JP3327600B2 - パターン欠陥検査方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定の配列状態にある
複数の検査対象各々に形成されているパターンを被検査
パターンとして、その被検査パターン中に欠陥が存在し
ているか否かを高精度に検出するためのパターン比較検
査方法とその装置に係り、特に半導体ウェハや液晶ディ
スプレイなどのパターンの外観検査に好適とされたパタ
ーン比較検査方法とその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】これまでのパターン外観検査装置として
は、アイ・イー・イー・イー、ロボティクス アンド オ
ートメーション コンファレンス(IEEE Int. Conf. on R
obotics & Automation 1985)の474〜480頁における論文
“ア プリリミナリ スタディオブ オートメーティド
インスペクション オブ ヴィ・エル・エス・アイレ
ジスト パターンズ”（A Preliminary Study of Autom
ated Inspection ofVLSI Resist Patterns）に記載され
たものが知られている。これによる場合、被検査パター
ンはディジタル化された上、そのディジタル化画像から
はパターンエッジが検出されており、検出されたパター
ンエッジが参照画像中のパターンエッジと比較されるこ
とによって、パターンエッジの位置ずれが大きい領域は
パターン不一致領域、即ち、パターン欠陥領域として検
出されるようになっている。

【０００３】一方、特開昭５９ー１９２９４３号公報に
はまた、の被検査パターンを等速度で移動させつつ、ラ
インセンサ等の撮像素子により被検査パターンの画像が
検出されており、この検出画像信号と隣接被検査パター
ンより検出されている画像信号との位置ずれが補正され
た上、これら画像信号の濃淡が比較されることによっ
て、その濃淡差からはパターン欠陥の有無が検出される
ようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
被検査パターンとして、ウエハ上に周期的に繰返し形成
されているパターンを想定すれば、検査対象領域内に
は、例えばメモリマット部などのパターン密度が高い領
域と、その周辺回路などのパターン密度が低い領域とが
混在しており、メモリマット部ではパターンが暗く検出
されるが、周辺回路ではパターンが明るく観察される。
したがって、メモリマット部の画像は周辺回路の画像に
比し相当暗く検出されることから、メモリマット部上で
の欠陥検出感度がいきおい低下することは否めないもの
となる。

【０００５】また、従来技術においては、パターンエッ
ジを検出する際でのエッジ検出精度が低く、エッジの真
の位置を正しく比較し得ないものとなっている。これ
は、特に信号がディジタル化された上、離散的信号とし
て比較されているからであり、サンプリング誤差により
正しい比較検査を行い得ないことにその原因がある。こ
のように、何れにしても、従来技術においては、微細な
パターン欠陥を検出し得ないでいるのが実情である。

【０００６】本発明の第１の目的は、被検査パターン中
にパターンの高密度領域および低密度領域が混在してい
る場合に、その高密度領域内に発生しているパターン欠
陥を高感度に検出し得るパターン比較検査方法を供する
にある。本発明の第２の目的は、被検査パターン中にパ
ターンの高密度領域および低密度領域が混在していない
場合に、パターンエッジ検出精度大として、その被検査
パターン内に発生している微細なパターン欠陥を高精度
に検出し得るパターン比較検査方法を供するにある。本
発明の第３の目的は、被検査パターン中にパターンの高
密度領域および低密度領域が混在している場合に、パタ
ーンエッジ検出精度大として、その被検査パターン内に
発生している微細なパターン欠陥を高精度に検出し得る
パターン比較検査方法を供するにある。本発明の第４の
目的は、被検査パターン中にパターンの高密度領域およ
び低密度領域が混在していない場合に、パターンエッジ
検出精度大として、その被検査パターン内に発生してい
る微細なパターン欠陥を高精度に検出し得るパターン比
較検査装置を供するにある。本発明の第５の目的は、被
検査パターン中にパターンの高密度領域および低密度領
域が混在している場合に、パターンエッジ検出精度大と
して、その被検査パターン内に発生している微細なパタ
ーン欠陥を高精度に検出し得るパターン比較検査装置を
供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的は、基本
的には、検査対象より検出された該検査対象の画像上で
の明るさー頻度分布より、パターンの高密度領域と低密
度領域との間での明るさ、あるいはコントラストが階調
変換により定めた関係となるべく階調変換方法が具体的
に定められた後は、検査対象が順次更新される度に、更
新後の検査対象から検出される画像信号は上記階調変換
方法により階調変換された上、既に一時記憶状態にある
階調変換後の、更新前の検査対象対応の検出画像信号、
あるいは既に一時記憶状態にある、更新前の検査対象対
応の検出画像信号の階調変換されたものとの間で画像上
での位置合せが行われた状態で、パターン比較が行われ
ることで達成される。

【０００８】上記第２の目的は、基本的には、検査対象
を順次更新しつつ、該検査対象上のパターンを比較検査
するパターン比較検査方法であって、検査対象が順次更
新される度に、更新後の検査対象から検出される画像信
号は、既に一時記憶状態にある更新前の検査対象対応の
検出画像信号との間で画像上での位置合せが行われるに
際しては、両画像信号各々は設定範囲内で関数近似され
た上、関数近似曲線間での差の設定範囲内での積分値よ
り画像上での位置ずれが画素単位以下で求められ、該位
置ずれにもとづき画像上での位置合せが画素単位以下で
行われた状態で、パターン比較が行われることで達成さ
れる。

【０００９】上記第３の目的は、基本的には、検査対象
より多値ディジタル画像データとして検出された該検査
対象の画像上での明るさー頻度分布より、パターンの高
密度領域と低密度領域との間での明るさ、あるいはコン
トラストが階調変換により定めた関係となるべく階調変
換方法が具体的に定められた後は、検査対象が順次更新
される度に、更新後の検査対象から検出されるｎビット
画像信号は上記階調変換方法によりｍビット画像信号に
階調変換された上、既に一時記憶状態にある階調変換後
の、更新前の検査対象対応のｍビット検出画像信号、あ
るいは既に一時記憶状態にある、更新前の検査対象対応
のｎビット検出画像信号のｍビットに階調変換されたも
のとの間で画像上での位置合せが行われるに際しては、
両画像信号各々は設定範囲内で関数近似された上、関数
近似曲線間での差の設定範囲内での積分値より画像上で
の位置ずれが画素単位以下で求められ、該位置ずれにも
とづき画像上での位置合せが画素単位以下で行われた状
態で、パターン比較が行われることで達成される。

