KR20220121669A - 검사장치 및 파면수차계측방법 - Google Patents

Abstract

파면수차를 즉석에서 고정밀도로 계측할 수 있는 검사장치 및 파면수차계측방법을 제공한다.
실시형태에 따른 검사장치(1)는, 검사시에 시료(11)가 배치되고, 수차계측시에 점광원이 배치되는 스테이지(10)와, 검사시에 조명광(L0)이 시료(11)에서 반사된 검사광(L1) 및 수차계측시에 점광원으로부터의 계측광(L2)을 투과시키는 대물렌즈(20)와, 검사광(L1) 및 계측광(L2)을 투과시키는 눈동자 릴레이렌즈(21)로서, 대물렌즈(20)의 초점거리보다도 긴 초점거리를 갖는 눈동자 릴레이렌즈(21)와, 눈동자 릴레이렌즈(21)의 사이에 중간결상면이 형성되는 눈동자 릴레이렌즈(22)와, 눈동자 릴레이렌즈(21)와 중간결상면의 사이에 배치되고, 계측광(L2)을 회절시키는 회절격자(40)와, 중간결상면의 초점심도 내의 근방에 배치되고, 회절격자(40)에 의해 회절된 회절광을 선택투과시키는 PDI(Point Diffraction Interferometry)판(50)과, 시료의 상을 검출하는 검출기(30)와, 계측광의 간섭상을 검출하는 검출기(60)를 구비한다.

Description

검사장치 및 파면수차계측방법{INSPECTION DEVICE AND MEASUREMENT METHOD OF WAVEFRONT ABERRATION}

본 발명은, 검사장치 및 파면수차계측방법에 관한 것으로, 예를 들어, 광학식 반도체검사장치의 결상성능인 파면수차를 즉석(in-situ)에서 계측하는 검사장치 및 파면수차계측방법에 관한 것이다.

반도체 디바이스(Device) 제조용의 광학식 검사장치는, 단파장화, 고개구수화, 고기능화에 수반하여, 장치가 대규모가 되고 있다. 광학식 검사장치는, 대물렌즈 및 결상렌즈로부터 구성되는 광학식 현미경을 이용하여 반도체 디바이스 등을 광학적으로 검사한다. 장치 제조메이커(Maker)에서 고정밀하게 조정되는 대물렌즈 및 결상렌즈 각각의 단일체는, 전용의 파면수차계측설비(소위, 간섭계라고 불리고 있다) 등을 이용하여 조정되어 있다. 그러나, 광학식 검사장치에 실장한 후나 출하수송 후, 및, 반도체 제조공장 설치 후의 실가동상태에서는, 대물렌즈 및 결상렌즈의 파면수차는, 정량계측되어 있지 않다. 또한, 대물렌즈 및 결상렌즈를 조합한 상태에서의 수차는, 장치 제조메이커에서도 보유하는 파면수차계측설비의 기구 상의 제약으로부터 정량계측되어 있지 않다. 반도체 생산공장에서의 가동 후에 있어서도 어떠한 충격이 가해진 경우나, 결상광학계의 성능변동이 있었던 경우에도, 시료관찰상에서의 이상(異常)의 유무 판정에 머물러 있어, 실가동의 상태에서의 결상성능의 정량계측이 반도체 생산관리의 시점에서 필요해지고 있다.

반도체 제조용의 노광장치 등의 축소투영계에 있어서, 투영렌즈는, 대물렌즈 및 결상렌즈에 의해 일체구성되어 있으므로, 이미 조합되어 있다. 그리고, 일체적으로 즉석으로도 파면수차가 계측가능하다.

　특허문헌 1 및 비특허문헌 1에는, 특수한 레티클(Reticle)을 노광하여, 레지스트(Resist)의 패턴(Pattern)상(像)으로부터 파면수차를 산출하는 수법이 기재되어 있다.

　특허문헌 2의 도 6에는, 레티클에 구면파생성용의 핀홀을 배치시키고, 고개구수의 투영렌즈하의 웨이퍼 스테이지에 핀홀, 릴레이렌즈, 마이크로렌즈 어레이로부터 구성되는 샤크-하트만 센서(Shack-Hartmann Sensor) System으로 파면수차를 산출하는 수법이 기재되어 있다.

미국특허 제5828455호 명세서 일본특허공개 2004-014865호 공보 일본특허공개 2004-014865호 공보

N.Farrar et al.: "In-situ measurement of lens aberrations," Proc. SPIE, 4000 (2000) 18-29. H.Medecki, "Phase-Shifting point diffraction interferometer", OPTICS LETTERS/Vol. 21, No. 19/October 1, 1996 M.Takeda, "Fourier-transform method of Fringe-Pattern analysis for computer-based topography and interferometry", J.Opt.Soc.Am/Vol.72, No1/Jan 1982

　비특허문헌 1 및 특허문헌 1의 수법은, 레지스트(Resist)상이 전제이며, 그 개념을 반도체검사장치에 적용하는 것은 곤란하다. 나아가, 특허문헌 2의 수법은 단색의 고개구수의 대물렌즈와 단색파장 전제의 샤크-하트만 센서라는 제한으로 성립하는 것이며, 레티클이 아니라 반도체 웨이퍼가 시료, 검사광의 파장은 광대파장역 내로부터 파장대를 선택하여 복수종류의 파장대를 이용하는 검사장치에는 적용이 곤란하다.

　한편, 간섭식 파면수차계측기술 일반이라는 시점에서는, 장치 제조메이커에서 자주 사용되고 있는 피조(Fizeau)형의 파면수차계측설비가 있다. 그러나, 이 장치는, 대형의 설비이며 이동은 곤란하고, 또한, 고액이다. 또한, 기준면을 필요로 하는 구성이다. 이 때문에, 계측정밀도는, 기준면의 면정밀도로 율속된다는 문제도 있다. 나아가, 일반적으로, 복수의 굴절미러(Mirror)가 구성에 포함되는 검사장치는, 결상광학계를 조합한 상태로 그 파면수차계측설비에 탑재하여 계측하는 것이 곤란하다.

　비특허문헌 2, 및, 특허문헌 2에는, PS-PDI(Phase Shifting Point Diffraction Interferometry)라는 파면수차계측기술이 기재되어 있다. 이들 문헌에 기재되어 있는 기술은, 간편한 부재로 구성되고, 기준파면은 간편한 핀홀로 생성되며, 고정밀도의 파면수차계측을 특징으로 하고 있다. 그러나, 특허문헌 2의 방법에서는, 개구수 0.9레벨의 결상광학계를 갖는 검사장치의 즉석계측으로서 구현화된 보고는 없다.

　본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 광학식 검사장치의 결상성능인 파면수차를 즉석에서 고정밀도로 계측할 수 있는 검사장치 및 파면수차계측방법을 제공한다.

본 발명에 따른 검사장치는, 검사시에 시료가 배치되고, 수차계측시에 점광원이 배치되는 스테이지와, 상기 검사시에 상기 시료를 조명한 조명광이 상기 시료에서 반사된 검사광을 투과시킴과 함께, 상기 수차계측시에 상기 점광원으로부터 출사된 계측광을 투과시키는 대물렌즈와, 상기 대물렌즈를 투과한 상기 검사광 및 상기 계측광을 투과시켜, 결상렌즈로서 기능하는 제1 렌즈로서, 상기 대물렌즈와 상기 제1 렌즈의 사이에 눈동자면(瞳面)이 형성되고, 상기 대물렌즈의 초점거리보다도 긴 초점거리를 갖는 상기 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈를 투과한 상기 검사광 및 상기 계측광을 투과시키는 제2 렌즈로서, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 중간결상면이 형성되는 상기 제2 렌즈와, 상기 제1 렌즈와 상기 중간결상면의 사이에 배치되고, 상기 계측광을 회절시키는 회절격자와, 상기 중간결상면의 초점심도 범위 내의 근방에 배치되고, 대공(大孔) 및 상기 대공보다도 내경이 작은 소공(小孔)이 형성되고, 상기 대공은 상기 계측광의 광축 상에 위치하며, 상기 소공은 상기 대공으로부터 이간되고, 상기 회절격자에 의해 회절된 회절광을 투과시키는 PDI(Point Diffraction Interferometry) 판과, 상기 제2 렌즈 및 튜브렌즈를 투과한 상기 검사광의 결상공역면(image forming conjugate plane)에 배치되고, 상기 시료의 상을 검출하는 제1 검출기와, 상기 제2 렌즈를 투과한 상기 계측광의 눈동자 공역면에 배치되고, 상기 계측광의 간섭상을 검출하는 제2 검출기와, 상기 제2 렌즈와 상기 튜브렌즈의 사이에 배치되고, 상기 검사시와 상기 수차계측시의 전환을 행하는 미러를 구비하고, 상기 검사시일 때는, 상기 회절격자 및 상기 PDI판은 상기 검사광의 광로로부터 퇴피시킨다.

상기 검사장치에서는, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면에 있어서의 배율은, 50배 이상이어도 된다.

