(57)【要約】【目的】高精度の計測を行うことができるフォーカス合わせ装置及び方法並びにかかるフォーカス合わせを備えた検査装置を提供することを目的とする。【構成】本発明の一態様のフォーカス合わせ装置は、フォトマスク１０１の光学像を受光して光電変換する検査用センサー１０５とフォーカス用センサー１０６と、上述した光学像を検査用センサー１０５上に結像させる拡大光学系１０４と、拡大光学系１０４から光学像を分岐して、フォーカス用センサー１０６上に結像させるハーフミラー１６０と、各センサーが出力した画像信号を入力し、両画像信号の高域成分を用いて、光学像のフォーカス位置を検出するフォーカス検出回路１４４と、検出されたフォーカス位置に基づいて、拡大光学系１０４のフォーカスを制御するフォーカス制御回路１４６と、を備えたことを特徴とする。本発明によれば、光量低下を抑制しながら高精度な検査を行うことができる。【選択図】        図１
2007322482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体の光学像を受光して光電変換する第１と第２のセンサーと、
前記光学像を前記第１のセンサー上に結像させる第１の光学系と、
前記第１の光学系から前記光学像を分岐して、前記第２のセンサー上に結像させる第２の光学系と、
前記第１のセンサーにより光電変換された第１の画像信号と前記第２のセンサーにより光電変換された第２の画像信号とを入力し、前記第１と第２の画像信号の高域成分を用いて、前記光学像のフォーカス位置を検出するフォーカス検出部と、
前記フォーカス検出部により検出されたフォーカス位置に基づいて、前記第１の光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御部と、
を備えたことを特徴とするフォーカス合わせ装置。
【請求項２】
前記第１と第２のセンサーに結像される光学像の倍率を同一にすることを特徴とする請求項１記載のフォーカス合わせ装置。
【請求項３】
前記フォーカス制御部は、前記フォーカス検出部により検出されたフォーカス位置から所定の値だけオフセットさせて前記第１の光学系のフォーカスを制御することを特徴とする請求項１記載のフォーカス合わせ装置。
【請求項４】
被検査体の光学像を第１のセンサー上に結像させる第１の結像工程と、
前記第１のセンサー上に結像される前記光学像を光電変換する第１の変換工程と、
前記光学像を分岐して、分岐された光学像を第２のセンサー上に結像させる第２の結像工程と、
前記第２のセンサー上に結像される前記光学像を光電変換する第２の変換工程と、
前記第１のセンサーにより光電変換された第１の画像信号と前記第２のセンサーにより光電変換された第２の画像信号とを入力し、前記第１と第２の画像信号の高域成分を用いて、前記光学像のフォーカス位置を検出するフォーカス検出工程と、
検出された前記フォーカス位置に基づいて、前記第１の光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御工程と、
を備えたことを特徴とするフォーカス合わせ方法。
【請求項５】
被検査体の光学像を受光して光電変換する第１と第２のセンサーと、
前記光学像を前記第１のセンサー上に結像させる第１の光学系と、
前記第１の光学系から前記光学像を分岐して、前記第２のセンサー上に結像させる第２の光学系と、
前記第１のセンサーにより光電変換された第１の画像信号と前記第２のセンサーにより光電変換された第２の画像信号とを入力し、前記第１と第２の画像信号の高域成分を用いて、前記光学像のフォーカス位置を検出するフォーカス検出部と、
前記フォーカス検出部により検出されたフォーカス位置に基づいて、前記第１の光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御部と、
フォーカスされた前記光学像から光電変換された前記第１の画像信号を用いて、所定の参照画像信号と比較する比較部と、
を備えた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、フォーカス合わせ装置、フォーカス合わせ方法及び検査装置に係り、例えば、半導体製造等に用いるマスクに形成されたパターンの欠陥を検査するパターン検査装置や、かかる装置に用いるフォーカス合わせ機構又はその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の高集積化及び大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅はますます狭くなってきている。これらの半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（マスク或いはレチクルともいう。以下、マスクと総称する）を用いて、例えば、所謂ステッパと呼ばれる縮小投影露光装置でウェハ上にパターンを露光転写して回路形成することにより製造される。
