JPWO2020121565A1 - 三次元形状検出装置、方法、及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

分光Scatterometryにおいて散乱光測定時の視野に複数パターンが含まれる場合に、当該視野における分光反射強度から寸法（三次元形状）管理の対象外であるパターンの影響の除去を、該寸法管理対象外のパターンをモデル化することなく実現する。対象であるサンプル１０３に光スポットを照射することで光スポットの視野における分光反射強度を測定する分光反射強度測定部を有し、測定した分光反射強度に基づき光スポットの視野内の三次元形状を検出する三次元形状検出装置１００であって、その外部制御装置１０２に、光スポットの視野内の第一の領域における分光特徴値を事前に計算可能な分光特徴値計算部と、光スポットの視野内の第一の領域と、光スポットの視野内における第一の領域以外の第二の領域との面積率を推定可能な面積率推定部とを有する。

Description

本発明は、半導体製造プロセスやプロセス後のウェハ等のパターン化された表面形状の測定技術に関する。

半導体デバイスの微細化が進むにつれて半導体ウェハ表面のプロセス状況を調べる重要性が高まっている。特に、半導体製造の工程ではナノスケールに加工された回路パターンの限界寸法ＣＤ（Critical Dimension）の計測が求められており、測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）等を用いて測定される。特にin-situ（原位置での）計測を前提とする場合、非接触，非破壊，リアルタイム性を重要視して光学的限界寸法ＯＣＤ（Optical Critical Dimension）測定法（光波散乱測定法Scatterometryとも呼ぶ）による三次元形状測定が用いられる。周期構造をもった表面構造パターンの測定の反射測定を広帯域で行うとき、分光を前に付けて、分光Scatterometryと呼ばれる。

一般的に分光Scatterometryによる測定は半導体ウェハのスクライブ領域などにＴＥＧ（Test Element Group）と呼ばれるテスト用のパターンを形成し、当該ＴＥＧに対して測定を実施することでプロセスの寸法管理を行う。一方で、ＴＥＧでの測定による実際のレイアウトパターンの寸法（三次元形状）管理について、例えば特許文献１によれば以下のような問題があることが記載されている。

（１）スクライブ領域では、多様なレイアウトパターンを反映した多様なマークを配置するのに必要な面積を確保することができない。
（２）スクライブ領域のマークと実際のレイアウトパターンとでは半導体ウェハ内の位置が異なるため、プロセスに伴う半導体ウェハ内の寸法ばらつき量がそれぞれ異なり、高精度に寸法管理を行うことが困難となる。
（３）スクライブ領域のマークと実際のレイアウトパターンとでは、それぞれにおける周辺のレイアウトパターンを含めたパターン密度が異なる。すなわち、いわゆる近接効果（パターン密度に依存して露光／現像後のパターン寸法が変化する現象）による影響度がそれぞれ異なる。

特開２００６−１００６１９号公報 特開２０１９−５７５４７号公報

上記（１）〜（３）の問題に対して特許文献１では、半導体装置の製造方法および半導体製造装置でのレイアウトパターンに関する解決手段を記載している。しかし、レイアウト設計段階ではなく、より後段の半導体製造プロセス中やプロセス後におけるin-situでのウェハ表面の検査過程において、特許文献１のような手段を適用することは困難である。

そこで、プロセスやプロセス後の三次元形状検査過程における上記問題の解決手段として、分光Scatterometryの測定をＴＥＧではなく、実際のレイアウトパターンで実施することを考える。これにより、上記（１）の問題に関して、そもそも検査用の多様なレイアウトパターンを配置する必要がなくなる。上記（２）の問題に関して、実際のレイアウトパターンが検査位置となるので、ばらつき量の変動を考慮する必要がなくなる。上記（３）の問題に関して、実際のレイアウトパターンが検査位置となるので、近接効果による影響を考慮する必要がなくなる。すなわち、実際のレイアウトパターンで分光Scatterometryの測定をすることで上記（１）〜（３）の問題を解決できる。

分光Scatterometryでは、厳密結合波解析ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）を用いた周期溝に対するベクトル回折理論に基づく解析が適用されることが一般的である。このときＲＣＷＡで必要となる構造のモデル化（構造だけでなく屈折率や消衰係数といった光学定数の決定を含む）が必要な領域は、視野が単一パターンならば、その単一パターンを形成する最小の周期構造のみでよい。

しかし、散乱光測定時の視野に複数のパターンが含まれる場合は、当該複数パターンにおける最小の周期構造を全てモデル化する必要がある。モデル化が必要な領域は単一パターンと比較して非常に広大である為、視野に含まれる、複雑で広大な複数のパターンのモデル化は現実的に困難である。そこで、実際のレイアウトパターンでの分光Scatterometryを可能とする為に、散乱光測定時の視野に含まれる複数パターンの分光反射から寸法管理の対象外のパターンの影響を、モデル化をすることなく取り除くことが出来る手段が必須となる。

本発明の目的は、分光Scatterometryにおいて散乱光測定時の視野に複数パターンが含まれる場合に、当該視野における分光反射強度から三次元形状の寸法管理の対象外であるパターンの影響を取り除き、任意の視野における寸法管理を可能とする三次元形状検出装置、方法、及びプラズマ処理装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においは、対象に光スポットを照射し、照射された光スポットの視野内の三次元形状を検出する三次元形状検出装置であって、分光反射強度を測定する分光反射強度測定部と、分光反射強度測定部により測定された分光反射強度に基づいて光スポットの視野内の領域である第一の領域の分光特徴値を求める分光特徴値算出部と、射出された光により照明された対象の画像を撮像し、撮像された画像を基に第一の領域の面積と第二の領域の面積との面積率を推定する面積率推定部と、推定された面積率を基に三次元形状を求める制御装置と、を備え、第二の領域は、光スポットの視野内における第一の領域以外の領域である三次元形状検出装置を提供する。

また、上記の目的を達成するため、本発明においては、対象に光スポットを照射し、照射された光スポットの視野内の三次元形状を検出する場合に用いられる面積率を推定する面積率推定方法であって、射出された光により照明された対象の画像を撮像し、撮像された画像を基に面積率を推定し、面積率は、第一の領域の面積と第二の領域の面積との面積率であり、第一の領域は、光スポットの視野内の領域であり、第二の領域は、光スポットの視野内における第一の領域以外の領域である面積率推定方法を提供する。

更に、上記の目的を達成するため、本発明においては、対象に光スポットを照射し、照射された光スポットの視野内の三次元形状を検出する三次元形状検出方法であって、分光反射強度を測定する工程と、測定された分光反射強度に基づいて光スポットの視野内の第一の領域における分光特徴値を求める工程と、射出された光により照明された対象の画像を撮像し、撮像された画像を基に第一の領域の面積と第二の領域の面積との面積率を推定する工程と、推定された面積率を基に三次元形状を求める工程とを有し、第二の領域は、光スポットの視野内における第一の領域以外の領域である三次元形状検出方法を提供する。

また更に、上記の目的を達成するため、本発明においては、試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、試料が載置される試料台と、試料の対象に光スポットを照射し、照射された光スポットの視野内の三次元形状を検出する三次元形状検出装置とを備えるプラズマ処理装置であって、三次元形状検出装置は、分光反射強度を測定する分光反射強度測定部と、分光反射強度測定部により測定された分光反射強度に基づいて光スポットの視野内の領域である第一の領域の分光特徴値を求める分光特徴値算出部と、射出された光により照明された対象の画像を撮像し、撮像された画像を基に第一の領域の面積と第二の領域の面積との面積率を推定する面積率推定部と、推定された面積率を基に三次元形状を求める制御装置とを具備し、第二の領域は、光スポットの視野内における第一の領域以外の領域であるプラズマ処理装置を提供する。

