JP2012018096A

JP2012018096A - 欠陥検査装置

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Publication number: JP2012018096A
Application number: JP2010156129A
Authority: JP
Inventors: Takashi Otsuka; 尚大塚; Takeharu Tani; 武晴谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】検査対象物に形成された異方性のパターンの欠陥を精度良く検出する。
【解決手段】欠陥検査装置１０は、予め定めたパターンが形成された透光性を有するナノインプリントモールド１２に、照明光を照射する光源１４と、前記照明光を偏光状態が直交する二つの光に分離する偏光分離素子１６と、分離された前記二つの光の偏光方向が同一となるように前記二つの光の少なくとも一方の偏光方向を変更するλ／２板２０Ａと、ナノインプリントモールド１２を透過した二つの光の偏光方向が直交するように前記二つの光の少なくとも一方の偏光方向を変更するλ／２板２０Ｂと、二つの光を結合する偏光結合素子２４と、偏光結合素子２４により結合された光の光学像を撮像する撮像素子２６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、欠陥検査装置に係り、特に、ナノインプリントモールドの欠陥検査装置に関する。

半導体リソグラフィのロードマップ（例えばＳＥＭＡＴＥＣＨＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＦｏｒｕｍ２００８）によると、次々世代２０１６年の回路線幅ＨＰは１６−２２ｎｍと想定されている。その世代の露光装置・方式は、従来の延長である縮小投影露光方式と、新規にナノインプリント（ＮＩＬ：Ｎａｎｏ−ＩｍｐｒｉｎｔＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）方式が検討されている。

前者の光学方式においては、現行使用されている波長１９３ｎｍを発振するＡｒＦレーザを光源とした露光では分解能が不足であるため、液浸法のダブルパターニングや波長１３．５ｎｍのＥＵＶ光源が必要で、これらの研究・開発が急ピッチで進められている。液浸ダブルパターニング法は、２回露光によるスループット低下とコストアップが課題である。ＥＵＶ光源は、ＡｒＦレーザより一桁以上も波長が短く、その光源と光学系の実用化研究は、困難度が極めて高い。

それに対し、近年、ナノスケールの凹凸パターンが形成されたナノインプリントモールド（金型）を樹脂薄膜が塗布された基板に押し当てて、樹脂薄膜に凹凸パターンを転写する成形加工技術であるナノインプリント技術を半導体デバイスの製造技術に利用することが検討されている。

この方法は、フォトリソグラフィ技術等と比較して、簡便且つ低コストでナノスケールの加工が可能である。

しかしながら、ナノインプリントモールドは、ナノスケールの微細な凹凸パターンが形成されるため、その欠陥を高精度で検出する必要がある。

従来の露光マスクとナノインプリントモールドとの間には、光学的に、以下に示す２つの大きな相違点がある。

（１）欠陥サイズの微細化（等倍光学系の影響）

従来の半導体露光は４倍の縮小光学系を組んでいるのに対し、ナノインプリントにおいては等倍のモールドを用いる。従って、露光マスクの欠陥サイズが、半導体製品の欠陥サイズの４倍で数１０ｎｍ〜１００ｎｍであるのに対し、ナノインプリントモールドの欠陥サイズは、半導体の欠陥サイズと等しい１０ｎｍ程度に抑える必要がある。この欠陥サイズは、光の波長（ＤＵＶ光／遠紫外線のＡｒＦレーザで、１９３ｎｍ）に対して１桁以上も小さい。

（２）測定サンプルの光学物性

露光マスクは、透明な石英基板上に金属（主にＣｒ）にてパターンを作製している。Ｃｒは不透明かつ金属光沢を持つため、サンプルに照射された光は反射・散乱と吸収とを受け、透過光・反射光とも光量が大きく変化する。従って、欠陥の有無を、直接、光の明暗として検出することができる。一方、ナノインプリントモールドは石英基板自身の凹凸によりパターンを作成しているため、欠陥は、透明体の微小な凹凸の差に過ぎない。このため、ナノインプリントモールドにおいては、欠陥が存在しても微小な位相ずれが生じるだけで、欠陥の有無に拘わらず透過する光の強度は同等となる（以下このような物体を「位相物体」と呼ぶ）。

