JPH06229936A

JPH06229936A - パターン欠陥検出方法とその装置

Info

Publication number: JPH06229936A
Application number: JP5017567A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hiroi; 高志広井; Hitoshi Kubota; 仁志窪田; Shunji Maeda; 俊二前田; Hiroshi Makihira; 坦牧平; Kenji Oka; 健次岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-02-04
Filing date: 1993-02-04
Publication date: 1994-08-19
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: JP3300791B2

Abstract

(57)【要約】【目的】検出欠陥寸法を小さく抑えつつ、しかも検出
可能焦点深度を大きく保った状態で、被検査パターン中
に存在している欠陥を検出すること。【構成】光源３からの光をピンホール５を介し試料１
を照明した状態で、試料１の高さを更新する度に、ピン
ホール５を試料１に対し相対的に走査しつつ試料１から
の反射光をピンホール５を介し画像として検出し、これ
ら複数枚の検出画像より合成画像、または距離画像を得
た上、これら画像を予め得られている画像と比較するこ
とによって、差異を高段差パターン中に存在している微
細欠陥として検出するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばＬＳＩウェハや
ＴＦＴ基板などに形成されているパターンを被検査パタ
ーンとして、これら被検査パターン内に存在しているパ
ターン欠陥を検出するためのパターン欠陥検出方法とそ
の装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のパターン欠陥検出に関する技術
としては、これまでに、例えば特公昭６２−３９８１１
号公報に記載のように、検出されたパターンは、これと
同一であるべきはずのパターンと比較されることによっ
て、パターン欠陥の有無が検出されるようになってい
る。即ち、従来技術に係るパターン欠陥検出について説
明すれば、パターン欠陥検出対象は図９（Ｂ）に示すよ
うに、メモリ用ＬＳＩなどの半導体ウェハ上のパターン
や、ＴＦＴ（Thin Film Transister）基板上のパター
ン、プリント配線板上のパターン、セラミック基板上の
パターン、あるいはそれらを製造する過程で用いられる
マスクやレチクルなどのパターンとされる。ここで、説
明の便宜上、半導体ウェハ上のメモリチップパターンに
例を採って説明すれば、図１０（Ａ）に示すように、最
終的に個々に切り離された状態では、個別製品となるチ
ップが数十個１枚の半導体ウェハ上に同一パターンとし
て周期性を以て形成されたものとなっている。それらチ
ップ各々は同一パターンとしてチップピッチＰ₁ を以て
形成されているわけである。また、チップ各々の内部に
は、メモリセルパターンが一定周期で繰返し形成されて
いるメモリセル部４４と、周辺回路などのように、パタ
ーン形成上、周期性が乏しい周辺部４３とが混在された
状態でパターンが形成されたものとなっている。図１０
（Ｂ）にはまた、図１０（Ａ）における部分（メモリセ
ル部４４の一部）Ａでの拡大状態が示されているが、メ
モリセル部４４上には、メモリセルパターンがセルピッ
チＰ₂ を以て２次元的に多数規則的に繰返し形成されて
いることが判る。

【０００３】したがって、チップ各々が同一パターンと
して形成されていることや、メモリセルパターンが周期
的に形成されていることに着目した上、被検査パターン
が検出される度に、検出された被検査パターン（検出パ
ターン）を、予め記憶されているパターン（実際に更新
可として事前に検出されているパターン、あるいは実際
に検出された正常パターン、またはパターン設計情報よ
り予め作成されている正常パターン）と位置合せした状
態で２チップ比較方式、または２セル比較方式により比
較すれば、パターン形成上での不一致を以てパターン欠
陥を検出し得るものである。即ち、図９（Ａ）に示す記
憶パターンと図（Ｂ）に示す被検査パターンとの間でパ
ターン比較すれば、これらパターン間に不一致パターン
（差パターン）が存在する場合は、図９（Ｃ）に示すよ
うに、不一致パターンの存否と不一致パターンが存在す
る場合でのその位置とが容易に検出され得、この不一致
パターンの存在を以てパターン欠陥を検出し得るもので
ある。因みに、図９（Ａ）に示す記憶パターンが実際に
更新可として事前に検出されているパターンである場合
に、パターン比較結果として不一致パターンが存在する
場合には、その記憶パターンの正常性は一般に何等保証
されていないことから、記憶パターン、被検査パターン
の何れにパターン欠陥が存在しているかは即に判別し得
ないことになる。この判別は本発明には直接関しなくそ
の詳細な説明は省略するが、これまでに知られている各
種の判別法により特定し得るものとなっている。また、
上記にいう２チップ比較方式とは、２つのチップ各々か
ら検出されたパターン間でパターンを比較する方式を、
２セル比較方式とは、同一チップ内で検出された２つの
パターン間でパターンを比較する方式をいう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、パ
ターンを検出する際に用いられる光学系には、以下の数
式１で示される検出欠陥寸法と検出可能焦点深度が存在
することが知られている。

【０００５】

【数１】

【０００６】但し、Δは検出欠陥寸法（ｍｍ）を、ｎは
解像寸法に対する画像処理の性能を表す係数を、λは波
長（ｍｍ）を、ＮＡ（Numerical Apperture）は光学系
の対物レンズの解像性能を、ｌは検出可能焦点深度（ｍ
ｍ）を、ｍは係数をそれぞれ示す。