本発明によれば、分光Scatterometryにおいて、散乱光測定時の視野に含まれる複数パターンの分光反射から三次元形状の寸法管理の対象外のパターンの影響を取り除き、実際のレイアウトパターンでの寸法管理を実現することができる。

実施例１における実際のレイアウトパターンでの寸法管理を実施する三次元形状検出装置の一構成例を示す図。 実施例１におけるサンプル分光反射強度測定処理のフローチャートを示す図。 実施例１におけるＴＥＧおよび混合パターンにおける散乱光測定時の視野の模式図。 実施例１における測定視野変更および測定視野推定処理のフローチャートを示す図。 視野推定処理における各画像処理を示す模式図。 実施例１における寸法管理対象外のパターン影響除去処理のフローチャートを示す図。 断面方向から見たサンプル１０３のプラズマエッチング前後の模式図。 実施例２における寸法管理対象外のパターン影響除去処理のフローチャートを示す図。 実施例３における寸法管理対象外のパターン影響除去処理のフローチャートを示す図。

以下、本発明の実施するための形態について図面を用いて説明する。それに先立ち、図３を使って、分光Scatterometryでの測定が想定されているＴＥＧにおける、測定時の課題を説明する。

図３の（ａ）で示されるように、テストパターンとして散乱光測定時の視野（光スポット：View of Scatterometry）が十分に収まる広さが確保されている。ここで、（ａ）においてパターン（１）は三次元形状検査による寸法管理の対象となるパターンを示している。（ａ）において、測定視野内はパターン（１）で占められているので、散乱光の測定結果として得られる分光反射強度や分光反射率(Reflectance)はパターン（１）の寄与のみである。

一方で、実際のレイアウトパターンでは、光散乱光測定を前提としたレイアウトになっていない為、寸法管理の対象とするパターン以外の別パターンや配線領域等が密に混在する。加えて分光Scatterometryでは、一般的に可視光（約４００ｎｍから約８００ｎｍ）の帯域の光を使用する為、結像光学系を使用して光スポットの大きさを絞ろうとしても限界があり、寸法管理の対象とするパターン領域内に散乱光測定時の視野（光スポット）を収めることが難しい。すなわち、散乱光の測定結果は、図３の（ｂ）で示されるように、三次元形状検査による寸法管理の対象となるパターン（１）だけでなく、寸法管理の対象外のパターン（２）との混合パターンの反射率として観測される。本明細書において、パターン（１）を、事前計算可能な光スポットの視野内の領域である第一の領域と呼び、パターン（２）を、光スポットの視野内における第一の領域以外の領域である第二の領域と呼ぶこととする。

上記のように、実際のレイアウトパターンで分光Scatterometryを実施しようとすると、散乱光測定時の視野に寸法管理の対象とするパターン、すなわち、図３の（ｂ）におけるパターン（１）以外のパターンや配線領域等、すなわち図３の（ｂ）におけるパターン（２）が混在することが避けられない。

図３の（ｂ）に示すようなパターン（１）、パターン（２）からなる混合パターンの分光測定を実施する場合において、本実施例では散乱光測定時の視野（光スポット：View of Scatterometry）における混合パターンの互いの可干渉性によって、複数の形態に分類する。（ｉ）混合パターンの可干渉性が高い場合（Coherent）、（ｉｉ）混合パターンの可干渉性が低い場合（Incoherent）、（ｉｉｉ）（ｉ）と（ｉｉ）の中間の場合（Between (i) and (ii)）の３つの実施形態に分類する。本実施例では混合パターンの可干渉性を規定する因子としてコヒーレンス因子ｆｃを式１のように設定する。

ここで、コヒーレンス因子ｆｃは分光測定を実施する光学系の仕様および散乱光測定時の視野における混合パターンの最小周期のピッチ等で規定される変数である。

本実施例では、コヒーレンス因子ｆｃが略１に等しい場合を（ｉ）混合パターンの可干渉性が高い場合（Coherent）とし、コヒーレンス因子ｆｃが略０に等しい場合を（ｉｉ）混合パターンの可干渉性が低い場合（Incoherent）とし、コヒーレンス因子ｆｃが０から１の間である場合を（ｉｉｉ）（ｉ）と（ｉｉ）の中間の場合（Between (i) and (ii)）と分類する。なお、可干渉性の分類は上式に示す規則に一致している必要はなく、コヒーレンス因子ｆｃは必ずしも設定されなくてはいけない訳ではない。以下の実施例の説明において、まず（ｉ）混合パターンの可干渉性が高い場合（Coherent）における、寸法管理の対象外であるパターンの影響をモデル化することなく取り除く方法について、以下、説明する。

実施例１は、（ｉ）混合パターンの可干渉性が高い場合（Coherent）における、寸法管理の対象外であるパターンの影響をモデル化することなく取り除く三次元形状検出装置および検出方法の実施例である。すなわち、対象に光スポットを照射し、照射された光スポットの視野内の三次元形状を検出する三次元形状検出装置であって、分光反射強度を測定する分光反射強度測定部と、分光反射強度測定部により測定された分光反射強度に基づいて光スポットの視野内の領域である第一の領域の分光特徴値を求める分光特徴値算出部と、射出された光により照明された対象の画像を撮像し、撮像された画像を基に第一の領域の面積と第二の領域の面積との面積率を推定する面積率推定部と、推定された面積率を基に三次元形状を求める制御装置と、を備え、第二の領域は、光スポットの視野内における第一の領域以外の領域である三次元形状検出装置および検出方法の実施例である。

図１は分光Scatterometryを利用し、混合パターンの分光反射から寸法管理の対象外のパターンの影響を取り除いて実際のレイアウトパターンでの寸法管理を実施する、言い換えるとサンプルの測定視野における三次元形状を検出する三次元形状検出装置の模式図および機能ブロック図である。

図１に示すように、三次元形状検出装置１００はコントローラ群１０１を介して外部制御装置１０２と接続されている。外部制御装置１０２は事前分光特徴値計算機能として、図示を省略したＲＣＷＡ等のモデル計算により分光特徴値を計算するプログラムなどを実行する中央処理部（ＣＰＵ）などの内部機能を有する。サンプル１０３の測定視野における三次元形状を検出する場合には、三次元形状検出装置１００は外部制御装置１０２から受信する信号をもとに検出を開始する。そのため、本明細書における三次元形状検出装置は、上記の三次元形状検出装置１００に外部制御装置１０２を含めた構成と考えることも可能である。

三次元形状検出装置１００はコントローラ群１０１以外に、照明光源１０４、光学系１０５、分光器群１０６、光学系移動機構１０７、サンプル搬送機構１０８を備えている。

照明光源１０４は分光Scatterometryによりサンプル１０３の特性を測定可能な広帯域な光源であり、例えば中心波長の異なる複数の発光ダイオードＬＥＤ（Light Emitting Diode）を組み合わせた光源により実現される。なお、照明光源１０４は必ずしもＬＥＤ光源に限定されるわけでなく、ハロゲンランプや重水素ランプ等の他の光源であっても構わない。照明光源１０４を点灯させる場合には、照明光源駆動回路１０１−１から所望の強度にて照明光源を点灯させる照明光源駆動信号が照明光源１０４へと入力される。

