JP5679386B1 - レーザ光源装置、及び検査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡素な構成のレーザ光源装置、及び検査装置を提供する。【解決手段】本発明の一態様にかかるレーザ光源装置２００は、第１の波長帯域のいずれか一つに含まれる波長を中心波長基本波のレーザ光を発振する基本波発生手段２０１と、固体レーザから取り出される２ピコ秒以上のパルス幅を有するパルスレーザ光の第６高調波を発生させる手段２０５と、を備えたレーザ光源装置である。第１の波長帯域は（１０６３．７６３＋Δλ）ｎｍから（１０６３．９２１−Δλ）ｎｍであり、第２の波長帯域は（１０６３．９２１＋Δλ）から（１０６４．０７３−Δλ）ｎｍであり、第３の波長帯域は（１０６４．２８４＋Δλ）ｎｍから（１０６４．５５３−Δλ）ｎｍであり、第４の波長帯域は（１０６４．７１５＋Δλ）ｎｍから（１０６４．８９４−Δλ）ｎｍである。【選択図】図４
Description
本発明は、レーザ光源装置、及び検査装置に関する。
一般にマスクの欠陥検査には、マスクパターンと設計データとの比較検査法（一般にDie-to-database比較法と呼ばれる。）と、２つのチップの同一部分を比較するパターン比較検査法（一般にDie-to-die比較法と呼ばれる。）の２通りの方法が広く知られている。どちらも方式でもマスクパターンにおける微小な一部分を対物レンズと投影レンズによって、ＣＣＤカメラ、あるいはＴＤＩカメラなどのイメージセンサー面に拡大投影して検出されるパターンを比較している。ただしマスクのパターン面における観察領域を照明する必要があり、その照明用の光源（一般にマスク検査光源と呼ばれる。）には様々な紫外域のレーザが用いられている。これに関しては、例えば、記非特許文献１において概説されている。
特に短波長のレーザを用いた高感度なマスク検査装置としては、波長１９３ｎｍの紫外光のパルスレーザをマスク検査光源として用いたパターン検査装置が開発されている。これに関しては、例えば、下記非特許文献２に示されている。
イメージセンサー面に投影されるマスクのパターンの再現性を左右する解像度は、照明するレーザ光の波長に比例し、投影光学系で用いられる対物レンズの開口数ＮＡに反比例する。従って解像度を高めるには、レーザ光を短波長化するか、あるいは対物レンズを高ＮＡ化すればよい。
波長１９３ｎｍよりも短波長の光源としては、波長約１５７ｎｍでレーザ動作するフッ素分子レーザが広く知られている。ただしフッ素分子レーザは後述するように、繰り返し数が低い。このことから、波長１０６４ｎｍでレーザ発振するレーザの第６高調波である波長１７７ｎｍの紫外光を用いることが考えられる。
特にＫＢＢＦ(KBe2BO3F2)結晶、あるいはＲＢＢＦ（RbBe2BO3F2）結晶と呼ばれる非線形光学結晶を用いると、波長１０６４ｎｍの固体レーザの第６高調波が得られることが知られている（例えば非特許文献１０）。なお、ＫＢＢＦ結晶やＲＢＢＦ結晶に関しては、下記非特許文献３において示されている。また、ＫＢＢＦ結晶やＲＢＢＦ結晶を用いることで波長１７５ｎｍが得られること関しては、下記非特許文献４においても示されている。
一方、パターン検査装置に用いられる検査光源に関しては、均一な投影像を得るため、及び検査速度を高めるために、連続動作（ＣＷ動作と呼ばれる。ＣＷはContinuous Waveの略である。）のレーザか、あるいは１ＭＨｚ以上の高い繰り返し動作が可能なレーザ装置が用いられることが多い。
特にＴＤＩ（Time Delay Integration）カメラを用いる場合、そのイメージセンサー面に投影させながらマスクをスキャンさせている。なお、ＴＤＩカメラとは、ＣＣＤ素子をＴＤＩ動作させた撮像装置のことであり、例えば、下記非特許文献５において説明されている。
ＴＤＩカメラでは、一般に長方形状であるイメージセンサーにおける一方向に信号を積算することで、信号を平均化している。これによって、マスク検査光源から発生するパルス光のエネルギーにある程度のバラツキがある場合でも、取得されるパターン信号にはバラツキの影響が低減される。従って、ＴＤＩカメラにおける一般的なフレームレートである１００〜１０００Ｈｚに比べて大幅に高い繰り返し数でパルス発光する光源が好ましい。特に１ＭＨｚ以上の高速な繰り返し数でパルス動作できるレーザがマスク検査光源に適している。ただし、ＣＷ動作のレーザを用いても良いが、波長１９３ｎｍより短い波長で数百ｍＷ以上のマスク検査に十分なパワーが得られるＣＷレーザは存在しない。
マスク検査光源に１ＭＨｚ以上の高繰り返しレーザが適する理由について説明する。例えば、イメージセンサーの画素数が縦方向に１０００画素、横方向に２０００画素として、それを１０００Ｈｚのフレームレートで動作させる場合について考える。マスクのスキャン方向がイメージセンサーの縦方向と平行であれば、１秒間に１０００×１０００パルス（すなわち１ＭＨｚ）で動作できる光源を用いることで、縦段数分で平均化される。すなわち、同一地点に１０００パルス分の光エネルギーが積算されることになる。よって、多少のパルスエネルギーバラツキがあってもその影響はほとんど無視できるようになる。
