用于套刻中光瞳照射的方法和装置以及临界尺寸传感器与流程

本申请要求享有2016年6月30日提交的美国临时专利申请no.62/357,108的优先权，并且该申请在此通过全文引用的方式并入本文。

本公开涉及用于例如在由光刻技术制造器件中半导体晶片量测的方法和设备。

背景技术：

光刻设备是施加所期望图案至衬底、一般至衬底的目标部分上的机器。光刻设备可以例如用于集成电路(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。图案的转移一般是经由成像至提供在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上。一般，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(也即包括光刻曝光的显影器件或其他结构的工艺，其可以一般包括一个或多个相关联步骤诸如抗蚀剂的显影、蚀刻等)中，频繁地期望进行所产生结构的测量，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，包括一般用于测量临界尺寸(cd)的扫描电子显微镜(sem)，以及用以测量重叠(ov)(也即器件中两层的对准精确度)的专用工具。近期，已经发展了各种形式散射仪用于光刻领域。这些装置引导辐射束至目标上并测量被散射的辐射的一个或多个特性—例如取决于波长的、在单个角度或反射角范围处的强度；作为取决于反射角的、在一个或多个波长下的强度；或者取决于反射角的偏振—以获得可以由此确定目标的感兴趣特性的“频谱”。感兴趣特性的确定可以由各种技术执行：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结构的重构；库搜索；以及主要成分分析。

制造容差随着半导体器件变得更小且更精细而收紧。因此，需要继续改进量测测量。散射仪的一个示例性用途是用于临界尺寸(cd)量测，这对于图案化结构诸如半导体晶片中的测量是特别有用的。光学cd量测技术包括穹顶上散射测量，光谱反射测量，以及光谱椭圆测量。所有这些技术是基于对于不同入射方向测量不同偏振光的反射强度。该技术要求高消光比，或偏振的纯度。偏振分束器(pbs)以偏振状态划分光以透射p偏振光而反射s偏振光。尽管完美的pbs100％透射p偏振光且100％反射s偏振光，真实的pbs反射s偏振光和p偏振光的混合。p偏振光与s偏振光之间的比率称作消光比。光学cd要求高消光比。

散射仪的另一示例性用途是用于重叠(ov)量测，这对于测量晶片上层堆叠的对准是有用的。为了控制光刻工艺以在衬底上精确地放置器件特征，一般在衬底上提供对准标记或目标，并且光刻设备包括一个或多个对准系统，必须由该一个或多个对准系统精确地测量衬底上标记的位置。在一个已知的技术中，散射仪测量来自晶片上目标的衍射光。使用“暗场”散射测量法的基于衍射的重叠阻挡了零阶衍射(对应于镜面反射)，并且仅处理一阶或更高阶衍射以产生目标的灰阶图像。使用该暗场技术的基于衍射的重叠使能对较小目标进行重叠测量，并且已知为基于微衍射的重叠(μdβο)。然而，μdβο需要非常高的对比度。

每个产品和工艺要求小心设计量测目标并且选择由此可以执行重叠测量的合适的量测“方案”。在已知的量测技术中，当在所期望照射条件下照射目标时，捕捉量测目标的衍射图案和/或暗场图像。这些照射条件在量测方案中由各种照射参数限定，诸如辐射的波长，其角强度分布(照射分布)以及其偏振。检查设备包括包含一个或多个辐射源的照射系统，以及用于具有所期望照射参数的照射输送的照射系统。实际上，将期望通过在测量之间改变这些参数而在不同的照射模式之间切换。

照射分布可以极大地改变并且使用定制照射变得在光学量测中越来越重要。照射的定制使能改进测量质量。为了定制跨光瞳面的强度，孔径挡板提供对照射模式与量测技术匹配的某种控制措施。可以使用包括多个不同孔径的滤光轮以选择特定的照射模式。然而，滤光轮尺寸有限并且因此仅可以容纳有限数目的不同孔径。此外，滤光轮上孔径是静态的，并且因此不允许调节单个孔径。备选的方案诸如使用空间光调制器(slm)可以提高灵活性，但是具有它们自身的限制。例如，透射液晶(lc)slms或微镜面阵列无法实现对于μdβο所需的极端对比度。此外，已知的lcslm设置无法提供cd量测所需的高消光比。进一步，使用多个lcslm增大成本和复杂性并且产生了额外的同步和校准问题。

技术实现要素：

期望提供一种用于量测设备的单一、灵活的照射系统，其可以实现照射空间分布灵活性、高偏振消光比以及高对比度。

根据一个实施例，一种量测系统包括，被配置用于将照射光束分成第一子束和第二子束的偏振分束器(pbs)；具有多个孔径的照射模式选择器(ims)，每个孔径被配置用于透射第一子束或第二子束，并且ims被配置用于设置在多个照射位置中，多个照射位置的每个照射位置对应于照射模式；以及具有像素阵列的反射空间光调制器(slm)，像素阵列被配置用于修改第一子束和第二子束的空间分解光束特性并且将第一子束和第二子束的任一个或两者沿着返回路径反射回ims和pbs，其中沿着返回路径，pbs、ims和slm协作以控制至少第一子束或第二子束的复波幅或强度空间分布；物镜投影系统，被配置用于从ims和pbs接收第一子束和第二子束，并且引导第一子束和第二子束朝向其上具有目标结构的衬底；以及检测器，被配置用于接收目标结构的图像或延伸图像。

