JP6220521B2

JP6220521B2 - 検査装置

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Publication number: JP6220521B2
Application number: JP2013007793A
Authority: JP
Inventors: 小川　力; 力小川; 廣野　方敏; 方敏廣野; 井上　広; 広井上
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: KR101547649B1; JP2014137358A; US20140204202A1; US10197507B2; KR20140093637A

Description

本発明は、検査装置に関する。

大規模集積回路（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅ Iｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ＬＳＩ）の高集積化および大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路寸法は狭小化の一途を辿っている。半導体素子は、回路パターンが形成された原画パターン（マスクまたはレチクルを指す。以下では、マスクと総称する。）を用い、いわゆるステッパまたはスキャナと呼ばれる縮小投影露光装置でウェハ上にパターンを露光転写して回路形成することにより製造される。

多大な製造コストのかかるＬＳＩの製造にとって、歩留まりの向上は欠かせない。ここで、歩留まりを低下させる大きな要因として、マスクパターンの形状欠陥が挙げられる。

一方、最近の代表的なロジックデバイスでは、数十ｎｍの線幅のパターン形成が要求されるようになってきている。こうした状況に伴い、マスクパターンの形状欠陥も微細化している。また、マスクの寸法精度を高めることで、プロセス諸条件の変動を吸収しようとしてきたこともあり、マスク検査においては、極めて小さなパターンの欠陥を検出することが必要になっている。このため、ＬＳＩ製造に使用される転写用マスクのパターンを評価する装置に対して高い精度が要求されている。特許文献１には、マスク上における微細な欠陥を検出することのできる検査装置が開示されている。

特許第４２３６８２５号公報

近年、微細パターンを形成する技術として、ナノインプリントリソグラフィ（Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ；ＮＩＬ）が注目されている。この技術は、ウェハ上のレジストに、ナノスケールの微細構造を有するモールド（型）を圧力印加することで、レジストに微細なパターンを形成するものである。

ナノインプリント技術では、生産性を上げるために、原版となるマスターテンプレートを用いて、複製のテンプレート（レプリカテンプレート）を複数作成し、各レプリカテンプレートを異なるナノインプリント装置に装着して使用する。レプリカテンプレートは、マスターテンプレートに正確に対応するように製造される必要がある。このため、マスターテンプレートはもちろんのこと、レプリカテンプレートのパターンを評価する際にも高い精度が要求される。

ところで、マスクは、一般に、回路寸法の４倍の寸法を持って形成される。かかるマスクを用い、縮小投影露光装置でウェハ上のレジストにパターンを縮小露光した後、現像することによって半導体の回路パターンが形成される。これに対し、ナノインプリントリソグラフィにおけるテンプレートは、回路寸法と等倍の寸法で形成される。このため、テンプレートのパターンにおける形状欠陥は、マスクのパターンにおけるそれよりも、ウェハ上に転写されるパターンへの影響度が大きい。したがって、テンプレートのパターンを評価するにあたっては、マスクのパターンを評価する場合よりもさらに高い精度が必要になる。

しかしながら、回路パターンの微細化が進む昨今にあっては、パターン評価装置における光学系の解像度よりも、パターンの寸法の方が微細となってきている。例えば、テンプレートに形成されるパターンの線幅が５０ｎｍより小さくなると、光学系の実現が比較的容易な１９０〜２００ｎｍ程度の波長をもつＤＵＶ（ＤｅｅｐＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を用いた光源では解像できない。そこで、ＥＢ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ：電子ビーム）を用いた光源が使用されているが、スループットが低く、量産に適さないという問題がある。

こうしたことから、微細なパターンを精度よく、また、スループットの低下を引き起こさずに検査することのできる検査装置が求められている。

ところで、パターンの欠陥には様々な形態があるが、マスクやテンプレートとしての性能に最も影響を与えるのは、ライン同士が短絡するショート欠陥と、ラインが断線するオープン欠陥である。図１は、ショート欠陥の例である。領域Ａ１において、隣接する２つのライン同士が繋がっており、ショート欠陥となっている。また、図２は、オープン欠陥の例である。領域Ａ２において、ラインの一部が断線している。

一方、図３の領域Ａ３のように、エッジラフネスが大きくなる欠陥については、それがマスクやテンプレートとしての性能に与える影響は限定的である。

このように、欠陥の中には、実質的に問題となる欠陥とそうではない欠陥とがあり、問題となる欠陥のみを検出することができれば、検査を効率的に行うことができる。しかしながら、ショート欠陥、オープン欠陥および（図３の領域Ａ３に見られるような）エッジラフネスのいずれもが解像限界以下であって、これらが解像限界以下の周期の繰り返しパターンに混在する場合、光学系による観察では、ショート欠陥やオープン欠陥のように問題となる欠陥による明暗と、エッジラフネスによる明暗との区別がつかない。このことは、明視野像および暗視野像ともに同様である。その理由として、光学像では、ショート欠陥、オープン欠陥およびエッジラフネスのいずれもが、同じサイズ、つまり、解像限界程度のサイズに広がってしまうことが挙げられる。

図４は、ライン・アンド・スペースパターンを模式的に示したものである。図４において、パターンの寸法は、光学系の解像限界より小さいとする。この図の領域Ｂ１では、ラインパターンの一部が欠けている。また、領域Ｂ２では、パターンエッジラフネスが大きくなっている。こうした欠陥の違いは、実際の基板上では明確に区別される。しかしながら、光学系を介して観察すると、これらの違いが区別できなくなる。これは、光学系が、光源の光の波長λと、開口数ＮＡとで定まる空間周波数フィルタとしてふるまうためである。図５は、図４のパターンに空間周波数フィルタをかけたものである。領域Ｂ１における欠陥と、領域Ｂ２における欠陥とが同程度のサイズに広がっており、形状の違いが判別し難くなっていることが分かる。したがって、解像限界以下のショート欠陥とエッジラフネスとを区別することは、原理的に困難である。

