CN105143986B - 用于测量微结构的非对称性的方法和设备、位置测量方法、位置测量设备、光刻设备和器件制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光刻设备，包括对准传感器，所述对准传感器包括用于读取包括周期性结构的标记的位置的自参考干涉仪。照射光学系统将不同颜色和偏振的辐射聚焦在扫描所述结构的光斑(406)处。多个依赖于位置的信号IA(G，R，N，F)、IB(G，R，N，F)在检测光学系统中被检测(430A、430B)，并且被处理(PU)以获得多个候选的位置测量值。每个标记包括具有小于光学系统的分辨率的尺寸的子结构。每个标记形成有子结构和更大的结构之间的位置偏移，其中所述位置偏移是已知(d1、d2)的和未知(Δd)的组成部分的组合。使用来自一对标记(702‑1、702‑2)的信号以及关于已知的偏移之间的差的信息计算至少一个标记的测量位置，以便对所述位置偏移的所述未知的组成部分进行修正。

Description

用于测量微结构的非对称性的方法和设备、位置测量方法、位 置测量设备、光刻设备和器件制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年3月20日递交的美国临时申请61/803,673的权益，并且其通过引用全文并入本文。
技术领域
本发明涉及微结构中非对称性的测量。本发明可以应用在用于测量衬底上的掩模的位置的改进的设备和方法中。在其它方面本发明提供了一种光刻设备和器件制造方法。
背景技术
光刻设备是一种将期望的图案应用到衬底上，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(ICs)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将要在所述IC的单层上形成的电路图案。这种图案可以被转移到衬底(例如硅晶片)上的目标部分(例如包括一个或若干个管芯的一部分)上。通常，图案转移是通过将图案成像到设置在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上而被实现的。通常，单个衬底将包含被连续图案化的相邻的目标部分的网络。已知的光刻设备包括：所谓的步进机，在步进机中通过将整个图案一次曝光到目标部分上来照射每个目标部分；和所谓的扫描机，在扫描机中通过沿给定方向(“扫描”方向)用辐射束扫描图案、同时沿与该方向平行或反向平行的方向扫描衬底，而照射每个目标部分。还可以通过将图案压印到衬底上而将图案从图案形成装置转移至衬底。
为了控制光刻过程以将器件特征精确地放置在衬底上，通常在衬底上设置对准标记，并且该光刻设备包括一个或多个对准传感器，通过对准传感器标记在衬底上的位置可以被精确地测量。这些对准传感器是有效的位置测量设备。已知有来自不同时代和不同制造商的不同类型的标记和不同类型的对准传感器。在目前的光刻设备中广泛使用的传感器类型是基于如在US 6961116(den Boef等人)中描述的自参考干涉仪。通常地，掩模被分开地测量以获得X和Y位置。然而，可以使用在公开的专利申请US 2009/195768 A(Bijnen等人)中描述的技术进行组合的X和Y测量。这些申请的内容都通过引用全文并入本文中。
Jeroen Huijbregtse等人在“Overlay Performance with Advanced ATHENATMAlignment Strategies”，Metrology，Inspection，and Process Control forMicrolithography XVII，Daniel J.Herr，Editor，Proceedings of SPIE Vol.5038(2003)中描述了一种使用商业对准传感器的先进的对准技术。这些策略可以在商业上延伸和应用在上述的US’116和US’768描述的类型的传感器中。商业传感器的特点在于：它们使用在相同的目标光栅或多个光栅上的几种波长(颜色)和辐射(光)的偏振测量位置。没有单独的一种颜色对于所有情形下的测量是完美的，因此商业系统从多种信号中选择提供最可靠位置信息的信号。
对提供更精确的位置测量的需求是连续不断的，特别是随着产品特征变得越来越小而对控制重叠误差的需求。造成对准误差的一个原因是位置传感器对掩模中存在的亚分辨率特征的敏感性。为了说明，对准标记通常由具有比将被应用于光刻设备中的衬底上的器件图案的特征大许多的特征的光栅形成。因此，所需要的定位精度并不通过对准光栅的精细度获得，而是通过如下事实获得，该事实是：它提供可在许多周期中被测量到的周期性的信号，以总体获得非常精确的位置测量。另一方面，非常粗的光栅不代表实际的产品特征，并且因此它的形成经历除实际产品特征之外的不同处理效果。因此，对于对准标记的粗光栅，通常由更精细的类似产品的特征组成。这些更精细的光栅是上面提到的“亚分辨率”特征的实例，它们太过精细而不能被对准传感器分辨。然而，参考光刻设备中的图案形成系统的分辨能力，它们更常见地可以被称为“存在分辨率(at-resolution)”特征。这些问题的更多讨论和子分段标记的不同形式在Megens等人，“Advances in Process Overlay-Alignment Solutions for Future Technology Nodes”in Metrology，Inspection，andProcess Control for Microlithography XXI，Proc.of SPIE Vol.6518，65181Z，(2007)，doi：10.1117/12.712149中描述。
对准标记通常在器件制造过程中的早期阶段、使用与将为后续产品层应用图案的光刻设备相似或者甚至相同的光刻设备被应用在衬底上。存在分辨率特征比更粗的对准光栅特征在它们的定位中经受轻微不同的误差，例如由于在用于施加图案的光学投影系统中的像差。在目前的对准传感器中该效果在于所测量的位置包括未知的误差，即不是粗光栅的位置也不是更细的存在分辨率光栅的位置。进一步地还发现，取决于用在位置测量中的颜色和偏振，由粗光栅和细光栅之间的位置的错误匹配导致的所报告的位置中的误差可能远远大于错误匹配本身。
发明内容
本发明一方面旨在提供一种改进的位置测量设备，例如光刻设备中的对准传感器，其能够修正在位置测量中由存在分辨率特征和粗光栅特征之间的错误匹配导致的误差。就这一点而言，本发明人已经找到了一种能够应用于基于对准标记的位置测量的方法，而不会过度地降低对准系统的产出量。此外，本发明人还找到了一种方法，其采用在已知的和提出的类型的传感器中作为位置测量任务的一部分已经捕获的信号。
本发明的第一方面提供了一种使用光学系统测量衬底上的标记的位置的方法，每个标记包括沿至少第一方向周期性地设置的结构，所述结构中的至少一些结构包括更小的子结构，每个标记形成有子结构与结构之间的位置偏移(所述位置偏移是已知的和未知的组成部分(component)的组合)，所述方法包括：
(a)用辐射照射每个标记，并且使用一个或多个检测器检测由所述结构衍射的辐射，以获得包含关于标记的位置的信息的信号；
(b)处理所述信号以计算至少一个标记的测量位置，所述计算使用来自多个标记的信号以及关于所述标记的已知的偏移之间的差的信息，以便对所述位置偏移的所述未知的组成部分进行修正。
所述子结构可以具有小于所述光学系统的分辨率的尺寸。在一些实施例中，所述方法使用包含对应每个标记的位置信息的多个信号，每个信号具有相同的形式但是例如使用具有不同特性的辐射获得，或者使用由单独的检测器获得的依赖于位置的信号的不同光谱组分。
可以使用上面提到的已知类型的传感器执行本发明，也可以使用具有不同设计的光学位置传感器执行本发明，只要它们可以使用不同的波长和/或不同的衍射级和/或辐射的不同偏振和照射分布测量标记的位置。
