(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測システムの照明サブシステムにおいて、
光のコヒーレントパルスを発生するように構成された光源と、
光の前記コヒーレントパルスの経路中に配置された分散素子であって、前記分散素子が、光の前記パルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスのコヒーレンスを低減するように構成された分散素子と、
前記分散素子から出る光の前記パルスの前記経路中に配置された電気光学変調器であって、前記電気光学変調器が、光の前記パルス中の前記光分布を時間的に変調することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減するように構成され、前記照明サブシステムが、前記電気光学変調器からの光の前記パルスを、前記計測システム中に配置された試験片に導くように構成された、電気光学変調器と、
前記電気光学変調器から出る光の前記パルスの前記経路中に配置された追加の分散素子と、を備え、
前記追加の分散素子が、光の前記パルス中の前記光分布の前記空間的特性と前記時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減するように構成され、
前記光源によって発生された光の前記パルスが、異なる波長を有する光を含み、
前記照明サブシステムが、前記異なる波長を有する前記光を、前記照明サブシステムを通して異なる光路に沿って導くようにさらに構成されており、
前記電気光学変調器が、各期間に対して約１０3個の非周期サンプルを提供し、それにより、約１０-13秒のデコヒーレンス時間を提供するようにさらに構成された、照明サブシステム。
【請求項２】
前記光源によって発生された光の前記パルスの持続時間が１０ナノ秒未満である、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項３】
前記光源がレーザー光源である、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項４】
前記分散素子がプリズムである、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項５】
前記分散素子が回折格子である、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項６】
前記照明サブシステムが、前記追加の分散素子からの光の前記パルスを前記試験片に導くようにさらに構成された、請求項１の照明サブシステム。
【請求項７】
前記電気光学変調器と前記追加の分散素子との間に配置された屈折レンズをさらに備える、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項８】
前記追加の分散素子から出る光の前記パルスの前記経路中に配置された反射素子をさらに備え、前記反射素子が、前記追加の分散素子から出る光の前記パルスを、前記追加の分散素子と前記電気光学変調器と前記分散素子とを通して、後方に導くように構成され、前記照明サブシステムが、前記分散素子からの光の前記パルスを前記試験片に導くようにさらに構成された、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項９】
前記電気光学変調器から出る光のパルスの前記経路中に配置された反射素子をさらに備え、前記反射素子が、前記電気光学変調器から出る光の前記パルスを、前記電気光学変調器と前記分散素子とを通して、後方に導くように構成され、前記照明サブシステムが、前記分散素子からの光の前記パルスを前記試験片に導くようにさらに構成された、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項１０】
前記電気光学変調器が、１０分の１ピコ秒の時間間隔で光の前記パルス中の前記光分布の前記時間変調を変更するようにさらに構成された、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項１１】
前記電気光学変調器が、進行波動作モードで動作するようにさらに構成された、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項１２】
前記照明サブシステムが、機械デバイスを使用して光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減するようには構成されない、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項１３】
前記計測システムが、前記計測システムによって実行される前記試験片の測定中に、前記試験片と前記計測システムの検出サブシステムとの間で連続相対運動を引き起こすように構成された、請求項１に記載の照明サブシステム。
【請求項１４】
計測システムにおいて、
照明サブシステムであって、
光のコヒーレントパルスを発生するように構成された光源、
光の前記コヒーレントパルスの経路中に配置された分散素子であって、前記分散素子が、光の前記パルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスのコヒーレンスを低減するように構成された分散素子、
前記分散素子から出る光の前記パルスの前記経路中に配置された電気光学変調器であって、前記電気光学変調器が、光の前記パルス中の前記光分布を時間的に変調することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減するように構成され、前記照明サブシステムが、前記電気光学変調器からの光の前記パルスを、前記計測システム中に配置された試験片に導くように構成された、電気光学変調器、および
前記電気光学変調器から出る光の前記パルスの前記経路中に配置された追加の分散素子
を備え、
前記追加の分散素子が、光の前記パルス中の前記光分布の前記空間的特性と前記時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減するように構成される照明サブシステムと、
前記試験片から光を検出し、前記検出された光に応答して出力を発生するように構成された検出サブシステムと、
前記出力を使用して、前記試験片の１つまたは複数の特性を判断するように構成されたプロセッサと
を備え、
前記光源によって発生された光の前記パルスが、異なる波長を有する光を含み、
前記照明サブシステムが、前記異なる波長を有する前記光を、前記照明サブシステムを通して異なる光路に沿って導くようにさらに構成されており、
前記電気光学変調器が、各期間に対して約１０3個の非周期サンプルを提供し、それにより、約１０-13秒のデコヒーレンス時間を提供するようにさらに構成された、計測システム。