【００１０】上記第４の目的は、所定の配列状態にある
複数の検査対象全体を位置決め載置した状態で所定方向
に走査する位置決め載置手段と、上記複数の検査対象の
うち、何れか１つの２次元画像を走査に同期して画像信
号として検出する画像検出手段と、該画像検出手段から
の検出画像信号を多値ディジタル化検出画像信号に変換
するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段からの検出画
像信号を階調変換する階調変換手段と、上記該Ａ／Ｄ変
換手段からの検出画像信号、あるいは上記階調変換手段
からの検出画像信号が一時記憶される一方、既に一時記
憶状態にある更新前の検査対象対応の階調変換前検出画
像信号の階調変換されたもの、あるいは更新前の検査対
象対応の階調変換後検出画像信号の読出しが行われる一
時記憶手段と、該一時記憶手段、上記階調変換手段から
の検出画像信号各々を設定範囲内で関数近似曲線として
近似する第１，第２の関数近似手段と、該第１，第２の
関数近似手段各々からの関数近似曲線間の設定範囲内で
の差を演算する第１の差演算手段と、該第１の差演算手
段からの差を設定範囲内で積分する第１の差積分手段
と、該第１の差積分手段からの差積分値の最小値を、検
出画像信号間の画素単位以下の位置ずれとして検出する
位置ずれ検出手段と、上記階調変換手段からの検出画像
信号、上記一時記憶手段からの検出画像信号各々を一定
時間遅延せしめる画像信号遅延手段と、該画像信号遅延
手段各々からの遅延検出画像信号各々を設定範囲内で関
数近似曲線として近似する第３，第４の関数近似手段
と、該第３の関数近似手段の何れか一方からの関数近似
曲線を上記位置ずれ検出手段からの位置ずれ量に応じシ
フトせしめるシフト手段と、該シフト手段、上記第４の
関数近似手段各々からの位置合せされた関数近似曲線間
の設定範囲内での差を演算する第２の差演算手段と、該
第２の差演算手段からの差を設定範囲内で積分する第２
の差積分手段と、該第２の差積分手段からの差積分値の
欠陥判定しきい値との大小関係から欠陥の有無を判定す
る欠陥判定手段と、を構成要件として含むべく構成する
ことで達成される。

【００１１】上記第５の目的は、所定の配列状態にある
複数の検査対象全体を位置決め載置した状態で所定方向
に走査する位置決め載置手段と、上記複数の検査対象の
うち、何れか１つの２次元画像を走査に同期して画像信
号として検出する画像検出手段と、該画像検出手段から
の検出画像信号を多値ディジタル化検出画像信号に変換
するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段からの多値デ
ィジタル化検出画像信号を適当に定められた階調変換方
法により階調変換する階調変換手段と、上記該Ａ／Ｄ変
換手段からの検出画像信号、あるいは上記階調変換手段
からの検出画像信号が一時記憶される一方、既に一時記
憶状態にある更新前の検査対象対応の階調変換前検出画
像信号の階調変換されたもの、あるいは更新前の検査対
象対応の階調変換後検出画像信号の読出しが行われる一
時記憶手段と、該一時記憶手段、上記階調変換手段から
の検出画像信号各々を設定範囲内で関数近似曲線として
近似する第１，第２の関数近似手段と、該第１，第２の
関数近似手段各々からの関数近似曲線間の設定範囲内で
の差を演算する第１の差演算手段と、該第１の差演算手
段からの差を設定範囲内で積分する第１の差積分手段
と、該第１の差積分手段からの差積分値の最小値を、検
出画像信号間の画素単位以下の位置ずれとして検出する
位置ずれ検出手段と、上記階調変換手段からの検出画像
信号、上記一時記憶手段からの検出画像信号各々を一定
時間遅延せしめる画像信号遅延手段と、該画像信号遅延
手段各々からの遅延検出画像信号各々を設定範囲内で関
数近似曲線として近似する第３，第４の関数近似手段
と、該第３の関数近似手段の何れか一方からの関数近似
曲線を上記位置ずれ検出手段からの位置ずれ量に応じシ
フトせしめるシフト手段と、該シフト手段、上記第４の
関数近似手段各々からの位置合せされた関数近似曲線間
の設定範囲内での差を演算する第２の差演算手段と、該
第２の差演算手段からの差を設定範囲内で積分する第２
の差積分手段と、該第２の差積分手段からの差積分値の
欠陥判定しきい値との大小関係から欠陥の有無を判定す
る欠陥判定手段と、を構成要件として含むべく構成する
ことで達成される。

【００１２】

【作用】被検査パターン内にパターン高密度領域とパタ
ーン低密度領域が存在している場合には、パターン比較
検査に用いる検出画像信号としては、階調変換された後
の検出画像信号を用いパターン比較検査を行おうという
ものである。即ち、検査対象より検出された該検査対象
の画像上での明るさー頻度分布より、パターンの高密度
領域と低密度領域との間での明るさ、あるいはコントラ
ストが階調変換により定めた関係となるべく階調変換方
法が具体的に定められた後は、検査対象が順次更新され
る度に、更新後の検査対象から検出される画像信号は上
記階調変換方法により階調変換された上、その画像信号
に同期して読み出される、既に一時記憶状態にある階調
変換後の１更新前の検査対象対応の検出画像信号との間
で画像上での位置合せが行われた状態で、パターン比較
が行われるようにしたものである。その際での階調変換
には、対数変換や指数変換、多項式変換（例えばスプラ
イン補間）が用いられるが、このように、検出画像信号
がパターン比較検査に先立って事前に階調変換される場
合には、パターン形成領域での明るさの違いに影響され
ることなく、パターン高密度領域内に発生しているパタ
ーン欠陥が高感度に検出され得るものである。

