(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系と、
該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出光学系と、
前記被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と該検出光学系で検出される格子状の信号から被検査対象物の表面の高さ検出誤差が小さい状態で検出される特定の格子状の信号を探索し、該探索された特定の格子状に対して大きな重みを与えるように重み付け処理を前記検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記被検査対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、
該光学的高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、
前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする電子線式検査または測定装置。
【請求項２】
電子線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系と、
該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出光学系と、
前記被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と該検出光学系で検出される格子状の信号から被検査対象物の表面の高さ検出誤差が最も小さい格子状の信号を探索し、該探索された高さ検出誤差が最も小さい格子状の信号を選択して重み付け処理を施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記被検査対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、
該光学的高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、
前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする電子線式検査または測定装置。
【請求項３】
更に、前記光学的高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点制御に基づいて生じる電子線像の倍率誤差を含む像歪を校正する偏向制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の電子線式検査または測定装置。
【請求項４】
電子線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系と、
該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出光学系と、
前記被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と該検出光学系で検出される格子状の信号から被検査対象物の表面の高さ検出誤差が小さい特定の格子状の信号を探索し、該探索された特定の格子状の信号に対して大きな重みを与えるように重み付け処理を前記検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記被検査対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、
該光学的高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系による焦点位置と前記被検査対象物を載置するテーブルとの高さ方向の相対位置を制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、
前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする電子線式検査または測定装置。
【請求項５】
被検査対象物を少なくとも所定方向に移動させ、
被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系とを有する光学的高さ検出装置により前記検出光学系で検出される格子状の信号から被検査対象物の表面の高さ検出誤差が小さい特定の格子状の信号を探索し、該探索された特定の格子状の信号に対して大きな重みを与えるように重み付け処理を前記検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて電子線が照射される被検査対象物上の領域における表面の高さを検出し、
該検出された表面の高さに基づいて電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線源から発せられた電子線を電子光学系の偏向素子で偏向させて被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、
該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によって被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線像検出光学系によって検出し、
該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴とする電子線式検査または測定方法。
【請求項６】
被検査対象物を少なくとも所定方向に移動させ、
被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系とを有する光学的高さ検出装置により前記検出光学系で検出される格子状の信号から被検査対象物の表面の高さ検出誤差が最も小さい格子状の信号を探索し、該探索された高さ検出誤差が最も小さい格子状の信号を選択して重み付け処理を施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて電子線が照射される被検査対象物上の領域における表面の高さを検出し、
該検出された表面の高さに基づいて電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線源から発せられた電子線を電子光学系の偏向素子で偏向させて被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、
該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によって被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線像検出光学系によって検出し、
該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴とする電子線式検査または測定方法。
【請求項７】
対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投影光学系と、
該投影光学系で投影された格子状の光束によって対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と、
該検出光学系で検出される格子状の信号から被検査対象物の表面の高さ検出誤差が小さい特定の格子状の信号を探索し、該探索された特定の格子状の信号に対して大きな重みを与えるように重み付け処理を前記検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有することを特徴とする光学的高さ検出装置。
【請求項８】
対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投影光学系と、
該投影光学系で投影された格子状の光束によって対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と、
該検出光学系で検出される格子状の信号から被検査対象物の表面の高さ検出誤差が最も小さい格子状の信号を探索し、該探索された高さ検出誤差が最も小さい格子状の信号を選択して重み付け処理を施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有することを特徴とする光学的高さ検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ等の半導体基板を対象物として、電子線やイオンビームなどの荷電粒子線を用いる検査または測定装置およびその方法、荷電粒子線像観察および加工装置並びに光学的高さ検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子線を用いる装置として、電子顕微鏡画像を用いて半導体ウェハなどに形成された微細回路パターンを検査・計測するための自動検査システムを例として説明する。半導体ウェハなどに形成される微細回路パターンの欠陥検査は、被検査パターンと良品パターンや被検査ウェハ上の同種のパターンとの比較により行われ、光学式顕微鏡画像を用いた装置が多く実用化されている。同様に、電子顕微鏡画像を用いる場合にもパターンの画像を比較することにより欠陥検査が行われる。また、半導体装置の製造プロセス条件の設定やモニタなどに使用される微細回路パターンの線幅や穴径などを測定する走査型電子顕微鏡による測長装置においても、画像処理による測長の自動化が行われている。
このように、同様のパターンの電子線像を比較することによりその欠陥を検出する比較検査や、電子線像を処理してパターンの線幅などを測定する場合には、得られる電子線像の質がその検査結果の信頼性に多大な影響を与える。電子線像の質は、電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像歪みや、デフォーカスによる解像度の低下などにより劣化する。これらの像質の劣化は比較検査や測長の性能を低下させる。試料表面の高さが一定でない場合に、その全ての範囲にわたり同じ条件で入力した電子線像で検査を行うと、図１に示すように検査箇所により電子線像が変化する。合焦点の画像（ａ）とデフォーカスした画像（ｂ）および（ｃ）を比較して検査を行うと正しい結果は得られない。また、これらの画像ではパターンの幅が変化したり、画像のエッジ検出の結果が安定して得られなくなるため、パターンの線幅や穴径も安定して測定できないこととなる。従来電子顕微鏡の焦点合わせは、電子線像を見ながら対物レンズの制御電流等を調節することにより行っているが、多くの時間を要するのに加え、電子線で試料表面を何度も走査することとなり、試料へのダメージも問題となる可能性がある。
【０００３】
また、収束荷電粒子線を用いた加工装置の場合には、荷電粒子線の焦点合わせは加工精度に影響を与えることとなり、観察用の装置と同様に非常に重要な課題である。これらの装置においては、電子顕微鏡のように像を観察して焦点調節を行うことができない。このため、ウェハの高さをほかの手法で検出し、対物レンズの制御電流あるいは試料ステージ高さにフィードバックすることが必要とされる。加工装置の例としては、電子線式の半導体パターン露光装置や、収束イオンビームによる回路の修正装置などがあげられる。
さらに、荷電粒子光学系は試料の高さが変化すると、焦点の合い具合だけでなく、一般に、その倍率も変化する。このため、試料の高さを検出し荷電粒子光学系の走査幅にもフィードバックを加えることが必要になる。
【０００４】
従来、たとえば特開昭５８−１６８９０６に示されているように、スポット光を試料表面に照射し、この正反射光を結像しその像の位置を検出器で検出することにより、試料の高さを求めることが広く行われていた。検出器としては、光の当たった位置に比例した信号を出力するＰＳＤと呼ばれる検出器、２分割フォトダイオード、１次元リニアイメージセンサの何れかが従来用いられてきた。しかしこの方法は、試料表面に反射率の分布がありスポット光が反射率の異なる境界上に当たる場合、大きな高さ検出誤差を生じるという問題点がある。これはスポット光の検出波形が崩れるために、スポットの真の中心位置とスポットの重心位置が一致しないため、スポットの重心位置を出力するＰＳＤや２分割フォトダイオードではスポットの真の中心位置が検出できないためである。１次元リニアイメージセンサを使用すれば、信号処理方法を工夫することによって、スポットの真の中心位置に検出値を近づけることができるが、試料表面に大きい反射率むらがある場合にスポット像の輪郭を正確に安定に検出することは困難である。試料表面の反射率むらの原因としては表面の材質の違いのほかに、表面上の微細パターンによる散乱の影響があり、特に半導体装置の表面の様に微細な回路パターンが描かれた試料の場合にはこの影響は深刻である。また、試料表面の変位が大きい場合には、投影光と試料表面、検出器の間の結像関係が変化するため、検出光の像の増大などの原因により、試料表面の反射率むらによる誤差がさらに大きくなるという問題がある。製造プロセス途中にある被検査物の半導体ウェハは加熱処理などによる変形が生じ、その変形量は最悪大で数百μｍにもおよぶため、広範囲な検出においても安定に精度を保つことが重要となる。
【０００５】
試料表面の状態の変化により生じる誤差対策として、特開昭５９ー１９５７２８に開示されているように、光学式の投影露光装置の焦点あわせのためのウェハ高さセンサとして、複数のスリット像をウェハに斜方から投影し、その正反射光の位置をラインイメージセンサで検出することによって、高精度にウェハ表面の高さと傾き検出を行う手法が提案されている。しかし、この手法によっても、先述のような広範囲検出の際の不安定さの十分な解決策とはならない。この手法はＺステージをもち、ステージによりウェハ表面を一定の高さに制御してから露光を行う光学式の投影露光装置に用いる手法であり、広範囲で安定な高さ検出は必ずしも必要ではなかった。しかし、電子顕微鏡などの荷電粒子線装置では、真空試料室内での可動機構の信頼性やコストの問題があり、Ｚステージを持たないものが一般的であり、広範囲な高さ検出の実現は非常に重要である。
別の公知例として、ＵＳＰ４４７７１８５およびＵＳＰ５３１１２８８に示されているように、左右から試料上の同一の点にスポット光を重ねあわせて投影し、それぞれの正反射光の位置をたし合わせて検出する方法が開示されている。この方法は、試料表面の反射率の分布による検出誤差は反対方向から検出すると符号が反対になり、たしあわせることにより相殺される事を利用している。この方法は、試料が基準高さにあってスポット光の位置が正確に重ね合わされている場合は検出誤差が非常に小さくなるが、試料の高さが変わると、スポット光の重ね合わせが成り立たなくなり、試料表面の反射率の分布による検出誤差を発生する。そのため先述の方法と同様に、常にＺステージで試料の高さを一定に保つような場合にはこの方法は効果を奏するが、Ｚステージを持たずに対物レンズの制御によって焦点位置を変化させる構成の装置のための高さセンサとしては、問題があった。
【０００６】
試料表面の変位に対して、光学系を移動させる機能を持った高さ検出方式も特開平６−３６７２７や特開昭６３−２５４６４９などに示されているが、高精度な可動機構が必要となり、装置が大がかりになるといった問題がある。
また、これら光学式の手法により安定な高さ検出を実現することができたとしても、それを用いて焦点調節を行う荷電粒子光学系の視野と高さ検出器の測定位置が一致していなければ、焦点調節の機能はうまく働かなくなる。特に、試料の載ったステージを連続的に移動させながらフォーカスを制御する場合には、高さ検出器の検出時間遅れによる位置ずれが生じるため、対策が必要となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像ひずみやデフォーカスによる解像度の低下などを低減して電子線像の質を向上させて、電子線像を用いた検査や測長を、高精度でかつ高い信頼性で行えるようにした電子線式検査または測長装置およびその方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、被検査対象物の表面の高さ検出と電子光学系に対する制御とを実時間で実行できることにより、連続的なステージ移動による画像歪みのない高解像度の電子線画像を得て、検査性能およびその安定性を向上し、しかも検査時間を短縮できるようにした電子線式検査または測定装置およびその方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、荷電粒子光学系の偏向や収差などが原因となる画像ひずみやデフォーカスによる解像度の低下などを低減して荷電粒子線像の質を向上させて、良好な画像を用いた観察を行えるようにした荷電粒子線観察装置を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、極微細なパターンを像歪みのない高解像度で露光や加工をできるようにした電子ビーム露光装置、収束イオンビーム加工装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、簡単な構成によって対象物の表面の高さを高精度に検出することができるようにした光学的高さ検出装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電子線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出光学系と、前記被検査対象物上に格子状（例えばスリット状）の光束を斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と該検出光学系で検出される格子状の信号から得られる例えば被検査対象物の表面の概略高さに基づいて検出誤差が小さい結像状態（例えば（数３４）式に基づいて合焦点格子ｓｆ）を探索し、該探索された検出誤差が小さい結像状態に対して適合する重み付け処理（例えば、重みを用いた加重平均処理または重みを用いた積和処理）を前記検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を例えば（数３５）式または（数３７）式に基づいて求めて前記被検査対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする電子線式検査または測定装置である。
【００１０】
また、本発明は、電子線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出光学系と、前記被検査対象物上に格子状（例えばスリット状）の光束を斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と該検出光学系で検出される格子状の信号に対して検出誤差が小さくなるような選択的な処理を施すことによって格子状の信号としての基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記被検査対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする電子線式検査または測定装置である。
【００１１】
また、本発明は、前記電子線式検査または測定装置において、前記光学的高さ検出装置の算出手段における選択的な処理は、重み関数（ｗ（ｘ）またはｗ（ｓ））に基づく重み付け処理（例えば、重みを用いた加重平均処理または重みを用いた積和処理）であることを特徴とする。
また、本発明は、電子線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出光学系と、例えば図３０、図３２、図３３に示す如く、前記電子光学系によって電子線が照射される被検査対象物上の領域において近接した異なる複数の個所に複数のスリット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め上方から結像投影する投影光学系と該投影光学系で被検査対象物上の複数の個所に結像投影された複数の光束によって反射された複数の光束の各々を結像させてこれら結像された複数の光束像を受光して複数の信号に変換して検出する検出光学系と該検出光学系で検出された複数の検出信号の各々における基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記複数個所の表面の高さに応じた情報を得、該得られた複数個所の表面の高さに応じた情報を補間（内挿補間および外挿補間も含む。）することによって位置ずれ分シフトした電子線が照射される個所における表面の高さに応じた情報を算出する算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検出装置で算出された電子線が照射される個所における表面の高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする電子線式検査または測定装置である。
【００１２】
また、本発明は、電子線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出光学系と、前記電子光学系によって電子線が照射される被検査対象物上の領域において近接した異なる複数の個所に複数のスリット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め上方から結像投影する投影光学系と該投影光学系で被検査対象物上の複数の個所に結像投影された複数の光束によって反射された複数の光束の各々を結像させてこれら結像された複数の光束像を受光して複数の信号に変換して検出する検出光学系と該検出光学系で検出された複数の検出信号の各々における基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記複数個所の表面の高さに応じた情報を得、該得られた複数個所の表面の高さに応じた情報を補間（内挿補間および外挿補間も含む。）することによって位置ずれ分シフトした電子線が照射される個所における表面の高さに応じた情報を算出する算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検出装置で算出された電子線が照射される個所における表面の高さに応じた情報から、表面の高さに応じた情報と焦点制御電流または焦点制御電圧との間の校正パラメータに基づいて焦点制御電流または焦点制御電圧を算出し、該算出された焦点制御電流または焦点制御電圧を前記電子光学系の対物レンズに与えるように制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする電子線式検査または測定装置である。
