KR101547649B1 - 검사 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 뉴플레어 테크놀로지
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Abstract

미세한 패턴을 정밀도 좋게, 또한 스루풋의 저하를 일으키지 않고 검사할 수 있는 검사 장치를 제공한다.
시료(1)에는, 광학 축에 대하여 45 도의 편광면을 가지는 직선 편광이 조사된다. 시료(1)에서 반사한 광은, 2분의 1 파장판(2006)에 의해 편광 방향을 회전시킨 후, 제1 측정용 검광자(2010)를 통하여 제1 측정용 촬상 센서(2011)에 입사 하고, 제2 측정용 검광자(2012)를 통하여 제2 측정용 촬상 센서(2013)에 입사하고, 검사용 검광자(2009)를 통하여 검사용 촬상 센서(2014)에 입사한다. 이들의 검광자의 각 투과 축의 방향은 상이하며, 검사용 검광자(2009)의 투과 축 방향은, 제1 측정용 검광자(2010)의 투과 축 방향과 제2 측정용 검광자(2012)의 투과 축 방향의 사이에 있다.

Description

검사 장치 {INSPECTION APPARATUS}
본 발명은 검사 장치에 관한 것이다.
대규모 집적 회로(Large Scale Integration; LSI)의 고집적화 및 대용량화에 수반하여, 반도체 소자에 요구되는 회로 치수는 협소화의 일로를 걷고 있다. 반도체 소자는, 회로 패턴이 형성된 원화(原畵) 패턴(마스크 또는 레티클을 가리킴. 이하에서는, 마스크라 총칭함)을 이용하여, 이른바 스텝퍼 또는 스캐너라 불리는 축소 투영 노광 장치로 웨이퍼 상에 패턴을 노광 전사하여 회로 형성함으로써 제조된다.
다대한 제조 코스트가 소요되는 LSI의 제조에 있어, 수율의 향상은 빼놓을 수 없다. 여기서, 수율을 저하시키는 큰 요인으로서, 마스크 패턴의 형상 결함을 들 수 있다.
한편, 최근의 대표적인 로직 디바이스에서는, 수십 nm의 선폭의 패턴 형성이 요구되어지고 있다. 이러한 상황에 수반하여, 마스크 패턴의 형상 결함도 미세화되고 있다. 또한, 마스크의 치수 정밀도를 높임으로써, 프로세스의 여러 조건의 변동을 흡수하고자 해 온 것도 있어, 마스크 검사에서는 매우 작은 패턴의 결함을 검출하는 것이 필요해지고 있다. 이 때문에, LSI 제조에 사용되는 전사용 마스크의 패턴을 평가하는 장치에 대하여 높은 정밀도가 요구되고 있다. 일본특허 제4236825호 공보에는, 마스크 상에서의 미세한 결함을 검출할 수 있는 검사 장치가 개시되어 있다.
최근, 미세 패턴을 형성하는 기술로서, 나노임프린트 리소그래피(Nano imprint lithography ; NIL)가 주목받고 있다. 이 기술은, 웨이퍼 상의 레지스트에, 나노 스케일의 미세 구조를 가지는 몰드(형)를 압력 인가함으로써, 레지스트에 미세한 패턴을 형성하는 것이다.
나노임프린트 기술에서는 생산성을 올리기 위하여, 원판이 되는 마스터 템플릿을 이용하여, 복제의 템플릿(레플리카 템플릿)을 복수 작성하고, 각 레플리카 템플릿을 상이한 나노임프린트 장치에 장착하여 사용한다. 레플리카 템플릿은, 마스터 템플릿에 정확하게 대응하도록 제조될 필요가 있다. 이 때문에, 마스터 템플릿은 물론, 레플리카 템플릿의 패턴을 평가할 때에도 높은 정밀도가 요구된다.
그런데 마스크는, 일반적으로 회로 치수의 4 배의 치수를 가지고 형성된다. 이러한 마스크를 이용하여, 축소 투영 노광 장치로 웨이퍼 상의 레지스트에 패턴을 축소 노광한 후, 현상함으로써 반도체의 회로 패턴이 형성된다. 이에 대하여, 나노임프린트 리소그래피에서의 템플릿은, 회로 치수와 등배(等倍)의 치수로 형성된다. 이 때문에, 템플릿의 패턴에서의 형상 결함은, 마스크의 패턴에서의 그것보다, 웨이퍼 상에 전사 되는 패턴에의 영향도가 크다. 따라서, 템플릿의 패턴을 평가함에 있어서는, 마스크의 패턴을 평가할 경우보다 더 높은 정밀도가 필요하게 된다.
그러나, 회로 패턴의 미세화가 진행되는 요즘에 있어서는, 패턴 평가 장치에서의 광학계의 해상도보다, 패턴의 치수가 미세해지고 있다. 예를 들면, 템플릿에 형성되는 패턴의 선폭이 50 nm보다 작아지면, 광학계의 실현이 비교적 용이한 190 ~ 200 nm정도의 파장을 가지는 DUV(Deep Ultraviolet radiation : 원자외)광을 이용한 광원으로는 해상할 수 없다. 따라서, EB(Electron Beam : 전자빔)을 이용한 광원이 사용되고 있지만, 스루풋이 낮아, 양산에 적합하지 않다고 하는 문제가 있다.
이러한 점에서, 미세한 패턴을 정밀도 좋게, 또한, 스루풋의 저하를 일으키지 않고 검사할 수 있는 검사 장치가 요구되고 있다.
그런데, 패턴의 결함에는 다양한 형태가 있지만, 마스크 또는 템플릿으로서의 성능에 가장 영향을 주는 것은, 라인이 서로 단락되는 쇼트 결함과, 라인이 단선되는 오픈 결함이다. 도 1은 쇼트 결함의 예이다. 영역(A1)에서 인접하는 2 개의 라인이 서로 연결되어 있어, 쇼트 결함이 되어 있다. 또한 도 2는, 오픈 결함의 예이다. 영역(A2)에서 라인의 일부가 단선되어 있다.
한편 도 3의 영역(A3)과 같이, 엣지 러프니스가 커지는 결함에 대해서는, 그것이 마스크 또는 템플릿으로서의 성능에게 주는 영향은 한정적이다.
이와 같이, 결함 중에는 실질적으로 문제가 되는 결함과 그렇지 않은 결함이 있고, 문제가 되는 결함만을 검출할 수 있으면, 검사를 효율적으로 행할 수 있다. 그러나, 쇼트 결함, 오픈 결함 및(도 3의 영역(A3)에 보여지는 것과 같은) 엣지 러프니스 모두가 해상 한계 이하로서, 이들이 해상 한계 이하의 주기의 반복 패턴에 혼재할 경우, 광학계에 의한 관찰로는, 쇼트 결함 또는 오픈 결함과 같이 문제가 되는 결함에 의한 명암과, 엣지 러프니스에 의한 명암과의 구별이 되지 않는다. 이는, 명시야상 및 암시야상 모두 동일하다. 그 이유로서, 광학상에서는 쇼트 결함, 오픈 결함 및 엣지 러프니스 모두가 동일 사이즈, 즉 해상 한계 정도의 사이즈로 퍼지는 것을 들 수 있다.
도 4는, 라인 앤드 스페이스 패턴을 모식적으로 도시한 것이다. 도 4에서, 패턴의 치수는 광학계의 해상 한계보다 작다고 한다. 이 도의 영역(B1)에서는, 라인 패턴의 일부가 빠져 있다. 또한, 영역(B2)에서는, 패턴 엣지 러프니스가 커지고 있다. 이러한 결함의 차이는, 실제의 기판 상에서는 명확하게 구별된다. 그러나, 광학계를 통하여 관찰하면, 이들의 차이를 구별할 수 없게 된다. 이는 광학계가, 광원의 광의 파장(λ)과, 개구 수(NA)로 정해지는 공간 주파수 필터로서 작동하기 때문이다. 도 5는, 도 4의 패턴에 공간 주파수 필터를 건 것이다. 영역(B1)에서의 결함과, 영역(B2)에서의 결함이 동일 정도의 사이즈로 퍼져 있어, 형상의 차이가 판별하기 어렵게 되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 해상 한계 이하의 쇼트 결함과 엣지 러프니스를 구별하는 것은, 원리적으로 곤란하다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이다. 즉 본 발명의 목적은, 미세한 패턴을 정밀도 좋게, 또한 스루풋의 저하를 일으키지 않고 검사할 수 있는 검사 장치, 보다 상세하게는, 검출해야 할 결함과 그렇지 않은 결함을 구별 가능한 검사 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은, 이하의 기재로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 검사 장치는, 소정의 파장의 광을 출사하는 광원을 구비하고, 상기 광원으로부터 출사한 광을, 검사 대상이 되는 시료에, 소정의 각도의 편광면을 가지는 직선 편광으로 하여 조명하는 조명 광학계와,
시료에 형성된 패턴의 광학 화상을 얻는 검사용 촬상 센서를 구비하고, 시료를 반사 또는 투과한 광을 렌즈로 검사용 촬상 센서에 결상하는 결상 광학계와,
광학 화상에서의 소정의 단위 영역마다의 평균 계조값과 표준 편차를 구하는 화상 처리부와,
시료의 결함 검출을 행하는 결함 검출부를 가진다.
