JP2009236819A - 光学装置、フォトマスク検査装置および露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間的なコヒーレンスに起因するゴースト像の発生を抑える技術を提供する。
【解決手段】インテグレータとして機能するフライアイレンズ１０４の分割数Ｎを、ある閾値より大きくすることで、観察される視野の領域内で発生するゴースト像のコントラストをあるレベルよりも小さくなるようにする。こうすることで、紫外レーザ光を用いたフォトマスクの欠陥の検査におけるゴースト像の影響を排除する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトリソグラフィ工程で利用されるフォトマスクのパターン欠陥を検出する装置に利用可能な技術に係り、特に光源にレーザ光を利用した場合に発生するゴースト像の影響を抑える技術に関する。

半導体製造工程に適用される検査装置として、フォトマスク（レチクル）のパターン欠陥を検査する装置がある。この装置は、フォトマスクを照明する照明光学系と、フォト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を有しており、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。

ところで、近年は半導体デバイスの微細化に伴い，回路パターンの原版であるマスクの欠陥検査の重要性も高まっている。微小欠陥の検出には照明光の波長を短波長化する必要があるが、装置の規模や効率の点から、紫外線レーザ等のレーザ光源が用いられる。しかしながら、レーザ光は、コヒーレンス（干渉性）が高いので、レーザ光を欠陥検査装置の光源として用いると干渉が生じてしまい、センサから出力された検出画像にゴースト像（正規の位置以外に生ずる多重の像）が生じる。またレーザ光源を利用した場合、照射面におけるレーザ光の明るさ分布のムラ（像の強度ムラ）が問題となる。

上述したゴースト像は、明暗を明確に区別するバイナリーマスクの場合は問題とはならないが、位相シフトマスク（ハーフトーンマスクともいう）の場合は、問題となる。具体的には、ゴースト像がマスクのパターン欠陥の検査の障害となる。

例えば減衰型の位相シフトマスクは、マスク領域（非開口領域）が、透過領域（開口領域）に対して数〜数十％の透過率を有し、且つ、露光光の位相を１８０度反転させる機能を有する。この機能により、形成されるパターンのエッジをより明確にし、より高微細な回路パターンの形成を可能としている。減衰型の位相シフトマスクについては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。なお、減衰型の位相シフトマスクにおけるマスク領域は、光をある程度透過させるという意味でハーフトーン領域と呼ばれている。

しかしながら、レーザ光は、コヒーレンス（干渉性）が高いので、位相シフトマスクに対する照明光として用いた場合、マスクの開口領域を透過した光とハーフトーン領域を半透過した光とが干渉する。この結果、干渉縞が発生し、それが上述したゴースト像となる。また、ゴースト像とはならなくても、細かい干渉が重なり合うことで、フォトマスクを通った光の分布強度に分布ムラ（明るさ分布のムラ）が発生する。

このゴースト像の発生を抑える技術として、光源から射出されたレーザ光をインテグレータ（フライアイレンズ）と回転位相板に通し、レーザ光の位相をランダムに変化させて時間的コヒーレンスを低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。また、特許文献３には、明るさ分布の影響を低減する技術として、振動ミラーを利用して明るさ分布の偏差を平均化する技術が記載されている。

特開平４−１３６８５４号公報（特許請求の範囲） 特開平７−１４０６３５号公報（要約書） 特開平１１−７２９０５号公報（要約書）

しかしながら、上記の技術を利用してもゴースト像の発生を問題がない程度に抑えることは困難であることが判明している。本発明者らは、この点に関して理論的な解析を行い、以下の知見を得た、すなわち、上記の技術では、時間的なコヒーレンスの問題は改善されるが、空間的なコヒーレンスの問題は改善されない。そのため、レーザ光の空間的なコヒーレンスにより、位相差マスクを用いた場合に干渉が発生し、ゴースト像が生成される。本発明は、この知見に基づき、空間的なコヒーレンスに起因するゴースト像の発生を抑える技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、レーザ光源と、前記レーザ光源からのビームを複数のビームに分割するインテグレータと、前記インテグレータを通過した光線を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光した光が照射され、被照射物が配置されるステージと、前記被照射物を透過した光を投影する投影光学系とを備え、前記投影光学系の視野に含まれる所定の有効視野領域における所定の方向に対応する前記インテグレータの分割数をＮ、前記有効視野領域における前記所定の方向において形成されるゴースト像のコントラストをγ、前記集光光学系の開口数をＮＡ_１、前記投影光学系の開口数をＮＡ_２として（ＮＡ_１／ＮＡ_２）で定義されるコヒーレンスファクタをσ、前記被照射物の遮光部の振幅透過率をＴとした場合に下記第１式が満足されることを特徴とする光学装置である。

上記請求項１に記載の発明によれば、ゴースト像のコントラストの許容できる閾値をγとした場合に、有効視野領域に発生するゴースト像のコントラストをγ以下にすることができる。すなわち、有効視野領域内におけるゴースト像の輝度を許容値以下の値にする条件が与えられる。

例えば、フォトマスクの欠陥を画像解析により検査する装置において、ゴースト像のコントラストの値がγ以下ならば、ゴースト像が欠陥検出のための障害とならい場合を仮定する。この場合、第１式を満たすようにＮを選択することで、ゴースト像が発生してもフォトマスクの欠陥検出を支障なく行うことができる。なお、第１式の導出方法は、実施形態において詳細に説明する。