在进一步的方面中，本发明提供了一种制造器件的方法，其中器件图案使用光刻处理被应用于衬底上，所述方法包括参考形成在衬底上的一个或多个标记的测量的位置定位被应用的所述图案，测量的位置通过根据如前所述的本发明的第一方面的方法获得。
本发明还进一步提供了一种设置有多个标记的衬底，每个标记包括被设置为以沿至少第一方向的空间周期重复的结构，所述结构中的至少一些结构包括具有小于所述空间周期几倍的尺寸的子结构，其中每个标记形成有子结构和结构之间的位置偏移(所述位置偏移是已知的和未知的组成部分的组合)，对于不同的标记已知的组成部分不同。
结构的周期可以例如大于1μm，而子结构具有小于0.5μm的特征尺寸。每个结构中的子结构可以具有小于所述空间周期多于5、8或10倍的特征尺寸。
本发明还进一步提供了一种光刻设备，包括：
用于将图案转移到衬底上的图案形成子系统；
用于测量所述衬底相对于所述图案形成子系统的位置的测量子系统，
其中所述图案形成子系统被设置为使用由所述测量子系统测量的位置将所述图案应用于在衬底上的期望位置，并且其中所述测量子系统被设置为使用设置在衬底上的周期性的结构测量所述衬底的位置，并且使用根据如前所述的本发明的第二方面的方法测量所述结构的位置。
本发明还进一步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：
光学系统，所述光学系统适于用辐射照射每个标记并且使用一个或多个检测器检测被所述结构衍射的辐射，以获得包含关于标记的位置的信息的信号；
用于处理代表所衍射的辐射的信号、以获得与结构的位置有关的多个结果的处理装置，每个结果以不同的方式受结构的性质的变化影响；以及
用于使用由所述处理装置获得的一个或多个结果计算所述结构的位置的计算装置，
其中所述计算装置被设置为使用来自多个标记的信号计算至少一个标记的测量位置，每个标记包括沿至少第一方向周期性地设置的结构，所述结构中的至少一些结构包括具有小于所述光学系统的分辨率的尺寸的子结构，每个标记形成有结构和子结构之间的位置偏移，其中所述位置偏移是已知的和未知的组成部分的组合，所述计算装置使用所述信号以及关于所述标记的已知的偏移之间的差的信息，以便对所述位置偏移的所述未知的组成部分进行修正。本发明还进一步提供了一种计算机程序产品，包括用于使处理装置执行如上所述的方法中的步骤(b)的计算的机器可读指令。
本发明的实施例使得能够使用常规地由对准传感器获取、但是常规地没有被采用的信息分别地获取粗和存在分辨率特征的测量。所述多个结果例如可以包括基于不同的波长、不同的偏振、不同的空间频率(衍射级)或者所有这些的结果。本方法可以与标记的相同性质的更多测量、通过其它手段得到的性质，以及使用相同仪器得到的其它性质的测量组合在一起使用。
附图说明
现在参考所附的示意性附图、仅仅通过举例的方式说明本发明的实施例，其中：
图1示出了包括形成根据本发明的实施例的测量设备的对准传感器的示例性的光刻设备；
图2包括图2(a)和图2(b)，图示了可以设置在图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性方框图；
图4是适于用在本发明的实施例中并且可用作图1的设备中的对准传感器的改进的对准传感器的更详细的示意图，包括离轴照射和可选的非对称的测量装置(未详细示出)并且进一步示出多个波长和偏振的特征；
图5是具有存在分辨率特征的对准标记的详细的示意性剖视图，其中(a)粗和存在分辨率特征位置之间没有错误匹配，和(b)粗和存在分辨率特征位置之间有错误匹配；
图6示出了对应辐射波长和偏振范围模型化关于所测量的位置的某一错误匹配的影响的响应曲线；
图7示出了对应一定范围的错误匹配值计算的响应曲线；
图8图示不同的错误匹配值对在不同波长下测量的位置误差的影响；
图9图示了不同偏移值(故意的错误匹配)对在具有(a)零错误匹配和(b)非零错误匹配的掩模中不同对的波长之间进行的微分位置测量(differential positionmeasurement)的影响；
图10示出了根据本发明实施例的两部分微分对准标记的平面图和剖面图；
图11是使用图10的微分对准标记测量位置的方法的流程图；以及
图12示出了图示由粗和存在分辨率特征之间的错误匹配导致的误差的成功修正的响应曲线。
具体实施方式
图1示意地示出了根据本发明一个实施例的光刻设备。所述设备包括：
-照射系统(照射器)IL，其配置成调节辐射束B(例如UV辐射或EUV辐射)；
-支撑结构(例如掩模台)MT，其构造用于支撑图案形成装置(例如掩模)MA，并与配置用于根据某些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)WTa或WTb，其构造用于保持衬底(例如涂覆有抗蚀剂的晶片)W，并与配置用于根据某些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。
所述支撑结构支撑，即支承图案形成装置的重量。它以依赖于图案形成装置的方向、光刻设备的设计以及诸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。所述支撑结构可以采用机械的、真空的、静电的或其它夹持技术来保持图案形成装置。所述支撑结构可以是框架或台，例如，其可以根据需要为固定的或可移动的。所述支撑结构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)。本文中任何术语“掩模版”或“掩模”的使用可被看作与更上位的术语“图案形成装置”同义。
本文中所使用的术语“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。应当注意，例如，如果图案包括相移特征或所谓的辅助特征，被赋予给辐射束的图案可以不与在衬底的目标部分中的期望的图案完全对应。通常地，被赋予给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(例如集成电路)相对应。
图案形成装置可以是透射式的或反射式的。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。掩模在光刻术中是公知的，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，以便沿不同的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。
本文中所使用的术语“投影系统”应当被广义地理解为包括多种类型的投影系统，例如包括折射型、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体或使用真空之类的其他因素所适合的。本文中任何术语“投影透镜”的使用可被看作与更上位的术语“投影系统”同义。
如图所示，设备是透射型的(例如采用透射式掩模)。替代地，设备可以是反射型的(例如采用如上面提及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)或更多个衬底台(和/或两个或更多个掩模台)的类型。在这种“多台”机器中，可以平行地使用附加的台，或者可以在一个或更多个台上实施预备步骤，而一个或更多个其它的台被用于曝光。在图1的实例中的两个衬底台WTa和WTb为这里的一个例证。本文公开的发明可以以独立操作的方式使用，但是特别地它可以在单台或多台设备的预曝光测量台中提供附加的功能。
光刻设备还可以为如下类型，其中至少衬底的一部分可以被具有相对高折射率的液体(例如水)覆盖以便充满投影系统和衬底之间的空间。浸没液体还可以应用于光刻设备中的其它空间，例如掩模和投影系统之间的空间。浸没技术对于增加投影系统的数值孔径来说在现有技术中是公知的。本文中所使用的术语“浸没”并不意味着诸如衬底等结构必须浸入液体，而是仅意味着在曝光过程中液体位于投影系统和衬底之间。
