JPH0619119A

JPH0619119A - ホトマスク検査方法および検査装置

Info

Publication number: JPH0619119A
Application number: JP17403292A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Watanabe; 尚志渡辺
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-07-01
Filing date: 1992-07-01
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】【目的】ホトマスク上の透明欠陥に対する検出感度を
高める。【構成】チップ比較型ホトマスク欠陥検査装置は、ホ
トマスク５上の同一のパターンを持つ２つのチップ間の
パターンの違いを比較し、もし両者でパターンが異なっ
ていればその部分を欠陥として認識する。水銀ランプと
波長選択フィルタ２と集光レンズ３により構成される光
源ユニット１からの部分コヒーレントな２本の光を、試
料台６上のホトマスク５の所定の位置に照射する。試料
台６はレーザー干渉計により位置決めされており、高精
度な移動ができる。ホトマスク５を透過した光は対物レ
ンズ７を通して集光され固体撮像素子（ＣＣＤ）９上に
ホトマスクパターンの像を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はホトリソグラフィで使用
するためのホトマスクの検査方法および検査装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体技術の発展が目ざましく、
半導体装置を構成する回路のパターンの寸法が０.５μ
ｍ程度のものが形成されるようになってきている。この
ような寸法の微細化はリソグラフィ技術と呼ばれる要素
技術の飛躍的な進歩に根ざしている。リソグラフィ技術
は、大きく分けてレジスト塗布、露光と現像の工程から
成っている。パターンの微細化は、レジストの材料、露
光装置および露光方法、現像方法等の改良によって達成
されている。特に、露光装置および露光方法の改良によ
って顕著にパターンの微細化が進められてきた。

【０００３】パターンの微細化を図る方法として、露光
時に用いられるホトマスクを改良し、従来の投影露光装
置の光学系を通って照射される光に位相差を与え、より
微細なレジストパターンを形成する方法が提案されてい
る。

【０００４】具体的には、このようなホトマスク（以
下、位相シフトマスクと呼ぶ）を用いる方法として、た
とえば特開昭６２−５０８１１号公報や特開昭６２−５
９２９６号公報等がある。

【０００５】ここで提案されている方法ではホトマスク
上に透明膜パターンを形成することにより露光光に位相
差を与えている。このような構造の位相シフトマスクを
検査する場合、従来のホトマスクを検査するのと同様
に、マスクからの透過光を用いて検査を行なっている。
検査すべきホトマスク中のパターンからの透過光の像
を、ホトマスク上の隣合うチップの像と比較する方法
（一般にチップ（ダイ）比較方式と呼ばれている）とマ
スクを作成するためのデザインデータと比較する方法
（一般にデータ比較方式と呼ばれている）がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のマスク
検査方法および検査装置では、ホトマスクに存在する欠
陥は、不透明であることが前提となっている。通常のホ
トマスクは光を遮光するクロム膜を用いている。このた
め透明または半透明な膜に存在する欠陥を検出する能力
は極端に低い。位相シフトマスクを検査する場合にはこ
のような透明欠陥を検査すること方法やその装置が特に
重要である。従来のマスク検査装置ではその要求を満た
すことができないという問題があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のマスク検査方法は、マスク検査装置の光学
系において、マスクからの直接光を遮断し、回折光のみ
の情報を用いてマスク欠陥の検出を行う。

【０００８】また、マスク検査装置の光学系において、
マスクからの直接光の位相を制御することにより、回折
光の位相情報を強度情報に変換してマスク欠陥の検出を
行う。

【０００９】また、検査光の位相を周囲に比べてＤだけ
変化させるような透明欠陥を検出するために、マスクか
らの直接光の位相を（π−Ｄ）／２だけ進ませた検査
と、（π−Ｄ）／２だけ遅らせた検査の少なくとも２回
の検査を行う。

【００１０】また、マスク検査の際に検査光の焦点面を
基板表面からずらして検査する。また、マスク検査の際
に検査光の焦点面を基板表面から上と下にずらして２回
検査する。

【００１１】また、検査を必要とするマスク上の欠陥に
より検査に用いるマスクからの透過光の位相が周囲に比
べてＤだけ進む（あるいは遅れる）ような透明欠陥を検
査するために、マスク検査のための透過光の光学系の焦
点面をマスク表面（マスク上の遮光膜パターン面）から
高さｈｈ＝（π−Ｄ）λ_d／４π（１−ｃｏｓθ’）だけずらして検査する（ただし、λ_dは検査光の波長、
θ’は検査装置の対物レンズの開口数をＮＡとしたとき
ｓｉｎθ’＝ＮＡ／２^1/2の関係をみたす角度）。

【００１２】上記課題を解決するために、本発明のマス
ク検査装置は、マスク検査のための検査光の焦点ずれ量
ｈを５λ_d／２４（１−ｃｏｓθ’）＜ｈ＜５λ_d／２４（１
−ｃｏｓθ’）の範囲になるようにして検査する（ただし、λ_dは検査
光の波長、θ’は検査装置の対物レンズの開口数をＮＡ
としたときｓｉｎθ’＝ＮＡ／２^1/2の関係をみたす角
度）。

【００１３】また、光学系の対物レンズの後側焦点位置
に遮光板を配置することによりマスクからの直接光を遮
光する。

【００１４】また、光学系の対物レンズの開口数よりも
大きな開口数の集光レンズを用い、集光レンズの前にリ
ング状スリットを配置することによりマスクからの直接
光を遮光する。

【００１５】また、光学系の対物レンズの後側焦点位置
に位相板を配置することによりマスクからの直接光の位
相を制御する。

【００１６】また、光学系の対物レンズの後側焦点位置
に吸収を有する位相板を配置することによりマスクから
の直接光の位相と振幅を制御する。

【００１７】また、検査光の位相を周囲に比べてＤだけ
変化させるような透明欠陥を検出するために、マスクか
らの直接光の位相を（π−Ｄ）／２だけ変化させる位相
物体を検査光学系の対物レンズの後側焦点位置に配置す
る。

【００１８】また、検査光の位相を周囲に比べてＤだけ
変化させるような透明欠陥を検出するために、マスクか
らの直接光の位相を（π−Ｄ）／２だけ進ませる位相板
と遅らせる位相板を有し、かつその位相板を容易に交換
できる。

