JP2018091805A

JP2018091805A - 光学検査装置の評価方法

Info

Publication number: JP2018091805A
Application number: JP2016237429A
Authority: JP
Inventors: 光徳沼田; Mitsunori Numata; 光宏富樫; Mitsuhiro Togashi; 明夫石川; Akio Ishikawa
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-06-14
Also published as: KR20180065847A

Abstract

【課題】光学検査装置に光学系が搭載された状態のまま、この光学系の光学性能を高精度に評価することを可能とした光学検査装置の評価方法を提供する。【解決手段】光学検査装置に搭載された光学系の光学性能を評価するための光学検査装置の評価方法であって、光学系に発生する収差の種類、大きさ又はその組み合わせに応じて、それぞれシミュレーションにより得られる光学像の特徴量を算出するステップＳ１と、光学検査装置の実際に得られる光学像の特徴量を算出するステップＳ２と、収差の種類毎にシミュレーション得られた光学像の特徴量と、光学検査装置の実際に得られた光学像の特徴量とを比較し、光学系が持つ収差を評価するステップＳ３とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、光学検査装置の評価方法に関する。

光学検査装置では、例えば半導体ウェハ上に形成されるパターンの微細化に伴って、検査時に出力される欠陥信号の大きさも非常に微細となっている。このような微細な欠陥信号を検出するためには、光学検査装置の光学系の収差を非常に小さく抑えなくてはならない。一方、高精度に収差補正された光学系は、衝撃や環境の変化等に非常に敏感であり、光学検査装置の輸送やトラブル等によって、光学系に収差が発生してしまうこともある。

したがって、半導体ウェハの検査を安定して行うためには、このような光学検査装置の光学性能（収差）を高精度にモニターする必要がある（例えば、特許文献１を参照。）。しかしながら、量産ラインに導入された光学検査装置では、光学部品（光学系）を取り外すことなく、干渉計等の専用機器を使用せずに、インラインで光学性能を高精度にモニタリングすることは困難である。

特開平６−２９４７５０号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、光学検査装置に光学系が搭載された状態のまま、この光学系の光学性能を高精度に評価することを可能とした光学検査装置の評価方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕光学検査装置に搭載された光学系の光学性能を評価するための光学検査装置の評価方法であって、
前記光学系に発生する収差の種類、大きさ又はその組み合わせに応じて、それぞれシミュレーションにより得られる光学像の特徴量を算出するステップと、
前記光学検査装置の実際に得られる光学像の特徴量を算出するステップと、
前記収差の種類毎に前記シミュレーション得られた光学像の特徴量と、前記光学検査装置の実際に得られた光学像の特徴量とを比較し、前記光学系が持つ収差を評価するステップとを含むことを特徴とする光学検査装置の評価方法。
〔２〕前記シミュレーションにおいて、前記収差の種類毎に前記光学系のフォーカス変化に対する前記光学像の変化を、前記光学像の特徴量として数値化することを特徴とする前記〔１〕に記載の光学検査装置の評価方法。
〔３〕前記シミュレーションにより、前記光学系の点像分布関数（ＰＳＦ）と同等の光学像を得ることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の光学検査装置の評価方法。
〔４〕前記シミュレーションには、時間領域差分（ＦＤＴＤ）法を用いることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載の光学検査装置の評価方法。

以上のように、本発明によれば、光学検査装置に光学系が搭載された状態のまま、この光学系の光学性能を高精度に評価することが可能である。したがって、本発明によれば、光学検査装置から光学系を取り外すことなく、干渉計等の専用機器を使用せずに、インラインでの光学検査装置のモニタリングが可能である。

本発明の一実施形態に係る光学検査装置の評価方法を説明するためのステップ図である。光学系にコマ収差が発生したときの光学像の特徴量を説明するための図である。光学系に非点収差が発生したときの光学像の特徴量を説明するための図である。光学系に球面収差が発生したときの高ＮＡ条件での光学像の特徴量を説明するための図である。光学系に球面収差が発生したときの低ＮＡ条件での光学像の特徴量を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る光学検査装置の評価方法では、図１中に示すステップＳ１〜Ｓ３に従って、光学検査装置に搭載された光学系の光学性能を評価する。なお、図１は、本実施形態の光学検査装置の評価方法を説明するためのステップ図である。

具体的には、先ず、図１中に示すステップＳ１において、光学系に発生する収差の種類、大きさ又はその組み合わせに応じて、それぞれシミュレーションにより得られる光学像の特徴量を算出する。本シミュレーションには、時間領域差分（ＦＤＴＤ：Finite Difference Time Domain）法を好適に用いることができる。

ここで、回折限界以下の微細粒子の光学像は、光学系の点像分布関数（ＰＳＦ：Point Spread Function）と同等の点像となり、その光学像は、光学系の持つ収差の対称性が反映された画像となる。なお、ＰＳＦは、光学系の点光源に対する応答を表す関数である。

