JPH09113368A - 位相シフト量検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位相シフトマスクブランクの光半透過膜など
における光学的膜厚の差を電気信号処理が容易な低周波
ビート信号上の位相検出を行うことで直接的に測定す
る。 【解決手段】 コヒーレントな第１の光ビームを試料の
第１光透過性物質部分に入射させ、コヒーレントな第２
の光ビームを第２光透過性物質部分に入射させ、それぞ
れの光透過性物質を透過した第１と第２の光ビームを、
第１と第２の光ビームと僅かに異なる光周波数を有する
コヒーレントな参照光により光ヘテロダイン検波して２
つのビート信号を得、２つのビート信号の位相差を検出
し、位相差に基づいて２つの光透過性物質を透過する光
間の位相シフト量を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２つの膜における
光学的膜厚の差を測定する位相シフト量検出装置に係
り、特に半導体製造プロセスに用いられる位相シフトマ
スクブランクの光半透過膜の光学的膜厚を測定すること
ができる位相シフト量検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体回路の微細化に伴い、半導体回路
をウエハ上にパターンを転写するときの原版とするフォ
トマスクとして、光の回折干渉現象による投影像のぼけ
を防止し十分なコントラストを確保できる位相シフトマ
スクが使用されている。位相シフトマスクは、母材部分
を透過した露光光とシフタとしての光半透過膜部分を透
過した露光光との位相差が１８０度になるように、光半
透過膜の膜厚ｄと屈折率ｎ_Mを設定する。光の波長を
λ、基板の屈折率をｎ₀、また、基板と光半透過膜の膜
厚が同じとすれば、位相差Δφは下の数式（１）で表す
ことができる。 Δφ＝２π（ｎ_M−ｎ₀）ｄ／λ ・・・ （１） 一般的に、位相差精度は±５度、好ましくは±２度の範
囲にあることが要求される。コントラストの良い位相シ
フトマスクの条件を得るためには、作成した位相シフト
マスクを用いて転写したパターンのエッジを観察するこ
とにより条件の調整をする方法がある。しかし、このよ
うな試行錯誤法は能率が良くない。また、光半透過膜の
膜厚と屈折率を測定して数式（１）により算出する方法
もあるが、いずれも測定精度が悪く、特に複合膜の場合
には殆ど測定が不可能である。そこでより直接的な計測
方法が要望されていた。

【０００３】位相シフトマスクの位相シフト量をより直
接的に検査する方法として、エイ・ピー・ゴッシュ（A.
P.Ghosh）等が直接位相差を検出する方法を教示してい
る（SPIE Vol.1673 Integrated Circuit Metrology, In
spection, and Process Control VI (1992) pp.242-25
4）。この方法では、ウォラストンプリズムで偏光方向
の異なる２波に分け、一方をシフトマスク部分に通し、
他方は通さない。そのため両者の光路長が異なり、時間
的位相が異なる。その結果、ウォラストンプリズムで両
者を合波すると、入射光が直線偏光でも出射光は楕円偏
光となる。その度合いを知ることで位相シフトマスクの
位相シフト量を知ることが出来る。また、特開平４−２
２９８６３号公報や特開平４−２２９８６４号公報が位
相シフトマスクを透過する光により直接位相シフト量を
測定する方法を開示している。開示された方法では、位
相シフト部分とシフトしない部分の両方に平行ビームを
入射させ、透過光が合波して形成する被検査パターンの
フーリエ変換像を検出し、その極小点の空間周波数座標
位置、あるいは結像面とフーリエ変換面での光量に基づ
いて、演算により位相シフト量を得る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の直接的なシフト
量検出装置は楕円偏光度の検出精度あるいは位置の検出
精度がシフト量測定精度を左右していた。ゴッシュの方
法における楕円偏光度は、ウォラストンプリズムの消光
比が十分でなくクロストークが大きい場合や、測定対象
表面に汚れが付着して測定光の透過量が変動することに
より楕円偏光度が影響を受けるときなど光強度の変動が
ある場合には、検出精度が低下する。また、特開平４−
２２９８６３号公報等に開示された方法では、位置精度
が位置検出装置（ＰＳＤ）の精度で左右されるため、高
い位相シフト量検出精度は期待できない。本発明の第１
の目的は、クロストークや光強度に左右されることな
く、また位置検出精度によらずに、位相シフトマスク等
の光学的膜厚を直接的に測定することができる位相シフ
ト量検出装置を提供することであり、第２の目的は電気
信号処理が容易な低周波ビート信号上の位相検出を行う
ことで同時観測精度を向上させることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の位相シフト量検出方法は、互いに異なる周
波数を有する２つの偏光成分を含むコヒーレントな第１
の光ビームを試料の第１光透過性物質部分に入射させ、
互いに異なる周波数を有する２つの偏光成分を含むコヒ
ーレントな第２の光ビームを試料の第２光透過性物質部
分に入射させ、第１光透過性物質部分を透過した第１光
ビームと第２光透過性物質部分を透過した第２光ビーム
の互いに異なる光周波数を有する偏光成分同士を干渉さ
せて第１のビート信号を得、第１光透過性物質部分を透
過した第１光ビームと第２光透過性物質部分を透過した
第２光ビームの互いに異なる光周波数を有する残りの偏
光成分同士を干渉させて第２のビート信号を得、２つの
ビート信号の位相差を検出し、この位相差に基づいて２
つの光透過性物質を透過する光間の位相シフト量を検出
することを特徴とする。

