检查设备和方法

检查设备和方法
【专利摘要】一种光谱散射仪检测从目标光栅上的照射光斑衍射的零阶或高阶辐射。设备形成并且检测了零阶（反射）辐射的光谱，并且单独地形成并检测高阶衍射辐射的光谱。使用对称相位光栅形成每个光谱，以便于形成并且检测对称光谱对。成对的光谱可以平均以获得具有减小的焦点敏感性的单个光谱。比较两个光谱可以产生用于改进后续光刻步骤中的高度测量的信息。目标光栅被倾斜定向以使得零阶和高阶辐射在不同平面中从光斑发出。两个散射仪可以同时操作，从而从不同倾斜方向照射目标。径向透射滤光片减小了光斑中的旁波瓣并且减小了产品交叉串扰。
【专利说明】检查设备和方法
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求享有2012年2月21日提交的美国临时申请61/601，156的优先权，其 通过整体引用并入本文。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及例如可用于通过光刻技术制造器件的检查设备和方法。

【背景技术】
[0004] 光刻设备是向衬底上（通常向衬底的目标部分上）施加所需图案的机器。光刻设 备可以例如用于制造集成电路（1C)。在该情形下，备选地称作掩模或掩模版的图案形成装 置可以用于产生将要形成在1C的单个层上的电路图案。该图案可以转移至衬底（例如硅晶 片）上的目标部分（例如包括一个或数个裸片的一部分）上。图案的转移通常经由向设置 在衬底上的辐射敏感材料（抗蚀剂）的层上成像。通常，单个衬底将包含相继被图案化的 相邻目标部分的网络。已知的光刻设备包括其中通过将整个图案一次性曝光到目标部分上 来照射每个目标部分的所谓的步进机，以及其中通过在给定方向（"扫描"方向）上通过辐 射束扫描图案来照射每个目标部分而同时平行于或者反向平行于该方向来同步扫描衬底 的所谓扫描机。也有可能通过将图案压印至衬底上而将图案从图案形成装置转移至衬底。
[0005] 为了监控光刻工艺，测量图案化的衬底的参数。参数例如可以包括形成在图案化 的衬底中或上的相继层之间的重叠误差以及已显影的光刻胶的关键线宽。可以对于产品衬 底和/或对于专用度量目标执行该测量。存在各种技术用于对光刻工艺中形成的微观结构 进行测量，包括使用扫描电镜和各种专用工具。专用检查工具的快速和非侵入形式是散射 仪，其中辐射束被引导至衬底的表面上的目标上，并且测量散射或者反射束的特性。通过在 束被衬底反射或者散射之前和之后对束的特性进行比较，可以确定衬底的特性。这可以例 如通过将反射束与存储在与已知的衬底特性相关联的已知测量的库中的数据进行比较而 完成。两种主要类型的散射仪是已知的。光谱散射仪引导宽带辐射束至衬底上，并且测量 散射进入特定狭窄角度范围中的辐射的光谱（强度根据波长而变化）。角度分辨散射仪使 用单色辐射束，并且测量根据角度而变化的散射辐射的强度。
[0006] 光谱散射测量具有硬件相对简单的优点，这有助于改进匹配和校准。然而，其难以 测量非常孤立的特征，以及度量光栅的不对称。角度分辨散射测量光学上更加复杂，使得校 准和匹配变得复杂化。此外，在实际中，需要多个可调的波长，这导致复杂和昂贵的光学器 件。随着光刻工艺分辨率增大，越来越小的特征形成在衬底上。为了以最小特征的分辨率 执行散射测量，可能需要使用与光刻工艺自身使用的辐射波长相比更短的辐射波长。在紫 外（UV)范围内的波长原则上对于这一点可以是有效的。然而，用于这样的波长的光学系统 变得特别复杂。
[0007] 因此需要散射仪的新形式，特别是适用于测量具有在当前和下一代光刻工艺的分 辨率下的特征尺寸的度量目标。本发明人已经认识到已知的光谱散射仪的限制在于它们不 使用来自目标光栅的更高阶衍射辐射。
[0008]在 Proceedings of SPIE Vol. 5375 (SPIE，Bellingham, WA，2004)，D0 1:10. 1117/12. 539143上由 Richard M. Silver编辑的Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XVIII 中发表的论文"A New Approach to Pattern Metrology"中，作者Christopher P. Ausschnitt提出了一种散射仪的新形式。不同于传统 的光谱散射仪，Ausschnitt的所谓Μ0ΧΙΕ系统使用了零阶以及一阶衍射辐射。其也使用了 在衬底自身上的目标光栅以将衍射阶分解为分光信号。然而，该系统也并未被优化以用于 测量图案非对称性。此外，一阶信号的光谱分辨率取决于目标几何形状，并且预期对于实际 度量应用而言太小。
[0009] 已知的散射测量技术中另一个问题在于由产品衬底上的散射测量目标所占据的 空间或"基板面"。目标必须保持相互远离并且远离产品特征，以避免测量之间的交叉串扰。 本发明人已经进一步认识到，交叉串扰的一个起因是仪器的光斑具有如下点扩展函数，该 点扩展函数具有围绕主光斑的能量的较大旁波瓣。
[0010] 光刻工艺中的问题通常在于可以由取决于工艺的影响力不可预见地影响用于控 制将图案转移至衬底的高度测量。


【发明内容】

[0011]根据本发明的第一方面，提供了了检查设备，包括光谱散射仪，光谱散射仪具有： 照射光学器件，用于将具有入射角的宽带辐射引导在目标结构上的光斑处，所使用的目标 结构包括周期性光栅；零阶检测光学器件，用于接收从目标反射的辐射，以及用于形成并且 检测反射辐射的光谱；以及高阶检测光学器件，用于接收由目标结构中的周期性光栅以一 个或多个高阶衍射的辐射，以及用于形成并且检测所接收的衍射辐射的光谱。
[0012] 在一个实施例中，照射光学器件和零阶检测光学器件处理总体上在垂直于目标结 构的平面的第一平面中的辐射，而高阶检测光学器件被布置为处理在相对于第一平面成角 度的第二平面中的辐射，作为目标结构中的周期性光栅的线条相对于第一平面倾斜定向的 结果，在设备的使用期间高阶衍射辐射进入第二平面。
[0013] 将高阶辐射置于不同平面中有助于这种仪器的实际布局。在一个实施例中，第一 平面相对于周期性光栅中的期望线条定向呈45°的角度进行设置，并且提供第二光谱散射 仪以用于同时测量相同目标结构，第二光谱散射仪的第一平面被布置为与所述第一光谱散 射仪的第一平面成直角。在所述第一散射仪和第二散射仪的高阶检测光学器件之间可以共 用光学部件。
[0014] 本发明在第一方面中进一步提供了用于测量衬底上的目标结构的特性的方法，目 标结构包括周期性光栅，方法包括：使用根据如上所述本发明第一方面的检查设备从目标 结构获得零阶光谱和至少一个高阶光谱，以及处理测得的光谱以便于获得对目标结构的一 个或多个参数的测量。
[0015] 根据本发明的第二、独立的方面，提供了一种光谱散射仪，具有：照射光学器件，用 于将具有入射角的宽带辐射引导在目标结构上的光斑处；检测光学器件，用于接收从目标 结构以零阶或高阶衍射的辐射，以及用于形成并且检测衍射辐射的光谱，其中，检测光学器 件包括被布置为形成反射辐射的对称光谱对的对称衍射光栅，以及其中成对的光谱检测器 被布置为检测两个光谱，设备进一步包括用于组合来自两个检测器的测量以获得反射辐射 的单个检测光谱的处理器。
[0016] 根据本发明第二方面的光谱散射仪与已知的光谱设备相比可以具有非常简单的 光学构造，适用于例如使用UV辐射。
[0017] 根据本发明第二方面的具有对称光谱对的光谱散射仪与传统的单个光谱布置相 比可以被制作为对散焦具有减小的敏感性。在一个实施例中，另一检测器被布置为接收衍 射光栅的零阶束，另一检测器位于总体上在成对的光谱检测器之间的点处，以及其中来自 另一检测器的信号用于监控目标结构上的光斑的焦点。
