JP4518704B2 - 位相シフトマスク検査装置及び位相シフトマスク検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路（ＩＣ）等の半導体装置を製造する際に、フォトリソグラフィー処理の露光工程で多く用いられるフォトマスクの一種である位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検出する位相シフトマスク検査装置及び位相シフトマスク検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路はフォトリソグラフィー技術を用いて製造されているが、その性能の高度化や容量の大規模化に伴い、解決すべき問題が頻出している。フォトリソグラフィーは、まずフォトマスクと呼ばれる原版を写真術によって作成し、それを更に写真術を用いて大量に転写コピーする技術である。
マルチメディアやＩＴ（Information Technology）技術の支えとなる次世代のメモリとして、ＧＢ（ギガバイト）以上の大容量メモリが待ち望まれている。そして、この大容量メモリにおいて要求されるルール（線幅）は、０．１３μｍ以下である。しかし、現状のフォトリソグラフィの技術のみでは、このように極微細な半導体を作ることは難しい。高度な解像力を持つＡｒＦレーザステッパを用い、開口数（ＮＡ）が０．６の高開口数を持つ転写光学系を用いたとしても、通常の構成のフォトマスクを用いた転写像は、そのコントラストが０．６に達しない。そこで、フォトマスクを透過する光の「波」としての性質を利用して「波」の強度だけでなくその位相を制御することで結像解像力を増加させる位相シフトマスク（ＰＳＭ／Phase Shift Mask）が近年開発されている。
【０００３】
ここで、その位相シフトマスクについて、図１７乃至図２２を用いて説明する。
図１７は通常のフォトマスクを用いて転写を行った場合の像の光強度分布の計算値を示す図、図１８は図１７の場合と同じパターンを位相シフトマスクを用いて転写した場合の像の光強度分布の計算値を示す図、図１９は通常のフォトマスクの構成例を模式的に示す断面図、図２０は位相シフトマスクの構成例を模式的に示す断面図、図２１は位相シフトマスクの別の構成例を模式的に示す断面図、図２２は従来の方法で位相シフトマスクを検査する場合の１回の検査範囲の例を示した図である。
【０００４】
図１７には、ＮＡが０．６のＡｒＦレーザステッパを用いて、線幅０．１３μｍのＬ＆Ｓ（ラインアンドスペース）パターンを通常のフォトマスクを用いて転写した場合の転写像の光強度分布の計算値を示している。ここで、折れ線２０１がパターンの幅を、曲線２０２が転写像の光強度分布を示している。また、Ｉｍｉｎ，Ｉｍａｘは、それぞれ各ピークの最小光量，最大光量を示している。半導体回路の安定な製作のためには０．７以上のコントラストが望ましいが、図１７に示すように、通常のフォトマスクでは０．６に満たないコントラストしか得ることができない。
これに対して、図１８には上記と全く同じ装置構成で位相シフトマスクを用いて転写を行った場合の転写像の強度分布の計算値を示している。ここで、折れ線２０３がパターンの幅を、曲線２０４が転写像の光強度分布を示している。この図１８から明らかなように、位相シフトマスクを用いれば、上記と同じレーザステッパによって０．９以上のコントラストを得ることが可能である。
【０００５】
通常のフォトマスクは、図１９に示すように、ガラス基板２１１の上に光を遮断する金属（クロム）２１２を配置したもので、金属部分は光を遮断し、金属２１２の無い部分は光を透過する。これに対して位相シフトマスクは、図２０に示すように、光を透過する部分に適宜に（レベンソンタイプなら交互に）位相シフタ２１３として透明物質を配置して透過光の位相を変化させて解像力を増加させるものである。
通常、レベンソンタイプの位相シフトマスクは、隣接する透過部分でそれぞれ１８０度ずつ位相がずれるように構成されている。この結果、隣接する透過部分を透過する透過光が不透過部分で重なり合うと、干渉によって打ち消し合い、結果的に解像度が向上する。これが、位相シフトマスクの原理である。また図２１に示すように、位相シフタ２１３を設ける代わりにガラス基板を腐食により削りこんで位相シフト部２１４を設けることによって位相差を得るように構成することもできる。
【０００６】
位相シフトマスクがその性能を発揮するためには、隣接する透過部分を透過する透過光の位相差が１８０度でなければならない。従って、位相シフタ２１３の厚さが変動したり、位相シフト部２１４の腐食深さが変動したりして位相差が１８０度からずれると、その部分の転写像には欠陥が生じることになる。これを以後ローカル位相欠陥と呼ぶ。
このようなローカル位相欠陥は半導体集積回路の製造工程にとって致命的であるが、マスクの検査工程でこのローカル位相欠陥を速やかに発見することは困難である。このことが、位相シフトマスクの採用を躊躇させる一因であり、メモリ容量の増加を妨げている原因でもある。
【０００７】
ローカル位相欠陥は、位相シフトマスクの製造工程での管理限界以下のサイズであり、製造工程中での発見は非常に困難であるため、最終検査工程で検査される。位相欠陥検査の従来の方法は、位相シフトマスク上の位相シフタの厚みやガラス基板の腐食深さを、膜厚計や深度計を用いて測定し、設計値と等しいかどうかを検査するものである。厚さや深さ方向の、いわゆる寸法計測を行うのは極微細な部分であるため、従来の寸法検査装置では膨大な検査時間を必要とし、実用に適さなかった。
ここで、例として１００ｍｍ□の位相シフトマスク全体を検査する場合を考える。半導体の回路寸法が仮に０．２μｍであれば、これに対応する位相シフトマスクは通常、その４倍の大きさで描かれるので、対応する位相シフトマスクには０．８μｍの大きさの回路パターンが描かれる。これをステッパなどの転写露光装置でウエハ上の感光剤に縮小露光し、現像して半導体の回路パターンを形成している。
【０００８】
このようなサイズの個々の位相シフタ２１３の厚さを計測する為には、１回の検査エリアが、図２２に矢印Ｘで示す示すように５μｍ□程度になるように倍率を設定して拡大しなければならない。そうすると、位相シフトマスクの全面の検査に必要な検査回数は４億回（一辺１００ｍｍ／５μｍ＝２００００、故に検査回数は２００００２回）となる。一回の検査に要する時間が仮に０．００１秒としても、検査時間は四十万秒、すなわち約５日弱となる。しかし、位相シフトマスクの検査は数十分から数時間以内に完了しなければ実用的ではない。つまり、従来の方法や装置で位相欠陥を検査することは困難である。
さらに、分解能の高い寸法検査装置を作成するためには高価な機材を用いなければならないため、検査装置のコストアップにつながるという問題もあった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ローカル位相欠陥は検査することが難しい位相シフトマスクの瑕疵である。半導体の回路パターンが更に微細化してゆくとローカル位相欠陥自体の寸法も小さくなり、この問題は未解決の大問題として残ることになる。さらに、前述したように、従来の「寸法計測」という方法では、この問題を解決することは困難である。
この発明は、このような問題を解決し、ローカル位相欠陥のようなごく微細な欠陥も短時間で発見可能な位相シフトマスク検査装置及び検査方法を提供し、かつ装置の大幅なコストダウンを図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するため、この発明の位相シフトマスク検査装置は、検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明する照明手段と、上記位相シフトマスクを観察するための対物レンズと、上記対物レンズによる上記位相シフトマスクの像を読み取る撮像手段と、その手段によって読み取った像の画像解析を行う画像解析手段とを備え、上記照明手段と上記対物レンズと上記撮像手段とによって構成される光学系のレーリーの解像限界は、上記位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しない値であり、上記画像解析手段は、上記撮像手段によって読み取った像の光強度分布を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する手段であることを特徴とする。
【００１１】
このような位相シフトマスク検査装置において、上記画像解析手段は、上記撮像手段によって読み取った像の検査対象以外の部分に対してマスク処理を行い、検査対象部分のみを取り出すマスク処理手段を有し、上記検査対象部分のみについてローカル位相欠陥の検査を行う手段であるとよい。
さらに、上記画像解析手段が、上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、その欠陥部の光強度とその周囲の光強度を比較することにより上記ローカル位相欠陥の寸法を算出する手段を備えているとよい。
【００１２】
あるいは、同一のパターンを複数形成した位相シフトマスクの検査を行う位相シフトマスク検査装置の場合には、上記位相シフトマスクを少なくとも上記対物レンズによる観察方向と垂直な平面上で移動させるための移動手段をさらに設け、上記画像解析手段を、上記撮像手段によって読み取った上記位相シフトマスク上の２つのパターンの対応する部分の像における光強度分布の差を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する手段にするとよい。
さらにまた、上記位相シフトマスク上に形成されるパターンの設計値と、上記照明手段と上記対物レンズと上記撮像手段とによって構成される光学系の特性値とから上記撮像手段によって読み取られる像の光強度分布を算出する光強度分布算出手段を設け、上記画像解析手段を、上記撮像手段によって読み取った像の光強度分布と上記光強度分布算出手段によって算出した光強度分布との差を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する手段にしてもよい。
【００１３】
これらの位相シフトマスク検査装置において、上記画像解析手段が、上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、その欠陥部における光強度差とその周囲における光強度差を比較することにより上記ローカル位相欠陥の寸法を算出する手段を備えるようにするとよい。
また、上記照明手段をリング状落射照明による照明手段にするとよい。
さらに、上記画像解析手段が上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合にそのローカル位相欠陥の位置情報を外部機器に出力する手段を設けるとよい。
【００１４】
また、この発明による位相シフトマスク検査方法は、前述の目的を達成するため、検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明し、上記位相シフトマスクの像を、その位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって撮像し、その像の光強度分布を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査することを特徴とする。
このような位相シフトマスク検査方法において、上記光学系によって撮像した像の検査対象以外の部分に対してマスク処理を行って検査対象部分のみを取り出し、上記検査対象部分のみについてローカル位相欠陥の検査を行うようにするとよい。
【００１５】
さらに、上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、その欠陥部の光強度とその周囲の光強度とを比較することにより上記ローカル位相欠陥の寸法を算出するようにするとよい。
この発明による位相シフトマスク検査方法はまた、検査対象が同一パターンを複数形成した位相シフトマスクである場合、その検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明し、上記位相シフトマスクの像を、その位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって上記同一パターンのうち２つのパターンについて対応する位置で撮像し、その２つの像の光強度分布の差を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する。
【００１６】
あるいは、検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明し、上記位相シフトマスクの像を、その位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって撮像し、その像の光強度分布と、上記位相シフトマスク上に形成されるパターンの設計値と上記光学系の特性値とから算出される像の光強度分布との差を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査するようにしてもよい。
これらの位相シフトマスク検査方法において、上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、その欠陥部における光強度の差とその周囲における光強度の差とを比較することにより上記ローカル位相欠陥の寸法を算出するようにするとよい。
また、上記照明をリング状落射照明によって行うようにするとよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
〔検査原理：図７乃至図１２〕
この発明による位相シフトマスク検査装置及び検査方法は、従来のように位相シフトマスク上の位相シフタの厚みやガラス基板の腐食深さを計測するのではなく、その位相シフトマスクが作り出す光分布を、低開口数で且つ低倍率の結像系を照明光の波長との関係がレーリーの解像限界に対応する解像力よりも小さくなるように設定し、且つ均一に照明することのできる照明光学系と組み合わせて撮像し、位相シフトマスク透過後の光量分布を計測演算することにより、位相シフトマスク上のローカル位相欠陥の検査を行うものである。
【００１８】
そこでまず、この検査原理について図７乃至図１２を用いて説明する。
図７は、この発明の位相シフトマスク検査装置及び検査方法によって発見しようとするローカル位相欠陥の例を示す図、図８は無欠陥のＬ＆Ｓパターンを観察した場合の光強度分布の計算値を示す図、図９はローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを観察した場合の光強度分布の計算値を示す図、図１０は無欠陥のＬ＆Ｓパターンを透過する光の光量分布について説明するための図、図１１はローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを透過する光の光量分布について説明するための図、図１２は落射照明によってローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを撮像した場合の光量分布について説明するための図である。
【００１９】
