JP2005049663A - マスク検査装置およびマスク検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位相シフトマスクの位相シフトパターン欠陥と通常のマスクパターン欠陥の両方を、簡単な操作で検出できるようにする。
【解決手段】光源１１０と、光源１１０より射出する光Ｌを均一化する照明光学系１２０と、照明光学系１２０より射出され露光用マスク１５０を透過した光Ｌを集光して観測面１４０に結像する対物光学系１３０とを備えた露光用マスク１５０の位相欠陥を検査するマスク検査装置１００であって、対物光学系瞳面ＰＬで露光用マスク１５０を透過した０次回折光が通過する領域に設けた位相差フィルタ１６７と、照明光学系瞳面ｉＰＬで位相差フィルタ１６７と共役な形状を有する円環開口絞り１６３とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、マスク検査装置およびマスク検査方法に関し、詳しくは低段差の位相欠陥およびそれ以外の通常パターン欠陥の検出を可能とするマスク検査装置およびマスク検査方法に関する。

現在、半導体デバイス製造プロセスにおいて、ウエハにパターンを形成するためには、光露光用レチクル（フォトマスク）と称される設計パターンの原版を、ウエハ上に縮小露光する方式が主流となっている。このフォトマスクは、設計パターンの原版であるため、欠陥は一つでも存在してはならない。そのため厳しい欠陥検査を行い、異物の付着も含めて欠陥がゼロであるとの品質保証をする必要がある。

フォトマスクの欠陥検査としては、一般的に、光源からの光をフォトマスクに照射し、そのマスクパターンからの回折光を、対物レンズを通してセンサ上に結像させ、その光量変化を測定する方式が取られている（例えば、特許文献１参照。）。

ところが、半導体デバイスの微細化に伴い、マスクパターンが微細化すると、フォトマスクの形成に、ＯＰＣ（Optical Proximity Correction:光近接効果補正）マスクや位相シフトマスク等の新しい技術が使用され、従来の欠陥検査方法では、品質保証が難しくなってきている。

近年、位相シフトマスク（ａｌｔ−ＰＳＭマスク）の欠陥検出装置において、位相欠陥検出能力が不足しているという問題がある。欠陥検出方法は従来マスクと同様に透過型、反射型、もしくは透過反射のミックス処理などを施しているが、実際にウエハ上のＣＤ（critical dimension）に影響のある低段差の位相欠陥の検出には能力が不足している。これは透明な位相欠陥は通常のようなマスク透過像の結像方式では僅かな可視度しか得られないためである。

一方で、生物顕微鏡などの分野においては、透明物体を観測するために、暗視野顕微鏡や位相差顕微鏡が一般に適用されている。これらに関しては多くの書籍があり、例えば鶴田著（培風館）応用光学Ｉｐ．２５６−２５９項に詳細に説明されている。

暗視野顕微鏡は被検物に対するフーリエ変換面である対物光学系瞳面に遮光領域を設けて、被検物からの０次回折光（直進光）を遮蔽し、高次回折光（散乱光）のみを用いる方式である。０次回折光は物体の凹凸の情報を含まないＤＣ成分光であり、物体の凹凸情報は高次回折光に含まれている。暗視野顕微鏡では、０次回折光がカットされ、高次回折光のみによる結像になるので、通常の明視野顕微鏡よりも高いコントラストで物体の凹凸を可視化することが可能である。デメリットは回折光の大半を占める０次回折光を遮光してしまうので、結像信号全体としては小さくなり、信号処理の再現性が十分に得られないことである。

位相差顕微鏡は、対物光学系瞳面（結像光学系瞳面ともいう）で０次回折光と高次回折光及び散乱光の間に位相差を意図的に付ける位相差フィルタを付加したものである。これにより光量の大きな０次回折光も像コントラスト形成に寄与できるようになり、暗視野顕微鏡より明るい像を得ることができることが特徴である。また、０次回折光と高次回折光との強度比が大きすぎると、像コントラストは低下するので、位相差顕微鏡では０次回折光を対物光学系瞳面で位相変調に加えて、減光することもある。また、暗視野顕微鏡における２次光源形状（照明光学系瞳面での強度分布）は、光軸を中心とする円形または円環であり、これに対する対物光学系瞳面での遮光部分の形状はこれと共役な形状とすることが一般的である。同様に位相差顕微鏡における２次光源形状（照明光学系瞳面での強度分布）は、光軸を中心とする円形または円環であり、これに対する対物光学系瞳面での位相差を付ける部分の形状はこれと共役な形状とすることが一般的である。

特開平８−３１３４４８号公報（第３−４頁、第１，２図）

解決しようとする問題点は、現在、マスク欠陥検査においては、低段差であっても実際にパターン転写寸法に影響があるような位相欠陥に対して十分な検出感度を有していない。生物顕微鏡の分野で使用されている、暗視野顕微鏡、位相差顕微鏡を適用すると、低段差の位相欠陥は検出できるが、それ以外の通常パターン欠陥、即ちバイナリパターンの欠陥の検出が困難になるという問題が生じる点である。