【０００６】また、本発明の光半透過膜の光学的膜厚測
定方法は、互いに可干渉な第１と第２の光線を発生さ
せ、第１光線の互いに直交する２つの偏光成分を各々異
なる第１と第２の周波数で変調し、第２の光線の互いに
直交する２つの偏光成分を各々先の第１と第２の周波数
で変調し、変調された第１光線を光半透過膜が載置され
た部分に入射させ、変調された第２光線を光半透過膜が
載置されていない部分に入射させ、光半透過膜が載置さ
れた部分を透過した第１光線の第１周波数変調された偏
光成分と、光半透過膜が載置されていない部分を透過し
た第２光線の第２周波数で変調された偏光成分とを干渉
させ第１の干渉光を得、光半透過膜が載置された部分を
透過した第１光線の第２周波数で変調された偏光成分
と、光半透過膜が載置されていない部分を透過した第２
光線の第１周波数で変調された偏光成分を干渉させ第２
の干渉光を得、第１干渉光の位相と第２干渉光の位相の
差をとった第１の位相差を検出し、さらに、第１光線お
よび第２光線をともに位相シフトマスクの光半透過膜が
載置されていない部分に入射させ、前記光半透過膜が載
置されていない部分を透過した第１光線の第１周波数で
変調された偏光成分と光半透過膜が載置されていない部
分を透過した第２光線の第２周波数で変調された偏光成
分を干渉させ第３の干渉光を得、光半透過膜が載置され
ていない部分を透過した第１光線の第２周波数で変調さ
れた偏光成分と、前記光半透過膜が載置されていない部
分を透過した第２光線の第１周波数で変調された偏光成
分を干渉させ第４の干渉光を得、第３干渉光の位相と第
４干渉光の位相の差をとった第２の位相差を検出し、第
１位相差と第２位相差の差から光半透過膜の光学的膜厚
を得ることを特徴とする。

【０００７】また、本発明の位相シフト量検出方法は、
試料における第１の光透過性物質の部分と第２の光透過
性物質の部分を光が透過するときの位相差を測定する方
法であって、コヒーレントな第１の光ビームを試料の第
１光透過性物質部分に入射させ、コヒーレントな第２の
光ビームを第２光透過性物質部分に入射させ、それぞれ
の光透過性物質を透過した第１と第２の光ビームを、第
１と第２の光ビームと僅かに異なる光周波数を有するコ
ヒーレントな参照光により光ヘテロダイン検波して２つ
のビート信号を得、２つのビート信号の位相差を検出
し、位相差に基づいて２つの光透過性物質を透過する光
間の位相シフト量を検出することを特徴とする。

【０００８】なお、本発明の位相シフト量検出方法は、
互いに可干渉な第１と第２と第３の光線を発生させ、第
１光線および第２光線を第１の周波数で変調し、かつ第
３光線を第２の周波数で変調し、変調された第１光線を
位相シフトマスクの光半透過膜が載置された部分に入射
させ、変調された第２光線を位相シフトマスクの前の光
半透過膜が載置されていない部分に入射させ、光半透過
膜が載置された部分を透過した第１光線と変調された第
３光線を干渉させ第１の干渉光を得、光半透過膜が載置
されていない部分を透過した第２光線と変調された第３
光線を干渉させ第２の干渉光を得、第１と第２の干渉光
の位相差を検出することにより、光半透過膜の光学的膜
厚を得ることを特徴とする。

【０００９】また、本発明の位相シフト量検出装置は、
試料を搭載する試料台と、コヒーレントなレーザ光を発
生する発光装置と、レーザ光を分割して第１の光ビーム
と、第２の光ビームを生成する装置と、第１光ビームを
第１と第２の偏光成分に分割してそれぞれ異なる周波数
変調を施す装置と、第２光ビームを第３と第４の偏光成
分に分割してそれぞれ異なる周波数変調を施す装置と、
第１光ビームを前記試料台に搭載された試料の第１光透
過性物質部分に入射させ、第２光ビームを第２光透過性
物質部分に入射させる照準装置と、第１光透過性物質部
分を透過した第１偏光成分と第２光透過性物質部分を透
過した第３偏光成分とを光ヘテロダイン検波して第１の
ビート信号を得る第１の干渉装置と、第１光透過性物質
部分を透過した第２偏光成分と第２光透過性物質部分を
透過した第４偏光成分とを光ヘテロダイン検波して第２
のビート信号を得る第２の干渉装置と、第１と第２のビ
ート信号の位相差を検出する位相差検出装置を備え、該
位相差に基づいて２つの光透過性物質を透過する光間の
位相シフト量を検出することを特徴とする。なお、入射
光の偏光毎に光周波数が異なる光を形成する回路と、偏
光光間の干渉を得る回路を有して、位相差変動をヘテロ
ダイン検波の位相差より求めることを特徴とするもので
あってよい。

【００１０】さらに、位相シフトマスクを設置する手段
と、互いに可干渉な第１と第２の光線を発生させる発生
器と、第１光線の互いに直交する２つの偏光成分の一方
の成分を第１の周波数で、他方の偏光成分を第１周波数
と異なる第２の周波数で変調する変調手段と、第２光線
の互いに直交する２つの偏光成分の一方の成分を第１周
波数で、他方の偏光成分を第２周波数で変調する変調手
段と、第１と第２の光線を位相シフトマスクの所定部分
に導光する光学系と、位相シフトマスクを透過した第１
光線の第１周波数の偏光成分と位相シフトマスクを透過
した第２光線の第２周波数の偏光成分とを干渉させ、第
５の干渉光を得る光干渉手段と、位相シフトマスクを透
過した第１光線の第２周波数の偏光成分と位相シフトマ
スクを透過した第１光線の第１周波数の偏光成分とを干
渉させ、第６の干渉光を得る光干渉手段と、第５と第６
の干渉光を検出する検出手段と、第５と第６の干渉光の
位相差を検出する位相差検出手段を有することを特徴と
するものであって良い。

【００１１】また、本発明の本発明の位相シフト量検出
装置は、試料を搭載する試料台と、コヒーレントな第１
の光ビームと、コヒーレントな第２の光ビームと、第１
と第２の光ビームと僅かに異なる光周波数を有するコヒ
ーレントな参照光を発生する光ビーム発生装置と、第１
光ビームを試料台に搭載された試料の第１光透過性物質
部分に入射させ、第２光ビームを第２光透過性物質部分
に入射させる照準装置と、それぞれの光透過性物質を透
過した第１と第２の光ビームを参照光により光ヘテロダ
イン検波して２つのビート信号を得る干渉装置と、２つ
のビート信号の位相差を検出する位相差検出装置を備
え、位相差に基づいて２つの光透過性物質を透過する光
間の位相シフト量を検出することを特徴とするものであ
って良い。なお、本発明の本発明の位相シフト量検出装
置は、透過性材質を透過しない第３の光ビームを生じる
回路と、透過性材質を透過した光と第３光ビームの間で
干渉を生じさせる光回路を有して、位相差変動をヘテロ
ダイン検波の位相差より求めることを特徴とするもので
あってよい。

