(57)【要約】【課題】高速で試料表面を検査することができる３次元測定装置及び検査装置を実現する。【解決手段】本発明による３次元測定装置は、光源装置（１，２，３）からライン状の照明ビームを発生する。照明光学系（４，５）を介して試料表面（６）を走査する。試料から出射したライン状の反射ビームは、結像光学系（８，９）を介してその結像面上にスリット像を形成する。結像光学系の結像面に、２個のラインセンサ（１０，１１）により構成される光検出手段を配置する。光検出手段からの出力信号に基づいて試料表面の高さ方向の変位情報及び試料表面の２次元画像情報を出力する信号処理回路とを具える。信号処理回路は、２つのラインセンサの対応する受光素子の出力信号間の差分信号を出力する手段（３３）及び加算信号を出力する手段（３４）を有し、差分信号に基づいて試料表面の高さ方向の変位情報を出力し、前記加算信号に基づいて試料表面の２次元画像情報を出力する。【選択図】  図１
2008309532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライン状の照明ビームを発生する光源装置と、
光源装置から出射したライン状照明ビームを、試料表面に対して斜めに投射する照明光学系と、
試料表面から出射した反射光を集光して結像面上に結像する結像光学系と、
前記結像光学系の結像面に配置され、試料表面から出射したライン状の反射ビームを受光する光検出手段と、
前記試料を支持すると共に当該試料をライン状照明ビームの延在方向と直交する方向に移動させるステージと、
光検出手段からの出力信号に基づいて試料表面の高さ方向の変位情報及び試料表面の２次元画像情報を出力する信号処理回路とを具え、
前記光検出手段は、前記ライン状照明ビームの延在方向に沿って配列された複数の受光素子を有する第１及び第２のラインセンサにより構成され、
前記信号処理回路は、２つのラインセンサの対応する受光素子の出力信号間の差分信号を出力する手段及び加算信号を出力する手段を有し、差分信号に基づいて試料表面の高さ方向の変位情報を出力し、前記加算信号に基づいて試料表面の２次元画像情報を出力することを特徴とする３次元測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元測定装置において、前記第１及び第２のラインセンサは、前記結像光学系の結像面上に互いに直接隣接するように配置され、２つラインセンサの各受光素子は、ラインセンサの境界線をはさんで互いに対向するように配置されていることを特徴とする３次元測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の３次元測定装置において、前記結像光学系と２つのラインセンサとの間に、試料表面から出射したライン状反射ビームを分割するビームスプリッタを配置し、ビームスプリッタにより分割された一方の反射ビームを第１のラインセンサにより受光し、他方の反射ビームを第２のラインセンサにより受光することを特徴とする３次元測定装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の３次元測定装置において、前記ステージの位置を検出するステージ位置検出手段を有し、前記ラインセンサの受光素子の位置情報及びステージ位置検出手段から出力されるステージ位置情報に基づいて試料表面のアドレス情報を出力し、当該アドレス情報と前記差分信号出力とに基づいて試料表面の高さ方向の変位分布を出力することを特徴とする３次元測定装置。
【請求項５】
請求項１、２、３又は４に記載の３次元測定装置において、前記光源装置、照明光学系、結像光学系、及び光検出手段を支持部材上に保持し、当該支持部材には、試料ステージをその試料支持面と直交する方向に駆動する駆動機構を連結し、前記差分信号から焦点誤差信号を形成し、得られた焦点誤差信号に基づいて前記駆動機構を作動させてフォーカス制御を行うことを特徴とする３次元測定装置。
【請求項６】
試料表面を光学的に検査する検査装置であって、
ライン状の照明ビームを発生する光源装置と、
光源装置から出射したライン状照明ビームを、試料表面に対して斜めに投射する照明光学系と、
試料表面から出射した反射光を集光して結像面上に結像する結像光学系と、
前記結像光学系の結像面に配置され、試料表面から出射したライン状の反射ビームを受光する光検出手段と、
前記試料を支持すると共に当該試料をライン状照明ビームの延在方向と直交する方向に移動させるステージと、
光検出手段からの出力信号に基づいて試料表面の高さ方向の変位を検出して欠陥検出信号を出力する信号処理回路とを具え、
