JP4760564B2 - パターン形状の欠陥検出方法及び検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路等の回路パターンを転写する際に用いられるフォトマスク（レクチル）の欠陥検出装置に関し、特に、光の位相変化をもたらす位相シフトマスク等の欠陥を検出するパターン形状の欠陥検出方法及び検出装置に関する。

半導体集積回路の集積度が高くなるに伴い、より一層微細なパターンを形成することができるリソグラフィ技術が必要とされている。ガラス基板上に金属膜等からなる遮光パターンを形成したバイナリマスク及び露光波長に対して半透明性の材料からなるパターンを形成したハーフトーンマスク等のパターン形状欠陥を検出する方法として、様々な装置が提案、実現されている。微細パターン形成リソグラフィ技術の一つとして、位相シフトマスクの使用が提案されている。位相シフトマスクは、隣り合う透光パターンの一方に露光光の位相をシフトさせる部材を付加（又は掘り込み）したもので、透過した光の干渉によって高いコントラストを得るものであり、ハーフトーンマスク（Ａｔｔ−ＰＳＭ：Attenuated Phase Shift Mask）及びレベンソンマスク（Ａｌｔ−ＰＳＭ：Alternating Phase Shift Mask）等が存在する。

このような位相シフトマスクを用いて微細パターンを露光するには、位相シフタが正確に設計データと一致することが重要であり、設計データから外れた欠陥を検査する方法が必要とされている。このため、近時、位相シフトマスク等の光の干渉効果を利用したフォトマスクにおける欠陥検出技術が切望されるようになってきた。

このような背景のもと、様々な方法が考案されてきた。例えば、光の干渉を利用したものとして、特許文献１に記載されているような光ヘテロダイン干渉法を用いた方法、及び特許文献２に記載されているような微分干渉顕微鏡を用いた方法等が開示されている。

また、光の回折、散乱を利用した方法として、特許文献３に記載されているような均一に照明された位相シフトパターンのフーリエ変換像の解析を用いた方法、及び特許文献４に記載されているような斜め方向から照明された位相シフトパターンからの散乱、回折光のみをフーリエ変換面にて空間フィルタを通して検出する方法等が開示されている。

また、遮光パターンを形成したバイナリマスク及び半透明性のパターンを形成したハーフトーンマスク等のパターン形状欠陥を検出する方法の一つとして、フォトマスクのパターン形成面に集光、走査した光の透過光、反射光を検出することによってパターン形状を観測する走査型顕微鏡方式がある。走査型顕微鏡方式は、その集光するという性質上高いＳ／Ｎ比を有し、特に反射検査において有利な方式である。

また、特許文献５では、実装電子部品等の段差、及び反射率変動のあるプリント基板のような測定対象物に対して、測定対象物の微細な高さを測定するためのレーザ変位計が記載されている。このレーザ変位計は、測定対象物にレーザ光を走査する投光光学系と、測定対象物からの反射光を受光する受光光学系を備え、この受光光学系は、非点収差をもたせて反射光を集光し、４分割センサで受光して測定対象物の高さを測定する。また、特許文献６では、ディスク表面にレーザ光を照射し、ディスクからの反射光を非点収差法により受光し、４分割センサを用いて反射面からの距離を検出するディスク試験装置が記載されている。

特開平６−３３１３２１号公報 特開２００２−２８７３２７号公報 特開平０４−２２９８６３号公報 特表２００２−５１９６６７号公報 特開平０７−０８３６２０号公報 特開平０９−２５７４４４号公報

しかしながら、上述の従来技術には以下に示すような問題点がある。

特許文献１及び２に記載の従来技術においては、測定対象にわずかに位置をずらした２つの光ビームを照射しその２つの光の干渉を利用するため、２ビーム間の横ずれ方向に従う検出能力のパターン方向依存性、及び横ずれ量に依存するパターン線幅の限定等の問題点を抱えている。

また、特許文献３に記載の従来技術は、基本的に位相変化量（膜厚）のみを測定する方法であり、微小な欠陥に対する検出を対象としていない。また、投影露光装置と同様に均一な照明を用いた一般的な結像方式におけるフーリエ変換像の解析をもとに考案されているため、位相シフタが付加されている箇所と付加されていない箇所の２箇所のみを均一に照明するように照明範囲を限定しなければならない問題点を抱えている。

また、特許文献４に記載の従来技術は、半導体ウエハ等の欠陥検出に一般的に用いられている方法の一つである。即ち、ランプ及びレーザ等の光源によって暗視野／明視野照明された領域からの散乱、回折光を測定し解析することで欠陥を検出する装置であり、様々な方式が考案されているが、大抵の場合、微小欠陥からの微弱な散乱、回折光のＳ／Ｎを向上することに主題が置かれている。特許文献４においても、そのＳ／Ｎ改善と欠陥種別の判定として、ファーフィールド領域における回折光に対して空間フィルタリングを施して検出する方法が開示されている。しかしながら、検出対象のパターン形状及び欠陥形状によって様々な散乱、回折光が発生するため、それらを捕獲するために照明光の角度及び受光系の配置（又は、前記空間フィルタの種類）にその数に見合った構成要素と複雑な構成が必要とされるという問題点を抱えている。