【００１３】
また、本発明は、前記電子線式検査または測定装置において、更に、前記光学的高さ検出装置で算出された電子線が照射される個所における表面の高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点制御に基づいて生じる電子線像の倍率誤差を含む像歪を校正する偏向制御手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、予め、ステージ上に載置され、電子線が照射される被検査対象物上の領域において被検査対象物上に形成されたパターンの配列情報に基づいて決められた間隔で表面高さを検出する高さ検出装置と、該高さ検出装置により検出される前記間隔での表面高さを補間することによって前記間隔の間の任意の位置における表面高さを推定する推定手段と、電子線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線を前記ステージ上に載置された被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出光学系と、前記推定手段によって推定された前記電子光学系によって電子線が照射される任意の位置における被検査対象物の表面高さの情報に基づいて前記電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする電子線式検査または測定装置である。
【００１４】
また、本発明は、前記電子線式検査または測定装置において、前記焦点制御手段として、前記電子光学系による焦点位置と前記被検査対象物を載置するテーブルとの高さ方向の相対位置を制御するように構成しても良い。
また、本発明は、被検査対象物を少なくとも所定方向に移動させ、被検査対象物上に格子状（例えばスリット状）の光束を斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系とを有する光学的高さ検出装置により前記検出光学系で検出される格子状の信号に基づいて検出誤差が小さい結像状態（例えば（数３４）式に基づいて合焦点格子ｓｆ）を探索し、該探索された検出誤差が小さい結像状態に対して適合する重み付け処理を前記検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を例えば（数３５）式または（数３７）式に基づいて求めて電子線が照射される被検査対象物上の領域における表面の高さを検出し、該検出された表面の高さに基づいて電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線源から発せられた電子線を電子光学系の偏向素子で偏向させて被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によって被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線像検出光学系によって検出し、該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴とする電子線式検査または測定方法である。
【００１５】
また、本発明は、被検査対象物を少なくとも所定方向に移動させ、例えば図３０、図３２、図３３に示す如く、被検査対象物上の近接した異なる複数の個所に複数のスリット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め上方から結像投影する投影光学系と該投影光学系で被検査対象物上の複数の個所に結像投影された複数の光束によって反射された複数の光束の各々を結像させてこれら結像された複数の光束像を受光して複数の信号に変換して検出する検出光学系とを有する光学的高さ検出装置により前記検出光学系で検出された複数の検出信号の各々における基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記複数個所の表面の高さに応じた情報を得、該得られた複数個所の表面の高さを例えば図３１および図３４に示す如く補間（内挿補間および外挿補間も含む。）することによって位置ずれ分シフトした電子線が照射される個所における表面の高さを算出し、該算出された表面の高さに基づいて電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線源から発せられた電子線を電子光学系の偏向素子で偏向させて被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によって被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線像検出光学系によって検出し、該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴とする電子線式検査または測定方法である。
【００１６】
また、本発明は、前記電子線式検査または測定方法において、前記電子光学系の対物レンズに与える焦点制御電流または焦点制御電圧を、算出された位置ずれ分シフトした電子線が照射される個所における表面の高さから、表面の高さに応じた情報と焦点制御電流または焦点制御電圧との間の校正パラメータに基づいて算出することを特徴とする。
また、本発明は、予め、高さ検出装置により、ステージ上に載置され、電子線が照射される被検査対象物上の領域において被検査対象物上に形成されたパターンの配列情報に基づいて決められた間隔で表面高さを検出して高さ分布を求め、該高さ分布（前記間隔での表面高さ）を補間することによって前記間隔の間の任意の位置における表面高さを推定し、該推定された電子線が照射される位置における表面の高さに基づいて電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線源から発せられた電子線を電子光学系の偏向素子で偏向させて被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によって被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線像検出光学系によって検出し、該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴とする電子線式検査または測定方法である。
【００１７】
また、本発明は、電子、イオンなどの荷電粒子線源と該荷電粒子線源から発せられた荷電粒子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される荷電粒子線を被観察対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する荷電粒子光学系と、該荷電粒子光学系で偏向し、集束して照射された荷電粒子線によって前記被観察対象物上から発生する荷電粒子線像を検出する荷電粒子線像検出光学系と、被観察対象物上に格子状の光束を被観察対象物の斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被観察対象物の表面において反射した格子状の光束を結像させてその光学像の位置を検出する検出光学系とを備え、該検出光学系で検出する格子状の光束からなる光学像の位置変化に基づいて前記被観察対象物上の領域における表面の高さを光学的に検出するように構成した光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検出装置で検出された被観察対象物上の表面の高さに基づいて前記荷電粒子線光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して荷電粒子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記荷電粒子線像検出光学系で検出される荷電粒子線像を表示する表示手段を有することを特徴とする荷電粒子線像観察装置である。
【００１８】
また、本発明は、前記荷電粒子線像観察装置において、更に、前記光学的高さ検出装置で検出された被検査対象物上の表面の高さに基づいて前記電子光学系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点制御に基づいて生じる荷電粒子線線像の倍率誤差を含む像歪を校正する偏向制御手段を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記荷電粒子線像観察装置において、更に、前記光学的高さ検出装置で検出された被検査対象物上の表面の高さから、該被観察対象物上の表面の高さと焦点制御電流または焦点制御電圧との間の校正パラメータに基づいて焦点制御電流または焦点制御電圧を算出し、該算出された焦点制御電流または焦点制御電圧を前記荷電粒子光学系の対物レンズに与えるように制御して荷電粒子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記荷電粒子線像検出光学系で検出される荷電粒子線像を表示する表示手段とを有することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、電子、イオンなどの荷電粒子線源と該荷電粒子線源から発せられた荷電粒子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される荷電粒子線を被観察対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で偏向し、集束して照射された荷電粒子線によって前記被観察対象物上から発生する荷電粒子線像を検出する荷電粒子線像検出光学系と、被観察対象物上に格子状の光束を被観察対象物の斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被観察対象物の表面において反射した格子状の光束を結像させてその光学像の位置を検出する検出光学系とを備え、該検出光学系で検出する格子状の光束からなる光学像の位置変化に基づいて前記被観察対象物上の領域における表面の高さを光学的に検出するように構成した光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検出装置で検出された被観察対象物の表面の高さに基づいて、前記電子光学系による焦点位置と前記被観察対象物を載置するテーブルとの高さ方向の相対位置を制御して荷電粒子線を被観察対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記荷電粒子線像検出光学系で検出される荷電粒子線像を表示する表示手段とを有することを特徴とする荷電粒子線像観察装置である。
【００２０】
また、本発明は、電子、イオンなどの荷電粒子線源と該荷電粒子線源から発せられた荷電粒子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される荷電粒子線を被加工対象物上に集束して照射する対物レンズとを有する荷電粒子光学系と、該荷電粒子光学系で偏向し、集束して照射された荷電粒子線によって前記被加工対象物上から発生する荷電粒子線像を検出する荷電粒子線像検出光学系と、被加工対象物上に格子状の光束を被加工対象物の斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被加工対象物の表面において反射した格子状の光束を結像させてその光学像の位置を検出する検出光学系とを備え、該検出光学系で検出する格子状の光束からなる光学像の位置変化に基づいて前記被加工対象物上の領域における表面の高さを光学的に検出するように構成した光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検出装置で検出された被加工対象物上の表面の高さに基づいて前記荷電粒子線光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して荷電粒子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、収束して照射された荷電粒子線により前記被加工対象物表面を加工する手段を有することを特徴とする荷電粒子線像加工装置である。
【００２１】
また、本発明は、前記荷電粒子線像加工装置において、更に、前記光学的高さ検出装置で検出された被検査対象物上の表面の高さに基づいて前記電子光学系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点制御に基づいて生じる荷電粒子線線像の倍率誤差を含む像歪を校正する偏向制御手段を有することを特徴とする。
また、本発明は、対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投影光学系と、該投影光学系で投影された格子状の光束によって対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と、該検出光学系で検出される格子状の信号に基づいて検出誤差が小さい結像状態を探索し、該探索された検出誤差が小さい結像状態に対して適合する重み付け処理を前記検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すことによって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有することを特徴とする光学的高さ検出装置である。
また、本発明は、対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投影光学系と、該投影光学系で投影された格子状の光束によって対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と、該検出光学系で検出される格子状の信号に対して検出誤差が小さくなるような選択的な処理を施すことによって格子状の信号としての基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有することを特徴とする光学的高さ検出装置である。
【００２２】
また、本発明は、対象物上の近接した異なる複数の個所に複数のスリット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め上方から結像投影する投影光学系と、該投影光学系で被検査対象物上の複数の個所に結像投影された複数の光束によって反射された複数の光束の各々を結像させてこれら結像された複数の光束像を受光して複数の信号に変換して検出する検出光学系と、該検出光学系で検出された複数の検出信号の各々における基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記複数個所の表面の高さに応じた情報を得、該得られた複数個所の表面の高さに応じた情報を補間（内挿補間および外挿補間も含む。）することによって任意の位置における表面の高さに応じた情報を算出する算出手段とを有することを特徴とする光学的高さ検出装置である。
【００２３】
以上説明したように、前記構成によれば、被検査対象物の表面状態に影響されずに、電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像歪みやデフォーカスによる解像度の低下などを低減して電子線像（ＳＥＭ像）の質を向上させて、電子線像（ＳＥＭ像）に基づく検査や測長を、高精度で、且つ高信頼性でもって実行することができる。
また、前記構成により、被検査対象物の表面の高さ検出と電子光学系に対する制御とを実時間で実行でき、連続的なステージ移動による画像歪みのない高解像度の電子線画像（ＳＥＭ画像）を得て、検査性能およびその安定性を向上し、しかも検査時間を短縮することができる。
また、前記構成により、荷電粒子光学系の偏向や収差などが原因となる画像ひずみやデフォーカスによる解像度の低下などを低減して荷電粒子線像の質を向上させて、良好な画像を用いた観察を行うことができる。
また、前記構成により、極微細なパターンを像歪みのない高解像度で露光や加工をできるようにした電子ビーム露光装置、収束イオンビーム加工装置を実現することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態について図を用いて説明する。
本発明に係る被検査対象物である半導体ウエハなどに形成された微細回路パターンを検査・計測するための自動検査システムの実施の形態について説明する。半導体ウエハなどに形成される微細回路パターンの欠陥検査は、被検査パターンと良品パターンや被検査ウエハ上の同種のパターンとの比較により行われる。電子顕微鏡画像（ＳＥＭ画像）を用いた外観検査の場合にもパターンの画像を比較することにより欠陥検査が行われる。また、半導体装置の製造プロセス条件の設定やモニタなどに使用される微細回路パターンの線幅や穴径などを測定する走査型電子顕微鏡による測長（ＳＥＭ測長）においても、画像処理による測長の自動化が行われる。
このように、同様のパターンの電子線像を比較することによりその欠陥を検出する比較検査や、電子線像を処理してパターンの線幅などを測定する場合には、得られる電子線像の質がその検査結果の信頼性に多大な影響を与える。電子線像の質は、電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像歪みや、デフォーカスによる解像度の低下などにより劣化する。これらの像質の劣化は比較検査や測長の性能を低下させる。もし、被検査対象物の表面の高さが一定でなく、全ての範囲にわたって同じ条件で検査を行うとすると、図１に示すように、検査箇所（領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ）により電子線像（ＳＥＭ画像）が変化することになる。その結果、図１（ｂ）に示す合焦点の画像（領域Ａ（高さｚａ）の電子線像）ａと図１（ｃ）に示すデフォーカスした画像（領域Ｂ（高さｚｂ）の電子線像）ｂおよび図１（ｄ）に示すデフォーカスした画像（領域Ｃ（高さｚｃ）の電子線像）ｃとを比較して検査を行うとすると正しい検査結果が得られないことになる。また、これらの画像ではパターンの幅が変化したり、画像のエッジ検出の結果が安定して得られなくなるため、パターンの線幅や穴径も安定して測定できないこととなる。
【００２５】
次に、本発明に係る電子線装置の実施の形態について、図２を用いて説明する。被検査対象物（試料）１０６上に電子線を照射する電子線鏡筒からなる電子線装置１００は、電子線を出射する電子線源１０１と、電子線源１０１より出た電子線を２次元に偏向させる偏向素子１０２と、電子線を試料１０６上に焦点を結ぶように制御される対物レンズ１０３とを備えて構成する。即ち、電子線源１０１より出射された電子線は、偏向素子１０２および対物レンズ１０３を通って試料１０６上に焦点を結んで照射される。試料１０６は、ＸＹステージ１０５上におかれ、レーザ測長系１０７で位置が計測される。さらにＳＥＭ装置の場合は、２次電子検出器１０４で試料１０６から放出された２次電子を検出し、検出された２次電子信号をＡ／Ｄ変換器１２２でＳＥＭ画像に変換し、この変換されたＳＥＭ画像について画像処理手段１２４で処理される。例えば、測長用ＳＥＭの場合には、画像処理手段１２４において、指定された画像中のパターン間の距離の測定を行う。また観察用ＳＥＭ（ＳＥＭ画像に基づく外観検査）の場合には、画像処理手段１２４において、画像の強調等の処理が行われる。
【００２６】
次に、上記電子線装置（観察用ＳＥＭ装置、測長用ＳＥＭ装置）における電子線像の劣化を防止する手段について説明する。即ち、電子線像の質は、電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像歪みや、デフォーカスによる解像度の低下などにより劣化することになる。これらの像質の劣化を防止する手段として、高さ検出光学装置２００ａと高さ計算手段２００ｂとからなる高さ検出装置２００、焦点制御装置１０９、偏向信号発生装置１０８、および全体制御装置１２０によって構成される。
高さ検出光学装置２００ａと高さ計算手段２００ｂとからなる高さ検出装置２００は、図１０を用いて後述する実施例とほぼ同様に構成され、試料１０６に対して電子線の光軸１１０を中心に投影光学系２７０と検出光学系２７１が左右に設置される。各高さ検出光学装置２００ａの投影光学系２７０は、光源２０１とコンデンサレンズ２０２とマルチスリット状のパターンを形成したマスク２０３と投影レンズ２１０とによって構成される。また、各高さ検出光学装置２００ａの検出光学系は、検出レンズ２１５と該投影レンズ２１５で結像された中間のマルチスリット像を拡大してラインイメージセンサ２１４上に結像される拡大レンズ２６４とミラー２０６と円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）２１３とラインイメージセンサ２１４とによって構成される。
【００２７】