【０００３】
ここで、多大な製造コストのかかるＬＳＩの製造にとって、歩留まりの向上は欠かせない。しかし、一方で１ギガビット級のＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に代表されるように、ＬＳＩを構成するパターンは、サブミクロンからナノメータのオーダーになろうとしている。このような中で、歩留まりを低下させる大きな要因の一つとして、半導体ウェハ上に超微細パターンをフォトリソグラフィ技術で露光、転写する際に使用されるマスクのパターン欠陥があげられる。近年、半導体ウェハ上に形成されるＬＳＩパターン寸法の微細化に伴って、パターン欠陥として検出しなければならない寸法も極めて小さいものとなっている。さらに、実際に作製された半導体ウェハ上に形成されるＬＳＩパターンの検査も重要であり、検出しなければならない寸法も同様に極めて小さいものとなっている。また、マルチメディア化の進展に伴い、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ：液晶ディスプレイ）上に形成されるＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：薄膜トランジスタ）等のパターンの微細化も進んでいる。従って、極めて小さいパターン欠陥を広範囲に検査することが要求されるようになってきている。よって、ＬＳＩ製造に使用される転写用マスクや製作された半導体ウェハやＬＣＤを製作する時に用いられるフォトマスクの欠陥を検査するパターン検査装置の高精度化が必要とされている。
【０００４】
ここで、従来のパターン検査装置では、拡大光学系を用いてリソグラフィマスク等の試料上に形成されているパターンを所定の倍率で撮像した光学画像と、設計データ、あるいは試料上の同一パターンを撮像した光学画像と比較することにより検査を行うことが知られている。
【０００５】
例えば、パターン検査方法として、同一マスク上の異なる場所の同一パターンを撮像した光学画像データ同士を比較する「ｄｉｅ  ｔｏ  ｄｉｅ検査」や、マスクパターンを描画する時に使用したＣＡＤデータを検査装置入力フォーマットに変換した描画データ（設計パターンの情報）をベースに設計画像データを生成して、それとパターンを撮像した測定データとなる光学画像データとを比較する「ｄｉｅ  ｔｏ  ｄａｔａｂａｓｅ検査」がある。かかる検査装置における検査方法では、試料はステージ上に載置され、ステージが動くことによって光束が試料上を走査し、検査が行われる。試料には、光源及び照明光学系によって光束が照射される。試料を透過あるいは反射した光は光学系を介して、センサー上に結像される。センサーで撮像された画像は測定データとして比較回路へ送られる。比較回路では、画像同士の位置合わせの後、測定データと参照データとを適切なアルゴリズムに従って比較し、一致しない場合には、パターン欠陥有りと判定する。
【０００６】
このようなパターン検査装置を高精度化させるためには、マスク等の被検査対象上のパターンを撮像する際に高倍率、高解像度の光学像が得られることが必要であり、そのためには、光学像のフォーカスを最適に合わすことが重要となってくる。
図１７は、従来の光テコ方式を用いたフォーカス合わせ機構を示す図である。
図１７において、被写体Ｗの光学像が、対物レンズ５０２と結像レンズ５０３により検査用センサー５０１に結像される。そして、このフォーカス合わせ機構５００では、ＬＤ５０４のＬＤ光を用いて被写体Ｗのフォーカス方向の位置をポジションセンサー５０５上に結像させる。そして、ポジションセンサー５０５の信号をフォーカス検出回路５０６で処理し、フォーカス制御回路５０７がフォーカス変位量を求めてフォーカスを制御している。
【０００７】
その他、結像の前ピン状態、後ピン状態を形成し、その光強度の積分値（コントラスト）の差に基づいてフォーカス位置を求めるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２７１５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した光テコ方式のフォーカス検出方法では、半導体のパターンの線幅やピッチが、フォーカス検出で使用する照明光の波長以下になると、パターンで回折光が発生してポジションセンサー上に結像して、正しいフォーカス位置が検出できないおそれがあるといった問題があった。また、光強度の積分値を用いるものでは、積分値の差が小さいときに正確にフォーカス位置が検出できないおそれがあるといった問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる問題点を克服し、高精度の計測を行うことができるフォーカス合わせ装置及び方法並びにかかるフォーカス合わせを備えた検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様のフォーカス合わせ装置は、
