JPH07117496B2 - 表面検査方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、表面検査方法及び装置に関し、好適にはフ
オトリソグラフイツクマスク及び半導体ウエーハの欠陥
を検査するための方法及び装置に関するものである。

〔従来技術〕

現在、例えばフオトリソグラフイツクマスク、光学表
面、あるいは磨かれたウエーハ表面の検査などの多くの
製造工程において、それらの表面のサブミクロン程度の
直径をもつ欠陥を検査することの必要性が高まつてい
る。

検査装置で特に要求が増大しているのはフオトリソグラ
フイツクマスクに関連するものである。というのはマス
ク自体の正規な形状（例えば導電線の幅及び間隔）が１
μｍ乃至はそれ以下だからである。例えばマスクにより
解像される最小の構造が1.5μｍであるなら、0.5μｍ乃
至はそれ以上の直径のマスクの欠陥が見出されなくては
ならない。また、マスクにより解像される最小の構造が
0.75μｍであるなら、それに応じて検査の限界は0.25μ
ｍまで高められる。フオトリソグラフイツク処理の間の
高い歩留りを保証するためには、塵粒子などにより新た
な欠陥が形成される虞れがあるので、すべてのマスクを
上記した程度の大きさの欠陥について定期的に検査する
必要がある。

ところが、もしマスク層の数mm上に塵やその他の汚れを
防止するための透明な保護フオイル（いわゆるペリクル
（pellicle））が配置されているなら、既に検査された
そのマスク層の新たな欠陥の像が見逃されてしまう虞れ
がある。そこで、高解像度の光学システムでの影像化に
おいては、塵粒子の影像が妨げにならないように、保護
フオイルは光学システムのきわめて狭い焦点深度領域か
らは外されることになる。しかしながら、このように保
護されたマスクは、保護フオイルがあるにも拘らず実際
のマスク表面上にあらわれた欠陥粒子につき、必要な解
像度で最早検査することはできない。そして、サブミク
ロン程度の長さで高い解像度を得ようとすると、焦点の
長さがマスクと保護フオイルの間の距離よりも小さいよ
うなきわめて大きい口径をもつ、例えば暗視野（dark−
field）顕微鏡などの、検査用の光学システムが必要で
ある。さらに、きわめて微小な構造をもつ最近のフオト
リソグラフイツクマスクにおいては、正規のパターンと
欠陥粒子とを識別することがますます困難になりつつあ
る。従つて、そのようなマスクを視野検査する場合、欠
陥はしばしば見逃され勝ちであり、それはまたきわめて
時間を浪費し眼に酷な作業である。

上述した理由により、従来知られているフオトリソグラ
フイツクマスクの検査装置は保護フオイルを装着したマ
スク上で直径がほぼ３μより大きい欠陥しか検出できな
い（保護フオイルを装着してないマスクでは、0.5μｍ
までの粒子が検出可能である）のみである。そのような
周知の装着として次のものがある： （ｉ） 検査されるマスクが、基準マスクと同時に走査
されるような光学的な差をとる装置。

（ii） 検査されるマスクの影像がデイジタル影像に変
換され、その変換されたデイジタル影像が予め記憶され
たデイジタル影像と比較されるか、影像処理方法を用い
て解析されるかのどちらかであるような影像処理を行う
ことのできる装置。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明の目的は、特にフオトリソグラフイツクマスク
に適用可能であり、サブミクロン程度の大きさの欠陥を
確実に見出すことのできる検査装置を提供することにあ
る。

この発明の他の目的は、検査処理を迅速に行うことがで
き、且つその処理を自動的に実行できる検査装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕 この発明の基本的な着想は、検査すべき表面を異なる２
つのタイプの照明のもとで観察し、こうして得られた２
つの影像を比較することにある。表面上の欠陥の、例え
ば散乱特性などの光学的性質は不透明なパターンである
正規のマスク構造の光学的性質とは異なるので、この比
較により欠陥を明確に識別することができる。透明体に
対する好ましいタイプの照明として、不透明なパターン
である正規のマスク構造（例えば端部）が強調されるよ
うな暗視野反射照明が一方では使用され、また他方で
は、欠陥が強調されるような暗視野透過照明が使用され
る。その２つのタイプの照明の差異を明確化するため
に、マスクは順次（精密な調整装置つきの）テレビカメ
ラによつて記録され、その記録された影像はあとでデイ
ジタル処理される。また別の実施例では、反射の透過に
より任意の点で形成された暗視野信号が同時に記録さ
れ、それらは電子回路で評価される。反射面を有する不
透明な物体に対しては、角度を異ならせた条件で暗視野
反射の記録が行なわれる。

