JP2005099024A - 半導体産業用のマスクないし基板上のパターン構造の幅を測定する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
半導体産業用のマスク（１）上の構造的特徴（パターン構造）の幅を測定する装置を提供すること。
【解決手段】
本発明の装置は、基礎台（１４）に振動遮断的に保持されるキャリヤー板（１６）、表面（４）を規定し、測定対象であるマスク（１）を移動させると共に、キャリヤー板（１６）に配置される走査ステージ（１８）、及びマスク（１）と対向して配置される対物レンズ（２）、を有し、液体（２５）が、対物レンズ（２）とマスク（１）の表面（４）との間に供給される。
【選択図】
図２

Description

本発明は、半導体産業において、マスクないし基板上のパターン構造（構造的特徴、feature）の幅を測定する装置に関する。

ここで、マスクないし基板上のパターン構造ないし構造的特徴とは、例えば、チップの構造（各要素及び回路）を形成するためのものである。この場合、ウェハ上の構造的特徴にフォトレジストを被覆することによって、チップ構造を得ることができる。マスクないし基板上のパターン構造ないし構造的特徴は、線形、長方形、正方形、三角形などあらゆる幾何学形状をとることができる。

半導体産業において、マスクないし基板上のパターン構造の幅を光学的に測定する現在確立した技術は、可視（ＶＩＳ）、紫外（ＵＶ）及び深紫外（ＤＵＶ）スペクトル領域において、乾燥対物レンズを用いて、顕微鏡を使用することである。乾燥対物レンズは、試料と、試料に直近する顕微鏡の対物レンズの第一光学表面との間に空気が存在することを特徴としている。

この結果として、最大可能開口数ＮＡは、理論上１に等しいが、実際には、達成可能なＮＡの値はせいぜい約０．９５であり、事実その値が得られていた。したがって、より高い開口数、すなわち、より高解像の範囲は、達成されていなかった。

本発明の課題は、従来可能なパターン構造の幅の光学測定よりもより小さなパターン構造の幅にマスクないし基板上のパターン構造の幅の光学測定の範囲を拡張する装置又は方法を提供することである。

上記課題は、請求項１の特徴を備える装置をもって達成される。すなわち、本発明によれば、基礎台に振動遮断的に保持されるキャリヤー板、前記キャリヤー板に配置されると共に、表面を規定しかつ測定対象であるマスクを移動させる走査ステージ、及びマスクと対向して配置される対物レンズ、を有する、半導体産業においてパターン構造の幅を測定する測定装置であって、液体が、対物レンズとマスクの表面との間に供給される測定装置を提供する（基本構成、形態１）。

本発明のさらに有利な実施形態は、従属請求項から明らかである。すなわち、上記形態１において、マスクないし基板の表面上に規定される少なくとも１つの測定点にのみ液体を供給する精密計測ノズルが、前記対物レンズと関係付けられて配置される（形態２）。

上記形態１において、対物レンズは、マスクないし基板の表面上に規定される少なくともひとつの測定点にのみ液体を供給する一体的液体供給装置を有する（形態３）。

上記形態３において、液体供給装置は、対物レンズを完全に取り囲む円筒として構成され、円筒は、間隙によって対物レンズから隔てられる（形態４）。

上記形態４において、液体は、間隙を通って測定点に供給可能に構成される（形態５）。

上記形態３において、液体供給装置は、対物レンズの円周周りに配置される少なくとも１つの導管を有する（形態６）。

上記形態６において、液体は、少なくとも１つの導管を通って測定点に給送可能に構成される（形態７）。

上記形態１において、液体は、マスクないし基板の表面を完全に覆う（形態８）。

上記形態８において、マスクないし基板は、特別なフレームに置かれ、かつマスクないし基板は、特別な周縁シール上に置かれる（形態９）。

上記各形態において、対物レンズのフロントエレメントは、液体でぬらされる（形態１０）。

上記各形態において、対物レンズは、３００ｎｍより短い波長の照明光用に構成される（形態１１）。

上記各形態において、液体は水又は不活性（ないし中性、neutral）オイルである（形態１２）。

本発明の基本構成によれば、分解能を大きくすることができるので、マスクないし基板上のより微細なパターン構造の幅を測定できるようになる。

半導体産業におけるマスクないし基板上のパターン構造（構造的特徴）の幅を測定する装置は、基礎台に振動遮断的に保持されるキャリヤー板を有する。

マスクは、キャリヤー板に配置された走査ステージに配置される。マスクないし基板は、対物レンズと向かい合いに位置する表面を有する。液体は、対物レンズとマスクのその表面との間に供給される。

