JP2006112913A - 欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 欠陥を確実に検出することが可能な欠陥検査装置を提供する。
【解決手段】 マスク８に形成されたパターンの微分干渉像を生成する微分干渉光学系７、１０と、前記微分干渉光学系の微分干渉効果が生じる方向を時間的に変化させる制御部１５、１６と、前記制御部による前記微分干渉光学系の微分干渉効果が生じる方向の時間的な変化に対応して時間的に変化する微分干渉像を撮像する撮像部１２と、前記撮像部で撮像された時間的に変化する微分干渉像に基づいて前記マスクに形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出部１８、１９、２０とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、欠陥検査装置に関する。

ＬＳＩ等の半導体装置の高集積化に伴い、レチクル等のマスクに形成されるマスクパターンの微細化が進んできている。そのため、マスクパターンの欠陥検査装置にも高性能のものが求められている。しかしながら、高性能の欠陥検査装置を得ることは必ずしも容易ではない。

例えば、位相シフトマスクの欠陥検査では、以下のような問題がある。位相シフトマスクには、シフタ部にシフタ材料を形成してλ／２の位相差を設けるようにしたものと、シフタ部のガラス基板を掘り込んでλ／２の位相差を設けるようにしたものとがある。このうち、特に掘り込み型の位相シフトマスクでは、掘り込み部と非掘り込み部の透過率がほとんど変わらないため、掘り込み部と非掘り込み部の境界部のコントラストを上げることが難しい。そのため、欠陥検査装置の検出感度を上げることが必然的に困難となる。

このような問題に対して、微分干渉光学系を用いた欠陥検査装置が提案されている（特許文献１参照）。微分干渉光学系は、光束を微小角分離するプリズムを利用して実現される。すなわち、マスクからの透過光或いは反射光の光束を瞳位置に設けたプリズムによって微小角分離することで、分離された二つの光束が結像面において互いに干渉し、位相差に応じた強度変化が生じる。位相シフトマスクの掘り込み部と非掘り込み部との位相差はλ／２であるため、掘り込み部と非掘り込み部の境界部では強度変化が大きくなり、シフタ境界部を高感度で抽出することが可能である。

しかしながら、上述した方法では、プリズムによる光束分離方向すなわち微分方向が掘り込み部と非掘り込み部の境界線に垂直である場合には、微分干渉効果によって境界部での強度変化が大きくなり、境界部を高感度で検出することができるが、光束分離方向が境界線に平行である場合には、境界部での強度変化が得られないため、境界部を検出することができない。そのため、上述した方法では、掘り込み部と非掘り込み部の全ての境界を高感度で検出することが困難であり、全方向においてシフタ境界部の欠陥を確実に検出することが困難である。
特開平１０−１７７２４６号公報

上述したように、従来のマスクパターンの欠陥検査装置では、全方向でパターンの欠陥を確実に検出することが困難であった。

本発明は、上記従来の課題に対してなされたものであり、パターンの欠陥を確実に検出することが可能な欠陥検査装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の視点に係る欠陥検査装置は、マスクに形成されたパターンの微分干渉像を生成する微分干渉光学系と、前記微分干渉光学系の微分干渉効果が生じる方向を時間的に変化させる制御部と、前記制御部による前記微分干渉光学系の微分干渉効果が生じる方向の時間的な変化に対応して時間的に変化する微分干渉像を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された時間的に変化する微分干渉像に基づいて前記マスクに形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の視点に係る欠陥検査装置は、マスクに形成されたパターンの微分干渉像を生成するものであって、微分干渉効果が生じる方向が互いに異なる複数の微分干渉光学系と、前記複数の微分干渉光学系で生成された複数の微分干渉像を撮像する複数の撮像部と、前記複数の撮像部で撮像された複数の微分干渉像に基づいて前記マスクに形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、全方向でパターンの欠陥を確実に検出することができ、高性能の欠陥検査装置を得ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

まず、微分干渉光学系によって微分干渉像を取得するための原理について、図１を参照して説明する。

光源１０１から出射された照明光が光学系１０２を介してマスク（例えばレチクル）１０３に照射され、マスク１０３からの透過光が光学系１０４を介して瞳位置に配置されたプリズム１０５に入射する。プリズム１０５は入射光を微小角分離するものであり、プリズム１０５によって分離された二つの光束が撮像素子１０６に入射する。プリズム１０５で分離された二つの光束は、撮像素子１０６の結像面において互いに干渉し、微分干渉像が撮像素子１０６によって撮像される。