本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、微細なパターンを精度よく、また、スループットの低下を引き起こさずに検査することのできる検査装置、より詳しくは、検出すべき欠陥とそうでない欠陥とを区別可能な検査装置を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の検査装置は、所定の波長の光を出射する光源を備え、この光源から出射した光を、検査対象となる試料に、所定の角度の偏光面を有する直線偏光にして照明する照明光学系と、
試料に形成されたパターンの光学画像を得る検査用撮像センサを備え、試料を反射または透過した光をレンズで検査用撮像センサに結像する結像光学系と、
光学画像における所定の単位領域毎の平均階調値と標準偏差を求める画像処理部と、
試料の欠陥検出を行う欠陥検出部とを有する。
光源の波長とレンズの開口数によって定まる解像限界は、パターンを解像しない値である。
結像光学系は、試料を反射または透過した光を透過させる２分の１波長板と、
２分の１波長板によって偏光方向が回転した光を３方向に分岐する分岐手段と、
分岐手段によって第１の方向に分岐された光が第１の測定用検光子を介して入射する第１の測定用撮像センサと、
分岐手段によって第２の方向に分岐された光が第２の測定用検光子を介して入射する第２の測定用撮像センサと、
分岐手段によって分岐された第３の方向であって検査用撮像センサに至る光路上に配置された検査用検光子とを有する。
第１の測定用検光子、第２の測定用検光子および検査用検光子の各透過軸の方向は異なっていて、検査用検光子の透過軸方向は、第１の測定用検光子の透過軸方向と、第２の測定用検光子の透過軸方向の間にある。
さらに、前記２分の１波長板の角度を制御する角度制御部を有し、
前記画像処理部は、前記第１の測定用撮像センサで取得された光学画像について、階調値の標準偏差（σ）と平均階調値（Ａ）から第１の測定信号（σ/√Ａ）を取得するとともに、前記第２の測定用撮像センサで取得された光学画像についても、階調値の標準偏差（σ）と平均階調値（Ａ）から第１の測定信号（σ/√Ａ）を取得して、式（１）で定義される偏光特性信号を算出し、
｛（第１の測定信号）−（第２の測定信号）｝／｛（第１の測定信号）＋（第２の測定信号）｝ …（１）
検査前に、前記２分の１波長板を回転して、検査用撮像センサにより取得された光学画像における測定信号（σ/√Ａ）が最小となるときの前記偏光特性信号の値を求めて、この値を目標値とし、
前記目標値は前記角度制御部へ送られて、前記角度制御部は、式（１）で定義される偏光特性信号が前記目標値となるように、前記２分の１波長板の角度を制御する。

２分の１波長板は、回転機構によってその角度を任意に調節可能な構造であり、
角度制御部は、回転機構を制御することが好ましい。

本発明の検査装置において、分岐手段は、第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとを有することが好ましい。
この場合、例えば、第１のビームスプリッタで反射した光が第１の測定用検光子を介して第１の測定用撮像センサに入射し、
第１のビームスプリッタを透過し、第２のビームスプリッタで反射した光が第２の測定用検光子を介して第２の測定用撮像センサに入射し、
第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタを透過した光が、検査用検光子を介して検査用撮像センサに入射する。但し、この構成に限定されるわけではなく、３分岐が実現できる構成であれば、検査用撮像センサに入射する光線がビームスプリッタであっても構わない。

本発明の検査装置は、検査用撮像センサで取得された光学画像を基準画像と比較して、これらの差分値が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する比較部を有することが好ましい。

本発明の検査装置において、基準画像は、パターンの設計データから作成された参照画像であるか、同一試料上の同一のパターン形状の別領域の取得画像であり、
参照画像を作成する参照画像作成部を有していて、
参照画像作成部で作成された参照画像が比較部に送られることが好ましい。

本発明の検査装置によれば、微細なパターンにおける検出すべき欠陥とそうでない欠陥とを区別可能である。

ショート欠陥の一例を模式的に示す図である。オープン欠陥の一例を模式的に示す図である。エッジラフネスによる欠陥を模式的に示す図である。ライン・アンド・スペースパターンを模式的に示す図である。図４のパターンに空間周波数フィルタをかけた例の模式図である。本実施の形態における光学系の一例である。エッジラフネスに起因する明暗の振幅と散乱光の電場振幅および０次光の電場振幅について、検光子の角度依存性の一例を示す図である。図７において、ショート欠陥やオープン欠陥に起因する明暗の振幅と散乱光の電場振幅とを加えた一例である。本実施の形態の検査光学系の構成を説明する図である。図９の光学系で取得される各光学画像における散乱光の電場振幅と、回転角度との関係を示す一例である。図１０の各電場振幅における値（σ／√Ａ）から得られたエッジラフネスに起因する散乱光の偏光特性信号を偏光の回転角度（θ’）に対してプロットした一例である。本実施の形態におけるフィードバック制御機構の一例である。本実施の形態における検査装置の構成図である。試料に形成されたパターンの光学画像を取得する手順を説明する図である。検査用検光子の断面模式図である。第１の測定用検光子の断面模式図である。第２の測定用検光子の断面模式図である。

半導体ウェハ上に形成されるパターンの多くは、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンである。このため、ナノインプリントリソグラフィにおけるマスターパターンやドータパターンにもかかる繰り返しパターンが使用される。

一方、ＤＵＶ光を用いた光学系によって、線幅が５０ｎｍより小さいパターンを結像しようとする場合、液浸を使わない限り理論限界のレンズ（開口数ＮＡ＝１）を用いたとしても、このパターンを解像することはできない。しかしながら、かかるパターンが繰り返しパターンである場合において、パターンの一部でエッジラフネスが大きくなったり、パターンの一部が欠けたりすると、規則性に乱れが生じて、欠陥近傍の光学画像の階調値が変化するようになる。したがって、各画素の階調値を比較することで、ショート欠陥、オープン欠陥およびエッジラフネスによる欠陥を検出することができる。階調値の変化について、以下でさらに詳述する。