本発明のマスク検査装置は、光源と、前記光源より射出する光を均一化する照明光学系と、前記照明光学系より射出され露光用マスクを透過した光を集光して観測面に結像する対物光学系とを備えた露光用マスクの位相欠陥を検査するマスク検査装置であって、前記対物光学系の瞳面における前記露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に設けた位相差フィルタと、前記位相差フィルタと共役な形状を有するもので前記照明光学系の瞳面に設けた絞りとを備えたものである。また位相差フィルタおよび絞りのそれぞれと切り替え可能とする円形開口絞りを備えたことを最も主要な特徴とする。

上記マスク検査装置では、対物光学系の瞳面における露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に位相差フィルタを設け、照明光学系の瞳面に位相差フィルタと共役な形状を有する絞りを設けたことから、位相差顕微鏡と同様な原理により低段差の位相欠陥を可視化して、欠陥検出できるようになる。すなわち、対物光学系瞳面には０次回折光の位相をシフトさせる位相差フィルタを挿入し、照明光学系瞳面には絞り（例えば円環開口絞りであり、前述の位相差フィルタと相似形（共役）である）を挿入することにより、通常の透過型パターン欠陥検査装置を位相差顕微鏡型の欠陥検査装置にできる。また、位相差フィルタと絞りという簡単な部材を付加するだけであるため、低コストで実現できる。さらに、位相差フィルタおよび絞りのそれぞれと切り替え可能とする円形開口絞りを備えることにより、通常の透明基板に遮光膜のみをパターン形成した通常のマスクの検査機能、すなわち、透過型顕微鏡型のバイナリパターンマスク検査装置の機能を持たせることも可能となる。このように、位相差顕微鏡型のマスク検査装置と透過型顕微鏡型のマスク検査装置とを両立させたマスク検査装置となる。

本発明のマスク検査装置は、光源と、前記光源より射出する光を均一化する照明光学系と、前記照明光学系より射出され露光用マスクを透過した光を集光して観測面に結像する対物光学系とを備えた露光用マスクの位相欠陥を検査するマスク検査装置であって、前記対物光学系の瞳面における前記露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に遮光板を備えたものである。また前記遮光板と切り替え可能とする円形開口絞りを備えたことを最も主要な特徴とする。

上記マスク検査装置では、対物光学系の瞳面における露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に遮光板を備えたことから、暗視野顕微鏡と同様な原理により低段差の位相欠陥を可視化して、欠陥検出できるようになる。すなわち、対物光学系瞳面には遮光板（遮光フィルタ）を挿入し、照明光学系瞳面には絞り（例えば円環開口絞り）を挿入することにより、通常の透過型パターン欠陥検査装置を暗視野顕微鏡化することにできる。また、遮光板という簡単な部材を付加するだけであるため、低コストで実現できる。さらに、遮光板と切り替え可能とする円形開口絞りを備えることにより、通常の透明基板に遮光膜のみをパターン形成した通常のマスクの検査機能、すなわち、透過型顕微鏡型のマスク検査装置の機能を持たせることも可能となる。このように、暗視野顕微鏡型のマスク検査装置と透過型顕微鏡型のマスク検査装置とを両立させたマスク検査装置となる。

本発明のマスク検査方法は、光源より射出した光を照明光学系により均一化し、前記照明光学系より射出され露光用マスクを透過した光を対物光学系により集光して観測面に結像することで露光用マスクの位相欠陥を検査するマスク検査方法であって、前記対物光学系の瞳面における前記露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に位相差フィルタを設け、前記照明光学系の瞳面に前記位相差フィルタと共役な形状を有する絞りを設けて検査するマスク検査方法である。また前記位相差フィルタおよび前記絞りのそれぞれを円形開口絞りに切り替えてマスク欠陥を検査することを最も主要な特徴とする。
上記マスク検査方法では、対物光学系の瞳面における露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に位相差フィルタを設け、照明光学系の瞳面に前記位相差フィルタと共役な形状を有する絞りを設けてマスク検査を行うことから、位相差顕微鏡と同様な原理により低段差の位相欠陥を可視化して、マスクの欠陥検出ができるようになる。この検査方法は、対物光学系瞳面には位相差フィルタを挿入し、照明光学系瞳面には絞り（例えば円環開口絞りであり、それは前述の位相差フィルタと相似形（共役）である。）を挿入することにより実現されるので、通常の透過型パターン欠陥検査装置を容易に位相差顕微鏡型の位相欠陥検査装置にできる。また、位相差フィルタと絞りという簡単な部材を付加するだけであるため、低コストで実現できる。さらに、位相差フィルタおよび絞りのそれぞれと円形開口絞りとを切り替えることにより、通常の透明基板に遮光膜のみをパターン形成した通常のマスクの検査が行える。すなわち、位相差顕微鏡による位相シフトマスクのマスク検査と、透過型顕微鏡による通常の遮光膜パターンで形成されたマスク検査とを両立させたマスク検査方法の実現が可能になる。

