测量结构的方法、检查设备、光刻系统和器件制造方法与流程

本申请要求于2016年12月15日提交的欧洲申请16204457.2的优先权，通过引用将该欧洲申请的全文并入本文。

本发明涉及用于例如在通过光刻技术制造器件中可使用的量测术的方法和设备，并且涉及使用光刻技术制造器件的方法。

背景技术：

光刻设备是一种将所期望的图案施加到衬底(通常是在衬底的目标部分上)上的机器。例如，光刻设备可以用于集成电路(ic)的制造中。在这种情况下，可以将可替代地称为掩模或掩模版的图案形成装置用于生成要在ic的单层上形成的电路图案。可以将该图案转印到衬底(例如硅晶片)上的目标部分(例如包括管芯的一部分、一个管芯或几个管芯)上。典型地，通过将图案成像到设置在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上进行图案的转印。通常，单个衬底将包含被连续图案化的相邻目标部分(被称为场)的网络。

在光刻过程中，经常期望对所产生的结构进行测量，例如用于过程或工艺控制和验证。已知用于进行这种测量的各种工具，包括通常用于测量临界尺寸(cd)的扫描电子显微镜和用于测量重叠的专用工具，重叠是器件中的两个层的对准的准确度。近来，各种形式的散射仪已经被开发应用在光刻领域中。这些装置将辐射束引导到目标上，并且测量散射辐射的一个或更多个属性——例如作为波长的函数的在单个反射角下的强度；作为反射角的函数的在一种或更多种波长下的强度；或者作为反射角的函数的偏振——以获得衍射“光谱”，可以根据该衍射“光谱”确定目标的感兴趣的属性。

已知散射仪的示例包括us2006033921a1和us2010201963a1中所述类型的角度分辨散射仪。这种散射仪所使用的目标是相对大的光栅，例如40μm×40μm，测量束产生比光栅小的斑(即，光栅未被充满)。除了通过重构进行特征形状的测量之外，也可使用这种设备测量基于衍射的重叠，如公开专利申请us2006066855a1中所描述。使用衍射阶的暗场成像的基于衍射的重叠实现在较小的目标上进行重叠和其它参数的测量。这些目标可以小于照射斑并且可以被衬底上的产品结构包围。来自环境产品结构的强度可利用在图像平面中的暗场检测与来自重叠目标的强度有效地分离。

暗场成像量测的示例可以在专利申请us20100328655a1和us2011069292a1中找到，通过引用将这些文献的全文并入本文。已经在公开的专利出版物us20110027704a、us20110043791a、us2011102753a1、us20120044470a、us20120123581a、us20120242970a1、us20130258310a、us20130271740a和wo2013178422a1中描述了上述技术的进一步发展。典型地，在这些方法中，期望测量作为目标的属性的不对称性。目标可被设计成使得不对称性的测量或量度可用于获得诸如重叠、聚焦或剂量的各种性能参数的测量或量度。目标的不对称性是通过使用散射仪检测衍射光谱的相对部分之间的强度差来测量的。例如，可比较+1衍射阶的强度和-1衍射阶的强度，以获得不对称性的测量。

在这些已知技术中，使用适当的照射模式和图像检测模式以从目标内的周期性结构(光栅)获得+1和-1衍射阶。比较这些相反的衍射阶的强度会提供结构的不对称性的测量。比较两个或更多个光栅的被测量的不对称性与已知偏置值会提供形成结构所采用的过程中的重叠测量。通过目标的适当设计，也可通过相同技术测量除了重叠以外的过程性能参数，例如聚焦和剂量。

可以使所描述类型的量测目标中的光栅结构在除了其主要周期性方向以外的方向上分段。该分段的原因可能是诱发不对称性相关效应，从而允许以刚才所提及的方式测量除了重叠以外的属性。该分段的其他原因可能是使光栅结构是更“似产品(product-like)”，使得它们被印刷成图案化性能更类似于主要感兴趣的产品结构。光栅结构可以仅仅在布局上完全地为二维，例如以类似于接触孔或导柱的阵列。然而，图案化过程的性能的重叠、聚焦或其它参数通常在两个或更多个方向上单独地被控制和测量，典型地为相对于衬底限定的x方向和y方向。

为了减少测量时间，用于暗场量测的已知设备具有配置成在x方向和y方向两者上同时检测从部件光栅衍射的辐射且独立地检测这些不同衍射方向的孔径和检测系统。因此，避免对于在x方向和y方向上的单独检测步骤的需要。这些技术的示例包括于上文所提及的先前专利公开中，且也例如包括于未公开专利申请ep16157503.0中。不幸的是，在量测目标中的光栅结构被二维结构化(完全二维光栅或在正交于其主要周期性方向的方向上具有某种分段)的情况下，由结构在正交方向上进行的衍射变得与在主要方向上的衍射混合，且单独测量变得经受噪声或串扰。因此，特定方法或设备可能不可用于这种目标，或至少必须改变操作模式。使该问题加剧的是，量测设备的操作者通常甚至可能不知道所研究的量测目标是否具有所描述类型的二维属性。

技术实现要素：

本发明在第一方面旨在允许使用可利用的技术在两个方向上独立的测量目标的不对称性，甚至当目标结构在本质上可能是二维时也是如此。本发明在另一方面旨在允许在不依靠提前信息的情况下识别量测目标中的二维特性。

本发明在第一方面提供了一种确定由光刻过程形成的目标结构的至少第一部分的属性的方法，所述方法基于由所述目标结构内的周期性特征衍射的辐射并且包括下列步骤：

(a)使用检测系统以在利用具有第一角度分布的辐射照射所述目标结构时形成所述目标结构的第一图像，所述第一图像是通过使用由所述目标结构在第一方向上衍射的辐射中的所选择部分和由所述目标结构在第二方向上衍射的辐射中的所选择部分而形成的，所述第一方向和所述第二方向是被相对于所述目标结构限定，而且所述第一方向和所述第二方向是非平行的；

(b)使用所述检测系统以在利用具有第二角度照射分布的辐射照射所述目标结构时形成所述目标结构的第二图像，所述第一角度照射轮廓和所述第二角度照射轮廓相对于所述目标结构彼此不同地定向；

(c)组合来自所述第一图像和所述第二图像的强度值，以便判别由所述目标结构的第一部分在所述第一方向上衍射的辐射与由所述目标结构的同一所述第一部分在所述第二方向上衍射的辐射；和

(d)至少部分地基于步骤(c)中进行的判别，确定所述目标结构的所述第一部分的属性。

在目标的一部分具有二维周期性结构的情况下，在步骤(c)中的判别允许检测该二维结构的存在。代替地或另外，可以使用步骤(c)中的判别来计算目标结构的每一部分在第一方向上的不对称性，同时忽略在第二方向上衍射的辐射。

该方法可以还包括基于由该方法针对多个周期性结构确定的不对称性计算所述光刻过程的性能参数。例如，所述性能参数可以是重叠、聚焦或剂量。

本发明还提供一种用于测量由光刻过程在一个或更多个衬底上形成的目标结构的属性的检查设备，所述检查设备包括：

照射系统，所述照射系统能够操作以利用具有第一角度分布和第二角度分布的辐射在不同的时刻照射目标结构；

检测系统，所述检测系统能够操作以使用由所述目标结构衍射的辐射的所选择部分形成所述目标结构的一个或更多个图像；

控制器，所述控制器用于控制所述照射系统和所述检测系统以：(a)在利用具有第一角度分布的辐射照射目标结构时形成所述目标结构的第一图像，所述第一图像是通过使用由所述目标结构在第一方向上衍射的辐射中的所选择部分和由所述目标结构在第二方向上衍射的辐射中的所选择部分而形成的，所述第一方向和所述第二方向是被相对于所述目标结构限定的，并且所述第一方向和所述第二方向是非平行的；和(b)在利用具有第二角度照射分布的辐射照射所述目标结构时形成所述目标结构的第二图像，所述第一角度照射轮廓和所述第二角度照射轮廓相对于所述目标结构彼此不同地定向。

所述检查设备还包括处理器，所述处理器配置成：(c)组合来自所述第一图像和所述第二图像的强度值，以便判别由所述目标结构的第一部分在所述第一方向上衍射的辐射与由所述目标结构的同一所述第一部分在所述第二方向上衍射的辐射；和(d)至少部分地基于步骤(c)中进行的判别确定所述目标结构的所述第一部分的属性。

本发明在另一方面中提供用于根据以上阐述的本发明的方法的各种目标结构。在一个实施例中，所述目标结构包括各自在第一方向和第二方向两者上是周期性的至少三个部分，所述第一方向和所述第二方向是非平行的，所述至少三个部分中的至少两个部分具有在所述第一方向上的不同的被编程的偏置值，且所述至少三个部分中的至少两个部分具有在所述第二方向上的不同的被编程的偏置值。