상기 검사장치에서는, 상기 회절격자의 격자간, 상기 대공 및 상기 소공은, 중공(中空)이어도 된다.

상기 검사장치에서는, 상기 조명광은, 복수의 검사파장이 이용되고, 상기 계측광은, 상기 조명광의 검사파장대폭 내의 파장으로서, 상기 조명광의 검사파장대의 중심파장 또는 무게중심파장을 포함하고, 상기 계측광의 파장을 λ로 하고, 상기 대물렌즈의 개구수를 NA로 하고, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면의 배율을 M으로 하고, 상기 회절격자와 상기 PDI판 사이의 상기 광축방향의 거리를 L로 하고, 상기 회절격자의 각 격자의 피치를 P로 하면, 상기 대공의 내경 Φt는,

　Φt>30·0.61·λ/(NA/M)　　 (A)

　를 만족하고, 상기 소공의 내경 Φr은,

　Φr<0.61·λ/(NA/M)　　　　　 (B)

　를 만족하고, 상기 대공의 중심과, 상기 소공의 중심 사이의 거리 D는,

　D=L·tan(sin-1(λ/P))　　　　　(C)

　를 만족할 수도 있다.

상기 검사장치에서는, 상기 PDI판은, 복수의 검사파장에 대응하도록, 제1 대공, 제1 소공, 제2 대공 및 제2 소공을 포함하고, 상기 검사광에 있어서의 제1 검사파장에 대응한 제1 계측파장의 제1 계측광 및 제2 검사파장에 대응한 제2 계측파장의 제2 계측광을 상기 계측광은 포함하고, 상기 제1 대공, 상기 제1 소공 및 상기 제1 계측파장은, (A)식, (B)식 및 (C)식을 만족하고, 상기 제2 대공, 상기 제2 소공 및 상기 제2 계측파장은, (A)식, (B)식 및 (C)식을 만족하는 경우에, 상기 계측광이 상기 제1 계측광으로부터 상기 제2 계측광으로 변경할 때에, 상기 PDI판을 시프트 이동시키고, 상기 제1 계측광이 상기 제1 대공 및 상기 제1 소공을 투과하는 상태로부터 상기 제2 계측광이 상기 제2 대공 및 상기 제2 소공을 투과하는 상태로 변경할 수도 있다.

상기 검사장치에서는, 상기 PDI판에 있어서의 상기 대공 및 상기 소공의 주연의 두께 a는,

　a<λ/(NA/M)　　　　　　　　　　　　(D)

를 만족하고, 상기 PDI판에 있어서의 상기 주연을 둘러싸는 부분의 두께는, 기계강도를 크게 하도록, 상기 두께a의 2배 이상이어도 된다.

상기 검사장치에서는, 상기 대물렌즈의 시야 내에 있어서 상기 대물렌즈의 광축에 직교하는 면 내에서 상기 점광원을 이동시킨 경우에는, 상기 PDI판은, 상기 점광원의 이동량에, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면의 배율을 곱한 이동량만큼 이동될 수도 있다.

본 발명에 따른 파면수차계측방법은, 시료가 배치되는 스테이지와, 상기 시료를 조명한 조명광이 상기 시료에서 반사된 검사광을 투과시키는 대물렌즈와, 상기 대물렌즈를 투과한 상기 검사광을 투과시키는 제1 렌즈로서, 상기 대물렌즈와 상기 제1 렌즈의 사이에 눈동자면이 형성되고, 상기 대물렌즈의 초점거리보다도 긴 초점거리를 갖는 상기 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈를 투과한 상기 검사광을 투과시키는 제2 렌즈로서, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 중간결상면이 형성되는 상기 제2 렌즈와, 상기 제2 렌즈를 투과한 상기 검사광의 결상공역면에 배치되고, 상기 시료의 상을 검출하는 제1 검출기를 구비한 검사장치의 파면수차계측방법으로서, 상기 스테이지에 점광원을 배치시키는 단계와, 상기 점광원으로부터 출사된 계측광을 상기 대물렌즈에 대하여 투과시키는 단계와, 상기 대물렌즈를 투과한 상기 계측광을 상기 제1 렌즈에 대하여 투과시키는 단계와, 상기 제1 렌즈와 상기 중간결상면의 사이에 회절격자를 배치시키고, 상기 계측광을 회절시키는 단계와, 상기 중간결상면의 초점심도 내의 근방에 대공 및 상기 대공보다도 내경이 작은 소공이 형성된 PDI판을 배치시키고, 상기 대공을 상기 계측광의 광축 상에 위치하도록 하고, 상기 소공을 상기 대공으로부터 이간시키고, 상기 회절격자에 의해 회절된 회절광을 투과시키는 단계와, 상기 제2 렌즈를 투과한 상기 계측광의 간섭상을, 상기 계측광의 눈동자 공역면에 배치된 제2 검출기로 검출하는 단계를 구비한다.

상기 파면수차계측방법에서는, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면에 있어서의 배율은, 50배 이상이어도 된다.

상기 파면수차계측방법에서는, 상기 회절격자의 격자간, 상기 대공 및 상기 소공을, 중공으로 할 수도 있다.

상기 파면수차계측방법에서는, 상기 조명광은, 복수의 검사파장이 이용되고, 상기 계측광은, 상기 조명광의 검사파장대폭 내의 파장으로서, 상기 조명광의 검사파장대의 중심파장 또는 무게중심파장을 포함하고, 상기 계측광의 파장을 λ로 하고, 상기 대물렌즈의 개구수를 NA로 하고, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면의 배율을 M으로 하고, 상기 회절격자와 상기 PDI판 사이의 광축방향의 거리를 L로 하고, 상기 회절격자의 각 격자의 피치를 P로 하면, 상기 대공의 내경 Φt를,

　Φt>30·0.61·λ/(NA/M)　　 (A)

　를 만족하도록 하고, 상기 소공의 내경Φr을,

　Φr<0.61·λ/(NA/M)　　　　　　　(B)

　를 만족하도록 하고, 상기 대공의 중심과, 상기 소공의 중심 사이의 거리D를,

　D=L·tan(sin-1(λ/P))　　　　　 (C)

　를 만족하도록 할 수도 있다.

상기 파면수차계측방법에서는, 상기 PDI판은, 복수의 검사파장에 대응하도록, 제1 대공, 제1 소공, 제2 대공 및 제2 소공을 포함하도록 하고, 상기 검사광에 있어서의 제1 검사파장에 대응한 제1 계측파장의 제1 계측광 및 상기 검사광에 있어서의 제2 검사파장에 대응한 제2 계측파장의 제2 계측광을 상기 계측광은 포함하도록 하고, 상기 제1 대공, 상기 제1 소공 및 상기 제1 계측파장은, (A)식, (B)식 및 (C)식을 만족하고, 상기 제2 대공, 상기 제2 소공 및 상기 제2 계측파장은, (A)식, (B)식 및 (C)식을 만족하는 경우에, 상기 계측광을 상기 제1 계측광으로부터 상기 제2 계측광으로 변경할 때에, 상기 PDI판을 시프트 이동시키고, 상기 제1 계측광이 상기 제1 대공 및 상기 제1 소공을 투과하는 상태로부터 상기 제2 계측광이 상기 제2 대공 및 상기 제2 소공을 투과하는 상태로 변경할 수도 있다.

상기 파면수차계측방법에서는, 상기 PDI판에 있어서의 상기 대공 및 상기 소공의 주연의 두께 a를,

　a<λ/(NA/M)　　　　　　　　　　　　　(D)

를 만족하도록 하고, 상기 PDI판에 있어서의 상기 주연을 둘러싸는 부분의 두께를, 기계강도를 크게 하도록, 상기 두께 a의 2배 이상으로 할 수도 있다.

상기 파면수차계측방법에서는, 상기 대물렌즈의 시야 내에 있어서 상기 대물렌즈의 광축에 직교하는 면 내에서 상기 점광원을 이동시킨 경우에는, 상기 PDI판을, 상기 점광원의 이동량에, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면의 배율을 곱한 이동량만큼 이동시킬 수도 있다.

본 발명에 의해, 광학식 검사장치의 결상성능인 파면수차를 즉석에서 고정밀도로 계측할 수 있는 검사장치 및 파면수차계측방법을 제공한다.

도 1은 실시형태 1에 따른 검사장치에 있어서, 시료검사계의 구성을 예시한 도면이다.
도 2는 실시형태 1에 따른 검사장치에 있어서, 대물렌즈 및 릴레이렌즈의 파면수차를 계측하는 계측 광학계의 구성을 예시한 도면이다.
도 3은 실시형태 1에 따른 검사장치에 있어서, PDI판을 예시한 평면도이다.
도 4는 실시형태 1에 따른 검사장치에 있어서, Null판을 예시한 평면도이다.
도 5는 실시형태 1에 따른 검사장치를 이용한 검사방법을 예시한 플로우차트도이다.
도 6은 실시형태 1에 따른 검사장치를 이용한 파면수차계측방법을 예시한 플로우차트도이다.
도 7은 실시형태 2에 따른 검사장치에 있어서, PDI판을 예시한 평면도이다.
도 8은 실시형태 3에 따른 검사장치에 있어서, PDI판을 예시한 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.

