JP2007532931A - 薄膜及び限界寸法測定のためのビーム・プロファイル式複合反射率システム及び方法 - Google Patents

薄膜及び限界寸法測定のためのビーム・プロファイル式複合反射率システム及び方法 Download PDF

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Abstract

既知の偏光状態で光ビームを生成するための光源と、ビームをサンプル表面に合焦させて、合焦されたビーム内の種々の光線が入射角θの拡がりを生み出すようにするためのレンズと、ビームの１つの偏光状態を遅延させるための波長板と、ビームの偏光状態間に干渉を生じさせるための偏光子と、ビームに応答して強度信号を生成するための検出要素の二次元アレイを有し、検出要素の各々が反射されたビームの固有の入射角θ及び方位角φに対応する検出器とを用いて、複合反射率を測定するための装置及び方法である。プロセッサは、少なくとも１つの入射角θ及び少なくとも１つの入射角θ内にあって有意味なフーリエ解析を可能にするのに十分な複数の方位角φに対応する強度信号を用いて、反射された光ビームの大きさ及び位相値を計算する。

Description

本発明は、反射率測定法及び偏光解析法に関し、より具体的には、反射率測定法と偏光解析法を組み合わせて、薄膜の厚さ、屈折率、吸光係数、及び限界寸法の測定技術を向上させる方法及びシステムに関する。
本出願は、２００４年４月１９日付で出願された米国仮特許出願第６０／５６３，７２５号、２００４年５月３日付で出願された米国仮特許出願第６０／５６８，２１５号、２００４年９月１７日付で出願された米国仮特許出願第６０／６１０，８９６号、２００４年９月２５日付で出願された米国仮特許出願第６０／６１３，０４０号、２００４年１１月１日付で出願された米国仮特許出願第６０／６２４，８６５号、２００４年１２月２７日付で出願された米国仮特許出願第６０／６４０，１８２号、２００５年２月７日付で出願された米国仮特許出願第６０／６５０，９３７号の利点を特許請求するものである。
光学的反射率測定法及び偏光解析法は、基板上に単一層として又は多層スタックとして堆積された薄膜の厚さ（ｔ）及び光学定数、屈折率（ｎ）及び吸光係数（ｋ）を測定するのに広く一般に用いられている。他の主たる用途は、集積回路における配線、トレンチ、バイアといった微細な幾何学的構造体の高さ、幅、厚さ、壁斜度といった限界寸法の測定（ＣＤ測定）である。半導体製造の用途に関して、精度、再現性、及びシステム間の一致に対する要件は、より一層厳しいものになりつつある。さらに、幾何学的形態が縮小していくと、測定領域が縮小していくことになり、従って、より一層小型の測定スポットに関する要件に変換される。薄膜及びＣＤ測定のための分光器及び偏光解析器の例は、米国特許第３，８２４，０１７号、第４，２９３，２２４号、第４，５５５，７６６号、第５，８６７，２７６号、第５，９６３，３２９号、及び第５，７３９，９０９号であり、これらは引用により本明細書に組み入れられる。加えて、多くの従来のスペクトル偏光解析システムの十分な説明は、Ｒ．Ｍ．Ａ．Ａｚｚａｍ及びＮ．Ｍ．Ｂａｓｈａｒａによる、Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔ、Ｎｏｒｔｈ Ｈｏｌｌａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ １９８８という名称の文章に見出すことができる。
こうした用途上の要求に対処するために、半導体業界で用いられる現行の薄膜及びＣＤ計測学システムは、垂直入射におけるＤＵＶ−ＶＩＳ（深紫外線−可視光線）スペクトル反射率、及び、合焦された光学ビームを用いる１９０−９００ｎｍの範囲での軸外回転スペクトル偏光解析器の両方を使うことが通例である。カリフォルニア州フレモント所在のＴｈｅｒｍａ−Ｗａｖｅ，Ｉｎｃ．社によって製造されているもののような幾つかの計測学システムもまた、より従来型のスペクトル反射率測定技術及びスペクトル偏光解析技術に加えて、レーザ・ベースの単一波長ビーム・プロファイル反射率計測（ＢＰＲ）技術、及び、ビーム・プロファイル偏光解析（ＢＰＥ）技術を含む。薄膜及びＣＤ測定のためのＢＰＲ及びＢＰＥシステムの例は、米国特許第４，９９９，０１４号、第５，０４２，９５１号、第５，１８１，０８０号、第５，４１２，４７３号、第５，５９６，４１１号、第６，６７８，０４６号、第６，６５４，１３１号、第６，８１３，０３４号、第６，８２９，０５７号、及び、第６，８４２，２５９号であり、これらは引用により組み入れられる。
従来のレーザ・ベースのＢＰＲ及びＢＰＥ技術は、信号／雑音比がより良好であり、スポット寸法がより小さいという利点をもつが、現状では単一波長の装置でしかなく、従って、スペクトル技術と同等の能力を持たない。従って、こうしたＢＰＲ及びＢＰＥ法は、一般に、従来の垂直入射分光器、及び、偏光子、アナライザ、又は補償器などの回転する偏光解析光学要素を用いた従来の軸外スペクトル偏光解析器と組み合わされる。加えて、従来のＢＰＥ測定値は、高ＮＡ合焦対物レンズの環境に敏感な複屈折から生じる位相揺らぎの影響を受ける。さらにまた、従来のＢＰＲシステム及びＢＰＥシステムは複雑になる傾向があり、多くの光学部品及び検出器組立体を含み、そのことにより、システム間の相違を増す。さらに、ＢＰＲ法及びＢＰＥ法が、従来型の分光法及びスペクトル偏光解析法とともに、同じウェハの分析に用いられた場合には、こうした独立したシステムをウェハ上の同じスポットに焦点を合わせて分析することは事実上不可能であり、このことは、雑音の増加、及び、測定誤差をもたらす傾向がある。さらにまた、合焦対物レンズからの位相揺らぎは、補償器又はアナライザの回転アーチファクトと相俟って、それらのシステムにおける付加的な信号雑音、及び、測定誤差の一因となる。
スペクトル反射率測定法、スペクトル偏光解析法、並びに、レーザ・ベースのＢＰＲ及びＢＰＥ技術の利点を組み合わせつつ、そのような複雑な組み合わせシステムの不利な点を最小にする分光学的手法に対する必要性が存在する。新規な分光学的ＢＰＲ＋ＢＰＥ技術は、異なる方法の全ての測定を行うことができ、現行の方法に対する著しい改善となるであろう。
本発明は、分光学的測定装置、及び、サンプルから反射された光の大きさと位相の両方を広範囲の入射角及び多数の方位角にわたって同時に測定する方法を提供することによって、上記の問題を解決する。
本発明は、サンプル表面から反射された光の複合反射率を測定するための装置であって、既知の偏光状態で光ビームを生成するための手段と、サンプル表面に対して実質的に垂直に光ビームを合焦させて、合焦された光ビームがサンプル表面から反射するところで、その合焦された光ビーム内の種々の光線がサンプル表面に対して入射角θの拡がりを生み出すようにする手段と、光ビームの平行偏光状態と直交偏光状態の間に相対的な位相遅延を生じさせる手段と、反射された光ビームの平行偏光状態と直交偏光状態の間に干渉を生じさせる手段と、反射された光ビームの経路内に位置決めされ、反射された光ビームを受光しそれに応答して強度信号を生成するための検出要素の二次元アレイを有し、該検出要素の各々が反射された光ビームの固有の入射角θ及び固有の方位角φに対応する検出器手段と、少なくとも１つの入射角θ及び少なくとも１つの入射角θ内にあって有意味なフーリエ解析を可能にするのに十分な複数の方位角φとに対応する強度信号を用いて、反射された光ビームの大きさ及び位相値を計算し、その計算に基づいてサンプルの物理特性を判断するためのプロセッサ手段と、を備える装置である。
