(57)【要約】楕円偏光計装置は、互いに分離して好ましくは直交する２つの方向に沿って試料から反射するように指向された２つの入射集束プローブビームを与える。回転ステージは、ウェハの区画を２つの直交して向き付けられた線形ステージの２つの線形軸により規定された移動領域へ回動させる。その結果、ウェハの全てが、ウェハ径の半分のみの移動範囲を有する線形ステージにより測定のためにアクセスされる。縮小された線形移動は、ウェハにより占められる小さな移動包絡線ひいては装置の小さなフットプリントを与える。直交して指向された２つのプローブビームの使用は、移動が縮小されたステージの使用を可能としつつ、好ましい方向に沿った周期的構造体の測定を可能とする。【選択図】図４
2004538462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を評価する楕円偏光計であって、
ａ．前記試料から第１の方向へ反射するように指向された第１プローブビームと、
ｂ．前記試料から第１の方向に対して実質的に直交する第２の方向へ反射するように指向された第２プローブビームと、
ｃ．第１プローブビームと第２プローブビームとの両方の偏光状態の変化を決定し、それに応答して出力信号を生成する検出系と、
ｄ．前記出力信号に基づいて前記試料を評価するプロセッサとを備える楕円偏光計。
【請求項２】
請求項１記載の楕円偏光計において、第１プローブビームと第２プローブビームとが単独の光源によって生成される楕円偏光計。
【請求項３】
請求項１記載の楕円偏光計において、前記検出系が、第１プローブビームと第２プローブビームとの両方を監視する単独の光検出系を含む楕円偏光計。
【請求項４】
請求項１記載の楕円偏光計において、前記検出系が、第１プローブビームと第２プローブビームとをそれぞれ監視する物理的に別個の２つの光検出系を含む楕円偏光計。
【請求項５】
試料を評価する楕円偏光計であって、
ａ．第１プローブビームと、
ｂ．第２プローブビームと、
ｃ．第１プローブビームと第２プローブビームとの両方の偏光状態の変化を決定し、それに応答して出力信号を生成する検出系と、
ｄ．前記出力信号に基づいて前記試料を評価するプロセッサと、
ｅ．第１プローブビームを前記試料で第１の方向へ反射するように指向させる共に、この反射した第１プローブビームを前記検出系へ指向させる光学素子の第１のセットと、
ｆ．第２プローブビームを前記試料で第１の方向に対して実質的に直交する第２の方向へ反射するように指向させる共に、この反射した第２プローブビームを前記検出系へ指向させる光学素子の第２のセットとを備える楕円偏光計。
【請求項６】
請求項５記載の楕円偏光計において、第１プローブビームと第２プローブビームとが単独の光源によって生成される楕円偏光計。
【請求項７】
請求項５記載の楕円偏光計において、前記検出系が、第１プローブビームと第２プローブビームとの両方を監視する単独の光検出系を含む楕円偏光計。
【請求項８】
請求項５記載の楕円偏光計において、前記検出系が、第１プローブビームと第２プローブビームとをそれぞれ監視する物理的に別個の２つの光検出系を含む楕円偏光計。
【請求項９】
試料を評価する楕円偏光計であって、
ａ．多色プロービームを生成する広帯域光源と、
ｂ．前記試料へ２つの光路の一方に沿ってプローブビームを選択的に指向させ、その第１の光路はビームを前記試料から第１の方向へ反射させるべく指向させるように構成されており、第２の光路はビームを前記試料から第１の方向に実質的に直交する第２の方向へ反射させるべく指向させるように構成されている第１の光学素子と、
ｃ．前記反射したプローブビームの偏光状態の変化を監視する手段であり、複数の波長に対応する複数の出力信号を生成する複数の光検出素子を有する検出器を含む手段と、
ｄ．前記プローブビームを第１と第２の光路から共通の光路に沿って前記検出器へ選択的に指向させる第２の光学素子と、
ｅ．前記出力信号に基づいて前記試料を評価するプロセッサとを備える楕円偏光計。
【請求項１０】
請求項９記載の楕円偏光計において、前記プローブビームの偏光状態の変化を監視する手段が、偏光子及びリテーダーを含む楕円偏光計。
【請求項１１】
請求項１０記載の楕円偏光計において、前記リテーダーが回転自在である楕円偏光計。
【請求項１２】
請求項９記載の楕円偏光計において、個別の偏光子及びリテーダーが各光路に沿って第２の光学素子の前に設けられている楕円偏光計。
【請求項１３】
請求項９記載の楕円偏光計において、前記プローブビームに関して前記試料を移動させ、この試料の回動と線形移動との双方を可能にするステージ手段を更に備える楕円偏光計。
【請求項１４】
請求項９記載の楕円偏光計において、前記試料が円形ウェハであり、且つ前記ステージ手段の線形移動がほぼ前記ウェハの半径に制限される楕円偏光計。
【請求項１５】
試料を評価する楕円偏光計装置であって、単独の初期光ビームを与える共通光源と最終検出器とを有し、この装置は、
前記初期ビームを第１と第２の光路に沿って選択的に指向させる第１指向手段と、
第１の入射方向で前記試料へ指向される集束された第１のビームを与える第１の光路内の第１レンズと、
第１の入射方向に実質的に直交する第２の入射方向で前記試料へ指向される集束された第２のビームを与える第２の光路内の第２レンズと、
前記試料から反射された第１のビームを受ける第１の波長板アセンブリと、
前記試料から反射された第２のビームを交互に受ける第２の波長板アセンブリと、
第１と第２のビームを前記装置の前記最終検出器へ向けて第１及び第２のビームを選択的に指向させる第２の指向手段と、