(실시형태 1)

이하, 실시형태 1에 따른 검사장치를 설명한다. 본 실시형태의 검사장치는, 반도체 디바이스 웨이퍼 등의 시료를 검사하는 시료검사계와 함께, 검사장치에 구비된 대물렌즈 등의 파면수차를 계측하는 계측 광학계를 갖고 있다. 먼저, <시료검사계의 구성>을 설명한다. 다음에, <수차계측 광학계의 구성>을 설명한다. 그리고, 검사장치를 이용한 <시료검사방법> 및 <파면수차계측방법>을 설명한다.

<시료검사계의 구성>

도 1은, 실시형태 1에 따른 검사장치에 있어서, 시료검사계의 구성을 예시한 도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 검사장치(1)는, 광원(Light Source)(LS), 빔 스플리터(Beam Splitter)(BS), 스테이지(Stage)(10), 대물렌즈(20), 눈동자 릴레이렌즈(Relay Lens)(21), 눈동자 릴레이렌즈(22), 튜브렌즈(Tube Lens)(23), 검출기(30)를 구비하고 있다. 검사장치(1)는, 미러(MR1 및 MR2) 등, 적당히, 필요한 광학부재를 구비할 수도 있다.

광원(LS)은, UV램프 또는 LPP광원(Laser Produced Plasma) 등이며, 조명광(L0)을 생성하고, 조명광(L0)을 출사한다. 출사된 조명광(L0)은, 빔 스플리터(BS)에 의해 일부가 반사되어, 대물렌즈(20)에 입사된다. 대물렌즈(20)에 입사된 조명광(L0)은, 대물렌즈(20)를 투과한다. 그 때, 조명광(L0)은 대물렌즈(20)로 집광된다.

스테이지(10)는, 대물렌즈(20)의 광축 상에 배치되어 있다. 스테이지(10)에는, 시료(11)가 배치되어 있다. 시료(11)는, 예를 들어, 반도체 디바이스가 형성된 웨이퍼이다. 한편, 시료(11)는, 반도체 디바이스가 형성된 웨이퍼에 한정되지 않고, 반도체기판 등의 웨이퍼여도 되고, 포토마스크 등의 반도체 디바이스를 제조하기 위한 부재여도 된다.

여기서, 검사장치(1)의 설명의 편의를 위해, XYZ직교좌표축계를 도입한다. 대물렌즈(20)의 광축을 Z축방향으로 하고, 스테이지(10)의 상면을 XY평면으로 한다.

대물렌즈(20)로 집광된 조명광(L0)은, 시료(11)를 조명한다. 시료(11)를 조명한 조명광(L0)은, 시료(11)의 시료면(15)에서 반사된다. 시료(11)의 시료면(15)에서 반사된 반사광을 검사광(L1)이라 부른다. 검사광(L1)은, 대물렌즈(20)에 입사된다. 그리고, 검사광(L1)은, 대물렌즈(20)를 투과한다. 그 때, 검사광(L1)은, 대물렌즈(20)에서 평행광으로 콜리메이트된다. 이와 같이, 대물렌즈(20)는, 시료(11)를 조명한 조명광(L0)이 시료(11)에서 반사된 검사광(L1)을 투과시킨다. 대물렌즈(20)를 투과한 검사광(L1)은, 빔 스플리터(BS)에 의해 일부가 투과되어, 눈동자 릴레이렌즈(21)에 입사된다.

검사광(L1)이 눈동자 릴레이렌즈(21)에 입사될 때에, 대물렌즈(20)와 눈동자 릴레이렌즈(21)의 사이에 눈동자면(25)이 형성되고, 눈동자상이 형성된다. 대물렌즈(20)의 내부, 혹은 외측에 눈동자면(25)이 형성되면, 필터(Filter), 조리개 등을 넣는 것이 곤란하므로, 통상은, 이와 같이, 눈동자 릴레이렌즈(21) 및 눈동자 릴레이렌즈(22)를 개재하여 릴레이시키고, 눈동자 릴레이렌즈(22)의 초점면(45)에 눈동자상을 형성시켜, MR2의 반사측의 주광로에 있는 눈동자 공역면(45)에 필터, 조리개를 배치한다.

눈동자 릴레이렌즈(21)의 초점거리는, 예를 들어, 대물렌즈(20)의 초점거리보다도 50배 정도 크게, 시료(11)의 확대상을 중간결상면(35)에 형성한다. 예를 들어, 이 확대배율을 50으로 했을 때, 대물렌즈(20)의 NA(numerical aperture)는, 0.9라고 하면, 릴레이렌즈(21)의 NA는, 0.9/50=0.018이다. 한편, 대물렌즈(20)의 NA는, 이들로 한정되지 않는다. 예를 들어, 대물렌즈(20)의 NA는, 경우에 따라서는, 0.85~0.9여도 되고, 0.9~0.95여도 된다. 눈동자 릴레이렌즈(21)는, 입사된 검사광(L1)을 투과시킨다. 그 때, 눈동자 릴레이렌즈(21)는, 검사광(L1)을 집광한다. 이에 따라, 눈동자 릴레이렌즈(21)와 눈동자 릴레이렌즈(22) 사이의 중간결상면(35)에는, 시료(11)의 중간상이 결상된다.

이와 같이, 눈동자 릴레이렌즈(21)는, 대물렌즈(20)를 투과한 검사광(L1)을 투과시키고, 대물렌즈(20)의 개구수보다도 작은 개구수를 갖는다.

눈동자 릴레이렌즈(22)는, 눈동자 릴레이렌즈(21)를 투과한 검사광(L1)을 투과시킨다. 그 때, 눈동자 릴레이렌즈(22)는, 검사광(L1)을 평행광으로 한다. 눈동자 릴레이렌즈(21)와 눈동자 릴레이렌즈(22)의 사이에 중간결상면(35)이 형성되고, 중간상이 결상된다. 한편, 눈동자 릴레이렌즈(21)를 투과한 검사광(L1)을, 미러(Mirror)(MR1)로 반사시킨 후, 눈동자 릴레이렌즈(22)에 입사시킬 수도 있다.

중간결상면(35)에 있어서의 중간상의 배율은, 대물렌즈(20)의 초점거리와 눈동자 릴레이렌즈(21)의 초점거리의 비로 결정된다. 중간상의 배율은, 예를 들어, 50배 이상이고, 50~70배 등이다. 한편, 중간상의 배율은, 이들로 한정되지 않는다.

눈동자 릴레이렌즈(22)를 투과한 검사광(L1)은, 예를 들어, 평행광이 된다. 눈동자 릴레이렌즈(22)를 투과한 검사광(L1)은, 튜브렌즈(23)에 입사된다. 한편, 눈동자 릴레이렌즈(22)를 투과한 검사광(L1)을, 미러(MR2)로 반사시킨 후, 튜브렌즈(23)에 입사시킬 수도 있다. 눈동자 릴레이렌즈(22)와 튜브렌즈(23)의 사이에는, 눈동자 공역면(45)이 형성된다. 또한, MR2의 투과측에도 눈동자 공역면(45)이 형성된다.

튜브렌즈(23)는, 릴레이렌즈(22)를 투과한 검사광(L1)을 집광한다. 튜브렌즈(23)는, 초점거리가 상이한 렌즈를 복수 탑재할 수도 있다. 이에 따라, 복수의 결상배율을 실현할 수 있다. 튜브렌즈(23)는, 초점거리가 상이한 렌즈를 전환하여 사용할 수도 있다. 이에 따라, 검출기(30)의 검출면에 결상공역면(55)이 형성되고, 시료(11)에 있어서의 시료면(15)의 상이 결상된다.

검출기(30)는, 눈동자 릴레이렌즈(22)를 투과한 검사광(L1)의 결상공역면(55)에 배치된다. 예를 들어, 튜브렌즈(23)에 의해, 눈동자 릴레이렌즈(22)를 투과한 검사광(L1)을 결상시킨 결상공역면(55)에 배치된다. 그리고, 검출기(30)는, 시료(11)에 있어서의 시료면(15)의 상을 검출한다. 검출기(30)의 검출면에 있어서의 시료면(15)의 상의 배율은, 예를 들어, 70배~300배 등이다. 검출기(30)는, 예를 들어, 카메라여도 된다. 검출기(30)는, 이미지센서를 가질 수도 있다. 예를 들어, 이미지센서는, 시료면(15)의 상을 기록한다.

검사장치(1)는, 예를 들어, 대형의 현미경이어도 된다. 검사장치(1)에 있어서의 광로 전체가, 길어지므로(예를 들어, 3~5[m]), 검사장치(1)는, 몇개의 굴절미러를 포함할 수도 있다. 본 실시형태의 검사장치(1)는, 굴절미러 등을 광로로부터 퇴피 또는 반투과시킴으로써, 시료검사계에 검사광(L1)을 도입시켜, 결상공역면(55)을 관찰한다. 한편 수차계측시에는 시료면(15)에 점광원을 배치하여 발광시키고, MR2는 퇴피시키며, 수차계측 광학계에 계측광을 도입시켜, 눈동자 공역면(45)을 검출기(60)로 관찰하는 것이 가능한 구성으로 되어 있다.