また、走査型顕微鏡方式を用いた欠陥検査装置は、光の総光量のみを検出するため、検査光として用いた光の波長に対して透過率に差がないパターンの場合、つまりフォトマスクのガラス基板と同じ材質にて形成された光の位相だけを変化させるような欠陥（以下、位相欠陥と称す）に対しては検出能力に欠けるという問題点があった。

また、特許文献５及び６においては、本発明が主に対象とするフォトマスクの欠陥検査を目的とするものではないが、非点収差法を用いて測定対象物の高さ又はディスク上の平坦度を検出する技術が開示されている。非点収差法は自動焦点等に広く用いられる周知の方法であるが、本発明においても非点収差法を用いてフォトマスクの位相欠陥の検出を行う。しかしながら、本発明は、フォトマスク上の遮光パターン及び位相的な分布の両方を検出可能とする点で従来技術とは異なる。

本発明は上記のような走査型顕微鏡方式において、高Ｓ／Ｎ比という特徴を活かしつつ簡単に位相欠陥の検出能力を向上させることを目的とする。特に、光の散乱、回折が発生し難い微小欠陥以外の欠陥、即ち、集光スポットに対して比較的大きな面積（１μｍ以上）で位相が設計値と異なるような位相欠陥を対象とする。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、走査型顕微鏡方式を用いたパターン形状の欠陥検出装置において、簡素な構成で、高速、且つパターン形状依存性及び方向依存性が少ない、高精細・高精度なパターン形状の欠陥検出方法及び検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係るパターン形状の欠陥検出装置は、少なくとも特定波長の光に対して透明な部材の表面に遮光又は半透過性膜のパターンが形成されると共に、この遮光又は半透過性膜が形成されていない表面領域を透過する光に対して透過位置により位相差を与える位相シフタが形成された被検査対象物の被検査面上におけるパターン形状の欠陥検出装置であって、少なくとも前記特定波長の光を発する光源と、この光源が発した光を前記被検査面上に集光して集光スポットを形成する集光部と、前記集光スポットを前記被検査面上で走査させる走査部と、前記集光スポットにより前記被検査面上に照射された光の前記被検査面による反射光を第１及び第２の光路に分離するビームスプリッタと、前記第１の光路における前記反射光が入射し前記被検査面上の反射率に比例する第１の光強度信号を検出する反射検出部と、前記第２の光路における前記反射光が入射し非点収差法により前記反射光の位相分布を第２の光強度信号として検出する非点収差検出部と、前記第１及び第２の光強度信号をもとに前記被検査面上におけるパターン形状の欠陥を検出する欠陥検出部と、を有することを特徴とする。

前記欠陥検出部は、前記第１及び第２の光強度信号の差分信号から前記被検査面上における遮光又は半透過性膜のパターンの欠陥及び位相欠陥を検出することができる。

前記欠陥検出部は、前記第１の光強度信号から前記被検査面上における遮光又は半透過性膜のパターンの欠陥を検出することがきできる。

前記集光スポットにより前記被検査面上に照射された光の前記被検査対象物を透過した透過光を受光し、その透過率に比例する光強度信号を検出する透過検出部を有していてもよい。

前記光源は、レーザ光源であることが好ましい。

前記非点収差検出部は、シリンドリカルレンズを含む非点収差発生光学系と、４分割センサと、この４分割センサにより検出された信号を演算して前記第２の光強度信号を出力する信号演算部と、を有するものであってもよい。

また、前記非点収差検出部は、前記第２の光路における反射光を第３及び第４の光路に分離するビームスプリッタと、前記第３の光路に設けられシリンドリカルレンズを含む第１の非点収差発生光学系及び第１の４分割センサと、前記第４の光路に設けられシリンドリカルレンズを含む第２の非点収差発生光学系及び第２の４分割センサと、前記第１及び第２の４分割センサにより検出された信号を演算して前記第２の光強度信号を出力する信号演算部と、を有するものであってもよい。

前記被検査対象物は、表面に遮光又は半透過性膜のパターン及び位相シフタが形成されたフォトマスクであってもよい。

前記フォトマスクにおける設計上同一パターンを有する２つのダイに対して夫々前記第１及び第２の光強度信号を検出し、これら２つのダイに対する光強度信号を比較することにより欠陥を検出することができる。

また、前記フォトマスクにおけるダイに対して前記第１及び第２の光強度信号を検出し、設計データベースからの理論パターンに対する前記第１及び第２の光強度信号を計算し、ダイと設計データベースからの理論パターンに対する光強度信号を比較することにより欠陥を検出することができる。