第１と第２のプローブビームに関してウェハを回動させ且つ軸方向に並進させ、軸に沿う前記並進の量は前記ウェハの径の２倍未満である手段とを備える楕円偏光計装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の装置において、前記ウェハ並進手段が回転ステージを含む装置。
【請求項１７】
請求項１５記載の装置において、前記ウェハ並進手段が、ｘ軸に沿う第１移動範囲を有する第１のリニアステージと、ｙ軸に沿う第２の移動範囲を有する第２のリニアステージとを含む装置。
【請求項１８】
請求項１５記載の装置において、第１の第２の指向手段が、選択的に位置決め可能なミラーを含む装置。
【請求項１９】
楕円偏光装置のための小型な波長板アセンブリであって、中空シャフトを有するステッパモータを備え、前記中空シャフトは、この中空シャフトの回転軸に共軸な光軸を有する波長板を支持する波長板アセンブリ。
【請求項２０】
試料を評価する楕円偏光計であって、
前記試料から反射するように指向されたプロービームを生成する光源と、
前記試料からの反射により誘発されたビームの偏光状態の変化を評価する検出系と、
ビームの伝播軸に沿って配置され、偏光子及び波長板リテーダーからなるグループから選択された光学素子と、
前記光学素子を回動させるモータとを備え、このモータは中空回転シャフトを有し、この中空回転シャフトには前記光学素子が、前記プローブビーム光が前記中空シャフト及び前記光学素子を通過できるように搭載される楕円偏光計。
【請求項２１】
試料を評価する楕円偏光計であって、
多色プロービームを生成する光源と、
前記試料から反射した後のプローブビームを監視し、波長の関数としての出力信号を生成する検出器と、
前記出力信号に基づいて前記試料を評価するプロセッサと、
前記光源と前記検出器との間の第１の固定光路とを備え、この第１の光路は、プローブビームが第１の入射方向に沿って前記試料へ指向するように構成されており、
前記楕円偏光計は更に、
前記光源と前記検出器との間の第２の固定光路を備え、この第２の光路は、プローブビームが第１の入射方向に実質的に直交する第２の入射方向に沿って前記試料へ指向するように構成されている楕円偏光計。
【請求項２２】
請求項２１記載の楕円偏光計において、プローブビームを第１及び第２の光路へ下げるように指向させる光学素子を更に備える楕円偏光計。
【請求項２３】
請求項２２記載の楕円偏光計において、前記光学素子が、プローブビームを第１及び第２の光路へ下げるように選択的に指向させる可動ミラーを含む楕円偏光計。
【請求項２４】
請求項２３記載の楕円偏光計において、第１及び第２の光路を通過した後にビームを前記検出器へ選択的に指向させる可動ミラーを更に備える楕円偏光計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、ウェハ上の特徴構成を測定するための楕円偏光システムに関する。特に、本発明は複数の測定ビームを有する小型な楕円偏光計に関する。測定ビームを回転ステージに関連して交互に操作することにより、ウェハ位置決め用リニアステージは、その移動範囲を低減させて駆動できる。
【０００２】
発明の背景
一般に半導体は、ウェハの上部又は上面に形成された構成された多数の層のデポジッティング及びエッチングにより製造される。これらの製造ステップを制御して、製造の初期段階でウェハを検査することは製造コストを低廉に保つことに役立つ。半導体の非破壊測定について重要性が増している１つの技法は楕円偏光法である。楕円偏光法においては、特定の構成のプローブ光ビームをウェハから反射するように指向させる。ウェハとの相互作用に起因するビームの偏光状態の変化を監視して、ウェハに関する情報が与えられる。
【０００３】
楕円偏光計は、薄膜パラメータ（例えば厚さ、屈折率及び透過係数）を監視するために広く用いられてきた。最近では、楕円偏光計は、ウェハ上の微細で反復する周期的な構造体の特性（臨界寸法）を監視することに用いられている。これらの周期的構造体は格子に似ているので、その測定データには、構造体に関する情報を得るための散乱解析を施すことができる。対象の情報は、側壁プロファイルのみならず、ライン幅及び間隔を含むが、これらに限定されるものではない。
【０００４】
このような周期的構造体は個別の方向を有する。このような構造体に関する最も有益な情報は、楕円偏光計のプローブビームがライン構造体に対してほぼ直交して指向されたときに獲得できることが解っている。
【０００５】
図１に明らかなように、代表的なウェハＷは、その上に形成された上述のような周的構造体ＰＳを複数個有する。場合によっては、全ての周期的構造体は、同一の方向へ指向される（即ち、全てのラインが平行）。他の場合には、幾つかの構造体が他の構造体に対して直交して延在するラインを有する。
【０００６】
典型的には従来の楕円偏光計は、中心軸に関する回転のみならず、全線形移動ＦＸ，ＦＹを通じてウェハを移動させるステージを備えることにより、プローブビームＰＢを（通例はライン構造体に対して直交する）適当な方向における周期的構造体ＰＳの各々へ指向できるようにされている。線形移動ＦＸ，ＦＹはウェハ径ＷＤにほぼ等しい。測定中に移動するウェハは、移動包絡線ＬＥを連続的に占め、このＬＥはウェハ径の約２倍の線形軸の各々の方向に延在する。移動包絡線ＬＥは楕円偏光計の最小フットプリントを決定する。
【０００７】
