CN101074866A - 用于增强确定衬底上的结构的坐标时的测量精确度的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于以高精确度测量衬底上的至少一个结构的坐标的方法。提供可在X/Y坐标方向上横穿的平台，所述平台放置在干涉式光学测量系统中。所述衬底上的结构经由测量物镜(21)成像于至少一个检测器(34)上，所述测量物镜(21)的光轴(20)在Z坐标方向上对准。利用所谓的双扫描使所述结构成像。因此可消除系统误差。

Description

用于增强确定衬底上的结构的坐标时的测量精确度的方法

技术领域

本发明涉及一种在干涉式光学测量系统中对衬底上的至少一个结构的坐标进行高精确度测量的方法，所述衬底放置于可在X/Y坐标方向上移动的平台上。衬底上的结构经由测量物镜成像到检测器上，所述测量物镜的光轴在Z坐标方向上对准。

背景技术

在1998年3月31日由Carola Blsing博士发表在日内瓦的半导体教育规划大会(Semicon Education Program Convention)上的题为“PatternPlacement Metrology for Mask Making”的文章中详细描述了用于对衬底(晶片或掩膜)上的结构进行测量的测量装置。这里给出的描述是坐标测量装置的基础。由于本发明可有利地与所述测量装置一起使用且将在对所述测量装置的通常的适用性无损害的情况下参考所述测量装置以主要地描述本发明，所以将在下文参考附图1来描述这种测量装置。众所周知的测量装置1是用于测量样本30(例如，掩膜和晶片)上的结构31及其坐标的。在本申请案的上下文中，认为术语“样本”、“衬底”和通用术语“物体”是同义词。在布置在晶片上的半导体芯片的生产过程中，由于集成度不断增加，所以个体结构31的结构宽度变得越来越小。因此，对用作测量和检查系统的坐标测量装置的规格的要求变得越来越严格，所述测量和检查系统用于测量结构31的边缘和位置并用于测量结构宽度和重叠数据。以类似于显微镜的形式且与激光距离测量系统相结合的光学采样技术仍受欢迎。光学测量装置的优点在于，当与具有不同采样(例如，X射线或电子束采样)的系统相比时，其实质上结构较简单且易于操作，且其在位置测量方面具有较大稳定性。

这种测量装置1中的实际测量系统布置在阻尼振动花岗岩块(vibration-damped granite block)23上。通过自动操纵系统将掩膜或晶片放置在测量平台26上。这种测量平台26通过空气轴承27、28而支撑于花岗岩块23的表面上。测量平台26是马达驱动的且可在两个维度(X和Y坐标方向)上移位。未绘示相应的驱动元件。平面镜9安装在测量平台26的两个相互垂直侧。包括多个干涉仪的激光干涉仪系统900用于追踪和确定测量平台26的位置。

由高分辨率的显微镜光学器件来执行待测量的结构的照明和成像，所述高分辨率的显微镜光学器件的入射光和/或透射光在接近UV的光谱范围内(对其通常的适用性无损害)。CCD照相机用作检测器。从位于测量窗口内的CCD检测器阵列的像素获得测量信号。借助于(例如)用于确定所述结构的边缘位置或彼此相交的两个结构的相交点的图像处理，因此得到所测量结构的强度分布图(profile)。通常，相对于衬底(掩膜或晶片)上的参考点或相对于光轴20来确定所述结构元件的位置。这连同测量平台26的以干涉仪所测量的位置一起形成结构31的坐标。用于曝光的晶片或掩膜上的结构仅允许极小的容差(tolerance)。因此，为了检查这些结构，需要极高的测量精确度(当前为纳米数量级)。从德国专利申请公开案DE 10047211A1了解到一种用于确定所述结构的位置的方法和测量装置。明确参考所述文献以了解上述位置确定的细节。

在图1说明的测量装置1的实例中，测量平台26形成为框架，使得也可用来自下面的透射光以照明样本30。位于样本30上的是入射光，照明和成像装置2，其布置在光轴20周围。在Z坐标方向上沿光轴20可进行(自动)聚焦。照明和成像构件2包括光束分裂模块(beam splitting module)32、上述检测器34、对准构件33和多个照明装置35(例如，用于自动聚焦、视界照明和实际样本照明)。21处指出可在Z坐标方向上移位的物镜。

具有高度可调节的聚光器17和光源7的透射光照明构件也插入在花岗岩块23中，它的光是经由具有尽可能大的数字入口孔径的已放大的接入光学器件(coupling-in optics)3来接收的。以此方式，从光源7接收尽可能多的光。因此接收的光接入在接入光学器件3中且进入光导向器(lightguide)4，例如光纤束(fiber-optic bundle)。优选地形成为消色差物镜(achromatic objective)的接出光学器件(coupling-out optics)5将光耦合到聚光器17中。也可经由镜组合件从光源7接入照明光。