用于检查的方法包括，经由偏振分束器(pbs)将照射光束分成第一子束和第二子束；通过照射模式选择器(ims)的孔径透射第一子束或第二子束，其中ims设置在对应于照射模式的照射位置处；以及经由具有像素阵列的反射空间光调制器(slm)通过将透射的第一子束或第二子束的一部分反射至ims和pbs而产生透射的第一子束或第二子束的所期望的复波幅或强度空间分布；经由物镜投影系统，引导至少所透射第一子束或第二子束的一部分从ims和pbs朝向其上具有目标的衬底；以及检测目标结构的图像或衍射图像。

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实施例。在此仅为了示意说明目的提供该实施例。基于在此所包含的教导，额外的实施例对于本领域技术人员将是明显的。

附图说明

在此包含并形成了说明书一部分的附图示出本发明并且与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得相关领域技术人员制造并使用本发明。

图1a是根据一个实施例的反射式光刻设备的示意图。

图1b是根据一个实施例的透射式光刻设备的示意图。

图2是根据一个实施例的反射式光刻设备的更详细示意图。

图3是根据一个实施例的光刻单元的示意图。

图4示意性描绘了根据一个实施例的、使用提供了某些照射模式的第一对照射孔径而用于测量目标的暗场测量设备。

图5是对于给定照射方向目标的衍射光谱的示意性细节。

图6示意性地描绘了根据一个实施例的照射系统。

图6a示意性地描绘了图6中所示照射系统的一部分。

图7示意性地描绘了根据一个实施例的照射模式选择器。

图8a示意性地描绘了根据一个实施例的空间光调制器和照射模式选择器的组合。

图8b示意性地描绘了根据图8a的空间光调制器和照射模式选择器的组合的备选布置。

图9示意性地描绘了根据一个实施例的单片偏振分束器。

图10示出根据一个实施例的检查方法。

当结合附图时从以下阐述的详细说明书将使得本发明的特征和优点变得更明显，其中遍及全文相同的参考符号标识对应的元件。在附图中，相同的数字一般指示等同、功能上类似、和/或结构上类似的元件。其中元件首次出现的附图由对应的参考数字中最左侧数位指示。除非另外指示，遍及本公开提供的附图不应解释为按照比例绘制的附图。

具体实施方式

本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。

所述实施例、以及在说明书中涉及“一个实施例”、“一实施例”、“示例性实施例”等指示了所述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该特定特征、结构或特性。此外，该短语不必涉及相同实施例。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，结合不论是否明确地描述的其他实施例而实现该特征、结构或特性，这在本领域技术人员的认知范围内。

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。

示例性的反射式和透射式光刻系统

图1a和图1b分别是其中可以实施本发明实施例的光刻设备100和光刻设备100’的示意图。光刻设备100和光刻设备100’均包括：照射系统(照射器)il，被配置用于调节辐射束b(例如深紫外或甚紫外辐射)；支撑结构(例如掩模工作台)mt，被配置用于支撑图案化装置(例如掩模、刻线板或动态图案化装置)ma并连接至被配置用于精确地定位图案化装置ma的第一定位器pm；以及，衬底工作台(例如晶片工作台)wt，被配置用于固定衬底(例如涂覆了抗蚀剂的晶片)w并连接至被配置用于精确地定位衬底w的第二定位器pw。光刻设备100和100’也具有投影系统ps，被配置用于将由图案化装置ma赋予辐射束b的图案投影至衬底w的目标部分(例如包括一个或多个管芯)c上。在光刻设备100中，图案化装置ma和投影系统ps是反射式的。在光刻设备100’中，图案化装置ma和投影系统ps是透射式的。

照射系统il可以包括用于引导、定形或控制辐射束b的各种类型光刻部件，诸如折射、反射、反折射、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mt以取决于图案化装置ma相对于参考坐标系定向、光刻设备100和100’的至少一个设计、以及其他条件诸如图案化装置ma是否固定在真空环境中的方式而固定图案化装置ma。支撑结构mt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ma。支撑结构mt可以是框架或工作台，例如，其如果需要的话可以是固定或可移动的。通过使用传感器，支撑结构mt可以确保图案化装置ma处于所期望的位置，例如，相对于投影系统ps。

术语“图案化装置”ma应该广义地解释为涉及可以用于在其截面中赋予辐射束b图案以便于在衬底w的目标部分c中产生图案的任何装置。赋予辐射束b的图案可以对应于在目标部分c中产生以形成集成电路的器件中的特定功能层。

图案化装置ma可以是透射式(如在图1b的光刻设备100’中)或反射式(如在图1a的光刻设备100中)。图案化装置ma的示例包括刻线板、掩模、可编程镜面阵列、以及可编程lcd面板。掩模在光刻中广泛已知，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。倾斜的镜面在由小镜面矩阵所反射的辐射束b中赋予图案。

