JP5222954B2 - 偏光スキャンを利用した干渉計 - Google Patents

Description

本開示は、たとえば、膜厚、材料組成、および光学的に未解明の表面構造など、一般に表面構造特性を解析する方法に関する。

干渉法は、一般に、対象物の表面のプロファイルを測定するために採用される。そのために、干渉計は関心対象の表面から反射される測定波面を基準面から反射される基準波面と組み合わせてインターフェログラムを生成する。インターフェログラムの干渉縞は、関心対象の表面と基準面の間の空間的変動を示す。

走査干渉計は、基準と干渉計の測定レッグとの間の光路長差（ＯＰＤ）を干渉波面のコヒーレンス長と同等かあるいはコヒーレンス長よりも大きい範囲にわたってスキャンして、インターフェログラムの測定に使用される各カメラ画素に対する走査干渉信号を生成する。たとえば、白色光源を用いることによって有限のコヒーレンス長が生成されうる。一般に、低コヒーレンススキャニング干渉法は、スキャニング白色光干渉法（ＳＷＬＩ）と呼ばれる。ＳＷＬＩ信号は、ゼロＯＰＤ位置の近くに局在する数個の干渉縞である。信号は、典型的に釣鐘形をした縞コントラストの包絡線を有する正弦波搬送波変調（すなわち、干渉縞）を特徴とする。従来の考え方の基本的なＳＷＬＩ計測は、表面プロファイルを測定するために干渉縞の局在化を利用するものである。

ＳＷＬＩ処理技術には２つの原理傾向がある。第１のアプローチでは、包絡線のピークまたは中心を、この位置が、一方のビームが対象物表面から反射する構成の２ビーム干渉計のゼロ光路長差に対応すると仮定して特定する。第２のアプローチでは、基本的に直線状の勾配が対象物位置に正比例すると仮定して信号を周波数領域に変換し波長による位相の変化率を計算する。たとえば、ピーター・ド・グルート（Peter de Groot）に付与された特許文献１を参照されたい。この第２のアプローチは周波数領域解析（ＦＤＡ）と呼ばれる。

走査干渉法は、表面トポグラフィおよび／または薄膜、異種物質の離散構造、あるいは干渉顕微鏡の光学的分解能によって未解明である離散構造など、複雑な表面構造を有する対象物の他の特性を測定するために採用されうる。このような測定は、たとえば、フラット・パネル・ディスプレイ部品、半導体ウエハ計測、ならびに現場での薄膜および異種物質解析の特性評価に関係がある。たとえば、「走査干渉法を用いた複雑表面構造の分析」と題する２００４年９月３０日に公開されその内容が参照によって本明細書に組み込まれるピーター・ド・グルート（Peter de Groot）らによる特許文献２、および「薄膜構造の特性化を含む、偏光解析法、反射率測定法、散乱計測法に関する干渉法」と題する２００６年１１月２１日に公開されその内容が参照によって本明細書に組み込まれるピーター・ド・グルート（Peter de Groot）による特許文献３を参照されたい。

対象物に関する情報を光学的に決定する他の手法として、偏光解析法および反射率測定法が挙げられる。偏光解析法は、場合によっては可変角度または複数波長を有する、たとえば６０°の斜角で照らされるときの表面の複素反射率を決定する。従来の偏光解析器において容易に実現しうる分解能よりも高い分解能を実現するために、マイクロエリプソメータは瞳面の別名で知られる対物レンズの後焦点面における位相および／または光量分布を測定するもので、様々な照明角度が視野位置に写像される。このようなデバイスは、瞳面を結像することによって複屈折材料を解析するために交差偏光子およびバートランドレンズを採用する結晶学および鉱物学と歴史的に関連付けられた従来の偏光顕微鏡または「コノスコープ」の現代化である。

表面の特性評価に採用される従来の方法（たとえば、偏光解析法および反射率測定法）は、未知の光インターフェースの複素屈折率がその固有の特性（たとえば、材料特性および各層の厚さ）と反射率を測定するために使用される光の３つの特性である、波長、入射角、および偏光状態との両方に依存するとの事実に頼るものである。実際に、特性評価手段は、これらのパラメータが既知の範囲で変化することによって生じる反射率の変動を記録する。

この後、測定された反射率データと光学構造のモデルとから得られる反射率関数との差を最小化することによって未知のパラメータの推定値を得るために最小二乗適合などの最適化手法が採用される。得られたこれらの候補解は、多くの場合、事前に計算されてライブラリに記憶され、最小二乗、または等価マッチングおよび補間法によって正解を決定するために検索される。たとえば、ケー．ピー．ビショップ（K. P. Bishop）らによる非特許文献１、およびシー．ジェイ．レイモンド（C. J. Raymond）らによる非特許文献２を参照されたい。

厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）などの詳細モデル化は、観察された回折効果から観察された干渉信号を発生する素性構造（feature structure）を見つけ出すという逆問題を解くものである。たとえば、エム．ジー．モハラム（M. G. Moharam）とティー．ケー．ゲイロード（T. K. Gaylord）とによる非特許文献３、およびエス．エス．エイチ．ナクヴィ（S. S. H. Naqvi）らによる非特許文献４を参照されたい。

マスクおよびウエハ上の格子試験パターンからの回折パターンの解析は、線幅の非接触測定値およびプロセス制御に関連する他の特徴を提供する。たとえば、エイチ．ピー．クラインクネヒト（H. P. Kleinknecht）らによる非特許文献５、およびシー．ジェイ．レイモンド（C. J. Raymond）による非特許文献６を参照されたい。

