JP2009204621A - 角度分解した分光リソグラフィの特徴付けの方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 デバイスの製造中に、リソグラフィ技術、およびレンズの開口数が高い瞳面で角度分解スペクトルの測定を使用して、オーバレイおよび格子形状パラメータを測定する方法を提供すること。
【解決手段】 レンズの開口数が高い瞳面にて、放射線が基板で反射した結果としての角度分解スペクトルを測定することによって、基板の特性を求める装置および方法である。特性は、角度および波長に依存し、ＴＭおよびＴＥ偏光の強度、およびその相対的位相差を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばリソグラフィ技術によるデバイスの製造などに使用可能な検査の方法に、およびリソグラフィ技術を使用してデバイスを製造する方法に関する。

リソグラフィ投影装置を使用する製造プロセスにおいて、レジストの光学的特性または表面の物理的特性の変化によって、パターン（例えばマスクにおける）は少なくとも部分的に放射線感光材（レジスト）の層で覆われた基板上に描像される。あるいは、描像ステップは、エッチングした格子またはナノインプリント技術のようなレジストなしのプロセスを使用してもよい。この描像ステップに先立ち、基板は、プライミング、レジスト塗布、およびソフトベークといったような各種の工程を経る。露光後、基板は、露光後ベーク（ＰＥＢ）、現像、ハードベーク、および描像した形体の測定／検査といったような他の工程を通る。このプロセスの配列は、例えばＩＣといったようなデバイスの個々の層にパターンを形成するための基準として使用される。このようなパターン形成された層は、それから、全て個々の層を仕上げる目的である、エッチング、イオン注入（ドーピング）、メタライゼーション、酸化、化学機械的研磨等といった種々のプロセスを経る。数枚の層が必要とされる場合には、全体プロセス、もしくはその変形をそれぞれの新しい層に繰り返す必要がある。最終的に、デバイスのアレイが基板（ウェハ）上に存在する。次に、これらのデバイスはダイシングやソーイングといったような技法で相互より分離される。それから個々のデバイスは、キャリアに装着されたり、ピンに接続されたりし得る。

レジスト（またはエッチングの場合は基板表面）の現像後の測定および検査ステップは、製品基板を処理する通常の過程で実施されるのでインラインと呼ばれ、通常は２つの目的を果たす。最初に、現像したレジストのパターンに欠陥がある目標区域がある場合、それを全て検出することが望ましい。十分な数の目標区域に欠陥がある場合は、欠陥のあるパターンでエッチングなどのプロセスのステップを実行して、欠陥を永久的なものにするのではなく、パターン形成したレジストから基板を剥がして、望ましくは適正に再度露光することができる。第二に、測定によって、照明の設定または露光量などのリソグラフィ装置のエラーを検出し、その後の露光のために補正することができる。しかし、リソグラフィ装置の多くのエラーは、レジストに印刷されたパターンから容易に検出したり、定量化したりすることができない。欠陥の検出は、必ずしも直接的に原因に結びつかない。したがって、リソグラフィ装置のエラーを検出し、測定するために、様々なオフラインの工程が知られている。それは、基板を測定デバイスと交換するか、例えば様々な異なる機械の設定で、特殊な試験パターンの露光を実行することを含む。このようなオフライン技術は往々にして長い時間がかかり、その間、測定結果を入手できるまで装置の最終製品は品質が分からない。したがって、リソグラフィ装置のエラーを検出し、測定するために、生産の露光と同時に実行できるインライン技術が、通常は好ましい。

スキャッタメータは、ＣＤおよびオーバレイのインライン測定に使用できる光学的測定技術の一例である。主に２つのスキャッタメータの技術がある。
（１）分光スキャッタメータは、波長の関数として固定角度にて散乱光の特性を測定し、通常はキセノン、重水素、またはキセノンアーク灯のようなハロゲン系光源のような広帯域光源を使用する。固定角度は、垂直入射か斜め入射でよい。
（２）角度分解スキャッタメータは、入射角の関数として固定波長にて散乱光の特性を測定し、通常は単一波長の光源としてレーザを使用する。

反射したスペクトルを生じさせる構造を、例えばリアルタイム回帰を使用して、またはシミュレーションによって得たパターンのライブラリと比較することによって再構築する。再構築は、費用関数の最小化を伴う。両方のアプローチは、周期的構造によって光の散乱を計算する。最も一般的な技術は厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）であるが、光の散乱は、時間領域差分法（ＥＤＴＤ）または積分方程式技術のような他の技術でも計算することができる。

既知の角度分解スキャッタメータ技術の問題は、１回に１つの波長しか検出しないことであり、したがって複数の波長があるスペクトルは、その波長を時分割多重化しなければならず、スペクトルの検出および処理にかかる全取得時間が増加してしまう。分光スキャッタメータでは、ｅｔｅｎｄｕｅが大きい延長光源を使用する。小さい格子を入射角の小さい広がりで照明しなければならないので、この拡張光源からの大量の光が無駄になる。その結果、検出器上の光のレベルが低くなって、取得時間が長くなり、スループットにマイナスの影響を及ぼす。短い取得時間を選択すると、測定結果が安定しないことがある。

したがって、例えばデバイスの製造中に、リソグラフィ技術、およびレンズのＮＡ（開口数）が高い瞳面（または後部焦点面）で角度分解スペクトルの測定を使用して、オーバレイおよび格子形状パラメータ（格子の非対称性およびアラインメントなど）を測定する方法を提供すると有利である。補正または補償するために、投影システムの収差なども測定することができる。

本発明の実施形態は、複数の波長で角度分解したスペクトルを同時に測定し、角度分解スキャッタメータの浸漬スキャッタメータ法および焦点測定を実行して、２次元検出器アレイで放射線ソースの強度ノイズを測定することができるハードウェアを含むことができる。さらに、本発明の実施形態は、散乱光の非対称性を測定することによってオーバレイを測定することと、散乱光のレイリーの異常性および高い回折次数を通して小さい線形変動を測定することとを含む、ハードウェアの用途も含むことができる。

本文ではＩＣの製造における本発明による装置の使用に特に言及しているが、このような装置には他にも多くの用途があることは明確に理解されるべきである。例えば、これは、集積光学装置、磁気ドメインメモリ用ガイダンスおよび検出パターン、液晶ディスプレイパネル、薄膜磁気ヘッド等の製造に使用され得る。こうした代替的な用途においては、本文にて使用した「レチクル」、「ウェハ」および「ダイ」といった用語は、それぞれ「マスク」、「基板」および「目標部分」といった、より一般的な用語に置き換えて使用され得ることが当業者には理解される。

本明細書では、「放射線」および「ビーム」という用語は、イオンビームあるいは電子ビームといったような粒子ビームのみならず、紫外線（ＵＶ）放射線（例えば、３６５ｎｍ、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍ、あるいは１２６ｎｍの波長を有する）および超紫外線（ＥＵＶ）放射線（例えば、５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の波長を有する）を含むあらゆるタイプの電磁放射線を網羅するものとして使用される。

本発明の実施形態を添付の略図を参照に、例示の方法においてのみ説明する。図面では対応する参照記号は対応する部品を示すものとする。

本発明の実施形態による方法の実行に使用するリソグラフィ投影装置を示したものである。 スキャッタメータを示したものである。 本発明の実施形態により、レンズのＮＡが高い瞳面で角度分解したスペクトルを測定することの一般的動作原理を示したものである。 図４ａおよび図４ｂは、オーバレイを決定する際に本発明の実施形態を使用することを示したものである。 本発明の実施形態により、放射線ビームの一部を分離する非分極性ビーム分割器の使用を示したものである。 本発明の実施形態による波長マルチプレクサを示したものである。 本発明の実施形態による波長デマルチプレクサを示したものである。 本発明の実施形態による中間オブジェクト面のナイフエッジを示したものである。 図９ａおよび図９ｂは、本発明の実施形態による検査ビームの成形隠蔽部を示したものである。 本発明の実施形態による散乱スペクトルの異なる回折次数の検出像を示したものである。 本発明の実施形態により２つの照明スポットを有するスキャッタメータを示したものである。 本発明の実施形態による楕円偏光計を示したものである。 本発明の実施形態により瞳面および像面で像を検出するスキャッタメータを示したものである。 格子のピッチの２倍の格子オーバレイを示したものである。

図１は、本発明の実施形態による方法に使用可能なリソグラフィ投影装置を概略的に示したものである。この装置は、
− 放射線（例えばＤＵＶ放射線）の投影ビームＰＢを供給し、この特定のケースでは放射線ソースＬＡも有する放射線システムＥｘ、ＩＬと、
− マスクＭＡ（例えばレチクル）を保持するマスクホルダが設けられ、かつ、品目ＰＬに対して正確にマスクの位置決めを行う第一位置決めデバイスに連結を行った第一オブジェクトテーブル（マスクテーブル）ＭＴと、
− 基板Ｗ（例えばレジスト塗布したシリコンウェハ）を保持する基板ホルダが設けられ、かつ、品目ＰＬに対して正確に基板の位置決めを行う第二位置決めデバイスに連結を行った第二オブジェクトテーブル（基板テーブル）ＷＴと、
− マスクＭＡの照射部分を基板Ｗの目標部分Ｃ（例えば、１つあるいはそれ以上のダイから成る）に描像する投影システム（「投影レンズ」）ＰＬ（例えば屈折レンズシステム）ＰＬを有する。

