JP2008298832A - 波長変換装置、マスク検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部材に生じるダメージを抑制するとともに、屈折率の揺らぎの発生を抑制することができる波長変換装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る波長変換装置は、入射する光の波長変換を行うセシウムを含むＣＬＢＯ結晶１１４と、ＣＬＢＯ結晶１１４の波長変換された光が出射する出射面に接する雰囲気を、空気と略同等の屈折率を有し、かつ、窒素濃度が空気よりも低い気体とする気体供給手段を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造工程で利用されるフォトマスク（以下、単にマスクと呼ぶ。）における欠陥を検出する際に利用されるマスク検査装置に関する。

一般にパターン付きマスクの欠陥検査法には、マスクパターンと設計データとの比較検査法（一般にＤｉｅ−ｔｏ−ｄａｔａｂａｓｅ比較法と呼ばれる。）と、２つのチップにおけるパターン比較検査法（一般にＤｉｅ−ｔｏ−ｄｉｅ比較法と呼ばれる。）の２通りの方法が広く知られている。これらの検査方法では、いずれもマスクのパターン像を顕微鏡で検出している。その際に光学的顕微鏡を用いる場合は、マスクパターンを光で照明する必要がある。その光源（すなわちマスク検査光源）には、ランプを用いる場合とレーザを用いる場合とに大別される。レーザを用いるマスク検査装置では、連続のレーザ光が発生する連続レーザが一般に用いられている。例えば、波長２５７ｎｍの連続レーザ光（これは、アルゴンレーザにおける最大出力ラインである波長５１４ｎｍの第二高調波である）を用いたマスク検査装置が市販されている。検出感度の点から検査光源のさらなる短波長化が望まれている。なお、このような波長２５７ｎｍの連続レーザ光を用いた従来のマスク検査装置に関しては、例えば、非特許文献１あるいは非特許文献２に示されている。

半導体の微細化が進むにつれて、マスク上のパターンは微細化することから、欠陥検出感度向上のために、マスク検査装置の光源にも短波長化が求められている。次世代のマスク検査光源としては、例えば、波長４８８ｎｍのアルゴンレーザの第二高調波と波長１０６４ｎｍのファイバーレーザとの和周波数である１９８．５ｎｍの紫外レーザ光を発生させて、これをマスク検査光源として用いたマスク検査装置が開発されている。このようなマスク検査装置は、例えば、特許文献１あるいは非特許文献３に示されている。

一方、パターン無しマスクの欠陥検査には、連続レーザ光を光源として用いて、マスク上でレーザ光を集光しながらスキャンする構成の装置が実用化されている。光源としては、波長４８８ｎｍのアルゴンレーザが広く用いられており、特にブランクス検査装置として広く普及している。これに関しては、例えば、非特許文献４に示されている。

最近のブランクス検査装置では感度向上のため、波長２６６ｎｍのレーザ装置を用いる場合もあり、波長２６６ｎｍのレーザ光は、一般的は波長１０６４ｎｍの固体レーザからのレーザ光を波長変換することで発生させている。なお、波長２６６ｎｍのレーザ光を用いたブランクス検査装置としては、非特許文献５に示されている。

ところで、マスク検査装置で使用される光源は、波長変換型の紫外レーザの場合、以下に説明する新たな問題があった。波長１９８．５ｎｍの紫外レーザや、波長２６６ｎｍの紫外レーザでは、ＣＬＢＯ結晶（セシウムリチウムボレート結晶、化学式：ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）と呼ばれる非線形光学結晶が波長変換に用いられる場合がある。ＣＬＢＯ結晶が空気中で使用されると、結晶中のＣｓと空気中の窒素とが反応し、結晶表面に窒化物が生じることがある。これによって、ＣＬＢＯ結晶の表面にダメージが生じやすくなることが指摘されている。

