(57)【要約】      （修正有）【課題】座標測定に用いるレーザ干渉計のエラーの影響をなくする。【解決手段】  基板上の少なくとも一つの構造の座標を高精度に計測する方法である。Ｘ／Ｙ座標方向にトラバースできるステージが提供され、これは干渉法光計測システムに配置される。基板上の構造は、Ｚ座標方向に配向された光軸２０を持つ計測オブジェクティブ２１を通じて少なくとも一つの検出器３４上に撮像される。該構造は所謂デュアルスキャンで撮像される。システマチックなエラーはこのようにして無くされる。【選択図】図７
2008046108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉法光計測システムのＸ／Ｙ座標方向に可動性をもつステージ上に配置される基板上の少なくとも一つの構造の座標を高精度に計測する方法であって、前記基板上の前記構造は、Ｚ座標方向に配向された光軸を持つ計測オブジェクティブを通じて少なくとも一つの検出器上に撮像され、前記方法が、
・ 前記Ｘ／Ｙ座標方向に可動性を持つ前記ステージを、前記基板上の構造が前記検出器の少なくとも一つの所定の計測ウィンドウに位置するようにトラバース(traverse)する工程と、
・ 少なくとも一度前記Ｚ座標方向の相対移動を行う工程であって、前記Ｚ座標方向の前記相対移動と同期して、前記構造の複数の画像が前記検出器により記録され、前記ＸおよびＹ座標方向の前記ステージの位置も前記撮像に同期して決定される、工程と、
・ 少なくとも一度前記ステージを前記ＸおよびＹ座標方向により定められる面の距離によりトラバースして、前記計測ウィンドウもこの距離によりシフトさせる工程と、
・ 逆のＺ座標方向の相対移動を少なくとも一度行う工程であって、前記Ｚ座標方向の前記相対移動と同期して、前記構造の複数の画像が前記検出器により記録され、前記ＸおよびＹ座標方向の前記ステージの位置も前記撮像に同期して決定される、工程と、
・ 前記Ｚ座標方向および前記逆の方向における前記相対移動中に、および各画像について決定されたステージの位置から、前記構造の前記記録された画像に同期して記録されたＺ位置から前記構造の少なくとも一つの実際の位置を決定する工程とにより特徴付けられる、方法。
【請求項２】
前記ステージの撮像中の位置は、少なくとも一つのレーザ干渉計により得られ、前記レーザ干渉計の光はλＬａｓｅｒの波長を持つ、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記計測プロセス前に距離に対する適切な値が得られ、前記距離により前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で前記ステージをトラバースする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で前記ステージをトラバースする前記距離は、前記レーザ干渉計の前記波長λＬａｓｅｒの四分の一の整数倍に相当する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で前記ステージをトラバースする前記距離は、前記レーザ干渉計の前記波長λＬａｓｅｒの四分の一に相当する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で前記ステージをトラバースする前記距離は、前記Ｘ座標方向の成分と前記Ｙ座標方向の成分とからなり、前記二つの成分は異なる大きさを持つ、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記Ｚ座標方向および逆の方向の相対移動および前記構造の複数の画像の前記同期撮像は少なくとも二度行われ、前記ステージを前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で異なる距離でトラバースされる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記Ｚ座標方向の前記相対移動の第一のパスの後、Ｚ座標方向の範囲が動的に適合される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記検出器は第一および第二の所定の計測ウィンドウを持ち、前記第二の計測ウィンドウは前記第一の計測ウィンドウに対して９０度回転される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記計測ウィンドウは四角形である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記四角形は大きさが異なる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記計測オブジェクティブの前記Ｚ方向への相対移動の前記トラバース距離は、利用される計測オブジェクティブ各々の焦点範囲の深さである、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記計測オブジェクティブの前記Ｚ方向への相対移動は、数１０ｎｍから数μｍを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記Ｚ座標方向への相対移動は一度行われ、前記ステージは前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で或る距離でトラバースされ、かつ前記逆のＺ座標方向の前記相対移動は一度行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
構造の位置、構造の構造幅、あるいは基板の重畳データを決定する装置における方法の利用であって、前記方法は、干渉法光計測システムのＸ／Ｙ座標方向に可動性をもつステージ上に配置される基板上の少なくとも一つの構造の座標を高精度に計測する方法であって、前記基板上の前記構造は、Ｚ座標方向に配向された光軸を持つ計測オブジェクティブを通じて少なくとも一つの検出器上に撮像される方法である、利用。