米国特許第５，３９８，１１３号明細書 米国特許公開第ＵＳ２００４／０１８９９９９Ａ１号明細書 米国特許第７，１３９，０８１号明細書

「散乱計測法を用いた回折格子形状の特性化（Grating line shape characterization using scatterometry）」、ＳＰＩＥ １５４５，６４−７３（１９９１） 「刻み込み構造のＣＤ測定に関する散乱計測法（Scatterometry for CD measurements of etched structures）」、ＳＰＩＥ ２７２５，７２０−７２８（１９９６） 「平面格子回折の厳密結合波解析（Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction）」、ＪＯＳＡ，７１（７），８１１（１９８１） 「フォトマスク上の回折格子の線幅測定の簡易技術化（Linewidth measurement of gratings on photomasks;a simple technique）」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，３１（１０），１３７７−１３８４（１９９２） 「回折格子試験パターンによるＩＣマスクおよびウェハ上の線幅測定（Linewidth measurement on IC masks and wafers by grating test patterns）」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．１９（４），５２５−５３３（１９８０） 「半導体計測学の散乱計測法（Scatterometry for Semiconductor Metrology）」、シリコン半導体計測学便覧、A. J. Deibold. Ed., Marcel Dekker, Inc., New York（２００１）

前述のように、試験面の特性は、試験面の複素反射率を角度の範囲にわたり、また、オプションとして波長の範囲にわたり解析することによって決定されうる。これは、顕微鏡対物を通じて試験対象物を照らす光の直交偏光状態間に連続的に変化する光路長差（ＯＰＤ）を導入することによって実現されうる。装置は、顕微鏡対物または試験対象物面の瞳面のいずれかをカメラに結像し、カメラはこのＯＰＤスキャンの間に偏光アナライザを用いて試験面からの反射後の２つの偏光状態の混合（干渉）の結果を記録する。膜厚および表面特徴形状など、受信信号を可能な構造パラメータ値に対する試験面の反射特性のモデルと比較することによって試験対象物に関する情報が得られる。

対象の瞳面がカメラに結像される実施形態において、偏光ＯＰＤスキャンは、各カメラ画素に対して、入射角と結像瞳における特定位置に対応する入射偏光との特定の組合せに対する試験面の反射特性に関する情報を含む信号を発生する。

これらの実施形態は、多層膜スタックの厚さおよび屈折率、または光学的に未解明の特徴の限界寸法および形状パラメータなど、表面の単一位置における表面構造の詳細分析に有用でありうる。

試験面がカメラに結像される実施形態において、カメラはすべての入射角とすべての偏光状態とにわたって積分された試験面の特定点の特徴を示す信号を検出する。この実施形態は、薄膜の厚さプロファイル、または表面の位置の関数としての光学的に未解明の特徴の限界寸法の変動など、試験面全体の構造の変動の２次元（２Ｄ）および３次元（３Ｄ）合成画像を発生するために有用でありうる。

光源は、スペクトル的に広帯域であってもよい（たとえば、複数波長のエネルギーを含んでいてもよい）。このような実施形態において、光源の少なくともコヒーレンス長を包含するのに十分に大きいＯＰＤスキャンにわたって収集される信号の数理解析によって、たとえば、フーリエ解析によって、信号を特定波長を表す複数のコンポジット信号に分離することができる。この変化によって、試験面の反射率に関する詳細情報を波長の関数とすることができる。

光源は、瞳面の様々な点も相互にインコヒーレントであるように空間的にインコヒーレントであってもよい。信号発生メカニズムはコヒーレンスに依存するので、同じ光源点に源を発する回折ビームのみが電子コントローラによって記録される信号となる。したがって、たとえば、試験対象物が照明の一点から瞳像の多くの点にやって来る光を回折する実施形態において、これらの回折ビームは瞳面の他の光源点からの反射ビームまたは回折ビームと干渉しないことになる。このため、従来の顕微鏡で十分に解明されていないか光学的に未解明である回折または散乱表面構造の解析のモデル化問題を簡素化することができる。

偏光ＯＰＤスキャンは、顕微鏡の結像部分または照明部分のいずれに導入されてもよい。したがって、偏光ＯＰＤは光が試験面から反射する前の光の前後にスキャンされうる。もう１つの可能性は、照明と結像光の両方が顕微鏡対物レンズを通過するように偏光ＯＰＤスキャナーを顕微鏡対物レンズの真正面に置くことである。このような実施形態において、顕微鏡対物レンズ、偏光ＯＰＤスキャナー、および偏光アナライザは、従来の顕微鏡の標準結像対物レンズまたは干渉顕微鏡の従来の干渉対物レンズに便利に置き換わる単一のサブシステムにパッケージ化されてもよい。

概して、第１の態様において、本発明は、顕微鏡を用いて試験対象物から反射される光を検出器に向けること、光の複数の直交偏光状態間の光路長差（ＯＰＤ）を変化させること、直交偏光状態間のＯＰＤを変化させながら検出器から干渉信号を収集すること、収集された干渉信号に基づいて試験対象物に関する情報を決定することを含む方法を特徴とする。

この方法の実施形態は、１つまたは複数の以下の特徴および／または他の態様の特徴を含みうる。たとえば、情報を決定することは、干渉信号を逆ＯＰＤ領域（たとえば、空間周波数領域）の信号に変換する（たとえば、フーリエ変換を用いて）ことを含みうる。

直交偏光状態間のＯＰＤを変化させながら、検出器の異なる検出器要素に各々対応する複数の信号を収集してもよい。試験対象物に関する情報は、収集された複数の信号に基づいて決定されうる。

顕微鏡は試験対象物を検出器に結像するように構成されうる。あるいは、顕微鏡は顕微鏡の瞳面を検出器に結像するように構成されうる。
直交偏光状態間の光路長差は、光を供給する光源のコヒーレンス長よりも大きい量によって変化されうる。たとえば、低コヒーレンス光源の場合、光路長差は約２μｍまたはそれ以上（たとえば、約５μｍまたはそれ以上、約１０μｍまたはそれ以上）で変化されうる。いくつかの実施形態において、光路長差は１００μｍまたはそれ以下（たとえば、約５０μｍまたはそれ以下、約２０μｍまたはそれ以下）で変化されうる。直交偏光状態間の光路長差は、光が試験対象物から反射する前および／または後に変化されうる。