光学系の解像限界に相当する寸法の範囲内にあるパターンエッジの微細な凹凸（以後ラフネスと表記）は、光学系で撮像すると個々の凹凸の形状は解像されずに光学系の解像限界程度のサイズになまった形状となる。このようなエッジラフネスは振幅、周波数共にランダムであるため、パターンの規則性に乱れが生じ、試料全域にわたってランダムな明暗のムラとして撮像される。

また、パターンの一部が欠けている場合も光学系の解像限界程度のサイズに拡大する振る舞いは同様である。すなわち、このパターンは解像されないが、パターンの欠けによって規則性に乱れが生じるため、欠陥近傍の領域は周囲の平均階調値とは異なった階調値を持つ。パターンの一部が、隣接するパターンと繋がっている場合も同様である。

このように、光学系の解像度以下の周期の繰り返しパターンであっても、階調値の変化を調べることで、欠陥を検出することが可能である。しかしながら、上述したように、検出された解像限界以下の欠陥同士、つまり、ショート欠陥やオープン欠陥と、エッジラフネスによる明暗のムラとを区別することは困難である。

かかる問題に対して本発明者は、ショート欠陥やオープン欠陥のように大きな欠陥は、エッジラフネスによる欠陥のように小さな欠陥に比べて、照明光の偏光状態に与える影響が大きいことに着目し、本発明に至った。本発明によれば、照明光の偏光状態と、検査対象となる基板から反射した光を結像する光学系の偏光制御素子の条件とを制御することで、エッジラフネスによる明暗のムラを偏光制御素子で除去し、ショート欠陥やオープン欠陥による振幅変化のみを抽出することが可能となる。

例えば、図１に示すようなショート欠陥の場合、隣り合うライン同士が接続することにより、照明光の電場成分に対する感受性が縦方向と横方向で異なるようになる。例えば、基板に垂直に入射する直線偏光の偏光方向がラインアンドスペースのエッジに沿った方向に対して４５度であるとき、入射光の電場は、縦成分と横成分で等しいのに対し、ショート欠陥による反射光の電場は、縦成分より横成分の方が大きくなる。その結果、ショート欠陥を反射した光の偏光方向はラインアンドスペースのエッジに沿った方向と直交する方向に傾くようになる。図２に示すようなオープン欠陥の場合は、逆に、ラインアンドスペースのエッジに沿った方向に傾くようになる。

一方、図３に示すようなエッジラフネスによる欠陥の場合には、ライン同士が接続したり、ラインが断線したりすることはなく、また、欠陥とは言ってもエッジラフネスにおける凹凸のサイズはショート欠陥やオープン欠陥よりも微細であるため、照明光の電場成分の横方向と縦方向に対する感受性の差はそれほど大きくない。したがって、例えば、基板に垂直に入射する直線偏光の偏光方向がラインアンドスペースのエッジに沿った方向に対して４５度であるとき、エッジラフネスにより散乱した光の偏光方向は、入射光の偏光方向である４５度に近い値となる。但し、周期的な繰り返しを有するベースパターンの影響を受けることにより、偏光方向は完全には４５度とならず、４５度から僅かにずれた値をとる。

こうした照明光の偏光状態に与える影響の差を利用して、欠陥を分類することが可能である。具体的には、図６に示すような光学系を用いることで実現できる。

図６において、検査対象であるマスク１００１を照明する光は、マスク上に形成された周期パターンの周期方向に対して４５度の偏光面を有する直線偏光とする。これにより、ショート欠陥やオープン欠陥のように大きな欠陥と、エッジラフネスによる欠陥のように小さな欠陥との間で、照明光の電場成分に対する感受性に違いが現れるようにすることができる。尚、照明光の偏光面がマスク上に形成された周期パターンの周期方向に対して０度や９０度であると、照明光の感受性は欠陥間で同じとなるため区別できない。そのため、偏光面は、周期パターンの周期方向に対して０度や９０でないことが重要であり、必ずしも４５度である必要は無い。−５度〜５度と８５度〜９５度の各範囲にある角度以外の角度にすることが好ましい。

図６において、光源１００２から出射され、λ／２板１００３を通過した光は、無偏光ビームスプリッタ１００４で反射し、対物レンズ１００５を介してマスク１００１に照射される。マスク１００１で反射した光は、対物レンズ１００５、無偏光ビームスプリッタ１００４、検光子１００６を透過した後、撮像センサ１００７に入射する。これにより、マスク１００１に形成されたパターンの光学画像が得られる。

図６に示すように、結像光学系に検光子１００６を配置することにより、特定の偏光方向の光のみを抽出することが可能になる。具体的には、検光子１００６の方向を、エッジラフネスで散乱した光の偏光方向に直交する方向とすることにより、この欠陥からの散乱光が撮像センサ１００７に入射するのをほぼ完全に防ぐことができる。一方、ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光については、偏光方向が傾斜しているため検光子１００６を透過して、撮像センサ１００７に入射する。したがって、エッジラフネスによる明暗のムラが除かれる一方、ショート欠陥やオープン欠陥は残された状態の光学画像を得ることができる。

尚、図６は、明視野照明系の例であるが、暗視野照明系や透過照明系であっても、偏光を利用してエッジラフネスによる明暗のムラが除かれた光学画像を得ることが可能である。

次に、エッジラフネスによる明暗のムラを排除する条件を見出す具体的方法について述べる。すなわち、上記の通り、図６の光学系を用いて、エッジラフネスによる欠陥を光学画像から除くことが可能であるが、それには、照明光の偏光状態と、検査対象から反射した光を結像する光学系の偏光制御素子の条件とを制御することが必要になる。

一般に、検査対象となるマスクやテンプレートにおいて、ショート欠陥やオープン欠陥は極僅かしか存在しないのに対し、エッジラフネスは全面に渡って多く存在する。例えば、１００μｍ×１００μｍの領域の光学画像を取得したとき、この領域にショート欠陥やオープン欠陥が含まれる可能性は低く、また、含まれたとしても領域内での欠陥の数は僅かである。つまり、この領域内における光学画像の明暗の殆どは、エッジラフネスに起因するものである。このことは、エッジラフネスによる欠陥を排除する条件は、１００μｍ×１００μｍ程度の大きさの光学画像１つから求められることを意味する。