これらいずれの相違点も、ナノインプリントモールドの欠陥検査を難しくしている。

透明材料（位相物体）の凹凸を検出する方法としては、例えば特許文献１、２に記載されたような干渉顕微鏡による方法が考えられる。

特許文献１には、複屈折偏光部材を用いた干渉顕微鏡により位相シフトマスクの位相シフト量を検査する装置が開示されている。

特許文献２には、干渉顕微鏡により、パターンの無欠陥部分を光学的に消去して欠陥部分を光学的に抽出することにより検出する装置が開示されている。

特許第３０６７１９１号公報特開平８−３２７５５７号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術は、透明領域通過部分と位相シフト領域部分との比較しかできない。また、複屈折性偏光部材から出射された、互いに垂直で異なる偏光方向の光が測定部と参照部とをそれぞれ照射するため、たとえ測定部と参照部のパターンが同一であっても、有効屈折率が測定部を透過した測定光と参照部を透過した参照光とで異なるとともに、偏光の回転が測定光と参照光とで異なる。このため、測定光と参照光とを結合させたときに干渉が生じない成分が残り、光量差によって測定光と参照光の同一パターンのキャンセルが不完全になるとともに、欠陥の誤検出や見落としが生じてしまう、という問題がある。

この問題について、具体的に説明する。

ナノインプリントモールドのように、光の波長よりも小さい欠陥サイズ（数ｎｍ〜数十ｎｍ）を検出する場合、像として欠陥形状を分解することはできず、その面積差に起因する屈折率の差として像の明暗を検出することになる。この場合、欠陥が無い場合には、測定光と参照光との偏光状態が同一であれば両者がキャンセルし合い、画面全体が同一強度となる。

ところが、本発明者らが特許文献１の図１に記載されたような干渉法を用いた装置でナノサイズの欠陥の検出ができるか実験したところ、図７（Ａ）の左側に示したナノインプリントモールド１００Ａのパターンがない部分に対して同図（Ａ）の右側に示したように欠陥１００が形成されている場合や、図７（Ｂ）に示したような角柱形状のパターン１０４が形成されたナノインプリントモールド１００Ｂに対して同図（Ｂ）の右側に示したように欠陥１０２が形成されている場合については、欠陥を検出できるものの、図８に示すような実際の半導体の回路パターン１０６に基づいて作成されたナノインプリントモールドの欠陥については、欠陥の誤検出や見落としが生じるだけでなく、欠陥の無い同一パターンのナノインプリントモールドを測定しても同一パターンのキャンセルが不完全となる問題が生じた。

そこで、本発明者らは、検出光の偏光方向とパターンの方向との関係を精査した。その結果、図７（Ａ）、（Ｂ）に示したような等方性のパターン、すなわち対称性の高いパターンに対しては、入射光の偏光状態に拘わらず、干渉法を用いた装置で同一パターンをキャンセルできるが、図８に示したような異方性の強いパターン、すなわち非対称性の高いパターンに対しては、入射光の偏光によってはキャンセルできないことを見出した。

この原因を解明するために、本発明者らは、図９（Ａ）に示すような、簡単な異方性のパターン１０８が形成されたナノインプリントモールド１１０に偏光方向がＴＥ方向と、ＴＥ方向と直交するＴＭ方向と、の二つの偏光方向の光が入射した場合を想定し、当該二つの偏光方向の光の有効屈折率をシミュレーションした。なお、パターン１０８Ａは、空気（屈折率ｎ_１＝１）とし、パターン１０８Ｂは石英（屈折率ｎ_２＝１．５）とした。図９（Ｂ）にその結果を示す。なお、横軸は空気の割合、縦軸は有効屈折率である。同図（Ｂ）に示すように、異方性を持つパターン１０８に、偏光方向がＴＥ方向と、ＴＥ方向と直交するＴＭ方向の光を入射した場合、それぞれの光の有効屈折率ｎＴＥ、ｎＴＭが異なることが判った（構造性複屈折）。