分光器群１０６はサンプル１０３により三次元形状検出装置１００の測定視野における反射散乱光を検出する。本実施例における分光器群１０６は、セレクタ１０６−１、分光器１０６−２、視野推定光源１０６−３により構成される。分光器１０６−２は照明光源１０４をサンプル１０３に照射した際の反射散乱光を広帯域で測定する。この視野推定光源１０６−３は、外部制御装置１０２や、後で説明する撮像素子１０５−９と共に、本実施例の三次元形状検出装置の面積率推定部を構成し、本明細書において視野検出用光源と呼ばれる場合がある。

サンプル搬送機構１０８は検出対象となるサンプル１０３を図示が省略されたサンプル格納部から光学系１０５の検出視野がサンプル１０３に照射可能な位置へと搬送する。またサンプル搬送機構１０８はサンプル１０３を固定可能な図示を省略したサンプル固定機構を有している。

なお、三次元形状検出装置１００は単体でなくてもよく、その他の機能をもつ装置と組み合わせた形態であってもよい。例えば、対象の構造を変更する構造変更部であり、プラズマにより表面処理を行うプラズマ処理装置や、走査電子顕微鏡ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）と組み合わせることでサンプル１０３の測定視野における三次元形状を検出する装置構成であってもよい。なお、プラズマ処理装置の基本構成は、例えば本出願人が先に出願した特許文献２などに開示されているように、対象がプラズマ処理される処理室と、マイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、マイクロ波との相互作用によりプラズマを生成するための磁場を形成する磁場形成部と、高周波電源と磁場形成部を制御する制御部などを備えており、本実施例の三次元形状検出装置１００の要部は処理室内に設置される。

三次元形状検出装置１００の測定視野は光学系１０５とサンプル１０３の相対的な位置関係により決定される。光学系移動機構１０７はその筐体の上に光学系１０５が設置されており、光学系移動機構１０７を移動させることで、サンプル１０３における三次元形状検出装置１００の測定視野を変更可能な構成となっている。光学系移動機構１０７は、例えば直交する２軸の移動機構を組み合わせ、サンプル１０３に平行な２軸内で任意の距離を移動可能な構成で実現される。ただし、必ずしも移動可能軸は二次元である必要はなく、三次元形状検出装置１００の測定視野を所望の位置へ移動可能であれば、一次元であってもかまわない。

光学系移動機構１０７を移動させる場合には、コントローラ群１０１を構成する移動ステージ駆動回路１０１−６から所望の移動距離の駆動に必要な駆動信号が光学系移動機構１０７へ入力される。光学系移動機構１０７は例えばステッピングモータステージにより実現され、所望の移動距離の駆動において移動距離に相当する数のパルス信号が移動ステージ駆動回路１０１−６よりから光学系移動機構１０７へ入力される。光学系移動機構１０７は必ずしもステッピングモータステージなくてもよく、例えばＤＣモータステージであり、図示を省略した現在位置検出系の信号を基にして移動ステージ駆動回路１０１−６と組み合わせたクローズドループ制御系のような、その他の実現手段であっても構わない。なお、図１では光学系移動機構１０７により光学系１０５を移動させることで光学系１０５とサンプル１０３の相対的な位置を変更したが、相対的な位置の変更手段としてはサンプル１０３をサンプル搬送機構１０８により移動することで実現してもよい。

図２を用いて、本実施例におけるサンプル１０３の測定視野における分光反射測定の処理について説明する。図２はサンプル１０３の測定視野における分光反射測定処理のフローチャートを示したものである。このフローチャートの動作主体は、主に外部制御装置１０２である。サンプル１０３の分光反射測定の処理が開始されると（ステップ２０１、以下Ｓ２０１）、外部制御装置１０２から照明光源駆動回路１０１−１を介して照明光源１０４の強度等の発光条件が設定される（Ｓ２０２）。照明光源１０４の発光条件が設定された後、Ｓ２０３に移行する。

Ｓ２０３では外部制御装置１０２から照明光源駆動回路１０１−１に対して照明光源１０４の発光をＯＮとする為の信号が入力される。その結果、照明光源駆動回路１０１−１は照明光源１０４をＳ２０２で設定した条件で点灯する駆動信号を送信する。照明光源駆動回路１０１−１からの駆動信号入力により照明光源１０４は発光を開始する。照明光源１０４の光はファイバを介して光学系１０５を構成するコネクタＡ１０５−１に入力される。コネクタＡ１０５−１より入力された光はレンズ群Ａ１０５−２を通過することで、光学的にコリメートな光となる。レンズ群Ａ１０５−２を通過したコリメート光はミラー１０５−３に反射された光線は、所定の分割比で反射／透過されるように光学設計された無偏光ビームスプリッタＡ１０５−４を透過する。無偏光ビームスプリッタＡ１０５−４を反射／透過した光のＰ偏光とＳ偏光の成分比率は等しくなる。無偏光ビームスプリッタＡ１０５−４を透過した光はレンズ群Ｂ１０５−５を通過する。レンズ群Ｂ１０５−５を通過した光はサンプル１０３上でスポット径が所定のスポットサイズとなるような収束光となり、その後、所定の分割比で反射／透過されるように光学設計された無偏光ビームスプリッタＢ１０５−６にて反射される。無偏光ビームスプリッタＢ１０５−６を反射／透過した光のＰ偏光とＳ偏光の成分比率は等しくなる。無偏光ビームスプリッタＢ１０５−６にて反射された光は偏光子１０５−７を透過する。偏光子１０５−７を透過した光は特定の直線偏光へと偏光状態を変えてサンプル１０３上へと入射され、サンプル１０３表面上で反射される。サンプル１０３の表面において反射された光は入射時と略同一のパスを逆方向に通る。サンプル１０３において反射された光のうち、無偏光ビームスプリッタＢ１０５−６において透過された光はレンズ群Ｃ１０５−８を透過して撮像素子１０５−９へと結像される。一方で、無偏光ビームスプリッタＢ１０５−６および無偏光ビームスプリッタＡ１０５−４において、ともに反射された光はレンズ群Ｄ１０５−１０によりコネクタＢ１０５−１１へと集光される。すなわち、Ｓ２０３によって光源ＯＮとすることで、サンプル１０３の測定視野における表面反射光がコネクタＢ１０５−１１を経由してセレクタ１０６−１まで到達する。なお、本実施例における光学系１０５において１０５−４および１０５−６の両ビームスプリッタは必ずしも無偏光ビームスプリッタである必要はなく、入射光線の分離の観点で同様な効果が実現可能な光学部品であれば、他の光学部品であっても構わない。

Ｓ２０３によって照明光源１０４の発光がＯＮとなった後、Ｓ２０４に移行する。Ｓ２０４では後述する所定の視野への測定視野変更および測定視野推定処理が実施され、その後、Ｓ２０５の偏光条件変更に移行する。なお、Ｓ２０４で推定される測定視野の大きさはＳ２０３にて照明される領域よりも小さい。Ｓ２０５では外部制御装置１０２から偏光子駆動回路１０１−５を介して偏光子１０５−７を駆動させることで特定の直線偏光となるように偏光条件が設定変更され、次のＳ２０６に移行する。

Ｓ２０６では外部制御装置１０２からセレクタ制御回路１０１−０を介してセレクタ１０６−１において光ファイバの光路切替が実行される。Ｓ２０６の切替では光路は分光器側に設定される。すなわち、Ｓ２０６によりサンプル１０３の測定視野における表面反射光が分光器１０６−２まで到達する。Ｓ２０６のセレクタ切替後、Ｓ２０７の分光器測定条件設定に移行する。Ｓ２０７では外部制御装置１０２から分光器制御回路１０１−２を介して、露光時間や平均化回数等の分光反射測定時の測定条件が分光器１０６−２に対して設定される。測定条件が設定された後、Ｓ２０８の分光測定実施に移行する。

