JP2015500505A - 偏光ダイバーシティ撮像およびアライメントのための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 直交偏光した２つの超分解能画像を取得する方法を提供する。【解決手段】 第１の回折限界画像は水平偏光光を用いて取得され、第２の回折限界画像は垂直偏光光を用いて取得される。前記第１画像および前記第２画像は、両次元で超回折限界性能を有するコンボリューション画像を生成するために処理される。ＣＡＤ画像と取得した画像とのアライメントの向上が、水平および垂直偏光画像を用いて容易になる。【選択図】図７

Description

（関連出願）
本出願は、２０１１年１１月１６日出願の米国仮特許出願第６１／５６０，７５０号明細書の利益を主張し、そのすべての内容がここに参考文献として援用される。

本発明は、Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｊｅｃｔｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙ （ＩＡＲＰＡ）の助成により、契約書ＦＡ８６５０−１１−Ｃ７１０４およびＦＡ８６５０−１１−Ｃ７１０５に基づいて米国政府の協力によりおこなわれた。米国政府は本発明の所定の権利を有する。

本開示は、超分解能光学顕微鏡法に関し、特に半導体材料において構成される構造の特定およびアライメントに有益である。

現在のところ、限られた光学分解能および貧弱なＣＡＤオーバーレイ精度によって、製造後の特性評価、設計デバッグ、不良解析、および製造完了前の歩留まり問題の検査には限りがある。

半導体デバイスの設計および検証段階では、さまざまな欠陥、またはチップの設計において、欠陥につながり得るような問題がある領域がないかをテストすることが重要である。しかしながらそのために、デバイスは、光学システムおよび／または顕微鏡を用いて何回もプロービングされ、そして観測される。また、撮像される構造を検出するために、画像はＣＡＤ設計回路図とアライメントされる。このステップは、典型として、テスト下において、ＩＣの異なる２つの画像の対応する特性をアライメントすることを含む。第１画像は実際の回路から取得される画像である。第２画像は回路素子の複雑な回路図を提供するコンピュータ支援設計（「ＣＡＤ」）から得られる。通常、ＣＡＤ画像はＩＣの理想的な像であり、典型的にＣＡＤシステムを用いて作成される。このような状況の下、実際のＩＣ画像において光学的に様々な特性を分析し、それらの特性をＣＡＤ画像とアライメントできるようにすることは重要である。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、ＩＣのための従来の回折限界反射に基づく画像システムを示す。図１（ａ）に示す実施例では、連続波レーザ源（例として、１０６４ｎｍ）として示される照明源からの信号を制御し受信するコンピュータシステム１００が用いられる。照明源１０５からの光は、ビーム成形オプティクス１１０、ならびに例えばＹ−ガルバノメータ制御ミラー１２０およびＸ−ガルバノメータ制御ミラー１２５などの走査素子を通過して、共に共焦点レーザ走査型顕微鏡（ＬＳＭ）を形成する。前記Ｙ−ミラーおよびＸ−ミラーは、矢印で示すように、低速走査方向および高速走査方向でそれぞれビームを走査する。そしてビームは高開口数対物レンズ１３０およびソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ）１３５を通過して、被試験デバイス（ＤＵＴ）１４０として通常言及されるＩＣ回路などの試料における関心領域上で走査される。

図１（ｂ）は、例えばＬＥＤ、高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤまたはＳＬＤ）、レーザなどである光源１６０を用いる別の実施例を示す。この光ビームは開口１６５およびビーム成形オプティクス１１０を通過する。ビームスプリッタ１５０は、対物レンズ１３０およびソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ）１３５を介して、被試験デバイス（ＤＵＴ）１４０へとビームを方向づける。ＤＵＴ１４０からの反射光はＳＩＬ１３５によって集光され、対物レンズ１３０およびビームスプリッタｌ５０を通過して、カメラ１５５に集光される。カメラ信号はコンピュータ１００に送信される。

前述の実施例は、ＩＣのシリコン基板の下、基板ドーピングおよび作製した試料次第で、通常１０〜１００ミクロン間に位置する、そしてしばしばさらに７８０ミクロンにまで位置する対象構造の最適なナビゲーション、視覚的特性評価およびＣＡＤオーバーレイを可能にする。これらの取り組みは高レベルの機能制御でおこなわれるが、最終的には最新の製造工程ノードが直面する要求に対処できないという制限がある。より具体的には、前述で要約した要件を満たすような、正確な構造定義および認識の両方を得るために必要である光学的分解能が欠如している。そのため、この進歩に対応する新規の画像システムが必要とされている。