半導体メモリ作成用位相シフトマスクのローカル位相欠陥の典型的な例として、図７に示すものが挙げられる。この例は、ガラス基板の腐食によって設けた位相シフト部２１４の一部の深さが、製造工程上の不具合や誤差、または「ゆらぎ」によって変動してローカル位相欠陥部２１５になっているものである。
ここで、ローカル位相欠陥部２１５の寸法誤差をＤｎｍとし、パターン自体の線幅は透過部がＬμｍ、不透過部がＳμｍであるとすると、ウエハ上にスポットを転写してしまうローカル位相欠陥の実例としては、例えばＬ＆Ｓ＝１μｍ、Ｄ＝６０ｎｍのものがある。このサイズの欠陥は、通常の光学顕微鏡では、解像力が不足するために見ることができない。また、このサイズの欠陥を従来の欠陥検査装置で発見するのは至難である。なぜなら、従来の欠陥検査装置は寸法計測を行うものであり、従来の技術の項で説明したように、寸法計測精度が不充分であったり、精度はあっても計測時間が膨大であったりするからである。以下、主に上記の典型的なローカル位相欠陥の例を用いて説明する。
【００２０】
この発明は、位相シフトマスク上のローカル位相欠陥が転写されるものであれば、その光分布に変動が内包されているのであるから、位相シフトマスクが作り出す光分布を詳細に分析することにより、転写され得るローカル位相欠陥を発見しようとするものである。
そのために、低開口数かつ低倍率の光学系を用い、照明波長を光学系の解像力がレーリーの解像限界よりも小さくなるように設定する。そうすると、位相欠陥のないＬ＆Ｓパターンの形成された位相シフトマスクの対物レンズによる像は、図８の直線１２２に示すような一定の均一な光量分布となる。ここで、折れ線１２１はＬ＆Ｓパターンの幅を示している。
【００２１】
この一定値は、位相差やコヒーレンス度に応じて変化する。ここでの例は位相差が１８０度の場合で、この場合の一定な像面光量は、Ｌ＆Ｓパターンの寸法やコヒーレンス比に応じて０から約０．１５程度である。ただし、「１」は、パターンのないマスクの像面光量（最大透過光量）である。
これに対して、位相シフトマスクに図７に示すようなローカルな位相欠陥がある場合は、光量分布が一定値から変化する。このような位相シフトマスクの像の光量分布を計算すると、図９の曲線１２４に示すようになる。ただし、Ｌ，Ｓ＝１μｍ，欠陥サイズＤ＝６０ｎｍ，ＮＡ＝０．０９，照明波長λ＝５７８ｎｍ、対物レンズの倍率は５倍とした。また折れ線１２３は、Ｌ＆Ｓパターンの幅を示したものである。
【００２２】
図９からわかるように、低開口数の対物レンズを用い、観察対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって結像させることにより、ローカル位相欠陥の部分を拡大することができる。この場合、位相シフトマスク上での６０ｎｍの縦方向の欠陥が、像面上では、矢印Ｙで示すように横方向に２０μｍに拡大されている。なお、５倍の対物レンズを用いているので、Ｌ＆Ｓパターンの幅は５μｍである。
通常、マスク上のローカル位相欠陥自体は、高倍率の顕微鏡を用いても見ることは難しい。しかし、低倍率のルーペを用いた肉眼での観測で、ローカル位相欠陥が発見される場合がある。これは目を含む光学系が低倍率、低開口数の条件を満たして、網膜上にスポットが形成される場合である。位相シフトマスクの製造に携わる熟練者が、低倍率のルーペや実体顕微鏡でローカル位相欠陥を発見しようとするのは、このためである。
【００２３】
さらに、低倍率レンズであれば、一回の検査エリアを大きくすることができる。５倍の対物レンズと２／３インチＣＣＤカメラを用いた場合は、一回の検査エリアは１．２ｍｍ□である。そうすると、１００ｍｍ□の位相シフトマスクの全面を検査する場合の検査回数は約７千回となる（一辺１００ｍｍ／１．２ｍｍ＝８３、ゆえに検査回数は８３２回）。従って、一回の検査に要する時間が仮に０．１秒とすると、検査時間は約１２分弱となる。従来技術の説明で仮定したように一回０．００１秒とすれば、検査時間は１０秒以下となる。
このように、この発明によれば、高分解能装置の場合には数日から数十日を要する検査を、数分から数十分という短時間で完了するような、高速の装置を構成することができる。
【００２４】
この発明によれば、光強度分布の解析により、ローカル位相欠陥のサイズを計測することもできる。次に、この点について説明する。
低開口数かつ低倍率の光学系を用い、照明波長を光学系の解像力がレーリー解像限界よりも小さくなるような光学系を用いた場合には、ローカル位相欠陥の位相および欠陥のサイズＤは、欠陥部分が作り出す光強度とその周辺部分が作り出す光強度を比較することで算出することができる。
欠陥部の位相差χを具体的に書き表すと、数１に示すようになり、これは照明方法によらない。
【００２５】
【数１】
【００２６】
ここでφは欠陥のない場合の位相差であり、Ｃは欠陥部分と周辺部分のコントラストである。コントラストは、欠陥部スポットの光強度Ｉχと、周辺の光強度Ｉφとから数２で定義される、測定可能なパラメータである。
【００２７】
【数２】
【００２８】
欠陥のサイズＤは、透過照明の場合、スポットの光強度Ｉχと、周辺の光強度Ｉφおよび照明波長λとガラス基板の屈折率ｎから、数３によって求めることができ、落射（反射）照明の場合は、空気の屈折率をｎ、落射照明の基板に対する入射角をθとして、数４によって求めることができる。
【００２９】
【数３】
【００３０】
【数４】
【００３１】
この点についてさらに詳しく説明する。まず、透過照明を用いる場合について説明する。
位相シフトマスクでは、隣り合う透過部分を透過した光の位相が約１８０度異なるため、像面上でこれらが重ね合わされると打ち消し合う。低開口数かつ低倍率の光学系を用い、照明波長を光学系の解像力がレーリー解像限界よりも小さくなるように設定すると、ローカル位相欠陥の無いＬ＆Ｓパターンを形成した位相シフトマスクの対物レンズによる像は、一定の均一な光量分布となる。この一定値はＬ＆Ｓの寸法や位相差及びコヒーレンス度に応じて変化するが、位相差が１８０度の場合は、０から約０．１５程度である。ただし、「１」は、パターンのないマスクの像面光量に規格化している。ローカル位相欠陥があれば欠陥部の光分布はこの一定値から変化するが、その変化の大きさは欠陥のサイズＤに依存している。
【００３２】
図１０に示すような、隣り合いかつ位相差のある光束Ａ，Ａ′が像面上で重ね合わされるとする。光波Ａ，Ａ′の振幅ａは等しく、位相はφだけ違っているから、光波Ａ，Ａ′はそれぞれ余弦関数を用いて数５のように書き表すことができる。ここで、ωは光波の角速度、ｔは時間、αは初期位相である。
【００３３】
【数５】
【００３４】
簡単のために、ωｔ＋α＝Ωとすると、像面上すなわちセンサ面上での光の強度Ａ＋Ａ’は数６のようになる。
【００３５】
【数６】
【００３６】
実際に計測されるのは光強度の時間平均Ｉφであるが、数６で時間に依存するのはｃｏｓ（Ω＋φ／２）のみであり、これの２乗平均は１／２であるから、数７のようになる。ここで、＜＞は時間平均を表わす。
【００３７】
【数７】
【００３８】
従って、低開口数かつ低倍率の光学系を用い、照明波長を光学系の解像力がレーリー解像限界よりも小さくなるように設定すると、Ｌ＆Ｓパターンを形成した位相シフトマスクの対物レンズによる像は、一定の均一な光量分布となる。
次に、図１１に示すような、ローカル位相欠陥部２１５を透過した光波Ｂと光波Ｂ′がセンサ面上につくる像の光強度について考える。その光強度Ｉχは、光波Ｂ，Ｂ’の位相差をχとすると、数７と同様に計算して数８のようになるので、位相欠陥のない部分とは異なった明るさのスポットを形成する。
【００３９】
【数８】
【００４０】
スポットのコントラストＣは、数９で表される。
【００４１】
【数９】
【００４２】
これをｃｏｓ２（χ／２）について解くと、数１０のようになる。
【００４３】
【数１０】
【００４４】
従って、φは設計上の（欠陥がないとした場合の）位相差であるので、スポットのコントラストＣを計測すれば光波ＢとＢ′の間の位相差χを求めることができる。具体的に書き表すと、数１１のようになる。
【００４５】
【数１１】
【００４６】
欠陥のサイズＤは、光路長ｎＤに２π／λを掛けたものが位相差であり、数１２が成り立つので、数１３によって求めることができる。ここで、ｎはガラス基板の屈折率、λは照明波長である。
【００４７】
【数１２】
【００４８】
【数１３】
【００４９】
あるいは、数５において入射光の振幅を「１」に規格化しておけば、ａ＝１であり、数１３の代わりにスポットの光強度Ｉχと、周辺の光強度Ｉφとから、数１４によって求めることもできる。
【００５０】
【数１４】
【００５１】
次に、落射照明を用いる場合について説明する。
図１２に示すような、ローカル位相欠陥部２１５で反射した光波Ｂと光波Ｂ′とがセンサ面上につくる像の光強度について考える。入射光がガラス基板の法線となす角をθとすると、位相欠陥がない部分と、位相欠陥がある部分との位相差Ψは、空気の屈折率をｎとすると、
Ψ＝４ｎＤπ／（λcosθ）
であり、位相差Ψは
Ψ＝χ−φ
であるから、欠陥のサイズＤは数１５によって求めることができる。入射振幅が「１」に規格化されているときは、数１６によって求めることもできる。
【００５２】
【数１５】
【００５３】
【数１６】
【００５４】
以上の例は、ガラス基板を削り込んで位相差を持たせたタイプの位相シフトマスクについて説明したが、位相シフタを基板の上に設けるタイプのものについても全く同様な式が成立する。基本的な式は、透過照明に対する数１４であり、屈折率ｎは光が通過する媒質のものであるとすれば良い。落射照明では、これに因子ｃｏｓθ／２が掛かる。従って、落射照明の場合には透過照明と同程度の光強度差の観察でｃｏｓθ／２（＜１）倍程度のサイズの欠陥まで発見することができる。これは、光路差が往復の長さになると共に斜めになるので、位相差が光路差の増加分である２／ｃｏｓθ倍に拡大されるためである。従って、この発明を実施するにあたっては、落射照明を用いることが好ましい。また、入射角θを大きくすると、ｃｏｓθ／２が減少してより小さなサイズの欠陥まで発見できるようになると共に、ガラス基板表面での反射率が増加し、観察可能な光量が増加してより微細な光強度差を観察できるようになるので、落射照明の場合に入射角θを大きくすると、効果的である。
【００５５】
ここで、数値的な実例を挙げる。例えば、光強度を８ビットのデジタル信号化するものとし、最大強度を２５５、最小強度を０とし、照明波長λ＝０．５４８μｍ、ガラス基板の屈折率を１．６８であるとし、測定されたＩχとＩφをそれぞれ５０，１００であるとするならば、
Ｉχ＝５０／２５５＝０．１９６
Ｉφ＝１００／２５５＝０．３９２
であるから、Ｄ＝２２．６ｎｍとなる。この時の位相差は約３０度である。
このようにして、本発明によればローカル位相欠陥を高速に検知すると共に、その光強度分布から欠陥のサイズを計算することが可能である。
【００５６】
〔実施形態：図１乃至図３〕
次に、この発明の位相シフトマスク検査装置の実施形態について、図１乃至図３を用いて説明する。図１はこの発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置の概略構成を示す正面図、図２はその光学系の構成を示す図、図３はその光学系の別の構成例を示す図である。
【００５７】
図１に示すように、この実施形態の位相シフトマスク検査装置は、検査機本体１，ローダ２，画像処理装置３からなる。
検査機本体１はＣＣＤカメラ４，ＸＹＺテーブル５，マスクホルダ６，結像光学系８，架台１３，照明系２０によって構成される。
ＣＣＤカメラ４は、撮像手段であり、結像光学系８によって形成される像を画像データに変換する装置である。このＣＣＤカメラ４は画像処理装置３に接続されていて、取得した画像データは画像処理装置３に転送されて解析される。
【００５８】
ＸＹＺテーブル５は、移動手段であり、検査対象である位相シフトマスク７を固定するマスクホルダ６を保持し、結像光学系８の対物レンズとの位置を調整するためのテーブルである。このＸＹＺテーブル５は、水平方向の位置を調整して検査領域に合わせるための電動ＸＹテーブルと、対物レンズと位相シフトマスク７との間隔を調節してフォーカスを合わせるための電動Ｚテーブルとで構成されている。
【００５９】
マスクホルダ６は、検査対象である位相シフトマスク７を固定するためのホルダであり、ＸＹＺテーブル５を構成する電動ＸＹテーブルに固定されている。位相シフトマスク７のマスクホルダ６へのセットは、人の手によって行っても、ローダと呼ばれる自動装着装置によって行ってもよい。マスクホルダ６からの取り外しも、人の手によって行っても、アンローダと呼ばれる自動脱却装置によって行ってもよい。この実施形態においては、上述のローダとアンローダの機能を併せ持つローダ２によって行うこととしている。
【００６０】
結像光学系８は、透過照明された位相シフトマスク７の像をＣＣＤカメラ４の受光面上に結像させるための光学系であり、照明系２０はその透過照明を行うための光学系である照明手段であるが、これらについては後に詳述する。
架台１３は、検査機本体１の全体を強固に保持するためのもので、ゆれや振動を防止する構造を持つものである。
【００６１】
ローダ２は架台１４上に載置され、マスクホルダ６に位相シフトマスク７の着脱を行うための装置であるが、この発明に必須の構成ではない。
画像処理装置３は、架台１５上に載置された画像解析手段であり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等によって構成されるコンピュータ本体１０と、表示装置（モニタ）１１によって構成され、通常のパーソナルコンピュータ等を用いることができる。ＣＣＤカメラ４が取得した画像データは、この画像処理装置３に転送してマスク処理やフィルタ処理等の後述する解析処理を行い、位相シフトマスク７におけるローカル位相欠陥の有無を判定する。またこの画像処理装置３は、この位相シフトマスク検査装置全体を統括制御する制御手段でもある。
【００６２】
このような位相シフトマスク検査装置によってローカル位相欠陥の検査を行う場合、位相シフトマスク７に欠陥があるときは、ＣＣＤカメラ４の画像に、図９に示したような、周辺よりも明るいかまたは暗い光量変動が発生するので、画像処理装置３が、解析処理によってその光量変動を発見した場合には、その位置にローカル位相欠陥があったものとしてその位置を記憶する。欠陥の詳細を出力する場合には、記録した欠陥の部分の画像データを前述した方法で処理し、欠陥サイズ等の必要なデータを計算して表示する。
【００６３】
既に述べたように、この発明の位相シフトマスク検査装置は、ローカル位相欠陥が作り出す光強度分布変動を検知することによりその存在とサイズを検出・測定する。そして、検査原理の項で説明した数値例から明らかなように、数ｎｍのローカル位相欠陥を検出するためには数％の光量差を検出しなければならない。従って、照明系２０と結像光学系８による像面照度の変動は、ローカル位相欠陥が作り出す光強度分布変動に比べて十分に小さくしなければならない。そうしなければローカル位相欠陥が作り出す光強度分布変動は光学系による変動に覆い隠されてしまうからである。
【００６４】
この実施形態の位相シフトマスク検査装置においては、光学系における光強度分布変動を低減し、均一な照明を行うために、図２に示す光学系を採用している。次に、この光学系について説明する。
