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CN106164775B - 量测方法和设备、衬底、光刻系统和器件制造方法 - Google Patents

量测方法和设备、衬底、光刻系统和器件制造方法 Download PDF

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CN106164775B CN201480077541.2A CN201480077541A CN106164775B CN 106164775 B CN106164775 B CN 106164775B CN 201480077541 A CN201480077541 A CN 201480077541A CN 106164775 B CN106164775 B CN 106164775B
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Abstract

在使用小目标的暗场量测方法中，使用单一衍射级获得的目标的图像的特性通过将组合拟合函数拟合至所测量的图像而被确定。组合拟合函数包括被选择用于表示物理传感器和目标的各个方面的项。基于测量过程和/或目标的参数确定组合拟合函数的一些系数。在一实施例中，组合拟合函数包括表示成像系统中的光瞳光阑的点扩展函数的jinc函数。

Description

量测方法和设备、衬底、光刻系统和器件制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年2月3日递交的欧洲申请14153611的权益，并且通过引用将其全部内容并入到本文中。
技术领域
本发明涉及可用于例如由光刻技术进行的器件制造中的量测方法和设备以及使用光刻技术制造器件的方法。
背景技术
光刻设备是一种将所需图案应用到衬底上，通常是衬底的目标部分上的机器。例如，可以将光刻设备用在集成电路(IC)的制造中。在这种情况下，可以将可选地称为掩模或掩模版的图案形成装置用于生成待形成在所述IC的单层上的电路图案。可以将该图案转移到衬底(例如，硅晶片)上的目标部分(例如，包括一部分管芯、一个或多个管芯)上。通常，图案的转移是通过把图案成像到设置在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上进行的。通常，单个的衬底将包含被连续形成图案的相邻目标部分的网络。已知的光刻设备包括：所谓的步进机，在所谓的步进机中，每个目标部分通过一次将整个图案曝光到目标部分上来辐照每个目标部分；以及所谓的扫描器，在所谓的扫描器中，通过辐射束沿给定方向(“扫描”方向)扫描所述图案、同时沿与该方向平行或反向平行的方向同步扫描所述衬底来辐照每个目标部分。也可以通过将图案压印到衬底上来将图案从图案形成装置转移到衬底上。
在光刻过程中，经常期望对所生成的结构进行测量，例如用于过程控制和验证。用于进行这种测量的多种工具是已知的，包括经常用于测量临界尺寸(CD)的扫描电子显微镜以及用于测量重叠(在器件中两个层的对准精度)的专用工具。近来，用于光刻领域的各种形式的散射仪已经被研发。这些装置将辐射束引导到目标上并测量被散射的辐射的一种或更多种性质(例如作为波长的函数的、在单个反射角处的强度；作为反射角的函数的、在一个或更多个波长处的强度；或作为反射角的函数的偏振)以获得“光谱”，根据该“光谱”，可以确定目标的感兴趣的性质。感兴趣的性质的确定可以通过各种技术来进行：例如通过迭代方法(例如严格耦合波分析或有限元方法)、库搜索以及主分量分析来重建目标结构。
由传统散射仪所使用的目标是相对大的(例如40μm×40μm)光栅，测量束生成比光栅小的光斑(即光栅被欠填充)。这简化了目标的数学重建，因为其可以被看成是无限的。然而，为了减小目标的尺寸，例如减小到10μm×10μm或更小，例如，使得它们可以被定位于产品特征之中而不是划线中，已经提出光栅被制成得比测量光斑更小的量测(即光栅被过填充)。典型地，这种目标使用暗场散射术进行测量，在暗场散射术中，第零衍射级(对应于镜面反射)被挡住，仅仅更高的衍射级被处理。暗场量测的例子可以在国际专利申请WO2009/078708和WO2009/106279中找到，此处通过引用将所述两个申请的全文并入本文中。在公开的专利出版物US20110027704A、US20110043791A、US20120044470、US2012/0123581、US2013/0271740A1和WO2013143814A1中已经描述了该项技术的进一步发展。所有这些申请的内容也通过引用全文并入本文中。
使用衍射级的暗场检测的基于衍射的重叠使得能够在更小的目标上进行重叠测量。这些目标小于照射光斑，并且可以被晶片上的产品结构围绕。能够使用复合光栅目标在一个图像中测量多个光栅。
在已知的量测技术中，重叠测量的结果通过在旋转目标或者改变照射模式或成像模式以独立地获得-1st衍射级和+1st衍射级的强度的同时、在一定条件下测量目标两次来获得。对于给定的光栅，比较这些强度能够提供光栅中的不对称度的测量，并且在重叠光栅中的不对称度能够用作重叠误差的指示器。
因为在复合光栅目标中的各个光栅的尺寸减小，在暗场像中的边缘效应(干扰带(fringes))变得显著，并且在目标中的不同光栅的像之间具有串扰。为了解决这个问题，上述提及的US20110027704A教导仅仅选择每个光栅的像的中心部分作为“感兴趣的区域(ROI)”。仅仅在ROI中的像素值被用于计算不对称度和重叠。然而，由于要考虑越来越小的目标，能够被限定免于边缘效应的ROI的尺寸减小，使得像素的数量越来越少。结果，对于给定的获取时间，使得测量固有地具有更多的噪声。并且，定位ROI过程中任何的变化变成被测量的不对称度中的误差的重要来源。
发明内容
因此，期望提供一种用于重叠量测的技术，其能够保持在复合目标结构中使用小光栅的优点，而且相比于之前公开的技术能够提高精度。
本发明的第一方面提供一种测量光刻过程的性质的方法，其中所述方法使用已经通过所述光刻过程在衬底上形成的目标结构进行测量，所述方法包括步骤：使用成像系统形成目标结构的图像，所述成像系统选择在预定的照射条件下被目标结构衍射的辐射的预定部分；测量所述目标结构的图像；识别在所测量的图像中的一个或多个感兴趣的区域；和使用所述一个或多个感兴趣的区域的像素值确定组合拟合函数的至少一个系数的值；其中所述系数的值指示所述性质。
本发明的第二方面提供一种用于使用已经通过光刻过程形成在衬底上的目标结构测量所述光刻过程的性质的检查设备，所述设备包括：用于在其上已经形成有所述目标结构的衬底的支撑件；用于在预定照射条件下照射复合目标结构的照射系统；用于使用在所述照射条件下被所述复合目标结构衍射的辐射的预定部分形成所述复合目标结构的图像的成像系统；用于测量所述图像的测量系统；处理器，所述处理器被布置用于识别所检测的图像中的一个或多个感兴趣的区域并且被布置用于使用所述一个或多个感兴趣的区域的像素值确定组合拟合函数的至少一个系数的值；其中所述系数的值指示所述性质。
本发明的进一步的特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作将在下文中参照附图进行详细描述。应当注意，本发明不限于本文所述的具体实施例。这种实施例在本文中仅仅以示例的目的给出。另外的实施例将是相关领域的技术人员根据本文中所包含的教导能够理解的。
附图说明
在此仅仅以示例的方式参照附图对本发明的实施例进行描述，在附图中：
图1示出根据本发明一实施例的光刻设备；
图2示出根据本发明一实施例的光刻单元或集群(cluster)；
图3包括(a)用于使用第一对照射孔测量根据本发明的实施例的目标的暗场散射仪的示意图，(b)针对于给定照射方向的目标光栅的衍射光谱的细节，(c)在使用用于基于衍射的重叠测量的散射仪的过程中提供另外的照射模式的第二对照射孔以及(d)将第一对孔和第二对孔组合的第三对照射孔；
