JP5908045B2 - メトロロジ装置、リソグラフィ装置、リソグラフィセル及びメトロロジ方法 - Google Patents

Description

[0001] 本発明は、リソグラフィ技術によるデバイスの製造などにおいて使用可能なメトロロジ方法および装置、およびリソグラフィ技術を用いるデバイス製造方法に関する。

[0002] リソグラフィ装置は、所望のパターンを基板上、通常、基板のターゲット部分上に付与する機械である。リソグラフィ装置は、例えば、集積回路（ＩＣ）の製造に用いることができる。その場合、ＩＣの個々の層上に形成される回路パターンを生成するために、マスクまたはレチクルとも呼ばれるパターニングデバイスを用いることができる。このパターンは、基板（例えば、シリコンウェーハ）上のターゲット部分（例えば、ダイの一部、または１つ以上のダイを含む）に転写することができる。通常、パターンの転写は、基板上に設けられた放射感応性材料（レジスト）層上への結像によって行われる。一般には、単一の基板が、連続的にパターニングされる隣接したターゲット部分のネットワークを含んでいる。公知のリソグラフィ装置としては、ターゲット部分上にパターン全体を一度に露光することにより各ターゲット部分を照射する、いわゆるステッパ、および放射ビームによってある特定の方向（「スキャン」方向）にパターンをスキャンすると同時に、この方向に平行または逆平行に基板をスキャンすることにより各ターゲット部分を照射する、いわゆるスキャナが含まれる。パターンを基板上にインプリントすることにより、パターニングデバイスから基板にパターンを転写することも可能である。

[0003] リソグラフィプロセスにおいて、プロセス制御および検証などのために、形成した構造の測定を頻繁に行うことが望ましい。そのような測定を行うためのさまざまなツールが知られており、クリティカルディメンジョン（ＣＤ）を測定するために使用されることが多い走査電子顕微鏡、およびデバイス内の２つの層のオーバーレイ、すなわちアライメントの精度を測定するための専用ツールが含まれる。最近、さまざまな形態のスキャトロメータがリソグラフィ分野で使用されるために開発されている。これらのデバイスは、放射ビームをターゲット上に誘導し、散乱放射の１つ以上の特性−例えば、波長の関数としての単一の反射角での強度、反射角の関数としての１つ以上の波長での強度、または反射角の関数としての偏光−を測定して、ターゲットの対象となっている特性を決定することができる「スペクトル」を得る。対象となっている特性の決定は、さまざまな技術、例えば、厳密結合波分析や有限要素法などの反復的解決法によるターゲット構造の再構築、ライブラリ探索、および主成分分析によって行うことができる。

[0004] 従来のスキャトロメータによって用いられるターゲットは、例えば、４０μｍ×４０μｍの比較的大きい格子であり、測定ビームは、格子より小さいスポットを生成する（すなわち、格子は満たされない）。これによって、かぎりないと見なされ得るほどにターゲットの再構築が単純化される。しかし、ターゲットのサイズを、例えば、スクライブライン内ではなく、製品フィーチャ内に位置決めすることができるように１０μｍ×１０μｍ以下などに縮小するために、いわゆる暗視野メトロロジが提案されている。ターゲットを製品フィーチャ内に配置することによって測定の精度が向上する。というのは、より小さいターゲットは、製品フィーチャの方法とより似たようにプロセス変動によって影響を受けるからであり、また、実際のフィーチャの位置におけるプロセス変動の効果を決定するために必要な補間がより少なくなり得るからである。

[0005] 暗視野メトロロジにおいて、小さい格子を大きい測定スポットで照明する（すなわち、格子が満たされる）。この照明はオフアクシスであることが多く、すなわち、測定ビームは、基板に対する法線を含まない狭い角度範囲内でターゲットに入射する。スキャトロメータの測定分岐において、ターゲットによって回折した０次は視野絞りによって遮断され、格子は1次回折ビームのうちの１つのみを用いてディテクタ上に結像される。格子の第２イメージは、他方の１次回折ビームのみを用いて得られる。同一の格子同士の重ね合わせによって格子が形成される場合、これらの２つの重なった格子間のオーバーレイエラーの程度は、各々の１次回折ビームから形成されたイメージの強度差から得ることができる。暗視野メトロロジにはいくつかの欠点がある。例えば、格子ごとに２つのイメージが必要となるのでスループットが低下し、別々にバイアスがかけられた格子の複数の対がオーバーレイの正確な決定のために必要となる。また、格子の複数の対の使用によって、メトロロジターゲットに充てられる必要があり、それゆえに製品フィーチャのために利用できない基板上の空間が増加する。格子が過剰に満たされるので、結像システムの収差が格子の位置変動を引き起こして測定結果に影響を及ぼす場合がある。

[0006] 例えば、より小さいターゲット上のより正確な測定を行うことができる、改善されたメトロロジ方法および装置を提供することが望ましい。

[0007] 本発明の一実施形態において、基板上の複数のターゲットの特性を測定するように構成されたメトロロジ装置が提供される。メトロロジ装置は、放射源と、対物レンズと、センサと、イメージプロセッサとを備える。放射源は、放射の照明ビームを放出するように構成される。対物レンズは、放射の測定ビームを基板上のターゲット上に誘導し、かつターゲットによって回折した放射を集光するように構成される。センサは、ターゲットのイメージを検出するように構成される。放射源、対物レンズ、およびセンサは、照明ビームがターゲットを実質的に同時に照明するように、かつセンサによって検出されたターゲットのイメージが１つの1次回折ビームによって形成されるように配置される。イメージプロセッサは、センサによって検出されたイメージ内のターゲットのそれぞれの別個のイメージを特定するように構成される。

