(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビームを照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンから各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された画素単位での濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補の画素を判定し、この判定された欠陥または欠陥候補の画素を中心とする周辺画素群における欠陥または欠陥候補の画素を除いた濃淡強度の２次微分値或いは偏差或いは分散を求め、この求められた濃淡強度の２次微分値或いは偏差或いは分散に基いて前記判定された欠陥または欠陥候補の画素について孤立欠陥とパターン欠陥とに分類し、該分類された孤立欠陥とパターン欠陥とのそれぞれについて前記比較処理された画素単位での濃淡値の差の不一致量の絶対値に基いて前記画素サイズ以下のサイズを推定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置。
【請求項２】
被検査対象物上に形成されたパターンに対して照射系によりエネルギビームを照射し、前記被検査対象物上に形成されたパターンから検出系により各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出し、画像処理部において前記検出される各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された画素単位での濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補の画素を判定し、この判定された欠陥または欠陥候補の画素を中心とする周辺画素群における欠陥または欠陥候補の画素を除いた濃淡強度の２次微分値或いは偏差或いは分散を求め、この求められた濃淡強度の２次微分値或いは偏差或いは分散に基いて前記判定された欠陥または欠陥候補の画素について孤立欠陥とパターン欠陥とに分類し、該分類された孤立欠陥とパターン欠陥とのそれぞれについて前記比較処理された画素単位での濃淡値の差の不一致量の絶対値に基いて前記画素サイズ以下のサイズを推定することを特徴とする検査方法。
【請求項３】
請求項２記載の検査方法を用いて、被検査対象物としての半導体基板に対して検査を行って半導体基板を製造することを特徴とする半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程やフラットパネルデイスプレイの製造工程に代表される微細パターン欠陥及び異物等の微細欠陥を検査する検査方法およびその装置並びに半導体ウエハ等の半導体基板やディスプレイ等に用いられる半導体基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術１としては、特開平７―１２８５９５号公報によって知られている。この従来技術１は、光学顕微鏡を用いて緻密なライン幅構造を映像化する技術で、この技術の特徴として、偏光板を用いて直線状に偏光された偏光軸線の試料上への投射を試料の直線状の形状に対して約４５°の角度に形成する。偏光板と試料の間に配置された１／４波長板の光学（遅延）軸線は、試料の主たる直線状の形状に対して最適な角度（典型的な例として２５°）の方向に向けられており、この１／４波長板により直線偏光を楕円偏光に変換し、試料を照明する。この楕円偏光の照明光は試料を反射すると偏光回転を受ける。これらの光は、再び１／４波長板を透過し、検出光路に設けた偏光板を透過する向きに偏光する。検出光路の偏光板を透過した光は、光電変換素子上で、試料の像を結像する構成になっている。
【０００３】
また従来技術２としては、特開平３ー１６０３４８号公報によって知られている。この従来技術２は、自動光学検査装置による欠陥検出に関する技術で、この技術の特徴として、検査対象の試料に形成したパターンのＣＡＤデータと、試料をほぼ均質に照明して試料の像をＴＤＩセンサで検出する光学系により検出した画像を比較検査して欠陥を検出するものである。また、従来技術２には、同じ形状のパターンが繰り返して形成された試料の場合は、試料の第１のダイをほぼ均質に照明して試料の像をＴＤＩセンサで検出した画像と、同様に第２のダイの画像を検出して２つの画像を比較検査する技術が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１では、照明光路に偏光器を配置して直線偏光の光を透過させ、この直線偏光を１／４波長板で楕円偏光に変換して試料を照明する。この光学系では、試料のパターンが直線状に形成されていれば検出した試料の画像を高コントラストに検出することが可能であるが、実際の半導体製造工程に代表される微細パターンは、様々な方向（形状）に形成されている。このため、ある方向のパターンは高コントラストに検出できるが、異なった方向のパターンはコントラストが低下する課題が生じる。
また、従来技術２は、表面が粗い試料を検査対象としているため、試料をほぼ均質に照明する必要があった。また、ＣＡＤデータと試料の光学像の比較検査及び、第１のダイと第２のダイの画像を用いた比較検査では、光学像の光電変換手段としてリニアセンサを用いているため、試料を搭載したステージを定速運動させながら光学像を検出する必要がある。このため、ステージの速度変動やステージと光学系の間で相対的に振動していると、検出した光学像は実際の試料のパターンに対して歪んでしまう（以下、これを画像歪みと称する）。この画像歪みは、光学系の収差によっても生じる。この画像歪みがあると、ＣＡＤデータと検出した試料の画像は画像歪みに応じて不一致となる。この不一致部は正常部であるため、欠陥として検出すべきではないが、画像歪みが大きいと誤検出することになる。また、誤検出しないように欠陥判定しきい値を大きくすると、不一致量の小さい微小欠陥を見逃す課題が生じる。この問題は、第１のダイと第２のダイの画像を用いた比較検査においても、画像歪みの様子が異なっていれば同様である。また、検査対象である試料は、様々な材質のパターンが形成されているため反射率にむらがある。このため、検出される光量は試料のパターンに応じて変化するため、高反射率部等で検出光量がセンサの飽和レベル以上に達すると、ブルーミングにより正確な検査が行えなくなる。また、検出光量がセンサの飽和レベルに達しないように照明光量を下げると、第１のダイと第２のダイの画像を用いた比較検査では、欠陥部の不一致量が低くなり、欠陥検出感度が低下する課題がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決すべく、被検査対象物に形成されたパターンに応じて照明光の偏光を制御することにより、高解像度の画像を検出して微小欠陥を検出できる光学系を実現する検査装置を提供することにある。
また本発明の他の目的は、ステージや検出系の振動や収差によって生じる画像歪みを補正し、欠陥検出上のノイズとなる正常部の不一致を低減し、欠陥検出感度の向上並びに誤検出の防止を図ることができるようにした検査装置およびその方法を提供することにある。
また本発明の他の目的は、同一被検査対象物上に異なる光反射率や２次電子若しくは反射電子の発生率のパターンがあっても、センサのブルーミングを防止でき、且つ高い欠陥検出感度を達成することができるようにした検査装置およびその方法を提供することにある。
【０００６】
また本発明の他の目的は、画像処理において判定された欠陥または欠陥候補について、その種類（異物に代表される孤立欠陥とパターン欠陥）分類およびその大きさ（特に画素サイズ以下）を求めることができるようにした検査装置およびその方法を提供することにある。
