JP2005326409A

JP2005326409A - 対象物を光学的に検査するための測定器およびこの測定器の作動方法

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Publication number: JP2005326409A
Application number: JP2005137188A
Authority: JP
Inventors: Klaus Rinn; リンクラウス; Lambert Danner; ダナーラムベルト
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH; Vistec Semiconductor Systems GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH; KLA Tencor MIE GmbH
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2005-11-24
Also published as: DE102004023739A1; US20050254068A1; EP1596239A2; EP1596239A3; US7420670B2

Abstract

【課題】対象物を光学的に検査するための測定器およびこの測定器の作動方法において、拡がりのある構造の精密測定を、特に線構造の測定を、測定誤差を少なくして可能にさせる。
【解決手段】測定器において、結像光学系（９）または照射光学系（８）の瞳面内に、或いは、これに対して共役な照射光路（４，５）または結像光路（１１）内の面内に、光源（６，１３）の光の強度に連続単調関数の推移特性を与える手段（１４，１５）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば半導体基板、照射マスク、光データ担持体等の対象物を光学的に検査するための測定器であって、光源と、照射光路と、検知光路と、照射光路内に配置される照射光学系および／または検知光路内に配置される結像光学系と、検知器と、位置評価装置とを備え、照射光路が光源から対象物へ延び、検知光路が対象物から検知器へ延び、対象物の少なくとも一部を光源の光で落射モードまたは透過光モード等のモードで照射可能であり、且つ結像光学系により検知器に結像可能であり、位置評価装置により対象物の２つの点の距離を測定するようにした前記測定器およびこの種の測定器の作動方法に関するものである。

この種の測定器はかなり以前から知られている。ここではこの種の測定器を開示したものとして特許文献１を例示しておく。この公知の測定器は基板（たとえばマスク、ウェーハー、フラットパネルディスプレイ、蒸着構造物、半導体基板、照射マスク、或いは光データ担持体）上の構造物の座標位置を高精度に測定するために用いられるが、透明な基板に対しても用いられる。座標位置は１つの参照点に対し数ナノメータで正確に決定される。この光学的検査技術の場合、平らな基板上の対象物の複雑な構造はイメージフィールド方式で検査される。対象物をイメージフィールド方式で検査するには、通常、対象物を位置決め手段（たとえば位置決めテーブルまたは測定テーブルの形態で構成される）を用いて結像光学系に対し相対的に移動させるので、対象物の異なる領域を検知することができる。

位置評価装置は、通常、対象物の構造を検知または分類する手段を有している。この手段を用いると、対象物の他の個所の構造をも同様に検知または分類することができ（場合によっては位置決め手段を用いて対象物を結像光学系に対し別の相対位置に位置決めする）、しかも対象物の個々の構造の相対位置を検出することができる。この手段はたとえばＣＣＤカメラ、コンピュータ、適当な分析・評価プログラムである。ＣＣＤカメラを用いると、対象物の１つの位置におけるイメージフィールドを検知してデジタル形式でコンピュータに送ることができる。コンピュータで作動する評価プログラムは、デジタル化されたイメージデータおよび場合によっては予め与えられた対象物の情報を用いて対象物の構造の検知または分類を行い、また対象物の個々の構造部の距離を測定する。

被検知対象物の構造は小さくなる傾向にあるので、測定器の解像度を向上させる必要がある。これは結像光学系の開口数の増大および／または検知に使用する光の波長の短縮によって得ることができる。これによりとりわけ点対象物に対する結像光学系の公称解像度を向上させることができるので、対象物照射の際の中央回折ピーク部の径または古典的な回折円板の径を縮小させることができる。しかしながらこれら２つの解決手段は、さらに解像度を向上させようとすると非常にコストを要するという原理的な限界にぶつかる。特に複数倍の解像距離にある線構造の精密測定は問題である。というのは、古典的な回折円板の副ピーク部が、出発点から最初の回折ピーク部の距離に存在しないような構造部の点の測定を阻害するからである。古典的な回折円板の個々の副ピーク部は互いに間隔をもっており、この間隔は結像光学系の分解能をはるかに越えている。要求される測定誤差が小さければ小さいほど、測定される構造部とこれに隣接している構造部との間隔は大きくなければならない。したがって、測定器により構造部の有効解像度が減少する。

