JP2023014136A - 多入射角半導体計測システム及び方法 - Google Patents

多入射角半導体計測システム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＳＥ計測ツールの向上が継続的に要求されており、対象特性が異なっていてもそれらのＳＥデータを容易に分離できるようにする。【解決手段】遠紫外線波長から赤外線波長の範囲で選択可能な多波長の照射ビームを提供する高輝度光源１０６と、分光偏光解析を提供するために、選択可能な各セットの入射角（ＡＯＩ）または方位角（ＡＺ）及び偏光状態で照射ビームを試料に向けて誘導する照射光学系であって、試料に当てた照射ビームのスポット径を選択可能な各セットの入射角／方位角のそれぞれで制御するためのアポダイザを含む照射光学系１０２と、選択可能な各セットの入射角／方位角及び偏光状態のそれぞれで、照射ビームに応答した試料からの出力ビームを当該出力ビームに基づいて出力信号または出力画像を生成する検出器に向けて誘導する収集光学系１０４と、出力信号または出力画像に基づいて試料の特徴を特性付ける制御部を備える。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、（ｉ）Ｄａｖｉｄ Ｙ．Ｗａｎｇらによって２０１３年１月１４日に出願された、多入射角半導体計測システムと題する米国特許仮出願第６１／７５２，２０２号、及び（ｉｉ）Ｄａｖｉｄ Ｙ．Ｗａｎｇらによって２０１３年９月１６日に出願された、多入射角半導体計測システム及び方法と題する米国特許仮出願第６１／８７８，５６１号に対して優先権を主張するものであり、ここに本明細書の一部を構成するものとして、これらの出願の全ての内容をあらゆる目的のために援用する。
本発明は、全体として半導体計測システムの分野に関する。より詳細には、本発明は、楕円偏光計システム、反射光測定システム及び分散光測定システムに関する。
半導体デバイスの微細化を求める要求は増加の一途をたどっており、それによって半導体ウェーハ計測システムの向上も要求されている。半導体デバイス（論理デバイスやメモリデバイスなど）を作製する際は、通常、様々な形状や複数階層を備えた半導体デバイスを生成するために、多数の半導体作製プロセスを利用して半導体ウェーハを処理する必要がある。１枚の半導体ウェーハ上に複数個の半導体デバイスを並べて作製し、その後、それらを個別の半導体デバイスに分離することも可能である。
半導体製造プロセス中の様々な工程において計測プロセスを利用することにより、１つ以上の半導体層のプロセスを監視・制御する。例えば、計測プロセスは、ウェーハに関する１つ以上の特性を測定するのに用いられる。このような特性としては、例えば、プロセス工程中にウェーハに形成された形状の寸法（例えば、線幅、厚さ、角度など）があるが、そのプロセス工程の品質は、１つ以上の特性を測定することによって決定され得る。上述の構成では、所与の半導体試料が一式の計測対象を含み得るが、このような試料では、積層膜あるいは２次元及び３次元のパターン構造体が、様々な外形や性質を有する１種以上の材料によって囲まれている。
分光偏光解析法（ＳＥ）を用いた計測測定では、計測対象において光学定数の異なる箇所で反射した光を抽出する。計測対象のＳＥデータは、ウェーハの特性を決定するのに用いられる。
米国特許出願公開第２００９／０２７９０９０号
ＳＥ計測ツールの向上が継続的に要求されており、それによって、例えば、対象特性が異なっていてもそれらのＳＥデータを容易に分離することができるようになる。
以下では、本発明の一定の実施形態に関する基本的な理解を提供するために、本開示の簡略化した概要を提示する。この「発明の概要」は、本開示の広範な概要ではなく、本発明の重要／決定的な構成要素を特定するものでもなく、本発明の範囲を記述するものでもない。その唯一の目的は、後に提示されるより詳細な説明の準備として、簡素化された形式で一部の概念を提示することである。
一実施形態では、半導体試料の計測を行うエリプソメータ装置が開示される。本装置は、真空紫外線（ＶＵＶ）波長から赤外線（ＩＲ）波長の範囲内で選択可能な複数の波長で照射ビームを提供し、複数の入射角（ＡＯＩ）及び／または方位角（ＡＺ）で照射ビームを試料に向けて誘導する照射光学系モジュールと、試料から出射する出力ビームを複数の離散的範囲の入射角及び／または方位角で収集し、この出力ビームを検出器モジュールに誘導する収集光学系モジュールと、を備える。離散的範囲は１つずつ収集され、出力ビームは試料に当てた照射ビームに応答する。照射光学系モジュールは、照射ビームに対して複数の偏光状態を生成する偏光生成光学素子を含み、収集光学系モジュールは、出力ビームの偏光状態を解析する偏光解析光学素子を含む。照射光学系モジュール及び収集光学系モジュールは、偏光生成光学素子と偏光解析光学素子の間に反射光学素子を含む。本装置はさらに、試料からの出力ビームを離散的範囲の入射角及び／または方位角並びに偏光状態で受け取って検出し、離散的範囲の入射角及び／または方位角並びに偏光状態の出力ビームに基づいて複数の信号を生成する検出モジュールを含む。本装置はさらに、波長範囲を選択すること、出力ビームを収集するために１つ以上の離散的範囲の入射角及び／または方位角を選択すること、偏光状態を選択すること、並びに離散的範囲の入射角及び／または方位角並びに偏光状態で信号を解析して試料の特徴を決定すること、の１つ以上を制御するように構成されている１つ以上の制御部を含む。一実施例では、試料は、半導体ウェーハ上の１つ以上の対象である。
具体的な実施態様では、離散的範囲の入射角及び／または方位角は、互いに空間的に分離されている。別の態様では、波長範囲は、約１５０ｎｍから約２０００ｎｍの範囲である。別の態様では、照射光学系モジュールは、照射ビームを生成する高輝度レーザー維持プラズマ（ＬＳＰ）源を含む。一態様では、ＬＳＰ源は、約０．１Ｗ／ｎｍ／ｃｍ２／ｓｒ以上のピーク輝度で照射ビームを生成する。一態様では、入射角または方位角の離散的部分は、少なくとも０．１°でそれぞれ分離されている。別の態様では、離散的範囲の入射角及び／または方位角は、約６０°よりも大きい入射角を含む。具体的な態様では、離散的範囲の入射角及び／または方位角は、複数の離散的範囲の０°から３６０°の方位角を含む。本実施形態では、装置は、離散的範囲の０°から３６０°の方位角を得るために試料を回転させる位置決め機構を含み得る。別の態様では、離散的範囲の入射角及び／または方位角は、複数の離散的範囲の０°から９０°の方位角を含む。
一実施形態では、照射光学系モジュールは、収集光学系モジュールが収集・検出するのと実質的に同じ各離散的範囲の入射角及び／または方位角のそれぞれで照射ビームを提供するための複数の固定開口または１つの可動開口を含む。一態様では、照射光学系モジュールは、各離散的範囲の入射角及び／または方位角のそれぞれで１つずつ照射ビームを提供するための複数の固定開口及び各固定開口をそれぞれ覆うシャッターを含む。別の態様では、照射光学系モジュールはさらに、収集光学系モジュールが１つずつ収集・検出する際の離散的範囲の入射角及び／または方位角を実質的に含む一定範囲の入射角及び／または方位角の照射ビームを同時に提供するように構成されている。別の実施形態では、収集光学系モジュールは、各離散的範囲の入射角及び／または方位角のそれぞれで１つずつ出力ビームを収集するための複数の固定開口及び各固定開口をそれぞれ覆うシャッターを含む。別の実施形態では、収集光学系モジュールは、各離散的範囲の入射角及び／または方位角のそれぞれで１つずつ出力ビームを収集するための可動開口またはそれぞれがシャッターを備えた複数の固定開口のいずれかを含む。
具体的な実施態様では、偏光生成光学素子が照射光学系モジュール内に偏光子及び第１補償子を含むと共に、偏光解析光学素子が収集光学系モジュール内に第２補償子及び検光子を含み、偏光状態を選択することは、偏光子、第１補償子及び第２補償子並びに検光子のいずれか１つまたは複数を回転すること、または静止したままにすることを含む。別の実施形態では、偏光生成光学素子は偏光子及び検光子を含み、偏光状態を選択することは、偏光子を回転すること、及び検光子を静止したままにすることを含む。さらなる態様では、偏光解析光学素子は収集補償子をさらに含み、偏光状態を選択することは、収集補償子を回転することをさらに含む。さらなる態様では、照射光学系モジュールは、各離散的範囲の入射角及び／または方位角について試料における対象上の焦点の点広がり関数を最小化するためのアポダイザを含む。照射（または収集）アポダイゼーションとは、一般に、光学システムの入射瞳における光分布の変換（例えば、マスクを用いて照射ビームまたは収集ビームの振幅及び／または位相を変えること）と定義することが可能であり、それによって照射（または収集）ビームの強度プロファイルを変化させる。さらにもう１つの態様では、偏光生成光学素子は照射補償子をさらに含み、偏光状態を選択することは、照射補償子を回転することをさらに含む。
別の実施例では、偏光生成光学素子が偏光子及び照射補償子を含むと共に、偏光解析光学素子が検光子を含み、偏光状態を選択することは、照射補償子を回転すること、並びに偏光子及び検光子を静止したままにすることを含む。さらなる態様では、偏光解析光学素子は収集補償子をさらに含み、偏光状態を選択することは、収集補償子を回転することをさらに含む。別の実施形態では、偏光生成光学素子が偏光子を含むと共に、偏光解析光学素子が検光子を含み、偏光状態を選択することは、偏光子を静止したままにすること、及び検光子を回転することを含む。
具体的な実施態様では、照射光学系モジュールは、照射ビームを整形し、各離散的範囲の入射角及び／または方位角について試料上の対象に結ばれる焦点の点広がり関数を制御するための１つ以上のビーム整形光学素子を含む。例えば、１つ以上のビーム整形素子は、試料に当てた照射ビームによって生じた照射スポットの中心から既定距離だけ隔てたところの照射を、照射スポットの中心におけるピーク照射の既定値未満に低減させるように構成されている。
例示的な態様では、１つ以上のビーム整形素子はアポダイザであり、各アポダイザは再構成不可能な光学機能をそれぞれ有する。本装置はさらに、アポダイザの選択されたものを照射ビームの瞳と共役な平面またはその付近に移動させる位置決め機構を含み、制御部はさらに、アポダイザの選択されたものを位置決め機構が移動させるように構成されている。アポダイザは、離散的範囲の入射角及び／または方位角の全てに応じた既定の照射プロファイルを提供する。
別の実施例では、１つ以上のビーム整形素子は、照射ビームの瞳と共役な平面またはその付近に配置された動的に調整可能なアポダイザであり、動的に調整可能なアポダイザは、離散的範囲の入射角及び／または方位角の全てに応じた既定の照射プロファイルを提供するように構成されている。制御部はさらに、動的に調整可能なアポダイザを調整するように構成されている。
別の実施形態では、収集光学系モジュールは、収集瞳と共役な平面の位置またはその付近に配置され、あるいはその場所に移動可能な１つ以上のアポダイザを含み、アポダイザは、離散的範囲の入射角及び／または方位角の全てに応じた既定の収集プロファイルを提供する。