【請求項１５】
前記計測システムが、前記計測システムによって実行される前記試験片の測定中に、前記試験片と前記検出サブシステムとの間で連続相対運動を引き起こすようにさらに構成された、請求項１４に記載の計測システム。
【請求項１６】
計測測定のために試験片を照明するための方法であって、
光のコヒーレントパルスであって、異なる波長を有する光を含むコヒーレントパルスを発生することと、
光の前記パルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスのコヒーレンスを低減する第１の低減ステップと、
前記第１の低減ステップ後に、光の前記パルス中の前記光分布を時間的に変調することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減する第２の低減ステップと、
前記第２の低減ステップ後に、光の前記パルス中の前記光分布の前記空間的特性と前記時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減する第３の低減ステップと、
前記第３のステップ後に、光の前記パルスを計測システム中に配置された前記試験片に導くことと
を含み、
ており、
前記第２の低減ステップにおいて、電気光学変調器が、各期間に対して約１０3個の非周期サンプルを提供し、それにより、約１０-13秒のデコヒーレンス時間を提供し、
前記方法は、前記異なる波長を有する前記光を、異なる光路に沿って導く、方法。
【請求項１７】
前記低減するステップが機械デバイスを使用せずに実行される、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００８年９月２９日に出願された「Ｓｐｅｃｋｌｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ」と題する米国仮特許出願第６１／１００，９９０号の優先権を主張し、当該米国仮特許出願の内容は、あたかも本明細書に完全に記載されるかのごとく参照により組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に、計測システムの照明サブシステム、計測システム、および計測測定のために試験片を照明するための方法に関する。ある特定の実施形態は、計測アプリケーションのために光のパルスのコヒーレンスを低減することに関する。
【背景技術】
【０００３】
以下の説明および例は、このセクションに含まれることを理由に従来技術であると認められるものではない。
【０００４】
論理デバイスおよびメモリデバイスなどの半導体デバイスを製造することは、一般に、様々な特徴および複数のレベルの半導体デバイスを形成するための複数の半導体製作プロセスを使用して、半導体ウエハなどの試験片を処理することを含む。計測プロセスは、プロセスを監視および制御するために、半導体製造プロセス中の様々なステップにおいて使用される。計測プロセスは、ウエハの１つまたは複数の特性を測定するために使用される。たとえば、計測プロセスを使用して、プロセス中にウエハ上に形成されたフィーチャの寸法（たとえば、線幅、厚さなど）のようなウエハの１つまたは複数の特性を測定し、それにより、その１つまたは複数の特性からプロセスのパフォーマンスを判断することができる。さらに、ウエハのその１つまたは複数の特性が許容できない（たとえば、その１つまたは複数の特性が所定の範囲外である）場合、ウエハのその１つまたは複数の特性の測定を使用して、プロセスによって製造される追加のウエハが、１つまたは複数の許容可能な特性を有するように、プロセスの１つまたは複数のパラメータを変更することができる。
【０００５】
一般に、特に測定が実行されるウエハ上のサイトの数が比較的多いとき、計測プロセスには比較的長い時間がかかることがある。計測プロセスを実行することができる時間を低減することに関する１つの障害は、ウエハ上の複数のサイトを測定することができるようにウエハおよび／または計測システムのレンズを移動させることに関与する時間を低減することは非常に困難であるということである。したがって、計測プロセスに関与する時間を低減するための１つの手法は、計測プロセス中にウエハおよび／または計測システムのレンズを互いに対して連続的に移動させることを含む。ただし、そのような手法は、測定を実行することができる時間量を著しく低減する。したがって、そのような手法は、非常に短い時間期間で十分な量の光を生成することができる光源を必要とする。１つのそのような光源は、パルスレーザ光源である。そのような光源には、光のコヒーレンスによる光がスペックルパターンを有し、計測測定と干渉することがあるという欠点がある。したがって、ウエハおよび／または計測システムのレンズを互いに対して連続的に移動させながら測定を実行する計測システムにおいて、そのような光源を使用することに関する有意な障害は、スペックルパターンを比較的速く、具体的には、機械デバイス、時間平均化プロシージャ、またはスペックルパターンを抑制するためのその他の現在使用されている方法を使用して、スペックルパターンを抑制することができる時間よりも速く抑制しなければならないということである。
【０００６】
したがって、適切な光を提供し、非常に短い時間量でスペックルパターンを十分に抑制することができる計測システムのための照明方法および／またはサブシステムを開発することが有利である。
【発明の概要】
【０００７】
照明サブシステム、計測システム、および方法の様々な実施形態に関する以下の説明は、いかなる方法であれ、添付の特許請求の範囲の主題を限定するものとしては解釈されるべきではない。
【０００８】
１つの実施形態は、計測システムの照明サブシステムに関する。本照明サブシステムは、光のコヒーレントパルスを発生するように構成された光源を含む。本照明サブシステムはまた、光のコヒーレントパルスの経路中に配置された分散素子を含む。分散素子は、光のパルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減するように構成される。本照明サブシステムは、分散素子から出る光のパルスの経路中に配置された電気光学変調器をさらに含む。電気光学変調器は、光のパルス中の光分布を時間的に変調することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減するように構成される。照明サブシステムは、電気光学変調器からの光のパルスを、計測システム中に配置された試験片に導くように構成される。本照明サブシステムはさらに、本明細書に記載する任意の実施形態に従って構成することができる。
【０００９】
別の実施形態は、計測システムに関する。本計測システムは、上述のように構成された照明サブシステムを含む。本計測システムはまた、試験片から光を検出し、検出された光に応答して出力を発生するように構成された検出サブシステムを含む。さらに、本計測システムは、出力を使用して、試験片の１つまたは複数の特性を判断するように構成されたプロセッサを含む。本計測システムは、さらに、本明細書に記載する任意の実施形態に従って構成することができる。