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开的实体(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，例如积分器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入射到保持在支撑结构(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，所述投影系统将所述束聚焦到所述衬底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、线性编码器或电容传感器)的帮助，可以精确地移动所述衬底台WTa/WTb，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WTa/WTb的移动。在步进机的情况下(与扫描机相反)，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之间的空间(这些已知为划线对齐标记)上。类似地，在将多于一个的管芯设置在掩模MA上的情况下，所述掩模对准标记可以位于所述管芯之间。
可以将所示设备用于以下模式中的至少一种中：
1.在步进模式中，在将掩模台MT和衬底台WTa/WTb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WTa/WTb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，在对掩模台MT和衬底台WTa/WTb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WTa/WTb相对于掩模台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征来确定。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(沿所述扫描方向)。
3.在另一个模式中，将用于保持可编程图案形成装置的掩模台MT保持为基本静止状态，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WTa/WTb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WTa/WTb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是所谓的多台型光刻设备，其具有两个衬底台WTa和WTb和两个站——曝光站和测量站，所述衬底台可以在两个站之间交换。在一个衬底台上的一个衬底在曝光站曝光的同时，另一个衬底可以加载在测量站处的另一个衬底台上，以便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LS对衬底的表面进行绘图和使用对准传感器AS测量衬底上的对准标记的位置。这使得大幅度增加了设备的产出量。当衬底台在测量站和在曝光站处时如果位置传感器IF不能测量衬底台的位置，那么可以设置第二位置传感器以能够在两个站都跟踪衬底台的位置。
该设备还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移动和测量。LACU还包括信号处理和数据处理能力，以执行与设备的操作有关的期望的计算。在实践中，控制单元LACU将被实现为许多子单元的系统，每个子单元负责设备中的子系统或部件的实时数据采集、处理和控制。例如，一个处理子系统可以被用于衬底定位装置PW的伺服控制。单独的单元甚至可以负责粗和细致动器或者不同的轴。另一个单元可被用于位置传感器IF的读取。设备的整体控制可以由操作者或包含在光刻制造过程中的其它设备、通过与这些子系统处理单元通信的中央处理单元控制。
图2(a)示出了分别设置在衬底W上用于X位置和Y位置的测量的对准标记202、204的实例。在该实例中每个标记包括形成在产品层或者涂覆于或蚀刻于衬底中的其它层中的一系列条。所述条规则地间隔开并且作为光栅线，以便该标记可以被看作具有充分已知的空间周期(节距)的衍射光栅。在X方向标记上的条202平行于Y轴以在X方向提供周期性，而Y方向标记的条204平行于X轴以在Y方向提供周期性。对准传感器AS(图1中示出)用辐射的光斑206(X方向)、208(Y方向)光学地扫描每个标记，以获得周期性地变化的信号，例如正弦波。该信号的相被分析以测量标记的以及由此衬底W的相对于对准传感器的位置，对准传感器相对于设备的参考坐标系RF固定。扫描运动由宽箭头、用虚线轮廓线表示的光斑206或208的前进位置示意性地表示。在对准图案中的条(光栅线)的节距通常远远大于在衬底上待形成的产品特征的节距，并且对准传感器AS使用远远长于将图案应用于衬底上所使用的曝光辐射的辐射波长(或者通常为复数波长)。然而，由于大量的条允许重复信号的相被精确地测量，因此可以获得精细的位置信息。
可以提供粗和细的标记，以便对准传感器可以分辨周期性信号的不同周期以及一个周期内的准确位置(相)。不同节距的标记也可用于此目的。这些技术再次对本领域技术人员来说是公知的，并且本文不对此进行详述。这种传感器的设计和操作在现有技术中是公知的，并且每个光刻设备可以具有其自身的传感器设计。为了本说明书的描述方便，将假设对准传感器AS通常具有US 6961116(den Boef等人)中所描述的形式。图2(b)示出了用于与相似的对准系统一起使用的改进的标记，其中X和Y位置可以通过使用照射光斑206或208的单一的光学扫描获得。标记210具有与X轴和Y轴均成45度角设置的条。可以使用公开的专利申请US 2009/195768 A(Bijnen等人)中描述的技术进行组合的X和Y测量，该专利申请的内容通过引用全文并入本文中。
图3是已知的对准传感器AS的示意性方框图。照射源220提供一个或多个波长的辐射束222，该辐射束被光斑反射镜223转向、通过物镜224到达位于衬底W上的标记，例如标记202。如图2示意性地显示的，在基于上面提到的US 6961116的对准传感器的实例中，照射标记202的照射光斑206可以在直径上略微小于标记自身的宽度。
被标记202散射的辐射被物镜224获取并且被准直成信息承载束226。自参考干涉仪228为上面提到的US’116中公开的类型，并且处理束226，并且将单独的束(对应每个波长)输出到传感器阵列230上。光斑反射镜223合宜地在该点作为零级阻止器，使得信息承载束226只包括来自标记202的更高级的衍射辐射(这对于测量是必不可少的，但是改善了信噪比)。来自传感器栅格230中的单独的传感器的光强信号232被提供给处理单元PU。通过方框228中的光学处理和单元PU中的计算处理的组合，在衬底上的相对于参考坐标系RF的对应X位置和Y位置的值被输出。处理单元PU可以独立于图1中示出的控制单元LACU，或者作为一种设计选择和便利性考虑它们可以共享相同的处理硬件。在单元PU为单独的情况下时，部分信号处理可以在单元PU中和单元LACU中的另一部分中执行。
如上所述，所图示类型的单一的测量仅仅在对应于标记的一个节距的某一范围内固定标记的位置。粗测量技术与此结合使用，以识别正弦波的哪一阶段包含所标记的位置。为了提高精度，并且为了标记的鲁棒检测，且与制造标记的材料和标记设置在其上和/或在其下的材料无关，可以在不同的波长下重复粗等级和/或细等级的相同的处理。波长可以光学地多路复用和多路分解，以便被同时处理，和/或它们可以通过时间分割或频率分割而多路复用。本公开的实例将采用在多种波长下的测量，以提供对标记非对称性的敏感度降低的实用并稳定的测量设备(对准传感器)。
