(57)【要約】【課題】従来のスキャトロメトリ法では測定精度が低下する可能性があった。【解決手段】出射部１１は、パターンに光を出射する。制御部１３は、出射部１１を制御して、光をパターン上の複数の位置のそれぞれに入射させる。検出部１２は、光に応じた各位置からの反射回折光のそれぞれを検出する。測定部１４は、各検出結果に基づいて、パターンの構造を測定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターンの構造を測定するパターン測定装置であって、
前記パターンに光を出射する出射部と、
前記出射部を制御して、前記光を前記パターン上の複数の位置のそれぞれに入射させる制御部と、
前記光に応じた各位置からの反射回折光のそれぞれを検出する検出部と、
各検出結果に基づいて、前記パターンの構造を測定する測定部と、を有するパターン測定装置。
【請求項２】
前記測定部は、各検出結果に基づいて、各位置に対応する前記パターンの複素反射係数のスペクトルである複数の実スペクトルを求め、各実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを行い、前記理論スペクトルと最も精度良く合致する実スペクトルを選別し、当該選別した実スペクトルと最も精度よく合致する理論スペクトルに対応するモデルパターンの構造を、前記パターンの構造として測定する、請求項１に記載のパターン測定装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記測定部にて選別された実スペクトルと、当該実スペクトルに対応する理論スペクトルとが合致する精度が閾値未満の場合、前記光を前記パターン上の複数の位置のそれぞれに再び入射させ、
前記測定部は、前記精度が前記閾値以上の場合、当該実スペクトルと最も精度よく合致する理論スペクトルに対応するモデルパターンの構造を、前記パターンの構造として測定する、請求項２に記載のパターン測定装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記複数の位置が前記パターンに対して斜めに並ぶように、前記出射部を制御する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のパターン測定装置。
【請求項５】
前記出射部は、
前記光を出射する光源と、
前記光源および前記パターンの間の光路上に設けられ、前記光を偏向する第１の偏向光学系と、を有し、
前記制御部は、前記第１の偏向光学系による前記光の偏向方向を切り替えて、前記光を前記複数の位置に順番に入射させる、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパターン測定装置。
【請求項６】
前記第１の偏向光学系は、所定の回転軸を中心に回転する第１の屈折板を有し、
前記制御部は、前記第１の屈折板の回転角を調整して、前記光の偏向方向を切り替える、請求項５に記載のパターン測定装置。
【請求項７】
前記第１の屈折板は、複数あり、
各第１の屈折板の回転軸がそれぞれ異なる、請求項６に記載のパターン測定装置。
【請求項８】
前記検出部は、
前記反射回折光を検出する検出素子と、
前記パターンおよび前記検出素子の間の光路上に設けられ、前記反射回折光を偏向する第２の偏向光学系をさらに有し、
前記制御部は、前記位置に応じて、前記第２の偏向光学系による前記反射回折光の偏向方向を切り替える、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のパターン測定装置。
【請求項９】
前記第２の偏向光学系は、所定の回転軸を中心に回転する第２の屈折板を有し、
前記制御部は、前記第２の屈折板の回転角を調整して、前記反射回折光の偏向方向を切り替える、請求項８に記載のパターン測定装置。
【請求項１０】
前記第２の屈折板は、複数あり、
各第２の屈折板の回転軸がそれぞれ異なる、請求項９に記載のパターン測定装置。
【請求項１１】
パターンの構造を測定するパターン測定方法であって、
前記パターンに光を出射する出射部を制御して、前記光を前記パターン上の複数の位置のそれぞれに入射させるステップと、
前記光に応じた各位置からの反射回折光のそれぞれを検出するステップと、
各検出結果に基づいて、前記パターンの構造を測定するステップと、を含むパターン測定方法。
【請求項１２】
前記測定するステップでは、各検出結果に基づいて、各位置に対応する前記パターンの複素反射係数のスペクトルである複数の実スペクトルを求め、各実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを行い、前記理論スペクトルと最も精度良く合致する実スペクトルを選別し、当該選別した実スペクトルと最も精度よく合致する理論スペクトルに対応するモデルパターンの構造を、前記パターンの構造として測定する、請求項１１に記載のパターン測定方法。
【請求項１３】
