JPH11183154A - 電子線式検査または測定装置およびその方法並びに光学的高さ検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像
歪みやデフォーカスによる解像度の低下などを低減して
電子線像（ＳＥＭ像）の質を向上させて、電子線像（Ｓ
ＥＭ像）に基づく検査や測長を、高精度で、且つ高信頼
性でもって実行できるようにした電子線式検査または測
定装置およびその方法を提供する。 【解決手段】電子光学系で照射された電子線によって被
検査対象物上から発生する二次電子線像を検出する電子
線像検出光学系１０４と、表面の高さを光学的に検出す
る光学的高さ検出装置２００ａ，２００ｂと、電子光学
系の対物レンズ１０３に与えるように制御して電子線を
被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段
１０９と、焦点制御に基づいて生じる電子線像の倍率誤
差を含む像歪を校正する偏向制御手段１０８と、二次電
子線像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターン
の検査または測定を行う画像処理手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハ等の
半導体基板を対象物として、電子線やイオンビームなど
の荷電粒子線を用いる検査または測定装置およびその方
法、荷電粒子線像観察および加工装置並びに光学的高さ
検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子線を用いる装置として、電子顕
微鏡画像を用いて半導体ウェハなどに形成された微細回
路パターンを検査・計測するための自動検査システムを
例として説明する。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
ーンや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、光学式顕微鏡画像を用いた装置が多く実用化さ
れている。同様に、電子顕微鏡画像を用いる場合にもパ
ターンの画像を比較することにより欠陥検査が行われ
る。また、半導体装置の製造プロセス条件の設定やモニ
タなどに使用される微細回路パターンの線幅や穴径など
を測定する走査型電子顕微鏡による測長装置において
も、画像処理による測長の自動化が行われている。この
ように、同様のパターンの電子線像を比較することによ
りその欠陥を検出する比較検査や、電子線像を処理して
パターンの線幅などを測定する場合には、得られる電子
線像の質がその検査結果の信頼性に多大な影響を与え
る。電子線像の質は、電子光学系の偏向や収差などが原
因となる画像歪みや、デフォーカスによる解像度の低下
などにより劣化する。これらの像質の劣化は比較検査や
測長の性能を低下させる。試料表面の高さが一定でない
場合に、その全ての範囲にわたり同じ条件で入力した電
子線像で検査を行うと、図１に示すように検査箇所によ
り電子線像が変化する。合焦点の画像（ａ）とデフォー
カスした画像（ｂ）および（ｃ）を比較して検査を行う
と正しい結果は得られない。また、これらの画像ではパ
ターンの幅が変化したり、画像のエッジ検出の結果が安
定して得られなくなるため、パターンの線幅や穴径も安
定して測定できないこととなる。従来電子顕微鏡の焦点
合わせは、電子線像を見ながら対物レンズの制御電流等
を調節することにより行っているが、多くの時間を要す
るのに加え、電子線で試料表面を何度も走査することと
なり、試料へのダメージも問題となる可能性がある。

【０００３】また、収束荷電粒子線を用いた加工装置の
場合には、荷電粒子線の焦点合わせは加工精度に影響を
与えることとなり、観察用の装置と同様に非常に重要な
課題である。これらの装置においては、電子顕微鏡のよ
うに像を観察して焦点調節を行うことができない。この
ため、ウェハの高さをほかの手法で検出し、対物レンズ
の制御電流あるいは試料ステージ高さにフィードバック
することが必要とされる。加工装置の例としては、電子
線式の半導体パターン露光装置や、収束イオンビームに
よる回路の修正装置などがあげられる。さらに、荷電粒
子光学系は試料の高さが変化すると、焦点の合い具合だ
けでなく、一般に、その倍率も変化する。このため、試
料の高さを検出し荷電粒子光学系の走査幅にもフィード
バックを加えることが必要になる。

【０００４】従来、たとえば特開昭５８−１６８９０６
に示されているように、スポット光を試料表面に照射
し、この正反射光を結像しその像の位置を検出器で検出
することにより、試料の高さを求めることが広く行われ
ていた。検出器としては、光の当たった位置に比例した
信号を出力するＰＳＤと呼ばれる検出器、２分割フォト
ダイオード、１次元リニアイメージセンサの何れかが従
来用いられてきた。しかしこの方法は、試料表面に反射
率の分布がありスポット光が反射率の異なる境界上に当
たる場合、大きな高さ検出誤差を生じるという問題点が
ある。これはスポット光の検出波形が崩れるために、ス
ポットの真の中心位置とスポットの重心位置が一致しな
いため、スポットの重心位置を出力するＰＳＤや２分割
フォトダイオードではスポットの真の中心位置が検出で
きないためである。１次元リニアイメージセンサを使用
すれば、信号処理方法を工夫することによって、スポッ
トの真の中心位置に検出値を近づけることができるが、
試料表面に大きい反射率むらがある場合にスポット像の
輪郭を正確に安定に検出することは困難である。試料表
面の反射率むらの原因としては表面の材質の違いのほか
に、表面上の微細パターンによる散乱の影響があり、特
に半導体装置の表面の様に微細な回路パターンが描かれ
た試料の場合にはこの影響は深刻である。また、試料表
面の変位が大きい場合には、投影光と試料表面、検出器
の間の結像関係が変化するため、検出光の像の増大など
の原因により、試料表面の反射率むらによる誤差がさら
に大きくなるという問題がある。製造プロセス途中にあ
る被検査物の半導体ウェハは加熱処理などによる変形が
生じ、その変形量は最悪大で数百μｍにもおよぶため、
広範囲な検出においても安定に精度を保つことが重要と
なる。

【０００５】試料表面の状態の変化により生じる誤差対
策として、特開昭５９ー１９５７２８に開示されている
ように、光学式の投影露光装置の焦点あわせのためのウ
ェハ高さセンサとして、複数のスリット像をウェハに斜
方から投影し、その正反射光の位置をラインイメージセ
ンサで検出することによって、高精度にウェハ表面の高
さと傾き検出を行う手法が提案されている。しかし、こ
の手法によっても、先述のような広範囲検出の際の不安
定さの十分な解決策とはならない。この手法はＺステー
ジをもち、ステージによりウェハ表面を一定の高さに制
御してから露光を行う光学式の投影露光装置に用いる手
法であり、広範囲で安定な高さ検出は必ずしも必要では
なかった。しかし、電子顕微鏡などの荷電粒子線装置で
は、真空試料室内での可動機構の信頼性やコストの問題
があり、Ｚステージを持たないものが一般的であり、広
範囲な高さ検出の実現は非常に重要である。別の公知例
として、ＵＳＰ４４７７１８５およびＵＳＰ５３１１２
８８に示されているように、左右から試料上の同一の点
にスポット光を重ねあわせて投影し、それぞれの正反射
光の位置をたし合わせて検出する方法が開示されてい
る。この方法は、試料表面の反射率の分布による検出誤
差は反対方向から検出すると符号が反対になり、たしあ
わせることにより相殺される事を利用している。この方
法は、試料が基準高さにあってスポット光の位置が正確
に重ね合わされている場合は検出誤差が非常に小さくな
るが、試料の高さが変わると、スポット光の重ね合わせ
が成り立たなくなり、試料表面の反射率の分布による検
出誤差を発生する。そのため先述の方法と同様に、常に
Ｚステージで試料の高さを一定に保つような場合にはこ
の方法は効果を奏するが、Ｚステージを持たずに対物レ
ンズの制御によって焦点位置を変化させる構成の装置の
ための高さセンサとしては、問題があった。

【０００６】試料表面の変位に対して、光学系を移動さ
せる機能を持った高さ検出方式も特開平６−３６７２７
や特開昭６３−２５４６４９などに示されているが、高
精度な可動機構が必要となり、装置が大がかりになると
いった問題がある。また、これら光学式の手法により安
定な高さ検出を実現することができたとしても、それを
用いて焦点調節を行う荷電粒子光学系の視野と高さ検出
器の測定位置が一致していなければ、焦点調節の機能は
うまく働かなくなる。特に、試料の載ったステージを連
続的に移動させながらフォーカスを制御する場合には、
高さ検出器の検出時間遅れによる位置ずれが生じるた
め、対策が必要となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、電子
光学系の偏向や収差などが原因となる画像ひずみやデフ
ォーカスによる解像度の低下などを低減して電子線像の
質を向上させて、電子線像を用いた検査や測長を、高精
度でかつ高い信頼性で行えるようにした電子線式検査ま
たは測長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、被検査対象物の表面の高さ検
出と電子光学系に対する制御とを実時間で実行できるこ
とにより、連続的なステージ移動による画像歪みのない
高解像度の電子線画像を得て、検査性能およびその安定
性を向上し、しかも検査時間を短縮できるようにした電
子線式検査または測定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、荷電粒子光学系
の偏向や収差などが原因となる画像ひずみやデフォーカ
スによる解像度の低下などを低減して荷電粒子線像の質
を向上させて、良好な画像を用いた観察を行えるように
した荷電粒子線観察装置を提供することにある。

【０００８】また、本発明の他の目的は、極微細なパタ
ーンを像歪みのない高解像度で露光や加工をできるよう
にした電子ビーム露光装置、収束イオンビーム加工装置
を提供することにある。また、本発明の他の目的は、簡
単な構成によって対象物の表面の高さを高精度に検出す
ることができるようにした光学的高さ検出装置を提供す
ることにある。

【０００９】

【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、電子線源と該電子線源から発せられた電
子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子
線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを
有する電子光学系と、該電子光学系で偏向し、集束して
照射された電子線によって前記被検査対象物から発生す
る二次電子線像を検出する電子線像検出光学系と、前記
被検査対象物上に格子状（例えばスリット状）の光束を
斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影
された格子状の光束によって被検査対象物の表面から反
射した格子状の光束を結像させてこの結像状態に応じた
格子状の光学像を受光して格子状の信号に変換して検出
する検出光学系と該検出光学系で検出される格子状の信
号から得られる例えば被検査対象物の表面の概略高さに
基づいて検出誤差が小さい結像状態（例えば（数３４）
式に基づいて合焦点格子ｓｆ）を探索し、該探索された
検出誤差が小さい結像状態に対して適合する重み付け処
理（例えば、重みを用いた加重平均処理または重みを用
いた積和処理）を前記検出光学系で検出される格子状の
信号に対して施すことによって格子状の信号としての基
準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化
量を例えば（数３５）式または（数３７）式に基づいて
求めて前記被検査対象物の表面の高さに応じた情報を得
る算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、該光学的
高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の高さに応
じた情報に基づいて前記電子光学系の対物レンズに流す
電流または印加する電圧を制御して電子線を被検査対象
物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記電
子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基づいて
被検査対象物上に形成されたパターンの検査または測定
を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする電子線
式検査または測定装置である。

【００１０】また、本発明は、電子線源と該電子線源か
ら発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で
偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射する
対物レンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で偏
向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対
象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出
光学系と、前記被検査対象物上に格子状（例えばスリッ
ト状）の光束を斜め上方から投影する投影光学系と該投
影光学系で投影された格子状の光束によって被検査対象
物の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結
像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号
に変換して検出する検出光学系と該検出光学系で検出さ
れる格子状の信号に対して検出誤差が小さくなるような
選択的な処理を施すことによって格子状の信号としての
基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記
被検査対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段
とを有する光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検出装
置で得られた被検査対象物の表面の高さに応じた情報に
基づいて前記電子光学系の対物レンズに流す電流または
印加する電圧を制御して電子線を被検査対象物上に合焦
点状態で集束させる焦点制御手段と、前記電子線像検出
光学系で検出される二次電子線像に基づいて被検査対象
物上に形成されたパターンの検査または測定を行う画像
処理手段とを備えたことを特徴とする電子線式検査また
は測定装置である。

【００１１】また、本発明は、前記電子線式検査または
測定装置において、前記光学的高さ検出装置の算出手段
における選択的な処理は、重み関数（ｗ（ｘ）またはｗ
（ｓ））に基づく重み付け処理（例えば、重みを用いた
加重平均処理または重みを用いた積和処理）であること
を特徴とする。また、本発明は、電子線源と該電子線源
から発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子
で偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射す
る対物レンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で
偏向し、集束して照射された電子線によって前記被検査
対象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検
出光学系と、例えば図３０、図３２、図３３に示す如
く、前記電子光学系によって電子線が照射される被検査
対象物上の領域において近接した異なる複数の個所に複
数のスリット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め
上方から結像投影する投影光学系と該投影光学系で被検
査対象物上の複数の個所に結像投影された複数の光束に
よって反射された複数の光束の各々を結像させてこれら
結像された複数の光束像を受光して複数の信号に変換し
て検出する検出光学系と該検出光学系で検出された複数
の検出信号の各々における基準高さに応じた基準信号に
対する移動量または位相変化量を求めて前記複数個所の
表面の高さに応じた情報を得、該得られた複数個所の表
面の高さに応じた情報を補間（内挿補間および外挿補間
も含む。）することによって位置ずれ分シフトした電子
線が照射される個所における表面の高さに応じた情報を
算出する算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、該
光学的高さ検出装置で算出された電子線が照射される個
所における表面の高さに応じた情報に基づいて前記電子
光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制
御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させ
る焦点制御手段と、前記電子線像検出光学系で検出され
る二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成された
パターンの検査または測定を行う画像処理手段とを備え
たことを特徴とする電子線式検査または測定装置であ
る。

【００１２】また、本発明は、電子線源と該電子線源か
ら発せられた電子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で
偏向される電子線を被検査対象物上に集束して照射する
対物レンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で偏
向し、集束して照射された電子線によって前記被検査対
象物から発生する二次電子線像を検出する電子線像検出
光学系と、前記電子光学系によって電子線が照射される
被検査対象物上の領域において近接した異なる複数の個
所に複数のスリット状あるいはスポット状の光束の各々
を斜め上方から結像投影する投影光学系と該投影光学系
で被検査対象物上の複数の個所に結像投影された複数の
光束によって反射された複数の光束の各々を結像させて
これら結像された複数の光束像を受光して複数の信号に
変換して検出する検出光学系と該検出光学系で検出され
た複数の検出信号の各々における基準高さに応じた基準
信号に対する移動量または位相変化量を求めて前記複数
個所の表面の高さに応じた情報を得、該得られた複数個
所の表面の高さに応じた情報を補間（内挿補間および外
挿補間も含む。）することによって位置ずれ分シフトし
た電子線が照射される個所における表面の高さに応じた
情報を算出する算出手段とを有する光学的高さ検出装置
と、該光学的高さ検出装置で算出された電子線が照射さ
れる個所における表面の高さに応じた情報から、表面の
高さに応じた情報と焦点制御電流または焦点制御電圧と
の間の校正パラメータに基づいて焦点制御電流または焦
点制御電圧を算出し、該算出された焦点制御電流または
焦点制御電圧を前記電子光学系の対物レンズに与えるよ
うに制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集
束させる焦点制御手段と、前記電子線像検出光学系で検
出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成
されたパターンの検査または測定を行う画像処理手段と
を備えたことを特徴とする電子線式検査または測定装置
である。

【００１３】また、本発明は、前記電子線式検査または
測定装置において、更に、前記光学的高さ検出装置で算
出された電子線が照射される個所における表面の高さに
応じた情報に基づいて前記電子光学系の偏向素子への偏
向量を補正して前記焦点制御に基づいて生じる電子線像
の倍率誤差を含む像歪を校正する偏向制御手段を備えた
ことを特徴とする。また、本発明は、予め、ステージ上
に載置され、電子線が照射される被検査対象物上の領域
において被検査対象物上に形成されたパターンの配列情
報に基づいて決められた間隔で表面高さを検出する高さ
検出装置と、該高さ検出装置により検出される前記間隔
での表面高さを補間することによって前記間隔の間の任
意の位置における表面高さを推定する推定手段と、電子
線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する偏向
素子と該偏向素子で偏向される電子線を前記ステージ上
に載置された被検査対象物上に集束して照射する対物レ
ンズとを有する電子光学系と、該電子光学系で偏向し、
集束して照射された電子線によって前記被検査対象物か
ら発生する二次電子線像を検出する電子線像検出光学系
と、前記推定手段によって推定された前記電子光学系に
よって電子線が照射される任意の位置における被検査対
象物の表面高さの情報に基づいて前記電子光学系の対物
レンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線
を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手
段と、前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線
像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検
査または測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴
とする電子線式検査または測定装置である。

【００１４】また、本発明は、前記電子線式検査または
測定装置において、前記焦点制御手段として、前記電子
光学系による焦点位置と前記被検査対象物を載置するテ
ーブルとの高さ方向の相対位置を制御するように構成し
ても良い。また、本発明は、被検査対象物を少なくとも
所定方向に移動させ、被検査対象物上に格子状（例えば
スリット状）の光束を斜め上方から投影する投影光学系
と該投影光学系で投影された格子状の光束によって被検
査対象物の表面から反射した格子状の光束を結像させて
この結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状
の信号に変換して検出する検出光学系とを有する光学的
高さ検出装置により前記検出光学系で検出される格子状
の信号に基づいて検出誤差が小さい結像状態（例えば
（数３４）式に基づいて合焦点格子ｓｆ）を探索し、該
探索された検出誤差が小さい結像状態に対して適合する
重み付け処理を前記検出光学系で検出される格子状の信
号に対して施すことによって格子状の信号としての基準
高さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量
を例えば（数３５）式または（数３７）式に基づいて求
めて電子線が照射される被検査対象物上の領域における
表面の高さを検出し、該検出された表面の高さに基づい
て電子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電
圧を制御して電子線源から発せられた電子線を電子光学
系の偏向素子で偏向させて被検査対象物上に合焦点状態
で集束させ、該偏向して合焦点状態で集束して照射され
た電子線によって被検査対象物上から発生する二次電子
線像を電子線像検出光学系によって検出し、該検出され
る二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成された
パターンの検査または測定を行うことを特徴とする電子
線式検査または測定方法である。

【００１５】また、本発明は、被検査対象物を少なくと
も所定方向に移動させ、例えば図３０、図３２、図３３
に示す如く、被検査対象物上の近接した異なる複数の個
所に複数のスリット状あるいはスポット状の光束の各々
を斜め上方から結像投影する投影光学系と該投影光学系
で被検査対象物上の複数の個所に結像投影された複数の
光束によって反射された複数の光束の各々を結像させて
これら結像された複数の光束像を受光して複数の信号に
変換して検出する検出光学系とを有する光学的高さ検出
装置により前記検出光学系で検出された複数の検出信号
の各々における基準高さに応じた基準信号に対する移動
量または位相変化量を求めて前記複数個所の表面の高さ
に応じた情報を得、該得られた複数個所の表面の高さを
例えば図３１および図３４に示す如く補間（内挿補間お
よび外挿補間も含む。）することによって位置ずれ分シ
フトした電子線が照射される個所における表面の高さを
算出し、該算出された表面の高さに基づいて電子光学系
の対物レンズに流す電流または印加する電圧を制御して
電子線源から発せられた電子線を電子光学系の偏向素子
で偏向させて被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、
該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によ
って被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線
像検出光学系によって検出し、該検出される二次電子線
像に基づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検
査または測定を行うことを特徴とする電子線式検査また
は測定方法である。

【００１６】また、本発明は、前記電子線式検査または
測定方法において、前記電子光学系の対物レンズに与え
る焦点制御電流または焦点制御電圧を、算出された位置
ずれ分シフトした電子線が照射される個所における表面
の高さから、表面の高さに応じた情報と焦点制御電流ま
たは焦点制御電圧との間の校正パラメータに基づいて算
出することを特徴とする。また、本発明は、予め、高さ
検出装置により、ステージ上に載置され、電子線が照射
される被検査対象物上の領域において被検査対象物上に
形成されたパターンの配列情報に基づいて決められた間
隔で表面高さを検出して高さ分布を求め、該高さ分布
（前記間隔での表面高さ）を補間することによって前記
間隔の間の任意の位置における表面高さを推定し、該推
定された電子線が照射される位置における表面の高さに
基づいて電子光学系の対物レンズに流す電流または印加
する電圧を制御して電子線源から発せられた電子線を電
子光学系の偏向素子で偏向させて被検査対象物上に合焦
点状態で集束させ、該偏向して合焦点状態で集束して照
射された電子線によって被検査対象物上から発生する二
次電子線像を電子線像検出光学系によって検出し、該検
出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に形成
されたパターンの検査または測定を行うことを特徴とす
る電子線式検査または測定方法である。

【００１７】また、本発明は、電子、イオンなどの荷電
粒子線源と該荷電粒子線源から発せられた荷電粒子線を
偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される荷電粒子線
を被観察対象物上に集束して照射する対物レンズとを有
する荷電粒子光学系と、該荷電粒子光学系で偏向し、集
束して照射された荷電粒子線によって前記被観察対象物
上から発生する荷電粒子線像を検出する荷電粒子線像検
出光学系と、被観察対象物上に格子状の光束を被観察対
象物の斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系
で投影された格子状の光束によって被観察対象物の表面
において反射した格子状の光束を結像させてその光学像
の位置を検出する検出光学系とを備え、該検出光学系で
検出する格子状の光束からなる光学像の位置変化に基づ
いて前記被観察対象物上の領域における表面の高さを光
学的に検出するように構成した光学的高さ検出装置と、
該光学的高さ検出装置で検出された被観察対象物上の表
面の高さに基づいて前記荷電粒子線光学系の対物レンズ
に流す電流または印加する電圧を制御して荷電粒子線を
被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段
と、前記荷電粒子線像検出光学系で検出される荷電粒子
線像を表示する表示手段を有することを特徴とする荷電
粒子線像観察装置である。

【００１８】また、本発明は、前記荷電粒子線像観察装
置において、更に、前記光学的高さ検出装置で検出され
た被検査対象物上の表面の高さに基づいて前記電子光学
系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点制御に基づ
いて生じる荷電粒子線線像の倍率誤差を含む像歪を校正
する偏向制御手段を有することを特徴とする。また、本
発明は、前記荷電粒子線像観察装置において、更に、前
記光学的高さ検出装置で検出された被検査対象物上の表
面の高さから、該被観察対象物上の表面の高さと焦点制
御電流または焦点制御電圧との間の校正パラメータに基
づいて焦点制御電流または焦点制御電圧を算出し、該算
出された焦点制御電流または焦点制御電圧を前記荷電粒
子光学系の対物レンズに与えるように制御して荷電粒子
線を被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御
手段と、前記荷電粒子線像検出光学系で検出される荷電
粒子線像を表示する表示手段とを有することを特徴とす
る。

【００１９】また、本発明は、電子、イオンなどの荷電
粒子線源と該荷電粒子線源から発せられた荷電粒子線を
偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される荷電粒子線
を被観察対象物上に集束して照射する対物レンズとを有
する電子光学系と、該電子光学系で偏向し、集束して照
射された荷電粒子線によって前記被観察対象物上から発
生する荷電粒子線像を検出する荷電粒子線像検出光学系
と、被観察対象物上に格子状の光束を被観察対象物の斜
め上方から投影する投影光学系と該投影光学系で投影さ
れた格子状の光束によって被観察対象物の表面において
反射した格子状の光束を結像させてその光学像の位置を
検出する検出光学系とを備え、該検出光学系で検出する
格子状の光束からなる光学像の位置変化に基づいて前記
被観察対象物上の領域における表面の高さを光学的に検
出するように構成した光学的高さ検出装置と、該光学的
高さ検出装置で検出された被観察対象物の表面の高さに
基づいて、前記電子光学系による焦点位置と前記被観察
対象物を載置するテーブルとの高さ方向の相対位置を制
御して荷電粒子線を被観察対象物上に合焦点状態で集束
させる焦点制御手段と、前記荷電粒子線像検出光学系で
検出される荷電粒子線像を表示する表示手段とを有する
ことを特徴とする荷電粒子線像観察装置である。

【００２０】また、本発明は、電子、イオンなどの荷電
粒子線源と該荷電粒子線源から発せられた荷電粒子線を
偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される荷電粒子線
を被加工対象物上に集束して照射する対物レンズとを有
する荷電粒子光学系と、該荷電粒子光学系で偏向し、集
束して照射された荷電粒子線によって前記被加工対象物
上から発生する荷電粒子線像を検出する荷電粒子線像検
出光学系と、被加工対象物上に格子状の光束を被加工対
象物の斜め上方から投影する投影光学系と該投影光学系
で投影された格子状の光束によって被加工対象物の表面
において反射した格子状の光束を結像させてその光学像
の位置を検出する検出光学系とを備え、該検出光学系で
検出する格子状の光束からなる光学像の位置変化に基づ
いて前記被加工対象物上の領域における表面の高さを光
学的に検出するように構成した光学的高さ検出装置と、
該光学的高さ検出装置で検出された被加工対象物上の表
面の高さに基づいて前記荷電粒子線光学系の対物レンズ
に流す電流または印加する電圧を制御して荷電粒子線を
被検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段
と、収束して照射された荷電粒子線により前記被加工対
象物表面を加工する手段を有することを特徴とする荷電
粒子線像加工装置である。

