JP2014502420A - メトロロジ方法及び装置、リソグラフィシステム並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スループットと精度とが改善できる、ターゲット格子内の非対称性及び／又はオーバレイを計測する暗視野メトロロジのための方法及び装置を提供する。
【解決手段】リソグラフィプロセスによって基板上に形成されたターゲット構造を測定する方法が開示される。ターゲット内の格子構造は照明スポット及び測定光学システムの視野よりも小さい。光学システムは瞳面結像センサへ至る第１の分岐路と基板平面結像センサへ至る第２の分岐路とを有する。空間光変調器が光学システムの第２の分岐路の中間瞳面内に配置される。ＳＬＭは、第１及び第２の照明又は結像モードの非対称性を補正するのに使用される減衰のプログラマブルパターンを付与する。特定のターゲット設計及び機械学習プロセスを用いて、減衰パターンもプログラミングしてフィルタ関数として動作させることにより、合焦等の対象とする特定パラメータへの感度を増大させる。
【選択図】図３

Description

（関連出願への相互参照）
[0001] 本出願は、参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする、２０１０年１２月７日出願の米国仮出願第６１／４２０，４２８号及び２０１０年１１月１２日出願の米国仮出願第６１／４１２，９８０号の利益を主張する。

[0002] 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で使用可能なメトロロジの方法及び装置、並びにリソグラフィ技術を用いたデバイス製造方法に関する。

[0003] リソグラフィ装置は、所望のパターンを基板に、通常は基板のターゲット部分に適用する機械である。リソグラフィ装置は、例えば、集積回路（ＩＣ）の製造に使用可能である。このような場合、代替的にマスク又はレチクルとも呼ばれるパターニングデバイスを使用して、ＩＣの個々の層上に形成すべき回路パターンを生成することができる。このパターンを、基板（例えばシリコンウェーハ）上のターゲット部分（例えば１つ又は幾つかのダイの一部を含む）に転写することができる。パターンの転写は通常、基板に設けた放射感応性材料（レジスト）の層への結像により行われる。一般的に、１枚の基板は、順次パターンが与えられる隣接したターゲット部分のネットワークを含んでいる。従来のリソグラフィ装置は、パターン全体をターゲット部分に１回で露光することによって各ターゲット部分が照射される、いわゆるステッパと、基板を所与の方向（「スキャン」方向）と平行あるいは逆平行に同期的にスキャンしながら、パターンを所与の方向（「スキャン」方向）に放射ビームでスキャンすることにより、各ターゲット部分が照射される、いわゆるスキャナとを含む。パターンを基板にインプリントすることによっても、パターニングデバイスから基板へとパターンを転写することが可能である。

[0004] リソグラフィプロセスでは、例えば、プロセス制御と検証のために、作成された構造を頻繁に測定することが望ましい。クリティカルディメンション（ＣＤ）を測定するためによく用いられるスキャン電子顕微鏡や、オーバレイ、すなわち、デバイス内の２つの層の整列の精度を測定する特別のツールなどのそのような測定を実行するための様々なツールが知られている。最近、リソグラフィ分野で使用する様々な形態のスキャトロメータが開発されている。これらのデバイスは、ターゲット上に放射ビームを誘導し、例えば、波長の関数としての反射の単一角度における強度、反射角度の関数としての１つ以上の波長における強度、又は反射角度の関数としての偏光などの散乱放射の１つ以上の特性を測定し、ターゲットの対象とする特性を決定するための「スペクトル」を得る。対象とする特性の決定は様々な技術、例えば、厳密結合波形分析又は有限要素法、ライブラリ検索及び主成分分析などの反復手法によって実行可能である。

[0005] 従来のスキャトロメータが使用するターゲットは比較的大きい、例えば、４０μｍ×４０μｍの格子であり、測定ビームは格子よりも小さいスポットを生成する（すなわち、格子はアンダーフィルされる）。このため、ターゲットは有限と見なされ、その数学的な再構築が簡単化される。しかし、ターゲットのサイズを例えば１０μｍ×１０μｍ以下に低減して、例えば、スクライブレーンではなく製品フィーチャの間に配置可能にするために、格子が測定スポットよりも小さく作成される（すなわち、格子はオーバフィルされる）、いわゆる「小ターゲット」メトロロジが提案されている。通常、小ターゲットは０次回折（鏡面反射に対応する）が阻止され、それより上位の次数のみが処理される暗視野スキャトロメトリを用いて測定される。暗視野メトロロジの例は、参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする国際特許出願ＷＯ２００９／０７８７０８及びＷＯ２００９／１０６２７９に記載されている。回折次数の暗視野検出を用いた回折ベースのオーバレイによって、より小さいターゲットのオーバレイ測定が可能になる。これらのターゲットは照明スポットよりも小さくてもよく、ウェーハ上の製品フィーチャに囲まれていてもよい。画像平面内の暗視野検出によって、環境製品構造の強度をオーバレイターゲットの強度から効率的に分離することができる。

[0006] 既知の暗視野メトロロジ技術では、ウェーハを回転させて−１及び＋１の回折次数強度を順次入手する間に一定の条件下でターゲットを２回測定した場合に、最良のオーバレイ測定結果が得られる。両方の測定に完全に同じ光路を使用することで、測定された強度の差が計器の特性ではなくターゲットの特性によることが確保される。他方、大きい基板上に有り得るターゲットを回転させる必要性によって、プロセスは遅くなり、装置が潜在的により複雑になる。

[0007] 例えば、スループットと精度とが過去に公開された技術と比較して改善できる、ターゲット格子内の非対称性及び／又はオーバレイを計測する暗視野メトロロジのための方法及び装置を提供することが望ましい。

[0008] 第１の態様では、本発明は、リソグラフィプロセスによって基板上に形成された周期的構造内の非対称性を測定する方法であって、
リソグラフィプロセスを用いて基板上に周期的構造を形成するステップと、
構造を第１の放射ビームで照明しながら周期的構造の第１の画像を形成し検出するステップを含む第１の測定ステップであって、第１の画像が回折放射の第１の選択された部分を用いて形成される、ステップと、
構造を第２の放射ビームで照明しながら周期的構造の第２の画像を形成し検出するステップを含む第２の測定ステップであって、第２の画像が周期的構造の回折スペクトル内で第１の部分と対称的に対向する回折放射の第２の選択された部分を用いて形成される、ステップと、
検出された第１及び第２の画像の両方から導出された強度値の差を用いて周期的構造のプロファイルの非対称性を決定するステップと、を含み、
光学システムは、第１及び第２の画像の形成の前に回折放射の第１及び第２の選択された部分に変動する非２値光学減衰を適用するように制御される空間光変調器をさらに備える、方法を提供する。

[0009] 幾つかの実施形態では、測定光学システム内の異なる光路を用いて基板を回転させることなく第１及び第２の測定ステップが実行され、変動する光学減衰は、第１及び第２の測定ステップ間の光路の差が決定された特性に与える影響を低減させるように構成されている。

[0010] 変動する減衰パターンを決定する較正測定は、較正ターゲットを用いて実行できる。較正測定は、較正ターゲットの回転を含んでいてもよい。較正ターゲットは、測定光学システムの視野よりも大きい周期的構造を有していてもよい。

[0011] 幾つかの実施形態では、変動する減衰は、それぞれの測定ステップのための第１及び第２のフィルタ関数を実施し、フィルタ関数は、計算された差の対象とする特性への感度を増大するために計算される。幾つかの実施形態では、フィルタ関数は、計算された差が、例えば、周期構造自体ではなく、合焦などのリソグラフィプロセスの性能パラメータに直接関連するように計算される。

[0012] 幾つかの実施形態における方法は、すべてが測定光学システムの視野内に収まる程度に小さい構造を用いて、幾つかの周期的な構造について同時に実行される。視野は、例えば照明スポットサイズによって画定できる。第１及び第２の画像は、異なるモードの照明及び／又は異なるモードの結像を用いて得ることができる。

[0013] 一実施形態では、測定光学システムは、光学システムの対物レンズの瞳面と共役な平面内に較正画像を形成し検出する第１の光学分岐路及び画像センサと、基板の平面と共役な平面内に第１及び第２の画像を形成し検出する第２の光学分岐路及び画像センサと、を備え、空間光変調器は、第２の分岐路の中間瞳面に位置する。

[0014] 本発明はさらに、基板上の周期的構造内の非対称性を測定するように構成された検査装置であって、
測定ステップで使用するために調整された放射ビームを基板へ送達するように動作可能な照明装置と、
測定ステップで基板から回折した放射を用いて基板のそれぞれの画像を形成及び検出するように動作可能な検出装置であって、照明装置及び検出装置が測定光学システムを形成する、検出装置と、
検出装置内の絞り装置と、を備え、
照明装置及び絞り装置が回折した放射の回折スペクトルのどの部分が各画像に寄与するかを選択するように動作可能であり、
検出装置が、それぞれ第１及び第２の画像の形成の前に回折放射の選択された部分に変動する光学減衰を適用するように動作可能な空間光変調器をさらに備える、検査装置を提供する。

[0015] この装置を用いて本発明の方法を実施することができる。

[0016] 本発明は、本発明のリソグラフィ装置及び検出装置を含むリソグラフィシステムを提供する。

[0017] 本発明は、デバイス製造方法であって、デバイスパターンがリソグラフィプロセスを用いて一連の基板に適用され、本発明の検査方法を用いて少なくとも１つの基板上のデバイスパターンの一部として又はその横に形成された少なくとも１つの周期的構造を検査するステップと、検査方法の結果に従って後続の基板へのリソグラフィプロセスを制御するステップと、を含む方法をさらに提供する。

[0018] 本発明の他の特徴及び利点と、本発明の様々な実施形態の構造及び作用が添付の図面を参照して以下に詳細に説明される。本発明は、本明細書に記載する特定の実施形態に限定されないことに留意されたい。このような実施形態は、例示のみを目的として本明細書に記載されている。本明細書に含まれる教示に基づいて当業者はさらなる実施形態を容易に思い付くであろう。

[0019] 本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら説明するが、この説明は例示としてのものに過ぎない。
本発明のある実施形態によるリソグラフィ装置を示す図である。 本発明のある実施形態によるリソグラフィセル又はクラスタを示す図である。 （ａ）本発明の第１の実施形態による検査装置の概略図、（ｂ）所与の照明方向のターゲット格子の回折スペクトルの詳細図、（ｃ）回折ベースのオーバレイ測定のためのスキャトロメータの使用に別の照明モードを提供する第２の照明開口のペアの図及び（ｄ）第１及び第２の開口のペアを組み合わせた第３の照明開口のペアの図、である。 基板上のターゲットの既知の形態と測定スポットの輪郭とを示す図である。 図３のスキャトロメータ内で得られた図４のターゲットの画像を示す図である。 本発明の第１の実施形態に従って実行される較正及び補正ステップを含む図３のスキャトロメータを用いるオーバレイ測定方法の各ステップを示すフローチャートである。 図６の方法の較正及び補正ステップの原理を示す図である。 （ａ）本発明の第２の実施形態による検査装置の概略図、（ｂ）軸上の照明のターゲット格子の回折スペクトルの詳細図、（ｃ）回折ベースのオーバレイ測定のためのスキャトロメータの使用に別の結像モードをスキャトロメータ内で使用可能な第２の視野絞りパターンのペアの図及び（ｄ）第１及び第２の開口のペアを組み合わせた第３の視野絞りパターンのペアの図である。 第２の実施形態の検査装置内で適用される図６の方法で実行される一組の較正測定を示す図である。 単一の空間光変調器が放射強度の補正と様々な結像モードの選択の両方に供せられる本発明の第３の実施形態を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）を含み、照明モードが軸上から軸外に変化するときの第２及び第３の実施形態における視野絞りパターンの構成を示す図である。 対象とするパラメータの測定を学習することによる較正を含む本発明の第４の実施形態の測定方法の各ステップを示すフローチャートである。 （ａ）セグメント化された照明開口の図及び（ｂ）本発明の様々な実施形態で使用される対応する回折スペクトルを示す図、である。 合焦の測定のための図１３の照明モードで図１２の方法においてＳＬＭによって適用される学習減衰パターンの一例を示す図である。 第３の実施形態で使用される透過型空間光変調器の代わりに反射型空間光変調器が使用される本発明の変形形態を示す図である。

