JP7253006B2 - 光学システム - Google Patents

Description

本発明は計量の分野、より具体的にはオーバレイ（重ね合わせ）計量に関する。

（関連出願への相互参照）
本願は、２０１５年５月１９日付米国暫定特許出願第６２／１６３７８３号並びに２０１５年９月２３日付米国暫定特許出願第６２／２２２７２４号に基づく利益を主張する出願であるので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。

現行の光学的オーバレイ計測法は、イメージング（撮像）及びスキャタロメトリ（散乱計測）という二大技術に依拠している。イメージングでは、周期性ターゲット（標的）の位置が光学システムの視野内で計測され、諸層内に印刷されているターゲットの位置からオーバレイ（ＯＶＬ）が推論される。スキャタロメトリでは、諸層に印刷されている周期性オーバレイマーク（周期性構造を有するターゲット）により散乱された電磁（ＥＭ）波間の干渉を利用することで、それらの層の相対変位が推論される。

米国特許出願公開第２００４／０２３３４４０号 米国特許出願公開第２０１４／０１１１７９１号

いずれの場合も、散乱ＥＭ波の諸次回折振幅及び位相に対する制御が、オーバレイ計測の正確性及び精密性に決定的な効果を及ぼしうる。

これから述べるのは、本発明の初歩的理解をもたらす簡略な概要である。この概要は、必ずしも本発明の主要構成要素を特定し又は技術的範囲を制約するものではなく、専ら後掲の記述への導入部として役立つものである。

本発明のある態様では、周期性ターゲット上での光散乱による諸次回折に対応するトポグラフィック（形状学的）位相の影響を推定し、計測条件を調整することで計測の正確性を高める計量ツール及び方法が提供される。イメージングでは、コントラスト関数挙動の分析を踏まえ適正な計測条件を選択すること、照明条件を変更すること（スペクトル幅の縮小及び照明ＮＡの低減）、偏向性のターゲット及び／又は光学システムを用いること、複数通りの焦点ずれ位置を利用すること等々により、オーバレイ誤差拡大を軽減することができる。イメージングでもスキャタロメトリでも、更なる計測又は更なるターゲットセルを利用し計測結果のオンザフライ校正を実行することができる。

本発明のこれらの、更なる及び／又はその他の態様及び／又は長所については、後掲の詳細記述で説明されているので、恐らくはその詳細記述から推断可能であり及び／又は本発明の実施を通じ学習可能であろう。

本発明の諸実施形態のより好適な理解に役立てるため、並びにそれらをどのようにして実施すればよいかを示すため、以下、純粋に例示目的で添付図面を参照し、またそれら添付図面を通じ対応諸要素又は部分に同様の符号を付すことにする。

添付図面は以下の通りである。

本発明の各種実施形態に係る典型的なイメージングベースオーバレイ（ＩＢＯ）計量における諸次回折の上位模式図である。 その右側に小さな側壁角がついている非対称な格子を、本発明の各種実施形態に従い、その中心が異なる対称な方形エリアの総和たる構造で近似することを示す上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係るシミュレーション結果例、特に図２Ａのモデルに係るものをオーバレイ誤差を焦点ずれに関連付ける態で模式的に示す図である。 本発明の各種実施形態に係るシミュレーション結果例、特に図２Ａのモデルに係るものをオーバレイ誤差を焦点ずれに関連付ける態で模式的に示す図である。 本発明の各種実施形態に係るシミュレーション結果例、特に使用する照明数値開口が低いものをオーバレイ誤差をコントラスト関数に関連付ける態で模式的に示す図である。 本発明の各種実施形態に係る相応な光学システムの上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係る相応な光学システムの上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係る相応な光学システムの上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係る複数焦点位置同時計測用光学システムの上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係る複数焦点位置同時計測用光学システムの上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係る複数焦点位置同時計測用光学システムの上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係る偏向制御ターゲットの上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係る光学システムの上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係る光学システムの上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係りトポグラフィック位相制御基準たるコントラスト関数の上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係る典型的な回折ベースオーバレイ（ＤＢＯ）計量における諸次回折の上位模式図である。 本発明の各種実施形態に係り計量ツールによって計測される補助セル付ＳＣＯＬターゲットの上位模式図である。 方法のフローチャートである。 方法のフローチャートである。 方法のフローチャートである。 方法のフローチャートである。

以下、本発明の様々な態様について記述する。説明のためであるから、本発明の全般的理解が可能なよう具体的な構成と詳細を説明することにする。とはいえ、本件技術分野に習熟した者（いわゆる当業者）にはやはり自明な通り、本発明は本願で提示する具体的細部抜きでも実施可能である。更に、本発明をはっきりさせるため周知構成が省略又は簡略化されているところがある。図面への具体的参照につき強調すべきは、図示具体例が専ら本発明の例証的議論を目的に例示されたものであり、本発明の諸原理及び概念的諸側面についての最も有用且つ理解容易な記述と覚しきものを提供する目的にて提示されていることである。こうしたことから、本発明の基礎的理解に必要な以上に詳しく本発明の構造的細部を示す試みはされていないが、記述を図面に照らすことで、いわゆる当業者にしてみれば、本発明の幾つかの形態をどのように実施に移せばよいかは明らかである。

本発明の実施形態を幾つか詳述するのに先立ち理解頂きたいのは、本発明の用途が、以下の記述で説明され又は図中に示される諸部材の構成及び配置の詳細によっては限定されないことである。本発明は、様々な要領で実施又は実行可能な他の諸実施形態だけでなく本願記載の諸実施形態の組合せにも適用可能である。また、ご理解頂けるように、本願にて採用されている表現法及び用語法は記述を目的とするそれであるので限定として解されるべきではない。

別様に特記されていない限り、以下の議論から明白にご理解頂けるように、本明細書中の議論のうち「処理」、「計算」、「算出」、「導出」、「拡張」等の語を用いる議論は、コンピュータ若しくは情報処理システム又はそれに類する電子情報処理装置の動作及び／又はプロセスのうち、その情報処理システムのレジスタ及び／又はメモリ内で物理量例えば電子量として表現されているデータの操作、及び／又は、その情報処理システムのメモリ、レジスタその他の情報ストレージ、伝送又は表示装置にて同じく物理量として表現される他のデータへの変換に関するものである。

本願記載の計量ツール及び方法によれば、周期性ターゲット上での光散乱による諸次回折に対応するトポグラフィック位相の影響が推定され、また計測条件を調整することで計測の正確性が改善される。イメージングでは、コントラスト関数挙動の分析を踏まえ適正な計測条件を選択すること、照明条件を変更すること（スペクトル幅の縮小及び照明ＮＡの低減）、偏向性のターゲット及び／又は光学システムを用いること、複数通りの焦点ずれ位置を利用すること等々により、オーバレイ誤差拡大を軽減することができる。イメージングでもスキャタロメトリでも、更なる計測又は更なるターゲットセルを利用し計測結果のオンザフライ校正を実行することができる。

本発明の諸実施形態によれば、効率的且つ経済的なイメージング及び／又はスキャタロメトリ計量計測実行方法及び機構でありより良好な正確性を有するものが提供される。計量オーバレイ（ＯＶＬ）計測の実行対象は特別に設計された“プロキシ”計量ターゲットであり典型的にはそのスケール（ピッチ）が数百ｎｍ超のものである。デバイスデザインルール上のピッチはイメージングやスキャタロメトリのオーバレイ光学ツールでは分解されず、デバイスピッチ（９０ｎｍ未満）・計量ターゲットピッチ間の隔たりは時間と共に拡がっていく。リソグラフィ処理工程がデバイススケールに対し最適化されるので計量ターゲットは全面的にプロセス互換ではなく、結果としてあらゆるタイプのターゲット非対称性がＯＶＬターゲットに現れる。大抵の場合、ターゲットエッジの側壁角（ＳＷＡ）における非対称性を初めとする幾何学的非対称性は大きくなく（約１ｎｍ）、ＯＶＬ画定上、許容公差内に収まる程度の曖昧さにつながるものである。しかしながら、不首尾な計測条件下では、イメージングＯＶＬ法，スキャタロメトリＯＶＬ法のいずれでも、ターゲット非対称性の影響が桁違いに拡大されて顕著なＯＶＬ計測誤差へとつながることがある。ＯＶＬ計測の正確性を高めるべく検討された策には、後述の通り、（ｉ）計測ツールへの十分な修正無しで最適計測条件を求めレシピ最適化を図る、（ｉｉ）ターゲット非対称性の影響の拡大が排除される条件下でのＯＶＬ計測が可能になるようツール修正を行う、（ｉｉｉ）集光瞳面内でブロッカ（遮光器）を使用することが必要だがターゲット非対称性拡大の問題が解決される２ビームイメージング方式を使用する、（ｉｖ）特殊な照明条件下で計測を実行する、といったものがある。