被検査体の光学像を受光して光電変換する第１と第２のセンサーと、
上述した光学像を第１のセンサー上に結像させる第１の光学系と、
第１の光学系から光学像を分岐して、第２のセンサー上に結像させる第２の光学系と、
第１のセンサーにより光電変換された第１の画像信号と第２のセンサーにより光電変換された第２の画像信号とを入力し、第１と第２の画像信号の高域成分を用いて、光学像のフォーカス位置を検出するフォーカス検出部と、
フォーカス検出部により検出されたフォーカス位置に基づいて、第１の光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
以上のように構成することにより、被検査体の光学像の光量のうち、１／２が第１のセンサーへ、１／２が第２のセンサーへ入光することになる。そして、第１と第２の画像信号の高域成分を用いて、第１のセンサー上に結像されるための光学像のフォーカス位置を検出することができる。そして、フィードバック制御することで、第１のセンサー上に結像されるために基準となるフォーカス位置を検出する。
【００１２】
また、第１と第２のセンサーに結像される光学像の倍率を同一にすることが望ましい。そのために、光学系としてテレセントリック光学系を用いると好適である。
【００１３】
さらに、フォーカス制御部は、フォーカス検出部により検出されたフォーカス位置から所定の値だけオフセットさせて第１の光学系のフォーカスを制御することを特徴とする。
【００１４】
フォーカス検出部により基準となるフォーカス位置を検出して、検出されたフォーカス位置から第１の光学系のフォーカス位置を所定の値だけオフセットさせることで、第１のセンサー上にジャストフォーカスさせることができる。
【００１５】
そして、方法として構成する場合、本発明の一態様のフォーカス合わせ方法は、
被検査体の光学像を第１のセンサー上に結像させる第１の結像工程と、
第１のセンサー上に結像される光学像を光電変換する第１の変換工程と、
光学像を分岐して、分岐された光学像を第２のセンサー上に結像させる第２の結像工程と、
第２のセンサー上に結像される光学像を光電変換する第２の変換工程と、
第１のセンサーにより光電変換された第１の画像信号と第２のセンサーにより光電変換された第２の画像信号とを入力し、第１と第２の画像信号の高域成分を用いて、光学像のフォーカス位置を検出するフォーカス検出工程と、
検出されたフォーカス位置に基づいて、第１の光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御工程と、
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、検査装置として構成すると、本発明の一態様の検査装置は、
被検査体の光学像を受光して光電変換する第１と第２のセンサーと、
上述した光学像を第１のセンサー上に結像させる第１の光学系と、
第１の光学系から光学像を分岐して、第２のセンサー上に結像させる第２の光学系と、
第１のセンサーにより光電変換された第１の画像信号と第２のセンサーにより光電変換された第２の画像信号とを入力し、第１と第２の画像信号の高域成分を用いて、光学像のフォーカス位置を検出するフォーカス検出部と、
フォーカス検出部により検出されたフォーカス位置に基づいて、第１の光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御部と、
フォーカスされた光学像から光電変換された第１の画像信号を用いて、所定の参照画像信号と比較する比較部と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、パターンの線幅やピッチが、フォーカス検出で使用する照明光の波長以下となった場合でも、正しいフォーカス検出を行い、高精度な計測を行うことができる。その結果、高精度な検査を行うことができる。さらに、フォーカス検出のために低下する光学像の光量を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す概念図である。
