(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層にパターンが形成された被検査物を搭載したステージを走査しながら前記被検査物の表面の像を撮像手段を用いて撮像して画像を得、
該得た画像を基準となる参照画像と比較して欠陥候補を検出し、
該検出した欠陥候補から真の欠陥を抽出し、
該抽出した真の欠陥の特徴量を抽出し、
該抽出した真の欠陥の特徴量の情報を出力する欠陥検査方法であって、
前記画像を得る工程において、前記被検査物の表面に該表面の法線方向に対して斜め方向からスリット状の光を前記撮像手段で撮像する前記被検査物の表面の領域の前後を含む領域に照射し、該スリット状の光を照射した領域の像をラインセンサで撮像し、該撮像したラインセンサの出力信号を用いて前記複数の層に形成されたパターンのうちの最上層のパターンの高さを算出し、該算出した最上層のパターンの高さの情報に基づいて前記撮像手段で撮像する領域の高さを制御することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項２】
前記スリット状の光を照射した領域の像を、スリットを介してラインセンサで撮像することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
【請求項３】
前記スリット状の光を照射した前記被検査物の表面の領域のうち、前記撮像手段で撮像する領域と該撮像する領域の前後の領域を前記ラインセンサで撮像して得た該ラインセンサの出力信号を用いて前記最上層のパターンの高さの情報を得ることを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
【請求項４】
前記被検査物の表面は光学的に透明な膜で覆われており、前記スリット状の光を前記被検査物の表面の法線方向に対して８０度以上傾斜した方向から照射することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
【請求項５】
複数のパターンの層が形成された被検査物を搭載したステージを走査しながら前記被検査物の表面高さを検出し、
該検出した前記被検査物の表面の高さの情報に基づいて前記被検査物を撮像する撮像手段の焦点位置と前記被検査物の表面の高さの関係を調整し、
該撮像手段の焦点位置と前記被検査物の表面の高さの関係を調整した状態で前記撮像手段で前記被検査物を撮像して前記被検査物のパターンの画像を得、
該得た画像を記憶しておいた参照画像と比較して欠陥候補を検出し、
該検出した欠陥候補の中から真の欠陥を抽出する欠陥検査方法であって、
前記被検査物の表面高さを検出する工程において、前記撮像手段で撮像する前記被検査物の表面の領域の前後を含む領域に該表面の法線方向に対して斜め方向からスリット状の光を照射し、該スリット状の光を照射した領域の像をラインセンサで撮像し、該撮像したラインセンサの出力信号を用いて前記複数の層に形成されたパターンのうちの最上層のパターンの高さを算出することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項６】
前記被検査物の表面高さを、前記撮像手段とは異なる光学系を用いて検出することを特徴とする請求項５に記載の欠陥検査方法。
【請求項７】
前記被検査物は、ＤＵＶ光で照射されていることを特徴とする請求項５記載の欠陥検査方法。
【請求項８】
前記被検査物を、ＴＤＩセンサを用いて撮像することを特徴とする請求項５記載の欠陥検査方法。
【請求項９】
前記抽出した真の欠陥の特徴量を抽出し、該抽出した真の欠陥の特徴量の情報を出力することを特徴とする請求項５記載の欠陥検査方法。
【請求項１０】
被検査物を搭載したステージと、
該ステージに搭載された前記被検査物を照明する照明手段と、
該照明手段で照明された前記被検査物の表面の高さ情報をその位置座標に関連付けて記憶する記憶部と、
前記ステージを走査することによって前記被検査物の表面の光学像を順次撮像位置で撮像して前記被検査物の表面の画像を得る撮像系と、
該撮像系で前記被検査物の表面像を順次撮像位置で撮像する際、前記記憶部に記憶された高さ情報を用いて前記撮像位置における被検査物高さを順次演算する被検査物高さ演算部と、
該被検査物高さ演算部で順次演算される被検査物高さの情報を用いて前記撮像系について焦点合わせを行う焦点合わせ制御部と、
前記撮像系から得られる画像と基準となる参照画像とを比較して欠陥若しくは欠陥候補を検出する画像処理部と
を備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１１】
前記記憶部に記憶された高さ情報は、フォーカスマップであることを特徴とする請求項１０に記載の欠陥検査装置。
【請求項１２】
被検査物を搭載したステージと、
該ステージに搭載された前記被検査物を照明する照明手段と、
該ステージを走査させながら前記照明手段で照明された被検査物の表面像を順次撮像位置で撮像して検出画像信号を検出する撮像系と、
該撮像系から得られる検出画像信号と基準となる参照画像信号とを比較して欠陥若しくは欠陥候補を検出する画像処理部と、
被検査物の撮像高さを位置情報に関連付けして定義して記憶する記憶部と、
前記被検査物の表面における前記撮像位置での高さを検出する高さ検出部と、
前記記憶部に記憶された撮像高さおよび前記高さ検出部から検出される撮像位置での表面高さを用いて焦点合わせを行う焦点合わせ制御部と
を備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１３】
前記照明手段は、ＤＵＶ光で前記被検査物を照明することを特徴とする請求項１０または１２に記載の欠陥検査装置。
【請求項１４】
前記撮像系はＴＤＩセンサーを備え、該ＴＤＩセンサーで前記被検査物の表面の光学像を検出して前記前記被検査物の表面の画像を得ることを特徴とする請求項１０または１２に記載の欠陥検査装置。
【請求項１５】
前記高さ検出部は、前記照明手段とは異なる照明光を前記被検査物の表面に照射し、該照射により前記被検査物の表面で反射した反射光を検出して前記被検査物の表面における前記撮像位置での高さを検出することを特徴とする請求項１２に記載の欠陥検査装置。
【請求項１６】
前記制御部は、前記演算部で順次演算される被検査物高さの情報を用いて、前記ステージの高さを制御することを特徴とする請求項１０または１２に記載の欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な回路パターンが形成された半導体ウェハの様に、多様な材質からなり、かつ表面に起伏を有する試料の表面像を高解像度で検出する撮像装置ならびに前記画像を用いた欠陥検査・計測装置に関する。特に、ＤＵＶ光源を用いた光学顕微鏡の様な、高解像度かつ狭焦点深度の光学系を用いた装置に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
多様な材質からなり、かつ表面に起伏を有する試料の表面像を高解像度で撮像システムとして、半導体ウェハのパターン欠陥検査装置がある。
【０００３】
特許文献Ｉには、半導体ウェハのパターン欠陥検査装置の焦点検出方式が記載されている。前記従来技術は、照明光路に挿入されたレチクル像を、対物レンズにより試料に投影し、試料から反射した前記パターン像を検出光路に配置したレチクルで遮光する構成を有し、前記レチクルを透過する光量の増減により試料高さを検出するものである。
【０００４】
また、パターン欠陥検査装置と同様に、多様な材質からなり、かつ表面に起伏を有する試料の表面に対して高解像光学系の焦点合わせを行う装置として、投影型露光装置がある。前記装置の自動焦点に用いる高さ検出方式が特許文献２に記載されている。投影型露光装置が対象とするウェハは全面に光学的透明体であるレジストが塗布されているが、前記従来技術では、このウェハ表面高さを精度良く検出するために、Ｓ偏光を入射角度８５度以上として照明し、透明体表層における反射率を増大させ、レジスト表面の高さを検出するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特公平４−７６４５０号公報
【特許文献２】
特開平９−３６０３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１の従来技術は、試料表面の起伏、反射率分布に対して頑健であるが、光学的透明体においては照明光が表層を透過して下層で反射されるため、高さ検出値が必ずしも試料表層に一致しない問題があった。
【０００７】
また、上記第２の従来技術は、レジストが全面に塗布されたなだらかな起伏を有するウェハにおいては精度良く高さを検出できるが、レジストパターン形成後やレジスト除去後の回路パターン付きウェハの様に、急峻なパターン段差を有する試料については、充分考慮されていなかった。
【０００８】
本発明は上記従来技術に鑑みなされたもので、レジストパターン形成後やレジスト除去後の回路パターン付ウェハに存在する急峻なパターン段差、反射率分布、光学的透明体に影響を受けることなく、表面状態を高解像度で検出する撮像装置およびこれを用いた欠陥検査装置を提供することである。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、予め設定された任意の高さに試料表面を保持することにより、着目パターンの像を明瞭に検出できる撮像装置およびこれを用いた欠陥検査装置を提供することである。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、試料上に繰り返し形成されたパターン同士を比較して欠陥を検出する欠陥検査装置において、比較するパターン同士の撮像状態を一致させることにより、微細な欠陥を感度良く検出できる欠陥検査装置を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、環境変動の影響を受けることなく、上記性能を安定して実現する撮像装置およびこれを用いた欠陥検査装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、欠陥検査方法及びその装置において、被検査物を搭載したステージを走査しながら前記被検査物の表面における撮像位置を挟んだ走査方向にずれた２点を含む複数点の高さ情報を前記撮像位置に応じて順次検出し、該順次検出した複数点の高さ情報に基づいて前記撮像位置における前記被検査物の高さを順次演算して求め、該順次演算して求めた前記被検査物の高さのデータを用いて撮像手段の焦点合わせを行い、前記被検査物を搭載したステージを走査しながら前記被検査物の表面像を前記撮像位置で前記焦点合わせが行われた撮像手段を用いて撮像して画像を得、該得た画像を基準となる参照画像と比較して欠陥候補を検出し、該検出した欠陥候補の中から真の欠陥を抽出し、該抽出した真の欠陥の特徴量を抽出し、該抽出した真の欠陥の特徴量の情報を出力するようにした。
【００１３】
