(57)【要約】【課題】光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンを有する試料の焦点位置を検出することのできる焦点位置検出装置および焦点位置検出方法を提供する。また、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンにおける欠陥を検出することのできる検査装置および検査方法を提供する。【解決手段】光源５の光は、レンズ９によって試料１へ照射される。試料１で反射した光は、レンズ１１によって画像センサ１２に結像される。焦点位置検出回路１４は、レンズ９と試料１との距離を変えて取得された、試料１の複数の光学画像における出力値のばらつきから、試料１の像面の最適な焦点位置を検出する。光源５の波長とレンズ１１の開口数によって定まる解像限界は、試料１のパターンを解像しない値である。【選択図】図１
2014085217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の光を出射する光源と、
前記光源の光を試料へ照射する第１のレンズと、
前記第１のレンズを経て前記試料を透過または反射した光を結像する第２のレンズと、
前記第２のレンズで結像された光から前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る画像センサと、
前記第１のレンズと前記試料との距離を変えて取得された、前記試料の複数の光学画像における出力値のばらつきから、前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、該基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する焦点位置検出部とを有し、
前記光源の波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像限界が、前記パターンを解像しない値であることを特徴とする焦点位置検出装置。
【請求項２】
所定の波長の光を出射する光源と、
前記光源の光を試料へ照射する第１のレンズと、
前記第１のレンズを経て前記試料を透過または反射した光を結像する第２のレンズと、
前記第２のレンズで結像された光から前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る第１の画像センサと、
前記第２のレンズと前記第１の画像センサの間に配置され、前記第２のレンズを透過した光を分割する光路分割部と、
前記光路分割部により分割された光から、前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報を得る第２の画像センサと、
前記第１のレンズと前記試料との距離を変えて取得された、前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報における出力値のばらつきから、前記第１の画像センサにおける前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、該基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する焦点位置検出部とを有し、
前記光源の波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像限界が、前記パターンを解像しない値であることを特徴とする焦点位置検出装置。
【請求項３】
前記試料が載置されるテーブルと、
前記焦点位置検出部で検出された最適な焦点位置に基づいて、前記テーブルの高さを調節する制御部とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の焦点位置検出装置。
【請求項４】
前記出力値は、前記光学画像の各画素に付与される階調値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の焦点位置検出装置。
【請求項５】
所定の波長の光を出射する光源と、
前記光源の光を試料へ照射する第１のレンズと、
前記第１のレンズを経て前記試料を透過または反射した光を結像する第２のレンズと、
前記第２のレンズで結像された光から前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る画像センサと、
前記第１のレンズと前記試料との距離を変えて取得された、前記試料の複数の光学画像における出力値のばらつきから、前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、該基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する焦点位置検出部と、
前記最適な焦点位置で得られた光学画像について、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める画像処理部と、
前記平均階調値および前記階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う欠陥検出部とを有し、
前記光源の波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像限界が、前記パターンを解像しない値であることを特徴とする検査装置。
【請求項６】
所定の波長の光を出射する光源と、
前記光源の光を試料へ照射する第１のレンズと、
前記第１のレンズを経て前記試料を透過または反射した光を結像する第２のレンズと、
前記第２のレンズで結像された光から前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る第１の画像センサと、
前記第２のレンズと前記第１の画像センサの間に配置され、前記第２のレンズを透過した光を分割する光路分割部と、
前記光路分割部により分割された光から、前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報を得る第２の画像センサと、
前記第１のレンズと前記試料との距離を変えて取得された、前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報における出力値のばらつきから、前記第１の画像センサにおける前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、該基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する焦点位置検出部と、
前記最適な焦点位置で得られた光学画像について、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める画像処理部と、
前記平均階調値および前記階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う欠陥検出部とを有し、
前記光源の波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像限界が、前記パターンを解像しない値であることを特徴とする検査装置。
【請求項７】
前記試料が載置されるテーブルと、
前記焦点位置検出部で検出された最適な焦点位置に基づいて、前記テーブルの高さを調節する制御部とを有することを特徴とする請求項５または６に記載の検査装置。
【請求項８】
前記出力値は、前記光学画像の階調値であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の検査装置。
【請求項９】
所定の波長の光を第１のレンズを介して試料に照射し、前記試料を透過または反射した光を第２のレンズを介して画像センサに結像して、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る行為を、前記第１のレンズと前記試料の距離を変えて複数回行って、前記パターンの光学画像を複数得る工程と、
前記複数の光学画像における出力値のばらつきから、前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、該基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する工程と、
前記最適な焦点位置に基づいて、前記試料を載置するテーブルの高さを調整する工程とを有し、
前記パターンは、前記波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像度以下の周期の繰り返しパターンであることを特徴とする焦点位置検出方法。
【請求項１０】
所定の波長の光を第１のレンズを介して試料に照射し、前記試料を透過または反射した光を第２のレンズを介して第１の画像センサに結像して、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る工程と、
前記第２のレンズを透過した光の一部を取り出し、第２の画像センサに入射させて前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報を得る行為を、前記第１のレンズと前記試料の距離を変えて複数回行い、得られた前ピンと後ピンの各像情報における出力値のばらつきから、前記第１の画像センサにおける前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、該基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する工程と、
前記最適な焦点位置に基づいて、前記試料を載置するテーブルの高さを調整する工程とを有し、