そして、高さ検出光学装置２００ａの照明光学系によって、上記の如く電子線が照射されてＳＥＭ画像を検出する試料１０６上の測定位置１１０に、マルチスリット状のパターンが投影され、この正反射像を各高さ検出光学装置２００ａの検出光学系によって結像させてマルチスリット像として検出する。まず光源２０１を出射した光はコンデンサレンズ２０２によって投影・検出レンズの瞳に光源像を結像するよう絞られる。この光は更に、マルチスリット状のパターンの描かれたマスク２０３を照明し、投影レンズ２１０によって試料１０６に投影される。試料上に投影されたマルチスリットパターンは正反射し、電子線の光軸１１０に対して反対側に配置されている検出レンズ２１５を通って拡大レンズ２６４の前に結像される。この中間像は拡大レンズ２６４によってラインイメージセンサ２１４上に結像される。この実施の形態ではラインイメージセンサ２１４の前に、円筒レンズ２１３を置いて、スリットの長手方向を圧縮してラインイメージセンサ２１４上に絞り込んでいる。検出光学系の倍率をｍとすると、試料の高さがｚだけ変化するとマルチスリット像は２ｍｚ・ｓｉｎθだけ全体的にシフトする。これを利用して、高さ計算手段２００ｂは、各高さ検出光学装置２００ａの検出光学系から検出されるマルチスリット像の信号から各スリット像のシフト量を算出し、この算出されたマルチスリット像のシフト量に対して、そのシフト量に応じた重みを与え、加重平均を行うことによって試料面の高さを算出し、電子線の光軸１１０における高さを求める。
【００２８】
なお、上記高さ検出光学装置２００ａとしては、図１１に示す実施例とほぼ同様に構成した場合について説明したが、図２８に示す実施例、または図２９に示す実施例、または図３０、図４１の各々に示す実施例の光学系を用いても良いことは明らかである。
焦点制御装置１０９は、高さ計算手段２００ｂより求められた高さデータ１９０に基づいて電磁レンズまたは静電レンズ１０３を駆動制御し、電子線の焦点を試料１０６の表面上に合わせる。ここで、高さデータとしては、図４３、図４４および図４５を用いて説明する実施例の手段によって、予め検出しておいた高さ情報を用いてもよい。
偏向信号発生装置１０８は偏向素子１０２に対して偏向信号１４１を発生するが、このとき、試料１０６の表面の高さ変動にともなう像倍率変動、電磁レンズ１０３の制御にともなう像回転を補償するように、高さ計算手段２００ｂより求められた高さデータ１９０に基づいて偏向信号１４１に補正を加える。なお、１０３として、電磁レンズの代りに静電レンズを用いれば、焦点制御に伴う像回転が生じなくなるので、高さデータ１９０によって像回転を補正する必要はなくなる。また、１０３を、電磁レンズと静電レンズとの組合わせで構成し、主な収束作用は電磁レンズに持たせ、静電レンズによって焦点位置の調整を行う構成にすれば、やはり、高さデータ１９０によって像回転を補正する必要はない。
また、ステージ１０５をＸＹＺステージとして、焦点制御装置１０９によって電磁レンズまたは静電レンズ１０３の焦点位置を直接制御する代わりに、ステージ１０５の高さを制御してもよい。
【００２９】
全体制御装置１２０は、電子線装置（ＳＥＭ装置）全体の制御を行い、画像処理手段１２４で処理された処理結果を、表示手段１４３に表示したり、記憶手段１４２に試料上の座標データと共に記憶したりする。また、全体制御装置１２０は、高さ計算手段２００ｂ、焦点制御装置１０９、および偏向信号発生装置１０８を制御し、電子線装置における高速オートフォーカス制御とこのフォーカス制御にともなう像倍率補正、像回転補正とを実現する。また、全体制御装置１２０は、後述する高さ検出値の校正も実行する。
図３には、ＳＥＭ画像を用いた外観検査装置の一実施の形態の構成を示す。即ち、ＳＥＭ画像を用いた外観検査装置は、電子線を発生させる電子線源１０１と、ビームを走査させて画像化するためのビーム偏向器１０２と、電子線をウエハ等から構成された被検査対象物１０６上に結像させる対物レンズ１０３と、対物レンズ１０３と被検査対象物１０６との間に設けたグリッド１１８と、被検査対象物１０６を保持し、これを走査したり位置決めしたりするステージ１０５と、被検査対象物１０６から発生した二次電子を検出する二次電子検出器１０４と、高さ検出光学装置２００ａと、対物レンズ１０３の焦点位置を調整する焦点位置制御装置１０９と、電子線源の電圧を制御する線源電位調整手段１２１と、ビーム偏向器１０２を制御してビーム走査を実現する偏向制御装置（偏向信号発生装置）１０８と、グリッド１１８の電位を制御するグリッド電位調整手段１２７と、試料台の電位を調整する試料台電位調整手段１２５と、二次電子検出器１０４よりの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１２２と、Ａ／Ｄ変換されたデジタル画像を処理する画像処理回路１２４と、このための画像メモリ１２３と、ステージ１０５を制御するステージ制御手段１２６と、これら全体を制御する全体制御部１２０と、真空試料室（真空容器）１００とから構成される。高さ検出センサ２００の高さ検出値１９０は、焦点位置制御装置１０９と偏向制御装置（偏向信号発生装置）１０８に常にフィードバックされる。被検査対象物１０６に対して検査する際、全体制御部１２０は、ステージ制御装置１２６に指示を出すことによって、ステージ１０５を連続移動する。これと同時に全体制御部１２０は、偏向制御装置（偏向信号発生装置）１０８に指令を出し、偏向制御装置１０８は、ビーム偏向器１０２を駆動して電子線をこれと直交する方向に走査する。同時に、偏向制御装置１０８は、高さ計算手段２００ｂから得られる高さ検出値１９０を受け取って偏向方向と偏向幅に補正を加える。また焦点位置制御手段１０９は、計算手段２５０から得られる高さ検出値１９０に合わせて電磁レンズあるいは静電レンズ１０３を駆動し、電子線の合焦高さに補正を加える。このとき試料１０６から発生する二次電子を二次電子検出器１０４で検出しＡ／Ｄ変換器１２２に入力し焦点の合ったＳＥＭ画像を連続的に得る。このように、ＳＥＭ画像に基づく外観検査の場合には、ある程３ｘ広い領域に亘って２次元のＳＥＭ画像を取り込む必要があるため、ステージ１０５を連続移動しながら、ビーム偏向器１０２を駆動して電子線をステージ１０５の移動方向とほぼ直交する方向に走査して二次電子検出器１０４で２次元の二次電子画像信号を検出する必要がある。即ち、ステージ１０５を例えばＸ方向に連続移動しながら、ビーム偏向器１０２を駆動して電子線をステージ１０５の移動方向とほぼ直交するＹ方向に走査し、次にステージ１０５をＹ方向にステップ移動させ、その後ステージ１０５をＸ方向に連続移動しながら、ビーム偏向器１０２を駆動して電子線をステージ１０５の移動方向とほぼ直交するＹ方向に走査して二次電子検出器１０４で２次元の二次電子画像信号を検出する必要がある。そして、画像処理回路１２４は、画像メモリ１２３よって遅延された電子線画像とＡ／Ｄ変換器１２２から直接入力された画像を比較することによって繰り返しパターンの対応する画像を比較することにより、比較検査を実現することができる。全体制御部１２０は、画像処理回路１２４を制御すると同時に検査結果を受け取って、表示手段１４３に表示したり、記憶手段１４２に格納したりする。なお、この図に示す実施の形態では、応答性が優れた対物レンズ１９３に流す制御電流を制御して焦点あわせを行っているが、かわりにステージ１０５を上下させてもよい。しかし、ステージ１０５を上下動させて制御すると応答性の点で劣ることになる。
【００３０】
更に、ＳＥＭ画像を用いた外観検査装置について、図４〜図９を用いて説明する。本発明に係るＳＥＭ画像を用いた外観検査装置の一実施の形態を図４に示す。ここでは、電子線１１２によりウエハ等の被検査対象物１０６を走査して、電子線の照射によって被検査対象物１０６から発生する電子を検知し、その強度変化に基づいて走査部位の電子線像を得、電子線像を用いてパターン検査を行う。被検査対象物１０６としては、例えば図５に示す如く半導体ウエハ３がある。この半導体ウエハ３には最終的に同一の製品となるチップ３ａが多数配列されている。チップ３ａの内部のパターンレイアウトは、同図の拡大図に示すように、メモリセルが２次元的に同一ピッチで規則的に配列しているメモリマット部３ｃと、周辺回路部３ｂとからなる。この半導体ウエハ３のパターンの検査に適用する場合には、あるチップ（例えばチップ３ｄ）での検出画像を記憶しておき、別のチップ（例えばチップ３ｅ）での検出画像とを比較する（以下「チップ比較」と呼ぶ）、あるいは、あるメモリセル（例えばメモリセル３ｆ）での検出画像を記憶しておき、別のセル（例えばセル３ｇ）での検出画像とを比較する（以下「セル比較」と呼ぶ）ことにより、欠陥を認識する。
仮に、被検査対象物１０６の繰り返しパターン同士（半導体ウエハを例に取れば、チップ同士あるいはセル同士）が厳密に等しく、また、等しい検出画像が得られるのであれば、画像同士を比較した時に不一致となるのは欠陥のみなので、欠陥の認識は可能である。
【００３１】
しかし、実際には、正常部においても両画像間の不一致は存在する。正常部での不一致には、被検査対象物に起因する不一致と、画像検出系に起因する不一致とがある。被検査対象物に起因する不一致とは、露光、現像、エッチング等のウエハ製作過程を通して生ずる、繰り返しパターン同士の微妙な差異による。これは、検出画像上では、パターン形状の微小な差異、階調値の差異となって現れる。画像検出系に起因する不一致とは、照明光量の変動、ステージの振動、種々の電気的なノイズ、二つの画像の検出位置の狂いなどによる。これらは、検出画像上では、部分画像の階調値の差異、パターンの歪み、画像の位置ずれとなって現れる。
本発明に係る第一の実施の形態では、画素単位に位置合わせされた座標（ｘ，ｙ）の階調値がｆ１（ｘ，ｙ）である検出画像（第１の２次元画像）と座標（ｘ，ｙ）の階調値がｇ１（ｘ，ｙ）である比較画像（第２の２次元画像）とを比較して欠陥判定する際のしきい値（許容値）を、パターンの位置ずれ、階調値の差異などを考慮して画素ごとに設定し、この画素ごとに設定されたしきい値（許容値）に基づいて欠陥を判定する。
【００３２】
本パターン検査システムは、図４および図７に示す如く、検出部１１５、画像取り出し部１２１、画像処理部１２４、システム全体を制御する全体制御部１２０からなる。なお、本パターン検査システムは、室内が真空排気される検査室１００と、該検査室１００内に被検査対象物１０６を搬入、搬出するための予備室（図示せず）を備えており、この予備室は検査室１００とは独立して真空排気できるように構成されている。
まず、検出部１１５について図４および図７を用いて説明する。即ち、検出部１１５における検査室１００内は、大別して、電子光学系１１６、電子検出部１１７、試料室１１９、および光学顕微鏡部１１８から構成される。電子光学系１１６は、電子銃３１（１０１）、電子線引き出し電極１１、コンデンサレンズ３２、ブランキング用偏向器１３、走査偏向器３４（１０２）、絞り１４、対物レンズ３３（１０３）、反射板１７、ＥｘＢ偏向器１５、およびビーム電流を検出するファラデーカップ（図示せず）から構成される。反射板１７は、円錐形状にして二次電子増倍効果を持たせた。
電子検出部１１７のうち、例えば二次電子、反射電子等の電子を検出する電子検出器３５（１０４）が検査室１００内の例えば対物レンズ３３（１０３）の上方に設置されている。電子検出器３５の出力信号は、検査室１００の外に設置されたアンプ３６で増幅される。
【００３３】
試料室１１９は、試料台３０、Ｘステージ３１、Ｙステージ３２、位置モニタ用測長器１０７、被検査基板高さ測定器２００から構成されている。なお、ステージには、回転ステージを設けても良い。
位置モニタ用測長器１３４は、ステージ３１、３２（ステージ１０５）等の位置をモニタし、その結果を全体制御部１２０に転送するものである。またステージ３１、３２の駆動系も全体制御部１２０によって制御される。この結果、全体制御部１２０は、これらのデータに基づいて電子線１１２が照射されている領域や位置が正確に把握できるようになっている。
被検査基板高さ測定器２００は、ステージ３１、３２上に載置された被検査対象物１０６の高さを測定するものである。そして、被検査基板高さ測定器２００で測定された測定データに基づいて、電子線１１２を細く絞るための対物レンズ３３（１０３）の焦点距離がダイナミックに補正され、常に被検査領域に焦点があった状態で電子線を照射できるように構成されている。なお、図７では、高さ測定器２００は、検査室１００の内部に設置されているが、検査室１００の外部に設置し、ガラス窓等を通して検査室１００の内部に光を投影するなどする方式でもよい。
【００３４】
光学顕微鏡部１１８は、検査室１００の室内における電子光学系１１６の近傍であって、互いに影響を及ぼさない程度離れた位置に設置されており、電子光学系１１６と光電顕微鏡部１１８との間の距離は当然既知の値となって構成されている。そして、Ｘステージ３１またはＹステージ３２が電子光学系１１６と光学顕微鏡部１１８との間の既知の距離を往復移動するように構成されている。光学顕微鏡部１１８は、光源６１、光学レンズ６２、ＣＣＤカメラ６３により構成されている。光学顕微鏡部１１８は、被検査対象物１０６である例えば半導体ウエハ３に形成された回路パターンの光学画像を検出し、この検出された光学画像に基づいて回路パターンの回転ずれ量を算出し、この算出された回転ずれ量を全体制御部１２０に送信する。すると全体制御部１２０は、この回転ずれ量分を例えば回転ステージを回転させることによって補正をすることが可能となる。また全体制御部１２０は、この回転ずれ量を補正制御回路１２０’に送り、補正制御回路１２０’によりこの回転ずれ量に基づいて例えば走査偏向器３４による電子線の走査偏向位置を補正することによって回転ずれの補正が可能となる。また光学顕微鏡部１１８は、被検査対象物１０６である例えば半導体ウエハ３に形成された回路パターンの光学画像を検出し、例えばこの光学画像をモニタ５０に表示して観察し、この観察された光学画像に基づいて検査領域の座標を入力手段を用いて全体制御部１２０に入力することによって、検査領域を全体制御部１２０に対して設定することもできる。また例えば半導体ウエハ３に形成された回路パターンにおけるチップ間のピッチ、或いはメモリセルのような繰り返しパターンの繰り返しピッチを予め測定して、全体制御部１２０に入力させることも可能となる。なお、光学顕微鏡部１１８は、図７では検査室１００の内部にあるが、検査室１００の外部に配置して、ガラス窓等を通して半導体ウエハ１の光学画像を検出するのでも良い。
【００３５】
図４および図７に示す如く、電子銃３１（１０１）を出た電子ビームは、コンデンサレンズ３２、対物レンズ３３（１０３）を経て、試料面では画素サイズ程度のビーム径に絞られる。この際、グランド電極３８（１１８）、リターディング電極３７によって、試料に負電位を引加し、対物レンズ３３（１０３）と被検査対象物（試料）１０６間で電子ビームを減速することで低加速電圧領域での高分解能化を図る。電子線が照射されると、被検査対象物（ウエハ３）１０６からは電子が発生する。走査偏向器３４（１０２）による電子線のＸ方向の繰り返し走査と、ステージ２（１０５）による被検査対象物（試料）１０６のＹ方向の連続的な移動に同期して被検査対象物１０６から発生する電子を検出することで、被検査対象物の２次元の電子線像が得られる。被検査対象物から発生した電子は検出器３５（１０４）で捕らえられ、アンプ３６で増幅される。ここで、高速検査を可能にするために、電子ビームをＸ方向に繰り返し走査させる偏向器３４（１０２）としては、偏向速度の速い静電偏向器を用いることが、また、電子銃３１（１０１）としては、電子ビーム電流を大きくできるので照射時間が短くできる熱電界放射型電子銃を用いることが、また、検出器３５（１０４）には高速駆動が可能な半導体検出器を用いることが望ましい。
【００３６】
次に、画像取り出し部１４０について図４、図７および図８を用いて説明する。即ち、電子検出部１１７における電子検出器３５（１０４）で検出された電子検出信号は、アンプ３６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器３９（１２２）によりデジタル画像データ（階調画像データ）に変換される。そして、Ａ／Ｄ変換器３９（１２２）の出力を、光変換手段（発光素子）２３、伝送手段（光ファイバケーブル）２４、および電気変換手段（受光素子）２５により伝送するように構成した。この構成によれば、伝送手段２４はＡ／Ｄ変換器３９（１２２）のクロック周波数と同じ伝送速度であれば良い。Ａ／Ｄ変換器３９の出力は、光変換手段（発光素子）２３において光デジタル信号に変換され、伝送手段（光ファイバケーブル）２４によって光伝送されて電気変換手段（受光素子）２５によりデジタル画像データ（階調画像データ）に変換される。このように光信号に変換して伝送するのは、反射板１７からの電子５２を半導体検出器３５（１０４）に導くために、半導体検出器３５から光変換手段２３までの構成要素（半導体検出器３５、アンプ３６、Ａ／Ｄ変換器３９、および光変換手段（発光素子）２３）を高電圧電源（図示せず）により正の高電位にフローティングする必要があるからである。正確には、半導体検出器３５のみを正の高電圧にすればよい。しかしアンプ３６とＡ／Ｄ変換器３９は、ノイズの混入と信号の劣化を防ぐため、半導体検出器の直近にある方が望ましく、半導体検出器３５のみを正の高電圧に保つことは困難で、上記構成要素全体を高電圧にする。すなわち、伝送手段（光ファイバケーブル）２４は高絶縁材料で形成されているため、光変換手段（発光素子）２３においては正の高電位レベルにあった画像信号が、伝送手段（光ファイバケーブル）２４を通過後、電気変換手段（受光素子）２５からはアースレベルの画像信号の出力が得られる。
【００３７】
前処理回路（画像補正回路）４０は、暗レベル補正回路７２、電子源の揺らぎ補正回路７３、シェーディング補正回路７４等によって構成される。電気変換手段（受光素子）２５から得られるデジタル画像データ（階調画像データ）７１は、前処理回路（画像補正回路）４０において、暗レベル補正、電子源の揺らぎ補正、シェーディング補正等の画像補正が行われる。暗レベル補正回路７２における暗レベル補正は、図９に示すように、全体制御部１２０から得られる走査ライン同期信号７５に基づいて抽出されるビーム・ブランキング期間中における検出信号７１を基準に暗レベルを補正する。即ち暗レベルを補正する基準信号は、ビーム・ブランキング期間中の例えば特定位置における特定数画素の階調値の平均を暗レベルとし、走査ライン毎に更新する。このように暗レベル補正回路７２において、ビーム・ブランキング期間中に検出される検出信号が、ライン毎に更新される基準信号に暗レベル補正が行われる。電子源の揺らぎ補正回路７３における電子源の揺らぎ補正は、図９に示すように、暗レベル補正がなされた検出信号７６を、補正周期（例えば１００ｋＨｚのライン単位）で上記ビーム電流を検出するファラデーカップ（図示せず）でモニタされたビーム電流７７で正規化して行う。電子源の揺らぎには、急激な変動がないので、１〜数ライン前に検出されたビーム電流を用いてもよい。シェーディング補正回路７４におけるシェーディング補正は、図９に示すように、電子源の揺らぎ補正された検出信号７８に対して、全体制御部１２０から得られるビーム走査位置７９による光量変動を補正するものである。即ち、シェーディング補正は、予め検出した基準明るさデータ８３をもとに画素毎に補正（正規化）を行うものである。シェーディング補正用基準データ８３は、予め検出して、検出された画像データを一旦画像メモリ（例えば１４７）に格納し、この格納された画像データを、全体制御部１２０内に設けられた計算機または全体制御部１２０にネットワークで接続された上位の計算機に送信し、全体制御部１２０内に設けられた計算機または全体制御部１２０にネットワークで接続された上位の計算機においてソフトウエアで処理して作成する。またシェーディング補正用基準データ８３は、全体制御部１２０にネットワークで接続された上位の計算機において予め算出して保持しておき、検査開始時にダウンロードし、このダウンロードしたデータをシェーディング補正回路７４におけるＣＰＵが取り込めるようにしても良い。全視野幅対応については、シェーディング補正回路７４内に、通常の電子ビームの振り幅の画素数（例えば１０２４画素）の補正メモリを２面持ち、検査領域外の時間（１視野検査終了から次の１視野検査開始までの時間）にメモリを切り換えることにより対応する。補正データとしては、電子ビームの最大の振り幅の画素数（例えば５０００画素）分持ち、各補正メモリに次の１視野検査終了までにＣＰＵが書き替えればよい。
【００３８】
以上、電気変換手段（受光素子）２５から得られるデジタル画像データ（階調画像データ）７１に対して、暗レベル補正（ビーム・ブランキング期間中における検出信号７１を基準に暗レベルを補正する。）、電子ビーム電流の揺らぎ補正（ビーム電流強度をモニターし、信号をビーム電流で正規化する）、シェーディング補正（ビーム走査位置による光量変動を補正）を行った後、補正されたデジタル画像データ（階調画像データ）８０に対して、フィルタリング処理回路８１において、ガウシアンフィルタ、平均値フィルタ、あるいはエッジ強調フィルタなどによるフィルタリング処理を行って、画質を改善する。また、必要に応じて、画像の歪みの補正も行なう。これらの前処理は、後の欠陥判定処理において有利なように検出画像を変換するためのものである。
【００３９】
シフトレジスタ等で構成される遅延回路４１は、前処理回路４０から画質が改善されたデジタル画像信号（階調画像信号）８２を一定時間だけ遅延させるが、遅延時間を、全体制御部１２０から得て、例えばステージ２がチップピッチ分（図５でのｄ１）移動する時間にすれば、遅延された信号ｇ０と遅延されていない信号ｆ０とは隣り合うチップの同じ箇所での画像信号となり、前述したチップ比較検査となる。あるいは遅延時間を、全体制御部１２０から得て、ステージ２がメモリセルのピッチ分（図５でのｄ２）移動する時間にすれば、遅延された信号ｇ０と遅延されていない信号ｆ０とは隣り合うメモリセルの同じ箇所での画像信号となり、前述したセル比較検査となるわけである。このように遅延回路４１は、全体制御部１２０から得られる情報に基づいて、読み出す画素位置を制御することによって任意の遅延時間を選択できるように構成されている。以上のようにして、画像取り出し部１２０から、比較すべきデジタル画像信号（階調画像信号）ｆ０とｇ０とが取り出される。以下、ｆ０を検出画像、ｇ０を比較画像と呼ぶことにする。なお、図７に示すように、比較画像信号ｇ０をシフトレジスタや画像メモリ等で構成された第１画像記憶部４６に記憶し、検出画像信号ｆ０をシフトレジスタや画像メモリ等で構成された第２画像記憶部４７に記憶しても良い。上述したごとく、第１画像記憶部４６は遅延回路４１を構成してもよく、また第２画像記憶部４７は必ずしも必要としない。