また、上記目的を達成するため、本発明では、複数の層にパターンが形成された被検査物を搭載したステージを走査しながら前記被検査物の表面の像を撮像手段を用いて撮像して画像を得、該得た画像を基準となる参照画像と比較して欠陥候補を検出し、該検出した欠陥候補から真の欠陥を抽出し、該抽出した真の欠陥の特徴量を抽出し、該抽出した真の欠陥の特徴量の情報を出力する欠陥検査方法及びその装置において、前記撮像手段は、前記走査するステージに搭載された被検査物の最上層のパターンに対して焦点が合い、前記最上層の下の層のパターンに対して焦点がずれるように焦点位置を調整しながら前記被検査物の表面の像を撮像するようにした。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明では、欠陥検査方法及びその装置において、複数のパターンの層が形成された被検査物を撮像して前記複数のパターンの層のうちの一つの層のパターンに対して焦点が合い該一つの層以外の他の層のパターンに対してデフォーカスした画像を得、該得た一つの層のパターンに対して焦点が合った画像を基準となる参照画像と比較して欠陥候補を検出し、該検出した欠陥候補の中から前記一つの層のパターンの真の欠陥を抽出するようにした。
【００１５】
上記構成の有用性は以下の実施例において詳細に述べる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明にかかわる実施の形態を説明する。
【００１７】
本発明にかかわる被検査対象物である半導体ウェハに形成された微細回路パターンを検査・計測する光学式検査システムの実施の形態について説明する。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または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る。このように、同様のパターンの画像を比較することにより欠陥を検出する比較検査の場合には、得られる画像の質がその検査結果の信頼性に多大な影響を与える。画像の質の劣化は様々な要因によって引き起こされるが、最も影響の大きな要因はデフォーカスである。デフォーカスを防止し、微細回路パターンを高解像度で撮像するためには、試料表面の高さを正確に検出し、前記表面を焦点位置に保持する必要がある。
【００１８】
図１は光学式手段によりウェハ高さを検出する場合に発生する誤差を説明したものである。同図（ａ）は半導体ウェハの断面図である。半導体ウェハは光学的透明体である層間膜１により絶縁された微細な回路パターンが多層に積層されたものである。各層の回路パターンはコンタクトホール２により接続されている。光学式検査システムは、この微細回路パターン像を加工完了直後に撮像し、ショート、断線等の回路パターンの欠陥を検出して、製造工程の不具合を発見するものである。
【００１９】
微細な欠陥を感度良く検出するためには、図に示す焦点深度３内に試料表面を保持して明瞭なパターン画像を撮像する必要がある。破線４は、焦点深度の中心軌跡であり、ウェハ表面を通過する理想的な状態を示している。この結果、同図（ｂ）に示す様に最上層の回路パターン５が明瞭に撮像される。ここで、下層パターン６がデフォーカスして撮像されていないことに注意を要する。多層からなる半導体ウェハの検査においては、欠陥の発生工程、ひいては対策すべき不具合を有する製造工程を識別する必要がある。このためには、回路パターンが形成された直後に最表層のパターンに存在する欠陥のみを検出することが有利であり、下層パターンをデフォーカスさせることにより下層の欠陥が検出結果に混入することを防止できるのである。
【００２０】
しかしながら、光学式手段によりウェハ表面高さを検出する場合においては同図（ｃ）に示す様にウェハ表面が必ずしも安定して検出できない問題があった。この結果、同図（ｄ）に示す様に像質の劣化（デフォーカス）を生じ、欠陥の見逃しや虚報の発生を引き起こしていた。半導体ウェハ表面を光学式手段により検出する場合、下記の誤差が問題となる。
【００２１】
［透明膜で生じる誤差］
高さ検出に用いる照明光線が層間膜を透過し、下層で反射する。この結果、高さ検出値が下層の材質、形状に左右され不安定となる。例えば、本来検出すべき上層パターンでなく、下層パターンに焦点位置が一致する場合が発生し、上層と下層の区別がつかなくなる問題が生じる。
【００２２】
［段差境界で生じる誤差］
段差境界では、上層と下層の平均的高さが検出される。この結果、上面および下面の両方がデフォーカスして検出されることとなる。また、段差境界７で実際には存在しない高さ（だまされ誤差）が誤検出される場合がある。この場合においても、検出画像がデフォーカスして検出される。
【００２３】
［反射率が異なる境界で生じる誤差］
反射率が異なる境界において、実際には存在しない高さ（だまされ誤差）が検出される場合があり、検出画像がデフォーカスして検出される。
【００２４】
本発明は、多様な材質からなり、かつ表面に起伏を有する半導体ウェハの様な試料の表面高さを安定に検出し、前記表面高さを用いて撮像状態を制御することにより、試料表面の高解像度な画像を安定して検出することを目的としている。
【００２５】
図２は本発明の第１の実施例である半導体ウェハの欠陥検査装置を示す。特に、本発明の好適な適用対象である、ＤＵＶ光源の光学顕微鏡を応用した光学式パターン欠陥検査装置を例に説明する。
【００２６】
［全体制御部］
全体制御部９は、装置全体の動作指示を司る。全体制御部９は、表示装置１０を備え検査情報の表示等を行う。また、全体制御部９は、入力装置１１を備え、ユーザ情報の取り込みを行う。さらに、全体制御部９は、記録装置１２と接続されており、検査データ、レシピデータの管理を行う。また、全体制御部９は、外部ネットワーク１３に接続されており、上位コンピュータや他の検査装置と検査データやレシピデータの送受信を行う。
【００２７】
［撮像光学系］
キセノン光源１４または水銀キセノン光源から発せられた光線が波長フィルタ１５ａにより帯域制限を受け、ＤＵＶ（Deep Ultra Violet）光線が照明される。ＤＵＶ光線としては、２００〜４００ｎｍの様なブロードバンド照明であっても良いし、光源の輝線を選択しても良い。ブロードバンド照明では、ウェハの薄膜干渉による色むらを低減する効果がある。一方、輝線によるナローバンド照明では、光学系の色収差を精度良く補正できるため、解像度が向上する効果がある。
【００２８】
ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）（１５）においてＳ偏光が下方に反射し、λ／４板１６を通過して円偏光となる。対物レンズ１７によりウェハ１８に照明された光線は、ウェハ表面で反射して、λ／４板１６を再び通過することによりＰ偏光となりＰＢＳを透過する。この構成により検出光量の激減が防止可能となる。反射光線は結像レンズ１９により結像され、ウェハ表面の拡大光学像がリニアセンサ２０上に形成される。このリニアセンサ２０が撮像したウェハ表面の拡大光学像は、画像処理装置３２に入力されて欠陥の検査が行なわれる。また、検出光路は分岐され、ＴＶカメラ２１が具備されている。ＴＶカメラ２１は画像処理装置２２に接続され、アライメント、欠陥レビューに用いる。
【００２９】
上記実施例では、ＤＵＶ光源をランプ光源としたが、高輝度のレーザ光源を用いても良い。例えば、ＹＡＧレーザ（λ＝５３２ｎｍ）と非線形光学素子を組み合わせて、第２高調波である２６６ｎｍを用いることができる。
【００３０】
［自動ステージ］
被検査対象であるウェハ１８は、ウェハチャック２３により真空吸着され、平坦化されると供に、ステージ移動時のずれを防止する。ウェハチャック２３はＺ、Θ、Ｘ、Ｙステージ３０、２４、２５、２６に搭載される。Θステージ２４はウェハ搭載直後に実施されるアライメント時に制御され、整列して形成されたダイ配列をＸステージ走査方向に一致させて、検査動作中は固定される。検査動作中は、Ｘステージ２５が紙面に向かって左右に移動し、折り返し時にＹステージ２６が紙面に直交方向にステップ移動する。
【００３１】
ＸＹΘステージ２４〜２６はステージ制御コンピュータ２７からの信号により制御される。Ｘステージ２５の位置情報はレーザ測長器２８により計測され、レーザ測長器２８から出力される位置情報に基づきタイミング発生回路２９により画素を示すスタートタイミング信号を発生し、リニアイメージセンサ２０に送信されて、画像信号が読み出される。
【００３２】
ステージ制御コンピュータ２７は、全体制御部９とネットワーク１３で接続されており、ダイレイアウト情報等をダウンロードして、検査位置の識別に用いられる。
【００３３】
［撮像動作］
リニアイメージセンサ２０は、スタートタイミング信号によりＸステージが一定距離移動するたびに駆動される。リニアイメージセンサ２０の読み出しを、Ｘステージ移動量に同期させることにより２次元画像が撮像できる。リニアイメージセンサ２０として時間遅延積分型（ＴＤＩ：Time Delay Integration）ＣＣＤセンサを用いることにより、高速走査においけるＳ／Ｎを向上できる。ＴＤＩセンサは複数の１次元イメージセンサを２次元に配列した構造を有し、各１次元イメージセンサの出力を定めた時間遅延しては対象の同一位置を撮像した隣接する１次元イメージセンサの出力と加算していくことにより、検出光量の増加を図ったものである。
【００３４】
図３は、リニアイメージセンサ２０によるウェハ１８の表面の撮像動作の説明図である。同図の左右方向にＸステージ２５が一定速度で移動し、リニアイメージセンサ２０により画像が撮像される。左右の折り返しではＹステージ２６が上下方向にステップ移動する。Ｙステージ２６の移動量はダイピッチに一致しており、同図に示す様にリニアイメージセンサ２０がＸ方向に移動する軌跡は、隣接ダイ間で同一位置となる様に制御される。なお、３１は、ダイを示す。
【００３５】
［画像処理］
リニアイメージセンサ２０から出力されるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によりデジタル信号に変換され、画像処理部３２に入力される。図４により画像処理部３２の動作を説明する。入力信号は２分岐され、一方が遅延回路３３に入力される。すなわち、通過信号と遅延回路内の信号を遅延量だけずらして以降の処理を行う。遅延量はユーザが選択可能であり、ダイに形成された繰り返しパターンのピッチに一致させる。例えば、ダイ間比較の場合、ダイサイズを予め登録し遅延量とする。前記２種類の信号は位置ずれ検出回路３４で画像間の位置ずれ量が算出され、一方の画像信号がシフト３５される。差画像演算回路３６において差画像が生成され、欠陥判定回路３７において予め登録されたしきい値と比較され欠陥が検出される。欠陥部の画像信号からは特徴抽出回路３８により、欠陥の座標、サイズ、形状、輝度情報等の欠陥情報が抽出され、検査終了後のグルーピングに利用される。前記欠陥情報は全体制御部９に送信され、データベース１２に保存したり、表示装置１０に表示したり、ネットワーク１３を経由して上位コンピュータに転送される。
【００３６】
［自動焦点システム］
