JPH04181251A - フォトマスク検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体等の回路パターンを転写する時に原版
として使用されるフォトマスクの検査装置に関し、詳し
くは透過光の位相を変化させる位相シフター服か特定部
分に付加された位相シフトフォトマスクにおける位相シ
フト量を計測する技術に関するものである。

［従来の技術］ 半導体回路をウェハ上に投影露光して転写する際に原版
として用いられるフォトマスクは、一般には石英等のガ
ラス基板上にＣｒ等の金属からなる遮光パターンが形成
された構造をなしている。

しかし、このような構造のフォトマスクでは、回路パタ
ーンが微細化すると、光の回折・干渉現象のために投影
像の十分なコントラストを得ることがてきないという問
題かあり、近年、フォトマスク裸面部の特定の箇所に位
相シフター膜を付加して透過光の位相を部分的に変化さ
せることにより像のコントラストを高める位相シフトフ
ォトマスクが種々提案されている。例えは特公昭６２−
５０８１１号公報には、空間波長変調型のフォトマスク
に関する技術が開示されている。

かかる位相シフトフォトマスクでは、位相を正確に制御
することが重要となるため、遮光パターンの欠損の有無
等の他に位相シフター膜による位相シフト量を検査する
ことが必要となるが、従来は、薄膜表面と基板・薄膜界
面との多重反射を利用して薄膜の膜厚や屈折率を測定す
るエリプソメーター等を用いて位相シフト量を求めてい
た。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来、位相シフトフォトマスクの検査に
用いられていたエリプソメーターは、上述したように基
板・薄膜界面における反射を利用して膜厚や屈折率の測
定を行なう為、基板と薄膜とに屈折率差のない場合には
測定が不可能である。

ところが、位相シフトフォトマスクの基板は一般に石英
ガラスからなり、位相シフター膜は通常スパッターによ
り形成された５ｉ０２１１！で構成されるため、両者の
屈折率はほぼ等しい。しかるに、基板と薄膜との界面で
の反射光強度は非常に弱く、エリプソメーターを利用し
ての位相シフター膜の屈折率及び膜厚の計測、即ち位相
シフト量の計測は困難てあった。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、位
相シフター膜による位相シフト量（即ち位相シフターの
膜厚）の正確な計測か可能な位相シフトフォトマスクの
検査装置を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段コ 本発明のフォトマスク検査装置は、所定波長の光ビーム
に対してほぼ透明な基板に幾何学的な原画パターンを有
し、該原画パターンの少なくとも一部に前記透明基板を
透過する光ビームの位相を変化させる位相部材を備えた
フォトマスクを検査する装置であり、上記の課題を達成
するために、前記フォトマスクに単色光又は準単色光を
照射する照射光学系と、該照射光学系からの照射光によ
る前記フォトマスクのパターン像を所定の基準平面内に
結像する検出光学系と、該検出光学系の瞳面近傍に配置
され、前記フォトマスクの検査用バターンを透過する光
のうち、零次回折光と±１次回折光以外の光を遮光する
とともに、前記±１次回折光の何れか一方を遮光可能な
遮光手段と、前記検出光学系による前記フォトマスクの
パターン像を光電検出するパターン検出手段とを備えた
こと特徴とするものである。

［作　用コ 本発明の原理を第２図及び第３図を使用して説明する。

第２図は本発明におけるテスト用位相シフトフォトマス
クパターンの例であって、フォトマスク基板９の下面に
は狭い間隔をあけて対をなす遮光パターン１０ａの組か
一定の幅のマスク裸面パターン１０ｃを介して繰り返し
配列され、更に対をなす遮光パターン１０ａにまたがる
ように位相シフター１１ｉ１０ｄが設けられている。即
ち、位相シフター服付パターン１０ｂ（マスク裸面部上
に位相シフター膜１０ｄが付加された部分）とマスク裸
面パターン１０ｃとがいわゆるラインアンドスペース状
に並んだパターン構成となっている。