そこで、この窒化物の発生を抑制するために、ＣＬＯＢ結晶を、炭酸ガス等の濃度を高めて窒素濃度を低減させた混合ガス中に配置することが提案されている。これに関しては、特許文献２に示されている。
特開２００６−７３９７０号公報 特開２００４−２２００５１号公報 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ５４４６， ｐｐ．２６５−２７８，２００４． 東芝レビュー、第５８巻、第７号、第５８〜６１頁、２００３年 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ５５９２， ｐｐ．４３，２００５． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ５２５６， ｐｐ．５５６−５６５，２００３． ＳＥＭＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２−１４〜２−１８，ＳＥＭＩＣＯＮ Ｊａｐａｎ２００６．

特許文献２に記載の波長変換装置では、ＣＬＢＯ結晶を密閉空間内に配置し、当該密閉空間を窒素濃度を低減させた混合気体で満たしている。図４に示すように、特許文献２に記載の従来の波長変換装置１０では、密閉空間１２内にＣＬＢＯ結晶１１が配置されている。また、密閉空間１２の側面には、レーザ光を透過させるためのウインドー１３が設けられており、密閉空間内に満たした混合気体が外部に漏れないような構成となっている。このような構成の波長変換装置１０では、ウインドー１３の表面が曇って、レーザ光が減衰したり、ウインドー１３表面にダメージが生じたりするおそれがある。

しかしながら、ＣＬＢＯ結晶を密閉空間内に配置せずにこの手法を適用すると、混合ガスが外部に広がる際に生じる屈折率の揺らぎが発生してしまう。特許文献２では、この屈折率の揺らぎに関しては、全く考慮されていなかった。特に、マスク検査装置において、ＣＬＢＯ結晶を密閉空間内に配置せずに使用する場合、複雑で高精度の光学系を用いた装置内に混合ガスが流れ込む。マスク検査装置では、レーザ光を発生させた状態で光学系を調整する必要があるため、調整者の安全性の観点から、光学系は空気で満たされている。この混合ガスの屈折率が空気の屈折率と大きく異なると、屈折率の揺らぎが生じて、レーザ光が屈折し、検査性能に悪影響を及ぼすことが懸念される。従って、光学系に流れ込むおそれのあるガスが、空気の屈折率と異なることが大きな問題になっていた。

特に、欠陥検査装置の場合、検出される欠陥が大量に発生するという問題が生じることがあった。上述の混合ガスを注入することでかえって欠陥が増加するということは、真の欠陥ではなく、屈折率の揺らぎに起因して検査用のレーザ光の光路が変動し、疑似欠陥が生じたと考えられる。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、光学部材に生じるダメージを抑制するとともに、屈折率の揺らぎの発生を抑制することができる波長変換装置及びマスク検査装置を提供することである。

本発明の第１の態様に係る波長変換装置は、入射する光の波長変換を行うセシウムを含む非線形光学結晶と、前記非線形光学結晶の波長変換された光が出射する出射面に接する雰囲気を、空気と略同等の屈折率を有し、かつ、窒素濃度が空気よりも低い気体とする気体供給手段を備えたものである。これにより、光学部材に生じるダメージを抑制するとともに、屈折率の揺らぎの発生を抑制することができる。

本発明の第２の態様に係る波長変換装置は、上記の波長変換装置において、前記気体は、窒素を含まないものである。これにより、光学部材に生じるダメージをさらに抑制することができる。

本発明の第３の態様に係る波長変換装置は、上記の波長変換装置において、前記気体は、酸素と、二酸化炭素とを含み、バッファガスとしてアルゴン又はヘリウムを有する混合ガスであるものである。これにより、光学系の調整を行う際に、作業者が酸欠になることを抑制することができる。

本発明の第４の態様に係る波長変換装置は、上記の波長変換装置において、前記気体における酸素の混合比は、１０〜２０％であることを特徴とするものである。これにより、光学系の調整を行う際に、作業者が酸欠になることを防止することができる。

本発明の第５の態様に係る波長変換装置は、上記の波長変換装置において、前記気体供給手段は、前記非線形光学結晶の出射面に向かって前記気体を噴出するノズルを備えるものである。これにより、非線形光学結晶の出射面に向かって噴出する気体の流量を少なくすることができる。