回折ベースオーバレイ（ＤＢＯ）及びイメージングベースオーバレイ（ＩＢＯ）のどちらでも、光学的オーバレイ計量の感度，正確性双方を制御する主要なパラメタとなるのは、干渉して計測対象信号をもたらすＥＭ場間の位相差である。図８，図１は、順に、本発明の各種実施形態に係る典型的なＤＢＯ計量，ＩＢＯ計量における諸次回折の上位模式図である。ＤＢＯ（図８，後述）におけるトポグラフィック位相は、ＳＣＯＬターゲット９０Ａの上格子（９１Ｂ，Ｕ），下格子（９１Ａ，Ｌ）によって同じ回折次数（－１，＋１）に回折された電磁（ＥＭ）場間の平均位相差として定義される。ＩＢＯ（図１）の場合、計測品質を制御するトポグラフィック位相は、イメージングターゲット９０での回折のうちその回折次数（ＤＯ）が０次のものと対称次（例．±１次）のものとの間の平均位相となる。

どちらの技術も、ターゲットの非対称性に対する敏感さ故に同様の仕組みによる不正確化に見舞われる。そうした非対称性の多くは大ピッチオーバレイターゲットの非互換性、特に小ピッチデバイスの生産向けに最適化されているプロセスに対する非互換性につながり、諸次回折の位相，振幅双方の不均衡として露見する。前者は、格子変位（重複）と区別不能ではあるが、その影響が単純な幾何学的曖昧性の枠内に限られる。それに対し、振幅不均衡の影響はひどく拡大される可能性があり、これを制御するには信号組成場同士の干渉によるほかない。ターゲット非対称性増幅の仕組み、即ちこの参照を以てその全容を本願に繰り入れるところの国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１５／６２５２３号に詳述されているそれについては後述する。どちらの技術でも、ターゲット非対称性の影響が強まるのは、トポグラフィック位相の挙動によって顕著な信号コントラスト低下（イメージングＯＶＬの場合）なり顕著な差分信号弱化（スキャタロメトリＯＶＬの場合）なりが引き起こされたときである。従って、トポグラフィック位相挙動の制御はＯＶＬ計測の正確性を高める上で決定的な役割を果たしうる。以下、計測用ハードウェアへの修正及び特殊なターゲットデザインを孕む幾通りかのトポグラフィック位相制御策を、ＯＶＬ計測の正確性を高めるのに必要な最良計測条件の諸画定策と併せ開示する。

例えばＩＢＯの場合（図１）、ＯＶＬ計測の正確性に対する０次回折・１次回折間位相差の影響の推定が、低ＮＡ（数値開口）照明条件のイメージングツール（ＮＡ＜０．２）に関し行われる（照明光線をＩで示す）。瞳における諸次回折の位置は図１に示す通りである；図中のθ_０は照明角を、θ_１は周期Ｐを有する周期的構造（イメージングターゲット９０）上での散乱によりもたらされた１次回折の角度を表しており、いずれもターゲット平面に対する法線を基準にしている。θ_１及びθ_０の関係は等式１の通りであり、式中のλは照明波長を表している。

１次回折・０次回折間トポグラフィック位相差をΨと表した場合、等式２により、それに対応する焦点ずれΔＦ即ちそのトポグラフィック位相Ψを補償するのに必要な焦点ずれとそれに対応する瞳内トポグラフィック位相拡散に関し、λ／Ｐ＝１／２及びΨ～π／２のケース（最悪ケース）での推定結果が与えられる。

照明ＮＡが～０．２という低さでもトポグラフィック位相拡散が～πと大きくなるということは、中央部の諸照明点が最良コントラスト位置にあるときに周辺の諸照明点がゼロコントラスト位置付近にきてしまうということであり、これは、ＯＶＬ計測の正確性に対するターゲット非対称性の影響の大きな拡大につながると共に、散乱光のトポグラフィック位相を制御できる見込みの喪失につながるので、不正確なＯＶＬ計測が行われることとなりうる。この効果は照明ＮＡが高めだと劇的に強まる。

有益なことに、本件開示のシステム及び方法によれば、標準的なイメージングツール及びスキャタロメトリツールの主な短所、即ちターゲット非対称性の影響の不可制御的拡大が不適切計測条件使用時に現れるという短所が克服される。

以下、正確性バジェットに対するターゲット非対称性の寄与について詳しく分析する。像面内電場振幅についての式は等式４の態で記すことができる；式中、ｆ，ｇは瞳座標、それらと実次元瞳座標ξ，ηの関係はｆ＝（ξ／Ｒ）（ＮＡ／λ），ｇ＝（η／Ｒ）（ＮＡ／λ）、Ｒはレンズ半径、Ｅ（ｆ，ｇ）は瞳面内電場の振幅であり、そして

が瞳面内電場振幅に対する焦点ずれΔｚの影響を表している。

最も単純で非限定的な光学的構成、即ち±１次回折及び０次回折のみがレンズによって捕捉される光学的構成では、等式４を等式５へと簡略化することができる；式中、ＰはＸ方向沿いターゲットピッチを表しており、ａ_０、ａ_１及びａ_－１は諸次回折の複素振幅であり（これはプロセスばらつき及びターゲット非対称性に依存する）、ＧＰは格子の位置、ΔＦは焦点ずれを表している。

図２Ａは、その右側に小さな側壁角がついている非対称な格子９２を、本発明の各種実施形態に従い、その中心が異なる対称な方形エリア９４Ａの総和たる構造９４で近似することを示す上位模式図である。非対称格子９２による散乱は、構造９４内諸エリア９４Ａからの散乱の総和を以て近似される。

各次回折の振幅は、様々な方形エリア９４Ａからの散乱に相当する平面波の総和である。一例として、等式６に、±１次回折振幅Ａ^（１），Ａ^（－１）を示す；式中、Ａ_０ ^（１）はターゲット非対称性がないときの１次回折振幅、Ａ_ｎ ^（１）はエリア９４Ａに由来する振幅、δ_Ｒｅ ^（１）＋ｉδ_ｉｍ ^（１）は１次回折振幅に対するターゲット非対称性の影響を表している。Δ_ｎは非対称性のない格子に相当する定格エリア長を基準とした第ｎエリアの広がりを表しており、Ψ_ｎはその第ｎエリアのトポグラフィック位相を表している。

垂直照明条件下では等式７に示すように等式５及び６が簡略化される；式中、ｓｉｎθ_１＝λ／Ｐ，ΔΨ＝Ψ^（１）－Ψ^（０）－２π（１－ｃｏｓθ_１）Δｚ／λであり、Ａ^（１）＝Ａ^（－１），Ψ^（１）＝Ψ^（－１），δ_Ｒｅ ^（１）＝δ_Ｒｅ ^（－１），δ_ｉｍ ^（１）＝δ_ｉｍ ^（－１）及びそれに対応する電場強度を仮定して冒頭次数近似されている（簡略化のため１次回折振幅の自乗を無視）。

等式７によれば、ターゲット非対称性が原因でターゲット中心の位置にもたらされる生得的曖昧性の大きさはΘ（（Ｐ／２π）｛δ_Ｒｅ，δ_ｉｍ｝）程度である。けれども、ツール計測条件が不適正だとターゲットのこうした幾何学的曖昧性が係数ｔａｎ（Ψ^（１）－Ψ^（０）－２π（１－ｃｏｓθ_１）Δｚ／λ）で以て拡大されうる。この係数は最良コントラスト位置ではほぼ０だが、ゼロコントラスト位置では無限大に向かい増大する。この係数の値は計測焦点位置の適正選択によって制御可能だが次の問題点にぶつかることとなる：（ｉ）照明瞳位置毎、波長毎にそのトポグラフィック位相が違い、従ってその最良コントラスト焦点位置も違うことである。被写界像は諸照明点及び諸波長に対応する像の総和であるので、像の集まりによってターゲット非対称性の影響が大きく拡大されることとなりうる。この第１問題点は、照明ＮＡが高めな場合照明角の違いに応じた最良コントラスト位置の拡散が１μｍ以上になりうるので、計測焦点位置を変化させることではまず以て解決することができない。計測対称焦点位置と一部照明角の最良コントラスト位置との間の距離が０．５μｍ以上になりうるので、どういった計測焦点位置を選択してもターゲット正確性の拡大が生じる。（ｉｉ）最良コントラスト位置がプロセスばらつきによって変動することである。焦点捕捉手順によってもたらされる計測焦点位置がその最良コントラスト位置と強く相関していない場合、これはＯＶＬ計測の正確性を劣化させるもう一つの要因となる。

これらの問題を例示するためＳＷＡ＝８８°（１００ｎｍ未満の層高では±１ｎｍ未満のＯＶＬ曖昧性に相当）なる想定でシミュレーションを行ったところ、図２Ｂに示すように、ある種の計測条件（例．λ）及び計測焦点位置ではイメージングツールにより±５ｎｍ域内のＯＶＬ誤差がもたらされるという関係、即ちこの特定のシミュレーション条件下ではＳＷＡ由来のＯＶＬ誤差がイメージングツールによって５倍に強調されるという関係がもたらされた。図２Ｃに示したのは別のシミュレーション例であり、更に大きな拡大率を呈している。