また本発明の他の目的は、半導体基板上の微細な欠陥や欠陥候補を種類や大きさも含めて検査できることにより、不良発生原因を究明しやすくなり、半導体基板を高歩留まりで製造することができるようにした半導体基板の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、光源から出射されたインコヒーレント光を偏光ビームスプリッターを透過あるいは反射させることによって部分偏光させて１／４波長板により楕円偏光に変換して被検査対象物に対して落射照明する照明光学系と、前記被検査対象物からの反射回折光を前記１／４波長板を通して前記偏光ビームスプリッターを反射あるいは透過させることによって捕捉して被検査対象物上の像を光電変換素子上に結像させる検出光学系と、該検出光学系で検出した比較画像を参照画像と比較処理して検査する画像処理部とを具備し、前記１／４波長板の回転角を前記被検査対象物上に形成されたパターンに応じて設定することを特徴とする検査装置である。
また本発明は、光源から出射されたインコヒーレント光を被検査対象物に対して落射照明する照明光学系と、前記被検査対象物からの反射回折光を捕捉して被検査対象物上の像を、受光面あるいはその近傍のガラス部材に異なる分光透過率を有する薄膜を形成させたＴＤＩセンサ上に結像させて被検査対象物上の波長に応じた像を高コントラストで検出して画像信号を得る検出光学系と、該検出光学系のＴＤＩセンサから得られる画像信号を参照画像と比較処理して検査する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
【０００８】
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビーム（光ビームまたは電子ビーム等）を照射する照射系と、被検査対象物上に形成されたパターンから発生する反射光または２次電子若しくは反射電子等に基いて各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号における画像の歪みに応じて画像サイズを設定し、この設定された画像サイズごとに該検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビーム（光ビームまたは電子ビーム等）を照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンから発生する反射光または２次電子若しくは反射電子等に基いて各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号における画像の歪みを検出する検出部を有し、該検出部から検出された画像の歪みに応じて画像サイズを設定し、この設定された画像サイズごとに該検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
【０００９】
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビーム（光ビームまたは電子ビーム等）を照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンから発生する反射光または２次電子若しくは反射電子等に基いて各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、前記被検査対象物を載置したステージまたは前記検出系若しくは照射系の振動に応じて画像サイズを設定し、この設定された画像サイズごとに該検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビーム（光ビームまたは電子ビーム等）を照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンから発生する反射光または２次電子若しくは反射電子等に基いて各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、前記被検査対象物を載置したステージまたは前記検出系若しくは照射系の振動を検出する検出部と、該検出部から検出された振動に応じて画像サイズを設定し、この設定された画像サイズごとに該検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
【００１０】
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビームを照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンから各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、前記検出系若しくは照射系の収差に応じて、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号に対して収差補正を施し、この収差補正が施された各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビームを照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンから各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、該検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号に対してアフィン変換を施し、このアフィン変換が施された各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
【００１１】
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビームを照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンから各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、前記被検査対象物を載置したステージの振動を測定する振動測定系と、該振動測定系で測定された振動に応じて、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号に対して補正し、この補正された各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
また本発明は、前記検査装置における振動測定系として、被検査対象物（試料）が搭載されるチャックまたはステージ上に形成された格子状のパターンを光学的に検出して振動を測定するように構成したことを特徴とする。
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対して光を照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンからの反射回折光をＴＤＩセンサで捕捉して各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、該ＴＤＩセンサの時間遅延蓄積方向の蓄積画素数を電気的に変更可能に制御する制御部と、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。また本発明は、前記検査装置における制御部において、蓄積画素数は、被検査対象物に形成されたパターンの設計情報或いは画像情報より決定することを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビームを照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンから各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定し、この判定された欠陥または欠陥候補の周辺画素における濃淡強度の２次微分値或いは偏差或いは分散を求め、この求められた濃淡強度の２次微分値或いは偏差或いは分散に基いて前記判定された欠陥または欠陥候補ついてその種類を分類する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対してエネルギビームを照射する照射系と、前記被検査対象物上に形成されたパターンから各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出する検出系と、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定し、更に前記比較処理された濃淡値の差の絶対値に応じて前記判定された欠陥または欠陥候補のサイズを推定する画像処理部とを具備したことを特徴とする検査装置である。
