JP4924931B2 - ステンシルマスクの検査方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造において使用されるステンシルマスクの検査方法および装置に関する。

近年、半導体デバイスの微細化が進み、例えば露光工程においてはより微細なパターン形成が可能な荷電粒子線を使った露光装置が用いられている。ステンシルマスクはこのような装置において使用され、形成されている各種パターンもしくはホールの寸法においても微小化が進んでいる。このようなステンシルマスクにおいては、その表面上あるいはパターン近傍に異物が存在する場合、実際の使用において様々な影響が考えられ、例えば半導体製造中のウエハへの異物落下、またパターン上異物による不良パターンの転写、あるいはマスク表面に荷電粒子線が照射される際のチャージアップ発生や局所的帯電が原因のマスク破壊等、製造における歩留まり低下の原因となっていた。そのため、ステンシルマスクの製造工程においては異物検査と管理を適宜実施し、半導体デバイスメーカに向けてマスクの品質保証を行なっている。

従来、マスク検査は同一パターンが形成されている部分が存在する場合にそのバターン両者を比較して相違点を抽出するセル比較方式や、設計データから得られたパターン形状と実際のパターン画像を比較するデータベース比較方式が用いられていた。しかし、ステンシルマスクにおいては基本的に同一セルが存在せず、またデータベース比較では実際の製作過程を経たパターンと設計データから生成したパターンは形状が大きく異なり、比較検査することは困難である。

ステンシルマスク上には、荷電粒子線の通過が可能なよう、設計データを基に数μmもしくは１μm以下の各種の微小なパターンやホールが多数形成されおり、半導体製造においてはここを荷電粒子線が通過し、ウエハ上に縮小もしくは等倍投影される。このような微小なパターンを有するステンシルマスクの製作過程においては、表面検査を適宜行い、検出された表面の異物や欠陥の種類によって適正な洗浄や修正が施されている。そして、前記各過程を経ることによりマスクの信頼性が向上し、高精度、高密度化が進む半導体製造に寄与している。
従来からのステンシルマスク検査の方法としては、顕微鏡を主体としたものが多く用いられ、例えば、顕微鏡の暗視野機能による目視検査が行われている。
このようなステンシルマスク検査方法としては、短寸法検査や微少結果の観察等の外観検査を汚れや塵の付着を発生させることなく実施できる検査方法がある（特許文献１参照）。
特開２００４−２４１７４０号公報

従って従来のステンシルマスク検査方法では、マスク上の異物を高感度に検査することは可能であるが、微小な異物や欠陥を検出する場合は倍率を上げる必要があり、その場合には目視検査を行うには視野が狭くなってしまい非常に時間がかかる等の問題があった。
また、目視検査の問題としては人手による検査のため、ウエア等からの新たな異物付着の恐れや、作業による能力の低下にともなう検出性能のバラつき等が懸念される。
目視検査によらず、レーザや白色光を使用した顕微鏡の画像処理や、光学系を工夫して特長点を検出する自動検査の方法も考案されているが、各種のパターンが形成されているステンシルマスク表面上の微小異物においては、パターン部も異物や欠陥と誤認識してしまうため、異物のみを抽出するのは困難であった。
また、セル比較方式と呼ばれる方法においては、ステンシルマスクには同一セルが形成されていることは無いため比較の基準となるセルが存在せず、検査することは不可能である。
また、自動検査の中でも設計データ比較方式と呼ばれる方法を使用する装置においては、設計データを２次元画像に変換することが非常に困難である。例えば２次元データを画像処理の手法を駆使して画像に変換できたとしても、実際のプロセスを経たマスクパターンの撮像画像とは完全に一致することがないため、検査装置の基準画像として利用するのは不可能であった。
上述のように、従来のステンシルマスクの検査方法では、人によるマスク上の微小異物を目視により検出するには非常に時間がかかり、また、レーザや白色光による自動検査では誤検出、あるいは比較する基準が無いなどの問題があり、製造に利用することは困難であった。

上記課題を解決するために本発明は、高い精度でステンシルマスクの異物検査を実現できるステンシルマスクの検査方法および装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明のステンシルマスクの検査方法は、半導体製造で使用されるステンシルマスク表面の異物検査を行うステンシルマスクの検査方法であって、
レーザによるシートビームをステンシルマスク表面に斜めに照射する照射ステップと、
前記ステンシルマスク表面から反射して得られる光切断線画像をもとに規定された特定のエリアを監視し、前記特定のエリアの前記ステンシルマスク表面から反射して得られる光切断線画像を検出する監視ステップと、前記特定のエリアにおいて検出した光切断線画像をもとに前記ステンシルマスク表面の異物を検出する検出ステップとを備えたことを特徴とする。