この光学系においては、ランプ２１から放射された光はカイルプリズム２２で放射状に拡散される。これは、ランプ２１の中心光量が周辺に比較して強いので、中心部の光量を周辺部に分散させて光の強さを平均化させるためである。
カイルプリズム２２を通過した光は第１のカレイドスコープ２３に入射する。カレイドスコープは万華鏡セルであり、ランプの虚像を多数個作り、光を多重化することで照明光量の均一化を行うための光学素子である。
【００６５】
第１のカレイドスコープ２３を通過した光は、ランプハウスと光学系を遠くに離して熱による変動を防ぐ為に光ファイバ２４を通し、さらに第２のカレイドスコープ２５を通過させる。
その後、照明光を単波長化して対物レンズをレーリー解像力以下にするための干渉フィルター２６及び、平行光線で照明するケーラー照明を行うためのコンデンサ２７を通して位相シフトマスク７を照明する。ここで、図２ではＸＹＺテーブル５とマスクホルダ６は図示を省略しており、図１に示した照明系２０は光ファイバ２４からコンデンサ２７までの構成である。
【００６６】
位相シフトマスク７を透過した光は、対物レンズ２８によって集光され、リレーレンズ２９を介してＣＣＤカメラ４の受光面に結像される。リレーレンズ２９は、倍率を僅かに変更することでモアレの発生を抑止するための光学素子である。位相シフトマスクの像パターンとＣＣＤカメラの画素ピッチが整数比の関係にあると、モアレパターンが像面上に発生することがあるため、これを防ぐために、例えば０．８倍乃至１．２倍程度のリレーレンズ２９を用いて、像の倍率を変更してモアレの発生を防止するのである。
【００６７】
ところで、前述のように、この発明の位相シフトマスク検査装置に落射照明を適用することは効果的である。そこで、次にこの落射照明の例について説明する。この落射照明の照明系については図３に示しているが、図３では光源部の構成は簡略化して示しており、図示はしていないが、図２のランプ２１から干渉フィルタ２６までの構成を備えている。また、リレーレンズは図示を省略している。
【００６８】
図２に示した光源であるランプ２１から出射され、干渉フィルタ２６までの構成によって均一な単波長光になった光は、コンデンサ２７によって平行光線になり、リングスリット３１でリング状に整形される。このリングスリット３１のスリット部にはハエの目レンズ等を配置して照明光量の均一化を行うようにしてもよい。スリットを出た光は、リング状の穴明きミラー３２によって反射され、リング状コンデンサ３３によって集光されて位相シフトマスク７を照明する。位相シフトマスク７の表面からの反射光は、リング状コンデンサ３３の内部に配置された対物レンズ３４によって集光され、図示しないリレーレンズを介してＣＣＤカメラ４の受光面に結像される。このような照明系は、リング状落射照明と呼ばれる。
【００６９】
前述のように、落射照明の入射角θを大きくするほどローカル位相欠陥の検知感度が上昇するので、θは大きいほうが望ましいが、そうするためにはリングスリット３１，穴明きミラー３２，リング状コンデンサ３３の直径を大きくしなければならないので、配置スペースや加工性の問題が生じる。従って、これらの兼ね合いで適切なθを選択するとよい。
【００７０】
〔動作例１：図４乃至図６，図１３，図１４〕
次に、この実施形態の位相シフトマスク検査装置の動作例として、実際の検査方法について、図４乃至図６及び図１３，図１４を用いて説明する。図４は位相シフトマスクの検査領域について説明するための図、図５及び図６はこの実施形態の位相シフトマスク検査装置におけるデータ処理について説明するための図、図１３はその位相シフトマスク検査装置における位相シフトマスク検査の処理を示すフローチャート、図１４はその位相シフトマスク検査装置における検査結果の表示例を示す図である。
【００７１】
以下に説明する動作例は、透過照明を用いた場合にも落射照明を用いた場合にも同様に当てはまるものであるが、ここでは透過照明を前提にして説明する。また、ここではまずメモリ回路作成用の位相シフトマスク（以下「メモリマスク」と略称する）を検査する場合の例について説明する。
前述したように、対物光学系としては低倍率低開口数のものを採用する。この実施形態では、５倍の対物レンズを用い、ＣＣＤカメラとして２／３インチのものを用いている。この場合には、一回に取りこまれる検査領域の画像のサイズは約１．２ｍｍ□である。
【００７２】
取り込まれた位相シフトマスク（メモリマスク）の画像には、その特性から、図４に示すように、配線パターン等を形成する部分に対応する粗パターン領域１１１と、メモリパターン等を形成する部分に対応する微細パターン領域１１２とがある。このうち、粗パターン領域１１１では位相シフトは行わないのでローカル位相欠陥は発生しない。従って、検査対象となるのは、ローカル位相欠陥が発生する可能性のある微細パターン領域１１２である。
そこで、画像の濃度分布（透過光強度分布）を検査し、微細パターンに対応する適切な濃度部分を切り出す処理を行う。換言すれば、粗パターン領域１１１を遮蔽するマスクを作成し、全画像に対してマスク処理を行う。微細パターン部分の標準的な濃度は、前述したようにパターンのサイズ及び位相差とコヒーレンス度から求められるので、この濃度から大幅にずれた部分が長く連続した領域をマスクするようにすればよい。またこのマスクは、検査対象の位相シフトマスクの設計パターンを基に作成することもできる。なお、ここで「濃度」とは画像の白レベルのことである。従って、「濃度が高い」場合には画像が白く、マスクの透過率が大きいことになる。
【００７３】
この実施形態の位相シフトマスク検査装置は、前述のように、低開口数の対物レンズを用いることにより、位相シフトマスク上の微細なパターンの大きさがレーリー解像限界以下となるようにしているため、微細パターン領域１１２は解像されず、図８を用いて説明したようにその濃度は一定になる。
もしローカル位相欠陥があれば、その部分の拡大されたエリアは図９を用いて説明したように異なった濃度値を取る。この実施形態の位相シフトマスク検査装置は、この濃度値の異なる部分を検出することによってローカル位相欠陥を検出するが、そのためにある種の絶対値微分フィルタを用いて画像処理を行い、濃度値変化を増幅する。ただし、ここで用いるフィルタはソーベルフィルタのように平均レベルが０になるものではなく、平均レベルは変化させないものが望ましい。
【００７４】
このフィルタ処理を行うことで、変化部分を強調すると同時に、欠陥部分の濃度が最大値を持つようにすることができる。また、像面上に照明系の照度不均一性等に起因する誤差があった場合でも、一般にその誤差による変化よりも急峻な、欠陥部分の濃度変化を強調することができる。
従って、ローカル位相欠陥がある場合、その場所を特定するには、フィルタ後の濃度値が最大となる場所を求めれば良い。欠陥が無い場合は、理論上は濃度は一定値を取るが、実際に計測された濃度は、照明系の照度不均一性やＣＣＤカメラの暗電流ノイズの影響である幅を持つので、この幅をΔとする。
【００７５】
濃度の最大値からΔだけ下のレベルで検査画像を２値化すると、欠陥が無い場合は図５の曲線１０５に示すように、検査エリアのほとんど全ての部分が「１」となる。ここで「１」は閾値より濃度の高い白レベルを表わす。一方ローカル位相欠陥がある場合は、図６の曲線１０６に示すように、最大値からΔだけ下のレベルで２値化しても欠陥部分だけが安定して「１」である。ここで、曲線１０５及び１０６は、図８の直線１２２及び図９の曲線１２４の示す画像データに上述の画像処理を施したものであり、パターンの幅を示すために図５及び図６には折れ線１０１及び１０３もそれぞれ示している。
このような処理を行い、２値化により「０」レベルの中に安定した「１」レベルの場所ができるならば、その場所にローカル位相欠陥が存在し、全体的に「１」レベルになるならば無欠陥であると判断する。
【００７６】
次に、この実施形態の位相シフトマスク検査装置を用いた実際の検査手順について説明する。
ユーザは、まず図１に示した位相シフトマスク検査装置のマスクホルダ６に、検査対象である位相シフトマスク７を手動又はローダ２を用いて自動でセットし、画像処理装置３の図示を省略したキーボードやマウスを用いて、検査する全エリア、照明光量、フォーカスなどを適切に設定する。そして、検査の開始を指示すると、この装置は図１３のフローチャートに示す処理を開始する。
【００７７】
まず、ステップＳ１でＸＹＺテーブル５によって検査対象の位相シフトマスク７を検査開始点に移動し、ステップＳ２でその検査エリアにおける像をＣＣＤカメラ４によって画像データとして取り込み、画像処理装置３に転送する。
そしてステップＳ３で、その画像データに前述したマスク処理を行い、検査対象となる微細パターン領域のデータのみを取り出す。
その後、ステップＳ４で検査対象エリアに対して変化点を強調するフィルタ処理を施す。このフィルタ処理には、一種の絶対値微分フィルタを用いる。従って、濃度（明るさ）の変化点が強調される。ローカル位相欠陥は、周辺に比較して明るくなるように変換される。欠陥がなければ、このフィルタ処理により検査エリアはほぼ同一の濃度になる。
【００７８】
そしてステップＳ５でフィルタ処理後の画像データについて、濃度の最大値を求め、その最大値よりΔだけ小さい濃度を閾値としてその画像データを２値化した２値化データを作成する。ここでΔとは、濃度は照明系の照度不均一性やＣＣＤカメラの暗電流ノイズの影響である幅を持つので、フィルタ処理後に残るこれらのノイズの大きさをΔとし、最大濃度からΔだけ下のレベルを閾値として二値化処理を行うものである。
【００７９】
前述したように、この時ほとんど全画面が「１」であればローカル位相欠陥は存在せず、ローカル位相欠陥があれば、その点だけが「１」で、残りのエリアは「０」となるので、ステップＳ６では２値化後のデータがほとんど「１」かどうか判断し、ＮｏであればステップＳ７に進んで欠陥ありと判断する。ここで、「１」は最大の明るさ、「０」は最小の明るさ（濃度）のことである。また「ほとんど」の基準は、データが「１」であるドットの数として、検査エリアにそれだけの数の欠陥があるとはとても考えられないような数、例えば「５０」などを適宜設定するとよい。
【００８０】
そして、ステップＳ７からステップＳ８に進んで、そのデータが「１」であった位置を欠陥の位置として記録する。データが「１」の領域がある程度広い場合には、その中心の位置を記録するとよい。さらにステップＳ９で、フィルタ処理前の画像の濃度変化の大きさから前述の方法で欠陥のサイズを算出して位置と共に記録してステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０では、Δをわずかに増加させて、再度フィルタ処理後の画像データについてその最大値よりΔだけ小さい濃度を閾値としてその画像データを２値化した２値化データを作成する。そして、ステップＳ６に戻って処理を繰り返す。
【００８１】
１度目のステップＳ６の判断では、ローカル位相欠陥が複数あった場合でもそのうち画像での濃度変化が最大になるものしか検出できないが、ローカル位相欠陥が発見された場合にこのように閾値を下げて再度判定を行うことにより、画像での濃度変化がより小さいローカル位相欠陥も検出できるようになる。なお、ある検査位置においてステップＳ８及びステップＳ９を２度以上実行する場合には、新たに発見されたローカル位相欠陥のみのデータを記録するようにしてもよい。
ここで、ローカル位相欠陥が検出された場合にステップＳ１０でΔを増加させていくと、次第に検出されるローカル位相欠陥の数（すなわちデータが「１」のドットの数）が増してくるが、その数が実際には検査エリアに存在し得ないと考えられる数になった場合には、新たにローカル位相欠陥として検出されるものはノイズであると考えられる。
【００８２】
従って、ステップＳ６で判断基準の例として示した「５０」は、数としては「ほとんど」全画面とは言えないような僅かなドット数であるが、このようなノイズが検出された場合にそれ以上ローカル位相欠陥はないと判断するためには好適な基準である。なお、ローカル位相欠陥がない場合又はΔを増加させた結果閾値がローカル位相欠陥のない領域の濃度よりも下がった場合には直ちにぼぼ全域に亘ってデータが「１」になるが、この場合にはデータが「１」のドット数はもちろん５０以上であり、データはほとんど「１」であると判断される。
【００８３】
ステップＳ６でＹｅｓであれば、ステップＳ１１でステップＳ６の判断が現在の検査位置において初回かどうか判断する。
初回であればステップＳ１２に進んで現在の検査位置にはローカル位相欠陥はないと判断し、ステップＳ１４に進む。初回でなければ、ステップＳ１３に進んで現在の検査位置にはこれまでに検出した以上のローカル位相欠陥はないと判断し、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、現在位置が検査の最終位置であるかどうか判断し、最終位置であれば終了する。最終位置でなければ、ステップＳ１５に進んでＸＹＺテーブルによって位相シフトマスク７を次の検査エリアを検査する位置に移動し、ステップＳ２に進んで処理を繰り返す。
【００８４】
このような処理によって、位相シフトマスク上のローカル位相欠陥の位置とサイズを検出することができる。この処理において、ステップＳ３からＳ１３の画像処理と、それ以外のデータ取り込み処理を順に行う例を示しているが、画像データを記憶する記憶手段の容量に余裕がある場合には、画像データの取り込みと画像処理を並列に行ってもよく、画像データを先に蓄積してしまうようにしてもよい。
このような処理によって検出した欠陥部分（あるいは欠陥がないという検査結果）の表示例を図１４に示す。この表示は、図１に示した画像処理装置３の表示装置１１の表示画面に表示される。
【００８５】
この実施形態の位相シフトマスク検査装置では、５倍の対物レンズと２／３インチＣＣＤカメラを用いているので、１回に検査できる検査エリアは１．２ｍｍ□である。図１４の左側の画像表示領域１３１はその１．２ｍｍ□の検査エリアの画像を表示しており、四角で囲んだ部分に計３ヶのローカル位相欠陥が検出されたことを表示している。ただし、欠陥部分は強調して表示されている。また、クロスハッチングで示した部分は検査対象外の領域である。またこの実施形態では、１．２ｍｍ□の検査エリアは左下の端を原点としＸ，Ｙ方向ともに５１２の格子点に分割されている。
【００８６】
右側のPhase Error Information枠には、このローカル位相欠陥の詳細を表示している。この例では、１番目の欠陥の位置は座標系でＸ＝９３，Ｙ＝７５であり、欠陥部とその周辺との光量差は１１．８６１％、この数値から計算したこの欠陥の深さ変動は６８．２ｎｍであること等を表示している。
Inspection Conditions枠はローカル位相欠陥検査の条件を表示している。Mask Typeは位相シフトマスクの種類を、Sensitivityは検査感度の設定を表示している。Critical DimensionのLineとSpaceは、それぞれＬ＆Ｓパターンの不透過部と透過部の寸法を示している。
その他の表示については詳細にわたるので個々の説明は割愛するが、ユーザはInspection Condition枠に表示された設定を適宜変更することにより、より適切な検査を行うことができる。
【００８７】
