JP4016472B2 - 外観検査方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は対象物の二次元画像を検出し、検出した画像を処理することにより対象物に含まれる欠陥を検出する装置に関するもので、特に半導体ウェーハのような微細なパターンを有する対象物を高精度に検査するのに好適な外観検査方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体ウェーハを外観検査する方法としては、相異なる２つのチップの本来同一であるべき部分の二次元画像を光学的な手段により撮像し、得られた２枚の検出画像を比較し異なる部分を欠陥として検出する方法が一般的であり、多くは比較画像間の単純な差画像を演算し、差の値の大きな部分を欠陥とするものである。
【０００３】
単純な差画像によらない方式としては、例えば"Automated visual inspection of LSI wafer patterns using a derivative-polarity comparison algorithm",SPIE Vol.1567 Applications of Digital Image Processing XIV,pp.100-109(1991)に記載されているような方式がある。この方式では、光学的に検出した比較すべき２枚の濃淡画像をそれぞれ微分し、微分値の極性（濃淡の勾配がどちらを向いているか）のみを抽出し、これを比較することで２枚の画像の正常部分で生じる明るさの差を許容し、微小な形状欠陥のみの検出を可能にしている。
【０００４】
また、他の比較方式としては"局所摂動パターンマッチング法によるLSIウェーハパターンの精密外観検査",電子情報通信学会論文誌Vol.J72-D-2 No.12,pp.2041-2050(1989)に示されているような方式もある。この方式では光学的に検出した２枚の画像間の、１画素以下の位置ずれを許容すると共に、ある一定レベルまでの明るさの違いについても許容できるようになっており、正常部分で生じる明るさの差を誤検出することなく微小な形状欠陥の検出を可能にしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の光学式検査方式を用いて、微細構造を持つ半導体ウェーハの製造過程におけるパターンの欠陥を検査した場合、半導体ウェーハに形成される配線パターンの微細化により、たとえば、微小導通孔の非開口不良や、線状で短辺の幅が光学系の分解能以下となるエッチング残りなどは検出できない問題があった。一方、電子線を利用した検査方式においては上述した光学的には検出困難な微細構造を持つ半導体ウェーハの製造過程における回路パターンの欠陥が検査可能である。
【０００６】
しかし、例えば電子線を照射して対象物からの二次電子を用いて回路パターンを検出する場合、二次電子の放出効率は対象物の材質だけでなくその膜厚や電子線の加速電圧、対象物周辺の電位分布などによって決定されるため、同じ材質の部分が必ずしも同一の明るさで検出されるとは限らない。素子の動作上は問題がなく良品として許容されるべき程度の膜厚の違いが、大きな濃淡差として検出される場合もある。また、比較すべき一方の領域を検出する際に対象物に蓄えられた電荷（いわゆるチャージアップ）が、他方の領域を検出しようとする際にその周辺に電位分布を形成するために、検出される明るさが異なってしまう場合もある。
【０００７】
このように、電子線を用いて対象物の画像を検出する場合には、本来同一の明るさで検出できると期待されるパターンが、大きく異なった明るさで検出されてしまい、従来の単純な濃淡比較検査方式を用いると、その明るさの違いが欠陥として検出されてしまうという問題があった。また、前記した濃淡画像の微分極性を用いた比較方式ではノイズの少ない画像に対しては良好な結果が得られるが、電子線を用いて高速に画像を検出するようなシステムでは非常にノイズの多い画像を対象にする必要があり、ノイズの影響を受けやすい微分方式を適用することは困難であった。さらに、前記した局所摂動パターンマッチングによる方法では、比較画像間の明るさの差を無条件にある一定レベルまで許容するものであり、欠陥部分の明るさの差が正常部分の明るさの差よりも小さいような場合には誤検出することなく欠陥のみを検出することは不可能であった。
【０００８】
また、電子線を照射して対象物からの二次電子を用いて回路パターンを検出する場合、電子線は検出対象の導電性に影響されることは前述したが、これは検出画像の明るさを相違せしめるのみならず、電子線の照射位置にも電磁界効果によって影響を与え、検出画像上の歪みとなって現れる。この歪みによる位置づれ量は対象の導電性に依存するが、この導電性は対象の材質、材料の分布、材料の厚さに依存するため、前記位置ずれ量は一定ではなく非定常に変化する。
【０００９】
また、電子線式においては対象試料を搭載するステージが真空中を走行するため機械的な摩擦の低減に限界があり、走行中のステージの摩擦による振動も、検出画像の歪みの原因となる。
【００１０】
以上述べた原因に起因するずれ量は、プロセス起因による配線パターンの微妙な変動よりも大きいため、この微妙な変動を前提とした微分極性を用いた比較方式や、局所摂動パターンマッチングによる方法を直接用いることは困難である。以上、電子線を照射して対象物からの二次電子を用いて回路パターンを検出する場合について述べたが、光学式においてもＣＭＰの製造プロセスへの導入、ウェーハの大型化によって同様の問題が生じる。
【００１１】
ＣＭＰとは半導体の製造プロセスにおいて、積層される各層をその積層時点において研磨し上面を平坦化し、配線構造の凹凸、うねりを抑え高度な配線構造を実現しようとするものである。検査時点で最上面の層は研磨により平坦化されているため、その厚さは場所によって異なる。これは光学的に見たとき場所によって干渉条件が異なることを意味し、光学的観察像上では多様な色となり、白黒濃淡画像で検出した場合は明るさの変化となる。
【００１２】
一方、ウェーハの大型化によりウェーハ全面に渡る均質な配線パターンの形成はますます困難になってきており、比較検査の場合、比較する各々のパターが遠くになればなるほど、パターンの差異は大きくなることが考えられ、微妙な変動を前提とした微分極性を用いた比較方式や、局所摂動パターンマッチングによる方法を直接用いることは困難である。