読者を導くさらなる情報として、Ｓ．Ｂ．Ｉｐｐｏｌｉｔｏ、Ｂ．Ｂ．Ｇｏｌｄｂｅｒｇ、およびＭ．Ｓ．Ｕｎｌｕの「Ｈｉｇｈ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７８，４０７１−４０７３（２００１））、Ｓ．Ｂ．Ｉｐｐｏｌｉｔｏ、Ｂ．Ｂ．Ｇｏｌｄｂｅｒｇ、およびＭ．Ｓ．Ｕｎｌｕの「Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｌｅｎｓ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ９７，０５３１０５（２００５）、Ｋ．Ａ．Ｓｅｒｒｅｌｓ、Ｅ．Ｒａｍｓａｙ、Ｐ．Ａ．Ｄａｌｇａｒｎｏ、Ｂ．Ｄ．Ｇｅｒａｒｄｏｔ、Ｊ．Ａ．Ｏ‘Ｃｏｎｎｏｒ、Ｒ．Ｈ．Ｈａｄｆｉｅｌｄ、Ｒ．Ｊ．Ｗａｒｂｕｒｔｏｎ、およびＤ．Ｔ．Ｒｅｉｄ、の「Ｓｏｌｉｄ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｌｅｎｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ２， ０２１８５４ （２００８））、Ｋ．Ａ．Ｓｅｒｒｅｌｓ、Ｅ．Ｒａｍｓａｙ、Ｒ．Ｊ．Ｗａｒｂｕｒｔｏｎ、およびＤ．Ｔ．Ｒｅｉｄの「Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒｉａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｒｅｇｉｍｅ」（Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ２， ３１１−３１４ （２００８））、Ｋ．Ａ．Ｓｅｒｒｅｌｓ、Ｅ．Ｒａｍｓａｙ、およびＤ．Ｔ．Ｒｅｉｄの「７０ ｎｍ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｕｓｉｎｇ ｐｕｐｉｌ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９４， ０７３１１３ （２００９））、Ｄ．Ａ．Ｐｕｃｋｎｅｌｌ、およびＫ．ＥｓｈｒａｇｈｉａｎのＢａｓｉｃ ＶＬＳＩ Ｄｅｓｉｇｎ、 ３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ、（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ （１９９４））、そして米国特許第７，６５９，９８１号、米国特許第７，６１６，３１２号、米国特許第６，８４８，０８７号、および米国特許第６，２５２，２２２号がある。

この発明の概要は、本開示のいくつかの態様および特徴について基本的な理解を得るために盛り込まれる。この発明の概要は本発明の広範の概要ではなく、単独で本発明の重要なまたは本質的な要素を特に特定したり、本発明の範囲を定義することを意図してはいない。後述されるより詳細な実施形態の導入部として、本発明のいくつかのコンセプトを簡略化した形式で示すことがただ一つの目的である。

開示される態様では、従来の回折限界画像を超えるため、集光照射ビーム（例として、レーザなど）の電場のベクトルを合わせることが用いられる。直線偏光は、一方向に向いて位置する物品の素子に対してアライメントした偏光で物品を撮像するのに用いられる一方で、相補性偏光は、相補的方向に向いて位置する物品にアライメントした相補性偏光で物品を撮像するのに用いられる。最終的な画像は、コンボリューション処理をされてひとつの分解能の高い画像を生成するか、または別々に用いられる。

様々な開示実施形態が、ＩＣの画像に特に関係している。このような実施形態によって、シリコン集積回路（ＩＣ）内でコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）のオーバーレイとアライメントとが改善可能になる。ＩＣの実際の画像に対するＩＣのＣＡＤ設計のアライメントによって、ＩＣのナビゲーション、テストおよびデバッグができるようになる。

本明細書で開示する実施形態では、集積回路の検査および分析用の、直線誘導超分解能光学検査またはＣＡＤアライメントを容易にするため、共焦点反射型またはＩｎＧａＡｓ／ＭＣＴカメラ撮像装置において、偏光感応性画像および瞳孔機能技術の高分解能化技術とともに、連続波１０６４ｎｍレーザ源を用いてもよい。

本発明の態様では、ＩＣ内部に構成される構造を撮像するシステムおよび方法を提供する。１つは水平偏光であり、１つは垂直偏光である、２つの偏光光ビームによってＩＣの画像は２回撮像される。そして、前記画像は、１つの高分解能画像を形成するために合成される。前記画像は連続してまたは同時に撮影してもよい。光ビームはレーザ、ＳＬＥＤ、ＬＥＤなどでもよい。撮像センサ（カメラ）はＩｎＧａＡｓ、ＭＣＴ、ＣＣＤ、ＩｎＳｂ、ＣＭＯＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどでもよい。ビームの光軸に環状開口を使用してもよい。

本開示の実施形態は、水平偏光光を用いてデバイスの第１回折限界画像を取得すること、垂直偏光光を用いてデバイスの第２回折限界画像を取得すること、そして、両次元において超回折限界性能を有するコンボリューション画像を生成するために第１および第２画像を処理することを含んだ、超分解能画像を得る方法を含む。この方法は、水平または垂直方向のいずれかを主に備える構造を検出するためのデバイスのＣＡＤデータを使用すること、水平ＣＡＤ特性と比較するために水平偏光光を用いて画像「Ｈ」を撮像すること、垂直ＣＡＤ特性と比較するために垂直偏光光を用いて画像「Ｖ」を撮像すること、そして画像とＣＡＤとのオーバーレイ処理の精度を向上するためにそれらのデータを最適に使用することをさらに含んでもよい。この方法は、結果のアライメントを最適化するための偏光の寄与に重点を置くことをさらに含んでもよい。