一実施例において、マスクないし基板の表面上に規定された少なくとも１つの測定点上にのみ液体を供給する精密計測ノズルは、対物レンズと関連して配設される。

本発明のさらに有利な実施形態において、対物レンズは、マスクないし基板の表面上に規定された少なくとも１つの測定点上にのみ液体を供給する装置を有する。本実施形態において、当該装置は、対物レンズを完全に取り囲む円筒として実施することができ、当該円筒は間隙によって対物レンズと隔てられている。本発明のさらに有利な実施形態において、当該装置は、対物レンズの円周周りに配置される少なくとも１つの導管から構成される。

さらには、液体がマスクないし基板表面を完全に覆うことも可能である。本実施形態において、マスクないし基板は特別なフレームに置かれ、またマスクないし基板は特別な周縁シール上に載っている。ここで、特別なフレームとは、マスクないし基板及び液体を保持するように設計されたフレームである。また、特別な周縁シールとは、マスクないし基板とフレーム間のシールであり、マスクないし基板上に液体を保持するためのものである。

本発明の内容を、図面に概略的に示し、実施例を示す図面を参照して以下に説明する。

以下の実施例の説明は、もっぱらマスクのみに言及する。用語マスクは、マスクのみに限定されないことは言うまでもない。ウェハのような半導体基板もマスクと同様にみなすことができる。

図１は、測定する構造的特徴（パターン構造）４ａを有する表面４に対する（従来技術の）乾燥対物レンズ２を概略的に示す。ここで、「パターン構造の幅の測定」が意味することは、半導体製造用のマスク１上の測定される構造的特徴４ａの像又は線が、ＣＣＤカメラ５の受光面５ａ上の高分解能光学装置によって結像（撮像）されることである。ＣＣＤカメラ５は、線状像の強度輪郭を捕捉し、捕捉された線状パターンの線幅は、適当な像分析ソフトウェアを使用して決定される。したがって、半導体製造用のマスク１上の各線ないしパターン構造４ａを個々に測定することができ、また線幅を決定することができる。光学装置２で得られる分解能は、当該装置で測定可能な最小の線幅に影響する。分解能能力にとって臨界的な撮像光学装置もしくは対物レンズ２の特徴的倍率は以下の式を使用して決定することができる。

ここで、Ｐ_／２は、解像可能な最小の線幅であり、λは照明用に使用した光の波長であり、ＮＡは、撮像光学装置もしくは対物レンズ２の開口数である。さらに、開口数は、ＮＡ＝ｎｓｉｎ（σ）と定義される。ここで、ｎは対物レンズ２とマスク１の表面４との間にある媒体６の屈折率である。通常、対物レンズ２は複数のエレメントから構成されるが、ｎは、対物レンズ２の１つのフロントエレメント７とマスク１との間にある媒体６の屈折率である。σは、（試料点９から進行し）像平面１０、すなわちＣＣＤカメラ５の受光面５ａ、に伝達可能な最大光錐角（cone angle）８の半開口角（semiaperture angle）である。開口角もしくは半開口角σが最大９０度であることは図１から明らかであるので、ｓｉｎ（σ）は最大１である。しかしながら、観測しなければならない製造公差の結果として、単なる視覚観察用の対物レンズでは、０．９５以下のｓｉｎ（σ）値が、実際に達成することができるにすぎない。さらにより厳しい製造公差が構造的特徴４ａの測定用対物レンズ２で観測されなければならないが、ｓｉｎ（σ）値が約０．９を超えることはほとんど不可能である。このことは、開口角の拡大によって分解能を高めることはもはや不可能であることを意味する。固定波長λを予め定めれば、屈折率ｎを大きくすることが分解能を高める唯一の方法である。このことは、本発明において、空気の屈折率より大きい屈折率を有する媒体６をマスク１の表面４と対物レンズ２のフロントエレメント７との間に使用することによって、達成される。

図２は、マスク１の表面４上の構造的特徴４ａの線幅を測定する装置１２の実施形態を概略的に示す。装置１２は、キャリヤー板１６を振動遮断的（ないし防振的）に保持する基礎台１４を備える。測定するマスク１を移動させる走査ステージ１８は、キャリヤー板１６上に配置される。本実施形態において、マスク１はその下方から照明光をマスクに入射させるよう配設された透過照明ユニット２０によって光透過される。画像化（imaging）顕微鏡ユニット２２はマスク１の上方に配置される。画像化顕微鏡ユニット２２は、それ自体がキャリヤー板１６に固定接続されたキャリヤーユニット２４に保持される。対物レンズ２は、マスク１と向かい合って位置するように、画像化顕微鏡ユニット２２に配置される。対物レンズ２によって得られたマスク１の像は、ＣＣＤカメラ５上に結像（撮像）される。焦点調節は、走査ステージ１８の垂直移動によってか、又は画像化顕微鏡ユニット２２に組み込まれた対物レンズ２の垂直移動によって行うことができる。透過照明ユニット２０に加えて、落射照明ユニット２６を、画像化顕微鏡ユニット２２の内部もしくは外部部品として設けることができる。さらに、装置１２は、いくつかの電子機器ユニット３０、例えばステージ制御装置、ＣＣＤ読出し装置並びに評価及び演算・操作用のＰＣなど、を備える。

