JP4710068B2 - 焦点調整機構、検査装置及び焦点調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、焦点調整機構、検査装置及び焦点調整方法に関し、特に、半導体製造工程で利用されるパターンが形成されたフォトマスク等を検査するための検査装置及びこれに用いられる焦点調整機構、並びに焦点調整方法に関する。

半導体製造工程において利用されるフォトマスク（以下、マスクという。）にパターン欠陥や異物の付着等があると、配線の短絡等の不良原因となり、歩留が低下する。従って、マスクの欠陥等を検査するマスク検査装置が開発され、実用化されている。一般にマスクの欠陥検査法には、マスクパターンと設計データとの比較検査法（一般にＤｉｅ−ｔｏ−ｄａｔａｂａｓｅ比較法と呼ばれる。）と、２つのマスクにおけるパターン比較検査法（一般にＤｉｅ−ｔｏ−ｄｉｅ比較法と呼ばれる。）との２通りの方法が広く知られている。これらの検査方法ではいずれも、マスクパターンの微小な観察領域を対物レンズによって拡大し、その拡大された光学像をＣＣＤ等の撮像装置で撮像して比較している。

通常、マスク検査装置には、マスクの観察領域に自動的に焦点を合わせるための焦点調整機構（オートフォーカス機構）が設けられている。この焦点調整機構には、例えば、光てこ方式や非点収差方式によるものが知られている。図７に、従来のマスク検査装置に設けられた光てこ方式の焦点調整機構の構成を模式的に示す。図７に示すように、従来の焦点調整機構は、レーザ光源１７、ダイクロイックミラー１４、対物レンズ１３、レンズ１８、光検出器１９、処理装置２０、対物レンズ駆動機構２５を備えている。

光てこ方式の焦点調整機構においては、レーザ光源１７から出射された光は、ダイクロイックミラー１４で反射され、対物レンズ１３の瞳の片側半分の領域を通過して、マスク４０のパターン面に照射される。マスク４０のパターン面で反射された光は、対物レンズ１３の反対側の片側半分の領域を通過する。そして、対物レンズ１３を通過した反射光は、ダイクロイックミラー１４で反射され、レンズ１８を通過して、光検出器１９に入射する。

光検出器１９は、二分割フォトダイオードであり、マスク４０のパターン面が合焦点位置となっている状態で、反射光が２分割フォトダイオードの中心に入射するように配置されている。従って、マスク４０のパターン面が対物レンズ１３の焦点位置からずれた場合は、反射光の位置が２分割フォトダイオードの中心からずれる。この反射光の位置ずれに基づく、２分割フォトダイオードの出力の差が焦点位置のずれ量を示すものとなる。よって、２分割フォトダイオードの出力を同じにするよう、フィードバック制御することで、焦点を合わせることができる（例えば、特許文献１〜４参照）。
特開昭６２−８５２１１号公報 特開昭６１−２９０４１４号公報 特開２００６−２７６２１４号公報 特開平５−３３３５２９号公報

ところで、マスクには、石英ガラス等からなるマスク基板上に所定のパターンが形成されている。焦点調整動作を行う際に、マスク４０のパターン面にレーザ光を照射すると、このパターンからの回折光が発生する。この回折光の影響により、焦点調整動作が正常に行われないという問題があった。また、対物レンズのフォーカス位置がずれることにより、光検出器により得られるマスクパターンの光学像が異常となってしまう。このような場合、上述したＤｉｅ−ｔｏ−ｄｉｅ比較法等では、欠陥のないリファレンスダイと検査対象のマスクパターンの光学像を比較するため、実際には欠陥がないにもかかわらず欠陥があるとして判断されて、疑似欠陥が発生してしまう。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、パターンの影響を抑制し、焦点調整動作の安定性を図ることができる焦点調整機構、検査装置及び焦点調整方法を提供することである。

本発明の第１の態様に係る焦点調整機構は、パターンが形成された試料のパターン形成面に対して対物レンズの焦点位置を調整するための焦点調整機構であって、前記パターン形成面の反対側の面に光を照明する第１の光源と、前記パターン形成面の反対側の面からの反射光を検出して、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さを測定する位置検出器と、前記位置検出器で測定された前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さと、前記試料の厚みとに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する制御部と、を備えるものである。これにより、パターンの影響を回避し、焦点調整動作の安定性を図ることができる。

本発明の第２の態様に係る焦点調整機構は、上記の焦点調整機構において、前記対物レンズの位置に応じて、前記試料の前記パターン形成面の高さを検出する高さ測定器をさらに備え、前記制御部は、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さ及び前記試料の前記パターン形成面の高さに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御するものである。これにより、より正確に焦点位置の調整を行うことができる。

本発明の第３の態様に係る焦点調整機構は、上記の焦点調整機構において、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さ及び前記試料の前記パターン形成面の高さから、前記試料の厚みの分布を算出する厚み算出部を備え、前記制御部は、前記試料の厚みの分布に基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御するものである。これにより、より正確に焦点位置の調整を行うことができる。

