JPH04339244A - 表面状態検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造工程で用いら
れるフォトマスクまたはレチクルの表面に付着した塵埃
等の異物を走査ビームの照射により検出する表面状態検
査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にＩＣ製造工程においては、レチク
ルの露光用パターンを半導体焼付け装置（ステッパまた
はマスクアライナ）の投影光学系等によりレジストが塗
布された半導体ウエハ上に転写するという方法が採用さ
れている。

【０００３】ここで半導体焼付け装置によりレチクルか
らレジストを塗ってあるウエハ上にパターンを転写する
時、ゴミ等の欠陥がレチクル表面に付着していると本来
のレチクルのパターン以外に欠陥の形も焼き付けること
となりＩＣ製造の歩留り低下の原因となる。

【０００４】特にウエハに所望のレチクルパターンをス
テップアンドリピートで複数焼きつける「ステッパ」を
用いる場合、レチクル上の１ケのゴミがウエハ全面に焼
付けられることとなる。

【０００５】そこで近年、レチクル上のゴミを的確に検
出することが不可欠なこととなった。さらに歩留り向上
のため検査時間の短縮化が要求されている。

【０００６】このようなレチクル上のゴミ等の異物を検
出するための従来例を図１４に示す。これはレーザ光源
（図示しない）から発したビームをポリゴン等（図示し
ない）の回転素子でｆ−θレンズ２を介して走査ビーム
とし、レチクル１上に集光する。途中、検査時間を短縮
するためにハーフミラー４でビームを上下に２分割し、
各々反転ミラー５，１０を介してレチクル１の上面１ａ
（ブランク面）と下面（クロム面）１ｂとに導光し、集
光している。走査ビームは紙面と直交方向にレチクル上
を走査し、これと同期してレチクルがＳ１←→Ｓ２方向
に走査され、レチクル全面が検査される。レチクル上に
ゴミがあった場合、ビームの散乱光が発生する。この例
ではこれを、集光レンズ（ビーム走査方向に母線をもつ
シリンドリカルレンズやマイクロレンズアレー等）で一
旦視野絞り（７ａ，７ｂ）上に結像し、その開口を通過
させた後、ファイバ（８ａ，８ｂ）を通してフォトマル
（９ａ，９ｂ）に導く。ここでレチクルのブランク面と
クロム面とに付着したゴミの回路パターンへの影響を述
べる。クロム面上にはウエハに転写されるべき回路パタ
ーンがクロム単層膜、あるいは、酸化クロムとクロムの
２層膜のいずれかでパターニングされ、焼付レンズに関
してウエハとこのクロム面とが光学的に共役関係になっ
ている。このため、クロム面上に付着した小さなゴミ（
１〜２μｍ）はそのままウエハ上に繰り返し転写されて
しまう。これに対し、ブランク面上に付着した同じ大き
さのゴミはウエハ上にはボケて写ることはない。ところ
が大きなゴミ（５μｍ以上）になるとこのゴミのほぼ真
下にあるクロム面上のパターンに対してはその照明光束
（レチクルの上方から落射照明される）の一部を遮って
しまうために、照度ムラを引き起こす。その結果、同じ
時間露光されてもゴミの有無で全積分照射光量が異なっ
てきて回路パターン線幅が変動するという悪影響を受け
る。

【０００７】いずれにしろ、この程の検査装置に必要と
されるゴミの最小分解能としては、クロム面が１〜２μ
ｍであるのに対し、ブランク面では５μｍ以上である。

【０００８】また近年レチクルの大型化が進み、４Ｍｂ
ｉｔまでは５″平方、厚さ０．０９″のレチクルが主流
であったのに対し、１６Ｍｂｉｔになると焼付画面サイ
ズの拡大に伴い、レチクルサイズも６″平方、厚さ０．
２５″のものが用いられる。この厚いレチクルは基板の
再利用が可能であり再利用の度に約５０μｍ程度パター
ン面を削りおとす。これを１０回繰り返すとレチクル厚
が５００μｍ程度減少する。