自動焦点システムは、検出光学系４７および自動焦点コンピュータ３９からなる。検出光学系４７は、撮像位置近傍の複数点の高さを検出し、自動焦点コンピュータ３９に検出信号を送信する。自動焦点コンピュータ３９は、図１４に示すように、高さ計算回路１０６、制御量計算回路１０７等からなり、検出した高さと予め設定された制御目標との偏差に基づきＺステージの制御量４８を演算し、Ｚステージ３０を制御する。自動焦点コンピュータ３９は、ネットワーク１３により全体制御部９と接続され、検査モード、レビューモードの様な動作モードの切り替え、および自動焦点用レシピの送受信が行われる。また、ステージ制御コンピュータ２７からダイスタート信号４０およびステージ折り返し信号４１、タイミング発生回路２９からＴＤＩシフトパルス４２が入力され、タイミング制御１０９に利用される。さらに検査中の自動焦点ＯＮ／ＯＦＦ等、リアルタイム性の高い制御信号４３がステージ制御コンピュータ２７からＤＩＯを経由して送信される。自動焦点コンピュータ２９の詳細な動作は後ほど説明する。
【００３７】
次に、本発明に係る自動焦点システムにおいて、特に特徴とするリニアイメージセンサ２０による撮像範囲と上記検出光学系４７による高さ検出位置との関係について図５を用いて説明する。撮像範囲４４はリニアイメージセンサ２０で一度に検出される範囲である。高さ検出手段（検出光学系）４７は撮像位置近傍の複数点（４５ａ〜４５ｉ）において、同図に示すように、走査方向４６にＷの幅を持つ範囲の平均的高さを検出する。本発明におけるより好ましい高さ検出手段４７は、後ほど詳細に説明する。高さ検出位置（４５ａ〜４５ｉ）は、撮像範囲４４に対してステージ走査方向４６に対称に配置された点を含むことを特徴とする。同図では、高さ検出位置（４５ａ〜４５ｉ）は、撮像位置４４に対してＸステージ走査方向４６にＤだけずれて対称に配置されている。また、高さ検出位置（４５ａ〜４５ｉ）は、ステージ走査方向４６に直行する方向にも複数点で検出を行い、前記方向に段差が存在する場合の高さ検出に利用される。
【００３８】
次に、上りの段差５４における自動焦点動作について図６を用いて説明する。自動焦点動作は、自動焦点検出光学系４７のセンサ２０５の検出動作、自動焦点コンピュータ３９で実行される高さ計算、試料位置を制御する高さ制御の３ステップからなり、タイミング信号１１２に同期して動作周期Ｔで実行される。同図に示すように、センサ２０５の検出動作は、動作周期Ｔの期間で連続的に実行され、この信号に基づきＴの期間を要して高さ計算が実行される。さらに、Ｔの期間を経て高さ制御が実行される。センサ２０５で検出される高さはＴの期間に高さ検出位置を通過する試料の平均的な高さであり、Ｔ／２における試料高さが検出されると考えて良い。このため、センサの検出動作から高さ計算終了まではＴ／２＋Ｔ、高さ計算終了から高さ制御終了まではＴの遅れをもつ。
【００３９】
破線５０はセンサ２０５が検出する高さの軌跡、破線５１は高さ計算結果の軌跡、実線５２は実際の試料表面が制御された場合の焦点位置の軌跡を示す。ここで、高さ制御の応答性はＺステージ３０の性能に依存する。高さ計算結果の変動にＺステージ３０が追従できる場合は、実線５２の傾きは破線５１と一致する。しかし、高さ変動に対してＺステージ３０が追従できない場合は実線５３となり遅れを生じる。
【００４０】
この様に、焦点合わせを精度良く実施するためには、正確な高さ検出に加え、Ｚステージ３０の応答性が重要である。このため、図２におけるＺステージ３０としては、リニアモータやボイスコイル等の高応答性能を有するアクチュエータが好適である。また、イナーシャの小さい対物レンズを上下に制御しても良い。
【００４１】
さて、図２の様な、ＤＵＶ光源を用いた高解像光学系では自動焦点システムの性能が特に重要となる。光学系の解像度ＲＥＳと焦点深度ＤＯＦは次式（数１）及び(数２)で与えられる。
【００４２】
ＲＥＳ＝０．５×λ／ＮＡ                        ………（数１）
ＤＯＦ＝±０．５×λ／（ＮＡ2）                  ………（数２）
解像度を向上させるためにλを減少させると、λに比例して焦点深度が狭くなる。例えば、λ＝２６６ｎｍ、ＮＡ＝０．８とすると、ＤＯＦ＝±２０８ｎｍとなる。一方、半導体ウェハに形成されるアルミ配線工程のパターン膜厚は５００ｎｍを超える場合があり、焦点深度を超える段差である。
【００４３】
この様に、図１において説明した透明膜で生じる誤差、パターン段差で生じる誤差及び反射率が異なる境界で生じる誤差を低減し、ウェハ表面を前記焦点深度以内に制御することが課題となる。以下にこれらの誤差を低減する方法について説明する。
【００４４】
まず、パターン段差で生じる誤差を低減する方法について説明する。以下、パターン段差を例に説明するが、パターン段差よりもさらに高さ変化が大きいダイ周辺のスクライブラインにおいても同様な効果が期待できる。
【００４５】
図７は、段差境界部で発生するデフォーカスの様子を説明する図である。破線６２は高さ検出値の軌跡であり、破線６１は制御された焦点位置の軌跡である。図６で説明したように、段差境界では検出範囲の平均的な高さが検出されるため、検出値の軌跡は図（ａ）に示す様に検出範囲Ｗが段差にかかり始める位置から緩やかに上昇し、検出範囲全体が段差上面をカバーした地点で上面に一致する。下りの段差における軌跡も同様になだらかな軌跡となる。
【００４６】
この結果、同図（ａ）に示す、上り段差と下り段差のデフォーカス範囲６０においてパターン表面が焦点深度から外れ、図（ｂ）の様にパターン６３がデフォーカスして撮像される。この様なパターン境界のデフォーカスを低減する方法として、撮像位置に対して先行した高さ情報を用いて焦点合わせをする方法が、特開平７−８６１３５号公報に記載されている。すなわち、図５において右方向にステージが移動する場合、撮像位置４４より右側の高さ情報を用いて焦点合わせを行う。図７（ｃ）に前記方式により制御される焦点位置の軌跡を破線６５で示す。同図では上り段差では段差上面のデフォーカスが防止できているが、下り段差では６３で示すように段差上面のデフォーカスが顕著となる。
【００４７】
次に、本発明による第１の焦点合わせ方式について図８を用いて説明する。図８（ａ）は高さ検出値の軌跡である。同図の破線６６の軌跡は、図５の走査方向にずれた３点（例えば４５ａ、４５ｄ、４５ｇ）の高さに対応している。これら３点の検出高さから最大値を演算して代表高さとする。同図に示すように、高さ検出範囲Ｗにおいて高さが緩やかに変化するが、撮像位置４４に対して前後Ｄはなれた位置の高さの最大値を採用することにより、上り段差および下り段差いずれにおいても、パターン表面の高さが正確に検出することができる。さらに、Ｘステージの走査方向によらず、上り段差および下り段差の高さ検出値の軌跡は対称である。この結果、図８（ｂ）に示す様に段差上面に対して常に焦点合わせが可能となる。
【００４８】
図８（ｃ）〜（ｅ）は段差境界付近にパターン欠陥が存在する試料を撮像した結果を、従来技術と本発明で比較したものである。同図（ｃ）の破線６７は従来技術による高さ検出値、破線６８は焦点位置の軌跡である。上り段差に存在するショート欠陥６９、下り段差に存在する断線欠陥７０ともデフォーカスしてしまう。一方、同図（ｅ）に示す本発明による焦点合わせ法により撮像した画像は同図（ｆ）に示す様に、上り段差に存在するショート欠陥６９、下り段差に存在する断線欠陥７０とも明瞭に結像している。これらの画像を欠陥検査に応用すれば、段差境界に存在する欠陥を見逃すことなく検出可能となる。本第1の方式は、図８（ｅ）に示す様にパターン段差前後にデフォーカス領域が存在し、ウェハ表面の凹凸に完全に追従しているわけではない。しかし、パターン上面に対しては常にフォーカスが合った状態にあることに注意されたい。半導体ウェハの様に、積層して製造される被検査対象物の最終工程の欠陥を検査する手段としては好適である。
【００４９】
次に、検査速度の向上が目覚しい半導体ウェハ検査装置において本発明による第１の焦点合わせ方式を実施する方法について説明する。検査速度を向上するためには，Ｘステージの走査速度を向上させて撮像時間を短縮する必要がある。この様な状況において，パターン上面に対して常にフォーカスが合った状態とするためには，Ｚステージの追従性が問題となってくる。
【００５０】
そこで，Ｚステージの制御方法を工夫して本第１の方式を実施する方法を図９（ａ）〜（ｄ）により説明する。
【００５１】
図９（ａ）は一般的なＺステージ制御関数である。横軸は制御目標と高さ検出値の偏差であり，Ｚステージが制御目標に追従している場合ゼロ５０１，追従できていない場合大きな絶対値を有する。Ｚステージが制御目標に追従している場合とは，ウェハ表面が焦点深度内にあり明瞭な画像が撮像される状態である。縦軸はＺステージ制御量である。同図では，横軸の偏差がゼロ付近の値ではＺステージは移動させず，偏差が大きくなるにしたがって偏差に比例した制御量でＺステージを移動させる。前記比例の係数（直線の傾き５０２）は制御ゲインであり，Ｚステージ駆動システムの安定性により１に対してどのくらいまで近づけられるか上限が決められる値である。
【００５２】
偏差がある値より大きくなるとＺステージの仕様で決められた最大ステップ量５０３づつ移動させる。同図の第1象限について説明すれば，制御目標に対して高さ検出値が大きな値を持つ場合であり，ウェハ表面が焦点位置に対して高い状態である。このため，Ｚステージを下方に駆動させる。このため，同図の横軸は右に行くほどウェハ高さが高い場合であり，縦軸は上に行くほどＺステージを下方に駆動させることを意味している。
【００５３】
図９（ｂ）は段差を有するウェハにおける高さ検出値５０４と図９（ａ）の制御関数によりＺステージが駆動された結果焦点位置が通過する軌跡５０５を重ねて表示したものである。Ｚステージの応答性が低い場合，段差上面を撮像中であっても焦点位置が段差上面に到達しないためデフォーカス５０６を生じる問題がある。そこで，本発明では図９（ｃ）に示す制御関数によりＺステージを制御する。同図では第３象限におけるＺステージ駆動量が第１象限におけるＺステージ駆動量に比べて小さい値に定義されていることに特徴がある。すなわち，Ｚステージを下方には従来どおりのシステムの最大ゲインで制御を行うが，上方には最大ゲインよりわざと少ないゲインで制御を行う。
【００５４】
図９（ｄ）は（ｂ）に対応させて本発明による制御結果を表示したものである。最初の上り段差では従来と同様デフォーカス５０６が生じるが，下り段差では同図（ｃ）の第３象限の効果によりＺステージが上方にわずかしか移動しない。このため次の上り段差５０７ではすぐに上面パターンに焦点位置を追従させることができ，上り段差で生じるデフォーカスの発生を防止できる。
【００５５】
次に、本発明による第２の焦点合わせ方式について図１０を用いて説明する。本第２の方式は、パターンの下面である層間絶縁膜上に存在する欠陥を検出する場合に好適である。層間絶縁膜ではＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）による平坦化が行われる際にスクラッチ欠陥７４、７５が発生する。スクラッチ７４、７５はパターンのショート、断線を発生させる致命的な欠陥である。図１０（ａ）は高さ検出値の軌跡である。同図の破線の軌跡は、図５に示す走査方向４６（Ｘ）にずれた３点（例えば４５ａ、４５ｄ、４５ｇ）の高さに対応している。