光学画像におけるエッジラフネスによる階調値の変化は、結像光学系側で撮像センサに入射する光の偏光方向を制御することで除くことができる。具体的には、結像光学系における検光子の方向を制御することで、撮像センサに入射する上記エッジラフネスによる散乱光の量を変化させて、光学画像における明暗の振幅を変えることができる。

光学画像における明暗の振幅は、画素毎の階調値の標準偏差で表すことができる。例えば、光学系の画素分解能が５０ｎｍであるとき、１００μｍ×１００μｍの領域の光学画像は４００万画素で表現される。つまり、この光学画像１つから４００万個の階調値の標本が得られる。

暗視野照明系の場合、上記標本について標準偏差を求め、得られた値をエッジラフネスに起因する散乱光の程度と定義し、この値が最小となるように、結像光学系側の偏光状態、例えば、図６における検光子１００６の角度を調整する。尚、結像光学系の光路に２分の１波長板を配置し、この２分の１波長板の角度を調整してもよい。これにより、撮像センサに入射する、エッジラフネスに起因する散乱光の量を最小限にすることが可能となる。

一方、明視野光学系における光学画像の場合、エッジラフネスによる明暗の程度は、０次光の影響を受ける。この理由は、次の通りである。検査対象には解像限界以下の微細な周期パターンがあるため、構造性複屈折による位相差の効果によって、０次光の偏光状態が変化する。それ故、エッジラフネスに起因する反射光を除去する目的で検光子または２分の１波長板を回転させると、ベースとなる光量も変化する。明視野像は、ショート欠陥やオープン欠陥、エッジラフネスからの散乱光の電場振幅と、０次光の電場振幅との積であるので、上記の通り、エッジラフネスによる明暗の程度が０次光の強度の影響を受ける結果となる。

図７は、エッジラフネスに起因する明暗の振幅と散乱光の電場振幅および０次光の電場振幅について、検光子の角度依存性を例示的に示したものである。明視野光学系において、エッジラフネスによる散乱光の偏光状態と、構造性複屈折の影響を受けた０次光の偏光状態とが一致していない場合、両者の積である、エッジラフネスに起因する明暗の振幅の検光子角度依存性は、図７に示すように、２つの極小値を持つようになる。

ここで、エッジラフネスに起因する明暗の振幅が、エッジラフネスによる欠陥からの散乱光の電場振幅と、０次光の電場振幅との積で表されることについて説明する。

０次光の電場振幅を、
とおく。また、エッジラフネスによる散乱光の電場振幅を、
とおく。０次光は、微細パターンに起因する複屈折の影響によって、所定の方向に長軸を有する楕円偏光になる。このため、ｆ（θ）は、θが０度から１８０度の範囲で１つの極小値を持ち、且つ、極小値が０より大きい関数になる。一方、エッジラフネスに起因する散乱光は、ラフネスに周期性がないために位相差があったとしてもその値は小さくなり、直線偏光性を略維持する。そのため、ｇ（θ）は、θが０度から１８０度の範囲で１つの極小値を持ち、且つ、極小値が０に非常に近い関数になる。

明視野像の信号強度Ｉは、次式に示すように、０次光とエッジラフネスに起因する散乱光の各電場の干渉で表される。
上式において、Ｅ_０ ^２は、０次光の２乗、つまり、ベース光量Ｉ_０であるので、エッジラフネスに起因する明暗の振幅Ｉ_ｒは、次式で表される。
ここで、φは、０次光と散乱光の位相差であり、基板の焦点位置に依存する。例えば、エッジラフネスに起因する明暗が最も強くなる条件として、
を考える。エッジラフネスは非常に微細であるのに対し、図７で説明したように、０次光の電場振幅は、検光子の角度θを変えても複屈折の影響で０にはならないため、
と近似できる。したがって、エッジラフネスに起因する明暗の振幅は、次式のように単純化できる。
したがって、解像限界以下の周期パターンにおけるエッジラフネスに起因する明暗の振幅は、０次光の電場振幅と、エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅の積で表される。

前述したように、Ｅ_０とＥ_ｒはともに検光子の角度θに依存するので、Ｉ_ｒは次式で表される。
したがって、関数ｆ（θ）が極小になるθの値と、関数ｇ（θ）が極小になるθの値とが異なる場合、ｆ（θ）とｇ（θ）の積であるＩ_ｒは、極小値を２点持つことになる。

エッジラフネスに起因する散乱光の影響を除いて、ショート欠陥やオープン欠陥を検出する感度を向上させるには、０次光に起因する関数ｆ（θ）が極小になる条件ではなく、エッジラフネスに起因する関数ｇ（θ）が極小になる条件を見出す必要がある。これは、関数ｆ（θ）が極小になるのは、単にベース光量が最小になる条件に過ぎず、エッジラフネスによる影響を排除しきれないためである。

関数ｇ（θ）が極小になる条件は、光学画像の階調値の標準偏差σと、平均階調値Ａとを用いて演算することにより求められる。標準偏差σは、様々なノイズ要因からなるが、特にエッジラフネスによる明暗の影響を大きく受ける。そのため、次式のようにみなすことができる。
また、光学画像の平均階調値Ａは、ベース光量、つまり、０次光の強度であるので、次式で表される。
したがって、関数ｇ（θ）は、次式で求められる。

このように、エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅は、光学画像の標準偏差σを平均階調値Ａの平方根で割った値に比例する。エッジラフネスに起因する明暗の振幅を最小にする条件を見出すには、検光子の角度θを変えて光学画像を取得し、得られた光学画像における階調値の標準偏差を平均階調値の平方根で割った値を算出する。そして、この値が最小になる角度θを求めればよい。