为了实现结构测量所需的纳米精确度，必需尽可能使来自环境的干涉影响(例如，周围空气的变化或振动)最小化。为此，可将测量装置容纳于气候室(climate chamber)中，所述测量装置以较大的精确度控制所述室内的温度和湿度(＜0.01℃或＜1％的相对湿度)。为了消除振动，如上所述，将测量装置1支撑于具有振动阻尼器24、25的花岗岩块上。

确定结构位置的精确度很大程度上取决于用于确定在X和Y坐标方向上的平台位置的激光干涉仪系统的稳定性和精确度。由于干涉仪的激光束在测量装置的周围空气中传播，所以波长取决于所述周围空气的折射率。所述折射率随着温度、湿度和气压的变化而变化。尽管对气候室中的温度和湿度进行了控制，但是余留的波长振动对于所需的测量精确度来说还是太强。因此，使用所谓的标准具(etalon)来补偿由于周围空气的折射率的变化而引起的测量值变化。在所述标准具中，测量光束覆盖固定的度量距离，使得相应的所测光学长度的变化可仅由周围空气的测量指数的变化而引起。这就是可如何使用标准具测量通过连续确定当前的波长值并将其考虑在内以进行干涉测量而很大程度上补偿折射率的变化的影响。

为了实现最高精确度，激光距离测量系统通常根据外差原理来操作，所述外差原理利用将激光束分裂成两个线性偏振的分量的可能性(此处，使用两个塞曼线(Zeemann line)的较小频率差)。所述两个分量在干涉仪中分裂，被用作测量和参考光束，且再次叠加于干涉仪中，并被迫彼此干涉。所使用的激光距离测量系统在632.8nm的激光波长λ_Laser处，每激光距离测量系统的整数值(激光点击)具有0.309nm的分辨率。

为了描述所述测量装置的精确度，通常使用一坐标的测量到的平均值的三倍标准偏差(3σ)。在测量值的正态(normal)分布中，统计上的99％的测量值在约为平均值的3σ范围内。通过测量在X和Y坐标方向上的点的栅格来作出关于可重复性的指示，其中对于每个方向来说，在重复测量所有点后，可指出平均的和最大的3σ值。作为典型的实例，在石英衬底上测量宽度为1μm的15×15栅格(栅格点的间距：10mm)的交叉的铬结构。测量2×(X和Y)225个点重复20次(20次通过)。在所谓的多点校正(其允许一次通过的所有点共同旋转和偏移)之后，实现1.5到2nm的可重复性(450个点的所有3σ值的偏差的最大值3σ)。不进行多点校正的情况下，所述值在2与6nm之间。

需要进一步改进可重复性且因此进一步改进所述测量装置的测量精确度。本发明的主要注意力放在用于测量平台的坐标测量或用于确定此测量平台的坐标的变化的激光干涉仪上。请注意，本发明不限于所述测量装置的情境中的干涉仪，而是通常可用于激光干涉测量。

从US-5,469,260可知一种用于借助于激光干涉法来测量一维或二维可穿越平台的位置的设备。为此，将固定镜(stationary mirror)附装在(例如)固定光学系统上，而可移动平台本身携带一镜。激光束以众所周知的方式被分裂，使得一部分入射于固定镜上，而另一部分入射于所携带的镜上，并在其上被反射。通过移位干涉环使反射的部分光束在其中彼此干涉，可得到所携带的镜相对于固定镜的相对位移，且可确定此位移的量。

作为上述测量系统的实例，本文献中论述通过掩膜和光学投影系统(步进器)在晶片曝光期间对晶片支撑平台进行位置测量。此处，支撑平台相对于固定光学投影系统的位置是借助于干涉法测量的。为了测量该平台在平面中的X和Y坐标，因此需要两个干涉仪系统。

存在LMS IPROM的显著误差分量是由干涉仪误差引起的较强指示。这个误差是由Agilent干涉仪系统引起的。此误差具有正弦曲线形式且可被观察到，视通过干涉仪(在此期间产生误差)的情况而定，以λ_Laser/4(＝632.8nm/4＝158.2nm)和λ_Laser/2的周期长度随平台位置的变化而变化。因为反射角度可能由于平台体上的镜和平台体自身的可移动性的缘故而略微变化，且因此激光束在干涉仪中的入射地点以及测量和参考光束的叠加改变，所以干涉仪误差的振幅和相位也改变。虽然由标准具测量到的折射率的变化正确地考虑了相关位置变化(同样在较长距离内)，但其自身无法补偿干涉仪误差。

因此，此误差的校正可能不准确，因为其不仅随着掩膜上测量地点的变化而变化而且还随时间而变化。这就是通常的干涉仪校正方法已经达到其极限的原因。此误差的最佳考虑事项应该考虑测量的地点和时间。如果实施测量对数，所述测量对数同时确定并计算出每次位置测量期间的干涉仪校正，就会理想地实现这一目的。发明人期望在此提出此算法。将其合并在现有方法中，使得测量时间将只是在最小程度上受到影响。