光は低コヒーレンス光源によって供給されうる。光は広帯域光（たとえば、約５ｎｍまたはそれ以上、約１０ｎｍまたはそれ以上、約５０ｎｍまたはそれ以上、約１００ｎｍまたはそれ以上のスペクトル半値全幅を有する）でありうる。光は単色光でありうる。光は点光源によって供給されうる。あるいは、光は空間的に広がった光源によって供給されうる。

試験対象物は顕微鏡によって未解明の表面特徴を含みうるし、試験対象物に関する情報を決定することは光学的に未解明の表面特徴に関する情報を決定することを含みうる。光学的に未解明の表面特徴に関する情報は、表面特徴の高さプロファイル、表面特徴のエッチング深さ、表面特徴のステップ高さ、表面特徴の側壁角、表面特徴のピッチ、および／または表面特徴の線幅を含みうる。表面特徴に関する情報は表面特徴の限界寸法（ＣＤ）でありうる。

表面特徴に関する情報を決定することは、干渉信号または干渉信号から導かれた情報を１組の表面特徴モデルに関連する１組のモデル化された信号または１組の表面特徴モデルに関連する１組のモデル化された干渉信号から導かれた情報と比較することを含みうる。表面特徴に関する情報を決定することは、モデル表面特徴の厳密結合波解析に基づいて、モデル化された干渉信号またはモデル化された干渉信号から導かれた情報を受け取ることを含みうる。

表面特徴は回折構造でありうる。試験対象物はシリコンウエハを含みうる。試験対象物はフラット・パネル・ディスプレイの部品を含みうる。
概して、別の態様では、本発明は、共通光源から導かれて直交偏光状態を有する第１のビームおよび第２のビームを試験対象物に作用するように向けること、第１のビームと第２のビームとの間の光路長差を変化させながら共通検出器を用いて試験対象物から反射される第１および第２のビームを検出すること、第１のビームと第２のビームとの間の光路長差を変化させながら検出されたビームの光量変動に対応する干渉信号を収集すること、収集された干渉信号に基づいて試験対象物に関する情報を決定することを含む方法を特徴とする。

この方法の実施形態は、１つまたは複数の以下の特徴および／または他の態様の特徴を含みうる。たとえば、第１および第２のビームは共通路に沿って試験対象物に作用しうる。

概して、他の態様では、本発明は、光を試験対象物に作用させるように向けるとともに試験対象物から反射された光を検出器に向くように構成された顕微鏡を含む装置と、顕微鏡によって検出器に導かれた光の複数の直交偏光状態間の光路長差（ＯＰＤ）を変化させるように構成されて定置された偏光光路長差スキャナーとを特徴とする。

この装置の実施形態は、１つまたは複数の以下の特徴および／または本発明の他の態様の方法を含み実施するように構成されうる。いくつかの実施形態において、装置は検出器に結合されて変化させられたＯＰＤに応答して検出器から信号を受け取るように構成された電子プロセッサを含む。また、電子プロセッサは、偏光ＯＰＤスキャナーに結合され、検出器による信号の収集によってＯＰＤの変化を調整するように構成されうる。電子プロセッサは、信号に基づいて試験対象物に関する情報を決定するように構成されうる。電子プロセッサは、信号を逆ＯＰＤ領域の信号に変換し、変換された信号に基づいて試験対象物に関する情報を決定するように構成されうる。電子プロセッサは試験対象物のモデル表面特徴に関する情報のライブラリを記憶するコンピュータ可読媒体に結合されうるし、電子プロセッサは信号または信号から導かれた情報をライブラリと比較して試験対象物に関する情報を決定するように構成されうる。

検出器は画素化検出器でありうるし、各画素は光を検出しながら対応する信号を生成するように構成されうる。顕微鏡は、顕微鏡の瞳面を検出器に結像するように構成された１つまたは複数の光学部品を含みうる。１つまたは複数の光学部品は、バートランドレンズを形成しうる。顕微鏡は、試験対象物を検出器に結像するように構成された１つまたは複数の光学部品を含みうる。

顕微鏡は対物レンズを含みうるし、偏光ＯＰＤスキャナーは対物レンズと検出器の間に定置されうる。顕微鏡は、検出器に優先して試験対象物から反射される光を偏光するアナライザ（たとえば、直線偏光子）を含みうる。

装置は、顕微鏡に光を向けるように構成された光源を含みうる。偏光ＯＰＤスキャナーは、光源と顕微鏡の間の光路に定置されうる。光源は、広帯域光源または単色光光源でありうる。光源は低コヒーレンス光源でありうる。光源は点光源または空間的に広がった光源でありうる。

偏光ＯＰＤスキャナーは、光を各々が直交偏光状態（たとえば、直交直線偏光状態）を有する２つの独立したビームに分割することができ、独立した経路に沿ってビームを導き、ここで、経路の少なくとも１つは可変経路である。偏光ＯＰＤスキャナーは、機械光学偏光ＯＰＤスキャナーでありうる。偏光ＯＰＤスキャナーは、電気光学偏光ＯＰＤスキャナーでありうる。偏光ＯＰＤスキャナーは、磁気光学偏光ＯＰＤスキャナーでありうる。

本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細は添付図面と以下の説明に示される。他の特徴および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになる。各図にて同様の参照符号は同様の要素を示す。

本装置は、ウエハまたはフラット・パネル・ディスプレイ工場に設置されてマイクロチップまたはフラット・パネル・ディスプレイの生産において様々な工程を評価するための計測ツールとして使用されうる。

その他の利点として、種々の実施形態は従来の干渉顕微鏡と比較して振動に対する低い感度を有しうる。たとえば、ある実施形態において干渉光ビームはいずれも物体表面から反射するので、実施形態は振動に対する影響を受けにくい（たとえば、一次まで）。したがって、実施形態は、顕微鏡が振動にさらされる環境で使用されるとき従来の干渉顕微鏡よりも正確な測定値を提供しうる。もう１つの利点は、従来の顕微鏡が開示された方法を実施しうるように容易に適合されうることである。たとえば、偏光ＯＰＤスキャナーは、光源と結像光学系との間など、容易にアクセス可能な光路の部分で顕微鏡に接続されうる。