术语“投影系统”ps可以包括任何类型投影系统，包括折射、反射、反折射、磁性、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合适的，或者对于其他因素诸如在衬底w上沉浸液体的使用或者真空的使用是合适的。真空环境可以用于euv或电子束辐射，因为其他气体可以吸收太多辐射或电子。真空环境可以因此借助于真空壁和真空泵而提供至整个束路径。

光刻设备100和/或光刻设备100’可以是具有两个(双级)或更多衬底工作台wt(和/或两个或更多掩模工作台)的类型。在该“多级”机器中，可以并行使用额外的衬底工作台wt，或者可以在一个或多个工作台上执行准备步骤而此时一个或多个其他衬底工作台wt用于曝光。在一些情形中，额外的工作台可以不是衬底工作台wt。

参照图1a和图1b，照射器il从辐射源so接收辐射束。源so和光刻设备100、100’可以是分立物理实体，例如，当源so是受激准分子激光器时。在该情形中，源so不应视作形成了光刻设备100或100’的一部分，并且辐射束b借助于束输送系统bd(在图1b中)而从源so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so可以是光刻设备100、100’的整体部分—例如当源so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(在图1b中)。一般地，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(一般分别称作“σ-外侧”和“σ-内侧”)。此外，照射器il可以包括各种其他部件(在图1b中)，诸如积分器in和收集器co。照射器il可以用于调节辐射束b以在其截面中具有所期望的均匀性和强度分布。

参照图1a，辐射束b入射在固定于支撑结构(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ma图案化。在光刻设备100中，辐射束b从图案化装置(例如掩模)ma反射。在从图案化装置(例如掩模)ma反射之后，辐射束b穿过投影系统ps，其将辐射束b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if2(例如，干涉测量装置、线性编码器或电容性传感器)，衬底工作台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if1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。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以及衬底对准标记p1、p2而对准。

参照图1b，辐射束b入射在保持于支撑结构(例如掩模工作台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穿过将束聚焦至衬底w的目标部分c上的投影系统ps。投影系统具有与照射系统光瞳ipu共轭的光瞳ppu。辐射的一部分从在照射系统光瞳ipu处强度分布而发源并横越掩模图案，并未受掩模图案处衍射的影响，且在照射系统光瞳ipu处产生了强度分布的图像。

借助于第二定位器pw和位置传感器if(例如，干涉测量装置，线性编码器，或电容性传感器)，可以精确地移动衬底工作台wt(例如，以便于在辐射束b的路径中定位不同的目标部分c)。类似地，第一定位器pm和另一位置传感器(图1b中未示出)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)。

一般地，可以借助于形成了第一定位器pm一部分的长冲程模块(粗略定位)和短冲程模块(精细定位)而实现掩模工作台mt的移动。类似地，可以使用形成了第二定位器pw一部分的长冲程模块和短冲程模块而实现衬底工作台wt的移动。在步进机(与扫描机相反)的情形中，掩模工作台mt可以仅连接至短冲程促动器或者可以固定。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而对准。尽管衬底对准标记(如所示)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(已知为划片线对准标记)。类似地，在其中掩模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。

掩模工作台mt和图案化装置ma可以在真空腔室中，其中真空内机器人ivr可以用于将图案化装置诸如掩模移入和移出真空腔室。备选地，当掩模工作台mt和图案化装置ma在真空腔室外时，真空外机器人可以用于各种运输操作，类似于真空内机器人ivr。均需要校准真空内和真空外机器人以用于将任何有效载荷(例如掩模)平滑转移至转运站的固定运动支架。

光刻设备100和100’可以用于以下模式中的至少一个模式：

1.在步进模式中，支撑结构(例如掩模工作台)mt和衬底工作台wt保持基本上固定，此时将赋予辐射束b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)。衬底工作台wt随后沿x和/或y方向偏移以便可以曝光不同的目标部分c。

2.在扫描模式中，同步地扫描支撑结构(例如掩模工作台)mt和衬底工作台wt，此时将赋予辐射束b的图案投影至目标部分上(也即单次动态曝光)。衬底工作台wt相对于支撑结构(例如掩模工作台)mt的速率和方向可以由投影系统ps的缩放和图像反转特性而确定。

3.在另一模式中，支撑结构(例如掩模工作台)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工作台wt，此时将赋予辐射束b的图案投影至目标部分c上。可以采用脉冲辐射源so，且每次衬底工作台wt移动之后或者在扫描期间连续辐射脉冲之间如需要的话更新可编程图案化装置。该操作模式可以容易地适用于利用可编程图案化装置诸如可编程镜面阵列的无掩模光刻。

也可以采用对于所述使用模式的组合和/或变化，或者采用完全不同的使用模式。

在另一实施例中，光刻设备100包括甚紫外(euv)源，其被配置用于产生用于euv光刻的euv辐射束。一般，在辐射系统中配置euv源，并且配置对应的照射系统以调节euv源的euv辐射束。

