JP5121642B2 - マスク検査装置及びマスク検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、マスク検査装置及びマスク検査方法に関する。

半導体装置の製造過程において、基板上にパターンを形成するためにレチクルもしくはフォトマスク（以下「マスク」という）が用いられている。マスクが欠陥を有すると、基板上に欠陥が転写されてしまうため、マスクの欠陥検査が行われている。

マスクの検査方法としては、ダイ・トゥ・ダイ（Die-to-Die）検査と、ダイ・トゥ・データベース（Die-to-Database）検査とが知られている。

ダイ・トゥ・ダイ検査では、マスクの異なる位置に描画された同一パターンの光学画像同士が比較される。これに対し、ダイ・トゥ・データベース検査では、マスク作成時に使用した設計データ（ＣＡＤデータ）から生成した参照画像と、マスクに描画されたパターンの光学画像とが比較される。

例えば、特許文献１記載のマスク検査装置では、マスクを保持した状態でＸ方向及びＹ方向に移動するステージの位置がレーザ干渉計により測定され、その測定結果を用いて光学画像が取得され、取得された光学画像が所定の参照画像と比較される。

ここで、図８に示すように、レーザ干渉計１１２、１１４は、ステージ１０２に設けられたミラー１１１、１１３に向けてレーザ光を照射し、ミラー１１１、１１３による反射光を受光することでステージ１０２のＸ方向及びＹ方向の位置を測定するものである。

然し、これらミラー１１１、１１３の研磨の加工精度は有限であり、実際には、図８に示すようにミラー１１１、１１３の表面は屈曲していることから、位置ずれが発生する。また、ＸＹステージ１０２の支持部１０２ａにより支持されたマスク１０１が重力の影響で撓むことから、例えばＸ方向にΔｘの位置ずれが発生する。これらの位置ずれが合成されると、図８に示すように、取得した光学画像が２０ｎｍ乃至３０ｎｍのオーダで歪む。この光学画像の歪みは、再現性を有することが判った。

また、上記ダイ・トゥ・データベース検査で光学画像と比較される参照画像は、設計データから生成されるため、上述したような歪みを生じない。このため、マスクの検査を精度良く行うことが困難であった。

また、近年、半導体デバイスの回路パターンの微細化及び高密度化が進んでおり、解像度の限界に近づいている。そこで、パターンを２枚のマスクに分割し、これら２枚のマスクを用いることで高密度のパターンを転写するダブルパターニングやダブル露光技術が研究されている。

ダブルパターニングで用いられる２枚のマスクのパターンの重ね合わせは、２ｎｍ乃至３ｎｍ程度の高い精度で要求される。従って、特に、ダブルパターニングで用いられるマスクの検査を行う場合、マスクから得られた光学画像に局所的な歪みが無いことが要求される。ところが、実際には、光学画像が２０ｎｍ乃至３０ｎｍのオーダで歪んでしまい、この要求を満たすことが困難であった。
特開２００６−２６６８６４号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題は、ミラーの屈曲とマスクの撓みに起因する光学画像の歪みを排除でき、マスク検査を精度良く行うことが可能なマスク検査装置及びマスク検査方法を提供することにある。

本発明の他の課題および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、第１のミラーと第２のミラーを有し、マスクを保持した状態でＸ方向及びＹ方向に移動可能なステージと、前記第１のミラーにレーザ光を照射してその反射光を受光することにより、前記ステージのＸ方向の位置を測定する第１のレーザ干渉計と、前記第２のミラーにレーザ光を照射してその反射光を受光することにより、前記ステージのＹ方向の位置を測定する第２のレーザ干渉計と、前記ステージをＸ方向及びＹ方向に移動させ、前記第１及び第２のレーザ干渉計の測定結果を用いながら、前記マスクに描画されたパターンの光学画像を取得する光学画像取得部と、予め測定された前記マスクの撓み並びに前記第１及び第２のミラーの曲がりに起因する光学画像の位置ずれ量を記憶する位置ずれ量記憶部と、前記位置ずれ量記憶部に記憶された位置ずれ量に基づいて、前記光学画像取得部により取得された光学画像の位置ずれを補正する位置ずれ補正部と、前記位置ずれ補正部により補正された光学画像と、所定の参照画像とを比較する画像比較部とを備えたことを特徴とする。