図１０には、偏光の回転による二つの光束の結合時の光量変動の計算結果について示した。同図に示すように、測定部を透過した測定光１１２と参照部を透過した参照光１１４とが垂直な偏光方向を維持したままナノインプリントモールドを透過した場合、測定部と参照部が同一パターンであれば測定光１１２と参照光１１４とが互いにキャンセルされ、干渉光１１６の光量は零となる。

一方、測定光と参照光の偏光方向が垂直な状態が維持されず、例えば測定光１１２と偏光方向が回転した参照光１１８とがナノインプリントモールドを透過した場合、キャンセルされずに干渉光１２０の光量は零とはならず変動する。

実際の半導体回路やナノインプリントモールドのパターンは、図９（Ａ）のように単純に一方向のみに向いているわけではない。従って、ナノインプリントモールドに入射した光はパターンの方向に従って異なった屈折率で屈折および透過するため、ナノインプリントモールドから出射された光は、図１１に示すように、偏光軸が回転する。しかも、ナノインプリントモールドに入射する二つの光束の偏光方向が異なる場合、二つの光束は、各々異なった屈折率で屈折および透過してナノインプリントモールドから出射され、出射された二つの光束の偏光軸の回転量も異なったものになる。

この場合、特許文献１の図１に記載されたような装置に搭載された（複屈折性の）結晶素子で二つの光束を結合して干渉させても、二つの光束の屈折率及び偏光の回転に伴う二つの光束の光量差により、同一パターンをキャンセルすることができないことが判った。

なお、光の波長より大きな測定物・パターンに関しては、光にとってパターンは回折格子であり、波長及びパターン間隔に応じた方角に回折する。

このナノインプリントモールドと偏光方向に起因する問題は、特許文献１の図１に記載されたような複屈折性の結晶素子を用いた偏光分離方式だけでなく、例えばＭＺ（マッハツェンダー）方式のような全ての干渉方式に対しても問題になりうる。これは以下の理由による。すなわち、ナノサイズの欠陥を検出する場合、輝度を高めるとともにビーム径を小さくする必要があり、これらを両立させることは従来の面発光型のランプでは実現が困難であり、レーザのような点光源を用いなければならない。そして、半導体レーザや半導体露光に用いられるＡｒＦエキシマレーザが直線偏光であるように、一般にレーザ光は何らかの偏光を持っている場合が多い。また、図１２（Ａ）に示すような欠陥１２２、１２４のように、形状が等方性であることは稀であり、図１２に示す欠陥１２６、１２８のように、何らかの異方性を持つのが普通だからである。

従って、干渉方式を用い、ナノインプリントモールドに直線偏光を入射させた場合、二つの光束間での光強度の差は無くても、同一サイズの欠陥に対する屈折率（感度）が異なり、その結果、欠陥を見落とす可能性が出てくる。

また、特許文献２の図１０〜図１２、明細書の段落「００２６」〜「００２９」には、回路パターンに応じた「光学像」およびその振幅（光の強度）パターン、即ち光の波長で形状を分解できる周期パターンの実像のパターンが記されている。

さらに、特許文献２記載の技術では、ウェハ上の２つの物点（周期パターン）からの光学像および周期パターンを干渉させることにより欠陥を検出するが、その際の周期パターンの影響を消すために両者間の位相差をπとしている。このような測定では、光学像を得られない光波長以下の欠陥からの信号を抽出するのは難しい。さらにレーリー散乱の式から判るように、物体からの散乱光量は、（欠陥）サイズの６乗に比例して著しく低下する。例えば、光学像が得られる最小のサイズは、数百ｎｍ程度であるが、ナノインプリントモールドにおいて必要とされる欠陥のサイズは１０ｎｍと、１．５桁小さい。これは、物体からの散乱光量が１０桁近く減衰することを意味している。これにより、光の波長以下の欠陥部分からの信号（散乱光になる）は、バックグラウンドノイズや散乱光のレベルに埋もれてしまい、欠陥を検出することが困難である。

