JP6745152B2 - 合焦装置、合焦方法、及びパターン検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、合焦装置、合焦方法、及びパターン検査方法に関する。例えば、半導体製造に用いる試料となる物体のパターン欠陥を検査するパターン検査技術に関し、半導体素子や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を製作するときに使用される露光用マスク基板を検査する検査装置に関する。

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、かかる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を用いる。かかる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、１ギガビット級のＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に代表されるように、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なっている。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、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リソグラフィ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、パターン設計された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ための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、それとパターンを撮像した測定データとなる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。

マスク等の被検査基板の欠陥検査を行うには、被検査物面の位置をセンサ位置に高精度に合わせることが求められる。従来、照明光を第１マスク、第２マスクの順に入射させてから、第１マスクのパターン像を被検査基板のパターン面よりも前側に結像するとともに、第２マスクのパターン像を被検査基板のパターン面よりも後側に結像する。そして、被検査基板のパターン面から反射され、センサに結像された第１マスクのパターン像のコントラストと第２マスクのパターン像のコントラストとの差分値に基づいて、焦点位置の調整を行うことが開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、反射照明系からレチクル像を投影する方式では、投影される被検査基板面に形成されるパターンによって反射率が異なってしまうと、正確に合焦することが困難になるといった問題があった。

特開２０１４−２２８６７０号公報

そこで、本発明は、レチクル像が投影される被検査基板面に形成されるパターンに関わらず、高精度に合焦可能な合焦装置、合焦方法、及びパターン検査方法を提供する。

本発明の一態様の合焦装置は、
パターンが形成された基板に反射照明光を照明する反射照明光学系と、
基板のパターン像を結像させる結像光学系と、
基板のパターン像を受光するタイム・ディレイ・インテグレーションセンサ（ＴＤＩセンサ）と、
反射照明光学系の光路中における基板面に対するＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向手前側に配置され、反射照明光の照射を受ける、ＴＤＩセンサの時間積分方向に平行な端部を有する遮光パターンと遮光パターンよりも照明領域中の割合が大きい透過パターンとが形成された第１のレチクルと、
反射照明光学系の光路中における基板面に対するＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向後側であって、第１のレチクルと光軸方向に等配の位置に第１のレチクルとはパターンが互いに逆向きになるように配置され、第１のレチクルと同様の遮光パターンと透過パターンとが形成された第２のレチクルと、
第１と第２のレチクルを通過せずに反射照明光が基板に照明されることによって生成された基板のパターン像を受光したＴＤＩセンサにより出力される階調値を用いて、階調値の均一化を行う均一化処理部と、
均一化が行われた状態で、第１と第２のレチクルを通過した反射照明光が基板に照明されることによって生成された基板のパターン像を受光したＴＤＩセンサにより出力された階調値の一次微分値を用いて、基板のパターン像の焦点が合う基板とＴＤＩセンサ共役位置との相対距離の移動量を演算する移動量演算部と、
移動量を用いて、基板とＴＤＩセンサの共役位置との相対距離を移動させる駆動部と、
を備えたことを特徴とする。

また、均一化処理部は、ＴＤＩセンサの時間積分方向に平均化された階調データを用いて、ＴＤＩセンサにより出力される階調値のゲインとオフセットの調整を行うことにより階調値の均一化を行うと好適である。

また、階調データは、基板を停止させた状態でＴＤＩセンサにより基板のパターン像を受光させることによって生成されると好適である。

本発明の一態様の合焦方法は、
反射照明光学系を用いて、パターンが形成された基板に反射照明光を照明する工程と、
基板のパターン像を結像させる結像光学系を介して、タイム・ディレイ・インテグレーションセンサ（ＴＤＩセンサ）により基板のパターン像を受光する工程と、
反射照明光が基板に照明されることによって生成された基板のパターン像を受光したＴＤＩセンサにより出力される階調値を用いて、階調値の均一化を行う工程と、
反射照明光学系の光路中における基板面に対するＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向手前側に配置され、反射照明光の照射を受ける、ＴＤＩセンサの時間積分方向に平行な端部を有する遮光パターンと遮光パターンよりも照明領域中の割合が大きい透過パターンとが形成された第１のレチクルと、反射照明光学系の光路中における基板面に対するＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向後側であって、第１のレチクルと光軸方向に等配の位置に第１のレチクルとはパターンが互いに逆向きになるように配置され、第１のレチクルと同様の遮光パターンと透過パターンとが形成された第２のレチクルと、を用いて、均一化が行われた状態で、第１と第２のレチクルを通過した反射照明光が基板に照明されることによって生成された基板のパターン像をＴＤＩセンサにより受光する工程と、
均一化が行われた状態で第１と第２のレチクルを通過した反射照明光が基板に照明されることによって生成された基板のパターン像を受光したＴＤＩセンサにより出力された階調値の一次微分値を用いて、基板のパターン像の焦点が合うように基板とＴＤＩセンサ共役位置との相対距離の移動量を演算する工程と、
移動量を用いて、基板とＴＤＩセンサの共役位置との相対距離を移動させる工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様のパターン検査方法は、
反射照明光学系を用いて、アライメントパターンと回路パターンとが形成された基板に反射照明光を照明する工程と、
基板のパターン像を結像させる結像光学系を介して、タイム・ディレイ・インテグレーションセンサ（ＴＤＩセンサ）により前記基板のアライメントパターン像を受光する工程と、
反射照明光が基板に照明されることによって生成された基板のアライメントパターン像を受光したＴＤＩセンサにより出力される階調値を用いて、ゲインとオフセットの調整によって階調値の均一化を行う工程と、
ＴＤＩセンサの時間積分方向に平行な端部を有する遮光パターンと遮光パターンよりも照明領域中の割合が大きい透過パターンとが形成された第１のレチクルを、反射照明光学系の光路中における基板面に対するＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向手前側に配置すると共に、第１のレチクルと同様の遮光パターンと透過パターンとが形成された第２のレチクルを、反射照明光学系の光路中における基板面に対するＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向後側であって、第１のレチクルと光軸方向に等配の位置に第１のレチクルとはパターンが互いに逆向きになるように配置する工程と、
均一化が行われたゲインとオフセットの調整状態で第１と第２のレチクルを通過した反射照明光が基板に照明されることによって生成された基板のアライメントパターン像を受光したＴＤＩセンサにより出力された階調値の一次微分値を用いて、基板の高さ位置を測定する工程と、
基板の高さ位置を用いて、基板の高さ位置分布を取得する工程と、
高さ位置分布に基づいて、基板の高さ位置を変えながら、基板に形成された回路パターンを検査する工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、レチクル像が投影される被検査基板面に形成されるパターンに関わらず、高精度に合焦できる。よって、高精度なパターン検査ができる。