【００２１】また、本発明は、前記荷電粒子線像加工装
置において、更に、前記光学的高さ検出装置で検出され
た被検査対象物上の表面の高さに基づいて前記電子光学
系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点制御に基づ
いて生じる荷電粒子線線像の倍率誤差を含む像歪を校正
する偏向制御手段を有することを特徴とする。また、本
発明は、対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影す
る投影光学系と、該投影光学系で投影された格子状の光
束によって対象物の表面から反射した格子状の光束を結
像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光し
て格子状の信号に変換して検出する検出光学系と、該検
出光学系で検出される格子状の信号に基づいて検出誤差
が小さい結像状態を探索し、該探索された検出誤差が小
さい結像状態に対して適合する重み付け処理を前記検出
光学系で検出される格子状の信号に対して施すことによ
って格子状の信号としての基準高さに応じた基準信号に
対する移動量または位相変化量を求めて前記対象物の表
面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有することを
特徴とする光学的高さ検出装置である。また、本発明
は、対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する投
影光学系と、該投影光学系で投影された格子状の光束に
よって対象物の表面から反射した格子状の光束を結像さ
せてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光して格
子状の信号に変換して検出する検出光学系と、該検出光
学系で検出される格子状の信号に対して検出誤差が小さ
くなるような選択的な処理を施すことによって格子状の
信号としての基準信号に対する移動量または位相変化量
を求めて前記対象物の表面の高さに応じた情報を得る算
出手段とを有することを特徴とする光学的高さ検出装置
である。

【００２２】また、本発明は、対象物上の近接した異な
る複数の個所に複数のスリット状あるいはスポット状の
光束の各々を斜め上方から結像投影する投影光学系と、
該投影光学系で被検査対象物上の複数の個所に結像投影
された複数の光束によって反射された複数の光束の各々
を結像させてこれら結像された複数の光束像を受光して
複数の信号に変換して検出する検出光学系と、該検出光
学系で検出された複数の検出信号の各々における基準高
さに応じた基準信号に対する移動量または位相変化量を
求めて前記複数個所の表面の高さに応じた情報を得、該
得られた複数個所の表面の高さに応じた情報を補間（内
挿補間および外挿補間も含む。）することによって任意
の位置における表面の高さに応じた情報を算出する算出
手段とを有することを特徴とする光学的高さ検出装置で
ある。

【００２３】以上説明したように、前記構成によれば、
被検査対象物の表面状態に影響されずに、電子光学系の
偏向や収差などが原因となる画像歪みやデフォーカスに
よる解像度の低下などを低減して電子線像（ＳＥＭ像）
の質を向上させて、電子線像（ＳＥＭ像）に基づく検査
や測長を、高精度で、且つ高信頼性でもって実行するこ
とができる。また、前記構成により、被検査対象物の表
面の高さ検出と電子光学系に対する制御とを実時間で実
行でき、連続的なステージ移動による画像歪みのない高
解像度の電子線画像（ＳＥＭ画像）を得て、検査性能お
よびその安定性を向上し、しかも検査時間を短縮するこ
とができる。また、前記構成により、荷電粒子光学系の
偏向や収差などが原因となる画像ひずみやデフォーカス
による解像度の低下などを低減して荷電粒子線像の質を
向上させて、良好な画像を用いた観察を行うことができ
る。また、前記構成により、極微細なパターンを像歪み
のない高解像度で露光や加工をできるようにした電子ビ
ーム露光装置、収束イオンビーム加工装置を実現するこ
とができる。

【００２４】

【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。本発明に係る被検査対象物である
半導体ウエハなどに形成された微細回路パターンを検査
・計測するための自動検査システムの実施の形態につい
て説明する。半導体ウエ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や
被検査ウエハ上の同種のパターンとの比較により行われ
る。電子顕微鏡画像（ＳＥＭ画像）を用いた外観検査の
場合にもパターンの画像を比較することにより欠陥検査
が行われる。また、半導体装置の製造プロセス条件の設
定やモニタなどに使用される微細回路パターンの線幅や
穴径などを測定する走査型電子顕微鏡による測長（ＳＥ
Ｍ測長）においても、画像処理による測長の自動化が行
われる。このように、同様のパターンの電子線像を比較
することによりその欠陥を検出する比較検査や、電子線
像を処理してパターンの線幅などを測定する場合には、
得られる電子線像の質がその検査結果の信頼性に多大な
影響を与える。電子線像の質は、電子光学系の偏向や収
差などが原因となる画像歪みや、デフォーカスによる解
像度の低下などにより劣化する。これらの像質の劣化は
比較検査や測長の性能を低下させる。もし、被検査対象
物の表面の高さが一定でなく、全ての範囲にわたって同
じ条件で検査を行うとすると、図１に示すように、検査
箇所（領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ）により電子線像（ＳＥ
Ｍ画像）が変化することになる。その結果、図１（ｂ）
に示す合焦点の画像（領域Ａ（高さｚａ）の電子線像）
ａと図１（ｃ）に示すデフォーカスした画像（領域Ｂ
（高さｚｂ）の電子線像）ｂおよび図１（ｄ）に示すデ
フォーカスした画像（領域Ｃ（高さｚｃ）の電子線像）
ｃとを比較して検査を行うとすると正しい検査結果が得
られないことになる。また、これらの画像ではパターン
の幅が変化したり、画像のエッジ検出の結果が安定して
得られなくなるため、パターンの線幅や穴径も安定して
測定できないこととなる。

【００２５】次に、本発明に係る電子線装置の実施の形
態について、図２を用いて説明する。被検査対象物（試
料）１０６上に電子線を照射する電子線鏡筒からなる電
子線装置１００は、電子線を出射する電子線源１０１
と、電子線源１０１より出た電子線を２次元に偏向させ
る偏向素子１０２と、電子線を試料１０６上に焦点を結
ぶように制御される対物レンズ１０３とを備えて構成す
る。即ち、電子線源１０１より出射された電子線は、偏
向素子１０２および対物レンズ１０３を通って試料１０
６上に焦点を結んで照射される。試料１０６は、ＸＹス
テージ１０５上におかれ、レーザ測長系１０７で位置が
計測される。さらにＳＥＭ装置の場合は、２次電子検出
器１０４で試料１０６から放出された２次電子を検出
し、検出された２次電子信号をＡ／Ｄ変換器１２２でＳ
ＥＭ画像に変換し、この変換されたＳＥＭ画像について
画像処理手段１２４で処理される。例えば、測長用ＳＥ
Ｍの場合には、画像処理手段１２４において、指定され
た画像中のパターン間の距離の測定を行う。また観察用
ＳＥＭ（ＳＥＭ画像に基づく外観検査）の場合には、画
像処理手段１２４において、画像の強調等の処理が行わ
れる。

【００２６】次に、上記電子線装置（観察用ＳＥＭ装
置、測長用ＳＥＭ装置）における電子線像の劣化を防止
する手段について説明する。即ち、電子線像の質は、電
子光学系の偏向や収差などが原因となる画像歪みや、デ
フォーカスによる解像度の低下などにより劣化すること
になる。これらの像質の劣化を防止する手段として、高
さ検出光学装置２００ａと高さ計算手段２００ｂとから
なる高さ検出装置２００、焦点制御装置１０９、偏向信
号発生装置１０８、および全体制御装置１２０によって
構成される。高さ検出光学装置２００ａと高さ計算手段
２００ｂとからなる高さ検出装置２００は、図１０を用
いて後述する実施例とほぼ同様に構成され、試料１０６
に対して電子線の光軸１１０を中心に投影光学系２７０
と検出光学系２７１が左右に設置される。各高さ検出光
学装置２００ａの投影光学系２７０は、光源２０１とコ
ンデンサレンズ２０２とマルチスリット状のパターンを
形成したマスク２０３と投影レンズ２１０とによって構
成される。また、各高さ検出光学装置２００ａの検出光
学系は、検出レンズ２１５と該投影レンズ２１５で結像
された中間のマルチスリット像を拡大してラインイメー
ジセンサ２１４上に結像される拡大レンズ２６４とミラ
ー２０６と円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）２１３
とラインイメージセンサ２１４とによって構成される。

【００２７】そして、高さ検出光学装置２００ａの照明
光学系によって、上記の如く電子線が照射されてＳＥＭ
画像を検出する試料１０６上の測定位置１１０に、マル
チスリット状のパターンが投影され、この正反射像を各
高さ検出光学装置２００ａの検出光学系によって結像さ
せてマルチスリット像として検出する。まず光源２０１
を出射した光はコンデンサレンズ２０２によって投影・
検出レンズの瞳に光源像を結像するよう絞られる。この
光は更に、マルチスリット状のパターンの描かれたマス
ク２０３を照明し、投影レンズ２１０によって試料１０
６に投影される。試料上に投影されたマルチスリットパ
ターンは正反射し、電子線の光軸１１０に対して反対側
に配置されている検出レンズ２１５を通って拡大レンズ
２６４の前に結像される。この中間像は拡大レンズ２６
４によってラインイメージセンサ２１４上に結像され
る。この実施の形態ではラインイメージセンサ２１４の
前に、円筒レンズ２１３を置いて、スリットの長手方向
を圧縮してラインイメージセンサ２１４上に絞り込んで
いる。検出光学系の倍率をｍとすると、試料の高さがｚ
だけ変化するとマルチスリット像は２ｍｚ・sinθだけ
全体的にシフトする。これを利用して、高さ計算手段２
００ｂは、各高さ検出光学装置２００ａの検出光学系か
ら検出されるマルチスリット像の信号から各スリット像
のシフト量を算出し、この算出されたマルチスリット像
のシフト量に対して、そのシフト量に応じた重みを与
え、加重平均を行うことによって試料面の高さを算出
し、電子線の光軸１１０における高さを求める。

【００２８】なお、上記高さ検出光学装置２００ａとし
ては、図１１に示す実施例とほぼ同様に構成した場合に
ついて説明したが、図２８に示す実施例、または図２９
に示す実施例、または図３０、図４１の各々に示す実施
例の光学系を用いても良いことは明らかである。焦点制
御装置１０９は、高さ計算手段２００ｂより求められた
高さデータ１９０に基づいて電磁レンズまたは静電レン
ズ１０３を駆動制御し、電子線の焦点を試料１０６の表
面上に合わせる。ここで、高さデータとしては、図４
３、図４４および図４５を用いて説明する実施例の手段
によって、予め検出しておいた高さ情報を用いてもよ
い。偏向信号発生装置１０８は偏向素子１０２に対して
偏向信号１４１を発生するが、このとき、試料１０６の
表面の高さ変動にともなう像倍率変動、電磁レンズ１０
３の制御にともなう像回転を補償するように、高さ計算
手段２００ｂより求められた高さデータ１９０に基づい
て偏向信号１４１に補正を加える。なお、１０３とし
て、電磁レンズの代りに静電レンズを用いれば、焦点制
御に伴う像回転が生じなくなるので、高さデータ１９０
によって像回転を補正する必要はなくなる。また、１０
３を、電磁レンズと静電レンズとの組合わせで構成し、
主な収束作用は電磁レンズに持たせ、静電レンズによっ
て焦点位置の調整を行う構成にすれば、やはり、高さデ
ータ１９０によって像回転を補正する必要はない。ま
た、ステージ１０５をＸＹＺステージとして、焦点制御
装置１０９によって電磁レンズまたは静電レンズ１０３
の焦点位置を直接制御する代わりに、ステージ１０５の
高さを制御してもよい。

【００２９】全体制御装置１２０は、電子線装置（ＳＥ
Ｍ装置）全体の制御を行い、画像処理手段１２４で処理
された処理結果を、表示手段１４３に表示したり、記憶
手段１４２に試料上の座標データと共に記憶したりす
る。また、全体制御装置１２０は、高さ計算手段２００
ｂ、焦点制御装置１０９、および偏向信号発生装置１０
８を制御し、電子線装置における高速オートフォーカス
制御とこのフォーカス制御にともなう像倍率補正、像回
転補正とを実現する。また、全体制御装置１２０は、後
述する高さ検出値の校正も実行する。図３には、ＳＥＭ
画像を用いた外観検査装置の一実施の形態の構成を示
す。即ち、ＳＥＭ画像を用いた外観検査装置は、電子線
を発生させる電子線源１０１と、ビームを走査させて画
像化するためのビーム偏向器１０２と、電子線をウエハ
等から構成された被検査対象物１０６上に結像させる対
物レンズ１０３と、対物レンズ１０３と被検査対象物１
０６との間に設けたグリッド１１８と、被検査対象物１
０６を保持し、これを走査したり位置決めしたりするス
テージ１０５と、被検査対象物１０６から発生した二次
電子を検出する二次電子検出器１０４と、高さ検出光学
装置２００ａと、対物レンズ１０３の焦点位置を調整す
る焦点位置制御装置１０９と、電子線源の電圧を制御す
る線源電位調整手段１２１と、ビーム偏向器１０２を制
御してビーム走査を実現する偏向制御装置（偏向信号発
生装置）１０８と、グリッド１１８の電位を制御するグ
リッド電位調整手段１２７と、試料台の電位を調整する
試料台電位調整手段１２５と、二次電子検出器１０４よ
りの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１２２と、Ａ／
Ｄ変換されたデジタル画像を処理する画像処理回路１２
４と、このための画像メモリ１２３と、ステージ１０５
を制御するステージ制御手段１２６と、これら全体を制
御する全体制御部１２０と、真空試料室（真空容器）１
００とから構成される。高さ検出センサ２００の高さ検
出値１９０は、焦点位置制御装置１０９と偏向制御装置
（偏向信号発生装置）１０８に常にフィードバックされ
る。被検査対象物１０６に対して検査する際、全体制御
部１２０は、ステージ制御装置１２６に指示を出すこと
によって、ステージ１０５を連続移動する。これと同時
に全体制御部１２０は、偏向制御装置（偏向信号発生装
置）１０８に指令を出し、偏向制御装置１０８は、ビー
ム偏向器１０２を駆動して電子線をこれと直交する方向
に走査する。同時に、偏向制御装置１０８は、高さ計算
手段２００ｂから得られる高さ検出値１９０を受け取っ
て偏向方向と偏向幅に補正を加える。また焦点位置制御
手段１０９は、計算手段２５０から得られる高さ検出値
１９０に合わせて電磁レンズあるいは静電レンズ１０３
を駆動し、電子線の合焦高さに補正を加える。このとき
試料１０６から発生する二次電子を二次電子検出器１０
４で検出しＡ／Ｄ変換器１２２に入力し焦点の合ったＳ
ＥＭ画像を連続的に得る。このように、ＳＥＭ画像に基
づく外観検査の場合には、ある程3x広い領域に亘って２
次元のＳＥＭ画像を取り込む必要があるため、ステージ
１０５を連続移動しながら、ビーム偏向器１０２を駆動
して電子線をステージ１０５の移動方向とほぼ直交する
方向に走査して二次電子検出器１０４で２次元の二次電
子画像信号を検出する必要がある。即ち、ステージ１０
５を例えばＸ方向に連続移動しながら、ビーム偏向器１
０２を駆動して電子線をステージ１０５の移動方向とほ
ぼ直交するＹ方向に走査し、次にステージ１０５をＹ方
向にステップ移動させ、その後ステージ１０５をＸ方向
に連続移動しながら、ビーム偏向器１０２を駆動して電
子線をステージ１０５の移動方向とほぼ直交するＹ方向
に走査して二次電子検出器１０４で２次元の二次電子画
像信号を検出する必要がある。そして、画像処理回路１
２４は、画像メモリ１２３よって遅延された電子線画像
とＡ／Ｄ変換器１２２から直接入力された画像を比較す
ることによって繰り返しパターンの対応する画像を比較
することにより、比較検査を実現することができる。全
体制御部１２０は、画像処理回路１２４を制御すると同
時に検査結果を受け取って、表示手段１４３に表示した
り、記憶手段１４２に格納したりする。なお、この図に
示す実施の形態では、応答性が優れた対物レンズ１９３
に流す制御電流を制御して焦点あわせを行っているが、
かわりにステージ１０５を上下させてもよい。しかし、
ステージ１０５を上下動させて制御すると応答性の点で
劣ることになる。

【００３０】更に、ＳＥＭ画像を用いた外観検査装置に
ついて、図４〜図９を用いて説明する。本発明に係るＳ
ＥＭ画像を用いた外観検査装置の一実施の形態を図４に
示す。ここでは、電子線１１２によりウエハ等の被検査
対象物１０６を走査して、電子線の照射によって被検査
対象物１０６から発生する電子を検知し、その強度変化
に基づいて走査部位の電子線像を得、電子線像を用いて
パターン検査を行う。被検査対象物１０６としては、例
えば図５に示す如く半導体ウエハ３がある。この半導体
ウエハ３には最終的に同一の製品となるチップ３ａが多
数配列されている。チップ３ａの内部のパターンレイア
ウトは、同図の拡大図に示すように、メモリセルが２次
元的に同一ピッチで規則的に配列しているメモリマット
部３ｃと、周辺回路部３ｂとからなる。この半導体ウエ
ハ３のパターンの検査に適用する場合には、あるチップ
（例えばチップ３ｄ）での検出画像を記憶しておき、別
のチップ（例えばチップ３ｅ）での検出画像とを比較す
る（以下「チップ比較」と呼ぶ）、あるいは、あるメモ
リセル（例えばメモリセル３ｆ）での検出画像を記憶し
ておき、別のセル（例えばセル３ｇ）での検出画像とを
比較する（以下「セル比較」と呼ぶ）ことにより、欠陥
を認識する。仮に、被検査対象物１０６の繰り返しパタ
ーン同士（半導体ウエハを例に取れば、チップ同士ある
いはセル同士）が厳密に等しく、また、等しい検出画像
が得られるのであれば、画像同士を比較した時に不一致
となるのは欠陥のみなので、欠陥の認識は可能である。

【００３１】しかし、実際には、正常部においても両画
像間の不一致は存在する。正常部での不一致には、被検
査対象物に起因する不一致と、画像検出系に起因する不
一致とがある。被検査対象物に起因する不一致とは、露
光、現像、エッチング等のウエハ製作過程を通して生ず
る、繰り返しパターン同士の微妙な差異による。これ
は、検出画像上では、パターン形状の微小な差異、階調
値の差異となって現れる。画像検出系に起因する不一致
とは、照明光量の変動、ステージの振動、種々の電気的
なノイズ、二つの画像の検出位置の狂いなどによる。こ
れらは、検出画像上では、部分画像の階調値の差異、パ
ターンの歪み、画像の位置ずれとなって現れる。本発明
に係る第一の実施の形態では、画素単位に位置合わせさ
れた座標（ｘ，ｙ）の階調値がｆ1(ｘ，ｙ)である検出
画像（第１の２次元画像）と座標（ｘ，ｙ）の階調値が
ｇ1(ｘ，ｙ)である比較画像（第２の２次元画像）とを
比較して欠陥判定する際のしきい値（許容値）を、パタ
ーンの位置ずれ、階調値の差異などを考慮して画素ごと
に設定し、この画素ごとに設定されたしきい値（許容
値）に基づいて欠陥を判定する。

【００３２】本パターン検査システムは、図４および図
７に示す如く、検出部１１５、画像取り出し部１２１、
画像処理部１２４、システム全体を制御する全体制御部
１２０からなる。なお、本パターン検査システムは、室
内が真空排気される検査室１００と、該検査室１００内
に被検査対象物１０６を搬入、搬出するための予備室
（図示せず）を備えており、この予備室は検査室１００
とは独立して真空排気できるように構成されている。ま
ず、検出部１１５について図４および図７を用いて説明
する。即ち、検出部１１５における検査室１００内は、
大別して、電子光学系１１６、電子検出部１１７、試料
室１１９、および光学顕微鏡部１１８から構成される。
電子光学系１１６は、電子銃３１（１０１）、電子線引
き出し電極１１、コンデンサレンズ３２、ブランキング
用偏向器１３、走査偏向器３４（１０２）、絞り１４、
対物レンズ３３（１０３）、反射板１７、ＥｘＢ偏向器
１５、およびビーム電流を検出するファラデーカップ
（図示せず）から構成される。反射板１７は、円錐形状
にして二次電子増倍効果を持たせた。電子検出部１１７
のうち、例えば二次電子、反射電子等の電子を検出する
電子検出器３５（１０４）が検査室１００内の例えば対
物レンズ３３（１０３）の上方に設置されている。電子
検出器３５の出力信号は、検査室１００の外に設置され
たアンプ３６で増幅される。

【００３３】試料室１１９は、試料台３０、Ｘステージ
３１、Ｙステージ３２、位置モニタ用測長器１０７、被
検査基板高さ測定器２００から構成されている。なお、
ステージには、回転ステージを設けても良い。位置モニ
タ用測長器１３４は、ステージ３１、３２（ステージ１
０５）等の位置をモニタし、その結果を全体制御部１２
０に転送するものである。またステージ３１、３２の駆
動系も全体制御部１２０によって制御される。この結
果、全体制御部１２０は、これらのデータに基づいて電
子線１１２が照射されている領域や位置が正確に把握で
きるようになっている。被検査基板高さ測定器２００
は、ステージ３１、３２上に載置された被検査対象物１
０６の高さを測定するものである。そして、被検査基板
高さ測定器２００で測定された測定データに基づいて、
電子線１１２を細く絞るための対物レンズ３３（１０
３）の焦点距離がダイナミックに補正され、常に被検査
領域に焦点があった状態で電子線を照射できるように構
成されている。なお、図７では、高さ測定器２００は、
検査室１００の内部に設置されているが、検査室１００
の外部に設置し、ガラス窓等を通して検査室１００の内
部に光を投影するなどする方式でもよい。

【００３４】光学顕微鏡部１１８は、検査室１００の室
内における電子光学系１１６の近傍であって、互いに影
響を及ぼさない程度離れた位置に設置されており、電子
光学系１１６と光電顕微鏡部１１８との間の距離は当然
既知の値となって構成されている。そして、Ｘステージ
３１またはＹステージ３２が電子光学系１１６と光学顕
微鏡部１１８との間の既知の距離を往復移動するように
構成されている。光学顕微鏡部１１８は、光源６１、光
学レンズ６２、ＣＣＤカメラ６３により構成されてい
る。光学顕微鏡部１１８は、被検査対象物１０６である
例えば半導体ウエハ３に形成された回路パターンの光学
画像を検出し、この検出された光学画像に基づいて回路
パターンの回転ずれ量を算出し、この算出された回転ず
れ量を全体制御部１２０に送信する。すると全体制御部
１２０は、この回転ずれ量分を例えば回転ステージを回
転させることによって補正をすることが可能となる。ま
た全体制御部１２０は、この回転ずれ量を補正制御回路
１２０’に送り、補正制御回路１２０’によりこの回転
ずれ量に基づいて例えば走査偏向器３４による電子線の
走査偏向位置を補正することによって回転ずれの補正が
可能となる。また光学顕微鏡部１１８は、被検査対象物
１０６である例えば半導体ウエハ３に形成された回路パ
ターンの光学画像を検出し、例えばこの光学画像をモニ
タ５０に表示して観察し、この観察された光学画像に基
づいて検査領域の座標を入力手段を用いて全体制御部１
２０に入力することによって、検査領域を全体制御部１
２０に対して設定することもできる。また例えば半導体
ウエハ３に形成された回路パターンにおけるチップ間の
ピッチ、或いはメモリセルのような繰り返しパターンの
繰り返しピッチを予め測定して、全体制御部１２０に入
力させることも可能となる。なお、光学顕微鏡部１１８
は、図７では検査室１００の内部にあるが、検査室１０
０の外部に配置して、ガラス窓等を通して半導体ウエハ
１の光学画像を検出するのでも良い。

【００３５】図４および図７に示す如く、電子銃３１
（１０１）を出た電子ビームは、コンデンサレンズ３
２、対物レンズ３３（１０３）を経て、試料面では画素
サイズ程度のビーム径に絞られる。この際、グランド電
極３８（１１８）、リターディング電極３７によって、
試料に負電位を引加し、対物レンズ３３（１０３）と被
検査対象物（試料）１０６間で電子ビームを減速するこ
とで低加速電圧領域での高分解能化を図る。電子線が照
射されると、被検査対象物（ウエハ３）１０６からは電
子が発生する。走査偏向器３４（１０２）による電子線
のＸ方向の繰り返し走査と、ステージ２（１０５）によ
る被検査対象物（試料）１０６のＹ方向の連続的な移動
に同期して被検査対象物１０６から発生する電子を検出
することで、被検査対象物の２次元の電子線像が得られ
る。被検査対象物から発生した電子は検出器３５（１０
４）で捕らえられ、アンプ３６で増幅される。ここで、
高速検査を可能にするために、電子ビームをＸ方向に繰
り返し走査させる偏向器３４（１０２）としては、偏向
速度の速い静電偏向器を用いることが、また、電子銃３
１（１０１）としては、電子ビーム電流を大きくできる
ので照射時間が短くできる熱電界放射型電子銃を用いる
ことが、また、検出器３５（１０４）には高速駆動が可
能な半導体検出器を用いることが望ましい。