本発明の別の態様においては、サンプル表面から反射された光の複合反射率を測定する方法は、既知の偏光状態で光ビームを生成し、サンプル表面に対して実質的に垂直に光ビームを合焦させて、合焦された光ビームがサンプル表面から反射するところで、その合焦された光ビーム内の種々の光線がサンプル表面に対して入射角θの拡がりを生み出すようにし、光ビームの平行偏光状態と直交偏光状態の間に相対的な位相遅延を生じさせ、反射された光ビームの平行偏光状態と直交偏光状態の間に干渉を生じさせ、反射された光ビームを受光し、それに応答して、各々の要素が反射された光ビームの固有の入射角θ及び固有の方位角φに対応する検出器の中の検出要素の二次元アレイを用いて強度信号を生成し、少なくとも１つの入射角θ及び少なくとも１つの入射角θ内にあって有意味なフーリエ解析を可能にするのに十分な複数の方位角φに対応する強度信号を用いて、反射された光ビームの大きさ及び位相値を計算し、その計算に基づいてサンプルの物理特性を判断することを含む。
本発明の他の目的及び特徴は、本明細書、特許請求の範囲、及び添付の図面の参照によって明らかとなろう。
本発明は、基板上に堆積された薄膜の厚さ及び光学定数と、回路構造体の限界寸法を測定するための、新規で改善された方法及び装置である。より具体的には、本発明は、ビーム・プロファイル反射率測定法（ＢＰＲ）とビーム・プロファイル偏光解析法（ＢＰＥ）を、単一の二次元検出器を用いて組み合わせて、一つの測定装置及び方法にすることにより、サンプルから反射された光の大きさ及び位相の両方が、広い範囲の入射角にわたり、全ての方位角にわたって、異なる波長で同時に取得されるところで、サンプル表面からの分光学的な複合反射率を測定する。よって、多数の波長を用いたＢＰＲとＢＰＥの組み合わせは、それが二次元ビーム・プロファイル技術であることを強調して、スペクトルＢＰ２技術と呼ぶことができる。
光学プローブ・ビームはサンプル表面の法線方向に向けられ、高開口数（ＮＡ）レンズ手段によって緊密に合焦される。１つの好ましい実施形態においては、プローブ・ビーム波長は、サンプルを波長の異なる光ビームで逐次的に照射することによって時分割される。別の好ましい実施形態においては、プローブ・ビームは、白色光源又は多色光源から発生し、分光学的信号は、適切なカラーコード検出器システムを使うことによって取得される。本発明は、回転する光学要素を用いる必要がなく、そのことにより、測定誤差及びシステム間の相違の主たる要因をなくす。
本発明は、分光学的な二次元のＢＰＲ及びＢＰＥを組み合わせた技術を用いることによって、現行の光学式計測システムの精度及び再現性を向上する。件の発明であるＢＰ２技術は、ＢＰＲ及びＢＰＥの両方を１つの検出器サブシステムの中に組み合わせて、多数の光学要素及び複数の検出器組立体をなくすことにより、システム間の相違を減らし、システム間の一致を高める。本発明の別の利点は、共に全体の複合反射率を測定するものである反射率（ＢＰＲ）測定及び偏光解析（ＢＰＥ）測定の両方が、同じ入射光ビームを用いてウェハ上の正確に同じスポットで実施され、且つこの２つの測定は同一の光学経路及び同一の検出器を用い、そのことにより、信号雑音及び測定誤差の幾つかの顕著な発生源をなくすことである。ＢＰ２技術の別の主な利点は、ビームがサンプルに対して法線方向に合焦されるので、遥かに小さい測定スポットが利用可能なことである。このことは、通常、サンプル上に遥かに大きい照射スポットを生じさせる従来の軸外偏光解析器とは対照的である。より大きいスポットは、通例６５°である軸外ビームの高い入射角と、そのような高い入射角に用いられなければならない比較的低いＮＡの合焦レンズとの両方によってもたらされる。垂直入射・高ＮＡ・ＢＰ２技術においては、スペクトル強度がより大きいので、ＢＰ２技術で利用可能なより小さいスポットは、ウェハ上の必要な測定面積を減らし、或いは、同じ大きさの測定面積内の測定を行うのにかかる時間を減らす。また本発明は、合焦対物レンズからの位相揺らぎの影響を最小にすることによって、ＢＰＥ測定の精度及び再現性を大きく改善する。加えて、好ましい実施形態は、回転補償器や回転アナライザを用いず、そのことにより、こうした信号雑音及び測定誤差の主要な発生源をなくす。最も重要なのは、ＢＰ２技術は、多数の波長を用いる時には、それ自体が現行ではスペクトル反射率測定法、スペクトル偏光解析法、ＢＰＲ、ＢＰＥという４つの別々の技術によって為されている測定の全てを行うことが可能であり、そのことにより、測定システムを大いに簡略化し、測定精度を向上し、誤差及びシステム間の相違を最小にするという点である。
図１に示されたように、本発明のＢＰ２測定システム１０は、レンズ１６によって視準され、高ＮＡ対物レンズ２０によりサンプル１８の上に垂直入射で合焦される、光（放射）プローブ・ビーム１４を生成する光源１２を含む。プローブ・ビームがレーザから発生する場合には、光ビーム１４の高い出力密度が高い信号／雑音比をもたらし、ビームは直径約１ミクロンのスポット（１／ｅポイント）になるまで合焦される。しかしながら、レーザビームの大きな空間的コヒーレンスに起因して、１ミクロンのガウス・レーザビームを用いた有効測定スポットは、ガウス・テールからの干渉効果に起因して、やはり２０−３０ミクロンとなる。プローブ・ビームがインコヒーレント・ビームであった場合には、スペクトル強度はより低く、合焦されたスポットはより大きくなるが、有効測定スポットは、空間的コヒーレンス効果からの干渉がほとんど存在しないことに起因して、やはり２０−３０ミクロンとなりうる。空間的コヒーレンスを減らすことができれば、レーザを光源として用い、一層小さな測定面積を達成することも可能であろう。これは、レーザビームのコヒーレンスが減らされる、即ち、レーザビームを空間的にインコヒーレントにした場合に、可能である。レーザビームのコヒーレンスを減少させるためには、種々の方法が存在する。即ち、１）静止した又はスピン回転するすりガラス又はオパールガラスを通してプローブ・ビームを伝送する、２）レーザビームを伝えるファイバの音響振動又は超音波振動を利用する、又は３）ダイオード・レーザ光源の波長の電子変調を利用する。レーザビームのコヒーレンスが減少するのに伴って、ガウス・テールからのエッジ効果が減少するのと同時に、公称１／ｅ合焦スポット・サイズが増大することに注意されたい。それにも拘わらず、部分的にインコヒーレントなレーザビームを用いることで、数ミクロン程度の１／ｅ合焦スポット・サイズを維持しながら、測定ボックス・サイズを１０ミクロン以下にまで縮小することが可能である。
コヒーレント・ビームとインコヒーレント・ビームの両方に関して、入射光ビーム１４は高度に合焦され、０°からθmax＝ｓｉｎ-1（ＮＡ）までの範囲の入射角での光線を含む。従って、ＮＡが０．９０の合焦レンズに関しては
Figure 2007532931
であり、ＮＡが０．９５に関しては、
Figure 2007532931
である。サンプルによって反射された光は、そのサンプルによって広範囲の入射角に関して生成された複合反射率（大きさ及び位相）についての情報を有する、反射されたプローブ・ビーム２２を構成する。この情報には、反射されたプローブ・ビーム２２を構成する全ての光線の大きさ及び位相を解析することによってアクセスすることが可能である。このことは、ビーム・スプリッタ２４を用いて、反射されたビーム２２を検出器２６に向けることによって為される。いずれかの光線の入射角と、レンズの後焦点面即ちフーリエ面に形成された反射されたビーム２２の断面プロファイル内の光線の半径方向位置との間に一対一対応が存在することから、ＢＰＲ解析は、Ｓ（入射面に対して直交する偏光）の大きさ、及び、サンプル表面からのＰ（入射面に対して平行な偏光）反射率に関する情報（｜ＲS｜及び｜ＲP｜）を提供し、ＢＰＥ解析は、ＲSとＲP間の位相差に関する情報を入射角の関数として提供する。
光源１２は、白色ビームであるか又は幾つかの異なる波長から成る光ビーム１４を生じさせることが好ましい。光源１２は、その全てが広いスペクトル域にわたって光を提供することが可能である、Ｘｅアーク灯、Ｘｅアーク灯と重水素アーク灯の組み合わせ、又はタングステン灯とすることができる。光源１２はまた、ビームがサンプルに対して逐次的に又は同時に入射する多数の狭帯域光源（例えばレーザ又はＬＥＤデバイス）を含むことができる。屈折性、反射性、又は反射屈折性とすることができる適切な高ＮＡ合焦対物レンズ２０を用いて、可能な限り広いスペクトル域を覆うことが好ましい。
