JP5248551B2

JP5248551B2 - 高さ検出装置

Info

Publication number: JP5248551B2
Application number: JP2010138006A
Authority: JP
Inventors: 力小川; 亮一平野
Original assignee: Toshiba Corp; NEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; NEC Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: JP2012002670A

Description

本発明は、半導体露光装置や検査装置等で使用される高精度な高さ検出装置に関する。

従来、対象物の表面に光を照射して、その反射光から対象物面の高さを測定するには、以下のような手法が用いられていた。光源からの光を集光して対象物にビームスポットを形成する。そして、この反射光を結像し、結像点の手前で光束を分離して一方は結像点の手前に光束を制限するための円形ピンホールを設置し、他方は結像点の後に光束を制限するための円形ピンホールを設置する。そして、それぞれの円形ピンホールを透過した光量を別個のセンサで検出し、この光量の比率から対象物の高さを検出するといった手法である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この手法には、次のような問題点があった。まず第１に、ケーラー照明系のような点光源を形成しづらい光学系では光量が足りなくなってしまうといった問題があった。

高精度の高さ検出を実現するために、異なる方向をもつ複数のスリット像を対象物面上に投影し、この反射光を結像し、結像点の手前で光束を分離して一方は結像点の手前に光束を制限するための前記スリット像と平行な検出前側スリットを設置し、他方は結像点の後に光束を制限するための前記スリット像と平行な検出後側スリットを設置し、それぞれのスリットを透過した光量を別個のセンサで検出し、この光量の比率から対象物の高さを検出する手法が既に提案されている（特許文献２参照）。この手法では複数の方向のスリットによる平均効果によって性能の改善が可能である。
しかし、平均効果では性能悪化要因を完全に取り除くことができないため、誤差が残存するという問題がある。

特開平５−２９７２６２号公報特開２００８−２３３３４２号公報

そこで、本発明は、上述した問題点を克服し、高さ検査における検出誤差を低減させることを目的とする。

本実施の検体の高さ検査装置は、光源を有し、前記光源から発せられた光を対象物面に照明する照明光学系と、前記対象物に前記照明光学系からの照明光を照明して、前記対象物からの反射光を集光する対物レンズと、前記対物レンズを通過した前記反射光を結像する結像光学系と、前記対象物と共役な、前記照明光学系内の点に設置した複数の長方形開口部が形成された照明スリットと、結像光学系内において光線を２つに分岐するビームスプリッタと、前記２つに分岐された光線の一方の結像点より前に設置された複数の長方形開口部が形成された前側検出スリットと、前記2つに分岐された光線の他方の結像点より後に設置された複数の長方形開口部が形成された後側検出スリットと、前記前側検出スリットの複数の長方形開口部を通過したそれぞれの透過光をそれぞれ独立に受光する複数の前側検出光量センサと、前記後側検出スリットの複数の長方形開口部を通過したそれぞれの透過光をそれぞれ独立に受光する複数の後側検出光量センサと、演算回路部と、を少なくとも備え、前記照明スリットの複数の長方形開口部は、互いに重ならず、いずれも異なる角度になるように形成され、前記前側検出スリット及び前記後側検出スリットの複数の長方形開口部は、互いに重ならず、前記照明スリットの複数の長方形開口部と同じ角度になるように形成され、前記前側検出スリット及び前記後側検出スリットの各長方形開口部の短辺方向の長さは、前記照明スリットの各長方形開口部の短辺方向の長さより短く、前記演算回路部は、前記複数の前側検出光量センサの各センサ出力値及び前記複数の後側検出光量センサの各センサ出力値のうち、同じ角度の長方形開口部の透過光のセンサ出力値同士の和を演算して長方形開口部の角度ごとに光量信号を算出し、前記演算回路部は、長方形開口部の角度ごとに算出された各光量信号のうち、光量信号が最大値になる角度の長方形開口部に対応する前側検出光量センサのセンサ出力値と後側検出光量センサのセンサ出力値とを用いて演算することにより前記対象物高さを検出することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、高さ検査における検出誤差を低減することができる。