因为本发明的方法判别不同方向中的不对称性，所以相对于常规方法，它允许减少偏置光栅的数目。

本发明在另一方面中提供了一种处理装置，所述处理装置布置成接收目标结构的至少第一图像和第二图像，并通过执行在以上阐述的本发明的第一方面的方法中的步骤(c)和(d)导出目标结构的一个或更多个部分的一个或更多个属性的测量值。

本发明还提供一种或更多种计算机程序产品，其包括机器可读指令，所述机器可读指令用于使可编程处理装置实施以上阐述的本发明的一个或更多个方面。所述机器可读指令可以被体现在例如非暂时性存储介质中。

本发明还提供一种光刻系统，包括光刻设备和根据以上阐述的本发明的检查设备。

本发明还提供了一种制造器件的方法，其中，使用光刻过程将器件图案施加到一系列衬底上，所述方法包括使用根据以上阐述的本发明的方法测量作为所述器件图案的部分或除了所述器件图案之外在所述衬底中的至少一个上形成的一个或更多个结构的一个或更多个属性，和根据所述测量的结果控制针对后面的衬底的光刻过程。

参考附图在下文更详细地描述本发明的另外的特征和优点以及本发明的各实施例的结构和操作。注意到，本发明不限于此处描述的特定实施例。本文仅出于说明性的目的来呈现这些实施例。基于本文包含的教导，相关领域的技术人员将明白另外的实施例。

附图说明

现在将参考附图通过举例方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1描绘了一种光刻设备以及构成用于半导体器件的生产设施的其他设备；

图2示意性地示出(a)根据本发明的一些实施例的适于执行角分辨散射测量和暗场成像检查方法的检查设备，和(b)由图2的(a)的设备中的目标光栅进行的入射辐射的衍射的放大细节；

图3示出(a)分段照射轮廓、(b)在分段照射轮廓下方的不同方向上产生衍射信号、和(c)棱镜装置在分段检测系统中的布局，这些都是在图2的检查设备的一个实施例的操作中；

图4示出在以下状况下包括多个部件光栅的复合量测目标：(a)每一部件光栅在仅一个方向上是周期性的状况；和(b)每一部件光栅在两个方向上是或可能是周期性的状况；

图5示出图4的目标的多重图像，所述多重图像由图4的设备捕获，其中衍射阶在空间上分离；

图6示出根据本公开的原理的与图3相似的衍射信号的产生，但使用第二照射轮廓以判别由目标的同一部分在不同方向上衍射的辐射；

图7示出使用图6的第一照射轮廓和第二照射轮廓获得的暗场图像；

图8是测量目标结构的属性的方法和使用图6的原理控制光刻过程的方法的流程图；和

图9示出一些被设计用于图8的方法的修改的目标布局。

具体实施方式

在详细地描述本发明的实施例之前，提出一个可以实现本发明的实施例的示例环境是有指导意义的。

图1在100处将光刻设备la展示为实施高容量光刻制造过程的工业设施的部分。在本示例中，制造过程适于在诸如半导体晶片的衬底上制造半导体产品(集成电路)。本领域技术人员应了解，可以通过以该过程或工艺的变化形式处理不同类型的衬底来制造各种各样的产品。半导体产品的生产仅仅用作现今具有巨大商业意义的示例。

在光刻设备(或简称“光刻工具”100)内，测量站mea在102处示出，曝光站exp在104处示出。控制单元lacu在106处示出。在该示例中，每个衬底访问测量站和曝光站以被施加图案。例如，在光学光刻设备中，投影系统用于使用被调节的辐射和投影系统将产品图案从图案形成装置ma转印至衬底上。这通过在辐射敏感抗蚀剂材料层中形成图案的图像进行。

这里使用的术语“投影系统”应该被广义地解释为包括任何类型的投影系统，包括折射型光学系统、反射型光学系统、反射折射型光学系统、磁性型光学系统、电磁型光学系统和静电型光学系统或其任意组合，例如对于所使用的曝光辐射或者对于诸如浸没液体的使用或真空的使用之类的其他因素合适的。图案形成ma装置可以是将图案赋予至由图案形成装置透射或反射的辐射束的掩模或掩模版。众所周知的操作模式包括步进模式和扫描模式。众所周知，投影系统可以以多种方式与用于衬底和图案形成装置的支撑和定位系统合作，以将所期望图案施加至横跨衬底的许多目标部分。可以使用可编程图案形成装置来代替具有固定图案的掩模版。辐射例如可以包括在深紫外(duv)波带或极紫外(euv)波带中的电磁辐射。本公开也适用于其他类型的光刻过程，例如，例如压印光刻术和通过电子束的直写光刻术。

光刻设备控制单元lacu控制各种致动器和传感器的移动和测量，使得设备la接收衬底w和掩模版ma并实施图案化操作。lacu还包括信号处理和数据处理能力，以实施与设备的操作相关的期望计算。在实践中，控制单元lacu将实现为许多子单元的系统，每个子单元处理所述设备内的子系统或部件的实时数据采集、处理和控制。

在将图案施加到曝光站exp处的衬底之前，在测量站mea处处理衬底，使得可以执行各种预备步骤。预备步骤可包括使用水平传感器来绘制衬底的表面高度，和使用对准传感器来测量衬底上的对准标记的位置。对准标记名义上布置成规则的栅格图案。然而，由于产生标记的不准确性以及由于在其整个处理过程中发生的衬底变形，所述标记偏离理想栅格。因此，除了测量所述衬底的位置和方向之外，如果设备要以非常高的准确度在正确的部位处印制产品特征，则在实践中所述对准传感器必须详细测量横跨衬底区域的许多标记的位置。该设备可以是所谓的双平台型，其具有两个衬底台，每个衬底台具有由控制单元lacu控制的定位系统。在曝光站exp处正曝光一个衬底台上的一个衬底的同时，可在测量站mea处将另一衬底装载至另一衬底台上以使得进行各种预备步骤。因此，对准标记的测量非常耗时，设置两个衬底台能够显著地提高设备的生产量。如果位置传感器if在测量站和曝光站处时都不能测量衬底台的位置，则可以设置第二位置传感器以实现在两个站处追踪衬底台的位置。光刻设备la例如是所谓的双平台型，其具有两个衬底台wta和wtb以及两个站——曝光站和测量站——在所述两个站之间衬底台可被交换。

在生产设施内，设备100构成“光刻单元”或“光刻簇”的一部分，所述“光刻单元”或“光刻簇”还包含涂覆设备108，用于将光敏抗蚀剂和其它涂层施加到衬底w，以用于由设备100进行图案化。在设备100的输出侧，设置烘烤设备110和显影设备112，用于将曝光的图案显影成实体抗蚀剂图案。在所有这些设备之间，衬底处理系统负责支撑所述衬底并将它们从一件设备转移到下一件设备。这些设备通常统称为“轨道”，并由轨道控制单元控制，轨道控制单元本身由管理控制系统scs控制，该管理控制系统scs也经由光刻设备控制单元lacu控制光刻设备。因此，可以操作不同的设备以最大化生产量和处理效率。管理控制系统scs接收选配方案信息r，选配方案信息r非常详细地提供了待执行以创建每个图案化的衬底的步骤的定义。

一旦已经在光刻单元中施加并显影了图案，就将图案化的衬底120转移到诸如在122、124、126处所示的其它处理设备。由典型的制造设施中的各种设备实施各种处理步骤。为了举例，本实施例中的设备122是刻蚀站，设备124执行刻蚀后的退火步骤。进一步的物理和/或化学处理步骤在其它设备126等中被施加。制造真实的器件可需要许多类型的操作，诸如材料的沉积、表面材料特性的改性(氧化、掺杂、离子注入等)、化学机械抛光(cmp)等。在实践中，设备126可以表示在一个或更多个设备中执行的一系列不同的处理步骤。

众所周知，半导体器件的制造涉及这种处理的多次重复，以在衬底上逐层地建造具有适当材料和图案的器件结构。因此，到达光刻簇的衬底130可以是新准备的衬底，或者它们可以是先前已经在该簇中或完全在另一个设备中被处理过的衬底。类似地，依赖于所需的处理，离开设备126的衬底132可以返回以用于在相同光刻簇中的后续图案化操作，它们可以被指定用于在不同簇中的图案化操作，或者它们可以是待发送用于切片和封装的成品。

产品结构中的每一层要求一组不同的过程步骤，并且在每一层处的设备126的类型可以完全不同。此外，即使在待由设备126施加的处理步骤在大型设施中名义上是相同的情况下，也可能存在几个假设相同的机器并行地工作以对不同的衬底上执行步骤126。这些机器之间的设定或故障的微小差异可能意味着它们以不同的方式影响不同的衬底。甚至对于每一层是相对地共同的步骤，例如刻蚀(设备122)也可以由几个刻蚀设备实现，这些刻蚀设备名义上是相同的但并行地工作以使生产量最大化。此外，在实践中，不同的层根据待刻蚀材料的细节需要不同的刻蚀过程，例如化学刻蚀、等离子体刻蚀，并且需要特定要求，例如各向异性刻蚀。