推奨される解決策は次の諸策、即ち（ｉ）最良コントラスト焦点位置が格子位置と一致する計測条件の適正選択、（ｉｉ）スペクトル域の縮小及び照明ＮＡの低減、（ｉｉｉ）各サイト上の別々の焦点位置での幾つかの像の捕捉及び最良焦点位置の探索、（ｉｖ）長い照明波長の使用、並びに（ｖ）別々の焦点位置での幾つかの像の同時捕捉のうち、いずれかを含むものである。以下、これらの策について詳論する。

スペクトル域を徹底的に縮小（例．１０ｎｍ未満）すると共に照明ＮＡを徹底的に低減（例．ＮＡ～０．１未満）する策（ｉｉ）では、最良コントラスト位置拡散が２００～３００ｎｍまで狭まる。図２Ｄに、０．１なる低照明ＮＡを用いたシミュレーションの結果を示す；図中、点１０５はＯＶＬ誤差拡大率が低い最良コントラスト位置、点９５はゼロコントラスト位置を指し示している。図２Ｄに示すように、最良コントラスト位置（１０５）付近ではＯＶＬ誤差が小さく、焦点変化につれてゆっくりと変化するのに対し、ゼロコントラスト位置（９５）付近では、焦点変化につれてかなり大きくＯＶＬ誤差が変化する。位置１０５及び９５は様々なタイプのゼロＯＶＬ誤差計測点を表している；ゼロコントラスト位置９５にてＯＶＬ誤差が０になるのは、１次高調波の振幅が厳密に０でありＯＶＬが２次高調波で以て計測されること、またその２次高調波が通常は１次高調波よりかなり小振幅なことが原因である。ゼロコントラスト位置９５での計測については以下に論ずる通りであり、これには計量ツールのハードウェア（ＨＷ）的修正が必要になる（例．図３Ａに示した集光路内０次ブロッカ）。

図３Ａは、本発明の各種実施形態に係る理論的モデル及び光学システム１１０の上位模式図である。照明８１は（照明路７１内を通って）システム１１０に入り、光学系８２（例．ビームスプリッタ）及び対物系８３を介しターゲット９０上へと差し向けられ、そこからの回折信号が、ビームスプリッタ８２及び光学系８４（例．チューブレンズ）を介し（集光路７９、別称検出路内を通って）検出器８０（例．ＣＣＤ即ち電荷結合デバイス）へと差し向けられ、そこに集光される。空間フィルタ１１５を導入することで、理想的にはフーリエ平面（瞳面１２０）にて、０次回折信号を遮光することができる。非限定的な要領で１次回折のみを図示してある。

システム１１０を次のガイドラインに従い構成することで正確性誤差の拡大を低減又は相殺することができる；低ＮＡ光源例えばレーザを用い光均一性条件を緩和する、１次回折のみを通過させてクリーンな２ビーム干渉及び大きな焦点深度を実現する、プロセス信号及びレジスト信号双方（これらは別々のターゲット層からの回折信号である）を瞳面１２０の同一部分に通して収差を相殺させる、そして合焦をオンザフライ実行する、というガイドラインであり、注記すべきことに、像コントラストが良好になるため適合的ノイズ低減アルゴリズム（ＡＮＲＡ）の実行抜きで計測を行うことができ、従って例えば２００ｍｓｅｃ未満という短さのＭＡＭ（移動－捕捉－計測）時間を達成することができる。

特に、後述のアルゴリズム的な策によれば、不透明な０次ブロッカ１１５の導入に関連する難点や集光瞳における諸次回折の良好分離に関する要請に内在する難点が克服されるため、像内への０次の漏れや高次ＤＯの急峻な打ち切りを回避することができる。発明者によれば、こうした要請によって最小ターゲットサイズが１０～１５μｍ超に制限され回折尾が小さくなる。他方で、そうした非常に制約されたサイズの０次ブロッカ１１５では、非常に低い照明ＮＡが必要とされ光バジェット問題が発生する。特に、ある特定のしきい値を超え照明ＮＡを低減すると（ファンシッターゼルニケの定理）、空間的な広がりを持ったコヒーレンス効果（リンギング）が発生して像が歪む。これに対し、発明者が見いだした後述のアルゴリズムによれば、図３Ａに示した光学的構成に内在する長所を保ちながら、些少なハードウェア修正は恐らく必要になるものの０次ブロッカ１１５を用いずに前掲の諸制約を克服すること、ひいてはイメージングＯＶＬ計測にて秀逸な正確性を達成してツール性能を高め且つプロセスばらつきの影響を減らすことができる。特に、発明者が見いだしたところによれば、後述の通り、ＯＶＬ計測向けに偶数次高調波のみを選択すること及び／又はスルーフォーカス平均化を用いることで、信号の偶数次高調波への偶数次回折の寄与分を減らしてそれらの長所を実現することができる。

図３Ｂ，図３Ｃは、順に、本発明の各種実施形態に係る計量ツール８５，光学システム１１０の上位模式図である。計量ツール８５は、模式的に示す通り、対応する照明数値開口（ＮＡ_ＩＬ），集光数値開口（ＮＡ_Ｃ）を有する照明路７１，集光路７９を伴う光学システム１１０と、検出器８０と、プロセッサ（群）８８と連携する計量モジュール（群）８７とを備えている。光学システム１１０は、図３Ａに模式的に示したものだが０次ブロッカ１１５を備えていない；光学システム１１０は、後述の通り、ハイトポグラフィスタック計測を実行しうるよう構成されていてその集光数値開口及び照明数値開口が２λ／Ｐ未満の総和を呈するよう選定されているか、及び／又は、自身が自身の複数個の焦点位置上で捕捉した複数個の像を積分することで非対称寄与分を平滑するよう構成されている。こうした構成の下で、計量ツール８５及び光学システム１１０により前述及び後述の２ビーム構成を模しつつも０次遮光が不要になるのは、後述の通り特定のλ／Ｐ比を有する２次高調波のみを取り入れているためである。

本願記載の光学的構成に対する主な要請は、（ｉ）どのようなターゲットピッチが選択されていても対物レンズ８３により０次回折及び±１次回折のみを確と集められるよう照明スペクトル域及び集光ＮＡ（ＮＡ_Ｃ）を調整できること、並びに（ｉｉ）照明ＮＡが比較的低い（従って大きなＤＯＦ（焦点深度）を提供できる）ことである。具体的には、条件２λ／Ｐ＞ＮＡ_Ｃ＋ＮＡ_ＩＬを満たすようＮＡ_Ｃ及びＮＡ_ＩＬを選択すればよい；式中、λは照明波長、Ｐは（ターゲット９０の）格子ピッチを表している。こうした条件下では、計測対象信号の２次高調波が±１次回折間干渉のみの結果として形成されるので、その意味でこの信号は０次ブロッカ１１５を用い計測された信号と全く等価になる（他のハードウェア的手段で解決されるべき精度問題は別として）。

ＤＯＦに関しては、ターゲット９０上での散乱後、±１次回折たる斜行平面波がｓｉｎ（θ_１，_－１）＝－ｓｉｎ（θ_０）±λ／Ｐで定まる角度で伝搬する；式中、θ_０は照明角を表している。照明ＮＡが０であり（ＮＡ_ＩＬ＝０）且つ垂直照明条件が完全に満たされている（θ_０≡０）場合、ｃｏｓ（θ_１）≡ｃｏｓ（θ_－１）が成り立つのでそれら二通りの平面波間の相対位相は焦点によっては変化せず、従って無限大のＤＯＦに相当するものになる。照明リングが有限サイズであるため垂直照明条件は近似的にしか満足されえない。とはいえ、この場合、一般的なケースのように集光ＮＡ（ＮＡ_Ｃ）によってではなく、照明ＮＡ（ＮＡ_ＩＬ）によってＤＯＦが決まるので、ご理解頂けるように、低照明ＮＡ時ＤＯＦ値をＤＯＦ≒Ｐ｛１－（λ／Ｐ）^２｝^１／２／（２．５ＮＡ_ＩＬ）で以て近似することができる。例えばP＝１８００ｎｍ、λ／Ｐ～０．５及びＮＡ_ＩＬ＝０．２であればＤＯＦ＞３μｍとなるので、ハイトポグラフィスタックの計測を単一捕捉で以て行うことができる。

これに代え又は加え、複数個の焦点位置上で複数個の像を積分して非対称寄与分を平滑してもよい。±１次（或いは他の任意な対称次数対）間干渉パターンのＤＯＦが大きいので深スタック単一捕捉計測を実行することができる。その平滑では、被写体（ターゲット９０）が焦点を過ぎる際に任意の非対称ＤＯ対間干渉でコントラストが反転すること、その一方で対称次数対間干渉ではコントラストの符号が変化しないことが利用される。積分はソフトウェア及び／又はハードウェアにより実行できるので、露光中に焦点計測を行うことができる。このようにすれば、波長対ピッチ比及び集光ＮＡの如何によらず単一捕捉深スタック計測を行うことができる。