本発明の第４の態様に係る焦点調整機構は、上記の焦点調整機構において、あらかじめ測定した前記試料の厚みの分布データを記憶する記憶部を備え、前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記試料の厚みの分布データに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御するものである。これにより、正確な焦点調整ができ、その結果、正しい検査ができる。

本発明の第５の態様に係る焦点調整機構は、上記の焦点調整機構において、前記厚み算出部は、前記試料の検査済みの領域の厚みの分布の測定結果をフィルタリング処理して前記パターンの影響を除去し、前記試料の未検査領域の厚みを外挿して前記試料の厚みの分布を推定するものである。これにより、簡便に試料の厚みの分布を推定することができ、正確な焦点調整ができ、その結果、正しい検査ができる。

本発明の第６の態様に係る焦点調整機構は、上記の焦点調整機構において、前記対物レンズの瞳の片側半分の領域を介して、前記試料の前記パターン形成面に光を照射する第２の光源と、前記第２の光源から前記対物レンズの瞳の片側半分を介して前記パターン形成面に入射した光のうち、当該パターン形成面で反射し、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した反射光を検出する光検出器とをさらに備えるものである。これにより、パターン形成面で反射し、対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した反射光に基づいた焦点調整と、位置検出器で測定された試料のパターン形成面の反対側の面の高さに基づいた焦点調整とを行うことができ、より正確に焦点位置の調整を行うことができる。

本発明の第７の態様に係る焦点調整機構は、上記の焦点調整機構において、前記厚み算出部により得られた前記試料の厚み分布に基づいて、前記試料の厚みが所定の量以上変化したか否かを判定する判定部と、前記判定部の判定結果に基づいて、前記光検出器での検出結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する第１のモードと、前記位置検出器での検出結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する第２のモードとを切り替えるモード切り替え部を備えることを特徴とするものである。これにより、焦点調整動作の安定性を図ることができる。

本発明の第８の態様に係る焦点調整機構は、上記の焦点調整機構において、前記位置検出器又は前記高さ検出器からの測定結果を平滑化する演算部を備え、前記制御部は、前記演算部で平滑化された前記測定結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御するものである。これにより、さらに焦点調整動作の安定性を図ることができる。

本発明の第９の態様に係る検査装置は、前記試料を観察するための照明光を出射するための観察用光源と、前記試料の光学像を撮像するための撮像装置と、上記のいずれかに記載の焦点調整機構とを備えるものである。これにより、正確に焦点位置の調整を行うことができ、正確に試料の検査を行うことができる。

本発明の第１０の態様に係る焦点調整方法は、パターンが形成された試料のパターン形成面に対して対物レンズの焦点位置を調整するための焦点調整方法であって、前記パターン形成面の反対側の面に光を照明するステップと、前記パターン形成面の反対側の面からの反射光を検出して、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さを測定するステップと、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さと、前記試料の厚みとに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御するステップとを含む。これにより、パターンの影響を回避し、焦点調整動作の安定性を図ることができる。

本発明の第１１の態様に係る焦点調整方法は、上記の焦点調整方法において、前記対物レンズの位置に応じて、前記試料の前記パターン形成面の高さを検出するステップを含み、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さ及び前記試料の前記パターン形成面の高さに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御することを特徴とする。これにより、より正確に焦点位置の調整を行うことができる。

本発明の第１２の態様に係る焦点調整方法は、上記の焦点調整機構において、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さ及び前記試料の前記パターン形成面の高さから、前記試料の厚みの分布を算出するステップを含み、前記試料の厚みの分布に基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御することを特徴とする。これにより、より正確に焦点位置の調整を行うことができる。

本発明の第１３の態様に係る焦点調整方法は、上記の焦点調整方法において、あらかじめ測定した前記試料の厚みの分布データを記憶するステップを含み、パターン検査時に前記パターン形成面の反対側の面からの反射光を検出して、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さを測定し、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さと、記憶した前記試料の厚みの分布データに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御することを特徴とする。これにより、正確な焦点調整ができ、その結果、正しい検査ができる。

本発明の第１４の態様に係る焦点調整方法は、上記の焦点調整方法において、前記試料の厚みの分布を前記パターンの検査と同時に測定し、前記試料の検査済みの領域の厚みの分布の測定結果をフィルタリング処理して前記パターンの影響を除去し、前記試料の未検査領域の厚みを外挿して推定するステップを含む。これにより、簡便に試料の厚みの分布を推定することができ、正確な焦点調整ができ、その結果、正しい検査ができる。

本発明の第１５の態様に係る焦点調整方法は、上記の焦点調整方法において、前記対物レンズの瞳の片側半分の領域を介して、前記試料の前記パターン形成面に光を照射するステップと、前記第２の光源から前記対物レンズの瞳の片側半分を介して前記パターン形成面に入射した光のうち、当該パターン形成面で反射し、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した反射光を検出するステップと、前記パターン形成面で反射し、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した反射光に基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御するステップと、前記試料の厚みが、所定の量以上変化したか否かを判定するステップと、前記試料の厚みが所定の量以上変化したと判定された場合に、前記光検出器で検出された検出結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する第１のモードから、前記位置検出器で測定された検出結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する第２のモードに切り替えるステップとを含む。これにより、より焦点調整動作の安定性を図ることができる。