可以在其它光刻设备中执行先前和/或后续的过程(如刚才所提到)，且甚至可以在不同类型的光刻设备中执行先前和/或后续的过程。例如，在器件制造过程中，在诸如分辨率和重叠等参数上要求非常高的一些层相比于其它要求较不高的层可以在更先进的光刻工具中执行。因此，一些层可以在浸没型光刻工具中曝光，而其它层在“干型”工具中曝光。一些层可以在duv波长下工作的工具中曝光，而其它层是使用euv波长辐射曝光。

为了正确且一致地曝光由光刻设备所曝光的衬底，期望检查被曝光的衬底以测量诸如后续层之间的重叠误差、线厚度、临界尺寸(cd)等属性。由此，其中定位光刻单元lc的制造设施也包括量测系统met，量测系统met接收已在光刻单元中处理的衬底w中的一些或全部。将量测结果直接或间接地提供至管理控制系统(scs)138。如果检测到误差，则可对后续衬底的曝光进行调整，尤其在量测可足够迅速地且快速地进行使得同一批次的其他衬底仍处于待曝光的情况下。此外，已经曝光的衬底可被剥离及返工以改善良率，或被废弃，由此避免对已知有缺陷的衬底执行进一步处理。在衬底的仅一些目标部分有缺陷的情况下，可仅对良好的那些目标部分执行进一步曝光。

图1还示出了量测设备140，该量测设备240设置为用于在制造过程中的期望阶段测量产品的参数。现代光刻生产设施中的量测设备的常见示例是散射仪(例如角分辨散射仪或光谱散射仪)，并且它可以被应用于在设备122中的刻蚀之前在120处测量被显影的衬底的属性。通过使用量测设备140可以确定，例如诸如重叠或临界尺寸(cd)的重要性能参数不满足被显影的抗蚀剂中的规定的准确度要求。在刻蚀步骤之前，存在剥离被显影的抗蚀剂并且通过光刻簇重新处理衬底120的机会。还众所周知，来自设备140的量测结果142可以用于通过随着时间推移进行小调整的管理控制系统scs和/或控制单元lacu106来维持光刻簇中的图案化操作的准确性能，由此使得制造出不符合规格且需要返工的产品的风险最小化。当然，量测设备140和/或其它测量设备(未示出)可以应用于测量被处理的衬底132、134及入射衬底130的属性。

示例检查设备

图2中的(a)示意性地示出了实施所谓的暗场成像量测的检查设备的关键元件。检查设备可以是独立的装置，也可以被包括在光刻设备la中，例如处于测量站，或光刻单元lc中。用虚线o表示具有贯穿所述设备的几个支路的光轴。目标光栅结构t和衍射射线在图2中(b)中被更详细示出。

如在引言中引用的在先申请中所描述的，图2中的(a)的暗视场成像设备可以是多用途角分辨散射仪的一部分，其可以代替光谱散射仪或除了光谱散射仪之外来使用。在这种类型的检查设备中，由辐射源11发射的辐射由照射系统12调节。例如，照射系统12可以包括准直透镜系统12a、滤色器12b、偏振器12c和孔径装置13。经过调节的辐射沿着照射路径ip，其中它被部分反射表面15反射并经由物镜16聚焦到衬底w上的斑s中。量测目标t可以形成在衬底w上。透镜16类似地呈显微镜物镜的形式，但具有高数值孔径(na)，优选为至少0.9，更优选为至少0.95。如果期望，可以使用浸没流体，以获得大于1的数值孔径。

在这个示例中的物镜16也用于收集已经被目标散射的辐射。示意性地示出了用于该返回的辐射的收集路径cp。多用途散射仪可以在收集路径中具有两个或更多个测量分支。所示出的示例具有光瞳成像分支，其包括光瞳成像光学系统18和光瞳图像传感器19。还示出了成像分支，其将在下面更详细地描述。另外，其它的光学系统和分支将被包括在实际设备中，例如用于收集用于强度标准化的参考辐射，用于捕获目标的粗略成像，用于聚焦等等。这些细节可以在上面提到的现有出版物中找到。

当在衬底w上设置量测目标t时，这可以是1-d光栅，其被印制成使得在显影之后，栅条由固体抗蚀剂线形成。目标可以为2-d光栅，其被印制成使得在显影之后，该光栅由实体抗蚀剂导柱或抗蚀剂中的通孔形成。栅条、导柱或通孔可以可替代地被刻蚀至衬底中。这些光栅中的每一个都是目标结构的示例，可以使用检查设备来研究其属性。在光栅的情况下，所述结构是周期性的。在重叠量测目标的情况下，所述光栅被印制在已经由先前图案化步骤形成的另一光栅的顶部上或与所述另一光栅交织。

照射系统12的各种部件可以是可调整的，以在同一设备内实施不同的量测“选配方案”。除了选择波长(颜色)和偏振作为照射辐射的特性之外，照射系统12可以被调整以实施不同的照射轮廓。孔径装置13的平面与物镜16的光瞳平面和光瞳图像检测器19的平面共轭。因此，由孔径装置13限定的照射轮廓限定以斑s入射到衬底w上的光的角度分布。为了实施不同的照射轮廓，可以在照射路径中设置孔径装置13。孔径装置可以包括安装在可移动滑动件或轮上的不同孔13a、13b、13c等。所述孔径装置可以可替代地包括固定或可编程空间光调制器(slm)。作为另一种替代方案，光纤可以安置在照射光瞳平面中的不同部位处，并且可以选择性地用于在其各自的部位处传递光或者不传递光。这些变形都在上面引用的文件中讨论和举例说明。所述孔径装置可以是反射形式，而不是透射的。例如，可以使用反射slm。实际上，在uv或euv波带中工作的检查设备中，大多数或全部光学元件可以是反射的。

依赖于照射模式，可以提供示例射线30，使得入射角如图2的(b)中′i′所示。由目标t反射的零级射线的路径被标注为‘0’(不要与光轴‘o’混淆)。类似地，在相同照射模式中或在第二照射模式中，可以提供射线30b，在这种情况下，与第一模式相比，入射角和反射角将被交换。在图2的(a)中，第一示例照射模式和第二示例照射模式的零级射线被分别标注为0a和0b。

如图2的(b)中更详细地示出，作为目标结构的示例，目标光栅t被放置成衬底w垂直于物镜16的光轴o。在离轴照射轮廓的情况下，从偏离轴线o的一角度射到光栅t上的照射i的射线30a产生零阶射线(实线0)和两个一阶射线(点划线表示+1阶，并且双点划线表示-1阶)。应注意，对于过填充的小目标t光栅而言，这些射线只是覆盖包括量测目标光栅t和其它特征的衬底区域的许多平行射线之一。由于照射射线30a束具有有限的宽度(对于允许有用数量的光而言是必需的)，因而入射射线i实际上将会占据一角度范围，并且衍射射线0和+1/-1将会稍微展开。根据小目标的点扩散函数，每个阶+1和-1都将进一步在一个角度范围上展开，而不是如图示的单条理想的射线。

在用于暗场成像的采集路径的分支中，成像光学系统20在传感器23(例如ccd或cmos传感器)上的衬底w上形成目标的图像t′。在与物镜16的光瞳平面共轭的收集路径cp的成像分支中的平面中提供孔径光阑21。孔径光阑21也可以被称为光瞳光阑。孔径光阑21可以采取不同的形式，正如照射孔径可以采用不同的形式一样。孔径光阑21结合透镜16的有效孔径确定散射辐射的哪一部分被用于在传感器23上产生图像。通常，孔径光阑21起到阻挡零阶衍射束的作用，使得形成在传感器23上的目标的图像仅由一阶束形成。在两个一阶束组合形成图像的示例中，这将是所谓的暗场图像，相当于暗场显微图像。

由传感器23捕获的图像被输出到图像处理器和控制器pu，其功能将依赖于正在执行的特定类型的测量。为此目的，执行对目标结构的不对称性的测量。不对称性的测量可以与目标结构的知识相结合，以获得用于形成所述目标结构的光刻过程的性能参数的测量。可以用这种方式测量的性能参数包括例如重叠、聚焦和剂量。提供目标的特殊设计，以允许通过相同的基础不对称性测量方法进行这些不同性能参数的测量。

处理器和控制器pu也产生诸如λ和ap的控制信号，以用于控制照射特性(偏振、波长)并用于使用孔径装置13或可编程空间光调制器选择孔径。也可以相同方式控制孔径光阑21。照射和检测的这些参数的每一组合被视为用于待进行的测量的“选配方案”。

再次参考图2的(b)和照射射线30a，来自目标光栅的+1阶衍射射线将进入物镜16并且对传感器23处记录的图像作出贡献。射线30b以与射线30a相反的角度入射，并且因此-1阶衍射射线进入物镜并且对图像有贡献。当使用离轴照射时，孔径光阑21a阻挡零阶辐射。如现有技术出版物中所述，照射模式可以用x方向和y方向的离轴照射来定义。

