检查装置、检查方法和设备制造方法与流程

本申请要求于2014年7月9日提交的EP申请14176391的权益，其内容通过参考整体结合于此。

技术领域

本发明涉及例如可在通过光刻技术的设备制造中使用的检查装置和相关联的检查方法。本发明还涉及制造设备的方法以及在实施这些方法中有用的计算机程序产品。

背景技术：

光刻装置是在衬底上、通常在衬底的目标部分上施加期望图案的机器。光刻装置例如可用于集成电路(IC)的制造。在这种情况下，图案化设备(备选地被称为掩模或掩模版)可用于生成将形成在IC的各自层上的电路图案。该图案可以转印到衬底(例如，硅晶片)上的目标部分(例如，包括管芯的部分、一个管芯或多个管芯)。图案的转印通常经由成像转印到衬底上设置的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上。通常，单个衬底将包含连续图案化的相邻目标部分的网络。已知光刻装置包括所谓的步进器以及所谓的扫描器，在步进器中通过一次在目标部分上曝光整个图案来辐射每个目标部分，在扫描器中通过在给定方向(“扫描”方向)上通过辐射束扫描图案、同时与该方向平行或反平行地同步扫描衬底来辐射每个目标部分。还可以通过将图案压印到衬底上来将图案从图案化设备转印到衬底。

在光刻工艺中，期望频繁地对所创建的结构进行测量，例如用于工艺控制或验证。用于进行这些测量的各种工具是已知的，包括扫描电子显微镜，其通常用于测量电路尺寸(CD)，并且包括特殊工具来测量光刻装置的套刻精度(在形成于不同图案化步骤中的图案之间、例如在设备中的两个层之间的对准的精度)和离焦。近来，已经开发了各种形式的散射仪以便于在光刻领域中使用。这些设备将辐射束引导到目标上并且测量散射辐射的一个或多个特性—例如，作为波长函数的反射的单个角度处的强度、作为反射角度函数的一个或多个波长处的强度或者作为反射角度函数的极化—以得到可以确定感兴趣目标的特性的“光谱”。感兴趣特性的确定可以通过各种技术来执行：例如，通过诸如严格耦合波分析或有限元法之类的迭代方法重构目标结构；库搜索；以及主成分分析。

用于确定结构参数的方法和装置例如在WO 20120126718中公开。还在US20110027704A1、US2006033921A和US2010201963A1中公开了方法和散射仪。由这种散射仪使用的目标是相对较大的光栅，例如40μm*40μm，并且测量束生成小于光栅(即，光栅是欠填充的)的照射点。除了散射测量以确定在一个图案化步骤中制作的结构的参数，方法和装置还可用于执行基于衍射的套刻精度测量。

使用衍射级的暗场图像检测的基于衍射的套刻精度度量能够实现对较小目标的套刻精度测量。这些目标可以小于照射点，并且可以通过晶片上的产品结构来环绕。多个目标可以在一个图像中测量。可以在国际专利申请US2010328655 A1和US2011069292 A1中找到暗场成像度量的示例，这些文献通过参考整体结合于此。在已公布的专利公开US20110027704A、US20110043791A、US20120044470A、US20120123581A、US20130258310A、US20130271740A和WO2013178422A1中描述了其它的技术开发。这些目标可以小于照射点，并且可以被晶片上的产品结构环绕。使用组合光栅目标，可以在一个图像中测量多个光栅。已经开发了类似的技术用于使用经修改的小目标来测量聚焦量和剂量。分别在文献WO201482938A1和US2014/0139814A1中公开了确定光刻装置的剂量和聚焦量的方法。所有提到的申请的内容也通过参考结合于此。

因此，在已知的基于强度的散射仪中，通过测量由适当目标衍射的辐射的强度来推断诸如套刻精度、CD和聚焦量之类的感兴趣参数。例如，在使用暗场成像的基于衍射的度量中，通过以使得分开地得到-1衍射级强度和+1衍射级强度的这种方式测量目标来得到结果。针对给定光栅比较这些强度，提供了对目标中的不对称性的测量。然后，根据目标的形式(其被具体设计为具有对感兴趣参数敏感的不对称性)，可以将所测量的不对称性转换为套刻精度、聚焦量或剂量的测量。

已知示例和方法仅使用不相干光源测量散射辐射的强度。目标的重构是不适定反问题，这不能在不具有关于目标的先验信息的情况下解决。为了在使用当前检查装置时解决不适定反问题，需要相对较大的目标结构以用于感兴趣参数的提取。类似地，具有小目标的已知暗场成像度量仅测量不同衍射级的强度，并且测量不期望地对工艺引起的变化敏感。也就是说，测量不能在由于感兴趣参数引起的不对称性和由工艺变化引起的不对称性或其他变化之间进行区分。

在US2012243004A1中，提出采用上述类型的散射仪来执行相干傅里叶散射测量。本修改的目的是得到衍射光谱的相位信息以及强度信息。相位信息的可用性允许更确信的重构。US2012243004A1中公开的方法需要捕获和比较多个衍射光谱以得到相位信息。因此，这带来产量的损失，也就是说，在给定时间中可以进行较少的测量。在大容量制造环境中，产量以及精度应该被最大化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光学检查装置和度量方法，其可以得到并利用来自衍射光谱的相位信息，同时更适合用于大容量制造环境。

在第一方面中，本发明提供了用于测量目标结构的特性的检查装置，该装置包括辐射源以及与光学系统组合的图像检测器，光学系统限定以下束路径：

–照射路径，用于接收来自辐射源的辐射、形成具有所选照射轮廓的照射辐射的束并将所述照射辐射聚集在衬底上的目标上；

–收集路径，用于收集来自所述目标的衍射辐射并将衍射辐射的所选部分传递至图像检测器；以及

–参考路径，用于接收来自辐射源的辐射并将参考辐射的束传递至图像检测器以便干涉衍射辐射，

其中，图像检测器包括用于捕获二维图像的像素的阵列的图像检测器，

其中，所述照射路径和所述参考路径中的至少一项包括用于偏移参考辐射的光学频率的设备，使得图像检测器处的辐射的强度包括时变分量，该时变分量具有与衍射辐射与参考辐射的频率之间的差值相对应的特征频率，

并且其中，所述图像检测器包括可参考所述特征频率操作的锁定图像检测器以针对每个像素记录表示所述时变分量的幅度和相位的信息。

在一些实施例中，装置包括处理器，用于处理所记录的幅度和相位信息以计算目标的特性的测量值。

在一些实施例中，该装置可操作用于计算针对多个目标的不对称性的测量值。处理器可进一步被配置为使用目标的所述测量值和已知特性来计算用于形成目标的光刻工艺的性能参数。性能参数例如可以是套刻精度、聚焦量和剂量中的一个。

锁定图像检测器可以位于收集路径的光瞳面或图像面中。

在另一方面中，本发明提供了一种用于测量目标结构的特性的方法，该方法包括以下步骤：

(a)利用从辐射源发射且具有所选照射轮廓的照射辐射来照射衬底上的目标；

(b)收集来自所述目标的衍射辐射并将衍射辐射的所选部分传递至图像检测器，图像检测器包括用于捕获二维图像的像素的阵列；

(c)将从辐射源发射的参考辐射的束传递至图像检测器以干涉衍射辐射，

其中，步骤(a)和(c)包括在参考辐射和照射辐射之间引入光学频率偏移，使得图像检测器处的辐射的强度包括时变分量，该时变分量具有对应于频率偏移的特征频率；并且其中，步骤(b)包括在特征频率处操作图像检测器作为锁定图像检测器，以记录表示时变分量的幅度和相位的二维图像。

本发明还提供了一种制造设备的方法，其中，通过光刻工艺在一系列衬底上形成设备特征和度量目标，其中，一个或多个被处理衬底上的度量目标的特性通过根据上述本发明的方法或检查装置来测量，并且其中，使用所测量的特性来调整光刻工艺的参数以用于其它衬底的处理。

在其他方面中，本发明提供了计算机程序产品，该计算机程序产品包含用于实施一个或多个实施例的方法步骤的机器可读指令的一个或多个序列。计算机程序产品可以包括存储在非暂态机器可读介质中的所述指令。