１つの好ましい実施形態においては、入射プローブ・ビームにおいて異なる光波長が逐次的に用いられる、即ち、モノクロメータ又は適切なカラーフィルタを使って、サンプル１８が一度に一つの波長（又は非常に狭い波長幅）の光によって照射される。入射プローブ・ビーム１４が白色光又は多波長である場合には、反射されたプローブ・ビーム２２は、随意的な狭帯域光学フィルタ２８又はモノクロメータを使って逐次的分光学的な手法で解析するか、又は適切なカラーコード検出器システムを用いて同時に解析することが可能である。
入射ビーム１４は、既知の偏光状態をもつ必要がある。本開示の目的上、偏光状態は、直線偏光であるとみなされる。直線状に偏光された光は、光源から直接生じさせてもよく（例えばレーザ光源の特性）、或いは随意的な直線偏光要素４０を用いることによって生成してもよい。他の偏光状態は、円偏光、又は他の形状の楕円偏光を含んでもよい。しかしながら、入射ビーム１４を直線状に偏光させることは、以下で論じられる式を（従って解析を）大いに簡略化することから好ましい。ビーム・スプリッタ３２を用いて入射プローブ・ビーム１４の一部を分割し、出力検出器３４に向けられた正規化ビーム３３を生み出してビーム１４の出力を監視することが可能である。出力検出器３４を用いて、光出力の揺らぎを測定する、補正する、及び／又は補償するための正規化信号を生じさせることが可能である。
反射されたビーム２２は、ビームの偏光状態の１つを他の偏光状態に対して遅らせるように配向された四分の一波長板３０などの波長板、即ち補償器を通して伝送される。補償器３０は入射プローブ・ビーム１４の中に配置することも可能である。ビームは、検出器２６に到達する前に、反射されたプローブ・ビーム２２の２つの偏光状態が互いに干渉するように配向された直線アナライザ３６を通過する。検出器２６は、反射されたプローブ・ビーム２２の光学出力を、その反射されたプローブ・ビーム内の位置関数として測定するためのＣＣＤアレイ又はカメラなどの二次元アレイ検出器である。検出器２６は、各々が反射されたプローブ・ビーム２２の異なる断面セグメントの強度を測定して、測定された強度を反映する個々の信号を生じさせるように位置決めされている複数の検出要素（画素）を含む。検出要素の各々は、反射されたビームの一意且つ独立のセグメントを測定し、逆にビーム・セグメントの各々は、個別の入射角及び方位角でサンプルに入射する個々の光線に対応する。二次元アレイ又はＣＣＤカメラの形の十分な数の検出要素を解析に用いることにより、回転補償器又は回転アナライザの必要性をなくすような情報が提供され、そのことにより、こうした信号雑音及び測定誤差の主因が取り除かれる。さらに、本質的に１つの入射角のみを採用し回転補償器又はアナライザを使用する通常の偏光解析装置、又は、ある範囲の方位角と統合された２つの直交軸に沿って配向された検出要素のみを利用する従来のＢＰＥ装置、或いは、回転補償器又はアナライザと組み合わせることとは対照的に、反射されたビーム２２によって照射された二次元検出要素アレイの全て又は実質的に全てを用いる（即ち、検出要素をビーム・プロファイルの実質的な部分の測定に用いる）ことにより、サンプルに関する付加的な情報を集めることが可能である。
プロセッサ３８は、検出器２６及び３４に接続されて、検出器３４により（プローブ・ビーム１４に関して）測定された正規化情報と、二次元アレイ／カメラ２６の画素により（反射されたプローブ・ビーム２２に関して）測定された情報を収集する。プロセッサは、以下で論じる方程式により計算を行って、サンプル１８の基板上に単一層として又は多層スタックとして堆積された薄膜の物理特性（例えば、厚さ、屈折率、及び吸光係数）か、又はサンプル１８の基板上の回路構造体の限界寸法の物理特性を求める。
以下の議論の目的上、プローブ・ビーム１４の偏光状態は直線偏光であるとみなされる。対物レンズ２０の複屈折から生じるいかなる位相偏移も、又はその他のアーチファクトも除外すると、検出器２６のいずれかの所与の検出要素において記録された信号（入射ビーム偏光の軸線、即ち直線偏光要素４０が用いられる場合にはその軸線から測定されたときに、θが入射角であり、φが方位角である、角度（θ，φ）に対応する）はまた、補償器３０の軸線の方位角ωとアナライザ３６の方位角α（同じく入射ビーム偏光の軸線から測定される）の関数である。共通配向であるω＝０に関して、
Figure 2007532931
 が成り立ち、ここで、Ｉi（ｒ，φ）は、入射プローブ・ビーム・プロファイル強度をプローブ・ビームの中心からの距離ｒ＝ｓｉｎθと方位角φの関数として与える。複合反射率ＲS（θ）（入射面に直交する偏光）及びＲP（θ）（入射面に平行な偏光）は、良く知られたフレネル反射方程式によって与えられる、入射角θのみの関数である。このようなフレネル方程式は当業者には周知であり、ここではこれ以上説明されない。偏光解析パラメータである、２つの複合反射率の絶対的大きさの比を表すｔａｎΨ、及び、２つの複合反射率の間の相対位相差を表すδは、
Figure 2007532931
 により与えられる。
式（１）からは、ＢＰ２データ・セットＳ（θ，φ）の解析が、異なる入射角θについて、２つの偏光解析パラメータｔａｎΨ及びδに関する情報を提供することがわかる。式（１）のＢＰ２信号Ｓ（θ，φ）は、２φ及び４φの両方において周期的であり、従って、フーリエ成分φの中で解析することができる。ＢＰ２信号のフーリエ解析は、回転する偏光子、アナライザ、又は補償器を用いる従来型の軸外偏光解析器において調和項を得るためのフーリエ解析に等しいことを、容易に示すことができる。
α＝π／４である時には、信号Ｓ（θ，φ）は、
Figure 2007532931
 となる。
方程式（３）は２つのフーリエ成分を持ち、１つはｃｏｓ２φにあり、もう１つはｓｉｎ２φにある。ｓｉｎδ（θ）のみが存在することがわかる。同様の状況は、α＝０の場合にも当てはまる。この場合にも２つのフーリエ成分があるが、ここではｃｏｓδ（θ）のみが存在する。こうした状況は、回転する偏光子又は回転するアナライザを伴う従来型の軸外偏光解析器の場合と類似である。ｓｉｎδ（θ）のみを伴う信号は偏光解析位相δが大きい時にその変化に対して敏感でなく、一方ｃｏｓδ（θ）のみを伴う信号はδが小さい時にその変化に対して敏感でないことから、多くの場合において、このような状況は完全なサンプル解析のためには不十分である。理想的には、信号Ｓ（θ，φ）は、ｓｉｎδ（θ）とｃｏｓδ（θ）の両方に項を含むことが望ましいであろう。このことは、α＝π／８である時に可能であることがわかり、その際の信号は、
Figure 2007532931
 となる。
式（４）を式（３）に比較することにより、ｓｉｎδフーリエ項の大きさは、α＝π／４の場合に比べて３０％しか減らされず、ｃｏｓδフーリエ項はｓｉｎδ項の大きさの１／２であることがわかる。従って、α＝π／８（２２．５°）に設定することは、良好な妥協である。代替的に、ｓｉｎδ項を最大にしたい時にアナライザ３６をα＝π／４まで選択的に回転させ、次いでｃｏｓδ項を最大にしたい時にα＝０又はπ／２まで選択的に回転させることが可能である。しかしながら、これら２つの項の大きさは、最適α設定値から固定α設定値π／８になった時に３０％しか減少しないので、一定の回転でさえ付加的な測定誤差及びシステム間の相違を導入しうることから、固定された設定値が好ましいであろう。アナライザ３６の角度αをπ／８に固定することは、従って、ｃｏｓδ及びｓｉｎδの両方に関する情報を提供し、そのことにより、実際の大きさに関わりなしに位相δ（θ）における小さな変化を測定する能力を著しく向上する。このことは、逆に、ＢＰ２技術の薄膜測定と限界寸法（ＣＤ）測定の両方を実行できる能力を強化する。