【０００９】このような厚みの異なるレチクルがランダ
ムに検査装置に送り込まれた場合、図３から分るように
レチクルのブランク面の高さが変化し、レチクルのブラ
ンク面上での入射ビーム径が変動する。（なお、レチク
ルはレチクルハンド上に支持される際、通常クロム面（
下面）付き当て状態のためクロム面の高さはレチクル厚
が変化しても変らない。）この程の検査装置において、
粒子の光散乱強度はビーム径の２乗に反比例するのでこ
の事実はブランク面の検出感度が不安定になることを意
味している。例えばレチクルブランク面上でのビーム径
（Ｄｏ）を光軸断面でφ３０μｍとし、レチクルへのビ
ームの入射角（α）を３０°とする。厚み差（Δ″ｄ）
５００μｍだけ薄いレチクルが搬入されてくると、その
ブランク面上でのビーム径（Ｄ′）は下記数式（１）か
ら４０μｍとなり、Ｈｅ−Ｎｅのレーザ光源の場合散乱
光量は５６％に減少してしまう。逆に、通常φ３０μｍ
のビーム径で５μｍのゴミを検知していたとすると６．
７μｍ以上のゴミしか検知できなくなる。

【００１０】

【数１】 以上を要約すると、クロム面上のゴミは直接転写される
ために分解能も厳しく約１μｍであり、レチクル厚の影
響を受けない。これに対し、ブランク面上のゴミは照度
ムラとして影響し、その必要分解能は約５μｍと大きく
してもよい反面レチクル厚の影響を受ける。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなレチクル上下面での相違にもかかわらず、図１４の
従来技術では単にクロム面とブランク面の両方に同じ光
束を分岐して導いているために、次のような欠点があっ
た。

【００１２】つまり、クロム面とブランク面上のビーム
径が等しいために、クロム面上の粒子分解能を高めよう
としてビーム径（Ｄｏ）を絞ると、ブランク面上のビー
ム径も細くなる。すると式（１）からレチクル厚変化Δ
ｄが生じた時のビーム径の変動率も大きくなる。この事
はレチクル厚変化に対して検出感度が過敏に変動しすぎ
るという欠点として現われてくる。

【００１３】これを解決する手段として、あらかじめレ
チクルの厚みを計測し、この分だけブランク面検査時に
ピントをとり直すという方式が考えられる。しかしなが
ら、この方式によると、厚み計測手段とピント調整手段
とが必要であり、システムの大型化およびコストアップ
につながるという欠点があった。

【００１４】また、別の手段として、ブランク面に入射
するビームだけ太くして敏感度をおとすことも考えられ
るが、そのためには入射光学系内の開口絞りで光束を制
限する必要が生じ、光量ロスを招くという不具合を生ず
る。

【００１５】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされ
たものであって、レチクル厚の変化にかかわらずクロム
面上の異物検出分解能を高めかつブランク面上の異物検
出の安定性を高め光量ロスを来すことなく信頼性の高い
検出を可能とする表面状態検査装置の提供を目的とする
。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
、本発明によれば複数の検査面をもつ基板にビームを分
割ないしは切り換えて集光、走査させると共に、これと
略直交方向に該基板を移動させることにより該基板の表
面状態を検査する表面状態検査装置において、前記検査
ビームに像高によらず均一な非点収差または二重焦点を
もつビームを発生させることによって該基板の高さや厚
みが変動した場合でも光量ロスなく、しかも一定のビー
ムエネルギ密度で該基板を検査可能とする。