ここで示しているように、本装置は透過タイプである（例えば透過マスクを有する）。しかし、概してこれは、例えば反射タイプでもよい（例えば反射マスクを有する）。あるいは、装置は、上記で言及したようなタイプのプログラマブルミラーアレイなど、別の種類のパターニングデバイスを使用してもよい。

ソースＬＡ（例えばエキシマレーザ）は放射線のビームを生成する。このビームは、直接的に、または例えばビーム拡大器Ｅｘのような調整手段を横断した後に、照明システム（照明装置）ＩＬへと供給される。照明装置ＩＬは、ビームの角度強度分布の外部および／または内部放射範囲（一般的にそれぞれ、σ−ｏｕｔｅｒおよびσ−ｉｎｎｅｒと呼ばれる）を設定する調節手段ＡＭを有してよい。また、これは一般的に、積分器ＩＮおよびコンデンサＣＯのような様々な他の構成要素を有する。この方法で、マスクＭＡに入射するビームＰＢは、その断面に亘り所望する均一性と強度分布とを有する。

図１に関して、ソースＬＡはリソグラフィ投影装置のハウジング内にある（これは例えばソースが水銀ランプである場合に多い）が、しかし、リソグラフィ投影装置から離して配置することも可能であることを注記する。これが作り出す放射線ビームは（適した誘導ミラーの助けにより）装置内に導かれる。この後者のシナリオでは、ソースＬＡがエキシマレーザーである場合が多い。本発明および請求項はこれら両方のシナリオを網羅するものである。

投影ビームＰＢはその後、マスクテーブルＭＴ上に保持されているマスクＭＡに入射する。ビームＰＢはマスクＭＡを横断して、基板Ｗの目標部分Ｃ上にビームＰＢを集束するレンズＰＬを通過する。第二位置決めデバイス（および干渉計測定デバイスＩＦ）の助けにより、基板テーブルＷＴは、例えばビームＰＢの経路における異なる目標部分Ｃに位置を合わせるために正確に運動可能である。同様に、第一位置決めデバイスを使用して、例えばマスクライブラリから機械的に検索した後に、あるいは走査中に、ビームＰＢの経路に対してマスクＭＡを正確に位置決めすることができる。一般的に、オブジェクトテーブルＭＴ、ＷＴの運動は、図１では明示的に図示されていないロングストロークモジュール（粗動位置決め）およびショートストロークモジュール（微動位置決め）の助けで実現される。しかし、ステッパの場合（走査ステップ式装置とは対照的に）、マスクテーブルＭＴはショートストロークアクチュエータに連結されるだけであるか、あるいは固定される。

ここに表した装置は２つの異なるモードにて使用可能である。
１．ステップモードにおいては、マスクテーブルＭＴは基本的に静止状態に保たれている。そして、マスクの像全体が１回の作動（すなわち１回の「フラッシュ」）で目標部分Ｃに投影される。次に基板テーブルＷＴがＸ方向および／あるいはＹ方向にシフトされ、異なる目標部分ＣがビームＰＢにより照射され得る。
２．スキャンモードにおいて、基本的に同一シナリオが適用されるが、但し、ここでは、所定の目標部分Ｃは１回の「フラッシュ」では露光されない。代わって、マスクテーブルＭＴが、速度ｖにて所定方向（いわゆる「走査方向」、例えばＹ方向）に運動可能であり、それによってビームＰＢがマスクの像を走査する。これと同時に、基板テーブルＷＴが速度Ｖ＝Ｍｖで、同一方向あるいは反対方向に運動する。ここで、ＭはレンズＰＬの倍率（一般的にＭ＝１／４あるいは１／５）である。このように、解像度を妥協することなく、比較的大きな目標部分Ｃを露光することが可能となる。

基板６の表面の１つまたは複数の特性は、図２で示したようなスキャッタメータを使用して求めることができる。実施形態では、スキャッタメータは広帯域（白色光）放射線ソース２を有し、これは放射線を基板６へと配向する。拡張広帯域放射線ソースは、少なくとも５０ｎｍの波長の放射線ビームを基板表面に提供するように構成することができる。反射した放射線が分光計検出器４へと渡り、これが鏡面反射放射線のスペクトル１０（波長の関数としての強度）を測定する。このデータから、検出したスペクトルを生じさせる構造または輪郭を、例えば厳密結合波解析および非線形回帰によって、または図２の底部で示したようなシミュレーションしたスペクトルのライブラリと比較することにより、再構築することができる。概して、再構築するためには、構造を作成したプロセスの知識から、構造の一般的形状が分かって、幾つかのパラメータが仮定され、スキャッタメータのデータから判断すべき構造のパラメータは幾つかしかない。

スキャッタメータは、垂直入射スキャッタメータまたは斜め入射スキャッタメータでよい。反射を、１つの角度で、ある範囲の波長で測定するのではなく、ある範囲の角度で、１つの波長で測定するスキャッタメータ測定の変数も使用することができる。

以下で説明する１つまたは複数の実施形態では、レンズのＮＡが高い瞳面４０で、図３で示すように複数の角度および波長にて基板表面６から反射した角度分解スペクトルの特性を測定することによって、基板の特性を測定するように構成されたスキャッタメータを使用する。スキャッタメータは、放射線を基板に投影するように構成された放射線ソース２、および反射したスペクトルを検出するように構成された検出器３２を有する。瞳面は、放射線の半径方向の位置が入射角を画定し、角度位置が、放射線の方位角および任意のほぼ共役の面を画定する面である。検出器３２は、レンズのＮＡが高い瞳面に配置される。ＮＡは高く、実施形態では少なくとも０．９または少なくとも０．９５である。浸漬スキャッタメータは、ＮＡが１を超えるレンズを有してもよい。

以前の角度分解スキャッタメータは、散乱光の強度しか測定していなかった。本発明の実施形態により、ある範囲の角度で幾つかの波長を同時に測定することができる。様々な波長および角度についてスキャッタメータが測定する特性は、横方向磁気（ＴＭ）および横方向電気（ＴＥ）偏光の強度、およびＴＭ偏光とＴＥ偏光との位相差を含む。

広帯域光源（つまり広範囲の光の周波数または波長、したがって色を有する光源）の使用が可能であり、これは大きいｅｔｅｎｄｕｅを与え、複数の波長を混合できるようにする。広帯域光の複数の波長は、実施形態ではそれぞれ例えばδλの波長を、したがって少なくとも２δλ（つまり波長の２倍）の間隔を有する。幾つかの放射線「ソース」は、例えばファイバ束などを使用して分割してある拡張放射線ソースの様々な部分でよい。この方法で、角度を分解した散乱スペクトルを、複数の波長で並列に測定することができる。３次元スペクトル（波長および２つの異なる角度）を測定することができ、これは２次元スペクトルより多くの情報を含む。これによって、さらなる情報を測定することができ、計測プロセスの堅牢性が向上する。

本発明の実施形態のスキャッタメータを図３で示す。レンズシステムＬ２を使用して、干渉フィルタ３０を通して光源２を集束し、顕微鏡の対物レンズＬ１を介して基板６上に集束させる。次に、放射線は、散乱スペクトルが検出されるために、部分的に反射性の表面３４を介して反射して、投影された黒色瞳面４０のＣＣＤ検出器に入る。瞳面４０は、レンズシステムＬ１の焦点長さにある。検出器およびＮＡが高いレンズを瞳面に配置する。瞳面は、補助光学系で再描像することができる。ＮＡが高いレンズの瞳面が、通常はレンズの内側に配置されるからである。

反射器光の瞳面を、例えば１フレーム当たり４０ミリ秒という積分時間でＣＣＤ検出器に描像する。この方法で、基板目標の２次元角度散乱スペクトルを検出器に描像する。検出器は、例えばアレイ状のＣＣＤ検出器またはＣＭＯＳ検出器でよい。スペクトルを処理すると、対称の検出構成が与えられ、したがってセンサを回転対称にすることができる。これによって、コンパクトな基板テーブルを使用することができる。基板上の目標を、センサに対する任意の回転方向で測定できるからである。基板上の全目標を、基板の平行移動と回転との組み合わせによって測定することができる。

例えば４０５〜７９０ｎｍの範囲、または２００〜３００ｎｍのようにさらに低い範囲で、問題の波長を選択するために、１組の干渉フィルタ３０が使用可能である。干渉フィルタは、１組の異なるフィルタを有するのではなく、調整可能である。１つまたは複数の干渉フィルタの代わりに、格子を使用することができる。