幾つかの用途においては、ｓｉｎδ項とｃｏｓδ項を別々に最大化するために、２つのアナライザ角度π／４と０（又はπ／２）の間で切り替えることが望ましいことが注意されるべきであり、他の用途に関しては、２つより多くの角度で測定を行うことが有利であろう。このことは、補償器角度ωを固定して２つ又はそれ以上のアナライザ角度αを用いるか、又は代替的にαを固定して２つ又はそれ以上の補償器角度ωを用いることで行える。これを達成する最も一般化された方法は、アナライザか補償器のどちらかを実際に完全に回転させることである。そうすると、フーリエ係数は、方位角φとアナライザ角度α又は補償器角度ωのどちらかとの両方に依存する。補償器及びアナライザの角度を固定したままで偏光子角度を回転させることも可能である。３つの角度のうち２つを回転させることさえ可能である。ＢＰ２における回転は、上述された基本的なＢＰ２設定（固定された角度を使う）に比べて遥かに複雑な状況をもたらすが、こうした修正は、特定の用途において有利となることもあろう。
ｓｉｎδ（θ）とｃｏｓδ（θ）の両方に項をもつことに加えて、式（４）は、３つのフーリエ成分ｓｉｎ２φ、ｃｏｓ２φ、及びｃｏｓ４φをもつことがわかる。この状況は、回転する補償器を伴う従来型の軸外偏光解析器の場合に類似である。従って、α＝π／８の場合の別の利点は、３つのフーリエ成分が存在し、それが２つのフーリエ成分のみの場合に比べてより独立した情報を提供することである。このことは、材料分析を補佐し、システム・アーチファクトへの対処を補佐する。
また、最大数である４つのフーリエ成分をもつことが可能な設定が存在し、それは、補償器角度をω＝π／８に設定し、アナライザ角度をα＝０に設定した場合である。この設定では、ＢＰ２信号は、
Figure 2007532931
 となる。
式（５）から、ω＝π／８及びα＝０という設定が、４つの可能性あるフーリエ成分、ｃｏｓ２φ、ｓｉｎ２φ、ｃｏｓ４φ、及びｓｉｎ４φの全てを与え、そのことにより、最多の情報を提供することがわかる。
方程式（１）、（３）、（４）、及び（５）は、補償器角度ω及びアナライザ角度αの特定の値について取得されたものであるが、他の同等の角度を用いて同様の式及び結論を導くことができる。また、補償器が入射経路にある場合についても同様の式及び結論を導くことができる。
一般的な場合である式（１）について、Ｓ（θ，φ）は、２φと４φの両方に関して周期的である。また、いかなる角度αに関しても、φ＝０及びπ／２において、純粋な大きさ（ＢＰＲ）信号が起こることを示すことができる。角度φ＝０においては、
Figure 2007532931
 であり、φ＝π／２においては、
Figure 2007532931
 である。
従って、ＢＰ２信号Ｓ（θ，φ）は、大きさ（ＢＰＲ）及び位相（ＢＰＥ）の両方の情報を含み、よって、サンプル表面からのＳ及びＰの複合反射率の完全な記述を提供する。この複合反射率システムは、単に偏光解析器であるばかりでなく、実際には大きさ及び位相を測定する偏光解析法（φ≠０、π／２）と、大きさだけを測定する反射率測定（φ＝０、π／２）の統合された組み合わせであることが注意されるべきである。
Ｓi・オン・ＳiＯ2のような厚さが正確に知られている既知の薄膜の校正サンプルを用いることにより、ＢＰ２信号Ｓ（θ，φ）のための上記の式を用いて、二次元検出器アレイの全ての検出要素のマップアウトを行って、各検出要素が既知の（θ，φ）表記をもつようにすることができる。次いでＳ（θ，φ）データ・セットに対して適切な最小二乗適合アルゴリズム及びフーリエ解析を用い、未知のサンプルを分析して、｜ＲS（θ）｜、｜ＲP（θ）｜＝｜ＲS（θ）｜ｔａｎΨ（θ）と、入射角θの関数としてのδ（θ）を得ることができる。次いで、｜ＲS（θ）｜、｜ＲP（θ）｜、及びδ（θ）から、複合抵抗率ＲS（θ）及びＲP（θ）を得ることができる。次いで、フレネルの式を用いて、単数又は複数の未知の薄膜の厚さｔと、光学定数ｎ及びｋを得ることができ、或いは、回折理論の付加的な補助を得て、回路構造体の限界寸法を得ることができる。
データ・セットＳ（θ，φ）は、数個の薄膜から成るスタック・サンプルの場合でさえ、未知の変数の数よりも遥かに大きく、そのことにより強固なデータ適合が保証されることから、測定結果は高い精度及び再現性をもつ。適合プロセスは、異なる波長の各々に関して繰り返すことができる。このことは厚さ測定の精度を高め、光学定数ｎ及びｋに関するスペクトル情報を提供し、そのことにより、多層薄膜スタック又は複合薄膜を分析する時の曖昧さを取り除くことになる。
｜ＲS（θ）｜及び｜ＲP（θ）｜の測定はＢＰＲ測定であり、一方、δ（θ）測定はＢＰＥ測定であることが注意されるべきである。よって、本発明のＢＰ２技術は、完全な二次元ビーム・プロファイルの大きさ及び位相の両方の解析を提供することによって、実際には、回転する光学要素なしで単一の検出器システムを用いる組み合わされたＢＰＲ＋ＢＰＥ技術となる。
上述されたように、本発明はまた、合焦対物レンズ２０からの位相揺らぎの影響を最小にすることによって、ＢＰＥ測定の精度及び再現性を向上する。これは、合焦対物レンズ２０の複屈折に起因する位相偏移は入射角θに一般に依存せず、Ｓ（θ，φ）とは異なったφに対する対称依存性を一般にもつことになるという事実からもたらされる。このことは、次いで、例えば、Ｓ（θ，φ）データ・セットのフーリエ解析を行って、２φ及び４φにおいて周期的な項を分離することによって、サンプル信号を対物複屈折信号から区別する機会を提供する。ここでも、そうしたフーリエ解析は、回転する補償器（偏光子又はアナライザ）システムから調和項を取得することと同様であることに注意されたい。
本発明の付加的な利点は、反射されたビーム２２のための独立したフルパワー検出器の必要がないことである。フルパワー測定は、非常に薄い薄膜の測定精度の増大を提供することを助ける。本発明においては、このフルパワー測定は、単に全ての検出要素からの信号を合計することで、同じ二次元検出器アレイ２６によって行われる。全ての方位角にわたって合計を行うことは、全ての位相情報を取り除くことになり、反射率の大きさ情報又は垂直入射反射率のみが残されることに注意されたい。
ＢＰ２技術の別の主な利点は、ビームはサンプルに対して垂直に合焦されるので、遥かに小さな測定スポットが利用可能なことである。このことは、サンプル上に遥かに大型の照射スポットを生じさせることが普通である従来型の軸外偏光解析器とは対照的である。より大型のスポットは、６５°であることが通例である軸外ビームの高い入射角と、そのような高い入射角に用いられなければならない比較的低いＮＡ合焦レンズとの両方がもたらす結果である。垂直入射・高ＮＡ・ＢＰ２技術においてはスペクトル強度がより大きいので、ＢＰ２技術で利用可能なより小型のスポットは、ウェハ上の必要な測定面積を減らすか、或いは、同じ大きさの測定面積内の測定を行うのにかかる時間を減らす。
このスペクトルＢＰ２技術は、薄膜及びＣＤ測定に関して極めて有力であるが、特定の用途に関しては、ＢＰ２技術を、上述されたシステム１０と共に用いることが可能な従来型のＤＵＶ−ＶＩＳ（１９０−８４０ｎｍ）スペクトル分光器と組み合わせることが有用であろう。分光器は、垂直入射反射率を、波長の関数として測定する。スペクトル情報は、通常、反射されたビームを直線検出器アレイにわたって分散させるプリズム又はスペクトル格子といった分散要素を用いることで取得される。これは、１９０ｎｍ以下までの複合反射率の大きさの測定値を提供する。しかしながら、分光器は、位相測定値を提供することができない。従って、ＢＰ２技術を可能な限りＵＶに近づけて作動させることが望ましい。このことは、ＤＵＶ光源、及び、適切な高ＮＡの反射性レンズ又は反射屈折性レンズの使用を必要とする。ＢＰ２検出器は原理的には分光器が提供するのと同じ反射率情報を提供することが可能なので、ＢＰ２技術をＤＵＶに拡張することができれば、ＤＵＶ−ＤＩＳ分光器全ての使用を無くすことが可能であろう。単に２−Ｄ検出器の全ての画素情報を合計することにより、垂直入射反射率の大きさが得られる。加えて、反射率測定の有効ＮＡである、ＮＡ（ｅｆｆ）は、画素の合計を、θ＝０°から、θ＝ｓｉｎ-1［ＮＡ（ｅｆｆ）］によって設定される所望の最大入射角まで設定することにより、容易に制御される。完全に分光学的なＢＰ２システムは、よって、現行で用いられている、回転スペクトル偏光解析器、垂直入射分光器、及び従来型のレーザ・ベースのＢＰＲシステム及びＢＰＥシステムという４つの技術全てから得られる測定値の全てを提供することができる。このことは、測定システムの主な簡略化を表す。
