JP2016057210A - 試料高さ検出装置およびパターン検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】試料面で生じる１次回折光の回折角が広くなっても検出精度の低下が起こり難いスリット投影型の試料高さ検出装置を提供する。【解決手段】スリット開口部ＯＰ１を通過した照明光、つまりスリット開口部ＯＰ１の像を対物レンズ１７で試料Ｓに縮小投影するにあたり、スリット開口部ＯＰ１の平面形状を１つの長方形によって規定される形状、または複数の長方形を平面上で重ね合わせることによって規定される形状にし、かつ、照明光学系１０によるスリット開口部ＯＰ１の像の縮小倍率をＭ［倍］、対物レンズ１７の開口数をＮＡ、照明光学系１０に入射する照明光の波長をλ［ｎｍ］としたときに、上記長方形の短辺の長さをＭλ／（２ＮＡ）以下にする。【選択図】図１

Description

本発明は、試料にスリット開口部の像を縮小投影して、試料の高さ方向におけるスリット開口部の像の結像位置と試料面との相対的な位置関係を検出する試料高さ検出装置、および当該試料高さ検出装置を具備したパターン検査システムに関する。

半導体素子等では、回路パターンの線幅が１００ｎｍオーダにまで微細化されるに至っている。回路パターンの微細化に伴い、当該回路パターンをリソグラフィー法等によってウェハ等の基板に形成する際に使用する原画パターン（マスクまたはレクチルを指す。以下、マスクと総称する。）も微細化している。微細な回路パターンを基板上に歩留まりよく形成するうえからは、高精細なマスクを使用することが望まれる。

このため、マスク等の試料に形成されている微細パターンを高精度で検査することが可能なパターン検査システムの開発が進められている。また、当該パターン検査システムによる検査に先だって試料にスリット開口部の像を縮小投影して、当該試料の高さ方向におけるスリット開口部の像の結像位置と試料面との相対的な位置関係を高精度で検出することが可能な、スリット投影型の試料高さ検出装置の開発も進められている。

微細な回路パターンを基板に形成する際に使用するマスク等では、線状の開口部と線状の非開口部とが交互に繰り返し配置された領域が比較的広範囲に亘って形成されている。この領域（以下、周期パターン領域という。）に光を照射したとき、当該周期パターン領域からの反射光には０次回折光の他に＋１次回折光と−１次回折光（以下、１次回折光と総称する。）とが含まれる。このときの１次回折光の回折角は、照射する光の波長と周期パターン領域での開口部および非開口部のピッチで決まり、波長を短くすると回折角は狭くなり、周期パターン領域での開口部および非開口部がそれぞれ細線化すればするほど回折角は広がる。そして、１次回折光の回折角が広がれば広がるほど、試料に縮小投影されたスリット開口部の像を検出するための反射光束に光量分布の不均一性が生じるとともに、光量も低下し、試料高さ検出装置の検出精度が低下し易い。

回折光の影響による検出誤差を低減したスリット投影型の試料高さ検出装置としては、例えば特許文献１に記載された高さ検出装置が知られている。この高さ検出装置では、長方形の開口部が形成された照明スリットを介して試料面（対象物面）に照明光を照射し、当該試料面からの反射光を結像する光学系での結像点の前後に配置された特定形状の２つの検出スリット、すなわち長方形の短手方向が照明スリット像の短手方向より短く、長手方向が照明スリット像の長手方向より長い２つの検出スリットそれぞれの通過光量を個別に検出して、試料の高さ方向におけるスリット開口部の像の結像位置と試料面との相対的な位置関係を演算する。

特開２００８−２３３３４２号公報

回路パターンの微細化は今後も進展するものと予想される。また、回路パターンの微細化の進展に伴って、回路パターンをリソグラフィー法等によって形成する際に使用されるマスクにおいても、周期パターン領域での開口部および非開口部それぞれの細線化が進展するものと予想される。

周期パターン領域の開口部および非開口部それぞれの細線化が更に進展した場合、当該周期パターン領域にスリット開口部の像を縮小投影したときに生じる１次回折光の回折角が更に広くなることから、試料面からの反射光を結像する光学系での結像点の前後に配置されるスリットの形状を特許文献１に記載された高さ検出装置におけるような特定形状に選定しても、各検出スリットを通過する光束での光量分布の均一性が低下し、各検出スリットを通過する光量自体が低下する。これらの結果として、所望の検出精度を確保することが困難になる。

本発明の目的は、試料面で生じる１次回折光の回折角が広くなっても、試料の高さ方向におけるスリット開口部の像の結像位置と試料面との相対的な位置関係の検出精度の低下が起こり難いスリット投影型の試料高さ検出装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、試料面で生じる１次回折光の回折角が広くなっても、試料の高さ方向におけるスリット開口部の像の結像位置と試料面との相対的な位置関係の検査精度の低下が起こり難いパターン検査システムを提供することにある。

本発明の第１の態様の試料高さ検出装置は、スリット開口部の像を対物レンズで試料に縮小投影する照明光学系と、前記試料に前記スリット開口部の像を縮小投影したときに該試料で生じる反射光を結像レンズで集束させる結像光学系と、前記結像レンズで集束された光束を２つに分割し、該２つの光束のうちの一方の光束は該光束の結像点よりも前記結像レンズに近い側に配置した前側検出スリットの開口部を通過させ、前記２つの光束のうちの他方の光束は該光束の結像点よりも前記結像レンズから離れる側に配置した後側検出スリットの開口部を通過させる検出光学系と、前記前側検出スリットの開口部を通過した光束の光量を測定する前側光量センサと、前記後側検査スリットの開口部を通過した光束の光量を測定する後側光量センサとを備え、
前記スリット開口部は、１つの長方形によって、または複数の長方形を平面上で重ね合わせることによって平面形状が規定される開口部を少なくとも１つ含み、前記長方形の短辺の長さは、前記照明光学系による前記スリット開口部の像の縮小倍率をＭ［倍］、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記照明光学系に入射する照明光の波長をλ［ｎｍ］としたときに、Ｍλ／（２ＮＡ）以下であることを特徴とする。

