量测方法、设备和计算机程序与流程

本申请要求享有2016年9月9日提交的ep申请16188176.8的优先权，并且该申请在此通过全文引用的方式并入本文。

本发明涉及用于例如可用于由光刻技术制造器件的量测的方法和设备，以及使用光刻技术制造器件的方法。

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。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的一部分)上。图案的转移通常是经由成像至提供于衬底上的辐射敏感材料(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。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，包括通常用于测量临界尺寸(cd)的扫描电子显微镜，以及用以测量套刻、器件中两个层的对准精度的量测的专用工具。可以根据两层之间未对准程度而描述套刻，例如涉及1nm的测得套刻可以描述其中两个层以1nm未对准的情形。

近期，已经研发了各种形式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—例如取决于波长的单个反射角的强度；取决于反射角的一个或多个波长的强度；或者取决于反射角的偏振—以获得由此可以确定感兴趣目标的特性的“频谱”。可以由各种技术执行感兴趣特性的确定：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；库检索；以及主要成分分析。

由传统散射仪使用的目标是相对较大例如40μm乘以40μm的光栅，且测量束产生小于光栅的光板(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，例如以便它们位于产品特征之中而不是在划片线中，已经提出了其中使得光栅小于测量光斑(也即光板过填充)的量测。通常使用暗场散射法测量这些目标，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。暗场量测的示例可以在国际专利申请wo2009/078708和wo2009/106279中找到，在此通过全文引用的方式并入本文。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套刻使能对更小目标进行套刻测量。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，通过在某些条件之下两次测量套刻目标而获得套刻测量结果，而同时旋转套刻目标或者改变照射模式或成像模式以分立地获得第-1和+1衍射阶强度。对于给定套刻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的测量，也即目标中的非对称性。套刻目标中的该非对称性可以用作套刻的指示(两个层的不希望的未对准)。

当测量厚堆叠时，其中在被测量的两层之间可以存在相当大距离。这可以使得使用强度非对称性的套刻确定不可靠，因为使用第-1和+1衍射阶强度所获得的图像并未显示由此可以求平均的显著稳定强度的区域。这可以通过使用光瞳面图像确定套刻而解决，但是这要求非常大的目标和对于每个目标区域的分立采集。

技术实现要素：

希望能够使用暗场方法对厚堆叠执行套刻量测。

本发明在第一方面提供了一种确定衬底上目标特性的方法，包括：根据成对的互补像素确定多个强度非对称性测量，成对的互补像素包括目标的第一图像中的第一图像像素和目标的第二图像中的第二图像像素，从由目标散射的第一辐射获得第一图像且从由目标散射的第二辐射获得第二图像，所述第一辐射和第二辐射包括互补的非零衍射阶；以及从所述多个强度非对称性测量确定目标的所述特性。

本发明在第二方面中提供了一种量测设备，包括：被配置为采用辐射照射目标的照射系统；被配置为检测由照射目标引起的被散射辐射的检测系统；其中所述量测设备可操作用于执行第一方面的方法。

本发明进一步提供了一种包括处理器可读指令的计算机程序，当运行在合适的处理器控制的设备上时处理器可读指令使得处理器控制的设备执行第一方面的方法，以及包括了该计算机程序的计算机程序载体。

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。应该注意本发明不限于在此所述的具体实施例。仅为了示意目的在此展示这些实施例。基于在此所包含的教导，额外的实施例对于相关领域技术人员将是明显的。

附图说明

现在将仅借由示例的方式、参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1描绘了根据本发明的一个实施例的光刻设备；

图2描绘了根据本发明的一个实施例的光刻单元或集群；

图3包括(a)用于使用第一对照射孔径的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频谱的细节；(c)在使用散射仪以基于衍射的套刻测量中提供其他照射模式的第二对照射孔径；以及(d)组合第一对孔径和第二对孔径的第三对照射孔径；