また、前処理回路４０内、および第２画像記憶部４７等に取り込まれた電子線画像あるいは光学顕微鏡部１１８で検出した光学画像はモニタ５０に表示され、観察することが可能である。
【００４０】
次に、画像処理部１２４について図４を用いて説明する。
前処理部４０からは被検査対象物１０６上のある検査領域についての階調値（濃淡値）で表わされる検出画像ｆ０（ｘ，ｙ）が得られ、遅延回路４１からは比較される基準となる被検査対象物１０６上のある検査領域についての階調値（濃淡値）で現わされる比較画像（基準画像：参照画像）ｇ０（ｘ，ｙ）が得られる。
画素単位の位置合わせ部４２では、上記検出画像ｆ０（ｘ，ｙ）に対する比較画像ｇ０（ｘ，ｙ）の位置ずれ量が０〜１画素の間になるように、いいかえれば、ｆ０（ｘ，ｙ）とｇ０（ｘ，ｙ）との「整合度」が最大となる位置が０〜１画素の間になるように、例えば比較画像の位置をずらす。その結果、例えば図３に示すように検出画像ｆ０（ｘ，ｙ）と比較画像ｇ０（ｘ，ｙ）とが１画素単位以下で位置合わせされることになる。図６に鎖線で示す四角な目が画素を示す。この画素は、電子検出器３５で検出されてＡ／Ｄ変換器３９（１２２）でサンプリングされてデジタル値（階調値：濃淡値）に変換される単位である。即ち、画素単位は、電子検出器３５で検出される最小単位を示す。なお、上記「整合度」としては、次に示す（数１）式などが考えられる。
【００４１】
ｍａｘ｜ｆ０−ｇ０｜，    ΣΣ｜ｆ０−ｇ０｜，    ΣΣ（ｆ０−ｇ０）２                        （数１）
ｍａｘ｜ｆ０−ｇ０｜は、検出画像ｆ０（ｘ，ｙ）と比較画像ｇ０（ｘ，ｙ）との差の絶対値の最大値を示す。ΣΣ｜ｆ０−ｇ０｜は、検出画像ｆ０（ｘ，ｙ）と比較画像ｇ０（ｘ，ｙ）との差の絶対値の画像内の合計である。ΣΣ（ｆ０−ｇ０）２は、検出画像ｆ０（ｘ，ｙ）と比較画像ｇ０（ｘ，ｙ）との差を２乗してｘ方向およびｙ方向に積分した値を示す。
上記（数１）式のいずれを採用するかによって処理内容が変わってくるが、ここではΣΣ｜ｆ０−ｇ０｜を採用した場合について示す。
比較画像ｇ０（ｘ，ｙ）のｘ方向のずらし量をｍｘ，ｙ方向のずらし量をｍｙ（ただしｍｘ，ｍｙは整数）とし、ｅ１（ｍｘ，ｍｙ）、ｓ１（ｍｘ，ｍｙ）の各々を次に示す（数２）式および（数３）式のように定義する。
【００４２】
ｅ１（ｍｘ，ｍｙ）＝ΣΣ｜ｆ０（ｘ，ｙ）−ｇ０（ｘ＋ｍｘ，ｙ＋ｍｙ）｜              （数２）
ｓ１（ｍｘ，ｍｙ）＝ｅ１（ｍｘ，ｍｙ）＋ｅ１（ｍｘ＋１，ｍｙ）＋ｅ１（ｍｘ，ｍｙ＋１）＋ｅ１（ｍｘ＋１，ｍｙ＋１）                                                                                    （数３）
（数２）式においてΣΣは画像内の合計を表す。ここで求めたいのはｓ１（ｍｘ，ｍｙ）が最小となるｘ方向のずらし量をｍｘ，ｙ方向のずらし量をｍｙの値なので、ｍｘ，およびｍｙの各々を±０，１，２，３，４・・・・・ｎと変化させて、いいかえれば、比較画像ｇ０（ｘ，ｙ）を画素ピッチでずらして、その時々のｓ１（ｍｘ，ｍｙ）を算出する。そして、それが最小となるｍｘの値ｍｘ０と、ｍｙの値ｍｙ０とを求める。なお、比較画像の最大ずらし量であるｎは、検出部１１５の位置精度に応じて、位置精度が悪いほど大きな値にする必要がある。画素単位の位置合わせ部４２からは、検出画像ｆ０（ｘ，ｙ）はもとのまま、比較画像ｇ０（ｘ，ｙ）は（ｍｘ０，ｍｙ０）だけずらして出力する。すなわち、ｆ１（ｘ，ｙ）＝ｆ０（ｘ，ｙ）、ｇ１（ｘ，ｙ）＝ｇ０（ｘ＋ｍｘ０，ｙ＋ｍｙ０）である。
【００４３】
画素以下の位置ずれ検出部（図示せず）では、画素単位に位置合わせされた画像ｆ１（ｘ，ｙ）、ｇ１（ｘ，ｙ）を小領域（例えば１２８＊２５６画素からなる部分画像）に分割して、分割した領域（部分画像）ごとに画素以下の位置ずれ量（位置ずれ量は０〜１の実数となる。）を算出する。小領域に分割するのは、画像の歪みに対応するためであり、歪みが無視できる程度の領域に設定する必要がある。整合度の測度としては、やはり（数１）式で示すような選択肢があるが、ここでは、三番目の「差の２乗和」（ΣΣ（ｆ０−ｇ０）２）を採用した例を示す。
ｆ１（ｘ，ｙ）とｇ１（ｘ，ｙ）との中間位置を位置ずれ量０とし、図６に示すように、ｆ１はｘ方向に−δｘ、ｙ方向に−δｙ、ｇ１はｘ方向に＋δｘ、ｙ方向に＋δｙだけずれていると仮定する。つまり、ｆ１とｇ１とのずれ量は、ｘ方向が２＊δｘ、ｙ方向が２＊δｙと考える。δｘ、δｙは整数ではないため、δｘ、δｙだけずらすには、画素と画素の間の値を定義する必要がある。ｆ１をｘ方向に＋δｘ、ｙ方向に＋δｙだけずらした画像ｆ２、ｇ１をｘ方向に−δｘ、ｙ方向に−δｙだけずらした画像ｇ２を、次に示す（数４）式および（数５）式のように定義する。
【００４４】
ｆ２（ｘ，ｙ）＝ｆ１（ｘ＋δｘ，ｙ＋δｙ）＝ｆ１（ｘ，ｙ）＋δｘ（ｆ１（ｘ＋１，ｙ）−ｆ１（ｘ，ｙ））＋δｙ（ｆ１（ｘ，ｙ＋１）−ｆ１（ｘ，ｙ））                                （数４）
ｇ２（ｘ，ｙ）＝ｇ１（ｘ−δｘ，ｙ−δｙ）＝ｇ１（ｘ，ｙ）＋δｘ（ｇ１（ｘ−１，ｙ）−ｇ１（ｘ，ｙ））＋δｙ（ｇ１（ｘ，ｙ−１）−ｇ１（ｘ，ｙ））                                （数５）
（数４）（数５）式はいわゆる線形補間である。ｆ２とｇ２との整合度ｅ２（δｘ，δｙ）は「差の２乗和」を採用すると次に示す（数６）式のようになる。
ｅ２（δｘ，δｙ）＝ΣΣ（ｆ２（ｘ，ｙ）−ｇ２（ｘ，ｙ））２                            （数６）
ΣΣは小領域（部分画像）内の合計である。画素以下の位置ずれ検出部（図示せず）の目的は、ｅ２（δｘ，δｙ）が最小値をとるδｘの値δｘ０、δｙの値δｙ０を求めることである。それには、上記（数６）式をδｘ，δｙで偏微分した式を０とおいて、それをδｘ，δｙについて解けばよい。結果は次に示す（数７）式および（数８）式のようになる。
【００４５】
δｘ＝｛（ΣΣＣ０＊Ｃｙ）＊（ΣΣＣｘ＊Ｃｙ）−（ΣΣＣ０＊Ｃｘ）＊（ΣΣＣｙ＊Ｃｙ）｝／｛（ΣΣＣｘ＊Ｃｘ）＊（ΣΣＣｙ＊Ｃｙ）−（ΣΣＣｘ＊Ｃｙ）＊（ΣΣＣｘ＊Ｃｙ）｝  （数７）
δｘ＝｛（ΣΣＣ０＊Ｃｘ）＊（ΣΣＣｘ＊Ｃｙ）−（ΣΣＣ０＊Ｃｙ）＊（ΣΣＣｘ＊Ｃｘ）｝／｛（ΣΣＣｘ＊Ｃｘ）＊（ΣΣＣｙ＊Ｃｙ）−（ΣΣＣｘ＊Ｃｙ）＊（ΣΣＣｘ＊Ｃｙ）｝  （数８）
ただし、Ｃ０、Ｃｘ、Ｃｙの各々は、次に示す（数９）式、（数１０）式、（数１１）式の関係になる。
【００４６】
Ｃ０＝ｆ１（ｘ，ｙ）−ｇ１（ｘ，ｙ）                                                                （数９）
Ｃｘ＝｛ｆ１（ｘ＋１，ｙ）−ｆ１（ｘ，ｙ）｝−｛ｇ１（ｘ−１，ｙ）−ｇ１（ｘ，ｙ）｝（数１０）
Ｃｙ＝｛ｆ１（ｘ，ｙ＋１）−ｆ１（ｘ，ｙ）｝−｛ｇ１（ｘ，ｙ−１）−ｇ１（ｘ，ｙ）｝（数１１）
δｘ０，δｙ０の各々を求めるには、（数７）式、および（数８）式に示すように、上記種々の統計量ΣΣＣｋ＊Ｃｋ（但しＣｋ＝Ｃ０、Ｃｘ、Ｃｙ）を求める必要がある。統計量算出部４４は、画素単位の位置合わせ部４２から得られる画素単位で位置合わせされた階調値（濃淡値）からなる検出画像ｆ１（ｘ，ｙ）と比較画像ｇ１（ｘ，ｙ）に基づいて、上記種々の統計量ΣΣＣｋ＊Ｃｋの算出を行う。
サブＣＰＵ４５は、統計量算出部４４において計算されたΣΣＣｋ＊Ｃｋを用いて、上記（数７）式、（数８）式の演算を行ってδｘ０、δｙ０を求める。
シフトレジスタ等で構成された遅延回路４６、４７は、画素以下の位置ずれ検出部（図示せず）でδｘ０、δｙ０を求めるのに要する時間分だけ画像信号ｆ１とｇ１を遅延させるためのものである。
【００４７】
差画像抽出回路（差分抽出回路：距離抽出部）４９では、計算上２＊δｘ０、２＊δｙ０の位置ずれを有するｆ１とｇ１との差画像（距離画像）ｓｕｂ（ｘ，ｙ）を求める。この差画像（距離画像）ｓｕｂ（ｘ，ｙ）は、（数１２）式で表すと、次のようになる。
ｓｕｂ（ｘ，ｙ）＝ｇ１（ｘ，ｙ）−ｆ１（ｘ，ｙ）                                              （数１２）
しきい値演算回路（許容範囲演算部）４８は、遅延回路４６、４７を経た画像信号ｆ１、ｇ１および、画素以下の位置ずれ検出部（図示せず）から得られる画素以下の位置ずれ量δｘ０、δｙ０を用いて、欠陥判定回路（欠陥判定部）５０において差画像抽出回路（差分抽出回路：距離抽出部）４９から得られる差画像（距離画像）ｓｕｂ（ｘ，ｙ）の値に応じて欠陥候補か否かを判定するための二つのしきい値（許容範囲を示す許容値）ｔｈＨ（ｘ，ｙ）とｔｈＬ（ｘ，ｙ）とを算出するものである。ｔｈＨ（ｘ，ｙ）は、差画像（距離画像）ｓｕｂ（ｘ，ｙ）の上限を規定するしきい値（許容範囲を示す許容値）であり、ｔｈＬ（ｘ，ｙ）は、差画像（距離画像）ｓｕｂ（ｘ，ｙ）の下限を規定するしきい値（許容範囲を示す許容値）である。しきい値演算回路４８の構成を図５に示す。しきい値演算回路４８における演算の内容を（数１３）式および（数１４）式で表すと次のようになる。
【００４８】
ｔｈＨ（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，ｙ）＋Ｂ（ｘ，ｙ）＋Ｃ（ｘ，ｙ）                          （数１３）
ｔｈＬ（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，ｙ）−Ｂ（ｘ，ｙ）−Ｃ（ｘ，ｙ）                          （数１４）
ただし、Ａ（ｘ，ｙ）は、（数１５）式の関係で示され、画素以下の位置ずれ量δｘ０、δｙ０を用いて、実質的に差画像（距離画像）ｓｕｂ（ｘ，ｙ）の値に応じてしきい値を補正するための項である。
またＢ（ｘ，ｙ）は、（数１６）式の関係で示され、検出画像ｆ１と比較画像ｇ１との間において、パターンエッジの微小な位置ずれ（パターン形状の微小な差異、パターン歪みも局所的に見ればパターンエッジの微小な位置ずれに帰着する）を許容するための項である。
【００４９】
またＣ（ｘ，ｙ）は、（数１７）式の関係で示され、検出画像ｆ１と比較画像ｇ１との間において、階調値（濃淡値）の微小な差異を許容するための項である。
Ａ（ｘ，ｙ）＝｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＊δｘ０−ｄｘ２（ｘ，ｙ）＊（−δｘ０）｝＋｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＊δｙ０−ｄｙ２（ｘ，ｙ）＊（−δｙ０）｝＝｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝＊δｘ０＋｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝＊δｙ０                                                        （数１５）
Ｂ（ｘ，ｙ）＝｜｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＊α−ｄｘ２（ｘ，ｙ）＊（−α）｝｜＋｜｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＊β−ｄｙ２（ｘ，ｙ）＊（−β）｝｜＝｜｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝＊α｜＋｜｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝＊β｜                                                  （数１６）
Ｃ（ｘ，ｙ）＝（（ｍａｘ１＋ｍａｘ２）／２）＊γ＋ε                                        （数１７）ここで、α、βは０〜０．５の実数、γは０以上の実数、εは０以上の整数である。
【００５０】
ｄｘ１（ｘ，ｙ）は、（数１８）式の関係で示され、検出画像ｆ１（ｘ，ｙ）におけるｘ方向＋１隣りの画像との階調値（濃淡値）の変化分を示す。
またｄｘ２（ｘ，ｙ）は、（数１９）式の関係で示され、比較画像ｇ１（ｘ，ｙ）におけるｘ方向−１隣りの画像との階調値（濃淡値）の変化分を示す。
またｄｙ１（ｘ，ｙ）は、（数２０）式の関係で示され、検出画像ｆ１（ｘ，ｙ）におけるｙ方向＋１隣りの画像との階調値（濃淡値）の変化分を示す。
またｄｙ２（ｘ，ｙ）は、（数２１）式の関係で示され、比較画像ｇ１（ｘ，ｙ）におけるｙ方向−１隣りの画像との階調値（濃淡値）の変化分を示す。
ｄｘ１（ｘ，ｙ）＝ｆ１（ｘ＋１，ｙ）−ｆ１（ｘ，ｙ）                                    （数１８）
ｄｘ２（ｘ，ｙ）＝ｇ１（ｘ，ｙ）−ｇ１（ｘ−１，ｙ）                                    （数１９）ｄｙ１（ｘ，ｙ）＝ｆ１（ｘ，ｙ＋１）−ｆ１（ｘ，ｙ）                                    （数２０）
ｄｙ２（ｘ，ｙ）＝ｇ１（ｘ，ｙ）−ｇ１（ｘ，ｙ−１）                                    （数２１）
ｍａｘ１は、（数２２）式の関係で示され、検出画像ｆ１（ｘ，ｙ）における自身も含め、ｘ方向＋１隣りの画像、ｙ方向＋１隣りの画像の最大階調値（濃淡値）を示す。
【００５１】
またｍａｘ２は、（数２３）式の関係で示され、比較画像ｇ１（ｘ，ｙ）における自身も含め、ｘ方向−１隣りの画像、ｙ方向−１隣りの画像の最大階調値（濃淡値）を示す。
ｍａｘ１＝ｍａｘ｛ｆ１（ｘ，ｙ），ｆ１（ｘ＋１，ｙ），ｆ１（ｘ，ｙ＋１），ｆ（ｘ＋１，ｙ＋１）｝                                                        （数２２）
ｍａｘ２＝ｍａｘ｛ｇ１（ｘ，ｙ），ｇ１（ｘ−１，ｙ），ｇ１（ｘ，ｙ−１），ｇ（ｘ−１，ｙ−１）｝                                                        （数２３）
まず、しきい値ｔｈＨ（ｘ，ｙ）、ｔｈＬ（ｘ，ｙ）を算出する（数１３）式および（数１４）式における第１項Ａ（ｘ，ｙ）について説明する。即ち、しきい値ｔｈＨ（ｘ，ｙ）、ｔｈＬ（ｘ，ｙ）を算出する（数１３）式および（数１４）式における第１項Ａ（ｘ，ｙ）は、位置ずれ検出部４３で求めた画素以下の位置ずれ量δｘ０、δｙ０に対応してしきい値を補正するための項である。例えば（数１８）式で表されるｄｘ１は、ｆ１の階調値のｘ方向の局所的な変化率だから、（数１５）式に示されるｄｘ１（ｘ，ｙ）＊δｘ０は、位置がδｘ０ずれた時のｆ１の階調値（濃淡値）の変化の予測値ということができる。よって、（数１５）式に示される第１項｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＊δｘ０−ｄｘ２（ｘ，ｙ）＊（−δｘ０）｝は、ｘ方向にｆ１の位置をδｘ０、ｇ１の位置を−δｘ０ずらした時に、ｆ１とｇ１の差画像（距離画像）の階調値（濃淡値）がどのぐらい変化するかを画素ごとに予測した値ということができる。同様に第２項はｙ方向について予測した値ということができる。即ち、｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝＊δｘ０は、検出画像ｆ１と比較画像ｇ１との差画像（距離画像）におけるｘ方向の局所的変化率｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝に対して位置ずれδｘ０を掛け算してｆ１とｇ１の差画像（距離画像）の階調値（濃淡値）がｘ方向にどのぐらい変化するかを画素ごとに予測した値であり、｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝＊δｙ０は、検出画像ｆ１と比較画像ｇ１との差画像（距離画像）におけるｙ方向の局所的変化率｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝に対して位置ずれδｙ０を掛け算してｆ１とｇ１の差画像（距離画像）の階調値（濃淡値）がｙ方向にどのぐらい変化するかを画素ごとに予測した値である。
【００５２】
以上説明したように、しきい値ｔｈＨ（ｘ，ｙ）、ｔｈＬ（ｘ，ｙ）における第１項Ａ（ｘ，ｙ）は、既知の位置ずれδｘ０、δｙ０をキャンセルするための項である。
【００５３】
次に、しきい値ｔｈＨ（ｘ，ｙ）、ｔｈＬ（ｘ，ｙ）を算出する（数１３）式および（数１４）式における第２項Ｂ（ｘ，ｙ）について説明する。即ち、しきい値ｔｈＨ（ｘ，ｙ）、ｔｈＬ（ｘ，ｙ）を算出する（数１３）式および（数１４）式における第２項Ｂ（ｘ，ｙ）は、パターンエッジの微小な位置ずれ（パターン形状の微小な差異、パターン歪みも局所的に見ればパターンエッジの微小な位置ずれに帰着する）を許容するための項である。Ａ（ｘ，ｙ）を求める（数１５）式とＢ（ｘ，ｙ）を求める（数１６）式を対比させれば明らかなように、Ｂ（ｘ，ｙ）は位置ずれα、βによる差画像（距離画像）の階調値（濃淡値）の変化予測の絶対値である。Ａ（ｘ，ｙ）によって位置ずれがキャンセルされるとするならば、Ａ（ｘ，ｙ）にＢ（ｘ，ｙ）を加算するのは、位置の合った状態から、さらにパターン形状やパターンの歪みに基づく微小な差異によるパターンエッジの微小な位置ずれを考慮してｘ方向にα、ｙ方向にβだけ位置をずらすことを意味している。つまり、パターン形状やパターンの歪みに基づく微小な差異によるパターンエッジの微小な位置ずれとして、ｘ方向に＋α、ｙ方向に＋βを許容するのが、上記（数１３）式で示す＋Ｂ（ｘ，ｙ）である。また、上記（数１４）式で示す如くＡ（ｘ，ｙ）からＢ（ｘ，ｙ）を減ずるのは、位置の合った状態からさらにｘ方向に−α、ｙ方向に−βだけ位置をずらすことを意味している。ｘ方向に−α、ｙ方向に−βの位置ずれを許容するのが、上記（数１４）式で示す−Ｂ（ｘ，ｙ）である。上記（数１３）式および（数１４）式で示すごとく、しきい値に上限ｔｈＨ（ｘ，ｙ）、下限ｔｈＬ（ｘ，ｙ）を設けることによって、±α、±βの位置ずれを許容することになるわけである。そして、しきい値演算回路４８において、入力されるパラメータα、βの値を適切な値に設定することによって、パターン形状やパターンの歪みに基づく微小な差異による許容する位置ずれ量（パターンエッジの微小な位置ずれ量）を自由にコントロールすることが可能となる。
【００５４】
次に、しきい値ｔｈＨ（ｘ，ｙ）、ｔｈＬ（ｘ，ｙ）を算出する（数１３）式および（数１４）式における第３項Ｃ（ｘ，ｙ）について説明する。しきい値ｔｈＨ（ｘ，ｙ）、ｔｈＬ（ｘ，ｙ）を算出する（数１３）式および（数１４）式における第３項Ｃ（ｘ，ｙ）は、検出画像ｆ１と比較画像ｇ１との間において、階調値（濃淡値）の微小な差異を許容するための項である。（数１３）式で示すようにＣ（ｘ，ｙ）の加算は、比較画像ｇ１の階調値（濃淡値）が検出画像ｆ１の階調値（濃淡値）よりもＣ（ｘ，ｙ）だけ大きいのを許容することを意味し、（数１４）式で示すようにＣ（ｘ，ｙ）の減算は、比較画像ｇ１の階調値（濃淡値）が検出画像ｆ１の階調値（濃淡値）よりもＣ（ｘ，ｙ）だけ小さいのを許容することを意味する。ここでは、Ｃ（ｘ，ｙ）を、（数１７）式で示すように、局所領域での階調値の代表値（ここではｍａｘ値）に比例定数γを掛けた値と、定数εとの和としたが、この関数にこだわる必要はなく、階調値の変動の仕方が既知であれば、それに合った関数するのがよい。例えば、階調値の平方根に変動幅が比例すると分かっていれば、（数１７）式の代わりに、Ｃ（ｘ，ｙ）＝（（ｍａｘ１＋ｍａｘ２）の平方根）＊γ＋εとすべきである。しきい値演算回路４８において、Ｂ（ｘ，ｙ）と同様、入力されるパラメータγ、εによって、許容する階調値（濃淡値）の差異を自由にコントロールすることが可能となる。
【００５５】
即ち、しきい値演算回路（許容範囲演算部）４８は、遅延回路４６から入力される階調値（濃淡値）からなる検出画像ｆ１（ｘ，ｙ）と遅延回路４７から入力される階調値（濃淡値）からなる比較画像ｇ１（ｘ，ｙ）とに基づいて、（数１８）式および（数１９）式により｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝なる演算を施す第１の演算回路と、（数２０）式および（数２１）式により｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝なる演算を施す第２の演算回路と、（数２２）式および（数２３）式により（ｍａｘ１＋ｍａｘ２）なる演算を施す第３の演算回路とを有する。更に、しきい値演算回路４８は、第１の演算回路から得られる｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝と画素以下のずれ検出部４３から得られるδｘ０と入力されるαパラメータとに基づいて、（数１５）式の一部と（数１６）式の一部である（｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝＊δｘ０±｜｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝｜＊α）なる演算を施す第４の演算回路と、上記第２の演算回路から得られる｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝と画素以下のずれ検出部４３から得られるδｙ０と入力されるβパラメータとに基づいて、（数１５）式の一部と（数１６）式の一部である（｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝＊δｙ０±｜｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝｜＊β）なる演算を施す第５の演算回路と、上記第３の演算回路から得られる（ｍａｘ１＋ｍａｘ２）と入力されるγ、εパラメータとに基づいて、例えば（数１７）式に従って（（（ｍａｘ１＋ｍａｘ２）／２）＊γ＋ε）なる演算を施す第６の演算回路とを有する。更に、しきい値演算回路４８は、第４の演算回路から得られる（｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝＊δｘ０＋｜｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝｜＊α）と第５の演算回路から得られる（｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝＊δｙ０＋｜｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝｜＊β）と第６の演算回路から得られる（（（ｍａｘ１＋ｍａｘ２）／２）＊γ＋ε）とを＋演算して上限のしきい値ｔｈＨ（ｘ，ｙ）を出力する加算回路と、第６の演算回路から得られる（（（ｍａｘ１＋ｍａｘ２）／２）＊γ＋ε）を−演算する減算回路と、第６の演算回路から得られる（｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝＊δｘ０−｜｛ｄｘ１（ｘ，ｙ）＋ｄｘ２（ｘ，ｙ）｝｜＊α）と演算回路から得られる（｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝＊δｙ０−｜｛ｄｙ１（ｘ，ｙ）＋ｄｙ２（ｘ，ｙ）｝｜＊β）と減算回路から得られる−（（（ｍａｘ１＋ｍａｘ２）／２）＊γ＋ε）とを＋演算して下限のしきい値ｔｈＬ（ｘ，ｙ）を出力する加算回路とを有している。