发明内容

因此，本发明的目的是增加用于确定衬底上的结构的位置的测量系统的测量精确度，且同时消除激光干涉仪误差对测量精确度的影响。

根据本发明，这个目的由如下方法来解决，在所述方法中，首先，以衬底上的结构定位于检测器的至少一个预定的测量窗口中的方式使可在X/Y坐标方向上移动的平台横穿。接着，执行在Z坐标方向上的相对移动至少一次，在移动期间，与在Z坐标方向上的相对移动同步，由检测器取得所述结构的多个图像，且还与成像同步来确定平台在X和Y坐标方向上的位置。接着，使平台在由X和Y坐标界定的平面中横穿一距离至少一次，其中测量窗口也移位这个距离。产生与Z坐标方向相反的方向上的相对移动至少一次，其中与在Z坐标方向上的相对移动同步，由检测器取得所述结构的多个图像，其中还与成像同步在X和Y坐标方向上确定所述平台的位置。最后，依据与Z坐标方向和相反方向上的相对移动期间所述结构的所记录图像同步而记录的Z位置，以及依据与每个图像相关联而确定的所述平台的位置，来确定所述结构的至少一个实际位置。

借助于至少一个激光干涉仪来确定所述平台在成像期间的位置，其中所述激光干涉仪的光具有波长λ_Laser。

在测量操作之前，确定所述平台在由X和Y坐标方向界定的平面中横穿的距离的适当值。

平台在由X和Y坐标方向界定的平面中横穿的距离对应于激光干涉仪的波长λ_Laser的的整数倍。

平台在由X和Y坐标方向界定的平面中横穿的距离由在X坐标方向上的分量和在Y坐标方向上的分量组成，其中两个分量的量值可能不同。

以使平台刚好在Z方向的反转之前在由X和Y坐标方向界定的平面中横穿的方式，执行Z坐标方向上和相反方向上的相对移动以及所述结构的多个图像的相关同步记录。

至少一个用于测量一坐标的第一预定的测量窗口与检测器相关联。多个窗口可与所述检测器相关联，其中可使另一测量窗口相对于所述第一测量窗口旋转(例如)90°。所述各测量窗口为四边形。所述四边形的尺寸可能不同。

该测量物镜的相对移动的横穿距离在即将在Z方向上使用的每个测量物镜的焦深的范围内。该测量物镜在Z方向上的相对移动包括数十纳米一直到几微米。

根据优选实施例，执行Z坐标方向上的相对移动一次。并且，使平台在由X和Y坐标方向界定的平面中横穿一距离一次。随后，执行与Z坐标方向相反的方向上的相对移动一次。

根据用于以高精确度测量衬底上的坐标的方法，在实际测量过程之前，在至少一个测量窗口中执行结构的定位尤其有利。通常，在Z坐标方向上执行相对移动，其中在Z坐标方向上的相对移动期间借助CCD相机来记录衬底上的结构的多个图像。在Z方向上的移动主要是为了以高精确度并与其它测量值同步(同时)来确定聚焦位置。也可能在不进行相对Z移动的情况下执行测量。然而，这并不限制关于干涉仪误差的要求。与成像(和Z位置测量)同时，用至少一个激光干涉仪记录该平台在成像期间的位置。随后，使平台横穿一距离，如果可能使其移位干涉仪误差周期的一半。为了避免所述结构的另一位置位于测量窗口中，测量窗口相应地移位。在具体情况下，在λ_Laser/4(158nm的周期)处，存在80nm的位移，在λ_Laser/2处，存在160nm的位移。视每个误差情况而定，其它值也是可能的。这个值可能已预先动态地确定。这之后再次是产生与Z坐标方向相反的方向上的相对移动，其中在与Z坐标方向相反的方向上的相对移动期间，再次借助于CCD相机来记录衬底上的结构的多个图像。实际上，以干涉法确定的平台位置、测量窗口的两个位置的所记录图像和在Z方向上及在相反方向上横穿期间每个同步记录的Z位置用于确定所述结构的边缘的位置和结构宽度。

根据另一实施例，平台不仅横穿单一距离，而且还连续横穿两个或两个以上的距离，每次都伴随数据记录。

根据另一实施例，在到达聚焦点之前仅执行在Z坐标方向上的横穿。在这个Z位置处，固定图像测量装置。在这个Z位置处执行这个位置处足够量的测量数据的记录(如果之后进行坐标测量方向上的移位)和对更多测量数据集的测量。所述结构可为例如线、空间、点、孔、锤头状物等元素。

衬底上的结构(例如)形成为交叉。将多个交叉施加在测试掩膜上作为衬底，其中交叉具有4μm的实际尺寸。上述气候室是相对于外部大气影响(例如，温度和湿度)而尽可能密封的室，其具有用于使上述参数维持恒定的调节设备。改变折射率的另外的参数是气候室中的大气的成分和此大气的压力。通常，选择空气作为大气以调节此气候室的温度和湿度。在不限制通常适用性的情况下，在下文中将提到气流。