[0020] 本明細書の各実施形態を説明する前に、本発明の各実施形態を実施できる実施例について説明することが有益であろう。

[0021] 図１は、本発明の一実施形態によるリソグラフィ装置ＬＡを概略的に示す。この装置は、放射ビームＢ（例えば、ＵＶ放射又はＤＵＶ放射）を調節するように構成された照明システム（イルミネータ）ＩＬと、パターニングデバイス（例えば、マスク）ＭＡを支持するように構築され、特定のパラメータに従ってパターニングデバイスを正確に位置決めするように構成された第１のポジショナＰＭに接続されたパターニングデバイス支持体又は支持構造（例えば、マスクテーブル）ＭＴと、基板（例えば、レジストコートウェーハ）Ｗを保持するように構築され、特定のパラメータに従って基板を正確に位置決めするように構成された第２のポジショナＰＷに接続された基板テーブル（例えば、ウェーハテーブル）ＷＴと、基板Ｗのターゲット部分Ｃ（例えば、１つ以上のダイを含む）上にパターニングデバイスＭＡによって放射ビームＢへ付与されたパターンを投影するように構成された投影システム（例えば、屈折投影レンズシステム）ＰＳと、を含む。

[0022] 照明システムは、放射の誘導、整形、又は制御を行うための、屈折、反射、磁気、電磁気、静電型等の光学コンポーネント、又はその任意の組合せなどの種々のタイプの光学コンポーネントを含んでいてもよい。

[0023] パターニングデバイス支持体は、パターニングデバイスの方向、リソグラフィ装置の設計等の条件、例えばパターニングデバイスが真空環境で保持されているか否かに応じた方法で、パターニングデバイスを保持する。このパターニングデバイス支持体は、パターニングデバイスを保持するために、機械的、真空、静電型等のクランプ技術を使用することができる。パターニングデバイス支持体は、例えばフレーム又はテーブルでよく、必要に応じて固定式又は可動式でよい。パターニングデバイス支持体は、パターニングデバイスが例えば投影システムに対して確実に所望の位置にくるようにできる。本明細書において「レチクル」又は「マスク」という用語を使用した場合、その用語は、より一般的な用語である「パターニングデバイス」と同義と見なすことができる。

[0024] 本明細書において使用する「パターニングデバイス」という用語は、基板のターゲット部分にパターンを生成するように、放射ビームの断面にパターンを与えるために使用し得る任意のデバイスを指すものとして広義に解釈されるべきである。ここで、放射ビームに与えられるパターンは、例えばパターンが位相シフトフィーチャ又はいわゆるアシストフィーチャを含む場合、基板のターゲット部分における所望のパターンに正確には対応しないことがある点に留意されたい。一般的に、放射ビームに与えられるパターンは、集積回路などのターゲット部分に生成されるデバイスの特定の機能層に相当する。

[0025] パターニングデバイスは透過性又は反射性でよい。パターニングデバイスの例には、マスク、プログラマブルミラーアレイ、及びプログラマブルＬＣＤパネルがある。マスクはリソグラフィにおいて周知のものであり、これには、バイナリマスク、レベンソン型(alternating)位相シフトマスク、ハーフトーン型(attenuated)位相シフトマスクのようなマスクタイプ、さらには様々なハイブリッドマスクタイプも含まれる。プログラマブルミラーアレイの一例として、小さなミラーのマトリクス配列を使用し、そのミラーは各々、入射する放射ビームを異なる方向に反射するよう個々に傾斜することができる。傾斜したミラーは、ミラーマトリクスによって反射する放射ビームにパターンを与える。

[0026] 本明細書において使用する「投影システム」という用語は、例えば使用する露光放射、又は液浸液の使用や真空の使用などの他の要因に合わせて適宜、例えば屈折光学システム、反射光学システム、反射屈折光学システム、磁気光学システム、電磁気光学システム及び静電型光学システム、又はその任意の組合せを含む任意のタイプの投影システムを網羅するものとして広義に解釈されるべきである。本明細書において「投影レンズ」という用語を使用した場合、これはさらに一般的な「投影システム」という用語と同義と見なすことができる。

[0027] 本明細書で示すように、本装置は、（例えば透過マスクを使用する）透過タイプである。あるいは、装置は、（例えば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を使用する、又は反射マスクを使用する）反射タイプでもよい。

[0028] リソグラフィ装置は、２つ（デュアルステージ）又はそれ以上の基板テーブル（及び／又は２つ以上のマスクテーブル）を有するタイプでよい。このような「マルチステージ」機械においては、追加のテーブルを並行して使用するか、１つ以上の他のテーブルを露光に使用している間に１つ以上のテーブルで予備工程を実行することができる。

[0029] リソグラフィ装置は、投影システムと基板との間の空間を充填するように、基板の少なくとも一部を水などの比較的高い屈折率を有する液体で覆えるタイプでもよい。液浸液は、例えばマスクと投影システムの間など、リソグラフィ装置の他の空間に適用することもできる。液浸技術は、投影システムの開口数を増加させるために当技術分野で周知である。本明細書で使用する「液浸」という用語は、基板などの構造を液体に沈めなければならないという意味ではなく、露光中に投影システムと基板の間に液体が存在するというほどの意味である。

[0030] 図１を参照すると、イルミネータＩＬは放射源ＳＯから放射ビームを受ける。放射源とリソグラフィ装置とは、例えば放射源がエキシマレーザである場合に、別々の構成要素であってもよい。このような場合、放射源はリソグラフィ装置の一部を形成すると見なされず、放射ビームは、例えば適切な誘導ミラー及び／又はビームエクスパンダなどを備えるビームデリバリシステムＢＤを用いて、放射源ＳＯからイルミネータＩＬへと渡される。他の事例では、例えば放射源が水銀ランプの場合は、放射源がリソグラフィ装置の一体部分であってもよい。放射源ＳＯ及びイルミネータＩＬは、必要に応じてビームデリバリシステムＢＤとともに放射システムと呼ぶことができる。

[0031] イルミネータＩＬは、放射ビームの角度強度分布を調整するアジャスタＡＤを含んでいてもよい。通常、イルミネータＩＬの瞳面における強度分布の外側及び／又は内側半径範囲（一般にそれぞれ、σ-outer及びσ-innerと呼ばれる）を調整することができる。また、イルミネータＩＬは、インテグレータＩＮ及びコンデンサＣＯなどの他の種々のコンポーネントを含んでいてもよい。イルミネータＩＬを用いて放射ビームを調節し、その断面にわたって所望の均一性と強度分布とが得られるようにしてもよい。

[0032] 放射ビームＢは、パターニングデバイス支持体（例えば、マスクテーブルＭＴ）上に保持されたパターニングデバイス（例えば、マスク）ＭＡに入射し、パターニングデバイスによってパターニングされる。パターニングデバイス（例えばマスク）ＭＡを横断した放射ビームＢは、投影システムＰＳを通過し、投影システムＰＳは、ビームを基板Ｗのターゲット部分Ｃ上に合焦させる。第２のポジショナＰＷと位置センサＩＦ（例えば、干渉計デバイス、リニアエンコーダ、２Ｄエンコーダ又は容量センサ）を用いて、基板テーブルＷＴは、例えば、様々なターゲット部分Ｃを放射ビームＢの経路に位置決めできるように正確に移動できる。同様に、第１のポジショナＰＭと（図１には明示されていない）別の位置センサとを用いて、マスクライブラリからの機械的な取り出し後又はスキャン中などに放射ビームＢの経路に対してパターニングデバイス（例えばマスク）ＭＡを正確に位置決めできる。一般に、パターニングデバイス支持体（例えばマスクテーブル）ＭＴの移動は、第１のポジショナＰＭの部分を形成するロングストロークモジュール（粗動位置決め）及びショートストロークモジュール（微動位置決め）を用いて実現できる。同様に、基板テーブルＷＴの移動は、第２のポジショナＰＷの部分を形成するロングストロークモジュール及びショートストロークモジュールを用いて実現できる。ステッパの場合（スキャナとは対照的に）、パターニングデバイス支持体（例えばマスクテーブル）ＭＴをショートストロークアクチュエータのみに接続するか、又は固定してもよい。

[0033] パターニングデバイス（例えばマスク）ＭＡ及び基板Ｗは、マスクアライメントマークＭ１、Ｍ２及び基板アライメントマークＰ１、Ｐ２を使用して位置合わせすることができる。図示のような基板アライメントマークは、専用のターゲット部分を占有するが、ターゲット部分の間の空間に配置してもよい（スクライブレーンアライメントマークとして知られている）。同様に、パターニングデバイス（例えばマスク）ＭＡ上に複数のダイを設ける状況では、マスクアライメントマークをダイ間に配置してもよい。ダイ内のデバイスフィーチャの間に小さいアライメントマーカを含んでいてもよく、その場合、マーカはできるだけ小さく、隣接するフィーチャと異なる結像又はプロセス条件を必要としないことが望ましい。アライメントマーカを検出するアライメントシステムを以下に説明する。

[0034] 図示のリソグラフィ装置は、以下のモードのうち少なくとも１つにて使用可能である。
１．ステップモードにおいては、パターニングデバイス支持体（例えばマスクテーブル）ＭＴ及び基板テーブルＷＴは、基本的に静止状態に維持される一方、放射ビームに与えたパターン全体が１回でターゲット部分Ｃに投影される（すなわち単一静的露光）。次に、別のターゲット部分Ｃを露光できるように、基板テーブルＷＴがＸ方向及び／又はＹ方向に移動される。ステップモードでは、露光フィールドの最大サイズによって、単一静的露光で結像されるターゲット部分Ｃのサイズが制限される。
２．スキャンモードにおいては、パターニングデバイス支持体（例えばマスクテーブル）ＭＴ及び基板テーブルＷＴは同期的にスキャンされる一方、放射ビームに与えられるパターンがターゲット部分Ｃに投影される（すなわち単一動的露光）。パターニングデバイス支持体（例えばマスクテーブル）ＭＴに対する基板テーブルＷＴの速度及び方向は、投影システムＰＳの拡大（縮小）及び像反転特性によって求めることができる。スキャンモードでは、露光フィールドの最大サイズによって、単一動的露光におけるターゲット部分の（非スキャン方向における）幅が制限され、スキャン動作の長さによってターゲット部分の（スキャン方向における）高さが決まる。
３．別のモードでは、パターニングデバイス支持体（例えばマスクテーブル）ＭＴはプログラマブルパターニングデバイスを保持して基本的に静止状態に維持され、基板テーブルＷＴを移動又はスキャンさせながら、放射ビームに与えられたパターンをターゲット部分Ｃに投影する。このモードでは、一般にパルス状放射源を使用して、基板テーブルＷＴを移動させる毎に、又はスキャン中に連続する放射パルスの間で、プログラマブルパターニングデバイスを必要に応じて更新する。この動作モードは、以上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のプログラマブルパターニングデバイスを使用するマスクレスリソグラフィに容易に適用できる。

[0035] 上述した使用モードの組合せ及び／又は変形、又は全く異なる使用モードも利用できる。

[0036] リソグラフィ装置ＬＡは、２つの基板テーブルＷＴａ、ＷＴｂと、基板テーブルをその間で交換できる２つのステーション（露光ステーション及び測定ステーション）と、を有するいわゆるデュアルステージタイプである。露光ステーションで一方の基板テーブル上の１つの基板が露光されている間に、測定ステーションで他方の基板テーブル上に別の基板を装着でき、様々な準備ステップを実行できる。準備ステップは、レベルセンサＬＳを用いた基板表面制御のマッピングと、アライメントセンサＡＳを用いた基板上のアライメントマーカの位置の測定と、を含んでいてもよい。これによって、装置のスループットが大幅に増大する。位置センサＩＦが基板テーブルが測定ステーション及び露光ステーションにあるときの基板テーブルの位置を測定できない場合、第２の位置センサを提供して両方のステーションで基板テーブルの位置の追跡を可能にすることができる。

