(57)【要約】      （修正有）【課題】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。【解決手段】パターン検査装置は、残差２乗和演算による光学画像と参照画像との位置ずれ量を取得するＳＳＤアライメント演算部３１０と、最小二乗法により、前記光学画像と前記補正された参照画像との合わせ位置からの位置ずれ量を演算する最小二乗法アライメント演算部３２０と、前記光学画像と前記残差２乗和および前記最小二乗法を用いて補正された参照画像とを比較する比較回路１０８と、を備え、前記ＳＳＤアライメント演算部３１０による演算を最初として、前記ＳＳＤアライメント演算部３１０と前記最小二乗法アライメント演算部３２０は、交互に同回数だけ複数回演算を繰り返し、比較回路１０８は、複数回演算が繰り返された結果得られた位置に補正された参照画像と前記光学画像とを比較することを特徴とする。【選択図】図２
2012002674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターンが形成された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合わせ位置をベースにして平行シフトした別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける位置ずれ量を取得する残差２乗和演算部と、
前記残差２乗和演算部で取得された位置ずれ量が補正された参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記補正された参照画像との合わせ位置からの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残差２乗和および前記最小二乗法を用いて補正された参照画像とを比較する比較部と、
を備え、
前記残差２乗和演算部による演算を最初として、前記残差２乗和演算部と前記最小二乗法演算部は、交互に同回数だけ複数回演算を繰り返し、
前記比較部は、複数回演算が繰り返された結果得られた位置に補正された参照画像と前記光学画像とを比較することを特徴とするパターン検査装置。
【請求項２】
前記残差２乗和演算部は、最初の演算の際、前記光学画像と位置補正されていない前記参照画像との合わせ位置をベースにして演算し、２回目以降は前記光学画像と位置補正されていない前記参照画像に前記最小二乗法を用いて得られた位置ずれ量が補正された参照画像との合わせ位置をベースにして演算し、
前記最小二乗法演算部は、前記光学画像と位置補正されていない前記参照画像に前記残差２乗和を用いて得られた位置ずれ量が補正された参照画像との合わせ位置からの位置ずれ量を演算し、最後の演算よりも前の演算の際、得られた位置ずれ量を位置補正されていない前記参照画像に補正して出力し、最後の演算の際、得られた位置ずれ量を前記残差２乗和を用いて得られた最後の位置ずれ量が補正された参照画像に対して補正して出力することを特徴とする請求項１記載のパターン検査装置。
【請求項３】
前記残差２乗和演算部は、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し、画素単位で最小となる位置からさらに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又は２記載のパターン検査装置。
【請求項４】
パターンが形成された被検査試料の光学画像と比較するために作成された第１の参照画像を第２の参照画像に代入する第1の工程と、
第２の参照画像と光学画像の残差二乗和が最小となる平行シフトによる位置補正量を探索により算出する第２の工程と、
第２の工程により算出された平行シフトによる位置補正量を示す第１のパラメータだけ第１の参照画像を位置補正して新たな第２の参照画像として得る第３の工程と、
新たな第２の参照画像に対する光学画像の平行シフト・伸縮・回転・像強度変動を未知の第２のパラメータとしてモデル化し、最小二乗法により上記第２のパラメータを算出する第４の工程と、
第４の工程により算出された第２のパラメータだけ第１の参照画像を画像補正してさらに新たな第２の参照画像として得る第５の工程と、
を備え、
前記第２から４の工程をＮ回、第５の工程をＮ−１回、第２から５の工程を順に繰り返し、
Ｎ回目の第４の工程の後、Ｎ回目の第４の工程により算出された第２のパラメータだけＮ回目の第４の工程で用いた新たな第２の参照画像を画像補正して第３の参照画像を得て、出力する第６の工程をさらに備えたことを特徴とする画像位置合わせ方法。
【請求項５】
パターンが形成された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第１の参照画像を作成する参照画像作成部と、
光学画像と前記第１の参照画像との第１番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第１番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第１番目の位置ずれ量を取得する第１番目の演算部と、
前記第１番目の位置ずれ量が補正された第２の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第２の参照画像との第２番目の合わせ位置からの第２番目の位置ずれ量を演算する第２番目の演算部と、
前記光学画像と前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−２）番目（但し、２≦ｎ≦ｍであってｎ，ｍは整数）の位置ずれ量が補正された第（２ｎ−１）の参照画像との第（２ｎ−１）番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第ｎ番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量を取得する第（２ｎ−１）番目の演算部と、
前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｎ）の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第（２ｎ）の参照画像との合わせ位置からの第（２ｎ）番目の位置ずれ量を演算する第（２ｎ）番目の演算部と、
前記第１の参照画像に対し第（２ｍ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｍ）の参照画像に対して（２ｍ）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｍ＋１）の参照画像と前記光学画像とを比較する比較部と、
を備えたことを特徴とするパターン検査装置。
【請求項６】