【０００７】その数式１より、より微細な欠陥を検出す
るには、ｎを一定とする場合は波長λを小さくするか、
またはＮＡを大きくする必要がある。しかしながら、何
れの方法が採用されたとしても、検出可能焦点深度ｌは
小さく抑えられる、という不具合を伴うのが実情であ
る。即ち、これまでのパターン比較検査では、主に検出
欠陥寸法Δにのみ専ら配慮が払われており、検出可能焦
点深度ｌについては何等配慮されていないものとなって
いる。換言すれば、顕微鏡の焦点深度を越える段差が形
成されているパターンを被検査パターンとして、そのパ
ターン中に存在している欠陥を検出し得ないというわけ
である。

【０００８】本発明の第１の目的は、検出欠陥寸法Δを
小さく抑えつつ、しかも検出可能焦点深度ｌを大きく保
った状態で、顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成され
ているパターンを被検査パターンとして、そのパターン
中に存在している欠陥を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、検出欠陥寸
法Δを小さく抑えつつ、しかも検出可能焦点深度ｌを大
きく保った状態で、顕微鏡の焦点深度を越える段差が形
成されているパターンを被検査パターンとして、そのパ
ターン中に存在している欠陥を検出し得るパターン比較
検査装置を供するにある。

【０００９】

【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、対象物の高さが順次更新される度に、その対象
物について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像、ある
いは焦点深度の極めて浅い顕微鏡画像より、計算される
ことによって得られる長焦点深度画像および距離画像を
用い比較検査することによって、差異パターン形状が欠
陥として検出されることで達成される。上記第２の目的
は、顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成されている対
象物を位置決め載置するＸＹＺステージと、その対象物
を照明する照明光源と、上記対象物の画像をピンホール
を介し共焦点顕微鏡画像として検出するセンサと、その
センサより、上記ＸＹＺステージのＺ方向での高さが更
新される度に、その高さ対応の共焦点顕微鏡画像を得た
上、その対象物についての複数枚の共焦点顕微鏡画像よ
り計算によって少なくとも合成画像、距離画像の何れか
を作成する合成画像／距離画像作成部と、その合成画像
／距離画像作成部からの合成画像、距離画像の少なくと
も何れかを、予め得られている比較されるべき画像と比
較することによって、差異パターン形状を欠陥として検
出するパターン欠陥検出部と、を少なくとも含むべく構
成することで達成される。

【００１０】

【作用】例えば被検査パターンのＺ方向位置が更新され
る度に、ピンホールをその被検査パターンに対してＸ方
向に走査するようにすれば、Ｚ方向位置対応に２次元ス
ライス画像が得られるものとなっている。Ｚ方向位置が
ｎ回更新されたとすれば、ｎ枚のスライス画像が検出さ
れるわけであるが、これら複数枚のスライス画像からは
合成画像（長焦点深度画像の１種）、または距離画像が
検出され得るというわけである。即ち、スライス画像の
１点に着目した場合、Ｚ方向位置が異なる点の中で最も
検出光量の大きいＺ方向位置が合焦点位置とされ、その
Ｚ方向位置をその点での距離画像の値として求め得るも
のである。したがって、残りの点各々についても同様に
して合焦点位置が求められることで、合焦点位置の集合
として距離画像が求められるものである。また、その際
に、合焦点位置での検出光量は合成画像の値として求め
られることから、点各々について合焦点位置での検出光
量を求めるようにすれば、その結果として合成画像が求
められるものである。したがって、被検査パターンにつ
いての合成画像、または距離画像をこれと同一であるべ
き合成画像、または距離画像と比較するようにすれば、
顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成されている被検査
パターンであっても、そのパターン中に存在している欠
陥を差異パターン形状として検出し得るものである。数
式１でのＮＡを大きくして検出欠陥寸法Δを小さくして
も、検出可能な段差はスライス画像の検出ピッチと検出
枚数のみの関数とされ、ＮＡとは無関係に一定とされる
ことから、検出欠陥寸法Δを小さくしても検出可能焦点
深度ｌを大きく維持し得るものである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図１から図８により説明す
る。先ず本発明によるパターン欠陥検出装置について説
明すれば、図１はその原理的な構成を示したものであ
る。これによる場合、顕微鏡の焦点深度を越える段差が
形成されている試料１はＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可とされ
たＸＹＺステージ２上に位置決め載置された上、検査対
象としての被検査パターンが対物レンズ４下に位置すべ
くＸＹＺステージ２は移動せしめられるものとなってい
る。この状態では、被検査パターンはハーフミラー、ピ
ンホール５、対物レンズ４を介し光源３によって照明さ
れている一方では、その被検査パターンからの反射光は
対物レンズ４、ピンホール５、ハーフミラーを介しセン
サ６によって検出されるものとなっている。その際、ピ
ンホール５は移動部８により試料１に対しＸ方向に相対
的に移動されるが、光源３による照明領域と反射光検出
領域は共焦点のピンホール５によって制限されるものと
なっている。即ち、被検査パターンはピンホール５を介
し共焦点顕微鏡画像としてセンサ６により検出されてい
るものである。したがって、ＸＹＺステージ２のＺ方向
位置が更新される度に、そのＺ方向位置対応の共焦点顕
微鏡画像をセンサ６より得た上、信号解析部７でその被
検査パターンについての複数枚の共焦点顕微鏡画像より
少なくとも合成画像、距離画像の何れかを作成した上、
予め得られている比較されるべき画像と比較することに
よっては、差異パターン形状を欠陥として検出し得るも
のである。なお、図１中、符号９は全体制御部を示す。