图4示出多光栅目标和在衬底上的测量光斑的轮廓；
图5示出在图3的散射仪中获得的图4的目标的像；
图6是示出使用图3的散射仪的根据本发明实施例的重叠测量方法的步骤的流程图；
图7是在本发明的实施例中使用的jinc函数的图表；
图8是示出根据本发明实施例的组合拟合函数的图表；
图9示出测量的暗场光谱测量像；
图10示出使用根据本发明实施例的组合拟合函数模拟的暗场像；和
图11至14是将图9和10的像的特定区域中所测量或所模拟的强度进行比较的曲线。
具体实施方式
在更详细地描述本发明的实施例之前，阐释本发明的实施例可以实施的示例性环境是有意义的。
图1示意地示出了光刻设备LA。所述设备包括：照射系统(照射器)IL，其配置用于调节辐射束B(例如，UV辐射或DUV辐射)；图案形成装置支撑件或支撑结构(例如掩模台)MT，其构造用于支撑图案形成装置(例如掩模)MA，并与配置用于根据特定的参数精确地定位图案形成装置的第一定位装置PM相连；衬底台(例如晶片台)WT，其构造用于保持衬底(例如，涂覆有抗蚀剂的晶片)W，并与配置用于根据特定的参数精确地定位衬底的第二定位装置PW相连；和投影系统(例如折射式投影透镜系统)PS，其配置成用于将由图案形成装置MA赋予辐射束B的图案投影到衬底W的目标部分C(例如包括一根或更多根管芯)上。
照射系统可以包括各种类型的光学部件，例如折射型、反射型、磁性型、电磁型、静电型或其它类型的光学部件、或其任意组合，以引导、成形、或控制辐射。
所述图案形成装置支撑件以依赖于图案形成装置的取向、光刻设备的设计以及诸如例如图案形成装置是否保持在真空环境中等其他条件的方式保持图案形成装置。所述图案形成装置支撑件可以采用机械的、真空的、静电的或其它夹持技术来保持图案形成装置。所述图案形成装置支撑件可以是框架或台，例如，其可以根据需要成为固定的或可移动的。所述图案形成装置支撑件可以确保图案形成装置位于所需的位置上(例如相对于投影系统)。这里使用的任何术语“掩模版”或“掩模”可以看作与更为上位的术语“图案形成装置”同义。
这里所使用的术语“图案形成装置”应该被广义地理解为表示能够用于将图案在辐射束的横截面上赋予辐射束、以便在衬底的目标部分上形成图案的任何装置。应该注意的是，赋予辐射束的图案可能不与衬底的目标部分上的所需图案精确地对应(例如，如果所述图案包括相移特征或所谓的辅助特征)。通常，被赋予辐射束的图案将与在目标部分上形成的器件中的特定的功能层相对应，例如集成电路。
图案形成装置可以是透射型的或反射型的。图案形成装置的示例包括掩模、可编程反射镜阵列以及可编程LCD面板。掩模在光刻技术中是熟知的，并且包括诸如二元掩模类型、交替型相移掩模类型、衰减型相移掩模类型和各种混合掩模类型之类的掩模类型。可编程反射镜阵列的示例采用小反射镜的矩阵布置，每一个小反射镜可以独立地倾斜，以便沿不同方向反射入射的辐射束。所述已倾斜的反射镜将图案赋予由所述反射镜矩阵反射的辐射束。
这里使用的术语“投影系统”应该广义地解释为包括任意类型的投影系统，包括折射型、反射型、反射折射型、磁性型、电磁型和静电型光学系统、或其任意组合，如对于所使用的曝光辐射所适合的、或对于诸如使用浸没液或使用真空之类的其他因素所适合的。这里使用的任何术语“投影透镜”可以认为是与更上位的术语“投影系统”同义。
如这里所示的，所述设备是透射型的(例如，采用透射式掩模)。替代地，所述设备可以是反射型的(例如，采用如上所述类型的可编程反射镜阵列，或采用反射式掩模)。
光刻设备可以是具有两个(双台)或更多衬底台(和/或两个或更多的掩模台)的类型。在这种“多平台”机器中，可以并行地使用附加的台，或可以在一个或更多个台上执行预备步骤的同时，将一个或更多个其它台用于曝光。
所述光刻设备还可以是这种类型：其中衬底的至少一部分可以由具有相对高的折射率的液体(例如水)覆盖，以便填充投影系统和衬底之间的空间。浸没液体还可以施加到光刻设备中的其他空间，例如掩模和投影系统之间的空间。浸没技术用于提高投影系统的数值孔径在本领域是熟知的。这里使用的术语“浸没”并不意味着必须将结构(例如衬底)浸入到液体中，而仅意味着在曝光过程中液体位于投影系统和该衬底之间。
参照图1，照射器IL接收来自辐射源SO的辐射束。所述源和光刻设备可以是分立的实体(例如当该源为准分子激光器时)。在这种情况下，不会将该源考虑成形成光刻设备的一部分，并且通过包括例如合适的定向反射镜和/或扩束器的束传递系统BD的帮助，将所述辐射束从所述源SO传到所述照射器IL。在其它情况下，所述源可以是所述光刻设备的组成部分(例如当所述源是汞灯时)。可以将所述源SO和所述照射器IL、以及如果需要时设置的所述束传递系统BD一起称作辐射系统。
所述照射器IL可以包括用于调整所述辐射束的角强度分布的调整器AD。通常，可以对所述照射器的光瞳平面中的强度分布的至少所述外部和/或内部径向范围(一般分别称为σ-外部和σ-内部)进行调整。此外，所述照射器IL可以包括各种其它部件，例如整合器IN和聚光器CO。可以将所述照射器用于调节所述辐射束，以在其横截面中具有所需的均匀性和强度分布。
所述辐射束B入射到保持在图案形成装置支撑件(例如，掩模台MT)上的所述图案形成装置(例如，掩模)MA上，并且通过所述图案形成装置来形成图案。已经穿过图案形成装置(例如，掩模)MA之后，所述辐射束B通过投影系统PS，所述投影系统将辐射束聚焦到所述衬底W的目标部分C上。通过第二定位装置PW和位置传感器IF(例如，干涉仪器件、线性编码器、二维编码器或电容传感器)的帮助，可以精确地移动所述衬底台WT，例如以便将不同的目标部分C定位于所述辐射束B的路径中。类似地，例如在从掩模库的机械获取之后或在扫描期间，可以将所述第一定位装置PM和另一个位置传感器(在图1中没有明确地示出)用于相对于所述辐射束B的路径精确地定位图案形成装置(例如掩模)MA。通常，可以通过形成所述第一定位装置PM的一部分的长行程模块(粗定位)和短行程模块(精定位)的帮助来实现图案形成装置支撑件(例如掩模台)MT的移动。类似地，可以采用形成所述第二定位装置PW的一部分的长行程模块和短行程模块来实现所述衬底台WT的移动。在步进机的情况下(与扫描器相反)，图案形成装置支撑件(例如掩模台)MT可以仅与短行程致动器相连，或可以是固定的。
可以使用掩模对准标记M1、M2和衬底对准标记P1、P2来对准图案形成装置(例如掩模)MA和衬底W。尽管所示的衬底对准标记占据了专用目标部分，但是它们可以位于目标部分(这些公知为划线对齐标记)之间的空间中。类似地，在将多于一个的管芯设置在图案形成装置(例如掩模)MA上的情况下，所述掩模对准标记可以位于所述管芯之间。小的对准标记也可以被包括在管芯内、在器件特征之间，在这种情况下，期望所述标记尽可能小且不需要任何与相邻的特征不同的成像或处理条件。检测对准标记的对准系统将在下文中进一步描述。
可以将所示的设备用于以下模式中的至少一种中：
1.在步进模式中，在将图案形成装置支撑件(例如掩模台)MT和衬底台WT保持为基本静止的同时，将赋予所述辐射束的整个图案一次投影到目标部分C上(即，单一的静态曝光)。然后将所述衬底台WT沿X和/或Y方向移动，使得可以对不同目标部分C曝光。在步进模式中，曝光场的最大尺寸限制了在单一的静态曝光中成像的所述目标部分C的尺寸。
2.在扫描模式中，在对图案形成装置支撑件(例如掩模台)MT和衬底台WT同步地进行扫描的同时，将赋予所述辐射束的图案投影到目标部分C上(即，单一的动态曝光)。衬底台WT相对于图案形成装置支撑件(例如掩模台)MT的速度和方向可以通过所述投影系统PS的(缩小)放大率和图像反转特性来确定。在扫描模式中，曝光场的最大尺寸限制了单一的动态曝光中的所述目标部分的宽度(沿非扫描方向)，而所述扫描移动的长度确定了所述目标部分的高度(沿扫描方向)。