エキシマレーザやフッ素分子レーザは、紫外域で高出力動作し、リソグラフィ用光源に利用されていることで広く知られている。しかしながら、エキシマレーザやフッ素分子レーザでは、繰り返し数は高くても６０００Ｈｚ程度である。このため、パターン検査装置用の光源としては繰り返し数が低過ぎて適さない。
一方、１ＭＨｚ以上の超高繰り返し数で動作できるパルスレーザは、応用によっては連続発振動作（ＣＷ）と同じ取扱い性を有することから、準ＣＷという意味であるＱＣＷ（Quasi-CW）レーザと呼ぶ場合が多い。ＱＣＷレーザとしては、例えば、モードロック動作させた固体レーザや、モードロック動作固体レーザ光ないし高速変調によりパルス動作させた半導体レーザ光をファイバアンプにより増幅させるレーザなどがある。例えば、７６〜１００ＭＨｚのモードロックレーザが多くのレーザメーカから製品化されている。これらのＱＣＷレーザは、繰り返し周波数が十分に高いため、検査装置に適している。ＱＣＷレーザに関しては、例えば、下記非特許文献６に示されている。
佐久間 純、半導体検査装置用ＤＵＶ光源開発の進展、レーザー研究、Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．９，ｐｐ．６９７−７０７，２０１３．
Proceedings of SPIE Vol. 8701, p.8701W, 2013.
Colin McMillen, et al, "Hydrothermal Growth and Properties of KBe2BO3F2(KBBF) and RbBe2BO3F2(RBBF) Single Crystals, 2010 OSA Optics and Photonics Congress, NThC6, 2010．
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FFT-CCDエリアイメージセンサの特性と使い方、技術資料、浜松ホトニクス株式会社
Spectra-Physics社の技術資料"Quasi-CW Solid-State Laser," PHOTONICS SPECTRA, December 2002.
H. Friedman, Physics of the Upper Atmosphere, John Ashworth Ratcliffe, Academic Press, 1960
Romain Royon, et al.,"High power, continuous-wave ytterbium-doped fiber laser tunable from 976 to 1120nm," OPTICS EXPRESS 13818, 2013.
T. Matsui, et al., High resolution absorption cross-section measurements of the Schumann-Runge bands of O2 by VUV Fourier transform spectroscopy, Journal of Molecular Spectroscopy, Vol. 219, pp. 45-58, 2003.
Xin Zhanga, Lirong Wanga, b, Xiaoyang Wanga, Guiling Wanga, Corresponding author contact information, E-mail the corresponding author, Yong Zhua, Chuangtian Chena, "High-power sixth-harmonic generation of an Nd:YAG laser with KBe2BO3F2 prism-coupled devices," Optics Communications, Volume 285, Issues 21−22, 1 October 2012, Pages 4519−4522.
しかしながら、マスク検査光源に波長１７７ｎｍの紫外光を用いる場合、紫外光が空気中の酸素に吸収されやすくなる。このため、レーザ光が減衰して必要なパワーが得られなくなることが懸念される。つまり図８に示した酸素の吸収スペクトルから判るように、波長１７７ｎｍはShumann-Runge Bands（シューマン−ルンゲ・バンド）と呼ばれる吸収帯に含まれるからである。なお、図８に示す酸素の吸収スペクトルは、非特許文献７に示されている。
レーザ光の減衰を回避する手法の一つとしては、レーザ光が通る領域を窒素で満たせば良い。ところがこれを実現するには、検査装置を気密構造として、装置内部の空気を真空ポンプで真空排気してから窒素で満たす必要がある。すなわち、検査装置内部を真空排気できるように、１気圧の差圧に耐えられるように頑丈な構造（以下、バキュームタイトな構造と呼ぶ。）で構成しておく必要が生じてしまう。これにより、装置コストが大幅に上昇してしまうことが問題になる。