図７において、ショート欠陥やオープン欠陥に起因する明暗の振幅と散乱光の電場振幅とを加えたものを図８に示す。前述の通り、ショート欠陥やオープン欠陥のように大きな欠陥は、照明光の電場成分に対する感受性が縦方向と横方向で異なる。したがって、こうした欠陥に起因する散乱光の電場振幅が極小になるときの検光子の角度θの値は、エッジラフネスに起因する散乱光の場合とは異なる。すなわち、エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅が極小になるときの角度θを適用しても、ショート欠陥やオープン欠陥に起因する反射光の電場振幅が極小になることはない。したがって、エッジラフネスに起因する明暗の振幅に埋もれることなく、ショート欠陥やオープン欠陥を検出することが可能となる。

エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅が極小になるときの角度θの値は、検査対象に形成されたパターンの構造によって異なる。例えば、パターンのピッチ、掘り込みの深さ、あるいは、ラインとスペースの比率などが変化すると、上記電場振幅が極小になる角度θの値も変化する。したがって、検査対象のパターンの構造に応じて角度θを求める必要がある。すなわち、検査対象に同じパターンが設けられている場合、予め求めた角度θを検査工程で使い続けることができるが、検査対象に構造の異なる複数のパターンが設けられている場合には、パターンに応じて角度θを変えることになる。また、設計上同じパターンであっても、様々な誤差要因によって、掘り込みの深さやラインとスペースの比率などが微小に変化して、散乱光の電場振幅を最小にする検光子の角度θが検査対象物上でばらつきを持つことがあり得るため、これに追従させる必要がある。より詳しくは、検査しているパターンの種類が変化するのに追従させて、検光子の角度θも変化させる。

パターン変化によって生じる角度θの変動のような外乱をリアルタイムで補正するには、フィードバック制御を用いることが好ましい。前述した通り、エッジラフネスに起因する明暗の振幅Ｉｒを最小にするには、エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅Ｅｒが常に極小値をとるようにすればよい。ここで、検査を行いながら、この検査画像の情報のみで電場振幅Ｅｒを極小に保つことは容易でない。なぜなら、検光子の角度θを電場振幅の極小値を挟んだある範囲の間を高速に往復させて電場振幅Ｅｒの極小値を求めるとともに、電場振幅Ｅｒが常に極小値近傍にあるように、角度θの往復運動の中央値を制御する必要があるからである。このような方法では、電場振幅Ｅｒが極小値から外れたときの影響を排除できないので、それによる検査性能の低下が避けられない。そこで、次に、角度θの最適値を高速に求めることのできる光学系について説明する。

図９は、本実施の形態の検査光学系の構成を説明する図である。この図において、光源２００１から出射され、ハーフミラー２００２で反射した光は、対物レンズ２００３を介して検査対象となる基板２００４を照明する。次いで、基板２００４で反射した光は、対物レンズ２００３とハーフミラー２００２を透過した後、結像光学系に入射する。

尚、基板２００４を照明する光は、基板２００４上に形成された周期パターンの繰り返し方向に対して４５度近傍または１３５度近傍の偏光面を有する直線偏光とする。これは、例えば、光源２００１とハーフミラー２００２の間に２分の１波長板（図示せず）を設けることで実現できる。これにより、ショート欠陥やオープン欠陥のように大きな欠陥と、エッジラフネスによる欠陥のように小さな欠陥との間で、照明光の電場成分に対する感受性に違いが現れるようにすることができる。

図９において、結像光学系には、回転機構２００５を備えた２分の１波長板２００６が配置されている。ハーフミラー２００２を透過した光は、次いでこの２分の１波長板２００６を透過する。このとき、光の偏光方向は所定の角度だけ回転する。ここでは、２分の１波長板２００６によって回転する偏光の角度をθ’とする。

２分の１波長板２００６の先には、第１のビームスプリッタ２００７、第２のビームスプリッタ２００８および検査用検光子２００９がこの順に配置されている。第１のビームスプリッタ２００７と第２のビームスプリッタ２００８は、いずれも、エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅を測定するための光を分岐するのに用いられる分岐手段である。

第１のビームスプリッタ２００７で反射した光は、第１の測定用検光子２０１０を透過して、第１の測定用撮像センサ２０１１に入射する。一方、第１のビームスプリッタ２００７を透過した光の一部は、第２のビームスプリッタ２００８で反射し、第２の測定用検光子２０１２を透過して、第２の測定用撮像センサ２０１３に入射する。また、第２のビームスプリッタ２００８を透過した光は、検査用検光子２００９を透過した後、検査用撮像センサ２０１４に入射する。

図１５、図１６、図１７は、それぞれ、検査用検光子２００９、第１の測定用検光子２０１０、第２の測定用検光子２０１２の断面模式図であり、図中の矢印は、各透過軸の方向を示している。

図１５〜図１７から分かるように、各透過軸の方向は異なっている。また、検査用検光子２００９の透過軸方向は、第１の測定用検光子２０１０の透過軸方向と、第２の測定用検光子２０１２の透過軸方向の間にある。このようにすることで、角度θの２分の１波長板２００６を透過したエッジラフネス起因の散乱光の光量を撮像子間で変えることができる。また、検査用検光子２００９に入射する散乱光の光量変化を、第１の測定用撮像センサ２０１１に入射する散乱光の光量変化と、第２の測定用撮像センサ２０１３に入射する散乱光の光量変化とで挟み込むので、検査用検光子２００９に入射する散乱光の正確な光量変化を知ることができる。

図１２は、本実施の形態におけるフィードバック制御機構の一例である。この例では、ＰＩＤ制御を利用している。ここで、外乱とは、評価対象である基板に設けられたパターン構造の違いによって生じる、２分の１波長板の最適な角度、具体的には、エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅Ｅｒを極小にする角度の変動を言う。このような制御系を組むことにより、図９に示す検査光学系によって得られた、エッジラフネスに起因する散乱光の偏光特性信号を、目標値の近傍に維持することが可能となる。

また、本実施の形態においては、エッジラフネスに起因する散乱光の偏光特性信号として、次式で得られる値を定義した。
このようにすることにより、フィードバック制御における目標値が０でない場合に、偏光特性信号が基板の反射率の影響を受けないようにすることができる。一方、目標値が０である場合には、
を偏光特性信号としてもよい。