[0018] 根据本发明第二方面的光谱散射仪可以用于在根据本发明第一方面的设备中形 成零阶和/或高阶检测光学器件。以下示例将进一步参照附图示出这一点。
[0019] 本发明在第二方面中还提供了一种测量衬底上的目标结构的特性的方法，目标结 构包括周期性光栅，方法包括使用如上所述根据本发明第二方面的检查设备从目标结构获 得光谱，以及处理检测到的光谱以便于获得对目标结构的一个或多个参数的测量。
[0020] 本发明在第三方面中提供了一种光学设备，包括用于将辐射束聚焦在目标结构上 的光斑处的照射光学器件，其中提供滤光片以用于使得所述束（在聚焦之前）的传输损耗 随着距所述束的光轴的径向距离而增大，由此减小了在照射光学器件的点扩展函数中旁波 瓣中的能量。
[0021] 包括照射光学器件的光学设备可以例如是根据本发明第一或第二方面的散射仪。 对点扩展函数中的旁波瓣的抑制可以减小相邻特征之间的交叉串扰，例如以允许对目标特 性的更精确测量，和/或使用更靠近相邻结构的更小目标。
[0022] 本发明在第三方面中还提供了一种测量衬底上的目标结构的特性的方法，方法包 括使用根据如上所述本发明第三方面的光学设备来照射具有辐射光斑的目标结构，检测由 目标结构衍射的辐射并且处理检测到的辐射以获得对目标结构的一个或多个参数的测量。
[0023] 本发明人已经认识到，具有对称光谱对（类似于使用如上所述本发明的第二方 面）的光谱散射仪可以备选地或者附加地用于获得影响用于控制光刻图案化工艺而进行 的高度测量的取决于工艺的变量的信息。这些影响可以从衬底至衬底以及从批次至批次之 间变化，可以引起高度传感器报告与真实表面高度不同的高度。该高度误差可以称作表观 表面下沉（ASD)，并且引起了使用高度测量例如以聚焦光学投射系统的后续光刻步骤中的 不精确度。
[0024] 根据本发明的第四、独立方面，提供了一种光谱散射仪，具有用于将具有入射角的 宽带辐射引导在目标结构上的光斑处的照射光学器件，用于接收从目标结构以零阶或高阶 衍射的辐射以及用于形成并且检测衍射辐射的光谱的检测光学器件，其中检测光学器件包 括被布置为形成反射辐射的对称光谱对的对称衍射光栅，以及其中成对的光谱检测器被布 置为检测两个光谱，设备进一步包括用于比较来自两个检测器的测量以获得在衬底上的目 标结构的位置处表观表面下沉的信息的处理器。
[0025] 本发明在第四方面中进一步提供了一种控制光刻设备的方法，其中基于在跨衬底 的多个位置处由设备进行的高度测量而将图案施加至衬底，以及其中基于使用如上所述根 据本发明第三方面的光谱散射仪获得的表观表面下沉的信息而对所述高度测量施加校正。
[0026] 如上所述本发明各个方面可以相互独立使用，或者两个或更多方面可以在相同设 备或方法中组合在一起。
[0027] 以下参照附图详细描述本发明的其他特征和优点、以及本发明各个实施例的结构 和操作。应该注意的是，本发明不限于在本文中所述的具体实施例。在本文中仅为了解释 说明目的而呈现这些实施例。基于在本文中包含的教导，附加的实施例对于本领域技术人 员而言是明显的。

【专利附图】

【附图说明】
[0028] 并入本文并且形成了说明书一部分的附图示出了本发明的示例性实施例，并且与 说明书一起进一步用于解释本发明的原理，并且使得本领域技术人员能够制造和使用本发 明。
[0029] 图1示出了光刻设备。
[0030] 图2示出了光刻单元或簇。
[0031] 图3是体现本发明第一方面的新颖检查设备的示意性框图。
[0032] 图4是插入了罗森棱镜偏振器的细节的、体现本发明第二方面的、图3的设备中的 零阶分支的示意性框图。
[0033] 图5是在图3的设备的实际实施例中零阶分支的示意图。
[0034] 图6A和图6B示出了图3至图5的设备中的光谱光栅的特征。
[0035] 图6C示出了由设备中的光栅产生的不同偏振的辐射的光谱的位移。
[0036] 图7a、图7b和图7c示出了对示例性设备中的光子预算的管理。
[0037] 图8和图9示出了对在图3至图5的设备中检测到的光谱中的像差的管理。
[0038] 图10示出了对在图4和图5的设备中的焦点误差的管理。
[0039] 图11示出了在设置图3至图5的设备时有用的新颖校准棱镜。
[0040] 图12示出了包括在相对于目标光栅方向具有倾斜定向的实施例中图3至图5的 设备中的两个设备、并且示出在不同于零阶辐射的平面中一阶衍射辐射的总体位置的双分 支散射仪的布局。
[0041] 图13a至图13d示出了在图12中所示的双分支散射仪中高阶衍射辐射的汇集。
[0042] 图14更详细示出了根据本发明第三方面的、在散射仪中用于减轻图3至图12的 散射仪中的产品交叉串扰的滤光片的形式。
[0043] 图15包括示出了图14的滤光片的各个参数以及其对于散射仪的点扩展函数的影 响的示意图。
[0044] 图16示出了影响例如用于光刻工艺中的高度测量的表观表面下沉的现象。
[0045] 图17示出了根据本发明第四方面的、使用图4和图5中所示类型的散射仪获得关 于表观表面下沉的信息的方法。
[0046] 图18是根据本发明的第四方面的实施例的图案化衬底的方法的流程图。
[0047] 当结合附图时从以下列出的详细说明将更明确本发明的特征和优点，其中贯穿全 文相同附图标记标识对应的元件。在附图中，相同的附图标记总体指示相同的、功能类似 的、和/或结构类似的元件。

【具体实施方式】
[0048] 本说明书公开了并入本发明的特征的一个或多个实施例。所公开的实施例仅示例 说明了本发明。本发明的范围不限于所公开的实施例。本发明由所附权利要求进行限定。 [0049] 所描述的实施例、以及说明书中对"一个实施例"、"一实施例"、"一示例性实施例" 等等的引用指示了所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是并非每个实施 例必须包括特定的特征、结构或特性。此外，这些短语并非必须涉及相同实施例。此外，当 结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，应该理解的是不论是否明确描述，实现这些特 征、结构或特征与其他实施例结合在本领域技术人员的认识范围内。
[0050] 本发明的实施例可以实施为硬件、软件、固件或者其任意组合。本发明的实施例也 可以实施为存储在机器可读介质上的指令，其可以由一个或多个处理器读取并且执行。机 器可读介质可以包括用于存储或传输以机器（例如计算装置）可读形式的信息的任何机 构。例如，机器可读介质可以包括只读存储器（R0M)，随机存取存储器（RAM)，磁盘存储介 质，光学存储介质，闪存装置，电、光、声或其他形式的传播信号（例如载波、红外信号、数字 信号等等）以及其他。此外，固件、软件、程序、指令可以在本文中被描述为执行特定的动 作。然而，应该知晓的是，这些描述仅为了方便，并且这些动作实际上由执行固件、软件、程 序、指令等的计算装置、处理器、控制器或其他装置得到。
[0051] 然而，在详细描述这些实施例之前，有益的是呈现其中可以实施本发明实施例的 示例性环境。
[0052] 图1示意性示出了包括根据本发明实施例的源汇集器模块S0的光刻设备LAP。设 备包括：配置用于调节辐射束B (例如EUV辐射）的照射系统（照射器）IL ;构造用以支撑 图案形成装置（例如掩模或掩模版）MA并且连接至配置用于精确定位图案形成装置的第一 定位器PM的支撑结构（例如掩模台）MT ;构造用以保持衬底（例如涂覆抗蚀剂的晶片）W并 且连接至配置用以精确定位衬底的第二定位器PW的衬底台（例如晶片台）WT ;以及配置用 以将由图案形成装置Μ施加至辐射束B的图案投射至衬底W的目标部分C (例如包括一个 或多个裸片）上的投射系统（例如反射型投射系统）PS。
