極端紫外線（EUV）を利用した次世代のマスクブランクス検査技術を確立

微細な欠陥を見つける、次世代の“目”

「ABICS」は、マスクブランクスの欠陥を検査する装置です。そもそもマスクブランクスにはどのような欠陥があるのでしょうか？

マスクブランクスというものは多層構造になっており、底からサブストレート、モリブデンとシリコンの多層膜「マルチレイヤー」、そして回路パターンが描画されるアブソーバーから成ります。マスクブランクスの欠陥には、まずアブソーバー上やレイヤー裏面などに微細なダストが付いてしまうような表面上の欠陥があります。さらにマルチレイヤーの内部でひずみが発生している場合などの、内部の欠陥があります（図2）。

図2　マスクブランクスの欠陥の種類（資料提供：レーザーテック）

マスクブランクスの表面と内部の欠陥を検知する技術が、「ABICS」の持つコア技術です。

本装置は、「暗視野検査技術」を用います。光の反射・屈折などを利用して物体の像を生じさせる、複数のミラーで構成された装置（光学系）を使い、照明光をマスクブランクスに照射します。すると、欠陥の存在によって光が散乱するため、正反射しない成分が発生します。その光を上部の光学系で集め、撮像素子に結像させることによって欠陥を検出します。

暗視野検査装置には二つの検査観察モードがあります。一つが検査の際に、高速（高スループット）で全面をスキャンする場合に用いる「26倍検査光学系モード」、もう一つが、欠陥が検出された場所を局所的に観察し、詳細な情報を得るためのモードである「1,200倍観察光学系モード」です。

「1,200倍観察光学系では、市場要求性能を満たす解像度を得るために、多くの試行錯誤を繰り返しました。これまでの光学系の製作技術では満足のいく解像度を得ることができず、ミラーの研磨技術と光学系の調整技術を共に高めていく必要がありました。開発の結果、より高い精度の光学系を実現し、最終的に得られる画像の解像度を高めることができました」（宮井さん）

実際の開発では、Seleteで基本設計がなされた高精度反射光学系の最適化を、レーザーテックで行い装置に適用し、欠陥観察像の特性を向上させました。また、マスク照明の照射角度範囲を広げることで光強度を高め、マスクへの入射光、反射光および散乱光のバランスを最適化することによって、微細な凹凸により発生する位相差を検出する手法を導入。結果として、幅50nm、高さ1nmほどの微細な位相欠陥を安定して検出できるようになりました。

従来の193nm、266nm、488nmといった波長では、減衰し、表面付近の情報しか得られませんが、13.5nmの波長を持つEUVは、マスクブランクス内部深くまで減衰することなく届き、反射率の異常を察知し、欠陥を検知することが可能です（図3）。

EUV光による検査においても多大な試行錯誤がありました。まず、検査光源をこれまで用いられていた深紫外線（DUV：Deep Ultraviolet）などの光からEUVへ転換するためには、従来の装置で用いられていた透過光学系が使えません。そのため非常に高精度で、市場要求性能を実現する新たな反射光学系を使用する必要がありました。

図3　EUV光の13.5nmの波長（左）により、内部深くまで検査が可能

「開発の初期段階では、なだらかな形状の欠陥をうまく検出することができないという課題がありました。照明条件のわずかな違いや欠陥の種類によって検出できないことが分かったのです。これは製品化を行う上で致命的な問題でした。それらを改善するため、総合的なEUV光学系の技術開発をEIDECと行いましたが、試行錯誤の連続でした。検出対象となる欠陥を観察、シミュレーションによる比較検証、改良した光学系の実機検証を繰り返し行いました。その結果、検査感度を要求されたレベルにまで高めることができました」（宮井さん）

欠陥を「なかったことにする」革新的技術「欠陥緩和」

欠陥が存在しないマスクブランクスを作ることはできないのでしょうか？　そもそも欠陥さえなければ、各半導体メーカーは余分な費用を出すこともなく、さらには検査装置を用いることなく半導体産業は発展するはずです。

「欠陥がまったくないマスクブランクスを作ることができるのなら、それがベストなことだと思います。しかし現実的には、欠陥ゼロのマスクブランクスを作ることは非常に困難です。そこで欠陥があるマスクブランクスでも使えるようにするための技術も、EIDECによる開発の際に同時に生み出しています」（宮井さん）

その技術が「欠陥緩和」です。マスクブランクスの欠陥を、高度な位置制御によって影響しないようにする技術です。

先述の通り、多層構造を持つマスクブランクスは、底からサブストレート、マルチレイヤー、そして回路パターンが描画されるアブソーバーから成ります。 欠陥があったとしても、欠陥自体が、回路パターンのあるアブソーバーの下にある場合、その欠陥は露光した際にウエハーへ転写されません。つまり、回路パターンが描画されるアブソーバーの下に配置できれば、その欠陥は「もともとなかった」ことと同じになるのです。