さらに検査装置内部には多数の複雑な光学部品が用いられており、装置の立ち上げ調整時に光学部品を技術者が微調整する。微調整時には、技術者が装置カバーを空けて内部を覗き込む必要がある。この場合、微調整するために、真空チャンバを大気圧に戻す必要があり、調整時間が長くなってしまう。
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、空気中を効率よく伝搬可能なレーザ光を発振することができるレーザ光源装置、及び簡素な構成の検査装置を提供することを目的とするものである。
本実施形態の一態様にかかるレーザ光源装置は、第１〜第４の波長帯域のいずれかに含まれる波長を中心波長とする基本波のレーザ光を発振する固体レーザと、前記固体レーザから取り出される２ピコ秒以上のパルス幅を有するパルスレーザ光の第６高調波を発生させる手段と、を備えたレーザ光源装置であって、前記第１の波長帯域が（１０６３．７６３＋Δλ）ｎｍから（１０６３．９２１−Δλ）ｎｍであり、前記第２の波長帯域が（１０６３．９２１＋Δλ）ｎｍから（１０６４．０７３−Δλ）ｎｍであり、前記第３の波長帯域が（１０６４．２８４＋Δλ）ｎｍから（１０６４．５５３−Δλ）ｎｍであり、前記第４の波長帯域が（１０６４．７１５＋Δλ）ｎｍから（１０６４．８９４−Δλ）ｎｍであり、Δλ（ｎｍ）は、基本波のパルス幅をΔＴ（ｓ）とした場合に、Δλ＝１．６６×１０−１２／ΔＴで算出される値であるものである。こうすることで、空気中を効率よく伝搬可能なレーザ光を発振させることができる。
上記のレーザ光源装置において、前記固体レーザとして、ＹｂないしＮｄが添加された固体結晶またはファイバーを媒質としたレーザを用いても良い。これらは、レーザ光の電流変調、ないし半導体過飽和鏡等を利用したモードロック動作によってパルス動作させても良い。またアンプ段を設けて出力を増強してもよい。これにより、第１〜第４の波長帯域に含まれる中心波長を有する基本波のパルス発振レーザ光を容易に得ることができる。
本実施形態の一態様にかかる検査装置は、上記のレーザ光源装置と、前記レーザ光源装置で発生した第６高調波によって照明された試料を撮像する光検出器と、を備えたものである。この構成では、バキュームタイトな構成とする必要がないため、装置構成を簡素化することができる。
本実施形態の一態様にかかる検査装置は、上記のレーザ光源装置と、前記レーザ光源装置で発生した第６高調波によって照明された試料を撮像する光検出器と、を備えたものである。この構成では、バキュームタイトな構成とする必要がないため、装置構成を簡素化することができる。
上記の検査装置において、前記光検出器がＴＤＩカメラであってもよい。これにより、レーザ光のバラツキを低減できるため、より正確に検査することができる。
本発明によれば、大気中で利用できるレーザ光源装置、及び、簡素な構成の検査装置を提供することができる。
上記した課題を解決するために、本実施形態にかかるレーザ光源は、下記の４つの波長帯域（以下、帯域[Ａ]〜帯域[Ｄ]とする）のいずれかに含まれる波長を中心波長として、１０６４ｎｍ近傍で基本波を発振する固体レーザと、固体レーザで発振させた基本波の第６高調波を発生させる第６高調波発生手段とを備えている。帯域[Ａ]は（１０６３．７６３＋Δλ）ｎｍから（１０６３．９２１−Δλ）ｎｍであり、帯域[Ｂ]は、（１０６３．９２１＋Δλ）から（１０６４．０７３−Δλ）ｎｍであり、帯域[Ｃ]は、（１０６４．２８４＋Δλ）ｎｍから（１０６４．５５３−Δλ）ｎｍであり、帯域[Ｄ]は（１０６４．７１５＋Δλ）ｎｍから（１０６４．８９４−Δλ）ｎｍである。Δλ（ｎｍ）は、パルス幅をΔＴ（ｓ）とした場合に、Δλ＝１．６６×１０−１２／ΔＴで算出される値である。
１０６４ｎｍ近傍で発振する固体レーザとしては、Ｙｂドープのファイバレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶あるいはＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いたＮｄ系の固体レーザなどが好ましい。なお、ファイバレーザは固体レーザと分けて分類されることもあるが、レーザ媒質が固体であるため、ここでは広義の意味で固体レーザに含まれるものとする。
Ｙｂドープのファイバレーザでは、発振波長を数ｎｍから数十ｎｍも可変であることが知られている。また、Ｎｄ系の固体レーザでも、数ｎｍ可変な場合があることが知られている。従って、帯域[Ａ]〜[Ｄ]の中に中心波長を設定することができる。なお、Ｙｂドープのファイバレーザの波長可変性に関しては、非特許文献８において示されている。
ＴＤＩカメラを用いたパターン検査装置を構成する場合、１ＭＨｚ以上の高速動作が可能なＱＣＷレーザ装置を用いるのが好ましい。モードロック型のレーザ装置では、パルス幅がピコ秒やフェムト秒領域に含まれる。フーリエ限界パルス幅から、下記の式（１）のように、パルス幅Δτと周波数領域のスペクトル幅Δνとの積がほぼ決まってしまうことが知られている。