上記第１の態様の試料高さ検出装置では、前記前側検出スリットおよび前記後側検出スリットの各々における開口部は、前記スリット開口部と平面視上合同であることが好ましい。

上記第１の態様の試料高さ検出装置では、前記試料に前記スリット開口部の像を縮小投影したときの前記前側光量センサの測定値と前記後側光量センサの測定値とに基づいて、前記試料の高さ方向における前記スリット開口部の像の結像位置と前記試料の試料面との相対的な位置関係を演算する演算回路を更に備えることができる。

上記第１の態様の試料高さ検出装置では、前記照明光学系に前記照明光として遠紫外線を入射させる人工光源を更に備えることができる。

本発明の第２の態様のパターン検査システムは、
微細パターンが形成された試料に照明光を照射して該試料の光学画像データを得、該光学画像データと検査基準データとに基づいて前記微細パターンの良否を検査するパターン検査システムであって、
上記第１の態様の試料高さ検出装置と、
前記試料が配置される精密ステージと、
前記照明光学系に前記照明光を入射させる人工光源と、
前記前側光量センサの測定値と前記後側光量センサの測定値とに基づいて、前記試料の高さ方向における前記スリット開口部の像の結像位置と前記精密ステージに配置された前記試料の試料面との相対的な位置関係を演算する演算回路と、
前記演算回路の演算結果に基づいて前記精密ステージを駆動させるステージ制御装置とを備えることを特徴とする。

本発明の試料高さ検出装置では、照明光学系の対物レンズの結像点に試料面が位置しているときには、当該試料面に縮小投影されるスリット開口部の像の幅、すなわちスリット開口部の平面形状を規定する長方形での短辺に対応する箇所の幅が、照明光学系の回折限界（λ／２ＮＡ）以下となる。このため、照明光学系の回折限界以下の線幅の開口部と非開口部とが試料の試料面側に周期的に形成されていたとしても、試料面が対物レンズの結像点に位置しているときには、試料面での１次回折光の発生自体が低く抑えられる。

このため、試料面で生じる１次回折光の回折角が広くなっても、試料面がスリット開口部の像の結像位置にあるのか、結像位置よりも手前にあるのか、あるいは結像位置よりも遠方にあるのかを、前側光量センサの測定値と後側光量センサの測定値とに基づいて判定することが容易になり、試料の相対的な高さの検出精度、すなわち試料の高さ方向におけるスリット開口部の像の結像位置と試料面との相対的な位置関係の検出精度の低下が抑えられる。本発明の試料高さ検出装置では、試料面で生じる１次回折光の回折角が広くなっても検出精度の低下が起こり難い。

本発明のパターン検査システムは、本発明の試料高さ検出装置を備えているので、試料に形成されている微細パターンの検査に先だって当該試料を照明光学系の対物レンズの結像点に位置させるときに、試料面で生じる１次回折光の回折角が広くなっても試料の相対的な高さの検出精度、すなわち試料の高さ方向におけるスリット開口部の像の結像位置と試料面との相対的な位置関係の検出精度の低下を抑えることができる。結果として、試料面で生じる１次回折光の回折角が広くなっても、試料高さ検出装置からの照明光の結像点が試料面にある状態で試料を撮像することが容易になる。本発明のパターン検査システムでは、試料面で生じる１次回折光の回折角が広くなっても検査精度の低下が起こり難い。

実施の形態１の試料高さ検出装置を示す模式図である。 図１に示した試料高さ検出装置の照明光学系を構成するスリット開口部の平面形状を示す平面図である。 スリット開口部の像の縮小投影時に試料面で発生する反射光の点像強度分布関数の一例を示すグラフである。 実施の形態２の試料高さ検出装置を示す模式図である。 実施の形態３の試料高さ検出装置を示す模式図である。 実施の形態４のパターン検査システムを概略的に示す構成図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、試料高さ検出装置の照明光学系を構成するスリット開口部の平面形状の一例を示す平面図である。

実施の形態１．
図１は、試料の相対的な高さを検出する試料高さ検出装置の一例を示す模式図である。この試料高さ検出装置１は、照明光学系１０と、結像光学系２０と、検出光学系２５と、前側光量センサ３０と、後側光量センサ４０とを備える。試料高さ検出装置１の機能を分かり易く説明するために、図１には試料Ｓ、人工光源５０、および演算回路６０を併記している。試料Ｓは試料高さ検出装置１の構成要素ではなく、人工光源５０および演算回路６０は試料高さ検出装置１の任意構成要素である。以下、試料高さ検出装置１の各構成要素について説明する。

照明光学系１０は、人工光源５０から出射して当該照明光学系１０に入射した直線偏光の照明光を第１レンズ１１と第２レンズ１２とで平行光束に変換し、この平行光束によって照明スリット１３のスリット開口部ＯＰ１を照明する。そして、スリット開口部ＯＰ１を通過した照明光によって形成されるスリット開口部ＯＰ１の像を、第３レンズ１４、偏光ビームスプリッタ１５、およびλ／４板１６を経て対物レンズ１７に入射させ、当該対物レンズ１７で集束させて、試料Ｓの試料面ＰＳに縮小投影する。

この照明光学系１０では、偏光ビームスプリッタ１５とλ／４板１６とによって照明光を円偏光に変換する。円偏光を対物レンズ１７で集束させて試料Ｓに照射すると、試料面ＰＳで生じた反射光の多くが対物レンズ１７に入射する。図１においては、照明光学系１０の光軸ＯＡ１を一点鎖線で表している。

