JP2021514057A - サンプル表面への斜入射角での検査光整形 - Google Patents

Abstract

光学検査器具用のビーム整形装置は、光ビームをターゲット上に斜入射角で収束させるための焦点レンズと、光ビームがターゲット上に斜入射角で収束されるときにターゲットの平面内での光ビームのトップを実質的にフラットにするための位相変調器と、を含む。

Description

本開示は（例えば半導体検査用の）光学検査器具に関し、より詳細には、光学検査器具におけるビーム整形に関する。

関連出願
本願は、２０１８年２月１５日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｂｅａｍ ｏｎ ａ Ｓａｍｐｌｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ａｔ Ｏｂｌｉｑｕｅ Ｉｎｃｉｄｅｎｔ Ａｎｇｌｅ」と題する米国特許仮出願第６２／６３１，１２８号の優先権を主張し、同出願は、参照によりその全体があらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。

照射ビームとも呼ばれるターゲットから散乱していく光ビームを提供することによる、半導体ウエハなどのターゲットの検査が、光学検査器具を使用して行われる。光ビームによって照射されるトラック内（すなわち「検査トラック」内）にあるターゲットの表面上の欠陥、例えば微粒子の存在は、光ビームの散乱の態様に影響することになり、この結果その欠陥の検出が可能になる。しかしながら、光ビームの形状により光学検査器具の感度が限定される。例えば、光ビームが、検査トラックの縁部に向かって強度が低下するような近似的なガウシアンである場合には、この強度の低下によって、トラック内の欠陥を検出するために使用される感度閾値が限定される。あるいは、所望の感度を達成するために、光学器具のビーム強度を大きくする必要があり得る。また更に、光ビームはターゲットに対する入射角が斜めである場合があり、このとき入射角は直角ではない（すなわち、光ビームがターゲットに傾斜して入射する）。入射角が斜めであるとき、ターゲットの平面内の光ビームの形状は、半径方向平面内の光ビームの形状とは異なることになる。

米国特許出願公開第２０１４／０１３９８２９号

したがって、ターゲットに対するビームの入射角が斜めである場合に、ターゲットの平面内のビームのトップがフラットになるように光ビームを整形する方法およびシステムが必要とされている。

いくつかの実施形態では、光学検査器具用のビーム整形装置は、光ビームをターゲット上に斜入射角で収束させるための焦点レンズと、光ビームがターゲット上に斜入射角で収束されるときにターゲットの平面内での光ビームのトップを実質的にフラットにするための位相変調器と、を含む。

いくつかの実施形態では、ビーム整形方法は、光ビームを位相変調することと、光ビームをターゲット上に斜入射角で収束させることと、を含む。位相変調されターゲット上に斜入射角で収束された光ビームは、ターゲットの平面内で実質的にフラットになったトップを有する。

記載される様々な実装形態をより良く理解するために、下記「発明を実施するための形態」を、正確な縮尺ではない以下の図面と併せて参照するものとする。

いくつかの実施形態に係る、ターゲットの平面内での光ビームのトップが実質的にフラットになるように光ビームを整形する、ビーム整形装置の概略図である。 いくつかの実施形態に係る、図１のビーム整形装置の様々な例のシミュレーションを使用してターゲットの平面内で生成された、シミュレーションされたビームプロファイルを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、図１のビーム整形装置中の回折光学素子（ＤＯＥ）位相変調器において対称位相項と非対称位相項の畳み込みの結果得られる、ターゲットの平面内でのシミュレーションされたビームプロファイルを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、図１の光ビームの経路内にある表面がリソグラフィによって成形されその結果複数の段を有するＤＯＥを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、図４のＤＯＥの断面を示す図である。 いくつかの実施形態に係る、ＤＯＥが関与するシミュレーションを使用してターゲットの平面内で生成された、シミュレーションされたビームプロファイルを示す図である。 いくつかの実施形態に係るビーム整形方法のフローチャートである。