例えば、図２（ａ）に示すように、マスク１０３として掘り込み部及び非掘り込み部を有する位相シフトマスクを用いた場合、プリズム１０５による光束分離方向（微分方向、微分干渉効果が生じる方向）が掘り込み部と非掘り込み部の境界線に垂直である場合には、撮像素子１０６の撮像面上には図２（ｂ）に示すような微分干渉像が形成される。すなわち、プリズム１０５によって分離された二つの光束によって、互いにずれ量Ｄだけ位置ずれした像が得られる。掘り込み部と非掘り込み部では位相差がλ／２であるため、図２（ｃ）に示すように、微分干渉効果によって境界部での強度変化が大きくなり、境界部の検出感度を高めることができる。

なお、図１に示したような基本構成を用いる場合、マスク１０３のマスク面（パターン形成面）上の各点を通過した光線がプリズム１０５によって二つの光線に分離され、分離された二つの光線が撮像素子１０６の撮像面上の異なる点に結像されることから、光源１０１にはコヒーレント光を生じるものを用いる必要がある。

光源１０１にインコヒーレント光を生じるものを用いる場合には、プリズム１０５の他にさらに、光源１０１とマスク１０３との間にもプリズムを設けるようにする。この場合には、光源１０１からの光束が、光源１０１とマスク１０３との間に設けられたプリズムによって二つの光束に分離され、分離された二つの光束がマスク１０３を透過した後、マスク１０３と撮像素子１０６との間に設けられたプリズム１０５によって再び一つの光束に合成され、合成された一つの光束による像が撮像素子１０６に結像される。したがって、光源１０１とマスク１０３との間及びマスク１０３と撮像素子１０６との間にそれぞれプリズムを設けた場合には、インコヒーレント光を用いた場合にも、図２（ｂ）に示したような微分干渉像が得られる。

ただし、図１等に示した微分干渉光学系を単に用いただけでは、全ての境界部を確実に検出することはできない。すなわち、境界線が光束分離方向に平行であるような場合には、境界部での強度変化が得られないため、境界部における欠陥を高感度で検出することができない。そこで、以下の各実施形態で述べるような構成を用いることにより、境界部における欠陥を確実に検出できるようにしている。

（実施形態１）
図３は、本発明の第１の実施形態に係る欠陥検査装置の一例を示したブロック図である。本実施形態は、微分干渉光学系の微分干渉効果が生じる方向を時間的に変化させるものである。

光源１には、コヒーレント光を生じるもの及びインコヒーレント光を生じるもののいずれも用いることが可能であるが、本例では、コヒーレント光を生じるレーザーを用いている。光源１から出射した光は、照明光学系により、所望のパターンが形成されたマスク（レチクル等）８のマスク面（パターン面）上にケーラー照明される。マスク８には、図２（ａ）に示したような掘り込み部及び非掘り込み部を有する基板掘り込み型の位相シフトマスクを用いる。照明光学系には、エキスパンダ２、フライアイレンズ３、干渉ノイズ低減機構４、リレーレンズ５及びコンデンサレンズ６が含まれる。干渉ノイズ低減機構４には例えば拡散板が用いられ、この干渉ノイズ低減機構４によってケーラー照明による干渉ノイズが低減される。リレーレンズ５は光源像を形成するものであり、コンデンサレンズ６はマスク８をケーラー照明するためのものである。

プリズム７は、すでに説明したように、入射光束を二つの光束に分離して出射するものであり、プリズム７で分離された光束によってマスク８のパターン形成面上が照明される。このプリズム７には、例えばノマルスキープリズムやウォラストンプリズム等が用いられる。

マスク８を透過した光は、無限遠補正された対物レンズ９に入射し、対物レンズ９からは平行光が出射される。対物瞳位置にはプリズム１０が配置されており、プリズム７で分離された二つの光束がプリズム１０によって再び一つの光束に戻される。プリズム１０にもプリズムと同様、ノマルスキープリズムやウォラストンプリズム等が用いられる。プリズム１０からの光束は、結像レンズ１１を介して撮像素子１２に入射し、例えば図２（ｂ）に示したような微分干渉像が撮像素子１２の撮像面上に結像される。