なお、この実施形態においては対物レンズとして倍率が５倍のものを用いたが、対物レンズの倍率はこれに限られるものではないことは言うまでもない。しかし、倍率が低すぎるとローカル位相欠陥による光量変動をＣＣＤカメラで解析するに十分な程拡大できず、倍率が高すぎると１回に検査できる検査エリアが小さくなってしまうので、ローカル位相欠陥による光量変動スポットをＣＣＤカメラの２画素分程度の大きさに拡大できるような倍率にするとよい。
また、発見した欠陥の位置情報を、電子顕微鏡等の、検査範囲は狭くともより詳細な解析を行うことができる外部の装置に転送する手段を設けてもよい。このようにすれば、高解像度の検査装置を有効に活用して欠陥の詳細を知ることができる。
【００８８】
〔動作例２：図１５，図１６〕
次に、図１５及び図１６を用いて、一般的な論理回路を形成するための位相シフトマスク（以下「ロジックマスク」とも呼ぶ）を検査する場合の動作例について説明する。図１５はこの動作例の検査モードにおけるデータ処理について説明するための図、図１６はこの動作例の検査モードにおける位相シフトマスク検査の処理を示すフローチャートである。
メモリマスクの場合は一定なパターンが繰り返すため、ローカル位相欠陥部の光量変動を周辺の光量と比較したが、ロジックマスクでは同一パターンの繰り返しはほとんど無く、周辺の光量もそれに従っていろいろな値を取っている。従ってこの場合、メモリマスクと同様な検出を行うことはできない。
【００８９】
ところで、通常、位相シフトマスクを含むフォトマスクでは、同じ回路パターンが別の場所に複数個作られる。また、ローカル位相欠陥は位相シフトマスク製作工程のゆらぎによって発生するため、別の場所に作られた同一パターンの同じ場所に欠陥が発生する確率は極端に小さく、ゼロであるとみなして良い。
そこで、ロジックマスクの場合には、位相シフトマスク上の２つのパターンにおける光分布を比較することにより、ローカル位相欠陥の検出を行うことができる。両方とも正常なパターンであれば、光分布の差は０となり、一方に欠陥がある場合には、光分布の差が検出される。
【００９０】
この検出例を図１５に示す。正常なパターンとローカル位相欠陥のあるパターンの光強度分布をそれぞれ測定して差を求めると、図１５に示すような光分布の変動が得られる。縦軸は２つのパターンにおける光強度の差を示し、横軸は位置を示す。この例の場合は中央付近に欠陥があるため、光強度の差が大きくなっているが、欠陥のない周辺部では差は０である。また、ローカル位相欠陥が無い場合は、光強度の差は全体的に０となる。
ただし、このような解析を行うためには、２つの光強度分布の位置を正確に合わせて差を求めなければならない。位置合わせの精度が不足する場合には、欠陥によらないパターンの光強度分布自体に依存する差が見えてしまう。従って、その差がローカル位相欠陥による光量の変動よりも十分に小さくなるように位置合わせをしなければならない。
【００９１】
次に、この実施形態の位相シフトマスク検査装置におけるロジックマスクの検査手順について図１６を用いて説明する。この検査手順は、動作例１において説明したメモリマスクの検査手順と同様な点が多いため、図１６のフローチャートにおいて図１３のフローチャートの処理と対応する部分には同一のステップ番号を付し、その説明は省略するか簡単にする。また、この例では１つのロジックマスク上に２つの同じパターンが形成されているものとする。
【００９２】
ユーザは、まず図１に示した位相シフトマスク検査装置のマスクホルダ６に、検査対象である位相シフトマスク７を手動又はローダ２を用いて自動でセットし、画像処理装置３の図示を省略したキーボードやマウスを用いて、検査する全エリア、照明光量、フォーカスなどを適切に設定する。そして、検査の開始を指示すると、この装置は図１６のフローチャートに示す処理を開始する。
まず、ステップＳ１で検査対象の位相シフトマスク７を検査開始点に移動し、ステップＳ２１で１番目のパターンの検査エリアにおける像をＣＣＤカメラ４によって画像データとして取り込み、画像処理装置３に転送する。
【００９３】
そして、ステップＳ２２で位相シフトマスク７を２番目のパターンにおける対応する検査位置に移動し、２番目のパターンの検査エリアにおける像を同様にＣＣＤカメラ４によって画像データとして取り込み、画像処理装置３に転送する。
そしてステップＳ２３で、取り込んだ２つの画像データの差の絶対値を求めて検査対象の画像データとする。
そして、この画像データに対してステップＳ４以降の処理を図１３を用いて説明したメモリマスクの検査の場合とほぼ同様に行う。ただし、画像データの濃度が欠陥がない場合にはほぼ０である点が、メモリマスクの検査の場合と異なる。
【００９４】
このような処理によって、位相シフトマスク上の欠陥の位置とサイズを検出することができる。ただし、２つのパターンの画像データの差の絶対値に対して処理を行っているため、２つのパターンのどちらに実際に欠陥があるかを決定することはできない。
なお、図９のフローチャートにおいては、検査位置１エリア毎に２つのパターンの画像データを取りこむ例を示しているが、画像データを記憶する記憶手段の容量に余裕がある場合には、まず１番目のパターンについて１ライン或いは全ての画像データを取り込んでから２番目のパターンについて対応する領域の画像データを取り込み、画像処理を行うようにしてもよい。
【００９５】
このようにすれば、位相シフトマスクを移動させる距離が減少し、検査時間を短縮することができる。また、画像データの取り込みと画像処理を並列して行うようにしてもよいのは、メモリマスクの検査の場合と同様である。
１つの位相シフトマスク上に３つ以上の同一のパターンが形成されている場合には、２つずつのパターンを選択して上述の検査手順を繰り返すか、１番目のパターンについて画像データを全て記憶しておき、他のパターンを順次そのパターンと比較するようにするとよい。
【００９６】
また、複数同一の回路パターンを形成しない位相シフトマスクを検査する場合には、その設計パターンが検査用の対物レンズを通して作り出すであろう光分布と、位相シフトマスクを実際に結像させた像の光分布の差を分析するようにしてもよい。
位相シフトマスク上の位置を指定すれば、その位置の設計上のパターン形状と寸法を求めることができる。光学系の開口数、収差、照明波長およびコヒーレンスレシオは既知であるので、Ｈ．Ｈ．Ｈｏｐｋｉｎｓの部分コヒーレント結像理論を用いて、そのパターンによる像の光強度分布が計算できる。この計算を行う光強度分布算出手段としては、画像処理装置３を用いることもできるし、外部のコンピュータ等を用いて計算したデータを画像処理装置３に入力するようにしてもよい。この計算による値と実際にＣＣＤカメラで測定した光量分布の差を求めても、上述の場合と同様にローカル位相欠陥を検出することができる。
【００９７】
このような位相シフトマスク検査装置によれば、任意の位相シフトマスクについて位相シフトマスク上のローカル位相欠陥を高速に検知すると共に、その光量分布を計測演算して欠陥のサイズを計算することが可能となる。もちろん、検査対象は半導体回路形成用の位相シフトマスクに限られるものではない。
また、上述の実施形態及び動作例においては、ローカル位相欠陥の検査に用いる例について説明したが、ごみや傷等による欠陥の場合でも光量分布の変動は当然起こるため、これらの検出に用いることもできることは言うまでもない。
【００９８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明の位相シフトマスク検査装置及び検査方法によれば、従来の検査装置では発見が極めて困難であった欠陥であるローカル位相欠陥を高速、高精度で発見することができ、位相シフトマスクの検査効率を飛躍的に改善することができるため、半導体業界に多大な貢献をするものである。
さらに、ローカル位相欠陥による光量変動から、部分コヒーレント結像理論計算により、欠陥における線幅の変動を求めて表示するようにすれば、従来の寸法計測の精度不足を補い、数十乃至数ｎｍの微細寸法変動をインラインで検査、表示することもできる。
また、欠陥のある場所やサイズのデータを電子顕微鏡その他の検査装置に転送するようにすれば、ローカル位相欠陥について効率的に観察を行うことができ、ローカル位相欠陥発生のプロセス解明や、欠陥修正を行う可能性を与えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】その光学系の構成を示す図である。
【図３】その光学系の別の構成例を示す図である。
【図４】位相シフトマスクの検査領域について説明するための図である。
【図５】この発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置におけるデータ処理について説明するための図である。
【図６】この発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置におけるデータ処理について説明するための別の図である。
【図７】この発明の位相シフトマスク検査装置及び検査方法によって発見しようとするローカル位相欠陥の例を示す図である。
【図８】無欠陥のＬ＆Ｓパターンを観察した場合の光強度分布の計算値を示す図である。
【図９】ローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを観察した場合の光強度分布の計算値を示す図である。
【図１０】無欠陥のＬ＆Ｓパターンを透過する光の光量分布について説明するための図である。
【図１１】ローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを透過する光の光量分布について説明するための図である。
【図１２】落射照明によってローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを撮像した場合の光量分布について説明するための図である。
【図１３】この発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置における位相シフトマスク検査の処理を示すフローチャートである。
【図１４】その位相シフトマスク検査装置における検査結果の表示例を示す図である。
【図１５】その別の検査モードにおけるデータ処理について説明するための図である。
【図１６】その検査モードにおける位相シフトマスク検査の処理を示すフローチャートである。
【図１７】通常のフォトマスクを用いて転写を行った場合の像の光強度分布の計算値を示す図である。
【図１８】図１７の場合と同じパターンを位相シフトマスクを用いて転写した場合の像の光強度分布の計算値を示す図である。
【図１９】通常のフォトマスクの構成例を模式的に示す断面図である。
【図２０】位相シフトマスクの構成例を模式的に示す断面図である。
【図２１】位相シフトマスクの別の構成例を模式的に示す断面図である。
【図２２】従来の方法で位相シフトマスクを検査する場合の１回の検査範囲の例を示した図である。
【符号の説明】
１：検査機本体 ２：ローダ
３：画像処理装置 ４：ＣＣＤカメラ
５：ＸＹＺテーブル ６：マスクホルダ
７：位相シフトマスク ８：結像光学系
１０：コンピュータ本体 １１：表示装置
１３，１４，１５；架台 ２０：照明系
２１：ランプ ２２：カイルプリズム
２３：第１のカレイドスコープ
２４：光ファイバー ２５：第２のカレイドスコープ
２６：干渉フィルター ２７：コンデンサ
２８，３４：対物レンズ ２９：リレーレンズ
３１：リングスリット ３２：穴明きミラー
３３：リング状コンデンサ
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路（ＩＣ）等の半導体装置を製造する際に、フォトリソグラフィー処理の露光工程で多く用いられるフォトマスクの一種である位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検出する位相シフトマスク検査装置及び位相シフトマスク検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路はフォトリソグラフィー技術を用いて製造されているが、その性能の高度化や容量の大規模化に伴い、解決すべき問題が頻出している。フォトリソグラフィーは、まずフォトマスクと呼ばれる原版を写真術によって作成し、それを更に写真術を用いて大量に転写コピーする技術である。
マルチメディアやＩＴ（Information Technology）技術の支えとなる次世代のメモリとして、ＧＢ（ギガバイト）以上の大容量メモリが待ち望まれている。そして、この大容量メモリにおいて要求されるルール（線幅）は、０．１３μｍ以下である。しかし、現状のフォトリソグラフィの技術のみでは、このように極微細な半導体を作ることは難しい。高度な解像力を持つＡｒＦレーザステッパを用い、開口数（ＮＡ）が０．６の高開口数を持つ転写光学系を用いたとしても、通常の構成のフォトマスクを用いた転写像は、そのコントラストが０．６に達しない。そこで、フォトマスクを透過する光の「波」としての性質を利用して「波」の強度だけでなくその位相を制御することで結像解像力を増加させる位相シフトマスク（ＰＳＭ／Phase Shift Mask）が近年開発されている。
【０００３】
ここで、その位相シフトマスクについて、図１７乃至図２２を用いて説明する。
図１７は通常のフォトマスクを用いて転写を行った場合の像の光強度分布の計算値を示す図、図１８は図１７の場合と同じパターンを位相シフトマスクを用いて転写した場合の像の光強度分布の計算値を示す図、図１９は通常のフォトマスクの構成例を模式的に示す断面図、図２０は位相シフトマスクの構成例を模式的に示す断面図、図２１は位相シフトマスクの別の構成例を模式的に示す断面図、図２２は従来の方法で位相シフトマスクを検査する場合の１回の検査範囲の例を示した図である。
【０００４】
図１７には、ＮＡが０．６のＡｒＦレーザステッパを用いて、線幅０．１３μｍのＬ＆Ｓ（ラインアンドスペース）パターンを通常のフォトマスクを用いて転写した場合の転写像の光強度分布の計算値を示している。ここで、折れ線２０１がパターンの幅を、曲線２０２が転写像の光強度分布を示している。また、Ｉｍｉｎ，Ｉｍａｘは、それぞれ各ピークの最小光量，最大光量を示している。半導体回路の安定な製作のためには０．７以上のコントラストが望ましいが、図１７に示すように、通常のフォトマスクでは０．６に満たないコントラストしか得ることができない。
これに対して、図１８には上記と全く同じ装置構成で位相シフトマスクを用いて転写を行った場合の転写像の強度分布の計算値を示している。ここで、折れ線２０３がパターンの幅を、曲線２０４が転写像の光強度分布を示している。この図１８から明らかなように、位相シフトマスクを用いれば、上記と同じレーザステッパによって０．９以上のコントラストを得ることが可能である。
【０００５】
通常のフォトマスクは、図１９に示すように、ガラス基板２１１の上に光を遮断する金属（クロム）２１２を配置したもので、金属部分は光を遮断し、金属２１２の無い部分は光を透過する。これに対して位相シフトマスクは、図２０に示すように、光を透過する部分に適宜に（レベンソンタイプなら交互に）位相シフタ２１３として透明物質を配置して透過光の位相を変化させて解像力を増加させるものである。