【００１２】ここで、光源３とピンホール５を用いた場
合での信号の性質について説明すれば以下のようであ
る。即ち、対物レンズ４の解像度を示すエアリディスク
の径と同程度の寸法のピンホール５により光源３による
照明領域は制限されるが、照明領域の制限により形成さ
れた点光源で試料１を照明した状態で、そのピンホール
５を介し試料１からの反射光を検出した場合、試料高さ
と検出光量との間には図２に示す関係が成立するものと
なっている。図示のように、試料高さが焦点位置にある
場合には大きな検出光量が得られるも、試料高さが焦点
位置からずれるに伴って急速に検出光量は低下するもの
となっている。この現象は定性的には以下のように説明
される。即ち、試料１が焦点位置にある場合には反射光
がピンホール５位置に結像し、全ての反射光がピンホー
ル５に入射するのに対し、焦点位置からずれるに伴いピ
ンホール５以外の位置に反射光は結像し、ピンホール５
には殆ど反射光が入射されなくなるからである。因み
に、この場合でのピンホール５は共焦点のピンホールと
称される。

【００１３】さて、本発明をより具体的に説明すれば、
図３は第１の実施例に係るパターン欠陥検出装置の一例
での具体的構成を、ＬＳＩウェハパターン検査装置に例
を採って示したものである。これによる場合、ウェハ１
４を位置決め載置した上、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動するＸ
ＹＺステージ１５と、ウェハ１４を照明する光源１６
と、照明光学系１７と、ピンホール５が複数形成されて
いる回転円盤１８と、ピンホール５を介しウェハ１４を
照明しウェハ１４からの反射光を検出する対物レンズ１
９と、ウェハ１４からの反射光をピンホール５を介しピ
ンホール５と共役な位置関係で検出するＴＶカメラ２０
と、ＴＶカメラ２０からの画像信号をディジタル化する
ためのＡ／Ｄ変換器２１と、関数近似に使用する画像の
点を選択する選択部２２と、選択された画像の点から最
小２乗法の計算で使用する係数を計算する係数計算部２
３と、計算された係数を記憶する係数記憶部２４と、記
憶しておいた係数より最小２乗法で合成画像１２および
距離画像１３を計算する画像計算部２５と、計算された
合成画像１２を一時記憶する合成画像記憶部２６と、計
算された距離画像１３を一時記憶する距離画像記憶部２
７と、記憶しておいた直前位置のチップの合成画像１２
および距離画像１３を現に検出した合成画像１２および
距離画像１３と位置合せ状態で比較して差画像を計算す
る差画像演算部２８と、差画像演算部２８よりの差画像
をフィルタにかけて欠陥部の差を強調するフィルタ部２
９と、強調された差画像を２値化する２値化部３０と、
２値画像をラベリングして特徴量を算出する特徴抽出部
３１と、特徴抽出部３１よりの特徴量をもとに欠陥を抽
出したり、全体を制御するマイクロコンピュータを含む
全体制御部３２とから構成されたものとなっている。因
みに、回転円盤（公知）１８について若干の説明を加え
れば、これは、数千個のピンホール５がスパイラル状に
形成された円盤を高速回転することによって、ウェハ１
４全体を同時照明可としたものであり、共焦点ピンホー
ル効果に加え、ピンホール５をＴＶカメラ２０の視野全
面を均一に走査することで、ＴＶカメラ２０でリアルタ
イムに像が検出され得るものとなっている。

【００１４】ここで、合成画像１２および距離画像１３
を得るための係数計算部２３、係数記憶部２４および画
像計算部２５についてその機能を説明すれば以下のよう
である。即ち、最小２乗法によって２次関数近似する場
合を例に説明するが、近似は２次関数以外に正規分布や
多項式等、どのような関数でもよい。さて、選択部２２
では関数近似に使用する画像の点が選択されるが、選択
されたステージ高さｚのスライス画像１１上の着目点
（ｘ、ｙ）での値をｆ（ｚ）、近似関数を数式２とす
る。

【００１５】

【数２】

【００１６】さて、誤差εをｆ（ｚ）−ｆ₀（ｚ）の２
乗とおき、誤差εを係数ａ，ｂ，ｃで偏微分して正準方
程式を求めれば、係数ａ，ｂ，ｃ数式３で表されるもの
となっている。

【００１７】

【数３】

【００１８】したがって、これら係数ａ，ｂ，ｃより着
目点（ｘ、ｙ）での合成画像１２の値ｈ（ｘ、ｙ）と距
離画像１３の値ｇ（ｘ、ｙ）は数式４として求められる
ものである。

【００１９】

【数４】

【００２０】係数計算部２３ではｆ（ｚ）、ｆ（ｚ）×
ｚ、ｆ（ｚ）×ｚ²、ｚ⁴、ｚ³、ｚ^2、ｚ、１が計算さ
れ、係数記憶部２４ではまた、予め記憶している値と係
数計算部２３で計算されたｆ（ｚ）、ｆ（ｚ）×ｚ、ｆ
（ｚ）×ｚ²等とを加算することによって、Σｆ
（ｚ）、Σｆ（ｚ）×ｚ、Σｆ（ｚ）×ｚ²等が計算さ
れた上、記憶されているものである。係数記憶部２４に
は画像の全ての点（ｘ、ｙ）での係数が予め保持されて
いるわけであり、画像計算部２５では数式３，４により
合成画像１２および距離画像１３が計算により得られて
いるものである。

