CN104321703A - 位置测量方法、位置测量设备、光刻设备以及装置制造方法、光学元件 - Google Patents

位置测量方法、位置测量设备、光刻设备以及装置制造方法、光学元件 Download PDF

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Abstract

设备(AS)测量在光刻衬底(W)上的标记(202)的位置。照射装置(940、962、964)从至少第一和第二区域提供离轴辐射。第一和第二源区域相对于光轴(O)在直径上彼此相对并且限定在角范围内。区域可以是根据被测量的标记的周期性方向而选择的小光斑，或者更大区段。可以通过在单个源馈送位置提供辐射至自参考干涉仪而产生在源区域的所选配对处的辐射。改良的半波片位于干涉仪的下游，其可以用于位置测量设备中。改良的半波片使其在一个部分中的主轴相对于在在直径上相对的另一部分中的快轴成45°。

Description

位置测量方法、位置测量设备、光刻设备以及装置制造方法、光学元件
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2012年4月12日提交的美国临时申请61/623,391的优先权，并且将其通过整体引用并入本文。
技术领域
本发明涉及位置测量方法和设备。该方法和设备可以用于测量在衬底上的标记的位置。本发明在其他方面提供了一种光刻设备和装置制造方法，以及也提供了一种光学元件。
背景技术
光刻设备是将所需图案施加至衬底上(通常施加至衬底的目标部分上)的机器。光刻设备可以用于例如在集成电路(IC)的制造中。在该情形下，备选地称作掩模或掩模版的图案形成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裸片的部分)上。图案的转移通常是经由向辐射敏感材料(抗蚀剂)的层上成像而被提供在衬底上。通常，单个衬底将包含连续图案化的相邻目标部分的网络。已知的光刻设备包括其中通过一次将整个图案暴露至目标部分上而照射每个目标部分的、所谓的步进机，以及其中通过沿给定方向扫描通过辐射束的图案、同时与该方向平行或反平行同步扫描衬底而照射每个目标部分的、所谓扫描机。也可以通过将图案压印至衬底上而将图案从图案形成装置转移至衬底。
为了控制光刻工艺以在衬底上精确地放置装置特征，对准标记通常设置在衬底上，并且光刻设备包括由此必需精确测量衬底上的标记位置的一个或多个对准传感器。这些对准传感器是有效的位置测量设备。不同类型的标记和不同类型的对准传感器对于不同的时期和不同制造商是已知的。当前光刻设备中广泛使用的传感器类型是基于US6961116(den Boef等人)中所述的自参考干涉仪。通常单独地测量标记以获得X和Y位置。然而，可以使用已公开专利申请US2009/195768A(Bijnen等人)中所述的技术执行组合的X和Y测量。这两个公开的内容通过引用并入本文。
存在持续不断的需求以提供更精确的位置测量，尤其是用以随着产品特征变得越来越小而控制重叠误差。为此目的，考虑了减小对准标记中使用的光栅线条的间距。与此同时，这产生了对于新仪器的需求并且潜在地破坏了已有的技术秘诀和基础结构。任何新传感器应该与现有类型的标记兼容并且在使用中精确，而不仅是对于新标记。新传感器的处理需求不应损害在吞吐量方面的性能。
发明内容
在第一方面中本发明的目的在于提供一种位置测量设备，例如光刻设备中的对准传感器，其与减小的间距标记和传统的标记兼容，并且其不需要设备的彻底设计。
本发明在第一方面提供了一种测量衬底上的标记的位置的方法，所述标记包括沿至少第一方向成周期性的特征，所述方法包括：
经由物镜采用辐射光斑照射所述标记，以及经由相同的物镜接收由所述标记衍射的辐射；
在自参考干涉仪中处理所述衍射的辐射；
在采用所述辐射光斑扫描所述标记时，检测由所述干涉仪输出的辐射强度的变化；以及
从检测到的变化计算所述标记沿至少第一测量方向的位置，
其中，使用来自约束至所述物镜的光瞳内的外围部分的源区域的辐射来形成所述辐射光斑，所述源区域包括相对于所述物镜的光轴在直径上彼此相对、并且相对所述光轴被限定在角范围内的至少第一区域和第二区域。
本发明在第二方面中提供了一种用于测量衬底上的标记的位置的设备，所述设备包括：
照射装置，用于跨所述设备的光瞳提供具有预定照射分布的辐射；
物镜，用于使用由所述照射装置提供的辐射来形成在标记上的辐射光斑，而沿扫描方向跨所述标记扫描所述辐射光斑；
自参考干涉仪，用于处理由所述标记衍射并且再次进入所述物镜的辐射；以及
检测装置，用于检测在所述扫描期间由所述干涉仪输出的辐射强度的变化，以及用于从检测到的变化计算所述标记沿至少第一测量方向的位置，
其中为了测量包括沿至少第一方向成周期性的特征的标记的位置，所述照射分布包含来自约束至所述物镜的光瞳内的外围部分的源区域的辐射，所述源区域包括相对于所述物镜的光轴在直径上彼此相对、并且相对所述光轴被限定在角范围内的至少第一区域和第二区域。
在本发明的实施例中，所述第一源区域和所述第二源区域沿与所述标记的周期性的所述第一方向横切的方向相互偏移。
具有对应于每个所述源区域的镜像部分的分束器可以用于将辐射从所述源区域转移至所述物镜中，其中用于每个源区域的所述镜像部分也用于阻止来自在直径上相对的源区域的辐射在从所述标记零阶反射之后进入所述干涉仪。
在一些实施例中，照射装置包括第二自参考干涉仪，所述第二自参考干涉仪设置用于从在单个源馈送位置处提供至所述第二干涉仪的辐射在所述第一源区域和所述第二源区域处产生相干辐射，所述第一源区域和所述第二源区域由所述源馈送位置确定。第二自参考干涉仪可以具有与处理步骤中使用的自参考干涉仪一样的一个或多个光学元件(也即来自干涉仪的光均可以通过相同的光学元件或者甚至所使用的所有光学元件)。可以在其它技术领域中请求保护和使用用于产生围绕光轴对称的两个相干源的该光学设置，不限于对准传感器或光刻设备。
在该实施例中，所述照射装置可以进一步包括用于当在所述第一源区域和所述第二源区域处的辐射来自具有不同偏振的所述第二干涉仪时、调整在一个所述区域处的所述辐射的偏振以与另一位置的处偏振相匹配的装置。所述装置可以包括改良的半波片，其快轴在对应于所述光瞳的所述第一源区域和所述第二源区域的部分中被不同地定向。所述改良的半波片可以具有在第一部分中平行于所述第二干涉仪的主轴的快轴，并且在第二部分中具有与所述主轴成45度的快轴，所述第一部分和所述第二部分相对于所述光轴定位为在直径上彼此相对。
本发明在第三方面中提供了一种用于选择性调整在光学系统的光瞳中不同位置处的辐射的偏振的光学元件，所述元件有效地包括半波片，所述半波片的快轴在在所述光瞳的不同区域中被不同地定向。所述改良的半波片的所述第一和第二部分可以覆盖光瞳的相应半边，其中所述半边之间的边界被定位以使得不与所述源区域干涉。
本发明进一步提供了一种设置用于将图案从图案形成装置转移至衬底上的光刻设备，该设备包括被构造用于保持衬底的衬底台，以及用于测量衬底上的标记相对于光刻设备的参考框架的位置的对准传感器，其中对准传感器包括根据如上所述本发明第二方面的测量设备。
本发明又进一步提供了一种制造装置的方法，其中使用光刻工艺将图案从图案形成装置转移至衬底上，并且其中通过参考了使用如上所述根据本发明的方法测得的衬底上的标记的位置而控制将图案向衬底上的转移。
附图说明
现在将参照其中对应参考符号表示对应部件的示意性附图、仅借由示例的方式描述本发明的实施例，并且其中：
图1示出了根据本发明实施例的包括形成了测量设备的对准传感器的示例性光刻设备；
图2包括图2(a)和图2(b)，示出了可以设置在图1的设备中的衬底上的对准标记的各种形式；
图3是扫描图1的设备中的对准标记的已知的对准传感器的示意框图；
图4是示出了使用分段照射分布的改良对准传感器的光学系统的更详细示例性示意图；
图5示出了各种离轴照射分布，导致衍射信号，并且导致在形成了本发明实施例的创新位置测量设备中输出、并且可用作图1的设备中的对准传感器的自参考干涉仪；
图6类似于图5，示出了各种离轴照射分布，导致衍射信号，并且导致采用减小间距的标记输出的自参考干涉仪；
图7和图8是根据本发明第一和第二实施例的实施了离轴照射的位置测量设备的示意图；
图9示出了图7和图8的实施例中可用的可旋转场阑的形式和功能；
图10是根据本发明第三实施例的实施了离轴照射的位置测量设备的示意图；
图11是根据本发明第四实施例的实施了离轴照射的位置测量设备的示意图；
图12和图13示出了图11的设备的操作以读取相对于标记的光栅线条具有不同偏振的X方向标记的位置；
图14示出了使用图11的设备产生八个不同照射分布；
图15示出了图11的设备的修改例；
图16是根据图11的设备的另一修改例的定位设备的示意图；以及