【００３６】次に、画像取り出し部１４０について図
４、図７および図８を用いて説明する。即ち、電子検出
部１１７における電子検出器３５（１０４）で検出され
た電子検出信号は、アンプ３６で増幅され、Ａ／Ｄ変換
器３９（１２２）によりデジタル画像データ（階調画像
データ）に変換される。そして、Ａ／Ｄ変換器３９（１
２２）の出力を、光変換手段（発光素子）２３、伝送手
段（光ファイバケーブル）２４、および電気変換手段
（受光素子）２５により伝送するように構成した。この
構成によれば、伝送手段２４はＡ／Ｄ変換器３９（１２
２）のクロック周波数と同じ伝送速度であれば良い。Ａ
／Ｄ変換器３９の出力は、光変換手段（発光素子）２３
において光デジタル信号に変換され、伝送手段（光ファ
イバケーブル）２４によって光伝送されて電気変換手段
（受光素子）２５によりデジタル画像データ（階調画像
データ）に変換される。このように光信号に変換して伝
送するのは、反射板１７からの電子５２を半導体検出器
３５（１０４）に導くために、半導体検出器３５から光
変換手段２３までの構成要素（半導体検出器３５、アン
プ３６、Ａ／Ｄ変換器３９、および光変換手段（発光素
子）２３）を高電圧電源（図示せず）により正の高電位
にフローティングする必要があるからである。正確に
は、半導体検出器３５のみを正の高電圧にすればよい。
しかしアンプ３６とＡ／Ｄ変換器３９は、ノイズの混入
と信号の劣化を防ぐため、半導体検出器の直近にある方
が望ましく、半導体検出器３５のみを正の高電圧に保つ
ことは困難で、上記構成要素全体を高電圧にする。すな
わち、伝送手段（光ファイバケーブル）２４は高絶縁材
料で形成されているため、光変換手段（発光素子）２３
においては正の高電位レベルにあった画像信号が、伝送
手段（光ファイバケーブル）２４を通過後、電気変換手
段（受光素子）２５からはアースレベルの画像信号の出
力が得られる。

【００３７】前処理回路（画像補正回路）４０は、暗レ
ベル補正回路７２、電子源の揺らぎ補正回路７３、シェ
ーディング補正回路７４等によって構成される。電気変
換手段（受光素子）２５から得られるデジタル画像デー
タ（階調画像データ）７１は、前処理回路（画像補正回
路）４０において、暗レベル補正、電子源の揺らぎ補
正、シェーディング補正等の画像補正が行われる。暗レ
ベル補正回路７２における暗レベル補正は、図９に示す
ように、全体制御部１２０から得られる走査ライン同期
信号７５に基づいて抽出されるビーム・ブランキング期
間中における検出信号７１を基準に暗レベルを補正す
る。即ち暗レベルを補正する基準信号は、ビーム・ブラ
ンキング期間中の例えば特定位置における特定数画素の
階調値の平均を暗レベルとし、走査ライン毎に更新す
る。このように暗レベル補正回路７２において、ビーム
・ブランキング期間中に検出される検出信号が、ライン
毎に更新される基準信号に暗レベル補正が行われる。電
子源の揺らぎ補正回路７３における電子源の揺らぎ補正
は、図９に示すように、暗レベル補正がなされた検出信
号７６を、補正周期（例えば１００ｋＨｚのライン単
位）で上記ビーム電流を検出するファラデーカップ（図
示せず）でモニタされたビーム電流７７で正規化して行
う。電子源の揺らぎには、急激な変動がないので、１〜
数ライン前に検出されたビーム電流を用いてもよい。シ
ェーディング補正回路７４におけるシェーディング補正
は、図９に示すように、電子源の揺らぎ補正された検出
信号７８に対して、全体制御部１２０から得られるビー
ム走査位置７９による光量変動を補正するものである。
即ち、シェーディング補正は、予め検出した基準明るさ
データ８３をもとに画素毎に補正（正規化）を行うもの
である。シェーディング補正用基準データ８３は、予め
検出して、検出された画像データを一旦画像メモリ（例
えば１４７）に格納し、この格納された画像データを、
全体制御部１２０内に設けられた計算機または全体制御
部１２０にネットワークで接続された上位の計算機に送
信し、全体制御部１２０内に設けられた計算機または全
体制御部１２０にネットワークで接続された上位の計算
機においてソフトウエアで処理して作成する。またシェ
ーディング補正用基準データ８３は、全体制御部１２０
にネットワークで接続された上位の計算機において予め
算出して保持しておき、検査開始時にダウンロードし、
このダウンロードしたデータをシェーディング補正回路
７４におけるＣＰＵが取り込めるようにしても良い。全
視野幅対応については、シェーディング補正回路７４内
に、通常の電子ビームの振り幅の画素数（例えば１０２
４画素）の補正メモリを２面持ち、検査領域外の時間
（１視野検査終了から次の１視野検査開始までの時間）
にメモリを切り換えることにより対応する。補正データ
としては、電子ビームの最大の振り幅の画素数（例えば
５０００画素）分持ち、各補正メモリに次の１視野検査
終了までにＣＰＵが書き替えればよい。

【００３８】以上、電気変換手段（受光素子）２５から
得られるデジタル画像データ（階調画像データ）７１に
対して、暗レベル補正（ビーム・ブランキング期間中に
おける検出信号７１を基準に暗レベルを補正する。）、
電子ビーム電流の揺らぎ補正（ビーム電流強度をモニタ
ーし、信号をビーム電流で正規化する）、シェーディン
グ補正（ビーム走査位置による光量変動を補正）を行っ
た後、補正されたデジタル画像データ（階調画像デー
タ）８０に対して、フィルタリング処理回路８１におい
て、ガウシアンフィルタ、平均値フィルタ、あるいはエ
ッジ強調フィルタなどによるフィルタリング処理を行っ
て、画質を改善する。また、必要に応じて、画像の歪み
の補正も行なう。これらの前処理は、後の欠陥判定処理
において有利なように検出画像を変換するためのもので
ある。

【００３９】シフトレジスタ等で構成される遅延回路４
１は、前処理回路４０から画質が改善されたデジタル画
像信号（階調画像信号）８２を一定時間だけ遅延させる
が、遅延時間を、全体制御部１２０から得て、例えばス
テージ２がチップピッチ分（図５でのｄ１）移動する時
間にすれば、遅延された信号ｇ0と遅延されていない信
号ｆ0とは隣り合うチップの同じ箇所での画像信号とな
り、前述したチップ比較検査となる。あるいは遅延時間
を、全体制御部１２０から得て、ステージ２がメモリセ
ルのピッチ分（図５でのｄ２）移動する時間にすれば、
遅延された信号ｇ0と遅延されていない信号ｆ0とは隣り
合うメモリセルの同じ箇所での画像信号となり、前述し
たセル比較検査となるわけである。このように遅延回路
４１は、全体制御部１２０から得られる情報に基づい
て、読み出す画素位置を制御することによって任意の遅
延時間を選択できるように構成されている。以上のよう
にして、画像取り出し部１２０から、比較すべきデジタ
ル画像信号（階調画像信号）ｆ0とｇ0とが取り出され
る。以下、ｆ0を検出画像、ｇ0を比較画像と呼ぶことに
する。なお、図７に示すように、比較画像信号ｇ0をシ
フトレジスタや画像メモリ等で構成された第１画像記憶
部４６に記憶し、検出画像信号ｆ0をシフトレジスタや
画像メモリ等で構成された第２画像記憶部４７に記憶し
ても良い。上述したごとく、第１画像記憶部４６は遅延
回路４１を構成してもよく、また第２画像記憶部４７は
必ずしも必要としない。また、前処理回路４０内、およ
び第２画像記憶部４７等に取り込まれた電子線画像ある
いは光学顕微鏡部１１８で検出した光学画像はモニタ５
０に表示され、観察することが可能である。

【００４０】次に、画像処理部１２４について図４を用
いて説明する。前処理部４０からは被検査対象物１０６
上のある検査領域についての階調値（濃淡値）で表わさ
れる検出画像ｆ0(ｘ，ｙ)が得られ、遅延回路４１から
は比較される基準となる被検査対象物１０６上のある検
査領域についての階調値（濃淡値）で現わされる比較画
像（基準画像：参照画像）ｇ0(ｘ，ｙ)が得られる。画
素単位の位置合わせ部４２では、上記検出画像ｆ0(ｘ，
ｙ)に対する比較画像ｇ0(ｘ，ｙ)の位置ずれ量が０〜１
画素の間になるように、いいかえれば、ｆ0(ｘ，ｙ)と
ｇ0(ｘ，ｙ)との「整合度」が最大となる位置が０〜１
画素の間になるように、例えば比較画像の位置をずら
す。その結果、例えば図３に示すように検出画像ｆ0
(ｘ，ｙ)と比較画像ｇ0(ｘ，ｙ)とが１画素単位以下で
位置合わせされることになる。図６に鎖線で示す四角な
目が画素を示す。この画素は、電子検出器３５で検出さ
れてＡ／Ｄ変換器３９（１２２）でサンプリングされて
デジタル値（階調値：濃淡値）に変換される単位であ
る。即ち、画素単位は、電子検出器３５で検出される最
小単位を示す。なお、上記「整合度」としては、次に示
す（数１）式などが考えられる。

【００４１】 max|ｆ0−ｇ0|， ΣΣ|ｆ0−ｇ0|, ΣΣ(ｆ0−ｇ0)² (数１) max|ｆ0−ｇ0|は、検出画像ｆ0(ｘ，ｙ)と比較画像ｇ0
(ｘ，ｙ)との差の絶対値の最大値を示す。ΣΣ|ｆ0−ｇ
0|は、検出画像ｆ0(ｘ，ｙ)と比較画像ｇ0(ｘ，ｙ)との
差の絶対値の画像内の合計である。ΣΣ(ｆ0−ｇ0)
²は、検出画像ｆ0(ｘ，ｙ)と比較画像ｇ0(ｘ，ｙ)との
差を２乗してｘ方向およびｙ方向に積分した値を示す。
上記（数１）式のいずれを採用するかによって処理内容
が変わってくるが、ここではΣΣ|ｆ0−ｇ0|を採用した
場合について示す。比較画像ｇ0(ｘ，ｙ)のｘ方向のず
らし量をｍx，ｙ方向のずらし量をｍy（ただしｍx，ｍy
は整数）とし、ｅ1(ｍx，ｍy)、ｓ1(ｍx，ｍy)の各々を
次に示す（数２）式および（数３）式のように定義す
る。

【００４２】 ｅ1(ｍx，ｍy)＝ΣΣ|ｆ0(ｘ，ｙ)−ｇ0(ｘ＋ｍx,ｙ+ｍy)| (数２) ｓ1(ｍx，ｍy)＝ｅ1(ｍx，ｍy)＋ｅ1(ｍx＋１，ｍy)＋ｅ1(ｍx，ｍy＋１)＋ｅ 1(ｍx＋１，ｍy＋１) (数３) （数２）式においてΣΣは画像内の合計を表す。ここで
求めたいのはｓ1(ｍx，ｍy)が最小となるｘ方向のずら
し量をｍx，ｙ方向のずらし量をｍyの値なので、ｍx，
およびｍyの各々を±０，１，２，３，４・・・・・ｎと変化
させて、いいかえれば、比較画像ｇ0(ｘ，ｙ)を画素ピ
ッチでずらして、その時々のｓ1(ｍx，ｍy)を算出す
る。そして、それが最小となるｍxの値ｍx0と、ｍyの値
ｍy0とを求める。なお、比較画像の最大ずらし量である
ｎは、検出部１１５の位置精度に応じて、位置精度が悪
いほど大きな値にする必要がある。画素単位の位置合わ
せ部４２からは、検出画像ｆ0(ｘ，ｙ)はもとのまま、
比較画像ｇ0(ｘ，ｙ)は（ｍx0，ｍy0）だけずらして出
力する。すなわち、ｆ1(ｘ，ｙ)＝ｆ0(ｘ，ｙ)、ｇ1
(ｘ，ｙ)＝ｇ0(ｘ＋ｍx0，ｙ＋ｍy0)である。

【００４３】画素以下の位置ずれ検出部（図示せず）で
は、画素単位に位置合わせされた画像ｆ1(ｘ，ｙ)、ｇ1
(ｘ，ｙ)を小領域（例えば１２８＊２５６画素からなる
部分画像）に分割して、分割した領域（部分画像）ごと
に画素以下の位置ずれ量（位置ずれ量は０〜１の実数と
なる。）を算出する。小領域に分割するのは、画像の歪
みに対応するためであり、歪みが無視できる程度の領域
に設定する必要がある。整合度の測度としては、やはり
（数１）式で示すような選択肢があるが、ここでは、三
番目の「差の２乗和」（ΣΣ(ｆ0−ｇ0)²）を採用した
例を示す。ｆ1(ｘ，ｙ)とｇ1(ｘ，ｙ)との中間位置を位
置ずれ量０とし、図６に示すように、ｆ1はｘ方向に−
δx、ｙ方向に−δy、ｇ1はｘ方向に＋δx、ｙ方向に＋
δyだけずれていると仮定する。つまり、ｆ1とｇ1との
ずれ量は、ｘ方向が２＊δx、ｙ方向が２＊δyと考え
る。δx、δyは整数ではないため、δx、δyだけずらす
には、画素と画素の間の値を定義する必要がある。ｆ1
をｘ方向に＋δx、ｙ方向に＋δyだけずらした画像ｆ
2、ｇ1をｘ方向に−δx、ｙ方向に−δyだけずらした画
像ｇ2を、次に示す（数４）式および（数５）式のよう
に定義する。

【００４４】 ｆ2(ｘ，ｙ)＝ｆ1(ｘ＋δx，ｙ+δy)＝ｆ1(ｘ，ｙ)＋δx(ｆ1(ｘ＋１，ｙ)− ｆ1(ｘ，ｙ))＋δy(ｆ1(ｘ，ｙ＋１)−ｆ1(ｘ，ｙ)) (数４) ｇ2(ｘ，ｙ)＝ｇ1(ｘ−δx，ｙ−δy)＝ｇ1(ｘ，ｙ)＋δx(ｇ1(ｘ−１，ｙ)− ｇ1(ｘ，ｙ))＋δy(ｇ1(ｘ，ｙ−１)−ｇ1(ｘ，ｙ)) (数５) （数４）（数５）式はいわゆる線形補間である。ｆ2と
ｇ2との整合度ｅ2(δx，δy)は「差の２乗和」を採用す
ると次に示す（数６）式のようになる。 ｅ2(δx，δy)＝ΣΣ(ｆ2(ｘ，ｙ)−ｇ2(ｘ，ｙ))² (数６) ΣΣは小領域（部分画像）内の合計である。画素以下の
位置ずれ検出部（図示せず）の目的は、ｅ2(δx，δy)
が最小値をとるδxの値δx0、δyの値δy0を求めること
である。それには、上記（数６）式をδx，δyで偏微分
した式を０とおいて、それをδx，δyについて解けばよ
い。結果は次に示す（数７）式および（数８）式のよう
になる。

【００４５】 δx={(ΣΣＣ0＊Ｃy)＊(ΣΣＣx＊Ｃy)−(ΣΣＣ0＊Ｃx)＊(ΣΣＣy＊Ｃy)}／{( ΣΣＣx＊Ｃx)＊(ΣΣＣy＊Ｃy)−(ΣΣＣx＊Ｃy)＊(ΣΣＣx＊Ｃy)} (数７) δx={(ΣΣＣ0＊Ｃx)＊(ΣΣＣx＊Ｃy)−(ΣΣＣ0＊Ｃy)＊(ΣΣＣx＊Ｃx)}／{( ΣΣＣx＊Ｃx)＊(ΣΣＣy＊Ｃy)−(ΣΣＣx＊Ｃy)＊(ΣΣＣx＊Ｃy)} (数８) ただし、Ｃ0、Ｃx、Ｃyの各々は、次に示す(数９)式、
(数１０)式、(数１１)式の関係になる。

【００４６】 Ｃ0＝ｆ1(ｘ，ｙ)−ｇ1(ｘ，ｙ) (数９) Ｃx＝{ｆ1(ｘ＋１，ｙ)−ｆ1(ｘ，ｙ)}−{ｇ1(ｘ−１，ｙ)−ｇ1(ｘ，ｙ)} (数１０) Ｃy＝{ｆ1(ｘ，ｙ＋１)−ｆ1(ｘ，ｙ)}−{ｇ1(ｘ，ｙ−１)−ｇ1(ｘ，ｙ)} (数１１) δx0，δy0の各々を求めるには、(数７)式、および(数
８)式に示すように、上記種々の統計量ΣΣＣｋ＊Ｃｋ
（但しＣｋ＝Ｃ0、Ｃx、Ｃy）を求める必要がある。統
計量算出部４４は、画素単位の位置合わせ部４２から得
られる画素単位で位置合わせされた階調値（濃淡値）か
らなる検出画像ｆ1(ｘ，ｙ)と比較画像ｇ1(ｘ，ｙ)に基
づいて、上記種々の統計量ΣΣＣｋ＊Ｃｋの算出を行
う。サブＣＰＵ４５は、統計量算出部４４において計算
されたΣΣＣｋ＊Ｃｋを用いて、上記(数７)式、(数８)
式の演算を行ってδx0、δy0を求める。シフトレジスタ
等で構成された遅延回路４６、４７は、画素以下の位置
ずれ検出部（図示せず）でδx0、δy0を求めるのに要す
る時間分だけ画像信号ｆ1とｇ1を遅延させるためのもの
である。

【００４７】差画像抽出回路（差分抽出回路：距離抽出
部）４９では、計算上２＊δx0、２＊δy0の位置ずれを
有するｆ1とｇ1との差画像（距離画像）sub(ｘ，ｙ)を
求める。この差画像（距離画像）sub(ｘ，ｙ)は、（数
１２）式で表すと、次のようになる。 sub(ｘ，ｙ)＝ｇ1(ｘ，ｙ)−ｆ1(ｘ，ｙ) (数１２) しきい値演算回路（許容範囲演算部）４８は、遅延回路
４６、４７を経た画像信号ｆ1、ｇ1および、画素以下の
位置ずれ検出部（図示せず）から得られる画素以下の位
置ずれ量δx0、δy0を用いて、欠陥判定回路（欠陥判定
部）５０において差画像抽出回路（差分抽出回路：距離
抽出部）４９から得られる差画像（距離画像）sub(ｘ，
ｙ)の値に応じて欠陥候補か否かを判定するための二つ
のしきい値（許容範囲を示す許容値）thH(ｘ，ｙ)とthL
(ｘ，ｙ)とを算出するものである。thH(ｘ，ｙ)は、差
画像（距離画像）sub(ｘ，ｙ)の上限を規定するしきい
値（許容範囲を示す許容値）であり、thL(ｘ，ｙ)は、
差画像（距離画像）sub(ｘ，ｙ)の下限を規定するしき
い値（許容範囲を示す許容値）である。しきい値演算回
路４８の構成を図５に示す。しきい値演算回路４８にお
ける演算の内容を（数１３）式および（数１４）式で表
すと次のようになる。

【００４８】 thH(ｘ，ｙ)＝Ａ(ｘ，ｙ)＋Ｂ(ｘ，ｙ)＋Ｃ(ｘ，ｙ) (数１３) thL(ｘ，ｙ)＝Ａ(ｘ，ｙ)−Ｂ(ｘ，ｙ)−Ｃ(ｘ，ｙ) (数１４) ただし、Ａ(ｘ，ｙ)は、(数１５)式の関係で示され、画
素以下の位置ずれ量δx0、δy0を用いて、実質的に差画
像（距離画像）sub(ｘ，ｙ)の値に応じてしきい値を補
正するための項である。またＢ(ｘ，ｙ)は、(数１６)式
の関係で示され、検出画像ｆ1と比較画像ｇ1との間にお
いて、パターンエッジの微小な位置ずれ（パターン形状
の微小な差異、パターン歪みも局所的に見ればパターン
エッジの微小な位置ずれに帰着する）を許容するための
項である。

【００４９】またＣ(ｘ，ｙ)は、(数１７)式の関係で示
され、検出画像ｆ1と比較画像ｇ1との間において、階調
値（濃淡値）の微小な差異を許容するための項である。 Ａ(ｘ，ｙ)＝{ｄx1(ｘ，ｙ)＊δx0−ｄx2(ｘ，ｙ)＊(−δx0)}＋{ｄy1(ｘ，ｙ )＊δy0−ｄy2(ｘ，ｙ)＊(−δy0)}＝{ｄx1(ｘ，ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}＊δx0＋{ ｄy1(ｘ，ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}＊δy0 (数１５) Ｂ(ｘ，ｙ)＝｜{ｄx1(ｘ，ｙ)＊α−ｄx2(ｘ，ｙ)＊(−α)}｜＋｜{ｄy1(ｘ， ｙ)＊β−ｄy2(ｘ，ｙ)＊(−β)}｜＝｜{ｄx1(ｘ，ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}＊α｜＋ ｜{ｄy1(ｘ，ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}＊β｜ (数１６) Ｃ(ｘ，ｙ)＝（(max1＋max2)／２）＊γ＋ε (数１７) ここで、α、βは０〜０．５の実数、γは０以上の実
数、εは０以上の整数である。

【００５０】ｄx1(ｘ，ｙ)は、(数１８)式の関係で示さ
れ、検出画像ｆ1(ｘ，ｙ)におけるｘ方向＋１隣りの画
像との階調値（濃淡値）の変化分を示す。またｄx2
(ｘ，ｙ)は、(数１９)式の関係で示され、比較画像ｇ1
(ｘ，ｙ)におけるｘ方向−１隣りの画像との階調値（濃
淡値）の変化分を示す。またｄy1(ｘ，ｙ)は、(数２０)
式の関係で示され、検出画像ｆ1(ｘ，ｙ)におけるｙ方
向＋１隣りの画像との階調値（濃淡値）の変化分を示
す。またｄy2(ｘ，ｙ)は、(数２１)式の関係で示され、
比較画像ｇ1(ｘ，ｙ)におけるｙ方向−１隣りの画像と
の階調値（濃淡値）の変化分を示す。 ｄx1(ｘ，ｙ)＝ｆ1(ｘ＋１，ｙ)−ｆ1(ｘ，ｙ) (数１８) ｄx2(ｘ，ｙ)＝ｇ1(ｘ，ｙ)−ｇ1(ｘ−１，ｙ) (数１９) ｄy1(ｘ，ｙ)＝ｆ1(ｘ，ｙ＋１)−ｆ1(ｘ，ｙ) (数２０) ｄy2(ｘ，ｙ)＝ｇ1(ｘ，ｙ)−ｇ1(ｘ，ｙ−１) (数２１) max1は、(数２２)式の関係で示され、検出画像ｆ1(ｘ，
ｙ)における自身も含め、ｘ方向＋１隣りの画像、ｙ方
向＋１隣りの画像の最大階調値（濃淡値）を示す。

【００５１】またmax2は、(数２３)式の関係で示され、
比較画像ｇ1(ｘ，ｙ)における自身も含め、ｘ方向−１
隣りの画像、ｙ方向−１隣りの画像の最大階調値（濃淡
値）を示す。 max1＝max{ｆ1(ｘ，ｙ)，ｆ1(ｘ＋１，ｙ)，ｆ1(ｘ，ｙ＋１)，ｆ(ｘ＋１，ｙ ＋１)} (数２２) max2＝max{ｇ1(ｘ，ｙ)，ｇ1(ｘ−１，ｙ)，ｇ1(ｘ，ｙ−１)，ｇ(ｘ−１，ｙ −１)} (数２３) まず、しきい値thH(ｘ，ｙ)、thL(ｘ，ｙ)を算出する
(数１３)式および(数１４)式における第１項Ａ(ｘ，ｙ)
について説明する。即ち、しきい値thH(ｘ，ｙ)、thL
(ｘ，ｙ)を算出する(数１３)式および(数１４)式におけ
る第１項Ａ(ｘ，ｙ)は、位置ずれ検出部４３で求めた画
素以下の位置ずれ量δx0、δy0に対応してしきい値を補
正するための項である。例えば(数１８)式で表されるｄ
x1は、ｆ1の階調値のｘ方向の局所的な変化率だから、
(数１５)式に示されるｄx1(ｘ，ｙ)＊δx0は、位置がδ
x0ずれた時のｆ1の階調値（濃淡値）の変化の予測値と
いうことができる。よって、(数１５)式に示される第１
項{ｄx1(ｘ，ｙ)＊δx0−ｄx2(ｘ，ｙ)＊(−δx0)}は、
ｘ方向にｆ1の位置をδx0、ｇ1の位置を−δx0ずらした
時に、ｆ1とｇ1の差画像（距離画像）の階調値（濃淡
値）がどのぐらい変化するかを画素ごとに予測した値と
いうことができる。同様に第２項はｙ方向について予測
した値ということができる。即ち、{ｄx1(ｘ，ｙ)＋ｄx
2(ｘ，ｙ)}＊δx0は、検出画像ｆ1と比較画像ｇ1との差
画像（距離画像）におけるｘ方向の局所的変化率{ｄx1
(ｘ，ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}に対して位置ずれδx0を掛け
算してｆ1とｇ1の差画像（距離画像）の階調値（濃淡
値）がｘ方向にどのぐらい変化するかを画素ごとに予測
した値であり、{ｄy1(ｘ，ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}＊δy0
は、検出画像ｆ1と比較画像ｇ1との差画像（距離画像）
におけるｙ方向の局所的変化率{ｄy1(ｘ，ｙ)＋ｄy2
(ｘ，ｙ)}に対して位置ずれδy0を掛け算してｆ1とｇ1
の差画像（距離画像）の階調値（濃淡値）がｙ方向にど
のぐらい変化するかを画素ごとに予測した値である。