図面および明細書の全体にわたって、同様の参照符号は対応している部分を指す。

ここで、添付の図面に実施例が示されている様々な実施形態を詳細に参照する。以下の詳細な説明には、記載される様々な実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、記載されている様々な実施形態はこれらの具体的な詳細を伴わなくても実践できることが、当業者には明らかであろう。他の例では、実施形態の態様を不必要に不明瞭にしないように、周知の方法、手順、構成要素、回路、およびネットワークについては詳細に記載していない。

図１は、いくつかの実施形態に係る、ターゲット１０８（例えば半導体ウエハ）の平面内（例えば表面上）で光ビーム１０２のトップが実質的にフラットになるように光ビーム１０２を整形する、ビーム整形装置１００の概略図である。ビーム整形装置１００は、光学検査器具（例えば半導体光学検査器具）の照射システムの一部である。光ビーム１０２は、ビームウエスト半径ｗ_０を有するビームウエストを有し、照射システム中の照射源（例えばレーザ）によって提供される。ビーム整形装置１００は、位相変調器１０４（例えば、光ビーム１０２の経路内に配置されている位相変調プレート）および焦点レンズ１０６を含む。位相変調器１０４は位相変調関数Φを実装しており、これにより光ビーム１０２の位相を変調する。焦点レンズ１０６は、光ビーム１０２を、斜入射角（ターゲット１０８についての法平面から測定したとき）で、ターゲット１０８上へと収束させる。ターゲット１０８はチャック１１０上に装着されてもよい。

位相変調器１０４の位相変調関数Φは、ターゲット１０８の平面内（例えばターゲット１０８の表面上）での光ビーム１０２のトップが実質的にフラットになる（例えば１０パーセント以内で均一になる）ように、光ビーム１０２を位相変調する。いくつかの実施形態によれば、ビーム整形装置１００は強度変調器を含まず、したがってビームを整形するために強度変調を使用しない。強度変調を使用しないことによって、ビーム整形装置１００が光ビーム１０２の強度を低下させることがなくなるが、このことは光子の少ない繊細な用途で望ましい。照射システムの光損失の低減により、光ビーム１０２のエネルギーの閉じ込めが向上する。

いくつかの実施形態では、位相変調器１０４は焦点レンズ１０６の手前に配置され、この場合焦点レンズ１０６は、光ビーム１０２の光経路内で位相変調器１０４とチャック１１０の間に配置されている。いくつかの実施形態では、位相変調器１０４と焦点レンズ１０６の間には光学要素が存在しない。照射システムは、位相変調器１０４の手前に追加の光学要素（例えばアパーチャ、拡大鏡、偏光器、レンズ、ミラー、等）を含み得る。照射システムはまた、焦点レンズ１０６の後ろに（すなわち、焦点レンズ１０６とチャック１１０の間に）、追加の光学要素（例えば、光ビーム１０２をターゲット１０８へと導くための１つ以上のミラー）を含み得る。

いくつかの実施形態では、光ビーム１０２の形状は実質的にガウシアンである。例えば、光ビーム１０２は実質的にガウシアンであるモードによって支配される。ビーム強度の断面プロファイル（すなわち、光軸に対して垂直な半径方向においての）はこの場合、ガウス分布に似ることになる（例えば、断面プロファイル中の各点の強度と、ガウス分布において予想される強度との差は、１０パーセント以内または５パーセント以内となる）。

照射システム内でのガウシアンビームの伝播は以下の式で記述できる：

Ｆ＝ＦＦＴ（Ｇ） （３）

上式で、Ｐは電界であり、ｗはビームスポットサイズ（すなわち電界スポットサイズ）であり、ｗ_０はビームウエスト（すなわち、ウエストスポットサイズ）であり、λはビーム波長（例えばレーザ波長）であり、ｋは波数であり、Φは位相変調器１０４の位相変調関数であり、Ｆは焦点レンズ１０６の焦点距離であり、ｄは焦点レンズ１０６からターゲット１０８までの距離であり、ｙはウエハ上の面内位置であり、ｙ_ｒは半径方向の（すなわち光軸に対して垂直な平面内での）位置であり、ＦＦＴは高速フーリエ変換であり、Ｉ_ｔはターゲット１０８におけるビーム強度である。位相変調関数Φは、光ビーム１０２がターゲット１０８の平面内で実質上のフラットトップを有するように選ばれる。