图17示出了当使用图11的设备以测量标记的非对称性时的照射分布和衍射信号。
具体实施方式
图1示意性示出了根据本发明一个实施例的光刻设备。该设备包括：
照射系统(照射器)IL，被配置用于调节辐射束B(例如UV辐射或EUV辐射)；
支撑结构(例如掩模台)MT，被构造用于支撑图案形成装置(例如掩模)MA，并且连接至被配置用于根据某些参数精确定位图案形成装置的第一定位器PM；
衬底台(例如晶片台)WTa或WTb，被构造用于保持衬底(例如涂覆了抗蚀剂的晶片)W，并且连接至被配置用于根据某些参数精确定位衬底的第二定位器PW；以及
投射系统(例如折射投射透镜系统)PS，被配置用于将由图案形成装置MA施加至辐射束B的图案投射至衬底W的目标部分C(例如包括一个或多个裸片)上。
照射系统可以包括用于引导、成形或控制辐射的各种类型的光学部件，诸如折射、反射、磁性、电磁、静电或其他类型的光学部件，或者其任意组合。
支撑结构支撑图案形成装置，也即承载了其重量。其以取决于图案形成装置的朝向、光刻设备的设计、以及其他条件的方式来保持图案形成装置，其他条件诸如例如图案形成装置是否被保持在真空环境中。支撑结构可以使用机械、真空、静电或其他夹持技术来保持图案形成装置。支撑结构可以是框架或台，例如根据需要可以是固定或者可移动的。支撑结构可以确保图案形成装置例如相对于投射系统在所需位置处。在本文中术语“掩模版”或“掩模”的任何使用可以视作与更通用术语“图案形成装置”含义相同。
在本文中使用的术语“图案形成装置”应该广泛地解释为涉及可以用于在其截面中对辐射束施加图案以便于在衬底的目标部分中形成图案的任何装置。应该注意的是施加至辐射束的图案可以不精确地对应于衬底的目标部分中所需的图案，例如如果图案包括相移特征或者所谓的辅助特征。通常，施加至辐射束的图案将对应于在目标部分中正在形成的器件中的特定功能层，诸如集成电路。
图案形成装置可以是透射或反射式的。图案形成装置的示例包括掩模、可编程镜面阵列、以及可编程LCD面板。掩模在光刻中是已知的，并且包括诸如二元、交替相移、和衰减相移之类的掩模类型，以及各种混合掩模类型。可编程镜面阵列的示例采用了小镜面的矩阵设置，每一个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反射的辐射束中施加了图案。
在本文中使用的术语“投射系统”应该广泛地解释为包括任何类型投射系统，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，如应用于正在使用的曝光辐射，或者用于诸如使用沉浸液体或使用真空的其他因素。在本文中对术语“投射透镜”的任何使用可以视作与更通用术语“投射系统”含义相同。
如在此所述，设备是透射型(例如采用了投射掩模)。备选地，设备可以是反射型(例如采用了如上所述类型的可编程镜面阵列，或者采用了反射性掩模)。
光刻设备可以是具有两个(双平台)或多个衬底台(和/或两个或更多掩模台)的类型。在该“多平台”机器中，额外的台可以并行使用，或者可以对一个或多个台执行预备步骤，而使用一个或多个其他台以用于曝光。图1示例中的两个衬底台WTa和WTb示出了该情形。在本文中所述的本发明可以以单独方式使用，但是特别地其可以在单平台或多平台设备的预曝光测量阶段中提供额外的功能。
光刻设备也可以是其中由具有相对高折射率的液体(例如水)覆盖衬底的至少一部分的类型，以便于填充投射系统与衬底之间的空间。沉浸液体也可以施加至光刻设备中其他空间，例如掩模与投射系统之间。沉浸技术在用于增大投射系统的数值孔径的领域中是广泛已知的。在本文中使用的术语“沉浸”并非意味着诸如衬底的结构必需浸入液体中，而是仅意味着在曝光期间液体位于投射系统与衬底之间。
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单独实体，例如当源是受激准分子激光器时。在这些情形中，源并未视作形成了光刻设备的一部分，并且辐射束借助于包括例如合适的引导镜面和/或扩束器的束输送系统BD而从源SO传递至照射器IL。在其他情形中，源可以是光刻设备的整体部分，例如当源是水银灯时。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可以包括用于调整辐射束的角强度分布的调节器AD。通常，可以调整在照射器的光瞳面中的强度分布的至少外径向范围和/或内径向范围(通常分别称作σ-外和σ-内)。此外，照射器IL可以包括各种其他部件，诸如积分器IN和冷凝器CO。照射器可以用于调节辐射束，以在其截面中具有所需的均匀性和强度分布。
辐射束B入射在被保持于支撑结构(例如掩模台MT)上的图案形成装置(例如掩模MA)上，并且由图案形成装置进行图案化。通过遍历掩模MA，辐射束B通过将束聚焦至衬底W的目标部分C上的投射系统PS。借助于第二定位器PW和位置传感器IF(例如干涉仪装置，线性编码器或电容传感器)，衬底台WTa/WTb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)可以用于例如在从掩模库机械检索之后或者在扫描期间相对于辐射束B的路径而精确地定位掩模MA。通常，可以借助于形成第一定位器PM的一部分的长冲程模块(粗略定位)和短冲程模块(精细定位)而实现掩模台MT的移动。类似地，可以使用形成第二定位器PW的一部分的长冲程模块和短冲程模块实现衬底台WTa/WTb的移动。在步进机的情形中(如与扫描机相反)，掩模台MT可以仅连接至短冲程致动器，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。尽管如所示的衬底对准标记占据了指定专用的目标部分，它们可以位于目标部分之间的空间中(这些已知作为划片线对准标记)。类似地，在其中多于一个裸片设置在掩模MA上的情形中，掩模对准标记可以位于裸片之间。
所示设备可以用于以下模式的至少一个：
1、在步进模式中，掩模台MT和衬底台WTa/WTb保持基本上固定，此时施加至辐射束的整个图案一次性投射至目标部分C上(也即单次静态曝光)。衬底台WTa/WTb随后沿X和/或Y方向偏移以使得可以曝光不同的目标部分C。在步进模式中，曝光场的最大尺寸限制了单次静态曝光中成像的目标部分C的尺寸。
2、在扫描模式中，掩模台MT和衬底台WTa/WTb同步被扫描，此时施加至辐射束的图案投射至目标部分C上(也即单次动态曝光)。衬底台WTa/WTb相对于掩模台MT的速率和方向可以由投射系统PS的(缩小)放大率和成像翻转特性而确定。在扫描模式中，曝光场的最大尺寸限制了在单次动态曝光中目标部分的宽度(沿非扫描方向)，而扫描运动的长度确定了目标部分的高度(沿扫描方向)。
3、在另一模式下，掩模台MT保持基本上静止，从而保持可编程图案形成装置，并且衬底台WTa/WTb被移动或被扫描，此时施加至辐射束的图案投射至目标衬底C上。在该模式中，通常采用脉冲辐射源，并且在衬底台WTa/WTb的每一次移动之后或者在扫描期间的相继辐射脉冲之间根据需要更新可编程图案形成装置。该操作模式可以容易地应用于无掩模光刻，其利用了诸如如上所述类型的可编程镜面阵列之类的可编程图案形成装置。
也可以采用对如上所述的使用模式的组合和/或改变或者完全不同的使用模式。
光刻设备LA是所谓的双平台型，其具有两个衬底台WTa和WTb，以及衬底台可以在两者之间交换的两个站点－曝光站点和测量站点。当一个衬底台上的一个衬底在曝光站点处曝光时，另一衬底可以被加载到测量站点处的另一衬底台上以使得可以执行各种预备步骤。预备步骤可以包括使用水平传感器映射衬底表面，以及使用对准传感器AS测量衬底上的对准标记的位置。这使得设备的吞吐量大幅增长。如果位置传感器IF当其在测量站点处以及在曝光站点处时不能够测量衬底台的位置，可以提供第二位置传感器以在两个站点处追踪衬底台的位置。
设备进一步包括光刻设备控制单元LACU，其控制所描述的各种致动器和传感器的运动和测量。LACU也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所需计算。实际上，控制单元LACU将被实现为许多子单元的系统，每一个子单元操纵实时数据采集，处理并且控制设备内的子系统或部件。例如，一个处理子系统可以专用于衬底定位器PW的伺服控制。单独的单元可以甚至操纵粗略和精细致动器，或不同轴线。另一单元可以专用于读出位置传感器IF。设备的总体控制可以由中央处理单元控制，中央处理单元与这些子系统处理单元、与操作器、以及与光刻制造工艺中涉及的其他设备通信。