これら３点の検出高さから最小値を演算して代表高さとする。この結果、パターンが存在しない段差下面に対して常に焦点合わせが可能となる。
【００５６】
図１０（ｃ）〜（ｅ）は段差境界付近の層間絶縁膜表面に存在するスクラッチ欠陥を撮像した結果を、従来技術と本発明で比較したものである。同図（ｃ）の破線７２は従来技術による高さ検出値、破線７３は焦点位置の軌跡である。上り段差直前や、下り段差直後に存在するスクラッチ欠陥７４がデフォーカスしてしまう。一方、同図（ｅ）に示す本発明による焦点合わせ法により撮像した画像は同図（ｆ）に示す様に、これらの欠陥７４、７５が明瞭に撮像される。これらの画像を欠陥検査に応用すれば、段差境界に存在する欠陥を見逃すことなく検出可能となる。
【００５７】
次に、本発明による第３の焦点合わせ方式について図１１を用いて説明する。本第３の方式は、パターンをエッチングした底に存在する欠陥８０を検出する場合に好適な方式である。エッチング工程では、パターンとパターンの間の谷底にエッチング残り８０が発生し、パターンショートを引き起こす致命欠陥となる。こうした致命欠陥はパターンが形成されている全域で検出する必要がある。
【００５８】
図１１（ａ）は高さ検出値の軌跡である。同図の破線の軌跡は、図５に示す走査方向４６（Ｘ）にずれた３点（例えば４５ａ、４５ｄ、４５ｇ）の高さに対応している。図８と同様にこれら３点の検出高さから最大値を演算し、更にパターン段差の高さだけ下方にオフセットを減算して代表高さとする。この結果、パターンが形成されている領域において常にパターン谷底に焦点合わせが可能となる。
【００５９】
図１１（ｃ）〜（ｅ）はパターンとパターンの間の谷底に存在するエッチング残り８０を撮像した結果を、従来技術と本発明で比較したものである。同図（ｃ）の破線７８は従来技術による高さ検出値、破線７７は焦点位置の軌跡である。上り段差直後に存在するエッチング残り欠陥８０がデフォーカスしてしまう。一方、同図（ｅ）に示す本発明による焦点合わせ法により撮像した画像は同図（ｆ）に示す様に、これらの欠陥８０が明瞭に撮像される。これらの画像を欠陥検査に応用すれば、段差境界に存在する欠陥を見逃すことなく検出可能となる。
【００６０】
以上、図８から図１１に述べた本発明による実施例においては、着目工程の段差境界付近の欠陥６９、７０、７４、７５、８０を明瞭に検出できる特徴がある。
【００６１】
次に、全体制御部９が自動焦点コンピュータ３９に対して行う上記実施例における焦点合わせに関する条件設定画面について図１２を用いて説明する。図１２（ａ）において、表示装置１０に表示された焦点合わせに関する条件設定画面において、ユーザが編集したい品種、工程名称３０１、３０２を指定すると、関連データが読み込まれ、品種、工程名称が表示される。次に、ユーザは画面メニュー（自動検査３０３、欠陥確認３０４、条件出し(レイアウト設計３０５ａ、自動焦点設定３０５ｂ、しきい値設定３０５ｃからなる)３０５）を選択する。同図では条件出し画面３１０が選択され、更にサブ画面である自動焦点設定３０５ｂの高さ演算ルール３０５ｂａが選択中となる。
【００６２】
高さ演算ルール３０５ｂａは、図８から図１１で説明した撮像位置近傍の複数の高さ検出値から代表高さを演算するルールである。パターン表層の欠陥を見逃すことなく検査したい場合は図８で説明した様に最大値を、パターン下層の検査を正確に行いたい場合は最小値を選択する。この他、ＣＭＰ後の様な平坦で段差が無いことが予め判っている工程においては、平均値を選択することにより、複数点の高さ検出結果が平均されて安定な表面高さ検出が可能となる。この他高さ演算ルール３０５ｂａはユーザが定義可能である。
【００６３】
図１２（ａ）に示す画面３１０にはウェハマップ（１００）とウェハ内の着目ダイの拡大図（１０１）が表示されている。図１２（ｂ）は焦点合わせに関する条件設定画面の別の例である。同図（ｂ）は、被検査工程において、どの高さ演算ルール３０５ｂａが最も安定に欠陥検査が可能かを比較できる画面の例である。同図の左側は複数点の高さの最大値を選択して撮像した検査した特定ダイの欠陥マップ（１０１ａ）である。同図に示す様に、レイアウトデータ（１０２）が重ね表示されており、欠陥が存在するパターンの種類を識別する指針となる。
【００６４】
レイアウトは、機能や形成工程が異なるパターンがブロック表示さてたものであり、ＣＡＤデータを参照して表示される。右側は高さ演算ルール３０５ｂａを変えて検査した前記と同一ダイの欠陥マップ（１０１ｂ）である。異なる高さ演算ルールの欠陥マップを比較することにより、当該工程に適切な高さ演算ルール３０５ｂａが選択可能となる。図１２（ｂ）では、複数点の高さの平均値（１０１ｂ）に比べ、最大値（１０１ａ）の方がパターン領域境界近傍の欠陥検出感度が良いことが判る。演算ルールの代わりにオフセットを変更して欠陥マップを比較しても良い。適切な高さ演算ルール３０５ｂａが選択されると登録ボタンを押してレシピに登録する。
【００６５】
次に、本発明による第４の焦点合わせ方式で用いるフォーカスマップ３３０について図１３を用いて説明する。このフォーカスマップ３３０は、自動焦点コンピュータ３９および主制御部９のどちらで作成してもよい。フォーカスマップ３３０はダイ内を走査して検出される高さをＸ、Ｙの２次元テーブルに対応させ
て記録したデータであり、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のデータ列からなる。
【００６６】
図１３（ａ）に示すパターンを走査したとき検出されたフォーカスマップ３３０を鳥瞰図として示すと同図（ｂ）の様になる。同図（ｃ）はフォーカスマップの作成手順である。フォーカスマップ３３０は同一ダイを左方向スキャンしたデータと、右方向スキャンしたデータを取得し、両者の結果を演算して作成する。なぜなら、左方向と右方向では、段差境界における高さ検出値またはウェハ表面の軌跡が異なるためである。なお、左方向スキャンと右方向スキャンのデータを内部メモリ１０８等に別に登録し、それぞれのスキャン方向に応じて選択的に読み出して利用しても良い。
【００６７】
同図の破線（１０３）は高さ検出値の軌跡であり、破線（１０４）はウェハ表面の軌跡である。実線（１０５）はこれらスキャン方向が異なる軌跡データを同一座標ごとに重ね合わせ両者の最大値を演算した結果である。軌跡データとしては高さ検出値の軌跡（１０３）およびウェハ表面の軌跡（１０４）をそれぞれ別に演算する。前記演算結果を２次元データとして例えば高さ記録メモリ１０８に記録して、フォーカスマップ３３０として利用する。フォーカスマップの有用性は以降で詳細に述べる。
【００６８】
次に、本発明に関係する自動焦点コンピュータ３９について図１４を用いて説明する。図１４は、本発明に係る自動焦点コンピュータ３９の一実施例を示すブロック図である。自動焦点コンピュータ３９は高さ計算回路１０６、制御量計算回路１０７、高さ記録メモリ１０８、タイミング制御回路１０９からなる。フォーカスマップを作成する場合、特定ダイをＸステージ２５で走査しながら、高さ計算回路１０６で計算される同一地点の高さ計算結果および制御量計算回路１０７で計算されるＺステージ移動量を、タイミング制御回路１０９から得られる動作周期ごと、または複数の動作周期ごとに高さ記録メモリ１０８に記録する。
【００６９】
タイミング制御回路１０９にはステージ制御コンピュータ２７からダイスタート信号４０が、タイミング発生回路２９からＴＤＩシフトパルス４２が送信される。タイミング制御回路１０９は、ダイスタート信号４０を起点としてＴＤＩシフトパルス４２をカウントし、制御タイミング信号１１２を生成する。この信号１１２を高さ計算回路１０６、制御量計算回路１０７、高さ記録メモリ１０８に入力し、信号に同期させる。この結果、ダイ内で高さ計算、Ｚステージ制御、Ｚステージ位置の読み出しを同一位置で実施できる。
【００７０】
高さ計算回路１０６から出力される信号は図６（ｂ）の破線５１ａであり、制御量計算回路１０７の出力は図６（ｂ）の実線５２である。両者を加算することにより、図６（ａ）の破線のウェハ段差プロファイルデータ５１となる。制御量計算回路１０７の出力の代わりに、Ｚステージポジション（１１３）を読み込んで代用しても良い。記録したフォーカスマップ３３０はネットワーク（１３）により全体制御部９に転送され、レシピデータとして、品種・工程別に管理される。
【００７１】
フォーカスマップ３３０を利用する場合、全体制御部９からダウンロードして高さ記録メモリ１０８に記録する。そして、位置情報に基づき該当する位置のフォーカスマップ３３０を読み出し、高さ計算結果と比較して、Ｚ制御量を計算する。計算された制御量に基づきＺステージ３０に制御信号４８を送信する。制御量計算回路１０７にはステージ制御コンピュータ２７から折り返しダイ識別フラグ１１４、スキャン方向識別フラグ１１４ｂが入力される。タイミング信号１１２に同期してフォーカスマップの読み出し、高さ計算、制御量計算、Ｚステージポジション読み出しを行うことにより、比較検査を行うダイ同士の撮像状態を一致させることができる。
【００７２】
次に、本発明による第４の焦点合わせ方式について図１５を用いて説明する。本第４の方式は、ダイ内のパターンの凹凸によらず、予め設定した任意の高さを保持した状態でパターン像が撮像できる。このため、着目したパターンに存在する特定の欠陥を選択的に検出できる。
【００７３】
図１５（ａ）はフォーカスマップに記録された高さ検出値の軌跡である。同図（ｂ）は着目したパターンの検出高さが定義された様子を示す。同図の場合、パターン上面位置（１１５）をダイ全面において検出することを示している。同図（ｃ）は同図（ｂ）から算出したオフセットマップである。同図（ｂ）の高さをダイ全面で検出するためには、高さ検出位置（Ｘ，Ｙ）においてオフセットを変更する必要がある。このため、同図（ｃ）のオフセットを例えば自動焦点コンピュータ３９において予め算出しておく。前記オフセットマップはフォーカスマップと同様に図１３に示す高さ記録メモリ１０８に記録される。
【００７４】
同図（ｄ）は同図（ｃ）のオフセットマップを用いて検出した高さ検出結果である。高さ検出結果（１１６）に同図（ｃ）のオフセットを加算して検出高さとして試料表面位置を制御したものである。Ｚステージ３０の動作遅れの影響を除外するためには、同図（ａ）において高さ検出値の軌跡ではなく、焦点位置の軌跡を用いる。
【００７５】
次に、本発明に係る欠陥検査装置における全体制御部９または自動焦点コンピュータ３９において、フォーカスマップ３３０を用いた検査レシピの設定について図１６を用いて説明する。図１６は、表示装置１０におけるフォーカスマップ３３０を用いた検査レシピの設定画面３２０である。図１６（ａ）各ボタンの役割は、図１２で説明した。画面にはダイ内のレイアウト１０２とフォーカスマップ１１７が２次元画像として表示される。
【００７６】