本発明の第１６の態様に係る焦点調整方法は、上記の焦点調整方法において、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さ、又は、前記試料の前記パターン形成面の高さの測定結果を平滑化するステップを含み、前記演算部で平滑化された前記測定結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する。これにより、さらに焦点調整動作の安定性を図ることができる。

本発明によればパターンの影響を抑制し、焦点調整動作の安定性を図ることができる焦点調整機構、検査装置及び焦点調整方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施例の形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る検査装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る検査装置１０の基本構成を示した図である。また、図２は、本実施の形態に係る検査装置１０に用いられる処理装置２０の構成を示すブロック図である。なお、図１において、マスク４０に平行な方向をｘｙ方向とし、垂直な方向をｚ方向とする。本実施の形態に係る検査装置１０は、基板上にパターンが形成されたマスク４０の欠陥あるいは異物の検査を行うものである。ここでは、石英ガラス基板上にパターンが形成された、半導体製造工程で用いられるフォトマスクを検査する例について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る検査装置１０は、観察用光源１１、コンデンサーレンズ１２、対物レンズ１３、ダイクロイックミラー１４、結像レンズ１５、撮像装置１６、上部光源１７、レンズ１８、光検出器１９、処理装置２０、対物レンズ駆動機構２５、高さ測定器３０、下部光源３１、レンズ３２、３３、位置検出器３４を備えている。本実施の形態に係る検査装置１０では、マスク４０を観察する観察光学系とともに、マスク４０と対物レンズ１３とのｚ方向の相対距離を調整して、焦点合わせを行う焦点調整機構が設けられている。なお、ここでは、マスク４０の下側から光を照射し、マスク４０を透過する光を検出する透過照明の検査装置を例として説明するが、マスク４０の上側から光を照射し、マスク４０で反射する光を検出する反射照明の検査装置、及びこれらを両方備えた検出装置にも本発明は適用可能である。

まず、マスク４０を観察するための観察光学系について説明する。観察光学系は、観察用光源１１、コンデンサーレンズ１２、対物レンズ１３、ダイクロイックミラー１４、結像レンズ１５、撮像装置１６を備えている。観察用光源１１は、例えば、ランプ光源などの光源であり、マスク４０を照明するための照明光を出射する。観察用光源１１からの照明光は、コンデンサーレンズ１２により集光され、マスク４０の観察領域に照射される。これにより、マスク４０を照明することができる。

そして、マスク４０を透過した光は、対物レンズ１３に入射される。このとき、後に説明する焦点調整機構により、マスク４０の表面（パターン形成面）に対物レンズ１３の焦点が合わせられた状態となっている。対物レンズ１３を透過した光は、ダイクロイックミラー１４に入射する。ダイクロイックミラー１４に入射した光の一部は、ダイクロイックミラー１４を透過し、結像レンズ１５のほうへ出射される。結像レンズ１５は入射した光を集光して、撮像装置１６の受光面にマスク４０の光学像を投影する。従って、観察用光源１１からの照明光の光軸は、コンデンサーレンズ１２、対物レンズ１３、結像レンズ１５の中心と一致している。すなわち、観察光学系の光軸はコンデンサーレンズ１２、対物レンズ１３、結像レンズ１５の中心と一致している。

撮像装置１６は、受光素子がアレイ上に配列された二次元光検出器である。従って、撮像装置１６にアレイ状に配列された受光素子の各々が、光を検出するための画素となる。撮像装置１６としては、例えば、ＣＣＤカメラを用いることができる。撮像装置１６は、マスク４０を透過した透過光がその受光面で結像するよう配置されている。従って、撮像装置１６によりマスク４０の光学像を撮像することができる。

なお、ここでは図示していないが、マスク４０はそのエッジの部分で保持されており、ｘｙ方向に移動可能となっている。これにより、マスク４０の任意の位置に観察用光源１１からの照明光を入射させることができ、マスク４０のパターン形成面の全面を観察することができる。また、対物レンズ１３はｚ方向に移動可能に設けられており、対物レンズ１３をｚ方向に移動させることにより、対物レンズ１３とマスク４０との距離を変化させることができる。これにより、後述する焦点合わせを行うことができる。なお、マスク４０をｚ方向に移動させて、焦点合わせを行ってもよい。

次に、焦点調整機構について説明する。焦点調整機構は、対物レンズ１３の焦点位置にマスク４０のパターン形成面を合わせるためのものである。焦点調整機構は、マスク４０のパターン形成面からの反射光を利用した光てこ方式の第１焦点調整光学系と、マスク４０のパターン形成面の反対側の面（裏面）からの反射光を利用した第２焦点調整光学系とを含む。第１焦点調整光学系は、対物レンズ１３、ダイクロイックミラー１４、上部光源１７、レンズ１８、光検出器１９を含む。また、第２焦点調整光学系は、下部光源３１、レンズ３２、３３、位置検出器３４を含む。焦点調整機構は、第１焦点調整光学系及び第２焦点調整光学系と、処理装置２０、高さ測定器３０を有している。