ドイツ連邦共和国特許公開第１９８１９４９２Ａ１号公報

本発明の課題は、対象物を光学的に検査するための測定器およびこの測定器の作動方法において、拡がりのある構造の精密測定を、特に線構造の測定を、測定誤差を少なくして可能にさせることである。

この課題は、測定器においては、結像光学系または照射光学系の瞳面内に、或いは、これに対して共役な照射光路または結像光路内の面内に、光源の光の強度に連続単調関数(stetig monotone Funktion)の推移特性を与える手段が設けられていることによって解決される。

本発明によれば、まず、この種の測定器の公称解像度は高精度の点測定および線幅測定時に不具合があるという認識に至った。これは古典的な回折円板の副ピーク部が結像特性に悪影響を与え、これにより本来の測定誤差よりも実際の測定誤差が大きくなるからである。測定が正確である必要があればあるほど、隣接する構造部による小さな障害も大きく影響し、特に古典的な回折円板の副ピーク部によって障害が発生する場合に影響が大きい。

本発明によれば、光の強度に、少なくとも部分的に連続単調関数に対応する推移特性が与えられ、有利には狭義単調関数(streng monotone Funktion)に対応する推移特性が与えられる。すなわち、関数は一部分において実質的に一定の値を持つが、しかし空間座標に依存した関数値に関しては特に跳躍或いは階段関数を持たない。このような処置はアポダイゼーションと呼ばれ、従来より光学顕微鏡または分光器において知られているものである。これに関してはたとえばドイツ連邦共和国特許第３４０４８１０Ａ１号公報を指摘しておく。冒頭で述べた種類の測定器の場合、特にリソグラフィーの場合、従来はいわゆる「オフアクシスOff-Axis照射」が使用されていた。「オフアクシス照射」は通常、照射光学系の瞳面に対し共役な面内に配置される絞り（環状絞り）により実現される。この絞りは透過特性がほぼゼロのリング状領域を除いてほぼ１００％の透過特性を有している。このような２元照射特性は、径の小さな回折円板、よって高解像度の高い回折円板を生じさせるが、無視できないほどの副ピーク部を生じさせるような非連続関数に対応している。

照射光学系の特性に依存する該照射光学系の瞳面内における光強度推移を適宜選定することにより、対象物の面内または結像光学系の合焦面内での照射模様を変化させることができる。この限りにおいては、前記手段を副ピーク部が完全に除去されるように構成することができる。しかしながらこの場合、古典的な回折円板の径または回折ピーク部の径は大きくなる。これにより測定器の分解能は全体的にわずかに低下する。しかし、得られる測定精度はかなり向上する。このような照射特性は、冒頭で述べた種類の測定器においては全く新規なものである。換言すれば、通常の顕微鏡においてアポダイゼーションとして知られている照射方法を、半導体産業の対象物を光学的に検査するための測定器、或いは人工的な対象物を光学的に検査するための測定器に適用し、或いはそのために使用するものである。これにより極めて有利な態様で、測定誤差の少ないナノメータのオーダーでの正確な測定を実施することができ、総じて定量測定を改善させることができる。

このように本発明による測定器は、たとえば基板（マスク、ウェーハー、フラットパネルディスプレイ、蒸着構造物、半導体基板、照射マスク、或いは光データ担持体）上の、特に透明な基板上の構造物の座標位置を高精度に測定するために使用することができ、その際参照点に対する座標位置は数ナノメーターで正確に決定することができる（光学的検査技術）。