【００１０】
さらなる実施形態は、計測測定のために試験片を照明するための方法に関する。本方法は、光のコヒーレントパルスを発生することを含む。本方法はまた、光のパルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減することを含む。さらに、本方法は、光のパルス中の光分布を時間的に変調することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減することを含む。本方法はさらに、低減するステップ後に、光のパルスを、計測システム中に配置された試験片に導くことを含む。
【００１１】
上述した方法のステップの各々は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。さらに、本明細書に記載する１つまたは複数の任意の方法の１つまたは複数の任意の他のステップを含むことができる。さらに、上述した方法は、本明細書に記載する１つまたは複数のサブシステムおよびシステムのうちのいずれかによって実行することができる。
【００１２】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明の利益とともに添付の図面を参照すると、当業者には本発明のさらなる利点が明らかになるであろう。また、本発明は以下の適用例としても実現可能である。
［適用例１］
計測システムの照明サブシステムにおいて、
光のコヒーレントパルスを発生するように構成された光源と、
光の前記コヒーレントパルスの経路中に配置された分散素子であって、前記分散素子が、光の前記パルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスのコヒーレンスを低減するように構成された分散素子と、
前記分散素子から出る光の前記パルスの前記経路中に配置された電気光学変調器であって、前記電気光学変調器が、光の前記パルス中の前記光分布を時間的に変調することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減するように構成され、前記照明サブシステムが、前記電気光学変調器からの光の前記パルスを、前記計測システム中に配置された試験片に導くように構成された、電気光学変調器と
を備える、照明サブシステム。
［適用例２］
前記光源によって発生された光の前記パルスの持続時間が１０ナノ秒未満である、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例３］
前記光源がレーザー光源である、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例４］
前記分散素子がプリズムである、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例５］
前記分散素子が回折格子である、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例６］
前記電気光学変調器から出る光の前記パルスの前記経路中に配置された追加の分散素子をさらに備え、前記追加の分散素子が、光の前記パルス中の前記光分布の前記空間的特性と前記時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減するように構成された、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例７］
前記照明サブシステムが、前記追加の分散素子からの光の前記パルスを前記試験片に導くようにさらに構成された、適用例６の照明サブシステム。
［適用例８］
前記電気光学変調器と前記追加の分散素子との間に配置された屈折レンズをさらに備える、適用例６に記載の照明サブシステム。
［適用例９］
前記追加の分散素子から出る光の前記パルスの前記経路中に配置された反射素子をさらに備え、前記反射素子が、前記追加の分散素子から出る光の前記パルスを、前記追加の分散素子と前記電気光学変調器と前記分散素子とを通して、後方に導くように構成され、前記照明サブシステムが、前記分散素子からの光の前記パルスを前記試験片に導くようにさらに構成された、適用例６に記載の照明サブシステム。
［適用例１０］
前記電気光学変調器から出る光のパルスの前記経路中に配置された反射素子をさらに備え、前記反射素子が、前記電気光学変調器から出る光の前記パルスを、前記電気光学変調器と前記分散素子とを通して、後方に導くように構成され、前記照明サブシステムが、前記分散素子からの光の前記パルスを前記試験片に導くようにさらに構成された、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例１１］
前記電気光学変調器が、１０分の１ピコ秒の時間間隔で光の前記パルス中の前記光分布の前記時間変調を変更するようにさらに構成された、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例１２］
前記電気光学変調器が、各期間に対して約１０3個の非周期サンプルを提供し、それにより、約１０-13秒のデコヒーレンス時間を提供するようにさらに構成された、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例１３］
前記電気光学変調器が、進行波動作モードで動作するようにさらに構成された、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例１４］
前記光源によって発生された光の前記パルスが異なる波長を有する光を含み、前記照明サブシステムが、前記異なる波長を有する前記光を、前記照明サブシステムを通して異なる光路に沿って導くようにさらに構成された、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例１５］
前記照明サブシステムが、機械デバイスを使用して光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減するようには構成されない、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例１６］
前記計測システムが、前記計測システムによって実行される前記試験片の測定中に、前記試験片と前記計測システムの検出サブシステムとの間で連続相対運動を引き起こすように構成された、適用例１に記載の照明サブシステム。
［適用例１７］
計測システムにおいて、
照明サブシステムであって、
光のコヒーレントパルスを発生するように構成された光源、
