JP5451832B2

JP5451832B2 - パターン検査装置

Info

Publication number: JP5451832B2
Application number: JP2012182228A
Authority: JP
Inventors: 力小川; 方敏廣野
Original assignee: Toshiba Corp; Nuflare Technology Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Nuflare Technology Inc
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: TWI498548B; KR20140024811A; KR101522676B1; US20140055780A1; US9157870B2; US20150377800A1; TW201415009A; JP2014041015A

Description

本発明の実施形態は、被検査試料のパターンの欠陥を光学的に検査するパターン検査装置に関する。

フォトマスク等のように微細パターンが形成されている被検査試料のパターン欠陥を検査するパターン検査装置において、同軸落斜照明で１／４波長板と偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を組み合わせて光量の効率を上げる手法が用いられている。即ち、光源側からのＳ偏光光をＰＢＳで反射し、１／４波長板で円偏光にしてマスク表面に照射する。そして、マスク表面での反射光を１／４波長板でＰＢＳにＰ偏光入射するようにし、ＰＢＳを透過した光をセンサで検出する。

しかし、この手法では、フォトマスク上に形成されたパターンが検査光の波長より短い周期構造を有する場合、入射する光の電場の向きに応じて屈折率が異なる構造性複屈折の影響により、マスク表面からの反射光の偏光状態が変化するため、マスク表面からの反射光をＰＢＳに効率良く透過させることができない。このため、パターン検査のための光量低下が避けられず、検査精度の低下を招くことになる。

特開２００４−３６１６４５号公報

発明が解決しようとする課題は、被検査試料のパターンが検査光の波長を下回る周期構造を有する場合であっても、構造性複屈折の影響による光量低下を防止でき、検査精度の向上をはかり得るパターン検査装置を提供することである。

本実施形態は、パターンが形成された被検査試料に光を照射して得られるパターン画像を用いてパターン欠陥を検査するパターン検査装置であって、前記被検査試料に対して所定波長の検査光を照射するための光源と、前記光源からの光を反射又は透過して前記被検査試料上に導く偏光ビームスプリッタと、前記被検査試料で反射され、前記偏光ビームスプリッタを透過又は反射した光を受光する撮像素子と、前記被検査試料と前記偏光ビームスプリッタとの間に前記被検査試料のフーリエ変換面を形成する光学系と、前記フーリエ変換面に設置された、前記検査光の通過する第１の領域と該領域よりも面積が大きく前記反射光の通過する第２の領域とでリタデーション量が異なる偏光制御素子と、を具備し、前記第２の領域のリタデーション量は、前記第１の領域のリタデーション量から前記被検査試料での複屈折による偏光状態の変化分をずらした量に設定されている。

第１の実施形態に係わるパターン検査装置の基本構成を示す図。フォトマスクの検査ストライプを説明するための模式図。第１の実施形態に係わるパターン検査装置の光学的構成を示す図。図３のパターン検査装置に用いた偏光制御素子の構成を示す平面図。第２の実施形態に係わるパターン検査装置の光学的構成を示す図。図５のパターン検査装置に用いた偏光制御素子の構成を示す平面図。第３の実施形態に係わるパターン検査装置の光学的構成を示す図。図７のパターン検査装置に用いた部分反射構造体の構成を示す平面図。

以下、実施形態のパターン検査装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わるフォトマスクのパターン検査装置の基本構成を示す図である。この実施形態は、大規模ＬＳＩの製作に用いられるフォトマスクの設計データと測定データとを比較してパターンの検査を行うパターン検査装置の構成例を示している。

この装置では、フォトマスクマスク１０に形成されたパターンにおける被検査領域８１が、図２に示されるように、仮想的に幅Ｗの短冊状の検査ストライプ８２に分割される。そして、この分割された検査ストライプが連続的に走査されるように、図１に示すＸＹθテーブル１１に上記マスク１０を搭載し、その内の１軸のステージを連続移動させながら検査が実行される。他の１軸は上記ストライプ検査が終了したら隣のストライプを観察するためにステップ移動が行われる。