加えて、幾つかの用途はまた、超薄膜の測定に関して、ＢＰ２技術を高精度軸外レーザ偏光解析器と組み合わせることにより、利益を得ることができる。そのようなシステムは、サンプルに対し、それほど緊密に合焦されていない（１０ミクロン前後が通例）、通例は６５°の高い入射角で入射するビームを生じさせるレーザを含むことが可能である。この高精度レーザ偏光解析器は、ゲート膜などの超薄膜に有用である。単一波長の偏光解析システムは、薄膜が単純な単一層である場合には妥当である。しかしながら、新規のゲート膜はますます複雑になりつつあり、１層より多くの層からなる場合がある。本発明を用いる際に、スペクトルＢＰ２技術において異なるレーザ波長が用いられた場合には、これらの同じレーザをレーザ偏光解析器においても使うことができる。このことは、レーザ偏光解析システムを分光学的にし、従って、より複雑なゲート膜を測定する能力を大いに強化する。
本発明の１つの好ましい実施形態は、波長の時分割を用いる。しかしながら、同時に波長照射と解析を行うことは、全測定時間を減らしうる。所望であれば、上述された装置を修正して、全ての所望の波長による同時照射と、各波長におけるビーム・プロファイルの同時検出ができるようにすることが可能である。同時に波長照射と解析を達成するには少なくとも２つの方法が存在し、その両方とも、互いに多重化された狭波長の多数光源を用いるか、又は単一の多色光源を用いる。第１の方法は、１つより多くの波長を同時に測定することが可能な単一のカラーコード二次元検出器２６を用いることを含む。そうしたカラーコード検出器の一般的な形態は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、又は青色（Ｂ）のいずれかを通過させるようにコーティングされている、交互配置されたパターンのＲＧＢ画素を有する従来型のカラーＣＣＤカメラである。隣接したＲ画素、Ｇ画素、及びＢ画素の間の入射角及び方位角の両方における変動は非常に小さいことから、このようなＲＧＢ検出器は、スペクトルＢＰ２用途に関して良好に働く。また、より精密な測定に関しては、異なる波長における検出器の独立したＳ（θ，φ）マップを得ることが可能である。ＲＧＢ二次元検出器は容易に入手可能である。ＲＧＢ２Ｄ検出器、又はカメラは、赤、緑、青の三色に限定される。しかしながら、個々の画素に適切な光学コーティングを用いて、紫外線を含む、（例えば必要であれば３つ以上の）多数の異なる波長を覆う、幾つかの交互配置されたカラーコード（カスタム選択色を含む）をもつようにすることが可能である。そのような多色二次元検出器又はカメラは、分光学的イメージング及び測定において、多くの有用な用途を見出すであろう。
同時に波長照射と検出を達成する第２の方法は、反射されたビームがアナライザを通過した後で、高分散格子又はプリズムを追加すること、又は狭帯域フィルタ及び反射器を用いて波長を分けることである。適切なビーム・ステアリング装置（例えばビーム・スプリッタ）は、一次波長又は波長域の各々を、独立した二次元検出器に向けるであろう（即ち、別々のビーム・プロファイル解析を同時に行うためには、波長成分の各々について、別々の二次元検出器を要する）。そのような構成は総測定時間を減少させることになるが、光学部品及び検出器組立体の増加は、付加的な雑音とシステム間の相違の発生源をもたらすことが理解されるべきである。従って、同時に波長照射と解析を行うためには、単一のカラーコード二次元検出器が好ましい。
独立した多数の検出器の費用と複雑性を最小にする別の方法は、これらの独立した二次元検出器を波長分散方向に沿った直線アレイに配列して、個々の小型２Ｄ検出器からなるカスタム化された単一の直線アレイとして構成することであろう。このようにして、２Ｄ検出器の各々は、異なる波長における信号を記録することになる。この２Ｄ検出器の直線アレイは、単一の検出器の直線アレイの類似物であるが、単一の検出器であったものが２Ｄ検出器によって置き換えられている。直線アレイに沿ってそのような２Ｄ検出器を最大で８つ又は１６個まで配置できることから、１２８×１２８画素検出器のようなかなり小型の２Ｄ検出器が用いられねばならない。加えて、２Ｄ検出器の各々が波長分散方向に沿ってもそれと直交する方向に沿っても同程度に延びることから、各２Ｄ検出器の前には、隣接する波長からの干渉をなくすために、適切な狭帯域スペクトル・フィルタが設置されるべきである。
上述された、基板上に堆積された薄膜の厚さ及び光学定数を測定するための新規で向上された方法及び装置は、集積回路における配線、トレンチ、バイアといった微細な幾何学的構造体の高さ、幅、厚さ、壁斜度といった限界寸法の測定（ＣＤ測定）にも適用できることが注意されるべきである。従来型の分光学的反射率計及び偏光解析器において検出された信号に対する遠視野回折効果を解析することによって、こうした微細な幾何学的構造体の格子又は他のアレイのＣＤ測定を実施できることが知られている。同様の回折効果はまた、上で開示された本発明のスペクトルＢＰ２方法及び装置の二次元ビーム・プロファイル信号にも存在するであろう。
本発明を用いてＣＤ測定を行うことには多数の利点が存在する。第一に、ビームがサンプルに対して垂直に合焦されることから、より小型の測定スポットが利用可能となる。このことは、サンプル上に遥かに大型の照射スポットを生じさせることが普通である従来型の軸外偏光解析器とは対照的である。より大型のスポットは、６５°であることが通例である軸外ビームの高い入射角と、そのような高い入射角に用いられなければならない比較的低いＮＡの合焦レンズとの両方がもたらす結果である。垂直入射・高ＮＡ・ＢＰ２技術においてはスペクトル強度がより大きいので、ＢＰ２技術で利用可能なより小型のスポットは、ウェハ上の必要な測定面積を減らすか、代替的に、同じ大きさの測定面積内の測定を行うのにかかる時間を減らす。第二に、０°からｓｉｎ-1（ＮＡ）までの全ての入射角θに関して、複合反射率視野に加えて、複合回折視野に関する情報（大きさ及び位相の両方）を同時に提供することから、二次元ビーム・プロファイル解析（即ち、反射されたビーム・プロファイルの実質的な部分の測定に検出要素の二次元アレイを用いること）において、著しくより多くの回折情報が利用可能である。第三に、また構造体の長軸方向に対して偏光が直交するＴＥモードと、平行であるＴＭモードを含む全ての方位角φについても同時測定値が存在する。従って、ウェハを回転させる必要がない。加えて、上で開示されたＢＰ２方法は、複合回折視野に関するこうした情報の全てをウェハ上の正確に同じ測定スポットから取得し、１つの光学経路及び１つの検出器のみを用いるので、信号雑音及び測定誤差の幾つかの発生源がなくなる。
本発明の別の主な利点は、レーザビームを用いた際に、合焦されたレーザビームのスポット・サイズが小さいこと（ほぼ１ミクロン）により、単一の分離された特徴に対してＣＤ測定を行うことが可能となる点である。例えば、僅か１００ｎｍの幅の単一の配線は、合焦されたビームの約１０％と尚も相互作用し、それにより、かなり強い回折信号を与える。良好な信号／雑音比を伴って単一の特徴を測定する能力は、従来型の反射率測定技術及び偏光解析技術ではそれが非常に困難であることから、本発明のＢＰ２技術の独自の利点である。この能力は、現在用いられている特別な測定格子及バイアレイを生産する必要性をなくし、従って生産コストを下げることにより、業界にとって非常に重要となりうる。