【請求項１６】
前記方法が、
・ 前記Ｘ／Ｙ座標方向に可動性を持つ前記ステージを、前記基板上の構造が前記検出器の少なくとも一つの所定の計測ウィンドウに位置するようにトラバース（traverse)する工程と、
・ 少なくとも一度Ｚ座標方向の相対移動を行う工程であって、前記Ｚ座標方向の前記相対移動と同期して、前記構造の複数の画像が前記検出器により記録され、前記ＸおよびＹ座標方向の前記ステージの位置も前記撮像に同期して決定される、工程と、
・ 少なくとも一度前記ステージを前記ＸおよびＹ座標方向により定められる面の距離によりトラバースして、前記計測ウィンドウもこの距離によりシフトさせる工程と、
・ 逆のＺ座標方向の相対移動を少なくとも一度行う工程であって、前記Ｚ座標方向の前記相対移動と同期して、前記構造の複数の画像が前記検出器により記録され、前記ＸおよびＹ座標方向の前記ステージの位置も前記撮像に同期して決定される、工程と、
・ 前記Ｚ座標方向および前記逆の方向における前記相対移動中に、および各画像について決定されたステージの位置から、前記構造の前記記録された画像に同期して記録されたＺ位置から前記構造の少なくとも一つの実際の位置を決定する工程とを含む、
請求項１５に記載の利用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ドイツ特許出願ＤＥ１０  ２００６  ０２３  １５１.１およびドイツ特許出願ＤＥ  １０  ２００７  ０１７  ６３０．０の優先権を主張する。これらの全体開示をここに参照として組み込む。
【０００２】
本発明は、干渉法光学計測システムにおける、Ｘ／Ｙ座標方向に可動性のあるステージ上に配置される基板上の少なくとも一つの構造の座標の高精度な計測方法に関している。基板上の構造は、光軸がＺ座標方向に配向された計測オブジェクティブを通じて検出器へ撮像される。
【背景技術】
【０００３】
基板（ウェハあるいはマスク）上の構造計測に利用される計測機器は、Ｃａｒｏｌａ  Ｂｌ▲a▼ｓｉｎｇ博士が１９９８年３月３１日、ジュネーブにおけるＳｅｍｉｃｏｎ  Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｇｒａｍ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎで主催した「マスク作成のためのパターン配置計測学（Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｍａｓｋ  Ｍａｋｉｎｇ）」という研究論文に詳述されている。そこで記されている記載は、座標計測機器の基礎である。本発明はこのような計測機器と共に利用されると好適であるので、その汎用性を侵害することなく、主としてこのような計測機器を参照しながら記載する。添付の図１を参照しながらこの計測機器を以下に記載する。このよく知られた計測機器１は、マスクおよびウェハなどの、サンプル３０上の構造３１およびその座標を計測するためのものである。本願の文脈においては、「サンプル」、「基板」および一般用語である「オブジェクト」は類義とみなすこととする。ウェハ上にさらに集積度を増して配列される半導体チップの製造においては、個々の構造３１の構造幅はさらに小さいものになっている。その結果、構造３１の端部および位置の計測、構造幅および重畳データの計測のための計測・検査システムとして利用される座標計測機器の仕様要件はより厳しいものになっている。顕微鏡に類似したおよびレーザ距離計測システムの組み合わせによる形式の光サンプリング技術は依然好適である。光計測機器の利点は、Ｘ線あるいは電子ビームサンプリングなどの異なるサンプリング法を利用するシステムに比べて、実質的に構造が複雑でなく操作し易く、位置計測に関してより安定性が優れていることが挙げられる。
【０００４】
この計測機器１における実際の計測システムは減振動グラニットブロック２３上に配列されている。マスクあるいはウェハは計測ステージ２６上に自動処理システムにより配置される。この計測ステージ２６はグラニットブロック２３の表面に空気ベアリング２７、２８により支持されている。計測ステージ２６はモータ駆動で、二次元配置（ＸおよびＹ座標方向）が可能である。対応する駆動要素は示さない。平面ミラー９は計測ステージ２６の二つのお互い垂直な辺に搭載されている。複数の干渉計を含むレーザ干渉計システム２９を利用して、計測ステージ２６の位置を探知、決定している。
【０００５】
計測対象の構造の照明および撮像は、近紫外線の（汎用性を侵害することなく）スペクトル範囲の入射光および／または透過光を持つ高解像度の顕微鏡光学により行われる。ＣＣＤカメラが検出器としての役目を果たす。計測信号は計測ウィンドウ内に配置されるＣＣＤ検出器アレーの画素から入手される。計測対象の構造の強度プロフィルはここから、構造の端部位置、あるいはお互い交差する二つの構造の交点の決定の目的で、例えば、画像加工によって導出される。通常、このような構造要素の位置は基板（マスクあるいはウェハ）の参照点に比して、あるいは光軸２０に比して決定される。計測ステージ２６の干渉計測位置と共に、これは構造３１の座標となる。露光に利用されるウェハあるいはマスクの構造は極小さい公差だけしか許容しない。したがって、これら構造を検査すべく、非常に高い計測精度が（目下はナノメータのレベルのもの）要求される。このような構造の位置を決定する方法および計測機器は、ドイツ特許出願公報ＤＥ  １００  ４７  ２１１  Ａ1から公知である。上述の位置決定の詳細については、この書類を明らかに参照する。
【０００６】
図１が図示する計測機器１の例においては、サンプル３０も下からの透過光で照らすことができるよう、計測ステージ２６がフレーム状に形成されている。サンプル３０の上には入射光、照明・撮像機器２があり、これが光軸２０の回りに配置されている。Ｚ座標方向における光軸２０沿いに（自動）焦点調節が可能である。照明・撮像手段２はビームスプリットモジュール３２、上述の検出器３４、配置手段３３、および複数の照明機器３５（オートフォーカス、概観照明、及び実際のサンプル照明用など）を含む。Ｚ座標方向に配置可能なオブジェクティブを２１番で示す。
