(57)【要約】【課題】簡易な構成または方法で、かつ、高い精度でビームコンディションをモニタすることができるビームコンディションモニタ装置、ビームコンディションモニタ方法、および該ビームコンディションモニタ方法を用いたパターン計測方法を提供する。【解決手段】実施形態のビームコンディションモニタ装置は、ステージと検出手段とモニタ手段とを持つ。前記ステージは、周期構造のパターンが形成された基体を支持するとともに前記基体の位置を制御する。前記検出手段は、前記基体を透過し、または前記基体で反射した電磁波を検出し、回折強度の信号として出力する。前記モニタ手段は、前記ステージおよび前記電磁波照射手段を制御して前記電磁波照射手段と前記検出手段の間で任意の間隔毎に前記基体を移動させながら前記信号を複数回取得し、前記基体の位置に対応付けて前記回折強度の変動を解析することにより、前記電磁波のビームコンディションをモニタする。【選択図】図１
2013200181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期構造のパターンが形成された基体を支持するとともに前記基体の位置を制御するステージと、
電磁波を生成して前記基体へ照射する電磁波照射手段と、
前記基体を透過し、または前記基体で反射した電磁波を検出し、回折強度の信号として出力する検出手段と、
前記ステージおよび前記電磁波照射手段を制御して前記電磁波照射手段と前記検出手段の間で任意の間隔毎に前記基体を移動させながら前記信号を複数回取得し、前記基体の位置に対応付けて前記回折強度の変動を解析することにより、前記電磁波のビームコンディションをモニタするモニタ手段と、
を備えるビームコンディションモニタ装置。
【請求項２】
前記モニタ手段は、前記信号から回折プロファイルを作成して回折ピークの重なりを算出し、前記重なりが発生する前記基体の位置を管理指標として出力することを特徴とする請求項１に記載のビームコンディションモニタ装置。
【請求項３】
前記ステージに設置され、前記電磁波の光軸に直交する平面内で前記基体を回転可能に保持する基体ホルダをさらに備え、
前記ビームコンディションは前記電磁波の広がり角を含み、
前記検出手段は前記基体を透過した光を検出し、
前記基体ホルダは、所望の向きの前記広がり角に対応して前記パターンの長手方向が配置されるように前記基体を回転させることを特徴とする請求項１または２に記載のビームコンディションモニタ装置。
【請求項４】
前記基体は、前記電磁波の光軸に平行な平面内に設置され、
前記検出手段は前記基体で反射した光を検出する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のビームコンディションモニタ装置。
【請求項５】
電磁波を生成して第１の周期構造のパターンが形成された第１の基体へ照射する工程と、
前記第１の基体を透過し、または前記第１の基体で反射した電磁波を検出し、回折強度の信号として出力する工程と、
前記電磁波が出射する第１の位置から前記電磁波が検出される第２の位置までの間で任意の間隔毎に前記第１の基体を移動させながら前記信号を複数回取得し、前記第１の基体の位置に対応付けて前記回折強度の変動を解析することにより、前記電磁波のビームコンディションをモニタする工程と、
を備えるビームコンディションモニタ方法。
【請求項６】
前記ビームコンディションをモニタする工程は、前記信号から回折プロファイルを作成して回折ピークの重なりを算出し、前記重なりが発生する前記第１の基体の位置を管理指標として出力する工程を含む、ことを特徴とする請求項５に記載のビームコンディションモニタ方法。
【請求項７】
前記第１の基体は、前記電磁波照射手段と前記検出手段とを結ぶ線分に直交する第１の平面内に配置され、
前記ビームコンディションは前記電磁波の広がり角を含み、
所望の向きの前記広がり角に対応して前記パターンの長手方向が配置されるように前記第１の基板を回転させる工程をさらに備える、
ことを特徴とする請求項５または６に記載のビームコンディションモニタ方法。
【請求項８】