パターンが形成された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、
光学画像と第１の参照画像との第１番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第１番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第１番目の位置ずれ量を取得する第１番目の演算工程と、
前記第１番目の位置ずれ量が補正された第２の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第２番目の参照画像との第２番目の合わせ位置からの第２番目の位置ずれ量を演算する第２番目の演算工程と、
前記光学画像と前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−２）番目（但し、２≦ｎ≦ｍであってｎ，ｍは整数）の位置ずれ量が補正された第（２ｎ−１）の参照画像との第（２ｎ−１）番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第ｎ番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量を取得する第（２ｎ−１）番目の演算工程と、
前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｎ）の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第（２ｎ）の参照画像との合わせ位置からの第（２ｎ）番目の位置ずれ量を演算する第（２ｎ）番目の演算工程と、
前記第１の参照画像に第（２ｍ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｍ）の参照画像に対して（２ｍ）番目の位置ずれ量を補正して生成される第（２ｍ＋１）の参照画像と、前記光学画像とを位置合わせし、出力する位置合わせ工程と、
を備えたことを特徴とする画像位置合わせ方法。
【請求項７】
パターンが形成された被検査試料の比較検査に用いる光学画像と第１の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第１の参照画像とを読み出し、前記光学画像と第１番目の参照画像との第１番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第１番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第１番目の位置ずれ量を取得する第１番目の演算処理と、
前記第１番目の位置ずれ量が補正された第２の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第２の参照画像との第２番目の合わせ位置からの第２番目の位置ずれ量を演算する第２番目の演算処理と、
前記光学画像と前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−２）番目（但し、２≦ｎ≦ｍであってｎ，ｍは整数）の位置ずれ量が補正された第（２ｎ−１）の参照画像との第（２ｎ−１）番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第ｎ番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量を取得する第（２ｎ−１）番目の演算処理と、
前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｎ）の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第（２ｎ）の参照画像との合わせ位置からの第（２ｎ）番目の位置ずれ量を演算する第（２ｎ）番目の演算処理と、
前記第１の参照画像に第（２ｍ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｍ）の参照画像に対して（２ｍ）番目の位置ずれ量を補正して生成される第（２ｍ＋１）の参照画像と、前記光学画像とを位置合わせし、出力する位置合わせ処理と、
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、パターン検査装置、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、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。そのため、参照画像と光学画像との位置ずれ量をまず画素単位で残差２乗和演算により位置を補正した後、その位置から最小二乗法によりさらにサブ画素単位での位置補正を行なうことが行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、画素単位で残差２乗和演算により位置を補正した際、本来位置合わせすべき図形の隣の図形と位置を合わせするように演算されてしまう場合があるといった問題があった。かかる問題は、例えば、ラインアンドスペースパターンのように同じような図形が繰り返し配列されたパターンや、４５度ではない任意角の辺をもつ図形パターンなどで発生しやすい。隣の図形に画素単位で位置合わせ補正がなされてしまうと、その後の最小二乗法による補正ではサブ画素単位の補正となるので本来位置合わせすべき図形位置への修正が困難となってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−０７１６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
参照画像と光学画像を比較するためには、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。特に、上述したように最初の画素単位での位置合わせの段階で異なる図形同士が位置合わせされてしまうといった問題があった。
【００１０】
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】
【００１１】
本発明の一態様のパターン検査装置は、
パターンが形成された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合わせ位置をベースにして平行シフトした別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける位置ずれ量を取得する残差２乗和演算部と、