<수차계측계의 구성>

　다음에, 대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)의 수차를 계측하는 수차계측계의 구성을 설명한다. 도 2는, 실시형태 1에 따른 검사장치(1)에 있어서, 대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)의 수차를 계측하는 수차계측계의 구성을 예시한 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 검사장치(1)는, 대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)의 파면수차를 계측할 때에는, 점광원생성유닛(12), 회절격자(40), PDI판(Point Diffraction Interferometry Plate)(50), 검출기(60)를 구비하고 있다.

점광원생성유닛(12)은, 이상적인 구면파(16)를 포함하는 검사광(L2)을 출사한다. 이에 따라, 점광원생성유닛(12)은, 점광원으로서 기능한다. 점광원생성유닛(12)은, 스테이지(10)에 배치된다. 따라서, 스테이지(10)는, 시료(11) 또는 점광원이 배치된다. 점광원생성유닛(12)은, 예를 들어, 도시하지 않은 레이저(Laser)광원과, 레이저광원으로부터 출사된 레이저빔(Laser Beam)을 집광하는 도시하지 않은 렌즈와, 핀홀(Pinhole)(13)이 형성된 핀홀판(14)을 포함할 수도 있다.

핀홀판(14)의 일방의 판면 또는 패턴면은, 대물렌즈(20)에 대향하고 있다. 핀홀판(14)의 일방의 판면과, 시료(11)의 시료면(15)은, 대물렌즈(20)의 광축 상에 있어서, 동일한 위치에 배치된다. 핀홀(13)의 내경은, λ/(대물렌즈(20)의 NA) 이하로 한다. 예를 들어, 레이저빔(즉, 계측광(L2))의 파장이 355[nm]이고, 대물렌즈(20)의 NA가 0.9인 경우에는, 핀홀(13)의 내경은, 394[nm] 이하가 바람직하다.

레이저광원은, 예를 들어, DPSS레이저(Diode Pumped Solid State Lasar)이다. 레이저빔은, 핀홀판(14)의 타방의 판면측을 조사한다. 이에 따라, 레이저빔은, 핀홀판(14)의 타방의 판면측으로부터 핀홀(13)을 투과한다. 따라서, 레이저빔이 핀홀(13)을 통과, 회절한 이상(理想)구면파를 갖는 계측광(L2)이 핀홀(13)로부터 출사한다. 이와 같이 하여, 점광원생성유닛(12)은, 점광원으로서, 이상구면파인 계측광(L2)을 출사한다.

점광원생성유닛(12)으로부터 출사된 계측광(L2)은, 구면파(16)를 포함하고 있다. 구면파(16)를 포함하는 계측광(L2)은, 대물렌즈(20)를 투과한다. 그 때, 계측광(L2)은, 대물렌즈(20)에서 콜리메이트된다. 예를 들어, 대물렌즈(20)를 투과한 검사광(L2)은, 평행광으로 변환된다. 이와 같이, 대물렌즈(20)는, 점광원으로부터 출사된 계측광(L2)을 투과시킨다.

대물렌즈(20)가 수차를 갖지 않는 무수차인 경우에는, 대물렌즈(20)를 투과한 계측광(L2)은, 이상적인 평면파가 된다. 그러나, 수차를 포함하는 대물렌즈(20)를 투과한 계측광(L2)은, 왜곡된 평면파(17)가 된다.

대물렌즈(20)를 투과한 계측광(L2)은, 눈동자 릴레이렌즈(21)에 입사된다. 대물렌즈(20)와 눈동자 릴레이렌즈(21)의 사이에서 눈동자면(25)이 형성되고, 눈동자상이 형성된다. 계측광(L2)은, 눈동자 릴레이렌즈(21) 및 눈동자 릴레이렌즈(22)를 개재하여 눈동자면(25)에 눈동자상이 릴레이 결상된다. 눈동자 릴레이렌즈(21)는, 계측광(L2)을 투과시키고, 집광한다. 이에 따라, 눈동자 릴레이렌즈(21)와 릴레이렌즈(22)의 사이에는, 중간결상면(35)이 형성되고, 점광원의 중간상이 결상된다. 눈동자 릴레이렌즈(21)에 입사된 계측광(L2)은, 대물렌즈(20)의 수차를 포함하는 왜곡된 평면파(17)이므로, 눈동자 릴레이렌즈(21)를 투과한 계측광(L2)은, 왜곡된 구면파(18)를 포함한다.

회절격자(Grating)(40)는, 눈동자 릴레이렌즈(21)와 중간결상면(35)의 사이에 배치되어 있다. 회절격자(40)는, 투과형이어도 반사형이어도 되는데, 본 실시예에서는 투과형으로 설명한다. 회절격자(40)는, 대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)를 투과한 검사광(L2)을, 0차광, ±1차광, ±2차광, …, ±n차광으로 회절시킨다. 각 차수의 회절광은, 중간결상면(35)에 집광스팟(Spot)을 형성한다.

회절격자(40)는, 도시하지 않은 1차원으로 이동하는 액추에이터(Actuator)에 의해, 격자의 피치방향으로 격자의 피치(Pitch)의 0, 1/4, 1/2, 3/4스텝 이동할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는, Y축방향으로 회절격자(40)를 이동시킨다. 이에 따라, +1차(-1차) 회절광의 위상을, 0, π/2, π, 3π/2, 변조할 수 있다.

투과형의 회절격자(40)는, 박판에 라인앤스페이스(Line＆Space)상으로 격자를 형성한 것을 이용한다. 유리기판 상의 차광박막에 라인앤스페이스상의 패턴을 형성한 회절격자(40)에서는, 유리기판의 두께에 의한 본래는 없는 구면수차가 발생한다. 따라서, 투과형의 회절격자(40)는, 박판에, 포토에칭(Photo Etching) 또는 전주가공(Photo electroforming)으로 형성한 라인앤스페이스상의 격자가 형성된 것이 바람직하다. 이러한 회절격자(40)의 격자간은, 중공이다. 즉, 회절격자(40)의 격자간은, 공기 혹은 소정의 가스, 또는, 그들의 감압된 공간으로 되어 있다.

포토에칭 또는 전주가공의 프로세스(Process)로 형성가능한 최소 라인앤스페이스 치수로는, 예를 들어, 수십 마이크로미터 정도이다. 본 실시형태의 검사장치(1)에서는, 배율이 50~70배 정도로 확대된 공간에 회절격자(40)를 배치한다. 이에 따라, 수십 마이크로미터 정도의 라인앤스페이스 치수의 회절격자(40)여도, 원하는 조건을 만족할 수 있다. 따라서, 고도이고 고가인 프로세스에 의한 나노미터 오더의 라인앤스페이스 치수를 갖는 금속자립막 등을 회절격자(40)에 사용할 필요가 없어, 제조비용(Cost)을 저감할 수 있다.

PDI판(50)은, 중간결상면(35)의 소정 범위의 근방에 배치되어 있다. PDI판(50)은, 판상이다. 도 3은, 실시형태 1에 따른 검사장치(1)에 있어서, PDI판(50)을 예시한 평면도이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, PDI판(50)에는, 복수의 구멍이 형성되어 있다. 예를 들어, PDI판(50)에는, 대공(51) 및 대공(51)보다도 내경이 작은 소공(52)이 형성되어 있다. 대공(51) 및 소공(52)은, PDI판(50)을 관통한 관통공인 것이 바람직하다. 즉, 대공(51) 및 소공(52)은, 중공인 것이 바람직하다. 따라서, 대공(51) 및 소공(52)의 내부는, 공기 혹은 소정의 가스, 또는, 그들의 감압된 공간으로 되어 있다.

대공(51)은, 계측광(L2)의 광축 상에 위치한다. 구체적으로는, 대공(51)의 중심축은, 계측광(L2)의 광축 상에 위치하고 있다. 소공(52)은, 대공(51)으로부터 Y축방향으로 이간되어 있다. 소공(52)의 중심축은, +1차 회절광 또는 -1차 회절광의 집광점에 위치하고 있다.

왜곡된 구면파(18)를 포함하는 검사광(L2)은, 대공(51)에 입사된다. 그리고, 대공(51)을 투과한 계측광(L2)은, 여전히, 왜곡된 구면파(18)를 포함하고 있다. 대공(51)을 통과한 계측광(L2)을 테스트파(Test Wave)(TW)라고 부른다. 한편, 왜곡된 구면파(18)를 포함하는 계측광(L2)의 +1차 회절광 또는 -1차 회절광은, 소공(52)에 입사된다. 핀홀(13)x중간상 배율 정도로 작은 내경의 소공(52)을 투과한 계측광(L2)은, 이상적인 구면파(16)가 되어 소공(52)으로부터 출사된다. 따라서, 소공(52)으로부터 출사된 계측광(L2)은, 참조파(Reference Wave)(RW)가 되어 출사된다. 이와 같이, PDI판(50)은, 대공(51) 및 소공(52)을 개재하여, 회절격자(40)에 의해 회절된 회절광을 투과시킨다.