【００１７】

【実施例】図１は本発明第一の実施例を示す。

【００１８】無偏光レーザ光源１から発したレーザビー
ムはピンホール２で必要なビーム形状に切り出された後
ビームエキスパンダ３で広げられてポリゴンミラー４等
の光学スキャナに入射する。ここで反射されたビームは
ｆ−θレンズ５を通過して収束光束となりハーフミラー
６、ミラー７を経てレチクル８の下面（クロム面）上の
点Ｑに集光する。レチクルはレチクルハンド４０によっ
て下面つき当てで支持されているので、移動中もその高
さは常に一定に保たれる。一方ハーフミラー６で分割さ
れた収束光束の一部はミラー９、光路長補正板１０、ミ
ラー１１そしてフィールドレンズ１２を経て一旦、中間
結像する。その後再び発散光束となってミラー１４，１
５を経て結像レンズ１６に達する。結像レンズ１６はレ
チクル８のブランク面上の点Ｐに二重焦点特性をもった
ビームを集光させる（後述）。ポリゴンミラー４が回転
すると収束ビームはレチクル８の上下面を各々紙面と直
交する方向に走査する。これと同期してレチクルをＳ１
　←→Ｓ２　の方向に移動させると、レチクル上の必要
な検査領域を検査できる。尚、受光系は従来例（図１０
）と同じ構成、あるいはこれ以外でも良く、本発明によ
って制限されることはない。

【００１９】図２は図１の結像関係を光学的に展開した
図である。

【００２０】フィールドレンズ１２の作用は、ポリゴン
ミラー４の反射点と共役点を結像レンズ１６の内部に設
けることである。（図２では二重焦点素子１０４の近傍
）。この配置をとれば、中間結像面１３の任意のビーム
集光点から発した光束はケラレなく結像レンズ１６を通
過した後ブランク面上にスポットを形成する。本発明に
おいては二重焦点素子１０４の近傍に光束を制限する絞
りを設ける必要はない。但し、絞りを設けても本発明の
効果は達成できる。

【００２１】次に、二重焦点素子１０４の作用について
述べる。素子１０４は水晶のような複屈折作用をもつ材
質から構成され、本実施例では凹レンズとして用いてい
る。無偏光の光束がこの素子１０４に入射すると、その
光学軸とこれに直交する軸方向とで屈折率が異なるため
に各偏光方向で異なる負の屈折力の作用を受ける。その
結果素子１０４の射出光束は直交する２つの偏光方向で
最終的に走査面Ｐの前後にズレたピントで走査線を形成
する。

【００２２】図２（Ａ）は走査断面内に偏光面をもつビ
ームの結像関係を示す図である。この実施例ではこの断
面内に偏光面をもつビームピントはＰＡ面に合っている
。これに対し、図２（Ｂ）は走査と直交する断面に偏光
面をもつビームの結像関係を示す図であり、ビームピン
トはＰＢ面に合っている。そこでレチクルのブランク面
をＰＡ面とＰＢ面の中間のＰ面に設ければ本発明の効果
がえられる。

【００２３】図４はその内容を示している。図４（Ａ）
では結像レンズ１６を射出したレーザビームのうち走査
断面内に偏光面をもつ光束はＰＡ面でスポットを結び、
それ以前ではボケている。これに対し、図４（Ｂ）では
これと直交断面内に偏光面をもつ光束はＰＢ面で最小ス
ポットを形成し、それ以降ボケていく。異物散乱光の強
度は入射ビームのエネルギ密度に比例するので、上述し
たように、二重焦点ビームをレチクルに入射させておく
と、レチクルの厚みが変化しても、エネルギ密度を一定
に保つことができる。

【００２４】図５は本発明の効果を示すグラフである。 横軸は光軸方向の距離（焦点深度）であり、縦軸はビー
ム径である。

【００２５】図中、φＡは図４（Ａ）のビーム径変化を
示し、φＢは図４（Ｂ）のビーム径変化を示している。 この計算にあたっては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８
ｎｍ）で回折限界のビーム径φ２５μｍを得るために有
効Ｆナンバ（Ｆｅ）＝３１．２５のビーム光束を用いて
いる。実線のカーブφＡ，φＢは直交する２つの偏光面
の各々のビーム径の特性であり、従来の単一焦点ビーム
の特性でもある。これによると最適位置（ｄｅｆｏｃｕ
ｓ　０μｍ）でφ２５μｍのビーム径を得ているものの
、０．５ｍｍ　　ｄｅｆｏｃｕｓ　するとビーム径はφ
３０μｍ迄大きくなる。これはビームエネルギ密度を６
９％に低下させ異物検出感度を大幅に低下させてしまう
。これに対処するための、本発明の二重焦点方式を用い
る。例えば焦点ズレ量を１ｍｍ（図４でＡ〜Ｅ間距離）
発生させる。この時２つのビームからなる平均的ビーム
径は（φＡ×φＢ）１／２であって、最小ビーム径はＣ
の位置でφ３０μｍにふくれるものの、同じく０．５ｍ
ｍ　　ｄｅｆｏｃｕｓ　させてもビーム径は高々φ３２
μｍにしかならない。この場合ビームエネルギ密度の低
下を８９％にとどめることができる。