前記残差２乗和演算部で取得された位置ずれ量が補正された参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記補正された参照画像との合わせ位置からの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残差２乗和および前記最小二乗法を用いて補正された参照画像とを比較する比較部と、
を備え、
前記残差２乗和演算部による演算を最初として、前記残差２乗和演算部と前記最小二乗法演算部は、交互に同回数だけ複数回演算を繰り返し、
前記比較部は、複数回演算が繰り返された結果得られた位置に補正された参照画像と前記光学画像とを比較することを特徴とする。
【００１２】
本発明の一態様の画像位置合わせ方法は、
パターンが形成された被検査試料の光学画像と比較するために作成された第１の参照画像を第２の参照画像に代入する第1の工程と、
第２の参照画像と光学画像の残差二乗和が最小となる平行シフトによる位置補正量を探索により算出する第２の工程と、
第２の工程により算出された平行シフトによる位置補正量を示す第１のパラメータだけ第１の参照画像を位置補正して新たな第２の参照画像として得る第３の工程と、
新たな第２の参照画像に対する光学画像の平行シフト・伸縮・回転・像強度変動を未知の第２のパラメータとしてモデル化し、最小二乗法により上記第２のパラメータを算出する第４の工程と、
第４の工程により算出された第２のパラメータだけ第１の参照画像を画像補正してさらに新たな第２の参照画像として得る第５の工程と、
を備え、
前記第２から４の工程をＮ回、第５の工程をＮ−１回、第２から５の工程を順に繰り返し、
Ｎ回目の第４の工程の後、Ｎ回目の第４の工程により算出された第２のパラメータだけＮ回目の第４の工程で用いた新たな第２の参照画像を画像補正して第３の参照画像を得て、出力する第６の工程をさらに備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様のパターン検査装置は、
パターンが形成された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第１の参照画像を作成する参照画像作成部と、
光学画像と前記第１の参照画像との第１番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第１番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第１番目の位置ずれ量を取得する第１番目の演算部と、
前記第１番目の位置ずれ量が補正された第２の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第２の参照画像との第２番目の合わせ位置からの第２番目の位置ずれ量を演算する第２番目の演算部と、
前記光学画像と前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−２）番目（但し、２≦ｎ≦ｍであってｎ，ｍは整数）の位置ずれ量が補正された第（２ｎ−１）の参照画像との第（２ｎ−１）番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第ｎ番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量を取得する第（２ｎ−１）番目の演算部と、
前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｎ）の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第（２ｎ）の参照画像との合わせ位置からの第（２ｎ）番目の位置ずれ量を演算する第（２ｎ）番目の演算部と、
前記第１の参照画像に対し第（２ｍ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｍ）の参照画像に対して（２ｍ）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｍ＋１）の参照画像と前記光学画像とを比較する比較部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の一態様の画像位置合わせ方法は、
パターンが形成された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、
光学画像と第１の参照画像との第１番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第１番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第１番目の位置ずれ量を取得する第１番目の演算工程と、
前記第１番目の位置ずれ量が補正された第２の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第２番目の参照画像との第２番目の合わせ位置からの第２番目の位置ずれ量を演算する第２番目の演算工程と、
前記光学画像と前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−２）番目（但し、２≦ｎ≦ｍであってｎ，ｍは整数）の位置ずれ量が補正された第（２ｎ−１）の参照画像との第（２ｎ−１）番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第ｎ番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量を取得する第（２ｎ−１）番目の演算工程と、
前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｎ）の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第（２ｎ）の参照画像との合わせ位置からの第（２ｎ）番目の位置ずれ量を演算する第（２ｎ）番目の演算工程と、
前記第１の参照画像に第（２ｍ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｍ）の参照画像に対して（２ｍ）番目の位置ずれ量を補正して生成される第（２ｍ＋１）の参照画像と、前記光学画像とを位置合わせし、出力する位置合わせ工程と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の一態様のコンピュータに実行させるためのプログラムは、
パターンが形成された被検査試料の比較検査に用いる光学画像と第１の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第１の参照画像とを読み出し、前記光学画像と第１番目の参照画像との第１番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第１番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第１番目の位置ずれ量を取得する第１番目の演算処理と、