【００１３】
本発明の目的は、比較対象となる２枚の画像に存在する非定常な位置ずれを補正し、また正常部分として認識すべき部分で生じる明るさの違いを補正することにより、誤検出を生じることなく微細な欠陥を信頼性高く検出できる外観検査方法及び装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記問題を解決するため、本発明では比較すべき２枚の検出画像に含まれる本来同一であるべきパターンの濃淡値を補正し欠陥のない部分に濃淡差があっても該濃淡差を正常部と認識できる程度に小さくする濃淡補正を行う。特に、該濃淡補正は、比較すべき検出画像の対応する各領域の明るさが概略等しくなるように補正することを特徴とする。
【００１５】
また、該濃淡補正は補正量の限度を予め与えておき、該限度値を越える補正は行わないことを特徴とする。このような補正を行うことにより、良品として許容されるべき程度の膜厚の違いによる検出画像の明るさの違いを欠陥と誤認識することを防ぐことができる。また、微小穴の底に薄く存在するエッチング残りなどによる大きな明るさの違いを、濃淡補正により見逃してしまう危険性を回避することができる。
【００１６】
具体的な濃淡補正方法としては、一方の画像の濃淡値を線形変換し、他方の画像との各画素毎の差分の二乗の総和が最小となるように前記線形変換の係数を決定することによって行う方法や、一方の画像の濃淡値のヒストグラムから複数のピーク位置を演算し、該ピーク位置が同様にして演算した他方の画像の濃淡値のヒストグラムのピーク位置と一致するように一方の画像の濃淡値を変更することによって行う方法や、一方の画像の濃淡値のヒストグラムが他方の画像の濃淡値のヒストグラムの形状と一致するように一方の画像の濃淡値を変更することによって行う方法などがある。
【００１７】
即ち、本発明では、外観検査方法を、本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像してこの２つの個所の本来同一となるべきパターンを含む２つの画像を得、この得た２つの画像の前記本来同一となるべきパターンの像の概略位置合せを行い、この概略位置合せを行った２つの画像のうちの少なくとも一方の画像の濃淡を補正し、少なくとも一方の画像の濃淡を補正した２つの画像の本来同一となるべきパターンの像の位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として該画像歪が問題とならない程度の大きさの領域に分割し、この分割した領域ごとに２つの画像の位置合せを行い、この位置合せを行った領域ごとに２つの画像を比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出するようにした。
【００１８】
また、本発明では、外観検査方法を、本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像して２つの個所の本来同一となるべきパターンを含む２つの画像を得、この得た２つの画像を第１の画像分割単位ごとに位置合せし、この位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として第１の画像分割単位を更に複数に分割した第２の画像分割単位ごとに補正し、この第２の画像分割単位ごとに画像歪みを補正した２つの画像を第２の画像分割単位ごとに比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出するようにした。
【００１９】
即ち、本発明では、外観検査方法を、本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像して該２つの個所の前記本来同一となるべきパターンを含む２つの画像を得る工程と、この得た２つの画像の概略の位置合せを行う工程と、 この概略の位置を合わせた２つの画像のうちの少なくとも一方の画像の濃淡を補正する工程と、概略の位置を合わせた２つの画像の該位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として補正する工程と、得た２つの画像の本来同一となるべきパターンの像を前記画像の画素寸法以下の精度で位置合せを行う工程と、この画像の画素寸法以下の精度で位置合せを行う工程により本来同一となるべきパターンの像を画像の画素寸法以下の精度で位置合せを行った２つの画像を比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出する工程とを行うようにした。
【００２１】
即ち、本発明では、外観検査装置を、本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像して該２つの個所の前記本来同一となるべきパターンを含む２つの２次元画像を得る撮像手段と、この撮像手段で撮像した本来同一であるべきパターンの前記２つの２次元画像を第１の画像分割単位ごとに位置合せをして位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として検出して第１の画像分割単位を更に複数に分割した第２の画像分割単位ごとに２つの２次元画像の内の少なくとも何れか一方の画像を補正して画像歪みを補正する歪み補正手段と、撮像手段で撮像して得られた２つの２次元画像上で本来同一となるべきパターンの像の位置合せを行う位置合せ手段と、歪み補正手段で第２の画像分割単位ごとに少なくとも何れか一方の画像歪みが補正され位置合せ手段で位置合せを行った２つの２次元画像を比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出する欠陥検出手段と、この欠陥検出手段で検出した欠陥に関する情報を出力する出力手段とを備えて構成した。
【００２２】