【００５２】以上説明したように、しきい値thH(ｘ，
ｙ)、thL(ｘ，ｙ)における第１項Ａ(ｘ，ｙ)は、既知の
位置ずれδx0、δy0をキャンセルするための項である。

【００５３】次に、しきい値thH(ｘ，ｙ)、thL(ｘ，ｙ)
を算出する(数１３)式および(数１４)式における第２項
Ｂ(ｘ，ｙ)について説明する。即ち、しきい値thH(ｘ，
ｙ)、thL(ｘ，ｙ)を算出する(数１３)式および(数１４)
式における第２項Ｂ(ｘ，ｙ)は、パターンエッジの微小
な位置ずれ（パターン形状の微小な差異、パターン歪み
も局所的に見ればパターンエッジの微小な位置ずれに帰
着する）を許容するための項である。Ａ(ｘ，ｙ)を求め
る(数１５)式とＢ(ｘ，ｙ)を求める(数１６)式を対比さ
せれば明らかなように、Ｂ(ｘ，ｙ)は位置ずれα、βに
よる差画像（距離画像）の階調値（濃淡値）の変化予測
の絶対値である。Ａ(ｘ，ｙ)によって位置ずれがキャン
セルされるとするならば、Ａ(ｘ，ｙ)にＢ(ｘ，ｙ)を加
算するのは、位置の合った状態から、さらにパターン形
状やパターンの歪みに基づく微小な差異によるパターン
エッジの微小な位置ずれを考慮してｘ方向にα、ｙ方向
にβだけ位置をずらすことを意味している。つまり、パ
ターン形状やパターンの歪みに基づく微小な差異による
パターンエッジの微小な位置ずれとして、ｘ方向に＋
α、ｙ方向に＋βを許容するのが、上記（数１３）式で
示す＋Ｂ(ｘ，ｙ)である。また、上記（数１４）式で示
す如くＡ(ｘ，ｙ)からＢ(ｘ，ｙ)を減ずるのは、位置の
合った状態からさらにｘ方向に−α、ｙ方向に−βだけ
位置をずらすことを意味している。ｘ方向に−α、ｙ方
向に−βの位置ずれを許容するのが、上記（数１４）式
で示す−Ｂ(ｘ，ｙ)である。上記（数１３）式および
（数１４）式で示すごとく、しきい値に上限thH(ｘ，
ｙ)、下限thL(ｘ，ｙ)を設けることによって、±α、±
βの位置ずれを許容することになるわけである。そし
て、しきい値演算回路４８において、入力されるパラメ
ータα、βの値を適切な値に設定することによって、パ
ターン形状やパターンの歪みに基づく微小な差異による
許容する位置ずれ量（パターンエッジの微小な位置ずれ
量）を自由にコントロールすることが可能となる。

【００５４】次に、しきい値thH(ｘ，ｙ)、thL(ｘ，ｙ)
を算出する(数１３)式および(数１４)式における第３項
Ｃ(ｘ，ｙ)について説明する。しきい値thH(ｘ，ｙ)、t
hL(ｘ，ｙ)を算出する(数１３)式および(数１４)式にお
ける第３項Ｃ(ｘ，ｙ)は、検出画像ｆ1と比較画像ｇ1と
の間において、階調値（濃淡値）の微小な差異を許容す
るための項である。（数１３）式で示すようにＣ(ｘ，
ｙ)の加算は、比較画像ｇ1の階調値（濃淡値）が検出画
像ｆ1の階調値（濃淡値）よりもＣ(ｘ，ｙ)だけ大きい
のを許容することを意味し、（数１４）式で示すように
Ｃ(ｘ，ｙ)の減算は、比較画像ｇ1の階調値（濃淡値）
が検出画像ｆ1の階調値（濃淡値）よりもＣ(ｘ，ｙ)だ
け小さいのを許容することを意味する。ここでは、Ｃ
(ｘ，ｙ)を、（数１７）式で示すように、局所領域での
階調値の代表値（ここではmax値）に比例定数γを掛け
た値と、定数εとの和としたが、この関数にこだわる必
要はなく、階調値の変動の仕方が既知であれば、それに
合った関数するのがよい。例えば、階調値の平方根に変
動幅が比例すると分かっていれば、(数１７)式の代わり
に、Ｃ(ｘ，ｙ)＝（(max1＋max2)の平方根）＊γ＋εと
すべきである。しきい値演算回路４８において、Ｂ
(ｘ，ｙ)と同様、入力されるパラメータγ、εによっ
て、許容する階調値（濃淡値）の差異を自由にコントロ
ールすることが可能となる。

【００５５】即ち、しきい値演算回路（許容範囲演算
部）４８は、遅延回路４６から入力される階調値（濃淡
値）からなる検出画像ｆ1(ｘ，ｙ)と遅延回路４７から
入力される階調値（濃淡値）からなる比較画像ｇ1(ｘ，
ｙ)とに基づいて、(数１８)式および(数１９)式により
{ｄx1(ｘ，ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}なる演算を施す第１の演
算回路と、(数２０)式および(数２１)式により{ｄy1
(ｘ，ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}なる演算を施す第２の演算回
路と、(数２２)式および(数２３)式により（max1＋max
2）なる演算を施す第３の演算回路とを有する。更に、
しきい値演算回路４８は、第１の演算回路から得られる
{ｄx1(ｘ，ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}と画素以下のずれ検出部
４３から得られるδx0と入力されるαパラメータとに基
づいて、(数１５)式の一部と(数１６)式の一部である
（{ｄx1(ｘ，ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}＊δx0±｜{ｄx1(ｘ，
ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}｜＊α）なる演算を施す第４の演算
回路と、上記第２の演算回路から得られる{ｄy1(ｘ，
ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}と画素以下のずれ検出部４３から得
られるδy0と入力されるβパラメータとに基づいて、
(数１５)式の一部と(数１６)式の一部である（{ｄy1
(ｘ，ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}＊δy0±｜{ｄy1(ｘ，ｙ)＋ｄ
y2(ｘ，ｙ)}｜＊β）なる演算を施す第５の演算回路
と、上記第３の演算回路から得られる（max1＋max2）と
入力されるγ、εパラメータとに基づいて、例えば(数
１７)式に従って（(（max1＋max2）／２)＊γ＋ε）な
る演算を施す第６の演算回路とを有する。更に、しきい
値演算回路４８は、第４の演算回路から得られる（{ｄx
1(ｘ，ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}＊δx0＋｜{ｄx1(ｘ，ｙ)＋
ｄx2(ｘ，ｙ)}｜＊α）と第５の演算回路から得られる
（{ｄy1(ｘ，ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}＊δy0＋｜{ｄy1(ｘ，
ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}｜＊β）と第６の演算回路から得ら
れる（(（max1＋max2）／２)＊γ＋ε）とを＋演算して
上限のしきい値thH(ｘ，ｙ)を出力する加算回路と、第
６の演算回路から得られる（(（max1＋max2）／２)＊γ
＋ε）を−演算する減算回路と、第６の演算回路から得
られる（{ｄx1(ｘ，ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}＊δx0−｜{ｄx
1(ｘ，ｙ)＋ｄx2(ｘ，ｙ)}｜＊α）と演算回路から得ら
れる（{ｄy1(ｘ，ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}＊δy0−｜{ｄy1
(ｘ，ｙ)＋ｄy2(ｘ，ｙ)}｜＊β）と減算回路から得ら
れる−（(（max1＋max2）／２)＊γ＋ε）とを＋演算し
て下限のしきい値thL(ｘ，ｙ)を出力する加算回路とを
有している。

【００５６】なお、しきい値演算回路４８は、ＣＰＵが
ソフト処理によっても実現することができる。またしき
い値演算回路４８に入力されるパラメータα、β、γ、
εは、全体制御部１２０に備えられた入力手段（例え
ば、キーボード、記録媒体、ネットワーク等からな
る。）を用いて入力させても良い。欠陥判定回路（欠陥
判定部）５０では、差画像抽出回路（差分抽出回路）４
９から得られる差画像（距離画像）sub(ｘ，ｙ)、並び
にしきい値演算回路４８から得られる下限のしきい値
（下限の許容範囲を示す許容値）thL(ｘ，ｙ)、および
上限のしきい値（上限の許容範囲を示す許容値）thH
(ｘ，ｙ)を用いて、次に示す(数２４)式の関係を満たせ
ば、位置(ｘ，ｙ)の画素は非欠陥候補、満たさなければ
位置(ｘ，ｙ)の画素は欠陥候補と判定する。欠陥判定回
路５０は、非欠陥候補画素は例えば０、欠陥候補画素は
不一致量を示す例えば１以上の値を持つdef(ｘ，ｙ)を
出力する。 thL(ｘ，ｙ)≦sub(ｘ，ｙ)≦thH(ｘ，ｙ) (数２４) 特徴抽出回路５０ａでは、ノイズ除去処理（例えば、de
f(ｘ，ｙ)に対して縮小・膨張の処理を行う。例えば３
×３画素の全てに亘って同時に欠陥候補画素ではないと
きには、その中心の画素として例えば０（非欠陥候補画
素）にして縮小処理を行って消去し、それを膨張処理し
て元に戻すことを行う。）によってノイズ的（例えば３
×３画素の全てに亘って同時に欠陥候補画素ではな
い。）な出力を削除したあと、近隣の欠陥候補部を一つ
にまとめる欠陥候補部のマージ処理を行う。その後、一
まとまりごとに、重心座標、ＸＹ投影長（ｘ方向および
ｙ方向における最大長さを示す。なお、（Ｘ投影長の２
乗＋Ｙ投影長の２乗）の平方根は最大長さとなる。）、
面積などの特徴量８８を算出して出力する。

【００５７】以上説明したように、全体制御部１２０に
よって制御される画像処理部１２４からは、電子ビーム
が照射されて電子検出器３５（１０５）で検出させる被
検査対象物（試料）１０６上の座標に応じて欠陥候補部
の特徴量（例えば、重心座標、ＸＹ投影長、面積など）
８８が得られることになる。全体制御部１２０では、検
出画像上での欠陥候補部の位置座標を被検査対象物（試
料）１０６上の座標系に変換し、疑似欠陥の削除を行
い、最終的に、被検査対象物（試料）１０６上での位置
と画像処理部１２４の特徴抽出回路５０ａから算出され
た特徴量とからなる欠陥データをまとめる。

【００５８】本実施の形態によれば、小領域（部分画
像）全体としての位置ずれや、個々のパターンエッジの
微小な位置ずれや、階調値（濃淡値）の微小な差異が許
容されるため、正常部を欠陥と誤認識することがなくな
る。また、パラメータα、β、γ、εを適切な値に設定
することによって、位置ずれ、階調値の変動の許容量の
コントロールを容易に行うことが可能となる。また、本
実施の形態では、補間によって擬似的に位置の合った画
像を生成することを行っていないため、補間では避けが
たい画像の平滑化効果を受けないので、微細な欠陥部の
検出に有利という利点もある。実際、発明者等の実験に
よれば、画素以下の位置ずれ検出の結果を用いて、補間
によって擬似的に位置の合った画像を生成した後、本実
施の形態と同様に位置ずれ、階調値の変動を許容するし
きい値を算出して欠陥判定を行った結果と、本実施の形
態によって欠陥判定を行った結果とを比較すると、本実
施の形態では５％以上の欠陥検出性能の向上が見られ
た。以上説明した電子線装置における電子線像の劣化を
防止する手段について更に説明する。即ち、電子線像の
質は、電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像歪
みや、デフォーカスによる解像度の低下などにより劣化
することになる。これらの像質の劣化を防止する手段と
して、高さ検出光学装置２００ａと高さ計算手段２００
ｂとからなる高さ検出装置２００、焦点制御装置１０
９、偏向信号発生装置１０８、および全体制御装置１２
０によって構成される。

【００５９】次に、上記高さ検出光学装置２００ａの実
施例について説明する。図１０および図１１は、本発明
に係る高さ検出光学装置２００ａの第１の実施例を示す
図である。即ち、本発明に係る高さ検出光学装置２００
ａは、光源２０１と該光源２０１からの光で照明される
同一のパターン、例えば長方形状のパターンを反復させ
た（繰り返された）パターンが描かれたマスク２０３と
投影絞り２１１とＳ偏光を出射する偏光フィルタ２４０
と投影レンズ２１０とで構成され、例えばマルチスリッ
ト状パターンをＳ偏光で試料面１０６に対して垂直から
θ傾けた角度（θ＝６０度以上）で投影する投影光学系
２７０と、試料面１０６からの正反射光をラインイメー
ジセンサ２１４の受光面に結像させる検出レンズ２１５
と検出絞り２１６とマルチスリット状パターンの長手方
向をラインイメージセンサ２１４の受光画素に集光する
シリンドリカルレンズ２１３とラインイメージセンサ２
１４とで構成される検出光学系２７１とから構成され
る。これらのうち、投影光学系２７０と検出光学系２７
１を併せたものが高さ検出光学系２７２である。なお、
高さ計算手段２００ｂは、ラインイメージセンサ２１４
から検出されるマルチスリット像のシフト量から試料面
１０６ａの高さを検出するものである。

【００６０】光源２０１を射出した光は、同一のパター
ン、例えば長方形状のパターンを反復させたマルチスリ
ット状のパターンが描かれたマスク２０３上を照明す
る。マスク２０３面が投影光学系の光軸に垂直な面であ
れば、マルチスリット状のパターンは投影光学系光軸と
試料面１０６ａの交点近傍に、マスク面と平行な結像面
を持つ。このとき、図１０に示すように、投影光学系光
軸と検出光学系光軸を含む平面（図１０では紙面と平行
な平面）とマスク面の交線をｓ軸とすると、反復される
スリットパターンはｓ軸の方向に並べる。

【００６１】ここで、マスク２０３に描かれたマルチス
リット状のパターンは、必ずしも、スリット状のパター
ンである必要はなく、同一のパターンの繰り返しであれ
ば、楕円形、正方形等どんな形のものでもよい。これら
マルチスリット光の光束は試料面１０６上で反射され、
検出レンズ２１５により再びＣＣＤ等のラインイメージ
センサ２１４上に結像される。この検出光学系の倍率を
ｍとすると、試料面１０６ａの高さがｚだけ変化すると
マルチスリット像は、２ｚ・sinθ・ｍだけ全体的にシ
フトすることになる。これを利用して、ラインイメージ
センサ２１４で受光した信号に基づいて得られるマルチ
スリット像のシフト量から試料面１０６ａの高さを検出
することができる。ここで、１１０は高さを検出したい
位置であり、上記高さ検出装置２００ａをオートフォー
カス用の高さセンサとして用いる場合においては、１１
０は上方観察系の光軸となる。なお、試料面１０６ａ上
に投影されるマルチスリット状パターンのピッチをｐと
し、投影像のマルチスリット状パターンのピッチはｐ／
cosθ、マスク２０３上に形成されたマルチスリット状
パターンのピッチは投影光学系の倍率をｍ’とするとｐ
／（cosθ・ｍ’）となる。また、イメージセンサ２１
４上でのパターンのピッチはｐ・ｍとなる。

【００６２】図１１（ａ）（ｂ）に示すように試料１０
６上において反射率の異なる境界上で高さを検出する場
合、ラインイメージセンサ２１４上で検出される信号の
強度分布は試料の反射率分布に影響される。しかし、マ
ルチスリット状のパターンは、高さ検出範囲において鮮
明な像を保てる限りなるべく細いものを用いることによ
って、対象物の表面の反射率の分布に因る検出誤差を小
さく抑えることができる。なぜなら、検出誤差は試料の
反射率分布によるスリット像の重心の偏りによって生
じ、この偏りの絶対値はスリットの幅に比例して大きく
なるためである。図１１に示す実施例では、左から３番
めのスリットに、試料の境界による反射率のむらの影響
が出ているが、スリット幅が狭いために検出誤差は小さ
い。さらに、複数のスリットによる高さ検出値を用いる
ことによって、対象物起因の検出誤差、および、検出ば
らつきを低減することができる。

【００６３】また、図１０に示す実施例では、偏光フィ
ルタ２４０が投影レンズ２１０の前におかれて、Ｓ偏光
を選択的に投影するようにしている。これは、透明膜中
での多重反射による位置シフトを抑える効果と、領域間
での反射率の差異を小さくする効果をもつ。図１２に示
す様に、試料の表面が絶縁膜などのように光に対して透
明な膜で覆われているときに、透明膜のなかで投影光が
多重反射を起こして投影光の位置がシフトする現象が生
じる。Ｓ偏光の方がＰ偏光よりも透明膜の表面で反射し
やすいため、偏光フィルタ２４０の挿入によって多重反
射を起こしにくくなる。一方、図１３には、透明膜の一
例であるレジストとシリコンの反射率のグラフが示され
ている。ＲｓがＳ偏光の反射率、ＲｐがＰ偏光の反射
率、Ｒがランダム偏光の反射率である。このようにＳ偏
光の方が反射率の材質間の差異が小さくなる。また、こ
のグラフから読み取れるように、反射率は入射角が大き
いほど大きく、材質間の差が小さくなる。すなわち、パ
ターン境界での誤差を生じにくくなる。このため、入射
角θはなるべく大きいほうがよい。８０°以上が理想的
だが、少なくとも６０°以上の入射角を使用することが
望ましい。なお、偏光フィルタ２４０の位置は、必ずし
も投影レンズ２１０の前である必要はなく、光源２０１
と検出器２１４の間のどこに在ってもほぼ同じ効果を奏
する。また、光源２０１はレーザ光源や発光ダイオード
でもよいが、例えばハロゲンランプ、メタルハライドラ
ンプ、水銀ランプのような広帯域のランプの方がより望
ましい。または、複数の波長のレーザや発光ダイオード
をダイクロイックミラーを用いて混合してもよい。これ
は、単色光は、透明膜内で多重干渉を起こして投影光が
シフトしたり、材質や試料上のパターンによる反射率の
違いが大きくなって、大きい誤差を生じやすいためであ
る。また、図１０に示す実施例では、ラインイメージセ
ンサ２１４の前にシリンドリカルレンズ２１３がおかれ
ている。これは、ラインイメージセンサ２１４上に集光
し、検出光量を増すと共に、試料上の広い面積からの反
射光を平均化することによって誤差を減少するものであ
る。ただし、シリンドリカルレンズ２１３を用いること
は必須条件ではなく、必要性に応じて使用を決定すべき
ものである。

【００６４】次に、図１０に示した構成の高さ検出光学
系２７２を備えた高さ検出装置２００ａに接続された高
さ計算手段２００ｂにより試料面１０６ａの高さを検出
するアルゴリズムの一実施の形態について、図１４を用
いて説明する。ここで、簡単のため、検出光学系の倍率
ｍ＝１の場合について説明する。ｍ＝１でない場合はｐ
をｍ・ｐとすれば良い。

【００６５】スリットの総数をｎ、ピッチをｐ、検出波
形をｙ(ｘ)とする。高さｚ＝０の時の各スリットに対応
するピークの位置をｙｇｏ(ｉ)（ｉ＝０，・・・，ｎ−
１）とする。（ｙｇｏ(ｉ)＝ｙｇｏ(０)＋ｐ＊ｉの関係
がある。） ここで、スリットの総数ｎと、ピッチｐとは、既知の値
につき、高さ計算手段２００ｂに対して全体制御部１２
０から与えられる。また、高さｚ＝０の時の各スリット
に対応するピークの位置［ｙｇｏ(ｉ)（ｉ＝０，・・
・，ｎ−１）］については、高さ計算手段２００ｂは、
例えば標準試料１３０を用いて全体制御部１２０から設
定される高さｚ＝０のとき、高さ検出光学系２７２から
得られる検出波形ｙ(ｘ)に基づいて設定してもよい。ま
た、高さｚ＝０の時の各スリットに対応するピークの位
置［ｙｇｏ(ｉ)（ｉ＝０，・・・，ｎ−１）］について
は、例えば標準試料１３０を用いて全体制御部１２０か
ら設定される高さｚ＝０のとき、高さ検出光学系２７２
から得られる検出波形ｙ(ｘ)を、例えば全体制御部１２
０に備えられた表示手段１４３に表示するなどして、全
体制御部１２０においてマニュアルで設定し、それを高
さ計算手段２００ｂに提供することも可能である。

【００６６】次に、図１５に示すように、高さ計算手段
２００ｂによる被検査対象物（試料）１０６に対する高
さを検出するアルゴリズムについて説明する。 １．ステップＳ１５１において、リニアセンサ２１４か
ら得られる信号波形ｙ(ｘ)をスキャンし、最大値をとる
位置ｘmaxを求める。 ２．ステップＳ１５２において、ｘmaxから左右にピッ
チｐずつたどっていって、各ピークの概略の位置を求め
る。 ３．ところで、左端のピーク位置をｘ0とすると、ピー
クｉの概略の位置はｘ0＋ｐ＊ｉとなる。左右の谷の位
置は（ｘ0＋ｐ＊ｉ−ｐ／２，ｘ0＋ｐ＊ｉ＋ｐ／２）と
なる。

【００６７】ここで、簡単のため、検出光学系の倍率ｍ
＝１の場合について説明する。ｍ＝１でない場合はｐを
ｍ・ｐとすれば良い。

【００６８】そして、ｙminは、次に示す（数３０）式
で示すように、左右の谷のうち大きいほうによって求ま
る。 ｙmin＝ｍａｘ（ｙ(ｘ0＋ｐ＊ｉ−ｐ／２)，ｙ(ｘ0＋ｐ＊ｉ＋ｐ／２)） （数３０） 以上の関係から、ステップＳ１５３において、しきい値
（閾値）ｙthは、次に示す（数３１）式によって設定さ
れる。 ｙth＝ｙmin＋ｋ＊（ｙ(ｘ0＋ｐ＊ｉ)−ｙmin） （数３１） ｋは、０．３前後の定数である。

【００６９】４．ステップＳ１５４において、（ｘ0＋
ｐ＊ｉ−ｐ／２）と（ｘ0＋ｐ＊ｉ＋ｐ／２）との間で
ｙ(ｘ)＞ｙthとなる点に対してｙ(ｘ)−ｙthの重心を求
めてこれをｙｇ(ｉ)とする。 ５．ステップＳ１５５において、Δｇ(ｉ)＝（ｙｇ(ｉ)
−ｙｇｏ(ｉ)）の加重平均［ΣΔｇ(ｉ)／ｎ］をもとめ
てこれを像シフト（スリットの移動量［ΣΔｇ(ｉ)／
ｎ］）とする。

【００７０】そして、次に示す（数３２）式に基づくよ
うに、像シフトに検出ゲイン（１／(２ｍ・sinθ)）を
かけてオフセットを加えることによって高さｚを計算す
る。

【００７１】 ｚ＝［Δｇ(ｉ)の加重平均］×（１／(２ｍ・sinθ)）＋オフセット値 (数３２) ここで、上記ステップＳ１５５において加重平均を行う
理由とその方法の詳細な実施例については後述する。な
お、本実施例では、スリット像のピークを用いたが、代
りにスリット像間の谷を用いてもよい。すなわち、ｙ
(ｘ)＜ｙthとなる点に対してｙth−ｙ(ｘ)の重心を求め
て各谷の像の重心とし、これらの谷の像の移動量の平均
によって全体の像シフトを求める。これによって、次の
ような効果を奏する。検出波形は投影波形と試料表面の
反射率の積によってきまるため、スリット像の明るい部
分の方が、反射率のばらつきの影響が大きく、検出波形
の形状が変化しやすい。これに対して、波形の谷の部分
は試料表面の反射率に影響されにくい。このため、スリ
ット像間の谷の移動量の測定に基づく高さ検出アルゴリ
ズムによって、さらに、対象物の表面状態に起因する検
出誤差を低減することが可能である。

【００７２】さて、図１１に示した例では、スリットの
幅を小さくすると検出誤差は比例して減少するが、これ
には限界があり、ある限度以上スリットを細くしてもも
はやスリットは、イメージセンサ２１４上に鮮明には結
像されず、コントラストが落ちてくる。そこで、次に説
明するように、予め高さ検出光学系２７２を設計してお
く必要がある。即ち、図１５に示すステップＳ１５６
は、予め高さ検出光学系２７２を設計するための設計仕
様の条件を示したものである。目標とする高さ検出範囲
を±ｚmaxとすると、このときイメージセンサ２１４上
のマルチスリット像は、±２ｚmax・cosθだけデフォー
カスする。一方、試料面１０６ａ上に投影されたマルチ
スリット状のパターンの周期をｐ、検出レンズ２１５の
ＮＡ（Numerical Aperture）をＮＡとすると、この焦点
深度は、±ａ・０．６１ｐ／ＮＡとなる。そこで、スリ
ット周期ｐが次に示す（数３１）式の関係を満たすこと
が、常に、マルチスリット像が鮮明に検出できるための
設計条件である。ここで、ａは焦点深度を振幅がどこま
で低下した状態で定義するかによって定まる定数で、振
幅が１／２に落ちた状態で焦点深度を定義する場合、ａ
は約０．６である。このように、図１５に示すステップ
Ｓ１５１〜Ｓ１５５において、試料面１０６ａの高さｚ
を算出する際、常に、マルチスリット像が鮮明に検出で
きるための設計条件（（数３３）式の関係）に設定され
ている。 （２ｚmax・cosθ）＜（ａ・０．６１ｐ／ＮＡ） （数３３） 図１０に示す実施例では、投影絞り２１１が投影レンズ
２１０の前側焦点位置に、検出絞り２１６が検出レンズ
２１５の後側焦点位置におかれている。これは、投影レ
ンズ２１０と検出レンズ２１５とを試料側テレセントリ
ックにして、試料１０６の上下による倍率変動をなくす
るためである。