本発明の第１の態様において、前記位置ずれ量記憶部は、予め測定された位置ずれ量を多項式にフィッティングして求めたパラメータと、予め測定された位置ずれ量を記述したマップとを記憶し、前記位置ずれ補正部は、前記パラメータ及び前記マップを用いて、前記光学画像取得部により取得された光学画像の位置ずれを補正するように構成してもよい。

また、上記課題を解決するため、本発明の第２の態様は、マスクを保持したステージをＸ方向及びＹ方向に移動させ、このステージのＸ方向及びＹ方向の位置をレーザ干渉計により測定し、その測定結果を用いながら前記マスクに描画されたパターンの光学画像を取得する取得ステップと、予め記憶された前記マスクの撓み及び前記レーザ干渉計から照射されたレーザ光を反射するミラーの曲がりに起因する光学画像の位置ずれ量を読み出し、読み出した位置ずれ量に基づいて、前記取得ステップで取得された光学画像の位置ずれを補正する補正ステップと、前記補正ステップで補正された光学画像と、所定の参照画像とを比較するステップとを含むことを特徴とする。

本発明の第２の態様において、前記補正ステップは、予め測定された前記位置ずれ量を多項式にフィッティングして求めたパラメータを読み出し、このパラメータを用いて前記取得ステップで取得された光学画像の位置ずれを補正する多項式補正ステップを有するように構成してもよい。

本発明の第２の態様において、前記補正ステップは、予め測定された前記位置ずれ量を記述したマップを読み出し、このマップを用いて前記多項式補正ステップの実行後に残存する光学画像の位置ずれを補正するマップ補正ステップを更に有するように構成してもよい。

本発明の第１の態様では、マスクの撓み並びに第１及び第２のミラーの曲がりに起因する光学画像の位置ずれ量を予め測定しておき、測定した位置ずれ量を位置ずれ量記憶部に記憶する。この記憶された位置ずれ量に基づいて、光学画像取得部により取得された光学画像の位置ずれを位置ずれ補正部により補正する。この第１の態様によれば、ミラーの屈曲とマスクの撓みに起因する光学画像の歪みを排除でき、マスクの検査を精度良く行うことができる。

本発明の第２の態様では、マスクパターンの光学画像を取得した後、予め記憶されたマスクの撓み及びミラーの曲がりに起因する光学画像の位置ずれ量を読み出し、読み出した位置ずれ量に基づいて、上記取得した光学画像の位置ずれを補正する。この第２の態様によれば、ミラーの屈曲とマスクの撓みに起因する光学画像の歪みを排除でき、マスクの検査を精度良く行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態によるマスク検査装置１００の構成を示す概念図である。マスク検査装置１００は、検査対象であるマスク１０１を保持するステージ１０２を備えている。ステージ１０２は、図８に示す保持部１０２ａによりマスク１０１を保持している。

ステージ１０２は、図示省略するモータにより、Ｘ方向及びＹ方向に駆動可能である。ステージ１０２の駆動制御は、制御部１５０によって実行される。制御部１５０は、マスク検査に関する全体的な制御を実行するものである。

ステージ１０２のＹ方向に平行な側面にはミラー１１１が設けられており、このミラー１１１に対向してＸ軸レーザ干渉計１１２が配置されている。Ｘ軸レーザ干渉計１１２は、ミラー１１１に向けてレーザ光を発し、ミラー１１１による反射光を受光することにより、ステージ１０２のＸ方向の位置を測定するものである。

同様に、ステージ１０２のＸ方向に平行な側面にはミラー１１３が設けられており、このミラー１１３に対向してＹ軸レーザ干渉計１１４が配置されている。Ｙ軸レーザ干渉計１１４は、ミラー１１３に向けてレーザ光を発し、ミラー１１３による反射光を受光することにより、ステージ１０２のＹ方向の位置を測定するものである。

