WO2010097880A1 - Duv-uv帯域の分光光学系およびそれを用いた分光測定装置 - Google Patents

Duv-uv帯域の分光光学系およびそれを用いた分光測定装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2010097880A1
WO2010097880A1 PCT/JP2009/006963 JP2009006963W WO2010097880A1 WO 2010097880 A1 WO2010097880 A1 WO 2010097880A1 JP 2009006963 W JP2009006963 W JP 2009006963W WO 2010097880 A1 WO2010097880 A1 WO 2010097880A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical system
sample
spectroscopic
wavelength
lens
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/006963
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
岡恵子
吉武康裕
Original Assignee
株式会社日立製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立製作所 filed Critical 株式会社日立製作所
Priority to US13/145,942 priority Critical patent/US8730471B2/en
Publication of WO2010097880A1 publication Critical patent/WO2010097880A1/ja

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0625Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0278Control or determination of height or angle information for sensors or receivers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0297Constructional arrangements for removing other types of optical noise or for performing calibration
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/10Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/9501Semiconductor wafers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/956Inspecting patterns on the surface of objects
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/16Microscopes adapted for ultraviolet illumination ; Fluorescence microscopes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/56Measuring geometric parameters of semiconductor structures, e.g. profile, critical dimensions or trench depth
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • G02B13/143Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation for use with ultraviolet radiation
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/84Processes or apparatus specially adapted for manufacturing record carriers

Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic optical system and a spectroscopic measurement device, and in particular, an optical system arrangement using only a refractive lens capable of vertical illumination, from deep ultraviolet light (DUV) to ultraviolet light (UV) (190 nm to 400 nm).
  • the present invention relates to a spectroscopic optical system and a spectroscopic measurement apparatus that are color-corrected in a wide band.
  • Color correction includes a method using a reflective optical system or a refractive optical system.
  • Patent Document 1 a spectroscopic optical system for the ultraviolet region including a Schwarzschild type color correction lens system is described in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-127830 (Patent Document 1).
  • Patent Document 2 In a refracting / diffractive optical system, an optical system in which color correction is performed with respect to an ultraviolet wavelength ⁇ and a wavelength 2 ⁇ that is twice the wavelength ⁇ using a diffractive optical element is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-90051 ( Patent Document 2).
  • the refraction type optical system is color-corrected from the near ultraviolet of 350 nm or more to the visible region so as to enable high resolution observation and ultraviolet fluorescence confocal in near ultraviolet light, and the focal position is matched
  • a near-ultraviolet objective lens is described in Japanese Patent No. 3288441 (Patent Document 3).
  • An imaging objective lens characterized in that fluorite and quartz are used as lens materials and color correction is performed in a wide band from the ultraviolet to the infrared region having a wavelength of about 200 nm is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-90115. (Patent Document 4).
  • the optical system described in Patent Document 1 is a reflection type, broadband color correction is possible.
  • illumination on the sample surface is obliquely incident.
  • the oblique illumination is not a problem when the sample surface is stationary, but becomes a problem when the entire sample surface is continuously scanned by rotating the sample surface.
  • FIG. 3 in the case of the oblique incidence illumination 811, there is a problem that the sample surface oscillates up and down (sample surface 1, 1 ′) due to continuous scanning, and the scanning target position shifts (scanning target positions 821, 831). It was.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a situation in which the displacement due to vertical vibration of the sample surface is reduced in the case of vertical illumination.
  • the vertical illumination 812 even if the sample surface oscillates up and down due to continuous scanning (sample surfaces 1, 1 ′), the displacement of the scanning target position becomes small (scanning target positions 822, 832).
  • the refraction / diffractive optical system described in Patent Document 2 has a problem in that it is a two-wavelength color correction only for the ultraviolet wavelength ⁇ and a wavelength 2 ⁇ that is twice that wavelength, and does not support broadband color correction. It was.
  • the refractive optical system described in Patent Document 3 has a problem that color correction including deep ultraviolet of 350 nm or less with high sensitivity is not performed in detecting a defect of the sample surface structure.
  • the refractive optical system described in Patent Document 4 has a problem that it does not cope with the bonding of a cemented lens that causes a problem in the ultraviolet region.
  • a UV curing agent adheresive
  • the UV curing agent is hardened by irradiating it with ultraviolet light. Therefore, if the refractive optical system composed of a cemented lens using a UV curing agent is continuously irradiated with ultraviolet light, the UV curing agent portion deteriorates. The gas generated at this time is reattached to the lens surface, so that the transmittance is lowered.
  • An object of the present invention is to provide an optical system that enables vertical illumination with little influence of sample surface vibration and realizes DUV-UV (190 nm to 400 nm) broadband color correction in a spectroscopic optical system and a spectroscopic measurement apparatus using the spectroscopic optical system. It is to provide.
  • the spectroscopic optical system of the present invention includes a light source, a folding mirror, a field stop, and an illumination optical system including an object side objective lens system for illuminating a sample, the object side objective lens system, the field stop, the folding mirror, and A detection optical system including an image-side condensing lens system disposed on the object-side image-forming plane; a spectroscope that divides specularly reflected light from the sample; and the object-side objective lens system,
  • the image-side condensing lens system is a spectroscopic optical system that is color-corrected in a broad band with a wavelength of 190 to 400 nm and is composed only of a refractive lens, and has a working distance (WD) of WD ⁇ 10. It is set to satisfy 0 mm. Thereby, color correction can be performed in the DUV-UV region.
  • each cemented lens interval D is further set to ( ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2) / (4n ⁇ ) ⁇ D in consideration of one-time reflection.
  • n is the refractive index of air and ⁇ is the spectroscopic resolution.
  • ⁇ 2 is a wavelength to be examined, and the longest wavelength is selected from the band wavelengths to be examined.
  • ⁇ 1 is obtained by adding the spectroscopic resolution ⁇ to the wavelength of the examination wavelength ⁇ 2.
  • the cemented lens interval D is increased by 1.5 times.
  • the irradiation optical system irradiates the sample vertically. For this reason, positional deviation due to defocus during high-speed and continuous inspection is reduced.
  • the spectroscopic measurement apparatus of the present invention includes the spectroscopic optical system, a stage on which a sample is mounted, and the position of the sample can be moved relative to the spectroscopic optical system, and the spectroscope and the stage unit.
  • the controller includes a control unit that controls the operation, and a data processing unit that detects the shape or shape abnormality of the pattern formed on the sample based on the spectral intensity distribution detected by the spectrometer.
  • the data processing unit further includes a database storing a graph of wavelength dependence of spectral reflectance calculated in advance for different pattern shapes in the sample, and is detected by the spectroscope. Based on the spectral intensity distribution obtained, a wavelength dependence graph of the spectral reflectance measured for the sample is obtained, and the spectral dependence measured for the sample from the wavelength dependence graph of the spectral reflectance stored in the database.
  • the pattern shape formed on the sample is specified by selecting a graph that matches the wavelength dependence graph of the reflectance by comparing the spectral reflectance waveforms.
  • the pattern shape includes the film thickness.
  • DUV-UV 190 nm to 400 nm
  • vertical illumination is possible, and positional deviation due to defocus during high-speed and continuous inspection, which is a problem in oblique incidence illumination of a conventional reflective optical system, is reduced.
  • (A) is the perspective view which showed typically the patterned media used as a sample in one embodiment of this invention
  • (b) is the pattern of the data part and servo part in patterned media It is the top view which expanded and showed the example. It is a figure which shows the condition where position shift generate
  • (A) is the figure which showed the working distance (WD) which considered the lens and the lens barrel which packs it.
  • (B) is a diagram showing the relationship between working distance (WD) and color shift ( ⁇ x). It is the figure which showed the principle of the interference non-uniformity (unevenness of light quantity) of interference which generate
  • (A) is a diagram showing a schematic diagram when the air distance D between two lenses is set to 0 to 0.5 ⁇ m.
  • (B) is a graph showing a simulation result of the transmitted light rate when the air gap D is changed by 0 to 0.5 ⁇ m with respect to the wavelength of 199.50 to 200.50 nm.
  • (A) is a diagram showing a schematic diagram when the air gap D between two lenses is set to 30 to 30.1 ⁇ m.
  • (B) is a graph showing a simulation result of the transmitted light rate when the air gap D is changed by 30 to 30.1 ⁇ m with respect to the wavelength of 199.50 to 200.50 nm.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a spectroscopic optical system according to an embodiment of the present invention.
  • the spectroscopic optical system includes an illumination optical system and a detection optical system.
  • the illumination optical system has a structure that vertically illuminates the sample 1 on the stage via the light source 100 that irradiates illumination light, the folding member 110, the field stop 120, and the object-side objective lens system 130.
  • the detection optical system passes from the sample surface 1 via the object side objective lens system 130, the field stop 120, the folding mirror 110, and the image side condensing lens system 140 disposed on the object side imaging surface.
