JP2017129500A - 位相シフト量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で且つ温度安定性に優れる。【解決手段】位相シフトマスク１５の位相シフト量を測定する装置であって、光源１から２重干渉像を撮影する撮像装置２に至る単一光路上に、直線偏光を回折して複数の回折光を生成する回折格子７と、位相シフトマスク１５のパターンの横ずらし２重像を生成すると共に、位相シフトマスク１５のパターン部１８及び位相シフター部１９を通過した回折光を干渉させるノマルスキープリズム１１と、ノマルスキープリズム１１を２重像の生成方向にスライド移動させる移動手段２１と、を備えたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、位相シフトマスクの位相シフト量を測定する位相シフト量測定装置に関し、特に構造が簡単で且つ温度安定性に優れた位相シフト量測定装置に係るものである。

従来の位相シフト量測定装置は、透明基板上に位相シフター層を形成する前後に、その透明基板の同一箇所の透過光の位相差をマッハ・ツェンダー干渉計を用いて測定するもので、透明基板に位相シフター層を形成する間に、透明基板を載置する干渉計のサンプルステージ上にダミー透明基板を代わりに載置して、その間のダミー透明基板を透過する光の位相変動を検出し、透明基板に位相シフター層を形成した後の透明基板を透過する光の位相を測定する際に、その位相変動分を干渉計の一方の光路の光路長補正手段により光路長補正を行って相殺するものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３２７１１９号公報

しかし、このような従来の位相シフト量測定装置において、マッハ・ツェンダー干渉計は、光路を二つに分離すると共にそれを再度合成するもので、構造が複雑であるため二つの光路長を合せる調整作業が難しく、且つ分離された二つの光路の光路長が長いため温度安定性に欠けるという問題があった。

また、マスク本体の厚みを含む上記二つの光路の光路差によっても干渉が生じるため、マスクを交換する都度、マスク本体の厚みのばらつきに起因した干渉が生じないように二つの光路の光路長の調整が必要となる。したがって、量産品のマスクの厚みのばらつきを考慮すると実用的ではなかった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、構造が簡単で且つ温度安定性に優れた位相シフト量測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による位相シフト量測定装置は、位相シフトマスクの位相シフト量を測定する装置であって、光源から２重干渉像を撮影する撮像装置に至る単一光路上に、直線偏光を回折して複数の回折光を生成する回折格子と、前記位相シフトマスクのパターンの横ずらし２重像を生成すると共に、前記位相シフトマスクのパターン部及び位相シフター部を通過した前記回折光を干渉させるダブルウェッジプリズムと、前記ダブルウェッジプリズムを前記２重像の生成方向にスライド移動させる移動手段と、を備えたものである。

本発明によれば、二つに分離した光路上に夫々ダブルウェッジプリズムを配置する従来の構造と違って、単一の光路上に一つのダブルウェッジプリズムを移動可能に配置するだけの簡単な構造でシェアリング干渉を実現することができる。したがって、装置の製造コストを低減することができる。また、干渉する二つの光線の光路差はダブルウェッジプリズム内において決まるので極めて小さい。したがって、温度安定性に優れ、位相シフト量を高い精度で測定することができる。さらに、位相シフト量の測定と位相シフター層の透過率の測定を同時に行うことができる。

本発明による位相シフト量測定装置の一実施形態を示す正面図である。 被測定用の位相シフトマスクを示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面矢視図である。 回折格子の設計について示す説明図である。 干渉画像の輝度変化を示すグラフである。 本発明による位相シフト量測定装置による位相シフト量の測定について説明する説明図であり、（ａ）位相シフト量のみの測定例を示し、（ｂ）は位相シフト量と透過率の測定例を示す。 回折格子の代わりに使用するピンホール板を説明する平面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による位相シフト量測定装置の一実施形態を示す正面図である。この位相シフト量測定装置は、位相シフトマスクの位相シフト量を測定するためのもので、光源１から２重干渉像を撮影する二次元撮像装置２に至る単一の光路上に、偏光子３と、第１のλ／４板４と、コンデンサレンズ５と、バンドパスフィルタ６と、回折格子７と、照明レンズ８と、サンプルステージ９と、対物レンズ１０と、ノマルスキープリズム１１と、第２のλ／４板１２と、検光子１３と、結像レンズ１４と、をこの順に備えて構成されている。

上記偏光子３は、光源１から放射されるランダム光から直線偏光を取出すものであり、例えば、透過軸と同一方向の偏波を取出す偏光板である。又は、偏光ビームスプリッタであってもよい。なお、ここでは、偏光板を使用した場合について説明する。