位相シフトマスクでは、位相差を与えるシフタ領域の境界が不連続に変化しているため、プリズム７やプリズム１０での光束分離角によって決まるシアー量（マスク面上でのずれ量）を欠陥検査装置の光学系の分解能以下にしても、境界部において所望のコントラストを得ることが可能である。

なお、図に示した例では、プリズム７の直前及びプリズム１０の直後にそれぞれ偏光板１３及び偏光板１４を設けており、これらの偏光板１３及び偏光板１４によって不要な偏光成分を除去することが可能である。

本実施形態では、プリズム７及び１０はそれぞれスピンドルモータ１５及び１６によって回転するようになっている。スピンドルモータ１５及び１６の回転速度及び位相はエンコーダパルスで管理されており、プリズム７とプリズム１０とが互いに同期して回転するようになっている。撮像素子１２の撮像期間（露光期間）中にプリズム７及び１０を回転させることで、プリズム７及び１０の光束分離方向（微分干渉効果が生じる方向）を時間的に変化させることができる。したがって、光束分離方向と掘り込み部と非掘り込み部の境界線との関係が時間的に変化するため、各境界部について確実に微分干渉効果を生じさせることができる。

検査動作は、マスク８を載置したステージ１７を、光学系の光軸と直行する平面（ｘｙ平面）でスキャンすることで、マスク全面にわたって行われる。具体的には、まずステージ１７をｘ方向に検査領域の端から端まで連続的にスキャンし、その後、ステージ１７をｘ方向と直行するｙ方向にステップ移動し、今度はステージ１７を−ｘ方向に連続的にスキャンする。このように、ｘ方向への連続スキャン及びｙ方向へのステップ移動を繰り返すことで、マスクの検査領域全体について微分干渉画像が得られる。

撮像素子１２には、例えばＴＤＩ（Time Delay Integration）動作型の素子が用いられ、マスクの連続移動方向に電荷転送が行われる。電荷転送タイミングは、ステージの移動速度と厳密に合わせ込まれる。ステージ連続移動とＴＤＩ動作とを組み合わせることにより、シャッタは不要となり、また電荷の蓄積によって高感度の検出を行うことが可能である。

撮像素子１２で１ライン分のデータを得るために露光される時間は、ＴＤＩ転送速度と蓄積段数との積に対応する。この露光時間内にプリズム７及び１０が丁度１回転するようにスピンドルモータ１５及び１６が駆動される。そのため、スピンドルモータ１５及び１６の駆動、ステージ１７の移動及びＴＤＩ動作は、ホストコンピュータ１８によって制御され、同期が取られる。その結果、全方向について微分干渉画像を得られる。

撮像素子１２で得られた微分干渉画像は比較部１９へ送られ、記憶部２０に記憶されている基準画像と比較される。その結果、微分干渉画像と基準画像との差異が、マスクパターンの欠陥として抽出される。

Die-to-Die検査の場合には、基準画像には、予め取得された同一マスク上のパターン画像が用いられる。具体的には、まず、マスク上のあるパターンから得られる画像を基準画像として記憶部２０に保存する。続いて、上記あるパターンと同一のマスク上に形成され、上記あるパターンと同一形状の他のパターンの画像を、上述した方法によって取得する。さらに、取得された画像と記憶部２０に保存された画像とを比較部１９によって比較する。

なお、上述した手法は、Die-to-Die検査以外に、Die-to-Database検査にも適用可能である。Die-to-Database検査では、上述した方法によって取得した画像の画像データをマスクパターンデータと比較することで、マスクパターンの欠陥が抽出される。

以上のように、本実施形態によれば、プリズムを回転させることで、プリズムの光束分離方向が時間的に変化し、微分干渉光学系の微分干渉効果が生じる方向が時間的に変化する。そのため、撮像された画像は、全方向について得られた微分干渉像が平均化されたものとなり、一つの画像で全方向についての微分干渉像を取得することができる。したがって、全方向についてシフタ境界部で一定以上の強度変化が得られ、マスクパターンの欠陥を確実に検出することが可能となる。

なお、上述した実施形態は、マスクからの透過光を撮像素子に結像する透過光学系に対するものであったが、上述した手法は、マスクからの反射光を撮像素子に結像する反射光学系に対しても同様に適用することが可能である。

図４は、そのような反射光学系を有する欠陥検査装置の一例を示したブロック図である。なお、図３に示した構成要素と対応する構成要素については、同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