【００１３】
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対して照射系によりエネルギビームを照射し、前記被検査対象物上に形成されたパターンから検出系により各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出し、画像処理部において前記検出される各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号における画像の歪みに応じて画像サイズを設定し、この設定された画像サイズごとに前記検出される各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定することを特徴とする検査方法である。
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対して照射系によりエネルギビームを照射し、前記被検査対象物上に形成されたパターンから検出系により各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出し、画像処理部において前記被検査対象物を載置したステージまたは前記検出系若しくは照射系の振動に応じて画像サイズを設定し、この設定された画像サイズごとに該検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定することを特徴とする検査方法である。
【００１４】
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対して照射系によりエネルギビームを照射し、前記被検査対象物上に形成されたパターンから検出系により各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出し、画像処理部において前記検出系若しくは照射系の収差に応じて、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号に対して収差補正を施し、この収差補正が施された各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定することを特徴とする検査方法である。
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対して照射系によりエネルギビームを照射し、前記被検査対象物上に形成されたパターンから検出系により各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出し、画像処理部において振動測定系で測定された振動に応じて、前記検出系から得られる各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号に対して補正し、この補正された各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定することを特徴とする検査方法である。
【００１５】
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対して照射系によりエネルギビームを照射し、前記被検査対象物上に形成されたパターンから検出系により各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出し、画像処理部において前記検出される各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定し、この判定された欠陥または欠陥候補の周辺画素における濃淡強度の２次微分値或いは偏差或いは分散を求め、この求められた濃淡強度の２次微分値或いは偏差或いは分散に基いて前記判定された欠陥または欠陥候補ついてその種類を分類することを特徴とする検査方法である。
また本発明は、被検査対象物上に形成されたパターンに対して照射系によりエネルギビームを照射し、前記被検査対象物上に形成されたパターンから検出系により各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号として検出し、画像処理部において前記検出される各画素について濃淡値を有する２次元の比較画像信号と各画素について濃淡値を有する２次元の参照画像信号とを比較処理し、この比較処理された濃淡値の差に応じて欠陥または欠陥候補を判定し、更に前記比較処理された濃淡値の差の絶対値に応じて前記判定された欠陥または欠陥候補のサイズを推定することを特徴とする検査方法である。
また本発明は、前記検査方法を用いて、被検査対象物としての半導体基板に対して検査を行って半導体基板を製造することを特徴とする半導体基板の製造方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態について図を用いて説明する。
図１は、本発明に係るパターン検査装置の一実施の形態を示す構成図である。即ち、試料１はチャック２に真空吸着され、このチャック２は、θステージ３、Ｚステージ４、Ｙステージ５、Ｘステージ６上に搭載される。試料１の上方に配置されている光学系１１１は、試料１に形成されているパターンの外観検査を行うために試料１の光学像を検出するものであり、主に照明光学系１１と試料１の像を撮像する検出光学系４５及び焦点検出光学系１１５とで構成される。照明光学系１１に配置された光源１０は、インコヒーレント光源であり、例えばハロゲンランプで構成される。光源１０で発光した光は、レンズ１２を介して開口絞り１４の開口部を透過し、レンズ１６を介して視野絞り１８に到達する。この視野絞り１８は、多数の仮想の点光源から形成される二次光源としての輪帯状の照明を形成するためのもので、一般にスリット状の開口を有したものが使われている。この視野絞り１８は、種類の異なる輪帯状の照明をすることができるように、この視野絞り１８の寸法および形状を調整制御できるように構成されている。また視野絞り１８として、複数種類のものを用意して、これら視野絞り１８を切り替えるように構成しても良い。また、通常の照明光源に切り替えることができるように構成しても良い。そして、視野絞り１８を透過した光は、レンズ２０及び光分割手段２２を透過して、対物レンズ３０に入射し、試料１をほぼ垂直方向から照明する。尚、光分割手段２２は、部分偏光の光を透過する偏光ビームスプリッターであり、この偏光ビームスプリッター２２と試料１との間に１／４波長板等を配置させる必要がある。上記照明光学系１１および検出光学系４５については、特開平成８−１６２５１１号公報において、具体的に記載されている。
【００１７】
即ち、多数の仮想の点光源１８から形成された輪帯状の拡散照明光を更に偏光を加えて形成された輪帯状の拡散照明光を対物レンズ３０の瞳を通して被検査対象物１上パターンに対して集光して照射し、この集光照射された輪帯状の拡散照明光によって被検査対象物１上のパターンから反射して対物レンズ３０の瞳内に入射する０次回折光を含む１次または２次の回折光を集光して得られる被検査対象物１上のパターンの画像を光電変換素子４１により受光してパターンの画像信号に変換するものである。
【００１８】