3.在另一模式中，将用于保持可编程图案形成装置的图案形成装置支撑件(例如掩模台)MT保持为基本静止，并且在将赋予所述辐射束的图案投影到目标部分C上的同时，对所述衬底台WT进行移动或扫描。在这种模式中，通常采用脉冲辐射源，并且在所述衬底台WT的每一次移动之后、或在扫描期间的连续辐射脉冲之间，根据需要更新所述可编程图案形成装置。这种操作模式可易于应用于利用可编程图案形成装置(例如，如上所述类型的可编程反射镜阵列)的无掩模光刻术中。
也可以采用上述使用模式的组合和/或变体，或完全不同的使用模式。
光刻设备LA是所谓的双平台类型，其具有两个衬底台WTa、WTb和两个站——曝光站和测量站，在曝光站和测量站之间衬底台可以被进行交换。当一个衬底台上的一个衬底在曝光站被进行曝光时，另一衬底可以被加载到测量站处的另一衬底台上且执行各种预备步骤。所述预备步骤可以包括使用水平传感器LS对衬底的表面控制进行规划和使用对准传感器AS测量衬底上的对准标记的位置。这能够实质地增加设备的生产率。如果当衬底台处于测量站以及处于曝光站时，位置传感器IF不能测量衬底台的位置，则可以设置第二位置传感器来使得衬底台的位置能够在两个站处被追踪。
如图2所示，光刻设备LA形成光刻单元LC(有时也称为光刻元或者光刻集群)的一部分，光刻单元LC还包括用以在衬底上执行曝光前和曝光后处理的设备。传统地，这些包括用以沉积抗蚀剂层的旋涂器SC、用以对曝光后的抗蚀剂显影的显影器DE、激冷板CH和烘烤板BK。衬底操纵装置或机械人RO从输入/输出口I/O1、I/O2拾取衬底，将它们在不同的处理设备之间移动，然后将它们传递到光刻设备的进料台LB。经常统称为轨道的这些装置处在轨道控制单元TCU的控制之下，所述轨道控制单元TCU自身由管理控制系统SCS控制，所述管理控制系统SCS也经由光刻控制单元LACU控制光刻设备。因此，不同的设备可以被操作用于将生产率和处理效率最大化。
适用于本发明的实施例中的暗场量测设备如图3(a)所示。光栅目标T和衍射的光线在图3(b)中被更详细地示出。暗场量测设备可以是单独的装置或被包含在光刻设备LA(例如在测量站处)或光刻单元LC中。光轴由虚线O表示，其有多个贯穿设备的支路。在该设备中，由源11(例如氙灯)发出的光借助于包括透镜12、14和物镜16的光学系统经由分束器15被引导到衬底W上。这些透镜被布置成4F布置的双序列。可以使用不同的透镜布置，只要这样的透镜布置仍然能够将衬底像提供到检测器上，并且同时对于空间-频率滤波允许访问中间的光瞳平面。因此，辐射入射到衬底上的角度范围可以通过在一平面中定义表示衬底平面(在此称为(共轭)光瞳平面)的空间光谱的空间强度分布来选择。尤其，这可以通过将合适形式的孔板13在作为物镜光瞳平面的后投影像的平面中插入到透镜12和14之间来完成。在所示的示例中，孔板13具有不同的形式，以13N和13S标记，允许选择不同的照射模式。在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，孔板13N提供从标记为“N(北)”的方向(仅仅为了说明起见)的离轴照射。在第二照射模式中，孔板13S用于提供类似的照射，但是从标记为“S(南)”的相反方向。也可以通过使用不同的孔来实现其它的照射模式。光瞳平面的其余部分期望是暗的，因为所期望的照射模式之外的任何非必要的光将干扰所期望的测量信号。
如图3(b)所示，光栅目标T和衬底W被放置成与物镜16的光轴O正交。从偏离光轴O的一角度射到目标T上的照射光线I产生第零级光线(实线0)和两个第一级光线(单点划线+1和双点划线-1)。应当知晓，在过填充的小目标光栅的情况下，这些光线仅仅是覆盖包括量测目标T和其它特征的衬底的区域的许多平行光线之一。在设置复合光栅目标的情况下，目标中的每个单个光栅将产生它自己的衍射光谱。由于板13中的孔具有有限的宽度(允许有用的光量通过所必须的)，所以入射光线I实际上将占据一角度范围，被衍射的光线0和+1/-1将稍微被扩散。根据小目标的点扩散函数，每个衍射级+1和-1将被进一步在一角范围上扩散，而不是如所示出的理想的单条光线。注意，光栅节距和照射角可以被设计或调整成使得进入物镜的第一级光线与中心光轴接近地或紧密地对准。在图3(a)和3(b)中示出的光线被示出为稍微离轴，纯粹是为了能够使它们更容易在图中被区分出来。
至少由衬底W上的目标所衍射的0和+1级被物镜16所收集并通过分束器15被引导返回。回到图3(a)，第一和第二照射模式都通过指定标记为北(N)和南(S)的在直径上相对的孔来示出。当入射光线I来自光轴的北侧时，即当使用孔板13N来应用第一照射模式时，被标记为+1(N)的+1衍射光线进入物镜16。相反，当使用孔板13S来应用第二照射模式时，(被标记为-1(S)的)-1衍射光线是进入物镜16的衍射光线。
第二分束器17将衍射束分成两个测量支路。在第一测量支路中，光学系统18使用第零级和第一级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(光瞳平面图像)。每个衍射级击中传感器上的不同的点，以使得图像处理可以对衍射级进行比较和对比。由传感器19所捕捉的光瞳平面图像可以被用于会聚量测设备和/或将第一级束的强度测量归一化。光瞳平面图像也可以用于许多的测量目的，例如重建，这不是本公开的主题。
在第二测量支路中，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上的目标的图像。在第二测量支路中，孔径光阑21设置在与光瞳平面共轭的平面中。孔径光阑21的功能是阻挡第零级衍射束以使得形成在传感器23上的目标的图像仅仅由-1或+1第一级束形成。由传感器19和23捕捉的图像被输出到图像处理器和控制器PU，所述图像处理器和控制器PU的功能将依赖于所进行的测量的特定类型。注意到，术语“图像”在此用于广泛的含义。如果仅存在-1和+1衍射级中的一个，则光栅线的图像同样将不被形成。
如图3所示的孔板13和场光阑21的特定形式纯粹是示例性的。在本发明的另一实施例中，使用目标的同轴照射，且具有离轴孔的孔径光阑用于基本上仅使一个第一级衍射光通至传感器。(在13和21处示出的孔在那种情况下被有效地交换)。在其它的实施例中，替代第一级束或除第一级束之外，可以将第二级、第三级和更高级次的束(未在图3中示出)用于测量。
为了使照射能够适应于这些不同类型的测量，孔板13可以包括在盘周围形成的多个孔图案，所述盘旋转以将期望的图案带入到合适的位置。替代地或附加地，一组板13可以被设置和交换以实现相同的效果。也可以使用可编程照射装置，例如可变形反射镜阵列或透射式空间光调制器。移动的反射镜或棱镜可以被用作调整照射模式的另一种方式。
如刚刚关于孔板13所进行的解释，用于成像的衍射级的选择可以替代地通过变更光瞳-光阑(pupil-stop)21或通过更换具有不同的图案的光瞳-光阑或通过将固定的场光阑替换为可编程空间光调制器来实现。在这种情况下，测量光学系统的照射侧可以保持恒定，同时，成像侧具有第一和第二模式。因此，在本发明公开内容中，有效地存在三种类型的测量方法，每一种方法都有其自身的优势和劣势。在一种方法中，照射模式被改变以测量不同的衍射级。在另一种方法中，成像模式被改变。在第三种方法中，照射模式和成像模式保持不变，但是目标被转过180度。在每种情况下，所期望的效果是相同的，即选择非零级衍射辐射的在目标的衍射光谱中彼此对称地对置的第一部分和第二部分。在原理上，衍射级的期望的选择可以通过同时地改变照射模式和成像模式的组合来获得，但是这可能带来缺点而没有优点，因此，其将不被进一步讨论。
尽管用于本示例中的成像的光学系统具有由场光阑21限制的宽的入射光瞳，但是在其他实施例或应用中，成像系统自身的入射光瞳尺寸可以足够小以限制至所期望的衍射级，因此也用作场光阑。不同的孔板如图3(c)和(d)所示，它们可以被使用，如下文所进一步描述的。