前記第１の基体は、前記電磁波照射手段と前記検出手段とを結ぶ線分に平行な第２の平面内に設置されることを特徴とする請求項５または６に記載のビームコンディションモニタ方法。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれかに記載のビームコンディションモニタ方法によるモニタ結果を用いてビームコンディションを調整する工程と、
計測対象である第２の周期構造のパターンが形成された第２の基体に前記電磁波を照射する工程と、
前記第２の基体からの散乱光を検出して第１の散乱プロファイルを作成する工程と、
前記第２の周期構造のパターンについてシミュレーションにより第２の散乱プロファイルを取得する工程と、
前記第１の散乱プロファイルと前記第２の散乱プロファイルとを照合することにより、前記第２の周期構造の単位構造の断面形状を算出する工程と、
を備えるパターン計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ビームコンディションモニタ装置、ビームコンディションモニタ方法およびパターン計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路は、高性能化の達成のために、回路パターンの微細化が進行している。回路パターンの微細化に伴って、回路パターンの計測に要求される精度は厳しさを増している。従来の半導体製造プロセスでは、例えば周期的構造を構成するラインパターンについて、主として幅や高さなどの比較的大まかな寸法が管理の対象とされてきた。その一方で、回路パターンの微細化の進行に従って、側壁角、トップラウンディングと呼ばれるライン上部の丸み、ボトムラウンディングと呼ばれるライン下部の丸みなど、形状の詳細な寸法についても厳密に計測する必要が生じている。
【０００３】
構造体の断面形状を精密に観察する手法のうち、ＣＤ−ＳＡＸＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  Ｓｍａｌｌ  Ａｎｇｌｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、試料にＸ線を照射し、反射および透過されたＸ線の干渉により得られる散乱プロファイルから試料表面のパターン形状を測定する手法であり、非破壊及び非接触で、微細形状に対する良好な感度を有する。
【０００４】
一般に、ＣＤ−ＳＡＸＳを用いたパターン計測装置は、Ｘ線を凹面鏡に反射させることでステージ上のサンプルや検出器上に焦点を合わせており、Ｘ線ビームは光軸に平行でなく一定の広がり角を有する。そのため、Ｘ線発生源の特性や凹面鏡の形状等が設計値からずれた場合、広がり角やビームの形状などのビームコンディションが変わる。広がり角が大きくなると、同じ波長を持った光がさまざまな角度から入射してそれらがお互いに干渉するので、お互い弱め合い、測定で得られる干渉縞の山と谷の振幅が変わってしまう。干渉縞を解析する際、モデルから予想されるシミュレーションプロファイルと実際の測定で得られる散乱プロファイルとのつき合わせを行う際に両者の合わせこみ精度が低くなる。所定の値からの実際の広がり角のずれが解析のエラー成分となり、現実の断面形状とは異なる値を算出してしまう。広がり角は、同一装置での経時による変動の他、異なる装置間で差異が生ずることで測定精度の低下をもたらす。そのため、広がり角をモニタすることは非常に重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−９３５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、簡易な構成または方法で、かつ、高い精度でビームコンディションをモニタすることができるビームコンディションモニタ装置、ビームコンディションモニタ方法、および該ビームコンディションモニタ方法を用いたパターン計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のビームコンディションモニタ装置は、ステージと検出手段とモニタ手段とを持つ。前記ステージは、周期構造のパターンが形成された基体を支持するとともに前記基体の位置を制御する。前記検出手段は、前記基体を透過し、または前記基体で反射した電磁波を検出し、回折強度の信号として出力する。前記モニタ手段は、前記ステージおよび前記電磁波照射手段を制御して前記電磁波照射手段と前記検出手段の間で任意の間隔毎に前記基体を移動させながら前記信号を複数回取得し、前記基体の位置に対応付けて前記回折強度の変動を解析することにより、前記電磁波のビームコンディションをモニタする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１によるビームコンディションモニタ装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す装置が備える管球のより具体的な構成を示す模式図。