さらなる実施形態では、２つの別々の超分解能画像を取得して、その２つのうちの第１画像は走査方向に平行である高空間成分を有し、そしてその２つのうちの第２画像は第１画像に直交する方向で高空間成分を有すること、また、所定の関心領域の超分解能２次元画像を生成するために第１および第２画像データを後処理することを含み、高分解能画像を取得する方法を提供する。第１および第２画像を続けて取得し、次の取得のために偏光を９０度回転させてもよいが、走査方向は固定のままである。代替的に、第１および第２画像を同時に取得してもよい。この方法はさらに、第１および第２画像からの高分解能成分を多重化して１つの合成画像にすることを含んでもよい。多重化は、第１および第２画像の両方の高周波成分を取り出し、ひとつの画像に合成することによって得てもよい。第１および第２画像は、２つに分岐した光路において、レーザビームを第１および第２ビームレットに分割し、相互に直交するように２つのビームレットの電場ベクトルをあらかじめ偏光し、同じ反復速度条件を用いてレーザビームレットを変調し、そして、同速度だが異なる時間に試料に到達するように、１つの偏光状態を意図的に半分の反復速度周期に遅らせて、２つのビームレットを光軸に沿って一直線上に再度組み合わせることによって取得してもよい。各光路において、１／２波長板を用い、あらかじめ偏光をおこなってもよい。処理ステップは、第１画像の曲率と第２画像の曲率との計による、画素ごとのコンピュータ処理を含んでもよい。このとき、曲率はデータの離散２次導関数（ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｓｅｃｏｎｄ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）として定義される。処理ステップは、水平カーネル｛−１，＋２，−１｝での第１画像のコンボリューション処理を含み、それを、垂直カーネル｛−１，＋２，−１｝^Ｔ（上付き文字Ｔは行列転置演算子を表す）でのコンボリューション処理をした第２画像に加えてもよい。第１および第２回折限界画像のうちの１つに水平偏光画像を含んでもよい。そして、第１および第２回折限界画像のうちの１つに垂直偏光画像を含んでもよい。この方法はさらに、拡散が水平におこる領域において水平偏光画像をより多く重み付けすること、拡散が垂直におこる領域において垂直偏光画像をより多く重み付けすることを含む。また、デバイスの選択領域を撮像するために、マスクが用いられてもよい。前記マスクは位相透過マスク（ａ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍａｓｋ）またはバイナリマスクを含んでもよい。

本発明の他の態様および特徴は、後述の図面を参照して記載される発明を実施するための形態から明らかである。また、発明を実施するための形態および図面によって、後述の請求項によって定義される本発明の、様々な実施形態の様々な非限定的実施例が提供されることを理解すべきである。

明細書に含まれ、その一部を構成する添付の図面は、発明を実施するための形態とともに様々な実施形態を例示し、本発明の原理を解説し示すためにある。図面は、実施形態の主な特徴を、図式よって例示的に示すことを意図している。また、図面において、実際の実施形態のすべての特徴も、表示される要素の相対的なサイズも提示することを意図していない。それゆえ、図面は正確な縮尺率ではない。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、先行技術の撮像システム構成を示す。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、超分解能カメラの撮像システムの実施形態を示す。 図３は、超分解能共焦点反射型ＬＳＭ構成の実施形態を示す。 図４は、ＰＤＰオプティクスを用いた超分解能共焦点反射型ＬＳＭ構成の代替方法の実施形態を示す。 図５（ａ）は、ＰＤＰオプティクスの実施形態を示し、図５（ｂ）は、ＰＤＰオプティクスの代替となり得る実施形態を示す。 図６は、光線が低ＮＡから高ＮＡまでに及ぶような、集束電場の横方向および縦方向の成分を示す。 図７は、隣接する要素間の直交構造を示すＮウェルＣＭＯＳインバータの概略図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、直交偏光画像を取得するための処理の実施例を示す。 図９（ａ）〜図９（ｅ）は、交差したワイヤ配列を撮像した実施例を示す。 図１０はバイナリおよび位相シフトマスクの実施例を示す。

本発明の実施形態では、試料内部の特性における光学撮像の向上が可能になる。後述の記載で明らかになるように、本開示実施形態は、直交アライメントの特徴を有する試料の撮像に特に有利である。その直交アライメントは、時にマンハッタン構造とも言われており、これは大街路と通りが互いに直交して配置されることに起因する。通常、集積回路は相互に直交して配列される特性を備えて構成されるので、開示実施形態は特に、ＩＣ内部構成の特性を高分解能撮像するのに有益である。

様々な実施形態において、高分解能画像を取得するため、様々な光学装置およびシステム設計が開示される。集積回路の超分解能２次元光学およびＣＡＤアライメント画像を取得するためのさらなる操作手順および方法が提供される。組み合わせた超分解能画像は、高分解能ベクトルが相互に直交する、反射に基づいた２つの別の画像からの高空間成分を多重化して１つの統合画像にすることにより取得可能である。これらの処理が示され、また、これらの処理に用いられるシステムの様々な実施形態が後述される。

高分解能画像を取得するためのひとつの実施形態による光学装置を図２（ａ）に示す。光源２６０は、開口２６５およびビームオプティクス２１０を通過する光ビームを提供し、ビームスプリッタ２５０によってＤＵＴ（被試験デバイス）２４０に方向づけられる。ＤＵＴ２４０に反射した光は、ＳＩＬ（ソリッドイマージョンレンズ）２３５および対物レンズ２３０に集約れる。集約された反射はビームスプリッタ２５０を通過し、カメラ２５５によって感知される。カメラ信号はコンピュータ２００に送信される。本実施形態では、２つの要素が高分解能に寄与する関心対象になる。第一に、直線偏光子２７０が、照射ビームの偏光方向を制御するために対物レンズ２３０前に配置され、画像を捕捉する。直線偏光子２７０の偏光方向制御によって、１次元、つまり直線偏光子２７０の方向にアライメントされた方向において超分解能撮像性能を得る。そして、偏光子は回転して、直交方向の第２超分解能画像を得る。第二に、バイナリ振幅環状開口２７５が、あらゆる低ＮＡの近軸光線を、結果的に得られる画像に寄与する光線から除外し、システムの撮像性能をさらに高めることを可能にする。矢印で示すように、環状開口はビームの中心の光線を阻害し、その阻害量はブロックマスクの中心直径を拡大または縮小することによって選択できる。

