用于测量由光刻工艺形成在衬底上的结构的量测设备、光刻系统、以及测量由光刻工艺形成在衬底上结构的方法与流程

本申请要求享有2016年8月23日提交的欧洲专利申请16185319.7的优先权，并且该申请在此通过全文引用的方式并入本文。

本发明涉及一种用于测量由光刻工艺形成在衬底上的结构的量测设备、光刻系统以及测量由光刻工艺形成在衬底上结构的方法。

背景技术：

光刻设备是将所希望图案施加至衬底上、通常至衬底的目标部分上的机器。光刻设备可以用于例如集成电路(ic)的制造中。在该情形中，备选地称作掩模或刻线板的图案化装置可以用于产生将要形成在ic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管芯)上。图案的转移通常是经由成像至提供在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)的层上。通常，单个衬底将包含连续图案化的相邻目标部分的网络。在光刻工艺中，频繁地希望对所产生的结构进行测量，例如用于工艺控制和验证。用于进行该测量的各种工具是已知的，包括通常用于测量关键尺寸(cd)的扫描电子显微镜，以及用于测量重叠、器件中两个层的对准精度的量测的专用工具。重叠可以根据两个层之间失准程度而描述，例如1nm的测得重叠可以描述其中两个层以1nm失准的情形。

近期，已经研发了各种形式的散射仪用于光刻领域。这些装置将辐射束引导至目标上并测量被散射辐射的一个或多个特性—例如作为波长函数的、在单个反射角下的强度；作为反射角函数的、在一个或多个波长下的强度；或者作为反射角函数的偏振—以获得“光谱”，由光谱可以确定感兴趣目标的特性。可以由各种技术执行对感兴趣目标特性的确定：例如由迭代方案诸如严格耦合波分析或有限元方法对目标的重构；库搜索；以及主成分分析。

由传统散射仪使用的目标相对较大，例如40μm乘以40μm的光栅，并且测量束产生比光栅较小的光斑(也即光栅未填满)。这简化了目标的数学重构，因为其可以视作是无限的。然而，为了将目标的尺寸减小至例如10μm乘以10μm或更小，例如，以使得它们可以位于产品特征之中而不是在划片线中，已经提出了量测，其中使得光栅小于测量光斑(也即光斑过填充)。通常使用暗场散射法测量该目标，其中阻挡了零阶衍射(对应于镜面反射)，并且仅处理高阶衍射。暗场量测法的示例可以在国际专利申请wo2009/078708进而wo2009/106279中找到，在此通过全文引用的方式将其并入本文。已经在专利公开us20110027704a、us20110043791a和us20120242970a中描述了技术的进一步发展。在此也通过全文引用的方式将所有这些申请的内容并入本文。使用衍射阶的暗场检测的基于衍射的重叠使能对更小目标进行重叠测量。这些目标可以小于照射光斑并且可以由晶片上产品结构所围绕。目标可以包括可以在一个图像中测量的多个光栅。

在已知的量测技术中，通过在某些条件下两次测量重叠目标而获得重叠测量结果，同时旋转重叠目标或者改变照射模式或成像模式以分立地获得-1和+1阶衍射强度。对于给定重叠目标的强度非对称性、这些衍射阶强度的比较提供了目标非对称性也即目标中非对称性的测量值。重叠目标中的该非对称性可以用作重叠误差的指示器(两层的不希望的失准)。

当执行该暗场散射测量时，量测设备当前可以仅在任意一个时刻使用单个波长的测量辐射执行测量。然而，不同层中的不同目标可以对于不同的波长测量辐射显示不同的行为，这可以导致可变的质量。作为波长函数的变化也可以由于对于目标结构的工艺诱发改变而引起。例如，诸如化学机械平坦化蚀刻之类的半导体制造工艺和层厚度变化的非均匀性改变了量测目标的结构，并且因此也改变了最佳波长。因此希望单独地对于目标和/或层微调测量辐射。

技术实现要素：

希望提供允许高效地执行高质量测量的量测设备和方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量由光刻工艺在衬底上形成的结构的量测设备，量测设备包括：光学系统，被配置为使用测量辐射照射结构并且检测由结构散射的测量辐射，光学系统包括：透镜阵列，被配置为将被散射的测量辐射聚焦至传感器上；以及色散元件，被配置为将在多个非重叠波长频带中的每个波长频带中的经散射的测量辐射独占地引导至透镜阵列的不同的相应透镜上。

根据本发明的一个方面，提供了一种测量由光刻工艺形成在衬底上的结构的方法，包括：使用包括至少多个非重叠波长频带的测量辐射照射结构；使用色散元件以在由结构散射了测量辐射之后光谱地色散测量辐射以便于将被散射的测量辐射从多个非重叠波长频带中的每个波长频带独占地引导至透镜阵列的不同的相应透镜上；以及检测来自传感器上透镜阵列的每个透镜的辐射。

附图说明

现在将仅借由示例的方式参照所附示意图而描述本发明的实施例，其中对应的参考符号指示对应的部件，以及其中：

图1描绘了光刻设备；

图2描绘了光刻单元或集群；

图3包括(a)用于使用第一对照射孔径测量目标的暗场散射仪的示意图；(b)对于给定照射方向目标光栅的衍射光谱的细节；(c)多个目标光栅的已知形式的描绘以及衬底上测量光板的轮廓；以及(d)图3(a)的散射仪中所获得图3(c)的目标的图像的描绘；以及

图4描绘了根据本发明一个实施例的量测设备；

图5描绘了多光谱单元，包括透镜阵列、光楔元件、滤光片系统、以及色散元件；

图6描绘了使用光楔元件对不同衍射阶的空间间距；以及

图7包括(a)透镜阵列的三个透镜的示意图，代表性光瞳面图像被叠加其中；(b)与三个透镜对准的示例性带通滤光片；以及(c)透射率随滤光片系统波长的变化。

具体实施方式

该说明书公开了包括本发明特征的一个或多个实施例。所公开的实施例仅示例化了本发明。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限定。