附图说明

在下文中参看附图将更详细地描述本发明的示范性实施例及其优点。

图1示意性地绘示坐标测量装置，其中可有利地使用根据本发明的位置测量方法。

图2A绘示在根据图1的测量系统中X坐标方向的可重复性，其中指示九次测量通过的15×15栅格的坐标位置，其中为了更好地检测可重复性，从每个栅格位置处的所有位置减去所有九次测量通过的平均值。

图2B绘示在根据图1的测量系统中Y坐标方向的可重复性，其中指示九次测量通过的15×15栅格的坐标位置，其中为了更好地检测可重复性，从每个栅格位置处的所有位置减去所有九次测量通过的平均值。

图3绘示在模拟中预定的干涉仪误差与借助于对测量位置的傅立叶分析而检测到的误差的比较。

图4绘示交叉结构的相机图像，其中提供两个测量窗口用于确定在X坐标方向和Y坐标方向上的各个坐标。

图5绘示所述结构移位预定的距离和与相机相关联的测量窗口的相应移位。

图6A绘示用相机的测量窗口记录的结构的强度分布图；横坐标是相机图像中的位置，纵坐标是强度。

图6B绘示在结构的Z坐标方向上扫描期间不同图像的强度分布图，所述结构利用相机的测量窗口而成像；横坐标是相机图像中的位置，纵坐标是强度。

图6C绘示结构的另一强度分布图，所述结构利用测量窗口成像；横坐标是相机图像中的位置，纵坐标是强度。

图7绘示分布图的不同图像的对照值作为Z值的函数，其中在Z坐标方向和相反方向上的扫描期间已经记录多个分布图。

图8绘示左和右边缘的位置作为Z坐标方向上的位置的函数，其中纵坐标是所测量的平台位置与设定点位置的偏差。

图9A绘示由于干涉仪误差而导致的在X坐标方向上位置测量的测量值与设定点值的偏差。

图9B绘示图9A中所示的位置光谱的傅立叶变换，其中峰值由干涉仪误差λ_Laser/4引起。

图10A绘示由于干涉仪误差和相机特性引起的在Y方向上位置测量的测量值从设定点值的波动。

图10B绘示图10A中所示的位置光谱的傅立叶变换，其中峰值再次对应于λ_Laser/4，且所述峰值由偶数和奇数条相机线的不同增益所引起。

图11绘示干涉仪误差的正弦曲线，其被引入到高达1nm的全振幅(fullamplitude)的测量结果中。

图12绘示双扫描的效果的示意图。

图13绘示在不进行漂移校正的情况下测量到的数据，其中所述数据通过20nm的步幅的移位来记录。

图14绘示用新的“双扫描”方法借助LMS IPRO3而获得的测量结果与借助先前方法“一般模式”而获得的测量结果的比较。

具体实施方式

在描述内容的介绍性部分中已详细解释图1所示的类型的坐标测量装置。

此坐标测量装置的可重复性或可再现性通常通过测量15×15点的测量栅格(测量区域6英寸，152×152mm)而在工厂中确定。三倍标准偏差(3σ)的值通常在X和Y坐标方向上获得的坐标的20次测量之后确定。此三倍标准偏差的最大值表示可重复性且因此表示机器性能。

如果在所界定的掩膜位置上局部进行测量(即，在此情况下不使X/Y测量平台横穿)，那么这就是短期可再现性的指示(此处，20*100测量*4秒＝2.2小时)。此测量给出关于短时间周期内的可重复性的指示(所谓的针测试)。

在图2A和2B中分别针对X或Y方向以对照测量行程来描绘此测量的结果，更精确地说是最大的三倍标准偏差(可重复性)的每个值的结果。第一测量行程指示为.NA0，第二测量行程为.NA1等等。在每个图形表示中指示位置值。每个测量行程取用100个测量值。结果是分别在X方向上的2.8nm或Y方向上的2.3nm的范围内X坐标方向上的1.4nm和Y坐标方向上的1.1nm的可重复性，其中所述范围表示最大与最小值之间的差值且因此表示噪声频带的测量值。

在测量时间(通常8个小时)期间，当(在工厂中)确定位置X、Y的短期可重复性时(在半导体掩膜上栅格间距为10mm的15×15点栅格的20倍测量)，可观察到所测量的可重复性与气压变化的清楚的相依性(通常是1.5nm，在漂移校正后所有450(15×15×2)个各点的最大值具有3倍标准偏差)。其原因可在干涉仪误差中找到，所述干涉仪误差具有正弦形式(或正弦波的重叠)且与平台位置重叠。偏差主要随λ/4(＝632.8nm/4＝158.2nm；λ＝干涉仪系统的测量波长)和/或λ/2的周期长度而变化。随着气压改变，空气的密度也改变，且因此折射率和(进而)激光距离测量系统的测量波长假定为恒定的，使得短期可再现性与气压的变化相关。多种测试测量展示干涉仪误差既不长期在时间上也不在空间上恒定，且因此无法足够精确地确定该测量波长，且无法通过对必要的测量时间(若干小时)和测量地点(140mm×140mm)的误差比例的单个确定来校正所述测量波长。