通常、レベンソンタイプの位相シフトマスクは、隣接する透過部分でそれぞれ１８０度ずつ位相がずれるように構成されている。この結果、隣接する透過部分を透過する透過光が不透過部分で重なり合うと、干渉によって打ち消し合い、結果的に解像度が向上する。これが、位相シフトマスクの原理である。また図２１に示すように、位相シフタ２１３を設ける代わりにガラス基板を腐食により削りこんで位相シフト部２１４を設けることによって位相差を得るように構成することもできる。
【０００６】
位相シフトマスクがその性能を発揮するためには、隣接する透過部分を透過する透過光の位相差が１８０度でなければならない。従って、位相シフタ２１３の厚さが変動したり、位相シフト部２１４の腐食深さが変動したりして位相差が１８０度からずれると、その部分の転写像には欠陥が生じることになる。これを以後ローカル位相欠陥と呼ぶ。
このようなローカル位相欠陥は半導体集積回路の製造工程にとって致命的であるが、マスクの検査工程でこのローカル位相欠陥を速やかに発見することは困難である。このことが、位相シフトマスクの採用を躊躇させる一因であり、メモリ容量の増加を妨げている原因でもある。
【０００７】
ローカル位相欠陥は、位相シフトマスクの製造工程での管理限界以下のサイズであり、製造工程中での発見は非常に困難であるため、最終検査工程で検査される。位相欠陥検査の従来の方法は、位相シフトマスク上の位相シフタの厚みやガラス基板の腐食深さを、膜厚計や深度計を用いて測定し、設計値と等しいかどうかを検査するものである。厚さや深さ方向の、いわゆる寸法計測を行うのは極微細な部分であるため、従来の寸法検査装置では膨大な検査時間を必要とし、実用に適さなかった。
ここで、例として１００ｍｍ□の位相シフトマスク全体を検査する場合を考える。半導体の回路寸法が仮に０．２μｍであれば、これに対応する位相シフトマスクは通常、その４倍の大きさで描かれるので、対応する位相シフトマスクには０．８μｍの大きさの回路パターンが描かれる。これをステッパなどの転写露光装置でウエハ上の感光剤に縮小露光し、現像して半導体の回路パターンを形成している。
【０００８】
このようなサイズの個々の位相シフタ２１３の厚さを計測する為には、１回の検査エリアが、図２２に矢印Ｘで示す示すように５μｍ□程度になるように倍率を設定して拡大しなければならない。そうすると、位相シフトマスクの全面の検査に必要な検査回数は４億回（一辺１００ｍｍ／５μｍ＝２００００、故に検査回数は２００００２回）となる。一回の検査に要する時間が仮に０．００１秒としても、検査時間は四十万秒、すなわち約５日弱となる。しかし、位相シフトマスクの検査は数十分から数時間以内に完了しなければ実用的ではない。つまり、従来の方法や装置で位相欠陥を検査することは困難である。
さらに、分解能の高い寸法検査装置を作成するためには高価な機材を用いなければならないため、検査装置のコストアップにつながるという問題もあった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ローカル位相欠陥は検査することが難しい位相シフトマスクの瑕疵である。半導体の回路パターンが更に微細化してゆくとローカル位相欠陥自体の寸法も小さくなり、この問題は未解決の大問題として残ることになる。さらに、前述したように、従来の「寸法計測」という方法では、この問題を解決することは困難である。
この発明は、このような問題を解決し、ローカル位相欠陥のようなごく微細な欠陥も短時間で発見可能な位相シフトマスク検査装置及び検査方法を提供し、かつ装置の大幅なコストダウンを図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するため、この発明の位相シフトマスク検査装置は、検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明する照明手段と、上記位相シフトマスクを観察するための対物レンズと、上記対物レンズによる上記位相シフトマスクの像を読み取る撮像手段と、その手段によって読み取った像の画像解析を行う画像解析手段とを備え、上記照明手段と上記対物レンズと上記撮像手段とによって構成される光学系のレーリーの解像限界は、上記位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しない値であり、上記画像解析手段は、上記撮像手段によって読み取った像の光強度分布を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する手段であることを特徴とする。
【００１１】
このような位相シフトマスク検査装置において、上記画像解析手段は、上記撮像手段によって読み取った像の検査対象以外の部分に対してマスク処理を行い、検査対象部分のみを取り出すマスク処理手段を有し、上記検査対象部分のみについてローカル位相欠陥の検査を行う手段であるとよい。
さらに、上記画像解析手段が、上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、その欠陥部の光強度とその周囲の光強度を比較することにより上記ローカル位相欠陥の寸法を算出する手段を備えているとよい。
【００１２】
あるいは、同一のパターンを複数形成した位相シフトマスクの検査を行う位相シフトマスク検査装置の場合には、上記位相シフトマスクを少なくとも上記対物レンズによる観察方向と垂直な平面上で移動させるための移動手段をさらに設け、上記画像解析手段を、上記撮像手段によって読み取った上記位相シフトマスク上の２つのパターンの対応する部分の像における光強度分布の差を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する手段にするとよい。
さらにまた、上記位相シフトマスク上に形成されるパターンの設計値と、上記照明手段と上記対物レンズと上記撮像手段とによって構成される光学系の特性値とから上記撮像手段によって読み取られる像の光強度分布を算出する光強度分布算出手段を設け、上記画像解析手段を、上記撮像手段によって読み取った像の光強度分布と上記光強度分布算出手段によって算出した光強度分布との差を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する手段にしてもよい。
【００１３】
これらの位相シフトマスク検査装置において、上記画像解析手段が、上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、その欠陥部における光強度差とその周囲における光強度差を比較することにより上記ローカル位相欠陥の寸法を算出する手段を備えるようにするとよい。
また、上記照明手段をリング状落射照明による照明手段にするとよい。
さらに、上記画像解析手段が上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合にそのローカル位相欠陥の位置情報を外部機器に出力する手段を設けるとよい。
【００１４】
また、この発明による位相シフトマスク検査方法は、前述の目的を達成するため、検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明し、上記位相シフトマスクの像を、その位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって撮像し、その像の光強度分布を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査することを特徴とする。
このような位相シフトマスク検査方法において、上記光学系によって撮像した像の検査対象以外の部分に対してマスク処理を行って検査対象部分のみを取り出し、上記検査対象部分のみについてローカル位相欠陥の検査を行うようにするとよい。
【００１５】
さらに、上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、その欠陥部の光強度とその周囲の光強度とを比較することにより上記ローカル位相欠陥の寸法を算出するようにするとよい。
この発明による位相シフトマスク検査方法はまた、検査対象が同一パターンを複数形成した位相シフトマスクである場合、その検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明し、上記位相シフトマスクの像を、その位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって上記同一パターンのうち２つのパターンについて対応する位置で撮像し、その２つの像の光強度分布の差を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する。
【００１６】
あるいは、検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明し、上記位相シフトマスクの像を、その位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって撮像し、その像の光強度分布と、上記位相シフトマスク上に形成されるパターンの設計値と上記光学系の特性値とから算出される像の光強度分布との差を解析することによって上記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査するようにしてもよい。
これらの位相シフトマスク検査方法において、上記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、その欠陥部における光強度の差とその周囲における光強度の差とを比較することにより上記ローカル位相欠陥の寸法を算出するようにするとよい。
また、上記照明をリング状落射照明によって行うようにするとよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
〔検査原理：図７乃至図１２〕
この発明による位相シフトマスク検査装置及び検査方法は、従来のように位相シフトマスク上の位相シフタの厚みやガラス基板の腐食深さを計測するのではなく、その位相シフトマスクが作り出す光分布を、低開口数で且つ低倍率の結像系を照明光の波長との関係がレーリーの解像限界に対応する解像力よりも小さくなるように設定し、且つ均一に照明することのできる照明光学系と組み合わせて撮像し、位相シフトマスク透過後の光量分布を計測演算することにより、位相シフトマスク上のローカル位相欠陥の検査を行うものである。
【００１８】
そこでまず、この検査原理について図７乃至図１２を用いて説明する。
図７は、この発明の位相シフトマスク検査装置及び検査方法によって発見しようとするローカル位相欠陥の例を示す図、図８は無欠陥のＬ＆Ｓパターンを観察した場合の光強度分布の計算値を示す図、図９はローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを観察した場合の光強度分布の計算値を示す図、図１０は無欠陥のＬ＆Ｓパターンを透過する光の光量分布について説明するための図、図１１はローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを透過する光の光量分布について説明するための図、図１２は落射照明によってローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを撮像した場合の光量分布について説明するための図である。
【００１９】
半導体メモリ作成用位相シフトマスクのローカル位相欠陥の典型的な例として、図７に示すものが挙げられる。この例は、ガラス基板の腐食によって設けた位相シフト部２１４の一部の深さが、製造工程上の不具合や誤差、または「ゆらぎ」によって変動してローカル位相欠陥部２１５になっているものである。
ここで、ローカル位相欠陥部２１５の寸法誤差をＤｎｍとし、パターン自体の線幅は透過部がＬμｍ、不透過部がＳμｍであるとすると、ウエハ上にスポットを転写してしまうローカル位相欠陥の実例としては、例えばＬ＆Ｓ＝１μｍ、Ｄ＝６０ｎｍのものがある。このサイズの欠陥は、通常の光学顕微鏡では、解像力が不足するために見ることができない。また、このサイズの欠陥を従来の欠陥検査装置で発見するのは至難である。なぜなら、従来の欠陥検査装置は寸法計測を行うものであり、従来の技術の項で説明したように、寸法計測精度が不充分であったり、精度はあっても計測時間が膨大であったりするからである。以下、主に上記の典型的なローカル位相欠陥の例を用いて説明する。
【００２０】
この発明は、位相シフトマスク上のローカル位相欠陥が転写されるものであれば、その光分布に変動が内包されているのであるから、位相シフトマスクが作り出す光分布を詳細に分析することにより、転写され得るローカル位相欠陥を発見しようとするものである。
そのために、低開口数かつ低倍率の光学系を用い、照明波長を光学系の解像力がレーリーの解像限界よりも小さくなるように設定する。そうすると、位相欠陥のないＬ＆Ｓパターンの形成された位相シフトマスクの対物レンズによる像は、図８の直線１２２に示すような一定の均一な光量分布となる。ここで、折れ線１２１はＬ＆Ｓパターンの幅を示している。
【００２１】
この一定値は、位相差やコヒーレンス度に応じて変化する。ここでの例は位相差が１８０度の場合で、この場合の一定な像面光量は、Ｌ＆Ｓパターンの寸法やコヒーレンス比に応じて０から約０．１５程度である。ただし、「１」は、パターンのないマスクの像面光量（最大透過光量）である。
これに対して、位相シフトマスクに図７に示すようなローカルな位相欠陥がある場合は、光量分布が一定値から変化する。このような位相シフトマスクの像の光量分布を計算すると、図９の曲線１２４に示すようになる。ただし、Ｌ，Ｓ＝１μｍ，欠陥サイズＤ＝６０ｎｍ，ＮＡ＝０．０９，照明波長λ＝５７８ｎｍ、対物レンズの倍率は５倍とした。また折れ線１２３は、Ｌ＆Ｓパターンの幅を示したものである。
【００２２】
図９からわかるように、低開口数の対物レンズを用い、観察対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって結像させることにより、ローカル位相欠陥の部分を拡大することができる。この場合、位相シフトマスク上での６０ｎｍの縦方向の欠陥が、像面上では、矢印Ｙで示すように横方向に２０μｍに拡大されている。なお、５倍の対物レンズを用いているので、Ｌ＆Ｓパターンの幅は５μｍである。
通常、マスク上のローカル位相欠陥自体は、高倍率の顕微鏡を用いても見ることは難しい。しかし、低倍率のルーペを用いた肉眼での観測で、ローカル位相欠陥が発見される場合がある。これは目を含む光学系が低倍率、低開口数の条件を満たして、網膜上にスポットが形成される場合である。位相シフトマスクの製造に携わる熟練者が、低倍率のルーペや実体顕微鏡でローカル位相欠陥を発見しようとするのは、このためである。
【００２３】
さらに、低倍率レンズであれば、一回の検査エリアを大きくすることができる。５倍の対物レンズと２／３インチＣＣＤカメラを用いた場合は、一回の検査エリアは１．２ｍｍ□である。そうすると、１００ｍｍ□の位相シフトマスクの全面を検査する場合の検査回数は約７千回となる（一辺１００ｍｍ／１．２ｍｍ＝８３、ゆえに検査回数は８３２回）。従って、一回の検査に要する時間が仮に０．１秒とすると、検査時間は約１２分弱となる。従来技術の説明で仮定したように一回０．００１秒とすれば、検査時間は１０秒以下となる。