图2(a)示出了设置在衬底W上以用于分别测量X位置和Y位置的对准标记202、204的示例。在该示例中每个标记包括形成在产品层或者施加至待刻蚀进入衬底中的其他层的一系列栅条。栅条规则间隔并且用作光栅线条以使得标记可以视作具有已知的空间周期(间距)的衍射光栅。在X方向标记202上的栅条平行于Y轴线以提供沿X方向的周期性，而Y方向标记204的栅条平行于X轴线以提供沿Y方向的周期性。对准传感器AS(图1所示)采用辐射光斑206、208光学扫描了每个标记，以获得周期性改变的信号，诸如正弦波。分析该信号的相位以测量标记的位置，以及因此测量衬底W相对于对准传感器的位置，衬底接着相对于设备的参考框架RF固定。扫描运动由宽箭头示意性示出，具有以虚线轮廓示出的光斑206或208的前进位置。对准图案中栅条(光栅线条)的间距通常远大于将要形成在衬底上的产品特征的间距，并且对准传感器AS使用远长于将要用于施加图案至衬底的曝光辐射的辐射波长(或者通常多个波长)。然而可以获得精细位置信息，因为栅条的大数目允许精确测量重复信号的相位。
可以提供粗略和精细标记，以使得对准传感器可以区分周期性信号的不同周期，以及周期内的准确位置(相位)。不同间距的标记也可以用于此目的。这些技术对于本领域技术人员也是已知的，并且在本文中不再赘述。这些传感器的设计和操作在本领域是已知的，并且每个光刻设备可以具有其自有的传感器设计。为了本说明书的目的，将假设对准传感器AS大体是US6961116(den Boef等人)中所述的形式。图2(b)示出了用于类似对准系统的改良标记，其中可以采用照射光斑206通过单次光学扫描获得X和Y位置。标记210具有相对于X和Y轴线均成45度设置的栅条。可以使用已公开专利申请US2009/195768A(Bijinen等人)中所述的技术执行该组合的X和Y测量，其内容通过引用并入本文。
图3是已知的对准传感器AS的示意性框图。照射源220提供多个波长之一的辐射的束222，其由光斑镜面223通过物镜224转移至位于衬底W上的标记上，诸如标记202。如图2示意性所示，在如上所述基于US6961116的本对准传感器的示例中，通过其照射标记202的照射光斑206可以直径稍微小于标记自身的宽度。
由标记202散射的辐射由物镜224拾取并且校准为信息承载束226。自参考干涉仪228是如上所述US’116中所述的类型，并且处理了束226以及将单独的束输出至传感器阵列230上。光斑镜面223方便地用作在该点处的零阶停止器，以使得信息承载束226仅包括来自标记202的高阶衍射辐射(这对于测量并非是必需的，但是改进了信噪比)。来自传感器网格230中单个传感器的强度信号232提供至处理单元PU。通过将组块228中的光学处理与单元PU中的计算处理相结合，输出了相对于参考框架RF的衬底上X和Y位置的数值。处理单元PU可以与如图1所示的控制单元LACU独立，或者它们可以共用相同的处理硬件，作为设计选择和方便性的事项。其中单元PU是独立的，信号处理的一部分可以在单元PU中执行，而另一部分在单元LACU中执行。
如已经所述的，所示类型的单个测量仅在对应于标记的一个间距的某些范围内固定标记的位置。粗略测量技术与这一点结合使用以标识正弦波的哪个周期是包含已标记位置的周期。为了提高精确度、以及为了标记的稳健性检测而在不同波长下重复在粗略和/或精细水平下的相同过程，不论制成标记的材料以及其位于何处。波长可以光学地多路复用和多路解复用以便于同时处理，和/或它们可以由时间划分或者频率划分而多路复用。本公开中的示例将涉及仅在一个波长下的一个测量，并且本领域技术人员可以容易地知晓扩展该教导以提供实际和稳健的测量设备(对准传感器)所需的修改。
更详细参照测量过程，图3中标注为vw的箭头示出了光斑206遍历标记202的长度L所采用的扫描速率。在该示例中，对准传感器AS和光斑206实际上保持静止，而同时衬底W以速率vw移动。对准传感器可以因此刚性地并且精确地安装至参考框架RF(图1)，而同时沿与衬底W的运动方向相反的方向有效地扫描标记202。在该运动中通过其安装在衬底台WT和衬底定位系统PW上来控制衬底。
如本申请优先权日尚未公开的、在先专利申请US 13/369,614中所讨论的那样，光刻设备所需的高吞吐量需求要求尽可能快地执行对衬底上大量位置处的对准标记的测量，这暗示了扫描速率vw是快速的，并且可用于采集每个标记位置的时间TACQ是对应地短的。简言之，适用公式TACQ＝L/vw。在先申请US13/369,614描述了一种用于施加光斑的相对扫描移动的技术，以便于增长采集时间。相同的扫描光斑技术如果需要的话可以应用于在本文中所述的新型传感器和方法。
对于对准具有更小光栅间距的标记感兴趣。真实制造中重叠通常远大于待测条件。调查提出这是由于产品晶片上的对准标记在处理期间变得不对称。减小对准标记的间距降低了不对称性对于测得的对准位置的影响。
本领域技术人员知晓用于减小对准光栅间距的一些选项是(i)缩短所使用的辐射的波长，(ii)增大对准传感器光学器件的NA以及(iii)使用离轴照射。更短的波长并非总是可行，因为对准光栅通常位于吸收薄膜(例如非晶碳硬掩模)下方。增大NA通常是可行的，但是不是优选的，因为存在采用与晶片的安全距离而对于小型化目标的需求。因此使用离轴照射是吸引人的。
采用分段照射分布的位置测量
图4示出了如上所述的在先公开US6,961,116中所述的对准传感器的光学系统500。这介绍了特定的分段照射模式，其中允许减小对准标记的间距以用于更大的精确度，并且其允许采用对准传感器执行散射测量法类型的测量，而不是采用单独的散射仪仪器。可以基于也如上所述的公开文本US2009/195768做出另外的修改例，以使得可以同时执行X和Y位置的测量。为了本示例的目的，应该假设仅沿一个方向执行位置的测量。
为了便于与图3的示意图比较，采用类似于图3中所使用的那些附图标记标注光学系统500的一些部件，但是采用前缀“5”替代“2”。因此，我们见到了光源520，照射束522，物镜524，信息承载束526，自参考干涉仪528，以及检测器530a和530b。来自这些检测器的信号532a和532b由处理单元PU处理，合适地修改了处理单元以实施如下所述的创新特征。具有数个分支的光轴O由贯穿光学系统500的虚线所示。在该更详细示意图中所示的额外部件如下。在照射子系统540中，来自源520的辐射经由光纤542输送至其进入包括透镜544和546的光学系统所处的点。自然，其中每个透镜由单个元件示意性示出，实际的实施例实际上可以包括元件的群组。也可以使用反射性光学元件。在透镜544和546之间，由来自源的辐射形成的束是平行的，并且通过平面P’，这是物镜524的光瞳面P的背投影。固定的或可配置的照射孔径548设置在该平面中，以允许照射的特殊模式，诸如图5(j)中所示的对称、分段照射图案。标注为a和b的两个在直径上相对的象限在该孔径图案中是明亮的(透明)，而另外两个象限是黑暗的(不透明)。该类型的孔径在散射测量法设备中是已知的，来自公开的专利申请US2010/201963。以下将进一步描述该修改的照射孔径的优点。在由固定镜面550衍射并且由透镜552校准之后，照射束522从照射子系统540输送至分束器554，分束器554从信息承载束526分离了照射束522，传播至并且从衬底W直接通过物镜524。
现在涉及对信息承载束526的处理，其以与US6,961,116的已知对准传感器相同的方式传入自参考干涉仪528中。干涉仪528示出为简化的二维设置，但是实际上其包括棱镜和其他元件的三维设置，如现有专利中所述。类似地，在此为了明晰而省略了作为干涉仪一部分的偏振元件。自参考干涉仪528的功能如已知示例中那样是用以接收信息承载束526，将其拆分为两个相同部分，将这些部分相对于彼此旋转180°，并且将这些部分再次组合为输出的束582。另外的透镜584和586与固定的偏转镜面588一起将该束输送至包括偏振分束器592和检测器530a和530b的检测子系统590。
分束器592产生了相互反相位的两个干涉图案。因此，如果干涉仪528在检测器530a上一个点处产生相消干涉，则在检测器530b上对应的点处将存在相长干涉。通过从两个检测器530a和530b减去信号，可以减小普通模式强度噪声的影响，并且因此从作为整体的对准传感器获得更精确的输出。
然而，在图3的已知的对准传感器中，检测器230布置在对应于衬底W平面的图像平面中，改良的光学系统500中检测器530a和530b位于平面P”中，平面P”与物镜524的光瞳面P共轭。每个检测器530a和530b可以是图像传感器，例如CCD相机传感器。备选地，可以采用个体点传感器替代图像传感器，如插图中详细标注的530a、530b所示。在每种情形下，在平面P”处的辐射场并不是衬底的图像，而是与照射孔径548共轭的、标记202的衍射光谱。在该类型的检测系统中，仍然可以获得对于获得标记202的定位信息所需的对准信号，但是由检测器530a和530b检测到的光瞳面图像额外地可以用于分析衬底W上的标记或其他特征的额外特性，以执行散射测量。例如，可以分析对准和/或重叠目标的非对称性，其例如促进了对器件层之间重叠误差的测量。