正確性に関しては、前述及び後述の通り、ターゲット非対称性増幅（ＯＶＬ計測の不正確性の主源泉）の仕組みが、像を形成する回折次数間のトポグラフィック位相差の値に結びついている。最も正確な計測が行われるのは、垂直照明条件に対応する回折次数間位相差がほぼ０のときである。±１次回折間干渉により形成された像ではこの条件が自動的に満たされ高い正確性がもたらされる。

前掲の５策のうち、各サイト上の別々の焦点位置で数個の像（例．非限定的な例としては３個の像）を捕捉する策（ｉｉｉ）を用いることで、最良コントラスト位置をオンザフライ探索すること（策（ｉｉ）での最終ポイントを参照）、例えば各捕捉済像に関し算出したコントラスト値の放物線近似を用いそうすることができる。不正確性拡大因子の符号が最良コントラスト位置（図２Ｄでは点１０５，９５の位置）の付近で変化するので、最良コントラスト位置から見て別々の側にある焦点位置での像について算出されたＯＶＬ値を、適切な荷重を用い結合させることで、正確なＯＶＬ計測結果を得ることができる。この策によればサイト毎のプロセスばらつきに対する解決策が提供される。

長い照明波長を使用する策（ｉｖ）では、波長及び照明角によるトポグラフィック位相変化の速度が大きく低下するので、スペクトル域及び照明ＮＡを拡張、増大させることが可能となる。この策では大きなピッチ例えば約２０００ｎｍのそれが必要となる。

別々の焦点位置で幾つかの像を同時捕捉する策（ｖ）の使用で克服可能な難点としては、その最良コントラスト位置が異なる２層間でＯＶＬが計測されるのであるから最も正確な計測が達成されうるのは各層の対称中心の位置をその層の最良コントラスト位置にて計測した場合である、という事実に由来するものがある。その場合、その合成カーネル（即ちその層に係る最良焦点位置に対応する焦点位置に対する補間結果たる合成ＯＶＬ値）が、捕捉済像それぞれに対応する信号の別々の組合せとなる。そうして得られるＯＶＬには像捕捉中のステージ運動の影響が含まれるので、その影響でＯＶＬ計測の精度が左右されうる。ＯＶＬ計測策からそうした影響を排除するには、イメージングツールの光学的構成を変更し、別々の焦点位置にて幾つかの像を同時捕捉できるようにすればよい。以下、策（ｖ）のある潜在的実現形態の詳細を記述する。

各注目層に印刷されているターゲットをその層の最良コントラスト焦点にて捕捉する策（ｖ）によれば、好適なことに多層ターゲットのプロセスロバストな計測が実現されるので、照明ＮＡが十分に低く照明帯域幅が十分に狭い条件下で、プロセスばらつきに対する計測の敏感さの原因たるトポグラフィック位相を確とキャンセルすることができる。

図４Ａ～図４Ｃは、本発明の各種実施形態に係る複数焦点位置同時計測用光学システム１１０の上位模式図である。図４Ａは、光学システム１１０及びそれと連携する校正モジュール１１２を備え、１個又は複数個のプロセッサ（図９参照）により動作させうるイメージング計量ツール８５の上位模式図である。

校正モジュール１１２は焦点ずれの度合に対するオーバレイ誤差拡大の依存性を導出するよう構成することができ、光学システム１１０は、Δλ≦１０ｎｍなる狭いスペクトル域にて、ＮＡ≦０．１なる低い照明数値開口にて、且つ導出した依存性によればオーバレイ誤差拡大無しに相当する焦点位置にて動作するよう、構成することができる（前掲の策（ｉｉ）を参照）。

光学システム１１０は、これに代え又は加え、対応する複数個の焦点位置にて複数個の計量ターゲット像を捕捉するよう構成することができ、校正モジュール１１２は、捕捉した像の不正確性拡大因子を推定し、それら焦点位置に関し不正確性拡大因子の符号変化を識別することによって最良コントラスト位置を判別するよう、ひいてはイメージング計量ツール８５を再構成して判明済の最良コントラスト位置にて動作させるよう、構成することができる（前掲の策（ｉｉｉ）を参照）。校正モジュール１１２は、通常の計量ツール動作中にオンザフライ動作させうるよう構成することができる。

光学システム１１０は、焦点（焦点位置）でない複数個の点にてターゲット９０の同時計測を行えるよう構成することができ、また、計量ツール８５に備わる校正モジュール１１２（図４Ａ）は、精度劣化リスク無しに個別的な層毎捕捉センタリングを行えるよう構成することができる（前掲の策（ｉｖ）を参照）。

光学システム１１０は、集光路７９（対物系８３及び光学系８４により模式的に示されているそれ）の第１検出焦点位置１３１Ｃが計量ツール８５内にあり、集光路７９沿いに少なくとも２個のビーム分岐素子１３２，１３４を備え、少なくとも２個の対応する追加的焦点位置１３１Ａ，１３１Ｂがもたらされるようそれらビーム分岐素子１３２，１３４が配置されていて、それら追加的焦点位置１３１Ａ，１３１Ｂが第１検出焦点位置１３１Ｃのそれとは別の集光路長を呈するシステムとすることができる。

例えば、光学システム１１０を、ビームスプリッタ１３２，１３４（例．順に３０／７０比ＢＳ，５０／５０比ＢＳ）及びその後段に位置するミラー１３６を有する光学アセンブリ１３０を備えるものとし、検出平面８９付近に都合３個の焦点位置（焦点）１３１Ａ～Ｃがもたらされるようそれらを構成することができる（図４Ｂ）。この例示構成の光学アセンブリ１３０によれば、同じパワーを有する３個の像が都合３個の焦点位置に対応してもたらされるところ、それらの像を同じ検出器８０により何ら機械的ドリフト無しで検出することができる。即ち、光学システム１１０は、静的複数捕捉アーキテクチャを呈するよう構成することができる。光学システム１１０内パラメタの数値は、ΔＺ_ｏを被写体の長手方向変位、ΔＺ_ｉをその像の長手方向変位、Ｍをイメージングシステムの倍率、ｎ_ｏ，ｎ_ｉを順に被写体，像媒体の屈折率として等式８により与えられるので、例えば、典型的な寸法の計量ターゲット９０即ち横方向寸法Ｌ＝３０μｍのそれを用い、且つ倍率＝１２５、像間重複無しとすることで、図４Ｂに示した光学システム１１０にて計測可能な最小値ΔＺ_ｏが求まる。

また例えば、光学システム１１０に備わる光学アセンブリ１３０を、視野絞り（例．検出器平面８９と等価な平面８９Ａ）に位置するレティクル１４０と、光学系１３３と、ビームスプリッタ１３２，１３４と、を有するものとし、都合３個の焦点位置（焦点）１３１Ａ～Ｃがもたらされるようそれらを構成すること、例えばそれら焦点位置が対応する３個の検出器８０Ａ～Ｃによって検出されるようにすることができる（図４Ｃ）。検出器８０Ａ～Ｃを別体にし別々の軸方向変位で以て像を捕捉してもよいし、検出器８０Ａ～Ｃ又はその一部を統合して別々のウェハ層にあるターゲットの同時イメージングを行えるようにしてもよい（ダブル捕捉又はそれ以上の捕捉）。

レティクル１４０はウェハ（ターゲット９０）による照明光８１の鏡面反射によって主に照明されるので、レティクル１４０の照明ＮＡ（ＮＡ_{ｒｅｔｉｃｌｅ}）は、等式９に示す通り、被写界深度の既知推定式ΔＺ＝λ／ＮＡ_{ｒｅｔｉｃｌｅ} ^２を用い、照明ＮＡ（ＮＡ_ｉｌｌ）と、図４Ｃに示した光学システム１１０で以てカバー可能な焦点範囲（ΔＺ_ｏ）とにより推定することができる。

例えば、データ例としてλ＝７００ｎｍ及びNＡ_ｉｌｌ＝０．２を用いることで、幾つかの層のターゲット間での焦点の違いを成功裏にカバー可能な焦点ずれ範囲ΔＺ_０＝１７．５μが求まる。光学システム１１０例えば図４Ｃに示したそれによれば、検出器の横方向位置の機械的安定性に係る制約例えば１００ｎｍたりうるそれを克服して許容可能な精度（１ｎｍ）を保ちつつ、別々の像を用い個別のターゲット層それぞれの変位を検出することができる。視野絞りに備わるレティクル１４０が相互的な参照中心として働くので、諸像における層それぞれの変位を判別することができる。