即ち、本発明では、外観検査装置を、本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像してこの２つの個所の本来同一となるべきパターンを含む２つの２次元画像を得る撮像手段と、この撮像手段で撮像した記本来同一であるべきパターンの画像の濃淡値を比較して２つの２次元画像の位置合せをしてこの位置を合わせた２つの画像の内の少なくとも何れか一方の画像の濃淡値を補正する濃淡値補正手段と、撮像手段で撮像した本来同一であるべきパターンの位置を合わせた２つの２次元画像の位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として補正する歪み補正手段と、撮像手段で撮像した２つの２次元画像上で本来同一となるべきパターンの像の位置合せを行う位置合せ手段と、この位置合せ手段で位置合せを行った２つの２次元画像を比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出する欠陥検出手段と、この欠陥検出手段で検出した欠陥に関する情報を出力する出力手段とを備えて構成した。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を電子線を用いた検査装置を例に図面を参照しながら説明する。図１は検査対象物である半導体ウェーハを電子的に走査し検査する検出系を模式的に表した図である。電子光学系は電子銃１、電子線引き出し電極２、コンデンサレンズ３、ブランキング用偏向器４、走査偏向器５、絞り６、対物レンズ７により構成されている。照射される電子線は８で示される。試料室は、Ｘ−Ｙステージ９、回転ステージ１０より構成されており、また二次電子検出器１１が対物レンズ７の上方にあり、二次電子検出器の出力信号はプリアンプ１２で増幅されＡＤ変換器１３によりデジタルデータとなる。デジタルデータは画像記憶部１４a、１４bに記憶され、ライン３０‘、３０”を介して画像処理・欠陥判定部２０に入力して処理される。処理した結果、即ち欠陥に関する情報はライン３５を介してデイスプレイ３５’や外部装置との通信ポート３５“等へ出力される。
【００２４】
１６はＸ−Ｙステージ９上にローディングされた被検査半導体ウェーハである。コンピュータ１８は、バスライン１９を介して走査偏向器５、Ｘ−Ｙステージ９、回転ステージ１０、画像記憶部１４ａ、１４ｂ及び画像処理・欠陥判定部２０等と接続しており、これらの各ユニットとの又は各ユニット間の信号やデータの授受を制御する。
【００２５】
検査時には、被検査半導体ウェーハ１６を搭載したＸ−Ｙステージ９は、Ｘ方向に連続して一定速度で移動する。この間電子線８は、走査偏向器５にてＹ方向に直線に走査される。これにより、予め設定した被検査半導体ウェーハ１６の一部あるいは全部の回路パターンに電子線を照射し、検査領域の大きさ・形状に適した画像形成が可能になる。
【００２６】
電子線８を被検査半導体ウェーハ１６に照射している間、発生した二次電子は検出器１１にて電気信号として検出される。検出された電気信号はＡＤ変換器１３にて変換されることによりデジタル化される。そして、所望の画素サイズに対応した時間毎に、その明るさの情報を濃淡階調値として、記憶部１４aまたは１４ｂに格納する。これを繰り返し、電子線照射位置と二次電子捕獲量の対応をとることにより、被検査半導体ウェーハ１６の二次元の二次電子画像を記憶する。検出信号を検出直後にデジタル化してから伝送することにより高速、高Ｓ／Ｎで柔軟な画像処理が施せる。
【００２７】
上記方法にて形成・伝送された二次電子画像は、複数の記憶部１４a、１４bに記憶される。チップ間で比較検査をする場合、チップＡの該検査領域についての二次電子画像をまず記憶部１４ａに格納する。次に隣接するあるいは前記チップＡとは異なるチップＢの同一箇所、同一回路パターンを記憶部１４ｂに記憶しながら同時に記憶部１４ａの画像と比較する。さらに、次のチップＣの二次電子画像は記憶部１４ａに上書き記憶され、記憶しながら同時に記憶部１４ｂのチップＢの画像と比較する。これを繰り返し、すべての検査チップ・検査領域について記憶・比較し相違部を欠陥として検出する。
【００２８】
検出した結果は、欠陥の画像又は欠陥の位置座標としてデイスプレイ３５’の画面上に表示されると共に、欠陥に関する情報として、通信ポート３５”から外部のデータ処理装置又は記憶装置（図示せず）へ出力される。
【００２９】
この方法以外に、予め標準となる半導体ウェーハ１６の回路パターンの該検査領域の二次電子画像を記憶部１４ａに記憶させる方法も可能である。予め良品の半導体ウェーハ１６’について検査領域等を設定した後検査を実行し、所望の領域の二次電子画像を取り込み、記憶部１４ａに記憶する。次に、被検査半導体ウェーハ１６を検査装置にロードし、同様の方法で検査し、その二次電子画像を記憶部１４ｂに取り込み、これと先に述べた記憶部１４ａに記憶された良品半導体ウェーハ１６’の二次電子画像と位置合わせ・各種画像処理・比較を行うことにより、欠陥のみを検出する方法も考えられる。
【００３０】
本発明の一実施例における画像処理・欠陥判定部２０の概略構成を図１６に示す。画像記憶部１４ａ、１４ｂからの画像f(x,y) とg(x,y) は、先ず濃淡補正回路２２に入力される。この濃淡補正回路２２では、本来同一であるべきパターンの濃淡値を補正し、欠陥のない部分に濃淡差（例えば、ＳＥＭで試料表面の絶縁膜に電子ビームを照射したとき、試料表面が部分的に帯電することにより発生する２次電子像の濃淡差、また、試料を光学的に検出する場合には、試料表面の光学的に透明な膜の膜厚の差によって生ずる検出画像の濃淡差）があっても、この濃淡差を正常部と認識できる程度に小さくする濃淡補正が行われる。この濃淡補正が行われた画像は、濃淡比較回路２５に送られて欠陥が検出され、検出した結果がデイスプレイ３５’の画面上に欠陥の画像または欠陥の位置座標として表示される。また、濃淡比較回路２５からの出力は、通信ポート３５”から図示しない外部の記憶装置やデータ処理装置へ、通信回線（図示せず）を介して送られる。
【００３１】
図２は、本発明の一実施例における画像処理・欠陥判定部２０のブロック図である。画像記憶部１４a及び１４bからの画像f(x,y)及びg(x,y)はまず概略位置合わせ回路２１に入力される。概略位置合わせされた画像は濃淡補正回路２２で、本来同一であるべきパターンの濃淡値を補正し欠陥のない部分に濃淡差があっても該濃淡差を正常部と認識できる程度に小さくする濃淡補正が行われる。次に非定常な画像歪みによる影響を除去するために歪み補正回路２３で位置ずれ補正を行い、画像歪みが欠陥として検出されないようにする。
【００３２】