图3绘示在模拟中预定的干涉仪误差与通过傅立叶分析获得的误差的比较。傅立叶分析(不是FFT)当前似乎是用于确定局部4/λ频率的最精确的数学方法。横坐标40是测量平台26的位置。纵坐标41是干涉仪误差(以μm计)。此处，干涉的特征在于：

误差由下式描述：

F(x)＝a_sf_s(x)+a_cf_c(x)

其中f_s(x)＝sin(kx)   f_c(x)＝cos(kx) $k=\frac{8\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}$

f_s和f_c的振幅a_s和a_c由下式给出：

$a_s=\frac{2}{x_{\mathrm{end}}-x_{\mathrm{start}}}\underset{x_{\mathrm{start}}}{\overset{x_{\mathrm{end}}}{\∫}}p\left(x\right)f_s\left(x\right)\mathrm{dx},a_c=\frac{2}{x_{\mathrm{end}}-x_{\mathrm{start}}}\underset{x_{\mathrm{start}}}{\overset{x_{\mathrm{end}}}{\∫}}p\left(x\right)f_c\left(x\right)\mathrm{dx}$

此处，p(x)是作为平台位置的函数的源于边缘位置的内插的函数。此处指出预定的干涉仪误差42和通过测量而确定的干涉仪误差43。

通过测量该结构相对于彼此移位该干涉仪误差的周期的一部分或其比例的两个不同位置且对所述两个不同位置求平均值，且通过使所述测量彼此直接相继来确定结构的位置。此处，测量相机的测量窗口也以与X/Y平台27的位置移位相对应的方式而移位，使得两个测量结果理论上应提供相同的位置。维持着通过用位置控制来挡止此台26(经由在X和Y位置进行电子反馈挡止控制)和通过聚焦位置来测量该位置的先前已很好地被检验的方法。在首先通过该聚焦位置(在Z坐标方向上)之后，平台和相机的测量窗口对应于干涉仪误差的周期而移位，且在第二次或反向通过聚焦位置(在与Z坐标方向相反的方向上)的过程中，第二次确定所述位置。这也导致测量时间最小化。

图4绘示第一测量窗口50和第二测量窗口51相对于由相机框架来成像的交叉结构52的布置。从每个测量窗口50、51的像素来计算测量窗口50、51中的结构的每个分布图。如上文已描述，测量窗口50、51定位在待测量的结构52上，且随后焦点随Z方向上的相对移动(Z坐标方向上或光轴20的方向上测量物镜17的相对移动)而改变。在不同聚焦位置处读出来自测量窗口50、51的数据。从所述读出的数据中，确定Z坐标方向上提供最佳焦点的那个位置。尽管图4中绘示交叉结构，但这不应解释为限制。可用根据本发明的方法来测量多种结构。可能的结构为线、空间、点、孔、锤头状物等。

图5绘示结构52偏移55预定的距离和与相机相关联的测量窗口56的相应偏移57。用相机或检测器的测量窗口56来测量第一结构52。为此，在Z坐标方向上的相对移动期间借助CCD相机取得衬底上结构52的多个图像。同时，还确定平台的位置，这由激光干涉仪通过使用特定波长λ的光来执行。一旦记录了多个图像，就使平台横穿对应于在激光干涉仪中使用的光的波长λ的距离。以相应的方式偏移测量窗口，使得结构上的相同地点再次定位在每个测量窗口56中。随后，执行与Z坐标方向相反的方向上的相对移动，其中再次借助CCD相机取得衬底上的结构的多个图像。偏移55由在X坐标方向上的分量和在Y坐标方向上的分量组成。可了解到，首先在X坐标方向上执行偏移，且随后在Y坐标方向上执行偏移。

图6A、6B和6C绘示结构的不同强度分布图。在测量物镜的不同Z位置处，已成像各个图像，强度分布图是从所述各个图像获得的。此处，横坐标60是图像位置，且纵坐标61是测量到的强度(以任何适当单位计)。如重复提到的，与依据激光干涉仪数据和焦点值或在Z坐标方向上的值确定X坐标方向和Y坐标方向上相关联的平台位置的同时，取得若干相机图像。如图4所示，至少一个测量窗口定位在待测量的结构上方。在Z坐标方向上的相对移动期间，在所述相对移动期间取得50个图像。分布图的数目源于图像数目与测量窗口数目的乘积。如果在与Z坐标方向相反的方向上执行相对移动，那么所记录的图像的数目加倍。图6A绘示(例如)第19个记录的图像的强度分布图62。图6B绘示在Z坐标方向上的移动期间第29个记录的图像的强度分布图63。图6C绘示在Z坐标方向上的相对移动期间第39个记录的图像的强度分布图64。可从图6A、6B和6C的各个图像的比较中清楚地看到，作为在Z坐标方向上的移动期间恰当记录的图像的位置的函数的信号量值和信号形式的差异。信号量值或分布图边缘的斜率是对比度且因此是焦点或聚焦位置的度量。