図２（ａ）の実施形態によると、直線偏光子は照射および反射光の光路に設けられる。しかし、直線偏光子は、照射光路のみに設けてもよい。このような実施例を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）の実施形態では、例えば、ＬＥＤ、ＳＬＥＤまたはレーザなどである、光源２６０からの光ビームが、切り替え可能な１／２波長板２８０を通過する。代替的に、可変波長板を用いてもよい。撮像する素子に偏光をアライメントするため、１／２波長板２８０を光ビームの光路に切り替えることによって、偏光を９０度回転してもよい。そして、直交方向で超分解能を有する２つの画像を得ることができる。

図２（ａ）および図２（ｂ）のシステムを用いて得られた画像は、撮像された回路と、ＣＡＤデータベース２０２に保存されているＣＡＤ画像とのアライメントの補助に用いてもよい。例えば、水平分解能が高い画像は、同領域のＣＡＤ画像の垂直構造とアライメントしてもよい。一方、垂直分解能が高い画像は、同領域のＣＡＤ画像の水平構造とアライメントしてもよい。これは、マイクロチップの撮像領域における画像とＣＡＤとのアライメントの向上をもたらす。

図３は、撮像される領域上でビームを走査するという、別の実施例を示す。図３の実施形態では、レーザ走査型顕微鏡（ＬＳＭ）を形成するミラー３２０およびミラー３２５を用いて走査されるレーザビームを形成するために、レーザ源３０５およびオプティクス３１０を用いる。ひとつの直線方向において分解能を上げるために、１／２波長板３７０を対物レンズの手前に配置して、入射レーザビームの偏光方向を制御する。偏光子３７０は回転して、１つは高い水平分解能を有し、そしてもう１つは高い垂直分解能を有する２つの画像を、直交偏光で生成することができる。図２（ａ）および図２（ｂ）の実施形態に関する記載のように、高い水平分解能を有する画像は、同領域のＣＡＤ画像の垂直構造とアライメントすることが可能であり、一方、高い垂直分解能を有する画像は、同領域のＣＡＤ画像の水平構造とアライメントすることが可能である。

前述の実施形態のように、環状開口３７５は、あらゆる低ＮＡの近軸光線を結果画像に寄与する光線から除外して、システムの撮像性能をさらに高めることができる。

前術のシステムは、一度に１つの直線方向において試料を撮像する。しかし、直交配置した２つの直線偏光で画像を得るため、他の装置を案出してもよい。そのような実施例を図４に示す。図４の実施形態では、レーザ４０５からのビームは、ＰＤＰオプティクス４９０を通過し、ＬＳＭ（つまりミラー４２０およびミラー４２５）によって走査される。走査ビームは、環状開口４７５を通過した後、ＤＵＴ４４０上において走査される。ＰＤＰ検出方法によって、システムは水平および垂直偏光画像を同時に得ることができる。

ＰＤＰオプティクスは、本明細書の参考文献に含まれる米国特許第７，７３３，１００号などで公開されている。標準的なＰＤＰオプティクスは図５（ａ）に示されており、そして図５（ａ）の破線長方形は、図４のＰＤＰ４９０に組み込まれる素子を包含している。実際には、入射ビームおよび反射ビームは１つの光路を通り、同一の素子を横断するが、図５（ａ）の図面では理解を深めるために、２つの光路に分けて、各光学素子を２回表す。上部の光路はレーザ源からくる入射ビーム光路であり、一方、下部の光路は反射ビーム光路である。入射ビームは図面の左から右へと伝わる。ビーム光路に沿って、垂直方向の矢印は垂直偏光ビームを示し、ドットは水平偏光ビームを示す。傾斜した矢印は、垂直からいくらか傾いている直線偏光であるビームを示す。ドットと矢印との間の空間的隔たりは２つのビームの間の位相差を示す。

レーザ源からのビームは、第１の偏光ビームスプリッタＰＢＳ１に入り、ビームの一部は光センサ５０２へ偏向される。この偏向は５％程に設定してもよい。センサ５０２の出力は、ビーム強度をモニタするために用いられ、ＰＤＰオプティクスの一部ではなく、どちらかといえば選択的な強度モニタである。第１のＰＢＳキューブ（ＰＢＳ１）を通過するビームの残余部分は、垂直方向ビームのみが通過するように調整されている第２偏光ビームスプリッタＰＢＳ２に入る。ビームの偏光状態は、重ね合わせた垂直偏光ビームおよび水平偏光ビームと等しい回転偏光ビームを生成するため、所定量回転される。この実施例において、ビームは、ファラデー回転子（ＦＲ）の作動によって垂直から４５度回転し、第３のＰＢＳキューブ（ＰＢＳ３）は回転したビームを透過するように調整される。それゆえこの段階で、ビームは、重ね合わせた垂直偏光ビームおよび水平偏光ビームと等しく、両ビームは振幅および位相において相互に等しい。ビームの振幅が等しく設定されるべきではない場合、回転は異なる角度にするべきである。入射ビーム光路におけるＰＢＳ３とＶＲ間の破線円の矢印は、４５度偏光ビームと２つの同相の均一振幅ビーム（１つは垂直、もう１つは水平に偏光する）との間で等しいことを示す。理解されるように、然る適用において、回転は４５度以外でもよい。その場合、１つは垂直、もう１つは水平に偏光する２つの同相ビームは等しいが、異なる振幅を有する。

そして、２つのビームは可変リターダ（ＶＲ）に入る。可変リターダ（ＶＲ）の進相軸および遅相軸の位置は、これらの垂直および水平偏光方向にアライメントされる。このようにして、ＶＲ通過後、ビームは、位相を相互に少し（通常π／４）ずらした（遅延）、空間的に一致する、同振幅の２つの直交偏光ビームから成る。これは、垂直偏光ビームに関して水平偏光ビームの遅延を示す垂直矢印のわずかに後ろにある、ドットによって図面に示される。そして、２つのビームは、対物レンズ（ＯＬ）によって、ＤＵＴ上の同じ点に集約される。これら２のビームの偏光方向がトランジスタゲートの長さおよび幅方向にアライメントするように、ＤＵＴは調整される。