干渉法システムの実施形態の略図である。 干渉法システムの一例における瞳面全域のそれぞれモデル化された位相および光量のプロットである。 干渉法システムの一例における瞳面全域のそれぞれモデル化された位相および光量のプロットである。 干渉法システムの実施形態の略図である。 広帯域照明を仮定して偏光ＯＰＤスキャン中に２つの直交偏光状態を混合するときに発生される信号画素に対する例示的な干渉信号のプロットである。 図４に示される信号のフーリエ変換を示すプロットである。 干渉法システムの実施形態の略図である。 干渉法システムの実施形態を示す回路図である。 干渉法システムの実施形態を示す回路図である。 干渉法システムの実施形態を示す回路図である。 機械光学偏光ＯＰＤシフターの実施形態である。 機械光学偏光ＯＰＤシフターの実施形態である。

図１を参照すると、システム１００は、顕微鏡１０１、広帯域低コヒーレンス光源１１０、偏光光路長差（ＯＰＤ）スキャナー１３０、および電子コントローラ１２０（たとえば、コンピュータ）を含む。顕微鏡１０１は、対物レンズ１７０、光源結像レンズ１６５、ビームスプリッタ１６０、バートランドレンズ１５０、およびカメラ１４０（たとえば、画素アレイを含むディジタルカメラ）を含む。参照用に直交座標系が提供される。

動作中、光源１１０からの光はレンズ１１２を介してスキャナー１３０に導かれ、スキャナー１３０は光の直交偏光状態間のＯＰＤを変化させる。スキャナー１３０と顕微鏡１０１の間に定置された視野絞り１３２は、光出射スキャナー（light exiting scanner ）１３０を絞って顕微鏡１０１に光ビームを供給する。

ビームスプリッタ１６０（非偏光ビームスプリッタ）は、対物レンズ１７０を介して光を試験対象物１８０に向ける。したがって、試験対象物１８０の表面１８１は、直交直線偏光状態を有する光によって照らされる。試験対象物１８０によって反射された光は、対物レンズ１７０を通って戻り、ビームスプリッタ１６０およびバートランドレンズ１５０を通ってカメラ１４０に伝えられる。また、顕微鏡１０１は、偏光された混合ビームをカメラ１４０に供給する直交偏光状態をサンプリングするように構成される偏光ミキサー１４５（たとえば、アナライザ）を含む。たとえば、偏光ミキサー１４５は、試験面１８１から反射された光の直交偏光状態に対して４５’に向けられた透過軸を有するアナライザを含みうる。

図に示すように、バートランドレンズ１５０は、第１のレンズ１５２および第２のレンズ１５４を含み、対物レンズ１７０の瞳面１５１をカメラ１４０に結像するように構成される。カメラ１４０および偏光ＯＰＤスキャナー１３０は、電子コントローラ１２０に接続される。偏光ＯＰＤスキャナー１３０は、電子コントローラ１２０がカメラ光量データを記録する間に光源１１０から放出される光の直交偏光状態間の光路に変動をもたらす。瞳面内の各点は特定の入射角と表面１８１への入射光に対する特定偏光方位を表すので、偏光スキャンは各カメラ画素に対して偏光の干渉によって入射角と入射偏光の特定の組合せに対して表面１８１の反射特性に関する情報を含む信号を発生する。

対物レンズ１７０は、高開口数（ＮＡ）対物レンズでありうる。たとえば、対物レンズ１７０は、約０．４またはそれ以上の（たとえば、０．５またはそれ以上、０．７またはそれ以上）のＮＡを有しうる。いくつかの実施形態において、対物レンズ１７０は、１またはそれ以上のＮＡを有しうる（たとえば、対物レンズ１７０はＮＡを１以上に増加させるために浸漬液とともに使用されうる）。

理論に縛られなければ、所与の画素に対して得られる信号は次式によって数学的に表されうる。

ここで、

ここで、Ωは瞳面の方位角、ｒ_ｐおよびｒ_ｓは入射角φに対応する試験面のｓおよびｐ偏光反射率である。角波数ωは干渉縞が通り過ぎる速度である。たとえば、ω＝ν２π／λ、ここで、νはＯＰＤが変化している速度で、λは波長である。

正弦条件に従う結像システムでは、入射角φは次式に従って瞳面で位置ｘ、ｙから得られる。

ここで、ρは瞳の最大半径である。炭化ケイ素表面の瞳面全域の位相θおよび平均光量Ｉ_ｘ＋Ｉ_ｙの変動が、それぞれ図２Ａおよび２Ｂに示される。位相範囲は８１°であり、瞳全域の光量変動は５０％である。このデータの場合、対物レンズ１７０のＮＡは０．８である。

データ収集の後、信号は試験対象物に関する情報を決定するために様々な方法で処理されうる。いくつかの実施形態において、信号を処理することは、信号の一部または全部に対する信号を前述のように逆寸法に変換することを含む。このような変換は、信号のフーリエ変換を含みうる。信号および変換は、たとえば、表面トポグラフィにおける視野の変動、光学システムパラメータ、および／または膜厚に起因して画素によって異なる可能性がある。変換は、周波数領域解析（ＦＤＡ）の間またはその延長の間に実施されてもよい。例示的なＦＤＡ法は「インターフェログラムの空間周波数解析による表面トポグラフィ測定のための方法および装置」と題する米国特許第５，３９８，１１３号明細書および２００３年３月８日に出願された「高さ走査干渉法を用いた複雑表面構造の分析」と題する米国特許出願第１０／７９５，８０８号に記載されており、特許および特許出願の内容が参照によって本明細書に組み込まれる。ただし、信号を処理することは変換を必要としないことを理解されたい。たとえば、干渉包絡線の最大値は信号を変換しなくても試験対象物に関する情報を提供することができる。