광원의 파장과 렌즈의 개구 수에 의해 정해지는 해상 한계는, 패턴을 해상하지 않는 값이다.
결상 광학계는, 시료를 반사 또는 투과한 광을 투과시키는 2분의 1 파장판과,
2분의 1 파장판에 의해 편광 방향이 회전한 광을 3 방향으로 분기하는 분기 수단과,
분기 수단에 의해 제1 방향으로 분기된 광이 제1 측정용 검광자를 통하여 입사하는 제1 측정용 촬상 센서와,
분기 수단에 의해 제2 방향으로 분기된 광이 제2 측정용 검광자를 통하여 입사하는 제2 측정용 촬상 센서와,
분기 수단에 의해 분기된 제3 방향으로서 검사용 촬상 센서에 이르는 광로 상에 배치된 검사용 검광자를 가진다.
제1 측정용 검광자, 제2 측정용 검광자 및 검사용 검광자의 각 투과 축의 방향은 상이하며, 검사용 검광자의 투과 축 방향은, 제1 측정용 검광자의 투과 축 방향과 제2 측정용 검광자의 투과 축 방향의 사이에 있다.
본 발명의 검사 장치는, 2분의 1 파장판의 각도를 제어하는 각도 제어부를 더 가지는 것이 바람직하다.
이 경우, 화상 처리부는, 제1 측정용 촬상 센서에서 취득된 광학 화상에 대하여, 계조값의 표준 편차(σ)와 평균 계조값(A)으로부터 제1 측정 신호(σ / √A)를 취득하는 동시에, 제2 측정용 촬상 센서에서 취득된 광학 화상에 대하여도, 계조값의 표준 편차(σ)와 평균 계조값(A)으로부터 제2 측정신호(σ / √A)를 취득하여, 식 (1)로 정의되는 편광 특성 신호를 산출한다.
{(제1 측정 신호) - (제2 측정 신호)} / {(제1 측정 신호) + (제2 측정 신호)}
그리고, 이 편광 특성 신호를 피드백 신호로서 이용하여 2분의 1 파장판을 제어하는 서보계를 구성한다. 서보의 목표 값은, 검사용 촬상 센서로 촬상한 화상에서의 측정 신호(σ / √A)가 최소가 되는 조건으로 둔다.
2분의 1 파장판은, 회전 기구에 의해 그 각도를 임의로 조절 가능한 구조이며,
각도 제어부는, 회전 기구를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 검사 장치에 있어서, 분기 수단은, 제1 빔 스프리터와 제2 빔 스프리터를 가지는 것이 바람직하다.
이 경우, 예를 들면 제1 빔 스프리터에서 반사된 광이 제1 측정용 검광자를 통하여 제1 측정용 촬상 센서에 입사하고,
제1 빔 스프리터를 투과하여, 제2 빔 스프리터에서 반사된 광이 제2 측정용 검광자를 통하여 제2 측정용 촬상 센서에 입사하고,
제1 빔 스프리터와 제2 빔 스프리터를 투과한 광이, 검사용 검광자를 통하여 검사용 촬상 센서에 입사한다. 단, 이 구성에 한정되는 것은 아니고, 3 분기를 실현할 수 있는 구성이라면, 검사용 촬상 센서에 입사하는 광선이 빔 스프리터여도 상관없다.
본 발명의 검사 장치는, 검사용 촬상 센서로 취득된 광학 화상을 기준 화상과 비교하여, 이들의 차분값이 소정의 임계치를 초과할 경우에 결함이라 판정하는 비교부를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 검사 장치에 있어서, 기준 화상은, 패턴의 설계 데이터로부터 작성된 참조 화상이거나, 동일 시료 상의 동일한 패턴 형상의 다른 영역의 취득 화상이며,
참조 화상을 작성하는 참조 화상 작성부를 가지고 있어,
참조 화상 작성부에서 작성된 참조 화상이 비교부로 보내지는 것이 바람직하다.
본 발명의 검사 장치에 의하면, 미세한 패턴에서의 검출해야 할 결함과 그렇지 않은 결함을 구별 가능하다.
도 1은 쇼트 결함의 일례를 모식적으로 도시한 도이다.
도 2는 오픈 결함의 일례를 모식적으로 도시한 도이다.
도 3은 엣지 러프니스에 의한 결함을 모식적으로 도시한 도이다.
도 4는 라인 앤드 스페이스 패턴을 모식적으로 도시한 도이다.
도 5는 도 4의 패턴에 공간 주파수 필터를 건 예의 모식도이다.
도 6은 본 실시예에서의 광학계의 일례이다.
도 7은 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭과 산란광의 전기장 진폭 및 0 차광의 전기장 진폭에 대하여, 검광자의 각도 의존성의 일례를 나타낸 도이다.
도 8은 도 7에서, 쇼트 결함 또는 오픈 결함에 기인하는 명암의 진폭과 산란광의 전기장 진폭을 더한 일례이다.
도 9는 본 실시예의 검사 광학계의 구성을 설명하는 도이다.
도 10은 도 9의 광학계로 취득되는 각 광학 화상에서의 산란광의 전기장 진폭과 회전 각도와의 관계를 나타낸 일례이다.
도 11은 도 10의 각 전기장 진폭에서의 값(σ／√A)으로부터 얻어진 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 편광 특성 신호를 편광의 회전 각도(θ')에 대하여 플롯한 일례이다.
도 12는 본 실시예에서의 피드백 제어 기구의 일례이다.
도 13은 본 실시예에서의 검사 장치의 구성도이다.
도 14는 시료에 형성된 패턴의 광학 화상을 취득하는 순서를 설명하는 도이다.
도 15는 검사용 검광자의 단면 모식도이다.
도 16은 제1 측정용 검광자의 단면 모식도이다.
도 17은 제2 측정용 검광자의 단면 모식도이다.
반도체 웨이퍼 상에 형성되는 패턴의 대부분은, 라인·앤드·스페이스 패턴 등의 반복 패턴, 즉 주기성을 가지고 반복되는 규칙적인 패턴이다. 이 때문에, 나노임프린트 리소그래피에서의 마스터 패턴 또는 도터 패턴에도 이러한 반복 패턴이 사용된다.
한편, DUV광을 이용한 광학계에 의해, 선폭이 50 nm보다 작은 패턴을 결상하고자 할 경우, 액침을 사용하지 않는 한 이론 한계의 렌즈(개구 수(NA) = 1)를 이용했다 하더라도, 이 패턴을 해상할 수 없다. 그러나, 이러한 패턴이 반복 패턴일 경우에 있어서, 패턴의 일부에서 엣지 러프니스가 커지거나 패턴의 일부가 누락되면, 규칙성에 흐트러짐이 발생하여 결함 근방의 광학 화상의 계조값이 변화하게 된다. 따라서, 각 화소의 계조값을 비교함으로써, 쇼트 결함, 오픈 결함 및 엣지 러프니스에 의한 결함을 검출할 수 있다. 계조값의 변화에 대하여, 이하에서 더 상술한다.
광학계의 해상 한계에 상당하는 치수의 범위 내에 있는 패턴 엣지의 미세한 요철(凹凸)(이후 러프니스라고 표기)은, 광학계로 촬상하면 개개의 요철의 형상은 해상되지 않고 광학계의 해상 한계 정도의 사이즈가 되는 형상이 된다. 이러한 엣지 러프니스는 진폭, 주파수 모두 랜덤이기 때문에, 패턴의 규칙성에 흐트러짐이 발생하여, 시료 전역에 걸쳐 랜덤인 명암의 얼룩으로서 촬상된다.