[0053] 照射系统可以包括用于引导、成型或控制辐射的各种类型的光学部件，诸如折射、 反射、磁、电磁、静电或其他类型的光学部件，或者其任意组合。
[0054] 支撑结构支撑了图案形成装置，也即承载了其重量。其以取决于图案形成装置的 定向、光刻设备的设计、和其他条件（诸如例如图案形成装置是否被保持在真空环境中）的 方式来保持图案形成装置。支撑结构可以使用机械、真空、静电或其他夹持技术来保持图案 形成装置。支撑结构可以是框架或台，例如根据需要而可以被固定或者可移动。支撑结构 可以确保图案形成装置处于所需位置处，例如相对于投射系统。在本文中术语"掩模版"或 "掩模"的任何使用可以视作与更通用术语"图案形成装置"含义相同。
[0055] 在本文中使用的术语"图案形成装置"应该广义地解释为涉及可以用于在其截面 中赋予辐射束以图案以便于在衬底的目标部分中形成图案的任何装置。应该注意的是，被 赋予至辐射束的图案可能不精确对应于衬底的目标部分中的所需图案，例如如果图案包括 了相移特征或者所谓的辅助特征。通常，被赋予至辐射束的图案将对应于在目标部分中形 成的装置中特定功能层，诸如集成电路。
[0056] 图案形成装置可以是透射或者反射的。图案形成装置的示例包括掩模、可编程反 射镜阵列、以及可编程LCD面板。掩模在光刻中是已知的，并且包括诸如二元、交替相移、 和衰减相移之类的掩模类型，以及各种混合掩模类型。可编程反射镜阵列的示例采用了小 反射镜的矩阵布置，每一个小反射镜可以单独地倾斜以便于在不同方向上反射入射的辐射 束。倾斜的反射镜在由反射镜矩阵反射的辐射束中赋予图案。
[0057] 在本文中使用的术语"投射系统"应该广义地解释为包括任何类型的投射系统，包 括折射、反射、反折射、磁、电磁和静电光学系统或其任意组合，如对于所使用的曝光辐射而 言合适的，或者对于诸如使用沉浸液体或者使用真空之类的其他因素而言合适的。在本文 中术语"投射透镜"的任何使用可以视作与更通用术语"投射系统"含义相同。
[0058] 如所示，设备是透射式（例如采用了透射掩模）。备选地，设备可以是反射式（例 如采用如上所述类型的可编程反射镜阵列，或者采用反射掩模）。
[0059] 光刻设备可以是具有两个（双级）或更多衬底台（和/或两个或更多掩模台）的 类型。在这些"多级"机器中，可以并行使用附加的台，或者可以在一个或多个台上执行预 备步骤，而同时一个或多个其它台用于曝光。
[0060] 光刻设备也可以是其中由具有相对较高折射率的液体（例如水）覆盖了衬底的至 少一部分以便于填充投射系统与衬底之间空间的类型。沉浸液体也可以被应用于光刻设备 中的其他空间，例如在掩模与投射系统之间。沉浸技术在本领域是已知的，用于增大投射系 统的数值孔径。如在本文中使用的术语"沉浸"并非意味着诸如衬底之类的结构必须浸入 液体中，而是仅意味着在曝光期间液体位于投射系统和衬底之间。
[0061] 参照图1，照射器IL从辐射源S0接收辐射束。源和光刻设备可以是单独的实体， 例如当源是受激准分子激光器时。在这些情形下，源并未视作形成了光刻设备的一部分，并 且辐射束在包括例如合适的引导反射镜和/或扩束器的束传输系统BD的辅助下从源S0传 至照射器IL。在其他情形下，源可以是光刻设备的整体部分，例如当源是水银灯时。源S0 和照射器IL以及如果需要的话与束传输系统BD -起可以称作辐射系统。
[0062] 照射器IL可以包括用于调整辐射束的角强度分布的调节器AD。通常，可以调整在 照射器的光瞳面中的强度分布的至少外径向范围和/或内径向范围（通常分别称作〇-外 和内）。此外，照射器IL可以包括各种其他部件，诸如积分器IN和聚光器C0。照射器 可以用于调节辐射束，以在其剖面中具有所需的均匀度和强度分布。
[0063] 辐射束B入射在图案形成装置（例如掩模MA)上并且由图案形成装置而图案化， 图案形成装置被保持在支撑结构（例如掩模台MT)上。已经遍历掩模MA，辐射束B穿过投 射系统PL，投射系统将束聚焦至衬底W的目标部分C上。借助于第二定位器PW和位置传感 器IF (例如干涉仪装置、线性编码器、2D编码器或者电容性传感器），衬底台WT可以精确地 移动，例如以便于在辐射束B的路径中定位不同的目标部分C。类似地，第一定位器PM和 另一位置传感器（图1未明确示出）可以用于相对于辐射束B的路径而精确定位掩模MA， 例如在从掩模库机械获取之后或者在扫描期间。通常，可以借助于形成第一定位器PM的一 部分的长冲程模块（粗略定位）和短冲程模块（精细定位）来实现掩模台MT的移动。类 似地，可以使用形成第二定位器PW -部分的长冲程模块和短冲程模块实现衬底台WT的移 动。在步进机（与扫描机相反）的情形中，掩模台MT可以仅连接至短冲程致动器，或者可 以固定。掩模MA和衬底W可以使用掩模对准标记MK1、MK2以及衬底对准标记PI、P2来对 准。尽管如所示的衬底对准标记占据了专用的目标部分，但是它们可以位于目标部分（它 们已知为划片线对准标记）之间的空间中。类似地，在其中掩模Μ上提供了多于一个裸片 的情形中，掩模对准标记可以位于裸片之间。
[0064] 所示设备可以用于以下模式的至少一个：
[0065] 1.在步进模式中，当被赋予至辐射束的整个图案一次性投射至目标部分C上（也 即单次静态曝光）时，掩模台MT和衬底台WT保持基本上固定。衬底台WT随后在X和/或 Y方向上偏移以使得可以曝光不同的目标部分C。在步进模式下，曝光区域的最大尺寸限制 了在单次静态曝光中成像的目标部分C的尺寸。
[0066] 2.在扫描模式下，当被赋予至辐射束的图案投射至目标部分C上时，掩模台MT和 衬底台WT同步扫描（也即单次动态曝光）。衬底台WT相对于掩模台MT的速度和方向可以 由投射系统PL的（缩小）放大和图像反转特性确定。在扫描模式下，曝光区域的最大尺寸 限制了在单次动态曝光中目标部分的宽度（在非扫描方向上），而扫描动作的长度确定了 目标部分的高度（在扫描方向上）。
[0067] 3.在另一模式下，当被赋予至辐射束的图案投射至目标部分C上时，掩模台MT保 持基本上固定，从而保持可编程图案形成装置，并且衬底台WT被移动或者被扫描。在该模 式下，通常采用脉冲辐射源，并且在衬底台MT每次移动之后或者在扫描期间的相继辐射脉 冲之间如果需要的话则更新可编程图案形成装置。该操作模式可以容易地应用于无掩模光 亥IJ，无掩模光刻采用可编程图案形成装置，诸如如上所述类型的可编程反射镜阵列。
[0068] 也可以采用对如上所述的使用模式的组合和/或变形或者完全不同的使用模式。 [0069] 如图2所示，光刻设备LA形成了光刻单元LC的一部分，有时也称作光刻单元或者 簇，其也包括用于对衬底执行前曝光或后曝光工艺的设备。按照惯例，它们包括用以沉积抗 蚀剂层的旋涂器SC，用以对已曝光抗蚀剂显影的显影器DE，激冷板CH以及烘焙板BK。衬底 处理器或者机器人R0从输入/输出端口 1/01、1/02拾取衬底，在不同工艺设备之间移动它 们并且随后将它们递送至光刻设备的进料台LB。通常共同称作轨道的这些装置在轨道控制 单元T⑶的控制下，轨道控制单元T⑶自身由也通过光刻控制单元LA⑶控制光刻设备的管 理控制系统SCS所控制。因此，可以操作不同设备以最大化吞吐量和处理效率。