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における検査装置の光学系の構成の一例を示す図である。 実施の形態１におけるレチクルのパターン構成の一例を示す図である。 実施の形態１における基板の構成を示す図である。 実施の形態１と比較例とにおける測定画像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ＴＤＩセンサの撮像方法の一例を示す図である。 実施の形態１におけるＴＤＩセンサで撮像される画像の一例を示す図である。 実施の形態１における高さ分布作成回路の内部構成の一例を示す図である。 実施の形態１における階調値の一次微分値と焦点位置との関係を示す図である。 実施の形態１における検査領域を説明するための概念図である。 実施の形態１におけるフィルタ処理を説明するための図である。

実施の形態１．
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、マスク基板１０１（検査対象基板の一例）に形成されたパターンの欠陥を検査する検査装置１００は、光学画像取得部１５０、及び制御系回路１６０（制御部）を備えている。

光学画像取得部１５０は、光源１０３、透過照明光学系１７０、移動可能に配置されたＸＹθテーブル１０２、対物レンズ１０４、ビームスプリッタ１７４、反射照明光学系１７２、結像光学系１７６、レチクル１８２，１８４、レチクル駆動機構１８５、ＴＤＩ（タイム・ディレイ・インテグレーション）センサ１０５、センサ回路１０６、ストライプパターンメモリ１２３、及びレーザ測長システム１２２を有している。ＸＹθテーブル１０２上には、カセット３００から搬送されたマスク基板１０１（検査対象基板の一例）が載置される。マスク基板１０１として、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が含まれる。また、このフォトマスクには、検査対象となる複数の図形パターンによって構成されたパターン及び複数のアライメントパターンが形成されている。マスク基板１０１は、例えば、パターン形成面を下側に向けてＸＹθテーブル１０２に配置される。

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、テーブル制御回路１１４、ゲイン・オフセット調整回路１４０、高さ分布作成回路１４２、フォーカス回路１４４、レチクル制御回路１４６、磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレシキブルディスク装置（ＦＤ）１１６、ＣＲＴ１１７、パターンモニタ１１８、及びプリンタ１１９に接続されている。また、センサ回路１０６は、ストライプパターンメモリ１２３に接続され、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。センサ回路１０６は、ストライプパターンメモリ２２３に接続され、ストライプパターンメモリ２２３は、比較回路１０８に接続されている。また、ＸＹθテーブル１０２は、Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータ、θ軸モータにより駆動される。また、反射照明光学系１７２には、対物レンズ１０４とビームスプリッタ１７４が含まれる。

検査装置１００では、光源１０３、透過照明光学系１７０、移動可能に配置されたＸＹθテーブル１０２、対物レンズ１０４、ビームスプリッタ１７４、反射照明光学系１７２、結像光学系１７６、レチクル１８２，１８４、ＴＤＩセンサ１０５、及びセンサ回路１０６により高倍率の検査光学系が構成されている。例えば、２００〜３００倍の倍率の検査光学系が構成されている。

また、ＸＹθテーブル１０２は、制御計算機１１０の制御の下にテーブル制御回路１１４により駆動される。Ｘ方向、Ｙ方向、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、Ｘモータ、Ｙモータ、θモータは、例えばリニアモータを用いることができる。ＸＹθテーブル１０２は、ＸＹθ各軸のモータによって水平方向及び回転方向に移動可能である。そして、ＸＹθテーブル１０２は、制御計算機１１０の制御の下にフォーカス回路１４４によりマスク基板１０１のパターン形成面とＴＤＩセンサ１０５との焦点位置（光軸方向：Ｚ軸方向）に調整される。例えば、ＸＹθテーブル１０２は、フォーカス回路１４４に駆動される駆動機構１８６によって光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させられることにより、焦点位置が調整される。駆動機構１８６として、例えば、ピエゾ素子を用いると好適である。ＸＹθテーブル１０２上に配置されたマスク基板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に供給される。

マスク基板１０１のパターン形成の基となる設計パターンデータ（描画データ）及びアライメントマークデータが検査装置１００の外部から入力され、磁気ディスク装置１０９に格納される。

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。

図２は、実施の形態１における検査装置の光学系の構成の一例を示す図である。図２において、光源１０３から検査光となる紫外域以下の波長のレーザ光（例えば、ＤＵＶ光）が発生する。発生された光の一部は、図示しないビームスプリッタ等によって、透過照明用の光と反射照明用の光に分割される。以下、実施の形態１では、反射照明光を用いて焦点位置を合わせるため、図２では、反射照明系を用いた構成について示している。図２において、反射照明光学系１７２は、レンズ５０、レンズ５２（例えばチューブレンズ）、ビームスプリッタ１７４、及び対物レンズ１０４を有する。結像光学系１７６は、レンズ６０（例えばチューブレンズ）、コリメートレンズ６２、及び結像レンズ６４を有する。ここで、各レンズは、１枚のレンズでも良いし、複数のレンズの組み合わせによって構成されても構わない。反射照明光学系１７２の光路中における基板１０１面に対するＴＤＩセンサ１０５の共役位置１８３に対して光軸方向手前側にレチクル１８２（第１のレチクル）が配置される。また、反射照明光学系１７２の光路中における基板１０１面に対するＴＤＩセンサ１０５の共役位置１８３に対して光軸方向後側であって、レチクル１８２と光軸方向に等配の位置にレチクル１８４（第２のレチクル）が配置される。

反射検査照明光は、反射照明光学系１７２によってマスク基板１０１に照明される。以下、図２の例を元に、具体例を説明する。反射検査照明光は、レンズ５０を通り、レチクル１８２を照明する。レチクル１８２を通過した光は、レチクル１８４を照明する。レチクル１８４を通過した光は、レンズ５２を通過し、ビームスプリッタ１７４で反射される。ビームスプリッタ１７４によって反射された光は、対物レンズ１０４に入射し、対物レンズ１０４によってマスク基板１０１のパターン形成面側からマスク基板１０１のパターン形成面に結像される。実際には、レチクル１８２のレチクル像はマスク基板１０１のパターン形成面の手前で結像し、レチクル１８４のレチクル像はマスク基板１０１のパターン形成面の後側で結像することになる。マスク基板１０１から反射された反射光は対物レンズ１０４、及びビームスプリッタ１７４を通過する。ビームスプリッタ１７４を通過した光は、結像光学系１７６に入射する。結像光学系１７６内では、レンズ６０、及びコリメートレンズ６２５を通り、結像レンズ６４によってＴＤＩセンサ１０５に結像される。