【００２１】さて、以上のようにしてなるＬＳＩウェハ
パターン検査装置での動作について説明すれば、図４は
その検査装置での検査アルゴリズムの一例でのフローを
示したものである。これによる場合、全体制御部３２よ
りの指令で各部がイニシャライズされた後は、ＸＹＺス
テージ１５が特定のチップ位置に移動され、また、係数
記憶部２４がクリアされるものとなっている。その後
は、ＸＹＺステージ１５がＺ軸方向に移動されつつスラ
イス画像１１が順次検出されるが、画像選択部２２から
は以下の数式５に示す基準で選択された値が係数計算部
２３に送られ、係数計算部２３で計算された係数は係数
記憶部２４に記憶されるものとなっている。

【００２２】

【数５】

【００２３】ＸＹＺステージ１５のＺ軸方向への移動終
了後、係数記憶部２４での値をもとに画像計算部２５で
は合成画像１２および距離画像１３が計算され、画像計
算部２５からの合成画像１２および距離画像１３は、合
成画像記憶部２６、距離画像記憶部２７各々に直前に記
憶されている合成画像１２、距離画像１３各々と差画像
演算部２８で数式６を用い比較されることで、差画像ｓ
（ｘ、ｙ）が計算されるものとなっている。因みに、数
式６におけるｘ₀，ｙ₀は数式７を最小とする組合せとさ
れる。

【００２４】

【数６】

【００２５】

【数７】

【００２６】数式７中、Σは画像全面での和を表し、ｘ
₀，ｙ₀は検出された画像と記憶されている画像との位置
誤差の範囲内でその和を最小とする組合せとして求めら
れているものである。さて、差画像の計算後は、画像計
算部２５から現に得られている合成画像１２、距離画像
１３各々は合成画像記憶部２６、距離画像記憶部２７各
々に記憶されることで、合成画像記憶部２６、距離画像
記憶部２７各々での記憶内容は更新された上、次回での
比較に待機されるものである。したがって、最初の検査
領域では、合成画像記憶部２６、距離画像記憶部２７各
々にはまだ何等比較用画像が記憶されていなく、パター
ン検査を行い得ないものとなっている。以上のようにし
て計算された差画像ｓ（ｘ、ｙ）はその後、フィルタ部
２９で数式８に示すフィルタにかけられ、欠陥部の差が
強調されるものとなっている。

【００２７】

【数８】

【００２８】但し、数式８中、ｍ（Δx、Δy）は以下の
数式９として示す行列である。

【００２９】

【数９】

【００３０】欠陥部の差が強調された差画像ｓ（ｘ、
ｙ）はその後、数式１０により２値化部３０で２値化処
理されることで、２値画像ｓ_t（ｘ、ｙ）として得られ
るものである。

【００３１】

【数１０】

【００３２】２値画像ｓ_t（ｘ、ｙ）はその後、特徴抽
出部３１でラベリングされた上、特徴量としてその面積
と重心位置が算出されるが、全体制御部３２ではその面
積が一定しきい値ｆ_thを越える領域が欠陥として判定、
検出されているものである。検出された欠陥は個別にプ
リンタやプロッタで印字記録されたり、ＦＤ（フロッピ
ーディスク）に記憶されたり、あるいはＬＡＮ等を介し
収集記憶されているものである。

【００３３】したがって、図３，図４に係る実施例によ
れば以下の特徴が得られるものとなっている。 (１)関数近似を用いＺ軸方向への移動ピッチ以下の精度
で正確に合成画像１２および距離画像１３が計算されて
いることから、Ｚ軸方向への移動ピッチが粗くても検出
精度は上がり検出誤差が小さいため、正確にパターン検
査を行い得るものとなっている。 (２)関数近似にはＺ軸方向への移動ピッチが等間隔であ
るなどの条件を用いていないため、Ｚステージにアクチ
ュエータとしてピエゾ素子などの非線形性の素子を用い
得るものとなっている。 (３)光源１６にはレーザ発振器以外に、例えばキセノン
ランプなどのブロードな波長特性をもつ光源を用い得、
薄膜干渉の影響を受けにくい。 (４)基本的に距離画像の差で欠陥を検出していることか
ら、膜厚による誤差などを正確に判定し得る。

【００３４】次に上記第１の実施例に対する第１の変形
について説明すれば、回転円盤１８、あるいはＸＹＺス
テージ１５、または検出光学系の一部、またはその全部
の光軸を傾け、検出位置により検出高さを変えてＸＹＺ
ステージ１５をＸ方向に走査することによって、等価的
にＺ軸方向に試料１を走査し得るものとなっている。勿
論、Ｚ軸方向以外にＸ方向にも移動するが、移動量は一
定であるので差し引いて考えることができる。本変形に
よれば、Ｚ軸方向への微小移動をＸ方向への大きな移動
に変えて移動し得、正確にＺ軸方向高さを制御し得るも
のとなっている。また、回転円盤１８、または検出光学
系の一部、またはその全部の光軸を傾ける場合には、Ｘ
方向への移動は次の検出位置への移動でもあることか
ら、高速にパターン検査を行い得るものとなっている。