試料１を照明した光は、試料１上で反射、散乱、回折し、対物レンズ３０のＮＡ以内の光は再び対物レンズ３０に入射し、偏光ビームスプリッター２２で反射され、試料１の像を撮像する検出光学系４５及び焦点検出光学系１１５に導かれる。偏光ビームスプリッター２２を反射した光は、検出光学系の光分割手段３５に入射し、透過した光は結像レンズ４０を介して光電変換素子４１上に試料１の像を結像させる。ここで、検出光学系の光分割手段３５は、例えばハーフミラー（Ｔ：Ｒ＝１：１でなくてよい）やダイクロイックミラー等であり、光電変換素子はリニアセンサやＴＤＩ或いはＴＶカメラ等である。また、検出光学系の光分割手段３５を反射した光は、焦点検出光学系に導かれ、レンズ５０で対物レンズの瞳と共役な位置或いは共役に近い位置を形成させ、この位置にナイフエッジ状のミラー８０を配置させる。このナイフエッジミラー８０は、試料１を照明する光の角度に応じて光を２光束に分割するものであり、結像レンズ８５及び９０を介して焦点検出センサ１００及び１１０に試料１の像を結像する。ここで、焦点検出センサはリニアセンサやＴＤＩあるいは、フォトダイオード等がある。視野絞り１８と試料１と検出光学系４５の光電変換素子４１及び焦点検出光学系の光電変換素子１００並びに１１０は光学的に共役である。焦点検出光学系の光電変換素子１００並びに１１０で検出した光強度分布の信号は、ケーブル１６０により焦点検出信号処理回路１２０に入力され、この焦点検出信号処理回路１２０で試料１の高さと対物レンズ３０の焦点位置のズレ量を検出し、ＣＰＵ１４０に焦点ズレ量のデータを送る。この焦点ズレ量に応じて、ＣＰＵ１４０からステージ制御部１５０にＺステージ４を駆動させる指令を行い、所定パルスをステージ制御部１５０からＺステージ４に送り、自動焦点機能が働く。また、検出光学系４５の光電変換素子４１で検出した試料１の光学像は、画像処理回路１３０に入力し、画像の記憶や欠陥部の判定等を行う。さらに、試料１のＸＹ方向の移動は、Ｘステージ６及びＹステージ５の２次元的な移動により行なわれる。また、θステージ３は、ＸＹステージ６及び５の運動方向と試料１に形成されたパターンのθ（回転）アライメントを行うときに用いる。
【００１９】
ステージ５，６の走行時に生じた振動に起因した画像歪みを補正する手段として、ステージ走行時にウエハ１の振動を測定する光学系を設ける。即ち、ウエハ１が吸着されているチャック面２には、格子状のパターンを形成し、この格子パターンをステージ振動測定光学系８５０で検出する。ステージ振動測定光学系８５０は、光源８５１で発光した光を対物レンズ８５２を介して、チャック２の格子パターンを落射照明する。チャック２の格子パターンを反射、回折した光は、再び対物レンズ８５２に捕捉され、チャック２の格子パターンをＴＤＩ８５５上に投影する。ＴＤＩ８５５で検出した格子パターンの像の信号は、振動解析画像処理部８６０に伝達され、格子パターンピッチを検出して振動を測定する。この求めた振動量を画像処理部１３０に送り、検出した画像を補正する。
【００２０】
本発明に係る実施の形態では、落射照明方式の光学系を用いているが、この光学系の解像度Ｒは一般的にＲ＝λ／（２ＮＡ）で求められる。しかし、偏光を用いた光学系では先に求めたＲ以上の解像度が得られることが知られている。次に、部分偏光を利用した光学系について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、部分偏光を利用した光学系を示す。照明光は、照明光軸７に沿って、偏光ビームスプリッター２２に入射する。このうち、Ｓ偏光成分は偏光ビームスプリッター２２を構成するガラス部材２２ａと２２ｂの境界面で反射し、Ｐ偏光成分は透過する。ここで注意されたいのは、偏光ビームスプリッター２２を透過したＰ偏光成分の振動面は単一ではなく図２（ｄ）に示す分布を持っており、部分偏光となっている。偏光ビームスプリッター２２を透過したＰ偏光成分の光は、１／４波長板４０１を透過して円偏光になるが、本実施の形態では部分偏光を１／４波長板４０１に入射させているため楕円偏光になる。尚、１／４波長板４０１は回転機能８８０に取り付けられている。楕円偏光の光は対物レンズ３０を介して、試料１を照明する。尚、試料１には凸状のパターンが形成されているものとする。試料１で反射・回折した光は再び対物レンズ３０に捕捉され、再び１／４波長板４０１を透過する。この光は１／４波長板４０１を往復したことにより、１８０°位相差が生じ、主にＳ偏光になる。このため、再び偏光ビームスプリッター２２に入射した光は、ガラス部材２２ａと２２ｂの境界面で反射し、検出系４５に導かれる。検出系４５のＴＤＩセンサ４１で検出した画像の波形８７３を図２（ｂ）に示す。ウエハ１に形成された段差のエッジでは、光量が低下して、画像の波形の値Ｉはａとなる。エッジ以外の画像の波形の値Ｉはｂとなる。このエッジ部のコントラストＣを図中の式（Ｃ＝（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ））で定量的に表した場合、１／４波長板４０１の回転角θとコントラストＣの関係８７４は、図２（ｃ）に示すようになる。本発明に係るウエハ１の外観検査装置では、欠陥を検出するにあたり、パターン（回路パターン）のコントラストＣが高いほど微小欠陥を検出できる傾向があり、最も高コントラストな像が得られる１／４波長板４０１の回転角θ１に設定することが望ましい。しかし、最も高コントラストな像が得られる１／４波長板４０１の回転角θ１は、パターンの方向と照明する波長の振動方向とによって決まっている。このため、図３（ａ）に示すようなウエハ上に主として形成されたＸ方向のパターン（回路パターン）１ａとＹ方向のパターン（回路パターン）１ｂともに、図３（ｂ）に１ａ’、１ｂ’で示す如く、高コントラストな像が得られる１／４波長板４０１の回転角は一致しない。そこで、ウエハ１上に主として形成された各方向のパターン（回路パターン）１ａ、１ｂが比較的高コントラストに検出される１／４波長板の回転角θ２に設定する。ここで、欠陥検出上、１／４波長板４０１の回転角θはパターンのコントラストが低くなる位置に設定することが望ましい場合もある。即ち、パターン（回路パターン）を有するウエハ１上に存在する微小異物等を検出する場合には、パターンの画像信号は不要となることからパターンのコントラストを低くなるように１���４波長板４０１の回転角θを設定する。ウエハ１上に存在するパターンは、主としてＸ方向およびＹ方向を向いており、これらパターンのコントラストを低くなるように１／４波長板４０１の回転角θを設定すれば良い。しかし、両方のパターンのコントラストが低くなる１／４波長板４０１の回転角θは存在しないので、どちからのパターンを優先して１／４波長板４０１の回転角θを選択する必要がある。
【００２１】
図４（ａ）には、ＴＤＩセンサ４１の受光面４１ａを示す。このＴＤＩセンサ４１は、ステージ移動方向にｍピクセル、それと直角方向にｎピクセルから構成され、蓄積時間としてｔ１を有している。そして、センサ面４１ａのステージ移動方向（電荷の積分方向）を３分割し、それぞれの表面に赤Ｒ８９０・緑Ｇ８９１・青Ｂ８９２色の透過膜を蒸着させる。これにより、ＴＤＩセンサ４１は、分光した画像を検出することができる。尚、３色の膜の透過率特性は、図４（ｂ）に８９０ａ、８９１ａ、８９２ａで示すとおり、横軸の波長λに対して透過率Ｔが異なる分布を示している。このＴＤＩセンサ４１を用いて試料１の像を検出することにより、試料１の像が高コントラストに検出できる波長のみの像を用いて、欠陥検出することが可能となる。また、赤Ｒ８９０と緑Ｇ８９１の領域で検出した像を合成して画像とすることにより、波長幅を広げた画像を生成することが可能である。さらに、赤Ｒ８９０・緑Ｇ８９１・青Ｂ８９２の３色で検出した像を合成して画像とすることにより、白色光照明で検出した画像と同様の画像を生成することが可能となる。これら、色の分割や合成により、ウエハ１に形成されたパターンが高コントラストに検出できる条件を選択的に決定できる。即ち、ウエハ上に形成されたパターンにおいては、例えば赤色を帯びて形成されている場合がある。また、ウエハ上に形成された薄膜に膜厚むらがある場合などは、赤Ｒ８９０・緑Ｇ８９１・青Ｂ８９２の３色で検出した像を合成して画像を形成し、欠陥検出上ノイズ成分となる明るさ変動を低減できる。このため画像処理部１３０には、３色で検出した画像の合成或いは分割を行い１つの画像を生成する機能が必要であるが、画像の位置合わせ・比較等を行う機能は従来の数で賄える構成とすることが、装置のコスト面で重要である。