前記パターンは、前記波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像度以下の周期の繰り返しパターンであることを特徴とする焦点位置検出方法。
【請求項１１】
前記最適な焦点位置は、前記基準の焦点位置から所定のオフセット量ずらした焦点位置であることを特徴とする請求項９または１０に記載の焦点位置検出方法。
【請求項１２】
所定の波長の光を第１のレンズを介して試料に照射し、前記試料を透過または反射した光を第２のレンズを介して画像センサに結像して、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る行為を、前記第１のレンズと前記試料の距離を変えて複数回行って、前記パターンの光学画像を複数得る工程と、
前記複数の光学画像における出力値のばらつきから、前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、該基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する工程と、
前記最適な焦点位置に基づいて、前記試料を載置するテーブルの高さを調整する工程と、
前記最適な焦点位置で得られた光学画像について、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める工程と、
前記平均階調値および前記階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う工程とを有し、
前記パターンは、前記波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像度以下の周期の繰り返しパターンであることを特徴とする検査方法。
【請求項１３】
所定の波長の光を第１のレンズを介して試料に照射し、前記試料を透過または反射した光を第２のレンズを介して第１の画像センサに結像して、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る工程と、
前記第２のレンズを透過した光の一部を取り出し、第２の画像センサに入射させて前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報を得る行為を、前記第１のレンズと前記試料の距離を変えて複数回行い、得られた前ピンと後ピンの各像情報における出力値のばらつきから、前記第１の画像センサにおける前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、該基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する工程と、
前記最適な焦点位置に基づいて、前記試料を載置するテーブルの高さを調整する工程と、
前記最適な焦点位置で得られた光学画像について、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める工程と、
前記平均階調値および前記階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う工程とを有し、
前記パターンは、前記波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像度以下の周期の繰り返しパターンであることを特徴とする検査方法。
【請求項１４】
前記最適な焦点位置は、前記基準の焦点位置から所定のオフセット量ずらした焦点位置であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点位置検出装置、検査装置、焦点位置検出方法および検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Iｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ＬＳＩ）の高集積化および大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路寸法は微細化の一途を辿っている。
【０００３】
半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（マスクまたはレチクルを指す。以下では、マスクと総称する。）を用い、いわゆるステッパまたはスキャナ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。
【０００４】
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。一方、最先端のデバイスでは、十数ｎｍの線幅のパターン形成が要求される状況となってきている。ここで、歩留まりを低下させる大きな要因として、マスクパターンの形状欠陥が挙げられる。具体的には、パターンエッジの凹凸（エッジラフネス）、パターンの線幅異常、パターンの位置ずれによる隣接パターンとの空隙異常などである。
【０００５】
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い、マスクパターンの形状欠陥も微細化している。また、マスクの寸法精度を高めることで、プロセス諸条件の変動を吸収しようとしてきたこともあり、マスク検査においては、極めて小さなパターンの欠陥を検出することが必要になっている。このため、ＬＳＩ製造に使用される転写用マスクのパターンを検査する装置に対して高い精度が要求されている。特許文献１には、マスク上における微細な欠陥を検出することのできる検査装置が開示されている。
【０００６】
一方、微細パターンを形成する技術として、ナノインプリントリソグラフィ（Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ；ＮＩＬ）が注目されている。この技術は、ウェハ上のレジストに、ナノスケールの微細構造を有するモールド（型）を圧力印加することで、レジストに微細なパターンを形成するものである。
【０００７】
ナノインプリント技術では、生産性を上げるために、原版となるマスターパターンを用いて、複製のパターン（以下、ドータパターンと称す。）を複数作製し、ドータパターンを異なるナノインプリント装置に装着して使用する。ドータパターンは、マスターパターンに正確に対応するように製造される必要があり、検査工程においては、マスターパターンおよびドータパターンの双方に対して高い精度での検査が要求される。
【０００８】
ここで、マスクは、一般に、回路寸法の４倍の寸法を持って形成される。かかるマスクを用い、縮小投影露光装置でウェハ上のレジストにパターンを縮小露光した後、現像することによって、半導体の回路パターンが形成される。これに対し、ナノインプリントリソグラフィにおけるマスターパターンやドータパターンは、回路寸法と等倍の寸法で形成される。このため、これらのパターンにおける形状欠陥は、マスクのパターンにおけるそれよりも、ウェハ上に転写されるパターンへの影響度が大きい。したがって、マスターパターンやドータパターンを検査するにあたっては、マスクのパターンを検査する場合よりも高い精度が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４２３６８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
検査装置において、光源から出射された光は、光学系を介して試料に照射される。試料はテーブル上に載置されており、テーブルが移動することによって、照射された光が試料上を走査する。試料を透過または反射した光は、レンズを介して画像センサ上に結像する。そして、画像センサで撮像された光学画像を基に、試料の欠陥検査が行われる。
【００１１】
しかしながら、マスターパターンやドータパターンなどでは、検査装置における光学系の解像度よりも、パターン寸法の方が小さくなってきている。このため、焦点位置を正確に検出することが難しい。例えば、光てこ式を用いた焦点位置検出方法では、光源からの光を対物レンズで試料に照射し、その反射光を位置センサ上に結像する。これにより、コントラストが最大となる焦点位置からの変位量を求めて、試料と対物レンズとの距離が適切となるよう制御している。しかし、試料上のパターンの線幅が光源の波長以下になると、パターンで発生した回折光が位置センサ上に結像して、正確な変位量を求めることができなくなる。
【００１２】
また、試料の検査領域の四隅に基準面を設けて焦点位置を測定し、これらの基準面を基に検査領域内での焦点位置を合わせることも考えられる。しかしながら、検査工程で気圧や温度が変化すると、試料に照射される光の焦点位置が変わり、基準面における高さデータが変動する。例えば、気圧が変化すると、空気の屈折率が変化するので、物体の結像面、すなわち、焦点位置が変化する。したがって、この方法によっても、焦点位置を常に正確なものとするのは困難である。
【００１３】
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンを有する試料の焦点位置を検出することのできる焦点位置検出装置および焦点位置検出方法を提供することにある。
【００１４】
また、本発明は、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンにおける欠陥を検出することのできる検査装置および検査方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の態様は、所定の波長の光を出射する光源と、
前記光源の光を試料へ照射する第１のレンズと、
前記第１のレンズを経て前記試料を透過または反射した光を結像する第２のレンズと、
前記第２のレンズで結像された光から前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る画像センサと、