ビームがＤＵＴに反射した後（図５（ａ）、下方光路）、２つの直線偏光ビームはＶＲへの光路を引き返す。ＶＲを通過することで、基準およびプローブの２つの折り返しビームの間に追加位相シフト（ここでは通常π／２による位相シフト）を導く。ＰＢＳ３では、各ビームの一部は反射してフォトセンサ５０４に送信され、他の部分は透過される。反射部分は、フォトセンサ５０４に集光される反射信号Ａを生成し、その出力は受信機器に集約され、分析される。透過部分は、ファラデー回転子（ＦＲ）およびビームスプリッタＰＢＳ２の作動を介してビーム光路から偏向され、第２フォトセンサ５０６によって検出される反射信号Ｂを生成する。この実施形態を用いて、反射信号Ａは、ひとつの方向に向いた素子を有するＣＡＤ設計領域に対する画像のアライメントに用いられることができ、一方で、反射信号Ｂは、第１領域の素子の方向と直交する方向に向いた素子を有するＣＡＤ設計領域に対する画像のアライメントに用いられることができる。

ＰＤＰオプティクスを用いずに、２つの直交偏光画像を得るために他の構成を用いてもよい。図５（ｂ）に示す１つの実施例では、図４のＰＤＰオプティクス４９０は、図５（ｂ）の破線長方形４９２で囲まれた選択偏光子で置換される。レーザビームは、長方形４９２の左側から選択偏光子に入り、偏向器５７２によって上部光路または下部光路へ交互に偏向される。偏向器５７２は作動ミラー、回転ミラー、音響光学式偏向器（ＡＯＤ）などであってもよい。偏向器は、所定の周波数で各光路にビームを交互に偏向するように作動され、任意の所定周期で、ビームが上部または下部光路のいずれかを横断するようにしてもよい。例えば、パルスレーザを用いるとき、偏向器は、各パルスまたはパルス群毎を交互に偏向するように作動させてもよい。

上部光路では、ビームは水平偏光子５７０Ｈを通過し、下部光路では、ビームは垂直偏光子５７０Ｖを通過する。そして、ビームは偏向器５７４によって偏向され、ビームが上部または下部光路を通過するかどうかによらず、スキャナ（例えばＬＳＭミラー４２０および４２５など）に向かって同じ光路を進む。それゆえ、続く各周期で、スキャナに到達するビームは、水平または垂直に交互に偏光されている。例えば、パルスレーザを用いるとき、各パルスまたは各パルス群は、水平または垂直に交互に偏光される。偏向器５７２の周期、スキャナの高速走査方向の速度、およびサンプリング周波数を適切に合わせることによって、関心領域の２つの直交偏光画像を取得することができる。

分解能を上げるための開示実施形態の実行は、理論に縛られることなく、ここで図６を参照して記載される。高ＮＡ条件のもとでは、焦平面強度分布の空間配置は円形に対称ではないが、いくらか楕円の傾向を有しており、ＮＡが増加するにつれ楕円傾向も強くなる。この記載は、偏光状態ではなく、焦平面上の照射スポットの空間エネルギー密度分布を示す。またこれは、光焦平面（ａ）上の電場ベクトルを考察して説明される。焦平面電場分布は、横断方向／半径（ｂ）および長手方向／軸（ｃ）電場の２つの成分を含む。これらの成分は、撮像システムの集光特性を考慮して制御される（すなわち、増強するかまたは抑制する）。低ＮＡ条件（４）のもとでは、焦平面の長手方向成分は、横断方向成分と比較すると本質的に重要ではないが、長手方向成分は、ＮＡが増加するにつれてより優勢になる。この長手方向の優勢性は、光線が高ＮＡレンズ（２）を通過するときに湾曲することから理解される。集光レンズ直前では、平面波を横切る光線全体の束は横断方向成分のみからなる。しかし、前記波がレンズから影響を受けるとき光軸（１）に沿った近軸成分は変動しないままであるが、一方、非近軸光線（３）は光軸方向に屈折する。この屈折（集光）は、レンズ端に近づくと強まり、そして平面波を大きく屈曲させる。結果として、この変調波面によって示される電場は横断方向と長手方向成分に分割され、長手方向電場成分の大きさは、屈折が拡大すると増大する。そのため、波長板による偏光方向、およびレーザ走査方向を制御することで、レーザが試料内の所定の関心領域を検査するときに、１次元で、超分解能撮像性能を取得することができる。さらに、撮像対物レンズの前に位置する環状バイナリ振幅フィルタを適用することで、焦点スポット分布の楕円形は、焦点スポット領域を縮小させることに加え、拡大させることも可能である。環状開口は、取得画像へ寄与する光線からあらゆる低ＮＡ近軸光線を除外するか、阻害するかのどちらか一方をおこない、そしてシステムの撮像能力をさらに向上させることを可能にする。

マイクロチップの例に戻ると、図７は実用的な実施例を示す。デバイス上の拡散領域（２、３）の長さ寸法が、しばしば、重ね合わせたポリシリコンゲート（１）の長手方向に垂直であることは既に知られている。結果的に、水平偏光光を水平ＣＡＤ特性に対して用いて形成される画像アライメントと、垂直偏光光を垂直ＣＡＤ特性に対して用いて形成される別の画像アライメントとは、共に、本実施形態で示すように、ただ円形偏光光を用いて取得されるものより精度の高い画像とＣＡＤとのアライメントを作り出す。