【００２２】
図１に示す画像処理部１３０では、ＴＤＩセンサ４１で光電変換した試料１の３色で分光した画像信号を入力し、これら入力された画像の合成或いは分割を行い１つの濃淡を示すデジタル画像を生成する。これら画像の合成或いは分割に対する指令は、ＣＰＵ１４０に入力されたウエハ上に形成されたパターンの種類やその配列位置等に関する設計情報に応じてＣＰＵ１４０から得ることができる。画像処理部１３０では、図５（ａ）に示す通り、例えばＴＤＩ４１から得られる濃淡を示すデジタル参照画像ｇ（ｘ，ｙ）を遅延記憶部１３１に記憶しておき、位置ずれ補正回路１３６は、位置ずれ量検出回路１３７から得られる位置ずれ量に基いて遅延記憶部１３１に記憶されたデジタル参照画像ｇ（ｘ，ｙ）とＴＤＩ４１で検出された濃淡を示すデジタル比較画像ｆ（ｘ，ｙ）との間の位置ずれ補正を行う。この位置ずれ補正を行うためのに２画像の位置ずれ量は、デジタル比較画像ｆ（ｘ，ｙ）及びデジタル参照画像ｇ（ｘ，ｙ）を画像記憶部１３７に記憶し、位置ずれ量検出回路１３８において検出するものである。位置ずれ補正回路１３６において位置ずれ補正されたデジタル比較画像ｆ（ｘ，ｙ）及びデジタル参照画像ｇ（ｘ，ｙ）は、比較部１３３において、例えば濃淡差がとられ、欠陥候補の特徴量検出部１３４において不一致として欠陥候補の特徴量が検出（算出）される。そして、欠陥判定部１３５において、この検出された特徴量が欠陥判定しきい値以上の場合は、欠陥と判断するような構成である。位置ずれ補正部１３２は、位置ずれ補正回路１３６と、位置ずれ量検出回路１３８とから構成される。ここで図５（ｂ）に示す通り、参照画像のサイズ（ステージ走査方向ＸのサイズをＸｗとする）は予め決められているものとすると、位置ずれ量の検出は参照画像ｇ（ｘ，ｙ）に対して比較画像ｆ（ｘ，ｙ）Ｆ±Ｎ画素ずらした範囲内で位置ずれ量を検出し、最も比較画像と参照画像の濃淡差が小さくなる位置が位置ずれ補正すべき位置となる。連続した次の参照画像の位置合わせも同様に位置ずれ量検出することにより、連続して画像の位置合わせが可能となる。尚、参照画像と比較画像の位置ずれ量検出範囲±Ｎ画素は、ステージの走行精度やステージや光学系の振動或いは光学系の拡大倍率により異なるが、±１〜３画素が妥当である。また、画像のずれ方向が周期的或いは一定である場合は、ずれ方向を予測することにより位置ずれ検出量の範囲を狭めることが可能である。図６に示す通り、比較画像ｆ（ｘ，ｙ）と遅延記憶部１３１に記憶されている参照画像ｇ（ｘ，ｙ）の位置ずれ量が規則的あるいは、一定である場合は、予め、試料１上に形成されたパターンからＴＤＩ４１によって検出される比較画像ｆ（ｘ，ｙ）及び参照画像ｇ（ｘ，ｙ）を画像記録部１３７に入力し、位置ずれ量検出回路１３８においてこの入力された画像に基づき、位置ずれ量を検出しておいても良い。そして、図５に示す実施例と同様に、位置ずれ補正部１３６で比較画像・参照画像との位置ずれ補正を行う。この位置ずれ補正した２画像を比較部１３３で比較し、欠陥候補の特徴量を欠陥候補の特徴量検出部１３４で検出し、欠陥判定部１３５において欠陥判定しきい値以上を欠陥と判断するような構成でも良い。
【００２３】
また、画像処理の高速化を図るため、ＴＤＩセンサ４１の視野を、図７（ａ）に示す通り、複数の画像処理領域に分割することが考えられる。即ち、図５（ａ）に示す位置ずれ補正回路１３６、比較部１３３、欠陥候補の特徴量抽出部１３４および欠陥判定部１３５における画像処理は、この分割された領域毎に並列に実行され、画像処理の高速化を実現することができる。当然位置ずれ量検出回路１３８における位置ずれ量検出を、上記分割された領域毎に並列に実行しても良い。ところで、図７（ａ）ではＴＤＩセンサの視野を例えばｗ１〜ｗ８に８分割しており、それぞれの領域で図７（ｂ）に示す様に、位置ずれ検出回路１３８における位置合わせ部１３８ａにおいて比較画像ｆ（ｘ，ｙ）と参照画像ｇ（ｘ，ｙ）との位置合わせを行い、ずれ量検出部１３８ｂにおいて２画像の差の絶対値の和（不一致量）が最小になる位置を求め、この位置における２画像の相対的な位置ずれ量を検出する。また、このずれ量を位置ずれ検出回路１３８において検出する場合、第一にＴＤＩセンサ４１の視野を複数分割した領域の代表的な領域でずれ量を求め、第二に他の領域では、先に求めたずれ量±ｐ画素の領域をずれ量検出範囲とし、ずれ量の検出を行うことが考えられる。尚、±ｐ画素は、光学系の倍率やステージ走行精度により変わるが、ｐ＝１〜３画素が妥当であると考える。以上説明したように、位置ずれ量検出回路１３８では、ＴＤＩセンサ４１の視野を複数分割した領域毎に、並列に位置ずれ量が検出（算出）されることになる。そして位置ずれ補正回路１３６は、位置ずれ量検出回路１３７から得られる領域毎に並列に検出（算出）される位置ずれ量に基いて位置ずれ補正を行い、これら領域毎に位置ずれ補正されたデジタル比較画像ｆ（ｘ，ｙ）及びデジタル参照画像ｇ（ｘ，ｙ）は、比較部１３３において、例えば濃淡差がとられ、欠陥候補の特徴量検出部１３４において不一致として欠陥候補の特徴量が検出（算出）され、欠陥判定部１３５においてこの検出された特徴量が欠陥判定しきい値以上の場合は、欠陥として判断する。
【００２４】
図８（ａ）には、センサ視野内で８０５で示すように光学倍率に誤差がある状態を示す。この光学倍率誤差は、レンズの収差等により生じるものであるため、この誤差をなくすことはできない。従って、領域ｗ１とｗ４の光学倍率は異なっている。これを一様な倍率にするためには、位置ずれ検出回路１３８において画像処理により補正することが、実用的である。この手法として図８（ｂ）に示す通り、位置ずれ検出回路１３８において、ずれ量検出部１３８ｂで検出された位置ずれ量に対して、ＣＰＵ１４０に入力されてＣＰＵ１４０から得られる光学倍率誤差データに基いて、補正することにより光学倍率誤差を消去した位置ずれ量を求めることができる。なお、光学倍率の誤差は、光分割手段２２および対物レンズ３０を含む検出光学系４５によって決まる。従って、最初に、試料上に形成された既知の寸法のパターンを照明光学系１１で照明し、光分割手段２２および対物レンズ３０を含む検出光学系４５で撮像し、ＣＰＵ１４０は、この撮像された画像信号を取り込んで微分処理をしてパターンのエッジ位置を画像上の座標から算出してパターンの寸法を求め、この求められたパターンの寸法と既知のパターン寸法（パターン寸法設計値）とから光学倍率を含むこの誤差を算出することができる。
【００２５】
