JP2009222689A - 検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象に応じて照明法を簡便に変更できるとともに、従来に比べて小型で単純化された構造の検査装置を提供する。
【解決手段】光源１、１′、１″は、いずれも複数の面発光レーザ素子を用いて構成されている。光源１は任意の偏向方向の光を発生し、この光は照明光学系３を介してマスク２２に垂直に照射される。光源１′も任意の偏向方向の光を発生するが、この光は照明光学系３を介してマスク２２に斜めに照射される。光源１″は所定の偏向方向の光のみを発生し、照明光学系３を介してマスク２２に垂直または斜めに照射される。これらの光源は、マスク２２に応じて交換可能に配置されており、制御計算機９の制御の下で光源制御部２４によって自動的に交換される。
【選択図】図１

Description

本発明は、検査装置に関し、より詳しくはマスクなどの欠陥検出に用いられる検査装置に関する。

半導体集積回路の製造工程における歩留まり低下の原因の１つに、フォトマスクや半導体ウェハなどの基板に生じた欠陥がある。そこで、こうした欠陥を検出する装置の開発が従来から盛んに行われている。

一方、近年の半導体集積回路の製造においては、高集積化のニーズに対応しパターンが微細化しており、これに応じて検出すべき欠陥の寸法も微細化している。そこで、検出に用いる光を基板に対し傾斜させて照明する方法が採られている。

上記の照明法には、照明光学系の２次光源の形状を輪帯状とする輪帯照明や、２次光源の形状を光軸から偏心した複数の小光源とする変形照明などがある。こうした照明法によれば、光の波長や光学系の開口数が同じであっても解像度を向上させることができる（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−７９３３７号公報

特許文献１では、マスクから傾斜して射出される光束またはマスクに対し傾斜して入射する光束以外の光束を、第１偏光部材で所定の方向に偏光した後、偏光した光束を第２偏光部材で遮光することにより、マスクに対し傾斜した光束のみが入射するようにしている。すなわち、特許文献１では、マスクに対し傾斜した光束を得るのに、上記のような２種類の光学部材が必要になる。

ところで、光を発生させる光源には、通常、イオンレーザやエキシマレーザなどの紫外線レーザが用いられる。特許文献１でも、ＡｒＦエキシマレーザ光源、ＫｒＦエキシマレーザ光源、銅蒸気レーザ光源またはＹＡＧレーザ光源などを光源として用いている。しかし、こうした光源は、縦、横および高さの各長さがメートル単位になる大型の装置である。また、これらの光源が発生する基本波はコヒーレント光であるので、回転位相板や四分割ミラーなどの光学機器に光を通してインコヒーレント化する作業が必要となる。

検査装置は、検査対象であるパターンの大きさに応じて照明法が変えられるようになっているのがよい。しかしながら、従来の検査装置では、設置のための空間が大きくなる上に、光源やインコヒーレント化のための光学機器に多大なコストを要していた。それ故、特許文献１のように、光学部材を用いての照明法の変更は、問題をさらに大きくすることになり、また、検査装置の製造時間を長期化し、さらには、検査装置のメンテナンスを複雑化することにもなっていた。

本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、検査対象に応じて照明法を簡便に変更できるとともに、従来に比べて小型で単純化された構造の検査装置を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明は、複数の面発光レーザ素子を用いて構成された光源と、
前記光源からの光を検査対象に照射する光学系とを備えた検査装置であって、
前記光源には、任意の偏向方向の光を発生する第１の光源と、所定の偏向方向の光のみを発生する第２の光源とがあり、
前記第１の光源からの光は、前記光学系を介して前記検査対象に垂直に照射され、前記第２の光源からの光は、前記光学系と同じ光学系を介して前記検査対象に垂直または斜めに照射されることを特徴とするものである。

前記第１の光源および前記第２の光源の少なくとも一方は、固有波長の異なる複数の光源を有することが好ましい。

前記光源には、任意の偏向方向の光を発生する第３の光源を含めることができる。この場合、前記第３の光源からの光は、前記光学系と同じ光学系を介して前記検査対象に斜めに照射される。