【００２６】即ち、本実施例の場合、高分解能を要する
クロム面側にはφ２５μｍのビームを入射すると同時に
、ブランク面（分解能はクロム面程いらないが、面の高
さが変動する）側にはφ３０μｍでビーム径変動の少な
いビームを、光量ロス無く入射することができる。

【００２７】図６は第２の実施例である。光学的結像関
係は図１の実施例と同じであるが、異なる点はハーフミ
ラー６を切り換えミラー３０に置き換えた点である。図
１ではレチクルの上下面に同時にビームを入射させたの
に対して、本実施例では上下ビームを時系列的に切り換
える配置をとっている。すなわち、レチクルが検査中Ｓ
１→Ｓ２の方向へ移動している時（往路）、切り換えミ
ラー３０を光路からはずしてビームをクロム面上に集光
しておく。クロム面の検査がおわると今度は切り換えミ
ラー３０を光路中に挿入してビームをブランク面上に集
光し、レチクルをＳ２→Ｓ１の方向へ移動する（復路）
。この配置をとることによって、ビームのエネルギを分
割せずにクロム面あるいはブランク面に集中できるので
、異物の散乱光量を増加でき、検査の信頼性を高められ
る。 図７は結像レンズ系１６の別の例を示す。走査と直交断
面を示している中間結像面１３から発した拡散光束はレ
ンズ１１０の作用で平行光束になる。（非平行でも良い
）。１１１は偏光ビームスプリッタであり、紙面内で振
動する偏光はそのまま透過するが、これと直交する偏光
は反射して、ミラー１１２を介して凹レンズ１１３に入
射する。凹レンズの拡散作用を受けた光束はミラー１１
４を経て、２つ目の偏光ビームスプリッタ１１５で再び
反射されて、先に２分された直線偏光光束と合流する。 しかる後、凸レンズ１１６の作用でＰＡ面に集光する。 ビームスプリッタ１１１，１１５を直進してきた光束は
凹レンズ１１３の作用を受けていないのでＰＢ面に集光
する。したがって、レチクルのブランク面ＰがこのＰＡ
〜ＰＢ間にあれば、たとえ位置変動があってもビーム径
の変動を極力抑えられる。

【００２８】尚、光量が充分に足りていれば、偏光ビー
ムスプリッタ１１１，１１５は通常のハーフミラーでも
良い。本発明の効果はこの場合も得られる。

【００２９】図８は第３の実施例を示す。

【００３０】本実施例では入射ビームを中間結像せずに
直接ブランク面上に集光している。６０が本発明の二重
焦点発生素子である。

【００３１】別の実施例として、図１の結像レンズ１６
が二重焦点作用をもつ代わりに非点収差特性をもったビ
ームを集光させる構成としてもよい。なお、この場合光
源は無偏光レーザに限定されない。

【００３２】図９はこのような実施例の結像関係を光学
的に展開した図である。

【００３３】フィールドレンズ１２の作用は、ポリゴン
ミラー４の反射点と共役点を結像レンズ１６の内部に設
けることである（図９では１００の位置）。この配置を
とれば、中間結像面１３の任意のビーム集光点から発し
た光束はケラレなく位置１００を通過した後ブランク面
上にスポットを形成する。本実施例においては位置１０
０に光束を制限する絞りを設ける必要はない。但し、絞
りを設けても本発明の効果は達成できる。

【００３４】次に非点収差発生手段について述べる。図
９の結像レンズ１６内にある平行平面板１０３がそれで
ある。この平行平面板１０３は光軸に対して傾いて置か
れ偏心非点収差（偏心アス）を発生させている。そして
結像レンズ１６内のレンズ１０１，１０２はこの平行平
面板１０３と合わせて収差補正されていて、ブランク面
Ｐ上に偏心アスだけを許し、他の収差は極力除去された
ビームスポットを形成している。特に偏心アスを発生さ
せている理由は、これがビーム走査線のすべての位置で
均一に発生しうるからである。