前記測定するステップでは、前記選別された実スペクトルと、当該実スペクトルに対応する理論スペクトルとが合致する精度が閾値未満の場合、前記光を前記パターン上の複数の位置のそれぞれに再び入射させ、
当該精度が前記閾値以上の場合、当該実スペクトルと最も精度よく合致する理論スペクトルに対応するモデルパターンの構造を、前記パターンの構造として測定する、請求項１２に記載のパターン測定方法。
【請求項１４】
前記入射させるステップでは、前記複数の位置が前記パターンに対して斜めに並ぶように、前記出射部を制御する、請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載のパターン測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スキャトロメトリ（光波散乱測定）法を用いてパターンの構造を測定するパターン測定装置およびパターン測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体ウェハーに形成されたレジストパターンなどのパターンの構造（膜質、形状、寸法など）を測定する測定方法として、スキャトロメトリ法が注目されている（特許文献１および２参照）。
【０００３】
図１０は、スキャトロメトリ法を用いてパターンの構造を測定するパターン測定装置を示す図である。
【０００４】
図１０に示すようにパターン測定装置は、光源１０１からの投射光を、偏光子１０２を介して偏光にして、ターゲット２０１上に形成された測定パターン２０２に照射し、その投射光に応じた測定パターン２０２からの反射回折光を、検光子１０３および分光器１０４を介してディテクターアレイ１０５で検出する。そして、パターン測定装置は、ディテクターアレイ１０５の検出結果に基づいて、投射光が測定パターン２０２で反射回折した際の偏光状態の変化を示す実スペクトルを求める。実スペクトルは、測定パターン２０２の構造に一意的に依存するものであり、測定パターン２０２の複素反射係数（Ｒｐ、Ｒｓ）を波長λごとに示す波長分散で表現される。
【０００５】
パターン測定装置は、実スペクトルを求めると、その実スペクトルと、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを行うことで、測定パターン２０２の構造を測定する。
【０００６】
なお、波形フィッティングとは、数値計算を用いて、モデルパターンの構造を示す構造パラメータを変化させながら、実スペクトルと理論スペクトルとを比較し、実スペクトルと理論スペクトルとが最も精度良く合致するときのモデルパターンの構造パラメータを、測定パターン２０２の構造パラメータとして測定することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００４−５１３５０９号公報
【特許文献２】特開２００６−２２６９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スキャトロメトリ法では、図１１に示すように、測定パターン２０２の１箇所に投射光を照射して、その投射光に応じた反射回折光を検出することで、実スペクトルを求めている。また、測定パターン２０２の構造を正確に表す実スペクトルを求めるためには、測定パターン２０２に周期性が必要となる。
【０００９】
しかしながら、図１２に示すように、測定パターン２０２上の光スポット内に偶発的なゴミや突発的なパターンの崩れなどがある場合や、図１３に示すように、測定パターン２０２のアライメントのずれにより、光スポットが測定パターン２０２から外れている場合などでは、光スポット内に非周期的な構造が入り込んでしまい、実スペクトルにノイズが入ることがある。この場合、実スペクトルから測定された構造パラメータが測定パターン２０２の構造を表す本来の値から外れてしまい、測定精度が低下するという問題がある。
【００１０】
また、スキャトロメトリ法では、波形フィッティングを行うためのソフトウェア上の制約などのために、半導体ウェハー上の集積回路が実際に形成された実セル部のような、互いに異なる複数のパターンが積層されているパターンオンパターンの構造を測定することが困難である。このため、半導体ウェハー上のパターンの構造を測定するためには、スキャトロメトリ法では、実セル部の構造を測定する代わりに、図１１に示したように、半導体ウェハー上のスクライブ領域２０３に下地パターンのない測定専用パターンを形成しておき、その測定専用パターンに投射光を照射して、測定専用パターンの構造を測定している。
【００１１】
測定専用パターン上での投射光の光スポットの径は、パターン測定装置の光源などの光学系の性能によって決定される。例えば、パターン測定装置の光学系として、光をターゲットに対して斜めから入射する斜め入射方式の分光エリプソメトリ光学系が使用されている場合、測定専用パターン上の光スポットの径は３０μｍ程度になる。また、測定専用パターンのアライメントの精度は、測定専用パターンを載置するステージの駆動性能などによって決定され、現行では、±１０μｍ程度である。したがって、光スポットが測定専用パターンから外れないようにするためには、測定専用パターンに少なくとも５０μｍ径以上の大きさが必要となる。