歪み補正処理を施された２枚の画像は精密位置合わせ回路２４により、さらに精度の高い位置合わせが行われる。このようにして濃淡補正、歪み補正、及び位置合わせの済んだ画像について濃淡比較回路２５で比較処理を行い欠陥を検出する。以下、図２に示した各処理ブロックで実行される処理過程について詳述する。
【００３３】
まず概略位置合せ過程について説明する。電子線を用いた画像検出系は通常真空チャンバ内に設置されるため、被検査ウェーハを載置するステージも真空内に設置される。このため、大気中に比べるとステージの走行精度は悪く、比較すべき画像間にはステージ座標に対する歪みが含まれることになる。そこで、２枚の画像の検出に同期してステージ座標を予め記憶しておき、概略位置合わせ回路２１ではこのステージ座標を用いることで前記歪みによる画像間の位置ずれを補正する。
【００３４】
次に、濃淡補正について詳述する。図３（ａ）は比較すべき２枚の濃淡画像f(x,y)及びg(x,y)を表しており、同図（ｂ）はそれぞれの画像の濃淡値のヒストグラムを表している。パターン１０２と２０２及び１０１と２０１はそれぞれ同一の材質で形成されており本来同一の明るさで検出されるべきものである。しかし、わずかな膜厚の違いやチャージアップの影響などにより図３に示すように対応する領域の明るさが異なって検出される場合がある。この場合、２枚の画像の差は小さな値とならず、正常な部分を欠陥と誤認識してしまうことになる。
【００３５】
濃淡補正の最も単純な実施例は線形変換によるものである。比較すべき一方の画像に対し、次式に示す最小２乗法により線形変換の係数を決定することができる。
【００３６】
e = Σ<|f(x,y)-{a*g(x,y)+b}|*|f(x,y)-{a*g(x,y)+b}|> (１）
de/da = 0 , de/db = 0 (２)
但し式（１）のΣはx,yに関するものである。式（１）（２）により、線形変換を施した一方の画像と他方の画像の画素ごとの差の２乗和が最小となるように変換係数を求める。本実施例では図３の例に示すように、画像に含まれるパターンが２種類だけの場合に、対応する領域の明るさを概略一致させることができ、差分演算により正常部分を欠陥と誤認識する確率を低くすることができる。
【００３７】
画像に含まれるパターンが３種類以上でありかつそれぞれのパターンの明るさが複雑に異なる場合には単純な線形変換で濃淡補正を行うことはできない。図４は本発明による濃淡補正の他の実施例として、画像のヒストグラムを用いて濃淡変換を行う方法を示したものである。図４では図３で示したのと同じく２種類のパターンの場合を示しているが、３種類以上のパターンの場合でも同様に適用できる方法である。図４（ａ）はf(x,y)のヒストグラムであり、同図（ｂ）はg(x,y)のヒストグラムを表している。今f(x,y)に含まれる２種類のパターンはｂ及びｄの明るさでそれぞれピークを有しており、g(x,y)内で対応するピークはａ及びｃの２点である。これら２つのヒストグラムのピークが一致するようにg(x,y)に対しヒストグラム変換を行う。
【００３８】
すなわち、同図（ｃ）に示すように０からａの範囲の明るさを０からｂの範囲に変換し、ａからｃの範囲の明るさをｂからｄの範囲に変換し、ｃ以上の明るさの範囲をｄ以上の明るさの範囲に変換する折れ線近似による濃淡変換を行う。こうすることにより、図４（ｂ）の一点鎖線で示すように濃淡変換後のg(x,y)のヒストグラムとf(x,y)のヒストグラムは良く一致し、差分演算により正常部分を欠陥と誤認識する確率は非常に低くなる。
【００３９】
図５は本発明による濃淡補正のさらに他の実施例を示している。 g(x,y) のヒストグラムG(b)をある値bgまで明るさの小さい方から積分する。次にf(x,y) のヒストグラムF(b)を同様に明るさの小さい方からbfまで積分し、両者の積分値が等しくなるようにbfを決定する。この時、g(x,y)に含まれる濃淡値bgの画素の値をbfに変換する。bgを０から最大値まで変化させながら上記濃淡変換を繰り返し、画像全体の濃淡補正を行う。上述した変換方式を次式に示す。
【００４０】
【数１】

【００４１】
本変換により、濃淡変換後のg(x,y)のヒストグラムとf(x,y)のヒストグラムはほぼ一致し、差分演算により正常部分を欠陥と誤認識する確率は前記実施例よりもさらに低くなる。
【００４２】
以上述べた方法は全て、一方を他方の画像の濃淡分布に一致させるように明るさ変換を行ったが、予め画像内にあるパターンあるいは領域の数、及びその面積が分かっているのならば、これをもとにヒストグラムのモデルを用意し二枚の画像を上述した方法の一つによって、このモデルにあわせ込むことによっても濃淡補正は実施可能である。
【００４３】
以上述べたように、比較すべき画像間で濃淡補正を行うことにより、正常部分で生じる濃淡差を許容し、欠陥のみを正しく検出できるようになる。特に、明るさの違いだけでなく形状の違いを伴う欠陥については、補正量よりも小さな濃淡変化しか持たない欠陥であっても正しく検出することができる。しかし、上記した方法では形状の差を伴わない欠陥については検出すべき欠陥による濃淡差までも補正してしまい、欠陥を良品として見逃してしまう場合も考えられる。
【００４４】
図６（ａ）は正常な微小穴パターンと穴底にレジスト等の残渣が存在している欠陥パターンであり、（ｂ）はそれぞれのヒストグラムである。パターン３０１と３０２は同一の明るさｃで検出されているが、パターン３０３は明るさａ、パターン３０４は明るさｂで検出されている。この明るさの違いは穴底の残渣の有無によるもので本来欠陥として検出すべきものである。しかし、上述した濃淡補正によりパターン３０３の明るさａをパターン３０４の明るさｂに一致させてしまうと、この欠陥を見逃してしまうことになる。
【００４５】
そこで、濃淡補正の限度量３０を予め与えておき、その限度量を越える補正は行わないようにする。これにより、正常部分の明るさの違いを許容しつつ、微小穴の底に薄く存在するエッチング残りなどのような、明るさの差でしか検出できない欠陥を見逃すことなく正しく検出することができる。図６（ｂ）に一点鎖線で示したヒストグラムは補正限度量をＬとしてg(x,y)を補正したもので、明るさの差ｂ−ａが限度量Ｌを越えている場合を示している。このため、濃淡補正後であっても微小穴底に存在するエッチング残渣を明るさの差として検出することができる。
