(57)【要約】【目的】  参照画像と光学画像との高精度な位置合わせを行う方法および装置を提供することを目的とする。【構成】  本発明の試料検査装置１００は、フォトマスク１０１の光学画像と参照画像との仮の合わせ位置から、残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算するサブ画素単位ＳＳＤ演算回路３２０と、仮の合わせ位置からの最小二乗法による位置ずれ量を演算する最小二乗法位置ずれ演算回路３２２と、最小二乗法位置ずれ演算回路３２２により演算された位置ずれ量分ずらした位置における残差２乗和を演算する残差２乗和演算回路３２４と、サブ画素単位ＳＳＤ演算回路３２０により得られた最小の残差２乗和と残差２乗和演算回路３２４により得られた残差２乗和とのうち、いずれが小さいかを判定する判定回路３４０と、小さい方の残差２乗和が得られる位置に合わせ位置を補正する位置補正回路３５０とを備えたことを特徴とする。【選択図】        図２
2007071630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査試料の光学画像を取得する光学画像取得部と、
前記被検査試料の設計データに基づいて、前記光学画像と比較する参照画像を作成する参照画像作成部と、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置から、前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算する第１の残差２乗和演算部と、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置からの最小二乗法による位置ずれ量を演算する最小二乗法演算部と、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置から前記最小二乗法演算部により演算された位置ずれ量分ずらした位置における前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和を演算する第２の残差２乗和演算部と、
前記第１の残差２乗和演算部により演算された結果得られた最小の残差２乗和と前記第２の残差２乗和演算部により演算された結果得られた残差２乗和とのうち、いずれが小さいかを判定する判定部と、
前記判定部により判定された小さい方の残差２乗和が得られる位置に前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置を補正する位置補正部と、
合わせ位置が補正された前記光学画像と前記参照画像とを比較する比較部と、
を備えたことを特徴とする試料検査装置。
【請求項２】
前記第１の残差２乗和演算部において、サブ画素単位でずらしながら残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算することを特徴とする請求項１記載の試料検査装置。
【請求項３】
前記最小二乗法演算部において、Ｘ方向に参照画像を空間微分した値とＹ方向に参照画像を空間微分した値とを用いて演算し、
前記Ｘ方向に参照画像を空間微分した値と前記Ｙ方向に参照画像を空間微分した値との一方が他方の規定倍よりも小なる場合に、小なる方を除いて演算することを特徴とする請求項１記載の試料検査装置。
【請求項４】
前記最小二乗法演算部において、前記参照画像を分割し、分割された領域ごとに位置ずれ量を演算することを特徴とする請求項１記載の試料検査装置。
【請求項５】
前記最小二乗法演算部において、前記参照画像を重み付け分割し、分割された領域ごとに位置ずれ量を演算することを特徴とする請求項１記載の試料検査装置。
【請求項６】
前記最小二乗法演算部において、位置ずれ量と共に像強度変動率を演算し、
前記位置補正部において、前記参照画像の画素値を前記像強度変動率に基づいて補正することを特徴とする請求項１記載の試料検査装置。
【請求項７】
前記Ｘ方向に参照画像を空間微分した値と前記Ｙ方向に参照画像を空間微分した値との一方が他方の規定倍よりも小なる場合に、Ｘ方向とＹ方向のうち小なる方向の位置ずれ量として、前記第１の残差２乗和演算部により得られた位置ずれ量を代入することを特徴とする請求項３記載の試料検査装置。
【請求項８】
前記第１の残差２乗和が前記判定部により小さいものと判定された場合に、像強度変動率を補正することを特徴とする前記請求項６記載の試料検査装置。
【請求項９】
被検査試料の比較検査に用いる光学画像と参照画像とを位置合わせする画像位置合わせ方法であって、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置から、前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算する第１の残差２乗和演算工程と、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置からの最小二乗法による位置ずれ量を演算する最小二乗法演算工程と、
前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置から前記最小二乗法演算工程により演算された位置ずれ量分ずらした位置における前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和を演算する第２の残差２乗和演算工程と、
前記第１の残差２乗和演算工程により演算された結果得られた最小の残差２乗和と前記第２の残差２乗和演算工程により演算された結果得られた残差２乗和とのうち、いずれが小さいかを判定する判定工程と、