【００１２】
例えば、Ｆ５４型の半導体ウェハーの場合、図１１に示したように、スクライブ領域２０３の幅は６０μｍであるため、測定専用パターンを５０μｍ径以上の大きさにすることが可能である。このため、現行では、測定専用パターンの構造を正確に測定することができる。しかしながら、今後、製品ノードの微細化が進むと、実セル部だけでなく、スクライブ領域縮小化も必要となる可能性がある。このような場合には、図１３に示したように測定専用パターンを５０μｍ口径以上にすることができなくなり、測定専用パターンの構造を正確に測定することが困難になる可能性がある。
【００１３】
なお、測定専用パターンの構造を正確に測定するために、光スポットの径を縮小化させたり、測定専用パターンのアライメントの精度を向上させたりする方法も考えられる。しかしながら、光スポットの径の縮小化には光学系の各素子の性能向上が必要であり、アライメントの精度の向上には、半導体ウェアを載置するステージの駆動性能の向上が必要であるため、上記の方法を短期的に実現することは難しい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によるパターン測定装置は、前記パターンに光を出射する出射部と、前記出射部を制御して、前記光を前記パターン上の複数の位置のそれぞれに入射させる制御部と、前記光に応じた各位置からの反射回折光のそれぞれを検出する検出部と、各検出結果に基づいて、前記パターンの構造を測定する測定部と、を有する。
【００１５】
本発明によるパターン測定方法は、パターンの構造を測定するパターン測定方法であって、前記パターンに光を出射する出射部を制御して、前記光を前記パターン上の複数の位置のそれぞれに入射させるステップと、前記光に応じた各位置からの反射回折光のそれぞれを検出するステップと、各検出結果に基づいて、前記パターンの構造を測定するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、パターン上の複数の位置のそれぞれに光が入射するので、パターンのアライメントにずれがあったり、パターン上にゴミなどがあったりしても、各光のパターン上のスポットのいずれかを、パターン内のゴミなどのない領域に完全に収めることが可能になる。したがって、このような光に応じた反射回折光に基づいてパターンの構造を測定することが可能になるので、光のスポットサイズの縮小、および、アライメント性能の向上を行わなくても、測定精度を向上させたり、測定精度を落とすことなくパターンの縮小化を実現したりすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態のパターン測定方法を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のパターン測定方法を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施形態のパターン測定装置の一例を示す図である。
【図４】投光側偏向光学系の構成および制御方法の一例を説明するための図である。
【図５】受光側偏向光学系の構成および制御方法の一例を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態のパターン測定装置の効果の一例を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施形態のパターン測定装置の一例を示す図である。
【図８】投光側偏向光学系の構成および制御方法の他の例を説明するための図である。
【図９】本発明の第２の実施形態のパターン測定装置の動作の一例を説明するための図である。
【図１０】パターン測定装置を示す図である。
【図１１】スキャトロメトリ法を説明するための図である。
【図１２】スキャトロメトリ法の問題点を説明するための図である。
【図１３】スキャトロメトリ法の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００１９】
図１および図２は、本発明の第１の実施形態のパターン測定方法を説明するための図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態のパターン測定方法は、半導体ウェハーのスクライブ領域１に形成された測定専用のパターンである測定パターン２に光を入射させて、測定パターン２の構造を測定するものである。なお、図１では、測定パターン２上の光のスポット径を３０μｍ、スクライブ領域の幅を５０μｍとしている。また、測定パターン２は、長方形状であるとし、その短辺の長さを４０μｍ、長辺の長さを１２０μｍとしている。さらに、光は、測定パターン２に対して約７０°の入射角度で入射するものとしている。