【００１２】また、本発明の光学的膜厚測定装置は、互
いに可干渉な３つの第１と第２と第３の光線を発生させ
る手段と、第１光線および第２光線を所定の周波数で変
調する変調手段と、変調された第１光線を位相シフトマ
スクの光半透過膜が載置された部分に入射させる光学系
と、変調された第２光線を位相シフトマスクの光半透過
膜が載置されていない部分に入射させる光学系と、光半
透過膜が載置された部分を透過した第１光線と変調され
た第３光線を干渉させ第１の干渉光を得る光干渉手段
と、光半透過膜が載置されていない部分を透過した第２
光線と変調された第３光線を干渉させ第２の干渉光を得
る光干渉手段と、第１干渉光と第２干渉光の位相差を検
出する位相差検出手段とを有する位相シフトマスクの光
半透過膜の光学的膜厚測定を行うものであってよい。

【００１３】本発明の位相シフト量検出方法によれば、
実際に使用するものと同じ波長の光ビームを実際のマス
クに透過させて直接的に計測するから、試行錯誤によら
ずに直ちに正しい指標が得られて、マスク開発の能率が
向上する。また、互いに異なる周波数の差をビート周波
数とする低周波数ビート信号を用いて計測するから、複
雑でない電気回路により簡単に結果を得ることができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の原理を説明する図
である。マスク材の光半透過膜部分Ｍと母材部分Ｏにそ
れぞれコヒーレントな光ビームＥ₁、Ｅ₂を照射する。照
射される光ビームはそれぞれの偏光毎に僅かな周波数変
調ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃、ｆ₄が施されている。マスク材の光半
透過膜部分と母材部分を透過してきた光ビームはその光
路長の差に起因して位相Φ₁、Φ₂に差異が生ずる。この
２つの光ビームの偏光成分同士を干渉させると、変調周
波数の差に基づく低周波数(f₁−f₃)、(f₂−f₄)の光ビー
ト信号が得られる。光ヘテロダイン検波である。光ビー
ト信号のビート周波数を適当な値に選んで、両ビート信
号の差をとると光路長差に起因する位相差（Φ₁−Φ₂）
に対応する量が検出できる。

【００１５】以下、上記の構成による位相シフト量の測
定方法について数式を用いて説明する。マスク材の光半
透過膜部分Ｍに照射される光ビームの電場Ｅ₁が透過に
より位相Φ₁だけシフトするとし、光半透過膜のない母
材部分Ｏに照射される光ビームの電場Ｅ₂が位相Φ₂だけ
シフトするとする。電場Ｅ₁の偏光成分Ｅ_1a、Ｅ_1b、電
場Ｅ₂の偏光成分Ｅ_2a、Ｅ_2bは初期の周波数ｆ₀に対して
それぞれｆ₁、ｆ₂、ｆ₃、ｆ₄の周波数偏移を受けている
とする。光ビームの電場Ｅ₁の強度をＥ₁₀、電場Ｅ₂の強
度をＥ₂₀とすると、時刻ｔにおける偏光成分Ｅ_1a、
Ｅ_1b、Ｅ_2a、Ｅ_2bは下記の数式（２）〜（５）で表され
る。 E_1a＝E₁₀exp（iΦ₁＋2πi(f₀＋f₁)t） ・・・（２） E_1b＝E₁₀exp（iΦ₁＋2πi(f₀＋f₂)t） ・・・（３） E_2a＝E₂₀exp（iΦ₂＋2πi(f₀＋f₃)t） ・・・（４） E_2b＝E₂₀exp（iΦ₂＋2πi(f₀＋f₄)t） ・・・（５）

【００１６】光の電場Ｅ₁の初期位相Φ₁と電場Ｅ₂の初
期位相Φ₂は変わらず、偏光毎の周波数は異なってい
る。

【００１７】ここで、両波の同じ偏光成分同士、Ｅ_1aと
Ｅ_2a、Ｅ_1bとＥ_2bを干渉させると、その強度Ｐ_a、Ｐ_bは
数式（６）と（７）で表されるような低周波数のビート
光となる。ただし、簡単のためＥ₁₀＝Ｅ₂₀＝Ｅ₀とす
る。 P_a＝|E_1a＋E_2a|²＝2E₀ ²（1＋cos(Φ₁−Φ₂＋2π(f₁−f₃)t)）・・・（６ ） P_b＝|E_1b＋E_2b|²＝2E₀ ²（1＋cos(Φ₁−Φ₂＋2π(f₂−f₄)t)）・・・（７ ）

【００１８】ここで、ＮとＭを整数として Ψ_a(t)＝Φ₁−Φ₂＋2π(f₁−f₃)t＋2Nπ ・・・（８ ） Ψ_b(t)＝Φ₁−Φ₂＋2π(f₂−f₄)t＋2Mπ ・・・（９ ） とおくと、干渉光の強度変動の位相はそれぞれΨ_a、Ψ_b
で表すことができ、マスク材の屈折率が異なると出射光
の電場Ｅ₁、Ｅ₂の出射時の位相が同じでも干渉光として
検出する時の位相は異なる。これは見かけ上、初期位相
が変動したことに相当する。

【００１９】ここで、ｆ₁＝ｆ₄、ｆ₂＝ｆ₃となるように
して、上記干渉光の位相を加えると下の数式（１０）の
通り、屈折率の異なる部分を透過することにより発生す
る初期位相の変動量が求められる。 Ψ_a−Ψ_b＝２（Φ₁−Φ₂） ・・・（１０）