在说明书中描述并涉及“一个实施例”、“一实施例”、“示例性实施例”等的实施例指示了所述实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每一个实施例不必包括该特定的特征、结构或特性。此外，该短语不必涉及相同的实施例。进一步，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，应该理解，不论是否明确描述，结合其他实施例而实现该特征、结构或特性在本领域技术人员的能力范围内。

然而，在更详细描述这些实施例之前，展示其中可以实施本发明实施例的示例性环境是有益的。

图1示意性地描绘了光刻设备la。设备包括配置为调节辐射束b(例如uv辐射或duv辐射)的照射系统(照射器)il，构造用于支撑图案化装置(例如掩模)ma并连接至配置为根据某些参数精确地定位图案化装置的第一定位器pm的支撑结构(例如掩模操作台)mt，构造用于固定衬底(例如涂覆了抗蚀剂的晶片)w并连接至配置为根据某些参数精确地定位衬底的第二定位器pw的衬底操作台(例如晶片操作台)wt，以及配置为将由图案化装置ma赋予辐射束b的图案投影至衬底w的目标部分c(例如包括一个或多个管芯)上的投影系统(例如折射式投影透镜系统)。

照射系统可以包括用于引导、定形或控制辐射的各种类型光学部件，诸如折射、反射、磁性、电磁、静电或其他类型光学部件、或者其任意组合。

支撑结构支撑也即承载了图案化装置的重量。其以取决于图案化装置的朝向、光刻设备的设计以及其他条件诸如例如图案化装置是否固定在真空环境中的方式而固定图案化装置。支撑结构可以使用机械、真空、静电或其他夹持技术以固定图案化装置。支撑结构可以是框架或操作台，例如，其如需要的话可以是固定或可移动的。支撑结构可以确保图案化装置处于所希望的位置，例如相对于投影系统。在此术语“刻线板”或“掩模”的任意使用可以视作与更常用术语“图案化装置”含义相同。

在此使用的术语“图案化装置”应该广义地解释为涉及可以用于在其截面赋予辐射束图案以便于在衬底的目标部分上产生图案的任何装置。应该注意，赋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所希望图案，例如，如果图案包括相移特征或所谓的辅助特征。通常，赋予辐射束的图案将对应于在目标部分中所产生器件中的特定功能层，诸如集成电路。

图案化装置可以是透射或反射式的。图案化装置的示例包括掩模、可编程镜面阵列、以及可编程lcd面板。掩模在光刻中是广泛已知的，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。可编程镜面阵列的示例使用小镜面的矩阵布置，每个小镜面可以单独地倾斜以便于沿不同方向反射入射的辐射束。倾斜的镜面在由镜面矩阵所反射的辐射束中赋予图案。

在此使用的术语“投影系统”应该广义地解释为包括各种类型投影系统，包括折射、反射、折反射、磁性、电磁和静电光学系统、或者其任意组合，如对于所使用曝光辐射、或者对于其他因素诸如沉浸液体的使用或真空的使用是合适的。在此术语“投影透镜”的任何使用可以视作与更常用术语“投影系统”含义相同。

在该实施例中，例如，设备是透射式类型(例如使用透射式掩模)。备选地，设备可以是反射式类型(例如使用如以上所涉及类型的可编程镜面阵列，或者使用反射式掩模)。

光刻设备可以是具有两个(双站台)或更多衬底操作台以及例如两个或更多掩模操作台的类型。在该“多站台”机器中，可以并行使用额外的操作台，或者当一个或多个其他操作台用于曝光时可以在一个或多个操作台上执行准备步骤。

光刻设备也可以是其中可以由具有相对较高折射率的液体(例如水)覆盖衬底的至少一部分以便于填充投影系统与衬底之间空间的类型。沉浸液体也可以施加至光刻设备中其他空间，例如在掩模与投影系统之间。沉浸技术在本领域广泛已知用于提高投影系统的数值孔径。如在此所使用的术语“沉浸”并非意味着结构诸如衬底必须浸没在液体中，而是相反地仅意味着在曝光期间液体位于投影系统和衬底之间。

参照图1，照射器il从辐射源so接收辐射束。源和光刻设备可以是分立实体，例如当源是受激准分子激光器时。在该情形中，源不应视作形成了光刻设备的一部分并且辐射束从源so借助于束输送系统bd而传至照射器il，束输送系统bd包括例如合适的引导镜面和/或扩束器。在其他情形中，源可以是光刻设备的整体部分，例如当源是汞灯时。源so和照射器il、如果需要的话与束输送系统bd一起可以称作辐射系统。

照射器il可以包括用于调节辐射束的角强度分布的调节器ad。通常，可以调节在照射器的光瞳面中强度分布的至少外侧和/或内侧径向范围(其分别通常称作σ-外侧和σ-内侧)。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co。照射器可以用于调节辐射束以在其截面具有所希望的均匀性和强度分布。

辐射束b入射在固定于支撑结构(例如掩模操作台mt)上的图案化装置(例如掩模ma)上，并且由图案化装置图案化。通过横越掩模ma，辐射束b穿过投影系统ps，其将束聚焦至衬底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、2-d编码器或电容性传感器)，可以精确地移动衬底操作台wt，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中并未明确描绘)可以用于相对于辐射束b的路径而精确地定位掩模ma，例如在从掩模库机械检索之后，或者在扫描期间。通常，可以借助于形成了第一定位pm的一部分的长冲程模块(粗调定位)和短冲程模块(精调定位)而实现掩模操作台mt的移动。类似地，可以使用形成了第二定位pw的一部分的长冲程模块和短冲程模块而实现衬底操作台wt的移动。在步进机(与扫描机相反)的情形中，掩模操作台mt可以仅连接至短冲程致动器，或者可以固定。可以使用掩模对准标记m1、m2以及衬底对准标记p1、p2对准掩模ma和衬底w。尽管如所示的衬底对准标记占据了专用目标部分，它们可以位于目标部分之间的空间中(这些已知为划片线对准标记)。类似地，在其中在掩模ma上提供多于一个管芯的情形中，掩模对准标记可以位于管芯之间。