薄膜測定に関して上述されたように、ＣＤ測定もまた、分光学的な形で実施され、より多くの情報を提供し、データの解析における曖昧さをなくすであろう。
プロセス製造ツールにおいて、現在一般に統合システムとして知られる、より簡略で特化された計測システムが、薄膜堆積、エッチング、化学機械研磨法、及びフォトレジスト・コーティング及び剥離といったプロセスを監視し制御するのに用いられている。こうした計測システムは、ウェハ処理ツールの一体部品である。統合システムの要件は、小型で、高速で、低価格であることである。本発明は、そのような用途に理想的に適合する。プロセス制御用途において測定されるべき未知変数の数は、通常、極めて限られていることから、ＢＰ２技術は、複合反射率の大きさ及び位相の両方が広い範囲の入射角にわたって取得されることになるので、それ自体で殆どの用途に対して十分となろう。さらに、殆どの用途は、恐らく、１つ又は数個の波長のみを必要とするであろう。そうしたシステムは、統合計測システムに必要な薄膜用途及びＣＤ用途の大部分にとって十分であるとわかるであろう。より要求の高い統合計測用途は、本発明のＢＰ２システム及び方法と共にＤＵＶ−ＤＩＳ偏光解析器を用いるか、又は上述された完全に分光学的なＢＰ２システムを用いることを必要とする場合もありうる。
上述された装置及び方法から有意味な結果を生成するには、検出器２６の検出要素の数は、有意味なフーリエ解析を可能にするのに十分でなければならないことに注意されるべきである。従って、本開示の目的のためには、有意味なフーリエ解析は、個々の検出要素からデータを取り、方位角φ及び少なくとも２φまでの多数のφに関するフーリエ項を得ることができるものである。そのような解析は、入射角θの各々（即ち、特定のθを表す検出要素の同心円に沿った多数のφ）に関して行うことができる。単一のフーリエ解析を行うのに１つより多くのθは必要ではないが、方位角φは多数必要である。例えば、信頼できる２φフーリエ成分を得るためには、完全なデータ（即ち雑音が存在しない）を用いてさえ、適切に設置された少なくとも８つのφの値が必要であろう。雑音が存在する場合には、信頼できる結果のために必要な方位角の数字が上がる。同様に、信頼できる４φフーリエ成分を得るためには、適切に間隔をあけた１６個より多くのφの値が必要であろう。よって、検出器２６は、θの各々について、均等に間隔をあけた８つより多くのφ（即ち、均等に間隔をあけた８つ以上の検出要素）をもつべきであると一般に述べることができる。一般に、有意味なフーリエ解析を行うためには、φの２π範囲全体をカバーする、可能な限り多くのφをもつことが望ましい。偏光解析パラメータのために信頼できる値を得られるように、可能な限り多くのθをもつこともまた望ましい。
本発明は、上述され、ここで説明された実施形態（単数又は複数）に限定されず、添付の特許請求の範囲内にあるいずれか１つ又は全ての変形を包含することが理解されるべきである。例えば、上述された材料、プロセス、及び数的な例は、単に例示的であり、特許請求の範囲を限定すると見なされてはならない。さらに、特許請求の範囲及び本明細書から明らかとなるように、全ての方法ステップは、必ずしも説明された通り又は特許請求された通りの正確な順序で実施される必要はなく、本発明の適切な光ビーム形成、サンプル相互作用、及び反射されたビームの検出を可能にするいずれかの順序であればよい。
本発明の複合反射率測定装置の平面図である。

Claims (69)

  1. サンプル表面から反射された光の複合反射率を測定するための装置であって、
    既知の偏光状態で光ビームを生成するための手段と、
    サンプル表面に対して実質的に垂直に光ビームを合焦させて、合焦された光ビームがサンプル表面から反射するところで、合焦された光ビーム内の種々の光線がサンプル表面に対して入射角θの拡がりを生み出すようにする手段と、
    前記光ビームの平行偏光状態と直交偏光状態の間に相対的な位相遅延を生じさせる手段と、
    前記反射された光ビームの前記平行偏光状態と前記直交偏光状態の間に干渉を生じさせる手段と、
    前記反射された光ビームの経路内に位置決めされ、前記反射された光ビームを受光しそれに応答して強度信号を生成するための検出要素の二次元アレイを有し、該検出要素の各々が前記反射された光ビームの固有の入射角θ及び固有の方位角φに対応する、検出器手段と、
    少なくとも１つの入射角θ及び前記少なくとも１つの入射角θ内にあって有意味なフーリエ解析を可能にするのに十分な複数の方位角φに対応する前記強度信号を用いて、前記反射された光ビームの大きさ及び位相値を計算し、該計算に基づいてサンプルの物理特性を判断するためのプロセッサ手段と、
    を備える装置。
  2. 前記光ビームが少なくとも１つの狭波長域の光を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記光ビームが多色光を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 前記光ビーム生成手段が、複数の異なる波長の光を生じさせるための複数の狭波長域レーザを含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
  5. 前記光ビーム生成手段が、複数の異なる波長の光を生じさせるための複数の発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
  6. 前記光ビームがインコヒーレント広帯域光を含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
  7. 前記光ビーム生成手段が、コヒーレント光を有する光ビームを生成し、前記装置が、前記光ビーム内の光を部分的又は実質的に空間的にインコヒーレントにする要素を前記光ビームの経路内にさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  8. 前記既知の偏光状態が直線偏光であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  9. 前記光ビームの経路内に配置された、前記既知の直線偏光状態を生成するための直線偏光要素をさらに備える請求項８に記載の装置。
  10. 前記遅延生成手段が補償器であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  11. 前記干渉生成手段が偏光解析器であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  12. 前記補償器が、前記光ビーム生成手段と前記サンプルとの間の前記光ビームの経路内に位置決めされたことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
  13. 前記補償器が、前記サンプルと前記干渉生成手段との間の前記反射された光ビームの経路内に位置決めされたことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
  14. 前記遅延生成手段及び前記干渉生成手段が、前記光ビームに対して、前記検出器の強度信号がサンプルの偏光解析パラメータｔａｎΨ及びδの両方に依存する成分をもつように配向されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  15. 前記検出器手段が、複数の入射角θの各々に対する独立した８つより多い方位角φの値において信号を与えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  16. 前記複数の入射角θの各々に対する前記独立した８つより多い方位角φの値が、互いから均等に離間されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