有益なことに、推奨構成に係るマルチ捕捉スルーフォーカス計測アーキテクチャによれば、従来型オートフォーカス技術、例えば（ｉ）ウェハ上で干渉焦点からある一定オフセットの位置にあるサイト全てを計測する方法並びに（ｉｉ）複数個の像の順次的スルーフォーカスマルチ捕捉に続き電流層及びプロセス層のターゲット位置を個別判別した後にそれらの間のオーバレイを算出する方法の難点が克服される。どちらも大きな難点を有する方法である。方法（ｉ）は全プロセスパラメタのウェハ全体に亘る均一性を想定した方法であり、最良コントラスト焦点位置が数百ｎｍずれうること、ひいてはオーバレイ判別に数ｎｍの不正確性がもたらされうることがわかっている。方法（ｉｉ）には、像捕捉の狭間におけるステージの不測的ドリフトに起因した数ｎｍに達する顕著な精度問題、という難点がある。

新規な光学的構成によれば、イメージングＯＶＬ計測にて秀逸な正確性を達成することができ、ツール性能が高まり、且つプロセスばらつきの影響が軽減される。特に、そのイメージング手段は、その照明ＮＡが低く且つスペクトル域が狭いものか、別々の焦点位置で同時捕捉された数個の像に基づく新規なオンザフライＯＶＬ計測アルゴリズムを用いるものか、及び／又は、別々の焦点位置に対応する像のオンザフライアライメント（整列）を可能とすべくその光学的構成に変化を導入するものである。本発明は、ＯＶＬ制御に使用されるいずれの既存計量プラットフォームでも実施することができる。

図１に戻り、イメージングＯＶＬにてトポグラフィック位相制御を行えるようにする更なる手段、即ち（ｉ）偏向性ターゲット、（ｉｉ）波長制御及び（ｉｉｉ）干渉制御について開示することにする。

図５Ａは、本発明の各種実施形態に係る偏向制御ターゲット１５０の上位模式図である。これらの実施形態はイメージング計量ターゲット１５０を備えており、そのターゲット１５０はその構成要素１５１が計測方向（Ｘ）に沿いあるピッチｐ（Ｐ_ｘ）を呈する少なくとも１個の周期的構造を備えており、それら要素１５１は計測方向（Ｘ）に対し垂直な方向（Ｙ）に沿いある未分解ピッチ（Ｐ_ｙ）にてセグメント化されている。その未分解ピッチ（Ｐ_ｙ）は、後述の通り、ターゲット１５０のトポグラフィック位相がπの整数倍となるよう選択されている。

（ｉ）偏向制御ターゲット１５０は、電磁場の水平偏向及び垂直偏向（ターゲットの周期性の方向を基準にＸ及びＹとして示されているそれ）に対し別々の応答を呈するものとなるよう構成すること、例えばその計測ツールによって小分解される小さなセグメント化ピッチＰ_ｙを用い構成することができる。

例えば、入射面の軸がターゲット１５０の主軸と一致している場合、未分解ピッチＰ_ｙで以てセグメント化されているライン（又はトレンチ）１５１の実効誘電率は、有効媒体近似を用い、等式１０中に示す方向性誘電率ベクトルを有する異方性膜と実質的に等価なものとして記述することができる；式中、ε_１は一方の素材の誘電率、ε_２は他方の素材の誘電率、ηはＹ方向沿いセグメント化のデューティサイクルであり、ε_ｘ≠ε_ｙである。

電場の垂直偏向及び水平偏向に対し別々の応答を呈する候補的ターゲット構成は複数通りあり、そのいずれも選択することができる。実際のセグメント化ピッチは、シミュレーションを踏まえて選択してもよいし、及び／又は、別々のパラメタを有する供試ウェハターゲットを対象にしたトポグラフィック位相の計測を踏まえて選択してもよい。図５Ｂは、本発明の各種実施形態に係る光学システム１６０の上位模式図である。計量ツールの光学システム１６０では、直線偏向の方向を用い、ターゲット１５０から散乱されてくる光の諸次回折間位相を変化させることができる。また、光学システム１６０は、照明路７１内に偏光子１６１（例．別の角度及び遅延パラメタを有する波長板を用いること等で円偏向光をもたらすもの）、集光路７９内に検光子１６９を備えるものとすることができ、そうしたシステムでは、照明光８１の偏向条件の違いに対しターゲットが別様に反応する場合に、検光子１６９の角度を変化させることで散乱光のトポグラフィック位相のより実効的な制御を行うことができる。

（ｉｉ）これに代え又は加え、照明波長を修正することでトポグラフィック位相を制御してもよい。発明者が見いだしたところによれば、大抵のスタックで、波長が５０ｎｍほど変化するとコントラスト反転、即ちトポグラフィック位相の変化で言えばπに相当するそれが発生する。従って、±約１０ｎｍといった些少な照明スペクトラムシフトを用いることでトポグラフィック位相を大きく変化させることができ、ひいてはスペクトル制御を更なる因子としＯＶＬ計測条件の向上に用いることができる。更に、レジスト層及びプロセス層を別々の波長で以て計測することができるので（前掲の例でいうダブル捕捉）、トポグラフィック位相の補正をレジスト層及びプロセス層について相独立に実行することができる。

図６は、本発明の各種実施形態に係る光学システム１７０の上位模式図である。光学システム１７０は、イメージング計量ツールにてＯＶＬ計測に使用することができる。光学システム１７０は、参照信号を伴う可調参照路１７８を、光学システム１７０の集光路７９に統合された態で備えている。参照路１７８はその位相が可調な参照信号を供給しうるよう構成されており、光学システム１７０は、その参照信号の位相を調整することでイメージング計量ターゲットのトポグラフィック位相をπの整数倍へと修正しうるよう構成されている。可調参照路１７８は、後に詳述する通り、リニック干渉計の態をなすよう、イメージング計量光学システム１７０の主対物系８３とそっくりな参照対物系１７４及び可調ミラー１７５と、統合することができる。

光学システム１７０は、照明路７１、主対物系８３及び集光路７９を備えるほか、その振幅及び位相を制御可能な参照信号を伴う参照路１７８を備えており、ターゲット９０の少なくとも２個のターゲット層からの０次・１次回折信号間トポグラフィック位相差が縮小されるようそれらが構成されている。照明路７１及び集光路７９はビームスプリッタ８２を介し対物系８３と連携させることができ、参照路１７８はビームスプリッタ８２を介し光学システム１７０に統合することができる。参照路１７８は、主対物系８３とそっくりな対物系１７４をミラー１７５と共に備えるほか、それと連携する照明源１７１及び光学系１７２，１７３（例．合焦レンズ１７２及びビームスプリッタ１７３）を、例示的諸実施形態の如くリニック干渉計型の構成で備えるものとすることができる。参照信号の振幅は減衰器１７９例えば中性濃度（ＮＤ）フィルタによって制御することができ、また、対物系１７４及び／又はミラー１７５を動かすことで参照信号の位相を制御することができる。帰結たる０次回折場は、ウェハの第１層及び第２層（ターゲット９０の格子）から反射されてきた０次回折を示すＡ・ｅ^ｉα及びＡ・ｅ^ｉβと、参照ミラー１７５から反射されてきた０次回折を示すＣ・ｅ^ｉγと、のコヒーレント和として現れる。従って、この０次場は等式１１に示す如く記述することができる。

第１，第２格子の１次回折のトポグラフィック位相が順にφ_１，φ_２と表されるところ、参照信号の振幅及び位相を適宜定めることで、ターゲット９０の少なくとも２個のターゲット層からの０次・１次回折信号間トポグラフィック位相差を小さくすることができる。等式１１から求まる通り、等式１２の値を小さくすることで最良動作条件を見いだすことができる。

１次・０次回折間トポグラフィック位相差を両格子同時に縮小することで、両層の最良コントラスト位置を互いに近づけ、同じ焦点位置で両層を計測することが可能になる。

補足的な策としては、暗視野イメージング計量を出発点とする策がある。明視野イメージングでは集光路にて０次及び１次回折が用いられるのに対し、暗視野イメージングでは０次が遮光され、より高次の回折のみ、通常は１次回折のみが像形成に用いられるので、オーバレイ計測の精度及び正確性を秀逸にすることができる。明視野イメージングと暗視野イメージングに共通する限界は回折効率が低いこと、即ちターゲット９０により回折されたＥＭ波のうち１次回折の振幅が非常に小さいことである。明視野（ＢＦ）イメージング強度及び暗視野（ＤＦ）イメージング強度を等式１３に示す；式中、Ｉ_ＢＦ（ｘ）は検出器８０にて観測される強度を表しており、ａ_０，ａ_１，ａ_－１は順に０次，＋１次，－１次回折の振幅、ψは瞳面における０次及び±１次回折間の平均位相、δａ_１は正次数と負次数の振幅差、δφは位相差である。

明視野イメージングでは、判明している通り、位相擾乱によって持ち込まれる誤差がターゲット自体の幾何学的曖昧性によって制限されるのに対し、δａ_１ｔａｎΨの項によって持ち込まれる誤差は、不適正な条件で計測した場合、数ｎｍ超になりかねない（Ψ→±π／２，前掲の導出を参照）。暗視野イメージングではこの不正確性問題が解決されるが、その信号が高次回折のみで構成されているため、通常、顕著な光飢渇のみならずその光学システムの漏洩光及びゴーストの影響にも見舞われる。