このように、この発明によれば、高分解能装置の場合には数日から数十日を要する検査を、数分から数十分という短時間で完了するような、高速の装置を構成することができる。
【００２４】
この発明によれば、光強度分布の解析により、ローカル位相欠陥のサイズを計測することもできる。次に、この点について説明する。
低開口数かつ低倍率の光学系を用い、照明波長を光学系の解像力がレーリー解像限界よりも小さくなるような光学系を用いた場合には、ローカル位相欠陥の位相および欠陥のサイズＤは、欠陥部分が作り出す光強度とその周辺部分が作り出す光強度を比較することで算出することができる。
欠陥部の位相差χを具体的に書き表すと、数１に示すようになり、これは照明方法によらない。
【００２５】
【数１】
ここでφは欠陥のない場合の位相差であり、Ｃは欠陥部分と周辺部分のコントラストである。コントラストは、欠陥部スポットの光強度Ｉχと、周辺の光強度Ｉφとから数２で定義される、測定可能なパラメータである。
【００２７】
【数２】
欠陥のサイズＤは、透過照明の場合、スポットの光強度Ｉχと、周辺の光強度Ｉφおよび照明波長λとガラス基板の屈折率ｎから、数３によって求めることができ、落射（反射）照明の場合は、空気の屈折率をｎ、落射照明の基板に対する入射角をθとして、数４によって求めることができる。
【００２９】
【数３】
【数４】
この点についてさらに詳しく説明する。まず、透過照明を用いる場合について説明する。
位相シフトマスクでは、隣り合う透過部分を透過した光の位相が約１８０度異なるため、像面上でこれらが重ね合わされると打ち消し合う。低開口数かつ低倍率の光学系を用い、照明波長を光学系の解像力がレーリー解像限界よりも小さくなるように設定すると、ローカル位相欠陥の無いＬ＆Ｓパターンを形成した位相シフトマスクの対物レンズによる像は、一定の均一な光量分布となる。この一定値はＬ＆Ｓの寸法や位相差及びコヒーレンス度に応じて変化するが、位相差が１８０度の場合は、０から約０．１５程度である。ただし、「１」は、パターンのないマスクの像面光量に規格化している。ローカル位相欠陥があれば欠陥部の光分布はこの一定値から変化するが、その変化の大きさは欠陥のサイズＤに依存している。
【００３２】
図１０に示すような、隣り合いかつ位相差のある光束Ａ，Ａ′が像面上で重ね合わされるとする。光波Ａ，Ａ′の振幅ａは等しく、位相はφだけ違っているから、光波Ａ，Ａ′はそれぞれ余弦関数を用いて数５のように書き表すことができる。ここで、ωは光波の角速度、ｔは時間、αは初期位相である。
【００３３】
【数５】
簡単のために、ωｔ＋α＝Ωとすると、像面上すなわちセンサ面上での光の強度Ａ＋Ａ’は数６のようになる。
【００３５】
【数６】
実際に計測されるのは光強度の時間平均Ｉφであるが、数６で時間に依存するのはｃｏｓ（Ω＋φ／２）のみであり、これの２乗平均は１／２であるから、数７のようになる。ここで、＜＞は時間平均を表わす。
【００３７】
【数７】
従って、低開口数かつ低倍率の光学系を用い、照明波長を光学系の解像力がレーリー解像限界よりも小さくなるように設定すると、Ｌ＆Ｓパターンを形成した位相シフトマスクの対物レンズによる像は、一定の均一な光量分布となる。
次に、図１１に示すような、ローカル位相欠陥部２１５を透過した光波Ｂと光波Ｂ′がセンサ面上につくる像の光強度について考える。その光強度Ｉχは、光波Ｂ，Ｂ’の位相差をχとすると、数７と同様に計算して数８のようになるので、位相欠陥のない部分とは異なった明るさのスポットを形成する。
【００３９】
【数８】
スポットのコントラストＣは、数９で表される。
【００４１】
【数９】
これをｃｏｓ２（χ／２）について解くと、数１０のようになる。
【００４３】
【数１０】
従って、φは設計上の（欠陥がないとした場合の）位相差であるので、スポットのコントラストＣを計測すれば光波ＢとＢ′の間の位相差χを求めることができる。具体的に書き表すと、数１１のようになる。
【００４５】
【数１１】
欠陥のサイズＤは、光路長ｎＤに２π／λを掛けたものが位相差であり、数１２が成り立つので、数１３によって求めることができる。ここで、ｎはガラス基板の屈折率、λは照明波長である。
【００４７】
【数１２】
【数１３】
あるいは、数５において入射光の振幅を「１」に規格化しておけば、ａ＝１であり、数１３の代わりにスポットの光強度Ｉχと、周辺の光強度Ｉφとから、数１４によって求めることもできる。
【００５０】
【数１４】
次に、落射照明を用いる場合について説明する。
図１２に示すような、ローカル位相欠陥部２１５で反射した光波Ｂと光波Ｂ′とがセンサ面上につくる像の光強度について考える。入射光がガラス基板の法線となす角をθとすると、位相欠陥がない部分と、位相欠陥がある部分との位相差Ψは、空気の屈折率をｎとすると、
Ψ＝４ｎＤπ／（λcosθ）
であり、位相差Ψは
Ψ＝χ−φ
であるから、欠陥のサイズＤは数１５によって求めることができる。入射振幅が「１」に規格化されているときは、数１６によって求めることもできる。
【００５２】
【数１５】
【数１６】
以上の例は、ガラス基板を削り込んで位相差を持たせたタイプの位相シフトマスクについて説明したが、位相シフタを基板の上に設けるタイプのものについても全く同様な式が成立する。基本的な式は、透過照明に対する数１４であり、屈折率ｎは光が通過する媒質のものであるとすれば良い。落射照明では、これに因子ｃｏｓθ／２が掛かる。従って、落射照明の場合には透過照明と同程度の光強度差の観察でｃｏｓθ／２（＜１）倍程度のサイズの欠陥まで発見することができる。これは、光路差が往復の長さになると共に斜めになるので、位相差が光路差の増加分である２／ｃｏｓθ倍に拡大されるためである。従って、この発明を実施するにあたっては、落射照明を用いることが好ましい。また、入射角θを大きくすると、ｃｏｓθ／２が減少してより小さなサイズの欠陥まで発見できるようになると共に、ガラス基板表面での反射率が増加し、観察可能な光量が増加してより微細な光強度差を観察できるようになるので、落射照明の場合に入射角θを大きくすると、効果的である。
【００５５】
ここで、数値的な実例を挙げる。例えば、光強度を８ビットのデジタル信号化するものとし、最大強度を２５５、最小強度を０とし、照明波長λ＝０．５４８μｍ、ガラス基板の屈折率を１．６８であるとし、測定されたＩχとＩφをそれぞれ５０，１００であるとするならば、
Ｉχ＝５０／２５５＝０．１９６
Ｉφ＝１００／２５５＝０．３９２
であるから、Ｄ＝２２．６ｎｍとなる。この時の位相差は約３０度である。
このようにして、本発明によればローカル位相欠陥を高速に検知すると共に、その光強度分布から欠陥のサイズを計算することが可能である。
【００５６】
〔実施形態：図１乃至図３〕
次に、この発明の位相シフトマスク検査装置の実施形態について、図１乃至図３を用いて説明する。図１はこの発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置の概略構成を示す正面図、図２はその光学系の構成を示す図、図３はその光学系の別の構成例を示す図である。
【００５７】
図１に示すように、この実施形態の位相シフトマスク検査装置は、検査機本体１，ローダ２，画像処理装置３からなる。
検査機本体１はＣＣＤカメラ４，ＸＹＺテーブル５，マスクホルダ６，結像光学系８，架台１３，照明系２０によって構成される。
ＣＣＤカメラ４は、撮像手段であり、結像光学系８によって形成される像を画像データに変換する装置である。このＣＣＤカメラ４は画像処理装置３に接続されていて、取得した画像データは画像処理装置３に転送されて解析される。
【００５８】
ＸＹＺテーブル５は、移動手段であり、検査対象である位相シフトマスク７を固定するマスクホルダ６を保持し、結像光学系８の対物レンズとの位置を調整するためのテーブルである。このＸＹＺテーブル５は、水平方向の位置を調整して検査領域に合わせるための電動ＸＹテーブルと、対物レンズと位相シフトマスク７との間隔を調節してフォーカスを合わせるための電動Ｚテーブルとで構成されている。
【００５９】
マスクホルダ６は、検査対象である位相シフトマスク７を固定するためのホルダであり、ＸＹＺテーブル５を構成する電動ＸＹテーブルに固定されている。位相シフトマスク７のマスクホルダ６へのセットは、人の手によって行っても、ローダと呼ばれる自動装着装置によって行ってもよい。マスクホルダ６からの取り外しも、人の手によって行っても、アンローダと呼ばれる自動脱却装置によって行ってもよい。この実施形態においては、上述のローダとアンローダの機能を併せ持つローダ２によって行うこととしている。
【００６０】
結像光学系８は、透過照明された位相シフトマスク７の像をＣＣＤカメラ４の受光面上に結像させるための光学系であり、照明系２０はその透過照明を行うための光学系である照明手段であるが、これらについては後に詳述する。
架台１３は、検査機本体１の全体を強固に保持するためのもので、ゆれや振動を防止する構造を持つものである。
【００６１】
ローダ２は架台１４上に載置され、マスクホルダ６に位相シフトマスク７の着脱を行うための装置であるが、この発明に必須の構成ではない。
画像処理装置３は、架台１５上に載置された画像解析手段であり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等によって構成されるコンピュータ本体１０と、表示装置（モニタ）１１によって構成され、通常のパーソナルコンピュータ等を用いることができる。ＣＣＤカメラ４が取得した画像データは、この画像処理装置３に転送してマスク処理やフィルタ処理等の後述する解析処理を行い、位相シフトマスク７におけるローカル位相欠陥の有無を判定する。またこの画像処理装置３は、この位相シフトマスク検査装置全体を統括制御する制御手段でもある。
【００６２】
このような位相シフトマスク検査装置によってローカル位相欠陥の検査を行う場合、位相シフトマスク７に欠陥があるときは、ＣＣＤカメラ４の画像に、図９に示したような、周辺よりも明るいかまたは暗い光量変動が発生するので、画像処理装置３が、解析処理によってその光量変動を発見した場合には、その位置にローカル位相欠陥があったものとしてその位置を記憶する。欠陥の詳細を出力する場合には、記録した欠陥の部分の画像データを前述した方法で処理し、欠陥サイズ等の必要なデータを計算して表示する。
【００６３】
既に述べたように、この発明の位相シフトマスク検査装置は、ローカル位相欠陥が作り出す光強度分布変動を検知することによりその存在とサイズを検出・測定する。そして、検査原理の項で説明した数値例から明らかなように、数ｎｍのローカル位相欠陥を検出するためには数％の光量差を検出しなければならない。従って、照明系２０と結像光学系８による像面照度の変動は、ローカル位相欠陥が作り出す光強度分布変動に比べて十分に小さくしなければならない。そうしなければローカル位相欠陥が作り出す光強度分布変動は光学系による変動に覆い隠されてしまうからである。
【００６４】
この実施形態の位相シフトマスク検査装置においては、光学系における光強度分布変動を低減し、均一な照明を行うために、図２に示す光学系を採用している。次に、この光学系について説明する。
この光学系においては、ランプ２１から放射された光はカイルプリズム２２で放射状に拡散される。これは、ランプ２１の中心光量が周辺に比較して強いので、中心部の光量を周辺部に分散させて光の強さを平均化させるためである。
カイルプリズム２２を通過した光は第１のカレイドスコープ２３に入射する。カレイドスコープは万華鏡セルであり、ランプの虚像を多数個作り、光を多重化することで照明光量の均一化を行うための光学素子である。
【００６５】
第１のカレイドスコープ２３を通過した光は、ランプハウスと光学系を遠くに離して熱による変動を防ぐ為に光ファイバ２４を通し、さらに第２のカレイドスコープ２５を通過させる。
その後、照明光を単波長化して対物レンズをレーリー解像力以下にするための干渉フィルター２６及び、平行光線で照明するケーラー照明を行うためのコンデンサ２７を通して位相シフトマスク７を照明する。ここで、図２ではＸＹＺテーブル５とマスクホルダ６は図示を省略しており、図１に示した照明系２０は光ファイバ２４からコンデンサ２７までの構成である。
【００６６】
位相シフトマスク７を透過した光は、対物レンズ２８によって集光され、リレーレンズ２９を介してＣＣＤカメラ４の受光面に結像される。リレーレンズ２９は、倍率を僅かに変更することでモアレの発生を抑止するための光学素子である。位相シフトマスクの像パターンとＣＣＤカメラの画素ピッチが整数比の関係にあると、モアレパターンが像面上に発生することがあるため、これを防ぐために、例えば０．８倍乃至１．２倍程度のリレーレンズ２９を用いて、像の倍率を変更してモアレの発生を防止するのである。
【００６７】
ところで、前述のように、この発明の位相シフトマスク検査装置に落射照明を適用することは効果的である。そこで、次にこの落射照明の例について説明する。この落射照明の照明系については図３に示しているが、図３では光源部の構成は簡略化して示しており、図示はしていないが、図２のランプ２１から干渉フィルタ２６までの構成を備えている。また、リレーレンズは図示を省略している。
【００６８】
図２に示した光源であるランプ２１から出射され、干渉フィルタ２６までの構成によって均一な単波長光になった光は、コンデンサ２７によって平行光線になり、リングスリット３１でリング状に整形される。このリングスリット３１のスリット部にはハエの目レンズ等を配置して照明光量の均一化を行うようにしてもよい。スリットを出た光は、リング状の穴明きミラー３２によって反射され、リング状コンデンサ３３によって集光されて位相シフトマスク７を照明する。位相シフトマスク７の表面からの反射光は、リング状コンデンサ３３の内部に配置された対物レンズ３４によって集光され、図示しないリレーレンズを介してＣＣＤカメラ４の受光面に結像される。このような照明系は、リング状落射照明と呼ばれる。
【００６９】
前述のように、落射照明の入射角θを大きくするほどローカル位相欠陥の検知感度が上昇するので、θは大きいほうが望ましいが、そうするためにはリングスリット３１，穴明きミラー３２，リング状コンデンサ３３の直径を大きくしなければならないので、配置スペースや加工性の問題が生じる。従って、これらの兼ね合いで適切なθを選択するとよい。
【００７０】
〔動作例１：図４乃至図６，図１３，図１４〕
次に、この実施形態の位相シフトマスク検査装置の動作例として、実際の検査方法について、図４乃至図６及び図１３，図１４を用いて説明する。図４は位相シフトマスクの検査領域について説明するための図、図５及び図６はこの実施形態の位相シフトマスク検査装置におけるデータ処理について説明するための図、図１３はその位相シフトマスク検査装置における位相シフトマスク検査の処理を示すフローチャート、図１４はその位相シフトマスク検査装置における検査結果の表示例を示す図である。
【００７１】
以下に説明する動作例は、透過照明を用いた場合にも落射照明を用いた場合にも同様に当てはまるものであるが、ここでは透過照明を前提にして説明する。また、ここではまずメモリ回路作成用の位相シフトマスク（以下「メモリマスク」と略称する）を検査する場合の例について説明する。
