_０’を計測できる。

以上のように、実施の形態１では、フーリエ面における光量分布ｇ（ｘ，ｙ）と予め測定しておいた光学系の収差に起因するセンサ４８での測定誤差を示すビームシフトマップ１７を用いて、光量分布ｇ（ｘ，ｙ）に応じた重心シフト量ΔＧを演算できる。よって、センサ測定値を重心シフト量ΔＧで補正することで、パターンに起因する回折光の発生に関わらず、高精度な光の重心位置（補正重心位置Ｇ’）を測定できる。よって、パターンに起因する回折光の発生に関わらず、基板１０１（試料）面の高精度な高さ方向変位Δｚを計測できる。スキャン動作に伴い変位する、リアルタイムで計測された基板１０１面の高さ方向変位Δｚは、オートフォーカス制御回路１４２に出力される。

図１２は、実施の形態１におけるフォーカス位置調整の仕方の一例を説明するための図である。オートフォーカス制御回路１４２は、レンズ制御回路１２４を介して基板１０１面の高さ方向変位Δｚの測定値を用いて対物レンズ２０７への励磁値を調整する。そして、対物レンズ２０７は、図１２に示すように、マルチビーム２０の走査中に、変化する基板１０１面の高さ方向変位Δｚの測定値に応じてマルチビーム２０のフォーカス位置を調整（オートフォーカス）する。

そして、画像取得部１５０（２次電子画像取得部）は、基板１０１面の高さ方向変位の測定値を用いてマルチビーム２０（電子ビーム）のフォーカス位置を調整しながらフォーカス位置が調整されたマルチビーム２０で基板１０１面を走査し、マルチビーム２０での走査によって基板１０１から放出される反射電子を含む２次電子を検出して、基板１０１に形成された図形パターンの２次電子画像を取得する。

ここで、オートフォーカスの仕方は、対物レンズ２０７による調整に限るものではない。

図１３は、実施の形態１におけるフォーカス位置調整の仕方の他の一例を説明するための図である。図１３の例では、ステージ１０５によってフォーカス位置を調整（オートフォーカス）する。具体的には、オートフォーカス制御回路１４２は、ステージ制御回路１１４を介して、基板１０１面の高さ方向変位Δｚの測定値を用いてステージ１０５の高さ位置を制御する制御値を調整する。制御値は駆動機構１４４に出力され、駆動機構１４４（ステージ駆動機構）は、マルチビーム２０の走査中に、変化する基板１０１面の高さ方向変位Δｚの測定値を用いてステージ１０５の高さを変化させることによって、マルチビーム２０のフォーカス位置を調整する。

以上のように、オートフォーカスを行いながら走査された結果得られた図形パターンの２次電子画像は、上述したように、比較回路１０８に転送される。

検査工程（Ｓ２０６）として、比較回路１０８は参照画像を用いて、２次電子画像を検査する。具体的には、以下のように動作する。

ダイ−ダイ検査を行う場合、同一基板１０１上の異なる場所の同一パターンを撮像した測定画像データ同士を比較する。そのため、画像取得機構１５０は、マルチビーム２０（電子ビーム）を用いて、同じ図形パターン同士（第１と第２の図形パターン）が異なる位置に形成された基板１０１から一方の図形パターン（第１の図形パターン）と他方の図形パターン（第２の図形パターン）のそれぞれの２次電子画像である測定画像を取得する。かかる場合、取得される一方の図形パターンの測定画像が参照画像となり、他方の図形パターンの測定画像が被検査画像となる。取得される一方の図形パターン（第１の図形パターン）と他方の図形パターン（第２の図形パターン）の画像は、同じチップパターンデータ内にあっても良いし、異なるチップパターンデータに分かれていてもよい。以下、実施の形態１では、ダイ−ダイ検査を行う場合を主に説明する。なお、以下の構成は、ダイ−データベース検査を行う場合についても適用できる。

画像比較は、例えばマスクダイ３３の画像同士を比較する。比較回路１０８に転送された測定データのうち、被検査画像となるマスクダイ３３の画像（マスクダイ画像）と被検査画像に対応する参照画像となるマスクダイ３３の画像（マスクダイ画像）は、比較回路１０８内にて、まず、位置合わせが行われる。位置合わせは、例えば、最小二乗法等によって行われると好適である。