[0008] 本発明の別の実施形態において、以下の工程を含む、基板上の複数のターゲットの特性を測定する方法が提供される。照明ビームを生成する。対物レンズを用いて測定ビームとしての照明ビームをターゲット上に誘導することで測定ビームがターゲットを同時に照明する。対物レンズを用いて、ターゲットによって回折した放射を集光する。ターゲットのイメージを検出し、当該イメージは１つの１次回折ビームのみによって形成される。検出イメージ内のターゲットのそれぞれの別個のイメージを特定する。

[0009] 本発明のさらなる実施形態において、基板であって、少なくとも４つのメトロロジターゲットを当該基板上に有し、メトロロジターゲットは、格子を備え、かつ円が接近して取り囲むことが可能であるアレイ内に互いに隣接して位置する基板が提供される。

[0010] センサイメージ内のターゲットイメージの位置に応じてオーバーレイ測定値の補正を行うことができ、それによって光学収差を補償する。

[0011] 本発明のさらなる特徴および利点、ならびに本発明のさまざまな実施形態の構造および動作を、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。なお本発明は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されない。このような実施形態は、例示のためにのみ本明細書で示される。本明細書の教示に基づいて、追加の実施形態が当業者には明らかであろう。

[0012] 本明細書に組み込まれ、かつ明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明を示し、さらに説明とともに本発明の原理を説明し、かつ当業者が本発明を行い使用することを可能とするのに役立つ。

[0013] 図１は、本発明の一実施形態に係るリソグラフィ装置を示す。 [0014] 図２は、本発明の一実施形態に係るリソグラフィセルまたはクラスタを示す。 [0015] 図３は、本発明の一実施形態に係る暗視野スキャトロメータを示す。 [0016] 図４は、本発明の一実施形態に係る基板上のターゲットおよび測定スポットの輪郭を示す。 [0017] 図５は、本発明の一実施形態に係る方法で得られる図４のターゲットのイメージを示す。 [0018] 図６は、本発明の一実施形態に係る第２基板上のターゲットおよび測定スポットの輪郭を示す。 [0019] 図７は、本発明の一実施形態に係る方法で得られる図６のターゲットのイメージを示す。 [0020] 図８は、本発明の一実施形態に係る方法で使用される照明モードを示す。 [0021] 図９は、図８の照明モードとともに用いられる、本発明の一実施形態に係る第３基板上のターゲットおよび測定スポットの輪郭を示す。 [0022] 図１０は、本発明の一実施形態に係る方法で得られる図９のターゲットのイメージを示す。

[0023] 本発明の特徴および利点は、図面を参照した以下の詳細な説明から、より明らかであろう。これらの図面において、同一の参照符号は、全体を通じて対応する要素を示す。図面において、同一の参照番号は、概して、同一、機能的に同様、および／または構造的に同様の要素を示す。要素が最初に現れる図面は、対応する参照番号の最も左の数字によって示される。

[0024] 本明細書は、本発明の特徴を組み入れた１つ以上の実施形態を開示する。開示される実施形態は、本発明を例示するに過ぎない。本発明の範囲は、開示される実施形態に限定されない。本発明は、添付の請求項により定義される。

[0025] 説明されている実施形態および本明細書での「一実施形態」、「実施形態」、「例示的実施形態」などに関する言及は、説明されている実施形態が特定の特徴、構造、または特性を含み得るが、各実施形態がその特定の特徴、構造、または特性を必ずしも含むとは限らないことを示す。また、そのような表現は同一の実施形態を必ずしも示すものではない。さらに、実施形態と関連して特定の特徴、構造、または特性が説明される場合、明示的に説明されているか否かによらず、他の実施形態と関連してそのような特徴、構造、または特性を達成することは当業者の知識の範囲内であると理解されたい。

[0026] 本発明の実施形態は、ハードウエア、ファームウエア、ソフトウエア、またはこれらの組合せの形式で実現されてよい。本発明の実施形態は、１つ以上のプロセッサにより読取かつ実行可能である機械読取可能媒体に記憶された命令として実現されてもよい。機械読取可能媒体は、機械（例えば、演算デバイス）により読取可能な形式で情報を記憶または伝送する任意の機構を含んでよい。例えば、機械読取可能媒体は、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記録媒体、光記録媒体、フラッシュメモリデバイス、電気的、光学的、または音響的もしくはその他の伝送信号形式（例えば、搬送波、赤外信号、デジタル信号）、またはその他を含んでよい。さらに本明細書では、ファームウエア、ソフトウエア、ルーチン、命令は、ある動作を実行するためのものとして記述されていてもよい。しかし、当然のことながら、これらの記述は単に便宜上のものであり、これらの動作は、そのファームウエア、ソフトウエア、ルーチン、命令などを実行する演算デバイス、プロセッサ、コントローラ、または他のデバイスにより実際に得られるものである。