前記第１番目の位置ずれ量が補正された第２の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第２の参照画像との第２番目の合わせ位置からの第２番目の位置ずれ量を演算する第２番目の演算処理と、
前記光学画像と前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−２）番目（但し、２≦ｎ≦ｍであってｎ，ｍは整数）の位置ずれ量が補正された第（２ｎ−１）の参照画像との第（２ｎ−１）番目の合わせ位置をベースにして平行シフトした第ｎ番目の別の複数の参照画像を用いて、前記光学画像と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で前記光学画像の画素値と前記第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算し、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量を取得する第（２ｎ−１）番目の演算処理と、
前記第１の参照画像に前記第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｎ）の参照画像をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、前記光学画像と前記第（２ｎ）の参照画像との合わせ位置からの第（２ｎ）番目の位置ずれ量を演算する第（２ｎ）番目の演算処理と、
前記第１の参照画像に第（２ｍ−１）番目の位置ずれ量が補正された第（２ｍ）の参照画像に対して（２ｍ）番目の位置ずれ量を補正して生成される第（２ｍ＋１）の参照画像と、前記光学画像とを位置合わせし、出力する位置合わせ処理と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、最初の残差２乗和演算により異なる図形同士が位置合わせされた場合でも、次回以降の残差２乗和演算により所望する図形同士が位置合わせされるように位置を修正できる。よって、参照画像と光学画像との高精度な位置合わせができる。その結果、高感度な検査を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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におけるパターン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】実施の形態１における光学画像の取得手順を説明するための図である。
【図５】実施の形態１におけるＳＳＤ演算手法を説明するための図である。
【図６】実施の形態１における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】実施の形態１における最小二乗法に基づく相関行列式を示す図である。
【図８】１回ずつのＳＳＤアライメントと最小二乗法アライメントを行った場合の位置合わせ状況の一例を示す図である。
【図９】実施の形態１における複数回のＳＳＤアライメントと最小二乗法アライメントを行った場合の位置合わせ状況の一例を示す図である。
【図１０】別の光学画像取得手法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態１．
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、パターンが形成されたマスクやウェハ等の基板を試料して、かかる試料上のパターン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。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】
図２は、実施の形態１における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、ＳＳＤ（Ｓｕｍ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｑｕａｒｅｄ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）アライメント演算部３１０、最小二乗法アライメント演算部３２０、及びメモリ３１１，３２１を有している。ＳＳＤアライメント演算部３１０内には、複数の画素単位ＳＳＤ演算部３１２（ａ，・・・ｎ，・・・ｍ）、複数の画素単位アライメント部３１４（ａ，・・・ｎ，・・・ｍ）、複数のサブ画素単位ＳＳＤ演算部３１６（ａ，・・・ｎ，・・・ｍ）、及び複数のサブ画素単位アライメント部３１８（ａ，・・・ｎ，・・・ｍ）が配置されている。最小二乗法アライメント演算部３２０内には、複数の最小二乗法位置ずれ演算部３２２（ａ，・・・ｎ，・・・ｍ）、及び複数の最小二乗法アライメント部３２４（ａ，・・・ｎ，・・・ｍ）が配置されている。（但し、ｎは、２≦ｎ≦ｍであって、２以上の整数とする。ｍは２以上の整数であってｎが取り得る最大値とする。）
【００２０】
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。ＳＳＤアライメント演算部３１０内に入力されるデータ、及びＳＳＤアライメント演算部３１０内で演算されたデータは、その都度、メモリ３１１に記憶される。最小二乗法アライメント演算部３２０内に入力されるデータ、及び最小二乗法アライメント演算部３２０内で演算されたデータは、その都度、メモリ３２１に記憶される。
【００２１】
図３は、実施の形態１におけるパターン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（Ｓ２５０）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）、第１番目のＳＳＤアライメント工程（Ｓ２１０）、第１番目の最小二乗法アライメント工程（Ｓ２２０）、・・・（第ｎ番目のＳＳＤアライメント工程、及び第ｎ番目の最小二乗法アライメント工程）・・・最終番目の第ｍ番目のＳＳＤアライメント工程（Ｓ２３０）、及び最終番目の第ｍ番目の最小二乗法アライメント工程（Ｓ２４０）という一連の工程を実施する。
【００２２】