本発明に係るパターン形状の欠陥検出方法は、少なくとも特定波長の光に対して透明な部材の表面に遮光又は半透過性膜のパターンが形成されると共に、この遮光又は半透過性膜が形成されていない表面領域を透過する光に対して透過位置により位相差を与える位相シフタが形成された被検査対象物の被検査面上に、少なくとも前記特定波長の光を発する光源からの光を集光すると共に前記被検査面上を走査し、前記被検査面上に照射された光の前記被検査面による反射光を第１及び第２の光路に分離し、前記第１の光路における前記反射光から前記被検査面上の反射率に比例する第１の光強度信号を検出し、前記第２の光路における前記反射光から非点収差法により前記反射光の位相分布を第２の光強度信号として検出し、前記第１及び第２の光強度信号をもとに前記被検査面上におけるパターン形状の欠陥を検出することを特徴とする。

前記第１及び第２の光強度信号の差信号から、前記被検査面上における遮光又は半透過性膜のパターンの欠陥及び位相欠陥を検出することができる。

前記第１の光強度信号から、前記被検査面上における遮光又は半透過性膜のパターンの欠陥を検出することができる。

前記被検査対象物は、表面に遮光又は半透過性膜のパターン及び位相シフタが形成されたフォトマスクであってもよい。

前記フォトマスクにおける設計上同一パターンを有する２つのダイに対して夫々前記第１及び第２の光強度信号を検出し、これら２つのダイに対する光強度信号を比較することにより欠陥を検出することができる。

また、前記フォトマスクにおけるダイに対して前記第１及び第２の光強度信号を検出し、設計データベースからの理論パターンに対する前記第１及び第２の光強度信号を計算し、ダイと設計データベースからの理論パターンに対する光強度信号を比較することにより欠陥を検出することができる。

本発明によれば、走査顕微鏡方式を用いた被検査対象面上の位相欠陥の検出において、非点収差法を用いて位相欠陥、即ち、高さ方向の設計値からの誤差を簡易且つ高速に検出することができる。また、通常のパターン形状欠陥検査との同時検査が可能であり、遮光パターンと位相シフタが混在したようなフォトマスク等の検査においても、夫々の欠陥を検出／特定することが可能である。

また、被検査対象面上には単一のビームスポットが照射されるためパターン形状依存性及び方向依存性がない。更に、従来パターン形状欠陥検査と同様の欠陥信号が得られるため、従来の欠陥検出用アルゴリスムを多数流用可能である。

更にまた、走査型顕微鏡方式の利点である高いＳ／Ｎを確保可能であり、欠陥信号がノイズに埋もれる心配も少ない。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。先ず、本発明の実施形態に係るフォトマスクの欠陥検出装置について説明する。図１は、本実施形態に係るフォトマスクの欠陥検出装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係るフォトマスクの欠陥検出装置は、検査光を発する光源１と、光源１から入射した光ビーム２を所定にビーム径に変換し且つ偏向して出射する走査光学系３と、リレー光学系４と、ビームスプリッタ５と、ビームスプリッタ５を透過した光を集光する対物レンズ６と、フォトマスク７を保持し紙面垂直方向に移動可能な駆動ステージ８と、フォトマスク７を透過した光ビームを受光してフォトマスク７上の遮光性膜のパターン検出がなされる透過検出部（図示せず）と、フォトマスク７により反射され、対物レンズ６を経て更にビームスプリッタ５で反射された光が入射するビームスプリッタ１０と、ビームスプリッタ１０を透過した光を集光するレンズ１１と、レンズ１１により集光されたフォトマスク７からの反射光が入射し、この反射光を用いたフォトマスク７上の遮光パターン検出がなされる光電変換器１２と、ビームスプリッタ１０により反射分離されたフォトマスク７からの反射光が入射し、フォトマスク７上の位相分布を電気信号化して出力する非点収差検出部１００と、光電変換器１２及び非点収差検出部１００からの信号が入力され、これらの信号を画像化して出力する画像処理部１３と、を備える。

非点収差検出部１００は、ビームスプリッタ１０１と、ビームスプリッタ１０１により２光路に分離された光ビームが夫々入射する非点収差発生光学系１０２及び１０５と、非点収差発生光学系１０２及び１０５に夫々含まれるシリンドリカルレンズ１０３及び１０６と、非点収差発生光学系１０２及び１０５を通過した光ビームが夫々入射する四分割センサ１０４及び１０７と、四分割センサ１０４及び１０７にて検出された信号を演算する信号演算部としての演算回路１０８と、を備える。

図１に示すような走査型顕微鏡方式のフォトマスクの欠陥検出装置において、従来は、集光スポット９によって照明されたフォトマスク７の透明な領域に位相欠陥７ａが存在し、位相の変化のみを受けた場合、透過及び反射した光を光電変換器にて検出した光強度は位相に関係なく振幅に依存するため検出が不可能となる。そこで、本発明では、上記位相欠陥７ａを検出するために、反射光路に非点収差検出部１００を設け、位相変化量を光強度変化量として検出している。

走査型顕微鏡方式において解像度を高めるためには被検査パターン上に集光するスポット径を小さくする必要があり、このため短波長光源が必要とされる。また、Ｓ／Ｎを向上させるためには高輝度な光源が必要となる。これらの条件から、本実施形態では、光源１として、例えば波長２６６ｎｍの遠紫外レーザが用いている。