如在未公开的在先申请US13/369,614中所述，使用对准传感器而不是单独仪器来测量目标非对称性的优点在于，消除了对准传感器与重叠测量设备之间的定位误差。另一优点在于，关于标记中的非对称性的信息可以用于改进使用传感器得到的位置测量的精度。这是因为非对称性可以在所报告的位置中引入系统性误差，其可以使用非对称性的知识以及合适的公式校正。
当由孔径548提供的照射图案具有图5中标注a和b的明亮象限时，沿给定方向由对准标记202的线条从衍射得到的衍射图案由548’处的图案表示。在该图案中，除了标注a0和b0的零阶反射之外，存在标注为a-1、a+1、b-1、b+1的一阶衍射信号。因为照射孔径的其他象限是黑暗的，并且更通常因为照射图案具有180°的旋转对称性，衍射阶a-1和b+1是“自由的”，意味着它们不与来自照射孔径的其他部分的零阶或高阶信号重叠。可以利用分段照射图案的该特性以从衍射光栅(对准标记)获得清晰的一阶信号，衍射光栅具有的间距是如果使用传统圆对称的照射孔径可以成像的最小间距的一半。该衍射图案548’和散射测量法可以采用的方式描述在已知的申请US2010/201963中。在对准传感器光学系统500的干涉仪528中，也形成了图5中示出并且标注为548”的、衍射图案548’的180°旋转的副本，并且与图案548’混合。这些图案将在对准标记202的扫描期间相互干涉，以便于提供位置信号。
与商业上广泛使用的US’116的传感器相比，图4的改良传感器不仅需要孔径548的改变，而且需要在干涉仪528下游的完全不同的检测装置。然而已知的对准传感器可以简单地将整个光场积分为单个强度数值，平面P”中的强度需要空间解析以分离存在于光瞳面图像的不同部分中的高阶信号，并且忽略零阶信号。检测光学元件的重新设计减小了与现有设计的兼容性。在其中传感器530a和530b是图像传感器的版本中，提供具有维持吞吐量所需性能水平的传感器和电子器件是复杂并且昂贵的。在其中使用仅在光学系统的光瞳图像平面P”的区域中的某些点处收集辐射的检测器530a’和530b’的情况下，仍然必需重新设计光学系统以提供在检测器处的空间分辨率。仅在某些位置处取样强度也暗示丢弃了大量光，减小了操作的精确度和/或速度，或者需要更昂贵的检测器。此外，因为图4设备的操作组合了从宽范围的入射角度入射在标记上的辐射，每一个入射角度经历了稍微不同的传感器象差，所以总体测量结果对于工艺变化更敏感。另外，当分段照射分布适用于减小间距的标记时，其不适用于当前使用的粗间距标记。这是因为用于粗间距标记的各个高阶+1、+2等等分布更紧密并且开始重叠。因此，为了使用分段孔径，实际上当测量传统标记时将需要在适当位置放置机械装置以置换出孔径。
在现在将参照在前图5描述的示例中，示出了对准传感器(更具体而言，位置测量设备)，其允许使用减小的光栅间距而无需在检测器侧的空间分辨率。通过使用创新的照射模式，这些设备能够测量具有大量不同间距的标记的位置，例如从小于1μm至20微米的间距，无需改变当前检测器设计并且无需改变照射分布。
对于将要描述的示例共同的第一特征是在入射角的受限范围下使用离轴照射(在光瞳面中受限的径向范围)。通过离轴照射，意味着辐射的源区域约束至光瞳的外围部分，也即离开光轴某一距离。约束照射至光瞳的最外围将对准标记的最小可能间距从基本上λ/NA减小至基本上λ/2NA，其中λ是所使用的辐射的波长，以及NA是仪器(例如对准传感器或更具体而言位置测量设备)的物镜的数值孔径。将要描述的示例也使用在设备的分束器中的光斑镜面的特定分布，这可以既提供所需的照射又用作零阶衍射辐射的场阑。可以设计“普遍的”照射分布，其允许对准任意X、Y和XY标记而无需改变照射模式，尽管这不可避免地带来了性能折衷和/或设备的一些复杂性。备选地，可以设计并且使得专用模式可选择用于不同标记类型。也可以选择照射的不同偏振。
在将要描述的所有分布中，照射分布如此以便于从物镜的光瞳内的至少第一和第二源区域提供相干辐射。第一和第二区域约束至所述光瞳的外围部分(某种意义上至少远离光轴)。它们均限定在角范围中并且相对于光轴定位为在直径上彼此相对。如从示例中可见，源区域可以采取非常小的光斑的形式，或者可以在形式上更扩展。可以提供其他源区域，特别是可以提供从第一和第二区域以90°旋转的第三和第四源区域。设备作为整体不必限定于提供这些特定照射分布。其可以具有其他使用模式，均已知或者尚未开发的，它们支持使用不同分布。示例将是轴上照射分布，为了与现有的标记和测量方法兼容。
首先参照图5和图6，我们讨论对于用于图2(a)和图2(b)中所示的不同标记类型的离轴照射模式的选择。在图3的已知传感器中，通过使用与衬底正交的照射，在任何方向(X、Y和XY)上发生的衍射光斑将安全地落入光学系统的光瞳内，只要光栅间距是λ/NA或更小。当+n阶与-n阶重叠时，可以提取对准信号。这是使用自参考干涉仪228完成的。当我们意欲使用离轴照射时，如本发明中，所有3个光栅方向应该在单个照射模式下得到支持，或者由硬件中易于选择的模式支持。
图5示意性示出了(a)所需离轴照射分布，(b)得到的衍射光斑以及(c)在干涉仪之后具有X轴线朝向的标记(图2(a)中202)所需的光瞳面图像。图5中的标记具有与已知的对准传感器兼容的间距。每个图中的圆代表光学系统的光瞳，而标记中的周期性方向由穿过圆的虚线表示。在(a)中，两个照射光斑在直径上彼此相对地定位，提供具有围绕光轴(O，未示出)180°对称性的照射分布。(本领域技术人员将理解，这些光斑存在于光瞳面中，并且不会与标记自身上的光斑混淆，或者在标记的图像中。另一方面，光瞳面中180°也等价于图像平面中180°旋转。)光斑并未位于X轴线(虚线)上，而是以小角度从其偏移。因此，光斑沿与X轴线横切的方向相互偏移，也即，横切于光栅的周期性的方向。在(b)处，我们看到了得到的由对准标记202的光栅引起的衍射图案。对于一个光斑，衍射阶+1和+2在光瞳内。对于另一光斑，衍射阶-1和-2在光瞳内，在从阶+1和+2以180°旋转的位置处。每个光斑的零阶衍射(镜面反射)精确地与另一光斑的位置相符。
因为已经所述的偏移，每个光斑的衍射阶与其他光斑的衍射阶保持分离，不论光栅的间距。可以设想其中不存在偏移的设备，并且照射光斑精确地位于X、Y和/或XY轴线上。然而该设置对于标记间距与可以使用的辐射波长的组合具有许多约束，如果为了避免衍射阶之间的不希望的重叠，以及为了避免阻挡需要的衍射阶。在其中使用宽频带或多色辐射的实施例中，高阶衍射信号将不是如在本文中所示的单个光斑，而是将扩展为一阶光谱、二阶光谱等等。阶之间不希望的重叠的潜在可能性因此增大。在此仅为了简明而将阶表示为光斑。
图5(c)示出了在(b)处通过混合了标记图像的180°旋转副本的干涉仪传送衍射信号得到的结果。假设0阶光斑被场阑阻挡。该场阑的简单实施方式将描述在以下示例中。每个高阶的正信号和负信号被重叠，并且如由+1/-1、+2/-2等所示变得混合。假设原始照射光斑相互相干，效果与单个照射光斑的正阶和负阶混合的效果相同。因此位置测量设备的干涉仪、检测光学装置和检测电子装置可以与图3的已知设备中的相同。
图6(a)、图6(b)和图6(c)示出了用于X方向标记的对应的照射分布、衍射图案以及干涉仪输出，该X方向标记具有图5中使用的标记的间距一半。在该情形中，仅阶+1和-1落入光瞳内，但是这足以用于标记位置的标识，并且表示了基本上为λ/2NA(也即已知仪器中采用的一半)的光栅间距的下限值。
在图5和图6中，部分(d)、(e)和(f)类似地示出了设计用于Y方向标记(图2(a)中204)的照射模式的照射分布、衍射图案和干涉仪输出。相对于图5和图6的部分(a)、(b)和(c)如上所述的每一个等同地应用于这些部分。
在图5和图6中，部分(g)、(h)和(i)示出了用于XY标记(图2(b)中210)的照射分布。因为标记具有相对于X和Y轴线均成45°的不同朝向的光栅线条的部分，两个光斑配对设置在照射分布中。如在X和Y情形中，每个配对的光斑在直径上彼此相对定位，并且沿与光栅的周期性的方向横切的方向而相互轻微偏移。注意到的是，当扫描XY标记时，光斑的两个配对无需同时存在：每个配对可以切换以用于扫描标记的具有对应的周期性方向的部分。即便两个光斑配对同时被照射，由物镜从衬底接收的衍射阶将仅是对应于正在扫描的标记部分中的周期性方向的那些。在(g)、(h)和(i)处示出的光斑因此是来自XY标记的两个部分的照射信号与衍射信号的组合。
从图5和图6可以明确的是，用以允许最小间距的理想照射分布对于所有三种标记类型而言是不同的。在参照前面图11以下将要进一步描述的示例中，配置照射系统以基本上提供这些理想的照射模式，可以根据标记类型选择。在描述系统之前，描述图7至图10的示例，我们为此构建了适于所有三种光栅方向、具有某些折衷的多目的照射分布。
