JPH05242253A

JPH05242253A - 画像処理方法

Info

Publication number: JPH05242253A
Application number: JP4039204A
Authority: JP
Inventors: Shunji Maeda; 俊二前田; Hitoshi Kubota; 仁志窪田; Hiroshi Makihira; 坦牧平; Takashi Hiroi; 高志広井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-02-26
Filing date: 1992-02-26
Publication date: 1993-09-21

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、微細欠陥を信頼性高く検出す
る外観検査を実現するため、高感度な画像の比較を行う
画像処理方法を提供することにある。【構成】複数の共焦点画像より微分値によって合成した
１枚の画像と、基準となる画像において、それぞれに微
分処理を施し、定めた値を加算した後、これらの極性を
画像間で比較する。そして、極性の不一致としてパター
ンエッジの位置ずれを検出する。【効果】パターンエッジの位置ずれを２つの画像から、
直接に検出できる。従って、従来にくらべ飛躍的に欠陥
検出性能を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被検査パターンの欠陥を
検出する外観検査方法に係り、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な画像処
理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、パターンの外観検査装置は、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 Robotics &
Automation 1985)、474〜480頁、『A Preliminary Stud
y of Automated Inspection ofVLSI Resist Patterns』
に記載のように、被検査パターンの画像よりエッジを検
出し、検出したエッジを参照画像のエッジと比較して、
エッジの位置ずれが大きい領域を不一致として検出する
ものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
成では、パターンエッジを検出する際、エッジの検出精
度が低く、エッジの真の位置を正しく比較できないとい
う課題があった。特に、エッジとはどこかという定義が
曖昧であり、また、画像の濃淡変化の程度によってはエ
ッジの位置もばらついてしまう。例えば、上記従来技術
では、ラプラシアンガウシアンオペレータを用いて画像
中のエッジを検出しているが、このオペレータは真のエ
ッジに対応しない偽りのエッジも検出されてしまうこと
がある。さらに、ガウシアンにより画像がぼけるが高周
波エッジの位置は原理上ずれてしまう。このため、検出
されたエッジを比較する方式では微細な欠陥が検出でき
ず、真に有効な検査を実現することはできなかった。

【０００４】本発明の目的は、今後の０.１〜０.２μｍ
欠陥を信頼性高く検出すべく、高感度な比較検査を実現
するための画像処理方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では次
のような考えを実現することで上記目的を達成した。

【０００６】画像中のパターンエッジをエッジ検出オペ
レータ等を用いて単独で検出することはせず、被検査パ
ターンの画像信号と基準の画像信号の比較において、２つの画像それぞれに１次微分、或いは２次微分、或
いはより高次の微分を行う。

【０００７】微分処理した後、微分値の極性等に応じ
て定めた値を加算し、これらの極性の不一致画像、或い
は積の画像を検出する。

【０００８】積の画像中の極性の違いを検出する。

【０００９】検出された極性が異なる領域を画像の位
置ずれ、或いはパターンエッジの位置ずれとして検出す
る。

【００１０】複数枚の画像から１枚の画像を合成する
際、各画素において１次微分、或いは２次微分、或いは
より高次の微分を行い、その微分値が大きい画像の明る
さ、或いはその微分値をその画素の明るさとして採用す
る。

【００１１】得られた画像について、上記〜を行
う。

【００１２】

【作用】上記した手段〜によれば、画像中のパター
ンエッジを単独で検出することなしに、２つの画像のパ
ターンエッジの位置のずれが自動的に、かつ直接検出で
きる。従って、エッジ検出に伴う誤差がなく、位置ずれ
検出精度が高い。この技術をパターンの外観検査などに
適用すれば、欠陥の検出感度及び信頼性を飛躍的に向上
できる。また、画像の位置ずれ検出を高精度に行いたい
ときにも、好適である。特に、ＳＥＭを用いたＬＳＩウ
エハ等の微細パターンのエッジ位置検出には大きな効果
が期待できる。さらに、上記した手段、によれば、
Ｚ方向に位置がずれた複数枚の共焦点画像から、高段差
パターンにおいても焦点があった１枚の画像を得られ、
これを同様の処理を施した基準の画像と比較することに
より、極めて高感度な位置ずれ検出、欠陥検出ができ
る。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いて説明する。ま
ず、図２０〜図２４を用いて本発明の本質を説明する。

【００１４】図２０は、画像信号波形の説明図である。
同図(ａ)はＬＳＩウエハ等の微細１層パターンの断面図
を示し、同図(ｂ)はこの１層パターンを光学顕微鏡或い
はＳＥＭ等の画像検出手段によって検出したときの検出
信号波形ｆ(x)を示し、同図(ｃ)は検出信号波形ｆ(x)を
１次微分した１次微分信号波形ｄｆ(x)／ｄｘを示し、
同図(ｄ)は２次微分信号波形ｄ²ｆ(x)／ｄｘ²を示し、
同図(ｅ)は３次微分信号波形ｄ³ｆ(x)／ｄｘ³を示す。
これら信号波形ｄｆ(x)／ｄｘ、ｄ²ｆ(x)／ｄｘ²、ｄ³
ｆ(x)／ｄｘ³において、パターンエッジの暗い極値は１
次微分信号の値が０となるゼロクロシング位置、また、
信号の変極点は２次微分信号の値が０となるゼロクロシ
ング(zero crossing)の位置に相当している。