前記第３の光源は、固有波長の異なる複数の光源を有することが好ましい。

前記光学系には、前記第１の光源からの光が前記検査対象に斜めに照射されるように該光の照射方向を変える光学部材を設けることができる。

本発明によれば、光源が複数の面発光レーザ素子を用いて構成されており、さらに、この光源には、任意の偏向方向の光を発生する第１の光源と、所定の偏向方向の光のみを発生する第２の光源とがある。第１の光源からの光は、光学系を介して検査対象に垂直に照射され、第２の光源からの光は、同じ光学系を介して検査対象に垂直または斜めに照射される。これにより、検査対象に応じて照明法を簡便に変更することができる。また、従来に比べて小型で単純化された構造の検査装置とすることもできる。

図１は、本実施の形態における検査装置のシステム構成図である。本実施の形態においては、フォトリソグラフィ法などで使用されるマスクを検査対象としている。

図１に示すように、検査装置１００は、光学画像取得部Ａと制御部Ｂを有する。

光学画像取得部Ａは、複数の面発光レーザを有する光源１と、水平方向（Ｘ方向、Ｙ方向）および回転方向（θ方向）に移動可能なステージ２と、透過照明系を構成する照明光学系３と、拡大光学系４と、フォトダイオードアレイ５と、センサ部６と、レーザ測長システム７と、オートローダ８とを有する。ステージ２は、光源１から鉛直方向に配置される。

制御部Ｂでは、制御計算機９が、バス１０を介して、位置情報部１１、比較部１２、参照部１３、オートローダ制御部１４、ステージ制御部１５、磁気ディスク装置１６、磁気テープ装置１７、フレキシブルディスク装置１８、ＣＲＴ１９、パターンモニタ２０およびプリンタ２１に接続されている。ステージ２は、ステージ制御部１５によって制御されたＸ軸モータ、Ｙ軸モータおよびθ軸モータによって駆動される。これらのモータには、例えば、ステップモータを用いることができる。

尚、図１では、本実施の形態で必要な構成成分について記載しているが、基板検査措置に必要な他の公知成分が含まれていてもよい。

検査装置１００では、光源１、ステージ２、照明光学系３、拡大光学系４、フォトダイオードアレイ５およびセンサ部６によって、高倍率の検査光学系が構成されている。ステージ２は、制御計算機９の制御の下に、ステージ制御部１５によって駆動され、Ｘ方向、Ｙ方向およびθ方向の３方向に移動可能となっている。ステージ２の移動位置は、レーザ測長システム７によって測定され、得られたデータは位置情報部１１に送られる。また、ステージ２の上に載置されたマスク２２は、オートローダ制御部１４によって駆動されるオートローダ８から自動的に搬送されて、検査終了後には自動的に搬出されるようになっている。

ステージ２上に載置されたマスク２２には、所定のパターン（図示せず）が形成されており、光源１からの照明光２３が照明光学系３を介してこのパターンに照射される。ここで、光源１からは、インコヒーレント光と実質的に同等の光が発生する。マスク２２を透過した光は、拡大光学系４を介して、フォトダイオードアレイ５に光学像として結像する。

図２は、本実施の形態における光源と照明光学系の構成を説明する概念図である。尚、本実施の形態では、透過照明系を用いた構成について説明するが、反射照明系を用いた構成や、透過照明系と反射照明系の２系統の照明系を用いた構成であってもよい。

光源１は、基板１０１と、基板１０１上に形成された複数の面発光レーザ素子１０２とを有する。基板１０１には、例えば、シリコンウェハが用いられる。シリコンウェハ上に半導体製造プロセスと同様の膜形成工程、パターニング工程およびエッチング工程を繰り返すことによって、複数の面発光レーザ素子が形成される。面発光レーザ素子を用いた光源は、従来のイオンレーザやエキシマレーザといった端面発光型のレーザに比べて装置サイズを大幅に小さくすることができ、また、光源に要するコストを抑えることもできる。