소공(52)의 직경Φr은, 이하의 (1)식을 만족한다.

Φr<0.61·λ/(NA/M)　　　　　　　　　　　　　(1)

여기서, λ는, 계측광(L2)의 파장이고, NA는, 대물렌즈(20)의 점광원생성유닛(12)측의 NA이고, M은, 대물렌즈(20)의 초점거리와 눈동자 릴레이렌즈(21)의 초점거리의 비로 결정되는 중간결상면(35)에 있어서의 배율이다. 계수 0.61은, 소위 에어리 디스크(Airy Disk)의 반경을 나타내는 계수이다. (1)식의 조건을 만족함으로써, 도면에 나타내는 바와 같이, 소공(52)을 투과, 회절한 참조파(19)가 이상적인 구면파(16)로 리셋(Reset)된다. 예를 들어, 계측광(L2)의 파장(λ)=355[nm]이고, 대물렌즈(20)의 점광원생성유닛(12)측의 NA=0.9이고, 중간결상면(35)에 있어서의 배율M=70으로 하면, Φr=16.8[㎛]이 된다. 이것은 전술의 포토에칭 또는 전주가공의 프로세스로 충분히 형성가능한 치수이다.

또한, 광축 상에 배치된 대공(51)의 직경Φt는, 이하의 (2)식을 만족한다.

Φt>30·0.61·λ/(NA/M)　　　　　　　　　　(2)

대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)를 투과한 계측광(L2)(0차광)은, 수차 때문에, PDI판(50)면에서 퍼져 있다. 계측광(L2)의 왜곡은, 수차와 상관이 있다. 따라서, 대공(51)의 직경의 선택은 중요하다. 여기서, (2)식 중의 30은, 계수인데, 이것을 크게하면 고차의 수차까지 계측할 수 있다. 그러나, 광학식 검사장치(1)의 경우는, 30 정도가 최소한이다. 예를 들어, 계측광(L2)의 파장(λ)을 355[nm]로 하고, NA를 0.9로 하고, 중간결상면(35)에 있어서의 배율(Ｍ)을 70으로 하면, Φt는, 약 500[㎛]이 된다.

PDI판(50)의 대공(51) 및 소공(52)의 치수는, 수~수백[㎛]이므로, 통상의 유리기판 상에의 패터닝 프로세스(Patterning Process), 또는, 전술의 포토에칭 혹은 전주가공의 프로세스로도 형성가능하다. 한편, 유리기판 상에 대공(51), 소공(52)을 형성한 것을 사용하는 경우는, 기판측을 출사측에 배치한다.

패터닝 프로세스로 형성한 PDI판(50)의 경우에는, 유리기판의 표리면에서의 다중반사를 피하기 위해, 반사방지코트를 실시할 수도 있다. 포토에칭 혹은 전주가공의 프로세스로 형성한 PDI판(50)의 경우는, 불필요한 다중반사에 의한 간섭호의 발생을 방지하는 것은 가능한데, 광량 손실을 최소한으로 방지하기 위해서는, PDI판(50)의 두께(PDI판두께라고 부른다.)는, (3)식을 만족하는 것이 바람직하다.

PDI판두께<λ/(NA/M)　　　　　　　　　　　　　　　(3)

예를 들어, 계측광(L2)의 파장(λ)을 355[nm]로 하고, 대물렌즈(20)의 NA를 0.9로 하고, 중간결상면(35)에 있어서의 배율(Ｍ)을 70으로 하면, 약 28[㎛]이다. 포토에칭 혹은 전주가공의 프로세스여도 두께가 얇으면 기계강도를 확보할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 대공(51) 및 소공(52)의 주연만 얇은 2단구성이 바람직하다. 예를 들어, PDI판(50)에 있어서의 대공(51) 및 소공(52)의 주연의 두께를 상기 PDI판두께로 하고, PDI판(50)에 있어서의 주연을 둘러싸는 부분의 두께는, 기계강도를 크게 하도록, 상기 PDI판두께의 2배 이상인 것이 바람직하다. 이에 따라, 기계적 강도를 확보하면서, 광량 손실을 억제할 수 있다. 한편, 포토에칭 혹은 전주가공의 프로세스는, 함께 2단 프로세스가 가능하다.

대공(51)을 통과한 테스트파(TW) 및 소공(52)을 통과한 참조파(RW)는, 눈동자 릴레이렌즈(22)를 투과한다. 이와 같이, 눈동자 릴레이렌즈(22)는, 테스트파(TW) 및 참조파(RW)를 포함하는 계측광(L2)을 투과시킨다. 테스트파(TW) 및 참조파(RW)는, 검출기(60)의 검출면에 1차원의 경사평면파의 간섭상(Fringe)을 형성한다.

검출기(60)는, 눈동자 릴레이렌즈(22)를 투과한 계측광(L2)의 눈동자 공역면(45)에 배치되어 있다. 검출기(60)는, 계측광(L2)의 간섭상을 검출한다. 검출기(60)는, 예를 들어, 카메라여도 된다. 검출기(60)는, 이미지센서를 가질 수도 있다. 예를 들어, 이미지센서는, 전술의 간섭호를 기록한다.

검출기(60)는, 구체적으로는, 도 1의 미러(MR2)의 앞에 배치될 수도 있다. 수차계측계로 계측하는 경우에는, 미러(MR2)를 광로에서 제외한다. 검출기(60)는, 시료검사계의 MR2 반사측의 광로 상의 눈동자 공역면(45)에 배치하지 않는 편이 바람직하다. 시료검사계의 광로 상의 눈동자 공역면(45)은, 통상은, 다수의 조리개, 광학필터 등이 전환식 기구로서 장비되어 있다. 따라서, 이들 광학부재를 전환구동하여 시료검사계의 광로로부터 퇴피시키는 것은, 시료검사계의 광로의 결상성능에 영향을 미칠 리스크(Risk)가 있다. MR2의 투과측의 수차계측계 내의 눈동자 공역면(45)에 간섭상기록용의 검출기(60)를 배치함으로써, 시료검사계의 주성능에 미치는 영향을 억제할 수 있다.

간섭상으로부터 파면수차를 구하기 위해서는, 예를 들어, 잘 알려진 간섭상 스캔(Fringe Scan)방식을 이용한다. 이것은, 회절격자(40)를 1차원으로 이동시키는 시프트(Shift)구동에 의해, 4개의 위상에서 4매의 간섭상을 취득한다. 그리고, 4매의 간섭상의 간단한 연산에 의해, 검출기(60)의 화소단위로, 파면수차(단위는, Radium 또는 2π로 나눈 Waves)를 얻을 수 있다. 계측재현성을 고려하여, 1위상당의 간섭상을 복수매로 평균화할 수도 있다.

그런데, 얻어진 파면수차는, 눈동자 릴레이렌즈(22)에서 발생한 수차도 포함한다. 이것을 제거하기 위해, Null판(56)을 이용한다. 도 4는, 실시형태 1에 따른 검사장치(1)에 있어서, Null판(56)을 예시한 평면도이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, Null판(56)에는, 2개의 소공(57) 및 소공(58)이 형성되어 있다. 소공(57)은, PDI판(50)에 있어서의 대공(51)과 동일한 위치에 형성되어 있다. 소공(58)은, PDI판(50)에 있어서의 소공(52)과 동일한 위치에 형성되어 있다. Null판(56)의 소공(57)의 내경은, PDI판(50)의 대공(51)의 내경보다도 작다. Null판(56)의 소공(57) 및 소공(58)은, PDI판(50)의 소공(52)과 동일한 내경을 갖고 있다.

PDI판(50) 대신에, Null판(56)을 배치시킨다. 그리고, Null판(56)의 소공(57) 및 소공(58)을 이용하여, PDI판(50)과 동일한 방법으로, 간섭상 스캔을 행한다. 이에 따라, 눈동자 릴레이렌즈(22)에서 발생한 수차를 계측할 수 있다. PDI판(50)을 이용하여 계측한 수차로부터, Null판(56)을 이용하여 계측한 수차를 뺌으로써, 대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)에서 발생하는 파면수차를 고정밀도로 계측할 수 있다.

한편, 간섭상으로부터 파면수차를 계측하는 방법으로는, 비특허문헌 3에서 서술되어 있는 1위상의 1매의 간섭상으로부터 푸리에(Fourier)변환에 의한 방법도 있다. 이 경우에는, 보다 세밀한 피치의 간섭상이 필요해지므로, 회절격자(40)에 있어서의 격자의 피치를 간섭상 스캔방식의 그것의 1/2 등으로 하여, 간섭의 경사각도를 2배 이상으로 크게 취할 필요가 있다. 일반적으로, 간섭상 스캔방식이 푸리에방식보다도 고정밀도라고 일컬어지고 있다. 그러나, 일장일단이기 때문에 최적의 수법선택은 중요하다.