図３は、実施の形態１におけるレチクルのパターン構成の一例を示す図である。図３において、レチクル１８２には、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向に平行な端部を有する遮光パターン７０と遮光パターン７０よりも照明領域中の割合が大きい透過パターン７２とが形成される。図３の例では、遮光パターン７０は、照明領域中の上部を占める。照明領域における遮光パターン７０下の領域が透過パターン７２になる。レチクル１８４には、レチクル１８２と同様の遮光パターン７１と透過パターン７３とが、レチクル１８４とはパターンが互いに逆向きになるように形成される。図３の例では、遮光パターン７１は、照明領域中の下部を占める。照明領域における遮光パターン７１上の領域が透過パターン７３になる。このように、レチクル１８２，１８４は、パターンが互いに逆向きになるように配置される。図３の例では、レチクル１８２，１８４間で、遮光パターン７０，７１同士或いは及び透過パターン７２，７３同士が同じサイズで形成される場合を示しているが、これに限るものではない。互いに透過パターン７２，７３が占める照明領域中の割合が、遮光パターン７０，７１が占める割合よりも大きくなればサイズは一致しなくても良い。但し、遮光パターン７０，７１の透過パターン７２，７３側の端部がＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向に平行な直線になるように形成する。

図４は、実施の形態１における基板の構成を示す図である。図４において、基板１０１の検査領域１０には、検査対象のパターン（Ｆ）が形成される。かかる検査対象パターンのパターン検査を行うためには、まず、基板１０１の回転ずれを含む配置位置の位置合わせ（アライメント）を行う必要がある。そのために、基板１０１上には、検査領域１０の周囲、或いは検査領域１０内にアライメント用の複数のアライメントマーク１１が形成されている。図４の例では、複数のアライメントマーク１１が検査領域１０の４隅の外側近傍に形成された場合を示している。複数のアライメントマーク１１は、検査対象パターンと同様、例えば透明な石英基板上に、例えば、クロム（Ｃｒ）膜等を用いた遮光膜パターンによって形成される。基板１０１のアライメントを行うためには、まず、複数のアライメントマーク１１の位置を測定する必要がある。そのため、複数のアライメントマーク１１を１つずつ、ＴＤＩセンサ１０５の視野に入れて、その位置を測定することになるが、描画データ等の設計情報から得られるアライメントマーク１１位置に基づいてＴＤＩセンサ１０５の視野にアライメントマーク１１を入れたつもりであっても、当初の段階では焦点が合っていないので、ＴＤＩセンサ１０５の測定画像によってアライメントマーク１１の位置を高精度に得るほどにアライメントマーク１１を識別することが困難である。よって、アライメントマーク１１の位置とＴＤＩセンサ１０５との間で合焦させる必要がある。

図５は、実施の形態１と比較例とにおける測定画像の一例を示す図である。レチクル１８２，１８４を通過させたレチクル像を基板１０１のアライメントマーク１１位置に照明し、その反射像をＴＤＩセンサ１０５で撮像する。かかる場合、アライメントマーク１１の存在によって、基板１０１からの反射率が均一でなくなる。そのため、比較例では、図５（ｂ）に示すように、アライメントマーク１１のパターン像が画像内に背景として取り込まれてしまう。かかる状態では、得られるレチクル像の階調値が乱れてしまう。レチクル１８２側の遮光パターン７０の端部の階調値の１次微分値と、レチクル１８４側の遮光パターン７１の端部の階調値の１次微分値とが、図５（ａ）に示すように、対称になる位置が合焦位置となるが、図５（ｂ）に示すように、得られる画像の階調値が乱れているので、焦点を高精度に合わせることが困難になってしまう。そこで、実施の形態１では、かかる背景画像を消した状態を作り出すことで、かかる問題を解消する。そのために、以下のように動作する。

図６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６において、実施の形態１におけるパターン検査方法は、ＴＤＩ視野設定工程（Ｓ１０２）と、アライメントマーク撮像工程（Ｓ１０４）と、均一化処理工程（Ｓ１０６）と、レチクル配置工程（Ｓ１０８）と、レチクルパターン像撮像工程（Ｓ１１０）と、微分演算工程（Ｓ１１２）と、高さ位置演算工程（Ｓ１１４）と、移動量演算工程（Ｓ１１５）と、合焦工程（Ｓ１１６）と、レチクル移動工程（Ｓ１１８）と、ゲイン・オフセット調整工程（Ｓ１２０）と、アライメントマーク位置測定工程（Ｓ１２２）と、判定工程（Ｓ１２４）と、高さ分布演算工程（Ｓ１２６）と、パターン検査工程（Ｓ１２８）と、いう一連の工程を実施する。

また、かかる各工程のうち、ＴＤＩ視野設定工程（Ｓ１０２）と、アライメントマーク撮像工程（Ｓ１０４）と、均一化処理工程（Ｓ１０６）と、レチクル配置工程（Ｓ１０８）と、レチクルパターン像撮像工程（Ｓ１１０）と、微分演算工程（Ｓ１１２）と、高さ位置演算工程（Ｓ１１４）と、移動量演算工程（Ｓ１１５）と、合焦工程（Ｓ１１６）と、レチクル移動工程（Ｓ１１８）と、ゲイン・オフセット調整工程（Ｓ１２０）と、アライメントマーク位置測定工程（Ｓ１２２）と、判定工程（Ｓ１２４）と、は、実施の形態１における合焦方法の一連の工程に相当する。

ＴＤＩ視野設定工程（Ｓ１０２）として、テーブル制御回路１１４は、複数のアライメントマーク１１のうちの１つのアライメントマーク１１に反射照明光が照明される位置にＸＹθテーブル１０２を移動させる。ＴＤＩセンサ１０５は、基板１０１に照射された反射照明光の反射光を受光可能な位置に配置される。よって、言い換えれば、テーブル制御回路１１４は、複数のアライメントマーク１１のうちの１つのアライメントマーク１１がＴＤＩセンサ１０５の視野に入る位置にＸＹθテーブル１０２を移動させる。

アライメントマーク撮像工程（Ｓ１０４）として、光学画像取得部１５０は、レチクル１８２，１８４が光路上から外れた状態で、反射照明光を基板１０１に照射して、基板１０１からの反射像を取得する。具体的には、以下のように動作する。まず、前提として、レチクル制御回路１４６は、レチクル駆動機構１８５を駆動させてレチクル１８２，１８４を光路上から外部に移動させておく。そして、反射照明光学系１７２は、アライメントマーク１１のパターンが形成された基板１０１にレチクル１８２，１８４を通過しない反射照明光を照明する。

そして、ＴＤＩセンサ１０５は、基板１０１のパターン像を結像させる結像光学系１７６を介して、基板１０１のアライメントマーク１１のパターン像を受光する。その際、基板１０１を停止させた状態でＴＤＩセンサ１０５に基板１０１のアライメントマーク１１のパターン像を受光させる。具体的には、アライメントマーク１１を撮像する間、テーブル制御回路１１４は、ＸＹθテーブル１０２を停止させておく。