【００１３】また、２つの検出画像信号を設定範囲内で
関数近似した上、その近似曲線間での差を検出した後、
これを設定範囲内で積分するようにすれば、それら検出
画像信号間での位置ずれが画素単位以下で検出可とされ
るものとなっている。したがって、その位置ずれにもと
づき画素単位以下の精度で２つの検出画像を位置合せし
た状態でパターン比較検査が行われる場合は、被検査パ
ターン内に発生している微細なパターン欠陥（例えばそ
の大きさが０.１〜０.２μｍ程度の欠陥）も高精度に検
出可能となるものである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図１から図１８により説明す
る。先ず本発明に係る階調変換について説明する。図２
にはメモリチップでのパターン密度状態の例が示されて
いるが、これからも判るように、メモリ一般はメモリマ
ット部とその周辺部とに大別され得るものとなってい
る。メモリマット部は小さな繰返しパターンの集合領域
として、また、周辺部はランダムパターンの集合領域と
して存在しているわけである。ところで、図３にそのメ
モリチップでの明るさー頻度分布（ヒストグラム）示す
が、メモリマット部では一般に暗く、周辺部では一般に
明るく画像が検出されるものとなっている。したがっ
て、このような事情からすれば、メモリマット部では欠
陥が検出しにくく、周辺部ではまた、正常部分が欠陥と
して誤って検出され易いものとなっている。このよう
に、全体でのパターン密度が大きく異なるパターンを被
検査パターンとして、被検査パターンでのパターン欠陥
を検出するには、被検査パターンから検出された画像信
号を所定に階調変換した上で、パターンを比較検査すれ
ばよいというものである。

【００１５】即ち、図１（Ａ）に示すように、被検査パ
ターンが更新される度に、イメージセンサ１からは被検
査パターン（図示せず）の全体画像が画像信号として検
出されるが、その画像信号は例えばＡ／Ｄ変換容量が１
０ビットのＡ／Ｄ変換器２によりディジタル信号に変換
されるものとなっている。Ａ／Ｄ変換器２からの１０ビ
ットディジタル信号に対しては、その後、階調変換器１
７ー１により階調変換処理が施されるが、その１０ビッ
トディジタル信号は例えば８ビットディジタル信号に階
調変換されるとと同時に、メモリ３に一時記憶されるも
のとなっている。このメモリ３への一時記憶に際して
は、メモリ３に既に一時記憶されている、階調変換前の
１０ビットディジタル信号が更新前の被検査パターンに
対するものとして、その一時記憶に同期してメモリ３よ
り読み出された上、階調変換器１７ー２により８ビット
ディジタル信号として階調変換された後、階調変換器１
７ー１から現に出力されている８ビットディジタル信号
とパターン比較器１８でパターン位置合せされた状態で
比較されることによって、パターン欠陥検出が行われて
いるものである。図１（Ｂ）はまた、回路構成を簡単化
すべく上記階調変換器１７ー１，１７ー２を１つの階調
変換器１７で兼用する場合でのものであるが、このよう
に回路構成する場合には、メモリ３へのディジタル信号
は事前に階調変換器１７で階調変換されることで、階調
変換器１７だけで済まされるばかりか、メモリ３での並
列ビット数も８ビットで済まされるものとなっている。
なお、階調変換後のビット数としては、階調変換器１７
からのディジタル信号も１０ビットで構わないが、階調
変換後は有効ビット数が減少するので、本例では８ビッ
トとしている。また、イメージセンサ１としては、走査
型電子顕微鏡の場合、シンチレータ等のディテクタを用
い得るものとなっている。更に、メモリ３に基準パター
ンに対するディジタル信号を固定的に記憶せしめた上、
これと階調変換器１７から現に出力されるディジタル信
号との間でパターン比較検査を行うことも可能となって
いる。

【００１６】さて、図４には階調変換の例が示されてい
るが、１０ビット入力信号は対数変換されることによっ
て、暗い部分は若干暗く階調変換され、また、明るい部
分はより暗く階調変換されることで、８ビット出力信号
を階調変換出力として得ようというものである。このよ
うな階調変換によって、図３に示す明るさー頻度分布
は、図５に示すように、階調変換され得るものである。
ところで、階調変換を具体的に如何に行うかが問題とな
るが、これは、実際のパターン比較検査に先立って、マ
ット部および周辺部を含む被検査パターンの画像を検出
した上、検出画像より明るさー頻度分布を作成し、この
明るさー頻度分布から具体的に定められるようになって
いる。例えば明るさー頻度分布の形状、即ち、最小値、
最大値を含めて形状が同一となるように定めるか、ある
いはパターンのコントラストがマット部と周辺部で同一
になるように定めればよいものである。その際、コント
ラストは画像に微分処理等を施すことで求められるもの
となっている。何れにしても、階調変換によりある関係
が保たれるべく、具体的な階調変換が定められるもので
ある。階調変換としては、具体的には、対数変換や指数
変換、多項式変換等が用いられるものとなっている。何
れの階調変換が行われるにしても、パターン比較検査は
階調変換後の検出画像信号にもとづき行われればよいも
のである。尤も、被検査パターン内でのパターン密度分
布が大きく異なっていない場合には、パターン比較検査
に先立つ階調変換処理は不要とされるものである。