実施の形態１における高さ検出装置の構成を示す概念図である。照明用スリット（Ａ）、前側検出スリット（Ｂ）と後側検出スリット（Ｃ）の概念図である。照明用スリット、前側検出スリットと前側検出光量センサを重ね合わせた仮想図（Ａ）と照明用スリット、後側検出スリットと後側検出光量センサを重ね合わせた仮想図（Ｂ）である。十字型の開口部を有するスリットを用いて高さ検出した場合の投影図（Ａ）、受光スリットのａ位置での光量強度分布（Ｂ）、受光スリットのｂ位置での光量強度分布（Ｃ）である。実施の形態１における高さ信号ｚと実際の対象物面の高さｚ_０との関係を示す図である。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における高さ検出装置の構成を示す概念図である。
図１において、高さ検出装置１００は、照明光学系２００、偏光ビームスプリッタ２１４、１／４波長板（λ／４板）２１６、対物レンズ２１８、結像レンズ２２０、ビームスプリッタ２２２、照明スリット２１０、前側検出スリット２３０、後側検出スリット２４０、複数の前側検出光量センサ２５２、複数の後側検出光量センサ２５４、及び演算回路２６０を備えている。そして、実際の対象物面の高さをｚ_０とする。
照明光学系２００は、光源２０１、ビームエキスパンダ２０２、分割レンズ２０４、回転位相板２０６、コリメータレンズ２０８、及び照明レンズ２１２を有している。
高さ検出装置１００では、照明光学系２００、偏光ビームスプリッタ２１４、波長（λ）／４板２１６、対物レンズ２１８、結像レンズ２２０、及びビームスプリッタ２２２を用いて光学系を構成する。この光学系は、照明スリット２１０を通過した照明光１０４を対象物１０１面に照明し、対象物１０１面からの反射光を結像する。

次に、図１の高さ検査装置の光路に関して説明する。
光源２０１から発せられた光１０２をビームエキスパンダ２０２で拡大し、分割レンズ２０４で面光源を生成する。その後、回転位相板２０６を通すことによって空間コヒーレンシーが低減される。その後、コリメータレンズ２０８によって面光源のフーリエ面を生成し、このフーリエ面の位置に照明スリット２１０を設置する。照明スリット２１０を通過した光１０２は、照明レンズ２１２及び対物レンズ２１８によって対象物１０１面上に結像される。照明光学系２００は、光源２０１から発した光１０２を対物レンズ２１８と組み合わせて対象物１０１面に均一に照明する。照明スリット２１０と対象物１０１面とが共役関係になるようにレンズ系を配置する。照明スリット２１０を通過した照明光１０４は、偏光ビームスプリッタ２１４によって対象物１０１面側に導かれる。すなわち、偏光ビームスプリッタ２１４は、照明光１０４を光路内に導入する。また、偏光ビームスプリッタ２１４に対し対象物１０１面側には、λ／４板２１６が配置される。偏光ビームスプリッタ２１４とλ／４板２１６によって、対象物１０１面に入射する光を円偏光とする。このように構成することで、対象物１０１から反射した光１０４を損失無く結像系に導くことができる。ここでは、対物レンズ２１８直前に偏光ビームスプリッタ２１４とλ／４板２１６を配置しているが、偏光ビームスプリッタ２１４の配置位置はここに限らず、照明スリット２１０以降で配置できるところがあれば、どこであっても構わない。

対象物１０１に照明光１０４を照明した対物レンズ２１８は、対象物１０１からの反射光を集光する。そして、対象物１０１面で反射された光１０４（反射光）は対物レンズ２１８、λ／４板２１６、及び偏光ビームスプリッタ２１４を経た後、結像レンズ２２０によって結像される。このようにして、結像レンズ２２０は、対物レンズ２１８と組み合わせて対象物１０１の像を形成する。結像レンズ２２０後には、ビームスプリッタ２２２が配置され、反射光線を２つに分岐する。図１では、結像レンズ２２０とビームスプリッタ２２２によって結像光学系が構成される。但し、結像光学系は、これに限るものではなく、その他のレンズ、ミラー、半透過反射板等を用いて構成しても構わない。