図７は、実施の形態１におけるＴＤＩセンサの撮像方法の一例を示す図である。ＴＤＩセンサ１０５は、図７に示すように、光電変換する複数の受光素子１６（フォトダイオード）が２次元状に、言い換えればアレイ状に配置されている。そして、各受光素子１６で受光された光の光量に応じて変換された電荷が所定のタイミングで撮像方向の反対方向（例えばｘ方向）の隣の受光素子１６に順次送られ、蓄積（積分）されていく。よって、ＴＤＩセンサ１０５の電荷移送速度に同期させてＸＹθテーブル１０２をＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向（電荷移動方向）（撮像方向の反対方向：例えばｘ方向）に移動させることで、異なる受光素子１６で撮像されたマスク基板１０１上の同じ位置の電荷が順次蓄積されることになる。よって、マスク基板１０１上の各位置は、それぞれＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向（例えばｘ方向）に合計された電荷で測定されることになる。

図８は、実施の形態１におけるＴＤＩセンサで撮像される画像の一例を示す図である。図７において説明したように、ＴＤＩセンサ１０５の電荷移送速度に同期させてＸＹθテーブル１０２をＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向（例えばｘ方向）に移動させながら撮像すると、図８（ａ）に示すように、アライメントマーク１１のパターン像がその位置のまま撮像される。但し、ここでは焦点が合っていないのでボケた状態で撮像されることになる。よって、このままでは、かかるボケた状態のアライメントマーク１１のパターン像が背景として残ってしまう。そこで、実施の形態１では、あえて、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向（例えばｘ方向）へのＸＹθテーブル１０２の移動をさせずに撮像する。これにより、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向（例えばｘ方向）に並ぶ受光素子１６列によって蓄積される各電荷は、基板１０１の異なる位置同士の電荷になる。その結果、得られる画像は、図８（ｂ）に示すように、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向に平均化された像にできる。以上のように、階調データは、基板１０１を停止させた状態でＴＤＩセンサ１０５により基板１０１のパターン像（アライメントマーク１１のパターン像）を受光させることによって生成される。

均一化処理工程（Ｓ１０６）として、ゲイン・オフセット調整回路１４０（均一化処理部）は、レチクル１８２，１８４を通過せずに反射照明光が基板１０１に照明されることによって生成された基板１０１のパターン像（アライメントマーク１１のパターン像）を受光したＴＤＩセンサ１０５により出力される階調値を用いて、階調値の均一化を行う。具体的には、以下のように動作する。ＴＤＩセンサ１０５により出力される測定データ（階調データ）は、センサ回路１０６に入力される。センサ回路１０６は、入力された測定データをＡ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換して、階調値のデータを生成する。そして、ストライプパターンメモリ１２３に格納され、ゲイン・オフセット調整回路１４０に出力されると共に、パターンモニタ１１８に表示される。その際、ゲイン・オフセット調整回路１４０は、センサ回路１０６のゲインとオフセットの設定を制御する。具体的には、ゲイン・オフセット調整回路１４０は、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向に平均化された階調データを用いて、ＴＤＩセンサ１０５により出力される階調値のゲインとオフセットの調整を行うことにより、図８（ｃ）に示すように、階調値の均一化を行う。言い換えれば、ボケた半階調パターンが識別不能になるように均一化する。これにより、背景となるアライメントマーク１１のパターン像を消すことができる。

現段階では、基板１０１のパターン像として何が映っているのかわからない。そのため、平均化せずに均一化するとゲインとオフセットの調整量が大きくなる可能性がある。これに対して、実施の形態１では、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向に平均化された像の階調値を均一化することで、ゲインとオフセットの調整量を少なくすることができる。よって、平均化せずに均一化することにより後述するレチクル像の識別が困難になってしまう場合があるリスクを回避できる。

レチクル配置工程（Ｓ１０８）として、レチクル制御回路１４６は、レチクル駆動機構１８５を駆動させてレチクル１８２，１８４を光路上に移動させる。具体的には、レチクル１８２を反射照明光学系１７２の光路中における基板１０１面に対するＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向手前側に配置する。そして、レチクル１８４を、反射照明光学系１７２の光路中における基板１０１面に対するＴＤＩセンサ１０５の共役位置に対して光軸方向後側であって、レチクル１８２と光軸方向に等配の位置にレチクル１８２とはパターンが互いに逆向きになるように配置する。

レチクルパターン像撮像工程（Ｓ１１０）として、光学画像取得部１５０は、均一化処理工程（Ｓ１０６）における均一化が行われた状態で、レチクル１８２，１８４を通過した反射照明光を基板１０１に照射して、基板１０１からの反射像を取得する。具体的には、以下のように動作する。反射照明光学系１７２は、アライメントマーク１１のパターンが形成された基板１０１にレチクル１８２，１８４を通過した反射照明光（レチクル像）を照明する。レチクル１８２に照明された反射照明光の照明領域では、例えば上部のすべての領域が遮光パターン７０で占められる。よって、透過パターン７２の領域のみ反射照明光が通過できる。レチクル１８４はレチクル１８２と同様のパターンが上下反転して形成されるので、レチクル１８４に照明された反射照明光の照明領域では、下部のすべての領域が遮光パターン７１で占められる。よって、透過パターン７２，７３の重なる領域のみ反射照明光が通過できる。

そして、ＴＤＩセンサ１０５は、均一化が行われた状態で、レチクル１８２，１８４を通過した反射照明光（レチクル像）が基板１０１に照明されることによって生成された基板１０１のパターン像（レチクル像）を、結像光学系１７６を介して受光する。ＴＤＩセンサ１０５により出力される測定データ（階調データ）は、センサ回路１０６に入力される。センサ回路１０６は、入力された測定データをＡ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換して、階調値のデータを生成する。階調値は、例えば、０〜２５５の２５６階調で定義される。