【００７３】ここで、試料面の高さ変位が大きい場合
に、この試料表面の反射率むらが高さ検出に与える影響
について説明する。簡単のため、図１６に示すスリット
光束が一本の場合の例で説明する。図１６（ａ）は高さ
検出光学系の焦点２７３と試料面１０６が一致している
場合、図１６（ｂ）は試料面の高さ変動によってデフォ
ーカスが生じている場合である。図１６（ｂ）に示すよ
うに、試料面１０６の高さがＺ変化すると高さ検出光学
系２７２全体の光路長が変化する。このとき、投影レン
ズ２１０と検出レンズ２１５は試料側テレセントリック
となっているために倍率変動は生じないが、投影光学系
２７０により形成されるマルチスリット像の結像位置２
７３と、検出光学系２７１においてセンサ面と共役な合
焦点位置２７４および、試料面２７５が一致しなくな
る。図１６（ａ）に示すように、投影光学系２７０の結
像位置および検出光学系２７１の合焦点位置が試料面で
合っている場合には、その表面にあるパターンの像によ
って、検出されるスリット光束の信号波形２７６は崩れ
るが、デフォーカスによる検出されるスリット光束の信
号波形における幅の増大などは生じない。これに対し、
図１６（ｂ）に示すようにデフォーカスした状態で試料
面２７５に投影されると、低反射率部における反射した
光線は暗くなり、図１６（ｂ）に示すように光束内に強
度分布を持つこととなる。また、検出光学系の焦点も合
っていないため、検出されるスリット光束による信号波
形２７７としては、デフォーカスによる振幅の低下やス
リット幅の増大を生じる。このような場合には、試料面
のパターンは殆ど解像しないが、光束内での強度分布の
影響を受けてスリット像全体がシフトするといった現象
が起きるため、図１６（ａ）に示した焦点の合った状態
よりも、図１６（ｂ）のデフォーカスした状態の方が更
に大きな検出誤差を生じる。このようなデフォーカスに
より生じる像のシフトが生じている場合に、スリット光
束の真の中心位置を正確に求めることは非常に困難であ
る。このように、試料表面の反射率むらにより生じる検
出誤差の大きさは、投影光学系および検出光学系の焦点
位置と試料表面との位置関係により変化する。このた
め、試料面高さによって検出精度が変化するという問題
が生じ、広い高さ検出範囲が必要な場合には問題とな
る。図１０に示したマルチスリット光束を検出する際に
も同様の現象が起きる。

【００７４】次に図１０に示す光学系における、試料面
高さとマルチスリット光束の関係について、図１７を用
いて説明する。図１７（ａ）は試料面１０６の高さが基
準位置にある状態を示し、図１７（ｂ）は試料面高さが
Ｚ変化した場合を示す。図１７（ａ）の状態では投影光
学系２７０のスリット光束の結像位置と検出光学系２７
１の合焦点位置は一致しており、且つ中央のスリット光
束Ｂの焦点位置（中間像の位置）Ｂ’は試料面上にあ
る。各スリット光束Ａ、Ｂ、Ｃの焦点位置Ａ’、Ｂ’、
Ｃ’とセンサ上の結像位置Ａ”、Ｂ”、Ｃ”とは光学的
に共役な関係となっている。また、図１７（ｂ）は簡単
のためスリット光束Ｂ、Ｃの光路のみ示しており、この
場合、光路長の変化によって投影光学系２７０と検出光
学系２７１の焦点位置は一致しないため、投影光学系２
７０と検出光学系２７１の２つの焦点位置の中間を、高
さ検出光学系全体の焦点位置としてＢ’、Ｃ’で図示し
てある。図１７（ａ）の３本のスリット光束Ａ、Ｂ、Ｃ
は、全て投影光学系２７０と検出光学系２７１の焦点位
置が一致しているが、特に焦点（中間像）位置が試料面
上の投影位置と一致するスリット光束Ｂでは、試料面パ
ターンのデフォーカスによる検出像の劣化が生じないた
め、他のスリット光束に比べて、反射率むらに起因する
高さ検出誤差は小さくなる。これに対し、図１７（ｂ）
に示すように高さ変位Ｚが生じると、スリット光束Ｂに
おける高さ検出光学系２７２としての焦点位置Ｂ’と試
料面上の投影位置２７５とは離れてしまい、そのかわり
にスリット光束Ｃにおける高さ検出光学系２７２として
の焦点位置Ｃ’が試料面での投影位置と一致するように
なる。この場合には、スリット光束Ｃの像が最も検出誤
差が小さくなる（しかし、高さ検出光学系２７２の全体
としてのデフォーカスの影響があるため、図１７（ａ）
の場合のスリット光束Ｂに比べると検出誤差は若干大き
くなる）。このように、試料面の高さによって、反射率
むらにより生じる検出誤差が最小となるスリット光束は
変化することから、試料面の高さに応じて検出誤差の小
さいスリット光束について選択的な処理をして高さ検出
を行えば、広い検出範囲においても比較的安定に高さ検
出を行うことができる。ここで、各試料面高さにおいて
検出誤差が最小となるスリット光束における焦点位置２
７９は、図１８に示すようになる。すなわち、高さ検出
光学系２７２としての検出誤差が最小となるスリット光
束における焦点位置２７９は、試料面の高さに関わらず
常に一定となるのである。

【００７５】次に、このような課題を解決する方法につ
いて説明する。図１０に示す高さ検出光学系２７２を備
えた高さ検出装置２００ａからマルチスリット像を得、
それを高さ計算手段２００ｂにおいて次に説明するよう
に処理することにより上記課題を解決することができ
る。即ち、図１８に示すように、中央のスリット光束を
０番として順にスリット番号０、±１、±２、．．、±
ｓ、．．、±Ｓとすると、焦点位置と試料面が一致する
スリット番号ｓｆは次に示す（数３４）式で求められ
る。ここで、ｚeは試料面の概略高さ、ｐは試料面上に
投影されたスリットピッチ、ｍ’は投影光学系２７０の
倍率であり、以後このスリットｓｆ(ｚ)を合焦点スリッ
トと呼ぶ（図１８に示す場合、合焦点スリットｓｆは番
号＋１のスリット）。

【００７６】 ｓｆ(ｚe)＝ｚe・sinθ／ｐ （ｓｆ(ｚe)は整数） （数３４） 即ち、図１９に示すように、高さ計算手段２００ｂは、
例えば、ラインイメ−ジセンサ２１４から得られる図１
４に示す信号波形ｙ(ｘ)から前述したステップＳ１５１
〜Ｓ１５５と同様なステップＳ１９１〜Ｓ１９５からな
る高さ検出アルゴリズムに基づいて、試料面１０６ａの
概略高さｚeを算出する。例えば、図１４で示した方法
により得られた各スリット像ｙ(ｘ)の移動量［Δｇ(ｉ)
＝（ｙｇ(ｉ)−ｙｇｏ(ｉ)）］を平均することで、誤差
の影響はあるが、試料面１０６ａの概略の高さｚeを知
ることができる。特にステップＳ１５５において、上記
（数３２）式に基づいて、試料面１０６ａの概略高さｚ
eを算出する。そして、図１９に示すステップＳ１９７
において、上記算出されたｚeに基づいて上記（数３
４）式より合焦点スリットｓｆ(ｚe)を求める。

【００７７】各スリット光束において反射率むら起因で
生じる検出誤差の大きさは、この合焦点スリットｓｆ
(ｚe)から離れるに従って連続的に大きくなっていく。
そこで、図１９に示すステップＳ１９８において、図１
４に示すようなマルチスリット光束による検出値ｙ(ｘ)
に対して、検出誤差の小さいスリット光束に対して大き
な重みを与えるような重み関数ｗ(ｓ)を決め、次に示す
（数３５）式に基づいて、検出誤差の小さいスリット光
束に対する選択的な処理である上記重み関数ｗ(ｓ)によ
る重み付けを行って加重平均することにより高精度な高
さ検出ｚを行う。

【００７８】上記重み関数ｗ(ｓ)として、例えば図２０
に示すように、ｓ＝０で最大値をとり、離れるに従って
重みが減少するようなｓ＝０の軸に対象な関数２８０を
用意する。ｚ＝［Δｇ(ｉ)＝（ｙｇ(ｓ)−ｙｇｏ(ｓ)）
について重み関数ｗ(ｓ−ｓｆ)に基づく重み付けによる
加重平均］×（１／(２ｍ・sinθ)）＋OFFSET値 ｚ＝Σ（Δｇ(ｓ)・ｗ(ｓ−ｓｆ)）／Σ（ｗ(ｓ−ｓｆ)）×（１／(２ｍ・sinθ )）＋OFFSET値 （Σは−Ｓ≦ｓ≦Ｓ） （数３５ ） 但し、Δｇ(ｓ)＝（ｙｇ(ｓ)−ｙｇｏ(ｓ)） ｙｇｏ(ｓ)（ｓ＝−((ｎ-1)／２)，−((ｎ-1)／２)＋
１，・・・，０，・・・，((ｎ-1)／２)−１，((ｎ-1)
／２)）は、高さｚ＝０の時の各スリットに対応するピ
ークの位置を示す。ｎはスリット光束の総数、ｐは試料
面上におけるスリット光束のピッチである。ｙ(ｘ)はイ
メージセンサ２１４から検出される検出波形である。ｙ
ｇ(ｓ)は、ステップ１９４において求まるｙ(ｘ)＞ｙth
となる点に対する（ｙ(ｘ)−ｙth）の重心である。閾値
ｙthは、ステップＳ１５１〜Ｓ１５３と同様にステップ
Ｓ１９１〜Ｓ１９３において、上記（数３０）式および
（数３１）式によって求めることができる。

【００７９】以上説明したように（数３５）式を用い
て、合焦点スリットｓｆの移動量に重きを置いた加重平
均を行うことにより、試料面高さの変位が大きい場合に
おいても比較的安定な高さ検出精度を得ることができ
る。このとき、ステップＳ１９６に示すように、高さ検
出範囲全体において合焦点スリットが存在するために
は、スリット本数ｎ、スリットピッチｐ、高さ検出範囲
ｚrange（ｚmax）は次に示す（数３６）式を満たさなけ
ればならない。なお、ステップＳ１９６は、図１５にス
テップＳ１５６で示すのと同様に、予め高さ検出光学系
２７２を設計するための設計仕様の条件を示すものであ
る。

【００８０】 （ｎ−１）・ｐ／ｓｉｎθ ≧ ｚrange （数３６） 更に、この加重平均の方法に関する詳細な実施例につい
て説明を行う。はじめに重み関数ｗ（ｓ）の選び方につ
いて説明する。先に説明したように、図１０に示すマル
チスリット光束を用いた高さ検出光学系２７２では、試
料面１０６ａの高さによって各スリット光束における誤
差の生じ方が変化する。そこで、マルチスリット光束を
用いて、各々の高さにおいて最も検出誤差の小さいスリ
ット光束のみを選択する事によって、従来の一本のみの
スリット光束を用いる場合に比べ、広範囲において比較
的安定な高さ検出精度を実現することができる。この場
合は誤差最小のスリット光束のみを選択するため、先の
重み関数ｗ(ｓ)として、図２０に示すｗ２（ｓ）２８１
となる。この重み関数ｗ２（ｓ）２８１は、ｓ＝０にお
いて１、ｓ＝０以外は全て０である。

【００８１】しかし、図２０に示したような重み関数ｗ
（ｓ）２８０を用いて複数のスリットの検出値の加重平
均をとることでさらに安定で高精度な高さ検出を実現す
ることができる。次に図２０の重み関数ｗ（ｓ）２８０
を用いた場合の実施例について説明する。試料表面の反
射率むら起因誤差は、高さ検出光学系のデフォーカスに
よりその大きさが変化するが、高さ検出光学系のデフォ
ーカスが生じていても、試料面の反射率が均一であれば
誤差は生じない。つまり、図１１に示したように、反射
率むら起因の誤差を生じるのはパターンの境界部などに
スリット光が投影されている場合のみである。このた
め、デフォーカスしているスリットであっても、試料面
の反射率むらの影響のないものであれば、多くのスリッ
トを用いて平均処理を行うことで、境界部の誤差の影響
の低減や、その他のノイズなどによる誤差の影響を低減
することができる。検出波形の対称性などを用いて投影
されたスリット光がパターン境界にかかっているか否か
を判断することができれば、そのスリットの検出値を除
くことにより高精度な高さ検出が行えるが、図１６
（ｂ）で示したように、高さ検出光学系２７２のデフォ
ーカスが生じた状態では、試料面の像は解像しないた
め、パターン境界の影響を判断することは困難である。
これに対し、反射率むらに起因して大きな誤差を生じる
デフォーカス状態のスリット光束に対して重みを小さ
く、誤差を生じにくいフォーカス状態のスリット光束に
対して重みを大きくして加重平均を行えば、デフォーカ
スによる誤差の増大の影響を防ぎ、且つ多くのスリット
を使用することによる誤差低減の効果を得ることができ
るのである。即ち、スリット状光束（格子状光束）の光
像の結像状態に適合するように重み関数ｗ（ｓ）に基づ
く重み付け処理（例えば加重平均）を施すことによって
検出誤差の低減を図ることができる。

【００８２】図２１は本方式を用いた場合の高さ検出結
果の一例を示す図である。図２１（ａ）は、スリット状
光束（格子状光束）の光像の結像状態を示す合焦点スリ
ット番号ｓｆ＝−３とした場合の重み関数ｗ（ｓ−ｓ
ｆ）を示した図であり、横軸はスリット番号ｓを示す。
図２１（ｂ）は、合焦点スリットｓｆ（−３）の投影位
置に試料表面のパターン境界がある場合における試料面
の高さに対応するスリット移動量［ｙｇ(ｓ)−ｙｇｏ
(ｓ)］を示す。試料表面は平らで、検出誤差が無い場合
における平均スリット移動量を０として示しているた
め、縦軸は検出誤差となる。四角は、各スリット番号に
よる検出誤差を示す。パターン境界に投影されているス
リット番号ｓｆでは、合焦点状態であるにもかかわら
ず、パターンの影響を受けて、比較的大きな検出誤差を
生じる。また、図２１（ｃ）は、パターン境界がスリッ
ト番号＋４の投影位置にある場合における試料面の高さ
に対応するスリット移動量［ｙｇ(ｓ)−ｙｇｏ(ｓ)］を
示す。試料表面は平らで、検出誤差が無い場合における
平均スリット移動量を０として示しているため、縦軸は
検出誤差となる。四角は、各スリット番号による検出誤
差を示す。スリット番号が＋４で示されるパターン境界
部は、合焦点スリットｓｆから離れ、デフォーカスの状
態であるため、図２１（ｂ）に比べ、大きな検出誤差を
生じる。

【００８３】図２１（ｂ）および図２１（ｃ）の各々に
示す場合において、スリット移動量［Δｇ(ｓ)＝（ｙｇ
(ｓ)−ｙｇｏ(ｓ)）］を単純平均した結果を鎖線で示
し、図２１（ａ）に示した重み関数ｗ（ｓ−ｓｆ）を用
いて上記（数３５）式で示すような加重平均を行った結
果を一点鎖線で示す。図２１（ｂ）に示す場合では、誤
差の生じている合焦点スリット光束ｓｆ＝−３に大きな
重みを与えるため、加重平均の場合の検出誤差は単純平
均よりわずかに大きくなるが、合焦点スリット光束ｓｆ
＝−３のみを用いる場合の検出誤差（四角で示される検
出誤差）より誤差が低減される。これに対し、図２１
（ｃ）に示す場合は、パターン境界におけるスリット光
束がデフォーカスしているため、非常に大きな検出誤差
を生じ、単純平均では、検出誤差を十分に低減すること
ができない。これに対して図２１（ａ）に示す重み関数
ｗ（ｓ−ｓｆ）を用いて上記（数３５）式で示すような
加重平均を行った結果では、検出誤差は殆どゼロとな
る。このように、上記（数３４）式で示されるように高
さ（ｚe）に応じて得られる結像状態である合焦点スリ
ットｓｆに適合するように重み付けを行うことにより、
広い検出範囲において、安定で高精度な高さ検出を実現
することができる。単純平均を行った結果と、本実施の
形態によって加重平均を行った場合の高さ検出結果を比
較すると、本実施の形態ではパターン境界部における誤
差を５０％以下に低減することができた。

【００８４】次に、この重み関数ｗ（ｓ）は図２０に示
した２種類の他にも合焦点スリット周辺の数本を選択す
るものやガウス関数の標準偏差を変更したものなど、様
々なものが考えられる。これらの重みはデフォーカスに
より生じる誤差が許容できない大きさになるスリット光
束に対する重み付けが十分低くなるように設定すれば良
い。通常、デフォーカスの影響は連続的に変化するた
め、ｗ（ｓ）２８０のような連続的な関数を用いて多く
のスリットによる検出値を用いる方が安定な結果を得る
ことができる。各スリットにおいて、デフォーカスによ
り生じる誤差を測定すれば、各スリットによる検出値の
信頼性の指標とすることができる。例えば、検出誤差の
標準偏差を求め、その逆数を信頼性の評価値として、そ
れに比例した重みを与えるような関数を用いて加重平均
をすれば、精度の良い高さ検出値が得られる。このよう
に、光学系の仕様や目標精度に応じて適切な重み関数を
選択すれば良い。このとき、スリット光束の幅が同じ
（デフォーカスの条件が同じ）であれば、スリットピッ
チｐが小さいほど、使用できるスリット本数ｎが増え、
マルチスリットの効果を大きく得ることができる。ま
た、先に述べたように、スリット幅は可能な限り細いも
のを使用することで、反射率むら起因の誤差を低減する
ことができる。

【００８５】次に、図２１を用いて、試料面１０６ａが
傾いている場合に、高さ検出に与える影響について説明
する。図２２は、図１０の一部拡大図で、２１０は投影
レンズ、２１５は検出レンズである。検出レンズ２１５
によるイメージセンサ２１４の共役面あるいは合焦面を
２１８とすると、この共役面２１８上の投影光のシフト
がイメージセンサ２１４上では検出される。試料面１０
６ａの高さがｚだけ高くなると、検出光はデフォーカス
した状態で試料上で反射することとなる。さらに試料面
１０６ａが角度εradだけ傾くと、いわゆる光てこ効果
により２１７で反射した検出光は２εradだけ余分に傾
く。するとイメージセンサの共役面２１８上での検出光
の位置は２εｚ・cos（π−２θ）／cosθだけ移動す
る。この移動量を高さに変換するために１／２sinθを
かけると、試料１０６の傾きεradによって高さ検出値
は−２εｚ／tan２θ変化することとなる。これに対
し、傾きεradによって生じるスリット光投影位置２１
７と、試料面１０６ａと検出光学系の合焦面２１８との
交点２８２との高さ変位も−２εｚ／tan２θとなる。
すなわち、光てこ効果による検出像の移動と傾きにより
生じる実際の高さ変化が互いに打ち消し合うのである。
スリット光束が投影される領域近傍の微少な範囲であれ
ば、試料面はほぼ平面であると考えられることから、常
にこのような条件が成り立ち、試料面１０６ａの傾きε
に関わらず、検出光学系の合焦面２１８と試料面１０６
ａの交点２８２に相当する高さが検出される。これは、
マルチスリットにより高さ検出を行う場合も同様であ
り、複数のスリットの移動量は、全て同じ点の高さを示
すこととなる。ここで、以下の点に留意する必要があ
る。図２３に示すように、先の交点２８２とスリット光
束の投影位置２１７の間に、試料表面の段差などがある
場合には、検出される高さにこの段差が加わることにな
る。このように、図１０に示す光学系により検出される
マルチスリットの移動量のばらつきは、各スリット投影
位置の段差と検出誤差に因るものであり、傾きの影響は
受けない。もしも、マルチスリットによる高さ検出値が
各スリット光投影位置の高さを反映するのであれば、先
の加重平均を行うと、その傾きによって検出値にオフセ
ットを生じることとなるが、このような理由により傾き
の影響は無く問題はない。

【００８６】また、図１０に示すように、試料面の高さ
変化ｚにより、スリット光束の投影位置２１７が高さを
検出したい位置１１０よりｚ・tanθだけずれる。各ス
リットの検出値は試料面の段差を検出するため、投影位
置ずれにより高さ検出誤差を生じることとなる。しか
し、図１８からわかるように、重みを置くスリット（合
焦点スリット）の投影位置は試料面の高さに関わらず常
に一定であるため、上記（数３５）式に基づく先の重み
付け加重平均の処理を行うことによって、この投影位置
ずれの補正をも実現できるのである。

【００８７】また、要求される検出精度に対して、試料
表面に存在する段差が小さい場合には、図２２に示す試
料面の傾きによって生じるスリット光束の投影位置ずれ
は特に問題とならない。このような場合には、マルチス
リットの各移動量Δｇ(ｉ)から誤差の大きいもののみを
取り除くことで、検出精度の向上がはかれる。先述のよ
うに、マルチスリットの移動量のばらつきは、各スリッ
ト投影位置の段差と検出誤差に因るものである。そこ
で、段差が問題とならない程小さければ、得られたマル
チスリットの移動量のうち、大きく値の異なるものはパ
ターン境界における検出誤差を大きく含むものと推定さ
れる。そこで、はじめに得られた各スリットの移動量を
単純に平均し、その平均値と最も大きく値が異なるもの
を反射率むら起因の誤差を含んでいるもの判断して、こ
れを取り除いて再度平均を行う。これを、残ったスリッ
トの移動量の最大最小の差がある一定の値（しきい値）
以下になるまで繰り返せば、誤差の大きなスリットを除
いた処理が行える。このしきい値は、試料面に存在する
段差の大きさを考慮して決めればよい。この処理では、
選択されるスリットが不定となってしまうため、加重平
均を行う場合のような投影位置ずれの補正の効果は得ら
れない。また、試料面に大きな段差がある場合や、検出
器の電気ノイズなど他の要因による誤差が大きい場合に
は不安定な結果を示すおそれがあるため、このような場
合には図２０あるいは図２１で示したような加重平均処
理を用いた方法の方がより良い結果を得られる。

【００８８】次に、先の実施例における加重平均処理の
実施例について説明する。合焦点スリットを求め、加重
平均の際の重み付けを行うためには、試料面の高さｚe
が必要（（数３４）式参照）であるが、ここで必要なｚ
eはスリット選択のための概略の値でよいため、単純平
均によって求めた高さ検出値、または、前回求めた高さ
をｚeとして用いればよい。これらの処理を実現する高
さ検出手段の構成例を以下に説明する。なお、処理時間
が問題とならないのであれば、これらと等価な処理はソ
フトウェアでも実現することができる。

【００８９】図２４は、高さ計算手段２００ｂによっ
て、スリット移動量の単純平均によって合焦点スリット
の選択を行って試料面の高さを算出する場合の実施例を
示す図である。ラインイメージセンサ２１４により検出
されたマルチスリット画像検出信号ｙ(ｘ)２４８は、ス
リット位置検出部２８３によって処理され、各スリット
の位置２８４が計算される。ここで、スリット位置検出
部２８３は、画像処理により各スリット位置を検出する
手段であり、例えば図１９に示したステップＳ１９１〜
Ｓ１９４に示す処理を行うことによりスリット移動量ｙ
ｇ(ｉ)を算出する。これら算出されたスリット位置ｙｇ
(ｉ)２８４と、予め記憶しておいた基準高さにおけるス
リット位置ｙｇｏ(ｉ)２８５の差を減算器２８６により
求めて、各スリットの移動量［Δｇ(ｉ)＝（ｙｇ(ｉ)−
ｙｇｏ(ｉ)）］２８７を得る。このスリット移動量２８
７を記憶手段２８９にて一旦記憶しておき、これらの値
を加重平均演算部２９０へ入力する。加重平均演算部２
９０では、はじめに単純平均（全ての重みが等しい加重
平均）［ΣΔｇ(ｉ)／ｎ＝Σ（ｙｇ(ｉ)−ｙｇｏ(ｉ)）
／ｎ］を行う。単純平均の結果は検出誤差を含むが、試
料面１０６ａの高さの概略値ｚeに相当するスリット移
動量（例えば（数３４）式に基づいて合焦点スリットｓ
ｆ(ｚe)を算出する。）２９６が得られる。この単純平
均の結果（例えば合焦点スリットｓｆ(ｚe)）はセレク
タ２９２に入力され、その結果に基づいて重み係数選択
部２９３によって重み係数ｗ(ｓ−ｓｆ)２９４を決定す
る。重み係数ｗ(ｓ)は予めテーブル２９５に記憶してお
き、スリット移動量（例えば合焦点スリットｓｆ(ｚ
e)）２９６に応じて、適切なものを選択する。この選択
された重み係数ｗ(ｓ−ｓｆ)２９４を加重平均演算部２
９０へ入力すると、加重平均演算部２９０はこの重み係
数ｗ(ｓ−ｓｆ)２９４と記憶しておいたスリット移動量
［Δｇ(ｓ)＝（ｙｇ(ｓ)−ｙｇｏ(ｓ)）］２８７とを用
いて、加重平均［Σ（Δｇ(ｓ)・ｗ(ｓ−ｓｆ)）／Σ
（ｗ(ｓ−ｓｆ)）］によるスリット移動量（Δｇ）２９
７を算出する。この結果（Δｇ）に乗算器２９８を用い
て［１／（２ｍ・sinθ）］を乗じ、オフセット値を加
えて、高さ情報ｚ２９９に変換し、全体制御装置１２
０、および焦点制御装置１０９へと出力される。