まず、第１焦点調整光学系について説明する。上部光源１７は、レーザダイオードなどの点光源であり、観察光学系の光軸からずれて配置されている。すなわち、検査装置１０では、上部光源１７の光軸は観察用光源１１からの照明光の光軸と一致していない。上部光源１７から出射された光ビームは、ダイクロイックミラー１４で反射され、対物レンズ１３に入射する。上部光源１７からの光ビームは、その光軸が対物レンズ１３の中心からずれており、対物レンズ１３の片側半分の領域を通過する。具体的には、図１において、上部光源１７からの光ビームは、対物レンズ１３の左側を通過する。このように光てこ方式の焦点調整機能を実現するため、上部光源１７は対物レンズ１３の瞳の片側半分の領域に光ビームが入射するよう、コンデンサーレンズ１２の中心からずれて配置されている。

対物レンズ１３の瞳の片側半分の領域に入射した光ビームは、マスク４０で反射される。そして、マスク４０で正反射された光ビームは対物レンズ１３の瞳の反対側の片側半分の領域に入射する。すなわち、上部光源１７から対物レンズ１３に入射した光ビームと、マスク４０で正反射した反射光とは、対物レンズ１３の中心線を境として異なる領域を通過する。具体的には、図１において、上部光源１７から対物レンズ１３に入射した光ビームは対物レンズ１３の左側半分の領域を、マスク４０で反射した反射光は対物レンズ１３の右側半分の領域を通過する。

対物レンズ１３の右側半分の領域を通過した反射光は、ダイクロイックミラー１４に入射する。ダイクロイックミラー１４に入射した反射光の一部は、レンズ１８を介して光検出器１９に入射し、その受光面で結像する。光検出器１９としては、例えば、二分割フォトダイオードを用いることができる。二分割フォトダイオードには、それぞれ一定の受光領域を持つ二個のフォトダイオードが隣接して設けられている。二分割フォトダイオードは、マスク４０のパターン形成面に対物レンズ１３の焦点が合っているとき、その中心に光が入射するように配置されている。すなわち、マスク４０のパターン形成面に焦点が合っている光ビームが反射されて二分割フォトダイオードに入射した場合、二分割フォトダイオードの２つのフォトダイオードの境界線をまたぐよう光が入射する。

従って、マスク４０のパターン形成面に対物レンズ１３の焦点が合っているとき、一方のフォトダイオードに入射した光に対応した出力信号をＡ、もう一方のフォトダイオードに入射した光に対応した出力信号をＢとすると、Ａ＝Ｂとなる。一方、マスク４０のパターン形成面から焦点がずれると、二分割フォトダイオードに入射する光は、二分割フォトダイオードの中心から位置がずれる。従って、２つのフォトダイオードに入射する光の光量に差が生じ、Ａ＞Ｂ又はＢ＞Ａとなる。

二分割フォトダイオードは、それぞれのフォトダイオードでの受光量にほぼ比例した光電信号を処理装置２０に出力する。図２に示すように、処理装置２０には、対物レンズ１３を駆動するための制御部２１が設けられている。制御部２１では、この２個のフォトダイオードからの光電信号の差分、すなわち、Ａ−Ｂを検出している。マスク４０のパターン形成面に焦点が合っているとき、二分割フォトダイオードの中心に光が入射するため、差分は０となる。一方、マスク４０のパターン形成面から焦点がずれると、二分割フォトダイオードに入射する光は中心からずれる。制御部２１はこの差分に基づいて、対物レンズ１３をｚ方向に移動させて焦点合わせを行うための信号を対物レンズ駆動機構２５に出力する。

対物レンズ駆動機構２５は、制御部２１からの信号に基づいて、対物レンズをｚ方向に移動させる。すなわち、差分が正の時と負の時で対物レンズ１３の移動方向を反対にする。そして、常時、差分が０となるように対物レンズ１３を調整する。このように、二分割フォトダイオードから出力される信号に基づいて、制御部２１が対物レンズ１３の位置を調整する。これにより、マスク４０のパターン形成面から対物レンズ１３までの高さが一定になるように焦点の調整を行うことができる。対物レンズ駆動機構２５としては、例えば、偏心カムや、ボイスコイル、ＤＣモータ等を用いることができる。なお、対物レンズ１３ではなく、マスク４０をｚ方向に移動させてもよい。高さ測定器３０は、対物レンズ１３の移動量（ｚ軸の高さ情報）を測定することにより、マスク４０のパターン形成面の高さを測定する。