ターゲットに垂直に入射する光ビームの場合、斜角での入射とは対照的に、十分な開口数（ＮＡ）を想定すれば、位相変調関数Φについての以下の解により実質上のフラットトップビームが得られる：

上式で、ｗ_ＦＴはフラットトップの幅、ｅｒｆは誤差関数、他の全ての変数は式１〜５について上で定義したものと同様である。式８に従って位相変調器を実装することができる。例えば、ロッドレンズまたはパウエルレンズは式８の解の低次近似を提供でき、非球面レンズは式８の解のより高次の近似を提供するように設計することができ、回折光学素子（ＤＯＥ）は式８の解を個別に実現するように設計することができる。式８の位相変調は光軸に関して対称である。

しかしながら、ターゲット１０８に対して斜入射角を有する光ビーム１０２では、対称位相変調の結果、ターゲット１０８の平面内で非対称なビームプロファイルとなる。この非対称性が生じる理由は、ビームプロファイルのトップの２つの端部に対する光経路１１２および１１４が図１に示すように非対称だからである。垂直入射用に最適化された位相変調器はこのように、斜めの入射の場合にはターゲット１０８の平面内で非対称のビームプロファイルを生成することになる。

いくつかの実施形態では、非対称補償は、位相変調器１０４（例えばロッドレンズ、パウエルレンズ、非球面レンズ、または対称ＤＯＥ）を光軸から偏心させて位置付けることによって提供される。非対称補償は、ビームプロファイル中にある程度の非対称性が存在したままとなるように、部分的にのみ有効であってもよい。例えば、図２はターゲット１０８の平面内での光ビーム１０２のそれぞれの場合についてシミュレーションされたビームプロファイル２００および２０２を示しており、これらは、位相変調器１０４が偏心位置合わせされた（すなわち偏心させて位置付けられた）それぞれの対称ＤＯＥであるシミュレーションを使用して生成されたものである。（ビーム幅は実装形態が異なれば異なり得る）。ビームプロファイル２００は、位相変調器１０４が偏心位置合わせされた対称正位相ＤＯＥである、ビーム整形装置１００のシミュレーションによって生成される。ビームプロファイル２０２は、位相変調器１０４が偏心位置合わせされた対称負位相ＤＯＥである、ビーム整形装置１００のシミュレーションによって生成される。ビームプロファイル２００および２０２のトップはウエハ平面（または別のターゲット１０８の平面）内で実質的にフラットであり、その平面内で厳密には対称ではないがほぼ対称である。

他の実施形態では、光経路１１２と１１４（図１）の間の非対称性（の全体または一部）を補償するために、非対称ＤＯＥが使用される。シミュレーションされたビームプロファイル２０４（図２）は、位相変調器１０４が非対称ＤＯＥであるシミュレーションを使用して生成された、光ビーム１０２のそれぞれの場合のビームプロファイルの例である。ビームプロファイル２０４を達成するために、ＤＯＥは、その位相変調関数Φが非対称位相項を含むように設計される：

上式で、ｃ_１、ｃ_２、およびｃ_３は、ビームトップのフラットさが改善（例えば最適化）されるように数値調整可能な係数であり、その他の変数および関数は上で定義したものと同様であり、ｃ_３項が非対称である。非対称位相項は、式９の関連項の形態、その多項式近似の形態、または別の実質上等価な形態をとることができる。