本発明のマスク検査方法は、光源より射出した光を照明光学系により均一化し、前記照明光学系より射出され露光用マスクを透過した光を対物光学系により集光して観測面に結像することで露光用マスクの位相欠陥を検査するマスク検査方法であって、前記対物光学系の瞳面における前記露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に遮光板を設けたマスク検査方法である。また、前記遮光板を円形開口絞りに切り替えてマスク欠陥を検査することを最も主要な特徴とする。

上記マスク検査方法では、対物光学系の瞳面における露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に遮光板を設けたことから、暗視野顕微鏡と同様な原理により低段差の位相欠陥を可視化して、欠陥検出できるようになる。この検査方法は、対物光学系瞳面には遮光板（遮光フィルタ）を挿入し、照明光学系瞳面には絞り（例えば円環開口絞りであり、それは前述の遮光フィルタと相似形（共役）である）を挿入することにより実現されるので、通常の透過型パターン欠陥検査装置を容易に暗視野顕微鏡にできる。また、遮光板という簡単な部材を付加するだけであるため、低コストで実現できる。さらに、遮光板と円形開口絞りとを切り替えることにより、通常の透明基板に遮光膜のみをパターン形成した通常のマスクの検査が行える。すなわち、暗視野顕微鏡による位相シフトマスクのマスク検査と、透過型顕微鏡による通常の遮光膜パターンで形成されたマスク検査とを両立させたマスク検査方法の実現が可能になる。

本発明のマスク検査装置は、位相シフトマスクの位相欠陥から発生する回折光の位相と強度を、対物光学系瞳面ＰＬで露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に位相差フィルタを設け、照明光学系瞳面には位相差フィルタと共役な形状を有する絞りを設けるので、位相差顕微鏡と同様の原理により、観測面における結像のコントラストを大きく上げることができる。また、位相差フィルタおよび絞りのそれぞれを円形開口絞りに切り替えることができるので、通常のバイナリパターンの欠陥検出と位相シフトマスクのシフタ内の位相欠陥検査との両立ができる。これにより、一台のマスク検査装置で異なるモードの欠陥検査を行うことが可能になり、検査コストの低減、検査時間の短縮が図れる。

本発明のマスク検査装置は、位相シフトマスクの位相欠陥から発生する回折光の位相と強度を、対物光学系瞳面ＰＬで露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に遮光板を設けるので、暗視野顕微鏡と同様の原理により、観測面における結像のコントラストを大きく上げることができる。また、遮光板を円形開口絞りに切り替えることができるので、通常のバイナリパターンの欠陥検出と位相シフトマスクのシフタ内の位相欠陥検査との両立ができる。これにより、一台のマスク検査装置で異なるモードの欠陥検査を行うことが可能になり、検査コストの低減、検査時間の短縮が図れる。

本発明のマスク検査方法は、位相シフトマスクの位相欠陥から発生する回折光の位相と強度を、対物光学系瞳面ＰＬで露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に位相差フィルタを設け、照明光学系瞳面に位相差フィルタと共役な形状を有する絞りを設けることにより、位相差顕微鏡と同様の原理により、観測面における結像のコントラストを大きく上げて検査することができる。また、位相差フィルタおよび絞りのそれぞれを円形開口絞りに切り替えて検査することにより、通常のバイナリパターンの欠陥検出と位相シフトマスクのシフタ内の位相欠陥検査との両立ができる。これにより、一台のマスク検査装置で異なるモードの欠陥検査を行うことが可能になり、検査コストの低減、検査時間の短縮が図れる。

本発明のマスク検査方法は、位相シフトマスクの位相欠陥から発生する回折光の位相と強度を、対物光学系瞳面ＰＬで露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に遮光板を設けることにより、暗視野顕微鏡と同様の原理により、観測面における結像のコントラストを大きく上げて検査することができる。また、遮光板を円形開口絞りに切り替えて検査することができるので、通常のバイナリパターンの欠陥検出と位相シフトマスクのシフタ内の位相欠陥検査との両立ができる。これにより、一台のマスク検査装置で異なるモードの欠陥検査を行うことが可能になり、検査コストの低減、検査時間の短縮が図れる。

一台のマスク検査装置で異なるモードの欠陥検査を行うという目的を、位相差顕微鏡と同様の原理によりもしくは暗視野顕微鏡と同様の原理により、観測面における結像のコントラストを大きく上げて検査することで実現した。

