CN105339844B - 检查方法和设备、用于在其中使用的衬底及器件制造方法 - Google Patents

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Abstract

衬底设置有器件结构和量测结构(800)。器件结构包括展现出对一个或多个波长的激发辐射的非弹性散射的材料。器件结构包括在一个或多个尺寸上足够小以致非弹性散射的特性显著地受量子约束的影响的结构。量测结构(800)包括在组成和尺寸上类似于器件特征的器件状结构(800b)，和校准结构(800a)。校准结构在组成上类似于器件结构但在至少一个尺寸上不同于器件结构。使用实施拉曼光谱术的检查设备和方法，通过将从器件状结构非弹性地散射的辐射的光谱特征与从校准结构非弹性地散射的辐射的光谱特征进行比较可以测量出器件状结构的尺寸。

Description

检查方法和设备、用于在其中使用的衬底及器件制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年5月21日提交的美国临时申请61/825,651的优先权，并且该申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及能够例如在通过光刻技术进行的器件的制造中使用的检查的设备和方法。
背景技术
光刻设备是将期望的图案施加到衬底上、通常是施加到衬底的目标部分上的机器。光刻设备可以例如用在集成电路(IC)的制造中。在这种情况下，可替代地称作掩模或掩模版的图案形成装置可以用来生成待形成在IC的单独的层上的电路图案。该图案可以被转移到衬底(例如，硅晶片)上的目标部分(例如，包括裸片的一部分、一个或几个裸片)上。图案的转移典型地凭借成像到设置在衬底上的一层辐射敏感性材料(抗蚀剂)上。一般情况下，单个衬底将含有被相继地图案化的相邻目标部分的网络。已知的光刻设备包括：所谓的步进器，在其中各目标部分通过使整个图案一次曝光到目标部分上而被辐照；和所谓的扫描器，在其中各目标部分通过经过辐射束在给定方向(“扫描”方向)上扫描图案而平行或反平行于该方向同步地扫描衬底而被辐照。也可以通过将图案压印到衬底上而使图案从图案形成装置转移至衬底。
为了监测光刻工艺，测量出被图案化的衬底的参数。参数可以例如包括形成在被图案化的衬底中或上的相继的层之间的重叠误差和显影的光敏抗蚀剂和/或蚀刻的产品特征的临界尺寸(典型为线宽)。该测量可以在产品衬底上和/或专用量测目标上执行。存在用于进行对光刻工艺中形成的微观结构的测量的各种技术，包括扫描电子显微镜和各种专业工具的使用。快速且非侵入性形式的专业检查工具是其中辐射的光束被引导到衬底的表面上的目标上并测量出散射或反射束的性质的散射仪。通过将光束的在它被衬底反射或散射之前与之后的性质进行比较，可以确定衬底的性质。这可以例如通过将反射束与被存储在与已知衬底性质相关联的已知测量的库中的数据进行比较来完成。两种主要类型的散射仪是已知的。光谱散射仪将宽带辐射束引导到衬底上并测量出散射到特定的窄角度范围内的辐射的光谱(作为波长的函数的强度)。角分辨散射仪使用单色辐射束并测量出作为角度的函数的散射辐射的强度。
随着光刻工艺的分辨率增加，在当前散射仪的分辨率之下将在衬底上创建比以往任何时候更小的特征。为了以较高分辨率执行散射测量，可以考虑使用利用较短波长的辐射。紫外线(UV)范围内的波长在原理上对此可以是有效的。然而，用于这样的波长的光学系统变得特别复杂，并且特征尺寸继续缩小超过经典光学器件的分辨率。技术路线图指向于小于20nm并且在未来几年内甚至小于10nm的特征尺寸。
虽然存在用于甚至这样的小特征的精确成像的诸如扫描电子显微术(SEM)和原子力显微术(AFM)等的技术，但是它们是基于接触的方法，作为大规模生产中的例行检查工具使用太慢且代价高。相应地存在对于新形式的检查方法和设备的期望，特别是适用于以当前及下一代光刻工艺的分辨率测量出具有特征尺寸的大规模生产的量测目标的检查方法和设备。理想的是，新的检查方法将以高速且非接触方式操作，以执行与当今大规模生产中使用的散射仪所起的作用类似的作用。