前記光検出手段は、前記ライン状照明ビームの延在方向に沿って配列された複数の受光素子を有する第１及び第２のラインセンサにより構成され、
前記信号処理回路は、２つのラインセンサの対応する受光素子の出力信号間の差分信号を出力する手段、及び差分信号を基準信号と比較する比較手段を有し、比較手段による比較結果に基づいて欠陥判定を行うことを特徴とする検査装置。
【請求項７】
請求項６に記載の検査装置において、前記信号処理回路は、さらに、２つのラインセンサの対応する受光素子の出力信号間の加算信号を出力する手段と、加算信号を基準信号と比較する比較手段とを有し、比較手段からの出力結果に基づいて欠陥判定を行うことを特徴とする検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料表面の面内測定及び高さ方向の変位測定を行う３次元測定装置に関するものある。
さらに、本発明は、試料表面を検査する検査装置にも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
LSIの高密度化に伴い、デバイスの製造工程で用いられるマスクブランクスやガラス原版について高い平面精度が要求されている。例えば、マスクブランクスの表面に微細な凹凸やうねりが存在すると、半導体ウェハ上にパターンが正確に投影されず、デバイスの製造歩留りに悪影響を及ぼすおそれがある。また、レベンソン型の位相シフトマスクでは、位相シフタとしてガラス基板に１００ｎｍ程度の深さの凹所がエッチングにより形成されており、この凹所の深さを正確に測定する必要がある。これら微細な凹所や段差並びに高さ方向の変位分布は、例えばマッハツエンダ型の干渉計により測定されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２４１１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
干渉計は、試料表面の高さ方向の変位を位相差として検出するため、試料表面の数ｎｍ程度の微小な変位を検出することが可能である。しかしながら、干渉計は、光学系を構成する光学素子を高い取付け精度で取り付ける必要があり、その製造公差も微小であるため、製造性に難点がある。また、ノマルスキープリズムやマッハツエンダ型の干渉計の価格が高価であるため、干渉計が搭載された測定装置や検査装置の製造コストが高価になる欠点があった。
さらに、半導体ウェハの表面検査やマスクブランクスの検査には高いスループットが要求されているため、試料表面を高速で３次元測定できる検査装置の開発が強く要請されている。
【０００４】
本発明の目的は、高速で試料表面を検査することができる３次元測定装置及び検査装置を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、干渉計を用いることなく、干渉計と同程度の高い分解能で試料表面を３次元測定でき、比較的安価に製造できると共に製造上の作業性も比較的容易な３次元測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による３次元測定装置は、ライン状の照明ビームを発生する光源装置と、
光源装置から出射したライン状照明ビームを、試料表面に対して斜めに投射する照明光学系と、
試料表面から出射した反射光を集光して結像面上に結像する結像光学系と、
前記結像光学系の結像面に配置され、試料表面から出射したライン状の反射ビームを受光する光検出手段と、
前記試料を支持すると共に当該試料をライン状照明ビームの延在方向と直交する方向に移動させるステージと、
光検出手段からの出力信号に基づいて試料表面の高さ方向の変位情報及び試料表面の２次元画像情報を出力する信号処理回路とを具え、
前記光検出手段は、前記ライン状照明ビームの延在方向に沿って配列された複数の受光素子を有する第１及び第２のラインセンサにより構成され、
前記信号処理回路は、２つのラインセンサの対応する受光素子の出力信号間の差分信号を出力する手段及び加算信号を出力する手段を有し、差分信号に基づいて試料表面の高さ方向の変位情報を出力し、前記加算信号に基づいて試料表面の２次元画像情報を出力することを特徴とする。
【０００６】