【００１５】図２１(ａ)は１層パターンの断面図、同図
(ｂ)はこの１層パターンを検出したときの検出信号波形
ｆ(x)を示し、同図(ｃ)は検出信号波形ｆ(x)を１次微分
した１次微分信号波形ｄｆ(x)／ｄｘを示し、同図(ｄ)
は２次微分信号波形ｄ²ｆ(x)／ｄｘ²を示す。同図(ｂ)
には代表的なエッジの位置、、、、を示し、
同図(ｃ)、(ｄ)には微分値の極性が正である領域を示
す。

【００１６】図２２は位置ずれのあるパターンの場合を
示し、同図(ａ)は位置ずれδｘがある１層パターンの断
面図であり、同図(ｂ)はこの１層パターンを検出したと
きの検出信号波形ｆ(x)、ｇ(x)を示し、同図(ｃ)はそれ
ぞれの検出信号波形を１次微分した１次微分信号ｄｆ
(x)／ｄｘ、ｄｇ(x)／ｄｘの積（(ｄｆ(x)／ｄｘ)・(ｄ
ｇ(x)／ｄｘ)）が負となる領域を示し、同図(ｄ)は２次
微分信号波形の積（(ｄ²ｆ(x)／ｄｘ²)・(ｄ²ｇ／ｄ
ｘ²)）が負となる領域をそれぞれ表している。検出され
たそれぞれの領域は、幅δｘを有している。ここでは、
図２２(ｃ),(ｄ)において図２１(ｂ)に示すエッジ、
非エッジ、およびエッジ、におけるそれぞれの位
置ずれが検出されている。これら図２２(ｃ),(ｄ)によ
り、微分値の積の極性は、パターンの位置ずれを正しく
検出するオペレータとなっていることがわかる。

【００１７】さらに、図２３(ａ)は位置ずれδｘがある
１層パターンの検出信号波形ｆ(x)、ｇ(x)を示し、同図
(ｂ)はそれぞれの検出信号波形を１次微分した１次微分
信号ｄｆ(x)／ｄｘ、ｄｇ(x)／ｄｘの積（(ｄｆ(x)／ｄ
ｘ)・(ｄｇ(x)／ｄｘ)）が負となり、かつそれぞれの２
次微分ｄ²ｆ(x)／ｄｘ²、ｄ²ｇ(x)／ｄｘ²が正となる領
域が、パターンエッジの暗い極値(１次微分信号の値が
０となるゼロクロシング位置)の位置ずれ、即ち図２１
(ｂ)中のエッジの位置ずれに相当していることを表し
ている。ここでは、図２１(ｂ)中に示した非エッジが
正しく除かれている。同様に、図２４(ａ)は位置ずれδ
ｘがある１層パターンの検出信号波形ｆ(x)、ｇ(x)を示
し、同図(ｂ)はそれぞれの検出信号波形を２次微分した
２次微分信号ｄ²ｆ(x)／ｄｘ²、ｄ²ｇ(x)／ｄｘ²の積
（(ｄ²ｆ(x)／ｄｘ²)・(ｄ²ｇ／ｄｘ²)）が負となり、
かつそれぞれの３次微分ｄ³ｆ(x)／ｄｘ³、ｄ³ｇ(x)／
ｄｘ³が負となる領域が、パターンエッジの変極点(２次
微分信号の値が０となるゼロクロシング位置)の位置ず
れ、即ち図２１(ｂ)中のエッジの位置ずれに相当して
いることを表している。このように、各種のパターンエ
ッジに関し、対応するエッジ位置のずれを正しく検出す
ることができる。

【００１８】さらに、求めたいエッジ、等の位置を
変えることも可能である。これは、例えば、１次微分値
に定めた値αを加算し、この結果に対し、上記処理を行
う。図２０(ｃ)の点線で示したようにαの加算は、ゼロ
クロシングの移動を意味する。１次微分信号(ｄｆ(x)／
ｄｘ＋α)、(ｄｇ(x)／ｄｘ＋α)の積（(ｄｆ(x)／ｄｘ
＋α)・(ｄｇ(x)／ｄｘ＋α)）が負となり、かつそれぞ
れの２次微分ｄ²ｆ(x)／ｄｘ²、ｄ²ｇ(x)／ｄｘ²が正と
なる領域を求めれば、α＜０の場合は、暗い極値、
に対してそれぞれ右の位置をエッジとみなすことができ
る。

【００１９】また、これを、ｄｆ(x)／ｄｘ(ｄｇ(x)／
ｄｘ)が正の領域ではα＜０、負の領域ではα＞０とす
ると、α＝０の場合のゼロクロシングの両側にゼロクロ
シング対が多数生ずる。ゼロクロシング対のうち、エッ
ジの内側よりのゼロクロシングをとれば、エッジ、
の内側、即ちパターンの幅を実際より小さめに見積もる
こともできる。このように、任意のエッジ位置に着目し
て、その位置ずれを検出することもできる。

【００２０】上記例では、１次元信号により説明した
が、画像中の種々の方向についてこれを行えば、すべて
の方向のパターンエッジの位置ずれを求めることができ
る。

【００２１】本発明を応用した外観検査装置の例を図
１、図２を用いて説明する。ここでは、光学顕微鏡を用
いた例について説明するが、ＳＥＭの場合も同様に成り
立つ。図１はＬＳＩウェハパターン外観検査装置の例で
ある。同図において、１次元イメージセンサ４の走査を
Ｙ方向の走査に一致させ、これにより、被検査パターン
であるＬＳＩウェハ１を対物レンズ３を介して１次元に
検出可能にするとともに、ＸＹテーブル１ＡによりＬＳ
Ｉウェハ１を上記イメージセンサ４の主走査と直交する
方向、即ちＸ方向に移動させることによって被検査パタ
ーンを２次元の画像として検出可能にしている。９は、
Ａ／Ｄ変換器である。なお、ＬＳＩウェハ１は照明用ラ
ンプ２により照明されている。上記イメージセンサ４の
出力信号は遅延メモリ５によりウェハ１を１チップ分移
動する時間だけ遅らせる。これにより、イメージセンサ
４の出力信号と遅延メモリ５の出力信号は、隣接するチ
ップ２ａと２ｂの画像信号に相当する。これらの画像信
号を画像処理装置６０により比較し、不一致を欠陥とし
て検出する。欠陥検出例としては、特開平０３−２０９
８４３号公報に具体的に記載されているので、これを参
照すれば一層明確になる。