上述の目的を達成するため、本発明のステンシルマスクの検査装置は、レーザによるシートビームをステンシルマスク表面に対し斜めに照射し、前記ステンシルマスク表面で反射して得られた光切断線の反射像を得る光切断光学系と、前記光切断光学系で得られた反射像をもとに前記光切断線の光切断線画像を結像し拡大する結像光学系と、前記ステンシルマスク表面を前記シートビームにより走査する走査機構と、前記結像光学系で結像され拡大された光切断線画像を取り込み、所定のアルゴリズムで画像処理することで前記ステンシルマスク表面の異物を検出する画像処理部と、前記操作機構および前記画像処理部を含む各部を制御する制御手段と、前記画像処理部において異物を検出した前記ステンシルマスク表面上の位置を特定するためのデータを記録するメモリ部とを備えたことを特徴とする。

このような本発明のステンシルマスク検査方法および装置によれば、ステンシルマスクのメンブレン表面に付着している異物の検査を、目視検査によらず高精度に行うことが可能になる。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における検査対象であるステンシルマスクの概念図である。
図１に示すようにステンシルマスク１は、基本的にＳｉ等を基材とするウエハを使用し、荷電粒子線が透過するための微細パターン２が形成されている。本実施の形態においては、上述のような微細パターンが形成されているステンシルマスク１の表面に符号３で示す異物が付着し、これを本実施の形態のステンシルマスクの検査方法および装置を用いて検出するものである。

図２は、本実施の形態のステンシルマスクの検査方法および装置による異物検出の概念図である。レーザ発振器４から出射されたレーザビームはスリット５、入射側集光レンズ
６を経てシートビーム７を形成する。この焦点の位置に検査対象となるステンシルマスク１がセットされるよう装置の機械的な調整をあらかじめ実施しておく。

上記においては、シートビーム７はマスク表面で反射し、反射光８，９が反対側に設置された検査用の撮像用カメラ１１に反射側集光レンズ１０を介して入射する。このとき撮像用カメラ１１の焦点はシートビーム７がステンシルマスク１上で焦点を結ぶ位置に合わせておく。

図３は、本実施の形態１における光切断の概念図である。ステンシルマスク１表面に異物３が存在すると、斜め方向から入射したレーザによるシートビーム７は異物表面からの反射光８と、マスク表面からの反射光９となって斜め入射側と反対側に反射する。

図４は、図３に示した内容を真横から見た概念図である。
異物表面からの反射光８と、ステンシルマスク１表面からの反射光９は反対側に反射するが、このとき符号１３で示す異物の高さ分だけ間隔を有している。

図５は、本実施の形態によるステンシルマスクの検査方法が適用された検査装置の構成を示すブロック図である。検査開始にあたりステンシルマスク１はＸＹステージ１４上へ搭載し、マスク上パターンのＸＹ座標に対してステージ系が平行になるよう、また、ステージ系の原点がマスクパターンＸＹ座標の原点に一致するように、装置のアライメント動作は完了しているものとする。
検査開始と同時にＸＹステージ１４が動作を始め、検査範囲の初期地点に移動する。ここからレーザの照射を始め、搭載されたステンシルマスク表面においてレーザによるシートビームの走査が始まる。

図６は、ステンシルマスク表面のシートビームの走査経路を示す説明図である。走査ラインと隣の走査ラインは符号２０で示すように検査を行う画像が必ず重なるようにＸＹステージ１４の送りピッチを設定しておく。

図７は、マスク表面に異物が存在しない時の光切断線画像の概念図である。シートビームを照射するための光学系に対し、マスクを搭載したＸＹステージが機械的に歪みなく焦点距離が等しく保たれるように調整されているため、得られる画像における光切断線は符号２１で示すように常に同一箇所に現れる。

図８は、マスク表面に異物が存在する時の光切断線画像の概念図である。光切断線としてはマスク表面の反射像２１と異物上部とからの反射像２２が得られる。この反射像から異物の有無を検出するためには、次のとおり検査前にあらかじめ画像処理を行うエリアを決めておく。

検査前に、検査対象と同一のマスクをステージにセットし、レーザによるシートビームをマスク表面に斜入射させ、その表面反射光をカメラで取得する。
図９は、シートビームをマスク表面に斜入射させ、その表面反射光をカメラで取得したときの光切断線画像を示しており、マスク表面に異物が存在しない時の光切断線画像を示す説明図である。そして、図９に示すように、得られた画像より光切断線の高さＬの位置を検出する。この高さＬを基準に光切断線の半値幅だけ上方にずらしたところから画像上辺までの範囲２４を異物検出における画像処理範囲とする。

図１０は、マスク表面に異物が存在する場合の光切断線画像を示す説明図である。上述のように異物検出における画像処理の範囲を設定することで、異物からの反射光２２のみを画像処理の対象にすることが可能である。