前記判定工程により判定された小さい方の残差２乗和が得られる位置に前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置を補正する位置補正工程と、
を備えたことを特徴とする画像位置合わせ方法。
【請求項１０】
被検査試料の比較検査に用いる光学画像と参照画像とを記憶装置に記憶する記憶処理と、
前記記憶装置から前記光学画像と参照画像とを読み出し、前記光学画像と参照画像との仮の合わせ位置から、前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算する第１の残差２乗和演算処理と、
前記記憶装置から前記光学画像と参照画像とを読み出し、前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置からの最小二乗法による位置ずれ量を演算する最小二乗法演算処理と、
前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置から前記最小二乗法演算処理により演算された位置ずれ量分ずらした位置における前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和を演算する第２の残差２乗和演算処理と、
前記第１の残差２乗和演算処理により演算された結果得られた最小の残差２乗和と前記第２の残差２乗和演算処理により演算された結果得られた残差２乗和とのうち、いずれが小さいかを判定する判定処理と、
前記判定工程により判定された小さい方の残差２乗和が得られる位置に前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置を補正する位置補正処理と、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料検査装置、画像位置合わせ方法、或いは、かかる方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに係り、例えば、半導体製造に用いる試料となる物体のパターン欠陥を検査するパターン検査技術に関し、半導体素子や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を製作するときに使用されるフォトマスク、ウェハ、あるいは液晶基板などの極めて小さなパターンの欠陥を検査する装置に関する。
【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、いわゆる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。よって、かかる微細な回路パターンをウェハに転写するためのマスクの製造には、微細な回路パターンを描画することができるパターン描画装置を用いる。かかるパターン描画装置を用いてウェハに直接パターン回路を描画することもある。或いは、電子ビーム以外にもレーザビームを用いて描画するレーザビーム描画装置の開発が試みられている。
【０００３】
そして、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、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。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。そのため、ＬＳＩ製造に使用される転写用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】
一方、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）は、５００ｍｍ×６００ｍｍ、またはこれ以上への液晶基板サイズの大型化と、液晶基板上に形成されるＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：薄膜トランジスタ）等のパターンの微細化が進んでいる。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。このため、このような大面積ＬＣＤのパターン及び大面積ＬＣＤを製作する時に用いられるフォトマスクの欠陥を短時間で、効率的に検査する試料検査装置の開発も急務となってきている。
【０００５】
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（例えば、特許文献１参照）。
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、パターン設計されたＣＡＤデータをマスクにパターンを描画する時に描画装置が入力するための装置入力フォーマットに変換した描画データ（設計パターンデータ）を検査装置に入力して、これをベースに設計画像データ（参照画像）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、センサ上に結像される。センサ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】
ここで、参照画像と光学画像は、所定の大きさの領域ごとに比較されるが、比較するためには、参照画像と光学画像との高精度な位置合わせが必要となる。ここで、参照画像と光学画像との位置ずれ量を最小二乗法により演算する技術が文献に開示されている（例えば、特許文献２参照）。また、求める画像データを周囲の４点或いは１６点の画像データを用いて内挿する内挿法について文献に記載されている（例えば、非特許文献１参照）。