【００２２】次に、図２を用いて画像処理装置６０の基
本的構成を説明する。画像処理装置６０は、複数のブロ
ックにより構成され、各ブロックは画像内演算部１１、
画像間演算部１２、しきい値処理部１３からなる。画像
内演算部１１は、画像の局所的領域で近傍演算であるフ
ィルタリングなどを行うもので、例えば画像の積分、微
分などの処理を実現する。また、画像から局所領域を切
り出す操作も行う。出力は濃淡画像や２値画像である。
画像間演算部１２は、２つの画像間で四則演算や論理演
算を行うもので、例えば画像間の差演算により濃淡差画
像を検出したり、ＥＸＯＲ演算により不一致を検出す
る。しきい値処理部１３は、画像を各画素ごとに定めた
しきい値と比較し、２値化するものである。なお、画像
内演算部１１は、下記に説明するように、しきい値処理
部１３を含むこともありうる。

【００２３】次に、画像内演算部１１としきい値処理部
１３の構成を説明する。まず、図３に画像処理装置６０
の具体的構成例を示す。図３において、例えば８ｂｉｔ
の検出画像信号ｆ及び記憶画像信号ｇをそれぞれ１次微
分回路１０ａ、１０ｂ、２次微分回路１１ａ、１１ｂに
より、画素ごとに順次１次微分及び２次微分する。１次
微分回路１０ａ、１０ｂは、図４に示すように画像より
３×３画素を順次切り出して８方向の１次微分ｏ、ｐ、
・・・・・ｖ及びｏ’、ｐ’、・・・・・ｖを求め、そ
れぞれの極性（１，０）と、１次微分の絶対値を２値化
して得られる値（１，０）とからなる、例えば１６ｂｉ
ｔの信号１００ａ、１００ｂを出力する。ここで、極性
の“１”は正を、“０”は負を表す。２次微分回路１１
ａ、１１ｂは、図５に示すように、１、−２、１なるオ
ペレータを画素に適用し、しきい値Ｔｈで２値化して、
パターンのエッジの暗い領域を“１”に、それ以外を
“０”にして、例えば１ｂｉｔの信号１０１ａ、１０１
ｂとして出力する。次に切り出し回路１２ａ、１２ｂ、
１３ａ、１３ｂにより、１次微分回路１０ａ、１０ｂの
出力、及び２次微分回路１１ａ，１１ｂの出力を切り出
す。切り出し回路１２ａ、１３ａは、例えば５×５画素
の領域を切り出し、±２画素シフトした状態を作る。切
り出し回路１２ｂ、１３ｂは、上記５×５画素の中央位
置と同期させる。

【００２４】次に画像間演算部１２について説明する。
画像間演算部１２は、極性比較回路１４ａ〜１４ｙ、カ
ウンタ回路１５ａ〜１５ｙ、ＡＮＤ回路１９からなる。
極性比較回路１４ａ〜１４ｙにより、切り出し回路１２
ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの出力を用いて、±２画素
シフトした検出画像信号及び記憶画像信号の１次微分、
２次微分結果をそれぞれ比較する。即ち、２次微分によ
り抽出されたパターンエッジの暗い領域において、検出
画像信号と記憶画像信号のそれぞれの８方向（個）の１
次微分の極性とその絶対値の大小を各方向ごとに比較
し、いずれかの絶対値が大なる領域で極性が一致しない
画素を不一致として値“１”を出力する。即ち、前述の
図２３(ｂ)に示した不一致を出力する。切り出し回路１
２ａ、１２ｂは、例えば５×５画素の２５個の出力を有
するので、その場合上記極性比較回路１４ａ〜１４ｙも
２５個存在する。

【００２５】次に、カウンタ回路１５ａ〜１５ｙによ
り、極性比較回路１４ａ〜１４ｙにより得られる不一致
画素数を例えば１０２４画素×２５６画素毎に計数す
る。位置ずれ量検出回路１６は、カウンタ回路１５ａ〜
１５ｙにより得られる不一致画素数を解析し、不一致画
素数が、例えば設定値より小さくなる位置ずれ量（ΔＸ
₁、ΔＹ₁）、・・・・・・（ΔＸm、ΔＹm）を出力す
る。この位置ずれ量は、例えば図６に示すようなもので
ある。

【００２６】次に、極性比較回路１４ａ〜１４ｙの出力
を遅延回路１７ａ〜１７ｙにより、上記位置ずれ量が求
められるまで遅延させる。そして、領域選択回路１８ａ
〜１８ｙにより、上記位置ずれ量（ΔＸ₁、ΔＹ₁）・・
・・・（ΔＸm、ΔＹm）に相当する位置の極性比較回路
１６の出力だけ生かし（activeにし）、その他はマスキ
ングする。そして、ＡＮＤ回路１９により、領域選択回
路１８ａ〜１８ｙの出力の論理和をとり、値“１”を欠
陥として出力する。