基板６は（または反射表面３４さえ）格子でよい。現像後にレジストの実線で一連のバーが形成されるように、格子を印刷することができる。バーは、基板に交互にエッチングすることができる。このパターンは、リソグラフィ投影装置、特に投影システムＰＬのコマ収差の影響を受けやすく、照明の対称性およびこのような収差の存在は、印刷された格子の変動として現れる。したがって、印刷された格子のスキャッタメータのデータを使用して、格子を再構築する。線幅および形状のような格子の１つまたは複数のパラメータは、印刷ステップおよび／または他のスキャッタメータ測定プロセスの知識から、再構築プロセスに入力することができる。

長方形のスリットがある透過性金属格子では、複雑な複合光バンド構造（ＣＰＢＳ）が、強い不連続性を呈するように図示され、これはウッド・レイリー異常に位置して、２タイプの共鳴を呈し、これは水平および垂直表面プラズモン共鳴と呼ばれる。スペクトルの位置およびスペクトルのピークの幅は、水平および垂直共鳴の両方について、ＣＰＢＳから直接抽出することができる。この方法で、透過性金属格子から来る放射線により、スペクトルを分析し、ウッド・レイリー異常に位置する強い不連続性によって格子の１つまたは複数の特性を求めることができる。ウッド・レイリー異常は、波長または入射角の変動により生じ、追加の伝播回折次数を与える。ビーム幅が大きいほど、ビームの横方向変位が大きくなる。

本発明の実施形態はスペクトルを検出して、対称の瞳面像を生成し、ここから不連続性を測定し、したがって１つまたは複数の格子特性を計算することができる。

本発明の実施形態によると、スキャッタメータは、反射したスペクトルの非対称性を測定することによって２つの位置合わせ不良の周期的構造のオーバレイを測定するような構成であり、非対称性はオーバレイの範囲に関係する。

実施形態では、スキャッタメータは、反射したスペクトルおよび／または検出構成の非対称性を測定することによって２つの位置合わせ不良の格子または周期的構造のオーバレイを測定するような構成であり、非対称性はオーバレイの範囲に関係する。対称性検出構成のせいで、非対称性が明白に識別可能である。これは、格子の位置合わせ不良を測定する単純明快な方法を提供する。

使用する１タイプの基板パターンを図４に示す。格子１４は、その頂部に印刷された第二格子１２を有する。格子１２が格子１４に対してオフセットする量は、オーバレイ２２として知られる。

図４ａで示す実施形態では、放射線ソース２が、垂直表面に対して対称にオブジェクトを照明し、スキャッタメータの検出器が幾つかの角度から散乱放射線を測定するが、斜めの角度からオブジェクトを照明するソースも可能である。

オーバレイ計測は、角度散乱スペクトルの非対称性の測定に基づく。対称性構造は、対称角度のスペクトルを生じ、目標の非対称性は、角度散乱スペクトルの非対称性として現れる。この特性は、角度分解したスキャッタメータ測定を使用するオーバレイ計測に基づく。

幅２０のバーで作成され、重なるが、位置合わせ不良の２つの格子１２および１４が、１つの非対称の複合目標を形成する。その結果生じる角度散乱スペクトルの非対称性を、図３で示す角度分解スキャッタメータ４で検出し、以下の方法でオーバレイ２２を導くために使用する。

２つの格子対を、第一および第二対それぞれに＋ｄおよび−ｄの意図的なバイアスを設けて使用する。つまり、格子１２は（図４で示すように）一方の対では一方向に、他方の対では反対方向（図示せず）にシフトする。したがって、各対の格子間にある実際の横方向シフトは、Ｘ₁＝ＯＶ＋ｄおよびＸ₂＝Ｏｖ−ｄであり、ＯＶはオーバレイ２２である。

格子対を位置合わせする場合は、オーバレイが０であり、格子に入射する照明の強度がＩ_illであり、格子から反射する放射線の強度が、第一方向でＩ_+l、反対方向であるが、同じ面ではＩ_-1である場合、オーバレイＯＶ＝０であると、下式のようになる。

しかし、ＯＶ≠０である場合は、下式のようになる。

小さいオーバレイの場合は、強度の差がオーバレイに比例する。

Ｋは定数であり、プロセスに依存し、したがって未知である。

本発明の実施形態によるスキャッタメータでオーバレイ計測を校正するために、２つの格子目標を使用する。一方は図４ｂで示すオーバレイを有して、２番目はちょうど反対のオーバレイを有し、したがって上部格子１２は、底部格子１４に対して右側ではなく左側に変位する。第一設定のオーバレイはＯＶ＋ｄ（図４ｂの距離２２）であり、第二設定のオーバレイはＯＶ−ｄである。

したがって、ＯＶ＋ｄの場合は、非対称性が

となり、ＯＶ−ｄの場合は、非対称性が

となる。
換算係数Ｋは下式のように省略することができる。

したがって、オーバレイは角度分解散乱スペクトルの非対称性の測定値を使用して計算することができる。

以前に知られていた方法と比較したこの方法の利点は、２つの格子しか必要ないことである。さらに、原則的に、方法は２次元格子でも働くことができる。その場合、複素数（ｘ，ｙ）オーバレイ測定には２つの格子しか必要でない。これは、分光スキャッタメータ測定方法が使用している６つの格子などと比較して、大幅な改善である。

２次元格子を使用したｘｙオーバレイ計測の分析は、以下の通りである。

２つの格子は、ｆ（ｘ，ｙ）およびｇ（ｘ，ｙ）という振幅透過を有する。これらの格子は２方向で周期的であり、したがってその透過はフーリエ級数として書くことができる。

両方の格子は等しい周期を有し、単純にするために、格子の周期は、以下の計算について２πに正規化されている。係数Ｆn,mおよびＧp,qは、格子の形状、波長および極性に依存する回折効率と解釈することができる。２つの格子は、ｘ方向およびｙ方向それぞれにてｘ0およびｙ0の相対的オーバレイで重なる。合計透過率ｔは、下式のように書くことができる。

ここで、

である。

変数は以下のように調節することができる。

ｐ＋ｎ＝ａ⇒ｐ＝ａ−ｎ
ｑ＋ｍ＝ｂ⇒ｑ＝ｂ−ｍ
ｔ（ｘ，ｙ）のフーリエ級数にこれらの式を代入すると、下式が生成される。

ここで、

である。Ｔa,bは、回折次数（ａ，ｂ）の振幅と解釈することができる。この振幅は概ね、ｘおよびｙ方向でのオーバレイに依存することが分かる。

単純にするために、ｘ方向に通る回折次数のみを考察する。以下の分析は、ｙ方向の回折次数でも実行することができる。それには、変数を調節するだけでよい。

ｘ方向に通る回折次数ではｂ＝０であり、したがって２つの回折次数ａおよび−ａの振幅では、下式となる。

合計の前に因数ｅ^±jax0を入れると、下式が与えられる。

両方の格子がｘ方向で対称であると仮定すると、下式になる。

この特性を使用すると、下式の回折振幅が与えられる。

スキャッタメータは、回折フィールドの強度を測定し、下式を与える。

この式を評価すると、強度を下式の形態で書けることが分かる。

ここで、振幅Ｂ_n,mおよび位相ε_n,mは、格子の形状、照明の波長および照明の極性に依存する。＋１と−１の次数の差を入れると、ｘ方向に通る非対称性Ａxが与えられる。

実際には、オーバレイは格子のピッチと比較すると小さい。例えば、ピッチは往々にして１μｍのオーダーであり、最大オーバレイは６０ｎｍのオーダーである。したがって、上式を線形化し、ｘ₀およびｙ₀の一次項のみを保持することができる。

ここで、

である。

結合項があることが分かる。ｘ方向の非対称性は、結合項Ｋ_xyを介したｙオーバレイの関数でもある。２次元格子が９０°の回転対称性を有し、光が４５°で偏向すると、ｘおよびｙ方向の非対称性を下式のように書くことができる。

これらの式は、２次元格子対でのｘｙオーバレイ計測の基盤である。第一格子対では、＋ｄのバイアスを上部格子に導入し、第二格子対では、−ｄのバイアスを導入する。このバイアスを、ｘ方向とｙ方向の両方に適用する。これで、４つの非対称性の項を測定することができる。第一格子対のｘおよびｙ非対称性、および第二格子対のｘおよびｙ非対称性は、下式のように示される。

これは、４つの未知数Ｋ₀、Ｋ_xy、ＯＶ_xおよびＯＶ_yがある４つの非線形式を与え、これを解いてオーバレイを与えることができる。

実施形態では、１つまたは複数の開口をスキャッタメータに設けて、１つまたは複数の格子パターンを生成した場合のリソグラフィ露光状態を模倣することができる。次に、スキャッタメータを使用して、１つまたは複数の格子パターンの角度分解した分光像の生成に、開口を使用することができる。

実施形態では、基板と検出器の間にあるスペースの少なくとも一部を液体に、特に図３で示すようなレンズＬ１と基板６の間にあるスペースを浸漬することが可能である。液体は水でよい。これは、基板６とレンズＬ１の間にある媒質の空間帯域を増加させるという利点を有する。つまり、例えば空気中などで消失するような回折が伝播し、レンズによって捕捉される。したがって、空間を浸漬すると、例えばスペースに空気がある場合より、調査中の格子に関してより詳細な情報を含む、より高い回折次数を検出することが可能になる。