【図３】図１に示すビームコンディションモニタ装置を用いて管球の出射面と二次元検出器の受光面との間で回折格子の位置を変えて測定したときのX線のビーム軌跡の例を示す図。
【図４】横軸が二次元検出器の受光素子の位置を表し、縦軸が回折強度を表すグラフにプロットされた回折プロファイルの一具体例を示す。
【図５】横軸が角度を表し、縦軸が回折強度を表すグラフにプロットされた回折プロファイルの一具体例を示す。
【図６】横軸が回折格子の位置で、縦軸が重なりＯＰの面積となるグラフの一具体例を示す。
【図７】実施形態２によるビームコンディションモニタ装置の概略構成を示すブロック図。
【図８】図７に示すビームコンディションモニタ装置を用いて管球の出射面と二次元検出器の受光面との間で回折格子の位置を変えて測定したときのX線のビーム軌跡の例を示す図。
【図９】図７に示すビームコンディションモニタ装置を用いてパターン形状を計測する方法を示す図。
【図１０】Ｘ線の経路とパターンの方向との関係を示す平面図。
【図１１】二次元検出器の受光部の外観を示す斜視図。
【図１２】実施の一形態によるパターン計測方法の概略手順を示すフローチャート。
【図１３】実施形態１および２によるビームコンディションモニタ方法のより具体的手順を示すフローチャート。
【図１４】パターン計測方法のより具体的な手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付してその重複説明は適宜省略する。
【００１０】
（Ａ）実施形態１
（１）ビームコンディションモニタ装置の構成
図１は、実施形態１によるビームコンディションモニタ装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態のビームコンディションモニタ装置は、回折格子ステージ２１と、回折格子ステージ２１を制御するステージ制御部１３と、管球４と、管球４を制御する光源制御部１１と、二次元検出器３と、データ処理部１２と、コンピュータ１４と、を備える。
【００１１】
管球４は、光源制御部１１を介してコンピュータ１４に接続される。二次元検出器３は、データ処理部１２を介してコンピュータ１４に接続される。コンピュータ１４はまた、ステージ制御部１３に接続される。
【００１２】
管球４は、本実施形態において例えば電磁波照射手段に対応し、Ｘ線源５１および凹面鏡５２（図２参照）を含む。Ｘ線源５１としてはＸ線を発するものであれば何を用いてもよいが、本実施形態ではCuのKα線を発するものを使用する。管球４は、光源制御部１１から制御信号を与えられて、例えば１ｎｍ以下の波長のＸ線Ｌｉを生成して二次元検出器３の検出面に向けて出射する。なお、電磁波としてはＸ線に限ることなく、回折格子２３の周期構造のピッチが例えば１μｍ以上と広い場合には、３００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光を用いてもよい。
【００１３】
図２は、管球４のより具体的な構成を示す模式図である。Ｘ線源５１から発したＸ線Ｌｉは、凹面鏡５２によって光路が調整され、所定の広がり角ＤＡで管球４を出射して回折格子２３のパターンを照射する。図２では特に詳細には記載しないが、凹面鏡５２としては縦方向（垂直方向）の広がり角に対応するものに加えて横方向（水平方向）の広がり角に対応したものが管球４内に配置される。
【００１４】
図１に戻り、回折格子ステージ２１は回転ホルダ２２を支持するとともに、ステージ制御部１３から送られる指令信号により水平方向（Ｘ−Ｙ平面）および垂直方向（Ｚ方向）に移動して回転ホルダ２２の位置を制御する。
【００１５】