また、請求項１に記載の発明によれば、有効視野領域におけるレーザ光の明るさ分布が均一化され、強度分布の均一性を高めることができる。ゴースト像は干渉の主極大であり、その近くには複数の副極大（２次、３次・・・ｎ次の干渉像）が形成される。これら高次の干渉は、像の強度として弱いが、光の強弱分布には変わりないので、複数が重なり合うことでフォトマスクを通過した光の強度分布のムラの要因となる。したがって、主極大の像の強度を弱めることで、有効視野領域内における上記副極大の影響を弱めることができる。つまり、上記副極大に起因する光の強度分布のムラを改善することができる。

ゴースト像のコントラストの値γは、（ゴースト像の光強度／実像の光強度）×１００％により算出される。レーザ光源としては、ＣＷ発振が可能なレーザ発振装置が好適である。その他、パルス発振を行うレーザ発振装置を利用することもできる。請求項１に記載のビームというのは、一つのレンズから射出されるレーザビームのように一つの光束から構成されるビーム光であってもよいし、レーザ光源が複数あり、この複数の光源それぞれからの光束が重なったものであってもよい。

なお、レーザ光源を複数とした場合、その光源の数をＮに含めて考える。例えば、レーザ光源の数が２×２＝４であり、インテグレータの数が４×４＝１６である場合、分割数としては、４×１６＝６４であり、一つの光束から構成されるビーム光を８×８＝６４のインテグレータに通した場合と同様の光学作用が得られると考える。

インテグレータは、複数のレンズ系がマトリクス状に並列配置されたレンズ構造を有し、光源からの光をほぼ並行にする機能を備える。すなわち、インテグレータに入射した光束は、マトリクス状（碁盤の目状）に配置されたレンズ系で分割され、複数の２次元光源像が形成される。これら複数の２次元光源像から出射した光束が被照射面上で重なり合うことで、平行光を照射した場合と同様な状態を得ることができる。

インテグレータとしては、フライアイレンズを用いたものが一般的であるが、フライアイレンズ以外に、マイクロレンズアレイを用いることもできる。フライアイレンズは、複数のレンズ系を物理的に束ねた構造を有したもので、マイクロレンズアレイに比較して相対的に低コストで製造することができるが、隣接するインテグレータ要素（単位レンズ）間の境界部分の光学的な影響を考慮する必要がある。マイクロレンズアレイは、１枚の光透過部材（例えば、プラスチック板や石英ガラス板）の表面（および／または裏面）にレンズ構造をマトリクス状に複数形成した一体物の構造を有している。マイクロレンズアレイは、例えば材質として石英を用いた場合、加工コストがかかるので、紫外領域のものを得る場合、製造コストが高くなるが、上述した隣接するインテグレータ要素（単位レンズ）間の境界部分の光学的な影響が出ない優位性がある。なお、インテグレータは、複数を直列に配置することで、必要な分割数を確保することができる。

集光光学系は、照明光学系としての機能を有し、インテグレータから出射されるレーザ光を集光し、被照射物に照射する光学系である。最も単純な集光光学系は、１枚の集光レンズにより構成される。しかしながら、複数のレンズを用いて集光光学系を構成してもよい。

被照射物は、例えばフォトリソグラフィ工程で用いられるフォトマスクである。なお、ＬＳＩのフォトリソグラフィ技術では、フォトマスクのことをレチクルとも呼ぶが、本明細書では、両方の場合を含めてフォトマスクと表記する。被照射物は、フォトマスクに限定されない。例えば、レーザ光を透過させ、この透過光を検出することで、物体の表面状態、内部状態、あるいは不純物の検出等を行うための試料を本発明における被照射物として挙げることができる。

ステージは、被照射物を光学装置に装着する際に利用される部材である。ステージと表現されているが、台構造のものに限定されず、被照射物を保持する機能を有していればよい。

投影光学系は、集光光学系と逆の機能を備える。すなわち、投影光学系で集光された光は被照射物に照射され、それが被照射物を透過する。この透過後に再び広がった光束を集めて取り込み、後段のセンサ系等に光を送り込む光学系が、投影光学系である。最も単純な投影光学系は、集光光学系と同様に１枚の集光レンズにより構成される。しかしながら、複数のレンズを用いて投影光学系を構成してもよい。

有効視野領域というのは、投影光学系の視野の中にあり、投影光学系が捉えた視野の中で実際に観察等に利用される視野の領域のことである。例えば、被照射物としてフォトマスクが選択され、投影光学系が捉えた像を用いて当該フォトマスクの欠陥検出を行う場合でいうと、この欠陥検出を行うための画像の基となる領域が、有効視野領域となる。言い替えると、フォトマスクの欠陥の検出を行うための画像の取得が行われる領域が有効視野領域となる。したがって、投影光学系が取り込む視野に含まれ、且つ、有効視野領域の外側にあたる領域が存在する場合があり得る。この場合、この有効視野領域の外側にあたる領域は、フォトマスクの欠陥検出に利用されない領域となる。また、投影光学系が取り込む視野と有効視野領域とが一致する場合もあり得る。

有効視野領域における所定の方向に対応するインテグレータの分割数（Ｎ）というのは、有効視野領域を横切るある方向を考えた場合に、その方向におけるインテグレータの分割数（例えばフライアイレンズの分割数である）である。例えば、有効視野領域が正方形であり、インテグレータの分割数がこの正方形に対応してｎ×ｎ個であれば、この正方形の辺に平行な方向におけるインテグレータの分割数Ｎはｎ個となる。また、この正方形の対角線方向におけるインテグレータの分割数Ｎは、ｎに２の平方根を乗じた数となる。なお、ｎが自然数にならない場合は、一つ上の自然数を採用すればよい。例えば、算出した分割数が２．２３・・であれば、分割数Ｎ＝３を採用する。

