JP4825833B2 - パターン検査装置及びパターン検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料のパターンを検査するものであり、特に、半導体素子や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の製造に使用されるフォトマスクやガラスウエハの試料に形成されたパターンを有するマスクの欠陥（例えば、断線、細り、又は異物の付着など）を検査する試料検査に関するものである。

ＬＳＩ等の半導体装置の高集積化に伴い、レチクル等のマスクに形成されるマスクパターンの微細化が進んできている。そのため、マスクパターンのパターン検査装置にも高性能のものが求められている。パターン検査装置としては、マスクパターンをＣＣＤ等の撮像素子で撮像し、その撮像画像を基準画像と比較することで、欠陥を検出している。

また、マルチメディア化の進展に伴い、ＬＣＤは、５００ｍｍ×６００ｍｍ、またはこれ以上への液晶基板サイズの大型化と、液晶基板上に形成されるＴＦＴ等のパターンの微細化が進んでいる。従って、極めて小さいパターン欠陥を広範囲に検査することが要求されるようになってきている。

パターン検査装置の分解能を向上させるための方法として、照明光の偏光状態を変える方法がある。一般的に、直線偏光で照明した場合、光学像の解像特性に方向性があることが知られている。そこで、方向性を無くすには円偏光にしても良いが、この場合は平均化によって解像力が落ちるため、解像力が直線偏光の高解像の方向に達しない。この課題を解決するために、偏光方向を変化させて複数回検査を行う方法が考えられる。しかしながら、これでは検査時間が回数分増大して生産性を損なうため、適切でない。一方、検査時間を短縮するために、複数の結像光学系を有する検査装置が提案されている（特許文献１〜６参照）。
特開２００７−９３４３１ 特開２００６−１４５９８９ 特開２００６−１１２９１２ 特開２００５−２６６６２２ 特開２００５−２６５７３６ 特開２００４−３０１７５１

本発明は、検査時間を増大することなく、方向性の無い高解像による試料検査を得ることにある。

本発明の一実施の形態は、パターンを有する試料と光源との間に偏光プリズムを配置し、試料の同一の試料面上の異なる領域の一方を第１の光で照明し、同時に、異なる領域の他方を第１の光と偏光方向が直交する第２の光で照明する照明光学系と、試料の異なる領域からのパターン像を同時かつ別々に検出する複数の結像光学系と、別々に検出したパターン像について、基準画像と比較する比較部と、を備え、前記照明光学系は、偏光プリズムの後段に配置された分割型１／２波長板を備え、前記第１の光および前記第２の光の一方が放射状の偏光状態の光であり、他方が円周状の偏光状態の光である、パターン検査装置にある。

本発明によれば、検査時間を増大することなく、方向性の無い高解像による試料検査を実現することができる。

以下、本発明の詳細を実施の形態によって説明する。

（試料検査の基本構成）
図１は、本発明の実施の形態のパターン検査装置とパターン検査方法を説明するブロック図である。パターン検査装置１０は、フォトマスク、ウェハ、あるいは液晶基板などの試料のパターン１４を検査するものである。パターン検査装置１０は、高解像のパターン検査を実現するものであり、偏光方向が直交する２種類の光を試料の複数領域に照射する。即ち、パターン検査装置１０は、一方の偏光方向の光を試料の一方の領域に照明し、他方の偏光方向の光を他方の領域に照明し、各々の領域から別々に受光してパターン検査を行うものである。パターン検査装置１０は、試料のパターン１４の透過光や反射光を測定画像生成部２０で測定して、透過画像や反射画像の一方、又は両方の測定画像を生成する。測定画像生成部２０は、照明光学系３０と２系統の結像光学系４０ａ、４０ｂを備えている。照明光学系３０は、偏光方向が直交する２種類の光を生成し、試料の異なった領域に照射する。２系統の結像光学系４０ａ、４０ｂは、直交する２種類の偏光方向の光を別々に受光する。比較部６０は、試料のパターンの設計データ１４０を用いて、展開部５６と参照部５８で生成した参照画像を基準画像として用い、測定画像とＤ−Ｂ（ダイ−データベース）比較を行い、又は、測定画像生成部２０で生成した試料上の同一パターンを撮像して測定画像を基準画像として用い、同一パターンについて測定画像とＤ−Ｄ（ダイ−ダイ）比較を行う。

基準画像は、参照画像、又は、測定画像生成部２０で作成した測定画像、例えば、反射画像にフィルタ処理を施した画像又は透過画像にフィルタ処理を施した画像、又は同一試料上の異なる場所にある同一パターンなども含めて、基準として利用する画像である。