또한, 패턴의 일부가 누락되어 있는 경우에도 광학계의 해상 한계 정도의 사이즈로 확대하는 동작은 동일하다. 즉, 이 패턴은 해상되지 않지만, 패턴의 누락에 의해 규칙성에 흐트러짐이 발생하기 때문에, 결함 근방의 영역은 주위의 평균 계조값과는 상이한 계조값을 가진다. 패턴의 일부가, 인접하는 패턴과 연결되어 있는 경우도 마찬가지이다.
이와 같이, 광학계의 해상도 이하의 주기의 반복 패턴이어도, 계조값의 변화를 조사함으로써, 결함을 검출하는 것이 가능하다. 그러나 상술한 바와 같이, 검출된 해상 한계 이하의 결함끼리, 즉 쇼트 결함 또는 오픈 결함과 엣지 러프니스에 의한 명암의 얼룩을 구별하는 것은 곤란하다.
이러한 문제에 대하여 본 발명자는, 쇼트 결함 또는 오픈 결함과 같이 큰 결함은, 엣지 러프니스에 의한 결함과 같이 작은 결함에 비해, 조명광의 편광 상태에 미치는 영향이 크다는 것에 착목하여, 본 발명에 이르렀다. 본 발명에 따르면, 조명광의 편광 상태와, 검사 대상이 되는 기판으로부터 반사된 광을 결상하는 광학계의 편광 제어 소자의 조건을 제어함으로써, 엣지 러프니스에 의한 명암의 얼룩을 편광 제어 소자로 제거하고, 쇼트 결함 또는 오픈 결함에 의한 진폭 변화만을 추출하는 것이 가능해진다.
예를 들면, 도 1에 나타내는 바와 같은 쇼트 결함의 경우, 이웃하는 라인이 서로 접속함으로써, 조명광의 전기장 성분에 대한 감수성이 종 방향과 횡 방향에서 상이하게 된다. 예를 들면, 기판에 수직으로 입사하는 직선 편광의 편광 방향이 라인 앤드 스페이스의 엣지를 따른 방향에 대하여 45 도일 때, 입사광의 전기장은, 종 성분과 횡 성분에서 동일함에 반해, 쇼트 결함에 의한 반사광의 전기장은, 종 성분보다 횡 성분이 커진다. 그 결과, 쇼트 결함을 반사한 광의 편광 방향은 라인 앤드 스페이스의 엣지를 따른 방향과 직교하는 방향으로 경사지게 된다. 도 2에 도시한 바와 같은 오픈 결함의 경우는, 반대로, 라인 앤드 스페이스의 엣지를 따른 방향으로 경사지게 된다.
한편, 도 3에 나타낸 바와 같은 엣지 러프니스에 의한 결함의 경우에는, 라인이 서로 접속하거나 라인이 단선되지 않고, 또한 결함이라고는 해도 엣지 러프니스에서의 요철의 사이즈는 쇼트 결함 또는 오픈 결함보다 미세하기 때문에, 조명광의 전기장 성분의 횡 방향과 종 방향에 대한 감수성의 차이는 그다지 크지 않다. 따라서 예를 들면, 기판에 수직으로 입사하는 직선 편광의 편광 방향이 라인 앤드 스페이스의 엣지를 따른 방향에 대하여 45 도일 때, 엣지 러프니스에 의해 산란된 광의 편광 방향은, 입사광의 편광 방향인 45 도에 가까운 값이 된다. 단, 주기적인 반복을 가지는 베이스 패턴의 영향을 받음으로써, 편광 방향은 완전하게는 45 도가 되지 않고, 45 도에서 약간 벗어난 값을 취한다.
이러한 조명광의 편광 상태에 주는 영향의 차를 이용하여, 결함을 분류하는 것이 가능하다. 구체적으로, 도 6에 도시한 바와 같은 광학계를 이용함으로써 실현할 수 있다.
도 6에서, 검사 대상인 마스크(1001)를 조명하는 광은, 마스크 상에 형성된 주기 패턴의 주기 방향에 대하여 45 도의 편광면을 가지는 직선 편광으로 한다. 이에 의해, 쇼트 결함 또는 오픈 결함과 같이 큰 결함과, 엣지 러프니스에 의한 결함과 같이 작은 결함의 사이에서, 조명광의 전기장 성분에 대한 감수성에 차이가 나타나도록 할 수 있다. 또한, 조명광의 편광면이 마스크 상에 형성된 주기 패턴의 주기 방향에 대하여 0 도 또는 90 도이면, 조명광의 감수성은 결함 간에서 동일하게 되기 때문에 구별할 수 없다. 이 때문에, 편광면은, 주기 패턴의 주기 방향에 대하여 0 도 또는 90가 아닌 것이 중요하며, 반드시 45 도일 필요는 없다. -5 도 ~ 5 도와 85 도 ~ 95 도의 각 범위에 있는 각도 이외의 각도로 하는 것이 바람직하다.
도 6에서, 광원(1002)으로부터 출사되고, λ / 2 판(1003)을 통과한 광은, 무편광 빔 스프리터(1004)에서 반사하고, 대물 렌즈(1005)를 통하여 마스크(1001)에 조사된다. 마스크(1001)에서 반사한 광은, 대물 렌즈(1005), 무편광 빔 스프리터(1004), 검광자(1006)을 투과한 후, 촬상 센서(1007)에 입사한다. 이에 의해, 마스크(1001)에 형성된 패턴의 광학 화상이 얻어진다.
도 6에 도시한 바와 같이, 결상 광학계에 검광자(1006)를 배치함으로써, 특정의 편광 방향의 광만을 추출하는 것이 가능하게 된다. 구체적으로, 검광자(1006)의 방향을, 엣지 러프니스에서 산란한 광의 편광 방향에 직교하는 방향으로 함으로써, 이 결함으로부터의 산란광이 촬상 센서(1007)에 입사하는 것을 거의 완전히 방지할 수 있다. 한편, 쇼트 결함 또는 오픈 결함으로 산란한 광에 대해서는, 편광 방향이 경사져 있기 때문에 검광자(1006)를 투과하여, 촬상 센서(1007)에 입사한다. 따라서, 엣지 러프니스에 의한 명암의 얼룩이 제외되는 한편, 쇼트 결함 또는 오픈 결함은 남겨진 상태의 광학 화상을 얻을 수 있다.
또한 도 6은 명시야 조명계의 예이지만, 암시야 조명계 또는 투과 조명계여도, 편광을 이용하여 엣지 러프니스에 의한 명암의 얼룩이 제외된 광학 화상을 얻는 것이 가능하다.
이어서, 엣지 러프니스에 의한 명암의 얼룩을 배제하는 조건을 발견하는 구체적 방법에 대하여 기술한다. 즉, 상기한 바와 같이, 도 6의 광학계를 이용하여, 엣지 러프니스에 의한 결함을 광학 화상으로부터 제외하는 것이 가능하지만, 거기에는, 조명광의 편광 상태와, 검사 대상으로부터 반사한 광을 결상하는 광학계의 편광 제어 소자의 조건을 제어하는 것이 필요하게 된다.
일반적으로, 검사 대상이 되는 마스크 또는 템플릿에서, 쇼트 결함 또는 오픈 결함은 극히 조금밖에 존재하지 않는데 반해, 엣지 러프니스는 전면에 걸쳐 많이 존재한다. 예를 들면, 100 μm × 100 μm의 영역의 광학 화상을 취득했을 때, 이 영역에 쇼트 결함 또는 오픈 결함이 포함될 가능성은 낮고, 또한 포함되었다 하더라도 영역 내에서의 결함의 수는 적다. 즉, 이 영역 내에서의 광학 화상의 명암의 대부분은, 엣지 러프니스에 기인하는 것이다. 이는, 엣지 러프니스에 의한 결함을 배제하는 조건은, 100 μm × 100 μm 정도의 크기의 광학 화상 1 개로부터 구해지는 것을 의미한다.
광학 화상에서의 엣지 러프니스에 의한 계조값의 변화는, 결상 광학계측에서 촬상 센서에 입사하는 광의 편광 방향을 제어함으로써 제외할 수 있다. 구체적으로, 결상 광학계에서의 검광자의 방향을 제어함으로서, 촬상 센서에 입사하는 상기 엣지 러프니스에 의한 산란광의 양을 변화시켜, 광학 화상에서의 명암의 진폭을 변경할 수 있다.