图4描绘了多个光栅目标的已知形式以及衬底上测量光斑的轮廓；

图5描绘了在图3的散射仪中所获得的图4的目标的图像；

图6是示出了使用图3的散射仪的套刻测量方法的步骤的流程图；

图7示出了穿过(a)薄的目标和(b)厚的目标的测量辐射的示例性光学路径，以及对应的图像和强度图；

图8是说明了根据本发明实施例的确定套刻的方法的示意图；

图9是对于(a)互补图像的第一对准，(b)第二对准和(c)第三对准的强度非对称性与非归一化堆叠灵敏度的对比图；

图10是(a)+d子目标中强度非对称性与-d子目标中强度非对称性的对比以及(b)+d子目标中强度非对称性与非归一化堆叠灵敏度的对比的图；以及

图11是描述了根据本发明的一个实施例的确定套刻的方法的流程图。

具体实施方式

在详细描述本发明的实施例之前，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)的照射光学系统(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的图案化装置支座或支撑结构(例如掩模工作台)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的衬底工作台(例如晶片工作台)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)上的投影光学系统(例如折射式投影透镜系统)ps。

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

图案化装置支座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。图案化装置支座可以使用机械、真空、静电或其他夹持技术以固定图案化装置。图案化装置支座可以是框架或工作台，例如如果需要的话可以是固定或可移动的。图案化装置支座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中赋予辐射束图案以便在衬底的目标部分中形成图案的任何装置。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形成的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式或反射式的。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采用小镜面的矩阵设置，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。

如在此所示，设备是透射式类型(例如采用透射式掩模)。备选地，设备可以是反射式类型(例如采用如上所述类型的可编程镜面阵列，或者采用反射掩模)。

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和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。如在此使用的术语“沉浸”并未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以及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(通常分别称作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中具有所希望的均匀性和强度分布。

辐射束b入射在固定于图案化装置支座(例如掩模工作台mt)上的图案化装置(例如掩模)ma上，并由图案化装置图案化。横越图案化装置(例如掩模)ma，辐射束b穿过投影光学系统ps，其将束聚焦至衬底w的目标部分c上，由此在目标部分c上投影了图案的图像。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编码器或电容传感器)，可以精确地移动衬底工作台wt，例如以便于在辐射束b的路径中定位不同目标部分c。类似地，第一定位器pm和另一位置传感器(图1中并未明确示出)可以用于相对于辐射束b的路径精确地定位图案化装置(例如掩模)ma，例如在从掩模库机械检索之后、或者在扫描期间。

图案化装置(例如掩模)ma和衬底w可以使用掩模对准标记m1、m2和衬底对准标记p1、p2对准。尽管如所示的衬底对准标记占据专用目标部分，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，在其中在图案化装置(例如掩模)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。管芯内也可以包括小对准标记，在器件特征之中，在该情形中希望标记尽可能小且除了相邻特征之外无需任何不同的成像或处理条件。以下描述检测对准标记的对准系统。

光刻设备la在该示例中是所谓的双级类型，其具有两个衬底工作台wta、wtb和两个站台—曝光站台和测量站台—在这两个站台之间可以交换衬底工作台。当在曝光站台处曝光一个衬底工作台上的一个衬底时，可以在测量站台处将另一衬底加载至另一衬底工作台上并执行各种准备步骤。准备步骤可以包括使用水平传感器ls测绘衬底的表面控制并使用对准传感器as测量衬底上对准标记的位置。这使能显著增大设备的吞吐量。

所示的设备可以用于各种模式，包括例如步进模式或扫描模式。光刻设备的构造和操作对于本领域技术人员是广泛已知的且为了本发明的理解而不必进一步描述。

如图2中所示，光刻设备la形成了光刻系统的一部分，称作光刻单元lc或光单元或集群。光刻单元lc也可以包括用以在衬底上执行曝光前和曝光后工艺的设备。传统地这些包括用以沉积抗蚀剂层的旋涂机sc，用以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，并将它们输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tcu的控制之下，tcu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加工效率。