Ｘ軸及びＹ軸レーザ干渉計１１２、１１４の測定結果は、光学画像入力部１１６に送信され、光学画像の生成に用いられる。

また、マスク検査装置１００は、レーザ光を発する光源１０４を備えている。光源１０４からのレーザ光は、透過照明光学系を構成するコレクタレンズ１０６を介して、マスク１０１に照射される。

マスク１０１を透過したレーザ光は、対物レンズ１０８を介して透過光検出部１１０たるＴＤＩセンサに結像される。ＴＤＩセンサ１１０は、長方形（例えば、２０４８画素×５１２画素）の撮像領域を有する。尚、１画素のサイズは、例えば、７０ｎｍ×７０ｎｍである。

図示省略するが、ＴＤＩセンサ１１０は、ＴＤＩ方向（電荷蓄積方向）に並ぶ複数段（例えば、５１２段）のラインによって構成され、各ラインはＴＤＩ方向に垂直な方向に並ぶ複数の画素（例えば、２０４８画素）によって構成されている。

ＴＤＩセンサ１１０は、ＴＤＩ方向とステージ１０２のＸ方向が一致するように配置されている。従って、ステージ１０２をＸ方向に移動させると、ＴＤＩセンサ１１０がマスク１０１に対して相対的に移動するため、ＴＤＩセンサ１１０によりマスク１０１のパターンが撮像される（図２参照）。

尚、ＴＤＩセンサ１１０は、双方向から電荷を出力可能に構成されている。

ＴＤＩセンサ１１０の１ライン分の出力（光学画像）は、図示しないアンプにより増幅された後、光学画像入力部１１６に格納される。このとき、上記Ｘ軸及びＹ軸レーザ干渉計１１２、１１４により測定されたＸ方向及びＹ方向の位置と関連づけて１ライン分の光学画像が格納される。

図２に示すように、マスク１０１の被検査領域１０１Ａは、Ｙ方向に沿って短冊状の複数の検査ストライプに仮想分割される。各検査ストライプの幅（スキャン幅）は、上記ＴＤＩセンサ１１０のライン長に応じて設定される。

マスク１０１を保持した状態でステージ１０２をＸ方向に連続移動させながら、上記仮想分割された１つの検査ストライプの光学画像をＴＤＩセンサ１１０によって撮像する。その検査ストライプの終端に達すると、ステージ１０２をＹ方向に移動させる。その後、ステージ１０２を反対のＸ方向に連続移動させながら、次の検査ストライプの光学画像をＴＤＩセンサ１１０によって撮像する。これを繰り返すことで、マスク１０１の被検査領域全体の光学画像が光学画像入力部１１６によって取得される。

光学画像入力部１１６で取得された光学画像は、前述したように、ミラー１１１、１１３の曲がり及びマスク１０１の重力による撓みに起因する位置ずれの影響を受けており、図８に示すような歪みを生じている。

そこで、本実施の形態では、ミラー１１１、１１３の屈曲及びマスク１０１の撓みに起因する位置ずれ量を後述する方法により予め測定しておき、測定した位置ずれ量を位置ずれ量記憶部１１８に記憶させておく。

位置ずれ補正部１２０は、位置ずれ量記憶部１１８に記憶された位置ずれ量を用いて、光学画像入力部１１６から入力される光学画像の位置ずれを図３に示すように補正（逆補正）する。即ち、位置ずれ補正部１２０は、光学画像の位置ずれ補正（ＧＭＣ：Grid Matching Correction）を実行するものである。

次に、図４乃至図６を参照し、マスクの検査前に行う位置ずれ量の測定及び記憶について説明する。

図４は、位置ずれ量の測定に用いられるマスク１を示す概略図である。マスク１は、透明基板（例えば、ガラス基板）１０の領域１０Ａに、クロム膜からなる複数の十字型のマーク１１が規則的に形成されたものである。これら複数のマーク１１の中心（交差点）は、等間隔の理想的な座標系で配置される。尚、領域１０Ａは、上記被検査領域１０１Ａに相当する。

このマスク１をステージ１０２に載置し、ステージ１０２をＸ方向及びＹ方向に駆動させながら複数のマーク１１の光学画像を取得する。取得した光学画像から各マーク１１の位置を求める。