光の前記コヒーレントパルスの経路中に配置された分散素子であって、前記分散素子が、光の前記パルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスのコヒーレンスを低減するように構成された分散素子、および
前記分散素子から出る光の前記パルスの前記経路中に配置された電気光学変調器であって、前記電気光学変調器が、光の前記パルス中の前記光分布を時間的に変調することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減するように構成され、前記照明サブシステムが、前記電気光学変調器からの光の前記パルスを、前記計測システム中に配置された試験片に導くように構成された、電気光学変調器
を備える照明サブシステムと、
前記試験片から光を検出し、前記検出された光に応答して出力を発生するように構成された検出サブシステムと、
前記出力を使用して、前記試験片の１つまたは複数の特性を判断するように構成されたプロセッサと
を備える、計測システム。
［適用例１８］
前記計測システムが、前記計測システムによって実行される前記試験片の測定中に、前記試験片と前記検出サブシステムとの間で連続相対運動を引き起こすようにさらに構成された、適用例１７に記載の計測システム。
［適用例１９］
計測測定のために試験片を照明するための方法であって、
光のコヒーレントパルスを発生することと、
光の前記パルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光の前記パルスのコヒーレンスを低減することと、
光の前記パルス中の前記光分布を時間的に変調することによって、光の前記パルスの前記コヒーレンスを低減することと、
前記低減するステップ後に、光の前記パルスを計測システム中に配置された前記試験片に導くことと
を含む、方法。
［適用例２０］
前記低減するステップが機械デバイスを使用せずに実行される、適用例１９に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】計測システムの照明サブシステムの一実施形態の断面図を示す概略図である。
【図２】本明細書に記載する照明サブシステムの一実施形態では含まれる電気光学変調器の振幅を増加させることにより、どのようにデコヒーレンス時間を低減することができるかを示す図である。
【図３】計測システムの照明サブシステムの様々な実施形態の一部分の断面図を示す概略図である。
【図４】計測システムの照明サブシステムの様々な実施形態の一部分の断面図を示す概略図である。
【図５】計測システムの照明サブシステムの様々な実施形態の一部分の断面図を示す概略図である。
【図６】計測システムの照明サブシステムの様々な実施形態の一部分の断面図を示す概略図である。
【図７】計測システムの照明サブシステムの様々な実施形態の一部分の断面図を示す概略図である。
【図８】計測システムの照明サブシステムの様々な実施形態の一部分の断面図を示す概略図である。
【図９】計測システムの１つの実施形態の側面図を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は様々な修正形態および変更形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態を、例として図示し、本明細書で詳細に説明する。図面は一定の縮尺ではない。しかしながら、図面および詳細な説明は、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、反対に、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲内となるすべての修正形態、均等形態および代替形態を網羅することを意図するものであることが理解されよう。
【００１５】
次に図面を参照して、各図が一定の縮尺で描かれていないことに留意されたい。具体的には、各図の要素のうちのいくつかの縮尺は、それらの要素の特性を強調するために大幅に誇張されている。また、各図が同じ縮尺で描かれていないことも留意されたい。同様に構成することができる２つ以上の図に示される要素は同一の参照番号を使用して示している。
【００１６】
本明細書に記載する実施形態は概して、パルスレーザ光源のためのスペックル抑制手法に関する。たとえば、本明細書に記載する実施形態は、コヒーレントパルス光源（パルスレーザ）によって生成されるスペックルパターンの抑制のための解決策を提供する。いくつかの実施形態では、試験片は、その上に半導体デバイスが製造される、または製造できるようなウエハとすることができる。さらに、１つまたは複数のウエハに関する何らかの説明が本明細書に提供されるが、本明細書に記載する実施形態を使用して、計測測定のための任意の他の試験片を照明することができることを理解されたい。
【００１７】
ウエハ上で測定されたサイトの数を大幅に増加させることに対する市場ニーズは、各サイトにおける測定に必要な時間を著しく低減させることを求めている。近年使用されている測定シーケンスは、１つのサイトから別のサイトへのナビゲーション、ターゲット獲得、焦点修正、および出力獲得（たとえば、画像グラビングまたは光波散乱計測信号グラビング）を含む。それ自体におけるナビゲーションプロシージャは、位相を加速することと減速することとを含み、２つのうち少なくとも１つの要因によってナビゲーション時間が増加する。機械的振動に関する厳密な仕様のために、このように位相を加速することと減速することとは、測定時間が次のノード発生に必要な時間まで低減しないようにする。
【００１８】
１つの実施形態は、計測システムの照明サブシステムに関する。１つの実施形態では、計測システムは、計測システムによって実行される試験片の測定中に、試験片と計測システムの検出サブシステムとの間の連続相対運動を引き起こすように構成される。計測システムは、本明細書にさらに記載するような連続相対運動を引き起こすように構成することができる。たとえば、次のノード発生に必要な測定時間を低減するために、１つ手法は、「オンザフライ」測定を実行することである。この概念は、計測システムのレンズ（たとえば、検出サブシステムまたはオプティカルセンサ）および／またはウエハを互いに対して連続的に移動させ、フラッシュブロードバンド光源またはパルスレーザなどの光源を使用して出力獲得（たとえば、画像グラビング）を実行することを意味する。
【００１９】