フォトマスク基板９を上方より照明する光束Ｌ３は、各
パターン１０ａ、ＩＯｂ、１０ｃにより回折され、第２
図に示されるように零次回折光し。、＋１次回折光り、
　、−１次回折光り。を生しる。

このとき、各回折光の振幅の比は、マスク裸面パターン
１０ｃの幅をｒ１位相シフター服付パターン１０ｂの幅
をｑ、マスク裸面パターン１０ｃ中心から次のマスク裸
面パターンＩＯｃの中心までの距離をｐとし、かつ、位
相シフター膜による透過光の位相変化を（π＋δ）とす
れは、透過光の振幅はマスク裸面パターン１０ｃの中心
を基準として 零次光振幅＝　ｒ−ｑｅ“Ｓ で与えられる。

このとき＋１次光は７次光に対して、それぞれ±ｓｉｎ
θ＝λ／ｐ（λは押針光の波長）となる角度をもつ紙面
内の方向へ進む。これら３木の回折光のうち、−１次光
を遮光し、零次光と＋１次光とを結像させると、第３図
に示す様な２光束干渉による干渉縞３０（図では振幅分
布として示す）が発生する。

結像位置における７次光、＋１次光の各振幅は、例えば
Ｘ方向くパターン配列方向）に、零次光＝　ｒ−ｑｅ″
ｆ となるが、結像位置よりずれてデフォーカスした場合に
は、波面収差がこれに乗算される。零次光と＋１次光の
位相は相対量としては重要であるが、絶対量としては意
味がないので、波面収差として＋１次光と零次光との位
相差分＝ｅ１ｗを＋１次光に乗算する。

これより、各振幅は 零次光＝ｒ−ｑｅ” π　　　　　　ｐｐ となる。

このとき強度分布としては、２光束の振幅加算の絶対値
の２乗となるので、 強度分布Ｐは π　　　　　　　　ｐ　　　　π　　　　　　　　ｐπ
　　　　　　ｐ　　　　π　　　　　　ｐｘ　ｃｏｓ　
（−２ｙｒ　−＋ｗ） π　　　　　　ｐ　　　　　ｙｔｐ ｘｓｉ口（−２π−＋ｗ）Ｘ　Ｓｊｎ　　（δ）　　　
・申・　（１）となる。

これを簡略化すると、 Ｐ−Ｄ（δ　）＋Ｃ（δ　）　　・ｃｏｓ　　（−２ｒ
ｔ　　−＋ｗ）−５（δ）　・ｓｉｎ　（−２ｙｔ　−
＋ｗ）　　　　−（２）となる。従ってδの値により、
像強度のコサイン成分（上記（２）式中Ｃ（δ））とサ
イン成分（上記（２）式中Ｓ（δ））の比が変化し、フ
ォトマスクのパターン像はＸ方向（干渉縞と直交する方
向）で＋、−にシフトすることになる。

本発明においては、この像のシフト量を検出手段により
検出し、位相シフター膜による位相シフト量（π＋δ）
を計測する。ここで、上記パターン（第２図）の像は、
第４図に示されたような位相シフター１１ｉ１０ｄとマ
スク裸面パターン１０ｃとが一定のピッチで交互に配列
されたフォトマスクのパターン像と同様に正弦的な強度
分布を持っており、本発明ではそのシフト量（正弦波の
位相）を検出するのて、分解能が良く、高精度の計測が
可能となる。

［実施例］ 第１図は本発明実施例によるフォトマスク検査装置の構
成を示す概略図である。図におし１て、光源である水銀
ランプ１を発した光は楕円鏡２て集光され（図中Ｌｌ）
、　ミラー３により曲げられてリレーレンズ４に達する
。次に干渉フィルター等の波長選択素子５により単色化
されて、フォトマスクか用いられる露光装置の露光光と
同し波長の単色光となり（図中Ｌ２）、開口絞り６を通
ってコンデンサーレンズ７により集光され（図中Ｌ３）
、ミラー８により検査すべきフォトマスク９に達する。