構造的には、前記手段はたとえば結像光学系の瞳面内に配置される透過フィルタの形態で構成される。

対象物の照射は落射モードまたは透過光モードで行うことができる。透明な対象物に対する透過光照射の場合には、対象物の面の片側から照射を行なう。たとえばケーラー照射は紫外線光源と集光光学系とで実現できる。これに対応して照射光路は集光光学系の形態で構成された照射光学系を有し、光源から対象物まで延在している。この場合、対象物を透過する光の検知または結像は、対象物の面の反対側に配置された検知器を用いて行なう。検知光路は結像光学系（たとえば顕微鏡対物レンズ）を有し、対象物から検知器まで延在している。

非透明な対象物の場合にも適用できる落射照射の場合には、対象物の照射も検知も対象物の同じ側から行なう。したがって１つの光源の光が（場合によっては中間光学系を介して）対象物を照射し、照射光は結像光学系を通過して対象物へ誘導される。この場合照射光学系は同時に照射光路または検知光路内の結像光学系でもある。対象物で反射した光は結像光学系を介して検知器に結像され、その際通常のごとくビームスプリッターを用いて検知光路を照射光路から分離させる。

有利な実施形態では、照射光路または結像光路は光軸を有している。前記手段により照射光路または結像光路の光強度を光軸に関し外側へ向けて（半径方向へ）減少可能である。光強度の減少は任意の連続単調関数にしたがって行なう。連続単調関数は照射光学系または結像光学系の特性および使用する光の波長に依存させることができる。したがって連続単調関数は、たとえば光の強度推移が線形的または二次関数的に減少するような範囲を有していてよい。極めて有利なのは、前記手段により光強度を、
Ｉ（ｒ）＝Ｉ_０ｃｏｓ^２（ｆｒ／ａ）
なる関数にしたがって調整可能な構成である。ここでＩ_０は光源に依存する予め設定可能な強度値、ｆは予め設定可能なファクタ、ｒは半径方向における照射光路または結像光路の光軸に対する距離、ａは結像光学系または照射光学系のアパーチャー径である。ファクタｆはπ／２の値をもっているのが有利である。このような関数の場合、副ピーク部はほとんど完全に除去され、したがって測定誤差は最小になる。前記手段のこのような関数的推移はたとえば、対応的に透過膜または反射膜を有する透過フィルタで実現することができる。

基本的には、測定器に常に本発明による前記手段を備えさせていてよく、これに対応して対象物を瞳面内で常に連続単調光強度推移で照射させる。しかしながら、１つの対象物を一方で従来の態様で照射し、他方で本発明による方法で照射してそれぞれ検知するのが有利な場合がある。このようにして検知された対象物の像を統計的評価部（たとえば平均化部）に送ることができ、その結果、得られる測定精度をさらに向上させることができるので極めて有利である。このために、前記手段を照射光路または結像光路にリバーシブルに挿入可能であるように構成してよい。挿入のためにたとえばフィルタスライダを用いる。フィルタスライダは、フィルタの形態に構成された前記手段を照射光路または結像光路内へ出入させる。

さらに、前記手段を時間的に変化可能に構成してもよい。その結果、対象物の照射に用いられる光の強度を前記手段により時間的に変化させることができる。この場合、前記手段は少なくとも部分的に透過性のあるＬＣＤユニット（液晶装置）を有することができる。該ＬＣＤユニットと制御ユニットによる制御とにより、ＬＣＤユニットの変化可能な透過特性を異なる個所で実現可能である