しかしながら、パターン寸法の微細化に伴って、必要となる微小な欠陥を検出するためにさらなる位置合わせの精度が求められている。ポイントは、ステージの走行誤差や速度むらや倍率誤差のようなシステマチックな誤差要因のみを補正し、欠陥のように局所的にランダムに発生する不一致箇所はなるべく補正しないことである。
【特許文献１】特開平８−７６３５９号公報
【特許文献２】特開平１１−１５３５５０号公報
【非特許文献１】画像解析ハンドブックｐ４４２−４４３，財団法人  東京大学出版会，１９９１年１月１７日初版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、比較するためには、参照画像と光学画像との高精度な位置合わせが必要となるが、パターン寸法の微細化に伴って、参照画像と光学画像とにおけるこれらの相対的位置ずれを高い精度で検出することが困難になってきている。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を克服し、参照画像と光学画像との高精度な位置合わせを行う方法および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】
【０００９】
本発明の一態様の試料検査装置は、
被検査試料の光学画像を取得する光学画像取得部と、
前記被検査試料の設計データに基づいて、前記光学画像と比較する参照画像を作成する参照画像作成部と、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置から、前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算する第１の残差２乗和演算部と、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置からの最小二乗法による位置ずれ量を演算する最小二乗法演算部と、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置から前記最小二乗法演算部により演算された位置ずれ量分ずらした位置における前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和を演算する第２の残差２乗和演算部と、
前記第１の残差２乗和演算部により演算された結果得られた最小の残差２乗和と前記第２の残差２乗和演算部により演算された結果得られた残差２乗和とのうち、いずれが小さいかを判定する判定部と、
前記判定部により判定された小さい方の残差２乗和が得られる位置に前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置を補正する位置補正部と、
合わせ位置が補正された前記光学画像と前記参照画像とを比較する比較部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、かかる装置での被検査試料の比較検査に用いる光学画像と参照画像とを位置合わせする画像位置合わせ方法は、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置から、前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算する第１の残差２乗和演算工程と、
前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置からの最小二乗法による位置ずれ量を演算する最小二乗法演算工程と、
前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置から前記最小二乗法演算工程により演算された位置ずれ量分ずらした位置における前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和を演算する第２の残差２乗和演算工程と、
前記第１の残差２乗和演算工程により演算された結果得られた最小の残差２乗和と前記第２の残差２乗和演算工程により演算された結果得られた残差２乗和とのうち、いずれが小さいかを判定する判定工程と、
前記判定工程により判定された小さい方の残差２乗和が得られる位置に前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置を補正する位置補正工程と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、かかる方法を、コンピュータを実行させるためのプログラムにより構成する場合には、
被検査試料の比較検査に用いる光学画像と参照画像とを記憶装置に記憶する記憶処理と、
前記記憶装置から前記光学画像と参照画像とを読み出し、前記光学画像と参照画像との仮の合わせ位置から、前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算する第１の残差２乗和演算処理と、
前記記憶装置から前記光学画像と参照画像とを読み出し、前記光学画像と前記参照画像との仮の合わせ位置からの最小二乗法による位置ずれ量を演算する最小二乗法演算処理と、
前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置から前記最小二乗法演算処理により演算された位置ずれ量分ずらした位置における前記光学画像の画素値と前記参照画像の画素値との残差２乗和を演算する第２の残差２乗和演算処理と、