[0037] 図２に示すように、リソグラフィ装置ＬＡは、リソセル又はクラスタとも呼ばれることがあるリソグラフィセルＬＣの一部を形成し、それは基板上で露光前及び露光後プロセスを実行する装置も含む。従来、これらは、レジスト層を堆積させるスピンコータＳＣと、露光されたレジストを現像する現像器ＤＥと、チルプレートＣＨと、ベークプレートＢＫと、を含む。基板ハンドラ、すなわちロボットＲＯは入力／出力ポートＩ／Ｏ１、Ｉ／Ｏ２から基板を取り上げ、それを様々なプロセス装置間で移動させ、次にそれらをリソグラフィ装置のローディングベイＬＢに送出する。多くの場合まとめてトラックと呼ばれるこれらのデバイスは、トラック制御ユニットＴＣＵの制御下にあり、それ自体は監視制御システムＳＣＳによって制御され、それはリソグラフィ制御ユニットＬＡＣＵを介してリソグラフィ装置も制御する。したがって、スループット及び処理の効率を最大化するために様々な装置を動作させることができる。

小ターゲット暗視野メトロロジ
[0038] 本発明の第１の実施形態による暗視野メトロロジ装置を図３（ａ）に示す。ターゲット格子Ｇ及び回折光線の詳細を図３（ｂ）に示す。暗視野メトロロジ装置はスタンドアロンデバイスであってもよく、又は、例えば測定ステーションのリソグラフィ装置内ＬＡ又はリソグラフィセルＬＣに組み込まれていてもよい。装置全体にわたって幾つかの分岐路を有する光軸は点線Ｏで示す。この装置で、光源１１（例えば、キセノンランプ）から発せられた光は、レンズ１２、１４及び対物レンズ１６を備える光学システムによってビームスプリッタ１５を介して基板Ｗ上に誘導される。これらのレンズは、４Ｆ構成の二重シーケンスで配置されている。したがって、放射が基板に入射する角度範囲を、ここでは、（共役）瞳面と呼ぶ基板面の空間スペクトルを示す平面内の空間強度分布を定義することで選択できる。特に、これは、好適な形態の開口板１３を、対物レンズの瞳面の背面投影像である平面内のレンズ１２と１４の間に挿入することで実行できる。図示の例では、開口板１３は、１３Ｎと１３Ｓの表示が付いた異なる形態を有し、異なる照明モードを選択できる。この例の照明システムは、軸外照明モードを形成する。第１の照明モードでは、開口板１３Ｎは説明のためにだけ「北」と指定された方向からの軸外を提供する。第２の照明モードでは、開口板１３Ｓは同様ではあるが「南」の表示が付いた反対方向からの照明を提供するために使用される。異なる開口を用いることでその他の照明モードも可能である。瞳面の残りの部分は望ましくは暗い。これは、所望の照明モード外の不要な光が所望の測定信号と干渉するからである。

[0039] 図３（ｂ）に示すように、ターゲット格子Ｇは、基板Ｗを対物レンズ１６の光軸Ｏに対して垂直に向けて配置される。軸Ｏ外の角度から格子Ｇに入射する照明Ｉの光線が１つのゼロ次光（実線０）と２つの１次光（一重一点鎖線＋１と二重一点鎖線−１）とを生成する。図示の各々の光線は、メトロロジターゲット格子Ｇと、おそらくは、オーバフィルされた小ターゲット格子と、によって、測定プロセスに無関係なその他のフィーチャを含む基板領域を覆う多数の平行な光線の１つに過ぎないことに留意されたい。開口板１３は、有限の幅（有用な光量を受け入れるために必要な）を有するため、入射光線Ｉは実際、ある範囲の角度を占拠し、回折光線０及び＋１／−１は多少拡散する。小ターゲットの点広がり関数によれば、各次数＋１及び−１は図示の理想的な光線ではなく、ある範囲の角度にわたってさらに拡散する。格子のピッチと照明角は、対物レンズに入射する１次光が中央の光軸に正確に整列するように設計又は調整できる。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す光線は幾分軸外に示されているが、これはもっぱら図中での区別を容易にするためである。

[0040] 基板Ｗ上のターゲットによって回折される少なくとも０及び＋１の光線は対物レンズ１６によって収集され、ビームスプリッタ１５を通して元に誘導される。図３（ａ）を再度参照すると、第１及び第２の照明の両方が、北（Ｎ）と南（Ｓ）の表示が付いた直径方向に対向する開口を指定することで示されている。入射光線Ｉが光軸の北側からの時、すなわち、第１の照明モードが開口板１３Ｎを用いて適用されるときには、＋１（Ｎ）の表示が付いた＋１次回折光線が対物レンズ１６に入射する。これとは対照的に、第２の照明モードが開口板１３Ｓを用いて適用されるときには、（−１（Ｓ）の表示が付いた）−１次回折光線が対物レンズ１６に入射する。

[0041] 第２のビームスプリッタ１７は、回折ビームを２つの測定分岐路に分割する。第１の測定分岐路では、光学システム１８が第１のセンサ１９（例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサ）上にターゲットの回折スペクトル（瞳面画像）を０次及び１次回折ビームを用いて形成する。各回折次数の光線はセンサの異なる地点に入射するため、画像処理が各次数の光線を比較して対比することができる。センサ１９によって取り込まれた瞳面画像を用いてメトロロジ装置の合焦及び／又は１次ビームの強度測定の正規化に使用できる。また、瞳面画像を、本開示の主題ではない再構築などの多数の測定目的に使用することができる。しかし、本発明によれば、瞳面画像センサ１９は、第２の測定分岐路内の空間光変調器に適用する補正の較正にある役割を果たす。

[0042] 第２の測定分岐路では、レンズ２０、２２を含む光学システムは、基板Ｗ上のターゲットをセンサ２３（例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサ）上に形成する。第２の測定分岐路では、視野絞り２１と呼ばれる開口板が瞳面に共役な平面内に提供される。本発明の説明ではこの平面を「中間瞳面」と呼ぶ。視野絞り２１は０次回折ビームを阻止する役割を果たすので、センサ２３上に形成されたターゲットの画像は、−１又は＋１次ビームからのみ形成される。センサ１９及び２３によって取り込まれた画像は、その機能が実行中の測定の具体的なタイプに依存する画像プロセッサ及びコントローラＰＵに出力される。ここで使用する「画像」という用語は広範な意味で用いることに留意されたい。−１及び＋１次のいずれかのみが存在する場合、そのような格子ラインの画像は形成されない。

[0043] 本発明の第１の実施形態によれば、図３（ａ）の装置は、光学システムの結像分岐路の中間瞳面内の結像ビームに補正を適用するのに使用される空間光変調器（ＳＬＭ）２４を含む。この実施形態のＳＬＭ２４は、以下に詳述する較正ステップＳ０から得られる較正結果に従ってコントローラＰＵによって制御される。較正ステップは瞳画像センサ１９を使用し、主として瞳画像センサ１９を使用するメトロロジ方法で使用する較正測定と共用することができる。

[0044] ＳＬＭ２４は、視野絞り２１に隣接する平面内にあるように示されている。以降の実施形態では、視野絞りとＳＬＭの機能を組み合わせる方法が示される。当面の間、それらは別々であると見なしてよい。当業者には明らかなように、空間光変調器又はＳＬＭは、ＳＬＭデバイスの平面を横切って透過特性の所望のパターンに従ってそれを通過する放射を変調するように電子的に制御可能なデバイスである。通常、ＳＬＭデバイスは、ディスプレイデバイスに含まれるようなピクセルのアレイとして構成される。ディスプレイデバイスでは、ピクセルに割り当てられる値は閲覧者が感知するピクセルの明るさを示すが、ＳＬＭ２４の場合には、ピクセルに割り当てられる値はそのピクセルを通過する放射の減衰を決定する。ＳＬＭ２４のピクセルはセンサ２３の平面などの画像平面ではなく、中間瞳面内にあるため、ＳＬＭ２４内の所与の場所に加えられる減衰は、センサ２３によって測定される画像に寄与する一定の空間周波数成分を減衰させる。本発明では、透過型及び反射型を含む様々なタイプのＳＬＭを使用できる。それらの一部について以下に説明する。

[0045] 図３に示す開口板１３及び視野絞り２１の具体的な形態は例に過ぎない。以下に図示し説明する本発明の別の実施形態では、ターゲットの軸上照明を用い、軸外開口を有する視野絞りを用いてほぼ１次回折光のみをセンサへ透過させる。さらに他の実施形態では、１次ビームの代わりに、又はそれに加えて、２次、３次、及び（図３には示さない）さらに高次のビームを測定で使用できる。

[0046] 照明をこれらの様々なタイプの測定に適合させるために、開口板１３は、所望のパターンを所定位置に配置するために回転する円板の周囲に形成された幾つかの開口パターンを含んでいてもよい。代替的に又は追加的に、一組の板１３を提供し、交換して同じ効果を達成することができる。変形可能なミラーアレイ又は透過型空間光変調器などのプログラマブル照明デバイスも使用できる。照明モードを調整する別の方法として、可動ミラー又はプリズムを使用できる。

[0047] 開口板１３に関連して説明したように、結像のための回折次数の選択は視野絞り２１を変えるか、又は、異なるパターンを有する視野絞りで代用するか、又は、固定視野絞りをプログラマブル空間光変調器と交換する、ことで達成できる。その場合、測定光学システムの照明側は一定であるが、第１及び第２のモードを有するのは結像側である。したがって、本開示では、実質的に、２つのタイプの実施形態がある。すなわち、照明モードが変更される実施形態と、結像モードが変更される実施形態と、である。各々の場合に、所望の効果は同じであり、すなわち、ターゲットの回折スペクトル内で互いに対称的に対向する非ゼロ次回折放射の第１及び第２の部分が選択される。図３に示し上に説明した本発明の第１の実施形態は、照明モードが変更される第１のタイプである。以下に説明する第２、第３及び第４の実施形態は、第１及び第２の測定間で結像モードが変更される第２のタイプである。原則的に、次数の所望の選択は照明モードと結像モードとを測定間で同時に変更する組合せによって得ることができるが、これは利点がないのに欠点を持ち込む方法であり、詳述しない。したがって、大半の実施形態は、第１及び第２の測定間に照明モード又は結像モードを変更し、他方のモードを変更しないステップを包含する。

[0048] 本発明の例で結像に使用する光学システムは視野絞り２１によって制限される幅広の入口瞳を有するが、その他の実施形態又は用途では、結像システム自体の入口瞳のサイズは所望の次数まで制限できるほど小さく、視野絞りとしても使えるものであってもよい。以下のように使用可能な異なる開口板が図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示されている。当面、開口板１３Ｎが使用されると考えれば十分である。

[0049] 図４は、従来の基板上に形成された複合ターゲットを示す。複合ターゲットは、メトロロジ装置の照明ビームによって形成された測定スポット３１内にすべて収まり、すべて同時に照明され同時にセンサ１９及び２３上に結像されるように、密に配置された４つの格子３２〜３５を備える。オーバレイ測定に関する例では、格子３２〜３５自体が、基板Ｗ上に形成された半導体デバイスの異なる層内にパターニングされたオーバレイ格子によって形成された複合格子である。格子３２〜３５は、複合格子の異なる部分が形成される層の間のオーバレイ測定を容易にするために、異なった形に付勢されている。一例では、格子３２〜３５はそれぞれ＋ｄ、−ｄ、＋３ｄ、−３ｄのバイアスを有する。これは、格子のうち１つの格子のコンポーネントが、公称の場所に両方が正確に印刷された場合にコンポーネントの一方が他方に対して距離ｄだけオフセットされるように配置されるということを意味する。第２の格子は、完璧に印刷された場合、第１の格子とは逆方向にｄのオフセットがあるようにそのコンポーネントが配置されるなどである。図示されている格子は４つであるが、実際の実施形態では所望の精度を得るためにより大きいマトリクスが必要であろう。例えば、３×３アレイの９つの複合格子は、−４ｄ、−３ｄ、−２ｄ、−ｄ、０、＋ｄ、＋２ｄ、＋３ｄ、＋４ｄのバイアスを有していてもよい。センサ２３に取り込まれた画像内でこれらの格子の別々の画像が識別できる。