附图说明

现在参照附图仅通过示例描述本发明的实施例，其中对应的参考标号表示对应的部分，其中：

图1示出了光刻装置；

图2示出了光刻单元或簇；

图3(a)是根据本发明实施例的包括锁定图像检测器的检查装置的示意图，图3(b)是针对给定方向的照射的入射光线和衍射光线的细节；

图4示出了图3(a)的装置中的锁定图像检测器的操作的原理；

图5(a)和图5(b)示出了在不同的照射模式中使用图3(a)的装置得到衍射图案的幅度分量和相位分量；

图6示出了用于从图5(a)或图5(b)所示类型的衍射图案中重构结构的示例性处理；

图7(a)和图7(b)示出了分别用于根据图5(a)或图5(b)所示类型的衍射光谱确定套刻精度或其他性能参数的示例性处理；

图8(a)是根据本发明另一实施例的包括锁定图像检测器的检查装置的示意图，其适于具有小目标的暗场成像度量；

图8(b)示出了当使用图8(a)的装置执行测量时衬底上的测量点的概况和复合目标；

图8(c)示出了在图8的装置中得到的图8(b)的目标的幅度图像和相位图像；

图9示出了用于使用图8(a)的装置中的暗场成像确定套刻精度或其他性能参数的示例性处理；

图10(a)是根据本发明另一实施例的包括锁定图像检测器的检查装置的示意图，其适于具有小目标的暗场成像度量，图10(b)是用于给定方向的照射的入射光线和衍射光线的细节；以及

图11示出了检查装置，其中使用锁定成像检测器来执行椭圆偏振或偏振测量。

具体实施方式

图1示意性示出了光刻装置。该装置包括：

-照射系统(照射器)IL，被配置为调节辐射束B(例如，UV辐射或DUV辐射)；

-支撑结构(例如，掩模台)MT，被构造为支撑图案化设备(例如，掩模)MA并且连接至第一定位器PM，第一定位器PM被配置为精确地根据特定参数定位图案化设备；

-衬底台(例如，晶片台)WT，被构造为保持衬底(例如，抗蚀剂涂覆晶片)W并且连接至第二定位器PW，第二定位器PW被配置为精确地根据特定参数定位衬底；以及

-投影系统(例如，折射投影透镜系统)PL，被配置为将通过图案化设备MA给予辐射束B的图案投影到衬底W的目标部分C(例如，包括一个或多个管芯)上。

照射系统可以包括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任何它们的组合，用于引导、成形或控制辐射。

支撑结构支撑、即承载图案化设备的重量。其以根据图案化设备的定向、光刻装置的设计和其他条件(诸如图案化设备是否保持在真空环境中)的方式来保持图案化设备。支撑结构可以使用机械、真空、静电或其他夹钳技术来保持图案化设备。支撑结构可以是框架或台，例如其可以根据需要固定或可移动。支撑结构可以确保图案化设备例如相对于投影系统处于期望位置。本文对术语“掩模版”或“掩模”的任何使用可以与更一般的术语“图案化设备”同义地来考虑。

本文使用的术语“图案化设备”应该广义地解释为是指可用于为辐射束在其截面中给予图案的任何设备，诸如以在衬底的目标部分中创建图案。应该注意，给予辐射束的图案可以不精确地对应于衬底的目标部分中的期望图案，例如如果图案包括相移特征或者所谓的辅助特征时。通常，给予辐射束的图案将对应于设备中在目标部分中创建的特定功能层，诸如集成电路。

图案化设备可以是透射型或反射型的。图案化设备的示例包括掩模、可编程反射镜阵列和可编程LCD面板。在光刻中已知掩模，并且包括诸如二元、交替相移和衰减相移的掩模类型以及各种混合掩模类型。

本文使用的术语“投影系统”应该广义地解释为包括任何类型的投影系统，包括折射、反射、折反射、磁、电磁和静电光学系统或者任何它们的组合，适当地根据所使用的曝光辐射或者其他因素(诸如浸液的使用或真空的使用)。本文对术语“投影透镜”的任何使用可以与更一般的术语“投影系统”同义地来考虑。

如本文所示，装置是透射型的(例如，采用透射掩模)。备选地，装置可以是反射型(例如，采用上面所述类型的可编程反射镜阵列或者采用反射掩模)。

光刻装置可以是具有两个(双级)或更多衬底台(和/或两个或多个掩模台)的类型。在这种“多级”机器中，可以并行地使用附加台，或者可以在一个或多个台上执行预备步骤，而将一个或多个其他台用于曝光。

光刻装置还可以是如下类型的：其中衬底的至少一部分可以被具有相对较大折射率的液体(例如，水)覆盖以填充投影系统与衬底之间的空间。浸液还可以应用于光刻装置中的其他空间，例如掩模和投影系统之间。本领域中已知浸没技术用于增加投影系统的数值孔径。

参照图1，照射器IL接收来自辐射源SO的辐射束。源和光刻装置可以是分开的实体，例如当源是准分子激光器时。在这种情况下，可以不考虑将源形成光刻装置的一部分，并且利用例如包括适当的定向反射镜和/或扩束器的光束传递系统BD，将辐射束从源SO传输至照射器IL。在其他情况下，源可以是光刻装置的集成部分，例如当源是汞灯时。根据需要，源SO和照射器IL与光束传递系统BD一起可以被称为辐射系统。

照射器IL可以包括用于调整辐射束的角强度分布的调整器AD。此外，照射器IL可以包括各种其他部件，诸如积分器IN和冷凝器CO。照射器可用于调节辐射束，以在其截面中具有期望的均匀性和强度分布。

辐射束B入射到保持在支撑结构(例如，掩模台MT)上的图案化设备(例如，掩模MA)上，并且通过图案化设备进行图案化。在穿过掩模MA后，辐射束B经过投影系统PL，投影系统PL将束聚焦在衬底W的目标部分C上。利用第二定位器PW和位置传感器IF(例如，干涉测量设备、线性编码器、2D编码器或电容传感器)，可以精确地移动衬底台WT，例如以在辐射束B的路径中定位不同的目标部分C。类似地，第一定位器PW和另一位置传感器(其在图1中没有明确示出)可以用于相对于辐射束B的路径精确地定位掩模MA，例如在从掩模库中机械取回之后或者在扫描期间。通常，掩模台MT的移动可以利用形成第一定位器PW的部分的长行程模块(粗定位)和短行程模块(细定位)来实现。类似地，使用形成第二定位器PW的部分的长行程模块和短行程模块来实现衬底台WT的移动。在步进机(与扫描器相对)的情况下，掩模台MT可以仅连接至短行程致动器，或者可以固定。掩模MA和衬底W可以使用掩模对准标记M1、M2以及衬底对准标记P1、P2来对准。尽管衬底对准标记被示为占用专用的目标部分，但它们可以位于目标部分之间的空间中(这些被称为划线对准标记)。类似地，在掩模MA上设置多于一个管芯的情况下，掩模对准标记可位于管芯之间。

所示装置可用于步进模式或扫描模式。在步进模式中，曝光场的最大尺寸限制单个静态曝光中成像的目标部分C的大小。在扫描模式中，掩模台MT和衬底台WT被同时扫描，而给予辐射束的图案被投影到目标部分C上(即，单个动态曝光)。衬底台WT相对于掩模台MT的速度和方向可以通过投影系统PL的放大(缩小)和图像逆转特性来确定。在扫描模式中，曝光场的最大尺寸限制单个动态曝光中的目标部分的宽度(在非扫描方向上)，而扫描运动的长度确定目标部分的高度(在扫描方向上)。

在另一模式中，掩模台MT被保持基本静止保持可编程图案化设备，并且衬底台WT被移动或扫描，同时给予辐射束的图案被投影到目标部分C上。在该模式中，通常采用脉冲辐射源，并且在衬底台WT的每次移动之后或者在扫描期间的连续辐射脉冲之间，可编程图案化设备根据需要进行更新。该操作模式可以容易地施加于无掩模光刻，其利用可编程图案化设备，诸如上述类型的可编程反射镜阵列。