そして、分岐された一方の光１０６の結像点より手前には、前側検出スリット２３０が配置される。そして、前側検出スリット２３０の後側に複数の前側検出光量センサ２５２が配置される。そして、複数の前側検出光量センサ２５２が前側検出スリット２３０を通過した反射光１０６の光量を検出する。また、分岐された他方の光１０８の結像点より後側には、後側検出スリット２４０が配置される。そして、後側検出スリット２４０の後側に複数の後側検出光量センサ２５４が配置される。そして、複数の後側検出光量センサ２５４が後側検出スリット２４０を通過した反射光１０８の光量を検出する。

次に、図２の各スリットの概念図と図３のセンサ上にスリットを重ねた場合の仮想図を例にとり、スリットの開口部を通過した透過光の光量検出について説明する。
まず、それぞれのスリットについて、説明する。
照明スリット２１０には、それぞれ異なる角度に開口した複数の長方形開口部が形成されている。例えば、図２Ａの概念図に示すように、照明スリット２１０には、照明スリット２１０の縦方向に平行（０度）な第１の開口部２１０Ａと、第１の開口部に対して９０度の角度をなす第２の開口部２１０Ｂと、第１の開口部に対して４５度の角度をなす第３の開口部２１０Ｃと、第１の開口部に対して１３５度の角度をなす第４の開口部２１０Ｄとが形成されている。
前側検出スリット２３０には、照明スリット２１０と同じ角度に開口した複数の長方形開口部が形成されている。例えば、図２Ｂの概念図に示すように、照明スリット２３０には、照明スリット２３０の縦方向に平行（０度）な第５の開口部２３０Ａと、第５の開口部に対して９０度の角度をなす第６の開口部２３０Ｂと、第５の開口部に対して４５度の角度をなす第７の開口部２３０Ｃと、第５の開口部に対して１３５度の角度をなす第８の開口部２３０Ｄとが形成されている。
後側検出スリット２４０には、照明スリット２１０及び前側検出スリット２３０と同じ角度に開口した長方形開口部が形成されている。例えば、図２Ｃの概念図に示すように、照明スリット２４０には、照明スリット２４０の縦方向に平行（０度）な第９の開口部２４０Ａと、第９の開口部に対して９０度の角度をなす第１０の開口部２４０Ｂと、第９の開口部に対して４５度の角度をなす第１１の開口部２４０Ｃと、第９の開口部に対して１３５度の角度をなす第１２の開口部２４０Ｄとが形成されている。
前側検出スリット２３０と後側検出スリット２４０の長方形開口部の長辺は照明スリット２１０の長方形開口部の長辺と比較して、長くなっている。一方、前側検出スリット２３０と後側検出スリット２４０の長方形開口部の短辺は照明スリット２１０の長方形開口部の短辺と比較して、短くなっており、このような形状にすることで、通過光量を制限して、対象物１０１の高さ位置ｚの動きに応じた検出を行うことができる。

検出光量センサは、図２のスリットを用いる例では、上記各スリットの開口部が４つである。この場合、それぞれの開口部を通過した透過光を独立して検出するために、本実施形態では複数の前側検出光量センサ２５２及び複数の後側検出光量センサ２５４はそれぞれ４つのセンサ或いは、４分割センサ等で構成されている。照明スリット２１０の４つの開口部２１０Ａ−Ｄと、前側検出スリット２３０の４つの開口部２３０Ａ−Ｄと前側検出光量センサ２５２Ａ−Ｄをそれぞれ重ね合わせた仮想図を図３（Ａ）に、照明スリット２１０の４つの開口部２１０Ａ−Ｄと、後側検出スリット２４０の４つの開口部２４０Ａ−Ｄと後側検出光量センサ２５４Ａ−Ｄをそれぞれ重ね合わせた仮想図を図３（Ｂ）に示す。図３の仮想図に示すように、本実施形態では、角度の異なる開口部は別のセンサで受光される構成になっている。そして、照明スリット２１０を通過した光の内、各検出スリットを通過した透過光の光量が、各センサで出力される。前側検出光量センサ２５２Ａ−Ｄの出力値をそれぞれ、I_２５２A、I_２５２B、I_２５２C、I_２５２Dとし、後側検出光量センサ２５４Ａ−Ｄの出力値をそれぞれ、I_２５４A、I_２５４B、I_２５４C、I_２５４Dとする。