図９（ａ）（ｂ）には、参照画像と比較画像との間においてステージ或いは光学系が振動したために画像内のパターンが歪んで互いに相違するモデルを示す。尚、図中Ｘ方向がステージの走査方向である。図９（ａ）に示す参照画像は、パターン８００ａが直線に検出できており、画像取り込み中において、ステージや光学系の振動はなかったものとする。しかし、図９（ｂ）に示す比較画像では画像取り込み中において、Ｙ方向にステージ或いは光学系が振動したため、画像内のパターン８０１ａが歪んでいる。ここで、図９（ｂ）に示す比較画像の歪み量をΔｙとする。この両者の画像の差をとると、比較画像の歪みに起因した不一致部が多数検出され、欠陥候補となる。この不一致部は正常部であるあるため、欠陥検出しないようにするためには、欠陥検出しきい値を大きくする必要がある。微小欠陥は、欠陥候補の特徴量が小さいため、欠陥検出しきい値を大きくすると欠陥として認識できなくなる。このため、画像サイズｐｉｘを小さく（Ｘｗ）し、画像歪みの影響を小さくすることが考えられる。これは、図１１に示すずれ量周期判定部１４２で判定される画像歪みの周期をＰとするとき、画素サイズ設定部１４３で画像サイズｐｉｘを周期Ｐの数分の１にすることにより、正常なパターン部における２画像の不一致を非常に小さくしようとするものである。例えば、比較画像・参照画像のサイズｐｉｘをＸｗとすると、２画像の位置合わせ後の歪み量Δｙは小さくなる。歪み量Δｙの許容値として、画素サイズｐｉｘを歪み量Δｙの許容値の例えば１／１０以下になるように、図１１に示すずれ量周期判定部１４２で判定された画像歪みの周期Ｐに基いて、画素サイズ設定部１４３において画像サイズを決定する。これにより補正画像生成部１４１において比較画像ｆ（ｘ，ｙ）および参照画像ｇ（ｘ，ｙ）共に画像サイズが決定されて補正比較画像ｆ‘（ｘ，ｙ）および補正参照画像ｇ’（ｘ，ｙ）となって画像記憶部に記憶されて位置ずれ補正部１３２に入力されることになる。そして位置ずれ補正部１３２において、上記画素サイズで切り出された補正比較画像ｆ‘（ｘ，ｙ）と補正参照画像ｇ’（ｘ，ｙ）との間において位置ずれ補正される。ついで比較部１３３において、上記画素サイズで切り出された補正比較画像ｆ‘（ｘ，ｙ）と補正参照画像ｇ’（ｘ，ｙ）との間において比較され、欠陥候補の特徴量抽出部１３４において不一致として欠陥候補の特徴量が算出され、欠陥判定部１３５において歪み量Δｙの許容値と比較されて欠陥の判定が行われる。尚、この歪み量Δｙの許容値は、欠陥判定部１３５において用いられる欠陥検出アルゴリズム等に対応させて有効で、且つ適切な値に設定する必要がある。またずれ周期判定部１４２において、画像が図９（ｂ）に示すように歪んだ場合、図９（ａ）に示す比較画像ｆ（ｘ，ｙ）と図９（ｂ）に示す参照画像ｇ（ｘ，ｙ）との差をとると、不一致量が周期的に変動することになり、この変動量を画像処理して不一致量の極大値の間隔を求めることによって周期Ｐを算出することができる。以上説明したように、位置ずれ補正部１３２において、比較画像ｆ（ｘ，ｙ）と参照画像ｇ（ｘ，ｙ）との間において位置ずれ補正を行う際、画素サイズを画像歪みの周期Ｐの１／１０程度以下にすることによって、画像歪みが生じたとしても、正常なパターン部における２画像の不一致を非常に小さくして歪み量Δｙの許容値以内にして、誤判定をなくすことができる。
【００２６】
図１０（ａ）（ｂ）には、参照画像と比較画像との間において互いに傾きをもって相違するモデルを示す。即ち、図１０（ｂ）に示す比較画像におけるパターン８０１ｂは、図１０（ａ）に示す参照画像におけるパターン８００ｂに対して、ａの傾きを持っている。これを補正するには、例えば、図１０（ｃ）に補正後比較画像２で示す通り、図１１に示す補正画像生成部１４１において比較画像の傾きａを０にするように比較画像を補正することが考えられる。また、図１０（ｄ）および図１０（ｅ）に示す通り、図１１に示す補正画像生成部１４１において参照画像ｆ（ｘ，ｙ）および比較画像ｇ（ｘ，ｙ）共に画像を補正し、マッチングさせることが考えられる。これは、２つの画像共にａ／２の傾きを持たせるように補正するものである。この補正はアフィン変換により実現できる。図１１に示す傾き量算出部１４４は、検出光学系４５で検出される本来のパターンの向きが既知（本来図１０（ａ）に示す参照画像の通り、比較画像においても検出される場合）の場合には、検出光学系４５で検出される比較画像に対して微分処理してパターンのエッジ位置を検出し、このパターンのエッジ位置を直線近似して本来の向きｙ＝ｂに対してｙ＝ａｘ＋ｂを求めて、傾きａを算出することができる。検出光学系４５で検出される本来のパターンの向きがわかっていない場合には、参照画像と比較画像との差画像の不一致量の分布を最小二乗法により直線近似することによって傾き量ａを算出することができる。
【００２７】
以上、図８〜図１０で説明した位置ずれ量の様に位置ずれが周期的である場合の補正手段の具体的構成を図１１に示す。比較画像ｆ（ｘ，ｙ）および参照画像ｇ（ｘ，ｙ）を位置ずれ補正画像生成部１４１に入力する。この補正画像生成部１４１には、ずれ量周期判定部１４２と画像サイズ設定部１４３とにより、位置ずれ量が許容値以内となる画像サイズを伝えられる。また傾き量算出部１４４からは参照画像に対する比較画像の傾き量ａが補正画像生成部１４１に入力される。補正画像生成部１４１は、この画像サイズに応じて傾き量ａについて補正画像を生成し、補正比較画像ｆ‘（ｘ，ｙ）および補正参照画像ｇ’（ｘ，ｙ）を生成する。この補正比較画像ｆ‘（ｘ，ｙ）および補正参照画像ｇ’（ｘ，ｙ）を用いて、位置ずれ補正部１３２において位置合わせを行い、比較部１３３において２画像を比較する。この比較結果より、欠陥候補の特徴量検出部１３４において欠陥候補の特徴量を検出し、欠陥判定部１３５において欠陥判定しきい値より大きな特徴量である部分を欠陥と判断する。尚、欠陥判定しきい値は、試料１の全面にわたって一定ではなく、試料１の反射率等に応じて、変化させるしきい値（浮動しきい値）とすることも考えられる。また、画像取り込み時のステージ走査方向がＸ方向である場合、ウエハ全面の欠陥検出をするにはウエハの端までＸステージが走査したときのみＹステージが移動する。従って、Ｘステージの走査時にはＹステージが固定であるため、Ｙ方向の画像ずれは少ない。このため、図１２に示す通り、比較画像ｆ（ｘ，ｙ）および参照画像ｇ（ｘ，ｙ）は，ＸＹステージ移動判定部１５０’に入力し、Ｘステージのみの走査時にはＸずれ量検出回路１５１においてＸ方向の画像ずれ量を検出し、この検出されたＸ方向の画像ずれ量に基いてＸずれ量補正回路１５２においてずれ量補正を行い、比較部１３３において２画像を比較し、この比較結果より、欠陥候補の特徴量検出部１３４において欠陥候補の特徴量を検出し、欠陥判定部１３５において欠陥判定しきい値より大きな特徴量である部分を欠陥と判断する。また、Ｙステージ移動時には、ＸＹステージ移動判定部１５０’により、最初の比較画像についてＹずれ量検出回路１５３においてＹ方向の画像ずれ量を検出し、Ｙずれ量補正回路１５４において２画像に対してずれ量補正処理を行う。このあとＸずれ量検出回路１５１においてＸ方向の画像ずれ量を検出し、この検出されたＸ方向の画像ずれ量に基いてＸずれ量補正回路１５２においてずれ量補正を行い、比較部１３３において２画像を比較し、この比較結果より、欠陥候補の特徴量検出部１３４において欠陥候補の特徴量を検出し、欠陥判定部１３５において欠陥判定しきい値より大きな特徴量である部分を欠陥と判断する構成となる。これにより、 Ｙ方向の画像ずれ量の検出及びずれ量の補正処理は必要に応じて行われ、処理時間の短縮を図ることができる。また、検出光学系の倍率が高いときには、Ｘステージのみの走査時も微小範囲でＹ方向の画像ずれ量の検出及びずれ量の補正処理を行う必要が生じる可能性もある。
【００２８】
また、図１に示すように、ステージ５,６の走行時に生じた振動に起因した画像歪みを補正する手段として、ステージ走行時にウエハ１の振動を測定するステージ振動測定光学系８５０および振動解析画像処理部８６０を設けても良い。図１３には、ウエハ１の振動を測定するためのパターンが形成されたチャック面を示す。ウエハ１が吸着されているチャック面２には、ウエハ１の振動を測定するために例えば格子状のパターンが形成されているものとする。この格子パターンをステージ振動測定光学系８５０で検出する。ステージ振動測定光学系８５０は、光源８５１で発光した光を対物レンズ８５２を介して、チャック２の格子パターンを落射照明する。チャック面２の格子パターンを反射、回折した光は、再び対物レンズ８５２に捕捉され、チャック２の格子パターンをＴＤＩ８５５上に投影する。ＴＤＩ８５５で検出した格子パターンの像の信号は、振動解析画像処理部８６０に伝達され、格子パターンピッチを検出して振動を測定する。この求めた振動量を画像処理部１３０に送り、検出した画像を補正する。図１３に、チャック面２の格子パターン２ａの例を示す。チャック面２の格子パターン２ａは、画像入力時のステージ走行方向が長手に形成されており、一定の間隔でＸＹ方向にパターンが形成されている。ＴＤＩ８５５で検出したチャック２の格子パターン２ａの像の間隔を振動解析画像処理部８６０で検出することにより、そのピッチより振動量が求まる。