一方、結像光学系２０は、試料面ＰＳで生じた反射光のうちで対物レンズ１７に入射した反射光を当該対物レンズ１７で略平行な光束に変換してからλ／４板１６に入射させ、λ／４板１６を透過した反射光のうちで偏光ビームスプリッタ１５を透過した反射光を結像レンズ２１で集束させる。なお、対物レンズ１７、λ／４板１６、および偏光ビームスプリッタ１５は、照明光学系１０を構成する光学素子であると同時に結像光学系２０を構成する光学素子でもある。図１においては、結像光学系の光軸ＯＡ２を二点鎖線で表している。

検出光学系２５は、結像レンズ２１で集束させた反射光をハーフミラー２６で２つの光束に分割し、一方の光束はその結像点よりも結像レンズ２１に近い側（ハーフミラー２６側）に配置した前側検出スリット２７の開口部ＯＰ２を通過させ、他方の光束は当該光束の結像点よりも結像レンズ２１から離れる側（ハーフミラー２６から離れる側）に配置した後側検出スリット２８の開口部ＯＰ３を通過させる。前側検出スリット２７の開口部ＯＰ２および後側検出スリット２８の開口部ＯＰ３の各々は、平面視上、照明スリット１３のスリット開口部ＯＰ１と合同である。図１においては、検出光学系２５における２つの光軸ＯＡ３ａ，ＯＡ３ｂの各々を破線で表している。

前側光量センサ３０は、前側検出スリット２７の開口部ＯＰ２を通過した光束の光量を測定する。後側光量センサ４０は、後側検出スリット２８の開口部ＯＰ３を通過した光束の光量を測定する。これら前側光量センサ３０および後側光量センサ４０の各々としては、例えばＰＤ（フォトディテクター）、ＰＭ（パワーメータ―）、ＰＭＴ（光電子増倍管）等が用いられる。ＣＣＤ型またはＣＭＯＳ型の固体撮像素子を光量センサとして用いることも可能である。

試料高さ検出装置１の任意構成要素である人工光源５０および演算回路６０は、当該試料高さ検出装置１の構成要素とすることもできるし、当該試料高さ検出装置１の後付け部品とすることもできるし、当該試料高さ検出装置１を含んだシステム、例えばパターン検査システムの構成要素とすることもできる。

人工光源５０としては、例えば半導体レーザ発振器やレーザ発振装置を用いることができる。試料Ｓに周期パターン領域が形成されており、かつ当該周期パターン領域での開口部および非開口部それぞれの幅が１００ｎｍオーダであるときには、遠紫外線を出射する光源を人工光源５０として用いることができる。

演算回路６０は、前側光量センサ３０の測定値と後側光量センサ４０の測定値とに基づいて、試料Ｓの高さ方向におけるスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置と試料面ＰＳとの
相対的な位置関係を演算する。具体的には、試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置にあるのか、結像位置よりも手前（対物レンズ１７側）にあるのか、あるいは結像位置よりも遠方（対物レンズ１７から離れる側）にあるのかを演算する。前側光量センサ３０の測定値がＡで、後側光量センサ４０の測定値がＢであるとき、試料Ｓの高さ方向におけるスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置と試料面ＰＳとの相対的なズレ量Ｚは、下式（１）の演算により求めることができる。

試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置にあるときには、上記のズレ量Ｚが０（ゼロ）または実質的に０（ゼロ）になる。試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置よりも手前（対物レンズ１７側）にある所謂「後ピン」のときには、上記のズレ量Ｚが正の値になる。そして、試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置よりも遠方（対物レンズ１７から離れる側）にある所謂「前ピン」のときには、上記のズレ量Ｚが負の値になる。

上述の各構成要素によって構成することができる試料高さ検出装置１では、照明スリット１３のスリット開口部ＯＰ１の平面形状および大きさが特定の形状および大きさに選定されている。以下、図２を参照して、照明スリット１３でのスリット開口部ＯＰ１の平面形状および大きさについて説明する。

図２は、照明スリット１３でのスリット開口部ＯＰ１の平面形状を示す平面図である。同図に示すように、照明スリット１３のスリット開口部ＯＰ１の平面形状は、互いに合同な２つの長方形を平面上で互いに９０°ずらせて重ね合わせることにより規定される十文字形であり、各長方形の短辺の長さＬ１は、照明光学系１０によるスリット開口部ＯＰ１の像の縮小倍率をＭ［倍］、対物レンズ１７の開口数をＮＡ、照明光学系１０に入射する照明光の波長をλ［ｎｍ］としたときに、Ｍλ／（２ＮＡ）以下に選定されている。各長方形の長辺の長さＬ２はＭλ／（２ＮＡ）より大きく、当該Ｌ２の値については適宜選定可能である。

なお、本明細書でいう縮小倍率の値「Ｍ」は１よりも大きな数値であり、Ｍ［倍］の縮小倍率でスリット開口部の像を試料に縮小投影するとは、スリット開口部の像の大きさがスリット開口部の大きさの１／Ｍになるように試料に投影することを意味する。

スリット開口部ＯＰ１の平面形状および大きさを上述のように選定すると、照明光学系１０によって試料面ＰＳに縮小投影されるスリット開口部ＯＰ１の像では、スリット開口部ＯＰ１の平面形状を規定している長方形の短辺に対応する箇所の幅が、照明光学系１０の回折限界（λ／２ＮＡ）以下となる。このため、照明光学系１０の回折限界以下の線幅の開口部と非開口部とが交互に繰り返し配置された周期パターン領域が試料Ｓの試料面ＰＳ側に形成されていたとしても、当該試料面ＰＳが対物レンズ１７の結像点に位置しているときには、スリット開口部ＯＰ１の像の縮小投影時における試料面ＰＳでの１次回折光の発生自体を低く抑えることが容易になる。試料面ＰＳに縮小投影されるスリット開口部ＯＰ１の像の幅と、スリット開口部ＯＰ１の像の縮小投影時における試料面ＰＳでの１次回折光の発生との関係について、図３を用いて更に説明する。