回折効率が低い場合、どちらのタイプのイメージングでも、格子位置計測の精度を等式１４の如く表すことができる；式中、α，βは順に光源，検出器のノイズ特性、Ａ_０，Ａ_{Ｓｉｇｎａｌ}は順に０次変調周波数，ピッチ高調波の振幅である。この一般式は明視野イメージング及び暗視野イメージングについての近似式であり、明視野イメージングについては、０次での強度が検出器ノイズに対して優勢であることが仮定されている。

従って、信号が検出器ノイズによって支配されるレベルまでターゲットの回折効率が低下すると明視野計測が暗視野イメージングに比べ有利になる。とはいえ、合計信号が検出器のダイナミックレンジによって制約されるので、カメラの飽和防止のため等式１５に示す条件が全て満たされねばならない；式中、Γはカメラ（検出器）の飽和レベルを表している。

等式１６は、集光瞳を通る０次ＥＭ場の振幅についての最終的な制約を振幅及び強度により表したものである。

この導出結果は幾通りかの実現形態を示唆している：（ｉ）図３Ａ中の空間フィルタ１１５をリーキーなブロッカとして構成し、例えば可調ＮＤフィルタを空間フィルタ１１５として用い０次振幅を制御する一方で、低い照明ＮＡを用い０次回折とより高次の回折を確と分離させることができる。計測の正確性上、０次回折・１次回折間に特定の位相関係があることが求められるため、集光瞳エリア１２０にゾーン位相板を配して位相制御を実行するのがよい。（ｉｉ）図３Ａ中の空間フィルタ１１５を、位相及び振幅の同時制御が可能なよう構成された適合的光学素子、例えばＤＬＰ（登録商標；ディジタル光処理デバイス例えば個別作動型微小ミラー又は可変形ミラー膜のアレイ）として実現し、表面調整（例．ミラー角及びデバイストポグラフィ）による位相及び振幅制御を実行することができる。（ｉｉｉ）図６中の減衰器１７９を可変とし、後述の導出事項に従い実現することができる。

等式１７は、ターゲット９０から反射されてきた信号とミラー１７５から反射されてきた信号の総和として０次信号を表したものである；式中、ａ_ｗはウェハ（ターゲット９０）から反射されてきた０次の振幅、ａ_ｒは参照ミラー１７５から反射されてきたＥＭ場の振幅、Ψは１次回折に対する０次のトポグラフィック位相、Φ_ｒは瞳面における参照ＥＭ場の位相を表している。実効的な０次信号はａ_０’及びΨ_０’を用い表される。

つまるところ、減衰器１７９を用い参照アーム１７８の振幅ａ_ｒ及び位相Φ_ｒを制御することで、前掲の諸原理に従い全ての任意な０次場を検出器８０に集めることができ、それによってイメージングベースオーバレイ（ＩＢＯ）計測の正確性及び精度を秀逸にすると共にコントラスト及び信号強度を向上させることができる。

図７は、本発明の各種実施形態に係るトポグラフィック位相制御向けの基準たるコントラスト関数の上位模式図である。コントラスト関数はレンズ焦点位置の関数として格子コントラストを定める関数であり、イメージングの際のトポグラフィック位相制御向けの実用的成功限界として示されている。前述の通り（例えば等式２を参照）、合焦レンズ位置が格子位置から幾らかであれずれると、異なる照明角間での位相拡散が増すことにつながってコントラスト低下が発生する（ずれが大きいほどコントラスト低下が大きくなる）。イメージングにおける最良計測条件は、０次回折・１次回折間位相差がπの整数倍であることに相当している。この場合、計測対象信号の最良コントラスト位置に格子焦点位置が一致するので、異なる瞳照明点間に（焦点ずれにより引き起こされる）トポグラフィック位相拡散はない。こうした条件下でのコントラスト関数（図７中で「π」と付記されているもの）は、良好に識別できるピークを呈する対称関数となる。その逆の最悪計測条件では０次回折・１次回折間位相差がπ／２であり、その位相差π／２に対応するコントラスト反転位置にて同等のコントラストが発現する。これに対応する挙動のコントラスト関数は２個の同等なピークを呈するもの（図７中で「π／２」と付記されているもの）となる。いずれの中間的な条件でも非対称なコントラスト関数（図７中で「中間」と付記されているもの）がもたらされる。まさにこのコントラスト関数を用いることでイメージング計測条件を最適化することができる。

光学システム１１０及び校正モジュール１１２を備える計量ツール８５（図４Ａ参照）は、光学システム１１０を介しイメージングターゲットのコントラスト関数を導出するよう、且つ光学システム１１０の計測条件を調整することで導出済コントラスト関数を単一のピークを有するもの（図７に示したそれ）へと修正するよう、構成することができる。計量ツール８５は、調整した計測条件にてイメージング計量計測を実行するよう構成することができる。

スキャタロメトリオーバレイ（ＳＣＯＬ）計量でも、イメージング計量に関し前述したものと同様の考察を適用することができる。特に、ターゲット構成についての同様の考察と併せ、波長及び偏向の選択を、同様に適用することができる。更に、ＳＣＯＬ信号が瞳座標で計測されるため（瞳面１２０における入射角多重）、適正ＡＯＩ（瞳画素）の計測後選択を行い最も正確な計測条件に到達させることができる。

最良の対オーバレイ感度及び正確性（非対称性及びパッド対パッドばらつきに対するロバスト性）を得る上で望ましい場間位相は、以下の導出で示す通り±π／２である。図８は、本発明の各種実施形態に係り格子の上方に格子があるスキャタロメトリターゲット９０の上位模式図である。ＳＣＯＬターゲット９０は少なくとも２個のセル９０Ａ（「＋セル」），９０Ｂ（「－セル」）を備えており、順に、互いに逆方向のオフセット＋ｆ_０，－ｆ_０を上格子９１Ｂが下格子９１Ａに対し有している（格子ピッチをΔで示してある）。セルモデル９０Ｃは回折電磁（ＥＭ）場、即ちＳＣＯＬターゲットセルの上格子（９１Ｂ，Ｕ）及び下格子（９１Ａ，Ｌ）により同じ回折次数（－１，＋１）に回折された場を示すためのものである。ＤＢＯ（回折ベースオーバレイ計量）におけるトポグラフィック位相は上格子によって回折された電磁（ＥＭ）場と下格子によって回折されたＥＭ場の間の平均位相差として定義される。それらの回折次数は等式１８の如く近似される。U_±１ ^＋，U_±１ ^－は、順に、（正オフセットの）第１セル９０Ａ，（負オフセットの）第２セル９０Ｂの上格子９１Ｂにより散乱された場の合計を表している。上付文字列中の符号はセルのオフセット、下付文字列は散乱次数を表している。Ｌ_±１ ^＋及びＬ_±１ ^－は下格子（プロセス格子）９１Ａによって回折された場を表している。ｕ_±１ ^＋及びｕ_±１ ^－はそれらの場の振幅、Ψ_±１ ^＋は上格子９１Ｂによって回折された場のトポグラフィック位相（セル及び次数は対応する上付及び下付文字列で示してある）、φ_±１ ^＋は下格子９１Ａによって回折された場の合計位相（トポグラフィック＋上格子９１Ｂを基準とした光路長（ＯＰＤ））を表している。Ｉ_±１ ^＋及びＩ_±１ ^－は対応する信号強度を表している。アスタリスク（＊）は複素共役を表す演算子であり、ｃ．ｃ．は残りの複素共役項を示す省略記号である。

等式１９は４個の物理的変数を導入、定義する式である。以下の導出では、セル間に十分な類似性があり格子に十分な対称性があるとの仮定の許、簡略化のため定数項｜ｕ_±１ ^±｜^２＋｜ｌ_±１ ^±｜^２を省略している。

Ａ^±，Ｂ^±，α^±，β^±を用いセル９０Ａ，９０Ｂに係る差分信号を表したものが等式２０である。式中の差分信号が、多重再散乱でもたらされる項や格子間相対変位に対し別様に依存する項を無視した一般形とされているのは、それらの項の相対強度が格子の回折効率（ＤＥ）の高次冪に依存しており実際上は数％を超えないためである。

各セルにおける差分信号（Ｄ^±）が１次ＳＣＯＬでの主オブザーバブルとして働くので、等式２０を感度及び誤差分析の基礎とすることができる。項（Ｐ／２π）（β^±＋ｔａｎ^－１［Ｂ^±／（Ａ^±ｔａｎα^±）］）はターゲット非対称性によるオーバレイ加算分の物差しとなりうる。イメージング時（等式７参照）と同様、位相非対称性（β^±）が適正オーバレイへの線形加算分として現れる一方で、振幅非対称性の影響（Ｂ^±／Ａ^±）が上格子及び下格子により散乱された次数のＯＰＤとトポグラフィック位相の組合せによって増幅されている（１／ｔａｎα）。→ｎπ（ｔａｎα→０）なる想定上最悪なケースでは、振幅非対称性により持ち込まれる誤差が±Ｐ／２に達しかねない。他方で、α→±π／２なる最適な状況ではｔａｎα→∞となるためこの増幅された誤差が消失する。なお、最良結果をもたらすトポグラフィック位相と最悪結果をもたらすトポグラフィック位相がスキャタロメトリの場合にイメージングと逆になるのは、イメージングでは干渉項の総和が計測されるのに対しＳＣＯＬでは差分信号（干渉項の差分）が計測されるためである。