光源１から発した光ビーム２は、走査光学系３に入射する。走査光学系３から出射される光ビーム２は、所望のビーム径に変換され、且つ高速に偏向されている。走査光学系３に用いられる偏向装置は、例えば音響光学偏向器又はポリゴンミラー若しくはガルバノミラーである。

高速偏向を受けた光ビーム２（又は２’）は、リレー光学系４と、反射光分離用のビームスプリッタ５を透過した後、対物レンズ６に入射してフォトマスク７のパターン形成面に所望の集光スポット９を形成する。対物レンズ６は、例えばＮＡ（開口数）０．８５の大きな開口を有し、フォトマスク７上にφ０．３乃至０．４μｍの微小な集光スポット９を形成する。また、対物レンズ６は、集光スポット９がフォトマスク７上をテレセントリックに走査するように構成されている。図１に示すように、紙面に平行な面内で上下方向に走査する集光スポット９に対して、これに直交する方向（紙面に垂直な方向）に駆動ステージ８を移動させることにより、駆動ステージ８により保持されたフォトマスク７の表面を２次元的に走査する。なお、他の走査手段として、２次元的に集光スポット９を走査する方法、及び２次元的にフォトマスク７を移動する方法等も可能である。

フォトマスク７を透過した光ビーム２は透過検出部（図示せず）へ導かれ、透過光を用いた遮光パターン検出に利用される。また、フォトマスク７に反射された光ビーム２は対物レンズ６を逆戻りしてビームスプリッタ５で反射され、更にビームスプリッタ１０を透過した後、レンズ１１でフォトダイオード等の光電変換器１２に集光されて反射光を用いた遮光パターン検出に利用される。

また、ビームスプリッタ１０に入射するフォトマスク７からの反射光は、上記のようにビームスプリッタ１０を透過すると共に反射分離され、非点収差検出部１００に入射する。非点収差検出部１００内では、更にビームスプリッタ１０１を用いて光ビームを２光路に分割し、分割された一方の光ビームはシリンドリカルレンズ１０３を含む非点収差発生光学系１０２を通ってシリンドリカルレンズ１０３の焦点の前側で且つ光ビーム断面形状が円形となる位置で４分割センサ１０４に入射する。即ち、シリンドリカルレンズ１０３から４分割センサ１０４に向かう直線において、シリンドリカルレンズ１０３、４分割センサ１０４、シリンドリカルレンズ１０３の焦点の順に配置されている。また、分割された他方の光ビームはシリンドリカルレンズ１０６を含む非点収差発生光学系１０５を通ってシリンドリカルレンズ１０６の焦点の後側で且つ光ビーム断面形状が円形となる位置で４分割センサ１０７に入射する。各４分割センサ１０４及び１０７にて検出された信号は演算回路１０８によって信号演算され、更に欠陥検出部としての画像処理部１３へ送られて画像化される。

次に、上述の如く構成された本実施形態の動作、即ち、非点収差法を利用した位相欠陥の検出について詳細に説明する。位相欠陥７ａの検出すべき高さ（位相）は、例えば数十乃至２００ｎｍ程度である。また、位相シフトマスクにおいては、位相シフタ及び位相欠陥７ａの光干渉作用が及ぶごく近傍の透光パターンとの相対的な高さ（位相）が重要となる。今、走査型顕微鏡方式のフォトマスク欠陥検査装置において、画像取得単位である１フレームの視野が縦横１００μｍ×１００μｍ程度とした場合、この視野範囲内での相対的な高さ方向の変化が検出できれば良いことになる。

本実施形態においては、対物レンズ６はフォトマスク７が焦点深度内になるように常にフォーカス制御されている。フォトマスクを検査対象とする場合に、１００μｍ×１００μｍ程度の大きさの１フレーム内では急激にフォーカス位置が変化することは考えられないため、対物レンズ６のフォーカス制御は、１フレーム取得期間中には行わずに固定することが望ましい。これは、位相欠陥７ａの検出感度を数十ｎｍ確保するために必要であるからである。即ち、１フレーム取得期間中にフォーカス制御を行い、位相欠陥に相当する高さ方向に焦点を合わせると、後述の非点収差法による高さ検出が不可能となるためである。従って、フォーカス制御は１フレーム以上の間隔をあけて行う。

