JP6830492B2 - 分光ビームプロファイルオーバーレイ計測 - Google Patents

Description

記載される実施形態は、計測システムおよび方法に関し、より具体的には、半導体製造プロセス、および半導体製造プロセスによって生成される構造を特性評価するパラメータの改善された測定のための方法およびシステムに関する。

関連出願の相互参照
本特許出願は、米国特許法第１１９条の下で、２０１５年９月２３日出願の米国仮特許出願第６２／２２２，３１４号、表題「Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ＢＰＲ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｏｖｅｒｌａｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」の優先権を主張するものであり、その主題は、全体の参照により本明細書に組み込まれる。

ロジックおよびメモリ装置などの半導体装置は、典型的には、試験片に適用される一連の処理ステップにより製作される。半導体装置の様々なフィーチャおよび多様な構造的レベルは、これらの処理ステップにより形成される。例えば、なかでもリソグラフィーは、半導体ウェハ上にパターンを生成することを含む１つの半導体製作プロセスである。半導体製作プロセスの追加例として、化学機械研磨、エッチ、堆積、およびイオン注入が挙げられるが、これらに限定されない。多様な半導体装置は、単一の半導体ウェハ上に製作され、次に、個別の半導体装置に分離され得る。

計測プロセスは、ウェハ上の欠陥を検出してより高い収率を促進するために、半導体の製造プロセスにおける様々なステップで使用される。光学的計測技法は、試料を損壊するリスクなしで高スループットの測定の可能性を提供する。光散乱計測および光反射計測の実装および関連する分析アルゴリズムを含むいくつかの光学的計測に基づく技法が、ナノスケール構造のクリティカルディメンション、膜厚、組成およびその他のパラメータを特性評価するために一般に用いられる。

一例において、半導体試料の測定を実行するために、二次元ビームプロファイル反射率計（２Ｄ−ＢＰＲ）システムが用いられる。しかしながら、既存の２Ｄ−ＢＰＲシステムは、測定信号を一度に一波長で取得する。これは、試料を正確に特性評価するために多数の照明波長が必要とされる場合にそのようなシステムのスループットを制限する。

別の例において、分光楕円偏光法（ＳＥ）システムが、照明波長の広域スペクトルにわたる同時測定を実行する。しかしながら、既存のＳＥシステムは、測定信号を一度に一入射角（ＡＯＩ）で取得する。これは、試料を正確に特性評価するために多様なＡＯＩが必要とされる場合に、そのようなシステムのスループットを制限する。

別の例において、オーバーレイターゲットの、光学ベースの測定が、ケエルエーテンカー（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ，Ｉｎｃ）によって製造されたオーバーレイ計測ツールによって、光散乱計測オーバーレイ（ＳＣＯＬ）技術を用いて実行される。既存のツールは、ＳＣＯＬ信号を一取得につき一波長で取得する。異なる取得それぞれで照明波長を変更するために、制御システムが用いられる。例示的ツールは、多数のダイオードレーザー光源またはチューナブルレーザー光源を用いて照明光を、異なる選択可能な波長で提供する。

さらに別の例において、オーバーレイターゲットの光学ベースの測定が、ＡＳＭＬ Ｈｏｌｄｉｎｇ ＮＶによって製造されたオーバーレイ計測ツールによって実行される。これらのツールのうちいくつかにおいて、各取得でビーム経路内の光学フィルタを選択することによって、異なる取得それぞれで照明波長を変更するために制御システムが用いられる。

これらの例において、オーバーレイターゲットの反射率測定は各波長で個別に取得される。データ取得へのこの逐次の手法は、多様な波長でデータを取得し測定レシピを生成するために必要な時間を増加させる。さらに、照明システムは、照明光を、異なる選択可能な波長で提供するように構成されなければならず、それはシステムの複雑性を増加させる。

米国特許出願公開第２０１４／０１６６８６２号

オーバーレイターゲットの測定を包含する計測用途は、益々微小になる分解能への要求とスループットへの要求により課題を提示している。したがって、改良されたオーバーレイ測定のための方法およびシステムが望まれる。

広範囲の入射角および広範囲の波長にわたり収集された光を同時に検出するための方法およびシステムが本明細書で提示される。

一態様において、分光ビームプロファイル計測システムは、多波長を有するコリメート光ビームを放射する光源を含む。ビーム成形光学素子は、コリメート光ビームをナローラインビーム光（例えば、シート状の断面の）に再成形する。ナローライン形状の照明光ビームは、ナローラインビーム光を広範囲の入射角にわたりオーバーレイ計測ターゲットに投影する高開口数（ＮＡ）対物レンズを通過する。ナローライン形状の光ビームは、ライン形状ビームの方向が、オーバーレイ計測ターゲットの格子構造の範囲の方向と揃うようにオーバーレイ計測ターゲット上に投影される。オーバーレイ計測ターゲットとの相互作用の後で、収集された光は、ＡＯＩに従って一方向に、また、波長に従って別方向に、検出器にわたり分散される。こうして、二次元検出器は、角度信号情報（例えば、入射角）とスペクトル情報の両方を同時に検出する。こうして、各検出器ピクセルでの測定信号は、特定のＡＯＩおよび波長と関連付けられる。

いくつかの例では、照明された測定サイトから第１回折次数（例えば、＋１と−１）で回折された光が収集される。いくつかの例では、照明された測定サイトからゼロ回折次数で回折された光が収集される。いくつかの他の例では、ゼロ次数と第１次数の回折光の両方が収集される。これらの例において、第１次数の回折光とゼロ次数の回折光は、検出器の別々の領域にわたって検出される。

さらなる態様において、波長（すなわち、エネルギー）分散素子が、ビーム経路内に検出器以前に配置されている。波長分散素子は、測定光の収集ビームを波長に従って二次元検出器に分散する。いくつかの例において、波長分散素子は、ゼロ次数回折光のみに作用する。しかしながら、いくつかの他の例では、波長分散素子は第１次数の回折光に作用して、オーバーレイ計測ターゲット自体との相互作用から派生した任意の波長分散効果を増強する。

もう１つのさらなる態様において、信号を同時または逐次検出するために、収集経路内に２以上の検出器が用いられる。各検出器ペアは異なる波長範囲を検出するように構成される。これは、単一の検出器および波長分散素子では全波長範囲にわたり十分な精度で測定できない広い波長範囲にわたる測定のために有益であり得る。

別のさらなる態様において、オーバーレイターゲットは、ナローライン形状の照明ビームをオーバーレイターゲットに対して９０度回転させることによって２つの直交する方向で測定される。波長分散素子が用いられる場合、波長分散素子も、検出器に投影されるときに波長分散の方向を９０度回転させるために、回転または他の方式で移動または置換される。

もう１つのさらなる態様において、選択可能な照明アパーチャと選択可能な収集アパーチャは、異なるターゲットの測定を可能にするように構成される。

さらなる態様において、分光ビームプロファイル計測システムは、オーバーレイ測定の確度と精度を改善するために、取得波長と入射角のサブセットを選択するように構成される。適正な波長とＡＯＩ範囲は、プロセス変動によりサイト毎に変わり得る。

もう１つのさらなる態様において、オーバーレイ測定の確度と精度を改善するために、分光ビームプロファイル計測システムは、取得波長と入射角を重み付けするように構成される。従来、信号の選択と重み付けはＡＯＩのみに基づくものであったが、本明細書の記載では、信号選択と重み付けは、同時に収集されたＡＯＩと波長データの両方に基づく。

もう１つのさらなる態様において、訓練された（ｔｒａｉｎｄ）ＳＲＭ（信号応答計測）モデルまたはＳＰＩ（単一のパラメータアイソレーション）モデルが、オーバーレイ値を決定するために、取得された測定信号に適用される。ＳＲＭおよびＳＰＩモデルは、オーバーレイ基準データに基づいて訓練される。

もう１つのさらなる態様において、空間光変調器（ＳＬＭ）が、照明経路、収集経路、またはその両方に配置されている。ＳＬＭは、透過波面エラーを低減してビームの振幅と位相分布を成形するために、照明光の経路、収集光の経路、または両経路にわたり、振幅、位相分布、またはそれら両方を変調するように構成される。さらなる態様において、空間光変調器は、照明ビームにわたる位相分布のプログラム可能な構成を可能にする。これは、収差を補正、またはコンタミネーション信号を相殺するために用いられ得る。いくつかの実施形態において、ＳＬＭは変形可能なミラーアレイである。

もう１つのさらなる態様において、照明経路内に、対物レンズ以前に偏光素子が配置されている。いくつかの実施形態において、定置型偏光子が用いられる。これらの実施形態において、２つの異なる偏光成分が別個の検出器によって検出されてよい。いくつかの他の実施形態において、連続回転偏光子が実装される。これらの実施形態において、分析器素子が、収集経路内に、対物レンズ以降に配置される。

もう１つのさらなる態様において、１つの補償器が照明経路内に偏光子以降に追加され、もう１つの補償器が、収集経路内に分析器以前に配置される。

もう１つのさらなる態様において、ビーム成形光学素子が照明経路内に配置される。ビーム成形光学素子は、ナローラインビーム照明を所望の方位角に回転させるように構成される。ナローラインビーム照明をビーム軸周りに回転させることによって、有効方位角が変更される。

もう１つのさらなる態様において、分光ＢＰＲシステムは、瞳面のマッピングを可能にするために、ＡＯＩ方向に沿って照明ビームを走査するように構成される。さらなる態様において、この瞳走査機構は、ターゲットノイズの平均化、コヒーレンス効果の減少および改良された確度を可能にするためにフィールド面を走査する第２の走査機構で補完されてもよい。

もう１つのさらなる態様において、分光ＢＰＲシステムは、共通の経路と収集経路内にビーム成形光学素子を含む。このようにして、ビーム形状は対物レンズおよび任意の波長分散素子に入射する前にのみナローライン形状となる。

もう１つのさらなる態様において、分光ＢＰＲシステムは、２つの波長分散素子と２つの対応する検出器を含む。一方の検出器は、被測定試験片の瞳測定を実行するように構成される。他方の検出器は、同じ試験片のフィールド測定を実行するように構成される。

いくつかの実施形態において、フィールド測定信号と瞳測定信号の両方が同時に検出される。検出される信号は反復的に処理されて１以上の構造的またはプロセスパラメータ値を概算する。より具体的には、少なくとも１つの測定ターゲットに関連する少なくとも１つの構造的またはプロセスパラメータの値は、瞳測定モデルでの瞳測定信号の反復的回帰と、フィールド測定モデルでのフィールド測定信号の回帰に基づいて決定される。

いくつかの実施形態において、フィールド測定信号と瞳測定信号の両方が、１以上の構造的またはプロセスパラメータ値を概算するために複合分析で処理される。これらの例において、測定モデルは、瞳測定とフィールド測定両方のために、計測ターゲット（複数可）の構造的パラメータ、材料パラメータ、または構造的パラメータと材料パラメータの組み合わせをリンクする複合測定モデルである。

もう１つのさらなる態様において、分光ＢＰＲシステムは、測定経路内に対物レンズ以前にビーム結合素子を含む。オートフォーカスプローブビーム、パターン認識プローブビーム、または両者の組み合わせが、対物レンズに入射する前に照明ビームと結合され、オートフォーカス信号ビーム、パターン認識信号ビーム、または両者の組み合わせが、対物レンズから出射する前に収集ビームから抽出される。

別の態様において、分光ビームプロファイル計測システムのスペクトル成分を検出するために、ハイパースペクトル検出器が用いられる。

上記は要約であり、したがって、簡略化、一般化、および詳細の省略を必然的に含む。結果として、当業者は、要約が単なる説明上のものであり、何らかの形で限定するものではないことを理解するであろう。本明細書に記載される装置および／またはプロセスの他の態様、発明上の特徴、ならびに利点は、本明細書で説明される非限定的な詳細な記述で明らかになるであろう。

試験片の特徴を、本明細書で提示される例示的方法に従って測定するための分光ビームプロファイル計測システム１００の一実施形態を示す図である。 試験片の特徴を、本明細書で提示される例示的方法に従って測定するための分光ビームプロファイル計測システム２００の別の実施形態を示す図である。 試験片の特徴を、本明細書で提示される例示的方法に従って測定するための分光ビームプロファイル計測システム３００の別の実施形態を示す図である。 試験片の特徴を、本明細書で提示される例示的方法に従って測定するための分光ビームプロファイル計測システム４００の別の実施形態を示す図である。 試験片の特徴を、本明細書で提示される例示的方法に従って測定するための分光ビームプロファイル計測システム５００の別の実施形態を示す図である。 試験片の特徴を、本明細書で提示される例示的方法に従って測定するための分光ビームプロファイル計測システム６００の別の実施形態を示す図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおいてビーム結合素子として用いられる二つ折りミラー１５０を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおいてビーム結合素子として用いられる二つ折りミラー１５０を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおいてビーム結合素子として用いられる二つ折りミラー１５０を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおいてビーム結合素子として用いられる４セル折り畳みミラー１５５を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおいてビーム結合素子として用いられる４セル折り畳みミラー１５５を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおいてビーム結合素子として用いられる４セル折り畳みミラー１５５を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおいてビーム結合素子として用いられるナローライン形状ミラー１６０を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおいてビーム結合素子として用いられるナローライン形状ミラー１６０を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおいてビーム結合素子として用いられるナローライン形状ミラー１６０を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおけるビーム結合素子としての十字型ナローミラー１６５を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおけるビーム結合素子としての十字型ナローミラー１６５を描写する図である。 本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムにおけるビーム結合素子としての十字型ナローミラー１６５を描写する図である。 ３つの例示的測定要素それぞれに関する照明および収集アパーチャ選択を描写する図である。 ３つの例示的測定要素それぞれに関する照明および収集アパーチャ選択を描写する図である。 ３つの例示的測定要素それぞれに関する照明および収集アパーチャ選択を描写する図である。 ３つの異なる方位角選択それぞれに関連するビーム強度プロファイルを描写する図である。 ３つの異なる方位角選択それぞれに関連するビーム強度プロファイルを描写する図である。 ３つの異なる方位角選択それぞれに関連するビーム強度プロファイルを描写する図である。 ２つの異なる方位角選択および１つのＡＯＩ選択に関連するビーム強度プロファイルを描写する図である。 ２つの異なる方位角選択および１つのＡＯＩ選択に関連するビーム強度プロファイルを描写する図である。 試料からゼロ次数回折光を収集するようにＡＯＩ範囲を限定する、２つの異なる照明アポダイザおよび収集アパーチャ選択に関連するビーム強度プロファイルを描写する図である。 試料からゼロ次数回折光を収集するようにＡＯＩ範囲を限定する、２つの異なる照明アポダイザおよび収集アパーチャ選択に関連するビーム強度プロファイルを描写する図である。 照明経路に配置された走査ミラー１４３の配向の変化による分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルのシフトを示す図である。 試験片上に配置された例示的４セルオーバーレイターゲット２１０を示す図である。 ナローライン形状照明ビームによってｘ方向に照明されたオーバーレイ計測ターゲットのセルを描写する図である。 入射角に従って１つの方向に、また、波長に従ってもう１つの方向に分散された入射第１次数回折光を描写する図である。 入射角に従って１つの方向に、また、波長に従ってもう１つの方向に分散されたゼロ次数回折光を描写する図である。 入射角に従って１つの方向に、また、波長に従ってもう１つの方向に分散された入射ゼロ次数回折光および第１次数回折光を描写する図である。 ナローライン形状照明ビームによってｙ方向に照明されたオーバーレイ計測ターゲットのセルを描写する図である。 入射角に従って１つの方向に、また、波長に従ってもう１つの方向に分散された入射第１次数回折光を描写する図である。 入射角に従って１つの方向に、また、波長に従ってもう１つの方向に分散されたゼロ次数回折光を描写する図である。 図１５でそれぞれ説明された計測システム１００，２００，３００，４００および５００等の分光ビームプロファイル計測システムによる実装に適した方法７００を説明するフローチャートである。