量测设备示出在图3(a)中。在图3(b)中更详细说明了目标t以及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。在此所示的量测设备纯粹是示例，用以提供暗场量测的解释说明。量测设备可以是独立装置或包括在光刻设备la中，例如在测量站台处，或光刻单元lc中。具有遍及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)发出的光由包括透镜12、14以及物镜16的光学系统经由扩束器15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，假如其仍然提供衬底图像至检测器上，并且同时允许接近中间光瞳面用于空间-频率过滤。因此，可以通过在平面中限定表示在此称作(共轭)光瞳面的衬底平面的空间频谱的空间强度分布而选择辐射入射在衬底上的角度范围。具体而言，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挡板13而完成。在所示的示例中，孔径挡板13具有标记为13n和13s的不同形式，允许选择不同的照射模式。本示例中的照射系统形成离轴照射模式。在第一照射模式中，孔径挡板13n提供仅为了便于描述而从标记为“北”的方向的离轴。在第二照射模式中，孔径挡板13s用于提供类似的照射，但是从标记为“南”的相反方向。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的光将干扰所希望的测量信号。

如图3(b)中所示，目标t布置为衬底w正交于物镜16的光轴o。衬底w可以由支座(未示出)支撑。从偏离光轴o的角度撞击在目标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，采用过填充的小目标，这些射线仅是覆盖了包括量测目标t和其他特征的衬底的区域的许多平行射线之一。因为挡板13中孔径具有有限的宽度(必需接纳有效量光)，入射的射线i将实际上占据一角度范围，且衍射的射线0和+1/-1将稍微扩散。根据小目标的点扩散函数，每个+1阶和-1阶将进一步在一角度范围内扩散，并非如所示的单个理想射线。注意，可以设计或调节目标的光栅节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，纯粹使得能够在图中更容易地区分它们。

由物镜16会聚由衬底w上目标t所衍射的至少0和+1阶并引导返回穿过分束器15。返回至图3(a)，通过将直径相对的孔径标记为北(n)和南(s)，示出了第一和第二照射模式。当测量辐射的入射射线i来自光轴的北侧时，也即当使用孔径挡板13n应用第一照射模式时，标记为+1(n)的+1衍射射线进入物镜16。相反，当使用孔径挡板13s应用第二照射模式时进入物镜16的是(标记为-1(s)的)-1衍射射线。

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使用零和一阶衍射束在第一传感器19(例如ccd或cmos传感器)上形成目标的衍射谱(光瞳面图像)。每个衍射阶撞击传感器上不同点，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/或归一化一阶束的强度测量。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，在与光瞳面共轭的平面中提供孔径光阑21。孔径光阑21用于阻挡零阶衍射束以便形成在传感器23上目标的图像仅由-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”在此以广义使用。光栅线条的图像同样将不形成，如果仅存在-1和+1阶之一。

图3中所示孔径挡板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且具有离轴孔径的孔径光阑用于实质上仅传递衍射光的一个第一阶至传感器。在其他示例中，可以使用两个象限孔径。这可以使能在检测分支中采用光楔(或其他合适的元件)同时检测正和负阶以分离用于成像的阶。在另外其他实施例中，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类型测量，孔径挡板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的图案处于合适的位置。注意，可以仅使用孔径挡板13n或13s以测量朝向一个方向(x或y取决于设置)的光栅。对于正交光栅的测量，可以实施以90°和270°的目标旋转。图3(c)和图3(d)中示出不同的孔径挡板。在上述现有技术已公开的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4描绘了根据已知实践形成在衬底上的套刻目标或复合套刻目标。套刻目标在该示例中包括定位紧密在一起的四个子套刻目标(例如光栅)32至35，因此它们将均在由量测设备的量测辐射照射束所形成的测量光斑31内。四个子套刻目标因此均被同时照射且同时在传感器23上成像。在专用于套刻测量的示例中，子目标32至35自身是通过套刻了在形成于衬底w上的半导体器件的不同层中图案化的光栅所形成的复合结构。子目标32至35可以具有不同偏置的套刻偏移以便于促进在复合子目标的不同部分形成在其中的层之间的套刻的测量。以下将参照图7解释套刻偏置的含义。子目标32至35也可以朝向不同，如所示，以便于衍射沿x和y方向入射的辐射。在一个示例中，子目标32和34分别是具有+d、-d偏置的x方向子目标。子目标33和35分别是具有+d和-d偏移的y方向子目标。可以在由传感器23所捕捉的图像中识别这些子目标的分立图像。这仅是套刻目标的一个示例。套刻目标可以包括比4个更多或更少的子目标。

