JP2006266687A - 試料検査装置及び試料検査方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 従来技術では、干渉ノイズを低減化するため、照明光学系内に多くの時間的、空間的均一化のための手段を設けたため、光学系の光損失が増大し、過大な照明光源出力が要求されるに至った。そこで、光学系の光損失を従来より低く抑えながら干渉ノイズを低減化することを目的とする。
【構成】 コヒーレント光を照射する可干渉光源１０２と、反射面の形状を変化させ、前記可干渉光源１０２から照射されたコヒーレント光１０１を反射する反射ミラー１０６と、前記反射ミラー１０６により反射され、被検査試料となる基板１１０に照射されたコヒーレント光を受光するカメラ１１４と、を備えたことを特徴とする。そして、前記反射ミラーは、ランダムに反射面の形状を変化させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料検査装置或いは試料検査方法に係り、例えば、半導体製造に用いるマスクの検査装置およびその方法に関する。

近年、ＬＳＩの高集積化及び大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅はますます狭くなってきている。これらの半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（フォトマスク、マスク或いはレチクルともいう。以下、マスクと総称する）を用いて、いわゆるステッパと呼ばれる縮小投影露光装置でウェハ上にパターンを露光転写して回路形成することにより製造される。よって、かかる微細な回路パターンをウェハに転写するためのマスクの製造には、微細な回路パターンを描画することができるパターン描画装置を用いる。かかるパターン描画装置を用いてウェハに直接パターン回路を描画することもある。電子ビーム描画装置については、文献にも記載されている（例えば、特許文献１参照）。或いは、電子ビーム以外にもレーザービームを用いて描画するレーザービーム描画装置の開発が試みられており、文献に開示されている（例えば、特許文献２参照）。

ここで、１ギガビット級のＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に代表されるように、大規模集積回路（ＬＳＩ）を構成するパターンは、サブミクロンからナノメータのオーダーになろうとしている。このＬＳＩの製造における歩留まりの低下の大きな原因の一つとして、半導体ウェハ上に超微細パターンをフォトリソグラフィ技術で露光、転写する際に使用されるマスクの欠陥があげられる。特に、半導体ウェハ上に形成されるＬＳＩのパターン寸法の微細化に伴って、パターン欠陥として検出しなければならない寸法も極めて小さいものとなっている。よって、かかる欠陥を検査する装置の開発が行われている。この装置は、マスクを照明する照明光学系と、マスクの像を検出して画像信号を出力するためのセンサと、出力された画像信号に基づいてマスクパターンを検査する検査装置を有している。

上述したように、半導体装置の高性能化に伴い、マスクのマスクパターンはますます微細化・高集積化している。これに伴い検査装置には高い分解能を発揮することが求められている。高分解能を実現するためには照明光の波長を短波長化する必要があるため、例えば、紫外線レーザー等のレーザー光源を用いる必要がある。

しかしながら、短波長のレーザー光を欠陥検査装置の光源として用いると、レーザーの可干渉性から非常に細かい干渉パターン（スペックル）が干渉ノイズ（スペックルノイズ）として発生してしまうということがある。この干渉パターンが生じると、センサから出力された検出画像に輝点状のノイズが現れるため、欠陥検査の際、このノイズにより取得画像のＳ／Ｎが悪化し、検査精度が低下するという問題が生じる。

かかる干渉ノイズを低減するために、従来、回転位相変化板による画像取得時に蓄積されるべき時間的位相情報を均一化させる手法や、振動ミラーにより光軸を変化させることにより時間的空間的位相情報を均一化させる手法といった平坦化手段を光学系の中に取り入れていた（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−２３７４４５号公報 米国特許５３８６２２１号公報 特開平１１−７２９０５号公報

しかしながら、従来技術では、干渉ノイズを低減化するため、照明光学系内に多くの時間的、空間的均一化のための手段を設けたため、光学系の光損失が増大し、過大な照明光源出力が要求されるに至った。

本発明は、上述した問題点を克服し、光学系の光損失を従来より低く抑えながら干渉ノイズを低減化することを目的とする。

本発明の一態様の試料検査装置は、
コヒーレント光を照射する光源と、
反射面の形状を変化させ、前記光源から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーと、
前記反射ミラーにより反射され、被検査試料に照射されたコヒーレント光を受光する受光部と、
を備えたことを特徴とする。

また、本発明の一態様の試料検査方法は、
コヒーレント光を照射するコヒーレント光照射工程と、
照射された前記コヒーレント光を反射面の形状を変化させながら反射する反射工程と、
反射されたコヒーレント光を被検査試料に照射する被検査試料照射工程と、
前記被検査試料に照射された前記コヒーレント光を受光する受光工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、前記反射ミラーにより、反射面の形状を変化させ、前記光源から照射されたコヒーレント光を反射することにより画像取得時に蓄積されるべき時間的位相情報を均一化させることができる。その結果、干渉ノイズを低減化することができる。また、回転位相変化板等を用いないため、光学系の光損失を従来より低く抑えることができる。