ここで、ＴＤＩセンサ１０５での撮像の際、基板１０１を停止させた状態でＴＤＩセンサ１０５に基板１０１からのレチクル像を受光させる。具体的には、アライメントマーク１１を撮像する間、テーブル制御回路１１４は、ＸＹθテーブル１０２を停止させておく。実施の形態１では、あえて、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向（例えばｘ方向）へのＸＹθテーブル１０２の移動をさせずに撮像する。これにより、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向（例えばｘ方向）に並ぶ受光素子１６列によって蓄積される各電荷は、基板１０１の異なる位置同士の電荷になる。その結果、得られる画像は、図８（ｄ）に示すように、背景パターンが映り込まない状態で、かつＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向に平均化された像にできる。上述したように、レチクル１８２，１８４の遮光パターン７０，７１の端部（透過パターン７２，７３の端部）は時間積分方向に平行に形成されている。言い換えれば、レチクルパターンは、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向（例えばｘ方向）に沿って変化しない形状のパターンに形成されている。かかるレチクルパターンをＴＤＩセンサ１０５で撮像する。かかる場合、ｘ方向に並ぶ受光素子１６列は、同じラインパターン上を撮像し続ける。結果として、図８（ｄ）に示すように、ｘ方向（時間軸）に延びるレチクルパターン像が得られる。遮光パターン７０，７１の端部（透過パターン７２，７３の端部）は時間積分方向に平行に形成されているので、画像が平均化されたとしても、白黒パターンが混ざることが無い。よって、撮像された画像の階調値は、ＴＤＩセンサ１０５の電荷移送速度に同期させてＸＹθテーブル１０２を移動させながら撮像した場合に得られる画像の階調値とほぼ同等の高いレベルの値を得ることができる。よって、平均化されて階調値が小さくなった背景（アライメントマーク１１）を消す程度のゲイン・オフセット調整が行われた状態で撮像されても、レチクルパターンを識別できる。また、ＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向に平均化されたレチクルパターン像を用いて後述するように合焦位置を特定することで、ＴＤＩセンサ１０５の視野内で平均化された位置に合焦させることができ、高さ位置の誤差を平均化できる。

センサ回路１０６により出力される測定データ（階調データ）は、ストライプパターンメモリ１２３に格納され、高さ分布作成回路１４２に出力されると共に、パターンモニタ１１８に表示される。

図９は、実施の形態１における高さ分布作成回路の内部構成の一例を示す図である。図９において、高さ分布作成回路１４２内には、微分演算部４０、高さ演算部４２、移動量演算部４７、高さ分布演算部４８、及び磁気ディスク装置等の記憶装置４４，４６，４９が配置されている。微分演算部４０、高さ演算部４２、移動量演算部４７、及び高さ分布演算部４８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。微分演算部４０、高さ演算部４２、移動量演算部４７、及び高さ分布演算部４８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。

微分演算工程（Ｓ１１２）として、微分演算部４０は、均一化が行われた状態で、レチクル１８２，１８４を通過した反射照明光が基板１０１に照明されることによって生成された基板１０１のレチクルパターン像（パターン像）を受光したＴＤＩセンサ１０５により出力された階調値を用いて、階調の一次微分値を演算する。

図１０は、実施の形態１における階調値の一次微分値と焦点位置との関係を示す図である。上述したように、レチクル１８２は、ＴＤＩ１０５共役位置よりも手前に配置される。よって、レチクル１８２のレチクル像は、基板１０１のパターン形成面よりも光軸方向手前（高さ方向（ｚ方向）に低い位置）で合焦する。言い換えれば、基板１０１がＴＤＩ１０５共役位置との合焦高さ位置よりも高さ方向（ｚ方向）に低い位置側（−ｚ側）に移動して、レチクル１８２のレチクル像の合焦位置ｚ１に配置された場合に、図１０（ａ）に示すようにレチクル１８２側のパターン端部の像の階調の一次微分値の絶対値Ａが最大になる。逆に、レチクル１８４側のパターン端部の像の階調の一次微分値の絶対値Ｂが最小になる。同様に、レチクル１８４は、ＴＤＩ１０５共役位置よりも後側に配置される。よって、レチクル１８４のレチクル像は、基板１０１のパターン形成面よりも光軸方向後側（高さ方向（ｚ方向）に低い位置）で合焦する。言い換えれば、基板１０１がＴＤＩ１０５共役位置との合焦高さ位置よりも高さ方向（ｚ方向）に高い位置側（＋ｚ側）に移動して、レチクル１８４のレチクル像の合焦位置ｚ２に配置された場合に、図１０（ｃ）に示すようにレチクル１８４側のパターン端部の像の階調の一次微分値の絶対値Ｂが最大になる。逆に、レチクル１８２側のパターン端部の像の階調の一次微分値の絶対値Ａが最小になる。基板１０１がＴＤＩ１０５共役位置との合焦高さ位置ｚ０に配置された場合に、図１０（ｂ）に示すようにレチクル１８２，１８４側のパターン端部の像の階調の一次微分値の絶対値Ａ，Ｂは同じになる。

そこで、予め実験等により、基板１０１のパターン形成面の高さ位置ｚ（ＸＹθテーブル１０２の高さ位置）を可変にした場合のレチクル１８２側のパターン端部の階調の一次微分値の絶対値Ａとレチクル１８４側のパターン端部の階調の一次微分値の絶対値Ｂとを測定しておく。そして、かかるレチクル１８２側のパターン端部の階調の一次微分値の絶対値Ａからレチクル１８４側のパターン端部の階調の一次微分値の絶対値Ｂを差し引いた値（Ａ−Ｂ）を一次微分値の絶対値Ａと一次微分値の絶対値Ｂの和（Ａ＋Ｂ）で割った値ｆと、基板１０１のパターン形成面の高さ位置ｚ（ＸＹθテーブル１０２の高さ位置）との相関関係を求めておく。ｆは、以下の式（１）で定義できる。
（１） ｆ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）

かかる相関関係データを取得する場合には、基板１０１の元になるまだパターンを形成していない石英基板を用いればよい。その際のゲイン・オフセット調整は、上述した均一化処理と同程度を想定して調整しておけばよい。図１０（ｄ）では、縦軸にレチクル１８２側の一次微分値の絶対値Ａからレチクル１８４側の一次微分値の絶対値Ｂを差し引いた値（Ａ−Ｂ）を一次微分値の絶対値Ａと一次微分値の絶対値Ｂの和（Ａ＋Ｂ）で割った値ｆを示し、横軸に基板１０１のパターン形成面の高さ位置ｚを示す。基板１０１のパターン形成面の高さ位置ｚがＴＤＩ１０５共役位置に合焦する合焦位置ｚ０になる場合に、ｆ＝０となる。ここで、図１０（ｄ）に示すように、合焦位置ｚ０の前後の位置では、ｆが一次比例する。よって、かかる関係を用いることで、実際の測定時における基板１０１のパターン形成面の高さ位置ｚを得ることができる。基板１０１のパターン形成面の高さ位置ｚは、以下の式（２）で定義できる。ｋは相関式の係数である。
（２） ｚ’＝ｋ・ｆ＝ｋ・（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）