典型地，目标光栅将与其或沿南北或沿东西延伸的光栅线对准。也就是说，光栅将在衬底W的X方向上或Y方向上对准。注意到，孔板13N或13S可以仅仅用于测量在一个方向上定向(X或Y，依赖于设置)的光栅。对于正交光栅的测量，可以实现目标旋转过90度和270度。然而，更方便地，使用孔板13E或13W将来自东或西的照射设置在照射光学装置中，如图3(c)所示。孔板13N至13W可以被独立地形成和互换，或它们可以是能够旋转90、180或270度的单个孔板。如已经描述的，如图3(c)所示的离轴孔可以被设置在场光阑21中，而不是被设置在照射孔板13中。在该情况下，照射将沿轴线进行。
图3(d)示出可以用于组合第一对和第二对孔板的照射模式的第三对孔板。孔板13NW具有位于北和东的孔，而孔板13SE具有位于南和西的孔。假定在这些不同的衍射信号之间的串扰不太大，则X光栅和Y光栅两者的测量可以在不改变照射模式的情况下进行。
使用小目标的重叠测量
图4示出根据已知的实践在衬底上形成的复合光栅目标。该复合目标包括紧密地定位在一起的四个光栅32至35，以使得它们都将在由量测设备的照射束形成的测量光斑31内。于是，四个目标都被同时地照射并被同时地成像在传感器19和23上。在专用于重叠测量的一示例中，光栅32至35自身是由重叠光栅形成的复合光栅，所述重叠光栅在形成在衬底W上的半导体器件的不同层中被图案化。光栅32至35可以具有被不同地偏置的重叠偏移，以便便于在复合光栅的不同部分形成所在的层之间的重叠测量。光栅32至35也可以具有不同的取向，如图所示，以便在X方向和Y方向上衍射入射的辐射。在一个示例中，光栅32和34分别是具有+d、-d偏置的X方向光栅。这意味着，光栅32具有其重叠分量或成分，所述重叠分量或成分布置成使得如果它们都恰好被印刷在它们的名义位置上，则所述重叠分量或成分之一将相对于另一重叠分量或成分偏置距离d。光栅34具有其分量或成分，所述分量或成分布置成使得如果被完好地印刷则将存在d的偏置，但是该偏置的方向与第一光栅的相反，等等。光栅33和35分别是具有偏置+d和-d的Y方向光栅。尽管四个光栅被示出，但是另一实施例可能需要更大的矩阵来获得所期望的精度。例如，9个复合光栅的3×3阵列可以具有偏置-4d、-3d、-2d、-d、0、+d、+2d、+3d、+4d。这些光栅的独立的图像可以在由传感器23捕捉的图像中被识别。
图5示出可以使用图3的设备中的图4的目标、使用如图3(d)所示的孔板13NW或13SE在传感器23上形成并由传感器23检测的图像的示例。尽管光瞳平面图像传感器19不能分辨不同的各个光栅32至35，但是图像传感器23可以分辨不同的各个光栅32至35。画有交叉影线的矩形40表示传感器上的像场，在该像场中，衬底上的照射光斑31被成像到相应的圆形区域41中。理想地，场是暗的。在该暗场像中，矩形区域42-45表示各个光栅32至35的像。如果光栅位于产品区域中，则产品特征也可以在该像场的周边处是可见的。虽然仅仅单个复合光栅目标示出在图5的暗场像中，但是实践中光刻术制成的半导体器件或其他产品可以具有很多层，并且期望重叠测量在不同的层对之间进行。对于层对之间的每个重叠测量，需要一个或多个复合光栅目标，因此可能在像场中出现其他复合光栅目标。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的独立的图像42至45。以这种方式，图像不必非常精确地在传感器框架内的特定位置处对准，这在整体上极大地提高了测量设备的生产率。然而，如果成像过程受到像场上的不均匀性的影响，则保持对精确对准的要求。
一旦光栅的独立的图像已经被识别，那些各个图像的强度和/或其他性质可以被测量，下面将进一步讨论。图像的强度和/或其它性质可以相互对比。这些结果可以被组合以测量光刻过程的不同的参数。重叠性能是这种参数的重要的示例，申请US2011/027704描述了如何通过光栅的不对称度测量包含分量光栅32至35的两个层之间的重叠误差，如通过比较在+1级和-1级暗场图像中的感兴趣的区域ROI 42-45的强度而显示出的一样。
应该注意的是，通过在每个图像中仅包括第一级衍射辐射的一半，文中所指的“图像或像(images)”不是常规的暗场显微镜图像或像。每个光栅将简单地通过具有一定强度水平的区域表示。各个光栅线将不被分辨，因为仅仅存在+1和-1级衍射辐射中的一个。尤其在各个光栅图像的边缘周围，强度值可以高度地依赖于过程变量，诸如一般来说是抗蚀剂厚度、成分、线形状以及边缘效应。
在如上提及的现有的申请中，公开了各种用于使用上述的基本方法提高重叠测量的品质的技术。例如，图像之间的强度差可以归因于用于不同测量的光学路径的差，而不单纯是目标中的不对称度。照射源11可能使得照射光斑31的强度和/或相位不均匀。通过例如参考传感器23的像场中的目标图像的位置，可以确定和应用校正，以最小化这种误差。各个分量光栅或组成光栅可以在他们的周期性方向上被延伸，以便最大化给定的目标区域内的有用衍射信号。这些技术在之前的申请中被解释，在本文中将不再进一步详细描述。这些技术可以与本申请中新披露的技术组合使用，这将在下面描述。
在US2013/0771740中，各个光栅的边缘部分中或者各个光栅的边缘部分周围的特征被修改，以便减小边缘效应的范围和强度。这些修改可以以类似的方式用于在光刻过程中用于增强细微特征的印刷的光学临近校正(OPC)特征。在US2013/0258310中，建议使用三个或更多个分量光栅或组成光栅来测量重叠。通过对应具有至少三个不同偏置的光栅测量不对称度，能够校正目标光栅中的特征不对称度，诸如由于实际的光刻过程中的底部光栅不对称度所引起的特征不对称度。这些技术类似地在之前的申请中解释过，在本文中将不再进一步详细描述。它们可以结合本申请中新披露的技术一起使用，这将在下面进行描述。
虽然图5示出具有四个强度均匀的正方块42-45的理想化图像，然而在实践中在照相机上的每个光栅的图像是不完美的。由于暗场成像的属性，目标的边缘比中心部分亮很多。这使得很难测量目标的“该”强度。此外，需要避免来自相邻光栅或周围环境的光贡献。为了解决该问题，上述的感兴趣的区域(ROI)已经被限定用于排除边缘，仅仅从四个分量光栅或组成光栅中的每一个的中心部分选择光。在现有的方案中，通过平均化感兴趣的区域中的像素值来获得强度值。然而，这意味着实际上信号是从比光栅的全尺寸小的区域中收集的。例如，在各个光栅是5×5μm2的情况下，感兴趣的区域可能仅仅对应光栅图像的中间3×3μm2的区域。信号的这种减小或者需要通过较长的采集时间来补偿，或者导致较大的测量不确定性。此外，ROI在光栅上的正确位置是极其重要的。小的偏移将导致一部分边缘光被包含进来，这将导致被检测强度的相对较大的改变，因此进一步恶化了测量准确性和精度。ROI的位置可以预先确定或者基于图案识别。
目标图像还经历噪声，这已经被假定是随机的。在ROI上的平均化旨在抑制噪声效应。然而，本发明的发明人已经确定在空间上被过滤的暗场图像中的噪声不是完全随机的。在图像中存在系统性的振荡。结果，在其尺寸与图像中的系统性振荡的周期不匹配的ROI上的简单平均化给出依赖于相对于小光栅的图像的位置的精确ROI位置的值。
仅仅通过有限的定位精度控制精确的光栅位置，典型地在200nm范围内，同时光栅可以具有5×5μm2的尺寸。可以在100至400nm或更小范围内的有效照相机像素尺寸(在衬底水平面处)还可以影响矩形ROI能够匹配于图像中的振荡的精确周期的精度。
附加地，小光栅的边缘经常表现出严重的振荡，这可能由以下各项中的一项或多项的组合导致：光栅的不对称度、不对称的照射、不对称的检测和光学晕影、聚焦位置和(可能的)照射光斑中的精确位置。