この際、楕円鏡２とミラー３との少なくとも一方はダイ
クロイックミラーであっても良く、この場合には波長選
択素子５を省くことが可能となる。また、露光装置の光
源にレーザ（例えばＫｒＦエキシマレーザ等）か用いら
れている場合には、これに合わせて水銀ランプ１の代わ
りにレーザを光源として用いても良い。更に、上記装置
の照明光学系（１〜８）はクリティカル照明となってい
るが、当然ながらケラ−照明を採用しても構わない。

フォトマスク９は水平面内で２次元移動可能なステージ
Ｒ３上に載置されており、その下面には回路パターンＲ
Ｐの他に、第２図て説明したようなテスト用パターンＴ
Ｐ（遮光パターン１０ａ。

位相シフター膜付パターン１０ｂ、マスク裸面パターン
１０ｃ　　実施例では総称してテスト用パターンと呼ぶ
）が回路パターンＲＰと同一の製造工程で形成されてい
る。ここで、第６図は本実施例による装置に用いられる
フォトマスクの一例を示す平面図であ。第６図において
テスト用パターンＴＰは回路パターンＲＰとともに、ク
ロム等の遮光体ＬＳで囲まれたパターン領域ＰＡ（ここ
では特にストリートライン相当領域）内に形成されてい
る。このため、ステージＲＳはフォトマスク９を保持し
た後、テスト用パターンＴＰが光束Ｌ３の照射領域内に
入る用に不図示のモータにより駆動される。この結果、
照射光Ｌ３はフォトマスク９中のこのテスト用パターン
ＴＰ近傍を照明する。

照射光Ｌ３は、テスト用パターンＴＰ　（ＩＯａ。

１０ｂ、ｌ０ｃ）により回折され、零次回折光り。

、＋１次回折光Ｌｐ、　　　１次回折光Ｌｍか発生する
。

この３つの回折光は共に検出光学系１１ａへ入射するか
、＋１次光Ｌｐまたは一１次光Ｌｆｆｌの、どちらか一
方は検出光学系１１ａ、Ｉｌｂの瞳面近傍に配置された
遮光部材１２ａまたは１２ｂにより遮光される。第１図
中では、−１次光が遮光される例を示した。遮光部材１
２ａ、１２ｂは制御回路１５からの駆動指令に基いてモ
ータＭＴ、により駆動される。なお、遮光部材１２ａ、
１２ｂにより２次以上の回折光は遮光される。従って、
７次光り、と＋１次光ＬＰの２光束が検出光学系１１ｂ
を通り、検出手段１３上に結像される。この検出手段１
３としてはＣＯＤ等の撮像素子、又はマルチスリット付
のフォトダイオード等を使用する。

ここで、検出手段１３上に結像されるテスト用パターン
ＴＰの像の強度分布Ｐは、前述したように、 Ｐ＝Ｄ（δ　）十Ｃ（δ）　・ｃｏｓ　（−２ｙｒ　二
＋ｗ）ｐ −５（δ）　・ｓ　ｉｎ　（−２ｙｒ　−＋ｗ）である
ので、位相シフター膜による位相シフト量としてのδの
みでなく、デフォーカスによる波面収差Ｗによってもパ
ターン像のＸ方向（パターン配列方向）へのシフトは発
生してしまう。

このため、測定時には、先ず遮光部材１２ａを−１次光
り、の光路よりはずし、検出手段１３上に零次光ＬＯ，
＋１次光Ｌ２−１次光り、の３光束からなる干渉像を結
像させる。そして、上下動ステージ１４を検出光学系１
１ａ、ｌｌｂの光軸方向（２方向）に上下させ（即ち検
出手段１３を上下させ）つつ、像のコントラストを測定
し、制御回路１５によって像のコントラストが最も高く
なる位置を探してベストフォーカス位置（検出光学系１
１ａ、ｌｌｂの最良結像面）を決定する。しかる後、ベ
ストフォーカス位置に検出手段１３の受光面を固定し、
遮光部材１２ａで−１次光りゆを遮光して干渉像の検出
を行なう。このとき、波面収差Ｗは零となるので、像の
位置すれは位相シフター服による位相シフト量δによっ
てのみ生じる。