ステージ制御部１３はコンピュータ１４から送られる制御信号により指令信号を生成して回折格子ステージ２１に与える。
【００１６】
回転ホルダ２２は、図１中符号φ１で示すように、管球４のＸ線出射面と二次元検出器３の検出面とを結ぶ線分に直交する平面（以下、「垂直面」という）内で回転可能な状態で回折格子２３を保持する。垂直面は本実施形態において例えば第１の平面に対応する。
【００１７】
回折格子２３は、所定ピッチで周期的に配置されたラインとスペースによって構成される既知の形状の構造体であり、ラインの周期は、計測装置であるＣＤ−ＳＡＸＳ装置（図９参照）で使用されるＸ線波長と二次元検出器３の素子の配列周期に応じて最適なものが選ばれる。回折格子２３は、そのパターンにＸ線Ｌｉが入射するように、垂直面内に配置される。本実施形態では回折プロファイルを取得するための構造体として回折格子２３を採用したが、これに限ることなく、ラインとスペースの周期的な配列によって構成されているパターンであればよい。回折格子２３は本実施形態において例えば基体または第１の基体に対応する。
【００１８】
二次元検出器３は、Ｘ線Ｌｉが照射した回折格子２３を透過したＸ線Ｌｔを受光素子で検出する。データ処理部１２は、二次元検出器３から透過Ｘ線Ｌｔの検出信号を受け取り、回折強度のプロファイルを作成する。二次元検出器３およびデータ処理部１２は本実施形態において例えば検出手段に対応する。
【００１９】
コンピュータ１４は、光源制御部１１、データ処理部１２およびステージ制御部１３を制御して複数回に亘って回折強度のプロファイルを取得し、後に詳述するように管球４および二次元検出器３内での回折格子２３の位置に対応付けて回折強度の変動を解析することにより、Ｘ線Ｌｉのビームコンディションをモニタする。コンピュータ１４は本実施形態において例えばモニタ手段に対応する。
【００２０】
以下、図１に示すビームコンディションモニタ装置を用いたビームコンディションのモニタ方法について図３乃至図９を参照しながら説明する。以下ではビームコンディションとしてＸ線Ｌｉの広がり角をモニタする方法を取り挙げる。
【００２１】
（２）ビームコンディションモニタ方法
以下では、Ｘ線源５１から出射したＸ線は凹面鏡５２で反射することによりビーム束が絞られて二次元検出器３の検出面に焦点が合うものとする。
【００２２】
まず、モニタしたい広がり角の方向に合わせて回転ホルダ２２により回折格子２３の向きを調整して固定する。  
次に、管球４の出射面と二次元検出器３の受光面との間の任意の範囲を所定数のステップで区切り、回折格子ステージ２１により回折格子２３を移動させて各ステップ毎にＸ線Ｌｉを照射して回折プロファイルを取得する。
【００２３】
図３は、管球４の出射面（位置Ｘｏ）と二次元検出器３の受光面（位置Ｘｄ）との間で回折格子２３の位置を変えて測定したときのX線のビーム軌跡の例を示す。本実施形態において、管球４の出射面の位置Ｘｏは例えば第１の位置に対応し、二次元検出器３の受光面の位置Ｘｄは例えば第２の位置に対応する。
【００２４】
管球４から出射したX線Ｌｉは回折格子２３に入射してこれを透過する。透過したＸ線Ｌｔは回折して二次元検出器３により検出される。二次元検出器３の検出信号をデータ処理部１２で処理することにより、ブラックの回折の式 
ｄｓｉｎθ＝ｎλ  （ｄ：周期、θ：回折角、ｎ：回折次数）
により回折格子２３の構造体の周期ｄおよびＸ線の波長λから決定される角度θに回折ピークを持つ回折プロファイルが取得される。
【００２５】
図４はこのような回折プロファイルの例を示す図である。図４に示すように、横軸が二次元検出器３の受光素子の位置を表し、縦軸が回折強度を表すグラフにデータ処理部１２により測定結果がプロットされて回折プロファイルが記録される。
【００２６】
コンピュータ１４は、データ処理部１２から回折プロファイルの情報を与えられ、回折格子２３の位置と受光素子３のサイズのデータを用い、回折格子２３と二次元検出器３の受光面との距離と受光素子３のサイズとで決まる角度φ３を算出し、横軸が角度φ３を表し、縦軸が回折強度を表すプロファイルに変換する。
【００２７】