フォーカスマップ１１７は２次元の濃淡画像として表示されている。濃淡の階調は高さに対応している。ユーザはレイアウトまたはフォーカスマップに表示されるカーソル１１８により、特定パターンブロックや焦点合わせすべき高さを選択できる。カーソルはレイアウト、フォーカスマップ、階調表示部で連動している。焦点合わせすべき高さを選択して登録ボタンを押すことにより、表示されている品種、工程名称のレシピに登録される。同図のレイアウトのハッチング部１１９が選択された高さを検査した場合に選択的に焦点合わせされて欠陥が検出されるパターンを示している。
【００７７】
同図（ｂ）は検査レシピ設定画面の別の実施例である。カーソルで選択された位置１２０の１スキャン分のプロファイルデータ１２１が表示される。同図（ｃ）はフォーカスマップ３３０が鳥瞰図として３次元表示されている。フォーカスマップ３３０を３次元表示することにより、焦点合わせすべき高さが明瞭に識別できる。
【００７８】
次に、前述した本発明による第４の焦点合わせ方式の効果について図１７を用いて説明する。図１７（ａ）〜（ｃ）は複数の欠陥が存在するパターンを撮像した結果を、従来技術と本発明で比較したものである。破線１２２（１１６）は高さ検出結果、破線１２３は本第４の焦点合わせ方式により制御される焦点位置の軌跡である。焦点位置が破線１２２の軌跡を移動する場合、パターン表面に存在する断線７０、ショート６９のみならず、層間絶縁膜表面に存在するスクラッチ欠陥７５も撮像される。
【００７９】
一方、本実施例によれば、パターン表面のみに焦点合わせが行われるため、パターン表面に存在する欠陥のみが明瞭に撮像され、下面に存在するスクラッチ欠陥７５はデフォーカスしている。この方式を欠陥検査装置に応用すれば、着目パターンに存在する欠陥が選択的に検出でき、欠陥検出結果の発生工程識別が容易となり、不良工程の発見・対策が迅速化できる。
【００８０】
次に、試料上に繰り返し形成されたパターン同士を比較して欠陥を検出する欠陥検査装置において、比較するパターン同士の撮像状態を一致させることにより、微細な欠陥を感度良く検出できる方法について説明する。比較検査においては、比較するダイ間で同様に焦点合わせ誤差が発生していれば、不一致を生じない。しかし、一方のダイのみで焦点合わせ誤差が発生すれば、不一致を生じて虚報となる。このため、比較するダイ間で焦点合わせ状態が一致するような構成とする必要がある。
【００８１】
次に、本発明に係る自動焦点コンピュータ３９が、焦点合わせをダイ間の同一位置で実行する実施例およびその効果について図１８を用いて説明する。
【００８２】
まず、図１８（ａ）〜（ｄ）により焦点合わせがダイ間の同一位置で実行されない場合を説明する。同図（ａ）は焦点合わせの軌跡を示し、同図（ｂ）は動作タイミング信号である。同図（ｂ）の信号は、例えば、自動焦点コンピュータ内部で生成されたＸステージ位置とは無関係な信号であり、この信号に同期して高さ検出、Ｚステージ制御が実行される。また、（ａ）の矢印は比較検査で比較されるダイ間で同一な位置を示している。パターンの開始点（１２４）に着目すると、左と右のダイでは、パターン開始位置と高さ検出タイミングが一致していない。このため、同図（ｃ）に示す検出画像で左側のダイではパターンがフォーカスしているのに対して、右側のダイではデフォーカスしている。パターン終点（１２５）においても同様に左右のダイの焦点合わせ状態が一致していない。この結果（ｄ）の差画像は、焦点合わせ状態が一致しない、パターンの始点と終点で不一致を生じ、虚報の原因となる。
【００８３】
次に、本発明のように、図１８（ｅ）〜（ｉ）により焦点合わせがダイ間の同一位置で実行される場合を説明する。同図（ｅ）は同図（ａ）に対応する焦点合わせの軌跡を示し、同図（ｇ）は高さ検出手段４７の動作タイミングである。また、同図（ｆ）はＸステージ位置から判定されるダイスタート信号４０である。本実施例では、同図（ｇ）に示すパルス４２が（ｆ）のダイスタート信号４０に同期している点に特徴がある。この結果、左と右のダイで、パターン開始位置と高さ検出タイミングを一致させることができ、同図（ｈ）に示す様にパターンの始点や終点の焦点合わせの状態を一致して撮像できる。このため、同図（ｉ）に示す様に差画像３５０において不一致を生じることがなくなる。
【００８４】
次に、本発明に係る自動焦点コンピュータ３９が、ステージ折り返しで比較するダイ間の高さ検出値を一致させる対策の実施例について図１９を用いて説明する。図１９（ａ）に示す折り返し位置では、上下のダイ画像１２６を比較する必要がある。このとき、上側のダイと下側のダイではステージ移動方向が逆向きであり、方向に依存する高さ検出誤差が発生し不一致を生じる。しかし、図６で説明した様に、ステージの応答性能が低い場合、高さ検出値と焦点位置の軌跡は一致しないため、前記折り返し部での誤差が発生する。
【００８５】
このために、本実施例ではフォーカスマップ３３０を利用して、走査方向が逆向きであってもダイ同士の表面高さの軌跡を一致させる。図１９（ｂ）の破線１２７は左から右に走査した場合の焦点位置の軌跡であり、実線１２８は右から左に走査した場合の焦点位置の軌跡である。これら２つの軌跡は段差境界で一致せず、比較検査による虚報発生の原因となる。
【００８６】
そこで、本実施例では、同図（ｂ）の破線１２９がフォーカスマップ３３０の軌跡であるから、高さ検出値とフォーカスマップ３３０の差分がしきい値を超える位置では、フォーカスマップ３３０を高さ検出値として代用し、焦点位置の制御を行う。この結果、左から右に走査する軌跡を破線１３０で示す軌跡で制御可能となり、比較検査の虚報発生を低減することができる。
【００８７】
従来技術は、図１９（ｃ）〜（ｇ）に示すように、段差境界部で焦点合わせの状態が異なるため虚報が発生することになる。（ｃ）は右方向走査の軌跡、（ｄ）は（ｃ）の軌跡において撮像した画像、（ｅ）は左方向走査の軌跡、（ｆ）は（ｅ）の軌跡において撮像した画像、（ｇ）は（ｄ）と（ｆ）の差画像である。本発明の場合には、図１９（ｈ）〜（ｌ）に示すように、（ｈ）と（ｊ）の軌跡が一致するため（ｉ）と（ｋ）の撮像条件がほぼ等しく、（ｌ）で虚報の発生が防止できる。（ｈ）〜（ｌ）は（ｃ）〜（ｇ）に対応する本発明の実施例である。
【００８８】
次に、本発明に係る自動焦点コンピュータ３９が、ダイ周期とは異なる露光ショット周期で高さ変化が大きいパターンが形成されたダイ周辺のスクライブラインを走査する場合であっても、比較するダイ間の高さ検出値を一致させる実施例について図２０を用いて説明する。
【００８９】
図２０（ａ）はダイ周期とは異なる露光ショット周期で高さ変化が大きいパターンが形成されたダイ周辺のスクライブラインを走査する場合の問題点を説明した図である。スクライブラインＡ５０８にはないパターン５１０がスクライブラインＢ５０９に形成されているとする。
【００９０】
スクライブラインＡ５０８ではＺステージ３０は高さ検出値１３１に追従しようとして上昇するため，焦点位置の軌跡１３２が同図の様に下降し，上り段差でＺステージ３０が最大速度で下降しても，焦点位置の軌跡１３２がパターン表面に一致するまでに距離を要する。一方，スクライブラインＢ５０９ではパターン５１０が形成されているため，焦点位置の軌跡が異なる。この結果，スクライブラインＡの直後およびスクライブラインＢの直後で検出された画像同士を比較すると不一致を生じ虚報となる。
【００９１】
そこで、図２０（ｂ）に示すように、本発明によるステージ制御の切り替えを行う。同図（ｂ）にはステージ制御ＯＮ／ＯＦＦ信号を併記している。ステージ制御ＯＮ／ＯＦＦ信号５１１は，現在位置をステージ制御コンピュータ２７が識別しＤＩＯ信号４３を通じてＺステージ３０に送られる。画像比較を行う領域ではＯＮ（同図のＨ，Ｈは信号がHighの状態にあることを意味する），画像比較を行わない領域ではＯＦＦ（同図のＬ，Ｌは信号がLowの状態にあることを意味する）が出力される。
【００９２】
この結果，段差変化が大きなスクライブラインではステージ制御がＯＦＦとなるため高さ変化が大きな段差に追従せず，画像比較を行う領域では常に焦点位置の軌跡１３２をパターン表面に追従させることができる。上記実施例ではスクライブラインを例に本発明の効果を説明したが，ステージ加速・減速時のチャックの浮き上がり，ウェハ外を走査する場合に発生する誤差，についても上記と同様な効果が得られ，画像比較を行う領域における焦点合わせ状態を一致させることができる。
【００９３】
以上、パターン段差で生じる誤差を低減する方法について説明したが、前記実施例は高さ検出手段４７がウェハ表面位置を正確に検出できることが前提であった。しかし、図１で説明した様に、ウェハ表面に存在する急峻なパターン段差、反射率分布、光学的透明体等が高さ検出誤差の原因となる。
【００９４】
そこで、次に、本発明に係る上記要因による誤差の影響を受けることなく試料表面の高さ検出が可能な高さ検出方式について説明する。
【００９５】
図２１には、本発明にかかわる高さ検出方式の構成を示す。試料１８の斜め上方から入射角度Θで照明する光線により、スリット２０２をウェハ試料面上に結像させる。そして、ウェハ上のスリット像をセンサ２０５上に結像させる。試料１８がＺ移動した場合、スリット像は試料上でＺ・ｔａｎΘ移動し、センサ２０５上では２Ｚ・ｓｉｎΘ・ｍ移動する。ここで、ｍは光学系の倍率である。スリットの幅をｄとすれば、試料上の投影範囲はｄ／ｃｏｓΘとなり、この投影範囲において平均的高さが検出される。
【００９６】
さらに、好ましい構成としては、Θとしては、８０度以上、より好ましくは８５度以上とする。また、光路中に偏光素子２０３ｂを挿入し、Ｓ偏光を抽出する。また、スリット２０２はステージ移動方向４６（Ｘ）に対してψ度回転して投影する。また、コンデンサレンズ２０１の焦点位置にスリット２０２を配置し、ケーラ照明としてスリット２０２の明るさを均一化する。また、照明光路にはレンズ２０４の後側焦点位置に絞り２０３を設け、テレセントリック照明として試料１８が上下に移動した場合にスリット像の大きさが変化しにくい構成とする。
【００９７】
また、検出レンズ２０４の前側焦点位置にもスリット２０３を設ければ、試料１８で回折した高さ検出のノイズ要因となる回折光線を除去できる。
【００９８】
上記構成の有効性は以下の説明により明らかにされる。まず、上記構成が光学的透明体の高さ検出誤差を防止する効果について説明する。
【００９９】
図２２は層間絶縁膜の様な光学透明体で生じる高さ検出誤差を説明したものである。同図（ａ）は斜め方向から入射された照明光線が透明体で透過または反射する様子を説明したものである。照明光線は透明膜の上面で反射光と透過光に分岐される。透過光線は透明膜下面で反射し、さらに上面で透過光と反射光に分岐される。透明膜の透過光は平行光線となりセンサ２０５に入射する。ここで、下面で反射した光線はセンサ上で下方にずれて検出される。このため、検出される光線の位置は下方にずれたものとなり、見かけ上試料位置が下方にずれたものとみなされてしまう。
【０１００】
同図（ｂ）は照明光線の入射角度と反射率の関係を偏光方向別に示している。同図に示す様に反射率を５０％以上とするためには、Ｓ偏光２１０で８０度以上とする必要がある。同図（ｃ）は照明光線の入射角度と同図（ａ）で説明した高さ検出誤差の関係を示したものである。透明膜の膜厚を１．０μｍ、下面の反射率を１．０としている。この場合、高さ検出誤差をＤＵＶ光学系の焦点深度である２００ｎｍ以下とするためには、Ｓ偏光２１０で８５度以上とする必要があることがわかる。このため、図２０で説明した構成においては、入射角度を８０度以上、より好ましくは８５度以上とし、Ｓ偏光を抽出している。