[0027] しかし、そのような実施形態をより詳細に説明する前に、本発明の実施形態が実行され得る例示的環境を提示することは有益である。

[0028] 図１は、リソグラフィ装置ＬＡを概略的に示している。このリソグラフィ装置は、放射ビームＢ（例えば、紫外線またはＤＵＶ放射）を調整するように構成された照明システム（イルミネータ）ＩＬと、パターニングデバイス（例えば、マスク）ＭＡを支持するように構成され、かつ特定のパラメータに従ってパターニングデバイスを正確に位置決めするように構成された第１ポジショナＰＭに連結されたパターニングデバイスサポートまたはサポート構造（例えば、マスクテーブル）ＭＴと、基板（例えば、レジストコートウェーハ）Ｗを保持するように構成され、かつ特定のパラメータに従って基板を正確に位置決めするように構成された第２ポジショナＰＷに連結された基板テーブル（例えば、ウェーハテーブル）ＷＴと、パターニングデバイスＭＡによって放射ビームＢに付けられたパターンを基板Ｗのターゲット部分Ｃ（例えば、１つ以上のダイを含む）上に投影するように構成された投影システム（例えば、屈折投影レンズシステム）ＰＳと、を備える。

[0029] 照明システムとしては、放射を誘導し、整形し、または制御するための、屈折型、反射型、磁気型、電磁型、静電型、またはその他のタイプの光コンポーネント、あるいはそれらのあらゆる組合せなどのさまざまなタイプの光コンポーネントを含むことができる。

[0030] パターニングデバイスサポートは、パターニングデバイスの向き、リソグラフィ装置の設計、および、パターニングデバイスが真空環境内で保持されているか否かなどの他の条件に応じた態様で、パターニングデバイスを保持する。パターニングデバイスサポートは、機械式、真空式、静電式またはその他のクランプ技術を使って、パターニングデバイスを保持することができる。パターニングデバイスサポートは、例えば、必要に応じて固定または可動式にすることができるフレームまたはテーブルであってもよい。パターニングデバイスサポートは、パターニングデバイスを、例えば、投影システムに対して所望の位置に確実に置くことができる。本明細書において使用される「レチクル」または「マスク」という用語はすべて、より一般的な「パターニングデバイス」という用語と同義であると考えるとよい。

[0031] 本明細書において使用される「パターニングデバイス」という用語は、基板のターゲット部分内にパターンを作り出すように、放射ビームの断面にパターンを与えるために使用できるあらゆるデバイスを指していると、広く解釈されるべきである。なお、留意すべき点として、放射ビームに付与されたパターンは、例えば、そのパターンが位相シフトフィーチャまたはいわゆるアシストフィーチャを含む場合、基板のターゲット部分内の所望のパターンに正確に一致しない場合もある。通常、放射ビームに付けたパターンは、集積回路などのターゲット部分内に作り出されるデバイス内の特定機能層に対応することになる。

[0032] パターニングデバイスは、透過型であっても、反射型であってもよい。パターニングデバイスの例としては、マスク、プログラマブルミラーアレイ、およびプログラマブルＬＣＤパネルが含まれる。マスクは、リソグラフィでは公知であり、バイナリ、レべンソン型(alternating)位相シフト、およびハーフトーン型(attenuated)位相シフトなどのマスク型、ならびに種々のハイブリッドマスク型を含む。プログラマブルミラーアレイの一例では、小型ミラーのマトリックス配列が用いられており、各小型ミラーは、入射する放射ビームを様々な方向に反射させるように、個別に傾斜させることができる。傾斜されたミラーは、ミラーマトリックスによって反射される放射ビームにパターンを付ける。

[0033] 本明細書において使用される「投影システム」という用語は、使われている露光放射にとって、あるいは液浸液の使用または真空の使用といった他の要因にとって適切な、屈折型、反射型、反射屈折型、磁気型、電磁型、および静電型光学系、またはそれらのあらゆる組合せを含むあらゆる型の投影システムを包含していると広く解釈されるべきである。本明細書において使用される「投影レンズ」という用語はすべて、より一般的な「投影システム」という用語と同義であると考えるとよい。

[0034] 本明細書に示されているとおり、リソグラフィ装置は、透過型のもの（例えば、透過型マスクを採用しているもの）である。また、リソグラフィ装置は、反射型のもの（例えば、上述のプログラマブルミラーアレイを採用しているもの、または反射型マスクを採用しているもの）であってもよい。

[0035] リソグラフィ装置は、２つ（デュアルステージ）以上の基板テーブル（および／または２つ以上のマスクテーブル）を有する型のものであってもよい。そのような「マルチステージ」機械においては、追加のテーブルは並行して使うことができ、または予備工程を１つ以上のテーブル上で実行しつつ、別の１つ以上のテーブルを露光用に使うこともできる。

[0036] また、リソグラフィ装置は、投影システムと基板との間の空間を満たすように、比較的高屈折率を有する液体（例えば水）によって基板の少なくとも一部を覆うことができるタイプのものであってもよい。また、リソグラフィ装置内の別の空間（例えば、マスクと投影システムとの間）に液浸液を加えてもよい。浸漬技術は、投影システムの開口数を増加させることで当技術分野において周知である。本明細書において使用される「液浸」という用語は、基板のような構造物を液体内に沈めなければならないという意味ではなく、単に、露光中、投影システムと基板との間に液体があるということを意味するものである。

[0037] 図１を参照すると、イルミネータＩＬは、放射源ＳＯから放射ビームを受ける。例えば、放射源がエキシマレーザである場合、放射源とリソグラフィ装置は、別個の構成要素であってもよい。そのような場合には、放射源は、リソグラフィ装置の一部を形成しているとはみなされず、また放射ビームは、放射源ＳＯからイルミネータＩＬへ、例えば、適切な誘導ミラーおよび／またはビームエキスパンダを含むビームデリバリシステムＢＤを使って送られる。その他の場合においては、例えば、放射源が水銀ランプである場合、放射源は、リソグラフィ装置の一体部分とすることもできる。放射源ＳＯおよびイルミネータＩＬは、必要ならばビームデリバリシステムＢＤとともに、放射システムと呼んでもよい。