図１において、マスクやウェハ等の基板を試料として、かかる試料の欠陥を検査するパターン検査装置１００は、光学画像取得部１５０と制御系回路１５１を備えている。光学画像取得部１５０は、ＸＹθテーブル１０２、光源１０３、拡大光学系１０４（第１の光学系の一例）、検査用センサー１０５（第１のセンサーの一例）、フォーカス用センサー１０６（第２のセンサーの一例）、ハーフミラー１６０（第２の光学系の一例）、レーザ測長システム１２２、オートローダ１３０、照明光学系１７０を備えている。制御系回路１５１では、コンピュータとなる制御計算機１１０が、データ伝送路となるバス１２０を介して、位置回路１０７、比較部の一例となる比較回路１０８、参照画像作成部の一例となる参照回路１１２、フォーカス回路１４０、オートローダ制御回路１１３、テーブル制御回路１１４、記憶装置の一例となる磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレシキブルディスク装置（ＦＤ）１１６、ＣＲＴ１１７、パターンモニタ１１８、プリンタ１１９に接続されている。また、ＸＹθテーブル１０２は、Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータ、θ軸モータにより駆動される。また、拡大光学系１０４内の図示していない対物レンズは、サーボモータ１６２により駆動される。図１では、本実施の形態１を説明する上で必要な構成部分以外については記載を省略している。パターン検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成が含まれることは言うまでもない。
【００１９】
次に、光学画像の取得手順について説明する。光学画像取得部１５０は、設計パターンデータに基づいて設計パターンデータに含まれる図形データが示す図形が描画された試料となるフォトマスク１０１における光学画像（測定データ）を取得する。具体的には、光学画像は、以下のように取得される。
【００２０】
被検査試料となるフォトマスク１０１は、ＸＹθ各軸のモータによって水平方向及び回転方向に移動可能に設けられたＸＹθテーブル１０２上に載置され、フォトマスク１０１に形成されたパターンには、ＸＹθテーブル１０２の上方に配置されている適切な光源１０３によって光が照射される。ＸＹθテーブル１０２は、制御計算機１１０の制御の下にテーブル制御回路１１４により駆動される。Ｘ方向、Ｙ方向、θ方向に駆動する３軸（Ｘ−Ｙ−θ）モータの様な駆動系によって移動可能となっている。これらの、Ｘモータ、Ｙモータ、θモータは、例えばステップモータを用いることができる。そして、ＸＹθテーブル１０２の移動位置はレーザ測長システム１２２により測定され、位置回路１０７に供給される。また、ＸＹθテーブル１０２上のフォトマスク１０１はオートローダ制御回路１１３により駆動されるオートローダ１３０から自動的に搬送され、検査終了後に自動的に排出されるものとなっている。光源１０３から照射される光束は、照明光学系１７０を介してフォトマスク１０１を照射する。フォトマスク１０１の下方には、拡大光学系１０４、検査用センサー１０５が配置されており、露光用マスクなどのフォトマスク１０１を透過した光は拡大光学系１０４により検査用センサー１０５に光学像として結像し、入射する。
【００２１】
ここで、拡大光学系１０４を通過する光学像の一部は、ハーフミラー１６０で分岐され、ハーフミラー１６０によりフォーカス用センサー１０６に光学像として結像し、入射する。そして、検査用センサー１０５上に結像されたパターンの像は、検査用センサー１０５によって光電変換され、画像信号（第１の画像信号）に変換される。同様に、フォーカス用センサー１０６上に結像されたパターンの像は、フォーカス用センサー１０６によって光電変換され、画像信号（第２の画像信号）に変換される。検査用センサー１０５によって光電変換された画像信号は、比較回路１０８に送られると共に、フォーカス回路１４０にも送られる。また、検査用センサー１０５によって光電変換された画像信号は、フォーカス回路１４０に送られる。そして、後述するように、フォーカス回路１４０でフォーカス位置が演算され、フォーカス回路１４０によりサーボモータ１６２を有する自動焦点機構が制御される。そして、拡大光学系１０４はサーボモータ１６２を有する自動焦点機構により自動的に焦点調整（フォーカス制御）がなされる。
【００２２】
検査用センサー１０５から出力された測定データ（光学画像）は、位置回路１０７から出力されたＸＹθテーブル１０２上におけるフォトマスク１０１の位置を示すデータとともに比較回路１０８に送られる。測定データは例えば８ビットの符号なしデータであり、各画素の明るさの階調を表現している。
【００２３】
フォトマスク１０１のパターン形成時に用いた設計パターンの情報は、記憶装置（記憶部）の一例である磁気ディスク装置１０９に記憶される。そして、参照回路１１２は、磁気ディスク装置１０９から制御計算機１１０を通して設計パターンの情報を読み出し、読み出されたフォトマスク１０１の設計図形データを２値ないしは多値のイメージデータに変換した後、適切なフィルタ処理を施すことで参照画像を作成する。
【００２４】
比較工程として、比較回路１０８は、フォトマスク１０１から得られる透過画像に基づいて検査用センサー１０５で生成された被検査パターンの測定データとなる測定画像信号と参照回路１１２で生成した設計画像データとなる参照画像信号とを取り込み、所定のアルゴリズムに従って比較し、欠陥の有無を判定する。
【００２５】