図１１は、マスク上にパターンが形成されている場合の光切断線画像を示す説明図である。上述の方法によれば、パターンの影響を受けることなく、表面に付着した異物に対してのみ画像処理の対象とすることが可能である。

画像処理部１６の範囲２４において、検査中に各画素における信号の強度変化を監視する。例えば２５６階調中のノイズレベルをスレッショルドとして設定しておき、それ以上の信号の入力があった場合に電算機１７に信号を出力する。電算機１７においては上記の信号の入力があった時、ステージ１４の座標をメモリ１８に記録しておく。

上記のようにして、検査装置においてはステンシルマスク表面の決められた範囲の異物検査を行う。検査が完了すると、電算機は記録された座標をもとにステンシルマスクの異物マップを検査装置の表示部に出力する。
また、出力される異物の座標は、マスク中心を基準とした相対座標となっているため、自動ステージ仕様顕微鏡や分析装置において観察のための利用が可能である。
例えば、検査装置における検査作業が完了後に、記録された異物検出座標を顕微鏡装置に転送し、オペレータによる詳細な検査を行なって異物のクラス分けを行うことが可能になる。

以上のように、本実施の形態１のステンシルマスクの検査方法および装置は、レーザをシートビーム状に形成しマスク表面に対して斜めに照射し、反射して得られる光切断線画像に対し特定のエリアを監視することでマスク表面の異物を検出する。このため、レーザをシートビーム状に形成するスリットもしくはシリンドリカルレンズと対物レンズ等の集光レンズを組み合わせ、マスク表面に対して斜め上方から表面上に焦点を結ぶよう光学系を構成する。その表面では概ね数μｍ程度の幅にシートビームを照射することが可能である。そして、前記光学系においては、ステンシルマスクに対し斜め上方から照射したシートビームはその表面で集光して反対側へ反射するが、反射光を撮像素子等へ任意の倍率で結像することで、その表面の照射部位の形状に応じた光切断線画像を得ることができる。例えば、ステンシルマスク表面の照射部位に微小な凹凸が存在した場合、反射光を撮像素子に結像させることで、その凹凸形状に応じた忠実な光切断線画像をとらえることができる。したがって、ステンシルマスク表面に微小な高さ、幅を有する異物が存在する場合、そこにシートビームが斜入射することで、その反射側では異物の形状に応じた光切断線画像を得ることが可能である。

また、本実施の形態１のステンシルマスクの検査装置は、レーザによるシートビームをマスクに対して斜めに照射して反射像を得る光切断光学系、および反射側で光切断画像を任意の倍率で結像する結像光学系を有し、検査対象であるステンシルマスクを搭載してＸＹ方向に走査する自動ステージと光切断線画像を取り込んで処理するための画像処理部と、これら自動ステージおよび画像処理部を検査装置として制御するための電算機と、異物を検出したステンシルマスク表面上の座標を記録するためのメモリ部とを具備している。

また、本実施の形態１のステンシルマスクの検査方法および装置では、得られた光切断線画像に対し特定のエリアの画像強度を常に監視して、一定のレベル以上の画像強度が得られたことを認識してマスク表面異物の有無を判断することが可能な、ステンシルマスクの異物検出処理アルゴリズムを使用する。
前記特定エリア内には通常、マスク表面に異物が存在しない時にはその表面は平坦なため、横一本の光切断線の画像が得られている。ここで平坦な表面に異物が存在すると、光切断線としては異物上部とマスク表面からの反射像が得られる。したがって異物の存在を認識するため、異物が存在しないときの平坦な１本の光切断線より画像上側のエリアにおいて異物からの散乱光を検出する。
また、画像処理を簡単にするために、反射してきた光切断線画像全体を常時監視するのではなく、異物が存在しない時の光切断線より画像上側を監視エリアとして設定し、この範囲の画像強度を常に監視する。

また、本実施の形態１のステンシルマスクの検査方法および装置では、ステンシルマス
ク表面から反射して得られる画像から光切断線の高さＬを自動で抽出し、抽出された位置
を基準として監視すべき特定のエリアを自動的に決定する光切断画像処理アルゴリズムを
使用する。
なお、検査中レーザによるシートビームでマスク表面を走査すると通常はマスク表面には異物が存在しないため、１本の光切断線が画像として得られる。すなわち、レーザのシートビームを照射する光学系に対しマスクを搭載したＸＹステージが機械的に歪みなく焦点距離が等しく保たれるように調整されていれば、得られる画像において光切断線は高さＬの位置で常に一定の場所に現れる。よって、特定の監視すべき検査エリアとしては、上述のように光切断画像において通常得られる１本の線の画像での高さＬを画像処理等のピーク検出により求め、これよりも大となる範囲を定めれば良い。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ステンシルマスクのメンブレン表面に付着している異物の検査を、目視検査によらず高精度に行うことが可能になる。また、検出した異物については管理・除去を行うことが可能になり、結果としてステンシルマスク１の信頼性向上に寄与する。また、ステンシルマスク１を自動検査することが可能になるため、目視検査の時に問題であった手作業による異物の付着やマスク破壊の恐れがなくなり、歩留り向上にも貢献する効果がある。