【００１９】また、検査装置の対物レンズの後側焦点面
に直接光の位相を４５度から７５度の範囲で進ませる位
相板と、４５度から７５度の範囲で遅らせる位相板を有
する。

【００２０】また、マスク検査の際に検査光の焦点面を
基板表面から一定量ずらす機能を有する。

【００２１】また、検査を必要とするマスク上の欠陥に
より検査に用いるマスクからの透過光の位相が周囲に比
べてＤだけ進む（あるいは遅れる）ような透明欠陥を検
査するために、マスク検査のための透過光の光学系の焦
点面をマスク表面（マスク上の遮光膜パターン面）から
高さｈｈ＝（π−Ｄ）λ_d／４π（１−ｃｏｓθ’）だけずれた位置に設定することのできる機能を有する
（ただし、λ_dは検査光の波長、θ’は検査装置の対物
レンズの開口数をＮＡとしたときｓｉｎθ’＝ＮＡ／２
^1/2の関係をみたす角度）。

【００２２】また、マスク検査のための検査光の焦点ず
れ量ｈを５λ_d／２４（１−ｃｏｓθ’）＜ｈ＜５λ_d／２４（１
−ｃｏｓθ’）だけ上下にずれた位置に設定することのできる機能を有
する（ただし、λ_dは検査光の波長、θ’は検査装置の
対物レンズの開口数をＮＡとしたときｓｉｎθ’＝ＮＡ
／２^1/2の関係をみたす角度）。

【００２３】

【作用】本発明の位相シフトマスク検査方法および検査
装置では、透明欠陥の持つ位相情報を光の干渉を利用し
て明暗の差（光の強度情報）に変換することにより欠陥
検出を可能とした。

【００２４】また、光の位相情報を強度情報に変換する
方法として、対物レンズの後側焦点面に透明な位相物体
をあるいは不透明な物体を配置し回折光の位相を変化さ
せる方法と、検査光の焦点位置をマスク表面からずらし
て検査を行なう方法とによって、これまで検査の困難で
あったホトマスク上の透明欠陥の検査が可能となる。

【００２５】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１により説明す
る。図１はチップ比較型ホトマスク欠陥検査装置を示し
ている。チップ比較型ホトマスク欠陥検査装置は、ホト
マスク５上の同一のパターンを持つ２つのチップ間のパ
ターンの違いを比較し、もし両者でパターンが異なって
おればその部分を欠陥として認識する。水銀ランプと波
長選択フィルタ２と集光レンズ４により構成される光源
ユニット１からの部分コヒーレントな２本の光を、試料
台６上のホトマスク５の所定の位置に照射する。試料台
６はレーザー干渉計により位置決めされており、高精度
な移動ができる。ホトマスク５を透過した光は対物レン
ズ７を通して集光され固体撮像素子（ＣＣＤ）９上にホ
トマスクパターンの像を形成する。得られた２つの像を
画像メモリ１０に取り込む。画像メモリ１０に取り込ま
れた両者の像を比較器１１で比較する。この過程で、欠
陥判定回路１２により一定の欠陥判定基準を設け、両者
の像の違いを欠陥として認識する。その位置情報をメモ
リ１３に格納する。図１に示した欠陥検査装置は対物レ
ンズ７の後側で、焦点位置に置かれた小さな遮光板８を
除けば、従来マスク検査に用いられてきたチップ比較方
式の検査装置と同じである。この従来型のマスク検査装
置に遮光板８を付け加えると、欠陥に対する感度を高め
ることができる。

【００２６】このホトマスク上の欠陥の転写性について
以下に簡単に説明し、本発明の欠陥検出方法の原理につ
いて詳細に説明する。まず最初に、検出すべき欠陥につ
いて述べる。以下の欠陥転写性の考察に用いた結果は特
に言及のない場合、５：１縮小投影型パターン転写装置
（ステッパ、露光波長３６５ｎｍ、投影レンズの開口数
０.５、照明光のコヒーレンス度は０.６）を用いてポジ
型ホトレジストに転写した場合の結果である。異なる露
光装置を用いる場合、サイズは波長／開口数で規格化す
る必要がある。また、ホトマスクは５倍レチクルを用い
ているので、マスク上のパターンおよび欠陥の寸法はウ
ェハー上では１／５となる。

【００２７】図２は０.３μｍのラインアンドスペース
をウェハ上に形成するための位相シフトマスク上の透明
欠陥と不透明欠陥の転写性を示している。ここでは透明
欠陥は露光光にπ（１８０度）の位相差を与えるような
ホトマスク上の透明物体である。ここでは、ウエハ上に
形成されるパターンの線幅を１０％以上変化させるよう
な異物を検出すべき欠陥と定義する。この定義によれば
不透明異物では５倍レチクル上で０.６μｍ以上、透明
異物は０.４μｍ以上の異物を欠陥として検出しなけれ
ばならない。すなわち、透明欠陥の方が転写性が高く、
より微細な欠陥まで検出する必要があることになる。図
２はπの位相差を露光光に与えるような透明欠陥につい
て示したが、透明欠陥の場合、露光光に与える位相差
（透明欠陥の膜厚に相当）によって転写性が異なる。透
明欠陥により露光光に与えられる位相差Ｄ_exは、透明欠
陥の膜厚ｔ、屈折率ｎとして、Ｄ_ex＝２π（ｎ−１）・ｔ／λ と表わされる。

【００２８】ここで、透明欠陥の位相差Ｄ_exと転写性の
関係を図３に示した。縮小投影型露光装置により、５倍
レチクル上の２μｍ角の大きさの透明欠陥がウェハ上に
転写されたサイズを示す。図より明らかなように位相差
が１００度以下の孤立透明欠陥はウェハ上に転写されな
い。この結果からだと、９０度以下の位相差を与える欠
陥は検出する必要がないかのようにみえる。しかし、透
明欠陥は位相を変化させる物体であので、透明欠陥の転
写性は露光時の焦点位置が変化することによって複雑な
特性を持つ。