フォトマスク１０は、ＸＹθテーブル１１の上に載置される。そして、このテーブル１１は、ホストコンピュータ７０の制御の下に、テーブル制御回路７１とＸＹθモータ７２により移動可能となっている。

フォトマスク１０に形成されたパターンには、ＤＵＶ（紫外光）レーザ等の光源１３によって光が照射される。フォトマスク１０を反射した光は光学系２０を介してフォトダイオードアレイ（撮像センサ）１５に入射される。フォトダイオードアレイ１５の上には、前記図２に示す仮想的に分割されたパターンの短冊状領域の一部が拡大され、光学像として結像される。フォトダイオードアレイ１５上に結像されたパターンの像は、フォトダイオードアレイ１５によって光電変換され、さらにセンサ回路７６によりＡ／Ｄ変換される。そして、このセンサ回路７６から出力された測定画像データは、比較回路７４に送られる。

一方、フォトマスク１０のパターン形成時に用いた設計データは、磁気ディスクや半導体メモリ等のデータメモリ７３から制御計算機７０を介して参照データ生成回路７５に読み出される。参照データ生成７５では、読み出された設計データが２値又は多値の設計画像データに変換される。

比較回路７４では、測定画像データと設計画像データとを適切なアルゴリズムに従って比較し、一致しない場合には欠陥有りと判定するようになっている。即ち、ダイ・ツー・データベース方式でフォトマスク１０のパターン欠陥が検出されるものとなっている。

図３は、第１の実施形態に係わるパターン検査装置の光学的構成を示す図である。この構成は、円偏光光を用いて検査する例であり、対物レンズの瞳又は瞳共役位置に分割型の波長板を使用するものとなっている。

被検査試料としてのフォトマスク１０の表面に対向するように、対物レンズ２１及びリレーレンズ２２，２３を有する光学系２０が設けられている。

フォトマスク１０を照明するための光は、レーザ光源１３から出射され、偏光ビームスプリッタの反射面に対してＳ偏光に調整されているものとする。この第１の直線偏光光（Ｓ偏光）は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４で反射され、光学系２０によりフォトマスク１０の表面に斜め照射される。フォトマスク１０の表面で反射した光は、光学系２０により取り出され、ＰＢＳ１４を透過してフォトダイオードアレイ１５に照射される。

ここで、光学系２０は、フォトマスク１０とＰＢＳ１４との間に、フォトマスク１０の表面に対する光学系の焦点面であるフーリエ変換面を形成するものとなっており、フーリエ変換面には偏光制御素子３０が設置されている。具体的には、光学系２０はリレーレンズ２２、２３からなり、偏光ビームスプリッタに近い方にリレーレンズ２３、対物レンズに近い方にリレーレンズ２２を設置し、対物レンズ２０の瞳位置がリレーレンズ２２の焦点位置に相当するようにし、リレーレンズ２２の対物側とは逆の焦点位置とリレーレンズ２３の焦点位置が一致するようにし、リレーレンズ２３のリレーレンズ２２の方向とは逆の焦点位置に偏光制御素子３０を設置することにより、フォトマスク面のフーリエ面を偏光制御素子３０の位置に形成する。この偏光制御素子３０は、図４に示すように、光学系２０の光軸からずれた位置で照明光が通過する第１の領域３１は１／４波長板であり、それ以外の第２の領域３２は１／４波長とは異なるリタデーションを有する複屈折素子となっている。より具体的には、第２の領域３２は、フォトマスク１０からの反射光における複屈折の影響を排除し、反射光をＰＢＳ１４で通過しやすいＰ偏光にするものとなっている。複屈折素子としては、例えば水晶を使用し、基板の厚みを制御することにより所望のリタデーション量を得ることができる。さらには、１／４波長板と１／２波長板を両方設置し、各々の角度を調整して任意の方向に任意のリタデーションを与える構成としても良い。