【００３５】更に、第２の変形について説明すれば、既
述の数式５の代りに以下の数式１１を用いるようにした
ものである。

【００３６】

【数１１】

【００３７】画像全面で予め定めたＺ座標ｚ_l，ｚ_h間に
ある場合での値ｚを用いるようにしたものである。な
お、その際でのｚは、画面全面の検出光量が最大になる
点、または別の合焦点検出センサの出力をもとに正規化
してあるものとする。本変形によれば、Σ１、Σｚ、Σ
ｚ²などのｆ（ｚ）を含まない項は予め計算しておくこ
とが可能であり、その分計算処理量は飛躍的に小さくて
済まされるものとなっている。更にまた、第３の変形に
ついて説明すれば、画像選択部２２から全体制御部３２
までの一部、または全部はソフトウェア処理に置換され
得るものとなっている。ソフトウェア処理に置換される
場合には、装置構成コンパクトにしてパターン検査を行
い得るものである。

【００３８】さて、本発明の第２の実施例について説明
すれば、図５は本発明によるパターン欠陥検出装置の他
の例での具体的構成を示したものである。図示のよう
に、構成上、図３に示すものと大きく異なっているとこ
ろは、回転円盤１８の代りに合焦点高さが変えられた複
数のスリット３３が設けられ、また、反射光をスリット
３３を介しスリット３３と共役な位置関係で検出すべく
ＴＶカメラ２０の代りに複数のセンサ（一次元イメージ
センサ、または一体型のイメージセンサ）３４が設けら
れていることである。センサ３４各々からの画像信号は
Ａ／Ｄ変換器２１でディジタル化された上、画像遅延部
３５でそれぞれ異なる量だけ所定に遅延せしめられるこ
とによって、同一タイミングで同一点に対する画像信号
が得られており、同一点に対する画像信号はその後、関
数近似に使用する画像の点を選択する画像選択部２２で
選択処理されるものとなっていること以外は、ほぼ図３
に示すものと同様となっている。

【００３９】ここで、その装置の動作を説明すれば、全
体制御部３２よりの指令で各部がイニシャライズされた
後、以下の動作が繰返し行われることでパターン検査が
行われるものとなっている。即ち、ＸＹＺステージ１５
を特定のチップ位置に移動せしめた状態で、ＸＹＺステ
ージ１５をＸ方向にスキャンしつつ複数のスリット３３
を介しセンサ３４各々で画像が検出されるが、その際、
画像遅延部３５ではスリット位置の差に応じて検出画像
信号が遅延されることによって、画像遅延部３５からは
同一点についての複数（本例では３通り）の画像信号が
同時に出力されるものとなっている。合焦点位置の異な
る３通りの画像信号が得られるわけであるが、画像選択
部２２では以下の数式１２に示す基準で画像信号が選択
された上、既述の数式３および数式４を用い係数計算部
２３および画像計算部２５で合成画像１２および距離画
像１３が計算されているものである。

【００４０】

【数１２】

【００４１】計算された合成画像１２、距離画像１３各
々は合成画像記憶部２６、距離画像記憶部２７各々に記
憶されている１チップ前の画像と差画像演算部２８で比
較されるが、その際、差画像演算部２８では数式１３を
用い画像比較が行われることで、差画像ｓ（ｘ、ｙ）が
計算されるものとなっている。

【００４２】

【数１３】

【００４３】但し、ｘ₀、ｙ₀は既述の数式７を最小とす
る組み合せとされる。

【００４４】差画像が計算された後は、画像計算部２５
より現に得られている合成画像１２、距離画像１３各々
は合成画像記憶部２６、距離画像記憶部２７に記憶され
ることで、合成画像記憶部２６、距離画像記憶部２７各
々での記憶内容は更新された上、次回での比較に待機さ
れるものである。フィルタ部２９では差画像ｓ（ｘ、
ｙ）が微分型のフィルタにかけられることで欠陥部での
差が強調されるが、欠陥部での差が強調された差画像ｓ
（ｘ、ｙ）はその後、既述の数式１０により２値化部３
０で２値化処理されることで、２値画像ｓ_t（ｘ、ｙ）
として得られるものである。２値画像ｓ_t（ｘ、ｙ）は
その後、特徴抽出部３１でラベリングされた上、特徴量
としてその面積と重心位置が算出されるが、全体制御部
３２ではその面積が一定しきい値ｆ_thを越える領域が欠
陥として判定、検出されているものである。

【００４５】したがって、図５に係る実施例によれば以
下の特徴が得られるものとなっている。 (１)関数近似を用いＺ軸方向への移動ピッチ以下の精度
で正確に合成画像１２および距離画像１３が計算されて
いることから、Ｚ軸方向への移動ピッチが粗くても検出
精度は上がり検出誤差が小さいため、正確にパターン検
査を行い得るものとなっている。 (２)第１の実施例１に比し検出時にＺ軸方向への移動が
不要なため、高速なパターン検査が可能である。 (３)光源１６にはレーザ発振器以外に、例えばキセノン
ランプなどのブロードな波長特性をもつ光源を用い得、
薄膜干渉の影響を受けにくい。 (４)合成画像、あるいは距離画像の差で欠陥を検出して
いるため、ｚの検出誤差を受けにくい。