図５は、各マークの位置ずれ量を示す一のマップである。図５の例では、実線で示す理想座標系での９点（３点×３点）のマークの位置が、破線で示すようにずれている。つまり、９点のマークの位置が、図中に矢印で示す量（ベクトル量）だけ各々ずれている。

この９点の位置ずれ量を用いて、ステージ１０２における任意の座標（ｘ，ｙ）での位置ずれ量（Δｘ，Δｙ）を、下式（１）及び（２）で表される３次多項式でフィッティングする。即ち、フィッティングによりＸ方向の３次多項式（１）のパラメータａ_０乃至ａ_９と、ｙ方向の３次多項式（２）のパラメータｂ_０乃至ｂ_９とを求める。
Δｘ=ａ_０＋ａ_１ｘ＋ａ_２ｙ＋ａ_３ｘ^２＋ａ_４ｘｙ＋ａ_５ｙ^２＋ａ_６ｘ^３＋ａ_７ｘ^２ｙ＋ａ_８ｘｙ^２＋ａ_９ｙ^３ ・・・（１）
Δｙ＝ｂ_０＋ｂ_１ｘ＋ｂ_２ｙ＋ｂ_３ｘ^２＋ｂ_４ｘｙ＋ｂ_５ｙ^２＋ｂ_６ｘ^３＋ｂ_７ｘ^２ｙ＋ｂ_８ｘｙ^２＋ｂ_９ｙ^３ ・・・（２）

そして、求めたパラメータａ_０〜ａ_９とパラメータｂ_０〜ｂ_９を位置ずれ量記憶部１１８に記憶しておき、位置ずれ補正部１２０により光学画像の位置ずれを補正する際に用いるようにする。

尚、フィッティングを行う多項式は、上式（１）及び（２）のような３次多項式に限らず、４次以上の多項式でもよい。

上記パラメータを用いた位置ずれ補正（以下「多項式補正」ともいう）は、位置ずれが滑らかである場合には効果的である。一方、ある座標での位置ずれが突出している場合、上記パラメータを用いた位置ずれ補正では補正しきれない可能性がある。この場合、マップによる補正が有効である。

図６は、各マークの位置ずれ量を示す他のマップである。図６の例では、実線で示す理想座標系での４９点（７点×７点）のマークの位置が、破線で示すようにずれている。図６に示すマップを位置ずれ量記憶部１１８に記憶しておき、位置ずれ補正部１２０により光学画像の位置ずれ補正する際に用いるようにする。

図６に実線で示す理想座標系での任意の座標ｇ（ｘ，ｙ）における位置ずれ量Δｇ（Δｘ_ｘ、ｙ，Δｙ_ｘ，ｙ）は、その座標ｇ（ｘ，ｙ）を取り囲む周辺の４点の位置ずれ量から内挿する方法で求めてればよい。

例えば、図６における座標ｇ（ｉ＋ｓ，ｊ＋ｔ）における位置ずれ量Δｇ_{ｉ＋ｓｊ＋ｔ}（Δｘ_{ｉ＋ｓｊ＋ｔ}，Δｙ_{ｉ＋ｓｊ＋ｔ}）は、下式（３）及び（４）により求めることができる。
Δｘ_{ｉ＋ｓｊ＋ｔ}＝Δｘ_ｉ，ｊ(１−ｓ)(１−ｔ)＋Δｘ_{ｉ＋１，ｊ}ｓ(１−ｔ)＋Δｘ_{ｉ，ｊ＋１}(１−ｓ)t＋Δｘ_{ｉ＋１，ｊ＋１}ｓｔ ・・・（３）
Δｙ_{ｉ＋ｓｊ＋ｔ}＝Δｙ_ｉ，ｊ(１−ｓ)(１−ｔ)＋Δｙ_{ｉ＋１，ｊ}ｓ(１−ｔ)＋Δｙ_{ｉ，ｊ＋１}(１−ｓ)t＋Δｙ_{ｉ＋１，ｊ＋１}ｓｔ ・・・（４）