还可以采用上述使用模式或者完全不同的使用模式的组合和/或变形。

如图2所示，光刻装置LA形成光刻单元LC的一部分，有时也称为光刻单元或簇，其还包括用于执行对衬底的预曝光工艺和曝光后工艺的装置。传统地，这些包括用于沉积抗蚀剂层的旋涂器SC、用于对经曝光的抗蚀剂进行显影的显影剂DE、激冷板CH和烘烤板BK。衬底处理器或者机器人RO从输入/输出端口I/O1、I/O2拾取衬底，在不同的处理装置之间移动它们，然后传递至光刻装置的进料台LB。这些设备(通常统称为轨迹)受轨迹控制单元TCU的控制，TCU本身被管理控制系统SCS控制，SCS还经由光刻控制单元LACU来控制光刻装置。因此，不同的装置可以被操作用于最大化产量和处理效率。

为了正确且一致地曝光由光刻装置曝光的衬底，期望检查经曝光的衬底以测量特性，诸如后续层之间的套刻误差、线厚度、临界尺寸(CD)等。如果检测到误差，则可以对后续衬底的曝光进行调整，尤其是在不久后且足够快地可以检查到相同批次的其他衬底仍然将被曝光的情况下。此外，可以剥离或重做已经曝光的衬底—以提高产量—或丢弃，从而避免对已知故障的衬底执行曝光。在只有衬底的一些目标部分故障的情况下，可以仅对良好的那些目标部分执行进一步的曝光。

检查装置用于确定衬底的特性，具体地，确定不同衬底或同一衬底的不同层的特性如何根据层而变化。

检查装置可集成到光刻装置LA或光刻单元LC中，或者可以为单独的设备。为了能够实现最快速的测量，期望检查装置在曝光之后立刻在经曝光的抗蚀剂层中测量特性。然而，抗蚀剂中的潜像具有非常低的对比度—在抗蚀剂被曝光给辐射的部分与未曝光给辐射的部分之间仅存在非常小的折射率的差值—不是所有的检查装置都具有足够的灵敏度来进行潜像的有用测量。因此，可以在曝光后烘烤步骤(PEB)之后进行测量，并且增加抗蚀剂的曝光部分和未曝光部分之间的对比度，PEB通常是在经曝光的衬底上执行的第一个步骤。在该阶段中，抗蚀剂中的图像可以称为是半潜的。还可以对经显影的抗蚀剂图像进行测量—在该点处，去除抗蚀剂的曝光或未曝光部分—或者在诸如蚀刻的图案转印步骤之后。后者的可能性限制了用于重做故障衬底的可能性但是仍然可以提供有用的信息。

用于基于散射测量度量的外差干涉系统

本文公开了经修改的检查装置和相关联的方法，其中，锁定图像检测器用于使用外差干涉技术来执行散射测量和/或暗场成像。经修改的装置提供散射目标的全场衍射图案，包括幅度和相位，而不仅是强度测量。可以针对诸如CD(临界尺寸)之类的参数来得到目标形状信息，并且装置还可用于获取相位信息以改进套刻精度、聚焦量或剂量的测量。

注意，类似的参考标号在附图中表示类似的部件。

图3(a)以简化形式示出了实施外差干涉技术的检查装置100。在图3(b)中更详细地示出了光栅目标T和衍射光线。装置100包括辐射源102和相关联的透镜104、面对目标T的物镜106、第一移频器108、第二移频器110以及锁定图像检测器112。这些部件被配置在有效限定四个束路径的光学系统中。在图3(a)中，以不同的线格式来表示跟随这些路径中的每一个路径的光线。如在已知装置中那样，存在用于照射目标的照射路径(实线)和用于收集衍射辐射并传递至检测器112的收集路径(虚线)。此外，在该装置中设置有包括第一移频器108的第一参考路径(点线)以及包括第二移频器110的第二参考路径(点划线)。频率源114为移频器108和110以及锁定图像检测器112提供参考频率。处理单元PU接收来自锁定图像检测器112的图像数据。

在该示例中，图像检测器112位于与物镜106的光瞳面共轭的平面中。在这种平面中，找到目标T的衍射光谱的一部分。在其他示例中，如以下所述，锁定图像检测器112处于目标T的图像平面中。在本说明书中，轴u和v定义为表示与光瞳面共轭的平面中的位置，而轴x和y定义为表示图像平面中的位置。如已知装置中那样，锁定图像检测器112可以为光瞳面中的任何位置传递强度值(u，v)。然而，附加地，为锁定检测器提供频移参考束和适当的参考频率意味着在该示例中图像检测器可以为每个位置分开地提供幅度值A(u，v)和相位值

可以在许多不同的布局中实施所提到的束路径，并且仅为了说明设计的原理，这里示意性示出了反射镜116a、116b、116c、118a、118b、120、122以及分束器(BS)124、126的特定结构。附图中没有示出可包括在实际系统中的多种部件，例如包括透镜或其他聚焦元件。它们可以容易从已知装置中得到，并且不需要详细描述。还可以提供用于不同功能(例如，聚焦或不同类型的测量)的附加束路径。

辐射源102可以是单色相干光源(例如，窄线宽激光器)。通过使用相干光源，该装置变得不太对光学路径长度的差敏感并且干涉测量变得可行。相干光源(和附加部件，诸如光学滤波器)可以用于图3的光学配置中，假设路径长度差可忽略。

在照射路径中，可以限定期望的照射轮廓。作为其简单实施方式，适当形式的孔板128被置于分束器126与反射镜120之间。由于孔板在与物镜106的光瞳面共轭的平面中限定了空间强度分布，所以效果是选择照射辐射撞击到衬底上的角度的范围。在所示示例中，孔板128具有给定形式以选择离轴照射模式。可以通过使用不同的孔来实现照射的其他模式。期望剩余的光瞳面为暗，因为期望照射模式外任何不需要的光将干涉期望的测量信号。

如图3(b)所示，在衬底W与物镜106的光学轴O正交的情况下放置光栅目标T。从偏离轴O的角度撞击到目标T上的照射光线I引发零级光线(线0)和两个第一级光线(线+1和-1)。应该记得，在过填充的小目标光栅的情况下，这些光线仅仅是许多并行光线中的一个，它们覆盖衬底的区域，包括度量目标T和其他特征。在提供组合光栅目标的情况下，目标内每个对应的光栅都将引起其自身的衍射光谱。由于板128中的孔具有有限宽度(需要允许有用量的光)，所以入射光线I实际上将占用一些角度，并且衍射光线0和+1/-1将在一定程度上扩展。根据小目标的点扩展功能，每个级+1和-1都将进一步在角度范围上扩展，而不是所示的单个理想光线。注意，光栅间距和照射角度可以设计或调整，使得进入物镜的第一级光线紧密地与中心光轴对准。图3(b)中示出的+1级光线一定程度上偏离轴，仅为了使其能够更容易地在示图中被区分。

场阑130可以设置在反射镜122和116c之间。在该示例中，场阑130用于阻挡零级衍射束。其位于与收集路径中的物镜106的背光瞳面共轭的平面中，物镜106的背光瞳面在下文中可以称为“收集光瞳”或“检测光瞳”。然后，在暗场模式中检测衍射光谱(不与其他示例中描述的暗场成像模式混淆)。

图3所示特定形式的孔板128和场阑130仅仅是示例。在其他示例中，使用目标的轴上照射，并且具有离轴孔的孔径光阑用于基本仅将一个第一级的衍射光传递至传感器。在又一些实施例中，代替第一级束或者除第一级束之外，可以在测量中使用第二级束、第三级束和更高级的束(图3中未示出)。为了使照射适用于这些不同类型的测量，孔板128可以包括形成在盘周围的多个孔图案，该盘旋转以将期望图案置于适当位置。备选地或附加地，可以设置和交换板128的集合以实现相同的效果。还可以使用诸如可变形反射镜阵列或透射型空间光调制器的可编程照射设备。移动反射镜或棱镜可用作调整照射模式的另一方式。

如所提到的，检测器112在本装置中是相位敏感锁定图像检测器。锁定检测通常已知为可通过“标记”包含信息的信号的一部分来执行窄带(由此为低噪声)检测的技术。通过在所选频率ω_D处(例如远离噪声频率)调制信号来标记感兴趣的信号。锁定传感器在所选频率ω_D处被锁定以记录感兴趣的信号并忽略其他信号或噪声。在本装置中，使用包括像素的二维阵列的相位敏感锁定图像检测器，每个像素都提供锁定传感器功能。相对频率偏移被施加于衍射束和参考束中的辐射。这些束频率之间的拍频被用作用于锁定图像检测器的锁定频率。以这种方式，该装置可用于执行外差干涉测量以得到幅度和相位信息。