スキャッタメータの開口数（ＮＡ）は、少なくとも０．９、さらには０．９５または１を超えることが好ましい。

Ｌ１とオブジェクトとの間のスペースを高い屈折率の流体で浸漬すると、媒質の空間帯域が増大し、そのためにより小さいピッチでより高い回折次数の伝播が可能になる。伝播する１次スペクトルを生成する最小ピッチはλ／（２ＮＡ）である。ＮＡが１．３と等しく、λが４００ｎｍと等しいと仮定すると、１５４ｎｍという最小ピッチが与えられる。これは、約２０から８０ｎｍという限界寸法（ＣＤ）または再構築された格子幅に対応する。図２で示すようなプロフィールを調べると、限界寸法はピークの平均幅であり、ピッチはピークから次のピークまでの距離である。

浸漬流体は、例えば基板６上にあるレジストなどに対して指数の段階が大きくなければならない。それによって、検出器の像のコントラストを最大にすることができる。このような要件を満足する可能性がある液体は水である。

図５は、本発明の実施形態により、ソースの出力強度および散乱した放射線の強度を監視するために１つの同じ検出器を使用することを示し、これによって同期化の問題が回避され、ソースの出力変動をリアルタイムで補償することができる。

スキャッタメータは、同じ検出器で別個に測定するために、放射線ソースから放出された放射線ビームの一部を結合するための非分極性ビーム分割器および傾斜ミラーを有してよい。実施形態では、放射線ビームの一部を使用して、放射線ビームの強度を測定し、スキャッタメータは、放射線ビームの強度の変動を補償するような構成にすることができる。主要な測定ビームとともに強度測定ビームに同じＣＣＤ検出器を使用することの利点は、余剰検出器を必要とせず、したがって基準センサと計測センサとの間に光学的特性および熱特性の差がなく、基準信号をトリガし、読み出して記憶するための余剰電子機器を必要としないことである。

放射線経路にある非分極性ビーム分割器５０は、２次元検出器３２に散乱放射線を描像する。余剰レンズがＣＣＤ検出器に瞳面を再描像する。検出器に入射する強度を像３６として示す。非分極性ビーム分割器５０は、放射線ビームの一部を結合して、これを強度ノイズの監視に使用する。この放射線部分を別個の検出器で測定するのではなく、傾斜ミラー５２を使用して光を逆反射し、同じ検出器３２の異なる部分に転送する。任意選択の瞳ストップ５４が、放射線部分の範囲を制限し、ミラーの傾斜は、放射線が主要放射線ビームとともに投影されることを保証する。スペクトルは、Ｌ１の瞳面で検出器３２に描像される。

以前の方法では、角度分解したスキャッタメータ測定を、１つの波長で実行していた。異なる波長での測定が、順番に実行され、異なる波長は時間を多重化する。しかし、波長の時間多重化はスループットを劣化させることがある。

実施形態では、スキャッタメータが、放射線ソースと基板との間の波長マルチプレクサ、および基板と検出器との間のデマルチプレクサを有する。これによって、幾つかの異なる波長（または色）を同時に測定することができ、より短い時間枠でより多くの情報を与え、したがって上述したような堅牢性を与える。波長マルチプレクサは、背面投影したオブジェクト面に配置された分散性要素、または瞳面に配置された分散性要素を有してよい。

放射線ソースの表面積は、Ｎ個の部分に分割することが好ましく、これはそれぞれ波長マルチプレクサに結合され、Ｎは離散的波長の数である。この分割は、例えばファイバ束などで実行することができる。

実施形態では、マルチプレクサは、背面投影したオブジェクト面に配置された分散性要素を有する。分散性要素は、Ｎ個の離散的波長に対応するような構成である格子またはプリズムでよく、それぞれδλの帯域、および少なくとも帯域の２倍、つまり２δλの間隔を有する。これは、拡張光源の使用を最大にすることができる。同時に実行できるので、異なる波長の測定をもはや時間多重化する必要がなく、したがって主要な利点はスループットが増加することである。

実施形態では、デマルチプレクサが瞳面に配置された分散性要素を有する。１つまたは複数の光学楔をオブジェクト面に挿入して、瞳面の角度分解したスペクトルを明快に分離することができる。

実施形態では、キセノン、重水素またはクォーツタングステンハロゲン光源などの拡張広帯域放射線ソースを使用する。これらのソースは、離散的波長に分割できる表面積を与え、上述したようにさらなる情報を提供する大きいｅｔｅｎｄｕｅを有する。波長は、１９３ｎｍから８００ｎｍの範囲でよい。

実施形態では、Ｎ個の離散的波長を組み合わせる分散性プリズムまたは格子を、照明ブランチ（またはソース２と図２の基板６との間にある放射線経路）にて使用し、格子またはプリズムを検出ブランチ（または基板６と検出器４との間にある放射線路間のスペース）にて使用し、波長を空間的に分離する。

多重化格子の一例を図６に示す。２つの光源Ｓ１およびＳ２がレンズシステムＬ２を透過し、オブジェクト面４２にあるリトロー配置格子１６に入射し、瞳面４０に集束してから、レンズシステムＬ１を透過して別のオブジェクト面４２に至り、任意選択で照明ファイバ６０に入る。瞳面は、適切な寸法の長方形の開口を含み、幅が格子に入射する光の角度範囲を決定する。この角度範囲および格子のピッチが、瞳面の開口を介して透過した戻り光の帯域を決定する。例えば、１ミリメートル当たり１２００本の線がある格子は、約１．２ｍｒａｄ／ｎｍの分散を生じする。４ｎｍの有効帯域は、３．３３ｍｒａｄという照明ビームの全角度幅に対応する。基板６のスポットサイズは約４０μｍであり、そのＮＡは０．９５である。したがって、格子上のビームの直径は約２３ｍｍである。レンズＬ１の焦点長さが１００ｍｍである場合、瞳面における開口穴の幅は３３３μｍでなければならない。照明ファイバを使用する場合は、照明ＮＡが約０．２２でなければならない。

一度に３つ以上の放射線ソース（波長が異なる）を使用してよいことが明白である。

図７は、検出ブランチにある波長デマルチプレクサの例を示す。単純にするために、ここでも２つの波長のみの分離を示す。デマルチプレクサはマルチプレクサに類似しているが、格子はオブジェクト面ではなく瞳面に配置される。リトロー配置格子１６の格子によって回折する光は、レンズＬ２によって透過し、これはオブジェクト面に波長λ１およびλ２の２つのオブジェクト像を作成する。この面は、ｎ個の穴（この場合はｎ＝２）があるフィールドストップを含み、これは、スペクトルへの妨害を回避するために、空間的フィルタリングを避けるのに十分なほど広くなければならない。フィールドストップ４０の各穴は、楔６２も有し、楔の角度は一意である。この楔６２は、各波長の角度分解散乱スペクトルが、ＣＣＤ検出器３２の異なる部分に描像されることを保証する。ＣＣＤ検出器は第二瞳面４０にベースがある。

楔６２は光を２方向に屈曲できるので、多くの角度分解スペクトルでのＣＣＤ検出器の効率的な充填を実現することが可能である。

再現可能な結果を獲得するために、目標は良好に集束しなければならない。それを達成するために、対物レンズのＮＡが高い瞳面４０を、本発明の実施形態による図８で図示したような二重テレセントリック系システムで検出器に描像する。実施形態ではＮＡが高く、好ましくは少なくとも０．９である。

中間オブジェクト面４２のナイフエッジ７０は、中間オブジェクト像の半分を遮断する。エッジはフーコーのナイフエッジでよい。

ナイフエッジは、放射線の像を基板に集束するのに役立つ。方向ごとに、瞳面４０の外部領域（または実際的に言うと２つの半分部分）の強度をサンプリングする。フーコーの場合は、強度Ｉ１とＩ２の差が生成される。焦点Ｆが下式のように与えられる。

比例因子ｋは像に依存し、１回しか求める必要がないが、積分フィードバックループに焦点センサを使用できるので、ｋの正確な値は重要ではない。

照明ソースは必ずしも均質ではなく、基板の精密な露光を保証するために、校正し、補正しなければならない。不均質性は、照明ソース自体から、または照明経路にある反射鏡の表面コーティングの粗さによって引き起こされることがある。以前は、アルミニウムのミラーを使用して、照明ビームの正規化を実行してきた。しかし、この正規化は、測定すべきオブジェクト（つまり格子または基板）がより高い回折次数を生成する場合は失敗する。これは、オーバレイ用途においてツールによって誘発されるシフトのエラーを引き起こす。