ひとつの実施形態では、２つの別の超分解能を取得し、１つは走査方向に平行である高空間成分を有し、もう１つは１つめに直交する方向で高空間成分を有する、という方法を開示する。２つの画像を取得するため、次の取得用に２つの画像間の偏光を９０度回転させるが、走査方向は固定のままである。そして取得データを後処理して、所定の関心領域の超分解能２次元画像を取得してもよい。これは、画像処理によって、両画像からの高分解能成分を１つの合成画像に多重化することに関する。この多重化画像は、両画像の高周波成分を取り出し、ひとつの画像に合成することによって取得される。画像の超分解能成分は高空間周波数を備えるが、非超分解能成分は高空間周波数を有しない。

そのような処理の実施例は図８（ａ）に示される。ステップ８００では、偏光子がアライメントされる。前記偏光子は照射ビームの走査方向、例えば走査方向に平行にアライメントされる。また、走査および偏光方向は、撮像される試料内の直線方向素子の方向にアライメントされる。試料がマイクロチップの場合、走査および偏光方向は、マイクロチップ内部のトランジスタなどのデバイスの長さ方向にアライメントされる。例えば、直線偏光が、走査方向、および撮像される領域内部のゲートまたは拡散領域などのデバイスの長さ方向に平行になるように、偏光子がアライメントされる。図１（ａ）の矢印で示されるように、走査方向に関して、アライメントは照射ビームの高速走査方向であることがよいということは留意されるべきである。

ステップ８０５では、ビームは関心領域上を走査して画像を取得する。取得画像は、偏光方向において分解能が上がり、偏光方向に垂直の方向において分解能が低下する。対物レンズの中心部を通過するビームを除外して、阻害した対物レンズ中心部の周囲領域をビームが通過するような、ビームの中心を阻害する環状開口を用いることによって、さらなる向上が可能である。取得画像を、走査方向にアライメントされた長さを有するＣＡＤ画像の素子にアライメントするために、この画像が用いられ得る。

ステップ８１０において、偏光子は、生成される偏光が前述の偏光と直交するように、９０度回転される。走査方向は第１画像のように保たれ、ステップ８１５において関心領域を再び走査して、第２画像を取得する。取得した第２画像では、第１画像の分解能が向上した方向に直交する方向において、分解能が向上する。この画像を、走査方向と垂直にアライメントされた長さを有するＣＡＤ画像の素子にアライメントするために、この画像が用いられ得る。ステップ８２０では、取得画像において、２つの直交方向で分解能が上がるように、２つの画像が合成される。

別の実施形態によると、直交アライメントした偏光状態の両画像は、画像形成時間を最小限にするために、リアルタイムで同時に取得される。ひとつの実施形態によると、照射ビームを２つの別の光路に分割し、そしてその電場ベクトルは、相互に直交するように（各光路に適切に方向づけた１／２波長板を用いて）事前に偏光される。そして、同じ反復速度条件を用いてレーザビームを変調した後、同速度だが異なる時間（または異なる位相）で試料に到達するために、１つの偏光状態を半分の反復速度周期に意図的に遅らせて、光軸に沿って一直線上に再合成することが可能である。例えば、レーザの毎パルスまたは毎パルス群は、交互に水平偏光または垂直偏光になってもよい。そして、２つの画像のセットを別々に集光そして集約するように、および／または、試料を走査するときにリアルタイムでハイブリッド超分解能画像を作り出すように、取得用ソフトウェアが構成される。

２つの直交方向で同時に分解能を上げた画像を取得する処理の例は、図８（ｂ）に示される。ステップ８００の実施例では、レーザビームは所定の周波数で変調されてレーザパルス列を生成する。そして、ステップ８０５ではビームは２つのビームに分割される。例えば、パルスは２つの別の光路に分割される。ステップ８１０では、各ビームはひとつの直線方向に偏光されて、２つのビームは直交する方向で直線的に偏光される。ステップ８１５において、ビームは、同じ光路を通過するために合成され、ステップ８２０で、同じ光路を通過する両方のビームで関心領域を走査する。すなわち、関心領域はレーザパルス列で走査され、各連続パルスまたはパルス群は先立つパルスに直交偏光する。反射光は集光されて、直交方向に分解能が向上した２つの画像を生成する。さらに分解能を上げるため、両ビームの中央部が対物レンズを通過しないように、合成ビームは環状開口を通過する。

別の実施形態は、詳細で改善したＣＡＤアライメントを容易にする。これは、１次元または２次元のいずれかにおいて、改善された精度で、特定の特性をアライメントすることに関わり、代替的にオーバーサンプリングを用いてもよい。観察下において、光の電場が光学特性とアライメントする光は、観察下において、光の電場が光学特性に対し垂直に偏光される場合よりコントラストの大きい画像を生み出す。本開示実施形態では、画像分解能および／またはＣＡＤアライメントの向上をもたらし得るような、最適な偏光の光を、チップの特定の特性を検証するために用いることができる。

様々な開示実施形態の有利性は図９（ａ）〜図９（ｅ）を参照して記載される。図９（ａ）に示されるような、交差したワイヤの配列を撮像した実施例を検証する。続いて、交差ワイヤのシミュレーション画像を示す。基準となる実施例として、図９（ａ）は、水平と垂直との分解能が同じであり、円形偏光光源の使用から予測される場合と同様であるような画像を示す。撮像用電子機器特有のノイズを反射するため、無作為のノイズ源をこの画像に加えた（以下のすべての画像も同様）。水平の線および垂直の線の両方の解像度が類似することに着目したい。