【００４６】
電子線を用いた画像検出では電子線と被検査対象物との相対速度により、対象物内に渦電流が生じ、この渦電流により生じる電界の影響で検出画像がわずかに位置ずれを生じる。相対速度が一定である場合には位置ずれ量も一定であるため、画像に歪みは生じないが、ステージの走行精度の影響で相対速度が変動する場合には位置ずれ量も変動し、これは画像の歪みとして検出される。
【００４７】
一方光学式検査においても、ウェーハの大型化によりウェーハ全面に渡る均質な配線パターンの形成はますます困難になってきていることから、ウェーハ上の位置の違いによるプロセス条件の違いにより、比較するパターンの差異が変化することが考えられる。これは相比較するパターンの位置ずれが場所に依存して変わることを意味し、結果として２画像間の非定常な歪みのように観察されるものである。
【００４８】
これらの理由により、精密な位置合わせを行っても合わせきれない微小な画像歪みが画像中に存在する。この影響を除去するために歪み補正回路２３は、画像歪みが問題とならない程度の微小領域において位置合わせを行い、画像歪みが欠陥として検出されないようにするものである。
【００４９】
以下、空間的な歪みにより存在する２枚の画像間の位置ずれを補正する歪み補正過程について３通りの方法を説明する。
【００５０】
まず、第１の方法である分割方式による歪み補正処理について述べる。検出された画像が歪みを有する時、最も単純には、図７のように、画像を歪みが問題とならないサイズに分割し、分割単位ごとに位置合せをした後に比較を行えばよい。この際、予測される位置ずれがx方向に±u、y方向に±vであるならば、各分割単位は、位置合せをするために、x方向には±uの、y方向には±vの探索が必要である。あるいは、最初から最小サイズにまで分割するのではなく、始めは粗く分割して粗い位置合せを行った後、それをさらに分割して、より精密な位置合せを行うという、段階的に位置合せする方法も考えられる。
【００５１】
図８では、まず、最小分割単位の１６倍面積をもつ分割単位（大分割単位）で位置合せをした後、それぞれを４分割した分割単位（中分割単位）で位置合せを行い、最後に、それを４分割して（小分割単位）位置合せする様子を示している。段階的に分割していく方法だと、前段階までに粗い位置合せがなされているため、各段階での位置合せの探索範囲は狭くてすむようになる。一方、先に示した最初から最小サイズにまで分割する方法では、必然的に探索範囲が広くなるため、対象物のパターンピッチが探索範囲よりも小さいと、一つずれたパターンに位置合せしてしまう可能性もある。すなわち、段階的に位置合せした方が、正確な位置合せが可能となる。
【００５２】
続いて、第２の方法である伝播方式による歪み補正処理について述べる。第１の方法では、各分割単位は、それぞれ独立に位置合せを行うが、周辺の分割単位の位置ずれ量を参照して、位置合せを行うことも可能である。そもそも画像の歪みは連続的であるから、周辺の分割単位の位置ずれ量とかけ離れた位置ずれ量を持つことはあり得ない。従って、始めに、特定の分割単位で位置ずれ量を求めれば、その周囲の分割単位では、前記の位置ずれ量を中心として、わずかな探索を行えば済むはずである。
【００５３】
図９は、ステージの走査によって、一定幅の画像が連続的に入力される場合である。
【００５４】
11〜1n、21〜2n、31〜3nは、図７における分割単位に相当する。11〜1nがパターンを有する領域のはじの部分の検出画像であるが、最初に11〜1nの位置ずれ量を求めておけば、21〜2nは、11〜1nの位置ずれ量を中心に、わずかな範囲を探索すれば、位置ずれ量は求まる。そして、31〜3nは、21〜2nの位置ずれ量を中心に探索するというようにする。
【００５５】
本方式によれば、各走査の始めだけ広い範囲の探索を行えばよいので、例えば、最初の探索はソフトウェアで行い、その間、次々と入力されるデータを、ソフトウェアの演算時間分遅延させるようにすれば、位置ずれ検出部のハードウェア規模を小さくすることが可能となる。
【００５６】
最後に、第３の方法である補間方式による歪み補正処理について述べる。前記第１の方法では、より正確な位置合せをするために、段階的に位置合せする方法を述べた。ここで述べる、第３の方法では、段階的に求める代わりに、正しい位置合せが可能な分割単位における位置ずれ検出結果を補間して、正しい位置合せが求まらない分割単位の位置ずれ量とする。図１０において、○は位置ずれ量が定まった分割単位であり、×は定まらない領域である。○における位置ずれ量を補間して、×の位置ずれ量とするわけである。位置ずれ量が定まる、定まらないは、例えば、検査画像に対して参照画像を１画素ずつシフトさせ、その時々にマッチング度を求め、マッチング度が高くなるシフト量が単一に定まるか否かで判断する。補間方法としては、直線（あるいは平面）補間、スプライン曲線（あるいは曲面）補間などを用いる。
【００５７】
次に精密位置合わせ過程について説明する。まず両画像の相対的な画素以下の位置ずれ量を算出する。その後に、精密位置合わせを実現する方法としては、各画像を相対的にシフトして重ね合わせることにより行う方法と、位置ずれ量をもとに各画像の濃淡値を補正することにより行う方法との２通りある。
【００５８】
まず両画像の相対的な画素以下の位置ずれ量を算出する方法について具体的に説明する。
【００５９】
いま画素単位に位置合わせされた画像をf1、g1とし、この２枚の画像の画素以下の位置ずれ量（位置ずれ量は0〜1の実数となる）を算出することを考える。２枚の画像の位置整合度の測度としては、次式に示すような選択肢が考えられる。
【００６０】
max|f0-g0|, ΣΣ|f0-g0|, ΣΣ(f0-g0)2 （４）
ここでは、三番目に記した「差の２乗和」を採用した例を示す。
【００６１】
f1とg1の中間位置を位置ずれ量0とし、f1はｘ方向に-dx、ｙ方向に-dy 、g1はｘ方向に+dx、 ｙ方向に+dyだけずれていると考える。つまり、f1とg1のずれ量は、ｘ方向が2* dx 、ｙ方向が2* dyと考える。dx、dyは非整数のため、dx、dyだけずらすには、画素と画素の間の値を定義する必要がある。 f1をｘ方向にdx、ｙ方向にdyだけずらした画像f2、 g1をｘ方向に-dx、 ｙ方向に-dyだけずらした画像g2を次のように定義する。
【００６２】