  • This is a structure in which the spectroscope 150 that divides regular reflected light is vertically illuminated.
  • the sample surface 1 and the incident surface of the spectroscope 150 are in a conjugate relationship.
  • FIG. 2A is a perspective view schematically showing a patterned medium used as the sample 1.
  • the patterned medium 2000 is a recording medium in which magnetic particles are artificially regularly arranged on a disk.
  • the patterned medium 2000 is a magnetic storage medium used in a hard disk device or the like.
  • a data unit 2100 for writing user data and a servo unit 2200 for tracking control and data access control including a burst signal, an address, a preamble, and the like exist.
  • the arrangement of the data portion 2100 and the servo portion 2200 on the disk surface is schematically shown by lines.
  • FIG. 2B is an enlarged plan view showing an example of the pattern of the data part 2100 and the servo part 2200 in the patterned medium 2000 of FIG.
  • the magnetic thin film pattern on the convex portion of the substrate subjected to the uneven processing corresponds to the servo pattern of the patterned medium 2000.
  • the servo unit 2210 includes a burst signal 2220 for performing tracking control.
  • the data portion 2110 magnetic thin films that form tracks that are continuous in the circumferential direction are formed in a state separated by concave portions. This type of patterned media 2000 is called a discrete track media.
  • FIG. 2C is a plan view showing an enlarged pattern example of the data portion 2100 and the servo portion 2200 in the patterned medium 2000 of FIG.
  • the magnetic thin film forming the data bit is formed in a state separated by the concave portion.
  • This type of patterned media 2000 is called bit patterned media.
  • the data part 2100 and the servo part 2200 need to be separated.
  • the reason is that when the data portion 2100 is irradiated with illumination light, the spectral waveform is detected and the sample surface is inspected, an accurate spectral waveform cannot be detected if an illumination light spot is applied to the servo portion 2200.
  • oblique incidence illumination as shown in FIG. 3, when the entire surface of the data portion 2100 of the patterned media 2000 is continuously scanned, the sample surface of the sample 1 oscillates up and down, and as a result, the scanning target position 821. , 831 are shifted and the servo section 2200 is more likely to be applied.
  • the number of lenses is N
  • the height of the peripheral ray 850 of each lens is hi
  • the height of the peripheral ray of the final lens is hN
  • the distance from the final lens surface to the object surface is SN
  • the refractive power and Abbe number of each lens are set as ⁇ i and ⁇ i.
  • the refractive power ⁇ i of each lens surface is based on the difference between the curvature radius r of the lens surface and the refractive index n ( ⁇ ) on both sides
  • the Abbe number ⁇ i is based on the refractive index of the center wavelength ⁇ 0, short wavelength ⁇ 1, and long wavelength ⁇ 2. Desired. This leads to chromatic aberration ⁇ S.
  • Formula (1) is represented by the following Formula (2).
  • chromatic aberration can be reduced by reducing ⁇ ( ⁇ i / ⁇ i) or the distance SN from the final lens surface to the object surface.
  • the former can be reduced by adjusting the curvature radius, thickness, and interval of each lens.
  • the latter can be reduced by reducing the working distance (WD) of the lens.
  • FIG. 7 shows the color shift when the surface distance (WD) between the sample 1 and the lens 910 is decreased.
  • the color shift is a difference in illumination width 854 of each wavelength on the plane S0 perpendicular to the optical axis.
  • the calculation method of the difference in illumination width 854 of each wavelength on the surface S0 is as follows.
  • the position 852 and the RMS value 853 of the outermost imaging spot 851 in the plane S0 perpendicular to the optical axis are calculated by ray tracing.
  • the illumination width 854 is expressed by the following formula (3) based on the position 852 of the imaging spot 851 and the RMS value 853.
  • X ⁇ is the illumination width
  • x and P ⁇ are the position of the imaging spot and the RMS value, respectively.
  • the color shift is expressed by the following formula (4) based on the illumination width 854 of each wavelength.
  • ⁇ x is the color shift (%) of each wavelength
  • Max. (X ⁇ ) is the maximum illumination width of each wavelength ⁇
  • Min. (X ⁇ ) is the minimum illumination width of each wavelength ⁇
  • Ave. (X ⁇ ) indicates the average illumination width of each wavelength ⁇ .
  • the color shift of the wavelength is divided by 2 in order to evaluate on one side.
  • the simulation result of FIG. 6B is a plot of the color shift of each wavelength calculated above by reducing the surface spacing (WD).
  • the color shift can be reduced to 10% or less by setting WD ⁇ 10.0 mm.
  • the lower limit of WD ⁇ 10.0 mm is a limit value due to mounting, such as the lens barrel 920.
  • the color shift becomes extremely large.
  • the light and dark unevenness (light intensity unevenness) due to interference that occurs when the lens is bonded and a thin spacer is inserted when the UV curing agent (adhesive) is not used will be examined.
  • the light ray 960 incident on the surface of the first lens 930 at an incident angle ⁇ includes light 961 transmitted through the second lens 950 and light 970 reflected.
  • the reflected light 970 is transmitted through the first lens 930, then reflected by the second lens 950 and the surface of the first lens 930, and transmitted through the second lens 950.
  • a difference in optical path length occurs between the transmitted light 961 and the reflected light 970 according to the air gap D980.
  • light / dark unevenness (light intensity unevenness) caused by interference is expressed by Expression (5) in the case of multiple reflection.
  • I is the intensity
  • Et is the transmitted light amplitude
  • Et1 is the amplitude of the light 961 transmitted through the second lens 950
  • Et2 is reflected (reflected once) on the surfaces of the second lens 950 and the first lens 930
  • the transmitted light amplitudes Et3 and Et4 follow.
  • the light 961 transmitted through the second lens 950 and the reflected light 970 have an optical path length difference ⁇ shown in Expression (6).
  • the refractive index of air is n
  • the air interval is D
  • the incident angle is ⁇ .
  • a phase difference ⁇ of ⁇ is generated between the light 961 transmitted through the second lens 950 and the reflected light 970, which can be expressed by Expression (7).
  • is the optical path length difference and ⁇ is the wavelength.
  • Equation (8) for two-beam interference can be obtained.
  • I is the transmitted light intensity of two-beam interference
  • Et is the transmitted light amplitude
  • Et1 is the amplitude of the light 961 transmitted through the second lens 950
  • Et2 is reflected on the surfaces of the second lens 950 and the first lens 930 (reflected twice) )
  • the amplitude of the light 970 transmitted through the second lens 950 The degree of light and dark unevenness (light intensity unevenness) caused by interference depends on the phase difference ⁇ .
  • the wavelength ⁇ 2 is the examination wavelength
  • ⁇ 1 is the wavelength of the examination wavelength ⁇ 2 plus the spectrometer resolution ⁇ .
  • the wavelength ⁇ 2 is selected as the longest wavelength among the band wavelengths to be studied. This is because the value of D increases as the wavelength increases.
  • Equation (10), Equation (11), and Equation (12) can be derived from Equation (9).
  • the difference between the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 can be the spectroscopic resolution ⁇ .
  • the spectroscopic resolution ⁇ and the integer value m are in an inversely proportional relationship.
  • Spectroscopic resolution ⁇ and air interval D are in an inversely proportional relationship. Therefore, when the spectroscopic resolution ⁇ is large, the air interval D is small. On the other hand, when the resolution ⁇ of the spectroscope is small, the air interval D becomes large.
  • the wavelength band is 200 to 400 nm.
  • the wavelengths considered are (1) 200 ⁇ 0.25, 0.50 nm, (2) 300 ⁇ 0.25, 0.50 nm, (3) 400 ⁇ 0.25, 0.50 nm.
  • the transmitted light rate in the air gap D is examined.
  • FIG. 9A a structure including a first lens 930, a second lens 950, and an air layer 940 is assumed.
  • a light beam 960 incident on the surface of the first lens 930 at an incident angle ⁇ is reflected by the light 961 transmitted through the second lens 950, the first lens 930, and the surface of the second lens 950, and transmitted through the light 970.
  • the transmitted light rate when the air gap D980 is changed by 0 to 0.5 ⁇ m is examined.
  • the respective wavelengths are (1) 200 nm, (2) 300 nm, and (3) 400 nm.
  • FIG. 9 (b) is a simulation result of the transmitted light rate when the air gap D980 is changed by 0 to 0.5 ⁇ m with respect to the wavelength (1) 200 nm.
  • the wavelengths of the transmitted light transmittance waveform shown in FIG. 9B are 199.50 nm, 199.75 nm, 200.00 nm, 200.25 nm, and 200.50 nm, respectively, which are 990 on average.
  • the air gap D980 is as small as 0 to 0.5 ⁇ m