【００２０】位相差（Φ₁−Φ₂）が数式（１）における
位相差Δφに相当し、マスク材の厚さｄや、光半透過膜
の実質的な屈折率ｎ_M、母材部分の屈折率ｎ₀等を選択し
て、使用する光の波長λについて位相差が１８０度にな
るようにすることがマスク材開発の目的となる。なお、
光半透過膜は多層膜から成る場合もあるが、上記原理に
よれば、光半透過膜全体により生ずる位相差を直接に測
定することになり、マスク材開発の目的に都合がよい。

【００２１】光ビームの偏光成分Ｅ_1a、Ｅ_1b、Ｅ_2a、Ｅ
_2bは時間ｔの関数であるから、伝搬する光路長が異なる
場合は上の数式（６）、（７）はそれぞれ下の数式（１
１）、（１２）に修正する必要がある。 P_a(t₁,t₂)＝|E_1a(t₁)＋E_2a(t₂)|² ＝2E₀ ²(1＋cos(Φ₁−Φ₂＋2π(f₀＋f₁)t₁−2π(f₀＋f₃)t₂))・・（１１ ） P_b(t₃,t₄)＝|E_1b(t₃)＋E_2b(t₄)|² ＝2E₀ ²(1＋cos(Φ₁−Φ₂＋2π(f₀＋f₂)t₃−2π(f₀＋f₄)t₄))・・（１２ ）

【００２２】ここで、t₁＝t、t₂＝Δt₂＋t、t₃＝Δt₃＋
t、t₄＝Δt₄＋tとおくと、ｆ₁＝ｆ₄、ｆ₂＝ｆ₃の条件下
では、下の数式（１３）となる。 Ψ_a(t₁,t₂)−Ψ_b(t₃,t₄) ＝2(Φ₁−Φ₂)＋2π｛f₀(Δt₄−Δt₃−Δt₂)−f₄Δt₄−f₂Δt₂｝・・（１３ ）

【００２３】数式（１３）の右辺第２項は光路長と周波
数が固定されるときには一定の値をとる。この値から外
れる要因としては、光路長の温度膨張と光源の周波数変
動、偏光に周波数遷移を与えるための周波数変動を考え
ることができる。まず、光路長がほぼ１０ｃｍ程度であ
るとして、温度の影響を検証する。空気の熱膨張率はほ
ぼ１０^-6であるから、温度変化が１０度であるときの伝
搬時間差Δｔは数式（１４）で与えられる。ここで光速
をｃとする。 Δｔ〜0.1ｍ×１０^-6×１０deg／ｃ〜１０^-14 ・・（１４）

【００２４】また、光源の安定性はＨｅＮｅレーザのフ
リーランニング状態においてΔλ／λ＝Δf₀／f₀〜１０
^-6程度と評価されるから、f₀〜５×１０¹⁴のときにΔf₀
〜５×１０⁸となり、結局Δf₀Δｔ〜５×１０^-6程度に
なる。また、音響光学変調器（ＡＯＭ）は、周波数f〜
１０⁸でΔf／f〜１０^-6、従ってΔfΔｔ〜１０^-12程度
となり、いずれの要因についても通常の測定では数式
（１３）の右辺第２項は定数と扱ってよい。故に、数式
（１０）を適用することが可能である。

【００２５】マスク材中の離れた位置にある光半透過膜
部分のそれぞれに光ビームを照射して比較することによ
ってふたつの部分間の位相差を算出することができる。
図２は第３の膜を有する場合における測定結果から位相
差を求める原理を説明する図面である。膜が光半透過膜
Ｍと光半透過膜のない母材部分Ｏと第３の光半透過膜Ｌ
から構成されていれば、膜Ｍと膜Ｏの透過による位相差
を求めるために膜Ｌの透過特性を用いることができる。
このとき、光半透過膜がある部分における隣接部分間の
初期位相差はＭのサフィックスを付して表した下の数式
（１５）となる。 （Ψ_a−Ψ_b）_M＝２（Φ_1M−Φ_2M） ・・・（１５）

【００２６】また、母材部分における隣接部分間の初期
位相差は０のサフィックスを付して表した下の数式（１
６）となる。 （Ψ_a−Ψ_b）₀＝２（Φ₁₀−Φ₂₀） ・・・（１６）

【００２７】ここで、膜Ｌにおける位相が同じもの（Φ
_2M＝Φ₂₀）とすると、下の数式（１７）により両者の差
をとることによって、母材部分に対する光半透過膜部分
の位相差を求めることができる。 （Ψ_a−Ψ_b）_M−（Ψ_a−Ψ_b）₀＝２（Φ_1M−Φ₁₀） ・・・（１７）

【００２８】また、偏光成分に分割して相互間の干渉を
させる代わりに、第３の参照光を利用して母材部分に対
する光半透過膜部分の位相差を求めることもできる。図
３は参照光を使用して光半透過膜部分の位相シフト量を
検出する原理を説明する図面である。光半透過膜部分Ｍ
を透過する光ビームの電場をＥ₁、位相をΦ₁、中心周波
数f₀に対する周波数変調量をｆ₁、隣接した母材部分Ｏ
を透過する光の電場をＥ₂、位相をΦ₂、周波数変調量を
ｆ₂、ふたつの光ビームと干渉するような参照光の電場
をＥ₃、位相をΦ₃、周波数変調量をｆ₃とすると、各電
場は下記の数式（１８）から（２０）で表すことができ
る。 E₁＝E₀exp（iΦ₁＋2πi(f₀＋f₁)t） ・・・（１８ ） E₂＝E₀exp（iΦ₂＋2πi(f₀＋f₂)t） ・・・（１９ ） E₃＝E₀exp（iΦ₃＋2πi(f₀＋f₃)t） ・・・（２０ ）