[0070] 为了对由光刻设备曝光的衬底进行正确并且一致的曝光，需要检查已曝光的衬底 以测量诸如连续层之间的重叠误差、线厚度、关键尺寸（CD)等之类的特性。如果检测到误 差，则可以对后续衬底的曝光做出调整，尤其是如果可以足够迅速和快速完成检查以使得 相同批次的其他衬底仍然等待曝光。此外，已经曝光的衬底可以被剥离并且返工以改进产 量或者被丢弃，由此避免了对已知为故障的衬底执行曝光。在其中仅衬底的一些目标部分 故障的情形中，可以仅对于良好的那些目标部分执行进一步曝光。
[0071] 检查设备用于确定衬底的特性，并且特别是不同衬底或者相同衬底的不同层的特 性如何在层与层之间改变。检查设备可以被集成到光刻设备LA或者光刻单元LC中，或者可 以是独立装置。为了实现最快速测量，需要检查设备在曝光之后立即测量已曝光的抗蚀剂 层中的特性。然而，在抗蚀剂中的潜像具有非常低的对比度，在已经暴露至辐射的抗蚀剂部 分与尚未曝光的抗蚀剂部分之间仅具有非常小的折射率差值，并且并非所有检查设备具有 足够灵敏度以对潜像进行有用的测量。因此可以在后曝光烘焙步骤（PEB)之后采取测量， PEB通常是对已曝光的衬底执行的第一步骤并且增大了抗蚀剂的已曝光部分与未曝光部分 之间的对比度。在该阶段，抗蚀剂中的图像可以称作半潜像。也可以对已显影的抗蚀剂图 案进行测量，在此时已经移除了抗蚀剂的已曝光部分或未曝光部分，或者在诸如刻蚀之类 的图案转移步骤之后。后者的可能性限制了对故障衬底返工的可能性，但是仍然可以提供 有用的信息。
[0072] 图3示出了对由衬底w上的目标120衍射的零阶辐射和高阶辐射二者进行处理的 新颖光谱散射仪1〇〇。设备包括宽带辐射的源104,照射光学器件106,零阶检测光学器件 108以及检测器110。散射仪进一步包括一阶检测光学器件120和检测器122。
[0073] 这种散射仪可以被配置为正入射散射仪或者斜入射散射仪。在图3以及后续附图 所示的布局中，使用倾斜入射。这种布局的特定优点在于，反射光学器件可以用于照射光学 器件106和检测光学器件108,简化了当来自源104的辐射在深UV(DUV)和真空UV(VUV)波 段中时的光学器件设计。因此从源104接收的窄辐射束140形成为窄聚焦束142以入射在 目标102上。由零阶检测光学器件108接收零阶或者镜面反射辐射144,并且分裂为光谱 146。由目标102内的周期性特征衍射的一阶辐射150由一阶检测光学器件120接收，并且 分裂为光谱152。零阶或者高阶衍射辐射的光谱分别由检测器110和122捕获，并且向处 理单元130供应。每个检测到的光谱记录了强度I作为波长λ的函数。零阶光谱表示为 函数1° ( λ )，而一阶光谱表示为函数I1 ( λ )。在这一图示中，仅捕获一阶辐射作为高阶的示 例。在其他实施例中，也可以捕获二阶、三阶等。在以下说明中，为了简便将涉及一阶衍射 辐射，需要理解的是这仅是高阶衍射辐射的一个示例。
[0074] 通过从检测器110和122接收的数据，导致检测到的光谱的结构或者性状可以由 处理单元130重构。衬底W上的目标102可以是1D光栅，印刷1D光栅以使得在显影之后栅 条由固态抗蚀剂线条形成。目标102可以是2D光栅，印刷2D光栅以使得在显影之后光栅 由固态抗蚀剂柱或抗蚀剂中的过孔形成。栅条、柱或过孔可以备选地被刻蚀到衬底中。该 图案对于光刻投射设备（特别是投射系统PL)中的色差是敏感的，并且照射对称性和这些 像差的存在将在印刷的光栅的变化中显现出自身。因此，印刷的光栅的散射测量数据用于 重构光栅。诸如线条宽度和形状之类的1D光栅参数、或者诸如柱宽度或长度或形状或者过 孔宽度或长度或形状之类的2D光栅参数可以输入由处理单元130执行的重构处理中，来自 于印刷步骤和/或其他散射测量过程的知识。
[0075] 如上所述，目标在衬底的表面上。该目标将通常采取光栅中的一系列线条或者2D 阵列中的基本上矩形结构的形状。度量学中的严格光衍射理论的目的是有效计算从目标反 射的衍射光谱。换言之，获得针对⑶（关键尺寸）均匀性和重叠度量的目标形状信息。重叠 度量是其中测量两个目标的重叠以便于确定衬底上的两层是否对准的测量系统。CD均匀性 是对于跨衬底的各个光栅的均匀性的简单测量以确定光刻设备的曝光系统如何实现功能。 具体地，CD或关键尺寸是"写"在衬底上的对象的宽度，并且是光刻设备实际能够写在衬底 上的限制。
[0076] 使用如上所述的散射仪与对诸如目标102之类的目标及其衍射特性的建模结合， 可以以多个方式执行对结构的形状或其他参数的测量。在第一类型的处理（基于模型的重 构）中，基于目标形状（第一候选结构）的第一估计而计算衍射图案，并且与观测到的衍射 图案作比较。随后对称地改变模型参数以及在一系列迭代中重新计算衍射，以产生新的候 选结构，并且因此达到最佳匹配。在第二类型的处理中，预先对于许多不同候选结构计算衍 射光谱以形成衍射光谱的"库"。随后将从测量目标观测到的衍射图案与计算得到光谱库做 比较以找到最佳匹配。这两种重构方法原则上对于使用其他类型散射仪的本领域技术人员 而言是已知的。本领域技术人员将能够易于采用重构方法以使用由在本文中所公开的新颖 仪器获得的光谱。基于模型以及基于库的方法可以一起使用。例如，可以从库获得粗略匹 配，随后采用迭代工序以找到最佳匹配。用于执行基于模型的重构的示例性技术是严格耦 合波分析以及非线性回归。通常，用于重构的结构的通常形式是已知的，并且从通过其制造 结构的工艺的认识假设一些参数，仅留下结构的少数参数将要由散射仪数据确定。
[0077] 通过捕获诸如一阶衍射辐射之类的高阶衍射，图3的新颖光谱散射仪可以使用用 于约束模型或者增强库的附加的参数，从而改进了度量的质量。检测器可以单独地测量横 向磁偏振光和横向电偏振光的强度，和/或横向磁偏振光与横向电偏振光之间的相位差。
[0078] 图4示意性示出了稍微更详细的照射光学器件106与零阶检测光学器件108。源 104标注为S，并且包括例如产生DUV辐射的宽广光谱的氘气放电源。这些源例如可以从日 本的滨松光子公司购得。如果优选地可以使用其他类型的源，例如激光驱动光源（LDLS)，可 从Energetiq公司购得。标注为A的孔板限定了至照射光学器件的入口孔径。孔径可以例 如为100x200um并且形状为椭圆。偏振器P1选择来自束140的光的一个偏振分量，并且将 其传递至聚焦反射镜Ml，Ml将偏振束聚焦为照射目标102的光斑164。由反射镜Ml形成 的照射光学器件形成了孔径A的缩微图像，以使得例如20um直径的小光斑形成在目标上。 因为倾斜的入射角，由孔径A限定的椭圆光斑转换为目标上基本上圆形的光斑。
[0079] 聚焦的照射光斑160的镜面反射是零阶反射束144,其由形成检测光学器件108的 一部分的第二聚焦反射镜M2所捕获。检测器110示出为特定形式，具有第一和第二像素阵 列检测器ll〇a和110b以及中心焦点检测器110c。反射镜M2被布置为将光斑160的图像 聚焦至焦点传感器ll〇c位置的检测器110上。第二偏振器P2和衍射光栅G也在检测光学 器件内。偏振器P2用作分析仪以阻挡具有不希望的偏振的辐射。衍射光栅G在该示例中 是简单透射相位光栅，而不是传统的光谱光栅。然而传统的光谱光栅将被设计为具有诸如 "闪烁"的特征以便于将尽可能多的辐射集中为一阶光谱，在该系统中使用的相对简单的相 位光栅产生了零阶束144的成对的对称布置的一阶光谱。这些光谱在图4中标注为146a 和146b，并且分别由像素阵列检测器110a和110b捕获。零阶辐射144的部分162直接穿 过光栅G以在焦点检测器110c上形成光斑160的图像。假设检测光学器件具有类似于照 射光学器件的缩小率的放大率，焦点传感器的上光斑直径可以是类似于孔径A的尺寸。与 已知角度分辨散射仪的大NA (数值孔径）相比，照射光学器件和检测光学器件的NA远远更 小并且是0.1的量级。