データ解析は、信号または信号から導かれた情報（たとえば、信号の周波数スペクトル）を、たとえば、既知の表面構造（たとえば、モデル化された構造、または特性が走査プローブまたは電子顕微鏡法などの他の方法によって決定されている構造）に対応するデータの既存のライブラリと比較することを含みうる。たとえば、本明細書に記載されるシステムは、光学的に未解明の格子、ビア、トレンチ、またはメサに関する情報など、試験対象物の光学的に未解明の表面特徴に関する情報を決定するために使用されうる。

上記の表面特性評価（たとえば、偏光解析法および反射率測定法）に使用される従来の手法は、データに適用されうる。たとえば、最適化手法（たとえば、最小二乗適合）は、測定データとライブラリに記憶された光学構造のモデルから導かれた対応する関数との差を最小にすることによって試験対象物の特徴の未知の構造パラメータを推定するために使用されうる。

システム１００内の顕微鏡１０１は瞳面をカメラに結像するように構成されるが、他の構成も可能である。たとえば、いくつかの実施形態において、顕微鏡は試験面１８１をカメラ１４０に結像するように構成されうる。たとえば、図３はこのように構成されたシステム２００を示す。特に、顕微鏡１０１は、バートランドレンズよりもむしろ試験面１８１をカメラ１４０に結像するチューブレンズ２５０を含む。ここで、各カメラ画素は試験面１８１上の点に対応する。

偏光ＯＰＤスキャンは、各カメラ画素に対して、対物レンズのすべての照明角度にわたって積分された試験面上の特定点の反射特性に関する情報を含む信号を発生する。したがって、具体的な画素の場合、以下のとおりとなる。

これは、試験対象物表面の各特定点の光学的特性の特徴を示す時間の関数としての光量となる。たとえば、瞳の領域を分離して瞳のこれらの領域に関する積分干渉が対象物表面の位置とともにどのように変動するかを調べるために、たとえば、瞳面に開口をオプションとして配置することによってさらなる詳細情報が収集されてもよい。試験面１８１における一定の入射角を分離するために、たとえば、環状開口が採用されうる。別の例として、双極子または四極子開口が採用されうる。

上記のシステムにおいて、ＯＰＤスキャナー１３０は、光源１１０と顕微鏡１０１の間の光路に定置される。ただし、他の構成も可能である。たとえば、図６を参照すると、システム６００は、ビームスプリッタ１６０と対物レンズ１７０の間の光路に偏光ＯＰＤスキャナー６３０を含みうる。この構成では、光はＯＰＤスキャナーを二度通過し、したがって、少なくとも一定の光線に対して、直交偏光状態間の光路長差は、光がスキャナーを一度通過する場合に定置された対応偏光ＯＰＤスキャナーの量のほぼ２倍となる。この構成はチューブレンズ２５０を含みカメラ１４０に面１８１を結像するように構成されるが、代替的に、顕微鏡はシステム１００に示されるようにバートランドレンズを含みうるし、瞳面１５１をカメラ１４０に結像するように構成されうる。

システム６００では、偏光ＯＰＤスキャナー１３０および偏光ミキサー６４５は、顕微鏡対物レンズの真向かいに設置される。このアプローチの利点は、複数の装置部品が表面分析サブシステム６０１に組み込まれてもよいことである。たとえば、このサブシステムを従来の顕微鏡または干渉顕微鏡プラットフォームに適合するようにして、開示された手法の実施を簡素化してもよい。顕微鏡の従来の対物レンズは、たとえば、サブシステムで置き換えられうる。

方位角がΩ＝０°、９０°、１８０°、２７０°であるｘ、ｙ偏光軸の最も簡単な事例であるシステム６００では、解析調整瞳面結像が式（１）と同じである。他の方位角では、解析は二度の通過があるため一層複雑になる可能性があるものの有用な情報を提供する。図６に示される結像の事例では、様々な変調が式（６）と同様の方法で積分される。

種々の顕微鏡システムの回路図が図７Ａ〜７Ｃに示される。特に、図７Ａを参照すると、いくつかの実施形態において、顕微鏡システム７０１は、電子コントローラ７１０、偏光ＯＰＤスキャナー７２０、空間的に広がった（spatially-extended）光源７３０、およびＯＰＤスキャナーを介して光源からの光を顕微鏡対物レンズ７５０によって試験面７６０に向けるビームスプリッタ７４０を含む。試験面７６０から反射された光は、顕微鏡対物レンズ７５０によってビームスプリッタ７４０に戻り、表面結像レンズ７９０および偏光ミキサー７８０によってカメラ７７０に向けられる。

オプションとして、表面結像レンズ７９０は、瞳面（たとえば、バートランド）レンズ７９１と交換されうる。電子コントローラ７１０は、偏光ＯＰＤスキャナー７２０およびカメラ７７０に結合されてこれらの動作を制御する。

図７Ｂを参照すると、別の顕微鏡システム７０２は、顕微鏡システム７０１の他の部品とともに広帯域光源７３２およびロングスキャン偏光ＯＰＤスキャナー７２２を含む。ここで、「ロングスキャン」は、光源のコヒーレンス長よりも大きい長さをカバーするスキャンを意味する。たとえば、典型的な白色光源は、より広い帯域幅に対応するより小さいコヒーレンス長のおよそ２〜１０μｍのコヒーレンス長を有する。したがって、いくつかの実施形態において、ロングスキャンはおよそ２〜１０μｍの範囲にありうる。

図７Ｃを参照すると、さらなる顕微鏡システム７０３は、顕微鏡７０１の他の部品とともに光源７３４および偏光ＯＰＤスキャナー７２４を含む。ここで、スキャナー７２４は、光源とビームスプリッタ７４０の間ではなく、ビームスプリッタ７４０と対物レンズ７５０の間の光路に配置される。