制御回路１５ては、ベストフォーカス位置を決定した際
の７次光り。、＋１次光り、−１次光り、の３光束から
なる干渉像の強度分布を基準として。

検出手段１３より得られる光量信号の解析を行ない、像
の位置ずれ量の決定を行なう。即ち、零次光Ｌｏ、±１
次光り、、　Ｌ□　の３光束からなる干渉像の強度分布
はほぼサイン波状となるので、同しくサイン波となる零
次光ＬＯと＋１次光し、の２光束による干渉像の強度分
布との位相差を求めることにより、位相シフター膜によ
る位相シフト量（位相シフターの膜厚）に対応する干渉
像の位置ずれ量が求められる。また、予め７次光り。を
空間フィルターによって除外しておき、ベストフォーカ
ス位置で＋１次光ＬＰと−１次光り、どの干渉像を結像
させてこの強度分布を基準として上記の位相差を求める
こともできる。この場合は基準となる強度分布も完全な
サイン波となる。

なお、上記においては、−１次光を遮光した場合につい
て説明したが、＋１次光を遮光し、零次光と−１次光に
よる像を計測しても同様にδを求めることができる。ま
た、両者（零次光と＋１次光、Ｖ次光と−１次光）の計
測を行ない、その結果を平均してもよい。この際、基準
となる強度分布を求めすとも、上記両者の計測を行なり
てその位相差を求めることによって、この位相差の１／
２の値を位相シフト量に対応する位相差として求めるこ
とができる。

回路パターンＲＰとテスト用パターンＴＰは同一工程で
形成されており、両パターンにおける位相シフト量は同
等とみなすことができ、上述のよ・うにしてテスト用パ
ターンＴＰにおける位相シフト量を計測することで、回
路パターンＲＰにおける位相シフト量を知ることができ
る。

さて、ここで検出手段１３上に結像する零次光と＋１次
光または−１次光との２光束干渉による像のコントラス
トは、零次光と＋１次光との強度が等しい場合が最も高
く、強度が著しく異なる場合は大変低くなる。このため
、位相をπ変化させる位相シフター膜付パターンとマス
ク裸面パターンとの面積比かｌ　１であると、零次光は
相殺されて発生しなくなるため、本発明におけるテスト
用パターンＴＰとしては適ざない。

強度比を零次光と＋１次光とで等しくするには、それぞ
れの面積の比か７：１から７２あるいはｌニアから２ニ
ア程度であれば良い。

また、テスト用パターンとしては、第２図に示す様な遮
光パターン付のものでなくとも、第４図に示す様に位相
シフト服パターン１０ｄとマスク裸面パターン１０ｃだ
けか交互に配列されたものでも良い。なおテスト用パタ
ーンＴＰは、フォトマスク９のどこに配置しても良い。

更に、回路パターンＲＰの一部に第２図や第４図に示し
たようなパターンがあれば、特別にテスト用パターンを
設けずとも回路パターンＲＰの一部を用いて上記と同様
な計測を行なうことが可能である。

また、前述の（１）式より、ｒとｑの値が近い程コサイ
ン成分が減少し、従って、干渉像のすれ量ｔａｎα−５
／Ｃが増大するとことがわかる。しかしなからｒと９を
近づけると、零次光の光量が減少し、検出手段上の像は
、充分なコントラストを有することができなくなる。こ
のような条件下でも充分な像コントラストを得るために
は第５図（フォトマスク９．検出光学系１１ａ、Ｉｆｂ
、遮光部材１２ａ、１２ｂの配置は第１図に同じ）に示
すように、検出光学系１１ａ、ｌｌｂの瞳面近傍に、±
１次光光路に相当する部分に減光部材５１を有する空間
フィルター５０を挿入し、±１次光強度の強度を零次光
に近づければ良い。第５図の構成では（１）式のｒとｑ
の値と近づけることが可能であり、従ってδの変化に対
するαの変化が大きくなり、より高精度に位相シフト量
を計測することが可能となる。