コンピュータ１４は、光源制御部１１、データ処理部１２およびステージ制御部１３を制御することにより、上述した一連の処理を回折格子２３の位置を変えて複数回行う。図４は、図３のＸ１〜Ｘ３の各位置で０次回折ピーク４１、１次回折ピーク４２および２次回折ピーク４３の回折プロファイルを取得した例を示し、図５は、図４の回折プロファイルに対して横軸の指標を変換した例を示す。
【００２８】
図４に示すように、回折格子２３の位置を変えて回折強度を測定すると、回折角度は一定であるため、回折格子２３と検出器３までの距離に応じて回折ピークが現れる場所が変わる。図４で示すように、検出器３上に現れる回折ピークにおいて、回折ピークの間隔は回折格子２３の位置に依存するが、ピークの幅は一定となる。
【００２９】
図５に示す回折プロファイルの例において、回折ピークの間隔は一定であるが、グラフの横軸をピクセルから角度φ３に変換したため、回折ピークの幅は回折格子２３と検出器３までの距離に依存して変化する。回折格子２３が検出器３に近づくほど回折ピークの幅は大きくなり、遂には隣り合うピーク同士が重なり合う。
【００３０】
回折格子２３と検出器３までの距離が離れている場合、検出器３上でのピークとピークの間隔が離れているため、回折プロファイルを角度φ３に変換したときでも隣り合うピークは重ならない。しかしながら、回折格子２３を検出器３に近づけた場合、検出器３上でのピーク間隔が小さくなるため、回折プロファイルを角度φ３に変換したときには隣り合うピークが重なり合う。さらに近づけると、検出器３上で観察されるピークが重なり合って区別がつかなくなる。
【００３１】
コンピュータ１４は、回折格子２３の位置毎に回折プロファイルの変換処理を行って図５の斜線部のような重なり部分ＯＰを割り出す。次いでコンピュータ１４は、回折格子２３の位置が横軸で、重なりＯＰの面積が縦軸となるグラフを作成し、得られたグラフからピーク同士の重なりＯＰが生じる回折格子２３の位置を特定する。このようなグラフの一例を図６に示す。図６から分かるように、位置Ｘ２と位置Ｘ３との間で回折ピーク同士の重なりＯＰが生じている。コンピュータ１４は、重なりＯＰの面積＞０となるときの回折格子２３の位置を算出し、ビームの広がり角の指標として出力する。
【００３２】
通常、ＣＤ−ＳＡＸＳ装置は水平面方向と垂直方向に凹面鏡を設置してビームの焦点を調整する。それぞれの方向で、焦点距離や広がり角の異なる凹面鏡を使用する場合があり、２方向の広がり角をモニタする必要がある。
【００３３】
そこで、本実施形態のビームコンディションモニタ装置でも、それぞれ水平面方向と垂直方向に設置された凹面鏡５２を管球４内に設けている。
【００３４】
そして、回折格子２３を固定している回転ホルダ２２を垂直面内で回転させて回折格子２３の長手方向を変えて上述の処理を同じ処理をすれば、所望の方向におけるビームの広がり角をモニタすることができる。
【００３５】
（Ｂ）実施形態２
上述の実施形態１では、回折格子２３をＸ線Ｌｉに対して垂直に設置し、透過光Ｌｔの回折ピークの重なりＯＰをビームコンディションの指標として出力する手法について述べた。回折格子２３を管球４のＸ線出射面と二次元検出器３の検出面とを結ぶ線分に水平な面（以下、「水平面」という）内に設置してX線Ｌｉを反射させて得られる回折プロファイルを取得し、隣り合う回折ピークの重なり開始位置をモニタすることも可能である。このような手法を実現する態様について実施形態２として説明する。
【００３６】
（１）ビームコンディションモニタ装置の構成
図７は、実施形態２によるビームコンディションモニタ装置の概略構成を示すブロック図である。  
図１との対比により明らかなように、本実施形態のビームコンディションモニタ装置は、回折格子ステージ２１に代えてステージ３１を備える。ステージ３１は、回折格子ステージ２１と同様に、ステージ制御部１３から送られる指令信号により水平方向（Ｘ−Ｙ平面）および垂直方向（Ｚ方向）に移動する。しかしながら、ステージ３１は、回転ホルダ２２を介することなく回折格子２３を直接その上面に載置する。これにより、ステージ３１は、回折格子２３を水平面内に設置する。水平面は、本実施形態において例えば第２の平面に対応する。
【００３７】
管球４は、所望の仰角αで回折格子２３へＸ線Ｌｉを照射する。仰角αとしては、Ｘ線Ｌｉが回折格子２３を透過することなく全反射が生じる全反射角近傍の１°以下の角度が選択される。仰角αは、凹面鏡５２と図示しないアームの制御とによって調整されるが、ゴニオメータを設けてアームに代えて、またはこれと併用して調整することとしてもよい。