所示设备可以用于以下模式中的至少一个模式：

1.在步进模式中，掩模操作台mt和衬底操作台wt保持实质上固定，同时将赋予辐射束的整个图案一次性投影至目标部分c上(也即单次静态曝光)。随后沿x和/或y方向偏移衬底操作台wt因此可以曝光不同的目标部分c。在步进模式中，曝光场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。

2.在扫描模式中，同步地扫描掩模操作台mt和衬底操作台wt，同时将赋予辐射束的图案投影至目标部分c上(也即单次动态曝光)。衬底操作台wt相对于掩模操作台mt的速率和方向可以由投影系统ps的缩放和成像反转特性确定。在扫描模式中，曝光场的最大尺寸限制了单次动态曝光中目标部分的宽度(沿非扫描方向)，而扫描运动的长度确定了目标部分的高度(沿扫描方向)。

3.在另一模式中，掩模操作台mt保持实质上固定而固定了可编程图案化装置，并且移动或扫描衬底操作台wt，此时将赋予辐射束的图案投影至目标部分c上。在该模式中，通常使用脉冲辐射源且如果需要的话在衬底操作台wt每次移动之后或者在扫描期间连续辐射脉冲之间更新可编程图案化装置。该操作模式可以容易地适用于无掩模光刻，其使用可编程图案化装置诸如以上所述类型的可编程镜面阵列。

也可以使用上述使用模式的组合和/或变形，或者使用完全不同的使用模式。

如图2中所示，光刻设备la形成了光刻单元lc、有时也称作光单元或集群的一部分，其也包括用以在衬底上执行曝光前和曝光后工艺的设备。传统地，这些包括用于沉积抗蚀剂层的旋涂机sc，用于显影已曝光抗蚀剂的显影机de，冷却板ch和烘焙板bk。衬底操纵器或机器人ro从输入/输出端口i/o1、i/o2拾取衬底，在不同工艺设备之间移动它们，并且将它们输送至光刻设备的进料台lb。通常共同地称作轨道的这些装置在轨道控制单元tcu的控制下，其自身由监管控制系统scs控制，其也经由光刻控制单元lacu而控制了光刻设备。因此，可以操作不同的设备以最大化吞吐量和处理效率。

为了正确地且一致性地曝光由光刻设备所曝光的衬底，希望检查已曝光衬底以测量特性，诸如后续层之间的重叠误差、线条厚度、关键尺寸(cd)等。如果检测到误差，例如可以对后续衬底的曝光进行调节，尤其是如果可以马上且足够快进行检查以便相同批次的其他衬底仍然待曝光。此外，可以剥除并返工已曝光的衬底以提高良率、或可能丢弃，由此避免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，可以仅对被认为是非故障的那些目标部分执行进一步曝光。

使用量测设备以确定衬底的特性，以及特别地，不同衬底或者相同衬底的不同层的特性如何逐层变化。量测设备可以集成至光刻设备la或光刻单元lc中，或者可以是独立装置。为了使能最快速的测量，希望量测设备在曝光之后立即测量已曝光抗蚀剂层中的特性。然而，抗蚀剂中潜像具有非常低对比度，因为在已经暴露至辐射的抗蚀剂的部分与上位暴露的那些部分之间仅存在非常小的折射率差异—并且并非所有量测设备具有足够灵敏度以进行潜像的有用测量。因此可以在曝光后烘焙步骤(peb)之后进行测量，其通常是对已曝光衬底执行的第一步骤并且提高了抗蚀剂的已曝光和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。也能够对已显影抗蚀剂图像进行测量，在该点处已经移除了抗蚀剂的已曝光或未曝光部分，或者在图案转移步骤诸如蚀刻之后。后者可能性限制了故障衬底返工的可能性但是仍然提供有用的信息。

图3(a)中示出了量测设备。在图3(b)中更详细图示了目标t和用于照射目标的测量辐射的衍射射线。所示的量测设备是已知为暗场量测设备的类型。量测设备可以是独立装置或者包括在光刻设备la中例如在测量站台处，或者在光刻单元lc中。具有遍布设备的数个分支的光轴由虚线o表示。在该设备中，由源11(例如氙灯)发出的光经由扩束器15由包括透镜12、14以及物镜16的光学系统引导至衬底w上。这些透镜以4f布置的双重序列而设置。可以使用不同的透镜布置，只要其仍然提供衬底图像至检测器上，并同时地允许中间光瞳面的访问以用于空间-频率滤波。因此，可以通过在展示了衬底平面的空间光谱的平面、在此称作(共轭)光瞳面中限定空间强度分布而选择辐射入射在衬底上的角度范围。特别地，这可以通过在作为物镜光瞳面的背投图像的平面中、在透镜12和14之间插入合适形式的孔径板13而完成。在所示的示例中，孔径板13具有被标注为13n和13s的不同形式，从而允许选择不同的照射模式。本示例中照射系统形成离轴照射模式。在第一照射模式中，孔径板13n提供了从仅为了描述方便标注为“北”的方向的离轴。在第二照射模式中，使用孔径板13s以提供类似、但是从标注为“南”的相反方向的照射。通过使用不同的孔径，其他照射模式是可能的。光瞳面的剩余部分希望是暗的，因为在所希望照射模式之外的任何不必要光将干扰所希望的测量信号。

如图3(b)中所示，放置目标t使得衬底w垂直于物镜16的光轴o。衬底w可以由支撑件(未示出)支撑。从偏离光轴o的角度照射在目标t上的测量辐射的射线i引起零阶射线(实线0)和两个一阶射线(点链线+1和双点链线-1)。应该记得，使用过填充的小目标，这些射线仅是覆盖了包括量测目标t和其他特征的衬底区域的许多平行射线之一。因为板13中孔径具有有限的宽度(必须接纳有效量的光)，入射的射线i将实际上占据一角度范围，并且衍射的射线0和+1/-1将稍微扩散开。根据小目标的点扩散函数，每个+1和-1阶衍射将进一步在某一角度范围内扩散，而不是如所示的单个理想射线。注意，可以设计或调节目标的光栅间距和照射角度以便进入物镜的第一阶射线与中心光轴紧密对准。图3(a)和图3(b)中所示的射线示出为稍微离轴，纯粹用以使得它们在图中更容易区分。