【０１０１】
次に、光学的透明体の表面高さを精度良く検出するとともに、反射率分布の影響を低減する方法を説明する。
【０１０２】
図２３は図２１の構成において反射率が異なる境界において誤差が発生する様子を説明している。同図（ａ）は右側が低反射率部材、左側が高反射率部材で構成された領域にスリット２０２が投影された様子を示している。スリット波形は反射率が異なる境界で反射し、同図に示す様な歪んだ波形２１１となる。この結果、本来検出されるべき破線で示した位置２１２から上方にずれた位置をスリット位置２１３として検出してしまう。この結果、みかけ上、上方向にずれた位置が検出されたものとなる。前記誤差を低減するために、同図（ｂ）〜（ｄ）の対策をこうじる。
【０１０３】
同図（ｂ）はスリット２０２をステージ移動方向２１４に対してψ度回転して投影した場合を示している。ウェハに形成されるパターンはステージ走査方向に対して平行または直交して形成されることが多い。同図にスリット投影領域が、反射率が異なる境界を左右にまたぐ事例を示している。同図左に示すスリット投影像２０２ａが回転しない場合は波形が歪み、誤差を生じる。一方、スリット投影像２０２ａを回転させることにより、投影領域の反射率分布がスリット長手方向に平均化される。同図の場合、理論的な誤差をゼロとできる。
【０１０４】
一方、図２３（ｃ）または（ｄ）は誤差低減の別の対策例である。同図（ｃ）または（ｄ）の左図はスリット投影領域が、反射率が異なる境界をまたいで投影された場合の波形の例である。同図（ｃ）の左図は右側に低反射率部があり歪んだ波形となっている。同図（ｃ）中央図は同波形の重心を演算してスリット位置を検出した事例である。この場合、波形の歪みが顕著な波形ピーク位置の上方の重みが大きく、重心位置２１５は左側にシフトする。右図は本発明によるスリット位置検出の１実施例である。予め設定したしきい値２１７と波形の交点２１６を求め、交点の中央２１８をスリット位置とする。しきい値を最大値の５０％以下、より好ましくは１０％程度に設定することにより、反射率の違いによる波形歪みの影響を受けにくくできる。
【０１０５】
同図（ｄ）は他の実施例である。左図は同図（ｃ）の左図と同一である。中央図は次式（数３）の波形である。
【０１０６】
Ｉ2＝ｌｏｇ（Ｉ1＋１）                              ………（数３）
同図に示す様に、低レベルの波形のゲインを大きく、高レベルの波形のゲインは小さくなる。この変換を実施することにより、右図の様に高レベルの波形がつぶれた波形となる。この結果、高レベルで顕著である波形歪みの影響を低減できる。以上説明した図２３（ｂ）および（ｃ）または（ｄ）を同時に実施することにより、反射率の違いに起因する誤差をより低減できることは言うまでもない。
【０１０７】
次に、光学的透明体の表面高さを精度良く検出するとともに、段差境界で高さ検出誤差の発生を防止する方法について説明する。図２５は図２１の構成における照明光線が段差境界部を照明した場合を示している。まず、同図（ｂ）により下り段差（２２１）において誤差が発生する原理を説明する。同図（ｂ）はスリット光が段差上面から下面に移動した場合を示している。左図が段差上面を照明した場合である。本来、破線で示す位置（２２２）が段差上面を正しく検出する位置である。しかし、照明光は段差部で２本に分離されてセンサ２０５に到達する。段差下面からの反射光（２２３）は上面からの反射光（２２４）に比べて光量が少なく、コントラストが低下した状態で検出される。このため、高さ検出値は上面からの反射光に基づき検出される。このため、みかけ上段差上面の検出値（２２５）が上側にシフトする。また、スリット光が右方向に移動した右図の場合には段差下面からの反射光（２２６）が検出されるため、みかけ上段差下面の検出値は下側にシフトする。この結果、図２５（ａ）の様な実際には存在しない高さの軌跡（２２７）となる。
【０１０８】
次に、図２５（ｃ）により上り段差（２２９）において誤差が発生する原理を説明する。同図（ｃ）はスリット光が段差下面から上面に移動した場合を示している。左図が段差下面を照明した場合である。同図に示すように、下面の光線は遮光されて上面からの反射光のみが検出される。したがって、みかけ段差下面の検出値が上側にシフトする。また、スリット光が右方向に移動した右図の場合には段差上面からの反射光のみが検出されるため、みかけ上段差下面の検出値は下側にシフトする。この結果、図２５（ａ）の様な実際には存在しない高さの軌跡（２２８）となる。
【０１０９】
次に、本発明に係る段差部の誤差を低減するための実施例について図２６を用いて説明する。本発明では、図２１（ｃ）に示す様に段差境界が存在する方向に対してψ度回転してスリット２０２を照明する。そして図２６（ｂ）に示す様にスリット長手方向の範囲Ｌのスリット光を積分して検出する。図２６（ｂ）は下り段差（２２１）でスリット光が分離される場合を示しているが、図２５（ｂ）の様に検出波形（２３０）が分離して検出されることを防止できる。同様に図２６（ｃ）は上り段差（２２９）でスリット光が遮光される場合を示しているが、遮光されない領域が積分範囲Ｌに含まれるため遮光によりスリット光がシフトする影響を低減できる。前記実施例により段差境界高さを検出した軌跡を図２６（ａ）に示す。検出値（２３１）は段差上面と下面の間の平均的な値に収まる。このような効果は積分範囲Ｌが長いほど顕著となる。以上、図２２から２５により図２１の構成の有効性を説明した。
【０１１０】
次に、本発明に係る図２１に示す構成において、図５に示す撮像範囲４４近傍の複数点（４５ａ〜４５ｉ）の高さを検出する構成の第１の実施例について図２６を用いて説明する。
【０１１１】
図２７（ａ）は図２１（ａ）の受光センサを分割センサ（２３２）としたことに特徴がある。図２７（ａ）は横方向から、図２７（ｂ）は上面から見た図である。図２７（ｃ）は図２の構成に適用した場合にリニアセンサ撮像位置（４４）と高さ検出位置の関係を示している。図２７（ｄ）〜（ｆ）は分割センサ（２３２）の実施例である。図２７（ａ）〜（ｆ）の座標系（試料面のＸＹＺとセンサ面のＹ'Ｚ'）は共通である。
【０１１２】
図２７（ｄ）はＰＳＤをＹ'方向に並べたものであり、試料面からセンサ面を見込んだ場合を示す。Ｙ'方向の各位置においてスリットのＺ'方向へのシフト量を算出することにより、試料面の複数点の高さを検出できる。スリットが、Ｚ'の正の方向にシフトすると試料がＺ方向に下がった場合を意味する。ＰＳＤのＡ〜Ｅは図２７（ｃ）の検出位置Ａ〜Ｅに対応する。同図（ｃ）の配置は図５の実施例であり、撮像領域４４に対してステージ走査方向４６に等間隔だけずれた複数点が検出可能である。また、撮像領域４４の長手方向に対しても複数点が検出される。従って、自動焦点コンピュータ３９において、同図（ｃ）で検出されたＡ〜Ｅの高さから最大値や最小値を演算することにより、図８〜図１１で説明した高さ検出方式が実現できる。
【０１１３】
図２７（ｅ）は、分割センサとして２分割ホトダイオードをＹ'方向に並列に並べたものであり、同図（ｄ）と同様な機能を実現できる。さらに図２７（ｆ）は分割センサとして２次元ＣＣＤセンサを用いた実施例である。Ｙ'方向の各画素位置においてスリットのＺ'方向へのシフト量を算出することにより、試料面高さ分布を詳細に検出できる。また、Ｚ'方向のスリット波形に対して図２３（ｃ）（ｄ）の波形処理を実現できる。
【０１１４】
次に、本発明に係る図２１に示す構成において、図５に示す撮像範囲４４近傍の複数点（４５ａ〜４５ｉ）の高さを検出する構成の第２の実施例について図２７を用いて説明する。図２８は高速な１次元ラインセンサを用いて図２７（ｆ）の様な複数点の波形処理機能を実現するものである。図２８は、図２１の検出光路に機能を付加したものである。図２８（ａ）は横方向から、同図（ｂ）は上面から見た様子である。試料１８からの反射光は検出レンズ２０４により拡大検出される。検出レンズ２０４の後側焦点位置に絞り２０３が配置され、試料１８からの散乱光を遮光する。シリンドリカルレンズ２３３は前記検出レンズ２０４の後側焦点位置に、前側焦点位置を一致させて配置されており、検出光線をコリメートする働きがある。コリメート光線はスリット長手方向に角度をずらして配置された平行シフトプリズム２３４によりシフトされる。
【０１１５】
図２８（ｄ）は平行シフトプリズム２３４の原理図である。平行板ガラスに入射角度Θで入射された光線は次式（数６）の距離δシフトする。
【０１１６】
δ＝（１−１／Ｎ・ｃｏｓΘ／ｃｏｓΘ'）ｄ・ｓｉｎΘ    ……（数６）
ここで、Ｎはガラスの屈折率、ｄはガラス板の厚み、Θ'はガラス板で屈折された光線が入射面の法線となす角度である。
【０１１７】
図２８（ａ）では３枚の平行シフトプリズム２３４により、スリット長手方向を３分割して、スリット両端の光線を平行シフトさせた様子を示す。シリンドリカルレンズ２３５の後側焦点位置に、１次元ラインセンサ２３６が配置されており、３分岐されたスリット光線が１次元ラインセンサの離れた位置において画素幅に結像される。図２８（ｃ）は図２の構成に本実施例を適用した場合のリニアセンサ撮像範囲４４と高さ検出位置の関係を示している。同図（ｃ）のＡ、Ｂ、Ｃは図２８（ａ）（ｂ）（ｅ）のＡ〜Ｃに対応している。同図（ｅ）はラインセンサ２３６で検出されるスリット波形である。スリットが、Ｚ'の正の方向にシフトすると試料が下がった場合に対応する。原点に対してＡ〜Ｃのおのおのの波形位置求めることにより各位置の試料高さが求まる。
【０１１８】
図２８（ｃ）の配置は図５の実施例に対応し、撮像領域４４に対してステージ走査方向４６に等間隔だけずれた複数点が検出可能である。また、撮像領域４４の長手方向に対しても複数点が検出される。従って、自動焦点コンピュータ３９において、同図（ｃ）で検出されたＡ〜Ｃの高さを比較演算することにより、図８〜図１１で説明した高さ検出方式が実現できる。
【０１１９】
図２９は図２７の構成を２式設けた構成である。（ａ）は上面図であり、（ｂ）は図２の構成に本実施例を適用した場合のリニアセンサ撮像領域４４と高さ検出位置の関係を示している。図２９（ｂ）の配置は図５の実施例である。図２７（ｃ）の片側の場合に比べ、リニアセンサ長手方向に非対称な段差やパターンにおける高さ検出が正確に求まる特徴がある。
【０１２０】
以上、図２１〜図２９によりウェハ表面に存在する急峻なパターン段差、反射率分布、光学的透明体等に対して表面高さを正確に検出する高さ検出方式について説明した。
【０１２１】
なお、上記図２１の構成は、撮像光学系とは別光路による高さ検出手段であるため、環境変化、特に温度変化による撮像光学系の焦点位置に対する高さ検出光学系の原点ドリフトを安定化させる必要がある。図３０は原点ドリフトを説明したものである。同図（ａ）は図２１の高さ検出光学系を図２の構成に実装する１形態である。スリット２０５を２枚のアクロマートレンズ２９１で試料位置に結像し、反射光を２枚のアクロマートレンズ２９１で中間象を結像し、対物レンズ２００により拡大して感度を確保する構成である。照明光源および対物レンズ２００以降の光路は省略し、環境変化に敏感な範囲のみが記載されている。高さ検出光学系４７の各部品はベース部材２９５に固定されている。