本発明のマスク検査装置およびマスク検査方法に係る第１実施の形態を、図１〜図６によって説明する。

図１の概略構成図に示すように、露光用マスクの位相欠陥を検査するマスク検査装置１００は、光源１１０と、光源１１０より射出する光Ｌを均一化する照明光学系１２０と、照明光学系１２０より射出され露光用マスク１５０を透過した光Ｌを集光して観測面１４０に結像する対物光学系（結像光学系ともいう）１３０とを備えている。

上記光源１１０はレーザ光源またはランプ光源からなり、例えばランプ光源の場合はｉ線（波長＝３６５ｎｍ）のランプ光源からなる。上記照明光学系１２０は、光源１１０から射出された光Ｌをコリメートするコリメータ１２１、２次光源形成ユニットで等価光源を形成する強度均一化素子１２３および強度が均一化された光を集光する集光部１２５とを備えたものである。この２次光源形成ユニットの強度均一化素子としてはフライアイレンズもしくは拡散板が用いられている。

上記照明光学系１２０における絞り装着面ｉＰＬは、上記対物光学系１３０の瞳面ＰＬと共役の関係になっている。絞り装着面には例えばレボルバ状の回転板にいくつかの絞りを装着できるようになっており、必要に応じて切り替える。本例では、通常のマスク検査に用いる円形開口絞り１６１と位相シフトマスク検査に用いる円環開口絞り（リング状開口絞り）１６３が装着されている。この円環開口絞り１６３は、後に説明する位相差フィルタ１６７と共役な形状を照明光学系１２０の瞳面ｉＰＬにおいて有するものとなっている。

上記照明光学系１２０で形成された２次光源が試料となる露光用マスク１５０を照明している。構成としては所謂、ケーラ照明となっている。ここで試料となる露光用マスク１５０は位相シフトマスクとする。

次に、前記図１に示すように、上記露光用マスク１５０で回折、散乱された光は対物光学系１３０に入射され、この回折光の角度情報がフーリエ変換面である対物光学系瞳面ＰＬで位置情報に変換されている。この対物光学系瞳面ＰＬには、切り替え可能なレボルバ状に瞳フィルタ（位相差フィルタまたは円形開口絞り）が複数設置されている。瞳フィルタには例えば通常パターンの検査の時は円形開口絞り１６５を用い、位相差検査の際には環状の光源形状と共役な位相差フィルタ１６７を用いる。この位相差フィルタ１６７は上記対物光学系瞳面ＰＬにおける露光用マスク１５０を透過した０次回折光が通過する領域に位相をシフトさせる段差または位相シフタ膜が設けられる。尚、この図１では通常のマスク検査装置で適用されているような照明系開口数と対物系開口数が等しいσ１．０の光学系を想定している。

上記対物光学系瞳面ＰＬのフーリエイメージは観測面１４０に形成される。観測面１４０には受光素子（図示せず）が設置されている。この受光素子には、例えば、１次元ラインセンサもしくは２次元ＣＣＤ（電荷結合素子：Charge Coupled Device）センサを用いることができる。

上記位相差フィルタを図２により説明する。図２に示すように、位相差フィルタ１６７の位相シフト部１６７aは輪帯比４／５のリング形状をしており、位相シフト部１６７ａは、例えばＴ％透過（Ｔは適宜設定、設定方法に関しては後述する）、位相差は０次回折光が通過する領域における検査波長換算で９０°シフトするようになっている。このような位相差フィルタはλ／４板ともいう。上記位相シフト部１６７ａの外側は遮光部１６７ｓとなっており、今想定している系ではσ１．０以上の迷光は遮光するようになっている。上記位相シフト部１６７ａの内側は検査波長の光を１００％透過する透過部となっている。

上記マスク検査装置１００では、対物光学系瞳面ＰＬにおける露光用マスク１５０を透過した０次回折光が通過する領域の位相をシフトさせる位相差フィルタ１６７と、位相差フィルタ１６７の位相シフト領域と共役な形状を有するもので照明光学系瞳面ｉＰＬに設けた絞り（円環開口絞り１６３）とを備えたことから、位相差顕微鏡と同様な原理により低段差の位相欠陥を可視化して、欠陥検出できるようになる。すなわち、対物光学系瞳面ＰＬには０次光通過領域の透過光の位相をシフトさせる位相差フィルタ１６７を挿入し、照明光学系瞳面ｉＰＬには絞り（例えば円環開口絞り１６３）を挿入することにより、通常の透過型パターン欠陥検査装置を位相差顕微鏡にできる。また、位相差フィルタ１６７と円環開口絞り１６３という簡単な部材を付加するだけであるため、低コストで実現できる。さらに、対物系の位相差フィルタ１６７および照明系の円環開口絞り１６３のそれぞれと切り替え可能とする円形開口絞り１６１、１６５を備えることにより、通常の透明基板に遮光膜のみをパターン形成した通常のマスクの検査機能、すなわち、透過型顕微鏡型のバイナリパターンマスク検査装置の機能を持たせることも可能となる。このように、位相差顕微鏡型のマスク検査装置と透過型顕微鏡型のマスク検査装置とを両立させたマスク検査装置となる。