【００２１】
以下、本実施形態のパターン測定方法についてより詳細に説明する。
【００２２】
本パターン測定方法では、測定パターン２の複数の位置のそれぞれに対して投射光を入射させ、その投射光に応じた測定パターン２の各入射位置からの反射回折光を検出し、各入射位置に対応する複数の検出結果に基づいて測定パターン２の構造を測定する。
【００２３】
例えば、先ず、測定パターン２に対して投射光を入射させ、その投射光に応じた測定パターン２からの反射回折光を検出し、その検出結果に基づいて、測定パターン２の構造に一意的に依存する実スペクトルを求める。  実スペクトルは、投射光が測定パターン２で反射回折した際の偏光状態の変化を示すものであり、測定パターン２の複素反射係数（Ｒｐ、Ｒｓ）を波長λごとに示す波長分散で表現される。複素反射係数Ｒｐは、入射面に平行な電界成分に対する測定パターン２の複素反射係数であり、複素反射係数Ｒｓは、入射面に垂直な電界成分に対する測定パターン２の複素反射係数である。
【００２４】
続いて、上記の実スペクトルを求める観測動作を、投射光の測定パターン２に対する入射位置を変えながら複数回行うことで、各入射位置に対応する複数の実スペクトルを求める。本実施形態では、図１に示したように、投射光の測定パターン２に対する入射位置は５つあり、各入射位置に対応する実スペクトルを実スペクトルＡ〜Ｅとしている。また、複数の入射位置のそれぞれが、測定パターン２に対して斜めに並ぶように、投射光を測定パターン２に対して入射させている。
【００２５】
上記のように観測動作が複数回行われると、実スペクトルＡ〜Ｅには、投射光の光スポットが測定パターン２に完全に収まる場合のものと、投射光の光スポットが測定パターン２から外れている場合のものとが混在する。このとき、光スポットが測定パターン２から外れている場合に対応する実スペクトルには、ノイズが含まれることになる。
【００２６】
このため、図２に示すように、実スペクトルＡ〜Ｅのそれぞれに対して、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを行い、理論スペクトルと最も精度良く合致する実スペクトルを最適な実スペクトルとして選別する。これにより、ノイズが含まれる実スペクトルは理論スペクトルとの合致精度が低くなるので除外され、最適な実スペクトルとして、ノイズの含まれない実スペクトルＣが選別されることになる。
【００２７】
そして、最適な実スペクトルＣに対応するモデルパターンの構造を示す構造パラメータを、測定パターン２の構造を示す構造パラメータとして算出する。これにより、測定パターン２の構造が精度良く測定されることになる。なお、算出された構造パラメータは、スキャトロメトリ法による測定パターン２の測定値として、外部にアウトプットされる。
【００２８】
図３は、上述したパターン測定方法を用いてパターンの構造を測定するパターン測定装置の一例を示す図である。図３において、パターン測定装置は、出射部１１と、検出部１２と、制御部１３と、測定部１４とを有する。
【００２９】
出射部１１は、ステージ５１上に載置された半導体ウェハー５２に向けて光を出射する。なお、半導体ウェハー５２は、図１に示したようにスクライブ領域１を有し、そのスクライブ領域１には測定パターン２が形成されている。また、出射部１１は、半導体ウェハーに入射する光の入射角Ｉおよび反射角Ｒが一定（例えば、７０°）となるように設置される。
【００３０】
出射部１１は、光源２１と、偏光子２２と、投光側偏向光学系２３とを有する。
【００３１】
光源２１としては、Ｈｅ／Ｎｅレーザーのような単色波長（例えば、633nm）の光を出射するものでもよいし、Ｘｅランプのような白色の光を出射するものでもよい。
【００３２】
偏光子２２は、光源２１および半導体ウェハー５２間の光路上に設けられ、光源２１から出射された光を所定の偏光状態（より具体的には、直線偏光）にして出射する。
【００３３】
投光側偏向光学系２３は、第１の偏向光学系の一例である。投光側偏向光学系２３は、偏光子２２および半導体ウェハー５２間の光路上に設けられ、偏光子２２から出射された投射光を偏向して、半導体ウェハー５２に形成された測定パターン２に光を入射させる。
【００３４】
検出部１２は、投射光による測定パターン２からの反射回折光を検出する。より具体的には、検出部１２は、受光側偏向光学系３１と、検光子３２と、分光器３３と、ディテクターアレイ３４とを有する。
【００３５】
受光側偏向光学系３１は、第２の偏向光学系の一例である。受光側偏向光学系３１は、投射光による測定パターン２からの反射回折光を偏向して出射する。
【００３６】
検光子３２は、受光側偏向光学系３１から出射された反射回折光内の特定の偏光成分（半導体ウェハー５２に対するＳ偏光成分またはＰ偏光成分）を通過させて出射する。
【００３７】