最近では、楕円偏光計装置のサイズを実質的に低減しようとする試みがなされている。とりわけ、この努力は楕円偏光計を半導体処理ツールへ直接に組み込み可能とすることに向けられている。所望の小型化を達成するために、ステージシステムは、ウェハの移動の全範囲を低減するように開発されてきており、これにより移動包絡線ひいてはシステムのフットプリントが低減される（例えば円筒座標径を採用するステージは線形及び回転ステージからなる）。これらのステージの使用は、薄膜パラメータの測定を大きく妨げることはない。というのは、そのような測定はプローブビームが試料へ入射する方向に影響されないからである。しかしながら、このような抑制された移動ステージは、プローブビームＰＢの入射方向が周期的構造体ＰＳの測定関係方向に対応する周期的構造体測定には問題を生じる。
【０００８】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ウェハをＸ及びＹステージにより操作して、試料の四象限のうちの１つのみを試料とプローブビームとの交点に位置させることができる。試料の他の３つの象限内の測定を実行するために、回転ステージを９０°の倍数で移動させる必要がある。これらの場合に周期的試料構造体の直交方向を達成するためには、第１のプローブビームに直交する第２のプローブビームが必要である。
【０００９】
この困難性は図２Ａ及び図２Ｂから最もよくみてとれる。図２Ａにおいて、プローブビームＰＢは、ライン構造体に直交する周期的構造体に入射するように示されている。オペレータが周期的構造体ＰＳ２の測定を望む際には、回転ステージは、構造体が位置しているウェハのセクタ（扇形部分）をプローブビームにより到達可能な領域内に移動させるために用いられる。上述したように、Ｘ及びＹ方向におけるステージ移動は、回転を伴わなければ、構造体ＰＳ２をプローブビーム下へ移動させるには不充分である。残念ながら、図２Ｂに明らかなように、この回転の結果は、周期的構造体ＰＳ２をそれに入射するプローブビームがラインに平行な方向にするように向き付ける。先述したように、最も意味のある情報は、ビームが構造体にライン構造体に直交して入射するときに得られることが解っている。
【００１０】
従って、移動抑制ステージを利用できるが、薄膜パラメータと周期的構造体との双方の最適な測定も与える楕円偏光計を開発することが望ましい。
【００１１】
発明の概要
本発明においては、プローブビームを少なくとも２つのビーム経路に沿って選択的に指向させて、被検体ウェハ上に様々な入射方向で入射する少なくとも２の集束ビームを与えるようにする。２の直交駆動リニアステージが、ウェハサイズの単に断片である移動範囲を与える。リニアステージと組み合わされた回転ステージは、その回転軸がリニアステージにより規定された移動面に直交するように位置させてある。この移動面は好ましくは固定ウェハの上面に平行である。回転ステージは、その回動範囲内で固定ウェハを回動させて、ウェハ上部の或る番号のセクタを連続的セクタ測定段階の間に各集束スポットの範囲内にもっていく。セクタ測定段階の間は、ウェハを集束スポットに沿って移動させるようにリニアステージのみが駆動される。
【００１２】
集束ビームは複数が互いに角度的方向をなして位置しており、その数は測定セクタ内のパターンの角度方向の数に対応する。好適実施形態においては、ウェハパターンが１つの測定関係方向を持ち、２つの集束ビームを互いに関して直行して入射する方向に設けており、プローブビームの面に関してパターンの直交する向きを保持しつつ、パターンを４つの象限全てにおいて測定できるようにしてある。２つの集束ビームが用いられているので、回転ステージは、セクタ測定段階に先立ってウェハの包括的な向きを調整するためのみに駆動されて、所定のセクタを移動範囲内で回動させて、集束スポットによりアクセス可能にする。好適実施形態においては、４つのセクタが４つの連続的測定段階においてウェハを測定するために規定されている。リニアステージの線形範囲はウェハ径の約半分であり、これは移動包絡線ひいては装置のフットプリントを相当に低減させる。
【００１３】
本発明の目的は同一の支持系上に搭載された２つの完全に分離した楕円偏光計を用いることにより達成される。換言すれば、２つの光源、２組の集束及び集光光学素子、２組の偏光子及び検光子、２つの個別の検出器を使用できる。しかしながら、好適実施形態においては、単独の光源及び単独の検出器のみが用いられる。この試みは空間を節約するのみならず、測定を調整して特徴付けるのに１つの光源及び１つの検出器のみを必要とするように、複雑さを低減する。
【００１４】
好ましくは、広帯域光源が多色プローブビームを生成するのに用いられる。試料に入射する前の或る点において、２つの航路に沿ってビームを分割するか、或いはビームを第１の光路又は第２の光路に沿って選択的に指向させるために、光学素子が設けられている。好適実施形態においては、測定に用いられる光エネルギを最大化させるように、ビームを分割するのではなく、２つのビーム光路を形成する可動ミラーを用いている。
【００１５】
本発明は楕円偏光計の特定の構成に限定されるものではない。当業者には、回転偏光子（検光子）又は回転補償系などの様々な変形例が認められるであろう。到来プローブビームの偏光状態の形成及び反射ビームの偏光状態の解析に必要な素子は共通の光路領域又は別々の光路領域に配置できる。別々の光路領域内であれば、本明細書に図示した好適実施形態に示されるように２組の光学素子が必要である。
【００１６】