検知される対象物は結像光学系により結像可能な対象物の結像領域よりも大きいのが通常である。それ故、有利な実施形態では、対象物と結像光学系との相対位置を変化させる少なくとも１つの位置決め手段が設けられている。これにより、対象物の異なる領域を結像光学系に対し相対的に位置決めして当該領域を検知器に結像させるようにすることができる。しかし、位置決め過程における対象物の移動距離をできるだけ正確に検出しなければならない。というのは、前記移動距離は測定結果に直接影響するからである。それ故、位置決め手段により生じる対象物と結像光学系との相対位置の変化を検知可能であるのが有利である。具体的には、位置決め手段は、対象物を少なくとも２つの異なる方向に位置決め可能にする対象物移動テーブルを有することができる。対象物移動テーブルは対象物の２つの点の距離差を決定するための少なくとも１つの干渉計のアッセンブリを有することができる。これに関しては、従来の技術から公知で、たとえば前記特許文献１において設けられているシステムコンポーネントを指摘しておく。

極めて有利な実施形態では、検知器は高解像度のＣＣＤカメラを有している。結像光学系はアポクロマート補正した高解像度の顕微光学系を有し、顕微光学系は紫外線範囲の照射光、有利には近紫外線範囲の照射光に対し構成されている。このように構成された測定器は、光学的結像に関しても対象物の像の検知に関しても高分解能とほとんどエラーのない対象物の結像とを有する。

前記本発明の課題は、方法に関しては、結像光学系または照射光学系の瞳面内に、或いは、これに対して共役な照射光路または結像光路内の面内に、光源の光の強度に（少なくとも部分的に）連続単調関数の推移特性を与える手段が設けられていることによって解決される。この場合、対象物の少なくとも一部は光源の光で照射され、結像光学系により検知器に結像される。位置評価装置により対象物の２つの点の距離が決定される。

すでに示唆したように、対象物は少なくとも１回の検知の際に連続単調関数の推移特性をもった光強度分布で照射される。他の検知の際には従来の（たとえばオフアクシスの）光強度分布で対象物を照射する。このようにして検知した像を統計的評価部に送る。対象物の像を複数回検知し、その後に統計学的に評価するので、測定誤差はさらに減少し、それ故定量測定の精度を向上させることができる。反復を避けるため、本明細書の前述部分を指摘しておく。

本発明の教義を有利に構成し、改変するには種々の可能性がある。これに関しては、請求項１に続く請求項と、図面を用いた本発明の有利な実施形態に関する以下の説明とを指摘する。図面を用いた本発明の有利な実施形態に関する説明に関連して、本発明の一般的に有利な構成も説明する。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
添付の唯一の図は、対象物２を光学的に検査することのできる本発明による測定器１を示している。図に図示した対象物２は、たとえば石英ガラスから成っているマスクである。対象物２上には構造物３が被着されている。この構造物３を測定器１を用いて検査する。測定器１は２つの照射光路４と５を有し、照射光路４は透過光モード用のもので、照射光路５は落射モード用のものである。透過光モードのために光源６が設けられ、光源６は近紫外線の光を放射し、ミラー７により集光器８の形態に構成された照射光学系の方向へ反射される。照射光路４の光は対象物２を透過して少なくとも大部分は結像光学系９によって集光し、検知器１０に結像する。したがって検知光路１１は対象物２から検知器１０へ延びており、この場合対象物２から来る光はほとんど全部がビームスプリッター１２により検知器１０の方向へ反射する。結像光学系９は、図面には図示していない合焦装置を用いて、二重矢印で示したｚ方向に沿って移動させることができ、これにより対象物２または構造物３を合焦させることができる。同じように集光器８もｚ方向へ移動させることができる。

測定器１は落射モードも有している。落射モードでは対象物２の照射を光源１３の光を用いて行なう。光は大部分がビームスプリッター１２を通過して結像光学系９を介して対象物２を照射する。落射モードの場合、対象物２または構造物３で反射した照射光は透過光モードの場合とは逆方向に結像光学系９を通過し、同様にビームスプリッター１２で検知器１０の方向へ反射する。これに対応して照射光路５は光源１３から対象物２へ延びている。照射光路４は光源６から対象物２へ延びている。