图7绘示源于通过“真正”聚焦点两次的100个分布图的对照值。这就是横坐标70是焦点的位置或在Z坐标方向上的测量物镜的位置的原因。纵坐标71是所述结构的测量到的强度分布图的对照值。各个分布图的对照展示为在Z坐标方向上的值的函数。各个测量点配合到曲线，使得曲线的每一者均存在最大值。第一曲线72配合到那些源于测量到的强度分布图的强度分布图，所述测量到的强度分布图源于在Z坐标方向上测量物镜的移动。第二曲线73配合到那些源于测量到的强度分布图的强度分布图，所述测量到的强度分布图源于在与Z坐标方向相反的方向上测量物镜的移动。虚线74指示最大值之一，且因此所述最大值之一表示最佳焦点。

在图8中，结构的左和右边缘的每个位置均指示为在Z坐标方向上的位置的函数。横坐标80是聚焦位置，纵坐标81是边缘位置与设定点值的偏差(以μm计)。一个测量窗口52用于左和右边缘的位置的各自确定(参见图4的说明)。可从如(例如)图6A、6B和6C所示的各个分布图中计算相对于Z坐标方向上的每个位置的每个边缘位置。因此，可从两个边缘的平均值获得在相机的图像中恰当地测量的结构。将依据利用激光干涉仪进行的测量确定的图像位置和位置数据相加。从图8可见此相加的图形表示。可从与虚线82的交叉点(表示最佳焦点的点)获得结构的两个边缘的位置，且因此获得结构自身的位置。

图9A绘示由于干涉仪误差引起的与X坐标方向上的位置测量的设定点值的偏差。横坐标90是X位置(以nm计)。纵坐标91是所测量的X位置(以μm计)。通过在X坐标方向上该测量窗口同时偏移的情况下进行等距位置偏移来记录数据。在约2.5μm的所测量的位置区域中，信号展示约1nm的漂移。这归因于μm数量级的测量结构(例如，镜体)的非线性和通常的机器漂移(nm数量级，由于机器决不完全静止)。图9A所示的信号还展示可与特定频率或波长相关联的周期性。图9B绘示图9A所示的所测量的位置光谱的傅立叶变换。横坐标92展示源于256个点的傅立叶变换的波数目，且纵坐标93以任何适当单位被细分。在图9B中可以看到清楚的峰值94，其对应于约158nm的波长。这个峰值94对应于在干涉仪中使用的激光(在一个实施例中，光的波长为633nm)的测量波长的约四分之一。这种表现也可通过理论而预知。

图10A绘示在Y坐标方向上衬底上的结构的位置测量。横坐标100再次是Y位置，当前利用测量窗口在所述Y位置上执行测量。纵坐标102是结构的所测量的Y位置(以μm计)。同样通过在Y坐标方向上该测量窗口同时偏移的情况下进行等距位置偏移来记录数据。在约2.5μm的所测量的位置区域中，信号再次展示约1nm的漂移。图10B绘示图10A所示的所测量的位置数据的傅立叶变换。横坐标102以nm计，且纵坐标103以任何适当单位细分。图10B中所示的傅立叶变换还展示对应于测量波长的约四分之一的峰值104，以及对应于90nm的周期的峰值。由于与两个模拟放大器一起操作的相机的非线性，所以出现90nm的峰值105，无法在整个放大范围内调整所述两个模拟放大器。因此利用两个放大器交替地且不同地读出像素的线。此处使用的CCD传感器的像素宽度是45nm。其在X坐标方向上达到平均值，而在Y坐标方向上，这个周期无法达到平均值。如图9B和10B所示，在测量波长的一半时出现误差，并且在测量波长的四分之一处出现误差。由于出现的干涉仪误差既不在时间上(以小时为周期)也不在空间上(mm数量级)恒定，所以其无法仅被校正一次。这意味着其必须利用位置测量过程中“现场(in situ)”测量方法来进行确定或补偿。