次に、上記位相シフトマスクを、図３により説明する。図３（１）は位相シフトマスクである露光用マスク１５０を示す。この露光用マスク１５０は、例えばＡｒＦエキシマレーザ光を露光光源とするマスクとする。図３（１）に示すように、位相シフトマスクの露光用マスク１５０の同一に設計された２つのマスクパターンを比較することにより欠陥を見出すダイ検査方式を採用する。例えば、検査領域のマスクパターンＭ０とマスクパターンＭ１とを比較対照して欠陥を見出す。図３（２）は図３（１）のマスクパターンＭ１の位相差欠陥がある領域の拡大図である。また、図３（３）は図３（２）のＡ−Ａ線拡大断面図である。図３（２）および（３）に示すように、露光用マスク１５０は、一例として、パターンピッチ８００ｎｍ、線パターン１５２の線幅４００ｎｍ、露光波長換算の位相差１８０°（π）の１次元繰り返しパターンとし、１８０°（π）シフタ１５４内に１９３ｎｍ換算で位相差（θ₁₉₃）が６０°（π／３）の位相凸欠陥１５５が含まれているとする。欠陥１５５のＸＹサイズは２００ｎｍの正方形と仮定する。尚、ここでマスクのウエハへの縮小投影倍率は１／４と仮定した。よって転写パターン寸法としては1００ｎｍのラインアンドスペースパターンとなる。

ここで実際のマスクはＡｒＦ（λ₁₉₃ ＝１９３ｎｍ）レーザ光で露光されるが、検査波長はi線（λ₃₆₅ ＝３６５ｎｍ）であるために、検査波長で見た位相差は数１式で与えられる。

ここでｎ₃₆₅ 、ｎ₁₉₃ はそれぞれ石英基盤の波長λ₃₆₅ ＝３６５ｎｍ、λ₁₉₃ ＝１９３ｎｍでの屈折率であり、θ₁₉₃ は１９３ｎｍ換算、θ₃₆₅ は３６５ｎｍ換算の位相差である。露光波長換算で６０°位相欠陥は検査波長であるｉ線換算で約３０°となり、検査波長にとっては低段差を検出しなければいけないことになる。

次に、本発明のマスク検査方法を、前記図１によって説明したマスク検査装置１００を用い、通常のいわゆるバイナリパターン（白黒パターン）のマスクを検査する場合と位相差マスク部分を検査する場合とに分けて、マスク検査を行う。

まず、照明光学系瞳面ｉＰＬおよび対物光学系瞳面ＰＬに円形開口絞り１６１、１６５を設置し、通常のバイナリパターンマスク欠陥検査を実施する。

その後、照明光学系瞳面ｉＰＬに円環開口絞り１６３を設置し、対物光学系瞳面ＰＬに位相差フィルタ１６７を設置する。そして、光源１１０より射出した光Ｌを照明光学系１２０により均一化し、この照明光学系１２０より射出され露光用マスク１５０を透過した光Ｌを対物光学系１３０により集光して観測面１４０に結像することで露光用マスク１５０の位相欠陥を検査する。

位相欠陥の検査について以下に説明する。まず、位相シフトマスクである露光用マスク１５０を観察した時の対物光学系瞳面ＰＬにおける回折光の分布を図４によって説明する。図４に示すように、欠陥ではないウエハ上換算で１００ｎｍ幅の線パターン、１００ｎｍ幅のスペースのパターンは０次回折光の原点Ｏを中心に、±λ₃₆₅／Ｐの位置に±１次回折光の中心が形成される。位相シフトマスクは露光波長（１９３ｎｍ）では０°、１８０°（π）シフタ間の干渉により０次光が相殺されゼロになるが、検査波長（３６５ｎｍ）で見た位相差は約８６°となり、０次光は相殺されず、通常の３光束干渉により観測面１４０上に結像される。なお、ここでの照明光学系のコヒーレントファクタ（σ）は通常検査機で適用されている１．０を想定している。

次に、対物光学系瞳面における強度分布を例として示す。ここでも図３に示したマスクパターン、検査装置は検査波長３６５ｎｍ、拡大倍率２０倍、対物レンズのＮＡ０．８５、照明σ１．０を想定した。図５は欠陥ありのマスクパターンの瞳強度分布から欠陥なしのマスクパターンの瞳強度分布を差し引いたものを示す図であり、即ち位相欠陥からの回折光のみを抽出したものとなっている。すなわち、これに位相欠陥の情報が含まれているのであるが、その強度は極めて小さいことがわかる。

上記位相欠陥情報は、対物光学系瞳面ＰＬに挿入された位相差フィルタ１６７により、０次光が通過する環状部分では位相が９０°シフトし、位相欠陥からの回折光と同位相になり、０次光も結像に寄与できる。したがって、微小段差の位相欠陥であっても可視度が上がり、観測ができるようになる。