본 실시형태에 있어서, 스테이지(10)에 배치하는 점광원생성유닛(12) 이외의 회절격자(40) 및 PDI판(50)을 상설해 두고, 계측시 이외는, 이들 부재를 시료검사계의 광로로부터 퇴피해 두는 전환가능기구로 하는 것도 가능하다. 회절격자(40) 및 PDI판(50)을 배치하는 중간결상면(35)의 근방은, 통상, 시야 조리개 이외의 기능소자는 없다. 이 때문에, 설치공간에 여유가 있으므로 상설도 가능하다.

또한, 중간결상면(35)의 근방은, 예를 들어, 50~70배로 확대된 공간이다. 이 때문에, 공간치수도 비교적 크게 확보할 수 있다. 광속(光束)도 NA/(50~70)으로 되어 있으므로, 의도하지 않은 광속 비네팅(vignetting)도 회피할 수 있다. 회절격자(40) 및 PDI판(50)은, 일체기구로 하는 것도 가능하며, 간섭계측계의 안정성이 개선된다. 혹은, 치공구적으로 수차계측시만, 점광원생성유닛(12) 이외의 회절격자(40) 및 PDI판(50)을 장착하는 구성으로 할 수도 있다.

<시료검사방법>

　다음에, 본 실시형태의 시료검사방법을, 플로우차트도를 참조하여 설명한다. 도 5는, 실시형태 1에 따른 검사장치(1)를 이용한 시료검사방법을 예시한 플로우차트도이다.

도 5의 단계S11에 나타내는 바와 같이, 스테이지(10)에 시료(11)를 배치시킨다. 다음에, 단계S12에 나타내는 바와 같이, 조명광(L0)을 대물렌즈(20)로 집광하여 시료(11)를 조명한다. 다음에, 단계S13에 나타내는 바와 같이, 조명광(L0)이 시료(11)에서 반사된 검사광(L1)을 대물렌즈(20)에 대하여 투과시킨다. 그 때, 대물렌즈(20)는, 검사광(L1)을 평행광으로 변환한다.

다음에, 단계S14에 나타내는 바와 같이, 눈동자 릴레이렌즈(21) 및 눈동자 릴레이렌즈(22)간에 중간결상면(35)을 형성하도록, 검사광(L1)을 눈동자 릴레이렌즈(21) 및 눈동자 릴레이렌즈(22)를 릴레이시켜 투과시킨다. 다음에, 단계S15에 나타내는 바와 같이, 눈동자 릴레이렌즈(22)를 투과한 검사광(L1)을 미러(MR2)로 튜브렌즈(23)에 유도한다. 다음에, 단계S16에 나타내는 바와 같이, 튜브렌즈를 개재한 검사광(L1)의 결상공역면(55)에 배치된 검출기(30)로 시료(11)의 상을 검출한다. 이와 같이 하여, 검사장치(1)는, 시료(11)를 검사할 수 있다.

<파면수차계측방법>

　다음에, 본 실시형태의 파면수차계측방법을, 플로우차트도를 참조하여 설명한다. 도 6은, 실시형태 1에 따른 검사장치(1)를 이용한 파면수차계측방법을 예시한 플로우차트도이다.

도 6의 단계S21에 나타내는 바와 같이, 스테이지(10)에 점광원을 배치시킨다. 구체적으로는, 검사장치(1)에 있어서의 스테이지(10)에 점광원생성유닛(12)을 배치시켜, 시료면(15)과 동일한 위치에 배치시킨 점광원으로부터 계측광(L2)을 출사시킨다.

다음에, 단계S22에 나타내는 바와 같이, 점광원으로부터 출사된 계측광(L2)을 대물렌즈(20)에 대하여 투과시킨다. 이에 따라, 계측광(L2)은, 대물렌즈(20)의 수차를 포함하는 왜곡된 평면파(17)가 된다.

다음에, 단계S23에 나타내는 바와 같이, 대물렌즈(20)를 투과한 계측광(L2)을 눈동자 릴레이렌즈(21)에 대하여 투과시킨다. 이에 따라, 계측광(L2)은, 대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)의 수차를 포함하는 왜곡된 구면파(18)가 된다.

다음에, 단계S24에 나타내는 바와 같이, 눈동자 릴레이렌즈(21)와 중간결상면(35)의 사이에 회절격자(40)를 배치시키고, 회절격자(40)로 계측광을 회절시킨다.

다음에, 단계S25에 나타내는 바와 같이, 중간결상면(35)의 초점심도 내의 근방에 대공(51) 및 소공(52)이 형성된 PDI판(50)을 배치시킨다. 그 때, 대공(51)을 계측광(L2)의 광축 상에 위치하도록 하고, 소공(52)을 대공(51)으로부터 이간시킨다. 그리고, 회절격자(40)에 의해 회절된 회절광을 대공(51) 및 소공(52)에 투과시킨다. 구체적으로는, 회절광의 0차광을 대공(51)에, +1차광 또는 -1차광을 소공(52)에 투과시킨다.

다음에, 단계S26에 나타내는 바와 같이, 검사장치(1)의 주광로로부터 미러(MR2)를 퇴피시키고, 계측광(L2)이 후단의 검출기(60)측의 눈동자 공역면(45)에 유도되도록 한다.

다음에, 단계S27에 나타내는 바와 같이, 계측광을 눈동자 릴레이렌즈(22)에 대하여 투과시킨다. 그리고, 눈동자 공역면(45)에 배치된 검출기(60)로 간섭상을 검출시킨다. 따라서, 간섭상으로부터 대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)의 수차파면을 계측한다. 이와 같이 하여, 수차파면을 계측할 수 있다.

다음에, 본 실시형태의 효과를 설명한다. 본 실시형태의 검사장치(1)는, 시료(11)의 검사장치(1)에, 점광원생성유닛(12), 회절격자(40) 및 PDI판(50)을 추가함으로써, 대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)의 파면수차를 계측할 수 있다. 이에 따라, 고액의 구성부재를 이용하는 일 없이, 또한, 시료검사계의 광로에 영향을 미치는 일 없이, 게다가, 즉석에서, 대물렌즈(20) 및 눈동자 릴레이렌즈(21)를 조합한 상태에서의 결상성능을 계측할 수 있다.

또한, 대물렌즈(20)의 NA는, 눈동자 릴레이렌즈(21)의 NA보다도 크게 하고 있다. 따라서, 스텝퍼 등의 축소광학계와는 상이하며, 확대광학계로 되어 있다. 따라서, 중간결상면(35)의 배율을 50배 이상으로 할 수 있고, 공간적인 여유를 갖도록 할 수 있다. 따라서, 중간결상면(35)에 회절격자(40) 및 PDI판(50) 등의 광학부재를 배치시킬 수 있다.

또한, 회절격자(40)의 라인앤스페이스의 간격, 그리고, PDI판(50)의 대공(51) 및 소공(52)의 치수를 수십 마이크론 오더로 크게 할 수 있다. 따라서, 회절격자(40) 및 PDI판(50) 등의 광학부재의 제조비용을 저감할 수 있다. 이에 따라, 회절격자(40)의 격자간, 대공(51) 및 소공(52)을 중공으로 형성해도, 기계적 강도를 유지할 수 있다.

눈동자 릴레이렌즈(22)를 배치함으로써, 간섭상을 검출하는 검출기(60)를 눈동자 공역면(45)에 배치할 수 있고, 고정밀도로 간섭상을 해석할 수 있다. 또한, 눈동자 공역면(45)에 검출기(60)를 배치할 수 있으므로, 검사장치(1)를 컴팩트하게 할 수 있다. 대물렌즈(20), 눈동자 릴레이렌즈(21, 22)는 본래의 반도체검사에서도 사용하는 광학부재이고, 또한, 본 발명에서는 수차계측용도 겸하고 있기 때문에 새로운 렌즈계를 추가할 필요가 없고, 심플한 구성이 가능하다.

소공(52)의 내경Φr을, 계측파장, 대물렌즈(20)의 NA, 중간상 배율을 포함한 식으로 설정하고 있다. 이에 따라, 구면파(16)로 리셋되는 소공(52)의 조건을 규정하여, 참조파(RW)를 이상적인 구면파(16)에 근접시킬 수 있다. 따라서, 고정밀도로 파면수차를 계측할 수 있다.

PDI판(50)에 있어서의 대공(51) 및 소공(52)의 주연의 두께를, 계측파장, 대물렌즈(20)의 NA, 중간상 배율을 포함한 식으로 설정하고 있다. 이에 따라, 구면파(16)로 리셋되는 소공(52)의 조건을 규정하여, 참조파(RW)를 이상적인 구면파에 근접시킬 수 있다. 따라서, 고정밀도로 파면수차를 계측할 수 있다.

나아가, 즉석에서의 본 계측결과를 이용한 반도체 제조라인의 관리가 가능해진다. 또한, 수차의 계측결과를 이용하여 검사장치(1)의 결상성능을 개선하기 위한 조명동(照明瞳) 필터, 결상동 필터 등의 광학소자의 설계를 할 수 있다. 또한, 복수의 검사장치(1)간의 결상성능의 차를 보정하는 시책설계도 가능해진다.