コヒーレントファクタσは、投影光学系の開口数を分母とし、集光光学系の開口数を分子とした式で示されるパラメータであり、投影光学系から射出される光の干渉性を示す。例えば、σ→∞の場合は、干渉性が低く、σ→０の場合は、干渉性が高い光が投影光学系から射出される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、インテグレータの開口寸法をＤ、焦点距離をｆ、インテグレータを通過する光線の波長をλとしてＤ^２／（４λｆ）＝Ｑ（Ｑ≧１）で定義されるフレネル数をＱ、有効視野領域の前記所定の方向における視野寸法をｄとした場合に、下記「数４」満たされることを特徴とする。

請求項２に記載の発明において、有効視野領域の所定の方向における寸法ｄというのは、上記の分割数Ｎを数える方向における有効視野領域の寸法である。上記（第２式）右側の不等式は、（第１式）である。（第２式）左側の不等式は、インテグレータの分割数の上限を規定する。３００ｎｍ以下というような紫外領域で利用されるインテグレータの分割数の上限は、１０×１０程度である。これは、素材として用いる石英の加工精度に起因する。また、インテグレータの分割数を増やす方法として、インテグレータを直列に配置する方法がある。この方法は、例えば分割数が５×５のインテグレータを２段に重ねることで、等価的に２５×２５の分割数を有するインテグレータを用いた場合と同じ効果を狙うものである。

しかしながら、インテグレータの分割数を多くすることは、各インテグレータ要素レンズのフレネル数が小さくなるために、レンズ集光作用が弱まり、インテグレータ要素境界の影響を受け、分割の効果には限界がある。すなわち、インテグレータの分割数を無闇に大きくすることはできず、現実的に上限がある。（第２式）左側の不等式は、この上限を規定している。

なお、複数のインテグレータを直列配置することで、必要な分割数を得る場合は、以下の設計指針に基づいて光学設計を行えばよい。この場合、まず一つのインテグレータを用いると仮定して、光学設計を行い、その際に上記第２式左側の不等式を用いて、インテグレータの分割数Ｎの上限を求める。次ぎにこの上限の範囲内で上記第２式を満たす分割数Ｎを決め、この分割数Ｎを実現する分割数が得られるように複数のインテグレータの組み合わせを決定する。こうすることで、コスト増を抑えつつ、ゴースト像の影響を抑えることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光学装置の構成を備えたフォトマスク検査装置であることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、ゴースト像の影響を低減した、あるいはゴースト像の影響を受けないフォトマスク検査装置を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の光学装置の構成を備えた露光装置であることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、ゴースト像の影響を低減した、あるいはゴースト像の影響を受けない露光装置を得ることができる。

本発明によれば、空間的なコヒーレンスに起因するゴースト像の発生を抑える技術が提供される。

（１）第１の実施形態
（構成）
第１の実施形態では、減衰型の位相シフトマスクの欠陥を検査する光学装置（フォトマスク検査装置）の一例を説明する。図１は、発明を利用したフォトマスク検査装置の一例を示す概念図である。

図１には、フォトマスク検査装置１００が示されている。フォトマスク検査装置１００は、レーザ光源として、紫外領域のレーザを出力するＣＷ発振型のレーザ光発生装置１０１を備えている。例えば、レーザ光発生装置１０１は、アルゴンイオンレーザの第２高調波（波長２５７ｎｍ）を連続発振するものを用いる。波長は、この値に限定されないが、検査するフォトマスクに利用される露光光と同じ波長であることが好ましい。

レーザ光発生装置１０１から出力されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１０２により、ビーム成形され、反射ミラー１０３を介して、インテグレータであるフライアイレンズ１０４に入射する。フライアイレンズ１０４により、レーザ光の強度分布が均一化される。フライアイレンズ１０４は、複数のレンズがアレイ状に並べられて集積化された構造を有している。

フライアイレンズ１０４を通過したレーザ光は、回転位相差板１０５を通過する。回転位相差板１０５は、表面に深さの異なる微少領域（段差面）がランダムに多数設けられた構造を有する光透過性の円板であり、図示省略したモータにより回転する。この例では、回転位相差板の材料として、波長２５７ｎｍの透過率が高い石英が用いられている。回転位相差板１０５により、レーザ光の時間的コヒーレンスを緩和し、時間的コヒーレンスに起因する干渉の発生を低減している。

回転位相差板１０５を通過したレーザ光は、本発明における集光光学系の一例であるコンデンサレンズ１０６により集光される。コンデンサレンズ１０６により集光されたレーザ光は、検査対象であるフォトマスク１０７に照射される。この例では、減衰型の位相シフトマスクが検査対象のフォトマスク１０７となる。フォトマスク１０７は、Ｘ−Ｙステージ１０８上に固定される。Ｘ−Ｙステージ１０８を光軸に垂直な平面内で動かすことで、フォトマスクのマスクパターン領域を分割して観察することができる。

図からは明確でないが、Ｘ−Ｙステージ１０８は、被観察領域に対応する部分が開口部とされており、フォトマスク１０７を通過したレーザ光は、その開口部分を通過する。この開口部分を通過したレーザ光は、本発明の投影光学系の一例である対物レンズ１０９に捉えられ、さらに倍率可変光学系１１０により適当な倍率とされ、イメージセンサ１１１に到る。

図１では、一つのレンズで倍率可変光学系１１０が構成されているかのように簡略化した記載とされているが、実際の倍率可変光学系は、より複雑な光学系により構成されている。イメージセンサ１１１は、高解像度を有するＣＣＤ素子を用いたものが採用されている。