【００２９】光半透過膜部分を透過する光Ｅ₁と参照光
Ｅ₃、母材部分を透過する光Ｅ₂と参照光Ｅ₃を干渉させ
ると、パワーはそれぞれ下の数式（２１）と（２２）に
より表せる。 P₁₃＝|E₁＋E₃|²＝2E₀ ²（1＋cos(Φ₁−Φ₃＋2π(f₁−f₃)t)） ・・（２１ ） P₂₃＝|E₂＋E₃|²＝2E₀ ²（1＋cos(Φ₂−Φ₃＋2π(f₂−f₃)t)） ・・（２２ ）

【００３０】ここで、ｆ₁＝ｆ₂となるようにして位相差
をとると、 Ψ₁₃−Ψ₂₃＝Φ₁−Φ₂ ・・・（２３） となるので、マスク材の相違による位相差を求めること
ができる。この値は、参照光を仲介して求めるものであ
るが参照光の位相Φ₃に無関係である。変調周波数を適
当に選択することにより、パワーＰ₁₃、Ｐ₂₃に対応する
低周波数ビート信号の時間波形が電気回路等で処理しや
すいように周波数変調することができる。また、参照光
の周波数変調量ｆ₃に制約されないので、参照光は周波
数変調をしないで用いてもよい。このとき、ｆ₃＝０と
なり、信号処理対象となるビート信号の周波数はそれぞ
れｆ₁、ｆ₂と極めて低いため電気的に容易に処理でき
る。

【００３１】上記の測定原理によれば、位相シフタとし
て光半透過膜部分が存在する部分と存在しない部分を同
時に透過させた光と参照光との干渉光を用いることによ
り、電気信号処理が容易な低周波数のビート信号に基づ
いて光半透過膜部分を透過する光の位相シフト量を測定
することが可能である。上の原理に従って位相シフト量
を測定する位相シフト量測定装置の実施例について説明
する。

【００３２】

【実施例１】図４は、本発明の位相シフト量測定装置の
第１の実施例を示すブロック図である。図５は、第１実
施例における光分岐回路部の詳細を示すブロック図であ
る。図４において、周波数安定化ＨｅＮｅレーザ１から
出射した出射光は光分岐回路２を通って偏光成分の波長
が異なる２本の光ビームとなる。

【００３３】光分岐回路２は図５にある通りの構成を有
し、周波数ｆ₀のＨｅＮｅレーザ光を受けると、偏光ビ
ームスプリッター３１で直進するＰ波偏光成分と垂直に
反射屈折するＳ波偏光成分に分ける。分離されたＰ波偏
光は第１の音響光学変調器（ＡＯＭ）３２を通過する。
第１音響光学変調器（ＡＯＭ）３２は第１のＡＯＭドラ
イバー３３により駆動されていてＰ波偏光に周波数ｆ₁
の周波数偏移を与える。周波数ｆ₁の偏移を有するＰ波
偏光は反射鏡３４で屈折して無偏光ビームスプリッター
３５に入射して分割され、屈折した方が第１の光出力の
Ｐ波偏光成分となり、また直進した方がさらに１／２波
長板３６を透過して第２の光出力のＳ波偏光成分とな
る。

【００３４】また、光ビームスプリッター３１で垂直に
屈折したＳ波偏光成分は、反射鏡３７で垂直に屈折して
第２のＡＯＭドライバー３９により駆動される第２の音
響光学変調器（ＡＯＭ）３８を通過して、周波数ｆ₂の
周波数偏移を与えられる。周波数ｆ₂の偏移を有するＳ
波偏光は無偏光ビームスプリッター３５に入射して分割
され、直進した方が第１の光出力のＳ波偏光成分とな
り、屈折した方がさらに１／２波長板３６を透過して第
２の光出力のＰ波偏光成分となる。このようにして、第
１光出力と第２光出力はともに、Ｐ波偏光成分とＳ波偏
光成分を備えるようになる。

【００３５】図４にあるように、第１光出力と第２光出
力の２本の光ビームは反射光学系３、４の作用を受けて
互いに平行な光線として、ハーフミラーあるいはダイク
ロイックミラー５に入射する。平行光線は前記ミラー５
で下方に折り曲げられ、レンズ系６により試料７の測定
部の間隔に適合する距離を有する平行光になるように調
整される。試料７は透明な部分を有する試料台８上に載
置されている。光線と試料の相対位置を調整して、一方
の光ビームが試料７の光半透過膜部分を透過し、他方の
光ビームが光半透過膜のない部分を透過するようにす
る。試料７を透過する２本の平行光は試料台８の透明部
分を通過してバンドパスフィルター９に入射する。バン
ドパスフィルター９は測定に使用するＨｅＮｅレーザの
波長部分に透過領域を有し、外部環境中に存在する迷光
が光検出部に侵入しないようにして、光測定の精度を向
上させる。

【００３６】バンドパスフィルター９で選択透過された
光ビームは、偏光ビームスプリッター１０で両光線のＳ
波偏光成分が垂直に屈折してレンズ１１により合波され
干渉光として光検出器１２により検出されビート信号と
なる。また、偏光ビームスプリッター１０を直進した両
光線のＰ波偏光成分はレンズ１３により合波され干渉光
として光検出器１４により検出されビート信号となる。
Ｓ波偏光成分を検出する光検出器１２とＰ波偏光成分を
検出する光検出器１４からのビート信号出力は位相検出
器１５に供給されて、両ビート信号出力の間の位相差が
検出される。演算部１６がこの位相差に基づいた演算を
することにより、ＨｅＮｅレーザで照射したときの光半
透過膜部分と母材部分との位相シフト量が求められる。
なお、位相差を精度良く検出するためにはレーザのコヒ
ーレント長がレーザ発振器から光検出器までの光路長程
度あることが必要である。

【００３７】本実施例の位相シフト量測定装置は、マス
ク材の形状・位置関係を確認するための照明系を備えて
いる。照光器１７から放射される可視光線はレンズ１８
によりほぼ平行な照明光になってハーフミラー１９で垂
直に反射してコリメータレンズ系２０を通ってハーフミ
ラーあるいはダイクロイックミラー５の裏から、上記平
行光ビームが当たる部分を包含する部分に照射して透過
し、光ビームと同じようにレンズ系６を通って試料７を
照明する。試料７を照射して反射する光は照射する光が
透過したと反対の順に光学系を辿って、ハーフミラー１
９に戻り、ここで直進成分がＣＣＤカメラ２１により検
知されて試料７の映像が撮像面に形成され、モニターＣ
ＲＴ２２に表示される。操作員はモニターＣＲＴ２２の
画面を観察して試料７の位置を確認し調整する。