前記第１のレンズと前記試料との距離を変えて取得された、前記試料の複数の光学画像における出力値のばらつきから、前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、この基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する焦点位置検出部とを有し、
前記光源の波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像限界が、前記パターンを解像しない値であることを特徴とする焦点位置検出装置に関する。
【００１７】
本発明の第２の態様は、所定の波長の光を出射する光源と、
前記光源の光を試料へ照射する第１のレンズと、
前記第１のレンズを経て前記試料を透過または反射した光を結像する第２のレンズと、
前記第２のレンズで結像された光から前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る第１の画像センサと、
前記第２のレンズと前記第１の画像センサの間に配置され、前記第２のレンズを透過した光を分割する光路分割部と、
前記光路分割部により分割された光から、前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報を得る第２の画像センサと、
前記第１のレンズと前記試料との距離を変えて取得された、前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報における出力値のばらつきから、前記第１の画像センサにおける前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、この基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する焦点位置検出部とを有し、
前記光源の波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像限界が、前記パターンを解像しない値であることを特徴とする焦点位置検出装置に関する。
【００１８】
本発明の第１の態様および第２の態様は、前記試料が載置されるテーブルと、
前記焦点位置検出部で検出された最適な焦点位置に基づいて、前記テーブルの高さを調節する制御部とを有することが好ましい。
【００１９】
本発明の第１の態様および第２の態様において、前記出力値は、前記光学画像の各画素に付与される階調値であることが好ましい。
【００２０】
本発明の第３の態様は、所定の波長の光を出射する光源と、
前記光源の光を試料へ照射する第１のレンズと、
前記第１のレンズを経て前記試料を透過または反射した光を結像する第２のレンズと、
前記第２のレンズで結像された光から前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る画像センサと、
前記第１のレンズと前記試料との距離を変えて取得された、前記試料の複数の光学画像における出力値のばらつきから、前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、この基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する焦点位置検出部と、
前記最適な焦点位置で得られた光学画像について、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める画像処理部と、
前記平均階調値および前記階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う欠陥検出部とを有し、
前記光源の波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像限界が、前記パターンを解像しない値であることを特徴とする検査装置に関する。
【００２１】
本発明の第４の態様は、所定の波長の光を出射する光源と、
前記光源の光を試料へ照射する第１のレンズと、
前記第１のレンズを経て前記試料を透過または反射した光を結像する第２のレンズと、
前記第２のレンズで結像された光から前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る第１の画像センサと、
前記第２のレンズと前記第１の画像センサの間に配置され、前記第２のレンズを透過した光を分割する光路分割部と、
前記光路分割部により分割された光から、前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報を得る第２の画像センサと、
前記第１のレンズと前記試料との距離を変えて取得された、前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報における出力値のばらつきから、前記第１の画像センサにおける前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、この基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する焦点位置検出部と、
前記最適な焦点位置で得られた光学画像について、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める画像処理部と、
前記平均階調値および前記階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う欠陥検出部とを有し、
前記光源の波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像限界が、前記パターンを解像しない値であることを特徴とする検査装置に関する。
【００２２】
本発明の第３の態様および第４の態様は、前記試料が載置されるテーブルと、
前記焦点位置検出部で検出された最適な焦点位置に基づいて、前記テーブルの高さを調節する制御部とを有することが好ましい。
【００２３】
本発明の第３の態様および第４の態様において、前記出力値は、前記光学画像の階調値であることが好ましい。
【００２４】
本発明の第５の態様は、所定の波長の光を第１のレンズを介して試料に照射し、前記試料を透過または反射した光を第２のレンズを介して画像センサに結像して、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る行為を、前記第１のレンズと前記試料の距離を変えて複数回行って、前記パターンの光学画像を複数得る工程と、
前記複数の光学画像における出力値のばらつきから、前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、この基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する工程と、
前記最適な焦点位置に基づいて、前記試料を載置するテーブルの高さを調整する工程とを有し、
前記パターンは、前記波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像度以下の周期の繰り返しパターンであることを特徴とする焦点位置検出方法に関する。
前記最適な焦点位置は、前記基準の焦点位置から所定のオフセット量ずらした焦点位置であることが好ましい。
【００２５】
本発明の第６の態様は、所定の波長の光を第１のレンズを介して試料に照射し、前記試料を透過または反射した光を第２のレンズを介して第１の画像センサに結像して、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る工程と、
前記第２のレンズを透過した光の一部を取り出し、第２の画像センサに入射させて前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報を得る行為を、前記第１のレンズと前記試料の距離を変えて複数回行い、得られた前ピンと後ピンの各像情報における出力値のばらつきから、前記第１の画像センサにおける前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、この基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する工程と、
前記最適な焦点位置に基づいて、前記試料を載置するテーブルの高さを調整する工程とを有し、
前記パターンは、前記波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像度以下の周期の繰り返しパターンであることを特徴とする焦点位置検出方法に関する。
前記最適な焦点位置は、前記基準の焦点位置から所定のオフセット量ずらした焦点位置であることが好ましい。
【００２６】
本発明の第７の態様は、所定の波長の光を第１のレンズを介して試料に照射し、前記試料を透過または反射した光を第２のレンズを介して画像センサに結像して、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る行為を、前記第１のレンズと前記試料の距離を変えて複数回行って、前記パターンの光学画像を複数得る工程と、
前記複数の光学画像における出力値のばらつきから、前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、この基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する工程と、
前記最適な焦点位置に基づいて、前記試料を載置するテーブルの高さを調整する工程と、
前記最適な焦点位置で得られた光学画像について、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める工程と、