一般地，ROI被选择成具有可能的最大尺寸，以便优化信噪比。这意味着ROI靠近边缘区域、但是刚好排除边缘区域。因此，ROI的任何位置不精确性可能包括一些显著的边缘振荡，这会显著地改变估计的平均的第1衍射级强度。目标和光栅尺寸越小，这种效应越大，因为“平的”光栅区域与边缘区域的比率将由此减小。
这些效应对测量的再现性和/或精度具有负面的影响。
此外，通过标准的图案识别软件进行的目标的图案识别经常导致不精确的定位。这可能是由于显著的边缘效应以及在衬底上的与目标和光栅的图像的叠层依赖、聚焦和重叠相关的目标图像变化引起的。结果，正确的ROI位置的定位容易出错。对于极端的工艺方案设置(recipe setting)，即对于仅有一小部分的第一衍射级被透射至照相机所对应的波长-节距比尤其是这样的，导致有限的空间频率含量被用于“构建”传感器图像，结果具有更清楚的振荡和边缘效应。
如果光栅尺寸和目标尺寸被减小，则在暗场图像中振荡效应也会变得更显著。由于目标小于视场并且在任何现实的光学成像系统中发生的不可避免的傅里叶滤波将过滤掉单个的衍射级的事实，可以相信在量测图像中振荡是固有的。智能目标设计可以通过减小边缘效应来减小图像中的振荡幅值。然而，由于小光栅和傅里叶滤波的组合，可以相信振荡仍然存在。
在本公开中，我们提出一种从被测量的图像中得到感兴趣的性质的测量的新方法。本发明提出使用基于物理学的少量参数拟合函数，用于暗场量测中的改进的信号估计，诸如重叠量测、剂量量测、聚焦量测或者差分CD量测。此处使用的术语“少量参数”表示参数(或系数)的数量比数据点的数量少很多。
根据本发明，提出一种组合拟合函数，可选地包括表示成像系统的成像效果的项。组合拟合函数可以被应用于被测量图像的全部或一部分。成像效果可以是以下两个部件中任一个或二者的效果：量测设备的成像支路和传感器23。在本发明的实施例中，传感器和目标设计的知识被用于选择或者构造组合拟合函数，并且用于确定拟合参数的数量，使得在被测量图像中的系统性(振荡)能够被很好地描述。然后，仅小量的参数需要被拟合至被测量数据。图像的剩余分量或组成部分仅仅由随机噪声构成，这可以使用标准噪声过滤技术来处理。在一实施例中，单一的拟合参数然后就能产生对于每个光栅的期望的衍射级强度。在一实施例中，ROI的选择被省掉，并且组合拟合函数被应用于整个被测量的图像。在一实施例中，ROI被使用，但是被选择成大于光栅图像。
本发明实施例的优点可包括：
-信号估计独立于精确的ROI位置，因为在信号中的振荡被拟合，而不是被平均；
-噪声过滤技术仅仅被应用于随机噪声分量，而不应用于系统噪声分量，这些系统噪声分量被组合拟合函数拟合；
-描述边缘的参数产生与测量的条件(诸如散焦)相关的信息，并且能够在采集期间控制聚焦；
-通过将组合拟合函数的尾部引入相邻ROI，能够考虑到由于傅里叶滤波造成的在目标图像中的至相邻结构的光泄漏(光学串扰)，因此产生例如用于重叠的更精确的参数估计。
本发明对于量测设备的更极端的设置(极端的λ/节距-组合)是尤其有用的，其中第1级被光瞳-光阑截断，因为它们被预期会表现出最显著的振荡和边缘效应。
在描述具体实施例的细节和提出的组合拟合函数之前，先讨论一些物理上的考虑因素。
在暗场量测中，单个的衍射级图像在它的角分辨光谱的空间滤波(傅里叶滤波)之后被投影到传感器23上。可以用数值孔径NA≈0.41(投影到物镜的后焦面上的值)的光瞳-光阑21实现傅里叶滤波器。
该光瞳-光阑21限制能够构建随后被投影的图像的空间频率带。结果，能够使用与传递至传感器23的空间频率相对应的正弦和余弦的相干加和和/或不相干加和(重新)构造暗场图像，其中可能使用来自光瞳图像传感器19的输入作为加权系数。这导致大量的拟合参数，即对应正弦和余弦级数的全部系数。
晶片在传感器23上的光学成像的性质也可以通过传递函数表达，诸如点扩展函数(PSF)，其中所述传递函数大致是极限孔径的傅里叶变换，即，最简单情况下的光瞳-光阑21的傅里叶变换。圆形的光瞳-光阑的傅里叶变换是jinc函数，该函数是光瞳-光阑直径和成像波长的函数。点扩展函数的替代方案包括调制传递函数(MTF)和光学传递函数(OTF)。矩形光栅的暗场图像也可以被认为是分布在视场上的爱里斑(Airy-disks)(进行平方的jinc函数)的不相干加和。
在本发明中，提出使用在光栅图像上正确地捕捉频率行为的少量参数拟合函数。通过测量设置和传感器的光学性质给出特征频率。
上述的各种物理图景具有的共性是它们导致暗场图像中的典型(最大)的空间频率。该空间频率在下文中将被用于构造仅具有少量拟合参数的人工拟合函数，其中所述少量拟合参数适于拟合暗场图像。空间频率的特征在于照相机像平面中的周期p：
其中a＝1.22源于针对于光学分辨率的瑞利法则(Rayleigh criterion)(或者至第1节点的距离)，并且a＝1源于光瞳孔径(pupil-aperture)的傅里叶变换。例如，对于λ＝650nm、光瞳-光阑NA≈0.41和a＝1.22的条件，典型的振荡周期产生p≈950nm。应该注意的是，在暗场图像中的振荡周期不应该与光栅节距混淆，因为光栅线不被分辨。
第一实施例
参考图6描述根据本发明第一实施例的方法，图6是描述所述方法的被选步骤的流程图。
在步骤S1中，衬底，例如半导体晶片，通过图2的光刻单元被一次地或更多次地处理，以形成包括重叠目标32至35的结构。在步骤S2中，使用图3的量测设备，光栅32至35的图像仅利用第一级衍射束中的一个(例如-1级衍射束)来获得。然后，通过改变照射模式、或改变成像模式、或通过将衬底W在量测设备的视场中旋转180度，可以利用另一个第一级衍射束(+1)来获得光栅的第二图像(步骤S3)。因此，+1级衍射辐射在第二图像中被捕捉。
在步骤S4中，选择或构造适当的组合拟合函数。在一实施例中，组合拟合函数依赖于量测设备的参数或特性、衬底上的目标布局以及用于量测处理的“工艺方案(recipe)”和用于形成目标的光刻过程。组合拟合函数包括多个项，每一项包括一个或多个系数。适当的组合拟合函数的选择可以来自这种函数的库。可以通过为各个系数设置合适的值来构造组合拟合函数。通过将相关系数设置为零，可以将项从组合拟合函数中排除(或取消)。一些系数的值可以基于量测设备的参数或特性和/或量测处理的工艺方案和/或光刻过程的工艺方案来确定。
在本发明一实施例中，组合拟合函数的各项表示测量设备和处理和/或正在被测量的目标的各个物理方面。项的一些系数可以根据各物理参数的相关特性或参数来确定。其他系数是浮动系数，并且将被拟合步骤发现。例如，组合拟合函数包括表示成像效果的项。该项可以包括与用在成像中的辐射的波长和/或成像系统的数值孔径(NA)相关的系数。如果所用的辐射源是具有恒定波长输出的单色光源，则与辐射的波长相关的系数可以是常数。另一方面，如果设备具有可调节光瞳，则与数值孔径相关的系数可以是由量测处理的工艺方案确定的变量。其他项和/或系数可以与目标的位置和尺寸相关，并且可以参考光刻过程的工艺方案来选择或确定。项和系数的其他示例将在下面进一步描述。在一实施例中，可以在步骤S1至S3之前确定拟合函数。在一个或多个衬底上的多个类似或名义上相同的目标将被测量的情况中，实施一次组合拟合函数的选择或构造，或者可以针对被处理的每一批次的衬底进行一次组合拟合函数的选择或构造。
除了可确定的系数，即那些能够基于量测设备的参数或特性和/或量测处理的工艺方案和/或光刻过程的工艺方案预先被确定的系数，组合拟合函数包括至少一个浮动系数。浮动系数或者浮动系数中的至少一个(如果有多个浮动系数)与将被测量的目标的特性相关，例如在重叠目标的情况下是不对称度。其他浮动系数可能与噪声和/或边缘效应相关。对于浮动参数的值是通过拟合过程在步骤S5中被确定的，使得组合拟合函数与被测量的图像数据匹配。可以使用包括迭代过程的传统拟合过程。在一实施例中，使用非线性优化算法。组合拟合函数与被测量的数据相匹配的期望精度可以根据具体应用来确定。在充分精确的匹配不能够实现的情况下，可以重新测量光栅，或者可以认为所述光栅被损坏而将其丢弃。