由物镜16会聚由衬底w上目标t衍射的至少0和+1阶衍射并通过分束器15引导返回。返回至图3(a)，通过标明标注为北(n)和南(s)的直径相对的孔径，图示了第一照射模式和第二照射模式两者。当测量辐射的入射射线i来自光轴的北侧时，也即当使用孔径板13n应用第一照射模式时，标注为+1(n)的+1阶衍射射线进入物镜16。相反，当使用孔径板13s应用第二照射模式时，进入物镜16的是-1阶衍射射线(标注为-1(s))。

第二分束器17将衍射束分割成两个测量分支。在第一测量分支中，光学系统18使用第零和第一阶衍射束在第一传感器19(例如ccd或cmos传感器)上形成目标的衍射光谱(光瞳面图像)。每个衍射阶照射传感器上不同点，因此图像处理可以比较和对比阶。由传感器19捕捉的光瞳面图像可以用于聚焦量测设备和/或归一化第一阶束的强度测量值。光瞳面图像也可以用于许多测量目的诸如重构。

在第二测量分支中，光学系统20、22在传感器23(例如ccd或cmos传感器)上形成目标t的图像。在第二测量分支中，在于光瞳面共轭的平面中提供孔径光阑21。孔径光阑21用于阻挡第零阶衍射束以便在传感器23上形成的目标的图像仅由-1或+1阶束形成。由传感器19和23捕捉的图像输出至处理图像的处理器pu，其功能将取决于所执行测量的特定类型。注意，术语“图像”在此以宽广含义使用。同样将不形成光栅线条的图像，如果仅存在-1和+1阶衍射之一。

图3中所示孔径光阑13和视场光阑21的特定形式纯粹是示例。在本发明的另一实施例中，使用目标的同轴照射并且使用具有离轴孔径的孔径光阑以实质上仅传递衍射光的一个第一阶至传感器。在又一实施例中，替代于或者除了第一阶束之外，可以在测量中使用第2、第3和更高阶束(图3中未示出)。

为了使得测量辐射可适用于这些不同测量类型，孔径板13可以包括形成在盘片周围的许多孔径图案，盘片旋转以使得所希望图案在合适位置。注意，可以仅使用孔径板13n或13s以测量朝向一个方向(取决于设置x或y)的光栅。对于正交光栅的测量，可以实施目标旋转90°和270°。在上述现有公开申请中描述了这些的使用以及设备的数个其他变形和应用。

图3(c)描绘了根据已知实践形成在衬底上的(复合)目标。在该示例中目标包括紧密定位在一起的四个光栅25a至25d，以便它们将均在测量场景或由量测设备的量测辐射照射束所形成的测量光板24内。因此均同时照射四个光栅并同时成像在传感器19和23上。在专用于重叠测量的示例中，光栅25a至25d自身包括通过重叠在形成于衬底w上半导体器件的不同层中图案化的光栅所形成的光栅。光栅25a至25d可以具有不同偏离的重叠偏移(层之间有意失配)以便于促进复合光栅的不同部分形成在其中的层之间重叠的测量。该技术对于本领域技术人员是广泛已知的并且将不再进一步描述。光栅25a至25d也可以朝向不同，如所示，以便于衍射沿x和y方向入射辐射。在一个示例中，光栅25a和25c分别是具有+d和-d偏离的x方向光栅。光栅25b和25d分别是具有偏移+d和-d的y方向光栅。可以在由传感器23捕捉的图像中识别这些光栅的分立图像。这仅是目标的一个示例。目标可以包括比四个更多或更少的光栅，或者仅包括单个光栅。

图3(d)示出了在图3(a)的设备中使用图3(c)的目标可以形成在传感器23上并由其检测的图像的示例。尽管光瞳面图像传感器19无法分辨不同的单个光栅25a至25d，图像传感器23可以完成。暗矩形表示传感器上图像的视场，在该视场内将衬底上照射光斑24成像为对应的圆形区域26。在该区域内，矩形区域27a至27d表示小目标光栅25a至25d的图像。如果目标位于产品区域中，产品特征也可以在该图像视场外围可见。图像处理器和控制器pu使用图案识别处理这些图像以识别光栅25a至25d的分立图像27a至27d。以该方式，图像不必在传感器框架内特殊位置处非常精确地对准，这作为整体大大提高了测量设备的吞吐量。

一旦已经识别了光栅的分立图像，可以例如通过对所识别区域内所选择像素强度值求平均或求和而测量那些单个图像的强度。可以将图像的强度和/或其他特性相互比较。可以组合这些结果以测量光刻工艺的不同参数。重叠性能是该参数的重要示例。

当前，当使用第二成像分支执行暗场测量时，所使用的测量辐射仅包括单个波长。测量辐射对于被测量衬底的不同层显示不同行为。因此，应该对于其中包括了被测目标的层优化测量辐射的波长。这意味着测量辐射需要对于不同层中目标的不同测量单独微调。这耗费了相当多时间，而同时总是希望减少测量时间以提高制造生产率和/或精度(通过允许进行更多测量)。此外，有时执行多层重叠测量，其中在单个图像中捕捉不同层中的多个目标。对于该多层测量，对于不同层中目标优化波长是不可能的，并且所选择的波长将仅是对于不同目标的最佳折衷。

图4示意性地说明了目的在于解决这些问题的量测设备架构。这是通过使用平行的多个波长对目标(可以类似于例如图3(c)中所示的目标)执行测量而进行的。所使用的技术可以被称为多频谱成像。这允许对于每个单独层选择最佳波长。因此，当例如执行多层测量时，可以对于每个目标优化波长而并未牺牲吞吐量。此外，提供目标的完整光谱图改进了重叠测量相对于工艺变化的健壮性。

量测设备大部分与图3(a)的量测设备相同，并且特别是该设备的第二测量分支(根据本公开的设备可以可选地包括以类似于图3(a)所示方式的另一测量分支)。因而，照射系统与传感器之间的光学设计原理大部分未变，相同数字被认为是等价元件。