[0050] 図５は、図３（ａ）の開口板１３Ｎ又は１３Ｓを用いて、図３の装置内の図４のターゲットを用いてセンサ２３上に形成され検出される画像の一例である。瞳面画像センサ１９は異なる個別の格子３２〜３５を解像できないが、画像センサ２３はそれが可能である。２３の表示が付いた暗い矩形はその内部で照明された基板上のスポット３１が対応する円形領域４１に結像する、センサ２３上の画像の視野を表す。この中で、矩形領域４２〜４５は、小ターゲット格子３２〜３５の画像を表す。格子が製品領域内にある場合、製品フィーチャもこの画像内に見える。画像プロセッサ及びコントローラＰＵは、これらの画像を処理して格子３２〜３５の別々の画像４２〜４５を識別する。これはパターンマッチング技術によって実行され、したがって、画像をセンサフレーム内の特定の場所に極めて正確に整列させる必要はない。このように正確なアライメントの必要性を低減することで、測定装置の全体としてのスループットが大幅に向上する。しかし、鏡像力場全体にわたって結像プロセスが不均一になる場合、位置の変動によって測定結果が不正確になる可能性がある。同時係属出願のＵＳ６１／４１２，３８１号の主題である別の発明によれば、各格子画像が画像センサ２３の視野内に観察される位置に従って、測定された強度が補正される。

[0051] 格子の別々の画像が識別されると、それらの個別の画像の強度は、例えば、識別された領域内の選択されたピクセル強度を平均又は総計することで測定できる。画像の強度及び／又はその他の特性は互いに比較できる。これらの結果を組み合わせてリソグラフィプロセスの様々なパラメータを測定できる。格子ターゲットの非対称性を測定することで測定可能なオーバレイ性能はそのようなパラメータの重要な例である。

[0052] 図６は、図３の装置を用いて、格子３２〜３５を含む２つの層の間のオーバレイエラーが、＋１次及び−１次の暗視野画像内のその強度の比較によって判明するように、格子の非対称性によって測定される様子を示す。ステップＳ１で、基板、例えば、半導体ウェーハは図２のリソグラフィセルによって１回以上処理され、オーバレイターゲット３２〜３５を含む構造が作成される。Ｓ２で、照明極が１つだけ（例えば、板１３Ｎを用いた北）の図３のメトロロジ装置を用いて、格子３２〜３５の画像が１次回折ビームの一方のみ（例えば、＋１）を用いて得られる。次に、開口板１３を逆の照明モード（例えば、板１３Ｓを用いた南）へ変更することで、格子の第２の画像が他方の１次回折ビームを用いて得られる（ステップＳ３）。したがって、第２の画像内に−１次回折放射が取り込まれる。

[0053] ステップＳ２、Ｓ３で得られる画像は一般的に図５のようになる。すなわち、照明スポット３１の領域が−１又は＋１次回折放射のみを用いて円４１（−）内に結像され、個々の格子画像は４２（−）〜４５（−）の表示が付いている。各々の画像内の１次回折放射の半分だけを含むことで、ここで言う「画像」は従来の暗視野の微細な画像ではないことに留意されたい。個々の格子ラインは解像されない。各格子は、一定のグレイレベルの領域によって表されるだけである。次に、格子構造の非対称性、すなわち、オーバレイエラーをステップＳ４でプロセッサ及びコントローラＰＵによって決定できる。このステップで、各格子３２〜３５の＋１及び−１次の画像内で得られる強度値が比較されてその強度の差が識別される。ステップＳ５で、格子のオーバレイバイアスの情報から、これらの比較の結果を用いてターゲットＧの近傍における基板Ｗに影響するオーバレイエラーの量が決定される。

[0054] 通常、ターゲット格子は、南北又は東西に延びる格子ラインに整列する。すなわち、格子は、基板Ｗの南北又は東西方向に整列する。開口板１３Ｎ又は１３Ｓは一方向のみ（設定によってＸ又はＹ）に配向された格子を測定するためにのみ使用されることに留意されたい。直交格子の測定の場合、９０°〜２７０°の回転を実行できる。しかし、より便利には、「東」又は「西」からの照明が図３（ｃ）に示す開口板１３Ｅ又は１３Ｗを用いて照明光学系内に提供される。開口板１３Ｎ〜１３Ｗは別々に形成し交換可能であり、より大きい板上の異なる位置にあるパターンとして形成して選択したパターンを所定位置に摺動し又は回転でき、又はそれらは９０°、１８０°又は２７０°回転可能な単一の開口板であってもよい。上記のように、照明開口板１３に代えて、３（ｃ）に示す軸外開口を視野絞り２１内に提供してもよい。その場合、照明は軸上にある。

[0055] 図３（ｄ）は、第１及び第２のペアの照明モードを組み合わせるために用いる第３の開口板のペアを示す。開口板１３ＮＷは北と西の開口を有し、開口板１３ＳＥは南と東の開口を有する。これらの格子の一方は開口板の東と西の部分からの光を回折し、他方の格子は北と南の部分からの光を回折する。これらの異なる回折信号の間のクロストークが大きすぎなければ、照明モードを変更することなくＸ及びＹ格子の両方を測定できる。

[0056] 基板全体にわたって幾つかのターゲットを測定する場合、所与のハードウェア設定で最大のスループットと精度とを達成するための測定のシーケンス設定には様々な可能性がある。例えば、ターゲット毎にステップＳ２及びＳ３を実行し、照明モードを切り替えて、次のターゲットに移ってもよい。切り替え動作を最小限にするために、１つのターゲットについてステップＳ２、Ｓ３の順に実行し、次のターゲットについてステップＳ３、Ｓ２の順に実行してもよい。あるいは、基板上の全ターゲットについて、又は一定のターゲットのグループについてステップＳ２を実行し、照明モードを切り替えて、全ターゲットについてステップＳ３を実行してもよい。画像は、コントローラＰＵ又は外部記憶装置内に記憶できる。画像に対応するターゲットＩＤ及び照明モードで索引又は表示が付いていれば、画像を得る順序は後続の処理にとって重要ではない。

ツールの非対称性及びＳＬＭを用いた非対称性制御
[0057] 上に述べた例示のプロセスでは照明モードが変化して入射角を１８０°回転させるため、−１及び＋１次を用いて作成した画像の強度の差は完全にターゲット格子内の非対称性、すなわち、オーバレイエラーに帰せられるはずである。しかし、光学システムは減速として一定であるが、実際には光学要素、特に対物レンズ１６を通過する光路の差によって測定装置によって変わる強度の差が導入される。これらの差は、測定ツールとしてある理論的に理想的な又は「完璧な」スキャトロメータの代わりに実際のスキャトロメータを使用することによる。これらの差は、オーバレイ又はその他の測定結果をツールが引き起こすエラーにさらす。これらのエラーを解消するには、測定ステップＳ２及びＳ３の間で測定光学システムを全く変更せず、基板を１８０°回転させるという方法がある。残念ながら、測定間の回転ステップは、プロセスのスループットを低減する遅延を導入する（また、２つの画像間の測定条件があるコンポーネント内のドリフトによって理想的でないリスクが増大する）。

[0058] したがって、本発明者らは、基板を回転させる負担なしに、オーバレイ、非対称性などを正確に測定するために、結像モード及び照明モードの変更時に光路の特性の差によって引き起こされる上記のツール依存エラーの一部又は全部を補正するためにどのような手段を採用できるか考慮した。

[0059] 図６を再度参照すると、ステップＳ０、Ｓ２ａ、Ｓ３ａ及びＳ４ａによって表される較正及び補正プロセスが上記のステップＳ１〜Ｓ５の測定ステップと並んで示されている。較正及び補正方法を簡潔に述べると、ステップＳ０の較正プロセスは、小ターゲット暗視野非対称性の測定が実際に行われる画像センサ２３を含む分岐路ではなく、瞳画像センサ１９を含むスキャトロメータの分岐路を用いて実行される。較正測定は、ステップＳ２、Ｓ３での暗視野画像強度測定に使用される同じ照明開口１３を用いて、大きい（例えば、４０×４０μｍ^２の）格子上で実行される。格子ピッチ、波長及び偏光もステップＳ２、Ｓ３で適用されるものと同じである。格子が２つの層又は特定のオーバレイを有する必要はない。較正ステップＳ０の例を、図７及び図９を参照しながら以下に図示し説明する。

[0060] ステップＳ２ａでのターゲットの実際の測定中、ＳＬＭ２４は較正プロセスで決定された補正パターンでプログラミングされ、ステップＳ２で実行される−１次画像測定に適当である。同様に、ステップＳ３ａで、ＳＬＭ２４は、ステップＳ３での＋１次スキャトロメトリ画像の測定前の第２の照明モードに適当な補正パターンで設定される。これらの補正パターンは、検査装置の「非対称マップ」と見なされる。

[0061] ステップＳ４ａは、スキャトロメータの視野内の小ターゲットの位置の変動によって引き起こされる光路の差の補正を表す。この位置補正に関して、較正ステップＳ０は、異なる較正測定間の視野３１内の異なる位置に配置されたターゲット上の複数回の較正測定を実行するステップを含む。補正ステップＳ４ａは、コントローラＰＵ内のソフトウェアによって実行される。この位置補正は、本出願人の同時係属出願のＵＳ６１／４１２，３８１号（整理番号Ｐ−３７４６．０００−ＵＳ）に記載されている。ここでは位置補正については詳述しない。較正ステップＳ０は常に、ステップＳ２及びＳ３で適用され、以下に詳述する２つの照明モード又は結像モードのための瞳ベースの非対称性マップの獲得ステップを参照する。

[0062] 図７は、図面の上の長方形によって表される瞳面画像センサ１９によって実行されるピクセル強度測定を用いて、ページの下の長方形によって表され、基板画像センサ２３の中間瞳面内に位置するＳＬＭ２４内のピクセルの場所に適用される補正係数が誘導される較正測定の原理を示す。瞳画像センサ１９は、ｕ、ｖと印された１対の座標によってインデックスされるピクセルの長方形のアレイ７０として構成される。ｕ及びｖ座標の方向は装置のＸ及びＹ軸に対応するが、センサ１９は対物レンズ１６の共役瞳面内にあるため、ｕ及びｖ座標上の位置は基板平面内の地点ではなくターゲットの回折スペクトル内の空間周波数に対応する。点線の円７２は、中間瞳開口絞りを通って２３上で検出された画像へ向かって移動する対物レンズ１６の瞳の角度範囲を表す。中間開口絞りは、最大で回折後の開口１３Ｎと１３Ｓの交点と同じ大きさであり、開口１３Ｎと１３Ｓは、瞳面の中心で部分的に一致する。光軸Ｏの場所はスポットで示される。ベクトル

は、アレイ７０内の特定のピクセル７４の位置を示す。このピクセルは黒で網掛けが施されている。ピクセル７４と対称的に対向する７６の表示が付いた別のピクセルが白く網掛けされ、光軸上の原点Ｏからのベクトル位置は

である。光軸Ｏを中心に対称の回折スペクトルの場合、これらのピクセルはスペクトルの対称的に対向する部分を記録する。

[0063] 図の右側に概略的に示すように、ステップＳ０で、スキャトロメータの視野内に位置する正確に画定されたターゲットを用いて、第１に基板平面内のゼロ角度の回転によって、第２に１８０度（π）の回転によって、各ピクセルでの強度Ｉ（ｕ，ｖ）の較正測定が実行される。図面の表示のＲＺはＺ軸周りの回転を指す。ターゲットの２つの回転と、瞳面ピクセルアレイ７０の対称的に対向するピクセル位置の強度と、を比較することで、光学システムの非対称性を計算して２つのピクセルの平均強度に対する非対称性の値δを得ることができる。０及び１８０度のウェーハ回転での＋１次強度又は０及び１８０度のウェーハ回転での−１次強度のいずれかを得れば十分であることに留意されたい。例示的実施形態では、２つの強度の各々を、すなわち、計４つの強度を含む両方の組を用いてより堅牢な較正を実行できる。