ここで、先に図３（１）によって示したように、位相シフトマスクの露光用マスク１５０の同一に設計された２つのマスクパターンを比較することにより欠陥を見出すダイ検査方式を採用する。すなわち、欠陥のないマスクパターンＭ０と欠陥のあるマスクパターンＭ１を観測した強度分布データの差分を取る。この差は欠陥によって発生している信号である。ここで、〔（マスクパターンＭ１の強度）／（マスクパターンＭ０の強度）〕−１を欠陥の可視度と定義する。

図１によって説明した光学系の観測面１４０における強度分布をシミュレーションした結果を図６によって説明する。ここで対物レンズの開口数（ＮＡ）は０.８、コヒーレンスファクタσは１．０、照明形状はσ＝１．０の円形もしくはσ１．０の４/５輪帯とする。検査マスクは図３に示したものを想定した。また、検査される露光用マスク１５０から観測面１４０への拡大倍率は２０倍とし、露光装置のマスクのウエハ上縮小投影倍率は１／４とした。即ちマスク上のパターン寸法は４００ｎｍラインアンドスペースであり、本検査装置では２０倍に拡大して観測するので、観測面におけるパターン寸法は８０００ｎｍラインアンドスペースとなる。また、観測面１４０における１次元または２次元センサアレイの単位サイズを１．２８μｍとしている。即ち、マスクの像が２０倍に拡大され観測面１４０上に結像し、観測面１４０では１．２８μｍ移動平均で強度分布計測されることになる。

図６に示す各グラフ中、３つの曲線は、曲線ａは位相欠陥がないマスクパターンの観測結果を表し、曲線ｂは位相欠陥があるマスクパターンの観測結果を表し、これらをＹ左軸で示す。曲線ｃは曲線ａと曲線ｂとの比率―１（可視度）を表し、Ｙ右軸で示す。このように、位相差顕微鏡系の適用とダイ検査を組み合わせることにより、位相欠陥の検出感度を上げることが可能となることがわかる。以下、各グラフの詳細を説明する。

図６（１）、（２）、（３）はシミュレーション結果であり、図６（１）に示すグラフは、対物光学系瞳面ＰＬにはλ／４板が挿入されておらず、照明光学系瞳面ｉＰＬには通常円形開口絞り（σ１．０）が使用されている場合の検出結果である。これは通常のマスクパターン欠陥検出時の設定である。一般にこのような比較検査における信号処理では可視度として５％程度以上は必要とされており、図６（１）では、位相欠陥は通常検査方法では検出されるのに十分な欠陥の可視度が得られないことがわかる。

図６（２）に示すグラフは、対物光学系瞳面ＰＬに４／５輪帯の円環領域が１００％透過のλ／４板が装着されており、照明光学系瞳面ｉＰＬにはそれと共役なσ１．０の輪帯比４／５円環開口絞りが装着されている場合の検出結果である。図６（２）に示すように、位相欠陥からのエッジ信号、すなわち可視度が約４倍になっていることがわかる。

図６（３）に示すグラフは、対物光学系瞳面ＰＬに４／５輪帯の円環領域が５０％透過のλ／４板が装着されており、照明光学系瞳面ｉＰＬにはλ／４板と共役なσ１．０の輪帯比４／５円環開口絞りが装着されている場合の検出結果である。図６（３）に示すように、可視度は十分得られるが、０次光が５０％減光されているため、光強度差（すなわち光量総量）が小さくなり、電気的な再現性が劣化することがわかる。

以上の結果より、検出結果の最適化を決めるにあたっては、可視度と光量のバランスを考えて、λ／４板の透過率Ｔを設定すればよい。

上記マスク検査方法では、対物光学系瞳面ＰＬで露光用マスク１５０を透過した０次回折光が通過する領域に位相差フィルタ１６７を設け、照明光学系瞳面ｉＰＬで位相差フィルタ１６７と共役な形状を有する円環開口絞り１６７を設けて検査することから、位相差顕微鏡と同様な原理により低段差の位相欠陥１５４を可視化して、欠陥検出できるようになる。この検査方法は、対物光学系瞳面ＰＬには位相差フィルタ１６７を挿入し、照明光学系瞳面ｉＰＬには対物光学系瞳面の位相差フィルタ部と相似形の絞り（例えば円環開口絞り１６３）を挿入することにより実現されるので、通常の透過型パターン欠陥検査装置を容易に位相差顕微鏡にできる。また、位相差フィルタ１６７と円環開口絞り１６３という簡単な部材を付加するだけであるため、低コストで実現できる検査方法である。また、位相差顕微鏡方式は通常のパターン検査、すなわち白黒欠陥検査にとっては優位性がなく、これらの欠陥検出には通常の検査方法の方が望ましい。このときは、本発明のマスク検査装置１００において、対物光学系瞳面ＰＬに円形開口絞り１６５を用い、照明光学系瞳面ｉＰＬには円形開口絞り１６１を用いればよい。具体的な方法としては、最初に通常のパターン欠陥検査を行う（通常検査モード）、その後に、位相シフト部のみを位相差検出モードで検査するようにする。このように１枚のフォトマスクの欠陥検査をする際には、位相差検出設定と通常設定を組み合わせて検査することになる。