図示の実施形態においては、広帯域回転補償器（波長板リテーダー）システムが示されている。このようなシステムは米国特許第５，９７３，７８７号に開示されている。適切な回転検光子システムは米国特許第５，６０８，５２６号に開示されている。また米国特許第６，２７８，５１９号も参照されたい。これらの米国特許は全て参照により本明細書に組み込まれている。
【００１７】
図示の実施形態においては、１組の可動ミラーはビーム伝播を制御するために用いられている。第１の位置においては、ミラーがビーム経路の外側に配置されて、第１ビーム経路に沿ってビームを進めることを可能にする。第２の位置においては、両方のミラーがビーム経路内に配置されており、ビームを第２ビーム経路に沿って進める。可動ミラーは多数の切り替えサイクルについて高い位置精度及び反復性を与えるように特別に構成されている。
【００１８】
好適実施形態においては、中空シャフトを有するステッパーモータが波長板を回転させて制御するように用いられている。このステッパーモータは、ビーム経路がステッパーモータの回転軸の中空シャフト内を通るように配置されている。中空シャフトアセンブリは、これを用いない場合に、波長板を駆動する機構により占められる空間を相当に低減させるので、光学アセンブリの低減されたフットプリントに寄与する。結果として、光学アセンブリは、個々の光学部品の数の増加にも拘わらず、装置へ装着される。
【００１９】
単独の光源及び単独の検出器の組み合わせ体が、低減された移動範囲、多重交番集束ビーム、中空シャフト波長板アセンブリ及び可動ミラーとの組み合わせで、楕円偏光計装置のために設けられており、これは所定のウェハサイズについての移動包絡線ＬＥよりも小さなフットプリントを有する。
【００２０】
上述したように、本発明は抑制移動ステージを用いて好適な方向から周期的構造体の測定を可能にする。このシステムは任意の方向からの任意の測定領域の測定も可能とすることにも留意されたい。ビームをライン構造に直交して指向させて周期的構造体の測定をなすときに最大の情報を獲得し得るということが一般的事実であるが、ビームがライン構造に平行又はライン構造に関して４５°角で指向された測定からも付加的な情報を獲得し得る。測定された構造体がむしろ単純である場合には、この情報のみでも充分なこともあろう。本発明は任意の所望からの測定を可能とする。このような測定は、構造体を更に完全に特徴付ける回帰解析と独立に又はそれに組み合わせて用いることができる。
【００２１】
詳細な説明
図３によれば、好ましい実施形態の楕円偏光計装置１がウェハ２の上部９（図４Ａ、図５Ａ、図６−図１０参照）に指向性反射度（この実施形態においては楕円偏光）測定をなす目的で構成されている。この楕円偏光計装置は、基部５と、光学アセンブリ１２を支持する上部部分８とを含む。光学アセンブリ１２は２つの回転波長板１０，１４を含む。
【００２２】
指向性反射度測定は、構造体６，１１（図４Ａ−図１０参照）に関する集束ビームの特定の入射所方向を維持する必要がある測定である。構造体６，１１は当業者にはよく知られたパターンとしてもよい。構造体６，１１は代表的には格子状形態における複数の平行ラインを有する。構造体６，１１は、層形態で且つウェハ上部９上に楕円偏光の公知の技術により測定可能な特性を有する他の特徴をもつものとしてもよい。楕円偏光技術に関する更に詳細な情報は上記に引用した米国特許を参照されたい。
【００２３】
概念的理解のために、図示された要素は、正確さのための任意の請求項を伴わずに、模式的に示してあることに留意されたい。更に、明瞭化の目的で伝播ビームは固体状に示してある。
【００２４】
楕円偏光計装置１は基部５を有し、その上には第１のリニアステージ４が組みたてられている。第１ステージ４の上部には第２のリニアステージ３が取り付けられており、この第２ステージ３はそれ自身が回転ステージ７を担持する。第１ステージ４は第１線形軸Ａ１に沿って第１移動範囲ＴＸ（図８参照）を有し、第２ステージ３は、軸Ａ１に直交する第２の線形軸Ａ２に沿う第２の移動範囲ＴＹ（図８参照）を有し得る。第１ステージ４及び第２ステージ３は、位置決めされてコンピュータ制御駆動されており、回転ステージ７を装置内で移動領域ＴＡ（図８乃至１０参照）により示すように移動するようにしてある。
【００２５】
移動領域ＴＡは範囲ＴＸ，ＴＹにより規定される。移動領域ＴＡは、リニアステージ３，４を駆動するのみで集束スポット４１，８１（図４Ａ−図７、図９、図１０参照）によりアクセス可能である。移動領域ＴＡは概念的理解の目的で仮想的且つ包括的に全体が導入さ  れている。これは、線形ステージ３，４をそれらの移動範囲ＴＸ，ＴＹ内で移動させるときに、線形ステージ３に直接に取り付けられた仮想的な要素上の集束スポットにより描かれるものとして想像できるであろう。
【００２６】
回転ステージ７は、回転軸ＡＲ（図８参照）の回りの好ましくは３６０度の回転範囲を有する。回転ステージ７はリニアステージ３上に固定されており、同軸に支持されたウェハ２の任意の領域を、回転ステージ７を介するウェハ２の回動により移動領域ＴＡ内にもっていけるようにされている。
【００２７】
好ましい実施形態においては、ウェハ２はウェハ径ＷＤ（図８参照）を有し、これは範囲ＴＸ，ＴＹの量の約２倍である。第１範囲ＴＸは径ＷＤと共に第１の包絡延長線ＥＸ（図８参照）を規定する。第２範囲ＴＹは径ＷＤと共に第２の包絡延長線ＥＹ（図８参照）を規定する。延長線ＥＸ，ＥＹは移動包絡線９０（図８参照）を規定する。
【００２８】