为了更好地理解本发明，必须解释所使用的测量方法。从实际测量距离与固定参考距离的比较中获得测量值。测量光因此分裂成测量光束和参考光束。必须考虑到，由于折射率对压力(温度、空气成分)的依赖性的缘故，不仅测量距离存在着变化，而且激光波长自身也改变。在实际位置测量之前和在实际位置测量期间通过进一步干涉测量来确定此变化。此标准具校正以数百nm的量变化，且由于测量结构的缘故，其主要取决于气压波动，因为借助于气候室，温度和湿度或气体成分可维持几乎恒定。标准具校正影响了测量值的校正和对结构自身上所到达的位置的确定。后者出现是因为，当平台到达测量位置时，标准具校正促使待测量的结构相对于该测量相机具有相同位置(至多达几nm的偏差)。因此，由于CCD相机引起的90nm误差具有相对较小的误差比例。然而，取决于气压波动的量值和取决于在干涉仪误差的近似正弦曲线上的每个“位置”，则由于激光引起的干涉仪误差被引入到测量结果中(一直达到其全振幅)。

图11示意性地绘示气压波动对所产生的干涉仪误差的影响。横坐标110是位置(以nm计)。纵坐标111是干涉仪误差(以nm计)。正弦曲线表示在衬底的较小区域(300nm)中干涉仪测量系统的误差比例。实心箭头标记在可再现性测量(例如，在“相同”位置中各20次测量)期间通过的不同的气压范围；箭头越长，压力波动越大。竖直的虚线箭头标记相关联的误差的量值。图11绘示测量随气压变化(参见图11中的指示1-4)而出现的整个误差预算(budget)的可能性。然而，当样本相对于距离测量系统处于不利位置时，即使在较小压力波动的情况下(参见指示3)也可能耗尽整个误差预算。即使在相等的压力波动的情况下(参见指示2A或2B)，视测量值所处的正弦曲线的区域而定，误差也可具有不同量值。除了误差振幅自身是位置相依的情况，从某一量值开始(参见指示4)误差预算被耗尽。由于光学组件的不同反射率和材料特性的缘故，所以在较小的程度上情况是这样。

在根据本发明的方法中，通过测量相对于彼此移位干涉仪误差的周期的一部分或干涉仪误差百分比的两个位置且对所述两个位置求平均值，且使所述测量呈直接时间序列来执行对衬底上的结构的位置的确定。此处，CCD相机的测量窗口与位置偏移一起偏移，使得两个测量结果在理论上应提供相同的位置。维持着对通过聚焦位置和同步成像的位置控制，经由在X和Y方向上的电子反馈挡止控制来挡止X/Y平台而进行的先前已受到良好检验的位置测量方法。在首次通过聚焦位置时，X/Y平台和CCD相机的测量窗口对应于干涉仪误差的周期而偏移，且在第二次或反向通过聚焦位置(在与Z坐标方向相反的方向上横穿)期间，第二次确定结构的位置。

图12绘示所谓的双扫描操作(使测量物镜在Z坐标方向上且随后在与Z坐标方向相反的方向上横穿)的示意性表示。横坐标120是位置λ(以nm计)。纵坐标121是干涉仪误差(以nm计)。衬底上的结构的每个位置均被测量两次。第二测量地点偏移误差曲线的周期的一半(此处为158/2nm＝79nm)。每个实线双箭头的两个箭头点标记这两个点。对两个测量值求平均值补偿了由于干涉仪引起的测量误差。此处，关于执行第一测量的误差曲线上的点并不重要。第二测量以始终存在补偿的方式偏移。另一优点在于执行两次测量。位置测量的精确度相应地增加，尤其是CD测量的精确度也增加。如果混合具有不同波长的误差部分(参见图13)，那么仅存在部分补偿。

图13绘示在不进行漂移校正的情况下测量到的数据，其中所述数据是通过以20nm的步幅偏移测量结构而记录的。横坐标130是位置(以nm计)。纵坐标131是位置误差(以μm计)。双箭头标记偏移80和120nm的两次测量。虚线竖直箭头132标记着补偿的影响。

通过根据本发明的方法(所谓的双扫描)获得的测量结果提供于LMSIPRO3上。将所述结果与先前方法(一般模式)的测量结果相比较(参见图14)。横坐标140是时间(以小时计)。第一纵坐标141是位置偏差(以nm计)。第二纵坐标142是气压的变化(以毫巴计)。所有数据是对在测试掩膜上测量4μm的交叉的15×15栅格的估计。对于每10个随后的测量结果，指示在10次通过的测量期间在15×15栅格中所述位置的最大3σ值、在15×15栅格中所述位置的平均3σ值和大气压力的波动范围。在“运行中(onthe fly)”进行所述估计，即，一次性估计10次随后的循环。这意味着，首先估计前10个循环、接着估计循环1到11、接着估计循环2到12等等。因此，(例如)从20个循环中获得11个测量值，如图14所示。与双扫描和一般模式同时测量所述数据(一次两个位点，位点1＝双扫描，且位点2＝一般模式)。因此，大气压力的波动范围仅存在一个曲线。执行利用双扫描进行的测量，其中每次扫描50个图像且两次扫描之间X/Y平台偏移80nm。用50个图像执行一般模式下的测量。在1.6毫巴处，气压波动非常小。至少在Y方向上，仍可见对气压的相依性。使用双扫描，气压相依性实质上较小。