即ち、偏光制御素子３０の第１の領域３１のリタデーション量は９０度であり、第２の領域３２のリタデーション量は９０度からフォトマスク１０での複屈折による偏光状態の変化分をずらした量となっている。また、偏光制御素子３０において、１／４波長板となる第１の領域３１はごく一部であり、それ以外の大部分の第２の領域３２は１／４とは異なる複屈折素子となっている。

光源１３からの照明光は微小スポット光であるため、面積の小さい第１の領域３１であっても十分大きな光量で通過することになる。一方、フォトマスク１０からの反射光は基本的には、照明光の通過領域をずらした位置（図４中の破線内）になるが、反射光は０次回折光（正反射光）だけではなく多次数の回折光も存在するため、照明光の通過領域より広い範囲に広がっている。従って、照明光の通過領域以外の全て（第２の領域３２）を、任意波長板（１／４からフォトマスク１０での複屈折による偏光状態の変化分をずらした量）にすることにより、センサ側に向かう反射光を効率良くＰ偏光にすることができる。

照明光の通過領域に１／４波長板が設けられていることから、照明光は円偏光となり、フォトマスク１０に斜め方向から照射される。フォトマスク１０からの反射光は、光学系２０により取り出されるが、フーリエ変換面では位置がずれている。そして、偏光制御素子３０の第２の領域３２を通過することによりＰ偏光となり、ＰＢＳ１４を透過してフォトダイオードアレイ１５で検出される。このとき、フォトマスク１０からの反射光の通過する第２の領域３２が、検査光の通過する第１の領域の波長板と同じではなく、フォトマスク１０の表面における構造性複屈折の影響をキャンセルしてＰ偏光にするようになっているため、ＰＢＳ１４を通過する光は十分大きな光量となる。

このように本実施形態によれば、フォトマスク１０のフーリエ変換面に偏光制御素子３０を配置し、フォトマスク１０からの反射光を入射側の位相差板とは異なる位相差板を通すため、フォトマスク１０からの反射光を効率良くＰ偏光にすることができる。このため、ＰＢＳ１４を通過する光量が大きくなり、センサ側での受光光量が大きくなる。

従って、検査対象パターンが波長を下回る周期構造を有する場合であっても、構造性複屈折の影響による光量低下を防止でき、検査精度の向上をはかることができる。また、フォトマスク１０のフーリエ変換面に偏光制御素子３０を配置していることから、面積の小さな第１の領域３１であっても検査光を十分な光量でマスク側に導くことができる。さらに、面積の大きな第２の領域３２を通してフォトマスク１０からの反射光を取り出すことができる。このため、光の利用効率良いパターン欠陥検査が可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係わるパターン検査装置の光学的構成を示す図である。なお、図３と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、円偏光ではなく直線偏光光を用いて検査することにある。

本実施形態では、図６に示すように、フォトマスク１０のフーリエ変換面に配置する偏光制御素子４０が、照明光の通過領域（第１の領域）４１は透明（素ガラス）となっており、それ以外の第２の領域４２は、光源側からＰＢＳに入射する光の方向をＸ軸、ＰＢＳを反射してフォトマスクに向かう方向をＺ軸、Ｘ軸とＺ軸の両方に直交する方向をＹ軸としたとき、Ｘ軸に対して結晶軸方向が４５°を成す１／２波長板となっている。即ち、偏光制御素子４０の第１の領域４１のリタデーション量は０度であり、第２の領域４２のリタデーション量は１８０度となっている。

光源１３からの照明光は直線偏光光（Ｓ偏光）であり、ＰＢＳ１４で反射され、光学系２０によりフォトマスク１０の表面に斜め照射される。フォトマスク１０の表面で反射した光は光学系２０により取り出され、フーリエ変換面に戻る。フーリエ変換面の大部分（第２の領域４２）には１／２波長板が配置されているので、反射光はＰ偏光となりＰＢＳ１４を通過してセンサで検出される。このため、反射光の検出効率向上をはかることができる。