結像光学系９はアポクロマート補正した高解像度の顕微光学系であり、近紫外線範囲の光に対し設計されている。検知器１０は高解像度のＣＣＤカメラの形態に構成されており、図面には図示していないコンピュータ評価・分析システムにより制御され、読み取られる。

本発明によれば、測定器１は、照射光路４と落射光路５とにそれぞれ配置されている、フィルタ１４，１５の形態に構成された手段を有している。フィルタ１４は集光器８の形態に構成された照射光学系の瞳面に位置するように照射光路４内に配置されている。フィルタ１５は照射光路５の結像光学系９の瞳面に配置されている。フィルタ１５は本実施形態の場合、たとえば光源１３とビームスプリッター１２との間に配置されていないので、検知光路１１においても作用する。

フィルタ１４と１５は透過フィルタであり、その透過特性は関数Ｉ（ｒ）で表わされ、すなわち
Ｉ（ｒ）＝Ｉ_０ｃｏｓ^２（ｆｒ／ａ）
で表わされる。ここでＩ_０は光源６，１３に依存する予め設定可能な強度値、ｆはπ／２の値、ｒは半径方向における照射光路４，５の光軸１６，１７に対する距離、ａは結像光学系９または照射光学系８のアパーチャー径である。この式によれば、透過フィルタ外側領域における透過光の光強度は照射光路４と５の光軸１６と１７における光強度よりも小さい。フィルタ１４と１５は図ではそれぞれ集光器８または結像光学系９に付設されて図示されているが、たとえばそれぞれフィルタスライダを用いてそれぞれの光路にリバーシブルに挿入可能であってもよい。またフィルタ１４と１５を、照射光路４，５内の１つの面内であって集光器８または結像光学系９の瞳面に対し共役の前記１つの面内に配置してもよい。

対象物２は測定テーブルの形態で構成された位置決め手段１８で支持されており、二重矢印で示したｘ方向とｙ方向の異なる方向に移動可能に支持されている。位置決め手段１８はフレームを有し、このフレームのなかに対象物２が設置されている。レーザー干渉計システム２２は単に概略的に図示したにすぎないが、レーザー干渉計システム２２を用いると、光ビーム２３を介して位置決め手段１８の位置を干渉法により測定することができる。位置決め手段１８の前記フレームはエアクッション１９で支持され、ほぼ摩擦なしにグラニットブロック２０上を移動することができる。グラニットブロック２０自身は脚部２１上に防振して支持されている。

なお、以上説明した実施形態は本発明の特徴を説明するために使用したにすぎず、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

本発明による測定器の実施形態の概略構成図である。

符号の説明

１測定器
２対象物
３構造物
４照射光路
５照射光路
６光源
７ミラー
８集光器
９結像光学系
１０検知器
１１検知光路
１２ビームスプリッター
１３光源
１４照射光路内で光強度を変調させるためのフィルタ
１５照射光路内で光強度を変調させるためのフィルタ
１６照射光路４の光軸
１７照射光路５の光軸
１８位置決め手段
１９エアクッション
２０グラニットブロック
２１脚部
２２レーザー干渉計システム
２３光ビーム