【００３８】
二次元検出器３は、本実施形態においてＸ線Ｌｉが照射した回折格子２３から反射したＸ線Ｌｔを受光素子で検出し、その回折強度を測定する。
【００３９】
図７に示すビームコンディションモニタ装置のその他の構成は、図１に示す装置と実質的に同一であるので、その説明は省略する。
【００４０】
（２）実施形態２によるモニタ方法
本実施形態におけるビームコンディションモニタ方法は、回折格子２３を水平面内に設置すること、回折格子２３からの反射光Ｌｒの回折プロファイルを取得する点を除いて上述した実施形態１と実質的に同一である。
【００４１】
図８は、本実施形態において管球４の出射面と二次元検出器３の受光面との間で回折格子２３の位置を変えて測定したときのX線のビーム軌跡の例を示す。水平面内に設置された回折格子２３に照射したＸ線Ｌｉは、図３の透過の場合と同様に、回折を受ける。したがって、管球４の出射面（位置Ｘｏ）と二次元検出器３の受光面（位置Ｘｄ）との間で回折格子２３の位置を所定ステップ毎に変更しながら各々の位置で回折プロファイルを取得し、回折格子２３の位置を角度φ３に変換して回折ピーク同士の重なりＯＰの面積を算出し、重なりＯＰの面積＞０となるときの回折格子２３の位置を割り出せば、ビームの広がり角の指標が得られる。
【００４２】
なお、本実施形態においては、前述した実施形態１のように、回折格子２３を回転させて２方向に亘ってビーム広がり角をモニタする必要は無い。
【００４３】
以上述べた少なくともひとつの実施形態のビームコンディションモニタ装置によれば、光源制御部１１、データ処理部１２およびステージ制御部１３を制御して複数回に亘って回折強度のプロファイルを取得し、管球４と二次元検出器３との間での回折格子２３の位置に対応付けて回折強度の変動を解析するコンピュータ１４を持つことにより、簡易な構成で、かつ、高い精度でビームコンディションをモニタすることができる。
【００４４】
また、以上述べた少なくともひとつの実施形態のビームコンディションモニタ方法によれば、管球４の出射面Ｘｏと二次元検出器３の受光面Ｘｄとの間で回折格子２３の位置を所定ステップ毎に変更しながら各々の位置で回折プロファイルを取得し、管球４および二次元検出器３内での回折格子２３の位置に対応付けて回折強度の変動を解析する工程を持つことにより、簡易な方法で、かつ、高い精度でビームコンディションをモニタすることができる。
【００４５】
（Ｃ）ビームコンディションのモニタ結果を利用したパターン計測
（１）装置構成
上述したビームコンディションモニタ装置および方法により得られたモニタ結果を利用してパターンの形状計測を行えば、長期間に亘り高い精度でパターン形状を計測することが可能になる。
【００４６】
図９は、図７のビームコンディションモニタ装置によりビームコンディションをモニタした後に、同一の装置を用いてパターン形状を計測する方法を示す。ここでは、ステージ３１をそのまま利用し、回折格子２３に代えてウェーハＷをステージ３１の上面に載置する。なお、図１に示すビームコンディションモニタ装置についても、回折格子ステージ２１を図９のステージ３１に取り替えれば、パターン形状の計測が可能である。
【００４７】
図１０に示すように、ウェーハＷの表面には、検査対象である周期構造のパターンＰｓが形成されている。周期構造としては、図１０に示すライン・アンド・スペース構造の他、例えば一方向もしくは互いに直交する２方向に所定ピッチで配置された穴パターン構造、または穴パターンとラインパターンとが混在する構造などが含まれる。ウェーハＷ１は、本実施形態において例えば第２の基体に対応する。基体としては、ウェーハＷに限ることなく、例えばガラス基板、化合物半導体基板、セラミック基板なども含まれる。本実施形態において、パターンＰｓは例えば第２の周期構造に対応する。
【００４８】
二次元検出器３の受光部の外観を図１１の斜視図に示す。二次元検出器３の受光部では受光素子が二次元に配置され、各受光素子は、パターンにより回折されたＸ線Ｌｓの強度を測定して信号として出力し、この信号を自身の位置に対応付けることにより、受光部全体としてＸ線散乱強度の二次元画像を作成する。測定中は、ステージ３１を０°〜１０°の回転角φ２で回転させながらＸ線Ｌｉを照射するので（図１０参照）、散乱されたＸ線Ｌｓの露光が継続しており、受光部は、継続して検出されるＸ線Ｌｓの散乱強度を積算する。