ターゲット１０８の平面内での非対称ＤＯＥのビームプロファイルはこの場合、対称位相項と非対称位相項の畳み込みの結果得られる：

上式で、Ｇ_{ｓｙｍＤＯＥ}は対称位相項に相当し、Ｇ_{ａｓｙｍＤＯＥ}は非対称位相項に相当する。図３は、いくつかの実施形態に係るこの畳み込みのシミュレーション結果を示す：シミュレーションされたウエハ平面または別のターゲット１０８の平面内でのビームプロファイル３０４は、対称位相項３００と非対称位相項３０４の畳み込みの結果得られる（位相項３００の対称性および位相項３０２の非対称性は、光軸に関するものである）。図３が示すように、ターゲット１０８の平面内でのビームプロファイル３０４は、ターゲット１０８の平面内において実質的に対称（実際にはほぼ精確に対称）である。したがって、ＤＯＥは、対称位相項と非対称位相項の畳み込みの実例となって、光ビーム１０２がターゲット１０８上に斜入射角で収束されているときに、ターゲット１０８の平面内で実質的に対称なビームプロファイルを生成することができる。

位相変調器１０４として使用されるＤＯＥ（例えば非対称ＤＯＥ）はリソグラフィ工程を使用して製作してもよく、この場合、位相変調プロファイルに複数の段が存在する。図４は、いくつかの実施形態に係る、光ビームの経路１０２（図１）内にある表面４０２がリソグラフィによって成形されその結果複数の段を有するＤＯＥ４００を示す。光軸４０６はＤＯＥ４００を通過して延び、表面４０２および反対側の表面４０４の両方と交わっている。図４の例では、光軸４０６は、表面４０２の最小点（すなわち、表面４０２の段状局面の最小点）を通っている。

ＤＯＥ４００の段サイズはプログラム可能である。ＤＯＥ４００の品質、および結果的な光ビーム１０２のトップのフラットさの度合は、段サイズによって決まる。小さい段サイズはＤＯＥの品質およびしたがって光ビーム１０２のトップのフラットさを向上させるが、製造コストを押し上げる。しかしながら、過度に粗い段サイズは、ビームトップのフラットさを低下させる位相誤差をもたらす。図６は、段サイズがπ／４であるときの、シミュレーションされたターゲット１０８の平面内での光ビーム１０２のビームプロファイル６００を示す。この粗い段サイズは、図６に示すように、ターゲット１０８の平面内での光ビーム１０２のトップがスパイクを有し、実質的にフラットではないという結果をもたらす。

いくつかの実施形態では、表面４０２の粗い段サイズから生じる不均等なビームプロファイルを緩和するために、表面４０４は、いくつかの実施形態に係る図５に示すように、光軸４０６と斜めの角度で交わる。図５は、図４においてその紙面から真っ直ぐ出て来る、光軸４０６と平行で（または一致し）、半径方向軸ｙ_ｒに対して垂直な平面における、ＤＯＥ４００の断面を示す。いくつかの実施形態では、そのようなＤＯＥ４００の断面の各々が、図５に示すような形状を有する。ＤＯＥ４００はこの場合、接線方向（すなわち、半径方向軸ｙ_ｒに対して垂直である、光軸４０６の方向）においてウェッジ角を有し得、実質的にくさび形状である断面を有し得る（この例では頂点を有さない断面であるため、断面は厳密なくさび形状とはなっていない）。図４の紙面と平行な（または紙面内にある）（したがって光ビームの入射平面に対して垂直な）それぞれの平面内にある、接線方向におけるＤＯＥのそれぞれのスライスは、組み合わせることでビームプロファイル６００中のスパイクが平滑化される、それぞれのビームプロファイルを生成する。（図４はそのようなスライスの例を示す）。表面４０４の傾斜は、表面４０２と４０４の間の距離４０８がスライスごとに異なっていることを意味する。実質的にフラットトップである、ターゲット１０８の平面内でのシミュレーションされた結果的な光ビーム１０２のビームプロファイル６０２が、図６に示されている。図５の幾何形状はこの場合、段の比較的粗い（例えばπ／４の段サイズの）ＤＯＥを位相変調器１０４として使用して、ターゲット１０８の平面内でのフラットトップの光ビームを実現できる。