图5和图6中的部分(j)示出了刚刚所述的多目的照射分布648。与图4所示的分布548相比，分布648包括四个照射区段，而不是两个。此外，每个区段限定在径向范围中，并且仅位于光瞳的外围部分中。例如，每个区段可以具有小于光瞳的径向范围的10％或者甚至小于5％的径向范围。(由此将知晓的是附图并未按照比例绘制。)绝对而言，照射的径向范围可以小于1毫米，例如约0.5mm，而光瞳尺寸可以在1至3cm的量级上。每个区段可以约束至光瞳的外围部分，其位于从光轴(Z轴线)比光瞳半径的0.5、0.6、0.7、0.8或0.9更远。在该示例中的区段可以描述为部分环形，并且每一个以45°或稍微较小的角度围绕光轴对向分布。与各自对向90°的图4所示的照射的象限相比，每个区段因此具有受限的角范围。如图5和图6的部分(j)中的小圆所示，这四个区段包括图5和图6的部分(a)、(d)和(g)中所示的所有照射光斑位置，确认了所有标记类型可以合适地采用相同“通用”照射分布而照射。
图5的部分(j)的照射分布可以以多种方式产生，以形成实际的仪器，需要记住的是相对的区段应该对于干涉仪528而言是相干的以产生所需的信号。特别是当涉及宽频带源时，源辐射的相干长度/时间将非常短。甚至采用单色激光光源，US’116教导了优选短相干时间，例如用以从多次反射消除干涉。因此，从源至每个区段的光程长度应该接近匹配。直接对应于所需分布的孔径应该放置在增宽的平行束中，但是将导致相对较大的光损耗。为了防止光损耗，我们提出了各种备选解决方案。
图7示出了具有照射分布648的测量设备的第一示例。读者将认识由已知对准传感器以及由图4的示例携带的许多元件。使用相同的参考数字，但是将前缀“2”或“5”改变为“6”。因此，照射子系统640包括辐射源620和光纤642。输入束622经由透镜652和分束器654输送至具有光瞳面P的物镜624。物镜624在晶片W上的对准标记202/204/210上形成光斑606。信息承载束626通过分束器654去往自参考干涉仪628。干涉仪628将辐射场划分为两个相同部分，将这些部分相对于彼此以180°旋转，并且将它们再次组合为输出束682。透镜684将整个场聚焦至检测器630上，检测器630是类似于图3的已知对准传感器的装置。并未要求在检测器630处的空间分辨率，但是其为了其他目的当然可以提供。
为了实现在物镜624入口处所需的照射分布648，来自光纤642的照射输送至所谓的轴锥体镜面702，其给出了环形分布。倾斜环形形式的第二镜面704将该辐射馈送至透镜652。因此，输入束622具有如在706处所示的环形辐射分布。在分束器654内，分立的镜面区段710以对应于所需的照射分布648的图案而形成在其内界面上。实际上，该图案必需以失真的形式施加至界面，以使其当从输入和输出方向观看时呈现出所示情形。环形分布706的径向范围匹配了所需分段648的径向范围，减小了辐射损耗。然而，当其笔直通过分束器时，辐射的50％在其中镜面区段缺失的角部位置处损耗。
作为环形分布706和分段环形镜面710的结果，实现了所需的照射分布648。环形分布706的径向范围与所需分段的相匹配，从而减小了辐射损耗。然而，当其笔直通过分束器时，辐射的50％在其中镜面分段缺失的地方损耗了。然而这并非比传统的半镀银界面更坏，在图4的分束器554中将需要半镀银界面。分段镜面执行了作为用于零阶衍射辐射的场阑的第二功能。然而不同于图3的已知对准传感器中的光斑镜面223，每个镜面分段无法用作其自身的场阑，因为零阶衍射辐射由目标反射，从而以相对于其入射角度成180°的角度而再次进入物镜。然而，因为镜面710具有180°对称性的图案，每个镜面710的区段可以用作阻挡在直径上相对区段的零阶信号的场阑。如此方式，并且不采用任何额外的部件，在其进入干涉仪628之前从信息承载束626移除了零阶信号。仍然可以提取位置信号(变化)而不会阻挡零阶，但是在该情形中零阶提供了构成噪声形式的背景强度(DC分量)。
图8示出了图7的设备的稍微修改的版本，其中倾斜的环形镜面704替代为截头圆锥体镜面。在图7和图8的示例中，轴锥体透镜将用于实现类似效果，但是轴锥体镜面702较少经受铬象差。
图9示出了“折衷的”照射分布648的一些限制，以及潜在的解决方案。尽管开发新位置测量设备的主要目标在于允许使用具有更小光栅间距的标记进行测量，但是重要的是新设备应该也能够采用更宽间距的现有标记实现功能。图9(a)示出了具有粗间距的X标记的衍射图案。我们可以观察到，取决于标记的间距以及辐射的波长，底部象限的-1阶可以与右侧象限的+1阶重叠。这是我们不希望的效应。此外，在干涉仪之后，重叠底部-1阶与顶部+1阶形成了由于存在于对准传感器中可能的象差而也不希望得到的额外的干涉图案。此外，当高阶将存在时，该图为了明晰仅示出了零阶和一阶。零阶由光斑镜面710阻挡，但是对于粗掩模，不仅一阶，而且二阶、三阶和更高阶均将落入光瞳内，使得额外的干涉甚至更加复杂。
图9(b)示出了对于该干涉问题的解决方案。光瞳的一部分采用如所示的场阑720阻挡。该场阑可以放置在干涉仪628之后，例如如图7所示，或者其可以在干涉仪之前放置在信息承载束626中。
图9(c)示出了对于具有类似粗间距的Y标记的衍射图案。如图9(b)所示的场阑720如图9(d)所示旋转90°(或者替换为不同的场阑)。场阑可以因此对于X、Y和XY标记而言是可调的(分别阻挡了顶部和底部、左侧和右侧以及正或负45°)。如US’116中已经所述，位于干涉仪下游的场阑720的对准和光学质量并非特别关键，因为位置信息已经由该点编码在束中。场阑的旋转实际上可以由可编程空间光调制器实现，诸如LCD装置，具有可以通过电子控制变得不透明或透明的区段。对于具有两个不同朝向的XY标记210，场阑的朝向将与所示成45°，并且可以控制以便于在扫描标记期间切换。
对于小间距对准目标，这些场阑720并非必需，因为引起了不希望的干涉图案的高阶在物镜的NA外并且因此在光瞳面中不存在。注意的是，场阑720可以在任何情形中省略，但是以工艺敏感度增大为代价。这是因为使用大范围的入射角，并且具有稍微不同入射角的光经历了稍微不同的传感器象差。
图10示出了使用不同的“通用”照射分布848的另一位置测量设备。为了减小角范围并且避免图9(a)中所示的一些问题，尽管也避免了光的不适当耗损，一些四倍透镜802和804用于将入射辐射集中为四个明亮光斑，具有分布806。这些光斑由光斑镜面810匹配以在物镜624的光瞳面P处形成所需的照射分布848。分布848中的光斑是两个配对，每个配对中具有180°对称性。配对相互成90°，并且相对于X和Y轴线成22.5°。光斑小于分布648的环形区段，这减小了阶之间干涉的风险。光斑具有受限的径向范围以及在光瞳面中受限的角范围。例如，每个光斑可以具有小于光瞳的径向范围20％、小于10％或甚至小于5％的径向范围。(由此将知晓的是附图中光斑并未按照比例绘制。)绝对而言，照射的径向范围小于1毫米，例如约0.5mm，而光瞳尺寸可以在1至5cm的量级上。每个光斑偏离光轴，并且可以位于从光轴(Z轴线)比光瞳半径的0.5、0.6、0.7、0.8或0.9更远。每个光斑的角范围可以小于10°或者小于5°。
在衍射辐射场中将找到高阶光斑的方向由分布848上的虚线针对X、Y和XY标记而示出。照射分布806再次具有特性：(i)每个光斑限制在径向和角范围中并且(ii)在每个光斑配对内，光斑沿横切于X、Y或XY标记的周期性的任何方向的方向而相互偏移。因此，位于沿着这些衍射方向的高阶光斑将相互不干涉，至少在场的中部部分中。可以如之前示例中而提供可调场阑720，特别是其中正在测量粗略标记。
参照图5至图10如上所述的示例具有的优点在于，可以使得当前对准传感器的检测器侧保持原样，而添加能力以采用受限光损耗测量更细间距的对准标记(近似以因子4)。图10的装置在最小间距方面稍微折衷，因为照射光斑相对于周期性方向并未在该极端位置处。话虽如此，但仍然能够通过使用检测器阵列执行基于光瞳的检测。一个优点在于，可以采用对准传感器执行角度分辨的散射测量法。尽管专用的散射仪可以更好地执行该测量，例如具有更宽范围的入射角，但是也有利的是能够使用光刻工具中存在、而不是单独测量工具中的对准传感器硬件进行这种测量。
最终，应该注意的是，在以上图4、图7、图8和图10的示例中，我们已经省略了实际中需要围绕干涉仪的一些偏振元件。这样做仅为了简化该构思的解释说明。在实际实施方式中，需要包括它们。此外，习惯的是根据标记类型使得测量具有不同偏振，和/或使得测量具有在每个标记上的一个偏振。用于实现所需偏振的特征可以容易地由本领域技术人员设想。