前記平均階調値および前記階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う工程とを有し、
前記パターンは、前記波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像度以下の周期の繰り返しパターンであることを特徴とする検査方法に関する。
前記最適な焦点位置は、前記基準の焦点位置から所定のオフセット量ずらした焦点位置であることが好ましい。
【００２７】
本発明の第８の態様は、所定の波長の光を第１のレンズを介して試料に照射し、前記試料を透過または反射した光を第２のレンズを介して第１の画像センサに結像して、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る工程と、
前記第２のレンズを透過した光の一部を取り出し、第２の画像センサに入射させて前記パターンの前ピンと後ピンの各像情報を得る行為を、前記第１のレンズと前記試料の距離を変えて複数回行い、得られた前ピンと後ピンの各像情報における出力値のばらつきから、前記第１の画像センサにおける前記試料の像面の基準の焦点位置を検出し、この基準の焦点位置から検査に最適な焦点位置を検出する工程と、
前記最適な焦点位置に基づいて、前記試料を載置するテーブルの高さを調整する工程と、
前記最適な焦点位置で得られた光学画像について、所定の単位領域毎の平均階調値および前記単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方を求める工程と、
前記平均階調値および前記階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う工程とを有し、
前記パターンは、前記波長と前記第２のレンズの開口数によって定まる解像度以下の周期の繰り返しパターンであることを特徴とする検査方法に関する。
前記最適な焦点位置は、前記基準の焦点位置から所定のオフセット量ずらした焦点位置であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の第１の態様および第２の態様によれば、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンを有する試料の焦点位置を検出することのできる焦点位置検出装置が提供される。
【００２９】
本発明の第３の態様および第４の態様によれば、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンにおける欠陥を検出することのできる検査装置が提供される。
【００３０】
本発明の第５の態様および第６の態様によれば、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンを有する試料の焦点位置を検出することのできる焦点位置検出方法が提供される。
【００３１】
本発明の第７の態様および第８の態様によれば、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンにおける欠陥を検出することのできる検査方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施の形態１における焦点位置検出装置の構成を示す図である。
【図２】試料に形成されたパターンの光学画像を取得する手順を説明する図である。
【図３】試料の高さを変動させて光学画像を取得する様子を示す図である。
【図４】光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンについて、試料と光学系との焦点位置を変えて撮像した光学画像の例である。
【図５】図４に示す各光学画像から得られた階調値の標準偏差と、焦点位置との関係を示したものである。
【図６】実施の形態２における焦点位置検出装置の構成を示す図である。
【図７】実施の形態２において、前ピンの像情報と後ピンの像情報とを比較した図である。
【図８】実施の形態２において、前ピン側の階調値の標準偏差と後ピン側の階調値の標準偏差との差分を焦点位置に対してプロットした図の一例である。
【図９】実施の形態２において、前ピン側と後ピン側の各諧調値の標準偏差の差分を焦点位置に対してプロットした図の一例である。
【図１０】実施の形態３における検査装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
線幅が１００ｎｍ以下の密パターンを結像しようとする場合、ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を用いた光学系では、理論限界のレンズ（開口数ＮＡ＝１）を用いたとしても、パターンを解像することはできない。したがって、このパターンに対する光学系の適切な焦点位置、すなわち、パターンのコントラストが最大となるときの対物レンズと試料との距離を検出することは難しい。
【００３４】
ところで、ウェハ上に形成されるパターンの多くは、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンである。例えば、ナノインプリントリソグラフィで使用されるマスターパターンやドータパターンにも、こうした繰り返しパターンが形成される。
【００３５】
かかる繰り返しパターンにおいて、例えば、その一部でエッジラフネスが大きくなっていたり、パターンの一部が欠けていたり、あるいは、線幅の一部が狭くなっていたりすると、規則性に乱れが生じて光学画像の出力値が変化するようになる。また、欠陥に至らないエッジラフネスなどであっても、光学画像の出力値に変動をもたらす。さらに、電子ビームショットにより描画されたラインパターンにおいて、ショット間のずれによりパターンに歪みが生じた場合なども、同様の出力値の変動を生じる。ここで、出力値とは、照明光学系によって試料に照射された後に試料を透過または反射した光を、結像光学系によって画像センサに結像して光学画像とする工程において、画像センサで光電変換された電気的な画像信号の出力値を言う。
【００３６】
こうした出力値の変動は、同じパターンであれば、それが光学画像のどの位置で生じたものであるかによらず同じ傾向を示す。そこで、同じパターンの光学画像を光学系の条件を変えて複数取得し、これらの光学画像における出力値のばらつきを比較する。ばらつきが最も大きくなるときの条件を見出すことで、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンにおける適切な焦点位置を検出することが可能である。具体的には、ばらつきが最大となる焦点位置を基準の焦点位置として、この基準の焦点位置を基に最適な焦点位置を設定する。尚、出力値のばらつきは、例えば、階調値の分散または標準偏差などで表される。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３７】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態における焦点位置検出装置の構成を示す図である。
【００３８】
図１において、試料１は、垂直方向に移動可能なＺテーブル２の上に載置されている。Ｚテーブル２は、ＸＹテーブル３によって水平方向にも移動可能である。試料１には、ライン・アンド・スペースパターンやホールパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンが形成されている。試料１としては、例えば、ナノインプリント技術で用いられるマスターパターンやドータパターンなどが挙げられる。
【００３９】
試料１は、Ｚテーブル２に設けられた支持部材（図示せず）により、３点で支持されることが好ましい。試料１を４点で支持する場合には、支持部材に対して高精度の高さ調整が必要となる。また、高さ調整が不十分であると、試料１が変形するおそれがある。これに対して、３点支持によれば、試料１の変形を最小限に抑えながら、試料１を支持することができる。支持部材は、例えば、頭面が球状のボールポイントを用いて構成される。また、例えば、３つの支持部材のうちの２つの支持部材は、試料１の四隅のうちの対角でない、隣接する二隅で試料１に接する。３つの支持部材のうちの残る１つの支持部材は、他の２つの支持部材が配置されていない二隅の間の領域に配置される。
【００４０】
図１に示すように、試料１の上方には、光学系４が配置されている。
【００４１】
光学系４において、光源５は、試料１に対して、その光学画像を取得するための光を照射する。試料１に形成されたメインパターンの線幅は、１００ｎｍ以下とすることができ、光源５としては、ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を照射するものを用いることができる。
【００４２】
光源５から出射された光は、レンズ６を透過し、ミラー７で向きを変えられた後、レンズ８を透過し、レンズ（対物レンズ）９によって試料１の上に集光される。尚、レンズ９は、本実施の形態に対応する本発明の態様における第１のレンズに対応する。
【００４３】
試料１で反射した光は、ハーフミラー１０で向きを変えられる。その後、レンズ（結像レンズ）１１は、この光を画像センサ１２に結像する。これにより、試料１のパターンの光学画像が生成される。尚、レンズ１１は、本実施の形態に対応する本発明の態様における第２のレンズに対応する。
【００４４】
光学系４の解像限界、すなわち、光源５からの光の波長（λ）と、レンズ１１の開口数（ＮＡ）とによって定まる解像限界（Ｒ＝λ／２ＮＡ）は、試料１に形成されたパターンを解像しない値である。
【００４５】
尚、本実施の形態においては、画像センサを試料１の下方に配置し、試料１を透過した光をこの画像センサに結像させてもよい。