別の実施例では、照射光学系モジュールは、（ｉ）第１の非軸放物面（ＯＡＰ）ミラーと、（ｉｉ）第１のＯＡＰが離散的範囲の入射角及び／または方位角で１つずつ照射ビームを試料に反射させるようにするため、複数の位置で照射ビームを受け取って、第１のＯＡＰミラーにおける複数の位置に照射ビームを誘導するように移動可能な第１の平行移動ミラーと、を含む。本実施例では、収集光学系モジュールは、（ｉ）検出器と、（ｉｉ）第２のＯＡＰと、（ｉｉｉ）第２のＯＡＰが離散的範囲の入射角及び／または方位角で１つずつ出力ビームを検出器に反射させるようにするため、複数の位置で出力ビームを受け取って、第２のＯＡＰミラーにおける複数の位置に出力ビームを誘導するように移動可能な第２の平行移動ミラーと、を含む。
別の実施形態では、照射光学系モジュールは、ビームスプリッタと、非軸放物面（ＯＡＰ）ミラーと、平行移動ミラーであって、ＯＡＰが離散的範囲の入射角及び／または方位角で１つずつ照射ビームを試料に反射させるようにするため、ビームスプリッタを介して平行移動ミラーの複数の平行移動位置で照射ビームを受け取って、ＯＡＰミラーにおける複数の対応位置に照射ビームを誘導するように移動可能な平行移動ミラーと、を備える。収集光学系モジュールは、（ｉ）ビームスプリッタと、（ｉｉ）ＯＡＰと、（ｉｉｉ）平行移動ミラーと、（ｉｖ）出力ビームを試料に戻して反射させることにより、第２の出力ビームを試料から出射させ、ＯＡＰにおける対応位置から反射させてから、複数の平行移動位置で平行移動ミラーからビームスプリッタに向けて検出器に反射させて、離散的範囲の入射角及び／または方位角で１つずつ第２の出力ビームを収集するようにする球面ミラーと、を含む。
別の態様では、収集光学系モジュールはさらに、１つ以上の入射角で照射し、１つ以上の異なる入射角にわたって収集することにより、出力ビームからゼロ次オーダーの光を明視野計測用に収集し、出力ビームから非ゼロ次オーダーの光を暗視野計測用に収集するように構成可能である。一実施態様では、収集光学系モジュールは、試料で反射された照射の入射角（方位角）と同一の入射角（方位角）を収集する。別の実施例では、収集光学系モジュールは、試料で反射された照射の入射角（方位角）とは異なる入射角（方位角）を収集する。さらに別の実施例では、収集光学系モジュールは、光をスペクトルに分散させる分散素子を含む。別の実施形態では、本装置の照射瞳及び収集瞳は、照射の開口数及び収集の開口数を設定するように配置され、本装置の照射視野絞り及び収集視野絞りは、光源の大きさ及び画像の大きさを設定するように配置されている。
代替的実施形態では、本装置は、（ｉ）真空紫外線（ＶＵＶ）波長から赤外線（ＩＲ）波長の範囲内で選択可能な複数の波長で照射ビームを提供し、複数の入射角（ＡＯＩ）及び／または方位角（ＡＺ）で照射ビームを試料に向けて誘導する照射光学系モジュールと、（ｉｉ）試料から出射する出力ビームを実質的に全ての入射角または方位角で収集し、この出力ビームを１つ以上の検出器へと実質的に同時に誘導する収集光学系モジュールと、を備え、出力ビームは、試料に当てた照射ビームに応答する。照射光学系モジュールは、照射ビームに対して複数の偏光状態を生成する偏光生成光学素子を含み、収集光学系モジュールは、出力ビームの偏光状態を解析する偏光解析光学素子を含み、照射光学系モジュール及び収集光学系モジュールは、複数の偏光状態を生成する光学素子と偏光状態を解析する光学素子の間に反射光学素子を含む。本装置はまた、試料からの出力ビームを入射角及び／または方位角並びに偏光状態で受け取って検出し、上記入射角及び／または方位角並びに偏光状態の出力ビームに基づいて複数の信号または画像を生成する１つ以上の検出器と、波長範囲を選択すること、偏光状態を選択すること、並びに波長、入射角及び／または方位角、並びに選択された偏光状態で信号または画像を解析して試料の特徴を決定すること、の１つ以上を制御するようにそれぞれ構成されている１つ以上の制御部と、を含む。
一実施態様では、収集光学系は、波長を波長方向に分散させ、入射角及び／または方位角を入射角／方位角方向に分散させる１つ以上の分散素子を含み、波長並びに入射角及び／または方位角は、異なる２つの検出方向に沿って分散される。さらなる態様では、異なる２方向は互いに直交する。別の態様では、１つ以上の分散素子は、異なる２方向について２つの異なる光屈折力を有する。さらに別の態様では、１つ以上の検出器は複数の検出器からなり、各検出器は、分散された波長を決定し、別々の入射角領域の１つにわたって積分を行うように構成されている。さらなる態様では、収集光学系モジュールはさらに、１つ以上の分散素子からの出力ビームを、それぞれが検出器の１つに出力される別々の入射角領域に分割する部分分割光学系を含む。別の実施例では、収集光学系はさらに、波長平面と入射角及び／または方位角平面の間に位置する再撮像光学系を含み、再撮像光学系は、波長平面を各検出器に再撮像するように構成されている。
別の実施態様では、収集光学系モジュールは、出力ビームにおける空間的に分離した複数の入射角／方位角領域から特定入射角／方位角領域を選択的に送るための入射角／方位角マスクを瞳と共役な平面内に含むと共に、特定入射角／方位角領域を受け取り、分散された波長を決定し、特定入射角／方位角領域にわたって上記決定された波長を積分する検出器を含み、制御部はさらに、一度に１つの特定入射角／方位角領域を選択するように構成されている。さらなる態様では、波長平面は、入射角／方位角平面の前に位置している。別の態様では、入射角／方位角マスクは、それぞれがシャッターを備えた複数の固定開口で構成されている。さらに別の実施例では、入射角／方位角マスクは、固定可動開口で構成されている。
別の実施形態では、収集光学系モジュールは、分散された波長を決定し、別々の入射角領域にわたって積分する単一検出器を含み、別々の入射角領域の隣接するものの間には、入射角の分解・解析を行わない無画素領域が含まれる。別の態様では、収集光学系は、出力ビームを第１の出力ビームと第２の出力ビームに分割するビームスプリッタと、第１の出力ビームを受け取り、出力ビームの波長及び入射角を、第１検出器の異なる２つの検出方向に沿って分散させる第１分散素子と、第２の出力ビームを受け取り、出力ビームの波長及び方位角を、第２検出器の異なる２つの検出方向に沿って分散させる第２分散素子と、を含む。別の実施例では、波長平面は、入射角／方位角平面と同一平面に位置している。別の態様では、収集光学系モジュールは、異なる２つの入射角領域からの並列データを処理する少なくとも２つのレジスタを備えた検出器を含む。他の実施形態では、照射光学系及び収集光学系は、上記の特徴を含む。
別の実施形態では、本装置は、（ｉ）真空紫外線（ＶＵＶ）波長から赤外線（ＩＲ）波長の範囲内で選択可能な複数の波長で照射ビームを提供する１つ以上の高輝度光源と、（ｉｉ）複数の選択可能なセットの入射角（ＡＯＩ）及び／または方位角（ＡＺ）並びに複数の偏光状態で照射ビームを試料に向けて誘導する照射光学系であって、試料に当てた照射ビームのスポット径を選択可能な各セットの入射角及び／または方位角のそれぞれで制御する少なくとも１つのアポダイザを含む照射光学系と、（ｉｉｉ）選択可能な各セットの入射角または方位角及び変更状態のそれぞれで、照射ビームに応答して試料から出射している出力ビームを検出器に向けて誘導する収集光学系と、（ｉｖ）出力ビームに基づいて出力信号または出力画像を生成する検出器と、（ｖ）波長、入射角及び・または方位角、及び・または偏光状態、あるいはそれらの組み合わせの関数として、出力信号または出力画像に基づいて試料の特徴を特性付ける制御部と、を備える。
一実施形態では、１つ以上の光源は、レーザー維持プラズマ（ＬＳＰ）源を含む。具体的な実施態様では、少なくとも１つのアポダイザは、再構成不可能な光学機能をそれぞれ有し、照射瞳平面の内外にそれぞれ移動可能である一式のアポダイザからなり、各固定アポダイザは、選択可能な各セットの入射角または方位角のそれぞれについてスポット径を制御するように構成されている。別の態様では、選択可能な各セットの入射角及び／または方位角の全てについてスポット径を制御するために、少なくとも１つのアポダイザが照射瞳平面と共役な平面またはその付近に配置されている。別の態様では、少なくとも１つのアポダイザは、動的に調整可能なアポダイザであり、照射スポットの中心から既定距離だけ隔てたところの照射を、照射スポットの中心におけるピーク照射の既定値未満に低減させることによってスポット径を制御するように構成可能である。別の実施形態では、少なくとも１つのアポダイザは、照射ビーム内のサイドローブを抑制することによってスポット径を制御するように構成されている。さらに別の実施例では、少なくとも１つのアポダイザはさらに、試料上の複数の各種対象用に構成可能である。
別の態様では、照射光学系は、試料に当てた照射ビームを選択可能な各セットの入射角または方位角のそれぞれで走査する走査ミラーを含むと共に、収集光学系は、選択された各セットの入射角または方位角を１つずつ決定するための入射角／方位角選択器を含む。さらなる態様では、入射角／方位角選択器は、それぞれがシャッターを備えた複数の固定開口または少なくとも１つの可動開口を含む。別の態様では、少なくとも１つのアポダイザは、動的に調整可能なアポダイザである。一実施例では、動的に調整可能なアポダイザは、空間光変調器（ＳＬＭ）である。別の実施形態では、少なくとも１つのアポダイザは、選択可能な各セットの入射角または方位角について複数の２値振幅パターンを形成するように構成可能である。別の実施例では、少なくとも１つのアポダイザは、選択可能な各セットの入射角または方位角について複数の振幅パターンを形成するように構成されており、少なくとも１つの振幅パターンは連続可変である。
代替的実施形態では、本発明は、計測システムにおいて分光偏光解析を行う方法に関するものである。本方法は、（ｉ）多波長の照射光を生成すること、（ｉｉ）複数の異なる偏光状態を照射光に対して選択すること、（ｉｉｉ）複数の入射角（ＡＯＩ）または方位角（ＡＺ）を照射光に対して選択すること、（ｉｖ）照射光を整形・誘導して、多波長、異なる偏光状態及び入射角または方位角で対象にスポットを形成すること、（ｖ）照射光に応答して試料から出射する出力光を収集・検出し、各波長、異なる偏光状態及び入射角または方位角の関数として、検出された出力光に基づいて信号または画像を生成すること、並びに（ｖｉ）信号または画像を解析して試料の特徴を決定すること、を含む。
以下、各図を参照して本発明のこれらのまたは他の態様をさらに説明する。
本発明の一実施形態に係る特定入射角（ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ：ＡＯＩ）の光を収集する分光偏光解析（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ：ＳＥ）ツールを図示したものである。 本発明の第２実施形態に係る、多入射角を同時に検出するＳＥツールを図示したものである。 本発明の具体的な実施態様に係る多数の検出器で多数の入射角領域を同時に収集するＳＥツールの実施例を簡略的に図示したものである。 本発明の別の具体的な実施態様に係る多入射角の中から入射角範囲を選択的に検出できるように構成可能な入射角マスクを備えたＳＥツールの第２実施例を簡略的に図示したものである。 代替的実施形態に係る単一検出器上の多数の入射角／方位角領域を同時に収集する様子を示す図である。 一実施形態に係る分散後の入射角及び方位角を同時に収集する収集側光学系を図示したものである。 本発明の別の実施形態に係る構成可能な一式のアポダイザを備えた構成可能なＳＥツールを図示したものである。 本発明の代替的実施形態に係る動的に調整可能なアポダイザを備えた構成可能なＳＥツールを図示したものである。 一実施態様に係る例示的な開口システムの側面図である。 第２実施態様に係る例示的な開口システムの側面図である。 本発明の一実施形態に係る照射選択器の斜視図である。 ３つの開口構成を組み合わせて開口構成の第２実施例を得る様子を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る非軸放物面（ｏｆｆ－ａｘｉｓ ｐａｒａｂｏｌｉｃ：ＯＡＰ）ミラーを備えた構成可能な計測ツールを図示したものである。 本発明の代替的実施態様に係る非軸放物面（ＯＡＰ）ミラーを備えた構成可能な二重経路式計測ツールを図示したものである。 本発明の一実施形態に係るＳＥ計測手順を示すフローチャートである。