图4示出了在频率ω_D处锁定的锁定图像检测器112的操作的原理。如在已知装置中那样，图像传感器132包括光检测像素的二维阵列。阵列的轴被标记为u和v，其中p(x，y)表示传感器的位置(u，v)处的像素。圆形136表示收集光学路径的光瞳，在其中(在图3的示例中)将找到目标T的衍射光谱。

图4中的示图示出了在像素p(u，v)处记录的照射强度I(t)的时间演化。传统的图像检测器将简单地针对曝光间隔对该强度进行积分，并且输出每个像素的单个强度。然而，在锁定图像检测器中，在参考频率(1/ω_D)的周期内的间隔处，每个像素p(u，v)处的辐射被独立地采样多次(ds1、ds2、ds3、ds4)。对于本示例来说，假设每个周期具有四个采样点，它们相隔90°。假设强度波形I(t)包含与参考频率ω_D同步的正弦分量，则这将给出用于所示样本ds1-ds4的不同值。样本ds1-ds4可以在多个周期上进行积分以得到信号s1、s2、s3、s4。以这种方式，不与参考频率同步的强度波形的频率分量将被求平均，并且四个值s1-s4允许计算同步分量的相位和幅度。例如，可以通过以下公式来计算同步分量的幅度A、相位和dc偏移B：

以及

该分量的强度可以计算为I＝A²。

图像传感器132例如可以是自适应CMOS图像传感器。注意，单光子雪崩二极管(SPAD)、CCD或任何其他适当的传感器也可以用作检测器。本领域技术人员将能够将已知的锁定方法和/或相位敏感检测方法适于如本文所述那样检测幅度和相位图像。虽然图3示出了从锁定图像检测器112中得到的幅度和相位值，但设计选择是在检测器本身中计算这些值还是在处理单元PU中计算这些值。实际上，如果处理单元PU接收原始采样ds1-ds4或者从锁定图像检测器接收积分值s1-s4，然后根据需要执行幅度、相位、强度的计算，这样可能是便利的。还注意，不需要以值A和的形式来表示幅度和相位信息。可以通过一对分量矢量U和V来表示用于每个像素的幅度和相位信息。通过根据已知关系将幅度和相位表示为复数来容易进行这些表达形式之间的转换：

返回到图3，装置100包括移频器108、110来使得锁定检测能够用于外差干涉技术以及用于改进的标准化函数。可以选择移频器的数量和频率调制技术来匹配应用要求。移频器例如可以是电光调制器、光纤调制器、磁光调制器、基于塞曼效应的调制器和/或优选为声光调制器。为了方便，移频器108、110可以是声光调制器(AOM)。

如本领域技术人员已知的，AOM通过在晶体中设置声波来进行操作。这些波在晶体内形成一种移动的布拉格光栅，其中移动的速度通过驱动频率来确定。聚焦在布拉格结构中的AOM上(以满足布拉格条件)的入射光(频率ω)主要衍射到第一级输出束和零级输出束中，它们通过声布拉格角度的两倍来分离。AOM内的“光栅”的运动还引起第一级输出束的频率发生ω+mΔω的频率偏移，其中m＝1对应于第一级衍射，以及Δω对应于调制频率。对于第一级衍射光来说，频率的频率偏移等于AOM的调制频率。可以在不同调制频率下通过频率源114来驱动移频器(AOM)108、110，使得例如Δω₁可以为30kHz、Δω₂可以为100kHz。这种频率中的小偏移不对散射/衍射效应产生影响。精确的频率和相位是不重要的，只要锁定图像检测器从与AOM相同的频率源接收其参考信号即可。

使用频率偏移Δω₁，检查装置100实施一种外差干涉技术，并因而允许在检测器112处测量衍射图案的幅度和相位而不是仅测量强度。

例如，在N.Kumar等人的“Phase retrieval between overlapping orders in coherent Fourier scatterometry using scanning”(Journal of the European Optical Society-Rapid publications,Europe,v 8,Jul.2013,ISSN 1990-2573)中描述了出于这种目的获取相位信息的先前方法。Kumar参考文献包括在上面提到的专利申请US2012243004A中描述的工作。基于外差干涉的配置例如在G.E.Sommargren Applied Optics(Vol.20，Issue 4，pp.610-618(1981))和M.Pitter等人的Opticas Letter(Vol.29，No.11，June 1(2004))中公开。在US 5923423A中公开了用于检测和分析晶片表面缺陷的外差散射仪。如已经提到的，这些已知方法通常要求多个测量和扫描移动来得到相位信息，因此不能很好地适合于大容量制造的检查。在M.Pitter等人的“CMOS cameras for phase sensitive imaging”(Institute of Biophysics,Imaging and Optical Science University of Nottingham,UK,http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/FastImSem/Pitter.pdf,)中公开了相位敏感成像的相位敏感检测技术和应用示例。根据本申请，类似于Pitter所公开的锁定图像检测器被应用于基于散射测量和/或衍射的度量以用于光刻工艺的参数的测量。

在图3的检查装置100中，由辐射源102发射的辐射束通过分束器124和126分裂成三束(照射束、第一参考束和第二参考束)，并且每一束都跟随特定的光学路径。

照射束跟随的照射路径和收集路径类似于已知散射仪的照射路径和收集路径。然而，在本示例中，辐射源102发射频率ω的单色辐射。频率ω的照射束通过孔径128给出期望的轮廓并且经由物镜106聚焦在衬底W上。物镜106具有大数值孔径(NA)，优选为至少0.9且更优选为至少0.95。使用浸没技术，散射仪甚至可具有超过1的数值孔径的透镜。入射辐射(也为频率ω)通过衬底W上的目标衍射到衍射光谱中。至少0级且任选较高级的束被物镜106收集并且引导回到反射镜122。反射镜122经由场阑120和反射镜116c引导经散射/衍射的辐射到锁定图像检测器112。被检测器112检测的信号输出至处理器和控制器PU并且用于计算中，该计算将取决于被执行的测量的特定类型。

为了使得收集光瞳适用于不同类型的测量，场阑130可以包括形成在盘周围的多个孔图案，该盘旋转以将期望图案置于适当位置。备选地或附加地，可提供和交换场阑130的集合以实现相同的效果。还可以使用可编程场阑设备，诸如可变形反射镜阵列或透射型空间光调制器。移动反射镜或棱镜可用作调整收集/成像模式的另一方式。在本说明书和权利要求书中对场阑的参考可解释为包括允许选择在收集路径中传送的目标的衍射光谱的期望部分的任何设备。

回想在该示例中，检测器112对物镜的背光瞳面进行“再成像”。光瞳面是辐射的径向位置限定入射角度并且角度位置限定辐射的方位角的平面。检测器112还可以位于背投影光瞳面中，背投影光瞳面位于透镜系统106的焦距处。只有衍射光谱的所选部分被入射到检测器上。这些部分取决于：(i)照射的所选方向；(ii)衍射级的角度扩展，这取决于与照射波长λ相关的目标光栅的周期性；以及(iii)由场阑130对光谱的部分的选择。对于基于衍射的度量来说，假设至少一个较高级包括在所选部分中(例如，+1和/或-1级)。然而，仅通过包括0级就可以进行散射测量，并且不排除具有这种配置的实施例。在本说明书中，从图3开始，为了方便将使用术语“衍射图案”或“衍射光谱”。除非上下文另有要求，否则不包括或排除特定部分的衍射光谱。假设使用本公开的基于外差干涉技术的检查装置。本领域技术人员可以容易地将教导适于不同类型的散射仪，或者甚至其他类型的测量仪器。

为了实施外差干涉技术，跟随第一参考路径的第一参考束经由反射镜116a引导至移频器(AOM)108。第一参考束的频率通过AOM偏移到频率ω+Δω₁，然后经频移的第一参考束(即，第一级衍射束)通过反射镜116b、116c引导至检测器112。

跟随第二参考路径的附加第二参考束经由分束器124和126被引导至移频器(AOM)110。第二参考束的频率通过AOM偏移至(不同的)频率ω+Δω₂。然后，通过反射镜118a、118b将经频移的第二参考束(即，第一级衍射束)引导至反射镜120。从反射镜120，经频移的第二参考束跟随与照射束相同的光学路径。频率ω+Δω₂处的经频移的第二参考束由此经由显微镜物镜106聚焦到衬底W上、反射回并引导至检测器112。第二参考束与照射束的不同在于，其不具有特定的照射轮廓。