图2更详细展示了光刻设备100，包括源收集器设备so，照射系统il，以及投影系统ps。源收集器设备so被构造并设置为使得可以在源收集器设备so的外壳结构220中维持真空环境。可以由放电产生等离子体源而形成发出euv辐射的等离子体。euv辐射可以由气体或蒸气产生，例如xe气、li蒸气或sn蒸气，其中产生非常热的等离子体210以发出在电磁频谱的euv范围内的辐射。非常热的等离子体210由例如引起至少部分电离的等离子体的放电而产生。为了辐射的高效产生可以需要例如xe、li、sn蒸气或任何其他合适的气体或蒸气的10pa分压。在实施例中，提供受激锡(sn)的等离子体以产生euv辐射。

由热等离子体210发出的辐射从源腔室211经由任选的位于源腔室211中的开口中或背后的气体阻障或污染物陷阱230(在一些情形中也称作污染物阻障或箔片陷阱)而传至收集器腔室212中。污染物陷阱230可以包括通道结构。污染物陷阱230也可以包括气体阻障，或者气体阻障与通道结构的组合。进一步在此所示的污染物陷阱或污染物阻障230至少包括通道结构，如本领域已知。

收集器腔室212可以包括辐射收集器co，其可以是所谓的掠入射收集器。辐射收集器co具有上游辐射收集器侧251和下游辐射收集器侧252。可以将横越收集器co的辐射反射离开光栅频谱过滤器240以聚焦在虚源点if中。虚源点if一般称作中间焦点，并且设置源收集器设备以使得中间焦点if位于外壳结构220中开口219中或附近。虚源点if是发出辐射的等离子体210的图像。光栅频谱过滤器240特别地用于抑制红外(ir)辐射。

随后，辐射横越照射系统il，其可以包括多面场镜面装置222和多面光瞳镜面装置224，设置用于在图案化装置ma处提供辐射束221的所期望角度分布，以及在图案化装置ma处辐射强度的所期望均匀性。一旦在由支撑结构mt所固定的图案化装置ma处辐射束221反射，形成图案化的束226并由投影系统ps经由反射元件228、230将图案化的束226成像至由晶片平台或衬底工作台wt所固定的衬底w上而成像图案化束226。

一般在照射光学单元il和投影系统ps中可以存在比所示更多的元件。光栅频谱过滤器240可以可选地存在，取决于光刻设备的类型。进一步，可以存在比图中所示那些更多的镜面，例如可以比图2中所示投影系统ps中存在1-6个额外的反射元件。

收集器光学元件co如图2中所示描绘为具有掠入射反射器253、254和255的嵌套收集器，仅作为收集器(或收集器镜面)的示例。掠入射反射器253、254和255围绕光轴o轴向对称布置，并且优选地与一般称作dpp源的放电产生等离子体源组合使用。

示例性光刻单元

图3展示了光刻单元300，有时也称作光刻单元或集群。光刻设备100或100’可以形成光刻单元300的一部分。光刻单元300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器sc，用以显影已曝光抗蚀剂的显影器de，冷却板ch，以及烘焙板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，并随后输送至光刻设备的载料台lb。一般共同地称作轨道的这些装置在轨道控制单元tcu控制下，其自身由监督控制系统scs控制，也经由光刻控制单元lacu而控制光刻设备。因此，可以操作不同的设备以最大化吞吐量和处理效率。

示例性量测设备

图4中示出了适用于实施例中的量测设备。图5中更详细示出目标t(包括周期性结构诸如光栅)和衍射的射线。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，或者光刻单元lc。由虚线o表示具有遍及设备数个分支的光轴。在该设备中，由包括透镜12、14和物镜16的光学系统经由棱镜15将由光源11(例如诸如激光器或氙灯的源，或者连接至源的开口)发出的辐射引导至衬底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。

在一个实施例中，透镜布置允许接入中间光瞳面用以空间频率滤波。因此，可以通过在展示了衬底平面的角度频谱的平面、在此称作(共轭)光瞳面中限定空间强度分布，来选择辐射入射在衬底上的角度范围。特别地，这可以例如通过在透镜12和14之间插入合适形式的孔径挡板13而完成，在作为物镜光瞳面的背投影图像的平面中。在所示的示例中，孔径挡板13具有不同的形式，标注为13n和13s，从而允许选择不同的照射模式。本示例中的照射系统形成了离轴照射模式。在第一照射模式中，孔径挡板13n从仅为了方便说明而标注为“北”的方向提供离轴照射。在第二照射模式中，孔径挡板13s用于提供类似的照射，但是从标注为“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。剩余的光瞳面期望是暗的，因为在所期望照射模式外的任何不必要的辐射可以干扰所期望的测量信号。

如图5中所示，目标t可以放置为衬底w基本上与物镜16的光轴o垂直。在一个示例中，从偏离轴线o一定角度照射在目标t上的照射射线i引起第零阶射线(实线0)和两个第一阶射线(点链线+1和双点链线-1)。在过填充的小目标t的情形下，这些射线仅是覆盖了衬底的包括量测目标t和其他特征的区域的许多平行射线之一。因为在该示例中挡板13中孔径具有有限的宽度(必须承认有用量辐射)，因此入射的射线i将实际上占据一定角度范围，并且衍射的射线0和+1/-1将稍微扩展开。根据小的目标的点扩展函数，每个+1和-1阶分量将进一步在角度范围内扩展，并非如所示的单个理想射线。注意，可以设计或调节周期性结构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4和图5的示例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辨别。