上記偏光子３の光進行方向下流には、第１のλ／４板４が配置されている。この第１のλ／４板４は、入射光の偏光面にλ／４の位相差を与えて直線偏光を円偏光の状態に変えるためのもので、被測定用の位相シフトマスク（以下「サンプルマスク」という）１５の透明基板の複屈折を取り除くために設けられている。なお、この第１のλ／４板４及び後述の第２のλ／４板１２は、必須の構成要素ではなく、無くてもよい。

上記第１のλ／４板４の光進行方向下流には、コンデンサレンズ５が配置されている。このコンデンサレンズ５は、光源１から放射する光源光を平行光にするもので、光源光を前方に反射する図示省略の楕円反射鏡の第２焦点位置に前焦点を合致させて設けられている。

上記コンデンサレンズ５の光進行方向下流には、バンドパスフィルタ６が配置されている。このバンドパスフィルタ６は、特定波長の光を選択的に透過するものであり、例えば、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｈ線（４０５ｎｍ）及びｉ線（３６５ｎｍ）の混合光を選択的に透過するものであっても、ｇ線、ｈ線及びｉ線のうちから選択された一つの光線のみを透過するものであってもよく、上記各光線を透過するフィルタを切り替え可能に設けたものであってもよい。

上記バンドパスフィルタ６の光進行方向下流には、回折格子７が配置されている。この回折格子７は、入射光を回折して多数次回折光に分離して射出するもので、例えば平行な複数のスリットを等間隔で配列した構造を有している。

上記回折格子７の光進行方向下流には、照明レンズ８が配置されている。この照明レンズ８は、回折格子７から射出する多数次回折光を絞ってサンプルマスク１５に照射するものであり、前焦点を光軸上の上記回折格子７の位置に合致させて設けられている。

上記照明レンズ８の光進行方向下流には、サンプルステージ９が設けられている。このサンプルステージ９は、図２に示すような、石英等の透明基板１６上に被着された位相シフター層１７に、例えば矩形状のパターン部１８と位相シフター部１９とを形成したサンプルマスク１５の周縁部を保持するもので、中央部に開口部２０を形成して光が図１において下方から上方に向かって通過できるようになっている。そして、サンプルステージ９に保持されたサンプルマスク１５のマスク表面（位相シフター層１７を形成した面）が上記照明レンズ８の後焦点に合致するようにされている。これにより、上記回折格子７を射出した多数次回折光がサンプルマスク１５の表面で干渉することになる。

この場合、回折格子７で分離された光線のサンプルマスク１５表面におけるシア量（干渉縞のピッチ）をＳ_１、強め合う回折角をθ、照明レンズ８の焦点距離をｆ、照明光の波長をλ、回折格子７のスリットピッチをＰとすると、シア量Ｓ_１は、図３により
Ｓ_１＝ｆ×ｓｉｎθ （１）
と表される。なお、シア量Ｓ_１は、一般に、サンプルマスク１５のパターンの配列ピッチに合せて決められるが、パターンの配列が一定でないときには、例えば平均的な値に決めればよく、設計者が設定する所望の値である。

また、回折格子７のスリットピッチＰは、回折格子の方程式により
Ｐ×ｓｉｎθ＝λ （２）
と表される。

したがって、回折格子７のスリットピッチＰは、上記式（１）、（２）より
Ｐ＝ｆ×λ／Ｓ_１ （３）
で表される。

ここで、例えば、シア量Ｓ_１＝２μｍ、ｆ＝５０ｍｍ、λ＝３６５ｎｍとすると、スリットピッチＰは、式（３）により、Ｐ＝９．１２５ｍｍとなる。また、シア量Ｓ_１＝２μｍ、ｆ＝５０ｍｍ、λ＝４３６ｎｍとすると、スリットピッチＰは、式（３）により、Ｐ＝１０．９ｍｍとなる。このように、回折格子７のスリットピッチＰを１０ｍｍ程度と比較的粗いピッチで形成しても、サンプルマスク１５の表面に約２μｍピッチでコントラストの高い干渉縞を生じさせることができる。

上記サンプルステージ９の光進行方向下流には、サンプルマスク１５に対向して対物レンズ１０が配置されている。この対物レンズ１０は、サンプルマスク１５を透過した光線を瞳位置に集光するもので、後述の結像レンズ１４と協働してサンプルマスク１５のパターン像を撮像装置２の撮像面に拡大して結像するようになっている。