このように本実施形態によれば、フォトマスク１０のフーリエ変換面に偏光制御素子４０を配置していることから、面積の小さな第１の領域４１であっても検査光を十分な光量でマスク側に導くことができる。さらに、第１の領域４１よりも面積の大きな第２の領域４２を通してフォトマスク１０からの反射光を取り出すことができる。このため、従って、先の第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、従来では不可能であった直線偏光照明での反射光検出効率の向上を実現することが可能となる。

さらに、前記第１の領域が結晶軸方向が４５°の１／２波長板であって、前記第２の領域が素ガラスであってもよい。この場合も、ＰＢＳの透過効率を向上することが可能になる。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係わるパターン検査装置の光学的構成を示す図である。なお、図３と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、ＰＢＳを用いることなく、フォトマスクからの反射光を取り出すことにある。

フォトマスク１０のフーリエ変換面には、部分反射ミラー５０が設置されている。即ち、対物レンズ２１の瞳又は瞳共役位置に部分反射ミラー５０が設置されている。この部分反射ミラー５０は、図８に示すように、透明ガラス５２の一部に全反射ミラー５１を設けたものであり、照明光の入射方向及びフォトマスク１０の表面に対して４５°の角度で設置されている。そして、光源１３からの照明光が入射する領域のみが全反射ミラー５１となっている。

なお、部分反射ミラー５０の大部分（全反射ミラー５１を除く領域）は透明であることから、必ずしも透明ガラス５２を用いる必要はなく、フーリエ変換面に微小な全反射ミラー５１のみを設けるようにしても良い。

光源１３からの照明光は、円偏光であっても直線偏光であっても良い。照明光は全反射ミラー５１で反射され、光学系２０によりフォトマスク１０の表面に斜入射される。フォトマスク１０の表面からの反射光は、光学系２０により取り出され、フーリエ変換面では全反射ミラー５１の設置位置とはずれる。そして、部分反射ミラー５０を透過した光は、フォトダイオードアレイ１５で検出されることになる。

このように本実施形態では、フーリエ変換面に部分反射ミラー５０を設置することにより、ＰＢＳ等の高価な光学部品を用いることなく検査を行うことが可能となる。そして、照明光に円偏光を用いた場合、検査対象パターンが波長を下回る周期構造を有する場合であっても、構造性複屈折の影響による光量低下を防止でき、検査精度の向上をはかることができる。また、照明光に直線偏光を用いた場合、従来では不可能であった直線偏光照明での反射光検出効率の向上をも実現することができる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。

第１及び第２の実施形態では、照明光をＰＢＳで反射させてマスク側に導き、フォトマスクからの反射光をＰＢＳで透過させてセンサ側に導くようにしたが、これとは逆に照明光をＰＢＳで透過させてマスク側に導き、フォトマスクからの反射光をＰＢＳで反射させてセンサ側に導くようにしても良い。例えば、光源側からＰＢＳに入射する照明光としてＰ偏光、フォトマスクからの反射光をＰＢＳに入射する前にＳ偏光にすればよい。

第３の実施形態において、部分反射ミラーの構成を照明光が通過する小さな第１の領域を透明とし、それ以外の第２の領域を反射ミラーとすることにより、照明光を第１の領域を通過させ、第２の領域の反射ミラーでの反射光をセンサで検出することも可能である。

また、実施形態では被検査試料としてフォトマスクの例を説明したが、これに限らず、ＮＩＬ（Nano Imprint lithography）用のマスクに適用することも可能である。さらに、半導体ウェハや液晶基板のパターン欠陥検査に適用することも可能である。また、実施形態では、レンズの光軸からずれた位置に第１の領域を設けたが、必ずしもこれに限らず第１の領域を光軸中心に設けることも可能である。

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…フォトマスク（被検査試料）、１１…テーブル、１３…光源、１４…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、１５…フォトダイオードアレイ（撮像センサ）、２０…光学系、２１…対物レンズ、２２，２３…リレーレンズ、３０，４０…偏光制御素子、３１，４１…第１の領域、３２，４２…第２の領域、５０…部分反射ミラー、５１…全反射ミラー、５２…透明ガラス、７０…ホスト計算機、７１…ステージ制御回路、７２…ＸＹθモータ、７３…データメモリ、７４…比較回路、７５…参照データ生成回路、７６…センサ回路。