【００１７】次に、本発明に係る検出画像の位置合せに
ついて説明する。図６には１層パターンＰの断面が示さ
れているが、この１層パターンＰに対するアナログ検出
画像信号波形をａ(ｘ)として、また、そのアナログ検出
画像信号波形ａ(ｘ)に対するディジタル検出画像信号波
形をｇ(ｘ)として示す。これからも判るように、アナロ
グ検出画像信号波形ａ(ｘ)としては、元の１層パターン
Ｐの断面形状に対応するものが通常得られるが、これを
ディジタル化したものはサンプリング誤差のため、パタ
ーン形状についての詳細情報が欠落していることが判
る。尤も、サンプリング間隔を小さくする程に、ディジ
タル検出画像信号波形はｇ(ｘ)は元のアナログ検出画像
信号波形ａ(ｘ)に近づくことは明らかである。しかしな
がら、サンプリング間隔を小さくする程に、その分処理
されるべきデータ量が増大してしまい、実用化の観点か
らすれば望ましくないものとなっている。したがって、
適当なサンプリング間隔下に得られたディジタル検出画
像信号波形ｇ(ｘ)から、如何にアナログ検出画像信号波
形ａ(ｘ)により近い波形を再現した上、高精度な処理を
行うかが新たな課題となっている。この課題に対し、本
発明はディジタル検出画像信号波形ｇ(ｘ)を関数近似す
ることで対処しようというものである。

【００１８】より詳細に説明すれば、図７には位置ずれ
状態にある２つの１層パターンＰ₁，Ｐ₂が示されている
が、それら１層パターンＰ₁，Ｐ₂に対するアナログ検出
画像信号波形をそれぞれａ₁(ｘ)、ａ₂(ｘ)として、ま
た、これらアナログ検出画像信号波形ａ₁(ｘ)，ａ₂(ｘ)
に対するディジタル検出画像信号波形をそれぞれｇ
₁(ｘ)、ｇ₂(ｘ)として示す。さて、ディジタル検出画像
信号波形ｇ₁(ｘ)，ｇ₂(ｘ)を用い、２つの信号波形を位
置合せする方法について説明する。図８（Ａ）には２つ
の１層パターン間に位置ずれδｘがある場合に、そのデ
ィジタル検出画像信号波形ｇ₁(ｘ)，ｇ₂(ｘ)とそれらデ
ィジタル検出画像信号波形ｇ₁(ｘ)，ｇ₂(ｘ)の差信号波
形｜ｇ₁(ｘ)−ｇ₂(ｘ)｜が、図８（Ｂ）にはその差信号
波形 ｜ｇ1(ｘ)−ｇ2(ｘ)｜をある区間で合計した不一
致量Ｓ(Δx)がそれぞれ示されているが、この場合での
位置ずれ検出の最も一般的な方法は、下記の数式１に示
す量Ｓ(Δx)を最小にするΔxを求めることである。

【００１９】

【数１】

【００２０】この場合に、サンプリング間隔を小さくす
る程に、ｇ₁(ｘ)，ｇ₂(ｘ)はそれぞれａ₁(ｘ)、ａ₂(ｘ)
に近づくことは明らかである。したがって、Ｓ(Δx)を
最小にするΔxは位置ずれδｘに近づいていく。しかし
ながら、これではデータ量が増大してしまい、これをパ
ターン外観検査に応用する場合には検査時間の増大を招
くことになる。一方、これとは逆に、サンプリング間隔
が大きくなる程に、min{Ｓ(Δx)}となるΔxは位置ずれ
δｘから程遠いものとなる。よって、大きなサンプリン
グ間隔であっても、位置ずれを正確に求める方法が新た
に必要となるわけであるが、以下、その方法について説
明すれば以下のようである。

【００２１】即ち、図９（Ａ）に示すディジタル検出画
像信号波形ｇ(ｘ)に対しては、図９（Ｂ）に示す近似関
数ｆ（ｇ(ｘ)）を導入しようというものである。そのデ
ィジタル検出画像信号波形ｇ₁(ｘ)は近似関数ｆ（ｇ
(ｘ)）によって最も滑らかに曲線近似されているわけで
ある。したがって、図１０（Ａ）に示すように、ディジ
タル検出画像信号波形ｇ₁(ｘ)，ｇ₂(ｘ)各々に対して
も、同様にしてそれぞれ近似関数ｆ（ｇ₁(ｘ)），ｆ
（ｇ₂(ｘ)）が定められるが、これら近似関数は多項式
とされ、例えばスプライン関数を適用し得るものとなっ
ている。本発明では、この連続関数としての近似関数を
用い、不一致量Ｓ(Δx)を再定義しようというものであ
る。図１０（Ｂ）に示すように、近似関数ｇ₁(ｘ)，ｇ₂
(ｘ)の差を求めた上、積分することによって、不一致量
Ｓ(Δx)は数式２として再定義されたものとなってい
る。

【００２２】

【数２】

【００２３】数式２からも判るように、Ｓ(Δx)は具体
的には面積を示しており、[x₁,x₂]は設定された積分範
囲を、また、[x₃,x₄]（x₃＝x₁、x₄＝x₂でも可）は近似
関数ｆ（ｇ₁(ｘ)），ｆ（ｇ₂(ｘ)）の近似範囲を示す。
その数式２による場合、数式１が離散的なｘに対してし
か意味をもたないのに対し、数式２は連続化されたｘに
対し意味をもつことから、数式１に比しより高精度に位
置ずれを検出し得るものである。このようにして、ｘ方
向の１次元信号よりｘ方向での位置ずれを高精度に検出
し得るが、画像中の種々の方向についても位置ずれ検出
を行えば、全ての方向に対しても、同様にして位置ずれ
を求め得るものである。

【００２４】ところで、数式２を実際に適用し高い位置
ずれ検出精度を得るには、区分的な範囲設定、即ち、分
割した各区分内で高精度に関数を近似した上で、積分を
行うことが必要である。そこで、数式２を更に拡張する
ことで、数式３が得られるものとなっている。

【００２５】

【数３】

【００２６】この数式３により、ディジタル信号を用い
ても高精度に位置ずれを検出可能となるものである。こ
の様子を図１１に示す。これから、min{Ｓ(Δx)}となる
Δxとして、実際の位置ずれδｘにほぼ等しいものが得
られていることが判る。