上述したような第１焦点調整光学系を用いた光てこ方式の焦点調整機構では、パターンが形成されたマスク４０に対する焦点調整を行う場合、パターンからの回折光の影響により、焦点調整動作が正常に行われないことがある。すなわち、マスク４０からの反射光とともに、パターンからの回折光の一部が二分割フォトダイオードに入射する。このため、マスク４０のパターン面に対物レンズの焦点が合っていたとしても、二分割フォトダイオードに入射する光が、二分割フォトダイオードの中心から位置がずれてしまう場合がある。従って、実際にはマスク４０のパターン面に対物レンズの焦点が合っていない状態でマスク４０の検査が行われるため、光検出器により得られるマスクパターンの光学像が異常となり、疑似欠陥が発生してしまう。

従って、本発明では、必要に応じて、第２焦点調整光学系により、マスク４０のパターン形成面の反対側の面（裏面）からの反射光を利用した焦点調整も行うことができる。以下、第２焦点光学系について説明する。下部光源３１は、レーザダイオードなどの点光源である。下部光源３１から出射された光ビームは、レンズ３２を介してマスク４０のパターン形成面の反対側の面（裏面）に照射される。マスク４０の裏面で反射された光は、レンズ３３を介して、位置検出器３４に入射する。位置検出器３４は、マスク４０の裏面からの反射光を受光して、マスク４０の裏面の変動量（高さ）を測定するものである。すなわち、位置検出器３４は、マスク４０の裏面からの反射光の入射位置に応じて、マスク４０の裏面の変動量を算出する。位置検出器３４としては、例えば、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）や、ＣＣＤ等を用いることができる。

上述した高さ測定器３０により測定されたマスク４０のパターン形成面の高さと、この位置検出器３４により測定されたマスク４０の裏面の高さとから、マスク４０の厚みＴ（ｘ、ｙ）が算出できる。一般的に、マスク基板（マスクブランクスともいう。）は、平面度が約０．５μｍ以下という精度が要求されているものである。また、マスク基板の石英ガラスは、熱膨張率がほぼ０であることが知られている。また極めて緩やかに変化しており、マスク基板全面の厚みＴ（ｘ、ｙ）の変化は１０μｍ程度である。従って、マスク４０の厚みＴ（ｘ、ｙ）の変化を観察することにより、パターンからの回折光の影響で、第１焦点光学系による焦点調整動作が正常に行われたかどうかがわかる。例えば、マスク４０の厚みＴが０．５μｍを大きく超えるような急激な変化をした場合には、パターンからの回折光の影響により、焦点調整動作が正常に行われていないと判定される。

処理装置２０には、上述した制御部２１のほかに、図２に示すように、厚み算出部２２、判定部２３、切り替え部２４が設けられている。厚み算出部２２は、高さ測定器３０により測定されたマスク４０のパターン形成面（表面）の高さと、位置検出器３４により測定されたマスク４０のパターン形成面の反対側の面（裏面）の高さとから、マスク４０の厚みの分布を算出する。判定部２３は、厚み算出部２２により算出されマスク４０の厚みの分布から、マスク４０の厚みが急激に変化していないかを判定する。判定部２３としては、例えば、ハイパスフィルタを用いることができる。切り替え部２４は、第１焦点調整光学系を用いた焦点調整モードと、第２焦点調整光学系を用いた焦点調整モードとを切替える。なお、処理装置２０は、物理的に単一の処理装置である必要はなく、複数の装置から構成されてもよい。

ここで、上述した検査装置１０での、焦点調整方法について説明する。まず、上部光源１７からマスク４０のパターン形成面に光を照射し、第１焦点調整光学系を用いて光てこ方式の焦点調整を行いながら、観察用光源１１から光を照射してマスク４０の検査を行う。また、高さ測定器３０で対物レンズ１３のｚ軸方向の高さ情報から、マスク４０のパターン形成面の高さ情報ｚ１（ｘ、ｙ）を取得する。これと同時に、下部光源３１からの光を、マスク４０の裏面の上部光源１７からの光が照射される領域に対応する領域に照射する。そして、マスク４０の裏面側からの反射光を用いて、マスク４０の裏面の高さ情報ｚ２（ｘ、ｙ）を取得する。

そして、それぞれ取得したマスク４０のパターン形成面の高さ情報ｚ１（ｘ、ｙ）及び、裏面の高さ情報ｚ２（ｘ、ｙ）に基づいて、マスク４０の厚みの分布を計算する。マスク４０の厚みの分布は、以下の式（１）で求められる。
Ｔ（ｘ、ｙ）＝ｚ１（ｘ、ｙ）−ｚ２（ｘ、ｙ）・・・（１）

上述したように、マスク基板の平面度は非常に高いため、本来Ｔ（ｘ、ｙ）は非常に滑らかな関数になっているはずである。しかしながら、パターンからの回折光の影響を受けた場合には、パターン形成面の光てこ方式による焦点調整が誤動作し、マスク４０のパターン形成面の高さ情報ｚ１（ｘ、ｙ）が突然異常値を示す。これにより、計算上のマスク４０の厚みが急激に大きいあるいは小さい値をとなる。従って、判定部２３でハイパスフィルタ等によってこの異常を検知する。これにより、焦点調整の誤動作した箇所を検出することができる。