前記第１の残差２乗和演算処理により演算された結果得られた最小の残差２乗和と前記第２の残差２乗和演算処理により演算された結果得られた残差２乗和とのうち、いずれが小さいかを判定する判定処理と、
前記判定工程により判定された小さい方の残差２乗和が得られる位置に前記光学画像と前記参照画像との合わせ位置を補正する位置補正処理と、
を備えればよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、残差２乗和演算により演算された結果得られた最小の残差２乗和となる位置ずれ量と最小二乗法演算により演算された結果得られた位置ずれ量とのうち、最良な一方の位置ずれ量で光学画像と参照画像との合わせ位置を補正することができる。すなわち、画像によってより好適な最適化手法により合わせ位置を補正することができる。よって、より高精度な位置合わせを行うことができる。その結果、高感度な検査を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における試料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して、かかる試料の欠陥を検査する試料検査装置１００は、光学画像取得部１５０と制御系回路１６０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、フォトダイオードアレイ１０５、センサ回路１０６、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１６０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、比較回路１０８、展開回路１１１、参照回路１１２、位置合わせ回路１４０、オートローダ制御回路１１３、テーブル制御回路１１４、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。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。試料検査装置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。
【００１４】
図２は、位置合わせ回路の構成を示すブロック図である。
図２において、位置合わせ回路１４０は、参照データメモリ３０２、測定データメモリ、画素単位ＳＳＤ（Ｓｕｍ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｑｕａｒｅｄ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）演算回路３１０、サブ画素単位ＳＳＤ演算回路３２０、最小二乗法位置ずれ演算回路３２２、演算データメモリ３３０、残差２乗和演算回路３２４、判定回路３４０、位置補正回路３５０を備えている。位置合わせ回路１４０は、参照回路１１２から参照データを、光学画像取得部１５０から測定データを入力し、位置合わせをした後、比較回路１０８に参照データと測定データを出力する。
【００１５】
図３は、実施の形態１における試料検査方法の要部工程を示すフローチャート図である。
図３において、試料検査方法は、光学画像取得工程（Ｓ１０２）と、参照データ作成工程（Ｓ１０４）と、位置合わせ工程と、比較工程（Ｓ２１６）という一連の工程を実施する。そして、画像位置合わせ方法の一例となる位置合わせ工程として、記憶工程（Ｓ２０２）、画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２０４）、サブ画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２０６）、最小二乗法位置ずれ演算工程（Ｓ２０８）、残差２乗和演算工程（Ｓ２１０）、判定工程（Ｓ２１２）、位置補正工程（Ｓ２１４）という一連の工程を実施する。
【００１６】
Ｓ（ステップ）１０２において、光学画像取得工程として、光学画像取得部１５０は、設計データに基づいて設計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。
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。光源１０３から照射される光束は、照明光学系１７０を介して試料となるフォトマスク１０１を照射する。フォトマスク１０１の下方には、拡大光学系１０４、フォトダイオードアレイ１０５及びセンサ回路１０６が配置されており、露光用マスクなどの試料となるフォトマスク１０１を透過した光は拡大光学系１０４を介して、フォトダイオードアレイ１０５に光学像として結像し、入射する。
【００１７】
図４は、光学画像の取得手順を説明するための図である。
被検査領域は、図４に示すように、Ｙ方向に向かって、スキャン幅Ｗの短冊状の複数の検査ストライプに仮想的に分割され、更にその分割された各検査ストライプが連続的に走査されるようにＸＹθテーブル１０２の動作が制御され、Ｘ方向に移動しながら光学画像が取得される。フォトダイオードアレイ１０５では、図４に示されるようなスキャン幅Ｗの画像を連続的に入力する。そして、第１の検査ストライプにおける画像を取得した後、第２の検査ストライプにおける画像を今度は逆方向に移動しながら同様にスキャン幅Ｗの画像を連続的に入力する。そして、第３の検査ストライプにおける画像を取得する場合には、第２の検査ストライプにおける画像を取得する方向とは逆方向、すなわち、第１の検査ストライプにおける画像を取得した方向に移動しながら画像を取得する。このように、連続的に画像を取得していくことで、無駄な処理時間を短縮することができる。