图5示出了可以形成在传感器23上并在图3的设备中使用图4的套刻目标、使用来自图3(d)的孔径挡板13nw或13se而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子目标32至35，图像传感器23可以完成。阴影区域40表示传感器上图像的视场，在该视场内衬底上的照射光斑31成像为对应的圆形区域41。在该圆形区域内，矩形区域42-45表示小套刻目标子目标32至35的图像。如果套刻目标位于产品区域中，产品特征也可以在该图像视场的外围中可见。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子目标32至35的分立图像42至45。以该方式，图像不必在传感器框架内具体位置处非常精确地对准，这大大提高了测量设备作为整体的吞吐量。

一旦已经识别了套刻目标的分立图像，可以测量那些单个图像的强度，例如通过在所识别区域内对所选择的像素强度求平均或求和。可以相互比较图像的强度和/或其他特性。可以组合这些结果以测量光刻工艺的不同参数。套刻性能是该参数的重要示例。

图6说明了使用例如申请wo2011/012624中所述的方法如何测量在包含子目标32至子目标35的两层之间的套刻误差(也即不希望和非故意的套刻未对准)。该方法可以称作基于微衍射的套刻(μdbo)。该测量通过套刻目标非对称性完成，如通过比较在+1阶和-1阶暗场图像中它们强度(可以比较其他对应更高阶的强度，例如+2阶和-2阶)以获得强度非对称性的量测而揭示。在步骤s1处，通过光刻设备诸如图2的光刻单元一次或多次加工衬底例如半导体晶片以形成包括子目标32-35的套刻目标。在s2处，使用图3的量测设备，使用一阶衍射束中的仅一个(比如-1)而获得子目标32至35的图像。在步骤s3处，不论通过改变照射模式或者改变成像模式、或者通过在量测设备的视场中以180°旋转衬底w，可以使用其他的一阶衍射束(+1)获得套刻目标的第二图像。因此在第二图像中捕捉了+1衍射辐射。

注意，通过在每个图像中仅包括一阶衍射辐射中的一半，在此所涉及的“图像”并非传统的暗场显微图像。将无法分辨套刻目标的单个套刻目标线条。每个套刻目标将由某一强度水平的区域简单表示。在步骤s4中，在每个分量套刻目标的图像内识别感兴趣区域(roi)，由此将测量强度水平。

通过对于每个单独套刻目标识别roi并测量其强度，可以随后确定套刻目标的非对称性以及因此确定套刻误差。这在步骤s5中(例如由处理器pu)完成，对于每个子目标32-35比较对于+1和-1阶获得的强度值以识别它们的强度非对称性例如它们强度的任何差异。术语“差异”并非有意仅涉及减法。可以以比率形式计算差异。在步骤s6中，对于许多套刻目标使用测得强度非对称性，与那些套刻目标的任何已知提出的套刻偏置的知识一起，用于计算在套刻目标t附近光刻工艺的一个或多个性能参数。感兴趣的性能参数是套刻。

使用诸如以上所述那些衍射量测方法对套刻目标的测量对于较薄的堆叠更精确，其中被测量的两层之间的距离(沿垂直于衬底平面的z方向)并未太大。较厚堆叠的测量呈现更大的难度。由于光的非法线传播，沿着穿过顶部和底部光栅之间有限厚度的目标的多个衍射路径，光栅不会完全对准并因此相对于相互有效地位移。由于在有限面积孔径内从多个角度到达的照射，这些位移被模糊。结果，图像平面(由检测器例如图3中检测器23成像的平面)中不同点携带了关于光栅图像的交叉点的不同信息，并且因此堆叠灵敏度变为图像平面中位置的快速变化的函数。在薄目标中，该效应仅影响图像边缘。因此，roi识别作为远离图像内边缘的区域，其中测得强度显示非常小的空间变化。然而，对于较厚堆叠，该效应不仅出现在目标图像的边缘处，而且遍及整个目标图像。由于任意所选择roi区域内堆叠灵敏度的快速符号变化，图像的平均非对称信号具有非常小的堆叠灵敏度，而单个像素具有显著更大的堆叠灵敏度。这导致非常不精确的套刻估算。堆叠灵敏度描述了在由偏置目标d缩放的它们强度平均值所归一化的、子目标之间非对称性信号的变化。在具体示例中，归一化堆叠灵敏度k1/s由以下描述：