【００２７】さて、パターン欠陥検出の例を具体的に説
明すれば、図１２はパターン欠陥を有する場合での検出
画像信号の波形を示したものである。図示のように、欠
陥を有する１層パターン、正常パターン各々に対して
は、それぞれアナログ検出画像信号波形ａ₁(ｘ)，ａ
₂(ｘ)、ディジタル検出画像信号波形ｇ₁(ｘ)，ｇ₂(ｘ)
が得られているが、ディジタル検出画像信号波形ｇ(ｘ)
を用いた最も一般的な欠陥検出方法は、下記の数式４に
示す判定論理によるものである。

【００２８】

【数４】

【００２９】しかしながら、ディジタル化された信号波
形から微細な欠陥検出を行うことには限界があることか
ら、そこで、再度、ディジタル信号波形を近似する関数
ｆおよび設定範囲内での積分∫を導入した上、任意のl,
kに対し数式５に示す判定が行われるものとなってい
る。

【００３０】

【数５】

【００３１】この数式５によれば、数式４に比しより高
精度に微細欠陥を検出し得るものであり、図１３はその
様子を表わしたものである。図示のように、ディジタル
検出画像信号波形ｇ₁(ｘ)，ｇ₂(ｘ)各々に対しては、近
似関数ｆ(ｇ₁(ｘ))，ｆ(ｇ₂(ｘ))による近似関数波形が
併せて示されているが、それらの近似関数の差信号波形
｜ｆ（ｇ₁(ｘ)）−ｆ（ｇ₂(ｘ)）｜は元のアナログ信号
の差をよく表わしていることが判る。以上では、説明の
簡単化上、１層パターンを例にとり説明したが、多層パ
ターンにも適用し得ることは勿論である。なお、上記例
において、積分∫としては、所望のサンプリング間隔で
近似関数ｆを再度離散化して得た値のΣ演算でもよい。

【００３２】ここで、以上の階調変換と関数近似による
欠陥検出とが併せて考慮された、本発明によるパターン
比較検査装置について説明すれば、図１４はそのブロッ
ク構成を示したものである。図示のように、既述の図１
（Ｂ）におけるパターン比較器１８がより具体的に示さ
れているが、確認の意味も含めてその全体としての動作
を説明すれば、被検査パターンが更新される度に、イメ
ージセンサ１からは被検査パターン（図示せず）が画像
信号として検出されるが、その画像信号はＡ／Ｄ変換器
２により多値ディジタル信号に変換されるものとなって
いる。Ａ／Ｄ変換器２からの多値ディジタル信号に対し
ては、その後、階調変換器１７により階調変換処理が施
され、その多値ディジタル信号は同一ビット数以下のデ
ィジタル信号に階調変換された上、メモリ３に一時記憶
されるものとなっている。このメモリ３への一時記憶に
際しては、メモリ３に既に一時記憶されている、階調変
換後のディジタル信号が更新前の被検査パターンに対す
るものとして、その一時記憶に同期してメモリ３より読
み出された上、以下のように、階調変換器１７から現に
出力されているディジタル信号とパターン位置合せされ
た状態で比較されることによって、パターン欠陥検出が
行われているものである。

【００３３】即ち、階調変換器１７、メモリ３各々から
のディジタル信号は関数近似回路４，５で関数近似され
た上、差回路６で近似関数間の差が演算されるものとな
っている。その後、その差は積分器７で積分された後、
最小値検出回路８で積分値の最小値が検出されるように
なっている。これにより、検出画像信号間の位置ずれが
求められるものである。一方、階調変換器１７、メモリ
３各々からのディジタル信号はまた、遅延回路９，１０
で一定時間遅延せしめられた上、関数近似回路１２，１
３で関数近似されるが、このうち、関数近似回路１２か
らの近似関数は、画像シフト回路１１で最小値検出回路
８からの位置ずれ量だけ画像シフトされることで、画像
シフト回路１１、関数近似回路１３各々からは位置合わ
せされたディジタル信号が得られるものである。その
後、これらディジタル信号の差が差回路１４で求められ
た上、積分器１５で積分されるが、欠陥判定回路１６で
はその積分値の欠陥判定用しきい値との大小関係から、
パターン欠陥の有無が判定されているものである。な
お、図１（Ａ）におけるパターン比較器１８も全く同様
に構成され得ることは明らかである。

【００３４】最後に、画素単位以下の精度で位置合せを
行うサブピクセルパターンマッチング法について説明す
る。図１５はその構成を示すが、具体的には、関数近似
回路４，５，１２，１３、差回路６、積分器７、最小値
検出回路８、遅延回路９，１０および画像シフト回路１
１より実現されるものとなっている。これによる場合、
検出画像（階調変換器１７からのもの）ｆ₁と記憶画像
（メモリ３からのもの）ｇ₁との間で画素単位での位置
合せが行われた上、記憶画像ｇ₁をマッチング位置にず
らした場合での画像ｇ₂が計算されるものとなってい
る。その後、検出画像ｆ₁と画像ｇ₂に対し最小２乗法で
画素単位以下での位置合せが行われることで、サブピク
セルパターンマッチング画像ｆ₄，ｇ₄が求められるもの
となっている。より詳細に説明すれば、画素単位での位
置合せは検出画像ｆ₁（x,y）と記憶画像ｇ₁（x,y）とか
ら、数式６より位置ずれ量（dx,dy）が求められるもの
となっている。

【００３５】

【数６】

【００３６】但し、（x,y）は画像の座標を、ｆ₁（x,
y）は座標（x,y）での検出画像の検出値をそれぞれ示し
ている。ｆ_d（x,y），ｇ_d（x,y）はまた、ｆ₁（x,y），
ｇ₁（x,y）のエッジ画像を、Thはエッジ検出の際でのし
きい値を、ｐはマッチング量を、ΣΣは画像全面での和
をそれぞれ示している。また、計算されたdx,dyは差を
最小とする位置が（dx〜dx＋1,dy〜dy＋1）にあること
を示している。