[0038] イルミネータＩＬは、放射ビームの角強度分布を調節するアジャスタＡＤを含むことができる。一般に、イルミネータの瞳面内の強度分布の少なくとも外側および／または内側半径範囲（通常、それぞれσ-outerおよびσ-innerと呼ばれる）を調節することができる。さらに、イルミネータＩＬは、インテグレータＩＮおよびコンデンサＣＯといったさまざまな他のコンポーネントを含むことができる。イルミネータを使って放射ビームを調整すれば、放射ビームの断面に所望の均一性および強度分布をもたせることができる。

[0039] 放射ビームＢは、パターニングデバイスサポート（例えば、マスクテーブルＭＴ）上に保持されているパターニングデバイス（例えば、マスク）ＭＡ上に入射して、パターニングデバイスによってパターン形成される。パターニングデバイス（例えば、マスク）ＭＡを通り抜けた後、放射ビームＢは投影システムＰＳを通過し、投影システムＰＳは、基板Ｗのターゲット部分Ｃ上にビームの焦点をあわせる。第２ポジショナＰＷおよび位置センサＩＦ（例えば、干渉計デバイス、リニアエンコーダ、２次元エンコーダ、または静電容量センサ）を使って、例えば、さまざまなターゲット部分Ｃを放射ビームＢの経路内に位置付けるように、基板テーブルＷＴを正確に動かすことができる。同様に、第１ポジショナＰＭおよび別の位置センサ（図１には明示的に示されていない）を使い、例えば、マスクライブラリから機械的に取り出した後またはスキャン中に、パターニングデバイス（例えば、マスク）ＭＡを放射ビームＢの経路に対して正確に位置付けることもできる。通常、パターニングデバイスサポート（例えば、マスクテーブル）ＭＴの移動は、第１ポジショナＰＭの一部を形成するロングストロークモジュール（粗動位置決め）およびショートストロークモジュール（微動位置決め）を使って達成することができる。同様に、基板テーブルＷＴの移動も、第２ポジショナＰＷの一部を形成するロングストロークモジュールおよびショートストロークモジュールを使って達成することができる。ステッパの場合は（スキャナとは対照的に）、パターニングデバイスサポート（例えば、マスクテーブル）ＭＴは、ショートストロークアクチュエータのみに連結されてもよく、または固定されてもよい。

[0040] パターニングデバイス（例えば、マスク）ＭＡおよび基板Ｗは、マスクアライメントマークＭ１およびＭ２と、基板アライメントマークＰ１およびＰ２とを使って、位置合わせされてもよい。例示では基板アライメントマークが専用ターゲット部分を占めているが、基板アライメントマークをターゲット部分とターゲット部分との間の空間内に置くこともできる（これらは、スクライブラインアライメントマークとして公知である）。同様に、複数のダイがパターニングデバイス（例えば、マスク）ＭＡ上に設けられている場合、マスクアライメントマークは、ダイとダイの間に置かれてもよい。小さいアライメントマーカをデバイスフィーチャの中でもダイ内に含めることができ、その場合、マーカは可能な限り小さく、隣接するフィーチャと異なる結像またはプロセス条件を必要としないことが望ましい。アライメントマーカを検出するアライメントシステムについて、以下にさらに説明する。

[0041] 例示の装置は、以下に説明するモードのうち少なくとも１つのモードで使用できる。

[0042] １．ステップモードにおいては、パターニングデバイスサポート（例えば、マスクテーブル）ＭＴおよび基板テーブルＷＴを基本的に静止状態に保ちつつ、放射ビームに付けられたパターン全体を一度にターゲット部分Ｃ上に投影する（すなわち、単一静的露光）。その後、基板テーブルＷＴは、Ｘおよび／またはＹ方向に移動され、それによって別のターゲット部分Ｃを露光することができる。ステップモードにおいては、露光フィールドの最大サイズによって、単一静的露光時に結像されるターゲット部分Ｃのサイズが限定される。

[0043] ２．スキャンモードにおいては、パターニングデバイスサポート（例えば、マスクテーブル）ＭＴおよび基板テーブルＷＴを同期的にスキャンする一方で、放射ビームに付けられたパターンをターゲット部分Ｃ上に投影する（すなわち、単一動的露光）。パターニングデバイスサポート（例えば、マスクテーブル）ＭＴに対する基板テーブルＷＴの速度および方向は、投影システムＰＳの（縮小）拡大率および像反転特性によって決めることができる。スキャンモードにおいては、露光フィールドの最大サイズによって、単一動的露光時のターゲット部分の幅（非スキャン方向）が限定される一方、スキャン動作の長さによって、ターゲット部分の高さ（スキャン方向）が決まる。

[0044] ３．別のモードにおいては、プログラマブルパターニングデバイスを保持した状態で、パターニングデバイスサポート（例えば、マスクテーブル）ＭＴを基本的に静止状態に保ち、また基板テーブルＷＴを動かす、またはスキャンする一方で、放射ビームに付けられているパターンをターゲット部分Ｃ上に投影する。このモードにおいては、通常、パルス放射源が採用されており、さらにプログラマブルパターニングデバイスは、基板テーブルＷＴの移動後ごとに、またはスキャン中の連続する放射パルスと放射パルスとの間に、必要に応じて更新される。この動作モードは、前述の型のプログラマブルミラーアレイといったプログラマブルパターニングデバイスを利用するマスクレスリソグラフィに容易に適用することができる。