ここで本発明の背景例およびいくつかの実施形態が詳細に参照され、それらの実施例は付属の図面で説明される。

分光ビームプロファイル計測でのオーバーレイ測定のための方法およびシステムが本明細書で提示される。分光ビームプロファイル計測システムのいくつかの実施形態は、説明の目的で本明細書に提示されている。これらの実施形態において、オーバーレイ測定信号は、広い波長範囲と広い入射角範囲にわたり同時に検出される。オーバーレイ信号を広い波長範囲と入射角で同時に取得することによって、特定の測定用途それぞれに関して最適な波長およびＡＯＩ範囲が迅速に特定され得る。それに加えて、１以上の広帯域照明源が、一定範囲の波長にわたり同時に照明を提供するために用いられ得る。

格子測定は、オーバーレイの測定に特に関係する。オーバーレイ計測の目的は、異なるリソグラフィーの露光ステップ間のシフトを決定することである。オーバーレイ計測をオンデバイスで実行することは、オンデバイス構造の小さいサイズ故に、また、典型的には、小さいオーバーレイ値故に困難である。

例えば、典型的なスクライブラインオーバーレイ計測ターゲットのピッチは、２００ナノメートルから２０００ナノメートルまで変動し得る。しかし、オンデバイスのオーバーレイ計測構造のピッチは典型的には１００ナノメートル以下である。それに加えて、公称製造環境において、デバイスオーバーレイは、装置構造の周期性の極く一部に過ぎない。対照的に、光散乱計測オーバーレイで用いられるプロキシ計測構造は、オーバーレイに対する信号感度を増強するために、多くの場合例えばピッチの四分の一等のより大きな値で偏位している。本明細書に記載される方法およびシステムは、オーバーレイに感応する測定信号を、オンデバイス構造、プロキシ構造、またはその両方に基づいて取得するために用いられ得る。

一態様において、分光ビームプロファイル計測システムは、コリメートされた光ビームを多波長で放射する光源を含む。ビーム成形光学素子は、コリメートされた光ビームを、ナローラインビーム光をオーバーレイ計測ターゲットの表面に投影する高開口数（ＮＡ）対物レンズを通過するナローラインビーム光（例えば、シート状断面の）に再成形する。ナロー光ビームは、被測定オーバーレイ計測ターゲットの格子方向に、広範囲の入射角にわたって揃う。

いくつかの例において、分光ビームプロファイル計測システムは、分光ビームプロファイル反射率計（ＢＰＲ）システムである。これらの例において、各ピクセルで検出される測定信号は、特定のＡＯＩおよび特定の波長に関する反射率信号を表す。

図１は、本明細書で提示される例示的方法による、オーバーレイを測定するためのシステム１００を説明する。図１に示すように、システム１００は、試験片１１２上に配置されたオーバーレイターゲットの瞳測定を実行するために用いられてよい。瞳測定は、二次元検出器にわたり分散された波長情報とＡＯＩ情報の両方を含む。この態様において、システム１００は、分光ビームプロファイル反射率計（ＢＰＲ）として構成されてよい。システム１００は、多波長照明源１０１と、ビーム成形光学素子１０７と、高開口数（ＮＡ）対物レンズ１１１（例えば、ＮＡ＞０．７）、波長分散素子１１７（オプション）、および二次元検出器１１８を含む。検出器１１８は、試験片１１２からＡＯＩの範囲と波長の範囲にわたる反射率信号を同時に取得する。反射率信号１３５は、オーバーレイ値を概算するためにコンピューティングシステム１３０によって処理される。

図１に描写されるように、システム１００は、多波長を有する所定量の照明光１１９を生成する照明源１０１を含む。いくつかの実施形態において、照明源１０１は、アークランプ（例えば、キセノンランプ）、レーザー駆動光源、多波長レーザー、スーパーコンティニュームレーザー等の広帯域照明源である。いくつかの他の実施形態において、照明源１０１は、多数の単波長レーザー、チューナブルな狭帯域レーザー等の多数の狭帯域光源を組み合わせる。いくつかの実施形態において、照明源１０１は、広帯域照明源と狭帯域照明源の組み合わせを含む。いくつかの実施形態において、照明源１０１は、深紫外、紫外、可視、近赤外および赤外スペクトルにわたって光を放射する多数の光源を含む。多数の光源は、１以上のスライド式ミラー、ビームスプリッタ、または任意のその他の適切な構成によって結合されてよい。一般に、照明源１０１は、照明の任意の組み合わせを含んでよい。一例において、照明源１０１は、１００ナノメートルから２，５００ナノメートルの間の波長範囲にわたる１以上の光源を含む。

図１に描写されるように、多波長照明光１１９は、コリメーション光学素子１０２を通過する。コリメーション光学素子１０２は多波長照明光１１９をコリメートする。コリメーション光学素子１０２は、レンズコンポーネント、ミラーコンポーネントまたは両方の組み合わせを含む。一実施形態において、多波長照明光１１９は、軸外し放物面ミラー（ＯＡＰ）によってコリメートされて、コリメートされた円形ビームになる。いくつかの例において、コリメーション光学素子１０２は、照明ＮＡを調節するように構成される。

図１に描写されるように、コリメーション光学素子１０２によってコリメートされた多波長照明光は１以上のカラーフィルタ１０３を通過する。カラーフィルタ１０３は、測定のために、１以上の照明波長（複数可）と、対応する波長範囲（複数可）を選択し、不要な波長を吸収または消散する。１以上のカラーフィルタ１０３は、１以上の光学フィルタ、１以上のカラーフィルタホイール、１以上のリニア可変エッジフィルタ等を含んでよい。１以上のカラーフィルタ１０３は、１以上のロングパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ等を含んでよい。一般に、１つの所与の測定用途に対して適切な１以上の波長範囲を選択することが有益である。

図１の描写ではシステム１００は１以上のカラーフィルタ１０３を含むが、いくつかの他の実施形態において、カラーフィルタは用いられなくてもよい。したがって、一般に、カラーフィルタの使用は任意選択的である。

図１に描写されるように、多波長照明光１１９は、照明経路内に、対物レンズ１１１以前に配置されたビーム成形光学素子１０７を透過する。ビーム成形光学素子１０７は、入射ビームを、ナローライン形状に再成形するように構成される。一般に、多波長照明光１１９は二次元強度断面を有する。図１に描写されるように、多波長照明ビームは円形の強度断面１０７Ａを有する。ビーム成形光学素子１０７と相互作用した後で、多波長照明ビームは、ほぼ一次元である（すなわち、実質的に一次元に延在し、垂直な次元には実質的に延在しない）ナローライン強度断面１０７Ｂを有する。ビーム成形光学素子１０７がなければ、照明光ビーム１１９は、空間的に分離された方位およびＡＯＩ成分で試験片１１２上に投影されることになる。しかしながら、ビーム成形光学素子１０７によって再成形された後では、ＡＯＩ成分がライン１０７Ｂに沿った方向に保持される一方で、方位成分はライン１０７Ｂにわたる方向に畳み込まれて（ｃｏｌｌａｐｓｅｄ）有効に単一の方位値となる。方位情報は失われるが、これは、本明細書において以後さらに詳細に記載される波長情報の検出を可能にする。

ビーム成形光学素子１０７は、僅かな光損失をもって多波長照明ビームを円形形状からライン形状に再成形する。こうして、分光ＢＰＲシステムは非常に高い光効率を有する。これは、取得時間が非常に短いオーバーレイの測定を可能にする。

一実施形態において、入射ビームをナローライン形状に成形するために、一対の円筒形ミラーが用いられる。別の実施形態において、入射ビームをナローライン形状に成形するために、円筒形レンズ、空間光変調器（ＳＬＭ）、回折光学素子、スリット、またはスリット群、２以上の変形可能なミラー、またはその他の適切な素子が用いられる。いくつかの実施形態において、ナローライン形状ビームを試料表面に沿って動かすために、ピエゾ駆動ミラーが照明経路内に配置される。

一般に、入射ビームは任意のほぼ一次元形状に成形され得る。ターゲットフィーチャ、システム収差（標準型またはフィールドに依存した）、ウェハ形状等の特定の測定用途因子によって、ドット、弧、曲線または、本明細書に記載される方法およびシステムに則した角度およびスペクトル情報の同時の収集を可能にする任意のその他の適切な形状が想定されてよい。

ビーム成形光学素子１０７による再成形後に、ナローライン照明ビームは照明ビームスプリッタ１０９に向けられる。照明ビームスプリッタ１０９は、限定はしないが、立方体ビームスプリッタ、金属コーティングプレート、ダイクロイック光学コーティングプレートまたはその他のビーム分割機構を含む任意の適切なビーム分割素子を含んでよい。照明ビームスプリッタ１０９は、コリメートされたナローライン照明の一部分を対物レンズ１１１に向け、また、別の部分を強度モニタ１１０に向ける。いくつかの実施形態において、強度モニタ１１０はコンピューティングシステム１３０に通信可能に結合されて、全体的な照明強度、照明強度プロファイルまたはそれら両方をコンピューティングシステム１３０に供給する。対物レンズ１１１は、コリメートされたナローライン照明を、試験片１１２の表面に、広範囲の入射角にわたって向ける。試験片１１２の表面から反射、回折、散乱された光は、対物レンズ１１１によって収集される。

好ましい実施形態において、対物レンズ１１１は、本明細書に記載される分光ＢＰＲシステムによって潜在的に用いられる波長の範囲に適合するために、反射型光学表面のみを含む。いくつかの例において、反射対物レンズが用いられる。そのような対物レンズは高ＮＡ（例えば、ＮＡ＞０．９）が可能である。

いくつかの実施形態において、対物レンズ１１１の設計は実質的に一次元ビーム向けに最適化されてよいが、それは、図１に記載されたように、対物レンズ１１１に入射する照明ビームの強度断面が実質的に一次元である（例えば、ナローライン形状）からである。

いくつかの実施形態において、１つの可動ステージ（例えば、電動対物レンズタレットまたは電動リニア対物レンズチェンジャー）上に多数の対物レンズが配置されている。このようにして、特定の対物レンズの選択は、例えば、コンピューティングシステム１３０によってプログラム可能に制御されてよい。このようにして、異なる対物レンズが、異なる測定用途に対する最適な波長範囲とＮＡ範囲を提供するために利用可能となり得る。

一般に、高ＮＡ対物レンズ１１１は、反射（すなわち、全反射型表面）、反射屈折（すなわち、反射型と屈折表面両方の組み合わせ）または屈折光学（すなわち、全屈折表面）であってよい。

図１４は、試験片１１２上に配置された例示的４セルオーバーレイターゲット２１０を説明する。オーバーレイターゲット２１０は、４セル２１１Ａ−Ｄを含む。各セルは、一つの次元において別の格子構造から偏位した格子構造を含む。２つの格子構造は、既知のプログラムされた偏位と、一方向への未知のオーバーレイ偏位分、互いから偏位した名目上同じ構造である。例えば、セル２１１Ａは、ｘ方向に、プログラムされた偏位ｆ_ｘだけ、また、未知のオーバーレイ偏位ＯＶＬ_ｘだけ互いから偏位した２つの格子構造を含む。同様に、セル２１１Ｄは、ｘ方向に、反対側に、プログラムされた偏位−ｆ_ｘだけ、また、同方向に、未知のオーバーレイ偏位ＯＶＬ_ｘだけ互いから偏位した２つの格子構造を含む。セル２１１Ａおよび２１１Ｄから収集された測定データを比較することにより、プログラムされた偏位の効果が相殺され、ｘ方向における未知のオーバーレイ値を露呈する。

同様に、セル２１１Ｂは、ｙ方向にプログラムされた偏位ｆ_ｙだけ、また、未知のオーバーレイ偏位ＯＶＬ_ｙだけ互いから偏位した２つの格子構造を含む。同様に、セル２１１Ｃは、ｙ方向に、反対側に、プログラムされた偏位−ｆ_ｙだけ、また、同方向に、未知のオーバーレイ偏位ＯＶＬ_ｙだけ互いから偏位した２つの格子構造を含む。セル２１１Ｂおよび２１１Ｃから収集された測定データを比較することにより、プログラムされた偏位の効果が相殺され、ｘ方向における未知のオーバーレイ値を露呈する。

一態様において、ナローライン形状の照明光ビームは、ナローライン形状ビームの方向が、特定の被測定計測ターゲットの格子方向と揃うように、計測ターゲット上に投影される。

図１５は、ビーム成形光学素子１０７によって生成されて、対物レンズ１１１によってセル２１１Ｃ上に投影されるナローライン形状ビーム２１５によって照明されるセル２１１Ｃを描写する。図１５に描写されるように、ナローライン形状ビーム２１５は試験片１１２の表面で対物レンズ瞳２１６内にあり、セル２１１Ｃの格子構造の範囲の方向（すなわち、ｘ方向）に対して平行な方向に延在する。例えば、格子構造はｘ方向に延在する周期的なラインアンドスペースを含んでよい。

図１に描写されるように、対物レンズ１１１によって収集された光は、瞳検出経路を介して二次元検出器１１８に向けられる。いくつかの実施形態において、検出器１１８は二次元電荷結合素子（２Ｄ−ＣＣＤ）である。いくつかの他の実施形態において、検出器１１８は二次元または三次元相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）センサである。一般に、検出器１１８は、二次元のアレイになった、個別にアドレス可能なピクセルまたはその他の光学的感応素子を有する任意の検出器であってよい。このようにして、ＡＯＩと波長情報の両方が個別にシステム１００によって分解される。