照明サブシステムは、光のコヒーレントパルスを発生するように構成された光源を含む。たとえば、図１に示すように、照明サブシステムは、（図１では断面寸法Ｘ1の入射ビーム１２で全体的に示される）光のコヒーレントパルスを発生するように構成された光源１０を含む。１つの実施形態では、光源により発生した光のパルスの持続時間は１０ナノ秒未満である。本明細書に記載する実施形態と回転ディフューザなどのようなスペックル低減の他の知られる手段との１つの主要な差異は、これらの実施形態は適用可能であり、照明の比較的短いパルス（たとえば、数ナノ秒）のためにほとんど設計されているということである。具体的には、本明細書にさらに記載するように、これらの実施形態は光の超短波パルスのための新しいデコヒーレンス手法を提供する。１つの実施形態では、光源はレーザー光源である。たとえば、上述のように、フラッシュブロードバンド光源またはパルスレーザを使用して計測測定を実行することができる。しかしながら、このとき、光のパルスの持続時間は数ナノ秒に制限されるので、パルスレーザ光源しか必要とされる量の光を提供することができない。具体的には、典型的なナビゲーション速度が約１ｍ／秒である場合、出力獲得中のターゲットまたは測定サイトにわたる最大許容シフトは、数ナノメートルとなる。パルスレーザ光源は、任意の好適な市販のパルスレーザ光源を含むことができる。
【００２０】
別の実施形態では、照明サブシステムは、機械デバイスを使用して光のパルスのコヒーレンスを低減するようには構成されない。たとえば、コヒーレント光源は、よく知られているスペックル問題を生成し、その解決策は、本明細書に記載する計測システムの場合、わずか数ナノ秒のパルス持続期間に起因して複雑になる。具体的には、このパルス持続期間により、回転ディフューザまたはスペックル振幅低減のための他の機械デバイスなど、普及した手法が使用できなくなる。実際、スペックル抑制のための一般的な方法は、統合（画像／信号グラビング）時間中に多くの異なるスペックル構成をまとめる時間平均化プロシージャを使用する。スペックルの振幅が実現の数の平方根として低減されるので、スペックル振幅を計測アプリケーション信号対雑音比に関する許容値まで低減するために、約１０4個の異なるスペックル構成をまとめなければならない。したがって、パルスが数ナノ秒の持続時間である場合、各スペックル実現のためには、時間間隔はピコ秒未満でなければならず、これは機械デバイスを使用して達成できない。したがって、本明細書に記載する実施形態の有意な利点は、回転ディフューザと効率が同じであるが、スペックル抑制機構を約４〜６桁小さくし、それにより、計測アプリケーションのためのパルスコヒーレント光源を使用して時間スケールが可能になるということである。さらに、本明細書に記載する実施形態は、それらが「オンザフライ」計測アプリケーションのための既存のパルスレーザ光源を使用して可能になるので、有効数字を有する。
【００２１】
可視光スペクトルに関する１／１０ピコ秒の時間間隔は、数ナノメートルのスペクトル幅に等しい。本明細書に記載する実施形態の主要なアイデアは、必要とされる１／１０ピコ秒の時間間隔で変更できる光ビームの非常に速い時間変調を実行し、スペクトル範囲有限を利用して時間変調を空間変調に変換することである。分散素子と電気光学変調器との使用は、スペックル低減のための本明細書に記載する新しい手法の核心である。たとえば、照明サブシステムは、光のコヒーレントパルスの経路中に配置された分散素子を含む。図１に示すように、分散素子は、光のコヒーレントパルスの断面図に対して角度θ1で配置された平面１４に配置することができる。図１にさらに示すように、光のパルスは、分散素子から角度θ2で出て、その断面寸法はＸ1’である。１つの実施形態では、分散素子はプリズムである。別の実施形態では、分散素子は回折格子である。分散素子は、光のパルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減するように構成される。具体的には、プリズムまたは回折格子などの分散素子は、光のパルス中の光分布の空間的特性と時間的特性の何らかの混合を提供する。たとえば、回折格子は、空間的座標軸および時間的座標上の光のパルスの光分布の別個の依存を混合空間時間座標上の光分布の依存に変換する。
【数１】
0005905257.tif 000002
分散素子は、任意の好適なプリズムまたは回折格子を含むことができ、それらは照明サブシステムおよび計測システムの光学特性に応じて変えることができる。
【００２２】
照明サブシステムはさらに、分散素子から出る光のパルスの経路中に配置された電気光学変調器を含む。たとえば、図１に示すように、照明サブシステムは、分散素子から出る光のパルスの経路中に配置された電気光学変調器１６を含むことができる。電気光学変調器は、光のパルス中の光分布を時間的に変調することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減するように構成される。具体的には、電気光学変調器は、光分布の任意の時間変調を行う。したがって、分散素子および電気光学変調器は、光源によって発生された光のパルスに対する複合効果を有する。具体的には、分散素子と電気光学変調器との組合せは、任意の時間変調を生じ、時間変調を任意の空間変調に変換する。
【００２３】
１つの実施形態では、電気光学変調器は、１／１０ピコ秒の時間間隔で光のパルス中の光分布の時間変調を変更するように構成される。別の実施形態では、電気光学変調器は、各期間に対して約１０3個の非周期サンプルを提供し、それにより、約１０-13秒のデコヒーレンス時間を提供するように構成される。たとえば、電気光学変調器は、時間変動フェーザ、ｅｘｐ（ｉφmｓｉｎ（ωmｔ））をもたらし、ただし、ωm〜１０9−１０10Ｈｚは変調周波数
【数２】
0005905257.tif 000003
であり、ｌは電気光学変調器の厚さであり、λは波長であり、Δn〜１０-3は屈折率の変化の振幅である。〜１０9−１０10Ｈｚの周波数の電気光学変調器は、必要とされる１／１０ピコ秒の時間よりも３桁大きい最小デコヒーレンス時間τD〜１０-10を提供する。しかしながら、比較的高い振幅（φm〜１０3）は、各期間に対して〜１０3個の非周期サンプルを提供し、このようにして、望ましいτD〜１０-13秒までデコヒーレンス時間を低減することができる。電気光学変調器の振幅を増加させることにより、どのようにデコヒーレンス時間を低減することができるかについて示すプロットの例を図２に示す。
【００２４】
いくつかの実施形態では、電気光学変調器は、進行波動作モードで動作するように構成される。たとえば、１０5λ〜５ｃｍ長の電気光学変調器を使用することにより、回転ディフューザとほぼ同じ効率であるが、時間スケールが約４〜６桁小さいスペックル抑制機構が提供される。しかしながら、電気光学変調器の長さが約５ｃｍである場合、パルスが電気光学変調器を通過する時間（Ｔ）は、ほぼ変調器発振の期間であるＴ〜２＊１０秒となる。したがって、電気光学変調器の効果は、以下のように記載することができる。
【数３】
0005905257.tif 000004