（試料検査装置）
図２は、試料検査装置１０の内部構成を示す概念図である。試料検査装置１０は、マスクやウェハ等の基板を試料１２として、試料１２のパターン１４の欠陥を検査するものである。試料検査装置１０は、測定画像生成部２０やデータ処理部５０などを備えている。測定画像生成部２０は、光源２２、ビームエキスパンダ３２、偏光プリズム３４、分割型１／２波長板３６、ハーフミラー４５、コンデンサレンズ４０、ＸＹθテーブル１６、ＸＹθモータ１８、変位計２６、対物レンズ４４、結像レンズ４６ａ、４６ｂ、透過光や反射光を受信するＣＣＤ、フォトダイオードアレイなどパターンを受光する撮像センサ４２０ａ、４２０ｂ、センサ回路４８ａ、４８ｂなどを備えている。データ処理部５０では、制御計算機となるＣＰＵ５２が、データ伝送路となるバス７０を介して、大容量記憶装置７２、主記憶装置７４、印字装置６６、表示装置６８、テーブル制御部５４、展開部５６、参照部５８、比較部６０、判定部６２などに接続されている。なお、図２では、本実施の形態を説明する上で必要な構成部分以外については記載を省略している。試料検査装置１０にとって、通常、必要なその他の構成が含まれる。

（測定画像生成部の動作）
試料１２は、駆動制御されたオートローダ（図示していない）から自動的に搬送され、ＸＹθテーブル１６上に配置される。ＸＹθテーブル１６は、ＣＰＵ５２の制御の下にテーブル制御部５４により駆動される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、θ方向に駆動する３軸（Ｘ−Ｙ−θ）モータ１８のような駆動系によって移動可能となる。３軸（Ｘ−Ｙ−θ）モータ１８は、例えばステップモータを用いることができる。ＸＹθテーブル１６の移動位置は、変位計２６により測定される。試料１２は、上方又は下方から光が照射されて、透過光又は反射光が生成される。試料１２の下方には、対物レンズ４４、結像レンズ４６ａ、４６ｂが配置され、試料１２を透過した光又は反射した光は、撮像センサ４２０ａ、４２０ｂに光学像として結像される。センサ回路４８ａ、４８ｂは、光学画像の電子データを測定画像として出力する。センサ回路４８ａ、４８ｂから出力された測定画像は、比較部６０ａ、６０ｂに送られる。変位計２６は、ＸＹθテーブル１６上の試料１２の位置データを判定部６２に送る。試料の位置情報と比較部６０ａ、６０ｂから得られた欠陥情報は、判定部６２に送られ、試料上の欠陥分布のマッピングが行われる。なお、ＸＹθテーブル１６上の試料１２は、オートローダにより検査終了後に自動的に排出される。なお、測定画像は、例えば８ビットの符号なしデータであり、各画素の明るさの階調を表現している。

図３は、測定画像の取得手順を説明するための図である。試料１２の被検査領域は、Ｙ軸方向にスキャン幅Ｗで仮想的に分割される。即ち、被検査領域は、スキャン幅Ｗの短冊状の複数のストライプ１２０に仮想的に分割される。更にその分割された各ストライプ１２０が連続的に走査されるようにＸＹθテーブル１６が制御される。ＸＹθテーブル１６は、Ｘ軸に沿って移動して、測定画像は、ストライプ１２０として取得される。撮像センサ４２０上には、図３に示されるような仮想的に分割されたパターンの短冊状領域の一部が拡大された光学像として結像される。なお、スキャン幅Ｗは、例えば２０４８画素程度とする。

（参照画像の生成）
試料１２のパターン形成時に用いた設計データ２０は、大容量記憶装置７２に記憶される。設計データ１４０は、ＣＰＵ５２によって大容量記憶装置７２から展開部５６に入力される。設計データの展開工程として、展開部５６は、試料１２の設計データを２値ないしは多値の原イメージデータに変換して、この原イメージデータが参照部５８に送られる。参照部５８は、原イメージデータに適切なフィルタ処理を施し、測定画像に類似する参照画像を生成する。センサ回路４８ａ、４８ｂから得られた測定画像は、光学系の解像特性や撮像センサ４２０ａ、４２０ｂのアパーチャ効果等によってフィルタが作用した状態にあると言えられる。この状態では測定画像と設計側の原イメージデータとの間に差異があるので、設計側の原イメージデータに対して参照部５８によりフィルタ処理を施し、測定画像に合わせる。

（第１実施の形態）
図４は、パターン検査装置１０の一例を示している。試料１２のパターン方向は、通常、縦と横が支配的であるので、縦と横の直交の２方向の直線偏光で照明できれば、多くの領域で高解像が得られると考えられる。そこで、パターン検査装置１０は、試料面の異なる箇所の一方に横方向の直線偏光で照明し、異なる箇所の他方に縦方向の直線偏光で照明する照明光学系３０と、一方の視野に照明した横方向の直線偏光を結像する第１結像光学系４０ａと、他方の視野に照明した縦方向の直線偏光を結像する第２結像光学系４０ｂとを搭載する。これにより、検査時間の維持と高解像度を両立するために、透過照明光学系内に偏光プリズム３４を配置して光線を分離して、光線を試料面の異なる領域に到達する。偏光プリズム３４の特長により、分離された光線は互いに直交する偏光状態３４０ａ、３４０ｂとなるため、視野が異なる結像光学系４０ａ、４０ｂを二つ搭載する。