第１番目のＳＳＤアライメント工程（Ｓ２１０）内では、画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２１４）、画素単位アライメント工程（Ｓ２１４）、サブ画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２１６）、及びサブ画素単位アライメント工程（Ｓ２１８）という一連の内部工程を実施する。同様に、第ｍ番目のＳＳＤアライメント工程（Ｓ２３０）内では、画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２３４）、画素単位アライメント工程（Ｓ２３４）、サブ画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２３６）、及びサブ画素単位アライメント工程（Ｓ２３８）という一連の内部工程を実施する。
【００２３】
第１番目の最小二乗法アライメント工程（Ｓ２２０）内では、最小二乗法位置ずれ演算工程（Ｓ２２２）及び最小二乗法アライメント工程（Ｓ２２４）という一連の内部工程を実施する。同様に、第ｍ番目の最小二乗法アライメント工程（Ｓ２４０）内では、最小二乗法位置ずれ演算工程（Ｓ２４２）及び最小二乗法アライメント工程（Ｓ２４４）という一連の内部工程を実施する。
【００２４】
光学画像取得工程（Ｓ１０２）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。
【００２５】
図４は、実施の形態１における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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
そして、参照データ作成工程（Ｓ１０４）として、展開回路１１１および参照回路１１２等で構成される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。設計データは磁気ディスク装置１０９等に格納されている。
【００３０】
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。
記憶工程（Ｓ２０２）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。
【００３１】
第１番目のＳＳＤアライメント工程（Ｓ２１０）として、残差２乗和演算部の一例となるＳＳＤアライメント演算部３１０は、測定データメモリ３０４から測定データ（ａ１）を、参照データメモリ３０２から参照データ（ｂ１）を入力する。そして、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し、画素単位の位置ずれ量だけずらした参照画像を作成する。そして、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し、さらにサブ画素単位の位置ずれ量だけずらした参照画像を作成する。
【００３２】
図５は、実施の形態１におけるＳＳＤ演算手法を説明するための図である。
まず、画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２１４）として、画素単位ＳＳＤ演算部３１２ａ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演算部３１２ａ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への位置ずれ量を演算する。
【００３３】
そして、画素単位アライメント工程（Ｓ２１４）として、画素単位アライメント部３１４ａは、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。具体的には、かかる最小値をとる位置にずらした参照データを作成する。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。
【００３４】
次に、サブ画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２１６）として、サブ画素単位ＳＳＤ演算部３１６ａは、測定データと参照データとの画素単位で合わせた位置から、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。画素単位で合わせた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。
【００３５】
そして、サブ画素単位アライメント工程（Ｓ２１８）として、サブ画素単位アライメント部３１８ａは、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。具体的には、かかる最小値をとる位置にずらした参照データを作成する。このようにして、画素単位で合わせた位置からさらにサブ画素単位で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ことができる。以上のようにサブ画素単位でＳＳＤ演算により位置合わせされた補正後の参照データ（ｃ２）は次の最小二乗法アライメント演算部３２０に出力される。
【００３６】
次に、第１番目の最小二乗法アライメント工程（Ｓ２２０）として、最小二乗法演算部の一例となる最小二乗法アライメント演算部３２０は、測定データメモリ３０４から測定データ（ａ２）を、参照データメモリ３０２から参照データ（ｂ２）を、さらにＳＳＤアライメント演算部３１０から第１番目のＳＳＤアライメント工程（Ｓ２１０）による補正後の参照データ（ｃ２）を入力する。そして、測定データ（ａ２）と参照データ（ｃ２）との上述した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。そして、得られた位置ずれ量を補正するパラメータをまだ補正されていない参照データ（ｂ２）に適用することで位置合わせされた補正後の参照データ（ｃ２ｍ−１）を作成する。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。
【００３７】
図６は、実施の形態１における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。まず、最小二乗法位置ずれ演算工程（Ｓ２２２）として、最小二乗法位置ずれ演算部３２２は、最小二乗法に基づく位置ずれ量（ｘ０，ｙ０）を演算する。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（ｃ２）から実画となる測定データ（ａ２）を引き算した値（Ｕ−Ｓ）と、ｘ方向に参照データ（ｃ２）を空間微分した値（ｄＵ／ｄｘ）とｙ方向に参照データ（ｃ２）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。
【００３８】
図７は、実施の形態１における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。このように、平行シフト・伸縮・回転・像強度変動を未知パラメータとしてモデル化し、最小二乗法によりかかる未知パラメータを算出する。