本シミュレーションにＦＤＴＤ法を用いた場合には、このような回折限界以下の微細粒子の光学像を、光学系のＰＳＦと同等の光学像として、高精度に求めることが可能である。

また、本シミュレーションでは、例えばコマ収差、非点収差、球面収差といった収差の種類毎に、光学系のフォーカス変化に対する光学像の変化を、収差の持つ対称性を元に光学像の特徴量として数値化する。

例えば、光学系にコマ収差が発生した場合の光学像は、図２に示すような画像となる。コマ収差が発生したときの画像は、１回の対称性を持つ。本シミュレーションでは、これを利用して、光学系にコマ収差が発生したときの光学像の特徴量を算出する。すなわち、コマ収差に対する光学像の特徴量（Index CO）については、下記式（１）のように数値化して求めた。

上記式（１）において、「Ｗ_{Ｐｅａｋ−Ａｖｅ}」は、微細粒子像プロファイルのピーク位置とプロファイルの積分値が左右等しくなる位置との差分を表す。また、「Ｗ_ＦＷＨＭ」は、微細粒子像プロファイルの半値幅を表す。

一方、光学系に非点収差が発生した場合の光学像は、図３に示すような画像となる。非点収差が発生したときの光学像は、合焦位置で点像となり、デフォーカスすることで点像が楕円に変化する。また、合焦位置の前後で、楕円の長軸が９０°回転する。

そこで、本シミュレーションでは、合焦位置に対して、プラス（＋）方向にデフォーカスさせたときの画像（+Focus）と、マイナス（−）方向にデフォーカスさせたときの画像（-Focus）を９０°回転させた画像との合成画像を得る。

本シミュレーションでは、これを利用して、光学系に非点収差が発生したときの光学像の特徴量を算出する。すなわち、非点収差に対する光学像の特徴量（Index AS）については、下記式（２）のように数値化して求めた。

上記式（２）において、「Ｗ_{ＦＷＨＭ−Ｈ}」は、図３中に示す合成画像のＸ軸方向プロファイルの半値幅を表す。また、「Ｗ_{ＦＷＨＭ−Ｖ}」は、図３中に示す合成画像のＹ軸方向プロファイルの半値幅を表す。

一方、光学系に球面収差が発生した場合の光学像は、高ＮＡ条件のとき図４に示すような画像となり、低ＮＡ条件のとき図５に示すような画像となる。球面収差が発生したときの光学像は、デフォーカスさせた場合の低ＮＡ光への影響に比べて、高ＮＡ光への影響が大きい。

本シミュレーションでは、これを利用して、光学系に球面収差が発生したときの光学像の特徴量を算出する。すなわち、球面収差に対する光学像の特徴量（Index Sp）については、下記式（３）のように数値化して求めた。

上記式（３）では、高ＮＡの条件で得られる画像の合焦画像に対して、ピーク強度の１／ｅ^２幅以上の強度部分の積分値を求めた。そして、合焦位置（０）での積分値を「Ｖ_{ＮＡｈｉｇｈ＿Ｆ０}」とし、合焦位置に対して、プラス（＋）方向にデフォーカスさせたときの積分値を「Ｖ_{ＮＡｈｉｇｈ＿Ｆ＋}」とし、マイナス（−）方向にデフォーカスさせたときの積分値を「Ｖ_{ＮＡｈｉｇｈ＿Ｆ−}」として表す。

同様に、上記式（３）では、低ＮＡの条件で得られる画像の合焦画像に対して、ピーク強度の１／ｅ^２幅以上の強度部分の積分値を求めた。そして、合焦位置（０）での積分値を「Ｖ_{ＮＡｌｏｗ＿Ｆ０}」とし、合焦位置に対して、プラス（＋）方向にデフォーカスさせたときの積分値を「Ｖ_{ＮＡｌｏｗ＿Ｆ＋}」とし、マイナス（−）方向にデフォーカスさせたときの積分値を「Ｖ_{ＮＡｌｏｗ＿Ｆ−}」として表す。

次に、図１中に示すステップＳ２において、光学検査装置の実際に得られる光学像の特徴量を算出する。すなわち、実際の光学検査装置において、回折限界以下の微細粒子についての画像を取得し、この画像から上記式（１）〜（３）を用いて、光学検査装置が持つ実際の光学像の特徴量を数値化して求めた。

次に、図１中に示すステップＳ３において、収差の種類毎にシミュレーション得られた光学像の特徴量と、光学検査装置の実際に得られた光学像の特徴量とを比較し、実際に光学系が持つ収差を予測（評価）する。

すなわち、上記収差の種類毎に数値化された特徴量の中から、実際の特徴量に最も近い数値のものを探すことによって、光学検査装置に搭載された光学系が持つ実際の収差を予測（評価）することが可能である。