次に、本実施の形態の検査装置について説明する。

図１３は、本実施の形態における検査装置１００の構成図である。検査装置１００は、図９に示す検査光学系を備えており、角度制御回路１４によって、図１２で説明したフィードバック制御が行われる構成となっている。

図１３に示すように、検査装置１００は、光学画像取得部Ａと制御部Ｂを有する。

光学画像取得部Ａは、図９で説明した検査光学系の他に、水平方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動可能なＸＹテーブル３と、センサ回路１０６と、レーザ測長システム１２２と、オートローダ１３０とを有する。尚、ＸＹテーブル３は、回転方向（θ方向）にも移動可能な構造とすることができる。

検査対象となる試料１は、Ｚテーブル２の上に載置される。Ｚテーブル２は、ＸＹテーブル３の上に設けられており、ＸＹテーブル３とともに水平方向にも移動可能である。試料１には、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンが形成されている。試料１としては、例えば、ナノインプリント技術で用いられるテンプレートが挙げられる。

尚、試料１は、Ｚテーブル２に設けられた支持部材により、３点で支持されることが好ましい。試料１を４点で支持する場合には、支持部材に対して高精度の高さ調整が必要となる。また、高さ調整が不十分であると、試料１が変形するおそれがある。これに対して、３点支持によれば、試料１の変形を最小限に抑えながら、試料１を支持することができる。支持部材は、例えば、頭面が球状のボールポイントを用いて構成される。また、例えば、３つの支持部材のうちの２つの支持部材は、試料１の四隅のうちの対角でない、隣接する二隅で試料１に接する。３つの支持部材のうちの残る１つの支持部材は、他の２つの支持部材が配置されていない二隅の間の領域に配置される。

光源２００１は、試料１に対して、その光学画像を取得するための光を照射する。光源２００１から出射される光の波長は、パターンピッチの２倍以上である。検査装置１００は、線幅が５０〜６０ｎｍ以下の超微細パターンの検査に好適であり、光源２００１としては、ＤＵＶ（ＤｅｅｐＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を照射するものを用いることが好ましい。ＤＵＶ光によれば、光学系を比較的簡単に構成することができ、また、微細なパターンを、ＥＢ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ：電子ビーム）を用いる場合よりも高いスループットで検査することができる。

検査装置１００における光学系の解像限界、すなわち、光源２００１からの光の波長（λ）と、対物レンズ２００３の開口数（ＮＡ）とによって定まる解像限界（Ｒ＝λ／２ＮＡ）は、試料１に形成されたパターンを解像しない値である。

光源２００１から出射された光は、ハーフミラー２００２で反射し、対物レンズ２００３を介して検査対象となる試料１を照明する。次いで、試料１で反射した光は、対物レンズ２００３とハーフミラー２００２を透過した後、回転機構２００５を備えた２分の１波長板２００６を透過する。このとき、光の偏光方向は角度θ’回転する。

尚、試料１を照明する光は、マスク上に形成された周期パターンの周期方向に対して４５度の偏光面を有する直線偏光とする。これは、例えば、光源２００１とハーフミラー２００２の間に２分の１波長板（図示せず）を設けることで実現できる。これにより、ショート欠陥やオープン欠陥のように大きな欠陥と、エッジラフネスによる欠陥のように小さな欠陥との間で、照明光の電場成分に対する感受性に違いが現れるようにすることができる。

２分の１波長板２００６の先には、第１のビームスプリッタ２００７、第２のビームスプリッタ２００８および検査用検光子２００９がこの順に配置されている。

第１の測定用検光子２０１０の透過軸方向、第２の測定用検光子２０１２の透過軸の方向、検査用検光子２００９の透過軸方向は、それぞれ異なっている。また、検査用検光子２００９の透過軸方向は、第１の測定用検光子２０１０の透過軸方向と、第２の測定用検光子２０１２の透過軸方向の間にある。このようにすることで、角度θの２分の１波長板２００６を透過したエッジラフネス起因の散乱光の光量を撮像子間で変えることができる。また、検査用検光子２００９に入射する散乱光の光量変化を、第１の測定用撮像センサ２０１１に入射する散乱光の光量変化と、第２の測定用撮像センサ２０１３に入射する散乱光の光量変化とで挟み込むので、検査用検光子２００９に入射する散乱光の正確な光量変化を知ることができる。

次に、図１３の制御部Ｂについて説明する。

制御部Ｂでは、検査装置１００全体の制御を司る制御計算機１１０が、データ伝送路となるバス１２０を介して、位置回路１０７、画像処理回路１０８、角度制御回路１４、展開回路１３１、参照回路１３２、比較回路１３３、欠陥検出回路１３４、オートローダ制御回路１１３、テーブル制御回路１１４、記憶装置の一例となる磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレキシブルディスク装置１１６、ディスプレイ１１７、パターンモニタ１１８およびプリンタ１１９に接続されている。尚、画像処理回路１０８は本発明の画像処理部に対応し、欠陥検出回路１３４は本発明の欠陥検出部に対応し、角度制御回路１４は本発明の角度制御部に対応する。

Ｚテーブル２は、Ｚテーブル制御回路１１４ｂによって制御されたモータ１７ｂによって駆動される。また、ＸＹテーブル３は、ＸＹテーブル制御回路１１４ａによって制御されたモータ１７ａによって駆動される。尚、上記の各モータには、例えば、リニアモータを用いることができる。

図１３の光学画像取得部Ａは、第１の測定用撮像センサ２０１１、第２の測定用撮像センサ２０１３、検査用撮像センサ２０１４のそれぞれにおいて、試料１の光学画像を取得する。光学画像の具体的な取得方法の一例は、次の通りである。

試料１は、垂直方向に移動可能なＺテーブル２の上に載置される。Ｚテーブル２は、ＸＹテーブル３によって水平方向にも移動可能である。ＸＹテーブル３の移動位置は、レーザ測長システム１２２により測定されて位置回路１０７に送られる。また、ＸＹテーブル３上の試料１は、オートローダ制御回路１１３により駆動されるオートローダ１３０から自動的に搬送され、検査終了後には自動的に排出される。