早先设计与图4的量测设备之间的主要差异是照射系统30以及包括多光谱单元32替换传感器23。

照射系统30提供包括多个波长的测量辐射。测量辐射可以包括连续光谱或多个离散波长(或波长频带)。在实施例中，测量辐射可以包括从400nm延伸至900nm的多个波长。

图4描绘了用于测量由光刻工艺形成在衬底w上的结构的量测设备的示例。图3(c)的四个光栅25a-25d是适用于由量测设备测量的结构的示例。量测设备包括配置为使用测量辐射照射结构并且检测由结构所散射测量辐射的光学系统。光学系统包括能够同时地检测在不同波长频带中的散射测量辐射的多光谱单元32。

图5描绘了示例性多光谱单元32。多光谱单元32包括透镜47的阵列46以及色散元件36。

图5示意性描绘了经散射的测量辐射从光瞳面48穿过传播至传感器44。光瞳面48是目标的衍射光谱的至少一部分(光瞳面图像)形成在其中的平面。示意性地描绘了对应于包含了第一阶衍射束的暗场照射模式的光瞳面图像并标注为49。可以使用其他照射模式。测量辐射从光瞳面48穿过透镜34传至色散元件36上。测量辐射从色散元件36穿过透镜38传至传感器44上。在所示的实施例中，测量辐射也穿过以下将进一步详述的滤光片系统40和光楔42。透镜34和38可以被配置为4f布置。

透镜47的阵列46将经散射的测量辐射聚焦至传感器44上。在实施例中，透镜47的阵列46包括设置在规则的1d或2d阵列中的多个透镜47。在实施例中透镜名义上等同(例如相同直径)但是可以单独可调节以允许对由透镜47形成在传感器44上图像进行精调。例如，在实施例中可以单独地调节每个透镜47的焦距或位置。具有单独可调节焦距或位置的透镜在本领域广泛已知，因此在此不提供进一步细节。透镜47的精调可以例如补偿透镜的光学特性根据波长的变化。如下所述，透镜47中的每个透镜将接收相对于其他透镜的不同波长带中的辐射。额外地，每个透镜47可以在不同时刻接收不同波长频带中的辐射。

色散元件36将在多个非重叠波长频带的每一个中的经散射的测量辐射引导至阵列46的相应不同透镜47上。因此，对于其中提供了六个非重叠波长频带的情形，将波长频带的第一个引导至第一透镜47而不是其他透镜47上，将波长频带的第二个引导至第二透镜47而不是其他透镜47上，等等，直至将波长频带的第六个引导至第六透镜47而不是其他透镜47上。非重叠波长频带是包含了均在所有其他非重叠波长频带之外的波长范围的波长频带。

色散元件36可以包括能够以取决于辐射波长的方式改变辐射束传播方向的任何元件。在一个实施例中，色散元件36包括衍射光栅或棱镜。

色散元件36空间地分离具有不同波长(不同波长频带)的经散射的测量辐射的分量。透镜47的阵列46将被分离的分量聚焦至传感器44上不同区域上(并且在该实施例中由此形成目标的图像)。该设置使其能够同时对于多个不同波长频带测量已经由此散射了测量辐射的结构。因此可以进行对结构的高质量测量，因为测量不限于单个波长频带。可以以高效率进行测量，因为无需在不同时刻使用不同波长频带执行测量。

在一个实施例中，透镜47的阵列46位于其中形成了结构的光瞳面图像的至少一部分的平面(光瞳面)中。在图5中所示的实施例中，光瞳面图像仅包括第一阶衍射分量(-1和+1阶分量)。在一个实施例中，阵列46中每个透镜47在传感器44上形成图像。如上所述，术语“图像”在此以广泛含义使用。如果所有衍射阶存在于光瞳面中，图像将是散射了测量辐射(也即包括所有空间频率)的结构的完整图像。如果存在少于所有衍射阶，则形成在传感器44上的图像将不是结构的完整图像。

在一个实施例中，透镜47的阵列46被配置为矫正光瞳面图像的畸变，例如由色散元件36引入的畸变。在一个实施例中，透镜的阵列46被配置为矫正由色散元件36引入的合成畸变(如果不矫正将使得圆形图像畸变为椭圆图像)。这可以例如通过使用包括圆柱形透镜47的透镜47的阵列46而实现。

在一个实施例中，提供了光楔元件42。光楔元件42空间地分离源自经散射的测量辐射中不同衍射阶的辐射。空间分离使得在传感器44上不同各自非重叠区域中检测来自不同衍射阶的辐射。示例性的光楔元件42示意性地描绘在图6中。由不同波长的经散射的测量辐射得到的光瞳面图像的示例性集合示出为叠加至光楔元件42的内表面上。光楔元件42被配置为使得对应于-1阶辐射(例如近似右上象限)的每个光瞳面图像的区域入射在光楔元件42的以第一角度重定向辐射的区域(例如图6中所示朝向的光楔元件42的上部区域)上，以及每个光瞳面图像的对应于+1阶辐射(例如近似左下象限)的区域入射在以光楔元件42的不同于第一角度的第二角度重定向辐射的区域(例如图6的朝向中下部区域)上。光楔元件42分离来自传感器44上不同衍射阶(例如-1和+1)的图像，由此允许同时地测量不同衍射阶。用于测量不同衍射阶的备选方案将是改变照射模式，例如通过改变孔径板13。以此方式，多光谱单元32将在不同时刻接收-1阶辐射和+1阶辐射。然而该方案将通常比使用光楔元件42同时地测量不同衍射阶更耗时。

希望以使得光瞳面图像重叠任意两个透镜47的方式防止经散射的测量辐射入射在透镜47的阵列46上。如果出现这样，则对于形成高质量图像必需的一些空间信息将在两个不同图像之间分割，由此破坏了这两个图像。在一个实施例中，提供滤光片系统40以滤除引起该重叠的波长频带。图7描绘了示例性设置。