更详细地参考测量过程，在图3中标记为vW的箭头图示了扫描速度，光斑206以该速度横穿标记202的长度L。在该实例中，对准传感器AS和光斑206实际上保持静止，而衬底W以速度vW移动。因而，对准传感器可以刚性地和精确地安装到参考坐标系RF(图1)中，同时有效地沿与衬底W的移动方向相反的方向扫描标记202。衬底通过其安装在衬底台WT和衬底定位系统PW上而在该移动中被控制。所示出的所有移动与X轴线平行。相似的动作应用于Y方向中用光斑208扫描标记204。不对此进一步进行描述。
如在公开的专利申请US 2012-0212749 A1中讨论的，光刻设备的所需要的高产量需求要求在衬底上的多个位置处的对准标记的测量尽可能快地执行，这隐含了扫描速度vW很快，并且用于每个掩模位置的获取的时间TACQ相应地很短。在简化的情况下，公式TACQ＝L/vW适用。在先的申请US 2012-0212749 A1描述了赋予光斑的相反的扫描运动的技术，以便加长获取时间。如果需要，相同的扫描光斑技术可以应用于本文新公开的类型的传感器和方法中。
人们关心具有更小的光栅节距的标记上的对准。在真实产品上所测量的重叠通常明显大于在受控的测试条件下的重叠。调查表明这是由于在处理过程中产品晶片上的对准标记变成不同程度的非对称。使对准标记的节距减小会降低在所测量的对准位置上某类非对称性的影响。
技术人员知晓，允许对准光栅的节距的减小的一些选项是：(1)缩短所使用的辐射的波长；(2)增大对准传感器光学器件的NA以及(3)使用离轴照射。由于对准光栅常常位于吸收膜(例如非晶碳硬掩模)下面，因此更短的波长并不总是可行的。增大NA通常是可行的，但是这不是优选的，因为需要紧凑的物镜且与晶片具有一安全距离。因此，使用离轴照射更有吸引力。
使用多波长和偏振的位置测量
图4图示了在上面提到的在先公开US 6,961,116和US 2009/195768中描述的改进版本的新颖的对准传感器的光学系统。这引入了离轴照射模式的选择，除了别的之外，该离轴照射模式允许为了实现更大精度的对准标记的减小的节距。光学系统还可以允许用对准传感器进行散射仪型测量，而不使用单独的散射仪仪器。在图4中，为了简化，提供离轴和在轴模式的照射的细节被省略。对于本公开，更关注示出多波长和偏振的细节。
通过穿过光学系统400的虚线示出了具有几个分支的光轴O。为了方便与图3的示意图进行比较，光学系统400的某些部件使用与图3中使用的附图标记相似的附图标记标示，但是使用前缀“4”代替“2”。这样，可以看到光源420、照射束422、物镜424、信息承载束426、自参考干涉仪428和检测器装置430。来自检测器装置的信号被处理单元PU处理，处理单元被改进以便执行下文描述的新的特点，并且为每个标记输出(改善的)位置测量POS。
在该更详细的示意图中图示的附加的部件如下给出。在照射子系统440中，来自源420的辐射被通过光纤442传递到照射成形光学器件446。其通过分束器454将输入束422传递到具有光瞳面P的物镜424。物镜424在晶片W上的对准标记202/204/210上形成光斑406。被标记衍射的信息承载束426穿过分束器454到达干涉仪428。干涉仪428用正交偏振将辐射场分为两部分，将这两部分绕光轴相对彼此旋转180°，然后将它们组合成输出束482。该束进入下面将详细描述的检测器装置430中。
包含在本实例中的是非对称的测量装置460。装置460接收信息承载束426的通过定位在干涉仪之前的第二分束器462的一部分464。在本申请的优先权日还未公开的另一专利申请US 61/722,671描述了使用通过检测器430获得的位置信息进行非对称性测量的新颖的技术。原则上，可以除去专用的非对称性测量装置460。
照射成形光学器件446可以采用各种形式，其中一些在我们的在先美国专利申请序列号61/623,391(在本申请的优先权日还未公开，申请人号P-3996)中详细公开。在那里所公开的实例中，对准传感器(更通常地，位置测量设备)被示出，其允许使用减小的光栅节距，不需要在检测器侧的空间分辨率。通过使用新颖的照射模式，这些设备能够使用宽范围的不同的节距测量标记的位置，例如从小于1μm到20微米的节距，而不改变当前的检测器的设计。与在先申请61/623,391中描述的实例共有的具体特点是在有限的入射角范围(在光瞳面中的有限的半径范围)下选择使用离轴照射。通过离轴照射，意味着辐射的源区域被限制在光瞳的外周部，也就是说，距离光轴一定距离处。将照射限制在光瞳的最外周能够减小对准标记的最小的可能的节距，从约λ/NA降低到约λ/2NA，其中λ为使用的辐射的波长，并且NA为仪器(例如，对准传感器，或者更通常地，位置测量设备)的物镜的数值孔径。在先申请61/623,391中描述的实例还使用在设备的分束器中的光斑反射镜的特殊分布，该分束器可以即提供期望的照射又作为零级衍射辐射的场阑。可以设计允许在任何X、Y和XY标记上对齐而不改变照射模式的“通用”的照射分布，虽然这不可避免地带来性能上和/或设备复杂性上的某些让步。替代地，可以设计和制造专用的模式，其可选择用于与不同标记类型一起使用。还可以选择不同的照射偏振。
该设备整体上不需要被限制为提供这些特殊的离轴照射分布。它可以具有其它使用模式，包括已知的或还待开发的，它们支持使用不同的分布。例如，设备可以为图2(a)和2(b)所示的不同标记类型提供在轴照射模式和离轴照射模式的选择。虽然离轴照射对于使用精细的光栅更合适，但是在轴照射分布有助于与现有的标记和测量方法的兼容。首先参考在轴模式的实例，如图3的已知的传感器中使用的，通过具有在另外的暗场光瞳内的中心明亮光斑的在轴照射分布提供垂直于衬底的照射。该分布是在该新颖的设备的照射束422中的可选设定。在该实例中，人们期望沿着光轴返回的零级束在进入干涉仪428之前被阻挡，而且期望它被转移到非对称性测量装置460(当被提供时)。在干涉仪428前阻挡零级不是必须的，但是改善了位置信号的信噪比。因此，在该实施例中，光斑反射镜可以包含在第二分束器462中。第一分离器454没有镀银，并且只有约50％的中心光斑的强度可以被转移到标记上。在替代的实施例中，在装置460被省略的情况下，该分布可以直接通过照射成形器446产生，并且以其全部光强通过在第一分束器454内的光斑反射镜被传送到物镜424。可以设计各种替代方式以获得期望的分布。
离轴照射分布可以以多种方式形成，以形成实用的仪器，应当记住相对的分段对于干涉仪428应当是相干的，以产生期望的信号。特别地，当使用宽频带源时，源辐射的相干长度/时间将非常短。即使使用单色激光源，US’116教导短的相干时间是优选的，例如以消除来自不期望的多种反射的干扰。因此，从所述源到每个分段的光学路径长度应当非常紧密地匹配。与期望的分布直接对应的孔可以放置在加宽的平行的束中，但是这会导致相对大的光损失。为了避免光损失，我们在上面提到的在先申请61/623,391中提出了各种替代的解决方案。
来自照射源442的照射在性质上可以为单色的、但是通常是宽频带的，例如为白光，或者为多色的。在束中波长的多样性增加了测量的鲁棒性，如所知道的。现有的传感器使用例如一组四个波长，即绿、红、近红外和远红外光。在执行本发明的新的传感器中，可以使用相同的四个波长，或者可以使用不同的四个波长，或者比四个波长更多或更少的波长。
再次参考图4，现在将说明与使用多波长的辐射的测量和偏振效果的管理有关的设备的方面。在照射子系统440中，源420包括四个单独的源，它们被设置为产生具有四个波长的辐射，即绿(表示为G)、红(R)、近红外(N)和远红外(F)。为了在下面的讨论中方便，这四种不同波长的辐射将被叫做四色光，为此目的它们是否处于电磁谱中的可见部分或不可见部分是不重要的。所有光源被线性偏振，其中G和N辐射被彼此相同地定向，并且R和F辐射被与G和N偏振正交地偏振。
四种颜色通过偏振保持光纤被传输到多路复用器502MUX，在那里它们被组合成单一的四色束。多路复用器保持线性偏振，如箭头504所示。箭头504和图中相似的箭头被标示为G和R，以指示绿色组成部分和红色组成部分的偏振。N和F组成部分被分别与G和R组成部分相同地定向。