Ｓ２０８では、外部制御装置１０２から分光器制御回路１０１−２を介してＳ２０７で設定された露光時間に基づいて分光器制御回路１０１−２分光反射測定が実施され、Ｓ２０９に移行する。Ｓ２０９では現在の分光反射測定回数Ｎｎｏｗが、Ｓ２０７で設定された平均化回数Ｎａｖｅに達したか否かを判定する。現在の分光反射測定回数ＮｎｏｗがＳ２０７で設定された平均化回数Ｎａｖｅ以下のとき（Ｓ２０９におけるＮｏ）、再びＳ２０８に移行する。一方、分光反射測定回数ＮｎｏｗがＳ２０７で設定された平均化回数Ｎａｖｅ以上になったとき（Ｓ２０９におけるＹｅｓ）、Ｓ２１０に移行する。

Ｓ２１０では分光器１０６−２で測定した分光反射の測定結果を、分光器制御回路１０１−２を介して外部制御装置１０２へと送信する。分光反射測定結果の送信が終了すると、Ｓ２１１に移行する。Ｓ２１１では外部制御装置１０２から照明光源駆動回路１０１−１に対して照明光源１０４をＯＦＦとする為の信号が入力される。その結果、照明光源駆動回路１０１−１は照明光源１０４を消灯する駆動信号を送信する。Ｓ２１１によって照明光源１０４をＯＦＦとすることで、サンプル１０３の測定視野における分光反射測定の処理が終了する（Ｓ２１２）。

次に、図４を用いて、本実施例における測定視野変更および測定視野推定処理（Ｓ２０４）について説明する。図４はサンプル１０３における測定視野変更および測定視野推定処理のフローチャートを示したものである。このフローチャートの動作主体は、主に外部制御装置１０２である。サンプル１０３における測定視野変更および測定視野推定処理が開始されると（Ｓ４０１）、外部制御装置１０２から移動ステージ駆動回路１０１−６を介して所望の移動距離の駆動に必要な駆動信号が光学系移動機構１０７へ送信される（Ｓ４０２）。駆動信号が送信された後、Ｓ４０３に移行する。

Ｓ４０３では光学系移動機構１０７の現在位置Ｐｎｏｗが目標位置Ｐｔａｒｇｅｔと略一致しているかを判定する。光学系移動機構１０７がまだ移動中であると判定された場合（Ｓ４０３におけるＮｏ）、再びＳ４０３に移行する。一方、光学系移動機構１０７が移動完了し、現在位置Ｐｎｏｗが目標位置Ｐｔａｒｇｅｔと略一致していると判定された場合（Ｓ４０３におけるＹｅｓ）、Ｓ４０４に移行する。Ｓ４０４では外部制御装置１０２からセレクタ制御回路１０１−０を介してセレクタ１０６−１において光ファイバの光路切替が実行される。Ｓ４０４の切替では光路は視野推定光源１０６−３側に設定される。

セレクタ切替後、Ｓ４０５に移行する。Ｓ４０５では外部制御装置１０２から視野推定光源駆動回路１０１−３を介して視野推定光源１０６−３の強度等の発光条件が設定される。視野推定光源１０６−３の発光条件が設定された後、Ｓ４０６に移行する。Ｓ４０６では外部制御装置１０２から視野推定光源駆動回路１０１−３に対して視野推定光源１０６−３の発光をＯＮとする為の信号が入力される。その結果、視野推定光源駆動回路１０１−３は視野推定光源１０６−３をＳ４０５で設定した条件で点灯する駆動信号を送信する。視野推定光源駆動回路１０１−３からの駆動信号入力により視野推定光源１０６−３は発光を開始する。

このとき、視野推定光源１０６−３の光は図２のＳ２０８において、サンプル１０３の表面において反射され、分光器１０６−２に到達した照明光源１０４の光と、セレクタ１０６−１以降において、略逆のパスを通り、サンプル１０３の表面に到達する。また、光学的に略逆のパスを通っていることから、視野推定光源１０６−３のサンプル１０３上における視野（光スポット）は分光器１０６−２のサンプル１０３上における測定視野に略等しい。Ｓ４０６において視野推定光源１０６−３の発光がＯＮとなった後、Ｓ４０７の視野推定処理に移行する。Ｓ４０７では分光反射強度を測定時の視野を推定する処理が実施される。

図５を用いて、本実施例における視野推定処理を説明する。図５の（ａ）は三次元形状検査による寸法管理の対象となるパターン（１）と寸法管理の対象外のパターン（２）の混合パターンをもつサンプル１０３について、Ｓ４０６において視野推定光源１０６−３により照明されているサンプル表面を、視野画像検出装置の一部である撮像素子１０５−９により撮像した撮像画像の一部を表したものである。視野画像検出装置の一部である外部制御装置１０２は、Ｓ４０７の視野推定処理では、まず撮像素子１０５−９により撮像した撮像画像をもとに円形の分光反射強度の測定時の視野を画像抽出する。視野推定光源１０６−３により照明されることで撮像画像では分光反射強度の測定時の視野（View of Scatterometry）は、その他の領域と比較して明るさが高くなっている。

そこで、視野画像検出装置は、このコントラスト比を基に画像処理により、円形の分光反射強度の測定時の視野を抽出する。当該画像処理は、例えばハフ変換を用いた円形領域抽出を実施する。円形領域抽出された画像は図５の（ｂ）に示す模式図のようになる。なお、円形領域抽出に用いる画像処理はハフ変換に限定するものでなく、機械学習による領域抽出等、その他の画像処理であっても構わない。本実施例における分光反射強度の測定時の推定視野は当該円形抽出された領域とする。Ｓ４０７における円形領域抽出の後、Ｓ４０８に移行する。Ｓ４０８ではＳ４０７で推定した視野内の混合パターンにおける寸法管理の対象となるパターン（１）と寸法管理の対象外のパターン（２）の面積率を推定する処理が実施される。先に説明した通り、パターン（１）は、事前計算可能な光スポットの視野内の領域である第一の領域、パターン（２）は、光スポットの視野内における第一の領域以外の領域である第二の領域である。

図５を用いて本実施例における面積率推定処理について説明する。Ｓ４０８では、まずＳ４０７で推定した推定視野の画像である図５の（ｂ）からパターン（１）とパターン（２）の領域分割の為の画像処理を実施する。例えば、エッジ検出とモルフォロジー変換を組み合わせて領域の二値化を実施することで面積率推定を実施する。

図５の（ｃ）は図５の（ｂ）に対して輝度の不連続性を基にエッジ検出を実施した結果の模式図である。さらに図５の（ｄ）は図５の（ｃ）に対して膨張、収縮あるいはそれらを組み合わせたモルフォロジー変換を実施した結果の模式図である。さらに、図５の（ｅ）は図５の（ｄ）に対して二値化による領域分割を実施した結果の模式図である。得られた図５の（ｅ）を基にパターン（１）のみの領域を示した画像の模式図が図５の（ｆ）、パターン（２）のみの領域を示した画像の模式図が図５の（ｇ）である。外部制御装置１０２は、この図５の（ｆ）と図５の（ｇ）のピクセル比率を基に視野内全体におけるパターン（２）の面積比率ｓ（０≦ｓ≦１）を計算し、その値を本実施例における視野内の推定面積率とする。以上のＳ４０８における視野内の面積率推定処理の後、Ｓ４０９に移行する。