偏光ＯＰＤスキャナーは、上記の顕微鏡システムの他の位置に定置されうる。たとえば、いくつかの実施形態において、偏光ＯＰＤスキャナーはビームスプリッタ７４０とカメラ７７０の間に定置されうる。

一般に、光源１１０には様々な異なる種類の光源が使用されうる。たとえば、光源１１０は、広帯域光源（たとえば、広帯域ＬＥＤ光源、蛍光光源、白熱光源、アーク灯）あるいは単色光源（たとえば、レーザーダイオードなどのレーザー光源、または狭帯域通過フィルターとともに使用される広帯域光源）でありうる。広帯域光源は、たとえば、少なくとも６ｎｍ、少なくとも１２．２５ｎｍ、少なくとも２５ｎｍ、少なくとも５０ｎｍ、少なくとも１００ｎｍ、または少なくとも１５０ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する波長スペクトルを有しうる。

光源１１０は、空間的に広がった光源または点光源でありうる。たとえば、瞳面または試験面結像のいずれかを用いるある実施形態において、光源１１０はスペクトル的に広帯域でありうるし、同時に少なくとも２つの波長を用いて試験面を照らすことができる。この場合、偏光ＯＰＤスキャンは図４に示された変調信号と同様の変調信号を発生し、図４は５００ｎｍの波長を中心とする連続広帯域スペクトル幅１００ｎｍで観察される信号を示す。干渉効果の局所化は、様々な波長が２つの偏光状態間のゼロＯＰＤの位置でのみ一致する重なり干渉信号を発生する可能性があるという事実に起因する。図４における信号のフーリエ変換は、信号をその成分波長に分けて２つの偏光状態間の相対位相と２つまたはそれ以上の波長各々に関する干渉信号寄与の強度とをコンピュータによって決定することができる。図５は、図４の信号のフーリエ変換の振幅を示す。Ｋと表示された空間周波数は、光源スペクトルの角波数ｋに正比例する。ここで、ｋ_０＝２π／５００ｎｍである。

ここで、偏光ＯＰＤシフター１３０および６３０を参照すると、一般に、１つの偏光状態を直交偏光に対してシフトできるデバイスが使用されうる。これらは、電気光学偏光ＯＰＤスキャナー、磁気光学偏光ＯＰＤスキャナー、および機械光学ＯＰＤスキャナーのいずれも含む。電気光学偏光ＯＰＤスキャナーおよび磁気光学偏光ＯＰＤスキャナーは、それぞれ電場および磁場を介して一方の偏光状態のＯＰＤを他方の偏光状態のＯＰＤに変化させる。

典型的に、上記のスキャナーは、電場または磁場の存在に応じてその光学的特性が変化する要素を含む。要素は、たとえば、液晶セルおよび電気光学結晶を含み、機械光学偏光シフターは偏光状態間ＯＰＤを変化させるために移動要素を利用する。図８を参照すると、ＯＰＤスキャナー８００は、マイケルソン干渉計を含む。偏光ビームスプリッタ８１０は、入射光を、直交偏光状態を有する２つのビームに分割して２つのビームを異なる経路に沿って向けさせる。図８において、異なる経路は、それぞれｘ偏光レッグおよびｙ偏光レッグとして示される。ｘ偏光レッグは、ビームスプリッタ８１０に対して固定されるミラー８５０を含む。ｙ偏光レッグは、ビームスプリッタ８１０に対してミラー８４０の位置をスキャンするように構成されたアクチュエータ８６０（たとえば、ＰＺＴアクチュエータ）に結合されるミラー８４０を含む。ミラー８５０および８４０から反射された光は、ビームスプリッタ８１０によって再結合されてＯＰＤスキャナー８００の外に向けられる。必要に応じて、出力光を向けるために新たな光学部品が含まれてもよい。また、ＯＰＤスキャナー８００に含まれるのは、それぞれ、レンズ８２２、８２４、８２６、および８２８と、１／４波長板８１２および８１４とである。１／４波長板８１２および８１４は、たとえば、広帯域光源とともに使用される場合、必要に応じて、アクロマティック１／４波長板であってもよい。

図９を参照すると、偏光ＯＰＤスキャナー９００のさらなる例は１対の偏光ビームスプリッタ９５０および９４０を含み、ここで、偏光ビームスプリッタ９５０は入力ビームをミラー９１０から受け入れるように定置される。ビームスプリッタ９５０は、固定経路２０に沿った入射光の１つの偏光状態に対応する第１のビームを偏光ビームスプリッタ９４０に向ける。固定ミラー９２０は、このビームの経路に定置される。

直交偏光状態に対応する他のビームは、別のミラー９３２から反射して偏光ビームスプリッタ９４０によって第１のビームと結合されて出力ビームを生成する。ミラー９３０は、ミラー９３０の位置を変化させるように構成されたアクチュエータ９３２に取り付けられてビームスプリッタ９５０とビームスプリッタ９４０の間の第２のビームの光路長を変化させる。

他の機械光学構成も可能である。
一般に、偏光ＯＰＤスキャナーのスキャン範囲は変化しうる。広帯域光源を組み込む実施形態では、スキャン範囲は、少なくとも光源のコヒーレンス長、たとえば、典型的な白色光源の場合に数μｍを包含すべきである。いくつかの実施形態において、スキャン範囲は、約１〜１００λの範囲にある可能性があり、ここで、λは光源の代表波長（たとえば、ピーク波長）である。

一般に、顕微鏡システムおよび偏光ＯＰＤシフターの特定の実施形態が記載されているが、他の実施形態も可能である。たとえば、記載されるシステムには１つまたは複数の新たな部品が含まれうる。たとえば、顕微鏡および／またはＯＰＤシフターは、１つまたは複数の光学フィルターまたは試験対象物を直接観察するための接眼レンズなど、新たな部品を含みうる。

開示された前記システムは、２１の様々な用途に採用されうる。たとえば、システムは、膜厚、原料指数、および光学的に未解明の表面構造など、試験対象物１８０の表面構造の解析に採用されてもよい。