また、本発明のマスク検査装置およびマスク検査方法は、検査波長で９０°以下の低段差位相欠陥検出にとって、イメージ（結像）の明暗差が大きく表れ、特に有効である。

本実施の形態では凸型の位相欠陥を扱ったが、凹型欠陥についても同様の効果がある。また、検査波長を３６５ｎｍとしたが、より短波長化すると検査感度は向上する。

次に、本発明のマスク検査装置およびマスク検査方法に係る第２実施の形態を説明する。第２実施の形態に係るマスク検査装置は、前記図１において、位相差フィルタ１６７の代わりに、対物光学系瞳面ＰＬで露光用マスク１５０を透過した０次回折光が通過する領域に遮光板（図示せず）を備えたものである。即ち０％透過の位相差フィルタと考えればよい。この遮光板の内側は、検査光が透過する透過部となっている。例えば透明ガラスで形成することができる。また遮光板の内側は開口としてもよい。また、この遮光板は、円形開口絞りと切り替え可能となっている。上記遮光板および円形開口絞りも、前記説明したのと同様に、例えば、絞り装着面に設けられたレボルバ状の回転板に装着できるものであり、必要に応じて切り替え可能となっている。

本発明のマスク検査方法に係る第２実施の形態では、対物光学系瞳面ＰＬで露光用マスク１５０を透過した０次回折光が通過する領域に遮光板を設けたことから、暗視野顕微鏡と同様な原理により低段差の位相欠陥を可視化して、欠陥検出できるようになる。この検査方法は、対物光学系瞳面ＰＬには遮光板（遮光フィルタ）を挿入し、照明光学系瞳面ｉＰＬには絞り（例えば円環開口絞り）を挿入することにより実現されるので、通常の透過型パターン欠陥検査装置を容易に暗視野顕微鏡にできる。また、遮光板という簡単な部材を付加するだけであるため、低コストで実現できる。さらに、遮光板と円形開口絞りとを切り替えることにより、通常の透明基板に遮光膜のみをパターン形成した通常のマスク検査が行える。すなわち、暗視野顕微鏡による位相シフトマスクの検査と、透過型顕微鏡による通常の遮光膜パターンのみで形成されたマスク（通常パターンのマスク）の検査とを両立させたマスク検査方法の実現が可能になる。したがって、通常パターンと位相シフトパターンとが一枚のマスクに形成されたマスクを一台のマスク検査装置により検査することが可能になる。

最後に本検査装置において、観測面の照度を上げる方法を述べる。ここまでの説明においては照明系瞳面に円環絞りを配置するようにしていたが、これでは絞りで遮光された分、即ち絞りの開口面積比例で観測面での照度も小さくなってしまう。例えば４／５輪帯絞りの場合はσ１．０の円形開口比で３６％の照度になってしまう。これにより位相差顕微鏡モードでは検出再現性、検出スループットが劣化することが予想される。

これの対応として、図７に示すように、前記図１によって説明したコリメータ１２１と強度均一化素子（ユニフォーマ）１２３の間にＤＯＥ（Diffractive Optical Element）と呼ばれている回折光学素子１２６を設置する。このＤＯＥは平行光Ｌｐを入射すると、強度均一化素子１２３の入射面にリング状の強度分布Ｒを形成するように設計されている。これに関しては例えば特開２００１−２４２４１４号公報などにＤＯＥの具体的な設計手法が述べられている。これによりエネルギー利用効率は理想的には１００％となり、光量ロスは発生しない（最小限で済む）。位相差検出顕微鏡モードにおいては、ＤＯＥ１２６とσ１．０以上の照明光を遮光する円形絞り１６１と位相差フィルタ１６７を組み合わせて使用することになる。なお、バイナリパターン検査時には、上記回折光学素子１２６を光路から退避させる。

また、本発明のマスク検査装置およびマスク検査方法は、一例として、通常の半導体装置製造工程の露光工程で用いるマスク、液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置等の表示装置製造工程の露光工程で用いるマスクの検査に有効である。

本発明のマスク検査装置およびマスク検査方法は、半導体装置製造に用いる露光用マスクのマスク検査装置およびマスク検査方法に限らず、液晶表示装置、エレクトロルミネッセンス表示装置等の各種表示装置の露光用マスクの検査にも適用できる。より広範な用途としては、検査波長に対して透明な基板にパターンが形成された基板のパターン検査にも適用できる。