反射度測定は、基本的にウェハ上部９全体に、個々のウェハセクタ９１−９４（図９、図１０参照）を移動領域ＴＡ内へもっていく連続測定ステップの回数で実行される。それに続くのは移動領域ＴＡ内のセクタ９１−９４のうちの１つのセクタの位置決めステップであり、ウェハ２をステージ３，４により線形移動して、集束スポット４１，８１内の所定の試験領域へもっていく。集束スポットは光学アセンブリ１２により固定されて規定される。所定の試験領域は構造体６，１１の部分とすることができ、これはウェハ上部９上の異なる測定関係方向を有する。構造体６，１１は、概念的理解の目的のために装置１により測定される稠密配列パターンを例示的に表すために示したのみである。構造体６，１１は方向に影響され易い測定領域であり、公知の楕円偏光法に従って反射度測定を達成する目的で所定の入射方向を要求する。このような方向に影響され易い測定領域は、ウェハ上部９上に様々な角度的な製造上の向きで複数個が存在し得る。
【００２９】
装置上部８は基部５に対応して寸法付けられており、当業者には明らかなように電力供給及び交信ケーブル（図示せず）の出入りを確保する目的で基部５のフットプリントを越えて延出している。好ましい実施形態においては、共通光源及び単独の最終検出器とが、光学アセンブリ１２を最終的には他の機能的要素、例えば公知の集束ユニット及び／又は補正ユニット（図示せず）などと共に装置上部８内へ装着する目的で用いられている。装置上部８は回転ステージ７の上部の間隙高さＨＧに位置しており、回転ステージ７の上のウェハ２を交換するように、回転ステージ７は外部からアクセス可能とされている。
【００３０】
好ましい実施形態においては、光学的アセンブリ１２は第１集束ビーム４０（図３、図４Ａ、図４Ｂ、図６、図９参照）と、それと交互に第２の集束ビーム８０（図５Ａ、図５Ｂ、図７、図８参照）とを初期光ビーム３０（図３−図７参照）から与えるように構成されている。第１の集束ビーム４０は第１の入射方向（図９参照）において第１の集束スポット４１を与える。第２の集束ビーム８０は第２の入射方向（図１０参照）において第２の集束スポット８１を与える。入射方向は集束ビーム４０，８０の中心軸の方向である。
【００３１】
第１の可動ミラー２８（図４Ａ−図７参照）は初期光ビーム３０を第１ビーム経路と第２ビーム経路との間で交互に切り換える。図４Ａ、図４Ｂによれば、第１ビーム光路は第１レンズユニット３７までの初期セクション３１を含み、第１レンズユニット３７からは第１集束ビーム４０が第１集束スポット４１へ向かって伝播する。第１ビーム光路は、放物ミラー４５からミラー３３への第１の傾斜光路区画４６と、ミラー３３から放物ミラー５６までの光路終端区画５０とを更に含む。
【００３２】
図５Ａ及び図５Ｂによれば、第２のビーム光路は、内部位置にある第１可動ミラー２８からの初期区画７１を含み、第１可動ミラー２８は初期光ビーム３０を第２レンズユニット７７まで再反射し、この第２レンズユニット７７から第２の集束ビーム８０が第２の集束スポット８１へ向かって伝播する。第２ビーム光路は、放物ミラー８５からミラー７３への第２の傾斜光路区画８６と、ミラー７３から第２可動ミラー５４までの光路終端区画７０とを更に含む。第２可動ミラー５４も内部位置にあり、ここで第２可動ミラー５４は到来光ビームを放物ミラー５６へ向けて再反射させる。第１又は第２ビーム光路に沿って伝播する光ビームは共に最終光学素子へ向かって指向されて、その最終光学素子は最終ビーム６９を単独の検出器６１で終端させるように調整する。
【００３３】
最終光学素子は放物ミラー５６と共に、ミラー５７、ピンホール５８及びホログラフィック格子５９を含み、これらは公知の方式で最終ビーム６０を最終検出器６１で入射させて終端させる。好ましい実施形態においては、放物ミラー５６は２０°の集束角、１００ｍｍの焦点距離を有し、ホログラフィック格子５９はJobin Yvonの部品番号５４３．０２．１９０であり、最終検出器６１は、５１２ピクセルを有するＣＣＤ検出器であり、各々が異なる狭い波長帯域幅に対応する。ピンホール５８はピンホールの大きさを可変にする選択的要素を含むので、測定スポットサイズを可変にすることができる。
【００３４】
本発明の目的は、到来光ビームを交互に再指向させる他の光学的特徴が可動ミラー２８，５４に代わって用いられる実施形態を含む。本発明の目的は、可動ミラー２８，５４が到来ビームを交互に再指向させる特定の様態に限定されるものでもない。例えば、可動ミラー２８，５４の一方が内部位置にあり、且つ他方が光ビームに干渉しない外部位置にある構成を選択してもよい。本発明の目的は、ビーム光路の特定の幾何学的形状にも、又は付加的な光学素子（例えばミラー３４，７４）の特定の個数及び／又は構成にも限定されるものではない。
【００３５】
図４Ａによれば、第１の構造体６は、第１集束ビーム４０により与えられた第１入射方向を必要とするウェハ上部９上の測定に影響し易い向きを有する。楕円偏光計の公知技術に従って反射度測定を実行する目的で、第１集束ビーム４０は、第１入射方向に沿って第１集束スポット４１内の構造体へ入射して、第１反射ビーム４２を生じさせ、そのビーム４２の偏光状態は集束スポット４１から変化している。第１集束ビーム４０は第１レンズユニット３７及び第１偏光子３５により与えられ、これらは第１ビーム光路に沿って伝播する初期光ビーム３０を集束させて偏光させる。好ましい実施形態においては、第１レンズユニット３７はｆ＝６９ｍｍのトリプレットレンズであり、偏光子３５はロションプリズムである。ミラー３２は、伝播ビームを水平ビーム平面から角度的に向き付けられて下方に位置する偏光子３５及びレンズユニット３７へ向かって再反射するように空間的に向き付けられている。ビーム平面は上部８よりも充分に高くして、例えば上部８上の光学素子の位置決め及び固定に用いられる機械的特徴のための余地を与えるようにしてある。