【００２７】次に、各部の構成要素について、更に詳し
く説明する。図７は、画像内演算部１１である１次微分
回路１０ａ，１０ｂの構成例を示す図である。８bitの
ディジタル信号８より、シフトレジスタ２０ａ，２０ｂ
及びラッチ２１ａ〜２１ｉを用いてラッチ２１ａ〜２２
１ｉに３×３画素の領域を切り出す。この３×３画素よ
り図４に示した８方向の１次微分を引算器２２ａ〜２２
ｈを用いて算出する。ここで、引算器２２ａは図４の１
次微分ｏを、引算器２２ｈは１次微分ｕに相当し、引算
器２２ａ〜２２ｈの出力は、１ｂｉｔの符号ｂｉｔ，即
ち正、負の極性（１、０）と、残りの１次微分の絶対値
（｜ｆ'｜ｏｒ｜ｇ'｜）を表す８ｂｉｔとする。

【００２８】しきい値処理部１３である２値化回路２３
ａ〜２３ｈは、図１４（ｂ）に示すように上記１次微分
の絶対値（｜ｆ'｜ｏｒ｜ｇ'｜）がしきい値Ｅｔｈ以上
であれば“１”を、しきい値Ｅｔｈより小さければ
“０”を、即ち１次微分の絶対値を２値化して得られる
１ｂｉｔの値（１、０）を出力する。即ち、引算器２２
ａ〜２２ｈ及び２値化回路２３ａ〜２３ｈから隣接した
８個（方向）の極性を示す信号と隣接した８個（方向）
の絶対値の大小を示す信号とが合成されて１６ｂｉｔ構
成で信号１００ａ，１００ｂとして出力される。この図
７の場合、しきい値処理部１３は、画像内演算部１１に
含まれている。

【００２９】図８は、画像内演算部１１である２次微分
回路１１ａ，１１ｂの構成例を示す図である。８ｂｉｔ
構成のデイジタル信号８より、シフトレジスタ２４ａ，
２４ｂ，及びラッチ２５ａ〜２５ｉを用いてラッチ２５
ａ〜２５ｉに３×３画素の領域を切り出す。この３×３
画素より、図５に示したエッジオペレータを用いて２値
のエッジパターンを抽出する。即ち、加算器２６、掛算
機２７及び加算器２８により１、−２、１なるエッジオ
ペレータを実現する。図５に示す他の３種類のエッジオ
ペレータも同様の方法で加算器２６、掛算器２７及び加
算器２８により実現できる。（図８において他の３種類
のエッジオペレータを行う加算器２６、掛算器２７及び
加算器２８は省略されている。）これをしきい値処理部
１３である２値化回路２９により設定したしきい値Ｄｔ
ｈで２値化し、図１６（ｂ），（ｃ）に示すように、パ
ターンのエッジの暗い領域を“１”とし、それ以外の領
域を“０”にして１ｂｉｔ構成の信号１０１ａ，１０１
ｂとして出力する。

【００３０】図９は、画像内演算部１１である切り出し
回路１２ａ，１２ｂの構成例を示す図である。１次微分
回路１０ａから出力される１６ｂｉｔのディジタル信号
（８個の極性（１，０）と８個の１次微分の絶対値の大
小（１，０）との合成信号）１００ａより、シフトレジ
スタ３０ａ〜３０ｄ，及びラッチ３１ａ〜３１ｙを用い
てラッチ３１ａ〜３１ｙに５×５画素の領域を切り出
す。また、１次微分回路１０ｂから出力される１６ｂｉ
ｔのディジタル信号１００ｂ（８個の極性（１，０）と
８個の１次微分の絶対値の大小（１，０）との合成信
号）よりシフトレジスタ３０ｅ，３０ｆ，及びラッチ３
２ａ，３２ｂ，３２ｃを用いてラッチ３２ｃに上記５×
５画素の中央画素に相当する画素を出力する。図３に示
す切り出し回路１３ａ，１３ｂも同様な構成で実現する
ことができる。図１０に、その１例を示す。２次微分回
路１１ａから出力される１ｂｉｔの２値信号（エッジ領
域、それ以外の領域を示す信号（１、０））１０１ａよ
り、シフトレジスタ３３ａ〜３３ｄ，及びラッチ３４ａ
〜３４ｙを用いてラッチ３４ａ〜３４ｙに５×５画素の
領域を切り出す。また、２次微分回路１１ｂから出力さ
れる１ｂｉｔの２値信号１０１ｂ（エッジ領域、それ以
外の領域を示す信号（１、０））よりシフトレジスタ３
３ｅ，３３ｆ，及びラッチ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを用
いてラッチ３５ｃに上記５×５画素の中央画素に相当す
る画素を出力する。

【００３１】図１１は、画像間演算部１２である極性比
較回路１４ａ〜１４ｙの構成例を示す図である。同図に
おいて、１次微分信号の絶対値が大の領域でのみ極性比
較による不一致を有効とする比較回路３７ａは、１６ｂ
ｉｔの信号１０２、１０４に含まれる極性（正：１、
負：０）について極性（正：１、負：０）の不一致を検
出して不一致の場合“１”、一致の場合“０”なる信号
を出力するＥＸＯＲ回路３６ａ，１６ｂｉｔの信号１０
２、１０４に含まれる１次微分信号の絶対値の大小を表
す信号が二つとも（共に）小のときは“０”信号を、そ
れ以外は“１”信号を出力するＮＡＮＤ回路３６ｂ，及
びＮＡＮＤ回路３６ｂの出力が“０”のときはＥＸＯＲ
回路３６ａから“１”なる信号として出力される極性の
不一致を出力させないＡＮＤ回路３６ｃからなる。ＯＲ
回路３８は、８個（方向）の比較回路３７ａ〜３７ｈの
出力の論理和をとって、８個の比較回路３７ａ〜３７ｈ
の内、少なくとも１個の比較回路３７ａ〜３７ｈから１
次微分信号の絶対値が大の領域でのみ極性比較による不
一致が検出されたとき、この極性不一致信号を出力する
ものである。ＯＲ回路３９は、切り出し回路１３ａ，１
３ｂから出力される２値化エッジパターン信号１０３、
１０５の論理和をとり、検出画像信号ｆと記憶画像信号
ｇのいずれかに即ち切り出し回路１３ａと１３ｂのいず
れかにエッジパターン“１”信号が検出されたことを示
す信号“１”を出力するものである。ＡＮＤ回路４０
は、ＯＲ回路３８の出力と３９の出力との論理積をと
り、１次微分信号の絶対値が大の領域において得られる
極性不一致信号をエッジパターンにおいて“１”なる信
号を出力するものである。