【０００７】
高さ調節可能な集光装置を持つ透過光照明手段１７および光源７もグラニットブロック２３に挿入され、できるだけ大きな数値取入孔を持つ拡大連結取込光学３から受光する。このように、できるだけ多くの光を光源７から受光する。このように受光された光は連結取込光学３へ、そして光ファイバ束のような光ガイド４へと連結取り込みされる。好適にはアクロマチックオブジェクティブとして形成される連結取出光学５は光を集光装置１７内へ連結する。照明光はさらに光源７からミラーアセンブリを通して連結取り込みされてもよい。
【０００８】
構造計測において必要なナノメータ精度を達成する目的からは、外気変化あるいは振動などの、環境からの阻害影響をできるだけ最小限に抑えることが肝要である。この目的から、室内の温度と湿度が非常な精度（＜摂氏０．０１度あるいは＜１％の相対湿度）で制御される人工気象室に計測機器を収容することもできる。振動を無くすためには、上述のように、計測機器１は減振動機器２４、２５を持つグラニットブロック上に支持される。
【０００９】
構造位置を決定する際の精度は、ＸおよびＹ座標方向のステージ位置を決定するのに利用されるレーザ干渉計システムの安定性および精度に依るところが大きい。干渉計のレーザビームは計測機器の外気を伝播するので、波長は外気の屈折率に依存する。この屈折率は温度、湿度、気圧の変化と共に変化する。人工気象室内で温度および湿度が制御されているにも関わらず、残りの波長ばらつきは必要な計測精度を達成するには大きすぎる。よって所謂エタロンを利用して外気の屈折率の変化に伴う計測値変化を補償する。このようなエタロンにおいては、計測ビームが固定計測距離を網羅しており、対応する計測光路長の変化が外気の計測インデックスの変化によってのみ起きるようになっている。このようにエタロン計測によれば、連続的に波長の目下の値を決定して干渉計測においてそれを考慮に入れることにより、屈折率の変化の影響を大幅に補償することができる。
【００１０】
最も高い精度を達成すべく、レーザ距離計測システムは通例、レーザビームを二つの直線偏光成分に分ける可能性を利用するヘテロダイン法で動作する（ここでは、二つのゼーマン線の小さい周波数差異が利用される）。二つの成分は干渉計で分離され、計測および参照ビームとして利用され、再度干渉計上に重畳され、お互いに干渉しあう。使用されるレーザ距離計測システムは、６３２．８ｎｍレーザの波長λＬａｓｅｒにおいて、レーザ距離計測システムの整数値（レーザクリック）当たり０．３０９ｎｍの解像度を持つ。
【００１１】
述べた計測機器の精度を記載するには、通例、座標の計測平均値の三倍の標準偏差（３σ）が利用される。計測値の普通の分布においては、統計学的に９９％の計測値が、平均値の周りの３σの範囲内に収まる。繰り返し性の示唆は、ＸおよびＹ座標方向の点の格子を計測することで行われ、ここでは各方向において、繰り返し全ての点を測定した後に３σの平均値および最大値を示すことができる。典型的な例としては、１５×１５格子（格子点のピッチは１０ｍｍ）の１μｍ幅を持つ交差クロム構造を水晶基板上で計測することが挙げられる。２ｘ（ＸおよびＹ）２２５点の計測が２０回繰り返される(２０パス)。１パスの全ての点を共通に回転およびシフトさせる、所謂マルチポイント補正の後に、１．５から２ｎｍの（４５０点の全ての３σの値の偏差の最大値３σ）繰り返し性が得られる。マルチポイント補正なしでは、値は２―６ｎｍの間である。
【００１２】
記載された計測機器には、繰り返し性および計測精度についてさらなる改良が望ましい。特に、本発明では、計測ステージの座標計測、あるいはこの計測ステージの座標の変化を決定するのに利用されるレーザ干渉計が特に注目された。本発明は記載されている計測機器の文脈における干渉計に限るものではなく、一般的にレーザ干渉計測で利用できる。
【００１３】
米国特許５，４６９，２６０からは、レーザ干渉計によって一あるいは二次元にトラバース(traverse)できるステージの位置計測装置が知られている。この目的から、例えば静止光システムには静止ミラーが取り付けられ、一方、可動式ステージがミラーを携行している。公知の方法において、レーザビームは一部が静止ミラーへ入射して、他の部分が携行ミラーに入射して、反射するよう、分離される。反射した部分ビーム同士はお互いに干渉しあい、干渉リングの位置をずらすことで、携行ミラーの静止ミラーに対する相対位置ずれが導出され、この位置ずれ量を決定することができる。
【００１４】
この書類では、上述の計測システムの一例として、ウェハをマスクと光投影システム（ステッパ）とを介して露光する間のウェハ支持ステージの位置計測が開示されている。ここでは、静止光投影システムに対する支持ステージの位置が干渉計により計測される。一面におけるステージのＸおよびＹ座標を計測するには、したがって二つの干渉計システムが必要となる。
【００１５】
ＬＭＳ  ＩＰＲＯの重大なエラー成分が干渉計のエラーにより引き起こされるという強い示唆がある。このエラーはアジレント（Ａｇｉｌｅｎｔ）干渉計システムにより引き起こされる。シヌソイド形を持ち、エラーが生成される間の干渉計を通る経路によって、λＬａｓｅｒ／４（＝６３２．８ｎｍ／４＝１５８．２ｎｍ）およびλＬａｓｅｒ／２の周期長におけるステージ位置と共に変化することを観察することができる。反射角度はステージ本体のミラーおよびステージ本体自身の可動性によってわずかに変化することもあるので、レーザビームが干渉計に入射する位置および計測および参照ビームの重畳は変化して、干渉計エラーの振幅および位相もまた変化する。エタロンにより計測される屈折率の変化は、関連する位置変化を正確に考慮に入れているが、より長い距離においては、干渉計エラーそのものを補償することはできない。
【００１６】