図１に描写された実施形態において、瞳検出経路は、収集光を波長分散素子１１７に向ける瞳リレー光学素子１１６を含む。波長分散素子１１７は収集光を二次元検出器１１８の一つの次元にわたり、波長に従って分散させる。波長分散素子１１７は、二次元検出器１１８の表面上の波長分散の方向が、ＡＯＩによる収集光の分散の方向に対して垂直になるように配向される。このようにして、二次元検出器は角度信号情報（例えば、入射角）とスペクトル情報の両方を同時に検出する。

一実施形態において、検出器１１８の１つの次元は、ナローラインビームの投影の方向に揃っている。この次元において（すなわち、ラインビーム方向に対して平行な方向）、ナローラインビームは入射角（ＡＯＩ）の関数として検出器１１８上に分散される。波長分散素子１１７は、波長分散の方向が、ナローラインビームに対して垂直となるように配向される。こうして、ナローラインビームは、二次元検出器の第２の、直交する次元に、波長の関数として検出器上に分散される。その結果、検出器１１８の各ピクセルで検出される測定信号は、特定のＡＯＩと特定の波長に関する光散乱計測信号を表す。

反射格子は、広い波長範囲には好ましい。格子密度は、測定用途のための波長分解能を達成するために選択される。例えば、紫外線スペクトルにおいて高い波長分解能が必要とされる場合、高密度反射格子またはプリズムが好まれる。一般に、波長分散素子１１７は、少なくとも１つの湾曲回折格子、平面回折格子、ホログラフィープレート、プリズムまたは、収集光を波長に従って空間的に分散するために適切な任意のその他の素子を含んでよい。

いくつかの実施形態において、オーバーレイターゲット自体が、入射光を波長（すなわち、エネルギー）に従って分散し、分散光は、波長分散素子１１７を用いずに、分光ビームプロファイル計測システム１００の二次元検出器１１８によって収集され検出される。一実施形態において、検出器の１つの次元はラインビーム方向に揃っている。この次元において（すなわち、ラインビーム方向に対して平行な方向）、ナローラインビームは検出器上に、入射角（ＡＯＩ）の関数として分散される。二次元検出器の第２の直交する次元において、ナローラインビームは、検出器上に波長の関数として分散される。こうして、各ピクセルにおいて検出される測定信号は、特定のＡＯＩおよび特定の波長に関する光散乱信号を表す。

別の態様において、オーバーレイターゲットの分光ビームプロファイル測定は、オーバーレイターゲットから、０回折次数、＋１および−１回折次数、またはそれらの組み合わせで回折された検出光に基づいて実行される。

ほとんどのオーバーレイ測定ターゲット（例えば、ＳＣＯＬターゲット）は二次元格子構造として設計されているため、オーバーレイターゲット自体が分光ＢＰＲシステム１００の波長分散素子として働く。例えば図１５に描写されるような、計測ターゲットに入射するナローライン形状ビームはゼロ次数およびより高次数の回折光を生成する。式（１）が満たされると、より高次数のビームが高ＮＡ対物レンズ１１１によって収集される。式（１）に関して、ＮＡは対物レンズの開口数であり、ｍは回折次数の数であり、λは照明波長であり、ｄはオーバーレイターゲットピッチ値である。
ＮＡ＞ｍλ／ｄ （１）

一例において、対物レンズ１１１の開口数は０．９３であり、最小照明波長は４００ナノメートルに選択される。この例において、対物レンズ１１１が＋１および−１回折次数で回折された光を収集することを確実にするために、オーバーレイターゲットピッチは少なくとも４３１ナノメートルでなければならない。

いくつかの実施形態において、ＳＣＯＬターゲットの分光ビームプロファイル測定は、第１次数回折光（例えば、＋１および−１回折次数）に基づく。これらの実施形態のうちいくつかにおいて、ＳＣＯＬターゲットは分散素子として働き、＋１および−１回折次数信号が、入射角（ＡＯＩ）および波長ドメインの両方におけるオーバーレイ情報を同時に記録する二次元検出器によって取得される。一般に、＋１／−１回折次数に基づく光オーバーレイ測定が、２０ナノメートル半導体製作ノード向けのピッチデザインルールに囚われない比較的大きなピッチ値（例えば、４００ナノメートルを超える）を有するＳＣＯＬターゲットに適切である。

図１５を参照して説明したように、オーバーレイターゲット２１０のセル２１１Ｃの格子ラインは、ウェハ表面上に投影される照明ラインに対して平行である。図１６は、検出器１１８の光検出面２２０を描写する。図１６には、検出器での対物レンズ瞳領域の投影についても説明されている。図１６に描写されるように、オーバーレイターゲットから反射された＋／−１回折次数信号は、格子ラインに対して垂直な方向に波長分散され、ＡＯＩに従って格子ラインに対して平行な方向に分散される。格子ターゲット２１１Ｃから対物レンズ瞳領域２２１の外部に回折された光（すなわち、より大きなＡＯＩおよび波長値）は、対物レンズによって収集されない。

図１６に描写されるように、一例において、大きなピッチの格子（例えば、４５０ナノメートルを超えるピッチ）が本明細書に記載されるように測定される。検出器で取得された信号は、０度から６５度の間のＡＯＩの範囲および３６０ナノメートルから７２０ナノメートルの間の波長の範囲にわたる＋１次数と−１次数の両方のＳＣＯＬセル反射率を含む。さらに、ゼロ次数信号は付加的な波長分散素子によって分散されない。したがって、ゼロ次数信号は、反射光のナローライン形状ビームとして検出器１１８の表面２２０上に投影される。

図１６に描写された実施形態において、ゼロ次数光および＋１／−１次数光の両方が検出され、オーバーレイ値を概算するための分析に利用可能となる。しかしながら、いくつかの実施形態において、ゼロ次数光は、検出器１１８の飽和を防止するためにアパーチャによりブロックされる。これらの実施形態において、＋１／−１次数光のみが、オーバーレイ値を概算するための分析に利用可能である。

いくつかの実施形態において、オーバーレイターゲットの分光ビームプロファイル測定は、収集経路に配置された分散素子によって波長（すなわち、エネルギー）分散されたゼロ次数回折光に基づく。分散されたゼロ次数信号は、オーバーレイ情報を入射角（ＡＯＩ）と波長ドメインの両方で同時に記録する二次元検出器によって取得される。

可視波長光源（例えば、４００ナノメートルから８００ナノメートル）を用いる場合、＋１／−１回折次数で回折された光は、小さい格子ピッチ（例えば、２００ナノメートル未満）を有するオーバーレイターゲット向けの実用対物レンズによってはキャプチャされ得ない。したがって、これらの小さいピッチ格子構造に関しては、ゼロ次数光のみが収集される。

一般に、ゼロ次数の光のみに基づくオーバーレイ測定は、２０ナノメートル半導体製作ノードのピッチデザインルールに囚われる小さいピッチ値（例えば、２００ナノメートル未満）を有するＳＣＯＬターゲットに適切である。

これらの例において、波長分散素子１１７等の波長分散素子が、ライン形状ビームを、ライン形状に対して垂直な方向に分散させるために収集経路内で用いられる。分散光は二次元検出器１１８によって収集される。各ピクセルで検出された信号は、各特定の波長およびＡＯＩでのゼロ次数光の反射率を示す。図１７に描写されるように、ゼロ次数光が、０度から６５度の間の入射角の範囲および３６０ナノメートルから９００ナノメートルの間の波長の範囲にわたり収集される。

いくつかの実施形態において、オーバーレイターゲットの分光ビームプロファイル測定は、収集経路に配置された分散素子によって波長（すなわち、エネルギー）分散されたゼロ次数回折光、および第１次数回折光（例えば、＋１および−１回折次数）に基づく。図１８に描写されるように、オーバーレイターゲット２１０のセル２１１Ｃから反射された＋／−１回折次数信号は、検出器１１８の表面２２０への、格子ラインの投影方向に対して平行な方向に、ＡＯＩに従って分散される。オーバーレイターゲット２１０のセル２１１Ｃから反射された＋／−１回折次数信号も、ＡＯＩの分散方向に対して垂直な方向の波長に従って分散される。さらに、オーバーレイターゲット２１０のセル２１１Ｃからの０次数信号は、＋１／−１回折次数信号とは異なる、検出器１１８の表面２２０の領域に投影される。図１９に描写されるように、オーバーレイターゲット２１０のセル２１１Ｃから反射された０回折次数信号は、検出器１１８の表面２２０上に、格子ラインの投影方向に対して平行な方向に、ＡＯＩに従って分散される。オーバーレイターゲット２１０のセル２１１Ｃから反射された０回折次数信号はさらに、ＡＯＩの分散方向に対して垂直な方向の波長に従って分散される。このようにして、ゼロ次数回折光および＋１／−１回折次数光の両方が、オーバーレイ情報を入射角（（ＡＯＩ）と波長ドメインの両方で同時に記録する二次元検出器によって取得される。

いくつかの実施形態において、分散されたゼロ次数ビームは検出器の中央部をフィルし、＋／−１次数信号を正規化するために用いられる。いくつかの実施形態において、分散された０次数ビームは検出器の中央部をフィルし、ＳＣＯＬターゲットのセルの構造的品質を評価するために用いられる。

以前に説明したように、分光ビームプロファイル計測システムは、被測定オーバーレイターゲットから回折された光を分散するために、収集経路内に検出器以前に波長（すなわち、エネルギー）分散素子を含んでよい。一般に、波長分散素子は、オーバーレイターゲットから反射された０次数ビーム、＋１／−１回折次数ビーム、またはそれらの組み合わせを分散するために分光ビームプロファイル計測システムによって用いられてよい。波長分散素子は、検出される波長の分解能を増加させるために用いられる。いくつかの例において、オーバーレイターゲット自体が＋１／−１回折次数での何らかの波長分散を提供する。しかしながら、これらの例において、ビームが検出器に到達する前に波長に従って信号をさらに分散するために、収集経路内に波長分散素子を用いることが有益であり得る。

さらなる態様において、ＳＣＯＬセルピッチ値に基づいて所望の照明波長範囲を選択するために、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタまたは光学フィルタの任意の適切な組み合わせが、分光ビームプロファイル計測システムの照明ビーム経路内に選択可能に配置される。一般に、照明波長範囲は、回折された＋１／−１回折次数信号の十分な波長範囲を確実にして、検出器への異なる回折次数の重複を回避するために選択される。

もう１つのさらなる態様において、ソーティングフィルタ、ホットミラー、コールドミラーまたは光学フィルタの任意の適切な組み合わせが、検出器への異なる回折次数の重複を回避するために、分光ビームプロファイル計測システムの収集ビーム経路内に選択可能に配置される。

いくつかの例において、ＳＣＯＬターゲットの格子ピッチは９００ナノメートルであり、利用可能な広帯域照明は２４０ナノメートルから１０００ナノメートルの範囲の波長を含む。ＳＣＯＬオーバーレイ感度分析に基づき、分光ＢＰＲ測定データを３５０ナノメートルから８２０ナノメートルの間の波長範囲にわたり収集することが望ましい。

一例において、３５０ナノメートルでの二次回折次数ビームが７０１ナノメートルでの一次回折次数ビームと重複することを避けるために、照明フィルタが用いられる。この例において、３５０ナノメートルから７００ナノメートルの間の波長を有する照明光を選択するために、照明経路内にバンドパスフィルタが配置される。オーバーレイターゲットがこの光で照明されている間に、検出器は回折された信号の第１のイメージを収集する。第１のイメージが収集された後で、照明バンドパスフィルタは４１０ナノメートルから８２０ナノメートルの間の波長を有する照明光を選択するように構成される。オーバーレイターゲットがこの光で照明されている間に、検出器は回折された信号の第２のイメージを収集する。オーバーレイ計算アルゴリズムが、両方のイメージから測定された信号に基づいてオーバーレイ値を概算するために用いられる。

別の例において、３５０ナノメートルでの二次回折次数ビームが７０１ナノメートルでの一次回折次数ビームと重複することを避けるために、照明フィルタと収集フィルタの両方が用いられる。この例において、３５０ナノメートルから８２０ナノメートルの間の波長を有する照明光を選択するために、照明経路内にバンドパスフィルタが配置される。それに加えて、ソーティングフィルタも収集経路内に配置される。この例において、収集されたイメージデータは３５０ナノメートルから８２０ナノメートルの間の連続した波長範囲を有し、検出器上で第２次数回折光が第１次数回折光に重複していない。

図１４に説明されるように、オーバーレイターゲット２１０は、ｘ方向に延在する格子構造（例えば、ｘ方向に延在する周期的なラインアンドスペース）を有する２つのセル（２１１Ｂおよび２１１Ｃ）と、ｙ方向に延在する格子ピッチ（例えば、ｙ方向に延在するラインアンドスペース）を有する２つのセル（２１１Ａおよび２１１Ｄ）を含む。もう１つのさらなる態様において、オーバーレイターゲット２１０等のオーバーレイターゲットが、ナローライン形状の照明ビームを９０度回転させることによって２つの直交する方向で測定される。波長分散素子が用いられる場合、波長分散素子も回転されるか、または、波長分散の方向を、検出器に投影されるときに９０度回転させるために、回転または他の方式で移動もしくは置換される。

図１９は、ビーム成形光学素子１０７によって生成されて、対物レンズ１１１によってセル２１１Ａ上に投影されたナローライン形状ビーム２１５によって照明されるセル２１１Ａを描写する。図１９に描写されるように、ナローライン形状ビーム２１５は試験片１１２の表面の対物レンズ瞳２１６内にあり、ナローライン形状ビーム２１５の方向は、セル２１１Ａの格子構造の範囲の方向（すなわち、ｙ方向）に揃っている。

いくつかの実施形態において、ビーム成形光学素子１０７は、円筒形レンズまたはミラー群を含み、円筒形レンズまたはミラー群は、試験片１２２へのナローライン形状ビーム２１５の投影を９０度有効に回転させるために、９０度回転される。このようにして、試験片１１２を回転させることを要さずに、ｘおよびｙのＳＣＯＬターゲット両方が測定される。

いくつかの実施形態において、円筒形レンズまたはミラー群および分散素子は、ナローライン形状ビームを９０度回転させるために回転式モータまたはスライダまたはステージ上に搭載される。

図２０は、検出器１１８の光検出面２２０を描写する。検出器での対物レンズ瞳領域２２１の投影も図２０に説明される。図２０に描写されるように、セル２１１Ａから反射された＋／−１回折次数信号は検出器１１８への格子ラインの投影に対して垂直な方向に波長分散され、格子ラインに対して平行な方向に、ＡＯＩに従って分散される。格子ターゲット２１１Ａから対物レンズ瞳領域２２１の外部に回折された光（すなわち、より大きなＡＯＩおよび波長値）は対物レンズによって収集されない。