式（５）（６）はいわゆる線形補間である。 f2 とg2の整合度e2(dx ,dy)は「差の２乗和」により次のように定義される。
【００６３】
e2(dx ,dy)= ΣΣ(f2(x,y) - g2(x, y))2 （７）
精密位置合わせ部２２の目的は、e2(dx ,dy)が最小値をとるdxの値dx0 ,dyの値dy0を求めることである。それには、(4)式をdx ,dyで偏微分した式を0とおいて、それをdx ,dyについて解きdx0 ,dy0を求める。
【００６４】
両画像を相対的にシフトして重ね合わせることにより精密位置合わせを行う方法は、求めたdx0 ,dy0を(2)(3)式に代入し各画像を位置ずれ量０位置にシフトすることにより実現される。得られた画像f2,g2は画素以下の精度で位置合わせされている。この方法は通常の光学式の検査装置で用いられている方法と同様のものである。
【００６５】
次に、位置ずれ量をもとに画像の濃淡値を補正して精密位置合わせを行う方法について述べる。 f1とg1の中間位置を位置ずれ量0とし、f1はｘ方向に-dx、ｙ方向に-dy 、g1はｘ方向に+dx、 ｙ方向に+dyだけずれているのであるから、位置ずれ量０位置における各々の画像の明るさは、
f3 = f1(x,y) + dx1(x,y)*dx + dy1(x,y)* dy （８）
g3 = g1(x,y) - dx2(x,y)*dx - dy2(x,y)* dy （９）
である。ただし、
dx1(x,y)=f1(x+1,y)-f1(x,y) （１０）
dx2(x,y)=g1(x,y)-g1(x-1,y) （１１）
dy1(x,y)=f1(x,y+1)-f1(x,y) （１２）
dy2(x,y)=g1(x,y)-g1(x,y-1) （１３）
である。f3=g3であるから、
g1(x,y) = f1(x,y) + A(x,y) （１４）
ただし
A(x,y) = (dx1(x,y) + dx2(x,y))*dx + (dy1(x,y) + dy2(x,y))* dy （１５）
であり、f1の濃淡値をAにより補正することで精密位置合わせを達成できる。
【００６６】
A(x,y)は、画素以下の位置ずれ量dx0、dy0に対応して両画像間での濃淡値の差を補正するための項である。例えば式（１０）で表されるdx1は、f1の階調値のｘ方向の局所的な変化率だから、 dx1(x,y) *dx0は、位置がdx0ずれた時のf1の階調値の変化の予測値ということができる。よって、A(x,y)の第１項は、ｘ方向にf1の位置をdx0、g1の位置を- dx0ずらした時に、f1とg1の差画像の階調値がどのぐらい変化するかを画素ごとに予測した値ということができる。同様に、第２項はｙ方向について予測した値ということができる。 A(x,y)により、既知の位置ずれdx0、dy0による２画像間の濃淡値の差をキャンセルすることができる。
【００６７】
以上、図２に示した処理の組み合わせに即して述べたが、画素以上の欠陥検出を目的とする場合などは、図１１に示すように精位置合わせ過程を省いても良い。また、濃淡補正を実効的なものとするためには、二つの画像に含まれるパターンが同一であることが望ましい。濃淡補正を行わなくても歪み補正が有効に機能するような対象であれば、図１２(a)(b)(c)に示すように、歪み補正の後に、場合によっては精位置合わせの後に濃淡補正を行っても良い。歪み補正、及び精位置合わせの前に濃淡補正が必要であり、かつ再度同一パターン領域で濃淡補正をおこなうことにより、より厳密に２枚の画像の位置及び明るさ方向の合わせ処理の実現が可能である。これを実現するための処理の組み合わせの実施例を図１３(a)(b)(c)(d)に示す。
【００６８】
ここで、画像処理・欠陥判定部２０は、図１７に示すように、マイクロプロセッサによって構成することもできる。この図１７に示すマイクロプロセッサには、例えば図２に示した概略位置合せ２１、濃淡補正２２、歪み補正２３、精密位置合せ２４及び濃淡比較２５等の処理ステップを処理する処理プログラムが組み込まれており、コンピュータ１８の制御信号により、記憶部１４ａ、１４ｂからの画像データ f(x,y)とg(x,y)を所定のプログラムに従って処理し、その結果をライン３５を介して出力する。
【００６９】
図１４は、本発明による外観検査装置の画像処理・欠陥判定部の他の実施例である。濃淡補正回路２３に対し、濃淡補正限度量３０及び、濃淡補正領域サイズ３１が入力できるようになっている。特に、この濃淡補正限度量３０及び、濃淡補正領域サイズ３１は検査開始前に検査パラメータの一つとしてハードディスクやフロッピーディスクのような記憶媒体から読み込むことができるようになっている。
【００７０】
これにより、微小穴底の残渣のような濃淡差でしか検出できない欠陥が発生する確率の高いパターンでは補正限度量を小さくし、膜厚差が濃淡に影響を与えやすいあるいはチャージアップなどの影響を受けやすいパターンでは補正限度量を大きくするなどパターンに応じた最適補正限度量を設定することができる。また、補正限度量を操作画面上のメニューから与えられるようにすることで、最適補正限度量が未知の検査対象パターンに対し、試験的に補正限度量を設定して性能評価を行うことが容易となる。
【００７１】
また、以上説明した実施の形態では、電子光学的検出手段を用いる装置の場合について説明したが、図１５に示すような光学的検出手段等、いかなる検出手段を用いる方式でも同様に実施できることは言うまでもない。
【００７２】
即ち、図１５には、光学的検出手段（検出部）２０１を用いるパターン検査装置の概略構成を示す。
【００７３】
検出部２０１は、半導体ウエハ等の被検査対象物２００を載置してｘ、ｙ方向に移動するステージ２０２と、光源２０３と、該光源２０３から出射した光を集光する照明光学系２０４と、該照明光学系２０４で集光された照明光を被検査対象物２００に照明し、被検査対象物２００から反射して得られる光学像を結像させる対物レンズ２０５と、該対物レンズ２０５を含めた検出光学系で結像された光学像を受光して明るさに応じた画像信号に変換する光電変換素子の一実施例である１次元イメージセンサ２０６とから構成される。
【００７４】