本発明においては、フォトマスク等の位相欠陥を検出するために、自動焦点検出等に広く用いられる周知の方法である非点収差法を利用する。図１の非点収差検出部１００において、上記のように対物レンズ６が合焦状態で固定され、フォトマスク７の表面における基準高さに対して、４分割センサ１０４及び１０７の各受光面上における光ビームの形状が円形であるとする。即ち、図２（ｂ）に示すように、４分割センサ１０４及び１０７に受光される光１５ａ及び１５ｂの形状は共に円形であり、４分割された各受光領域における光量は等しくなっている。このとき、フォトマスク７の表面における高さ（位相）方向の変化は、非点収差発生光学系１０２及び１０５の焦点位置の変化として検出され、４分割センサ１０４及び１０７上のビーム光の形状が円形から横長又は縦長の楕円形に変化する。即ち、フォトマスク７の表面の基準高さから高い方向（対物レンズ６に近づくインフォーカス方向）への変化に対しては、非点収差発生光学系１０２及び１０５の各焦点位置は後方（４分割センサ１０４及び１０７側）へ移動するため、４分割センサ１０４及び１０７に夫々入射する光は、４分割センサ１０４では横長楕円（図２（ａ）上図）、４分割センサ１０７では縦長楕円（図２（ａ）下図）となる。また、フォトマスク７の表面の基準高さから低い方向（対物レンズ６から遠ざかるアウトフォーカス方向）への変化に対しては、その逆となり、４分割センサ１０４及び１０７に夫々入射する光は、４分割センサ１０４では縦長楕円（図２（ｃ）上図）、４分割センサ１０７では横長楕円（図２（ｃ）下図）となる。

ここで、図２に示すように、４分割センサ１０４における４分割された各領域において検出される各信号をＡ１１、Ａ１２、Ａ２１、Ａ２２とし（Ａ１１及びＡ１２が対向する位置にある）、４分割センサ１０７における４分割された各領域において検出される各信号をＢ１１、Ｂ１２、Ｂ２１、Ｂ２２とする（Ｂ１１及びＢ１２が対向する位置にある）。このとき、位相欠陥検出信号Ｐは、Ｐ＝（Ａ１−Ａ２）／（Ａ１＋Ａ２）−（Ｂ１−Ｂ２）／（Ｂ１＋Ｂ２）、但し、Ａ１＝Ａ１１＋Ａ１２、Ａ２＝Ａ２１＋Ａ２２、Ｂ１＝Ｂ１１＋Ｂ１２、Ｂ２＝Ｂ２１＋Ｂ２２、で与えられる。従って、高さ方向が基準値の場合に４分割センサ１０４、１０７にて円形のビームとなるように調整された場合（図２（ｂ））、即ちＰ＝０となるように調整された系では、上記のように基準高さより高い方向の欠陥の場合は、Ａ１−Ａ２＜０、Ｂ１−Ｂ２＞０となりＰ＜０が出力される。また、基準高さより低い場合は、Ｐ＞０となる。

また、ビームスプリッタ１０を透過して光電変換器１２からなる反射検出部へ導かれた反射光から検出されるパターンは、フォトマスク７上の遮光性膜のパターンの反射率に比例した光強度である。この光電変換器１２から検出される反射光の信号を画像処理系１３にて画像信号化し、非点収差検出部１００から出力される位相欠陥検出信号Ｐを画像処理部１３にて画像信号化し、更に、前者から後者を引いたものが本実施形態における位相欠陥検査画像となる。なお、フォトマスク７を透過して透過検出部へ導かれた透過光から、フォトマスク７上の透過率に比例した光強度を検出することもできる。これにより、フォトマスク７上の遮光パターンの検出を行うことができ、非点収差検出部１００から出力される位相欠陥検出信号Ｐとの差分をとることにより、別の位相欠陥検査画像を得ることができる。

次に、位相欠陥検査画像について、図３乃至図５を用いて詳細に説明する。なお、以下では、レベンソン型（Ａｌｔ−ＰＳＭ）の位相シフトマスクを例にとって欠陥の検出例を説明する。図３（ａ）は、位相欠陥が存在しない場合のフォトマスク７の断面図、図３（ｂ）乃至（ｄ）は、図３（ａ）に示すフォトマスク７を本実施形態により検出し、画像信号化した図である。図３（ａ）に示すように、７ｃはＣｒ等の遮光膜、７ｂ及び７ｄは透光パターンであり、透光パターン７ｄは掘り込まれおり、透光パターン７ｂに対して位相が１８０度反転しているレベンソン型の位相シフトマスクを示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）の断面形状に対応する反射信号（図１の光電変換器１２により得られる信号）を示し、遮光膜７ｃが形成された箇所に対応する信号の光強度は大きくなっている。これは前述のように、光電変換器１２が反射率に比例した信号を検出するためである。図３（ｃ）は、図３（ａ）の断面形状に対応する非点収差検出部１００の演算回路１０８から出力される位相欠陥検出信号Ｐを表す。但し、図３（ｃ）においては、透光パターン７ｂの表面からの反射光を非点収差光学系で検出する際に、４分割センサにおける光ビーム形状が図２（ｂ）に示すように円形となるようにフォーカス制御している。従って、透光パターン７ｂの表面の高さが基準高さとなるような条件下で信号強度が算出され、図３（ｃ）においては、透光パターン７ｂに対応する箇所に対応する光信号強度Ｐは０となっている。また、位相シフタを形成した透光パターン７ｄが存在する箇所に対応する信号の光強度は正の値となっている。これは前述のように、透光パターン７ｄの表面の高さが基準高さである透光パターン７ｂの表面の高さより低いため、Ｐ＞０となるためである。一方、遮光膜７ｃの表面の高さは基準高さである透光パターン７ｂの表面の高さより高いため、Ｐ＜０となり、信号の光強度は負の値となっている。図３（ｄ）は、図３（ｂ）の反射信号と、図３（ｃ）の非点収差信号との差信号であり、これが位相情報を含む位相欠陥検査画像となる。なお、図３は欠陥のないフォトマスクを示し、ここでは欠陥のない基準Ｄｉｅ（ダイ）として扱う。