如果找到浮动系数的值，则对于目标的感兴趣的性质被确定。在重叠测量的情况下，目标可以包括多个光栅，浮动系数可以包括与从每个光栅反射进入相应级中的辐射的整体强度相关的浮动系数。通过比较针对第-1级散射测量图像和针对第+1级散射测量图像而获得的相关拟合系数，在步骤S6中获得目标光栅的不对称度的测量。在步骤S7中，使用不对称度测量计算重叠。可以使用取向不同的光栅在正交方向上计算重叠。其他参数(诸如聚焦、CD、剂量或者不对称度)可以使用相同的过程、但是使用被设计成对相关参数敏感的不同目标来确定。
在本发明的第一实施例中，对于矩形光栅的暗场图像的组合拟合函数由下式给出：
该组合拟合函数由常数项c0(该常数项是对于所述光栅的衍射级的平均强度的度量)、在该光栅的四个边缘处的jinc函数、与jinc函数相比具有不同相位x0的正弦函数和在整个光栅上的窗函数w(x，y)构建的。
该jinc函数可以被定义为其中J1(x)是第一类贝塞尔函数并且满足可选地，可以包括因数2，由此函数在0点的极值是1。jinc(x)对于x＝-15至+15的图形示出在图7中。该jinc函数是表示测量支路的成像效果的项的示例，因为jinc函数是圆形光瞳光阑21的傅里叶变换。可确定的系数x1、x2、y1和y2与光栅的边缘的位置相关。对于通光孔的替代形状，例如圆形通光孔的1/4，可期望具有不同的边缘函数。例如，如果4象限光楔被用作光瞳滤波器，则jinc函数可以被四分之一圆的傅里叶变换替代。并且，在本发明的实施例中可以使用近似边缘函数，诸如sinc函数(sinx/x)或者夫琅和费(Fraunhofer)函数(矩形形状的傅里叶变换)。
例如可以采用高斯函数作为窗函数，在光栅区域之外衰减：
w(x，y)＝w(x)w(y) (3)
其中：以及
其中σ限定窗函数的衰减的强度并且能够根据经验确定，b限定窗函数相对于光栅边缘位置和jinc函数位置的精确位置。
在一实施例中，x和y位移参数可以被加至组合拟合函数，用于补偿例如由不精确的图案识别导致的不对准。由于发生散焦的晶片的结果，光栅暗场图像的位置可能对于x光栅和y光栅有不同的位移。这种依赖于光栅方向的位移可以容易地被包含在具有分别对应x和y方向的两个附加参数的组合拟合函数中。
图8呈现出使用公式(2)和(3)的对于任选的参数值的示例性单线拟合函数。在图8中，点划线I表示常数值c0，长虚线II表示2个jinc函数和c0的和，短虚线III表示限定大小的窗函数w，实线IV表示组合拟合函数。对于假想的5μm宽光栅，拟合参数是：c0＝500，cx1＝380，cx2＝-150，其中bλ＝120nm，σ＝0.45倍的振荡节距。
在多个光栅被同时成像(例如两个x光栅和两个y光栅)的情况中，可以针对每个光栅使用组合拟合函数(诸如公式(2)的函数)构造全图像拟合函数。然后，参数x1、x2、y1和y2例如基于目标的GDS设计由每个光栅的位置给出，并且振荡节距p和波长λ由传感器的光学器件和测量波长给出。在公式(3)中，对于每个测量或系列的测量，参数b和σ被分配以固定值。
然后其余的拟合参数(浮动系数)处于以下情况：
1.c0：对于来自光栅(感兴趣的参数)的衍射效率的度量；
2.cx1、cx2、cy1、cy2：描述了边缘效应以及在光栅中心的振荡；
3.cx、cy、x0、y0：对于来自所得曲线的相对于上述参数的小偏离的调节参数。
在一示例中，对于整个目标，这将产生对于每个目标测量的4×5＝20个拟合参数，其中假设光栅位置被确定。
以下在图9和10中给出比较目标的测量的示例，其中光栅节距是600nm，测量波长λ＝650nm。应该注意的是，仅仅进行了参数的快速手动调节，但是足以重现所有特征和振荡。
图9示出图4中所示类型的正方形目标的图像，具有16μm×16μm的尺寸，节距＝600nm，并且针对两个偏振在λ＝650nm的条件下进行测量；图10示出使用公式(2)的相应的合成图像，其中在公式(1)中a＝1.22并且cx＝cy＝0。因此，图像仅仅由每个光栅的常数和在每个光栅的边缘处的1维jinc函数构建。
图11至14将合成的拟合函数图像与来自图9的被测量图像进行比较。图11和12示出在y方向上取平均的沿x方向的横截面，图13和14示出在x方向上取平均的沿y方向的横截面。在图11至14中，标以“A”的实线表示拟合函数，标以“B”的虚线表示被测量的图像数据。虽然已经进行了少量参数的人工确定，但是主要的特征性振荡被清楚地再现。在一实施例中，例如自动执行的拟合的进一步优化以及其他浮动参数的使用可以提供与被测量图像非常接近的拟合。
表1.公式(2)的拟合参数，如在图10和11中使用的
在本发明的一实施例中，可以考虑源照射不对称度(光斑外形)，作为拟合前的图像校正，或者考虑拟合程序作为预定的校准的恒定外形。在此，这没有被考虑进来，并且在测量中观察到在光栅上的一些小斜度。如果有传感器缺陷，可以增加附加的项来提高组合拟合函数的精度。
第一实施例的组合拟合函数是一个示例。也可以使用其他函数，诸如限制在光栅中心部分处的被窗口化的正弦函数。这种窗口化的正弦函数通过在公式(2)中将多个jinc函数之前的常数设置为零并且拟合其他参数而被描述。
并且，更多的复杂的组合拟合函数落在本发明的范围内。例如，能够包括在一个或多个边缘附近的第二稍微移位的jinc函数，以及包括由于设计或大的重叠引入的底部光栅与顶部光栅之间的偏移而导致的在边缘处的双台阶的效应。
第二实施例
下面将描述本发明的第二实施例。除了与组合拟合函数相关的方面之外，第二实施例与第一实施例是相同的。出于简化的原因，下面省略相同特征的描述。
第二实施例由于使用在光栅区域处的进行平方的jinc的栅格形式的组合拟合函数而允许附加的拟合参数(浮动系数)：
其中栅格间距是：xi+1-xi＝Δx和yi+1-yi＝Δy。
栅格间距例如可以根据奈奎斯特采样准则(光学分辨率)来选择。作为替代，例如可以使用来自公式(1)的在图像中的振荡频率进行更稀疏的采样，以仍然覆盖被测量图像的细节。
第二实施例的组合拟合函数可以提供更接近真实测量的合成图像(因为使用了进行平方的多个jinc函数)，但是包含更多的拟合参数。合成图像在邻近光栅区域外部的边缘的位置处自然地衰减，因为没有进行平方的jinc函数位于这样的位置处。因此，在该方法中不需要窗函数。通过进行平方的和被偏移的多个jinc函数的平均给出光栅的衍射效率的提取值，因为没有恒定的拟合参数c0。
应该注意，jinc函数被给出作为示例，这是采用圆形光瞳滤波器的傅里叶变换的结果。对于其他光瞳滤波器形状，jinc函数可以用它的适当的傅里叶变换函数来替代。
第三实施例
现在将描述本发明的第三实施例。除了与组合拟合函数相关的方面外，第三实施例与第一实施例相同。出于简化的目的，下面省略相同特征的描述。
在第三实施例中，使用傅里叶级数重构目标图像，其中可以根据同时测量的光瞳平面信息确定空间频率分量的权重。对于每个光栅，这可以实施为：
其中c0还是衍射效率，m和n是整数(正的和负的)，s和t分别是x和y方向上的周期。数值m/s和n/t对应于被光瞳滤波器透过的频率。周期s和t可以被选择为与光栅尺寸相对应。在那种情况下，m和n的数值的个数被限制在±1和被光瞳-光阑透过的最大频率之间，这导致比第一实施例中更大量的拟合参数cmn。在视场中针对每个光栅分别对公式(5a)求解，其中总的贡献应该与被测量的图像相一致。可替换地，针对视场中的所有结构一次构造整个图像：
在第三实施例中，导致比光瞳滤波器所限制的空间频率更高的空间频率的噪声将被正确地滤掉。
在公式(5a)和(5b)中，频率量m/s和n/t还被限制成对应特定波长被光瞳滤波器透过的频率。这是已知的、预先固定的传感器信息。在这种情况中，周期s和t是例如总的照射光斑尺寸或者总的视场。然后，系数cmn是拟合参数。
第四实施例