本発明は、いわゆる「光テコ」の原理に基づいて試料表面の高さ方向の変位を測定する。試料表面が高さ方向に変位すると、ライン状の照明ビームにより形成されるスリット像は、試料表面の変位量に応じて、結像光学系の結像面上において一方向に変位する。そこで、本発明では、結像光学系の結像面上に２つのラインセンサを配置する。２つのラインセンサの各受光素子は、スリット像の変位方向と直交する方向に配列する。このようにラインセンサを配置すると、試料表面の高さ方向の変位に応じて一方の受光素子に入射する光量が増大し、他方の受光素子に入射する光量は低下する。よって、対応する２個の受光素子の出力信号間の差分信号を形成することにより、試料表面の高さ方向変位又は深さ方向の変位に対応した出力信号を得ることができる。また、対応する２個の受光素子の加算信号を形成することにより、試料表面の輝度情報が出力される。さらに、ラインセンサは、一方向に沿って多数の受光素子（例えば１０２４個の受光素子）が配列されているから、受光素子の位置情報を用いることにより、試料表面の高さ方向の変位分布及び２次元画像情報の両方が出力される。
【０００７】
従って、ライン状の照明ビームにより試料表面を１回走査するだけで、試料表面の高さ方向の変位分布が出力されると共に２次元画像情報が出力されるので、高速で試料表面を検査することが可能である。この結果、高いスループットが要求される検査装置に有用な３次元測定装置が実現される。
【０００８】
本発明による３次元測定装置の好適実施例は、第１及び第２のラインセンサは、前記結像光学系の結像面上に互いに直接隣接するように配置され、２つラインセンサの各受光素子は、ラインセンサの境界線をはさんで互いに対向するように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による３次元測定装置の別の好適実施例は、結像光学系と２つのラインセンサとの間に、試料表面から出射したライン状反射ビームを分割するビームスプリッタを配置し、ビームスプリッタにより分割された一方の反射ビームを第１のラインセンサにより受光し、他方の反射ビームを第２のラインセンサにより受光することを特徴とする。
【００１０】
本発明による３次元測定装置の別の好適実施例は、ステージの位置を検出するステージ位置検出手段を有し、前記ラインセンサの受光素子の位置情報及びステージ位置検出手段から出力されるステージ位置情報に基づいて試料表面のアドレス情報を出力し、当該アドレス情報と前記差分信号出力とに基づいて試料表面の高さ方向の変位分布を出力することを特徴とする。
【００１１】
本発明による３次元測定装置の別の好適実施例は、光源装置、照明光学系、結像光学系、及び光検出手段を支持部材上に保持し、当該支持部材には、試料ステージをその試料支持面と直交する方向に駆動する駆動機構を連結し、前記差分信号から焦点誤差信号を形成し、得られた焦点誤差信号に基づいて前記駆動機構を作動させてフォーカス制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
本発明による検査装置は、試料表面を光学的に検査する検査装置であって、
ライン状の照明ビームを発生する光源装置と、
光源装置から出射したライン状照明ビームを、試料表面に対して斜めに投射する照明光学系と、
試料表面から出射した反射光を集光して結像面上に結像する結像光学系と、
前記結像光学系の結像面に配置され、試料表面から出射したライン状の反射ビームを受光する光検出手段と、
前記試料を支持すると共に当該試料をライン状照明ビームの延在方向と直交する方向に移動させるステージと、
光検出手段からの出力信号に基づいて試料表面の高さ方向の変位を検出して欠陥検出信号を出力する信号処理回路とを具え、
前記光検出手段は、前記ライン状照明ビームの延在方向に沿って配列された複数の受光素子を有する第１及び第２のラインセンサにより構成され、
前記信号処理回路は、２つのラインセンサの対応する受光素子の出力信号間の差分信号を出力する手段、及び差分信号を基準信号と比較する比較手段を有し、比較手段による比較結果に基づいて欠陥判定を行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明による検査装置は、試料表面の高さ方向の変位に対して数ｎｍ程度の高い分解能を有するので、マスクブランクスや半導体ウェハの表面を高精度に検査することが可能である。特に、積層型のLSIの製造に用いられるマイクロバンプの検査装置として高い有用性を有している。さらに、試料表面を１回走査するだけで、試料表面の高さ方向の変位分布及び２次元画像情報が出力されるので、試料を高速で検査することが可能になる。さらに、干渉計を用いることなく干渉計と同程度の高い分解能で検査できるので、製造コストが大幅に低減されると共に組み立て作業性も大幅に改善される。
【００１４】