광학 화상에서의 명암의 진폭은, 화소마다의 계조값의 표준 편차로 나타낼 수 있다. 예를 들면, 광학계의 화소 분해능이 50 nm일 때, 100 μm × 100 μm의 영역의 광학 화상은 400 만 화소로 표현된다. 즉, 이 광학 화상 1개로부터 400 만개의 계조값의 표본이 얻어진다.
암시야 조명계의 경우, 상기 표본에 대하여 표준 편차를 구하고, 얻어진 값을 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 정도라고 정의하고, 이 값이 최소가 되도록, 결상 광학계측의 편광 상태, 예를 들면 도 6에서의 검광자(1006)의 각도를 조정한다. 또한, 결상 광학계의 광로에 2분의 1 파장판을 배치하고, 이 2분의 1 파장판의 각도를 조정해도 된다. 이에 의해, 촬상 센서에 입사하는, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 양을 최소한으로 하는 것이 가능해진다.
한편, 명시야 광학계에서의 광학 화상의 경우, 엣지 러프니스에 의한 명암의 정도는 0 차광의 영향을 받는다. 이 이유는 다음과 같다. 검사 대상에는 해상 한계 이하의 미세한 주기 패턴이 있기 때문에, 구조성 복굴절에 의한 위상차의 효과에 의해, 0 차광의 편광 상태가 변화한다. 이 때문에, 엣지 러프니스에 기인하는 반사광을 제거하는 목적으로 검광자 또는 2분의 1 파장판을 회전시키면, 베이스가 되는 광량도 변화한다. 명시야상은, 쇼트 결함 또는 오픈 결함, 엣지 러프니스로부터의 산란광의 전기장 진폭과 0 차광의 전기장 진폭의 곱이므로, 상기한 바와 같이, 엣지 러프니스에 의한 명암의 정도가 0 차광의 강도의 영향을 받는 결과가 된다.
도 7은, 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭과 산란광의 전기장 진폭 및 0 차광의 전기장 진폭에 대하여, 검광자의 각도 의존성을 예시적으로 나타낸 것이다. 명시야 광학계에서, 엣지 러프니스에 의한 산란광의 편광 상태와, 구조성 복굴절의 영향을 받은 0 차광의 편광 상태가 일치하지 않을 경우, 양자의 곱인, 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭의 검광자 각도 의존성은, 도 7에 나타낸 바와 같이 2 개의 극소치를 가지게 된다.
여기서, 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭이, 엣지 러프니스에 의한 결함으로부터의 산란광의 전기장 진폭과, 0 차광의 전기장 진폭의 곱으로 나타나는 것에 대하여 설명한다.
0 차광의 전기장 진폭을,
Figure 112014005085456-pat00001
이라 둔다. 또한, 엣지 러프니스에 의한 산란광의 전기장 진폭을,
Figure 112014005085456-pat00002
이라 둔다. 0 차광은, 미세 패턴에 기인하는 복굴절의 영향에 의해, 소정의 방향으로 장축을 가지는 타원 편광이 된다. 이 때문에, f(θ)는 θ가 0 도에서 180 도의 범위에서 1개의 극소치를 가지고, 또한 극소치가 0보다 큰 함수가 된다. 한편, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광은, 러프니스에 주기성이 없기 때문에 위상차가 있었다 하더라도 그 값은 작아지고, 직선 편광성을 대략 유지한다. 이 때문에, g(θ)는 θ가 0 도에서 180 도의 범위에서 1개의 극소치를 가지고, 또한 극소치가 0에 매우 가까운 함수가 된다.
명시야상의 신호 강도(I)는 다음 식에 나타낸 바와 같이, 0 차광과 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 각 전기장의 간섭으로 나타내진다.
Figure 112014005085456-pat00003
상기 식에서, E0 2는 0 차광의 2 승, 즉 베이스 광량(I0)이므로, 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭(Ir)은 다음 식으로 나타내진다.
Figure 112014005085456-pat00004
여기서, φ는 0 차광과 산란광의 위상차이며, 기판의 초점 위치에 의존한다. 예를 들면, 엣지 러프니스에 기인하는 명암이 가장 강해지는 조건으로서,
Figure 112014005085456-pat00005
을 상정한다. 엣지 러프니스는 매우 미세함에 반해, 도 7에서 설명한 바와 같이, 0 차광의 전기장 진폭은, 검광자의 각도(θ)를 변경해도 복굴절의 영향으로 0은 되지 않기 때문에,
Figure 112014005085456-pat00006
과 근사할 수 있다. 따라서, 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭은, 다음 식과 같이 단순화할 수 있다.
Figure 112014005085456-pat00007
따라서, 해상 한계 이하의 주기 패턴에서의 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭은, 0 차광의 전기장 진폭과 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭의 곱으로 나타내진다.
전술한 바와 같이, E0와 Er은 모두 검광자의 각도(θ)에 의존하므로, Ir은 다음 식으로 나타내진다.
Figure 112014005085456-pat00008
따라서, 함수(f(θ))가 극소가 되는 θ의 값과, 함수(g(θ))가 극소가 되는 θ의 값이 상이할 경우, f(θ)와 g(θ)의 곱인 Ir은, 극소치를 2 점 가지게 된다.
엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 영향을 제외하고, 쇼트 결함 또는 오픈 결함을 검출하는 감도를 향상시키기 위해서는, 0 차광에 기인하는 함수(f(θ))가 극소가 되는 조건이 아닌, 엣지 러프니스에 기인하는 함수(g(θ))가 극소가 되는 조건을 찾아낼 필요가 있다. 이는, 함수(f(θ))가 극소가 되는 것은, 단순히 베이스 광량이 최소가 되는 조건에 불과하고, 엣지 러프니스에 의한 영향을 전부 배제할 수 없기 때문이다.
함수(g(θ))가 극소가 되는 조건은, 광학 화상의 계조값의 표준 편차(σ)와, 평균 계조값(A)을 이용하여 연산함으로써 구해진다. 표준 편차(σ)는 다양한 노이즈 요인으로부터 되지만, 특히 엣지 러프니스에 의한 명암의 영향을 크게 받는다. 이 때문에, 다음 식과 같이 간주할 수 있다.
Figure 112014005085456-pat00009
또한, 광학 화상의 평균 계조값(A)는 베이스 광량, 즉 0 차광의 강도이므로, 다음 식으로 나타내진다.
Figure 112014005085456-pat00010
따라서, 함수(g(θ))는 다음 식으로 구해진다.
Figure 112014005085456-pat00011
이와 같이, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭은, 광학 화상의 표준 편차(σ)를 평균 계조값(A)의 평방근으로 나눈 값에 비례한다. 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭을 최소로 하는 조건을 찾기 위해서는, 검광자의 각도(θ)를 변경하여 광학 화상을 취득하고, 얻어진 광학 화상에서의 계조값의 표준 편차를 평균 계조값의 평방근으로 나눈 값을 산출한다. 그리고, 이 값이 최소가 되는 각도(θ)를 구하면 된다.
도 7에서, 쇼트 결함 또는 오픈 결함에 기인하는 명암의 진폭과 산란광의 전기장 진폭을 더한 것을 도 8에 나타낸다. 상술한 바와 같이, 쇼트 결함 또는 오픈 결함과 같이 큰 결함은, 조명광의 전기장 성분에 대한 감수성이 종 방향과 횡 방향에서 상이하다. 따라서, 이러한 결함에 기인하는 산란광의 전기장 진폭이 극소가 될 때의 검광자의 각도(θ)의 값은, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 경우와는 상이하다. 즉, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭이 극소가 될 때의 각도(θ)를 적용해도, 쇼트 결함 또는 오픈 결함에 기인하는 반사광의 전기장 진폭이 극소가 되지는 않는다. 따라서, 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭에 묻히지 않고, 쇼트 결함 또는 오픈 결함을 검출하는 것이 가능해진다.
엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭이 극소가 될 때의 각도(θ)의 값은, 검사 대상에 형성된 패턴의 구조에 따라 상이하다. 예를 들면 패턴의 피치, 홈의 깊이, 혹은 라인과 스페이스의 비율 등이 변화하면, 상기 전기장 진폭이 극소가 되는 각도(θ)의 값도 변화한다. 따라서, 검사 대상의 패턴의 구조에 따라 각도(θ)를 구할 필요가 있다. 즉, 검사 대상에 동일한 패턴이 설치되어 있을 경우, 미리 구한 각도(θ)를 검사 공정에서 계속 사용할 수 있지만, 검사 대상에 구조가 상이한 복수의 패턴이 형성되어 있을 경우에는, 패턴에 따라 각도(θ)를 변경하게 된다. 또한 설계상 동일한 패턴이라도, 다양한 오차 요인에 의해, 홈의 깊이 또는 라인과 스페이스의 비율 등이 미소하게 변화하여, 산란광의 전기장 진폭을 최소로 하는 검광자의 각도(θ)가 검사 대상물 상에서 불균일을 가지는 경우가 있을 수 있기 때문에, 이에 추종할 필요가 있다. 보다 상세하게는, 검사하고 있는 패턴의 종류가 변화하는데 추종하여, 검광자의 각도(θ)도 변화시킨다.
패턴 변화에 의해 발생하는 각도(θ)의 변동과 같은 외란을 실시간으로 보정하기 위해서는, 피드백 제어를 이용하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 엣지 러프니스에 기인하는 명암의 진폭(Ir)을 최소로 하기 위해서는, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭(Er)이 항상 극소치를 취하도록 하면 된다. 여기서, 검사를 행하면서, 이 검사 화상의 정보만으로 전기장 진폭(Er)을 극소로 유지하는 것은 용이하지 않다. 왜냐하면, 검광자의 각도(θ)를 전기장 진폭의 극소치를 사이에 둔 어느 범위의 사이를 고속으로 왕복시켜 전기장 진폭(Er)의 극소치를 구하고, 또한 전기장 진폭(Er)이 항상 극소치 근방에 있도록, 각도(θ)의 왕복 운동의 중앙치를 제어할 필요가 있기 때문이다. 이러한 방법에서는, 전기장 진폭(Er)이 극소치로부터 벗어났을 때의 영향을 배제할 수 없기 때문에, 그에 따른 검사 성능의 저하를 피할 수 없다. 따라서, 이어서 각도(θ)의 최적치를 고속으로 구할 수 있는 광학계에 대하여 설명한다.
도 9는, 본 실시예의 검사 광학계의 구성을 설명하는 도이다. 이 도에서, 광원(2001)으로부터 출사되고, 하프 미러(2002)에서 반사된 광은, 대물 렌즈(2003)를 통하여 검사 대상이 되는 기판(2004)을 조명한다. 이어서, 기판(2004)에서 반사된 광은, 대물 렌즈(2003)와 하프 미러(2002)를 투과한 후, 결상 광학계에 입사한다.
또한, 기판(2004)을 조명하는 광은, 기판(2004) 상에 형성된 주기 패턴의 반복 방향에 대하여 45 도 근방 또는 135 도 근방의 편광면을 가지는 직선 편광으로 한다. 이는, 예를 들면 광원(2001)과 하프 미러(2002)의 사이에 2분의 1 파장판(도시하지 않음)을 설치함으로써 실현할 수 있다. 이에 의해, 쇼트 결함 또는 오픈 결함과 같이 큰 결함과, 엣지 러프니스에 의한 결함과 같이 작은 결함의 사이에서, 조명광의 전기장 성분에 대한 감수성에 차이가 나타나도록 할 수 있다.
도 9에서 결상 광학계에는, 회전 기구(2005)를 구비한 2분의 1 파장판(2006)이 배치되어 있다. 하프 미러(2002)를 투과한 광은, 이어서 이 2분의 1 파장판(2006)을 투과한다. 이 때, 광의 편광 방향은 소정의 각도만큼 회전한다. 여기서는, 2분의 1 파장판(2006)에 의해 회전하는 편광의 각도를 θ'로 한다.
2분의 1 파장판(2006)의 선단에는, 제1 빔 스프리터(2007), 제2 빔 스프리터(2008) 및 검사용 검광자(2009)가 이 순으로 배치되어 있다. 제1 빔 스프리터(2007)와 제2 빔 스프리터(2008)는 모두 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭을 측정하기 위한 광을 분기하는데 이용되는 분기 수단이다.
제1 빔 스프리터(2007)에서 반사한 광은, 제1 측정용 검광자(2010)를 투과하여, 제1 측정용 촬상 센서(2011)에 입사한다. 한편, 제1 빔 스프리터(2007)를 투과한 광의 일부는, 제2 빔 스프리터(2008)에서 반사하고, 제2 측정용 검광자(2012)를 투과하여, 제2 측정용 촬상 센서(2013)에 입사한다. 또한, 제2 빔 스프리터(2008)를 투과한 광은, 검사용 검광자(2009)를 투과한 후, 검사용 촬상 센서(2014)에 입사한다.
도 15, 도 16, 도 17은, 각각 검사용 검광자(2009), 제1 측정용 검광자(2010), 제2 측정용 검광자(2012)의 단면 모식도이며, 도면 중의 화살표는, 각 투과 축의 방향을 나타내고 있다.
도 15 ~ 도 17으로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 투과 축의 방향은 상이하다. 또한, 검사용 검광자(2009)의 투과 축 방향은, 제1 측정용 검광자(2010)의 투과 축 방향과, 제2 측정용 검광자(2012)의 투과 축 방향의 사이에 있다. 이와 같이 함으로써, 각도(θ)의 2분의 1 파장판(2006)을 투과한 엣지 러프니스 기인의 산란광의 광량을 촬상자 사이에서 변경할 수 있다. 또한, 검사용 검광자(2009)에 입사하는 산란광의 광량 변화를, 제1 측정용 촬상 센서(2011)에 입사하는 산란광의 광량 변화와, 제2 측정용 촬상 센서(2013)에 입사하는 산란광의 광량 변화에서 사이에 두므로, 검사용 검광자(2009)에 입사하는 산란광의 정확한 광량 변화를 알 수 있다.
제1 측정용 촬상 센서(2011), 제2 측정용 촬상 센서(2013), 검사용 촬상 센서(2014)의 각각에서 취득된 광학 화상에 대하여, 계조값의 표준 편차(σ)와, 평균 계조값(A)을 구한다. 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭은, 광학 화상의 표준 편차(σ)를 평균 계조값(A)의 평방근으로 나눈 값(σ / √A)에 비례하므로, 얻어진 값을 편광의 회전 각도(θ')에 대하여 플롯하면, 각 광학 화상에서의 상기 산란광의 전기장 진폭과 회전 각도의 관계가 구해진다. 도 10에 그 일례를 나타낸다.
제1 측정용 촬상 센서(2011)로 취득된 광학 화상으로부터 구한 값(σ / √A)을 제1 측정 신호로 하고, 제2 측정용 촬상 센서(2013)로 취득된 광학 화상으로부터 구한 값(σ / √A)을 제2 측정 신호로 한다. 그리고, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 편광 특성 신호로서, 다음 식으로 얻어지는 값을 정의한다.
{(제1 측정 신호) - (제2 측정 신호)} / {(제1 측정 신호) + (제2 측정 신호)}
도 10의 각 전기장 진폭에서의 값(σ / √A)으로부터, 상기 식을 이용하여 얻어진 값을 편광의 회전 각도(θ')에 대하여 플롯한 예를 도 11에 나타낸다. 이 예로부터 알 수 있는 바와 같이, 검사용 검광자(2009)를 투과한, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭이 최소값을 취할 때, 편광 특성 신호는 0 근방의 값이 되고, 또한 0 근방에서 대략 일정한 경사를 가지도록 된다. 따라서, 일반적인 피드백 제어에 의해, 이 편광 특성 신호를 0 근방의 소정값으로 유지하는 것이 가능하다.
도 12는, 본 실시예에서의 피드백 제어 기구의 일례이다. 이 예에서는, PID 제어를 이용하고 있다. 여기서 외란이란, 평가 대상인 기판에 형성된 패턴 구조의 차이에 의해 발생하는, 2분의 1 파장판의 최적인 각도, 구체적으로는 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭(Er)을 극소로 하는 각도의 변동을 말한다. 이러한 제어계를 탑재함으로써, 도 9에 도시한 검사 광학계에 의해 얻어진, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 편광 특성 신호를, 목표값의 근방으로 유지하는 것이 가능해진다.