上記対物レンズ１０の光進行方向下流には、ノマルスキープリズム１１が配置されている。このノマルスキープリズム１１は、サンプルマスク１５のパターンの横ずらし２重像を生成すると共に、サンプルマスク１５のパターン部１８及び位相シフター部１９を透過した回折光（円偏光）を干渉させるものであり、複屈折性のある結晶を二つ、結晶軸をずらして貼り合せたダブルウェッジプリズムで、プリズムの焦点位置を対物レンズ１０の瞳位置に合致させて設けられている。

詳細には、ノマルスキープリズム１１は、サンプルマスク１５のパターン部１８を透過した円偏光と、位相シフター部１９を透過した円偏光とを統合するものである。この場合、パターン部１８を透過した円偏光と、位相シフター部１９を透過した円偏光との間には、位相シフター部１９の位相シフター層１７の厚みや屈折率の大きさに応じて位相差が生じる。したがって、統合された偏光は、上記位相差に基づく明暗のコントラストを持った干渉像を生じることになる。

この場合、ノマルスキープリズム１１は、光射出端面の全面に亘って均一な干渉像が形成されるように、光軸に対して横ずらし２重像の生成方向に傾けて配置するのがよい。なお、ノマルスキープリズム１１によって生成される２重像の横ずらし量（シア量Ｓ_２）は、ノマルスキープリズム１１による二つの偏光の分離角と対物レンズの焦点距離とに基づいて求まるものである。したがって、ノマルスキープリズム１１は、上記分離角が所望のシア量Ｓ_２が得られる角度となるように作製される。

より詳細には、ノマルスキープリズム１１は、例えばモータとボールねじを備えて構成された移動手段２１によって、２重像の生成方向にて、ノマルスキープリズム１１の光入射端面又は光射出端面に平行に移動可能になっている。したがって、移動手段２１によりノマルスキープリズム１１を上記のように移動させると、ノマルスキープリズム１１内の光路長が変化し、光射出端面に現れる干渉像に正弦波状の位相変調が生じる。この場合、位相変調量は、移動されるノマルスキープリズム１１の位置情報から求めることができる。又は、ノマルスキープリズム１１を一定速度で移動するなら、その移動時間から求めることができる。また、位相変調の輝度値は、撮像装置２に結像される干渉像に対応した画素の輝度情報により求めることができる。

上記ノマルスキープリズム１１の光進行方向下流には、第２のλ／４板１２が設けられている。この第２のλ／４板１２は、円偏光を直線偏光に戻すためのもので、第１のλ／４板４と同じ機能を有するものである。

上記第２のλ／４板１２の光進行方向下流には、検光子１３が設けられている。この検光子１３は、特定の偏波の直線偏光を取出すためのものであり、偏光板又は偏光ビームスプリッタである。なお、ここでは、偏光板を使用した場合について説明する。この場合、偏光板は、透過軸が偏光子３の偏光板の透過軸と直交するように配置される。これにより、検光子１３の偏光板を透過する直線偏光は、振動方向が偏光子３を透過する直線偏光の振動方向と直交するものである。

上記検光子１３の光進行方向下流には、結像レンズ１４が設けられている。この結像レンズ１４は、対物レンズ１０と協働してサンプルマスク１５のパターン像を撮像装置２の撮像面上に拡大して結像するもので、集光レンズである。この場合、サンプルマスク１５のパターン像は、像光がノマルスキープリズム１１を透過する際に、二つに分離されて横にずれるため、撮像装置２の撮像面上に結像されるパターン像は横にずれた２重像となる。なお、計測に使用する光線がｇ線、ｈ線又はｉ線等の紫外光であるため、撮像装置２は、紫外線カメラが使用される。

次に、このように構成された位相シフト量測定装置の動作について説明する。
ここでは、例えば、サンプルマスク１５として、図２に示すような石英等の透明基板１６上に被着された半透明膜等の位相シフター層１７に矩形状のパターン部１８とその外側の位相シフター部１９とを形成した位相シフトマスクを使用する場合について説明する。

光源１から放射されるランダム光の紫外線は偏光子３に入射する。そして、偏光子３から特定方向に振動する偏波の直線偏光が取り出される。この直線偏光は、下流の第１のλ／４板４によって円偏光とされる。