イメージセンサ１１１には、画像解析装置１１２が接続されている。画像解析装置１１２は、ソフトウェア的に画像を解析する機能を備えている。具体的には、リファレンスとなるフォトマスクのパターン像の画像データを記憶したメモリと、このメモリに記憶されたリファレンス画像データとイメージセンサ１１１が捉えたフォトマスク１０７の画像データとを比較する画像処理用集積回路を備えている。この画像データの比較をソフトウェア的に行うことで、フォトマスクのマスクパターンにおける欠陥の有無、欠陥の位置、欠陥の状態等に関する情報が取得される。

（第１式の右側部分の導出）
２次元平面内におけるゴースト像の発生位置の分布は、複素コヒーレンス度を用いた像強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）によって表される。この像強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、物体の透過率Ｔ＝ｏ（ｘ，ｙ）、投影光学系の振幅分布関数（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）ＡＳＦ（ｘ，ｙ）を用いて下記の第３式のように表せる。

従ってゴースト像のコントラストは、ＡＳＦと物体の透過率ｏ、複素コヒーレンス度μにより決定することになる。μ（ｘ，ｙ）＝１となる条件下であっても、（ｘ_１，ｙ_１）と（ｘ_２，ｙ_２）の距離がＡＳＦの広がりと比較して十分大きければ、ゴースト像のコントラストを低減できる。以下、この指針に基づいて、第１式の不等式の導出方法について説明する。

まず、上記第３式におけるＡＳＦ（ｘ，ｙ）はベッセル関数Ｊ_１（ｘ）を用いて下記第４式で表せる。なお、ｋ＝２π／λである。

上記第４式のベッセル関数は、ｒ≫（λ／ＮＡ）の場合、すなわちレンズ系における光を取り込む範囲に比較して、波長が十分に小さい場合、近似展開により、下記第５式ように表すことができる。

第５式を第３式に代入すると、Ｒ＝ｋＮＡｒとして、下記第６式が得られる。

ここで、ゴースト像を無視できるコントラスト量をγとし、ＡＳＦの中心値ＡＳＦ（０）に対して、ＡＳＦ（Ｒ）がＣまで低下する条件を考える。この条件において、マスク遮光部の振幅透過率をＴとすると、γ＝ＣＴが成り立つ。ここで、上記（第６式）の左辺をＣとし、さらに両辺を２乗し、整理すると、下記（第７式）が得られる。

ＡＳＦ（Ｒ）がＡＳＦ（０）に対してＣとなりうる位置は、その位置が２λ／ＮＡよりも十分に大きい場合に、上記（第７式）の右辺が１となる場合である。従ってこの場合、（第７式）から下記の（第８式）が得られる。

Ｒ＝ｋＮＡｒであるから、ｒに着目して（第８式）を整理すると、下記の（第９式）が得られる。

（第９式）において、ゴースト像の発生位置ｒが、空間的なコヒーレンスの強まる位置（λ／ｐ）の外側となる条件を考えると、下記の（第１０式）が得られる。

一方、インテグレータの間隔は、ｐ＝（２×ＮＡ×σ）／Ｎにより決定されるから、上記（第１０式）からｐを消去し、さらにＮに着目してｋ＝２π／λの関係を利用して整理すると、下記（第１式）が得られる。なお、Ｃ＝γ／Ｔである。

（第２式の左側部分の導出）
以下、インテグレータの分割数の上限の目安を与える（第２式）の左辺の不等式の根拠について説明する。図２は、インテグレータの分割数についての説明を行うための光学モデルを示した概念図である。ここで図２は、インテグレータが１段の場合の光学モデルが示されている。

図２には、顕微鏡視野ｄ、対物レンズの開口数をＮＡ_Ｃ＝ＮＡσ（ＮＡは、マスク後段の図示省略した投影系の対物レンズの開口数）、対物レンズの焦点距離をｆｃとし、さらにインテグレータ要素（インテグレータを構成する一つのレンズ）の開口数ＮＡ_Ｄ、焦点距離ｆ_Ｄ、直径Ｄ_０とし、さらにＤのある方向におけるインテグレータ要素数（分割数）Ｎを用いてＤ＝ＮＤ_０とした場合が示されている。

顕微鏡視野ｄは、対物レンズの焦点距離ｆｃ、インテグレータ要素の焦点距離ｆ_Ｄおよびインテグレータ要素の直径Ｄ_０を用いて、下記（第１１式）のように表せる。

ゴースト発生位置を顕微鏡視野外に出すインテグレータ要素数Ｍの条件は以下の第１２式で与えられる。なお、第１２式の導出法は、後述する参考例で説明する第１９式に関連して説明する。

第１２式に第１１式、ＮＡ_Ｃ＝Ｄ／２ｆ_ＣおよびＤ＝ＮＤ_０代入すると、以下の第１３式の関係が導かれる。

ここで、Ｎは、ある方向におけるインテグレータ要素数であり、Ｍは、ゴースト発生位置を顕微鏡視野外に出す場合に必要なインテグレータ要素数である。したがって、Ｎ＝Ｍにより、上記第１３式を満たす為に臨界条件が与えられる。すなわち、実際のインテグレータの分割数がＭよりも大きくなる為の条件は、下記第１４式によって与えられる。

一方インテグレータ要素のフレネル数を考えると、入射径以下のスポットを射出端面に形成するためには、次の条件が成り立つ必要がある。

Ｑ＝１の場合に、入射光束径とスポット径が等しくなるため、Ｑは最低でも１以上の値である必要がある。すなわち、インテグレータの機能を効果的に発揮させるには、第１５式において、Ｑ≧１が満たされる必要がある。仮に、Ｑの値をＱ＝１とすると、Ｎ≦（Ｍ／４）となり、一段のインテグレータで可能な要素数の最大数は、Ｍ／４となる。したがって、第１３式で決まる要素数Ｍ（ある方向における分割数Ｍ）に対して、実際のインテグレータの要素数Ｎ（ある方向における分割数Ｎ）をその１／４以下とすれば、インテグレータの機能が損なわれずに、その作用を発揮させることができる。