【００３７】さて、画素単位以下の精度で位置合せを行
うため、先ず画素間の位置での値を画素以下の位置(α,
β)を用い数式７で定義する。

【００３８】

【数７】

【００３９】ここで、ｆ₃（x,y,α,β）、ｇ₃（x,y,α,
β）を図１６に示す。図は原点に着目画像、横軸にx座
標、縦軸にy座標をとり、○印で元の画像ｆ₁，ｇ₂の検
出画素の位置（x,y）を、●印でその位置（x,y）より
(α,β)だけ＋、または−の方向にずらしたｆ₃，ｇ₃の
位置を示している。なお、0≦α,β＜0.5である。

【００４０】数式７よりｆ₃，ｇ₃の画像の２乗誤差ε
(α,β)は数式８より以下のように求められるものとな
っている。

【００４１】

【数８】

【００４２】ここで、ΣΣはx,yの画像全面での和を示
す。この模様をx方向について図１７に示す。誤差を最
小とする位置で数式８をα，βで偏微分したものが零で
あるという条件より数式９が得られる。

【００４３】

【数９】

【００４４】したがって、数式９よりα，βは数式１０
として求められるものである。

【００４５】

【数１０】

【００４６】数式１０からのα，βの値を用い、サブピ
クセルパターンマッチング画像ｆ₄，ｇ₄が数式１１とし
て計算され得るものである。

【００４７】

【数１１】

【００４８】以上、画素単位以下の精度で位置合せを行
う方法について説明した。上記方法では、数式７により
検出画像は右下に、記憶画像は左上に移動させている
が、これ以外の方向に移動させてもよい。特に右下な
ど、４方向に移動させ、その後、数式８で与えられる２
乗誤差を算出し、比較して最小となる方向とα，βを選
択してもよいものである。以下の数式１２にはまた、画
素補間の異なる方法が示されているが、これよりmin
｛Σ(ｆ₃(x,y,α,β,k)−ｇ₃(x,y,α,β,k))²｝となる
k，α，βが選定されればよいものである。

【００４９】

【数１２】

【００５０】ところで、上記方法では、比較される２枚
の画像双方が生成し直されているため、画像間でぼけ具
合が同一となり、比較する上で都合がよいといえる。し
かし、上記方法では、α，βの値に応じて、生成される
画像ｆ₄，ｇ₄のぼけ具合が異なりα，βの値が変化する
と、連続する検出画像の前後でぼけ具合が異なってく
る。例えばαが大きい場合は、画像のx方向での解像度
が小さくなる。そこで、そのような不具合を解決すべ
く、画像ｆ₄，ｇ₄は数式１３として示すように、再度補
間されるものとなっている。

【００５１】

【数１３】

【００５２】このようにして得られた画像ｆ₅，ｇ₅はそ
の後、パターン比較検査に供されるが、画像ｆ₅，ｇ₅は
常時０.５画素分の同一量だけぼけていることから、し
たがって、パターンを比較する上で都合がよいといえ
る。この場合での構成を図１８に示す。このような処理
は、例えば走査型電子顕微鏡により検出された高解像度
画像を処理する場合に必要となっている。尤も、上記の
０.５画素等の数値は任意に設定され得るものである。

【００５３】また、以上では、変形として画素補間が２
回行われているが、これらを統括し、トータルの画素補
間量が一定になるようにして、１回の画素補間を施すよ
うにしてもよい。これは、数式１３に数式７，１１を代
入すれば求められる。

【００５４】以上、画像の階調変換手法や画像の画素単
位以下での位置合せ手法、パターン欠陥検査手法につい
て述べた。本手法は、場所によるパターンの明るさの違
いに影響されることなく、欠陥を高感度に検出し得るも
のとなっている。したがって、メモリマット部など暗い
領域も高感度に検査し得るものである。また、周辺部な
ど明るい領域は、欠陥検出感度を徒に上げ過ぎることな
く検査し得ることになる。しかも、画像の濃淡差を検出
する方法だけでなく、画像の微分値等を比較する方法等
にも有効である。したがって、従来技術に比し、高信頼
性にしてパターン比較検査を行い得るものとなってい
る。更に、サンプリング誤差の影響を受けた２つの画像
の位置ずれがディジタル信号を用い高感度に検出された
上、微細欠陥が高精度に検出され得ることから、従来技
術に比し、飛躍的に欠陥検出性能、したがって、高信頼
性を以てパターン比較検査を行い得るものとなってい
る。

【００５５】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１〜３に
よる場合は、被検査パターン中にパターンの高密度領域
および低密度領域が混在している場合に、その高密度領
域内に発生しているパターン欠陥を高感度に検出し得る
パターン比較検査方法が、また、請求項４〜７、１２，
１３による場合には、被検査パターン中にパターンの高
密度領域および低密度領域が混在していない場合に、パ
ターンエッジ検出精度大として、その被検査パターン内
に発生している微細なパターン欠陥を高精度に検出し得
るパターン比較検査方法が、更に、請求項８〜１１、１
４，１５による場合は、被検査パターン中にパターンの
高密度領域および低密度領域が混在している場合に、パ
ターンエッジ検出精度大として、その被検査パターン内
に発生している微細なパターン欠陥を高精度に検出し得
るパターン比較検査方法が、更にまた、請求項１６によ
れば、被検査パターン中にパターンの高密度領域および
低密度領域が混在していない場合に、パターンエッジ検
出精度大として、その被検査パターン内に発生している
微細なパターン欠陥を高精度に検出し得るパターン比較
検査装置が、請求項１７による場合にはまた、被検査パ
ターン中にパターンの高密度領域および低密度領域が混
在している場合に、パターンエッジ検出精度大として、
その被検査パターン内に発生している微細なパターン欠
陥を高精度に検出し得るパターン比較検査装置がそれぞ
れ得られるものとなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ），（Ｂ）は、階調変換に係るパター
ン比較検査方法の概念を説明するための図