図７は、いくつかの実施形態に係るビーム整形方法７００のフローチャートである。方法７００は、ビーム整形装置１００（図１）を使用して実行できる。

方法７００のいくつかの実施形態では、光ビーム１０２が位相変調器１０４に提供される（７０２）。位相変調器１０４に提供される光ビーム１０２は実質的にガウシアンである。

光ビームは（例えば位相変調器１０４を使用して）位相変調される（７０４）。いくつかの実施形態では、位相変調は、ＤＯＥ、非球面レンズ、ロッドレンズ、またはパウエルレンズを使用して行われる（７０６）。例えば、対称位相項３００と非対称位相項３０２の畳み込みの実例となることでターゲットの平面内で実質的に対称なビームプロファイル３０４（図３）を生成するＤＯＥが使用される（７０８）。ＤＯＥは、光ビームの入射平面に対して垂直な（例えば図５に従う）ＤＯＥの個別のスライスに対して、個別の位相を有するそれぞれのビームプロファイルが得られるように成形されてもよい（７１０）。個別の位相同士を組み合わせることによってビームのトップのスパイクが平滑化される。

別の例では、位相変調は、光軸から偏心して位置付けられている対称ＤＯＥを使用して行われる（７１２）。更に別の例では、位相変調は、光軸から偏心して位置合わせされている非球面レンズ、ロッドレンズ、またはパウエルレンズを使用して行われる（７１４）。

光ビーム１０２は、ターゲット１０８（例えば半導体ウエハ）上に、斜入射角で収束される（７１６）。位相変調されターゲット１０８上に斜入射角で収束された光ビーム１０２は、ターゲット１０８の平面内（例えば表面上）で実質的にフラットになったトップを有する。

方法７００のステップのうち順序に依存しないものは、その順序を変えることができる。

上述の説明は、説明の目的で、特定の実施形態を参照して説明されている。しかしながら、上記の例示的な論考は、網羅的であること、または請求項の範囲を開示される厳密な形態に限定することを意図するものではない。上記の教示に照らして、多くの変形および変更が可能である。これらの実施形態は、特許請求の範囲の基礎を成す原理およびその実際的な応用を最も良く説明し、それによって他の当業者が企図される特定の用途に適した様々な変形と共にそれらの実施形態を最良の形で使用できるように選択された。

Claims (20)