したがって、実施形態では、スキャッタメータ測定システムはさらに、照明ビームにある１つまたは複数のミラーを有する。特に、ミラーは基板テーブルで基準となってよく、アルミニウムで作成することができる。これらのミラーは、異なる角度で反射する少なくとも２つの像を生成するために、傾斜するか、異なる傾斜角度で存在する。傾斜角度毎に、検出されるスペクトルは傾斜の角度と同じ方向にシフトする。これらの像が検出され、微分方程式に組み込まれ、そこから放射線ビームの照明プロフィールを決定することができる。その結果の照明プロフィールを使用して、より高い回折次数での反射スペクトルの特性を正確に測定する。

測定した信号Ｍ₀（ｋ）は、下式のように表される。

ここで、
Ａ（ｋ）は、瞳面の位置ｋにおける未知の表明強度であり、
Ｂ（ｋ）は、センサの検出ブランチにおける未知の光学的損失であり、
Ｒ_±Nは、格子オブジェクトのＮ次の回折効率である。

実際には、不均質な照明ビーム、および照明経路の光学系およびコーティングの表面粗さがゆっくり変化するので、照明の強度が変化する。光学コーティングの表面粗さは、瞳面の照明ビームの粒状の外観を生じる。

基準測定は、反射性が高いアルミニウムミラーによって実行され、これは以下の信号測定値を生成する。

オブジェクトの測定値を基準値で正規化すると、下式が生成される。

検出ブランチの損失は、この正規化によって解消されることが分かる。

しかし、照明の不均質性は、ゼロの回折次数（つまり鏡面反射）についてのみ解消される。より高い回折次数では、下式の形態の未知のエラー項が残る。

この項を解消するために、照明プロフィールＡ（ｋ）を以下で検討するように校正しなければならない。

ミラーは、１枚の凸面鏡または凹面鏡でよく、あるいは検出中にある範囲の角度で積極的に傾斜させる平面鏡でよい。あるいは、異なる傾斜角度のある範囲のミラーでよい。測定した反射角度は、半径方向（傾斜の大きさを変化させる）または全方向（傾斜の方向を変化させる）でよい。

次に、微分方程式を求めるために使用する方法を１次元で説明する。２次元への拡張は些細なことである。

基準ミラーを、ミラーの２つの小さい対向する傾斜±θMについて１ｍｒａｄのオーダーで測定する。この傾斜の結果、測定した瞳像がシフトする。したがって、わずかにシフトした２つの像が測定される。

ここで、Δは瞳面のシフトであり、これは概ね、瞳面における位置ｋに依存する。無球面収差システムの場合は、下式となる。

数２８のＣは、反射した強度の再分布を明らかにし、無球面収差システムの場合は、下式となる。

ここでＭ_+θおよびＭ_-θは、それぞれ小さいプラスの傾斜および小さいマイナスの傾斜で測定したスペクトルである。

ここで、Ｑの下付き文字「Ｍ」は、測定したデータに関することを強調するために使用されている。小さい傾斜では、近似は下式のようになる。

この線形化を使用すると、Ｑについて以下の微分方程式が生成される。

この式は容易に解かれ、下式が生成される。

以上の微分は、２次元へと容易に拡張することができる。実際には、測定したデータは連続的ではなく、ディジタル化されたサンプリングデータである。しかし、これは上記で得られた概念を変更するものではない。

実際には、アクチュエータを使用して機械的に傾斜させた平面鏡を使用してもよい。より優雅で単純な方法は、曲率半径Ｒおよび横方向位置ｘを有する凹面鏡または凸面鏡を使用することである。湾曲したミラーの局所的な高さｚは、下式によって記述される。

表面θの局所的な傾斜は、横方向位置ｘとともに線形に拡大縮小する。

したがって、基板テーブル上の凸または凹球面アルミニウム基準により、校正が単純なものになる。基準を検出器の下の適切な位置へと移動することによって、適切な傾斜が単純に達成されるからである。本発明の実施形態は、基板との共役面に環状強度分布を有する放射線ビームを使用する。環状強度分布を生成するために、放射線ソースは機械的ブレード、空間光変調器または空間コヒーレンス広帯域レーザおよびズームアキシコン（つまりレーザ光のリングを生成する）を有してよい。環状放射線ビームは、θが小さい照明を有することが好ましい。

環状放射線を実現することは、例えばブレードを挿入するより有利である。というのは、ほぼ全ての光子を「使用」するので、光の損失がないからである。これは、ＵＶまたはＤＵＶのような光源を使用する場合、特に重要である。というのは、光子がより豊富な光源より放出する量が少なく、したがってこれらの光子を多数失うと、より目立つからである。特に、これは信号収集において顕著である。リソグラフィのツールは、光の強度が低下すると、特定量の遅延を被るからである。環状光源は、ブレードと異なり内部反射を引き起こさないというさらなる利点を有する。内部反射は、光のアーティファクトを回避するために遮断する必要がある。言うまでもなく、同じ利点を提供する四重極照明のような他の照明技術を使用してもよい。

環状放射線の環は、レンズのＮＡが高い瞳面に配置することが理想的である。しかし、瞳面は、直接にアクセス可能でなく、実際には環はスキャッタメータの照明ブランチにある瞳面の背面投影像に配置される。環状照明の利点は、λ／ＮＡのオーダーという小さいピッチの格子の±１回折次数の強度を、別個に測定できることである。

この実施形態は、放射線ビームに成形した隠蔽部を配置し、基板傾斜の変動によって引き起こされる基板上の成形隠蔽部の幅および形状の変化を検出することによって、基板傾斜の変動を計算するために使用することができる。成形した隠蔽部は、例えば図９ａおよび図９ｂで示すようなクロスヘアなどでよい。言うまでもなく、これは任意の他の形状でよく、瞳面の中心にある必要はない。

ウェハの傾斜を測定するという概念は、ウェハ面の傾斜が瞳面にシフトを引き起こすという基本的関係に基づく。この実施形態では、クロスヘア状の隠蔽物を照明ビームの中心に配置する。これは図９ａで示すように瞳面における散乱光に黒いクロスヘアを生成する。

このクロスの位置は、基板の傾斜が変化すると変動する。その結果、（ゼロの傾斜における）このパターンと、未知の傾斜における実際の測定値との間の差を測定して、図９ｂで示すような像を取得することができる。基板の傾斜が小さいと、光の環に有意の形状変化が引き起こされないが、瞳面の像のシフトを引き起こす。このシフトは概ね小さく、０．１ピクセルのオーダーである。このような小さいシフトを検出できるようにするために、ピクセル間の値を、例えば曲線の当てはめによって補間することができる。環の縁部で生じる暗明遷移を通して曲線を当てはめることにより、環のピクセルより小さい変位を測定することができる。

これらの遷移の幅および記号を使用して、基板の傾斜を２次元で計算し、補正することができる。この方法で、基板を一定の（ゼロ）傾斜で測定することができる。

図１０は、基板との共役面に環状強度分布がある放射線を使用して検出した、ピッチが小さい格子の回折次数を示す。環状強度分布を使用すると、図１０で示すような像の形状が可能になり、それによって基板の傾斜をより明瞭かつより厳密に測定することができる。０とラベルされた像は、検出器に描像された状態で、中心のゼロ次数の回折次数である。−１、−１、１および２とラベルされた像は、より高い回折次数である。このような高い方の回折次数は、それより低い回折次数に対してシフトし、したがって分離した１次元および２次元形体のオーバレイ計測の測定が容易になる。

計算時間を上げるために、特に滑らかな変動が予想される場合に、瞳面の各位置でシミュレーションした信号を計算する必要がない場合がある。このような場合は、粗い格子を測定し、ピクセル補間技術を使用して、瞳面における全体的形状を補間することができる。環状ビームは、この場合にもさらに有利である。１次回折からの光しか受け取らない区域が瞳面にあるからである。例えば、ブロックビームを使用すると、瞳面の各ポイントがゼロ次またはゼロ次と１次との組み合わせから光を受け取り、瞳面における測定に誤差を引き起こす。

スキャッタメータを使用する通常の測定は、１枚の基板上にある１つの目標の特性を一度に１つの極性で測定することを含む。これは、スキャッタメータ測定を通して、および場合によっては露光ステップを通して基板のスループットを制限する。本発明の実施形態は、複数の照明スポットを基板に投影する照明ソースを使用する。スキャッタメータの検出器は、基板の表面から反射した複数の照明スポットの角度分解スペクトルを同時に検出する。複数の照明スポットは、２つの直角に偏向した照明スポットを生成するウォラストンプリズムまたは二重照明ファイバを使用して生成することができる。

図１１は、スキャッタメータのハードウェハの一部を示す。２つの照明スポット７０が、ビーム分割器５０内で分割されてから、瞳面４０に位置決めされた開口数の高い対物レンズを通して基板６へと伝達される。反射ビームは、２つの楔６２を通して上方向へ伝達され、これは瞳面の２つの角度分解スペクトルを分離し、楔自体は、中間像面に位置決めされている。次に、照明ビームは、図１１の頂部で再描像された瞳面４０上のＣＣＤによって検出される。これによって、２つ、またはそれ以上の平行測定が実行される。例えば、１つの極性で水平および垂直の線、またはＴＥおよびＴＭ極性両方の水平と垂直の線両方の場合もある。