其中+d和-d是施加的子目标偏置(具有幅度d)，a+d是来自+d子目标的互补图像的非对称性测量(强度差)，且a-d是来自-d子目标的互补图像的非对称性测量(强度差)。iav是对于+1和-1阶衍射的子目标+d、-d两者的强度测量的平均。

对于厚堆叠，不存在足够大的roi，对于该roi的平均将导致强且稳定的堆叠灵敏度。额外地，当前图像识别算法通过识别均匀区域而工作，但是在厚堆叠中目标周围的边界变得平滑并模糊，使得roi检测困难。

图7说明了该效应。图7(a)示出了入射测量辐射700以及在包括顶部光栅720a和底部光栅720b的薄目标720(例如比1λ、2λ、3λ、4λ或5λ更小的厚度，其中λ是测量辐射的波长)的照射之后散射辐射710。为了清楚起见，仅示出了单个路径，尽管实际上将存在多个路径。图7(b)示出了入射的辐射700以及在包括顶部光栅740a和底部光栅740b的厚目标740(例如厚目标可以定义为具有比1λ、2λ、3λ、4λ或5λ更大的厚度，或者大于1μm、2μm、3μm、4μm或5μm)的照射之后的散射辐射730。在每个情形中，示出了所得的捕捉图像750a、750b以及测得的散射辐射的强度非对称性与位置(x或y中)对比的对应图760a、760b。

在两个图中，为了清楚起见，仅示出了单个路径，但是实际上将存在多个路径。许多不同光学路径由于在顶部光栅720a、740a处、随后在底部光栅720b、740b以及再次在顶部光栅720a、740a处的连续衍射事件而引起，辐射可能在每个衍射事件处以不同角度衍射。因此，除了所示的之外，目标内的光学路径存在且类似表现(也即，将存在不具有套刻的区域、具有顶部-底部套刻的区域、以及具有顶部-底部-顶部套刻的区域)。此外，将存在从顶部光栅反射的一些辐射，从而导致与区域a、a’部分套刻并且仅在套刻区域中携带了套刻信号的其他区域。

在图7(a)中，散射的辐射710已经被划分成标注为a、b和c的区域，取决于辐射穿过目标的路径。标注a的最大区域由具有穿过顶部光栅720a至底部光栅720b上并返回穿过顶部光栅720a的路径的测量辐射700产生。因为在该区域中辐射已经经受了相同的散射结构且关于图像相对较大，因此其强度将在区域范围内相对稳定，如由图像750a的区域和标注为roi的图760a所示。标注为b的区域由具有穿过顶部光栅720a至底部光栅720b上但是并未再次穿过顶部光栅720a的路径的测量辐射700产生。因为这两个区域a、b由顶部光栅720a和底部光栅720b两者散射，因此它们将每个包含套刻信息。标注为c的区域已经仅由顶部光栅720a散射，并因此不包括套刻信息。

图7(b)示出了对于厚目标的等同情形。可以看到，区域a’远小于图7(a)中等同区域a。此外，不包括套刻信息的区域c’远大于图7(a)中等同区域c。由于孔径尺寸有限，因此入射的测量辐射700以多个入射角到达目标，这意味着所得的图像沿着测量辐射的传播方向模糊(散开)，光栅之间的距离加剧了该散开。在每个衍射事件之后的多个光学路径(由于多个衍射角所致)进一步复杂化了目标的图像。由图像750b示出了该结果，示出了在x/y对角线中强度的散开，以及在图760b中可以看到不存在稳定强度的区域，并且因此不存在可以由此求平均的良好roi。注意，图像750b中散开方向取决于量测设备和孔径配置，对于其他量测设备和孔径配置而言，散开可以沿不同方向；例如沿着光栅轴线(例如对于x光栅的x轴线)。

替代于对roi求平均并减去平均强度，提出了从正常和互补图像减去成对的互补像素的强度。该视场分辨套刻测量相对于所述已知技术具有许多优点。如前所述，正常和互补图像可以包括+1阶和-1阶暗场图像(或者其他互补的更高阶的图像)。