【００９０】図２５は、高さ計算手段２００ｂによっ
て、前時刻の検出値を用いて重みづけを行って試料面の
高さを算出する場合の実施例を示す図である。図２４と
同様にスリットの移動量［Δｇ(ｉ)＝（ｙｇ(ｉ)−ｙｇ
ｏ(ｉ)）］２８７を検出するが、検出値の記憶は行わ
ず、その結果を加重平均部２９０へ入力する。一方、重
み係数選択部２９３には、遅延回路３００により遅延さ
れた前時刻におけるスリット移動量［Δｇ(ｓ)］３０１
が入力され、重み係数ｗ(ｓ−ｓｆ)２９４を決定し、加
重平均部２９０に入力される。こうして、１時刻前のス
リット移動量３０１に基づいて決定された重み係数ｗ
(ｓ−ｓｆ)２９４を用いて、現時刻におけるスリット移
動量［Δｇ(ｓ)］２８７に対して加重平均［Σ（Δｇ
(ｓ)・ｗ(ｓ−ｓｆ)）／Σ（ｗ(ｓ−ｓｆ)）］を行い、
スリットの移動量（Δｇ）２９１を検出し、この結果
（Δｇ）に乗算器２９８を用いて［１／（２ｍ・sin
θ）］を乗じ、オフセット値を加えて、高さ情報ｚ２９
９に変換し、全体制御装置１２０、および焦点制御装置
１０９へと出力される。即ち、１時刻前のスリット移動
量と現時刻のスリット移動量との間に試料面の高さに換
算して数１０μｍ程度以下の変動に抑制することができ
るので、１時刻前のスリット移動量３０１に基づいて重
み係数ｗ(ｓ−ｓｆ)２９４を決定したとしても、問題が
なく試料面の高さにおける検出誤差として数μｍ程度以
下を実現することができる。

【００９１】次に、図２６を用いて試料１０６の高さの
２次元分布を求める実施例について述べる。光源２０１
を出射した光は、例えば長方形状のパターンの反復した
パターンの描かれたマスク２０３”を照明する。これ
は、投影レンズ２１０によって試料１０６上の２１７の
位置に投影される。試料上に投影されたマルチスリット
パターン２１７は検出レンズ２１５でＣＣＤ等の２次元
イメージセンサ２１４”上に結像される。検出系の倍率
をｍとすると、試料の高さがｚだけ変化するとスリット
像は２ｍｚ・sinθだけシフトする。このシフト量はス
リットが試料を照射する点の高さを反映しているので、
これを利用して、マルチスリットの照射範囲における試
料面１０６ａの高さ分布を検出することが可能になる。
さて、図２６に示す実施例では、絞り２１１が投影レン
ズ２１０の前側焦点位置に、絞り２１６が検出レンズ２
１５の後ろ側焦点位置におかれている。これは、レンズ
２１０と２１５を試料側テレセントリックにして、試料
１０６の上下による倍率変動をなくするためである。こ
れによって試料面１０６の高さ変化に伴う倍率変動をお
さえ、検出リニアリティーを向上することができる。ま
た、図２６に示す実施例のように、偏光フィルタ２４０
を投影レンズ２１０の前に加えて、Ｓ偏光を選択的に投
影するようにしてもよい。これは、絶縁膜等に形成され
たパターンについて、ＳＥＭ画像に基づいて検査する場
合、絶縁膜が透明膜であるため、該透明膜中での多重反
射を防止し、材質間での反射率の違いを抑えて検査でき
るようにするためである。偏光フィルタ２４０の位置は
必ずしも投影レンズ２１０の前である必要はなく、光源
２０１と検出器２１４”の間のどこに在ってもほぼ同じ
効果を奏する。

【００９２】ここで、簡単のため、検出光学系の倍率ｍ
＝１の場合について説明する。ｍ＝１でない場合はｐを
ｍ・ｐとすれば良い。

【００９３】次に、高さ計算手段２００ｂにおいて実行
するマルチスリット移動量の検出アルゴリズムについ
て、図１５および図１９と異なる実施例について説明す
る。図２７は周期波形の位相変化φを検出する方法を示
している。マルチスリット状のパターンのピッチをｐと
すると位相変化φ（ｒａｄ）は移動量ｐφ／２πに対応
し、これは、高さ変化ｐφ／（２πｍ・ｓｉｎθ）に対
応することから、高さ検出は周期波形の位相変化を検出
することに帰結される。高さ計算手段２００ｂにおける
高さ検出は、積和演算によって実現できる。すなわち、
検出波形をｙ（ｘ）とし、関数ｇ（ｘ）＝ｗ（ｘ）ｅｘ
ｐ（ｉ２πｘ／ｐ）との積和を求め、この結果の位相を
求めればよい。ここで、ｉは虚数単位、ｗ（ｘ）は重み
関数であり、適当な実数の相関関数である。この相関関
数ｗ（ｘ）がガウス関数である時、ｗ（ｘ）は特にガボ
ールフィルターと呼ばれるが、両端でなめらかに消失す
る関数であればｗ（ｘ）はどんな関数でもよい。上の説
明では複素関数を用いていたが、実数で表すと以下のよ
うになる。

【００９４】即ち、ｇｒ（ｘ）＝ｗ（ｘ）・cos（ｉ２
πｘ／ｐ）とｇｉ（ｘ）＝ｗ（ｘ）・sin（ｉ２πｘ／
ｐ）とを夫々ｙ（ｘ）と積和し、その結果をそれぞれＲ
とＩとする。するとｙ（ｘ）の位相は次に示す（数３
７）式の関係から得られる。当然位相の変化も（数３
７）式に基づいて得られることになる。 φ＝arctan（Ｉ／Ｒ） （数３７） ただし、この位相は−π〜πで折り返してしまうので、
前回の検出位相から飛びが生じないよう追跡をして、位
相をつなぎ合わせるか、別途ピークの概略位置を求め
て、位相の２πオーダーの概略値を求める。なお、重み
関数ｗ（ｘ）のは先の実施例における加重平均と同様
に、スリット状光束（格子状光束）の光学像の結像状態
である合焦点スリットに重みが付くように決定してやれ
ばよい。次に、高さ計算手段２００ｂにおいて実行する
別のスリット移動量測定アルゴリズムの実施例について
図２８を用いて説明する。図１５および図１９に示す実
施例では重心を用いてスリット像の変位を計測していた
が、本方法では、スリット像のエッジの位置をもとに高
さに換算する。まず図１５および図１９に示す実施例と
同様に各スリットのピークの概略位置（ｘ0＋ｐ＊ｉ）
と両側の谷の位置（ｘ0＋ｐ＊ｉ−ｐ／２，ｘ0＋ｐ＊ｉ
＋ｐ／２）を求め、その振幅［ｙ(ｘ0＋ｐ＊ｉ)−ｙ(ｘ
0＋ｐ＊ｉ−ｐ／２)，またはｙ(ｘ0＋ｐ＊ｉ)−ｙ(ｘ0
＋ｐ＊ｉ＋ｐ／２)］から適当な閾値ｙthを求める。

【００９５】次に、この閾値ｙthを挟む２点を探し（ｘ
_j、ｙ_j）、（ｘ_j+1、ｙ_j+1）とする。すると、この二点
を結ぶ線分と閾値が交差する点のｘ座標は、ｘ_j＋{（ｘ
_j+1−ｘ_j）＊（ｙth−ｙ_j）／（ｙ_j+1−ｙ_j）｝で表さ
れる。この操作をスリットの左右の傾斜部それぞれにつ
いて行い、それぞれ閾値と線分の交点の位置を求め、そ
の中点をスリット光束ｉの位置ｙｇ(ｉ)とする。上記方
法は全てスリット光束の位置ｙｇ(ｉ)を求めるという前
提で説明したが、かわりに、スリット間の遮光部、すな
わち、検出波形の谷の位置を求めて、この位置の移動を
検出することによって試料の高さｚを求めることも可能
である。このようにすると次のような効果を奏する。試
料表面の反射率分布による検出マルチスリットパターン
の波形の乱れは、マルチスリット像の山部に反射率境界
が一致した場合の方が、谷部に一致した場合に比べて大
きくなる。これは、検出される光量分布が試料反射率が
一定の時の光量分布と試料の反射率の積によって定まる
ためである。そのために明るい部分の方が同じ反射率の
変化に対する検出光量の変化が起きやすくなる。そこ
で、波形の乱れの小さい谷部の位置を求めた方が、試料
の反射率の状態に左右されずに、小さい誤差でスリット
像の位置を検出し、試料の高さを検出することが可能に
なる。谷部の位置を検出する方法としては、符号を反転
した波形−ｙ（ｘ）に対して図１５および図１９に示す
重心を求めるアルゴリズム、図２８に示す閾値ｙthを横
切る点を補間で求めるアルゴリズム等を利用すればよ
い。

【００９６】次に測定位置ずれによる検出誤差について
説明する。図１０に示す実施例では、電子光学系視野中
心と高さ測定位置１１０とが一致していたが、図２９に
示すように電子光学系視野中心２９１と高さ測定位置１
１０の間に偏差がある場合には、試料面１０６ａの傾き
により誤差を生じることとなる。そこで測定位置のずれ
量が明らかな場合に、検出値を補正して電子光学系視野
中心の正しい高さを求めることのできる高さ検出方法の
実施例について以下に説明する。図２２に示す実施例で
述べたように、斜方から投影したスリット光束を試料面
１０６ａで反射させ、その像の移動量により試料面の高
さｚを求める方法では、試料面１０６ａの傾きεに関わ
らず高さ検出位置は、試料面１０６ａとセンサの共役な
面２１８との交点２８２であった。そこで、図３０に示
すように、スリット２０３を用いて２つのスリット光束
Ａ、Ｂを試料面１０６ａに投影し、それらの反射光の各
々をセンサ２１４ａ、２１４ｂの各々で検出する。この
とき、ガラス板３０２、３０３により光路長を変化さ
せ、それぞれのスリット光束Ａ、Ｂについて、それぞれ
試料面上の投影位置（近接した異なる位置）が、投影光
学系２７０の結像位置および検出光学系２７１の合焦点
位置と一致するようにする（Ａ’およびＢ’）。このよ
うにすると、１つの高さ検出光学系で２箇所の高さ検出
を同時に行うことができる。これら各センサ２１４ａ、
２１４ｂからの検出値を単純に平均すれば、Ａ’とＢ’
の中間点Ｃの高さを検出することができる。また、図３
１に示すように、この光学系によって検出された２点の
高さｚA，ｚBを元に、試料面１０６ａの傾きεが求めら
れる。２つの検出位置周辺の狭い範囲では試料面は平面
であると考えられるため、近傍にあり、高さ検出器測定
位置１１０に対する電子光学系視野中心２９１の位置ず
れ量等に基づく明確な任意の点（図３１においては黒丸
で示す。）の高さを検出することができる。

【００９７】図３０に示す実施例のように、測定点１点
につき１本のスリット光のみを用いる場合は、図３２に
示すように、検出器としてリニアセンサの他に分割セン
サやＰＳＤなどを利用することもできる。図３２の実施
例では、各スリット光束Ａ，Ｂを検出するために、実際
のセンサ位置を異ならしめた分割センサ等から構成され
た２つの検出器２１４’ａ、２１４’ｂを用いることが
可能となる。この実施例の場合、ガラス板３０２、３０
３は不要となる。また、広範囲な高さ検出が必要な場合
には、図３０におけるスリット２０３から得られる２つ
のスリット光束Ａ、Ｂの夫々を、マルチスリットにし
て、先の実施例と同様に用いればよい。

【００９８】また、図３０の実施例に比べると検出精度
は落ちるが、同様に２箇所の高さから検出値を補正する
方法を図３３に示す。図３３では、投影する光束Ａは１
本であるが、試料面１０６ａで反射したスリット光束を
ビームスプリッター３０５で分岐し、距離の異なる位置
に２つのリニアセンサ２１４”ａ、２１４”ｂを配置す
る。このとき、投影光は試料面１０６ａで結像させる。
また検出光学系において２つのセンサ２１４”ａ、２１
４”ｂの夫々の共役面（合焦点面１、２）がスリット光
の投影位置を中心に対称になるように２つのセンサ２１
４”ａ、２１４”ｂを配置する。すると、２つのセンサ
２１４”ａ、２１４”ｂの夫々で検出される検出位置
１、２は、これら共役面（合焦点面１、２）と試料面１
０６ａの交点であるから、図３３に示すように２点の高
さをそれぞれ検出することとなる（図３３では、センサ
２１４”ａに合焦面１、検出位置１が、センサ２１４”
ｂに合焦面２、検出２が対応する。）。そこで図３１の
実施例と同様に、これらの検出値を補正して、所望の位
置の高さを検出することができる。図３０の実施例の場
合と異なり、図３３の実施例では、投影光学系２７０の
結像位置と検出光学系２７１の合焦点位置が一致しない
ため、デフォーカスによって試料面の反射率むら起因誤
差は若干大きくなる。図３３の実施例のように、１本の
スリット光のみＡを用いる場合は、検出器としてリニア
センサの他にＰＳＤや分割センサなどを利用することも
できる。また、図３３におけるスリットをマルチスリッ
トにして、先の実施例と同様に加重平均を行うことで精
度向上も可能である。また、図２６の実施例と同様に２
次元のセンサ２１４”を用いて、試料面１０６ａの２次
元高さ分布を求めることも可能である。

【００９９】次に、このような位置補正の機能を用いた
電子線式検査装置の実施例について説明する。図３およ
び図４に示すＳＥＭ画像に基づく外観検査の場合には、
ある程度広い領域に亘って２次元のＳＥＭ画像を取り込
む必要があるため、ステージ１０５を連続移動しなが
ら、ビーム偏向器１０２を駆動して電子線をステージ１
０５の移動方向とほぼ直交する方向に走査して二次電子
検出器１０４で２次元の二次電子画像信号を検出する必
要がある。即ち、ステージ１０５を例えばＸ方向に連続
移動しながら、ビーム偏向器１０２を駆動して電子線を
ステージ１０５の移動方向とほぼ直交するＹ方向に走査
し、次にステージ１０５をＹ方向にステップ移動させ、
その後ステージ１０５をＸ方向に連続移動しながら、ビ
ーム偏向器１０２を駆動して電子線をステージ１０５の
移動方向とほぼ直交するＹ方向に走査して二次電子検出
器１０４で２次元の二次電子画像信号を検出する必要が
ある。

【０１００】この実施の形態においても、常に高さ検出
装置２００により二次電子画像信号を検出する被検査対
象物１０６の表面の高さを求めて自動焦点制御を行っ
て、正しい検査結果を得る必要がある。

【０１０１】しかしながら、高さ検出光学装置２００ａ
におけるイメージセンサ２１４の画像蓄積時間、高さ計
算手段２００ｂの計算時間、焦点位置制御装置１０９の
応答性等により、焦点制御に遅れが生じることになる。
そこで、焦点制御に遅れが生じても、二次電子画像信号
を検出する被検査対象物１０６の表面に正確に焦点を合
わせることが必要となる。焦点制御の時間遅れの間にス
テージ１０５が移動するため、図２９に示した例と同様
の位置ずれが生じることとなる。そこで、先ほどの図３
０あるいは図３２あるいは図３３に示した高さ検出装置
を用いた位置ずれ補正により、この焦点制御時間遅れに
よる位置ずれを補正すればよい。例えば、図３０におい
てステージ１０５を右方向から左方向へと連続移動させ
るものとする。この場合、図３４に示すように、予め上
記遅れ時間を考慮して高さ計算手段２００ｂは上方観察
系視野中心１１０より若干右方の高さを算出し、この算
出された高さに基づいて、焦点制御装置１０９によって
対物レンズ１０３への焦点制御電流または焦点制御電圧
を制御して焦点合わせ制御をすればよい。必要な検出位
置のシフト量は、上記遅れ時間Ｔとステージ１０５の走
査速度（移動速度）Ｖの積ＶＴとなる。このずれ量ＶＴ
を先の図３１に示した方法により補正すればよい。この
ような手段により、焦点制御に遅れが生じても、高さ計
算手段２００ｂは二次電子画像信号を検出する被検査対
象物１０６の表面の高さを算出することになるので、焦
点制御装置１０９によって対物レンズ１０３への焦点制
御電流または焦点制御電圧を制御して二次電子画像信号
を検出する被検査対象物１０６の表面に正確に焦点合わ
せをすることが可能となる。このとき、時間遅れにより
生じた検出位置ずれが生じても、図３４に示すように、
検出位置３４１が２つの検出位置（スリットＡの検出位
置３４２とスリットＢの検出位置３４３）の間に入るよ
うにセンサ２１４ａ〜２１４”ａ、２１４ｂ〜２１４”
ｂの検出位置間隔を設定しておけば、位置ずれ補正は必
ず２点の内挿補間となり、安定な検出が可能となる。

【０１０２】図３４に示した実施例では、ステージ２の
走査方向とマルチスリットの投影―検出方向がほぼ平行
という前提の検出時間遅れ補正方法を示したが、次にス
テージの走査方向とマルチスリットの投影―検出方向に
かかわらず、使用できる検出時間遅れ補正方法について
説明する。ラインイメージセンサ２１４、２１４”は、
ある時間Ｔ１の間に蓄積した画像信号を出力するので、
Ｔ１の期間の平均的な画像が得られると考えて良い。即
ち、ラインイメージセンサ２１４、２１４”から得られ
るデータは、Ｔ１／２の時間遅れをもつ。更に、画像
を、計算機から構成される高さ計算手段２００ｂで処理
するために、一定の時間Ｔ２が必要である。合計で、
（Ｔ１／２）＋Ｔ２の時間だけ、過去の情報を高さ検出
値は示していることになる。高さ計算手段２００ｂは、
図３５に示すように、一定の間隔で得られる検出値をＺ
_-m，Ｚ_-(m-1)，…Ｚ_-2，Ｚ_-1，Ｚ₀とすると、これらの
データから現在の高さＺ_cを推定することができる。例
えば、図３５で示すように、最新の検出値Ｚ₀と一つ前
の目の検出値からこれを直線で外挿補間して次に示す
（数３８）式によって求めることができる。

【０１０３】 Ｚ_c＝Ｚ₀＋（(Ｚ₀)−(Ｚ_-1)）×（(Ｔ₁／２)＋Ｔ₂）／Ｔ₁ （数３８） 勿論、外挿補間直線を３ヶ以上の点Ｚ_-m，Ｚ_-(m-1)，…
Ｚ_-2，Ｚ_-1，Ｚ₀に対して誤差が小さくなるようにあて
はめて求めても良いし、これらの点に対して２次関数、
３次関数等をあてはめて求めても良い。これらの外挿補
間方法は数学的によく知られており、どの方式を使うか
は高さ検出値の変化の大きさ、ばらつきの大小によって
最適なものを選べば良い。別な実施例として、高さ検出
値を補間して出力する場合を説明する。間隔Ｔ１で高さ
検出値がステップ状に変化した場合、これを使って電子
線にフィードバックをかけると、電子線像の質が間隔Ｔ
１で急に変化するので好ましくないことがある。この場
合、Ｚ_cを補間して短い時間間隔で少しずつ変化される
方が良い。この場合、外挿補間高さ検出値Ｚ_cの他に、
更に時刻ａよりＴ１だけ後の高さ外挿補間値Ｚ_c'も同様
に求める。図３６に示す実施例では、次に示す（数３
９）式によって求める。

【０１０４】 Ｚ_c＝(Ｚ_-1)＋（((Ｚ_-1)−(Ｚ_-3))／(２Ｔ₁)）×２．５Ｔ₁ Ｚ_c'＝(Ｚ₀)＋（((Ｚ₀)−(Ｚ_-2))／(２Ｔ₁)）×２．５Ｔ₁ （数３９） これらＺ_cとＺ_c'とを用いて時刻ａよりｔだけ後の高さ
Ｚ₁を内挿補間を用いて次に示す（数４０）式によって
求めることができる。 Ｚ₁＝Ｚ_c＋（Ｚ_c'−Ｚ_c）ｔ／Ｔ₁ （数４０） 以上によって、ＣＣＤ蓄積時間と高さ計算時間に伴う検
出時間遅れを補正し、被検査対象物１０６の高さが刻々
と変化する場合にも、誤差の小さい高さ検出値を得て、
安定に電子線を制御する電子光学系にフィードバックを
かけることが可能である。

【０１０５】次に、試料表面の高さ分布を予め求めてお
く方法について説明する。これまでの実施例では、検査
あるいは測定の際に試料面の高さを検出し、その情報を
用いて電子ビームの焦点合せや偏向補正を行うものであ
った。しかし、高さ検出が十分な速さで行えない場合
や、時間遅れの補正が十分に行えない場合には、予め試
料表面の高さ分布を調べて記憶しておき、その情報に基
づいて焦点調節などを行うこともできる。図２の実施例
に示した電子線検査装置において、検査開始前に全体制
御部１２０からの指令に基づいて、ステージ制御装置１
２６を制御して、ステージ１０５により試料を移動させ
る。移動した各点において高さ検出装置２００により試
料面高さを検出し、レーザ測長系１０７により得られた
ステージ位置とともに高さ検出結果を全体制御系１２０
を介して記憶装置１４２に記憶しておく。このとき、高
さ検出は試料表面全ての点で行う必要はなく、適当な間
隔で測定しておけばよい。対象とする試料の形状や保持
方法によっても異なるが、高さ変化が比較的緩やかな場
合には、その高さ変化の周期に応じた適当な間隔で高さ
を検出し、それらを補間する事で試料面全体の高さ分布
を得ることができる。検査中はレーザ測長系１０７によ
って常に試料位置を知ることができるので、全体制御部
１２０によって予め記録しておいた高さ分布から、当該
位置の高さを焦点制御装置１０９へと入力することによ
り、検査と同時に高さ検出を行う場合と同じように電子
線の焦点調節および偏向補正を行うことができる。

【０１０６】また、予め高さ検出情報を得ておく焦点調
節方法は、図２に示す実施例のように、高さ検出手段を
持ち得ない場合にも応用することができる。例えば、高
さ分布のかわりに各試料面高さに対して電子光学系の最
適な焦点制御電流あるいは焦点制御電圧を求めることが
できれば、これらの値を高さ情報と同様に補間すること
で同様の効果を得ることができる。各点において荷電粒
子検出器である二次電子検出器１０４によって検出され
る荷電粒子線像である二次電子画像信号（ＳＥＭ画像信
号）が最も鮮明となる焦点制御電流または焦点制御電圧
を焦点制御装置１０９から得て測定する。このとき、荷
電粒子線像である二次電子画像（ＳＥＭ画像）の鮮明度
は、二次電子検出器１０４によって検出され、Ａ／Ｄ変
換器３９（１２２）で変換されたデジタルＳＥＭ画像信
号または前処理回路４０で前処理されたデジタルＳＥＭ
画像信号を、全体制御部１２０に入力して表示手段１４
３に表示するか、画像メモリ４７に格納して表示手段５
０に表示して目視、または全体制御部１２０に入力され
たＳＥＭ画像におけるエッジ部での画像の変化率を求め
る画像処理等により決定する。このようにして得られた
最適な制御電流あるいは制御電圧の値を補間することで
も焦点制御を行うことはできるが、後述する図４２に示
す実施例で示すような校正パターン１３０をＸＹステー
ジ１０５上に設置して用いれば、試料面高さと制御電流
の間の非線形性が補正でき、高さ検出器なしで試料面の
高さ情報を得ることもできる。