[0080] 如箭头164和166所示，偏振器P1和P2可以旋转以选择任何所需的偏振。不同的 偏振可以用于不同的测量，如上所述，增强了分析可用的数据量。在该设备中有用的偏振器 的特定形式是罗森棱镜，如详细插图中166处所示。罗森棱镜由两块双折射材料形成。对 于在该示例中所述的波长，氟化镁晶体是适用的。如在详细插图中所示，来自左侧的未偏振 光线被分为其寻常光线以及非寻常光线分量。具体地，在插图平面中被偏振的寻常光线（〇) 直通穿过棱镜而没有偏转，而具有页面中偏振的非寻常光线（e)偏转。仅寻常光线传播穿 过光学系统。如果需要的话，可以由挡片168主动地阻挡非寻常光线。可以可选地由检测 器（169,虚线示出）检测非寻常光线。这可以例如有助于作为对于光学信号强度变化的监 控方式，而无需挪用任何希望需要的辐射。
[0081] 分析偏振器P2也可以由罗森棱镜传统地形成。罗森棱镜的光程长度可以例如为 20 至 30mm。
[0082] 为了避免术语混淆，有用的是记住目标102与光栅G是用作衍射光栅的周期性结 构。因此，在图4右手侧处所示进入零阶检测光学器件的束是由目标102反射的零阶束。在 检测光学器件自身内，光栅G形成了分光仪的一部分，并且光谱146a和146b包括差分衍射 光栅G的一阶衍射辐射，而照射在焦点检测器110c上的束162是衍射光栅G的零阶束。
[0083] 除了具有非常简单的光学系统之外，对于UV区域中非常短波长辐射有利的，以所 示方式产生两个光谱和聚焦束162为光谱散射仪的新设计带来了优点，如以下所述。这些 优点独立于通过处理由目标1〇2(图4中未示出）衍射的高阶辐射而带来的优点。第一优 点在于，焦点检测器ll〇c上光斑图像的位置根据光斑160如何良好地聚焦在目标102上而 改变。焦点检测器可以例如包括简单分裂式光电二极管。与理想焦点的偏差引起了焦点检 测器上光斑位置的偏差，其可以用于反馈机构（未示出）中以保持光斑尽可能被聚焦。如 果需要的话，可以微调光栅G的特性以使得仅允许小比例辐射进入该束以用于聚焦，从而 最大化了一阶光谱中的能量，这对于测量目的是感兴趣的。用于该聚焦机制的致动器可以 例如被布置为上下移动衬底W以恢复合适的焦点。将参照图5描述光学系统的备选设置， 其中进一步简化了聚焦。
[0084] 参照图5,图4所示光谱散射仪的重布置版本具有不同布局的基本上相同部件。具 有与图4中所示那些的相同附图标记或标注的部件具有基本上相同的形式和功能。差别 可以在于放大率，入射角等等。在该修改布置中辐射的光程被折叠以便于提供更紧凑和垂 直分布的设备。这种布置可以更好地安装在仪器外壳中，特别是其位于已有的度量系统旁 边。在实际仪器中，可能需要具有适用于一些任务的新散射仪，而也可以提供用于其他任务 的已知形式的光谱散射仪和/或角分辨散射仪。光程的折叠通过如图中附加的反射镜M3、 M4、M5实现。反射镜M4与Ml之间、以及反射镜M2和偏振器P2之间的光程区段相互平行， 并且正交于衬底W的平面。通过该布置，可以由致动器170控制将光斑160聚焦至目标上， 这简化了包括反射镜Ml、M2的组件的上下移动。如此方式，由焦点致动器移动的物质的量 可以远小于如果需要移动整个衬底台或者散射仪的整个光学系统来实现聚焦的情形。
[0085] 也如图5所示，并且同样可选地存在于图4中的布置是滤光片172,其具有旋转对 称的透射滤光片，具有在径向方向上的逐渐降低的透射率。该滤光片确保了充分抑制了光 学器件的点扩展函数中的旁波瓣，导致了目标区域外的较少的光"泄漏"。以下将参照图14 和图15进一步描述适用于DUV波长这种滤光片的示例及其对于散射仪性能的影响。
[0086] 正交于衬底平面的轴线示出在图中并且标注为0。零阶束的入射角和反射角分别 标注为θρ θρ在实际实施例中，入射角可以例如为60°。对于零阶束，反射角当然等于 入射角。与图4的双反射镜布置相比，图5的布置明显更复杂，并且需要附加的部件。然而， 避免了折射光学部件，支持反射光学器件。这对于其中辐射处于DUV波段的下一代仪器具 有特定优点。
[0087] 此外，来自存在于每个所述实施例中的目标102以及一阶检测光学器件120的一 阶衍射辐射为了简明并未示出在图5中。如以下进一步详述，在以一阶衍射辐射被偏转到 图平面之外的方式配置和使用所述示例中的设备，以使得一阶检测光学器件无需与零阶光 学器件共用空间。
[0088] 图6示出了在本发明实施例中光谱光栅G的形式，并且进一步示出了在图4和图 5实施例中使用的技术，以避免在不同偏振的光谱之间交叉串扰。
[0089] 图6A是相位光栅G的平视图，具有光栅线条180。图6B是相位光栅的剖视图。在 该示例中的光栅是透射式的，并且由对于所使用辐射透明的玻璃或晶体制造，并且具有不 同于周围介质的特定折射率。石英可以用于本示例中，每个光栅线条180包括不同厚度的 部分，在该情形下为具有周期或节距P和高度h的简单矩形波图案。一些入射辐射（此处 示出为到达光栅的背侧处）直通穿过光栅以形成零阶束162。辐射的其他部分被衍射为具 有取决于节距P和波长λ的一阶束146a、146b。
[0090] 如图6B所示光线是平行并且单色的。其中光线包含不同波长的辐射，则不同角度 的衍射使得高阶束分解为光谱。其中光线不平行，则可以引入光谱的一些模糊，如以下所 述。零阶束和高阶束的相对强度可以通过微调光栅的高度h而调整。微调可以特别用于强 调一阶，也即波长范围的特定区段，并且衰减另一区段。可以如下所述开发这种工具，以至 少部分地补偿光源和检测器的非均匀光谱响应。
[0091] 衍射光栅G在其他实施例中可以是反射型光栅而不是如所示的透射型。反射型光 栅可以替代折叠反射镜中的反射镜，例如图5示例中的反射镜M5,或者其可以为附加部件， 具有合适的布局适配。光栅可以形成在曲面反射镜上，但是具有复杂度增加的结果。这些 示例中的光栅是相位光栅，其比振幅光栅具有更大的效率（较低的光损耗）。然而，设备将 以与振幅光栅相同方式运作。
[0092] 如已经所述，分析偏振器P2可以包括具有类似于用于P1的偏振棱镜166的形式 的罗森棱镜。然而离开棱镜P1的辐射是单个线性偏振，与目标102的互相作用可以引起一 定程度的去偏振，从而引入了正交分量。在第二棱镜P2中，取决于其定向，可以选择其正交 分量用于分析，或者可以选择原始偏振。然而，根据罗森棱镜P2的功能，寻常分量和非寻常 分量（〇光线和e光线）均从棱镜射出，仅稍微沿不同方向。因此如果不采用精心的设计， 则可能使得不希望的（e光线）辐射将照射光栅G并且其光谱将重叠了希望的（〇光线）辐 射的光谱。
[0093] 如图6A所示，〇光线可以被垂直或水平偏振，并且e光线将以与其90度而被偏振。 为了使得由检测器ll〇a和110b检测的光谱仅包含希望的偏振，设置光栅G使其线条180 与偏振轴线成不同角度。为了方便该角度可以是45度。光线展开以形成光谱的角度因此 不同于e光线与〇光线偏离的角度。如图6B所示，检测器110a和110b类似地被定向为45 度，以便于接收〇光线光谱146a和146b。与此同时，因为e光线相对于图的平面而垂直或 者水平位移，所以任何e光线光谱146a'、146b'、146a"或146b"位移出检测器位于其上的 线条。