在该示例中，由物镜16收集由衬底w上目标所衍射的至少0和+1阶分量并通过棱镜15引导返回。返回至图4，通过标明直径相对的孔径标注为北(n)和南(s)，来示出第一照射模式和第二照射模式。当入射的射线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，标注为+1(n)的+1衍射射线进入物镜16。相对而言，当使用孔径挡板13s应用第二照射模式时，进入透镜16的是-1衍射射线(标注为-1(s))。因此，在一个实施例中，通过在某些条件下测量目标两次而获得测量结果，例如在旋转目标或改变照射模式或改变成像模式以分立地获得-1和+1衍射阶量强度之后。对于给定目标比较这些强度提供了目标非对称性的测量，并且目标的非对称性可以用作光刻工艺的参数例如重叠误差的指示符。在以上所述情形中，改变照射模式。

分束器17将衍射束分成两个测量分支。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)上形成目标的衍射频谱(光瞳面图像)。每个衍射阶量照射传感器上不同点，因此图像处理可以比较并对比阶量。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，或者用于测量各个衍射阶量的强度(例如采用dbo量测)。光瞳面图像也可以用于在此并未详述的许多测量目的，诸如重构。

在该示例中，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)上形成衬底w上目标的图像。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由-1或+1第一阶束形成在传感器23上所形成目标的图像of。由传感器19和23捕捉的图像输出至图像处理器和控制器pu，其功能将取决于所执行测量的特定类型。注意，术语“图像”在此广义地使用。如果仅存在-1和+1阶中的一个阶，则将不形成如此的周期性结构特征(例如光栅线条)的图像。

图4中所示的孔径挡板13和光阑21的特定形式纯粹是示例性的。在另一实施例中，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本质上仅将衍射辐射中的一个第一阶传递至传感器。在又一实施例中，替代于第一阶束或除此之外，可以在测量中使用第2、第3和更高阶束(图4中未示出)。

为了使得照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，盘片旋转以使得所期望图案处于合适位置。注意，可以使用孔径挡板13n或13s以测量朝向一个方向(取决于设置为x或y)的目标的周期性结构。为了测量正交的周期性结构，可以实施目标通过90°和270°的旋转。

暗场量测的示例可以在wipo专利申请公开no.2009/078708和no.2009/106279中找到。也在美国专利申请公开no.2010/0328655中描述了通过暗场成像而基于衍射的重叠测量。已经在美国专利申请公开no.2011/0027704、no.2011/0043791、no.2012/0044470、no.2012/0123581、no.2013/0258310和no.2013/027140中描述了技术的进一步发展。在此通过全文引用将所有这些文件的内容并入本文。这些目标可以比照射光斑更小且可以由晶片上产品结构围绕。因此，可以在一个图像中完全地测量“复合”目标(例如包括不同重叠偏置的多个单独光栅部分的目标)。因此，光栅边缘在目标的灰阶图像中也是可见的。光栅边缘一般呈现偏离平均光栅强度的强度水平(在此称作“边缘效应”)。μdβο要求极端的对比度。原因在于，在图4中孔径挡板13n或13s的暗场中甚至小的信号可以穿过孔径21并将淹没检测器23，特别是在其中衍射阶量强度远小于反射的第零阶量的情形中。已经发现，对于具有低强度衍射阶量的目标，在照射光瞳处期望大于1:100000的对比度。

示例性照射系统

在图6中示出了适用于量测系统中的示例性的照射系统600。照射系统600包括第一照射调节系统602、第二照射调节系统604以及第三照射调节系统606。第一照射调节系统602提供由光源(例如宽频带源，诸如氙灯或宽频带激光器，或连接至宽频带源的开口)发出的辐射。在一个实施例中，第一照射调节系统602可以选择一个或多个波长或波长频带，并且将宽频带辐射调谐从更宽的连续光谱范围调谐至所期望的窄频带波长。在其他实施例中，使用产生窄频带辐射的一个或多个源，减轻了对于第一照射调节系统的需求。

应该知晓，可以容易地扩展以上实施例以包括多于一个光源以提供额外的灵活性。例如，可以替代于超连续激光器而使用多个单色光源。

在该示例中，经由光纤629将来自第一照射调节系统602的辐射引导至第二照射调节系统604。第二照射调节系统604包括光斑尺寸选择器631和会聚透镜612。孔径挡板可以用于确定辐射的光斑尺寸。在一个实施例中，量测装置的照射布置是kohler照射以便源尺寸以及在孔径挡板处背投光瞳面中的角分布分别确定照射的角分布以及衬底上光斑尺寸，如美国专利申请公开no.2011/0069292中所述，在此通过全文引用并入本文。采用本发明的实施例，可以提供小测量光斑以欠填充用于精确测量的相对较大的目标，例如在划片线中，而同时可以为了相对较小目标例如管芯内标记的测量而提供具有明确限定的照射角度的较大光斑。