本発明による検査装置の好適実施例は、信号処理回路は、さらに、２つのラインセンサの対応する受光素子の出力信号間の加算信号を出力する手段と、加算信号を基準信号と比較する比較手段とを有し、比較手段からの出力結果に基づいて欠陥判定を行うことを特徴とする。本発明による検査装置では、対応する受光素子の出力信号の差分信号を形成することにより試料表面の高さ変位が検出され、対応する受光素子の出力信号の加算信号を形成することにより試料表面の２次元画像情報が出力される。よって、試料表面の高さ方向変位と共に試料表面の所定の位置に所定の部材が形成されているか否かも同時検査することが可能である。例えば、表面に多数のマイクロバンプが形成されている半導体ウェハを検査する場合、所定の高さのバンプが形成されているか否か検査できると共に各バンプが所定の位置に形成されているか否かも同時に検査することが可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による３次元測定装置では、試料表面をライン状の照明ビームで１回走査するだけで、試料表面の３次元形状情報及び２次元画像情報の両方を出力することが可能である。この結果、試料表面を高速で検査することが可能である。
また、干渉計を用いることなく、試料表面高さ方向の変位分布を数ｎｍの分解能で検出することができるので、製造の作業性及び製造コストが大幅に低減した３次元測定装置及び検査装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明による３次元測定装置の一例を示す線図である。照明光源１から出射した照明光を集光レンズ２を介してスリット３に向けて投射する。照明光源として、例えばキセノンランプ、水銀ランプ、ハロゲンランプ、レーザ等を用いることができる。スリット３は、紙面と直交する方向に延在する幅５μｍ程度の細長い開口部３ａを有する。よって、スリット３から、紙面と直交する方向（Ｘ方向とする）に延在するライン状の照明ビームが出射する。ライン状の照明ビームは、第１及び第２のレンズ４及び５を含む照明光学系を介して集束したライン状の照明ビームに変換され、試料６に斜めに入射する。試料表面に対する照明ビームの入射角度は、例えば４５°に設定し、試料表面上におけるライン状照明ビームのビーム幅は、例えば５μｍに設定する。
【００１７】
試料６はＸＹステージ７上に保持され、ＸＹステージ７をＸ方向と直交するＹ方向にスキャンすることにより、試料６の表面は集束したライン状の照明ビームにより２次元的にスキャンされることになる。試料６の表面から出射したライン状の反射ビームは、対物レンズ８及び結像レンズ９を含む結像光学系を介してその結像面上に結像する。この結像面に光検出手段を配置する。従って、光検出手段の光入射面上にスリット３の開口部３ａの像であるスリット像が形成される。本例では、光検出手段として、２つのラインセンサ１０及び１１を用いる。第１及び第２のラインセンサ１０及び１１は、ライン状反射ビームの延在方向、すなわちＸ方向に配列した複数（例えば、１０２４個）の受光素子を有し、互いに直接隣接するように配置する。従って、これらラインセンサは、その境界線が反射ビームの延在方向と一致し、その光入射面は結像光学系の結像面上に位置する。第１及び第２のラインセンサ１０及び１１の各受光素子は、ラインセンサの境界線を挟んで互いに対向し、ｉ番目の受光素子はＸ方向の同一の位置に位置する。
【００１８】
照明光源１から２つのラインセンサ１０及び１１に至る光路中に配置した光学素子は、支持部材１２上に装着する。支持部材１２は、ステージ７の試料支持面と直交する方向（Ｚ軸方向）に延在する２本のレール（図示せず）に移動可能に支持されると共に、偏心カムとサーボモータを含む駆動機構１３を連結する。サーボモータは、駆動回路１４から供給される駆動信号により駆動され、後述する焦点誤差信号に応じてＺ軸方向に変位する。従って、焦点誤差信号に基づいてフォーカス制御することにより、ライン状の照明ビームを試料表面上にトラッキングさせることができる。
【００１９】
ＸＹステージ７には、ＸＹ駆動機構１５が連結され、駆動回路から供給される駆動信号によりＸ及びＹ方向に移動する。従って、試料６は、ライン状の照明ビームにより２次元的に走査される。さらに、ＸＹステージ７には、位置検出器１６を設け、ステージのＸ方向及びＹ方向の位置が検出され、ステージ位置検出信号として信号処理回路に供給する。
【００２０】