なお、特許文献２では、図２に示されているように、収束光路中に、シフト量及びシフト方向を調整するシフト調整手段（横ズラシ部材）４６、５６があるので、球面収差が発生し、信号光量の低下やノイズ（バックグラウンド）が上昇するなど干渉信号が劣化する。これによってもｎｍサイズの欠陥に対するＳ／Ｎが著しく低下し、欠陥検出をさらに困難にするという問題もある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、検査対象物に形成された異方性のパターンの欠陥を精度良く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する。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、予め定めたパターンが形成された透光性を有する検査対象物に、照明光を照射する光源と、前記照明光を偏光方向が直交する二つの光に分離する偏光分離素子と、分離された前記二つの光の偏光状態が同一となるように前記二つの光の少なくとも一方の偏光方向を変更すると共に、前記検査対象物を透過した二つの光の偏光方向が直交するように前記二つの光の少なくとも一方の偏光方向を変更する、又は、前記検査対象物に入射される前記二つの光の偏光方向と前記検査対象物に形成された前記パターンが形成された方向とが成す角度が略同一となるように、前記検査対象物の傾き角度を変更する変更手段と、前記二つの光を結合する偏光結合素子と、前記偏光結合素子により結合された光の光学像を撮像する撮像手段と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、分離された前記二つの光の偏光方向が同一となるように前記二つの光の少なくとも一方の偏光方向を変更すると共に、前記検査対象物を透過した二つの光の偏光方向が直交するように前記二つの光の少なくとも一方の偏光方向を変更する、又は、前記検査対象物に入射される前記二つの光の偏光方向と前記検査対象物に形成された前記パターンが形成された方向とが成す角度が略同一となるように、前記検査対象物の傾き角度を変更する変更手段を備えたので、検査対象物に形成された異方性のパターンによる偏光依存性による影響を抑制することができ、欠陥を精度良く検出することが可能になる。

なお、請求項２に記載したように、前記変更手段は、前記偏光分離素子と前記検査対象物との間で且つ前記二つの光のうち一方の光の光路上に設けられた第１のλ／２板と、前記検査対象物と前記偏光結合素子との間で且つ前記一方の光の光路上に設けられた第２のλ／２板と、を含む構成としてもよい。

また、請求項３に記載したように、前記変更手段は、前記偏光分離素子と前記検査対象物との間で且つ前記二つの光の光路上に設けられた第１のλ／４板と、前記検査対象物と前記偏光結合素子との間で且つ前記二つの光の光路上に設けられた第２のλ／４板を含む構成としてもよい。

請求項４に記載したように、前記検査対象物が、ナノインプリントモールドである構成としてもよい。

本発明によれば、検査対象物に形成された異方性のパターンの欠陥を精度良く検出することが可能になる、という効果を有する。

第１実施形態に係る欠陥検査装置の構成図である。光束Ｌ１、Ｌ２の偏光方向について説明するための図である。第２実施形態に係る欠陥検査装置の構成図である。光束Ｌ１、Ｌ２の偏光方向について説明するための図である。第３実施形態に係る欠陥検査装置の構成図である。ナノインプリントモールドの傾き角度について説明するための図である。等方性の欠陥について説明するための図である。異方性の欠陥について説明するための図である。異方性のパターンについて生じる構造性複屈折について説明するための図である。偏光軸が回転した場合の干渉光の変動について説明するための図である。偏光軸の回転について説明するための図である。等方性の欠陥及び異方性の欠陥について説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）

図１には、本実施形態に係る欠陥検査装置１０を示した。欠陥検査装置１０は、ナノサイズの予め定めたパターンが形成されたナノインプリントモールド１２の欠陥を検査するための装置である。

ナノインプリントモールド１２は、例えば石英等の透光性を有する材料を用いて所謂ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）によって作製され、一方の面１２Ａにパターン幅やパターンピッチが数ｎｍ〜数十ｎｍの予め定めたパターンが形成される。

図１に示すように、欠陥検査装置１０は、視野分割する干渉顕微鏡であり、光源１４、偏光分離素子１６、レンズ１８、λ／２板２０Ａ、２０Ｂ、レンズ２２、偏光結合素子２４、及び撮像素子２６を含んで構成されている。