そして、演算回路２６０は、検出光量センサ２５２，２５４の検出誤差が最も少ない出力データを基に対象物１０１面の高さを演算する。
そこで、検出誤差について説明する。
対象物上にパターンがあるとき、回折光が検出誤差を発生させる。この検出誤差はスリットがパターンと直交するときに最小化される。その理由を、図４の十字型の開口部を有するスリットを用いて高さ検出した場合の投影図（図４（Ａ））、受光スリットのａ位置での光量強度分布（図４（Ｂ））、受光スリットのｂ位置での光量強度分布（図４（Ｃ））を引用して説明する。本高さ検出装置の原理上、検出側のスリットは結像点からデフォーカスした位置に配置される。従って、対象物に縦方向のパターンがある場合、図４（Ａ）から明らかなように、回折光が０次光から分離し、パターンと直行する方向の強度プロファイルが複雑化する。この方向を制限するようなスリットＡは、この複雑化したプロファイルの影響を受けるため、対象物高さを精度良く算出することができない（図４（Ｂ）参照）。一方、パターンと平行な方向の強度プロファイルは単純であり、この方向を制限するようなスリットＢは、対象物高さ検出に誤差を有しない或いは誤差が少ない（図４（Ｃ）参照）。従って、スリットBのようにマスクパターンと直交する方向のスリットで制限された信号のみを使用することにより、誤差を最小にすることができる。また、複雑化したプロファイルは中心強度が低いため、スリットで制限するとスリット通過光量が低くなる。そのため、相対的に光量が大きなスリットの開口部を選択するという単純なアルゴリズムにより、高さ検出精度を大きく改善することが可能になる。対象物が、例えば半導体製造用フォトマスクである場合、パターンの方向は主に０度、９０度、４５度、１３５度であるため、スリットの開口部の方向も０度、９０度、４５度、１３５度を搭載し、４つの信号から1つを選択して出力することで大幅な性能向上が期待できる。また、これらの中間の角度を持ったパターンであったとしても、最適開口部方向からのズレは最大で２２．５度以下に収まるため、誤差はかなりのレベルで低減されると期待できる。

次に、検出誤差が最も少ない出力データがどれかを決定する演算について具体的に説明する。
前側検出光量センサ２５２と後側検出光量センサ２５４のセンサ出力値の内、同じ角度の長方形開口部を通過した出力値の和である光量信号I_A、I_B、I_CとI_Dを次の式（１）のように演算する。
式（１）
次に、上記に説明した理由により、I_A、I_B、I_CとI_Dのうち、最も値の大きな値となった検出光量センサを最も誤差の少ないデータが出力されるセンサとする。

上記式（１）の演算で、最も検出誤差が少なかったセンサ出力の出力値を基に、比例定数ｋを用いて、下記式（２）のうち該当するセンサ出力を用いた式の演算を行い、対象物面の高さｚを検出する。
式（２）
実際の対象物面の高さｚ₀と上記zの関係は図５のグラフのようになり、０近傍で直線性が確保できる。
そして、センサ出力値、検出された結果等は、図示しない記憶装置或いはモニタ、プリンタ等に出力されていてもよい。
実施の形態１における高さ検出装置を用いると、１回の撮影で、単純なアルゴリズムによる演算で対象物高さを検出することが可能になる。