詳しくは、光源２２としては、例えば直線偏光のレーザを使用する。これより発した光は、ビームエキスパンダ３２で拡大される。拡大されたビームは、偏光プリズム３４によって分離され、分離された光はわずかに異なる方向に進行する。偏光プリズム３４としては、例えばローションプリズムを使用する。偏光した一方の光は、３４０ａの直線偏光となり、他方の光は、３４０ｂの直線偏光となる。分離された２種類の光は、ミラー３８で反射して方向を変え、コンデンサレンズ４０を通過する。このことにより、試料面の異なる位置に集光する。試料１２を通過した光は、対物レンズ４４によって集められた後、ハーフミラー４５で２方向に分岐される。ハーフミラー４５を通過した光は、第１の結像レンズ４６ａによって第１の撮像センサ４２０ａ上に結像する。第１の撮像センサ４２０ａは偏光状態の異なる２つの照明領域のうち、一方を撮像できる位置に載置する。第１の撮像センサ４２０ａは、結像された光を電子的な画像データに変換し、センサ回路４８ａを介して、比較部６０ａに出力する。比較部６０ａは、第１の撮像センサ４２０ａから得られた画像データと、大容量記憶装置７２に蓄えられた参照画像とを比較照合を行い、欠陥検出を行う。検出された欠陥信号は判定部６２に出力される。

ハーフミラー４５で反射された光は、第２の結像レンズ４６ｂによって第２の撮像センサ４２０ｂ上に結像する。第２の撮像センサ４２０ｂは、偏光状態の異なる２つの照明領域のうち、第１の撮像センサ４２０ａで取得した方とは別の領域を撮像できる位置に載置する。このようにすることで、２つの撮像センサ４２０ａ、４２０ｂで取得する画像の照明条件を異ならせることができる。第２の撮像センサ４２０ｂは、結像された光を電子的な画像データに変換し、センサ回路４８ｂを介して、比較部６０ｂに出力する。比較部６０ｂは、第２の撮像センサ４２０ｂから得られた画像データと、大容量記憶装置７２に蓄えられた参照画像とを比較照合を行い、欠陥検出を行う。検出された欠陥信号は判定部６２に出力される。

判定部６２は、試料１２の位置を計測する変位計２６によって得られた試料の位置情報と比較部６０ａ、６０ｂから得られた欠陥情報から試料上の欠陥分布のマッピングを行い、比較部６０ａ、６０ｂから得られた欠陥情報のうち互いに位置が同一の欠陥は同一の欠陥とみなす処理を行う。このような処理を行った上で、欠陥情報を大容量記憶装置７２に蓄える。欠陥情報は必要に応じてディスプレイ７８に表示する。

（第２実施の形態）
図５は、水平方向を０°の角度に定義した時の、入射偏光状態、４分割型１／２波長板３６、出射偏光状態を光軸２４の上に示したものである。４分割型１／２波長板３６は、光学軸の方向が、０°方向と４５°方向に異なる複数枚の１／２波長板を組み合わせたものである。入射偏光状態が０°方向に偏光した直線偏光の光３４０ａが、図５の状態３６０の４分割型１／２波長板３６を透過すると、０°と９０°に放射状に偏光した出射偏光状態３４０ｃになる。

図６は、９０°方向に偏光した直線偏光の光３４０ｂが、図６の状態３６０の４分割型１／２波長板３６を透過すると、円周状に０°と９０°に偏光した出射偏光状態３４０ｄになる。

図７は、パターン検査装置１０の他の例を示している。このパターン検査装置１０は、画像生成を単純化するために、試料面に放射状および円周状の偏光状態の光を照明する。放射状の偏光状態は、Ｐ偏光入射であり、円周状の偏光状態は、Ｓ偏光入射であり、どちらも方向性は無いが、解像特性が異なる。Ｐ偏光入射とＳ偏光入射は、偏光プリズム３４の直後に４分割型１／２波長板３６を設置することによって実現できる。偏光プリズム３４の効果により、波長板３６に入射する２つの光線の偏光方向は互いに直交している。そのため、分割型１／２波長板３６を通過した２つの光線の偏光状態は、一方は放射状３４０ｃ、他方は円周状３４０ｄになる。２種類の光３４０ｃ、３４０ｄは、コンデンサレンズ４０を通過することにより、試料面の異なる位置に集光する。このように、パターン検査装置１０は、方向性のない直線偏光により、２種類の測定画像を一度に取得できるので、検査時間を増大することなく、方向性の無い高解像による試料検査を実現することができる。なお、図７の説明において、図４と同様の構成は、説明を省略する。ここまで透過照明光の偏光制御について述べたが、これらの方法は反射照明光の制御でも同様に利用可能である。