【００３２】上記構成により、図１４に示すように、検
出画像信号ｆ₁と記憶画像信号ｇ₁とについて、１次微分
信号の絶対値が小の領域（１次微分値｜ｆ'｜ａｎｄ｜
ｇ'｜≦Ｅth、Ｅthはしきい値）においては“０”に
し、他の領域については１次微分の極性（正（１）、負
（−１））信号に変換した１次微分の極性波形を図１４
（ｂ）に示す。そして、１次微分信号の絶対値が大の領
域（１次微分値｜ｆ'｜ｏｒ｜ｇ'｜＞Ｅth、Ｅthはしき
い値）において、１次微分（ｆ'）の極性（正（１）、
負（−１））信号と１次微分（ｇ'）の極性（正
（１）、負（−１））信号とを比較して不一致（１／−
１）なる信号を、図１１に示す極性比較回路１４ａ〜１
４ｙのＯＲ回路３８から図１４（ｃ）に示すように判定
結果として得られる。即ち、１次微分信号の絶対値が大
の領域において検出画像信号ｆ₁と記憶画像信号ｇ₁とに
ついて極性の不一致として、図１１に示す極性比較回路
１４ａ〜１４ｙのＯＲ回路３８から欠陥８ｂが検出され
る。しかし、図１３に示すように、検出画像信号ｆ₁と
記憶画像信号ｇ₁とについて極性の不一致のみで欠陥８
ｂを検出しただけでは、図１３に示すように検出画像信
号ｆ₁と記憶画像信号ｇ₁の相違によって正常部において
極性の不一致が検出され、欠陥として誤検出してしま
う。そこで、１次微分信号の絶対値が大の領域において
検出画像信号ｆ₁と記憶画像信号ｇ₁との極性の不一致を
検出すれば、図１４に示すように、正常部について誤検
出することがなくなる。更に、図１５に示すように回路
パターンが微細化されるに伴って、検出画像信号ｆ₃と
記憶画像信号ｇ₃間で極性の不一致(図２１(ｂ)の非エッ
ジに相当)が検出され、正常部が欠陥として誤検出さ
れてしまう。そこで、図１６（ａ）に示す検出画像信号
ｆ₃と記憶画像信号ｇ₃とを、各々２次微分回路１１ａ，
１１ｂによって２次微分信号ｆ₃”、ｇ₃”（図１６
（ｂ）に２次微分として示す）を得、この２次微分信号
ｆ₃”、ｇ₃”をしきい値Ｄthで２値化したエッジ信号１
０１ａ，１０１ｂ（図１６（ｃ）に２次微分の２値化と
して示す）を得、図１１に示す極性比較回路１４ａ〜１
４ｙのＯＲ回路３９で何れかにエッジ信号があるかどう
かＯＲ検出し（図１６（ｄ）に２次微分の２値化として
示す）、“１”なる回路パターンのエッジ信号を得る。
そして、図１１に示す極性比較回路１４ａ〜１４ｙのＯ
Ｒ回路３９でＯＲ検出された“１”なる信号で、極性比
較回路１４ａ〜１４ｙのＯＲ回路３８から検出される極
性不一致による欠陥信号をＡＮＤ回路４０において論理
積をとってフィルタすることによって図１６（ｅ）に示
すように非エッジ領域で発生する正常部の誤検出を無く
すことができる。

【００３３】図１２は、画像内演算部１１である領域選
択回路１８ａ〜１８ｙ、ＡＮＤ回路１９の構成例を示す
図である。遅延回路１７ａ〜１７ｙより出力される極性
比較結果は、切り出し回路１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１
３ｂによって±２画素シフトした位置において検出画像
信号ｆと記憶画像信号ｇとの極性を比較した結果得られ
る不一致２値化信号であり、これと位置ずれ量検出回路
１６で得られる位置ずれ量（ΔＸ₁，ΔＹ₁），・・・・
・・（ΔＸm，ΔＹm）に基づいて領域選択回路（ＡＮＤ
回路）１８ａ〜１８ｙに入力される２値化信号が“１”
なる信号として選択され、領域選択回路（ＡＮＤ回路）
１８ａ〜１８ｙにおいては極性比較回路１４ａ〜１４ｙ
から出力される不一致２値化信号と位置ずれ量検出回路
１６から選択された２値化信号との論理積がとられ、図
１７に示すように位置ずれ量が定めたしきい値Ｆth（Ｓ
th）以上をマスキングし、ＡＮＤ回路１９により±２画
素の範囲でそれらの論理積をとり、図１８に示した判定
を実現することができる。