同様に、図２１に描写されるように、セル２１１Ａから反射されたゼロ次数回折信号は、検出器１１８への格子ラインの投影に対して垂直な方向に波長分散され、格子ラインに対して平行な方向に、ＡＯＩに従って分散される。図２１に描写されるように、ゼロ度から６５度の間の入射角範囲、また、３６０ナノメートルから９００ナノメートルの波長範囲にわたり、ゼロ次数回折光が収集される。

一実施形態において、コンピューティングシステム１３０は、オーバーレイパラメータの概算を、回帰分析での分光ＢＰＲ信号１３５に基づいて算定する。

この例において、オーバーレイ測定モデルは、オーバーレイ偏位に関するオーバーレイ計測ターゲットのパラメータ化を含む。それに加えて、オーバーレイ測定モデルは、測定ツール自体のパラメータ化（例えば、波長、入射角、偏光角等）を含む。それに加えて、過度に大きなエラーを招くことを避けるために、シミュレーション近似（例えば、スラビング、厳密結合波分析（ＲＣＷＡ）等）が入念に実行される。離散化とＲＣＷＡパラメータが定義される。

機械パラメータ（Ｐ_{ｍａｃｈｉｎｅ}）は、計測ツール自体を特性評価するために用いられるパラメータである。例示的機械パラメータは、入射角（ＡＯＩ）、分析器角（ＡＯ）、偏光子角（ＰＯ）、照明波長、開口数（ＮＡ）等を含む。試験片パラメータ（Ｐ_{ｓｐｅｃｉｍｅｎ}）は、試験片の形状特性および材料特性を特性評価するために用いられるパラメータである。

測定目的のため、オーバーレイ測定モデルの機械パラメータは、既知の固定されたパラメータとして取り扱われ、オーバーレイ測定モデルの試験片パラメータ、または試験片パラメータのサブセットは、未知の浮動パラメータとして取り扱われる。浮動パラメータは、理論的予測と測定データの間のベストフィットをもたらすフィッティングプロセス（例えば、回帰、ライブラリマッチング等）によって決定される。未知の試験片パラメータ、Ｐ_{ｓｐｅｃｉｍｅｎ}は変動し、モデル出力値は、モデル出力値と測定値の間の厳密な一致をもたらす一組の試験片パラメータ値が求められるまで計算される。

さらなる態様において、分光ビームプロファイル計測システムは、オーバーレイ測定の確度と精度を改善するために、取得された波長と入射角のサブセットを選択するように構成される。適正な波長およびＡＯＩ範囲は、プロセス変動により、サイト毎に変わり得る。

もう１つのさらなる態様において、分光ビームプロファイル計測システムは、オーバーレイ測定の確度と精度を改善するために、取得された波長と入射角を重み付けするように構成される。

従来、信号選択と重み付けはＡＯＩのみに基づくが、本明細書に記載される信号選択と重み付けは、同時に収集されたＡＯＩおよび波長データ両方に基づくものである。

もう１つのさらなる態様において、訓練された（ｔｒａｉｎｄ）ＳＲＭ（信号応答計測）モデルまたはＳＰＩ（単一パラメータアイソレーション）モデルが、オーバーレイ値を求めるために、取得された測定信号に適用される。ＳＲＭおよびＳＰＩモデルは、オーバーレイ基準データに基づいて訓練される。

いくつかの他の実施形態において、システムの瞳内により高い次数（すなわち、ゼロとは異なる任意の次数）を含めるために、ソリッドイマージョン技法が用いられてもよい。このようにして、大きな収集ＮＡがないシステムであっても、同じ検出器を用いてゼロ次数回折光とより高い次数の回折光を検出してもよい。

さらなる態様において、信号を同時にまたは逐次検出するために収集経路内に２以上の検出器が用いられる。いくつかの実施形態において、各検出器は、異なる波長範囲を同時に検出するように構成される。これは、単一の検出器では全波長範囲にわたり十分な確度での測定ができない広い波長範囲にわたる測定のために有益であり得る。例えば、１つの検出器は紫外から可視範囲に最適化されるのに対し、もう１つの検出器は赤外範囲に最適化される。これらの検出器が相まって、広範なスペクトル範囲にわたる測定信号を生成可能である。一例において、１９０から２，３００ナノメートルの波長範囲の測定が望まれる。この例において、裏面入射型ＣＣＤイメージセンサ（例えば、日本の浜松コーポレイション（Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製の裏面入射型ＣＣＤイメージセンサモデルナンバーＳ１０４２０）が、１９０から１，０００ナノメートルの間の波長範囲内で測定を実行するために用いられる。それに加えて、フォトダイオードアレイ（例えば、日本の浜松コーポレイション製のＩｎＧａＡｓリニアイメージセンサモデルナンバーＧ９２０７−２５６Ｗ）が、９５０から２，３００ナノメートルの間の波長範囲内で測定を実行するために用いられる。

いくつかの実施形態において、カスケード接続分光器設計が、異なる波長範囲にわたって測定信号を同時に検出するために用いられる。高次数信号と低次数信号の間のスペクトル分離を提供するためにソーティングフィルタが用いられてもよい。一実施形態において、波長範囲分離はホットミラーまたはコールドミラーによって達成される。別の実施形態では、波長範囲分離は、ケーエルエーテンカーコーポレイション（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に譲渡された米国特許第８，８７３，０５０号に記載される、波長分離と信号検出向けに設計されたカスケード接続紫外＋赤外分光器設計を用いて達成され、その特許の主題は参照により全体が本明細書に組み込まれる。

もう１つのさらなる態様において、１以上の照明アパーチャが、ナローライン形状の照明光ビームの強度プロファイルを減衰させるために分光ビームプロファイル計測システムの照明経路に配置されている。これは、より小さいフィーチャが測定され得るように、より小さい測定ボックスサイズを可能にする。いくつかの実施形態において、測定スポットサイズを縮小するために、１以上のアポダイザまたはスリットが照明経路内に配置されている。いくつかの実施形態において、アポダイザまたはスリットは、測定ＡＯＩの範囲を限定するために照明経路内に配置されている。

図１に描写されるように、多波長照明光１１９は、照明経路内にビーム成形光学素子１０７以前に配置された１以上の照明アパーチャ１０４を通過する。選択可能な照明アパーチャ１０４のアパーチャ（複数可）は、限定はしないが、機械的ピンホール、空間光変調器（ＳＬＭ）、アポダイザおよび任意のその他のビーム成形および制御コンポーネントまたはサブシステムを含む任意の適切なデバイスによって形成されてよい。

いくつかの実施形態において、ビームがビーム成形光学素子１０７によって実質的に再成形される前に、照明光ビームを減衰することによって測定スポットサイズを減少させるために、照明経路内に配置されたアポダイザが用いられる。これらの実施形態のうちいくつかにおいて、エッジ回折効果を減少させるために光強度プロファイルを減衰させるために、アポダイザ１０４が選択される。

いくつかの実施形態において、アポダイザ１０４は、照明ＮＡ範囲、したがって、利用可能なＡＯＩの範囲を制御するために選択される。図１２Ａに描写された一例において、被測定試験片１１２は、５００ナノメートルのピッチを有する格子構造を含む。照明光１１９は、１９０−２，５００ナノメートルの範囲の波長成分を含む。この例において、アポダイザ１０４は照明ＡＯＩの範囲を３２−６５度の範囲内に限定するように選択される。これは、この例におけるゼロ次数回折信号収集を可能にする。図１２Ａは、アポダイザ１０４との相互作用の前のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８８Ａを描写する。図１２Ａは、アポダイザ１０４との相互作用の後のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８８Ｂも描写している。図１２Ａに描写されるように、アポダイザ１０４は照明強度をビームの中心において大幅に減衰させることによって照明ＡＯＩの範囲を限定する（小さいＡＯＩ）。図１２Ａは、対物レンズ１１１に入射するときの照明ビームの強度断面１８８Ｃを描写する。図１２Ａに示すように、強度断面はアポダイザ１０４と、ビーム成形光学素子１０７による強度断面の「平坦化」の組み合わせによって影響される。図１２Ａは、検出器１１８への収集光の投影１８８Ｄを描写する。この例において、３２度未満のＡＯＩに関連する収集光ビームをブロックするために収集アパーチャ１１５が用いられる。これは、非ゼロ回折次数を有する収集光を有効にブロックする。その結果、検出器１１８はＡＯＩに関する光を３２−６５度の範囲内（すなわち、図１２Ａで説明されるＡＯＩ領域ＢおよびＢ’）で感知し、０から３２度のＡＯＩ範囲内（すなわち、図１２Ａで示されるＡＯＩ領域Ａ）の実質的な光を感知しない。

図１２Ｂに示される別の例において、アポダイザ１０４は、照明ＡＯＩの範囲を１５−６５度以内に限定するために選択される。これは、この例においてもゼロ次数回折信号収集を可能にする。図１２Ｂは、アポダイザ１０４との相互作用の前のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８９Ａを描写する。図１２Ｂは、アポダイザ１０４との相互作用の後のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８９Ｂも描写している。図１２Ｂに描写されるように、アポダイザ１０４は照明強度をビームの中心において大幅に減衰させることによって照明ＡＯＩの範囲を限定する（小さいＡＯＩ）。図１２Ｂは、対物レンズ１１１に入射するときの照明ビームの強度断面１８９Ｃを描写する。図１２Ｂは、検出器１１８への収集光の投影１８９Ｄを描写する。この例において、１５度未満のＡＯＩに関連する収集光ビームをブロックするために収集アパーチャ１１５が用いられる。これは、非ゼロ回折次数を有する収集光を有効にブロックする。その結果、検出器１１８はＡＯＩに関する光を１５−６５度の範囲内（すなわち、図１２Ｂで説明されるＡＯＩ領域ＤおよびＤ’）で感知し、０から１５度のＡＯＩ範囲内（すなわち、図１２Ｂで説明されるＡＯＩ領域Ｃ）の実質的な光を感知しない。

いくつかの実施形態において、照明アパーチャ１０４は単一のアパーチャ素子である。いくつかの他の実施形態において、照明アパーチャ１０４はアパーチャ素子のアレイである。いくつかの例において、１以上のアパーチャ素子は、単一運動自由度ステージまたは多運動自由度モーションステージ上に配置される。このようにして照明経路内の１以上のアパーチャ素子の存在または位置は、例えば、コンピューティングシステム１３０によってプログラム可能に制御されてよい。

図１の描写ではシステム１００は１以上の照明アパーチャ１０４を含むが、いくつかの他の実施形態において、照明アパーチャは照明経路内でビーム成形光学素子１０７以前に用いられなくてもよい。したがって一般に、照明アパーチャの使用は任意選択的である。

さらなる態様において、１以上の照明アパーチャが、照明経路内にビーム成形光学素子以降に配置されている。いくつかの実施形態において、照明アパーチャは測定スポットサイズを減少させるために照明経路内に配置されている。いくつかの実施形態において、照明アパーチャは測定ＡＯＩの範囲を限定するために照明経路内に配置されている。

図１に描写されるように、多波長照明光１１９は、照明経路内にビーム成形光学素子１０７以降に配置された１以上の照明アパーチャ１０８を通過する。照明光は、照明ビームスプリッタ１０９に到達する前に１以上の選択可能な照明アパーチャ１０８を通過する。いくつかの実施形態において、選択可能な照明アパーチャ１０８は、一組の照明視野絞りと一組の照明瞳絞りを含む。照明視野絞りは、試験片１１２上に投影される照明のスポットサイズを選択するように構成される。照明瞳絞りは、試験片１１２上に投影される照明瞳を選択するように構成される。照明視野絞りと瞳絞りは、他の光学素子コンポーネント（例えば、対物レンズ１１１）と合同して作動して、試験片１１２の表面上での最適な光スループット、照明視野および瞳に合わせた照明ＮＡを達成する。選択可能な照明アパーチャ１０８のアパーチャ（複数可）は、限定はしないが、機械的ピンホール、空間光変調器（ＳＬＭ）、アポダイザおよび任意のその他のビーム成形および制御コンポーネントまたはサブシステムを含む任意の適切なデバイスによって形成されてもよい。

いくつかの実施形態において、照明アパーチャ１０８は、ナローライン形状ビームのサイズと強度プロファイルを制御するためのナロースリットまたはアポダイザを含む。一実施形態において、照明アパーチャ１０８は、図１２Ａ−１２Ｂを参照して説明したようにＡＯＩの範囲を限定するためのアポダイザを含む。このようにして、照明アパーチャ１０８は、アポダイザ１０４と合わせて、またはアポダイザ１０４の代替として用いられてよい。

図１の描写ではシステム１００は１以上の照明アパーチャ１０８を含むが、いくつかの他の実施形態において、照明アパーチャは、照明経路内でビーム成形光学素子１０７以降に用いられなくてもよい。したがって、一般に、照明アパーチャの使用は任意選択的である。

さらなる態様において、１以上の収集アパーチャが、収集経路内に対物レンズ１１１以降に配置されている。いくつかの実施形態において、収集アパーチャは、検出器１１８によって検出される収集ビームの部分を選択するために収集経路内に配置されている。

図１に描写されるように、収集光は、収集経路内に対物レンズ１１１以降に配置された１以上の収集アパーチャ１１５を通過する。収集光は、波長分散素子１１７と検出器１１８に到達する前に１以上の選択可能な収集アパーチャ１１５を通過する。

図１２Ａ−１２Ｂを参照して説明した例において、照明アポダイザと収集アパーチャは、ＡＯＩ範囲を限定することによって試料からの０次数回折光を収集するために選択された。例えば、５００ナノメートルピッチの格子ターゲットからゼロ次数信号を取得するために、照明アポダイザと収集アパーチャの両方が、検出対象のＡＯＩの範囲を限定するために中央ブロッケージを含んだ。より具体的には、収集アパーチャの中央ブロッケージは、負の一次数回折光が検出器１１８に到達することを有効にブロックする。

別の実施形態において、収集アパーチャ１１５は、波長分散素子１１７によって分散前に収集光のビームライン幅をさらに縮小するためのナロースリットを含む。

いくつかの別の例では、１以上の照明アパーチャと１以上の収集アパーチャは、限定されたＡＯＩ範囲で試料からのより高次数の回折光を収集するために選択される。

選択可能な収集アパーチャ１１５のアパーチャ（複数可）は、限定はしないが、機械的ピンホール、空間光変調器（ＳＬＭ）、アポダイザおよび任意のその他のビーム成形および制御コンポーネントまたはサブシステムを含む任意の適切なデバイスによって形成されてもよい。

いくつかの実施形態において、収集アパーチャ１１５は単一のアパーチャ素子である。いくつかの他の実施形態において、収集アパーチャ１１５はアパーチャ素子のアレイである。いくつかの例において、１以上のアパーチャ素子は、単一運動自由度ステージまたは多運動自由度モーションステージ上に配置される。このようにして収集経路内の１以上のアパーチャ素子の存在または位置は、例えば、コンピューティングシステム１３０によってプログラム可能に制御されてよい。