光源１に設けられた複数の面発光レーザ素子１０２は、それぞれ基本波を発生する。例えば、面発光レーザ素子に窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を用いた場合では、波長３８０ｎｍ〜４００ｎｍの紫外線の基本波を発生する。尚、この場合、ＩｎＧａＮ結晶の形状を変化させることで、波長２００ｎｍ以下の第２高調波を発生させることができる。具体的には、（１００）結晶面を基板面とする通常のレーザと異なり、結晶軸を傾斜させた結晶基板を用いることで、第２高調波の発生が可能となる。

基板１０１に配置する面発光レーザ素子１０２の数は、所望する光量とインコヒーレント化する精度とに基づいて適宜設定され、例えば、１万個以上の面発光レーザ素子１０２を配置することができる。そして、各面発光レーザ素子１０２は、それぞれ略同じ光量（出力）の光を発生する。

複数の面発光レーザ素子１０２から位相調整を行わずにランダムに発光された複数の基本波は、各基本波自体はコヒーレント光であっても、集合することでインコヒーレント化される。すなわち、複数の面発光レーザ素子１０２のそれぞれが基本波を発生することで、実質的にインコヒーレントな照明光とすることができる。また、各面発光レーザ素子１０２は、略同じ光量の光を発生するので、これらの集合体である照明光２３の均一化が図れる。

面発光レーザ素子を用いた光源とすることにより、照明光学系３を、図２に示すような構成で済ますことができる。すなわち、照明光学系３は、ＮＤフィルタ３０１、集光レンズ３０２、視野絞り３０３、フォーカスレンズ３０４、開口絞り３０５およびコンデンサレンズ３０６で構成される。ＮＤフィルタ３０１、集光レンズ３０２、視野絞り３０３、フォーカスレンズ３０４、開口絞り３０５およびコンデンサレンズ３０６は、光軸方向に開口絞り３０５を挟んで配置される。尚、図２の例では、視野絞り３０３の下流側に開口絞り３０５を配置しているが、これに限定されるものではなく、視野絞り３０３の上流側に開口絞り３０５を配置してもよい。

このように、面発光レーザ素子を用いた光源とすることにより、光源からインコヒーレント光を得ることができるので、単一の光源から発生したコヒーレント光をインコヒーレント化するのに必要な機器、例えば、回転位相板や四分割ミラーなどを省くことができる。さらに、面発光レーザ素子を用いた光源によれば、均一な照明光が得られるので、エキスパンダやインテグレータレンズなどの機器を省くこともできる。したがって、装置の小型化と単純化が図れ、コストを抑制することも可能になる。

図２において、複数の面発光レーザ素子１０２から発生した複数の基本波は、ＮＤフィルタ３０１によって、その複数の基本波中の所定の波長域の成分を減衰する。次いで、集光レンズ３０２によって集光された後、視野絞り３０３によって、集光された複数の基本波の視野が絞られる。その後、この基本波は、フォーカスレンズ３０４によって開口絞り３０５に焦点が合わされ、開口絞り３０５によって、複数の基本波の開口が絞られる。開口絞り３０５を通過した照明光２３は、コンデンサレンズ３０６によって、検査対象となるマスク２２に結像される。

光源１は、本発明の第１の光源に対応し、任意の偏向方向の光を発生する光源である。光源１からの光は、照明光学系３を介してマスク２２に垂直に照射される。したがって、光源１によれば、通常の照明法、すなわち、照明光学系３の光軸を中心とする領域に均一な光を照射する照明法が行える。光源１を構成する各面発光レーザ素子１０２からは、それぞれ特定の方向に偏向した光（例えば、直線偏光）が発生したとしても、集合することで特定の方向に偏向していない光、すなわち、任意の方向に偏向した光となる。

本実施の形態では、検査装置１００が、光源１の他に、変形照明を行える光源１′と、偏光照明を行える光源１″とを備えることを特徴としている。これらの光源は、光源１と交換可能であり、照明光学系３を変えずに、それぞれマスク２２に対して所定の光を照射することができる。