図３は、スリット開口部の像の縮小投影時に試料面で発生する反射光の点像強度分布関数の一例を示すグラフである。このグラフは、幅１４０ｎｍの開口部と幅１４０ｎｍの非開口部とが互いに平行に、かつ交互に形成されている試料に、当該試料での１つの開口部にのみ長方形状のスリット開口部の像が対物レンズを介して縮小投影されたときの点像強度分布関数のシミュレーション結果の一例を示している。

図３から明らかなように、実質的に１つの開口部にのみスリット開口部の像が縮小投影された場合には、当該開口部の底面からの１次回折光の発生が抑えられるので、この開口部上では点像強度が比較的高い。１次回折光は，当該開口部の左側に隣接する非開口部および右側に隣接する非開口部の計２つの非開口部からしか実質的に生じず、スリット開口部の像が縮小投影された開口部からの変位量が大きくなるに従って点像強度が低減する。実質的に１つの非開口部にのみスリット開口部の像が縮小投影された場合も同様である。

照明スリット１３のスリット開口部ＯＰ１の平面形状および大きさを上述のように選定している試料高さ検出装置１では、スリット開口部ＯＰ１の平面形状を規定している２つの長方形のうちの一方の長方形を通過した照明光を、試料Ｓの周期パターン領域中の１つの開口部、１つの開口部とその周辺の極狭い領域、１つの非開口部、または１つの非開口部とその周辺の極狭い領域に照射して、１次回折光の発生自体を低く抑えることが可能になる。スリット開口部ＯＰ１の平面形状を規定している２つの長方形のうちの他方の長方形を通過した照明光は、１つの開口部と当該開口部に隣接する１つの非開口部とを少なくとも照射することになるので、当該照明光が照射された領域で１次回折光の発生自体を低く抑えることは困難であるが、当該照明光の照射によって回折角が比較的狭い（小さい）１次回折光も生じて対物レンズ１７に入射するので、前側光量センサ３０および後側光量センサ４０それぞれへの入射光量の確保に寄与する。

これらの理由から、前側光量センサ３０および後側光量センサ４０の各々では、十文字形のスリット開口部の平面形状を規定している長方形の短辺の長さがＭλ／（２ＮＡ）よりも大きいスリット開口部を用いた場合に比べて、入射光束での光量分布の不均一化および入射光束の光量低下がそれぞれ抑えられる。結果として、試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置にあるのか、結像位置よりも手前にあるのか、あるいは結像位置よりも遠方にあるのかを、前側光量センサ３０の測定値と後側光量センサ４０の測定値とに基づいた演算回路６０の演算結果から判定することが容易になって、試料Ｓの高さ方向におけるスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置と試料面ＰＳとの相対的な位置関係の検出精度を高めることができる。試料高さ検出装置１では、試料面ＰＳで生じる１次回折光の回折角が広くなっても検出精度の低下が起こり難い。

実施の形態２．
図４は、本実施の形態の試料高さ検出装置を示す模式図である。この試料高さ検出装置１Ａは、図１に示した照明光学系１０に代えて照明光学系１０Ａを備えるという点を除き、図１に示した試料高さ検出装置１と同じ構成を有している。そして、照明光学系１０Ａは、第２レンズ１２と照明スリット１３との間に集光素子ＣＥが配置されているという点を除き、図１に示した照明光学系１０と同じ構成を有している。図４に示した構成要素のうちで図１に示した構成要素と共通するものについては、図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。

照明光学系１０Ａを構成する集光素子ＣＥは、第２レンズ１２を透過して平行光束となった照明光を集光して、照明スリット１３のスリット開口部ＯＰ１およびその近傍に集める。この集光素子ＣＥを設けることにより、試料面ＰＳに縮小投影されるスリット開口部ＯＰ１の像をより明るくすることが可能になる。

実施の形態３．
図５は、本実施の形態の試料高さ検出装置を示す模式図である。この試料高さ検出装置１Ｂは、図１に示した照明光学系１０に代えて照明光学系１０Ｂを備えるとともに、検出光学系２５に代えて検出光学系２５Ａを備えるという点を除き、図１に示した試料高さ検出装置１と同じ構成を有している。

照明光学系１０Ｂは、第１レンズ１１の手前にダイクロイックミラー１８を有する。このダイクロイックミラー１８は、スリット開口部ＯＰ１の像を試料面ＰＳに縮小投影するための光源である人工光源５０から照明光学系１０Ｂに入射した照明光は反射させ、試料面ＰＳの光学画像を撮影する際に試料面ＰＳを照明するための光源である人工光源５５から照明光学系１０Ｂに入射した撮像照明光は透過させる。

人工光源５０と人工光源５５とは、互いに異なる波長の光を出射する。人工光源５０から照明光学系１０Ｂに入射した照明光の光路Ｐ１は照明光学系１０Ｂの光軸から外れており、人工光源５５から照明光学系１０Ｂに入射した撮像照明光の光路Ｐ２は照明光学系１０Ｂの光軸と重なっている。図５においては、光路Ｐ１を一点鎖線で表しており、光路Ｐ２を二点鎖線で表している。なお、人工光源５５は、人工光源５０と同様に、試料高さ検出装置１Ｂの任意構成要素である。