そして、検出部２０１の１次元イメージセンサ２０６で検出された画像信号は、画像入力部２１２に入力される。画像入力部２１２は、Ａ／Ｄ変換器２０７と、Ａ／Ｄ変換器２０７から得られる階調値を有するデジタル画像信号は２系統に分かれ、比較画像f(x,y)を作成するために該デジタル画像信号を記憶する画像メモリ部２１０と、参照画像g(x,y)を作成するために遅延回路２０９を介して該デジタル画像信号を記憶する画像メモリ部２１１を有している。当然、画像入力部２１２には、シェーディング補正、暗レベル補正、フィルタリング処理等の前処理回路２０８を備えても良い。
【００７５】
f(x,y)、g(x,y)は図２、図１１、図１２、図１３の各々２枚の入力画像データに対応する。画像処理部２１３は、図２、あるいは図１１、あるいは図１２、あるいは図１３に示す処理ブロックの一つより構成されるものであり、同じ画像処理に基づく欠陥判定を行うことができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、電子線を用いた画像検出で、正常部分として許容すべき程度の膜厚差やチャージアップの影響などで、比較すべき画像間の正常なパターンに濃淡差が生じ、これを欠陥と誤認識してしまうという問題や、電子線と被検査対象物との相対速度の変化により生ずる渦電流により、電界の影響で検出画像に位置ずれを生じ、これが画像の歪みとして検出され、従来法による画像比較では画像全体に渡っての位置合わせは困難であり、正常部でも欠陥と誤認識してしまうという問題を解決することができる。
【００７７】
即ち、本発明によれば、濃淡差を補正し、歪みの度合いに応じて位置合わせを行うことにより誤検出の確率を低減することができる。また、濃淡補正の限度量を設定することで、正常パターン部の濃淡差を許容しつつ微小穴底のレジスト残渣のように明るさの差でしか検出できない欠陥を見逃すことなく検出することができ、信頼性の高い検査を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による検査装置の一実施例の略断面図である。
【図２】本発明による画像処理・欠陥判定部のブロック図である。
【図３】正常パターン部分での明るさの違いを説明するパターンの平面図である。
【図４】本発明による濃淡補正の他の実施例を説明する図である。
【図５】本発明による濃淡補正のさらに他の実施例を説明する図である。
【図６】濃淡補正により見逃してしまう可能性のある欠陥パターンの平面図である。
【図７】歪みを有する画像を小領域に分割する様子を模式的に示す図である。
【図８】歪みを有する画像を段階的に小領域に分割する様子を模式的に示す図である。
【図９】一定幅の画像が連続的に入力される様子を模式的に示す図である。
【図１０】補間方式による歪み補正処理を説明する図である。
【図１１】本発明による画像処理・欠陥判定部のブロック図である。
【図１２】本発明による画像処理・欠陥判定部のブロック図である。
【図１３】本発明による画像処理・欠陥判定部のブロック図である。
【図１４】本発明による外観検査装置の画像処理・欠陥判定部の他の実施例のブロック図である。
【図１５】本発明による検査装置の一実施例の略図である。
【図１６】本発明による外観検査装置の画像処理・欠陥判定部の他の実施例のブロック図である。
【図１７】本発明による外観検査装置の画像処理・欠陥判定部の他の実施例のブロック図である。
【符号の説明】
１…電子銃、２…電子線引き出し電極、３…コンデンサレンズ、４…ブランキング用偏向器、５…走査偏向器、６…絞り、７…対物レンズ、８…電子線、９…Ｘ−Ｙステージ、１０…回転ステージ、１１…二次電子検出器、１２…プリアンプ、１３…ＡＤ変換器、１４a…画像記憶部、１４b…画像記憶部、１６…半導体ウェーハ、２０…画像処理・欠陥判定部、２１…概略位置合わせ回路、２２…濃淡補正回路、２３…歪み補正回路、２４…精密位置合わせ回路、２５…濃淡比較回路、３０…濃淡補正限度量、３１…領域サイズ、２００…被検査対象物、２０１…光学的検出手段、２０２…ステージ、２０３…光源、２０４…照明光学系、２０５…対物レンズ、２０６…１次元イメージセンサ、２０７…Ａ／Ｄ変換器、２０８…前処理回路、２０９…遅延回路、２１０…画像メモリ部、２１１…画像メモリ部、２１２…画像入力部、２１３…画像処理部。

Claims (20)

1. 本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像して該２つの個所の前記本来同一となるべきパターンを含む２つの画像を得、該得た２つの画像の前記本来同一となるべきパターンの像の概略位置合せを行い、該概略位置合せを行った２つの画像のうちの少なくとも一方の画像の濃淡を補正し、該少なくとも一方の画像の濃淡を補正した２つの画像の前記本来同一となるべきパターンの像の前記位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として該画像歪が問題とならない程度の大きさの領域に分割し、該分割した領域ごとに２つの画像の位置合せを行い、該位置合せを行った領域ごとに２つの画像を比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出することを特徴とする外観検査方法。
2. 前記画像の濃淡を補正することを、前記２つの画像の前記本来同一となるべきパターンの対応する個所を含む領域の画像の明るさを補正することを特徴とする請求項１記載の外観検査方法。
3. 本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像して該２つの個所の前記本来同一となるべきパターンを含む２つの画像を得、該得た２つの画像を第１の画像分割単位ごとに位置合せし、該位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として前記第１の画像分割単位を更に複数に分割した第２の画像分割単位ごとに補正し、該第２の画像分割単位ごとに画像歪みを補正した前記２つの画像を前記第２の画像分割単位ごとに比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出することを特徴とする外観検査方法。
4. 前記２つの画像の互いの像の歪みを補正した後に、前記２つの画像の前記本来同一となるべきパターンの像を前記画像の画素寸法以下の精度で位置合せを行うことを特徴とする請求項３記載の外観検査方法。