在第四实施例中，拟合函数被用于通过减去扰动、留下清晰的强度信号而校正图像。然后，通过任何适当的方法(例如，平均化)由清晰的强度信号得到强度值。第四实施例能够使用上述组合拟合函数中的任一个，但是参考第一组合拟合函数(公式(2))进行描述。如果已经发现浮动系数c0、cx1、cx2等的值，则合成扰动函数由扰动项构造，这些扰动项是边缘效应项(jinc函数)和系统噪声项(正弦)以及(可选的)窗函数。然后从被测量的像素图像数据中减去该合成扰动函数，以产生清晰的强度信号。
结论
文中描述的技术使得能够使用小的量测目标来实现重叠和其他测量的高的精度和可重复性。在具体实施方案中能够实现的具体优点包括：
-通过消除信号中的系统性问题、主要留下能够使用被开发用于噪声滤波的算法正确处理的随机噪声信号分量，而提高例如重叠的可再现性；
-通过减小定位误差的影响，而提高例如重叠的可再现性；
-与在基于ROI的信号估计中的小数量像素相比，通过在整个光栅上包含更多的用于确定“平均”强度的像素，而提高例如重叠的可再现性；
-通过使用基于物理学的具有有限数量的拟合参数的拟合功能性(其允许在被测量的半导体晶片上的变化的暗场图像的更稳定识别)，而提高暗场光栅图像的图案识别；
-如果希望，在视场上的与传感器相关的照射或检测光变化能够被包含用作附加的参数(例如，在图像中的附加的斜率)，用于对这些效应(例如色晕效应)进行校正；
-附件的参数例如通过描述边缘效应的jinc函数的幅值和符号指示测量的状况，诸如目标采集期间的散焦。这还可以用于用来采集的正确聚焦水平，导致提高的精确度和可再现性；
-本发明可以应用于许多不同的暗场量测技术，其中小的光栅被测量，诸如重叠、聚焦、CD、剂量、不对称度；
-通过相邻光栅之间的光泄漏的串扰减小，它提供了更精确的参数估计的可能性，尤其对于第一和第二实施例来说，在这些实施例中例如与jinc函数相结合的窗函数的拖尾将对相邻结构的串扰考虑在内；
-如果使用拟合函数提高ROI或图案识别，则目标周围需要更少的虚拟图案，节约了用于量测的场地或者通过以虚拟区域为代价来延长光栅区域而提高可再现性。拟合函数方法也可以类似地用于目标设计，该目标设计能够被优化以具有图案识别实施于其上的非常容易识别的边缘效应。
所述技术与基于小目标衍射的重叠测量中的其他技术是兼容的，其中基于小目标衍射的重叠测量已经在上述的近来的专利申请中有所描述。例如，此处公开的技术可以与多种的目标类型和性质(例如尺寸)一起使用。本发明可应用于所有的基于照相机图像的、并且包含从非高斯或白噪声信号提取参数的技术。
尽管上述目标结构是为测量目的而具体设计和形成的量测目标，但是在其他实施例中，可以在作为形成在衬底上的器件的功能部分的目标上对性质进行测量。许多器件具有规则的类似光栅的结构。在此所使用的术语‘目标光栅’和‘目标结构’不需要该结构已经为正在进行的测量所具体提供。
一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，所述机器可读指令序列用于描述测量在衬底上的目标和/或分析测量结果以获得关于光刻过程的信息的方法。该计算机程序可以例如在图3的设备中的单元PU中和/或在图2的控制单元LACU中被执行。也可以提供数据存储介质(例如半导体存储器、磁盘或光盘)，该数据存储介质具有存储于其中的所述计算机程序。在已有的量测设备(例如如图3所示类型的量测设备)已经处于生产中和/或使用中的情况下，本发明可以通过提供用于使处理器执行经过修改的步骤S6的更新的计算机程序产品来实现，并因此以提高的精度计算重叠误差。该程序可以可选地布置成控制光学系统、衬底支撑件或类似部件来执行用于在合适的多个目标结构上的不对称度的测量的步骤S2-S5。
虽然上文已经做出了具体参考，将本发明的实施例用于光学光刻术的情况中，应该注意到，本发明可以用在其它的应用中，例如压印光刻术，并且只要情况允许，不局限于光学光刻术。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。可以将所述图案形成装置的形貌印刷到提供给所述衬底的抗蚀剂层中，在其上通过施加电磁辐射、热、压力或其组合来使所述抗蚀剂固化。在所述抗蚀剂固化之后，所述图案形成装置被从所述抗蚀剂上移走，并在抗蚀剂中留下图案。
这里使用的术语“辐射”和“束”包含全部类型的电磁辐射，包括：紫外(UV)辐射(例如具有或约为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，例如离子束或电子束。
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、电磁的以及静电的光学部件。
具体实施例的前述说明将充分地揭示本发明的一般属性，以致于其他人通过应用本领域技术的知识可以在不需要过多的实验、不背离本发明的整体构思的情况下针对于各种应用容易地修改和/或适应这样的具体实施例。因此，基于这里给出的教导和启示，这种修改和适应应该在所公开的实施例的等价物的范围和含义内。应该理解，这里的术语或措辞是为了描述的目的，而不是限制性的，使得本说明书的术语或措辞由本领域技术人员根据教导和启示进行解释。
本发明的覆盖度和范围不应该受到上述的示例性实施例中的任一个限制，而应该仅根据随附的权利要求及其等价物限定。

Claims (38)

1.一种测量光刻过程的性质的方法，其中所述方法使用已经通过所述光刻过程在衬底上形成的目标结构进行测量，所述方法包括步骤：
使用成像系统形成目标结构的图像，所述成像系统选择在预定的照射条件下被目标结构衍射的辐射的预定部分，所述预定部分是非零级衍射辐射的在目标结构的衍射光谱中彼此对称地对置的第一部分和第二部分；
分别利用所述非零级衍射辐射的所述第一部分和所述非零级衍射辐射的所述第二部分来测量所述目标结构的图像；
识别在所测量的图像中的一个或多个感兴趣的区域；和
使用所述一个或多个感兴趣的区域的像素的强度值确定组合拟合函数的至少一个系数的值；
其中所述系数的值指示所述光刻过程的所述性质，并且
其中所述组合拟合函数的系数包括可确定的系数和浮动系数，所述可确定的系数能够基于量测设备的参数或特性和/或量测处理的工艺方案和/或光刻过程的工艺方案被确定，所述浮动系数与所述目标结构的特性相关，
其中所述性质从包括以下各项的组中选出：重叠、聚焦、剂量、CD或不对称度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合拟合函数包括表示所述成像系统的成像效果的成像项。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述成像项基于所述成像系统的传递函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述成像系统包括通光孔，所述成像项基于所述通光孔的变换。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述成像项包括jinc函数。
6.根据权利要求3、4或5所述的方法，其中所述目标结构的外形具有多个边缘，并且所述组合拟合函数包括对应于每个边缘的相应的成像项。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述组合拟合函数包括表示扰动的周期性函数。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述组合拟合函数包括表示所述目标结构的理想图像的目标项，并且所述系数是所述目标项的系数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述目标项是常数函数，所述系数是所述常数函数的值。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述组合拟合函数包括窗函数。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述组合拟合函数是如下形式：