また、照明光学系１０Ｂは、図１に示した照明スリット１３に代えて照明スリット１３ａを有する。この照明スリット１３ａは、図１に示したスリット開口部ＯＰ１に加えて、スリット開口部ＯＰ１よりも大形で平面形状が四角形の撮像照明光用開口部ＯＰＬを有する。スリット開口部ＯＰ１は照明光学系１０Ｂの光軸から外れて配置されおり、撮像照明光用開口部ＯＰＬは照明光学系１０Ｂの光軸が当該撮像照明光用開口部ＯＰＬの中心を通ることになる位置に配置されている。スリット開口部ＯＰ１と撮像照明光用開口部ＯＰＬとの間隔の値を適宜選定することにより、撮像照明光用開口部ＯＰＬの像が試料Ｓに縮小投影像されたときに生じる１次回折光に起因して試料高さ検出装置１Ｂの検出精度、すなわち試料Ｓの高さ方向におけるスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置と試料面ＰＳとの相対的な位置関係の検出精度が低下してしまうのを抑制することが可能である。

一方、検出光学系２５Ａは、ハーフミラー２６よりも結像レンズ２１側にダイクロイックミラー２９を有する。このダイクロイックミラー２９は、人工光源５０から出射して検出光学系２５Ａに達した光は透過させ、人工光源５５から出射して検出光学系２５Ａに達した光は反射させる。検出光学系２５Ａの外側には、ダイクロイックミラー２９で反射した反射光を受光する撮像装置７０が配置される。この撮像装置７０は、例えばフォトディテクタアレイを用いて構成することができる。なお、撮像装置７０は試料高さ検出装置１Ｂの任意構成要素である。

上述した各構成要素を有する試料高さ検出装置１Ｂは、図１に示した試料高さ検出装置１における理由と同じ理由から、試料Ｓの高さ方向におけるスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置と試料面ＰＳとの相対的な位置関係の検出精度を高めることができる。試料高さ検出装置１Ｂでは、試料面ＰＳで生じる１次回折光の回折角が広くなっても検出精度の低下が起こり難い。

実施の形態４．
図６は、本実施の形態のパターン検査システムを概略的に示す構成図である。このパターン検査システム１００は、微細パターンが形成されている試料Ｓに照明光を照射して当該試料Ｓの光学画像データを得、当該光学画像データと検査基準データとに基づいてダイ・トゥ・データベース方式により上記の微細パターンの良否を検査する。

この検査を行うために、パターン検査システム１００は、図５に示した試料高さ検出装置１Ｂ、人工光源５０、人工光源５５、演算回路６０、および撮像装置７０と、微細パターンが形成されている試料Ｓが載置される精密ステージ１０１と、精密ステージ１０１上への試料Ｓの載置および精密ステージ１０１上からの試料Ｓの搬出を行うオートローダ１０２と、精密ステージ１０１の２次元方向変位量を検出するためのレーザ測長器１０３とを備える。更には、演算・制御装置１１０、入力装置１２０、表示装置１２１、プリンタ１２２、および送受信処理装置１２３を備える。以下、パターン検査システム１００の各構成要素について説明する。ただし、試料高さ検出装置１Ｂ、人工光源５０、人工光源５５、演算回路６０、および撮像装置７０の各々については実施の形態１または実施の形態３で既に説明したので、ここではその説明を省略する。

精密ステージ１０１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に変位することができる３軸精密ステージであり、Ｘ軸方向に変位するためのＸ軸モータ１０１ａ、Ｙ軸方向に変位するためのＹ軸モータ１０１ｂ、およびＺ軸方向に変位するためのＺ軸モータ１０１ｃを有する。

オートローダ１０２は複数個の試料を格納することができ、演算・制御装置１１０からの指令に応じて試料Ｓを取り出して当該試料Ｓを精密ステージ１０１上の基準位置に載置する。また、オートローダ１０２は、演算・制御装置１１０からの指令に応じて、精密ステージ１０１上に載置されている試料Ｓを精密ステージ１０１から搬出し、格納する。

レーザ測長器１０３は、レーザ光を用いた光パルス法、位相差検出法、三角測量法、または光干渉法等の方法によって、精密ステージ１０１の２次元方向変位量、すなわちＸ軸方向の変位量とＹ軸方向の変位量を測定し、測定結果を演算・制御装置１１０に送る。

演算・制御装置１１０は、主記憶装置１１１、補助記憶装置１１２、オートローダ制御装置１１３、位置情報処理装置１１４、ステージ制御装置１１５、パターン検査処理装置１１６、演算回路６０、主制御装置１１７、およびバス１１８を有し、精密ステージ１０１およびオートローダ１０２の動作を制御するとともに、試料Ｓに形成されている微細パターンの良否を判定する。

この演算・制御装置１１０を構成する主記憶装置１１１は、例えばハードディスク装置によって構成することができる。主記憶装置１１１には、演算・制御装置１１０の動作を管理、制御する基本ソフト等のコンピュータプログラム、試料Ｓの設計データ、当該設計データから２値以上の多値の画像データ（以下、設計画像データという。）を作成する際の補正条件の情報、精密ステージ１０１の制御プログラム、オートローダ１０２の制御プログラム、試料Ｓをオートローダ１０２によって精密ステージ１０１上に載置する際に基準となる基準位置の情報、試料Ｓの光学画像データを取得する際の走査条件の情報等が格納される。

補助記憶装置１１２は、例えば、磁気テープ、フレキシブル磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等のリムーバブル記憶媒体からの情報の読出し、および当該リムーバブル記憶媒体への情報の書込みを行う駆動装置によって構成することができる。

オートローダ制御装置１１３は、例えば数値制御によってオートローダ１０２の動作を制御する。位置情報処理装置１１４は、主記憶装置１１１に格納されている基準位置の情報、すなわち試料Ｓをオートローダ１０２によって精密ステージ１０１上に載置する際に基準となる基準位置の情報と、レーザ測長器１０３の測定結果とに基づいて、試料Ｓの実際の位置を演算する。

ステージ制御装置１１５は、演算回路６０の演算結果に基づいて、精密ステージ１０１のＺ軸方向の駆動を制御する。また、ステージ制御装置１１５は、主記憶装置１１１に格納されている試料Ｓの設計データおよび走査条件の情報と、位置情報処理装置１１４の演算結果とに基づいて、精密ステージ１０１のＸ軸方向の駆動およびＹ軸方向の駆動を制御する。