5. 本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像して該２つの個所の前記本来同一となるべきパターンを含む２つの画像を得る工程と、
   該得た２つの画像の概略の位置合せを行う工程と、
   該概略の位置を合わせた２つの画像のうちの少なくとも一方の画像の濃淡を補正する工程と、
   前記概略の位置を合わせた２つの画像の該位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として補正する工程と、
   該得た２つの画像の前記本来同一となるべきパターンの像を前記画像の画素寸法以下の精度で位置合せを行う工程と、
   該画像の画素寸法以下の精度で位置合せを行う工程により本来同一となるべきパターンの像を前記画像の画素寸法以下の精度で位置合せを行った２つの画像を比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出する工程と
   を有することを特徴とする外観検査方法。
6. 前記２つの画像を得る工程に於いて、前記被検査対象物の２つの個所の撮像を、前記被検査対象物に照射した電子ビームにより発生する２次荷電流子を検出することにより行うことを特徴とする請求項５記載の外観検査方法。
7. 前記濃淡を補正する工程を、前記歪みを補正する工程の前に行うことを特徴とする請求項５又は６記載の外観検査方法。
8. 前記濃淡を補正する工程を、前記歪みを補正する工程の後に行うことを特徴とする請求項５又は６記載の外観検査方法。
9. 前記濃淡を補正する工程を、前記歪みを補正する工程の前と後に行うことを特徴とする請求項５又は６記載の外観検査方法。
10. 前記濃淡を補正する工程は、２つの画像の対応するパターンを含む予め定められた大きさの領域毎に行われることを特徴とする請求項５又は６記載の外観検査方法。
11. 前記濃淡を補正する工程は、前記予め定められた大きさの領域毎の明るさが概略等しくなるように補正することを特徴とする請求項１０記載の外観検査方法。
12. 前記濃淡を補正する工程は、前記補正する補正量が予め設定した限度値を越える補正を行わないことを特徴とする請求項５又は６記載の外観検査方法。
13. 前記濃淡を補正する工程は、前記２つの画像の対応する画素ごとの濃淡値の差分の二乗の総和が最小となるように前記２つの画像の内の一方の画像の濃淡値の線形変換の係数を決定し、該決定した係数を用いて前記２つの画像の内の一方の画像の濃淡値を線形変換することによって行うことを特徴とする請求項５又は６記載の外観検査方法。
14. 前記濃淡を補正する工程は、前記２つの画像の内の一方の画像の濃淡値のヒストグラムを用い、前記２つの画像の内の他方の画像のヒストグラムとピーク位置が一致するように又は形状が一致するように前記２つの画像の内の一方の画像の濃淡値を変更することにより行うことを特徴とする請求項５又は６記載の外観検査方法。
15. 前記濃淡を補正する工程は、前記２つの画像の各々の濃淡値のヒストグラムを、予め設定した濃淡値のヒストグラムの形状と同じくなるように各々の濃淡値を変更することによって行うことを特徴とする請求項５又は６記載の外観検査方法。
16. 本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像して該２つの個所の前記本来同一となるべきパターンを含む２つの２次元画像を得る撮像手段と、
    該撮像手段で撮像した前記本来同一であるべきパターンの前記２つの２次元画像を第１の画像分割単位ごとに位置合せをして該位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として検出して前記第１の画像分割単位を更に複数に分割した第２の画像分割単位ごとに前記２つの２次元画像の内の少なくとも何れか一方の画像を補正して前記画像歪みを補正する歪み補正手段と、
    前記撮像手段で撮像して得られた前記２つの２次元画像上で前記本来同一となるべきパターンの像の位置合せを行う位置合せ手段と、
    前記歪み補正手段で前記第２の画像分割単位ごとに少なくとも何れか一方の画像歪みが補正され前記位置合せ手段で位置合せを行った前記２つの２次元画像を比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出する欠陥検出手段と
    該欠陥検出手段で検出した欠陥に関する情報を出力する出力手段と
    を備えたことを特徴とする外観検査装置。
17. 本来同一となるべきパターンを複数形成した被検査対象物の２つの個所を撮像して該２つの個所の前記本来同一となるべきパターンを含む２つの２次元画像を得る撮像手段と、
    該撮像手段で撮像した前記本来同一であるべきパターンの画像の濃淡値を比較して前記２つの２次元画像の位置合せをして該位置を合わせた２つの画像の内の少なくとも何れか一方の画像の濃淡値を補正する濃淡値補正手段と、
    前記撮像手段で撮像した前記本来同一であるべきパターンの前記位置を合わせた２つの２次元画像の該位置合せによっても合わせ込めない部分的な画像間のずれを画像歪として補正する歪み補正手段と、
    前記撮像手段で撮像した２つの２次元画像上で前記本来同一となるべきパターンの像の位置合せを行う位置合せ手段と、
    該位置合せ手段で位置合せを行った前記２つの２次元画像を比較してお互いに異なる部分を欠陥として検出する欠陥検出手段と
    該欠陥検出手段で検出した欠陥に関する情報を出力する出力手段と
    を備えたことを特徴とする外観検査装置。
18. 前記撮像手段は、前記被検査対象物に電子ビームを照射して、該照射により前記被検査対象物から発生する２次荷電粒子を検出することにより前記被検査対象物の２次粒子像を得ることを特徴とする請求項１６または１７の何れかに記載の外観検査装置。
19. 前記撮像手段は、前記被検査対象物に光を照射して、該光に照射された前記被検査対象物の光学像を得ることを特徴とする請求項１６または１７の何れかに記載の外観検査装置。
20. 前記出力手段は、欠陥検出手段で検出した欠陥に関する情報を画面上に表示することを特徴とする請求項１６または１７の何れかに記載の外観検査装置。

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