以下の説明では、本発明を完全に理解できるように多くの具体的な詳細事項を記載する。本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てがなくても実施することが可能である。別の事例では、本発明が必要以上に曖昧にならないようにするため、周知の構成要素またはプロセス工程を詳細に説明してはいない。具体的な実施形態と関連して本発明を説明していくが、本発明をこれらの実施形態に限定することを意図したものではないことが理解されよう。
分光偏光解析（ＳＥ）システムの利用における１つの問題は、検出されたデータの結合に関するものである。特定の試料（半導体ウェーハまたはレチクルなど）に由来する測定済みの偏光解析パラメータは、波長（λ）及び対象のｘ，ｙ位置といった複数の計測パラメータに依存する。一般に、ツール設定が異なる場合の偏光解析データ（例えば、λや対象位置など）は、個別に収集され、対象特性を推論するためのモデル（例えば、ＣＤやオーバーレイ）に入力される。対象がより複雑になるにつれて、対象特性を変更するための収集済みデータは、密接に関連するようになり、あるいは不十分となる。その結果、上記モデルでは正確に対象特性を決定することができなくなる。
それぞれ異なった特定の狭い範囲の入射角をなすように構成可能なＳＥシステムを用いることにより、対象パラメータ間が無相関になり得るが、このようなシステムでは、狭い範囲の入射角及び結果として得られたＮＡのそれぞれについてスポット径を小さくすることができない場合がある。例えば、入射角を選択するＳＥシステムには、一定の小さい寸法形状（例えば、４０ミクロン×４０ミクロン以下）を測定するのに有用となり得る十分小さいスポット径を得るための機構が含まれていない場合がある。さらに、このようなＳＥシステムでは、入射角の範囲が限定され得ることからブルースター角付近にすることができず、一定用途の計測を高感度に行うことができない場合がある。
簡略のため、「入射角」という用語は、本明細書では「離散的な狭い範囲の入射角」という表現を省略したものとする。同様に、「離散的入射角」という用語は、「離散的範囲の入射角」という用語と同義的に用いられる。一部のＳＥシステムは、単一入射角または離散的入射角を用いて構成・設定され得る。しかしながら、ＳＥシステムでは、一般に、単一入射角のみとすることも、離散的入射角のみとすることも実際にはできない場合があるが、その代わりに「選択された」単一入射角または離散的入射角を中心とした狭い範囲の入射角とするか、あるいは「選択された」単一入射角を含むようにする。他のＳＥシステムでは、設定パラメータまたはレシピパラメータとして、単一入射角または離散的入射角ではなく狭小範囲の入射角を入力することも可能である。なお、入射角は、試料の法線となす角度である。また、方位角は、試料面の２次元平面を規定する互いに直交するｘ、ｙ方向などのうちの一つの軸方向を基準とする角度である。
本発明における一定の偏光解析の実施形態は、同時または順次の多入射角（ＡＯＩ）及び多方位角（ＡＺ）で測定値を得るエリプソメータを提供し、これによって対象特性間の相関を無くしやすくする。このエリプソメータツールはまた、偏光状態を生成する光学部品及び偏光状態を解析する光学部品を含んでもよい。これらの部品は、対象のミュラー行列要素の全てまたは一部を決定するように構成可能である。このツールはまた、真空紫外線（ｖａｃｕｕｍ ｕｌｔｒａ ｖｉｏｌｅｔ：ＶＵＶ）、可視光、近赤外線（ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ：ＮＩＲ）及び赤外線（ｉｎｆｒａｒｅｄ：ＩＲ）を含む広範な波長範囲に構成可能な高輝度光源を含んでもよい。一定の実施形態では、ＳＥシステムは、種々の選択可能な入射角構成（入射角及び多入射角を含む）、同時及び順次の入射角、ミュラー行列を偏光解析するための構成可能な偏光状態、並びに選択可能なＶＵＶからＮＩＲの波長範囲を提供する。本システムの実施形態（本明細書に記載された他の実施形態も同様）の照射側は、ＶＵＶからＵＶで機能し、ＶＵＶからＩＲの全範囲にわたって広く色補正を行うための反射光学系を含み得る。
一定の実施形態では、分光偏光解析（ＳＥ）を多入射角及び多方位角で行うことができる。それにより、固定照射と収集瞳、及び固定照射と収集視野絞りを用いることによって測定の反復性及び安定性を向上させることができる。図１は、本発明の一実施形態に係る特定入射角（ＡＯＩ）の光を収集する分光偏光解析（ＳＥ）ツール１００を図示したものである。通常、この計測ツールは、構成可能な波長で高輝度照射光を提供する照射光学系１０２、及び空間的に分離した離散的範囲の入射角（または離散的範囲の方位角）で試料（試料）１３２上の対象からの光を１つずつまたは同時に検出する収集光学系１０４を含み得る。照射光学系１０２及び収集光学系１０４はまた、種々の偏光状態（対象のミュラー行列の全てまたは一部を求めるための偏光状態を含む）で光を生成・収集するように構成されてもよい。
図示の通り、照射光学系１０２は、照射ビームを生成する１つ以上の光源（例えば、光源１０６）を含む。例示した実施態様では、１つ以上の照射源１０２は、真空ＵＶから近赤外線（例えば、約１５０ｎｍから約２０００ｎｍ）の範囲の波長をカバーする１つ以上の広帯域光源を含み得る。一実施例では、照射源は、高輝度光を生成するレーザー維持（ＬＳＰ）源である。一実施例のＬＳＰは、Ｅｎｅｒｇｅｔｉｑ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社（マサチューセッツ州、ウーバン）から市販されているＥＱ－１０００である。ＬＳＰのいくつかの実施形態は、Ｄｏｎａｌｄ Ｋ．Ｓｍｉｔｈらによって２０１１年５月３日に出願された「レーザー駆動光源」と題する米国特許第２０１１／０２０４２６５号公報、及びＤｏｎａｌｄ Ｋ．Ｓｍｉｔｈらによって２００８年７月２日に出願された「レーザー駆動光源」と題する米国特許第２００９／００３２７４０号公報に記載されており、ここに本明細書の一部を構成するものとしてこれらの出願を援用する。他の光源は、固体レーザーまたは他の種類のレーザーを含んでもよい。
一実施例では、１つ以上の光源はまた、５７°から７３°の範囲で同時入射角をなすために、少なくとも０．１Ｗ／（ｎｍ ｃｍ２ Ｓｒ）のピーク輝度も有する。別の態様では、１つ以上の光源は、１９０ｎｍ付近の波長で少なくとも０．１Ｗ／（ｎｍ ｃｍ２ Ｓｒ）のピーク輝度を有してよい。
また、光源の出力及び波長を安定化させるために、計測システムの光源に高速フィードバックをかけてもよい。このようなＬＳＰ及び他の広帯域光源を制御するためのいくつかの機構は、Ｄａｎｉｅｌ Ｋａｎｄｅｌらによって２０１０年８月３１日に出願された「計測システム及び方法」と題する米国特許出願第２０１１／００６９３１２号においてさらに記載されており、ここに本明細書の一部を構成するものとして本出願を援用する。光源はまた、キセノンランプ及び／または重水素ランプで構成されてもよい。
別の実施態様では、光源は、異なる複数組のレーザーダイオードの形態をなす複数のレーザーダイオードで構成されている。これらのレーザーダイオードは、特定の計測用途に必要とされる種々の範囲の波長をカバーするように選択可能である。例えば、これらのレーザーダイオードアレイは、遠紫外線（ｕｌｔｒａ－ｖｉｏｌｅｔ：ＵＶ）、ＵＶ、可視光（ｖｉｓｉｂｌｅ：ＶＩＳ）及び近赤外線（ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ：ＮＩＲ）の範囲から選択的に得られる波長幅を提供する。レーザーダイオードアレイのいくつかの実施形態は、Ａｎａｎｔ Ｃｈｉｍｍａｌｇｉらによって２０１３年６月２１日に出願された「ダイオードレーザーによるウェーハ検査ツール用広帯域光源」と題する米国出願第１３／９２４，２１６号においてさらに記載されており、ここに本明細書の一部を構成するものとして本出願全体を援用する。
照射光学系１０２はまた、照射ビームを調整するためのエリプソメータ照射光学系１０８を含んでもよい。このような調整としては、開口及び視野絞りの位置及び大きさの設定、並びに偏光子１１０に対する照射ビームの調整などがある。エリプソメータ照射光学系１０８は、通常、任意の適切な形にビームを整形する機能（平行化、集束化、拡径、縮径といったビーム形状の操作など）を行うように構成されてよい。
偏光子１１０は、回転偏光子偏光解析（ｒｏｔａｔｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ：ＲＰＥ）を行うべく回転するように構成されてよく、あるいは他の種類の偏光解析を行うべく固定するように構成されてもよい。照射光学系はまた、波長板の形態をとった照射補償子１１２（あるいは、光弾性変調器、音響光学変調器、液晶光変調器または他の偏光感度の位相変調装置）を照射路に含んでもよい。照射補償子１１２は、固定式または回転式（例えば、回転補償子偏光解析（ｒｏｔａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ：ＲＣＥ）モードの場合）として構成されてよい。この照射路の補償子１１２及び／または偏光子１１０を回転させることにより、照射ビームの偏光状態を変化させることが可能となる。これらの偏光状態には、Ｓ偏光状態及びＰ偏光状態と共に、より一般的な偏光状態を含めることができる。これらの偏光状態は、さらに本明細書で説明するように、ミュラー行列に基づく偏光解析を行うように選択されてよい。
偏光子１１０及び補償子１１２は、ＶＵＶからＮＩＲの範囲の広帯域光で作用するように設計されてよい。例えば、波長範囲に応じた他の材料に加えて、例えば、好適な偏光子にはＭｇＦ２ロションプリズムが挙げられ、好適な波長板にはＭｇＦ２及び水晶波長板が挙げられる。
照射光学系はまた、離散的入射角または離散的方位角を選択できるように、固定開口または可動開口及び／またはシャッターを含んでもよい。例示した実施例では、ミラー１１５，１１６を用いて試料１３２上に照射ビームを集束させるように構成されており、試料１３２上に集束させる１つ以上の範囲の入射角及び／または方位角を開口１１４が画定する。例えば、無反射材料をミラー上にパターン化することにより、無反射材料がない箇所で特定反射型開口を提供することができる。
例示した本実施形態では、開口素子１１４は、空間的に離散した各セットの入射角または方位角を試料に提供できるように、一式の固定開口を含む。あるいは、開口素子１１４はまた、開口ごとにシャッターを含むことにより、離散的入射角または離散的方位角の各セットを独立に選択して試料を照射できるようにしてもよい。別の実施形態では、開口素子１１４は、空間的に離散した種々の範囲の入射角または方位角を選択するための可動開口を１つ以上含んでよい。いくつかの構成可能な開口は、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ社によって２０１３年３月１日に出願されたＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０２８６５０号においてさらに記載されており、ここに本明細書の一部を構成するものとして本出願全体を援用する。