また、図１に示すマスク検査装置１００は、参照画像生成部１２２を備えている。参照画像生成部１２２は、記憶装置１５２に格納されたマスク生成時の設計データ（ＣＡＤデータ）から参照画像を生成するものである。

参照画像生成部１２２により生成された参照画像は画像比較部１２４に入力される。画像比較部１２４は、この参照画像と、上記位置ずれ補正部１２０により位置ずれが補正された光学画像とを比較し、その比較結果（検査結果）を制御部１５０に出力する。

次に、図７を参照して、本実施の形態によるマスク検査方法を説明する。図７に示すルーチンは、制御部１５０により実行される。

図７に示すルーチンによれば、先ず、光学画像を取得する（ステップＳ１００）。このステップＳ１００では、ＸＹステージをＸ方向及びＹ方向に移動させながら、ＴＤＩセンサ１１０により撮像された光学画像が光学画像入力部１１６に順次格納される。このとき、レーザ干渉計１１２、１１４の測定結果を用いて光学画像が合成される。

次に、１マスク分の光学画像の取得が終了したか否かを判別する（ステップＳ１０２）。このステップＳ１０２では、マスク１０１の被検査領域１０１Ａの光学画像が全て取得されたか否かが判別される。このステップＳ１０２で１マスク分の光学画像の取得が未だ終了していないと判別された場合、上記ステップＳ１００の処理に戻る。

一方、上記ステップＳ１０２で１マスク分の光学画像の取得が終了したと判別された場合、位置ずれ補正部１２０により、上記パラメータａ_０〜ａ_９及びｂ_０〜ｂ_９を用いて、上記ステップＳ１００で取得された光学画像の位置ずれを補正する（ステップＳ１０４）。このステップＳ１０４では、位置ずれ量記憶部１１８に記憶された上式（１）及び（２）のパラメータａ_０〜ａ_９及びｂ_０〜ｂ_９を読み出し、これらのパラメータを入力した３次多項式（１）及び（２）により、光学画像のＸ方向及びＹ方向の位置ずれが補正される。

その後、位置ずれ補正部１２０により、上記マップを用いて、上記ステップＳ１０４の多項式補正によってもなお光学画像の一部に残存する位置ずれを補正する（ステップＳ１０６）。このステップＳ１０６では、位置ずれ量記憶部１１８に記憶された図６に示すようなマップを読み出し、このマップを用いて光学画像の一部の位置ずれが補正される。

尚、マップ補正が必要な部分、すなわち、光学画像の位置ずれが周辺部分と滑らかでなく、多項式補正では補正しきれない程大きい部分は、マップを作成する際に特定することができるため、上記ステップＳ１０６ではその特定された部分に対してマップ補正を行うようにすればよい。

最後に、マップ補正後の光学画像と、参照画像生成部１２２により生成された参照画像とを画像比較部１２４により比較する（ステップＳ１０８）。この比較結果（検査結果）は制御部１５０に送られ、図示しない表示部に表示される。

以上説明したように、本実施の形態では、ミラー１１１，１１３の曲がりとマスク１０１の重力による撓みに起因する光学画像の位置ずれ量を予め測定し、測定した位置ずれ量を多項式及びマップとして位置ずれ量記憶部１１８に記憶しておき、この多項式及びマップを用いて位置ずれ補正部１２０により光学画像の位置ずれを補正する。これにより、ミラー１１１，１１３の曲がりとマスク１０１の重力による撓みに起因する光学画像の歪みを排除でき、マスク検査を精度良く行うことができる。従って、ダブルパターニングに用いられるマスクの検査に本発明を適用することが好適である。

また、多項式補正を行った後にマップ補正を行うことで、多項式補正では補正しきれないような位置ずれを補正することができる。

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。例えば、上記実施の形態では、透過照明系を用いて光学画像を取得しているが、本発明はこれに限られるものではなく、反射照明系を用いて光学画像を取得する場合にも本発明を適用可能である。

また、上記実施の形態では、位置ずれ補正後の光学画像と、設計データから生成された参照画像とを比較するダイ・トゥ・データベース検査の例について説明しているが、光学画像同士を比較するダイ・トゥ・ダイ検査に対して本発明を適用可能である。この場合、位置ずれ補正後の光学画像同士を比較すればよい。