在该示例中，会聚透镜系统612提供辐射束634至第三照射调节系统606。第三照射调节系统606可以包括偏振分束系统635、照射模式选择器(ims)613以及空间光调制器(slm)647。偏振分束系统635将入射的辐射634分成至少两个子束。例如，偏振分束器(pbs)637反射s偏振辐射以形成第一子束639，并透射p偏振以形成第二子束640。在图6中所示的实施例中，偏振分束系统635由例如熔融石英的夹设了pbs637的两个六面体光学平板构成。可以设置偏振分束系统635以使得束/子束垂直于光学平板进入并离开光学平板。然而可以使用备选的分束系统布置，诸如分束立方体。

在该示例中，第一子束639和第二子束640由多个折叠镜面641反射至ims613和slm647。子束639、640可以穿过ims613中一个或多个孔径，这“清除”了第一子束639和第二子束640的空间分布。取决于所选择的模式，第一子束639或第二子束640可以由ims613阻挡。其他模式可以允许子束639、640穿过。在一个实施例中，ims613包括吸光涂层以吸收在预定孔径外的子束光。slm647可以具有类似形状的预定空间图案或反射了第一子束639和第二子束640中的任一或两者的一部分的“孔径”(取决于由ims613透射哪些子束)。以下参照图8a和图8b进一步详细描述。slm647以空间分辨的方式改变每个束的偏振状态、相位和/或强度。在一个实施例中slm647可以是反射液晶阵列，诸如硅上液晶(lcos)阵列。反射液晶阵列的像素可以设置成限定了束分布的反射状态(“导通”状态)和非反射状态(“关断”状态)。可以电子地控制阵列以便于形成“导通”和“关断”像素的图案。在一个实施例中，“导通”像素可以对应于ims613的孔径部分，而“关断”像素围绕“导通”像素。以该方式，slm647可以执行光阑功能以控制照射的空间分布。在实施例中，“导通”像素可以具有与ims613的孔径部分相同的总体形状，但是具有减小的尺寸。

在该示例中，在从slm647反射之后，第一子束639和第二子束640的反射部分可以再次穿过ims613并返回穿过折叠镜面641。折叠镜面641接着可以引导每个子束返回穿过pbs637。如果slm647已经旋转了每个子束的偏振，则pbs637透射子束639的一部分并反射子束640的一部分。结果，pbs、ims和slm协作控制至少第一子束或第二子束的复波幅或强度空间分布。子束639、640的合适部分随后由折叠镜面649反射至透镜中转系统614。子束639、640随后输出至如上所述的量测系统。

在一个实施例中，双折射相位片651，诸如四分之一波片，可以放置在pbs637和slm647之间以用于双折射步长。双折射相位片651可以用于稍微扭转偏振状态以通过步长光学路径中非零双折射而增强“导通”和“关断”像素的对比度。在一个实施例中，可以促动一个或多个折叠镜面641以倾斜镜面并用作子束快门，以使得将子束引导远离照射系统的光学路径至束流收集器。

在图6中所示的实施例中，ims613是可旋转的孔径轮。孔径轮包括设置在孔径轮的不同扇区中的多个孔径。每个扇区对应于不同的照射模式。因此，可以通过旋转孔径轮而选择不同的照射模式。每个照射模式对应于孔径轮的不同位置。图7中示出并在此描述了ims613的示例性实施例。ims613安装在中央可旋转轴杆643或轮轴上，由电动机645供电以将ims613旋转至不同位置，以及因此至不同照射模式。也可以选择备选的机械实施例，诸如电机驱动的线性滑块。

被配置用于选择所期望照射模式的照射控制系统648通信耦合至电动机645。照射控制系统648也通信耦合至slm642。照射控制系统648提供可编程控制，以使得ims613和slm647的配置补充了所选择照射模式并相互补充。尽管在此所述的实施例为每个子束提供了孔径，但是本领域技术人员将知晓，并非每个照射模式需要使用两个子束。同样，尽管参照图6描述了两个子束，本领域技术人员将知晓，可以使用多于两个子束。

在图6中所示的实施例中，ims613和slm642位于照射光瞳面中或附近，以使得ims613和slm642紧密靠近“堆叠”。由会聚透镜系统612确定照射光瞳的位置。如由本领域技术人员所知晓的，会聚透镜系统612的焦距也确定了ims613和slm642必须多靠近照射光瞳面。在备选实施例中，ims613可以定位与slm642分离，但是在实质上与slm642表面光学共轭的位置。例如，ims613可以由pbs637和/或一个或多个透镜系统而与slm642分离。