図１の描写ではシステム１００は１以上の収集アパーチャ１１５を含むが、いくつかの他の実施形態において、収集アパーチャは用いられなくてもよい。したがって、一般に、収集アパーチャの使用は任意選択的である。

もう１つのさらなる態様において、空間光変調器（ＳＬＭ）が照明経路、収集経路、または両方に配置されている。いくつかの実施形態において、ＳＬＭは測定システムの光学的瞳面に配置されている。ＳＬＭは、透過波面エラーを低減し、ビームの振幅と位相分布を成形するために、照明光、収集光または両方の経路にわたり、振幅、位相分布または両方を変調するように構成される。さらなる態様において、空間光変調器は、照明ビームにわたる位相分布のプログラム可能な構成を可能にする。これは、収差を補正、またはコンタミネーション信号を相殺するために用いられ得る。非限定的な例として、透過型液晶表示（ＬＣＤ）デバイス、シリコン基板上の反射型液晶（ＬＣＯＳ）デバイス、ピクセル化されたミラーデバイスおよび連続した表面を有する変形可能なミラーデバイスのうちいずれかが、計測システムの照明経路内のＳＬＭとして用いられ得る。変形可能なミラー素子は、プログラム可能な表面形状を含む。特に、対物レンズ１１１、アポダイザ１０４、ビーム成形素子１０７の円筒形ミラー、およびその他の光学素子コンポーネントから生じる光学収差が、変形可能なミラーアレイ等の１以上のＳＬＭによって補償され得る。

もう１つのさらなる態様において、偏光素子が照明経路内に対物レンズ以前に配置されている。いくつかの実施形態において、偏光素子はビーム成形光学素子以前に配置されている。いくつかの他の実施形態において、偏光素子はビーム成形光学素子と対物レンズの間に配置されている。

さらなる態様において、分析器素子が収集経路内に対物レンズ以降に配置されている。

図１に描写されるように、多波長照明光１１９は、偏光子１０５を通過し、収集光は分析器１１４を通過する。いくつかの実施形態において、偏光子１０５は定置型、または選択可能な偏光素子である。いくつかの実施形態において、偏光子１０５と分析器１１４は、回転ステージ上に搭載される。回転ステージは、所望の偏光角または偏光角のシーケンスに移動するために例えばコンピューティングシステム１３０によって制御され、測定信号が各偏光角で収集される。代替的に、その他の偏光制御機構が用いられてもよい。例えば、チャンネル分離または偏光制御機構（例えば、ソレイユバビネ補償板、波長板、液晶偏光コントローラまたはその他の電子光学偏光コントローラ）による偏光成分の同時測定が実行されてもよい。

いくつかの他の実施形態において、偏光子１０５は回転偏光素子である。これらの実施形態において、偏光子１０５は一定速度で回転され、検出器信号は所定のフレームレートで取得される。これらの実施形態において、システム１００は多数のＡＯＩ分光エリプソメータ（ＳＥ）として作動する。

もう１つのさらなる態様において、補償器（例えば、補償器１０６）が照明経路内に偏光子以降に追加され、もう１つの補償器（例えば、補償器１１３）が収集経路内に分析器以前に追加される。偏光子と収集側の補償器がデータ取得中に連続して回転する場合、計測システムは多重ＡＯＩ回転偏光子、回転補償器（ＲＰＲＣ）システムとして作動する。偏光子が固定位置に留まり、収集側補償器と照明側補償器の両方がデータ取得中に両方とも回転した場合、システムは多重ＡＯＩ回転補償器、回転補償器（ＲＣＲＣ）システムとして稼動する。

図１の描写ではシステム１００は偏光子１０５、分析器１１４、補償器１０６および補償器１１３を含むが、いくつかの他の実施形態において、これらの素子のいずれかまたは全てが用いられなくてもよい。したがって、一般に、これらの素子の使用は任意選択的である。

本明細書に以前に記載されたように、試験片上の照明スポットサイズを画定するために、一組の照明アパーチャ（ビーム成形光学素子以前、ビーム成形光学素子以降、または両方）が選択される。それに加えて、いくつかの実施形態において、瞳検出器によって検出されるＡＯＩの範囲を画定するために、一組の照明アパーチャは一組の収集アパーチャと対にされる。照明と収集アパーチャの組は、固定型であっても、プログラム可能であってもよく、物理的アパーチャ、ＳＬＭまたは任意のその他の適切な選択可能な機構に基づくものであってよい。

図９Ａ−９Ｃは、３つの例示的測定用途向けの照明および収集アパーチャ選択を描写する。

図９Ａは、小ピッチ（すなわち、ピッチ＜１３６ナノメートル）を有する格子ターゲットのＣＤ信号のゼロ次数測定、または薄膜のゼロ次数測定のための分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルのいくつかの図を描写する。この例において、波長は約２６０ナノメートルから約８００ナノメートルにわたる。

図９Ａは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用前のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８０Ａを描写する。図９Ａは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用後のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８０Ｂも描写する。この例において、照明アパーチャ１０８からも収集アパーチャ１１５からもブロックはない。したがって、対物レンズ１１１に入射する強度断面１８０Ｃと波長分散素子１１７に入射する強度断面１８０Ｄは、ビーム成形光学素子１０７によって課されるナローラインビーム形状を反映している。

図９Ｂは、比較的大きなピッチ（すなわち、１３６から５００ナノメートルの間のピッチ）を有する格子ターゲットのＣＤ信号のゼロ次数測定に関する分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルのいくつかの図を描写している。この例において、波長は約１９０ナノメートルから約８００ナノメートルにわたる。

図９Ｂは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用前のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８１Ａを描写する。図９Ｂは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用後のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８１Ｂも描写する。この例において、照明アパーチャ１０８は３２度未満のＡＯＩをブロックするように構成される。照明アパーチャ１０８との相互作用後、対物レンズ１１１に入射する強度断面１８１Ｃは、このブロックを反映している。同様に、収集アパーチャ１１５は３２度未満のＡＯＩをブロックするように構成される。収集アパーチャ１１５との相互作用後、波長分散素子１１７に入射する強度断面１８１Ｄは、このブロックを反映している。これが、非ゼロ回折次数を有する収集光を有効にブロックする。その結果、検出器１１８は３２度より大きいＡＯＩに関する光を感知する。

図９Ｃは、比較的大きなピッチを有するオーバーレイ構造の第１次数測定に関する分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルのいくつかの図を描写している（別称では光散乱計測オーバーレイ測定）。

図９Ｃは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用前のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８２Ａを描写する。図９Ｃは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用後のコリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８２Ｂも描写する。この例において、照明アパーチャ１０８は１２度を超えるＡＯＩをブロックするように構成される。照明アパーチャ１０８との相互作用後、対物レンズ１１１に入射する強度断面１８２Ｃは、このブロックを反映している。逆に、収集アパーチャ１１５は、１２度未満のＡＯＩをブロックするように構成される。収集アパーチャ１１５との相互作用後、波長分散素子１１７に入射する強度断面１８２Ｄは、このブロックを反映している。収集アパーチャは、ゼロ回折次数を有する収集光を有効にブロックする。その結果、検出器１１８は１２度より大きいＡＯＩを有する光を感知し、それはこの例において、−１次数および＋一次数回折光を含む。

もう１つのさらなる態様において、照明経路内に配置されたビーム成形光学素子は、ナローラインビーム照明を所望の方位角に回転させるように構成される。本明細書で以前に記載されたように、ビーム成形光学素子（例えば、ビーム成形光学素子１０７）は方位照明成分を有効に単一の方位値に減弱させる。しかしながら、ナローラインビーム照明をビーム軸周りに有効に回転させることによって、有効方位角が変えられる。ＣＤ線間隔格子等の何らかの二次元測定ターゲットに関して、また、複雑なフィン構造等の何らかの三次元測定ターゲットに関して、測定感度は、照明が１以上の特定の方位角でターゲットに提供されたときに改善される。

一実施形態において、ビーム成形光学素子１０７は、コリメート照明光１１９を受け取り、被測定試料に対してプログラム可能な照明方位角に配向したナローラインビームを生成するように構成されたＳＬＭを含む。

いくつかの実施形態において、ビーム方位角の任意の変更のために、波長分散素子１１７および検出器１１８に対する収集ビームの配向を維持するために、もう１つのＳＬＭが収集経路内に配置されている。コンピューティングシステム１３０は、ビーム方位角の任意の変更のために角度アライメントを維持するために、照明ＳＬＭと収集ＳＬＭの状態における変化を調整するように構成される。いくつかの他の実施形態において、検出器上に投影されたイメージは、方位角の変更によって誘起された回転を考慮に入れるために、ソフトウェアにおいて回転される。

別の実施形態において、図１に描写されるビーム成形光学素子１０７は、それぞれが回転運動ステージに取り付けられた一対の円筒形ミラーを含む。各回転運動ステージは、ナローラインビームに関連する所望の方位角を達成するべく円筒形ミラーの配向を変更するために例えばコンピューティングシステム１３０によって制御される。このようにして、システム１００は、試料に対して照明ビーム方位角を変更するように構成される。

いくつかの実施形態において、収集ビームに対する波長分散および検出器の配向を維持するために、波長分散素子１１７および検出器１１８も回転運動ステージに取り付けられている。コンピューティングシステム１３０は、ビーム方位角の任意の変更のために角度アライメントを維持するために、円筒形ミラー、波長分散素子１１７および検出器１１８の運動を調整するように構成される。回転運動ステージは圧電モータ、サーボモータ、または任意のその他の適切な回転駆動システムによって駆動され得る。いくつかの他の実施形態において、検出器上に投影されたイメージは、方位角の変更によって誘起された回転を考慮に入れるために、ソフトウェアにおいて回転される。

別の実施形態において、図３に描写されたビーム成形光学素子１２１は、分光ＢＰＲシステムの共通の経路内に配置される。ビーム成形光学素子１２１は、それぞれが回転運動ステージに取り付けられた一対の円筒形ミラーを含む。各回転運動ステージは、ナローラインビームに関連する所望の方位角を達成するべく円筒形ミラーの配向を変更するために例えばコンピューティングシステム１３０によって制御される。このようにして、システム３００は、試料に対して照明ビーム方位角を変更するように構成される。

この実施形態において、ビーム形状は、ビーム成形光学素子１２１を通って戻った後で円形ビームとして回復される。収集経路に配置された付加的なビーム成形光学素子１２０は、円形ビームを、検出器１１８上に分散させる前にナローライン形状ビームに再成形する。

図１０Ａ−Ｃは、３つの異なる方位角選択に関連するビーム強度プロファイルを描写する。

図１０Ａは、ゼロ方位角に関する分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルのいくつかの図を描写する。コリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８３Ａは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用前の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。強度断面１８３Ｂは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用後の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。説明目的で、図１０Ａに描写された照明ビーム方位角はゼロ方位角として画定され得る。対物レンズ１１１に入射するときの強度断面１８３Ｃと、波長分散素子１１７に入射するときの強度断面１８３Ｄは、ゼロ方位角を反映している。

図１０Ｂは、９０度の方位角に関する分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルのいくつかの図を描写する。コリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８４Ａは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用前の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。強度断面１８４Ｂは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用後の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。この例において、ビーム成形光学素子１０７の構成は、照明ビーム方位角が、図１０Ａを参照して説明したゼロ方位角に対して９０度となるように変更される。対物レンズ１１１に入射するときの強度断面１８４Ｃと、波長分散素子１１７に入射するときの強度断面１８４Ｄは、９０度の方位角を反映している。

図１０Ｃは、４５度の方位角に関する分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルのいくつかの図を描写する。コリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８５Ａは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用前の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。強度断面１８５Ｂは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用後の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。この例において、ビーム成形光学素子１０７の構成は、照明ビーム方位角が、図１０Ａを参照して説明したゼロ方位角に対して４５度となるように変更される。対物レンズ１１１に入射するときの強度断面１８５Ｃと、波長分散素子１１７に入射するときの強度断面１８５Ｄは、４５度の方位角を反映している。

本明細書に以前に記載されたように、いくつかの実施形態において、ナローラインビーム照明を所望の方位角に回転させるために、ビーム成形光学素子が照明経路内に配置されている。さらに、いくつかの実施形態において、本明細書に以前に記載されたように、瞳検出器によって検出されるＡＯＩの範囲を画定するために、一組の照明アパーチャは一組の収集アパーチャと対にされる。一般に、システム１００のような分光ＢＰＲシステムは、方位選択とＡＯＩ選択の両方のために構成されてよい。

図１１Ａ−Ｂは、２つの異なる方位角選択およびＡＯＩ選択に関連するビーム強度プロファイルを描写する。

図１１Ａは、ゼロ方位角に関する分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルのいくつかの図を描写する。コリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８６Ａは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用前の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。断面１８６Ｂは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用後の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。説明目的で、図１１Ａに描写された照明ビーム方位角はゼロ方位角として画定される。この例において、照明アパーチャ１０８は３２度未満のＡＯＩをブロックするように構成される。照明アパーチャ１０８との相互作用後、波長分散素子１１７に入射する強度断面１８６Ｃは、このブロックを反映する。同様に、収集アパーチャ１１５は３２度未満のＡＯＩをブロックするように構成される。収集アパーチャ１１５との相互作用後、対物レンズ１１１に入射する強度断面１８６Ｄは、このブロックを反映する。これが、非ゼロ回折次数を有する収集光を有効にブロックする。その結果、検出器１１８は３２度より大きいＡＯＩに関する光をゼロ方位角で感知する。

図１１Ｂは、９０度の方位角に関する分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルのいくつかの図を描写する。コリメートされた照明ビーム１１９の強度断面１８７Ａは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用前の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。強度断面１８７Ｂは、ビーム成形光学素子１０７との相互作用後の照明ビームのビームプロファイル強度を描写する。この例において、ビーム成形光学素子１０７の構成は、照明ビーム方位角が、図１１Ａを参照して説明したゼロ方位角に対して９０度となるように変更される。図１１Ａを参照して説明したように、照明アパーチャ１０８は、３２度未満のＡＯＩをブロックするように構成される。照明アパーチャ１０８との相互作用の後で、対物レンズ１１１に入射する強度断面１８７Ｃは、このブロックを反映する。同様に、収集アパーチャ１１５は、３２度未満のＡＯＩをブロックするように構成される。収集アパーチャ１０８との相互作用の後で、波長分散素子１１７に入射する強度断面１８７Ｄは、このブロックを反映する。これは、非ゼロ回折次数を有する収集光を有効にブロックする。その結果、検出器１１８は、３２度より大きいＡＯＩに関する光を９０度の方位角で感知する。