「EUVリソグラフィというのは、ちょうど鏡の上にマジックで回路を書いて光を当てることに似ています。光を当てると、マジックで書いた回路のところは光が反射せず、マジックの線を除いた部分のみが光り、反射してウエハーを感光させる。これがEUVリソグラフィの基本的な考え方です。そして、マスクブランクスの欠陥は反射率の異常ですから、欠陥部位は光の反射を妨げます。よって、光を当てると、ウエハーには黒い点として転写され、これが転写エラーとなります。この欠陥が消せないものであるならば、そもそも回路を欠陥の上に書いてしまおうというのが欠陥緩和の考え方ですね」（渡辺さん）

欠陥をゼロにできないのであれば、欠陥をなかったことにすればいいという、まさに逆転の発想です。では、どうすればそんなことが可能になるのでしょう？

先述した検出モードの一つ、1,200倍観察光学系は、欠陥の位置を正確に把握することが可能です。したがって、欠陥の座標の上に回路パターンが描写されるように調整することさえできれば、欠陥を「なかったこと」にできるのです。

「欠陥の正確な位置が分かれば、実際にフォトマスクを作る際に回路パターンを描画する位置を変えればいいだけです。パターンの位置を変える作業はソフトウエアを用いて一般的に行うことが可能です」（渡辺さん）

写真2　検査画面を見る渡辺さん（右）と鈴木さん（左）

「目的は『欠陥を回路パターンの下に隠す』ことですから、10～20nmといった非常に微細な精度で欠陥の場所を報告しないといけません。非常に小さい角度でもレンズがぶれてしまったら、CCD上に投影される欠陥像がずれてしまい、欠陥の座標を正確に捉えられません。座標の精度にはいつも気を使って開発を続けていましたね」と、レーザーテック技術五部スタッフエンジニアの鈴木智博さんは当時をこう振り返ります。

試行錯誤が続いたEUV光源の「デブリ」問題

一見、良いことづくめのEUVですが、その光源には大きな問題が立ちはだかりました。高エネルギーの光源から発生する直径数十nmの微細な粒子「デブリ」の発生です。
デブリが発生すると、検査装置内部のミラーや光学系ユニット、さらには検査を行うマスクブランクス自体を汚染するため、検査装置としては致命的な問題です。

それまでの検査装置では、レーザーやランプなど、デブリがほとんど発生しないタイプの光源を利用していました。しかしEUVマスクブランクス欠陥検査では、非常に高いエネルギーを持ったプラズマ光源を用いる必要がありました。プラズマ光源からは、デブリが多数発生します。

「デブリが多数発生する光源を扱うこと自体、初めての経験でした。開発を始めた頃は、デブリの影響で、内部の光学系ユニットを数時間で交換しなければならず、検査を続けることがとても困難な状態でした。何よりも、欠陥を見つけなければならないはずの検査機が、逆に欠陥を増やしてしまっては元も子もありません」（宮井さん）

この状況に宮井さんは頭を抱えたと言います。EUV光源の場合にはデブリが発生しない検査用光源が存在しないため、デブリを除去する方法を探らなければなりませんでした。

突破口はマスクブランクス欠陥検査装置で培ったデブリ対策のノウハウと、繰り返し行ったエンジニアの膨大な検証試験により生まれました。

宮井さんら開発チームは、光源の発光条件や装置内の気体の流量、光学ユニットへの熱入射条件など、条件を変え試験を行いました。それらの結果からどうすればデブリの影響を緩和でき、部材の寿命を延ばせるのかを推測し、観察、実験、評価をひたすら繰り返すことで、道なき道を切り開いてきたのです。

「数時間で光学ユニットがダメになることは日常茶飯事、ミラーがダメージを受け使えなくなることもありました。そうした結果を丁寧に観察し、シミュレーションによる予測を加え、最適な構造とダメージを受けない条件を推測し、実証評価を繰り返しました。最終的には良い条件を見つけることができ、実用的なスループットと感度の両方を達成することができました」（宮井さん）

これらのさまざまな試行錯誤によって、マスクブランクス内部の欠陥の高精度な検知が可能になり、さらにプラズマ光源から発生するデブリの影響を最小限に抑える知見を得られたことで、最後の難関も乗り越えることができました。そしてついに2017年4月、「ABICS」の製品化を実現しました。

写真3　レーザーテックの開発現場は、半導体製造のクリーンルーム同様に最高レベルの清浄度が保たれている（写真提供：レーザーテック）