【００３８】

【実施例２】図６は、本発明の位相シフト量測定装置の
第２の実施例を示すブロック図である。図７は、第２実
施例における光分岐回路部の詳細を示すブロック図であ
る。第２実施例は、第３の参照光を利用した位相シフト
量測定装置である。図６において、周波数安定化ＨｅＮ
ｅレーザ４１から出射した出射光はコリメータレンズ４
２により平行光線になって無偏光ビームスプリッター４
３に入射しここで分割されて一方が縮小レンズ系４４を
介して光分岐回路部４５に入射する。

【００３９】光分岐回路４５は図７にある通りの構成を
有し、周波数ｆ₀のＨｅＮｅレーザ光を受けると、無偏
光ビームスプリッター７１で直進する第１の光出力と垂
直に反射屈折する第２の光出力に分ける。分離された第
１光出力は第１の音響光学変調器（ＡＯＭ）７２を通過
する。第１音響光学変調器７２は第１のＡＯＭドライバ
ー７３により駆動されていて第１光出力に周波数ｆ₁の
周波数偏移を与える。周波数ｆ₁の偏移を有する第１光
出力は反射光学系７４で屈折して光分岐回路４５から射
出される。

【００４０】また、無偏光ビームスプリッター７１で垂
直に屈折した第２光出力は、反射鏡７５で垂直に屈折し
て第２のＡＯＭドライバー７７により駆動される第２の
音響光学変調器７６を通過して、周波数ｆ₂の周波数偏
移を与えられる。周波数ｆ₂の偏移を有する第２光出力
は反射光学系７８で第１光出力と近接した平行なビーム
となり、さらに１／２波長板７９を透過して第１光出力
と干渉を起こしにくい光線となって光分岐回路４５から
射出される。

【００４１】図６にあるように、第１光出力と第２光出
力の２本の光ビームは互いに平行な干渉を起こしにくい
光線として、拡大光学系４６に入射し光分岐回路４５か
ら射出したときより太い光ビームとなってハーフミラー
あるいはダイクロイックミラー４７に入射する。平行光
線は前記ミラー４７で下方に折り曲げられ、レンズ系４
８により試料４９の測定対象の間隔に適合する距離を有
する２本の平行光になるように調整される。試料４９は
試料台５０上に載置されている。操作員は光線と試料の
相対位置を調整して、一方の光ビームが試料４９の光半
透過膜部分を透過し、他方の光ビームが光半透過膜のな
い部分を透過するようにする。試料４９を透過する２本
の平行光は試料台５０を通過してハーフミラー５１に入
射しここで反射して、ＣＣＤ検出器５２により検出され
る。

【００４２】一方、無偏光ビームスプリッター４３で垂
直方向に分割されたもう一方の光出力は、縮小レンズ系
５４で集束されて光ファイバー５５の一端に注入され、
光ファイバー５５の他端から放射されて、コリメータレ
ンズ系５６で平行光線となってハーフミラー５１に入射
しこれを透過する。ハーフミラー５１を透過した上記の
光出力は中心周波数ｆ₀のまま周波数偏移を受けていな
い参照光として、マスク材を透過してきた第１光出力と
作用して低周波数ｆ₁のビート光を生じ、第２光出力と
作用し合って低周波数ｆ₂のビート光を生じる。上記Ｃ
ＣＤ検出器５２はこれらのビート光を検出してビート信
号を発生する。位相検出器５３がこの２つのビート信号
の位相差を測定し、これによりふたつの透過光における
位相シフト量を算定する。なお、ＣＣＤ検出器の位置的
分解能を向上させるため、拡大レンズ系を挿入するとよ
い。また、ＣＣＤ検出器５２の受光面を光線入射方向に
対して斜めに傾けて設置することも効果がある。光吸収
体５７は、ミラーからの反射光を吸収し、測定装置内の
迷光を減少させて、光測定の精度を向上させるために設
けたものである。

【００４３】本実施例の位相シフト量測定装置にも、マ
スク材の形状・位置関係を確認するための照明系が備え
られている。照光器５８から放射される可視光線はレン
ズ５９によりほぼ平行な照明光になってハーフミラー６
０で垂直に反射してコリメータレンズ系６１を通ってハ
ーフミラーあるいはダイクロイックミラー４７の裏か
ら、上記平行光ビームが当たる部分を包含する部分に照
射して透過し、光ビームと同じようにレンズ系４８を通
って試料４９を照明する。試料４９から反射する光は照
射する光の光路を逆に辿って、ハーフミラー６０に戻
り、ここで直進成分がＣＣＤカメラ６２により検知され
て、モニターＣＲＴ６３に表示される。操作員はモニタ
ーＣＲＴ６３の画面を観察して試料４９の位置を確認し
調整する。

【００４４】上記実施例では、周波数安定化レーザとし
てＨｅＮｅレーザを用いているが、ＫｒＦレーザを用い
た製造に使用するマスクについて測定するときは、同じ
ＫｒＦレーザを用いて測定することができる。また、測
定に使用した光ビームと製造に用いる光ビームの波長が
違う場合は、上記測定から求める位相シフト量に波長お
よび母材や光半透過膜の特性に基づいた換算を施すこと
により対処することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の微少変位量
測定装置は、可干渉性を有する２つの光線を２つの対象
に照射してビート光を発生せしめ、２つのビート光の位
相差に基づいて２つの対象の間の距離差を測定するか
ら、単一の測定装置により２つの物体間の相対的変位量
を測定することができる。また、測定装置と被測定試料
との間の光路中に存在しうる温度や空気の移動あるいは
蒸気などの雰囲気変動に影響を受けず正確な測定が可能
になる。また、位相シフトマスクの開発に利用すると転
写工程を実行する必要がなくなり、開発の効率が格段に
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図である。