光源２００１は、試料１に照射する光を出射する。光源２００１から出射された光は、ハーフミラー２００２で反射し、対物レンズ２００３によって試料１の上に集光される。対物レンズ２００３と試料１との距離は、Ｚテーブル２を垂直方向に移動させることによって調整される。

試料１で反射した光は、対物レンズ２００３とハーフミラー２００２を透過した後、２分の１波長板２００６を透過する。このとき、光の偏光方向は角度θ’だけ回転する。

その後、第１のビームスプリッタ２００７で反射した光は、第１の測定用検光子２０１０を透過して、第１の測定用撮像センサ２０１１に入射する。一方、第１のビームスプリッタ２００７を透過した光の一部は、第２のビームスプリッタ２００８で反射し、第２の測定用検光子２０１２を透過して、第２の測定用撮像センサ２０１３に入射する。また、第２のビームスプリッタ２００８を透過した光は、検査用検光子２００９を透過した後、検査用撮像センサ２０１４に入射する。

図１４は、試料１に形成されたパターンの光学画像を取得する手順を説明する図である。

図１４に示すように、試料１上の評価領域は、短冊状の複数のフレーム２０_１，２０_２，２０_３，２０_４，・・・に仮想的に分割されている。そして、各フレーム２０_１，２０_２，２０_３，２０_４，・・・が連続的に走査されるように、図１３のＸＹテーブル３の動作が、ＸＹテーブル制御回路１１４ａによって制御される。具体的には、ＸＹテーブル３がＸ方向に移動しながら、第１の測定用撮像センサ２０１１、第２の測定用撮像センサ２０１３、検査用撮像センサ２０１４のそれぞれに、図１４に示されるような走査幅Ｗの画像が連続的に入力される。すなわち、第１のフレーム２０_１における画像を取得した後、第２のフレーム２０_２における画像を取得する。この場合、ＸＹテーブル３が第１のフレーム２０_１における画像の取得時とは逆方向に移動しながら光学画像を取得し、走査幅Ｗの画像が各撮像センサに連続的に入力される。第３のフレーム２０_３における画像を取得する場合には、第２のフレーム２０_２における画像を取得する方向とは逆方向、すなわち、第１のフレーム２０_１における画像を取得した方向に、ＸＹテーブル３が移動する。尚、図１４の斜線部分は、上記のようにして光学画像の取得が済んだ領域を模式的に表したものである。

第１の測定用撮像センサ２０１１、第２の測定用撮像センサ２０１３、検査用撮像センサ２０１４のそれぞれに結像したパターンの像は、光電変換された後、さらにセンサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。尚、各撮像センサには、例えば、撮像素子としてのＣＣＤカメラを一列に並べたラインセンサが用いられる。ラインセンサの例としては、ＴＤＩ（ＴｉｍｅＤｅｌａｙＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサが挙げられる。この場合、ＸＹテーブル３がＸ軸方向に連続的に移動しながら、ＴＤＩセンサによって試料１のパターンが撮像される。

センサ回路１０６でＡ／Ｄ変換された光学画像データは、画像処理回路１０８へ送られる。画像処理回路１０８では、光学画像データが画素毎の階調値で表される。例えば、２５６段階の階調値を有するグレースケールより、０階調から２５５階調のいずれかの値が、各画素に与えられる。本実施の形態では、第１の測定用撮像センサ２０１１および第２の測定用撮像センサ２０１３で取得された光学画像のそれぞれについて、階調値の標準偏差σと、平均階調値Ａとが、画像処理回路１０８で求められる。

以上のようにして、照明光の偏光状態と、検査対象となる試料から反射した光を結像する光学系の偏光制御素子の条件とを制御することで、エッジラフネスによる欠陥からの散乱成分を偏光制御素子で除去し、ショート欠陥やオープン欠陥からの散乱成分と切り分けることができる。つまり、検査用撮像センサ２０１４で得られる光学画像は、エッジラフネスによる欠陥が除かれたものとなる。この光学画像データは、上述の通り、センサ回路１０６を経て画像処理回路１０８へ送られる。

画像処理回路１０８では、（エッジラフネスによる欠陥が除かれた）光学画像における画素データが画素毎の階調値で表される。また、試料１の検査領域は、所定の単位領域に分割され、各単位領域の平均階調値が求められる。所定の単位領域は、例えば、１ｍｍ×１ｍｍの領域とすることができる。

画像処理回路１０８で得られた階調値に関する情報は、欠陥検出回路１３４へ送られる。欠陥検出回路１３４は、例えば、平均階調値を中心として上下に閾値を持ち、この閾値を超えた時に欠陥として認識し、結果を出力する機能を有する。前記閾値レベルはあらかじめ設定される。

また、本実施の形態の検査装置は、検査機能に加えてレビュー機能を有することも可能である。ここで、レビューとは、オペレータによって、検出された欠陥が実用上問題となるものであるかどうかを判断する動作である。

例えば、図１３の比較回路１３３で欠陥と判定された箇所の座標と、欠陥判定の根拠となった光学画像および参照画像とがレビュー装置（図示せず）に送られる。オペレータは、欠陥判定の根拠となった参照画像と、欠陥が含まれる光学画像とを見比べてレビューする。具体的には、図１３に示す光学系を使って、試料１の欠陥箇所の画像を表示する。また同時に欠陥判定の判断条件や、判定根拠になった光学画像と参照画像などは、制御計算機１１０の画面を利用して表示される。レビューによって判別された欠陥情報は、磁気ディスク装置１０９に保存される。

尚、レビューによって１つでも修正すべき欠陥が確認されると、試料１は、欠陥情報リストとともに、検査装置１００の外部装置である修正装置（図示せず）に送られる。修正方法は、欠陥のタイプが凸系の欠陥か凹系の欠陥かによって異なるので、欠陥情報リストには、凹凸の区別を含む欠陥の種別と欠陥の座標が添付される。