[0045] 上述の使用モードの組合せおよび／またはバリエーション、あるいは完全に異なる使用モードもまた採用可能である。

[0046] リソグラフィ装置ＬＡは、いわゆるデュアルステージタイプで、２つの基板テーブルＷＴａおよびＷＴｂならびに２つのステーション、すなわち、露光ステーションおよび測定ステーションを有し、それらの間で基板テーブルを交換することができる。１つの基板または１つの基板テーブルを露光ステーションで露光している間に、別の基板を測定ステーションで他の基板テーブル上に載せ、さまざまな予備工程を実行することができる。予備工程は、レベルセンサＬＳを使用して基板の表面制御をマッピングすることと、アライメントセンサＡＳを使用して基板上のアライメントマーカの位置を測定することとを含み得る。これによって、装置のスループットを大幅に増加させることができる。位置センサＩＦが、測定ステーションに、および露光ステーションにあるときに基板テーブルの位置を測定できない場合、第２位置センサを設けて、両方のステーションで基板テーブルの位置を追跡可能にすることができる。

[0047] 図２に示すように、リソグラフィ装置ＬＡは、リソセルまたはクラスタとも呼ばれることがあるリソグラフィセルＬＣの一部を形成し、リソグラフィセルＬＣは、基板に対して露光前および露光後プロセスを行う装置を備える。従来、これらの装置としては、レジスト層を堆積するスピンコータＳＣ、露光されたレジストを現像するデベロッパＤＥ，冷却プレートＣＨ、およびベークプレートＢＫが含まれる。基板ハンドラまたはロボットＲＯは、入力／出力ポートＩ／Ｏ１およびＩ／Ｏ２から基板を持ち上げ、異なる処理装置間で基板を移動させ、リソグラフィ装置のローディングベイＬＢへ基板を送り出す。総称してトラックと呼ばれることが多いこれらのデバイスは、監視制御システムＳＣＳによって制御されるトラック制御ユニットＴＣＵの制御下にある。また、監視制御システムＳＣＳは、リソグラフィ制御ユニットＬＡＣＵを介してリソグラフィ装置を制御する。従って、別の装置を動作させてスループットおよび処理効率を最大化することができる。

[0048] 暗視野メトロロジの例を、第ＷＯ２００９／０７８７０８号および国際出願第ＷＯ２００９／１０６２７９（ＰＣＴ／ＥＰ第０９／００１２７１号、２００９年２月２３日に出願、現在の優先日には未公開）に見ることができ、これらの文献の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

[0049] 本発明の一実施形態に係る暗視野メトロロジ装置が図３に示されている。暗視野メトロロジ装置は、独立型デバイスとすることができ、あるいは、リソグラフィ装置ＬＡ（例えば、測定ステーションに）またはリソグラフィセルＬＣに組み込むことができる。この装置において、放射源１１（例えば、キセノンランプ）によって放出される光が、レンズ１２および１４ならびに対物レンズ１６を備える光学システムによって、ビームスプリッタ１５を介して基板Ｗ上に誘導される。これらのレンズは、４Ｆ配置の二重シーケンスに配置される。従って、放射が基板に入射する角度範囲は、基板に対する共役面、すなわち、瞳面に空間強度分布を規定することによって選択することができる。特に、これは、適切な形態の開口プレート１３をレンズ１２とレンズ１４との間の共役面に挿入することによって実現することができる。本実施形態において、開口プレート１３は、レンズ１２、１４、および１６が形成する照明システムの光軸から外れて位置する単一の小さい開口を有するので、測定ビームは、基板に対する法線を含まない細い円錐の角度内で基板Ｗに入射する。それによって、照明システムは単極でオフアクシス照明モードを形成する。単極外の不必要な光が検出イメージのコントラストを低下させることになるため、瞳面の他の部分は暗いことが望ましい。一実施形態において、格子上の測定ビームの主光線の入射角は格子のピッチに応じて選択されるので、格子からの１次回折ビームのうちの１つが対物レンズ１６の光軸に沿って対物レンズ１６内に誘導される。対物レンズ１６は高開口数（ＮＡ）、例えば、０．９５以上を有する。

[0050] 一例において、基板Ｗ上のターゲットによって回折した０次ビーム（実線）および１つの１次ビーム（一点鎖線）がビームスプリッタ１５を介して誘導されて戻り、対物レンズ１６によって集光される。第２ビームスプリッタ１７は、回折ビームを２つの測定分岐に分割する。第１測定分岐では、光学システム１８は、０次および１次回折ビームを用いて第１センサ１９（例えば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサ）上にターゲットの回折スペクトル（瞳面イメージ）を形成する。センサ１９が捕捉した瞳面イメージは、メトロロジ装置の焦点合わせおよび／または1次ビームの強度測定値の規格化のために使用することができる。また、瞳面イメージは、再構築などの多数の測定目的（本開示の主題ではない）のために使用することができる。

[0051] 第２測定分岐では、光学システム２０および２２は、基板Ｗ上のターゲットのイメージをセンサ２３（例えば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサ）上に形成する。第２測定分岐では、開口絞り２１が、基板Ｗおよびセンサ２３に対する共役面に設けられる。開口絞り２１は、０次回折ビームを遮断する機能を果たすので、センサ２３上に形成されるターゲットのイメージは１次ビームのみで形成される。センサ１９および２３が捕捉したイメージは、イメージプロセッサおよびコントローラ２４に出力され、その機能は以下にさらに説明する。本発明の別の実施形態では、ターゲットのオンアクシス照明を使用し、オフアクシス開口を有する開口絞りを使用して実質的に回折光の1次のみを通過させてセンサに到達させる。別の実施形態では、１次ビームの代わりに、または、１次ビームに加えて、２次、３次、およびさらに高次のビームを測定に使用することができる。