以上のように、本実施形態の光学検査装置の評価方法では、光学検査装置に光学系が搭載された状態のまま、この光学系の光学性能（収差）を高精度に評価することが可能である。したがって、この光学検査装置の評価方法では、光学検査装置から光学系を取り外すことなく、干渉計等の専用機器を使用せずに、インラインでの光学検査装置のモニタリングが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
すなわち、本発明は、上述したコマ収差、非点収差、球面収差といった特徴量に限らず、様々な特徴量を持つ光学系に対して、上記シミュレーションによりその光学系の特徴量を求め、光学検査装置から実際に得られる特徴量と比較することで、実際の光学検査装置が持つ光学系の光学性能を評価することが可能である。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（実施例１）
実施例１では、実際に上記本発明の評価方法を用いて、光学検査装置に搭載された光学系の光学性能の評価を行った。

具体的には、先ず、光学系を評価するための観察試料を用意した。本実施例では、観察試料として、シリコンウェハ上に光学解像度以下程度の直径を有する粒子を散布したものを用意した。

ここで、近年の光学検査装置の使用波長は３００ｎｍ以下、対物レンズのＮＡが０．９程度となっており、光学解像度は１５０ｎｍ程度と考えられる。したがって、あまり小さい粒子を使用すると、検査時に出力される欠陥信号が小さ過ぎて収差による変化を捉えるのが困難になる。このため、粒子の直径は１００ｎｍ程度が望ましい。また、粒子サイズが均一な市販の標準粒子を使用した。なお、粒子の材質については、ラテックスや金属など特に問わないものとする。

次に、ステップＳ１として、観察試料の光学像のシミュレーションを行い、収差と特徴量のテーブルを作成した。シミュレーションは、ＦＤＴＤ法とベクトル結像計算による光学像シミュレーションが可能なシミュレータを使用した。

シミュレーションによる観察試料の形状は、シリコンウェハ上に置かれた直径１００ｎｍの球形の粒子とした。粒子の材質は、実際の観察試料と同じものとした。光学条件（波長、対物レンズのＮＡ、倍率）は、光学検査装置と同等の値を入力した。

そして、３次のコマ収差、非点収差及び球面収差の各収差について、一定の範囲及び間隔で、全ての組み合わせについてシミュレーションを行った。また、各収差条件について、フォーカス位置をジャストフォーカス±５００ｎｍ程度の範囲で変化させ、シミュレーションを行った。

全ての収差条件により得られたシミュレーション結果の画像から、３次のコマ収差、非点収差及び球面収差の特徴量を計算した。これにより、各収差量と特徴量のテーブルを作成した。

次に、ステップＳ２として、実際の光学検査装置から観察試料の画像を取得し、各収差に対応する特徴量を算出した。算出したい収差量は非常に小さいため、収差による像の対称性の変化量は非常に小さい。このため、画像中のノイズに埋もれてしまう可能性がある。

そこで、ノイズの影響を低減するため、複数個の粒子について取得画像を平均化することでノイズを低減する。又は、複数回の画像を取得し平均化することでノイズを低減する。この平均化画像から各収差の特徴量を計算した。

次に、ステップＳ３として、上記ステップＳ１で求めた各収差と特徴量のテーブルと、上記ステップＳ２で求めた実際の装置画像の特徴量とを比較し、実際の光学検査装置の光学系が持つ収差を算出した。

シミュレーションに入力した収差は離散的な値なので、装置画像から算出された特徴量と完全に一致する収差量は算出できない。そこで、シミュレーションで計算した収差の間の特徴量は補完し、実際の光学検査装置の収差を計算した。

以上のようにして、実施例１では、光学検査装置に搭載された光学系の光学性能（収差）を高精度に評価できることを確認した。

（実施例２）
光学検査装置の照明角度分布は、粒子の画像の対称性に影響を与える。この照明角度分布による対称性の変化は、収差による対称性の変化とは分離することが望ましい。

そこで、実施例２では、シミュレーションの光学条件の入力において、光学検査装置の実際の照明角度分布を入力した。その結果、更に正確な収差の予測が可能であることを確認した。

Claims

光学検査装置に搭載された光学系の光学性能を評価するための光学検査装置の評価方法であって、
前記光学系に発生する収差の種類、大きさ又はその組み合わせに応じて、それぞれシミュレーションにより得られる光学像の特徴量を算出するステップと、
前記光学検査装置の実際に得られる光学像の特徴量を算出するステップと、
前記収差の種類毎に前記シミュレーション得られた光学像の特徴量と、前記光学検査装置の実際に得られた光学像の特徴量とを比較し、前記光学系が持つ収差を評価するステップとを含むことを特徴とする光学検査装置の評価方法。
前記シミュレーションにおいて、前記収差の種類毎に前記光学系のフォーカス変化に対する前記光学像の変化を、前記光学像の特徴量として数値化することを特徴とする請求項１に記載の光学検査装置の評価方法。
前記シミュレーションにより、前記光学系の点像分布関数（ＰＳＦ）と同等の光学像を得ることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学検査装置の評価方法。
前記シミュレーションには、時間領域差分（ＦＤＴＤ）法を用いることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光学検査装置の評価方法。