도 11의 예에서는, 목표값은 0이 된다. 또한, 검사 전에 광학 화상을 취득하고, 그 광학 화상으로부터 구한 값(σ / √A)이 최소가 되도록 목표값을 정해도 된다.
또한 본 실시예에서는, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 편광 특성 신호로서, 다음 식으로 얻어지는 값을 정의했다.
{(제1 측정 신호) - (제2 측정 신호)} / {(제1 측정 신호) + (제2 측정 신호)}
이와 같이 함으로써, 피드백 제어에서의 목표값이 0이 아닐 경우에, 편광 특성 신호가 기판의 반사율의 영향을 받지 않도록 할 수 있다. 한편, 목표값이 0일 경우에는,
(제1 측정 신호) - (제2 측정 신호)
를 편광 특성 신호라고 해도 된다.
이어서, 본 실시예의 검사 장치에 대하여 설명한다.
도 13은, 본 실시예에서의 검사 장치(100)의 구성도이다. 검사 장치(100)는, 도 9에 도시한 검사 광학계를 구비하고 있고, 각도 제어 회로(14)에 의해, 도 12에서 설명한 피드백 제어를 하는 구성으로 되어 있다.
도 13에 도시한 바와 같이, 검사 장치(100)는 광학 화상 취득부(A)와 제어부(B)를 가진다.
광학 화상 취득부(A)는, 도 9에서 설명한 검사 광학계 외에, 수평 방향(X 방향, Y 방향)으로 이동 가능한 XY 테이블(3)과 센서 회로(106)와 레이저 측장 시스템(122)과 오토 로더(130)를 가진다. 또한, XY 테이블(3)은 회전 방향(θ 방향)으로도 이동 가능한 구조로 할 수 있다.
검사 대상이 되는 시료(1)는 Z 테이블(2) 위에 재치(載置)된다. Z 테이블(2)은, XY 테이블(3) 위에 설치되어 있고, XY 테이블(3)과 함께 수평 방향으로도 이동 가능하다. 시료(1)에는, 라인·앤드·스페이스 패턴 등의 반복 패턴, 즉 주기성을 가지고 반복되는 규칙적인 패턴이 형성되어 있다. 시료(1)로서는, 예를 들면 나노임프린트 기술에서 이용되는 템플릿을 들 수 있다.
또한 시료(1)는, Z 테이블(2)에 설치된 지지 부재에 의해, 3 점에서 지지되는 것이 바람직하다. 시료(1)를 4 점에서 지지할 경우에는, 지지 부재에 대하여 고정밀도의 높이 조정이 필요하다. 또한 높이 조정이 불충분하면, 시료(1)가 변형될 우려가 있다. 이에 대하여, 3 점 지지에 의하면, 시료(1)의 변형을 최소한으로 억제하면서, 시료(1)를 지지할 수 있다. 지지 부재는, 예를 들면 두면(頭面)이 구 형상인 볼 포인트를 이용하여 구성된다. 또한 예를 들면, 3 개의 지지 부재 중 2 개의 지지 부재는, 시료(1)의 네 각 중 대각이 아닌, 인접하는 2 각으로 시료(1)에 접한다. 3 개의 지지 부재 중 남은 1 개의 지지 부재는, 다른 2 개의 지지 부재가 배치되어 있지 않은 2 각의 사이의 영역에 배치된다.
광원(2001)은, 시료(1)에 대하여 그 광학 화상을 취득하기 위한 광을 조사한다. 광원(2001)으로부터 출사되는 광의 파장은 패턴 피치의 2 배 이상이다. 검사 장치(100)는, 선폭이 50 ~ 60 nm 이하의 초미세 패턴의 검사에 적합하고, 광원(2001)으로서는, DUV(Deep Ultraviolet radiation : 원자외)광을 조사하는 것을 이용하는 것이 바람직하다. DUV광에 의하면, 광학계를 비교적 간단하게 구성할 수 있고, 또한 미세한 패턴을, EB(Electron Beam : 전자빔)을 이용할 경우보다 높은 스루풋으로 검사할 수 있다.
검사 장치(100)에서의 광학계의 해상 한계, 즉 광원(2001)으로부터의 광의 파장(λ)과 대물 렌즈(2003)의 개구 수(NA)에 의해 정해지는 해상 한계(R = λ / 2 NA)는, 시료(1)에 형성된 패턴을 해상하지 않는 값이다.
광원(2001)으로부터 출사된 광은, 하프 미러(2002)에서 반사하고, 대물 렌즈(2003)를 통하여 검사 대상이 되는 시료(1)를 조명한다. 이어서, 시료(1)에서 반사한 광은, 대물 렌즈(2003)와 하프 미러(2002)를 투과한 후, 회전 기구(2005)를 구비한 2분의 1 파장판(2006)을 투과한다. 이 때, 광의 편광 방향은 각도(θ') 회전한다.
또한 시료(1)를 조명하는 광은, 마스크 상에 형성된 주기 패턴의 주기 방향에 대하여 45 도의 편광면을 가지는 직선 편광으로 한다. 이는, 예를 들면 광원(2001)과 하프 미러(2002)의 사이에 2분의 1 파장판(도시하지 않음)을 설치함으로써 실현할 수 있다. 이에 의해, 쇼트 결함 또는 오픈 결함과 같이 큰 결함과, 엣지 러프니스에 의한 결함과 같이 작은 결함의 사이에서, 조명광의 전기장 성분에 대한 감수성에 차이가 나타나도록 할 수 있다.
2분의 1 파장판(2006)의 선단에는, 제1 빔 스프리터(2007), 제2 빔 스프리터(2008) 및 검사용 검광자(2009)가 이 순으로 배치되어 있다.
제1 빔 스프리터(2007)에서 반사한 광은, 제1 측정용 검광자(2010)를 투과하여, 제1 측정용 촬상 센서(2011)에 입사한다. 한편, 제1 빔 스프리터(2007)를 투과한 광의 일부는, 제2 빔 스프리터(2008)에서 반사하고, 제2 측정용 검광자(2012)를 투과하여, 제2 측정용 촬상 센서(2013)에 입사한다. 또한, 제2 빔 스프리터(2008)를 투과한 광은, 검사용 검광자(2009)를 투과한 후, 검사용 촬상 센서(2014)에 입사한다.
제1 측정용 검광자(2010)의 투과 축 방향, 제2 측정용 검광자(2012)의 투과 축의 방향, 검사용 검광자(2009)의 투과 축 방향은 각각 상이하다. 또한 검사용 검광자(2009)의 투과 축 방향은, 제1 측정용 검광자(2010)의 투과 축 방향과 제2 측정용 검광자(2012)의 투과 축 방향의 사이에 있다. 이와 같이 함으로써, 각도(θ)의 2분의 1 파장판(2006)을 투과한 엣지 러프니스 기인의 산란광의 광량을 촬상자 사이에서 변경할 수 있다. 또한, 검사용 검광자(2009)에 입사하는 산란광의 광량 변화를, 제1 측정용 촬상 센서(2011)에 입사하는 산란광의 광량 변화와, 제2 측정용 촬상 센서(2013)에 입사하는 산란광의 광량 변화에서 사이에 두므로, 검사용 검광자(2009)에 입사하는 산란광의 정확한 광량 변화를 알 수 있다.
이어서, 도 13의 제어부(B)에 대하여 설명한다.
제어부(B)에서는, 검사 장치(100) 전체의 제어를 담당하는 제어 계산기(110)가, 데이터 전송로가 되는 버스(120)를 통하여, 위치 회로(107), 화상 처리 회로(108), 각도 제어 회로(14), 전개 회로(131), 참조 회로(132), 비교 회로(133), 결함 검출 회로(134), 오토 로더 제어 회로(113), 테이블 제어 회로(114), 기억 장치의 일례가 되는 자기 디스크 장치(109), 자기 테이프 장치(115), 플렉시블 디스크 장치(116), 디스플레이(117), 패턴 모니터(118) 및 프린터(119)에 접속되어 있다. 또한, 화상 처리 회로(108)는 본 발명의 화상 처리부에 대응하고, 결함 검출 회로(134)는 본 발명의 결함 검출부에 대응하고, 각도 제어 회로(14)는 본 발명의 각도 제어부에 대응한다.
Z 테이블(2)은, Z 테이블 제어 회로(114b)에 의해 제어된 모터(17b)에 의해 구동된다. 또한 XY 테이블(3)은, XY 테이블 제어 회로(114a)에 의해 제어된 모터(17a)에 의해 구동된다. 또한 상기의 각 모터에는, 예를 들면 리니어 모터를 이용할 수 있다.