分光器３３は、検光子３２から出射された反射回折光を分光して出射する。
【００３８】
ディテクターアレイ３４は、検出素子の一例であり、分光器３３から出射された反射回折光を検出する。より具体的には、ディテクターアレイ３４は、反射回折光が分光器３３にて分光された各分光光の光強度を検出する。なお、ディテクターアレイ３４は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなどで構成される。
【００３９】
制御部１３は、出射部１１を制御して、投射光を測定パターン２上の複数の位置のそれぞれに入射させる。より具体的には、制御部１３は、出射部１１内の受光側偏向光学系３１による投射光の偏向方向を切り替えて、投射光を複数の位置に順番に測定パターン２に入射させる。このとき、制御部１３は、投射光が入射する測定パターン２上の複数の入射位置が、図２に示したように測定パターン２に対して斜めに並ぶように、偏向方向を切り替えることが望ましい。
【００４０】
また、制御部１３は、投光側偏向光学系２３から出射される反射回折光の光軸が一定となるように、投射光の測定パターン２上の入射位置に応じて、投光側偏向光学系２３による反射回折光の偏向方向を切り替える。
【００４１】
測定部１４は、ディテクターアレイ３４で検出された各入射位置に対応する各検出結果に基づいて、各入射位置に対応する複数の実スペクトルを求める。測定部１４は、複数の実スペクトルのそれぞれに対して理論スペクトルとの波形フィッティングを行い、理論スペクトルと最も精度良く合致する実スペクトルを最適な実スペクトルとして選別する。測定部１４は、最適な実スペクトルに対応するモデルパターンの構造を示す構造パラメータを、測定パターン２の構造パラメータとして算出することで、測定パターン２の構造を測定する。そして、測定部１４は、算出した構造パラメータを、スキャトロメトリによる測定パターン２の測定値としてアウトプットする。
【００４２】
図４は、投光側偏向光学系２３の構成および制御方法の一例を説明するための図である。
【００４３】
図４に示すように投光側偏向光学系２３は、所定の回転軸を中心に回転する投光側屈折板２３Ａで構成される。
【００４４】
投光側屈折板２３Ａの回転軸は、本実施形態では、半導体ウェハー５２の投射光の入射面と平行になっている。
【００４５】
上記のような構成の場合、図４（ａ）に示すように、投射光の光軸と投光側屈折板２３Ａの法線とが平行、つまり、投射光の投光側屈折板２３Ａに対する入射角度が０°の場合、投射光の光軸は、投光側屈折板２３Ａに対する入射時からずれずに投光側屈折板２３Ａから出射される。
【００４６】
一方、投光側屈折板２３Ａが上記の状態から角度θだけ回転すると、図４（ｂ）に示すように、投射光の投光側屈折板２３Ａに対する入射角度がθとなり、投射光は、投光側屈折板２３Ａに対する入射角度が０°の場合と比べて光軸がずれて、投光側屈折板２３Ａから出射される。これにより、投射光の半導体ウェハー５２に対する入射位置がずれる。
【００４７】
このように、投光側屈折板２３Ａの回転角が変化すると、投射光の偏向方向が変化して、投射光の半導体ウェハー５２に対する入射位置が変化する。このため、制御部１３は、投光側屈折板２３Ａの回転角を調整することで、投射光の偏向角度を段階的に切り替えて、投射光を半導体ウェハー５２上の複数の位置に順番に入射させることができる。
【００４８】
投光側屈折板２３Ａの回転角をどのように調整するかは、投光側屈折板２３Ａの屈折率および厚さと、半導体ウェハー５２上の光スポットをどれだけ移動させるかに応じて異なり、これらの値とスネルの式とを用いて求めることができる。
【００４９】
例えば、屈折板の屈折率が１．４５、厚さが１．２ｍｍの場合に、半導体ウェハー５２上の光スポットを２０μｍ移動させるためには、制御部１３は、投光側屈折板２３Ａを３°回転させればよい。
【００５０】
図５は、受光側偏向光学系３１の構成および制御方法の一例を説明するための図である。
【００５１】
図５に示す受光側偏向光学系３１は、図４に示した投光側偏向光学系２３と同様に、所定の回転軸を中心に回転する受光側屈折板３１Ａで構成される。受光側屈折板３１Ａの回転軸は、本実施形態では、投光側屈折板２３Ａの回転軸と同じ方向を向いているものとしている。
【００５２】
図５の例では、制御部１３は、投光側屈折板２３Ａの回転角に依らず、受光側屈折板３１Ａから出射される反射回折光の光軸が一定となるように、投光側偏向光学系２３による投射光の偏向方向（より具体的には、投光側屈折板２３Ａの回転角）に応じて、受光側屈折板３１Ａの回転角を調整する。この場合、反射回折光の検光子３２に対する入射角度が一定となる。
【００５３】
例えば、投光側屈折板２３Ａの法線と投光側屈折板２３Ａに対する入射光（投射光）の光軸とが平行の場合に、投光側屈折板２３Ａの回転角を０°とし、受光側屈折板３１Ａの法線と受光側屈折板３１Ａに対する入射光（反射回折光）の光軸とが平行の場合に、受光側屈折板３１Ａの回転角を０°とする。また、投光側屈折板２３Ａの回転角が０°の場合、制御部１３は、受光側屈折板３１Ａの回転角を所定角度θｃに設定するものとする。