[0052] 図４は、本発明の一実施形態に係る基板上に形成された複合ターゲットを示している。複合ターゲットは接近して配置された４つの格子３２〜３５を備える。そのため、格子３２〜３５はすべて、メトロロジ装置の照明ビームによって形成された測定スポット３１内に入り、従ってすべて同時に照明され、センサ１９および２３上に同時に結像される。格子３２〜３５それら自身は、基板Ｗ上に形成された半導体デバイスの異なる層にパターン形成された格子を重ね合わせることによって形成された複合格子である。複合格子の回折部分が形成された層と層との間のオーバーレイの測定を容易にするために、格子３２〜３５は、別々にバイアスがかけられる。本発明の一実施形態において、格子３２〜３５は＋Ｄ、−Ｄ、＋３Ｄ、−３Ｄというバイアスを有することができる。これは、格子のうちの１つの格子が、当該格子の成分がともに公称位置に正確に印刷された場合、それら成分のうちの１つが他方の成分に対して距離Ｄの分オフセットするように配置された成分を有することを意味する。第２格子は、当該格子の成分が完全に印刷された場合、第１格子などと反対方向のＤのオフセットが生じるように配置された成分を有する。

[0053] 図５に示す本発明の一実施形態に係る方法において、格子３２〜３５の成分を含む２つの層間のオーバーレイエラーを測定する。図３のメトロロジ装置を使用して、格子３２〜３５のイメージを、１次回折ビームのうちの１つから得る。格子が製品領域に位置する場合、製品フィーチャはこのイメージ内で可視であり得る。そして、基板Ｗあるいは開口プレート１３を１８０°Ｃ回転させることで、他方の１次回折ビームを用いて格子の第２イメージを得ることができる。イメージプロセッサおよびコントローラ２４は、これらのイメージを処理して格子２３〜３５の別個のイメージを特定する。これは、パターンマッチング技術によって行うことができる。格子の別個のイメージが特定されると、例えば、選択したピクセル強度値を平均する、または合計することによって、それら個別のイメージの強度を測定することができる。次に、こうして以下の式などによって得られた強度値から、イメージプロセッサおよびコントローラ２４によってオーバーレイを決定することができる。

[0054] 従って、本実施形態によって、スループットを低下させずに、反対方向にバイアスがかけられた格子の単一の対を使用する場合よりも正確なオーバーレイの決定が可能になる。式（１）では、Ｎは、別々にバイアスがかけられた格子の数未満の数であるので、例えば、４つの別々にバイアスがかけられた格子であれば、オーバーレイと強度の関係を第３高調波の関数としてモデル化することができる。各格子は別々の既知のオーバーレイバイアスを有するので、各格子についての上記式のオーバーレイ値は、すべての格子に共通する実際の不明のオーバーレイとそれぞれの既知のオーバーレイバイアスの合計である。従って、Ｎ個の異なる格子の各々に関する２つの測定値によって、実際の不明のオーバーレイ値および（Ｎ−１）Ｋの値を与えるように解くことができるＮ個の式が与えられる。

[0055] 図６および図７に示すように、本発明の本実施形態を、同時に結像される数より多い数の格子を含むように拡張することができる。図６は、バイアス−４Ｄ、−３Ｄ、−２Ｄ、−Ｄ、０、＋Ｄ、＋２Ｄ、＋３Ｄ、＋４Ｄを有することができる９つの複合格子５１〜５９を示している。図７に示すように、これらの格子の別個のイメージ６１〜６９を、センサ２３が捕捉したイメージ内で特定することができる。

[0056] スポットの強度プロファイルが格子の領域にわたって不均一である場合、強度値の計算より前にイメージプロセッサおよびコントローラ２４によって補正を行うことができる。この補正は、ウェーハのパターン形成されていない部分を用いて、較正手順においてスポット強度プロファイルを測定することによって規定することができる。格子同士が基板上で特に接近している場合、第２測定分岐での光フィルタリングが信号間のクロストークを引き起こすおそれがある。その場合、空間フィルタ２１の中央開口は、依然として０次を遮断しつつ可能な限り大きく形成されるべきである。

[0057] 本発明のさらなる実施形態において、ＸおよびＹオーバーレイエラーの同時測定が可能になる。第２実施形態では、照明分岐の瞳面の強度分布が、例えば開口７１および７２を有する開口プレート７０を設けることによって図８に示すように配置される。この配置によって、基板上の測定スポットが、一方がＹＺ面の主光線を有し、他方がＸＺ面の主光線を有する２つの光円錐によって照明されることが確実になる。すなわち、照明システムは、２つの極でオフアクシス照明モードを形成する。測定ビームは、図９に示すように、一組の格子８２〜８５を照明するように配置される。格子８２〜８５は、Ｘ方向のオーバーレイ測定向けの、すなわち、Ｙ軸に平行な線を有し、かつ＋Ｄおよび−Ｄのバイアスをそれぞれ有する２つの格子と、Ｙ方向のオーバーレイ測定向けの、すなわち、Ｘ軸に平行な線を有し、かつ再び＋Ｄおよび−Ｄのバイアスをそれぞれ有する２つの格子とを備える。これらの格子の別個のイメージ９２〜９５が図１０に示されている。第１実施形態と同様に、イメージプロセッサおよびコントローラ２４によって、これらのイメージを別々に特定し、それらの強度を決定することができる。一例において、第２実施形態の動作は第１実施形態と同じであり、同一の考慮事項および利点が当てはまる。