도 13의 광학 화상 취득부(A)는, 제1 측정용 촬상 센서(2011), 제2 측정용 촬상 센서(2013), 검사용 촬상 센서(2014)의 각각에서, 시료(1)의 광학 화상을 취득한다. 광학 화상의 구체적인 취득 방법의 일례는 다음과 같다.
시료(1)는, 수직 방향으로 이동 가능한 Z 테이블(2) 상에 재치된다. Z 테이블(2)은, XY 테이블(3)에 의해 수평 방향으로도 이동 가능하다. XY 테이블(3)의 이동 위치는, 레이저 측장 시스템(122)에 의해 측정되어 위치 회로(107)로 보내진다. 또한 XY 테이블(3) 상의 시료(1)는, 오토 로더 제어 회로(113)에 의해 구동되는 오토 로더(130)로부터 자동적으로 반송되고, 검사 종료 후에는 자동적으로 배출된다.
광원(2001)은, 시료(1)에 조사하는 광을 출사한다. 광원(2001)으로부터 출사된 광은, 하프 미러(2002)에서 반사하고, 대물 렌즈(2003)에 의해 시료(1) 상에 집광된다. 대물 렌즈(2003)와 시료(1)의 거리는, Z 테이블(2)을 수직 방향으로 이동시킴으로써 조정된다.
시료(1)에서 반사한 광은, 대물 렌즈(2003)와 하프 미러(2002)를 투과한 후, 2분의 1 파장판(2006)을 투과한다. 이 때, 광의 편광 방향은 각도(θ')만큼 회전한다.
이 후, 제1 빔 스프리터(2007)에서 반사한 광은, 제1 측정용 검광자(2010)를 투과하여, 제1 측정용 촬상 센서(2011)에 입사한다. 한편 제1 빔 스프리터(2007)를 투과한 광의 일부는, 제2 빔 스프리터(2008)에서 반사하고, 제2 측정용 검광자(2012)를 투과하여, 제2 측정용 촬상 센서(2013)에 입사한다. 또한 제2 빔 스프리터(2008)를 투과한 광은, 검사용 검광자(2009)를 투과한 후, 검사용 촬상 센서(2014)에 입사한다.
도 14는, 시료(1)에 형성된 패턴의 광학 화상을 취득하는 순서를 설명하는 도이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 시료(1) 상의 평가 영역은, 직사각형(短冊) 형상의 복수의 프레임(201, 202, 203, 204, ···)으로 가상적으로 분할되어 있다. 그리고, 각 프레임(201, 202, 203, 204, ···)이 연속적으로 주사되도록, 도 13의 XY 테이블(3)의 동작이, XY 테이블 제어 회로(114a)에 의해 제어된다. 구체적으로, XY 테이블(3)이 X 방향으로 이동하면서, 제1 측정용 촬상 센서(2011), 제2 측정용 촬상 센서(2013), 검사용 촬상 센서(2014)의 각각에, 도 14에 나타난 것과 같은 주사 폭(W)의 화상이 연속적으로 입력된다. 즉, 제1 프레임(201)에서의 화상을 취득한 후, 제2 프레임(202)에서의 화상을 취득한다. 이 경우, XY 테이블(3)이 제1 프레임(201)에서의 화상의 취득 시와는 반대 방향으로 이동하면서 광학 화상을 취득하고, 주사 폭(W)의 화상이 각 촬상 센서에 연속적으로 입력된다. 제3 프레임(203)에서의 화상을 취득할 경우에는, 제2 프레임(202)에서의 화상을 취득하는 방향과는 반대 방향, 즉 제1 프레임(201)에서의 화상을 취득한 방향으로 XY 테이블(3)이 이동한다. 또한 도 14의 사선 부분은, 상기와 같이 하여 광학 화상의 취득이 종료된 영역을 모식적으로 도시한 것이다.
제1 측정용 촬상 센서(2011), 제2 측정용 촬상 센서(2013), 검사용 촬상 센서(2014)의 각각에 결상한 패턴의 상은, 광전 변환된 후, 또한 센서 회로(106)에 의해 A / D(아날로그 디지털) 변환된다. 또한 각 촬상 센서에는, 예를 들면 촬상 소자로서의 CCD 카메라를 일렬로 배열한 라인 센서가 이용된다. 라인 센서의 예로서는, TDI(Time Delay Integration) 센서를 들 수 있다. 이 경우, XY 테이블(3)이 X 축 방향으로 연속적으로 이동하면서, TDI 센서에 의해 시료(1)의 패턴이 촬상된다.
센서 회로(106)에서 A / D 변환된 광학 화상 데이터는, 화상 처리 회로(108)로 보내진다. 화상 처리 회로(108)에서는, 광학 화상 데이터가 화소마다의 계조값으로 나타내진다. 예를 들면, 256 단계의 계조값을 가지는 그레이 스케일로부터, 0 계조에서 255 계조 중 어느 하나의 값이 각 화소에 부여된다. 본 실시예에서는, 제1 측정용 촬상 센서(2011) 및 제2 측정용 촬상 센서(2013)로 취득된 광학 화상의 각각에 대하여, 계조값의 표준 편차(σ)와 평균 계조값(A)이 화상 처리 회로(108)로 구해진다.
제1 측정용 촬상 센서(2011)로 취득된 광학 화상으로부터 구한 값(σ / √A)을 제1 측정 신호로 하고, 제2 측정용 촬상 센서(2013)로 취득된 광학 화상으로부터 구한 값(σ / √A)을 제2 측정 신호로 한다. 그리고, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 편광 특성 신호로서, 다음 식으로 얻어지는 값을 정의하고, 편광의 회전 각도(θ')에 대하여 플롯한다.
(제1 측정 신호) - (제2 측정 신호)} / {(제1 측정 신호) + (제2 측정 신호)}
이미 기술한 바와 같이, 도 11은, (도 10에 나타낸) 각 광학 화상의 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭에서의 값(σ / √A)으로부터, 상기 식을 이용하여 얻어진 값을 편광의 회전 각도(θ')에 대하여 플롯한 일례이다. 이 예에서 알 수 있는 바와 같이, 검사용 검광자(2009)를 투과한, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 전기장 진폭이 최소값을 취할 때, 편광 특성 신호는 0 근방의 값이 되고, 또한 이 0 근방에서 대략 일정한 경사를 가지게 된다. 따라서 이 경우에는 화상 처리 회로(108)로부터 각도 제어 회로(14)로 목표값이 0인 취지의 정보가 보내지고, 각도 제어 회로(14)에 의해 2분의 1 파장판(2006)을 투과하는 광의 편광 방향이 제어된다. 즉 각도 제어 회로(14)는, 엣지 러프니스에 기인하는 산란광의 편광 특성 신호가 0 근방의 값이 되도록, 회전 기구(2005)에 의해 2분의 1 파장판(2006)의 각도, 환언하면 2분의 1 파장판을 투과하는 편광의 회전 각도(θ')를 조절한다.
이상과 같이 하여, 조명광의 편광 상태와, 검사 대상이 되는 시료로부터 반사한 광을 결상하는 광학계의 편광 제어 소자의 조건을 제어함으로써, 엣지 러프니스에 의한 결함으로부터의 산란 성분을 편광 제어 소자로 제거하여, 쇼트 결함 또는 오픈 결함으로부터의 산란 성분과 분리할 수 있다. 즉, 검사용 촬상 센서(2014)로 얻어지는 광학 화상은, 엣지 러프니스에 의한 결함이 제외된 것이 된다. 이 광학 화상 데이터는, 상술한 바와 같이 센서 회로(106)를 거쳐 화상 처리 회로(108)로 보내진다.
화상 처리 회로(108)에서는, (엣지 러프니스에 의한 결함이 제외된)광학 화상에서의 화소 데이터가 화소마다의 계조값으로 나타내진다. 또한, 시료(1)의 검사 영역은, 소정의 단위 영역으로 분할되고, 각 단위 영역의 평균 계조값이 구해진다. 소정의 단위 영역은, 예를 들면 1 mm × 1 mm의 영역으로 할 수 있다.