【００５６】
なお、しきい値演算回路４８は、ＣＰＵがソフト処理によっても実現することができる。またしきい値演算回路４８に入力されるパラメータα、β、γ、εは、全体制御部１２０に備えられた入力手段（例えば、キーボード、記録媒体、ネットワーク等からなる。）を用いて入力させても良い。
欠陥判定回路（欠陥判定部）５０では、差画像抽出回路（差分抽出回路）４９から得られる差画像（距離画像）ｓｕｂ（ｘ，ｙ）、並びにしきい値演算回路４８から得られる下限のしきい値（下限の許容範囲を示す許容値）ｔｈＬ（ｘ，ｙ）、および上限のしきい値（上限の許容範囲を示す許容値）ｔｈＨ（ｘ，ｙ）を用いて、次に示す（数２４）式の関係を満たせば、位置（ｘ，ｙ）の画素は非欠陥候補、満たさなければ位置（ｘ，ｙ）の画素は欠陥候補と判定する。欠陥判定回路５０は、非欠陥候補画素は例えば０、欠陥候補画素は不一致量を示す例えば１以上の値を持つｄｅｆ（ｘ，ｙ）を出力する。
ｔｈＬ（ｘ，ｙ）≦ｓｕｂ（ｘ，ｙ）≦ｔｈＨ（ｘ，ｙ）                                            （数２４）
特徴抽出回路５０ａでは、ノイズ除去処理（例えば、ｄｅｆ（ｘ，ｙ）に対して縮小・膨張の処理を行う。例えば３×３画素の全てに亘って同時に欠陥候補画素ではないときには、その中心の画素として例えば０（非欠陥候補画素）にして縮小処理を行って消去し、それを膨張処理して元に戻すことを行う。）によってノイズ的（例えば３×３画素の全てに亘って同時に欠陥候補画素ではない。）な出力を削除したあと、近隣の欠陥候補部を一つにまとめる欠陥候補部のマージ処理を行う。その後、一まとまりごとに、重心座標、ＸＹ投影長（ｘ方向およびｙ方向における最大長さを示す。なお、（Ｘ投影長の２乗＋Ｙ投影長の２乗）の平方根は最大長さとなる。）、面積などの特徴量８８を算出して出力する。
【００５７】
以上説明したように、全体制御部１２０によって制御される画像処理部１２４からは、電子ビームが照射されて電子検出器３５（１０５）で検出させる被検査対象物（試料）１０６上の座標に応じて欠陥候補部の特徴量（例えば、重心座標、ＸＹ投影長、面積など）８８が得られることになる。
全体制御部１２０では、検出画像上での欠陥候補部の位置座標を被検査対象物（試料）１０６上の座標系に変換し、疑似欠陥の削除を行い、最終的に、被検査対象物（試料）１０６上での位置と画像処理部１２４の特徴抽出回路５０ａから算出された特徴量とからなる欠陥データをまとめる。
【００５８】
本実施の形態によれば、小領域（部分画像）全体としての位置ずれや、個々のパターンエッジの微小な位置ずれや、階調値（濃淡値）の微小な差異が許容されるため、正常部を欠陥と誤認識することがなくなる。また、パラメータα、β、γ、εを適切な値に設定することによって、位置ずれ、階調値の変動の許容量のコントロールを容易に行うことが可能となる。
また、本実施の形態では、補間によって擬似的に位置の合った画像を生成することを行っていないため、補間では避けがたい画像の平滑化効果を受けないので、微細な欠陥部の検出に有利という利点もある。実際、発明者等の実験によれば、画素以下の位置ずれ検出の結果を用いて、補間によって擬似的に位置の合った画像を生成した後、本実施の形態と同様に位置ずれ、階調値の変動を許容するしきい値を算出して欠陥判定を行った結果と、本実施の形態によって欠陥判定を行った結果とを比較すると、本実施の形態では５％以上の欠陥検出性能の向上が見られた。
以上説明した電子線装置における電子線像の劣化を防止する手段について更に説明する。即ち、電子線像の質は、電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像歪みや、デフォーカスによる解像度の低下などにより劣化することになる。これらの像質の劣化を防止する手段として、高さ検出光学装置２００ａと高さ計算手段２００ｂとからなる高さ検出装置２００、焦点制御装置１０９、偏向信号発生装置１０８、および全体制御装置１２０によって構成される。
【００５９】
次に、上記高さ検出光学装置２００ａの実施例について説明する。
図１０および図１１は、本発明に係る高さ検出光学装置２００ａの第１の実施例を示す図である。即ち、本発明に係る高さ検出光学装置２００ａは、光源２０１と該光源２０１からの光で照明される同一のパターン、例えば長方形状のパターンを反復させた（繰り返された）パターンが描かれたマスク２０３と投影絞り２１１とＳ偏光を出射する偏光フィルタ２４０と投影レンズ２１０とで構成され、例えばマルチスリット状パターンをＳ偏光で試料面１０６に対して垂直からθ傾けた角度（θ＝６０度以上）で投影する投影光学系２７０と、試料面１０６からの正反射光をラインイメージセンサ２１４の受光面に結像させる検出レンズ２１５と検出絞り２１６とマルチスリット状パターンの長手方向をラインイメージセンサ２１４の受光画素に集光するシリンドリカルレンズ２１３とラインイメージセンサ２１４とで構成される検出光学系２７１とから構成される。これらのうち、投影光学系２７０と検出光学系２７１を併せたものが高さ検出光学系２７２である。なお、高さ計算手段２００ｂは、ラインイメージセンサ２１４から検出されるマルチスリット像のシフト量から試料面１０６ａの高さを検出するものである。
【００６０】
光源２０１を射出した光は、同一のパターン、例えば長方形状のパターンを反復させたマルチスリット状のパターンが描かれたマスク２０３上を照明する。マスク２０３面が投影光学系の光軸に垂直な面であれば、マルチスリット状のパターンは投影光学系光軸と試料面１０６ａの交点近傍に、マスク面と平行な結像面を持つ。このとき、図１０に示すように、投影光学系光軸と検出光学系光軸を含む平面（図１０では紙面と平行な平面）とマスク面の交線をｓ軸とすると、反復されるスリットパターンはｓ軸の方向に並べる。
【００６１】
ここで、マスク２０３に描かれたマルチスリット状のパターンは、必ずしも、スリット状のパターンである必要はなく、同一のパターンの繰り返しであれば、楕円形、正方形等どんな形のものでもよい。これらマルチスリット光の光束は試料面１０６上で反射され、検出レンズ２１５により再びＣＣＤ等のラインイメージセンサ２１４上に結像される。この検出光学系の倍率をｍとすると、試料面１０６ａの高さがｚだけ変化するとマルチスリット像は、２ｚ・ｓｉｎθ・ｍだけ全体的にシフトすることになる。これを利用して、ラインイメージセンサ２１４で受光した信号に基づいて得られるマルチスリット像のシフト量から試料面１０６ａの高さを検出することができる。
ここで、１１０は高さを検出したい位置であり、上記高さ検出装置２００ａをオートフォーカス用の高さセンサとして用いる場合においては、１１０は上方観察系の光軸となる。なお、試料面１０６ａ上に投影されるマルチスリット状パターンのピッチをｐとし、投影像のマルチスリット状パターンのピッチはｐ／ｃｏｓθ、マスク２０３上に形成されたマルチスリット状パターンのピッチは投影光学系の倍率をｍ’とするとｐ／（ｃｏｓθ・ｍ’）となる。また、イメージセンサ２１４上でのパターンのピッチはｐ・ｍとなる。
【００６２】
図１１（ａ）（ｂ）に示すように試料１０６上において反射率の異なる境界上で高さを検出する場合、ラインイメージセンサ２１４上で検出される信号の強度分布は試料の反射率分布に影響される。しかし、マルチスリット状のパターンは、高さ検出範囲において鮮明な像を保てる限りなるべく細いものを用いることによって、対象物の表面の反射率の分布に因る検出誤差を小さく抑えることができる。なぜなら、検出誤差は試料の反射率分布によるスリット像の重心の偏りによって生じ、この偏りの絶対値はスリットの幅に比例して大きくなるためである。図１１に示す実施例では、左から３番めのスリットに、試料の境界による反射率のむらの影響が出ているが、スリット幅が狭いために検出誤差は小さい。さらに、複数のスリットによる高さ検出値を用いることによって、対象物起因の検出誤差、および、検出ばらつきを低減することができる。
【００６３】
また、図１０に示す実施例では、偏光フィルタ２４０が投影レンズ２１０の前におかれて、Ｓ偏光を選択的に投影するようにしている。これは、透明膜中での多重反射による位置シフトを抑える効果と、領域間での反射率の差異を小さくする効果をもつ。図１２に示す様に、試料の表面が絶縁膜などのように光に対して透明な膜で覆われているときに、透明膜のなかで投影光が多重反射を起こして投影光の位置がシフトする現象が生じる。Ｓ偏光の方がＰ偏光よりも透明膜の表面で反射しやすいため、偏光フィルタ２４０の挿入によって多重反射を起こしにくくなる。一方、図１３には、透明膜の一例であるレジストとシリコンの反射率のグラフが示されている。ＲｓがＳ偏光の反射率、ＲｐがＰ偏光の反射率、Ｒがランダム偏光の反射率である。このようにＳ偏光の方が反射率の材質間の差異が小さくなる。また、このグラフから読み取れるように、反射率は入射角が大きいほど大きく、材質間の差が小さくなる。すなわち、パターン境界での誤差を生じにくくなる。このため、入射角θはなるべく大きいほうがよい。８０°以上が理想的だが、少なくとも６０°以上の入射角を使用することが望ましい。なお、偏光フィルタ２４０の位置は、必ずしも投影レンズ２１０の前である必要はなく、光源２０１と検出器２１４の間のどこに在ってもほぼ同じ効果を奏する。また、光源２０１はレーザ光源や発光ダイオードでもよいが、例えばハロゲンランプ、メタルハライドランプ、水銀ランプのような広帯域のランプの方がより望ましい。または、複数の波長のレーザや発光ダイオードをダイクロイックミラーを用いて混合してもよい。これは、単色光は、透明膜内で多重干渉を起こして投影光がシフトしたり、材質や試料上のパターンによる反射率の違いが大きくなって、大きい誤差を生じやすいためである。
また、図１０に示す実施例では、ラインイメージセンサ２１４の前にシリンドリカルレンズ２１３がおかれている。これは、ラインイメージセンサ２１４上に集光し、検出光量を増すと共に、試料上の広い面積からの反射光を平均化することによって誤差を減少するものである。ただし、シリンドリカルレンズ２１３を用いることは必須条件ではなく、必要性に応じて使用を決定すべきものである。
【００６４】
次に、図１０に示した構成の高さ検出光学系２７２を備えた高さ検出装置２００ａに接続された高さ計算手段２００ｂにより試料面１０６ａの高さを検出するアルゴリズムの一実施の形態について、図１４を用いて説明する。
ここで、簡単のため、検出光学系の倍率ｍ＝１の場合について説明する。ｍ＝１でない場合はｐをｍ・ｐとすれば良い。
【００６５】
スリットの総数をｎ、ピッチをｐ、検出波形をｙ（ｘ）とする。高さｚ＝０の時の各スリットに対応するピークの位置をｙｇｏ（ｉ）（ｉ＝０，・・・，ｎ−１）とする。（ｙｇｏ（ｉ）＝ｙｇｏ（０）＋ｐ＊ｉの関係がある。）
ここで、スリットの総数ｎと、ピッチｐとは、既知の値につき、高さ計算手段２００ｂに対して全体制御部１２０から与えられる。また、高さｚ＝０の時の各スリットに対応するピークの位置［ｙｇｏ（ｉ）（ｉ＝０，・・・，ｎ−１）］については、高さ計算手段２００ｂは、例えば標準試料１３０を用いて全体制御部１２０から設定される高さｚ＝０のとき、高さ検出光学系２７２から得られる検出波形ｙ（ｘ）に基づいて設定してもよい。また、高さｚ＝０の時の各スリットに対応するピークの位置［ｙｇｏ（ｉ）（ｉ＝０，・・・，ｎ−１）］については、例えば標準試料１３０を用いて全体制御部１２０から設定される高さｚ＝０のとき、高さ検出光学系２７２から得られる検出波形ｙ（ｘ）を、例えば全体制御部１２０に備えられた表示手段１４３に表示するなどして、全体制御部１２０においてマニュアルで設定し、それを高さ計算手段２００ｂに提供することも可能である。
【００６６】
次に、図１５に示すように、高さ計算手段２００ｂによる被検査対象物（試料）１０６に対する高さを検出するアルゴリズムについて説明する。
１．ステップＳ１５１において、リニアセンサ２１４から得られる信号波形ｙ（ｘ）をスキャンし、最大値をとる位置ｘｍａｘを求める。
２．ステップＳ１５２において、ｘｍａｘから左右にピッチｐずつたどっていって、各ピークの概略の位置を求める。
３．ところで、左端のピーク位置をｘ０とすると、ピークｉの概略の位置はｘ０＋ｐ＊ｉとなる。左右の谷の位置は（ｘ０＋ｐ＊ｉ−ｐ／２，ｘ０＋ｐ＊ｉ＋ｐ／２）となる。
【００６７】
ここで、簡単のため、検出光学系の倍率ｍ＝１の場合について説明する。ｍ＝１でない場合はｐをｍ・ｐとすれば良い。
【００６８】
そして、ｙｍｉｎは、次に示す（数３０）式で示すように、左右の谷のうち大きいほうによって求まる。
ｙｍｉｎ＝ｍａｘ（ｙ（ｘ０＋ｐ＊ｉ−ｐ／２），ｙ（ｘ０＋ｐ＊ｉ＋ｐ／２））
（数３０）
以上の関係から、ステップＳ１５３において、しきい値（閾値）ｙｔｈは、次に示す（数３１）式によって設定される。
ｙｔｈ＝ｙｍｉｎ＋ｋ＊（ｙ（ｘ０＋ｐ＊ｉ）−ｙｍｉｎ）                （数３１）
ｋは、０．３前後の定数である。
【００６９】
４．ステップＳ１５４において、（ｘ０＋ｐ＊ｉ−ｐ／２）と（ｘ０＋ｐ＊ｉ＋ｐ／２）との間でｙ（ｘ）＞ｙｔｈとなる点に対してｙ（ｘ）−ｙｔｈの重心を求めてこれをｙｇ（ｉ）とする。
５．ステップＳ１５５において、Δｇ（ｉ）＝（ｙｇ（ｉ）−ｙｇｏ（ｉ））の加重平均［ΣΔｇ（ｉ）／ｎ］をもとめてこれを像シフト（スリットの移動量［ΣΔｇ（ｉ）／ｎ］）とする。
【００７０】
そして、次に示す（数３２）式に基づくように、像シフトに検出ゲイン（１／（２ｍ・ｓｉｎθ））をかけてオフセットを加えることによって高さｚを計算する。
【００７１】
ｚ＝［Δｇ（ｉ）の加重平均］×（１／（２ｍ・ｓｉｎθ））＋オフセット値  （数３２）
ここで、上記ステップＳ１５５において加重平均を行う理由とその方法の詳細な実施例については後述する。なお、本実施例では、スリット像のピークを用いたが、代りにスリット像間の谷を用いてもよい。すなわち、ｙ（ｘ）＜ｙｔｈとなる点に対してｙｔｈ−ｙ（ｘ）の重心を求めて各谷の像の重心とし、これらの谷の像の移動量の平均によって全体の像シフトを求める。これによって、次のような効果を奏する。検出波形は投影波形と試料表面の反射率の積によってきまるため、スリット像の明るい部分の方が、反射率のばらつきの影響が大きく、検出波形の形状が変化しやすい。これに対して、波形の谷の部分は試料表面の反射率に影響されにくい。このため、スリット像間の谷の移動量の測定に基づく高さ検出アルゴリズムによって、さらに、対象物の表面状態に起因する検出誤差を低減することが可能である。
【００７２】
さて、図１１に示した例では、スリットの幅を小さくすると検出誤差は比例して減少するが、これには限界があり、ある限度以上スリットを細くしてももはやスリットは、イメージセンサ２１４上に鮮明には結像されず、コントラストが落ちてくる。そこで、次に説明するように、予め高さ検出光学系２７２を設計しておく必要がある。
即ち、図１５に示すステップＳ１５６は、予め高さ検出光学系２７２を設計するための設計仕様の条件を示したものである。目標とする高さ検出範囲を±ｚｍａｘとすると、このときイメージセンサ２１４上のマルチスリット像は、±２ｚｍａｘ・ｃｏｓθだけデフォーカスする。一方、試料面１０６ａ上に投影されたマルチスリット状のパターンの周期をｐ、検出レンズ２１５のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）をＮＡとすると、この焦点深度は、±ａ・０．６１ｐ／ＮＡとなる。そこで、スリット周期ｐが次に示す（数３１）式の関係を満たすことが、常に、マルチスリット像が鮮明に検出できるための設計条件である。ここで、ａは焦点深度を振幅がどこまで低下した状態で定義するかによって定まる定数で、振幅が１／２に落ちた状態で焦点深度を定義する場合、ａは約０．６である。このように、図１５に示すステップＳ１５１〜Ｓ１５５において、試料面１０６ａの高さｚを算出する際、常に、マルチスリット像が鮮明に検出できるための設計条件（（数３３）式の関係）に設定されている。
（２ｚｍａｘ・ｃｏｓθ）＜（ａ・０．６１ｐ／ＮＡ）            （数３３）
図１０に示す実施例では、投影絞り２１１が投影レンズ２１０の前側焦点位置に、検出絞り２１６が検出レンズ２１５の後側焦点位置におかれている。これは、投影レンズ２１０と検出レンズ２１５とを試料側テレセントリックにして、試料１０６の上下による倍率変動をなくするためである。
【００７３】
ここで、試料面の高さ変位が大きい場合に、この試料表面の反射率むらが高さ検出に与える影響について説明する。該説明を簡単にするために、図１６に示すスリット光束が一本の場合を用いて上記原理について説明する。図１６（ａ）は高さ検出光学系の焦点２７３と試料面１０６が一致している場合、図１６（ｂ）は試料面の高さ変動によってデフォーカスが生じている場合である。図１６（ｂ）に示すように、試料面１０６の高さがＺ変化すると高さ検出光学系２７２全体の光路長が変化する。このとき、投影レンズ２１０と検出レンズ２１５は試料側テレセントリックとなっているために倍率変動は生じないが、投影光学系２７０により形成されるマルチスリット像の結像位置２７３と、検出光学系２７１においてセンサ面と共役な合焦点位置２７４および、試料面２７５が一致しなくなる。図１６（ａ）に示すように、投影光学系２７０の結像位置および検出光学系２７１の合焦点位置が試料面で合っている場合には、その表面にあるパターンの像によって、検出されるスリット光束の信号波形２７６は崩れるが、デフォーカスによる検出されるスリット光束の信号波形における幅の増大などは生じない。これに対し、図１６（ｂ）に示すようにデフォーカスした状態で試料面２７５に投影されると、低反射率部における反射した光線は暗くなり、図１６（ｂ）に示すように光束内に強度分布を持つこととなる。また、検出光学系の焦点も合っていないため、検出されるスリット光束による信号波形２７７としては、デフォーカスによる振幅の低下やスリット幅の増大を生じる。このような場合には、試料面のパターンは殆ど解像しないが、光束内での強度分布の影響を受けてスリット像全体がシフトするといった現象が起きるため、図１６（ａ）に示した焦点の合った状態よりも、図１６（ｂ）のデフォーカスした状態の方が更に大きな検出誤差を生じる。このようなデフォーカスにより生じる像のシフトが生じている場合に、スリット光束の真の中心位置を正確に求めることは非常に困難である。このように、試料表面の反射率むらにより生じる検出誤差の大きさは、投影光学系および検出光学系の焦点位置と試料表面との位置関係により変化する。このため、試料面高さによって検出精度が変化するという問題が生じ、広い高さ検出範囲が必要な場合には問題となる。図１０に示したマルチスリット光束を検出する際にも同様の現象が起きる。
【００７４】
次に図１０に示す光学系における、試料面高さとマルチスリット光束の関係について、図１７を用いて説明する。図１７（ａ）は試料面１０６の高さが基準位置にある状態を示し、図１７（ｂ）は試料面高さがＺ変化した場合を示す。図１７（ａ）の状態では投影光学系２７０のスリット光束の結像位置と検出光学系２７１の合焦点位置は一致しており、且つ中央のスリット光束Ｂの焦点位置（中間像の位置）Ｂ’は試料面上にある。各スリット光束Ａ、Ｂ、Ｃの焦点位置Ａ’、Ｂ’、Ｃ’とセンサ上の結像位置Ａ”、Ｂ”、Ｃ”とは光学的に共役な関係となっている。また、図１７（ｂ）は簡単のためスリット光束Ｂ、Ｃの光路のみ示しており、この場合、光路長の変化によって投影光学系２７０と検出光学系２７１の焦点位置は一致しないため、投影光学系２７０と検出光学系２７１の２つの焦点位置の中間を、高さ検出光学系全体の焦点位置としてＢ’、Ｃ’で図示してある。図１７（ａ）の３本のスリット光束Ａ、Ｂ、Ｃは、全て投影光学系２７０と検出光学系２７１の焦点位置が一致しているが、特に焦点（中間像）位置が試料面上の投影位置と一致するスリット光束Ｂでは、試料面パターンのデフォーカスによる検出像の劣化が生じないため、他のスリット光束に比べて、反射率むらに起因する高さ検出誤差は小さくなる。これに対し、図１７（ｂ）に示すように高さ変位Ｚが生じると、スリット光束Ｂにおける高さ検出光学系２７２としての焦点位置Ｂ’と試料面上の投影位置２７５とは離れてしまい、そのかわりにスリット光束Ｃにおける高さ検出光学系２７２としての焦点位置Ｃ’が試料面での投影位置と一致するようになる。この場合には、スリット光束Ｃの像が最も検出誤差が小さくなる（しかし、高さ検出光学系２７２の全体としてのデフォーカスの影響があるため、図１７（ａ）の場合のスリット光束Ｂに比べると検出誤差は若干大きくなる）。このように、試料面の高さによって、反射率むらにより生じる検出誤差が最小となるスリット光束は変化することから、試料面の高さに応じて検出誤差の小さいスリット光束について選択的な処理をして高さ検出を行えば、広い検出範囲においても比較的安定に高さ検出を行うことができる。ここで、各試料面高さにおいて検出誤差が最小となるスリット光束における焦点位置２７９は、図１８に示すようになる。すなわち、高さ検出光学系２７２としての検出誤差が最小となるスリット光束における焦点位置２７９は、試料面の高さに関わらず常に一定となるのである。