上記例では、繰り返しパターンとしてライン・アンド・スペースパターンを挙げたが、本実施の形態はこれに限られるものではない。本実施の形態は、解像限界以下の周期を有するものであればホールパターンなどの繰り返しパターンにも適用可能である。

以上述べたように、本実施の形態の検査装置によれば、光学系の解像度以下の周期で繰り返されるパターンが形成された試料であっても、検出すべき欠陥とそうでない欠陥とを区別して検査することができる。具体的には、エッジラフネスによる散乱成分を除去し、ショート欠陥やオープン欠陥からの散乱成分と切り分けることができる。

また、本実施の形態の検査装置では、ＤＵＶ（ＤｅｅｐＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を出射する光源を用いることができる。これにより、ＥＢ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ：電子ビーム）を光源に用いた場合に問題となるスループットの低下を引き起こさずに検査することができる。

尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

また、上記各実施の形態では、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要としない部分についての記載を省略したが、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ことは言うまでもない。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての焦点位置検出装置、焦点位置検出方法、検査装置および検査方法は、本発明の範囲に包含される。

１試料
２Ｚテーブル
３ＸＹテーブル
１４角度制御回路
１７ａ，１７ｂモータ
２０_１，２０_２，２０_３，２０_４検査フレーム
１００検査装置
１０６センサ回路
１０７位置回路
１０８画像処理回路
１０９磁気ディスク装置
１１０制御計算機
１１３オートローダ制御回路
１１４ａＸＹテーブル制御回路
１１４ｂＺテーブル制御回路
１１５磁気テープ装置
１１６フレキシブルディスク装置
１１７ディスプレイ
１１８パターンモニタ
１１９プリンタ
１２０バス
１２２レーザ測長システム
１３０オートローダ
１３１展開回路
１３２参照回路
１３３比較回路
１３４欠陥検出回路
２００１光源
２００２ハーフミラー
２００３対物レンズ
２００４基板
２００５回転機構
２００６２分の１波長板
２００７第１のビームスプリッタ
２００８第２のビームスプリッタ
２００９検査用検光子
２０１０第１の測定用検光子
２０１１第１の測定用撮像センサ
２０１２第２の測定用検光子
２０１３第２の測定用撮像センサ
２０１４検査用撮像センサ

Claims

所定の波長の光を出射する光源を備え、該光源から出射した光を、検査対象となる試料に、前記試料上の繰り返しパターンの繰り返し方向に対して−５度〜５度と８５度〜９５度の各範囲にある角度以外の角度の偏光面を有する直線偏光にして照明する照明光学系と、
前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る検査用撮像センサを備え、前記試料を反射または透過した光をレンズで前記検査用撮像センサに結像する結像光学系と、
前記光学画像における所定の単位領域毎の平均階調値と標準偏差を求める画像処理部と、
前記試料の欠陥検出を行う欠陥検出部と、
を有し、
前記光源の波長と前記レンズの開口数によって定まる解像限界は、前記パターンを解像しない値であり、
前記結像光学系は、
前記試料を反射または透過した光を透過させる２分の１波長板と、
前記２分の１波長板によって偏光方向が回転した光を３方向に分岐する分岐手段と、
前記分岐手段によって第１の方向に分岐された光が第１の測定用検光子を介して入射する第１の測定用撮像センサと、
前記分岐手段によって第２の方向に分岐された光が第２の測定用検光子を介して入射する第２の測定用撮像センサと、
前記分岐手段によって分岐された第３の方向であって前記検査用撮像センサに至る光路上に配置された検査用検光子と、
を有し、
前記第１の測定用検光子、前記第２の測定用検光子および前記検査用検光子の各透過軸の方向は異なっていて、前記検査用検光子の透過軸方向は、前記第１の測定用検光子の透過軸方向と、前記第２の測定用検光子の透過軸方向の間にあり、
前記２分の１波長板の角度を制御する角度制御部をさらに有し、
前記画像処理部は、前記第１の測定用撮像センサで取得された光学画像について、階調値の標準偏差（σ）と平均階調値（Ａ）から第１の測定信号（σ／√Ａ）を取得するとともに、前記第２の測定用撮像センサで取得された光学画像についても、階調値の標準偏差（σ）と平均階調値（Ａ）から第２の測定信号（σ／√Ａ）を取得して、式（１）で定義される偏光特性信号を算出し、
｛（第１の測定信号）−（第２の測定信号）｝／｛（第１の測定信号）＋（第２の測定信号）｝ …（１）
検査前に、前記２分の１波長板を回転して、検査用撮像センサにより取得された光学画像における測定信号（σ／√Ａ）が最小となるときの前記偏光特性信号の値を求めて、この値を目標値とし、
前記目標値は前記角度制御部へ送られて、前記角度制御部は、式（１）で定義される偏光特性信号が前記目標値となるように、前記２分の１波長板の角度を制御することを特徴とする検査装置。
前記２分の１波長板は、回転機構によってその角度を任意に調節可能な構造であり、
前記角度制御部は、前記回転機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
前記分岐手段は、第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとを有し、
前記第１のビームスプリッタで反射した光が前記第１の測定用検光子を介して前記第１の測定用撮像センサに入射し、
前記第１のビームスプリッタを透過し、前記第２のビームスプリッタで反射した光が前記第２の測定用検光子を介して前記第２の測定用撮像センサに入射し、
前記第１のビームスプリッタと前記第２のビームスプリッタを透過した光が、前記検査用検光子を介して前記検査用撮像センサに入射することを特徴とする請求項１又は２に記載の検査装置。
前記光源が出射する光は、遠紫外光であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の検査装置。
前記検査用撮像センサで取得された光学画像を基準画像と比較して、これらの差分値が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する比較部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の検査装置。
前記基準画像は、前記パターンの設計データから作成された参照画像であり、
前記参照画像を作成する参照画像作成部を有していて、
前記参照画像作成部で作成された参照画像が前記比較部に送られることを特徴とする請求項５に記載の検査装置。