【図２】第３の膜を仲介にして離れた位置における位相
差を求める原理を説明する図面である。

【図３】参照光を使用して光半透過膜部分の位相シフト
量を検出する原理を説明する図面である。

【図４】本発明の位相シフト量測定装置の第１の実施例
を示すブロック図である。

【図５】第１実施例における光分岐回路部の詳細を示す
ブロック図である。

【図６】本発明の位相シフト量測定装置の第２の実施例
を示すブロック図である。

【図７】第２実施例における光分岐回路部の詳細を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１、４１ 周波数安定化レーザ ２、４５ 光分岐回路 ３、４、３４、３７、７４、７５、７８ 反射光学系 ５、１９、４７、５１、６０ ハーフミラー ６、１１、１３、１８、４８、５９ レンズ系 ７、４９ 試料 ８、５０ 試料台 ９ バンドパスフィルター １０、３１ 偏光ビームスプリッター １２、１４ 光検出器 １５、５３ 位相検出器 １６ 演算部 １７、５８ 照光器 ２０、４２、５６、６１ コリメータレンズ系 ２１、６２ ＣＣＤカメラ ２２、６３ モニターＣＲＴ ３２、３８、７２、７６ 音響光学変調器（ＡＯＭ） ３３、３９、７３、７７ ＡＯＭドライバー ３５、４３、７１ 無偏光ビームスプリッター ３６、７９ １／２波長板 ４４、５４ 縮小レンズ系 ４６ 拡大光学系 ５２ ＣＣＤ検出器 ５５ 光ファイバー ５７ 光吸収体