(실시형태 2)

다음에, 실시형태 2에 따른 검사장치를 설명한다. 전술의 실시형태 1의 검사장치(1)는, 즉석에 있어서의 시료검사계 및 수차계측계에 있어서, 임의파장에서의 시료(11)의 검사 및 파면수차의 계측을 행한다. 본 실시형태의 검사장치는, 광파장대역 내에서 복수의 파장대(이하, 밴드라고 부른다.)를 사용하여, 시료(11)의 검사 및 파면수차의 계측을 행한다.

예를 들어, 스테이지(10)에 장착하는 점광원생성유닛(12)은, 266[nm], 355[nm], 375[nm], 430[nm], 457[nm], 501[nm] 등의 파장의 DPSS레이저를 이용할 수도 있다. 이들 계측레이저파장은 반도체검사용의 검사파장에 대응하고 있다. 예를 들어, 검사파장밴드의 중심파장이 계측파장이다. 점광원생성유닛(12) 내의 집광렌즈 및 핀홀판(14)은, 파장에 따른 설계를 필요로 할 수도 있다. 이 때문에, 점광원생성유닛(12)은, 파장의 종류만큼 준비할 수도 있다. PDI판(50)은, 검사광(L2)의 파장에 따라서, 대공(51) 및 소공(52)의 직경을 전술의 (1)식, (2)식에 따라서 형성한다.

또한, 대공(51)의 중심과, 소공(52)의 중심 사이의 거리D(Spacing)를, 검사광(L2)의 파장에 따라서, 이하의 (4)식에 따라 배치한다.

D=L·tan(sin-1(λ/P))　　　　　　　(4)

여기서, L은, 회절격자(40)와 PDI판(50) 사이의 광축방향의 거리를 나타내고, P는, 회절격자(40)에 있어서의 격자의 피치를 나타내고, λ는, 계측광(L12)의 파장이다. 예를 들어, L=70[mm], P=30[㎛], λ=266[nm]인 경우에는, D=0.6[mm]이다.

PDI판(50) 내의 D에서 회절광의 선택이 가능하므로, 회절격자(40)는, 각 파장에서 공통의 것을 사용할 수 있다.

도 7은, 실시형태 2에 따른 검사장치에 있어서, PDI판(50)을 예시한 평면도이다.

도 7에 나타내는 바와 같이, PDI판(50)에는, 각 파장λ1, λ2, λ3(λ1<λ2<λ3)에 대응한 대공(51) 및 소공(52)의 페어(Pair)가 형성되어 있다. 예를 들어, 파장(λ1)에 대응하여 대공(511) 및 소공(521)이 형성되고, 파장(λ2)에 대응하여 대공(512) 및 소공(522)이 형성되고, 파장(λ3)에 대응하여 대공(513) 및 소공(523)이 형성되어 있다. 파장에 따라서, 회절격자(40)의 회절방향과 직교하는 방향(도면의 Y축방향)에 PDI판(50)을 시프트 이동시켜 이용한다.

이와 같이, 본 실시형태에서는, PDI판(50)은, 대공(511), 소공(521), 대공(512), 소공(522), 대공(513) 및 소공(523)을 포함한다. 계측광(L2)은, 파장(λ1)의 제1 계측광, 파장(λ2)의 제2 계측광 및 파장(λ3)의 제3 계측광을 포함한다. 대공(511), 소공(521) 및 파장(λ1)은, (1)식, (2)식 및 (4)식을 만족하고, 대공(512), 소공(522) 및 파장(λ2)은, (1)식, (2)식 및 (4)식을 만족하고, 대공(513), 소공(523) 및 파장(λ3)은, (1)식, (2)식 및 (4)식을 만족한다. 이 경우에, 계측광(L2)이 제1 계측광으로부터 제2 계측광으로 변경할 때에, PDI판(50)을 시프트 이동시키고, 제1 계측광이 대공(511) 및 소공(521)을 투과하는 상태로부터 제2 계측광이 대공(512) 및 소공(522)을 투과하는 상태로 변경한다. 계측광(L2)이 제2 계측광으로부터 제3 계측광으로 변경할 때에, PDI판(50)을 시프트 이동시키고, 제2 계측광이 대공(512) 및 소공(522)을 투과하는 상태로부터 제3 계측광이 대공(513) 및 소공(523)을 투과하는 상태로 변경한다.

본 실시형태에 따르면, 파장의존성이 있는 광학재료를 사용하고 있지 않으므로, (1)식~(4)식 등의 광학 파라미터(Parameter) 변경만으로 다파장대를 이용하는 검사장치(1)에도 적용할 수 있다. 이 이외의 구성 및 효과는, 실시형태 1의 기재에 포함되어 있다.

(실시형태 3)

다음에, 실시형태 3에 따른 검사장치를 설명한다. 본 실시형태의 검사장치는, 상고를 변경하여 시료(11)의 검사 및 파면수차의 계측을 한다. 점광원생성유닛(12)은, 스테이지(10)에 배치되어 있으므로, 스테이지(10)를 이동시킴으로써, 수차를 계측평가하는 상고를 용이하게 변경할 수 있다. 이에 수반하여, PDI판(50)을 XY평면 내에서 이동시킨다.

도 8은, 실시형태 3에 따른 검사장치에 있어서, PDI판(50)을 예시한 평면도이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 예를 들어, 점광원생성유닛(12)에 있어서의 시료면(15) 상의 핀홀(13)의 좌표를, 대물렌즈(20)의 광축으로부터 Y축방향으로 Δ시프트했을 때(상고(像高)Y=Δ), PDI판(50)도 Y방향으로 M×Δ 이동시킨다. 여기서, M은, 중간결상면의 배율이다. 대물렌즈(20)의 시료(11) 상의 시야를 ΦS로 한다. 그렇게 하면, PDI판(50)은, ±(S/2)×M만큼 Y축방향으로 이동할 수 있게 되어 있다. 한편, 회절격자(40)는, 상고의 변동에 대하여 큰 유효영역을 갖는다고 하고 있다.

이와 같이, 본 실시형태에서는, 대물렌즈(20)의 시야 내에 있어서 대물렌즈(20)의 광축에 직교하는 면 내에서 점광원을 이동시킨 경우에는, PDI판(50)은, 점광원의 이동량에, 중간결상면(35)의 배율을 곱한 이동량만큼 이동된다.

본 실시형태에 따르면, 점광원생성유닛(12)의 XY평면 상의 위치와, PDI판(50)의 XY평면 상의 위치를 연동시켜 파면수차를 계측한다. 이에 따라, 대물렌즈(20)의 시야 내의 임의 상고에서의 파면수차를 계측할 수 있다. 이 이외의 구성 및 효과는, 실시형태 1 및 2의 기재에 포함되어 있다.

본 발명은 상기 실시의 형태로 한정된 것은 아니며, 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적당히 변경하는 것이 가능하다. 예를 들어, 실시형태 1~3의 각 구성은, 서로 조합할 수 있다.

1　검사장치
10　스테이지
11　시료
12　점광원생성유닛
13　핀홀
14　핀홀판
15　시료면
16　구면파
17　왜곡된 평면파
18　왜곡된 구면파
20　대물렌즈
21　눈동자 릴레이렌즈
22　눈동자 릴레이렌즈
23　튜브렌즈
25　눈동자면
30　검출기
35　중간결상면
40　회절격자
45　눈동자 공역면
50　PDI판
51　대공
52　소공
55　결상공역면
56　Null판
57, 58　소공
60　검출기
BS　빔 스플리터
L0　조명광
L1　검사광
L2　계측광
LS　광원
MR1, MR2　미러
RW　참조파
TW　테스트파

Claims (14)

1. 검사시에 시료가 배치되고, 수차계측시에 점광원이 배치되는 스테이지;
   상기 검사시에 상기 시료를 조명한 조명광이 상기 시료에서 반사된 검사광을 투과시킴과 함께, 상기 수차계측시에 상기 점광원으로부터 출사된 계측광을 투과시키는 대물렌즈;
   상기 대물렌즈를 투과한 상기 검사광 및 상기 계측광을 투과시켜, 결상렌즈로서 기능하는 제1 렌즈로서, 상기 대물렌즈와 상기 제1 렌즈의 사이에 눈동자면이 형성되고, 상기 대물렌즈의 초점거리보다도 긴 초점거리를 갖는 상기 제1 렌즈;
   상기 제1 렌즈를 투과한 상기 검사광 및 상기 계측광을 투과시키는 제2 렌즈로서, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 중간결상면이 형성되는 상기 제2 렌즈;
   상기 제1 렌즈와 상기 중간결상면의 사이에 배치되고, 상기 계측광을 회절시키는 회절격자;
   상기 중간결상면의 초점심도 범위 내의 근방에 배치되고, 대공 및 상기 대공보다도 내경이 작은 소공이 형성되고, 상기 대공은 상기 계측광의 광축 상에 위치하며, 상기 소공은 상기 대공으로부터 이간되고, 상기 회절격자에 의해 회절된 회절광을 투과시키는 PDI(Point Diffraction Interferometry)판;
   상기 제2 렌즈 및 튜브렌즈를 투과한 상기 검사광의 결상공역면에 배치되고, 상기 시료의 상을 검출하는 제1 검출기;
   상기 제2 렌즈를 투과한 상기 계측광의 눈동자 공역면에 배치되고, 상기 계측광의 간섭상을 검출하는 제2 검출기; 및
   상기 제2 렌즈와 상기 튜브렌즈의 사이에 배치되고, 상기 검사시와 상기 수차계측시의 전환을 행하는 미러
   를 포함하고,
   상기 검사시일 때는, 상기 회절격자 및 상기 PDI판을 상기 검사광의 광로로부터 퇴피시키는,
   검사장치.
   