以上の説明において、「演算回路」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。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）等の記憶媒体に記憶される。例えば、演算回路等は、電気的回路で構成されていても良いし、制御計算機によって処理することのできるソフトウェアとして実現してもよい。また電気的回路とソフトウェアの組み合わせで実現しても良い。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
また、実施の形態で説明した高さ検出装置は、反射光を用いているが、透過光を用いる構成にしてもよい。また、高さ検出装置は、半導体素子や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を製作する際に使用するリソグラフィ用マスクの欠陥を検査するためのパターン検査装置に用いることができる。その際のパターン検査装置は、検査基準パタンデータとなる参照画像を設計データから生成するｄｉｅｔｏｄａｔａｂａｓｅ検査装置でも、フォトダイオードアレイ等のセンサにより撮像した同一パターンのデータを用いるｄｉｅｔｏｄｉｅ検査装置でも構わない。また、パターン検査装置は、透過光を用いて検査する装置しても、反射光あるいは、透過光と反射光を同時に用いて検査する装置でもよい。

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たが、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高さ検査装置及びパターン検査装置は、本発明の範囲に包含される。

１００高さ検出装置
１０１対象物
１０２，１０４，１０６，１０８光
２００照明光学系
２０１光源
２０２ビームエキスパンダ
２０４分割レンズ
２０６回転位相板
２０８コリメータレンズ
２１０，３１０，３１２照明スリット
２１２照明レンズ
２１４偏光ビームスプリッタ
２１６ λ／４板
２１８対物レンズ
２２０結像レンズ
２２２ビームスプリッタ
２３０，２４０検出スリット
２５２，２５４光量センサ
２６０演算回路

Claims

光源を有し、前記光源から発せられた光を対象物面に照明する照明光学系と、
前記対象物に前記照明光学系からの照明光を照明して、前記対象物からの反射光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズを通過した前記反射光を結像する結像光学系と、
前記対象物と共役な、前記照明光学系内の点に設置した複数の長方形開口部が形成された照明スリットと、
結像光学系内において光線を２つに分岐するビームスプリッタと、
前記２つに分岐された光線の一方の結像点より前に設置された複数の長方形開口部が形成された前側検出スリットと、
前記２つに分岐された光線の他方の結像点より後に設置された複数の長方形開口部が形成された後側検出スリットと、
前記前側検出スリットの複数の長方形開口部を通過したそれぞれの透過光をそれぞれ独立に受光する複数の前側検出光量センサと、
前記後側検出スリットの複数の長方形開口部を通過したそれぞれの透過光をそれぞれ独立に受光する複数の後側検出光量センサと、
演算回路部と、を少なくとも備え、
前記照明スリットの複数の長方形開口部は、互いに重ならず、いずれも異なる角度になるように形成され、
前記前側検出スリット及び前記後側検出スリットの複数の長方形開口部は、互いに重ならず、前記照明スリットの複数の長方形開口部と同じ角度になるように形成され、
前記前側検出スリット及び前記後側検出スリットの各長方形開口部の短辺方向の長さは、前記照明スリットの各長方形開口部の短辺方向の長さより短く、
前記演算回路部は、前記複数の前側検出光量センサの各センサ出力値及び前記複数の後側検出光量センサの各センサ出力値のうち、同じ角度の長方形開口部の透過光のセンサ出力値同士の和を演算して長方形開口部の角度ごとに光量信号を算出し、
前記演算回路部は、長方形開口部の角度ごとに算出された各光量信号のうち、光量信号が最大値になる角度の長方形開口部に対応する前側検出光量センサのセンサ出力値と後側検出光量センサのセンサ出力値とを用いて演算することにより前記対象物高さを検出することを特徴とする高さ検出装置。
前記照明スリット、前記前側検出スリット及び前記後側検出スリットは、４つの長方形開口部が形成され、
前記４つの長方形開口部のうちいずれか１つの長方形開口部を基準として
、残りの３つの長方形開口部の角度は、前記基準となる長方形開口部に対し、それぞれ４
５度、９０度、１３５度ずれていること特徴とする請求項1記載の高さ検出装置。