该组合的束通过合适的传递光学器件506进入分束器454。如上所述，它然后从部分或全部的反射表面(例如，0.5mm直径的光斑反射镜)反射，该反射表面在分束器中。物镜424将该束聚焦成窄束，该窄束被由在晶片上的对准标记202形成的光栅反射和衍射。光被例如具有数值孔径NA＝0.6的物镜收集。该NA值允许从具有16μm节距的光栅为每种颜色收集至少十级衍射。
形成信息承载束426的反射的和衍射的光然后被输送到自参考干涉仪428。在该实例中，如上所述，该束被分束462以将信息承载束的一部分464供给到非对称性测量装置(当被提供时)。传送非对称性测量信息的信号466被从装置460传到处理单元PU。恰好在干涉仪前，偏振被半波板510旋转45°。从该点起，为了清楚起见，仅为一种颜色示出偏振箭头。如上所述和US’116中所述，干涉仪由偏振分束器构成，在此处每种颜色的一半被传送，而每种颜色的一半被反射。然后每一半在干涉仪内部被反射三次，旋转辐射场+90°和-90°，给出180°的相对旋转。然后两个场在彼此顶部叠加，并且允许干涉。相位补偿器512被给出以补偿-90°和90°像的路径差。然后偏振被另一个半波板514旋转45°(其主轴被设定为处于相对于X轴或Y轴的22.5°位置处)。半波板510、514对波长不敏感，使得所有四个波长的偏振被旋转45°。
另一分束器516将光学信号分为两个路径，标记为A和B。一个路径包含两个旋转场的和，而另一个包含差。取决于初始的偏振方向，和在路径A或路径B中终止。因此在该实例中，绿色和NIR信号的和信号在一个路径中终止，红色和FIR在另一个中终止。对于每种颜色，对应的差信号在另一个路径中终止。
应当注意，该装置为每种颜色中的照射选择使用一个偏振。通过改变读数之间的偏振(或者通过在读数中多路的时间划分)可以进行每种颜色两个偏振的测量。然而，为了保持高产出、同时从颜色和偏振上的多样性获得益处，一组具有单一的、但是不同的偏振的不同颜色在多样性和测量产出之间展现了很好的折中。为了增加多样性而不影响产出，可以设计与这里呈现的四色方案类似、但是使用更多颜色(例如八或十六种)且具有混合偏振的实施方式。
每个路径A和B的光被各自的收集器透镜组件484A和484B收集。然后它穿过孔518A或518B，所述孔消除了来自衬底上的光斑外部的大部分的光。两个多模纤维520A和520B将每个路径中被收集的光传输到各自的多路分解器522A和522B。多路分解器将每个路径分为原始的四种颜色，使得总共八个光学信号被传递到检测器装置430中的检测器430A和430B。在一个实用的实施例中，光纤从多路分解器延伸到检测器电路板上的八个检测器元件。在该实例中的检测器不提供空间分辨率，但是当设备扫描衬底W上的标记202等时为每种颜色传送随时间变化的光强信号IA和IB。所述信号实际上是依赖位置的信号，但是作为与设备和标记之间的物理扫描运动(回顾图3)同步的随时间变化的信号(波形)被接收。
处理单元PU从八个检测器接收光强波形，并且如在现有的设备中一样处理它们，以提供位置测量POS。因为基于不同的波长和入射偏振有八个信号供选择，因此该设备可以在广泛的情形下获得可用的测量值。就这一点而言，应当记住，标记202可以被埋在不同材料和结构的多个层下面。一些波长将比其它波长更好地穿透不同的材料和结构。传统地，PU处理所述波形并且基于提供最强位置信号的那个提供位置测量值。其余的波形可以被放弃。在简化的实施方式中，对于每个测量任务的“处方”可以基于预先知道的目标结构和试验调查结果指定使用哪个信号。在更先进的系统中，例如在引言部分提到的Huijbregtse等人的论文中描述的，可使使用“颜色动态”或“平滑颜色动态”算法进行自动的选择，以识别最佳的信号，而不需要先验知识。
每个透镜484A、484B将整个场聚焦在每个检测器430A、430B的每个元件上，每个检测器430A、430B是与图3的现有的对准传感器相似的装置。在该实例中和在现有的对准传感器中的检测器是有效的单一的光电二极管，并且除了通过上述的扫描运动不提供任何空间信息。如果需要可以增加在共轭光瞳面中具有空间分辨率的检测器。这例如可以允许使用对准传感器硬件进行角度分辨的散射方法。
如果例如期望使用两个不同的偏振测量位置，那么标记可能需要被扫描多于一次。也可能需要在扫描XY标记的中途更换照射模式。然而，在其它实施例中，我们使用光学信号的多路复用，使得可以同时进行两个测量。类似地，多路复用技术可以被应用使得不更换照射模式就可以扫描和测量XY标记的不同部分。执行这种多路复用技术的一个简单的方法是通过频率划分多路复用。在该技术中，来自每对光斑和/或偏振的辐射被使用特征频率调制，被选定为远高于承载位置信息的随时间变化的信号的频率。到达每个检测器430A、430B的衍射和处理后的光学信号将是两个信号的混合，但是它们可以使用被调谐到源辐射的各自频率的滤波器被电子地分开。还可以使用时间划分的多路复用技术，但是这将需要源和检测器之间精确的同步。在每个频率下的调制可以为例如简单的正弦或方波。
如果期望用圆偏振照射标记，无论对于位置感测或一些其它形式的计量，可以在分束器454和物镜424之间插入四分之一波板(未示出)。这具有使线性偏振变成圆偏振(并且在由标记衍射后再次将它变回)的效果。光斑位置根据标记的方向如前一样被选择。圆偏振的方向(顺时针/逆时针)可以通过在照射源420、光纤422或照射成形光学器件446中选择不同的线性偏振而被改变。
在Huijbregtse等人的论文中还描述了在复合目标中的多个光栅的使用。每个光栅具有不同的分布，例如增强了更高的衍射级(第三、第五、第七)。位置测量可以从这些光栅中的不同的光栅、以及在单个的光栅上的不同的颜色信号获得。在本公开中，假设有具有简单的条图案、但是具有分段的特征的单一光栅。技术人员可以容易地将本公开扩展以构想具有带有不同图案的多个光栅的实施例。
对应存在分辨率特征错误匹配而被修正的位置测量
现在参考图5，我们在粗对准光栅和细“存在分辨率”特征的位置之间引入了错误匹配现象，粗对准光栅和细“存在分辨率”特征一起形成了实际的“子分段”对准标记。图5(a)以剖面图示出了对准标记的一小部分，例如图2(a)中的X方向的对准标记202。具体地，我们粗略地看见一个重复单元，该重复单元包括以已知的周期性重复的标记-空间图案，以形成整个对准标记。该标记形成在具有不同折射率的材料600、602中，以周期性的图案设置，其重复单元包括“标记”区域603和“空间”区域604。标记-空间图案可以具体地通过蚀刻使用图1的光刻设备或类似的设备施加到衬底上的图案而被形成。在这种图案中名称“标记”和“空间”是相当随意的。实际上，应当注意，标记的每个“空间”区域604被形成为使得材料600不是均匀地空缺，而是以包括更小的标记606和空间608的具有细节距的光栅图案出现。类似地，每个“标记”区域603被形成为使得材料600不是均匀地出现，而是以相似的具有细节距的光栅图案出现。该细节距图案在Y方向上(即朝向纸内的方向)具有周期性，并且因此在图5所示的剖面中不可见。这些更细的标记和空间在文中被称作“存在分辨率”特征，处于或接近使用它们的光刻设备中的投影系统的分辨率极限。就图1和4中示出的对准传感器AS而言，它们还可以被称作“亚分辨率”特征。子分段标记目前被用于最小化对准标记的处理效果，并且符合被终端用户主张的图案的密度要求。具有在正交方向上被子分段的标记和空间区域的图5中图示的标记的形式是与在上面引言中提到的Megens等人的论文中讨论的类似的实例。
理想地，由标记606形成的细光栅将居中在与粗光栅相同的点610上。该点610是在光栅中所有的标记上的被平均的，其可以限定整个标记的中心参考位置。然而，子分段标记在形成标记的处理中对透镜像差敏感。这些像差导致了在存在分辨率特征和对准光栅节距之间的偏移，它们通常为更大的数量级。