たとえば、Ｔから１０-10秒の場合、変調器振幅を１桁低減することができる。この問題を解決するために、進行波動作モードで動作している電気光学変調器を提供することができ、または屈折率変動性のより良いダイナミックレンジをもつ電気光学変調器を使用することができる。進行波モード電気光学変調器は、当技術分野で一般に知られており、したがって本明細書ではさらには説明しない。電気光学変調器は、任意の好適な市販の電気光学変調器を含むことができ、本明細書に記載する電気光学変調器、照明サブシステム、計測システムの特性に基づいて選択できる。
【００２５】
照明サブシステムは、電気光学変調器からの光のパルスを、計測システム中に配置された試験片に導くように構成される。たとえば、照明サブシステムは、本明細書にさらに記載するように、（図１では光ビーム１８で全体的に示される）光のパルスを試験片に導くように構成することができる。
【００２６】
１つの実施形態では、照明サブシステムは、電気光学変調器から出る光のパルスの経路中に配置された追加の分散素子を含む。たとえば、図３に示すように、照明サブシステムは、電子光学変調器１６から出る光のパルスの経路中の平面２０中に配置された追加の分散素子を含むことができる。追加の分散素子は、光のパルスの光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減するように構成される。このようにして、電気光学変調器による光の任意の時間変調は、第１の分散素子と同様である分散素子を使用してリバース光ビーム変換を実行することによって、任意の空間変調に変換することができる。したがって、図３に空間光分布変調器を示す。
【００２７】
図３に示すように、２つの分散素子が配置された各平面は、距離Ｌだけ離間され得る。さらに、（図３では出ていくビーム２２で全体的に示される）光のパルスは、光のパルスの断面と平面２０が角度θ2’を成して追加の分散素子から出ることができ、その断面寸法はＸ2’である。しかしながら、（分散素子に入り、そこから出る光のパルスの断面と、その分散素子が配置された平面との）図３に示す角度は限定されない。たとえば、図４に示すように、（分散素子に入り、そこから出る光のパルスの断面図と、その分散素子が配置された平面のとの間の）角度は、図３に示す角度とは異なることがあり、分散素子の特性（たとえば、格子による回折）に応じて変動することがある。図３および図４に示す照明サブシステムの一部分は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。追加の分散素子は、さらに、他の分散素子に関して本明細書に記載するように構成することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、照明サブシステムは、追加の分散素子からの光のパルスを試験片に導くように構成される。このようにして、照明サブシステムは、電気光学変調器からの光のパルスを試験片に導くように効果的に構成される。照明サブシステムは、このようにして、本明細書にさらに記載するように構成することができる。
【００２９】
図５に示すように、分散素子から出る光のパルスの波面２４は、電気光学変調器１６の平面に対して一定の角度に構成することができる。このようにして、光のパルスの元の波面の異なる部分は、光のパルスが電気光学変調器を通して伝搬する際に異なる位相を用いて変調される。電気光学変調器が分散素子（たとえば、第１の格子）の直ぐ後ろに配置された場合、出力波は、
【数４】
0005905257.tif 000005
となり、第２の分散素子（たとえば、第２の格子）の後ろでは、出力波は、
【数５】
0005905257.tif 000006
となる。このようにして、追加の分散素子（たとえば、第２の格子）は、時間変調を空間変調に変換する。図５に示す照明サブシステムの一部分は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。
【００３０】
別の実施形態では、照明サブシステムは、電気光学変調器と追加の分散素子との間に配置された屈折レンズを含む。たとえば、空間変調の効果を高めるために、電気光学変調器と追加の分散素子（たとえば、第２の格子）との間に配置された追加のレンズを使用して、光路の長さを増やすことができる。１つのそのような例では、図６に示すように、照明サブシステムは、電気光学変調器と追加の分散素子との間に配置された屈折レンズ２６を含むことができる。屈折レンズ２６は、（効果的な）回折長Ｌの変調とビームサイズの制御とを可能にする任意の好適なレンズシステムを含むことができる。図６に示す照明サブシステムの一部分は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。
【００３１】
電気光学変調器をより効率的に利用するために、反射素子は、空間光分布変調サブシステムの端部に配置することができる。たとえば、追加の実施形態では、照明サブシステムは、追加の分散素子から出る光のパルスの経路中に配置された反射素子を含む。反射素子は、追加の分散素子から出る光のパルスを、追加の分散素子と電気光学変調器と分散素子とを通して、後方に導くように構成される。たとえば、図７に示すように、照明サブシステムは、平面２０中に配置された追加の分散素子から出る（光ビーム２２で全体的に示される）光のパルスの経路中に配置された反射素子２８を含むことができる。反射素子２８は、追加の分散素子から出る（光ビーム２２で全体的に示される）光のパルスを、追加の分散素子と電気光学変調器１６と平面１４中に配置された分散素子とを通して、後方に導くように構成される。図７にさらに示すように、照明サブシステムが屈折レンズ２６を含む場合、反射素子によって反射された光のパルスも屈折レンズを後方に通過することができる。反射素子は、ミラーなどの任意の好適な反射素子を含むことができる。このようにして、電気光学変調器によって実行された光分布の任意の時間変調は、それらが反転方向に沿って同じ分散素子を通過するように、光のパルスの方向を反転させることによって、任意の空間変調に変換することができる。したがって、照明サブシステムは、電気光学変調器を使用して、変調を２回（最初は光のパルスの入射光上で、次いで光のパルスの反射ビーム上で）実行することができる。
【００３２】