Δτ・Δν〜０．４４１ （１）
式（１）では、強度分布をガウス型としている。ここでは、パルス幅Δτ及びスペクトル幅Δνは、半値全幅（ＦＷＨＭ）である。ただし、周波数領域のスペクトル幅Δνではなく、波長領域のスペクトル幅Δλ（ｍ）を用いた場合、波長１０６４ｎｍとすると、下記の式（２）のような関係になる。
Δτ・Δλ〜１．６６×１０−２１ （２）
これによると、パルス幅が１ｐｓの場合、波長１０６４ｎｍにおけるスペクトル幅Δλは、１．６６×１０−９ｍ、すなわち１．６６ｎｍとなる。これは、６倍波である波長１７７ｎｍの周波数帯域は、基本波の約６０．５＝２．４５倍となるので、波長に換算するとおよそ０．１１ｎｍに相当する。
なお、本発明で利用可能な固体レーザのパルス幅の下限（最短パルス）としては、図２に示した酸素分子の吸収スペクトルにおける隣接する２本の吸収線の間隔が最も広い［Ｃ］（間隔は４４．９ｐｍ）に、スペクトル全体（半値幅の２倍）がほぼ入れば良い。この場合、式（１）より、１７７ｎｍにおけるパルス全幅は約１．０ｐｓとなる。そこで、波長変換によるパルス幅の変化（６倍波の場合は、６０．５）を考慮すると、基本波では約２．５ｐｓとなる。よって、２．５ｐｓ以上のパルス幅の固体レーザが利用できる。 なお、パルス幅が２ｐｓ程度に短くなると、スペクトル幅は広くなり、場合によっては、スペクトルプロファイルの裾部に吸収ラインが入る可能性も生じる。しかしながら、スペクトルプロファイルの裾部ではパワーが低いため、レーザパワー全体として低下率が無視できるのであれば、大気中でも問題なくレーザを使用できる。従って、パルス幅が２．０ｐｓ程度の短い固体レーザも適用できる。
図１には、酸素分子の吸収スペクトルにおけるShumann-Runge Bandsの詳細構造を示している。図１(ａ)は波数に対する吸収強度を示すグラフであり、図１（ｂ）は第６高調波の波長（ｎｍ）に対する吸収強度を示すスペクトルである。すなわち、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す基本波の波数（ｃｍ−１）を、第６高調波の波長（ｎｍ）に対応させたものである。なお、図１に示した吸収スペクトルは、非特許文献９に示されている。
図１（ｂ）から明らかなように、１７７．２５ｎｍ〜１７７．５０ｎｍの間に複数の吸収ラインが存在している。したがって、第６高調波のレーザ光のスペクトル幅（波長領域）が０．１１ｎｍにもなると、多数の吸収ラインを含んでしまうことが判る。第６高調波をロスなく伝搬するには、第６高調波のスペクトル幅を隣接する吸収ラインの内側にする必要がある。したがって、基本波のスペクトル幅を狭くする必要がある。換言すると、式（２）より、パルス幅を一定以上長くする必要がある。
これに対して、市販されているＱＣＷレーザにおけるピコ秒レーザでは、５〜２０ｐｓ程度のパルス幅でレーザ発振することが知られている。式(２)を用いて、例えば基本波でパルス幅Δτ＝８ｐｓのレーザ光のスペクトル幅を、波長１７７ｎｍに波長変換すると、約１４ｐｍになる。このように、８ｐｓのパルス幅の基本波を波長変換すると、中心波長から±７ｐｍのスペクトル幅を有する第６高調波を得ることができる。
図２（ａ）に酸素の吸収スペクトルを示し、図２（ｂ）に酸素の吸収スペクトルを基本波に換算したスペクトルを示す。図２（ａ）に酸素の吸収スペクトルには、帯域[Ａ]〜[Ｄ]に対応する第６高調波の波長が示されている。すなわち、白抜きの双方向矢印の範囲が、帯域［Ａ］〜帯域［Ｄ］に対応する。そして、図２（ａ）のグラフ中の網掛け矢印は吸収ラインから７ｐｍ離れることを意味している。基本波の中心波長を帯域[Ａ]〜[Ｄ]のいずれか１つにすることで、第６高調波が吸収ラインに対応する波長を含まないようにすることができる。
このように、上記の帯域［Ａ］〜［Ｄ］に基本波の中心波長が含まれていれば、第６高調波が吸収ラインを含まないようにすることができる。つまり、ΔＴ＝８ｐｓの時の帯域［Ａ］〜［Ｄ］を第６高調波に換算した場合、図２（ａ）のように、各帯域の下端と上端より、それぞれスペクトル幅の半分（７ｐｍ）だけ広い領域（つまり下端より７ｐｍ短い波長と上端より７ｐｍ長い波長との間）においては、第６高調波が吸収ラインを含まなくなる。従って、酸素分子で吸収されることはない。
例えば、図２(ａ)において、帯域[Ａ]の下端よりも７ｐｍ短い波長と上端よりも７ｐｍ長い波長との間の範囲には、吸収ラインが含まれていない。同様に、図２(ａ)において、帯域[Ｂ]の下端よりも７ｐｍ短い波長から上端よりも７ｐｍ長い波長までの範囲には、吸収ラインが含まれていない。図２(ａ)において、帯域[Ｃ]の下端よりも７ｐｍ短い波長と、上端よりも７ｐｍ長い波長との間の範囲には、吸収ラインが含まれていない。図２(ａ)において、帯域[Ｄ]の下端よりも７ｐｍ短い波長と、上端よりも７ｐｍ長い波長との間の範囲には、吸収ラインが含まれていない。