[0094] 现在参照图7,本领域技术人员理解的是，诸如光谱散射仪之类的仪器可以仅执行 如所需要的，如果在检测器处存在越过感兴趣光谱的辐射的足够强度以用于将要在合理时 间量程上进行的有用测量。图7a示出了在孔径A转换为表示了采集时间中光子数目的光 子数量N A之后市场可售的氘源104的强度光谱。采集时间可以例如在实际仪器中为20ms。 在该示例中源104在较短波长（200nm)处具有相对高强度，其在光谱较长端（400nm)处降 至基本上较低的水平。图7b示出了示例性照射和检测光学器件的、从孔径A至检测器110 的净效率NE。这表示了在给定波长下到达检测器的光子的比例。这包括例如在第一偏振器 P1处光子50%的损耗，并且假设在反射镜Ml、M2等处特定的反射率，以及衍射光栅G的特 定效率。重要的是，可以通过更有效的设计以及其中源较弱的那些波长来修改光栅的效率， 以便于实现在净效率光谱NE的形状中的补偿效应。因此，如在该示例中所示，可以选择效 率光谱以相对于那些更强的波长而增强在源光谱中较弱的那些波长。
[0095] 图7c示出了由穿过照射光学器件和检测光学器件的入射光子与净效率组合而得 到的、在检测器处每个波长处的光子数目ND。可以看到，在检测器处的光子数目在较低波 长处仍然基本上高于在较长波长处。然而，该光子数目的下降与检测器110的灵敏度s D的 对应升高相匹配，以实现对于作为整体的仪器的相对平滑的响应。自然，响应将绝非完全平 缓，但是可以被建模和/或测量以产生将要应用于处理单元130内的校正曲线。图8示出 了像差现象，由于检测光学器件非常简单的特性而发生形成光谱146a和146b。具有直径D 的光斑190来自光栅G的零阶束162而形成在焦点检测器上。通过由具有周期P的光栅的 动作偏转的光线而形成一阶光谱（例如光谱146a)。光谱中每个波长λ在该角度处偏转的 角度Θ取决于波长以及光栅周期，如所示。
[0096] 然而，在传统的分光仪中，开始确保到达光栅的光线是平行的，在该简单光学系统 中，光线如所示会聚至光斑190。因此，它们并非平行的，非平行的量取决于数值孔径ΝΑ。 因此，对于衍射光谱中每个波长，光线并未完美聚焦至光斑，并且光斑192由于像差而变得 模糊。检测器ll〇a放置在如虚线轮廓所示的角度处，以便于获得聚焦光谱的最佳近似。像 差可以如图9所示进行建模，基于具有近似为NA = 0. 01、L = 100謹、D = 200以及P = 200 μ m的参数的设计而给定将由分光仪报告的波长的不确定度△ λ。光谱的该模糊量在 用于有用仪器的可接受限值内。此外，因为可以非常良好地对模糊的起因建模，所以可以计 算模糊的量，因此处理器130可以对于测得光谱采用去卷积，并且进一步改进精确度。
[0097] 图10示出了新颖布置的一些优点，其中对称相对的光谱同时被记录在两个检测 器110a和110b上。每个检测器可以例如包括具有1024像素乘以16像素的C⑶阵列。较 长方向上的每个像素位置表示光谱上不同的点。由跨阵列的较短方向的像素测量强度，被 集成为单个数值。如检测器所见的示例性光谱由曲线Ι α (λ)和IbU)表示。应该注意的 是，如将预期的，相互镜像成像的光谱集中在焦点检测器ll〇c上。来自两个传感器的数值 可以组合（平均）以获得根据公式Ι(λ) = (Ia(A)+Ib(A))/2而对给定波长处光谱强度 的测量。
[0098] 用于光谱散射仪的重要性能参数是所报告的光谱抵抗由目标102上的光斑160的 焦点的偏移而导致的误差的鲁棒性。通常，焦点中的误差ΛΖ将产生所报告的波长的精确 度的误差Λ λ (ΛΖ)。因此，在已知的光谱散射仪中，需要非常紧密地控制焦点以减小偏移。 另一方面，在用于本实施例的对称设计中，焦点偏移对于所报告的波长具有远远更小的影 响。为了理解为何是这种情形，应该注意的是焦点偏移将引起在相同方向上的两个光谱的 偏移Λ λ (ΛΖ)，而同时所报告的波长在两个传感器上沿相反方向变化。因此，在由检测器 ll〇a报告的向光谱中的较长波长的偏移由在检测器110b中向较短波长偏移而补偿。因此， 当散焦导致所报告的光谱模糊时，并未由焦点误差引起在波长方向上的偏移。因此，可以弛 豫聚焦系统的性能参数，导致更简易的结构和/或更快速的测量性能。如果需要的话，因为 由散焦引起的附加光谱模糊易于被建模，处理器130可以使用来自聚焦系统的误差信号而 考虑到这一点。
[0099] 除了提供焦点误差信号之外，检测器110c可以用于测量照射总体强度的变化，以 便于在处理测得的光谱之前对于这些变化进行校正。这避免了在系统中其他地方提供单独 的传感器的需要。
[0100] 作为光谱散射仪的对称设计的另外优点，可以获得关于在散射仪的视焦距位置的 取决于波长的变化的信息（表观表面下沉或ASD)。这接着可以有助于预测在后续图案的曝 光期间影响了对衬底高度测量的取决于工艺的ASD效应。以下将参照图16和图17示出并 且描述利用了该趋势的示例性的设备和方法。
[0101] 图11示出了在如上所述诸如光谱散射仪之类的仪器的校正中有用的简单装置 200。在可以精确测量并计算真实目标102的光谱响应之前，特别需要为了校正目的而测量 并且存储对于完整仪器的光谱响应。当向较短波长（诸如DUV波长）移动时，参考反射器 的可用性变成问题。在这些波长处，传统的反射材料展现了它们自身的波长相关性。装置 200包括诸如石英或熔融硅石之类的的高透明材料的棱镜，其并未展现出对于感兴趣波段 的较大波长依赖性。本装置可以位于仪器的衬底支撑部WT上，以使得入射的光线201由在 表面202处的全内反射进行反射，以给出外出光线203。入口面204和出口面206被实现以 使得它们完全正交于入射光线200和203的方向，并且没有发生偏转。入口面和出口面可 以可选地给定小的曲率，其匹配入射束和反射束的汇聚和发散。如此方式，光线垂直地"撞 击"了表面，因此减小了由表面引起的束畸变。
[0102] 射出光线203的强度Ικ通过反射因子R而与入射光线201的强度Ιο相关，其中R 已知具有非常高精度，并且仅取决于形成了棱镜的材料的折射率。对于反射率R的公式为
[0103] R = t2a,
[0104] 其中a是棱镜材料的吸收率，以及t是每个面204、206处的透射率。假设折射率 η在每个波长下已知，透射率t可以由菲涅尔方程计算得到
[0105] t = 4n/(l+n)2
[0106] 通过使用该精确参考装置而简化了否则将具有挑战性的、完整仪器的光谱响应的 校正过程。为了校正具有不同入射角的仪器，可以制作不同的棱镜。备选地，如果需要的话， 可以制造具有不同角度的刻面的单个棱镜。
[0107] 图12示出了包括相互成直角布置的两个例如图4或图5所示类型光谱散射仪的 实际设备的布局。每个散射仪将称作完整仪器的分支，以及这些分支为了方便标注为分支A 和分支B。需要记住的是，目标102在典型情形下具有衍射光栅的形式，该光栅的线条示出 为在图中垂直地定向，即平行于Y轴线。散射仪分支A和B定向为相互成直角，以使得均与 X和Y轴线成45°。因此分支A的入射束示意性从底部左侧的源SA传播，从目标反射并且 在图的右上部分处进入检测光学器件（未示出），而同时分支B的入射束从底部右侧的源 SB传播，从目标反射并且在图的左上部分处进入检测光学器件。
[0108] 提供两个独立的散射仪分支并且相互成直角放置它们，并且与目标光栅成45°， 这实现如现在将阐释的增强的功能。首先，通过从两个不同方向测量相同目标光栅，可以以 各种方式比较来自分支A和B的测量结果。在一个示例性测量过程中，两个分支用于入射 辐射的不同偏振，这避免了对于切换偏振以获得对不同偏振的目标的测量的需要。仪器的 吞吐量可以大大增大，因为切换偏振通常需要仪器内的机械改变，具有相关的延迟和设置 时间。在另一应用中，采用相同偏振用于两个分支中，可以比较从不同方向获取的目标光栅 的零阶光谱以获得关于光栅结构的非对称性的信息。这可以用于例如测量在光刻单元的分 辨率限制下制造的结构的重叠误差。这些仅是由作为分支A和分支B并行工作的两个光谱 散射仪所提供的增强功能的两个示例。