视场平面图像具有+1阶图像中的每个点表示穿过目标结构与-1阶中的对应旋转对称点的相同光学路径长度(opticalpathlength)的特点。就此而言，互补像素可以包括来自互补(例如+1和-1衍射)图像的像素，由此穿过负责测得像素强度的目标结构的辐射路径等同或旋转对称，并因此具有相同光学路径长度。旋转对称可以是围绕量测设备传感器的光轴或者与其平行的轴线而对称，在该情形中每个子目标偏心地成像。结果，可以原则上通过将每个像素处理作为分立套刻测量而移除由两个光栅的明显偏移导致的上述效应。这导致套刻测量的类集，每个具有相关的堆叠灵敏度。为了获得穿过目标结构的对应互补路径的最佳对称性，优选地对于每个测量将测量辐射聚焦在目标结构的顶部光栅上。

该方法存在额外益处。首先，导致光学路径在+1和-1阶中对称性扰动的所有其他效应可以采用所提出方法抑制。这些可以包括由于散焦(例如强度斜率)所致的图像失真，当在传统方法中对roi对强度求平均时该图像失真可以导致套刻估算的额外不精确性。也可以抵消其他传感器非对称性。

另一优点在于该方法有效地产生多个非对称性同时测量，其中堆叠灵敏度跨测量显著变化。已知，强度非对称性a(也即正常和互补强度测量之间的差异)可以计算为：

a＝k0+k1sinov(式子1)

其中k1是非归一化堆叠灵敏度，并且k0是取决于目标中存在的工艺非对称性量的项。工艺非对称性与套刻不相关，但是替代地由目标的加工得到。该加工可以使得一个光栅(通常是底部光栅)自身非对称，例如在构成光栅的每个槽的壁之间具有底板倾斜(非水平底板)或侧壁角度偏移。注意，套刻ov可以假设非常小，并且因此可以进行近似sinov＝ov。k0、k1和ov均是未知的，并且要求从非对称性测量而确定。

通过图6的已知方法，由不同偏置的两个光栅(例如+d和-d的偏置)确定两个非对称性值。因为roi区域内堆叠灵敏度对于薄堆叠是稳定的，也即具有相对固定的单个数值，因此用于确定k0的线性拟合在单次捕捉中不可行。需要执行多次捕捉(例如使用不同的波长/偏振)，因为堆叠灵敏度随着测量波长和偏振而变化。然而，在此所述的方法中，获得了具有可变堆叠灵敏度的非对称性的多个同时测量，从而产生多个点以移除k0和套刻ov之间的混合，使能线性回归，并因此在单次捕捉中确定k0和ov。

图8概念性说明了所提出的方法。使用互补更高阶(例如+1和-1阶)测量包括具有不同偏置(例如+d、-d)的至少两个子目标的复合目标，以获得图像800+1,+d、800-1,+d、800-1,-d、800+1,-d。这通过执行图6的步骤s1、s2和s3实现。接下来，旋转每个互补对图像中的一个图像并且与互补对图像中的另一个图像“对准”。例如，可以旋转图像800+1,+d并与图像800-1,+d对准，以及可以旋转图像800+1,-d并与图像800-1,-d对准。对准的目的在于识别在+1和-1衍射阶图像中成对的对称像素，成对的对称像素是所感测辐射对于其已经选取了穿过目标的等同光学路径的像素。一旦对准了互补对图像，计算互补(例如对称)单个像素的强度差，以获得每个像素的多个非对称测量，由非对称图像800+d、800-d表示。可以与当使用平均强度值时相同方式计算套刻ov，例如：

其中+d和-d是施加的偏置(具有幅度d)，a+d是来自+d目标的互补图像的互补单个像素的非对称性测量(强度差)，以及a-d是来自-d目标的互补图像的互补单个像素的非对称性测量(强度差)。因此对于每个像素执行该计算，而不是对于单个平均值执行一次，以获得多个每像素的套刻值。