【００２９】
図１４（ａ）および（ｂ）には、参照画像ｆ（ｘ，ｙ）と比較画像ｇ（ｘ，ｙ）とを示す。比較画像のパターン８７１は、参照画像のパターン８７０に対して、Ｘ方向に１画素シフトしている。この２画像の差をとり、線ＡＡ部の差の結果を図１４（ｃ）に示す。位置ずれ補正を行わずに２画像の差をとると、位置ずれに起因した濃淡差が生じる。この位置ずれに伴う差画像の濃淡差８７２は、▲１▼パターンの両端で生じ、▲２▼差の絶対値はほぼ同じで、▲３▼符号が反転することになる。この▲１▼、▲２▼、▲３▼に着目して、参照画像と比較画像の位置ずれを補正すれば、図１４（ｄ）に示す通り位置ずれに伴う差画像の不一致は低減し、欠陥部のみを検出することができる。以上の位置ずれ補正部１３２により、欠陥検出に関してノイズ成分となる位置ずれに伴う差画像の不一致が低減するため、欠陥判定部１３５における欠陥判定しきい値を低下させることが可能となり、微小欠陥等の低信号な欠陥を検出することが可能となる。
【００３０】
試料１の像検出用光電変換素子４１としてＴＤＩを用いることにより、画像取り込み時に生じたステージ５，６あるいは光学系１１１の振動に伴う画像の歪みを低減する効果がある。図１５（a）に示す通り、例えばステージ移動方向のＴＤＩ４１の画素数をｍ、１画素当たりの蓄積時間をｔ１とする。尚、ＴＤＩ４１は、ステージの移動と同期して、蓄積した光情報をステージ移動方向にシフトさせ、ｍ画素で検出した光情報を積分するものである。例えば、画像取り込み時の時間とステージ速度変動が図１５（ｂ）の様になっていたとする。ここで、ステージ速度変動の周期が約ｔ２である場合、ｔ２≧ｍ×ｔ１であれば、ＴＤＩ４１で検出した画像は速度変動による画像歪みは低減する。尚、ｔ２≧ｍ×ｔ１の条件を満足しなくても、ｍ画素で検出した像を積分することにより（ＴＤＩを用いることにより）、画像歪み低減効果がある。ＴＤＩを含む光電変換素子は、受光量が大きいと出力が飽和する。特に、ＣＣＤは受光量が飽和レベルに達すると、ブルーミングが生じる。このブルーミングとは、蓄積した電荷が隣接画素に蓄積される現象であり、影響を受けた隣接画素は実際に検出した光量以上の出力になる。このため、検出した画像は、センサ面に結像した光強度分布を忠実に表せなくなる。このブルーミングが生じると、▲１▼欠陥の誤検出、▲２▼検出した欠陥の寸法精度の低下、▲３▼比較画像・参照画像の位置合わせ精度低下等が発生する。これを防止するため、図１６に示すように照明系１１として２つの照明光路を設け、一方の光路に光量調整用のＮＤフィルタ８６１を配置し、各々の光路にシャッタ８６２ａ、８６２ｂを設置する。そして、これらのシャッタ８６２ａ、８６２ｂをステージ制御部１５０からの制御に基いて開閉すればよい。これは、光源１１の劣化に伴う発光強度の低下、及びウエハ１の反射率の違い等により、ＴＤＩセンサ４１で検出される光量が変化し、ＴＤＩ４１の飽和レベルに達しないように照明光量を調整するものである。尚、照明系１１として１つの照明光路で構成し、ＮＤフィルタ８６１として、透過率の異なる複数個のＮＤフィルタ８６１ａを配置しても良い。即ち、ＴＤＩセンサ４１で検出される光量を調整できる機構８６１．８６２が設けられていれば良い。また光分割手段２２および対物レンズ３０を含めて検出光学系に光量調整用の光学系８６３を設け、ステージ制御部１５０からの制御に基いて切り替え制御できるように構成しても良い。
【００３１】
また、このブルーミングを防止する手段として、ＴＤＩセンサ４１における蓄積画素を変えられるようにする制御手段がある。例えば、図１７（a）に示す通り、ＴＤＩセンサ４１の蓄積方向（ステージ移動方向）の画素数ｍが９６であるとする。図１７（ｂ）に示すとおり、ウエハ１の表面には、高反射率部１ａと低反射率部１ｂがあるとする。ＴＤＩセンサ４１で高反射率部１ａの画像を検出する場合は、１画素あたりの受光量が多いため、蓄積画素は３２画素分とし、低反射率部１ｂの画像を検出する場合は、１画素あたりの受光量が少ないため、蓄積画素は９６画素分とする。ＴＤＩセンサ４１に対する蓄積画素の切り替え制御は、ＣＰＵ１４０に入力されたウエハ１の表面に関する設計データ（例えば高反射率部１ａと低反射率部１ｂについての設計データ）を用いてＣＰＵ１４０からの制御指令に基いて行う。あるいは、ＴＤＩセンサ４１で検出した画像の形状やパターン密度等を画像処理回路１３０またはＣＰＵ１４０が認識または検出し、この認識または検出された画像の形状やパターン密度等を用いて切り替え制御することも考えられる。以上説明したように、ＴＤＩセンサ４１の蓄積画素を変える制御手段を用いることにより、明るさの分解能が高くなり、欠陥検出精度も向上させることができる。
【００３２】
次に、比較部１３３、欠陥候補の特徴量検出部１３４および欠陥判定部１３５における一実施の形態について、図１８乃至図２１を用いて説明する。
【００３３】
図１８（ｂ）には、図１８（ａ）に示す参照画像に対する画素サイズ以下（１,０.５画素）の欠陥をモデル化した比較画像を示す。比較部１３３で比較され、欠陥候補の特徴量検出部１３４で検出された１画素欠陥（ＡＡ部）の差画像(不一致に基づく特徴量)を図１８（ｃ）に、０.５画素欠陥（ＢＢ部）の差画像(不一致に基づく特徴量)を図１８（ｄ）に示す。尚、図に記入した欠陥は、パターンの形状不良であるため、パターン欠陥と称する。図１８(ｃ)および図１８(ｄ)に示すように、画素サイズ以下（１,０.５画素）の欠陥の差画像を比較すると、差が正負に生じる様子は欠陥サイズに係わらず同じであるが、比較的大きな１画素欠陥の方が差の絶対値が大きくなる。従って、欠陥判定部１３５において、１画素程度のパターン欠陥か、０．５画素程度のパターン欠陥なのかを判定することが可能となる。また、図１９（ｂ）には、図１９（ａ）に示す参照画像に対する画素サイズ以下（１,０.５画素）の異物欠陥をモデル化した比較画像を示す。比較部１３３で比較され、欠陥候補の特徴量検出部１３４で検出された１画素欠陥（ＡＡ部）の差画像(不一致に基づく特徴量)を図１９（ｃ）に、０.５画素欠陥（ＢＢ部）の差画像(不一致に基づく特徴量)を図１９（ｄ）に示す。図１９(ｃ)および図１９(ｄ)に示すように、画素サイズ以下（１,０.５画素）の欠陥の差画像を比較すると、差が凸状に出る様子は欠陥サイズに係わらず同じであるが、比較的大きな１画素欠陥の方が差の絶対値が大きくなる。従って、欠陥判定部１３５において、１画素程度の異物欠陥か、０．５画素程度の異物欠陥なのかを判定することが可能となる。また、パターン欠陥と異物欠陥の差画像(不一致に基づく特徴量)を比較すると、欠陥の周辺画素における差の分布が異なっている。これに着目して、欠陥判定部１３５において検出した欠陥の分類をすることができる。さらに、画素サイズ以下程度の欠陥ではパターン欠陥及び異物欠陥共に、差画像の絶対値が欠陥の面積に対応している。従って、欠陥判定部１３５において、欠陥候補の特徴量検出部１３４から検出される欠陥の面積に対応した差画像の絶対値を用いて画素サイズ以下の欠陥のサイズを推測することが可能となる。
【００３４】