【００７５】
次に、このような課題を解決する方法について説明する。図１０に示す高さ検出光学系２７２を備えた高さ検出装置２００ａからマルチスリット像を得、それを高さ計算手段２００ｂにおいて次に説明するように処理することにより上記課題を解決することができる。
即ち、図１８に示すように、中央のスリット光束を０番として順にスリット番号０、±１、±２、．．、±ｓ、．．、±Ｓとすると、焦点位置と試料面が一致するスリット番号ｓｆは次に示す（数３４）式で求められる。ここで、ｚｅは試料面の概略高さ、ｐは試料面上に投影されたスリットピッチ、ｍ’は投影光学系２７０の倍率であり、以後このスリットｓｆ（ｚ）を合焦点スリットと呼ぶ（図１８に示す場合、合焦点スリットｓｆは番号＋１のスリット）。
【００７６】
ｓｆ（ｚｅ）＝ｚｅ・ｓｉｎθ／ｐ  （ｓｆ（ｚｅ）は整数）              （数３４）
即ち、図１９に示すように、高さ計算手段２００ｂは、例えば、ラインイメ−ジセンサ２１４から得られる図１４に示す信号波形ｙ（ｘ）から前述したステップＳ１５１〜Ｓ１５５と同様なステップＳ１９１〜Ｓ１９５からなる高さ検出アルゴリズムに基づいて、試料面１０６ａの概略高さｚｅを算出する。例えば、図１４で示した方法により得られた各スリット像ｙ（ｘ）の移動量［Δｇ（ｉ）＝（ｙｇ（ｉ）−ｙｇｏ（ｉ））］を平均することで、誤差の影響はあるが、試料面１０６ａの概略の高さｚｅを知ることができる。特にステップＳ１５５において、上記（数３２）式に基づいて、試料面１０６ａの概略高さｚｅを算出する。そして、図１９に示すステップＳ１９７において、上記算出されたｚｅに基づいて上記（数３４）式より合焦点スリットｓｆ（ｚｅ）を求める。
【００７７】
各スリット光束において反射率むら起因で生じる検出誤差の大きさは、この合焦点スリットｓｆ（ｚｅ）から離れるに従って連続的に大きくなっていく。そこで、図１９に示すステップＳ１９８において、図１４に示すようなマルチスリット光束による検出値ｙ（ｘ）に対して、検出誤差の小さいスリット光束に対して大きな重みを与えるような重み関数ｗ（ｓ）を決め、次に示す（数３５）式に基づいて、検出誤差の小さいスリット光束に対する選択的な処理である上記重み関数ｗ（ｓ）による重み付けを行って加重平均することにより高精度な高さ検出ｚを行う。
【００７８】
上記重み関数ｗ（ｓ）として、例えば図２０に示すように、ｓ＝０で最大値をとり、離れるに従って重みが減少するようなｓ＝０の軸に対象な関数２８０を用意する。
ｚ＝［Δｇ（ｉ）＝（ｙｇ（ｓ）−ｙｇｏ（ｓ））について重み関数ｗ（ｓ−ｓｆ）に基づく重み付けによる加重平均］×（１／（２ｍ・ｓｉｎθ））＋ＯＦＦＳＥＴ値
ｚ＝Σ（Δｇ（ｓ）・ｗ（ｓ−ｓｆ））／Σ（ｗ（ｓ−ｓｆ））×（１／（２ｍ・ｓｉｎθ））＋ＯＦＦＳＥＴ値      （Σは−Ｓ≦ｓ≦Ｓ）                        （数３５）
但し、Δｇ（ｓ）＝（ｙｇ（ｓ）−ｙｇｏ（ｓ））
ｙｇｏ（ｓ）（ｓ＝−（（ｎ−１）／２），−（（ｎ−１）／２）＋１，・・・，０，・・・，（（ｎ−１）／２）−１，（（ｎ−１）／２））は、高さｚ＝０の時の各スリットに対応するピークの位置を示す。ｎはスリット光束の総数、ｐは試料面上におけるスリット光束のピッチである。
ｙ（ｘ）はイメージセンサ２１４から検出される検出波形である。
ｙｇ（ｓ）は、ステップ１９４において求まるｙ（ｘ）＞ｙｔｈとなる点に対する（ｙ（ｘ）−ｙｔｈ）の重心である。
閾値ｙｔｈは、ステップＳ１５１〜Ｓ１５３と同様にステップＳ１９１〜Ｓ１９３において、上記（数３０）式および（数３１）式によって求めることができる。
【００７９】
以上説明したように（数３５）式を用いて、合焦点スリットｓｆの移動量に重きを置いた加重平均を行うことにより、試料面高さの変位が大きい場合においても比較的安定な高さ検出精度を得ることができる。このとき、ステップＳ１９６に示すように、高さ検出範囲全体において合焦点スリットが存在するためには、スリット本数ｎ、スリットピッチｐ、高さ検出範囲ｚｒａｎｇｅ（ｚｍａｘ）は次に示す（数３６）式を満たさなければならない。なお、ステップＳ１９６は、図１５にステップＳ１５６で示すのと同様に、予め高さ検出光学系２７２を設計するための設計仕様の条件を示すものである。
【００８０】
（ｎ−１）・ｐ／ｓｉｎθ  ≧  ｚｒａｎｇｅ                      （数３６）
更に、この加重平均の方法に関する詳細な実施例について説明を行う。はじめに重み関数ｗ（ｓ）の選び方について説明する。先に説明したように、図１０に示すマルチスリット光束を用いた高さ検出光学系２７２では、試料面１０６ａの高さによって各スリット光束における誤差の生じ方が変化する。そこで、マルチスリット光束を用いて、各々の高さにおいて最も検出誤差の小さいスリット光束のみを選択する事によって、従来の一本のみのスリット光束を用いる場合に比べ、広範囲において比較的安定な高さ検出精度を実現することができる。この場合は誤差最小のスリット光束のみを選択するため、先の重み関数ｗ（ｓ）として、図２０に示すｗ２（ｓ）２８１となる。この重み関数ｗ２（ｓ）２８１は、ｓ＝０において１、ｓ＝０以外は全て０である。
【００８１】
しかし、図２０に示したような重み関数ｗ（ｓ）２８０を用いて複数のスリットの検出値の加重平均をとることでさらに安定で高精度な高さ検出を実現することができる。次に図２０の重み関数ｗ（ｓ）２８０を用いた場合の実施例について説明する。試料表面の反射率むら起因誤差は、高さ検出光学系のデフォーカスによりその大きさが変化するが、高さ検出光学系のデフォーカスが生じていても、試料面の反射率が均一であれば誤差は生じない。つまり、図１１に示したように、反射率むら起因の誤差を生じるのはパターンの境界部などにスリット光が投影されている場合のみである。このため、デフォーカスしているスリットであっても、試料面の反射率むらの影響のないものであれば、多くのスリットを用いて平均処理を行うことで、境界部の誤差の影響の低減や、その他のノイズなどによる誤差の影響を低減することができる。検出波形の対称性などを用いて投影されたスリット光がパターン境界にかかっているか否かを判断することができれば、そのスリットの検出値を除くことにより高精度な高さ検出が行えるが、図１６（ｂ）で示したように、高さ検出光学系２７２のデフォーカスが生じた状態では、試料面の像は解像しないため、パターン境界の影響を判断することは困難である。これに対し、反射率むらに起因して大きな誤差を生じるデフォーカス状態のスリット光束に対して重みを小さく、誤差を生じにくいフォーカス状態のスリット光束に対して重みを大きくして加重平均を行えば、デフォーカスによる誤差の増大の影響を防ぎ、且つ多くのスリットを使用することによる誤差低減の効果を得ることができるのである。即ち、スリット状光束（格子状光束）の光像の結像状態に適合するように重み関数ｗ（ｓ）に基づく重み付け処理（例えば加重平均）を施すことによって検出誤差の低減を図ることができる。
【００８２】
図２１は本方式を用いた場合の高さ検出結果の一例を示す図である。
図２１（ａ）は、スリット状光束（格子状光束）の光像の結像状態を示す合焦点スリット番号ｓｆ＝−３とした場合の重み関数ｗ（ｓ−ｓｆ）を示した図であり、横軸はスリット番号ｓを示す。
図２１（ｂ）は、合焦点スリットｓｆ（−３）の投影位置に試料表面のパターン境界がある場合における試料面の高さに対応するスリット移動量［ｙｇ（ｓ）−ｙｇｏ（ｓ）］を示す。試料表面は平らで、検出誤差が無い場合における平均スリット移動量を０として示しているため、縦軸は検出誤差となる。四角は、各スリット番号による検出誤差を示す。パターン境界に投影されているスリット番号ｓｆでは、合焦点状態であるにもかかわらず、パターンの影響を受けて、比較的大きな検出誤差を生じる。
また、図２１（ｃ）は、パターン境界がスリット番号＋４の投影位置にある場合における試料面の高さに対応するスリット移動量［ｙｇ（ｓ）−ｙｇｏ（ｓ）］を示す。試料表面は平らで、検出誤差が無い場合における平均スリット移動量を０として示しているため、縦軸は検出誤差となる。四角は、各スリット番号による検出誤差を示す。スリット番号が＋４で示されるパターン境界部は、合焦点スリットｓｆから離れ、デフォーカスの状態であるため、図２１（ｂ）に比べ、大きな検出誤差を生じる。
【００８３】
図２１（ｂ）および図２１（ｃ）の各々に示す場合において、スリット移動量［Δｇ（ｓ）＝（ｙｇ（ｓ）−ｙｇｏ（ｓ））］を単純平均した結果を鎖線で示し、図２１（ａ）に示した重み関数ｗ（ｓ−ｓｆ）を用いて上記（数３５）式で示すような加重平均を行った結果を一点鎖線で示す。図２１（ｂ）に示す場合では、誤差の生じている合焦点スリット光束ｓｆ＝−３に大きな重みを与えるため、加重平均の場合の検出誤差は単純平均よりわずかに大きくなるが、合焦点スリット光束ｓｆ＝−３のみを用いる場合の検出誤差（四角で示される検出誤差）より誤差が低減される。これに対し、図２１（ｃ）に示す場合は、パターン境界におけるスリット光束がデフォーカスしているため、非常に大きな検出誤差を生じ、単純平均では、検出誤差を十分に低減することができない。これに対して図２１（ａ）に示す重み関数ｗ（ｓ−ｓｆ）を用いて上記（数３５）式で示すような加重平均を行った結果では、検出誤差は殆どゼロとなる。このように、上記（数３４）式で示されるように高さ（ｚｅ）に応じて得られる結像状態である合焦点スリットｓｆに適合するように重み付けを行うことにより、広い検出範囲において、安定で高精度な高さ検出を実現することができる。単純平均を行った結果と、本実施の形態によって加重平均を行った場合の高さ検出結果を比較すると、本実施の形態ではパターン境界部における誤差を５０％以下に低減することができた。
【００８４】
次に、この重み関数ｗ（ｓ）は図２０に示した２種類の他にも合焦点スリット周辺の数本を選択するものやガウス関数の標準偏差を変更したものなど、様々なものが考えられる。これらの重みはデフォーカスにより生じる誤差が許容できない大きさになるスリット光束に対する重み付けが十分低くなるように設定すれば良い。通常、デフォーカスの影響は連続的に変化するため、ｗ（ｓ）２８０のような連続的な関数を用いて多くのスリットによる検出値を用いる方が安定な結果を得ることができる。各スリットにおいて、デフォーカスにより生じる誤差を測定すれば、各スリットによる検出値の信頼性の指標とすることができる。例えば、検出誤差の標準偏差を求め、その逆数を信頼性の評価値として、それに比例した重みを与えるような関数を用いて加重平均をすれば、精度の良い高さ検出値が得られる。このように、光学系の仕様や目標精度に応じて適切な重み関数を選択すれば良い。このとき、スリット光束の幅が同じ（デフォーカスの条件が同じ）であれば、スリットピッチｐが小さいほど、使用できるスリット本数ｎが増え、マルチスリットの効果を大きく得ることができる。また、先に述べたように、スリット幅は可能な限り細いものを使用することで、反射率むら起因の誤差を低減することができる。
【００８５】
次に、図２１を用いて、試料面１０６ａが傾いている場合に、高さ検出に与える影響について説明する。
図２２は、図１０の一部拡大図で、２１０は投影レンズ、２１５は検出レンズである。検出レンズ２１５によるイメージセンサ２１４の共役面あるいは合焦面を２１８とすると、この共役面２１８上の投影光のシフトがイメージセンサ２１４上では検出される。試料面１０６ａの高さがｚだけ高くなると、検出光はデフォーカスした状態で試料上で反射することとなる。さらに試料面１０６ａが角度εｒａｄだけ傾くと、いわゆる光てこ効果により２１７で反射した検出光は２εｒａｄだけ余分に傾く。するとイメージセンサの共役面２１８上での検出光の位置は２εｚ・ｃｏｓ（π−２θ）／ｃｏｓθだけ移動する。この移動量を高さに変換するために１／２ｓｉｎθをかけると、試料１０６の傾きεｒａｄによって高さ検出値は−２εｚ／ｔａｎ２θ変化することとなる。これに対し、傾きεｒａｄによって生じるスリット光投影位置２１７と、試料面１０６ａと検出光学系の合焦面２１８との交点２８２との高さ変位も−２εｚ／ｔａｎ２θとなる。すなわち、光てこ効果による検出像の移動と傾きにより生じる実際の高さ変化が互いに打ち消し合うのである。スリット光束が投影される領域近傍の微少な範囲であれば、試料面はほぼ平面であると考えられることから、常にこのような条件が成り立ち、試料面１０６ａの傾きεに関わらず、検出光学系の合焦面２１８と試料面１０６ａの交点２８２に相当する高さが検出される。これは、マルチスリットにより高さ検出を行う場合も同様であり、複数のスリットの移動量は、全て同じ点の高さを示すこととなる。ここで、以下の点に留意する必要がある。図２３に示すように、先の交点２８２とスリット光束の投影位置２１７の間に、試料表面の段差などがある場合には、検出される高さにこの段差が加わることになる。このように、図１０に示す光学系により検出されるマルチスリットの移動量のばらつきは、各スリット投影位置の段差と検出誤差に因るものであり、傾きの影響は受けない。もしも、マルチスリットによる高さ検出値が各スリット光投影位置の高さを反映するのであれば、先の加重平均を行うと、その傾きによって検出値にオフセットを生じることとなるが、このような理由により傾きの影響は無く問題はない。
【００８６】
また、図１０に示すように、試料面の高さ変化ｚにより、スリット光束の投影位置２１７が高さを検出したい位置１１０よりｚ・ｔａｎθだけずれる。各スリットの検出値は試料面の段差を検出するため、投影位置ずれにより高さ検出誤差を生じることとなる。しかし、図１８からわかるように、重みを置くスリット（合焦点スリット）の投影位置は試料面の高さに関わらず常に一定であるため、上記（数３５）式に基づく先の重み付け加重平均の処理を行うことによって、この投影位置ずれの補正をも実現できるのである。
【００８７】
また、要求される検出精度に対して、試料表面に存在する段差が小さい場合には、図２２に示す試料面の傾きによって生じるスリット光束の投影位置ずれは特に問題とならない。このような場合には、マルチスリットの各移動量Δｇ（ｉ）から誤差の大きいもののみを取り除くことで、検出精度の向上がはかれる。先述のように、マルチスリットの移動量のばらつきは、各スリット投影位置の段差と検出誤差に因るものである。そこで、段差が問題とならない程小さければ、得られたマルチスリットの移動量のうち、大きく値の異なるものはパターン境界における検出誤差を大きく含むものと推定される。そこで、はじめに得られた各スリットの移動量を単純に平均し、その平均値と最も大きく値が異なるものを反射率むら起因の誤差を含んでいるもの判断して、これを取り除いて再度平均を行う。これを、残ったスリットの移動量の最大最小の差がある一定の値（しきい値）以下になるまで繰り返せば、誤差の大きなスリットを除いた処理が行える。このしきい値は、試料面に存在する段差の大きさを考慮して決めればよい。この処理では、選択されるスリットが不定となってしまうため、加重平均を行う場合のような投影位置ずれの補正の効果は得られない。また、試料面に大きな段差がある場合や、検出器の電気ノイズなど他の要因による誤差が大きい場合には不安定な結果を示すおそれがあるため、このような場合には図２０あるいは図２１で示したような加重平均処理を用いた方法の方がより良い結果を得られる。
【００８８】
次に、先の実施例における加重平均処理の実施例について説明する。合焦点スリットを求め、加重平均の際の重み付けを行うためには、試料面の高さｚｅが必要（（数３４）式参照）であるが、ここで必要なｚｅはスリット選択のための概略の値でよいため、単純平均によって求めた高さ検出値、または、前回求めた高さをｚｅとして用いればよい。これらの処理を実現する高さ検出手段の構成例を以下に説明する。なお、処理時間が問題とならないのであれば、これらと等価な処理はソフトウェアでも実現することができる。
【００８９】
図２４は、高さ計算手段２００ｂによって、スリット移動量の単純平均によって合焦点スリットの選択を行って試料面の高さを算出する場合の実施例を示す図である。ラインイメージセンサ２１４により検出されたマルチスリット画像検出信号ｙ（ｘ）２４８は、スリット位置検出部２８３によって処理され、各スリットの位置２８４が計算される。ここで、スリット位置検出部２８３は、画像処理により各スリット位置を検出する手段であり、例えば図１９に示したステップＳ１９１〜Ｓ１９４に示す処理を行うことによりスリット移動量ｙｇ（ｉ）を算出する。これら算出されたスリット位置ｙｇ（ｉ）２８４と、予め記憶しておいた基準高さにおけるスリット位置ｙｇｏ（ｉ）２８５の差を減算器２８６により求めて、各スリットの移動量［Δｇ（ｉ）＝（ｙｇ（ｉ）−ｙｇｏ（ｉ））］２８７を得る。このスリット移動量２８７を記憶手段２８９にて一旦記憶しておき、これらの値を加重平均演算部２９０へ入力する。加重平均演算部２９０では、はじめに単純平均（全ての重みが等しい加重平均）［ΣΔｇ（ｉ）／ｎ＝Σ（ｙｇ（ｉ）−ｙｇｏ（ｉ））／ｎ］を行う。単純平均の結果は検出誤差を含むが、試料面１０６ａの高さの概略値ｚｅに相当するスリット移動量（例えば（数３４）式に基づいて合焦点スリットｓｆ（ｚｅ）を算出する。）２９６が得られる。この単純平均の結果（例えば合焦点スリットｓｆ（ｚｅ））はセレクタ２９２に入力され、その結果に基づいて重み係数選択部２９３によって重み係数ｗ（ｓ−ｓｆ）２９４を決定する。重み係数ｗ（ｓ）は予めテーブル２９５に記憶しておき、スリット移動量（例えば合焦点スリットｓｆ（ｚｅ））２９６に応じて、適切なものを選択する。この選択された重み係数ｗ（ｓ−ｓｆ）２９４を加重平均演算部２９０へ入力すると、加重平均演算部２９０はこの重み係数ｗ（ｓ−ｓｆ）２９４と記憶しておいたスリット移動量［Δｇ（ｓ）＝（ｙｇ（ｓ）−ｙｇｏ（ｓ））］２８７とを用いて、加重平均［Σ（Δｇ（ｓ）・ｗ（ｓ−ｓｆ））／Σ（ｗ（ｓ−ｓｆ））］によるスリット移動量（Δｇ）２９７を算出する。この結果（Δｇ）に乗算器２９８を用いて［１／（２ｍ・ｓｉｎθ）］を乗じ、オフセット値を加えて、高さ情報ｚ２９９に変換し、全体制御装置１２０、および焦点制御装置１０９へと出力される。
【００９０】
図２５は、高さ計算手段２００ｂによって、前時刻の検出値を用いて重みづけを行って試料面の高さを算出する場合の実施例を示す図である。図２４と同様にスリットの移動量［Δｇ（ｉ）＝（ｙｇ（ｉ）−ｙｇｏ（ｉ））］２８７を検出するが、検出値の記憶は行わず、その結果を加重平均部２９０へ入力する。一方、重み係数選択部２９３には、遅延回路３００により遅延された前時刻におけるスリット移動量［Δｇ（ｓ）］３０１が入力され、重み係数ｗ（ｓ−ｓｆ）２９４を決定し、加重平均部２９０に入力される。こうして、１時刻前のスリット移動量３０１に基づいて決定された重み係数ｗ（ｓ−ｓｆ）２９４を用いて、現時刻におけるスリット移動量［Δｇ（ｓ）］２８７に対して加重平均［Σ（Δｇ（ｓ）・ｗ（ｓ−ｓｆ））／Σ（ｗ（ｓ−ｓｆ））］を行い、スリットの移動量（Δｇ）２９１を検出し、この結果（Δｇ）に乗算器２９８を用いて［１／（２ｍ・ｓｉｎθ）］を乗じ、オフセット値を加えて、高さ情報ｚ２９９に変換し、全体制御装置１２０、および焦点制御装置１０９へと出力される。即ち、１時刻前のスリット移動量と現時刻のスリット移動量との間に試料面の高さに換算して数１０μｍ程度以下の変動に抑制することができるので、１時刻前のスリット移動量３０１に基づいて重み係数ｗ（ｓ−ｓｆ）２９４を決定したとしても、問題がなく試料面の高さにおける検出誤差として数μｍ程度以下を実現することができる。
【００９１】
次に、図２６を用いて試料１０６の高さの２次元分布を求める実施例について述べる。光源２０１を出射した光は、例えば長方形状のパターンの反復したパターンの描かれたマスク２０３”を照明する。これは、投影レンズ２１０によって試料１０６上の２１７の位置に投影される。試料上に投影されたマルチスリットパターン２１７は検出レンズ２１５でＣＣＤ等の２次元イメージセンサ２１４”上に結像される。検出系の倍率をｍとすると、試料の高さがｚだけ変化するとスリット像は２ｍｚ・ｓｉｎθだけシフトする。このシフト量はスリットが試料を照射する点の高さを反映しているので、これを利用して、マルチスリットの照射範囲における試料面１０６ａの高さ分布を検出することが可能になる。
さて、図２６に示す実施例では、絞り２１１が投影レンズ２１０の前側焦点位置に、絞り２１６が検出レンズ２１５の後ろ側焦点位置におかれている。これは、レンズ２１０と２１５を試料側テレセントリックにして、試料１０６の上下による倍率変動をなくするためである。これによって試料面１０６の高さ変化に伴う倍率変動をおさえ、検出リニアリティーを向上することができる。
また、図２６に示す実施例のように、偏光フィルタ２４０を投影レンズ２１０の前に加えて、Ｓ偏光を選択的に投影するようにしてもよい。これは、絶縁膜等に形成されたパターンについて、ＳＥＭ画像に基づいて検査する場合、絶縁膜が透明膜であるため、該透明膜中での多重反射を防止し、材質間での反射率の違いを抑えて検査できるようにするためである。偏光フィルタ２４０の位置は必ずしも投影レンズ２１０の前である必要はなく、光源２０１と検出器２１４”の間のどこに在ってもほぼ同じ効果を奏する。
【００９２】
ここで、簡単のため、検出光学系の倍率ｍ＝１の場合について説明する。ｍ＝１でない場合はｐをｍ・ｐとすれば良い。
【００９３】