本発明の実施の形態１における検査対象であるステンシルマスクの概念図である。 本発明の実施の形態１のステンシルマスクの検査方法および装置による異物検出の概念図である。 本発明の実施の形態１における光切断の概念図である。 本発明の実施の形態１における図３に示した内容を真横から見た概念図である。 本発明の実施の形態１によるステンシルマスクの検査方法が適用された検査装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１によるステンシルマスク表面のシートビームの走査経路を示す説明図である。 本発明の実施の形態１におけるマスク表面に異物が存在しない時の光切断線画像の概念図である。 本発明の実施の形態１におけるマスク表面に異物が存在する時の光切断線画像の概念図である。 本発明の実施の形態１におけるマスク表面に異物が存在しない時の光切断線画像を示す説明図である。 本発明の実施の形態１におけるマスク表面に異物が存在する場合の光切断線画像を示す説明図である。 本発明の実施の形態１におけるマスク上にパターンが形成されている場合の光切断線画像を示す説明図である。

符号の説明

１……ステンシルマスク、４……レーザ発振器（光切断光学系）、５……スリット（光切断光学系）、６……入射側集光レンズ（光切断光学系）、１０……反射側集光レンズ（結像光学系）、１１……撮像用カメラ（結像光学系）、１４……ＸＹステージ（走査機構、自動ステージ）、１５……光学系（レーザ照射部）、１６……画像処理部（抽出手段、監視エリア決定手段）、１７……電算機（制御手段）、１８……メモリ。

Claims (7)

1. 半導体製造で使用されるステンシルマスク表面の異物検査を行うステンシルマスクの検査方法であって、
   レーザによるシートビームをステンシルマスク表面に斜めに照射する照射ステップと、
   前記ステンシルマスク表面から反射して得られる光切断線画像をもとに規定された特定のエリアを監視し、前記特定のエリアの前記ステンシルマスク表面から反射して得られる光切断線画像を検出する監視ステップと、
   前記特定のエリアにおいて検出した光切断線画像をもとに前記ステンシルマスク表面の異物を検出する検出ステップと、
   を備えたことを特徴とするステンシルマスクの検査方法。
2. 前記監視ステップは、前記特定のエリアの光切断線画像に対し画像強度を常に監視し、前記検出ステップは、前記特定のエリアの前記光切断線画像の画像強度を検出し、検出した画像強度をもとにマスク表面異物の有無を判定することを特徴とする請求項１記載のステンシルマスクの検査方法。
3. ステンシルマスク表面から反射して得られる画像から光切断線画像の位置を自動で抽出する抽出ステップと、前記抽出された光切断線画像の位置を基準として監視すべき特定のエリアを自動的に決定する監視エリア決定ステップとを備えたことを特徴とする請求項１記載のステンシルマスクの検査方法。
4. レーザによるシートビームをステンシルマスク表面に対し斜めに照射し、前記ステンシルマスク表面で反射して得られた光切断線の反射像を得る光切断光学系と、
   前記光切断光学系で得られた反射像をもとに前記光切断線の光切断線画像を結像し拡大する結像光学系と、
   前記ステンシルマスク表面を前記シートビームにより走査する走査機構と、
   前記結像光学系で結像され拡大された光切断線画像を取り込み、所定のアルゴリズムで画像処理することで前記ステンシルマスク表面の異物を検出する画像処理部と、
   前記操作機構および前記画像処理部を含む各部を制御する制御手段と、
   前記画像処理部において異物を検出した前記ステンシルマスク表面上の位置を特定するためのデータを記録するメモリ部と、
   を備えたことを特徴とするステンシルマスクの検査装置。
5. 前記アルゴリズムは、前記ステンシルマスク表面から反射して得られる光切断線画像をもとに規定された特定のエリアの光切断線画像に対し画像強度を監視し、前記特定のエリアの前記光切断線画像の画像強度をもとにマスク表面異物の有無を判定することを特徴とする請求項４記載のステンシルマスクの検査装置。
6. 前記画像処理部は、前記ステンシルマスク表面から反射して得られる画像から光切断線画像の位置を自動で抽出する抽出手段と、前記抽出された光切断線画像の位置を基準として監視すべき特定のエリアを自動的に決定する監視エリア決定手段とを備えたことを特徴とする請求項４記載のステンシルマスクの検査装置。
7. 前記走査機構は、前記ステンシルマスクを搭載して平面上を移動することで前記ステンシルマスク表面を前記シートビームにより走査する自動ステージであることを特徴とする請求項４記載のステンシルマスクの検査装置。

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