かかる相関関係データ（相関式の係数ｋ）は、検査装置１００の外部から入力し、記憶装置４４に格納しておく。

高さ位置演算工程（Ｓ１１４）として、高さ演算部４２は、均一化が行われたゲインとオフセットの調整状態でレチクル１８２，１８４を通過した反射照明光が基板１０１に照明されることによって生成された基板１０１のアライメントパターン像を受光したＴＤＩセンサ１９５により出力された階調値の一次微分値を用いて、基板１０１の高さ位置ｚ’を測定する。具体的には、記憶装置４４から相関関係データ（相関式の係数ｋ）を読み出し、式（２）を使って、基板１０１のパターン形成面の高さ位置ｚ’を演算する。

移動量演算工程（Ｓ１１５）として、移動量演算部４７は、基板１０１のレチクルパターン像（パターン像）の焦点が合う基板１０１とＴＤＩセンサ共役位置との相対距離の移動量Δｚを演算する。移動量演算部４７は、均一化が行われた状態でレチクル１８２，１８４を通過した反射照明光が基板１０１に照明されることによって生成された基板１０１のパターン像を受光したＴＤＩセンサ１０５により出力された階調値の一次微分値を用いて、基板１０１のパターン像の焦点が合うように基板１０１とＴＤＩセンサ共役位置との相対距離の移動量Δｚを演算する。具体的には、移動量Δｚは、基板１０１のパターン形成面の高さ位置ｚがＴＤＩ１０５共役位置に合焦する合焦位置ｚ０から測定された結果得られた高さ位置ｚ’を差し引いた差分を演算すればよい。

合焦工程（Ｓ１１６）として、フォーカス回路１４４の制御により、駆動機構１８６（駆動部）は、移動量Δｚを用いて、基板１０１とＴＤＩセンサ１９５の共役位置との相対距離を移動させる。具体的には、駆動機構１８６（駆動部）は、移動量Δｚ分だけ、ＸＹθテーブル１０２を高さ方向（ｚ方向）に移動させる。これにより、かかるレチクル像の撮像位置における焦点を合わせることができる。

なお、上述した例では、階調の一次微分値の絶対値同士の和分の差を演算した値を用いて合焦する場合を示したが、これに限るものではない。得られた階調値データを１次微分して、図５（ａ）のグラフβに示す１次微分値のデータを得る。そして、レチクル１８２の遮光パターン７０の端部の１次微分値のグラフとレチクル１８４の遮光パターン７１の端部の１次微分値のグラフとが対称になる位置に基板１０１とＴＤＩセンサ１９５の共役位置との相対距離を移動させてもよい。これにより、かかるレチクル像の撮像位置における焦点を合わせることができる。また、移動させた移動量Δｚから、かかるレチクル像の撮像位置における高さ位置ｚ’を演算すればよい。

レチクル移動工程（Ｓ１１８）として、レチクル制御回路１４６は、レチクル駆動機構１８５を駆動させてレチクル１８２，１８４を光路上から光路外へと移動させる。

ゲイン・オフセット調整工程（Ｓ１２０）として、ゲイン・オフセット調整回路１４０は、ＴＤＩセンサ１０５により出力されるアライメントマーク１１のパターン像が識別できるようにセンサ回路１０６のゲインとオフセットの設定を変更するように制御する。

アライメントマーク位置測定工程（Ｓ１２２）として、まず、光学画像取得部１５０は、レチクル１８２，１８４が光路上から外れた状態で、反射照明光を基板１０１に照射して、基板１０１からの反射像を取得する。具体的には、以下のように動作する。反射照明光学系１７２は、アライメントマーク１１のパターンが形成された基板１０１にレチクル１８２，１８４を通過しない反射照明光を照明する。

そして、ＴＤＩセンサ１０５は、基板１０１のパターン像を結像させる結像光学系１７６を介して、基板１０１のアライメントマーク１１のパターン像を受光する。その際、ＴＤＩセンサ１０５の電荷移送速度に同期させてＸＹθテーブル１０２をＴＤＩセンサ１０５の時間積分方向に移動させながら撮像する。すなわち、ＴＤＩセンサ１０５の本来の使い方で撮像する。ＴＤＩセンサ１０５により出力される測定データ（階調データ）は、センサ回路１０６に入力される。センサ回路１０６は、入力された測定データをＡ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換して、階調値のデータを生成する。階調値は、例えば、０〜２５５の２５６階調で定義される。センサ回路１０６により出力される測定データ（階調データ）は、ストライプパターンメモリ１２３に格納され、制御系回路１６０に出力され、パターンモニタ１１８に表示される。既に焦点位置は合っているので、得られる画像から明確にアライメントマーク１１を識別できる。そのため、アライメントマーク１１の中心がＴＤＩセンサ１０５の視野内に入るようにＸＹθテーブル１０２の位置を調整し、アライメントマーク１１の中心位置（ｘ，ｙ）を測定する。かかるアライメントマーク１１の中心位置（ｘ，ｙ）と関連させて、かかる位置での演算された高さ位置ｚ’の情報は、記憶装置４６に格納される。

判定工程（Ｓ１２４）として、制御計算機１１０は、すべてのアライメントマーク１１の位置測定が終了したかどうかを判定する。まだ位置測定が終了していないアライメントマーク１１がある場合に、ＴＤＩ視野設定工程（Ｓ１０２）に戻る。そして、すべてのアライメントマーク１１の位置測定が終了するまで、ＴＤＩ視野設定工程（Ｓ１０２）から判定工程（Ｓ１２４）までの各工程を繰り返す。

以上により、記憶装置４６には、すべてのアライメントマーク１１の位置での高さ位置ｚ’がそれぞれ記憶されていることになる。

高さ分布演算工程（Ｓ１２６）として、高さ分布演算部４８は、基板１０１の各高さ位置を用いて、基板１０１の高さ位置分布を演算し、取得する。具体的には、基板１０１の各アライメントマーク１１の位置での高さ位置ｚ’を用いて、基板１０１面（検査領域１０）の各位置における高さを演算する。基板１０１面（検査領域１０）の各位置における高さは、４つのアライメントマーク１１の位置での高さ位置ｚ’を線形補間して演算すればよい。演算された基板１０１の高さ位置分布は、記憶装置４９に格納される。

パターン検査工程（Ｓ１２８）として、光学画像取得部１５０は、高さ位置分布に基づいて、基板１０１の高さ位置を変えながら、基板１０１に形成された回路パターンの光学画像を取得する。そして、取得された光学画像を用いてパターン欠陥の有無を検査する。具体的には、以下のように動作する。

図１１は、実施の形態１における検査領域を説明するための概念図である。マスク基板１０１の検査領域１０（検査領域全体）は、図１１に示すように、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２０に仮想的に分割される。