【００３６】
初期光ビーム３０は光源により与えられて、その光源は白色光源２０、レンズ２１、ＵＶ光源２２、楕円ミラー２３、ソースピンホール２４、及び放物ミラー２５を含んでもよいが、これらに限定されるものではない。好ましい実施形態においては、白色光源２０がタングステン光バルブであり、ＵＶ光源２２はＤ２  ＵＶランプであり、楕円ミラー２３はｆ＝８０ｍｍであり、放物ミラー２５は集束角２０°で、ｆ＝５０ｍｍである。
【００３７】
高精度の楕円偏光測定を得るには、偏光検出は、反射ビーム４２，８２（図７、図１０も参照）上に生じる付加的な反射を最小回数のみ伴う状態で反射ビーム４２，８２上で実行する必要がある。反射ビーム４２，８２は集束スポット４１，８１から円錐状に離れるように伝播するので、少なくとも１つの光学素子が反射ビーム４２，８２をコリメートするように用いられる。コリメート光学素子はレンズとすることができ、また図示の実施形態に示すように、放物ミラー４５，８５（好ましい実施形態においては集束角４５°であり、ｆ＝５９．５１ｍｍである）とすることができる。
【００３８】
本発明においては、偏光検出は波長板を（コンピュータ制御化で）回転軸の回りに回動させることにより実行され、その回転軸は、ビームがその中心を回転対称軸に位置させる状態で波長板を通過する伝播方向に対して平行である。本発明においては、２つの交互に駆動される回転波長板アセンブリ１０，１４を導入することにより、２つの反射ビーム４２の各々が、放物ミラー４５，８５により導かれた単独の先行反射のみで２つの回転波長板の１つを通過するようにしてあるので、偏光検出は高レベルの精度となる。波長板アセンブリ１０，１４は中空シャフトステッパーモータを含み、そのローター軸は反射ビーム４２，８２の中心軸に共腺形であり、これは傾斜光路区画４６，８６に平行に伝播する。中空シャフトステッパーモータの使用により実現される波長板アセンブリ１０，１４の非常に小型な寸法は、単独の集束ビームのみを有する従来の装置に比べて光学部品の部品点数が増加しているにも拘わらず、光学アセンブリ１２の占める空間を相当に低減し、且つ装置１へ首尾よく一体化することに寄与する。
【００３９】
図４Ａ及び図４Ｂを再び参照すると、偏光子４７が、各光路区画に沿って第１波長板アセンブリ１０の後に配置されている。好ましい実施形態においては、偏光子４７はロションプリズムである。空間的に向き付けられたミラー３３は到来ビームを反射して、これを水平ビーム平面内の第１ビーム経路に沿って指向させる。
【００４０】
図５によれば、第２構造体１１は、ウェハ上部９上に第２集束ビーム８０により与えられた第２入射方向を必要とする向きを有する。この向きが生じ得るのは、ウェハに設けられた構造体が、単独の象限において異なる測定向きを有するか、或いは隣接する象限において同一の測定向きを有することの結果である。後者の場合には、ウェハの隣接する象限上に同一の向きを有する構造体を第２のＳＥ経路で測定する必要がある。というのは、この構造体をビームが到達可能な領域へもっていくには９０度のステージ回動を必要とするためである。
【００４１】
反射度測定を実行するためには、第２の集束ビーム８０を第２集束スポット８１内に第２の入射方向に沿って入射させ、反射度情報を含む第２反射ビーム８２を集束スポット８１から生じさせる。第２集束ビーム８０は第２レンズユニット７７及び第２偏光子７５により与えられ、これらは光路セクション７１に沿って伝播する初期光ビーム３０を集束させて偏光させる。好ましい実施形態においては、第２レンズユニット７７は第１レンズユニット３７と同様であり、第２偏光子７５は第１偏光子３５と同様である。ミラー７２は、伝播ビームを水平ビーム平面から角度的に向き付けられて下方に位置する偏光子７５及びレンズユニット７７へ向かって再反射するように空間的に向き付けられている。
【００４２】
第２反射ビーム８２は放物ミラー８５により反射されて、ここから第２の傾斜光路区画８６に平行に伝播する。偏光子８７は第２波長射たアセンブリ１４の後に光路区画８６に沿って配置されている。好ましい実施形態においては、偏光子８７，４７は同様である。ミラー７３は到来ビームを水平ビーム平面内の第２ビーム光路に沿って指向させるように空間的に向き付けられている。
【００４３】
第２の可動ミラー５４は内部位置にあり、ここでミラー５４は端部セクション７０に沿って進行するビームに干渉する。第２可動ミラー５４はビームを反射して再び放物ミラー５６へ向かわせて、図４Ａについて説明したように続ける。
【００４４】
図６及び図７の斜視図は、波長板アセンブリ１０，１４の小型性が光学アセンブリ１２の小尺化、特に集束スポット４１，８１の近接性に寄与する程度を示す。明瞭化の目的で、図６は第１ビーム光路を示し、図７は第２ビーム光路を示す。図６は光路区画４６と偏光子８７との間の波長板アセンブリ１４のために利用可能な制約された空間を示す。図７は光路区画８６と偏光子４７との間の波長板アセンブリ１０のために利用可能な制約された空間を示す。
【００４５】