【００４６】次に、第２の実施例に対する第１の変形に
ついて説明すれば、複数のスリット３３を省略した上、
焦点深度の極めて浅い検出光学系として構成することが
考えられる。スリット３３が省略されることで、簡便な
検出光学系を以てパターン検査を行い得るものである。
更に第２の変形について説明すれば、画像選択部２２を
省略した上、係数演算部２３に最大値を用いることが考
えられる。この結果、回路構成は極めて簡単化され、簡
便な回路を用い得るものである。

【００４７】次に、本発明の第３の実施例について説明
すれば、図６は本発明によるパターン欠陥検出装置の他
の例での具体的構成を示したものである。これによる場
合、パターン欠陥検出装置は、ウェハ１４を位置決め載
置した上、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動するＸＹＺステージ１
５と、ウェハ１４を照明する光源１６および照明光学系
１７と、反射光を検出する焦点深度の浅い対物レンズ１
９と、反射光を検出し、距離画像および合成画像を生成
する機能素子型イメージセンサ３６と、機能素子型イメ
ージセンサ３６からの画像信号をディジタル化するため
のＡ／Ｄ変換器２１と、Ａ／Ｄ変換器２１からの距離画
像１２および合成画像１２を一時記憶する信号憶部３８
と、信号憶部３８に記憶しておいた直前位置のチップの
合成画像および距離画像を現に検出した合成画像および
距離画像と位置合せ状態で比較して差画像を計算する差
画像演算部２８と、差画像演算部２８よりの差画像をフ
ィルタにかけて欠陥部の差を強調するフィルタ部２９
と、強調された差画像を２値化する２値化部３０と、２
値画像をラベリングして特徴量を算出する特徴抽出部３
１と、特徴抽出部３１よりの特徴量をもとに欠陥を抽出
したり、全体を制御するマイクロコンピュータを含む全
体制御部３２とから構成されたものとなっている。

【００４８】この第３の実施例では、画像検出センサと
して、距離画像および合成画像を生成する機能素子型イ
メージセンサ３６が使用されていることが特徴的となっ
ているが、ここで、機能素子型イメージセンサ３６につ
いて簡単ながら図７により説明すれば以下のようであ
る。即ち、機能素子型イメージセンサ３６は複数本の１
次元イメージセンサ部３９と、それらセンサ部３９各々
に対応した演算部４０および記憶部４１より構成された
ものとなっている。１番目（最左端位置）の記憶部４１
からは常に値０を出力されるものとして、１次元イメー
ジセンサ３９各々からの検出画像信号は、対応する演算
部４０で同じく対応する記憶部４１からの値と比較さ
れ、その比較結果として、大きい方の値が隣接右位置の
記憶部４１に記憶されるべく機能するようになってい
る。このような動作を繰返し行うことで、最終番目（最
右端位置）の記憶部４１には最大画像信号値を取り出さ
れ得るものである。

【００４９】図８はまた、その機能素子型イメージセン
サ３６の使用方法を示したものである。１次元イメージ
センサ部３９ーａ，３９ーｂ，３９ーｃ，… …各々で
はあるタイミングではそれぞれ異なる位置でのパターン
を検出しているが、ステージの移動速度を演算部４０ー
ａ，４０ーｂ，４０ーｃ，… …各々での演算速度と等
しく設定すれば、記憶部４１ーａ，４１ーｂ，４１ー
ｃ，… …各々への演算結果は常に同一位置のパターン
を検出していることになる。この結果として、機能素子
型イメージセンサ３６における最右端位置の記憶部から
の出力としては、合成画像が得られるものである。ま
た、新たに２本目の記憶部を設け、検出された値の方が
大きい場合にそのセンサの番号を出力するようにすれ
ば、この新たに設けた記憶部からの出力は、距離画像と
して得られるものとなっている。

【００５０】さて、第３の実施例に係る装置の動作を説
明すれば、全体制御部３２よりの指令で各部がイニシャ
ライズされた後は、以下の動作が繰返し行われること
で、パターン検査が行われるものとなっている。即ち、
即ち、ＸＹＺステージ１５を特定のチップ位置に移動せ
しめた状態で、ＸＹＺステージ１５をＸ方向にスキャン
しつつ機能素子型イメージセンサ３６からは、Ａ／Ｄ変
換器２１を介し検出画像信号として、距離画像信号およ
び合成画像信号が得られるものとなっている。この検出
画像信号は信号記憶部３８に記憶されている１チップ前
の検出画像信号と差画像演算部２８で画像比較される
が、差画像演算部２８では数式６、または数式１３を用
い画像比較されることで、差画像ｓ（ｘ、ｙ）が計算さ
れるものとなっている。差画像ｓ（ｘ、ｙ）が計算され
た後に、Ａ／Ｄ変換器２１からの検出画像信号は信号記
憶部３８に更新記憶されることで、次回の比較ために待
機されているものである。フィルタ部２９では差画像ｓ
（ｘ、ｙ）が欠陥強調フィルタにかけられ欠陥部での差
が強調された上、数式１０を用い２値化部３０からは２
値画像ｓ_t（ｘ、ｙ）として得られるものとなってい
る。この２値画像ｓ_t（ｘ、ｙ）を特徴抽出部３１でラ
ベリングした上、特徴量としてその面積と重心位置を算
出すれば、全体制御部３２ではその面積が一定しきい値
ｆ_thを越える領域が欠陥として判定、検出されているも
のである。