【００３４】とくに、図１８及び図１９に示すように、
多層回路パターンの場合、位置ずれ量検出回路１６、領
域選択回路（ＡＮＤ回路）１８ａ〜１８ｙ、及びＯＲ回
路１９が欠陥検出において必要となる。即ち、検出多層
パターンＦ₂を図１８（ａ）に、基準多層パターンＧ₂を
図１８（ｂ）に示す。そして、検出多層パターンＦ₂の
検出画像信号ｆ₂と基準多層パターンＧ₂の記憶画像信号
ｇ₂とについてその信号波形を図１８（ｃ）に示す。こ
れらの信号波形からわかるように、両者の間に位置ずれ
のない部分と位置ずれのある部分とが発生する。１次微
分回路１１ａ，１１ｂからは、図１８（ｄ）に示す微分
の極性波形信号１００ａ，１００ｂが得られる。この極
性波形信号１００ａ，１００ｂを極性比較回路１４ａ〜
１４ｙにおいて比較しただけでは、判定結果Ｉ（エッジ
領域において極性不一致として図１９（ａ）に示すよう
に欠陥と正常部が誤検出される）が生じる。そこで、図
１９（ｂ）にＡ−Ａ’及び左へシフトしたＢ−Ｂ’検出
信号波形を示す。この図１９（ｂ）に対応させて図１９
（ｃ）に、検出画像信号ｆ₂に対して記憶画像信号ｇ₂を
左に切り出し回路１２ｂでシフトさせた関係の微分極性
波形信号１００ａ，１００ｂを示した。そして、この極
性波形信号１００ａ，１００ｂを極性比較回路１４ａ〜
１４ｙにおいて比較して得られる判定結果ＩＩ（エッジ
領域において極性不一致として図１９（ｄ）に示すよう
に欠陥と正常部が誤検出される）が得られる。これらの
判定結果ＩとＩＩとをＡＮＤ回路１９によって論理積を
とることによって図１９（ｅ）に示すような最終判定結
果（真に欠陥による極性不一致のみ検出できる）が得ら
れる。

【００３５】このように、画像処理装置６０は、画像内
演算部１１、画像間演算部１２、しきい値処理部１３と
いう基本要素からなっている。画像内の演算、画像間の
演算は、四則演算、或いは論理演算、或いは定めた関数
演算である。個々の構成要素は既存の技術で実現可能で
ある。また、図２において、いづれかの構成要素は省略
可能である。また、しきい値処理部１３と画像内演算部
１１は順番を入れ替えることが可能であることは言うま
でもない。さらに、上記したように、画像の位置合せな
どを行う処理も上記構成により実現可能である。

【００３６】また、上記実施例において、ＣＣＤイメー
ジセンサ４として、時間遅延積分型(Ｔime Ｄelay Ｉnt
egration)も採用できる。ＴＤＩイメージセンサは複数
の１次元イメージセンサを２次元に配列した構造を有
し、各１次元イメージセンサの出力を定めた時間遅延し
ては対象の同一位置を撮像した隣接する１次元イメージ
センサの出力と加算していくことにより、検出光量の増
加を図ったものである。このＴＤＩイメージセンサ４
を、図２５に示すように光軸に垂直な面に対しθだけ傾
けて配置する。傾ける向きは、ＴＤＩイメージセンサの
中心を支点にして内部の複数１次元イメージセンサの長
手方向(Ｙ方向)と直交する方向とする。傾ける量は対象
の凹凸に対応する量とする。このように傾けて配置した
ＴＤＩイメージセンサのたとえば内部の１次元イメージ
センサの走査をＹ方向の走査に一致させ、これにより、
被検査パターンであるＬＳＩウェハ１を対物レンズ３を
介して１次元に検出可能にするとともに、ＸＹテーブル
１ＡによりＬＳＩウェハ１を上記ＴＤＩイメージセンサ
４の主走査と直交する方向、即ちＸ方向に移動させるこ
とによって被検査パターンを２次元の画像として検出可
能にしている。ＸＹテーブル１Ａにはリニアスケールを
搭載し、ウェハ１の実際の位置を正確に検出する。タイ
ミング発生回路によりリニアスケールの出力信号から画
素を示すスタートタイミング信号を発生し、ＴＤＩイメ
ージセンサ４はこのスタートタイミング信号により一定
距離移動するたびに駆動される。例えば、画素寸法が
０.１５μｍである場合、ウェハがＸ方向に０.１５μｍ
だけ移動するたびにスタートタイミング信号を発生さ
せ、イメージセンサを駆動する。