图2的(a)中的孔径装置13中的孔13c、13e和13f包括在x方向和y方向两者上的离轴照射，且对于本公开而言尤其感兴趣。孔13c产生可以被称作分段照射轮廓的内容，且可以例如与由例如下文所描述的分段棱镜22限定的分段孔径组合地使用。孔13e和13f可以上文所提及的一些先前公开专利申请中所描述的方式例如与同轴孔径光阑21组合地使用。

通过比较这些不同照射模式下的目标光栅的图像，可以获得不对称性的测量。可替代地，不对称性的测量可以通过保持相同的照射模式、但旋转目标来获得。虽然示出了离轴照射，但是也可以使用目标的同轴照射，并且可以使用修改的离轴孔径光阑21以将基本上仅一个一阶衍射光传递到传感器。在另一个示例中，分段棱镜22与同轴照射模式结合使用。分段棱镜22可被视为单独的离轴棱镜的组合，若期望，分段棱镜可实施为安装在一起的一组棱镜。这些棱镜限定分段孔，在该分段孔中每一象限中的射线稍微偏转一角度。光瞳平面中的该偏转具有在图像平面中的每一方向上使+1阶与-1阶在空间上分离的效果。换句话说，每一衍射阶和方向的辐射在传感器23上形成不同部位的图像，使得在无需两个依序图像捕捉步骤的情况下，它们可被检测到并进行比较。实际上，在图像传感器23上的被分离的部位处形成分立的图像。在图2的(a)中，例如，使用来自照射射线30a的+1阶衍射得到的图像t′(+la)与使用来自照射射线30b的-1阶衍射得到的图像t′(-lb)空间上分离。上文所提及的公开的专利申请us20110102753a1中公开了该技术，通过引用将该公开专利申请的内容的全文并入本文。代替一阶束或除了一阶束以外，二阶、三阶和更高阶束(图2中未示出)也可用于测量中。作为另外变形，离轴照射模式可以保持恒定，而目标本身在物镜16下方旋转180度以使用相反的衍射阶来捕获图像。

无论使用这些技术中的哪一技术，本公开适用于其中在例如被称作x和y的正交方向的两个方向上衍射的辐射同时被捕获的方法。

虽然图示了常规的基于透镜的成像系统，但本文中所公开的技术可同样地应用于全光摄影机，且也应用于所谓的“无透镜”或“数字”成像系统。因此，存在关于用于衍射辐射的处理系统的哪些部分被实施于光学域中和哪些部分被实施于电子域和软件域中的大的设计选择度。

基于图像的不对称性测量

参考图3的(a)和观察孔径装置13附近的照射系统的光瞳平面p(ip)，孔13c已经被选择以限定在902处所示出的照射的特定空间轮廓。在照射系统的该期望空间轮廓中，被标注为a和b的两个完全相反的象限是亮的，而另外两个象限是暗的(不透明)。该空间照射轮廓在被聚焦以在目标t上形成斑s时限定照射的对应的角度分布，其中射线仅在这两个象限中形成角度。该分段类型的孔根据公开的专利申请us2010/201963在散射测量设备中是已知的。下文中将进一步描述这种被修改的照射孔的优点。

当来自照射轮廓902的亮分段的射线由目标结构中的周期性特征衍射时，其将对应于光瞳平面中的移位而成角度。图3的(a)中的箭头‘x’指示由在x方向上为周期性的结构引起的照射的衍射方向，而箭头‘y’指示由在y方向上为周期性的结构引起的照射的衍射方向。箭头‘0’指示直接反射，换句话说，零阶衍射。该分段类型的孔的特征为，关于由预期衍射方向(在该示例中为x和y)限定的对称线，照射轮廓的被照射区与暗区对称地相对。因此，有可能使更高阶衍射辐射分离，同时收集在两个方向上同时被引导的辐射。

图3的(b)示出检查设备的收集路径中的共轭光瞳平面p(cp)中的照射分布。首先假设目标t是一维衍射光栅，且在作为第一方向的x方向上具有周期性。虽然照射的空间轮廓902具有被标注为a和b的亮象限，但由目标光栅的线衍射引起的衍射图案在图3的(b)中由在904处的图案表示。在该图案中，除了被标注为a0和b0的零阶反射以外，也存在被标注为a+x、b-x的可见一阶衍射信号。因为照射孔径的其他象限是暗的且更一般而言因为照射图案具有180°旋转对称性，所以衍射阶a+x和b-x是“自由的”，这意味着衍射阶a+x和b-x不与来自照射孔径的其他部分的零阶或更高阶信号重叠(在此阶段仅考虑x方向)。可利用分段照射图案的该属性以从不同衍射光栅(对准标记)获得清晰的一阶信号，所述衍射光栅的间距为可在使用常规圆形对称的照射孔径的情况下成像的最小节距的一半。

现在，假设目标在与第一方向正交的例如y方向的第二方向上具有周期性特征。在第二方向上的这些特征可由名义上一维光栅中的分段产生，其也可由具有y方向的其他一维光栅产生，所述一维光栅可存在于斑s的区域内并存在于检查设备的视场内。这些特征也可由以上光栅的混合产生。进一步假设在y方向上为周期性的特征与在x方向上为周期性的特征具有相同的周期，且因此具有相同的衍射角。结果是可在收集路径的光瞳904中看到的衍射信号a+y和b-y。这些信号包括在y方向上的一阶衍射信号。为了简化本附图中的图示，在y方向和x方向上的衍射信号被显示为彼此独立。在实践中，x衍射信号与y衍射可在光瞳904中重叠。熟悉本领域的读者应理解，这依赖于目标在x和y上的节距和被选择的波长。

零阶信号a0和b0也存在于如所图示的收集系统的光瞳中。依赖于是否想要这些零阶信号，这些零阶信号可以被在形式上与孔13d相似的分段孔径光阑21阻挡。对于基于不对称性的测量，通常感兴趣的是更高阶信号，例如+1阶信号和-1阶信号。

如图所示，y方向衍射信号在收集路径的光瞳中不与x方向衍射信号重叠，但在其他情形中，它们可能重叠，这依赖于光栅的节距和照射的波长。在分段光栅的情况下，在一个或两个方向上的分段可比在另一方向上的光栅的节距精细得多。在存在极精细分段的情况下，更高阶衍射信号可以落在收集路径的孔径之外，但零阶辐射的散射可以在左上方和右下方处溢出到象限中。在任何情况下，在存在某一种类的二维特征的情况下，来自两个方向的衍射信号在收集路径中的光瞳的相同象限中混合。

图3的(c)示意性地示出分段棱镜22在图2的检查设备的成像分支中的布局。圆形光瞳p(cp)由虚线圆圈表示。在光瞳的每一象限中，设置不同地成角度的棱镜，其使辐射偏转某一角度。光瞳平面中的该角偏转转化成检测器23的平面中的图像的空间分离度，如上文已经参考图2的(a)所图示。现在将进一步描述呈这种类型的配置的设备的操作和一些实际益处以及挑战。然而，本公开的原理也适用于其他配置。

图4描绘了根据已知的实践在衬底上形成的(复合)目标。该复合目标包括紧密地定位在一起的四个光栅32至35，使得它们全部位于由量测设备的照射束形成的测量斑31内。圆圈31表示斑s在衬底w上的范围。四个目标因此都同时被照射，并且同时在传感器23上成像。在专用于重叠测量的示例中，光栅32至35本身是通过重叠在形成于衬底w上的半导体器件的不同层中图案化的光栅所形成的重叠光栅。光栅32至35可以被不同地偏置，这意味着除了由图案化过程引入的任何重叠误差以外，它们还具有被设计好的重叠偏移。偏置的知识促进在形成有重叠光栅的不同部分的不同层之间的重叠测量。光栅32至35也可以在其方向方面不同，如图所示，以便沿x方向和y方向衍射入射辐射。

在一个示例中，光栅32和34是分别具有+d、-d偏置的x方向光栅。这意味着光栅32使其重叠的部件布置成若它们两个都被完全印制在其名义上的部位处，则所述部件中的一个将相对于另一个偏移距离d。光栅34使其部件布置成若被完美印制，则将存在为d的但与第一光栅等相反的方向的偏移。光栅33和35是分别具有+d和-d偏移的y方向光栅。这些光栅的分立的图像可以在由传感器23捕获的图像中被识别。虽然图示了四个光栅，但是另一实施例可以要求更大矩阵以获得期望的准确度。

图5示出了在图2和3的设备中使用图4的目标、使用分段照射轮廓和使用分段棱镜22可以在传感器23上形成和由传感器23检测的图像的示例。这种配置同时提供了沿x方向和y方向的离轴照射，并准许从图3的(b)中的光瞳904的左上方和右下方处的象限同时检测沿x和y的衍射阶。