[0064] 瞳画像センサのピクセルアレイ全体にわたるこの非対称性マップは、ピクセル位置ｕ、ｖに対応する補正係数ｆのアレイに変換される。次にこのマップは、必要に応じて、ＳＬＭ２４のピクセルアレイ８０内のピクセル位置ｕ’、ｖ’の補正係数ｆのマップに変換される。座標ペアｕ’、ｖ’は原則として座標ｕ、ｖと同一であってよいが、センサ１９と比較して、ピクセル数（サンプリング濃度）の差及びＳＬＭ２４内の２つの瞳面の間の可能な回転について、許容差を設ける必要がある。補正係数ｆは、座標ｕ’、ｖ’によって直接インデックスされる２次元アレイ内に記憶できる。補正係数ｆはベクトル

によって、又はその他の任意の所望の形式でインデックスできる。ＳＬＭ２４は放射を減衰するだけで増幅はできないため、補正値をスケールダウンしてからＳＬＭ２４に適用して、１を表す何らかの値よりも大きい補正係数と小さい補正係数の両方を適用する余地を確保できる。

[0065] 較正及び補正プロセスの詳細な説明に理論的な根拠と表記法とを与えるために、＋１及び−１次の各ピクセルの検出された強度Ｉ_±１の式から始める。この式は、一方のピクセルが＋１次に属し他方のピクセルが−１次に属するセンサ１９によって検出された瞳面画像内の所与のピクセルペアに適用される。瞳面内では、両方のピクセルが原点Ｏを通る地点反転によって関連する。ピクセルペアの対向するピクセルについて対物レンズ１６を通る２つの光路のスキャトロメータの透過特性はＴ（１±δ）で表される。さらに、

を透過における非対称性について補正されたそれぞれの第１次数の理想的な強度とする。共通透過率Ｔは実際に対称であり、本発明の説明では特に取り上げない。この値は１に等しくてもよい。

[0066] 図７を参照すると、図の左側はターゲット格子８２上の４つの較正測定の性能を示す。この較正プロセスの基板Ｗは、製品ウェーハであっても、又は特別の較正基板であってもよい。上記のように、較正ターゲット格子８２は図４に示すオーバレイ測定格子３２よりも大きい格子であり、検査装置の照明スポット３１よりも大きい。各々が異なる条件下で実行され、それぞれの強度値を較正計算に供給する４つの測定ステップＭ１〜Ｍ４が示されている。２つの測定Ｍ１、Ｍ２が、好ましくは、ゼロ度と呼ばれる第１の回転角度の基板Ｗで実行される。別の測定ペアＭ３、Ｍ４が基板で実行され、格子８２は１８０度（π）回転する。各々の測定ペアで、オーバレイ測定において照明モードの各々を用いて１つの測定が実行される。図３（ａ）に示す装置の場合、図は例えば開口板１３Ｅ及び１３Ｗの測定に対応する。測定Ｍ１の図を参照すると、円は瞳画像センサ１９内に記録された瞳画像７２を表す。開口板１３内の開口のゼロ次画像が８４で示されている。所定のピッチを有する格子によって引き起こされる回折のために、１次回折信号が８４’で示す瞳画像内の一定量によって変位された開口の複製として出現する。この領域８４’内の１つのピクセルの強度は、開口８４内の小さい円によって示される位置から生成される照明に対応する＋１の回折次数の強度を含む。同じパターンが、画像分岐路の中間瞳面内に出現する。位置８４で発生するゼロ次回折放射は、視野絞り２１によって測定中に阻止される。回折された開口８４の領域にわたって集積した黒の強度は、強度測定値

を提供する。

[0067] 例えば、１３Ｅから１３Ｗに開口を変更して、測定ステップＭ２が実行されてゼロ回転の−１次数の強度が測定される。図から分かるように、各測定の各ピクセルは、これらの図で小さい点線の四角形で示される光軸の反対側に対称的に配置されたピクセルを有する。

[0068] 測定Ｍ１、Ｍ２が実行されると、基板Ｗは回転し、格子８２は再び検査装置の視野内に収まる。測定Ｍ３及びＭ４は、それぞれＭ１及びＭ２と全く同じ方法で実行される。しかし、格子は１８０°回転しているので、測定Ｍ３では−１次強度が得られ、測定Ｍ４では＋１次強度が得られる。２つの１次数のどちらに＋１を表示し、どちらに−１を表示するかは任意選択である。問題は、格子を１８０°回転させることで、逆の次数が瞳画像７２内の同じピクセル位置に持ち込まれるということである。したがって、測定Ｍ１〜Ｍ４の結果を組み合わせて、計器自体に起因する非対称性、特に測定間の異なる照明モードで使用される異なる光路に起因する非対称性を計算し、補正係数ｆを用いて補正することができる。

[0069] 較正プロセスで、測定Ｍ１及びＭ２はそれぞれ次式で表される。

[0070] ウェーハ（基板）回転πでの測定Ｍ３、Ｍ４では、＋１及び−１次数の光路が交換されて以下が測定される。

[0071] 上記のように、これらの強度は、センサ１９の各ピクセルについて別々に測定される。これらの強度測定値から、以下の式において４つの強度全部を用いてピクセル当たりのセンサの非対称性δを計算することができる。

[0072] この手順を用いて、１次数の各ピクセルペアについてツールの非対称性δを一度だけ較正でき、これは基板を１回だけ１８０°回転して（π分だけ）達成できる。その後、ＳＬＭ２４を用いて小ターゲット格子について測定した強度を補正して基板を回転させることなくオーバレイ値を得ることができる。補正係数ｆ_＋１及びｆ_−１は、（瞳面内のピクセル毎に）この式を０ウェーハ（基板）回転で実行される測定に適用することで得られる。

したがって、

[0073] 上述したように、非対称性は、ステップＳ２及びＳ３で測定された小格子３２などの暗視野画像４２などにわたって平均した強度に基づいてステップＳ４で得られる。パーセバルの定理によれば、非対称性は開口全体にわたって中間瞳面内の強度を平均することでもモデル化できる。４つの格子３２〜３５が含まれる図４の複合ターゲットなどのターゲットを考える。各々にオーバレイバイアス＋ｄ及び−ｄを有するＸ方向の格子のペアとＹ方向の格子のペアがあってもよい。図７に示す表記法を用いて、

が所与のピクセルの場所

における照明モードのツールによって引き起こされる非対称性を表すことを思い出し、０度の基板回転の場合にステップＳ４での各ピクセルペアについて＋ｄ及び−ｄバイアスされた格子に関して発見される非対称性は以下の通りである。

一方、基板回転πの場合、＋ｄ及び−ｄバイアスされた格子に関して発見される非対称性は以下のようになる。

[0074] 上記の２つの式の各々の右辺の第一項は、所望の差／非対称信号である。各式の右辺の第二項は、

によってモデル化されるツールの非対称性による不要な擾乱である。ピクセル当たりのツールの非対称性は＋１及び−１の回折次数の総計に結合し、各項は視野絞り２１内の開口にわたって平均されることに留意されたい。この結合のために、ツール誘導の非対称性の効果は、プロセス条件、例えば、オーバレイ格子の最上部と最下部の格子の間の層の厚さに依存する。言い換えれば、異なるプロセス条件によって、導出された非対称性内に異なるオフセットが生じることがある。０及び１８０度という２つの回転の間の第１次の非対称性内のツール誘導オフセットはΔＡ^±ｄで示すことができる。

[0075] 開口全体にわたる平均のために、ツールの非対称性は、測定されたターゲットの非対称性値の１回の較正では補正できない。しかし、上記の

及び

を求める式の総計を得て、０及びπのウェーハ回転を有効に平均することで、ツールの非対称性

による項は完全に打ち消され、較正ステップＳ０及びＳＬＭ２４を用いた瞳面内の補正が可能になる。

第２の実施形態
[0076] 図８は、異なる照明モードではなく、異なる結像モードで得た暗視野画像から非対称性測定を実行する上記の代替タイプの本発明の第２の実施形態を示す。変更された照明開口板１１３は、もっぱら例示として、軸上照明を提供し、一方、視野絞り１２１は、非対称性、すなわち、画像センサ２３上の暗視野画像に寄与する回折放射の次数を選択する形態をとる。視野絞り１２１は、例えば、第２の測定（ステップＳ３）のために１２１Ｓで示された形態へ変更された第１の画像を記録する（ステップＳ２）ために１２１Ｎに示す形態をとることができる。したがって、＋１次と−１次ビームの両方がセンサ２３上に暗視野を形成するように延在する鎖線の光線として図示されているが、これらの光線のうち一方だけが各測定ステップでセンサに到達でき、他方は視野絞り１２１によって阻止される。

[0077] こうして、ステップＳ２及びＳ３での測定は、照明分岐路で第１及び第２の照明モードを用いるのではなく、スキャトロメータの結像分岐路で第１及び第２の結像モードを用いて実行される。ＳＬＭ１２４は、再度スキャトロメータの結像分岐路の中間瞳面内の視野絞り１２１に隣接して配置される。

[0078] 図８（ｂ）に示すように、この例の入射照明Ｉとゼロ次回折放射０は光軸Ｏ上又はその付近に整列する。＋１及び−１の回折次数は、光軸Ｏの両側に角度をなして対称に回折する。センサ１９上に投影された瞳面画像内で、ゼロ次（鏡面）光線に対して対称的に逆の角度で出現するこれらの＋１及び−１の回折次数は、センサ１９のピクセルアレイ７０内の別々の領域上に結像する。視野絞り１２１とＳＬＭ１２４が位置する画像センサ分岐路の中間瞳面では、＋１及び−１の回折次数が放射ビーム全体の様々な場所に出現する。

[0079] 図８（ｃ）及び図８（ｄ）は、異なる軸に沿って配向されたターゲット格子を分析するための第３及び第４の結像モードを提供する際に使用する代替形態の開口板１２１を示す。図８（ｄ）は、２つの直交方向に格子の結像モードを組み合わせる代替の視野絞りを示す。これらの形態は、図３（ｃ）及び図３（ｄ）の開口板の形態に極めて近いものと理解されよう。この段階ではこれ以上詳述しない。

[0080] 図９は、開口板１１３による照明下での回転又は非回転のターゲットを用いた較正測定を概略的に示す。スキャトロメータの応答内の非対称性がセンサ１９によって瞳面内で再度測定され、この非対称性を用いて補正係数ｆ（ｕ，ｖ）が導出され、この係数を用いてユニットＰＵがＳＬＭ１２４を駆動して、それが位置する中間瞳面内の各ピクセル位置を通過する放射を多かれ少なかれ減衰させる。中央の開口を有する開口板１１３はゼロ次画像１８４及び１次画像１８４’を生成し、ここで、較正のための強度がステップＭ１〜Ｍ４で測定される。

[0081] 視野絞り１２１が第１及び第２の測定（第１及び第２の結像モード）の間で変更されるときには、光路は、ＳＬＭ１２４の非重畳部分を通過することに留意されたい。したがって、ツールの非対称性を補正するためにＳＬＭ１２４に適用されるパターンは、この実施形態ではステップＳ２ａとＳ２ｂの間で変更する必要はない。ＳＬＭ１２４の様々な部分を関連する結像モードのための補正係数で事前プログラミングすることができる。関連する領域外のＳＬＭの部分はプログラミングする必要がない。

第３の実施形態
[0082] 図１０は、第３の実施形態を示す。この図は、視野絞りとＳＬＭの機能が単一のＳＬＭ２２４に組み合わされている点を除いて、図８の実施形態と同様である。図では、ＳＬＭ２２４の２つの代替の状態に２２４Ｎと２２４Ｓの表示がされている。これらの異なる状態は、ユニットＰＵがＳＬＭ２２４を制御する際にユニットＰＵによって設定され、北又は南の開口を有する視野絞りと、各モードに必要な開口内に収まるピクセル位置について計算された補正係数ｆ（ｕ，ｖ）による減衰と、の両方の機能を実行する。

[0083] 図１１は、（ａ）及び（ｂ）で、視野絞り１２１の様々な形態を用いて、暗視野の小ターゲット画像を捕捉できるターゲット範囲及び照明モードを拡張する方法を示す。ＳＬＭを使用することなく様々な形態の視野絞りを提供できるが、ＳＬＭの使用によってハードウェアの変更なしにあらゆる開口パターンをプログラミングでき、開口パターンをほとんど瞬間的に切り替えることができ、実際に融通性を向上させることができる。