別の実施態様では、開口装置はまた、透過型開口素子の形態をとることもできる。この素子は、不透明材料に開いた穴、または不透明材料を用いてパターン化された透過型材料を照射光が通過するように配置されている。次いで、照射ビームの光線は、例えば、透過型集束素子により、離散的入射角及び離散的方位角でウェーハに集束され得る。しかしながら、透過型開口素子は、ＶＵＶからＵＶでは十分に作用することができない場合がある。
いずれの開口の実施例でも、開口素子は瞳平面またはその付近に配置され、この瞳平面の特定の空間位置で照射光線を透過または反射するように構成されており、それによって離散的範囲の入射角または方位角を選択できるようになっている。言い換えると、本計測システムは、照射ビームについて、同時に（例えば、シャッターも可動開口も用いずに）、あるいは１つずつ（シャッターまたは可動開口を経由して）、複数範囲の入射角及び方位角を離散的に選択することが可能である。例えば、それぞれが約８°以下の入射角範囲を有する離散的セットの入射角は、各セット間が少なくとも約０．１°で分離されており、これらのセットを全て合わせると、約５０°～約８０°の範囲をカバーする。一実施形態では、選択可能な範囲の入射角の少なくとも１つは、約６０°超の入射角をなす。同様に、離散的範囲の方位角は、それぞれが２０°と同等またはそれ未満の方位角範囲を有し得るが、各セット間は少なくとも約０．１°で分離されており、これらのセットを全て合わせると０°から３６０°の範囲をカバーする。
収集光学系１０４は、試料１３２からの光を離散的入射角及び離散的方位角で収集するように構成されてよい。すなわち、収集光学系１０４は、試料１３２からの被検出光（複数の異なる入射角及び方位角を有する）を収集できるような大きさになっている。例示した実施形態では、ミラー１１７，１１８は、試料１３２で反射する照射ビームを収集し、そのビームを検出器１２４に向けて誘導する。開口素子１２６は、種々の入射角及び方位角を選択するように構成されている。例えば、３つの異なる収集開口のうちの１つを用いて、３つの異なる入射角のセット（３つの異なる入射角に集められている）のうちの１つを１つずつ選択してよい。
次いで、光学素子を配置して、試料１３２で反射した光の偏光状態を解析してよい。例えば、種々の構成に合わせて第２補償子１２０及び検光子１２２を回転式または固定式として、種々の偏光状態を収集してよい。第２補償子は、波長板の形態（あるいは、光弾性変調器、音響光学変調器、液晶光変調器または他の偏光感度の位相変調装置）をとってよい。
回転偏光子偏光解析（ＲＰＥ）モードでは、偏光子のみが回転する一方、他の回転可能な偏光解析構成要素（照射路内の照射補償子、検光子及び収集路内の収集補償子など）は固定されたままである。他のモードとしては、ＲＰＲＣ（回転偏光子、回転照射補償子または回転収集補償子及び固定検光子）モード、及びＲＣＲＣ（固定偏光子、回転照射補償子、回転収集補償子及び固定検光子）モードを挙げることができる。他のモードとしては、ＲＣＥ（固定偏光子、回転照射補償子及び固定検光子）、ＲＣＲＣ（固定偏光子、回転照射補償子及び回転収集補償子、並びに固定検光子）、または固定偏光子及び回転検光子の組み合わせを挙げることができる。本システムは、照射補償子または収集補償子のいずれかを含んでよく、あるいは両方の補償子を排除してもよい。
本明細書に記載されたシステムの実施形態は、いずれもミュラー偏光解析用に構成可能であってよい。本解析では試料を４×４行列で記述するが、その行列内の各要素は一式のスペクトルである。偏光子１１０、検光子１２２、第１補償子１１２、第２補償子１２０及び試料１３２の任意の組み合わせを測定中に回転することができる。選択可能な角周波数で、偏光生成光学素子及び偏光解析光学素子をそれぞれ回転させてもよい。種々の構成を用いて、種々の数の高調波スペクトルを生成する。なお、その一部では、十分な数の高調波スペクトルを生成することにより、対象のミュラー行列が完全に決定される。ミュラー行列を用いて偏光解析を行う様々な技法が、２０１３年５月２１日に発行された、Ｓｈａｎｋａｒ Ｋｒｉｓｈｎａｎによる「再構成可能な分光エリプソメータ」と題する米国特許第８，４４６，５８４号においてさらに記載されており、ここに本明細書の一部を構成するものとして本出願全体を援用する。
偏光子１１０と検光子１２２の間に位置する光学素子は、試料に向けて照射光を反射し、試料からの出力光を収集するための反射素子であってよい。分光偏光解析ツールにおける反射光学素子のいくつかの異なる配置構成は、１９９７年３月４日に発行された、Ｐｉｗｏｎｋａ－Ｃｏｒｌｅらによる米国特許第５，６０８，５２６号においてさらに記載されており、種々の分光偏光解析の特徴に関するさらなる実施形態を提供する目的で、ここに本明細書の一部を構成するものとして本特許を援用する。なお、このような特徴としては、光源、照射ビームを試料に反射させて集束させるための光学部品、自動焦点検出用部品、偏光子／補償子／検光子の構成及び配置、基準照射ビームを生成・検出するための基準チャネル用部品、制御・処理機構、分光器／検出器の配置、分光器システムの構成要素などがあり、これらは本明細書に記載されたシステムの実施形態で利用され得る。
次いで、収集した光を検出器１２４で受け取ることができる。一実施形態では、検出器は、広範囲な波長に対して十分高い量子効率を有する分光器である。検出器モジュールは、分光器スリット、及びプリズムを通った出力ビームを反射する１つ以上の反射ミラーを含んでよく、このプリズムは、異なる波長を別々の方向に屈折させることにより、検出器またはセンサの異なる直線部に沿って光が当たるように構成されている。他の検出器モジュールの配置も考えられる。具体的な実施形態では、検出器は、以下のＵＶ強化部品の１つ以上を備えることができる。すなわち、約１９０ｎｍから約９００ｎｍの波長範囲にわたって十分高い量子効率を有する電荷結合素子（ｃｈａｒｇｅｄ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）を用いた検出器、約７００ｎｍから約２０００ｎｍの波長範囲にわたって十分高い量子効率を有するフォトダイオードアレイ、約１５０ｎｍから約４００ｎｍの波長範囲にわたって十分高い量子効率を有するフォトダイオードアレイなどである。好適な検出器としては、電荷結合素子（ＣＣＤ）、ＣＣＤアレイ、時間遅延積算（ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：ＴＤＩ）センサ、ＴＤＩセンサアレイ、光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）及び他のセンサが挙げられる。
システム１００はまた、制御部１３０を含んでもよい。この制御部は、ソフトウェア及びハードウェアの任意の適切な組み合わせを含むと共に、通常、計測システム１００の種々の構成要素を制御するように構成されている。例えば、この制御部は、光源１０６の選択的作動、照射偏光子及び照射補償子の設定、検出補償子及び検出検光子の設定、照射開口／シャッターの設定などを制御してよい。制御部１３０はまた、検出器１２４で生成された信号または画像データを受け取ってもよく、得られた信号または画像を解析し、試料パラメータを求めることによって対象または試料を特徴付け、あるいは欠陥が試料に存在するかどうかを判定し、あるいは試料に存在する欠陥を特徴付けるように構成されてもよい。
システム１００はまた、種々の移動可能な構成要素（試料台、固定開口／マスク、シャッター、偏光子、検光子、補償子など）を種々の位置に回転移動、チルト移動及び／または平行移動させる位置決め機構１３１を含んでもよい。一例として、位置決め機構１３１は、１つ以上のモーター機構（スクリュードライブ及びステッパーモーター、位置フィードバックを備えたリニアドライブ、バンドアクチュエータ及びステッパーモーターなど）を含んでよい。
本明細書に記載された任意のシステムと同様に、システム１００はまた、好適には真空ＵＶでの作動に適する窒素ガスまたは他のガスで真空チャンバを満たすためのパージシステムも含む。１５０ｎｍで運用する場合、例えば、全光学経路はチャンバで密閉されており、このチャンバは乾燥窒素ガスで満たされている。例示的なパージシステム及びパージ技法は、（ｉ）Ｎｉｋｏｏｎａｈａｄらによって２００３年１１月１９日に出願された米国特許出願第２００４／０１５０８２０号公報、及び（ｉｉ）２００８年１月２４日に出願された米国特許第７，７５５，７６４号に記載されており、ここに本明細書の一部を構成するものとして本出願及び本特許をこうした特徴のために援用する。
本明細書に記載された各制御部は、得られたテスト画像及び他の計測特性を表示するためのユーザーインターフェースを提供する（例えば、コンピュータスクリーンに）ように構成されてもよい（例えば、プログラム命令を用いて）。制御部はまた、ユーザーにレシピ入力を提供するための１つ以上の入力装置（例えば、キーボード、マウス、ジョイスティック）を含んでもよい。このようなレシピ入力としては、検出パラメータに加えて、波長範囲、入射角／方位角及び入射光または収集光の偏光状態を選択することなどがある。制御部は、通常、１つ以上のプロセッサを備える。このプロセッサは、適切なバスまたは他の通信機構を介して、入出力ポート及び１つ以上のメモリに接続されている。
こうした情報及びプログラム命令は、特別に構成されたコンピュータシステムに実装されてよい。このようなシステムには、本明細書に記載された種々の動作を行うためのプログラム命令／コンピュータコードが含まれるが、これらは、コンピュータ読み取り可能な媒体に格納することができる。コンピュータ読み取り可能な媒体としては、例えば、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク及び磁気テープなどの磁気媒体；ＣＤ－ＲＯＭディスクなどの光学媒体；光ディスクなどの光磁気媒体；並びにリード・オンリー・メモリ（ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ：ＲＯＭ）装置及びランダム・アクセス・メモリ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＲＡＭ）といったプログラム命令を格納して実行するように特別に構成されたハードウェア装置などが挙げられるが、これらに限定されることはない。例示的なプログラム命令としては、機械コード（コンパイラによって生成されたコードなど）及びインタープリターを用いてコンピュータで実行され得る高水準コードを含むファイルの両方が挙げられる。
上述した各図及び説明がシステムの特定の構成要素に限定されると解釈するのではなく、他の多くの形態において本システムを具現化することが可能であることに留意すべきである。例えば、計測ツールは、対象となる試料の特徴及び性質を決定するために配置された任意数及び任意種類の適切な構成要素を含み得るとみなされる。一例として、計測ツールは、ＶＵＶからＮＩＲの分光による偏光解析、反射光測定または分散光測定を行う１つ以上の構成要素を含んでよい。