パターン検査処理装置１１６は、撮像装置７０の動作を制御する。また、主記憶装置１１１に格納されている試料Ｓの設計データと補正条件の情報とに基づいて設計画像データを作成し、当該設計画像データと、撮像装置７０で取得した試料Ｓの光学画像データとを比較して、試料Ｓに実際に形成されている微細パターンでの欠陥の有無（異物の有無を含むものとする。）を判定する。

主制御装置１１７は、バス１１８を介して主記憶装置１１１、補助記憶装置１１２、オートローダ制御装置１１３、位置情報処理装置１１４、ステージ制御装置１１５、パターン検査処理装置１１６、および演算回路６０の各々と電気的に接続されて、オートローダ制御装置１１３、位置情報処理装置１１４、ステージ制御装置１１５、およびパターン検査処理装置１１６の動作を制御する。結果として、主制御装置１１７は、精密ステージ１０１およびオートローダ１０２の動作を制御するとともに、試料Ｓに形成されている微細パターンの良否の判定を実施する。また、主制御装置１１７は、表示装置１２１、プリンタ１２２、および送受信処理装置１２３の動作も制御する。

入力装置１２０は、例えばキーボード、タッチパネル、操作盤等によって構成することができる。この入力装置１２０は、バス１１８に電気的に接続されて、演算・制御装置１１０に検査条件等の情報や指令等を入力するための装置として機能する。

表示装置１２１は、例えば液晶表示パネル等のフラットディスプレイによって構成することができる。この表示装置１２１は、情報や指令等の入力画面、検査中の試料Ｓの画像、および試料Ｓの検査結果等を表示するための装置として機能する。

プリンタ１２２は、バス１１８に電気的に接続されて、試料高さ検出装置１Ｂで撮像した試料Ｓの光学画像や、試料Ｓの検査結果等を紙等の媒体に印刷出力するための装置として機能する。

送受信処理装置１２３は、バス１１８に電気的に接続されるとともに、ローカルエリアネットワークやワイドエリアネットワーク等のコンピュータネットワークに接続されて、演算・制御装置１１０の入出力装置として機能する。

上述した各構成要素を有するパターン検査システム１００では、試料Ｓに形成されている微細パターンの良否を検査するのに先だって、試料Ｓの設計データ、当該設計データから２値以上の多値の設計画像データを作成する際の補正条件の情報、試料Ｓをオートローダ１０２によって精密ステージ１０１上に載置する際に基準となる基準位置の情報、試料Ｓの光学画像データを取得する際の走査条件の情報等が補助記憶装置１１２、入力装置１２０、または送受信処理装置１２３を介して演算・制御装置１１０に入力され、主記憶装置１１１に格納される。以下、試料Ｓに設けられた１つの周期パターン領域での開口部および非開口部を検査する場合を例にとり、パターン検査装置１００の動作を説明する。上記の周期パターン領域には、線状の開口部と線状の非開口部とが互いに平行に、かつ交互に繰り返し形成されているものとする。

検査開始の指令が入力装置１２０から入力されると、オートローダ制御装置１１３がオートローダ１０２の動作を制御して、１つの試料Ｓを精密ステージ１０１上の基準位置に載置する。以下の説明では、試料Ｓの周期パターン領域に形成されている各開口部および各非開口部それぞれの長手方向が精密ステージ１０１のＸ軸方向と実質的に平行になるように、試料Ｓが精密ステージ１０１上に載置されたものとする。

次いで、人工光源５０および人工光源５５に人為的に電源が投入されて、試料高さ検出装置１Ｂが試料Ｓへのスリット開口部ＯＰ１の像の縮小投影を開始するとともに、試料Ｓへの撮像照明光の照射を開始する。また、演算回路６０は、試料Ｓとスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置との相対的な位置関係を演算し始め、撮像装置７０は試料Ｓの光学画像データを取得する準備を整える。更には、主記憶装置１１１に格納されている試料Ｓの設計データおよび走査条件の情報と、位置情報処理装置１１４の演算結果とに基づいて、ステージ制御装置１１５が精密ステージ１０１のＸ軸モータ１０１ａおよびＹ軸モータ１０１ｂそれぞれの動作制御を開始する。

ここで、試料Ｓの試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置にないことを示す演算結果が演算回路６０によって得られたときには、ステージ制御装置１１５がＺ軸モータ１０１ｃを制御して、試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置にあることを示す演算結果が得られるまで精密ステージ１０１をＺ軸に沿った正方向および負方向にサーボ駆動させる。以下、このサーボ駆動をフォーカシング動作という。フォーカシング動作の間、撮像装置７０は試料Ｓの光学画像データの取得を行わない。

試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置にあることを示す演算結果が演算回路６０で得られると、パターン検査処理装置１１６の制御の下に撮像装置７０が試料Ｓの光学画像データの周期的な取得を開始するとともに、撮像装置７０による撮像範囲が試料Ｓを所定の方向に走査することになるようにステージ制御装置１１５が精密ステージ１０１のＸ軸モータ１０１ａおよびＹ軸モータ１０１ｂそれぞれの動作を制御する。

このとき、ステージ制御装置１１５は、上記の設計データおよび走査条件の情報に基づいて、周期パターン領域を複数のストライプに仮想的に分割する。各ストライプはＸ軸と互いに平行な長手軸を有し、個々のストライプは隣り合うもの同士が互いに隣接した状態でＹ軸方向に整列している。そして、ステージ制御装置１１５は、撮像装置７０による撮像範囲の走査方向が隣り合う２つストライプで互いに逆方向となるように、すなわち撮像装置７０による撮像範囲がサーペンタイン状ないしジグザグ状に推移するように、精密ステージ１０１をＸ軸方向に所定量変位させた後にＹ軸方向に所定量変位させる制御を繰り返し行う。この制御は、撮像装置７０による撮像範囲が周期パターン領域全体に亘るまで行う。