光源１′は、本発明の第３の光源に対応し、任意の偏向方向の光を発生する光源である。光源１′を用いることにより、照明光学系３を変えずに、マスク２２に対して斜めに任意の偏向方向の光を照射することができる。一方、光源１″は、本発明の第２の光源に対応し、所定の偏向方向の光のみを発生する光源である。したがって、光源１″によれば、円偏光、Ｘ偏光、Ｙ偏光、Ｓ偏光またはＰ偏光などによる照明が行える。尚、光源１″から発生する光は、マスク２２に対して垂直に照射されてもよく、マスク２２に対して斜めに照射されてもよい。後者の場合、例えば、偏向した輪帯照明を行うことができる。

図２において、光源１′は、基板１０１′と、基板１０１′上に形成された複数の面発光レーザ素子１０２′とを有する。基板１０１′には、例えば、シリコンウェハが用いられる。シリコンウェハ上に半導体製造プロセスと同様の膜形成工程、パターニング工程およびエッチング工程を繰り返すことによって、複数の面発光レーザ素子が形成される。ここで、面発光レーザ素子によって作り出される照明光の形状が、所定の変形照明となるように、上記のパターニングが行われる。

また、光源１″は、基板１０１″と、基板１０１″上に形成された複数の面発光レーザ素子１０２″とを有する。面発光レーザ素子１０２″には、例えば、非特許文献１（谷川達也、「松下電器産業の面発光レーザとその応用」、面発光レーザの基礎と応用徹底解説、２００７年１１月２１日、ｐ．９５−１１２）に記載のものを適用できる。非特許文献１によれば、面発光レーザ素子に、光の波長よりも微小な開口を周期的に形成した金属を反射鏡の一部として集積化し、さらに微小開口の配列周期に異方性を与えて偏波に依存した共鳴効果を生じさせ、偏波を任意の方向に制御する方法が記載されている。

従来の単一の光源を用いた検査装置では、各照明法に応じて光学部材を変更することが必要であった。ここで、光源には、イオンレーザやエキシマレーザなどが用いられていたため、光学部材の変更は複雑な光学系に対して行わなければならなかった。一方、本実施の形態によれば、３種の光源１、１′、１″を備える構成としているので、検査対象に応じた照明法が、光学系を変えずに光源を変えるだけで行えるようになる。また、各光源には面発光レーザ素子を用いているので、光源を小型化することができ、光学系を単純化することもできるので、複数の光源を備えていても従来の検査装置より小型化することができる。

光源１、光源１′および光源１″は、マスク２２に応じて交換可能に配置される。本実施の形態では、例えば、光源１による通常の照明に代えて、光源１′による変形照明または光源１″による偏光照明を行う場合には、制御計算機９の制御の下で光源制御部２４によって、光源１と光源１′または光源１″とを自動的に交換する。この交換は、マスクの種類に応じて行うようにしてもよく、マスクに形成されたパターンの種類に応じて行うようにしてもよい。

本実施の形態においては、光源１と光源１″のみを備える構成とし、変形照明は、光源１の面発光レーザ素子１０２の一部を消光させることにより行うこともできる。例えば、発光している面発光レーザ素子によって輪帯状の照明光が得られるよう、複数の面発光レーザ素子１０２を部分的に発光させるようにすれば、光源１であっても変形照明を行うことが可能である。また、光源１″からの光をマスク２２に斜めに照射して変形照明を行う場合も同様にすればよい。

また、本実施の形態においては、光源１と光源１″のみを備える構成とし、照明光学系３に、これらの光源の内の少なくとも一方からの光がマスク２２に斜めに照射されるように光の照射方向を変える光学部材を設けてもよい。例えば、光源１による照明光を開口絞り３０５で変形することによって、任意の偏向方向の光による変形照明が行える。また、光源１″による照明光を開口絞り３０５で変形することによって、所定の偏向方向の光による変形照明が行える。但し、開口絞り３０５がない場合、光源１″からの光は、マスク２２に対して垂直に照射されるものとする。本実施の形態の構成によれば、コヒーレント光をインコヒーレント化するのに必要な機器や、均一な照明光にするための機器が不要になるので、従来の検査装置より光学系が単純化される。したがって、照明法に応じて開口絞りの種類を変えることとしても、その変更は従来の検査装置に比べて容易である。