次に、本実施の形態１におけるフォーカス合わせ方法について説明する。
図２は、実施の形態１におけるフォーカス合わせ機構の構成を示す概念図である。
図２において、フォーカス合わせ機構（フォーカス合わせ装置の一例）は、拡大光学系１０４、ハーフミラー１６０、検査用センサー１０５、フォーカス用センサー１０６、フォーカス回路１４０を有している。第１の光学系の一例となる拡大光学系１０４は、対物レンズ１５２、結像レンズ１５４、追加レンズ１５６を備えている。対物レンズ１５２は、被検査体となるフォトマスク１０１に対向配置され拡大像を得る。結像レンズ１５４は、対物レンズ１５２に対向配置され、この対物レンズ１５２からの光を検査用センサー１０５に結像させる。そして、追加レンズ１５６は、結像レンズ１５４と検査用センサー１０５との間に配置され、結像側をテレセントリック光学系にする。テレセントリック光学系を用いることで、フォーカス位置をずらして結像される光学像の倍率を同一にすることができる。
【００２６】
また、第２の光学系の一例となるハーフミラー１６０は、追加レンズ１５６と検査用センサー１０５との間に配置され、光学像を分岐しフォーカス用センサー１０６上に結像させる。なお、ここでは、ハーフミラー１６０によるフォーカス用センサー１０６上に結像させるフォーカス位置が結像レンズ１５４で結像される検査用センサー１０５上の光学像に対してＦ１で示す前側にピントがある前ピン位置となるように光路長が設定されている。但し、これに限るものではなく、ハーフミラー１６０によるフォーカス用センサー１０６上に結像させるフォーカス位置が検査用センサー１０５上の光学像に対して後ろ側にピントがある後ピン位置となるように光路長を設定してもよい。ハーフミラー１６０は、テレセントリック光学系の結像側の光学画像を分岐しているため、ハーフミラー１６０によるフォーカス位置と結像レンズ１５４によるフォーカス位置とでフォーカス位置をずらして結像される光学像の倍率を同一にすることができる。フォーカス位置をずらして結像される光学像の倍率を同じにすることで、フォーカス検出時の画像の視野を同じにすることが可能となる。
【００２７】
また、検査用センサー１０５とフォーカス用センサー１０６は、ラインセンサー、蓄積型（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  ａｎｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサー、または２次元エリアセンサーを使用することが好ましい。特に、蓄積型センサーを使用する場合、フォーカス位置をずらして結像される光学像の倍率を同じにすることで、光学倍率が異なる場合に生ずる光学像とセンサーのスキャン時間の同期のずれを解消することができる。
【００２８】
フォーカス回路１４０は、センサーデータ入力回路１４２、フォーカス検出回路１４４、フォーカス制御回路１４６を有している。センサーデータ入力回路１４２は、検査用センサー１０５とフォーカス用センサー１０６から画像信号を入力し、フォーカス検出回路１４４に出力する。そして、フォーカス検出回路１４４でフォーカス位置が検出される。フォーカス制御回路１４６は、フォーカス検出回路１４４からフォーカス位置が入力されると、サーボモータ１６２を駆動し、基準となるフォーカス位置へと対物レンズ１５２を移動させる。そして、検査時には、さらに、予め設定したオフセット値だけオフセットした位置になるようにサーボモータ１６２を駆動し、対物レンズ１５２を移動させる。
【００２９】
図３は、実施の形態１におけるフォーカス合わせ機構の説明図である。
センサーデータ入力回路１４２からフォーカス検出回路１４４がセンサー出力データを受信すると、図３に示すように、高域成分検出回路１４７により、画像の高域成分が検出される。そして、検出された検査用センサー１０５画像の高域成分とフォーカス用センサー１０６画像の高域成分からそれぞれのフォーカス評価値を算出し、各フォーカス評価値を比較する。そして、フォーカス変位量算出回路１４８により検査用センサー１０５上の光学像の基準となるフォーカス位置と、この基準フォーカス位置への必要なフォーカス変位量が算出される。フォーカス制御回路１４６では、フォーカス検出回路１４４により算出されたフォーカス位置に基づいてサーボモータ１６２を駆動させて対物レンズ１５２のフォーカスを制御する。
【００３０】
図４は、実施の形態１におけるフォーカス検出回路の信号処理内容を示すブロック図である。
フォーカス検出回路１４４内の高域成分検出回路１４７では、図４に示すように、検査用センサー１０５画像から検査用センサー１０５画像の高域成分を検出し、フォーカス用センサー１０６画像からフォーカス用センサー１０６画像の高域成分を検出する。そして、検査用センサー１０５画像の高域成分とフォーカス用センサー１０６画像の高域成分を比較処理することで基準フォーカス変位量を算出する。