在该结构中，频率ω处的衍射束、频率ω+Δω₁处的第一参考束和频率ω+Δω₂处的第二参考束在检测器112处重叠，在检测器处创建干涉图案。

由于频率偏移，这些干涉束建立特性和“拍”频。三个干涉束生成具有以下四个拍频的信号：Δω₁、Δω₂、Δω₂-Δω₁、Δω₂+Δω₁。使用参照图4描述的原理，可以使用锁定图像检测器独立地检测它们。

从以下信息信号中的任意一个，可以根据需要独立地获取与测量的散射信号相关联并且在通过干涉信号(通过将锁定参考频率ω_D设置为Δω₁、Δω₂或Δω₂-Δω₁中的所选一个)生成的信号中进行编码的信息：

·锁定在频率Δω₁处的信号：相对于第一参考束，每个像素p(u，v)处的测量信号的幅度、相位和强度(即，目标T的衍射光谱的所选部分)。假设参考束横跨检测光谱具有恒定或至少良好限定的相位，则该拍频处的信号的相位直接表示从该目标T衍射的光学信号的相位。可以在每个像素处独立地检测该相位。

·锁定在频率Δω₂处的信号：相对于第二参考束，测量信号的幅度、相位和强度。在应用中，该信号不需要用于远场衍射测量。然而，其可用于其他目的，例如包括基于上面提到的Kumar等人的教导的聚焦估计。针对该教导，Kumar等人的内容结合于此作为参考。

·锁定在频率Δω₂-Δω₁处的信号：可以得到参考信号并用于强度标准化。

可以忽略Δω₂+Δω₁处的信号。

原理上，单个锁定图像检测器可以在任何给定时刻处仅获取这些信号中的一个信号。为了获取这些信息信号中的多于一个的信号，检测器112可以在感兴趣的每个频率处顺序频率锁定以一个接一个地记录感兴趣的信号。备选地，也可以并行使用多个检测器，以同时得到不同的信息信号。备选地，为了同时区分多个频率分量，在单个锁定图像检测器112中实施多于四个的采样和积分电路。

在详细介绍了装置的形式和功能后，现在将描述装置的实际应用和各种信息信号，并且现在将描述装置和方法的可选示例。

在光学度量中对强度标准化的应用

参考上面提到的最后一个信息信号，处理单元PU使用强度标准化信息来补偿辐射源102的强度的变化，使得对于目标特性的变化，它们不成为错误。与已知散射仪中的标准化参考束跟随的路径相比，本示例中的第二参考束跟随穿过光学系统的如下路径，该路径几乎与实际测量中使用的照射路径和收集路径跟随的路径相同。因此，该信号允许测量结果更精确的标准化。通过应用特定的频率偏移和锁定检测，确保第二参考束可以跟随与衍射辐射的照射和检测相同的路径，而不影响第一信息信号。相反，尽管它们跟随相同路径并且使用相同的检测器(不同于已知装置)，但衍射信号不影响强度标准化的测量。

强度图像I(u，v)可充分用于标准化的目的，不过当然相位信息可根据期望来获取。

对基于衍射的度量/散射测量的应用

如已知的，可以执行散射测量和基于衍射的度量的方法很多，并且这里仅描述一些示例以示出一般可用的新技术的应用。以下公开的示例的共同点是利用相位信息捕获衍射辐射。换句话说，捕获的图像具有可认为是复数或矢量的像素值而不是简单的每个像素的标量值。由于矢量表示周期函数的相位信息，所以它们还可以被称为“相量”。

利用光瞳图像检测的应用示例

图5(a)和图5(b)示出了对应于两个照射模式得到的衍射图案图像的示例，它们可以形成在检测器112上并被检测器112检测到。在附图每个部分的中心处，示出了目标光栅138，在该示例中其通过度量装置的照射束形成的照射点140欠填充。图中未示出，该光栅138可以是形成复合目标的组件光栅的较大集合光栅的部分。光栅是一维的，其在X方向上具有周期性。还将提供Y方向光栅，和/或具有斜线或二维周期性的光栅。

图5(a)和图5(b)的示例示出了锁定检测器112在例如等于Δω₁的频率处被锁定的情况的操作。在这种情况下，如上所解释的，检测器112可以仅“看到”在频率Δω₁处的信息信号，其通过由目标T衍射的频率ω处的束与频率ω+Δω₁处的第一参考束(其基本直接来自于照射源)之间的干涉生成。在每幅图的左侧示出了通过给定形式的孔板128提供的照射轮廓。检测器112允许光学场的相位和幅度A的测量值以及(如果期望的话)检测信号的强度I。为了示出通过检测器112相关联的幅度和相位的分离，在图的每个部分的右手侧处表示两个分离的检测图像。图像142-A和142-分别捕获检测信号的幅度和相位。将复杂的像素值示为两个不同的图像仅是示例性的。它们可以处理为两个独立的图像或者认为是具有复杂像素值的单个图像(类似于数字彩色照片中的不同颜色通道)。如上所述，还可以计算强度图像，但是这在图中未示出。此外，如上所述，可以通过电场的一对正交分量矢量E_x和E_y来间接地表示幅度和相位分量。A和的值的表达是选择问题。此外，不存在为什么不应该使用强度和相位(I和)来代替幅度和相位的原因。

在图5(a)中，照射轮廓限定远离光轴的单片照射144(I)。这是图3中示出的示例。由于场阑130的动作，只有+1级衍射信号可见，标为144(+1)。通过场阑130阻挡其他衍射级(包括在144(0)处以点线表示的0级)，或者甚至不进入物镜(例如，图3(b)中看到的-1级以及高于第一级的级)。可以利用离轴照射图案的使用以根据具有如下间距的衍射光栅(套刻目标)得到清楚的第一级信号，该间距是在使用传统的圆形对称照射孔径时可以成像的最小间距的一半。然而，通常需要获得-1级衍射信号以用于比较。因此，这种配置要求在不同的条件下测量目标两次，同时旋转目标或改变照射模式或成像模式以分别得到-1和+1衍射级。

在图5(b)的示例中，从图3的检查装置100中去除场阑130，并且通过图5(b)的分段孔径光阑128来代替图5(a)的孔径光阑128。这种类型的孔径具有标为a和b的两个照射象限，这两个照射象限在照射光瞳中彼此在直径上相对且其间具有暗象限。因此，在检测图像142-A和142-中可见标为a₀和b₀的零级反射以及标为a_-1、a₊₁、b_-1和b₊₁的第一级衍射信号。由于照射孔径的其他象限是暗的，并且更一般地由于照射图案具有180°旋转对称性，所以衍射级a-1和b₊₁在检测图像中是“自由的”，表示它们不与来自照射孔径的其他部分的零级或更高级信号重叠。可以利用分段照射图案的这种特性来从具有如下间距的衍射光栅(套刻目标)中得到清楚的第一级信号，该间距是在使用传统的圆形对称照射孔径时可成像的最小间距的一半。同时，可以从同一(复杂)图像的不同区域中提取两个相对的第一级信号，使得不需要进行分开的测量。在已知申请US20100201963中描述了可针对散射测量利用的该衍射图案和模式，其中进一步的示例如下。

目标重构处理的应用示例

使用上面结合目标结构(诸如目标T)的建模及其衍射特性描述的检查装置，可以多种方式来执行目标的形状和其他参数的测量。在由图6表示的这种处理的示例中，计算基于目标结构(第一候选结构)的第一估计值的衍射图案并与观察到的衍射图案进行比较。然后，模型的参数系统地变化并且在一系列迭代中重新计算衍射，以生成新候选结构，从而实现最适合的方案。然而，通过传统的散射仪，仅可以比较建模的衍射图案与观察到的图案之间的强度，利用图3的装置可以比较幅度和相位(或强度和相位)。在以下讨论中，辐射和相位(或强度和相位)将简称为“幅度/强度和相位”。如上所述，该措辞还可以理解为涵盖备选形式的表达。