  • the waveform phases of all the wavelengths coincide with each other, and when the average is 990, light and dark unevenness (light intensity unevenness) occurs. This is because the air distance D980 is small, and there is almost no difference in optical path length between the transmitted light 960 and the reflected light 970, and the action of canceling each other does not work.
  • the respective wavelengths are (1) 200 nm, (2) 300 nm, and (3) 400 nm.
  • FIG. 10 (b) is a simulation result of the transmitted light rate when the air interval D980 'is expanded to 30 ⁇ m and the wavelength is changed by 30 to 30.1 ⁇ m with respect to the wavelength (1) 200 nm.
  • the wavelengths of the transmitted light transmittance waveform shown in FIG. 10B are 199.50 nm, 199.75 nm, 200.00 nm, 200.25 nm, and 200.50 nm, respectively, which are average 990 '.
  • the air gap D980 ' is as large as 30 to 30.1 ⁇ m
  • the waveform phase of each wavelength is shifted, and when the average is 990', the light and dark unevenness (light intensity unevenness) is made uniform. This is because the air distance D980 'is large, and an optical path length difference is generated between the transmitted light 960' and the transmitted light 970 'through the reflection, thereby canceling each other.
  • the air from equation (13) The interval D needs to satisfy D ⁇ 40.1 ⁇ m.
  • D ⁇ 40.1 ⁇ m there is almost no difference in optical path length between the transmitted light 960 and the transmitted light 970 through reflection, and the effects of canceling each other do not work. Unevenness) occurs.
  • FIG. 11 (a) is a graph in which the Peak-to-Valley value 999 is plotted for each air interval D with respect to the transmitted light rate waveform when the spectroscopic resolution ⁇ is 0.3 nm and the wavelength is 400 nm.
  • FIG. 12 is a diagram showing a configuration example of a hard disk inspection apparatus using the spectroscopic optical system of the present embodiment.
  • the hard disk inspection apparatus includes a spectroscopic optical system 200 that irradiates the sample 1 with illumination light and spectrally detects specularly reflected light from the sample 1 and the sample 1 to be inspected, and performs spectroscopic analysis at an arbitrary position on the sample 1.
  • a stage unit 300 that can move the position of the sample 1 relative to the spectroscopic optical system 200, a control unit 400 that controls the operation of the spectroscope 150 and the stage unit 300, and the spectroscope 150.
  • a data processing unit 500 that detects the shape or shape abnormality of the pattern formed on the sample 1 based on the spectral waveform data detected in step (1).
  • the spectroscopic optical system 200 has the same configuration as the spectroscopic optical system shown in FIG. At this time, if the position of the entrance of the spectroscope 150 is set as the imaging position, the size of the region to be spectrally detected in the sample 1 can be controlled by the size of the entrance. For example, if the size of the entrance is ⁇ 400 ⁇ m and the magnification on the imaging plane is 8 times, the size of the spectral detection region is ⁇ 50 ⁇ m on the inspection target disk (sample 1).
  • the applicable optical elements are limited.
  • a xenon lamp, a deuterium lamp, or the like that emits light having a wavelength of about 190 nm or more can be used.
  • a light source 100 that emits infrared light from visible light such as a halogen lamp may be used.
  • the stage unit 300 includes an X stage 301 that moves in a direction parallel to the sample surface of the sample 1, a Z stage 302 that moves in a direction perpendicular to the sample surface of the sample 101, and a disk (patterned media) of the sample 1 2000).
  • the Z stage 302 is for moving the sample 1 to the focus position of the spectroscopic optical system 200
  • the X stage 301 and the ⁇ stage 303 are for moving the spectroscopic optical system 200 to any position of the sample 1. It is.
  • XY stage may be used as a method of moving the spectroscopic optical system 200 to an arbitrary position of the sample 1.
  • the sample 1 is a disk and the pattern on the sample surface is also formed concentrically or on a concentric circle
  • the X ⁇ stage is more suitable.
  • the X ⁇ stage is more suitable than the XY stage because the operation is simpler. Therefore, the hard disk inspection apparatus of the present embodiment adopts the X ⁇ stage configuration of the X stage 301 and the ⁇ stage 303.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an outline of processing in the data processing unit 500.
  • the data processing unit 500 roughly performs the following two processes. One is calculation of spectral reflectance, and the other is pattern shape / defect detection processing. As described above, in the hard disk inspection device of the present embodiment, the pattern shape / defect of the sample 1 is detected based on the spectral reflectance on the surface of the sample 1.
  • the spectroscopic optical system 200 can detect the spectral intensity distribution on the surface of the sample 1. Therefore, an optical simulation is performed on the sample 1 having a different pattern shape 510 in advance, and the calculated wavelength dependence graph 511 of the spectral reflectance is stored in the database 513. Next, illumination light from the light source 100 is irradiated through the spectroscopic optical system 200 to the sample 1 on which the pattern is repeatedly formed, and regular reflection light from the sample surface is received by the spectroscope 150.
  • the data processing unit 500 obtains a wavelength dependence graph 512 of the spectral reflectance based on the spectral intensity distribution detected by the spectroscope 150. Finally, from the wavelength dependence graph 511 of the spectral reflectance calculated by the optical simulation stored in the database 513, an approximation to the wavelength dependence graph 512 of the spectral reflectance obtained by the measurement, By selecting the spectral reflectance waveform comparison 514, the shape of the sample 1 can be specified.
  • the illumination optical system including the light source 100, the folding mirror 110, the field stop 120, and the object-side objective lens system 130 that illuminates the sample 1, and the object
  • the spectroscopically reflected light from the sample 1 and the detection optical system including the side objective lens system 130, the field stop 120, the folding mirror 110, and the image side condenser lens system 140 disposed on the imaging surface on the sample 1 are dispersed.
  • the spectroscope 150 is configured.
  • the object-side objective lens system 130 and the image-side condenser lens system 140 are color-corrected in a wide band of wavelengths from 190 nm to 400 nm from deep ultraviolet to ultraviolet light, and are composed only of refractive lenses.
  • the vertical epi-illumination reduces the positional shift due to defocus, which is a problem in the oblique incidence illumination of the reflective optical system.
  • the broadband color correction makes the illumination position for each wavelength coincide and enables high-precision spectroscopic measurement (structure, film thickness measurement, etc.).
  • the spectroscopic optical system 200 and the spectroscopic measurement apparatus are configured to detect the pattern shape / defect on the surface of the patterned medium 2000 by spectroscopic measurement.
  • the structure can be detected by spectral reflectance matching in the data processing unit 500.
  • it can be used not only for the structure of the surface of the sample 1 but also for measuring the thickness of a thin film by spectroscopic measurement.
  • the spectroscopic optical system and spectroscopic measurement device of the present invention are a spectroscopic optical system and spectroscopic measurement that perform broadband color correction by an optical system using a refractive lens, such as a semiconductor or patterned media inspection device, a thin film thickness measuring device by spectroscopic measurement, etc. Available to the device.
  • a refractive lens such as a semiconductor or patterned media inspection device, a thin film thickness measuring device by spectroscopic measurement, etc.
  • Oblique incident illumination 812 ... Vertical illumination, 821, 822 ... Defocus Previous scan target position, 831, 832 ... Scan target position after defocusing, 850 ... Peripheral ray, 851 ... Outermost imaging spot, 52 ... Position x of the outermost imaging spot, 853 RMS value P ⁇ of the outermost imaging spot, 854 ... Illumination width X ⁇ , 910 ... Lens, 920 ... Lens barrel, 930, 930 '... First lens, 940, 940 '... Air, 950, 950' ... Second lens, 960, 960 '... Incident light, 961, 961' ... Second lens transmitted light, 970, 970 '...
  • wavelength 200.25nm transmitted light rate waveform 995' ... wavelength 200.50nm transmitted light rate waveform, 1040 ... wavelength 399.85-400.1nm transmitted light rate Plot of Peak-to-Valley value versus average of waveform, 1040 '... Plot of Peak-to-Valley value per air interval of average of transmitted light wavelength waveform at wavelength of 399.50 to 400.50 nm, 2000 ... patterned media 2100 to 2120... Data portion, 2200 to 2210... Servo portion, 2220... Burst signal pattern.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