在物理上或在光学上地堆叠ims613和slm642产生高对比度、可编程的照射光瞳。ims613自身可以提供高对比度孔径，但是其刚性特质限制了可调节性并要求精确的定位。slm642自身可以提供可编程照射光瞳，但是具有显著较低的对比度。可以一起控制ims613和slm642的组合以限定每个子束空间分布，也即孔径的边缘，此时ims613提供孔径的“清除”。以下参照图8a和图8b进一步详述。以该方式，组合减小了ims613精确定位的需求，但是维持了高对比度(例如远大于1:2000)。此外，组合的ims613和slm642提供了高消光比(extinctionratio)(例如1:100000)。ims613的额外益处在于，其提供了对于slm642对比度的内部参考校验。在slm642的寿命期间，例如locs阵列，“关断”状态的质量趋向于退化。ims613提供了比较由每个元件所负担对比度的机制。

图7示出可以用作ims的示例性孔径轮713。该示例性孔径轮713具有所示的四个照射模式720、730、740、750。尽管示出了四个模式，但是一般可以包括更多模式。例如，可以在单个孔径轮中容纳十六个不同模式。在图7的第一照射模式720中，孔径挡板713为“非偏振”也即包括s偏振和p偏振的测量提供两个孔径。在第二照射模式730中，孔径挡板713为p偏振cd测量提供单个孔径。在第三照射模式740中，孔径挡板713为s偏振的cd测量提供单个孔径。在第四照射模式750中，孔径挡板713为μbdo测量提供两个象限孔径。例如在美国专利申请公开no.2013/0141730中描述了这些的使用以及设备的数个其他变形和应用，该申请在此通过全文引用的方式并入本文。

图8a和图8b示出如上所述“堆叠”孔径的两个示例性配置。图8a和图8b示出了可以例如用于μbdo测量的相同的二象限孔径。尽管示出了单个二象限孔径，但是本领域技术人员将知晓，照射模式可以具有多于一个二象限孔径，诸如以上所述的照射模式750。图8a示出三个对比区域—高对比度区域860、中对比度区域861以及低对比度区域862。高对比度区域860用作如在此参照ims描述的“清除(clear-up)”孔径。中对比度区域861对应于slm阵列的“关断”状态并限定了如上所述的照射分布。低对比度区域862对应于slm阵列的“导通”状态以如上所述反射入射的光。在图8a中所示的实施例中，中对比度区域861(或“关断”像素)可以具有与高对比度区域860相同的普通形状(也即二象限孔径)但是具有减小的尺寸，以使得在中对比度处仅提供有效孔径的边缘。产生slm上的图案以重叠ims孔径。这导致在从低对比度区域862转变至高对比度区域860处，信号对比度从大约1:100转变至1:100000。结果，相对于slm，照射光瞳具有对机械ims孔径的x、y位置精确度具有低灵敏度。

图8b示出可以如何编程图8a中slm阵列以限定备选的照射分布，其中中对比度区域861具有与高对比度区域860不同的形状。在图8b中，“导通”像素设置为两个圆形，与图8a中的中对比度区域861的二象限形状相反。

图9示出对于将用于在此所述照射系统的偏振分束系统的备选实施例。偏振分束系统935将入射的辐射934分为至少第一子束939和第二子束940。如图9中所示，偏振分束系统935可以被设置为使得束/子束垂直于光学元件而进入并离开光学平板(slab)。偏振分束器(pbs)937反射s偏振辐射以形成第一子束939，且透射p偏振以形成第二子束940。类似于以上说明，第一子束939和第二子束940可以由折叠镜面941例如反射薄膜而反射。在图9中所示的实施例中，偏振分束系统935是单体、光学棱镜，具有五边形截面并包括pbs937和折叠镜面941。偏振分束系统935可以经由全内反射引导子束或者可以可选地包括受抑全内反射(ftir)元件946。ftir元件946中的一个或两者可以用作束快门以根据照射模式如所期望的选择性反射或透射子束。例如，ftir元件946可以使用压电促动(例如pzt促动器)以可选地在棱镜表面处产生ftir条件。因此，偏振分束系统935可以快门开关第一子束939和第二子束940的任一个，并且由此提高偏振消光比。如所示，允许第一子束939穿过ftir元件，而由棱镜表面反射第二子束940。以该方式，可以利用单个偏振子束用于照射，诸如在照射模式730中。然而，本领域技术人员将知晓，可以利用第一子束，诸如在照射模式740中，或者可以利用第一子束和第二子束两者，诸如在照射模式720、750中。

示例性照射方法

图10示出根据一个实施例的用于使用对准系统以测量衬底上目标位置的流程图1000。单纯为了示意性目的，将参照图6和图7中所示的示例性操作环境来描述图10中所示的步骤。然而，流程图1000不限于这些实施例。应该知晓，可以取决于特殊应用而以不同顺序执行或不执行步骤。例如，本领域技术人员将知晓，照射模式将利用第一子束和第二子束中的任一或两者。此外，不同的照射模式可以要求不同的空间分布、波长、光斑尺寸等。

在步骤1002中，照射系统产生照射光。如上所述，这可以包括例如波长选择和光斑尺寸选择。

在步骤1004中，将照射分成第一子束和第二子束。如上所述，划分可以由诸如pbs637之类的偏振分束器(pbs)完成。如上所述，在将接收的光分成第一子束和第二子束之后，每个光束可以由折叠镜面反射多次并且可以穿过双折射相位片，诸如四分之一波片。