図２は、２つのラインセンサ１０及び１１上に形成される反射ビームの形態（スリット像）を示す。本発明による３次元測定装置は、いわゆる「光テコ」の原理を利用して試料表面と直交する方向（試料表面の高さ方向及び深さ方向：Ｚ軸方向）の変位を検出する。すなわち、図１において、試料６の表面が高さ方向又は深さ方向に変位すると、例えば試料表面に微小な凸部が存在したり、又は試料表面に微小な凹部が存在すると、当該部位から出射する反射ビームは、高さ方向の変位量に応じて変位し、スリット像は、２つのラインセンサの境界線と直交する方向に変位する。このスリット像の変位を図２Ａ〜Ｃに示す。図２において、破線は反射ビームにより形成されるスリット像を示す。図２Ａは、照明ビームが試料表面上にトラッキングしている状態を示す。この場合、反射ビームによるスリット像の中心は、２つのラインセンサの境界線２０上に位置する。一方、試料表面が高さ方向に変位すると、スリット像は図１のｂ方向に変位し、光検出手段上には図２Ｂに示すように変位する。また、試料表面が深さ方向に変位すると、スリット像は図１のａ方向に変位し、光検出手段上において図２Ｃに示すように変位する。従って、第１のラインセンサ１０の受光素子１０−ｉからの出力信号ａ-ｉと、対応する第２のラインセンサ１１の受光素子１１−ｉからの出力信号ｂ-ｉとの差分信号（ａ-ｉ−ｂ-ｉ）を検出することにより、試料表面の高さ情報を得ることができる。この場合、試料表面が凸状の場合と凹状の場合とでは、スリット像の変位方向が反転するため、差分信号の符号から凸状か凹状かを判定することができる。また、各受光素子の配列位置は、Ｘ方向の位置を示すので、受光素子の配列位置情報と差分出力とに基づき、試料表面の高さ方向の変位分布が出力される。
【００２１】
次に、試料表面の高さ方向変位に対する感度についてのシュミュレーション結果について説明する。図３Ａは、２つのラインセンサの光入射面上に形成されるスリット像の光量プロファイルのシュミュレーション結果を示す。横軸は結像面上におけるスリット像の変位方向の相対位置を示し、縦軸は相対光量値を示す。シュミュレーションに用いたパラメータは以下の通りである。
スリット３の開口部の幅：５μｍ
照明光の波長：５５０ｎｍ
対物レンズの開口数（ＮＡ）：０．１３
横倍率：１
シュミュレーション結果を図３Ａに示す。
【００２２】
図３Ｂは、受光素子の幅を５μｍに設定した場合の理論的な感度域を示し、結像面におけるスリット像の変位量に対して第１のラインセンサの受光素子の出力ａ-ｉと第２のラインセンサの対応する受光素子の出力ｂ-ｉとの差分値（ａ-ｉ−ｂ-ｉ）の変化を示す。縦軸は差分値を相対光量として示し、横軸は光入射面上の相対位置を示す。差分値の正のピークから負のピークまでの距離は６．４μｍであり、この範囲において、差分値は、ほぼ線形に変化している。従って、この感度域において試料表面の高さ方向の変位分布が測定可能である。尚、試料表面に対する照明ビームの入射角が４５°の場合、6．4×(1/√2)
≒4．5μｍとなり、試料表面の４．５μｍにわたる高さ方向の変位が測定される。試料表面の高さ方向の変位と結像面上の変位との関係を図４に示す。尚、階調を１０ビットに設定すると、分解能は、
４５００ｎｍ÷１０２３≒４．４ｎｍとなる。すなわち、ｎｍオーダの分解能で試料表面の高さ方向の変位を測定することが可能である。
【００２３】
ここで、試料表面におけるＸ方向の位置情報はラインセンサの受光素子の配列位置により特定され、Ｙ方向の位置情報はステージに設けた位置検出器１６から出力される位置検出信号により特定され、高さ方向の変位は２つのラインセンサの受光素子の差分信号により特定される。従って、これらの出力情報を用いることにより、試料表面の３次元形状が測定される。
【００２４】
次に、試料表面の２次元画像について説明する。本発明では、Ｘ方向に延在するライン状の照明ビームを用い、ステージ７をＹ方向に移動させて試料表面を２次元的に走査する。この際、Ｘ方向の位置情報はラインセンサの受光素子の配列位置により特定され、Ｙ方向の位置はステージ７の位置情報により特定される。従って、２つのラインセンサ１０及び１１の互いに対応する２つの受光素子加算出力（ａ-ｉ＋ｂ-ｉ）を輝度値とし、ラインセンサの受光素子の配列位置をＸ方向の位置座標とし、ステージの位置をＹ方向の位置座標とすることにより、試料表面の２次元画像が撮像される。試料表面の２次元画像は、例えば試料表面に異なる反射率の部材が存在する場合に有益な情報が得られる。例えば、半導体ウェハの表面上に金属配線やバンプが形成されている場合、２次元画像情報から金属配線やバンプの幅や形態を観察することができる。さらに、パターンマッチング法を利用することにより、バンプや金属配線が所定に位置に形成されているか否かも検査することができる。