また、上記実施の形態では、多項式補正とマップ補正の両方を実施しているが、光学画像の歪みの程度に応じて、何れか一方を実施するようにしてもよい。

本発明の実施の形態によるマスク検査装置１００の構成を示す概念図である。 マスク１０１の検査ストライプを示す概念図である。 座標の位置ずれの補正を示す概念図である。 位置ずれ量の測定に用いられるマスク１を示す概略図である。 各マークの位置ずれ量を示す一のマップである。 各マークの位置ずれ量を示す他のマップである。 本発明の実施の形態によるマスク検査方法を説明するフローチャートである。 ミラーの曲がりとマスクの重力による撓みに起因する光学画像の歪みを説明する概念図である。

符号の説明

１００ マスク検査装置
１０１ マスク
１０２ ステージ
１１１、１１３ ミラー
１１２ Ｘ軸レーザ干渉計
１１４ Ｙ軸レーザ干渉計
１１０ 透過光検出部
１１６ 光学画像入力部
１１８ 位置ずれ量記憶部
１２０ 位置ずれ補正部
１２４ 画像比較部
１５０ 制御部

Claims (5)

1. 第１のミラーと第２のミラーを有し、マスクを保持した状態でＸ方向及びＹ方向に移動可能なステージと、
   前記第１のミラーにレーザ光を照射してその反射光を受光することにより、前記ステージのＸ方向の位置を測定する第１のレーザ干渉計と、
   前記第２のミラーにレーザ光を照射してその反射光を受光することにより、前記ステージのＹ方向の位置を測定する第２のレーザ干渉計と、
   前記ステージをＸ方向及びＹ方向に移動させ、前記第１及び第２のレーザ干渉計の測定結果を用いながら、前記マスクに描画されたパターンの光学画像を取得する光学画像取得部と、
   予め測定された前記マスクの撓み並びに前記第１及び第２のミラーの曲がりに起因する光学画像の位置ずれ量を記憶する位置ずれ量記憶部と、
   前記位置ずれ量記憶部に記憶された位置ずれ量に基づいて、前記光学画像取得部により取得された光学画像の位置ずれを補正する位置ずれ補正部と、
   前記位置ずれ補正部により補正された光学画像と、所定の参照画像とを比較する画像比較部とを備えたことを特徴とするマスク検査装置。
2. 前記位置ずれ量記憶部は、予め測定された位置ずれ量を多項式にフィッティングして求めたパラメータと、予め測定された位置ずれ量を記述したマップとを記憶し、
   前記位置ずれ補正部は、前記パラメータ及び前記マップを用いて、前記光学画像取得部により取得された光学画像の位置ずれを補正するように構成されたことを特徴とする請求項１記載のマスク検査装置。
3. マスクを保持したステージをＸ方向及びＹ方向に移動させ、このステージのＸ方向及びＹ方向の位置をレーザ干渉計により測定し、その測定結果を用いながら前記マスクに描画されたパターンの光学画像を取得する取得ステップと、
   予め記憶された前記マスクの撓み及び前記レーザ干渉計から照射されたレーザ光を反射するミラーの曲がりに起因する光学画像の位置ずれ量を読み出し、読み出した位置ずれ量に基づいて、前記取得ステップで取得された光学画像の位置ずれを補正する補正ステップと、
   前記補正ステップで補正された光学画像と、所定の参照画像とを比較するステップとを含むことを特徴とするマスク検査方法。
4. 前記補正ステップは、予め測定された前記位置ずれ量を多項式にフィッティングして求めたパラメータを読み出し、このパラメータを用いて前記取得ステップで取得された光学画像の位置ずれを補正する多項式補正ステップを有することを特徴とする請求項３記載のマスク検査方法。
5. 前記補正ステップは、予め測定された前記位置ずれ量を記述したマップを読み出し、このマップを用いて前記多項式補正ステップの実行後に残存する光学画像の位置ずれを補正するマップ補正ステップを更に有することを特徴とする請求項４記載のマスク検査方法。
   

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