別の例示的なＳＥツールの実施形態では、ツールの検出器システムに波長及び入射角または方位角を同時に分解させる。図２は、本発明の第２実施形態に係る多入射角を同時に検出するように構成可能なＳＥツール２００を図示したものである。本実施例では、試料１３２で反射された種々の入射角または方位角の光を収集光学系２０４で収集し、検出器モジュール２２４に送る。例示した実施形態では、収集光学系２０４は、収集光を分散光学系及び検出器モジュール２２４に集束させる収集ミラー２２６，１１８を含む。代替的実施形態では、被検出光を離散的入射角または離散的方位角へと空間的に分解していない。
波長及び入射角／方位角を平面内の異なる２方向（互いに直交するｘ，ｙ方向など）にマッピングするための任意の適切な収集側機構をＳＥツールに組み込んでよい。通常、システム２００は、２次元検出器の異なる２方向に波長及び入射角（または方位角）をマッピングできるように、異なる２方向（ｘ，ｙ方向など）で別々の光屈折力（例えば、円柱屈折力、環状屈折力など）を有する光学収集系を含んでよい。図示の通り、分散光学系及び検出器モジュール２２４は、入射角／方位角用に１つの軸を有し、波長用に別の軸を有する２次元分光器の機能（拡大したものを２２７に図示する）を提供する。分散光学系は、波長方向では、視野絞りと共役な面またはその付近に検出器を配置させるような屈折率を有し、入射角方向では、瞳平面と共役な位置またはその付近に検出器平面を配置させるような屈折率を有するように構成されてよい。あるいは、本実施例の入射角を方位角に置き換えてもよい。
例示した実施例では、分散光学系及び検出器モジュール２２４は、分光器入口で被検出ビームを受け取り、そのビームを検出器が受け取るように調整するための分散素子を含む。この検出器は、光を波長の関数として第１の軸に（例えば、Ｘ方向に）マッピングし、被検出光を入射角／方位角の関数として第２の軸に（例えば、Ｙ方向に）マッピングする。すなわち、分散素子は、被検出光の波長成分を第１の検出器軸に分散させ、被検出光の入射角／方位角成分を第２の検出器軸（例えば、この軸は第１の軸に直交している）に分散させる。具体的な実施態様では、分散素子は、開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）に比例した長さを有し、点焦点を線に合わせるように構成された円柱体、及び光をスペクトルに分散させる分散素子を含む。このＮＡは、収集した入射角／方位角に関係している。
検出器は、２方向に分散された光を検出する任意の適切な検出機構を含んでよい。このような検出機構としては、本明細書に記載されるような範囲で変動する波長、入射角及び方位角の光を検知するＣＣＤなどがある。検出器は、選択された画素からデータをシフトさせる任意の適切な数のシフトレジスタを含んでよい。例えば、検出器は、２つの異なる入射角で入射して試料から放射された光を並列処理する２つのシフトレジスタを含んでよい。別の実施例では、２つよりも多くの異なる入射角で試料に入射して反射された光を並列に処理できるように、検出器が２つよりも多くのシフトレジスタを備える。さらに別の実施例では、高速に読み出しができるように、検出器は、入射角検出をするためのシフトレジスタごとにわずか一行の画素を備える。
システム２００はまた、システム２００の任意の構成要素を制御するように構成された制御部２３０を含んでもよい。例えば、制御部２３０は、１つ以上の光源１０６の波長、偏光子１１０、照射補償子１１２、検光子１２２及び収集補償子などの角周波数及び／または方位角並びにタイミングを選択するように構成されている。制御部２３０はまた、検出器で生成された信号または画像データを受け取り、得られた信号または画像を解析するように構成されてもよい。これにより、試料パラメータを求めることによって試料を特徴付け、あるいは欠陥が試料に存在するかどうかを判定し、あるいは試料に存在する欠陥を特徴付けるようにする。システム２００はまた、種々の移動可能な構成要素（試料台、固定開口／マスク、シャッター、偏光子、検光子、補償子など）を種々の位置に回転移動、チルト移動及び／または平行移動させる位置決め機構２３１を含んでもよい。
一定の実施形態では、種々の入射角、方位角及び波長に応じたデジタルデータに被検出光を変換することが可能であり、このデータは、入射角、方位角及び波長（偏光状態に加えて）の関数として独立に解析することができる。被検出光に応じた上記データを、種々の入射角／方位角及び／または波長に応じて検出器の別々の領域に対応するように分割してもよい。次いで、こうして分割したデータを、入射角、方位角及び波長（偏光状態に加えて）の関数として解析することができる。一定の実施形態では、種々の入射角からの光信号を同時に取得して処理することにより、測定処理能力を向上させることができる。照射ＮＡが増加すると、試料の対象領域における回折限界スポット径が小さくなることにより、対象サイズを小さくすることができる。あるいは、対象サイズを小さくしなかった場合でも、このようにＮＡを増加させると、対象領域内から到来した被検出光と周辺領域から到来した被検出光との比が増加して、信号が汚染されにくくなる。
図３Ａは、本発明の特定の実施態様に係る多数の検出器で多数の入射角領域を同時に収集するＳＥツール３００の実施例を簡略的に図示したものである。図示の通り、ツール３００は、複数波長の光を提供する光源１０６、及び試料１３２に誘導させた照射ビームに種々の偏光状態を与えるエリプソメータ照射光学系３０２を含む。エリプソメータ照射光学系３０２はまた、多入射角で照射ビームを誘導するように構成されてもよく、多方位角で光を誘導するように構成されてもよい。ツール３００はまた、多入射角（及び方位角）及び多重偏光状態の光を収集するエリプソメータ収集光学系３０４を含んでもよい。光源１０６、エリプソメータ照射光学系３０２及びエリプソメータ収集光学系３０４は、本明細書に記載された種々の照射用構成要素及び収集用構成要素のいずれかに相当し得る。
ツール３００の収集側はまた、波長及び入射角に応じて、収集光を互いに直交する２方向に分散させる波長・入射角分散光学系３０６を含んでもよい。図示の通り、平面１（３０８）での分散結果３０９を図示する。この図では、第１の縦軸に対しては３つの異なる入射角領域１，２，３が含まれており、第２の横軸に対しては全入射角領域にわたって波長が分散している。当然のことながら、任意の適切な数の入射角領域が分散光学系３０６によって規定され得る。分散光学系３０６は、本明細書に記載されるように、異なる２方向に入射角（及び／または方位角）及び波長を分散させるべく、異なる光屈折力（例えば、円柱屈折力、環状屈折力など）を有するように構成されてよい。
ツール３００はまた、分散光学系３０６によって入射角（または方位角）に分散されたビームを種々の入射角領域に分割する部分分割光学系３１０を含んでもよい。入射角部分分割光学系はまた、波長を決定し、１つの入射角（または方位角）の範囲にわたって積分する個々の検出器（例えば、３１４ａ，３１４ｂ，３１４ｃ）に各入射角領域を導くように構成されてもよい。入射角（または方位角）及び波長を分解した各平面が空間的に十分分離されていない場合、これらの平面間に再撮像光学系３１２を配置して、波長を分解した平面を各検出器に再撮像する。各検出器は、１９０ｎｍから約９００ｎｍの波長にわたって検出するように構成されてよい。また、全ての検出器を同時に読み出すように構成してよい。光学系３０６，３１０，３１２及び検出器３１４はまた、１５０ｎｍから２０００ｎｍの範囲の波長を収集及び／または検出するように構成されてもよい。例えば、約１０００ｎｍ未満の波長用にＳｉベース検出器を用いてよく、約８００ｎｍ超の波長用にＩｎＧａＡｓベースの検出器を用いてよい。このようなＳＥの実施形態により、種々の入射角／方位角からの光信号を同時に取得して処理することができる。
システム３００はまた、種々の構成要素を制御し、検出されたデータを解析するように構成された制御部３３０を含んでもよい。制御部３３０は、例えば、図２の制御部２３０と同様であってよい。さらに、制御部３３０は、多数の検出器を制御し、このような各検出器で得られた画像及び信号を解析するように構成されてよい。システム３００はまた、移動可能な任意の構成要素を平行移動、回転移動またはチルト移動させる位置決め機構３３１を含んでもよい。この位置決め機構は図２の位置決め機構と同様であるが、多数の検出器の位置をさらに選択できるようになっている。
代替的な多入射角システムは、選択された入射角用の開口を単一検出器に含み得る。図３Ｂは、本発明の別の具体的な実施態様に係る多入射角の中から入射角範囲を選択できるように構成可能な入射角マスク３５１を備えたＳＥツール３５０の第２実施例を簡略的に図示したものである。図示の通り、波長・入射角（及び／または方位角）分散光学系３４８は、依然として入射角（または方位角）及び波長を異なる２方向（例えば、直交する方向）に分散させるように構成されているが、入射角／方位角の分散平面の前に配置された平面で波長を分散する。すなわち、図３Ｂの入射角分散光学系３４８は、図３Ａを用いて説明した入射角分散光学系と同様に動作し得るものの、入射角／方位角の分散平面と同一平面内には波長を分散させない。
入射角マスク３５１を平面に置き、その上に分散光学系３４８によって入射角を分散させるようにしてよい。この入射角マスクを用いて、検出器３５２に別々の入射角領域を選択的に送るように構成してよい。例えば、入射角マスク３５１は、試料の入射角／方位角領域において一度に１つずつ入射角／方位角領域を選択するための機構を提供する。ビュー３５４は、入射角領域を選択する実施例を示している。このビュー３５４では、入射角マスク３５１の開口を介し、入射角領域２を選択して検出器３５２に送る一方、入射角領域１，３は、入射角マスク３５１のマスク部（このマスク部は不透明のため光が透過しない）によって遮断される。
入射角マスク３５１は、特定の入射角領域を選択できるように任意の適切な形態をとってよい。例えば、入射角マスク３５１（または開口）は、異なる入射角領域を選択するためのシャッターをそれぞれ備えた複数の固定開口を備えてもよく、あるいは単一の可動開口（図示の通り）を備えてもよい。多数の固定開口を用いた実施例では、さらに本明細書に記載されるように、各開口を空間的に分離することにより、試料の種々の入射角領域を分解できるようにする。
検出器３５２（及び３１４）は、少なくとも１方向に沿って検出する（波長の場合）任意の適切な形態をとってよい。例えば、上述した２次元検出器または１次元線形フォトダイオードアレイなどがある。検出器３５２（及び３１４）は、波長分解平面内に位置することが好ましい。検出器３５２は、感光領域の幅によって、あるいは検出器装置内に組み込まれたマスクによって画定されるマスク３５１を備えてよい。この場合、分散光学系３４８は、入射角／方位角の分散平面と同一平面内に波長を分散させる。また、この場合、入射角領域を選択するためのマスク３５１と同様に検出器３５２を移動させる。
システム３５０はまた、制御部３６０及び位置決め機構３６１を含んでもよい。このシステムは、本明細書に記載された任意の制御部及び／または位置決め機構と同様の機能によって構成されているが、さらに、入射角マスク３５１及び／または検出器３５２を制御し、あるいは移動させることができる。
照射光路及び収集光路を移動させずに、多入射角で試料に照射して入射角領域を１つずつ選択的に収集する（すなわち、個別の検出器へと収集させる）ＳＥ計測ツール（図１，２，３Ａの各システムなど）は、瞳及び視野絞りが入射角測定ごとに変わるシステムに比べると、固定照射と収集瞳、及び固定照射と収集視野絞りによって測定の反復性及び安定性をより向上させることが可能となる。可動視野絞りを備えたシステムの実施形態（図３Ｂのシステムなど）は、収集ミラー付近に移動開口を備えたシステムに比べると、開口の移動距離がより少なくなり、より高速な処理能力を実現することが可能となるが、移動開口がないシステムに比べると不安定になるという代償を伴う。撮像経路が固定された光学系を備える実施形態は全て、撮像光学系を移動することによって入射角を分解するシステムに対し、処理能力上の利点を有する。