そして、検査装置１００では、検査ストライプ２０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２０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配置される図形パターンの画像を撮像する。ＸＹθテーブル１０２がｘ方向に移動させられ、その結果、ＴＤＩセンサ１０５が相対的にｘ方向に連続移動しながら光学画像が取得される。ＴＤＩセンサ１０５では、図１１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、ＴＤＩセンサ１０５は、ＴＤＩセンサ１０５の電荷移送速度に同期させて移動するＸＹθテーブル１０２と相対移動しながら、検査光を用いてマスク基板１０１に形成されたパターンの光学画像を撮像する。検査光は、透過照明系１７０から照明された光を用いても良いし、反射照明光学系１７２から照明された光を用いてもよい。反射照明光学系１７２から反射照明光を照明する場合には、レチクル１８２，１８４を光路上から外しておくことは言うまでもない。実施の形態１では、１つの検査ストライプ２０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２０の位置まで移動して今度は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）−バックフォワード（ＢＷＤ）の方向で撮像を繰り返す。

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

かかるＴＤＩセンサ１０５での撮像の間、フォーカス回路１４４の制御により、駆動機構１８６（駆動部）は、記憶装置４９から高さ位置分布のデータを読み出し、撮像位置に対応する高さ位置ｚを取得し、合焦位置ｚ０との差分を移動量Δｚとして、ＸＹθテーブル１０２の高さ位置を移動させる。これにより、撮像位置における焦点を動的に合わせることができる。

ＴＤＩセンサ１０５上に結像されたパターンの像は、ＴＤＩセンサ１０５の各受光素子１６によって光電変換され、更にセンサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換される。そして、ストライプパターンメモリ１２３に、測定対象の検査ストライプ２０の画素データが格納される。かかる画素データ（ストライプ領域画像）を撮像する際、ＴＤＩセンサ１０５のダイナミックレンジは、例えば、照明光の光量が６０％入射する場合を最大階調とするダイナミックレンジを用いる。また、検査ストライプ２０の光学画像を取得する際、レーザ測長システム１２２は、ＸＹθテーブル１０２の位置を測長する。測長された位置情報は、位置回路１０７に出力される。位置回路１０７は、測長された位置情報を用いて、マスク基板１０１の位置を演算する。

その後、各ストライプ領域画像は、位置回路１０７から出力されたＸＹθテーブル１０２上における基板１０１の位置を示すデータと共に比較回路１０８に送られる。測定データ（画素データ）は例えば８ビットの符号なしデータ（２５６階調）であり、各画素の明るさの階調（光量）を表現している。

参照画像作成工程として、まず、展開回路１１１（参照画像作成部の一例）は、マスク基板１０１のパターン形成の基となる設計パターンデータに基づいて画像展開して設計画像を作成する。具体的には、磁気ディスク装置１０９から制御計算機１１０を通して設計データを読み出し、読み出された設計データに定義された対象フレーム３０の領域の各図形パターンを２値ないしは多値のイメージデータに変換（画像展開）して設計画像を作成する。

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）、及び辺の長さ、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（ベクトルデータ）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の情報が展開回路１１１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画像データを展開し、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、画素毎に８ビットの占有率データの設計画像を作成する。設計画像のデータは参照回路１１２に出力される。

参照回路１１２（参照画像作成部の一例）は、設計画像をフィルタ処理して参照画像を作成する。

図１２は、実施の形態１におけるフィルタ処理を説明するための図である。センサ回路１０６から得られた光学画像としての測定データは、対物レンズ１０４の解像特性やＴＤＩセンサ１０５のアパーチャ効果等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基準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。このようにしてフレーム画像（光学画像）と比較する参照画像を作成する。作成された参照画像は比較回路１０８に出力される。以上により、検査のために比較される他方の画像（参照画像）データが生成される。

比較回路１０８内に出力されたストライプ領域画像は、図示しない記憶装置に記憶される。そして、検査ストライプ２０のストライプ領域画像（光学画像）の中から対象フレーム領域３０のフレーム画像を切り出すように、ｘ方向に所定のサイズ（例えば、スキャン幅Ｗと同じ幅）でストライプ領域画像を分割する。例えば、５１２×５１２画素のフレーム画像に分割される。かかる処理により、複数のフレーム領域３０に応じた複数のフレーム画像（光学画像）が取得される。フレーム領域３０のサイズは、スキャン幅Ｗと同じ幅でなくとも構わない。例えば、スキャン幅Ｗの１／ｎのサイズ（ｎは自然数。例えば、ｎ＝１又は２）が望ましい。

そして、比較回路１０８は、比較対象となるフレーム画像（光学画像）と、比較対象となる参照画像とについて、所定のアルゴリズムで位置合わせを行う。例えば、最小２乗法を用いて位置合わせを行う。比較回路１０８は、位置合わせされたフレーム画像（パターン像）と参照画像とを比較する。ここでは、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。判定条件としては、例えば、所定のアルゴリズムに従って画素毎に両者を比較し、欠陥の有無を判定する。例えば、両画像の画素値の差分が判定閾値より大きいかどうかを判定し、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、磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレキシブルディスク装置（ＦＤ）１１６、ＣＲＴ１１７、パターンモニタ１１８、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。

以上のように、実施の形態１によれば、レチクル像が投影される被検査基板面に形成されるパターンに関わらず、高精度に合焦できる。よって、高精度なパターン検査ができる。

以上の説明において、「〜回路」と記載したものは、処理回路を有する。かかる処理回路は、例えば、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、半導体装置を含む。各「〜部」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いても良いし、或いは異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。また、プログラムを用いる場合、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る。例えば、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、及びテーブル制御回路１１４等の各回路は、処理回路を有する。かかる処理回路は、例えば、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、半導体装置を含む。

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。上述した例では、背景画像を撮像する際に、ＸＹθテーブル１０２を停止させた状態で撮像することで、ＴＤＩセンサ１０５の特性を用いて平均化する場合を示したがこれに限るものではない。ＴＤＩセンサ１０５の電荷移動速度に同期させながらＸＹθテーブル１０２を移動させて撮像した後に、得られた画像の時間積分方向に並ぶ画素の階調値を平均化して置き換えてもよい。

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。例えば、検査装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。

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パターン検査装置、及びパターン検査方法は、本発明の範囲に包含される。