図４に示すように、高域成分検出回路１４７が、入力された検査用センサー１０５画像信号について、Ｘ・Ｙ方向のそれぞれの微分演算、度数分布の算出、度数Ｎ％以上の濃度平均算出を行い、最大値又は２乗和を算出することで、検査用センサー１０５側の高域成分を出力する。同様にして高域成分検出回路１４７が、フォーカス用センサー１０６側の高域成分を出力する。そして、フォーカス変位量算出回路１４８が、これらの差をフォーカス変位量として出力する。
【００３１】
図５は、実施の形態１における検査用センサーとフォーカス用センサーの出力の一例を示す説明図である。
検査用センサー１０５にＬ／Ｓパターンが結像している場合、フォーカス用センサー１０６の前側フォーカス側には、検査用センサー１０５に結像したセンサー像の前側フォーカス側の光学像が結像される。フォーカス用センサー１０６のフォーカス位置が前側フォーカス側にあり、ジャストフォーカス位置（合焦点位置）にある検査用センサー１０５のセンサー出力振幅が、フォーカス位置がずれているフォーカス用センサー１０６のセンサー出力振幅より大きくなる場合を示している。
【００３２】
図６は、実施の形態１におけるセンサー出力の一例を示す図である。
図７は、実施の形態１における微分出力の一例を示す図である。
図８は、実施の形態１における明るさと度数の関係の一例を示す図である。
図６〜図８では、フォーカス用センサー１０６のフォーカス位置がジャストフォーカス位置にある場合、すなわち、検査用センサー１０５のフォーカス位置が前側フォーカス側にある場合を示している。この場合、フォーカス用センサー１０６のセンサー出力振幅が検査用センサー１０５のセンサー出力より大きくなり、フォーカス用センサー１０６の微分出力信号も検査用センサー１０５の微分出力信号より大きくなる。このため、微分出力信号の度数分布は、フォーカス用センサー１０６側が検査用センサー１０５側にくらべ明部の分布が増大し、度数Ｎ％以上の明るさの平均値を計算するとフォーカス用センサー１０６側の値が検査用センサー１０５側に比べて大きな値となる。
【００３３】
図９は、実施の形態１におけるセンサー出力の他の一例を示す図である。
図１０は、実施の形態１における微分出力の他の一例を示す図である。
図１１は、実施の形態１における明るさと度数の関係の他の一例を示す図である。
図９〜図１１では、検査用センサー１０５に結像されるフォーカス位置とフォーカス用センサー１０６に結像されるフォーカス位置とが同じ場合を示している。この場合、フォーカス用センサー１０６のセンサー出力振幅と検査用センサー１０５のセンサー出力とが同じになり、微分出力信号の振幅も同じになる。そのため、このフォーカス位置での微分出力信号の度数分布は、フォーカス用センサー１０６側、検査用センサー１０５側とも同様な分布となり、度数Ｎ％以上の明るさの平均値も同等の値となる。すなわち、この位置は、検査用センサー１０５のジャストフォーカス位置とフォーカス用センサー１０６のジャストフォーカス位置との中間点にある場合を示している。
【００３４】
図１２は、実施の形態１におけるセンサー出力の他の一例を示す図である。
図１３は、実施の形態１における微分出力の他の一例を示す図である。
図１４は、実施の形態１における明るさと度数の関係の他の一例を示す図である。
図１２〜図１４では、検査用センサー１０５のフォーカス位置がジャストフォーカス位置にある場合を示している。この場合、検査用センサー１０５のセンサー出力振幅がフォーカス用センサー１０６のセンサー出力より大きくなり、検査用センサー１０５の微分出力信号もフォーカス用センサー１０６の微分出力信号より大きくなる。このため、微分出力信号の度数分布は、検査用センサー１０５側がフォーカス用センサー１０６側にくらべ明部の分布が増大し、度数Ｎ％以上の明るさの平均値を計算すると検査用センサー１０５側の値がフォーカス用センサー１０６側に比べて大きな値となる。
【００３５】
この度数Ｎ％以上の明るさの平均値は、画像の高域成分を現すとともに、フォーカスが合っているかどうかの指標となるため、フォーカス評価値として用いることができる。
図１５は、実施の形態１におけるフォーカス評価値の変化特性と、検査用センサー側のフォーカス評価値からフォーカス用センサー側のフォーカス評価値を引いた差の値のグラフを示す図である。
図１５（ａ）では、フォーカス位置をフォーカス用センサー側から検査用センサー側に変化した場合に、フォーカス用センサー側、検査用センサー側の画像の高域成分から求めたフォーカス評価値の変化特性を示している。すなわち、フォーカス位置が前ピン位置にあるときは、フォーカス用センサー１０６側のフォーカス評価値が高く、フォーカス位置が検査用センサー１０５側に変化するにしたがい検査用センサー１０５側のフォーカス評価値が高くなってくる。一方、図１５（ｂ）に示すように、フォーカス評価値の差は、検査用センサー１０５のジャストフォーカス位置とフォーカス用センサー１０６のジャストフォーカス位置との中間点の位置では、フォーカス用センサー１０６側、検査用センサー１０５側のフォーカス評価値が同じ値になるためゼロとなる。そして、そのゼロとなるゼロクロス点を中心に、前後にリニアにフォーカス評価値が変化する。すなわち、ゼロクロス点の位置（基準フォーカス位置）より検査用センサー１０５側にフォーカス位置が変化する場合には、単調増加の出力が得られる。そして、ゼロクロス点の位置よりフォーカス用センサー１０６側にフォーカス位置が変化する場合には、単調減少の出力が得られる。