图11在前面描述了基于如图5和图6所示的照射图案原理的位置测量设备的示例，并未尝试在单个“折衷”的照射分布中覆盖所有标记类型。它们允许“理想的”照射分布被选择用于每种标记类型，并且因此避免了场阑的旋转或者取代了场阑。它们也避免了与轴锥体和匹配透镜相关联的曝光和制造困难。取代了这些部件，这些另外的示例使用棱镜产生了离轴光斑。具体而言，与位置测量中所使用的相同类型的自参考干涉仪提供从具有短相干长度或时间的辐射产生对称、相干的光斑配对的方式。展现了特殊技术和/或部件，确保每个配对中光斑的偏振均是匹配并且可选择的。将解释说明这些技术。
图11示出了可用于根据标记类型的各种模式的设备的示意图，偏振提出的组件使得能够使用照射分支中的自参考干涉仪形成离轴照射。将首先描述不采用如所示的束而仅采用光轴O的设备。再次，对于设备的主要部件的附图标记对应于之前附图中所使用的那些，但是在该情形中使用前缀“9”以用于不同于之前的那些部件。因此看到了照射子系统940，其具有如以下详细所述的特殊特性。基本上未改变的部件是分束器654，具有光瞳面P的物镜624以及自参考干涉仪628。干涉仪628将辐射场划分未两个相同部分，相对于彼此将这些部分以180°旋转，并且再次组合为输出束682。干涉仪与之前示例相比绘制稍微不同，但是在任何情形下这仅是复杂的三维形状的二维表示。透镜684将整个场聚焦至检测器630上，其为类似于图3的已知对准传感器的装置。
图11示出了可以设置在设备中的各种可选的特征。在检测器630处的空间分辨率对于位置测量并非必需，但是当然为了其他目的可以提供。图11的设备可选地包括额外的分束器930，其将信息承载辐射的一小部分转移至相机装置932中。该相机可以记录辐射的光瞳面图像，用于角分辨的散射测量法和其他目的。另一选项是包括在分束器654与物镜624之间的四分之一波片936。稍后将描述这个的功能。
如已经所述，设计图11的设备以直接实施具有(a)、(d)和(g)处在图5或图6中所示的照射分布的可选择照射模式。所示的示例可以进一步实施具有备选偏振的任何这些分布，并且基本上不移动部件。各种部件运转以实现这一点。首先，设计照射源942以将所有可获得的照射集中为精细光斑944，基本上具有在分束器654之下的照射分布所需的角范围和半径范围。光斑944的位置在光学系统的入口光瞳954内可移动，并且在该示例中可以移动或者从九个预定位置(在本文中称作源馈送位置)中选择。这些是以45°间隔围绕光瞳的外围的标注1至8的位置，加上中心位置。可切换的光纤适用于提供这些，但是也可以设想在位置之间物理地移动的单个光纤。为了产生图5的所有照射模式，实际上仅需要四个源馈送位置(例如位置1至4)，如将要看到的。占据八个位置允许选择两个备选的偏振模式而不移动偏振器部件，如以下进一步所述。简单的提供中心光斑以当需要时允许使用轴上照射。
从照射源942发出的照射可以是单色的但是通常本质上是宽频带的，例如白光。束中波长的差异性增加了测量的稳健性，如已知的。然而因为其宽频带特性，源辐射具有短相干波长。源馈送位置1至8并未直接位于X、Y和XY轴线上，而是为了参照图5和图6已经解释说明的原因而偏移。如果优选的话它们可以放置在轴线上。这仅仅引入了在波长与光栅间距的某些组合下衍射阶之间干涉的风险。
照射系统的其他部件是半波片960，棱镜装置962，以及改良的半波片964。棱镜装置962可以例如等同于自参考干涉仪628，并且因此有效地产生了在直径上彼此相对的光斑的相干配对，具有由源942处选择的单个光斑位置所确定的位置。也即，可以通过选择合适的源馈送位置而在源区域的所需配对处提供辐射。棱镜装置962下文中将称作“输入干涉仪”962，以使其与处理了来自标记的信息承载辐射的干涉仪628相区分。输入干涉仪962具有与光瞳的X和Y轴线对准的主轴，并且设计用以当以45°偏振提供辐射时执行其旋转并组合功能。半波片960具有与X或Y轴线成22.5°朝向的快轴，并且用于将从源发射的具有X或Y偏振的辐射改变为具有45°偏振的辐射。半波片的效果是零，其中入射光的偏振与快轴对准。另外，其效果是沿快轴的方向反射偏振方向。如果通过源942的合适设计直接发出45°偏振光，则波片960可以省略。
位于输入干涉仪下游的改良半波片964是为该应用专门设计的创新部件，但是潜在地具有广阔应用性。其创新特征在于，其在光轴周围不同点处具有不同的快轴朝向。示例具有特定的裂口966以使得一半具有其朝向平行于X和Y轴线之一的快轴，而另一半具有相对于X和Y轴线成45°的快轴。更具体而言，波片964的特征在于，在第一位置处的快轴与在直径上与第一位置相对的第二位置处的快轴成45°。将采用更多区段满足该条件，但是在该示例中简单的裂口966就足够了。裂口966与Y轴线成22.5°。选择该角度允许裂口避免干扰任何源馈送位置，并且也促进了改良波片的制造。具体地，可以从单个、均匀的半波片通过沿着与快轴成22.5°的线条切割为两个、翻转两半之一并且再次将它们安装在一起而形成如所示的裂口波片。与Y轴线成22.5°的选择是任意的，只要快轴的朝向适合入射辐射的偏振方向，以实现以下更完全描述的功能。孔洞968形成在光轴处，以允许轴上照射不受阻碍地通过。自然，块件如何安装在一起不是重要的，只要它们以某种方法被保持在相互平行的位置以及光轴周围的合适位置。在实际实施例中，它们可以胶合至用于支撑的平面玻璃板，或者直接胶合至输入干涉仪962的输出面。
在分束器654中，光斑镜面910位于八个外围位置处以供应所有所需的离轴照射光斑位置。提供中央光斑镜面以允许使用轴上照射的其他操作模式。这些光斑的角范围和径向范围是非常小的，例如为光瞳半径范围的2至5％，并且类似地角范围小(例如小于10或小于5度，例如1至3度)。例如在具有1cm至3cm的光瞳直径的示例性设备中，每个光斑可以具有约0.5毫米的直径。
为了以下解释说明的目的，在图中标注了各个平面(1)至(7)。这些并非物理部件。这些平面的精确位置是无形的，因为它们位于其中所有射线应该平行的地方。
图12(a)示出了操作于第一照射模式下的图11的设备，其中选择并且照射了源馈送位置1。当我们仅接通该光纤时，我们在平面(1)处产生了如图12(b)所绘制的光瞳面。点指示了照射的位置，并且箭头指示了偏振方向。当束撞击第一半波片960时，偏振以45°旋转，如在(2)处所示。随后束进入输入干涉仪962，在此处拆分为两个副本，并且副本相对于彼此以180°旋转并且再次组合。因此在(3)处我们得到了正交偏振的两个光射线，其接着撞击拆分的半波片964。分离的波片之间界面966的朝向由(3)中的线条指示。半波片的效果是零，其中入射光的偏振与快轴对准。另外，效果是沿快轴的方向反射偏振方向。因此，其中快轴与入射偏振成45°，偏振将旋转90°。右侧射线的偏振由拆分的半波片964旋转90°，而此时左侧射线的偏振方向保持不变，因为其偏振正交于快轴。因此在(4)处，形成了类似于图5(d)的照射分布，其适于采用正交于光栅线条的偏振而照射X标记202。
图13示出了随后我们可以如何形成适于采用平行于光栅线条的偏振照射X标记202的照射分布。为此我们简单地如图13(a)所绘制接通底部光纤(源馈送位置5)。当我们接通底部光纤时，我们形成了如在(1)处在图13(b)中所绘制的光瞳面。点中的箭头再次指示偏振方向，其是与我们在源馈送位置1(参见在(1)处图12(b))得到的相同的偏振。当束撞击第一半波片960时，偏振如在(2)处所示以45°旋转。随后束进入输入干涉仪962并且在(3)处绘制了所输出的。我们再次看到相对于彼此正交偏振的两个光射线。因为源馈送位置1和5是在直径上彼此相对，这些射线在与图12(b)相同的位置处，但是现在偏振正交于在图12(b)的(3)处的那些。
当这两个射线撞击拆分的半波片964(再次由(3)中线条指示的界面线条的朝向)时，右侧射线的偏振再次由拆分的半波片964旋转90°，而此时在(3)处左侧射线的偏振方向保持不变。因此以如此方式形成了适于采用平行于光栅线条的偏振而照射X标记的照射模式。
从图12和图13中我们看到创新的照射系统940如何允许我们仅仅通过切换源馈送位置而不是改变源辐射的偏振，从而形成适于两种偏振下给定标记的照射分布。两个光斑从单个输入射线得到，并且因此相干，甚至当源辐射具有非常短的相干长度/相干时间时。
图14在(a)至(h)示出了如何通过简单地选择源馈送位置1至8的合适的一个而产生在任一偏振下的图5和图6中提出的照射分布。图14(a)对应于图12(b)，以及图14(b)对应于图13(b)，这些附图为了完整性简单地重复。关于XY标记，两个源馈送位置将轮流激活，以实现图5(g)中所示的照射分布的光斑的两个配对。对于XY标记的不同位置的选择示出在图14中(e)/(f)和(g)/(h)处。