[0084] 図１１（ａ）の例では、図示の開口板１３は図１０及び前出の図と同じ形態を有する。すなわち、照明は光軸上の中央の開口９０を介して提供される。従来と同様に、この形態の開口はパラメータ０．０／０．５で特徴付けられる。これは、開放部分が原点（０．０）に中心を有し、対物レンズ１６の瞳の周縁の半分まで延在する（０．５は半分を表す）ことを示す。図１１（ａ）の中央部には、一定のピッチの格子を有するターゲットから得た瞳画像センサ１９に記録された画像が示されている。この画像の中央の明るい円は、普通は光軸に沿って反射して瞳の周縁へ向かって各方向に半分まで戻るゼロ次回折照明を示す。この画像を生成するために使用するターゲットは図４に示すタイプの複合ターゲットである。この例の複合ターゲットはＸとＹ方向の格子コンポーネントを両方有し、したがって、１次回折の４つの領域がセンサ２３上の画像で上下左右で識別される。ターゲットは、例えば＋ｄ及び−ｄのオーバレイバイアスを有するＸ方向の格子ペアと、＋ｄ及び−ｄのオーバレイバイアスを有するＹ方向の格子ペアと、を含んでいてもよい。ターゲット格子は、例えば波長が５５０ｎｍの照明下で７５０ｎｍのピッチを有していてもよい。

[0085] 図１１（ａ）の右側に、視野絞り１２１の４つの代替形態が示され、その各々は中央の画像に示す「自由１次」回折信号の１つを選択するように構成されている。選択される部分は「自由１次数」と呼ばれ、その他のいかなる回折次数にも重畳されないことを意味する。

[0086] 図１１（ｂ）は、今回はパラメータ０．７／１．０を有する第２の形態の開口板１３を示す。これらのパラメータによれば、開口は光軸から瞳の周縁までの０．７の位置から開始して周縁まで延在する環状リングである。ターゲット格子は、例えば波長が５５０ｎｍの照明下で５００ｎｍのピッチを有していてもよい。矢印９６によって示すように、この環状モードの照明を用いることでセンサ１９上の画像内に明るい環状のゼロ次部分が生まれる。４つの１次回折信号の各々は環のセグメントになり、これら４つのセグメントは図示のパターンで互いに、及び／又はゼロ次信号に重なる。この構成では、４つの自由１次信号は、比較的中央付近の画像の比較的小さい台形部分に出現する。矢印９８で示すように、開口板１２１は４つの異なる形態をとることができ、３つの１次の各々を個別に選択できる。

[0087] 図３（ｂ）及び図８（ｄ）の例と同様、Ｘ方向に回折した１次の１つであると同時にＹ方向に回折した別の１次の１つである開口板の別の形態が考えられる。想像できるように、視野絞り１２１内にこれらの様々なサイズ及び形状の開口を提供できることで、より広範囲の回折格子、照明角及び照明波長を活用してオーバレイなどのターゲット特性の最良の可能な測定を得ることができる。視野絞り１２１の機能がＳＬＭ２２４などのプログラマブル空間光変調器によって実施される図１０のようなある実施形態では、スループット又は装置のサイズ及びコストの点に関して、様々なこの視野絞りパターンを提供するのに不利な点は存在しない。

第４の実施形態
[0088] 照明及び／又は結像モードで使用される光路間の差の補正／較正にＳＬＭを使用することに加えて、ＳＬＭを用いて上記の方法よりも測定からより直接的に「フィーチャ抽出」又は「パラメータ抽出」を実施できる。すなわち、上記の方法は補完的な回折次数間の非対称性を測定し（ステップＳ４）、この非対称測定と一定の較正から、オーバレイなどの別のパラメータが予想される（ステップＳ５）。第４の実施形態では、ＳＬＭは、観察された非対称性が測定対象の構造又はリソグラフィプロセスのパラメータをより一般的に直接表すように、強度の特定の空間変動でプログラミングされる。このようなパラメータは、例えば、合焦であってもよい。あるいは、スキャナパラメータに関する限り、ドーズ量又は照明パラメータであってもよい。また、フィーチャパラメータに関する限り、オーバレイ又は側壁角度であってもよい。参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする本発明者の公開特許公報ＷＯ２０１０／０７６２３２Ａ２号では、ターゲット内のライン構造の異なる左及び右側壁角度（ＳＷＡ）などの印刷されたターゲットのプロファイルの非対称性によって引き起こされる散乱光の高次数の非対称性を用いて合焦を測定する方法が開示される。

[0089] 参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする本発明者の公開特許出願ＷＯ２０１０／１３０６００Ａ１号では、スキャトロメトリスペクトルと合焦の測定された非対称性の間の関係を決定する方法が開示される。この方法では、各々が基板上のリソグラフィ装置の合焦の異なる関数として変化する対向する側壁角度の間の非対称性などの少なくとも１つのフィーチャを有する２つの周期的構造がリソグラフィ装置によって基板上に形成される。フィーチャの各々の非対称性の比率を用いてリソグラフィ装置の処理条件から独立した基板上の合焦の値を決定できる。

[0090] 上記の方法のいずれかで、様々な照明モードでの回折スペクトルが画像センサ２３ではなく、瞳画像センサ１９を用いて測定される。例えば主成分分析を含む機械学習技術を回折ベースのオーバレイによって非対称性の測定に適用できることが認識されている。この方法は検出された回折スペクトル全体にわたって非２値の重み付けパターンを画定し、感度を合焦などの所望の対象とするパラメータに拡張するステップを含んでいてもよい。しかし、既知の暗視野結像方法、特にオーバフィルされた小ターゲットを使用する方法では、回折スペクトルは直接測定されず、又は測定のためにアクセス可能でなく、そのような技術は一目で除外される。

[0091] 本発明者は、非２値の減衰パターンを有する共役瞳面内に空間光変調器（ＳＬＭ）を配置することで、小ターゲットを使用する測定を含む暗視野結像ベースの測定に上記方法と同じ原理を適用できることを認識した。側壁角度などの非対称性に合焦変動を描画するように構成されたターゲットと連携して図１２の方法によるＳＬＭパターンの機械学習（訓練）を用いて、合焦などの選択されたパラメータを小ターゲットから直接測定できる。

[0092] 図１２を参照すると、図６のフローチャートの修正版であって、例えば図３と同じ装置を用いて実行可能な第４の実施形態による方法が示されている。図３のプロセスとの差は次の通りである。ＳＬＭを較正してモード間の光学システムの性能の差を補正するステップＳ０は所望であれば実行できる。しかし、さらに、新しいステップＳ０’を実行して対象とする１つ以上のパラメータに関して装置を較正できる。上述したように、これらのパラメータは、合焦、オーバレイ、又はクリティカルディメンション若しくは側壁角度であってもよい。

[0093] そのようなパラメータと回折スペクトルとの関係は極めて複雑である。したがって、合焦などを直接読み出せる減衰パターンを得る手順は些細なステップではない。しかし、主成分分析（ＰＣＡ）などの機械学習技術を構造及び測定の訓練セットに適用し、それによって、最適な減衰パターンを進化させて後の使用のために記憶できる。格子又はその他の構造自体、及び／又は一定の処理ステップを具体的に構成して検討対象のパラメータ又は特性を測定で感知可能にすることができる。このプロセスはステップＳ０’の基礎である。これは、ターゲットの訓練セットを（１つ以上の基板上に）提供し、測定ステップＳ１〜Ｓ４などを繰り返して、図６のセンサ方法で多数の異なる回折画像を得ることで実行できる。訓練セットは、対象とするパラメータを含み、その特性（パラメータ）が先験的に、又は他の測定技術によって知られている様々なパラメータが変動するターゲットを含む。視野絞り２１及びＳＬＭ２４によって表される共役瞳面内の回折スペクトルのある部分を選択的に減衰させることで、センサ２３上の画像はある種のパラメータ（例えば、側壁角度）の非対称性の変動をより感知可能にし、他のパラメータ（例えば、層の厚さ）をより感知しないようにできる。

[0094] 対象とする特定のパラメータの減衰パターンを得た後で、このパターンはステップＳ２ａ’及びＳ３ａ’でＳＬＭ２４のピクセル位置に適用され、また上記ステップは、上記実施形態に関連して説明した照明モード又は結像モードに固有の任意の所望の補正及び／又は視野絞りパターンを適用する（オプションとして、これらの異なる機能を、各々がこれらのステップで設定が実行される直列に配置された別々のＳＬＭに割り当てることができる。また、照明開口１３に含まれていてもよい他の共役瞳面内で減衰を適用できることに留意されたい）。

[0095] パラメータ固有の減衰パターンを有する画像ペアが得られると、組合せステップＳ４’／Ｓ５’が実行されて、差の画像（図６のステップ４のような）が計算され、所望のパラメータ（ＳＷＡ、合焦など）を表す値が直接得られる。すなわち、ステップＳ０’の訓練プロセスとステップＳ２ａ’及びＳ３ａ’のＳＬＭ２４による減衰パターンの適用とを実行して、センサ２３を用いて記録した−１及び＋１次の画像の強度の間で観察される差を実質的に対象とするパラメータの直接の尺度とすることができる。非直線較正関数を介した別の変調はもはや不要であり、又は簡単化される。

[0096] 図１３（ａ）は、下記の第４の実施形態の一例で開口１３によって適用される特定の照明モードを示す。その他の開口に好適な変更を加えて使用でき、図１３（ａ）のパターンを本明細書に記載する第１〜第３及び第５の実施形態の変形形態で使用できる。図１３（ａ）に示す特定の照明モードは、本発明者の公開特許出願ＵＳ２０１０／２０１９６３Ａ１号から知られている対称性のセグメント化された照明パターンである。ａ及びｂの表示が付いた直径方向に対向する２つの四分円は、この照明パターン内で明るく（開口１３の透過部分）、残りの２つの四分円は暗い（不透明部分）。

[0097] 図１３（ｂ）は、開口によって提供された照明パターンが図１３（ａ）のａ及び／ｂの表示が付いた明るい四分円を有するときに、簡単なターゲット格子Ｇから得られる回折パターン（スペクトル）を示す。このスペクトルには、ａ_０及びｂ_０の表示が付いたゼロ次反射に加えて、ａ_−１、ａ_＋１、ｂ_−１及びｂ_＋１の表示が付いた−１及び＋１次回折信号が見える。この回折パターンと、それをスキャトロメトリのために活用できる方法と、が公開特許出願ＵＳ２０１０／２０１９６３Ａ１号に詳述されている。簡単に言うと、ここで、照明開口のその他の四分円は暗く、より一般的には、照明パターンは１８０°の回転対称形であるため、回折次数ａ_−１及びｂ_＋１は「自由」であり、これは照明開口の他の部分からのゼロ次又はより高次の信号と重ならないということを意味する。セグメント化された照明パターンのこの特性を活用して、従来の円対称の照明開口を用いた場合に結像可能な最小ピッチの半分のピッチを有する回折格子から雑音がない１次信号を得ることができる。共役瞳面の別々の部分に別個の＋１及び−１次回折信号が存在するという事実は、照明モードを変更することなく、視野絞り２１、１２１及び／又はＳＬＭ２４、１２４、２２４を用いてそれらの信号を選択できるということを意味する。

直接のフィーチャ抽出の例：合焦
[0098] 第４の実施形態の潜在能力と用途とをよりよく理解するために、以下に例示的に、図３の計器などのスキャトロメータの暗視野結像分岐路内で製品上のターゲットとＳＬＭとを用いて合焦などのパラメータを測定する方法について説明する。機械学習技術の一例として、主成分分析が使用される。ウィキペディアによれば、「主成分分析（ＰＣＡ）」は、直交変換を使用して、可能であれば補正された変数の測定値のセットを主成分と呼ばれる関連性がない変数の値のセットに変換する数学的手順である。主成分の数は、元の変数の数以下である。この変換は第１の主成分ができるだけ大きい変動性を有し（すなわち、データ内の可能な限り最大の変動性を示し）、次に各後続の成分が先行の成分に対して直交する（関連性がない）という制約条件下でできるだけ大きい変動性を有するように定義される。主成分は、データセットが共同で正常に分布する場合にのみ独立であることが保証される。ＰＣＡは、元の変数の相対スケーリングを感知する。ＰＣＡの実施はＭＡＴＬＡＢなどの一般の数学ソフトウェア製品でサポートされているので、ここでは詳述する必要がない。例えば、周知のＭＡＴＬＡＢ統計ツールボックスでは、関数「ｐｒｉｎｃｏｍｐ」及び「ｗｍｓｐｃａ」は主成分を提供し、関数「ｐｃａｒｅｓ」は、残余と低ランクＰＣＡ近似のための再構築されたマトリクスとを提供する。