撮像装置７０は、撮像範囲が１つのストライプの一方の端から他方の端に達するまで、試料Ｓの光学画像データを周期的に取得する。１つのストライプについての光学画像データの取得が完了すると、撮像装置７０は、当該撮像装置７０の撮像範囲が次のストライプの撮像開始位置へ相対的に推移するまで撮像動作を中断する。撮像装置７０の撮像範囲が次のストライプの撮像開始位置へ相対的に推移すると、試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置にあることを示す演算結果が演算回路６０で得られるまで、精密ステージ１０１がステージ制御装置１１５による制御の下にフォーカシング動作を行う。そして、試料面ＰＳがスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置にあることを示す演算結果が演算回路６０で得られると、撮像装置７０がパターン検査処理装置１１６の制御の下に試料Ｓの光学画像データの周期的な取得を再開するとともに、撮像装置７０による撮像範囲が試料Ｓを所定の方向に走査することになるようにステージ制御装置１１５が精密ステージ１０１の動作を制御する。

撮像装置７０が取得した周期パターン領域の光学画像データは、パターン検査処理装置１１６に送られ、当該パターン検査処理装置１１６でアナログ／ディジタル変換（Ａ／Ｄ変換）された後に、フレーム単位で主記憶装置１１１に格納される。その後、パターン検査処理装置１１６によってフレーム毎に順次読み出される。パターン検査処理装置１１６は、主記憶装置１１１に格納されている試料Ｓの設計データと補正条件の情報とに基づいて検査基準データとしての設計画像データを予め作成し、主記憶装置１１１から１フレーム分の光学画像データを読み出すたびに当該光学画像データと設計画像データとを比較する作業を行って、周期パターン領域に実際に形成されている微細パターンの良否、すなわち開口部および非開口部それぞれでの欠陥の有無を周期パターン領域全体に亘って判定する。

このとき用いられる上記補正条件の情報は、撮像装置７０によって試料Ｓを撮像した際に結像光学系２０および検出光学系２５Ａの解像特性等によって不可避的に生じるフィルタ効果を模するための情報である。この情報に基づいて設計データを補正して、あるいは設計データに基づいて１次設計画像データを得た後に上記の情報に基づいて１次設計画像データを補正して、検査基準データとしての設計画像データを作成し、当該設計画像データと光学画像データとを比較することにより、周期パターン領域に実際に形成されている微細パターンの良否を精密に判定し易くなる。

パターン検査処理装置１１６は、周期パターン領域中の特定の開口部または非開口部に欠陥があると判定した場合には、当該欠陥がある場所を１フレーム分の光学画像データ中で特定する座標データを作成し、この座標データと、当該欠陥があると判定した１フレーム分の光学画像データを識別する識別情報とを主記憶装置１１１に格納する。主記憶装置１１１に格納された光学画像データならびに上記の座標データおよび識別情報が、パターン検査処理システム１００の検査結果となる。

上述のようにして試料Ｓに形成されている微細パターンの良否を検査するパターン検査システム１００は、実施の形態３で説明した試料高さ検出装置１Ｂを備えているので、試料Ｓの試料面ＰＳで生じる１次回折光の回折角が広くなっても、当該試高さ置検出装置１Ｂによる試料Ｓの高さの検出精度、すなわち試料Ｓの高さ方向におけるスリット開口部ＯＰ１の像の結像位置と試料面ＰＳとの相対的な位置関係の検出精度の低下が抑えられる。結果として、試料面ＰＳで生じる１次回折光の回折角が広くなっても、スリット開口部ＯＰ１の像の結像点が試料Ｓの試料面ＰＳにある状態で試料Ｓを撮像して当該試料Ｓの光学画像データを得ることが容易になるので、パターン検査システム１００では、試料面ＰＳで生じる１次回折光の回折角が広くなっても検査精度の低下が起こり難い。

なお、パターン検査システム１００の検査結果の妥当性は、例えば人為的に判断される。この場合、検査結果に基づいて特定の光学画像データがレビュー装置に送られ、当該光学画像データに対応する光学画像がレビュー装置に表示される。また、欠陥があるときに撮像される光学画像データに対応した光学画像もレビュー装置に表示されて、検査結果の妥当性を判断する際の基準画像として利用される。基準画像の基となる光学画像データは、例えばシミュレーションによって作成される。オペレータは、レビュー装置に表示された試料Ｓの光学画像と基準画像とを対比して、パターン検査システム１００の検査結果の妥当性を判断する。

レビュー装置は、パターン検査システム１００の構成要素とすることもできるし、パター検査システム１００とは別個の外部装置とすることもできる。図６に示した演算・制御装置１１０に所定の機能を付加して、表示装置１２１をレビュー装置として機能させることも可能である。

以上、本発明の試料高さ検出装置およびパターン検査システムそれぞれの実施の形態について説明したが、本発明は実施の形態で説明した試料高さ検出装置およびパターン検査システムに限定されるものではない。

例えば、試料高さ検出装置の照明光学系を構成する照明スリットでのスリット開口部の平面形状は、図２に示した十文字形とする他に、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）に示す形状とすることもできる。