図９（ｂ）は本開示実施形態を用いて可能であることの誇張した態様を示し、図９（ａ）の円形偏光光の場合と比較して、垂直分解能が４０％改善し、一方で水平分解能が４０％悪化するという仮定の下、水平偏光光で同構造を撮像した。図９（ｂ）の水平特性が垂直特性よりどのように高い分解能を示すかに着目したい。

図９（ｃ）は、例えば、光源の偏光を、前述のように９０度回転することによって取得されるような、垂直偏光光源を用いて撮像された同一の領域のシミュレーションを示す。ここでは画像の垂直構造が水平特性よりどのように高い分解能を示すかに着目したい。

本実施形態のひとつの態様は、同領域のＣＡＤ画像の垂直構造にアライメントするための向上した水平分解能を備える画像を用いること、同領域のＣＡＤ画像の水平構造にアライメントするための向上した垂直分解能を備える画像を用いること、そうすることで、同領域の１つのＣＡＤ画像に対して円形偏光光で撮影された画像のみをアライメントすることによって可能な画像よりも、改良された画像とＣＡＤのアライメントを取得して、撮像されたデバイスにおける垂直および水平特性をそれぞれ向上するような、２つの画像の使用、つまり１つは水平偏光光源を用いて（例えば、図９（ｂ））、そしてもう１つは垂直偏光光源を用いて（例えば、図９（ｂ））撮影することである。

別の態様は、交差光学偏光で撮影された画像の最良の特性を合成するような、いくつかの多様な画像処理を用いることである。これをおこなう方法の１つの実施例では、入力として、図９（ｂ）および図９（ｃ）に示される画像を用いて、新規画像を形成してもよい。図９（ｄ）は、垂直方向に撮影された図９（ｂ）の画像の曲率と、水平方向に撮影された図９（ｃ）の画像の曲率との計によって、画素ごとにコンピュータ処理されており、曲率はデータの離散２次導関数（ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｓｅｃｏｎｄ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）として定義される。より正確には、図９（ｄ）に示される画像は、水平カーネル｛−１，＋２，−１｝でコンボリューション処理した図９（ｂ）の画像を、垂直カーネル｛−１，＋２，−１｝^Ｔ（上付き文字Ｔは行列転置演算子を表す）でコンボリューション処理した図９（ｃ）の画像に加えた画像と等しい。図９（ｃ）の向上した水平分解能を図９（ｂ）の向上した垂直分解能と合成するという、この画像処理の特定の形態が、図９（ａ）に示される円形偏光光を用いて取得された画像よりも高い光学分解能を有する超分解能画像を、どのように生み出すがということに着目したい。

この特定の実施例は、このような２つの画像の処理において、改善された１つの画像を取得するための、ただ１つ可能な方法であることが認識されるべきである。画像処理技術における当業者はこの目的を達成する同様の処理を開発することができるであろう。

最後に、図９（ｅ）は、図９（ｂ）の水平分解能と図９（ｃ）の垂直分解能とを用いた画像を形成しようとして、画像処理アルゴリズムを不適当に逆にしてしまった場合を示す。ここでは、水平にも垂直にも分解能がよくない場合が示される。

第２の実施例として、チップ設計者の意図において、撮像されるいくつかのデバイスは、拡散領域が主に一方向に広がる領域と、拡散領域が主に他の方向に広がる他の（おそらくは分散した）領域とを含み得る。拡散が水平に広がる領域において水平偏光画像をより重み付けすること、そして拡散が垂直に広がる領域において垂直偏光画像をより重み付けすることによって、より優れた画像とＣＡＤとのアライメントを達成することができる。

さらなる実施形態では、バイナリおよび／または位相透過マスク（ａ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍａｓｋ）を対象上の既知のパターンを撮像するように最適化または適合してもよい。特に、偏光作用に伴う瞳面技術は、レンズの対象面で生じる光学スポット寸法および形状を変更することが可能である。そして、スポット形状を既知のデバイス配列に適合することで改善された画像分解能をもたらす。ひとつの実施例では、メモリデバイスは、各構成要素がメモリデバイスにおける１ビット情報を保持するような、同一の構成素子の大型アレイから成る。図１０は、反復構造１１のアレイを有するマイクロチップ領域の線画を示す。バイナリ振幅または位相透過マスクをメモリビットなどの最適化サンプルに合わせることで、観察する構造の基礎構造と関係のない円形対称のスポット寸法を用いるという現在の技術状況と比較して、向上した画像を生じる。例えば、図１０は、反復構造１１に対応する光ビームを設けるような複数の開口１３の配置を有するマスク１２を示す。一方、マスク１４（横断面図で図示）は、反復構造１１に対応する光ビームを設けるために、ビームの複数の部分において位相シフトを生じるように設計された位相シフトマスクである。マスク１５は、反復構造１１に対応する光ビームを設けるための開口配置を有し、そして、反復構造１１に対応する光ビームを設けるために、ビームの複数の部分において位相シフトを生じるように設計されたバイナリと位相シフトマスクの組合せである。

本明細書で用いられる省略形を明確にするために、下記に示す。ＣＡＤはコンピュータ支援設計、ＩｎＧａＡｓはインジウムガリウム砒素、ＭＣＴはＨｇＣｄＴｅまたはテルル化カドミウム水銀、ＣＣＤは電荷結合素子、ＩｎＳｂはアンチモン化インジウム、ＣＭＯＳは相補型金属酸化膜半導体、ＧａＡｓはガリウム砒素、ＩｎＰはリン化インジウム、ＰＤＰは偏光差動プローブを示す。