以下、上述した事項を一般化して定式化する。まず、ＮはＭの１／４以下でなければならいことから、ＮはＭを用いて、下記第１６式のように表される。

ここで、ゴーストが視野内に発生しても、その強度（コントラスト）が弱ければ許容できる上限の臨界的の条件として、ゴーストとなる主極大の発生位置が視野の外であればよいとする条件（第１２式の条件）を採用する。

すなわち、２次元平面内におけるゴースト像の発生位置の分布は、第３式によって表される。ここでベッセル関数の性質から理解できるように、第３式で示されるゴースト像のコントラストは、その発生位置が実像から離れる程低下する。言い替えれば、実像から離れるほど、干渉の度合が弱くなり、干渉に起因するゴースト像のコントラストは低下する。

そこで、少なくともゴースト像が有効視野領域の外に位置する距離で実像から離れていれば、干渉の度合は十分に小さく、ゴースト像の影響を無視できると考え、この場合の条件を上記第１６式のＭに課す条件として採用する。この場合、Ｍの下限の臨界値は、第１２式から、Ｍ＝（２×ｄ×ＮＡ_Ｃ）／λとなる。したがって、第１６式は、下記の第１７式のように変形される。

第１７式は、Ｑ＝１を臨界値として導かれた式であるが、実際には、Ｑ≧１であればよく、第１３式および第１５式から導出されるＭ≧Ｎ×４Ｑ（またはＮ≦（Ｍ／４Ｑ））の関係式から明らかなように、Ｍに対するＮのとり得る最大の値は、Ｑの値に反比例してさらに小さくなる。したがって、このことを考慮にいれると、Ｑ＝Ｄ^２／（４λｆ_Ｄ）（Ｑ≧１）として、上記第１７式は、下記第１８式のように変形される。

ここで、ＮＡ_Ｃは、ＮＡをマスク後段の図示省略した投影系の対物レンズの開口数として、ＮＡ_Ｃ＝ＮＡσと表されるから、ＮＡを投影光学系の開口数ＮＡ_２と書き換えると、ＮＡ_Ｃ＝ＮＡ_２σとなり、上記第１８式は、第２式の左側部分と同一となる。こうして、Ｑ≧１を満たす場合のインテグレータの分割数Ｎの上限を与える式が導出される。

複数のインテグレータを直列配置し、必要な分割数を得る場合には、下記のようにする。まず一つのインテグレータを用いると仮定して、光学設計を行い、その際に第２式左側の不等式を用いて、インテグレータの分割数Ｎの上限を求める。次にこの上限の範囲内で上記第２式を満たす分割数Ｎを決め、この分割数Ｎを実現する分割数が得られるように複数のインテグレータの組み合わせを決定する。

（具体例）
第１式において、ゴースト像のコントラストγを０．１％(0.001)とする場合を考える。また、マスクの振幅透過率Ｔを１．０とする。この場合、投影光学系である対物レンズ１０９のＮＡ値をＮＡ＝０．７５、コヒーレンスファクタσをσ＝１．０とすると、第１式より、Ｎ≧４３．５となる。したがって、４４×４４分割以上のインテグレータを用いることで、有効視野領域内で発生するゴースト像のコントラストを０．１％以下にすることができる。また、Ｔ＝√２９％とした場合、２９×２９分割以上のインテグレータを用いることで、有効視野領域内で発生するゴースト像のコントラストを０．１％以下とすることができる。

（数値計算結果）
以下、数値計算により、第１式の有効性を確認した結果について説明する。ここでは、前提条件として、上記具体例の条件に加えて、有効視野領域を１５μｍ角の矩形、レーザ光発生装置１０１が出力するレーザ光の波長をλ＝２５７ｎｍ、投影光学系である対物レンズ１０９のＮＡ値をＮＡ＝０．７５、コヒーレンスファクタσをσ＝１．０とした。また、フォトマスクは、波長１９３ｎｍの露光光用に設計されたものの諸手数を利用した。また、マスク欠陥検査装置は、拡大光学系であるため、イメージセンサへの入射角度は極めて小さいと見なし、さらに回折場の計算は、スカラー近似を用いた偏光を考慮しない瞳間の伝搬モデルに基づいて行った。また、フレネル数については考慮せずに計算を行った。

図５は、数値計算の結果を示すデータである。図５（ａ）〜（ｄ）の上側には、矩形の有効視野領域が示され、下側にはこの有効視野領域を横切るＸ−Ｘの線上における検出光の強度分布が示されている。図５（ａ）は、インテグレータの分割数が１６×１６の場合の計算結果である。図５（ｂ）は、インテグレータの分割数が１６×１６の場合の計算結果である。図５（ａ）は、インテグレータの分割数が３２×３２の場合の計算結果である。図５（ｃ）は、インテグレータの分割数が５０×５０の場合の計算結果である。図５（ｄ）は、インテグレータの分割数が１００×１００の場合の計算結果である。

図５（ａ）は、（第１式）におけるＮとして、Ｎ＝１６を選択し、図５（ｂ）は、（第１式）におけるＮとして、Ｎ＝３２を選択し、図５（ｃ）は、（第１式）におけるＮとして、Ｎ＝５０を選択し、図５（ｄ）は、（第１式）におけるＮとして、Ｎ＝１００を選択した場合に相当する。