【００３７】上記した構成において、図２５に位置関係
を示すようにＴＤＩイメージセンサ内部の各１次元イメ
ージセンサ５-１〜５-ｍは光軸に垂直な方向で少しづつ
異なる位置(Ｚ位置)に結像させるべくＴＤＩイメージセ
ンサを傾けて配置する。このとき、ＴＤＩイメージセン
サの前方に図２６に示すピンホールを有する回転ディス
ク３５及び光路長変換素子３６を配置する。回転ディス
ク３５にはピンホールが多数、例えば２０万個あけられ
ており、回転ディスク３５を高速に回転させる。ピンホ
ールの径は例えば２０ミクロンである。このピンホール
は、共焦点の作用をする。即ち、ピンホールを通った照
明光はパターン上に結像し、パターンからの反射光はピ
ンホールに焦点を結ぶ。ピンホールを有する回転ディス
ク３５が高速に回転することにより、ＴＤＩイメージセ
ンサ上のすべての位置にパターンが結像する。光路長変
換素子３６は、ＴＤＩイメージセンサ内部の各１次元イ
メージセンサに対して異なる光路長を与えて合焦位置５
−１，・・・・５−ｋ，・・・・５−ｍの像を各イメー
ジセンサ素子５-１〜５-ｍ上に結像させるものである。
回転ディスク３５及び光路長変換素子３６によって、１
次元イメージセンサ５-ｋは時刻ＴｉでＡ層上面に結像
する。ＬＳＩウェハ１がＸ方向に移動すると、時刻Ｔｊ
では隣接する１次元イメージセンサに上記Ａ層上面から
Ｚ方向にずれた位置、即ち焦点がはずれて結像する。こ
の場合、共焦点の作用により検出される光量はピンホー
ルに焦点を結ばず、ピンホールにさえぎられて僅かにな
る。このように各１次元イメージセンサに対象の同一位
置(Ｘ位置)が少しずつＺ方向にずれた位置で検出され、
焦点のあっていないパターンは検出信号に寄与しない。
対象に高段差や凹凸がある場合、いずれかの１次元イメ
ージセンサ面に対象が結像するので、その結果、鮮明な
大きな振幅の信号出力が得られ、欠陥の有無はいずれか
の１次元イメージセンサ出力の値に反映される。ＴＤＩ
イメージセンサのもつ信号の加算機能によって、これら
すべての信号が加算される。図２７(ａ)に示すように対
象が３層のパターンの場合、最も下層にパターン欠陥が
あった場合、従来は例えば中間層のみに焦点が合ってお
り、図２７(ｂ)のように中間層のパターンのみが検出信
号波形のコントラストがおおきかったが、本実施例では
３層すべてが同等のコントラストを示す。従って、下層
に欠陥がある場合、従来は図２７(ｂ)のようにコントラ
ストが小さく正常部との違いが明確でなかったが、本実
施例では図２７(ｃ)のように正常部との違いを明確にす
ることができる。このような画像に対し、本発明を適用
すれば、より高精度なパターンエッジの位置ずれ検出が
できる。

【００３８】また、上記と同様に共焦点画像を用いた例
として、図２８にその１例を示すように、Ｚ方向にわず
かづつずれた位置で検出した複数の画像から１枚の画像
を合成する場合、各画像に微分処理を施し、各画素にお
いて微分値が最大となるＺ位置の画像の明るさをその画
素の明るさとして用いることができる。微分処理は例え
ば上記した１次微分、即ち図４に示した８方向の１次微
分ｏ、ｐ、・・・・・ｖである。図２９に示すように、
これらのうち、他の画像の微分値にくらべ、一つでも値
が大きなものが存在すれば、この画像の明るさをその画
素の明るさとして用いる。得られた画像は深い焦点深度
を有する鮮明な画像となる。このようにして得られた画
像を上記した方法に則り、同様な処理を施した基準の画
像と比較して、パターンエッジの位置ずれ検出、或いは
欠陥判定を行なう。勿論、微分は４方向でもよい。

【００３９】また、各画像に微分処理を施し、各画素に
おいて微分値が最大となるＺ位置の画像の微分値ｏ、
ｐ、・・・・・ｖを、その画素の明るさとして用いるこ
ともできる。勿論微分は、２次微分、さらに３次微分な
ど、より高次のものでもよい。得られる画像は、各画素
に８方向の微分値をもつものとなる。

【００４０】以上、図２３(ｂ)に示した本発明を応用し
た手法、及び検査装置について述べた。本手法は、画像
中のパターンエッジを単独で検出することなしに、２つ
の画像のパターンエッジの位置のずれが自動的に、かつ
直接検出できる。従って、エッジ検出に伴う誤差がな
く、位置ずれ検出精度が高い。これにより、高感度な比
較検査を実現できる。

【００４１】また、いままで説明した実施例において
は、イメージセンサ４と画像処理装置６０を同期して動
作させたが、別のクロックで動作させることも可能であ
る。イメージセンサ４は、ウェハの位置に同期して動作
させるが、テーブルの速度変動を考慮する必要があり、
無だ時間が生じる。そこで、無だ時間を考慮して、その
分だけ、高速にテーブルを駆動する。そして、イメージ
センサの出力信号をＦＩＦＯを介して画像処理装置６０
に入力する。ＦＩＦＯは、データのバッファとして動
く。これにより、従来にくらべ高速な検査が可能にな
る。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように、パターンエッジの位
置ずれを２つの画像から、直接に検出できる。従って、
従来にくらべ飛躍的に欠陥検出性能を向上させることが
でき、信頼性の高い検査が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るパターン検査装置の概略構成を示
す図である。

