JPH04100045A - フォトマスク検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体の製造工程において用いられる半導体回
路パターン転写用のフォトマスクの検査装置に関するも
のてあり、特に位相シフト法が採用されたフォトマスク
の検査装置に関するものである。

［従来の技術］ 半導体製造過程においては、フォトマスクのパターンを
転写することによって製品を作りだすため、フォトマス
ク自身が完全であることが要求される。このため、マス
ク製作において、マスク検査技術は重要な位置を占めて
いる。集積回路の発展とともに、極めて微細なパターン
を検査する必要か生し、検査の高精度化、高信頼化か図
られている。

現在用いられているフォトマスク検査装置は、次に託す
ような構造をもつものである。光源から放射された光を
、照明光学系を介して検査すへぎフォトマスクを透過さ
せ、透過光を検出光学系によって、撮像素子上に結像さ
せる。このとき得られる光量情報は検出回路を経て比較
演算器に達する。フォトマスクの保持体を駆動するモー
タより発生する位置パルス信号と、前記撮像素子より得
られる光量情報により、フォトマスクのパターンの２次
元情報を決定し、この情報と、あらかしめ記憶装置に記
憶されているパターン情報との比較を行なうことにより
フォトマスクの検査を行なっていた。

［発明が解決しようとする課題］ 一方、近年半導体製造において、微細パターンをレンズ
系によって投影するに当って、解像度を向上する目的で
位相シフト法を採用したフォトマスクの開発が盛んに行
われている。現在、この位相シフト法を使ったフォトマ
スクには、大きく分けて次の２種類がある。一つは空間
周波数変調型と呼ばれるもので、マスク上のパターンの
隣りあう透明部の一方に光の位相差を生しさせる位相部
材を設ける方法である。もう一方はエツジ強調型と呼ば
れるもので、透明部の端で位相をすらしてマスク透過後
の光の端の強度を下げるものである。

しかしながら、上述した従来のフォトマスク検査装置は
、検査すべきフォトマスクとして、このような位相シフ
ト法を用いたマスクを対象とはしておらず、ガラス等の
透明基板上にクロム等の不透明物をバターニングしたの
みのフォトマスクを対象としていた。このため、従来の
検査装置では、位相部材を備えたフォトマスクに対する
検査能力が十分ではなかった。すなわち、従来の検査装
置で検査した場合には、位相部材の作用を光量情報とし
て得ることができず、たとえば位相部材の位置のチエツ
ク等が不可能であったので、位相シフト法かりソグラフ
イ技術として確立される上での大きな問題となっていた
。

本発明の目的は、位相シフト法を用いたフォトマスクの
検査を、高い感度で行うことのてぎるフォトマスク検査
装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るフォトマスク検査装置は、透明部を透過す
る光に位相差を与える位相部材を有するフォトマスクを
検査する装置であって、以上の課題を達成するために、
前記フォトマスク上の位相部材と、空気との光路長差が
ほぼ、（２ｍ−１）×波長／２（ｍは自然数）となる波
長の単色光もしくは準単色光によって、前記フォトマス
クを照明する照明光学系と、前記照明光学系により照明
された前記パターンの像を検出光学系を介して検出する
光電検出手段と、前記照明光学系の開口数を可変とする
第１の絞り手段と；前記検出光学系の開口数を可変とす
る第２の絞り手段と：前記光電検出手段によって得られ
た信号によって前記フォトマスクの欠陥を判定する演算
手段とを備えたものである。

［作　用］ 本発明では、照明光学系のほぼ瞳面（もしくはその共役
面）と検出光学系のほぼ瞳面との各々に可変絞りを設け
、検査すべきフォトマスクか通用される投影型露光装置
の照明光学系と投影光学系との開口数の比、いわゆるＯ
値と投影光学系の開口数（Ｎ、Ａ、　）とに応して上記
２組の可変絞りを調整した後、フォトマスクに形成され
たパターンの像を検出光学系を介して光電検出する構成
とした。このため、検出光学系に関してフォトマスクと
ほぼ共役に配置された撮像素子の受光面上にコントラス
トの高い光量分布（パターン像）を得ることができ、高
精度にフォトマスクの欠陥を検査することが可能となっ
ている。

さて、第２図、第３図を用いて本発明の原理について説
明する。

第２図（ａ）は、下面にラインアンドスペースパターン
３２をもつ空間周波数変調型のフォトマスク３１てあり
、ラインアントスペースパターンの透明領域（開口部）
３２ａにはその相互間に位相差を与える位相部材３２　
ｂ　カ）１つおきに設けられている。位相部材３２ｂは
投影露光の波長の光に対して、３２ａを通るものと、３
２ｂを通るものの位相差かπ、光路差が２分の１波長ふ
ん生じるような厚さの話電体膜である。