更详细地参照图6，对于该描述来说可以假设目标仅在一个方向上是周期性的(1D结构)。实际上，其可以在2个方向上是周期性的(2维结构)，并且可以相应地适应处理。

602：使用诸如上述的散射仪来测量目标的远场衍射图案，包括相位信息。该测量的衍射图案被转发至诸如计算机的计算系统。计算系统可以是上面提及的处理单元PU，或者其可以是独立的装置。因此获取相关联光学场的衍射信号强度(I)和/或幅度(A)和相位

603：建立“模型配方”，其根据多个参数a_i(a₁、a₂、a₃等等)来限定目标结构的参数化模型。例如在1D周期性结构中，这些参数可以表示侧壁的角度、特征的高度或深度、特征的宽度。目标材料和下面层的特性也可以通过参数来表示，诸如折射率(在特定波长下存在于散射测量辐射束)。重要地，虽然目标结构可以通过描述其形状和材料特性的许多参数来限定，但模型配方将限定这些参数中的一些具有固定值而其他参数可变或者“浮置”参数来用于以下处理步骤的目的。先前的申请公开了可以进行固定参数和浮置参数之间的选择的处理。此外，这些先前的申请介绍了可允许改变参数而无需完全独立的浮置参数的方式。为了描述图6的目的，仅可变参数被认为是参数p_i。

604：针对浮置参数(即，a₁⁽⁰⁾,a₂⁽⁰⁾,a₃⁽⁰⁾等)，通过设置初始值a_i⁽⁰⁾来估计模型目标结构。如在配方中限定的，每个浮置参数都将在特定的预定范围内生成。

606：表示估计的目标结构的参数(包括形状以及模型的不同元件的光学特性)被用于计算散射特性，例如使用严格的光学衍射方法(诸如RCWA)或者麦克斯韦方程的任何其他求解程序。这给出了估计目标结构的估计或模型衍射图案。尽管在现有应用中可以将建模的远场衍射图案转换为简单的强度值，但在本申请中的步骤606保持幅度/强度和相位的单独值或者矢量E_x、E_y，由此以任何方便的形式来表示幅度/强度和相位。

608、610：然后比较测量的衍射图案(幅度/强度和相位)与模型衍射图案，并且使用它们的相似性和差异性来计算用于模型目标结构的“评价函数”。对于该步骤来说，考虑可以各种方式来表示步骤602和606中得到的幅度/强度和相位，其通常将便于针对两个步骤选择相同形式的表述。否则，步骤608中的比较可以解决一些预转换。

612：假设评价函数表示模型需要在其精确表示实际目标结构之前进行改进，估计新参数a₁⁽¹⁾、a₂⁽¹⁾、a₃⁽¹⁾等并且迭代反馈到步骤506中。重复步骤606-612。

为了帮助搜索，步骤606中的计算可以进一步生成评价函数的偏导数，表示在参数空间的该特定区域中，利用其增加或减小参数的敏感性将增加或减小评价函数。评价函数的计算以及导数的使用在本领域中是公知的，并且这里将不再详细描述。

614：当评价函数表示该迭代处理收敛于具有期望精度的解时，当前估计的参数被报告作为实际目标结构的测量值。

该迭代处理的计算时间主要通过所使用的前向衍射模型来确定，即，使用严格的光学衍射理论、根据估计目标结构来计算估计模型衍射图案。如果需要更多参数，则具有更大的自由度。计算时间原则上随着多个自由度的幂增加。可以各种形式来表示在606中计算的估计或模型衍射图案。如果以与步骤602中生成的测量图案相同的形式表示所计算图案，则比较被简化。例如，建模的光瞳图案可以容易地与由图3的装置测量的光瞳图案比较。例如，在WO2012126718中进一步详细描述用于确定结构参数的处理。

可以期望幅度/强度和相位的比较以提高迭代处理的鲁棒性，原因在于存在可以区分不同模型参数的效果的更多信息。可以根据减小的计算负担(例如，所需的更少的迭代和/或更少的可变参数)和/或根据最终结果的较大精度来实现改进的性能。上面提到的现有申请US2012243004A1提供了在目标重构中使用相位信息的更详细说明。

流程图中未示出的另一方法使用预计算的衍射图案的库来代替在进行每个测量时计算模型。感兴趣参数的测量通过搜索库中与观察到的衍射图案最匹配的图案、然后查找用于已被用于生成库图案的形状和其他参数值来得到。可以通过使用幅度/强度图像和相位图像作为用于找到库中的最佳匹配图案的标准，来使得库搜索更有鉴别力。还可以使用库搜索后跟迭代修改的组合来实施混合方法。

利用锁定图像检测器112与拍频Δω₁同步执行上述测量。如上所述，通过将锁定频率设置为Δω₂-Δω₁，可以在处理期间方便的时间执行用于强度标准化的测量。备选地，可以与Δω₁处的测量并行地操作具有锁定频率Δω₂-Δω₁的独立检测分支。在图6的方法中可以在适当阶段处将标准化施加于测量的衍射图案，即在步骤602和608之间的某个时间处。在从衍射图案中提取关键参数用于与模型进行比较的示例中，在提取关键参数之前，通常将对原始幅度/强度数据执行标准化。

应用示例：光瞳面中基于衍射的套刻

参照图7(a)和图7(b)，上面提到的其他现有申请公开了如何可通过简单地观察衍射图案中的不对称性来测量光刻工艺的各种性能参数。例如，根据由检测器112测量的目标138，可以从图5(a)或图5(b)的衍射图案中推断套刻精度测量。套刻目标中的光栅138包括在衬底上的第一层和第二层中形成在彼此顶部上的两个光栅。还可以利用其他特殊形成的目标来使用不对称性，以测量除套刻精度之外的参数，例如测量光刻工艺的聚焦量或剂量性能。这些技术涉及光栅线的一侧或另一侧上的精细特征，以这种方式，非理想的聚焦量或剂量设置导致每条线中的不对称形状。套刻的另一形式是由多个图案化处理进行的交错线之间的套刻。在套刻精度度量的示例中描述的本技术可以容易地适用于所有这些类型的度量。可以通过比较从一对衍射图案图像(如图5(a))或者从使用检测器112捕获的相同衍射图案内的不同区域(图5(b))提取的+1和-1级的强度来获取用于光栅138(例如)的不对称信号。

图7(a)示出了可用于图5(a)所示情况的示例性处理，其中在两个独立的测量中在检测器112处记录衍射光谱的相对部分(例如，+1级和-1级)。在步骤701中，衬底(例如，半导体晶片)通过图2的光刻单元进行处理一次或多次，以创建包括套刻目标138的结构。在702中，使用图3的度量装置，利用图5(a)左手侧的孔板128，得到图5(a)右手侧的+1级衍射图案。在703中，例如通过旋转目标或改变照射模式来得到-1级衍射图案。

在步骤704中，在步骤S2和S3中得到的衍射图案内任选地识别感兴趣的区域(ROI)，从中将测量强度等级。是否需要该步骤取决于衍射图案是否可包含在其中找到所选衍射级的区域144(+1)等外的噪声。

对于每个衍射级识别ROI并测量其强度，随后可以确定光栅结构的不对称性，因此确定套刻误差(或其他参数)。这在步骤705中通过图像处理器和控制器PU来进行，其将针对目标138的+1和-1级得到的幅度/强度值(和任选地相位)比较以识别它们强度中的任何差值。在步骤705中计算幅度/强度差值以得到针对每个光栅的不对称性的测量。在步骤706中，根据不对称性测量以及光栅的套刻偏差的知识，处理器计算目标T附近的套刻误差。

现在，虽然衍射光谱的不对称性的测量是在完美实施的工艺中测量套刻精度，但实际上，在顶部或底部光栅特征中的诸如工艺引入的不对称性的其他因素会不期望地影响结果。材料和形状的其他变化会类似地减小从不对称性测量推断的套刻测量的精度。来自锁定图像检测器112的除幅度/强度信息之外的相位信息的可用性可被用于提高精度而不需要进行进一步的测量。两个衍射图案的相位图像142-可以在步骤705中进行比较，以得到关于观察到的不对称性的类型(原因)的附加信息。备选地或另外地，在步骤705中比较幅度或强度之后，来自相位图像的信息可用于在步骤706中执行的感兴趣参数的计算中计算校正。备选地或另外地，在步骤705中的比较之前，可应用相位信息来计算测量的幅度或强度中的校正。在特定应用中，相位信息可应用于计算用于捕获图像的聚焦校正。可应用这些聚焦校正例如以更精确地限定步骤704中的ROI，或者以另一方式来更加精确地提取期望的衍射级。