もう１つのさらなる態様において、分光ＢＰＲシステムは、瞳面のマッピングを可能にするために、照明ビームをＡＯＩ方向に沿って走査するように構成される。さらなる態様において、この瞳走査機構は、ターゲットノイズの平均化とコヒーレンス効果の低減および確度の改善を可能にするために、フィールド面を走査する第２の走査機構で補完されてもよい。

図１に描写されるように、走査ミラー１４３は照明経路内にビーム成形光学素子以前に配置されている。走査ミラーはチップ／チルト運動ステージ（例えば、圧電駆動ステージ）上に搭載される。チップ／チルト運動ステージは、ＡＯＩの範囲を変更することによって試験片にわたる平面内で照明を操縦するように構成される。ＣＤ格子またはＳＣＯＬ格子等の比較的大きなピッチフィーチャによって特徴付けられる周期的構造を測定する場合、最適なＡＯＩ範囲を選択するために走査ミラーを備える照明ビームの操縦が用いられる。

図１３は、分光ＢＰＲシステムにおけるビーム強度プロファイルの、走査ミラー１４３の配向変化によるシフトに関するいくつかの図を描写している。強度断面１９０Ａは、走査ミラーの所与の配向での、対物レンズ１１１に入射する前の照明ビームのビームプロファイル強度を描写している。強度断面１９０Ｂは、波長分散素子１１７に入射する収集ビームのビームプロファイル強度を描写している。強度断面１９０Ｃは、走査ミラーの異なる配向での、対物レンズ１１１に入射する前の照明ビームのビームプロファイル強度を描写している。図１３で示すように、これは、ナローラインビームの、ＡＯＩ方向における対物レンズ１１１を横断するシフトをもたらす。強度断面１９０Ｄは、波長分散素子１１７に入射する収集ビームのビームプロファイル強度を描写している。図示のように、ナローラインビームのシフトは、波長分散素子１１７を横断する収集ビームのシフト、また最終的に検出器１１８のＡＯＩ方向におけるシフトももたらす。これは、対物レンズ照明瞳に可視であるＡＯＩの範囲の変化をもたらす。

図１の描写ではシステム１００は走査ミラー１４３を含むが、いくつかの他の実施形態において、照明経路においてビーム成形光学素子１０７以前での走査ミラーは用いられなくてもよい。したがって、一般に、走査ミラー１４３の使用は任意選択的である。

測定信号（例えば、図１に描写される測定信号１３５）は、クリティカルディメンション（ＣＤ）、薄膜キャラクタライゼーション、オーバーレイ測定、焦点調節、光学システム較正および診断、または任意のその他の適切な計測の測定に用いられてよい。分光ＢＰＲ瞳信号１３５は、大きな波長およびＡＯＩ範囲にわたる試料情報を含む。各ピクセルでの検出器信号は、特定のＡＯＩおよび波長に関する光散乱計測信号を表す。したがって、いくつかの実施形態において、ピクセルのサブセットに関連する信号が、測定分析のために選択される。測定用途（例えば、ＣＤ、ＴＦ、オーバーレイ、フォーカス／ドーズ等）に従って、異なるサブセットが選択されてよい。それに加えて、異なる重みが異なるピクセルデータ（すなわち、特定の波長およびＡＯＩ）に割り当てられてよい。信号応答計測（ＳＲＭ）方法または単一のパラメータアイソレーション（ＳＰＩ）方法が、特定の測定用途に最も適したピクセル信号のサブセットを選択するために用いられてよい。別の実施形態において、全ての信号が測定分析に用いられる。

もう１つのさらなる態様において、回転偏光子分光エリプソメータ（ＲＰＳＥ）、回転分析器分光エリプソメータ（ＲＡＳＥ）、回転補償器分光エリプソメータ（ＲＣＳＥ）、回転偏光子、回転補償器分光エリプソメータ（ＲＰＲＣ ＳＥ）、回転補償器、回転補償器分光エリプソメータ（ＲＣＲＣ ＳＥ）、レーザー駆動分光反射率計（ＬＤＳＲ）、一次元ビームプロファイル反射率計（１Ｄ−ＢＰＲ）、二次元ビームプロファイル反射率計（２Ｄ−ＢＰＲ）等の他の測定モジュールからの測定信号が、注目すべきパラメータの値を概算するために複合測定分析に含まれてもよい。

もう１つのさらなる態様において、分光ＢＰＲシステムは、それぞれが収集光ビームの異なる偏光成分を検出するように構成された２つの波長分散素子と２つの対応する検出器を含む。

図２は、本明細書で提示される例示的方法に従って試験片の特徴を測定するためのシステム２００を説明する。図１に描写されたシステム１００と同じ番号の要素は、図１に描写されたシステム１００と類似したものである。

図２に描写されるように、システム２００は、収集経路内に、分析器ではなく偏光ビームスプリッタ１２２を含む。偏光ビームスプリッタ１２２は、収集光をそのｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離する。各偏光成分は、別個の波長分散素子および検出器（すなわち、波長分散素子１１７と検出器１１８、および波長分散素子１２３と検出器１２４）に向けられる。このようにして、システム２００は、２つの異なる偏光を同時に検出して、各偏光成分にそれぞれ関連する分光ＢＰＲ信号１３５および１３６を生成するように構成される。

もう１つのさらなる態様において、分光ＢＰＲシステムは、共通の経路および収集経路内にビーム成形光学素子を含む。このようにして、ビーム形状は、対物レンズおよび任意の波長分散素子に入射する前にのみナローライン形状となる。

図３は、本明細書で提示される例示的方法に従って試験片の特徴を測定するためのシステム３００を説明する。図１に描写されたシステム１００と同じ番号の要素は、それら要素と類似したものである。

図３に描写されるように、ビーム成形光学素子１２１は照明経路と収集経路の両方によって共有される共通の経路内に配置されている。図３に描写されるように、ビーム成形光学素子１２１は、入射照明ビームをナローライン形状に再成形するように構成される。試験片１１２との相互作用の後で、収集ビームはビーム成形光学素子１２１を通過し、ビーム成形光学素子は、収集ビームをナローライン形状から円形形状に再成形する。

それに加えて、ビーム成形光学素子１２０が収集経路に波長分散素子１１７以前に配置されている。ビーム成形光学素子１２０は収集ビームを、本明細書で以前に記載されたように波長分散素子１１７による検出器１１８への分散に適切なナローライン形状に、円形形状からもう一度再成形する。

この実施形態において、ビーム形状は、対物レンズ１１１および波長分散素子１１７に入射する前にのみナローライン形状となる。それ以外は、ビーム形状は、偏光子、分析器、補償器、照明アパーチャ、収集アパーチャ等の他の光学素子を通過するときに円形である。

もう１つのさらなる態様において、分光ＢＰＲシステムは、２つの波長分散素子と、２つの対応する検出器を含む。一方の検出器は、被測定試験片の瞳測定を実行するように構成される。他方の検出器は、同じ試験片のフィールド測定を実行するように構成される。

図４は、本明細書で提示される例示的方法に従って試験片の特徴を測定するためのシステム４００を説明する。図１に描写されたシステム１００と同じ番号の要素は、それら要素と類似したものである。

図４に描写されるように、システム４００は、瞳検出器１１８に加えてフィールド検出器１２７を含む。フィールド検出器１２７は、多数の試料または試料ロケーションでの広い波長範囲にわたる反射率信号を取得する。収集経路において、ビームスプリッタ１２５は測定ビームを分割する。ビームスプリッタ１２５は、限定はしないが、立方体ビームスプリッタ、金属コーティングプレート、ダイクロイック光学コーティングプレート、またはその他のビーム分割機構を含む任意の適切なビーム分割素子を含んでよい。測定ビームの一部分が波長分散素子１１７および瞳検出器１１８に向けられる。測定ビームの別の部分が波長分散素子１２６およびフィールド検出器１２７に向けられる。ビームは、集束光学素子１４５によって集束される。ビーム焦点位置において、波長分散素子１２６は、波長に従って二次元検出器１２７の一方の次元に沿ってビームを分散させる。試料位置は、二次元検出器１２７の他方の次元に沿って分散される。各ピクセルでの信号は、特定の試料位置および波長での反射率を表す。これらの信号１３７は、測定分析のためにコンピューティングシステム１３０に通信される。非限定的な例として、検出されたスペクトルは、クリティカルディメンション（ＣＤ）、薄膜キャラクタライゼーション、オーバーレイ測定、ゼロ次数信号に基づく焦点調節、光学システム較正および診断、または任意のその他の適切な計測の測定のために用いられてよい。いくつかの例において、フィールド測定信号１３７に基づいて、多数のターゲットが同時に測定される。

いくつかの実施形態において、フィールド収集経路は、フィールド信号検出器１２７に投影する信号を選択するための一組の収集アパーチャを含む。いくつかの例において、より高次数のフィールド信号が、フィールド信号検出器１２７への投影のために選択される。選択可能なフィールド収集アパーチャのアパーチャ（複数可）は、限定はしないが、機械的ピンホール、空間光変調器（ＳＬＭ）、アポダイザおよび任意のその他のビーム成形および制御コンポーネントまたはサブシステムを含む任意の適切なデバイスによって形成されてもよい。

いくつかの実施形態において、スライド式ミラーまたはフリップインミラーがビームスプリッタ１２５の代わりに用いられる。この実施形態において、フィールドおよび瞳測定は、例えばコンピューティングシステム１３０の制御下でスライド式ミラーを収集ビーム経路において選択的に出し入れすることによって逐次実行される。

いくつかの実施形態において、ビームスプリッタ１２５は、二次元イメージング検出器への直接のイメージングのために収集ビームの一部分を集束光学素子１４５に方向転換する。これらの実施形態において、結果として得られたウェハフィールドイメージは、測定目的、パターン認識、イメージに基づく集束、またはそれらの任意の組み合わせのために用いられ得る。

さらなる態様において、瞳検出器１１８およびフィールド検出器１２７からの複合データは、注目すべきパラメータの値を概算するために、または診断試験を実行するために用いられる。いくつかの実施形態において、１以上の構造的またはプロセスパラメータ値を概算して測定の品質を特性評価するためにフィールドおよび瞳測定信号の両方が同時に検出される。いくつかの実施形態において、１以上の構造的またはプロセスパラメータ値を概算するためにフィールド測定信号が処理され、フィールド測定条件を特性評価するために瞳測定信号が処理される。いくつかの別の実施形態において、１以上の構造的またはプロセスパラメータ値を概算するために瞳測定信号が処理され、瞳測定条件を特性評価するためフィールド測定信号が処理される。

フィールド測定信号は、測定システムのフィールド面で、またはその付近で検出される。測定システムのフィールド面は、被測定試験片の表面と接合している。瞳面測定信号は、測定システムの瞳面で、またはその付近で検出される。瞳面は、フィールド面のフーリエ変換であり、対物レンズの制限アパーチャと接合している。一般に、被測定試験片の表面上の異なる位置から反射、回折または散乱された光は、収集角に係わらず、測定システムのフィールド面内の異なる位置で検出される。対照的に、被測定試験片の表面上から異なる角度で反射、回折または散乱された光は、試験片の表面上での光相互作用の位置に係わらず、測定システムの瞳面内の異なる位置で検出される。

いくつかの実施形態において、フィールドおよび瞳測定信号の両方が同時に検出される。検出された信号は１以上の構造的またはプロセスパラメータ値を概算するために反復的に処理される。より具体的には、少なくとも１つの測定ターゲットに関連する少なくとも１つの構造的またはプロセスパラメータの値は、瞳測定信号の瞳測定モデルでの反復的回帰と、フィールド測定信号のフィールド測定モデルでの回帰に基づいて決定される。

一実施形態において、コンピューティングシステム１３０は、ＣＤパラメータの概算を分光ＢＰＲ信号１３５に基づいて決定し、膜スタックパラメータ（例えば、膜厚）の概算を、反復的回帰分析でフィールド信号１３７に基づいて決定する。

この例において、ＣＤ測定モデルは、注目すべきＣＤパラメータに関する計測ターゲットのパラメータ化を含む。それに加えて、ＣＤ測定モデルは、測定ツール自体のパラメータ化（例えば、波長、入射角、偏光角等）を含む。同様に、膜スタック測定モデルは、注目すべき膜スタックパラメータ（例えば、膜厚）に関する計測ターゲットのパラメータ化を含む。それに加えて、膜スタック測定モデルは、測定ツール自体のパラメータ化を含む。それに加えて、シミュレーション近似（例えば、スラビング、厳密結合波分析（ＲＣＷＡ）等）が、過度に大きなエラーを招くことを避けるために入念に実行される。離散化およびＲＣＷＡパラメータが規定される。

機械パラメータ（Ｐ_{ｍａｃｈｉｎｅ}）は、計測ツール自体を特性評価するために用いられるパラメータである。例示的機械パラメータは、入射角（ＡＯＩ）、分析器角（ＡＯ）、偏光子角（ＰＯ）、照明波長、開口数（ＮＡ）等を含む。試験片パラメータ（Ｐ_{ｓｐｅｃｉｍｅｎ}）は、試験片の形状および材料特性を特性評価するために用いられるパラメータである。薄膜試験片に関して、例示的試験片パラメータは屈折率、誘電関数テンソル、全層の公称層厚、層シーケンス等を含む。

測定目的のため、マルチターゲットモデルの機械パラメータは、既知の固定パラメータとして取り扱われ、測定モデルの試験片パラメータ、または試験片パラメータのサブセットは、未知の浮動パラメータとして取り扱われる。浮動パラメータは、理論的予測と測定データの間のベストフィットをもたらすフィッティングプロセス（例えば、回帰、ライブラリマッチング等）によって決定される。未知の試験片パラメータ、Ｐ_{ｓｐｅｃｉｍｅｎ}は変動し、モデル出力値は、モデル出力値と測定値の間の厳密な一致をもたらす一組の試験片パラメータ値が求められるまで計算される。

反復的回帰分析において、コンピューティングシステム１３０は、測定された瞳信号をＣＤ測定モデルに当てはめて、推定ＣＤパラメータ値に到達する。ＣＤ測定モデル内に存在する膜スタックパラメータは、この回帰中にフロートする。次に、コンピューティングシステム１３０は測定されたフィールド信号を膜スタックモデルに当てはめて推定膜スタックパラメータ値（例えば、膜厚）に到達する。膜スタックモデル内に存在するＣＤパラメータ値は、以前の瞳信号の、ＣＤ測定モデルへの回帰によって決定される値に固定される。次に、コンピューティングシステム１３０は再び測定瞳信号をＣＤ測定モデルに当てはめて、更新されたＣＤパラメータ値の推定に到達する。この反復において、ＣＤ測定モデル内に存在する膜スタックパラメータは、フィールド信号の膜スタックモデルへの以前の回帰によって決定される値に固定される。この反復は、パラメータ推定値が十分な確度に達するまで続く。