【００２９】図４は、透明欠陥（５倍レチクル上のサイ
ズ、１.５μｍ角）による光強度の減少量を焦点ずれ量
に対してプロットしたものである。透明欠陥による光強
度はデフォーカス時に最小値をとることが分かる。露光
現像条件によっても変化するが、標準的な条件では最小
光強度が０.３以下である欠陥は転写されることが実験
で確かめられた。図から明らかなように、１８０度の位
相差を与えるような欠陥は幾何学的な焦点面上で光強度
が最小となる。しかし、１８０度以外の位相差を透過光
に与えるような透明欠陥の光強度の最小値は焦点ずれし
た所にある。９０度の位相差を与えるような欠陥は焦点
面では転写されない（光強度が０.３よりも大きい場合
は転写されない。）が、０.７５μｍデフォーカスした
場合には転写される。したがって透明欠陥の転写性を考
える場合、焦点面だけでなく焦点ずれを起こした場合
の、転写性も考慮に入れる必要がある。

【００３０】図５はウェハ上に０.３μｍルールの配線
パターンを形成する際に、透明欠陥がパターン形成に及
ぼす影響をまとめたものである。焦点面上では、６０度
以下の位相差を与えるような透明欠陥は転写パターンに
影響を与えない。しかし、１μｍデフォーカス時には４
５度の透明欠陥も配線を切断するほどの影響を持つ。し
たがって、透過光に４５度以上の位相差を与えるような
透明異物はすべて欠陥として検出されなければならな
い。このような低位相差しか与えない透明欠陥を現行の
ホトマスク検査装置を用いて検出することは以下に述べ
るように非常に困難である。

【００３１】図６に示すようにホトマスク上に透明欠陥
がある場合、欠陥周囲を通過する光（これを直接波また
はＳ波と呼ぶ）の位相に比べて欠陥部分を通過する光
（これを像またはＰ波と呼ぶ）の位相がＤだけ遅れた場
合について説明する。この説明の状態は、ホトマスク上
に余分な透明物体が乗っている場合、すなわちホトマス
ク上に凸欠陥が存在する場合に相当している。Ｓ波、Ｐ
波はそれぞれＳ＝ｓｉｎωｔＰ＝ｓｉｎ（ωｔ＋Ｄ）＝ｓｉｎωｔ＋２ｓｉｎ（Ｄ／２）ｓｉｎ（ωｔ＋π／２＋Ｄ／２）と表わされる。

【００３２】このとき透明物体の境界部でのＳ波とＰ波
の合成波をＧ波とすると、Ｇ＝（Ｓ＋Ｐ）／２となる。Ｇ波の光強度Ｉｇは、Ｓ波の光強度Ｉｓ、Ｐ波
の光強度Ｉｐとして次のように示される。

【００３３】Ｉｇ＝｛Ｉｓ＋Ｉｐ＋２（Ｉｓ・Ｉｐ）
^1/2・ｃｏｓ（Ｄ）｝／４ただし、ここでは、Ｉｓ＝Ｉｐ＝１であるからＩｇ＝｛１＋ｃｏｓ（Ｄ）｝／２＝ｃｏｓ²（Ｄ／２）となる。

【００３４】透明物体である欠陥の周辺部に生じる光強
度の低下がもっとも大きくなるのは、Ｄ＝±πのときで
ある。位相シフトマスクでは露光光に対してＤ＝πの位
相差を与えるように位相シフタをマスク上に形成する。

【００３５】現在、半導体装置の製造に用いられている
露光光源の波長λ_exは水銀ランプのｇ線（波長４３６ｎ
ｍ），ｉ線（３６５ｎｍ）あるいはＫｒＦエキシマレー
ザー（２４８ｎｍ）である。

【００３６】膜厚ｔ、屈折率ｎの透明物体を通った露光
光（波長λ_ex）は周囲に比べてＤ_exだけ位相が変化す
る。

【００３７】Ｄ_ex＝２π（ｎ−１）・ｔ／λ_ex 位相シフトマスクでは透過光にπの位相差を与えるため
に位相シフタの膜厚ｔを次のように設定する。

【００３８】ｔ＝λ_ex／２・（ｎ−１）これに対して現在の検査装置の検査光は水銀ランプの主
として５００〜６００ｎｍの波長（中心波長５４６ｎ
ｍ；λ_d）を用いている。一方、位相シフタは露光波長
に対して最大のコントラストを生じるよう設計されてい
る。すなわち、Ｄ_ex＝２π（ｎ−１）・ｔ／λ_ex＝π である。このため、波長の長い検査光λ_dに対する位相
の変化量ＤはＤ＝２π（ｎ−１）・ｔ／λ_d＜π となる。

【００３９】このことが、従来型の検査装置を用いた場
合、位相シフタ欠陥（透明欠陥）に対して、十分な感度
が得られない原因である。透明欠陥の膜厚（高さ）が小
さくなると、長波長の検査光を用いた透明欠陥の検出は
特に困難となる。

【００４０】このような低位相角の変化しか与えない透
明欠陥による光強度信号のコントラストを増大して検出
感度を高める本実施例の方法の原理について詳細に説明
する。

【００４１】まず最初に遮光物体を対物レンズ（投影レ
ンズ）の後側焦点面に配置されている方法について述べ
る。

【００４２】図７は微細なパターンを観察（検査）する
ための顕微光学系の模式図である。図に示すように、マ
スク面上の透明欠陥により回折された光（Ｋ波）と欠陥
の周囲を通過した光（Ｓ波）とが結像面で合成されて像
を形成する。したがって、回折波は像（Ｐ波）から直接
波（Ｓ波）を引いたもので、Ｋ＝Ｐ−Ｓ＝２ｓｉｎ（Ｄ／２）ｓｉｎ（ωｔ＋π／２＋Ｄ／２）である。ここで、直接光の焦点（すなわち対物レンズの
後側焦点位置）に小さな遮光板を置き直接波を遮光し、
回折波のみを通過させると、透明欠陥の周辺部のみが暗
い背景の中に輝いてみえる。このように見えるのは、直
接光は像の形成には寄与せず背景の明るさのみに影響し
ているためである。この直接光をカットすることにより
検出すべき透明欠陥で回折された光の情報のみが結像面
に得られる。この方法を用いることによりマスク面上の
光透過部の中にある欠陥のみの情報を得ることができ、
背景の光の影響を除外できるため高い検出感度を得るこ
とができる。

【００４３】図８は通常法により得られた光強度信号
と、本実施例による方法を用いて得られた光強度信号を
示す。これより、直接光を除去することにより欠陥に関
する情報のみを抽出することができることを示してい
る。