別の実施例では、単一の２次元検出器を用いて、多数の入射角領域を同時に収集することができる。図３Ｃは、代替的実施形態に係る単一検出器３７０上の多数の入射角／方位角領域を同時に収集する様子を示す図である。本実施例では、この検出器は、複数の入射角領域（例えば、３７２ａ，３７２ｂ，３７２ｃ）に分割されており、これらは空間的に分離された入射角領域に相当する。これらの領域は同時に検出され、その後、別々に解析され得る。検出器の入射角領域は、光学不活性領域（例えば、３７４ａ，３７４ｂ）によって空間的に分離することができる。これらの不活性領域は、解析が行われない光学不活性の画素部または信号部に相当する。
分散を用いた実施形態のいずれにおいても、ビームスプリッタを用いてビームを２つの２次元検出器に送ることにより、入射角と方位角を両方とも同時に分散させることが可能である。このとき、一方では波長及び入射角を分散するように構成され、他方では波長及び方位角を分散するように構成される。図３Ｄは、一実施形態に係る分散後の入射角と方位角を同時に収集する収集側光学系３８０を図示したものである。図示の通り、エリプソメータ収集光学系３８２は、試料からの多入射角及び多方位角の光を収集し、その出力をスプリッタ３８４に誘導することが可能である。このスプリッタは、波長・入射角分散系３８６及び波長・方位角光学系３８０に上記出力光を誘導する。
入射角分散光学系３８６は、波長及び入射角を、同一または異なる平面の２方向に沿って分散させるように構成されている。分散後の波長及び入射角は、波長・入射角検出器モジュール３８８で受け取られる。このモジュールは、空間的に分離された入射角領域（上述したように、それぞれが分散後の波長を有する）を、同時または順次に検出するように構成されてよい。同様に、波長・方位角検出器モジュール３９０で分散後の波長及び方位角を受け取ってよく、空間的に分離された方位角領域（それぞれが分散後の波長を有する）を同時または順次に検出するように、このモジュールを構成してよい。
図４Ａは、本発明の別の実施形態に係る単一または複数のアポダイザ４０９及び／または４０５を備えた構成可能なＳＥツール４００を図示したものである。ある配置構成では、静止した単一のアポダイザ４０９を照射瞳またはその付近に配置する。このアポダイザは、照射ビームを整形すると共に、選択された全ての入射角（または方位角）について、試料１３２に結ばれる焦点の点広がり関数を制御するように構成されている。別の配置構成では、１つ以上の可動アポダイザ４０９を照射瞳の内（例えば方向４１０内）外に移動させてよい。このアポダイザは、通常、照射ビームを整形すると共に、選択された種々の入射角（または方位角）について、試料１３２に結ばれる焦点の点広がり関数を制御するように構成されている。例えば、選択された各アポダイザは、特定セットの入射角（または方位角）についてスポット径を制御するように構成されてよい。具体的な実施例では、各アポダイザは、スポット中心から２５ミクロンを超えて隔てたところのスポット位置の照射レベルがスポット中心におけるピーク照射の１０－３未満にすべく、特定入射角の照射光を整形するように構成されている。例えば、サイドローブを抑制すると共に、試料となるウェーハの平面内の測定ボックス・サイズを改善することにより、選択された特定入射角（または方位角）での被測定信号の汚染を低減させるように、選択された各アポダイザを構成してよい。
別の実施形態では、１つ以上の収集アポダイザ４０５を、収集瞳と共役な平面の位置またはその付近に配置し、あるいはその場所に移動可能としてもよい。こうした収集側アポダイザを用いることにより、離散的範囲の入射角及び／または方位角の全てに応じた既定の収集プロファイルが提供され得る。収集側アポダイザは、鋭い収集開口によって生じた回折サイドローブを制御することが可能である。例えば、この収集アポダイザは、試料となるウェーハでの強度分布を照射アポダイザが整形するのと同様にして、分光器スリットに入射する強度分布を整形するように構成されてよい。この収集アポダイザはまた、測定ボックス外からの汚染を低減させて、分光器でのスポットをきめ細かく制御するように構成されることも可能であろう。
例示した実施例では、異なる入射角を収集する際に別々の収集開口を用いることにより、各入射角範囲についてスリットを同一にしつつ、スリットにおけるスポットが入射角に応じて異なるようにする。この構成では、用いるべき特定入射角向けに構成された収集アポダイザが、特定入射角のスポットを調整するのに有用となり得る。この収集アポダイザは、収集開口の平面またはその付近に配置されることが好ましいが、本アポダイザを後段に配置することも可能であると考えられる。具体的な実施態様では、アポダイザの数は収集開口の数に対応しており、選択されたアポダイザを収集路内に（例えば、方向４１１に）移動させることができる。あるいは、動的に構成可能な単一アポダイザを用いて収集路内に配置してもよい。
アポダイゼーションとは、一般に、光学システムの入射瞳における光分布の変換（例えば、マスクを用いて照射ビームの振幅及び／または位相を変えること）と定義することが可能であり、それによって照射ビームの強度プロファイルを変化させる。今の場合には、各アポダイザは、照射スポットの「尾部」（例えば、照射スポットの中心から２５ミクロンよりも広い照射スポットの部分）における照射をピーク照射の１０－３未満に低減させ、それによって信号汚染を低減させるように構成されてよい。本明細書に記載された任意の計測システムにこうしたアポダイザを含めることは１つの特徴であり、これによって、比較的小型の対象に比較的小さいスポット径を用いて計測することが可能となり得る。
透過型アポダイザ（溶融石英など）は、約１７０ｎｍまでの波長に作用し得る。一般に、アポダイザは、標準的なリソグラフィによるレチクルブランク／マスクブランクを用いて製造してよく、これらのブランクは１９３ｎｍに最適化されている。反射アポダイザも同様と考えられる。
一般に、各アポダイザを設計する際は、選択可能な照射側入射角（または方位角）の各特定セットに合わせて調整してよく、各アポダイザは、各特定セットの入射角（または方位角）についてスポット径を制御すべく、照射ビーム経路に移動可能である。すなわち、これらのアポダイザを用いた実施形態は、再構成不可能な光学機能をそれぞれ有する。加えて、一式のアポダイザ４０９は、特定の被テスト対象向けに構成された各アポダイザを含んでよい。例えば、同じ入射角でも、別々の照射振幅プロファイルを得ることが可能である。図４Ａのシステムに加えて、本明細書に記載されたシステム実施形態はいずれも、構成可能なアポダイザを同様に含んでよい。
図４Ａのシステム４００には、種々の入射角によって試料１３２に照射された照射ビームを走査できるように、走査ミラー（例えば、走査ミラー４０７）を含む配置にしてもよい。この走査ミラーは、試料１３２に共役な平面内またはその近くにあることが好ましい。走査ミラー４０７で偏光子スリットを置き換えてもよく、走査ミラー４０７が偏光子スリットに共役となるようにしてもよい。走査ミラーで偏光子スリットを置き換えた場合、この走査ミラーは照射視野絞りを画定するマスクを含み得る。走査ミラーが偏光子スリットに共役である場合、偏光子スリットと走査ミラーの間に別の撮像光学系が存在し得る。走査ミラー４０７は、可動固定開口（例えば、上述したもの）を置き換えて、種々の入射角（または方位角）の照射ビームを選択的に走査することができる。走査ミラー４０７は、特定入射角（または方位角）を１つずつ選択すべく、任意の適切な位置決め機構によって移動できるように構成してもよい。例示した実施例では、走査ミラー４０７を方向４０８にチルトさせることにより、特定範囲の入射角（または方位角）を通じて照射ビームを走査させる。すなわち、走査ミラー４０７により、試料１３２での照射スポットを移動させずに、瞳平面内の種々の入射角位置に沿って照射を移動させる。
走査ミラー４０７は反射性であり、広範囲な波長で作用するようになっている。反射走査ミラー４０７を用いることにより、照射ビームに広範囲な波長を含める（反射光学素子を必要とするＶＵＶ光を含む）ことができる。
固定ミラー４０６を用いて、走査ミラー４０７から反射された走査後の照射ビームを誘導してもよい。あるいは、多数のミラーを用いて、試料１３２に種々の入射角を向けてもよい。
照射光学系４０２は、種々の入射角（または方位角）の照射光を試料１３２に対して最も適切に誘導するように構成されてよい。例えば、ミラー４１４，４１６は、特定セットの入射角（または方位角）からの照射ビームを誘導して、試料１３２に集束させる。一実施例では、ミラー４１４，４１６は、５０°から８０°の光を全て試料１３２に誘導するような大きさになっている。
他の実施形態と同様に、固定または可動開口１２６及び／またはシャッターの配置を用いて、種々の入射角（または方位角）の光を選択的に収集してよい。開口／シャッター１２６は、必要に応じて、入射角を１つずつ選択するように構成されてよい。
照射光学系４０２及び収集光学系４０４は、種々の偏光状態を生成及び／または収集する構成要素（例えば、偏光子１１０、補償子１１２，１２０及び検光子１２２）を含んでよい。
制御部４３０及び／または位置決め機構４６１は、システム４００の任意の構成要素を制御するように構成されてよい。例えば、制御部４３０及び／または位置決め機構４６１は、１つ以上の光源１０６の波長、方向４０８へのスキャンミラー４０７のチルト位置、偏光子１１０、照射補償子１１２、収集補償子１２０及び検光子１２２の角周波数及び／または方位角並びにタイミング、各アポダイザ４０９の位置、照射及び／または収集シャッターの設定、可動開口の位置などを選択するように構成されている。
本明細書に記載された実施形態の大部分では、照射路内に振幅アポダイザを用いることにより、サイドローブを抑制すると共にウェーハ平面内の測定ボックス・サイズを改善して、被測定信号の汚染を低減させることが可能である。単一の構成可能なアポダイザまたは一式の可動アポダイザにより、特定セットの入射角（または方位角）について適切な振幅のアポダイゼーションが得られるものの、このようなアポダイザシステムでは、アポダイザパターンの変更が困難な場合がある。さらに、この配置構成は、切り替わりが低速であること及びハードウェアの繰り返し精度という課題と関係し得る。代替的なアポダイゼーションの実施形態では、動的に構成可能な空間光変調器（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）を用いることにより、必要に応じてアポダイザパターンを動的に形成してもよい。可変アポダイザ（例えば、ＭＥＭＳ ＳＬＭ技法による）は、システムの位置調整に影響を及ぼすことなく、非常に素早く切り替わることができる。
図４Ｂは、本発明の代替的実施形態に係る動的に調整可能なアポダイザを備えた構成可能なＳＥツール４５０を図示したものである。このシステムは、動的に構成可能な反射アポダイザ４５６を照射路内に含む。この照射路には、照射光学系及び収集光学系において選択された特定の入射角、方位角及びＮＡのそれぞれについて、アポダイジング用パターンが動的に形成される。このアポダイザ４５６は、ＶＵＶからＵＶを含む広範囲で作用するように反射性であることが好ましい。図示の通り、アポダイザ４５６は、照射スリット４５８を経由した回転補償子４５４からの照射光４５２を受け取るように配置されてよい。