 分光光学系および分光測定装置において、屈折レンズのみを用いた光学系により垂直照明を可能とし、かつDUV-UV(190nm~400nm)領域の広帯域色補正を行うことを可能とする。 光源(100)、折り返しミラー(110)、視野絞り(120)、及び試料上に集光させる物体側集光レンズ系(130)と、該物体側集光レンズ系の結像面に配置される像側集光レンズ系(140)と、前記試料からの正反射光を分光する分光器(150)とを有し、前記物体側集光レンズ系(130)と、前記像側集光レンズ系(140)は、波長190~400nmのブロードな帯域で色補正され、かつ垂直照明可能な屈折型レンズのみで構成される分光光学系であって、レンズのワーキングディスタンス(WD)が、所定の距離以下で設定され、かつ各接合レンズ間隔Dが、所定の距離以上で設定されている。

Description

DUV-UV帯域の分光光学系およびそれを用いた分光測定装置
 本発明は、分光光学系および分光測定装置に関し、特に、垂直照明が可能な屈折レンズのみを用いた光学系配置により、深紫外光(DUV)から紫外光(UV)まで(190nm~400nm)の広帯域で色補正された、分光光学系および分光測定装置に関するものである。
 試料面構造の欠陥検出においては、感度の高いDUV-UV(190nm~400nm)領域の広帯域波長を利用した分光測定が必要となってきている。このとき、レンズ系は、広帯域波長および複数波長を使用する場合は色補正されている必要がある。色補正には、反射型光学系あるいは屈折型光学系を用いる方法がある。
 反射型光学系では、シュヴァルツシルド型の色補正レンズ系を備えた紫外領域を対象とした分光光学系が、特開2005-127830号公報(特許文献1)に記載されている。
 屈折・回折型光学系では、回折光学素子を用いて、紫外域波長λとその2倍の波長2λに対して色補正されることを特徴とする光学系が、特開2008-90051号公報(特許文献2)に記載されている。
 屈折型光学系では、近紫外光での高解像観察や紫外蛍光共焦点を可能とするように、350nm以上の近紫外から可視領域にわたって色補正され、焦点位置が一致していることを特徴とする近紫外対物レンズが、特許第3288441号公報(特許文献3)に記載されている。また、蛍石と石英をレンズ材料とし、波長200nm程度の紫外から赤外領域に対して広帯域に色補正されていることを特徴とする結像用対物レンズが、特開昭61-90115号公報(特許文献4)に記載されている。
特開2005-127830号公報 特開2008-90051号公報 特許第3288441号公報 特開昭61-90115号公報
 特許文献1に記載されている光学系は、反射型のため広帯域色補正が可能であるが、反射型色補正光学系では、試料面への照明が斜入射となってしまう。斜入射照明は、試料面が静止している場合には問題ないが、試料面を回転させて試料全面を連続走査するような場合には問題となる。図3において、斜入射照明811の場合、連続走査のため試料面が上下に震動し(試料面1、1’)、走査対象位置がずれてしまう(走査対象位置821、831)という課題があった。
 一方、特許文献2乃至4に記載されている、屈折・回折型光学系および屈折型光学系は、垂直照明が可能な構成である。図4は、垂直照明の場合に試料面の上下震動による位置ずれが低減される状況を示す図である。図4において、垂直照明812の場合、連続走査のため試料面が上下に震動しても(試料面1、1’)、走査対象位置のずれは小さくなる(走査対象位置822、832)。しかし、特許文献2に記載されている屈折・回折型光学系は、紫外域波長λとその2倍の波長2λのみの2波長色補正であり、広帯域色補正に対応していないという課題があった。
 特許文献3に記載されている屈折型光学系は、試料面構造の欠陥検出において、感度の高い350nm以下の深紫外を含んだ色補正がなされていないという課題があった。
 特許文献4に記載されている屈折型光学系は、紫外領域で問題となる接合レンズの接着について対応していないという課題があった。接合レンズ間の接着には、一般的にUV硬化剤(接着剤)が使用され、そこに紫外光を照射することでUV硬化剤が固められている。従って、UV硬化剤を使用した接合レンズで構成される屈折型光学系に対し、紫外光を照射しつづけると、UV硬化剤部が劣化する。このとき発生したガスがレンズ面に再付着することで、透過率が低下する。一方、レンズの接合部にUV硬化剤を使用せず、貼り合わせることで性能劣化を防ぐ方法もある。しかし、貼り合わせの場合、空気間隔が狭くなり、干渉による明暗のムラ(光量のムラ)が発生する。
 本発明の目的は、分光光学系およびそれを用いた分光測定装置において、試料面振動の影響が小さい垂直照明を可能とし、DUV-UV(190nm~400nm)広帯域の色補正を実現する光学系を提供することにある。
 本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、以下のとおりである。
 本発明の分光光学系は、光源、折り返しミラー、視野絞り、及び試料上を照明する物体側対物レンズ系からなる照明光学系と、該物体側対物レンズ系、該視野絞り、該折り返しミラー、及び該物体側の結像面に配置される像側集光レンズ系からなる検出光学系と、前記試料からの正反射光を分光する分光器とを有し、前記物体側対物レンズ系と、前記像側集光レンズ系は、波長190~400nmのブロードな帯域で色補正され、かつ屈折型レンズのみで構成される分光光学系であって、レンズのワーキングディスタンス(WD)が、 WD≦10.0mm を満たすように設定されるものである。これにより、DUV-UV領域で色補正を行うことができる。
 本発明の分光光学系では、さらに、各接合レンズ間隔Dを、1回反射を考慮して、 (λ1・λ2)/(4nγ)≦D に設定している。
 ここで、nは空気の屈折率、γは分光器分解能である。また、λ2は検討波長であり、検討する帯域波長の中で一番長波長を選択する。λ1は検討波長λ2の波長に分光器分解能γ分を足したものである。
 これにより、干渉による明暗のムラ(光量のムラ)を発生させないようにすることができる。なお、多重反射を考慮する場合は、接合レンズ間隔Dを1.5倍する。
 本発明の分光光学系は、さらに、照射光学系は試料を垂直に照射するものである。そのため、高速・連続検査時のデフォーカスによる位置ずれが低減される。
 本発明の分光測定装置は、前記の分光光学系と、試料を搭載し、試料の位置を前記分光光学系に対して相対的に移動させることができるステージ部と、分光器および前記ステージ部の動作を制御する制御部と、前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて前記試料に形成されたパターンの形状または形状異常を検出するデータ処理部とを有する構成である。
 本発明の分光測定装置は、さらに、前記データ処理部は、前記試料における異なるパターン形状に対して予め算出した分光反射率の波長依存性のグラフを格納するデータベースを有し、前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフを取得し、前記データベースに格納されている分光反射率の波長依存性のグラフから、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフと一致するものを、分光反射率の波形の比較により選定することによって、前記試料に形成されたパターン形状を特定するものである。なお、パターン形状には、膜厚も含まれる。
 本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を説明すれば以下のとおりである。
 本発明によれば、DUV-UV(190nm~400nm)広帯域の色補正を行うことができる。また、干渉による明暗のムラ(光量のムラ)の発生を防止することができる。また、垂直照明が可能となり、従来の反射型光学系の斜入射照明において課題であった、高速・連続検査時のデフォーカスによる位置ずれが低減される。これらにより、試料面構造の欠陥検出において、感度の高いDUV-UV(190nm~400nm)領域において、高速かつ高精度な分光測定(構造および膜厚測定等)が可能となる。
本発明の一実施の形態である分光光学系の構成例を示した図である。 (a)は本発明の一実施の形態における試料として用いるパターンドメディアを模式的に示した斜視図であり、(b)、(c)は、パターンドメディアにおけるデータ部とサーボ部のパターンの例を拡大して示した平面図である。 斜入射照明の場合に試料面の上下震動により位置ずれが発生する状況を示す図である。 垂直落射照明の場合に試料面の上下震動による位置ずれが低減される状況を示す図である。 色収差補正の原理と照明幅算出方法について説明する図である。 照明幅算出方法について説明する図である。 (a)は、レンズとそれを梱包する鏡筒を考慮したワーキングディスタンス(WD)を示した図である。(b)は、ワーキングディスタンス(WD)と色ずれ(Δx)の関係を示した図である。 2枚のレンズの空気間隔Dにより発生する、干渉の明暗のムラ(光量のムラ)の原理を示した図である。 (a)は、2枚のレンズの空気間隔Dを0~0.5μmとした場合の模式図を示した図である。(b)は、波長199.50~200.50nmに対し、空気間隔Dを0~0.5μm変化させたときの透過光率のシミュレーション結果を示したグラフである。 (a)は、2枚のレンズの空気間隔Dを30~30.1μmとした場合の模式図を示した図である。(b)は、波長199.50~200.50nmに対し、空気間隔Dを30~30.1μm変化させたときの透過光率のシミュレーション結果を示したグラフである。 (a)は、分光器分解能γ=0.3nm、波長400nmにおける透過光率に対するPeak to Valley値を、空気間隔Dごとにプロットしたグラフである。(b)は、分光器分解能γ=1.0nm、波長400nmにおける透過光率に対するPeak to Valley値を、空気間隔Dごとにプロットしたグラフである。 本発明の一実施の形態である分光光学系を用いたハードディスク検査装置の構成例を示した図である。 本発明の一実施の形態におけるデータ処理部での処理の概要について説明した図である。
 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
 まず、図1、図2を用いて、本発明の一実施の形態である分光光学系について説明する。
 図1は、本発明の一実施の形態である分光光学系の構成例を示した図である。分光光学系は、照明光学系と検出光学系とから構成される。
 照明光学系は、照明光を照射する光源100と、折り返し部材110と、視野絞り120と、物体側対物レンズ系130を介して、ステージ上の試料1に垂直照明する構造である。