解析されうる試験対象物の種類は、半導体ウエハ、ＭＥＭＳデバイス、光学部品、フラット・パネル・ディスプレイ、ならびに一般的なＲ＆Ｄおよび生産管理の用途を含む。
用途の中でも、特に手法は半導体製造におけるプロセス制御に適用されうる。この例は、μｍおよびｎｍ単位の多くのハイテク技術部品製造の中核をなす限界寸法（ＣＤ）の工程内モニタリングである。例としては、トランジスタおよびロジックの開発などの半導体ＩＣプロセス、ならびに銅ダマシン配線が挙げられる。広義では、ＣＤは、横寸法、エッチング深さ、膜厚、ステップ高さ、側壁角、および半導体デバイスの性能に影響を及ぼす関連物理的寸法を含む。ＣＤ計測は、特に、エッチング、研磨、洗浄、およびパターニングなどのプロセスの結果として製造の過程で行なわれるプロセス制御ならびに欠陥検出を提供する。さらに、ＣＤ計測によって暗黙に定義される基本的な測定性能は、たとえば、ディスプレイ、ナノ構造、および回折光学素子（diffractive optics）などを含む半導体ＩＣ製造のほかに広範な用途を有する。

さらに一般的に、上記の手法は、以下の表面解析問題、すなわち、普通の薄膜、多層薄膜、回折または他の方法で複雑な干渉効果を生じる鋭角および表面特徴、未解明の表面粗さ、未解明の表面特徴、たとえば、ほかの滑らかな表面のサブ波長幅溝、異種物質、表面の偏光依存特性、ならびに表面の偏向、振動または動き、あるいは干渉現象の入射角依存摂動をもたらす可塑性表面特徴のいずれに利用されてもよい。たとえば、普通の薄膜の場合、関心対象の可変パラメータは、膜厚、膜の屈折率、基材の屈折率、またはこれらの組合せであってもよい。異種物質の場合、たとえば、表面は、薄膜と固体金属の組合せを含んでいてもよく、両表面構造タイプを含む理論予測のライブラリに従って角度依存表面特性の適合が行なわれ、対応する干渉光量信号との一致によって膜または固体金属を自動的に識別する。

上記のコンピュータ解析法のいずれもハードウェアまたはソフトウェア、あるいは両方の組合せで実施されうる。方法は、本明細書に記載される方法および図に従って標準のプログラミング手法を用いたコンピュータプログラムで実施されうる。プログラムコードは、入力データに適用されて本明細書に記載される機能を実施して出力情報を生成する。出力情報は、ディスプレイモニターなどの１つまたは複数の出力デバイスに加えられる。各プログラムは、コンピュータシステムと通信するために高水準手続型言語またはオブジェクト指向プログラミング言語で実行されてもよい。ただし、プログラムは、必要に応じて、アセンブリ言語または機械語で実行されうる。いずれにせよ、言語は、コンパイラ型言語またはインタプリタ型言語でありうる。さらに、プログラムは、用途に合わせて事前にプログラムされた専用集積回路で動作しうる。

このような各コンピュータプログラムは、記憶媒体またはデバイスが本明細書に記載される手順を実行するためにコンピュータによって読み取られるときコンピュータを設定して動作させるために、汎用または専用プログラマブルコンピュータによって読取り可能な記憶媒体またはデバイス（たとえば、ＲＯＭまたは磁気ディスケット）に記憶されることが好ましい。また、コンピュータプログラムは、プログラムの実行中にキャッシュまたはメインメモリに常駐しうる。また、解析方法は、コンピュータプログラムを用いて設定されたコンピュータ可読記憶媒体として実施されてもよく、この場合、このように設定された記憶媒体はコンピュータを特定かつ所定の様式で動作せしめて本明細書に記載される機能を実行する。なお、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内に含まれる。

Claims (47)