このような実施形態では、照明サブシステムは、分散素子からの光のパルスを試験片に導くように構成される。このようにして、照明サブシステムは、電気光学変調器からの光のパルスを試験片に導くように効果的に構成される。照明サブシステムは、本明細書にさらに記載するように、分散素子からの光のパルスを試験片に導くように構成することができる。図７に示す照明サブシステムの一部分は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、光源により発生した光のパルスは、異なる波長の光を有する。たとえば、光源は、２つ以上の波長（たとえば、λ1、λ2など）を有する光のパルスを発生するように構成されたマルチ波長パルスレーザ光源を含むことができる。１つのそのような実施形態では、照明サブシステムは、異なる波長を有する光を、異なる光路に沿って照明サブシステムを通して導くように構成することができる。たとえば、照明サブシステムは、図７に示す帯域幅効果を有するように構成することができる。具体的には、異なる波長は、異なる光路を通って進むことができる。図７に示す例では、第１の波長（たとえば、λ1）を有する光のパルスは、光ビーム２２および光ビーム１８で全体的に示される光路に沿って、後方へ進むことができる。対照的に、第２の異なる波長（たとえば、λ2）を有する光のパルスは、光ビーム３０および光ビーム３２で全体的に示される光路に沿って、後方へ進むことができる。そのような構成では、異なる波長に関する光路長は異なる。たとえば、図７に示すように、光のパルスが波長λ2の場合、光路長はより長くなり得る。したがって、反射素子２８による反射後、異なる波長を有する光のパルスを適時に分離することができ、次いで時間変調が可能になる。
【００３４】
照明サブシステムが１つまたは２つの分散素子を含むかどうかにかかわらず、光のパルスを照明サブシステムのレンズを通して後方へ反射する概念を使用することができる。たとえば、別の実施形態では、照明サブシステムは、電気光学変調器から出る光のパルスの経路中に配置された反射素子を含む。１つのそのような実施形態では、図８に示すように、照明サブシステムは、電気光学変調器１６から出る（図８では光ビーム１８で全体的に示される）光のパルスの経路中に配置された反射素子３４を含むことができる。反射素子は、電気光学変調器から出る光のパルスを、電気光学変調器と分散素子とを通して、後方に導くように構成される。たとえば、反射素子３４は、電気光学変調器１６から出る光のパルスを、電気光学変調器と平面１４に配置された分散素子とを通して、後方に導くように構成することができる。このようにして、電気光学変調器によって実行された光分布の任意の時間変調は、それらが反転方向に沿って同じ分散素子を通過するように、光のパルスの方向を反転させることによって、任意の空間変調に変換されることができる。反射素子３４は、ミラーのなどの任意の好適な反射素子を含むことができる。
【００３５】
このような実施形態では、照明サブシステムは、分散素子からの光のパルスを試験片に導くように構成される。このようにして、照明サブシステムは、電気光学変調器からの光のパルスを試験片に導くように効果的に構成される。照明サブシステムは、本明細書にさらに記載するように、分散素子からの光のパルスを試験片に導くように構成することができる。図８に示す照明サブシステムの一部分は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。
【００３６】
上述した照明サブシステムの実施形態の各々は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。さらに、上述した照明サブシステムの実施形態の各々を、本明細書に記載する計測システムのいずれかに含めることができる。さらに、上述した照明サブシステムの実施形態の各々を使用して、本明細書に記載する方法のいずれかを実行することができる。
【００３７】
別の実施形態は、計測システムに関する。図９は、そのような計測システムの一例を示す。計測システムは、照明サブシステムを含む。図９に示すように、照明サブシステムは、（図９では光ビーム１２で全体的に示される）光のコヒーレントパルスを発生するように構成された光源１０を含む。光源は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。照明サブシステムは、また、光のコヒーレントパルスの経路中に配置された分散素子を含む。図９に示すように、分散素子は、光のコヒーレントパルスの経路中の平面１４に配置することができる。分散素子は、光のパルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減するように構成される。分散素子は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。図９にさらに示すように、照明サブシステムは、分散素子から出る光のパルスの経路中に配置された電気光学変調器１６を含む。電気光学変調器は、光のパルス中の光分布を時間的に変調することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減するように構成される。電気光学変調器は、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。
【００３８】
照明サブシステムは、電気光学変調器からの光のパルスを、計測システム中に配置された試験片３６に導くように構成される。たとえば、図９に示すように、照明サブシステムの各素子は、電気光学変調器から出る光のパルスを、任意の追加の光学素子を通過させることなしに、傾斜した入射角で試験片に導くように構成することができる。しかしながら、照明サブシステムは、電気光学変調器から出る光を傾斜した入射角で試験片に導くように構成された１つまたは複数の追加の屈折光学素子および／または反射光学素子（図示せず）を含むことができる。１つまたは複数の追加の屈折光学素子および／または反射光学素子は、たとえば、集束レンズ、フラットミラーなどを含むことができる。さらに、照明サブシステムは、電気光学変調器から出る光を、任意の好適な傾斜した入射角または通常の入射角で試験片に導くように構成することができる。さらに、計測システムは、電気光学変調器からの光を試験片に異なる入射角で導くことができるように、（たとえば、照明サブシステムの素子のうち１つまたは複数の位置など）照明サブシステムの１つまたは複数のパラメータを変更するように構成された制御サブシステム（図示せず）を含むことができる。
【００３９】
計測システムは、また、試験片からの光を検出し、検出された光に応答して出力を発生するように構成された検出サブシステムを含む。たとえば、図９に示すように、検出サブシステムは検出器３８を含むことができる。検出器は、イメージング検出器または非イメージング検出器などの任意の好適な検出器を含むことができる。さらに、検出サブシステムは、任意の追加の光学素子（図示しないが、たとえば、試験片からの光を集め、試験片から集めた光を検出器に合焦させ、または光を検出器に導くことができるように試験片からの光の経路を変更するように構成された１つまたは複数の光学素子）を含むことができる。検出サブシステムは、計測システムが実行する試験片の測定に応じて変動し得る任意の好適な角度で試験片から伝搬する光を検出するように構成することができる。たとえば、検出サブシステム中に含まれる検出器および任意の追加の光学素子は、試験片から反射した、散乱した、または回析した光を検出するように構成することができる。計測システムによって実行される試験片の測定は、光波散乱測定、偏光解析測定および反射率測定などの任意の好適な測定を含むことができる。