１０ 検査領域
１６ 受光素子
２０ 検査ストライプ
３０ フレーム領域
４０ 微分演算部
４２ 高さ演算部
４４，４６，４９ 記憶装置
４７ 移動量演算部
４８ 高さ分布演算部
５０，５２，６０ レンズ
６２ コリメートレンズ
６４ 結像レンズ
７０，７１ 遮光パターン
７２，７３ 透過パターン
１００ 検査装置
１０１ マスク基板
１０２ ＸＹθテーブル
１０３ 光源
１０４ 対物レンズ
１０５ ＴＤＩセンサ
１０６ センサ回路
１０７ 位置回路
１０８ 比較回路
１０９ 磁気ディスク装置
１１０ 制御計算機
１１１ 展開回路
１１２ 参照回路
１１３ オートローダ制御回路
１１４ テーブル制御回路
１１５ 磁気テープ装置
１１６ ＦＤ
１１７ ＣＲＴ
１１８ パターンモニタ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２２ レーザ測長システム
１２３ ストライプパターンメモリ
１４０ ゲイン・オフセット調整回路
１４２ 高さ分布作成回路
１４４ フォーカス回路
１４６ レチクル制御回路
１５０ 光学画像取得部
１６０ 制御系回路
１７０ 透過照明光学系
１７２ 反射照明光学系
１７４ ビームスプリッタ
１７６ 結像光学系
１８２，１８４ レチクル
１８５ レチクル駆動機構
３００ カセット

Claims (5)

1. パターンが形成された基板に反射照明光を照明する反射照明光学系と、
   前記基板のパターン像を結像させる結像光学系と、
   前記基板のパターン像を受光するタイム・ディレイ・インテグレーションセンサ（ＴＤＩセンサ）と、
   前記反射照明光学系の光路中における前記基板面に対する前記ＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向手前側に配置され、前記反射照明光の照射を受ける、前記ＴＤＩセンサの時間積分方向に平行な端部を有する遮光パターンと前記遮光パターンよりも照明領域中の割合が大きい透過パターンとが形成された第１のレチクルと、
   前記反射照明光学系の光路中における前記基板面に対する前記ＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向後側であって、前記第１のレチクルと光軸方向に等配の位置に前記第１のレチクルとはパターンが互いに逆向きになるように配置され、前記第１のレチクルと同様の遮光パターンと透過パターンとが形成された第２のレチクルと、
   前記第１と第２のレチクルを通過せずに前記反射照明光が前記基板に照明されることによって生成された前記基板のパターン像を受光した前記ＴＤＩセンサにより出力される階調値を用いて、前記階調値の均一化を行う均一化処理部と、
   前記均一化が行われた状態で、前記第１と第２のレチクルを通過した前記反射照明光が前記基板に照明されることによって生成された前記基板のパターン像を受光した前記ＴＤＩセンサにより出力された階調値の一次微分値を用いて、前記基板のパターン像の焦点が合う前記基板と前記ＴＤＩセンサ共役位置との相対距離の移動量を演算する移動量演算部と、
   前記移動量を用いて、前記基板と前記ＴＤＩセンサの共役位置との相対距離を移動させる駆動部と、
   を備えたことを特徴とする合焦装置。
2. 前記均一化処理部は、前記ＴＤＩセンサの時間積分方向に平均化された階調データを用いて、前記ＴＤＩセンサにより出力される階調値のゲインとオフセットの調整を行うことにより前記階調値の均一化を行うことを特徴とする請求項１記載の合焦装置。
3. 前記階調データは、前記基板を停止させた状態で前記ＴＤＩセンサにより前記基板のパターン像を受光させることによって生成されることを特徴とする請求項２記載の合焦装置。
4. 反射照明光学系を用いて、パターンが形成された基板に反射照明光を照明する工程と、
   前記基板のパターン像を結像させる結像光学系を介して、タイム・ディレイ・インテグレーションセンサ（ＴＤＩセンサ）により前記基板のパターン像を受光する工程と、
   前記反射照明光が前記基板に照明されることによって生成された前記基板のパターン像を受光した前記ＴＤＩセンサにより出力される階調値を用いて、前記階調値の均一化を行う工程と、
   前記反射照明光学系の光路中における前記基板面に対する前記ＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向手前側に配置され、前記反射照明光の照射を受ける、前記ＴＤＩセンサの時間積分方向に平行な端部を有する遮光パターンと前記遮光パターンよりも照明領域中の割合が大きい透過パターンとが形成された第１のレチクルと、前記反射照明光学系の光路中における前記基板面に対する前記ＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向後側であって、前記第１のレチクルと光軸方向に等配の位置に前記第１のレチクルとはパターンが互いに逆向きになるように配置され、前記第１のレチクルと同様の遮光パターンと透過パターンとが形成された第２のレチクルと、を用いて、前記均一化が行われた状態で、前記第１と第２のレチクルを通過した前記反射照明光が前記基板に照明されることによって生成された前記基板のパターン像を前記ＴＤＩセンサにより受光する工程と、
   前記均一化が行われた状態で前記第１と第２のレチクルを通過した前記反射照明光が前記基板に照明されることによって生成された前記基板のパターン像を受光した前記ＴＤＩセンサにより出力された階調値の一次微分値を用いて、前記基板のパターン像の焦点が合うように前記基板と前記ＴＤＩセンサ共役位置との相対距離の移動量を演算する工程と、
   前記移動量を用いて、前記基板と前記ＴＤＩセンサの共役位置との相対距離を移動させる工程と、
   を備えたことを特徴とする合焦方法。
5. 反射照明光学系を用いて、アライメントパターンと回路パターンとが形成された基板に反射照明光を照明する工程と、
   前記基板のパターン像を結像させる結像光学系を介して、タイム・ディレイ・インテグレーションセンサ（ＴＤＩセンサ）により前記基板のアライメントパターン像を受光する工程と、
   前記反射照明光が前記基板に照明されることによって生成された前記基板のアライメントパターン像を受光した前記ＴＤＩセンサにより出力される階調値を用いて、ゲインとオフセットの調整によって前記階調値の均一化を行う工程と、
   前記ＴＤＩセンサの時間積分方向に平行な端部を有する遮光パターンと前記遮光パターンよりも照明領域中の割合が大きい透過パターンとが形成された第１のレチクルを、前記反射照明光学系の光路中における前記基板面に対する前記ＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向手前側に配置すると共に、前記第１のレチクルと同様の遮光パターンと透過パターンとが形成された第２のレチクルを、前記反射照明光学系の光路中における前記基板面に対する前記ＴＤＩセンサの共役位置に対して光軸方向後側であって、前記第１のレチクルと光軸方向に等配の位置に前記第１のレチクルとはパターンが互いに逆向きになるように配置する工程と、
   前記均一化が行われた前記ゲインと前記オフセットの調整状態で前記第１と第２のレチクルを通過した前記反射照明光が前記基板に照明されることによって生成された前記基板のアライメントパターン像を受光した前記ＴＤＩセンサにより出力された階調値の一次微分値を用いて、前記基板の高さ位置を測定する工程と、
   前記基板の高さ位置を用いて、前記基板の高さ位置分布を取得する工程と、
   前記高さ位置分布に基づいて、前記基板の高さ位置を変えながら、前記基板に形成された前記回路パターンを検査する工程と、
   を備えたことを特徴とするパターン検査方法。