図５を見れば明らかなように、Ｎが大きくなる程、強度分布の平坦性は向上する。これは、Ｎが増加する程、より干渉が小さくなること、すなわち、ゴースト像の強度が低下することを示している。図５（ｃ）のＮ＝５０では、僅かであるが、ゴースト像の原因となる干渉が残っている。また、図５（ｄ）のＮ＝１００では、周辺で強度が高くなる傾向の強度ムラは観察されるが、ゴースト像の原因となる干渉は消滅している。また図５からは、インテグレータの数Ｎが増加するのに従って、細かな強度ムラが解消され、フォトマスクを透過した光の強度分布がより平坦なものとなることも分かる。

また上述したように、σ＝１．０、γ＝０．００１、Ｔ＝１．０（Ｃ＝０．００１）の条件では、第１式から得られるＮの範囲は、Ｎ≧４３．５であるが、この結果は、図５に示されるようにＮ＝５０やＮ＝１００において、相対強度分布の均一性が特に良好となっている計算結果と整合する。これにより、第１式および第２式右辺の妥当性が確認できる。

（検査波長によるゴースト像の変化）
以下、照射するレーザ光の検査波長の違いによるゴースト像の変化について説明する。一般に、減衰型の位相シフトマスクは、露光光の波長に合わせて設計されている。これは、露光光の波長により、マスクする領域における減衰量が変わるので、減衰型の位相シフトマスクのフォトマスクとしての光学機能を最大限に発揮させるためには、露光光の波長に合わせた光学設計が必要になるからである。

図６は、検査波長の違いによる干渉の発生の状態を計算した結果を示すデータである。図６の計算結果を得る条件は、有効視野領域を１５μｍ角の矩形、投影光学系である対物レンズ１０９のＮＡ値をＮＡ＝０．７５、コヒーレンスファクタσをσ＝１．０とした。また、レーザ光発生装置１０１が出力するレーザ光の波長を（ａ）の場合がλ＝２５７ｎｍ、（ｂ）の場合がλ＝１９３ｎｍとし、フォトマスクは、波長１９３ｎｍの露光光用に設計されたものの諸手数を利用した。

図６から明らかなように、検査波長と露光波長とを一致させることで、干渉が抑えられ、ゴースト像の発生が抑制される。また、フォトマスクを透過した光の強度分布もより平坦なものとなる。これは、フォトマスクに照射される露光光の照射強度の分布ムラが是正されていることを示している。

図６に示すような結果が得られた理由は、以下のように考えられる。すなわち、計算に利用した減衰型の位相シフトマスクは、露光波長１９３ｎｍ用のもので、マスク領域（遮光領域）の１９３ｎｍの波長に対する透過率は、６％である。しかしながら、同じ場所の２５７ｎｍの波長に対する透過率は２９％となる。この結果、マスク領域を透過した光の影響が図６（ｂ）の場合は大きく、そのためより強い干渉が生じるためと考えられる。

（２）第２の実施形態
図１に示す光学装置は、レーザ光源を用いた露光装置に適用することもできる。この場合、イメージセンサ１１１の場所にＸ−Ｙステージを配置し、その上に感光させる試料を配置し、試料の露光を行う構成とする。また、倍率可変光学系１１０は、縮小光学系のものに変更し、フォトマスクのパターンを縮小して試料に照射する構造とする。

図１の装置を露光装置に用いた場合、フォトマスクとして減衰型の位相シフトマスクを用いても、第１の実施形態において述べた理由により、露光する領域（レーザ光の被照射領域）で発生するゴースト像のコントラストを十分に弱いものにすることができる。このため、ゴースト像の影響による露光工程における不良の発生を防止することができる。また、フォトマスクに照射される露光光の照射強度の分布ムラも是正されるので、より均一な露光を行うことができる。

（３）実施形態の変形
インテグレータの分割数を大きくするのと等価な効果を得る方法として、インテグレータを直列に重ねる方法の他に、インテグレータに光を入射させる光源を複数にする方法がある。この場合、図１のレーザ光発生装置１０１の部分に複数のレーザ発振装置の出力部分（出射光学系）が束ねられた構造が配置され、適当な光学系を介して、インテグレータ１０４に各レーザ発振装置からのビームを重ねて照射する構造とする。

この場合、例えばレーザ光源の数が２×２＝４であり、インテグレータの数が４×４＝１６であれば、分割数としては、４×１６＝６４であり、一つのレーザ発振装置から出力される一つの光束から構成されるビーム光を８×８＝６４のインテグレータに通した場合と同様の光学作用が得られる。

（４）参考例
以下、本発明に関連するアイデアとして、ゴースト像を有効視野領域の外に追い出すことで、ゴースト像の影響を排除するアイデアに関して説明する。このアイデアは、レーザ光源と、前記レーザ光源からのビームを複数のビームに分割するインテグレータと、前記インテグレータを通過した光線を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光した光が照射される被照射物が配置されるステージと、前記被照射物を透過した光を投影する投影光学系とを備え、前記投影光学系の視野に含まれる所定の有効視野領域における所定の方向に対応する前記インテグレータの分割数をＭ、前記有効視野領域の前記所定の方向における寸法をｄ、前記集光光学系の開口数をＮＡ_１、前記投影光学系の開口数をＮＡ_２とした場合に（ＮＡ_１／ＮＡ_２）で定義されるコヒーレンスファクタをσ、前記レーザ光源が発生するレーザ光の波長をλとした場合に、下記の第１９式が満たされることを特徴とする光学装置である。

上記の構成によれば、有効視野領域を横切る所定の方向において、ゴースト像が形成されても、その位置を有効視野領域の外側に追いやることができる。このため、コヒーレンスの強いレーザ光を光源とした場合に問題となる被照射面におけるゴースト像の問題を回避することができる。また、この構成によれば、請求項１に関連して説明したのと同様な理由により、有効視野領域におけるレーザ光の明るさ分布が均一化され、強度分布の均一性を高めることができる。