図３は、半導体製造用のマスク１の表面４上にある測定される構造的特徴４ａの幅に対して、所定間隔の関係に配された対物レンズ２の第一実施形態を概略的に示す。本発明は、マスク１と対物レンズ２間の液体２５（「浸漬媒体」）の使用により、有効開口（数）ＮＡを１より大きくすることができ、それにより高分解能が得られることを利用する。開口数ＮＡは、浸漬媒体の屈折率ｎに開口角σの正弦を掛けることによって得られる：ｎ×ｓｉｎ（σ）。ＮＡと最小解像可能パターン構造の幅Δ間の関係は、Ｐ_／２＞０．２５×λ／ＮＡであり、ここでλは光の波長である。空気の場合、ｎ＝１（図１、従来技術参照）であるが、液体（複数）２５を使用すれば、屈折率（複数）ｎ＞１．２が可能となるので、それによって分解能の比例的増加が達成される。

マスクの測定における液体２５の使用は、マスク１を汚染する危険性があるため、従来技術においてはタブーと考えられていた。このため、より高分解能へのこのアプローチは、以前には行われなかったか、又は新規かつより高分解能の解決手段の探求において容認できないとして通常除外すべきものとされてきた。

浸漬媒体として液体２５の１つの可能性は、水（特に純水）である。対物レンズ２は、好ましくは３００ｎｍより短い波長の深紫外（ＤＵＶ）スペクトル領域、例えば２４８ｎｍ、用に構成される。同様に、対物レンズ２は、特定の応用（複数）においても実施することができ、３００ｎｍより長い波長用にも実施可能である。理想的な浸漬媒体としては、水の他に、不活性（ないし中性、neutral）オイルなどの液体、例えばフォムブリン（Ｆｏｍｂｌｉｎ（商標名））、過フルオロポリエーテルオイルなども使用することができる。

本書で説明したアプローチにおいて、液体２５は、対物レンズ２と半導体製造用マスク１の表面４との間に供給される（図３において、丸印は液体の部分を示し、液体は灰色のハッチングで示す）。液体２５はマスク１の表面４と対物レンズ２のフロントエレメントの両方をぬらす。液体は、そのときに測定するマスク１の測定点（より詳しくはその都度の測定局部領域）２８のみに、局部的に目標として供給することができるが、あるいは、マスク表面４全体をぬらすことも考えられる。図３は、目標とする実用の第一の可能性を示す。目標とする実用において、精密計測ノズル２７は、対物レンズ２のすぐ近傍（immediate vicinity）に設けられる。マスク１の測定点２８は、対物レンズ２によって定められた光軸３１の直近に、すなわち対物レンズ２の視界に、常に位置している。通常、マスク１と対物レンズ２間の間隔は、測定点２８に目標を定めて液体２５をノズルで供給できるほど大きくない。その場合、まず、測定点２８は、精密計測ノズル２７の先端２７ａの下に位置される。次に、液体２５の小滴が、測定点２８上に供給される。次に、マスク１は、液滴と測定点２８が対物レンズ２の下に位置するように、走査ステージ１８を使用して移動される。対物レンズ２が下げられるか、又は代わりにマスク１が上げられること（即ち、双方の相対調節移動）によって、対物レンズのフロントエレメント７も液体２５でぬらされて図３に示す状態に達する。なお、精密計測ノズル２７内に示した丸は一つの液滴部分を示し、これがマスク上に示す丸に供給されることをシンボル的に示すものである。

図４は、半導体製造用マスク１の表面４上に液体２５を供給する装置３３を有する対物レンズ２の第二実施形態を概略的に示す。液体２５を供給する装置３３は、対物レンズ２の光軸３１周りに対称に配置される。図５ａに横断面として示すように、装置３３は、対物レンズ２を完全に取り囲む円筒３５として具体化される。円筒３５は対物レンズ２より直径が大きいので、間隙３６が生じる。間隙３６を通って、液体２５は測定点２８に移動する。図５ｂにおいて、液体２５を供給する装置３３は少なくともひとつの導管３８として具体化される。１以上の導管３８は対物レンズ２の円周周りに配置される。１以上の導管３８を通って、液体２５はマスク１の表面４上に適当な方法で供給される。図４に示した液体２５内の丸印も図３と同様である。