次に、フォトマスク７において位相欠陥が存在する場合の位相欠陥検査画像について説明する。図４は、高さが高い方向の位相欠陥が存在する場合のフォトマスクの断面図を、図３と同様に示したものである。即ち、図４（ａ）においては、図３（ａ）と比較して、掘り込みが足りない位相欠陥７ａが存在しており、図示例では位相欠陥７ａの表面の高さは基準高さである透光パターン７ｂの表面の高さと同じになっている。この場合、図４（ｂ）に示す反射検出による光強度は、図３（ｂ）に示す反射検出による光強度と同じであり、反射検出部により位相欠陥７ａの検出を行うことはできない。これは前述のように、反射検出においては、光強度は位相に依存せず、振幅に依存するからである。これに対して、非点収差法は位相差を検出するため光強度には変化が現れ、位相欠陥７ａが存在する箇所に対応する光強度は、図４（ｃ）においては０となっており、図３（ｃ）における正の検出値とは異なる。そのため、結果として、図４（ｄ）に示すように、図３（ｄ）における検出値とは異なる位相欠陥信号が得られる。また、透光パターンの位相欠陥であるかどうかは、図４（ｄ）の光強度レベルが設定した所定のレベルより大きいか又は小さいかで判定可能である。図４（ｄ）に示す例では、遮光膜の箇所に対応する光強度は透光パターンの箇所に対応する光強度の半分以上であるので、例えば、光強度が半分以下なら透光パターンの位相欠陥であり、半分以上なら遮光膜の欠陥というように判定することができる。

このようにして得られた図４（ｄ）に示す位相欠陥検査画像は、遮光パターン信号と位相欠陥信号との差分であるため、遮光パターンの形状欠陥と位相欠陥の両方を同時に検出することができる。例えば、図４を用いて、図３とのＤｉｅ ｔｏ Ｄｉｅ比較検査（ダイとダイとの比較検査）によって、欠陥を検出することができる。

図５は、高さが低い方向の位相欠陥が存在する場合のフォトマスクの断面図を、図３と同様に示したものである。即ち、図５（ａ）においては、図３（ａ）と比較して、掘り込むべきでない箇所が掘り込まれてしまった状態の位相欠陥７ａが存在しており、図示例では、図示例では位相欠陥７ａの表面の高さは透光パターン透光パターン７ｄの表面の高さと同じになっている。この場合、図５（ｂ）に示す反射検出による光強度は、図３（ｂ）に示す反射検出による光強度と同じである。これに対して、非点収差法は位相差を検出するため光強度には変化が現れ、位相欠陥７ａが存在する箇所に対応する光強度は、図５（ｃ）においては正の値となっており、図３（ｃ）における０とは異なる。そのため、結果として、図５（ｄ）に示すように、図３（ｄ）における検出値とは異なる位相欠陥信号が得られる。なお、図５においては、図３又は図４と同一の構成物等については同一の符号又は説明を付してその詳細な説明は省略する。

このようにして得られた図５（ｄ）に示す位相欠陥検査画像は、遮光パターン信号と位相欠陥信号との差分であるため、遮光パターンの形状欠陥と位相欠陥の両方を同時に検出することができる。例えば、図５を用いて、図３とのＤｉｅ ｔｏ Ｄｉｅ比較検査（ダイとダイとの比較検査）によって、欠陥を検出することができる。

なお、図３乃至図５に示す例では、掘り込みの有無を例にとって説明を行ったが、掘り込みの深さが設計値からずれ、検出対象が掘り込みの深さの大小である場合についても同様に検出することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態によれば、走査型顕微鏡方式のフォトマスク欠陥検査装置において非点収差法を利用することによって位相変化量を光強度変化量として検出するため、複雑な光学手段、信号（画像）解析手段を必要とせず、簡易且つ高速に位相欠陥を高精度に検出することができる。また、走査型顕微鏡方式であるため高精細である。

また、通常のパターン形状欠陥検査との同時検査が可能であり、遮光パターンと位相シフタが混在したようなフォトマスクの検査においても、夫々の欠陥を検出／特定することが可能である。

また、フォトマスクには単一のビームスポットが照射されるためパターン形状依存性及び方向依存性がない。また、従来パターン形状欠陥検査と同様の欠陥信号が得られるため、従来の欠陥検出用アルゴリスムを多数流用可能である。