Ｓ４０９では外部制御装置１０２から視野推定光源駆動回路１０１−３に対して視野推定光源１０６−３をＯＦＦとする為の信号が入力される。その結果、視野推定光源駆動回路１０１−３は視野推定光源１０６−３を消灯する駆動信号を送信する。Ｓ４０９によって視野推定光源１０６−３をＯＦＦとすることで、視野内の混合パターンにおける測定視野変更および測定視野推定処理が終了する（Ｓ４１０）。

図６を用いて、本実施例の（ｉ）混合パターンの可干渉性が高い場合（Coherent）における、混合パターンの分光反射強度から寸法管理対象外であるパターンの影響を取り除く方法について説明する。図６は寸法管理対象外のパターン影響除去処理のフローチャートを示したものであり、このフローチャートの処理主体は外部制御装置１０２である。後で説明する図８、図９のフローチャートも同様である。

寸法管理対象外のパターン影響除去処理が開始されると（Ｓ６０１）、所定の１つ目の視野におけるサンプル分光反射強度測定処理が実施される（Ｓ６０２）。Ｓ６０２で実施される処理は図２を用いて上述した処理に等しい。Ｓ６０２の結果、１つ目の視野における分光反射強度Ｉおよび１つ目の視野における寸法管理対象外であるパターンの面積率ｓの取得が完了する（Ｓ６０３）。Ｓ６０３が終了すると、Ｓ６０４に移行する。Ｓ６０４では１つ目の視野とは異なる、所定の２つ目の視野におけるサンプル分光反射強度測定処理が実施される（Ｓ６０４）。Ｓ６０４で実施される処理もＳ６０２と同じく、図２を用いて上述した処理に等しい。Ｓ６０４の結果、２つ目の視野における分光反射強度Ｉ’および２つ目の視野における寸法管理対象外であるパターンの面積率ｓ’の取得が完了する（Ｓ６０５）。ここで、サンプル１０３の分光反射強度測定視野において、ある観測点ｘ、時刻ｔで、分光反射強度測定の波長レンジにおけるインデックスがｉ番目の波長λｉに相当する波数ｋｉにおいて、寸法管理対象であるパターン（１）での反射光の波の振幅ψ１，ｉおよび寸法管理対象外であるパターン（２）での反射光の波の振幅ψ２，ｉは複素表現を用いて一般的に式２で表される。ここで、式２におけるφは初期位相を表す。

本実施例では（ｉ）混合パターンの可干渉性が高い場合（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ）を想定しているので、パターン（１）の反射光とパターン（２）の反射光は互いに干渉する為、混合パターンの分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉは振幅ψの和を二乗することにより得られる。さらに、本実施例の混合パターンの分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉはパターン（２）の面積率ｓ、パターン（１）の振幅ψ１，ｉおよびパターン（２）の振幅ψ２，ｉを用いて、式３で表現する。

すなわち、混合パターンの振幅ψＡｌｌ，ｉを、混合パターンを形成する各パターンの振幅とその面積率の積の和で表現し、その２乗をとることで強度を計算している。簡単の為に、ψ１，ｉおよびψ２，ｉについて、エクスポネンシャルを用いた複素数表記でなく、式４のような複素数表記で表すと、混合パターンの分光反射強度Ｉは式５で表される。

ここで、寸法管理対象であるパターン（１）の振幅ψ１，ｉは、該分光反射強度を測定したサンプル１０３の実測部の断面構造解析等を基に、外部制御装置１０２の事前分光特徴値計算機能によってＲＣＷＡ等のモデル計算により事前に得られるものとすると、Ｓ６０３までの時点で、式５におけるＩＡｌｌ，ｉ、ｓ、αｉ、βｉが既知の値であり、パターン（２）に関するパラメータであるγｉ、δｉの２つが未知の値である。しかしながら、Ｓ６０４における２つ目の視野における分光反射強度を得ることで、式６に示すように未知の値が２つ、式２つの連立方程式に帰着でき、未知の値、すなわち寸法管理対象外のパターン（２）の振幅ψ２，ｉの実部αｉおよび虚部βｉを導出することが出来る。

Ｓ６０６では、波長λｉにおける寸法管理対象外の振幅ψ２，ｉを式６に相当する連立方程式を解くことにより、導出する。振幅ψ２，ｉの実部αｉおよび虚部βｉを導出した後、Ｓ６０７に移行する。Ｓ６０７では分光反射測定の波長レンジにおけるインデックスｉが所定の最後の波長レンジに相当するインデックスｎｅｎｄに等しいか否かを判定する。Ｓ６０７において、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも小さいとき（Ｓ６０７におけるＮｏ）、Ｓ６０８に移行し、現在のインデックスｉを１だけインクリメント（Ｓ６０８）した後、Ｓ６０６に再び移行する。

一方、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも大きいと判定したとき（Ｓ６０７におけるＹｅｓ）、Ｓ６０９に移行する。Ｓ６０９では任意の視野におけるサンプル１０３の分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’および、該視野におけるパターン（２）の面積率ｓ’’を測定する。Ｓ６０９で実施される処理も、図２を用いて上述した処理に等しい。

続くＳ６１０では、寸法推定対象であるパターン（１）の、推定構造モデルに対応した振幅ψ１，ｃａｌ，ｉの実部αｃａｌ，ｉおよび虚部βｃａｌ，ｉと、Ｓ６０６で導出したパターン（２）の振幅ψ２，ｉの実部γｉおよび虚部δｉを用いて、パターン（２）の面積率がｓ’’となる混合パターンの任意の視野での、分光反射強度測定の波長レンジにおけるインデックスがｉ番目の、推定構造モデルに対応する計算分光反射強度Ｉｃａｌ，ｉを式７に示す計算により導出する。分光反射強度Ｉｃａｌ，ｉを導出すると、Ｓ６１１に移行する。

Ｓ６１１では分光反射強度測定の波長レンジにおけるインデックスｉが所定の最後の波長レンジに相当するインデックスｎｅｎｄに等しいか否かを判定する。Ｓ６１１において、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも小さいとき（Ｓ６１１におけるＮｏ）、Ｓ６１２に移行し、現在のインデックスｉを１だけインクリメント（Ｓ６１２）した後、Ｓ６１０に再び移行する。一方、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも大きいと判定したとき（Ｓ６１１におけるＹｅｓ）、Ｓ６１３に移行する。

Ｓ６１３では推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉが、実測した任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’と比較して全波長において一致しているか否かを判定する。判定としては例えば全波長レンジにおいて、計算により求めた推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉと実測した任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’の差の二乗和を計算し、この値が所定の閾値以内か否かを基に判定する。Ｓ６１３において、全波長において推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉが、任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’と等しくないと判定されたとき（Ｓ６１３におけるＮｏ）、Ｓ６１４に移行し、寸法推定対象であるパターン（１）の現在の構造パラメータを変更（Ｓ６１４）した後、再びＳ６１０に移行する。

一方で、Ｓ６１３において、全波長において推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉが、任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’と等しいと判定されたとき（Ｓ６１３におけるＹｅｓ）、（ｉ）混合パターンの可干渉性が高い場合の寸法管理対象外のパターン影響除去処理を終了する（Ｓ６１５）。なお、図６では全波長における推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉおよび任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’をそれぞれＩｃａｌおよびＩＡｌｌ’’と表記している。