图5(b)示出了与理想形式(a)类似的一种子分段光栅形式，但是示出了粗对准光栅节距和存在分辨率特征之间的偏移和错误匹配。由于更大的对准光栅节距和存在分辨率结构之间的偏移，该光栅已经变得不对称。在区域604的一端处的空间620，子分段空间部分已经变得略微比在另一端处的空间622狭窄。因此，存在分辨率光栅具有在位置XAR处的中心点，其与粗对准光栅的中心点X0没有严格一致。错误匹配或偏移Δd表示X0和XAR之间的差，并且例如可以以纳米测量。
现在参考图6，计算出的图形(a)和(b)图示了子分段对准光栅的非对称性质使得对准传感器测量颜色依赖的对准信号。虽然其它类型的对准传感器的设计可以不同，但是通常对于不同波长和照射条件则标记的所测量的位置将是不同的。这些图形示出了对于具有已知Δd＝0.5nm的错误匹配，来自模拟的传感器的测量位置。该对准位置误差X相对于粗光栅的中心X0被限定在竖直轴线上。(该位置是已知的，因为我们正在图示一个模拟，而不是一个未知的目标的真实测量。)对于该实例，模拟假设标记具有粗节距＝3μm，存在分辨率节距＝200nm，深度＝256nm。材料600为硅，并且材料602为空气。在图(a)中，照射具有Y偏振(平行于X方向标记的光栅线)，而图(b)示出了具有X偏振的结果。从图中不明显的是对于在X方向呈周期性的标记202，X偏振具有比Y偏振更高的衍射效率。
在每个图形中可以看出的是，模拟测量所报告的位置以强烈地依赖于波长和偏振的方式相当大得变化着。而且变化的范围远大于导致它的错误匹配Δd的大小。在图(b)中可以看见：非常强的共振效应导致约610nm的峰值测量误差。
图7是与图6(a)对应的图形，但是其中对于从-1到+1nm范围内的五个不同的错误匹配值Δd，对准位置误差X-X0被绘制为波长的函数。本发明人已经观察到颜色依赖的对准位置充分逼近存在分辨率特征和对准光栅节距之间的错误匹配的线性函数。在对准位置偏移以及颜色到颜色中的线性的发现是我们将采用的获得为子分段标记中(未知)的错误匹配修正的位置测量的手段。
图8还图示了对于在三个不同的波长λ中的每个波长下使用(a)Y偏振和(b)X偏振进行的测量具有不同移位的位置误差的线性。在该示例中的水平轴线示出了移位或偏移的值d，其被有意地引入到模拟的标记结构中。该偏移d已被增加到模拟的0.5nm的错误匹配Δd上，具有指示为d1、d2、d3等的不同值。应当注意，对于每个波长和偏振，测量的位置随偏移d线性地变化。还应当注意，当增加的偏移d＝-0.5nm恰好足够抵消模拟的未知的错误匹配Δd＝0.5nm时，所测量的位置与粗光栅位置(X-X0＝0)精确地匹配。此外，在这种条件下，测量的位置误差为零，无关波长或偏振。
现在，在图8所表示的模拟测量中，错误匹配是已知的，但是在真实的测量情况下不是这样的。图9图示了错误匹配和位置误差之间的已知的关系(线性关系)如何可以被利用以组合在不同波长和/或偏振下的位置测量值，以确定所有X0，XAR和Δd(如果需要)。
在图9(a)中，画出了对于不同值的λ1和λ2使用波长λ1测量的位置X1和使用波长λ2测量的位置X2之间的差值ΔX。在图9(a)中，该测量使用错误匹配Δd＝0nm和不同的偏移d模拟。无论波长选定为多少，由于如图8所示的它们的线性关系，当偏移d为零时差值ΔX为零。假设，如图8(b)所示，错误匹配可能是未知的。这里0.75nm的错误匹配已经被用在模拟中，但是实际上是未知的。观察到当偏移d为-0.75nm时所报告的位置之间的差值为零，即恰好足够抵消未知的错误匹配Δd。当然，在所阐述的问题中，人们不知道错误匹配，并且人们不知道位置测量对错误匹配的依赖性。然而，如果人们可以制造这样的标记使得被设计为具有带有它们之间的已知的、不同偏移的部分，那么人们可以在线性图形上获得两个点，并且人们可以通过插值或外推计算出零点的位置，以找到错误匹配Δd。
图10图示了用于用在利用上面呈现的原理中的改进的对准标记702的结构。该新颖的标记可以用于代替简单的标记202。也可以容易地设计具有Y方向和XY方向的版本。该标记702实际上是具有两个分段702-1和702-2的复合标记。每个分段自身是包括图5中图示的一般形式的子分段光栅的标记。更粗的结构也将在附近被提供，通过该更粗的结构标记可以在准备步骤中被传感器“捕获”。这些细节对技术人员来说是已知的。在图的上部示出了第一分段702-1的示意性的截面，而在下部示出了第二分段702-2的截面。在截面中，如在图5中，整个图案的只有一个重复单元被示出，居中在空间区域上。为了清楚起见，仅示出了三个存在分辨率标记，并且移位被放大。实际的标记将在更大图案的每个空间区域内具有十到二十个范围的存在分辨率标记和空间。在每个分段中，具有在标记的形成过程中由像差等导致的未知的错误匹配Δd以及已知的偏移d。该未知的错误匹配对于两个分段是相等的(或者假定是相等的)，而标记被设计为使得第一分段具有偏移d1，其是已知的并且不同于应用于分段702-2中的偏移d2。在实际中，人们将选择偏移d1、d2为等大小的正值和负值，以便平衡零的任一侧的有意的偏移d(即d1＝-d2)。然而，待描述的方法使用不相等的大小和都在相同方向上的偏移。类似地，偏移无需比未知的错误匹配大或者小。图10图示的实例具有在相反的方向上的偏移，但是具有小于(未知的)错误匹配Δd的大小。因此，对于两个分段总偏移在相同方向上。
参考图11的流程图，现在我们描述使用具有分段和偏移d的新的标记获得详细的位置测量的方法的一个实施例。假设所述测量是作为图1的光刻设备中的对准步骤的一部分被执行，但是当然能够应用该方法进行其它目的的位置测量。将使用图10中示出的类型的仅仅两个分段以及两个波长/偏振的组合呈现一个简单的实例，以在一个方向上测量位置。如果需要可以在真实的实施方式上附加更多的复杂性，并且下面将简要描述该方法的一些扩展。该方法的步骤可以与使用相同标记的其它测量的性能组合。如果需要可以应用更少的步骤，例如因为只有一个特定的结果被期望输出。将首先描述整个方法，随后说明下面的数学计算式。本文公开的技术绝不限于这些特定的实例，或者任何特定的形式或数学表达式。这里说明的概念可以以许多不同的符号和算法表示，但是仍应用这里公开的基本原理。
在步骤S1中，衬底具有形成在其上的一个或多个标记，作为在光刻处理中的位置测量标记(对准标记)。通常地，许多标记沿着衬底形成。每个标记包括由光刻处理形成的子分段光栅，在该光刻处理中光学像差或其它原因引入了光栅的标记或空间区域内的粗对准光栅和存在分辨率特征的位置之间的未知的错误匹配Δd。根据本文所包含的新教导，每个标记使用具有除了未知的错误匹配之外的不同的已知偏移d的两个或多个分段形成。
此后，也许在许多干涉处理步骤之后，为了施加器件图案的目的(在本实例中)衬底被装载入光刻设备中。在步骤S2中，设备的对准传感器AS被用于用波长和偏振(λ、p)的不同组合获得第一标记分段702-1的位置的两个或多个测量值X1。在步骤S3中，用波长和偏振(λ、p)的相同组合获得第二标记分段702-2的位置的两个或多个测量值X2。
在步骤S4中，通过比较步骤S2中对应第一分段所测量的不同位置计算至少一个位置差ΔX。在步骤S5中，通过使用步骤S3中测量的相应的成对的位置比较对应第二分段所测量的不同位置计算位置差ΔX。每个ΔX对应于相同对的波长和/或偏振。如果如在图4的设备中进行了多个测量，那么可以根据预定的处方和/或根据在测量时完成的质量评定选择使用最好的对。并不阻止使用多于两对来获得对应每个分段的多个ΔX值。
在步骤S6中，两个分段的ΔX值与已知的偏移值d组合，以计算如下任何值或所有值：(i)未知的错误匹配Δd；(ii)粗对准光栅的真实的中心位置X0；(iii)存在分辨率光栅的真实的中心位置XAR。下面将给出这些计算和它们背后的基本原理的更多细节。