[0099] 第１のステップとして、瞳画像センサ１９を用いてスキャトロメトリ内にＰＣＡを適用する方法を考えて、センサ画像の各ピクセルの瞳座標

を定義した。この座標は、上記の第１の実施形態の説明ではベクトル

に有効に対応する。瞳面画像内では、瞳座標

における非対称性

のＰＣｉという表示のｉ番目のＰＣＡ成分が

という表示のｉ番目のＰＣＡの「固有画像」上へのその投影によって得られる（ここで、添え字は、ＴＥ又はＴＭ入力偏光のどちらを有する照明を使用するかを示す。この添え字は、以下の説明では話を分かりやすくするために省略する）。式の形式では、ＰＣＡ成分は以下のように得られる。

ここで、Ｉ^±１ｓｔは、瞳内の＋１及び−１の回折次数の検出された強度を示す。

[00100] 図１４は、図１２の方法で同じ原理が暗視野結像分岐路に適用される様子を示す。座標（ｕ’，ｖ’）によってＳＬＭ２４内のピクセルをアドレス指定して瞳座標

に従ってアドレス指定することで、図示のようにピクセル毎に変動する減衰パターンを用いて中間瞳面にＳＬＭ２４をプログラミングする。円１３００は、ＳＬＭ２４が位置する瞳面内の瞳の範囲を表す。右側のスケールは、ＳＬＭ２４内の個別のピクセル位置１３０２、１３０４に設定可能な様々な透過レベルＴを示す。すべてのピクセルが個別に描かれている訳ではなく、図の黒い領域は完全に不透明な（Ｔ＝０）ピクセルを表す。したがって、図示の状態のＳＬＭ２４は、３つの四分円で完全に不透明であり、上の左側の四分円内に非２値の透過（減衰）パターンが存在する。

[00101] １次暗視野検出のための振幅透過のパターンは、以下の関数

に従ってｉ番目のＰＣＡ成分についてプログラミングできる。

ここで、ｃ^ｉは平方根に入った引数が正であるように正の定数である。関数

は有効には空間フィルタ関数であり、各測定ステップ（図１２のＳ２、Ｓ３）に対して１つのフィルタ関数がある。図１４を参照すると、不透明でないピクセル１３０２、１３０４などは、回折スペクトルのａ_−１部分が位置する四分円に対応する領域１３０６内に図１３に示す照明モード及び回折スペクトルに基づいてグループ化される。この特定の非２値透過（減衰）パターンは、画像センサ２３へ通じる光路内に空間フィルタ関数を確立する。＋１及び−１次のフィルタ関数は、（前出の例と同様、不均一の光路を補正するために含まれる任意の補正を無視すると）瞳面内の点対称を介して関連付けられる。したがって、領域１３０６が−１次のフィルタ関数を表す一方、１３０６’で濃淡の形式で示された直径方向に対向する領域１３０６’は、回折スペクトルのｂ＋１部分のフィルタ関数を表す。これらの様々なフィルタ関数を、−１及び＋１の回折次数を別々に測定する目的で、ステップＳ２及びＳ３のためにＳＬＭ２４内にプログラミングすることができる。

[00102] 次に、

という表示の暗視野モードのｉ番目のＰＣＡ成分が、これらの２つの相補型空間フィルタ関数を用いて画像センサ２３によって測定された

及び

という表示の２つの暗視野測定値を比較することで実験的に得られる。式で表すと次の通りである。

[00103] 定数ｃ^ｉは２つの物理的な暗視野信号の差をとることで脱落することに留意されたい。その結果、プログラマブルＳＬＭを使用することで、あたかも瞳センサ１９を使用し、デジタル化された瞳画像を処理することで得られるようなＰＣＡフィルタリングされた信号を画像センサ２３を用いて得ることができる。取得しなければならないＰＣＡ成分当たり２つのフィルタ関数をＳＬＭ上にプログラミングする必要があり、２つの暗視野画像測定を実行しなければならない。ターゲットの訓練セットに基づくＰＣＡによって、これらのフィルタを「調整」して合焦などの対象とするパラメータを最も感知し、プロセス変動及びその他のパラメータを比較的感知しにくい値を送達することができる。幾つかのコンポーネントを測定して１つのパラメータのより良い測定値を得、及び／又は、対象とする複数のパラメータを測定できる。

[00104] 以上をまとめると、スキャトロメータセンサを調整して作成可能な任意のフィーチャ空間内の測定が可能である。例えば、センサがこの新しい空間内で対象とするターゲットパラメータ（オーバレイ、合焦、ドーズ量など）に直線的に反応するようにフィーチャ空間を作成できる。したがって、モデルを反転してこの対象とするパラメータを予想することは些細な作業であり、測定での演算の負担は大幅に低減される。この考え方はＰＣＡによって実施される直線ベースのセットに限定されないことに留意されたい。また、非直線ベースのセットを用いてＳＬＭをプログラミングでき、それによって、元の信号をその上に投影する様々な瞳の固有画像が得られる。この非直線ベースは、サポートベクタマシン又は何かその他の機械学習カーネル方法から決定できる。

[00105] 本発明のある実施形態によれば、リソグラフィ装置によってウェーハ上に形成された周期的構造から生成されるスキャトロメトリスペクトルを用いてリソグラフィ装置の合焦を決定する方法が提供される。本発明のある実施形態では、格子はそれぞれの別の測定ステップで、２つの異なるビームプロファイルを有するビームによって照明される。これによって、周期的構造からのゼロ次回折次数が阻止される暗視野測定技術と組み合わせて、２つの別々の測定ステップで＋１及び−１次回折パターンを測定することができる。

[00106] 第４の実施形態の変形形態では、上記図８及び図１０の実施形態と同様に、軸上照明を、又は図３〜図７の実施形態と同様に、一部環状照明を使用するように装置を修正してもよい。上記と同じＰＣＡ及び空間フィルタリングの原理をＳＬＭ２４と同様にＳＬＭ１２４又はＳＬＭ２２４内に適用してもよい。しかし、ＳＬＭピクセルアレイ内のフィルタ関数の形状は、スペクトルの異なる形状に従って、また対象とするパラメータと他の分析方法の主成分とに従って異なっている。

第５の実施形態
[00107] 図１５は、本発明の第５の実施形態を示す。これは、透過型のＳＬＭ２２４が反射型のＳＬＭ３２４と交換された点を除いて、第３の実施形態（図１０）と同じである。すなわち、前出の実施形態のＳＬＭ２４、１２４及び２２４は中間瞳内の放射を減衰した一方でその放射を直線的に透過させるが、ＳＬＭ３２４は、ユニットＰＵによって制御して各ピクセルが反射する強度を変更する反射ピクセル素子のアレイを備える。スキャトロメータの結像分岐路内のレンズ２０と２２の間の区域内のビームは平行であるため、ＳＬＭ３２４などの反射素子を含み、回折信号を変形又は混合することなくビームの方向を変えることができる。図１４の右下部分に示すように、ＳＬＭに適用されて開口及び補正値を形成するパターンを、ビームの斜めの向きに従って変形（伸張）する必要がある。

空間光変調器の実施態様
[00108] 様々な形態のＳＬＭを考えることができ、ＳＬＭの透過及び／又は反射形態を使用できることで、上記だけでなく別の光路のレイアウト及び組合せを含む実際の実施形態のための様々なオプションが提供される。透過タイプのＳＬＭは、例えば、周知の液晶デバイス又はＵＳ２００６／２４５０９２Ａ号に「可変フィルタ」として記載されるタイプの新しい「電子インク」デバイスであってもよい。別の公開特許出願ＵＳ２００６／１０９４３５Ａ号はそのようなセルをリソグラフィ装置内のパターニングデバイスとして使用することを提案している。「電子インク」デバイスは、２つの非混和性流体、又は流体と固体の混和物の分配がピクセルアレイ内のセルの光学性能を変化させる電気信号によって制御されるタイプとして広く理解されている。各セル内にある２つの物質はそれらの光学特性が有用には異なるように選択される。それらは例えば非透過性又は反射性、若しくは屈折率が異なっていてもよい。上記他の特許出願に記載され適用される技術を利用して本発明のある実施形態でＳＬＭとして用いることができる。

[00109] 液晶デバイスは電子インクデバイスよりもさらに前に確立され、ＳＬＭとしての使用のためにより広範囲に普及しているが、ＬＣデバイスは一般に透過光の偏光に影響する。したがって、ＬＣデバイスを本発明の実施形態でＳＬＭ２４、１２４又は２２４として使用する場合、測定結果の変形がＳＬＭによって導入されるのを回避するために、偏光挙動に注意を払うべきである。

[00110] 次に、反射型ＳＬＭ３２４に関して、電子インク技術は有用であるが、反射型ＳＬＭの極めて一般的で容易に利用可能な形態はマイクロミラーデバイスのアレイに基づく変形可能ミラーデバイス（ＤＭＤ）である。そのようなデバイスでは、各ピクセル位置はピクセル値に従って移動可能な１つ以上の小型のミラーを備える。各ピクセルミラーの向きに応じて、ＳＬＭ３２４上のそのピクセル位置に達する放射は図示の光路に沿って反射して画像センサ２３に達するか、又はその他の場所へ誘導されて効果的に阻止される。図１２に示すように、ＳＬＭ３２４は、３２４Ｎ、３２４Ｓなどの開口パターンを用いて１次の一方又は他方を透過し、一方で光軸に沿って到着するゼロ次回折信号を阻止するように構成されている。次に、ＳＬＭ３２４を制御してほぼ無限の様々な開口パターンを提供し、様々な照明角度の下で様々な格子ターゲットからの回折信号から自由１次を選択できるようにする。

[00111] ＤＭＤなどのデバイスでは、各ピクセルは一般に２値素子として動作し、ピクセル値に従って結像経路に沿って放射を反射したりしなかったりする。中間瞳面全体にわたって補正係数ｆ（ｕ，ｖ）及び／又はフィルタ関数

を適用するために、そのようなデバイスを１つ以上の多重化モードで操作してより微細な変数減衰レベルを達成できる。時間多重化はこれを実行するために使用する１つの方法である。すなわち、所望の補正／フィルタ係数に対応するデューティサイクルで所与のピクセルをすばやくオン／オフできる。マイクロミラーアレイ内のピクセル数が補正／フィルタリングパターンの解像度よりもはるかに大きい場合、例えば、時間変調の代わりに、又はそれに加えて、ディザリングによる空間平均を適用できる。例えば、４個又は８個のピクセルからなるグループを共に制御してその組合せ領域にわたって所望の平均補正係数／フィルタ重み付けを達成できる。

[00112] 視野絞り及び補正／フィルタリングの機能が両方共ＳＬＭによって実行される実施形態では、例えば、ＳＬＭ２２４及び３２４が示すように、各関数は単一のＳＬＭによって実行でき、又は各関数は特定の関数に専門化された別々のＳＬＭによって実行できる。例えば、所望の補正／フィルタ係数に従って減衰を極めて微細に制御するように設計されたＳＬＭは、視野絞りなどの２値開口デバイスとしての機能を果たすにはそれほど理想的ではない。したがって、視野絞り及び補正／フィルタリングの機能が、各々がその目的のために設計され画像センサ２３に至る光路内に直列に配置された別々のＳＬＭによって実行される代替実施形態が可能である。これら２つのＳＬＭは、両方共透過型、両方共反射型、又は一方が反射型で他方が透過型であってもよい。本発明の原理はそのような変化に影響されない。