図８を参照すると、移動包絡線９０は装置１のフットプリントを規定する結果、既に上述したように利用可能な空間が装置上部８にある。装置１は、約３００ｍｍの径ＷＤを有するウェハ２を測定するように構成されており、包絡延長線ＥＸ，ＥＹは上述の説明に従えば各方向において約４５０ｍｍである。移動包絡線９０は好ましくは装置１の全境界内に留まるので、装置１の幅ＦＹ（図３参照）及び深さＦＸ（図３参照）を主として規定する。しかしながら、この機器を小さな試料（例えば２００ｍｍウェハ）を用いるアプリケーションに使用することも可能であり、依然として最小のフットプリントを必要とする状態で、この機器は光学板８（図７参照）の大きさを最小化して３００ｍｍウェハを特定の状況では包囲体５（図７）の外側へ延出させることを可能にする。
【００４６】
他の要件、例えば構造的必要物、配線のための付加的な空間、及び楕円偏光計装置の他の公知部品が装置１のフットプリントを副次的に規定する。他の公知部品を基部５及び／又は上部８の一部としてもよい。このような部品は、例えば、装置１の操作期間中の制御、処理、補正、及び／又は集束のために必要であろう。これらの部品の幾つか、例えば集束ユニット及び又は補正ユニットは、上部８に配置してもよく、これは光学アセンブリ１２の利用可能な空間を付加的に低減する。
【００４７】
セクタ９１−９４（図１０）はウェハ２上の所定の仮想領域であり、これはウェハ２の回動を伴わずに測定のためにアクセス可能である。好ましい実施形態において、好ましい移動範囲ＴＸ，ＴＹによれば、セクタ９１−９４はウェハ２の約四分の一である。従ってウェハ２は、計４つのセクタ９１−９４が反射度測定のためにアクセスされる場合には、４回の回動をさせる必要がある。
【００４８】
測定を実行するに先立って、ウェハ２を回転ステージ７上にウェハ装填ツール、例えばロボットアームにより装填する。このロボットアームはウェハ２の底面を吸引取り付け具を介して保持し、このウェハ２を回転ステージ７上で解除する。間隙高さＨＧは、ピンリフタ(pin lifter)アセンブリをウェハの引き上げのために用いることにより、ロボットアームが下方へ滑ってもウェハを摘み上げることを可能にした場合でも、ウェハ２の装填及び取り出しのために充分な空間を与えるように選択されている。装填サイクルにおける最終的な装填誤差又は他の制約に起因して、ウェハ２は代表的には包括的に再向き付けさせて、構造体６，１１の向きが入射方向に対応するようにしてある。回転ステージ７は、このような初期包括的向き付けを実行するように構成してもよい。これに関して、パターン認識システムを用いて平坦性又はノッチ検出工程をマスクアライメント工程に続いて実行してもよい。
【００４９】
そのことに関係する光学的形態は、集束ビーム４２，８２の入射角ＩＡ及び集束角ＦＡ（図９、図１０参照）を含む。好ましい実施形態においては、入射角ＩＡ（図においてはウェハの表面に関して規定されている）は約２５度である。集束角ＦＡ又は円錐角は１−６度の間である。反射ビーム４２，８２は、対応する反射角ＲＡ及び拡がり角ＳＡを有する。
【００５０】
図６、図７に示すように、レンズユニット３７，７７及び放物ミラー４５，８５の大きさ及び位置は、間隙高さＨＧと組み合わされた角度ＩＡ，ＦＡ、ＲＡ、ＳＡの影響を受ける。レンズユニット３７，７７及び放物ミラー４５，８５の大きさ及び位置はまた、波長板アセンブリ１０，１４を寸法付けして位置決めするための有効空間を規定する。中空シャフトステッパモータの使用は、波長板アセンブリ１０，１４の寸法低減に相当に寄与するので、これらの波長板は、レンズユニット３７，７７に干渉することなく、傾斜光路区画４６，８６に沿って位置決めされる。
【００５１】
波長板はローターシャフトの中空部分に取り付けられて、ロータ軸に関して同軸に製作されている。個別の波長板軸受け及び機械的伝達システムが存在しないことが、設計を非常に単純化すると同時に、波長板のより高精度の回転制御を与える。ステッパモータの回転軸受けは波長板の軸受けでもあり、特定の軸受け許容差及びローターシャフトの中空部分の同軸性の許容差は、光学アセンブリ１２の正確な要求を満たすように規定されている。好ましい実施形態においては、Eastern Air Devicesのリニアアクチュエータステッパモータが用いられている。
【００５２】
図１１は波長板のための光学マウント１０２を示す。マウント１０２は、内部に回転中空シャフト１０８を有するステッパモータ１０６を支持する。波長板はシャフト１０８の端部に取り付けられており、それによって支持される。反射プローブビーム光（４２，８２）は中空シャフト及び波長板を通過した後、検出子（偏光子）４７を通過する。回帰センサ(home sensor)１１０の出力は中空シャフトの位置のためのフィードバックを与える。
【００５３】
光学アセンブリ１２の大きさを最小に保つための他の要因は、上述したように共通の光源及び単独の最終検出器６１を利用することである。初期光ビーム３０と、反射度情報を伝播する反射ビームとを指向させる目的で、可動ミラー２８，５４は、多数回の切り換えサイクルに亘って高精度で可動ミラーの内側位置への切り換えをなさねばならない。可動ミラー２８，５４の移動及び位置決めはアクチュエータユニット２９，５３により与えられる。好ましい実施形態においては、アクチュエータユニット２９，５３はミラー２８，５４を線形に移動させる。アクチュエータユニット２９，５３はコンピュータ制御されて空気圧駆動される。これは、多数回の切り換えサイクルに亘って位置の正確さを達成するカスタム設計された硬鋼ガイドを与える。ミラー２８，５４についてその内部位置におけるこの正確さの要求は、百万回の切り換えサイクルについて０．００５°の角度許容差である。
【００５４】