 同様に、検出光学系は、物体側対物レンズ系130と、視野絞り120と、折り返しミラー110と、物体側の結像面に配置される像側集光レンズ系140を介し、試料面1からの正反射光を分光する分光器150に垂直照明する構造である。尚、試料面1と分光器150の入射面は、共役関係にある。
 図2(a)は、試料1として用いるパターンドメディアを模式的に示した斜視図である。パターンドメディア2000は、ディスク上に磁性粒子が人工的に規則正しく並べられた記録媒体であり、例えば、ハードディスク装置などに用いられる磁気記憶媒体である。パターンドメディア2000の表面には、例えば、ユーザデータを書き込むデータ部2100と、バースト信号、アドレス、プリアンブルなどを含む、トラッキング制御やデータアクセス制御のためのサーボ部2200とが存在する。図2(a)では、ディスク面におけるデータ部2100とサーボ部2200の配置を模式的に線で示している。
 図2(b)は、図2(a)のパターンドメディア2000におけるデータ部2100とサーボ部2200のパターンの例を拡大して示した平面図である。図2(b)のサーボ部2210では、凹凸加工を施した基板の凸部上の磁性薄膜パターンが、パターンドメディア2000のサーボパターンに対応している。また、サーボ部2210には、トラッキング制御を行うためのバースト信号2220が含まれている。一方、データ部2110には、周方向に連続したトラックを形成する磁性薄膜が凹部によって分離された状態で形成されている。このタイプのパターンドメディア2000は、ディスクリートトラックメディアと呼ばれている。
 図2(c)も同様に、図2(a)のパターンドメディア2000におけるデータ部2100とサーボ部2200のパターンの例を拡大して示した平面図である。図2(c)のデータ部2120では、データビットを形成する磁性薄膜が凹部によって分離された状態で形成されている。このタイプのパターンドメディア2000はビットパターンドメディアと呼ばれている。
 データ部2100とサーボ部2200は分離する必要がある。理由は、データ部2100に照明光を照射し、分光波形を検出して試料面を検査するような場合、サーボ部2200に照明光スポットがかかると正確な分光波形が検出できなくなるためである。特に、図3で示すような斜入射照明の場合、パターンドメディア2000のデータ部2100の全面を連続走査する場合には、試料1の試料面が上下に震動し、その結果、走査対象位置821、831がずれ、サーボ部2200にかかる可能性が高くなる。
 次に、図5~図7を用いて分光光学系の色収差補正の原理について説明する。
 まず、図5を用いて、色収差を補正する光学系の原理について説明する。レンズ系で異なる色の光を一点に収斂させるような物点の色消しは、式(1)で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、図5に示すように、レンズ枚数をN、各レンズの周縁光線850の高さをhi、最終レンズの周縁光線の高さをhN、最終レンズ面から物体面までの距離をSN、各レンズの屈折力及びアッベ数をφi,νiと置く。また、各レンズ面の屈折力φiは、レンズ面の曲率半径rとその両側の屈折率n(λ)差により、アッベ数νiは、中心波長λ0、短波長λ1、長波長λ2の屈折率により求められる。これにより色収差ΔSが導かれる。
 さらに、各レンズの周縁光線の高さhiは最終レンズの周縁光線の高さhNとほぼ等しく、概略平行光となる。これにより、式(1)は以下の式(2)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 色収差を低減するためには、ΔSを低減すればよい。従って、Σ(φi/νi)、あるいは最終レンズ面から物体面までの距離SNを低減することにより色収差を低減することができる。前者は、各レンズの曲率半径,厚み,間隔を調整することで、低減が可能である。一方、後者は、レンズのワーキングディスタンス(WD)を小さくすることで、低減が可能である。
 図7に試料1とレンズ910の面間隔(WD)を減少させたときの色ずれを示す。
 色ずれとは、光軸に垂直な面S0における各波長の照明幅854差である。図5と6に示すように、面S0における各波長の照明幅854差の算出方法は、以下である。
 先ず、光線追跡で光軸に垂直な面S0における最外結像スポット851の位置852とRMS値853を算出する。
 次に、照明幅854は、結像スポット851の位置852とRMS値853をもとに、以下の式(3)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここでXλは照明幅、xとPλはそれぞれ結像スポットの位置とRMS値である。
 以上を、各波長に対して行う。
 最後、色ずれは、各波長の照明幅854をもとに,以下の式(4)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここでΔxは各波長の色ずれ(%)、Max.(Xλ)は各波長λのうち最大の照明幅、Min.(Xλ)は各波長λのうち最小の照明幅、Ave.(Xλ)は各波長λの平均照明幅を示す。このとき、波長の色ずれは片側で評価するため2で割っている。
 面間隔(WD)を減少させ、上記で算出した各波長の色ずれをプロットしたものが図6(b)のシミュレーション結果である。その結果、WD≦10.0mmにすることで、色ずれを10%以下にすることができる。このとき、WD≦10.0mmの下限は、鏡筒920など、実装による制限値となる。また、WD≧10.0mmの場合、色ずれが極端に大きくなる。
 次に、図8~図11を用いて、UV硬化剤(接着剤)不使用時における、レンズの貼り合わせや薄いスペーサ挿入により発生する、干渉による明暗のムラ(光量のムラ)について検討する。
 図8に示すように、第一レンズ930の表面に対し、入射角θで入射する光線960には、第二レンズ950を透過する光961と反射する光970がある。特に、反射する光970は、第一レンズ930を透過した後、第二レンズ950と、第一レンズ930の表面で反射し、第二レンズ950を透過する。従って、透過する光961と反射する光970では空気間隔D980に応じて光路長差が生じる。このとき、干渉により生じる明暗のムラ(光量のムラ)は、多重反射の場合、式(5)により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ここで、Iは強度、Etは透過光振幅、Et1は第二レンズ950を透過する光961の振幅、Et2は第二レンズ950と、第一レンズ930の表面で反射(1回反射)し、第二レンズ950を透過する光970の振幅である。多重反射の場合、透過光振幅Et3、Et4と続く。
 2光束の干渉について考える場合、第二レンズ950を透過する光961と反射する光970は式(6)で示す光路長差Δを持つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 ここで、空気の屈折率をn、空気間隔をD、入射角度をθとする。
 また、第二レンズ950を透過する光961と反射する光970の間にはπの位相差δが生じ、式(7)で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、Δは光路長差、λは波長である。
 式(5)、式(7)を用いて、2光束干渉の式(8)を求めることが出来る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 Iは2光束干渉の透過光強度、Etは透過光振幅、Et1は第二レンズ950を透過する光961の振幅、Et2は第二レンズ950と、第一レンズ930の表面で反射(2回反射)し、第二レンズ950を透過する光970の振幅である。干渉により生じる明暗のムラ(光量のムラ)の程度は、位相差δに依存する。
 式(6)で示す光路長差Δは、πの位相差をもつことから、干渉により生じる明暗を、式(9)のように表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 ここで、波長λ2は検討波長であり、λ1は検討波長λ2の波長に分光器分解能γ分を足したものである。さらに、波長λ2は検討する帯域波長の中で一番長波長を選択する。これは、長波長になるほどDの値が大きくなるためである。
 式(9)より、式(10)、式(11)、式(12)を導くことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 ここで、波長λ1とλ2の差は、分光器分解能γとすることができる。分光器分解能γと整数値mは、反比例の関係にある。
式(12)を式(9)に代入し、空気間隔Dを求める式(13)が導かれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 分光器分解能γと空気間隔Dは、反比例の関係にある。従って、分光器分解能γが大きい場合、空気間隔Dは小さくなる。一方、分光器の分解能γが小さい場合、空気間隔Dは大きくなる。
 例えば、分光器分解能γが1.0nmである場合の空気間隔Dを検討する。波長帯域は200~400nmとする。また、分光器分解能γが1.0nmであることから、検討波長を(1)200±0.25、0.50nm、(2)300±0.25、0.50nm、(3)400±0.25、0.50nmとし、各波長の空気間隔Dにおける透過光率を検討する。
 図9(a)に示すように、第一レンズ930、第二レンズ950と空気層940からなる構造を仮定する。第一レンズ930の表面に対し、入射角θで入射する光線960には、第二レンズ950を透過する光961と第一レンズ930と、第二レンズ950の表面で反射し、透過する光970がある。この2つの光に対し、空気間隔D980を0~0.5μm変化させたときの透過光率を検討する。ここで、各波長は、(1)200nm、(2)300nm、(3)400nmである。
 図9(b)は、波長(1)200nmに対し、空気間隔D980を0~0.5μm変化させたときの透過光率のシミュレーション結果である。図9(b)に示される、透過光率波形の波長は、それぞれ199.50nm、199.75nm、200.00nm、200.25nm、200.50nmとそれぞれの平均990である。その結果、空気間隔D980が0~0.5μmと小さい場合、全ての波長の波形位相が一致し、平均990すると明暗のムラ(光量のムラ)が発生することがわかる。これは、空気間隔D980が小さく、透過する光960と反射を経て透過する光970との間に光路長差がほとんど生じず、お互いに打ち消しあう作用が働かないためである。