図３（ａ）および（ｂ）に開口絞りの例を示す。図３（ａ）は、輪帯状の開口絞りの平面図であり、例えば、光源１からの照明光は、開口絞り３０５ａの開口部ａを通ることによって輪帯状となる。したがって、光源１の面発光レーザ素子を部分的に消光しなくても輪帯照明を行うことができる。図３（ｂ）は、４個の小さい開口を有する開口絞りの平面図である。光源１からの照明光は、開口絞り３０５ｂの開口部ｂを通ることによって、光軸から偏心した４つの照明光に分かれる。したがって、この場合にも、光源１の面発光レーザ素子を部分的に消光せずに変形照明を行うことができる。尚、開口絞り３０５ａと開口絞り３０５ｂとは、図３（ｃ）に示す通常の照明用に設けられた円形の開口部ｃを有する開口絞り３０５ｃとともに、図３（ｄ）のように１枚の円板Ｐの上に等間隔で配置することができる。マスク２２やマスク２２に形成されたパターンの種類に応じて、開口絞り３０５ａ〜３０５ｃのいずれかを選択するようにすればよい。

上述の通り、面発光レーザ素子を用いた光源は、イオンレーザやエキシマレーザなどの光源に比較すると小型で安価である。したがって、本実施の形態においては、光源１、光源１′、光源１″の少なくとも１つについて、固有波長の異なる複数の光源を備えるようにしてもよい。これは、特に、反射照明系を用いた構成に有効である。透過照明系を用いた構成では、照明光はマスクに形成されたパターンの開口部を透過するので、鮮明な光学画像を取得して検査精度を向上させるには、照明光であるレーザ光の波長を短波長化することが必要になる。一方、反射照明系を用いた構成では、マスクによって反射された散乱光を検出するので、波長による検出精度の向上は透過照明系に比較して小さいものとなる。そこで、反射照明系では、複数の固有波長の光源を用意し、照明光の固有波長を変えて検査を行うのが有効である。

次に、本実施の形態の検査装置を用いて検査を行う方法について、図１および図４を用いて説明する。

マスク２２上の被検査領域は、図４に示すように、Ｘ方向に向かって、スキャン幅Ｗの短冊状の複数のストライプＳに仮想的に分割される。検査装置においては、各ストライプＳが連続的に走査されるようにステージ２の動作が制御される。すなわち、ステージ２の移動によって、フォトダイオードアレイ５が相対的にＹ方向に連続移動しながら、光学画像が取得されていく。フォトダイオードアレイ５は、スキャン幅Ｗの光学画像を連続的に撮像する。具体的には、１つのストライプの画像を撮像した後、スキャン幅ＷだけＸ方向にずれた位置で、先程とは逆方向に移動しながら同様にスキャン幅Ｗの光学画像を連続的に撮像する。

図１で、マスク２２を透過した照明光２３は、拡大光学系４によってフォトダイオードアレイ５に結像される。結像されたパターンの像は、光電変換され、さらにセンサ部６でＡ/Ｄ（アナログデジタル）変換される。その後、フォトダイオードアレイ５の各画素データは、位置情報部１１から出力されたステージ２上でのマスク２２の位置を示すデータとともに、比較部１２に送られる。測定データは、例えば、８ビットの符号なしデータであり、各画素の明るさの階調（光量）を表現している。

図１の参照部１３では、参照データ（参照画像）が作成される。具体的には、参照部１３において、磁気ディスク装置１６から制御計算機９を通してマスク２２の設計データが読み出される。読み出されたデータは、２値または多値のイメージデータに変換されて参照データとなる。この参照データは、比較部１２に送られる。

比較部１２では、まず、測定データと参照データの位置合わせが行われる。次いで、測定データの各画像データと、参照データの参照画素データとを、所定のアルゴリズムにしたがって比較して欠陥の有無を判定する。比較結果は、例えば、磁気ディスク装置１６、磁気テープ装置１７、フレキシブルディスク装置１８、ＣＲＴ１９、パターンモニタ２０またはプリンタ２１に出力される。尚、これら以外の外部の機器に出力されるようにしてもよい。