以上のように、２種類の特性の異なる画像に対して、独立に欠陥検出を行った場合、２つの結果が得られる。欠陥のサイズによっては解像度の高い方でのみ検出できるものがあるため、２つの結果の結び（和集合）をもって、最終結果とすることが望ましい。したがって判定部６２では、図８に示すような結びをとる処理を取る。このように、二つの画像を取得し、解像度の高い方を利用することにより、全体で、検査時間を増大することなく解像度を高くすることができる。

ここで述べた実施の形態は一例であり、同様の効果を得られる他の構成も本特許の範囲に含まれる。例えば、対物レンズ下にさらにハーフミラーを追加して反射照明光学系を構成することもできる。また、ここでは放射状および円周状の偏光状態を生成したが、分割型１／２波長板を取り外して、縦および横の偏光状態を生成することもできる。また、欠陥検出処理においても、参照画像として描画データから生成した画像を使用することも、別のタイミングで取得された同一ダイの画像を使用することもできる。

以上の説明において、「〜部」、「〜回路」或いは「〜工程」と記載したものは、コンピュータで動作可能なプログラムにより構成することができる。或いは、ソフトウェアとなるプログラムだけではなく、ハードウェアとソフトウェアとの組合せにより実施させても構わない。或いは、ファームウェアとの組合せでも構わない。又は、これらの組み合わせで実現しても良い。また、プログラムにより構成される場合、プログラムは、磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録される。

本発明は、上記の具体例に限定されるものではない。各実施の形態では、ＸＹθテーブルが移動することで検査位置が走査されているが、ＸＹθテーブルを固定し、その他の光学系が移動するように構成しても構わない。すなわち、相対移動すればよい。また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略してあるが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての試料検査装置は、本発明の範囲に包含される。

実施の形態におけるパターン検査装置と試料検査方法を説明するためのブロック図である。 実施の形態におけるパターン検査装置の内部構成を示す概念図である。 測定画像の取得手順を説明するための図である。 直交する偏光方向の２種類の照明光を用いたパターン検査装置を説明する図である。 ０°の入射偏光状態が４分割１／２波長板により放射状の出射偏光状態になる説明図である。 ９０°の入射偏光状態が４分割１／２波長板により円周状の出射偏光状態になる説明図である。 Ｓ偏光とＰ偏光の２種類の照明光を用いたパターン検査装置を説明する図である。 ２種類の測定画像による欠陥集合の和を取る説明図である。

符号の説明

１０・・・パターン検査装置
１２・・・試料
１２０・・ストライプ
１４・・・試料のパターン
１４０・・試料のパターンの設計データ
１６・・・ＸＹθテーブル
１８・・・ＸＹθモータ
２０・・・測定画像生成部
２２・・・光源
２４・・・光軸
２６・・・変位計
３０・・・照明光学系
３２・・・ビームエキスパンダ
３４・・・偏光プリズム
３４０・・偏光状態
３６・・・分割型１／２波長板
３６０・・分割型波長板の光線軸方向
３８・・・ミラー
４０・・・コンデンサレンズ
４２・・・結像光学系
４２０・・撮像センサ
４４・・・対物レンズ
４５・・・ハーフミラー
４６・・・結像レンズ
４８・・・センサ回路
５０・・・データ処理部
５２・・・ＣＰＵ
５４・・・テーブル制御部
５６・・・展開部
５８・・・参照部
６０・・・比較部
６２・・・判定部
７０・・・バス
７２・・・大容量記憶装置
７４・・・主記憶装置
７６・・・プリンタ
７８・・・ＣＲＴ

Claims (2)

1. パターンを有する試料と光源との間に偏光プリズムを配置し、前記試料の同一の試料面上の異なる領域の一方を第１の光で照明し、同時に、異なる領域の他方を前記第１の光と偏光方向が直交する第２の光で照明する照明光学系と、
   試料の異なる領域からのパターン像を同時かつ別々に検出する複数の結像光学系と、
   別々に検出したパターン像について、基準画像と比較する比較部と、を備え、
   前記照明光学系は、偏光プリズムの後段に配置された分割型１／２波長板を備え、
   前記第１の光および前記第２の光の一方が放射状の偏光状態の光であり、他方が円周状の偏光状態の光であるパターン検査装置。
2. 請求項１に記載のパターン検査装置において、
   前記比較部は、前記結像光学系で得られた別々の測定画像について、前記基準画像との比較を独立して行い、これらの欠陥検出結果の結びを出力する、パターン検査装置。
   

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