本発明に係る装置は比較的短い処理時間で自動的に操作
を行うことができる。レーザー走査を行う場合は、保護
フオイルを装置したマスクに対しても約0.3μｍの欠陥
を解像することができる。

〔実施例〕

第１図は、フオトリソグラフイツクマスクの光学検査装
置のビーム経路をあらわす図である。第１図には、例え
ばクロムからなる不透明なパターンを上面に付着した透
明な基板保持体２と、マスクの上方数mmの距離にリング
５によつて支持された保護フオイル４とが示されてい
る。現在使用されているマスクにおいては、クロムのパ
ターン３の特徴的な最小の長さは1.5μｍあるいはそれ
以下である。そのようなマスクについては、好適な照明
手段として選定された暗視野反射照明装置を用いれば視
覚的に最もよく検査される。このため光ビーム６によつ
て散乱されマスク表面上の斜め方向に入射する光は顕微
鏡の対物レンズ７中に集められる。対物レンズ７が明確
に像を結ぶための基板２からの最小作用距離ｄは、保護
フオイル４に対応してリング５の高さにより決定され
る。リング５の高さはふつう数mmである。しかし、もし
作用距離ｄが大きい（従つて対物レンズ７の焦点距離が
長い）ならば、その結果レンズの口径（NA）＝sinαは
比較的小さくなり、これはすなわち対物レンズ７の影像
の解像度を限定してしまう。すなわち、いわゆるレイリ
ー（Rayleigh）の定義によつて決定される解像可能な２
点間の△ｘは次のようになる： 他方、約0.3μｍの直径をもつ欠陥粒子の解像に十分な
口径には約1mmかそれ以下の作用距離が必要であろう。

暗視野反射照明によれば、不透明なパターンである正規
のマスク構造の、特にその端部は明確にあらわれるけれ
ども、（点状の）欠陥は検出するのが困難である。

第１図において、ガラスプレート２の下方にはいわゆる
暗視野透過照明である、第２の種類のビーム経路が図示
されている。対物レンズ８は、ガラスプレート２上の散
乱部材によつて散乱されガラスプレート２自身を透過す
る光を集める。しかしながら、照明に使用される（ビー
ム６に対応する）光は、対物レンズ８の傍を通りすぎ
る。

暗視野透過照明によれば、不透明なパターンである正規
のマスク構造が暗視野反射照明よりもやや弱められてい
るけれどもマスクの欠陥がきわめて明るい点としてあら
われる。

暗視野反射と暗視野透過の記録の間の明白な相違は一方
が端面における光学的散乱であるのに対し、他方が小さ
な粒子における光学的散乱である、ということによる。
後者の場合、暗視野透過光が照射される粒子の大きさの
関数として明確な前方散乱（いわゆるミー（Mie）散
乱）があらわれる。

さまざまな散乱中心を自動的に評価し、結果として不透
明なパターンである正規のマスク構造と欠陥の間を差異
を明確化するために、暗視野反射と暗視野透過の記録の
差がもとめられる。この差をもとめた結果大きな局所的
な差異があらわれていれば、これは欠陥粒子が存在する
ことを意味する。この差異の大きさにより、欠陥のおお
よそのサイズをもとめることができる（というのは、小
さな粒子の散乱特性はその粒子のサイズに依存するから
である）。

ここに提示された比較を行うために、２つの映像の間の
差異を検出するための装置を使用することができる。こ
れらは、例えば、２つの影像が重なるように投影される
厳密に光学的な処理であつてもよい。このとき同時に多
色照光（すなわち、同一でない箇所が色づけされ強張さ
れる）されるか、同一でない点が点滅箇所として位置決
めされる。あるいは、上記した２つの影像をデイジタル
化するようなデジタル処理を行うことも可能であり、こ
の処理においてはデイジタル化のあと、見出された色づ
けされた、あるいは灰色の値につき算術的に比較が行な
われる。