【００３６】
ここで、本来、フォーカス位置を合わせたい検査用センサー１０５上へのジャストフォーカス位置は、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、検査用センサー１０５側のフォーカス評価値が最大となる位置である。通常、サーボオン時の引き込み範囲はできるだけ広くとることが望まれる。しかし、この位置は、前後の位置からの変化がリニア（単調増加或いは単調減少）の関係となる範囲が片側で狭いため、フォーカス制御回路１４６で高精度にサーボモータ１６２を制御することが困難となる。
【００３７】
一方、上述したゼロクロス点の位置の前後では、上述したように、ゼロクロス点の位置より検査用センサー１０５側にフォーカス位置が変化する場合には、単調増加の出力が得られる。フォーカス評価値の差から、現在のフォーカス位置が、フォーカス用センサー１０６側にあるか、検査用センサー１０５側にあるかを判断することができる。そして、単調増加の出力が得られることからこの特性を利用することで、さらに、ゼロクロス点の位置からフォーカスがどのくらいずれているかを判断することができる。このリニアリティが両側に広いゼロクロス点の位置でサーボオン動作を行なうことでサーボオン時の引き込み範囲を広くとることができサーボモータ１６２に安定した動作をさせることができる。
【００３８】
そして、予め、ゼロクロス点の位置と検査用センサー１０５上へのジャストフォーカス位置とのオフセット値を求めておき、ゼロクロス点の位置をフィードバック制御しながら検出することにより検査時にはゼロクロス点の位置からオフセット値だけ移動させることで検査用センサー１０５上へのジャストフォーカス位置へ合わせることができる。このように、単調増加する特性を利用することで、フォーカス制御回路１４６が高精度にサーボモータ１６２を制御することができる。
【００３９】
以上のように、２つのセンサーの画像信号のうち高域信号を抽出して比較することで、半導体のパターンの線幅、ピッチが光学系の波長以下になった場合であっても、正しいフォーカス検出を行い、高精度の計測及び検査技術を行うことができる。
【００４０】
図１６は、フォーカス用センサーで前ピンと後ピンの２つの画像信号を入力して自動フォーカス調整を行なう場合の構成を示す図である。
上述したように、２つのセンサーの画像信号のうち高域信号を抽出して比較することで、検査用センサー１０５上へのジャストフォーカス位置へ合わせることができる。よって、図１６に示すように、ハーフミラー１６０で分岐した光学像をさらにハーフミラー１６４とハーフミラー１６３を介して分岐することで、フォーカス用センサー１０６に前ピンと後ピンとにフォーカス位置をずらして結像させる。そして、このフォーカス位置をずらして結像させた前ピン側のセンサー出力と後ピン側のセンサー出力とを用いることで、ジャストフォーカス位置へ合わせるという構成も考えられる。図１６の構成にすれば、検査用センサー１０５の出力を用いなくともジャストフォーカス位置へ合わせることができる。しかしながら、かかる光学系では、検査用センサー１０５への光学像も含めて３つの光学像に分岐しているため、検査光源を３分割することになってしまう。そして、同じダイナミックレンジを検査用センサー１０５側とフォーカス用センサー１０６側とで得ようとすれば、図１６の構成では、検査光源を３等分割することになってしまう。これに対し、本実施の形態１におけるフォーカス合わせ機構では、フォーカス用センサー１０６の１つの出力と検査用センサー１０５の出力とを用いているので、検査光源を２等分割するだけで済ますことができる。すなわち、光量低下を１／３から１／２に低減することができる。
【００４１】
また、元々の検査用センサー１０５に入れる光量のダイナミックレンジを検査用センサー１０５側とフォーカス用センサー１０６側とで得ようとすれば、３倍の検査光源が必要となってしまう。ここで、例えば、２００ｎｍ領域の検査波長では光学部品の劣化を抑制するためにもなるべく少ない光量で検査する必要がある。これに対し、本実施の形態１におけるフォーカス合わせ機構では、フォーカス用センサー１０６の１つの出力と検査用センサー１０５の出力とを用いているので、元々の検査用センサー１０５に入れる光量のダイナミックレンジを得ようとする場合でも３倍の検査光源で済ますことができる。よって、光学系の劣化を抑制することができる。