【０１２２】
同図（ｂ）は初期状態である同図（ａ）に対して温度上昇して、対物レンズ１７の鏡筒２９６、高さ検出光学系のベース部材２９５が熱膨張した様子を示している。同図（ｃ）は（ｂ）の先端部を拡大表示したものである。初期状態では実線で示す様に高さ検出光学系の結像位置と撮像光学系の焦点位置が一致していたものが、温度上昇に伴いそれぞれ異なる位置に変位している。この結果、高さ検出系の原点に対する撮像系の焦点位置が変化するため、欠陥検査装置に登録されている自動焦点オフセット値（レシピ）が使用できなくなる。
【０１２３】
この様な環境変動の影響を補正する方法を説明する。これにより、環境変動の影響を受けることなく過去のレシピを活用したり、異なる装置間でレシピを共有化することができる。
【０１２４】
次に、キャリブレーション方法について図３１を用いて説明する。キャリブレーションでは、図２のウェハチャック２３に搭載されている標準試料片４５３、４５４を用いる。図２には２種類の試料片４５３、４５４が搭載されている。１方４５３はパターンが形成されていないミラーであり、シェーディング補正に使用する。他方４５４は微細なパターンが形成されているものであり、図３１で説明するキャリブレーションに使用する。キャリブレーションは検査前に実施する。また、検査装置に搭載された温度モニタの値があらかじめ決められたしきい値を上回る場合に実施する。更に、時間により実施頻度を決めても良い。
【０１２５】
同図（ａ）はキャリブレーションのフローチャートである。まず、ＸＹステージ２５、２６を移動させて標準試料片４５４の位置を光軸に位置させる（Ｓ３１）。
【０１２６】
次に標準試料４５４を引き込み範囲内に移動させる（Ｓ３２）。この手順を（ｂ）に示す。まずＺステージを最下位に移動させ（Ｓ３２１）、次に予め決められた一定量のステップずつ上方向に移動する（Ｓ３２２）。自動焦点コンピュータ３９は受光センサに光線が入射したか否かを判定することにより、検出範囲内か否かを判定する（Ｓ３２３）。否の場合には、Ｓ３２２に戻ることになる。
【０１２７】
検出範囲内であると判定されるとＡＦ−ＯＮ（Ｓ３２４）となり、（ａ）の次のステップ（Ｓ３３）に進む。Ｚステージを一定量移動させた状態（Ｓ３３）で、自動焦点コンピュータ３９により高さ検出を行い（Ｓ３４）、検出結果を全体制御部９に転送する。次にＴＶカメラ２１により画像を検出し（Ｓ３５）、検出された画像から画像処理部２２においてコントラスト値を演算する（Ｓ３６）。コントラスト値としては、画像内の決められた領域の範囲の分散値の様な値である。
以上の手順を予め決められたステップ数繰り返すことにより（Ｓ３６）、画像処理部２２または全体制御部９において、同図（ｃ）の波形が得られる。同図の横軸は試料高さであり、縦軸はコントラスト値である。同波形を多項式、例えば２次関数により近似してピーク位置（ベストフォーカス位置）Ｚｏを求める（Ｓ３７）。前記Ｚｏをキャリブレーションオフセットとして自動焦点コンピュータ３９に記録する（Ｓ３８）。
【０１２８】
次に、上記キャリブレーションオフセットの使用方法について図３２を用いて説明する。検査開始前に標準試料４５４に移動し（Ｓ４１）、図３１で説明したキャリブレーションオフセットＺｏを求める（Ｓ４２）。ウェハをロードし（Ｓ４３）、アライメントを実施する（Ｓ４４）。自動検査の場合、レシピからフォーカスオフセットΔｆを読み出し（Ｓ５０）、高さ検出値がＺｏ＋ΔｆとなるようにＺステージ３０を制御しながら検査を実施する（Ｓ５１）。レシピ作成（Ｓ４５）の場合には、検査感度を確認し（Ｓ４６）、ＯＫ（Ｓ４７）の場合には検査感度が最良となる条件にフォーカスオフセットΔｆを変更し（Ｓ４８）、レシピ登録する（Ｓ４９）。
【０１２９】
上記キャリブレーションにより短期的には原点ドリフトを低減できる。しかし、スループットを確保するためにはキャリブレーション頻度を低減する必要がある。このため、原点ドリフト量を低減する構造とする必要がある。
【０１３０】
図３３は高さ検出光学系のドリフト量の説明図である。同図において、ベース部材２９５は対物レンズ１７の胴付き４５０と同一面で固定されているとする。同図の構成においては、先端のミラー位置４５１の変化がドリフト量とみなせる。
【０１３１】
同図（ａ）は高さ検出光学系の支持部材が横方向に熱膨張する影響の説明図である。ベース部材２９５の熱膨張率をα、高さ検出光学系の結像位置から先端のミラー４５１までの距離をＲとすると、ΔＴ℃における横方向の熱膨張量は下式（数７）となる。
【０１３２】
ΔＲ＝α・Ｒ・ΔＴ                            ………（数７）
照明光線の入射角度をΘとすると、ΔＲによる高さ変動ΔＺHは次式(数８)となる。
【０１３３】
ΔＺH＝α・Ｒ・ΔＴ／ｔａｎΘ                ………（数８）
同図（ｂ）は高さ検出光学系の支持部材が縦方向に熱膨張する影響の説明図である。ベース固定位置から先端のミラーまでの距離をＨとすると、ΔＴ℃における高さ変動ΔＺVは次式（数９）となる。
【０１３４】
ΔＺV＝α・Ｈ・ΔＴ                          ………（数９）
図３４は対物レンズ１７のドリフト量の説明図である。対物レンズ１７のレンズ群はレンズ先端４５２で保持されている。このため、対物レンズ１７のドリフト量は、レンズ群の先端までの鏡筒２９６の伸縮と光学系の焦点距離変化であるといえる。このため、対物レンズのドリフト量ΔＺoは下記（数１０）となる。
【０１３５】
ΔＺo＝（β・Ｌ＋γ）・ΔＴ                  ………（数１０）
ここで、βは対物レンズ鏡筒２９６の熱膨張率、Ｌは対物レンズの胴付きからレンズ先端までの距離、γは光学系の熱変化によるレンズ先端から焦点位置までの変化率である。γは光学シミュレーションにより求めることができる。
【０１３６】
以上により、ΔＺo＝ΔＺH＋ΔＺVを成り立たせることにより、ドリフト量を最小にできる。（数８）、（数９）、（数１０）を代入することにより、下式（数１１）を得る。
【０１３７】
Ｈ＝（β・Ｌ＋γ−α・Ｒ／ｔａｎΘ）／α      ………（数１１）
すなわち、Ｈを（数１１）から求まる値とすれば良いことが判る。
【０１３８】
次に、Ｈを（数１１）から求まる値に調節する構成の実施例似ついて図３５を用いて説明する。ベース部材２９５として、対物レンズ鏡筒２９６よりも熱膨張率が大きな部材を選択する。例えば、鏡筒２９６が真鋳（β＝１７．５）の場合、ベース部材２９５をアルミ（α＝２３）で構成すれば良い。そして先端ミラー４５１を搭載した部品を熱膨張率が０とみなせる材料、例えばスーパーインバーにより構成する。前記部品の固定位置が（数１１）のＨに一致する様に設計することにより、ドリフト量が低減できる。
【０１３９】
以上、ウェハ表面状態に影響を受けることなく、表面状態を高解像度で検出する撮像装置並びに欠陥検査装置について説明した。
【０１４０】
次に、上記欠陥検査装置による欠陥検出結果について図３６を用いて説明する。従来技術では、図３６（ａ）の様に透明膜部、パターン段差部、反射率が異なる境界でデフォーカスが発生し、同図（ｂ）の様に透明な層間膜下層の欠陥４９９を検出してしまう上、パターン段差境界や反射率が異なる領域の境界に存在する欠陥を見逃してしまう問題があった。これに対して、本発明では、同図（ｃ）に示す様にパターン表面の画像が安定して検出可能なため、下層の欠陥４９９を検出することなく、同図（ｂ）で見逃した欠陥が検出できる。
【０１４１】
次に、透明膜下層に存在する欠陥が検出された場合に表面に存在する欠陥を識別する実施例について図３７を用いて説明する。本発明では、パターン表面のごく限られた範囲で焦点を合わせた状態で画像を撮像し、欠陥検査を実施できる。しかし、下層にある巨大な欠陥や表面の直下にある欠陥はデフォーカスした状態で撮像され、比較検査により検出されてしまうことがある。図３７（ｂ）に示すように、本発明では下層の欠陥４９９はデフォーカスした状態で検出されるため、検出された欠陥の画像特徴により表面欠陥と下層欠陥を識別できる。
【０１４２】
同図（ｃ）は（ｂ）の微分画像である。デフォーカスした下層欠陥４９９の輪郭はぼやけているため微分値が低く、輪郭が明瞭な表面欠陥４９８は微分値が高くなる。同図（ｄ）は（ｃ）の微分画像の断面波形である。例えば、図４の特徴抽出回路において（ｄ）の微分値の最大値と最小値の差分を演算して欠陥情報として出力することにより、下層欠陥を表面欠陥と識別できる。
【０１４３】
レビュー画面の実施例について更に図３８を用いて説明する。以上の説明ではリニアセンサを用いた走査型撮像系を例に説明したが、ＣＣＤイメージセンサの様なＴＶカメラによる画像検出においても本発明は適用可能である。図３８（ａ）は欠陥レビュー画面の説明図である。同図ではレビュー時の自動焦点設定機能３０４ａが選択された様子を示す。高さ演算ルール３０４ａｂとして平均値を選択した例である。この結果、パターン段差において画像がデフォーカスして、欠陥５００を明瞭に識別できない。一方、図３８（ｂ）は高さ演算ルール３０４ａｂとして最大値を選択した例である。この結果、パターン段差において上面に焦点合わせが行えるため、パターン像および欠陥５００を明瞭に観察できる。
【０１４４】
本発明では、高解像度で、かつ浅焦点深度の撮像光学系を用いることにより、着目工程の欠陥を選択的に検出する方式について説明した。図２ではＤＵＶ光源を用いることにより高解像度でかつ浅焦点深度の撮像光学系を実現した。この様な目的に合致する構成として、共焦点光学顕微鏡を撮像系に備えても良い。以上、本実施例の説明では撮像系として光学系を例に説明したが、例えば走査型電子顕微鏡や、電子線式パターン欠陥検査装置にも本発明は適用可能である。
【０１４５】
【発明の効果】
本発明は、レジストパターン形成後やレジスト除去後の回路パターン付ウェハに存在する急峻なパターン段差、反射率分布、光学的透明体に影響を受けることなく、表面状態を高解像度で検出できる。前記画像に基づき欠陥検査を行うことにより、高感度な欠陥検査が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）および（ｃ）は、半導体ウェハの断面図、図１（ｂ）および（ｄ）は、半導体ウェハの平面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施例である半導体ウェハの欠陥検査装置の概略の構成を示す図である。
【図３】図３は、ウェハ表面の撮像動作を説明する図である。