次に、高さ計算手段２００ｂにおいて実行するマルチスリット移動量の検出アルゴリズムについて、図１５および図１９と異なる実施例について説明する。図２７は周期波形の位相変化φを検出する方法を示している。マルチスリット状のパターンのピッチをｐとすると位相変化φ（ｒａｄ）は移動量ｐφ／２πに対応し、これは、高さ変化ｐφ／（２πｍ・ｓｉｎθ）に対応することから、高さ検出は周期波形の位相変化を検出することに帰結される。高さ計算手段２００ｂにおける高さ検出は、積和演算によって実現できる。すなわち、検出波形をｙ（ｘ）とし、関数ｇ（ｘ）＝ｗ（ｘ）ｅｘｐ（ｉ２πｘ／ｐ）との積和を求め、この結果の位相を求めればよい。ここで、ｉは虚数単位、ｗ（ｘ）は重み関数であり、適当な実数の相関関数である。この相関関数ｗ（ｘ）がガウス関数である時、ｗ（ｘ）は特にガボールフィルターと呼ばれるが、両端でなめらかに消失する関数であればｗ（ｘ）はどんな関数でもよい。上の説明では複素関数を用いていたが、実数で表すと以下のようになる。
【００９４】
即ち、ｇｒ（ｘ）＝ｗ（ｘ）・ｃｏｓ（ｉ２πｘ／ｐ）とｇｉ（ｘ）＝ｗ（ｘ）・ｓｉｎ（ｉ２πｘ／ｐ）とを夫々ｙ（ｘ）と積和し、その結果をそれぞれＲとＩとする。するとｙ（ｘ）の位相は次に示す（数３７）式の関係から得られる。当然位相の変化も（数３７）式に基づいて得られることになる。
φ＝ａｒｃｔａｎ（Ｉ／Ｒ）                                  （数３７）
ただし、この位相は−π〜πで折り返してしまうので、前回の検出位相から飛びが生じないよう追跡をして、位相をつなぎ合わせるか、別途ピークの概略位置を求めて、位相の２πオーダーの概略値を求める。なお、重み関数ｗ（ｘ）のは先の実施例における加重平均と同様に、スリット状光束（格子状光束）の光学像の結像状態である合焦点スリットに重みが付くように決定してやればよい。
次に、高さ計算手段２００ｂにおいて実行する別のスリット移動量測定アルゴリズムの実施例について図２８を用いて説明する。図１５および図１９に示す実施例では重心を用いてスリット像の変位を計測していたが、本方法では、スリット像のエッジの位置をもとに高さに換算する。まず図１５および図１９に示す実施例と同様に各スリットのピークの概略位置（ｘ０＋ｐ＊ｉ）と両側の谷の位置（ｘ０＋ｐ＊ｉ−ｐ／２，ｘ０＋ｐ＊ｉ＋ｐ／２）を求め、その振幅［ｙ（ｘ０＋ｐ＊ｉ）−ｙ（ｘ０＋ｐ＊ｉ−ｐ／２），またはｙ（ｘ０＋ｐ＊ｉ）−ｙ（ｘ０＋ｐ＊ｉ＋ｐ／２）］から適当な閾値ｙｔｈを求める。
【００９５】
次に、この閾値ｙｔｈを挟む２点を探し（ｘｊ、ｙｊ）、（ｘｊ＋１、ｙｊ＋１）とする。すると、この二点を結ぶ線分と閾値が交差する点のｘ座標は、ｘｊ＋｛（ｘｊ＋１−ｘｊ）＊（ｙｔｈ−ｙｊ）／（ｙｊ＋１−ｙｊ）｝で表される。この操作をスリットの左右の傾斜部それぞれについて行い、それぞれ閾値と線分の交点の位置を求め、その中点をスリット光束ｉの位置ｙｇ（ｉ）とする。
上記方法は全てスリット光束の位置ｙｇ（ｉ）を求めるという前提で説明したが、かわりに、スリット間の遮光部、すなわち、検出波形の谷の位置を求めて、この位置の移動を検出することによって試料の高さｚを求めることも可能である。このようにすると次のような効果を奏する。試料表面の反射率分布による検出マルチスリットパターンの波形の乱れは、マルチスリット像の山部に反射率境界が一致した場合の方が、谷部に一致した場合に比べて大きくなる。これは、検出される光量分布が試料反射率が一定の時の光量分布と試料の反射率の積によって定まるためである。そのために明るい部分の方が同じ反射率の変化に対する検出光量の変化が起きやすくなる。そこで、波形の乱れの小さい谷部の位置を求めた方が、試料の反射率の状態に左右されずに、小さい誤差でスリット像の位置を検出し、試料の高さを検出することが可能になる。谷部の位置を検出する方法としては、符号を反転した波形−ｙ（ｘ）に対して図１５および図１９に示す重心を求めるアルゴリズム、図２８に示す閾値ｙｔｈを横切る点を補間で求めるアルゴリズム等を利用すればよい。
【００９６】
次に測定位置ずれによる検出誤差について説明する。図１０に示す実施例では、電子光学系視野中心と高さ測定位置１１０とが一致していたが、図２９に示すように電子光学系視野中心２９１と高さ測定位置１１０の間に偏差がある場合には、試料面１０６ａの傾きにより誤差を生じることとなる。そこで測定位置のずれ量が明らかな場合に、検出値を補正して電子光学系視野中心の正しい高さを求めることのできる高さ検出方法の実施例について以下に説明する。
図２２に示す実施例で述べたように、斜方から投影したスリット光束を試料面１０６ａで反射させ、その像の移動量により試料面の高さｚを求める方法では、試料面１０６ａの傾きεに関わらず高さ検出位置は、試料面１０６ａとセンサの共役な面２１８との交点２８２であった。そこで、図３０に示すように、スリット２０３を用いて２つのスリット光束Ａ、Ｂを試料面１０６ａに投影し、それらの反射光の各々をセンサ２１４ａ、２１４ｂの各々で検出する。このとき、ガラス板３０２、３０３により光路長を変化させ、それぞれのスリット光束Ａ、Ｂについて、それぞれ試料面上の投影位置（近接した異なる位置）が、投影光学系２７０の結像位置および検出光学系２７１の合焦点位置と一致するようにする（Ａ’およびＢ’）。このようにすると、１つの高さ検出光学系で２箇所の高さ検出を同時に行うことができる。これら各センサ２１４ａ、２１４ｂからの検出値を単純に平均すれば、Ａ’とＢ’の中間点Ｃの高さを検出することができる。また、図３１に示すように、この光学系によって検出された２点の高さｚＡ，ｚＢを元に、試料面１０６ａの傾きεが求められる。２つの検出位置周辺の狭い範囲では試料面は平面であると考えられるため、近傍にあり、高さ検出器測定位置１１０に対する電子光学系視野中心２９１の位置ずれ量等に基づく明確な任意の点（図３１においては黒丸で示す。）の高さを検出することができる。
【００９７】
図３０に示す実施例のように、測定点１点につき１本のスリット光のみを用いる場合は、図３２に示すように、検出器としてリニアセンサの他に分割センサやＰＳＤなどを利用することもできる。図３２の実施例では、各スリット光束Ａ，Ｂを検出するために、実際のセンサ位置を異ならしめた分割センサ等から構成された２つの検出器２１４’ａ、２１４’ｂを用いることが可能となる。この実施例の場合、ガラス板３０２、３０３は不要となる。また、広範囲な高さ検出が必要な場合には、図３０におけるスリット２０３から得られる２つのスリット光束Ａ、Ｂの夫々を、マルチスリットにして、先の実施例と同様に用いればよい。
【００９８】
また、図３０の実施例に比べると検出精度は落ちるが、同様に２箇所の高さから検出値を補正する方法を図３３に示す。図３３では、投影する光束Ａは１本であるが、試料面１０６ａで反射したスリット光束をビームスプリッター３０５で分岐し、距離の異なる位置に２つのリニアセンサ２１４”ａ、２１４”ｂを配置する。このとき、投影光は試料面１０６ａで結像させる。また検出光学系において２つのセンサ２１４”ａ、２１４”ｂの夫々の共役面（合焦点面１、２）がスリット光の投影位置を中心に対称になるように２つのセンサ２１４”ａ、２１４”ｂを配置する。すると、２つのセンサ２１４”ａ、２１４”ｂの夫々で検出される検出位置１、２は、これら共役面（合焦点面１、２）と試料面１０６ａの交点であるから、図３３に示すように２点の高さをそれぞれ検出することとなる（図３３では、センサ２１４”ａに合焦面１、検出位置１が、センサ２１４”ｂに合焦面２、検出２が対応する。）。そこで図３１の実施例と同様に、これらの検出値を補正して、所望の位置の高さを検出することができる。図３０の実施例の場合と異なり、図３３の実施例では、投影光学系２７０の結像位置と検出光学系２７１の合焦点位置が一致しないため、デフォーカスによって試料面の反射率むら起因誤差は若干大きくなる。図３３の実施例のように、１本のスリット光のみＡを用いる場合は、検出器としてリニアセンサの他にＰＳＤや分割センサなどを利用することもできる。また、図３３におけるスリットをマルチスリットにして、先の実施例と同様に加重平均を行うことで精度向上も可能である。また、図２６の実施例と同様に２次元のセンサ２１４”を用いて、試料面１０６ａの２次元高さ分布を求めることも可能である。
【００９９】
次に、このような位置補正の機能を用いた電子線式検査装置の実施例について説明する。
図３および図４に示すＳＥＭ画像に基づく外観検査の場合には、ある程度広い領域に亘って２次元のＳＥＭ画像を取り込む必要があるため、ステージ１０５を連続移動しながら、ビーム偏向器１０２を駆動して電子線をステージ１０５の移動方向とほぼ直交する方向に走査して二次電子検出器１０４で２次元の二次電子画像信号を検出する必要がある。即ち、ステージ１０５を例えばＸ方向に連続移動しながら、ビーム偏向器１０２を駆動して電子線をステージ１０５の移動方向とほぼ直交するＹ方向に走査し、次にステージ１０５をＹ方向にステップ移動させ、その後ステージ１０５をＸ方向に連続移動しながら、ビーム偏向器１０２を駆動して電子線をステージ１０５の移動方向とほぼ直交するＹ方向に走査して二次電子検出器１０４で２次元の二次電子画像信号を検出する必要がある。
【０１００】
この実施の形態においても、常に高さ検出装置２００により二次電子画像信号を検出する被検査対象物１０６の表面の高さを求めて自動焦点制御を行って、正しい検査結果を得る必要がある。
【０１０１】
しかしながら、高さ検出光学装置２００ａにおけるイメージセンサ２１４の画像蓄積時間、高さ計算手段２００ｂの計算時間、焦点位置制御装置１０９の応答性等により、焦点制御に遅れが生じることになる。そこで、焦点制御に遅れが生じても、二次電子画像信号を検出する被検査対象物１０６の表面に正確に焦点を合わせることが必要となる。焦点制御の時間遅れの間にステージ１０５が移動するため、図２９に示した例と同様の位置ずれが生じることとなる。そこで、先ほどの図３０あるいは図３２あるいは図３３に示した高さ検出装置を用いた位置ずれ補正により、この焦点制御時間遅れによる位置ずれを補正すればよい。例えば、図３０においてステージ１０５を右方向から左方向へと連続移動させるものとする。この場合、図３４に示すように、予め上記遅れ時間を考慮して高さ計算手段２００ｂは上方観察系視野中心１１０より若干右方の高さを算出し、この算出された高さに基づいて、焦点制御装置１０９によって対物レンズ１０３への焦点制御電流または焦点制御電圧を制御して焦点合わせ制御をすればよい。必要な検出位置のシフト量は、上記遅れ時間Ｔとステージ１０５の走査速度（移動速度）Ｖの積ＶＴとなる。このずれ量ＶＴを先の図３１に示した方法により補正すればよい。このような手段により、焦点制御に遅れが生じても、高さ計算手段２００ｂは二次電子画像信号を検出する被検査対象物１０６の表面の高さを算出することになるので、焦点制御装置１０９によって対物レンズ１０３への焦点制御電流または焦点制御電圧を制御して二次電子画像信号を検出する被検査対象物１０６の表面に正確に焦点合わせをすることが可能となる。このとき、時間遅れにより生じた検出位置ずれが生じても、図３４に示すように、検出位置３４１が２つの検出位置（スリットＡの検出位置３４２とスリットＢの検出位置３４３）の間に入るようにセンサ２１４ａ〜２１４”ａ、２１４ｂ〜２１４”ｂの検出位置間隔を設定しておけば、位置ずれ補正は必ず２点の内挿補間となり、安定な検出が可能となる。
【０１０２】
図３４に示した実施例では、ステージ２の走査方向とマルチスリットの投影―検出方向がほぼ平行という前提の検出時間遅れ補正方法を示したが、次にステージの走査方向とマルチスリットの投影―検出方向にかかわらず、使用できる検出時間遅れ補正方法について説明する。ラインイメージセンサ２１４、２１４”は、ある時間Ｔ１の間に蓄積した画像信号を出力するので、Ｔ１の期間の平均的な画像が得られると考えて良い。即ち、ラインイメージセンサ２１４、２１４”から得られるデータは、Ｔ１／２の時間遅れをもつ。更に、画像を、計算機から構成される高さ計算手段２００ｂで処理するために、一定の時間Ｔ２が必要である。合計で、（Ｔ１／２）＋Ｔ２の時間だけ、過去の情報を高さ検出値は示していることになる。高さ計算手段２００ｂは、図３５に示すように、一定の間隔で得られる検出値をＺ−ｍ，Ｚ−（ｍ−１），…Ｚ−２，Ｚ−１，Ｚ０とすると、これらのデータから現在の高さＺｃを推定することができる。例えば、図３５で示すように、最新の検出値Ｚ０と一つ前の目の検出値からこれを直線で外挿補間して次に示す（数３８）式によって求めることができる。
【０１０３】
Ｚｃ＝Ｚ０＋（（Ｚ０）−（Ｚ−１））×（（Ｔ１／２）＋Ｔ２）／Ｔ１        （数３８）
勿論、外挿補間直線を３ヶ以上の点Ｚ−ｍ，Ｚ−（ｍ−１），…Ｚ−２，Ｚ−１，Ｚ０に対して誤差が小さくなるようにあてはめて求めても良いし、これらの点に対して２次関数、３次関数等をあてはめて求めても良い。これらの外挿補間方法は数学的によく知られており、どの方式を使うかは高さ検出値の変化の大きさ、ばらつきの大小によって最適なものを選べば良い。
別な実施例として、高さ検出値を補間して出力する場合を説明する。間隔Ｔ１で高さ検出値がステップ状に変化した場合、これを使って電子線にフィードバックをかけると、電子線像の質が間隔Ｔ１で急に変化するので好ましくないことがある。この場合、Ｚｃを補間して短い時間間隔で少しずつ変化される方が良い。この場合、外挿補間高さ検出値Ｚｃの他に、更に時刻ａよりＴ１だけ後の高さ外挿補間値Ｚｃ’も同様に求める。図３６に示す実施例では、次に示す（数３９）式によって求める。
【０１０４】
Ｚｃ＝（Ｚ−１）＋（（（Ｚ−１）−（Ｚ−３））／（２Ｔ１））×２．５Ｔ１
Ｚｃ’＝（Ｚ０）＋（（（Ｚ０）−（Ｚ−２））／（２Ｔ１））×２．５Ｔ１      （数３９）
これらＺｃとＺｃ’とを用いて時刻ａよりｔだけ後の高さＺ１を内挿補間を用いて次に示す（数４０）式によって求めることができる。
Ｚ１＝Ｚｃ＋（Ｚｃ’−Ｚｃ）ｔ／Ｔ１                                                        （数４０）
以上によって、ＣＣＤ蓄積時間と高さ計算時間に伴う検出時間遅れを補正し、被検査対象物１０６の高さが刻々と変化する場合にも、誤差の小さい高さ検出値を得て、安定に電子線を制御する電子光学系にフィードバックをかけることが可能である。
【０１０５】
次に、試料表面の高さ分布を予め求めておく方法について説明する。これまでの実施例では、検査あるいは測定の際に試料面の高さを検出し、その情報を用いて電子ビームの焦点合せや偏向補正を行うものであった。しかし、高さ検出が十分な速さで行えない場合や、時間遅れの補正が十分に行えない場合には、予め試料表面の高さ分布を調べて記憶しておき、その情報に基づいて焦点調節などを行うこともできる。
図２の実施例に示した電子線検査装置において、検査開始前に全体制御部１２０からの指令に基づいて、ステージ制御装置１２６を制御して、ステージ１０５により試料を移動させる。移動した各点において高さ検出装置２００により試料面高さを検出し、レーザ測長系１０７により得られたステージ位置とともに高さ検出結果を全体制御系１２０を介して記憶装置１４２に記憶しておく。このとき、高さ検出は試料表面全ての点で行う必要はなく、適当な間隔で測定しておけばよい。対象とする試料の形状や保持方法によっても異なるが、高さ変化が比較的緩やかな場合には、その高さ変化の周期に応じた適当な間隔で高さを検出し、それらを補間する事で試料面全体の高さ分布を得ることができる。検査中はレーザ測長系１０７によって常に試料位置を知ることができるので、全体制御部１２０によって予め記録しておいた高さ分布から、当該位置の高さを焦点制御装置１０９へと入力することにより、検査と同時に高さ検出を行う場合と同じように電子線の焦点調節および偏向補正を行うことができる。
【０１０６】
また、予め高さ検出情報を得ておく焦点調節方法は、図２に示す実施例のように、高さ検出手段を持ち得ない場合にも応用することができる。例えば、高さ分布のかわりに各試料面高さに対して電子光学系の最適な焦点制御電流あるいは焦点制御電圧を求めることができれば、これらの値を高さ情報と同様に補間することで同様の効果を得ることができる。各点において荷電粒子検出器である二次電子検出器１０４によって検出される荷電粒子線像である二次電子画像信号（ＳＥＭ画像信号）が最も鮮明となる焦点制御電流または焦点制御電圧を焦点制御装置１０９から得て測定する。このとき、荷電粒子線像である二次電子画像（ＳＥＭ画像）の鮮明度は、二次電子検出器１０４によって検出され、Ａ／Ｄ変換器３９（１２２）で変換されたデジタルＳＥＭ画像信号または前処理回路４０で前処理されたデジタルＳＥＭ画像信号を、全体制御部１２０に入力して表示手段１４３に表示するか、画像メモリ４７に格納して表示手段５０に表示して目視、または全体制御部１２０に入力されたＳＥＭ画像におけるエッジ部での画像の変化率を求める画像処理等により決定する。このようにして得られた最適な制御電流あるいは制御電圧の値を補間することでも焦点制御を行うことはできるが、後述する図４２に示す実施例で示すような校正パターン１３０をＸＹステージ１０５上に設置して用いれば、試料面高さと制御電流の間の非線形性が補正でき、高さ検出器なしで試料面の高さ情報を得ることもできる。
【０１０７】
図３７には、緩やかに表面高さが変化する試料について、高さ検出およびその補間を行う場合の実施例を示す。図３７（ａ）は、試料１０６の断面形状であり、試料全体のうねりの他に、その表面にはパターン３０６による段差３０７がある。図３７（ｂ）および（ｄ）は、同図（ａ）の断面図に、高さ測定点３０８を示したもので、同図（ｃ）、および（ｅ）は、これらの検出結果を１次補間した結果３０９であり、点線で断面形状３１０を示してある。図３７（ｂ）、（ｃ）では、常に段差の上部のみで高さを検出しているため、補間結果は良好である。しかし、図３７（ｄ）、および（ｅ）では高さ測定位置が段差の上部と底部の両方を含んでいるために、うまく断面形状を得ることができない。このような理由から、高さ検出値の補間によって試料面の高さ分布を求める際には、その表面の段差が同じ点を選択して検出を行う必要があることがわかる。なお、図３７では、簡単のため１次補間の結果を示したが、更に高次の補間を行うことにより、より滑らかで精度のよい結果を得ることができる。図５に示したように、本発明の電子線式検査装置が対象としている半導体ウェハの表面には、チップ３ａが多数配列されている。チップ３ａの中にはメモリマット部３ｃと周辺回路部３ｂがあり、通常この２つの領域ではその表面高さが異なる。そこで、この試料表面のレイアウトに応じて、先の高さ測定位置を決定する。全てのチップにおいて同じ領域である点を選択するためには、選択する点の間隔をチップ３ａの間隔と等しいか、あるいはその整数倍とすればよい。
【０１０８】
しかし、通常半導体装置のチップの間隔は十数ミリメートルにおよぶため、高さ変化が急激な場合には、更に細かな間隔で高さ検出を行う必要がある。この場合には、例えば図３８に示すように、チップ３ａの間隔を基本ピッチとして、それと同ピッチで位相の異なる点において高さを検出すればよい。このとき、パターン上部のみを選択するには、高さ測定点の位相を次のように決めればよい。図３８に示すように、まず、チップ内に複数のメモリマット部がある場合には、これらを順にメモリマット部１、メモリマット部２、．．．、メモリマット部ｉとし、これらの幅をｗｉ、メモリマット部ｗ１とｗｉの間の距離をｄ１ｉとする。このメモリマット部１の中央を基準位置として、測定点の基本ピッチをチップ間隔と等しくし、これをｐｃとすると、位相ｐｈの取り得る範囲は、次の（数４１）で与えられる。
【０１０９】
ｐｈ＝｛ｘ｜ｄ１ｉ−ｗｉ／２＜ｘ＜ｄ１ｉ＋ｗｉ／２｜｝  （ｉ＝１，２，．．．，ｍｍ）                                                  （数４１）
ここで、ｍｍは、チップ間隔をｐｃとしたときのチップ内のメモリマット部の個数である。この（数４１）の範囲内で、適当な間隔で測定点を選べば、常にメモリマット部状の点を測定点として選ぶことができる。
通常、半導体装置の外観を検査する装置では、検査対象ウェハの製品や工程毎に検査条件を記録した条件ファイルを用いて検査を行う。この検査条件ファイルには、検査対象ウェハのチップや、チップ内のメモリマット部のレイアウトなどの情報が含まれており、これらの情報を用いれば、先の高さ検出位置のピッチや位相の範囲を決定することができる。また、検査開始時には電子線画像あるいは図７に示した構成であれば光学顕微鏡１１８の画像などを用いて試料の位置決めを行うため、検査条件ファイルの位置が試料上のどの位置に対応するのかを知ることもできる。試料の位置決め終了後、試料表面の状態に応じて高さ検出位置を選択してやることで、安定に試料表面の高さ分布を得ることができる。なお、図３８では、１方向ｘ方向のみについて示したが、ｙ方向についても同様に高さ測定位置を選択すればよい。
【０１１０】
また、図３９に示したように段差の上部のみで高さを検出すると、段差底部を観察する場合には焦点が合わなくなってしまう。電子顕微鏡の焦点深度に対して問題のない程度の段差であればよいが、段差が大きい場合には問題となる。そこで、図３９に示すように、位相をずらして、パターン底部の点３１１の高さも同時に検出する。次に、得られた高さ検出値のうち、パターン上部のもののみで補間を行い、試料面全体の高さ分布を求める。補間により得られた高さ分布からパターン底部にあたる点３１１における高さ推定値を得て、これを高さ検出装置２００で実際に測定した値と比較すれば、パターンによる段差を計算することができる。試料面全体で段差が一様な場合にはこれらを平均すれば段差を求めることができる。この段差情報を用いて、パターン底部を観察する場合のみ先のパターン上部の高さ分布から段差を差し引いたものを試料面高さとして、焦点合わせを行えば良い。また、段差が試料表面全体にわたって変化する場合には、底部における高さ検出値のみを用いて段差上部と同様に高さ分布を得て、これらを組み合わせて使用すればよい。パターン底部における高さ検出位置の選択も、パターン底部の幅および、基準に対する位置を用いて上記（数４１）式により決定すればよい。
【０１１１】