よって、基本波の中心波長を帯域［Ａ］〜帯域［Ｄ］のいずれかにすることで、波長変換後の紫外光が酸素分子に吸収されないようになる。すなわち、中心波長に対して±７ｐｍのスペクトル幅を有する第６高調波が大気中をロスなく伝搬することができる。大気中であってもレーザ光を効率よく伝搬させることができる。よって、検査装置の構造としてバキュームタイトにする必要がなく、従来同様の安価なボディーが利用できる。
以下、本実施の形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
図３は、検査装置１００の基本構成を示した構成図である。本実施の形態では、検査装置１００がマスク１０６を検査するマスク検査装置であるとして説明する。
検査装置１００は、偏光ビームスプリッタ１０１、ミラー１０２ａ、ミラー１０２ｂ、λ／４板１０３ａ、λ／４板１０３ｂ、コンデンサーレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０７、対物レンズ１０８、投影レンズ１０９、及び光検出器１１０を備えている。さらに、検査装置１００は、偏光ビームスプリッタ１０１、ミラー１０２ａ、ミラー１０２ｂ、λ／４板１０３ａ、λ／４板１０３ｂ、コンデンサーレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０７、対物レンズ１０８、投影レンズ１０９、及び光検出器１１０を収容する本体カバー１１１を備えている。
検査対象であるマスク１０６は、例えば、ＤＵＶ（Deep UltraViolet）露光に用いられるフォトマスクである。マスク１０６は、マスク基板１０６ｂと、ペリクルフレーム１０６ａと、ペリクル１０６ｃと、パターン面１０６ｄと、パターン１０６ｅと、を有している。マスク基板１０６ｂのパターン面１０６ｄ上には、複数のパターン１０６ｅが周期的に配列されている。さらに、パターン面１０６ｄ上には、ペリクルフレーム１０６ａが配置されている。ペリクルフレーム１０６ａは、パターン１０６ｅが設けられた露光領域を囲む用に、露光領域の外側の外周領域に設けられている。ペリクルフレーム１０６ａのパターン面１０６ｄと反対側の面には、ペリクル１０６ｃが張設されている。すなわち、ペリクル１０６ｃはパターン面１０６ｄからペリクルフレーム１０６ａの高さを隔てた位置に配置されている。マスク１０６は、図示しないステージ等の上に支持されている。
検査装置１００は、検査光源からの波長１７７ｎｍのレーザ光Ｌ１１を照明に用いている。検査光源となるレーザ光源装置の構成については、後述する。直線偏光であるレーザ光Ｌ１１は、偏光ビームスプリッタ１０１に入射して２方向に分割される。偏光ビームスプリッタ１０１で分割されたレーザ光の一方が、透過照明光となり、他方が反射照明光となる。すなわち、検査装置１００は、透過照明、及び反射照明によって試料であるマスクを照明している。
先ず、透過照明に関して説明する。偏光ビームスプリッタ１０１を透過したレーザ光Ｌ１２は、ミラー１０２ｂで折り返されて、レーザ光Ｌ１３となる。ミラー１０２ｂは、レーザ光Ｌ１３をマスク１０６の方向に反射する。レーザ光Ｌ１３は、λ／４板１０３ａを通過して、レーザ光Ｌ１５となる。λ／４板１０３ａを通過したレーザ光Ｌ１５は、コンデンサーレンズ１０４に入射して、レーザ光Ｌ１６となる。コンデンサーレンズ１０４は、マスク１０６のパターン面１０６ｄにレーザ光Ｌ１６を集光する。
具体的には、コンデンサーレンズ１０４で屈折されたレーザ光Ｌ１６は絞られながら進み、マスク１０６に入射する。レーザ光Ｌ１６は、マスク基板１０６ｂを通過して、パターン面１０６ｄに入射する。レーザ光Ｌ１６は、マスク１０６のパターン面１０６ｄ内の観察領域を照射する。なお、レーザ光Ｌ１２、Ｌ１３はＰ波であり、レーザ光Ｌ１５は、λ／４板１０３ａを通過することで、左回りの円偏光に変換される。よって、左回りの円偏光であるレーザ光Ｌ１６がマスク１０６を照明する。
レーザ光Ｌ６がパターン面１０６ｄ内の観察領域を照明すると、パターン１０６ｅに応じて回折光が発生する。観察領域で発生した回折光の一部は対物レンズ１０８に向かう。対物レンズ１０８で屈折された回折光は、λ／４板１０３ｂに入射する。なお、対物レンズ１０８に向かう回折光は、左回りの円偏光になっている。したがって、透過照明で発生した回折光がλ／４板１０３ｂを通過することで、元のレーザ光Ｌ１２と同じＰ波に戻る。λ／４板１０３ｂからの回折光は、Ｐ波であるため、偏光ビームスプリッタ１０７を透過する。
偏光ビームスプリッタ１０７を透過した回折光は、投影レンズ１０９に入射する。回折光は、投影レンズ１０９で集光されて、光検出器１１０のセンサ面に到達する。すなわち、パターン面１０６ｄの観察領域内のパターン１０６ｅが、光検出器１１０のセンサ面に拡大投影される。光検出器１１０は、マスク１０６の観察領域を撮像するカメラである。光検出器１１０は、ＴＤＩカメラであることが好ましい。