【００２５】
さらに、対応する２つの受光素子の差分値から求められる高さ方向の変位量出力と２次元画像出力とを組み合わすことにより、試料表面の特性を含む３次元画像が測定される。
【００２６】
図５は、試料表面の画像情報を出力する信号処理回路の一例を示すブロック図である。第１のラインセンサ１０の各画素の出力信号は順次読み出され、前置増幅器３１で増幅され、Ａ／Ｄ器３２によりデジタル信号に変換して減算器３３及び加算器３４にそれぞれ供給する。第２のラインセンサ１１の各画素の出力信号も同様に順次読み出され、前置増幅器３５で増幅され、Ａ／Ｄ器３６によりデジタル信号に変換して減算器３３及び加算器３４にそれぞれ供給する。減算器３３において、第１のラインセンサの画素の出力信号と第２のラインセンサの対応する画素の出力信号との差分を形成し、差分値を第１の画像メモリ３７に供給する。加算器３４において、第１のラインセンサの画素の出力信号と第２のラインセンサの対応する画素の出力信号とが加算処理され、加算出力を第２の画像メモリ３８に供給する。第１及び第２の画像メモリ３７及び３８には、２つのラインセンサの各画素の位置情報を出力するピクセルカウンタ３９からの計数信号及びＸＹステージ７のＹ方向の位置情報を示すステージ位置カウンカ４０からの計数信号も各画素のアドレス情報として供給する。
【００２７】
従って、第１の画像メモリ３７には、試料表面の高さ情報又は深さ情報が各画素ごとに記憶され、第１の画像メモリ３７から試料表面の３次元形状情報が出力される。また、第２の画像メモリ３８には、試料表面の２次元輝度情報が各画素ごとに記憶され、第２の画像メモリ３８から試料表面の２次元画像情報が出力される。
尚、各画素の高さ情報として、差分値（ａ-ｉ−ｂ-i）を用いたが、差分値を加算値で除算して正規化した差分値を用いることもできる。
【００２８】
本発明は、３次元測定装置として実現されるだけでなく、試料表面を検査するための検査装置としても実現可能である。以下、検査装置として利用する場合の信号処理回路の実施例について説明する。図６は、検査装置の信号処理回路の一例を示す線図である。尚、図５で用い構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して説明する。減算器３３から順次出力される試料表面の高さ方向の変位量に相当する差分信号（ａ-ｉ−ｂ-i）を移動平均回路５０に供給して高さ方向の移動平均を求め、その出力を差分検出回路５１に供給する。減算器３３の出力は差分検出回路５１にも供給する。差分検出回路５１は、高さ方向の変位の移動平均と各画素の高さ方向の位置と移動平均との差分を検出し、その出力を第１の比較器５２に供給する。第１の比較器において、試料表面の高さ位置の移動平均と各画素の高さ位置との差が所定の閾値を超える場合、当該画素の部分は凹状又は凸状の欠陥があるものと判定し、欠陥メモリ５３に記憶する。
【００２９】
欠陥メモリ５３には、ピクセルカウンタ３９から出力されるＸ方向の位置情報及びステージ位置カウンタ４０から出力されるＹ方向の位置情報も供給する。従って、欠陥メモリ５３には、検出された欠陥及びそのアドレスが記憶される。
【００３０】
減算器３３の出力はローパスフィルタ５４に供給して、試料表面の高さ方向の低周波成分を検出し、その出力を第２の比較器５５に供給し、所定の閾値と比較し、閾値を超える場合欠陥と判定する。この欠陥判定出力も欠陥メモリ５３に供給する。ローパスフィルタからの出力により、試料表面のうねりに相当する情報が出力されるので、ローパスフィルタの出力を閾値と比較して欠陥判定することにより、試料表面の比較的広い範囲にわたる緩やかに変位する欠陥情報が得られる。
【００３１】
減算器３３及び加算器３４の出力信号を正規化回路５６に供給し、各画素の正規化された高さ方向変位量（ａ-ｉ−ｂ-i）／（ａ-ｉ＋ｂ-i）を検出する。正規化された高さ方向の変位量を第３の比較器において閾値と比較し、閾値を超えた場合欠陥と判定する。この場合、試料表面の微細な凹凸を欠陥として検出することができる。
尚、正規化回路５６からの出力信号は、焦点誤差信号に相当するから、当該出力信号に基づいて光学系支持部材１２をＺ軸方向に駆動する駆動機構１３の駆動信号を生成することができる。
【００３２】
加算器３４の加算出力はパターンマッチング回路５８に供給する。パターンマッチング回路５８には、基準画像発生器５９から出力される当該試料表面の基準画像情報である基準画像信号も供給し、試料の２次元画像情報に相当する加算出力と基準画像情報との整合性を求める。得られた相関値を第４の比較器６０に供給し、相関値が所定の閾値を超えた場合、欠陥と判定する。この欠陥検査により、試料表面の所定部位の所定のパターンが形成されているか否かが検出される。