故に、このエラーの補正は正確には不可能である、というのも、マスクの計測地点の関数としてのみならず経時的にも変化するからである。このようなわけで、干渉計補正の通常の方法はその限界に到達している。このエラーの最適な考慮には、計測の地点と時間とを考慮に入れるべきである。これは、各位置計測中に干渉計補正の決定および算出を同時に行う計測対数が導入されると、理想的に実現される。ここでこのようなアルゴリズムを紹介したい。現存の方法にはこれが組み込まれており、計測時間が最小限にしか影響を受けないようになっている。
【発明の開示】
【００１７】
本発明の一つの目的は、基板の構造の位置を決定する計測システムの計測精度を増し、同時に、計測精度に対するレーザ干渉計エラーの影響をなくすことである。
【００１８】
本願によれば、この目的は、
・ まず、前記Ｘ／Ｙ座標方向に可動性を持つ前記ステージを、前記基板上の構造が前記検出器の少なくとも一つの所定の計測ウィンドウに位置するようにトラバース(traverse)して、
・ 次に、少なくとも一度Ｚ座標方向の相対移動を行い、ここで前記Ｚ座標方向の前記相対移動と同期して、前記構造の複数の画像を前記検出器により撮像して、前記ＸおよびＹ座標方向の前記ステージの位置も前記撮像に同期して決定して、
・ 次に、少なくとも一度前記ステージを前記ＸおよびＹ座標方向により定められる面の距離によりトラバースして、前記計測ウィンドウもこの距離によりシフトして、
・ 逆のＺ座標方向の相対移動を少なくとも一度行って、前記Ｚ座標方向の前記相対移動と同期して、前記構造の複数の画像を前記検出器により撮像して、前記ＸおよびＹ座標方向の前記ステージの位置も前記撮像に同期して決定して、
・ 前記Ｚ座標方向および前記逆の方向における前記相対移動中に、および各画像に関連して決定されたステージの位置から、前記構造の前記記録された画像に同期して記録されたＺ位置から前記構造の少なくとも一つの実際の位置を決定する、方法により達成される。
【００１９】
前記ステージの撮像中の位置は、少なくとも一つのレーザ干渉計により決定され、前記レーザ干渉計の光はλＬａｓｅｒの波長を持つ。
【００２０】
前記計測操作前に距離に対する適切な値が決定され、前期距離により前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で前記ステージをトラバースする。
【００２１】
前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で前記ステージをトラバースする前記距離は、前記レーザ干渉計の前記波長λＬａｓｅｒの四分の一の整数倍に相当する。
【００２２】
前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で前記ステージをトラバースする前記距離は、前記Ｘ座標方向の成分と前記Ｙ座標方向の成分とからなり、前記二つの成分は異なる大きさを持つ。
【００２３】
前記Ｚ座標方向および逆の方向の相対移動および前記構造の複数の画像の関連する同期撮像は、前記ステージが前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面でＺ方向の逆転の直前にトラバースするよう行われる。
【００２４】
検出器には、座標計測のために少なくとも一つの第一の所定の計測ウィンドウが関連付けられる。複数の計測ウィンドウが関連付けられてもよく、さらなる計測ウィンドウは、例えば、第一の計測ウィンドウに対して９０度回転されてもよい。これら計測ウィンドウは四角形である。これら四角形は大きさが異なる。
【００２５】
前記計測オブジェクティブの相対移動の前記トラバース距離は、Ｚ方向で利用される計測オブジェクティブ各々の焦点の深さの範囲である。前記計測オブジェクティブの前記Ｚ方向への相対移動は、数１０ｎｍから数マイクロメータを含む。
【００２６】
一つの好適な実施形態においては、前記Ｚ座標方向への相対移動は一度行われる。さらに、前記ステージは前記ＸおよびＹ座標方向で定められる面で或る距離で一度トラバースされる。その後、前記逆のＺ座標方向の前記相対移動が一度行われる。
【００２７】
基板上の座標の高精度な計測方法によると、構造の位置決めを実際の計測プロセス前に少なくとも一つの計測ウィンドウで実行すると特に好適である。典型的には、Ｚ座標方向に相対移動が行われ、このＺ座標方向への相対移動中にＣＣＤカメラにより基板上の構造の複数の画像が記録される。Ｚ方向への移動は、主に高精度に、しかも他の計測値と同期して（同時に）焦点位置を決定する。相対Ｚ移動なしで計測することも可能である。しかし、これは請求項を干渉計エラーの観点に限定しない。撮像（及びＺ位置計測）と平行して、少なくとも一つのレーザ干渉計で前記ステージの撮像中の位置が記録される。その後に、ステージをある距離でトラバースして、可能ならば干渉計エラー周期の二分の一で位置ずれを行う。計測ウィンドウに配置されている構造の別の配置を避けるように計測ウィンドウの位置をずらす。具体的なケースにおいては、λＬａｓｅｒ／４（１５８ｎｍ周期）においては８０ｎｍの位置ずれを行い、λＬａｓｅｒ／２においては１６０ｎｍの位置ずれを行う。各エラーの状況に応じて、他の値もまた考えられる。この値は前もって動的に決定されてもよい。この後には、再度、逆のＺ座標方向の相対運動が行われ、ここでも再度、基板上の構造の複数の画像がＣＣＤカメラによって逆のＺ座標方向の相対運動中に記録される。実際には、Ｚ方向および逆の方向へのトラバース中の、干渉計測法で決定されたステージ位置、計測ウィンドウの二つの位置の記録画像、および同期して記録された各Ｚ位置を利用して、前記構造の端部の位置および構造幅を決定する。
【００２８】
さらなる実施形態によると、ステージは単一の距離でトラバースされるのみならず、続けて二以上の距離で、一回ごとにデータ記録を伴ってトラバースされる。
【００２９】