【図２】図１に示す画像処理装置の基本構成を示す図で
ある。

【図３】図２に示す画像処理装置の具体的構成を示す図
である。

【図４】本発明に係る画像処理における１次微分処理方
法を説明するための図である。

【図５】本発明に係る画像処理における２次微分処理方
法を説明するための図である。

【図６】本発明に係る参照画像と検出画像との位置合せ
方法を説明するための図である。

【図７】本発明に係る画像内１次微分処理を行なう１次
微分回路の構成例を示す図である。

【図８】本発明に係る画像内２次微分処理を行なう２次
微分回路の構成例を示す図である。

【図９】本発明に係る画像内処理における第１の切り出
し回路の構成例を示す図である。

【図１０】本発明に係る画像内処理における第２の切り
出し回路の構成例を示す図である。

【図１１】本発明に係る画像内処理における極性比較回
路の構成例を示す図である。

【図１２】本発明に係る画像内処理における領域選択回
路の構成例を示す図である。

【図１３】本発明に係る第１の検出信号波形に対する第
１の極性比較について説明するための図である。

【図１４】本発明に係る第１の検出信号波形に対する第
２の極性比較について説明するための図である。

【図１５】本発明に係る第２の検出信号波形に対する第
２の極性比較について説明するための図である。

【図１６】本発明に係る第２の検出信号波形に対する２
次微分処理について説明するための図である。

【図１７】本発明に係る位置ずれと不一致画素数との関
係を示した図である。

【図１８】本発明に係る多層パターンから検出信号に基
づいて欠陥判定を示す図である。

【図１９】本発明に係る多層パターンから検出信号に基
づいて欠陥判定を示す図である。

【図２０】本発明に係る検出信号波形と微分信号波形と
の関係を示す図である。

【図２１】本発明に係るエッジの位置を示す検出信号波
形と微分値の極性領域との関係を示す図である。

【図２２】本発明に係る位置ずれを生じたときの検出信
号波形と微分値の積の極性領域との関係を示す図であ
る。

【図２３】本発明に係る位置ずれを生じたときの検出信
号波形と第１のパターンエッジの位置ずれ検出との関係
を示す図である。

【図２４】本発明に係る位置ずれを生じたときの検出信
号波形と第２のパターンエッジの位置ずれ検出との関係
を示す図である。

【図２５】本発明に係る共焦点画像検出装置の一実施例
を示す概略構成図である。

【図２６】図２５に示す共焦点画像検出装置に設けられ
たピンホールを有する回転ディスクを示す図である。

【図２７】図２５に示す共焦点画像検出装置を用いた場
合と、通常の画像検出装置を用いた場合とで検出される
信号波形を示した図である。

【図２８】本発明に係る共焦点画像検出装置から検出さ
れる検出画像に基づいて画像合成する構成を示した図で
ある。

【図２９】本発明に係る共焦点画像検出装置から検出さ
れる検出画像に基づいて８方向について画像合成する仕
方を説明するための図である。

【符号の説明】

１…ウェハ、２…照明光、３…対物レンズ、４…イメー
ジセンサ、１１…画像内演算部、１２…画像間演算部、
１３…しきい値処理部、１０ａ，１０ｂ…１次微分回
路、１１ａ，１１ｂ…２次微分回路、１２ａ，１２ｂ，
１３ａ，１３ｂ…切り出し回路、１４ａ〜１４ｙ…極性
比較回路、１５〜１５ｙ…カウンタ回路、１６…位置ず
れ量検出回路、１７ａ〜１７ｙ…遅延回路、１８ａ〜１
８ｙ…領域選択回路、１９…ＡＮＤ回路、６０…画像処
理装置、２０…エッジ検出回路、２１…２値化回路、２
２…不一致検出回路、２３…遅延回路、２４…位置合せ
回路、２５…欠陥判定回路、２６〜２９…シフトレジス
タ、３０…ＥＸＯＲ回路、３１…カウンタ、３２…最小
値検出回路、３６、３７、３９、４０…シフトレジス
タ、４５…判定器、４６…加算器、４７…不一致検出回
路、４８…不一致検出画素数検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者広井高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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出される画像信号と基準の画像信号との
それぞれに、１次、或いは２次、或いはより高次の微分
を施して微分画像信号を得、これら微分画像信号の積を
算出し、少なくとも該算出された積の微分画像の信号の
極性に応じて前記検出される画像信号と基準の画像信号
とのずれを検出することを特徴とする画像処理方法。
【請求項２】検出される画像信号と基準の画像信号との
それぞれに、１次、或いは２次、或いはより高次の微分
を施して微分画像信号を得、これら微分画像信号の積を
算出し、該算出された積の微分画像の信号の極性を前記
微分画像信号と異なる次数の微分画像信号の極性でマス
キングし、該マスキングされなかった積の微分画像の信
号の極性に応じて前記検出される画像信号と基準の画像
信号とのずれを検出することを特徴とする画像処理方
法。
【請求項３】検出される画像信号と基準の画像信号との
それぞれに、１次、或いは２次、或いはより高次の微分
を施して微分画像信号を得、これら微分画像信号の各々
に該微分画像信号の極性に応じて定めた値を加算または
減算し、これら加算または減算された微分画像信号の積
を算出し、少なくとも該算出された積の微分画像の信号
の極性に応じて検出される画像信号と基準の画像信号と
のずれを検出することを特徴とする画像処理方法。
【請求項４】検出される画像信号と基準の画像信号との
それぞれに、１次、或いは２次、或いはより高次の微分
を施して微分画像信号を得、これら微分画像信号の各々
に該微分画像信号の極性に応じて定めた値を加算または
減算し、これら加算または減算された微分画像信号の積
を算出し、該算出された積の微分画像の信号の極性を前
記微分画像信号と異なる次数の微分画像信号の極性でマ
スキングし、該マスキングされなかった積の微分画像の
信号の極性に応じて前記検出される画像信号と基準の画
像信号とのずれを検出することを特徴とする画像処理方
法。
【請求項５】画像検出手段から検出される複数の検出画
像信号から所望の画像信号を合成する方法において、各
画素においてそれぞれの画像信号の微分値が最大となる
画像の明るさをその画素の明るさとすることを特徴とす
る画像処理方法。
【請求項６】上記画像検出手段として少なくとも一次元
アレイセンサを備えた共焦点顕微鏡であることを特徴と
する請求項５記載の画像処理方法。
【請求項７】画像検出手段から検出される複数の検出画
像から所望の画像を合成する方法において、各画素にお
いてそれぞれの画像の微分値が最大となる画像の微分値
をその画素の明るさとして採用することを特徴とする画
像処理方法。
【請求項８】上記画像検出手段として少なくとも一次元
アレイセンサを備えた共焦点顕微鏡であることを特徴と
する請求項７記載の画像処理方法。