1. 光ビームをターゲット上に斜入射角で収束させるための焦点レンズと、
   前記光ビームが前記ターゲット上に前記斜入射角で収束されるときに、前記ターゲットの平面内での前記光ビームのトップを実質的にフラットにするための位相変調器と、
   を備えることを特徴とする、光学検査器具用のビーム整形装置。
2. 請求項１に記載のビーム整形装置であって、前記ターゲットが装着されることになるチャックを更に備え、前記焦点レンズは前記光ビームの光経路内で前記位相変調器と前記チャックの間に配置されていることを特徴とするビーム整形装置。
3. 請求項２に記載のビーム整形装置であって、前記位相変調器に入射する前記光ビームは実質的にガウシアンであることを特徴とするビーム整形装置。
4. 請求項２に記載のビーム整形装置であって、前記位相変調器と前記焦点レンズの間に光学要素が存在しないことを特徴とするビーム整形装置。
5. 請求項１に記載のビーム整形装置であって、前記位相変調器は、前記光ビームが前記ターゲット上に前記斜入射角で収束されるときに、前記ターゲットの前記平面内での検査トラックに対応する幅にわたる前記光ビームの強度の変化が１０パーセント以下になるようにして、前記光ビームの前記トップをフラットにするように構成されていることを特徴とするビーム整形装置。
6. 請求項１に記載のビーム整形装置であって、前記位相変調器は回折光学素子（ＤＯＥ）を備えることを特徴とするビーム整形装置。
7. 請求項６に記載のビーム整形装置であって、前記ＤＯＥは対称位相項と非対称位相項の畳み込みの実例となっており、前記光ビームが前記ターゲット上に前記斜入射角で収束されるときに前記ターゲットの前記平面内で実質的に対称なビームプロファイルを生成することを特徴とするビーム整形装置。
8. 請求項７に記載のビーム整形装置であって、前記光ビームの半径方向軸に対して垂直な前記ＤＯＥの断面は実質的にくさび形状となっていることを特徴とするビーム整形装置。
9. 請求項７に記載のビーム整形装置であって、前記ＤＯＥは前記ＤＯＥの個別のスライスに対して個別の位相を有するそれぞれのビームプロファイルを生成するように成形されており、前記個別のスライスは前記光ビームの入射平面に対して垂直であり、前記個別の位相同士を組み合わせることによって前記ビームの前記トップのスパイクが平滑化されることを特徴とするビーム整形装置。
10. 請求項６に記載のビーム整形装置であって、前記ＤＯＥは対称性を有し、かつ前記光軸から偏心して位置付けられていることを特徴とするビーム整形装置。
11. 請求項１に記載のビーム整形装置であって、前記位相変調器は非球面レンズを備えることを特徴とするビーム整形装置。
12. 請求項１１に記載のビーム整形装置であって、前記非球面レンズは前記光軸から偏心して位置付けられていることを特徴とするビーム整形装置。
13. 請求項１に記載のビーム整形装置であって、前記位相変調器はロッドレンズおよびパウエルレンズから成る群から選択されるレンズを備えることを特徴とするビーム整形装置。
14. 請求項１３に記載のビーム整形装置であって、前記レンズは前記光軸から偏心して位置付けられていることを特徴とするビーム整形装置。
15. 請求項１に記載のビーム整形装置であって、
    前記ターゲットは半導体ウエハであり、
    前記位相変調器は、前記光ビームが収束される前記半導体ウエハの表面に対応する平面内での前記光ビームの前記トップを実質的にフラットにするように構成されていることを特徴とするビーム整形装置。
16. 光ビームをターゲット上に斜入射角で収束させるための焦点レンズと、
    前記光ビームが前記ターゲット上に前記斜入射角で収束されるときに、前記ターゲットの平面内での前記光ビームのトップを実質的にフラットにするためのＤＯＥと、
    前記ターゲットが装着されることになるチャックと、を備え、
    前記焦点レンズは、前記光ビームの光経路内で前記ＤＯＥと前記チャックの間に配置されており、
    前記ＤＯＥに入射する前記光ビームは実質的にガウシアンであり、
    前記光ビームの半径方向軸に対して垂直な前記ＤＯＥの断面は実質的にくさび形状となっている
    ことを特徴とする、光学検査器具用のビーム整形装置。
17. 光ビームを位相変調することと、
    前記光ビームをターゲット上に斜入射角で収束させることと、を含み、
    位相変調され前記ターゲット上に前記斜入射角で収束された前記光ビームは、前記ターゲットの平面内で実質的にフラットになったトップを有する
    ことを特徴とする、ビーム整形方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、
    前記位相変調は前記収束の前に位相変調器を使用して行われ、
    前記方法は前記光ビームを前記位相変調器に提供することを更に含み、前記位相変調器に提供される前記光ビームは実質的にガウシアンであることを特徴とする方法。
19. 請求項１７に記載の方法であって、前記位相変調は、対称位相項と非対称位相項の畳み込みの実例となっていることで前記ターゲットの前記平面内で実質的に対称なビームプロファイルを生成するＤＯＥを使用して行われることを特徴とする方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、
    前記ＤＯＥは、前記ＤＯＥの個別のスライスに対して個別の位相を有するそれぞれのビームプロファイルを生成するように成形されており、前記個別のスライスは前記光ビームの入射平面に対して垂直であり、
    前記個別の位相同士を組み合わせることによって前記ビームの前記トップのスパイクが平滑化されることを特徴とする方法。

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