本発明の第６の態様に係るマスク検査装置は、上記のいずれかに記載の波長変換装置を備えるものである。これにより、光学部材に生じるダメージを抑制することができる。また、屈折率の揺らぎの発生を抑制することができ、検査中に検査用のレーザ光の光路が変動することがないため、擬似欠陥の発生を抑制することができる。

本発明によれば、光学部材にダメージを生じさせることなく、屈折率の揺らぎの発生を抑制した波長変換装置及びマスク検査装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施例の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係るマスク検査装置について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係るマスク検査装置１００の構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係るマスク検査装置１００は、ビームスプリッタ１０１、λ／４波長板１０２、対物レンズ１０３、結像レンズ１０８、二次元光検出器１０９、ＤＵＶレーザ装置１１０、ガスボンベ１２０、配管１２１を備えている。また、ＤＵＶレーザ装置１１０は、励起レーザ１１１、高反射ミラー１１２、ダイクロイックミラー１１３、ＣＬＢＯ結晶１１４を備えている。

なお、図１においては、マスク基板１０５のパターン面１０７上にペリクル１０６が設けられたマスク１０４を検査対象とする。マスク１０４のパターン面１０７は、合成石英から成るマスク基板１０５の片面に形成されている。パターン面１０７は、ペリクル１０６でカバーされており、パターン面１０７にパーティクルが付着しないようになっている。

まず、マスク検査装置１００の全体的な動作について説明する。マスク検査装置１００では、光源として、波長２６６ｎｍのレーザ光Ｌ１０１を発生させるＤＵＶレーザ装置１１０が用いられている。レーザ光Ｌ１０１は、水平方向（図では紙面に垂直な方向の偏光となっている。レーザ光Ｌ１０１は、偏光ビームスプリッタ１０１に当たって反射し、レーザ光Ｌ１０２のように下方に進み、λ／４波長版１０２を通って円偏光となる。このレーザ光Ｌ１０３は、対物レンズ１０３に入射して、レーザ光Ｌ１０４のように集光しながら、マスク１０４のパターン面１０７を照射する。レーザ光Ｌ１０４が照射される部分の中心付近が観察領域である。

観察領域から反射された上向きのレーザ光Ｌ１０４は、対物レンズ１０３を通って、再びλ／４波長板１０４を通過する。これにより、上方に進むレーザ光Ｌ１０２の偏光方向は、下方に進む場合と直交することになる。このため、レーザ光Ｌ１０２は、偏光ビームスプリッタ１０１を透過して、レーザ光Ｌ１０５のように進む。そして、レーザ光Ｌ１０５は、結像レンズ１０８によって、二次元光検出器１０９に当たる。以上のように、マスク１０４におけるパターン面１０７の観察領域が、二次元光検出器１０９へ拡大投影される。なお、二次元光検出器１０９としては、ＴＤＩ素子やＣＣＤ素子が適する。以上は、観察領域を照明するために、レーザ光Ｌ１０４を対物レンズ１０３側から入射させる、反射照明と呼ばれる照明法である。

なお、これとは反対に、パターン面１０７を照明するレーザ光を、対物レンズ１０３とは反対側から照明する照明法がある。この照明法は、透過照明と呼ばれる。通常、マスク検査装置では両方の照明が備えられているが、図１においては透過照明の図示を省略した。

本実施の形態に係るＤＵＶレーザ装置１１０は、波長５３２ｎｍのレーザ光Ｌ１００を発生させる励起レーザ１１１を備えている。励起レーザ１１１から出射されたレーザ光Ｌ１００は、高反射ミラー１１２とダイクロイックミラー１１３とで組まれた外部共振器内に進む。外部共振器の内部には、高反射ミラー１１２とダイクロイックミラー１１３との間に配置されたＣＬＢＯ結晶１１４が設けられている。ＣＬＢＯ結晶１１４は、ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０の化学式で表され、セシウムを含む非線形光学結晶である。