【００３９】
そして、最小二乗法アライメント工程（Ｓ２４４）として、最小二乗法アライメント部３２４ａは、得られた位置ずれ（ｘ０，ｙ０）と像強度変動率εといったパラメータをまだ補正されていない参照データ（ｂ２）に適用することで位置合わせされた補正後の参照データ（ｃ２ｎ−１）を作成する。具体的には、図６の式（１）に、測定データＳ（ｘ，ｙ）と得られた位置ずれ（ｘ０，ｙ０）及び像強度変動率εを当てはめることで、補正後の参照データＵ（ｘ，ｙ）を得ればよい。補正後の参照データ（ｃ２ｎ−１）は次のＳＳＤアライメント工程を行うためにＳＳＤアライメント演算部３１０に出力される。
【００４０】
図８は、１回ずつのＳＳＤアライメントと最小二乗法アライメントを行った場合の位置合わせ状況の一例を示す図である。図８（ａ）では、測定データＡと参照データＢの位置合わせを行なう場合、それぞれの画素値のピーク位置（画素値が大きい位置、或いは画像強度が最大の位置）を順に１，２，３と番号付けをしている。すなわち、測定データＡは、ピーク位置がＡ１，Ａ２，Ａ３，・・・と順に並んで配置されている。参照データＢは、ピーク位置がＢ１，Ｂ２，・・・と順に並んで配置されている。ここでは、一例として、ラインアンドスペースパターンを示している。例えば、図８（ａ）では、測定データＡのピーク位置Ａ１，Ａ２の中間付近に本来ピーク位置Ａ１と比較されるはずの参照データＢのピーク位置Ｂ１が位置している場合を示している。かかる状態で、ＳＳＤアライメント手法により画素単位で位置合わせすると、本来、参照データＢのピーク位置Ｂ１が測定データＡのピーク位置Ａ１に合うように演算されるべきところ、隣のピーク位置Ａ２に合うように演算されてしまう場合が発生する。かかる画素単位ＳＳＤ演算での間違いは、参照データＢの像強度や画像歪み等が測定データＡと一致していないために起こりやすい。図８（ａ）に示すように、異なる図形に位置合わせしてしまうと、その後、サブ画素単位ＳＳＤ演算や最小二乗法演算を行なうことでピーク位置Ｂ１がＢ’１に、ピーク位置Ｂ２がＢ’２に位置ずれ量が補正される。しかし、かかる位置合わせ補正は、図８（ｂ）に示すように、間違った位置においてサブ画素レベルでの位置合わせをおこなってしまう。その結果、本来合わせるべき図形に合わせることが困難となる。上述したように、画素単位ＳＳＤ演算での間違いは、参照データＢの像強度や画像歪み等が測定データＡと一致していないために起こりやすい。
【００４１】
そこで、実施の形態１では、画素単位で間違った位置にあわせてしまった場合でもその位置で参照データＢの像強度や画像歪み等を測定データＡに合わせる位置ずれ量を最小二乗法演算で求める。そして、かかる結果を用いて再度ＳＳＤアライメント手法により画素単位で位置合わせする。これにより、２回目の画素単位ＳＳＤ演算では、本来合わせるべき図形に合わせることができる。そして、合わせた後に、サブ画素単位ＳＳＤ演算や最小二乗法演算を行なうことでさらに高精度に位置合わせが可能となる。以下、説明の理解をしやすくするために、ｎ＝ｍ＝２である場合について説明する。
【００４２】
第２番目（第ｍ番目）のＳＳＤアライメント工程（Ｓ２３０）として、ＳＳＤアライメント演算部３１０は、測定データメモリ３０４から測定データ（ａ３：図３ではａ２ｍ−１で示す）を、参照データメモリ３０２から参照データ（ｂ３：図３ではｂ２ｍ−１で示す）を、最小二乗法アライメント演算部３２０から補正後の参照データ（ｃ３：図３ではｃ２ｍ−１で示す）を入力する。そして、測定データ（ａ３：図３ではａ２ｍ−１で示す）と補正後の参照データ（ｃ３：図３ではｃ２ｍ−１で示す）とを用いて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し、画素単位の位置ずれ量だけずらした参照画像を作成する。そして、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し、さらにサブ画素単位の位置ずれ量だけずらした参照データ（ｃ４：図３ではｃ２ｍで示す）を作成する。
【００４３】
具体的には、まず、画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２３４）として、画素単位ＳＳＤ演算部３１２ｍは、測定データメモリ３０４から測定データ（ａ３：図３ではａ２ｍ−１で示す）を、最小二乗法アライメント演算部３２０から補正後の参照データ（ｃ３：図３ではｃ２ｍ−１で示す）を入力する。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（ａ３：図３ではａ２ｍ−１で示す）との間で、残差２乗和を演算する。そして、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への位置ずれ量を演算する。演算の手法は画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２１４）と同様である。
【００４４】
そして、画素単位アライメント工程（Ｓ２３４）として、画素単位アライメント部３１４ｍ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（ｂ３：図３ではｂ２ｍ−１で示す）を読み出す。そして、画素単位アライメント部３１４ｍは、求めた最小値をとる位置に測定データ（ａ３：図３ではａ２ｍ−１で示す）と補正されていない参照データ（ｂ３：図３ではｂ２ｍ−１で示す）とを位置合わせする。具体的には、かかる最小値をとる位置にずらした参照データを作成する。
【００４５】
次に、サブ画素単位ＳＳＤ演算工程（Ｓ２３６）として、サブ画素単位ＳＳＤ演算部３１６ｍは、測定データ（ａ３：図３ではａ２ｍ−１で示す）と参照データ（ｂ３：図３ではｂ２ｍ−１で示す）との画素単位で合わせた位置から、サブ画素単位でずらして、測定データ（ａ３：図３ではａ２ｍ−１で示す）の画素値と参照データ（ｂ３：図３ではｂ２ｍ−１で示す）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。
【００４６】
そして、サブ画素単位アライメント工程（Ｓ２３８）として、サブ画素単位アライメント部３１８ｍは、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。具体的には、かかる最小値をとる位置にずらした参照データを作成する。以上のようにサブ画素単位でＳＳＤ演算により位置合わせされた補正後の参照データ（ｃ４：図３ではｃ２ｍで示す）は次の最小二乗法アライメント演算部３２０に出力される。
【００４７】