ここで、式６からも明らかなように、（ｉ）混合パターンの可干渉性が高い場合では導出すべき未知の値が２つであるので、２つ以上の式による連立方程式を構築出来ればよく、上述の図６ではその一例として測定視野を変更した２回の測定を実施することで、連立方程式を構築した。連立方程式の構築方法は測定視野を変更した測定を実施することに限定されるものではなく、同一視野であっても、視野内の構造が変化する前後での分光反射強度により連立方程式を構築してもよい。

例えば図７の（ａ）は、サンプル１０３の散乱光測定時の視野（View of Scatterometry）を断面方向から見た模式図である。断面の上部はプラズマエッチング時のパターン保護を目的とした、レジスト材料（Resist Material）を表す。全面がレジスト材料で覆われている領域が寸法管理の対象外のパターン（２）で、一部のみがレジスト材料で覆われている領域が寸法管理の対象となるパターン（１）である。

一方で、図７の（ｂ）は図７（ａ）をプラズマエッチングした後のサンプル１０３を同じく断面方向から見た模式図である。パターン（１）はエッチングされて、その三次元構造が変化している。この図７の（ａ）と（ｂ）のそれぞれで寸法管理対象のパターン（１）の振幅を、該分光反射強度を測定したサンプル１０３の実測部の断面構造解析等を基に、外部制御装置１０２の事前分光特徴値計算機能によってＲＣＷＡ等のモデル計算により得られるならば、図７の（ａ）と（ｂ）のそれぞれで分光反射強度を測定することで連立方程式を構築して、寸法管理の対象外のパターン（２）の振幅ψ２，ｉを得ることが出来る。

本実施例に示した、以上の構成および動作によれば、三次元形状検出装置１００は（ｉ）混合パターンの可干渉性が高い場合（Coherent）において寸法管理対象外のパターンの影響をモデル化することなく取り除くことが可能となり、ひいては任意の視野における寸法（三次元形状）管理が可能となる。

本実施例では（ｉｉ）混合パターンの可干渉性が低い場合（Incoherent）における、寸法管理の対象外であるパターンの影響をモデル化することなく取り除く方法について、以下、説明する。

実施例２においても、サンプル分光反射強度測定処理については、実施例１で説明した処理内容と同じ内容が実施される。以下、図８を用いて、本実施例において実施例１と異なる、（ｉｉ）混合パターンの可干渉性が低い場合（Incoherent）における、混合パターンの分光反射強度から寸法管理対象外であるパターンの影響を取り除く方法について説明する。

図８は寸法管理対象外のパターン影響除去処理のフローチャートを示したものである。寸法管理対象外のパターン影響除去処理が開始されると（Ｓ８０１）、所定の視野におけるサンプル分光反射強度測定処理が実施される（Ｓ８０２）。Ｓ８０２で実施される処理は実施例１において、図２を用いて説明した処理に等しい。Ｓ８０２の結果、所定の視野における分光反射強度Ｉおよび当該所定の視野における寸法管理対象外であるパターンの面積率ｓの取得が完了する（Ｓ８０３）。ここで、サンプル１０３の分光反射強度測定において、本実施例では分光反射強度測定の測定レンジにおけるインデックスがｉ番目の波長λｉにおける混合パターンの分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉを式８で表現する。

すなわち、混合パターンの強度ＩＡｌｌ，ｉを、混合パターンを形成する各パターンの強度とその面積率の積の和で表現している。これは、本実施例では（ｉｉ）混合パターンの可干渉性が低い場合（Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ）を想定しており、分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉがパターン（１）の反射光とパターン（２）の反射光を実施例１のように振幅の和をとった後に二乗するのでなく、強度の和で表現される為である。ここで、寸法管理対象であるパターン（１）の分光反射強度Ｉ１，ｉは該分光反射強度を測定したサンプル１０３の実測部の断面構造解析等を基に、外部制御装置１０２の事前分光特徴値計算機能によってＲＣＷＡ等のモデル計算により事前に得られるものとすると、Ｓ８０３までの時点で、式８におけるＩＡｌｌ，ｉ、ｓ、Ｉ１，ｉが既知の値であり、パターン（２）の分光反射強度Ｉ２，ｉのみが未知の値である。その為、式８に示す未知の値１つに対する方程式を解くことにより、未知の値、すなわちパターン（２）の分光反射強度Ｉ２，ｉを導出することが出来る（Ｓ８０４）。波長λｉにおける寸法管理対象外のパターン（２）の分光反射強度Ｉ２，ｉを導出した後、Ｓ８０５に移行する。

Ｓ８０５では分光反射強度測定の波長レンジにおけるインデックスｉが所定の最後の波長レンジに相当するインデックスｎｅｎｄに等しいか否かを判定する。Ｓ８０５において、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも小さいとき（Ｓ８０５におけるＮｏ）、Ｓ８０６に移行し、現在のインデックスｉを１だけインクリメント（Ｓ８０６）した後、Ｓ８０４に再び移行する。一方、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも大きいと判定したとき（Ｓ８０５におけるＹｅｓ）、Ｓ８０７に移行する。

Ｓ８０７では任意の視野におけるサンプル１０３の分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’および、該視野におけるパターン（２）の面積率ｓ’’を測定する。Ｓ８０７で実施される処理も、図２を用いて上述した処理に等しい。続くＳ８０８では寸法推定対象であるパターン（１）の、推定構造モデルに対応した分光反射強度Ｉ１，ｃａｌ，ｉと、導出したパターン（２）の分光反射強度Ｉ２，ｉを用いて、パターン（２）の面積率がｓ’’となる混合パターンの任意の視野での、分光反射強度測定の波長レンジにおけるインデックスがｉ番目の、推定構造モデルに対応する計算分光反射強度Ｉｃａｌ，ｉを式９に示す計算により導出する。

分光反射強度Ｉｃａｌ，ｉを導出すると、Ｓ８０９に移行する。Ｓ８０９では分光反射強度測定の波長レンジにおけるインデックスｉが所定の最後の波長レンジに相当するインデックスｎｅｎｄに等しいか否かを判定する。Ｓ８０９において、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも小さいとき（Ｓ８０９におけるＮｏ）、Ｓ８１０に移行し、現在のインデックスｉを１だけインクリメント（Ｓ８１０）した後、Ｓ８０８に再び移行する。一方、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも大きいと判定したとき（Ｓ８０９におけるＹｅｓ）、Ｓ８１１に移行する。

Ｓ８１１では推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉが、実測した任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’と比較して全波長において一致しているか否かを判定する。判定としては例えば全波長レンジにおいて、計算により求めた推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉと実測した任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’の差の二乗和を計算し、この値が所定の閾値以内か否かを基に判定する。Ｓ８１１において、全波長において推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉが、任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’と等しくないと判定されたとき（Ｓ８１１におけるＮｏ）、Ｓ８１２に移行し、寸法推定対象であるパターン（１）の現在の構造パラメータを変更（Ｓ８１２）した後、再びＳ８０８に移行する。

一方で、Ｓ８１１において、全波長において推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉが、任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’と等しいと判定されたとき（Ｓ８１１におけるＹｅｓ）、（ｉｉ）混合パターンの可干渉性が低い場合（Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ）の寸法管理対象外のパターン影響除去処理を終了する（Ｓ８１３）。なお、図８では全波長における推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉおよび任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’をそれぞれＩｃａｌおよびＩＡｌｌ’’と表記している。
本実施例に示した、以上の構成および動作によれば、三次元形状検出装置１００は（ｉｉ）混合パターンの可干渉性が低い場合（Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ）において寸法管理対象外のパターンの影響をモデル化することなく取り除くことが可能となり、ひいては任意の視野における寸法（三次元形状）管理が可能となる。