レーザ光Ｌ１００はＣＬＢＯ結晶１１４に当たり、第二高調波である波長２６６ｎｍのレーザ光Ｌ１０１が発生する。ダイクロイックミラー１１３は、波長５３２ｎｍのレーザ光に対しては９０％以上の高い反射率を有しているが、波長２６６ｎｍのレーザ光に対しては９０％以上の高い透過率を有している。このため、波長２６６ｎｍのレーザ光Ｌ１０１がＤＵＶレーザ装置１１０から取り出される。

なお、図１においては、ＤＵＶレーザ装置１１０で用いられている第二高調波の発生手段として、高反射ミラー１１２とダイクロイックミラー１１３とで構成した外部共振器が描かれているが、４枚のミラーで構成するボウタイ型と呼ばれる外部共振器を用いることも可能である。

本実施の形態に係るマスク検査装置１００には、ガスボンベ１２０が設けられている。ガスボンベ１２０には、空気と略同等の屈折率を有し、かつ、窒素濃度が空気よりも低い気体が充填されている。従って、この気体の窒素濃度は、空気の窒素濃度の約７５（重量）％よりも低い値となる。ＤＵＶレーザ装置１１０の上部には、配管１２１が取り付けられており、ガスボンベ１２０に充填されている気体は、配管１２１を介して、図１中Ａ１と示してあるように放出されている。この気体の放出量は、毎分１０ｃｍ^３程度と微量であるが、常時放出されている。従って、ＤＵＶレーザ装置１１０内部は、ガスボンベ１２０から放出された気体でパージされている。すなわち、ＤＵＶレーザ装置１１０内は、上記の気体で満たされることになる。このため、ＣＬＢＯ結晶１１４の光出射面に接する雰囲気は、ガスボンベ１２０から放出された気体となっている。すなわち、ＣＬＢＯ結晶１１４は、空気と略同等の屈折率を有し、かつ、窒素濃度が空気よりも低い気体雰囲気中に配置される。

このように、ＣＬＢＯ結晶１１４の両端面には、窒素濃度が空気よりも低い気体が接触することとなる。このため、ＣＬＢＯ結晶の両端面に窒素を含む有機化合物である硫酸アンモニウムや硝酸アンモニウムが生成することがなく、ダメージが生じにくくなっている。また、それだけでなく、ＤＵＶレーザ装置１１０内が上記の気体で満たされるため、高反射ミラー１１２とダイクロイックミラー１１３において、レーザ光が当たる部分でもダメージが生じにくくなっている。これにより、長期間安定に紫外のレーザ光を発生することができる。さらに、ＣＬＯＢ結晶１１４が配置される雰囲気の気体の屈折率が空気の屈折率と略同等になるため、装置外部から空気が侵入して混合しても、屈折率の揺らぎが生じない。このため、検査に用いるレーザ光の光路が変動することがない。これにより、屈折率の揺らぎに起因して検査用のレーザ光の光路が変動し、疑似欠陥が生じるのを防止することができる。

また、ＤＵＶレーザ装置１１０内に放出された混合ガスは、レーザ光Ｌ１０１が取り出される穴からＡ２のように漏れ出し、マスク検査装置１００の内部に充満する。すなわち、窒素濃度が空気の窒素濃度よりも低い気体がマスク検査装置１００の内部にも充満することになる。このため、紫外のレーザ光Ｌ１０４が照射されるマスク１０４のペリクル１０６やパターン面１０７にも、窒素を含む有機化合物である硫酸アンモニウムや硝酸アンモニウムが生成することもない。従って、いわゆるヘイズや成長性欠陥も生じにくくなる。なお、ＤＵＶレーザ装置１１０、マスク検査装置１００内に供給される気体は、窒素を含まないことが好ましい。これにより、各光学部材へのダメージをより抑制することが可能となる。