【００４６】
図２は、試料１に形成されたパターンの光学画像を取得する手順を説明する図である。
【００４７】
図２に示すように、試料１上の評価領域は、短冊状の複数のフレーム２０１，２０２，２０３，２０４，・・・に仮想的に分割されている。そして、各フレーム２０１，２０２，２０３，２０４，・・・が連続的に走査されるように、図１のＸＹテーブル３の動作が、図示されない駆動装置によって制御される。具体的には、ＸＹテーブル３がＸ方向に移動しながら、試料１の光学画像が取得される。そして、画像センサ１２に、図２に示されるような走査幅Ｗの画像が連続的に入力される。すなわち、第１のフレーム２０１における画像を取得した後、第２のフレーム２０２における画像を取得する。この場合、ＸＹテーブル３が第１のフレーム２０１における画像の取得時とは逆方向に移動しながら光学画像を取得し、走査幅Ｗの画像が画像センサ１２に連続的に入力される。第３のフレーム２０３における画像を取得する場合には、第２のフレーム２０２における画像を取得する方向とは逆方向、すなわち、第１のフレーム２０１における画像を取得した方向に、ＸＹテーブル３が移動する。尚、図２の斜線部分は、上記のようにして光学画像の取得が済んだ領域を模式的に表したものである。
【００４８】
図１の画像センサ１２に結像したパターンの像は、画像センサ１２によって光電変換され、さらにセンサ回路（図示せず）によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。画像センサ１２としては、例えば、撮像素子としてのＣＣＤカメラを一列に並べたラインセンサが用いられる。ラインセンサの例としては、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサが挙げられる。ＸＹテーブル３がＸ軸方向に連続的に移動しながら、ＴＤＩセンサによって試料１のパターンが撮像される。
【００４９】
本実施の形態の焦点位置検出方法においては、試料１と光学系４との焦点位置を変えて、少なくとも２つの光学画像を取得する。具体的には、図３に示すように、試料１の高さを変動させて光学画像を取得する。図１において、試料１は、垂直方向に移動可能なＺテーブル２の上に載置されているので、垂直方向におけるＺテーブル２の位置を変えることで、試料１からレンズ９までの距離が変わり、試料１と光学系４との焦点位置が変わる。例えば、Ｚテーブル２が所定位置にある状態で第１の光学画像を取得し、次いで、Ｚテーブル２の位置を移動させて第２の光学画像を取得する。
【００５０】
尚、レンズ１１と画像センサ１２との距離を変えることによっても、試料１と光学系４との焦点位置を変えることができる。但し、この距離が設計段階で決められた値で固定されている場合、上記のように、レンズ９と試料１との距離のみで考えることができる。
【００５１】
画像センサ１２上に結像したパターンの像は、画像センサ１２によって光電変換され、さらにセンサデータ入力回路１３によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。その後、このデータは、センサデータ入力回路１３から焦点位置検出回路１４へ送られる。焦点位置検出回路１４は、本実施の形態に対応する本発明の態様における焦点位置検出部に対応する。
【００５２】
焦点位置検出回路１４では、複数の光学画像における出力値のばらつきを比較して、試料１と光学系４との最適な焦点位置を検出する。
【００５３】
例えば、上記の通り、Ｚテーブル２の高さによって、試料１とレンズ９との距離を変えて、複数の光学画像を取得する。次いで、これらの光学画像について、画素毎に階調値を与え、各光学画像における階調値の分散または標準偏差を求める。次に、焦点位置と分散または標準偏差との関係を取得し、分散または標準偏差の値が最も大きくなる焦点位置を求める。得られた焦点位置が、最適な焦点位置、すなわち、試料１のコントラストが最大となる焦点位置である。
【００５４】
図４は、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンについて、試料と光学系との焦点位置を変えて撮像した光学画像の例である。尚、図中の焦点位置は、相対的な数値であり、実際の光学画像は、焦点位置を例えば０．１μｍずつずらして取得される。各光学画像に見られる濃淡のばらつき（階調値のばらつき）は、繰り返しパターンの線幅やエッジラフネスの変動などに起因して生じる。
【００５５】
図５は、図４に示す各光学画像から得られた階調値の標準偏差と、焦点位置との関係を示したものである。図４において、濃淡のばらつきの変化は、焦点位置が０と１の間で大きい。したがって、図５においても、階調値の標準偏差は、焦点位置０と１で大きな値を示す。そして、階調値の標準偏差が最大となる焦点位置０が、光学画像のコントラストが最大となるところ、つまり、最適な焦点位置となる。尚、欠陥検査では、意図的に光学画像のコントラストが最大になる最適な焦点位置に対して一定のオフセットをかけて検査する方が、欠陥検査のＳ／Ｎが改善する場合がある。この場合、光学画像のコントラストが最大になる最適な焦点位置を求め、次に、オフセット分補正した検査で最適な焦点位置を設定する。
【００５６】
図１において、焦点位置検出回路１４で検出された焦点位置に関する情報は、制御回路１５へ送られる。制御回路１５は、送られた情報を基にＺテーブル駆動装置１６を制御し、試料１が光学系４に対して最適な焦点位置に位置するよう、Ｚテーブル２の高さを調節する。
【００５７】
このように、本実施の形態によれば、光学条件を変えて複数の光学画像を取得して、それらの出力値のばらつきを比較し、ばらつきが最も大きくなる光学条件を見出すことで、気圧や温度変化によらずに適切な焦点位置を検出することができる。その後は、光学画像の階調値の分布を調べることで、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンの欠陥を検出することが可能である。すなわち、パターンの一部でエッジラフネスが大きくなっていたり、パターンの一部が欠けていたり、あるいは、線幅の一部が狭くなっていたりすると、規則性に乱れが生じて階調値が変化するようになるので、これらを欠陥として検出することができる。
【００５８】
実施の形態２．
図６は、本実施の形態における焦点位置検出装置の構成を示す図である。
【００５９】
図６において、試料１０１は、垂直方向に移動可能なＺテーブル１０２の上に載置されている。Ｚテーブル１０２は、ＸＹテーブル１０３によって水平方向にも移動可能である。試料１０１には、ライン・アンド・スペースパターンやホールパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンが形成されている。試料１０１としては、例えば、ナノインプリント技術で用いられるマスターパターンやドータパターンなどが挙げられる。
【００６０】
試料１０１は、Ｚテーブル１０２に設けられた支持部材（図示せず）により、３点で支持されることが好ましい。試料１０１を４点で支持する場合には、支持部材に対して高精度の高さ調整が必要となる。また、高さ調整が不十分であると、試料１０１が変形するおそれがある。これに対して、３点支持によれば、試料１０１の変形を最小限に抑えながら、試料１０１を支持することができる。支持部材は、例えば、頭面が球状のボールポイントを用いて構成される。また、例えば、３つの支持部材のうちの２つの支持部材は、試料１０１の四隅のうちの対角でない、隣接する二隅で試料１０１に接する。３つの支持部材のうちの残る１つの支持部材は、他の２つの支持部材が配置されていない二隅の間の領域に配置される。
【００６１】
図６に示すように、試料１０１の上方には、光学系１０４が配置されている。光学系１０４において、光源１０５は、試料１０１に対して、その光学画像を取得するための光を照射する。試料１０１に形成されたメインパターンの線幅は、１００ｎｍ以下とすることができ、光源１０５としては、ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を照射するものを用いることができる。
【００６２】
光源１０５から出射された光は、レンズ１０６を透過し、ミラー１０７で向きを変えられた後、レンズ１０８を透過し、レンズ（対物レンズ）１０９によって試料１０１の上に集光される。尚、レンズ１０９は、本実施の形態に対応する本発明の態様における第１のレンズに対応する。
【００６３】
試料１０１で反射した光は、ハーフミラー１１０で向きを変えられる。その後、この光は、レンズ（結像レンズ）１２０を透過した後、その一部がハーフミラー１２１を透過して、画像センサ（第１の画像センサ）１２２に結像する。これにより、試料１０１のパターンの光学画像が生成される。尚、光学系１０４の解像限界、すなわち、光源１０５からの光の波長（λ）と、レンズ１２０の開口数（ＮＡ）とによって定まる解像限界（Ｒ＝λ／２ＮＡ）は、試料１０１に形成されたパターンを解像しない値である。また、レンズ１２０は、本実施の形態に対応する本発明の態様における第２のレンズに対応する。
【００６４】
具体的には、画像センサ１２２に結像したパターンの像は、画像センサ１２２によって光電変換され、さらにセンサ回路（図示せず）によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。画像センサ１２２としては、例えば、撮像素子としてのＣＣＤカメラを一列に並べたラインセンサが用いられる。ラインセンサの例としては、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサが挙げられる。ＸＹテーブル１０３がＸ軸方向に連続的に移動しながら、ＴＤＩセンサによって試料１０１のパターンが撮像される。尚、光学画像の取得手順は、実施の形態１で図２を用いて説明したのと同様である。