再次参考图10中图示的示例性的标记，第二分段中组合的偏移-d2+Δd被示出为在大小上大于在第一标记中的组合的偏移-d1+Δd。在步骤S3中在第二分段中对于不同颜色和偏振由传感器报告的标记位置X的测量比步骤S2中对于第一分段报告的位置更宽地间隔开，并且离粗或存在分辨率光栅的真实位置更远。根据计算，在步骤S5中对应第二分段所计算的位置差ΔX将远大于在步骤S4中对应第一分段所计算的位置差ΔX。正如我们已经在图8和9的图形中看到的，如果一个偏移会实际上恰好抵消错误匹配，那么所有报告的位置将相同并且对于该分段ΔX将为零。
在步骤S7中，在测量完所有期望标记、操作水平传感器等等之后，产品或器件图案被使用光刻设备的投影系统PS施加在衬底W的目标部分C上(图1)。因为错误匹配已经被测量并且位置值被相应地修正，产品特征的定位与期望位置以及在前一光刻步骤中制成的下面的特征更精确地对准。虽然所测量的粗光栅位置X0比传统方法已经更精确，但是应当注意存在分辨率XAR位置也可直接利用，尽管这些特征远低于对准传感器的分辨能力。这提高了在所施加的图案的定位中使用存在分辨率位置XAR的可能性。因为存在分辨率特征更接近所施加的图案中的产品特征，使用该位置测量可以比粗光栅位置X0提供这些产品特征的更精确的放置(假设在光刻步骤中的像差与在形成标记的步骤中的像差相似)。在进一步的光刻步骤之后，在衬底上已经形成成品半导体器件或其它产品。
可以以任何期望的顺序执行该方法的步骤。计算的步骤S4-S6可以作为离散的步骤执行，或者并入单一的更大的计算中。可以为所有的标记存储检测器信号，并且处理它们以在后续的台上获得位置测量值。可以首先为所有标记计算位置测量值，并且随后修正它们，或者可以在扫描每个标记时立刻计算修正的测量值。
在该实例中的标记分段被示出非常靠近，使得它们可以被视为在大衬底上处于基本相同的位置，并且可以在传感器的单次通过过程中测量。然后，组合的位置测量值可以被输出，以与传统的标记相同的方式被使用。原则上，两个分段可以更宽地分开。该步骤的好处在于将避免在衬底上被标记占据的面积的较大的整体增大。然而，结果的质量将取决于错误匹配Δd是否在所有的位置都相同，还是需要被局部地测量以保持有意义。处理测量结果和在对准中使用它们或者为了测量后的其它目的将更加复杂。
错误匹配和修正位置的计算
现在将详细说明各种结果的数学计算。如所提到的，它基于如下发现，对于所使用的任意给定的波长/偏振，所测量的位置线性地依赖于粗和存在分辨率特征之间的偏移d。为了简化，忽略掉偏振而将关注点集中在波长上，我们指定值K(λ)作为该线性依赖关系的系数。因此，对于子分段对准光栅，下面的关系式有效：
X(λ)＝X0+K(λ)Δd
X0＝X(λ)-K(λ)Δd
K(λ)是未知的，并且依赖于标记的许多性质和它上面和下面的叠层。我们的期望是找到对于K(λ)和Δd的表达式，以便以波长和像差不敏感的方式将测量的对准位置X(λ)(其在用于形成标记的过程中依赖于波长和像差)修正到精确地代表粗光栅的中心的位置X0。可以将K(λ)视为对准的位置对子分段中的偏移的敏感性。我们可以用上面说明的两个分段通过从具有未知的错误偏差和已知的偏移的不同标记分段测量位置而获得K(λ)和Δd。分段1具有被d1取代的子分段，并且分段2具有被d2取代的子分段，因此我们可以写出：
X1(λ)＝X0+K(λ)[d1+Δd]
X2(λ)＝X0+K(λ)[d2+Δd]
X1(λ)-X2(λ)＝K(λ)[d1-d2]
我们可以通过观察对应两个不同波长λ1和λ2的两个子段得到对于Δd的表达式。对于分段1，这意味着：
X1(λ1)＝X0+K(λ1)[d1+Δd]
X1(λ2)＝X0+K(λ2)[d1+Δd]
并且对于分段2：
X2(λ1)＝X0+K(λ1)[d2+Δd]
Xx(λ2)＝X0+K(λ2)[d2+Δd]
为两个分段作减法处理(步骤S4、S5)，我们得到对于每个分段的这两种颜色之间的位置差ΔX，得到：
X1(λ1)-X1(λ2)＝K(λ1)[d1+Δd]-K(λ2)[d1+Δd]＝[K(λ1)-K(λ2)][1+Δd]
X2(λ1)-X2(λ2)＝K(λ1)[d2+Δd]-K(λ2)[d2+Δd]＝[K(λ1)-K(λ2)][d2+Δd]
两个等式相除得到：
因此，在步骤S6中，我们可以推导出Δd的表达式为：
使用该表达式我们可以通过下式计算粗对准光栅的真实中心位置X0：
我们可以通过下式独立地计算存在分辨率光栅的中心位置XAR：
XAR＝X0+Δd
因此，差异的分段标记对准策略能够基于标记分段(d1，d2)的已知的不同偏移和可测量的参数(在本示例中，在分段1上测量的颜色与颜色的差和在分段2上测量的颜色与颜色的差)的组合重新获得存在分辨率结构的位置。如上所述，我们不需要堆叠信息以执行该计算，并且它可以使用新的标记执行，而是仅使用在典型的对准传感器中已经提供的位置信号。该技术进一步独立于所使用的特定类型的对准传感器，并且可以与其它传感器一起应用，而不仅仅是基于图3和4所示的自参考干涉仪的传感器。
模拟的测量结果
为了示出本方法的成功，图12对使用刚刚描述的方法计算的修正的和非修正的测量进行比较。光栅的参数与上面参考图6描述的相同。在图形(a)和(b)中测量在不同的偏振下进行。标记用(未知的)错误匹配Δd＝0.5nm和分段偏移-1nm和+1nm模型化。使用650nm和850nm的波长。为模拟的测量计算的目的，只有分段偏移d1、d2是已知的。图形示出了存在分辨率特征的对准位置XAR可以通过上面呈现的方法被非常精确地并且独立于波长地测量。
如上所述，图示的技术不限于比较使用不同波长获得的位置测量值。可以使用不同的偏振和/或偏振和波长的不同组合。而且，使用不同的照射分布可以以相似的结果获得相同标记的位置测量。即使在波长、偏振和照射分布的单一的组合中，从检测器430a或430b获得的依赖于位置的信号将包含几个光谱成分。并且不仅仅是对应于粗光栅节距的纯正弦波。在上述悬而未决的申请[参考号P-4099]中，更详细地说明了单一的依赖于位置的光学信号的不同空间频率成分如何可以从在对准传感器中检测的依赖于位置的信号中被提取。在简单的情况下，这些不同的光谱组分代表周期性的光栅的基础和谐波空间频率，并且它们的大小和相位可以通过傅里叶分析提取。这些光谱成分的每个可以被处理以获得位置测量。这些不同的位置测量将以不同的方式受偏移的影响，并且可被用于以上述的方式测量错误匹配和位置。
技术人员将认识到可以使用成对的位置测量，它们的差异在于仅仅如下参数中的一个：波长、偏振、照射分布和特定频率的光谱成分。同样地，可以使用成对的位置测量，同时有这些参数中多于一个的参数不同。悬而未决的申请[P-4099]的内容通过引用全文并入本文中。
图示的技术不限于线性插值，而是如果需要可以容易地扩展以修正高阶(二次的、三次的等等)项。已经发现使用在这些实例中考虑的标记和光刻处理，线性关系保持得非常稳定，如在图形中看到的。通常地，由于系统的对称性，根本没有二次分量。从存在分辨率特征和偏移相比由对准传感器看到的周期性的依赖于位置的信号的节距是非常小的事实可以直观地理解该线性关系。然而，有小的三次项可能被修正，但是在其它情况下，更高阶的项可能是明显的。为了修正这些更高阶的项，需要响应曲线上更多的点，即四个点来修正三次项，因此将提供具有四个不同的已知的偏移的四个标记分段。人们必须决定改善的信息对于增加的复杂度和由增加的分段所占据的“实地”是否值得。人们也可能会寻求在位置差相对于偏移的图形上取样更多的点，以简单地改善线性插值的精度。该技术只使用两个采样工作得很好的事实无论什么原因也不应被看作排除了它被扩展的实施例。
结论
从上面的公开中，我们看出如何进行直接或间接地测量标记中粗和存在分辨率特征的精确的位置的位置测量，即使当在那些位置之间存在未知的错误匹配时。可以使用新颖的不同的标记图案、但是使用存在于对准传感器中的依赖于位置的信号获得该改善的测量。这些信号中的一些例如可以为使用在对准传感器中检测的不同颜色和/或偏振的依赖于位置的光学信号产生的位置测量值。它们可以替代地或者附加地为使用不同照射分布和/或使用相同的依赖于位置的信号的不同光谱成分进行的位置测量值。