当图11至图14示出了在由照射源942设置在第一平面(1)中并且随后在平面(2)中旋转45°的每个源馈送位置处的辐射的偏振时，其可以设置使得当辐射从照射源942出现时平面(2)处所需的偏振已经存在，并且半波片960可以省略。可以使用保存了光偏振的已知类型的光纤来设置在每个源馈送位置处具有所需偏振的辐射的输送。通过采用合适的旋转安装光纤端部，在所需角度下偏振的辐射可以输送至在每个所需源馈送位置处的第二干涉仪962。
虽然如上提出一次仅照射一个源馈送位置，但是如果例如需要使用两个不同偏振测量位置，则这需要多于一次扫描标记。此外其需要在扫描XY标记中途切换照射模式。存在对于多路复用光学信号的选项以使得可以同时进行两个测量。类似地，可以应用多路复用以使得可以扫描并测量XY标记的不同部分而无需切换照射模式。执行该多路复用的简单方式是通过频分多路复用。在该技术中，来自每个源馈送位置的辐射被调制有特征频率，特征频率被选择为比承载了位置信息的时变信号的频率更高。使用该调制，可以激活两个源馈送位置以提供相同但是具有不同偏振的照射分布(例如如图12和图13)。到达检测器630的衍射和处理的光学信号将是两种偏振的混合，但是它们可以使用微调至源辐射的相应频率的滤波器电子地分离。也可以使用时分多路复用，但是这将需要在源和检测器之间精确的同步。每个频率下的调制可以是例如简单的正弦波或方波。
如果需要采用圆偏振照射标记，是否用于位置感测或者一些其他形式的测量法，可以插入四分之一波片936。这在图11中被示出为可选的特征，并且具有将线偏振转换为圆偏振(以及将其再次变回线偏振)的效果。如之前通过在正确的源馈送位置激活光纤而选择光斑位置。可以以与图14中选择不同线偏振的相同方式、通过选择相对的源馈送位置而改变圆偏振的方向(顺时针/逆时针)。
图15示出了备选配置，其中机械地转换单个照射光纤以便于移动至光瞳面中所选位置。该实施方式具有的优点在于，其能够从任何入射角度照射光栅，而从不是仅预定的选择。然而为了允许连续可变的位置，分束器654将需要是全部半镀银的，而不是仅在少数限定位置处具有高度反射性的光斑镜面。该设备因此需要小心地实施以避免引起测量误差(具有在光刻工艺中的后续对准误差)，并且通过两次通过半镀银分束器而损耗了辐射的75％。
图16示出了具有图11的设备的功能的设备，但是不具有特殊的拆分的半波片964。替代地提供简单的半波片970，具有如所示的与X或Y轴线成22.5°定向的快轴。因此，其中射线配对从输入干涉仪962出现而具有正交偏振(在(3)处)，半波片970将使它们均45°偏转以使得它们的偏振成为如(4)处所示。为了产生与标记的周期性正交或者平行的所需备选偏振，提供偏振器972以产生如在(4’)处所示使两个偏振对准的辐射场。此后，提供可以在偏振器之后选择性旋转偏振的主动元件974，以实现实际所需的可选择偏振。该主动元件可以例如是电子控制的液晶，或者能够旋转的半波片。
另一备选例将使用偏振中性的自参考干涉仪，也是US’116中所述的变形例。然而，随后必需考虑背侧反射、>50％的光损耗以及吸收。
总结如上所述各个创新位置测量设备的一些优点，我们可以说：
可以测量具有小间距的对准标记，无需改变现有的自参考干涉仪和检测器的技术秘诀和基础架构。
展示了一些“通用”照射分布，其允许测量X、Y和XY光栅而不改变照射模式。因为在较粗标记上的衍射阶之间的不希望的干涉，在干涉仪之后的场阑应该在模式之间可调，但是该光阑的对准不如干涉仪前面孔径的对准关键。
其他示例提供了可以仅通过改变源馈送位置而选择的、不具有其他移动或主动部分的标记专用照射模式。使用改良的半波片，也可以以该方式切换偏振。可以从具有较大间距范围的标记提取对准信号，例如从约1μm至约20μm。
支持用于对准标记的最小可能间距从λ/NA缩短至λ/2NA。在小间距对准标记上获得的对准信号对于标记变形较不敏感。标记变形通常在晶片边缘处占据更大支配地位。今后，当预期将处理并测量诸如450mm晶片的更大衬底时，这些边缘效应可能变得更严重。可以通过使用小间距对准标记而减小这些效应。
包括由光斑镜面实施的照射光斑(更具体而言为源区域)的照射分布可以成对设置，以使得一个光斑的光斑镜面用作用于相对光斑的零阶的场阑。
有限数量的光子在照射分布的产生期间损失。在一些示例中，事实上使用了进入照射系统的所有光子。
添加具有空间分辨率的检测器，主要设计作为对准传感器(也即用于位置测量)的设备可以扩展以完成光瞳面检测。这允许角分辨的散射测量法以及因此标记重构，尽管具有入射角度的受限范围。应用于非对称测量
如迄今所述，位置测量设备例如用于获得在光刻设备(诸如图1中所示的光刻设备)中的对准位置。当对准标记是非对称的时产生误差。由非对称的对准标记引起的对准误差对于在光刻设备的操作中使用测量而制造的装置中的重叠误差有贡献。通过修改操作离轴位置测量设备的方式，我们可以使用相同的硬件以直接测量标记的非对称性，如不久将要解释说明的。这提高了在光刻设备的对准期间测量并且校正由非对称性引起的对准误差的可能性。
图17(a)和(b)示出了微调在图11的光学系统中(1)处照射输入(源942)的偏振的效应，以关断输入干涉仪962的复制和旋转行为。如已经所述，所使用的特定干涉仪的特征行为需要入射射线以45°偏振。关断复制和旋转行为接着导致其中仅从一侧离轴照射的照射分布，从而允许设备彼此单独地测量+1阶和-1阶的强度。在图17(a)和(b)中，针对两种不同输入偏振示出了图11的设备中各个平面(2)、(3)、(4)、(6)和(7)处的分布。-1和+1阶的强度之间的差值是用于由非对称掩模引起的强度非对称性的度量。已知非对称性允许当对称性照射分布用于已经经受类似处理的相同标记上时，对于由设备测量的位置施加校正。
为了对准目标的最精确重构，我们提出使用宽频带(也即白光源)。在图17中，一阶在(6)和(7)中并未示出作为光斑而是作为狭长光谱，这是根据波长散布的更高衍射阶的效应。可以通过添加旋转了偏振的主动部件而微调输入偏振方向。如前，能够仅通过选择合适的源馈送位置并且如果必需的话选择合适的场阑，以类似的方式确定X、Y和XY标记上的强度非对称性。也可以采用图7至图9的设备的合适的修改而做出非对称性测量和校正，以每次使用来自所述第一和第二源区域之一的辐射。
应该理解的是，控制对准传感器、处理由对准传感器检测到的信号并且从这些信号计算适用于控制光刻图案化工艺的位置测量值的处理单元PU通常将包括并未详细描述的一些种类的计算机组件。计算机组件可以是在设备外部的专用计算机，其可以是专用于对准传感器的处理单元，或者备选地可以是作为整体控制了光刻设备的中央控制单元LACU。计算机组件可以设置用于加载包括计算机可执行代码的计算机程序产品。这可以使得当下载计算机程序产品时计算机组件控制了具有对准传感器AS的光刻设备的如前所述的使用。
尽管可以在该上下文中对于IC制造的光刻设备的使用做出特殊参考，但是应该理解的是，在本文中所述的光刻设备可以具有其他应用，诸如集成光学系统、用于磁畴存储器的导引和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等等的制造。本领域技术人员将知晓的是，在这些备选应用的上下文中，在本文中术语“晶片”或“裸片”的任何使用可以视作分别与更通用术语“衬底”和“目标部分”含义相同。可以在曝光之前或之后例如在轨道(通常施加抗蚀剂层至衬底并且显影已曝光抗蚀剂的工具)、测量工具和/或检查工具中处理在本文中涉及的衬底。可适用的，在本文中的本公开可以应用于这些和其他衬底处理工具。此外，可以多于一次处理衬底，例如以便于形成多层IC，以使得在本文中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。
尽管在光学光刻的上下文中如上所述已经参照本发明实施例的使用做出了特殊参考，但是将要知晓的是本发明可以用于其他应用，例如压印光刻，并且上下文允许其不限于光学光刻。在压印光刻中，图案形成装置中的拓扑结构限定了形成在衬底上的图案。图案形成装置的拓扑结构可以挤压进入施加至衬底的抗蚀剂层，通过施加电磁辐射、热量、压力或其组合固化了在衬底上的抗蚀剂。从在抗蚀剂固化之后在其中留下图案的抗蚀剂移除了图案形成装置。
在本文中使用的术语“辐射”和“束”包括所有类型的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射(例如具有或约365、355、248、193、157或126nm的波长)以及极紫外(EUV)辐射(例如具有在5－20nm范围内的波长)，以及粒子束，诸如离子束或电子束。
上下文允许的术语“透镜”可以涉及各种类型光学部件的任何一个或其组合，包括折射、反射、磁性、电磁和静电光学部件。
尽管已经如上描述了本发明的具体实施例，但是应该知晓的是除了如所述之外可以另外实施本发明。例如，本发明可以采取包含了描述了如上所述方法的机器可读指令的一个或多个序列的计算机程序、或者具有其中存储了该计算机程序的数据存储媒介(例如半导体存储器、磁盘或光盘)的形式。