【００４４】また、図１に示した検査装置は直接光を対
物レンズの後ろ側でカットしたが、照明系の変更により
直接光をカットすることも可能である。対物レンズの開
口数よりも大きな開口数の集光レンズを照明系に用いる
ことにより、直接光を対物レンズに入射させないという
方法である。

【００４５】図９に透過光を用いて検査する場合と、反
射光を用いて検査する場合の光学系の構成を示す。いず
れの場合にも直接光は対物レンズ２０の外側を通り、対
物レンズ２０を通って結像面に形成されるのは回折光の
みとなる。図１に示した検査装置は透過光を用いる検査
装置であるので、図９（ａ）に示した透過光型の集光レ
ンズ２１とリング状スリット２２をそれぞれの照明系に
加えることにより、遮光板を用いるのと等価な効果を得
る。また、反射光を用いて検査する場合には、図９
（ｂ）に示した照明系を用いればよい。

【００４６】次に、本発明の第二の実施例を図１０によ
り説明する。図１０は第一の実施例で詳しく説明したチ
ップ比較型ホトマスク欠陥検査装置の対物レンズ７の後
側焦点位置に遮光板の代わりに位相板１４を配置してい
る。この位相板１４は回折波の位相を（π−Ｄ）／２だ
け遅らせるようにしてある。これは、対物レンズの後側
焦点位置に位相板を配置して直接波の位相を（π−Ｄ）
／２だけ進ませることと等価である。

【００４７】図１１に位相板１４の種類によって透過光
の振幅と透過光の位相がどのように変化するかを説明す
る。

【００４８】図１１（ａ）は、直接光の位相を進ませる
位相板（位相フィルター）である。位相板は中央部に段
差ｔの凹部をもつ透明物体である。ただし、ここでｔ_p
はｔ_p＝Ｄ’・λ_d／２π・（ｎ−１）＝（π−Ｄ）・λ_d／４π・（ｎ−１）で与えられる。

【００４９】また、図１１（ｂ）に示すように、位相板
中央部に光吸収を持たせることにより、直接光の割合を
下げて回折光に含まれる欠陥に関する情報を強調して検
出することができる。これは第１の実施例の直接光カッ
トと本法の回折光の位相コントロールを組み合わせた方
法に相当すると考えることができる。透過光に生じる位
相差Ｄが小さい場合、回折光の強度は直接光に比べて極
端に低くなる。このような場合、位相板に吸収をもたせ
て直接光の強度を下げて、回折光の強度に近づけること
により高いコントラストを得ることができる。

【００５０】さらに、図１１（ｃ）に示すような直接光
の位相を遅らせるフィルターを用いることにより透明物
体の周辺部に周囲よりも明るいコントラスト（ブライト
コントラスト）を得ることができる。このとき直接光を
（π＋Ｄ）／２だけ遅らせたとき最大のコントラストが
得られる。この時の位相板の段差ｔ_pはｔ_p＝（π＋Ｄ）・λ_d／４π・（ｎ−１）で与えられる。

【００５１】この場合にも位相板の中心に光吸収を与え
て直接光の割合を下げることにより、より高いコントラ
ストを得ることができる。

【００５２】図１１に示した位相板では、透過光に位相
差を与えるために位相板に段差を与えている。位相板に
段差でなく屈折率の変化を与えても全く同様に透過光に
位相差を与えることができる。

【００５３】本実施例では、図１１にしめすような簡単
な位相板を、図１０に示す対物レンズの後側焦点面に配
置する。このように構成が単純であり、容易に位相板の
取り替えおよび取り外しができる構造をしている。この
ため、位相板を外せば従来型のマスク検査装置として利
用でき、特に透明欠陥の検出が必要な場合のみに、必要
に応じて最適の位相板を用いてマスク検査を行なうこと
ができる。このため、本発明のマスク検査装置は従来型
のマスク検査装置を兼用することができるという利点が
ある。

【００５４】図１１に示した位相板では直接光の位相を
制御するために後側焦点面の中央部で位相を変化させて
いる。したがって、結像系の中心に位相の変化する部分
が存在している。これに対し、直接光の位相のみを結像
系の周辺部で制御することも可能である。図１２に示す
ようにリング（環）状スリット２２を用いて照明し、リ
ング状スリット２２と共役な位置に環状位相板１４を取
り付けることにより、位相板を結像系の中心からずらす
ことができる。

【００５５】続いて、透明な位相板（透過光の位相を変
化させる物体）を対物レンズ（投影レンズ）の後側焦点
面に配置する方法についてさらに詳細に述べる。ホトマ
スク面上の透明欠陥による回折光（Ｐ波）と直接波（Ｓ
波）との合成で結像面に像ができる。直接光の結像点
（後測焦点面）に今度は遮光物体でなく透明な位相物体
を置き回折光（Ｋ波）の位相をＤ’だけ遅らせている。
このとき位相物体を通過後の回折光（Ｋ’波）はＫ’＝２ｓｉｎ（Ｄ／２）ｓｉｎ（ωｔ＋π／２＋Ｄ／
２＋Ｄ’）と表わせる。

【００５６】Ｄ’＝（π−Ｄ）／２とするとＫ’＝２ｓｉｎ（Ｄ／２）ｓｉｎ（ωｔ＋π）＝−２ｓｉｎ（Ｄ／２）ｓｉｎωｔとなる。

【００５７】この時、結像面にできる像（Ｐ’波）は回
折波（Ｋ’波）と直接波（Ｓ波）の合成（Ｐ’＝Ｋ’＋
Ｓ）であるから、Ｐ’＝｛１−２ｓｉｎ（Ｄ／２）｝ｓｉｎωｔとなる。