应当理解，控制对准传感器、处理由它检测的信号以及根据这些适于用在控制光刻图案形成处理中的信号位置测量进行计算的处理单元PU通常地包括某种计算机组件，其将不再详细描述。计算机组件可以是设备之外的专用的计算机，它可以是处理单元或专用于对准传感器的单元，或者替代地，它可以是作为一个整体控制光刻设备的中央控制单元LACU。该计算机组件可以被设置用于装载包括计算机可执行代码的计算机程序产品。当该计算机程序产品被下载，这可使计算机组件控制具有对准传感器AS的光刻设备的前述使用。
虽然本文具体参考光刻设备在制造IC中的应用，但是应该理解，这里所述的光刻设备可以具有其他应用，例如制造集成光学系统、磁畴存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等。本领域技术人员将会认识到，在这样替换的应用情形中，任何使用的术语“晶片”或“管芯”可以分别认为是与更上位的术语“衬底”或“目标部分”同义。这里所指的衬底可以在曝光之前或之后进行处理，例如在轨道(一种典型地将抗蚀剂层涂到衬底上，并且对已曝光的抗蚀剂进行显影的工具)、量测工具和/或检验工具中。在可应用的情况下，可以将本文公开的内容应用于这种和其他衬底处理工具中。另外，所述衬底可以处理一次以上，例如为产生多层IC，使得这里使用的所述术语衬底也可以表示已经包含多个已处理层的衬底。
虽然上面具体参考光学光刻对本发明的实施例的使用进行了描述，应当领会，本发明可以用于其它应用中，例如压印光刻，并且在允许的情况下，本发明不限于光学光刻。在压印光刻中，在图案形成装置中的形貌限定了衬底上形成的图案。图案形成装置的形貌可以被压印到提供给衬底上的抗蚀剂层中，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该图案形成装置被移出抗蚀剂，在其中留下图案。
此处所用的术语“辐射”和“束”包含全部类型的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射(例如具有等于或约365、355、248、193、157或126nm的波长)，和极紫外(EUV)辐射(例如具有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”可以表示不同类型的光学构件中的任何一种或其组合，包括折射式、反射式、磁性的、电磁的和静电的光学构件。
虽然上面已经描述了本发明的具体实施例，可以认识到的是，除了所描述的方式，还可以以其它方式实施本发明。例如，本发明可以采取包含一系列或多系列的描述上述方法的机器可读指令的计算机程序或于其中存储该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)的形式。
以上的描述是说明性的，而不是限制性的。因此，对本领域的技术人员来说显然的是，在不背离下面提出的权利要求书的范围的情况下，可以对所描述的发明进行修改。

Claims (14)

1.一种使用光学系统测量衬底上的标记的位置的方法，每个标记包括沿至少第一方向周期性地设置的结构，所述结构中的至少一些结构包括更小的子结构，每个标记形成有结构和子结构之间的位置偏移，其中所述位置偏移是已知的和未知的组成部分的组合，所述方法包括：
(a)用辐射照射每个标记，并且使用一个或多个检测器检测由所述结构衍射的辐射，以获得包含关于标记的位置的信息的信号；
(b)处理所述信号以计算至少一个标记的测量位置，所述计算使用来自多个标记的信号以及关于所述标记的已知的偏移之间的差的信息，以便对所述位置偏移的所述未知的组成部分进行修正。
2.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(a)中，为每个标记获取包含位置信息的多个信号，每个信号具有相同的形式、但是使用具有不同特性的辐射获得。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(a)中，为每个标记获取包含位置信息的多个信号，每个信号包括由单一的检测器获得的依赖于位置的信号的不同光谱组分。
4.如权利要求2所述的方法，其中在步骤(b)中的计算至少部分基于以下各项的组合：(i)来自为同一标记获得的多个信号中的某些信号之间的差值和(ii)对于具有不同的已知偏移的标记的所述差值之间的比率。
5.如权利要求2所述的方法，其中在步骤(b)中的计算至少部分基于以下假设：包含在信号中的位置信息与标记的位置偏移之间的关系对于所述多个信号中的每一个具有相同的数学形式。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述关系被假定为是线性关系。
7.一种制造器件的方法，其中器件图案使用光刻处理被应用于衬底上，所述方法包括参考形成在衬底上的一个或多个标记的测量位置来定位所述被应用的图案，所述测量位置通过如前述权利要求中任一项所述的方法获得。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述被应用的图案通过参考位置测量值而被定位，所述位置测量值涉及包括所述未知偏移的所述子结构的位置，而不涉及没有所述未知偏移的所述结构的位置。
9.一种设置有多个标记的衬底，每个标记包括被设置为以沿至少第一方向的空间周期重复的结构，所述结构中的至少一些结构包括具有小于所述空间周期几倍的尺寸的子结构，其中每个标记形成有子结构和结构之间的位置偏移，其中所述位置偏移是已知的和未知的组成部分的组合，对于不同的标记，已知的组成部分不同。
10.如权利要求9所述的衬底，其中具有不同的已知偏移的两个或更多个标记紧密邻近地形成，以便形成复合标记，而其它此种复合标记跨所述衬底分布。
11.一种用在光刻处理中的图案形成装置，所述图案形成装置限定图案，当所述图案应用于衬底时所述图案将形成如权利要求9或10所述的衬底。
12.一种光刻设备，包括：
用于将图案转移到衬底上的图案形成子系统；
用于测量所述衬底相对于所述图案形成子系统的位置的测量子系统，
其中所述图案形成子系统被设置为使用由所述测量子系统测量的位置将所述图案应用于在衬底上的期望位置处，并且其中所述测量子系统被设置为通过参考设置在衬底上的标记的测量位置定位所述被应用的图案，并且其中所述测量子系统被设置为通过如权利要求1-8中任一项所述的方法计算所述标记的所述测量位置。
13.一种用于测量衬底上的标记的位置的设备，每个标记包括沿至少第一方向周期性地设置的结构，其中所述设备包括：
光学系统，所述光学系统适于用辐射照射每个标记并且使用一个或多个检测器检测被所述结构衍射的辐射，以获得包含关于标记的位置的信息的信号；
用于处理代表所衍射的辐射的信号、以获得与结构的位置有关的多个结果的处理装置，每个结果以不同的方式被结构的性质的变化影响；以及
用于使用由所述处理装置获得的结果中的一个或多个结果计算所述结构的位置的计算装置，
其中所述计算装置被设置为使用来自多个标记的信号计算至少一个标记的测量位置，每个标记包括沿至少第一方向周期性地设置的结构，所述结构中的至少一些结构包括更小的子结构，每个标记形成有结构和子结构之间的位置偏移，其中所述位置偏移是已知的和未知的组成部分的组合，所述计算装置使用所述信号以及关于所述标记的已知偏移之间的差的信息，以便对所述位置偏移的所述未知的组成部分进行修正。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述照射装置被设置为用波长和偏振的多个组合的辐射照射所述结构，所述检测装置被设置为单独地检测所述多个组合的辐射，并且其中由处理装置获得的所述多个结果包括使用不同组合的辐射获得的多个结果。
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