上記円偏光は、さらに下流のコンデンサレンズ５により平行光にされた後、バンドパスフィルタ６により選択された波長の光線が回折格子７に入射する。

回折格子７に入射した円偏光は、複数のスリットにより多数次回折光に分離されて回折格子７を射出した後、照明レンズ８により絞られてサンプルマスク１５を裏面から照明する。そして、上記多数次回折光（円偏光）は、サンプルマスク１５の表面（位相シフター層１７を形成した面）で干渉する。この干渉光の一部は、サンプルマスク１５のパターン部１８を透過し、他の干渉光は位相シフター部１９を透過する。干渉縞のピッチ（シア量Ｓ_１）は、図３を用いて説明したように、回折格子７のスリットピッチＰ、照明レンズ８の焦点距離ｆ、照明光の光線の波長λ及び上記式（３）を用いて算出することができる。

サンプルマスク１５のパターン部１８及び位相シフター部１９を透過した多数次回折光は、夫々、対物レンズ１０の瞳位置に集光した後、再び分散してノマルスキープリズム１１に入射する。ノマルスキープリズム１１は、互いに直交する振動面を持つ二つの偏光を一つの偏光に統合する作用を有する。したがって、分散してノマルスキープリズム１１に入射した各二つの多数次回折光（パターン部１８及び位相シフター部１９を透過した多数次回折光）は、夫々、ノマルスキープリズム１１によって再び一つの偏光（円偏光）に統合されてノマルスキープリズム１１を射出する。このように、パターン部１８及び位相シフター部１９を透過した多数次回折光がノマルスキープリズム１１によって一つの偏光に統合されることにより、ノマルスキープリズム１１の光射出端面には、複数の干渉縞が生じることになる。

ノマルスキープリズム１１で統合された複数の多数次回折光の円偏光は、第２のλ／４板１２によって直線偏光に戻られた後、検光子１３に入射する。検光子１３は、透過軸が偏光子３の透過軸に対して直交するように配置されたものである。したがって、上記直線偏光の内、検光子１３の透過軸と同一方向に振動する偏波の直線偏光が検光子１３を透過し、後段の結像レンズ１４により、撮像装置２の撮像面上に集光される。

これにより、撮像装置２の撮像面には、サンプルマスク１５のパターン像がノマルスキープリズム１１の作用により横にずれた（例えば図２においてＸ方向にずれた）二つの画像（干渉画像）に分離された状態で拡大結像される。また、各画像内には、二つの画像の位相差が輝度変化となって現れる。

ここで、移動手段２１を駆動してノマルスキープリズム１１を２重像の生成方向にスライド移動させて２重像の干渉像に位相変調を生じさせると、二つの干渉画像には、図４に示すような輝度変化が現れる。同図において、Ｌ_０は透明基板に相当する位置における輝度変化を示し、Ｌ_１は二つの干渉画像の一方の干渉画像位置における輝度変化を示し、Ｌ_２は二つの干渉画像の他方の干渉画像位置における輝度変化を示しており、夫々、振幅の中点の値により規格化して表したものである。また、同図において、Φ_１は輝度変化Ｌ_１の位相差を示し、Φ_２は輝度変化Ｌ_２の位相差を示す。したがって、サンプルマスク１５の位相シフト量δは、両干渉画像の位相差（Φ_２−Φ_１）を計算することにより、δ＝（Φ_２−Φ_１）／２を演算して求めることができる。この演算は、撮像装置２内又は別に設けた信号処理装置で行うことができる。なお、図４において、各輝度変化のグラフの振幅は、透過率に比例する。

以下、サンプルマスク１５の位相シフト量の測定及び位相シフター層１７の透過率の測定方法について詳細に説明する。
例えば、幅がＷの矩形状のパターン部１８を有するサンプルマスク１５をシア量Ｓ_２がＷのノマルスキープリズム１１を透して観察すると、撮像装置２には、図５（ａ）に示すように、ノマルスキープリズム１１の作用により、横にずれた２重像として現れる。この場合、同図に実線で示すパターン画像２２Ａの干渉画像は、図４における輝度変化Ｌ_２を示す干渉画像に対応し、破線で示すパターン画像２２Ｂの干渉画像は、輝度変化Ｌ_１を示す干渉画像に対応する。したがって、ノマルスキープリズム１１を２重画像の生成方向に移動しながら、撮像装置２の各干渉画像に対応した位置の画素の輝度情報を取得すると、図４における輝度変化Ｌ_１，Ｌ_２の正弦波形が得られる。

したがって、サンプルマスク１５の位相シフト量δは、輝度変化Ｌ_１，Ｌ_２の正弦波形のピーク間の位相差（Φ_２−Φ_１）を計算することにより、δ＝（Φ_２−Φ_１）／２を演算して求めることができる。この場合は、図４に示す透明基板に相当する位置における輝度変化Ｌ_０は得られない。したがって、位相シフター層１７の透明基板に対する透過率は、測定することができない。