 図10(a)の2つの光に対し、空気間隔D980’を30~30.1μm変化させたときの透過光率を検討する。ここで、各波長は、(1)200nm、(2)300nm、(3)400nmである。
 図10(b)は、波長(1)200nmに対し、空気間隔D980’を30μmに拡げ、 30~30.1μm変化させたときの透過光率のシミュレーション結果である。図10(b)に示される、透過光率波形の波長は、それぞれ199.50nm、199.75nm、200.00nm、200.25nm、200.50nmとそれぞれの平均990’である。その結果、空気間隔D980’が30~30.1μmと大きい場合、各波長の波形位相がずれ、平均990’すると明暗のムラ(光量のムラ)が均一化されていることがわかる。これは、空気間隔D980’が大きく、透過する光960’と反射を経て透過する光970’との間に光路長差が生じ、お互いに打ち消しあう作用が働くためである。
 波長λ1=401nm、波長λ2=400nm、分光器分解能γ=1.0nm、入射角度θ=0°(垂直入射)、空気の屈折率nがほぼ1に等しい、とした場合、式(13)から空気間隔Dは、D≧40.1μmを満たす必要がある。一方、D≧40.1μmを満たさない場合、透過する光960と反射を経て透過する光970との間に光路長差がほとんど生じず、お互いに打ち消しあう作用が働かないため、明暗のムラ(光量のムラ)が発生する。
 図11(a)は、分光器分解能γ=0.3nm、波長400nmの場合の透過光率波形に対するPeak to Valley値999を、空気間隔Dごとにプロットしたグラフである。
 図11(b)は、分光器分解能γ=1.0nm、波長400nmの場合の透過光率波形に対するPeak to Valley値999’を、空気間隔Dごとにプロットしたグラフである。
 分光器分解能γが0.3nmの場合、空気間隔Dは、式(13)からD≧133.4μmを満たす必要がある。一方、D≧133.4μmを満たさない場合、透過する光960と反射を経て透過する光970との間に光路長差がほとんど生じず、お互いに打ち消しあう作用が働かないため、明暗のムラ(光量のムラ)が発生する。
 図11に示すシミュレーション結果1040、1040’と、式(13)による結果1050,1050’に不一致が生じる。これは、実際、多重反射しているのに対し、式(13)が1回反射のみしか考慮していないためである。式(13)で算出される空気間隔Dを1.5倍1060,1060’する必要がある。
 以下では、本実施の形態の分光光学系を用いた分光測定装置の例であるハードディスク検査装置について説明する。図12は、本実施の形態の分光光学系を用いたハードディスク検査装置の構成例を示した図である。
 ハードディスク検査装置は、試料1に照明光を照射し、試料1からの正反射光を分光検出する分光光学系200と、検査対象である試料1を搭載し、試料1上の任意の位置で分光検出できるように、試料1の位置を分光光学系200に対して相対的に移動させることができるステージ部300と、分光器150やステージ部300の動作を制御する制御部400と、分光器150において検出した分光波形のデータに基づいて試料1に形成されたパターンの形状または形状異常を検出するデータ処理部500とで構成される。
 分光光学系200は、図1に示した分光光学系と同様の構成である。このとき、分光器150の入射口位置を結像位置としておくと、入射口の大きさによって試料1において分光検出する領域の大きさを制御することができる。例えば、入射口の大きさをφ400μmとし、結像面での倍率を8倍とすると、分光検出領域の大きさは検査対象ディスク(試料1)上でφ50μmとなる。
 上述したように、400nm付近の波長を利用しようとする場合、適用できる光学素子等は限られたものとなる。光源100には、波長190nm付近以上の光を射出するキセノンランプや重水素ランプ等を用いることができる。ただし、試料1によっては波長400nm程度以上でも十分性能を発揮できる場合もあり、その場合はハロゲンランプ等の可視光から赤外光の光を射出する光源100を用いてもよい。
 最後に、本実施の形態のハードディスク検査装置におけるステージ部300、制御部400、データ処理部500について説明する。図12において、ステージ部300は、試料1の試料面と平行な方向に移動するXステージ301と、試料101の試料面に垂直な方向に移動するZステージ302および試料1のディスク(パターンドメディア2000)を回転させるθステージ303によって構成される。Zステージ302は、分光光学系200のフォーカス位置に試料1を移動させるためのものであり、Xステージ301とθステージ303は、試料1の任意の位置に分光光学系200を移動させるためのものである。
 試料1の任意の位置に分光光学系200を移動させる方法として、XYステージを用いてもよい。試料1がディスクであり試料面におけるパターンも同心円状または同心円上に形成されている場合、Xθステージの方が適している。さらに、ディスク表面全面を高速に検査することを目的とした場合、XYステージよりもXθステージの方が単純な動作となるためより適している。よって、本実施の形態のハードディスク検査装置では、Xステージ301とθステージ303によるXθステージの構成をとっている。
 図13は、データ処理部500での処理の概要について説明した図である。データ処理部500は、大きく分けて次の二つの処理を実行する。一つは分光反射率の算出であり、もう一つはパターン形状・欠陥検出処理である。上述の通り、本実施の形態のハードディスク検査装置では、試料1表面の分光反射率に基づいて試料1のパターン形状・欠陥を検出するものである。
 分光光学系200で検出が可能なのは、試料1表面の分光強度分布である。そこで、予め異なるパターン形状510を有する試料1に対して光学シミュレーションを行い、算出された分光反射率の波長依存性のグラフ511をデータベース513に格納しておく。次に、パターンが繰り返し形成された試料1に光源100からの照明光を、分光光学系200を通して照射し、試料面からの正反射光を分光器150で受光する。
 データ処理部500では、分光器150で検出された分光強度分布に基づいて分光反射率の波長依存性のグラフ512を得る。最後に、データベース513に格納されている、光学シミュレーションによって算出された分光反射率の波長依存性のグラフ511から、測定によって得られた分光反射率の波長依存性のグラフ512と近似するものを、分光反射率の波形比較514によって選定することで、試料1の形状を特定することができる。
 以上のように、本実施の形態の分光光学系200によれば、光源100、折り返しミラー110、視野絞り120、及び試料1上を照明させる物体側対物レンズ系130からなる照明光学系と、物体側対物レンズ系130、視野絞り120、折り返しミラー110、及び試料1上の結像面に配置される像側集光レンズ系140からなる検出光学系と、試料1からの正反射光を分光する分光器150から構成される。そして、物体側対物レンズ系130と像側集光レンズ系140は、深紫外から紫外光までの波長190nm~400nmの広帯域で色補正され、かつ屈折型レンズのみで構成される。
 そして、レンズのワーキングディスタンス(WD)を WD≦10.0mm で設定することにより、色ずれ低減が可能になる。
 また、各接合レンズ間隔Dを (λ1・λ2)/(4nγ)≦D で設定することにより、干渉による明暗のムラ(光量のムラ)の発生抑制が可能になる。
 また、垂直落射照明とすることで、反射型光学系の斜入射照明において課題であった、デフォーカスによる位置ずれが低減される。さらに、広帯域色補正により、波長毎の照明位置が一致し、高精度な分光測定(構造や膜厚測定等)が可能となる。
 以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
 例えば、本実施の形態の分光光学系200および分光測定装置では、分光測定により、パターンドメディア2000の表面のパターン形状・欠陥を検出する構成となっているが、試料1はパターンドメディア2000に限られず、表面に構造やパターンを有する試料1であれば、その構造をデータ処理部500での分光反射率のマッチングによって検出することが可能である。また、試料1の表面の構造に限らず、分光測定による薄膜の膜厚測定等にも用いることができる。
 本発明の分光光学系および分光測定装置は、半導体やパターンドメディア検査装置、分光測定による薄膜の膜厚測定装置等、屈折レンズを用いた光学系により広帯域色補正を行う分光光学系および分光測定装置に利用可能である。
 1,1’…試料、100…光源、110…折り返し部材、120…視野絞り、130…物体側対物レンズ系、140…像側集光レンズ系、150…分光器、200…分光光学系、300…ステージ部、301…Xステージ、302…Zステージ、303…θステージ、400…制御部、500…データ処理部、510…パターン形状、511…シミュレーションにより算出された分光反射率の波長依存性グラフ、512…検出された分光強度分布に基づく分光反射率の波長依存性グラフ、513…データベース、514…分光反射率の波形比較、811…斜入射照明、812…垂直照明、821,822…デフォーカス前の走査対象位置、831,832…デフォーカス後の走査対象位置、850…周縁光線、851…最外結像スポット、852…最外結像スポットの位置x、853…最外結像スポットのRMS値Pλ、854…照明幅Xλ、910…レンズ、920…鏡筒、930,930’…第一レンズ、940,940’…空気、950,950’…第二レンズ、960,960’…入射光、961,961’…第二レンズ透過光、970,970’…第一及び第二レンズ面反射光、980,980’…空気間隔D、990…波長199.50nm、199.75nm、200.00nm、200.25nm、200.50nmの透過光率波形、および波長199.50~200.50nmの透過光率波形の平均、990’…波長199.50~200.50nmの透過光率波形の平均、991’…波長199.50nmの透過光率波形、992’…波長199.75nmの透過光率波形、993’…波長200.00nmの透過光率波形、994’…波長200.25nmの透過光率波形、995’…波長200.50nmの透過光率波形、1040…波長399.85~400.1nmの透過光率波形の平均に対するPeak to Valley値の空気間隔ごとのプロット、1040’…波長399.50~400.50nmの透過光率波形の平均に対するPeak to Valley値の空気間隔ごとのプロット、2000…パターンドメディア、2100~2120…データ部、2200~2210…サーボ部、2220…バースト信号用パターン。