[0058] 当然のことながら、本発明の本実施形態において設けられたターゲットアレイは、スクライブライン内または製品領域内に配置することができる。測定スポット３１によって照明された領域内に複数のターゲットを含めることによって、いくつかの利点が生じ得る。例えば、１度の露光で複数のターゲットイメージを得ることによって、スループットが増加する。また、メトロロジターゲットに充てられる必要がある基板上の領域がより少なくて済む。また特に、異なる１次回折ビームの強度とオーバーレイとの間に非線形関係が存在する場合、オーバーレイ測定の精度を向上することができる。

ターゲット位置補正
[0059] 光学システムが収差、焦点はずれ、照明不均質性、またはそれらの組合せの影響を被る場合、（小さいターゲットオーバーレイ測定の）測定非対称性または（暗視野の）強度は、オーバーレイのみならず光ビーム内のターゲットの実際の位置によっても決まる。この位置を予測することはできないので、それが測定オーバーレイの重大なノイズおよび許容不可能な不正確につながる場合がある。正確な位置決めにかかる時間が装置のスループットを低下させることになる。より少ない収差で光エレメントを設けるだけで、装置はより高価になる。従って、位置依存エラーの補正技術を説明する。

[0060] 暗視野において、光ビーム内のターゲットの位置は基本的に既知である。というのは、ＤＦ（暗視野）像は像面に記録されるからである（ＹＳのアライメントカメラ）。この情報を用いて、収差の経験的較正を介して、または収差の理論的知識から、測定強度を補正することができる。

[0061] 較正の場合、ずらした位置での一連の測定を行って、今後の測定を補正するために較正テーブルを準備する。理論的手法については、測定光学システムの収差が既知である場合、測定の位置依存性を計算することができる。ここで、照明の不均質性を較正工程で測定することができ、その後、それをオーバーレイ測定の理論的補正手順用の入力として用いることができる。そして、補正オーバーレイを異なるモードで抽出することができる。
●入力：（ｉ）位置情報、（ｉｉ）焦点はずれ、（ｉｉｉ）収差を有するスカラーモデルを用いてオーバーレイの再構築を行うことができる。
●ライブラリ手法では、２次元変数およびパラメータとしての焦点はずれ−収差の組とともにスカラーまたはベクトルシミュレーションを用いることができる。鏡面反射に対する重なり依存の１次回折効率は、（線形）倍率として用いることができる。この目的のために、鏡面（０次）反射信号をセンサ１９で測定することができ、一方、暗視野イメージをセンサ２３によって捕捉する。

[0062] Ｚ方向の位置エラーである焦点はずれは、さらなる収差として作用する。従って、焦点変動が分かっている場合、同一の原理を適用して測定間の焦点変動が引き起こす測定信号の強度や他の特性を補正することができる。これによって、焦点（Ｚ位置決め）も極めて正確に行う必要がない場合が、測定時間が節約されることになる。これは以下の方法によって解決することができる。
●較正手順の一部として焦点を測定し、この情報を補正手順において用いる、または事前に焦点を補正する。これは測定中に焦点が再生可能であることを必要とする。
●格子のイメージを分析することなどによって、各測定位置での焦点を測定する（および／または補正する）。

[0063] 位置変動を考慮する測定値の補正は、上述の暗視野オーバーレイ測定に限らず他のタイプの測定に適用することができる。前述のとおり、上記装置を用いて他のタイプの測定を行うことができる。同時係属の国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ第２００９／００６５１８号において、例えば、瞳イメージセンサ１９を用いてターゲットからの＋１および−１の回折信号を強度を測定し、これらの強度信号を結合してオーバーレイ測定値を得る。そのような測定中、センサ２３を使用して、瞳面センサ１９に記録されたイメージと同時に第２イメージを撮る。上述の手順と同様に、この第２イメージによって、瞳面で測定された信号の補正を行うために使用可能な位置情報が与えられる。ＰＣＴ／ＥＰ第２００９／００６５１８号は、２００９年９月９日に出願され、２００８年９月１６日に出願された米国特許出願第６１／０９７，３７４号の優先権を主張する。

[0064] 光リソグラフィの関連での本発明の実施形態の使用について上述のとおり具体的な言及がなされたが、当然のことながら、本発明は、他の用途、例えば、インプリントリソグラフィに使われてもよく、さらに状況が許すのであれば、光リソグラフィに限定されることはない。インプリントリソグラフィにおいては、パターニングデバイス内のトポグラフィによって、基板上に創出されるパターンが定義される。パターニングデバイスのトポグラフィは、基板に供給されたレジスト層の中にプレス加工され、基板上では、電磁放射、熱、圧力、またはそれらの組合せによってレジストは硬化される。パターニングデバイスは、レジストが硬化した後、レジスト内にパターンを残してレジストの外へ移動される。

[0065] 本明細書で使用される「放射」および「ビーム」という用語は、紫外線（ＵＶ）（例えば、３６５ｎｍ、３５５ｎｍ、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍ、または１２６ｎｍの波長、またはおよそこれらの値の波長を有する）、および極端紫外線（ＥＵＶ）（例えば、５〜２０ｎｍの範囲の波長を有する）、ならびにイオンビームや電子ビームなどの微粒子ビームを含むあらゆる種類の電磁放射を包含している。

[0066] 「レンズ」という用語は、文脈によっては、屈折、反射、磁気、電磁気、および静電型光コンポーネントを含む様々な種類の光コンポーネントのいずれか１つまたはこれらの組合せを指すことができる。