更に、走査型顕微鏡方式の利点である高いＳ／Ｎを確保可能であり、欠陥信号がノイズに埋もれる心配も少ない。

なお、図３（ｄ）、図４（ｄ）及び図５（ｄ）に示すような差信号を検査画像とせずに、図３（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ｂ）の反射画像を用いて従来のように遮光パターンの欠陥検出を行い、図３（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ｂ）の画像において透光パターンと判定した部分のみ、図３（ｃ）、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すような非点収差法による検査画像から位相欠陥の有無を判定することもできる。また、図３（ｃ）、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示す非点収差法による検査画像のみの比較によっても検出が可能であるが、この場合は遮光膜欠陥であるのか、又は位相欠陥であるのかの判定をすることができない。

なお、本実施形態では非点収差光学系の光路として、図１の非点収差発生光学系１０２で表す前焦点光路と、非点収差発生光学系１０５で表す後焦点光路の２光路を設けて感度を２倍としているが、どちらか一方の光路でも位相欠陥を検出可能である。

また、本実施形態においては、フォトマスクの中の同じパターンが含まれる複数のダイ同士を比較する方式、即ち、Ｄｉｅ ｔｏ Ｄｉｅ方式に基づく欠陥検出について説明したが、理論計算を用いてマスクパターンの設計データベースから参照とする画像を作成して比較する方式、即ち、Ｄｉｅ ｔｏ Ｄａｔａｂａｓｅ方式を用いることも可能である。

更に、本実施形態においては、一例として、位相シフトマスクとしてレベンソンマスク（Ａｌｔ−ＰＳＭ）の欠陥検出を例に説明を行ったが、ハーフトーンマスク（Ａｔｔ−ＰＳＭ）に対しても同様に適用することができ、この場合は、遮光パターンの替わりに半透明性のパターンが形成されている。更に、高さ変化が発生する対象物に対して同様の効果が期待できる。即ち、膜厚欠陥、及び比較的大きな異物欠陥等でも同様の効果が期待できる。例えば、微細なパターンを有する電子デバイス等の表面状態の検出への応用も考えられる。

本発明は、半導体集積回路等の回路パターンを転写する際に持ちいれられるフォトマスク、特に位相シフトマスク等の欠陥の検出に好適に利用することができ、更に、微細なパターンを有する電子デバイス等の表面状態の検出への応用も考えられる。

本発明の実施形態に係るフォトマスクの欠陥検出装置の構成を示すブロック図である。 非点収差法により４分割センサ上に受光された反射光の形状を示す断面図であり、（ａ）はインフォーカス時、（ｂ）は合焦時、（ｃ）はアウトフォーカス時、を示す。 （ａ）は位相欠陥が存在しない場合のフォトマスクの断面図、（ｂ）は（ａ）の断面形状に対応する反射信号を示す図、（ｃ）は（ａ）の断面形状に対応する非点収差光学系の演算回路から出力される位相欠陥検出信号を示す図、（ｄ）は（ｂ）の反射信号と（ｃ）の非点収差信号との差信号を示す図である。 （ａ）は高さが高い方向の位相欠陥が存在する場合のフォトマスクの断面図、（ｂ）は（ａ）の断面形状に対応する反射信号を示す図、（ｃ）は（ａ）の断面形状に対応する非点収差光学系の演算回路から出力される位相欠陥検出信号を示す図、（ｄ）は（ｂ）の反射信号と（ｃ）の非点収差信号との差信号を示す図である。 （ａ）は高さが低い方向の位相欠陥が存在する場合のフォトマスクの断面図、（ｂ）は（ａ）の断面形状に対応する反射信号を示す図、（ｃ）は（ａ）の断面形状に対応する非点収差光学系の演算回路から出力される位相欠陥検出信号を示す図、（ｄ）は（ｂ）の反射信号と（ｃ）の非点収差信号との差信号を示す図である。

符号の説明

１；光源
２、２’；ビーム
３；走査光学系
４；リレー光学系
５、１０；ビームスプリッタ
６；対物レンズ
７；フォトマスク
７ａ；位相欠陥
７ｂ、７ｄ；透光パターン
７ｃ；遮光膜
８；駆動ステージ
９；集光スポット
１１；レンズ
１２；光電変換器
１３；画像処理部
１５ａ、１５ｂ；光
１００；非点収差検出部
１０１；ビームスプリッタ
１０２、１０５；非点収差発生光学系
１０３、１０６；シリンドリカルレンズ
１０４、１０７；４分割センサ
１０８；演算回路
１１０；焦点

Claims (16)