Claims

パターンが形成された被検査試料に光を照射して得られるパターン画像を用いてパターン欠陥を検査するパターン検査装置であって、
前記被検査試料に対して所定波長の検査光を照射するための光源と、
前記光源からの光を反射又は透過して前記被検査試料上に導く偏光ビームスプリッタと、
前記被検査試料で反射され、前記偏光ビームスプリッタを透過又は反射した光を受光する撮像素子と、
前記被検査試料と前記偏光ビームスプリッタとの間に前記被検査試料のフーリエ変換面を形成する光学系と、
前記フーリエ変換面に設置された、前記検査光の通過する第１の領域と該領域よりも面積が大きく前記反射光の通過する第２の領域とでリタデーション量が異なる偏光制御素子と、
を具備し、
前記第２の領域のリタデーション量は、前記第１の領域のリタデーション量から前記被検査試料での複屈折による偏光状態の変化分をずらした量に設定されている
ことを特徴とするパターン検査装置。
前記偏光制御素子は、前記第１の領域のリタデーション量が９０度であり、前記第２の領域のリタデーション量は９０度から前記被検査試料での複屈折による偏光状態の変化分をずらした量であることを特徴とする請求項１に記載のパターン検査装置。
前記偏光制御素子は、前記第１の領域のリタデーション量が０度であり、前記第２の領域のリタデーション量が１８０度であることを特徴とする請求項１に記載のパターン検査装置。
前記偏光制御素子は、前記第１の領域のリタデーション量が９０度であり、前記第２の領域のリタデーション量が０度であることを特徴とする請求項１に記載のパターン検査装置。
前記第１の領域は、該領域を通過した光が前記被検査試料面に垂直でない角度で入射するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のパターン検査装置。
パターンが形成された被検査試料に光を照射して得られるパターン画像を用いてパターン欠陥を検査するパターン検査装置であって、
前記被検査試料に対して所定波長の検査光を照射するための光源と、
前記被検査試料に対向して設けられ、照明光側に前記被検査試料のフーリエ変換面を形成する光学系と、
前記フーリエ変換面に配置され、前記光源からの光を反射又は通過させる第１の領域と、前記第１の領域よりも面積が大きく前記第１の領域が前記光源からの光を反射させる場合に前記被検査試料からの反射光を透過させ、前記第１の領域が光源からの光を通過させる場合に前記被検査試料からの反射光を反射させる第２の領域とを有する部分反射構造体と、
前記第２の領域を介して得られる前記被検査試料からの反射光を受光する撮像素子と、
を具備し、
前記第２の領域のリタデーション量は、前記第１の領域のリタデーション量から前記被検査試料での複屈折による偏光状態の変化分をずらした量に設定されている
ことを特徴とするパターン検査装置。
前記第１の領域は、該領域を反射又は通過した光が前記被検査試料面に垂直でない角度で入射するように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のパターン検査装置。
パターンが形成された被検査試料に光を照射して得られるパターン画像を用いてパターン欠陥を検査するパターン検査装置であって、
前記被検査試料に対して所定波長の検査光を照射するための光源と、
前記被検査試料に対向して設けられ、照明光側に前記被検査試料のフーリエ変換面を形成する光学系と、
前記フーリエ変換面に配置され、前記光源からの光を反射して前記被検査試料上に導くミラーと、
前記被検査試料で反射され前記フーリエ変換面を通過した光を受光する撮像素子と、
を具備し、
前記被検査試料で反射された光が通過する前記フーリエ変換面のリタデーション量は、前記ミラーのリタデーション量から前記被検査試料での複屈折による偏光状態の変化分をずらした量に設定されている
ことを特徴とするパターン検査装置。
前記ミラーは、該ミラーを通過した光が前記被検査試料面に垂直でない角度で入射するように配置されていることを特徴とする請求項８に記載のパターン検査装置。