前述したように、対物光学系としては低倍率低開口数のものを採用する。この実施形態では、５倍の対物レンズを用い、ＣＣＤカメラとして２／３インチのものを用いている。この場合には、一回に取りこまれる検査領域の画像のサイズは約１．２ｍｍ□である。
【００７２】
取り込まれた位相シフトマスク（メモリマスク）の画像には、その特性から、図４に示すように、配線パターン等を形成する部分に対応する粗パターン領域１１１と、メモリパターン等を形成する部分に対応する微細パターン領域１１２とがある。このうち、粗パターン領域１１１では位相シフトは行わないのでローカル位相欠陥は発生しない。従って、検査対象となるのは、ローカル位相欠陥が発生する可能性のある微細パターン領域１１２である。
そこで、画像の濃度分布（透過光強度分布）を検査し、微細パターンに対応する適切な濃度部分を切り出す処理を行う。換言すれば、粗パターン領域１１１を遮蔽するマスクを作成し、全画像に対してマスク処理を行う。微細パターン部分の標準的な濃度は、前述したようにパターンのサイズ及び位相差とコヒーレンス度から求められるので、この濃度から大幅にずれた部分が長く連続した領域をマスクするようにすればよい。またこのマスクは、検査対象の位相シフトマスクの設計パターンを基に作成することもできる。なお、ここで「濃度」とは画像の白レベルのことである。従って、「濃度が高い」場合には画像が白く、マスクの透過率が大きいことになる。
【００７３】
この実施形態の位相シフトマスク検査装置は、前述のように、低開口数の対物レンズを用いることにより、位相シフトマスク上の微細なパターンの大きさがレーリー解像限界以下となるようにしているため、微細パターン領域１１２は解像されず、図８を用いて説明したようにその濃度は一定になる。
もしローカル位相欠陥があれば、その部分の拡大されたエリアは図９を用いて説明したように異なった濃度値を取る。この実施形態の位相シフトマスク検査装置は、この濃度値の異なる部分を検出することによってローカル位相欠陥を検出するが、そのためにある種の絶対値微分フィルタを用いて画像処理を行い、濃度値変化を増幅する。ただし、ここで用いるフィルタはソーベルフィルタのように平均レベルが０になるものではなく、平均レベルは変化させないものが望ましい。
【００７４】
このフィルタ処理を行うことで、変化部分を強調すると同時に、欠陥部分の濃度が最大値を持つようにすることができる。また、像面上に照明系の照度不均一性等に起因する誤差があった場合でも、一般にその誤差による変化よりも急峻な、欠陥部分の濃度変化を強調することができる。
従って、ローカル位相欠陥がある場合、その場所を特定するには、フィルタ後の濃度値が最大となる場所を求めれば良い。欠陥が無い場合は、理論上は濃度は一定値を取るが、実際に計測された濃度は、照明系の照度不均一性やＣＣＤカメラの暗電流ノイズの影響である幅を持つので、この幅をΔとする。
【００７５】
濃度の最大値からΔだけ下のレベルで検査画像を２値化すると、欠陥が無い場合は図５の曲線１０５に示すように、検査エリアのほとんど全ての部分が「１」となる。ここで「１」は閾値より濃度の高い白レベルを表わす。一方ローカル位相欠陥がある場合は、図６の曲線１０６に示すように、最大値からΔだけ下のレベルで２値化しても欠陥部分だけが安定して「１」である。ここで、曲線１０５及び１０６は、図８の直線１２２及び図９の曲線１２４の示す画像データに上述の画像処理を施したものであり、パターンの幅を示すために図５及び図６には折れ線１０１及び１０３もそれぞれ示している。
このような処理を行い、２値化により「０」レベルの中に安定した「１」レベルの場所ができるならば、その場所にローカル位相欠陥が存在し、全体的に「１」レベルになるならば無欠陥であると判断する。
【００７６】
次に、この実施形態の位相シフトマスク検査装置を用いた実際の検査手順について説明する。
ユーザは、まず図１に示した位相シフトマスク検査装置のマスクホルダ６に、検査対象である位相シフトマスク７を手動又はローダ２を用いて自動でセットし、画像処理装置３の図示を省略したキーボードやマウスを用いて、検査する全エリア、照明光量、フォーカスなどを適切に設定する。そして、検査の開始を指示すると、この装置は図１３のフローチャートに示す処理を開始する。
【００７７】
まず、ステップＳ１でＸＹＺテーブル５によって検査対象の位相シフトマスク７を検査開始点に移動し、ステップＳ２でその検査エリアにおける像をＣＣＤカメラ４によって画像データとして取り込み、画像処理装置３に転送する。
そしてステップＳ３で、その画像データに前述したマスク処理を行い、検査対象となる微細パターン領域のデータのみを取り出す。
その後、ステップＳ４で検査対象エリアに対して変化点を強調するフィルタ処理を施す。このフィルタ処理には、一種の絶対値微分フィルタを用いる。従って、濃度（明るさ）の変化点が強調される。ローカル位相欠陥は、周辺に比較して明るくなるように変換される。欠陥がなければ、このフィルタ処理により検査エリアはほぼ同一の濃度になる。
【００７８】
そしてステップＳ５でフィルタ処理後の画像データについて、濃度の最大値を求め、その最大値よりΔだけ小さい濃度を閾値としてその画像データを２値化した２値化データを作成する。ここでΔとは、濃度は照明系の照度不均一性やＣＣＤカメラの暗電流ノイズの影響である幅を持つので、フィルタ処理後に残るこれらのノイズの大きさをΔとし、最大濃度からΔだけ下のレベルを閾値として二値化処理を行うものである。
【００７９】
前述したように、この時ほとんど全画面が「１」であればローカル位相欠陥は存在せず、ローカル位相欠陥があれば、その点だけが「１」で、残りのエリアは「０」となるので、ステップＳ６では２値化後のデータがほとんど「１」かどうか判断し、ＮｏであればステップＳ７に進んで欠陥ありと判断する。ここで、「１」は最大の明るさ、「０」は最小の明るさ（濃度）のことである。また「ほとんど」の基準は、データが「１」であるドットの数として、検査エリアにそれだけの数の欠陥があるとはとても考えられないような数、例えば「５０」などを適宜設定するとよい。
【００８０】
そして、ステップＳ７からステップＳ８に進んで、そのデータが「１」であった位置を欠陥の位置として記録する。データが「１」の領域がある程度広い場合には、その中心の位置を記録するとよい。さらにステップＳ９で、フィルタ処理前の画像の濃度変化の大きさから前述の方法で欠陥のサイズを算出して位置と共に記録してステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０では、Δをわずかに増加させて、再度フィルタ処理後の画像データについてその最大値よりΔだけ小さい濃度を閾値としてその画像データを２値化した２値化データを作成する。そして、ステップＳ６に戻って処理を繰り返す。
【００８１】
１度目のステップＳ６の判断では、ローカル位相欠陥が複数あった場合でもそのうち画像での濃度変化が最大になるものしか検出できないが、ローカル位相欠陥が発見された場合にこのように閾値を下げて再度判定を行うことにより、画像での濃度変化がより小さいローカル位相欠陥も検出できるようになる。なお、ある検査位置においてステップＳ８及びステップＳ９を２度以上実行する場合には、新たに発見されたローカル位相欠陥のみのデータを記録するようにしてもよい。
ここで、ローカル位相欠陥が検出された場合にステップＳ１０でΔを増加させていくと、次第に検出されるローカル位相欠陥の数（すなわちデータが「１」のドットの数）が増してくるが、その数が実際には検査エリアに存在し得ないと考えられる数になった場合には、新たにローカル位相欠陥として検出されるものはノイズであると考えられる。
【００８２】
従って、ステップＳ６で判断基準の例として示した「５０」は、数としては「ほとんど」全画面とは言えないような僅かなドット数であるが、このようなノイズが検出された場合にそれ以上ローカル位相欠陥はないと判断するためには好適な基準である。なお、ローカル位相欠陥がない場合又はΔを増加させた結果閾値がローカル位相欠陥のない領域の濃度よりも下がった場合には直ちにぼぼ全域に亘ってデータが「１」になるが、この場合にはデータが「１」のドット数はもちろん５０以上であり、データはほとんど「１」であると判断される。
【００８３】
ステップＳ６でＹｅｓであれば、ステップＳ１１でステップＳ６の判断が現在の検査位置において初回かどうか判断する。
初回であればステップＳ１２に進んで現在の検査位置にはローカル位相欠陥はないと判断し、ステップＳ１４に進む。初回でなければ、ステップＳ１３に進んで現在の検査位置にはこれまでに検出した以上のローカル位相欠陥はないと判断し、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、現在位置が検査の最終位置であるかどうか判断し、最終位置であれば終了する。最終位置でなければ、ステップＳ１５に進んでＸＹＺテーブルによって位相シフトマスク７を次の検査エリアを検査する位置に移動し、ステップＳ２に進んで処理を繰り返す。
【００８４】
このような処理によって、位相シフトマスク上のローカル位相欠陥の位置とサイズを検出することができる。この処理において、ステップＳ３からＳ１３の画像処理と、それ以外のデータ取り込み処理を順に行う例を示しているが、画像データを記憶する記憶手段の容量に余裕がある場合には、画像データの取り込みと画像処理を並列に行ってもよく、画像データを先に蓄積してしまうようにしてもよい。
このような処理によって検出した欠陥部分（あるいは欠陥がないという検査結果）の表示例を図１４に示す。この表示は、図１に示した画像処理装置３の表示装置１１の表示画面に表示される。
【００８５】
この実施形態の位相シフトマスク検査装置では、５倍の対物レンズと２／３インチＣＣＤカメラを用いているので、１回に検査できる検査エリアは１．２ｍｍ□である。図１４の左側の画像表示領域１３１はその１．２ｍｍ□の検査エリアの画像を表示しており、四角で囲んだ部分に計３ヶのローカル位相欠陥が検出されたことを表示している。ただし、欠陥部分は強調して表示されている。また、クロスハッチングで示した部分は検査対象外の領域である。またこの実施形態では、１．２ｍｍ□の検査エリアは左下の端を原点としＸ，Ｙ方向ともに５１２の格子点に分割されている。
【００８６】
右側のPhase Error Information枠には、このローカル位相欠陥の詳細を表示している。この例では、１番目の欠陥の位置は座標系でＸ＝９３，Ｙ＝７５であり、欠陥部とその周辺との光量差は１１．８６１％、この数値から計算したこの欠陥の深さ変動は６８．２ｎｍであること等を表示している。
Inspection Conditions枠はローカル位相欠陥検査の条件を表示している。Mask Typeは位相シフトマスクの種類を、Sensitivityは検査感度の設定を表示している。Critical DimensionのLineとSpaceは、それぞれＬ＆Ｓパターンの不透過部と透過部の寸法を示している。
その他の表示については詳細にわたるので個々の説明は割愛するが、ユーザはInspection Condition枠に表示された設定を適宜変更することにより、より適切な検査を行うことができる。
【００８７】
なお、この実施形態においては対物レンズとして倍率が５倍のものを用いたが、対物レンズの倍率はこれに限られるものではないことは言うまでもない。しかし、倍率が低すぎるとローカル位相欠陥による光量変動をＣＣＤカメラで解析するに十分な程拡大できず、倍率が高すぎると１回に検査できる検査エリアが小さくなってしまうので、ローカル位相欠陥による光量変動スポットをＣＣＤカメラの２画素分程度の大きさに拡大できるような倍率にするとよい。
また、発見した欠陥の位置情報を、電子顕微鏡等の、検査範囲は狭くともより詳細な解析を行うことができる外部の装置に転送する手段を設けてもよい。このようにすれば、高解像度の検査装置を有効に活用して欠陥の詳細を知ることができる。
【００８８】
〔動作例２：図１５，図１６〕
次に、図１５及び図１６を用いて、一般的な論理回路を形成するための位相シフトマスク（以下「ロジックマスク」とも呼ぶ）を検査する場合の動作例について説明する。図１５はこの動作例の検査モードにおけるデータ処理について説明するための図、図１６はこの動作例の検査モードにおける位相シフトマスク検査の処理を示すフローチャートである。
メモリマスクの場合は一定なパターンが繰り返すため、ローカル位相欠陥部の光量変動を周辺の光量と比較したが、ロジックマスクでは同一パターンの繰り返しはほとんど無く、周辺の光量もそれに従っていろいろな値を取っている。従ってこの場合、メモリマスクと同様な検出を行うことはできない。
【００８９】
ところで、通常、位相シフトマスクを含むフォトマスクでは、同じ回路パターンが別の場所に複数個作られる。また、ローカル位相欠陥は位相シフトマスク製作工程のゆらぎによって発生するため、別の場所に作られた同一パターンの同じ場所に欠陥が発生する確率は極端に小さく、ゼロであるとみなして良い。
そこで、ロジックマスクの場合には、位相シフトマスク上の２つのパターンにおける光分布を比較することにより、ローカル位相欠陥の検出を行うことができる。両方とも正常なパターンであれば、光分布の差は０となり、一方に欠陥がある場合には、光分布の差が検出される。
【００９０】
この検出例を図１５に示す。正常なパターンとローカル位相欠陥のあるパターンの光強度分布をそれぞれ測定して差を求めると、図１５に示すような光分布の変動が得られる。縦軸は２つのパターンにおける光強度の差を示し、横軸は位置を示す。この例の場合は中央付近に欠陥があるため、光強度の差が大きくなっているが、欠陥のない周辺部では差は０である。また、ローカル位相欠陥が無い場合は、光強度の差は全体的に０となる。
ただし、このような解析を行うためには、２つの光強度分布の位置を正確に合わせて差を求めなければならない。位置合わせの精度が不足する場合には、欠陥によらないパターンの光強度分布自体に依存する差が見えてしまう。従って、その差がローカル位相欠陥による光量の変動よりも十分に小さくなるように位置合わせをしなければならない。
【００９１】
次に、この実施形態の位相シフトマスク検査装置におけるロジックマスクの検査手順について図１６を用いて説明する。この検査手順は、動作例１において説明したメモリマスクの検査手順と同様な点が多いため、図１６のフローチャートにおいて図１３のフローチャートの処理と対応する部分には同一のステップ番号を付し、その説明は省略するか簡単にする。また、この例では１つのロジックマスク上に２つの同じパターンが形成されているものとする。
【００９２】
ユーザは、まず図１に示した位相シフトマスク検査装置のマスクホルダ６に、検査対象である位相シフトマスク７を手動又はローダ２を用いて自動でセットし、画像処理装置３の図示を省略したキーボードやマウスを用いて、検査する全エリア、照明光量、フォーカスなどを適切に設定する。そして、検査の開始を指示すると、この装置は図１６のフローチャートに示す処理を開始する。
まず、ステップＳ１で検査対象の位相シフトマスク７を検査開始点に移動し、ステップＳ２１で１番目のパターンの検査エリアにおける像をＣＣＤカメラ４によって画像データとして取り込み、画像処理装置３に転送する。
【００９３】