【００５８】このとき透明物体の境界部でのＳ波とＰ’
波の合成波をＧ’波とすると、Ｇ’＝（Ｓ＋Ｐ’）／２＝｛１−ｓｉｎ（Ｄ／２）｝ｓｉｎωｔである。

【００５９】Ｇ’波の光強度Ｉｇ’は、Ｉｇ’＝｛１−ｓｉｎ（Ｄ／２）｝² となる。

【００６０】すでに述べたように対物レンズの後側焦点
面に位相物体がない場合の、Ｓ波とＰ波の合成波の光強
度Ｉｇは、Ｉｇ＝ｃｏｓ²（Ｄ／２）である。

【００６１】図１３に位相板のある場合とない場合に透
明欠陥の周囲に生じる光強度信号Ｉｇ，Ｉｇ’と、位相
板のある場合の欠陥により生じる光強度信号（Ｐ’波の
光強度）Ｉｐ’の計算値を示した。検査装置では欠陥に
よる光強度の変化が一定量以上になった場合だけ欠陥と
して認識する。小さな光強度の変化を検出するように設
定するほど、欠陥検出感度は向上する。しかし、小さな
光強度変化を検出するように設定するほど、検査時の外
乱（ノイズ等）の影響を受けやすくなり、欠陥のない部
分を欠陥として検出してしまう（疑似欠陥）可能性が高
くなる。このため、通常を光強度の低下が３０〜５０％
程度以上ある場合に欠陥として認識するような欠陥判定
回路を用いる。

【００６２】図１３には光強度の低下が４０％以上であ
る場合を欠陥判定基準とした場合の検出可能領域を示し
た。通常法では８０度以下の位相差を与える透明欠陥は
検出できない。一方、適切な位相板を用いることによ
り、検出可能域が広げることができる。位相角が小さな
部分では欠陥によって生じる光強度Ｉｐ’が小さく、中
程度の位相差では欠陥周辺部に生じる光強度Ｉｇ’が小
さい。適切な位相板を用いることにより、この欠陥自体
と欠陥周囲に生じる両方の位相差コントラストを有効に
欠陥検出に利用できる。このため、図１３に示すよう
に、１５度以上の位相差を与える欠陥はすべて検出でき
る。

【００６３】ここまでは、マスク上の透明欠陥が透過光
の位相を遅らせるような欠陥について述べた。実際には
マスク上の透明欠陥は透過光の位相を進める欠陥である
凹欠陥と、透過光の位相を遅らせる欠陥である凸欠陥が
存在する。位相を進めるような欠陥に関しては、数式上
はＤに負の値を代入すればよい。実際上は、直接波の位
相を（π−Ｄ）／２だ遅らせればよい。つまり、図１１
および図１２に示した位相板の凹凸を反転させることに
より透過光の位相変化を反転させればよい。ホトマスク
上には、一般に位相を進めるような欠陥と遅らせるよう
な欠陥が同時に存在している。また、通常のマスク検査
装置では欠陥により光強度が低下するような信号（一般
にダークコントラストと呼ばれる）を用いて検出するの
が普通である。このため、検査光の位相をＤだけ進める
欠陥と遅らせる欠陥をダークコントラストで検出するた
めに、位相を（π−Ｄ）／２だけ進ませる位相板と遅ら
せる位相板を用いて２度の検査を行う必要がある。

【００６４】ここで後側焦点面に配置する位相板につい
て、さらに詳細に説明する。検査すべきホトマスク上の
透明欠陥による位相変化Ｄに応じて最適な位相板の与え
るべき位相差Ｄ’が存在する。すでに示したように、Ｄ’＝（π−Ｄ）／２である。ただし、Ｄ＝２π（ｎ−１）・ｔ_d／λ_d となるように設定する必要がある。

【００６５】しかし、ホトマスク上の欠陥の高さは一定
でなく種々の透明欠陥が含まれると考えられる。このよ
うな場合、位相板の段差を連続的に変化させて欠陥検査
を行うことが、検出感度の点からはもっとも望ましい。
しかし、そのような検査は非常に長時間を要し現実的で
はない。したがって、検査にもっとも適した位相板を選
定する必要がある。

【００６６】図５に示したように、露光光に４５度以上
の位相差を与えるような欠陥を検出する必要がある。す
なわち、Ｄ_ex＝Ｄ・λ_d／λ_ex＞π／４したがって、Ｄ＞π・λ_ex／４λ_d の欠陥を検出する必要がある。

【００６７】図１４に検査装置の検査光の中心波長λ_d
を５５０ｎｍ、露光波長λ_exを３６５ｎｍ（ｉ線）と、
２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザー）とした場合の検
出必要領域と検出可能領域を示す。実験の結果、位相板
を用いない場合（Ｄ’＝０）でもＤ＞８０度の欠陥は検
出できる。実験に用いた検査装置は高圧水銀ランプの波
長４００〜６００ｎｍの光を検査光としてもちいてい
る。検査装置の対物レンズの開口数は０.５５である。
検出必要領域を全てカバーするためにはＤ’＝６０度の
位相板を用いて検査し、さらに位相板を用いず検査を行
うことにより、検査を必要とする領域全ての透明欠陥の
検査ができる。

【００６８】また、全ての透明欠陥をダークコントラス
トで検出するためには、透過光の位相を進める位相板と
遅らせる位相板を用いる場合と位相板を用いない場合の
合計３回の検査を行う必要がある。厳密には検査装置の
検査光の波長、光学系、検出アルゴリズム、露光光の波
長によって最適の位相板の位相差は変化するが、図より
位相板の与える位相差Ｄ’が４５゜＜Ｄ’＜７５゜の範囲、特に望ましくは５５゜＜Ｄ’＜６５゜の範囲の位相板を用いることが望ましい。

【００６９】ここまで、マスクを透過する光を用いて検
査する装置について述べてきたが、この方法はホトマス
クからの反射光を用いて検査する装置に対しても応用で
きる。図１５に反射光を用いてホトマスク５を検査する
装置を示した。光源ユニット１の光源からの光は集光レ
ンズ４により集光され、半透鏡１５で反射して、対物レ
ンズ７を通ってホトマスク５に照射される。ホトマスク
５からの反射光は再び対物レンズ７により集光され位相
板１４を通って、信号検出系に入る。この方法でも原理
的には透過光を用いた場合とほぼ同様である。ただし、
反射光は透明物体（欠陥）を往復するので透明物体によ
る検査光の位相変化Ｄは透過光を用いた場合の位相変化
の２倍となる。すなわち、透明物体の高さをｔ_dとする
と、Ｄ＝４π（ｎ−１）・ｔ_d／λ_d となる。