  17. 前記プロセッサ手段が前記検出要素からの信号にフーリエ解析を実施して１つ又は複数の方位角φに依存するフーリエ成分を得ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  18. 前記補償器及びアナライザがさらに、前記検出器からの信号が１つ又は少なくとも２φまでの複数の方位角φに依存するフーリエ成分をもつように配向されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  19. 前記補償器及びアナライザがさらに、前記検出器からの信号が１つ又は少なくとも４φまでの複数の方位角φに依存するフーリエ成分をもつように配向されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  20. 前記少なくとも１つの既知の偏光状態の方位角、前記遅延生成手段、及び、前記干渉生成手段が、複数の値において設定可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  21. 前記少なくとも１つの既知の偏光状態の方位角、前記遅延生成手段、及び、前記干渉生成手段が、回転可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  22. 前記２つの既知の偏光状態の方位角、前記遅延生成手段、及び、前記干渉生成手段が、回転可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  23. 前記光ビーム生成手段が、前記光ビームにおいて異なる波長をもつ光を逐次的に生じさせることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  24. 前記反射された光ビームから異なる波長の光を選択して、前記検出器が異なる波長の光によって逐次的に照射されるようにする手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
  25. 前記検出器が複数の検出器を含み、前記装置が、前記複数の検出器の中の異なる１つの検出器を、前記反射された光ビームからの異なる波長の光で同時に照射する手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
  26. 前記検出器が二次元検出器の直線アレイを含み、前記装置が、前記二次元検出器の直線アレイ上に前記反射された光ビームをスペクトル的に分散させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
  27. 前記二次元検出器の前面に配置された複数の狭帯域カラーフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
  28. 前記光ビーム生成手段が、前記光ビームにおいて第１の波長の光及び第２の波長の光を生成し、前記検出要素が、前記第１の波長に対して敏感であるが前記第２の波長に対して敏感でない第１の要素と、前記第２の波長に対して敏感であるが前記第１の波長に対して敏感でない第２の要素とを含み、前記第１の要素が前記第２の要素の間に交互配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  29. 前記光ビーム生成手段が前記光ビームにおいて少なくとも第１、第２、及び第３の異なる波長の光を生成し、前記検出要素が、前記第１の波長に対して敏感であるが前記第２及び前記第３の波長に対して敏感でない第１の要素と、前記第２の波長に対して敏感であるが前記第１及び前記第３の波長に対して敏感でない第２の要素と、前記第３の波長に対して敏感であるが前記第１及び前記第２の波長に対して敏感でない第３の要素とを含み、前記第１、第２、及び第３の検出要素が互いに交互配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  30. 前記物理特性が、サンプルの基板上に形成された薄膜の厚さ、屈折率、及び吸光係数のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  31. 前記物理特性が、サンプルの基板上に形成された回路構造体のアレイ又は格子の少なくとも１つの限界寸法を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  32. 前記物理特性が、サンプルの基板上に形成された単一の分離された回路構造体の少なくとも１つの限界寸法を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  33. 前記光ビームから正規化光ビームを生み出すためのビーム分割手段と、
    前記正規化光ビームの強度を測定するための第２の検出器手段と、
    をさらに備える請求項１に記載の装置。
  34. 前記プロセッサ手段が、前記検出要素からの全ての方位角φに対応する強度信号と全ての入射角θに対応する強度信号とを合計することによって、垂直入射反射率測定値を得ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  35. 前記プロセッサ手段が、前記検出要素からの全ての方位角φに対応する強度信号と、角度ゼロからｓｉｎ-1［ＮＡ（ｅｆｆ）］の範囲にわたる入射角θに対応する強度信号とを合計することによって、有効開口数ＮＡ（ｅｆｆ）における垂直入射反射率測定値を得ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  36. 波長の関数としてサンプル反射率の独立した測定値を得るために従来の垂直入射分光計を付加することをさらに含む、請求項１に記載の装置。
  37. サンプル・パラメータの独立した測定値を得るためにレーザ・ベースの軸外回転偏光解析器を付加することをさらに含む、請求項１に記載の装置。
  38. 前記装置が、サンプル上に製造処理を実施するための処理ツールに統合され、該装置は、前記プロセス・ツールによって実行される製造処理を直接監視し、制御することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  39. サンプル表面から反射された光の複合反射率を測定するための方法であって、
    既知の偏光状態で光ビームを生成し、
    サンプル表面に対して実質的に垂直に光ビームを合焦させて、合焦された光ビームがサンプル表面から反射するところで、合焦された光ビーム内の種々の光線がサンプル表面に対して入射角θの拡がりを生み出すようにし、
    前記光ビームの平行偏光状態と直交偏光状態の間に相対的な位相遅延を生じさせ、
    前記反射された光ビームの前記平行偏光状態と前記直交偏光状態の間に干渉を生じさせ、
    前記反射された光ビームを受光し、それに応答して、各々の要素が前記反射された光ビームの固有の入射角θ及び固有の方位角φに対応する検出器の中の検出要素の二次元アレイを用いて強度信号を生成し、
    少なくとも１つの入射角θ及び前記少なくとも１つの入射角θ内にあって有意味なフーリエ解析を可能にするのに十分な複数の方位角φに対応する前記強度信号を用いて、前記反射された光ビームの大きさ及び位相値を計算し、
    前記計算に基づいてサンプルの物理特性を判断する、
    ことを含む方法。
  40. 前記光ビームが少なくとも１つの狭波長域の光を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  41. 前記光ビームが多色光を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  42. 前記光ビームを生成することが、複数の異なる波長の光を生じさせるための複数の狭波長域レーザによって実行されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