【００６５】
一方、レンズ１２０を透過した光の一部は、光路分割部としてのハーフミラー１２１によって分割され、画像センサ１２２とは異なる方向に取り出される。すなわち、レンズ１２０を透過した光の一部は、ハーフミラー１２１を透過して画像センサ１２２に入射するが、他の一部は、ハーフミラー１２１で反射される。その後、ハーフミラー１２３とミラー１２４によって、さらに２つの光路に分けられる。詳しくは、ハーフミラー１２１で反射された光の一部はハーフミラー１２３を透過する。一方、ハーフミラー１２１で反射された光の他の一部は、ミラー１２４によって反射される。ハーフミラー１２３を透過した光と、ミラー１２４によって反射された光とは、いずれも同じ方向に出射される。これらの光の光路上には、焦点位置検出用の画像センサ（第２の画像センサ）１２５が配置されている。
【００６６】
画像センサ１２５は、画像センサ１２５に入射する光について、２つの像情報を検出する。１つは、結像面に対して焦点が手前にある場合（前ピン）の像情報であり、他の１つは、結像面に対して焦点が後にある場合（後ピン）の像情報である。図６において、後ピンの像情報は、ハーフミラー１２３を透過した光から得られる。一方、前ピンの像情報は、ミラー１２４で反射した光から得られる。これらの光が画像センサ上に結像することはない。
【００６７】
図７は、前ピンの像情報と、後ピンの像情報とを比較したものである。図６において、ハーフミラー１２３を透過した光は、画像センサ１２５の後側に焦点がある。そして、この光の焦点位置を変えて複数の光学画像を取得し、これらの階調値の標準偏差を比較すると、図７の点線で示すようになる。これに対して、図６のミラー１２４で反射された光は、画像センサ１２５の前側に合焦点がある。この光の焦点位置を変えて複数の光学画像を取得し、これらの階調値の標準偏差を比較すると、図７の実線で示すようになる。尚、各光の焦点位置は、Ｚテーブル１０２の高さを調節することで変えられる。また、各光学画像は、例えば、焦点位置を０．１μｍずつずらして取得される。
【００６８】
図７の各像情報における階調値の標準偏差は、試料１０１上に形成された繰り返しパターンの線幅やエッジラフネスの変動などに起因して生じる。光学系１０４と試料１０１との焦点位置が、画像センサ１２５の前側にあるとき、階調値の標準偏差は前ピン側で大きくなる。一方、焦点位置が画像センサ１２５の後側にあると、階調値の標準偏差は後ピン側で大きくなる。そして、前ピン側における階調値の標準偏差と、後ピン側における階調値の標準偏差とが同じとなるとき、換言すると、前ピン側の焦点位置と、後ピン側の焦点位置とが、画像センサ１２５に対して逆方向に同じ距離ずれた位置にあるとき、光学系１０４と試料１０１との焦点位置は、画像センサ１２２上にある。これが最適な焦点位置であり、コントラストは最大となる。
【００６９】
図８は、前ピン側の階調値の標準偏差と後ピン側の階調値の標準偏差との差分をプロットしたグラフである。差分が０になる焦点位置が合焦点である。
【００７０】
このように、本実施の形態では、光学系と試料との焦点位置を変えて、前ピン側と後ピン側のそれぞれにおいて、複数の光学画像を取得する。得られた光学画像データは、図６の画像センサ１２５からセンサデータ入力回路１２６へ送られる。画像センサ１２５によって光電変換されたパターン像は、さらにセンサデータ入力回路１２６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。その後、このデータは、センサデータ入力回路１２６から焦点位置検出回路１２７へ送られる。焦点位置検出回路１２７は、本実施の形態に対応する本発明の態様における焦点位置検出部に対応する。
【００７１】
焦点位置検出回路１２７では、前ピン側と後ピン側の各光学画像における出力値のばらつきが求められ、さらに、これらの値の差分から適切な焦点位置が求められる。尚、上述したように、出力値は、例えば階調値で表現され、ばらつきは、例えば分散または標準偏差で表現される。また、差分が０になる焦点位置が適切な焦点位置である。
【００７２】
図９は、図６の画像センサ１２５で得られた光学画像から、前ピン側と後ピン側の各諧調値の標準偏差の差分を求め、焦点位置に対してプロットした図の一例である。尚、図中の焦点位置は、相対的な数値であり、実際の光学画像は、焦点位置を例えば０．１μｍずつずらして取得される。図９において、差分が０になる焦点位置０が、光学画像のコントラストが最大となるところであり、つまり、最適な焦点位置となる。
【００７３】
図６に示すように、焦点位置検出回路１２７で検出された焦点位置に関する情報は、制御回路１２８へ送られる。制御回路１２８は、送られた情報を基にＺテーブル駆動装置１２９を制御し、試料１０１が光学系１０４に対して最適な焦点位置に位置するよう、Ｚテーブル１０２の高さを調節する。
【００７４】
以上述べたように、本実施の形態によれば、焦点位置を変えて前ピン側と後ピン側でそれぞれ複数の光学画像を取得して、それらの出力値のばらつきの差分を求め、差分が０になる焦点位置を見出すことで、気圧や温度変化によらずに最適な焦点位置を検出することができる。その後は、光学画像の階調値の分布を調べることで、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンの欠陥を検出することが可能である。すなわち、パターンの一部でエッジラフネスが大きくなっていたり、パターンの一部が欠けていたり、あるいは、線幅の一部が狭くなっていたりすると、規則性に乱れが生じて階調値が変化するようになるので、これらを欠陥として検出することができる。
【００７５】
実施の形態３．
図１０は、本実施の形態における検査装置１００の構成を示す図である。この図に示すように、検査装置１００は、光学画像取得部Ａと制御部Ｂを有する。尚、図１０において、図１と同じ符号を付した部分は、同じものであることを示している。
【００７６】
光学画像取得部Ａは、光源５と、レンズ６，８，９，１１’と、ミラー７と、画像センサ１２と、センサデータ入力回路１３とによって構成される光学系を有する。また、光学画像取得部Ａは、垂直方向に移動可能なＺテーブル２と、水平方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動可能なＸＹテーブル３と、レーザ測長システム１２２と、オートローダ１３０とを有する。尚、ＸＹテーブル３は、回転方向（θ方向）にも移動可能な構造とすることができる。
【００７７】
検査対象となる試料１は、Ｚテーブル２の上に載置される。Ｚテーブル２は、ＸＹテーブル３の上に設けられており、ＸＹテーブル３とともに水平方向にも移動可能である。ここで、試料１には、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンが形成されている。試料１としては、例えば、ナノインプリント技術で用いられるテンプレートが挙げられる。
【００７８】
尚、試料１は、Ｚテーブル２に設けられた支持部材により、３点で支持されることが好ましい。試料１を４点で支持する場合には、支持部材に対して高精度の高さ調整が必要となる。また、高さ調整が不十分であると、試料１が変形するおそれがある。これに対して、３点支持によれば、試料１の変形を最小限に抑えながら、試料１を支持することができる。支持部材は、例えば、頭面が球状のボールポイントを用いて構成される。また、例えば、３つの支持部材のうちの２つの支持部材は、試料１の四隅のうちの対角でない、隣接する二隅で試料１に接する。３つの支持部材のうちの残る１つの支持部材は、他の２つの支持部材が配置されていない二隅の間の領域に配置される。
【００７９】
光源５は、試料１に対して、その光学画像を取得するための光を照射する。光源５から出射される光の波長は、パターンピッチの２倍以上である。検査装置１００は、線幅が１００ｎｍ以下の超微細パターンの評価に好適であり、光源５としては、ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を照射するものを用いることが好ましい。ＤＵＶ光によれば、光学系を比較的簡単に構成することができ、また、微細なパターンを、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ：電子ビーム）を用いる場合よりも高いスループットで検査することができる。
【００８０】
光源５から出射された光は、レンズ６を透過し、ミラー７で向きを変えられた後、レンズ８を透過し、レンズ（対物レンズ）９によって試料１の上に集光される。尚、レンズ９は、本実施の形態に対応する本発明の態様における第１のレンズに対応する。
【００８１】
試料１を透過した光は、下方に配置されたレンズ（結像レンズ）１１’によって画像センサ１２に結像する。これにより、試料１のパターンの光学画像が生成される。光学画像の取得手順は、実施の形態１で図２を用いて説明したのと同様とすることができる。また、レンズ１１’は、本実施の形態に対応する本発明の態様における第２のレンズに対応する。
【００８２】
検査装置１００における光学系の解像限界、すなわち、光源５からの光の波長（λ）と、レンズ１１’の開口数（ＮＡ）とによって定まる解像限界（Ｒ＝λ／２ＮＡ）は、試料１に形成されたパターンを解像しない値である。
【００８３】
尚、本実施の形態においては、実施の形態１に示すように、画像センサを試料１の上方に配置し、試料１で反射した光をこの画像センサに結像させてもよい。
【００８４】
次に、図１０の制御部Ｂを説明する。
【００８５】