上述した比較処理を行うためには特に好都合な装置のブ
ロツク図が第２図と第４図とに示されている。第２図に
よれば、保護マスクを装着されたマスクが、レーザー30
から放射され、焦点を絞られたレーザービームによつて
点毎に走査される。そして、レーザービームはビーム拡
大器31を通過したあと、振動用の鏡32で反射されて焦点
をあわせるための対物レンズ７に入射する。マスクの表
面で散乱さた反射光を集めるために、対物レンズ７の上
方に光波案内体（光フアイバー）33が環状に配置されて
いる。尚、それらの光フアイバー33は、対物レンズを通
つて反射された正規でない光のみを吸収するようになさ
れている。そのような光フアイバー付きの顕微鏡対物レ
ンズは例えば欧州特許第11709号に記載されている。す
べての光フアイバー33は単一のフオトダイオード35aに
接続されており、フオトダイオード35aの出力信号は差
動回路36の一方の入力として使用される。マスク１の下
方では、第１図に対応するように第２の対物レンズ８が
設けられており、この対物レンズ８にもやはり光フアイ
バー34が環状に配置されている。

このとき、照射の角度を変更するために、光フアイバー
の端部を対物レンズの光軸と平行して移動可能としても
よい。また、たとえば鏡付きの、他の種類の暗視野照明
を使用することも可能である。

反射記録と透過記録の間の最適なコントラストを見出す
ために、暗視野照明の角度は調節可能である必要があ
る。多くの場合、暗視野の観察角の近くに照明の角度を
設定すると良好なコントラストが保証される。

光フアイバー34は差動回路36に対して第２の出力信号を
供給するためのフオトダイオード35bに接続されてい
る。

差動回路36の出力端子はしきい値回路37に接続されてい
る。しきい値回路37は現在走査中の点の光学信号の差が
予定の調節可能な値を超えているかどうかを判断し、こ
うして欠陥の存在を表示する。次に、しきい値回路37に
より見出された欠陥は、マスク表面上に焦点を合わせた
レーザービームの個別の位置に対応してアドレスされる
記憶回路38中に記録される。

マスクは直列に配列した２枚の振動用の鏡32あるいは単
一の鏡32を用いレーザービームの入射方向に直交する方
向にマスク１を機械的に移動させること、のどちらかに
よりラスターモードで走査される。

それゆえ第２図の装置は継起する２個の信号を記録する
のではなくて、マスクの個々の点につき暗視野反射及び
暗視野透過の信号を同時に判断するのである。また、レ
ーザーによつて生成される高いレベルの照射により、対
雑音比のすぐれた信号が得られるが、その対雑音比はフ
オトダイオード35の代わりにフオト増幅器を用いること
により一層改善される。この装置においては、光学的解
像度よりもむしろ信号の対雑音比によつて主に感度が決
定されるので、約0.3μｍまでの大きさの欠陥を見出す
ことができる。さらに、出力信号の大きさに基づき欠陥
粒子の大きさを大まかに分類することも可能である。

（約10cmの直径をもつ）マスクの検査を完了するのに必
要な時間は概ね振動する鏡32の偏位周波数に依存する。
この周波数はその振動の固有共振によつて決定され、結
局鏡の慣性質量によつて、最大4000回／秒となる。この
振動周波数は、レーザービームを約90゜偏位させる場合
に振動用の鏡をその角度の２分軸でなく、レーザービー
ムの入射光に対して垂直に向けたならば２倍になる。従
つて直径は 小さく、結局鏡の質量は２倍小さい。