実施の形態１．
実施の形態１では、可干渉光源（コヒーレント光源）を用いた照明光学系において、干渉ノイズを計測上問題の無い程度にまで低減させる照明系を説明する。そして、かかる照明系を用いて干渉ノイズを低減した照明装置を搭載した試料検査装置を説明する。
図１は、実施の形態１における試料検査装置の構成を示す概念図である。
図１において、試料検査装置１００は、可干渉光源１０２、ホモジナイザー１０４、反射ミラー１０６、コンデンサーレンズ１０８、投影レンズ１１２、及びカメラ１１４を備えている。ここでは、図示していない試料ステージに被検査パターンが形成された試料となるマスクやウェハ等の基板１１０が配置される。

可干渉光源１０２は、比較的長い距離の光学伝送に有効な照明光源である。光源の線幅が狭帯化されているほうが光学系の色収差による、画像劣化を小さくすることができる。一方、狭帯化されていることにより、光源の可干渉性が向上し、各光学部品による干渉ノイズが、取得画像に反映され、画像劣化をもたらすことになる。
図１において、コヒーレント光照射工程として照射された可干渉光源１０２からの出力光（コヒーレント光１０１）を、均一化素子であるホモジナイザー１０４により光源本来のガウシアン形状から、トップハット型に変換することで、空間的な均一照明化を図ることができる。

図２は、ガウシアン形状とトップハット形状の一例を示す図である。
図２（ａ）には、可干渉光源１０２から照射されたコヒーレント光１０１本来のガウシアン形状を示している。ガウシアン形状では、照明光源に均一化された領域が無い。かかるガウシアン形状の光を、図２（ｂ）に示すように、照明光として用いる中央部を均一化したトップハット形状に変換する。
そして、ホモジナイザー１０４を経た光出力を、反射工程として反射ミラー１０６を用いて反射させ、コンデンサーレンズ１０８を介して、被検査試料照射工程として、被測定物である透過型被検査パターンが形成された基板１１０に照明する。そして、受光工程として、基板１１０を透過した光を、投影レンズ１１２を介してカメラ１１４で受光して、被検査パターンの画像情報を取得する。そして、図示しない画像処理装置を用いて被検査パターンの画像を取得し、参照画像と比較することにより欠陥の有無を検査する。このとき、反射ミラー１０６として反射面の形状を局所的に変化させることのできる鏡を用いる。

図３は、実施の形態１における反射ミラーの構成を示す概念図である。
図３において、反射ミラー１０６は、一体の鏡面をもち、比較的厚さの薄いミラー基板裏面に、駆動部の一例となる１次元または２次元のマイクロアクチュエータ等のアクチュエータ２００を複数並べている。図３では、アクチュエータ２００ａ〜２００ｆで示している。複数のアクチュエータ２００の先端が反射ミラー１０６裏面に接触または接着され、鏡面上局部的に波長程度の歪を生じせしめる。
図４は、反射ミラーの裏面におけるアクチュエータの配置例を示す概念図である。
図４では、円形の反射ミラー１０６の裏面に複数のアクチュエータ２００が配置されている様子を示している。
かかるアクチュエータ２００を駆動させることにより反射ミラー裏面を押す或いは引っ張ることで反射波面の歪を引き起こすことができる。また、アクチュエータ２００を駆動させることにより、反射面の形状を局所的に変化させることができる。反射面の形状を局所的に変化させることによりコヒーレント光の光路長を変化させることができる。光路長を変化させることにより時間的空間的位相を変化させることができる。実施の形態１では、アクチュエータ２００により歪発生をランダムにおこなう。ランダムにおこなうことにより後述する受光部であるカメラ１１４で取得される光の時間的空間的位相情報を均一化させることができる。

アクチュエータ２００として、例えば、スピーカーコイル（或いは、ボイスコイルともいう）やピエゾ素子等を用いると好適である。特に、スピーカーコイルは、一体化されるピエゾ素子と異なり、電磁誘導により駆動される稼動芯がコイル中に浮遊させるため、高速に動かすことができ、ダイナミックレンジを大きくとることができる。言い換えれば、振動数を上げることができる。後述するように、振動数を上げることができるため、干渉ノイズをより低減させることができるためなお良い。また、アクチュエータ２００として、波面補償用のデフォーマブルミラーを用いることもできる。但し、波面補償用のデフォーマブルミラーは、位相共役な状態を作るため、高度な制御が必要となるが、本実施の形態における反射ミラー１０６では、必ずしも反射波面の再現性を要求されないため、このような高度な制御は必要ではない。よって、もっと簡易な構成で対応することができる。さらに、波面補償用のデフォーマブルミラーのうち、鏡面にエッジを形成しているデフォーマブルミラーの場合には、回折効果により光を減衰させるため、鏡面にエッジを形成しないミラーが好適である。