【００３３】
上述した欠陥検査方法では、１つの試料における試料表面の高さ方向の変位及び２次元画像情報を所定の閾値と比較することにより、欠陥判定を行ったが、半導体ウェハのように、１つの試料中に多数の素子ないしチィップやダイが形成されている場合、ダイ対ダイ比較方式又はチィップ対チィップ比較方式により欠陥判定を行うことも可能である。さらに、データベースに記憶されている試料表面の設計情報との比較検査であるダイ対データベース比較検査により欠陥判定を行うことも可能である。例えば、ローパスフィルタからの出力信号又は正規化回路からの出力信号を比較検査の基準信号として用い、ダイ対ダイ又はチィップ対チィップ比較により欠陥判定することも可能である。
【００３４】
本発明による検査装置は、例えば半導体ウェハの反りやフラットネスを検査するのに好適である。さらに、ウェハ表面に形成されるバンプの検査にも好適である。特に、本発明による３次元測定装置は、数ｎｍの高さ方向分解能を有しているから、スタック型のLSIの製造に用いられるウェハ上に形成されるマイクロバンプを高分解能で高速で検査する検査装置として有効である。
【００３５】
図７は本発明による３次元測定装置又は検査装置の光学系の変形例を示す線図である。図１で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して説明する。本例では、結像光学系と光検出手段との間にビームスプリッタ７０を配置する。このビームスプリッタ７０は、柱状の三角プリズムを３個組み合わしたビームスプリッタで構成され、各三角プリズム７１〜７３は、頂角が９０°の断面２等辺三角形のプリズムとする。試料表面からのライン状の反射ビームは、第１のプリズム７１と第２のプリズム７２との界面で一部が透過し、残りのビーム部分は反射する。透過したビーム成分は、第２プリズム７２と第３のプリズム７３との界面において一部が透過し、残りのビーム部分は反射する。結像光学系の結像面と共役な面上に第１のラインセンサ１０及び第２のラインセンサ１１をそれぞれ配置する。試料表面の高さ方向の変位に応じて、ラインセンサ１０に形成されるスリット像は矢印ａ又はｂ方向に変位し、ラインセンサ１１上に形成されるスリット像は矢印ｃ又はｄ方向に変位する。従って、２つのラインセンサの互いに対応する受光素子間の出力信号の差分を検出することにより、試料表面の高さ方向の変位が測定され、また、互いに対応する受光素子の出力信号の加算値を検出することにより試料表面の２次元画像が形成される。
【００３６】
第１のプリズム７１と第２のプリズム７２との間の界面で反射し、第１のプリズムの光入射面７１ａで反射し、光出射面７１bから出射した試料表面からの反射ビームの光路上にオートフォーカスの引き込み用の２個のフォトダイオード７４ａ及び７４ｂを配置する。これら２個のフォトダイオードは比較的大きな受光面積を有し、その差信号に基づいてフォーカス制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による３次元測定装置の光学系の構成を示す線図である。
【図２】２つのラインセンサ上に形成されるスリット像の形態を示す線図である。
【図３】２つのラインセンサ上に形成される光学像のフロファイルと理論感度を示すグラフである。
【図４】試料表面の高さ方向の変位と反射ビームの変位との関係を示す線図である。
【図５】本発明による３次元測定装置の信号処理回路の一例を示す図である。
【図６】本発明による検査装置の信号処理回路の一例を示す図である。
【図７】光学系の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  光源
２  集光レンズ
３  スリット
４  コリメータレンズ
５  照明レンズ
６  試料
７  ステージ
８  対物レンズ
９  結像レンズ
１０  第１のラインセンサ
１１  第２のラインセンサ
１２  支持部材
１３  駆動機構
１４  駆動回路１
１５  ＸＹ駆動機構
３１，３５  前置増幅器
３２，３６  Ａ／Ｄ変換器
３３  減算器
３４  加算器
３７，３８  画像メモリ
３９  ピクセルカウンタ
４０  ステージ位置カウンタ
【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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