【００４２】
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、上述したフォーカス合わせ機構は、半導体パターンを検査する検査装置に組み込んだものについて説明したが、光学的な計測・検査装置一般に適用できるのは勿論である。また、上述したフォーカス合わせ機構は、フォーカス用センサー１０６へ結像するフォーカス位置を前側にずらした構成について説明したが、後側にずらしても好適である。その場合には、高域成分の特性位置の位置関係が逆になり、ゼロクロス点の位置から単調減少方向へオフセット値だけ移動させることで検査用センサー１０５上へのジャストフォーカス位置へ合わせることができる。
また、上述した実施の形態では、サーボモータ１６２を駆動して対物レンズを移動するように構成しているが、代わりに、例えば、ピエゾ素子を使ってフォトマスク１０１を移動させても良い。
【００４３】
なお、本発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。
【００４４】
また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、パターン検査装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。
【００４５】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのフォーカス合わせ装置、フォーカス合わせ方法及び検査装置は、本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す概念図である。
【図２】実施の形態１におけるフォーカス合わせ機構の構成を示す概念図である。
【図３】実施の形態１におけるフォーカス合わせ機構の説明図である。
【図４】実施の形態１におけるフォーカス検出回路の信号処理内容を示すブロック図である。
【図５】実施の形態１における検査用センサーとフォーカス用センサーの出力の一例を示す説明図である。
【図６】実施の形態１におけるセンサー出力の一例を示す図である。
【図７】実施の形態１における微分出力の一例を示す図である。
【図８】実施の形態１における明るさと度数の関係の一例を示す図である。
【図９】実施の形態１におけるセンサー出力の他の一例を示す図である。
【図１０】実施の形態１における微分出力の他の一例を示す図である。
【図１１】実施の形態１における明るさと度数の関係の他の一例を示す図である。
【図１２】実施の形態１におけるセンサー出力の他の一例を示す図である。
【図１３】実施の形態１における微分出力の他の一例を示す図である。
【図１４】実施の形態１における明るさと度数の関係の他の一例を示す図である。
【図１５】実施の形態１におけるフォーカス評価値の変化特性と、検査用センサー側のフォーカス評価値からフォーカス用センサー側のフォーカス評価値を引いた差の値のグラフを示す図である。
【図１６】フォーカス用センサーで前ピンと後ピンの２つの画像信号を入力して自動フォーカス調整を行なう場合の構成を示す図である。
【図１７】従来の光テコ方式を用いたフォーカス合わせ機構を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１００  パターン検査装置
１０１  フォトマスク
１０２  ＸＹθテーブル
１０３  光源
１０４  拡大光学系
１０５  検査用センサー
１０６  フォーカス用センサー
１０７  位置回路
１０８  比較回路
１０９  磁気ディスク装置
１１０  制御計算機
１１２  参照回路
１１３  オートローダ制御回路
１１４  テーブル制御回路
１１５  磁気テープ装置
１１６  ＦＤ
１１７  ＣＲＴ
１１８  パターンモニタ
１１９  プリンタ
１２０  バス
１２２  レーザ測長システム
１３０  オートローダ
１４０  フォーカス回路
１４２  センサーデータ入力回路
１４４  フォーカス検出回路
１４６  フォーカス制御回路
１４７  高域成分検出回路
１４８  フォーカス変位量算出回路
１５０  光学画像取得部
１５１  制御系回路
１５２  対物レンズ
１５４  結像レンズ
１５６  追加レンズ
１６０，１６４，１６３  ハーフミラー
１６２  サーボモータ
１７０  照明光学系
５００  フォーカス合わせ機構
５０１  検査用センサー
５０２  対物レンズ
５０３  結像レンズ
５０４  ＬＤ
５０５  ポジションセンサー
５０６  フォーカス検出回路
５０７  フォーカス制御回路
【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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