图7(b)非常类似于图7(a)并且是在图5(b)中所示情况下执行的等效处理的示例。回想一下，使用图3的度量装置，例如利用图5(b)的孔板128，在一个测量中但在(复杂)图像的不同部分处记录+1和-1衍射级。因此，通过单个步骤702’来替代步骤702和703，其中同时记录+1和-1衍射级。然后，在步骤704’中，在步骤702’中得到的衍射图案内仔细识别两个感兴趣区域(ROI)，以提取衍射图案的所选相对部分(在该示例中为+1和-1衍射级)，从中将测量强度等级(任选为相位)。针对每个衍射级识别ROI并测量其幅度/强度(任选为相位)后，然后可以在步骤705’和706’中确定光栅结构的不对称性，并因此确定诸如套刻误差之类的感兴趣参数。可以在步骤704’、705’和/或706’中使用相位信息来提高精度，如图7(a)所说明的。应用示例：暗场成像度量

如在简介中所提到的，用于基于衍射的度量的另一类型的检查装置采用暗场成像来代替光瞳图像检测。实际上，如参考的现有应用所示，用于暗场成像功能和光瞳面成像的光学系统可以共享许多部件，并且两种类型的装置可以有用地在单个商用装置中进行组合。暗场成像功能和光瞳成像功能可以通过将束分裂为不同分支来提供，如现有应用所示。备选地，可提供可移动部件来将光学系统的单个分支转换为一个形式来代替另一个。为了简化，以下示例仅具有暗场成像功能。再次，实际产品中的光学系统可包括许多辅助部件，诸如透镜和偏振器。为了简化在附图中没有示出这些部件。

图8(a)示出了适于执行暗场成像并结合锁定图像检测器和移频器以实施外差干涉技术的检查装置800。光学配置通常与图3的配置相同，并且相同的参考标号用于等效部件。这里仅描述不同之处。与图3的装置的主要不同在于提供成像透镜802(或透镜系统)。通过光学系统802来聚焦从该目标T散射的辐射和参考束以在锁定图像检测器112上形成衬底W上的目标T的图像。也就是说，检测器112现在位于与目标的平面共轭的平面中，而不是与物镜106的光瞳面共轭的平面。该平面中的坐标标为x和y，而不是u和v。如从参考中已知的，采用暗场成像操作模式允许使用更小的目标，并且允许同时进行从多个小目标的测量。这可以带来以下优点：其使用衬底上的较少空间，并且对于大容量制造的度量应用中可以保持高测量生产力。

图8(b)示出了根据已知实践的形成在衬底上的复合目标。复合目标包括紧密定位在一起的四个光栅842-845，使得它们都将位于照射点840内。成像透镜802在检测器112上提供其中将聚焦目标T的图像的图像平面。只有衍射光谱中所选的一个第一级有助于图像的形成，而其他被物镜的孔径或场阑130排除。从而，每个“图像”都不是可决定光栅线的传统图像。(为了形成传统图像，要求至少两个衍射级干涉)。相反，当锁定图像检测器112与拍频Δω₁同步时，每个光栅都呈现为光的片段，其强度取决于衍射到衍射光谱的所选部分中的能量。

在专用于套刻精度测量的示例中，光栅842-845本身是套刻光栅，其包括在形成于衬底W上的半导体器件的不同层中图案化的套刻光栅。光栅842-845可以具有不同偏差的套刻偏移，以利于形成复合光栅的不同部分的层之间的套刻精度的测量。光栅842-845还可以在它们的定向方向上不同，如图所示，从而在X方向和Y方向上衍射进入的辐射。在一个示例中，光栅842和844是分别具有+d和-d的偏差的X方向光栅。光栅843和845是分别具有偏移+d和-d的Y方向光栅。已知目标设计和偏差方案的许多变化并且根据期望来应用。虽然示出了四个光栅，但另一实施例可要求更大的矩阵来得到期望的精度。可以适应目标，使得它们不对称性的测量可用于得到除套刻精度之外的参数的测量，这在上面已经提到。这些参数的示例是光刻工艺中的聚焦量和剂量。

图8(c)示出了在图8(a)的装置中使用图8(b)的目标和图8(c)中示出的孔板128通过检测器112检测的幅度图像(846-A)和相位图像(846-)的示例。深色矩形表示检测器112上的图像的场，其中衬底上的照射点140被成像到对应的圆形区域850中。在该区域内，矩形区域852-855表示小目标光栅842-845的“图像”。如果光栅位于产品区域中，则还可以在该图像场的外围中可见产品特征。图像处理器和控制器PU使用模式识别来处理这些图像846-A和846-以识别光栅842-845的独立图像852-855。一旦识别了光栅的独立图像，就可以从上述用于每个光栅的测量信号中获取诸如光学场的平均强度以及相位和幅度之类的特性。测量的强度/幅度和/或相位可以在利用不同的目标定向或成像模式或照射模式得到的图像之间进行比较，以得到每个光栅中的不对称性的测量。通过比较用于不同的偏差光栅的不对称性，处理单元PU或独立的计算机可以计算光刻工艺的套刻或参数的测量值。

例如，通过比较用于给定光栅的测量信号得到根据已知实践的套刻测量结果，以推断光栅中的不对称性，并且可以将套刻光栅中的不对称性用作套刻误差的指示。

图9示出了使用上述装置和目标测量套刻精度的基本方法。在该示例中，该方法基于申请US2011027704中描述的方法，其使用图3和图4的装置。原理上，通过光栅的不对称性来测量包含图8(b)的组件光栅的两个层之间的套刻误差，如通过比较+1级和1级暗场图像中的强度来揭示的那样。在步骤910中，衬底(例如，半导体晶片)通过图2的光刻单元处理一次或多次，以创建形成度量目标的包括套刻光栅842-845的结构。

在920中，使用图8的度量装置，并且利用与拍频Δω₁同步的锁定图像检测器112，仅使用一个第一级衍射束(即-1)来得到光栅842-845的(复杂)图像。然后，通过改变照射模式或改变成像模式，或者通过在度量装置的视场中将衬底W旋转180°，可以得到使用另一个第一级衍射束(+1)的光栅的第二(复杂)图像(步骤930)。从而，在第二图像中捕获用于每个光栅的+1衍射辐射。设计选择的问题是是否可以在每个图像中捕获所有光栅842-845，以及是否需要移动装置或衬底以捕获独立图像中的光栅。在任一情况下，假设经由锁定图像检测器112捕获所有组件光栅的第一图像和第二图像。

在步骤940中，在每个组件光栅的图像内仔细识别感兴趣区域(ROI，参见图8(c))，从中将测量强度等级。这么做是因为，特别是在对应光栅图像的边缘周围，强度值通常可以高度依赖于工艺变化，诸如抗蚀剂厚度、组成、线形状以及边缘效应。

针对每个对应的光栅识别ROI并测量其横跨ROI的强度，然后可以确定光栅结构的不对称性，并由此确定套刻误差。如现有申请所描述的，这通过图像处理器和控制器PU在步骤950中进行，其将针对每个图像852-855的+1和-1级得到的幅度/强度值和/或相位值进行比较以识别它们强度中的任何差异。在步骤950中计算强度差以得到针对每个光栅的不对称性的测量。在步骤960中，根据不对称性测量以及根据光栅的套刻偏差的知识，处理器计算目标T附近的套刻误差(或其他感兴趣的参数)。

以类似于图7所解释的方式，通过锁定图像检测器112得到的相位信息可以与幅度和/或强度信息组合来提高计算感兴趣的参数的测量的精度。

相位信息还允许光瞳面中“过滤”信号的建模。在图像平面中测量的信号可以经傅里叶过滤，然后可以建模光瞳面中的“过滤”信号。可以通过图像处理器和控制器PU来执行建模。例如在目标结构接近产品结构的情况下或者在感兴趣区域外的不均质的情况下，光瞳面中过滤信号的重构提高了测量质量。相位信息可用于在数据后处理期间计算地推断和抵消聚焦误差。然后，进一步提高了测量质量。