黑色的矩形40表示传感器上的图像的场，衬底上的照射斑31在该场内被成像到相应的圆形区域内，每个圆形区域使用仅来自收集路径cp中的光瞳904处的一个象限的辐射。目标的四个图像被标注502至508。在图像502内，使用光瞳904的左上方象限的辐射照射的斑31的图像被标注为41。在该图像内，矩形区域42至45表示小的目标光栅32至35的图像。如果光栅位于产品区域中，则也可能在该图像场的周边看见产品特征。图像处理器和控制器pu使用图案识别来处理这些图像，以识别光栅32至35的分立的图像42至45。这样，所述图像不必非常精确地在传感器框架内的特定部位处被对准，这极大地改善了整个测量设备的生产量。

如所提及且如所图示，由于分段棱镜22对收集路径的光瞳904中的信号的动作且由于分段照射轮廓902及其相对于目标t的x方向和y方向的定向，四个图像502-508中的每一个仅使用每一目标的衍射光谱中的某些部分。因此，分别在左下方和右上方处的图像504和508分别由零阶辐射a0和b0形成。图像502由更高阶衍射辐射形成，尤其是由在来自亮的象限b的负x方向和来自亮的象限a的正y方向上衍射的辐射(衍射信号a+y和b-x)形成。相对而言，图像506由更高阶衍射辐射形成，尤其是由在来自亮的象限b的正x方向和来自亮的象限a的负y方向上衍射的辐射(衍射信号a-y和b+x)形成。

来自仅包括一维光栅的目标的在x方向上衍射的信号与在y方向上衍射的信号之间不存在串扰。那是因为每一部件光栅31至35仅在两个方向中的一个上衍射辐射，且每一光栅的图像通过光学系统的成像动作在图像502至508内在空间上分离。一旦已经识别光栅的分立的图像，就可例如通过对所识别区域(roi)内选定的像素强度值求平均值或求和来量测那些单独的图像的强度。图像的强度和/或其他属性可相互比较以同时获得针对四个或更多个光栅的不对称性的测量。这些结果可以与目标结构和偏置方案的知识组合，以测量光刻过程的不同参数。重叠性能是这种参数的重要示例，且是两个光刻层的侧向对准的量度。更具体地，重叠可以被限定为例如底部光栅的顶部的中心与对应顶部光栅的底部的中心之间的侧向位置差。为获得光刻过程的其他参数的测量，可使用不同的目标设计。再次，目标设计和偏置方案的知识可以与不对称性测量组合以获得所期望性能参数的测量。例如，已知目标设计用于根据以这种方式获得的不对称性测量获得剂量或聚焦的测量。

二维目标的问题

现在参考图4的(b)，如上文所提及，一些目标将在图像之同一部分内的两个方向上散射或衍射辐射。图4的(b)的目标在四个部件光栅432-435中的每一个中具有二维结构。二维结构可由一个或更多个层中的一维光栅中的分段产生。例如，二维结构可以由表示接触孔或通孔的阵列的光栅产生。

尽管衍射将因此在每一光栅图像42-45内在两个方向x和y上进行，然而量测目标的目的应为测量诸如分离地在x方向和y方向中的每一个上的重叠的参数。对来自图像的同一部分中的另一方向的衍射的贡献表示想要的衍射信号中的“污染”或噪声。在重叠测量中，我们根据在x方向上的不对称性(+1阶衍射与-1阶衍射之间的差)导出x重叠。来自在y方向上的衍射的被添加的辐射导致较差信噪比。若分段存在于两个层中(或具有不对称形状)，则被添加的衍射将不仅添加光，而且也添加不对称性。除了信噪比降级以外，这也将导致测量误差。

在二维重叠光栅的情况下，可在x和/或y方向上单独地设定偏置值。

判别在不同方向上的衍射的不对称性

现在参考图6，根据本公开的方法解决上文所识别的问题。基于该原理的实施例可以带来以下益处中的一者或两者：

1)防止由于来自第二方向的被添加的衍射而产生的测量误差，

2)提供用于检测额外y信号的存在的手段，使得可以在需要时采取额外措施。

关于第二个益处，上文注意到，可能甚至并不先验地已知目标是在两个方向上还是在一个方向上具有结构。

本发明人已经意识到，通过组合使用照射相对于目标结构的两个不同角度分布进行的测量，通过在第一方向(例如x方向)上的衍射产生的不对称性可以与在第二方向(例如y方向)上的衍射分离。在特定实施例中，使用同一照射轮廓的两个方向是方便的，这是图6中所图示的方法。在图6中的左手侧处，部分(a)、(c)、(e)图示图3中所示的配置，而在右手侧的部分(b)、(d)、(f)图示第二配置，所述第二配置实施相似测量但使用第二角度照射轮廓。在组合地使用这两个角度照射轮廓的情况下，可判别由在不同方向上的衍射引起的信号。在图6的示例中，通过衬底相对于检查设备的光学系统的不同旋转位置来实施这些不同角度照射轮廓。

图6的(a)显示衬底w和目标t的第一方向(零度，字尾‘0’)，而(b)显示衬底w和目标t的第二方向(90度，字尾‘r’)。图6的(c)和图6的(d)显示所得照射轮廓902(0)和902(r)如何相对于光学系统是相同的，但相对于由目标结构限定的方向x和y旋转。图6的(e)和图6的(f)显示光瞳904(0)和904(r)的每一象限中的辐射分布如何因此是相似的，但含有不同的衍射阶。根据使用这两个角度照射轮廓检测到的图像，可判别由在不同方向上的衍射引起的信号。

图7显示由图6中所图示的两个图像捕获步骤获得的图像740(0)和740(r)。图像740(0)与图5中所显示的图像相同，具有目标的四个在空间上分离的图像702(0)至708(0)。如已经针对图5所描述，图像702(0)由在负x方向和正y方向(被标注为-x/+y)上通过目标衍射的辐射形成。图像706(0)由在正x方向和负y方向(+x/-y)上衍射的辐射形成。这些图像702(0)至708(0)将(针对相同目标和测量条件)与图5中所显示的图像502至508相同。另一方面，由于捕获图像740(r)中的目标t的不同方向，图像740(r)内的图像702(r)至708(r)将具有衍射阶的不同组合。在上文所利用的轴线和标注惯例的情况下，图像702(r)将由在负x方向和负y方向(被标注为-x/-y)上由目标衍射的辐射形成。图像706(r)将由在正x方向和正y方向(+x/+y)上衍射的辐射形成。

在通过在同一照射轮廓下旋转目标结构来获得这些图像的情况下，与图像702(0)-708(0)中的布置相比，目标结构的不同部分的布置也将在图像702(r)-708(r)内旋转。当选择像素和roi以组合其强度时，可考虑该旋转。为了图示这个情况，每一图像中的点指示对应于第一部件光栅32的部分。

现在，若我们考虑图像内的单独光栅区域的强度通常如何用于计算来自一对被偏置的光栅的重叠ov，则我们使用下式：

其中a+d是具有偏置+d的部件光栅的相反的衍射阶图像的强度之间测量的不对称性，a-d是在具有偏置-d的部件光栅的相反的衍射阶图像之间测量的不对称性。在方程式(1)中，偏移d被表达为相对于表示光栅的周期的2π弧度的角度。

若每一光栅仅是一维的，如在图3的(a)中，则如图5中所示的被捕获的单一图像40具有获得关于x方向和y方向的重叠ov的独立量测所需的完整信息。然而，在目标中的光栅具有二维结构的情况下，不同方向的衍射信号如上文所描述变成混合的。幸运的是，通过捕获两个图像740(0)和740(r)，两个方向的信号可通过简单计算分离。想要的是获得方向不对称性值ax和ay，所述方向不对称性值分别是仅针对x方向和仅针对y方向的+1衍射阶和-1衍射阶的强度差。

对于部件光栅432-435中的任一个和每一个，四个更高阶衍射强度是可利用的：

来自图像702(0)的i-x/+y

来自图像706(0)的i+x/-y

来自图像702(r)的1-x/-y和

来自图像706(r)的i+x/+y。

尽管不同方向不对称性在捕获的图像中的每一个中混合，但混合性质稍微不同。通过组合来自两个图像740(0)和740(r)的信息，可以分离对于每一方向的单独贡献，尤其是所期望方向的不对称性值。将不对称性a(0)和a(r)限定为从两个图像测量的不对称性并将所述不对称性与所期望方向的不对称性值ax和ay的定义组合，我们获得：

a(0)＝i-x/+y-i+x/-y＝-ax+ay(2)

a(r)＝i+x/+y-i-x/-y＝ax+ay(3)

据此，可以使用下式恢复方向不对称性值：

ax＝-a(0)+a(r)(4)

ay＝a(0)+a(r)(5)