尽管将过程设想为实际上旋转一个图像并将其与其互补图像对准在概念上是有帮助的，但是该过程可以并未字面上包括该步骤。重要的是，由互补(例如旋转对称)像素基于每个像素而计算非对称性测量。为此，需要优化两个图像之间的相对位置偏移。在本公开的范围内字面内，例如使用图像配准(registration)或边缘寻找/建模算法或类似的而对准图像。也设想了傅里叶方法。原则上，也可以从目标版图知晓目标的预期对准。因此，存在可以使用的一些先验信息：位置的差异可以从刻线板已知，且对准因此仅需要确定光轴相对于目标在何处。然而，可能难于使用这些方法对准至所需的子像素分辨率。此外，视觉对准可以实际上并未产生最佳偏移。

为了优化两个图像之间的相对位置偏移，提出了通过a+d或a-d针对未归一化堆叠灵敏度系数k1的绘图、或者对于许多不同(试验)图像偏移的a+d针对a-d的绘图执行回归。未归一化堆叠灵敏度k1已知取决于试验对准。在一个实施例中，最佳偏移是绘图由此产生最佳线性回归的一个偏移。当尝试不同偏移时，k1、a-d和a+d变化，从而实现确定在这些参数的两个之间的最线性关系。使用k1时，对于每个像素其可以由以下确定：

k1＝(a+d-a-d)/(2d)(式子3)

作为找到最线性关系的备选，可以选择产生最佳拟合另一函数的回归的绘图。具体而言，所描述的线性拟合实际上是在线性区域中小范围内正弦(sin)关系的近似。就此而言，可以对于最佳对准来选择最佳拟合了sin关系的绘图。备选地，可以选择对于其他函数(例如二次式子式关系)的最佳拟合。当优化偏移时(与所拟合的函数无关)，可以采用穷举搜索策略。在备选实施例中，可以采用贪婪搜索策略或其他优化方案以找到最佳偏移。可以包括对于每个绘图的额外数据点；例如，采用不同测量方案(波长和/或偏振)获得额外测量，这将使得待绘图的点数目翻倍，从而实现更好拟合。

图9说明了该偏移优化方法。图9(a)示出了互补图像之间的第一相对偏移的a+d比对k1的绘图，图9(b)示出了互补图像之间的第二相对偏移的对应绘图，以及图9(c)示出了互补图像之间第三相对偏移的绘图。在该具体示例中，在图9(b)中示出了最佳相对偏移。这示出了非常线性的回归，其他两个绘图线性较小。绘图之间相对偏移差可以小于像素，例如像素的十分之一或十分之二，使能在实质上小于单个像素的精确度内执行偏移优化。在一个实施例中，可以设想成本函数，其最小化了线性回归与数据点之间的残余误差(例如斜率的均方误差或估算方差)，在互补图像的相对偏移范围内。

一旦优化了图像偏移，则可以从a+d比对a-d的绘图或者a+d或a-d对比灵敏度系数k1的绘图由线性拟合的斜率确定套刻值。可以示出将由该斜率给出精确的套刻值。图10示出了(a)a+d比对a-d的示例性绘图，以及(b)a+d比对k1的示例性绘图，在每个情形中线性拟合至5个数据点。对于图10(a)的a+d比对a-d的绘图，用以拟合的式子是：

a+d＝a-dm+c(式子4)

其中m是直线的斜率且c是偏移。因此可以示出可以由以下计算套刻ov：

对于图10(b)的a+d比对k1的绘图，用以拟合的式子是：

a+d＝k1m+c(式子6)

可以因此示出(使用式子3以替代k1)可以由以下计算套刻ov：

ov＝m-d

图11是使用在此所述技术测量套刻的示例性方法的流程图。在步骤s11处，通过光刻设备，诸如图2的光刻单元，一次或多次处理衬底(例如半导体晶片)以产生套刻目标。在s12处，使用例如图3的量测设备，使用仅包括第一阶/更高阶衍射束(例如+1)中的一个的第一辐射获得套刻目标的第一(正常)图像。在步骤s13处，使用包括另一第一/更高阶衍射束(例如-1)的第二辐射获得套刻的第二(互补)图像。步骤s12和s13可以同时执行(例如通过使用光楔以分离衍射阶)。步骤s11-s13对应于图6的步骤s1至s3。