[0109] 除了如刚才所述的功能之外，提供其零阶光程与目标光栅102的线条成角度的一 个或两个光谱散射仪使得在位于零阶光程平面外的位置处检测到来自目标的高阶散射测 量光谱。再次参照图12,来自分支A的入射辐射通常沿箭头A 1所示方向到达，而零阶辐射 沿箭头A°所示方向进入分支A的检测光学器件。来自目标的一阶衍射辐射根据"圆锥衍射" 的已知原理以由箭头A 4所示角度离开。类似地，对于分支B的零阶和一阶衍射辐射分别沿 着由箭头B°和B+1所示的方向。
[0110] 再次参照图4中所示总体布局，应该知晓的是用于散射仪的每个分支的一阶检测 光学器件120被定位以便于沿着方向A 4和B+1中断束。此外，如参照图13所示，分支A和 B的一阶束附近允许用于两个分支的一阶量的检测光学器件使用共用的部件而组合。
[0111] 图13a是如上所述的仪器中的一阶检测光学器件120的示意性平视图，而图13b 是相同检测光学器件沿着X轴线看到的示意性侧视图。每个视图a和b为了简明的原因仅 是局部的。后缀"A"或"B"指示了属于分支A或分支B的一阶检测光学器件的部件。其中 缺省后缀时，视图同属于两个分支。后缀"a"或"b"指示了与两个相对光谱的一个相关联 的部件，类似于在图4至图6中使用的后缀a或b。再次，其中在该上下文和/或附图中缺 省后缀a或b时，特征同属于两个光谱。一阶检测光学器件120的第一部件是椭圆反射镜 区段210,其从仪器的分支A和B汇集了一阶衍射束150A和150B，并且在检测器122的方 向上聚焦它们。在这些束的每一个的光程中，提供附加的衍射光栅212以将一阶束扩展为 光谱，对于每个分支A和B的光谱分别标注为152A和152B。
[0112] 读者将知晓的是，一阶衍射束150中的辐射自身是光谱，根据目标光栅的节距与 照射波长λ之间关系而扩展。绘制了以下三个不同波长的光线，将看到的是各自在不同地 方处穿过光栅212。现在，获取光谱的谱线并未提供更好的光谱。然而，一阶检测光学器件 的设计使得由光线到达检测器122的时间抵消由于目标光栅自身的光谱效应。这通过确保 这一点而简单实现，但是对于存在光谱光栅212而言，反射镜210将来自目标上的光斑160 的所有一阶辐射聚焦成检测器122的平面中的光斑图像160'。因此，当光栅212将辐射扩 展为成对的光谱152a和152b时，检测器122a和122b接收仅由光栅212的光谱效应确定 并且独立于目标光栅的光谱效应的光谱。因此无需首先将一阶辐射聚焦至一点，并且随后 送至单独的分光仪。
[0113] 如在零阶分支的情形中，光栅可以制成透射式或者反射式，并且可以是相位光栅 或振幅光栅。在反射式光栅的情形中，光谱光栅可以例如制造在椭圆反射镜210的表面上。 (线条的几何形状在该情形下将为图13c所示的畸变版本，但是这可以通过例如光刻技术 进行计算和形成。）
[0114] 如侧视图所示，检测器122的"平面"可以制作为大致弯曲，以补偿光谱152a和 152b的不同部分的焦点的像差。该像差对于零阶检测光学器件而言与参照图8至图10如 上所述的严格相同。如之前，如果需要的话，可以通过信号处理简单地建模并且校正光谱的 所产生的模糊。
[0115] 如图13c所示，一阶光谱光栅212具有成45°布置的线条，类似于如图7a所示的 零阶光栅。单独的光栅部分212A和212B提供用于来自两个分支A和B的、具有相反的45 ° 定向的光线。图13d示出了成组的四个检测器1224&、122八13、1228&、122813，其以类似于参 照图7至图10如上所述的零阶检测光学器件的工作的方式而汇集对于分支A和B的一阶 辐射的对称光谱。中心检测器122c是可选的，但是可以例如被布置为测量一阶束的零阶强 度，和/或为一阶检测光学器件提供独立焦点信号。高阶检测光学器件的独立聚焦可能在 实际中是不必要地复杂的，因为一阶检测光学器件可以被设计并且制造为具有与零阶检测 光学器件相同的焦点。在该完全对称布置中，如果提供的话，中心检测器122c将接收来自 分支A和B的束，然而这将需要考虑这种检测器的设计和操作。
[0116] 因为用于形成高阶光谱的光栅212不同于目标光栅，所以可以设计其性能以实现 所需的光谱分辨率，并且其中一个独立于目标光栅间距。这与已知的Μ0ΧΙΕ方案是相反的， 在Μ0ΧΙΕ方案中目标光栅依赖于执行光谱分析。
[0117] 总之，已经采用许多与众不同的并且有用的特征描述了光谱散射仪设备。除了对 从目标反射的零阶辐射的光谱进行分析之外，也捕获一阶衍射辐射并且单独地分析其光 谱。通过数字处理来组合这些分析的结果，以获得对目标的各种特性的测量。在从零阶和 /或高阶辐射获取光谱时，可以实施基于简单相位光栅的新颖分光仪设计，其中检测并且组 合两个对称的光谱以获得测得的光谱。组合的光谱对于焦点改变是相对不敏感的，而穿过 相位光栅的零阶束可以直接用作焦点传感器。
[0118] 所述示例的其他特定特征为仪器的实施方式和/或性能带来优点。例如，将光谱 光栅放置在与所分析辐射的偏振成角度处允许获得不具有在寻常光线和非寻常光线之间 交叉串扰的光谱。作为另一示例，将仪器的光程放置在与目标光栅102的定向成角度的平 面内，高阶衍射辐射变得偏离该平面之外，此时其可以更易于由高阶检测光学器件捕获。通 过提供散射仪的正交分支，可以同时进行对相同目标光栅的多个测量。例如，可以采用不同 偏振进行这些测量，或者可以采用相同偏振进行这些测量，以获得关于目标光栅的非对称 性的信息。实际上，这些技术可以对每个目标组合以获得全套测量。对于入射辐射的每个 偏振，分析偏振器P2可以旋转至两个不同定向，给出总计四个测量以发现散射光谱的偏振 相关性。
[0119] 可以汇集并处理来自仪器的多个分支的高阶光谱以添加至用于重构可用的光谱 信息。采用精心的设计，光学部件可以在不同分支的高阶检测光学器件之间共用。可以获 得一阶和高阶衍射光谱。原则上，分析偏振器将在检测器122之前被包括在高阶束中，类似 于零阶分支中的偏振器P2。然而，偏振器的缺失使得光学器件更简单。在一阶分支中，光已 经由度量目标分散为不同角度。结果，光的角度发散向远远大于零阶分支的情形。这限制 了可以使用的偏振器类型。在UV波段中，当前没有可以处理这种发散光束的偏振器。
[0120] 参照对目标光栅中的非对称性的测量，这可以扩展至对重叠误差的测量，假设其 重叠被测量的两层之间的材料对于所使用的辐射足够透明。
[0121] 设备的上述和大量其他应用对于本领域技术人员而言是明显的，并且本发明不限 于在任何特定测量中的应用。设备的大量修改和改变可以视作落入本领域技术人员能力范 围内。如已经所述，例如，本发明的实施例可以汇集比一阶更高阶的衍射辐射，并且获得对 于这些将要在重构或者其他度量任务中处理的辐射的光谱。尽管具有相互成直角布置的两 个等同散射仪的布置提供了特定的通用性，但是并非必须这些散射仪是等同的，如果一个 优选地具有不同性能。例如，它们均具有高阶分支并非必须的。其中两个散射仪具有高阶 分支，则它们不必共用诸如椭圆反射镜210之类的部件，如果另一布置将更实际或者提供 更高性能。其中已经示出了诸如反射镜Ml至M5以及椭圆反射镜区段210之类的光学部件 的特定数目，当然可以设计具有更多或更少数目元件的光学系统。例如，尽管不必在当前计 划的应用中实现良好性能，但是可以通过更复杂的检测光学器件减小由于像差导致的光谱 模糊。本领域技术人员将知晓的是，总是在某些方面改进性能、与通过找寻更复杂布置而引 入退化性能和/或增高成本之间存在权衡。