次に、反射照明に関して説明する。偏光ビームスプリッタ１０１で反射したＳ波であるレーザ光Ｌ１４は、ミラー１０２ａで反射して、レーザ光Ｌ１７となる。レーザ光Ｌ１７は偏光ビームスプリッタ１０７に入射する。ここで、レーザ光Ｌ１７はＳ波であるため、偏光ビームスプリッタ１０７で反射して、レーザ光Ｌ１８となる。偏光ビームスプリッタ１０７で反射したレーザ光Ｌ１８は、マスク１０６に向かって下方に進む。レーザ光Ｌ１８はλ／４板１０３ｂを通過して、レーザ光Ｌ１９となる。レーザ光Ｌ１９はλ／４板１０３ｂを透過することで、右回りの円偏光になる。レーザ光Ｌ１９は、対物レンズ１０８に入射し、パターン面１０６ｄを照明する。対物レンズ１０８は、パターン面１０６ｄにレーザ光Ｌ１９を集光する。
以上のような反射照明によってパターン面１０６ｄの観察領域が照明される。パターン面１０６ｄの観察領域で反射して進む反射光は左回りの円偏光になる。そして、反射光は対物レンズ１０８を通過して、λ／４板１０３ｂを通過する。反射光が再びλ／４板１０３ｂを通過することで、今度はＰ波になる。よって、λ／４板１０３ｂを通過した反射光は、偏光ビームスプリッタ１０７を透過する。反射光は投影レンズ１０９を通り、光検出器１１０のセンサ面に拡大投影される。光検出器１１０は、反射照明光で照明されたマスク１０６を撮像する。
なお、同時に反射照明と透過照明を行ってもよく、一方のみで照明してもよい。光検出器１１０が撮像した撮像結果に応じて、マスク１０６のパターン検査が行われる。なお、パターン検査については、例えば、Die-to-database比較法又はDie-to-die比較法を用いることができる。これらに比較法については、従来と同様であるため、説明を省略する。
次に、波長１７７ｎｍのレーザ光Ｌ１１を供給するレーザ光源装置について、図４を用いて説明する。図４は本発明にかかるレーザ光源装置２００の構成図である。レーザ光源装置２００は、基本波発生手段２０１と第６高調波発生手段２０５を備えている。第６高調波発生手段２０５は、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶２０２と、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）結晶２０３と、ＲＢＢＦ結晶２０４と、を備え、基本波の第６高調波を発生する。
レーザ光源装置２００では基本波にはＹｂドープのファイバレーザが用いられている。すなわち、Ｙｂドープのファイバレーザ発振・増幅器が基本波発生手段２０１となっている。Ｙｂドープのファイバレーザでは、中心波長が１０６４．４２ｎｍに固定されている。さらに、Ｙｂドープのファイバレーザは、ＱＣＷ動作によってレーザ発振しており、パルス幅は約８ｐｓになっている。例えば、Ｙｂドープファイバレーザは、１ＭＨｚ以上の繰り返し周波数でパルスレーザ光を発生する。
基本波（波長１０６４．４２ｎｍ）はＬＢＯ結晶２０２に入射する。ＬＢＯ結晶２０２は、第２高調波発生（SHG：Second Harmonic Generation）手段である。すなわち、ＬＢＯ結晶２０２は、第２高調波である波長５３２．２１ｎｍのレーザ光を発生させる。ＬＢＯ結晶２０２からの第２高調波と、未変換の基本波（残留基本波）とがＢＢＯ結晶２０３に入射する。ＢＢＯ結晶２０３は、和周波発生（SFG：Sum Frequency Generation）手段であり、第３高調波（波長３５４．８０７ｎｍ）が発生する。すなわち、ＢＢＯ結晶２０３は、残留基本波（波長１０６４．４２ｎｍ）と第２高調波（波長５３２．２１ｎｍ）の和周波である第３高調波（波長３５４．８０７ｎｍ）のレーザ光を発生させる。
第３高調波（波長３５４．８０７ｎｍ）はＲＢＢＦ結晶２０４に入射する。ＲＢＢＦ結晶２０４は第２高調波発生（ＳＨＧ）手段である。したがって、ＲＢＢＦ結晶２０４は、第３高調波（波長３５４．８０７ｎｍ）から、第６高調波（波長１７７．４０３ｎｍ）を発生させる。
上記した、基本波の波長（１０６４．４２ｎｍ）、第２高調波の波長（５３２．２１ｎｍ）、第３高調波の波長（３５４．８０７ｎｍ）、及び第６高調波の波長（１７７．４０３ｎｍ）は、それぞれレーザ光の中心波長である。
中心波長が波長１７７．４０３ｎｍのレーザ光Ｌ１１のスペクトル幅（半値全幅）は約１４ｐｍであり、プロファイルの裾まで含むと、約３０ｐｍまで広がっている（図５参照）。レーザ光Ｌ１１のプロファイル全体は、図５に示した酸素分子の吸収ラインから離れている。従って、酸素分子には吸収されない。よって、空気中であってもレーザ光Ｌ１１はロスなく伝搬する。
図３に示された検査装置１００の光学系全体を覆う本体カバー１１１は、薄いステンレス鋼板から成り、特にバキュームタイトな構造にしていない。このため、本体カバー１１１の内部は空気で満たされているが、レーザ光Ｌ１１が伝搬中に減衰することはない。よって、バキュームタイトな構造が不要となり、装置構成を簡素化することができる。高感度の検査装置を低価格で実現することができる。１０６４ｎｍ付近で発振する最も普及した固体レーザの６倍波を検査光源に用いた際に、検査装置１００をバキュームタイトな構造にせずに従来の検査装置と同様なボディーで構成できる。