图7(a)描绘了来自透镜阵列46的三个示例性透镜47。叠加在三个透镜上的是11个示意性光瞳面图像，从左至右相对于相互均等间距。每个光瞳面图像包括包含了代表了结构的衍射图案的辐射的右上象限和右下象限，而左上象限和左下象限表示结构的衍射图案的已经被阻挡的部分。在其中从色散元件输出的测量辐射包括将连续跨三个透镜47传播(缺乏滤光片系统40)的波长范围的情形中，光瞳面图像的连续传播也将跨三个透镜47传播。图7为了便于说明仅示出了11个代表性光瞳面图像。

居中在位置71a-71i的九个光瞳面图像完全落入一个且仅一个透镜47内。居中在位置72b和72c的两个光瞳面图像重叠两个不同透镜47且因此贡献了至传感器44上两个不同图像的辐射。居中在位置72b和72c的光瞳面图像直径一半内(也即从71c至71d或从71f至71g的范围内任意处，对应于标记为62的范围)的所有光瞳面图像(未示出)也将重叠两个不同透镜46。滤光片系统40滤除了测量辐射的至少对应于光瞳面图像的这些位置范围的分量。在图7中所示的几何中，滤光片系统40因此滤除了测量辐射的将产生居中在标记为62的范围中任何位置处的光瞳面图像的分量。相反，滤光片系统40通过了测量辐射的原本将产生居中在标记为61的范围中任何位置处的光瞳面图像的分量。

在一个实施例中，滤光片系统40包括带通滤光片51-53的阵列，如图7(b)中示意性所示。每个带通滤光片51-53选择性通过在预定波长频带内的辐射并与透镜47的阵列46对准，以使得光瞳面图像重叠任意两个透镜47的方式防止经散射的测量辐射入射在阵列46上。因此，在所示的示例中，带通滤光片51通过在与居中在从71a至71c范围内光瞳面图像相对应的波长频带中的辐射并阻挡所有其他波长。带通滤光片52通过在与居中在范围71d至71f范围内光瞳面相对应波长频带中的辐射并阻挡所有其他波长。带通滤光片53通过在与居中在范围71g至71i中光瞳面图像相对应波长频带中的辐射并阻挡所有其他波长。带通滤光片51-53的阵列的整体透射特性示出在图7(c)中。透射率t对于提供了居中在范围61中的光瞳面图像的波长相对较高(例如实质上100％)，并对于提供了居中在范围62中的光瞳面图像的波长相对较低(例如实质上零)。

图6和图7的滤光片系统40提供紧邻透镜的阵列46。该方案是有利的，因为色散元件36已经展开了经散射的测量辐射的不同波长分量，这促进了滤光过程。例如，如上所述，单独的带通滤光片可以操作在比在不同波长分量尚未展开的情形中更窄的波长范围上。然而不必在该位置提供滤光片系统40。只要实现了所需的透射分布，例如图7(c)中所示，滤波可以出现在量测系统中任何位置。备选地或额外地，照射系统30自身可以直接被配置为提供多个非重叠波长频带，选择该多个非重叠波长频带以使得经散射的测量辐射并未以使得光瞳面图像重叠任意两个透镜47的方式入射在透镜47的阵列46上。因此，在该情形中，由照射系统30提供的非重叠波长频带已经相互间隔开，而实质上没有在多个非重叠波长频带的任意配对之间的任意波长频带内的测量辐射，这将使得光瞳面图像重叠任意两个透镜47。在该情形中，无需滤光片系统40。

为了在波长空间中提供良好采样，希望光瞳面图像的直径(或平行于透镜47的阵列46沿着其对准方向的光瞳面图像的宽度)被设置为阵列46的每个透镜47的直径的近似50％(如图7中所示)，例如直径的25％-50％，可选地直径的33％-50％，可选地实质上直径的50％。以下描述示例性量测设备的具体参数。

以下参数可以适用于以下情形，其中希望使用在δλ＝10nm的波长分辨率、δλ＝100nm的总带宽范围内的测量辐射而测量结构。因此，每个透镜47在10nm带宽的范围内获取辐射(并且在传感器44上形成图像)，以及在100nm范围的范围内并行执行相同带宽的多个测量。在该情形中，对于典型光学系统而言，光瞳面图像的直径dp将是大约3.8nm。对于包括具有间距p＝500nm的衍射光栅的色散元件36，衍射角将由＝sin^-1(λ/p)给出。为了实现δλ＝10nm的光谱分辨率，需要透镜34和38的焦距f确保在波长范围的横向位移δλ＝10nm等于光瞳面图像的直径(也即提供图7(c)中所示的占空比)。因此焦距需要满足f＝dpp/δλ，这产生了f＝10cm。使用该焦距可以计算已色散光瞳面图像的总物理尺寸(光瞳面图像跨阵列46的扩展长度)，并且因此计算阵列46以及将从阵列46接收图像的传感器44的所需尺寸。

色散光瞳面图像的总空间范围近似为l＝fδλ/p。这给出了阵列46(以及传感器44)的尺寸为l＝3.8cm。对于70倍放大而言，透镜47的焦距将大约是14cm。对于3.8mm的光瞳面图像直径而言，每个透镜47的直径将是7.6mm。对于总带宽δλ＝100nm，将在阵列46中需要五个透镜47，每个透镜47测量δλ＝10nm的带宽。因此，该配置允许在10nm宽度和10nm间隔的五个等距波长频带下测量结构。为了测量不同的波长范围，将需要调节(例如旋转)色散元件36(在该情形中衍射光栅)或透镜阵列46，并且可能也需要移动传感器44。额外地，也可以需要移动或替换所使用的带通滤光片40的任意阵列，从而允许合适的波长频带通过阵列46的相应透镜47。