【００５４】
この場合、制御部１３は、投光側屈折板２３Ａの回転角をθに調整すると、受光側屈折板３１Ａの回転角をθｃ−θとする。例えば、投光側屈折板２３Ａの回転角をθｃに調整すると、図５に示すように、受光側屈折板３１Ａの回転角を０°に調整する。
【００５５】
なお、投光側屈折板２３Ａや受光側屈折板３１Ａは、例えば、石英ガラスまたはプラスチックのような透明媒質で形成される。また、投光側屈折板２３Ａや受光側屈折板３１Ａの形状、寸法および材質は、制御の容易さの観点などから互いに同一ことが望ましい。
【００５６】
次にパターン測定装置の動作について説明する。
【００５７】
先ず、制御部１３は、投光側屈折板２３Ａおよび受光側屈折板３１Ａの回転角を初期値に設定し、光源２１から光を出射させる。
【００５８】
光源２１から出射された投射光は、偏光子２２にて直線偏光に変換され、投光側屈折板２３Ａを介して半導体ウェハー５２上の測定パターン２に入射する。投射光の測定パターン２による反射回折光は、受光側屈折板３１Ａおよび検光子３２を介して分光器３３に入射する。そして、反射回折光は、分光器３３にて分光光に分光されてディテクターアレイ３４に入射する。
【００５９】
ディテクターアレイ３４は、各分光光の光強度を検出し、その検出結果を測定部１４に出力する。測定部１４は、検出結果を受け付けると、その検出結果に基づいて実スペクトルを求める。
【００６０】
なお、ディテクターアレイ３４から出力される検出結果は、アナログ信号である。測定部１４は、ＡＤコンバータと、コンピュータとを備え、検出結果をＡＤコンバータでデジタル信号に変換し、そのデジタル信号の検出結果をコンピュータで解析して、実スペクトルを求める。また、実スペクトルを求める処理は、スキャトロメトリ法で使用される種々の方法を適用することができる。
【００６１】
制御部１３は、上記のように光を出射させると、その後、投光側屈折板２３Ａおよび受光側屈折板３１Ａの回転角を変化させ、再び光源２１から光を出射させる。なお、回転角を変化させるタイミングは、例えば、光源２１から光を出射させてから、予め設定された時間が経過したタイミングである。また、測定部１４が検出結果を受信したとき、または、実スペクトルを求めたときに、測定部１４が制御部１３に対して回転角を変化させる旨を通知してもよい。
【００６２】
上記のような観測動作が予め定められた観測回数繰り返されると、測定部１４は、各観測動作で求めた複数の実スペクトルから、理論スペクトルと最も精度良く合致する実スペクトルを最適な実スペクトルとして選別する。そして、測定部１４は、最適な実スペクトルに対応するモデルパターンの構造を示す構造パラメータを、測定パターン２の構造パラメータとして算出し、その算出した構造パラメータを測定値としてアウトプットする。
【００６３】
以上説明したように本実施形態によれば、測定パターン２上の複数の位置のそれぞれに光が入射するので、測定パターン２のアライメントにずれがあったり、測定パターン２上にゴミなどがあったりしても、各光の測定パターン２上のスポットのいずれかを、測定パターン２内のゴミなどのない領域に完全に収めることが可能になる。したがって、このような光に応じた反射回折光に基づいて測定パターン２の構造を測定することが可能になるので、光のスポットサイズの縮小、および、アライメント性能の向上を行わなくても、測定精度を向上させたり、測定精度を落とすことなく測定パターン２の縮小化を実現したりすることが可能になる。
【００６４】
また、出射部が制御されることで測定パターン２上の複数の位置のそれぞれに光が入射するので、図６に示すように半導体ウェハーを載置するステージなどを動かさずに、測定パターン２上の複数の位置のそれぞれに光を入射させることが可能になる。このため、ステージ５１の駆動性能はあまりたかくないので、ステージ５１などを動かして測定パターン２上の複数の位置のそれぞれに光を入射させる場合に比べて、光の入射位置を細かく設定することが可能になる。
【００６５】
また、本実施形態では、複数の入射位置のそれぞれが、測定パターン２に対して斜めに並んでいるので、各入射位置の差を比較的長くしつつ、測定パターン２に対する光の入射位置の数を増やすことが可能になる。このため、入射位置の調整を容易に行うことができる。また、測定パターン２が長方形状であるので、入射位置の数をより増やすことが可能になる。
【００６６】
また、本実施形態では、投光側偏向光学系２３による投射光の偏向方向を調整することで、測定パターン２上の複数の位置のそれぞれに光を入射させることが可能になるので、測定精度の向上や測定パターン２の縮小化をより容易に実現することが可能になる。
【００６７】
また、本実施形態では、投光側屈折板２３Ａの回転角を調整することで、投光側偏向光学系２３による投射光の偏向方向を調整しているので、投光側偏向光学系２３による投射光の偏向方向を容易に調整することが可能になる。