以上说明书意在为示意性并非限定性的。因此，对于本领域技术人员明显的是可以不脱离以下列出的权利要求的范围对本发明做出修改。

Claims (23)

1.一种测量衬底上的标记的位置的方法，所述标记包括沿至少第一方向成周期性的特征，所述方法包括：
经由物镜采用辐射光斑照射所述标记，以及经由相同的物镜接收由所述标记衍射的辐射；
在自参考干涉仪中处理所述衍射的辐射；
在采用所述辐射光斑扫描所述标记时，检测由所述干涉仪输出的辐射强度的变化；以及
从检测到的变化计算所述标记沿至少第一测量方向的位置，
其中，使用来自约束至所述物镜的光瞳内的外围部分的源区域的辐射来形成所述辐射光斑，所述源区域包括相对于所述物镜的光轴在直径上彼此相对、并且相对所述光轴被限定在角范围内的至少第一区域和第二区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一源区域和所述第二源区域沿与所述标记的周期性的所述第一方向横切的方向相互偏移。
3.根据前述权利要求任一项所述的方法，进一步包括：
使用来自所述光瞳面的至少第三源区域和第四源区域的辐射执行另外的照射和处理步骤，所述第三源区域和所述第四源区域相对于所述光轴在直径上彼此相对，并且相对于所述光轴在角范围和径向范围方面类似于所述第一源区域和所述第二源区域、但是被旋转90度；
在扫描具有沿与所述第一方向正交的第二方向成周期性的特征的标记时，检测强度的变化；以及
从检测到的变化计算所述标记沿至少第二测量方向的位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，同时使用来自所述第一源区域、所述第二源区域、所述第三源区域和所述第四源区域的辐射以形成所述辐射光斑，以及其中取决于当前正在扫描的标记或者标记的一部分是否具有沿所述第一方向或所述第二方向成周期性的特征而选择性遮蔽所述衍射辐射的一部分。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，取决于当前正在扫描的标记或者标记的一部分是否具有沿所述第一方向或所述第二方向成周期性的特征，在所述第一源区域和所述第二源区域处或者在所述第三源区域和所述第四源区域处选择性提供辐射。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，同时使用来自所述第一源区域、所述第二源区域、所述第三源区域和所述第四源区域的辐射以形成所述辐射光斑，但是采用强度的高频调制并且在所述检测步骤中，使用所述调制的知识而将源自所述第一源区域和所述第二源区域的辐射与源自所述第三源区域和所述第四源区域的辐射区分，由此取决于当前正在扫描的标记或者标记的一部分是否具有沿所述第一方向或所述第二方向成周期性的特征而选择用于所述计算步骤中的强度变化。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，通过将单个源馈送位置处的辐射馈送至第二自参考干涉仪中而产生在所述第一源区域和所述第二源区域处的相干辐射，所述第一源区域和所述第二源区域由所述源馈送位置确定。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述照射步骤中馈送至所述第二干涉仪中的辐射相对于所述第二干涉仪的主轴成45°偏振。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在所述第一源区域和所述第二源区域处的辐射来自具有不同偏振的所述第二干涉仪，每个偏振平行于所述主轴中的不同主轴，并且其中所述照射步骤进一步包括调整在一个所述源区域处的辐射的偏振以与在另一源区域处的偏振相匹配。
10.根据权利要求7至9任一项所述的方法，其中，所述第二自参考干涉仪具有与在所述处理步骤中所使用的自参考干涉仪基本上相同的结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二自参考干涉仪具有与所述处理步骤中所使用的自参考干涉仪一样的一个或多个光学元件。
12.根据前述权利要求任一项所述的方法，进一步包括：
测量所述标记或已经经受类似处理的标记的非对称性；以及
在所述计算步骤中使用测得的非对称性来向测得的位置施加校正，
其中，在一次一个地使用来自所述第一源区域和所述第二源区域中的每个源区域的辐射采用辐射光斑照射所述标记时，通过比较由所述干涉仪输出的辐射强度来测量所述非对称性。
13.一种用于测量衬底上的标记的位置的设备，所述设备包括：
照射装置，用于跨所述设备的光瞳提供具有预定照射分布的辐射；
物镜，用于使用由所述照射装置提供的辐射来形成在标记上的辐射光斑，而沿扫描方向跨所述标记扫描所述辐射光斑；
自参考干涉仪，用于处理由所述标记衍射并且再次进入所述物镜的辐射；以及
检测装置，用于检测在所述扫描期间由所述干涉仪输出的辐射强度的变化，以及用于从检测到的变化计算所述标记沿至少第一测量方向的位置，
其中为了测量包括沿至少第一方向成周期性的特征的标记的位置，所述照射分布包含来自约束至所述物镜的光瞳内的外围部分的源区域的辐射，所述源区域包括相对于所述物镜的光轴在直径上彼此相对、并且相对所述光轴被限定在角范围内的至少第一区域和第二区域。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一源区域和所述第二源区域沿与所述标记的周期性的所述第一方向横切的方向相互偏移。
15.根据权利要求13或14所述的设备，其中，为了测量包括沿正交于所述第一方向的第二方向成周期性的特征的标记的位置，所述照射装置进一步可操作以从所述光瞳面的至少第三源区域和第四源区域提供辐射，所述第三源区域和所述第四源区域相对于所述光轴在直径上彼此相对，并且相对于所述光轴在角范围和径向范围方面类似于所述第一源区域和所述第二源区域、但是被旋转90度。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述照射装置可操作以使得取决于当前正在扫描的标记或者标记的一部分是否具有沿所述第一方向或所述第二方向成周期性的特征，在所述第一源区域和所述第二源区域处或者在所述第三源区域和所述第四源区域处选择性提供辐射。
17.根据权利要求13至16任一项所述的设备，进一步包括，具有对应于每个所述源区域的镜像部分以用于将辐射从所述源区域转移至所述物镜中的分束器，其中用于每个源区域的所述镜像部分也用于阻止来自在直径上相对的源区域的辐射在从所述标记零阶反射之后进入所述干涉仪。
18.根据权利要求13至17任一项所述的设备，其中，所述照射装置包括第二自参考干涉仪，所述第二自参考干涉仪设置用于从在单个源馈送位置处提供至所述第二干涉仪的辐射在所述第一源区域和所述第二源区域处产生相干辐射，所述第一源区域和所述第二源区域由所述源馈送位置确定。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述第二自参考干涉仪具有与用于处理辐射的所述自参考干涉仪一样的一个或多个光学元件。
20.根据权利要求18或19所述的设备，其中，所述照射装置进一步包括用于当在所述第一源区域和所述第二源区域处的辐射来自具有不同偏振的所述第二干涉仪时、调整在一个所述区域处的所述辐射的偏振以与另一位置的处偏振相匹配的装置。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述用于调整偏振的装置包括改良的半波片，其快轴在对应于所述光瞳的所述第一源区域和所述第二源区域的部分中被不同地定向。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述改良的半波片具有在第一部分中平行于所述第二干涉仪的主轴的快轴，并且在第二部分中具有与所述主轴成45度的快轴，所述第一部分和所述第二部分相对于所述光轴定位为在直径上彼此相对。
23.一种在光学设备中用于在第一位置和第二位置处产生离轴照射的装置，所述第一位置和所述第二位置在所述设备的光瞳中在直径上彼此相对，在所述点处的所述照射偏振相同并且相干，所述装置包括：
辐射源，在单个离轴位置处产生预定偏振的辐射；
自参考干涉仪，用于从所述源接收并且拆分所述辐射以便于在所述第一位置和所述第二位置处产生辐射；
元件，用于在从所述干涉仪出现之后调整在一个所述位置处的所述辐射的偏振以与在另一位置处的偏振相匹配，所述元件包括其快轴在所述第一位置和所述第二位置处被不同地定向的半波片。
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