本発明の実施形態は、スキャッタメータを楕円偏光計に変換する。それを実行するために、照明ブランチはさらに、放射線ビームを直線偏光するように構成された第一偏光器と、放射線ビームを２つの直交成分（Ｅ_TE、Ｅ_TH）に分割するように構成されたビーム分割器と、散乱ビームを偏光するように構成された第二偏光器と、第一偏光器と第二偏光器との間に位置決めされた可変補償板（ポッケルスセル、ウォラストンプリズム対またはバビネ・ソレイユ補償板）とを含み、可変補償板は、直角に偏光した成分間の（および任意選択でビーム分割器と開口数が高いレンズとの間の）光路を変動させるように構成され、さらに、その結果生じるビーム成分のシヌソイド強度変動を検出する２次元検出器を含む。補償板は、スキャッタメータの主要照明ブランチで最も一般的であるが、言うまでもなく第二照明ブランチにあってもよい。

相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）のような２次元検出器は、高いフレーム率を有し、つまり１秒につき１０００フレームの領域にある。

図１２は、角度分解した分光器の概念を角度分解した分光楕円偏光計に変換する方法を示す。２つの波長λ1およびλ2を有する照明ビームを、４５°偏光器７２に透過させ、基板６で反射して、可変補償板７４を透過させてから、再び偏光する。ビーム分割器と可変補償板７４との間で、照明ビームは、ＴＥ偏光ビームとＴＭ偏光ビームとの間に位相差Δがある２本のビームに分割される。図１２の格子３６は２次元検出器アレイ、およびこのアレイの１つのピクセルにおける時間依存の強度変動を示す。他のピクセルは同等の変動を示す。ビームを、２つの帯域フィルタ７６に通して、λ₁およびλ₂の照明プロフィールを獲得する。その結果生じた楕円偏光計のパラメータのｃｏｓ（Δ）、ｓｉｎ（Δ）およびｔａｎ（Ψ）は、内部センサの散乱からほぼ影響されず、したがって信号対雑音比を改善することができる。動作をジョーンズベクトルおよび以下の行列でモデル化するが、これはミュラー行列を使用してモデル化することもでき、それによって光学構成要素の欠陥を数学モデルに含むことができる。

第一偏光器の後の照明フィールドは、４５°偏光し、ジョーンズベクトルによって記述される。

基底ベクトルは、サンプル上の目標に入射するＴＥおよびＴＭ偏光に対応する。サンプルから反射する動作により、散乱したＴＥおよびＴＭ成分の振幅および位相が変化する。これは、ジョーンズ行列によって表すことができる。

ここで、Δは散乱したフィールドのＴＥ成分とＴＭ成分との位相差であり、Ｒ_TEおよびＲ_TMは、それぞれ散乱したＴＥフィールドおよびＴＭフィールドの振幅である。

これらのパラメータは、入射角および波長の関数である。ＮＡが高いレンズおよびビーム分割器によって導入された位相および振幅の変動を無視すると、補償板上の入射フィールドについて下式が得られる。

補償板は、ＴＥ成分とＴＭ成分の間に、時間で変動する光路差（ＯＰＤ）の変動を導入する。光の波長がλである場合、補償板のジョーンズ行列について下式が得られる。

したがって、補償板の後のフィールドは下式である。

偏光器は４５°に配向され、下式のジョーンズ行列を有する。

したがって、偏光板の後のフィールドは下式である。

検出器アレイへの入射強度は下式の通りである。

ＯＰＤが測定時間の間隔にわたって直線的に増加すると、下式の通りになる。

ＯＰＤ＝Ｋｔ
これは、時間高調波強度変化を生成する。

ここで、

である。

強度変化のコントラストは、楕円偏光計のパラメータのｔａｎ（Ψ）と直接関係し、シヌソイド変化の位相は、楕円偏光計のパラメータｃｏｓ（Δ）およびｓｉｎ（Δ）を直接生成する。標準的な楕円偏光計スキャッタメータでは、ｔａｎ（Ψ）およびｃｏｓ（Δ）は、プロフィール情報を取得するために測定し、シミュレーションする信号である。その場合、ｔａｎ（Ψ）およびｃｏｓ（Δ）は、波長の関数として記録される。本発明では、ｔａｎ（Ψ）およびｃｏｓ（Δ）が、瞳面における位置の関数として取得され、同様の分析に使用することができる。特に、楕円偏光計のパラメータを使用して、逆散乱の問題を解決することによって層の厚さを測定する。つまり、測定したパラメータをモデル化したパラメータと比較し、測定したパラメータとモデル化したパラメータとの二乗平均差（または他の適切な測定基準）を最小にすることによって、スタックパラメータを求める。

変化の周波数は波長に依存するので、様々な波長を帯域フィルタで分離することができる。これは、例えば離散的フーリエ変換技術などの信号処理によって容易に実現することができる。

補償板を照明ブランチに配置することもできる。さらに、ビーム分割器と開口数が高い対物レンズとの間にも配置することができる。これは、ＯＰＤの変化が２倍になるという利点を有する。

２次元検出器は、この概念の枢要部分であり、十分に短い測定時間を確保するためには、高いフレーム率でなければならない。ＣＭＯＳ検出器は、例えば毎秒１０００フレームのように非常に高いフレーム率を達成することができる。

上記のパラグラフ００３１から００６４で記載したような測定オーバレイは、大きいオーバレイのエラー、特に格子ピッチの整数倍に等しいオーバレイのエラーを測定することができない。格子ピッチより小さいオーバレイのエラーを検出する能力は、オーバレイのエラーがある場合に役に立たないことが明白である。つまり、格子の線が相互に並ぶが、格子の数ピッチの幅だけシフトする。

したがって、本発明の実施形態は、例えば格子のオーバレイエラーが実際に格子のピッチより大きいか否かなど、粗いエラーが存在するか否かを判断する粗いオーバレイ測定を実行するために、スキャッタメータに既に存在する（および上記で検討した）第二検出器ブランチを使用する。粗いオーバレイ測定は、描像に基づく技術であり、第二カメラが２つの重なる格子の像を見て、基板上にあるマーカの縁部の位置を比較することによって大きい変位があるか判断する。完全なオーバレイは、完璧に位置合わせされたマーカの縁部を有する。パターン認識アルゴリズムを使用して、プロセス層の格子の縁部およびレジスト層の格子の縁部を求める。この測定は、格子対の４辺または４隅で実行する。測定した縁部位置を使用して、プロセス層の格子の位置に対するレジスト格子の位置を計算する。

スキャッタメータ自体は、複数の格子ピッチに等しいオーバレイを測定できないという事実は、基本的な制限となる。測定原理が、格子ピッチとともに周期的に変化する格子結合に基づくからである。つまり、ゼロのオーバレイとピッチに等しいオーバレイとは、同一の結果を生じる。

本発明のスキャッタメータによって、非常に単純な解が可能になる。スキャッタメータは、基板表面をＣＣＤカメラに描像する別個の描像ブランチを有する。この第二カメラブランチは、位置合わせおよびパターン認識ステップを通して基板の位置を測定するために必要である。第二ブランチを図１３で概略的に示す。

瞳面４０の測定（実際の角度分解測定）は、オブジェクト面４２で目標の充填が不足する照明ソースを必要とする（つまり、測定スポットが測定目標より小さい）。瞳面描像照明ビームを、図１３の実線で示す。この場合、目標の一部しか測定されず、目標区域の外側にある構造は照明されない。測定スポットが測定目標を満たすか、過剰に満たす場合、測定信号は目標を囲む区域によって妨害され、データの解釈および信号の分析が不必要に複雑になる。

これに対して、像平面の測定は、位置合わせを検出するために、目標を過剰に満たさなければならない。目標の外形を含めて完全な瞳面をサンプリングしなければならないからである。像平面測定のための光線を点線で示す。オブジェクト面の像は、第一ＣＣＤカメラ８０上に形成され、瞳面の像は、第二ＣＣＤカメラ８２上に形成される。

図１４は、ゼロオーバレイのオーバレイ目標（左手の図）、および格子ピッチの２倍に等しいＸオーバレイ（右手の図）で可能な一例を示す。瞳面の測定は、両方の状況で同じゼロというオーバレイ測定値を生成することになり、信頼できない測定となる。しかし、像平面の測定は、この２つの状況を明瞭に識別することができる。この方法で、堅牢な２ステージの計測体系を以下のように実行することができる。
（１）２回の像平面測定を実行して、大きいオーバレイエラーが存在しないことを検証する。
（２）以前の測定により、オーバレイが約２００ｎｍより小さいことが示されれば、瞳面の測定を実行する。
２００ｎｍの基準は指示的な例である。任意の賢明な閾値にすることができる。像平面ＣＣＤが１０００×１０００個のピクセルを有し、基板レベルでピクセルのピッチが１００ｎｍであると仮定すると、視野は合計で１００×１００μｍ2となり、これはパターン認識および位置合わせには十分であるが、それでも２０〜５０ｎｍのオーダーの正確さで粗いオーバレイ測定が可能になる。