【００６８】
また、本実施形態では、投射光の測定パターン２上の入射位置に応じて、反射回折光の偏向方向を調整しているので、検光子３２、分光器３３およびディテクターアレイ３４などの動かさなくても正確な実スペクトルを求めることが可能になる。したがって、測定精度の向上や測定パターン２の縮小化をより容易に実現することが可能になる。
【００６９】
このように本実施形態によるパターン測定装置は、パターン（２）の構造を測定するパターン測定装置であって、パターン（２）に光を出射する出射部（１１）と、出射部（１１）を制御して、光をパターン（２）上の複数の位置のそれぞれに入射させる制御部（１３）と、光に応じた各位置からの反射回折光のそれぞれを検出する検出部（１２）と、各検出結果に基づいて、パターン（２）の構造を測定する測定部（１４）と、を有して構成される。
【００７０】
また、測定部（１４）は、各検出結果に基づいて、各位置に対応するパターン（２）の複素反射係数のスペクトルである複数の実スペクトル（Ａ〜Ｅ）を求め、各実スペクトル（Ａ〜Ｅ）と、予め用意されたモデルパターンから算出される理論スペクトルとの波形フィッティングを行い、理論スペクトルと最も精度良く合致する実スペクトル（Ｃ）を選別し、当該選別した実スペクトルと最も精度よく合致する理論スペクトルに対応するモデルパターンの構造を、パターン（２）の構造として測定する。
【００７１】
また、制御部（１３）は、複数の位置がパターン（２）に対して斜めに並ぶように、出射部（１１）を制御する。
【００７２】
また、出射部（１１）は、光を出射する光源（２１）と、光源（２１）およびパターン（２）の間の光路上に設けられ、光を偏向する第１の偏向光学系（２３）と、を有し、制御部（１３）は、第１の偏向光学系（２３）による光の偏向方向を切り替えて、光を複数の位置に順番に入射させる。
【００７３】
また、第１の偏向光学系（２３）は、所定の回転軸を中心に回転する第１の屈折板（２３Ａ）を有し、制御部（１３）は、第１の屈折板（２３Ａ）の回転角を調整して、光の偏向方向を切り替える。
【００７４】
また、検出部（１２）は、反射回折光を検出する検出素子（３４）と、パターン（２）および検出素子（３４）の間の光路上に設けられ、反射回折光を偏向する第２の偏向光学系（３１）をさらに有し、制御部（１３）は、入射位置に応じて、第２の偏向光学系（３１）による反射回折光の偏向方向を切り替える。
【００７５】
また、第２の偏向光学系（３１）は、所定の回転軸を中心に回転する第２の屈折板（３１Ａ）を有し、制御部（１３）は、第２の屈折板（３１Ａ）の回転角を調整して、反射回折光の偏向方向を切り替える。
【００７６】
次に第２の実施形態を説明する。
【００７７】
図７は、本実施形態のパターン測定装置を示す図である。図７に示すパターン測定装置は、図３に示したパターン測定装置と比べて、投光側偏向光学系２３が投光側屈折板２３Ｂをさらに有する点と、受光側偏向光学系３１が受光側屈折板３１Ｂをさらに有する点が異なる。
【００７８】
投光側屈折板２３Ｂは、投光側屈折板２３Ａの回転軸とは異なる回転軸を中心に回転する。より具体的には、投光側屈折板２３Ｂの回転軸は、投射光の半導体ウェハー５２の入射面に対して交差する面と平行になっている。
【００７９】
上記の構成の場合、図８（ａ）に示すように、投射光の光軸と投光側屈折板２３Ｂの法線とが平行、つまり、投射光の投光側屈折板２３Ｂに対する入射角度が０°の場合、投射光の光軸は、投光側屈折板２３Ｂに対する入射時からずれずに投光側屈折板２３Ｂから出射される。一方、投光側屈折板２３Ｂが図８（ａ）に示した状態から角度θだけ回転すると、図８（ｂ）に示すように、投射光の投光側屈折板２３Ｂに対する入射角度がθとなり、投射光は、投光側屈折板２３Ａに対する入射角度が０°の場合と比べて光軸がずれて、投光側屈折板２３Ａから出射される。
【００８０】
また、投光側屈折板２３Ａおよび２３Ｂの回転軸が互いに異なるので、制御部１３は、投光側屈折板２３Ａおよび２３Ｂの両方の回転軸を調整することで、投射光の半導体ウェハー５２上のスポットの位置を２次元方向に移動させることができる。
【００８１】
例えば、図９に示すように、投光側屈折板２３Ａが回転すると、投射光のスポットが半導体ウェハー５２の面内のＸ方向に移動し、投光側屈折板２３Ｂが回転すると、投射光のスポットが半導体ウェハー５２の面内のＸ方向とは異なるＹ方向に移動する。
【００８２】
図７の説明に戻る。受光側屈折板３１Ｂは、受光側屈折板３１Ａの回転軸とは異なる回転軸を中心に回転する。
【００８３】
投光側偏向光学系２３による投射光の偏光方向を変化させる場合、制御部１３は、投光側屈折板２３Ａおよび２３Ｂのそれぞれの回転角を調整する。この場合、制御部１３は、受光側偏向光学系３１から出射される反射回折光の光軸が一定となるように、投光側屈折板２３Ａの回転角度に応じて受光側屈折板３１Ａの回転角度を調整するとともに、投光側屈折板２３Ｂの回転角度に応じて受光側屈折板３１Ｂの回転角度を調整する。