また、ガスボンベ１２０に充填される気体は、酸素と、二酸化炭素とを含む混合ガスであることが好ましい。また、混合ガスにおける酸素の混合比は、１０〜２０（重量）％である。さらに、混合ガスにおける二酸化炭素の濃度は、空気における二酸化炭素の濃度よりも高くなっている。このように、パージに用いる混合ガスの酸素の混合比が１０〜２０％であるため、装置の光学系を作業者が調製する際に、その混合ガスを吸っても酸欠になることがない。また、特に、二酸化炭素の濃度を空気における二酸化炭素の濃度よりも高くすることによって、空気中の酸素濃度に比べて低くなっても酸欠になることもない。

なお、これに関しては、イナージェン消火設備で用いられる混合ガスで実証されている。すなわち、二酸化炭素濃度が高くなると、人間の呼吸効率が高まるため、１０％近い低酸素濃度下でも、酸欠にならないことが証明されている。

本実施の形態においては、ガスボンベ１２０に充填された気体を、酸素と、炭酸ガス、アルゴンガスの混合ガスとする。混合ガスの混合比は、以下の式を満たすものである。
１．０００２７２×Ｍ_Ｏ２＋１．０００４５×Ｍ_ＣＯ２＋１．０００２８４×Ｍ_Ａｒ
＝１．０００２９２±０．０００３
なお、１．０００２７２は酸素の屈折率、１．０００４５は二酸化炭素の屈折率、１．０００２８４はアルゴンの屈折率、１．０００２９２は空気の屈折率である。また、Ｍ_Ｏ２は酸素の混合比、Ｍ_ＣＯ２は二酸化炭素の混合比、Ｍ_Ａｒはアルゴンの混合比である。また、この混合ガスの窒素濃度は、空気の窒素濃度よりも低い。

従って、酸素、炭酸ガス、アルゴンガスの混合比は、図２に示すグラフのようになる。酸素の混合比を１０〜２０％とすると、例えば、以下の表に示すような混合比を採用することが可能である。

本実施の形態においては、ガスボンベ１２０には、酸素が約２０％、炭酸ガスが約６％、バッファとしてアルゴンガスから構成される混合ガスが充填されている。このように、マスク検査装置１００に供給される混合ガスが、窒素を含まないことから、各光学系のダメージを抑制することができる。また、特に二酸化炭素が６％前後と、空気中の二酸化炭素濃度よりも２桁も高いことから、酸素濃度が１０％近くと、空気中の酸素濃度に比べて低くなっても、酸欠になることもない。なお、アルゴンの代わりに、ヘリウム等の他の希ガスを用いることも可能である。

なお、本実施形態では分かりやすく説明するために、図１にガスボンベ１２０が描かれているが、ガスボンベ１２０の代わりに、マスク検査装置１００が設置されているクリーンルームのハウスラインによって、前述した混合ガスを供給してもよい。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るマスク検査装置に用いられるＤＵＶレーザ装置２００の構成について図３を参照して説明する。図３に示すように、ＤＵＶ装置２００は、励起レーザ２０１、高反射ミラー２０２、ダイクロイックミラー２０３、ＣＬＢＯ結晶２０４を有している。本実施の形態に係るＤＵＶレーザ装置２００は、図１に示すＤＵＶレーザ装置１１０と略同等の内部構成であるが、以下に説明するように、パージシステムの構成が異なっている。

図２に示すように、ＣＬＢＯ結晶２０４の両端面（光入射面及び光出射面）の近傍に、実施の形態１において説明した混合ガスを噴出させる配管２０５が設けられている。配管２０５は、ノズル状に先端が細く小さい開口になっている。この結果、混合ガスの流量が毎分１０ｃｍ^３程度でも、配管２０５から噴き出る混合ガスの流速は早くなる。従って、混合ガスの流量が少なくても、ＣＬＢＯ結晶２０４の両端面をパージする効果が大きい。このため、混合ガスの流量を少なくすることができ、混合ガスを充填しておくガスボンベ１２０の寿命を長くすることができる。あるいは、容量の小さいガスボンベを用いることも可能になった。