粗いオーバレイは、アラインメントマーカ全体がＣＣＤから見える場合のみ測定することができる。例えば、マーカの中心部分しか見えない場合、基板テーブルをマーカの縁部へと移動して、粗いオーバレイの測定を可能にしなければならない。それには、テーブルの追加的動作が必要であり、そのため測定プロセスが遅くなる。視野が大きくなると、第二カメラが瞳面上の像を自由に捕捉し、詳細なオーバレイの情報を獲得する間、１「ストローク」でマーカを捕捉し、粗い測定を迅速に実行することができる。

該当する像の捕捉に必要である視野は、縁部の事前位置合わせの結果、および露光ツールでの粗いウェハ位置合わせを使用すると、さらに縮小することができる。これらのデータで、オーバレイ計測モジュールでの縁部の事前位置合わせが完了した後に、μｍの正確さで基板上のマーカの位置を予測することが可能である。

本発明の実施形態は、ＣＤ計測のために格子または他の周期的構造の上に配置構成されたスキャッタメータを使用して、オーバレイのエラーばかりでなく、損傷した格子も検出する。スキャッタメータは通常、鏡面光、つまり格子から直接反射した最低次数の光を検出する。格子の局所的歪みは、格子の周期性を破壊し、その結果、非鏡面方向に散乱することになる。スキャッタメータは、その鏡面方向の外側にある様々な角度で、散乱したビームの角度分解スペクトルを検出するために使用することができる。正確さを向上させ、像をさらに読み取りやすくするために、環状強度分布がある放射線、またはΦが小さい照明を使用することができる。

本発明の実施形態は、浸漬リソグラフィ装置の気泡欠陥を検出するために使用することができ、上記で検討したように、投影システムと基板との間に液体が導入される。以前は、気泡欠陥はオフラインの欠陥検出ツールを使用して測定されていた。オフラインのツールは、結果を生成するためにオンラインのツールより時間がかかる。基板を生産ラインから取り出して、待ち行列に入れねばならないからである。液体中の気泡は、基板に表面欠陥を引き起こし、これは表面を光に曝露すると、光の散乱を引き起こす。この散乱放射線は、本発明のスキャッタメータを使用して測定され、散乱の原因が気泡欠陥に逆に外挿される。

以上、本発明の特定の実施形態を説明してきたが、説明とは異なる方法でも本発明を実践できることが理解される。本説明は本発明を制限する意図ではない。詳細に記載した実施形態は、一般的な動作原理を拡大したものであり、必ずしも相互に排他的ではなく、１つの計測ツール内に全てを組み合わせて、上述したような検出器で見られる結果に基づいて、有効性を向上させることができる。さらに、本明細書に記載した実施形態は、リソグラフィの用途に関するが、ハードウェアおよび用途はそれに制限されない。これは、エッチングプロセスのステップなどの監視のような他の用途に使用してもよい。

Claims (56)