そして、比較回路１０８内にて、被検査画像と参照画像とを、画素毎に比較する。所定の判定閾値を用いて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。例えば、画素毎の階調値差が判定閾値Ｔｈよりも大きければ欠陥と判定する。そして、比較結果が出力される。比較結果は、記憶装置１０９、モニタ１１７、若しくはメモリ１１８に、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。

或いは、被検査画像と参照画像とからそれぞれ画像内の図形パターンの輪郭線を生成する。そして、マッチングする図形パターンの輪郭線同士のずれを比較して良い。例えば、輪郭線同士のずれが判定閾値Ｔｈ’よりも大きければ欠陥と判定する。そして、比較結果が出力される。比較結果は、記憶装置１０９、モニタ１１７、若しくはメモリ１１８に、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。

なお、上述した例では、ダイーダイ検査を行う場合について説明したが、ダイーデータベース検査を行う場合にも同様に適用できる。かかる場合、参照画像作成回路１１２は、基板１０１にパターンを形成する基になった設計パターンデータ、或いは基板１０１に形成されたパターンの露光イメージデータに基づいて、マスクダイ毎に、参照画像を作成する。具体的には、以下のように動作する。まず、記憶装置１０９から制御計算機１１０を通して設計パターンデータ（露光イメージデータ）を読み出し、読み出された設計パターンデータに定義された各図形パターンを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）、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データが参照画像作成回路１１２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パターン画像データに展開し、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、８ビットの占有率データとして参照回路１１２に出力する。かかるマス目（検査画素）は、測定データの画素に合わせればよい。

次に、参照画像作成回路１１２は、図形のイメージデータである設計パターンの設計画像データに適切なフィルタ処理を施す。測定画像としての光学画像データは、光学系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。

露光イメージデータが画素毎の階調データとして格納されている場合には、対象となるマスクダイの露光イメージデータを参照画像として用いればよい。露光イメージデータが、座標（ｘ、ｙ）、辺の長さ、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であれば、上述した設計パターンデータと同様の手法で参照画像を作成すればよい。作成された参照画像の画像データは比較回路１０８に出力される。比較回路１０８内での処理内容は、上述したダイーダイ検査を行う場合と同様で構わない。

以上のように、実施の形態１によれば、パターンが形成された基板の高さ変位を測定する場合に、高さ変位の計測誤差を補正できる。

以上の説明において、一連の「〜回路」は、処理回路を含み、その処理回路には、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、半導体装置等が含まれる。また、各「〜回路」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いてもよい。或いは、異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。プロセッサ等を実行させるプログラムは、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ればよい。例えば、位置回路１０７、比較回路１０８、参照画像作成回路１１２、高さ変位計測回路１４０、及びオートフォーカス回路１４２等は、上述した少なくとも１つの処理回路で構成されても良い。

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。上述した実施の形態では、変位計測装置を搭載する検査装置として、電子ビームによるマルチビームを用いた検査装置について説明したが、これに限るものではない。その他の検査装置に搭載する場合であっても適用できる。また、上述した変位計測装置は、検査装置に搭載する場合に限らず、その他の装置に搭載する場合であっても良い。或いは、単独で使用する場合であっても良い。いずれにしても、パターンが形成された試料の表面に光を斜め方向から照射して、試料面からの反射光を受光することで試料の高さ方向変位を測定する光てこ法を用いた変位計測装置であれば、上述した実施の形態の変位計測装置を適用できる。

また、上述した実施の形態では、光線重心測定工程（Ｓ１１４）と、光量分布測定工程（Ｓ１１６）と、重心シフト量演算工程（Ｓ１１８）と、重心補正工程（Ｓ１２０）と、高さ変位量演算工程（Ｓ１２２）との一連の工程と、スキャン（オートフォーカス）工程（Ｓ２０２）とが並列に実施される場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、スキャン（オートフォーカス）工程（Ｓ２０２）の前に、予め、ステージ１０５を移動させながら、基板１０１上の高さ変位量を計測しておいてもよい。そして、スキャン（オートフォーカス）工程（Ｓ２０２）の際、予め計測しておいた基板１０１上の高さ変位量を使って、オートフォーカスを実施しても好適である。

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。

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変位計測装置及び電子ビーム検査装置は、本発明の範囲に包含される。