等式２１は差分信号の大きさｄ並びにその一次及び２次導関数を推定する式である。

イメージング時と同じく、計測向けに最適な位相関係にて最強の信号が得られるべきである。とはいっても、格子の散乱効率を、上格子９１Ｂ及び下格子９１Ａによって回折されたＥＭ場間の相対位相から分離させるのが難しい。ＡもＢもアプリオリにはわからないし、αについては何もわからないので、計測可能量のはっきりとした挙動（例．αによるＤ^±の大きさの挙動）を明確に叙述することができない。

現行のＳＣＯＬアルゴリズムでは、各画素における信号が式Ｓ＝（Ｄ^＋＋Ｄ^－）／（Ｄ^＋－Ｄ^－）を用い算出される。慣例的に二通りの仮定、即ち格子が対称であり照明がほぼ垂直である、オフセットを除けばターゲットセル９０Ａ，９０Ｂがうり二つである、という仮定がなされている。これらの仮定を組み込んだモデルを等式２２に示す。

しかし、格子の形状が同じだが格子の光学厚が異なる場合は、等式２３が組み込みモデルを表す式となる。

α＝（α^＋＋α^－）／２，γ＝（α^＋－α^－）／２→α^±＝α±γなる書き換えを用いると共に、諸パラメタの物理的な意味合いを踏まえ、Δを２個の格子間のオーバレイ、ｆ_０を２個のセル間の意図的なオフセット、αを上格子及び下格子によって同じ回折次数に散乱された次数間の位相（ＯＰＤを含む）、γを主としてセル間のＯＰＤ差（付加的な仮定によるもの）とした場合、更に等式２４に示す如く信号を導出して次の簡略式を得ることができる。

格子間で光学厚が違うという仮定が組み込まれているためｔａｎγ≠０となるのであり、そうでなければ先の等式２２の通りとなる。｜ｔａｎα｜≫｜ｔａｎγ｜である場合も同様の近似が成り立つが（例．α→±π／２であるためｔａｎα→±∞である場合）、そうした近似をすると、γ≠±π／２であるほぼ全てのγで、明らかに、誤った項が標準モデルから排除されることになる。更に、ｔａｎα→０であるなら（後述の共鳴条件）、ｔａｎγ≠０であるどのγについて計測される信号も、期待される信号Ｓに対しまさにＳ^－１の如く挙動する。

結局、光学厚（パッド対パッド）感度及び格子非対称性増幅効果の低減（等式２０に関する先の議論を参照）を、α≒±π／２となる条件を見いだすことで達成することができる。だが、この好適条件α＝±π／２では瞳像にも差分信号にもさしたる特徴が現れない；これは不適条件α＝±ｎπ、即ち上格子及び下格子からの次数間に強め合う干渉又は弱め合う干渉が生じそれが往々にして瞳像の鮮明なフリンジ（明るいことも暗いこともある）及び対オーバレイ感度の劇的な低下（差分信号中の暗いフリンジ）として現れる条件とは対照的である。

図９は、本発明の各種実施形態に係り計量ツール８５によって計測される補助セル１８５付ＳＣＯＬターゲット１８０の上位模式図である。計量ツール８５は、光学システム１１０を備えるほか、１個又は複数個のプロセッサ８８と連携する計量モジュール（群）８７を備えており、本願記載のどの実施形態でもこうした構成、場合によっては本願記載の構成を有する光学システム（群）１１０及び計量モジュール（群）８７を伴うそれを採ることができる。計量ターゲット９０は少なくとも２個のセルを備えるものとすることができ、そのセルは、それぞれピッチｐの周期的構造を伴うターゲット層を少なくとも２個有し、その周期的構造が互いにずれていて、そのオフセットがそれら少なくとも２個のセルにて逆方向なものとすることができる。ＳＣＯＬターゲットセル９０に加え、特別に構成された少なくとも２個の補助計量セル１８５がターゲット１８０に導入されているので、トポグラフィック位相を画素単位で判別することができる。例えば、導入する２個の補助セル１８５Ａ，１８５Ｂの意図的なオフセットをそれぞれピッチの１／４に当たる±Ｐ／４にすることで、ターゲット９０の周期的構造を各補助セルにて互いに±ｐ／４ずらしたものを補助セルに持たせることができる。補助セル１８５の瞳像を用い、等式２５に示すＷの算出を実行することができる；式中、αはトポグラフィック位相、Ｉ_＋１ ^１／４及びＩ_－１ ^１／４は正オーバレイ方向オフセットＰ／４を有する補助セル１８５Ａの１次及び－１次（その別を下付文字列で示す）について計測した瞳像強度を表している。Ｉ_＋１ ^－１／４及びＩ_－１ ^－１／４は負オーバレイ方向オフセットＰ／４を有する補助セル１８５Ｂについての同様の強度を表しており、Ｉ_＋１ ^０及びＩ_－１ ^０は取り立てて変位していない（即ち標準±ｆ_０の標準設定オフセットを有する）標準的なＳＣＯＬセル（群）９０についての同様の強度を表している。

なお、α＝±π／２となるのはＷ＝０となる画素である。従って、検出器８０の画素又は領域（ひいては照明角θ）及び／又は波長λを小さな値のＷ（例．Ｗ≒０）に対応するよう選択することで、隣接セル間層厚ばらつきに対するターゲットの感度と併せ格子非対称性の影響を抑え、それにより正確性を顕著に向上させることができる。

図１０は、本発明の各種実施形態に係る方法２００を示す上位フローチャートである。本方法の諸段階は前述のシステム及びツールとの関係で実行することができ、またそれらシステム及びツールは方法２００を実行しうるよう随意に構成することができる。方法２００又はその一部を少なくとも１個のコンピュータプロセッサ、例えば計量モジュール内のそれにより実行してもよい。ある種の実施形態では、方法２００の関連諸段階を実行するようコンピュータ可読プログラムが構成され、それを体現するコンピュータ可読格納媒体によってコンピュータプログラム製品が構成される。ある種の実施形態では各ターゲットのターゲットデザインファイルが方法２００の諸実施形態によって構成される。

本方法の諸段階について、方法２００を実行すべく随意に構成された前述のシステム及びツールを基に詳述する。本発明の他の諸態様に係る方法の諸段階を、指定される条件に従い組み合わせてもよい。

方法２００は、イメージング計量ツールの光学システムにて、焦点ずれの度合に対するオーバレイ誤差拡大の依存性を導出する段階２１０と、その光学システムを、Δλ≦１０ｎｍなる狭いスペクトル域にて、ＮＡ≦０．１なる低い照明数値開口にて、且つ導出した依存性によればオーバレイ誤差拡大無しに相当する焦点位置にて、動作させる段階２２０とを、有するものとすることができる。

方法２００は、対応する複数個の焦点位置にて複数個の計量ターゲット像を捕捉する段階２３０と、捕捉した像の不正確性拡大因子を推定する段階２５０と、それら焦点位置に関し不正確性拡大因子の符号変化を識別することによって最良コントラスト位置を判別する段階２６０と、判明した最良コントラスト位置にて計量ツールを動作させる段階２７０と、を有するものとすることができる。捕捉２３０は同時実行することができ（段階２４０）、同時捕捉２４０は、少なくとも２個のビーム分岐素子をその計量ツールの集光路沿いに配置して（段階２４２）別々の集光路長を有する複数個の焦点位置をもたらすこと（段階２４４）で実行することができる。ある種の実施形態では、方法２００が更に、それら焦点位置でのターゲット像向けの基準として構成されたレティクルをその計量ツールの被写界平面にて使用する段階２４６を有する。

方法２００は、計測波長に対するイメージング計量ターゲットのトポグラフィック位相の依存性を導出する段階２８０と、そのトポグラフィック位相がπの整数倍になるようその計測波長を調整する段階２９０、例えば±１０ｎｍの範囲内で調整する段階と、調整した計測波長にてそのイメージング計量ターゲットのイメージング計量計測を実行する段階３００と、を有するものとすることができる。

方法２００は、参照信号を伴う可調参照路をイメージング計量光学システムの集光路内に統合する段階３２０と、イメージング計量ターゲットのトポグラフィック位相がπの整数倍へと修正されるようその参照信号の位相を調整する段階３３０と、を有するものとすることができる。その可調参照路は、イメージング計量光学システムの対物系とそっくりな参照対物系と、可調ミラーと、を備えるリニック干渉計として、その光学システム内に構成することができる（段階３２２）。方法２００は、少なくとも２個のターゲット層からの０次回折信号・１次回折信号間トポグラフィック位相差を縮小する段階３３２、例えば等式１２に従い縮小する段階を有するものとすることができる。