もう１つのさらなる態様において、フィールドおよび瞳測定信号の両方が同時に検出される。検出された信号は１以上の構造的またはプロセスパラメータ値を概算するために複合分析で処理される。これらの例において、測定モデルは、計測ターゲット（複数可）の構造的パラメータ、材料パラメータ、または構造的パラメータと材料パラメータの組み合わせを瞳およびフィールド測定の両方に関してリンクする複合測定モデルである。

もう１つのさらなる態様において、分光ＢＰＲシステムは、測定経路内に対物レンズ以前にビーム結合素子１２８を含む。オートフォーカスプローブビーム、パターン認識プローブビーム、または両方の組み合わせが、対物レンズに入射する前に照明ビームと組み合わされる。同様に、オートフォーカス信号ビーム、パターン認識信号ビームまたは両方の組み合わせが、対物レンズから出射した後で収集ビームから抽出される。ビーム結合素子１２８は、測定経路に対する位置に固定され、したがって、信頼性と確度を増加させる。測定ビームとオートフォーカスビームの両方が試料を同時に探査するため、システム５００は、オートフォーカスシステムが継続的にフォーカス測定に従事している間に測定データを取得することができる。これが、信号品質を改善してフォーカス時間を低減する。

図５は、本明細書で提示される例示的方法に従って試験片の特徴を測定するためのシステム５００を説明する。図１に描写されたシステム１００と同じ番号の要素は、それら要素と類似したものである。

本明細書の記載では、対物レンズの正面の照明ビームと収集ビームはナローライン形状ビームである。これは、オートフォーカスプローブビーム１４６、パターン認識プローブビーム１４７またはそれら両方が高ＮＡ対物レンズに入射する前に測定ビームと合成されることを可能にする。

オートフォーカスサブシステム１４１はオートフォーカスプローブビーム１４６を生成し、それはビームスプリッタ１２９および光学的合成素子１２８を介して対物レンズ１１１に向けられる。オートフォーカスプローブビーム１４６に応答して対物レンズ１１１によって収集された光は、同じ経路を通ってオートフォーカスサブシステム１４１に戻される。受信した信号に基づいて、オートフォーカスサブシステム１４１はオートフォーカス信号１３８を生成し、それはコンピューティングシステム１３０に通信される。一例において、コンピューティングシステム１３０は、試験片１１２の焦点位置を、オートフォーカス信号１３８に基づいて変更させる。

同様に、パターン認識サブシステム１４２はパターン認識プローブビーム１４７を生成し、それはビームスプリッタ１２９および光学的合成素子１２８を介して対物レンズ１１１に向けられる。パターン認識プローブビーム１４７に応答して対物レンズ１１１によって収集された光は、同じ経路を通ってパターン認識サブシステム１４２に戻される。受信した信号に基づいて、パターン認識サブシステム１４２はパターン認識信号１３９（例えば、イメージ）を生成し、それはコンピューティングシステム１３０に通信される。一例において、コンピューティングシステム１３０は、試験片１１２の位置を、パターン認識信号１３９に基づき変化させる。このようにして、パターン認識信号１３９は、試験片１１２の表面上でナビゲートするために用いられる。

図５に描写されるように、システム５００は、対物レンズ１１１の正面の共通の経路内に光学的合成素子１２８を含む。

いくつかの実施形態において、光学的合成素子１２８は、ナローライン形状のエアギャップを有する折り畳みナローミラーである。折り畳みナローミラーは、２つまたは４つの個々のミラーセルの共面アライメントによって形成されてもよい。代替的に、１つまたは２つのスロットが、反射層をコーティングする前に単一のガラス基板に切り込まれてもよい。図７Ａ−７Ｃは、光学結合素子１２８としての二つ折りミラー１５０を描写する。図７Ａは、円形のプロファイルを有するビームプロファイル１５１を描写する。そのようなプロファイルは、オートフォーカスビーム、パターン認識ビーム、またはそれら両方を表す。図７Ａに描写されるように、ビームプロファイル１５１の多くの部分が二つ折りミラー１５０によって反射される。図７Ｂは、照明ビームプロファイル、収集ビームプロファイル、またはそれら両方を表すナローラインビームプロファイル１５２を描写する。図７Ｂに描写されるように、ナロービームプロファイル１５２の全てが二つ折りミラー１５０内のエアギャップを通過する。図７Ｃは、二つ折りミラー１５０と相互作用するナローラインビームプロファイル１５２と円形ビームプロファイル１５１の組み合わせを描写する。

図７Ｄ−７Ｆは、光学結合素子１２８としての４セル折り畳みミラー１５５を描写する。図７Ｄは、円形のプロファイルを有するビームプロファイル１５６を描写する。図７Ｄに描写されるように、ビームプロファイル１５６の多くの部分が４セルミラー１５５によって反射される。図７Ｅは、照明ビームプロファイル、収集ビームプロファイル、またはそれら両方を表すナローラインビームプロファイル１５７を描写する。図７Ｅに描写されるように、ナロービームプロファイル１５７の全てが４セル折り畳みミラー１５５内のエアギャップを通過する。図７Ｆは、４セル折り畳みミラー１５５と相互作用するナローラインビームプロファイル１５７と円形ビームプロファイル１５６の組み合わせを描写する。

いくつかの他の実施形態において、光学素子１２８は平面のナローミラーである。図８Ａ−８Ｃは、光学結合素子１２８としてのナローライン形状ミラー１６０を描写する。図８Ａは、円形のプロファイルを有するビームプロファイル１６１を描写する。そのようなプロファイルは、オートフォーカスビーム、パターン認識ビーム、またはそれら両方を表す。図８Ａに描写されるように、ビームプロファイル１６１の多くの部分がナローライン形状ミラー１６０を通過する。図８Ｂは、照明ビームプロファイル、収集ビームプロファイル、またはそれら両方を表すナローラインビームプロファイル１６２を描写する。図８Ｂに描写されるように、ナロービームプロファイル１６２の全てがナローライン形状ミラー１６０によって反射される。図８Ｃは、ナローライン形状ミラー１６０と相互作用するナローラインビームプロファイル１６２と円形ビームプロファイル１６１の組み合わせを描写する。

図８Ｄ−８Ｆは、光学結合素子１２８としての十字型ナローミラー１６５を描写する。図８Ｄは、円形のプロファイルを有するビームプロファイル１６６を描写する。そのようなプロファイルは、オートフォーカスビーム、パターン認識ビーム、またはそれら両方を表す。図８Ｄに描写されるように、ビームプロファイル１６６の多くの部分が十字型ナローミラー１６５を通過する。図８Ｅは、照明ビームプロファイル、収集ビームプロファイル、またはそれら両方を表すナローラインビームプロファイル１６７を描写する。図８Ｅに描写されるように、ナロービームプロファイル１６７の全てが十字型ナローミラー１６５によって反射される。図８Ｆは、十字型ナローミラー１６５と相互作用するナローラインビームプロファイル１６７と円形ビームプロファイル１６６の組み合わせを描写する。

図５に描写されるように、システム５００は対物レンズ１１１の正面の共通の経路内に光学的合成素子１２８を含み、その結果測定ビームは光学的合成素子１２８を通過する。そのような構成は、図７Ａ−７Ｆを参照して説明した折り畳みナローミラー設計に適切である。さらに、図８Ａ−８Ｆを参照して説明したナローミラー設計は、オートフォーカスおよびパターン認識ビームがビーム結合素子１２８を直接通って通過し、測定ビームがビーム結合素子１２８によって回転されるように対物レンズ１１１が配向している場合にシステム５００の一環として実装されてもよい。

別の態様において、分光ビームプロファイル計測システムのスペクトル成分を検出するためにハイパースペクトル検出器が用いられる。

図６は、本明細書で提示される例示的方法に従って試験片の特徴を測定するためのシステム６００を説明する。図１に描写されたシステム１００と同じ番号の要素は、それら要素と類似したものである。

システム６００は、瞳検出器としてハイパースペクトル検出器１４４を含む。検出器１４４は、検出器の侵入深さ（垂直検出器）、屈折率、またはその他の波長依存性の特性によって波長成分を測定するように構成される。いくつかの実施形態において、ＣＭＯＳハイパースペクトル検出器１４４は、方位とＡＯＩを二次元で測定して（例えば、検出器の面を横断して）、２つの平面次元に対して直交する第３の次元（例えば検出器への深さ）で波長情報を分解する。いくつかの他の実施形態において、ハイパースペクトル検出器の面上の各「ピクセル」は、入射光をいくつかの異なる感光素子に拡散する小さい格子構造を含むスペクトロメータである。一般に、ハイパースペクトル検出器は、図１−５を参照して説明した波長分散素子および検出器の使用の代替として用いられ得る、または、ハイパースペクトル検出器は、これらのシステムを補完するために用いられ得る。

図２２は、図１−５を参照してそれぞれ説明した計測システム１００、２００、３００、４００および５００等の計測システムによって実装されるのに適した方法７００を説明する。一態様において、方法７００のデータ処理ブロックは、コンピューティングシステム１３０または任意のその他の汎用コンピューティングシステムの１以上のプロセッサによって実行される予めプログラムされたアルゴリズムを介して実行されてよいことが認識される。本明細書では、上記の計測システムのうちいずれかの特定の構造的態様は制限を表すものではなく、単なる説明上のものとして解釈されるべきであると認識される。

ブロック７０１において、多波長を有する照明光のビームが、例えば照明源１０１によって提供される。ビーム強度断面は二次元である。

ブロック７０２において、照明光のビームは例えばビーム成形素子１０７によって再成形され、その結果、照明光の再成形ビームが、概ね一次元であり長さ寸法によって特徴付けられるビーム強度断面を有する。

ブロック７０３において、試験片の表面上のオーバーレイ計測ターゲットは、照明光の再成形されたビームで、入射角の範囲にわたり照明される。照明光の再成形されたビームの長さ寸法は、オーバーレイ計測ターゲットの格子構造の範囲の方向に対して平行な第１の方向に、オーバーレイ計測ターゲット上に投影される。

ブロック７０４において、入射角の範囲にわたるオーバーレイ計測ターゲットの照明に応答して、オーバーレイ計測ターゲットからの光が、例えば対物レンズ１１１によって収集される。

ブロック７０５において、収集光が、二次元検出器の第１の次元に沿った入射角に従って検出され、また、二次元検出器の第２の次元に沿った波長に従って検出される。

本開示を通して説明された様々なステップは、単一のコンピュータシステム１３０によって実行されても、または、多数のコンピュータシステム１３０によって実行されてもよいことを理解すべきである。さらに、本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムの異なるサブシステムは、本明細書に記載されるステップの少なくとも一部を実行するために適切なコンピュータシステムを含んでよい。したがって、上記の説明は本発明への限定と解釈されるべきではなく、単に説明と解釈されるべきである。さらに、１以上のコンピューティングシステム１３０は、本明細書に記載される方法の実施形態のいずれかの、任意のその他のステップ（複数可）を実行するように構成されてもよい。

さらに、コンピュータシステム１３０は、当技術分野で知られる任意の方式で、本明細書に記載される分光ビームプロファイル計測システムの検出器に通信可能に結合されてよい。例えば、１以上のコンピューティングシステム１３０は、システム１００の検出器に関連するコンピューティングシステムに結合されてよい。別の例において、検出器は、コンピュータシステム１３０に結合された単一のコンピュータシステムによって直接制御されてよい。

計測システム１００のコンピュータシステム１３０は、ワイヤラインおよび／またはワイヤレス部分を含み得る伝送媒体によって、システムのサブシステム（例えば、検出器１１８等）からデータまたは情報を受信および／または取得するように構成されてよい。このようにして、伝送媒体は、システム１００のコンピュータシステム１３０と、その他のサブシステムとの間のデータリンクとして働き得る。

システム１００のコンピュータシステム１３０は、ワイヤラインおよび／またはワイヤレス部分を含み得る伝送媒体によって、その他のシステムからデータまたは情報（例えば、測定結果、モデリング入力、モデリング結果等）を受信および／または取得するように構成されてよい。このようにして、伝送媒体は、コンピュータシステム１３０と、その他のシステム（例えば、メモリオンボード計測システム１００、外部メモリまたはその他の外部メモリシステム等）との間のデータリンクとして働き得る。例えば、コンピューティングシステム１３０は、データリンクを介して記憶媒体（すなわち、メモリ１３２または外部メモリ）から測定データを受け取るように構成されてよい。例えば、検出器１１８を用いて取得したスペクトル測定結果は、永久または半永久メモリデバイス（例えば、メモリ１３２または外部メモリ）に記憶されてよい。これに関連して、スペクトル結果は、オンボードメモリから、または外部メモリシステムからインポートされてもよい。さらに、コンピュータシステム１３０は、伝送媒体を介してデータを他のシステムに送信してもよい。例えば、コンピュータシステム１３０によって算定されたパラメータ値１４０は、外部メモリに伝えられて記憶されてもよい。これに関連して、測定結果は別のシステムにエクスポートされてもよい。

コンピューティングシステム１３０は、限定はしないが、パーソナルコンピュータシステム、メインフレームコンピュータシステム、ワークステーション、イメージコンピュータ、パラレルプロセッサ、または当技術分野で知られる任意のその他のデバイスを含んでよい。一般に、用語「コンピューティングシステム」は、例えば媒体からの命令を実行する１以上のプロセッサを有する任意のデバイスを包含するように広く定義されてよい。

本明細書に記載されるようなプログラム命令１３４を実行する方法は、ワイヤ、ケーブルまたはワイヤレス伝送リンク等の伝送媒体を介して伝送されてよい。例えば、図１に説明されるように、メモリ１３２に記憶されたプログラム命令１３４は、バス１３３を介してプロセッサ１３１に伝送される。プログラム命令１３４は、コンピュータ可読媒体（例えば、メモリ１３２）に記憶される。例示的コンピュータ可読媒体は、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気もしくは光ディスク、または磁気テープを含む。

一般に、より高次数の回折光の検出は、瞳面内でなくてもよく、ウェハ面測定も同様に実装され得る。

さらなる態様において、多数のターゲットからの測定データが測定用に収集される。いくつかの例において、多数のターゲットに関連する測定データの使用は、測定結果における下層の影響を排除または大幅に低減する。一例において、２つのターゲットからの測定信号は、各測定結果から下層の影響を排除または大幅に低減するために差し引かれる。多数のターゲットに関連する測定データの使用は、モデルに埋め込まれた試料およびプロセス情報を増加させる。

もう１つのさらなる態様において、測定ターゲットと、オンデバイスまたはスクライブライン内で見出され得るアシストターゲットとの両方からの測定データが、測定のために収集される。