制御部Ｂでは、検査装置１００全体の制御を司る制御計算機１１０が、データ伝送路となるバス１２０を介して、位置回路１０７、画像処理回路１０８、焦点位置検出回路１４、展開回路１３１、参照回路１３２、比較回路１３３、欠陥検出回路１３４、オートローダ制御回路１１３、Ｚテーブル制御回路１５’、ＸＹテーブル制御回路１１４、記憶装置の一例となる磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレキシブルディスク装置１１６、ディスプレイ１１７、パターンモニタ１１８およびプリンタ１１９に接続されている。尚、画像処理回路１０８は本発明の画像処理部に対応し、焦点位置検出回路１４は本発明の焦点位置検出部に対応し、欠陥検出回路１３４は本発明の欠陥検出部に対応する。
【００８６】
Ｚテーブル２は、Ｚテーブル制御回路１５’によって制御されたモータ１６’によって駆動される。Ｚテーブル制御回路１５’は、図１の制御回路１５に対応し、モータ１６’は、図１のＺテーブル駆動装置１６に対応する。また、ＸＹテーブル３は、ＸＹテーブル制御回路１１４によって制御されたモータ１７によって駆動される。尚、上記の各モータには、例えば、リニアモータを用いることができる。
【００８７】
上述したように、図１０の光学画像取得部Ａは、試料１の光学画像を取得する。光学画像の具体的な取得方法の一例は、次の通りである。
【００８８】
試料１は、垂直方向に移動可能なＺテーブル２の上に載置される。Ｚテーブル２は、ＸＹテーブル３によって水平方向にも移動可能である。ＸＹテーブル３の移動位置は、レーザ測長システム１２２により測定されて位置回路１０７に送られる。また、ＸＹテーブル３上の試料１は、オートローダ制御回路１１３により駆動されるオートローダ１３０から自動的に搬送され、検査終了後には自動的に排出される。
【００８９】
光源５は、試料１に対して、検査用の光を照射する。光源５から出射された光は、レンズ６を透過し、ミラー７で向きを変えられた後、レンズ８，９によって試料１の上に集光される。尚、レンズ９と試料１との距離は、Ｚテーブル２を垂直方向に移動させることによって調整される。
【００９０】
光源５から照射されて試料１を透過した光は、レンズ１１’を介して、画像センサ１２に光学像として結像する。レンズ１１’と画像センサ１２との距離は、検査装置１００の設計段階で決められる。
【００９１】
試料１の検査領域における光学画像の取得手順は、図２を用いて説明した通りである。画像センサ１２上に結像したパターンの像は光電変換され、さらにセンサデータ入力回路１３によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。本実施の形態の画像センサ１２としては、例えば、撮像素子としてのＣＣＤカメラを一列に並べたラインセンサが用いられる。ラインセンサの例としては、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサが挙げられる。ＸＹテーブル３がＸ軸方向に連続的に移動しながら、ＴＤＩセンサによって試料１のパターンが撮像される。
【００９２】
試料１と光学系との適切な焦点位置は、実施の形態１と同様にして決定される。
【００９３】
まず、試料１とレンズ９との距離を変えて、少なくとも２つの光学画像を取得する。
【００９４】
具体的には、図１０において、試料１は、垂直方向に移動可能なＺテーブル２の上に載置されているので、垂直方向におけるＺテーブル２の位置を変えることで、試料１とレンズ９との距離を変えることができる。例えば、Ｚテーブル２が所定位置にある状態で第１の光学画像を取得し、次いで、Ｚテーブル２の位置を移動させて第２の光学画像を取得する。
【００９５】
画像センサ１２上に結像したパターンの像は、画像センサ１２によって光電変換され、さらにセンサデータ入力回路１３によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。その後、このデータは、センサデータ入力回路１３から焦点位置検出回路１４へ送られる。
【００９６】
焦点位置検出回路１４では、複数の光学画像における出力値のばらつきを比較して、試料１とレンズ９との最適な距離、すなわち、最適な焦点位置を検出する。
【００９７】
例えば、上記の通り、Ｚテーブル２の高さを調節して焦点位置を変え、複数の光学画像を取得する。次いで、これらの光学画像について、画素毎に階調値を与え、各光学画像における階調値の分散または標準偏差を求める。次いで、焦点位置と分散または標準偏差との関係を取得し、分散または標準偏差の値が最も大きくなる焦点位置を求める。得られた焦点位置が、最適な焦点位置となる。
【００９８】
焦点位置検出回路１４で検出された焦点位置に関する情報（例えば、現在の焦点位置から合焦点位置までの変位量など。）は、Ｚテーブル制御回路１５’へ送られる。Ｚテーブル制御回路１５’は、送られた情報を基にモータ１６’を制御し、試料１がレンズ９に対して最適な位置に位置するよう、Ｚテーブル２の高さを調節する。
【００９９】
一方、センサデータ入力回路１３からの光学画像データは、画像処理回路１０８へ送られる。
【０１００】
画像処理回路１０８では、最適な焦点位置で得られた光学画像における画素データが画素毎の階調値で表される。例えば、２５６段階の階調値を有するグレースケールより、０階調から２５５階調のいずれかの値が、各画素に与えられる。試料１の検査領域は、所定の単位領域に分割され、各単位領域の平均階調値および単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方が求められる。所定の単位領域は、例えば、１ｍｍ×１ｍｍの領域とすることができる。
【０１０１】
画像処理回路１０８で得られた階調値に関する情報は、欠陥検出回路１３４へ送られる。欠陥検出回路１３４は、平均階調値および階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、試料１の欠陥検出を行う。
【０１０２】
例えば、平均階調値は、パターンの線幅の平均値に関連付けられる。また、各単位領域における階調値のばらつきは、パターンエッジの凹凸（ラフネス）に関連付けられる。例えば、所定のパターンについて、寸法ＳＥＭで測定した線幅の値と、その光学像の階調値とを求めることにより、線幅と階調値の関係式を立てる。ユーザは、この関係式を用いて、平均階調値を、単位領域における線幅の平均値に換算することができる。また、平均階調値が一定であっても、各単位領域における階調値のばらつき、すなわち、階調値の標準偏差が大きい場合は、パターンエッジの凹凸（ラフネス）が大きいと考えることができる。平均階調値から取得される線幅の平均値の分布を表すマップ、および、各単位領域における階調値のばらつきから取得されるパターンエッジの凹凸（ラフネス）の分布を表すマップの少なくとも一方を作成すると、試料１におけるパターンの均一性の程度を把握して欠陥を検出することが可能である。
【０１０３】
尚、マップは、例えば、図１０の磁気ディスク装置１０９に保存される。マップから、線幅変動があることや、パターンエッジの凹凸にばらつきが大きいことが分かれば、磁気ディスク装置１０９に保存されたデータを、試料１のパターンを形成する際のフォトリソグラフィの条件にフィードバックすることができる。例えば、線幅変動があるときには、上記データに基づいて、レジストの露光条件やエッチング条件などを最適化することにより、ウェハ上の線幅変動を小さくすることが可能である。
【０１０４】
また、図１０の検査装置１００では、ダイ−トゥ−データベース（ｄｉｅ  ｔｏ  ｄａｔａｂａｓｅ）方式による検査が可能である。この方式は、設計パターンデータをベースに参照画像を生成して、パターンを撮像して得られた光学画像と比較する手法である。
【０１０５】
図１０において、磁気ディスク装置１０９には、データベース方式の基準データとなる設計パターンデータが格納されており、検査の進行に合わせて読み出されて展開回路１３１に送られる。展開回路１３１では、設計パターンデータがイメージデータ（設計画素データ）に変換される。その後、このイメージデータは、参照回路１３２に送られて参照画像の生成に用いられる。生成された参照画像は、比較回路１３３へ送られる。
【０１０６】
検査対象である試料１に、光学系の解像度より大きい寸法のパターンが設けられている場合、そのパターンの光学画像は、センサデータ入力回路１３から比較回路１３３へ送られる。比較回路１３３では、センサデータ入力回路１３から送られた光学画像と、参照回路１３２で生成した参照画像とが、適切な比較判定アルゴリズムを用いて比較され、誤差が所定の値を超えた場合にその箇所は欠陥と判定される。欠陥の座標と、欠陥判定の根拠となった光学画像および参照画像とは、磁気ディスク装置１０９に保存される。
【０１０７】
欠陥判定は、次の２種類の方法により行うことができる。１つは、参照画像における輪郭線の位置と、光学画像における輪郭線の位置との間に、所定の閾値寸法を超える差が認められる場合に欠陥と判定する方法である。他の１つは、参照画像におけるパターンの線幅と、光学画像におけるパターンの線幅との比率が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する方法である。この方法では、参照画像におけるパターン間の距離と、光学画像におけるパターン間の距離との比率を対象としてもよい。
【０１０８】
上記の欠陥判定は、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンについても同様に行うことが可能である。例えば、画像処理回路１０８で得られた平均階調値のばらつきや階調値のばらつきのデータを比較回路１３３へ送り、比較回路１３３において、参照画像における階調値と比較してもよい。あるいは、パターンの線幅の平均値やパターンエッジの凹凸のデータを、画像処理回路１０８から比較回路１３３へ送り、参照画像の線幅などと比較してもよい。比較の結果、参照画像との間に所定の閾値を超える差が認められる場合、その光学画像には欠陥があると判定できる。