【００１８】
フォトダイオードアレイ１０５上に結像されたパターンの像は、フォトダイオードアレイ１０５によって光電変換され、更にセンサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。フォトダイオードアレイ１０５には、ＴＤＩセンサのようなセンサが設置されている。ステージとなるＸＹθテーブル１０２をＸ軸方向に連続的に移動させることにより、ＴＤＩセンサは試料となるフォトマスク１０１のパターンを撮像する。これらの光源１０３、拡大光学系１０４、フォトダイオードアレイ１０５、センサ回路１０６により高倍率の検査光学系が構成されている。
【００１９】
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。
【００２０】
センサ回路１０６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位置合わせ回路１４０に送られる。測定パターンデータは例えば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。
【００２１】
そして、Ｓ１０２において、参照データ作成工程として、参照画像作成部が被検査試料となるフォトマスク１０１の設計データに基づいて、測定データと比較するための参照データ（参照画像）を作成する。
【００２２】
次に、位置合わせ工程として、測定データと参照データとを比較するために位置合わせを行なう。
Ｓ２０２において、記憶工程として、制御計算機１１０を使って、参照データを読み出して参照データメモリ３０２に記憶させる。同様に、測定データを読み出して測定データメモリ３０４に記憶させる。
【００２３】
Ｓ２０４において、画素単位ＳＳＤ演算工程として、残差２乗和演算部の一例となる画素単位ＳＳＤ演算回路３１０は、画素単位でずらして、測定データの画素値と参照データの画素値との残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算する。
【００２４】
図５は、ＳＳＤ演算手法を説明するための図である。
まず、画素単位ＳＳＤ演算回路３１０は、位置回路１０７からの位置情報をベースにして、参照データメモリ３０２から、比較処理の単位となる所定の大きさの画像の領域（フレーム）の参照データを読み出す。この際、画素単位ＳＳＤ演算回路３１０は、かかるフレームの参照データについて、画素単位で平行シフトした画像（ずらした画像）をそれぞれ作成する。図５では、データ１、データ２、・・・データｎとして示している。かかるフレームでの測定データと参照データとを比較することになる。例えば、１つのフレームとして、５１２×５１２画素の領域とすると好適である。そして、画素単位でずらした複数の参照データの各参照データを測定データメモリ３０４から読み出した同じ大きさの領域の測定データとの間で、残差２乗和を演算する。残差２乗和は、参照データの各画素値と測定データの各画素値との残差を２乗して、読み出した領域全体の和をとることで解を得ることができる。そして、複数の参照データについてそれぞれ残差２乗和を演算し、残差２乗和の最小値を演算する。そして、かかる最小値をとる位置に測定データと参照データとを位置合わせする。このようにして、画素単位でｘ，ｙ方向に平行シフトした場合に最も合った位置に位置合わせすることができる。かかる位置を仮の合わせ位置として、以下、詳細な位置合わせを行なう。
【００２５】
Ｓ２０６において、サブ画素単位ＳＳＤ演算工程として、残差２乗和演算部の一例となるサブ画素単位ＳＳＤ演算回路３２０は、測定データと参照データとの仮の合わせ位置から、サブ画素単位でずらして、測定データの画素値と参照データの画素値との残差２乗和が最小となる位置への位置ずれ量を演算する。
サブ画素単位ＳＳＤ演算手法は、図５に説明した内容と同様である。仮の合わせ位置をベースにして、上述した比較対象となる領域の大きさの参照データについて、サブ画素単位で平行シフトした画像（ずらした画像）をそれぞれ作成する。図５では、データ１、データ２、・・・データｎとして示している。例えば、サブ画素として、１画素の１／８，１／１６，１／３２等を単位する。例えば、サブ画素として、１画素の１／８を単位とする場合、ｘ方向、ｙ方向に、それぞれ±１／８画素，±２／８画素，±３／８画素，±４／８画素，±５／８画素，±６／８画素，±７／８画素だけずらした所定の大きさの領域の参照データ及びずらし量が０の参照データを作成する。すなわち、ｘ方向に１６通り、ｙ方向に１６通りの組み合わせとなる２５６種の参照データを作成する。そして、各参照データと測定データとの間で、残差２乗和を演算する。残差２乗和は、参照データの各画素値と測定データの各画素値との残差を２乗して、読み出した領域全体の和をとることで解を得ることができる。そして、複数の参照データについてそれぞれ残差２乗和を演算し、残差２乗和の最小値を演算する。このようにして、かかる最小値をとる位置への位置ずれ量を得ることができる。設定されたずらし量や演算された残差２乗和等のデータは、演算データメモリ３３０に格納される。このようにして、サブ画素単位でｘ，ｙ方向に平行シフトした場合に最も合った位置に位置合わせするための位置ずれ量（ｘ０，ｙ０）を得ることができる。
【００２６】
Ｓ２０８において、最小二乗法位置ずれ演算工程として、最小二乗法演算部の一例となる最小二乗法位置ずれ演算回路３２２は、測定データと参照データとの上述した仮の合わせ位置からの最小二乗法に基づく位置ずれ量を演算する。ここでは、統計的手法である最小二乗法を用いて位置合わせに必要な位置ずれ量を演算する。