1. 基板の特性を測定するように構成されたスキャッタメータであって、
   開口数が高いレンズと、
   基板の表面から反射した放射線ビームの角度分解スペクトルを検出するように構成された検出器とを有し、
   基板の特性は、レンズの開口数が高い瞳面にて、反射したスペクトルの特性を複数の角度で同時に測定することによって測定可能であるスキャッタメータ。
2. レンズの開口数が少なくとも０．９である、請求項１に記載のスキャッタメータ。
3. 反射したスペクトルの特性が、（ａ）横方向磁気および横方向電気偏光の強度、（ｂ）横方向磁気偏光と横方向電気偏光との間の位相差、または（ａ）と（ｂ）との両方を有する、請求項１に記載のスキャッタメータ。
4. 基板の特性がさらに、レンズの開口数が高い瞳面にて、反射したスペクトルの特性を複数の波長で同時に測定することによって測定される、請求項１に記載のスキャッタメータ。
5. 複数の波長がそれぞれ、δλの帯域および少なくとも２δλの間隔を有する、請求項４に記載のスキャッタメータ。
6. ２つの位置合わせ不良の周期的構造のオーバレイが、反射したスペクトルの非対称性を測定することによって測定することができ、非対称性がオーバレイの程度に関係する、請求項１に記載のスキャッタメータ。
7. 放射線ビームを提供するように構成された放射線ソースと基板との間の波長マルチプレクサと、
   基板と検出器との間のデマルチプレクサとを有する、請求項１に記載のスキャッタメータ。
8. 波長マルチプレクサが、それぞれが帯域δλおよび少なくとも２δλの間隔を有するＮ個の別個の波長に対応するような構成である格子またはプリズムのような分散性要素である、請求項７に記載のスキャッタメータ。
9. 放射線ビームを提供するように構成された放射線ソースの表面積が、それぞれ波長マルチプレクサに結合されたＮ個の部分に分割され、Ｎが離散的波長の数である、請求項６に記載のスキャッタメータ。
10. 瞳面で角度分解スペクトルを画定状態で分離するために、オブジェクト面に光学楔を有する、請求項１に記載のスキャッタメータ。
11. 検出器で別個に測定するために、放射線ソースから放出された放射線ビームの一部を結合するように構成された非分極性ビーム分割器および傾斜ミラーを有する、請求項１に記載のスキャッタメータ。
12. 放射線ビームの一部を使用して、放射線ビームの強度を測定し、放射線ビームの強度の変動を補償する、請求項１１に記載のスキャッタメータ。
13. 放射線ビームの部分のサイズを制限し、放射線ビームの部分が放射線ビームの残りの部分に平行になることを保証するように構成された瞳ストップを有する、請求項１１に記載のスキャッタメータ。
14. 基板の特性を測定するように構成されたスキャッタメータであって、
    開口数が高いレンズと、
    基板と開口数が高いレンズとの間で液体を有するスペースとを有し、
    基板の特性が、レンズの開口数が高い瞳面にて、基板の表面から反射した放射線ビームの角度分解スペクトルの特性を、複数の角度および複数の波長で同時に測定することによって測定することができるスキャッタメータ。
15. 反射したスペクトルの特性が、（ａ）横方向磁気および横方向電気偏光の強度、（ｂ）横方向磁気偏光と横方向電気偏光との間の位相差、または（ａ）と（ｂ）との両方を有する、請求項１４に記載のスキャッタメータ。
16. 放射線ビームを提供するように構成された放射線ソースと基板との間の波長マルチプレクサと、
    基板と、反射したスペクトルの特性を測定するように構成された検出器との間のデマルチプレクサとを有する、請求項１４に記載のスキャッタメータ。
17. 基板の特性を測定するように構成されたスキャッタメータであって、
    開口数が高いレンズと、
    中間オブジェクト面の対向する半分部分の一方に配置されるような構成である縁部とを有し、
    基板の特性が、レンズの開口数が高い瞳面にて、基板の表面から反射した放射線ビームの角度分解スペクトルの特性を、複数の角度および複数の波長で同時に測定することによって測定可能であるスキャッタメータ。
18. 反射したスペクトルの特性が、（ａ）横方向磁気および横方向電気偏光の強度、（ｂ）横方向磁気偏光と横方向電気偏光との間の位相差、または（ａ）と（ｂ）との両方を有する、請求項１７に記載のスキャッタメータ。
19. 放射線ビームを提供するように構成された放射線ソースと基板との間の波長マルチプレクサと、
    基板と、反射したスペクトルの特性を測定するように構成された検出器との間のデマルチプレクサとを有する、請求項１７に記載のスキャッタメータ。
20. 基板の特性を測定するように構成されたスキャッタメータであって、
    開口数が高いレンズと、
    基板の表面から反射した角度分解放射線スペクトルを検出するように構成された検出器とを有し、
    基板の特性が、レンズの開口数が高い瞳面にて、反射したスペクトルの特性を複数の角度および波長で同時に測定することによって測定可能であるスキャッタメータ。
21. 反射したスペクトルの特性が、（ａ）横方向磁気および横方向電気偏光の強度、（ｂ）横方向磁気偏光と横方向電気偏光との間の位相差、または（ａ）と（ｂ）との両方を有する、請求項２０に記載のスキャッタメータ。
22. 放射線ビームを提供するように構成された放射線ソースと基板との間の波長マルチプレクサと、
    基板と検出器との間のデマルチプレクサとを有する、請求項２０に記載のスキャッタメータ。
23. 検査方法であって、
    パターンを基板に印刷することと、
    レンズの開口数が高い瞳面にて、パターンの反射スペクトルを測定することとを含む方法。
24. 反射スペクトルを測定することが、（ａ）反射したスペクトルの特性を複数の角度で、（ｂ）複数の波長を、または（ａ）と（ｂ）との両方を同時に測定することを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 反射スペクトルの特性が、（ｉ）横方向磁気および横方向電気偏光の強度、（ｉｉ）横方向磁気偏光と横方向電気偏光との間の位相差、または（ｉ）と（ｉｉ）との両方を有する、請求項２３に記載の方法。
26. 検査方法であって、
    平行に層状になっているが、位置合わせ不良の２つの格子を設け、それによって他方に対する１つの格子のオーバレイを生成することと、
    スキャッタメータを使用して、格子の反射スペクトルを測定することと、
    反射スペクトルの非対称性からオーバレイの範囲を導出することとを含む方法。
27. 反射したスペクトルの特性が、（ｉ）横方向磁気および横方向電気偏光の強度、（ｉｉ）横方向磁気偏光と横方向電気偏光との間の位相差、または（ｉ）と（ｉｉ）との両方を有する、請求項２７に記載の方法。
28. デバイス製造方法であって、
    放射線のビームを基板の目標部分に投影することと、
    レンズの開口数が高い瞳面にて、所定の角度および波長の範囲にわたってビームの反射スペクトルを同時に測定するために、スキャッタメータを使用することとを含む方法。
29. 格子パターンの角度分解分光像を生成する方法であって、格子パターンを生成する場合のリソグラフィ露光状態を模倣する開口を使用することを含む方法。
30. 基板の特性を測定するように構成されたスキャッタメータであって、
    開口数が高いレンズと、
    基板の表面から反射した放射線ビームの角度分解スペクトルを検出するように構成された検出器とを有し、
    基板の特性が、レンズの開口数が高い瞳面にて、反射したスペクトルの特性を複数の角度で同時に測定することによって測定可能であり、スキャッタメータがさらに、
    少なくとも１つの反射鏡と、
    少なくとも１つのミラーから反射した少なくとも２つの像を検出し、組み合わせるように構成された検出器と、
    放射線ビームの照明輪郭を決定できる元となる像に基づいて微分方程式を生成するように構成されたプロセッサとを有するスキャッタメータ。
31. 照明プロフィールを使用して、より高い回折次数にて反射したスペクトルの特性の測定値を補正する、請求項３１に記載のスキャッタメータ。
32. 前記反射鏡が、より高い回折次数で反射したスペクトルの特性の測定値を補正するために使用される、請求項３１に記載のスキャッタメータ。
33. 前記反射鏡が凹面鏡を有し、スキャッタメータが、複数の反射角度を獲得するために、ミラーの表面にわたって放射線ビームを移動させる機構を有する、請求項３１に記載のスキャッタメータ。
34. 前記反射鏡が凸面鏡を有し、スキャッタメータが、複数の反射角度を獲得するために、ミラーの表面にわたって放射線ビームを移動させる機構を有する、請求項３１に記載のスキャッタメータ。
35. 前記反射鏡が平面鏡を有し、スキャッタメータが、複数の角度にわたってミラーを傾斜させる機構を有する、請求項３１に記載のスキャッタメータ。
36. 異なる傾斜角度の複数のミラーを有する、請求項３１に記載のスキャッタメータ。
37. 測定した反射角度が半径方向にある、請求項３１に記載のスキャッタメータ。
38. 測定した反射角度が全方向にある、請求項３１に記載のスキャッタメータ。
39. 検査方法であって、
    パターン形成した放射線ビームでパターンを基板に印刷することと、
    レンズの開口数が高い瞳面にて、パターンの反射スペクトルを測定することと、
    １つまたは複数のミラーで反射させることによって、放射線ビームを正規化することと、
    １つまたは複数のミラーからの異なる反射角度の放射線ビームから生成された少なくとも２つの像を測定して、組み合わせることと、
    放射線ビームの照明プロフィールを再構築するために微分方程式を生成することとを含む方法。
40. 基板の特性を測定するように構成されたスキャッタメータであって、
    開口数が高いレンズと、
    基板の表面から反射した放射線ビームの角度分解スペクトルを検出するように構成された検出器とを有し、
    基板の特性が、レンズの開口数が高い瞳面にて、反射したスペクトルの特性を複数の角度で同時に測定することによって測定可能であり、スキャッタメータがさらに、
    放射線ビームを直線偏光するように構成された第一偏光器と、
    放射線ビームを２つの直交成分（ＥTE、ＥTH）に分割するように構成されたビーム分割器と、
    散乱したビームを偏光するように構成された第二偏光器と、
    第一偏光器と第二偏光器との間に位置決めされ、直角に偏光した成分間の光路差を変化させる可変補償板と、
    その結果生じるビーム成分のシヌソイド強度変化を検出する２次元検出器とを有するスキャッタメータ。
41. 補償板を、スキャッタメータの照明ブランチに配置する、請求項４０に記載のスキャッタメータ。
42. 補償板を、分割器と開口数が高いレンズとの間で位置決めする、請求項４０に記載のスキャッタメータ。
43. 基板の特性を測定するように構成されたスキャッタメータであって、
    開口数が高いレンズと、
    基板の表面から反射した放射線ビームの角度分解スペクトルを検出するように構成された検出器とを有し、
    基板の特性が、レンズの開口数が高い瞳面にて、反射スペクトルの特性を複数の角度で同時に測定することによって測定可能であり、スキャッタメータがさらに、
    粗いオーバレイ測定を実行する第二検出器ブランチを有するスキャッタメータ。
44. 第二検出器ブランチが基板の像平面にある、請求項４３に記載のスキャッタメータ。
45. 第二検出器ブランチが、基板上のオーバレイエラーを測定するように構成され、エラーが、基板格子のピッチの整数倍に等しい、請求項４３に記載のスキャッタメータ。
46. 検査方法であって、
    平行に層状になっているが、位置合わせ不良の２つの格子を設け、それによって他方に対する１つの格子のオーバレイを生成することと、
    スキャッタメータを使用して、格子の反射スペクトルを測定することと、
    反射スペクトルの非対称性からオーバレイの範囲を導出することと、
    オーバレイが格子ピッチ幅より大きいか判断することを含む、格子の粗いオーバレイ測定を実行することとを含む方法。
47. ｉ）格子ピッチより大きいオーバレイエラーが存在するか判断するために、放射線ビームの像平面測定を２回実行することと、
    ｉｉ）判断したオーバレイが所定の閾値より低い場合は、放射線ビームの瞳面測定を実行することとを含む、請求項４６に記載の方法。
48. 格子の局所的歪みを検出するように構成されたスキャッタメータであって、
    放射線ビームを生成する照明手段と、
    開口数が高いレンズと、
    ビームを鏡面方向に散乱させる格子と、
    鏡面方向の外側の様々な角度で散乱ビームの角度分解スペクトルを検出するように構成された検出器とを有し、
    格子の歪みが、レンズの開口数が高い瞳面にて、鏡面方向の外側で反射したスペクトルの特性を、複数の角度で同時に実行することによって測定可能であるスキャッタメータ。
49. 放射線ビームが環状照明を含む、請求項４８に記載のスキャッタメータ。
50. 基板上の複数の目標の特性を同時に測定するように構成されたスキャッタメータであって、
    開口数が高いレンズと、
    複数の照明スポットを基板に投影するように構成された投影装置と、
    基板の表面から反射した複数の放射線スポットの角度分解スペクトルを同時に検出するように構成された検出器とを有し、
    基板の特性が、レンズの開口数が高い瞳面にて、反射したスペクトルの特性を複数の角度で同時に測定することによって測定可能であるスキャッタメータ。
51. ２つの同一に偏光した照明スポットを生成するディバイダを有する、請求項５０に記載のスキャッタメータ。
52. デバイス製造方法であって、
    放射線のビームを基板の目標部分に投影することと、
    ビームが基板に到達する溜めに、ビームを複数のビームに分割することと、
    基板上の複数の目標を同時に測定するために、レンズの開口数が高い瞳面にて、所定の角度および範囲にわたって複数のビームの反射スペクトルを同時に測定するようにスキャッタメータを使用することとを含む方法。
53. 基板の特性を測定するように構成されたスキャッタメータであって、
    開口数が高いレンズと、
    放射線ビームを生成する放射線ソースと、
    基板の表面から反射した放射線ビームの角度分解スペクトルを検出するように構成された検出器とを有し、
    基板の特性が、レンズの開口数が高い瞳面にて、反射したスペクトルの特性を複数の角度で測定することによって測定可能であり、
    放射線ビームが、基板との共役面に環状強度分布を有するスキャッタメータ。
54. 検査方法であって、
    基板との共役面に環状強度分布を有する放射線を使用して、パターンを基板に印刷することと、
    レンズの開口数が高い瞳面にて、パターンの反射スペクトルを測定することとを含む方法。
55. 基板の傾斜の変化を計算する装置であって、
    基板との共役面に環状分布した放射線ビームを生成するように構成された放射線ソースと、
    放射線ビーム内の成形された隠蔽部と、
    基板の傾斜の変化によって引き起こされた基板の成形隠蔽部の幅および形状の変化を検出するように構成された検出器と、
    検出器で検出した変化に基づいて、基板の傾斜の変化を計算するプロセッサとを有する装置。
56. 浸漬リソグラフィ装置の気泡欠陥を検出する方法であって、
    パターンを基板に印刷することと、
    レンズの開口数が高い瞳面にて、パターンの反射スペクトルを測定することと、
    反射したスペクトルから、浸漬リソグラフィ装置に含まれる液体中の気泡によって引き起こされた欠陥がパターン内に存在するか判断することとを含む方法。

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