そして、第１焦点調整光学系を用いて光てこ方式の焦点調整を行いながら、観察用光源１１からの光でマスク４０の全面にわたってパターン形成面をスキャンして検査を行う。また、マスク４０の裏面の上部光源１７からの光が照射される領域に対応するように、下部光源３１からの光でマスク４０の裏面をスキャンして、マスク４０の厚みの分布を取得する。また、第１焦点調整光学系を用いた焦点調整が誤動作した箇所では、その箇所の周辺から補完して、マスク４０の全面の厚みの分布の予想値を算出する。

その後、焦点調整の誤動作した箇所を検出した場合には、予想されるマスク４０の厚みＴ（ｘ、ｙ）と、マスク４０の裏面の高さ情報ｚ２（ｘ、ｙ）を利用した焦点調整モードに切り替え、誤動作した箇所を再スキャンする。すなわち、判定部２３の判定結果に基づいて、光検出器１９での検出結果に基づいて対物レンズ１３とパターン形成面の相対距離を制御する第１の焦点調整モードと、位置検出器３４での検出結果に基づいて対物レンズ１３とパターン形成面の相対距離を制御する第２の焦点調整モードとを切り替える。ここで、高さ測定器３０で対物レンズ１３のｚ軸方向の高さ情報から得られるマスク４０のパターン形成面の高さ情報ｚ１（ｘ、ｙ）は、以下の式（２）で表される。
ｚ１（ｘ、ｙ）＝Ｔ（ｘ、ｙ）＋ｚ２（ｘ、ｙ）・・・（２）

従って、マスク４０のパターン形成面の高さｚ１（ｘ、ｙ）が式（２）を満たすように、位置検出器３４からの出力に基づいて対物レンズ１３の高さをコントロールする。すなわち、対物レンズ１３をｚ軸方向に移動させて、誤動作した箇所の周辺から予想されたマスク４０の厚みとマスク４０の裏面の高さとを足した位置に、マスク４０のパターン形成面が来るようにする。このように、本発明によれば、パターンが形成されていない裏面の情報を利用して焦点調整を行うことができ、安定した焦点調整を行うことができる。また、単に対物レンズ１３のｚ軸方向の位置を調整しているだけでなく、マスク４０の裏面の高さ情報に基づいて対物レンズ１３の位置を調整しているため、マスク４０の振動あるいはマスク４０を保持する保持部のドリフトなどの影響を回避することができる。

また、疑似欠陥が大量に検出された場合も、同様に焦点調整の誤動作の可能性があるため、上記の第２焦点調整光学系を用いたコントロールに切替えることもできる。通常、欠陥はマスク４０のパターン形成面全体に分布するように検出される。しかし、焦点が合っていない状態でマスク４０の検査が行われた場合には、ある領域に大量に疑似欠陥が発生してしまう。このような場合にも、パターンの影響を全く受けない裏面側の高さ情報に基づいてコントロールするので、安定な焦点調整を実現できる。

なお、マスク４０の厚みの分布は、スキャン方向と同じ方向の分布が分かればよい。このため、スキャン方向と同じ方向のある特定のスキャンラインのマスク４０の厚みの分布を測定し、当該スキャンラインに隣接するスキャンラインにおけるマスク４０の厚み分布は、前のスキャンラインのマスク４０の厚み分布からスキャン方向に直交する方向に外挿してもよい。すなわち、マスク４０の厚みの分布をパターンの検査と同時に測定し、マスク４０の検査済みの領域の厚みの分布の測定結果をフィルタリング処理してパターンの影響を除去し、マスク４０の未検査領域の厚みを外挿して推定する。

また、隣接するスキャンラインにおけるマスク４０の厚み分布は、その直前のスキャンラインのマスク４０の厚み分布と等しいものとしてもよい。すなわち、マスク４０の厚み分布は、スキャン方向と等しい方向の１次元のデータでもよい。例えば、図３に示すように、ｘ方向にスキャンする場合、スキャンラインｙ１のマスク４０の厚みの分布を測定し、スキャンラインｙ２に隣接する厚み分布は、当該スキャンラインｙ１の分布と等しいものとすることができる。これにより、マスク４０の厚みの演算処理を簡略化することができる。

また、第１焦点光学系を用いた焦点調整を行わずに、別の測定器でマスク４０の厚みの分布をあらかじめ測定し、第２焦点調整光学系を用いて、マスク４０の裏面の高さ情報のみに基づいて対物レンズ１３の位置を調整してもよい。すなわち、あらかじめ別の測定器で測定したマスク４０の厚みの分布データを、処理装置２０内の図示しない記憶部に記憶しておく。そして、パターン検査時に、マスク４０のパターン形成面の反対側の高さを測定する。このマスク４０のパターン形成面の反対側の高さに、記憶されたマスク４０の厚みの分布データを加えた高さに、パターン形成面が来るものとして、対物レンズと１３パターン形成面の相対距離を制御する。