また、ＣＬＢＯ結晶２０４の両端面のパージに用いられる配管２０５とは別に、ＤＵＶレーザ装置２００の略中央部には、配管２０６が設けられている。配管２０６は、ＤＵＶレーザ装置２００内部に第２のパージガスとして、ドライエアを供給するために設けられている。これは、ＣＬＢＯ結晶２０４以外の光学部品の表面にパーティクルが付着しないようにするためであり、ドライエアの流量は、毎分約３００ｃｍ^３と上記の混合ガスよりも大量に流している。これによって、ＤＵＶレーザ装置２００の内部ではクリーン度を極めて高くすることができる。

以上のように、本発明によれば、光源として用いるレーザ装置でＣＬＢＯ結晶を用いていても、これにダメージが生じにくくなった。また、検査中に検査用のレーザ光の光路が変動することがないため、擬似欠陥が生じることがなくなった。さらに、ＤＵＶレーザ装置内を高いクリーン度に保つことができ、しかも、混合ガスの使用量を大幅に低減することができる。

なお、上記の実施の形態においては、波長変換を行う非線形光学結晶としてＣＬＢＯ結晶を用いたが、これ以外にもＣＢＯ結晶（セシウムボレート結晶、化学式ＣｓＢ_３Ｏ_５）等を用いることができる。また、セシウムを含まないＢＢＯ結晶（βバリウムボレート結晶、化学式：β−ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＬＢＯ結晶（リチウムボレート結晶、化学式：ＬｉＢ_３Ｏ_５）等であっても、セシウム以外の元素が窒素と反応して窒化化合物を形成する可能性もあるので、本発明の混合ガスを使用することができる。

また、上述の説明では、パターン付きマスクの検査を行うマスク検査装置について説明したが、これに限定されるものではない。本発明が対象とするマスク検査装置は、検査対象としてのマスクの種類によって構成が異なるが、パターンを形成したパターンつきマスクだけではなく、レジストを塗布しただけのパターンなしマスクや、あるいは、マスク基板（マスクブランクス）やウエハを検査対象とするブランクス検査装置でもよい。さらに、ウエハを検査対象とするウエハ検査装置でもよい。

実施の形態に係るマスク検査装置の構成を示す図である。 実施の形態に係るマスク検査装置に強雨給される混合ガスの混合比を説明するためのグラフである。 実施の形態に係るＤＵＶレーザ装置の構成を示す図である。 従来の波長変換装置の構成を示す図である。

符号の説明

１００ マスク検査装置
１０１ ビームスプリッタ
１０２ λ／４波長板
１０３ 対物レンズ
１０４ マスク
１０５ マスク基板
１０６ ペリクル
１０７ パターン面
１０８ 結像レンズ
１０９ 二次元光検出器
１１０ ＤＵＶレーザ装置
１１１ 励起レーザ
１１２ 高反射ミラー
１１３ ダイクロイックミラー
１１４ ＣＬＢＯ結晶
１２０ ガスボンベ
１２１ 配管
２００ ＤＵＶレーザ装置
２０１ 励起レーザ
２０２ 高反射ミラー
２０３ ダイクロイックミラー
２０４ ＣＬＢＯ結晶

Claims (6)

1. 入射する光の波長変換を行うセシウムを含む非線形光学結晶と、
   前記非線形光学結晶の波長変換された光が出射する出射面に接する雰囲気を、空気と略同等の屈折率を有し、かつ、窒素濃度が空気よりも低い気体とする気体供給手段を備えた波長変換装置。
2. 前記気体は、窒素を含まない請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記気体は、酸素と、二酸化炭素とを含み、バッファガスとしてアルゴン又はヘリウムを有する混合ガスである請求項１又は２に記載の波長変換装置。
4. 前記気体における酸素の混合比は、１０〜２０％であることを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
5. 前記気体供給手段は、前記非線形光学結晶の出射面に向かって前記気体を噴出するノズルを備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の波長変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長変換装置を備えるマスク検査装置。

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