[0122] 图14详细示出了被包括在通过对源成像而产生光斑的照射光学器件中的滤光 片。在图5的设备中，例如，滤光片是滤光片172,源由孔径A表示。照射光学器件包括示 出为透镜但是在该示例中以反射镜Ml形式实施的聚焦元件。聚焦的照射光斑标注为160。 在光谱散射仪中，所有测量光投射在度量目标内（换言之：光斑应该"未充满"光栅）是有 利的。度量目标外的任何杂散光可以潜在地导致度量误差，特别是如果产品特征或其他目 标存在于这些区域中。
[0123] 在没有滤光片172的情况下，衍射意味着在晶片上成像了照射光斑的光学器件的 点扩展函数IPSF是旋转对称的艾里函数：
[0124]

【权利要求】
1. 一种检查设备，包括光谱散射仪，所述光谱散射仪具有： 照射光学器件，用于将具有入射角的宽带辐射引导在目标结构上的光斑处，所使用的 所述目标结构包括周期性光栅； 零阶检测光学器件，用于接收从所述目标反射的辐射，以及用于形成并且检测反射辐 射的光谱；以及 高阶检测光学器件，用于接收由所述目标结构中的所述周期性光栅以一个或多个高阶 衍射的辐射，以及用于形成并且检测所接收的衍射辐射的光谱。
2. 根据权利要求1所述的检查设备，其中，所述高阶检测光学器件包括： -聚焦装置，用于将从所述光斑发出的高阶衍射辐射聚焦为包括所有辐射波长的图像 光斑， -至少一个高阶光谱检测器，被定位到所述图像光斑的至少一侧，以及 -衍射光栅，被定位在所述光斑与所述图像光斑之间的光程中，以便于在所述高阶光谱 检测器上形成所述高阶衍射辐射的光谱。
3. 根据权利要求2所述的检查设备，其中，所述衍射光栅是对称的以便于形成所述高 阶衍射辐射的对称光谱对，并且提供成对的光谱检测器以便于捕获所述光谱对中的两个光 谱，所述设备进一步包括用于组合来自两个检测器的测量以获得单个检测光谱的处理器。
4. 根据前述权利要求任一项所述的检查设备，其中，所述照射光学器件和所述零阶检 测光学器件处理总体上在垂直于所述目标结构的平面的第一平面中的辐射，而所述高阶检 测光学器件被布置为处理在相对于所述第一平面成角度的第二平面中的辐射，作为所述目 标结构中的所述周期性光栅的线条相对于所述第一平面倾斜定向的结果，在所述设备的使 用期间所述高阶衍射辐射进入所述第二平面。
5. 根据前述权利要求任一项所述的检查设备，被布置用于采用波长短于400nm的辐射 进行操作，其中，所述照射光学器件包括用于将所述辐射聚焦为所述目标结构上的光斑的 一个或多个曲面反射镜，而所述零阶检测光学器件和所述高阶检测光学器件各自包括用于 将所述光斑的图像聚焦在光谱检测器一侧的点处的一个或多个曲面反射镜。
6. -种检查设备，包括光谱散射仪，所述光谱散射仪具有： 照射光学器件，用于将具有入射角的宽带辐射引导在目标结构上的光斑处； 检测光学器件，用于接收从所述目标结构以零阶或高阶衍射的辐射，以及用于形成并 且检测衍射辐射的光谱， 其中，所述检测光学器件包括被布置为形成反射辐射的对称光谱对的对称衍射光栅， 以及其中成对的光谱检测器被布置为检测两个所述光谱，所述设备进一步包括用于组合来 自两个检测器的测量以获得所述反射辐射的单个检测光谱的处理器。
7. 根据权利要求6所述的检查设备，其中，另一检测器被布置为接收所述光栅的零阶 束，所述另一检测器位于总体上在所述成对的光谱检测器之间的点处，以及其中来自所述 另一检测器的信号用于监控所述目标结构上的所述光斑的焦点。
8. 根据权利要求6或7所述的检查设备，包括被布置用于同时测量相同目标结构的总 体上类似形式的第一光谱散射仪和第二光谱散射仪，其中每个散射仪的照射光学器件和检 测光学器件被布置为处理总体上在垂直于所述目标结构的平面的第一平面中的辐射，以及 其中所述第二散射仪的第一平面与所述第一散射仪的第一平面成角度布置。
9. 根据权利要求6至8任一项所述的检查设备，其中，所述检测光学器件被布置为捕获 零阶衍射辐射，所述零阶衍射辐射为从所述目标结构反射的辐射，所述检测光学器件包括 在所述相位光栅之前、在所述反射辐射的光程中的分析偏振器，所述分析偏振器包括被布 置为在不同方向上传输寻常光线和非寻常光线以由此仅选择一个偏振以用于形成所述光 谱的罗森棱镜，以及其中所述相位光栅具有相对于所选择的偏振以倾斜角定向的线条，由 此不同偏振的辐射将使其光谱由在远离所述成对的光谱检测器的位置处的所述相位光栅 而形成。
10. 根据权利要求6至9任一项所述的检查设备，其中，所述检测光学器件包括用于将 从所述光斑发出的衍射辐射聚焦为在总体上位于所述光谱检测器之间的位置处的图像光 斑的聚焦装置，所述衍射光栅被定位在所述光斑与所述图像光斑之间的所述聚焦装置的光 程中，以便于在所述光谱检测器上形成所述衍射辐射的光谱。
11. 根据权利要求10所述的检查设备，被布置用于采用波长短于400nm的辐射进行操 作，其中所述聚焦装置包括一个或多个曲面反射镜。
12. 根据权利要求6至11任一项所述的检查设备，进一步包括，用于处理所述光谱以对 由在所述相位光栅的位置处非平行的所述反射辐射的光线引起的像差进行校正的装置。
13. -种测量衬底上的目标结构的特性的方法，所述目标结构包括周期性光栅，所述方 法包括：使用根据权利要求1至5任一项所述的检查设备从所述目标结构获得零阶光谱以 及至少一个高阶光谱，以及处理所测得的光谱以便于获得对所述目标结构的一个或多个参 数的测量。
14. 一种测量衬底上的目标结构的特性的方法，所述目标结构包括周期性光栅，所述方 法包括：使用根据权利要求6至12任一项所述的检查设备从所述目标结构获得光谱，以及 处理检测到的光谱以便于获得对所述目标结构的一个或多个参数的测量。
15. -种光学设备，包括用于将福射束聚焦在目标结构上的光斑处的照射光学器件，其 中所述照射光学器件包括设置在光瞳面处或附近的滤光片，所述滤光片使得所述束的传输 损耗随着距所述束的光轴的径向距离而增大。
16. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述滤光片包括具有其厚度随着径向远离中 心点而增大的金属涂层的透明衬底。
17. 根据权利要求16所述的设备，其中，所述厚度首先缓慢增大并且随后随着距所述 中心点的距离增大而以增大的速率增大，以使得所述滤光片的径向透射函数近似汉宁函 数。
18. -种测量衬底上的目标结构的特性的方法，所述方法包括：使用根据权利要求15 至17任一项所述的光学设备采用辐射光斑照射所述目标结构，检测由所述目标结构衍射 的辐射，以及处理检测到的辐射以获得对所述目标结构的一个或多个参数的测量。
19. 一种光谱散射仪，具有用于将具有入射角的宽带辐射引导在目标结构上的光斑处 的照射光学器件，用于接收从所述目标结构以零阶或高阶衍射的辐射以及用于形成并且检 测衍射辐射的光谱的检测光学器件，其中所述检测光学器件包括被布置为形成反射辐射的 对称光谱对的对称衍射光栅，以及其中成对的光谱检测器被布置为检测两个所述光谱，所 述设备进一步包括用于比较来自两个检测器的测量以获得在衬底上的所述目标结构的位 置处表观表面下沉的信息的处理器。
20. -种通过使用投射系统向衬底施加图案来执行光刻图案化步骤的方法，其中所述 投射系统的聚焦基于在跨所述衬底的多个位置处进行的高度测量，以及其中基于使用根据 权利要求19所述的光谱散射仪获得的表观表面下沉的信息而向所述高度测量施加校正。
21. -种制造器件的方法，包括通过如权利要求20所述的方法向衬底施加一个或多个 器件图案，以及处理图案化的衬底以根据所施加图案形成器件。
【文档编号】G03F7/20GK104220932SQ201380019174
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年1月31日 优先权日:2012年2月21日
【发明者】A·登博夫 申请人:Asml荷兰有限公司