上述したように、種々の照射機構を用いて特定入射角（及び方位角）を選択してよく、種々の収集機構を用いて特定入射角（及び方位角）を収集してよい。アポダイザ４５６は、照射光学系及び収集光学系において選択された入射角（及び方位角）に基づき、照射光の振幅及び／または位相を動的に調整するように構成されている。一定の実施形態では、照射ビームは、走査ミラー、または１つ以上の固定もしくは可動開口、またはシャッター、あるいはその組み合わせを通過してもよい。これらは、アポダイザ４５６に到達する前に、１つ以上の空間的に分離した入射角（方位角）を選択するように構成されている。あるいは、こうした入射角（または方位角）選択機構の前にアポダイザ４５６を配置する。アポダイザ４５６は、瞳平面またはその付近に配置されることが好ましい。あるいは、アポダイザ４５６は、収集瞳またはその付近に配置することもできる。あるいは、アポダイザ４５６は、照射瞳及び収集瞳の両方またはこれらの付近に配置することもできる。収集側アポダイザを用いた構成により、例えば、検出器スリットにおけるスポット形状を制御することができる。このような種類のアポダイゼーションにより、検出器で受け取る際にボックス外部からの汚染が低減し得ると共に、検出器の分解能（またはＰＳＦ）も向上し得る。追加的または代替的に、種々の入射角（または方位角）を、固定もしくは可動開口及び／またはシャッターなどによって収集してもよい。
具体的な実施態様では、アポダイザ４５６は、空間光変調器（ＳＬＭ）からなる。この空間光変調器は、アポダイザ４５６の全範囲にわたる振幅反射分布を制御するように構成可能である。ある適切なＳＬＭは、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）によるＳＬＭである。例示的なＳＬＭ型デバイスとしては、テキサス・インスツルメンツ社（ダラス）から入手可能であるＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、登録商標）デバイス、並びにフラウンホーファー協会（ミュンヘン、ドイツ）からのＴＸデバイス及びＳＬＭデバイスなどが挙げられる。
ＤＬＰデバイスの場合のように、アポダイゼーションパターンは、２値の振幅パターンであってよく、複数の画素にわたって積分することにより、効果的な（連続的な）反射パターンが得られる。照射光学系に光を反射する局所領域内の画素の割合により、所望のレベルで局所的なアポダイゼーションが得られる。空間フィルタリング開口をＤＬＰ ＳＬＭの後段に用いて、照射光学系から離れるように反射した光を遮断し、ＤＬＰ ＳＬＭの周期的構造に由来した回折をフィルタして取り除いてもよい。集束光学系自体の開口に、この開口を組み込んでもよい。
別のＳＬＭの実施態様では、アポダイジングパターンを連続可変させてもよい。しかしながら、ＳＬＭによって生成された位相分布内のパターンを符号化することにより、振幅分布の連続可変を実現してもよい。所望の振幅パターン結果を得るためには、開口を用いて光にフーリエフィルタをかける必要があるが、システムの集束光学系にこのような開口を組み込んでよい。
システム４５０はまた、制御部及び／または位置決め機構（図示せず）も含んでよい。これらは上記の制御部及び／または位置決め機構のいずれとも同様であるが、アポダイザ４５６の制御をさらに備える。
本明細書に記載された一定の実施形態では、固定または可動開口を用いて、試料に向けて誘導させた照射ビーム、または試料から収集された被収集ビームにおいて特定入射角（または方位角）を選択してよい。図５Ａは、一実施態様に係る例示的な開口システム５００の側面図である。図示の通り、開口システム５００は反射基板５０２を含んでよく、その上にマスクが形成されている。このマスクは、吸収または無反射領域（例えば、５０４ａ，５０４ｂ，５０４ｃ）からなり、その中には穴／ビア（例えば、５０６ａ，５０６ｂ，５０６ｃ）が形成されている。例示的な吸収または無反射材としては、金属シート材または金属箔材（ステンレス鋼やアルミニウムなど）及び黒アルマイト材などが挙げられる。これらの穴を透明材料で充填してもよく、あるいは充填しないままにしてもよい。各マスク開口（例えば５０６ａ，５０６ｂ，５０６ｃ）を覆うようにシャッター（例えば、５０８ａ，５０８ｂ，５０８ｃ）を配置し、あるいは取り付けてもよい。開口システム５００全体はまた、移動可能（例えば、方向５１４に）であってもよい。これにより、本明細書にさらに記載されるように照射路または収集路内に開口が位置するようにする。
これらのシャッターを開き、あるいは閉じて、特定入射角（または方位角）で入射光を反射させるようにしてよい。図示の通り、光線束５１０ｂに対し、シャッター５０８ｂは閉じており、一方シャッター５０８ａ，５０８ｃは開いている。このようにして、最初に選択した入射角（または方位角）で光線５１０ａを光線５１２ａとして、次に選択した入射角（または方位角）で光線５１０ｃを光線５１２ｃとして、それぞれ反射基板５０２から反射させる。
図５Ｂは、第２実施態様に係る例示的な開口システム５５０の側面図である。図示されるように、開口システム５５０は反射基板５５２を含んでもよい。この開口システム５５０はシャッターを含んでおらず、固定開口（例えば、５５４ａ，５５４ｂ，５５４ｃ）を位置決めできるように方向５６４に沿って移動可能である。これらの開口は、吸収または無反射マスク材（例えば、５５６ａ，５５６ｂ，５５６ｃ）に形成されている。これらの開口は、照射路または収集路内に特定入射角（または方位角）で位置決めすることができる。図示の通り、最初に選択した入射角で光線５６０ａを光線５６２ａとして反射させ、２番目に選択した入射角で光線５６０ｂを光線５６２ｂとして反射させ、３番目に選択した入射角で光線５６０ｃを光線５６２ｃとして反射させる。
本システムの実施形態はいずれも、複数の瞳位置のそれぞれに開口を選択的に適用する透過型照射選択器を含んでよく、これにより、本明細書で記載されたように、特定セットの入射角（または方位角）を選択できるようにする。しかしながら、この照射選択器は、反射用ではなく、透過可能な波長に対してのみ適用され得る。一般に、照射選択器は、光線束が瞳の各位置を個別に通過できるようにして、個別範囲の入射角／方位角を得るように構成されている。図６Ａは、本発明の一実施形態に係る照射選択器の斜視図である。本実施例では、照射選択器は、３枚の開口ディスク６０２，６０４，６０６で構成されている。各開口ディスクは、複数の異なる開口構成を含む（例えば、ディスク６０２には開口構成６０８ａ，６０８ｂ、ディスク６０４には開口構成６１０ａ、及びディスク６０６には開口構成６１２ａ，６１２ｂ、６１２ｃ）。入射ビーム（又は光線束）６１４を受け取るための特定の開口構成を各ディスクについて選択し、その後、３枚のディスクから選択した３つの開口構成を次いで重ね合わせることができる。これにより、種々の数の開口設定が得られ、結果として種々の数の照射瞳プロファイルが得られる。
一般に、各ディスクの開口構成はそれぞれ、少なくとも１つの透明部を含むと共に、１つ以上の不透明領域をも含み得る。例えば、透明部は、任意の適切な透明材料（ガラス、水晶、溶融石英など）から形成することができる。あるいは各透明領域は、開口構成の各透明部を光が通過するように、単に材料が欠けたものとすることもできる。それに対し、各不透明部は、瞳平面における入射ビームの該当空間部分を遮断する。各不透明部は、通常、不透明材料から形成されており、このような不透明材料としては、クロム、けい化モリブデン（ＭｏＳｉ）、けい化タンタル、けい化タングステン、ＯＭＯＧ（ｏｐａｑｕｅ ＭｏＳｉ ｏｎ ｇｌａｓｓ）などがある。不透明層と透明基板の間にポリシリコン膜を追加して、接着力を向上させてもよい。低反射膜を不透明材料の上に形成してもよい。このような低反射膜としては、酸化モリブデン（ＭｏＯ２）、酸化タングステン（ＷＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）または酸化クロム（ＣｒＯ２）などがある。各開口の透明部の形状は、任意の適切な形状でよい。例えば、矩形、円形、楕円形、ＬＨＣスクリーン（ｌｈｃｓｃｒｅｅｎ）（円形と矩形の重ね合わせ）、マーガレット（ｍａｒｇｕｅｒｉｔｅ）（一方が９０°回転した２つのＬＨＣスクリーン）、矩形楕円（ｒｅｃｔｅｌｌｉｐｓｅ）（楕円と矩形の重ね合わせ）、レーストラック形などがある。
通常、１つの開口構成を用いることにより、特定の入射ビームプロファイルまたは特定セットの入射角及び方位角が作成される。具体的な実施例では、ＳＭＯ（Ｓｏｕｒｃｅ Ｍａｓｋ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）または任意の画素化した照射技法を実装してよい。例示した実施形態では、各開口構成は、照射瞳領域の全体をカバーし、光軸の中心に配置される。しかしながら、他の選択肢として、瞳領域の一部に、または入射ビームの光路に沿った他の点（瞳平面ではない）に開口構成を配置してもよい。
図６Ｂは、３つの開口構成を組み合わせて開口構成の第２実施例を得る様子を示す図である。簡単にするため、透明部の大きさを誇張している。本実施例では、第１の開口構成６１０ａは、瞳領域全体にわたって完全に透明である。第２の開口構成６０８ｂは、不透明部６５４，６５６で囲まれた透過型の垂直透明細片６５２を有する。第３の開口構成６１２ｂは、不透明部６２４，６２０で囲まれた水平透明細片６２２を有する。その結果、開口構成６３０は不透明部６３２で囲まれた正方形透明部６３４を有し、これによって特定セットの入射角を選択するように構成することができる。
図７Ａは、本発明の別の実施形態に係る非軸放物面（ＯＡＰ）ミラーを備えた構成可能な計測ツール７００を図示したものである。このシステム７００は、平行移動可能なミラー７１２と共に用いられる非軸放物面（ＯＡＰ）ミラー７１０ａを照射側７０２に含んでおり、多入射角を選択して（例えば、反射ミラー７２２ａから受け取った照射ビームから）、一例として位置７１２ａから位置７１２ｂに上記ミラー７１２を移動させる。通常、例えば、ある方向（例えば、７１４ａ）に沿って可動照射ミラー７１２をずらすことが可能であり、それによって照射ビームを照射ＯＡＰ７１０ａから反射させて、照射ビームが反射されるＯＡＰの曲線上の位置に基づいて特定セットの入射角を得るようにする。例示した実施形態では、２つの異なる照射用平行移動ミラーの位置７１２ａ，７１２ｂが図示されており、空間的に分離した２つの異なる入射角を、１つずつ順次に試料１３２上で得るようにしているが、より多くのミラー位置（ＯＡＰの曲線における種々の領域から照射ビームを反射させるように構成されている）を用いて、より多くの入射角を得てもよい。
システム７００の収集光学系７０４は、例えば、試料１３２からの出力ビームを選択された入射角で収集するように配置された対応する収集ＯＡＰミラー７１０ｂ、及び方向７１４ｂ内の複数の位置（例えば、７１３ａ，７１３ｂ）に移動するように構成可能な同様の収集用平行移動ミラー７１３を含んでよく、これらの出力ビームを、選択された入射角で収集ＯＡＰ７１０ｂから１つずつ受け取るようにする。収集光学系７０４はまた、出力ビーム（例えば、コリメートビーム７１６）を検出器１２４に誘導する任意の適切な光学素子（例えば、凸面ミラー７２０及び反射ミラー７２２ｂ）を含んでもよい。