其中x和y是被测量的图像中的笛卡尔坐标；ci、x0和y0是拟合系数；p是图像中的典型的空间周期；x1、x2、y1和y2表示所述目标结构的边缘的位置；且w是窗函数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述系数c0表示所述目标结构的特定衍射级的衍射效率。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述窗函数w(x，y)由以下限定：
w(x，y)＝w(x)w(y) (3)
其中以及
其中b限定所述窗函数相对于光栅边缘位置和jinc函数位置的精确位置。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述组合拟合函数的形式为：
其中x和y是被测量的图像中的笛卡尔坐标；cij、xi和yi是拟合系数；p是该图像中的典型的空间周期。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述组合拟合函数的形式是：
其中x和y是被测量的图像中的笛卡尔坐标；c0、cmn、s和t是拟合系数；且w是窗函数。
16.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述目标结构是包括多个组成结构的复合目标结构，并且所述组合拟合函数包括对应于每个组成结构的相应的拟合函数。
17.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述目标结构是形成在所述衬底上的器件的结构的一部分。
18.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中使用非线性优化算法确定至少一个系数的值。
19.一种用于使用已经通过光刻过程形成在衬底上的目标结构测量所述光刻过程的性质的检查设备，所述设备包括：
用于在其上已经形成有所述目标结构的衬底的支撑件；
用于在预定照射条件下照射复合目标结构的照射系统；
用于使用在所述照射条件下被目标组成结构衍射的辐射的预定部分形成所述复合目标结构的图像的成像系统，所述预定部分是非零级衍射辐射的在所述目标结构的衍射光谱中彼此对称地对置的第一部分和第二部分；
测量系统，用于分别利用所述非零级衍射辐射的所述第一部分和所述非零级衍射辐射的所述第二部分来测量所述图像；
处理器，所述处理器被布置用于识别所检测的图像中的一个或多个感兴趣的区域并且被布置用于使用所述一个或多个感兴趣的区域的像素的强度值确定组合拟合函数的至少一个系数的值；
其中所述系数的值指示所述性质，并且
其中所述组合拟合函数的系数包括可确定的系数和浮动系数，所述可确定的系数能够基于量测设备的参数或特性和/或量测处理的工艺方案和/或光刻过程的工艺方案被确定，所述浮动系数与所述目标结构的特性相关，
其中所述性质从包括以下各项的组中选出：重叠、聚焦、剂量、CD或不对称度。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述组合拟合函数包括表示所述成像系统的成像效果的成像项。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述成像项基于所述成像系统的传递函数。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述成像系统包括通光孔，所述成像项基于所述通光孔的变换。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述成像项包括jinc函数。
24.根据权利要求21、22或23所述的设备，其中所述目标结构的外形具有多个边缘，并且所述组合拟合函数包括对应于每个边缘的相应的成像项。
25.根据权利要求19-23中任一项所述的设备，其中所述组合拟合函数包括表示扰动的周期性函数。
26.根据权利要求19-23中任一项所述的设备，其中所述组合拟合函数包括表示所述目标结构的理想图像的目标项，并且所述系数是所述目标项的系数。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述目标项是常数函数，所述系数是所述常数函数的值。
28.根据权利要求19-23中任一项所述的设备，其中所述组合拟合函数还包括窗函数。
29.根据权利要求19-23中任一项所述的设备，其中所述组合拟合函数是如下形式：
其中x和y是被测量的图像中的笛卡尔坐标；ci、x0和y0是拟合系数；p是图像中的典型的空间周期；x1、x2、y1和y2表示所述目标结构的边缘的位置；且w是窗函数。
30.根据权利要求29所述的设备，其中所述系数c0表示所述目标结构的特定衍射级的衍射效率。
31.根据权利要求29所述的设备，其中所述窗函数w(x，y)由以下限定：
w(x，y)＝w(x)w(y) (3)
其中以及
其中，b限定了窗函数相对于光栅边缘位置和jinc函数位置的精确位置。
32.根据权利要求19至23中任一项所述的设备，其中所述组合拟合函数的形式为：
其中x和y是被测量的图像中的笛卡尔坐标；cij、xi和yi是拟合系数；p是图像中的典型的空间周期。
33.根据权利要求19至23中任一项所述的设备，其中所述组合拟合函数的形式是：
其中x和y是被测量的图像中的笛卡尔坐标；c0、cmn、s和t是拟合系数；且w是窗函数。
34.根据权利要求19至23中任一项所述的设备，其中所述目标结构是包括多个组成结构的复合目标结构，并且所述组合拟合函数包括对应于每个组成结构的相应的拟合函数。
35.根据权利要求19至23中任一项所述的设备，其中使用非线性优化算法确定至少一个系数的值。
36.一种光刻系统，所述光刻系统包括计算机程序，该计算机程序包括机器可读指令，所述机器可读指令使处理器执行测量光刻过程的性质的方法的各个步骤，其中所述方法使用已经通过所述光刻过程在衬底上形成的目标结构的被测量的图像进行测量，其中所述目标结构的图像已经使用成像系统获得，所述成像系统选择在预定的照射条件下被目标结构衍射的辐射的预定部分，所述预定部分是非零级衍射辐射的在目标结构的衍射光谱中彼此对称地对置的第一部分和第二部分，其中目标结构的所述图像分别利用所述非零级衍射辐射的所述第一部分和所述非零级衍射辐射的所述第二部分来测量；所述指令使得所述处理器：
识别在所测量的图像中的一个或多个感兴趣的区域；和
使用所述一个或多个感兴趣的区域的像素的强度值确定组合拟合函数的至少一个系数的值；
其中所述系数的值指示所述性质，并且
其中所述组合拟合函数的系数包括可确定的系数和浮动系数，所述可确定的系数能够基于量测设备的参数或特性和/或量测处理的工艺方案和/或光刻过程的工艺方案被确定，所述浮动系数与所述目标结构的特性相关，
其中所述性质从包括以下各项的组中选出：重叠、聚焦、剂量、CD或不对称度。
37.一种光刻系统，包括：
光刻设备，所述光刻设备包括：
被布置用于照射图案的照射光学系统；
被布置用于将所述图案的图像投影到衬底上的投影光学系统；和
根据权利要求19至35中任一项所述的检查设备；
其中所述光刻设备被布置成在将所述图案应用于其他衬底时使用来自所述检查设备的测量结果。
38.一种制造器件的方法，其中使用光刻过程将器件图案施加至一系列衬底，所述方法包括：使用权利要求1至18中任一项所述的方法测量至少一个复合目标结构，所述至少一个复合目标结构被形成作为所述衬底中的至少一个衬底上的所述器件图案的一部分或者形成在所述衬底中的至少一个衬底上的所述器件图案的旁边；以及根据测量的结果控制用于后续衬底的所述光刻过程。
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