光源１４から出射された照明光Ｌは、偏光分離素子１６に入射される。偏光分離素子１６は、光源１４から入射された光を図２（Ａ）に示すように偏光方向が直交する二つの光束Ｌ１、Ｌ２に分離する。

偏光分離素子１６を透過した光束Ｌ１、Ｌ２は、レンズ１８によって平行光とされ、光束Ｌ１はλ／２板２０Ａに、光束Ｌ２はナノインプリントモールド１２に入射する。

λ／２板２０Ａは、レンズ１８を透過した光束Ｌ１の偏光軸を９０°回転させ、図２（Ｂ）に示すように、レンズ１８を透過した光束Ｌ２と同一の偏光方向に偏光する。

λ／２板２０Ｂは、ナノインプリントモールド１２を透過した光束Ｌ１の偏光軸を９０°回転させ、ナノインプリントモールド１２を透過した光束Ｌ２の偏光方向と直交する方向に偏光する。

λ／２板２０Ｂを透過した光束Ｌ１とナノインプリントモールド１２を透過した光束Ｌ２とは、レンズ２２によって集光され、偏光結合素子２４に入射する。偏光結合素子２４は、光束Ｌ１、光束Ｌ２を結合する。偏光結合素子２４によって結合された光による像は、撮像素子２６によって撮像される。

このように、ナノインプリントモールド１２上の異なる２つの領域を透過した光を合波した光の像を撮像できる。異なる２つの領域に同一パターンが形成されているのであれば、これらの像は干渉して打ち消し合うが、何れか一方に図７に示すような欠陥１０２がある場合、この欠陥１０２を強調した干渉画像を得ることができ、欠陥を検出することができる。

また、欠陥検査装置１０では、レンズ１８を透過した光束Ｌ１のみがλ／２板２０Ａを透過してナノインプリントモールド１２に入射し、ナノインプリントモールド１２を透過した光束Ｌ１のみλ／２板２０Ｂを透過するように構成されている。このため、ナノインプリントモールド１２に入射する光束Ｌ１及び光束Ｌ２の偏光方向が図２（Ｂ）に示すように同一となるため、同一パターンが精度良くキャンセルされた干渉画像を得ることができる。これにより、異方性のパターンの欠陥であっても精度良く検出することができる。

（第２実施形態）

次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、欠陥検査装置１０と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図３には、本実施形態に係る欠陥検査装置１０Ａの構成を示した。同図に示すように、欠陥検査装置１０Ａが図１に示した欠陥検査装置１０と異なるのは、λ／２板２０Ａ、２０Ｂに代えて、λ／４板２１Ａ、２１Ｂを備えている点である。その他の構成は欠陥検査装置１０と同一であるので、その詳細な説明は省略する。

光源１４から出射された照明光Ｌは、偏光分離素子１６に入射される。偏光分離素子１６は、光源１４から入射された光を図４（Ａ）に示すように偏光方向が直交する二つの光束Ｌ１、Ｌ２に分離する。

偏光分離素子１６を透過した光束Ｌ１、Ｌ２は、レンズ１８によって平行光とされ、λ／４板２１Ａに入射する。

偏光方向が直交する直線偏光の光束Ｌ１、Ｌ２がλ／４板２１Ａに入射すると、光束Ｌ１、Ｌ２は、図４（Ｂ）に示すように、ともに円偏光の光束Ｌ１、Ｌ２となって出射される。

円偏光とされた光束Ｌ１、Ｌ２は、ナノインプリントモールド１２を透過してλ／４板２１Ｂに入射し、偏光方向が直交する直線偏光の光束Ｌ１、Ｌ２となって出射される。

このように、本実施形態に係る欠陥検査装置１０Ａでは、レンズ１８とナノインプリントモールド１２との間に、偏光方向が直交する光束Ｌ１、Ｌ２をともに円偏光に変換するλ／４板２１Ａを設けると共に、ナノインプリントモールド１２とレンズ２４との間に、円偏光の光束Ｌ１、Ｌ２を偏光方向が直交する直線偏光の光束Ｌ１、Ｌ２に変換するλ／４板２１Ｂを設けた構成とした。