いくつかの例において、本明細書に記載される測定方法は、米国カリフォルニア州ミルピタス（Ｍｉｌｐｉｔａｓ）のＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＳｐｅｃｔｒａＳａｈｐｅ（登録商標）光学クリティカルディメンション計測システムの素子として実装される。

いくつかの別の例では、本明細書に記載される測定方法は、例えば、米国カリフォルニア州ミルピタス（Ｍｉｌｐｉｔａｓ）のＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＡｃｕＳｈａｐｅ（登録商標）ソフトウェアを実装するコンピューティングシステムによって、オフラインで実装される。

一般に、本明細書で提示される半導体計測を実行するための方法およびシステムは、ダイ内またはスクライブライン内に配置された実際のデバイス構造または専用計測ターゲット（例えば、プロキシ構造）に直接適用されてよい。

さらにもう１つの態様において、本明細書に記載される測定結果は、プロセスツール（例えば、リソグラフィーツール、エッチツール、堆積ツール等）にアクティブフィードバックを提供するために用いられ得る。例えば、本明細書に記載される方法を用いて決定された構造的またはプロセスパラメータの値は、所望の出力（例えば、フォーカスおよびドーセージ）を達成するためにリソグラフィーシステムを調節するためにリソグラフィーツールに通信されてよい。同じ方式で、エッチツールまたは堆積ツールにそれぞれアクティブフィードバックを提供するために、エッチパラメータ（例えば、エッチタイム、拡散率等）または堆積パラメータ（例えば、時間、濃度等）が測定モデルに含まれてもよい。

本明細書に記載される用語「波長分散素子」は、入射光を、線形であっても非線形であっても、波長に応じて任意の方式で分離する任意の分散素子を含む。この定義に、一般に「エネルギー分散」素子と呼ばれる素子が、本特許文書の目的のために波長分散素子として含まれる。

本明細書に記載される用語「クリティカルディメンション」は、構造の任意のクリティカルディメンション（例えば、底部クリティカルディメンション、中間クリティカルディメンション、頂部クリティカルディメンション、側壁角、格子高さ等）、任意の２以上の構造間のクリティカルディメンション（例えば、２つの構造間の距離）および２以上の構造間の変位（例えば、オーバーレイ格子構造間のオーバーレイ変位）を含む。構造は、三次元構造、パターン付き構造、オーバーレイ構造等を含み得る。

本明細書に記載される用語「クリティカルディメンション用途」または「クリティカルディメンション測定用途」は、任意のクリティカルディメンション測定を含む。

本明細書に記載される用語「計測システム」は、クリティカルディメンション計測、オーバーレイ計測、フォーカス／ドーセージ計測および組成計測等の測定用途を含む、試験片を任意の態様で特性評価するために少なくとも部分的に用いられる任意のシステムを含む。しかしながら、そのような技術用語は、本明細書に記載される用語「計測システム」の範囲を限定するものではない。さらに、計測システム１００は、パターン付きウェハおよび／またはパターン付きでないウェハの測定向けに構成されてよい。計測システムは、ＬＥＤ検査ツール、エッジ検査ツール、バックサイド検査ツール、マクロ検査ツールまたはマルチモード検査ツール（１以上のプラットフォームからの同時のデータを含む）、および、クリティカルディメンションデータに基づくシステムパラメータの較正から益する任意のその他の計測または検査ツールとして構成されてよい。

試験片を処理するために用いられ得る半導体処理システム（例えば、検査システムまたはリソグラフィーシステム）向けの様々な実施形態が本明細書に記載されている。用語「試験片」は、本明細書において、ウェハ、レチクル、または当技術分野で知られる手段によって処理され得る（例えば、印刷される、または欠陥に関して検査される）任意のその他の試料を呼称するために用いられる。

本明細書で用いられる用語「ウェハ」は、一般に半導体または非半導体材料から形成された基板を指す。例としては、限定はしないが、単結晶シリコン、ガリウム砒素、リン化インジウムを含む。そのような基板は半導体製作設備内で一般的に見出さ得る、および／または処理され得る。いくつかの場合には、ウェハは、基板のみ（すなわち、ベアウェハ）を含んでよい。代替的に、ウェハは、基板上に形成された異なる材料の１以上の層を含んでよい。ウェハ上に形成された１以上の層は、「パターン付き」でも「パターンなし」でもよい。例えば、ウェハは、反復可能なパターンフィーチャを有する複数のダイを含んでよい。

「レチクル」は、レチクル製作プロセスの任意の段階におけるレチクルであってもよいし、あるいは、半導体製作設備内での使用向けにリリースされてもリリースされなくてもよい完成したレチクルであってもよい。レチクルまたは「マスク」は、その上に形成され、パターン状に構成された実質的に半透明な領域を有する実質的に透明な基板として一般に定義される。基板は、例えばアモルファスＳｉＯ_２等のガラス材料を含んでよい。レチクルは、レチクル上のパターンがレジストに転写されるように、リソグラフィープロセスの露光ステップ中にレジストで被覆されたウェハの上に配置されてよい。

ウェハ上に形成される１以上の層は、パターン付きでもパターンなしでもよい。例えば、ウェハは、反復可能なパターンフィーチャをそれぞれが有する複数のダイを含んでよい。そのような材料の層を形成し処理することが、最終的に完成した装置をもたらし得る。多くの異なるタイプの装置がウェハ上に形成されてよく、本明細書で用いる用語ウェハは、当技術分野で知られる任意のタイプのデバイスがその上に製作されるウェハを包含することを意図している。

１つ以上の例示的実施形態では、記載される機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらのいずれかの組み合わせで実装され得る。ソフトウェアで実装される場合、機能は、１つ以上の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体上に記憶または伝送され得る。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体とコンピュータプログラムの相互伝送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、汎用または専用コンピュータによりアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であってよい。例として、そのようなコンピュータ可読媒体は、限定はしないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光学ディスク記憶体、磁気ディスク記憶体または他の磁気記憶装置、あるいは、命令またはデータ構造の形で所望のプログラムコード手段を搬送または記憶するのに用いることができ、汎用または専用コンピュータまたは汎用または専用プロセッサによりアクセスすることができる任意の他の媒体を含み得る。さらに、あらゆる接続が、正式にコンピュータ可読媒体と呼ばれる。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚り線対、デジタルサブスクライバライン（ＤＳＬ）、または赤外線、ラジオ、およびマイクロ波などの無線技術を用いてウェブサイト、サーバ、または他のリモートソースから伝送される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚り線対、ＤＳＬ、または赤外線、ラジオおよびマイクロ波などの無線技術は媒体の定義に含まれる。ディスク（ｄｉｓｋ）およびディスク（ｄｉｓｃ）は、本明細書で用いられる場合、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク（登録商標）、光学ディスク、デジタル万能ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスクおよびブルーレイディスクを含み、ディスク（ｄｉｓｋ）は、通常、データを磁気的に再生するが、ディスク（ｄｉｓｃ）は、レーザーを用いてデータを光学的に再生する。上記のものの組み合わせも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。

ある特定の実施形態が教示目的のために上に記載されているが、本特許文書の教示内容は、一般的な適用可能性を有し、上に記載された特定の実施形態に限定されない。したがって、本請求項に記載されるような本発明の範囲から逸脱せずに、記載された実施形態の様々な特徴の様々な変更、適用、および組み合わせを実践することができる。

Claims (19)

1. 計測システムであって、
   多波長と、二次元ビーム強度断面を有する照明光のビームを供給するように構成された多波長照明源と、
   前記照明光のビームを再成形して、その結果、照明光の再成形されたビームが一次元であり長さ寸法によって特徴付けられるビーム強度断面を有するように構成されたビーム成形素子と、
   照明光の再成形ビームを受け取って、オーバーレイ計測ターゲットを、照明光の再成形ビームで入射角の範囲にわたり照明し、その結果、照明光の再成形ビームの長さ寸法がオーバーレイ計測ターゲットに、オーバーレイ計測ターゲットの格子構造の範囲の方向に対して平行な第１の方向に投影されるように構成され、さらに、照明に応答して、オーバーレイ計測ターゲットからの光を収集するように構成された開口数が０．７より大きい高開口数（ＮＡ）対物レンズと、
   第１の二次元検出器の第１の次元に沿った入射角に従って、また、第１の二次元検出器の第２の次元に沿った波長に従って収集光を検出するように構成された第１の二次元検出器と、
   を備え、前記収集光は、第１次数回折光、ゼロ次数回折光、またはそれらの組み合わせを含む計測システム。
2. 前記第１の二次元検出器はさらに、前記第１の二次元検出器の各ピクセルで検出された光を示す測定信号を生成するように構成され、測定信号は、一意的な波長と入射角でのオーバーレイ計測ターゲットの測定に関連する、請求項１に記載の計測システム。
3. さらに、各ピクセルで検出された光を示す測定信号を受信し、
   オーバーレイ計測ターゲットに関連する少なくとも１つのオーバーレイパラメータの値を、測定信号に基づいて決定し、
   少なくとも１つのオーバーレイパラメータの値をメモリに記憶する、
   ように構成されたコンピューティングシステムを備えた、請求項２に記載の計測システム。
4. さらに、収集光を受け取り、入射角に従って収集光を伝送し、受け取った収集光を、前記第１の二次元検出器を横断する波長に従って分散するように構成された第１の波長分散素子を備えた、請求項１に記載の計測システム。
5. 前記収集光は、前記第１の二次元検出器の第１の領域に投影された第１次数回折光と、第１の領域とは別個の前記第１の二次元検出器の第２の領域に投影されたゼロ次数回折光を含む、請求項１に記載の計測システム。
6. オーバーレイ計測ターゲットに関連する少なくとも１つのオーバーレイパラメータの値を決定することは、オーバーレイ測定モデルでの測定信号の反復的回帰に基づく、請求項３に記載の計測システム。
7. オーバーレイ計測ターゲットに関連する少なくとも１つのオーバーレイパラメータの値を決定することは、測定信号と訓練された信号応答計測に基づく、請求項３に記載の計測システム。
8. 収集光の一部を、第２の二次元検出器の第１の次元に沿った入射角に沿って検出し、収集光の他の一部を、第２の二次元検出器の第２の次元に沿った波長に従って検出するように構成された第２の二次元検出器をさらに備える、
   請求項１に記載の計測システム。
9. 前記照明光のビームの経路内に配置された偏光子素子をさらに備えた、請求項１に記載の計測システム。
10. 収集光の経路内に配置された分析器素子と、
    前記照明光のビームの経路、収集光の経路、またはそれら両方に配置された少なくとも１つの補償器素子をさらに備えた、請求項９に記載の計測システム。
11. 前記ビーム成形素子は回転式であって、その結果、照明光の再成形ビームが、第２のオーバーレイ計測ターゲット上に、第１の方向に対して垂直な第２の方向に投影され、前記第２の方向は、前記第２のオーバーレイ計測ターゲットの格子構造の範囲の方向に対して平行である、請求項１に記載の計測システム。
12. 測定スポットサイズを縮小するために、多波長照明源とオーバーレイ計測ターゲットの間の照明経路内に配置されたアポダイザ素子をさらに備える、請求項１に記載の計測システム。
13. 前記多波長照明源とオーバーレイ計測ターゲットの間の照明経路内に選択可能に配置された１以上の波長フィルタリング素子、オーバーレイ計測ターゲットと前記第１の二次元検出器の間の収集経路内に選択可能に配置された１以上の波長フィルタリング素子、またはそれらの組み合わせをさらに備えた、請求項１に記載の計測システム。
14. 分光ビームプロファイル計測システムであって、
    多波長を有する照明光のビームを供給するように構成された広帯域照明源と、
    前記照明光のビームを再成形して、その結果、照明光の再成形されたビームが一次元であり長さ寸法によって特徴付けられるビーム強度断面を有するように構成されたビーム成形素子と、
    照明光の再成形ビームを受け取って、オーバーレイ計測ターゲットを、照明光の再成形ビームで入射角の範囲にわたり照明し、その結果、照明光の再成形ビームの長さ寸法が、オーバーレイ計測ターゲットに、オーバーレイ計測ターゲットの格子構造の範囲の方向に対して平行な第１の方向に投影されるように構成され、さらに、照明に応答して、オーバーレイ計測ターゲットからの光を収集するように構成された開口数が０．７より大きい高開口数（ＮＡ）対物レンズと、
    二次元検出器の第１の次元に沿った入射角に従って、また、二次元検出器の第２の次元に沿った波長に従って収集光を検出するように構成された二次元検出器とを備え、前記収集光は、前記二次元検出器の第１の領域にわたり検出される第１次数回折光と、前記第１の領域とは別個の前記二次元検出器の第２の領域にわたり検出されるゼロ次数回折光を含む、
    分光ビームプロファイル計測システム。
15. さらに、ゼロ次回折光を受け取り、入射角に従ってゼロ次回折光を伝送し、受け取ったゼロ回折光を、前記二次元検出器の第２の次元に沿った波長に従って分散するように構成された波長分散素子を備えた、請求項１４に記載の分光ビームプロファイル計測システム。
16. 多波長を有し二次元であるビーム強度断面を有する照明光のビームを供給し、
    前記照明光のビームを再成形して、その結果、照明光の再成形ビームが、一次元であり長さ寸法によって特徴付けられるビーム強度断面を有するようにさせ、
    照明光の再成形ビームの長さ寸法が、オーバーレイ計測ターゲットの格子構造の範囲の方向に対して平行な第１の方向にオーバーレイ計測ターゲット上に投影されるように、試験片の表面上のオーバーレイ計測ターゲットを照明光の再成形ビームで入射角の範囲にわたり照明し、
    オーバーレイ計測ターゲットの照明に応答して、測定サイトからの光を収集し、
    収集光を、二次元検出器の第１の次元に沿った入射角に従って検出し、また、収集光を、前記二次元検出器の第２の次元に沿った波長に従って検出することを含み、前記収集光は、第１次数回折光、ゼロ次数回折光、またはそれらの組み合わせを含む方法。
17. さらに、前記二次元検出器の各ピクセルで検出された光を示す測定信号を生成することを含み、前記測定信号は、一意的な波長および入射角でのオーバーレイ計測ターゲットの測定に関連する、請求項１６に記載の方法。
18. さらに、各ピクセルで検出された光を示す測定信号を受信し、
    オーバーレイ計測ターゲットに関連する少なくとも１つのオーバーレイパラメータの値を、前記測定信号に基づいて算定し、
    前記少なくとも１つのオーバーレイパラメータの値をメモリに記憶することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記収集光は、前記二次元検出器の第１の領域に投影された第１次数回折光と、第１の領域とは別個の前記二次元検出器の第２の領域に投影されたゼロ次数回折光を含む、請求項１６に記載の方法。