【００２７】
図６は、最小二乗法に基づく位置ずれ量演算のモデル式を示す図である。
図６に示すように、参照画像となる参照データＵ（ｘ，ｙ）に対して、光学画像（実画像）となる測定データＳ（ｘ，ｙ）のｘ，ｙ方向の位置ずれ量（ｘ０，ｙ０）と像強度変動率εを仮定すると、式（１）に示すように、Ｓ（ｘ，ｙ）＝（１−ε）Ｕ（ｘ−ｘ０，ｙ−ｙ０）で表すことができる。変動量が十分小さいと仮定して線形化することにより、式（２）に示すように、ε・Ｕ＋ｘ０・（ｄＵ／ｄｘ）＋ｙ０・（ｄＵ／ｄｙ）＝Ｕ−Ｓを得る。ｄＵ／ｄｘはＵのｘによる偏微分、ｄＵ／ｄｙは同じくＵのｙによる偏微分である。そして、二次元画像の各画素に対して、参照データから実画となる測定データを引き算した値（Ｕ−Ｓ）と、ｘ方向に参照データを空間微分した値（ｄＵ／ｄｘ）とｙ方向に参照画を空間微分した値（ｄＵ／ｄｙ）を求めて、以下に示す相関行列を求めることができる。
【００２８】
図７は、最小二乗法に基づく相関行列式を示す図である。
位置ずれ（ｘ０，ｙ０）と像強度変動率εは、図７に示す相関行列式を解くことにより最小二乗法により推定することができる。これにより最小二乗法に基づいた場合に最も合った位置に位置合わせするための位置ずれ量（ｘ０，ｙ０）を得ることができる。
【００２９】
Ｓ２１０において、残差２乗和演算工程として、残差２乗和演算部の一例となる残差２乗和演算回路３２４は、測定データと参照データとの上述した仮の合わせ位置から最小二乗法位置ずれ演算回路３２２により演算された位置ずれ量（ｘ０，ｙ０）分ずらした位置（ｘ−ｘ０，ｙ−ｙ０）における測定データの画素値と参照データの画素値との残差２乗和を演算する。
【００３０】
Ｓ２１２において、判定工程として、判定部の一例となる判定回路３４０は、サブ画素単位ＳＳＤ演算回路３２０により演算された結果得られた最小の残差２乗和と残差２乗和演算回路３２４により演算された結果得られた残差２乗和とのうち、いずれが小さいかを判定する。
【００３１】
Ｓ２１４において、位置補正工程として、位置補正部の一例となる位置補正回路３５０は、判定回路３４０により判定された小さい方の残差２乗和が得られる位置に測定データと参照データとの合わせ位置を補正する。また、位置補正回路３５０は、最小二乗法位置ずれ演算回路３２２により演算された像強度変動率εを用いて参照データの各画素の像強度を補正しても好適である。例えば、判定回路３４０により残差２乗和演算回路３２４により演算された結果が採用された場合はもとより、サブ画素単位ＳＳＤ演算回路３２０により演算された結果が採用された場合でも最小二乗法位置ずれ演算回路３２２により演算された像強度変動率εを用いて参照データの各画素の像強度を補正しても好適である。
【００３２】
ここで、ＳＳＤ法と最小二乗法とは、それぞれ得意とするパターン種が存在する。例えば、ＳＳＤ法は、疎な図形密度のパターンの位置合わせに適している。他方、最小二乗法は、密な図形密度のパターンの位置合わせに適している。そのため、本実施の形態のように構成することで、最小二乗法の残差二乗和とサブ画素単位のＳＳＤの最小残差二乗和を比較して、最小二乗法とサブ画素単位のＳＳＤで小さい方の補正方法を採用すれば、それぞれ単独で補正する場合よりも良い結果が期待できる。
つまり、疎なパターンからなる画像の場合には、最小二乗法による計算が不安定になることがあり、その場合にはＳＳＤによる位置合わせを採用する。ＳＳＤ法と最小二乗法とを併用することでかかる疎なパターンにおいても安定な補正を可能とすることができる。
そして、かかる値を用いて、参照画像となる参照データ或いは光学画像（実画像）となる測定データを補正することにより測定データと参照データをより一致させることができ、結果として欠陥検査の誤検出を防止し、実用的な感度の向上を図ることができる。以上のように、参照画と実画の位置ずれおよび像強度変動を簡便に補正することにより、高感度な検査を実現することができる。
【００３３】
ここで、判定工程において比較するのは残差二乗和に限定されるものではなく、一般にｐを正の数として残差のｐ乗和を採用してもよい。ＳＳＤはｐ＝２の場合に該当する。すなわち、最小二乗法と並行してＳＳＤによる位置補正を行い、ｐを正数として実画と補正された参照画の残差絶対値のｐ乗和を最小二乗法による補正とＳＳＤ法による補正とのそれぞれの場合について計算して、両者を比較して、残和絶対値のｐ乗和が最小となる補正手法を選択してもよい。
【００３４】
Ｓ２１６において、比較工程として、比較回路１０８は、試料となるフォトマスク１０１から得られる透過画像に基づいてセンサ回路１０６で生成された被検査パターン画像となる光学画像と、展開回路１１１と参照回路１１２で生成した検査基準パターン画像となる参照画像とを、位置合わせ回路１４０にて位置合わせした後に取り込み、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。このように高精度な位置合わせが行なわれたデータ比較を行うことにより欠陥の誤検出を抑制して擬似欠陥を低減し、高精度の検査を行うことができる。
【００３５】
実施の形態２．
実施の形態２では、一次元パターンの測定データと参照データとの位置合わせを行なう場合の簡易手法について説明する。ここで、実施の形態２における装置構成および試料検査方法或いは画像位置合わせ方法の各工程は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００３６】
図８は、一次元パターンの一例を示す図である。
図９は、一次元パターンの他の一例を示す図である。