本実施形態のように、パルス幅８ｐｓｅｃ程度のピコ秒レーザを基本波用のレーザに用いた場合、第６高調波である１７７ｎｍ近傍におけるスペクトル幅は約１４ｐｍになる。従って、スペクトルプロファイルの中心波長は、酸素分子の吸収スペクトルより、少なくとも半値半幅である７ｐｍより離れている必要がある。これを考慮すると、第６高調波の中心波長は図２に示した４つの帯域（［Ａ］、［Ｂ］、［Ｃ］あるいは［Ｄ］）のいずれかに含まれる必要がある。図２中の網掛け矢印は、７ｐｍ離れることを意味している。本実施形態では中心波長は１７７．４０３ｎｍとなるため、帯域［Ｃ］に含まれることになる。もちろん、基本波の中心波長は、帯域［Ｃ］に限らず、帯域［Ａ］に含まれていてもよい。さらには、基本波の中心波長が帯域［Ｂ］、又は帯域［Ｄ］に含まれていてもよい。
なお、図５に示したように、本実施形態での中心波長１７７．４０３ｎｍの両側の２本の吸収ラインの間隔は約３６ｐｍである。このため、スペクトルプロファイルの全幅がこれより広くなってくると、中心波長をそれらの中間に正確に同調させても、吸収を受けるようになってしまう。つまりスペクトルプロファイルの全幅は約３６ｐｍ以下であることが好ましく、基本波の場合は約５３２ｐｍとなる。
また、式（２）を考慮すると、パルス幅としては、半値全幅で３．１ｐｓより長くすることが好ましい。そこで本実施形態ではピコ秒レーザを用いている。ただし、半値全幅が３．１ｐｓより多少は短くても、スペクトルプロファイルの裾部に吸収ラインが含まれる場合は、レーザパワーが多少低下する程度であるので、本質的な問題ではない。つまり本実施形態に適したレーザとしては、前記の半分以上で少なくとも２ｐｓ以上のパルス幅を有していれば実用上は利用できる。すなわち、半値半幅が２ｐｓ以上のパルスレーザ光であればよい。
ところで対物レンズ１０８を構成する各レンズのほとんどは、波長１７７ｎｍにおいて高い透過率を有するフッ化カルシウム（ＣａＦ２）を硝材としている。ただし本実施形態におけるレーザ光源装置２００からの紫外光は、スペクトル幅が約１４ｐｍと比較的広いため、対物レンズ１０８には色収差を低減する機能が備わっている。そのため構成する各レンズの内１枚は合成石英が硝材と用いられている。ただし一般的な合成石英ではなく、フッ素がドープされた合成石英である。これによって、対物レンズ１０８は、波長１７７ｎｍにおいて高い透過率を有している。
また、図４に示した本実施形態のレーザ光源装置２００では、第６高調波である波長約１７７ｎｍを発生させるために、波長約３５５ｎｍである第３高調波のＳＨＧを発生させている。しかしながら、第２高調波の波長約５３２ｎｍと、第３高調波の波長約３５５ｎｍとの和周波数である第５高調波の波長約２１３ｎｍを発生させておいてから、第５高調波と基本波との和周波数として波長１７７ｎｍを発生させても良い。すなわち、ＢＢＯ結晶２０３の後に、２つの和周波発生手段を直列に配置してもよい。なお、ＲＢＢＦ結晶２０４の代わりに、ＫＢＢＦ結晶を用いてもよい。また、波長５３２ｎｍの第２高調波と波長約２６６ｎｍの第４高調波をＲＢＢＦ結晶ないしＫＢＢＦ結晶で和周波混合して波長１７７ｎｍを発生させてもよい。
以上に説明した本発明では、波長１０６４ｎｍ近傍でレーザ発振する固体レーザやファイバレーザをベースとした構成であるが、特にファイバレーザに関しては、波長１０６４ｎｍより長い波長でもレーザ発振可能な媒質のものがある。例えば、波長１０６５ｎｍから１０６７ｎｍに関しては、６倍波の波長は約１７７．５ｎｍから約１７７．９ｎｍとなるため、波数は約５６２００ｃｍ−１から約５６３４０ｃｍ−１に亘る。約５６２００ｃｍ−１から約５６３４０ｃｍ−１の間にも酸素分子の吸収ラインが多数存在する。しかし、図６に示したように、吸収ラインが４０ｐｍ程度も存在しない領域があるため、この間に入るように中心波長を合わせて基本波を発振させても良い。ただし、本発明では最も普及した波長１０６４ｎｍのレーザをベースとした手法とすることで、装置の開発が容易になる特徴を有する。
また、反対に波長１７７ｎｍより短い波長、すなわち波数が５６５００ｃｍ−１以上になると、図７の吸収スペクトルから判るように、吸収ラインの間隔が密になってくる。よって、ピコ秒レーザのスペクトル幅である数十ｐｍの範囲で吸収スペクトルが存在しない領域はほとんど存在しない。従って、本発明では、６倍波で１７７ｎｍとなる基本波波長１０６４ｎｍを利用することが好ましい。