このような位相部材を設けたフォトマスク３１は、微細
パターンを露光装置を使って転写する際に、高い解像度
を得られるものである。すなわち、露光時にコヒーレン
トな波長の光を用いたとき、３２ａを通る光と、３２ｂ
を通る光ではπだけ位相がずれる。このことにより、干
渉現象によって遮光したい部分に当ってしまう光が除か
れるため、高い解像度を得ることができる。

また、このパターンを露光装置を使って転写するとぎに
は、フォトマスクのパターン面内での照明光の空間的可
干渉性を高めて、位相部材の効果を有効にするため、投
影光学系の開口数に対する照明光学系の開口数の比、い
わゆるＯ値か調節される。フォトマスク上の回路パター
ンによって、０値の最適値は異なるか、−船釣には０２
から０３程度のＯ値か使われ、最適なσ値を用いた場合
には、コントラストの高い光量分布を得ることかできる
。

従来方式のフォトマスク検査装置では検査する光の波長
と、投影露光に使用する波長が異なるために、また、フ
ォトマスク３１を照明する照明光の空間的可干渉性か低
いために、撮像素子上で、第２図（Ｃ）　に示す３７ｃ
のようなコントラストの高い、投影露光時のウェハ上の
強度分布に近い、光量分布を得ることは不可能であった
。

一方、本発明においては、照明光学系の開口数を、その
ほぼ瞳面に配置した開口絞りにより制限するためフォト
マスク上の照明光の空間的可干渉性が増大し、第２図（
ａ）中の隣りあうラインアンドスペースの開口部間での
照明光の可干渉性がきわめて大きくなる。

また、前記フォトマスク上の位相部材と、空気との光路
長差がほぼ、（２ｍ−１）ｘ波長／２（ｍは自然数）と
なる波長の単色光もしくは準単色光によって、前記フォ
トマスクを照明する照明光学系を有しているため、露光
時と同じ波長を光源として使用できる。このため、位相
部材３２ｂの付いた透過部と、位相部材の付いていない
透過部３２ａを通る光の位相は正確にπだけずれるよう
になる。従って、検出光学系に関してフォトマスクとほ
ぼ共役に配置された撮像素子の受光面上での光の振幅分
布は第２図（ｂ）の３７ａに示す如く＋、−が交互に表
われるものとなる。

このとき、撮像素子が検出する光量は３７ｃに示される
ような分布である。照明光学系及び検出光学系の開口数
の各々を、２組の開口絞りにより、フォトリソグラフィ
ーに使用する投影型露光装置の照明光学系及び投影光学
系の開口数と一致させれば、３７ｃは上記の投影型露光
装置での、ウニ八面上の光強度分布と同一　またはウニ
八面内方向に比例拡大した分布と一致する。

これにより、光電検出手段で得られた光量分布を演算手
段において、あらかしめ記憶させておいた回路パターン
情報と比較することにより、位相部材を備えたフォトマ
スクの検査か可能となる。

次に、第３図（ａ）は孤立ライン３４ａ（透明領域）の
両脇に形成された開口部に位相部材３４ｂを持ついわゆ
るエツジ強調型のフォトマスク３３の例であり、位相部
材３４ｂの厚さは第２図と同様である。投影露光装置で
パターンを転写する際のウェハー上の強度分布を３８ｃ
に示す。３４ａを透過した光は３８ａになり、３４ｂを
透過した光は３８ｂになるか、照明光の空間的可干渉性
が高いため、３８ａ、３８ｂが相殺し、３８ｃに示すよ
うな強度分布が得られ、十分な解像度か得られる。

ところが、従来型の検査装置を使用した場合ては、第２
図の例と同様に、露光装置と照明光等の条件が異なるた
めに、３８ｃより強度の幅か増大するか、強度分布が３
８ａ、３８ｂに対応して３つのピークを持ってしまうな
どの不都合が生じてしまう。一方、本発明によるフォト
マスク検査装置においては、第２図に示した例と同様に
、開明光学系の開口絞り、光電検出手段の開口絞りを最
適化することにより、撮像素子の受光面上にて、３７ｃ
とほぼ同等な強度分布を得ることかできる。このように
、第３図のようなパターンをもつフォトマスクでも検査
は可能である。