しかしながら、（第３式）における右辺は、（第２式）における左辺よりも大きい。従ってインテグレータ要素境界における影響を受ける。要素境界の影響を受けない手段としては、マイクロレンズアレイがあるが、各インテグレータ要素内での開口数が変化しないように配置する必要がある。上記の構成における他の概念については、請求項に関連して説明したものと同じである。

第１９式右側の不等式は、実像とゴースト像との距離が、有効視野領域の寸法よりも大きくなる条件の臨界値を示している。Ｍ＞（ｄ×２×ＮＡ×σ）／λとすることで、実像を捉えた有効視野領域の外側にゴースト像が現れるようにすることができる。つまり、ゴースト像を視野の中から見えなくすることができる。なお、第１９式右側の不等式の導出方法については後に詳細に説明する。

以下、上記の構成を利用した装置として、減衰型の位相シフトマスクの欠陥を検査する光学装置（フォトマスク検査装置）の例を参考例として説明する。図３は、参考例として開示するフォトマスク検査装置４００の概念図である。図３に示すフォトマスク検査装置４００は、図１に示す装置のフライアイレンズ１０４をダブルインテグレータ構造とした点が図１に示す装置と異なっている。また、インテグレータとして、石英を用いて作成したマイクロレンズアレイを用いている。なおそれ以外の構成は、図１に示すフォトマスク検査装置１００と同じである。

ダブルインテグレータというのは、インテグレータを光軸上で直列に２つ配置し、分割数を上げたインテグレータのことをいう。この例では、図３に示すように、ダブルインテグレータ光学系４０４として、光源側から、マイクロレンズアレイ４０１、対物レンズ４０２、マイクロレンズアレイ４０３と配置した構造としている。この例では、マイクロレンズアレイ４０１およびマイクロレンズアレイ４０２は、同じものを用いている。対物レンズ４０２は、マイクロレンズアレイ４０１の各レンズから出射したビームをマイクロレンズアレイ４０３全体に照射する機能を有する。

例えば、分割数が４×４＝１６のインテグレータを２段に重ねることで、等価的に１６×１６＝２５６分割の機能を有するインテグレータを用いた場合と同様な光学機能を得ることができる。

本実施形態では、ダブルインテグレータを用いることで、（第１９式）の右側を満足する分割数Ｍを確保している。なお、インテグレータの分割数Ｍには、コストの点から上限があるので、その点を考慮してマイクロレンズアレイ４０１および４０３の分割数を設定する必要がある。図３では、２段構成のインテグレータの例を示したが、３段以上で所望の分割数を得ることもできる。

その他、レーザ光発生装置４０１、ビームエキスパンダ４０２、反射ミラー４０３、回転位相差板４０５、フォトマスク４０７、Ｘ−Ｙステージ４０８、対物レンズ４０９、倍率可変光学系４１０、イメージセンサ４１１および画像解析装置４１２は、図１の場合と同じであるので説明は省略する。

（第１９式の導出）
以下、第１９式の導出方法およびそれに関連して、ゴースト像の発生原理について説明する。まず、図１に示すフォトマスク検査装置の光学系を簡略化したモデルとして、図４に示す光学モデルを考える。すなわち、インテグレータ１０４を光源として捉え、この光源上に輝点がインテグレータの配置に合わせて等間隔、等強度でＮ×Ｎ個並んだモデルを考える。

図４には、減衰型の位相シフトマスクであるフォトマスク１０７に照射された光が、射出側（光の入射面の反対側の面）で干渉し、この射出光が対物レンズ１０９で集められてイメージセンサ１１１の受光面に投影された際に、実像が座標ｘ_１に像を結び、さらにイメージ像が座標ｘ_２に像を結んだ状態が概念的に示されている。

このモデルにおいて、ゴースト像の発生要因として、インテグレータ１０４の周期性に起因するフォトマスク１０７表面上における空間的コヒーレンスに着目する。フォトマスク１０７の表面上における空間的コヒーレンスを表す複素コヒーレンス度をμ（ｘ、ｙ）とすると、μ（ｘ、ｙ）は、ファンシッター・ゼルニケ(Van Cittert-Zernike)の定理により、照明光源分布Ｓ（ξ_Ｓ、η_Ｓ）のフーリエ変換として、下記の第２０式で表される。

ここで、ｋ＝２π／λであり、瞳座標ξ_Ｓ、η_Ｓは、光線の方向余弦である。なお、λは観察に用いるレーザ光の波長である。ここで、光源（インテグレータ）１０４の全強度和を１で規格化すると、上記第２０式は、下記第２１式のように変形される。

ここで、ξ_０、η_０は、インテグレータ１０４の中心の座標であり、ｐは、インテグレータの輝点間隔を被照射面への入射光線の方向余弦で換算した値である。ｐは、インテグレータの輝点間隔ｐ_ｃの距離で離れた位置からの光線の被照射面への入射方向余弦の差であり、インテグレータと被照射面との間にある集光光学系の焦点距離をｆ_ｃとすると、（ｐ_ｃ／ｆ_ｃ）で表される。

第２１式において、空間的コヒーレンスに起因するフォトマスク１０７上の２点間における干渉が最も大きくなる条件、言い替えると、２点間の空間的コヒーレンスが最大となる条件を考える。この条件は、ｍおよびｎを整数として、下記第２２式により与えられる。

つまり、上記第２２式が満足される場合に、図４に示すように、フォトマスク１０７の透過した成分による強い干渉が発生し、イメージセンサ１１１の受光面上の座標ｘ_１に実像が結像し、さらに座標ｘ_２にイメージ像が結像する。第２２式は、ゴースト像が周期性をもって所定の位置に形成されることを示している。換言すると、第２２式は、ゴースト像が発生する位置を示す式ということができる。