【０１０７】図３７には、緩やかに表面高さが変化する
試料について、高さ検出およびその補間を行う場合の実
施例を示す。図３７（ａ）は、試料１０６の断面形状で
あり、試料全体のうねりの他に、その表面にはパターン
３０６による段差３０７がある。図３７（ｂ）および
（ｄ）は、同図（ａ）の断面図に、高さ測定点３０８を
示したもので、同図（ｃ）、および（ｅ）は、これらの
検出結果を１次補間した結果３０９であり、点線で断面
形状３１０を示してある。図３７（ｂ）、（ｃ）では、
常に段差の上部のみで高さを検出しているため、補間結
果は良好である。しかし、図３７（ｄ）、および（ｅ）
では高さ測定位置が段差の上部と底部の両方を含んでい
るために、うまく断面形状を得ることができない。この
ような理由から、高さ検出値の補間によって試料面の高
さ分布を求める際には、その表面の段差が同じ点を選択
して検出を行う必要があることがわかる。なお、図３７
では、簡単のため１次補間の結果を示したが、更に高次
の補間を行うことにより、より滑らかで精度のよい結果
を得ることができる。図５に示したように、本発明の電
子線式検査装置が対象としている半導体ウェハの表面に
は、チップ３ａが多数配列されている。チップ３ａの中
にはメモリマット部３ｃと周辺回路部３ｂがあり、通常
この２つの領域ではその表面高さが異なる。そこで、こ
の試料表面のレイアウトに応じて、先の高さ測定位置を
決定する。全てのチップにおいて同じ領域である点を選
択するためには、選択する点の間隔をチップ３ａの間隔
と等しいか、あるいはその整数倍とすればよい。

【０１０８】しかし、通常半導体装置のチップの間隔は
十数ミリメートルにおよぶため、高さ変化が急激な場合
には、更に細かな間隔で高さ検出を行う必要がある。こ
の場合には、例えば図３８に示すように、チップ３ａの
間隔を基本ピッチとして、それと同ピッチで位相の異な
る点において高さを検出すればよい。このとき、パター
ン上部のみを選択するには、高さ測定点の位相を次のよ
うに決めればよい。図３８に示すように、まず、チップ
内に複数のメモリマット部がある場合には、これらを順
にメモリマット部１、メモリマット部２、．．．、メモ
リマット部ｉとし、これらの幅をｗｉ、メモリマット部
ｗ１とｗｉの間の距離をｄ１ｉとする。このメモリマッ
ト部１の中央を基準位置として、測定点の基本ピッチを
チップ間隔と等しくし、これをｐｃとすると、位相ｐｈ
の取り得る範囲は、次の（数４１）で与えられる。

【０１０９】 ｐｈ＝｛ｘ｜ｄ１ｉ−ｗｉ／２＜ｘ＜ｄ１ｉ＋ｗｉ／２｜｝ （ｉ＝１，２， ．．．，ｍｍ） （数４１ ） ここで、ｍｍは、チップ間隔をｐｃとしたときのチップ
内のメモリマット部の個数である。この（数４１）の範
囲内で、適当な間隔で測定点を選べば、常にメモリマッ
ト部状の点を測定点として選ぶことができる。通常、半
導体装置の外観を検査する装置では、検査対象ウェハの
製品や工程毎に検査条件を記録した条件ファイルを用い
て検査を行う。この検査条件ファイルには、検査対象ウ
ェハのチップや、チップ内のメモリマット部のレイアウ
トなどの情報が含まれており、これらの情報を用いれ
ば、先の高さ検出位置のピッチや位相の範囲を決定する
ことができる。また、検査開始時には電子線画像あるい
は図７に示した構成であれば光学顕微鏡１１８の画像な
どを用いて試料の位置決めを行うため、検査条件ファイ
ルの位置が試料上のどの位置に対応するのかを知ること
もできる。試料の位置決め終了後、試料表面の状態に応
じて高さ検出位置を選択してやることで、安定に試料表
面の高さ分布を得ることができる。なお、図３８では、
１方向ｘ方向のみについて示したが、ｙ方向についても
同様に高さ測定位置を選択すればよい。

【０１１０】また、図３９に示したように段差の上部の
みで高さを検出すると、段差底部を観察する場合には焦
点が合わなくなってしまう。電子顕微鏡の焦点深度に対
して問題のない程度の段差であればよいが、段差が大き
い場合には問題となる。そこで、図３９に示すように、
位相をずらして、パターン底部の点３１１の高さも同時
に検出する。次に、得られた高さ検出値のうち、パター
ン上部のもののみで補間を行い、試料面全体の高さ分布
を求める。補間により得られた高さ分布からパターン底
部にあたる点３１１における高さ推定値を得て、これを
高さ検出装置２００で実際に測定した値と比較すれば、
パターンによる段差を計算することができる。試料面全
体で段差が一様な場合にはこれらを平均すれば段差を求
めることができる。この段差情報を用いて、パターン底
部を観察する場合のみ先のパターン上部の高さ分布から
段差を差し引いたものを試料面高さとして、焦点合わせ
を行えば良い。また、段差が試料表面全体にわたって変
化する場合には、底部における高さ検出値のみを用いて
段差上部と同様に高さ分布を得て、これらを組み合わせ
て使用すればよい。パターン底部における高さ検出位置
の選択も、パターン底部の幅および、基準に対する位置
を用いて上記（数４１）式により決定すればよい。

【０１１１】このようにして得られた高さ分布の情報を
表示手段１４３を用いて操作者に知らせることもでき
る。例えば、図４０に示すように、試料面の高さ分布の
等高線表示３１２を行ったり、任意の断面を指定して、
その断面形状３１３や変位の最大−最小３１４を表示す
ることが可能となる。また、検査装置の設計仕様を越え
るような非常に大きな試料面の変位や傾きといった、予
期せぬ状態が検出された場合は、その旨の警告を表示す
るといった機能を持たせることもできる。特に、形状が
変化しないような方法で試料を保持している場合であれ
ば、このような機能により、試料の形状に関する情報を
操作者に与えることができる。

【０１１２】次に、図２、または図３、または図４、ま
たは図７に示す外観検査用ＳＥＭ装置も含む観察用ＳＥ
Ｍ装置、測長用ＳＥＭ装置等において、荷電粒子光学系
（対物レンズ１０３）の焦点制御電流または焦点制御電
圧と焦点位置の校正方法に関する実施例について説明す
る。制御電流と焦点位置の関係が非線形である場合には
非線形性の補正が必要となる。線形性の評価および補正
値を決定する方法について説明する。図４２に示すよう
な校正用の標準パターン１３０を図４１に示すように被
検査対象物１０６を保持したステージ１０５上の試料台
に固定して配置しておく。校正用の標準パターン１３０
は、荷電粒子線である電子線１１２の走査により帯電し
ないよう導電性の材料で作成する。

【０１１３】校正時には、全体制御部１２０からの指令
に基づいてステージ制御装置１２６を制御して、この校
正用の標準パターン１３０を上方観察系光軸１１０を中
心とした観察領域へ移動させる。全体制御部１２０は、
この標準パターン１３０を使用して、各点において荷電
粒子検出器である二次電子検出器１０４によって検出さ
れる荷電粒子線像である二次電子画像信号（ＳＥＭ画像
信号）が最も鮮明となる焦点制御電流または焦点制御電
圧を焦点制御装置１０９から得て測定する。このとき、
荷電粒子線像である二次電子画像（ＳＥＭ画像）の鮮明
度は、二次電子検出器１０４によって検出され、Ａ／Ｄ
変換器３９（１２２）で変換されたデジタルＳＥＭ画像
信号または前処理回路４０で前処理されたデジタルＳＥ
Ｍ画像信号を、全体制御部１２０に入力して表示手段１
４３に表示するか、画像メモリ４７に格納して表示手段
５０に表示して目視、または全体制御部１２０に入力さ
れたＳＥＭ画像におけるエッジ部での画像の変化率を求
める画像処理等により決定する。ところで、校正用の試
料面（校正用の標準パターン１３０）の実高さ寸法は既
知なので、この高さ情報を入力手段（図示せず）を用い
て入力することにより、全体制御部１２０は、上記測定
により図４３（ａ）に示すように試料面実高さ寸法と最
適な焦点制御電流または焦点制御電圧との関係を求める
ことができる。同時に高さ検出光学装置２００ａおよび
高さ計算手段２００ｂによって、校正用の標準パターン
１３０の高さの測定を行うことにより、全体制御部１２
０は、図４３（ｂ）に示すように試料面実高さ寸法と高
さ検出光学装置２００ａおよび高さ計算手段２００ｂに
よって測定される高さ検出値との関係を表す校正曲線を
求める。この２つの校正曲線から、全体制御部１２０
は、高さ検出光学装置２００ａおよび高さ計算手段２０
０ｂによる検出値から焦点のあった荷電粒子線像を撮像
するための最適な焦点制御電流または焦点制御電圧の値
がわかる。また、全体制御部１２０は、試料面高さ寸法
と高さ検出光学装置２００ａ等による検出値、試料面実
高さ寸法と焦点制御電流または焦点制御電圧の２組の校
正曲線を別個に求める代わりに、図４３（ｃ）に示す高
さ検出光学装置２００ａ等による検出値と焦点制御電流
または焦点制御電圧との間の校正曲線を直接求めても良
い。この場合、校正用の標準パターン１３０の実高さ寸
法を知る必要はない。

【０１１４】即ち、図４５に示すように、校正用の標準
パターン１３０を用いて校正される。ステップＳ３０に
おいて、校正が開始される。ステップＳ３１において、
全体制御部１２０は、ステージ制御装置１２６に指令
し、校正用の試料片１３０の位置ｎを電子光学系の光軸
１１０にもってくる。次に、ステップＳ３２とステップ
Ｓ３３〜Ｓ３８とを並列に実行する。ステップＳ３２に
おいて、全体制御部１２０は、高さ計算手段２００ｂに
高さ検出指令を出し、無補正の高さ検出Ｚｄｎを得る。
同時に、ステップＳ３３において、全体制御部１２０
は、焦点制御装置１０９に指示を出し、電子光学系（対
物レンズ１０３）の焦点制御信号をＩｉに合わせる。次
に、ステップＳ３４において、全体制御部１２０は、偏
向制御装置１０８に指示を出し、電子線を１次元または
２次元に走査する。次に、ステップＳ３５において、全
体制御部１２０は、画像処理手段１２４に指示し、取得
されたＳＥＭ画像を処理し、画像の鮮明度Ｓｉを求め
る。次にステップＳ３６において、電子光学系（対物レ
ンズ１０３）の焦点制御信号Ｉｉにおけるｉ＝ｉ＋１に
変えて、ステップＳ３７においてｉ≦Ｎｎになるまで、
ステップＳ３３〜Ｓ３５を繰り返して、各々の焦点制御
信号Ｉｉにおける画像の鮮明度Ｓｉを求める。次に、ス
テップＳ３７においてｉ≦ＮｎがＮＯとなると、ステッ
プＳ３８において、全体制御部１２０は、画像の鮮明度
Ｓｉが最大となる焦点制御信号Ｉｎを求める。

【０１１５】次に、ステップＳ３９において、全体制御
部１２０は、画像処理手段１２４に指示し、校正用の試
料片１３０における各高さＺｎにおける像倍率補正、像
回転補正等からなる像歪補正パラメータを求め、記憶手
段１４２に格納する。次にステップＳ４０において、試
料片１３０上の位置ｎをｎ＝ｎ＋１に変えて、ステップ
Ｓ４１においてｎ≦Ｎｎになるまで、ステップＳ３１〜
Ｓ３９を繰り返して、各試料片の高さＺｄｎにおける画
像の鮮明度が最大となる焦点制御信号Ｉｎと、像倍率補
正、像回転補正等からなる像歪補正パラメータを求め
る。次に、ステップＳ４１においてｎ≦ＮｎがＮＯとな
ると、ステップＳ４２において、全体制御部１２０は、
無補正の高さ検出値Ｚｄｎと各試料片の高さＺｄｎにお
ける画像の鮮明度が最大となる焦点制御信号Ｉｎから図
４３（ｃ）に示す校正曲線を得るか、または試料片１３
０の各位置ｎの実高さ寸法Ｚｎが既知ならば、Ｚｄｎ、
Ｚｎ、Ｉｎから図４３（ａ）（ｂ）に示す校正曲線を得
る。そして、ステップＳ４３において、全体制御部１２
０は、上記校正曲線のパラメータ（例えば、多項式近似
の係数）を求め、記憶手段１４２に格納して終了（Ｓ４
４）となる。なお、図４２に示した校正用の標準パター
ン１３０は、その両端が平坦になっており、この２カ所
において校正を行うことによって、ゲインやオフセット
の校正も可能である。この校正用の標準パターン１３０
は、校正曲線の形状は安定してるが、ゲインやオフセッ
トのみがドリフトする場合に迅速な校正が行える点で有
効である。校正曲線の形状が非常に安定でこれが他の方
法により校正できる場合には、図４４（ａ）に示すよう
に段差が一段の標準パターンで光学式の高さ検出光学装
置２００ａと対物レンズ１０３への制御電流との間のゲ
インとオフセットの校正をすれば良い。また、校正曲線
の形状が２次関数で近似出来るような単純な形状の場合
には図４４（ｂ）に示すように２段の段差を持つ標準パ
ターンを用いれば良いまた、ＳＥＭ装置などの荷電粒子
線装置がＺステージを有する場合には、図４２、図４４
に示すような標準パターンではなく、通常の段差のない
パターンのみで、Ｚステージを移動させて高さを検出
し、画像を評価することにより高さ検出光学装置２００
ａと対物レンズ１０３への制御電流の校正を行うことが
できる。この場合、Ｚステージによる焦点調節も可能で
あるが、ステージの応答速度が観察箇所を変更する速度
に対して十分でない場合には、ステージを固定しておい
て対物レンズ１０３の制御電流により焦点調節を行うこ
とも可能である。図２または図３に示すＳＥＭ装置にお
いて、以上説明したように求められた校正パラメータを
用いて校正してＳＥＭ画像に基づく外観検査することに
ついて、図４６に示す処理フローに基づいて説明する。
即ち、ステップＳ７０において、開始される。次に、ス
テップＳ７１において、全体制御部１２０は、記憶手段
１４２から校正パラメータを取り出して、高さ計算手段
２００ｂに高さ検出装置校正パラメータをロードし、焦
点制御装置１０９に高さ−焦点制御信号校正パラメータ
をロードし、偏向制御装置１０８に像倍率補正等の像歪
補正パラメータをロードする。

【０１１６】次に、ステップＳ７２において、全体制御
部１２０は、ステージ制御装置１２６に指示し、ステー
ジ走査開始位置へステージを移動する。次に、ステップ
Ｓ７３とステップＳ７４とステップＳ７５とステップＳ
７６とを並列に実行する。ステップＳ３７において、全
体制御部１２０は、ステージ制御装置１２６に指示し、
該ステージ制御装置１２６により被検査対象物１０６を
載置したステージ２を定速駆動制御する。同時に、ステ
ップＳ７４において、全体制御部１２０は、高さ計算手
段２００ｂに指示し、該高さ計算手段２００ｂにより高
さ検出光学装置２００ａから得られる実時間高さ検出と
高さ検出装置校正パラメータに基づく補正検出高さの情
報１９０を焦点制御装置１０９、および偏向制御装置１
０８へ出力する。更に同時に、ステップＳ７５におい
て、全体制御部１２０は、焦点制御装置１０８、および
偏向制御装置１０９へ指示し、該焦点制御装置１０８、
および偏向制御装置１０９の各々により電子線のスキャ
ンと補正検出高さに基づく高さ−焦点制御信号校正パラ
メータによる焦点制御、補正検出高さに基づく像倍率補
正等の像歪補正パラメータによる偏向歪み補正を連続し
て行う。更に同時に、ステップＳ７６において、全体制
御部１２０は、画像処理手段１２４に指示し、該画像処
理手段１２４により連続して得られるＳＥＭ画像を求め
て外観検査を行う。 次に、ステップＳ７７において、
ステージ走査終了位置で、全体制御部１２０は、画像処
理手段１２４から受け取った検査結果を表示手段１４３
に表示したり、記憶手段１４２に格納したりする。次
に、ステップＳ７８において、検査終了しない場合に
は、ステップＳ７２に戻ることになる。ステップＳ７８
において、検査終了となると終了となる（ステップＳ７
９）。

【０１１７】以上説明した実施の形態では、ＳＥＭ装置
（電子線装置）について説明したが、収束イオンビーム
装置等のほかの収束荷電ビーム装置にも適用することが
可能である。その場合、電子銃１０１をイオン源に代え
れば良い。そして、この場合、二次電子検出器１０４は
必ずしも必要でないが、イオンビームによる加工状態を
モニタするために、１０４の位置に二次電子検出器ある
いは二次イオン検出器をおいても良い。また、電子線を
用いた描画装置も含めた広義の加工装置にも適用可能で
ある。この場合、二次電子検出器１０４は必ずしも必要
でないが、加工状態のモニタ、試料の位置合わせのため
に、同様に用いることが望ましい。また、通常の光学顕
微鏡、光学式外観検査装置および光露光装置のような光
学装置でも、その焦点位置を制御する機構があれば同様
に本高さ検出装置を用いて自動焦点機構を構成できるこ
とは明らかである。焦点合わせのために試料を上下させ
るのではなく光学系の焦点位置を変化させるような装置
の場合は、本高さ検出装置のもつ広範囲で高精度の高さ
検出ができるという特性の効果が特に大きくなる。図４
７は、この場合の実施の形態を示す図である。図２と異
なる点のみ説明する。１９１が光学装置の光源で、レン
ズ１９６、ハーフミラー１９５、対物レンズ１９３を通
して、試料１０６に照明光が照射される。この像は対物
レンズ１９３を通り、ハーフミラー１９５で反射され、
レンズ１９７を介して画像検出器１９４上に像を結ぶ。
このとき、対物レンズ１９３の焦点を試料１０６の表面
に合わせる必要がある。このとき高さ検出器２００をも
っていれば高速の焦点あわせを実現出来る。この図に示
す実施の形態では、対物レンズ１９３を上下させて焦点
あわせを行っているが、かわりにステージ１０５を上下
させてもよい。ただし、対物レンズ１９３を上下させる
場合のほうが、本高さ検出器２００の広い計測範囲で高
精度が得られる特性の効果をより発揮できる。あるい
は、１９１、１９３、１９５、１９６、１９７、１９４
からなる光学系全体を上下させて焦点合わせを行っても
勿論よい。図４７の構成に図２および図３に示す画像処
理手段１２４等を付加して光学式の外観検査装置を構成
してもよい。更に、図４７に示す実施の形態の構成を用
いて、レーザー加工機を構成しても勿論よい。

【０１１８】

【発明の効果】本発明によれば、電子光学系の偏向や収
差などが原因となる画像歪みやデフォーカスによる解像
度の低下などを低減して電子線像（ＳＥＭ像）の質を向
上させることができ、その結果電子線像（ＳＥＭ像）に
基づく検査や測長を、高精度で、且つ高信頼性でもって
実行することができる効果を奏する。また、本発明によ
れば、光学式高さ検出装置で検出される被検査対象物の
表面の高さ情報と電子光学系の焦点制御電流または焦点
制御電圧、および像倍率誤差等の像歪との間の校正パラ
メータを求めておくことにより、被検査対象物から像歪
みのない最も鮮明な電子線像（ＳＥＭ像）を得て、該電
子線像（ＳＥＭ像）に基づく検査や測長を、高精度で、
且つ高信頼性でもって実行することができる効果を奏す
る。また、本発明によれば、電子線式の検査装置におい
て、被検査対象物の表面の高さ検出と電子光学系に対す
る制御とを実時間で実行できることにより、連続的なス
テージ移動による画像歪みのない高解像度の電子線画像
（ＳＥＭ画像）を得て検査が可能となり、検査性能およ
びその安定性を向上でき、しかも検査時間を短縮できる
効果を奏する。特に、検査時間の短縮は、被検査対象物
が半導体ウエハの如く、大口径化に対して有効である。
また、本発明によれば、収束荷電粒子線を用いた観察加
工装置においても同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子線画像検査において半導体ウ
エハ等の被検査対象物に対して焦点合わせをする必要性
を説明するための図である。

【図２】本発明に係る電子線装置（ＳＥＭ装置）の一実
施の形態を示す概略構成図である。

【図３】本発明に係る電子線検査装置（ＳＥＭ検査装
置）の一実施の形態を示す概略構成図である。

【図４】本発明に係る電子線検査装置（ＳＥＭ検査装
置）の一実施の形態を示す具体的構成図である。

【図５】本発明に係る半導体メモリが形成された半導体
ウエハを示す図である。

【図６】本発明に係る電子線検査装置（ＳＥＭ検査装
置）において比較検査する検出画像ｆ１(ｘ，ｙ)と比較
画像ｇ１(ｘ，ｙ)とを示す図である。

【図７】本発明に係る電子線検査装置（ＳＥＭ検査装
置）の他の実施の形態を示す具体的構成図である。

【図８】図４および図７に示す前処理回路を具体的に示
した図である。

【図９】図８に示す前処理回路で補正する内容を説明す
るための図である。

【図１０】本発明に係る高さ検出装置における高さ検出
光学装置の第１の実施例を示す図である。

【図１１】マルチスリットによる検出誤差低減原理を説
明するための図である。

【図１２】半導体ウエハ等に存在する絶縁膜等の透明膜
による多重反射によって発生する検出誤差を説明するた
めの図である。

【図１３】半導体ウエハ等に存在するシリコンとレジス
ト（絶縁膜等の透明膜）とにおける入射角に対する反射
率の変化を示す図である。

【図１４】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算
手段で処理する高さ検出アルゴリズムの一実施例を説明
するための図である。

【図１５】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算
手段で処理する高さ検出アルゴリズムの一実施例を説明
する処理フロー図である。

【図１６】本発明に係る高さ検出装置における高さ検出
光学系のデフォーカスと試料表面における反射率むらに
起因する誤差について説明するための図である。

【図１７】本発明に係る高さ検出装置におけるマルチス
リットと高さ検出光学系の焦点位置の関係を説明するた
めの図である。

【図１８】本発明に係る高さ検出光学装置の実施例にお
いて、検出誤差が最小となるスリット光束を示す図であ
る。

【図１９】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算
手段で処理する高さ検出アルゴリズムの他の一実施例で
ある重み関数に基づく重み付け処理を説明するための処
理フロー図である。

【図２０】本発明に係る高さ検出装置において、各スリ
ットの検出値を加重平均する際の重み関数の例を示す図
である。

【図２１】本発明に係る高さ検出装置において、試料表
面高さに応じた加重平均を行うことによる、高さ検出誤
差低減の効果を説明するための図である。

【図２２】本発明に係る高さ検出光学装置の実施例にお
いて、試料の傾きによる検出誤差の無いことを説明する
ための図である。

【図２３】本発明に係る高さ検出光学装置の実施例にお
いて、スリット光投影位置における試料表面段差の影響
を説明するための図である。

【図２４】本発明に係る高さ検出光学装置において、マ
ルチスリットの加重平均による高さ検出処理手段を具体
的に示した図である。

【図２５】本発明に係る高さ検出光学装置において、前
時刻の検出値を用いたマルチスリットの加重平均による
高さ検出処理手段を具体的に示した図である。

【図２６】本発明に係る高さ検出光学装置による面上の
高さ分布を計測する構成例を示す図である。

【図２７】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算
手段で処理する高さ検出アルゴリズムであるガボールフ
ィルターによりマルチスリットパターンの位置を検出す
る実施例を説明するための図である。

【図２８】本発明に係る高さ検出装置における高さ計算
手段で処理する高さ検出アルゴリズムであるスリットの
エッジ位置を計測する実施例を示す図である。

【図２９】本発明に係る高さ検出光学装置において、測
定位置ずれにより生じる高さ検出誤差について説明する
ための図である。

【図３０】本発明に係る高さ検出光学装置の別の実施例
であり、同時に２ヵ所の高さを検出できる高さ検出光学
装置の構成を示す図である。

【図３１】本発明に係る高さ検出装置において２つの高
さ検出値により、測定位置ずれを補正する方法を説明す
る図である。

【図３２】本発明に係る高さ検出光学装置の実施例であ
り、同時に２ヵ所の高さを検出できる高さ検出光学装置
の別の構成を示す図である。

【図３３】本発明に係る高さ検出光学装置の別の実施例
であり、同時に２ヵ所の高さを検出できる高さ検出光学
装置の構成を示す図である。

【図３４】本発明に係る高さ検出装置において２つの高
さ検出値により、高さ検出時間遅れにより生じる測定位
置ずれを補正する方法を説明する図である。

【図３５】本発明に係る高さ検出装置において、ステー
ジの走査方向とマルチスリットの投影―検出方向にかか
わらず、使用できる検出時間遅れ補正方法を説明するた
めの図である。

【図３６】本発明に係る高さ検出装置において、ステー
ジの走査方向とマルチスリットの投影―検出方向にかか
わらず、使用できる検出時間遅れ補正方法を説明するた
めの図である。