【００３５】図１０はアス（非点収差）特性をもったビ
ームスポットの焦点面付近でのビーム形状を表わしてい
る。アス特性をもったビームでは、光軸を含む直交２断
面内でピントの位置が光軸方向にずれている（図１０中
Ａ点とＥ点）。そのためにこの２点間ではビーム形状が
楕円形となる（図中Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ点）。ちなみに
その中央位置（Ｃ）では円形になり、これを最小錯乱円
と呼ぶ。ここで注意すべき特質は、この間（Ａ〜Ｅ）、
ビームの断面積（φＭ・φＳに比例）の変化が、アス特
性を持たないビームの場合に比べて著しく小さいことで
ある。

【００３６】図１１はこの性質を計算によって求めたグ
ラフである。横軸は焦点深度であり、光軸方向への移動
量である。縦軸はビーム径であり、これを計算するにあ
たってはＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）で回折限
界のビーム径φ２５μｍをうるために有効Ｆナンバ（Ｆ
ｅ）＝３１．２５のビーム光束を用いている。実線（φ
Ｍ）のカーブはアス特性を持たないビームの深度特性で
ある。これによると最適位置（ｄｅｆｏｃｕｓ　０ｍｍ
）でφ２５μｍのビーム径をえているものの、０．５ｍ
ｍ　　ｄｅｆｏｃｕｓ　するとビーム径はφ３０μｍま
でふくれてしまう。 これはビームエネルギ密度を６９％に低下させ異物検出
感度を大幅に悪化させてしまう。これに対して、本発明
に従ってアス特性を例えば１ｍｍ（図１０でＡ〜Ｅ間距
離）発生させた場合、先の実線（φＭ）のカーブは光軸
を含む直交２断面間で２つにずれて分かれる。実線（φ
Ｍ）をビームスキャン断面内のビーム深度特性だとする
と、点線（φＳ）はこれと直交断面内の特性である。お
互いの最小ビーム径を得る位置はＡ点とＥ点で１ｍｍず
れている。この場合、最小錯乱円位置はＣであって、こ
こではφ３０μｍの円形ビームが形成されている。にも
かかわらず、本発明の作用により０．５ｍｍ　　ｄｅｆ
ｏｃｕｓ　した場合においても平均ビーム径（一点鎖線
で（φＭ×φＳ）１／２のグラフ）はφ３２μｍであり
、この場合のビームエネルギ密度の低下は８９％にとど
まる。

【００３７】即ち、本実施例の場合、高分解能を要する
クロム面側にはφ２５μｍのビームを入射すると同時に
、ブランク面（分解能はクロム面程いらないが、面の高
さが変動する）側にはφ３０μｍでビーム径変動の少な
いビームを光量ロス無く入射することが可能となる。

【００３８】このような非点収差作用をもつ結像レンズ
１６を用いた実施例について、図６のように切換えミラ
ー３０を用いた構成とすることもできる。

【００３９】図１２（ａ）は本発明のアス発生手段の別
の例である。つまり、図１，図６の結像レンズ１６にお
いて、本構成では、ビーム再結像レンズ１０１，１０２
の間に図１２（ｂ）に示すようなシリンドリカルレンズ
１０４を用いている。これはあるいはトーリックレンズ
でも良く、光軸を含む２断面間でパワー配置を違える作
用をもつ。これらのアナモルフィックレンズによってビ
ーム走査線のすべての位置で均一の非点収差を発生させ
、本発明の効果を得ることができる。