Claims (10)

  1.  光源、折り返しミラー、視野絞り、及び試料上を照明する物体側対物レンズ系からなる照明光学系と、該物体側対物レンズ系、該視野絞り、該折り返しミラー、及び該物体側の結像面に配置される像側集光レンズ系からなる検出光学系と、前記試料からの正反射光を分光する分光器とを有し、
     前記物体側対物レンズ系と、前記像側集光レンズ系は、波長190~400nmのブロードな帯域で色補正され、かつ屈折型レンズのみで構成される分光光学系であって、
     レンズのワーキングディスタンス(WD)が、次の式(1)を満たすように設定されることを特徴とする分光光学系。
      (1)  WD≦10.0mm
  2.  請求項1に記載の分光光学系において、さらに、
     各接合レンズ間隔Dが、次の式(2)を満たすように設定されることを特徴とする分光光学系。
      (2)  (λ1・λ2)/(4nγ)≦D
     ただし、nは空気の屈折率、γは分光器分解能である。また、λ2は検討波長であり、検討する帯域波長の中で一番長波長を選択する。λ1は検討波長λ2の波長に分光器分解能γ分を足したものである。
  3.  請求項1に記載の分光光学系において、
     前記光源は、深紫外から可視光の光を射出するものであることを特徴とする分光光学系。
  4.  請求項1に記載の分光光学系において、
     前記照明光学系は、試料を垂直に照射するものであることを特徴とする分光光学系。
  5.  請求項1に記載の分光光学系において、
     前記物体側照明光学系と、前記像側検出光学系は、蛍石と石英からなる屈折型レンズのみで構成されることを特徴とする分光光学系。
  6.  請求項2記載の分光光学系において、
     各接合レンズ間隔Dは、多重反射を考慮して、次の式(3)を満たすように設定されていることを特徴とする分光光学系。
      (3)  1.5・(λ1・λ2)/(4nγ)≦D
  7.  請求項1に記載の分光光学系と、
     前記試料を搭載し、前記試料の位置を前記分光光学系に対して相対的に移動させることができるステージ部と、
     前記分光器および前記ステージ部の動作を制御する制御部と、
     前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて前記試料に形成されたパターンの形状または形状異常を検出するデータ処理部とを有する構成であることを特徴とする分光測定装置。
  8.  請求項7に記載の分光測定装置において、
     前記ステージ部は、前記分光光学系によって前記試料の全面が連続走査されるように、前記試料を移動させることを特徴とする分光測定装置。
  9.  請求項7に記載の分光測定装置において、
     前記データ処理部は、前記試料における異なるパターン形状に対して予め算出した分光反射率の波長依存性のグラフを格納するデータベースを有し、
     前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフを取得し、
     前記データベースに格納されている分光反射率の波長依存性のグラフから、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフと一致するものを、分光反射率の波形の比較により選定することによって、前記試料に形成されたパターン形状を特定することを特徴とする分光測定装置。
  10.  請求項9記載の分光測定装置において、
     前記パターン形状に膜厚を含むことを特徴とする分光測定装置。
PCT/JP2009/006963 2009-02-26 2009-12-17 Duv-uv帯域の分光光学系およびそれを用いた分光測定装置 WO2010097880A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/145,942 US8730471B2 (en) 2009-02-26 2009-12-17 DUV-UV band spectroscopic optical system and spectrometer using same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009044231A JP5426901B2 (ja) 2009-02-26 2009-02-26 Duv−uv帯域の分光光学系およびそれを用いた分光測定装置
JP2009-044231 2009-02-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010097880A1 true WO2010097880A1 (ja) 2010-09-02

Family

ID=42665106

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/006963 WO2010097880A1 (ja) 2009-02-26 2009-12-17 Duv-uv帯域の分光光学系およびそれを用いた分光測定装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8730471B2 (ja)
JP (1) JP5426901B2 (ja)
WO (1) WO2010097880A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108592814B (zh) * 2017-11-22 2020-05-15 华侨大学 用于彩色共焦测量的颜色标定方法
CN110455501A (zh) * 2019-08-14 2019-11-15 南京茂莱光学科技股份有限公司 一种高反射镜面形的测量装置
CN115698684A (zh) * 2020-06-01 2023-02-03 Lg电子株式会社 薄膜特性测量设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003527636A (ja) * 2000-03-10 2003-09-16 ケーエルエー−テンカー テクノロジィース コーポレイション 顕微検査のための改良レンズ
JP2004354556A (ja) * 2003-05-28 2004-12-16 Nikon Corp 観察装置
JP2005127830A (ja) * 2003-10-23 2005-05-19 Hitachi Ltd 形状プロファイル測定装置およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3573456A (en) * 1967-07-26 1971-04-06 Opto Mechanisms Inc High resolution projection means for printing micro circuits on photoresist material
JPH0629897B2 (ja) 1984-10-09 1994-04-20 株式会社ニコン 結像用対物レンズ
US4999495A (en) * 1988-08-31 1991-03-12 Seiko Instruments Inc. Scanning tunneling microscope
JPH088262B2 (ja) 1990-04-03 1996-01-29 関西日本電気株式会社 半導体装置
JP3288441B2 (ja) 1991-09-12 2002-06-04 オリンパス光学工業株式会社 近紫外対物レンズ
KR970067591A (ko) * 1996-03-04 1997-10-13 오노 시게오 투영노광장치
US6639739B1 (en) * 2002-09-04 2003-10-28 The Regents Of The University Of California Optic for an endoscope/borescope having high resolution and narrow field of view
US7324274B2 (en) * 2003-12-24 2008-01-29 Nikon Corporation Microscope and immersion objective lens
US7286207B2 (en) * 2005-04-28 2007-10-23 Infineon Technologies, Ag Exposing a semiconductor wafer using two different spectral wavelengths and adjusting for chromatic aberration
JP2008090051A (ja) 2006-10-03 2008-04-17 Topcon Corp 顕微鏡対物レンズ
US8120781B2 (en) * 2008-11-26 2012-02-21 Zygo Corporation Interferometric systems and methods featuring spectral analysis of unevenly sampled data

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003527636A (ja) * 2000-03-10 2003-09-16 ケーエルエー−テンカー テクノロジィース コーポレイション 顕微検査のための改良レンズ
JP2004354556A (ja) * 2003-05-28 2004-12-16 Nikon Corp 観察装置
JP2005127830A (ja) * 2003-10-23 2005-05-19 Hitachi Ltd 形状プロファイル測定装置およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US8730471B2 (en) 2014-05-20
JP5426901B2 (ja) 2014-02-26
JP2010197300A (ja) 2010-09-09
US20110279820A1 (en) 2011-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6132499B2 (ja) 検査装置、リソグラフィ装置、およびデバイス製造方法
JP5444334B2 (ja) 干渉欠陥検知及び分類
US7420670B2 (en) Measuring instrument and method for operating a measuring instrument for optical inspection of an object
US5202748A (en) In situ process control system for steppers
US7440094B2 (en) Optical sample characterization system
JP2019529953A (ja) 検査装置の照明源、検査装置および検査方法
US9605946B2 (en) Method for characterizing a structure on a mask and device for carrying out said method
JP5175605B2 (ja) パターン形状検査方法
JP2009290210A (ja) 基板内の欠陥を判定する方法およびリソグラフィプロセスにおいて基板を露光するための装置
US9709494B2 (en) Measuring arrangement for measuring optical properties of a reflective optical element, in particular for microlithography
US9268124B2 (en) Microscope and method for characterizing structures on an object
KR910008514A (ko) 홀로그래픽 영상화 시스템의 전체 내부반사 광학검사장치 및 방법
NL2021553A (en) Beam pointing monitor and compensation systems background
JP5426901B2 (ja) Duv−uv帯域の分光光学系およびそれを用いた分光測定装置
JP5337578B2 (ja) 微細凹凸パターンの欠陥判定方法、および、パターンドメディアの欠陥判定方法
JP5174697B2 (ja) 欠陥検査装置
US7724375B1 (en) Method and apparatus for increasing metrology or inspection tool throughput
JP5038963B2 (ja) 分光光学系および分光測定装置
US10976249B1 (en) Reflective pupil relay system
NL2008292A (en) Lithographic apparatus, method for measuring radiation beam spot focus and device manufacturing method.
JP5548151B2 (ja) パターン形状検査方法及びその装置
EP1890105A1 (en) Interferometer apparatus and interferometric method
US20220373894A1 (en) Measurement system and method for characterizing a patterning device
CN115803680A (zh) 确定物体图像的方法
JP2010169471A (ja) レンズ収差測定方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09840734

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13145942

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09840734

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1