図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は、それぞれ、試料高さ検出装置の照明光学系を構成する照明スリットでのスリット開口部の平面形状の一例を示す平面図である。図７（Ａ）に示す照明スリット１３ｂのスリット開口部ＯＰ１ａの平面形状は、１つの長方形によって規定される形状である。図７（Ｂ）に示す照明スリット１３ｃのスリット開口部ＯＰ１ｂの平面形状は、互いに合同な４つの長方形を平面上で４５°ずつずらせて順次重ね合わせることにより規定される形状である。図７（Ｃ）に示す照明スリット１３ｄには、１つの長方形によって平面形状が規定される互いに合同な計４つのスリット開口部ＯＰ１ｃ〜ＯＰ１ｆが形成されている。これら４つのスリット開口部ＯＰ１ｃ〜ＯＰ１ｆは、各スリット開口部ＯＰ１ｃ〜ＯＰ１ｆの長手軸が互いに４５°または９０°ずれた状態で配置されている。照明スリット１３ｄは、所望のスリット開口部が所定の光路に位置するようにスライド操作して使用してもよい。

試料高さ検出装置の検出光学系を構成する前側検出スリットおよび後側検出スリットそれぞれでの開口部の平面形状は、例えば、スリット開口部の平面形状と合同、相似、またはスリット開口部の平面形状を規定する長方形を当該長方形の長辺に沿った方向と短辺に沿った方向とで互いに異なる倍率で拡大した形状とすることができる。

パターン検査システムは、ダイ・トゥ・データベース方式によって微細パターンの良否を検査するタイプとする他に、ダイ・トゥ・ダイ方式によって微細パターンの良否を検査するタイプとすることもできる。パターン検査システムをダイ・トゥ・ダイ方式とする場合には、例えば図６に示したパターン検査処理装置１１６に代えて、当該パターン検査処理装置１１６とは異なる機能を有するパターン検査処理装置が用いられる。

ダイ・トゥ・ダイ方式のパターン検査システムを構成するパターン検査処理装置は、例えば、互いに同じ形状および大きさを有する複数の周期パターン領域が１つの試料中に分散配置されているときに、これら複数の周期パターン領域それぞれの光学画像データ同士を比較することによって微細パターンの良否を判定する。このとき、任意の周期パターン領域についての光学画像データが検査基準データとなる。また、開口部および非開口部それぞれの形状および大きさ並びに当該開口部および非開口部の配置が互いに同じであるストライプを１つの周期パターン領域中に仮想的に複数画定することができるときには、これら複数のストライプの光学画像データ同士を比較することによって微細パターンの良否を判定するようにパターン検査処理装置を構成することも可能である。このとき、任意のストライプについての光学画像データが検査基準データとなる。

上述した以外にも、本発明については種々の変更、改良、組み合わせ等が可能である。本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての試料高さ検出装置およびパターン検査システムは、本発明の範囲に包含される。

１ 試料高さ検出装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ 照明光学系
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 照明スリット
１７ 対物レンズ
１８ ダイクロイックミラー
２０ 結像光学系
２１ 結像レンズ
２５，２５Ａ 検査光学系
２６ ハーフミラー
２７ 前側検出スリット
２８ 後側検出スリット
２９ ダイクロイックミラー
３０ 前側光量センサ
４０ 後側光量センサ
５０，５５ 人工光源
６０ 演算回路
７０ 撮像装置
１００ パターン検査システム
１０１ 精密ステージ
１１５ ステージ制御装置
ＯＰ１，ＯＰ１ａ〜ＯＰ１ｆ スリット開口部
ＯＰ２ 前側検出スリットの開口部
ＯＰ３ 後側検出スリットの開口部
Ｓ 試料
ＰＳ 試料面

Claims (5)

1. スリット開口部の像を対物レンズで試料に縮小投影する照明光学系と、前記試料に前記スリット開口部の像を縮小投影したときに該試料で生じる反射光を結像レンズで集束させる結像光学系と、前記結像レンズで集束された光束を２つに分割し、該２つの光束のうちの一方の光束は該光束の結像点よりも前記結像レンズに近い側に配置した前側検出スリットの開口部を通過させ、前記２つの光束のうちの他方の光束は該光束の結像点よりも前記結像レンズから離れる側に配置した後側検出スリットの開口部を通過させる検出光学系と、前記前側検出スリットの開口部を通過した光束の光量を測定する前側光量センサと、前記後側検査スリットの開口部を通過した光束の光量を測定する後側光量センサとを備え、
   前記スリット開口部は、１つの長方形によって、または複数の長方形を平面上で重ね合わせることによって平面形状が規定される開口部を少なくとも１つ含み、前記長方形の短辺の長さは、前記照明光学系による前記スリット開口部の像の縮小倍率をＭ［倍］、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記照明光学系に入射する照明光の波長をλ［ｎｍ］としたときに、Ｍλ／（２ＮＡ）以下であることを特徴とする試料高さ検出装置。
2. 前記前側検出スリットおよび前記後側検出スリットの各々における開口部は、前記スリット開口部と平面視上合同であることを特徴とする請求項１に記載の試料高さ検出装置。
3. 前記試料に前記スリット開口部の像を縮小投影したときの前記前側光量センサの測定値と前記後側光量センサの測定値とに基づいて、前記試料の高さ方向における前記スリット開口部の像の結像位置と前記試料の試料面との相対的な位置関係を演算する演算回路を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の試料高さ検出装置。
4. 前記照明光学系に前記照明光として遠紫外線を入射させる人工光源を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の試料高さ検出装置。
5. 微細パターンが形成された試料に照明光を照射して該試料の光学画像データを得、該光学画像データと検査基準データとに基づいて前記微細パターンの良否を検査するパターン検査システムであって、
   請求項１に記載の試料高さ検出装置と、
   前記試料が配置される精密ステージと、
   前記照明光学系に前記照明光を入射させる人工光源と、
   前記前側光量センサの測定値と前記後側光量センサの測定値とに基づいて、前記試料の高さ方向における前記スリット開口部の像の結像位置と前記精密ステージに配置された前記試料の試料面との相対的な位置関係を演算する演算回路と、
   前記演算回路の演算結果に基づいて前記精密ステージを駆動させるステージ制御装置とを備えることを特徴とするパターン検査システム。

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