本明細書に記載される処理および技術は、本質的に特定の装置に関連していないこと、そしてあらゆる適切な構成部の組合せによって適用されることは理解されるべきである。さらに、本明細書に記載の教示によって、様々なタイプの汎用デバイスが用いられてもよい。また、本明細書に記載の方法・ステップをおこなうために、特別な装置をつくることは有益である。

本発明は、限定的というより例証的であることを意図した、特定の実施例に関連して記載されている。ハードウェア、ソフトウェアおよびファームウェアの多様な組合せが本発明の適用に適するということを当業者は理解するであろう。さらに、本明細書の検証および本明細書に記載される発明の適用から、本発明の他の適用は、当業者にとって明らかである。後述の特許請求の範囲によって示される本発明の正確な範囲と意思をもって、本明細書および実施例は、例示のみとしてみなされることを意図している。

Claims (20)

1. 水平に整列する要素および垂直に整列する要素を有するＣＡＤ画像と取得したマイクロチップ画像とをアライメントする方法であって、
   前記マイクロチップの関心領域を、第１の方向で直線偏光する光ビームで照射するステップと、
   前記マイクロチップの第１の取得画像を生成するために、反射光を集光するステップと、
   前記マイクロチップの前記関心領域を、前記第１の方向と垂直である第２の方向で直線偏光する光ビームで照射するステップと、
   前記マイクロチップの第２の取得画像を生成するために、反射光を集光するステップと、
   前記第１の取得画像を前記ＣＡＤ画像の前記水平に整列する要素にアライメントするステップと、
   前記第２の取得画像と前記ＣＡＤ画像の前記垂直に整列する要素にアライメントするステップを含む、ことを特徴とする方法。
2. 前記第１の取得画像と前記第２の取得画像とは続けて生成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の取得画像と前記第２の取得画像とは同時に生成される、請求項１に記載の方法。
4. 前記光ビームはレーザ光ビームを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記関心領域を照射するステップにおいて、前記レーザ光ビームを走査すること含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記マイクロチップの関心領域を、第１の方向に直線偏光する光ビームで照射するステップと、前記マイクロチップの前記関心領域を、第２の方向に直線偏光する光ビームで照射するステップとは、光ビームを直線偏光し、そして前記直線偏光した光ビームを４５度回転することによっておこなわれる、請求項１に記載の方法。
7. 前記マイクロチップの関心領域を、第１の方向に直線偏光する光ビームで照射するステップと、前記マイクロチップの前記関心領域を、第２の方向に直線偏光する光ビームで照射するステップとは、光ビームを２つの異なる光路に交互に方向づけることによっておこなわれ、各前記光路は直線偏光子を含み、ひとつの前記直線偏光子は他方の光路における前記直線偏光子に対して直交方向である、請求項１に記載の方法。
8. 前記マイクロチップの関心領域を第１の方向に直線偏光する光ビームで照射するステップと、前記マイクロチップの前記関心領域を第２の方向に直線偏光する光ビームで照射するステップとは、光ビームを２つの光路に分割することによっておこなわれ、各前記光路は直線偏光子を含み、ひとつの前記直線偏光子は他方の光路における直線偏光子に対して直交方向である、請求項１に記載の方法。
9. 前記第１の取得画像および前記第２の取得画像に寄与する光線から低開口数の近軸光線を除外することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記光ビームの光路にマスクを配置することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記マスクはバイナリマスクまたは位相シフトマスクを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の取得画像の高周波成分と前記第２の取得画像の高周波成分とを合成することによって合成画像を生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記第１の取得画像の曲率と前記第２の取得画像の曲率との計による合成画像を生成することをさらに含み、曲率は、前記第１の取得画像および前記第２の取得画像におけるデータの離散２次導関数（ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｓｅｃｏｎｄ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）として定義される、請求項１に記載の方法。
14. 水平に整列する要素および垂直に整列する要素を有するＣＡＤ画像と取得したマイクロチップ画像とをアライメントするためのシステムであって、
    前記マイクロチップへと導く光路を通過する光ビームを提供する光源と、
    前記光路に設けられ、水平偏光ビームまたは垂直偏光ビームを生成するように作動可能である前記直線偏光装置と、
    前記光路に設けられた高開口数レンズ装置と、
    前記水平偏光ビームで照射されたときに、前記マイクロチップに反射する光から第１画像を生成し、前記垂直偏光ビームで照射されたときに、前記マイクロチップに反射する光から第２画像を生成するように作動可能であるイメージャと、
    前記第１画像と前記ＣＡＤ画像の前記水平に整列する要素とをアライメントし、前記第２画像と前記ＣＡＤ画像の前記垂直に整列する要素とをアライメントするために、前記ＣＡＤ画像を取得し、前記第１画像と前記ＣＡＤ画像とをオーバレイ処理し、前記第２画像と前記ＣＡＤ画像とをオーバレイ処理するように作動可能であるコンピュータと、を含むことを特徴とするシステム。
15. 前記光源はレーザ、ＬＥＤ、および高輝度発光ダイオードから選択される、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記イメージャは、ＩｎＧａＡｓ、ＭＣＴ、ＣＣＤ、ＩｎＳｂ、ＣＭＯＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰタイプの赤外線センサから選択される、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記光路に設けられた、レーザ走査型顕微鏡をさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記光路に設けられた、バイナリ環状開口をさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記高開口数レンズ装置は、対物レンズおよびソリッドイマージョンレンズを含む、請求項１４に記載のシステム。
20. 前記直線偏光装置は、偏光差動プローブを含む、請求項１４に記載のシステム。

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