使用量测设备的高质量成像取决于透镜47的阵列46与色散元件36的恰当对准。在实施例中，提供对准控制器70以允许控制在至少透镜47的阵列46与色散元件36之间的相对对准。所需要的相对对准将通常取决于由所使用的多个非重叠波长频带所覆盖的特定波长范围。在一个实施例中，可以使用不同的多个重叠波长频带。例如，可以使用均包含在第一波长范围内的第一多个波长频带，接着是可以使用均包含在第二波长范围内的第二多个波长频带。第一波长范围和第二波长范围可以自身是非重叠的。以此方式能够构建在宽波长范围范围内具有高光谱分辨率的结构的测量值的详细集合。然而不同的多个波长中的每一个将通常需要至少在透镜47的阵列46与色散元件36之间的不同相对对准，以确保每个非重叠波长频带与一个透镜47合适地对准(例如以使得光瞳面图像并未在透镜47与任何其他透镜47之间重叠)。

在一个实施例中，量测设备进一步包括被配置为调节透镜阵列46和色散元件36中的任一个或两者的位置、朝向、或者位置与朝向的对准致动器70。对准致动器70允许量测设备以选择性地从第一对准状态切换至第二对准状态(以及可选地一个或多个其他对准状态，如需要的话)。第一对准状态使得在第一多个非重叠波长频带中的每一个中的经散射的测量辐射被独占地引导至透镜47的阵列46的不同相应透镜47上。第二对准状态使得在第二多个非重叠波长频带的每一个中的经散射的测量辐射被独占地引导至透镜47的阵列46的不同相应透镜47上。第一多个非重叠波长频带不同于第二多个非重叠波长频带。

在一个实施例中，对准致动器70通过旋转色散元件36而调节色散元件36的朝向。

在一个实施例中，也可以响应于待测的多个非重叠波长频带中的变化而需要修改滤光片系统40的操作。在一个实施例中，提供滤光片系统致动器70以响应于从第一对准状态切换至第二对准状态而修改由对准致动器70修改滤光片系统40的操作。在一个实施例中，通过改变带通滤光片的阵列相对于透镜阵列46的对准而修改滤光片系统40的操作。在一个实施例中，带通滤光片阵列被放置在可移动站台上以允许调节。在一个实施例中，提供覆盖了量测设备的整个操作频谱范围的带通滤光片阵列(其中根据被测的特定波长范围，在每个测量过程期间带通滤光片阵列的合适部分与透镜47的阵列46对准)。在备选实施例中，通过使用带通滤光片的第二阵列替换带通滤光片的第一阵列而修改滤光片系统40的操作。

在设置阶段期间，将在结构测量之前执行透镜47的阵列46、色散元件36、传感器44、和/或滤光片系统40的任何所需调节。在结构测量期间无需移动部件。

可以使用在此所述的概念以使能替代于分立地选择每个波长而平行读出多光谱测量并串行执行多个测量。该测量可以用于例如对重叠目标执行重叠测量。

使用不同波长并行进行测量使得测量更健壮。例如，可以通过组合多个颜色(例如通过使用盲源分离技术)获得更好的非对称性矫正。

在此公开的概念可以除了用于监视目的的、对结构在光刻后测量之外找到用途。例如，该检测器架构可以用于基于光瞳面检测的未来对准传感器概念，在光刻设备中用于在图案化工艺期间对准衬底。

尽管上述目标是特殊设计并为了测量目的形成的量测目标，但是在其他一些实施例中，可以对作为形成在衬底上器件的功能部分的目标来测量特性。许多器件具有规则的、光栅状结构。如在此使用的术语“目标光栅”和“目标”并不要求为了所执行的测量而特意提供结构。

量测设备可以用于光刻系统中，诸如参照图2如上所述的光刻单元lc。光刻系统包括执行光刻工艺的光刻设备la。光刻设备可以被配置为当执行后续光刻工艺时由通过光刻工艺所形成结构的量测设备而使用测量的结果，例如用以改进后续光刻工艺。

实施例可以包括计算机程序，其包含描述了测量结构上目标和/或分析测量值以获得关于光刻工艺信息的方法的及其可读指令的一个或多个序列。也可以提供具有存储在其中的该计算机程序的数据存储媒介(例如半导体存储器、磁盘或光盘)。其中现有光刻或量测设备已经在制造和/或使用中，通过提供用于使得处理器执行在此所述的已更新计算机程序产品而可以实施本发明。

尽管可以具体参考在ic制造中使用光刻设备的上下文，应该理解在此所述的光刻设备可以具有其他应用，诸如集成光学系统、用于磁畴存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(lcd)、薄膜磁头等的制造。本领域技术人员应该知晓，在该备选应用的上下文中，术语“晶片”或“管芯”在此的任何使用可以视作分别与更常用术语“衬底”或“目标部分”含义相同。可以在例如轨道(通常将抗蚀剂层施加至衬底并显影已曝光抗蚀剂的工具)、量测工具和/或检查工具中、在曝光之前或之后处理在此涉及的衬底。其中可应用的，本公开在此可以适用于这些和其他衬底处理工具。进一步，可以多于一次处理衬底，例如以便于产生多层ic，因此在此所使用的术语衬底也可以涉及已经包含了多个已处理层的衬底。

尽管已经在光学光刻的上下文中对于本发明实施例的使用做了以上具体参考，应该知晓，本发明可以用于其他应用，例如压印光刻，以及其中上下文允许的，不限于光学光刻。在压印光刻中，图案化装置中的拓扑限定了在衬底上形成的图案。图案化装置的拓扑可以压入提供至衬底的抗蚀剂层中，通过施加电磁辐射、热、压力或其组合而固化了衬底上的抗蚀剂。在抗蚀剂固化之后，从抗蚀剂移除图案化装置而在其中留下图案。

在此使用的术语“辐射”和“束”包括所有类型电磁辐射，包括紫外(uv)辐射(例如具有是或者大约365、355、248、193、157或126nm的波长)和极紫外(euv)辐射(例如具有在5-20nm范围内的波长)，以及粒子束，诸如离子束或电子束。