さらなる実施形態によると、Ｚ座標方向のトラバースは焦点に達したところで止められる。Ｚ位置においては、画像計測機器は固定される。この位置における計測データの十分な量の記録に続いて、座標計測方向の位置ずれが行われ、さらなる計測データの組の計測がこのＺ位置で行われる。構造は線、空間、点、穴、ハンマーヘッドなどの要素であってよい。
【００３０】
基板上の構造は例えば十字形に形成される。複数の十字が基板としてのテストマスク上に適用され、十字は４μｍの物理的大きさを持つ。上述の人工気象室は、温度や湿度などの、外部の大気の影響に対して出来る限り密閉され、上述のパラメタを一定に保つ調節装置を備えたチャンバである。屈折率を変更するさらなるパラメタは人工気象室の大気組成およびこの大気の圧力である。通常、温度および湿度を調整する大気としては空気が選択される。汎用性を限定することなく、気流を以下で言及する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
本発明の例示的実施形態とその利点を、付随する図面を参照しながら以下でさらに詳細に述べる。図面中、
【図１】本発明による位置計測方法を好適に利用することのできる座標計測機器の概略を示す。
【図２Ａ】図１による計測システムのＸ座標方向の繰り返し性を示しており、ここでは１５×１５格子の座標位置が９個の計測パスについて示されており、繰り返し性をよりよく検出する目的から、９個全ての計測パスの平均値を各格子位置の全ての位置から減算している。
【図２Ｂ】図１による計測システムのＹ座標方向の繰り返し性を示しており、ここでは１５×１５格子の座標位置が９個の計測パスについて示されており、繰り返し性をよりよく検出する目的から、９個全ての計測パスの平均値を各格子位置の全ての位置から減算している。
【図３】シミュレーションで予め決まっている干渉計エラーと、計測位置のフーリエ分析により検出されるエラーとの比較を示す。
【図４】Ｘ座標方向、Ｙ座標方向における個々の座標を決定すべく、二つの計測ウィンドウを提供する、十字構造のカメラ画像を示す。
【図５】所定の距離により構造の位置をずらしたものと、カメラに関連する計測ウィンドウを、対応して位置をずらしたものとを示す。
【図６Ａ】カメラの計測ウィンドウで記録された構造の強度プロフィルを示しており、ここで横座標がカメラ画像の位置であり、縦座標が強度である。
【図６Ｂ】カメラの計測ウィンドウで撮像された構造のＺ座標方向のスキャン中の異なる画像の強度プロフィルを示しており、ここで横座標がカメラ画像の位置であり、縦座標が強度である。
【図６Ｃ】計測ウィンドウで撮像された構造の別の強度プロフィルを示しており、ここで横座標がカメラ画像の位置であり、縦座標が強度である。
【図７】プロフィルの異なる画像のコントラスト値をＺ値の関数で示すが、ここで、複数のプロフィルはＺ座標方向および逆方向にスキャン中に記録されたものである。
【図８】左右端部の位置を、Ｚ座標方向の位置の関数として示すが、ここで縦座標は、計測されたステージ位置のセットポイント位置からの偏差である。
【図９Ａ】干渉計エラーによる、Ｘ座標方向のセットポイント値からの位置計測の計測値の偏差を示す。
【図９Ｂ】図９Ａに示す位置スペクトルのフーリエ変換を示すが、ここでピークは干渉計エラーλＬａｓｅｒ／４に起因している。
【図１０Ａ】干渉計エラーおよびカメラ特性による、セットポイント値からのＹ方向の位置計測の計測値の変動を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す位置スペクトルのフーリエ変換を示すが、ピークはここでもまたλＬａｓｅｒ／４に対応しており、ピークは偶数奇数のカメラ線の異なるゲインに起因している。
【図１１】シヌソイド干渉計エラー曲線を示すが、これは１ｎｍの全振幅までが計測結果に導入される。
【図１２】デュアルスキャン効果の概略図を示す。
【図１３】ドリフト補正をしない計測データを示すが、ここで該データは２０ｎｍのステップ位置ずらしにより記録される。
【図１４】ＬＭＳ  ＩＰＲＯ３による新しい「デュアルスキャン」法で得られる計測結果を、前の方法「ノーマル・モード」で得られた計測結果と比較したものを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１に示す種類の座標計測機器は本記載の導入部で既に詳細に説明された。
【００３３】
このような座標計測機器の繰り返し性あるいは再現性は通例１５×１５ポイントの計測格子の計測で工場にて決定される（計測領域６インチ、１５２×１５２ｍｍ）。三倍の標準偏差（３σ）の値は、ＸおよびＹ座標方向で得られる座標を２０回計測した後に決定されるのが典型的である。この三倍の標準偏差の最大値は繰り返し性を表しており、故に機械性能を表している。
【００３４】
計測が定義されたマスク位置でローカルに行われるならば、つまりＸ／Ｙ計測ステージをトラバースしないとすると、短期再現性の示唆となる（ここでは、２０＊１００計測＊４秒＝２．２時間）。この計測によれば、短期間の繰り返し性の示唆が得られる（所謂ニードルテスト）。
【００３５】
この計測の結果は、より正確には三倍標準偏差（再現性）の最大値各々は、図２Ａと２ＢのＸあるいはＹ方向に、それぞれ計測ラン（measuring run）に対してプロットされている。第一の計測ランはＮＡ０として、第二はＮＡ１として、などと示されている。位置値は各々グラフィック表示で示されている。計測ラン毎に１００計測値を取る。結果は、Ｘ方向の２．８ｎｍあるいはＹ方向の２．３ｎｍそれぞれの範囲で、Ｘ座標方向に１．４ｎｍで、Ｙ座標方向に１．１ｎｍの繰り返し性である。ここで、範囲は、最大値と最小値の差を表しており、故にノイズ帯域の計測値である。
【００３６】