本実施例では（ｉｉｉ）（ｉ）と（ｉｉ）の中間の場合（Ｂｅｔｗｅｅｎ （ｉ） ａｎｄ （ｉｉ））における、寸法管理の対象外であるパターンの影響をモデル化することなく取り除く方法について、以下、説明する。

本実施例においても、サンプル分光反射強度測定処理については、実施例１で説明した処理内容と同じ内容が実施される。以下、本実施例において実施例１および２と異なる、（ｉｉｉ）（ｉ）と（ｉｉ）の中間の場合（Ｂｅｔｗｅｅｎ （ｉ） ａｎｄ （ｉｉ））における、混合パターンの分光反射強度から寸法管理対象外であるパターンの影響を取り除く方法について図９を用いて説明する。

図９は寸法管理対象外のパターン影響除去処理のフローチャートを示したものである。寸法管理対象外のパターン影響除去処理が開始されると（Ｓ９０１）、所定の１つ目の視野におけるサンプル分光反射強度測定処理が実施される（Ｓ９０２）。Ｓ９０２で実施される処理は実施例１で説明した処理内容と同じ内容が実施される。Ｓ９０２の結果、１つ目の視野における分光反射強度Ｉおよび１つ目の視野における寸法管理対象外であるパターンの面積率ｓの取得が完了する（Ｓ９０３）。Ｓ９０３が終了すると、Ｓ９０４に移行する。Ｓ９０４では１つ目の視野とは異なる、所定の２つ目の視野におけるサンプル分光反射強度測定処理が実施される（Ｓ９０４）。Ｓ９０４で実施される処理もＳ９０２と同じく、図２を用いて上述した処理に等しい。Ｓ９０４の結果、２つ目の視野における分光反射強度Ｉ’および２つ目の視野における寸法管理対象外であるパターンの面積率ｓ’の取得が完了する（Ｓ９０５）。

ここで、本実施例では（ｉ）と（ｉｉ）の中間の場合（Ｂetween (i) and (ii)）を想定しているので、混合パターンの分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉの一部はパターン（１）の反射光とパターン（２）の反射光が互いに干渉し、また一部は互いに干渉しないので混合パターンの分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉを式１０の１つ目の式で表現する。

コヒーレンス因子ｆｃとの積をとる、可干渉性が低い項について混合パターンを形成する各パターンの強度とその面積率の積の和で、残りの１−ｆｃとの積をとる、可干渉性が高い項について混合パターンを形成する各パターンの振幅とその面積率の積の和でそれぞれ表現している。なおパターン（２）の分光反射強度Ｉ２，ｉが、振幅の絶対値の二乗の半分に等しいことから、式１０の２つ目の式で表される。ここで、寸法管理対象であるパターン（１）の分光反射強度Ｉ１，ｉ、振幅の実部αｉおよび虚部βｉは該分光反射強度を測定したサンプル１０３の実測部の断面構造解析等を基に、外部制御装置１０２の事前分光特徴値計算機能によってＲＣＷＡ等のモデル計算により事前に得られるものとすると、Ｓ９０３までの時点で、式１０におけるＩＡｌｌ，ｉ、Ｉ１，ｉ、ｓ、αｉ、βｉが既知の値であり、パターン（２）に関するパラメータであるγｉ、δｉの２つが未知の値である。しかしながら、Ｓ９０４における２つ目の視野における分光反射強度を得ることで、式１１に示すように未知の値が２つ、式２つの連立方程式に帰着でき、未知の値、すなわち寸法管理対象外のパターン（２）の振幅ψ２，ｉの実部αｉおよび虚部βｉを導出することが出来る。

Ｓ９０６では、波長λｉにおける寸法管理対象外の振幅ψ２，ｉの実部αｉおよび虚部βｉを式１１に相当する連立方程式を解くことにより、導出する。振幅ψ２，ｉを導出した後、Ｓ９０７に移行する。Ｓ９０７では分光反射測定の波長レンジにおけるインデックスｉが所定の最後の波長レンジに相当するインデックスｎｅｎｄに等しいか否かを判定する。Ｓ９０７において、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも小さいとき（Ｓ９０７におけるＮｏ）、Ｓ９０８に移行し、現在のインデックスｉを１だけインクリメント（Ｓ９０８）した後、Ｓ９０６に再び移行する。一方、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも大きいと判定したとき（Ｓ９０７におけるＹｅｓ）、Ｓ９０９に移行する。Ｓ９０９では任意の視野におけるサンプル１０３の分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’および、該視野におけるパターン（２）の面積率ｓ’’を測定する。Ｓ９０９で実施される処理も、図２を用いて上述した処理に等しい。
続くＳ９１０では、寸法推定対象であるパターン（１）の、推定構造モデルに対応した分光反射強度Ｉ１，ｃａｌ,ｉ、振幅ψ１，ｃａｌ，ｉの実部αｃａｌ，ｉおよび虚部βｃａｌ，ｉと、Ｓ９０６で導出したパターン（２）の振幅ψ２，ｉの実部γｉおよび虚部δｉを用いて、パターン（２）の面積率がｓ’’となる混合パターンの任意の視野での、分光反射強度測定の波長レンジにおけるインデックスがｉ番目の、推定構造モデルに対応する計算分光反射強度Ｉｃａｌ，ｉを式１２に示す計算により導出する。

分光反射強度Ｉｃａｌ，ｉを導出すると、Ｓ９１１に移行する。Ｓ９１１では分光反射強度測定の波長レンジにおけるインデックスｉが所定の最後の波長レンジに相当するインデックスｎｅｎｄに等しいか否かを判定する。Ｓ９１１において、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも小さいとき（Ｓ９１１におけるＮｏ）、Ｓ９１２に移行し、現在のインデックスｉを１だけインクリメント（Ｓ９１２）した後、Ｓ９１０に再び移行する。一方、現在のインデックスｉがｎｅｎｄよりも大きいと判定したとき（Ｓ９１１におけるＹｅｓ）、Ｓ９１３に移行する。Ｓ９１３では推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉが、実測した任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’と比較して全波長において一致しているか否かを判定する。判定としては例えば全波長レンジにおいて、計算により求めた推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉと実測した任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’の差の二乗和を計算し、この値が所定の閾値以内か否かを基に判定する。Ｓ９１３において、全波長において推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉが、任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’と等しくないと判定されたとき（Ｓ９１３におけるＮｏ）、Ｓ９１４に移行し、寸法推定対象であるパターン（１）の現在の構造パラメータを変更（Ｓ９１４）した後、再びＳ９１０に移行する。一方で、Ｓ９１３において、全波長において推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉが、任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’と等しいと判定されたとき（Ｓ９１３におけるＹｅｓ）、（ｉｉｉ）（ｉ）と（ｉｉ）の中間の場合（Ｂｅｔｗｅｅｎ （ｉ） ａｎｄ （ｉｉ））の寸法管理対象外のパターン影響除去処理を終了する（Ｓ９１５）。なお、図９では全波長における推定構造モデルに対応する計算強度Ｉｃａｌ，ｉおよび任意の視野におけるサンプル分光反射強度ＩＡｌｌ，ｉ’’をそれぞれＩｃａｌおよびＩＡｌｌ’’と表記している。
なお、上記例では振幅を寸法管理対象外であるパターン（２）の影響を、振幅ψ２，ｉを推定することで除去したが、少なくとも３つ以上の視野における分光反射強度の測定のもと、パターン（２）の分光反射強度Ｉ２，ｉおよび振幅ψ２，ｉを推定することで導出してもよい。