次に、第２番目（第ｍ番目）の最小二乗法アライメント工程（Ｓ２４０）として、最小二乗法演算部の一例となる最小二乗法アライメント演算部３２０は、測定データメモリ３０４から測定データ（ａ４：図３ではａ２ｍで示す）を、ＳＳＤアライメント演算部３１０から第２番目（第ｍ番目）のＳＳＤアライメント工程（Ｓ２３０）による補正後の参照データ（ｃ４：図３ではｃ２ｍで示す）を入力する。そして、測定データ（ａ４：図３ではａ２ｍで示す）と参照データ（ｃ４：図３ではｃ２ｍで示す）との上述した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。そして、得られた位置ずれ量を補正するパラメータを参照データ（ｃ４：図３ではｃ２ｍで示す）に適用することで位置合わせされた補正後の参照データ（ｃ２ｍ＋１）を作成する。
【００４８】
具体的には、最小二乗法位置ずれ演算工程（Ｓ２４２）として、最小二乗法位置ずれ演算部３２２ｍは、最小二乗法に基づく位置ずれ量（ｘ０，ｙ０）と像強度変動率εといったパラメータを演算する。最小二乗法位置ずれ演算の手法は、第１番目の最小二乗法アライメント工程（Ｓ２２０）と同様である。
【００４９】
そして、最小二乗法アライメント工程（Ｓ２４４）として、最小二乗法アライメント部３２４ｍは、得られた位置ずれ（ｘ０，ｙ０）と像強度変動率εといったパラメータを参照データ（ｃ４：図３ではｃ２ｍで示す）に適用することで位置合わせされた補正後の参照データ（ｃ２ｍ＋１）を作成する。具体的には、図６の式（１）に、測定データＳ（ｘ，ｙ）と得られた位置ずれ（ｘ０，ｙ０）及び像強度変動率εを当てはめることで、補正後の参照データＵ（ｘ，ｙ）を得ればよい。補正後の参照データ（ｃ２ｍ＋１）は比較回路１０８に出力される。
【００５０】
図９は、実施の形態１における複数回のＳＳＤアライメントと最小二乗法アライメントを行った場合の位置合わせ状況の一例を示す図である。図９（ａ）では、第１番目の最小二乗法アライメントにより得られたパラメータをまだ補正されていない参照データＢに適用した状況の一例を示している。図９（ａ）では、測定データＡと参照データＢの位置合わせを行なう場合、それぞれの画素値のピーク位置（画素値が大きい位置、或いは画像強度が最大の位置）を順に１，２，３と番号付けをしている。すなわち、測定データＡは、ピーク位置がＡ１，Ａ２，Ａ３，・・・と順に並んで配置されている。参照データＢは、ピーク位置がＢ１，Ｂ２，・・・と順に並んで配置されている。ここでは、一例として、ラインアンドスペースパターンを示している。上述した図８と同様、例えば、図９（ａ）では、測定データＡのピーク位置Ａ１，Ａ２の中間付近に本来ピーク位置Ａ１と比較されるはずの参照データＢのピーク位置Ｂ１が位置している場合を示している。かかる参照データＢに第１番目の最小二乗法アライメントにより得られたパラメータを適用して補正することで像強度や画像歪みが測定データＡに近づいた参照データＢ’を作成できる。例えば、ラインアンドスペースパターンのような繰り返しパターンでは隣り合う図形同士の形状が一緒或いは近似しているので、第１回目の最小二乗法アライメントで隣の図形に位置合わせして得られたパラメータにより像強度や画像歪みを測定データＡに近づけることができる。
【００５１】
そして、図９（ａ）の状態から第２回目（第ｍ回目）のＳＳＤアライメントにより測定データＡと参照データＢ’の位置合わせを行なうことで、図９（ｂ）に示すように本来合わせるべきピーク位置同士（Ａ１とＢ’１）を合わせるための位置ずれ量を得ることができる。そして、第２回目（第ｍ回目）のＳＳＤアライメントにより得られた位置ずれ量をまだ補正されていない参照データＢに適用することで、本来合わせるべきピーク位置同士（Ａ１とＢ１）を画素単位で合わせることができる。
【００５２】
かかる本来合わせるべきピーク位置同士（Ａ１とＢ１）を画素単位で合わせた図９（ｂ）の状態から、測定データＡと参照データＢについて、サブ画素単位アライメントと最小二乗法アライメントを行うことで、さらに測定データＡに位置が合った参照データを作成できる。
【００５３】
以上のように、ＳＳＤアライメント演算部３１０（第１番目の演算部：特に、画素単位ＳＳＤ演算部３１２ａとサブ画素単位ＳＳＤ演算部３１６ａ）は、測定データ（ａ１）（光学画像）と参照回路１１２が作成した参照データ（ｂ１）（第１の参照画像）との最初の合わせ位置（第１番目の合わせ位置）をベースにして平行シフトした第１番目の別の複数の参照画像を用いて、光学画像と第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で光学画像の画素値と第１番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算する。そして、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける位置ずれ量（第１番目の位置ずれ量）を取得する。
【００５４】
次に、最小二乗法アライメント演算部３２０（第２番目の演算部：特に、最小二乗法位置ずれ演算部３２２ａ）は、第１番目の位置ずれ量が補正された参照データ（ｃ２）（第２の参照画像）をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、測定データ（ａ２）と参照データ（ｃ２）との合わせ位置（第２番目の合わせ位置）からの位置ずれ量（第２番目の位置ずれ量）を演算する。そして得られたパラメータを参照データ（ｂ２）に適用して、参照データ（ｃ３：ｃ２ｎ−１）を生成する。
【００５５】
そして、ＳＳＤアライメント演算部３１０（奇数番目となる第（２ｎ−１）番目（但し、２≦ｎ≦ｍであってｎ，ｍは２以上の整数）の演算部：特に、画素単位ＳＳＤ演算部３１２ｎとサブ画素単位ＳＳＤ演算部３１６ｎ）は、測定データ（ａ２ｎ−１）と参照データ（ｃ３：ｃ２ｎ−１）（第（２ｎ−１）の参照画像）との合わせ位置（第（２ｎ−１）番目の合わせ位置）をベースにして平行シフトした第ｎ番目の別の複数の参照画像を用いて、測定データ（ａ２ｎ−１）と第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像との間で測定データ（ａ２ｎ−１）の画素値と第ｎ番目の別の複数の参照画像の各参照画像の画素値との残差２乗和をそれぞれ演算する。そして、演算された各残差２乗和の中から最小となる残差２乗和が演算された組み合せにおける位置ずれ量（第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量）を取得する。
【００５６】
そして、最小二乗法アライメント演算部３２０（偶数番目となる第（２ｎ）番目の演算部：特に、最小二乗法位置ずれ演算部３２２ｎ）は、参照データ（ｂ１）に第（２ｎ−１）番目の位置ずれ量が補正された参照データ（ｃ４：ｃ２ｎ）（第（２ｎ）の参照画像）をｘ方向に空間微分した値とｙ方向に空間微分した値とを用いて演算する最小二乗法により、測定データ（ａ２ｎ）と参照データ（ｃ４：ｃ２ｎ）との合わせ位置からの位置ずれ量（第（２ｎ）番目の位置ずれ量）を演算する。