図２０には、欠陥判定部１３５における検出した欠陥の分類手法について示す。横軸に欠陥の種類、縦軸に欠陥を中心とする例えば３×３画素のうち欠陥画素を除いた（欠陥の周辺画素において検出される）明暗による光強度(濃淡値)の分散値σ２を示したものである。光強度(濃淡値)の分散値σ２が大きいということは、欠陥の周辺画素において、明暗が生じるパターンが存在することを意味する。光強度(濃淡値)の分散値σ２が小さいということは、欠陥の周辺画素において、一様な明るさが示されてパターンが存在しないことを意味する。従って、この図２０から明らかなように、分散値σ２が小さいほど異物に代表される孤立欠陥、分散値σ２が大きいほどパターンのエッジ部（明暗差大）に生じたパターン欠陥に分類できることを示している。尚、実際の欠陥は、ウエハの構造等により様々な画像として検出されるため、分類成功率１００％は不可能であり、大まかな自動分類に適している。なお、上記説明では、分散値σ２に基いて、欠陥を分類する場合について説明したが、欠陥の周辺画素で検出される光強度の２次微分値あるいは偏差でも良い。即ち、欠陥の周辺にパターンが存在すると、パターンのエッジから大きな光強度の２次微分値または偏差が検出されることになり、パターン欠陥なのか孤立欠陥(異物欠陥)なのかを分類することが可能となる。
【００３５】
また、図２１には、欠陥判定部１３５において判定する画素サイズ以下の欠陥サイズと差画像で求めた不一致量の絶対値との関係を示す。尚、孤立欠陥とパターン欠陥では、欠陥サイズと差画像で求めた不一致量の絶対値の関係が一致しないため、欠陥の種類に応じて分ける必要がある。例えば、孤立欠陥（異物）は、パターン欠陥に対して不一致量の絶対値が大きくなる。また、不一致量の絶対値は欠陥の面積に比例するため、欠陥サイズの２乗に比例する。以上説明したように、欠陥判定部１３５において実行される欠陥の分類手法と画素サイズ以下の欠陥サイズの決定方法により、外観検査結果を量産工程にフィードバックし易くなる。これにより、半導体製品の高歩留まり化に役立たせることが可能となる。
【００３６】
以上説明した実施の形態では、光学顕微鏡を用いて半導体ウエハやディスプレイ等に用いられる半導体基板等からなる被検査対象物上の欠陥または欠陥候補について判定する検査装置およびその方法について説明したが、電子ビームを照射系で被検査対象物上に照射し、被検査対象物から発生する２次電子もしくは反射電子を検出器により検出し、その検出される２次元の画像信号を例えばＡ／Ｄ変換器でサンプリングして画素ごとに濃淡値で示される２次元の比較画像信号ｆ（ｘ，ｙ）を得、この２次元の比較画像信号に対して画像処理部１３０で前記の実施の形態と同様な画像処理を行うことができる。
また、前記実施の形態による検査方法を半導体基板に適用して、発生位置座標および特徴量も含めて微小な異物やパターン欠陥からなる欠陥または欠陥候補を検査し、その検査結果に基いて欠陥または欠陥候補の発生原因を究明してその発生原因をなくすことによって、半導体基板を高歩留まりで製造することが可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、試料に形成されたパターンに応じて照明光の偏光を制御することにより、高解像度の画像を検出して微小欠陥を検出できる光学系を実現することが可能となる効果を奏する。
また、本発明によれば、ステージの振動や収差によって生じた画像歪みを補正し、欠陥検出上のノイズとなる正常部の不一致を低減し、欠陥検出感度の向上並びに誤検出の防止を図ることができる効果を奏する。
また、本発明によれば、同一試料上に異なる光の反射率や電子の発生率のパターンがあっても、センサのブルーミングを防止でき、且つ高い欠陥検出感度を達成することができる効果を奏する。
【００３８】
また、本発明によれば、画像処理において判定された欠陥または欠陥候補について、その種類（異物に代表される孤立欠陥とパターン欠陥）分類およびその大きさ（特に画素サイズ以下）を求めることができる効果を奏する。
また、本発明によれば、光学顕微鏡として輪帯照明を用いることによって、更に微細な欠陥または欠陥候補を検査することが可能となる。
また、本発明によれば、半導体基板上の微細な欠陥や欠陥候補を種類や大きさも含めて検査できることにより、不良発生原因を究明しやすくなり、半導体基板を高歩留まりで製造することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る検査装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る部分偏光を用いた高解像度光学系の構成を示す図である。
【図３】部分偏光を用いた高解像度光学系の利用方法を説明するための図である。
【図４】本発明に係るカラー画像検出手段の一実施例を説明するための図である。
【図５】本発明に係る画像処理回路における画像位置ずれ補正の第１の実施例を示す図である。
【図６】本発明に係る画像処理回路における画像位置ずれ補正の第２の実施例を示す図である。
【図７】本発明に係る画像処理回路における画像位置ずれ補正の第３の実施例を示す図である。
【図８】本発明に係る画像処理回路における光学歪みによる画像位置ずれ補正の実施例について説明するための図である。
【図９】本発明に係る画像処理回路における周期的な画像位置ずれ補正の実施例について説明するための図である。
【図１０】本発明に係る画像処理回路における傾きを持った画像位置ずれ補正の実施例について説明するための図である。
【図１１】本発明に係る画像処理回路における画像位置ずれ補正の実施例の構成を示す図である。
【図１２】本発明に係る画像処理回路におけるステージ移動後の振動に起因した画像位置ずれ補正の構成を示す図である。
【図１３】本発明に係るステージの振動を測定する一実施例を説明するための図である。
【図１４】位置ずれ補正前と位置ずれ補正後との各々における差画像の濃淡差を示して画像位置ずれ補正による効果を説明するための図である。
【図１５】ＴＤＩによる画像歪み低減効果を説明するための図である。
【図１６】ＴＤＩのブルーミング防止手段を説明するための構成図である。
【図１７】ＴＤＩのブルーミング防止について説明するための図である。
【図１８】微小パターン欠陥の差画像について示す図である。
【図１９】微小異物欠陥の差画像について示す図である。
【図２０】分散値σ2によって欠陥の種類を分類する一実施例を説明するための図である。
【図２１】画素サイズ以下の欠陥サイズ検出方法を説明するための図で、孤立欠陥とパターン欠陥との各々における欠陥画素サイズと不一致量の絶対値との関係を示した図である。
【符号の説明】
１…試料、２…チャック、３…θステージ、４…Ｚステージ、５…Ｙステージ、６…Ｘステージ、７…照明光軸、１０…光源、１１…照明光学系、１２…レンズ、１４…開口絞り、１８…視野絞り、２２…ビームスプリッター、３０…対物レンズ、３５…光分割手段、４０…結像レンズ、４１…光電変換素子（ＴＤＩセンサ）、４２…光電変換素子（ＴＤＩセンサ）の受光面、４５…検出光学系、５０…レンズ、８０…ナイフエッジミラー、８５・９０…結像レンズ、１００・１１０…光電変換素子（リニアイメージセンサ）、１００a・１１０a…光電変換素子（リニアイメージセンサ）の受光面、１１５…焦点検出光学系、１２０…焦点検出用信号処理回路、１３０…画像処理回路、１３１…遅延記憶部、１３２…位置ずれ補正部、１３３…比較部、１３４…欠陥候補の特徴量検出部、１３５…欠陥判定部、１３６…位置ずれ補正回路、１３７…画像記憶部、１３８…位置ずれ検出回路、１３８ａ…位置合わせ部、１３８ｂ…ずれ量検出部、１４０…ＣＰＵ（ホストコンピューター）、１４１…補正画像生成部、１４２…ずれ量周期判定部、１４３…画素サイズ設定部、１４４…傾き量算出部、１５０…ステージ制御部、１５０’…ステージ移動判定部、４０１…１/４波長板、８５０…ステージ振動測定光学系、８６０…振動解析画像処理部、
【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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【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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