其中上下文允许的，术语“透镜”可以涉及各种类型光学部件的任意一个或组合，包括折射、反射、磁性、电磁和静电光学部件。

在以下编号条款中进一步描述根据本发明的其他实施例：

1.一种用于测量由光刻工艺在衬底上形成的结构的量测设备，量测设备包括：

光学系统，被配置为使用测量辐射照射结构并且检测由结构散射的测量辐射，光学系统包括：

透镜的阵列，被配置为将经散射的测量辐射聚焦至传感器上；以及

色散元件，被配置为将在多个非重叠波长频带的每一个中的经散射的测量辐射独占地引导至透镜阵列的不同的相应透镜上。

2.根据条款1的量测设备，其中，透镜的阵列位于形成结构的光瞳面图像的平面中。

3.根据条款2的量测设备，进一步包括滤光片系统，被配置为以使得光瞳面图像与透镜的阵列中任意两个透镜重叠的方式防止经散射的测量辐射入射在透镜的阵列上。

4.根据条款3的量测设备，其中，滤光片系统包括与透镜的阵列对准的带通滤光片的阵列。

5.根据条款3或4的量测设备，其中，形成在透镜的阵列处的光瞳面图像的直径是透镜的阵列中的每个透镜的直径的25％-50％。

6.根据之前任一项条款的量测设备，进一步包括对准致动器，对准致动器被配置为调节透镜的阵列和色散元件中的任一个或两者的位置、朝向、或者位置与朝向，以便于从第一对准状态选择性地切换至第二对准状态，其中：

在第一对准状态中，将在第一多个非重叠波长频带的每个非重叠波长频带中的经散射的测量辐射独占地引导至透镜的阵列的不同的相应透镜上；以及

在第二对准状态中，将在第二多个非重叠波长频带的每个非重叠波长频带中的经散射的测量辐射独占地引导至透镜的阵列的不同的相应透镜上，第一多个非重叠波长频带不同于第二多个非重叠波长频带。

7.根据项目6的量测设备，其中，对准致动器被配置为通过旋转色散元件而调节色散元件的朝向。

8.根据条款6或7的量测设备，包括：

滤光片系统，被配置为以使得光瞳面图像与透镜的阵列中的透镜中的两个或更多透镜重叠的方式，防止经散射的测量辐射入射在透镜的阵列上；以及

滤光片系统致动器，被配置为响应于从第一对准状态切换至第二对准状态而由对准致动器修改滤光片系统的操作。

9.根据条款8的量测设备，其中，滤光片系统的操作的修改包括改变带通滤光片的阵列相对于透镜的阵列的对准。

10.根据条款8或9的量测设备，其中，滤光片系统的操作的修改包括使用带通滤光片的第二阵列替换带通滤光片的第一阵列。

11.根据之前任意条款的量测设备，其中，色散元件包括衍射光栅或棱镜。

12.根据之前任意条款的量测设备，其中，透镜的阵列包括设置在规则阵列中的多个透镜。

13.根据之前任意条款的量测设备，其中，透镜的阵列包括多个柱面透镜。

14.根据之前任意条款的量测设备，进一步包括光楔元件，被配置为空间地分离源自经散射的测量辐射中不同衍射阶的辐射，从而在传感器上的不同的相应非重叠区域中检测来自不同衍射阶的辐射。

15.根据之前任意条款的量测设备，进一步包括辐射源，被配置为使用包括多个非重叠波长频带并且在多个非重叠波长频带的任意配对之间不包括将使得光瞳面图像重叠透镜的阵列中任意两个透镜的任何波长频带的测量辐射而照射结构。

16.一种光刻系统，包括：

光刻设备，配置为执行光刻工艺；以及

之前任意条款的量测设备，其中：

设置光刻设备以当执行后续光刻工艺时由光刻工艺所形成结构的量测设备使用测量的结果。

17.一种测量由光刻工艺形成在衬底上结构的方法，包括：

使用包括至少多个非重叠波长频带的测量辐射照射结构；

使用色散元件以在由结构散射了测量辐射之后光谱地色散测量辐射以便于将经散射的测量辐射从多个非重叠波长频带的每一个独占地引导至透镜阵列的不同的相应透镜上；以及

检测来自传感器上透镜的阵列的每个透镜的辐射。

18.根据条款17的方法，进一步包括，调节透镜的阵列和色散元件的任一个或两者的位置、朝向、或者位置与朝向，以便于选择性地从第一对准状态切换至第二对准状态，其中：

在第一对准状态中，将在第一多个非重叠波长频带中的经散射的测量辐射独占地引导至透镜的阵列的不同的相应透镜上；以及

在第二对准状态中，将在第二多个非重叠波长频带中的经散射的测量辐射独占地引导至透镜的阵列的不同的相应透镜上，第一多个非重叠波长频带不同于第二多个非重叠波长频带。

19.根据条款18的方法，进一步包括：

使用滤光片系统以使得光瞳面图像重叠了透镜的阵列中任意两个透镜的方式而防止经散射的测量辐射入射在透镜的阵列上；以及

响应于从第一对准状态切换至第二对准状态而修改滤光片系统的操作。

20.根据条款19的方法，其中，滤光片系统的操作的修改包括改变带通滤光片的阵列相对于透镜的阵列的对准。

21.根据条款19或20的方法，其中，滤光片系统的操作的修改包括使用带通滤光片的第二阵列替换带通滤光片的第一阵列。

22.根据条款17-21任一项的方法，进一步包括，空间地分离源自经散射的测量辐射中不同衍射阶的辐射，从而在传感器上不同非重叠区域中检测来自不同衍射阶的辐射。

23.根据条款17-22任一项的方法，其中，使用包括多个非重叠波长频带且在多个非重叠波长频带的任意配对之间不包括任意波长频带的测量辐射照射结构将使得光瞳面重叠在透镜的阵列中任意两个透镜。

具体实施例的前述说明将完全揭露本发明的一般性质，使得他人通过应用在本领域范围内知识容易地对于各种应用修改和/或改变该具体实施例，并未进行过度实验，并未脱离本发明的一般性概念。因此，该改变和修改有意设计为基于在此所展示的教导和指导而在所公开实施例的含义和等价范围内。应该理解，在此短语或术语是为了说明而非限制的目的，以使得本说明书的术语或短语由本领域技术人员依照教导和指导而解释。

本发明的宽度和范围不应受限于任意上述示例性实施例，而是应该仅根据以下权利要求及其等价形式而限定。