本発明のマスク検査装置およびマスク検査方法に係る第１実施の形態を示す概略構成図である。 位相差フィルタを示す平面図である。 位相シフトマスクのダイ検査概念図および位相シフトマスクの要部概略断面図である。 対物光学系瞳面の回折光強度図である。 対物光学系瞳面における抽出された位相欠陥からの回折光の強度分布図である。 本発明に係る第１実施の形態の効果をシミュレーション検証した結果を示す図面である。 本発明のマスク検査装置およびマスク検査方法に係る高効率輪帯照明系の概略構成図である。

符号の説明

１００…マスク検査装置、１１０…光源、１２０…照明光学系、１３０…対物光学系、１４０…観測面、１５０…露光用マスク、１６３…円環開口絞り、１６７…位相差フィルタ、ｉＰＬ…照明光学系瞳面、ＰＬ…対物光学系瞳面

Claims (18)

1. 光源と、前記光源より射出する光を均一化する照明光学系と、前記照明光学系より射出され露光用マスクを透過した光を集光して観測面に結像する対物光学系とを備えた露光用マスクの位相欠陥を検査するマスク検査装置であって、
   前記対物光学系の瞳面における前記露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に設けた位相差フィルタと、
   前記位相差フィルタと共役な形状を有するもので前記照明光学系の瞳面に設けた絞りとを備えた
   ことを特徴とするマスク検査装置。
2. 前記位相差フィルタおよび前記絞りのそれぞれと切り替え可能とする円形開口絞りを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のマスク検査装置。
3. 前記位相差フィルタは、１／４波長板からなり、前記露光用マスクからの０次回折光が通過する領域における検査波長換算の位相が９０°シフトされているものからなる
   ことを特徴とする請求項１記載のマスク検査装置。
4. 前記位相差フィルタの位相差が変調される部分は円環形状を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のマスク検査装置。
5. 前記絞りは円環開口形状を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のマスク検査装置。
6. 光源と、前記光源より射出する光を均一化する照明光学系と、前記照明光学系より射出され露光用マスクを透過した光を集光して観測面に結像する対物光学系とを備えた露光用マスクの位相欠陥を検査するマスク検査装置であって、
   前記対物光学系の瞳面における前記露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に遮光板を備えた
   ことを特徴とするマスク検査装置。
7. 前記遮光板と切り替え可能とする円形開口絞りを備えた
   ことを特徴とする請求項６記載のマスク検査装置。
8. 前記照明光学系に設けられた強度均一化素子より光源側に回折光学素子が設置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のマスク検査装置。
9. 前記回折光学素子は、入射平行光を円環形状に変換する素子であって、前記照明光学系に設けられた強度均一化素子の入射面に円環状の強度分布をエネルギー損失が最小で形成するものからなる
   ことを特徴とする請求項８記載のマスク検査装置。
10. 光源より射出した光を照明光学系により均一化し、前記照明光学系より射出され露光用マスクを透過した光を対物光学系により集光して観測面に照射することで露光用マスクの位相欠陥を検査するマスク検査方法であって、
    前記対物光学系の瞳面における前記露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に位相差フィルタを設け、
    前記位相差フィルタと共役な形状を有するもので前記照明光学系の瞳面に絞りを設けた
    ことを特徴とするマスク検査方法。
11. 前記位相差フィルタおよび前記絞りのそれぞれを円形開口絞りに切り替えてマスク欠陥を検査する
    ことを特徴とする請求項１０記載のマスク検査方法。
12. 前記位相差フィルタは、１／４波長板からなり、前記露光用マスクからの０次回折光が通過する領域における検査波長換算の位相が９０°シフトされているものからなる
    ことを特徴とする請求項１０記載のマスク検査方法。
13. 前記位相差フィルタの位相差が変調される部分は円環形状を有するものを用いる
    ことを特徴とする請求項１０記載のマスク検査方法。
14. 前記絞りは円環開口形状を有するものを用いる
    ことを特徴とする請求項１０記載のマスク検査方法。
15. 前記照明光学系に設けられた強度均一化素子より光源側に回折光学素子を設置する
    ことを特徴とする請求項１０記載のマスク検査方法。
16. 前記回折光学素子は、入射平行光を円環形状に変換する素子であって、前記照明光学系に設けられた強度均一化素子の入射面に円環状の強度分布をエネルギー損失が最小で形成するものからなる
    ことを特徴とする請求項１５記載のマスク検査方法。
17. 光源より射出した光を照明光学系により均一化し、前記照明光学系より射出され露光用マスクを透過した光を対物光学系により集光して観測面に照射することで露光用マスクの位相欠陥を検査するマスク検査方法であって、
    前記対物光学系の瞳面における前記露光用マスクを透過した０次回折光が通過する領域に遮光板を設けた
    ことを特徴とするマスク検査方法。
18. 前記遮光板を円形開口絞りに切り替えてマスク欠陥を検査する
    ことを特徴とする請求項１７記載のマスク検査方法。
    
    
    

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