図６は、半導体製造用マスク１の表面４上に液体２５を供給する装置のさらなる実施形態を示す。この実施形態において、液体２５は、測定するマスク１の表面４全体に分配される。そのため、マスク１は、特別なフレーム４０に置かれる。本実施形態において、マスク１は、特別な周縁シール４１上に置かれるので、液体２５は、マスク１の表面４全体に分配され、フレーム４０にしっかりと保有される。シール４１は、例えばテフロン（商標名）で作られる。フレーム４０は図示横断面の如く、円筒部４０ａと、その下部で内方へ延在する中空の円環状フランジ４０ｂから成り、シール４１はフランジ部４０ｂの上面に載置されてその上にマスク１の下面が着座する。マスク１の外周は、わずかの空隙を介してフレームの円筒部４０ａ内に配設される。円筒部４０ａの上端は、マスク１の上面と同等ないし僅かに高く、液体２５が流出しないよう構成される。

測定する構造的特徴を備える表面に対する（従来技術の）乾燥対物レンズを概略的に示す。 パターン構造の幅を測定する装置の一実施形態を概略的に示す。 対物レンズが、半導体製造用のマスク表面上の測定するパターン構造の幅に対して、間隔をあけた関係にあり、液体が、対物レンズと半導体製造用のマスク表面との間に供給されている、対物レンズの第一実施形態を概略的に示す。 半導体製造用のマスクの表面上に液体を供給する装置を有する対物レンズの第二実施形態を概略的に示す。 （ａ）液体を供給する装置の第一実施形態の概略を示す。 （ｂ）液体を供給する装置の第二実施形態の概略を示す。 半導体製造用マスク表面上に液体を供給する装置のさらなる一実施形態を示す。

符号の説明

１ マスク
２ 対物レンズ
４ 表面（マスクの）
４ａ 構造的特徴（パターン構造）
５ ＣＣＤカメラ
５ａ 受光面
６ 媒体
７ フロントエレメント
８ 錐角
９ 試料点
１０ 像平面
１２ 装置
１４ 基礎台
１６ キャリヤー板
１８ 走査ステージ
２０ 透過照明ユニット
２２ 画像化顕微鏡ユニット
２４ キャリヤーユニット
２５ 液体
２６ 落射照明ユニット
２７ 精密計測ノズル
２７ａ ノズル先端
２８ 測定点（測定局所領域）
３０ 電子機器ユニット
３１ 光軸
３３ 液体供給装置
３５ 円筒
３６ 間隙
３８ 導管
４０ フレーム
４０ａ 円筒部
４０ｂ フランジ部
４１ シール

Claims (12)

1. 基礎台（１４）に振動遮断的に保持されるキャリヤー板（１６）、
   前記キャリヤー板（１６）に配置されると共に、表面（４）を規定しかつ測定対象であるマスク（１）を移動させる走査ステージ（１８）、及び
   前記マスク（１）と対向して配置される対物レンズ（２）、を有する、
   半導体産業においてマスクないし基板（１）のパターン構造の幅を測定する測定装置であって、
   液体（２５）が、前記対物レンズ（２）と前記マスクないし基板（１）の前記表面（４）との間に供給される、ことを特徴とする測定装置。
2. 前記マスクないし基板（１）の前記表面（４）上に規定される少なくとも１つの測定点（２８）にのみ前記液体（２５）を供給する精密計測ノズル（２７）が、前記対物レンズ（２）と関係付けられて配置される、ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 前記対物レンズ（２）は、前記マスクないし基板（１）の前記表面（４）上に規定される前記少なくともひとつの測定点（２８）にのみ液体を供給する一体的液体供給装置（３３）を有する、ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
4. 前記液体供給装置（３３）は、前記対物レンズ（２）を完全に取り囲む円筒（３５）として構成され、
   前記円筒（３５）は、間隙（３６）によって前記対物レンズ（２）と隔てられている、ことを特徴とする請求項３記載の測定装置。
5. 前記液体（２５）が、前記間隙（３６）を通って前記測定点（２８）に給送可能に構成される、ことを特徴とする請求項４記載の測定装置。
6. 前記液体供給装置（３３）は、前記対物レンズ（２）の円周周りに配置される少なくとも１つの導管（３８）を有する、ことを特徴とする請求項３記載の測定装置。
7. 前記液体（２５）が、前記少なくとも１つの導管（３８）を通って前記測定点（２８）に給送可能に構成される、ことを特徴とする請求項６記載の測定装置。
8. 前記液体（２５）は、前記マスクないし基板（１）の前記表面（４）を完全に覆う、ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
9. 前記マスクないし基板（１）は、特別なフレーム（４０）に置かれ、かつ
   前記マスクないし基板（１）は、特別な周縁シール（４１）上に置かれる、ことを特徴とする請求項８記載の測定装置。
10. 前記対物レンズ（２）のフロントエレメント（７）は、前記液体（２５）でぬらされる、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の測定装置。
11. 前記対物レンズ（２）は、３００ｎｍより短い波長の照明光用に構成される、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の測定装置。
12. 前記液体（２５）は水又は不活性ないし中性オイルである、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の測定装置。