［実施例］ 以下、本発明を図示した実施例に基ついて説明する。

第１図は本発明によるフォトマスク検査装置の一実施例
の概略構成を示す図である。

超高圧水銀灯ｌより放射される照明光Ｌ１は、凹面鏡２
て集光され、ミラー３で反射されてリレーレンズ４に導
かれる。リレーレンズ４を透過した照明光に対して波長
選択素子であるバントパスフィルター（干渉フィルター
）５が作用し、照明光束の中から特定の波長の単色光ま
たは準単色光からなる照明光束Ｌ２のみが透過する。

このとき、バントパスフィルター５の効果を補助するた
めに、前述のミラー３は、ダイクロイックミラーであっ
てもよい。バントパスフィルタ５は検査すべきフォトマ
スク１０の特性に応して（具体的には、フォトマスク１
０を使用する露光装置の露光波長とほぼ同一の波長域と
なるように）照明光の透過波長を可変とするため、着脱
・交換可能としておく。

照明光束Ｌ２は、次に第１の絞り手段としての可変開口
絞り６により、所望の０値に制限され、リレーレンズ８
、及びミラー９を介して、検査すべきフォトマスク１０
を照明する。以上のうち、超高圧水銀灯１、凹面鏡２、
ミラー３及び９、リレーレンズ４．８から本発明の照明
光学系が構成されており、可変開口絞り６はそのほぼ瞳
面に配置されている。

フォトマスク１０下面には位相部材を備えたパターン１
０ａがバターニングされている。該パターン１０ａを透
過した光Ｌ３は、検出光学系１３．１４を通り、撮像素
子１７上に結像する。

尚、本実施例において検出光学系は拡大投影光学系であ
って、フォトマスク１０のパターンＩＯａは撮像素子１
７の受光面上に拡大投影されるものとする。また、照明
光学系及び検出光学系はフォトマスク１０に照射される
照明光束Ｌ２の波長に対して色消しされている。

撮像素子１７は撮像管であっても半導体撮像素子てあっ
ても良い。レンズ１３．１４からなる検出光学系のほぼ
瞳面には、第２の絞り手段としての可変開口絞り１５か
あり、検出光学系の開口数（開口口径値）を所望の値に
制限する。

照明光学系及び検出光学系中の開口絞り６゜１５はそれ
ぞれ駆動系７．１６か設けられており、絞りの設定が自
動化されている。ここで、検査すべきフォトマスクのパ
ターンに関する標準データ及びフォトマスクが使用され
る露光装置の露光データ（情報）は、入出力装置２３に
人力され、演算部２０に伝達される。この情報に基づい
て演算部で最適な開口数を求め、絞り制御部２２に情報
が送られる。絞り制御部２２から、この間口数になるよ
うに信号■か駆動系７．１８に送られることにより、開
口絞り７．１５の口径かそれぞれ設定される。入出力装
置２３は、オペレータと検査装置本体とのマン・マシー
ン・インターフェイスであり、検査に必要な各種データ
すなわち検査すべきフォトマスクを使用する露光装置の
露光データ（０値、投影光学系の開口数等）をオペレー
タから受は付けるとともに、必要に応してフォトマスク
の検査結果をオペレータに知らせる。

また、記憶装置２１には入出力装置２３から人力された
検査ずへきフォトマスクのパターン情報、及び欠陥の判
定に必要なパラメータ（定数）やテーブル等が記憶され
ている。

撮像素子１７は、駆動部１８により、検出光学系の光軸
方向に微動可能であり、フォトマスク１０下面の回路パ
ターンに対する合焦が可能となっている。なお、保持体
１１ａ、ｌｌｂ中に、検出光学系の光軸と平行な方向に
フォトマスク１゜を可動とする構造を持たせても良い。

フォトマスク１ｏは、保持体１１ａ、ｌｌｂにより保持
され、保持体１１ａ、ｌｌｂは、本発明の相対移動機構
である駆動モータ１２により検出光学系の光軸と垂直な
面内て２次元移動可能となっている。ところで、最近で
は半導体素子のチップサイズか２０Ｘ２０ｍｍで最少線
幅が０．６μｍ程度になっており、例えは縮小率１１５
の投影露光装置ではフォトマスクのパターン領域の大ぎ
さか１０１００ｘｌＯＯて最少線幅か３μｍ程度となる
。また、撮像素子、例えばＣＣＤの分解能か数μｍ程度
であって、フォトマスクのパターン像を拡大観察するこ
とが望ましいことから、フォトマスクのパターン領域の
全面を一度に検査することは難しい。そこで、本実施例
ては駆動モータ１２により照明光束Ｌ２に対してフォト
マスク１０を相対移動させ、パターン１０ａの部分領域
を撮像素子１７にて順次検出することによって、パター
ン領域前面の検査を行うものとする。これによって、フ
ォトマスク１０のパターン領域が広くても、充分に検査
することか可能となっている。この際、フォトマスク１
０上での照明光束Ｌ２の照明領域の大きさ、形状を制限
するための視野絞りを、フォトマスク１０のパターン面
とほぼ共役な面内に配置しておくことか望ましい。