例えば、スピーカーコイルを用いてこの反射面の形状を局所的に変化させる反射ミラー１０６の構成として、厚さ１ｍｍ、直径５０ｍｍの石英基板を光学枠に固定し、その裏面に３行３列、計９個の超小型スピーカーコイルの先端を接触させる。これらのスピーカーコイルの駆動条件（周波数と電力）は、反射面の形状を局所的に変化させることのできる鏡と参照用平面石英板との干渉縞測定（或いは直接波面測定）によりあらかじめ、その上下限範囲を測定しておくと好適である。現状では、干渉縞に対する動作条件はあらかじめ設計できるほど再現性が得られないからである。

そして、周波数と電力は、さらに図示していない外部装置によりランダムに変調をかけるが、そのときの周波数は、画像取得用ＣＣＤカメラ１１４の一画面あたりの画像取得時間に対して、十分な変調回数を与えるものとすることが望ましい。十分な変調回数を与えることで、干渉ノイズを低減させることができる。例えば、一例として、取得画像の光学的ノイズの低減特性から、５ｋＨｚ以上とする。これは、画像取得時に、１０００回以上の時間的位相情報の平均化がなされたことになる。
図５は、干渉ノイズと振動回数との関係を示すグラフを示す図である。
図５に示すように、前記カメラ１１４が前記コヒーレント光１０１を受光して基板１１０に照射されたコヒーレント光１０１に基づく画像を取得するための所定の期間となる電荷取得時間Ｓに対して、１０００回以上、波面形状を変化させると、干渉ノイズを計測上問題の無い±１％内に抑えることができる。

図６は、干渉ノイズと振動回数との関係を示す図である。
図６（ａ）では、反射ミラー１０６を駆動させない場合の干渉ノイズの状況を示している。反射ミラー１０６を駆動させない場合、干渉ノイズが大きいことがわかる。図６（ｂ）では、電荷取得時間Ｓに対して１回波面形状を変化させた場合の干渉ノイズの状況を示している。電荷取得時間Ｓに対して１回波面形状を変化させた場合、同様に、干渉ノイズが大きいことがわかる。図６（ｃ）では、電荷取得時間Ｓに対して４回波面形状を変化させた場合の干渉ノイズの状況を示している。電荷取得時間Ｓに対して４回波面形状を変化させた場合でも、同様に、干渉ノイズが大きいことがわかる。図６（ｄ）では、電荷取得時間Ｓに対して１０回波面形状を変化させた場合の干渉ノイズの状況を示している。電荷取得時間Ｓに対して１０回波面形状を変化させた場合でも、同様に、干渉ノイズが大きいことがわかる。これに対し、図６（ｅ）では、電荷取得時間Ｓに対して１０００回波面形状を変化させた場合の干渉ノイズの状況を示している。電荷取得時間Ｓに対して１０００回波面形状を変化させた場合、干渉ノイズを±１％内に抑えることができる。

図７は、反射ミラーによって波面形状を変化させた場合の干渉縞の様子を示す図である。
図７では、波面計を用いて干渉縞が移り変わっていく様子を撮影した写真の一部を示した。反射ミラー１０６によって波面形状を変化させることにより、図７（ａ）〜（ｆ）に示すように干渉縞が変化した。

以上のように、本実施の形態では、カメラ１１４で画像取得するときの各画素の電荷蓄積時間Ｓを考慮した速度でランダムに波形制御を行い、照明光により生じた干渉ノイズを打ち消すことにより、良好な照明光を得ることができる。

図８は、従来技術との比較を説明するための図である。
図８（ａ）では、従来の検査装置を示している。従来の検査装置では、光源からレンズを介して蝿の目レンズ（フライアレイレンズ）と、回転位相板とを通過したレーザー光を振動ミラーで反射させ、レンズを介してマスク上に照射する。ここで、回転位相板は、表面に深さの異なる多数の段差がランダムに設けられている透光性の円盤である。そして、回転位相板を回転させつつレーザー光を透過させることでこのレーザー光の位相を各段差の深さに応じて変化させている。かかる回転版の回転機構は、６０００ｍｉｎ^−１程度の高速回転駆動部を必要とし、精密な光学系内部に設置する際に、特別な施策を必要とし、かつ、不具合時には、周辺部品を破壊するという規模の大きい事故となる可能性があり、本来、設置を避けるべきである。