サンプルマスク１５の位相シフト量及び位相シフター層１７の透過率の両方を測定するには、ノマルスキープリズム１１として、シア量Ｓ_２がパターン部１８の幅Ｗに対してＳ_２＜Ｗ（例えばＳ_２＝Ｗ／２）となるように作製したものを使用するとよい。このようなノマルスキープリズム１１を透してサンプルマスク１５を観察すると、撮像装置２には、図５（ｂ）に示すような、例えば横ずらし量がＷ／２の２重画像が現れる。この場合、図５（ｂ）に実線で示すパターン画像２２Ａの左半分の干渉画像は、図４における輝度変化Ｌ_２を示す干渉画像に対応し、図５（ｂ）に実線で示すパターン画像２２Ａの右半分の干渉画像（又は破線で示すパターン画像２２Ｂの左半分の干渉画像）は、図４における輝度変化Ｌ_０を示す干渉画像に対応し、図５（ｂ）に破線で示すパターン画像２２Ｂの右半分の干渉画像は、図４における輝度変化Ｌ_１を示す干渉画像に対応する。そこで、ノマルスキープリズム１１を２重画像の生成方向に移動しながら、撮像装置２の各干渉画像に対応した位置の画素の輝度情報を取得すると、図４における輝度変化Ｌ_０，Ｌ_１，Ｌ_２の正弦波形が得られる。

したがって、サンプルマスク１５の位相シフト量δは、輝度変化Ｌ_１，Ｌ_２の正弦波形のピーク間の位相差（Φ_２−Φ_１）を計算することにより、δ＝（Φ_２−Φ_１）／２を演算して求めることができる。また、前述したように、各輝度変化の振幅が透過率に比例するから、各輝度変化の振幅を比較することにより、例えば透明基板の透過率に対する位相シフター層１７の透過率を求めることができる。例えば、輝度変化Ｌ_０の振幅をＡ_０、輝度変化Ｌ_１，Ｌ_２の振幅をＡ_１とすると、相対透過率ＴはＴ＝Ａ_１／Ａ_０を計算することにより求めることができる。

なお、上記実施形態においては、サンプルマスク１５の図２におけるＸ方向の位相シフト量を測定する場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図２におけるＸ，Ｙの両方向の位相シフト量の測定を可能にするには、回折格子７とノマルスキープリズム１１とを一体的に光軸回りに９０度回転させる回転手段を備えるとよい。又は、ノマルスキープリズム１１を光軸を中心に９０度ずれた位置に夫々配置すると共に、回折格子７を９０度回転させるようにしてもよい。又は、回折格子７の代わりに、図６に示すような複数のピンホール２３をマトリクス状に備えたピンホール板２４を使用してもよい。さらには、上記実施形態において、サンプルステージ９を９０度回転可能に構成してもよい。

１…光源
２…撮像装置
４…第１のλ／４板
６…バンドパスフィルタ
７…回折格子
１１…ノマルスキープリズム（ダブルウェッジプリズム）
１２…第２のλ／４板
１５…サンプルマスク（位相シフトマスク）
２１…移動手段

Claims (5)

1. 位相シフトマスクの位相シフト量を測定する装置であって、
   光源から２重干渉像を撮影する撮像装置に至る単一光路上に、
   直線偏光を回折して複数の回折光を生成する回折格子と、
   前記位相シフトマスクのパターンの横ずらし２重像を生成すると共に、前記位相シフトマスクのパターン部及び位相シフター部を通過した前記回折光を干渉させるダブルウェッジプリズムと、
   前記ダブルウェッジプリズムを前記２重像の生成方向にスライド移動させる移動手段と、
   を備えたことを特徴とする位相シフト量測定装置。
2. 前記回折格子の光進行方向上流側及び前記ダブルウェッジプリズムの光進行方向下流側に夫々、λ／４板を配置したことを特徴とする請求項１記載の位相シフト量測定装置。
3. 前記回折格子の光進行方向上流側にｇ線、ｈ線及びｉ線のうち、少なくとも何れか一つの光線を透過させるバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の位相シフト量測定装置。
4. 前記回折格子と前記ダブルウェッジプリズムとを一体的に光軸回りに回転させる回転手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の位相シフト量測定装置。
5. 前記ダブルウェッジプリズムは、ノマルスキープリズムであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の位相シフト量測定装置。