尚、視野絞りの開口部の形状は任意（例えは矩形）であ
り、その大きさは照明光学系や検出光学系の倍率、及び
パターン１０ａや撮像素子１７の受光面の大きさ等によ
って一義的に定められる。

次に、光電°検出手段の出力に基ついて欠陥の判定を行
う演算手段の動作について述へる。

フォトマスク１０の保持体１１ａ、ｌｌｂの移動によっ
て、駆動モータ１２、もしくはフォトマスク１０の位置
検出手段に設けられたエンコーダ等の位置情報発生器よ
り発生した信号に同期して、撮像信号処理回路１９は撮
像素子１７より光量信号を取り込み、比較演算器２０へ
伝達する。

一方、前述の位置情報発生器からの信号は、比較演算器
２０へも伝達され、演算器２０はこの信号に応答して記
憶装置２１から対応した回路パターン情報を読み出す。

比較演算器２０において、前述の２つの情報、すなわち
、撮像素子１７より得られる情報と、記憶装置２１より
得られる情報とを比較し、両者間に著しい違いのある場
合、フォトマスク１０の回路パターンＩＯａに欠陥があ
ると判断する。

撮像素子１９の駆動部２０は、モータ及びネジによる構
成ても良いし、ピエゾを使用しても良い。記憶装置２１
としては、６Ｒ気デイスク、磁気テープ、光磁気ディス
ク、半導体メモリ等が使用可能である。

本実施例においては照明光の光源を水銀灯１としたか、
フォトマスク１０の特性（すなわち露光装置の露光光の
波長域）に合わせて他の光源を使用しても良い。例えば
エキシマレーザ、金属蒸気レーザ、色素レーザ等の各種
レーザ及びそれらの高調波等が使用できる。また、フォ
トマスクの特性が水銀灯のｉ線（波長３６５ｎｍ）用の
ものであフても、照明光の光源はＡｒレーザーとし、３
４４ｍｍのレーザ光を使用しても良い。なお、検圧光学
系、照明光学系共に、いくつかの波長に対して色消しさ
れている。単一波長の得られるレーザを光源として使用
する場合には、バントパスフィルター５を設けなくても
よい。また、開明光学系として、検出光学系の瞳面に光
源像か形成される、いわゆるケーラー照明を用いた場合
には、より高精度の検査が可能となる。

また、撮像素子１７より得られる光量信号を撮像信号処
理回路１９中のメモリー又は他の記憶媒体に記憶し、フ
ォトマスク１０の全面を走査終了後、記憶装置２１中の
情報との比較を行なっても良い。さらに、上記実施例で
はフォトマスク１０を２次元移動させてパターン領域全
面の検査を行っていたが、照明光学系と検出光学系及び
撮像素子とを一体にフォトマスク１０に対して相対移動
させても構わない。また、照明光学系からの照明光束Ｌ
２によフてフォトマスク１０のパターン領域全面を照明
し、検出光学系の結像面内て撮像素子１７を２次元移動
させることによって、パターン１０ａの部分領域を順次
検出するようにしても良い。また、照明光学系内のフォ
トマスク１０とほぼ共役な面内に可変ブラインドを配置
し、その可動プレートを開閉駆動させて開口位置を変え
ることによって、同様にパターン］Ｏａの部分領域を順
次検出するようにしても良い。また、リレーレンズ４．
８をアフォーカルリレー系とし、このフォトマスク側の
レンズとミラー９とを一体にｆ、４動させる、もしくは
視野絞りとフォトマスク１０との間に設けられたブレー
ンパラレルを傾けることによって、同様にパターン１０
ａの部分領域を順次検出するようにしても構わない。こ
の場合、絞り面とパターン面との共役関係は常に維持さ
れる。