【００７０】このため、反射光を用いて検査すると、透
明欠陥は透過光を用いた場合の２倍の位相差を持つこと
になり透明欠陥の検査は容易となる。ただし、マスクか
らの反射光の信号は、透過光信号に比べてコントラスト
が低く（ＳＮ比が低い）、このため検査精度は透過光を
用いた方が高くなる。

【００７１】さらに、マスク検査はホトマスク上の同一
パターンを持つ２つのチップの間の比較だけでなく設計
データと実際のパターンの比較を行うこともできる。

【００７２】図１６にデータ比較方式のマスク検査装置
のシステム図を示した。ホトマスク５上のパターンの比
較対象はマスター・テープに格納されたマスク設計デー
タ１６である。この場合もチップ比較方式の検査装置で
述べたのと全く同様に位相板１４を用いることにより透
明欠陥に対する検出感度を高めることができる。

【００７３】以上述べてきたように、検査装置の対物レ
ンズ後側焦点位置に位相板を配置する方法は従来から用
いられているマスク検査装置に位相板を加えるだけで実
現できるため、非常に簡便に実現でき、従来装置の能力
を損なうことなく透明欠陥に対する感度を高めることが
できる。本実施例の方法によれば、試料からの透過光
（あるいは反射光）の位相を制御することにより透明物
体の情報を強調して精度よく検出できる。

【００７４】この方法は、透明物体の位相情報を光強度
情報に変換して試料の微小段差を検出する位相差顕微鏡
と似た原理を応用している。位相差顕微鏡も、後側焦点
に位相板を配置して直接光の位相を制御することによ
り、透明物体の像を得ている。しかし、位相差顕微鏡で
は非常に小さな位相変化を検出することを目的としてい
るため、位相板の与える位相差は９０度に固定されてい
る。これに対し本実施例の方法では、検出すべき透明欠
陥の位相差に応じた最適の位相板を選択している。ま
た、位相差顕微鏡では位相差自体を強度情報に変換し
て、透明物体により生ずる位相差を直接観察することを
目的としている。これに対し本実施例の方法では、位相
物体の周辺部に生じる光強度の変化を最大にして検出し
ている。この位相物体の境界に現れるコントラストは、
位相差顕微鏡ではハローとよばれ位相物体の境界部の位
相情報を覆い隠すノイズと考えられる。これに対し本実
施例の方法ではこの透明物体の境界に生じるコントラス
トを積極的に活用して高感度な欠陥検査を可能としてい
る。

【００７５】続いて、微少な位相物体を検出するため
に、検査光の焦点面をマスク表面からずらして検査する
方法について詳細に説明する。結像面で得られる位相物
体の像は、回折光（Ｐ波）と直接波（Ｓ波）が合成され
たものである。最大のコントラストの像が得られるのは
直接光と回折光の位相が反転している場合（位相差π）
である。直接光と回折光の合成時の位相差をπとするた
めに、上述の実施例では直接光の位相を位相板により変
化させた。直接光と回折光の位相の関係は光軸上の位置
によっても変化する。図１７に示すように、焦点面の光
軸上の点Ａからｈだけ離れたＡ’での光軸上を通る光と
レンズ周縁からの光の行路差ｄは、ｄ＝ｈ（１−ｃｏｓθ）と表わせる。ここでθは対物レンズの収束角の１／２で
ある。このとき対物レンズの開口数ＮＡはＮＡ＝ｓｉｎ
θである。この行路差ｄで回折光の位相を直接光に対し
て所定量だけずらすようにする。透過光の位相をＤだけ
遅らせる位相物体による回折光（Ｋ波）の位相は、直接
光に対し（π＋Ｄ）／２だけ遅れている。このとき直接
光と回折光の行路差により回折光の位相を（π−Ｄ）／
２だけさらに遅らせれば、位相物体によるコントラスト
を最大にすることができる。

【００７６】ここでマスク面の回折光の入射瞳面での分
布は、透明欠陥（透明位相物体）の寸法が十分に小さい
とすると、入射瞳はこの透明欠陥による回折光により均
一に照明されると近似する。このような場合、計算を簡
単にするために回折光の行路を平均的な１本の行路で代
表させて考える。平均行路は図１７中の光軸との角θ’
とする。θ’はこれ以上の角度を占める射出瞳面上の面
積と、これ以下の角度を占める射出瞳面上の面積が等し
くなるように選ぶ。このとき、検査装置の対物レンズの
開口数ＮＡとθ’の間には２^1/2・ｓｉｎθ’＝ｓｉｎθ＝ＮＡの関係がある。

【００７７】焦点ずれを起こしたときの光軸光線（直接
光）と、この回折光の平均行路との行路差ｄ’はｄ’＝ｈ（１−ｃｏｓθ’）である。

【００７８】この行路差により回折光の位相を（π−
Ｄ）／２だけ遅らせるためには行路差ｄ’はｄ’＝（π−Ｄ）・λ_d／４π である必要がある。

【００７９】したがって、上２式より焦点ずれ量ｈは、ｈ＝（π−Ｄ）・λ_d／４π（１−ｃｏｓθ’）となる。

【００８０】この場合、回折光の位相を遅らせるのであ
るから、実際には試料をレンズに近づく方向に移動させ
る。このとき焦点位置はホトマスクの基板内部に位置す
ることになる。以上述べたように、位相を遅らせるよう
な透明欠陥（凸欠陥）に対しては所定量ｈだけ試料を上
方向に移動することにより光強度信号のコントラストを
増強して欠陥を検出することができる。一方位相を遅ら
せるような透明欠陥（凹欠陥）に対しては所定量ｈだけ
試料を下方向に移動することにより光強度信号のコント
ラストを増強して欠陥を検出することができる。

【００８１】したがって、実際の検査は次の３回の検査
を行う必要がある。第一に、不透明欠陥と大きな位相差
を与える透明欠陥を検出するために、焦点面に試料を装
着して検査を行う。第二に、試料を所定量ｈだけ対物レ
ンズに近づけて低位相差しか与えない凸透明欠陥を検査
する。さらに第三に、試料を所定量ｈだけ対物レンズか
ら遠ざけて低位相差しか与えない凹透明欠陥を検査す
る。