Claims

半導体基板、照射マスク、光データ担持体等の対象物を光学的に検査するための測定器であって、光源（６，１３）と、照射光路（４，５）と、検知光路（１１）と、照射光路（４）内に配置される照射光学系（８）および／または検知光路（１１）内に配置される結像光学系（９）と、検知器（１０）と、位置評価装置とを備え、照射光路（４，５）が光源（６，１３）から対象物（２）へ延び、検知光路（１１）が対象物（２）から検知器（１０）へ延び、対象物（２）の少なくとも一部を光源（６，１３）の光で落射モードまたは透過光モード等のモードで照射可能であり、且つ結像光学系（９）により検知器（１０）に結像可能であり、位置評価装置により対象物（２）の２つの点の距離を測定するようにした前記測定器において、
結像光学系（９）または照射光学系（８）の瞳面内に、或いは、これに対して共役な照射光路（４，５）または結像光路（１１）内の面内に、光源（６，１３）の光の強度に連続単調関数の推移特性を与える手段（１４，１５）が設けられていることを特徴とする測定器。
照射光路（４，５）または結像光路（１１）が光軸（１６，１７）を有していること、前記手段（１４，１５）により照射光路（４，５）または結像光路（１１）の光強度を光軸（１６，１７）に関し外側へ向けて減少可能であること、および／または、前記手段（１４，１５）が有利には透過フィルタを有していることを特徴とする、請求項１に記載の測定器。
Ｉ_０を光源（６，１３）に依存する予め設定可能な強度値、ｆを予め設定可能なファクタであり、有利にはπ／２の値をもっているファクタ、ｒを半径方向における照射光路（４，５）または結像光路（１１）の光軸（１６，１７）に対する距離、ａを結像光学系（９）または照射光学系（８）のアパーチャー径としたとき、前記手段（１４，１５）により光強度を、
Ｉ（ｒ）＝Ｉ_０ｃｏｓ^２（ｆｒ／ａ）
なる関数にしたがって調整可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載の測定器。
前記手段（１４，１５）を照射光路（４，５）または結像光路（１１）内へリバーシブルに挿入可能であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の測定器。
前記手段（１４，１５）により光強度を時間的に変化させることが可能であること、前記手段（１４，１５）が有利には少なくとも部分的に透過性のあるＬＣＤユニット（液晶装置）を有し、該ＬＣＤユニットと制御ユニットによる制御とにより、変化可能な透過特性を実現可能であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の測定器。
対象物（２）と結像光学系（９）との相対位置を変化させる少なくとも１つの位置決め手段（１８）が設けられていること、有利には位置決め手段（８）により生じる対象物（２）と結像光学系（９）との相対位置の変化を検知可能であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の測定器。
位置決め手段（１８）が、対象物（２）を少なくとも２つの異なる方向（ｘ，ｙ）に位置決め可能にする対象物移動テーブルを有していること、有利には対象物移動テーブルが対象物の２つの点の距離差を決定するための少なくとも１つの干渉計（２２）のアッセンブリを有していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の測定器。
検知器（１０）が高解像度のＣＣＤカメラを有していること、および／または、結像光学系（９）がアポクロマート補正した高解像度の顕微光学系を有し、顕微光学系が紫外線範
囲の照射光、有利には近紫外線範囲の照射光に対し構成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の測定器。
請求項１からから８までのいずれか一つに記載の、半導体基板、照射マスク、光データ担持体等の対象物を光学的に検査するための測定器を作動させる方法であって、測定器が光源（６，１３）と、照射光路（４，５）と、検知光路（１１）と、照射光路（４）内に配置される照射光学系（８）および／または検知光路（１１）内に配置される結像光学系（９）と、検知器（１０）と、位置評価装置とを備え、照射光路（４，５）が光源（６，１３）から対象物（２）へ延び、検知光路（１１）が対象物（２）から検知器（１０）へ延び、対象物（２）の少なくとも一部を光源（６，１３）の光で落射モードまたは透過光モード等のモードで照射させ、且つ結像光学系（９）により検知器（１０）に結像させ、位置評価装置により対象物（２）の２つの点の距離を測定するようにした前記方法において、
結像光学系（９）または照射光学系（８）の瞳面内に、或いは、これに対して共役な照射光路（４，５）または結像光路（１１）内の面内に、光源（６，１３）の光の強度に連続単調関数の推移特性を与える手段（１４，１５）が設けられていることを特徴とする方法。
少なくとも１回の検知の際に連続単調関数の推移特性をもった光強度分布で対象物（２）を照射し、他の検知の際には従来の光強度分布で対象物（２）を照射すること、このようにして検知した像を統計的評価部に送ることを特徴とする、請求項９に記載の方法。