そして、ステップＳ２２で位相シフトマスク７を２番目のパターンにおける対応する検査位置に移動し、２番目のパターンの検査エリアにおける像を同様にＣＣＤカメラ４によって画像データとして取り込み、画像処理装置３に転送する。
そしてステップＳ２３で、取り込んだ２つの画像データの差の絶対値を求めて検査対象の画像データとする。
そして、この画像データに対してステップＳ４以降の処理を図１３を用いて説明したメモリマスクの検査の場合とほぼ同様に行う。ただし、画像データの濃度が欠陥がない場合にはほぼ０である点が、メモリマスクの検査の場合と異なる。
【００９４】
このような処理によって、位相シフトマスク上の欠陥の位置とサイズを検出することができる。ただし、２つのパターンの画像データの差の絶対値に対して処理を行っているため、２つのパターンのどちらに実際に欠陥があるかを決定することはできない。
なお、図９のフローチャートにおいては、検査位置１エリア毎に２つのパターンの画像データを取りこむ例を示しているが、画像データを記憶する記憶手段の容量に余裕がある場合には、まず１番目のパターンについて１ライン或いは全ての画像データを取り込んでから２番目のパターンについて対応する領域の画像データを取り込み、画像処理を行うようにしてもよい。
【００９５】
このようにすれば、位相シフトマスクを移動させる距離が減少し、検査時間を短縮することができる。また、画像データの取り込みと画像処理を並列して行うようにしてもよいのは、メモリマスクの検査の場合と同様である。
１つの位相シフトマスク上に３つ以上の同一のパターンが形成されている場合には、２つずつのパターンを選択して上述の検査手順を繰り返すか、１番目のパターンについて画像データを全て記憶しておき、他のパターンを順次そのパターンと比較するようにするとよい。
【００９６】
また、複数同一の回路パターンを形成しない位相シフトマスクを検査する場合には、その設計パターンが検査用の対物レンズを通して作り出すであろう光分布と、位相シフトマスクを実際に結像させた像の光分布の差を分析するようにしてもよい。
位相シフトマスク上の位置を指定すれば、その位置の設計上のパターン形状と寸法を求めることができる。光学系の開口数、収差、照明波長およびコヒーレンスレシオは既知であるので、Ｈ．Ｈ．Ｈｏｐｋｉｎｓの部分コヒーレント結像理論を用いて、そのパターンによる像の光強度分布が計算できる。この計算を行う光強度分布算出手段としては、画像処理装置３を用いることもできるし、外部のコンピュータ等を用いて計算したデータを画像処理装置３に入力するようにしてもよい。この計算による値と実際にＣＣＤカメラで測定した光量分布の差を求めても、上述の場合と同様にローカル位相欠陥を検出することができる。
【００９７】
このような位相シフトマスク検査装置によれば、任意の位相シフトマスクについて位相シフトマスク上のローカル位相欠陥を高速に検知すると共に、その光量分布を計測演算して欠陥のサイズを計算することが可能となる。もちろん、検査対象は半導体回路形成用の位相シフトマスクに限られるものではない。
また、上述の実施形態及び動作例においては、ローカル位相欠陥の検査に用いる例について説明したが、ごみや傷等による欠陥の場合でも光量分布の変動は当然起こるため、これらの検出に用いることもできることは言うまでもない。
【００９８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明の位相シフトマスク検査装置及び検査方法によれば、従来の検査装置では発見が極めて困難であった欠陥であるローカル位相欠陥を高速、高精度で発見することができ、位相シフトマスクの検査効率を飛躍的に改善することができるため、半導体業界に多大な貢献をするものである。
さらに、ローカル位相欠陥による光量変動から、部分コヒーレント結像理論計算により、欠陥における線幅の変動を求めて表示するようにすれば、従来の寸法計測の精度不足を補い、数十乃至数ｎｍの微細寸法変動をインラインで検査、表示することもできる。
また、欠陥のある場所やサイズのデータを電子顕微鏡その他の検査装置に転送するようにすれば、ローカル位相欠陥について効率的に観察を行うことができ、ローカル位相欠陥発生のプロセス解明や、欠陥修正を行う可能性を与えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】その光学系の構成を示す図である。
【図３】その光学系の別の構成例を示す図である。
【図４】位相シフトマスクの検査領域について説明するための図である。
【図５】この発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置におけるデータ処理について説明するための図である。
【図６】この発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置におけるデータ処理について説明するための別の図である。
【図７】この発明の位相シフトマスク検査装置及び検査方法によって発見しようとするローカル位相欠陥の例を示す図である。
【図８】無欠陥のＬ＆Ｓパターンを観察した場合の光強度分布の計算値を示す図である。
【図９】ローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを観察した場合の光強度分布の計算値を示す図である。
【図１０】無欠陥のＬ＆Ｓパターンを透過する光の光量分布について説明するための図である。
【図１１】ローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを透過する光の光量分布について説明するための図である。
【図１２】落射照明によってローカル位相欠陥のあるＬ＆Ｓパターンを撮像した場合の光量分布について説明するための図である。
【図１３】この発明の実施形態である位相シフトマスク検査装置における位相シフトマスク検査の処理を示すフローチャートである。
【図１４】その位相シフトマスク検査装置における検査結果の表示例を示す図である。
【図１５】その別の検査モードにおけるデータ処理について説明するための図である。
【図１６】その検査モードにおける位相シフトマスク検査の処理を示すフローチャートである。
【図１７】通常のフォトマスクを用いて転写を行った場合の像の光強度分布の計算値を示す図である。
【図１８】図１７の場合と同じパターンを位相シフトマスクを用いて転写した場合の像の光強度分布の計算値を示す図である。
【図１９】通常のフォトマスクの構成例を模式的に示す断面図である。
【図２０】位相シフトマスクの構成例を模式的に示す断面図である。
【図２１】位相シフトマスクの別の構成例を模式的に示す断面図である。
【図２２】従来の方法で位相シフトマスクを検査する場合の１回の検査範囲の例を示した図である。
【符号の説明】
１：検査機本体 ２：ローダ
３：画像処理装置 ４：ＣＣＤカメラ
５：ＸＹＺテーブル ６：マスクホルダ
７：位相シフトマスク ８：結像光学系
１０：コンピュータ本体 １１：表示装置
１３，１４，１５；架台 ２０：照明系
２１：ランプ ２２：カイルプリズム
２３：第１のカレイドスコープ
２４：光ファイバー ２５：第２のカレイドスコープ
２６：干渉フィルター ２７：コンデンサ
２８，３４：対物レンズ ２９：リレーレンズ
３１：リングスリット ３２：穴明きミラー
３３：リング状コンデンサ
Claims (15)
- 検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明する照明手段と、前記位相シフトマスクを観察するための対物レンズと、前記対物レンズによる前記位相シフトマスクの像を読み取る撮像手段と、該手段によって読み取った像の画像解析を行う画像解析手段とを備え、
前記照明手段と前記対物レンズと前記撮像手段とによって構成される光学系のレーリーの解像限界は、前記位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しない値であり、
前記画像解析手段は、前記撮像手段によって読み取った像の光強度分布を解析することによって前記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する手段であることを特徴とする位相シフトマスク検査装置。 - 請求項１記載の位相シフトマスク検査装置において、
前記画像解析手段は、前記撮像手段によって読み取った像の検査対象以外の部分に対してマスク処理を行い、検査対象部分のみを取り出すマスク処理手段を有し、前記検査対象部分のみについてローカル位相欠陥の検査を行う手段であることを特徴とする位相シフトマスク検査装置。 - 請求項１又は２記載の位相シフトマスク検査装置において、前記画像解析手段が、前記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、該欠陥部の光強度とその周囲の光強度を比較することにより前記ローカル位相欠陥の寸法を算出する手段を備えていることを特徴とする位相シフトマスク検査装置。
- 同一のパターンを複数形成した位相シフトマスクの検査を行う位相シフトマスク検査装置であって、
検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明する照明手段と、前記位相シフトマスクを観察するための対物レンズと、前記対物レンズによる前記位相シフトマスクの像を読み取る撮像手段と、前記位相シフトマスクを少なくとも前記対物レンズによる観察方向と垂直な平面上で移動させるための移動手段と、前記撮像手段によって読み取った像の画像解析を行う画像解析手段とを備え、
前記照明手段と前記対物レンズと前記撮像手段とによって構成される光学系のレーリーの解像限界は、前記位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しない値であって、
前記画像解析手段は、前記撮像手段によって読み取った前記位相シフトマスク上の２つのパターンの対応する部分の像における光強度分布の差を解析することによって前記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する手段であることを特徴とする位相シフトマスク検査装置。 - 検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明する照明手段と、前記位相シフトマスクを観察するための対物レンズと、前記対物レンズによる前記位相シフトマスクの像を読み取る撮像手段と、該手段によって読み取った像の画像解析を行う画像解析手段と、
前記位相シフトマスク上に形成されるパターンの設計値と、前記照明手段と前記対物レンズと前記撮像手段とによって構成される光学系の特性値とから前記撮像手段によって読み取られる像の光強度分布を算出する光強度分布算出手段とを備え、
前記光学系のレーリーの解像限界は、前記位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しない値であり、
前記画像解析手段は、前記撮像手段によって読み取った像の光強度分布と前記光強度分布算出手段によって算出した光強度分布との差を解析することによって前記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査する手段であることを特徴とする位相シフトマスク検査装置。 - 請求項４又は５記載の位相シフトマスク検査装置において、前記画像解析手段が、前記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、該欠陥部における光強度差とその周囲における光強度差を比較することにより前記ローカル位相欠陥の寸法を算出する手段を備えていることを特徴とする位相シフトマスク検査装置。
- 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の位相シフトマスク検査装置において、前記照明手段はリング状落射照明による照明手段であることを特徴とする位相シフトマスク検査装置。
- 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の位相シフトマスク検査装置において、前記画像解析手段が前記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に該ローカル位相欠陥の位置情報を外部機器に出力する手段を設けたことを特徴とする位相シフトマスク検査装置。
- 検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明し、
前記位相シフトマスクの像を、該位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって撮像し、
その像の光強度分布を解析することによって前記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査することを特徴とする位相シフトマスク検査方法。 - 請求項９記載の位相シフトマスク検査方法において、
前記光学系によって撮像した像の検査対象以外の部分に対してマスク処理を行って検査対象部分のみを取り出し、前記検査対象部分のみについてローカル位相欠陥の検査を行うことを特徴とする位相シフトマスク検査方法。 - 請求項９又は１０記載の位相シフトマスク検査方法において、
前記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、該欠陥部の光強度とその周囲の光強度とを比較することにより前記ローカル位相欠陥の寸法を算出することを特徴とする位相シフトマスク検査方法。 - 検査対象の、同一パターンを複数形成した位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明し、
前記位相シフトマスクの像を、該位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって前記同一パターンのうち２つのパターンについて対応する位置で撮像し、
その２つの像の光強度分布の差を解析することによって前記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査することを特徴とする位相シフトマスク検査方法。 - 検査対象の位相シフトマスクを検査領域の全面に亘り略均一な光量で照明し、
前記位相シフトマスクの像を、該位相シフトマスク上の検査対象のパターンを解像しないようなレーリーの解像限界を持つ光学系によって撮像し、
その像の光強度分布と、前記位相シフトマスク上に形成されるパターンの設計値と前記光学系の特性値とから算出される像の光強度分布との差を解析することによって前記位相シフトマスクのローカル位相欠陥を検査することを特徴とする位相シフトマスク検査方法。 - 請求項１２又は１３記載の位相シフトマスク検査方法において、
前記位相シフトマスク上にローカル位相欠陥を発見した場合に、該欠陥部における光強度の差とその周囲における光強度の差とを比較することにより前記ローカル位相欠陥の寸法を算出することを特徴とする位相シフトマスク検査方法。 - 請求項９乃至１４のいずれか一項に記載の位相シフトマスク検査方法において、
前記照明をリング状落射照明によって行うことを特徴とする位相シフトマスク検査方法。
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