【０１０９】
例えば、繰り返しパターンの一部でエッジラフネスが大きくなっていたり、パターンの一部が欠けていたり、あるいは、線幅の一部が狭くなっていたりすると、パターンの規則性に乱れが生じて、光学画像の階調値が変化するようになるので、欠陥を検出できる。一方、欠陥に至らないエッジラフネスなどであっても、光学画像の階調値に変動をもたらす。したがって、階調値の変動に所定の閾値を設けることで、欠陥と欠陥でないものとを区別することができる。
【０１１０】
尚、本実施の形態の検査装置や検査方法は、上述のダイ−トゥ−データベース方式に限られず、ダイ−トゥ−ダイ方式によってもよい。その場合の基準画像は、検査対象とは異なる光学画像になる。
【０１１１】
また、上記では、試料と光学系との適切な焦点位置を、実施の形態１と同様にして決定する例について述べたが、実施の形態２と同様にして決定してもよい。その場合、図１０でレンズ１１’を透過した光はミラーで分岐され、その一部が（画像センサ１２とは別に設けられる）焦点位置検出用の画像センサに入射する。そして、この画像センサからの情報が焦点位置検出回路１４へ送られることになる。
【０１１２】
また、本実施の形態の検査装置は、検査機能に加えてレビュー機能を有することも可能である。ここで、レビューとは、オペレータによって、検出された欠陥が実用上問題となるものであるかどうかを判断する動作である。
【０１１３】
例えば、図１０の比較回路１３３で欠陥と判定された箇所の座標と、欠陥判定の根拠となった光学画像および参照画像とがレビュー装置（図示せず）に送られる。オペレータは、欠陥判定の根拠となった参照画像と、欠陥が含まれる光学画像とを見比べてレビューする。具体的には、図１０に示す光学系（光源５、レンズ６，８，９，１１’、ミラー７、画像センサ１２、センサデータ入力回路１３）を使って、試料１の欠陥箇所の画像を表示する。また同時に欠陥判定の判断条件や、判定根拠になった光学画像と参照画像などは、図１０に示す制御計算機１１０の画面を利用して表示される。レビューによって判別された欠陥情報は、図１０の磁気ディスク装置１０９に保存される。
【０１１４】
尚、レビューによって１つでも修正すべき欠陥が確認されると、試料１は、欠陥情報リストとともに、検査装置１００の外部装置である修正装置（図示せず）に送られる。修正方法は、欠陥のタイプが凸系の欠陥か凹系の欠陥かによって異なるので、欠陥情報リストには、凹凸の区別を含む欠陥の種別と欠陥の座標が添付される。
【０１１５】
上記例では、繰り返しパターンとしてライン・アンド・スペースパターンを挙げたが、本実施の形態はこれに限られるものではない。本実施の形態は、ホールパターンなどの繰り返しパターンにも適用可能である。
【０１１６】
例えば、試料上に、光学系の解像度以下の周期で繰り返されるホールパターンが形成されている場合、エッジラフネスや欠けによる形状欠陥があると、パターンの規則性に乱れが生じて、形状欠陥がある箇所の階調値が、周囲の階調値とは異なる値を示すようになる。一方、形状欠陥がなく、規則的なパターンが繰り返される場合、光学画像の階調値は均一なものとなる。また、かかる階調値の変化は、パターンのホール径異常や、パターンの位置ずれによる隣接パターンとの空隙異常による形状欠陥にも見られる。
【０１１７】
したがって、試料の検査領域を所定の単位領域に分割し、各単位領域における階調値のばらつきを調べることで、エッジラフネスやパターン欠けによる形状欠陥を検出することもできる。尚、所定の単位領域は、例えば、１ｍｍ×１ｍｍの領域とすることができる。
【０１１８】
また、各単位領域の平均階調値を比較することで、パターンのホール径異常や、パターンの位置ずれによる隣接パターンとの空隙異常による形状欠陥を検出することもできる。ホールの各径および空隙が均一であると、各単位領域の平均階調値は一様な値となる。一方、例えば、一部のホール径が小さくなっていると、ホール径異常が起きている単位領域の平均階調値と、ホール径が正常である単位領域の平均階調値との間に差異が生じる。また、パターンが位置ずれを起こしてパターン間の距離に変動が生じた場合にも、その単位領域の平均階調値と、他の単位領域の平均階調値との間で差異が生じる。
【０１１９】
図１０の検査装置１００において、ホールパターンを有する試料１を検査する場合、パターンの光学画像は、センサデータ入力回路１３から画像処理回路１０８へ送られる。画像処理回路１０８では、光学画像における画素データが画素毎の階調値で表される。具体的には、２５６段階の階調値を有するグレースケールより、０階調から２５５階調のいずれかの値が、各画素に与えられる。また、試料１の検査領域は、所定の単位領域に分割され、各単位領域の平均階調値および単位領域における階調値のばらつきの少なくとも一方が求められる。
【０１２０】
画像処理回路１０８で得られた階調値に関する情報は、欠陥検出回路１３４へ送られる。欠陥検出回路１３４は、平均階調値および階調値のばらつきの少なくとも一方に基づいて、試料１の欠陥検出を行う。
【０１２１】
平均階調値は、パターンのホール径の平均値に関連付けられ、各単位領域における階調値のばらつきは、パターンエッジの凹凸に関連付けられる。例えば、所定のパターンについて、寸法ＳＥＭで測定したホール径の値と、その光学像の階調値とを求めることにより、ホール径と階調値の関係式を立てる。ユーザは、この関係式を用いて、画像処理回路１０８で得られた平均階調値を、欠陥検出回路１３４でホール径の平均値に換算することができる。また、平均階調値が一定でも、各単位領域における階調値のばらつき、すなわち、階調値の標準偏差が大きい場合、パターンエッジの凹凸（ラフネス）が大きいと考えることができる。
【０１２２】
尚、画像処理回路１０８で得られた平均階調値のばらつきや階調値のばらつきのデータを、比較回路１３３へ送ることも可能である。その場合、これらのデータは、比較回路１３３で参照画像における階調値と比較される。あるいは、平均階調値や階調値のばらつきから換算されたパターンのホール径の平均値やパターンエッジの凹凸のデータが、画像処理回路１０８から比較回路１３３へ送られて、同様に平均階調値や階調値のばらつきから換算された参照画像のホール径などと比較されてもよい。比較の結果、参照画像との間に所定の閾値を超える差が認められる場合、その光学画像には欠陥があると判定できる。
【０１２３】
以上述べたように、本実施の形態の検査装置によれば、光学系の解像度以下の周期で繰り返されるパターンが形成された試料であっても、複数の光学画像における出力値のばらつきを比較することにより、気圧や温度変化によらずに、試料と光学系との最適な焦点位置を検出することができる。
【０１２４】
また、本実施の形態の検査装置では、ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を出射する光源を用いることができる。これにより、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ：電子ビーム）を光源に用いた場合に問題となるスループットの低下を引き起こさずに検査することができる。
【０１２５】
また、本実施の形態の検査装置によれば、評価する領域を所定の単位領域に分割し、各単位領域の平均階調値を比較することで、観察光学系の解像限界より小さい周期の繰り返しパターンにおける線幅や空隙異常などを検出することができる。また、各単位領域における階調値のばらつきを調べることで、パターンエッジの凹凸やパターン欠けも検出することができる。
【０１２６】
尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
【０１２７】
また、上記各実施の形態では、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要としない部分についての記載を省略したが、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得る全ての焦点位置検出装置、焦点位置検出方法、検査装置および検査方法は、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【０１２８】
１，１０１  試料
２，１０２  Ｚテーブル
３，１０３  ＸＹテーブル
４，１０４  光学系
５，１０５  光源
６，８，９，１１，１１’，１０６，１０８，１０９，１２０  レンズ
７，１０７，１２４  ミラー
１０，１１０，１２３，１２１  ハーフミラー
１２，１２２，１２５  画像センサ
１３，１２６    センサデータ入力回路
１４，１２７  焦点位置検出回路
１５，１２８  制御回路
１５’  Ｚテーブル制御回路
１６，１２９  Ｚテーブル駆動装置
１６’，１７  モータ
２０１，２０２，２０３，２０４  フレーム
１００  検査装置
１０７  位置回路
１０８  画像処理回路
１０９  磁気ディスク装置
１１０  制御計算機
１１３  オートローダ制御回路
１１４  ＸＹテーブル制御回路
１１５  磁気テープ装置
１１６  フレキシブルディスク装置
１１７  ディスプレイ
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
１３０  オートローダ
１３１  展開回路
１３２  参照回路
１３３  比較回路
１３４  欠陥検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014085217.tif 000009
【図９】
2014085217.tif 000010
【図４】
2014085217.tif 000011
【図１０】
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