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料における第１の光透過性物質の部分
   と第２の光透過性物質の部分を光が透過するときの位相
   差を測定する方法において、 互いに異なる周波数を有する２つの偏光成分を含むコヒ
   ーレントな第１の光ビームを試料の第１光透過性物質部
   分に入射させ、 互いに異なる周波数を有する２つの偏光成分を含むコヒ
   ーレントな第２の光ビームを試料の第２光透過性物質部
   分に入射させ、 第１光透過性物質部分を透過した第１光ビームと第２光
   透過性物質部分を透過した第２光ビームの互いに異なる
   光周波数を有する偏光成分同士を干渉させて第１のビー
   ト信号を得、 第１光透過性物質部分を透過した第１光ビームと第２光
   透過性物質部分を透過した第２光ビームの互いに異なる
   光周波数を有する残りの偏光成分同士を干渉させて第２
   のビート信号を得、 ２つのビート信号の位相差を検出し、 該位相差に基づいて２つの光透過性物質を透過する光間
   の位相シフト量を検出する位相シフト量検出方法。
2. 【請求項２】 位相シフトマスクブランクまたは位相シ
   フトマスクに形成された光半透過膜の光学的膜厚測定方
   法であって、 互いに可干渉な第１と第２の光線を発生させ、 第１の光線の互いに直交する２つの偏光成分を各々異な
   る第１と第２の周波数で変調し、 第２の光線の互いに直交する２つの偏光成分を各々前記
   第１と第２の周波数で変調し、 変調された第１光線を前記光半透過膜が載置された部分
   に入射させ、 変調された第２光線を前記光半透過膜が載置されていな
   い部分に入射させ、 前記光半透過膜が載置された部分を透過した第１光線の
   第１周波数変調された偏光成分と、前記光半透過膜が載
   置されていない部分を透過した第２光線の第２周波数で
   変調された偏光成分とを干渉させ第１の干渉光を得、 前記光半透過膜が載置された部分を透過した第１光線の
   第２周波数で変調された偏光成分と、前記光半透過膜が
   載置されていない部分を透過した第２光線の第１周波数
   で変調された偏光成分を干渉させ第２の干渉光を得、 第１干渉光の位相と第２干渉光の位相の差をとった第１
   の位相差を検出し、 さらに、第１光線および第２光線をともに位相シフトマ
   スクの光半透過膜が載置されていない部分に入射させ、 前記光半透過膜が載置されていない部分を透過した第１
   光線の第１周波数で変調された偏光成分と前記光半透過
   膜が載置されていない部分を透過した第２光線の第２周
   波数で変調された偏光成分を干渉させ第３の干渉光を
   得、 前記光半透過膜が載置されていない部分を透過した第１
   光線の第２周波数で変調された偏光成分と、前記光半透
   過膜が載置されていない部分を透過した第２光線の第１
   周波数で変調された偏光成分を干渉させ第４の干渉光を
   得、 第３干渉光の位相と第４干渉光の位相の差をとった第２
   の位相差を検出し、 第１位相差と第２位相差の差から前記光半透過膜の光学
   的膜厚を得る位相シフトマスクの光半透過膜の光学的膜
   厚測定方法。
3. 【請求項３】 試料における第１の光透過性物質の部分
   と第２の光透過性物質の部分を光が透過するときの位相
   差を測定する方法において、 コヒーレントな第１の光ビームを試料の第１光透過性物
   質部分に入射させ、コヒーレントな第２の光ビームを第
   ２光透過性物質部分に入射させ、 それぞれの光透過性物質を透過した第１と第２の光ビー
   ムを、前記第１と第２の光ビームと僅かに異なる光周波
   数を有するコヒーレントな参照光により光ヘテロダイン
   検波して２つのビート信号を得、 ２つのビート信号の位相差を検出し、 該位相差に基づいて２つの光透過性物質を透過する光間
   の位相シフト量を検出する位相シフト量検出方法。
4. 【請求項４】 位相シフトマスクブランクまたは位相シ
   フトマスクに形成された光半透過膜の光学的膜厚測定方
   法であって、 互いに可干渉な第１と第２と第３の光線を発生させ、 第１光線および第２光線を第１の周波数で変調し、かつ
   第３光線を第２の周波数で変調し、 変調された第１光線を位相シフトマスクの前記光半透過
   膜が載置された部分に入射させ、 変調された第２光線を位相シフトマスクの前記光半透過
   膜が載置されていない部分に入射させ、 前記光半透過膜が載置された部分を透過した第１光線と
   変調された第３光線を干渉させ第１の干渉光を得、 前記光半透過膜が載置されていない部分を透過した第２
   光線と変調された第３光線を干渉させ第２の干渉光を
   得、 第１と第２の干渉光の位相差を検出することにより、 前記光半透過膜の光学的膜厚を得る位相シフトマスクの
   光半透過膜の光学的膜厚測定方法。
5. 【請求項５】 試料における第１の光透過性物質の部分
   と第２の光透過性物質の部分を光が透過するときの位相
   差を測定する装置において、 試料を搭載する試料台と、 コヒーレントなレーザ光を発生する発光装置と、 該レーザ光を分割して第１の光ビームと、第２の光ビー
   ムを生成する装置と、 第１光ビームを第１と第２の偏光成分に分割してそれぞ
   れ異なる周波数変調を施す装置と、 第２光ビームを第３と第４の偏光成分に分割してそれぞ
   れ異なる周波数変調を施す装置と、 第１光ビームを前記試料台に搭載された試料の第１光透
   過性物質部分に入射させ、第２光ビームを第２光透過性
   物質部分に入射させる照準装置と、 第１光透過性物質部分を透過した第１偏光成分と第２光
   透過性物質部分を透過した第３偏光成分とを光ヘテロダ
   イン検波して第１のビート信号を得る第１の干渉装置
   と、 第１光透過性物質部分を透過した第２偏光成分と第２光
   透過性物質部分を透過した第４偏光成分とを光ヘテロダ
   イン検波して第２のビート信号を得る第２の干渉装置
   と、 第１と第２のビート信号の位相差を検出する位相差検出
   装置を備え、 該位相差に基づいて２つの光透過性物質を透過する光間
   の位相シフト量を検出する位相シフト量検出装置。
6. 【請求項６】 隣り合う２つの透過性材質への入射に対
   する各透過光の位相差変動を求める装置において、 入射光の偏光毎に光周波数が異なる光を形成する回路
   と、 偏光光間の干渉を得る回路を有して、 該位相差変動をヘテロダイン検波の位相差より求めるこ
   とを特徴とする位相シフト量検出装置。
7. 【請求項７】 位相シフトマスクブランクおよび位相シ
   フトマスクの光半透過膜の光学的膜厚の測定装置であっ
   て、 位相シフトマスクを設置する手段と、 互いに可干渉な第１と第２の光線を発生させる発生器
   と、 第１光線の互いに直交する２つの偏光成分の一方の成分
   を第１の周波数で、他方の偏光成分を第１周波数と異な
   る第２の周波数で変調する変調手段と、 第２光線の互いに直交する２つの偏光成分の一方の成分
   を第１周波数で、他方の偏光成分を第２周波数で変調す
   る変調手段と、 第１と第２の光線を位相シフトマスクの所定部分に導光
   する光学系と、 位相シフトマスクを透過した第１光線の第１周波数の偏
   光成分と位相シフトマスクを透過した第２光線の第２周
   波数の偏光成分とを干渉させ、第５の干渉光を得る光干
   渉手段と、 位相シフトマスクを透過した第１光線の第２周波数の偏
   光成分と位相シフトマスクを透過した第１光線の第１周
   波数の偏光成分とを干渉させ、第６の干渉光を得る光干
   渉手段と、 第５と第６の干渉光を検出する検出手段と、 第５と第６の干渉光の位相差を検出する位相差検出手段
   を有する位相シフトマスクの光半透過膜の光学的膜厚測
   定装置。
8. 【請求項８】 試料における第１の光透過性物質の部分
   と第２の光透過性物質の部分を光が透過するときの位相
   差を測定する装置において、 試料を搭載する試料台と、 コヒーレントな第１の光ビームと、コヒーレントな第２
   の光ビームと、前記第１と第２の光ビームと僅かに異な
   る光周波数を有するコヒーレントな参照光を発生する光
   ビーム発生装置と、 第１光ビームを前記試料台に搭載された試料の第１光透
   過性物質部分に入射させ、第２光ビームを第２光透過性
   物質部分に入射させる照準装置と、 それぞれの光透過性物質を透過した第１と第２の光ビー
   ムを参照光により光ヘテロダイン検波して２つのビート
   信号を得る干渉装置と、 ２つのビート信号の位相差を検出する位相差検出装置を
   備え、 該位相差に基づいて２つの光透過性物質を透過する光間
   の位相シフト量を検出する位相シフト量検出装置。
9. 【請求項９】 隣り合う２つの透過性材質への入射に対
   する各透過光の位相差変動を求める装置において、 該透過性材質を透過しない第３の光ビームを生じる回路
   と、 透過性材質を透過した光と該第３の光ビーム間とで干渉
   を生じさせる光回路を有して、 該位相差変動をヘテロダイン検波の位相差より求めるこ
   とを特徴とする位相シフト量検出装置。
10. 【請求項１０】 位相シフトマスクブランクまたは位相
    シフトマスク形成された光半透過膜の光学的膜厚測定装
    置であって、 互いに可干渉な３つの第１と第２と第３の光線を発生さ
    せる手段と、 第１光線および第２光線を所定の周波数で変調する変調
    手段と、 変調された第１光線を位相シフトマスクの前記光半透過
    膜が載置された部分に入射させる光学系と、 変調された第２光線を位相シフトマスクの前記光半透過
    膜が載置されていない部分に入射させる光学系と、 前記光半透過膜が載置された部分を透過した第１光線と
    変調された第３光線を干渉させ第１の干渉光を得る光干
    渉手段と、 前記光半透過膜が載置されていない部分を透過した第２
    光線と変調された第３光線を干渉させ第２の干渉光を得
    る光干渉手段と、 第１干渉光と第２干渉光の位相差を検出する位相差検出
    手段とを有する位相シフトマスクの光半透過膜の光学的
    膜厚測定装置。