なお、上記実施例におけるテスト用パターンＴＰのピッ
チＰ（ここではマスク裸面パターン間の距離を指す）は
任意で構わない。

また、上記実施例では開口絞り６について特に述べてい
なかったが、検出光学系１１ａ、１１ｂの瞳面近傍にお
いてテスト用パターンＴＰからの零次光及び±１次光か
それぞれ分離するように調節してやれは良いここでは、
照射光学系（１〜８）の開口数（λ／２Ｐ）以下に定め
てやれば良い。

更に、フォトマスク９上ての光束Ｌ３の開明領域の大ぎ
さや形状等は、上記の実施例の如く固定ても構わないか
、検査用パターンＴＰ以外のパターンから生しる回折光
や散乱光か検出手段１３に入射し得るので、フォトマス
ク９とほぼ共役な面内に視野絞りを配置するとともに、
検査用パターンＴＰの大きさや形状に応して開口を可変
に構成することが好ましい。

また、上記実施例では遮光部材１２ａ、１２ｂにより零
次光や±１次光の遮光を行なっていたが、例えばテスト
用パターンＴＰのフーリエ変換パターン（すなわち瞳面
における零次光や±１次光の位置や大きさ）に応して数
種類の空間フィルター（遮光部材）を用意しておき、こ
れらを瞳面近傍に交換して挿入するように構成しても良
く、先の遮光部材１２ａ、１２ｂと全く同様の効果を得
ることができる。更に、遮光手段として液晶表示素子や
エレクトロクロミック素子等を用いても良く、この場合
にはテスト用パターンのピッチや照明条件等が変化して
も簡単に零次光や±１次光を抽出することが可能になる
といった利壱、がある。この際、±１次光が通過する部
分の透過率を調節することによって、先の空間フィルタ
ー５０（第５図）の機能を遮光部材に持たせることが可
能となる。

ここて、検査対象となるフォトマスクは位相シフターを
備えていれば何でも良く、空間周波数変調型、エツジ強
調型、あるいは遮光効果強調型の位相シフトフォトマス
ク、もしくは位相シフター（訪電体服）とマスク裸面部
のみで形成されたフォトマスクであっても構わない。な
お、特にエツジ強調型や遮光効果強調型の場合には、上
記実施例と同様に回路パターンと別にテスト用パターン
を用意しておくことが望ましい。

また、上記実施例ではステージＲ５を駆動して光束Ｌ３
の照明領域内にテスト用パターンＴＰを設定していたが
、例えはフォトマスク９とほぼ共役な面に可変ブライン
ド（視野絞り）を配置することによって、フォトマスク
９を移動させなくとも、光束Ｌ３てテスト用パターンを
正確に照明することが可能となる。なお、例えばテスト
用パターンＴＰかフォトマスク９の端部にある場合には
、検出光学系１１ａ、ｌｌｂによるパターン像が横シフ
トするのて、これに応じて検出手段１３を水平面内で移
動する必要があることは言うまでもない。第７図はケラ
−照明を採用した照射光学系の構成を示す概略図であっ
て、第１図に示した装置と同じ作用、機能の部材には同
一の符号を付しである。第７図ではリレーレンズ系２１
を追加することによりケラ−照明を行なっている。更に
、モータＭＴ２により視野絞り２０を駆動することによ
り、フォトマスク９上の照明領域を任意に遷択できるよ
うになっている。

なお、本発明ではフォトマスク検査装置について述べた
が上記検査機能を投影露光装置（ステッパー）に持たせ
ることができる。つまり、投影光学系の瞳面近傍に遮光
手段を配置するとともにウェハステージ上に配置された
照度系（フォトタイオード）を用いることにより、上記
実施例と同様の動作にて位相シフターの位相シフト量（
即ち膜厚）を求めることが可能となる。