このように、本発明に係る検査装置１０では、パターンが形成された試料を測定する場合でも、パターンからの回折光の影響受けず、安定して焦点位置の調整を行うことができる。よって、正確に試料を観察することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る検査装置について、図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態に係る検査装置に用いられる処理装置２０'の構成を示すブロック図である。なお、処理装置２０'以外の本実施の形態に係る検査装置の構成は、実施の形態１で説明した検査装置１０と略同一の構成である。なお、図４において、図２と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図４に示すように、処理装置２０'は、制御部２１、厚み算出部２１、判定部２３、モード切り替え部２４、演算部２６、記憶部２６を有している。演算部２６は、高さ測定器３０又は位置検出器３４の測定結果を平滑化する。すなわち、マスク４０のパターン形成面の反対側の面の高さ、又は、マスク４０のパターン形成面の高さの測定結果を平滑化する。

実施の形態１において説明したように、一般的に、マスク基板は、平面度が高く、極めて緩やかに変化している。このため、マスク４０のパターンを検査している間、対物レンズ１３の位置が急激に変化することはなく、マスク４０の厚みＴが急激に大きいあるいは小さい値をとることはない。従って、本実施の形態では、マスク４０の厚みＴ（ｘ、ｙ）の変化を観察し、異常値となった場合には、マスク４０のパターン形成面の反対側の面の高さ、又は、マスク４０のパターン形成面の高さの測定結果を平滑化して、当該平滑化した測定結果に基づいて対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する。

ここで、図５を参照して、本実施の形態に係る焦点調整方法について説明する。図５に示すように、まず、ｚ軸方向の変化をスキャンする（ステップＳ１）。具体的には、高さ測定器３０で対物レンズ１３のｚ軸方向の高さ情報から、マスク４０のパターン形成面の高さ情報ｚ１（ｘ、ｙ）を取得する。これと同時に、下部光源３１からの光を、マスク４０の裏面の上部光源１７からの光が照射される領域に対応する領域に照射する。そして、マスク４０の裏面側からの反射光を用いて、マスク４０の裏面の高さ情報ｚ２（ｘ、ｙ）を取得する。そして、式（１）からマスク４０の厚みＴ（ｘ、ｙ）の分布を計算する。

また、このとき、上部光源１７からマスク４０のパターン形成面に光を照射し、第１焦点調整光学系を用いて光てこ方式の焦点調整を行いながら、観察用光源１１から光を照射してマスク４０の検査を行う。

その後、判定部２３で、Ｔ（ｘ、ｙ）が正常値を示すどうかを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において、Ｔ（ｘ、ｙ）が正常値を示さない場合（ＥＲＲＯＲ）、対物レンズ１３のフォーカスがあっていない状態で、マスク４０の検査が行われたと判断される。この場合、演算部２６において、エラーが生じたｚ軸プロファイル（高さ測定器３０で測定されたマスク４０のパターン形成面の高さの測定結果又は／及びマスク４０のパターン形成面の高さの測定結果）を平滑化する（ステップＳ３）。そして、この平滑化したデータを用いて焦点調整を行い、同一ストライプをスキャンする（ステップＳ４）。

一方、ステップ２において、Ｔ（ｘ、ｙ）が正常値を示す場合（ＯＫ）、対物レンズ１３のフォーカスがあっている状態で、マスク４０の検査が行われたと判断される。この場合には、次のストライプ（検査領域）に移動し（ステップＳ５）、同様に焦点調整動作が行われる。

このように、本実施の形態では、高さ測定器３０で測定されたマスク４０のパターン形成面の高さの測定結果又は／及びマスク４０のパターン形成面の高さの測定結果を平滑化して、当該平滑化したデータを用いて焦点調整を行うことにより、パターンが形成された試料を測定する場合でも、パターンからの回折光の影響受けず、安定して焦点位置の調整を行うことができる。

なお、常に一つ前スキャンのｚ軸方向の変化のマッピングデータを用いて、焦点調整を行い、パターン検査を行っても良い。すなわち、図６に示すように、Ｎ回目のスキャンにおいてはＮ−１回目のｚ軸データを用いて検査する（ステップＳ１）。そして、Ｎ回目のｚ軸方向の変化（ｚ軸プロファイルデータ）を平滑化して記憶部２７に記憶させる（ステップＳ２）。この記憶部２７に記憶されたｚ軸プロファイルデータをＮ＋１回目スキャンにおいて焦点調整に用いる。

なお、Ｎ＝０の場合（つまり一番最初のストライプ）は、２回スキャンすることになる。つまり、一度目のプレスキャンでデータを取得し、平滑化したデータを用いて焦点調整を行い、もう一度１ストライプ目のパターン検査を行う。これにより、ｚ軸プロファイルに異常が生じても常に再スキャンをして取り直すことなく検査を行うことができる。