2. 제1항에 있어서,　
   상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면에 있어서의 배율은, 50배 이상인,
   검사장치.
   
3. 제1항에 있어서,　
   상기 회절격자의 격자간, 상기 대공 및 상기 소공은, 중공인,
   검사장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 조명광은, 복수의 검사파장이 이용되고,
   상기 계측광은, 상기 조명광의 검사파장대폭 내의 파장으로서, 상기 조명광의 검사파장대의 중심파장 또는 무게중심파장을 포함하고, 상기 계측광의 파장을 λ로 하고, 상기 대물렌즈의 개구수를 NA로 하고, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면의 배율을 M으로 하고, 상기 회절격자와 상기 PDI판 사이의 상기 광축 방향의 거리를 L로 하고, 상기 회절격자의 각 격자의 피치를 P로 하면, 상기 대공의 내경Φt는,
   Φt>30·0.61·λ/(NA/M)　　 (A)
   를 만족하고, 상기 소공의 내경Φr은,
   Φr<0.61·λ/(NA/M)　　　　　　　(B)
   를 만족하고, 상기 대공의 중심과, 상기 소공의 중심 사이의 거리D는,
   D=L·tan(sin-1(λ/P))　　　　　(C)
   를 만족하는,
   검사장치.
   
5. 제4항에 있어서,　
   상기 PDI판은, 복수의 검사파장에 대응하도록, 제1 대공, 제1 소공, 제2 대공 및 제2 소공을 포함하고,
   　상기 검사광에 있어서의 제1 검사파장에 대응한 제1 계측파장의 제1 계측광 및 제2 검사파장에 대응한 제2 계측파장의 제2 계측광을 상기 계측광은 포함하고,
   　상기 제1 대공, 상기 제1 소공 및 상기 제1 계측파장은, (A)식,　(B)식 및 (C)식을 만족하고, 상기 제2 대공, 상기 제2 소공 및 상기 제2 계측파장은, (A)식,　(B)식 및 (C)식을 만족하는 경우에, 상기 계측광이 상기 제1 계측광으로부터 상기 제2 계측광으로 변경할 때에, 상기 PDI판을 시프트 이동시키고, 상기 제1 계측광이 상기 제1 대공 및 상기 제1 소공을 투과하는 상태로부터 상기 제2 계측광이 상기 제2 대공 및 상기 제2 소공을 투과하는 상태로 변경하는,
   　검사장치.
   
6. 제4항에 있어서,　
   상기 PDI판에 있어서의 상기 대공 및 상기 소공의 주연의 두께a는,
   a<λ/(NA/M)　　　　　　　　　　　　　(D)
   를 만족하고,
   상기 PDI판에 있어서의 상기 주연을 둘러싸는 부분의 두께는, 기계강도를 크게 하도록, 상기 두께a의 2배 이상인,
   검사장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 대물렌즈의 시야 내에 있어서 상기 대물렌즈의 광축에 직교하는 면 내에서 상기 점광원을 이동시킨 경우에는, 상기 PDI판은, 상기 점광원의 이동량에, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면의 배율을 곱한 이동량만큼 이동되는,
   검사장치.
   
8. 시료가 배치되는 스테이지;
   상기 시료를 조명한 조명광이 상기 시료에서 반사된 검사광을 투과시키는 대물렌즈;
   상기 대물렌즈를 투과한 상기 검사광을 투과시키는 제1 렌즈로서, 상기 대물렌즈와 상기 제1 렌즈의 사이에 눈동자면이 형성되고, 상기 대물렌즈의 초점거리보다도 긴 초점거리를 갖는 상기 제1 렌즈;
   상기 제1 렌즈를 투과한 상기 검사광을 투과시키는 제2 렌즈로서, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 중간결상면이 형성되는 상기 제2 렌즈; 및
   상기 제2 렌즈를 투과한 상기 검사광의 결상공역면에 배치되고, 상기 시료의 상을 검출하는 제1 검출기,
   를 구비한 검사장치의 파면수차계측방법으로서,
   상기 스테이지에 점광원을 배치시키는 단계;
   상기 점광원으로부터 출사된 계측광을 상기 대물렌즈에 대하여 투과시키는 단계;
   상기 대물렌즈를 투과한 상기 계측광을 상기 제1 렌즈에 대하여 투과시키는 단계;
   상기 제1 렌즈와 상기 중간결상면의 사이에 회절격자를 배치시키고, 상기 계측광을 회절시키는 단계;
   상기 중간결상면의 초점심도 내의 근방에 대공 및 상기 대공보다도 내경이 작은 소공이 형성된 PDI판을 배치시키고, 상기 대공을 상기 계측광의 광축 상에 위치하도록 하고, 상기 소공을 상기 대공으로부터 이간시키고, 상기 회절격자에 의해 회절된 회절광을 투과시키는 단계; 및
   상기 제2 렌즈를 투과한 상기 계측광의 간섭상을, 상기 계측광의 눈동자 공역면에 배치된 제2 검출기로 검출하는 단계
   를 포함하는, 파면수차계측방법.
   
9. 제8항에 있어서,　
   상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면에 있어서의 배율을, 50배 이상으로 하는,
   　파면수차계측방법.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 회절격자의 격자간, 상기 대공 및 상기 소공을, 중공으로 하는,
    파면수차계측방법.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 조명광은, 복수의 검사파장이 이용되고,
    상기 계측광은, 상기 조명광의 검사파장대폭 내의 파장으로서, 상기 조명광의 검사파장대의 중심파장 또는 무게중심파장을 포함하고,
    상기 계측광의 파장을 λ로 하고, 상기 대물렌즈의 개구수를 NA로 하고, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면의 배율을 M으로 하고, 상기 회절격자와 상기 PDI판 사이의 광축방향의 거리를 L로 하고, 상기 회절격자의 각 격자의 피치를 P로 하면, 상기 대공의 내경Φt를,
    Φt>30·0.61·λ/(NA/M)　　 (A)
    를 만족하도록 하고, 상기 소공의 내경Φr을,
    Φr<0.61·λ/(NA/M)　　　　　　　(B)
    를 만족하도록 하고, 상기 대공의 중심과, 상기 소공의 중심 사이의 거리D를,
    D=L·tan(sin-1(λ/P))　　　　　 (C)
    를 만족하도록 하는,
    파면수차계측방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 PDI판은, 복수의 검사파장에 대응하도록, 제1 대공, 제1 소공, 제2 대공 및 제2 소공을 포함하도록 하고, 상기 검사광에 있어서의 제1 검사파장에 대응한 제1 계측파장의 제1 계측광 및 상기 검사광에 있어서의 제2 검사파장에 대응한 제2 계측파장의 제2 계측광을 상기 계측광은 포함하도록 하고,
    상기 제1 대공, 상기 제1 소공 및 상기 제1 계측파장은, (A)식, (B)식 및 (C)식을 만족하고, 상기 제2 대공, 상기 제2 소공 및 상기 제2 계측파장은, (A)식, (B)식 및 (C)식을 만족하는 경우에, 상기 계측광을 상기 제1 계측광으로부터 상기 제2 계측광으로 변경할 때에, 상기 PDI판을 시프트 이동시키고, 상기 제1 계측광이 상기 제1 대공 및 상기 제1 소공을 투과하는 상태로부터 상기 제2 계측광이 상기 제2 대공 및 상기 제2 소공을 투과하는 상태로 변경하는,
    파면수차계측방법.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 PDI판에 있어서의 상기 대공 및 상기 소공의 주연의 두께a를,
    a<λ/(NA/M)　　　　　　　　　　　　(D)
    를 만족하도록 하고,
    상기 PDI판에 있어서의 상기 주연을 둘러싸는 부분의 두께를, 기계강도를 크게 하도록, 상기 두께a의 2배 이상으로 하는,
    파면수차계측방법.
    
14. 제8항에 있어서,
    상기 대물렌즈의 시야 내에 있어서 상기 대물렌즈의 광축에 직교하는 면 내에서 상기 점광원을 이동시킨 경우에는, 상기 PDI판을, 상기 점광원의 이동량에, 상기 대물렌즈의 초점거리와 상기 제1 렌즈의 초점거리의 비로 결정되는 상기 중간결상면의 배율을 곱한 이동량을 이동시키는,
    파면수차계측방법.
    
    

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