最小二乗法によるモデルは、二次元パターンに好適なものであるが、ライン・スペースのように一次元パターンの場合には、正規行列がランク落ちしてｘ０またはｙ０の一方が不定となる場合が考えられる。図８と図９の例では、ｙ０が不定となる。
図１０は、ｙ０が不定となる場合の相関行列式を示す図である。
例えば、ｙ０が不定となる場合、正規行列の対角成分であるΣ（ｄＵ／ｄｘ）２とΣ（ｄＵ／ｄｙ）２を比較すると、図１０（ａ）に示すように、対角成分のΣ（ｄＵ／ｄｙ）２がΣ（ｄＵ／ｄｘ）２に比べて無視できるので、図１０（ｂ）に示すように、正規行列の相関和から（ｄＵ／ｄｙ）を含む項を除くことにより正規行列を３×３から２×２に縮退することができる。この導出された行列を解き、εとｘ０を求めて、位置補正や像解像補正を行うことができる。
【００３７】
図１１は、一次元パターンの他の一例を示す図である。
図１２は、一次元パターンの他の一例を示す図である。
上述した場合とは逆に、図１１と図１２の例では、ｘ０が不定となる。
かかる場合には、正規行列の対角成分であるΣ（ｄＵ／ｄｘ）２とΣ（ｄＵ／ｄｙ）２を比較すると、対角成分のΣ（ｄＵ／ｄｘ）２がΣ（ｄＵ／ｄｙ）２に比べて無視できるので、上述した例とは逆に、正規行列の相関和から（ｄＵ／ｄｘ）を含む項を除くことにより正規行列を３×３から２×２に縮退することができる。この導出された行列を解き、εとｙ０を求めて、位置補正や像解像補正を行うことができる。
【００３８】
以上のように、最小二乗法位置ずれ演算回路３２２は、ｘ方向に参照画像を空間微分した値とｙ方向に参照画像を空間微分した値との一方が他方の規定倍よりも小なる場合に、小なる方を除いて演算する。その結果、最小二乗法によるモデルにおいて、ライン系のように基本モデルでは不安定となる場合にも推定パラメータ数を自動的に減らして推定することができる。
【００３９】
ここで、ライン系の位置補正のみを行う場合に例えばＸ０が不定になる場合でも、ｘ方向は併用しているサブ画素単位のＳＳＤのｘ方向のシフト量を採用して位置補正を行うことも好適である。実際に、１次元パターンと二次元パターンの区別が難しい場合でも、未定となるＸ０をたとえば「０」と固定するよりも安定な位置合わせ結果を得ることができる。同様に、例えばＹ０が不定になる場合でも、ｙ方向は併用しているサブ画素単位のＳＳＤのｙ方向のシフト量を採用して位置補正を行うことも好適である。また、ｘ方向に参照画像を空間微分した値と前記ｙ方向に参照画像を空間微分した値との一方が他方の規定倍よりも小なる場合に、残差２乗和演算回路３２４は、ｘ方向とｙ方向のうち小なる方向の位置ずれ量として、サブ画素単位ＳＳＤ演算回路３２０により得られた位置ずれ量を代入して演算しても好適である。
【００４０】
実施の形態３．
実施の形態３では、フレーム内の局所的な位置ずれを補正する場合の手法について説明する。ここで、実施の形態３における装置構成および試料検査方法或いは画像位置合わせ方法の各工程は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００４１】
図１３は、二次元パターンの一例を示す図である。
例えば、図１３に示す二次元パターンの一部に局所的な位置ずれが生じているような場合、ＳＳＤでは、フレーム全体をｘ，ｙ方向に移動させるため対応することが難しい。一方、最小二乗法では、かかるフレームを例えば図１３に示すように点線で分割して、各分割された領域ごとに位置ずれ量を演算し、位置ずれ量および像強度変動率をそれぞれ推定するようにしても好適である。そして、かかる場合に、分割された領域が１次元パターンで構成されている場合には、実施の形態２において説明したようにｘ０またはｙ０の一方が不定となる場合、それぞれ正規行列を３×３から２×２に縮退することができる。そして、各分割された領域を合成することにより精度の高い位置ずれ補正を行なうことができる。
【００４２】
また、最小二乗法では、上述したフレームを例えば図１３に示すように点線で分割する場合に、重み付け分割して、各分割された領域ごとに位置ずれ量を演算し、位置ずれ量および像強度変動率をそれぞれ推定するようにしても好適である。
図１４は、１次の線形補間による重み付けを説明するための図である。
図１５は、周囲の４点で重み付けを行なう場合の式を示す図である。
例えば、ある画像データＰについて、画素Ｐを周囲の４点（０，１，２，３）の画像データを用いて内挿すると、参照データＵ（０）は、Ｕ（０）＝（１−ｘ）（１−ｙ）Ｕ、参照データＵ（１）は、Ｕ（１）＝ｘ（１−ｙ）Ｕ、参照データＵ（２）は、Ｕ（２）＝ｘｙＵ、参照データＵ（３）は、Ｕ（３）＝（１−ｘ）ｙＵで示すことができる。かかる重み付けされた参照データＵ（０）、参照データＵ（１）、参照データＵ（２）、参照データＵ（３）を用いて相関行列を計算する。
【００４３】
図１６は、実施の形態３における相関行列式を示す図である。
周囲の４点で重み付けを行なう場合、図１６に示す相関行列式を解くことにより、像強度変動率ε（０）、ε（１）、ε（２）、ε（３）、位置ずれ量ｘ０（０）、ｘ０（１）、ｘ０（２）、ｘ０（３）、ｙ０（０）、ｙ０（１）、ｙ０（２）、ｙ０（３）といった１２の変数を得ることができる。かかる各値を用いて、位置補正することによりフレーム内の局所的な位置ずれ等を補正することができる。局所的な位置ずれの原因としては、（１）ＸＹステージの蛇行、（２）実画像と参照画像の画素サイズの差異、（３）撮像素子の画素サイズの差異などが考えられる。重み付けの手法は、かかる周囲の４点を用いる場合に限らず、１６点を用いる双三次補間などを採用することも好適である。図１６では、行列の各値について一部記載を省略している。