1. 顕微鏡を用いて、直交偏光状態を有する複数の成分を含む光を試験対象物に向けるとともに前記試験対象物から反射された光を検出器に向けること、ここで、試験光の直交偏光状態を有する複数の成分は、同じ経路に沿って試験対象物上に投射され、
   前記光の成分間の光路長差（ＯＰＤ）を変化させること、
   前記成分間のＯＰＤを変化させながら前記検出器から干渉信号を収集すること、
   前記収集された干渉信号に基づいて前記試験対象物に関する情報を決定すること、
   を備える方法。
2. 前記情報を決定することは前記干渉信号を逆ＯＰＤ領域の信号に変換することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記干渉信号はフーリエ変換を用いて変換される、請求項２に記載の方法。
4. 前記偏光状態間のＯＰＤを変化させながら複数の信号が収集され、各信号は前記検出器の異なる検出器要素に対応する、請求項１に記載の方法。
5. 前記試験対象物に関する情報は前記収集された複数の信号に基づいて決定される、請求項４に記載の方法。
6. 前記顕微鏡は前記試験対象物を前記検出器に結像するように構成される、請求項１に記載の方法。
7. 前記顕微鏡は該顕微鏡の瞳面を前記検出器に結像するように構成される、請求項１に記載の方法。
8. 前記ＯＰＤは前記光を供給する光源のコヒーレンス長よりも大きい量だけ変化される、請求項１に記載の方法。
9. 前記直交偏光状態を有する成分間のＯＰＤを変化させることは、前記成分を種々の経路に沿って向けることと、前記成分が前記種々の経路にある間に少なくとも１つの成分の光路長を変化させることとを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記成分は前記光が前記試験対象物から反射する前に種々の経路に沿って向けられる、請求項９に記載の方法。
11. 前記成分は前記光が前記試験対象物から反射する前に同じ経路に沿って再結合される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記光は低コヒーレンス光源によって供給される、請求項１に記載の方法。
13. 前記光は広帯域光である、請求項１に記載の方法。
14. 前記光は単色光である、請求項１に記載の方法。
15. 前記光は点光源によって供給される、請求項１に記載の方法。
16. 前記光は空間的に広がった光源によって供給される、請求項１に記載の方法。
17. 前記試験対象物は前記顕微鏡によって光学的に未解明である表面特徴を有し、前記試験対象物に関する情報を決定することは前記光学的に未解明の表面特徴に関する情報を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記光学的に未解明の表面特徴に関する情報は、前記表面特徴の高さプロファイル、前記表面特徴のエッチング深さ、前記表面特徴のステップ高さ、前記表面特徴の側壁角、前記表面特徴のピッチ、または前記表面特徴の線幅を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記表面特徴に関する情報を決定することは、前記干渉信号または前記干渉信号から導かれた情報を、１組の表面特徴モデルに関連する１組のモデル化された信号または前記１組の表面特徴モデルに関連する１組のモデル化された信号から導かれた情報と比較することを含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記表面特徴に関する情報を決定することは、モデル表面特徴の厳密結合波解析に基づいて、モデル化された信号または前記モデル化された信号から導かれた情報を受け取ることを含む、請求項１７に記載の方法。
21. 前記表面特徴は回折構造である、請求項１７に記載の方法。
22. 前記試験対象物はシリコンウエハを含む、請求項１に記載の方法。
23. 前記試験対象物はフラット・パネル・ディスプレイの部品を含む、請求項１に記載の方法。
24. 共通光源から導かれ直交偏光状態を有する第１のビームおよび第２のビームを試験対象物に作用するように向けることであって、前記第１および第２ビームは、同じ経路に沿って試験対象物上に投射される、前記向けること、
    前記第１のビームと第２のビームとの間の光路長差（ＯＰＤ）を変化させながら前記第１および第２のビームが前記試験対象物から反射した後のこれらのビームを共通検出器を用いて検出すること、
    前記第１および第２のビーム間のＯＰＤを変化させながら前記検出されたビームの光量変動に対応する干渉信号を収集すること、
    前記収集された干渉信号に基づいて前記試験対象物に関する情報を決定すること、
    を備える方法。
25. 前記第１および第２のビームは共通経路に沿って前記試験対象物に作用する、請求項２４に記載の方法。
26. 光源と、
    前記光源から試験対象物に作用するように光を向け、前記試験対象物から反射された光を検出器に向けるように配置される顕微鏡であって、前記光が直交偏光状態を有する複数の成分を含み、試験光の直交偏光状態を有する複数の成分は、同じ経路に沿って試験対象物上に投射される、前記顕微鏡と、
    前記光の成分間の光路長差（ＯＰＤ）を変化させるように構成された偏光光路長差（ＯＰＤ）スキャナーと、
    を備える装置。
27. 前記検出器に結合され、前記変化されるＯＰＤに応じて前記検出器から信号を受け取るように構成された電子プロセッサをさらに備える、請求項２６に記載の装置。
28. 前記電子プロセッサは、前記偏光ＯＰＤスキャナーに結合され、前記検出器による前記信号の収集によって前記ＯＰＤの変化を調整するように構成される、請求項２７に記載の装置。
29. 前記電子プロセッサは、前記信号に基づいて前記試験対象物に関する情報を決定するようにプログラムされる、請求項２７に記載の装置。
30. 前記電子プロセッサは、前記信号を逆ＯＰＤ領域の信号に変換し、前記変換された信号に基づいて前記試験対象物に関する情報を決定するようにプログラムされる、請求項２９に記載の装置。
31. 前記電子プロセッサは前記試験対象物のモデル表面特徴に関係した情報のライブラリを記憶するコンピュータ可読媒体に結合されており、前記試験対象物に関する情報を決定するために前記電子プロセッサは前記信号または前記信号から導かれた情報を前記ライブラリと比較するようにプログラムされる、請求項２７に記載の装置。
32. 前記検出器は画素化検出器であり、各画素は前記光を検出しながら対応する信号を生成するように構成される、請求項２６に記載の装置。
33. 前記顕微鏡は該顕微鏡の瞳面を前記検出器に結像するように構成された１つまたは複数の光学部品を含む、請求項２６に記載の装置。
34. 前記１つまたは複数の光学部品はバートランドレンズを形成する、請求項３３に記載の装置。
35. 前記顕微鏡は前記試験対象物を前記検出器に結像するように構成された１つまたは複数の光学部品を含む、請求項２６に記載の装置。
36. 前記顕微鏡は対物レンズを含み、前記偏光ＯＰＤスキャナーは前記対物レンズと前記検出器との間に定置される、請求項２６に記載の装置。
37. 前記顕微鏡は前記検出器に当たる光よりも前に前記試験対象物から反射された前記光を偏光するアナライザを含む、請求項２６に記載の装置。
38. 前記偏光ＯＰＤスキャナーは前記光源と前記顕微鏡との間の光路に定置される、請求項２６に記載の装置。
39. 前記光源は広帯域光源である、請求項２６に記載の装置。
40. 前記光源は低コヒーレンス光源である、請求項２６に記載の装置。
41. 前記光源は単色光源である、請求項２６に記載の装置。
42. 前記光源は点光源である、請求項２６に記載の装置。
43. 前記光源は空間的に広がった光源である、請求項２６に記載の装置。
44. 前記偏光ＯＰＤスキャナーは、前記光の複数の成分を独立した２つのビームに分割するビームスプリッタを備え、各ビームは前記複数の成分のうちの１つに対応する、請求項２６に記載の装置。
45. 前記偏光ＯＰＤスキャナーは、前記２つの独立したビームを、それらを再結合する前に異なる経路に沿って向ける光学部品を含む、請求項４４に記載の装置。
46. 前記偏光ＯＰＤスキャナーは、前記異なる経路のうちの少なくとも１つの光路長を変化させるように構成された調整可能な部品を含む、請求項４５に記載の装置。
47. 前記調整可能な部品は、機械光学部品、電気光学部品、または磁気光学部品である、請求項４６に記載の装置。

Images