結論：
[00113] 上記の第１から第３の実施形態によって教示される補正によって、測定されたオーバレイ値の正確性を維持しながら暗視野オーバレイ測定のスループットを向上させることができる。これは、基板を回転させることなく対向する照明角度又は結像角度を用いてツール誘導の非対称性を補正することで達成される。小ターゲットの使用によって、照明スポット内の異なる位置の複数の格子の同時の読み出しが可能になる。上記の同時係属の特許出願に記載された測定されたオーバレイの位置依存を低減する他の技術と組み合わせて、これらの手段によって大幅に増大したスループットによる正確なオーバレイ測定が可能になる。

[00114] 第４の実施形態によって教示されるフィルタ関数によって、対象とするパラメータの選択性が拡大し、関数を調整して対象とするパラメータの直接の測定が可能になる。ターゲット構造とそれらを生産するのに使用するパターニングデバイスの適当な設計によって、合焦又はドーズ量などのパラメータは直接測定可能になる。

[00115] 以上、本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明はこの記述以外の方法でも実施できることを理解されたい。

[00116] 上記の技術は、様々な照明及び／又は結像モードでのツールの光学システムの性能に従って、強度測定を較正し、次に補正するために実行できる。測定プロセスが放射の異なる波長及び／又は偏光を使用する場合、これらについて別々に較正を実行できる。対象とする異なるパラメータについてフィルタ関数でプロセスを較正する場合にも同様の考慮事項が当てはまる。

[00117] 実施形態に示す検査装置又はツールは、並列の画像センサによる瞳面及び基板平面の同時結像のための第１及び第２の分岐路を有する特別の形態のスキャトロメータを備えるが、別の構成も可能である。ビームスプリッタ１７で対物レンズ１６に永続的に結合した２つの分岐路を提供するのではなく、分岐路をミラーなどの可動光学要素によって選択的に結合できる。光学システムは単一の画像センサを有するようにでき、センサへの光路は可動素子によって再構成して瞳面画像センサ、次に基板平面画像センサとして機能させることができる。

[00118] 上記のターゲット構造は測定の目的で専用に設計され形成されたメトロロジターゲットであるが、別の実施形態では、基板上に形成された機能部品であるターゲット上で特性を測定できる。多数のデバイスは正規の格子のような構造を有する。本明細書で使用する「ターゲット格子」及び「ターゲット構造」という用語は、構造が実行中の測定のために特に提供されたことを必要としない。

[00119] 結像分岐路内の好適なＳＬＭの物理的な存在と基板及びパターニングデバイス上に実現したターゲットの好適な格子構造に関連して、ある実施形態は、基板上にターゲットを作成し、基板上のターゲットを測定し、及び／又は測定値を分析してリソグラフィプロセスに関する情報を得る方法を記述する機械可読命令の１つ以上のシーケンスを含むコンピュータプログラムを含んでいてもよい。このコンピュータプログラムは、例えば図３の装置内のコントローラＰＵ及び／又は図２の制御ユニットＬＡＣＵ内で実行できる。そのようなコンピュータプログラムを内部に記憶したデータ記憶媒体（例えば、半導体メモリ、磁気又は光ディスク）を提供してもよい。

[00120] 光リソグラフィの分野での本発明の実施形態の使用に特に言及してきたが、本発明は文脈によってはその他の分野、例えばインプリントリソグラフィでも使用することができ、光リソグラフィに限定されないことを理解されたい。インプリントリソグラフィでは、パターニングデバイス内のトポグラフィが基板上に作成されたパターンを画定する。パターニングデバイスのトポグラフィは基板に供給されたレジスト層内に刻印され、電磁放射、熱、圧力又はそれらの組合せを印加することでレジストは硬化する。パターニングデバイスはレジストから取り除かれ、レジストが硬化すると、内部にパターンが残される。

[00121] 本明細書で使用する「放射」及び「ビーム」という用語は、イオンビーム又は電子ビームなどの粒子ビームのみならず、紫外線（ＵＶ）放射（例えば、３６５ｎｍ、３５５ｎｍ、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍ若しくは１２６ｎｍ、又はこれら辺りの波長を有する）及び極端紫外線光（ＥＵＶ）放射（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を包含する。

[00122] 「レンズ」という用語は、状況が許せば、屈折、反射、磁気、電磁気及び静電型光学コンポーネントを含む様々なタイプの光学コンポーネントのいずれか一つ、又はその組合せを指すことができる。

[00123] 特定の実施形態に関する以上の説明は、本発明の全体的性質を十分に明らかにしているので、当技術分野の知識を適用することにより、過度の実験をせず、本発明の全体的概念から逸脱することなく、このような特定の実施形態を容易に修正する、及び／又はこれを様々な用途に適応させることができる。したがって、このような適応及び修正は、本明細書に提示された教示及び案内に基づき、開示された実施形態の同等物の意味及び範囲内に入るものとする。本明細書の言葉遣い又は用語は説明のためのもので、限定するものではなく、したがって本明細書の用語又は言葉遣いは、当業者には教示及び案内の観点から解釈されるべきことを理解されたい。

[00124] 本発明の幅及び範囲は、上述した例示的実施形態のいずれによっても限定されず、特許請求の範囲及びその同等物によってのみ規定されるものである。

Claims (23)

1. リソグラフィプロセスによって基板上に形成された周期的構造内の非対称性を測定する方法であって、
   前記リソグラフィプロセスを用いて前記基板上に周期的構造を形成するステップと、
   前記構造を第１の放射ビームで照明しながら前記周期的構造の第１の画像を形成し検出するステップを含む第１の測定ステップであって、前記第１の画像が、回折放射の第１の選択された部分を用いて形成される、ステップと、
   前記構造を第２の放射ビームで照明しながら前記周期的構造の第２の画像を形成し検出するステップを含む第２の測定ステップであって、前記第２の画像が、前記周期的構造の回折スペクトル内で前記第１の部分と対称的に対向する前記回折放射の第２の選択された部分を用いて形成される、ステップと、
   前記検出された第１及び第２の画像の両方から導出された強度値の差を用いて前記周期的構造の特性を決定するステップと、を含み、
   光学システムが、前記第１及び第２の画像の形成の前に前記回折放射の前記第１及び第２の選択された部分に変動する非２値光学減衰を適用するように制御される空間光変調器を備える、方法。
2. 測定光学システム内の異なる光路を用いて前記基板を回転させることなく前記第１及び第２の測定ステップが実行され、
   前記変動する光学減衰は、前記第１及び第２の測定ステップ間の光路の差が前記決定された特性に与える影響を低減させる、請求項１に記載の方法。
3. 変動する減衰の複数の異なるパターンが、画定されるとともに異なる利用可能な光路に関連付けられ、
   該方法は、前記測定ステップの各々で使用される前記光路に従って減衰パターンを自動的に選択するステップと、前記空間光変調器を制御して前記回折放射に選択された減衰パターンを適用するステップと、を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１及び第２の放射ビームが前記測定光学システムの光軸に対して対称形に対向する角度から前記周期的構造に入射するように、前記第１及び第２の測定ステップは、前記測定光学システムに対して前記基板を回転させることなく前記測定光学システムのそれぞれ第１及び第２の照明モードを用いて実行され、少なくとも第１及び第２の減衰パターンが画定されて前記第１及び第２の照明モードを画定する光路の間の非対称性を補償する、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記第１及び第２の画像が前記周期的構造によって前記測定光学システムの光軸に対して直径方向に対向する角度へ回折した放射部分を用いて形成されるように、前記第１及び第２の測定ステップは、前記測定光学システムに対して前記基板を回転させることなく前記測定光学システムのそれぞれ第１及び第２の結像モードを用いて実行され、前記回折した放射の前記選択された部分は、前記第１及び第２の照明モードで前記空間光変調器の異なる部分を通過する、請求項２又は３に記載の方法。
6. 減衰のパターンは、前記光路の各々を通過する異なる回転で測定される基板上で実行される複数の較正測定の結果を用いて少なくとも部分的に決定される較正ステップをさらに含む、請求項２〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記較正測定は、前記光学システムの共役瞳面内に位置する画像センサを用いて実行される、請求項６に記載の方法。
8. 前記較正測定は、前記測定光学システムの視野よりも大きい周期的構造を有する較正ターゲットを用いて実行される、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記変動する光学減衰は、それぞれの測定ステップのための第１及び第２のフィルタ関数を実施し、前記フィルタ関数は、計算された差の対象とする特性への感度を増大するために計算される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記フィルタ関数を構造の訓練セットの測定から導出する機械学習プロセスを実施するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記機械学習プロセスは、主成分分析を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記周期的構造のプロファイルのある種の非対称性がリソグラフィプロセスの特定の性能パラメータを感知するように、前記リソグラフィプロセスが実行される、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記リソグラフィプロセスは、光学リソグラフィプロセスであり、
    前記周期的構造内の側壁角度間の非対称性は、前記リソグラフィプロセス内の合焦の変動を感知する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記計算された差が、前記周期的構造自体のフィーチャではなく前記リソグラフィプロセスの前記性能パラメータに直接関連するように、前記フィルタ関数が計算される、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 複数の周期的構造の第１又は第２の画像が同時に形成でき検出結像できるように、前記周期的構造が前記視野の半分の領域未満を占める、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記測定光学システムの視野内の前記周期的構造の位置に少なくとも部分的に基づいて、補正が、検出される第１及び第２の画像及び／又は測定された非対称性に適用される、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記空間光変調器は、前記回折放射の前記第１及び第２の部分の選択でも使用される、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 基板上の周期的構造内の非対称性を測定する検査装置であって、
    測定ステップで使用するために調整された放射ビームを前記基板へ送達するように動作可能な照明装置と、
    前記測定ステップで前記基板から回折した放射を用いて前記基板のそれぞれの画像を形成及び検出するように動作可能な検出装置であって、前記照明装置及び前記検出装置が測定光学システムを形成する、検出装置と、
    前記検出装置内の絞り装置と、を備え、
    前記照明装置及び絞り装置が、前記回折した放射の回折スペクトルのどの部分が各画像に寄与するかを選択するように動作可能であり、
    前記検出装置が、それぞれ前記第１及び第２の画像の形成の前に前記回折放射の前記選択された部分に変動する光学減衰を適用するように動作可能な空間光変調器をさらに備える、検査装置。
19. 前記装置を制御して周期的な構造の第１及び第２の画像を基板上に作成するコントローラであって、前記基板を回転させることなく、前記第１の画像が回折放射の第１の選択された部分を用いて第１の測定ステップで形成され、前記第２の画像が前記周期的構造の回折スペクトル内で前記第１の部分と対称的に対向する前記回折放射の第２の選択された部分を用いて第２の測定ステップで形成される、コントローラと、
    前記検出された第１及び第２の画像から導出された強度値の差を用いて非対称性関連のパラメータを決定するコンピュータ装置と、
    をさらに備える、請求項１８に記載の検査装置。
20. 前記第１及び第２の測定ステップが、前記測定光学システム内の異なる光路を用いて前記基板を回転させることなく実行され、
    前記コントローラが、前記空間光変調器を制御して第１及び第２の測定ステップ間の光路の差が決定された非対称性関連のパラメータに与える影響を低減させる、請求項１９に記載の検査装置。
21. 前記コンピュータ装置が、前記第１及び第２の測定ステップの間で前記照明装置の照明モードを変更し、前記選択された照明モードに従って前記空間光変調器によって適用される前記減衰パターンを選択する、請求項２０に記載の検査装置。
22. リソグラフィシステムであって、
    パターンを照明する照明光学システムと、前記パターンの画像を基板上に投影する投影光学システムと、請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の検査装置と、を有するリソグラフィ装置を備え、
    前記リソグラフィ装置は、前記パターンを別の基板に適用する際に前記検査装置から前記測定結果を使用する、リソグラフィシステム。
23. デバイス製造方法であって、デバイスパターンが、リソグラフィプロセスを用いて一連の基板に適用され、
    該方法が、
    請求項１〜１７のいずれか一項に記載の検査方法を用いて少なくとも１つの前記基板上の前記デバイスパターンの一部として又はその横に形成された少なくとも１つの周期的構造を検査するステップと、
    前記検査方法の結果に従って後続の基板への前記リソグラフィプロセスを制御するステップと、
    を含む、方法。