在步骤1006中，第一子束和/或第二子束透射穿过照射模式选择器(ims)的孔径，其中ims被设置在对应于照射模式的位置。如上所述，可以例如由ims阻挡或者通过倾斜折叠镜面的偏离子束之一。然而，一些照射模式将要求透射两个子束。

在步骤1008中，空间光调制器(slm)产生透射的第一子束和/或第二子束的空间分布。例如，slm可以是具有像素阵列的反射lcos，该像素阵列具有形状为如上参照图8a和图8b所述的期望的空间分布的图案。通过将透射的第一和/或第二子束的一部分反射至ims而产生所期望的空间分布。如上所述，ims可以随后“清除”在所期望空间分布之外的光。

在步骤1010中，物镜投影系统从ims接收第一子束和/或第二子束并且引导第一子束和/或第二子束朝向其上具有目标的衬底。

在步骤1012中，检测器基于来自目标的辐射而检测目标结构的图像。例如，辐射可以是衍射图像，诸如本领域已知的第一阶(+1或-1)辐射。该过程的细节取决于所选择的照射模式。

在步骤1014中，分析图像并且基于所选择照射模式而确定测量结果。如上所述，设备可以使用来自目标的辐射而确定对准或重叠误差、标记非对称性、临界尺寸、和/或其他工艺变量。

最终备注

尽管在本文中可以对于在ic制造中使用光刻设备进行具体参考，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。本领域技术人员将知晓，在该备选应用的上下文中，术语“晶片”或“管芯”的任何使用在此可以视作分别与更常用术语“衬底”或“目标部分”同义。可以例如在轨道(一般施加抗蚀剂层至衬底并显影已曝光抗蚀剂的工具)、量测工具和/或在检查工具中，在曝光之前或之后，处理在此所述的衬底。其中可应用的，在此本公开可以适用于这些和其他衬底处理工具。进一步，可以处理衬底多于一次，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。

尽管以上可以具体参考在光学光刻的上下文中使用本发明的实施例，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产生的图案。图案化装置的拓扑可以压入施加至衬底的抗蚀剂层中，通过施加电磁辐射、热量、压力或者其组合而在衬底上固化抗蚀剂。在固化抗蚀剂之后，将图案化装置移出抗蚀剂而在其中留下图案。

应该理解，措辞或术语在此是为了说明而非限制的目的，以使得应该由相关领域技术人员按照在此的教导而解释本说明书的术语或措辞。

在此所述的实施例中，其中上下文允许的，术语“透镜”和“透镜元件”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。

进一步，在此使用的术语“辐射”、“束”和“光”包括所有类型电磁辐射，包括紫外(uv)辐射(例如具有365、248、193、157或126nm波长λ)、甚紫外(euv或软x射线)辐射(例如，具有在5-20nm范围内例如13.5nm波长)、或工作在小于5nm处的硬x射线，以及粒子束诸如离子束或电子束。一般，具有在大约400至大约700nm之间波长的辐射视作是可见辐射；具有在大约780-3000nm(或更大)之间波长的辐射视作红外(ir)辐射。uv涉及具有近似100-400nm波长的辐射。在光刻内，术语“uv”也适用于可以由水银放电灯产生的波长：g-线436nm；h-线405nm；和/或，i-线365nm。真空uv或vuv(也即由气体吸收的uv)涉及具有近似100-200nm波长的辐射。深uv(duv)一般涉及具有范围从126nm至428nm波长的辐射，并且在实施例中，受激准分子激光器可以产生在光刻设备内使用的duv辐射。应该知晓，具有在例如5-20nm反射内波长的辐射涉及具有某一波长带的辐射，其至少一部分在5-20nm范围内。

如在此使用的术语“衬底”一般描述了其上添加后续材料层的材料。在实施例中，衬底自身可以被图案化且添加在其顶部上的材料也可以被图案化，或者可以保持并未图案化。

尽管以上已经描述了本发明的具体实施例，应该知晓，可以除了如所述之外而实践本发明。说明书并非意在限制本发明。

应该知晓，具体实施方式部分而非摘要和发明内容部分意在用于解释权利要求。摘要和发明内容部分可以阐述如由本发明人所设想的本发明的一个或多个但是并非所有示例性实施例，并且因此，并非有意以任何方式限制本发明和所附权利要求。

以上借助于示出具体功能的实施方式和其关系的功能构建块而描述了本发明。为了便于说明已经在此任意地限定了这些功能构建块的边界。可以限定备选的边界，只要适当地执行所详述的功能及其关系。

具体实施例的前述说明将也完全揭示本发明的一般性本质，使得他人可以通过应用在本领域技术人员能力范围的知识而容易地对于各种应用修改和/或改变这些具体实施例，并未过度实验，并未脱离本发明的一般性概念。因此，这些改变和修改有意设计为基于在此所展示的教导和引导而在所公开实施例的含义和等价方式范围内。

本发明的宽度和范围不应由任意以上所述示例性实施例限制，而是应该仅根据以下权利要求及其等价形式而限定。