１０ 光
１１ 反射光
１２ 光源
１４ ピンホール基板
１６ ミラー
１８ レンズ
１９ ミラー
２０ マルチビーム
２２ 穴
２８ 画素
２９ サブ照射領域
３３ マスクダイ
３４ 照射領域
３６ 画素
４０ ミラー
４２ レンズ
４４ ミラー
４６ ハーフミラー
４８ センサ
４９ カメラ
５０，５２，５４ 記憶装置
５５ ビームシフトマップ作成部
５６ 重心シフト量演算部
５７ 重心補正部
５８ ｚ変位計測部
１００ 検査装置
１０１ 基板
１０２ 電子ビームカラム
１０３ 検査室
１０６ 検出回路
１０７ 位置回路
１０８ 比較回路
１０９ 記憶装置
１１０ 制御計算機
１１２ 参照画像作成回路
１１４ ステージ制御回路
１１７ モニタ
１１８ メモリ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２２ レーザ測長システム
１２３ チップパターンメモリ
１２４ レンズ制御回路
１２６ ブランキング制御回路
１２８ 偏向制御回路
１４０ 高さ変位計測回路
１４２ オートフォーカス回路
１４４ 駆動機構
１５０ 画像取得機構
１６０ 制御系回路
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２ 照明レンズ
２０３ 成形アパーチャアレイ基板
２０５ 縮小レンズ
２０６ 制限アパーチャ基板
２０７ 対物レンズ
２０８ 主偏向器
２０９ 副偏向器
２１０ 一括ブランキング偏向器
２１２ 投光装置
２１３ 照明光学系
２１４ 受光装置
２１５ 結像光学系
４００ 変位計測装置

Claims (5)

1. 試料面に対し、斜め方向から光を照射する照明光学系と、
   前記光が照射された前記試料面からの反射光を受光するセンサと、
   前記試料面に対するフーリエ面における前記反射光を分岐する光学系と、
   前記フーリエ面において分岐された光を撮像するカメラと、
   前記フーリエ面において撮像された光の光量分布に応じて、前記センサの受光面における前記反射光の重心シフト量を演算する重心シフト量演算部と、
   前記重心シフト量を用いて前記センサにより受光された前記反射光の重心位置を補正した補正重心位置の情報を用いて、光てこ法により前記試料面の高さ方向変位を計測する計測部と、
   を備えたことを特徴とする変位計測装置。
2. 前記フーリエ面の共役位置におけるアパーチャ像の各位置に対応する前記センサの受光面における前記アパーチャ像の設計位置からの重心シフト量をそれぞれ定義したビームシフトマップを記憶する記憶装置をさらに備え、
   前記重心シフト量演算部は、前記ビームシフトマップを用いて前記光量分布に応じた前記反射光の重心シフト量を演算することを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
3. 図形パターンが形成された試料の試料面に対し、斜め方向から光を照射する照明光学系と、
   前記光が照射された前記試料面からの反射光を受光するセンサと、
   前記試料面に対するフーリエ面における前記反射光を分岐する光学系と、
   前記フーリエ面において分岐された光を撮像するカメラと、
   前記フーリエ面において撮像された光の光量分布に応じて、前記センサの受光面における前記反射光の重心シフト量を演算する重心シフト量演算部と、
   前記重心シフト量を用いて前記センサにより受光された前記反射光の重心位置を補正した補正重心位置の情報を用いて、光てこ法により前記試料面の高さ方向変位を計測する計測部と、
   前記試料面の高さ方向変位の測定値を用いて電子ビームのフォーカス位置を調整しながら前記フォーカス位置が調整された電子ビームで前記試料面を走査し、前記電子ビームでの走査によって前記試料から放出される反射電子を含む２次電子を検出して、前記図形パターンの２次電子画像を取得する２次電子画像取得機構と、
   参照画像を用いて、前記２次電子画像と前記参照画像とを比較する比較部と、
   を備えたことを特徴とする電子ビーム検査装置。
4. 前記２次電子画像取得部は、前記電子ビームを前記試料面に結像する対物レンズを有し、
   前記対物レンズは、前記電子ビームの走査中に、変化する前記試料面の高さ方向変位の測定値を用いて前記電子ビームのフォーカス位置を調整することを特徴とする請求項３記載の電子ビーム検査装置。
5. 前記２次電子画像取得部は、前記試料を載置するステージと、
   前記ステージを駆動するステージ駆動機構と、
   を有し、
   前記ステージ駆動機構は、前記電子ビームの走査中に、変化する前記試料面の高さ方向変位の測定値を用いて前記ステージ高さを変化させることによって、前記電子ビームのフォーカス位置を調整することを特徴とする請求項３記載の電子ビーム検査装置。

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