本例では、マスク８からの反射光を用いるため、図３に示したプリズム７とプリズム１０を一つのプリズムで兼用している。また、反射光学系では、照明光と反射光の光路を分ける必要があるため、ハーフミラー２８を設けている。すなわち、照明光の光束はハーフミラー２８を透過してプリズム１０に供給され、プリズム１０で分離された二つの光束がマスク８に入射する。マスク８で反射した二つの光束は、プリズム１０で一つの光束に戻され、プリズム１０からの反射光の光束がハーフミラー２８で反射して撮像素子１２に入射する。

このように、反射光学系を用いた場合にも、図３に示した例と同様にプリズムを回転させることで、図３に示した例と同様の作用効果を奏することができる。

また、上述した実施形態では、図３に示すように、照明側にプリズム７を結像側にプリズム１０を設けるようにしたが、光源１にコヒーレント光を生じるものを用いる場合には、結像側にのみプリズムを設けるようにしてよい。この場合にも、図３に示した例と同様にプリズム１０を回転させることで、図３に示した例と同様の作用効果を奏することができる。

なお、上述した第１の実施形態及びその変更例では、撮像素子の撮像期間（露光期間）内にプリズムを１回転させるようにしたが、一般にはｎ回転（ただし、ｎは整数）させるようにしてもよい。また、撮像素子の撮像期間内にプリズムを連続的に回転させなくてもよく、撮像素子の撮像期間内にプリズムの光束分離方向（微分方向）が少なくとも２方向以上となるようにプリズムを制御してもよい。

（実施形態２）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る欠陥検査装置の一例を示したブロック図である。本実施形態は、微分干渉効果が生じる方向が互いに異なる複数の微分干渉光学系と、複数の撮像部を設けたものである。なお、図３に示した構成要素と対応する構成要素については、同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。また、動作についても、第１の実施形態で説明した動作と同様の動作については詳細な説明は省略する。

本例では、光源１にコヒーレント光を生じるレーザーを用いている。光源１から出射した光は、照明光学系により、所望のパターンが形成されたマスク８のマスク面（パターン面）上にケーラー照明される。マスク８には、図２（ａ）に示したような掘り込み部及び非掘り込み部を有する基板掘り込み型の位相シフトマスクを用いる。照明光学系には、エキスパンダ２、フライアイレンズ３、干渉ノイズ低減機構４及びコンデンサレンズ６が含まれる。

マスク８を透過した光は、対物レンズ９に入射し、対物レンズ９からは平行光が出射される。対物レンズ９からの光束は、ハーフミラー２１で二つの光束に分離される。ハーフミラー２１で分離された一方の光束はプリズム２６に入射し、プリズム２６で分離された二つの光束は、結像レンズ２２を介して撮像素子２４に入射し、微分干渉像が撮像素子２４の撮像面上に結像される。ハーフミラー２１で分離された他方の光束はプリズム２７に入射し、プリズム２７で分離された二つの光束は、結像レンズ２３を介して撮像素子２５に入射し、微分干渉像が撮像素子２５の撮像面上に結像される。プリズム２６及び２７並びに撮像素子２４及び２５には、基本的には第１の実施形態で示したものと同様のものを用いることが可能である。

プリズム２６及びプリズム２７は、いずれも対物瞳位置に配置されている。また、プリズム２６とプリズム２７は、光束分離方向（微分方向）が互いに直交するように配置されている。例えば、プリズム２６はマスク８のマスク面（パターン形成面）上におけるｘ方向に対応する方向に光束を分離し、プリズム２７はマスク面上におけるｙ方向に対応する方向に光束を分離する。これにより、撮像素子２４で得られる画像はマスク面上においてｘ方向に微分された微分干渉画像となり、撮像素子２５で得られる画像はマスク面上においてｙ方向に微分された微分干渉画像となる。

撮像素子２４及び２５で得られた微分干渉画像はそれぞれ比較部１９へ送られ、第１の実施形態と同様にして、記憶部２０に記憶されている基準画像と比較される。その結果、微分干渉画像と基準画像との差異が、マスクパターンの欠陥として抽出される。ただし、本例では、撮像素子２４及び２５で得られた画像それぞれに対して比較を行う必要がある。そのため、基準画像のデータを撮像素子２４及び２５で得られた画像それぞれに対して用意しておく。このように、微分方向の互いに異なる微分干渉像をそれぞれ基準画像と比較することにより、全方向についてシフタ境界部における強度変化を一定の感度以上で取得することが可能である。