【００４９】
図９に戻り、データ処理部１２は、二次元検出器３からＸ線散乱強度の二次元画像を取り込み、二次元のＸ線散乱プロファイルを作成する。
【００５０】
取り込まれる散乱強度の画像には、方位角方向、仰角方向にブラッグの回折条件で決まる角度に干渉縞が現れている。データ処理部１２は、二次元の散乱強度画像を方位角方向、仰角方向に分割し、それぞれの方向での散乱プロファイルを算出する。ここで、方位角方向のプロファイルとは入射Ｘ線Ｌｉの仰角と散乱Ｘ線Ｌｓの仰角が等しいときの散乱プロファイルをいい、仰角方向のプロファイルとは回折ピークの仰角方向の強度変化をいう。本実施形態において、計測対象のパターンについて実測により得られた散乱プロファイルは、例えば第１の散乱プロファイルに対応する。
【００５１】
ラインパターンの長手方向に対して平行に近い方位角で、かつ、０．２°以下の仰角を持ったＸ線Ｌｉをラインパターンに照射させると、Ｘ線Ｌｉはパターンによって散乱される。散乱されたＸ線Ｌｓが干渉することにより、方位角方向の散乱プロファイルには回折ピークが現われ、仰角方向にはその回折ピークごとに干渉縞が現われる。
【００５２】
干渉縞を含む散乱プロファイルは、光学条件とパターン情報から予め計算することが可能である。光学条件は、例えば入射Ｘ線Ｌｉの波長や入射角（方位角方向、仰角方向）を含み、パターン情報は、パターンの断面形状と材料を含む。
【００５３】
断面形状はパターン断面の輪郭部分を意味しており、ピッチ、ＣＤ、高さ、側壁角、トップラウンディング、ボトムラウンディングの形状パラメータよって表わされる関数である。断面形状を体積積分することによりＸ線Ｌｓの散乱プロファイルをシミュレーションにより求めることができる。本実施形態において、計測対象のパターンについてシミュレーションにより予め得られた散乱プロファイルは、例えば第２の散乱プロファイルに対応する。
【００５４】
コンピュータ１４は、シミュレーションで予め得られたプロファイルと測定で得られた散乱プロファイルとを照合し、両者の差が最小になるようにフィッティングを行う。  
そして、コンピュータ１４は、フィッティング誤差が最小となるときの形状パラメータの値を計測値として出力する。
【００５５】
（２）パターン計測方法
上述した実施形態のビームコンディションのモニタ方法により得られたモニタ結果を利用したパターン計測方法について図１２乃至図１４のフローチャートを参照しながら説明する。
【００５６】
図１２は、本実施形態のパターン計測方法の概略手順を示す。  
まず、上述した実施形態のビームコンディションモニタ方法を用いて、パターン形状計測装置、例えば図９に示す装置についてビームコンディションをモニタする（ステップＳ１００）。  
次いで、パターン計測を行う。パターン計測は前述した通り、図９の装置を使用しても可能であるが、ステップＳ１００によりビームコンディションのモニタ結果がそれぞれ記録されていれば、複数のパターン形状計測装置を使用することができる。
【００５７】
図１３は、上述した実施形態のビームコンディションモニタ方法のより具体的な手順を示す。  
まず、広がり角をモニタしたい向きに回折格子２３の長手方向を合わせ（ステップＳ１０１）、回折格子２３の移動範囲とステップ数を設定する（ステップＳ１０２）。回折格子２３の移動範囲は、前述した通り、Ｘ線管球４と二次元検出器３との間の範囲である。
【００５８】
そして、ｎ＝１とし（ステップＳ１０３）、回折格子ステージ２１またはステージ３１により回折格子２３を最初の回折プロファイル取得位置へ移動し（ステップＳ１０４）、Ｘ線Ｌｉを照射して透過光または反射光を二次元検出器３で検出し、出力された信号からコンピュータ１４により、横軸が回折格子２３の位置であり縦軸が回折強度の第１回折プロファイルを作成する（ステップＳ１０５）。
【００５９】
次いで、コンピュータ１４により、第１回プロファイルから、データ変換により、横軸が角度φ３で縦軸が回折強度の第２回折プロファイルを作成し（ステップＳ１０６）、各ｎ次光の回折ピークとそれぞれの中間点を割り出す（ステップＳ１０７）。本実施形態においては第０次光から第２次光の回折ピークについて行う。