Claims (16)

1.一种用于以高精确度测量衬底上至少一个结构的坐标的方法，所述衬底放置在平台上，所述平台可在干涉式光学测量系统中在X/Y坐标方向上移动，且其中所述衬底上的所述结构经由测量物镜而成像到至少一个检测器上，所述测量物镜的光轴在Z坐标方向上对准，所述方法的特征在于以下步骤：

以所述衬底上的结构定位在所述检测器的至少一个预定的测量窗口中的方式使所述可在所述X/Y坐标方向上移动的平台横穿；

执行在所述Z坐标方向上的相对移动至少一次，其中与在所述Z坐标方向上的所述相对移动同步，由所述检测器记录所述结构的多个图像，且还与所述成像同步来确定所述平台在所述X和Y坐标方向上的位置；

使所述平台在由所述X和Y坐标方向界定的平面中横穿一距离至少一次，且也使所述测量窗口偏移此距离；

执行在与所述Z坐标方向相反的方向上的相对移动至少一次，其中与在所述Z坐标方向上的所述相对移动同步，由所述检测器记录所述结构的多个图像，且还与所述成像同步来确定所述平台在所述X和Y坐标方向上的位置；以及

在所述Z坐标方向上和所述相反方向上的所述相对移动期间，根据与所述结构的所述记录的图像同步而记录的Z位置，并根据针对每个图像所确定的所述平台的位置，来确定所述结构的至少一个实际位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中通过至少一个激光干涉仪来获得成像期间所述平台的位置，其中所述激光干涉仪的光具有波长λ_Laser。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中在所述测量过程之前，获得所述平台在由所述X和Y坐标方向界定的所述平面中横穿的所述距离的适当值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述平台在由所述X和Y坐标方向界定的所述平面中横穿的所述距离对应于所述激光干涉仪的所述波长λ_Laser的四分之一的整数倍。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于其中所述平台在由所述X和Y坐标方向界定的所述平面中横穿的所述距离对应于所述激光干涉仪的所述波长λ_Laser的四分之一。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于其中所述平台在由所述X和Y坐标方向界定的所述平面中横穿的距离由在所述X坐标方向上的分量和在所述Y坐标方向上的分量组成，其中所述两个分量具有不同量值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中执行在所述Z坐标方向上和在所述相反方向上的所述相对移动和所述结构的多个图像的同步成像至少两次，其中所述平台在由所述X和Y坐标方向界定的所述平面中横穿不同距离。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中在第一次通过所述Z坐标方向上的所述相对移动之后，动态地修改所述Z坐标方向上的范围。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述检测器具有第一和第二预定的测量窗口，其中所述第二测量窗口相对于所述第一测量窗口旋转90°。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述各测量窗口为四边形。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述各四边形的尺寸不同。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述测量物镜在所述Z方向上的所述相对移动的所述横穿距离在所使用的每个测量物镜的焦深范围内。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述测量物镜在所述Z方向上的所述相对移动包括数十nm到数μm。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中执行所述Z坐标方向上的所述相对移动一次，所述平台在由所述X和Y坐标方向界定的所述平面中横穿一距离，且其中与所述Z坐标方向相反的方向上的所述相对移动被执行一次。

15.一种以高精确度测量衬底上至少一个结构的坐标的方法在一设备中的用途，其特征在于所述衬底放置在平台上，所述平台可在干涉式光学测量系统中在X/Y坐标方向上移动，且其中所述衬底上的所述结构经由测量物镜成像到至少一个检测器上，所述测量物镜的光轴在Z坐标方向上对准，所述用途在于确定结构的位置或结构的结构宽度或衬底的重叠数据。

16.根据权利要求15所述的用途，其特征在于其中所述方法包括以下步骤：

以所述衬底上的结构定位在所述检测器的至少一个预定的测量窗口中的方式使所述可在所述X/Y坐标方向上移动的平台横穿；

执行所述Z坐标方向上的相对移动至少一次，其中与所述Z坐标方向上的所述相对移动同步，由所述检测器记录所述结构的多个图像，且还与所述成像同步来确定所述平台在所述X和Y坐标方向上的位置；

使所述平台在由所述X和Y坐标方向界定的平面中横穿一距离至少一次，且也使所述测量窗口偏移此距离；

执行与所述Z坐标方向相反的方向上的相对移动至少一次，其中与所述Z坐标方向上的所述相对移动同步，由所述检测器记录所述结构的多个图像，且还与所述成像同步来确定所述平台在所述X和Y坐标方向上的位置；以及

在所述Z坐标方向上和所述相反方向上的所述相对移动期间，根据与所述结构的所述记录的图像同步而记录的Z位置，并根据针对每个图像来确定的所述平台的位置，以确定所述结构的至少一个实际位置。

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