上記は、ダイ・ツー・データベース検査の例であるが、ダイ・ツー・ダイ検査を行う場合には、次のようにして行う。

被検査試料とともに撮像された参照試料の測定データ（参照画像）が、位置情報部１１から出力されたステージ２上でのマスク２２の位置を示すデータとともに、比較部１２に送られる。そして、比較部１２内で、まず、測定データと参照データの位置合わせが行われる。次いで、測定データの各画像データと、参照データの参照画素データとを、所定のアルゴリズムにしたがって比較して欠陥の有無を判定する。比較結果は、例えば、磁気ディスク装置１６、磁気テープ装置１７、フレキシブルディスク装置１８、ＣＲＴ１９、パターンモニタ２０またはプリンタ２１に出力される。尚、これら以外の外部の機器に出力されるようにしてもよい。

以上述べたように、本実施の形態によれば、光源１、１′、１″が、いずれも複数の面発光レーザ素子を用いて構成されており、光源１を用いれば、マスク２２に対して垂直な任意の偏向方向の光による照射が行える。また、光源１′を用いれば、マスク２２に対して斜めに任意の偏向方向の光による照射が行える。さらに、光源１″を用いれば、所定の偏向方向の光による照射が行える。したがって、光源を交換することにより、マスク２２やマスク２２に形成されたパターンの種類に応じて照明法を簡便に変更できる。また、従来に比べて小型で単純化された構造の検査装置とすることもできる。それ故、従来の検査装置が抱えていた問題、すなわち、設置のための空間が大きくなる上に、光源やインコヒーレント化のための光学機器に多大なコストを要していたことにより、検査対象に応じた照明法の変更が困難であったという問題を解消できるようになる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

本実施の形態における検査装置のシステム構成図である。 本実施の形態における光源と照明光学系の構成を説明する概念図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態における開口絞りの例である。 本実施の形態において、光学画像の取得方法を説明するための概念図である。

符号の説明

１００ 検査装置
１、１′、１″ 光源
２ ステージ
３ 照明光学系
４ 拡大光学系
５ フォトダイオードアレイ
６ センサ部
７ レーザ測長システム
８ オートローダ
９ 制御計算機
１０ バス
１１ 位置情報部
１２ 比較部
１３ 参照部
１４ オートローダ制御部
１５ ステージ制御部
１６ 磁気ディスク装置
１７ 磁気テープ装置
１８ フレキシブルディスク装置
１９ ＣＲＴ
２０ パターンモニタ
２１ プリンタ
２２ マスク
２３ 照明光
２４ 光源制御部
１０１、１０１′、１０１″ 基板
１０２、１０２′、１０２″ 面発光レーザ素子
３０１ ＮＤフィルタ
３０２ 集光レンズ
３０３ 視野絞り
３０４ フォーカスレンズ
３０５ 開口絞り
３０６ コンデンサレンズ

Claims (5)

1. 複数の面発光レーザ素子を用いて構成された光源と、
   前記光源からの光を検査対象に照射する光学系とを備えた検査装置であって、
   前記光源には、任意の偏向方向の光を発生する第１の光源と、所定の偏向方向の光のみを発生する第２の光源とがあり、
   前記第１の光源からの光は、前記光学系を介して前記検査対象に垂直に照射され、前記第２の光源からの光は、前記光学系と同じ光学系を介して前記検査対象に垂直または斜めに照射されることを特徴とする検査装置。
2. 前記第１の光源および前記第２の光源の少なくとも一方は、固有波長の異なる複数の光源を有することを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
3. 前記光源には、任意の偏向方向の光を発生する第３の光源があり、
   前記第３の光源からの光は、前記光学系と同じ光学系を介して前記検査対象に斜めに照射されることを特徴とする請求項１または２に記載の検査装置。
4. 前記第３の光源は、固有波長の異なる複数の光源を有することを特徴とする請求項３に記載の検査装置。
5. 前記光学系には、前記第１の光源からの光が前記検査対象に斜めに照射されるように該光の照射方向を変える光学部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の検査装置。
   
   

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