【図２】図２は、本発明に係る階調変換に関連して、メ
モリチップでのパターン密度状態の例を示す図

【図３】図３は、そのメモリチップでの明るさー頻度分
布（ヒストグラム）を示す図

【図４】図４は、対数変換による階調変換の例を示す図

【図５】図５は、図３に示す明るさー頻度分布の階調変
換後の例を示す図

【図６】図６は、１層パターンＰに対するアナログ検出
画像信号波形、そのアナログ検出画像信号波形に対する
ディジタル検出画像信号波形を示す図

【図７】図７は、位置ずれ状態にある２つの１層パター
ン各々に対するアナログ検出画像信号波形、それらアナ
ログ検出画像信号波形各々に対するディジタル検出画像
信号波形を示す図を示す図

【図８】図８（Ａ），（Ｂ）は、２つのディジタル検出
画像信号波形の差信号波形をある区間で合計した不一致
量から、位置ずれを最も一般的に検出する方法を説明す
るための図

【図９】図９（Ａ），（Ｂ）は、ディジタル検出画像信
号波形と、それを近似する関数との関係を説明するため
の図

【図１０】図１０（Ａ），（Ｂ）は、２つの近似関数の
差の積分値からの位置ずれ検出方法を説明するための図

【図１１】図１１は、その位置ずれ検出の具体的な様子
を示す図

【図１２】図１２は、パターン欠陥を有する場合でのア
ナログ検出画像信号、ディジタル検出画像信号の波形の
例を示す図

【図１３】図１３は、２つの近似関数の差の積分値から
の位置ずれ検出を行う場合での具体的な様子を示す図

【図１４】図１４は、階調変換と関数近似による欠陥検
出とが併せて考慮された、本発明によるパターン比較検
査装置のブロック構成を示す図

【図１５】図１５は、画素単位以下の精度で位置合せを
行うサブピクセルパターンマッチング法を説明するため
の図

【図１６】図１６（Ａ），（Ｂ）は、画素補間を説明す
るための図

【図１７】図１７は、画素単位以下の精度で位置合せを
行うための最小２乗法を説明するための図

【図１８】図１８は、再補間により画素単位以下で高精
度に位置合せを行うサブピクセルパターンマッチング法
を説明するための図

【符号の説明】

１…イメージセンサ、２…Ａ／Ｄ変換器、３…メモリ、
４，５，１２，１３…関数近似回路、６，１４…差回
路、７，１５…積分器、８…最小値検出回路、９，１０
…遅延回路、１１…画像シフト回路、１６…欠陥判定回
路、１７，１７ー１，１７ー２…階調変換器、１８…パ
ターン比較器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 窪田 仁志 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社 日立製作所 生産技術研究所 内 (56)参考文献 特開 平４−107945（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−209843（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/84 - 21/958 G06T 1/00 G01B 11/00 - 11/30