【図３７】本発明に係る試料表面の高さ検出方法におい
て、高さ測定位置と検出値の補間結果の関係を説明する
ための図である。

【図３８】本発明に係る試料表面の高さ検出方法におい
て、パターン上部のみを測定点として選択する方法を説
明するための図である。

【図３９】本発明に係る試料表面の高さ検出方法におい
て、パターンの上部および底部を測定点として選択する
方法を説明するための図である。

【図４０】本発明に係る自動検査装置において、操作者
に示す試料表面の高さ分布の情報の実施例を示す図であ
る。

【図４１】Ｘ−Ｙステージ上に校正用の標準パターンを
配置した電子線装置等を示す図である。

【図４２】傾斜部分のある校正用の標準パターンの一実
施例を示す斜視図である。

【図４３】本発明に係る電子線装置等において校正用の
標準パターンを用いて求めた校正曲線を説明するための
図である。

【図４４】校正用の標準パターンの他の実施例を示す斜
視図である。

【図４５】校正用のパラメータを求める処理フローを示
す図である。

【図４６】本発明に係る電子線検査装置において、ステ
ージを定速駆動して校正用のパラメータを用いて補正し
ながら検査する概略フローを示す図である。

【図４７】本発明に係る光学式外観検査装置の一実施の
形態を示す概略構成図である。

【符号の説明】

８…グランド電極、２４…伝送手段、３２…コンデンサ
レンズ、３７…リターディング電極、３８…グランド電
極、４０…前処理回路、１００…電子線装置（検査
室）、１０１（３１）…電子源、１０２（３４）…偏向
素子（走査偏向器）、１０３（３３）…対物レンズ、１
０４…二次電子検出器、２、１０５…ステージ、１０６
…試料（被検査対象物）、１０７…レーザ測長系、１０
８…偏向制御装置、１０９…焦点制御装置、１１０…上
方観察系の光軸、１１５…検出部、１１６…電子光学
系、１１７…電子検出部、１１８…グリッド、１１９…
試料室、１２０…全体制御部、１２０’…補正制御回
路、１２１…線源電位調整手段、１２２（３９）…Ａ／
Ｄ変換器、１２３…画像メモリ、１２４…画像処理手段
（画像処理回路）、１２５…試料台電位調整手段、１２
６…ステージ制御装置、１２７…グリッド電位調整手
段、１３０…標準パターン（校正用試料）、１４２…記
憶装置、１４３…表示手段、２００…高さ検出装置、２
００ａ…高さ検出光学装置、２００ｂ…高さ計算手段、
２０１…光源、２０２…コンデンサレンズ、２０３…マ
ルチスリットマスク（、２０５…ハーフミラー、２０６
…反射鏡、２１０…投影レンズ、２１１…投影絞り、２
１３…シリンドリカルレンズ、２１４…ラインイメージ
センサ、２１４”…２次元センサ、２１４ａ、２１４”
ａ、２１４ｂ、２１４”ｂ…リニアセンサ（検出器）、
２１４’ａ、２１４’ｂ…分割センサ、２１５…検出レ
ンズ（結像用レンズ）、２１６…検出絞り、２１７…ス
リット光投影位置、２４０…偏光フィルタ、２８０…重
み関数ｗ（ｓ）、２８１…重み関数ｗ２（ｓ）、３０
２、３０３…ガラス板、３０５…ビームスプリッター、
３０６…パターン部、３０７…段差、３０８…高さ測定
点、３０９…高さ測定結果、３１０…試料面断面形状、
３１１…段差底部の検出位置、３１２…高さ分布等高線
表示、３１３…断面形状表示、３１４…断面最大値−最
小値表示

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇佐見 康継 茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社 日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 鈴木 浩之 茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社 日立製作所計測器事業部内

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子線源と該電子線源から発せられた電子
   線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線
   を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有
   する電子光学系と、 該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によ
   って前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出
   する電子線像検出光学系と、 前記被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影
   する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光
   束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光
   束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を
   受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と
   該検出光学系で検出される格子状の信号に基づいて検出
   誤差の小さい結像状態を探索し、該探索された検出誤差
   の小さい結像状態に対して適合する重み付け処理を前記
   検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すこと
   によって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信
   号に対する移動量または位相変化量を求めて前記被検査
   対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有
   する光学的高さ検出装置と、 該光学的高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の
   高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系の対物レン
   ズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線を被
   検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段
   と、 前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基
   づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査また
   は測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする
   電子線式検査または測定装置。
2. 【請求項２】電子線源と該電子線源から発せられた電子
   線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線
   を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有
   する電子光学系と、 該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によ
   って前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出
   する電子線像検出光学系と、 前記被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影
   する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光
   束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光
   束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を
   受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と
   該検出光学系で検出される格子状の信号に対して検出誤
   差が小さくなるような選択的な処理を施すことによって
   格子状の信号としての基準信号に対する移動量または位
   相変化量を求めて前記被検査対象物の表面の高さに応じ
   た情報を得る算出手段とを有する光学的高さ検出装置
   と、 該光学的高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の
   高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系の対物レン
   ズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線を被
   検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段
   と、 前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基
   づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査また
   は測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする
   電子線式検査または測定装置。
3. 【請求項３】前記光学的高さ検出装置の算出手段におけ
   る選択的な処理は、重み付け処理であることを特徴とす
   る請求項２記載の電子線式検査または測定装置。
4. 【請求項４】更に、前記光学的高さ検出装置で得られた
   被検査対象物の表面の高さに応じた情報に基づいて前記
   電子光学系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点制
   御に基づいて生じる電子線像の倍率誤差を含む像歪を校
   正する偏向制御手段を備えたことを特徴とする請求項１
   または２記載の電子線式検査または測定装置。
5. 【請求項５】電子線源と該電子線源から発せられた電子
   線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線
   を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有
   する電子光学系と、 該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によ
   って前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出
   する電子線像検出光学系と、 前記電子光学系によって電子線が照射される被検査対象
   物上の領域において近接した異なる複数の個所に複数の
   スリット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め上方
   から結像投影する投影光学系と該投影光学系で被検査対
   象物上の複数の個所に結像投影された複数の光束によっ
   て反射された複数の光束の各々を結像させてこれら結像
   された複数の光束像を受光して複数の信号に変換して検
   出する検出光学系と該検出光学系で検出された複数の検
   出信号の各々における基準高さに応じた基準信号に対す
   る移動量または位相変化量を求めて前記複数個所の表面
   の高さに応じた情報を得、該得られた複数個所の表面の
   高さに応じた情報を補間（内挿補間および外挿補間も含
   む。）することによって位置ずれ分シフトした電子線が
   照射される個所における表面の高さに応じた情報を算出
   する算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、 該光学的高さ検出装置で算出された電子線が照射される
   個所における表面の高さに応じた情報に基づいて前記電
   子光学系の対物レンズに流す電流または印加する電圧を
   制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束さ
   せる焦点制御手段と、 前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基
   づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査また
   は測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする
   電子線式検査または測定装置。
6. 【請求項６】電子線源と該電子線源から発せられた電子
   線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線
   を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを有
   する電子光学系と、 該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によ
   って前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出
   する電子線像検出光学系と、 前記電子光学系によって電子線が照射される被検査対象
   物上の領域において近接した異なる複数の個所に複数の
   スリット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め上方
   から結像投影する投影光学系と該投影光学系で被検査対
   象物上の複数の個所に結像投影された複数の光束によっ
   て反射された複数の光束の各々を結像させてこれら結像
   された複数の光束像を受光して複数の信号に変換して検
   出する検出光学系と該検出光学系で検出された複数の検
   出信号の各々における基準高さに応じた基準信号に対す
   る移動量または位相変化量を求めて前記複数個所の表面
   の高さに応じた情報を得、該得られた複数個所の表面の
   高さに応じた情報を補間（内挿補間および外挿補間も含
   む。）することによって位置ずれ分シフトした電子線が
   照射される個所における表面の高さに応じた情報を算出
   する算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、 該光学的高さ検出装置で算出された電子線が照射される
   個所における表面の高さに応じた情報から、表面の高さ
   に応じた情報と焦点制御電流または焦点制御電圧との間
   の校正パラメータに基づいて焦点制御電流または焦点制
   御電圧を算出し、該算出された焦点制御電流または焦点
   制御電圧を前記電子光学系の対物レンズに与えるように
   制御して電子線を被検査対象物上に合焦点状態で集束さ
   せる焦点制御手段と、 前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基
   づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査また
   は測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする
   電子線式検査または測定装置。
7. 【請求項７】更に、前記光学的高さ検出装置で算出され
   た電子線が照射される個所における表面の高さに応じた
   情報に基づいて前記電子光学系の偏向素子への偏向量を
   補正して前記焦点制御に基づいて生じる電子線像の倍率
   誤差を含む像歪を校正する偏向制御手段を備えたことを
   特徴とする請求項５または６記載の電子線式検査または
   測定装置。
8. 【請求項８】予め、ステージ上に載置され、電子線が照
   射される被検査対象物上の領域において被検査対象物上
   に形成されたパターンの配列情報に基づいて決められた
   間隔で表面高さを検出する高さ検出装置と、 該高さ検出装置により検出される前記間隔での表面高さ
   を補間することによって前記間隔の間の任意の位置にお
   ける表面高さを推定する推定手段と、 電子線源と該電子線源から発せられた電子線を偏向する
   偏向素子と該偏向素子で偏向される電子線を前記ステー
   ジ上に載置された被検査対象物上に集束して照射する対
   物レンズとを有する電子光学系と、 該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によ
   って前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出
   する電子線像検出光学系と、 前記推定手段によって推定された前記電子光学系によっ
   て電子線が照射される任意の位置における被検査対象物
   の表面高さの情報に基づいて前記電子光学系の対物レン
   ズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線を被
   検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段
   と、 前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基
   づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査また
   は測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする
   電子線式検査または測定装置。
9. 【請求項９】更に、前記電子光学系によって電子線が照
   射される任意の位置において前記高さ検出装置によって
   推定された被検査対象物の表面高さの情報に基づいて前
   記電子光学系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点
   制御に基づいて生じる電子線像の倍率誤差を含む像歪を
   校正する偏向制御手段を備えたことを特徴とする請求項
   ５または６記載の電子線式検査または測定装置。
10. 【請求項１０】電子線源と該電子線源から発せられた電
    子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子
    線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを
    有する電子光学系と、 該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によ
    って前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出
    する電子線像検出光学系と、 前記被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影
    する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光
    束によって被検査対象物の表面から反射した格子状の光
    束を結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を
    受光して格子状の信号に変換して検出する検出光学系と
    該検出光学系で検出される格子状の信号に基づいて検出
    誤差が小さい結像状態を探索し、該探索された検出誤差
    が小さい結像状態に対して適合する重み付け処理を前記
    検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すこと
    によって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信
    号に対する移動量または位相変化量を求めて前記被検査
    対象物の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有
    する光学的高さ検出装置と、 該光学的高さ検出装置で得られた被検査対象物の表面の
    高さに応じた情報に基づいて前記電子光学系による焦点
    位置と前記被検査対象物を載置するテーブルとの高さ方
    向の相対位置を制御して電子線を被検査対象物上に合焦
    点状態で集束させる焦点制御手段と、 前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基
    づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査また
    は測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする
    電子線式検査または測定装置。
11. 【請求項１１】電子線源と該電子線源から発せられた電
    子線を偏向する偏向素子と該偏向素子で偏向される電子
    線を被検査対象物上に集束して照射する対物レンズとを
    有する電子光学系と、 該電子光学系で偏向し、集束して照射された電子線によ
    って前記被検査対象物から発生する二次電子線像を検出
    する電子線像検出光学系と、 前記電子光学系によって電子線が照射される被検査対象
    物上の領域において近接した異なる複数の個所に複数の
    スリット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め上方
    から結像投影する投影光学系と該投影光学系で被検査対
    象物上の複数の個所に結像投影された複数の光束によっ
    て反射された複数の光束の各々を結像させてこれら結像
    された複数の光束像を受光して複数の信号に変換して検
    出する検出光学系と該検出光学系で検出された複数の検
    出信号の各々における基準高さに応じた基準信号に対す
    る移動量または位相変化量を求めて前記複数個所の表面
    の高さに応じた情報を得、該得られた複数個所の表面の
    高さに応じた情報を補間（内挿補間および外挿補間も含
    む。）することによって位置ずれ分シフトした電子線が
    照射される個所における表面の高さに応じた情報を算出
    する算出手段とを有する光学的高さ検出装置と、 該光学的高さ検出装置で算出された電子線が照射される
    個所における表面の高さに応じた情報に基づいて前記電
    子光学系による焦点位置と前記被検査対象物を載置する
    テーブルとの高さ方向の相対位置を制御して電子線を被
    検査対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御手段
    と、 前記電子線像検出光学系で検出される二次電子線像に基
    づいて被検査対象物上に形成されたパターンの検査また
    は測定を行う画像処理手段とを備えたことを特徴とする
    電子線式検査または測定装置。
12. 【請求項１２】被検査対象物を少なくとも所定方向に移
    動させ、 被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する
    投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束に
    よって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を
    結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光
    して格子状の信号に変換して検出する検出光学系とを有
    する光学的高さ検出装置により前記検出光学系で検出さ
    れる格子状の信号に基づいて検出誤差の小さい結像状態
    を探索し、該探索された検出誤差の小さい結像状態に対
    して適合する重み付け処理を前記検出光学系で検出され
    る格子状の信号に対して施すことによって格子状の信号
    としての基準高さに応じた基準信号に対する移動量また
    は位相変化量を求めて電子線が照射される被検査対象物
    上の領域における表面の高さを検出し、 該検出された表面の高さに基づいて電子光学系の対物レ
    ンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線源
    から発せられた電子線を電子光学系の偏向素子で偏向さ
    せて被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、 該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によ
    って被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線
    像検出光学系によって検出し、 該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に
    形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴
    とする電子線式検査または測定方法。
13. 【請求項１３】被検査対象物を少なくとも所定方向に移
    動させ、 被検査対象物上に格子状の光束を斜め上方から投影する
    投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光束に
    よって被検査対象物の表面から反射した格子状の光束を
    結像させてこの結像状態に応じた格子状の光学像を受光
    して格子状の信号に変換して検出する検出光学系とを有
    する光学的高さ検出装置により前記検出光学系で検出さ
    れる格子状の信号に対して検出誤差が小さくなるような
    選択的な処理を施すことによって格子状の信号としての
    基準信号に対する移動量または位相変化量を求めて電子
    線が照射される被検査対象物上の領域における表面の高
    さを検出し、 該検出された表面の高さに基づいて電子光学系の対物レ
    ンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線源
    から発せられた電子線を電子光学系の偏向素子で偏向さ
    せて被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、 該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によ
    って被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線
    像検出光学系によって検出し、 該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に
    形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴
    とする電子線式検査または測定方法。
14. 【請求項１４】被検査対象物を少なくとも所定方向に移
    動させ、 被検査対象物上の近接した異なる複数の個所に複数のス
    リット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め上方か
    ら結像投影する投影光学系と該投影光学系で被検査対象
    物上の複数の個所に結像投影された複数の光束によって
    反射された複数の光束の各々を結像させてこれら結像さ
    れた複数の光束像を受光して複数の信号に変換して検出
    する検出光学系とを有する光学的高さ検出装置により前
    記検出光学系で検出された複数の検出信号の各々におけ
    る基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相
    変化量を求めて前記複数個所の表面の高さに応じた情報
    を得、該得られた複数個所の表面の高さを補間（内挿補
    間および外挿補間も含む。）することによって位置ずれ
    分シフトした電子線が照射される個所における表面の高
    さを算出し、 該算出された表面の高さに基づいて電子光学系の対物レ
    ンズに流す電流または印加する電圧を制御して電子線源
    から発せられた電子線を電子光学系の偏向素子で偏向さ
    せて被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、 該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によ
    って被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線
    像検出光学系によって検出し、 該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に
    形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴
    とする電子線式検査または測定方法。
15. 【請求項１５】被検査対象物を少なくとも所定方向に移
    動させ、 被検査対象物上の近接した異なる複数の個所に複数のス
    リット状あるいはスポット状の光束の各々を斜め上方か
    ら結像投影する投影光学系と該投影光学系で被検査対象
    物上の複数の個所に結像投影された複数の光束によって
    反射された複数の光束の各々を結像させてこれら結像さ
    れた複数の光束像を受光して複数の信号に変換して検出
    する検出光学系とを有する光学的高さ検出装置により前
    記検出光学系で検出された複数の検出信号の各々におけ
    る基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相
    変化量を求めて前記複数個所の表面の高さに応じた情報
    を得、該得られた複数個所の表面の高さを補間（内挿補
    間および外挿補間も含む。）することによって位置ずれ
    分シフトした電子線が照射される個所における表面の高
    さを算出し、 該算出された表面の高さから、表面の高さに応じた情報
    と焦点制御電流または焦点制御電圧との間の校正パラメ
    ータに基づいて焦点制御電流または焦点制御電圧を算出
    し、 該算出された焦点制御電流または焦点制御電圧を電子光
    学系の対物レンズに与えるように制御して電子線源から
    発せられた電子線を電子光学系の偏向素子で偏向させて
    被検査対象物上に合焦点状態で集束させ、 該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によ
    って被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線
    像検出光学系によって検出し、 該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に
    形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴
    とする電子線式検査または測定方法。
16. 【請求項１６】予め、高さ検出装置により、ステージ上
    に載置され、電子線が照射される被検査対象物上の領域
    において被検査対象物上に形成されたパターンの配列情
    報に基づいて決められた間隔で表面高さを検出し、 該検出される前記間隔での表面高さを補間することによ
    って前記間隔の間の任意の位置における表面高さを推定
    し、 該推定された電子線が照射される位置における表面の高
    さに基づいて電子光学系の対物レンズに流す電流または
    印加する電圧を制御して電子線源から発せられた電子線
    を電子光学系の偏向素子で偏向させて被検査対象物上に
    合焦点状態で集束させ、 該偏向して合焦点状態で集束して照射された電子線によ
    って被検査対象物上から発生する二次電子線像を電子線
    像検出光学系によって検出し、 該検出される二次電子線像に基づいて被検査対象物上に
    形成されたパターンの検査または測定を行うことを特徴
    とする電子線式検査または測定方法。
17. 【請求項１７】電子、イオンなどの荷電粒子線源と該荷
    電粒子線源から発せられた荷電粒子線を偏向する偏向素
    子と該偏向素子で偏向される荷電粒子線を被観察対象物
    上に集束して照射する対物レンズとを有する荷電粒子光
    学系と、該荷電粒子光学系で偏向し、集束して照射され
    た荷電粒子線によって前記被観察対象物上から発生する
    荷電粒子線像を検出する荷電粒子線像検出光学系と、被
    観察対象物上に格子状の光束を被観察対象物の斜め上方
    から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格
    子状の光束によって被観察対象物の表面において反射し
    た格子状の光束を結像させてその光学像の位置を検出す
    る検出光学系とを備え、該検出光学系で検出する格子状
    の光束からなる光学像の位置変化に基づいて前記被観察
    対象物上の領域における表面の高さを光学的に検出する
    ように構成した光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検
    出装置で検出された被観察対象物上の表面の高さに基づ
    いて前記荷電粒子線光学系の対物レンズに流す電流また
    は印加する電圧を制御して荷電粒子線を被検査対象物上
    に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、前記荷電粒
    子線像検出光学系で検出される荷電粒子線像を表示する
    表示手段を有することを特徴とする荷電粒子線像観察装
    置。
18. 【請求項１８】更に、前記光学的高さ検出装置で検出さ
    れた被検査対象物上の表面の高さに基づいて前記電子光
    学系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点制御に基
    づいて生じる荷電粒子線線像の倍率誤差を含む像歪を校
    正する偏向制御手段を有することを特徴とする請求項１
    ７記載の荷電粒子線像観察装置。
19. 【請求項１９】更に、前記光学的高さ検出装置で検出さ
    れた被検査対象物上の表面の高さから、該被観察対象物
    上の表面の高さと焦点制御電流または焦点制御電圧との
    間の校正パラメータに基づいて焦点制御電流または焦点
    制御電圧を算出し、該算出された焦点制御電流または焦
    点制御電圧を前記荷電粒子光学系の対物レンズに与える
    ように制御して荷電粒子線を被検査対象物上に合焦点状
    態で集束させる焦点制御手段と、前記荷電粒子線像検出
    光学系で検出される荷電粒子線像を表示する表示手段と
    を有することを特徴とする請求項１７または１８記載の
    荷電粒子線像観察装置。
20. 【請求項２０】電子、イオンなどの荷電粒子線源と該荷
    電粒子線源から発せられた荷電粒子線を偏向する偏向素
    子と該偏向素子で偏向される荷電粒子線を被観察対象物
    上に集束して照射する対物レンズとを有する電子光学系
    と、該電子光学系で偏向し、集束して照射された荷電粒
    子線によって前記被観察対象物上から発生する荷電粒子
    線像を検出する荷電粒子線像検出光学系と、被観察対象
    物上に格子状の光束を被観察対象物の斜め上方から投影
    する投影光学系と該投影光学系で投影された格子状の光
    束によって被観察対象物の表面において反射した格子状
    の光束を結像させてその光学像の位置を検出する検出光
    学系とを備え、該検出光学系で検出する格子状の光束か
    らなる光学像の位置変化に基づいて前記被観察対象物上
    の領域における表面の高さを光学的に検出するように構
    成した光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検出装置で
    検出された被観察対象物の表面の高さに基づいて、前記
    電子光学系による焦点位置と前記被観察対象物を載置す
    るテーブルとの高さ方向の相対位置を制御して荷電粒子
    線を被観察対象物上に合焦点状態で集束させる焦点制御
    手段と、前記荷電粒子線像検出光学系で検出される荷電
    粒子線像を表示する表示手段とを有することを特徴とす
    る荷電粒子線像観察装置。
21. 【請求項２１】電子、イオンなどの荷電粒子線源と該荷
    電粒子線源から発せられた荷電粒子線を偏向する偏向素
    子と該偏向素子で偏向される荷電粒子線を被加工対象物
    上に集束して照射する対物レンズとを有する荷電粒子光
    学系と、該荷電粒子光学系で偏向し、集束して照射され
    た荷電粒子線によって前記被加工対象物上から発生する
    荷電粒子線像を検出する荷電粒子線像検出光学系と、被
    加工対象物上に格子状の光束を被加工対象物の斜め上方
    から投影する投影光学系と該投影光学系で投影された格
    子状の光束によって被加工対象物の表面において反射し
    た格子状の光束を結像させてその光学像の位置を検出す
    る検出光学系とを備え、該検出光学系で検出する格子状
    の光束からなる光学像の位置変化に基づいて前記被加工
    対象物上の領域における表面の高さを光学的に検出する
    ように構成した光学的高さ検出装置と、該光学的高さ検
    出装置で検出された被加工対象物上の表面の高さに基づ
    いて前記荷電粒子線光学系の対物レンズに流す電流また
    は印加する電圧を制御して荷電粒子線を被検査対象物上
    に合焦点状態で集束させる焦点制御手段と、収束して照
    射された荷電粒子線により前記被加工対象物表面を加工
    する手段を有することを特徴とする荷電粒子線像加工装
    置。
22. 【請求項２２】更に、前記光学的高さ検出装置で検出さ
    れた被検査対象物上の表面の高さに基づいて前記電子光
    学系の偏向素子への偏向量を補正して前記焦点制御に基
    づいて生じる荷電粒子線線像の倍率誤差を含む像歪を校
    正する偏向制御手段を有することを特徴とする請求項２
    １記載の荷電粒子線像加工装置。
23. 【請求項２３】対象物上に格子状の光束を斜め上方から
    投影する投影光学系と、 該投影光学系で投影された格子状の光束によって対象物
    の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像
    状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に
    変換して検出する検出光学系と、 該検出光学系で検出される格子状の信号に基づいて検出
    誤差が小さい結像状態を探索し、該探索された検出誤差
    が小さい結像状態に対して適合する重み付け処理を前記
    検出光学系で検出される格子状の信号に対して施すこと
    によって格子状の信号としての基準高さに応じた基準信
    号に対する移動量または位相変化量を求めて前記対象物
    の表面の高さに応じた情報を得る算出手段とを有するこ
    とを特徴とする光学的高さ検出装置。
24. 【請求項２４】対象物上に格子状の光束を斜め上方から
    投影する投影光学系と、 該投影光学系で投影された格子状の光束によって対象物
    の表面から反射した格子状の光束を結像させてこの結像
    状態に応じた格子状の光学像を受光して格子状の信号に
    変換して検出する検出光学系と、 該検出光学系で検出される格子状の信号に対して検出誤
    差が小さくなるような選択的な処理を施すことによって
    格子状の信号としての基準信号に対する移動量または位
    相変化量を求めて前記対象物の表面の高さに応じた情報
    を得る算出手段とを有することを特徴とする光学的高さ
    検出装置。
25. 【請求項２５】対象物上の近接した異なる複数の個所に
    複数のスリット状あるいはスポット状の光束の各々を斜
    め上方から結像投影する投影光学系と、 該投影光学系で被検査対象物上の複数の個所に結像投影
    された複数の光束によって反射された複数の光束の各々
    を結像させてこれら結像された複数の光束像を受光して
    複数の信号に変換して検出する検出光学系と、 該検出光学系で検出された複数の検出信号の各々におけ
    る基準高さに応じた基準信号に対する移動量または位相
    変化量を求めて前記複数個所の表面の高さに応じた情報
    を得、該得られた複数個所の表面の高さに応じた情報を
    補間（内挿補間および外挿補間も含む。）することによ
    って任意の位置における表面の高さに応じた情報を算出
    する算出手段とを有することを特徴とする光学的高さ検
    出装置。