Ｘ、Ｙ位置の短期繰り返し性が（工場で）決定されると（半導体マスクの１０ｍｍの格子ピッチにおいて１５×１５点の格子２０倍計測）、計測時間（典型的には８時間）中の気圧ばらつきから、計測された再現性の明らかな依存性を観察することができる（典型的には、ドリフト補正の後の全ての４５０（１５×１５×２）個々の点の最大値の３倍の標準偏差とともに、１．５ｎｍ）。したがって理由は干渉計エラーに見出すことができ、これはシヌソイド形（あるいはシヌソイド波の重畳）を持ち、ステージ位置と重畳する。偏差は主に周期長λ／４（＝６３２．８ｎｍ／４＝１５８．２ｎｍ；λ＝干渉計システムの計測波長）および／またはλ／２とともに変化する。気圧の変化につれて、空気密度も変化し、したがって屈折率、および、今度は一定と仮定されるレーザ距離計測システムの計測波長も変化して、短期再現性が気圧の変化と相関するようになる。テスト計測によると、干渉計エラーは長期的には時間的にもあるいは空間的にも一定ではなく、故に、計測波長は十分な正確性で決定することができず、必要な計測時間（数時間）と計測場所（１４０ｍｍ×１４０ｍｍ）のエラー比率の単一の決定により補正することができない。
【００３７】
図３は、シミュレーションで予め決まっている干渉計エラーと、フーリエ分析により得られるエラーとの比較を示す。フーリエ分析（ＦＦＴではない）は、目下のところはローカルな４／λ周波数を決定するもっとも正確な数学的方法であるように思われる。横座標４０は計測ステージ２６の位置である。縦座標４１は干渉計エラーをμｍで表したものである。ここで、干渉は以下のように特徴付けられる。
エラーは以下のように記される：
【数１】
2008046108.tif 000003
ここで、
【数２】
2008046108.tif 000004
ここで、ｆｓおよびｆｃに対する振幅ａｓおよびａｃは以下のように与えられる：
【数３】
2008046108.tif 000005
ここで、ｐ（ｘ）は端部位置の補完により、ステージ位置の関数として生じる関数である。ここで、所定の干渉計エラー４２及び計測により決定される干渉計エラー４３が示される。
【００３８】
構造の位置は、干渉計エラーの周期の一部あるいはその比率によりお互いに対して位置をずらされた構造の二つの異なる位置を計測し平均をとり、かつ、計測を直接お互いに続けることで決定される。ここで、計測カメラの計測ウィンドウ（一又は複数）もまたＸ／Ｙステージ２７により位置をずらすことに対応する様式で位置をずらされ、二つの計測結果が理論的に同じ位置を提供するようになっている。位置制御でテーブル２６を止めることで（ＸおよびＹ位置での電子フィードバック停止制御により）位置を計測して焦点位置を通過するという従前の、よく証明されたプロセスが維持される。第一回目に焦点位置を通過してから（Ｚ座標方向に）、ステージおよびカメラの計測ウィンドウは干渉計エラーの周期に対応して位置をずらされ、第二回目にあるいは逆に焦点位置を通過すると（逆のＺ座標方向に）、位置は二回目に決定される。これもまた計測時間を最小限にすることなる。
【００３９】
図４は、カメラフレームにより撮像された十字構造５２に対する、第一計測ウィンドウ５０および第二計測ウィンドウ５１の配置を示す。計測ウィンドウ５０、５１の構造の各プロフィルは各計測ウィンドウ５０、５１の画素から算出される。既に上述したように、計測ウィンドウ５０、５１（一以上）は計測対象の構造５２上に配置され、その後、Ｚ方向への相対移動（Ｚ座標方向のあるいは光軸２０方向の計測オブジェクティブ１７の相対移動）により焦点を変える。計測ウィンドウ５０、５１からのデータは異なる焦点位置において読み出される。読み出されたデータから、最適焦点を提供するＺ座標方向の位置が決定される。図４においては十字構造が示されているが、これは限定と解釈されるべきではない。本発明による方法によれば様々な構造が計測できる。可能な構造の例としては、線、空間、点、穴、ハンマーヘッドなどが挙げられる。
【００４０】
図５は、構造５２の所定の距離によるシフト５５を示し、かつカメラに関する計測ウィンドウ５６の対応するシフト５７を示している。第一の構造５２はカメラまたは検出器の計測ウィンドウ５６で計測される。この目的から、ＣＣＤカメラによりＺ座標方向への相対移動中に、基板上の構造５２の複数の画像を撮像する。平行して、ステージ位置も決定されるが、これは特定の波長λの光を用いてレーザ干渉計により実行される。ひとたび複数の画像が記録されると、ステージはレーザ干渉計が使用する光の波長λに対応する距離でトラバースされる。計測ウィンドウは対応する様式でシフトされ、構造の同じ位置が再度各計測ウィンドウ５６に位置するようになる。その後、逆のＺ座標方向への相対移動が実行され、ここでまた、ＣＣＤカメラによって基板上の構造の複数の画像が撮像される。シフト５５はＸ座標方向成分及びＹ座標方向成分からなる。シフトは最初にＸ座標方向へ実行され、その後Ｙ座標方向へ実行されることが想定される。
【００４１】
構造の異なる強度プロフィルを図６Ａ、６Ｂ、６Ｃに示す。強度プロフィルが取られた個々の画像は計測オブジェクティブの異なるＺ位置で撮像された。ここで、横座標６０は画像位置であり、縦座標６１は任意の適切な単位の計測強度である。繰り返し述べたように、幾らかのカメラ画像が、レーザ干渉計データおよび焦点値、あるいはＺ座標方向の値から、Ｘ座標方向およびＹ座標方向の関連ステージ位置の決定とともに、同時に撮像される。図４に示すように、少なくとも一つの計測ウィンドウが計測対象の構造上に配置される。Ｚ座標方向への相対移動中、５０画像が相対移動中に取られる。プロフィル数は、画像数と計測ウィンドウ数の乗算で得られる。相対移動が逆のＺ座標方向に行われると、記録される画像数は二倍になる。例えば図６Ａは１９番目の記録画像の強度プロフィル６２を示す。図６Ｂは、Ｚ座標方向への移動中の２９番目の記録画像の強度プロフィル６３を示す。図６Ｃは、Ｚ座標方向への相対移動中の３９番目の記録画像の構造の強度プロフィル６４を示す。信号の大きさおよび信号形式の差異がＺ座標方向へ移動中にさっき記録されたばかりの画像の位置の関数であることが、図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃの個々の画像を比べることではっきり分かる。信号の大きさあるいはプロフィル端部の勾配は、コントラストの尺度であり、よって焦点あるいは焦点位置である。
【００４２】