【００６０】
続いて、図５に示す回折プロファイルの重なり部分ＯＰの面積を算出し（ステップＳ１０８）、図６に示すように、横軸が回折格子の位置、縦軸が重なり部分ＯＰの面積となるグラフを作成し、重なりが部分ＯＰの面積を求める（ステップＳ１０９）。
【００６１】
そして、重なりが部分ＯＰの面積＞０となるまで、ｎ＝ｎ＋１として（ステップＳ１１０）、上述したステップＳ１０４〜Ｓ１１０までの手順を繰り返す。
【００６２】
重なりが部分ＯＰの面積が０を超えたら、その時の回折格子の位置を算出し、ビームの広がり角の指標として出力し、保存する（ステップＳ１１１）。
【００６３】
実施形態１のように回折格子２３を垂直面に設置して透過光Ｌｔの回折強度を測定する場合は、垂直面内で回折格子２３の角度を９０°回転させて上述した手順を繰り返す。
【００６４】
図１４は、パターン計測方法のより具体的な手順を示す。まず、上述したモニタ方法により得られたビームコンディションのモニタ結果に基づいて管球４内における凹面鏡５２の配置等を調整することにより、ビームコンディションを調整する（ステップＳ２０１）。
【００６５】
次いで、計測対象である周期構造のパターンＰｓについて、断面形状と材料を含むパターン情報と光学条件から断面モデルを設定する（ステップＳ２０２）。
【００６６】
続いて、断面形状を体積積分することにより断面モデルからＸ線散乱プロファイルをシミュレーションにより求める（ステップＳ２０２）。このようにして作成されたＸ線散乱プロファイルは、本実施形態において、例えば第２の散乱プロファイルに対応する。
【００６７】
次いで、ステージ３１の高さを調整した後（ステップＳ１０）、検査対象の周期構造パターンＰｓが形成されたウェーハＷをステージ３１に載置して全反射となる低い仰角αでＸ線Ｌｉを照射する（ステップＳ２０５）。  
続いて、ウェーハＷからの散乱光を二次元検出器３で検出し、その強度を測定する（ステップＳ２０６）。
【００６８】
次いで、測定された強度を検出位置毎に積算し、実測値による散乱プロファイルを作成する（ステップＳ２０７）。ステップＳ２０５乃至ステップＳ２０７の手順により作成されたＸ線散乱プロファイルは、本実施形態において、例えば第１の散乱プロファイルに対応する。
【００６９】
最後に、実測値による散乱プロファイルとシミュレーションプロファイルとを比較してフィッティングを行い、フィッティング誤差が最小となる時の形状パラメータの値を計測対象パターンの計測値として出力する（ステップＳ２０８）。
【００７０】
一般に、ＣＤ−ＳＡＸＳで使われている凹面鏡はシリコンと金属の多層膜に力を加えて曲げて作成されている。そのため、加工精度にばらつきがあるため、ＣＤ−ＳＡＸＳ装置が異なると、広がり角も異なる。図１３に示す手順により、回折格子２３の位置を指標として同一装置について長期間にわたり回折格子２３の位置をモニタすることで長期間に亘って安定したパターン計測が可能になる。また、複数の計測装置での広がり角の値をモニタして広がり角の装置間差を測定すれば、装置間でばらつきがあっても高い精度でパターンを計測することができる。 
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７１】
４…Ｘ線管球、２１，３１…回折格子ステージ、３…二次元検出器、５１…Ｘ線源、５２…凹面鏡、１１…光源制御部、１２…データ処理部、１３…ステージ制御部、１４…コンピュータ、２２…回転ホルダ、２３…回折格子、４１…０次回折ピーク、４２…１次回折ピーク、４３…２次回折ピーク、ＯＰ…回折ピークの重なり、Ｘｏ…Ｘ線の出射位置、Ｘｄ…Ｘ線の検出位置、Ｂｓ…ビームスポット、Ｌｉ…Ｘ線（入射光）、Ｌｓ…Ｘ線（散乱光）、Ｌｔ…Ｘ線（透過光）、Ｌｒ…Ｘ線（反射光）、Ｐｓ…パターン、Ｗ…ウェーハ、φ１…光軸に垂直な平面内の回転角、φ２…光軸に水平な平面内の回転角
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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