【００８２】ここでも最適の焦点ずれ量は欠陥の与える
位相差Ｄの関数となっており、最適の焦点ずれ量を決定
する必要がある。

【００８３】図１８に検査装置の検査光の中心波長λ_d
が５５０ｎｍ、露光波長λ_exを３６５ｎｍ（ｉ線）と、
２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザー）とした場合の検
出必要領域と検出可能領域を図示した。すでに述べたよ
うに焦点位置に試料（ホトマスク）を置いた場合に場合
（ｈ＝０）でもＤ＞８０度の欠陥は検出可能であった。
検査光の波長λ_ex５５０ｎｍ、検査装置の対物レンズの
開口数は０.５５である。検出必要領域を全てカバーす
るためにはｈ＝１.２μｍの焦点ずれの状態で検査し、
さらに焦点面にマスクを置いて（ｈ＝０）、検査を行う
ことにより、検査を必要とする領域全ての透明欠陥の検
査が可能となる。この場合にも、厳密には検査装置の検
査光の波長、光学系、検出アルゴリズム、露光光の波長
によって最適の焦点ずれ量は変化する。ここに述べた条
件では、図よりあきらかなように、焦点ずれ量ｈが、１.０μｍ＜ｈ＜１.４μｍの範囲、特に望ましくは１.１μｍ＜ｈ＜１.３μｍの範囲である位相板を用いることが望ましい。

【００８４】また、異なる検査条件においてもすでに述
べたような方法で最適の焦点ずれ量を計算することが可
能である。すなわち、 λ_d／８（１−ｃｏｓθ’）＜ｈ＜５λ_d／２４（１−ｃ
ｏｓθ’）の領域に焦点ずれ量を設定すればよい。

【００８５】以上述べたように検査時に意図的に所定量
だけ焦点位置をずらすことにより通常法では検出できな
かった透明欠陥の検出が可能となる。これは、焦点ずれ
が生じている場合には、回折光と直接光との間に行路差
による位相変化が生じることを利用している。図４に示
した、透明欠陥の焦点位置に対する非対称な転写特性も
上述の回折光の行路差による位相変化によるコントラス
トの増強により説明することができる。

【００８６】上記の焦点位置を試料表面からずらすこと
によりコントラストを増強するという原理を利用した、
マスク検査装置のシステム図を図１９に示した。図１９
は第一の実施例で詳しく説明した従来形のチップ比較型
ホトマスク欠陥検査装置と基本的には同じである。この
システムでは、ホトマスク表面の高さ検知回路１８とこ
の高さ検知回路１８からの高さ情報により高さを補正す
る機能を有する試料台１９を装備している。試料の高さ
検出は試料の高さを変化させながら、マスク表面のクロ
ムパターンからの透過または反射光信号を検出し、この
信号のコントラストが最大になる高さを焦点位置として
認識することにより行っている。このような試料の高さ
測定機能と、この情報を利用した、高さ方向の試料台１
９の位置設定機能は従来のマスク検査装置にも装備され
ている。

【００８７】ただし、従来型のマスク検査装置はこの機
能を用いて試料を検査光の焦点面に位置するよう配置す
るようにしていた。本実施例の検査装置は、焦点位置か
ら正確に所定量ｈだけ離れた位置に試料を配置する機能
を有している。この機能は従来型の装置のステージ制御
回路に簡単なアルゴリズムを加えるだけで実現できる。

【００８８】本実施例のマスク検査装置を用いてマスク
検査を行なう際、マスク基板５を焦点位置に設定すれば
通常のマスク検査装置と全く同等の結果が得られる。こ
のため、本発明のマスク検査装置は従来型のマスク検査
装置を兼用することができるという利点がある。さら
に、この焦点位置を試料表面からずらす方法は、ホトマ
スクからの反射光を用いて検査する検査装置にも応用で
きる。

【００８９】図２０に反射光を用いてホトマスクを検査
する装置を示す。この方法でも原理的には透過光を用い
た場合と同じである。ただし、反射光は透明物体（欠
陥）を往復するので透明物体による検査光の位相変化Ｄ
は透過光を用いた場合の位相変化の２倍となる。

【００９０】従来から焦点位置をずらして試料の観察を
行うという方法、高さを有する試料を観察するために焦
点位置をずらして観察を行うという方法は広く行われて
いる。しかし、これまでの方法では試料の立体構造の各
々の部位に焦点を合わせてその位置の情報を得ることを
目的としている。たとえば、本発明の目的のひとつであ
る位相シフトマスクの検査（観察）に用いる場合を例に
取ると、０.２〜０.５μｍ程度の膜厚の透明膜を位相シ
フタとして利用している。このような構造の位相シフト
マスクを検査（観察）する場合、焦点位置を基板表面、
通常クロム面から位相シフタの膜厚分（０.２〜０.５μ
ｍ）だけずらせば、シフタ表面の情報を得ることができ
る。したがって従来法では焦点位置を変化させる場合で
も、試料の高さに応じた焦点ずれ量（位相シフトマスク
に対しては０.２〜０.５μｍ）で変化させていた。これ
に対し、本実施例の方法では、試料が透過光に与える位
相差に応じて最適の焦点ずれ量を与える。すでに述べた
ように最適焦点ずれ量は位相シフトマスクに対しては１
μｍ以上の値となる。従来法では高さ方向に異なるふた
つの面の各々の表面情報を得ているのに対し、本発明の
検査（観察）方法は、基板上の透明膜による位相情報を
読みとっている。このため従来法では検出することが困
難であった透明欠陥の検出が可能となった。

【００９１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のマスク検査方法および装置を用いることにより、従来
法では検出することが不可能であったホトマスク上の透
明欠陥に対する感度を高め、転写可能な欠陥を効率的に
検査することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例であるホトマスク検査装置の構
成図