1. 少なくとも特定波長の光に対して透明な部材の表面に遮光又は半透過性膜のパターンが形成されると共に、この遮光又は半透過性膜が形成されていない表面領域を透過する光に対して透過位置により位相差を与える位相シフタが形成された被検査対象物の被検査面上におけるパターン形状の欠陥検出装置であって、少なくとも前記特定波長の光を発する光源と、この光源が発した光を前記被検査面上に集光して集光スポットを形成する集光部と、前記集光スポットを前記被検査面上で走査させる走査部と、前記集光スポットにより前記被検査面上に照射された光の前記被検査面による反射光を第１及び第２の光路に分離するビームスプリッタと、前記第１の光路における前記反射光が入射し前記被検査面上の反射率に比例する第１の光強度信号を検出する反射検出部と、前記第２の光路における前記反射光が入射し非点収差法により前記反射光の位相分布を第２の光強度信号として検出する非点収差検出部と、前記第１及び第２の光強度信号をもとに前記被検査面上におけるパターン形状の欠陥を検出する欠陥検出部と、を有することを特徴とするパターン形状の欠陥検出装置。
2. 前記欠陥検出部は、前記第１及び第２の光強度信号の差分信号から前記被検査面上における遮光又は半透過性膜のパターンの欠陥及び位相欠陥を検出することを特徴とする請求項１に記載のパターン形状の欠陥検出装置。
3. 前記欠陥検出部は、前記第１の光強度信号から前記被検査面上における遮光又は半透過性膜のパターンの欠陥を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のパターン形状の欠陥検出装置。
4. 前記集光スポットにより前記被検査面上に照射された光の前記被検査対象物を透過した透過光を受光し、その透過率に比例する光強度信号を検出する透過検出部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパターン形状の欠陥検出装置。
5. 前記光源は、レーザ光源であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパターン形状の欠陥検出装置。
6. 前記非点収差検出部は、シリンドリカルレンズを含む非点収差発生光学系と、４分割センサと、この４分割センサにより検出された信号を演算して前記第２の光強度信号を出力する信号演算部と、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパターン形状の欠陥検出装置。
7. 前記非点収差検出部は、前記第２の光路における反射光を第３及び第４の光路に分離するビームスプリッタと、前記第３の光路に設けられシリンドリカルレンズを含む第１の非点収差発生光学系及び第１の４分割センサと、前記第４の光路に設けられシリンドリカルレンズを含む第２の非点収差発生光学系及び第２の４分割センサと、前記第１及び第２の４分割センサにより検出された信号を演算して前記第２の光強度信号を出力する信号演算部と、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパターン形状の欠陥検出装置。
8. 前記被検査対象物は、表面に遮光又は半透過性膜のパターン及び位相シフタが形成されたフォトマスクであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のパターン形状の欠陥検出装置。
9. 前記フォトマスクにおける設計上同一パターンを有する２つのダイに対して夫々前記第１及び第２の光強度信号を検出し、これら２つのダイに対する光強度信号を比較することによりパターン形状の欠陥を検出することを特徴とする請求項８に記載のパターン形状の欠陥検出装置。
10. 前記フォトマスクにおけるダイに対して前記第１及び第２の光強度信号を検出し、設計データベースからの理論パターンに対する前記第１及び第２の光強度信号を計算し、ダイと設計データベースからの理論パターンに対する光強度信号を比較することによりパターン形状の欠陥を検出することを特徴とする請求項８に記載のパターン形状の欠陥検出装置。
11. 少なくとも特定波長の光に対して透明な部材の表面に遮光又は半透過性膜のパターンが形成されると共に、この遮光又は半透過性膜が形成されていない表面領域を透過する光に対して透過位置により位相差を与える位相シフタが形成された被検査対象物の被検査面上に、少なくとも前記特定波長の光を発する光源からの光を集光すると共に前記被検査面上を走査し、前記被検査面上に照射された光の前記被検査面による反射光を第１及び第２の光路に分離し、前記第１の光路における前記反射光から前記被検査面上の反射率に比例する第１の光強度信号を検出し、前記第２の光路における前記反射光から非点収差法により前記反射光の位相分布を第２の光強度信号として検出し、前記第１及び第２の光強度信号をもとに前記被検査面上におけるパターン形状の欠陥を検出することを特徴とするパターン形状の欠陥検出方法。
12. 前記第１及び第２の光強度信号の差信号から、前記被検査面上における遮光又は半透過性膜のパターンの欠陥及び位相欠陥を検出することを特徴とする請求項１１に記載のパターン形状の欠陥検出方法。
13. 前記第１の光強度信号から、前記被検査面上における遮光又は半透過性膜のパターンの欠陥を検出することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のパターン形状の欠陥検出方法。
14. 前記被検査対象物は、表面に遮光又は半透過性膜のパターン及び位相シフタが形成されたフォトマスクであることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のパターン形状の欠陥検出方法。
15. 前記フォトマスクにおける設計上同一パターンを有する２つのダイに対して夫々前記第１及び第２の光強度信号を検出し、これら２つのダイに対する光強度信号を比較することにより欠陥を検出することを特徴とする請求項１４に記載のパターン形状の欠陥検出方法。
16. 前記フォトマスクにおけるダイに対して前記第１及び第２の光強度信号を検出し、設計データベースからの理論パターンに対する前記第１及び第２の光強度信号を計算し、ダイと設計データベースからの理論パターンに対する光強度信号を比較することにより欠陥を検出することを特徴とする請求項１４に記載のパターン形状の欠陥検出方法。
    
    

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