这样，会判别在第一方向(例如，x方向)上的衍射阶不对称性与在第二方向(y)上的衍射阶的不对称性。在方程式(1)的式子中针对不同地偏置的光栅使用这些方向不对称性值的情况下，可针对所感兴趣的光栅获得特定于每一方向的重叠值。若分别地已知在x和y上的偏置，则也可针对二维光栅获得分立的方向重叠值，如下文在应用示例中所解释。

再者，在之前可能不知道光栅的二维特性的情况下，根据该信息，可以识别光栅的二维特性。例如，基于对针对名义上是x方向光栅的光栅的明显的不对称性信号ay的观察，可以推断该光栅具有在y方向上的分段。例如，可以基于在第二方向上观察到的不对称性信号的阈值来决定二维特征在单独目标或目标的组或类别中的存在或不存在。严格来说，若光栅具有在y方向上的分段但在y方向上完美地对称，则将不会检测到这种情况。然而，在那种假想情况下，它也将不会在x方向上的不对称性相关的参数的测量中造成任何误差，所以其二维特性将仅具有理论意义。

在所有上述方程式中，为简单起见省略了一些比例因数和归一化因数。例如，如在上文所提及的先前公开申请中的一些中所描述，使用那些强度的平均值作为分母来归一化强度之间的差可以是方便的。因此，例如，在上述方程式编写为下式的情况下：

a(0)＝i-x/+y-i+x/-y＝-ax+ay(2)

完整表达式可以是：

a(0)＝2(i-x/+y-i+x/-y)/(i-x/+y+i+x/-y)＝-ax+ay(2’)

本领域技术人员可以在具有常规技术和知识的情况下并有或吸收这些实践细节。

应用示例

图8图示使用上文所概述的设备和方法来测量光刻过程的性能的方法。在步骤s20中，处理一个或更多个衬底以产生目标结构，诸如上文所描述的复合光栅目标。目标的设计可以是已知设计中的任一个，诸如图4的(a)或图4的(b)中所显示的设计或新设计，下文描述所述设计的示例。目标可以是大目标或小目标设计，这依赖于是使用设备的第一测量分支还是第二测量分支。目标可以是在不同区域中具有不同周期性结构的复合目标。目标可以被设计成用于通过不对称性测量重叠、聚焦或剂量。目标可以被设计成用于测量其它性能参数和/或与非不对称性相关的参数。线宽或临界尺寸cd是可以通过除了通过不对称性的测量以外的散射测量测量的参数的示例。

在步骤s20处，使用光刻制造系统产生横跨衬底的结构，且该衬底被装载至检查设备中，诸如图2的检查设备。在步骤s21中，限定量测选配方案，包括用于使用两个或更多个照射轮廓(诸如如上文参考图6所描述的被旋转轮廓)进行测量的选配方案。也限定这种选配方案的所有常见参数，包括偏振、角度分布等等。在其它实施例中，可以限定照射辐射的多于两个的不同角度分布(照射轮廓)。如已经提及，照射轮廓相对于由目标方向限定的方向是不同的。因此，所述选配方案在实践中可以指定衬底相对于光学系统的不同方向，而非改变光学系统内的照射轮廓。替代地，例如，分段孔13c可以旋转90度或可以提供其两个经旋转版本以供在孔径装置13中选择。

在步骤s22中，操作检查设备以使用指定照射轮廓捕获两个或更多个暗场图像(诸如图7中的图像740(0)和740(r))。根据捕获的一个或更多个目标的图像计算诸如不对称性值a(0)和a(r)之类的属性。

在步骤s22a处，通过选择和/或组合来自两个或更多个暗场图像的信号，针对一个或更多个目标结构计算一个或更多个方向不对称性值ax和ay。这些方向不对称性值可以用于计算与目标结构相关和/或与已形成目标结构所采用的光刻过程的性能相关的一个或更多个感兴趣的参数。例如，感兴趣的参数包括方向重叠值和针对剂量和聚焦的值。通过判别在感兴趣的方向上衍射的辐射与在不同的非平行方向上衍射的辐射，噪声会在不对称性测量中降低，从而导致对诸如重叠、聚焦和/或剂量之类的性能参数的更为准确的测量。感兴趣的参数可以仅仅是目标结构答复图像是否含有在两个方向上衍射的辐射的混合。

在步骤s23处，可以响应于所获得的测量和辅助数据更新量测选配方案。例如，用于新产品或目标布局的量测技术可能在开发中。关于二维特性的信息可以用于选择适当的选配方案。若发现在第二方向上衍射的辐射不存在或不明显，则选配方案可能不需要待利用不同照射轮廓捕获的图像。即使在第二方向上存在显著结构，具有不同波长和/或偏振的选配方案也可以最小化在第二方向上衍射的辐射的与在第二方向上的衍射变成混合的量。

在步骤s24中，在操作图1的光刻生产设施的显影和/或生产阶段中，可以更新用于光刻过程的选配方案，例如用于改良未来衬底中的重叠。用于判别在不同方向上衍射的辐射的能力允许应用使用分段检测系统的有效测量技术，即使在目标结构具有明显的二维结构时也是如此。检查设备可以在覆盖全范围的目标时与固定的、分段检测系统一起使用，从而降低成本和设备的尺寸。

用于获得测量且用于控制波长和其他选配方案参数的选择的计算可以在检查设备的图像处理器和控制器pu内执行。在替代实施例中，可以从检查设备硬件和控制器pu远程地执行不对称性和其他感兴趣的参数的计算。例如，可以在管理控制系统scs内的处理器中或在布置成接收来自检查设备的处理器和控制器pu的测量数据的任何计算机设备中执行所述计算。以在与使用所获得的校正值执行高容量计算的处理器分离的处理器中执行校准测量的控制和处理。所有这些选项对于实施者而言是一种选择，且并不更改应用的原理或获得的益处。在说明书和权利要求中使用的术语“处理器”应理解为涵盖处理器的系统。

替代目标布局

如上文所提及，如上文呈现的本公开的特定目标允许对分段目标上的重叠等等的方向测量。然而，也可以应用所公开技术的方向判别能力，以从同一目标结构获得诸如在两个不同方向上的重叠的性能参数。具有二维光栅图案的目标可以与在两个方向上的已知偏置组合，且可分别地在两个方向上确定诸如重叠的与不对称性相关的参数。

如图9所图示，这种目标和检测方法的优点可以是其仅需要三个光栅而非四个光栅来测量在两个方向上的重叠。(替代地，代替需要九个光栅来容纳在两个方向中的每一个上的3个偏置值，可以仅需要六个光栅)。因为量测费用在“财产”方面以及在测量时间方面是极其高昂的，所以目标面积的这种节省可以是非常有利。

在图9的(a)中，照射斑931被显示为照射复合目标，所述复合目标被显示为具有三个重叠光栅932-934。这些光栅中的两个或更多个具备在第一方向上的不同的重叠偏置值，而且这些光栅中的两个或更多个具备在第二方向上的不同的重叠偏置值。作为可使用的偏置组合的第一示例，对于三个目标，二维偏置(dx，dy)可以如下：

(dx，dy)＝(+20nm，+20nm)

(-20nm，+20nm)

(+20nm，-20nm)

将看到，在使用图6至图8的方法来判别在不同方向上的不对称性的情况下，可以仅从三个光栅获得独立地在x和y上的重叠测量，其中先前技术需要四个光栅，如图4中所显示。

另一示例偏置方案为：

(dx，dy)＝(+20nm，+20nm)

(-20nm，+20nm)

(0nm，-20nm)

几个其他组合也是可能的。只要3个点(dx，dy)不在直线上，则可独立地测量在两个方向上的重叠。

在一些应用中，除了不对称性信号以外也使用对称性信号(例如相反的衍射阶的平均强度)，例如从而以某一方式表征该目标。在使用以上被减少的数目个目标的情况下，这些对称性信号无法在x与y之间分离。出于这个原因，可能较佳的是使周期性结构在x方向和y方向上具有相等节距，从而那些对称信号对于x和y大致相等。

在一些应用中，它可以用于测量在并非重叠光栅的单一光栅结构上的在两个方向上的不对称性。被设计用于剂量或聚焦的测量的目标例如可以被设计以展现单层光栅中的不对称性。作为不对称性感兴趣的单层结构的另一示例，有时期望沿着一组被偏置的重叠光栅形成辅助目标结构，所述辅助目标结构在底部层中是相同的但不具有重叠的顶部光栅。该结构可以用于直接测量底部光栅不对称性(bga)，该底部光栅不对称性可以另外地与真正的重叠误差变得混淆。图6至图8的技术可以用于独立地在两个方向上测量该底部光栅结构的不对称性。在使用被测量的bga的情况下，基于不对称性的重叠测量可以被校正以更准确地反映顶部光栅与底部光栅之间的真实重叠误差。原则上，顶部光栅不对称性可以以相同方式进行测量，但较常见的问题是底部光栅中所引入的不对称性问题，在形成顶部光栅之前，底部光栅可以经受几个化学和物理处理步骤。