화상 처리 회로(108)로 얻어진 계조값에 관한 정보는, 결함 검출 회로(134)로 보내진다. 결함 검출 회로(134)는, 예를 들면 평균 계조값을 중심으로 하여 상하로 임계치를 가지고, 이 임계치를 초과했을 시에 결함으로서 인식하고, 결과를 출력하는 기능을 가진다. 상기 임계치 레벨은 미리 설정된다.
또한 본 실시예의 검사 장치는, 검사 기능과 더불어 리뷰 기능을 가지는 것도 가능하다. 여기서 리뷰란, 오퍼레이터에 의해, 검출된 결함이 실용상 문제가 되는 것인지의 여부를 판단하는 동작이다.
예를 들면, 도 13의 비교 회로(133)에서 결함이라 판정된 개소의 좌표와, 결함 판정의 근거가 된 광학 화상 및 참조 화상이 리뷰 장치(도시하지 않음)로 보내진다. 오퍼레이터는, 결함 판정의 근거가 된 참조 화상과, 결함이 포함되는 광학 화상을 비교하여 리뷰한다. 구체적으로, 도 13에 도시한 광학계를 사용하여, 시료(1)의 결함 개소의 화상을 표시한다. 또한 동시에 결함 판정의 판단 조건, 또는 판정 근거가 된 광학 화상과 참조 화상 등은, 제어 계산기(110)의 화면을 이용하여 표시된다. 리뷰에 의해 판별된 결함 정보는, 자기 디스크 장치(109)에 보존된다.
또한, 리뷰에 의해 1 개라도 수정해야 할 결함이 확인되면, 시료(1)는, 결함 정보 리스트와 함께, 검사 장치(100)의 외부 장치인 수정 장치(도시하지 않음)로 보내진다. 수정 방법은, 결함의 타입이 볼록계의 결함인지 또는 오목계의 결함인지 등에 따라 상이하므로, 결함 정보 리스트에는, 요철의 구별을 포함하는 결함의 종별과 결함의 좌표가 첨부된다.
상기 예에서는, 반복 패턴으로서 라인·앤드·스페이스 패턴을 들었지만, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 본 실시예는, 해상 한계 이하의 주기를 가지는 것이면 홀 패턴 등의 반복 패턴에도 적용 가능하다.
이상 기술한 바와 같이, 본 실시예의 검사 장치에 의하면, 광학계의 해상도 이하의 주기로 반복되는 패턴이 형성된 시료라도, 검출해야 할 결함과 그렇지 않은 결함을 구별하여 검사할 수 있다. 구체적으로, 엣지 러프니스에 의한 산란 성분을 제거하고, 쇼트 결함 또는 오픈 결함으로부터의 산란 성분과 분리할 수 있다.
또한 본 실시예의 검사 장치에서는, DUV(Deep Ultraviolet radiation : 원자외)광을 출사하는 광원을 이용할 수 있다. 이에 의해, EB(Electron Beam : 전자빔)를 광원에 이용한 경우에 문제가 되는 스루풋의 저하를 일으키지 않고 검사할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 각 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
또한 상기 각 실시예에서는, 장치 구성 또는 제어 방법 등, 본 발명의 설명에 직접 필요로 하지 않는 부분에 대한 기재를 생략했지만, 필요하게 되는 장치 구성 또는 제어 방법을 적절히 선택하여 이용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 그 외에, 본 발명의 요소를 구비하고, 당업자가 적절히 설계 변경할 수 있는 모든 초점 위치 검출 장치, 초점 위치 검출 방법, 검사 장치 및 검사 방법은, 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 소정의 파장의 광을 출사하는 광원을 구비하고, 상기 광원으로부터 출사한 광을, 검사 대상이 되는 시료에, 상기 시료 상의 반복 패턴의 반복 방향에 대하여 -5 도 ~ 5 도와 85 도 ~ 95 도의 각 범위에 있는 각도 이외의 각도의 편광면을 가지는 직선 편광으로하여 조명하는 조명 광학계와,
    상기 시료에 형성된 패턴의 광학 화상을 얻는 검사용 촬상 센서를 구비하고, 상기 시료를 반사 또는 투과한 광을 렌즈로 상기 검사용 촬상 센서에 결상하는 결상 광학계와,
    상기 광학 화상에서의 소정의 단위 영역마다의 평균 계조값과 표준 편차를 구하는 화상 처리부와,
    상기 시료의 결함 검출을 실시하는 결함 검출부를 가지고,
    상기 패턴의 치수는 상기 광원의 파장과 상기 렌즈의 개구 수에 의해 정해지는 해상 한계보다 작으며,
    상기 결상 광학계는, 상기 시료를 반사 또는 투과한 광을 투과시키는 2분의 1 파장판과,
    상기 2분의 1 파장판에 의해 편광 방향이 회전한 광을 3 방향으로 분기하는 분기 수단과,
    상기 분기 수단에 의해 제1 방향으로 분기된 광이 제1 측정용 검광자를 통하여 입사하는 제1 측정용 촬상 센서와,
    상기 분기 수단에 의해 제2 방향으로 분기된 광이 제2 측정용 검광자를 통하여 입사하는 제2 측정용 촬상 센서와,
    상기 분기 수단에 의해 분기된 제3 방향으로서 상기 검사용 촬상 센서에 이르는 광로 상에 배치된 검사용 검광자를 가지고,
    상기 제1 측정용 검광자, 상기 제2 측정용 검광자 및 상기 검사용 검광자의 각 투과 축의 방향은 상이하며, 상기 검사용 검광자의 투과 축 방향은, 상기 제1 측정용 검광자의 투과 축 방향과 상기 제2 측정용 검광자의 투과 축 방향의 사이에 있는 것을 특징으로 하는 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2분의 1 파장판의 각도를 제어하는 각도 제어부를 더 구비하고,
    상기 화상 처리부는, 상기 제1 측정용 촬상 센서로 취득된 광학 화상에 대하여, 계조값의 표준 편차(σ)와 평균 계조값(A)으로부터 제1 측정 신호(σ / √A)를 취득하고, 또한 상기 제2 측정용 촬상 센서로 취득된 광학 화상에 대해서도, 계조값의 표준 편차(σ)와 평균 계조값(A)으로부터 제2 측정 신호(σ / √A)를 취득하여, 식 (1)로 정의되는 편광 특성 신호를 산출하고,
    {(제1 측정 신호) - (제2 측정 신호)} / {(제1 측정 신호) + (제2 측정 신호)} ···(1)
    검사 전에, 상기 2분의 1 파장판을 회전하여, 상기 검사용 촬상 센서에 의해 취득된 광학 화상에서의 측정 신호(σ / √A)가 최소가 될 때의 상기 편광 특성 신호의 값을 구하여, 이 구해진 값을 목표값으로 하고,
    상기 목표값은 상기 각도 제어부로 보내지고, 상기 각도 제어부는, 식 (1)로 정의되는 편광 특성 신호가 상기 목표값이 되도록, 상기 2분의 1 파장판의 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 검사 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2분의 1 파장판은, 회전 기구에 의해 그 각도를 임의로 조절 가능한 구조이며,
    상기 각도 제어부는, 상기 회전 기구를 제어하는 것을 특징으로 하는 검사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분기 수단은, 제1 빔 스프리터와 제2 빔 스프리터를 가지고,
    상기 제1 빔 스프리터에서 반사한 광이 상기 제1 측정용 검광자를 통하여 상기 제1 측정용 촬상 센서에 입사하고,
    상기 제1 빔 스프리터를 투과하여, 상기 제2 빔 스프리터에서 반사한 광이 상기 제2 측정용 검광자를 통하여 상기 제2 측정용 촬상 센서에 입사하고,
    상기 제1 빔 스프리터와 상기 제2 빔 스프리터를 투과한 광이, 상기 검사용 검광자를 통하여 상기 검사용 촬상 센서에 입사하는 것을 특징으로 하는 검사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원이 출사하는 광은 원자외광인 것을 특징으로 하는 검사 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검사용 촬상 센서로 취득된 광학 화상을 기준 화상과 비교하여, 이들의 차분값이 소정의 임계치를 초과할 경우에 결함이라 판정하는 비교부를 더 가지는 것을 특징으로 하는 검사 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기준 화상은, 상기 패턴의 설계 데이터로부터 작성된 참조 화상이며,
    상기 참조 화상을 작성하는 참조 화상 작성부를 가지고 있고,
    상기 참조 화상 작성부에서 작성된 참조 화상이 상기 비교부로 보내지는 것을 특징으로 하는 검사 장치.
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