本実施例に示した、以上の構成および動作によれば、三次元形状検出装置１００は（ｉｉｉ）（ｉ）と（ｉｉ）の中間の場合（Between (i) and (ii)）において寸法管理対象外のパターンの影響をモデル化することなく取り除くことが可能となり、ひいては任意の視野における寸法（三次元形状）管理が可能となる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

更に、上述した各構成、機能、外部制御装置等は、それらの一部又は全部の機能を実現するＣＰＵ用のプログラムを作成する例を中心に説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。すなわち、外部制御装置の全部または一部の機能は、プログラムに代え、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの集積回路などにより実現してもよい。

１００・・・三次元形状検出装置、１０１・・・コントローラ群、１０１−０・・・セレクタ制御回路、１０１−１・・・照明光源駆動回路、１０１−２・・・分光器制御回路、１０１−３・・・視野推定光源駆動回路、１０１−４・・・受光素子制御回路、１０１−５・・・偏光子駆動回路、１０１−６・・・移動ステージ駆動回路、１０２・・・外部制御装置、１０３・・・サンプル、１０４・・・照明光源、１０５・・・光学系、１０５−１・・・コネクタＡ、１０５−２・・・レンズ群Ａ、１０５−３・・・ミラー、１０５−４・・・無偏光ビームスプリッタＡ、１０５−５・・・レンズ群Ｂ、１０５−６・・・無偏光ビームスプリッタＢ、１０５−７・・・偏光子、１０５−８・・・レンズ群Ｃ、１０５−９・・・撮像素子、１０５−１０・・・レンズ群Ｄ、１０５−１１・・・コネクタＢ、１０６・・・分光器群、１０６−１・・・セレクタ、１０６−２・・・分光器、１０６−３・・・視野推定光源、１０７・・・光学系移動機構、１０８・・・サンプル搬送機構

Claims (13)

1. 対象に光スポットを照射し、前記照射された光スポットの視野内の三次元形状を検出する三次元形状検出装置であって、
   分光反射強度を測定する分光反射強度測定部と、
   前記分光反射強度測定部により測定された分光反射強度に基づいて前記光スポットの視野内の領域である第一の領域の分光特徴値を求める分光特徴値算出部と、
   射出された光により照明された前記対象の画像を撮像し、前記撮像された画像を基に前記第一の領域の面積と第二の領域の面積との面積率を推定する面積率推定部と、
   前記推定された面積率を基に三次元形状を求める制御装置と、を備え、
   前記第二の領域は、前記光スポットの視野内における前記第一の領域以外の領域であることを特徴とする三次元形状検出装置。
2. 請求項１に記載の三次元形状検出装置であって、
   前記分光特徴値は、複素振幅、分光反射強度または前記複素振幅および前記分光反射強度であることを特徴とする三次元形状検出装置。
3. 請求項１に記載の三次元形状検出装置であって、
   前記分光特徴値は、複素振幅であり、
   前記分光特徴値算出部は、予め算出された前記第一の領域の複素振幅と、前記分光反射強度測定部により測定された複数の前記分光反射強度と、前記面積率とを基に前記第二の領域の複素振幅を求めることを特徴とする三次元形状検出装置。
4. 請求項１に記載の三次元形状検出装置であって、
   前記分光特徴値は、複素振幅および分光反射強度であり、
   前記分光特徴値算出部は、予め算出された前記第一の領域の複素振幅と、予め算出された前記第一の領域の分光反射強度と、前記分光反射強度測定部により測定された複数の前記分光反射強度と、前記面積率とを基に前記第二の領域の複素振幅および前記第二の領域の分光反射強度を求めることを特徴とする三次元形状検出装置。
5. 請求項１に記載の三次元形状検出装置であって、
   前記分光特徴値は、分光反射強度であり、
   前記分光特徴値算出部は、予め算出された前記第一の領域の分光反射強度と、前記分光反射強度測定部により測定された分光反射強度と、前記面積率とを基に前記第二の領域の分光反射強度を求めることを特徴とする三次元形状検出装置。
6. 請求項３または請求項４に記載の三次元形状検出装置であって、
   前記第一の領域の構造を変更する構造変更部をさらに備え、
   前記複数の前記分光反射強度は、前記構造変更部により変更された前記第一の領域の構造における複数の分光反射強度であることを特徴とする三次元形状検出装置。
7. 請求項６に記載の三次元形状検出装置であって、
   前記構造変更部は、プラズマエッチング装置であることを特徴とする三次元形状検出装置。
8. 対象に光スポットを照射し、前記照射された光スポットの視野内の三次元形状を検出する場合に用いられる面積率を推定する面積率推定方法であって、
   射出された光により照明された前記対象の画像を撮像し、前記撮像された画像を基に前記面積率を推定し、
   前記面積率は、第一の領域の面積と第二の領域の面積との面積率であり、
   前記第一の領域は、前記光スポットの視野内の領域であり、
   前記第二の領域は、前記光スポットの視野内における前記第一の領域以外の領域であることを特徴とする面積率推定方法。
9. 対象に光スポットを照射し、前記照射された光スポットの視野内の三次元形状を検出する三次元形状検出方法であって、
   分光反射強度を測定する工程と、
   前記測定された分光反射強度に基づいて前記光スポットの視野内の第一の領域における分光特徴値を求める工程と、
   射出された光により照明された前記対象の画像を撮像し、前記撮像された画像を基に前記第一の領域の面積と第二の領域の面積との面積率を推定する工程と、
   前記推定された面積率を基に三次元形状を求める工程とを有し、
   前記第二の領域は、前記光スポットの視野内における前記第一の領域以外の領域であることを特徴とする三次元形状検出方法。
10. 請求項９に記載の三次元形状検出方法であって、
    前記分光特徴値は、複素振幅であり、
    前記分光特徴値を求める工程は、予め算出された前記第一の領域の複素振幅と、前記測定された複数の前記分光反射強度と、前記面積率とを基に前記第二の領域の複素振幅を求めることを特徴とする三次元形状検出方法。
11. 請求項９に記載の三次元形状検出方法であって、
    前記分光特徴値は、複素振幅および分光反射強度であり、
    前記分光特徴値を求める工程は、予め算出された前記第一の領域の複素振幅と、予め算出された前記第一の領域の分光反射強度と、前記測定された複数の前記分光反射強度と、前記面積率とを基に前記第二の領域の複素振幅および前記第二の領域の分光反射強度を求めることを特徴とする三次元形状検出方法。
12. 請求項９に記載の三次元形状検出方法であって、
    前記分光特徴値は、分光反射強度であり、
    前記分光特徴値を求める工程は、予め算出された前記第一の領域の分光反射強度と、前記測定された分光反射強度と、前記面積率とを基に前記第二の領域の分光反射強度を求めることを特徴とする三次元形状検出方法。
13. 試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料の対象に光スポットを照射し、前記照射された光スポットの視野内の三次元形状を検出する三次元形状検出装置とを備えるプラズマ処理装置であって、
    前記三次元形状検出装置は、
    分光反射強度を測定する分光反射強度測定部と、
    前記分光反射強度測定部により測定された分光反射強度に基づいて前記光スポットの視野内の領域である第一の領域の分光特徴値を求める分光特徴値算出部と、
    射出された光により照明された前記対象の画像を撮像し、前記撮像された画像を基に前記第一の領域の面積と第二の領域の面積との面積率を推定する面積率推定部と、
    前記推定された面積率を基に三次元形状を求める制御装置とを具備し、
    前記第二の領域は、前記光スポットの視野内における前記第一の領域以外の領域であることを特徴とするプラズマ処理装置。

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