图9的(b)图示与图9的(a)中所显示的复合目标相同的复合目标，但图9的(b)的复合目标具有占据整体方形外形的第四四等分的第四目标结构935。这种第四结构可以例如是上文所提及的底部光栅不对称性目标或某一其他辅助目标结构。这样，在添加辅助目标结构通常会产生额外空间损失的情况下，辅助目标结构可以被添加至三光栅目标且仅占据与已知目标相同的空间量。

图6至图8的方法也可以用于例如测量由以下组成的目标：在第一方向(例如x)上为周期性的底部层中的线光栅；和在第二方向(例如y)上为周期性的顶部层中的另一线光栅。这将允许设备从同一片目标区域测量在x上的底部光栅不对称性(bga)和在y上的顶部光栅不对称性两者。

最后，如上文所提及，虽然以上技术可以用于独立地在两个方向上测量目标的属性，但它也可以用作用于查看分段或其他结构是否存在于第二方向上的简单检查。若不是这样，则可以可靠地执行正常的单一定向或方向测量。若分段信号存在于第二方向上，则可以以上文所描述的模式或通过替代方法随后执行用于那个类型的目标的测量。

结论：

上文所公开的原理允许在目标结构具有较强二维特性时维持方向性测量准确度。该技术适于应用于待通过使用分段检测系统的暗场成像方法以及其他方法进行的不对称性测量中。使用两个或更多个照射角度分布允许基于分段检测系统的简单有效的检查设备在包括具有在第二方向上的明显的衍射的目标的整个目标范围内操作。

另外，所公开的方法和设备可在两个方向上独立地确定属性，其中减少了偏置目标的数目且因此节省了衬底上的空间。

另外，所公开的方法和设备可以递送关于目标结构的先前未知的二维特性的信息。这种信息可以允许导出关于光刻过程的性能的信息，或至少其可以允许选择适当选配方案。

尽管以上已经描述了本发明的具体实施例，但应该认识到，本发明可以以与上述不同的方式来实践。

虽然实施例中所图示的检查设备或工具包括具有用于通过平行的图像传感器使光瞳平面和衬底平面同时成像的第一分支和第二分支的特定形式的散射仪，但替代布置是可能的。两个分支可以通过诸如反射镜的可移动光学元件选择性地耦接，而非提供利用分束器17永久地耦接至物镜16的两个分支。可以使光学系统具有单一图像传感器，至传感器的光学路径通过可移动元件重新配置以充当光瞳平面图像传感器且接着充当衬底平面图像传感器。

虽然图2所显示的光学系统包括折射元件，但可代替地使用反射光学件。例如，使用反射光学件可以实现使用较短波长的辐射。

虽然以上描述的目标结构是为测量目的而专门设计和形成的量测目标，但是在其他实施例中，可以在作为在衬底上形成的器件的功能部分的目标上测量属性。许多器件具有规则的类似光栅的结构。这里使用的术语“目标光栅”和“目标结构”不需要该结构已经专门设置用于正在执行的测量。

与在衬底和图案形成装置上实现的检查设备硬件和适当周期性结构相关联，实施例可以包括计算机程序，该计算机程序包含一个或更多个机器可读指令序列，其实施以上图示类型的测量以获得关于目标结构和/或关于光刻过程的信息的方法。该计算机程序可以例如在图2的设备中的图像处理器和控制器pu和/或图1的控制单元lacu内执行。还可以提供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)。

尽管上文已经具体参考了在光学光刻术的上下文中使用本发明的实施例，但是应当理解，本发明可以用于其他应用，例如压印光刻术，并且在上下文允许的情况下，不限于光学光刻术。在压印光刻术中，图案形成装置中的形貌限定了在衬底上产生的图案。图案形成装置的形貌可以被压制到被提供给衬底的抗蚀剂层中，于是抗蚀剂通过应用电磁辐射、热、压力或者它们的组合被固化。在抗蚀剂被固化之后所述图案形成装置被移出抗蚀剂，在其中留下图案。

在下面编号的方面中描述了根据本发明的其它实施例：

1.一种确定由光刻过程形成的目标结构的至少第一部分的属性的方法，所述方法基于由所述目标结构内的周期性特征衍射的辐射并且包括下列步骤：

(a)使用检测系统以在利用具有第一角度分布的辐射照射所述目标结构时形成所述目标结构的第一图像，所述第一图像是使用由所述目标结构在第一方向上衍射的辐射中的所选择部分和由所述目标结构在第二方向上衍射的辐射中的所选择部分被形成，所述第一方向和所述第二方向被是相对于所述目标结构被限定，而且所述第一方向和所述第二方向是非平行的；

(b)使用所述检测系统以在利用具有第二角度照射分布的辐射照射所述目标结构时形成所述目标结构的第二图像，所述第一角度照射轮廓和所述第二角度照射轮廓相对于所述目标结构彼此不同地定向；

(c)组合来自所述第一图像和所述第二图像的强度值，以便判别由所述目标结构的第一部分在所述第一方向上衍射的辐射与由所述目标结构的同一所述第一部分在所述第二方向上衍射的辐射；和

(d)至少部分地基于步骤(c)中进行的判别，确定所述目标结构的所述第一部分的属性。

2.根据方面1所述的方法，其中，基于步骤(c)中进行的判别，步骤(d)确定所述目标结构的所述第一部分是否配置成在所述第二方向上造成明显的不对称性衍射。

3.根据方面1所述的方法，其中，基于步骤(c)中进行的判别，步骤(d)基于由所述目标结构的第一部分在所述第一方向上衍射的辐射且忽略由所述目标结构的同一所述第一部分在所述第二方向上衍射的辐射的效应确定所述目标结构的第一部分的所述属性。

4.根据方面3所述的方法，其中，所述属性与所述目标结构的第一部分在所述第一方向上的不对称性有关。

5.根据方面4所述的方法，其中，至少部分基于所述第一图像的互补部分和所述第二图像的互补部分之间的强度差计算与所述目标结构的所述第一部分在所述第一方向上的不对称性有关的所述属性，每一图像的互补部分是使用在所述第一方向上衍射的辐射的相反的衍射阶形成的所述目标结构的第一部分的图像。

6.根据方面5所述的方法，还包括确定与所述目标结构的至少第二部分的不对称性有关的所述属性，和基于针对所述目标结构的所述第一部分和所述第二部分确定的属性和基于所述目标结构的所述第一部分和所述第二部分在所述第一方向上的已知偏置属性，计算所述光刻过程的第一性能参数的测量值。

7.根据方面5或6所述的方法，还包括确定所述目标结构的所述第一部分的第二属性，所述第二属性与在所述第二方向上的不对称性有关。

8.根据方面7所述的方法，还包括确定与所述目标结构的至少第二部分的不对称性有关的所述第二属性，和基于针对所述目标结构的所述第一部分和所述第二部分确定的所述属性和基于所述目标结构的所述第一部分和所述第二部分在所述第二方向上的已知偏置属性，计算所述光刻过程的第二性能参数的测量值。

9.根据方面8所述的方法，还包括步骤：

(e)组合来自所述第一图像和所述第二图像的强度值，以便判别由所述目标结构的第三部分和第四部分在所述第二方向上衍射的辐射与由所述目标结构的同一所述第三部分和第四部分在所述第一方向上衍射的辐射；和

(f)基于步骤(e)中进行的判别，计算所述目标结构的所述第三部分和所述第四部分的、与所述目标结构的所述第三部分和所述第四部分在所述第二方向上的不对称性有关的属性，和基于针对所述目标结构的所述第三部分和所述第四部分确定的所述属性且基于所述目标结构的所述第三部分和所述第四部分的已知偏置属性计算所述光刻过程的第三性能参数的测量值。

10.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，根据具有照射区和暗场区的分段照射轮廓导出辐射的所述第一角度分布，当在所述第一方向上反射和在所述第二方向上反射时，每一照射区与暗场区对称地相对。

11.根据方面10所述的方法，其中，所述分段照射轮廓具有四个象限，所述照射区仪落在彼此完全相反的两个象限内。

12.根据方面10或11所述的方法，其中，所述检测系统是分段检测系统，由此所述第一图像和所述第二图像中的每一个包括互补部分，所述互补部分是使用由所述目标结构衍射的辐射的相反的衍射阶形成的所述目标结构的图像。

13.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，所述目标机构包括各自仅在所述第一方向上具有不同的被编程的偏置值的两个或更多个部分，和各自仅在所述第二方向上具有不同的被编程的偏置值的两个或更多个部分。

14.根据方面1-12中任一项所述的方法，其中，所述目标结构包括各自在所述第一方向和所述第二方向两者上是周期性的三个或更多个部分，不同的部分具有在所述第一方向和所述第二方向上被编程的偏置值的不同组合。