図７は、「真」焦点を二回通過することで生じる１００個のプロフィルのコントラスト値を示す。このようなわけで、横座標７０は焦点位置あるいはＺ座標方向の計測オブジェクティブの位置である。縦座標７１は構造の計測強度プロフィルのコントラスト値である。個々のプロフィルのコントラストはＺ座標方向の値の関数で示される。幾らかの最大値が各曲線に生じるよう個々の計測点を曲線にフィットさせる。第一の曲線７２はＺ座標方向の計測オブジェクティブの動きから生ずる計測強度プロフィルから生じる強度プロフィルにフィットされる。第二の曲線７３は逆のＺ座標方向の計測オブジェクティブの動きから生ずる計測強度プロフィルから生じる強度プロフィルにフィットされる。最大値のうちの一つを破線７４で示し、これが最もよい焦点をあらわす。
【００４３】
図８においては、構造の左右端部の各位置がＺ座標方向の位置の関数として示されている。横座標８０が焦点位置である。縦座標８１はμｍのセットポイント値からの端部の偏差を導出したものである。一つの計測ウィンドウ５２を利用して左右端部の位置を各々決定した（図４の図示参照）。Ｚ座標方向の各位置に対する端部の各位置は、例えば図６Ａ、６Ｂ、６Ｃに示すような個々のプロフィルから算出することができる。したがって、カメラ画像の中のさっき計測したばかりの構造はこの二つの端部の平均値から得ることができる。この画像位置およびレーザ干渉計の計測から決定された位置データを追加する。この追加のグラフィック表現は図８に示されている。一つの構造の二つの端部の位置、および結果として構造自身の座標方向の位置を、破線８２（最適焦点の点を表す）との交点から得ることができる。
【００４４】
図９Ａは干渉計エラーによるＸ座標方向の位置計測のセットポイント値からの偏差を表す。横座標９０は、Ｘ位置をｎｍで表したものである。縦座標９１は、計測されたＸ位置をμｍで表したものである。データはＸ座標方向における計測ウィンドウの同時シフトを伴う等距離位置シフトにより記録される。約２．５μｍの計測位置領域において信号は約１ｎｍのドリフトを示す。これは、μｍのレベルの計測構造（例えばミラー本体の）の非線形性および一般的な機械のドリフト（ｎｍのレベル、なぜなら機械は決して完全に静止していないから）による。図９Ａに示す信号もまた、ある周波数あるいは波長に関連付けることのできる周期性を示す。図９Ｂは、図９Ａに示されている計測位置スペクトルのフーリエ変換を示す。横座標９２は２５６点のフーリエ変換から生じる波数を示し、縦座標９３は任意の適切な単位によりさらに細かく分割されている。明らかなピーク９４が図９Ｂから分かり、これは約１５８ｎｍの波長に対応している。このピーク９４は干渉計で利用されるレーザ光の計測波長の約四分の一に相当する（一実施形態においては、光の波長は６３３ｎｍである）。この行動は理論によっても予測される。
【００４５】
図１０Ａは、Ｙ座標方向の基板上の構造の位置計測を示す。横座標１００は、ここでもまた、計測ウィンドウで目下計測が実行されているＹ位置を示す。縦座標１０２は、構造の計測Ｙ位置をμｍで示したものである。データは、ここでもまた、Ｙ座標方向における計測ウィンドウの同時シフトを伴う等距離位置シフトにより記録される。約２．５μｍの計測位置領域において信号は、ここでもまた、約１ｎｍのドリフトを示す。図１０Ｂは、図１０Ａに示されている計測位置データのフーリエ変換を示す。横座標１０２はｎｍで示され、縦座標１０３は任意の適切な単位によりさらに細かく分割されている。図１０Ｂに示されているフーリエ変換もまた、計測波長の約四分の一に相当するピーク１０４と、さらに９０ｎｍの周期に相当するピークとを示している。この９０ｎｍのピーク１０５は、振幅範囲全域においてはトリムできない二つのアナログ増幅器とともに動作するカメラの非線形性により生じる。したがって、画素線は二つの増幅器で交互に別個に読み出される。ここで利用されるＣＣＤセンサの画素幅は４５ｎｍである。これはＸ座標方向では平均化されてしまい、一方、Ｙ座標方向ではこの周期は平均化されない。図９Ｂ、１０Ｂに示すように、計測波長の二分の一のエラーおよび計測波長の四分の一におけるエラーが起こる。起こっている干渉計エラーは時間的にも（時間（hour）周期）空間的にも（ｍｍのレベル）一定ではないので、一回だけでは補正できない。これは、これらエラーが位置計測で「イン・サイチュー」計測方法で決定あるいは補償される必要があることを意味している。
【００４６】
本発明のよりよい理解の目的上、利用される計測方法を説明すべきである。計測値は実際の計測距離を固定参照距離と比較することで得られる。したがって計測光は計測および参照ビームに分割される。ここで考慮に入れなければならないのは、屈折率の圧力（温度、空気組成）に対する依存性によって、計測距離のみならずレーザ波長自体も変化するということである。この変化は、さらなる干渉計測により実際の位置計測の前およびその間に決定される。このエタロン補正は数１００ｎｍの量で変化し、計測構造のせいで主に気圧変動に依存する、というのも人工気象室により温度および湿度あるいはガス組成はほぼ一定に保つことができるからである。エタロン補正は計測値補正および構造自身に達した位置の決定両方に影響を及ぼす。後者は、計測位置がステージに追いつかれると、エタロン補正により計測対象の構造に数ｎｍの偏差まで計測カメラに比して同じ位置を持たせることができる理由から生じる。その結果、ＣＣＤカメラによる９０ｎｍエラーは、比較的小さいエラー比率を持つ。しかし、気圧変動の大きさおよび、ほぼシヌソイドの干渉計エラー曲線上にある各「位置」に依存する、レーザによる干渉計エラーの全振幅までが計測結果に導入される。
【００４７】