これにより、ナノインプリントモールド１２に入射する光束Ｌ１及び光束Ｌ２が図４（Ｂ）に示すようにともに円偏光となるため、同一パターンが精度良くキャンセルされた干渉画像を得ることができる。これにより、異方性のパターンの欠陥であっても精度良く検出することができる。

（第３実施形態）

図５には、本実施形態に係る欠陥検査装置１０Ｂの構成を示した。同図に示すように、欠陥検査装置１０Ｂが図１に示した欠陥検査装置１０と異なるのは、λ／２板２０Ａ、２０Ｂが省略されており、かつ、ナノインプリントモールド１２が、所定角度（図６（Ｂ）では一例として４５°）傾けて配置されるようにナノインプリントモールド１２の傾き角度を変更できるように構成されている点である。その他の構成は欠陥検査装置１０と同一であるので、その詳細な説明は省略する。

図６（Ｂ）に示すように、ナノインプリントモールド１２は、そのパターン３０が伸びる方向Ｐと光束Ｌ１、Ｌ２の偏光方向とが成す角度がともに４５°となるように傾けて配置されている。これにより、光束Ｌ１、Ｌ２が、偏光方向が直交する直線偏光であっても、パターン３０の伸びる方向による屈折率の変化への影響が抑制され、同一パターンが精度良くキャンセルされた干渉画像を得ることができる。これにより、異方性のパターンの欠陥であっても精度良く検出することができる。

なお、ナノインプリントモールド１２に形成されるパターンは、当然図６に示すような単純なパターンだけではないが、半導体装置を製造するためのマスクやモールドは、ＸＹステージを有する電子線描画装置によってパターンを描画する場合が多いので、パターンはＸ方向又はＹ方向に伸びるパターンである場合が多い。従って、ナノインプリントモールド１２をＸ方向又はＹ方向に伸びるパターンと交差するように、例えば４５°となるように傾けることにより、パターン３０の方向と光束Ｌ１の偏光方向とが成す角度と、パターン３０の方向と光束Ｌ２の偏光方向とが成す角度と、をほぼ同一角度にすることができ、異方性のパターンであっても欠陥を精度良く検出することが可能となる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ欠陥検査装置
１２ナノインプリントモールド
１４光源
１６偏光分離素子
１８レンズ
２０Ａ、２０Ｂ λ／２板
２１Ａ、２１Ｂ λ／４板
２２レンズ
２４偏光結合素子
２６撮像素子

Claims

予め定めたパターンが形成された透光性を有する検査対象物に、照明光を照射する光源と、
前記照明光を偏光方向が直交する二つの光に分離する偏光分離素子と、
分離された前記二つの光の偏光方向が同一となるように前記二つの光の少なくとも一方の偏光方向を変更すると共に、前記検査対象物を透過した二つの光の偏光状態が直交するように前記二つの光の少なくとも一方の偏光方向を変更する、又は、前記検査対象物に入射される前記二つの光の偏光方向と前記検査対象物に形成された前記パターンが形成された方向とが成す角度が略同一となるように、前記検査対象物の傾き角度を変更する変更手段と、
前記二つの光を結合する偏光結合素子と、
前記偏光結合素子により結合された光の光学像を撮像する撮像手段と、
を備えた欠陥検査装置。
前記変更手段は、前記偏光分離素子と前記検査対象物との間で且つ前記二つの光のうち一方の光の光路上に設けられた第１のλ／２板と、前記検査対象物と前記偏光結合素子との間で且つ前記一方の光の光路上に設けられた第２のλ／２板と、を含む
請求項１記載の欠陥検査装置。
前記変更手段は、前記偏光分離素子と前記検査対象物との間で且つ前記二つの光の光路上に設けられた第１のλ／４板と、前記検査対象物と前記偏光結合素子との間で且つ前記二つの光の光路上に設けられた第２のλ／４板を含む
を備えた請求項１記載の欠陥検査装置。
前記検査対象物が、ナノインプリントモールドである
を備えた請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の欠陥検査装置。