さらに、従来の検査装置における振動ミラーは、揺動振動されるように構成されており、このミラーで反射するレーザー光の光軸を周期的にずらしている。レーザー光の光軸をずらすことで、レーザー光の干渉縞を変化させている。しかしながら、レーザー光の光軸をずらすと、コマ収差に代表される収差を引き起こし、取得される像を歪ませてしまう。これらに対し、本実施の形態における試料検査装置１００では、回転位相板を用いずに、そして、図８（ｂ）に示すように、レーザー光の光軸はずらさずに、波面形状を変化させるため、かかる問題を生じさせないようにすることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、透過型の試料検査装置について説明したが、実施の形態２では、反射型の試料検査装置でも同様に適用することができる。
図９は、実施の形態２における試料検査装置の構成を示す概念図である。
図９において、試料検査装置１００は、可干渉光源１２２、ホモジナイザー１２４、反射ミラー１２６、パーシャルミラー１２８、コンデンサーレンズ１３０、投影レンズ１３４、及びカメラ１３６を備えている。ここでは、図示していない試料ステージに被検査パターンが形成された試料となるマスクやウェハ等の基板１３２が配置される。

可干渉光源１２２から照射されたコヒーレント光１２１をホモジナイザー１２４により本来のガウシアン形状からトップハット形状に変換する。そして、ホモジナイザー１２４を経た光出力を、反射ミラー１２６を用いて反射させ、さらに、パーシャルミラー１２８で基板１３２側に反射させて、コンデンサーレンズ１０８を介して被測定物である反射型被検査パターンが形成された基板１３２に照明する。基板１３２から反射された光は、コンデンサーレンズ１０８を介してパーシャルミラー１２８を透過して、投影レンズ１３４を介してカメラ１３６で受光して、被検査パターンの画像を取得する。このとき、反射ミラー１２６は、実施の形態１と同様、反射面の形状を局所的にランダムに変化させることのできる鏡を用いることで、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

以上のように、上記各実施の形態により、照明光学系内に多くの時間的、空間的均一化手段を設けることなく、干渉ノイズを計測上問題の無い程度にまで低減させることができる。さらに、照明光学系内の光損失要因となる手段を除くことができたので、光学系の光損失を低減し、必要な照明光源出力を低減することができる。さらに、光源出力を低減することにより、光学系寿命を延ばすことができる。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

さらに、反射ミラーの波面形状を変化させる機構やアクチュエータなどについても、必要とされるものを適宜選択して用いることができる。同様に、光学系の構成についても必要とされるものを適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての反射ミラー或いは試料検査装置は、本発明の範囲に包含される。

実施の形態１における試料検査装置の構成を示す概念図である。 ガウシアン形状とトップハット形状の一例を示す図である。 実施の形態１における反射ミラーの構成を示す概念図である。 反射ミラーの裏面におけるアクチュエータの配置例を示す概念図である。 干渉ノイズと振動回数との関係を示すグラフを示す図である。 干渉ノイズと振動回数との関係を示す図である。 反射ミラーによって波面形状を変化させた場合の干渉縞の様子を示す図である。 従来技術との比較を説明するための図である。 実施の形態２における試料検査装置の構成を示す概念図である。

符号の説明

１００ 試料検査装置
１０２ 可干渉光源
１０４ ホモジナイザー
１０６ 反射ミラー
１０８ コンデンサーレンズ
１１０ 基板
１１２ 投影レンズ
１１４ カメラ
２００ アクチュエータ

Claims (5)

1. コヒーレント光を照射する光源と、
   反射面の形状を変化させ、前記光源から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーと、
   前記反射ミラーにより反射され、被検査試料に照射されたコヒーレント光を受光する受光部と、
   を備えたことを特徴とする試料検査装置。
2. 前記反射ミラーは、ランダムに反射面の形状を変化させることを特徴とする請求項１記載の試料検査装置。
3. 前記反射ミラーは、反射面の形状を変化させる駆動部を有することを特徴とする請求項１記載の試料検査装置。
4. 前記受光部は、所定の期間、前記コヒーレント光を受光して前記被検査試料に照射されたコヒーレント光に基づく画像を取得し、
   前記反射ミラーは、前記所定の期間に対し１０００回以上前記反射面の形状を変化させることを特徴とする請求項１記載の試料検査装置。
5. コヒーレント光を照射するコヒーレント光照射工程と、
   照射された前記コヒーレント光を反射面の形状を変化させながら反射する反射工程と、
   反射されたコヒーレント光を被検査試料に照射する被検査試料照射工程と、
   前記被検査試料に照射された前記コヒーレント光を受光する受光工程と、
   を備えたことを特徴とする試料検査方法。