【図２】マスク上の透明欠陥と不透明欠陥の転写性を示
す図

【図３】マスク上の透明欠陥による位相差と転写性の関
係を示す図

【図４】マスク上の透明欠陥の焦点ずれ時の転写性を示
す図

【図５】マスク上のＬＳＩパターン中の透明欠陥の焦点
ずれ時の転写性を示す図

【図６】マスク上の透明物体透過光の光強度分布と位相
分布を示す説明図

【図７】顕微鏡による像形成を説明する図

【図８】透明欠陥からの光強度信号を示す図

【図９】本発明の実施例であるホトマスク検査装置の光
学系の構成図

【図１０】本発明の実施例であるホトマスク検査装置の
構成図

【図１１】位相板の構造と透過光の振幅と位相を示す図

【図１２】本発明の実施例であるホトマスク検査装置の
光学系の構成図

【図１３】透明欠陥からの光強度信号を示す図

【図１４】位相板の位相と欠陥検出可能領域の関係を説
明する図

【図１５】本発明の実施例である反射光を用いたホトマ
スク検査装置の構成図

【図１６】本発明の実施例であるデータ比較方式のホト
マスク検査装置の構成図

【図１７】検査装置の焦点ずれ時の回折光の行路差を示
す図

【図１８】焦点ずれ量と欠陥検出可能領域の関係を説明
する図

【図１９】本発明の実施例であるホトマスク検査装置の
構成図

【図２０】本発明の実施例であるホトマスク検査装置の
構成図

【符号の説明】

１光源ユニット２波長フィルタ３光ファイバー４集光レンズ５ホトマスク６試料台７対物レンズ８遮光板９撮像素子１０画像メモリ１１比較器１２欠陥判定回路１３記憶装置１４位相板１５半透鏡１６マスクデータ１７データ変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク検査装置の光学系において、マスク
からの直接光を遮断し、回折光のみの情報を用いてマス
ク欠陥の検出を行うことを特徴とするマスク検査方法。
【請求項２】マスク検査装置の光学系において、マスク
からの直接光の位相を制御することにより、回折光の位
相情報を強度情報に変換してマスク欠陥の検出を行うこ
とを特徴とするマスク検査方法。
【請求項３】検査光の位相を周囲に比べてＤだけ変化さ
せるような透明欠陥を検出するために、マスクからの直
接光の位相を（π−Ｄ）／２だけ進ませてた検査と、
（π−Ｄ）／２だけ遅らせた検査の少なくとも２回の検
査を行うことを特徴とするマスク検査方法。
【請求項４】マスク検査の際に検査光の焦点面を基板表
面からずらして検査することを特徴とするマスク検査方
法。
【請求項５】マスク検査の際に検査光の焦点面を基板表
面から上と下にずらして２回検査することを特徴とする
マスク検査方法。
【請求項６】検査を必要とするマスク上の欠陥により検
査に用いるマスクからの透過光の位相が周囲に比べてＤ
だけ進む（あるいは遅れる）ような透明欠陥を検査する
ために、マスク検査のための透過光の光学系の焦点面を
マスク表面（マスク上の遮光膜パターン面）から高さｈｈ＝（π−Ｄ）λ_d／４π（１−ｃｏｓθ’）だけずらして検査することを特徴とするマスク検査方法
（ただし、λdは検査光の波長、θ’は検査装置の対物
レンズの開口数をＮＡとしたときｓｉｎθ’＝ＮＡ／２
^1/2の関係をみたす角度）。
【請求項７】マスク検査のための検査光の焦点ずれ量ｈ
を５λ_d／２４（１−ｃｏｓθ’）＜ｈ＜５λ_d／２４（１
−ｃｏｓθ’）の範囲になるようにして検査することを特徴とするマス
ク検査方法（ただし、λ _dは検査光の波長、θ’は検査
装置の対物レンズの開口数をＮＡとしたときｓｉｎθ’
＝ＮＡ／２^1/2の関係をみたす角度）。
【請求項８】光学系の対物レンズの後側焦点位置に遮光
板を配置することによりマスクからの直接光を遮光する
ことを特徴とするマスク検査装置。
【請求項９】光学系の対物レンズの開口数よりも大きな
開口数の集光レンズを用い、集光レンズの前にリング状
スリットを配置することによりマスクからの直接光を遮
光することを特徴とするマスク検査装置。
【請求項１０】光学系の対物レンズの後側焦点位置に位
相板を配置することによりマスクからの直接光の位相を
制御することを特徴とするマスク検査装置。
【請求項１１】光学系の対物レンズの後側焦点位置に吸
収を有する位相板を配置することによりマスクからの直
接光の位相と振幅を制御することを特徴とするマスク検
査装置。
【請求項１２】検査光の位相を周囲に比べてＤだけ変化
させるような透明欠陥を検出するために、マスクからの
直接光の位相を（π−Ｄ）／２だけ変化させる位相物体
を検査光学系の対物レンズの後側焦点位置に配置するこ
とを特徴とするマスク検査装置。
【請求項１３】検査光の位相を周囲に比べてＤだけ変化
させるような透明欠陥を検出するために、マスクからの
直接光の位相を（π−Ｄ）／２だけ進ませる位相板と遅
らせる位相板を有し、かつその位相板を容易に交換でき
ること特徴とするマスク検査装置。
【請求項１４】検査装置の対物レンズの後側焦点面に直
接光の位相を４５度から７５度の範囲で進ませる位相板
と、４５度から７５度の範囲で遅らせる位相板を有する
ことを特徴とするマスク検査装置。
【請求項１５】マスク検査の際に検査光の焦点面を基板
表面から一定量ずらす機能を有することを特徴とするマ
スク検査装置。
【請求項１６】検査を必要とするマスク上の欠陥により
検査に用いるマスクからの透過光の位相が周囲に比べて
Ｄだけ進む（あるいは遅れる）ような透明欠陥を検査す
るために、マスク検査のための透過光の光学系の焦点面
をマスク表面（マスク上の遮光膜パターン面）から高さ
ｈｈ＝（π−Ｄ）λ_d／４π（１−ｃｏｓθ’）だけずれた位置に設定することのできる機能を有するこ
とを特徴とするマスク検査装置（ただし、λ_dは検査光
の波長、θ’は検査装置の対物レンズの開口数をＮＡと
したときｓｉｎθ’＝ＮＡ／２^1/2の関係をみたす角
度）。
【請求項１７】マスク検査のための検査光の焦点ずれ量
ｈを５λ_d／２４（１−ｃｏｓθ’）＜ｈ＜５λ_d／２４（１
−ｃｏｓθ’）だけ上下にずれた位置に設定することのできる機能を有
することを特徴とするマスク検査装置（ただし、λ_dは
検査光の波長、θ’は検査装置の対物レンズの開口数を
ＮＡとしたときｓｉｎθ’＝ＮＡ／２^1/2の関係をみた
す角度）。