[0067] 以上、本発明の具体的な実施形態を説明してきたが、本発明は、上述以外の態様で実施できることが明らかである。例えば、本発明は、上記に開示した方法を表す１つ以上の機械読取可能命令のシーケンスを含むコンピュータプログラムの形態、またはこのようなコンピュータプログラムが記憶されたデータ記憶媒体（例えば、半導体メモリ、磁気ディスクまたは光ディスク）の形態であってもよい。

結論
[0068] 発明の概要および要約の項目は、発明者が想定するような本発明の１つ以上の例示的実施形態について述べることができるが、全部の例示的実施形態を述べることはできず、従って本発明および請求の範囲をいかなる意味でも制限しないものとする。

[0069] 本発明を、複数の特定の機能の実施およびそれらの関係を示す機能構成ブロックを用いて説明してきた。これらの機能構成ブロックの境界は、説明の都合上、本明細書において任意に定義されている。これら特定の機能やそれらの関係が適切に実現される限り、別の境界を定義することができる。

[0070] 特定の実施形態に関する前述の説明は、本発明の全般的な特徴をすべて示すものであり、従って当業者の知識を適用すれば、過度の実験を行わなくとも、本発明の一般的な概念から逸脱することなく、そのような特定の実施形態などのさまざまな用途に対して容易に変更および／または改変を行うことができる。従って、そのような改変や変更は、本明細書で提示した教示ならびに説明に基づき、開示した実施形態の等価物の趣旨および範囲内に収まるものとする。なお、当然ながら、ここで用いた語法や用語は説明のためであって限定を意図するものではなく、本明細書の用語または語法は、上記教示や説明を考慮しながら当業者が解釈すべきものである。

[0071] 本発明の範囲は上述の例示的実施形態のいずれによっても限定されるべきでなく、添付の特許請求の範囲およびその等価物によってのみ規定されるべきである。

Claims (10)

1. 基板上の複数のターゲットの特性を測定するメトロロジ装置であって、
   放射の照明ビームを放出する放射源と、
   放射の測定ビームを前記基板上の前記複数のターゲット上に誘導し、かつ前記複数のターゲットによって回折した放射を集光する対物レンズと、
   前記測定ビームを前記基板に対する法線を含まない円錐の角度内で前記基板に入射させるように配置された開口を有する開口プレートと、
   前記複数のターゲットのイメージを検出するセンサと、を備え、
   前記放射源、前記対物レンズ及び前記センサは、前記照明ビームが前記複数のターゲットを同時に照明するように、かつ、前記センサによって検出される前記複数のターゲットの前記イメージが１つの１次回折ビームと前記開口プレートの回転とによって２つ形成されるように、配置され、
   前記メトロロジ装置は、
   前記センサによって検出された前記複数のターゲットの２つの前記イメージを処理し、前記複数のターゲットを構成する個々のターゲットの別個のイメージを特定するイメージプロセッサと、
   前記別個のイメージの各々から強度値を決定するコントローラであって、前記センサのイメージフィールド内の前記ターゲットのイメージの位置を決定し、かつ、決定された前記位置を参照して、決定された前記強度値またはオーバーレイ値の補正を行うコントローラと、をさらに備える、メトロロジ装置。
2. 前記イメージプロセッサはパターンレコグナイザを備える、請求項１に記載のメトロロジ装置。
3. 前記パターンレコグナイザは、４つ以上の別個のイメージのアレイを認識する、請求項２に記載のメトロロジ装置。
4. 前記コントローラは、さらに、決定された前記強度値から、前記複数のターゲットの部分が形成される前記基板の層と層との間のオーバーレイエラーを決定する、請求項１〜３の何れか一項に記載のメトロロジ装置。
5. パターンを照明する照明光学システムと、
   前記パターンのイメージを基板上に投影する投影光学システムと、
   請求項１〜４の何れか一項に記載のメトロロジ装置と、を備える、リソグラフィ装置。
6. リソグラフィ装置と、
   少なくとも１つのプロセスデバイスと、
   基板ハンドラと、
   請求項１〜４の何れか一項に記載のメトロロジ装置と、を備える、リソグラフィセル。
7. 基板上の複数のターゲットの特性を測定する方法であって、
   照明ビームを生成することと、
   対物レンズを用いて測定ビームとしての前記照明ビームを前記複数のターゲット上に誘導することで前記測定ビームが前記複数のターゲットを同時に照明することと、
   開口を有する開口プレートを用いて、前記測定ビームを前記基板に対する法線を含まない円錐の角度内で前記基板に入射させることと、
   前記対物レンズを用いて、前記複数のターゲットによって回折した放射を集光することと、
   前記複数のターゲットのイメージを検出し、当該イメージは１つの１次回折ビームと前記開口プレートの回転とによって２つ形成されることと、
   前記検出された２つの前記イメージを処理し、前記複数のターゲットを構成する個々のターゲットの別個のイメージを特定することと、
   前記別個のイメージの各々から強度値を決定することと、
   前記複数のターゲットのイメージの位置に応じて、決定された前記強度値またはオーバーレイ値の補正を行うことと、を含む、方法。
8. 前記特定することはパターンレコグナイザによって行われる、請求項７に記載の方法。
9. 前記パターンレコグナイザは、４つ以上の別個のイメージのアレイを認識する、請求項８に記載の方法。
10. 決定された前記強度値から、前記複数のターゲットの部分が形成される前記基板の層と層との間のオーバーレイエラーを決定することをさらに含む、請求項７〜９の何れか一項に記載の方法。