別の態様では、平行移動ミラー（７１２及び７１３）及びＯＡＰミラー（７１０ａ及び７１０ｂ）は、広範囲の入射角に対応するように（かすめ入射付近まで）構成されてよい。すなわち、平行移動ミラー及びＯＡＰミラーは、連続的な範囲にわたって入射角を選択するように構成されてよい。
制御部７３０及び／または位置決め機構７６１は、システム７００の任意の構成要素を制御するように構成されてよい。例えば、制御部７３０及び／または位置決め機構７６１は、１つ以上の光源１０６の波長、偏光子１１０、照射補償子１１２、検光子１２２及び収集補償子１２０の角周波数及び／または方位角並びにタイミング、各平行移動ミラー７１２，７１３の平行移動、ＯＡＰミラーの回転などを選択するように構成されている。
図７Ｂは、別の実施形態において、本発明の代替的実施態様に係る非軸放物面（ＯＡＰ）ミラーを備えた二重経路式計測ツール７５０を図示したものである。このシステム７５０は、平行移動可能なミラー７６２と共に用いられる非軸放物面（ＯＡＰ）ミラー７６０を含み、多入射角を選択して（例えば、ビームスプリッタ７５２から受け取った照射ビームから）、上記ミラー７６２を位置７６２ａから７６２ｂに移動させる。通常、例えば、ある方向（例えば、７６４）に沿って可動照射ミラー７６２をずらすことが可能であり、それによって照射ビームを照射ＯＡＰ７６０から反射させて、照射ビームが反射されるＯＡＰの曲線上の位置に基づいて特定セットの入射角を得るようにする。この移動により、試料１３２から出射する出力ビームは、球面ミラー７５４における位置が変化するものの、この球面７５４で反射してから抽出位置に戻るようになる。第２の出力ビームは、上記のように球面ミラー７５４から戻ったビーム及び試料を走査した後の対象特性に応答して試料１３２から出射する。次いで、第２の出力ビームは、ＯＡＰミラー７６０、位置７６２ａまたは位置７６２ｂにある平行移動ミラー及びビームスプリッタ７５２によって収集され、検出器（図示せず）に誘導される。
図７Ｂに示す別の実施形態では、制御部７８０と共に位置決め機構７９１を用いて、試料１３２、または測定点７５６の周囲におけるテスト対象面をチップ／チルトさせるように構成してもよい。例えば、入射角及び方位角を連続的または順次に走査することは、位置決め機構７９１を介して試料をチップ／チルトさせることによって実現可能である。この移動により、試料１３２から出射する出力ビームは、球面ミラー７５４における位置が変化するものの、この球面７５４で反射してから抽出位置に戻るようになる。第２の出力ビームは、上記のように球面ミラー７５４から戻ったビーム及び試料を走査した後の対象特性に応答して試料１３２から出射する。次いで、第２の出力ビームは、ＯＡＰミラー７６０、ミラー７６２（このミラーは、本実施形態では固定されている）及びビームスプリッタ７５２によって収集され、検出器（図示せず）に誘導される。本実施形態では、平行移動ミラー７６２の位置を固定したまま、ウェーハをチルトさせる。
本明細書に記載された多入射角及び多方位角システムの実施形態はまた、試料で反射されたゼロ次オーダーの光を収集側が抽出して明視野動作を行い、あるいは試料で反射された非ゼロ次オーダーの光を収集アームが抽出して暗視野動作を行うように構成されてもよい。ある配置構成では、明視野動作と暗視野動作を選択できるように、空間的に分離した一式の照射開口及び空間的に分離した別の一式の収集開口を配置する。明視野動作では、収集側は、試料で反射された照射光の同一入射角（方位角）を抽出する。暗視野動作では、収集側は、試料で反射された照射光とは異なる入射角（方位角）を抽出する。
これらの多入射角（または方位角）システムのいずれにおいても、照射光学系は、ウェーハの方位方向に分離された多数の照射ビーム（例えば、０°から９０°を同時にカバーする）を生成するように構成することができる。このシステムは、空間的に分離した一式の検出器を備えてよい。これらの検出器は別々の光ビームを受け取ることが可能であり、照射光学系及び収集光学系は、各ビームについて多入射角及び多方位角に対応している。
本明細書に記載されたシステムと共に、任意の適切な測定プロセスを実装してよい。図８は、本発明の一実施形態に係るＳＥ計測手順８００を示すフローチャートである。始めに、多波長（例えば、ＶＵＶからＩＲ）の照射光を工程８０２で生成してよい。工程８０４では、この照射光に対して１つ以上の偏光状態を選択してよい。工程８０６では、上記照射光に対して１つ以上の範囲の入射角及び／または方位角も選択してよい。工程８０８では、一例として、さらに上記照射光を整形・誘導して、ウェーハの対象上に小さなスポットを形成してよい。
工程８１０では、次いで、照射ビームに応答してウェーハから出射する出力ビームを収集してよい。工程８１２では、さらに、出力ビームを収集するために１つ以上の入射角または方位角を選択してよい。工程８１４では、１つ以上の偏光状態も選択してよい。工程８１６では、次いで、出力ビームを検出し、信号または画像を生成するのに用いてよい。工程８１８では、次いで、生成された信号または画像を解析して、ウェーハ上の対象の特性を決定してよい。例えば、種々の対象特性に対し、シミュレーション後にモデルから出力された信号／画像と生成された信号／画像を種々の照射特性（例えば、偏光状態、波長、入射角及び方位角）について比較することにより、対応する対象特性を決定する。
１つ以上の被検出信号または被検出画像に基づいて決定され得る例示的な試料パラメータとしては、限界寸法（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：ＣＤ）、膜厚、金属ゲート凹部、Ｈｉｇｈ－ｋ凹部、側壁角、段差、ピッチウォーキング（ｐｉｔｃｈ ｗａｌｋｉｎｇ）、トレンチプロファイル及びコンタクトプロファイル、オーバーレイ、材料特性、半導体製造プロセス用パラメータ（例えば、スキャナの焦点及び照射量、エッチングツールのエッチ速度）などが挙げられる。なお、上記の材料特性としては、例えば、材料組成、屈折率、臨界膜（極薄拡散層、極薄ゲート酸化膜、先進フォトレジスト、１９３ｎｍＡＲＣ層、極薄多層積層、ＣＶＤ層及び先進ｈｉｇｈ－ｋ金属ゲート（ｈｉｇｈ－ｋ ｍｅｔａｌ ｇａｔｅ：ＨＫＭＧ）を含む）への応力、極薄ＤＰＮ（ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ）プロセス層、非臨界膜（中間絶縁体、フォトレジスト、底部反射防止膜、厚い酸化物及び窒化物、並びに配線工程（ｂａｃｋ ｅｎｄ ｏｆ ｌｉｎｅ：ＢＥＯＬ）層を含む）への応力などがある。
上述の発明について、理解しやすくするために幾分詳細に説明してきたが、添付された特許請求の範囲内で一定の変更及び修正をなし得ることは明らかであろう。本発明のプロセス、システム及び装置には多くの代替方法が存在することを留意すべきである。例えば、半導体デバイスの計測に適用可能なシステムの実施形態を本明細書に記載しているが、かかるシステムは、他の種類の用途（他の種類の試料の計測または欠陥検査など）に利用することも可能であり得ると考えられる。従って、本実施形態は例示であって限定的なものではないと考えるべきであり、本発明は、本明細書に述べた詳細事項に限定されることはない。

Claims (11)

  1. 半導体試料の計測を行うエリプソメータ装置であって、
    真空紫外線（ＶＵＶ）波長から赤外線（ＩＲ）波長の範囲内で選択可能な複数の波長で照射ビームを提供し、前記半導体試料に向けて複数の入射角（ＡＯＩ）及び方位角（ＡＺ）で前記照射ビームを誘導する照射光学系モジュールと、
    前記半導体試料に当てた前記照射ビームに応答して前記半導体試料から出射する出力ビームを実質的に全ての前記入射角及び方位角で収集し、前記出力ビームを１つ以上の検出器へと実質的に同時に誘導する収集光学系モジュールと、を備え、
    前記照射光学系モジュールは、前記照射ビームに対して複数の偏光状態を生成する偏光生成光学素子を含み、前記収集光学系モジュールは、前記出力ビームの前記偏光状態を解析する偏光解析光学素子を含み、
    前記照射光学系モジュール及び収集光学系モジュールは、前記複数の偏光状態を生成する前記偏光生成光学素子と前記偏光状態を解析する前記偏光解析光学素子の間に反射光学素子を含み、
    さらに、前記半導体試料からの前記出力ビームを前記入射角及び方位角並びに前記偏光状態で受け取って検出し、前記入射角及び方位角並びに偏光状態の前記出力ビームに基づいて複数の信号または画像を生成する前記１つ以上の検出器と、
    波長範囲を選択すること、前記偏光状態を選択すること、並びに前記波長、入射角及び方位角、並びに前記選択された偏光状態で前記信号または画像を解析して前記半導体試料の特徴を決定することをそれぞれ制御するように構成されている１つ以上の制御部と、を備え、
    前記収集光学系モジュールは、前記波長を波長平面で分散させ、前記入射角及び方位角を入射角／方位角平面で分散させる１つ以上の分散素子を含み、前記波長並びに前記入射角及び方位角は、異なる２つの検出方向に沿って分散され、前記異なる２つの検出方向は互いに直交する２つの軸方向で、１つの軸は波長に対応し、他の軸は入射角又は方位角に対応し、
    前記１つ以上の検出器が複数の検出器からなり、各検出器は、前記分散された波長を決定するように構成され、
    前記収集光学系モジュールはさらに、前記１つ以上の分散素子からの前記出力ビームを、それぞれが前記複数の検出器の１つに出力される別々の入射角領域に分割する部分分割光学系を含む、エリプソメータ装置。
  2. 前記１つ以上の分散素子が、前記異なる２方向について２つの異なる光屈折力を有する、請求項１に記載の装置。
  3. 前記収集光学系モジュールはさらに、前記波長平面と前記入射角及び方位角平面の間に位置する再撮像光学系を含み、前記再撮像光学系は、前記波長平面を各検出器に再撮像するように構成されている、請求項１に記載の装置。
  4. 前記収集光学系モジュールは、前記出力ビームにおける空間的に分離した複数の入射角及び方位角領域から特定入射角領域を選択的に送るための入射角／方位角マスクを瞳と共役な平面内に含む、請求項１に記載の装置。
  5. 前記波長の分散平面が前記入射角／方位角の分散平面の前に位置している、請求項４に記載の装置。
  6. 前記入射角／方位角マスクは、それぞれがシャッターを備えた複数の固定開口で構成されている、請求項４に記載の装置。
  7. 前記入射角／方位角マスクが固定可動開口で構成されている、請求項４に記載の装置。
  8. 前記１つ以上の検出器は、前記分散された波長を決定し、別々の入射角領域にわたって積分する複数の検出器からなる請求項１に記載の装置。
  9. 前記収集光学系モジュールは、前記出力ビームを第１の出力ビームと第２の出力ビームに分割するビームスプリッタと、前記第１の出力ビームを受け取り、前記出力ビームの前記波長及び前記入射角を、前記１つ以上の検出器の第１検出器の異なる２つの検出方向に沿って分散させる第１分散素子と、並びに前記第２の出力ビームを受け取り、前記出力ビームの前記波長及び前記方位角を、前記１つ以上の検出器の第２検出器の異なる２つの検出方向に沿って分散させる第２分散素子と、を含む請求項１に記載の装置。
  10. 前記波長の分散平面が前記入射角／方位角の分散平面と同一平面に位置している、請求項１に記載の装置。
  11. 前記１つ以上の検出器は、異なる２つの入射角領域からの並列データを処理する少なくとも２つのレジスタを備えた検出器からなる、請求項１に記載の装置。
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