图10(a)示出了暗场成像检查装置的另一示例。图10(a)的示例类似于图8的示例，但是修改为同时捕获锁定图像检测器的不同部分上的+1和-1级图像。这种修改基于在公开的专利申请US2011102753A1中所描述的发明，其内容结合于此作为参考。

在该结构中，选择修改的孔板128以仅在照射光瞳的中心处提供照射。如图10(b)所示，这表示入射光线I垂直入射到目标T上，导致第一级衍射束在光轴O的任一侧为径向，而零级束沿着收集路径并沿着光轴O行进。修改的场阑130过滤掉所有束，除了第一级衍射束。

通过场阑130的每个+1和-1衍射级随后可以通过对应的光楔1010来偏离。这允许将两个第一级衍射束相互分离，使得它们创建“复视觉”效应。因此，在检测器上的不同位置处捕获衍射光谱的相对部分，并且可以独立地提取和处理。以这种方式，仅要求单个成像步骤来得到不对称性测量。图10(a)的装置包括光楔1010，它们沿着x轴对准以在x方向上分离+1和-1衍射级。备选地，光楔1010可以沿着y轴对准以在y方向上分离+1和-1衍射级，或者可使用四个光楔1010的集合，其中一个光楔1010沿着x轴对准，其他沿着y轴对准，在x方向和y方向上分离+1和-1衍射级。

以与上面用于图6的处理所描述的相同方式，通过将锁定频率设置为Δω₂-Δω₁，在方便的时间执行强度标准化。

变形例

代替偏移参考束的频率或者除偏移参考束的频率之外，用于获取衍射图案的照射路径还可以包括移频器。在衍射信号和参考束被频率偏移的情况下，所得到的拍频值(例如通过频移的照射束与频移的第一参考束之间的干涉生成)然后可以减小到较低值，甚至几赫兹。较低的频率可以允许使用对于其采集频率具有更宽松规范的图像传感器。然而，这种较低的采集频率可能不太适合用于不要求这种高测量产量的应用。

在图8的装置中，通过放置在反射镜116c之后且在检测器112之前的成像透镜802，第一参考束被聚焦在检测器112上。相比之下，在图10(a)的装置中，第一参考束通过放置在成像透镜802之后且在检测器112之前的反射镜116c而被引导至检测器112。根据应用，任意配置都可以在实际仪器中实施。

注意，在图3、图8和图10的装置中，可以在第一参考路径的某处放置衰减设备(未示出)(例如，中性密度滤光片)，以调整经频移的第一参考束的强度来与特定情况下的衍射信号的强度兼容。可以使得衰减程度可变。例如，通过机动化中性密度滤光轮。

可以通过分析由0级衍射束和第一级衍射束之间的干涉创建的干涉图案来实现聚焦校正。

图11示出了利用同步的锁定图像检测器使用偏振的调制以执行偏振和椭偏测量。这可以是单独的仪器，但是还可以是使用图3、图8或图10的检查装置100执行的操作的任选模式。可以通过偏振元件1103来偏振由辐射源1102生成的照射束。调制元件1104周期性地在高频下调制照射束的偏振状态。该调制元件例如可以放置在偏振元件1103之后。调制元件可以实现旋转偏振元件(例如，旋转偏振器、EOM等)。然后，照射束用于经由光学部件1105和显微镜物镜1106照射目标T。由于照射束的偏振在偏振旋转元件的频率下进行旋转，所以从目标衍射的光(其经由光学部件1107引导至锁定检测器1112)还包含在相同频率下改变的强度和/或偏振的时变分量。通过将固定分析器1108引入到检查装置100中，例如在锁定检测器1112之前，通过在旋转频率下锁定检测器1112，可以提取信号的幅度和相位。然后，可以使用所测量的信号的幅度和相位来提取目标的偏振测量参数。在该示例中，复杂的图像数据例如可表示偏振矢量的幅度和角度。

设置还可以与固定偏振器和旋转分析器一起工作。代替旋转偏振器，可以使用电光调制器。

总结

本文公开的方法和相关联的检查装置能够实现以下一个或多个优势。

通过实施相位敏感外差干涉技术来实现散射目标的远场衍射图案的测量。例如，远场衍射图案的测量允许获取衍射信号强度以及相关联的光学场的幅度和相位。这开启了基于所测量的散射目标的复杂远场衍射图案执行完整的目标重构的可能性。例如，然后将可以增加重构处理的精度(例如，CD重构或完整的目标重构)。

基于强度的散射仪要求较大的目标以便从所测量的光强度中获取临界的度量参数(例如，CD、套刻精度和聚焦量)。本文公开的技术能够实现全场测量，利于解决不适定逆散射问题。可以传递对逆问题(对散射目标的散射场)的良好限定且更精确的解决方案。这能够显著降低在晶片上放置度量目标所需的空间。

在测量不对称性并且被特殊目标直接用于计算感兴趣的测量参数而不执行重构的示例中，相位信息的可用性允许所计算的测量对形状或处理的其他参数的变化不敏感。相位信息可在感兴趣参数的计算内使用，或者可用于向计算值施加校正。

提供高分辨率和精确测量的能力是度量中的主要挑战。度量系统经受许多噪声源(例如，光学噪声源、电噪声源、机械噪声源)。用于噪声降低的一般方法是使用参考检测器(例如，光电二极管)来检测强度波动(传递参考信号)，然后使用参考信号来降低测量的感兴趣信号中的噪声。然而，与感兴趣信号的路径相比，这种一般方法的性能由于参考路径的光学、电和机械部件的差异而受到限制。上面公开的第二参考束的提供允许同一束路径被用于参考路径以及感兴趣的信号这两者。一个检测器可以利用适当的频率参考来测量感兴趣的信号和参考信号这两者。此外，通过基于外差干涉技术进行测量，可以去除DC噪声源。

当耦合至较高功率“本地振荡器”(即，第一参考束)时，基于外差干涉技术的度量装置允许显著减小曝光剂量(即，用于目标照射的低光学强度)并实现相同的SNR(信噪比)。这可以例如用于得到改进的SNR而不增加光学剂量和/或积分时间。这将允许通过增加参考束的功率来测量暗晶片(低散射晶片)。如上所述，机动化ND滤光片可被添加以使得参考束的强度可调。

尽管在本文中特别参考了检查装置在IC制造中的使用，但应该理解，本文描述的检查装置可具有其他应用，诸如集成光学系统的制造、用于磁域存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等。本领域技术人员应该理解，在这些备选应用的上下文中，本文使用的任何术语“晶片”或“管芯”可考虑为分别与更一般的术语“衬底”或“目标部分”同义。本文提及的衬底可以在曝光之前或之后例如在轨迹(通常将抗蚀剂层应用于衬底并显影曝光的抗蚀剂的工具)、度量工具和/或检查工具中被处理。在可应用的情况下，本公开可以应用于这些和其他衬底处理工具。此外，衬底可以被处理多于一次，例如以便创建多层IC，使得本文使用的术语衬底还可以表示已经包含多个处理层的衬底。

尽管上面具体参考本发明实施例在光学光刻的上下文中的使用，但应该理解，本发明可以用于其他应用，例如压印光刻，并且在上下文允许的情况下不限于光学光刻。在压印光刻中，图案化设备中的拓扑限定在衬底上创建的图案。图案化设备的拓扑可以按压到提供给衬底的抗蚀剂层中，由此通过施加电磁辐射、热、压力或它们的组合来固化抗蚀剂。使图案化设备从抗蚀剂移开，从而在抗蚀剂固化之后在其中留下图案。

本文使用的术语“辐射”和“束”涵盖所有类型的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射(例如，具有约365nm、355nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波长)和极紫外(EUV)辐射(例如，具有5nm-20nm范围内的波长)，以及粒子束，诸如离子束或电子束。

在上下文允许的情况下，术语“透镜”可以是指各种类型的光学部件的任何一个或组合，包括折射、反射、磁、电磁和静电的光学部件。

虽然上面描述了本发明的具体实施例，但应该理解，可以除所描述之外的方式实践本发明。此外，可以包含描述上述方法的机器可读指令的一个或多个序列的计算机程序或者其中存储有这种计算机程序的数据存储介质(例如，半导体存储器、磁盘或光盘)的形式来实施装置的一部分。

上面的描述是示例性的而非限制性的。因此，本领域技术人员应该理解，在不背离下面阐述的权利要求的范围的情况下，可以对所述本发明进行修改。