  43. 前記光ビームを生成することが、複数の異なる波長の光を生じさせるための複数の発光ダイオードによって実行されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
  44. 前記光ビームがインコヒーレント広帯域光を含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
  45. 前記光ビームがコヒーレント光として生成され、前記方法が、前記コヒーレント光を部分的に又は実質的に空間的にインコヒーレントにすることをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
  46. 前記既知の偏光状態が直線偏光であることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  47. 前記遅延を生じさせることが、サンプル表面に光ビームを合焦させる前に実行されることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  48. 前記遅延を生じさせることが、サンプル表面から光ビームが反射した後に実行されることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  49. 前記遅延及び前記干渉を生じさせることが、前記検出器の強度信号がサンプルの偏光解析パラメータｔａｎΨ及びδの両方に依存する成分をもつように実行されることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  50. 前記検出器が、少なくとも１つの入射角θに対する８つより多い独立した方位角φの値において信号を与えることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  51. 前記独立した８つより多い方位角φの値が、互いから均等に離間されることを特徴とする請求項５０に記載の方法。
  52. 前記検出要素からの信号にフーリエ解析を実施して１つ又は複数の方位角φに依存するフーリエ成分を得ることをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
  53. 前記遅延及び前記干渉を生じさせることが、前記検出器からの信号が１つ又は少なくとも２φまでの複数の方位角φに依存するフーリエ成分をもつように実施されることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  54. 前記遅延及び前記干渉を生じさせることが、前記検出器からの信号が１つ又は少なくとも４φまでの複数の方位角φに依存するフーリエ成分をもつように実施されることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  55. 既知の偏光状態の前記光ビームを生成すること、前記遅延を生じさせること、及び、前記干渉を生じさせることのうちの１つを実行するのに用いられた装置の方位角を回転させることをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
  56. 既知の偏光状態の前記光ビームを生成すること、前記遅延を生じさせること、及び、前記干渉を生じさせることのうちの少なくとも２つを実行するのに用いられた少なくとも２つの装置の方位角を回転させることをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
  57. 前記光ビームを生成することが、前記光ビームにおいて異なる波長をもつ光を逐次的に生じさせることを含む、請求項３９に記載の方法。
  58. 前記反射された光ビームの中から異なる波長の光を選択して、前記検出器が異なる波長の光で逐次的に照射されるようにすることをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
  59. 前記検出器が複数の検出器を含み、前記複数の検出器の中の異なる１つの検出器を、前記反射された光ビームからの異なる波長の光で同時に照射することをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
  60. 前記検出器が二次元検出器の直線アレイを含み、前記二次元検出器の直線アレイ上に前記反射された光ビームをスペクトル的に分散させることをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
  61. 前記光ビームが第１の波長の光及び第２の波長の光を含み、前記検出要素が、前記第１の波長に対して敏感であるが前記第２の波長に対して敏感でない第１の要素と、前記第２の波長に対して敏感であるが前記第１の波長に対して敏感でない第２の要素とを含み、前記第１の要素が前記第２の要素の間に交互配置されていることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  62. 前記光ビームが少なくとも第１、第２、及び第３の異なる波長の光を含み、前記検出要素が、前記第１の波長に対して敏感であるが前記第２及び前記第３の波長に対して敏感でない第１の要素と、前記第２の波長に対して敏感であるが前記第１及び前記第３の波長に対して敏感でない第２の要素と、前記第３の波長に対して敏感であるが前記第１及び前記第２の波長に対して敏感でない第３の要素とを含み、前記第１、第２、及び第３の検出要素が互いに交互配置されていることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  63. 前記物理特性が、サンプルの基板上に形成された薄膜の厚さ、屈折率、及び吸光係数のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  64. 前記物理特性が、サンプルの基板上に形成された回路構造体のアレイ又は格子の少なくとも１つの限界寸法を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  65. 前記物理特性が、サンプルの基板上に形成された単一の分離された回路構造体の少なくとも１つの限界寸法を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  66. 前記光ビームから正規化光ビームを生み出し、
    前記正規化光ビームの強度を測定する、
    ことをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
  67. 前記検出要素からの全ての方位角φに対応する強度信号と、全ての入射角θに対応する強度信号とを合計することをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
  68. 前記検出要素からの全ての方位角φに対応する強度信号と、角度ゼロからｓｉｎ-1［ＮＡ（ｅｆｆ）］の範囲にわたる入射角θに対応する強度信号とを合計することをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
  69. 前記既知の偏光状態、前記遅延生成手段、及び、前記干渉生成手段のうち少なくとも１つの方位角を、複数の値において選択的に設定することをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
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