【００４４】
図１７は、別の光学画像取得手法を説明するための図である。
図１の構成では、スキャン幅Ｗの画素数（例えば２０４８画素）を同時に入射するフォトダイオードアレイ１０５を用いているが、これに限るものではなく、図１７に示すように、ＸＹθテーブル１０２をＸ方向に定速度で送りながら、レーザ干渉計で一定ピッチの移動を検出した毎にＹ方向に図示していないレーザスキャン光学装置でレーザビームをＹ方向に走査し、透過光を検出して所定の大きさのエリア毎に二次元画像を取得する手法を用いても構わない。
【００４５】
以上の説明において、「〜回路」或いは「〜工程」と記載したものは、コンピュータで動作可能なプログラムにより構成することができる。或いは、ソフトウェアとなるプログラムだけではなく、ハードウェアとソフトウェアとの組合せにより実施させても構わない。或いは、ファームウェアとの組合せでも構わない。また、プログラムにより構成される場合、プログラムは、磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録される。例えば、演算制御部を構成するテーブル制御回路１１４、展開回路１１１、参照回路１１２、比較回路１０８、位置合わせ回路１４０及び位置合わせ回路１４０内の各回路等は、電気的回路で構成されていても良いし、制御計算機１１０によって処理することのできるソフトウェアとして実現してもよい。また電気的回路とソフトウェアの組み合わせで実現しても良い。
【００４６】
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、各実施の形態では、透過光を用いているが、反射光あるいは、透過光と反射光を同時に用いてもよい。参照画像は設計データから生成しているが、フォトダイオードアレイ等のセンサにより撮像した同一パターンのデータを用いても良い。言い換えれば、ｄｉｅ  ｔｏ  ｄｉｅ検査でもｄｉｅ  ｔｏ  ｄａｔａｂａｓｅ検査でも構わない。
【００４７】
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。
【００４８】
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試料検査装置、試料検査方法、画像位置合わせ方法は、本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施の形態１における試料検査装置の構成を示す概念図である。
【図２】位置合わせ回路の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１における試料検査方法の要部工程を示すフローチャート図である。
【図４】光学画像の取得手順を説明するための図である。
【図５】ＳＳＤ演算手法を説明するための図である。
【図６】最小二乗法に基づく位置ずれ量演算のモデル式を示す図である。
【図７】最小二乗法に基づく相関行列式を示す図である。
【図８】一次元パターンの一例を示す図である。
【図９】一次元パターンの他の一例を示す図である。
【図１０】ｙ０が不定となる場合の相関行列式を示す図である。
【図１１】一次元パターンの他の一例を示す図である。
【図１２】一次元パターンの他の一例を示す図である。
【図１３】二次元パターンの一例を示す図である。
【図１４】１次の線形補間による重み付けを説明するための図である。
【図１５】周囲の４点で重み付けを行なう場合の式を示す図である。
【図１６】実施の形態３における相関行列式を示す図である。
【図１７】別の光学画像取得手法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５０】
１００  試料検査装置
１０１  フォトマスク
１０２  ＸＹθテーブル
１０３  光源
１０４  拡大光学系
１０５  フォトダイオードアレイ
１０６  センサ回路
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
１１１  展開回路
１１２  参照回路
１１５  磁気テープ装置
１４０  位置合わせ回路
１５０  光学画像取得部
３０２  参照データメモリ
３０４  測定データメモリ
３１０  画素単位ＳＳＤ演算回路
３２０  サブ画素単位ＳＳＤ演算回路
３３２  最小二乗法位置ずれ演算回路
３３０  演算データメモリ
３２４  残差２乗和演算回路
３４０  判定回路
３５０  位置補正回路
【図１】
2007071630.tif 000003
【図２】
2007071630.tif 000004
【図３】
2007071630.tif 000005
【図４】
2007071630.tif 000006
【図５】
2007071630.tif 000007
【図６】
2007071630.tif 000008
【図７】
2007071630.tif 000009
【図８】
2007071630.tif 000010
【図９】
2007071630.tif 000011
【図１０】
2007071630.tif 000012
【図１１】
2007071630.tif 000013
【図１２】
2007071630.tif 000014
【図１３】
2007071630.tif 000015
【図１４】
2007071630.tif 000016
【図１５】
2007071630.tif 000017
【図１６】
2007071630.tif 000018
【図１７】
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