図１１は、生じる干渉計エラーへの、気圧変動の影響を概略的に表す。横座標１１０は、位置をｎｍで表したものである。縦座標１１１は、干渉計エラーをｎｍで表したものである。シヌソイド曲線は、基板の小さな領域（３００ｎｍ）における干渉計測システムのエラー比率を表している。実線の矢印は、再現性計測（例えば各々「同じ」位置で行われた２０計測回数）中に通過された異なる気圧範囲を記し、矢印が長いほど気圧変動が大きいことを示す。垂直の破線矢印は関連するエラーの大きさを記す。図１１は、エラー予算全体の計測の確率が、気圧の変化とともに上がることを示している（図１１の示唆１―４を参照）。しかしながら、サンプルが距離計測システムに対して好ましくない位置にあるときには、小さな気圧変動でも全エラー予算が使い果たされることもある（示唆３参照）。エラーはまた、計測値が位置しているシヌソイド曲線の領域によって、気圧変動が同じでも大きさが異なることもある（示唆２Ａ、２Ｂ参照）。エラー振幅そのものが位置依存である場合を除いて、ある大きさからは（示唆４参照）エラー予算が使い果たされる。これは、光成分の異なる反射及び材料特性のせいで小さな程度において当てはまる。
【００４８】
構造の基板上の位置の決定は、本願における方法では、干渉計エラーの周期の一部あるいは干渉計エラー割合によりお互いにシフトされた二つの位置を計測し平均を取り、および計測を直接時間的シーケンスに持つことにより、実行される。ここで、ＣＣＤカメラの計測ウィンドウは位置シフトとともにシフトされ、二つの計測結果が理論的に同じ位置を提供するようになっている。Ｘ／ＹステージをＸおよびＹ方向の電子フィードバック停止制御により止めることによる、焦点位置の通過という位置制御および同時撮像を利用する、従前のよく証明された位置計測プロセスが維持されている。第一回目に焦点位置を通過すると、Ｘ／Ｙステージ及びＣＣＤカメラの計測ウィンドウは干渉計エラーの周期に対応してシフトされ、第二回目にあるいは逆に焦点位置を通過する間に（逆のＺ座標方向にトラバース）、構造の位置は二回目に決定される。
【００４９】
図１２は所謂デュアルスキャン操作（計測オブジェクティブをＺ座標方向に、続いて逆のＺ座標方向にトラバースする）の概略図である。横座標１２０は位置λをｎｍで表したものである。縦座標１２１は干渉計エラーをｎｍで表したものである。構造の基板上の各位置は二回計測される。二回目の計測位置はエラー曲線の周期の二分の一シフトされる（ここでは、１５８／２ｎｍ＝７９ｎｍ）。各実線二重矢印の二つの矢印点はこれら二つの点を記す。二つの計測値を平均化すると、干渉計による計測エラーが補償される。ここで、第一回目の計測が実行されるエラー曲線上の点は無関係である。第二回目の計測は、補償が常に行われるようにシフトされる。別の利点は二つの計測値を取ることである。これにより位置計測精度が対応して増し、特にＣＤ計測での精度も増す。異なる波長のエラー箇所が混合されると（図１３）、部分的な補償しかない。
【００５０】
図１３はドリフト補正されない計測データを示しており、ここでデータは計測構造を２０ｎｍステップシフトすることで記録される。横座標１３０は位置をｎｍで表したものである。縦座標１３１はエラー位置をμｍで表したものである。二重矢印は８０および１２０ｎｍのシフトを持つ二つの計測値を記す。破線の垂直矢印１３２は、補償の効果を記す。
【００５１】
本発明による方法（所謂デュアルスキャン）で得られる計測結果は、ＬＭＳ  ＩＰＲＯ３上に表される。結果を従前の方法（ノーマルモード）の計測結果と比較する（図１４参照）。横座標１４０は時間を１日の２４分の１に相当する長さ（hour）で表したものである。第一縦座標１４１は、位置偏差をｎｍで表したものである。第二縦座標１４２は気圧変化をｍｂａｒで表したものである。全てのデータは、テストマスク上の４μｍを計測する１５×１５の十字格子で見積もられている。次の各１０計測結果において、１０パスの計測中の１５×１５格子の位置に対する３σ最大値、１５×１５格子の位置に対する３σ平均値、及び気圧の変動範囲が示唆される。見積もりは「即座に」行われた、つまり、次の１０個のループが一回で見積もられた。これは、最初に初めの１０ループが、次にループ１−１１が、そしてループ２―１２が、などと見積もられるということである。従い、例えば図１４に示すように、１１個の計測値が２０ループから得られる。データは「同時に」デュアルスキャンおよびノーマルモードで計測された（一ジョブに二つサイトがあり、サイト１がデュアルスキャンであり、サイト２がノーマルモードである）。したがって気圧の変動範囲にはたった一つの曲線しかない。デュアルスキャンでの計測は、各スキャンに５０個の画像、および二つのスキャンの間に８０ｎｍのＸ／Ｙステージのシフトで実行された。ノーマルモードの計測は５０個の画像で実行された。気圧変動は極わずかで、１．６ｍｂａｒであった。少なくともＹ方向では、気圧への依存がまだ見られた。気圧依存はデュアルスキャンでは実質的にこれより小さかった。
【図１】
2008046108.tif 000006
【図２Ａ】
2008046108.tif 000007
【図２Ｂ】
2008046108.tif 000008
【図３】
2008046108.tif 000009
【図４】
2008046108.tif 000010
【図５】
2008046108.tif 000011
【図６Ａ】
2008046108.tif 000012
【図６Ｂ】
2008046108.tif 000013
【図６Ｃ】
2008046108.tif 000014
【図７】
2008046108.tif 000015
【図８】
2008046108.tif 000016
【図９Ａ】
2008046108.tif 000017
【図９Ｂ】
2008046108.tif 000018
【図１０Ａ】
2008046108.tif 000019
【図１０Ｂ】
2008046108.tif 000020
【図１１】
2008046108.tif 000021
【図１２】
2008046108.tif 000022
【図１３】
2008046108.tif 000023
【図１４】
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【外国語明細書】
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