在步骤s14处，针对包括来自所述第一图像的第一图像像素和来自所述第二图像的第二图像像素的(可能)成对的互补(对称)像素确定套刻目标的非对称性以及因此确定套刻误差。这可以通过以下方式(例如由处理器pu)完成：针对每个套刻子目标32-35比较+1和-1阶获得的强度值，以基于每个像素而识别它们的强度非对称性，例如它们强度的任何差异。术语“差异”并非意在仅涉及减法。可以以比率形式计算差异。在特定实施例中，这对于第一图像和第二图像的许多可能对准而完成。在其他实施例中，可以在该步骤之前(例如使用图像配准技术或类似的)执行对准正常和互补图像的偏移优化步骤(参见s15)，并且采用优化偏移执行该步骤一次。

在步骤s15处，针对每个单独目标(例如如图4中所示的目标，针对子目标32、33、34、35中的每一个)优化在正常和互补图像之间的相对偏移。在一个实施例中，偏移优化步骤可以包括：对于来自一个子目标(例如+d图像)的图像中的一些或所有对互补像素而确定(例如每个方向)强度非对称性测量、与对于来自另一目标(例如-d图像)的图像的一些像素的灵敏度系数k1或强度非对称性测量之间的关系，对于正常和互补图像(例如步骤s14中所确定)之间的不同试验偏移(相对偏移)。可以将所确定的关系最线性所对应的偏移选择作为优化偏移。

在步骤s16处，使用测得的每个像素的强度非对称性和已知偏置的知识而确定套刻。在一个实施例中，可以由在步骤s15处所确定线性关系的斜率而确定套刻。其他确定套刻的方法也是可能的，例如使用对于已对准图像使用式子2执行每个像素的计算。额外地，可以确定在套刻范围内每个所计算的每个像素套刻的分布(例如直方图)，选择最普通的套刻值作为实际套刻。

尽管上述目标是为了测量目的特殊设计并形成的量测目标，在其他实施例中，可以对作为形成于衬底上的器件的功能部件的目标测量特性。许多器件具有规则的、光栅状结构。如在此所使用的术语“目标光栅”和“目标”并未要求已经为所执行的测量特殊地提供结构。进一步，量测目标的间距p接近散射仪的光学系统的分辨率限制，但是可以远大于由光刻工艺在目标部分c中形成的典型产品特征的尺寸。实际中可以使得目标内套刻光栅的线条和/或间距包括尺寸类似于产品特征的较小结构。

根据如实现在衬底和图案化装置上的目标的物理光栅结构，实施例可以包括一种计算机程序，包含了描述了测量衬底上目标的方法和/或分析测量以获得关于光刻工艺的信息的机器可读指令的一个或多个序列。该计算机程序可以例如在图2的设备中的单元pu和/或图2的控制单元lacu内执行。也可以提供一种数据存储媒介(例如半导体存储器、磁盘或光盘)，具有存储在其中的该计算机程序。例如图3中所示类型的现有的量测设备已经在制造和/或使用中，可以通过提供已更新计算机程序产品用于使得处理器执行步骤s14-s16并也计算套刻误差而实施本发明。

可以任选地设置程序以控制光学系统、衬底支座等等以执行步骤s12-s15用于测量合适的多个目标上的非对称性。

尽管可以已经对于在光学光刻的上下文中使用本发明的实施例做了具体参考，应该知晓，本发明可以用于其他应用，例如压印光刻，并且其中上下文允许的，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形成于衬底上的图案。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、热量、压力或其组合而固化在衬底上的抗蚀剂。在抗蚀剂固化之后从抗蚀剂移出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(例如具有为或大约365、248、193、157或126nm的波长)和极紫外(euv)辐射(例如具有在5-20nm范围中的波长)，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”可以涉及各种类型部件的任意一个或组合，包括折射、反射、磁性、电磁和静电部件。

具体实施例的前述说明将完全揭露本发明的一般性本质以使得他人可以通过应用在本领域技术人员范围内的认知而容易地对于各种应用修改和/或改变这些具体实施例，并未采取过度的试验，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在所公开实施例的含义和等同范围内，基于在此所展示的教导和指引。应该理解在此的短语或术语是为了以示例说明而非限制的目的，以使得本说明书的术语或短语应该由本领域技术人员根据教导和指引而解释。

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