【００４０】さらに別の実施例として、前述の図８と同
様の構成とすることができる。即ち、入射ビームを中間
結像せずに直接ブランク面上に集光する。そして本発明
のアス発生手段として図中６０の位置に図１３（ａ）、
図１３（ｂ）の光学部材を用いる。図１３（ａ）はレン
ズ１０５を光軸から平行に偏心させたものである。ある
いは偏心させる代りにレンズを傾けてもよい。レンズ１
０５自身はブランク面ビームの集光状態を変える。例え
ば、ピント位置を延ばすまたはレチクルに入射する軸外
ビームの傾きをかえる（テレセン化）作用をもつ。この
ようなレンズを共心状態からはずすことによって偏心非
点収差を発生させる。図１３（ｂ）では屈折力をもたな
い平行平面板（非平行でも可）を傾けて同様な作用をも
たせている。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によりレチ
クルのクロム面に小さなビーム径を集光させる一方で、
ブランク面に光量ロス無くエネルギ密度変動の少ないビ
ーム径を集光することが可能となる。その結果、クロム
面の異物分解能を向上できると共に、レチクル厚みがバ
ラツいてもその影響を受けることなく、ブランク面上の
異物を安定して検知できるようになる。またレチクル厚
を計測する手段やレチクル厚変化に応じてピントをとり
直す手段等が不要となるので、大幅なシステムの簡略化
とコストダウンが図られる。さらにレチクルを削って再
利用できるので半導体製造プロセス全体の大幅なコスト
ダウンを成し遂げられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１の実施例の構成図である。

【図２】図１の実施例の光学的展開図であり、（Ａ）は
走査方向断面に偏光面をもつビーム、（Ｂ）はこれと直
交する偏光面をもつビームを表わす図である。

【図３】レチクル厚変化とビーム径変動の関係説明図で
ある。

【図４】二重焦点によるビーム形状の変化を示す図であ
り、（Ａ）は走査方向断面に偏光面をもつビーム、（Ｂ
）はこれと直交する偏光面をもつビームを表わす図であ
る。

【図５】焦点深度とビーム径の変化を計算したグラフで
ある。

【図６】本発明第２の実施例の構成図である。

【図７】本発明の二重焦点発生手段の別の例の構成図で
ある。

【図８】本発明第３の実施例の構成図である。

【図９】本発明の非点収差発生手段を用いた実施例の光
学的展開図である。

【図１０】図９の実施例のビーム形状説明図である。

【図１１】図９の実施例の焦点深度とビーム径の変化を
計算したグラフである。

【図１２】（Ａ），（Ｂ）は各々非点収差発生手段の別
の例の構成図および斜視図である。

【図１３】（ａ），（ｂ）は各々非点収差発生手段のさ
らに別の例の説明図である。

【図１４】従来技術の構成説明図である。

【符号の説明】

１　　レーザ光源 ２　　ピンホール ３　　ビームエキスパンダ ４　　ポリゴンミラー ５　　ｆ−θレンズ ６　　ハーフミラー ８　　レチクル １６　　結像レンズ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　検査面をビーム照射により走査する表
   面状態検査装置において、走査ビーム光路上に光軸に沿
   って２つの収束位置をもつビームを発生させるための光
   学手段を設けたことを特徴とする表面状態検査装置。
2. 【請求項２】　　前記２つの収束位置間に前記検査面を
   配置したことを特徴とする請求項１に記載した表面状態
   検査装置。
3. 【請求項３】　　前記光学手段は二重焦点発生手段から
   なることを特徴とする請求項１に記載した表面状態検査
   装置。
4. 【請求項４】　　前記二重焦点発生手段は、偏光機能を
   有する光学素子を含み、相互に直交する偏光成分に関し
   焦点位置が異なるように光学系を構成したことを特徴と
   する請求項３に記載した表面状態検査装置。
5. 【請求項５】　　前記光学手段は非点収差発生手段から
   なることを特徴とする請求項１に記載した表面状態検査
   装置。
6. 【請求項６】　　前記非点収差発生手段は、走査ビーム
   光軸に対し傾斜した平行平面板からなることを特徴とす
   る請求項５に記載した表面状態検査装置。
7. 【請求項７】　　前記非点収差発生手段は、アナモルフ
   ィックレンズからなることを特徴とする請求項５に記載
   した表面状態検査装置。
8. 【請求項８】　　前記非点収差発生手段は、走査ビーム
   光軸に対し偏心または傾斜したレンズからなることを特
   徴とする請求項５に記載した表面状態検査装置。