実施の形態１に係る検査装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る処理装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るスキャン方向を説明するための図である。 実施の形態２に係る処理装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る検査方法を説明するためのフロー図である。 実施の形態２に係る検査方法の他の例を説明するためのフロー図である。 従来の検査装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０、５０ 検査装置
１１ 光源
１２ レンズ
１３ 対物レンズ
１４ ダイクロイックミラー
１５ 結像レンズ
１６ 撮像装置
１７ 上部光源
１８ レンズ
１９ 光検出器
２０ 処理装置
２１ 制御部
２２ 厚み算出部
２３ 判定部
２４ モード切り替え部
２５ 対物レンズ駆動機構
２６ 演算部
２７ 記憶部
３０ 高さ測定器
３１ 下部光源
３２、３３ レンズ
３４ 位置検出器

Claims (12)

1. パターンが形成された試料のパターン形成面に対して対物レンズの焦点位置を調整するための焦点調整機構であって、
   前記パターン形成面の反対側の面に光を照明する第１の光源と、
   前記パターン形成面の反対側の面からの反射光を検出して、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さを測定する位置検出器と、
   前記位置検出器で測定された前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さと、前記試料の厚みとに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する制御部と、
   を備える焦点調整機構。
2. 前記対物レンズの位置に応じて、前記試料の前記パターン形成面の高さを検出する高さ測定器をさらに備え、
   前記制御部は、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さ及び前記試料の前記パターン形成面の高さに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する請求項１に記載の焦点調整機構。
3. 前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さ及び前記試料の前記パターン形成面の高さから、前記試料の厚みの分布を算出する厚み算出部を備え、
   前記制御部は、前記試料の厚みの分布に基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する請求項２に記載の焦点調整機構。
4. あらかじめ測定した前記試料の厚みの分布データを記憶する記憶部を備え、
   前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記試料の厚みの分布データに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する請求項１に記載の焦点調整機構。
5. 前記対物レンズの瞳の片側半分の領域を介して、前記試料の前記パターン形成面に光を照射する第２の光源と、
   前記第２の光源から前記対物レンズの瞳の片側半分を介して前記パターン形成面に入射した光のうち、当該パターン形成面で反射し、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した反射光を検出する光検出器と、
   をさらに備える請求項１〜４のいずれかに記載の焦点調整機構。
6. 前記対物レンズの瞳の片側半分の領域を介して、前記試料の前記パターン形成面に光を照射する第２の光源と、
   前記第２の光源から前記対物レンズの瞳の片側半分を介して前記パターン形成面に入射した光のうち、当該パターン形成面で反射し、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した反射光を検出する光検出器と、
   前記厚み算出部により得られた前記試料の厚み分布に基づいて、前記試料の厚みが所定の量以上変化したか否かを判定する判定部と、
   前記判定部の判定結果に基づいて、前記光検出器での検出結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する第１のモードと、前記位置検出器での検出結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する第２のモードとを切り替えるモード切り替え部を備えることを特徴とする請求項３に記載の焦点調整機構。
7. 前記試料を観察するための照明光を出射するための観察用光源と、
   前記試料の光学像を撮像するための撮像装置と、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の焦点調整機構と、
   を備える検査装置。
8. パターンが形成された試料のパターン形成面に対して対物レンズの焦点位置を調整するための焦点調整方法であって、
   前記パターン形成面の反対側の面に光を照明するステップと、
   前記パターン形成面の反対側の面からの反射光を検出して、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さを測定するステップと、
   前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さと、前記試料の厚みとに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御するステップと、
   を含む焦点調整方法。
9. 前記対物レンズの位置に応じて、前記試料の前記パターン形成面の高さを検出するステップを含み、
   前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さ及び前記試料の前記パターン形成面の高さに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御することを特徴とする請求項８に記載の焦点調整方法。
10. 前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さ及び前記試料の前記パターン形成面の高さから、前記試料の厚みの分布を算出するステップを含み、
    前記試料の厚みの分布に基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御することを特徴とする請求項９に記載の焦点調整方法。
11. あらかじめ測定した前記試料の厚みの分布データを記憶するステップを含み、
    パターン検査時に前記パターン形成面の反対側の面からの反射光を検出して、前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さを測定し、
    前記試料のパターン形成面の反対側の面の高さと、記憶した前記試料の厚みの分布データに基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御することを特徴とする請求項８に記載の焦点調整方法。
12. 前記対物レンズの瞳の片側半分の領域を介して、前記試料の前記パターン形成面に光を照射するステップと、
    前記対物レンズの瞳の片側半分を介して前記パターン形成面に入射した光のうち、当該パターン形成面で反射し、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した反射光を検出するステップと、
    前記パターン形成面で反射し、前記対物レンズの瞳の反対側の片側半分の領域を通過した反射光に基づいて、前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御するステップと、
    前記試料の厚みが、所定の量以上変化したか否かを判定するステップと、
    前記試料の厚みが所定の量以上変化したと判定された場合に、前記反射光を検出するステップで検出された検出結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する第１のモードから、前記反対側の面の高さを測定するステップで測定された検出結果に基づいて前記対物レンズと前記パターン形成面の相対距離を制御する第２のモードに切り替えるステップとを含む請求項１０に記載の焦点調整方法。

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