このようにして得られた高さ分布の情報を表示手段１４３を用いて操作者に知らせることもできる。例えば、図４０に示すように、試料面の高さ分布の等高線表示３１２を行ったり、任意の断面を指定して、その断面形状３１３や変位の最大−最小３１４を表示することが可能となる。また、検査装置の設計仕様を越えるような非常に大きな試料面の変位や傾きといった、予期せぬ状態が検出された場合は、その旨の警告を表示するといった機能を持たせることもできる。特に、形状が変化しないような方法で試料を保持している場合であれば、このような機能により、試料の形状に関する情報を操作者に与えることができる。
【０１１２】
次に、図２、または図３、または図４、または図７に示す外観検査用ＳＥＭ装置も含む観察用ＳＥＭ装置、測長用ＳＥＭ装置等において、荷電粒子光学系（対物レンズ１０３）の焦点制御電流または焦点制御電圧と焦点位置の校正方法に関する実施例について説明する。制御電流と焦点位置の関係が非線形である場合には非線形性の補正が必要となる。線形性の評価および補正値を決定する方法について説明する。図４２に示すような校正用の標準パターン１３０を図４１に示すように被検査対象物１０６を保持したステージ１０５上の試料台に固定して配置しておく。校正用の標準パターン１３０は、荷電粒子線である電子線１１２の走査により帯電しないよう導電性の材料で作成する。
【０１１３】
校正時には、全体制御部１２０からの指令に基づいてステージ制御装置１２６を制御して、この校正用の標準パターン１３０を上方観察系光軸１１０を中心とした観察領域へ移動させる。全体制御部１２０は、この標準パターン１３０を使用して、各点において荷電粒子検出器である二次電子検出器１０４によって検出される荷電粒子線像である二次電子画像信号（ＳＥＭ画像信号）が最も鮮明となる焦点制御電流または焦点制御電圧を焦点制御装置１０９から得て測定する。このとき、荷電粒子線像である二次電子画像（ＳＥＭ画像）の鮮明度は、二次電子検出器１０４によって検出され、Ａ／Ｄ変換器３９（１２２）で変換されたデジタルＳＥＭ画像信号または前処理回路４０で前処理されたデジタルＳＥＭ画像信号を、全体制御部１２０に入力して表示手段１４３に表示するか、画像メモリ４７に格納して表示手段５０に表示して目視、または全体制御部１２０に入力されたＳＥＭ画像におけるエッジ部での画像の変化率を求める画像処理等により決定する。ところで、校正用の試料面（校正用の標準パターン１３０）の実高さ寸法は既知なので、この高さ情報を入力手段（図示せず）を用いて入力することにより、全体制御部１２０は、上記測定により図４３（ａ）に示すように試料面実高さ寸法と最適な焦点制御電流または焦点制御電圧との関係を求めることができる。同時に高さ検出光学装置２００ａおよび高さ計算手段２００ｂによって、校正用の標準パターン１３０の高さの測定を行うことにより、全体制御部１２０は、図４３（ｂ）に示すように試料面実高さ寸法と高さ検出光学装置２００ａおよび高さ計算手段２００ｂによって測定される高さ検出値との関係を表す校正曲線を求める。この２つの校正曲線から、全体制御部１２０は、高さ検出光学装置２００ａおよび高さ計算手段２００ｂによる検出値から焦点のあった荷電粒子線像を撮像するための最適な焦点制御電流または焦点制御電圧の値がわかる。また、全体制御部１２０は、試料面高さ寸法と高さ検出光学装置２００ａ等による検出値、試料面実高さ寸法と焦点制御電流または焦点制御電圧の２組の校正曲線を別個に求める代わりに、図４３（ｃ）に示す高さ検出光学装置２００ａ等による検出値と焦点制御電流または焦点制御電圧との間の校正曲線を直接求めても良い。この場合、校正用の標準パターン１３０の実高さ寸法を知る必要はない。
【０１１４】
即ち、図４５に示すように、校正用の標準パターン１３０を用いて校正される。ステップＳ３０において、校正が開始される。ステップＳ３１において、全体制御部１２０は、ステージ制御装置１２６に指令し、校正用の試料片１３０の位置ｎを電子光学系の光軸１１０にもってくる。次に、ステップＳ３２とステップＳ３３〜Ｓ３８とを並列に実行する。ステップＳ３２において、全体制御部１２０は、高さ計算手段２００ｂに高さ検出指令を出し、無補正の高さ検出Ｚｄｎを得る。同時に、ステップＳ３３において、全体制御部１２０は、焦点制御装置１０９に指示を出し、電子光学系（対物レンズ１０３）の焦点制御信号をＩｉに合わせる。次に、ステップＳ３４において、全体制御部１２０は、偏向制御装置１０８に指示を出し、電子線を１次元または２次元に走査する。次に、ステップＳ３５において、全体制御部１２０は、画像処理手段１２４に指示し、取得されたＳＥＭ画像を処理し、画像の鮮明度Ｓｉを求める。次にステップＳ３６において、電子光学系（対物レンズ１０３）の焦点制御信号Ｉｉにおけるｉ＝ｉ＋１に変えて、ステップＳ３７においてｉ≦Ｎｎになるまで、ステップＳ３３〜Ｓ３５を繰り返して、各々の焦点制御信号Ｉｉにおける画像の鮮明度Ｓｉを求める。次に、ステップＳ３７においてｉ≦ＮｎがＮＯとなると、ステップＳ３８において、全体制御部１２０は、画像の鮮明度Ｓｉが最大となる焦点制御信号Ｉｎを求める。
【０１１５】
次に、ステップＳ３９において、全体制御部１２０は、画像処理手段１２４に指示し、校正用の試料片１３０における各高さＺｎにおける像倍率補正、像回転補正等からなる像歪補正パラメータを求め、記憶手段１４２に格納する。次にステップＳ４０において、試料片１３０上の位置ｎをｎ＝ｎ＋１に変えて、ステップＳ４１においてｎ≦Ｎｎになるまで、ステップＳ３１〜Ｓ３９を繰り返して、各試料片の高さＺｄｎにおける画像の鮮明度が最大となる焦点制御信号Ｉｎと、像倍率補正、像回転補正等からなる像歪補正パラメータを求める。次に、ステップＳ４１においてｎ≦ＮｎがＮＯとなると、ステップＳ４２において、全体制御部１２０は、無補正の高さ検出値Ｚｄｎと各試料片の高さＺｄｎにおける画像の鮮明度が最大となる焦点制御信号Ｉｎから図４３（ｃ）に示す校正曲線を得るか、または試料片１３０の各位置ｎの実高さ寸法Ｚｎが既知ならば、Ｚｄｎ、Ｚｎ、Ｉｎから図４３（ａ）（ｂ）に示す校正曲線を得る。そして、ステップＳ４３において、全体制御部１２０は、上記校正曲線のパラメータ（例えば、多項式近似の係数）を求め、記憶手段１４２に格納して終了（Ｓ４４）となる。
なお、図４２に示した校正用の標準パターン１３０は、その両端が平坦になっており、この２カ所において校正を行うことによって、ゲインやオフセットの校正も可能である。この校正用の標準パターン１３０は、校正曲線の形状は安定してるが、ゲインやオフセットのみがドリフトする場合に迅速な校正が行える点で有効である。校正曲線の形状が非常に安定でこれが他の方法により校正できる場合には、図４４（ａ）に示すように段差が一段の標準パターンで光学式の高さ検出光学装置２００ａと対物レンズ１０３への制御電流との間のゲインとオフセットの校正をすれば良い。また、校正曲線の形状が２次関数で近似出来るような単純な形状の場合には図４４（ｂ）に示すように２段の段差を持つ標準パターンを用いれば良い
また、ＳＥＭ装置などの荷電粒子線装置がＺステージを有する場合には、図４２、図４４に示すような標準パターンではなく、通常の段差のないパターンのみで、Ｚステージを移動させて高さを検出し、画像を評価することにより高さ検出光学装置２００ａと対物レンズ１０３への制御電流の校正を行うことができる。この場合、Ｚステージによる焦点調節も可能であるが、ステージの応答速度が観察箇所を変更する速度に対して十分でない場合には、ステージを固定しておいて対物レンズ１０３の制御電流により焦点調節を行うことも可能である。
図２または図３に示すＳＥＭ装置において、以上説明したように求められた校正パラメータを用いて校正してＳＥＭ画像に基づく外観検査することについて、図４６に示す処理フローに基づいて説明する。即ち、ステップＳ７０において、開始される。次に、ステップＳ７１において、全体制御部１２０は、記憶手段１４２から校正パラメータを取り出して、高さ計算手段２００ｂに高さ検出装置校正パラメータをロードし、焦点制御装置１０９に高さ−焦点制御信号校正パラメータをロードし、偏向制御装置１０８に像倍率補正等の像歪補正パラメータをロードする。
【０１１６】
次に、ステップＳ７２において、全体制御部１２０は、ステージ制御装置１２６に指示し、ステージ走査開始位置へステージを移動する。次に、ステップＳ７３とステップＳ７４とステップＳ７５とステップＳ７６とを並列に実行する。ステップＳ３７において、全体制御部１２０は、ステージ制御装置１２６に指示し、該ステージ制御装置１２６により被検査対象物１０６を載置したステージ２を定速駆動制御する。同時に、ステップＳ７４において、全体制御部１２０は、高さ計算手段２００ｂに指示し、該高さ計算手段２００ｂにより高さ検出光学装置２００ａから得られる実時間高さ検出と高さ検出装置校正パラメータに基づく補正検出高さの情報１９０を焦点制御装置１０９、および偏向制御装置１０８へ出力する。更に同時に、ステップＳ７５において、全体制御部１２０は、焦点制御装置１０８、および偏向制御装置１０９へ指示し、該焦点制御装置１０８、および偏向制御装置１０９の各々により電子線のスキャンと補正検出高さに基づく高さ−焦点制御信号校正パラメータによる焦点制御、補正検出高さに基づく像倍率補正等の像歪補正パラメータによる偏向歪み補正を連続して行う。更に同時に、ステップＳ７６において、全体制御部１２０は、画像処理手段１２４に指示し、該画像処理手段１２４により連続して得られるＳＥＭ画像を求めて外観検査を行う。  次に、ステップＳ７７において、ステージ走査終了位置で、全体制御部１２０は、画像処理手段１２４から受け取った検査結果を表示手段１４３に表示したり、記憶手段１４２に格納したりする。次に、ステップＳ７８において、検査終了しない場合には、ステップＳ７２に戻ることになる。ステップＳ７８において、検査終了となると終了となる（ステップＳ７９）。
【０１１７】
以上説明した実施の形態では、ＳＥＭ装置（電子線装置）について説明したが、収束イオンビーム装置等のほかの収束荷電ビーム装置にも適用することが可能である。その場合、電子銃１０１をイオン源に代えれば良い。そして、この場合、二次電子検出器１０４は必ずしも必要でないが、イオンビームによる加工状態をモニタするために、１０４の位置に二次電子検出器あるいは二次イオン検出器をおいても良い。また、電子線を用いた描画装置も含めた広義の加工装置にも適用可能である。この場合、二次電子検出器１０４は必ずしも必要でないが、加工状態のモニタ、試料の位置合わせのために、同様に用いることが望ましい。
また、通常の光学顕微鏡、光学式外観検査装置および光露光装置のような光学装置でも、その焦点位置を制御する機構があれば同様に本高さ検出装置を用いて自動焦点機構を構成できることは明らかである。焦点合わせのために試料を上下させるのではなく光学系の焦点位置を変化させるような装置の場合は、本高さ検出装置のもつ広範囲で高精度の高さ検出ができるという特性の効果が特に大きくなる。図４７は、この場合の実施の形態を示す図である。図２と異なる点のみ説明する。１９１が光学装置の光源で、レンズ１９６、ハーフミラー１９５、対物レンズ１９３を通して、試料１０６に照明光が照射される。この像は対物レンズ１９３を通り、ハーフミラー１９５で反射され、レンズ１９７を介して画像検出器１９４上に像を結ぶ。このとき、対物レンズ１９３の焦点を試料１０６の表面に合わせる必要がある。このとき高さ検出器２００をもっていれば高速の焦点あわせを実現出来る。この図に示す実施の形態では、対物レンズ１９３を上下させて焦点あわせを行っているが、かわりにステージ１０５を上下させてもよい。ただし、対物レンズ１９３を上下させる場合のほうが、本高さ検出器２００の広い計測範囲で高精度が得られる特性の効果をより発揮できる。あるいは、１９１、１９３、１９５、１９６、１９７、１９４からなる光学系全体を上下させて焦点合わせを行っても勿論よい。図４７の構成に図２および図３に示す画像処理手段１２４等を付加して光学式の外観検査装置を構成してもよい。更に、図４７に示す実施の形態の構成を用いて、レーザー加工機を構成しても勿論よい。
【０１１８】
【発明の効果】
本発明によれば、電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像歪みやデフォーカスによる解像度の低下などを低減して電子線像（ＳＥＭ像）の質を向上させることができ、その結果電子線像（ＳＥＭ像）に基づく検査や測長を、高精度で、且つ高信頼性でもって実行することができる効果を奏する。
また、本発明によれば、光学式高さ検出装置で検出される被検査対象物の表面の高さ情報と電子光学系の焦点制御電流または焦点制御電圧、および像倍率誤差等の像歪との間の校正パラメータを求めておくことにより、被検査対象物から像歪みのない最も鮮明な電子線像（ＳＥＭ像）を得て、該電子線像（ＳＥＭ像）に基づく検査や測長を、高精度で、且つ高信頼性でもって実行することができる効果を奏する。
また、本発明によれば、電子線式の検査装置において、被検査対象物の表面の高さ検出と電子光学系に対する制御とを実時間で実行できることにより、連続的なステージ移動による画像歪みのない高解像度の電子線画像（ＳＥＭ画像）を得て検査が可能となり、検査性能およびその安定性を向上でき、しかも検査時間を短縮できる効果を奏する。特に、検査時間の短縮は、被検査対象物が半導体ウエハの如く、大口径化に対して有効である。
また、本発明によれば、収束荷電粒子線を用いた観察加工装置においても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子線画像検査において半導体ウエハ等の被検査対象物に対して焦点合わせをする必要性を説明するための図である。
【図２】本発明に係る電子線装置（ＳＥＭ装置）の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図３】本発明に係る電子線検査装置（ＳＥＭ検査装置）の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図４】本発明に係る電子線検査装置（ＳＥＭ検査装置）の一実施の形態を示す具体的構成図である。
【図５】本発明に係る半導体メモリが形成された半導体ウエハを示す図である。
【図６】本発明に係る電子線検査装置（ＳＥＭ検査装置）において比較検査する検出画像ｆ１（ｘ，ｙ）と比較画像ｇ１（ｘ，ｙ）とを示す図である。
【図７】本発明に係る電子線検査装置（ＳＥＭ検査装置）の他の実施の形態を示す具体的構成図である。
【図８】図４および図７に示す前処理回路を具体的に示した図である。
【図９】図８に示す前処理回路で補正する内容を説明するための図である。
【図１０】本発明に係る高さ検出装置における高さ検出光学装置の第１の実施例を示す図である。
【図１１】マルチスリットによる検出誤差低減原理を説明するための図である。
【図１２】半導体ウエハ等に存在する絶縁膜等の透明膜による多重反射によって発生する検出誤差を説明するための図である。
【図１３】半導体ウエハ等に存在するシリコンとレジスト（絶縁膜等の透明膜）とにおける入射角に対する反射率の変化を示す図である。
【図１４】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算手段で処理する高さ検出アルゴリズムの一実施例を説明するための図である。
【図１５】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算手段で処理する高さ検出アルゴリズムの一実施例を説明する処理フロー図である。
【図１６】本発明に係る高さ検出装置における高さ検出光学系のデフォーカスと試料表面における反射率むらに起因する誤差について説明するための図である。
【図１７】本発明に係る高さ検出装置におけるマルチスリットと高さ検出光学系の焦点位置の関係を説明するための図である。
【図１８】本発明に係る高さ検出光学装置の実施例において、検出誤差が最小となるスリット光束を示す図である。
【図１９】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算手段で処理する高さ検出アルゴリズムの他の一実施例である重み関数に基づく重み付け処理を説明するための処理フロー図である。
【図２０】本発明に係る高さ検出装置において、各スリットの検出値を加重平均する際の重み関数の例を示す図である。
【図２１】本発明に係る高さ検出装置において、試料表面高さに応じた加重平均を行うことによる、高さ検出誤差低減の効果を説明するための図である。
【図２２】本発明に係る高さ検出光学装置の実施例において、試料の傾きによる検出誤差の無いことを説明するための図である。
【図２３】本発明に係る高さ検出光学装置の実施例において、スリット光投影位置における試料表面段差の影響を説明するための図である。
【図２４】本発明に係る高さ検出光学装置において、マルチスリットの加重平均による高さ検出処理手段を具体的に示した図である。
【図２５】本発明に係る高さ検出光学装置において、前時刻の検出値を用いたマルチスリットの加重平均による高さ検出処理手段を具体的に示した図である。
【図２６】本発明に係る高さ検出光学装置による面上の高さ分布を計測する構成例を示す図である。
【図２７】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算手段で処理する高さ検出アルゴリズムであるガボールフィルターによりマルチスリットパターンの位置を検出する実施例を説明するための図である。
【図２８】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算手段で処理する高さ検出アルゴリズムであるスリットのエッジ位置を計測する実施例を示す図である。
【図２９】本発明に係る高さ検出光学装置において、測定位置ずれにより生じる高さ検出誤差について説明するための図である。
【図３０】本発明に係る高さ検出光学装置の別の実施例であり、同時に２ヵ所の高さを検出できる高さ検出光学装置の構成を示す図である。
【図３１】本発明に係る高さ検出装置において２つの高さ検出値により、測定位置ずれを補正する方法を説明する図である。
【図３２】本発明に係る高さ検出光学装置の実施例であり、同時に２ヵ所の高さを検出できる高さ検出光学装置の別の構成を示す図である。
【図３３】本発明に係る高さ検出光学装置の別の実施例であり、同時に２ヵ所の高さを検出できる高さ検出光学装置の構成を示す図である。
【図３４】本発明に係る高さ検出装置において２つの高さ検出値により、高さ検出時間遅れにより生じる測定位置ずれを補正する方法を説明する図である。
【図３５】本発明に係る高さ検出装置において、ステージの走査方向とマルチスリットの投影―検出方向にかかわらず、使用できる検出時間遅れ補正方法を説明するための図である。
【図３６】本発明に係る高さ検出装置において、ステージの走査方向とマルチスリットの投影―検出方向にかかわらず、使用できる検出時間遅れ補正方法を説明するための図である。
【図３７】本発明に係る試料表面の高さ検出方法において、高さ測定位置と検出値の補間結果の関係を説明するための図である。
【図３８】本発明に係る試料表面の高さ検出方法において、パターン上部のみを測定点として選択する方法を説明するための図である。
【図３９】本発明に係る試料表面の高さ検出方法において、パターンの上部および底部を測定点として選択する方法を説明するための図である。
【図４０】本発明に係る自動検査装置において、操作者に示す試料表面の高さ分布の情報の実施例を示す図である。
【図４１】Ｘ−Ｙステージ上に校正用の標準パターンを配置した電子線装置等を示す図である。
【図４２】傾斜部分のある校正用の標準パターンの一実施例を示す斜視図である。
【図４３】本発明に係る電子線装置等において校正用の標準パターンを用いて求めた校正曲線を説明するための図である。
【図４４】校正用の標準パターンの他の実施例を示す斜視図である。
【図４５】校正用のパラメータを求める処理フローを示す図である。
【図４６】本発明に係る電子線検査装置において、ステージを定速駆動して校正用のパラメータを用いて補正しながら検査する概略フローを示す図である。
【図４７】本発明に係る光学式外観検査装置の一実施の形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
８…グランド電極、２４…伝送手段、３２…コンデンサレンズ、３７…リターディング電極、３８…グランド電極、４０…前処理回路、１００…電子線装置（検査室）、１０１（３１）…電子源、１０２（３４）…偏向素子（走査偏向器）、１０３（３３）…対物レンズ、１０４…二次電子検出器、２、１０５…ステージ、１０６…試料（被検査対象物）、１０７…レーザ測長系、１０８…偏向制御装置、１０９…焦点制御装置、１１０…上方観察系の光軸、１１５…検出部、１１６…電子光学系、１１７…電子検出部、１１８…グリッド、１１９…試料室、１２０…全体制御部、１２０’…補正制御回路、１２１…線源電位調整手段、１２２（３９）…Ａ／Ｄ変換器、１２３…画像メモリ、１２４…画像処理手段（画像処理回路）、１２５…試料台電位調整手段、１２６…ステージ制御装置、１２７…グリッド電位調整手段、１３０…標準パターン（校正用試料）、１４２…記憶装置、１４３…表示手段、２００…高さ検出装置、２００ａ…高さ検出光学装置、２００ｂ…高さ計算手段、２０１…光源、２０２…コンデンサレンズ、２０３…マルチスリットマスク（、２０５…ハーフミラー、２０６…反射鏡、２１０…投影レンズ、２１１…投影絞り、２１３…シリンドリカルレンズ、２１４…ラインイメージセンサ、２１４”…２次元センサ、２１４ａ、２１４”ａ、２１４ｂ、２１４”ｂ…リニアセンサ（検出器）、２１４’ａ、２１４’ｂ…分割センサ、２１５…検出レンズ（結像用レンズ）、２１６…検出絞り、２１７…スリット光投影位置、２４０…偏光フィルタ、２８０…重み関数ｗ（ｓ）、２８１…重み関数ｗ２（ｓ）、３０２、３０３…ガラス板、３０５…ビームスプリッター、３０６…パターン部、３０７…段差、３０８…高さ測定点、３０９…高さ測定結果、３１０…試料面断面形状、３１１…段差底部の検出位置、３１２…高さ分布等高線表示、３１３…断面形状表示、３１４…断面最大値−最小値表示
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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