以上のように、本実施形態によれば、光束分離方向が互いに異なる複数の微分干渉光学系を用いることで、微分方向（微分干渉効果が生じる方向）が互いに異なる複数の微分干渉像を同時に取得することができる。したがって、全方向についてシフタ境界部の欠陥を一定以上の感度で取得することができ、マスクパターンの欠陥を確実に検出することが可能となる。

なお、上述した実施形態は、マスクからの透過光を撮像素子に結像する透過光学系に対するものであったが、上述した手法は、マスクからの反射光を撮像素子に結像する反射光学系に対しても同様に適用することが可能である。

また、上述した実施形態では、図５に示すように、結像側にのみプリズム２６及び２７を設けるようにしたが、照明側にも二つのプリズムを設けることにより、光源１にインコヒーレント光を生じるものを用いることも可能である。図６は、このような構成を採用した場合の概略構成を示したブロック図である。

このような構成を用いる場合には、照明側のプリズム２９及び３０に対応して二つの照明光学系を用意し、プリズム２９に対応した第１の照明光学系の照野と、プリズム３０に対応した第２の照明光学系の照野とが、マスク面上で互いに異なるようにする。そして、プリズム２６に対応した第１の結像光学系が第１の照明光学系の照野を結像し、プリズム２７に対応した第２の結像光学系が第２の照明光学系の照野を結像するようにする。光束分離方向は、プリズム２６とプリズム２９とで同一とし、プリズム２７とプリズム３０とで同一とする。また、プリズム２６及びプリズム２９の光束分離方向と、プリズム２７及びプリズム３０の光束分離方向とが互いに直交するようにする。

上述したような構成を用いた場合にも、図５に示した例と同様の作用効果を奏することができる。

なお、上述した第２の実施形態及びその変更例において、二つのプリズムの光束分離方向（微分方向）のなす角度は必ずしも９０度である必要はなく、二つのプリズムの光束分離方向が互いに異なっていればよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。

微分干渉光学系によって微分干渉像を取得するための基本的な構成例を模式的に示した図である。 微分干渉像の取得原理を示した説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る欠陥検査装置の構成の一例を示したブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る欠陥検査装置の構成の変更例を示したブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る欠陥検査装置の構成の一例を示したブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る欠陥検査装置の変更例の概略構成を示したブロック図である。

符号の説明

１…光源 ２…エキスパンダ
３…フライアイレンズ ４…干渉ノイズ低減機構
５…リレーレンズ ６…コンデンサレンズ
７、１０、２６、２７、２９、３０…プリズム
８…マスク ９…対物レンズ
１１、２２、２３…結像レンズ １２、２４、２５…撮像素子
１３、１４…偏光板 １５、１６…スピンドルモータ
１７…ステージ １８…ホストコンピュータ
１９…比較部 ２０…記憶部 ２１、２８…ハーフミラー
１０１…光源 １０２…光学系 １０３…マスク
１０４…光学系 １０５…プリズム １０６…撮像素子

Claims (4)

1. マスクに形成されたパターンの微分干渉像を生成する微分干渉光学系と、
   前記微分干渉光学系の微分干渉効果が生じる方向を時間的に変化させる制御部と、
   前記制御部による前記微分干渉光学系の微分干渉効果が生じる方向の時間的な変化に対応して時間的に変化する微分干渉像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部で撮像された時間的に変化する微分干渉像に基づいて前記マスクに形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出部と、
   を備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
2. 前記微分干渉光学系は、前記微分干渉効果を生じさせるプリズムを有し、
   前記制御部は、前記プリズムを回転させることで前記微分干渉効果が生じる方向を時間的に変化させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
3. マスクに形成されたパターンの微分干渉像を生成するものであって、微分干渉効果が生じる方向が互いに異なる複数の微分干渉光学系と、
   前記複数の微分干渉光学系で生成された複数の微分干渉像を撮像する複数の撮像部と、
   前記複数の撮像部で撮像された複数の微分干渉像に基づいて前記マスクに形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出部と、
   を備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
4. 前記微分干渉光学系の数は２であり、一方の微分干渉光学系で微分干渉効果が生じる方向と、他方の微分干渉光学系で微分干渉効果が生じる方向とは、互いに直交している
   ことを特徴とする請求項３に記載の欠陥検査装置。

Images