【図４】図４は、画像処理部の構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、撮像範囲と高さ検出位置の関係を示す図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、上り段差における自動焦点動作を説明する図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｄ）は、段差境界部で発生するデフォーカスの様子を説明する図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｆ）は、本発明による第１の焦点合わせ方式を説明する図である。
【図９】図９（ａ）と（ｃ）は、Ｚステージのステージ制御量と制御目標−ＡＦ検出値の関係を示すグラフであり、図９（Ｂ）と（Ｄ）は、試料の断面図に焦点位置の軌跡を重ね合わせた図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、本発明による第２の焦点合わせ方式を説明する図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｆ）は、本発明による第３の焦点合わせ方式を説明する図である。
【図１２】図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、焦点合わせに関する条件設定画面の例である。
【図１３】図１３（ａ）は、フォーカスマップ作成時のパターンの操作を説明する図、図１３（ｂ）は、フォーカスマップの鳥瞰図、図１３（ｃ）は、右方向へスキャンするときの段差に対する高さ検出信号の状態を示す図、図１３（ｄ）は、左方向へスキャンするときの段差に対する高さ検出信号の状態を示す図、図１３（ｅ）は、右方向へスキャンして得たデータと左方向へスキャンして得たデータとを合成した高さ検出信号の状態を示す図である。
【図１４】図１４は、自動焦点コンピュータの構成を示すブロック図である。
【図１５】図１５（ａ）〜図１１（ｄ）は、本発明による第４の焦点合わせ方式を説明する図である。
【図１６】図１６（ａ）〜（ｃ）は、フォーカスマップを用いた検査レシピの設定画面である。
【図１７】図１７（ａ）は、高さ検出結果１２２と本発明の第４の焦点合わせ方式により制御される焦点位置の軌跡１２３を示す、図１７（ｂ）は、（ａ）の点線１２２に沿って焦点位置を移動させたときに得られる画像、図１７（ｃ）は、（ａ）の点線１２３に沿って焦点位置を移動させたときに得られる画像である。
【図１８】図１８（ａ）〜（ｄ）は、焦点合わせがチップ間の同一位置で実行されない場合を示し、図１８（ａ）は、焦点合わせの軌跡を示す図、図１８（ｂ）は、高さ検出手段の動作タイミング信号、図１８（ｃ）は、検出画像、図１８（ｄ）は、（ｃ）における左右のチップの画像間の差画像を示す。一方、図１８（ｅ）〜（ｉ）は、焦点合わせがチップ間の同一位置で実行される場合を示し、図１８（ｅ）は、焦点合わせの軌跡を示す図、図１８（ｆ）は、Ｘステージ位置から判定されるチップスタート信号、図１８（ｇ）は、高さ検出手段の動作タイミング信号、図１８（ｈ）は、検出画像、図１８（ｉ）は、（ｈ）における左右のチップの画像間の差画像を示す。
【図１９】図１９（ａ）は、走査方向の折り返しの状態を示すウェハの平面図、図１９（ｂ）は、走査方向を示すウェハの断面図、図１９（ｃ）〜（ｇ）は従来の方式を示すもので、図１９（ｃ）は、（ｂ）の１２７に相当するウェハを左から右方向に走査したときの走査方向を示すウェハの断面図、図１９（ｄ）は、（ｃ）で走査したときに得られる画像、（ｅ）は、（ｂ）の１２８に相当するウェハを右から左方向に走査したときの走査方向を示すウェハの断面図、図１９（ｆ）は、（ｅ）で走査したときに得られる画像、図１９（ｇ）は、（ｄ）と（ｆ）との差画像である。また、図１９（ｈ）〜（ｌ）は本発明による方式を説明するもので、図１９（ｈ）は、（ｂ）の１３０に相当するウェハを左から右方向に走査したときの走査方向を示すウェハの断面図、図１９（ｉ）は、（ｈ）で走査したときに得られる画像、（ｊ）は、（ｂ）の１２９に相当するウェハを右から左方向に走査したときの走査方向を示すウェハの断面図、図１９（ｋ）は、（ｊ）で走査したときに得られる画像、図１９（ｌ）は、（ｉ）と（ｋ）との差画像である。
【図２０】図２０（ａ）は、走査方向の折り返しの状態を示すウェハの平面図、図２０（ｂ）〜（ｅ）は、端部を含むウェハ表面の走査方向と高さ検出値の関係を示す図である。ステージ制御の切り替えにより比較するダイ間の高さ検出値を一致させる実施例である。
【図２１】図２１（ａ）〜（ｃ）は、本発明に関わる高さ検出方式の構成を示す図である。
【図２２】図２２（ａ）は、斜めに入射した光が透明膜の表面と裏面とで反射する様子を示す試料の断面図、図２２（ｂ）は、照明光線の入射角度と反射率との関係を示す図、（ｃ）は、照明光線の入射角度と高さ検出誤差との関係を示す図である。
【図２３】図２３（ａ）は、斜めに入射した光が反射率が異なる境界を含んで反射する様子を示す試料の断面図、図２３（ｂ）は、スリットをステージ移動方向に合わせて投影した場合（左側）とψ回転させた場合（右側）を示す。図２３（ｃ）及び（ｄ）は、誤差低減の別の対策例を示す図である。
【図２４】図２４（ａ）は、試料に照射する照明光の状態を示す図、（ｂ）は、照明光の広がり角の半分（φ）とスリット幅の関係を示すグラフである。
【図２５】図２５（ａ）〜（ｃ）は、図２１の構成における照明光線が段差境界部を照明した場合を示す。
【図２６】図２６（ａ）〜（ｃ）は、段差境界部が存在する方向に対してスリットを回転させて照明して段差部の誤差を低減させる方法を示す図である。
【図２７】図２７（ａ）は、複数点の高さを検出する本発明の第１の実施例に係り、図２１（ａ）における構成で受光センサを分割センサに置き換えた構成を示す、図２７（ｂ）は、（ａ）の構成を上面から見た図である。図２７（ｃ）は、図２に示した構成に適用した場合のリニアセンサ撮像位置と高さ検出位置との関係を示す、図２７（ｄ）〜（ｆ）は、分割センサの実施例を示す。
【図２８】図２８（ａ）は、複数点の高さを検出する本発明の第２の実施例に係り、図２１（ａ）における構成で受光センサを１次元のセンサに置き換えて複数点の高さを検出する構成を示す、図２８（ｂ）は、（ａ）の構成を上面から見た図である。図２８（ｃ）は、図２に示した構成に適用した場合のリニアセンサ撮像位置と高さ検出位置との関係を示す、図２８（ｄ）〜（ｆ）は、分割センサの実施例を示す。
【図２９】図２９（ａ）および（ｂ）は、図２７に示した構成の高さ検出手段を２式組み合わせた構成を示す図である。
【図３０】図３０（ａ）〜（ｃ）は、図２１の高さ検出光学系を図２に示す欠陥検査装置に組み込んだ状態での原点ドリフトを説明する図である。
【図３１】図３１（ａ）および（ｂ）は、キャリブレーションの手順を示すフロー図、図３１（ｃ）は、試料の高さとコントラストとの関係を示す図である。
【図３２】図３２は、キャリブレーションオフセットの使用方法を示すフロー図である。
【図３３】図３３（ａ）および（ｂ）は、高さ検出光学系のドリフト量を説明する図である。
【図３４】図３４は、対物レンズのドリフト量を説明する図である。
【図３５】図３５は、先端ミラー位置を調節する構成を示す図である。
【図３６】図３６（ａ）は、ウェハの断面形状と従来技術によるフォーカス位置の関係を示す図、図３６（ｂ）は、（ａ）の状態での欠陥検出結果を示す図、図３６（ｃ）は、ウェハの断面形状と本発明によるフォーカス位置の関係を示す図、図３６（ｄ）は、（ｃ）の状態での欠陥検出結果を示す図である。
【図３７】図３７（ａ）は、下層のパターン表面を透明膜で覆った上に上層のパターンを形成した構成のウェハの断面形状、図３７（ｂ）は、（ａ）のウェハパターンを撮像して得た画像、図３７（ｃ）は、（ｂ）の画像を微分して得た微分画像、図３７（ｄ）は、（ｃ）の微分画像の断面波形である。
【図３８】図３８（ａ）および（ｂ）は、本発明によるレビュー画面の一実施例である。
【符号の説明】
３…焦点深度    ４…焦点位置の軌跡    ７…反射率が異なる境界の誤差
１０…表示装置    １２…記録装置    １１…入力装置    １３…ネットワーク２２…画像処理    ３２…画像処理    ２１…ＴＶカメラ    ２０…リニアセンサ    １９…ＰＢＳ    ２９…タイミング発生回路    １６…λ／４    １７…対物レンズ    １５ａ…波長制限フィルタ    １４…キセノン光源    ２３…ウェハチャック    ２４…Θステージ    ３０…Ｚステージ    ２６…Ｙステージ２５…Ｘステージ    ２８…レーザ測長器    ２７…ステージ制御コンピュータ    ４２…ＴＤＩシフトパルス    ４３…ＤＩＯ    ４１…折り返し信号４０…ダイスタート信号    ３９…自動焦点コンピュータ    ９…全体制御    ３３…遅延回路    ３４…位置ずれ検出回路    ３６…差画像演算回路    ３７…欠陥判定回路    ３８…特徴抽出回路
【図１】
0003903889.tif 000002
【図２】
0003903889.tif 000003
【図３】
0003903889.tif 000004
【図４】
0003903889.tif 000005
【図５】
0003903889.tif 000006
【図６】
0003903889.tif 000007
【図７】
0003903889.tif 000008
【図８】
0003903889.tif 000009
【図９】
0003903889.tif 000010
【図１０】
0003903889.tif 000011
【図１１】
0003903889.tif 000012
【図１２】
0003903889.tif 000013
【図１３】
0003903889.tif 000014
【図１４】
0003903889.tif 000015
【図１５】
0003903889.tif 000016
【図１６】
0003903889.tif 000017
【図１７】
0003903889.tif 000018
【図１８】
0003903889.tif 000019
【図１９】
0003903889.tif 000020
【図２０】
0003903889.tif 000021
【図２１】
0003903889.tif 000022
【図２２】
0003903889.tif 000023
【図２３】
0003903889.tif 000024
【図２４】
0003903889.tif 000025
【図２５】
0003903889.tif 000026
【図２６】
0003903889.tif 000027
【図２７】
0003903889.tif 000028
【図２８】
0003903889.tif 000029
【図２９】
0003903889.tif 000030
【図３０】
0003903889.tif 000031
【図３１】
0003903889.tif 000032
【図３２】
0003903889.tif 000033
【図３３】
0003903889.tif 000034
【図３４】
0003903889.tif 000035
【図３５】
0003903889.tif 000036
【図３６】
0003903889.tif 000037
【図３７】
0003903889.tif 000038
【図３８】
0003903889.tif 000039