また本実施例ては撮像素子１７により回路パターン１０
ａの像を光電検出していたが、例えば露光波長が２００
ｎｍ程度になると、上記構成の装置（第１図）、特に撮
像素子を使ってフォトマスクの検査を行うことはできな
い。そこで、このような場合には撮像素子の代わりに書
込・消去可能な記録媒体（例えば、光磁気記録媒体、フ
ォトクロミック材料等）を配置し、パターン像を記録媒
体に形成した後、ＩＴＶカメラ等によってパターン像を
観察し、画像処理によりパターン像を検出する。そして
、この観察結果と記憶装置２１から読み出した回路パタ
ーン情報とを比較することによって、同様にフォトマス
ク１０の欠陥を検出することが可能となる。以下、記憶
媒体に形成されたパターン像を消去した後、上記と同様
の動作でパターン１０ａの部分領域を順次検出していく
ことにより、フォトマスク１０の全面の検査が完了する
。尚、ＩＴＶカメラ等の観察光学系は検出光学系と別設
し、観察にあたフては記憶媒体を観察光学系の観察位置
まで移動可能な構成とすれば良い。また、当然ながら露
光波長が２００ｎｍより長い場合でも、同様の構成を採
用して構わない。

本発明のフォトマスク検査装置は、位相部材を備えたフ
ォトマスクの欠陥検査のみでなく、フォトマスク上の異
物検査も可能である。すなわち、本発明の検査装置は、
フォトマスクを透過した光を、光電検出手段により結像
して検査を行うものであり、フォトマスク上に異物があ
った場合には、フォトマスク透過率か劣化するため、こ
れを測定すれは、異物を検出てきる。

また、フォトマスクにゴミ等か付着して回路パターンに
欠陥か生しるのを防ぐ目的で、フォトマスクにペリクル
（異物付着防止膜）を取付ける場合かあるか、このよう
な時にはフォトマスクパターン面と、検出光学系のワー
キングデイスタンスを所定間隔開けることにより、ペリ
クル装着後のフォトマスクの検査も可能となる。

［発明の効果コ 以上説明した通り、本発明によって位相部材を備えたフ
ォトマスクの欠陥検査を充分に行うことが可能となった
。フォトマスクの欠陥検査技術の確立は、優れた特性を
持つ位相シフト法を利用したフォトマスクの発展に大き
く貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、Ｓ２図及ひ第３図
は本発明の詳細な説明する図である。 ［主要部分の符号の説明］ ・・・・バントパスフィルター １５・・・・可変開口絞り ０・・・・フォトマスク ２・・・・駆動モータ ７・・・・撮像素子 ３．１４・・・・レンズ ０・・・・比較演算器 １・・・・記憶装置 （検出光学系）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明部を透過する光に位相差を与える位相部材を
   有するフォトマスクを検査する装置において、 前記フォトマスク上の位相部材と、空気との光路長差が
   ほぼ、（２ｍ−１）×波長／２（ｍは自然数）となる波
   長の単色光もしくは準単色光によって、前記フォトマス
   クを照明する照明光学系と、 前記照明光学系により照明された前記パターンの像を検
   出光学系を介して検出する光電検出手段と、 前記照明光学系の開口数を可変とする第１の絞り手段と
   、 前記検出光学系の開口数を可変とする第２の絞り手段と
   、 前記光電検出手段によって得られた信号によって前記フ
   ォトマスクの欠陥を判定する演算手段とを備えたことを
   特徴とするフォトマスク検査装置。
2. （２）前記照明光学系が着脱可能な波長選択素子を含む
   ことを特徴とする請求項１記載のフォトマスク検査装置
   。
3. （３）前記フォトマスクと前記照射光学系から射出され
   る照明光とを前記検出光学系の光軸に垂直な平面上で相
   対移動ならしめる相対移動機構と、前記保持体または前
   記撮像素子を前記検出光学系の光軸方向に移動する可動
   機構とを有することを特徴とする請求項１記載のフォト
   マスク検査装置。
4. （４）前記演算手段が、前記フォトマスクのパターン情
   報もしくは前記フォトマスクをフォトリソグラフィーに
   使用した際にウェハ上に生じるべき光量分布の情報を記
   憶する記憶装置と、前記フォトマスクの前記相対移動機
   構による前記移動に同期して、前記光電検出手段より光
   量信号を取り込む信号処理回路と、該信号処理回路より
   取り込まれた前記光量信号と、前記記憶装置に記憶され
   ている前記光量分布又は前記パターン情報とを比較する
   比較演算器を有することを特徴とする請求項１記載のフ
   ォトマスク検査装置。