【００５７】
以上のように、ＳＳＤアライメント演算部３１０による演算を最初として、ＳＳＤアライメント演算部３１０と最小二乗法アライメント演算部３２０は、交互に同回数だけ複数回演算を繰り返す。その際、ＳＳＤアライメント演算部３１０は、最初の演算（第１回目の演算）の際、測定データ（ａ１）と位置補正されていない参照データ（ｂ１）との合わせ位置をベースにして演算し、２回目以降は測定データ（ａ２ｎ−１）と位置補正されていない参照データ（ｂ１）に最小二乗法を用いて得られた位置ずれ量が補正された参照データ（ｃ２ｎ−１）との合わせ位置をベースにして演算する。
【００５８】
また、最小二乗法アライメント演算部３２０は、測定データ（ａ２ｎ）と位置補正されていない参照データ（ｂ１）にＳＳＤ演算を用いて得られた位置ずれ量が補正された参照データ（ｃ２ｎ）との合わせ位置からの位置ずれ量を演算する。但し、最後の演算（第ｍ回目の演算）よりも前の演算の際、得られた位置ずれ量を位置補正されていない参照データ（ｂ１）に補正して出力する。
【００５９】
そして、最後の最小二乗法アライメント演算部３２０（偶数番目となる第（２ｍ）番目の演算部：特に、最小二乗法位置ずれ演算部３２２ｍ）は、最小二乗法により、測定データ（ａ２ｍ）と１つの前回（第（２ｍ−１）回目の演算）のＳＳＤアライメント演算部３１０により生成された参照データ（ｃ２ｍ）（第（２ｍ）の参照画像）との合わせ位置からの位置ずれ量（第（２ｍ）番目の位置ずれ量）を演算する。そして、最小二乗法アライメント部３２４ｍは、参照データ（ｃ２ｍ）に対して（２ｍ）番目の位置ずれ量となるパラメータを適用して補正する。これにより、補正された参照データ（ｃ２ｍ＋１）（第（２ｍ＋１）の参照画像）を生成する。このように、最小二乗法アライメント部３２４ｍは、最後の演算（第ｍ回目の演算）の際、得られた位置ずれ量を、ＳＳＤ演算を用いて得られた最後の位置ずれ量が補正された参照データ（ｃ２ｍ）に対して補正して出力する。
【００６０】
繰り返し回数ｎの最大値ｍは、２以上であればよい。大きくなるほどより高精度に位置合わせできる。
【００６１】
以上のように、実施の形態１における画像位置合わせ方法では、まず、パターンが形成された被検査試料の光学画像と比較するために作成された参照画像（１）を参照画像（２）に代入する第１の工程を行なう。
【００６２】
そして、第２の工程として、参照画像（２）と光学画像の残差二乗和（ＳＳＤ）が最小となる平行シフトによる位置補正量を探索により算出する。ここでいう位置補正量とは、平行シフトδｘ、δｙである。一般にはδｘ＝ｉ＋ｊ／Ｎ（ｉ，ｊ：整数）の範囲が可能である。
【００６３】
続いて、第３の工程として、第２の工程により算出された平行シフトによる位置補正量を示す第１のパラメータだけ参照画像（１）を位置補正して新たな参照画像（２）として得る。
【００６４】
続いて、第４の工程として、新たな参照画像（２）に対する光学画像の平行シフト・伸縮・回転・像強度変動を未知の第２のパラメータとしてモデル化し、最小二乗法により上記第２のパラメータを算出する。ただし、平行シフト量は１画素未満と限定される。
【００６５】
続いて、第５の工程として、第４の工程により算出された第２のパラメータだけ参照画像（１）を画像補正してさらに新たな第２の参照画像として得る。
【００６６】
そして、かかる第２から４の工程をＮ回、第５の工程をＮ−１回、第２から５の工程を順に繰り返す。そして、最終回となる第６の工程として、Ｎ回目の第４の工程の後、Ｎ回目の第４の工程により算出された第２のパラメータだけＮ回目の第４の工程で用いた新たな参照画像（２）を画像補正して参照画像（３）を得て、出力する。かかる参照画像（３）が上述した参照データ（ｃ２ｍ＋１）となる。
【００６７】
比較工程（Ｓ２５０）として、比較回路１０８（比較部）は、測定データとＳＳＤ演算および最小二乗法演算を用いて補正された参照データとを比較する。図３の例では、参照データ（ｃ２ｍ＋１）と測定データ（ａ２ｍ＋１）とを取り込み、所定のアルゴリズムに従って比較し、画素毎に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。
【００６８】
図１０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１０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。
【００６９】
以上の説明において、「〜回路」、「〜部」、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、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或いは各回路内に配置されるコンピュータ等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。
【００７０】
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。また、上述した例では、最小二乗法で求めるパラメータを参照画像となる参照データの階調値（画素値）Ｕ（ｘ，ｙ）に対して、光学画像（実画像）となる測定データの階調値Ｓ（ｘ，ｙ）のＸ，Ｙ方向の位置ずれ量（ｘ０，ｙ０）と像強度変動率εとしたが、これに限るものではない。さらに、グレイレベルオフセットδを加えても構わない。
【００７１】
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。
【００７２】
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パターン検査装置、パターン検査方法、画像位置合わせ方法は、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７３】
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  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  ＳＳＤアライメント演算部
３１１，３２１  メモリ
３１２  画素単位ＳＳＤ演算部
３１４  画素単位アライメント部
３１６  サブ画素単位ＳＳＤ演算部
３１８  サブ画素単位アライメント部
３２０  最小二乗法アライメント演算部
３２２  最小二乗法位置ずれ演算部
３２４  最小二乗法アライメント部
【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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