【００５１】したがって、図６に係る実施例によれば以
下の特徴が得られるものとなっている。 (１)機能素子型イメージセンサが用いられていることか
ら、画像処理回路が極めてコンパクトに構成し得、ま
た、ｚの分解能は機能素子型イメージセンサの集積度で
決定されることから、分解能を上げることは容易であ
る。 (２)第１の実施例１と比し画像検出時にＺ軸方向への移
動が不要とされることから、高速なパターン検査が可能
である。 (３)光源１６にはレーザ発振器以外に、例えばキセノン
ランプなどのブロードな波長特性をもつ光源を用い得、
薄膜干渉の影響を受けにくい。

【００５２】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１〜１３
によれば、検出欠陥寸法Δを小さく抑えつつ、しかも検
出可能焦点深度ｌを大きく保った状態で、顕微鏡の焦点
深度を越える段差が形成されているパターンを被検査パ
ターンとして、そのパターン中に存在している欠陥を検
出し得るパターン比較検査方法が、また、請求項１４，
１５による場合には、検出欠陥寸法Δを小さく抑えつ
つ、しかも検出可能焦点深度ｌを大きく保った状態で、
顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成されているパター
ンを被検査パターンとして、そのパターン中に存在して
いる欠陥を検出し得るパターン比較検査装置が得られる
ものとなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明によるパターン欠陥検出装置の
原理的な構成を示す図

【図２】図２は、ピンホールを用いた場合での試料高さ
と検出光量との関係を示す図

【図３】図３は、本発明によるパターン欠陥検出装置の
一例での具体的構成を示す図

【図４】図４は、そのパターン検査装置での検査アルゴ
リズムの一例でのフローを示す図

【図５】図５は、本発明によるパターン欠陥検出装置の
他の例での具体的構成を示す図

【図６】図６は、本発明によるパターン欠陥検出装置の
更に異なる他の例での具体的構成を示す図

【図７】図７は、機能素子型イメージセンサの機能構成
を示す図

【図８】図８は、その機能素子型イメージセンサの使用
方法を説明するための図

【図９】図９（Ａ）〜（Ｃ）は、一般的なパターン比較
検査方法を説明するための図

【図１０】図１０（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ半導体ウ
ェハ上に形成されているメモリチップパターンのパター
ン形成状態と、その１部分でのパターン拡大状態とを示
す図