第２２式を見れば分かるように、干渉像（ゴースト像）の間隔、言い替えると実像とゴースト像との間隔は、利用するレーザ光の波長（λ）やｐによって変化する。ここでｐには、インテグレータ１０４と集光光学系であるコンデンサレンズ１０６に関する変数を含んでいる。したがって、インテグレータ１０４と集光光学系であるコンデンサレンズ１０６に関する変数を調整することで、第２２式で示される実像とゴ−ストとの間の距離を調整することができる。

フォトマスクの欠陥検査において、ゴースト像が発生してもそれが観察する領域の外側（観察する領域から外れた領域）で発生するのであれば、ゴースト像に起因する問題は発生しない。この技術思想を実現するには、上記第２２式において、観察対象となる領域から、ゴースト像が外れるように条件を選択すればよい。

ここで、インテグレータの輝点間隔を被照射面への入射光線の方向余弦で換算した値である変数ｐは、その輝点間隔の方向におけるインテグレータの分割数をＭとして、下記第２３式によって表される。

イメージセンサ１１１による観察対象となる領域（有効視野領域）の上記の輝点間隔方向における寸法をｄとすると、このｄの範囲において実像のみが観察され、ゴースト像がこのｄの範囲から外れるようにすれば、ゴースト像の影響を排除することができる。このことを第２２式を用いて表すと、下記第２４式となる。

第２３式と第２４式とから、ｐを消去すると、下記第１９式が得られる。

こうして、第１９式が導かれる。第１９式によれば、有効視野領域内の着目する方向におけるインテグレータの分割数Ｍを、第１９式を満足する値とすることで、当該方向において発生するゴースト像を有効視野外に追いやることができる。なお、第１９式において、ＮＡ_Ｃ＝ＮＡ_２σの関係を用いると、第１２式が得られる。

（具体例）
以下、具体的な例を挙げて第１９式を満たす光学設計の例を説明する。この例では、観察対象となる有効視野領域のある方向の長さをｄ＝１００μｍ、レーザ光発生装置１０１が出力するレーザ光の波長をλ＝２５０ｎｍ、投影光学系である対物レンズ１０９のＮＡ値をＮＡ＝０．７５、コヒーレンスファクタσをσ＝１．０とする。この場合、第２式の右辺の値は、６００となる。つまり、上記の条件において、上記の長さ１００μｍの線上にゴースト像が現れないようにするには、Ｍ＞６００とする必要がある。

この条件を満足するために、図３に示す構成において、マイクロレンズアレイ４０１と４０３として、共に２５×２５の分割数を有するものを採用する。こうすることで、有効視野領域を横切る最短方向において、Ｍ＝６２５となるので、Ｍ＞６００の条件が満足され、有効視野領域内におけるゴースト像の発生を防止することができる。なお、この条件は、前述したインテグレータ数上限の条件を満たしていないため、フレネル数を考慮しない際に適している。この例では、マイクロレンズアレイを用いることで、フレネル数を考慮しないインテグレータ構成としている。フレネル数を考慮しない構成としては、インテグレータを使用せずに第１９式で求まるＭの数だけ光源を用意する場合などがあげられる。

本発明は、フォトリソグラフィ工程で利用されるフォトマスクの検査装置に利用することができる。また本発明は、フォトリソグラフィ工程で利用される露光装置に利用することができる。

発明を利用したフォトマスク検査装置の一例を示す概念図である。 インテグレータの分割数についての説明を行うための光学モデルを示した概念図である。 参考例として示すフォトマスク検査装置の他の一例を示す概念図である。 ゴースト像の発明原理を説明するための光学モデルを示す概念図である。 数値計算の結果を示すデータである。 数値計算の結果を示すデータである。

符号の説明

１００…フォトマスク検査装置、１０１…レーザ光発生装置、１０２…ビームエキスパンダ、１０３…反射ミラー、１０４…フライアイレンズ、１０５…回転位相差板、１０６…コンデンサレンズ、１０７…フォトマスク、１０８…Ｘ−Ｙステージ、１０９…対物レンズ、１１０…倍率可変光学系、１１１…イメージセンサ、１１２…画像解析装置。

Claims (4)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源からのビームを複数のビームに分割するインテグレータと、
   前記インテグレータを通過した光線を集光する集光光学系と、
   前記集光光学系により集光した光が照射され、被照射物が配置されるステージと、
   前記被照射物を透過した光を投影する投影光学系と
   を備え、
   前記投影光学系の視野に含まれる所定の有効視野領域における所定の方向に対応する前記インテグレータの分割数をＮ、
   前記有効視野領域における前記所定の方向において形成されるゴースト像のコントラストをγ、
   前記集光光学系の開口数をＮＡ_１、前記投影光学系の開口数をＮＡ_２として（ＮＡ_１／ＮＡ_２）で定義されるコヒーレンスファクタをσ、
   前記被照射物の遮光部の振幅透過率をＴとした場合に、
   

   

   が満たされることを特徴とする光学装置。
2. 前記インテグレータの開口寸法をＤ、焦点距離をｆ、前記インテグレータを通過する光線の波長をλとしてＤ^２／（４λｆ）＝Ｑ（Ｑ≧１）で定義されるフレネル数をＱ、前記有効視野領域の前記所定の方向における視野寸法をｄとした場合に、
   

   

   が満たされることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 請求項１に記載の光学装置の構成を備えたフォトマスク検査装置。
4. 請求項１に記載の光学装置の構成を備えた露光装置。

Images