第３図には、（偏光された）レーザービーム（70）が矢
印74方向に向けられてなる装置が示されている。このた
めに、ビーム70は先ずビームの軸とは45゜傾斜した偏光
用ビームスプリツター71を通過し、λ/4板72を介して振
動用の鏡73の反射面に達する。鏡73は入射ビーム70の全
体を反射しうるに十分な程度の大きさでなくてはならな
い。そして、その反射光はビームスプリツター71で向き
を変更される。というのは、ビーム70がλ/4板72を２回
通過し、これによりその偏光方向が90゜回転しているか
らである。尚、この装置においては振動用の鏡73の偏位
角度が小さく（約７゜）、従つて偏位が最大である場合
ですらその傾斜角によつてビームの経路に乱れが生じる
ことはないだろう。

他の実施例 第４図は、マスクの自動検査装置の他の実施例をあらわ
す図であり、その光学的構造は第１図にほぼ対応する。
そして、暗視野透過及び暗視野反射に対する傾斜する光
ビームはそれぞれ光フアイバー43、44を介して入射され
る。光フアイバー43、44は第２図の場合と同様に対物レ
ンズ７、８に対して環状に配置されている。暗視野透過
照明及び暗視野反射照明は例えば、光フアイバー43の群
または光フアイバー44の群を、前面にレンズ41を配置し
たランプ40のビーム経路中に配置することによつて周期
的に切換えられる。第４図によれば、この切換えは上下
に移動するプリズム42によつて行なわれ、プリズム42の
側方の反射面がランプ40の光をどちらかの光フアイバー
中に反射させる。尚、この場合も、光が対物レンズ７、
８を通過するように、光フアイバーの端面が対物レンズ
７、８の背後に配置されている。そして、２つの暗視野
影像はテレビカメラ45により観測され、テレビカメラ45
は切換スイツチ46を介して２つの影像記憶装置47a、47b
のうちの一方に選択的に接続される。切換スイツチ46の
位置は偏位用のプリズム42の位置と同期している。影像
記憶装置47a、47b中のおのおののデイジタル影像信号は
演算評価処理を行うため影像処理装置48に転送され、影
像処理装置48は周知のデイジタル処理方法を用いて局所
的な影像の差異を検出する。この検出のためそれに対応
してプログラムされたコンピユータ48が使用され、その
結果は表示モニタ49上に表示される。

第４図の装置においては、マスクの欠陥をシミユレート
するので、異なる照明に関する２つの記録の期間でマス
クを異動させないことが保証されなければならない。第
４図の装置の光学的解像度は、焦点を絞つた走査用レー
ザービームを使用する場合よりも小さいが、影像信号中
の対雑音比がすぐれているので、実際の光学的最像度を
下まわる粒子をも位置を識別することが可能である。と
いうのは、第４図の装置においてはそのような粒子の存
在が局所的な信号レベルを高めるので、これらの信号は
他の信号から分離され、結局十分に高い対雑音比が得ら
れる。また、第４図の装置の長所は、影像の差異を評価
するために周知のデイジタル技術と電子装置とが使用可
能である、ということにある。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、走査すべき表面に暗
視野照明を行い、それにより異なる２つの影像信号の大
きさの差を評価するようにしたので、表面の欠陥の影像
がより強調され、解像度を高めることができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光学検査装置においてビーム経
路をあらわす図、 第２図は、２つの暗視野照明によつて得られた記録の比
較処理を行うための第１の実施例に係るシステムのブロ
ツク図、 第３図は、レーザービームを偏位させるための光学シス
テムの図、 第４図は、２つの暗視野照明によつて得られた記録の比
較処理を行うための第２の実施例に係るシステムのブロ
ツク図、 ６……ビーム、７、８……対物レンズ、33、34、43……
光フアイバ、36……差動回路、37……しきい値回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明領域中に不透明なパターンを有するマ
   スクの表面の欠陥の存在を検査するための方法であっ
   て、 （ａ）前記マスクの表面上に、暗視野照明によって該表
   面に対して傾斜した角度で光を入射させ、 （ｂ）前記不透明パターンからの散乱反射光及び欠陥部
   からの散乱反射光を含む暗視野散乱反射光を検知し、 （ｃ）前記不透明パターンからの散乱透過光及び欠陥部
   からの散乱透過光を含む暗視野散乱透過光を検知し、 （ｄ）前記表面上の欠陥を検出するために前記暗視野散
   乱反射光と前記暗視野散乱透過光との差を検出する、 表面検査方法。