【符号の説明】

１…試料、２，１５…ＸＹＺステージ、３，１６…光
源、４，１９…対物レンズ、５…ピンホール、６…セン
サ、７…信号解析部、８…移動部、９…全体制御部、１
２…合成画像、１３…距離画像、１４…ウェハ、１７…
照明光学系、１８…回転円盤、２０…ＴＶカメラ、２１
…Ａ／Ｄ変換器、２２…選択部、２３…係数計算部、２
４…係数記憶部、２５…画像計算部、２６…合成画像記
憶部、２７…距離画像記憶部、２８…差画像演算部、２
９…フィルタ部、３０…２値化部、３１…特徴抽出部、
３２…全体制御部、３３…複数のスリット、３４…セン
サ（１次元イメージセンサ、または一体型のイメージセ
ンサ）、３５…画像遅延部、３６…機能素子型イメージ
センサ、３８…信号記憶部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牧平坦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 (72)発明者岡健次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】顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成さ
れている対象物の高さが順次更新される度に、該高さ対
応の共焦点顕微鏡画像を検出するようにして、該対象物
について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像を用い比
較検査することによって、差異パターン形状が欠陥とし
て検出されるようにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項２】対象物の高さが順次更新される度に、該
対象物について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像、
あるいは焦点深度の極めて浅い顕微鏡画像より、計算さ
れることによって得られる長焦点深度画像を用い比較検
査することによって、差異パターン形状が欠陥として検
出されるようにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項３】対象物の高さが順次更新される度に、該
対象物について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像、
あるいは焦点深度の極めて浅い顕微鏡画像より、計算さ
れることによって得られる距離画像を用い比較検査する
ことによって、差異パターン形状が欠陥として検出され
るようにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項４】対象物の高さが順次更新される度に、該
対象物について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像、
あるいは焦点深度の極めて浅い顕微鏡画像より、計算さ
れることによって得られる長焦点深度画像および距離画
像を用い比較検査することによって、差異パターン形状
が欠陥として検出されるようにしたパターン欠陥検出方
法。
【請求項５】対象物の高さが順次更新される度に、該
対象物について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像、
あるいは焦点深度の極めて浅い顕微鏡画像より、計算さ
れることによって得られる距離画像を用い比較検査する
ことによって、差異パターン形状が欠陥として検出され
るに際し、距離画像の中で高さ精度の高い画像部分のみ
について比較検査するか、あるいは高さ精度の低い画像
部分のみ感度が低下された状態で比較検査が行われるよ
うにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項６】対象物の高さが順次更新される度に、該
対象物について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像、
あるいは焦点深度の極めて浅い顕微鏡画像より、計算さ
れることによって得られる距離画像を設計情報と比較検
査することによって、差異パターン形状が欠陥として検
出されるに際し、パターン段差部としてのエッジ部以外
の画像部分のみについて比較検査するか、あるいは該エ
ッジ部対応の画像部分のみ感度が低下された状態で比較
検査が行われるようにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項７】顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成さ
れている対象物、または像面を傾けた状態で該対象物を
横移動することによって、等価的に該対象物の高さを更
新しつつ該高さ対応の共焦点顕微鏡画像を検出するよう
にして、該対象物について検出された複数枚の共焦点顕
微鏡画像を用い比較検査することによって、差異パター
ン形状が欠陥として検出されるようにしたパターン欠陥
検出方法。
【請求項８】顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成さ
れている対象物が位置決め載置されているステージを傾
けた状態で該対象物を横移動することによって、等価的
に該対象物の高さを更新しつつ該高さ対応の共焦点顕微
鏡画像を検出するようにして、該対象物について検出さ
れた複数枚の共焦点顕微鏡画像を用い比較検査すること
によって、差異パターン形状が欠陥として検出されるよ
うにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項９】顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成さ
れている対象物の画像を検出する画像検出系の光軸を傾
けた状態で該対象物を横移動することによって、等価的
に該対象物の高さを更新しつつ該高さ対応の共焦点顕微
鏡画像を検出するようにして、該対象物について検出さ
れた複数枚の共焦点顕微鏡画像を用い比較検査すること
によって、差異パターン形状が欠陥として検出されるよ
うにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項１０】画像検出センサ位置、またはそれと同
等の機能をする面を傾けた状態で、顕微鏡の焦点深度を
越える段差が形成されている対象物を横移動することに
よって、等価的に該対象物の高さを更新しつつ該高さ対
応の共焦点顕微鏡画像を検出するようにして、該対象物
について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像を用い比
較検査することによって、差異パターン形状が欠陥とし
て検出されるようにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項１１】画像検出センサとしての、合成画像、
または距離画像を計算する機能が内臓された機能素子型
リニアイメージセンサの位置、またはそれと同等の機能
をする面を傾けた状態で、顕微鏡の焦点深度を越える段
差が形成されている対象物を横移動することによって、
等価的に該対象物の高さを更新しつつ該高さ対応の共焦
点顕微鏡画像を検出するようにして、該対象物について
検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像を用い比較検査す
ることによって、差異パターン形状が欠陥として検出さ
れるようにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項１２】複数のリニアイメージセンサより構成
され、着目リニアイメージセンサの出力と直前位置のリ
ニアイメージセンサまでのアナログ演算結果、またはデ
ィジタル演算結果が合成画像、または距離画像として得
られる機能素子型リニアイメージセンサの位置、または
それと同等の機能をする面を傾けた状態で、顕微鏡の焦
点深度を越える段差が形成されている対象物を横移動す
ることによって、等価的に該対象物の高さを更新しつつ
該高さ対応の共焦点顕微鏡画像を検出するようにして、
該対象物について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像
を用い比較検査することによって、差異パターン形状が
欠陥として検出されるようにしたパターン欠陥検出方
法。
【請求項１３】複数のリニアイメージセンサより構成
され、着目リニアイメージセンサの出力と直前位置のリ
ニアイメージセンサまでの、ピークホールド、またはピ
ーク位置検出に係るアナログ演算結果、またはディジタ
ル演算結果が合成画像、または距離画像として得られる
機能素子型リニアイメージセンサの位置、またはそれと
同等の機能をする面を傾けた状態で、顕微鏡の焦点深度
を越える段差が形成されている対象物を横移動すること
によって、等価的に該対象物の高さを更新しつつ該高さ
対応の共焦点顕微鏡画像を検出するようにして、該対象
物について検出された複数枚の共焦点顕微鏡画像を用い
比較検査することによって、差異パターン形状が欠陥と
して検出されるようにしたパターン欠陥検出方法。
【請求項１４】顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成
されている対象物を位置決め載置するＸＹＺステージ
と、該対象物を照明する照明光源と、上記対象物の画像
をピンホールを介し共焦点顕微鏡画像として検出するセ
ンサと、該センサより、上記ＸＹＺステージのＺ方向で
の高さが更新される度に、該高さ対応の共焦点顕微鏡画
像を得た上、該対象物についての複数枚の共焦点顕微鏡
画像より計算によって少なくとも合成画像、距離画像の
何れかを作成する合成画像／距離画像作成部と、該合成
画像／距離画像作成部からの合成画像、距離画像の少な
くとも何れかを、予め得られている比較されるべき画像
と比較することによって、差異パターン形状を欠陥とし
て検出するパターン欠陥検出部と、を少なくとも含むパ
ターン欠陥検出装置。
【請求項１５】顕微鏡の焦点深度を越える段差が形成
されている対象物を位置決め載置するＸＹＺステージ
と、該対象物を照明する照明光源と、上記対象物の画像
をピンホールを介し共焦点顕微鏡画像として検出し、か
つ複数のリニアイメージセンサより構成され、着目リニ
アイメージセンサの出力と直前位置のリニアイメージセ
ンサまでの、ピークホールド、またはピーク位置検出に
係るアナログ演算結果、またはディジタル演算結果を合
成画像、または距離画像として出力する機能素子型リニ
アイメージセンサと、該機能素子型リニアイメージセン
サからの合成画像、距離画像の少なくとも何れかを、予
め得られている比較されるべき画像と比較することによ
って、差異パターン形状を欠陥として検出するパターン
欠陥検出部と、を少なくとも含むパターン欠陥検出装
置。