本発明の装置内におけるウェハ２の測定は、以下のステップにより実行される。第１段階においては、ウェハ２を装填して、固定して、最終的に包括的に再向き付けする。第２のステップにおいて、第１セクタ９１を回動させて披検領域ＴＡ内へもっていく。次いで、第１又は第２の集束ビーム（４０，８０）の一方を起動して所望の測定を実行する。考えられるところでは、１セクタ内の対象の領域の全てが２つのビームの一方のみで測定できる。しかしながら、構造体の向き及び測定検出の種類によっては、所定のセクタ内の対象の全ての特徴を測定するのに両方のビームを（異なる時間に）用いることが要求されるか或いは望ましいこともあろう。例えば、周期的構造体に関しての更なる情報を得るためには、２つの測定をなし、その一方は周期的構造体に対して直交するビーム４０を用い、２回目には周期的構造体に対して平行なビーム８０を用いる。
【００５５】
第１のセクタ９１の測定が終了すると、回転ステージ７が第２セクタ９２を移動領域ＴＡへ回動させることにより、このセクタにおける測定を得ることができる。所定のセクタ９１−９４の全てについて測定がなされた後、ウェハ２は装置１から取り出される。
【００５６】
検出器６１からの出力は解析のためにプロセッサへ供給される。実行される解析の形式は、当業者にはよく知られているように測定の形式に基づいている。例えば、多層構造体の薄膜パラメータは、理論的モデル及びフレネルの式を用いる多重波長反射計又は楕円偏光計データから特徴付けることができる。小さな周期的構造体（限界寸法）に関する情報は、回折モデルを用いて導くことができ、この回折モデルは、例えば、波動理論に正確に組み合わされたもの（米国特許第５，８６７，２７６号及び第５，９６３，３２９号参照。これらは本明細書に参照により組み込まれる）を含む。
【００５７】
本発明の目的は、上述したような楕円偏光計技術で測定するのに適する特徴を有するワークピースにおける反射度測定をなすように装置１が構成されている実施形態を含む。更に本発明は、ワークピースが非円形であり、且つ範囲ＴＸ，ＴＹの少なくとも一方が、固定されたワークピースの平行幅に満たない実施形態を含む。
【００５８】
好ましい実施形態においては、２つの分離したビーム光路が、最終光学素子５６，５７，５８，５９及び最終検出器６１により例示的に示したような単独の光検出系内に与えられている。それにも拘わらず、本発明の目的は、物理的に分離した２つの光検出系を設け得る実施形態を含む。このような実施形態においては、２つの別個の光検出系の各々が２つの反射ビーム５０，７０の一方を受けるので、反射ビーム５０，７０の光路における光学素子の個数を更に低減される。このような実施形態には可動ミラー５４は存在しない。また、本発明の目的は、要素２０−２５により例示的に示したように２つの別個の光源が設けられている実施形態を含む。このような実施形態においては、可動ミラー２８は存在しない。
【００５９】
従って、本明細書において上述のように説明した本発明の目的は、添付の特許請求の範囲及びその均等物により規定される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は２つのリニアステージがウェハ径にほぼ等しい範囲でウェハを移動させる従来技術の楕円偏光計システムの位置決め装置の単純化された模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは２つのリニアステージがウェハ径のほぼ半分の範囲でウェハを移動させる従来技術の楕円偏光計システムの位置決め装置の単純化された模式図である。このような従来技術の位置決め装置においては、プローブビームが不適切な反射特性測定に限定される。
【図２Ｂ】図２Ｂは２つのリニアステージがウェハ径のほぼ半分の範囲でウェハを移動させる従来技術の楕円偏光計システムの位置決め装置の単純化された模式図である。このような従来技術の位置決め装置においては、プローブビームが不適切な反射特性測定に限定される。
【図３】図３は本発明の好適実施形態による例示的な装置の第１の斜視図である。
【図４Ａ】図４Ａは図３のデバイスの同図中に矢印１７で示した上面図を示す。このデバイスは第１のビーム光路に沿う光ビーム伝播と共に示してある。
【図４Ｂ】図４Ｂは概念的理解の目的で図４Ａの主要部を模式的に単純化して示す図である。
【図５】図５は図３のデバイスの同図中に矢印１７で示した上面図を示す。このデバイスは第２のビーム光路に沿う光ビーム伝播と共に示してある。図５Ｂは概念的理解の目的で図５Ａの主要部を模式的に単純化して示す図である。
【図６】図６は図３のデバイスの第１ビーム光路に沿う光ビーム伝播と共に示す第２の斜視図である。
【図７】図７は図３のデバイスの第２ビーム光路に沿う光ビーム伝播と共に示す第２の斜視図である。
【図８】図８は上部部分を除去した図３のデバイスと共に示す第２の斜視図である。デバイスの作動的使用中にワークピースにより占められる移動包絡線を図示してある。リニアステージの移動範囲により当てられた移動領域も図示してある。
【図９】図９は上部部分を除去した図３のデバイスと共に示す第２の斜視図である。第１の集束ビームは第１の入射方向で第１の検知測定領域に入射する状態で示してある。
【図１０】図１０は上部部分を除去した図３のデバイスと共に示す第２の斜視図である。第２の集束ビームは第２の入射方向で第２の検知測定領域に入射する状態で示してある。
【図１１】図１１は回転波長板を装着するのに用いられる中空シャフトステッパーモータの斜視図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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