方法２００は、そのスキャタロメトリターゲットにおける周期的構造と同じピッチｐを有する周期的構造を有しその周期的構造が互いに±ｐ／４だけずれている少なくとも２個の補助セルを、スキャタロメトリターゲットに付加する段階３４０と、等式２５に従い当該少なくとも２個の補助セルからの回折信号を計測することによってそのスキャタロメトリターゲットのトポグラフィック位相を計測する段階３５０と、を有するものとすることができる。

方法２００は、イメージングターゲットのコントラスト関数を導出する段階３６０と、導出したコントラスト関数が修正され単一のピークを有するものになるよう計測条件を調整する段階３７０と、調整した計測条件にてイメージング計量計測を実行する段階３７５と、を有するものとすることができる。

方法２００は、ハイトポグラフィスタック計測を実行する段階３８０を有するものにすることができ、その段階３８０を、２λ／Ｐ未満の総和を呈するよう集光数値開口（ＮＡ）及び照明ＮＡを選定する段階３８２、被写界深度（ＤＯＦ）が増すよう照明ＮＡを随意に低減する段階３８４、及び／又は、複数個の焦点位置上で複数個の像を積分することで非対称寄与分を平滑する段階３８６により実行するものとすることができる。

方法２００のどのデータ処理段階も、少なくとも１個のコンピュータプロセッサ例えばプロセッサ（群）８８によって実行することができる（段階３９０）。

本発明の諸態様について、本発明の諸実施形態に係る方法、装置（システム）及びコンピュータプログラム製品のフローチャート描写及び／又は部分図を参照し記述してきた。ご理解頂けるように、そのフローチャート描写及び／又は部分図の各部分や、同フローチャート描写及び／又は部分図の諸部分の組合せを、コンピュータプログラム命令により実現することができる。それらコンピュータプログラム命令を汎用コンピュータ、専用コンピュータその他のプログラマブルなデータ処理装置に備わるプロセッサに供給することによってマシンを構成すること、特にそれら命令がそのコンピュータその他のプログラマブルなデータ処理装置に備わるプロセッサにより実行されることを通じフローチャート及び／又は部分図若しくはその諸部分にて特定した機能／動作の実現手段が生成されるようにすることができる。

また、コンピュータその他のプログラマブルデータ処理装置を初めとする諸装置に対し特定形態で機能せよと指令可能なコンピュータ可読媒体内にそれらコンピュータプログラム命令を格納すること、特に、フローチャート及び／又は部分図若しくはその諸部分にて特定した機能／動作を実現する命令を含む産品がそのコンピュータ可読媒体内に格納された命令によってもたらされるようにすることができる。

また、それらコンピュータプログラム命令をコンピュータその他のプログラマブルデータ処理装置を初めとする諸装置上にロードし、そのコンピュータその他のプログラマブル装置を初めとする諸装置上で一連の動作ステップを実行させることで、コンピュータ実行プロセスを提供すること、特に、コンピュータその他のプログラマブル装置上で実行される命令により、フローチャート及び／又は部分図若しくはその諸部分にて特定した機能／動作を実現するプロセスを提供することができる。

前掲のフローチャート及び図面は本発明の諸実施形態に係るシステム、方法及びコンピュータプログラム製品の潜在的諸実現形態のアーキテクチャ、機能及び動作を示すものである。この点に関して言えば、そのフローチャート又は部分図の各部分により表されるモジュール、セグメント又は一部のコードを、記述されている論理機能（群）を実現するための可実行命令を１個又は複数個を含むものとすることができる。これもまた注記すべきことに、ある種の代替的実現形態では、その部分に記されている諸機能を図示のそれとは別の順序で実行されることもあろう。例えば、相次ぐかたちで示されている２個の部分を実際には実質同時に実行するようにしてもよいし、場合によってはそれらの部分を逆の順序で実行してもよいのであり、どのようにするかは関連する機能によって左右される。これもまた注記すべきことに、その部分図及び／又はフローチャート描写の各部分や部分図及び／又はフローチャート描写の諸部分の組合せを、記述されている機能又は動作を実行する専用ハードウェアベースシステムによって実現することが可能であるほか、コンピュータ命令や専用ハードウェアの組合せによって実現することが可能である。

前掲の記述における実施形態とは本発明の一例又は一実現形態のことである。「一実施形態」、「ある実施形態」、「ある種の実施形態」又は「各種実施形態」なる様々な表記が全て同じ実施形態群を指すとは限らない。本発明の諸特徴は単一実施形態の文脈で記述可能だが、それら特徴を別々に又は任意の好適組合せで提供することもできる。逆に、本願では本発明が明瞭化のため幾つかの実施形態の文脈で記述されているが、単一実施形態の態で本発明を実施することもできる。本発明のある種の実施形態では前述した様々な実施形態から特徴が取り込まれるであろうし、ある種の実施形態には前述した他の諸実施形態から構成要素が持ち込まれるであろう。本発明の構成要素がある特定の実施形態の文脈で開示されていることを以て、その特定の実施形態だけにそれらの用途が限定されるものと解すべきではない。更に、ご理解頂けるように、本発明は様々な要領で実行又は実現することが可能であるし、前掲の記述で概要を示したそれとは異なるある種の諸実施形態にて本発明を実施することが可能である。

本発明はそれらの図面やそれに対応する記述に限定されるものではない。例えば、フローが、図示されているボックス又は状態それぞれを通ることや、図示及び記述されているそれと厳密に同じ順序で通ることは必要でない。本願で用いられている技術用語及び科学用語の意味合いは、別途定めてある場合を除き、本発明が属する分野におけるいわゆる当業者による理解通り常識的に理解されるべきである。本発明を有限個数の実施形態との絡みで記述してきたが、それらを以て本発明の技術的範囲についての限定事項と解すべきではなく、寧ろその好適な諸実施形態のうち幾つかの例示として解すべきである。他の潜在的な変形、修正及び応用もまた本発明の技術的範囲に入るものとする。このように、本発明の技術的範囲は、ここまで記述してきた事項によってではなく、別項の特許請求の範囲及びそれらの法的均等物によって限定されるべきものである。

Claims (7)

1. 集光路の第１検出焦点位置を有する、計量ツール内の光学システムであって、
   前記集光路に沿って配置され、前記第１検出焦点位置とは異なる集光路長を有する少なくとも２個の対応する追加的焦点位置を提供するように位置決めされた、少なくとも２個のビーム分岐素子であって、前記第１検出焦点位置および前記少なくとも２個の対応する追加的焦点位置は、検出平面に関して異なる位置にあり、前記少なくとも２個の対応する追加的焦点位置はウェハの異なる層の最良コントラスト焦点位置に対応する少なくとも２個のビーム分岐素子と、
   対物レンズと、
   被写界平面に、前記第１検出焦点位置におけるターゲット像の基準として構成され、前記対物レンズと前記ビーム分岐素子との間の前記集光路に配置されたレチクルと、
   異なる軸方向変位において画像を捕捉する３つの検出器であって、該検出器は同時に画像を捕捉する、検出器と、
   前記光学システムを使用するウェハの各層における複数の格子の領域からの散乱の合計で画像を捕捉する間に、層毎の捕捉センタリングを提供するように構成されたプロセッサと、
   を含む、光学システム。
2. 請求項１に記載の光学システムであって、更にミラーを備え、前記２個のビーム分岐素子と前記ミラーとが前記第１検出焦点位置および前記２個の対応する追加的焦点位置を提供するように構成された光学システム。
3. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第１検出焦点位置と前記２個の対応する追加的焦点位置とに対応する、パワーの等しい３つの画像を提供する光学システム。
4. 請求項１に記載の光学システムであって、前記第１検出焦点位置または前記２個の対応する追加の焦点位置の別個の画像が生成され、前記別個の画像は、前記光学システムを使用して撮像されたターゲット層の変位を決定するように構成される、光学システム。
5. 請求項１に記載の光学システムであって、
   前記レチクルは、前記光学システムを使用して撮像されたターゲット層の変位の決定についての参照中心である、光学システム。
6. 請求項１に記載の光学システムであって、
   前記光学システムは、
   スペクトル範囲Δλ≦１０ｎｍ、照明数値開口ＮＡ≦０．１、およびオーバーレイ拡大誤差と焦点ずれの度合いとの間の依存性に従って、オーバーレイ拡大誤差なしに相当する焦点位置で、動作するように構成されている、光学システム。
7. 請求項１に記載の光学システムであって、
   前記プロセッサはさらに、画像の不正確性拡大因子を推定し、焦点位置に関し前記不正確性拡大因子の符号変化を識別することによって最良のコントラスト位置を決定するように構成される、光学システム。

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