15.根据方面1-12中任一项所述的方法，其中，所述目标结构包括各自在所述第一方向和所述第二方向两者上是周期性的三个部分，所述三个部分中的至少两个部分具有在所述第一方向上的不同的被编程的偏置值，且所述三个部分中的至少两个部分具有在所述第二方向上的不同的被编程的偏置值。

16.根据方面15所述的方法，其中，所述三个部分中的每一个是包括在两个或更多个层中形成的光栅结构的重叠光栅，其中所述目标结构还包括第四部分，所述第四部分包括仅在所述层中的一个两个或更多个层中形成的光栅结构。

17.根据方面16所述的方法，其中，所述目标结构具有被分割成相似的四等分的矩形布局，其中将所述三个部分布置在所述矩形布局的三个四等分中，并将所述第四部分布置在第四四等分中。

18.根据方面17所述的方法，其中，所述矩形布局基本上是正方形布局，并且所述四等分大体上是正方形。

19.根据前述方面中任一项所述的方法，还包括使用所确定的属性修改用于测量另外的目标结构的量测选配方案。

20.根据前述方面中任一项所述的方法，还包括使用所确定的属性控制光刻设备将图案施加于衬底。

21.一种用于测量由光刻过程在一个或更多个衬底上形成的目标结构的属性的检查设备，所述检查设备包括：

照射系统，所述照射系统能够操作以利用具有第一角度分布和第二角度分布的辐射在不同的时间照射目标结构；

检测系统，所述检测系统能够操作以使用由所述目标结构衍射的辐射的所选择部分形成所述目标结构的一个或更多个图像；控制器，所述控制器用于控制所述照射系统和所述检测系统以进行以下操作：(a)在利用具有第一角度分布的辐射照射目标结构时形成所述目标结构的第一图像，所述第一图像是使用由所述目标结构在第一方向上衍射的辐射中的所选择部分和由所述目标结构在第二方向上衍射的辐射中的所选择部分被形成，所述第一方向和所述第二方向是相对于所述目标结构被限定的，并且所述第一方向和所述第二方向是非平行的；和(b)在利用具有第二角度照射分布的辐射照射所述目标结构时形成所述目标结构的第二图像，所述第一角度照射轮廓和所述第二角度照射轮廓相对于所述目标结构彼此不同地定向。

22.根据方面21所述的检查设备，还包括处理器，所述处理器配置成：(c)组合来自所述第一图像和所述第二图像的强度值，以便判别由所述目标结构的第一部分在所述第一方向上衍射的辐射与由所述目标结构的同一所述第一部分在所述第二方向上衍射的辐射；和(d)至少部分地基于操作(c)中进行的判别确定所述结构的所述第一部分的属性。

23.根据方面22所述的检查设备，其中，所述属性与所述目标结构的第一部分在所述第一方向上的不对称性有关。

24.根据方面23所述的检查设备，其中，所述处理器配置成至少部分基于所述第一图像的互补部分和所述第二图像的互补部分之间的强度差计算与所述目标结构的所述第一部分在所述第一方向上的不对称性有关的所述属性，每一图像的互补部分是使用在所述第一方向上衍射的辐射的相反的衍射阶形成的所述目标结构的第一部分的图像。

25.根据方面24所述的检查设备，其中，所述处理器还配置成计算与所述目标结构的至少第二部分的不对称性有关的所述属性，和基于针对所述目标结构的所述第一部分和所述第二部分确定的属性和基于所述目标结构的所述第一部分和所述第二部分在所述第一方向上的已知偏置属性，计算所述光刻过程的第一性能参数的测量值。

26.根据方面24或25所述的检查设备，其中，所述处理器还配置成确定所述目标结构的所述第一部分的第二属性，所述第二属性与在所述第二方向上的不对称性有关。

27.根据方面26所述的检查设备，其中，所述处理器还配置成确定与所述目标结构的至少第二部分的不对称性有关的所述第二属性，和基于针对所述目标结构的所述第一部分和所述第二部分确定的所述属性和基于所述目标结构的所述第一部分和所述第二部分在所述第二方向上的已知偏置属性，计算所述光刻过程的第二性能参数的测量值。

28.根据方面27所述的检查设备，其中，所述处理器还配置成：(e)组合来自所述第一图像和所述第二图像的强度值，以便判别由所述目标结构的第三部分和第四部分在所述第二方向上衍射的辐射与由所述目标结构的同一所述第三部分和第四部分在所述第一方向上衍射的辐射；和(f)基于操作(e)中进行的判别，计算所述目标结构的所述第三部分和所述第四部分的、与所述目标结构的所述第三部分和所述第四部分在所述第二方向上的不对称性有关的属性，和基于针对所述目标结构的所述第三部分和所述第四部分确定的所述属性且基于所述目标结构的所述第三部分和所述第四部分的已知偏置属性计算所述光刻过程的第三性能参数的测量值。

29.根据方面21-28中任一项所述的检查设备，其中，所述照射系统能够操作以使用具有照射区和暗场区的分段照射轮廓形成辐射的所述第一角度分布，当在所述第一方向上反射和在所述第二方向上反射时，每一照射区与暗场区对称地相对。

30.根据方面29所述的检查设备，其中，所述分段照射轮廓具有四个象限，所述照射区仅落在彼此完全相反的两个象限内。

31.根据方面29或30所述的检查设备，其中，所述检测系统是分段检测系统，由此所述第一图像和所述第二图像中的每一个包括互补部分，所述互补部分是使用由所述目标结构衍射的辐射的相反的衍射阶形成的所述目标结构的图像。

32.根据方面31所述的检查设备，其中，所述分段检测系统包括在所述分段检测系统的光瞳平面中的分段棱镜，以用于使所述相反的衍射阶偏转不同的角度，由此形成在所述分段检测系统的图像平面中在空间上分离的所述互补部分。

33.一种用于根据方面1-20中任一项所述的方法中的目标结构，其中，所述目标结构包括各自在第一方向和第二方向两者上是周期性的三个部分，所述第一方向和所述第二方向是非平行的，所述三个部分中的至少两个部分具有在所述第一方向上的不同的被编程的偏置值，且所述三个部分中的至少两个部分具有在所述第二方向上的不同的被编程的偏置值。

34.根据方面33所述的目标结构，其中，所述三个部分中的每一个是包括在两个或更多个层中形成的光栅结构的重叠光栅，其中所述目标结构还包括第四部分，所述第四部分包括仅在所述两个或更多个层中的一个层中形成的光栅结构。

35.根据方面34所述的目标结构，其中，所述目标结构具有被分割成相似的四等分的矩形布局，其中将所述三个部分布置在所述矩形布局的三个四等分中，并将所述第四部分布置在第四四等分中。

36.根据方面35所述的目标结构，其中，所述矩形布局基本上是正方形布局，并且所述四等分大体上是正方形。

37.一种处理装置，所述处理装置布置成接收目标结构的至少第一图像和第二图像，并通过执行在方面1-20中任一项所述的方法中的步骤(c)和(d)导出目标结构的一个或更多个部分的一个或更多个属性的测量值。

38.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括机器可读指令，所述机器可读指令用于使得可编程处理装置接收目标结构的至少第一图像和第二图像，并通过执行在方面1-20中任一项所述的方法中的步骤(c)和(d)导出所述目标结构的一个或更多个部分的一个或更多个属性的测量值。

39.根据方面38所述的计算机程序产品，其中，所述机器可读指令还布置成使得所述可编程处理装置自动控制检查设备的操作，以使得通过所述方法的步骤(a)和(b)捕获所述第一图像和所述第二图像。

40.一种光刻系统，包括：

光刻设备，所述光刻设备用于将图案施加到一个或更多个衬底上；

根据方面21-32中的任一项所述的检查设备；和

控制系统，所述控制系统用于在将所述图案施加到另外的衬底时使用来自所述检查设备的测量结果控制所述光刻设备。

41.一种制造器件的方法，其中，使用光刻过程将器件图案施加到一系列衬底上，所述方法包括使用根据方面1-20中任一项所述的方法测量作为所述器件图案的部分或除了所述器件图案之外在所述衬底中的至少一个上形成的一个或更多个结构的一个或更多个属性，和根据所述测量控制针对后面的衬底的光刻过程。

这里使用的术语“辐射”和“束”包含全部类型的电磁辐射，所述电磁辐射包括紫外(uv)辐射(例如具有或约为365nm、355nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波长)和极紫外(euv)辐射(例如具有在1nm至100nm的范围内的波长)以及诸如离子束或电子束等粒子束。散射仪和其他检查设备的实现可以使用合适的源在uv和euv波长中进行，并且本公开绝不限于使用ir和可见辐射的系统。

在允许的情况下，术语“透镜”可以表示各种类型的光学部件中的任何一种或其组合，包括折射式的、反射式的、磁性的、电磁的和静电的光学部件。反射部件可能用于在uv和/或euv范围内操作的设备中。

本发明的宽度和范围不应受任一上述的示例性实施例限制，而应仅由下述的权利要求书及其等同方案来限定。