【００８４】
なお、図７では、投光側偏向光学系２３および受光側偏向光学系３１のそれぞれは、屈折板を２枚備えていたが、回転軸がそれぞれ異なる複数の屈折板を備えていてもよい。
【００８５】
以上説明したように本実施形態によれば、投射光を２次元方向に偏向させることが可能になるので、半導体ウェハー５２上の任意の位置に投射光を照射することが可能になる。
【００８６】
このように本実施形態によるパターン測定装置は、第１の屈折板（２３Ａ、２３Ｂ）は複数あり、各第１の屈折板（２３Ａ、２３Ｂ）の回転軸がそれぞれ異なるように構成される。
【００８７】
また、本実施形態によるパターン測定装置は、第２の屈折板（３１Ａ、３１Ｂ）は複数あり、各第２の屈折板（３１Ａ、３１Ｂ）の回転軸がそれぞれ異なるように構成される。
【００８８】
次に第３の実施形態を説明する。
【００８９】
本実施形態によるパターン測定装置は、観測動作を複数回行って最適な実スペクトルを求めることを動作セットとし、その動作セットを、最適な実スペクトルと、最適な実スペクトルに対応する理論スペクトルが合致する合致精度が閾値以上になるまで繰り返す。
【００９０】
より具体的には、測定部１４は、最適な実スペクトルを求めると、最適な実スペクトルと、最適な実スペクトルと最も精度良く合致する理論スペクトルとの合致精度が閾値以上か否かを判断する。
【００９１】
上記の合致精度が閾値以上の場合、測定部１４は、上記の最適な実スペクトルに基づいて測定パターン２の構造を測定する。つまり、測定部１４は、上記の最適な実スペクトルと最も精度よく合致する理論スペクトルに対応するモデルパターンの構造を、測定パターン２の構造として測定する。
【００９２】
一方、上記の合成精度が閾値未満の場合、測定部１４は、測定パターン２への光の投射を再び実行する旨の再実行指示を制御部１３に通知する。制御部１３は、再実行指示を受け付けると、出射部１１を制御して、光を測定パターン２の複数の位置のそれぞれに再び入射させる。そして、検出部１２がその再び入射された光に応じた反射回折光のそれぞれを検出すると、測定部１４は、それらの検出結果に基づいて、最適な実スペクトルを再び求める。
【００９３】
その後、このような動作セットが最適な実スペクトルの合致精度が閾値以上になるまで繰り返される。なお、光を測定パターン２に再入射させる際、制御部１３は、前回の入射位置とは異なる位置に投射光が入射されるように、制御部１３は、投光側偏向光学系２３による投射光の偏向方向を調整してもよい。また、測定部１４は、予め定められた観測回数以上、合成精度が閾値未満であると判断すると、今までに求めた最適な実スペクトルのうち、最も理論スペクトルと精度良く合致する実スペクトルに基づいて、測定パターン２の構造を測定してもよい。
【００９４】
本実施形態によれば、測定パターン２の構造をより精度良く測定することが可能になる。
【００９５】
このように本実施形態によるパターン測定装置は、制御部（１３）は、測定部（１４）にて選別された実スペクトルと、当該実スペクトルに対応する理論スペクトルとが合致する精度が閾値未満の場合、光をパターン（２）上の複数の位置のそれぞれに再び入射させ、測定部（１４）は、上記の精度が閾値以上の場合、当該実スペクトルと最も精度よく合致する理論スペクトルに対応するモデルパターンの構造を、パターン（２）の構造として測定するように構成される。
【００９６】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【００９７】
例えば、パターンは、半導体ウェハー５２に形成された測定パターン２であるとしていたが、実際には、任意のターゲット上に形成されたものでもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１        スクライブ領域
２        測定パターン
１１      出射部
１２      検出部
１３      制御部
１４      測定部
２１      光源
２２      偏光子
２３      投光側偏向光学系
２３Ａ、２３Ｂ      投光側屈折板
３１      受光側偏向光学系
３１Ａ、３１Ｂ      受光側屈折板
３２      検光子
３３      分光器
３４      ディテクターアレイ
５１      ステージ
５２      半導体ウェハー
【図４】
2013148447.tif 000003
【図５】
2013148447.tif 000004
【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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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