【００４０】
さらに、計測システムは、出力を使用して、試験片の１つまたは複数の特性を判断するように構成されたプロセッサを含む。たとえば、図９に示すように、計測システムは、プロセッサ４０を含むことができる。プロセッサは、任意の好適な方法で出力を使用して、試験片の１つまたは複数の特性を判断するように構成することができる。プロセッサによって判断された試験片の１つまたは複数の特性は、試験片と計測システムによって実行された測定とによって変化し得る。たとえば、プロセッサによって判断された試験片の１つまたは複数の特性は、薄膜厚さ、試験片上に形成されたパターン構造の寸法、試験片上に形成されたフィルムの粗さ、試験片上に形成されたパターン構造の粗さ、およびオーバーレイ（または試験片の別のレイヤ上に形成されたパターン構造の位置に対する試験片の１つレイヤ上に形成されたパターン構造の位置）を含むことができる。
【００４１】
プロセッサ４０は、任意の好適なコンピュータシステム中に含めることができる。コンピュータシステムは、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、並列プロセッサ、または当技術分野で知られる任意の他のデバイスを含む、様々な形態を取ることができる。一般に、「コンピュータシステム」という用語は広義には、メモリ媒体からの命令を実行する１つまたは複数のプロセッサを有する任意のデバイスを含むと定義することができる。
【００４２】
１つの実施形態では、計測システムは、計測システムによって実行される試験片の測定中に、試験片と検出サブシステムとの間の連続相対運動を引き起こすように構成される。このようにして、計測システムは、計測システムの検出サブシステム（場合によっては照明サブシステム）に対する試験片の位置が測定中に固定されない、試験片の「オンザフライ」測定を実行するように構成することができる。たとえば、計測システムは、計測システム中に試験片が配置されたステージ４２を含むことができる。ステージは、当技術分野で知られる任意の好適な機械アセンブリおよび／またはロボットアセンブリを含むことができる。計測システムは、試験片上で測定を実行しながら、照明サブシステムおよび検出サブシステムに対して試験片を連続的に経路（たとえば、蛇行通路）に沿って移動させるように構成された制御サブシステム（図示せず）を含むことができる。そのような構成では、試験片を移動させている間、照明サブシステムおよび検出サブシステムを静止させたままにすることができる。同様に、計測サブシステムは、試験片の位置を変更しない間、連続的に何らかの方法で照明サブシステムおよび／または検出サブシステムを移動させるように構成された制御サブシステム（図示せず）を含むことができる。他の構成では、試験片上で測定を実行している間、試験片と、照明および／または検出サブシステムのレンズとを同時に移動させて、それによって、照明サブシステムおよび／または検出サブシステムのレンズに対して試験片の位置を連続的に変更することができる。本明細書に記載する計測システム中で試験片ならびに／あるいは照明サブシステムおよび検出サブシステムを移動させるのに好適な多くの異なる制御サブシステムが当技術分野では知られており、したがってさらには記載しない。
【００４３】
計測システムは、さらに、本明細書に記載する実施形態のいずれかに従って構成することができる。さらに、計測システムを使用して、本明細書に記載する方法の実施形態のいずれかを実行することができる。
【００４４】
さらなる実施形態は、計測測定のために試験片を照明するための方法に関する。方法は、光のコヒーレントパルスを発生することを含む。光のコヒーレントパルスを発生することは、本明細書に記載された光源のうちのいずれかを使用して実行することができる。光のコヒーレントパルスは、本明細書に記載された光のうちのいずれかを含むことができる。方法は、また、光のパルス中の光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減することを含む。光分布の空間的特性と時間的特性とを混合することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減することは、本明細書にさらに記載するように（たとえば、本明細書では記載された分散素子を使用して）実行することができる。さらに、方法は、光のパルス中の光分布を時間的に変調することによって、光のパルスのコヒーレンスを低減することを含む。光のパルス中の光分布を時間的に変調することによって光のパルスのコヒーレンスを低減することは、本明細書にさらに記載するように（たとえば、本明細書に記載した電気光学変調器を使用して）実行することができる。１つの実施形態では、低減するステップは、機械デバイスを使用せずに実行される。方法はまた、本明細書で説明するように（たとえば、本明細書に記載された追加の分散素子および／または反射素子を使用して）、光のパルスのコヒーレンスを低減することをさらに含むことができる。方法は、低減するステップの後に、光のパルスを、計測システム中に配置された試験片に導くことをさらに含む。光のパルスを試験片に導くことは、本明細書にさらに記載するように実行することができる。計測システムは、さらに、本明細書に記載するように構成することができる。
【００４５】
上述した方法の実施形態の各々は、本明細書に記載した１つまたは複数の任意の方法の１つまたは複数の任意の他のステップを含むことができる。さらに、上述した方法の実施形態の各々は、本明細書に記載した任意の照明サブシステムの実施形態および計測システムの実施形態によって実行することができる。
【００４６】
当業者には、この説明に鑑みて、様々な本発明の態様のさらなる修正形態および代替実施形態が明らかであろう。たとえば、計測システムの照明サブシステム、計測システム、および計測測定のために試験片を照明するための方法を提供する。したがって、この説明は、単に例示的なものと解釈されるべきであり、本発明を実施する一般的な方法を当業者に教示することを目的とする。本明細書に図示および記載された本発明の形態は、現在好ましい本実施形態として解釈されるべきことを理解されたい。要素および材料は本明細書に図示および記載された要素および材料と置換することができ、部分およびプロセスは逆転させることができ、本発明のある特定の特徴は独立して利用することができ、それらすべては、本発明のこの説明の利益を享受した当業者に明らかになろう。以下の特許請求の範囲に記載される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載する要素を変更することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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