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パターン密度が高い領域と低い領域とが
   混在している被検査パターンの検査方法であって、前記
   被検査パターンを撮像して該被検査パターンの画像を
   得、該被検査パターンの画像をその明るさに応じた所定
   の階調変換を施し、該階調変換した被検査パターンの画
   像を画素寸法以下の精度で位置合わせして比較すること
   により、画素寸法以下の欠陥を検出することを特徴とす
   るパターン欠陥検査方法。
2. 【請求項２】 前記階調変換した被検査パターンの画像
   を予め記憶しておいた階調変換した比較画像と比較して
   前記被検査パターンの画像と前記比較画像とのずれ量を
   画素単位で補正し、該画素単位で位置ずれが補正された
   前記被検査パターンの画像と前記比較画像とのずれ量を
   １画素以下の精度で補正し、該１画素以下の精度でずれ
   量を補正した前記被検査パターンの画像と前記比較画像
   とを用いて前記被検査パターンの画素寸法以下の欠陥を
   検出することを特徴とする請求項１記載のパターン欠陥
   検査方法。
3. 【請求項３】 パターン密度が高い領域と低い領域とが
   混在している被検査パターンの検査方法であって、前記
   被検査パターンの第１の領域を撮像して該被検査パター
   ンの第１の画像を得、該第１の画像をその明るさに応じ
   た所定の階調変換を施し、該階調変換した第１の画像を
   記憶し、前記被検査パターンの第２の領域を撮像して該
   被検査パターンの第２の画像を得、該第２の画像をその
   明るさに応じた所定の階調変換を施し、該階調変換した
   第２の画像と前記階調変換して記憶した第１の画像とを
   用いて前記被検査パターンの欠陥を検出することを特徴
   とするパターン欠陥検査方法。
4. 【請求項４】 パターン密度が高い領域と低い領域とが
   混在している被検査パターンの検査方法であって、前記
   被検査パターンの第１の領域を撮像して該被検査パター
   ンの第１の画像を得、該第１の画像を記憶し、前記被検
   査パターンの第２の領域を撮像して該被検査パターンの
   第２の画像を得、該第２の画像と前記記憶した第１の画
   像とをその明るさに応じた所定の階調変換を施し、該階
   調変換した第２の画像と第１の画像とを用いて前記被検
   査パターンの欠陥を検出することを特徴とするパターン
   欠陥検査方法。
5. 【請求項５】 前記階調変換することを、該検査パター
   ンを撮像して得た画像の明るさと該明るさの頻度分布と
   の関係に基づいて予め定めた階調変換の条件に基づいて
   行うことを特徴とする請求項１，３，４の何れかに記載
   のパターン欠陥検査方法。
6. 【請求項６】 前記階調変換した第１の画像と第２の画
   像との位置ずれ量を１画素以下の精度で補正し、該位置
   ずれ量を補正した第１の画像と第２の画像とを比較する
   ことにより前記被検査パターンの欠陥を検出することを
   特徴とする請求項３又は４に記載のパターン欠陥検査方
   法。
7. 【請求項７】 パターン密度が高い領域と低い領域とが
   混在している被検査パターンの検査方法であって、前記
   被検査パターンを撮像して該被検査パターンの画像を
   得、該被検査パターンの画像をその明るさに応じた所定
   の階調変換を施し、該階調変換した被検査パターンの画
   像と予め記憶しておいた比較パターンの画像との位置ず
   れを１画素以下の精度で補正し、該１画素以下の精度で
   位置ずれを補正した前記被検査パターンの画像と前記比
   較パターンの画像とを比較して前記被検査パターンの画
   素寸法以下の欠陥を検出することを特徴とするパターン
   欠陥検査方法。
8. 【請求項８】 前記階調変換した被検査パターンの画像
   と予め記憶しておいた比較パターンの画像との位置ずれ
   を１画素以下の精度で補正する前に、前記階調変換した
   被検査パターンの画像と予め記憶しておいた比較パター
   ンの画像との位置ずれを画素単位で補正することを特徴
   とする請求項７記載のパターン欠陥検査方法。
9. 【請求項９】 パターン密度が高い領域と低い領域とが
   混在している被検査パターンの欠陥を検査する検査装置
   であって、前記被検査パターンを撮像して該被検査パタ
   ーンの画像を得る撮像手段と、該撮像手段で撮像して得
   た前記被検査パターンの画像の階調をその明るさに応じ
   た所定の階調変換を施す階調変換手段と、比較画像を記
   憶する記憶手段と、前記階調変換手段で階調変換した被
   検査パターンの画像を前記記憶手段に記憶した比較画像
   と画素寸法以下の精度で位置合わせする位置合せ手段
   と、該位置合せ手段で位置合わを行い且つ前記階調変換
   した被検査パターンの画像と比較画像とを用いて前記被
   検査パターンの画素寸法以下の欠陥を検出する欠陥検出
   手段とを備えたことを特徴とするパターン欠陥検査装
   置。
10. 【請求項１０】 前記パターン欠陥検査装置は、階調変
    換した比較画像を記憶する記憶手段と、前記階調変換手
    段で階調変換した被検査パターンの画像を前記記憶手段
    に記憶した比較画像と比較して前記被検査パターンの画
    像と前記比較画像とのずれ量を画素単位で補正する第１
    の位置ずれ補正手段と、該第１の位置ずれ補正手段で画
    素単位で位置ずれが補正された前記被検査パターンの画
    像と前記比較画像とのずれ量を１画素以下の精度で補正
    する第２の位置ずれ補正手段とを更に備えたことを特徴
    とする請求項９記載のパターン欠陥検査装置。
11. 【請求項１１】 パターン密度が高い領域と低い領域と
    が混在している被検査パターンの欠陥を検査する検査装
    置であって、前記被検査パターンを撮像して該被検査パ
    ターンの画像を得る撮像手段と、該撮像手段で撮像して
    得た画像をその明るさに応じた所定の階調変換を施す階
    調変換手段と、前記撮像手段で撮像して得た画像を記憶
    する記憶手段と、前記階調変換手段で階調変換した画像
    と前記記憶手段に記憶した画像とを用いて前記被検査パ
    ターンの欠陥を検出する欠陥検出手段とを備えたことを
    特徴とするパターン欠陥検査装置。
12. 【請求項１２】 前記記憶手段は、前記撮像手段で撮像
    されて前記階調変換手段で階調変換された画像を記憶す
    ることを特徴とする請求項１１記載のパターン欠陥検査
    装置。
13. 【請求項１３】 前記欠陥検出手段は、前記記憶手段に
    記憶した画像を階調変換する記憶画像階調変換部を更に
    備え、前記欠陥検出手段において前記記憶画像階調変換
    部で階調変換した画像と前記階調変換手段で階調変換し
    た画像とを用いて前記被検査パターンの欠陥を検出する
    ことを特徴とする請求項１１記載のパターン欠陥検査装
    置。
14. 【請求項１４】 前記欠陥検出手段は、前記記憶画像階
    調変換部で記憶しておいた画像を階調変換した画像と前
    記階調変換手段で階調変換した画像との位置ずれ量を、
    １画素単位以下の精度で補正する位置ずれ補正部を備え
    たことを特徴とする請求項１３記載のパターン欠陥検査
    装置。
15. 【請求項１５】 パターン密度が高い領域と低い領域と
    が混在している被検査パターンの欠陥を検査する検査装
    置であって、前記被検査パターンを撮像して該被検査パ
    ターンの画像を得る撮像手段と、該撮像手段で撮像して
    得た前記被検査パターンの画像をその明るさに応じた所
    定の階調変換を施す階調変換手段と、比較パターンの画
    像を記憶しておく記憶手段と、前記階調変換手段で階調
    変換した前記被検査パターンの画像と前記記憶手段に予
    め記憶しておいた比較パターンの画像との位置ずれを１
    画素以下の精度で補正する位置ずれ補正手段と、該位置
    ずれ補正手段で１画素以下の精度で位置ずれを補正した
    前記被検査パターンの画像と前記比較パターンの画像と
    を比較して前記被検査パターンの画素寸法以下の欠陥を
    検出する欠陥検出手段とを備えたことを特徴とするパタ
    ーン欠陥検査装置。
16. 【請求項１６】 前記位置ずれ補正手段は、前記階調変
    換手段で階調変換した前記被検査パターンの画像と前記
    記憶手段に予め記憶した比較パターンの画像との位置ず
    れを画素単位で補正する第１の位置ずれ補正部と、該第
    １の位置ずれ補正部で位置ずれを補正した前記階調変換
    した被検査パターンの画像と予め記憶手段に記憶してお
    いた比較パターンの画像との位置ずれを１画素以下の精
    度で補正する第２の位置ずれ補正部とを有することを特
    徴とする請求項１５記載のパターン欠陥検査装置。