レーザ光源装置２００からのパルスレーザ光は、真空紫外域（VUV：Vacuum UltraViolet）の波長でありながら、大気中で利用することができる。すなわち、酸素を含むガス雰囲気中においても、１７７ｎｍ近傍のレーザ光を効率よく伝搬することができる。基本波を発生する固体レーザとして、Ｙｂドープのファイバレーザを用いることができる。あるいは、基本波を発生する固体レーザとして、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶を用いたモードロック型固体レーザを用いることも可能である。さらには、基本波を発生する固体レーザとして、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を用いたモードロック型固体レーザを用いることが可能である。これらの固体レーザを用いることで、中心波長が帯域［Ａ］〜帯域［Ｄ］に含まれる基本波を高出力で発振することができる。さらに、繰り返し周波数を１ＭＨｚ以上にすることも可能である。
さらに、検査装置１００は、レーザ光源装置２００からのレーザ光Ｌ１１を照明光として用いている。こうすることで、従来と同様の簡易なボディーで構成できるようになる。１７７ｎｍ近傍の波長は、従来の波長１９３ｎｍを用いた検査装置に比べて、解像度的に約１０％も向上することから、従来装置と同等のコストで、従来装置より高感度の検査が行えるようになった。また、レーザ光源装置２００をマスク検査以外の検査装置、例えば半導体デバイスや半導体ウェハの検査装置に利用することも可能である。特にＴＤＩカメラを光検出器とする検査装置に、繰り返し周波数が１ＭＨｚ以上のレーザ光源装置２００を用いることで、バラツキを低減することができる。さらに、レーザ光源装置２００を検査装置以外のアプリケーション、例えば、露光装置等で利用してもよい。
１００ 検査装置
１０１ 偏光ビームスプリッタ
１０２ａ ミラー
１０２ｂ ミラー
１０３ａ λ／４板
１０３ｂ λ／４板
１０４ コンデンサーレンズ
１０６ マスク
１０６ａ ペリクルフレーム
１０６ｂ マスク基板
１０６ｃ ペリクル
１０６ｄ パターン面
１０６ｅ パターン
１０７ 偏光ビームスプリッタ
１０８ 対物レンズ
１０９ 投影レンズ
１１０ カメラ
１１１ 本体カバー
２００ 光源装置
Ｌ１１〜Ｌ１９ レーザ光
２０１ 基本波発生手段
２０２ ＬＢＯ結晶
２０３ ＢＢＯ結晶
２０４ ＲＢＢＦ結晶
２０５ 第６高調波発生手段
１０１ 偏光ビームスプリッタ
１０２ａ ミラー
１０２ｂ ミラー
１０３ａ λ／４板
１０３ｂ λ／４板
１０４ コンデンサーレンズ
１０６ マスク
１０６ａ ペリクルフレーム
１０６ｂ マスク基板
１０６ｃ ペリクル
１０６ｄ パターン面
１０６ｅ パターン
１０７ 偏光ビームスプリッタ
１０８ 対物レンズ
１０９ 投影レンズ
１１０ カメラ
１１１ 本体カバー
２００ 光源装置
Ｌ１１〜Ｌ１９ レーザ光
２０１ 基本波発生手段
２０２ ＬＢＯ結晶
２０３ ＢＢＯ結晶
２０４ ＲＢＢＦ結晶
２０５ 第６高調波発生手段
Claims (8)
- １０６４．３２６ｎｍ〜１０６４．５１１ｎｍに含まれる波長を中心波長とする基本波のレーザ光を発振する、繰り返し周波数が１ＭＨｚ以上のＱＣＷ（Quasi-CW）の固体レーザと、
前記固体レーザから取り出されるパルスレーザ光の第６高調波を発生させる手段と、を備えたレーザ光源装置。 - １０６４．７５７ｎｍ〜１０６４．８５２ｎｍに含まれる波長を中心波長とする基本波のレーザ光を発振する、繰り返し周波数が１ＭＨｚ以上のＱＣＷ（Quasi-CW）の固体レーザと、
前記固体レーザから取り出されるパルスレーザ光の第６高調波を発生させる手段と、を備えたレーザ光源装置。 - １０６３．８０５ｎｍ〜１０６３．８７８ｎｍに含まれる波長を中心波長とする基本波のレーザ光を発振する、繰り返し周波数が１ＭＨｚ以上のＱＣＷ（Quasi-CW）の固体レーザと、
前記固体レーザから取り出されるパルスレーザ光の第６高調波を発生させる手段と、を備えたレーザ光源装置。 - １０６３．９６２ｎｍ〜１０６４．０３１ｎｍに含まれる波長を中心波長とする基本波のレーザ光を発振する、繰り返し周波数が１ＭＨｚ以上のＱＣＷ（Quasi-CW）の固体レーザと、
前記固体レーザから取り出されるパルスレーザ光の第６高調波を発生させる手段と、を備えたレーザ光源装置。 - 前記パルスレーザ光のパルス幅が２ピコ秒以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
- 前記固体レーザとして、Ｙｂドープのファイバレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶を用いたモードロック型固体レーザ、又はＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いたモードロック型固体レーザを用いる請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ光源装置と、
前記レーザ光源装置で発生した第６高調波によって照明された試料を撮像する光検出器と、を備えた検査装置。 - 前記光検出器がＴＤＩカメラである請求項７の検査装置。
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