［発明の効果コ 以上の様に本発明においては、フォトマスクに設けたテ
スト用パターンを透過した零次光と＋１次光又は−１次
光の２光束による干渉像の位置ずれ量を検出することに
より位相シフター膜の位相シフト量（膜厚）を求めるの
で、フォトマスクのガラス基板と位相シフター膜の屈折
率がほとんど同じであっても回答問題なく位相シフト量
を計測することができる。また、本発明においては、従
来のように強度検出により位相シフト量を求めるのでは
なく、多数の干渉縞からなる干渉像の位置ずれ（サイン
波の位相のずれ）を検出することで位相シフト量を計測
するので、非常に高精度に位相シフト量を計測すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例によるフォトマスク検査装置の構
成を示す概略図、第２図は本発明におけるフォトマスク
のテスト用パターンの例を示す断面図、第３図は本発明
の詳細な説明するための概念図、第４図はフォトマスク
のパターンの例を示す断面図、第５図は第１図に示され
た検査装置要部の別の構成例を示す光路図、第６図は本
発明実施例による装置に用いられるフォトマスクの一例
を示す平面図、第７図はケラ−照明を採用した照明光学
系の構成を示す概略図である。 ［主要部分の符号の説明コ ト・・・・・・・・・・・・・・・・・水銀ランプ（光
源）９・・・・・・・・・・・・・・・・・・フォトマ
スク基板１０ａ・・・・・・・・・・・・・・・遮光パ
ターン１０ｂ・・・・・・・・・・・・・・・位相シフ
ター膜付パターン１０ｃ・・・・・・・・・・・・・・
・マスク裸面パターン１１ａ、ｆｌｂ・・・検出光学系 １２ａ、１２ｂ・・・遮光部材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定波長の光ビームに対してほぼ透明な基板に幾
   何学的な原画パターンを有し、該原画パターンの少なく
   とも一部に前記透明基板を透過する光ビームの位相を変
   化させる位相部材を備えたフォトマスクを検査する装置
   において、 前記フォトマスクに単色光又は準単色光を照射する照射
   光学系と； 該照射光学系からの照射光による前記フォトマスクのパ
   ターン像を所定の基準平面内に結像する検出光学系と； 該検出光学系の瞳面近傍に配置され、前記フォトマスク
   の検査用パターンを透過する光のうち、零次回折光と±
   １次回折光以外の光を遮光するとともに、前記±１次回
   折光の何れか一方を遮光可能な遮光手段と； 前記検出光学系による前記フォトマスクのパターン像を
   光電検出するパターン検出手段とを備えたことを特徴と
   するフォトマスク検査装置。
2. （２）前記パターン検出手段は、前記検出光学系の光軸
   方向に移動可能であり、前記検出用パターンの像を検出
   する光電検出器と； 該光電検出器から出力される検出信号に基いて、前記光
   電検出器を前記基準平面内に配置する制御回路と、 前記光電検出器を前記基準平面内に配置した時に出力さ
   れる検出信号に基づいて、前記原画パターンに設けられ
   た位相部材の透過光の位相シフト量を算出する演算回路
   とを含むことを特徴とする請求項第１項に記載のフォト
   マスク検査装置。
3. （３）前記遮光手段は、前記検査用パターンの透過光の
   うちの±１時回折光の少なくとも一方を減光可能な遮光
   部材を含むことを特徴とする請求項第１項又は第２項に
   記載のフォトマスク検査装置。
4. （４）前記検査用パターンは一次元のラインアンドスペ
   ースパターンであって、前記原画パターンの一部、もし
   くは前記原画パターンと同一の製造工程で異なる位置に
   形成されたことを特徴とする請求項第１項乃至第３項に
   記載のフォトマスク検査装置。
5. （５）前記検査用パターンは、前記光ビームに対する透
   過部と遮光部とが交互に配列され、該遮光部を挾む両側
   の透過部の少なくとも一方に位相部材を有することを特
   徴とする請求項第４項に記載のフォトマスク検査装置。
6. （６）前記検査用パターンは、前記光ビームに対する透
   過部と位相部材とが交互に配列されたことを特徴とする
   請求項第４項に記載のフォトマスク検査装置。
7. （７）前記検査用パターンにおいて、前記透過部と位相
   部材との面積比を、７対１乃至７対２、あるいは１対７
   乃至２対７に定めたことを特徴とする請求項第５項又は
   第６項に記載のフォトマスク検査装置。