拉曼光谱术(Raman spectroscopy)是一种基于非弹性散射的现象的已知用于测量材料特性的技术。简要地说，拉曼光谱包括处于从入射的辐射束的波长偏移的波长的成分。波长上的改变不是由任何荧光效应引起的，而是由散射光子与产生散射的材料之间的能量的交换引起的。典型地，能量的交换包括光子与材料的分子或晶格结构的振动能量模式之间的耦合。在US7,903,260中将光谱散射仪与拉曼光谱仪组合以便选择性地分析材料性质。也就是说，US7,903,260教导：通过测量作为来自具有产品状特征的周期性光栅结构的第一阶衍射信号的信号的拉曼光谱，可以确保拉曼光谱呈现出产品状特征的材料特性。然而US7,903,260没有提出对小于散射仪的分辨率的产品的任何应用。也没有提出使用拉曼光谱作为用于调查结构的与材料特性相对的尺寸特性的手段。
发明内容
本发明人已注意到，在受到低于一定尺寸的空间约束的试样中，在非常小的尺寸时，量子效应对拉曼光谱中所呈现的非弹性散射具有强烈影响。发明人进一步认识到，空间约束的该影响可以在拉曼光谱中测量出并且可用作计算结构的尺寸特性而不仅是材料特性的基础。
根据本发明的第一方面，提供有一种检查目标结构的方法，包括以下步骤：
(a)将具有第一波长的辐射引导在目标结构处；
(b)接收由目标散射的辐射，并且形成散射的辐射的光谱，以便将光谱中的归因于由目标结构的非弹性散射而具有不同于第一波长的波长的一个或多个光谱成分区分开；
(c)基于所述光谱成分的特性计算结构的尺寸特性。
方法可以进一步包括将除了第一波长的辐射以外的泵浦辐射引导至所述目标结构，由此增加计算中使用的光谱成分的强度。
在发明的特定实施例中，所述处理器被布置成通过将从目标结构获得的所述光谱成分的特性与从校准结构获得的对应的光谱成分的特性进行比较来执行所述计算，两个结构在除尺寸外的所有特性上类似。校准结构可以例如在所述临界尺寸上大于目标结构。
所述计算可以基于所述光谱成分中的一个或多个的波长上的偏移和/或基于所述光谱成分中的一个或多个的加宽。
发明进一步提供一种检查设备，包括：
-照射光学器件，用于将具有第一波长的辐射引导在目标结构处；
-检测光学器件，用于接收由目标散射的辐射并用于形成散射的辐射的光谱；
-检测器，用于将光谱转换成电信号，以及
-处理器，用于基于检测的光谱中的具有不同于第一波长的波长的一个或多个光谱成分的特性，计算结构的尺寸特性。
发明进一步提供一种执行光刻工艺的方法，包括以下步骤：
通过所述光刻工艺在衬底上形成器件结构和至少一个量测目标结构，
通过根据如前所述的发明的方法来测量所述量测目标结构的尺寸特性；以及
依照所述尺寸特性的测量出的值来控制对被测量的衬底和/或另外的衬底的随后的处理。
在实施例应用中，对被测量的衬底的随后的处理被控制以便如果测量出的特性在某一公差之外则引起衬底的重新加工或报废。
在另一示例应用中，对另外的衬底的处理被控制以便校正在针对被测量的衬底而计算的尺寸特性中观察到的偏差。
发明又进一步提供一种制造器件的方法，包括：根据如上所述的发明通过光刻工艺将一个或多个器件图案施加至衬底，和处理衬底以形成包括所述器件结构的器件作为功能元件。
发明进一步提供一种计算机程序产品，其呈承载有机器可读的指令的瞬态或非瞬态存储介质的形式，指令在由处理执行时实施以上方面中的一个或多个中的发明。处理器可以是独立的处理装置或者它可以包括检查设备的或光刻设备的控制处理器。
发明又进一步提供一种用于在根据如上所述的发明的方法和设备中使用的衬底。
衬底可以设置有器件结构和量测结构，器件结构包括展现出对一个或多个波长的激发辐射的非弹性散射的材料，器件结构包括在一个或多个尺寸上足够小以致所述非弹性散射的所述特性显著地受量子约束的影响的结构，量测结构包括作为在其组成和尺寸上类似于器件特征的结构的至少一个器件状结构，和至少一个校准结构，校准结构在其组成上类似于器件特征但在至少一个尺寸上不同于器件特征。
校准结构可以大于器件状结构。校准结构可以在一个或多个尺寸上足够大以致所述非弹性散射的特性未显著地受所述量子约束效应的影响。示例尺寸将取决于材料。通过将这样的结构的非弹性散射进行比较，衬底允许量子约束的影响被观察到，并且结果允许器件状结构的尺寸的估算。当例如由硅制成时，目标结构可以具有小于22nm的临界尺寸，而所述校准结构具有大于25nm的临界尺寸。
衬底可以包括在功能器件的制造中的中间级，或者它可以包括量测结构留下的完成的功能器件。
发明又进一步提供一种用于在光刻工艺中使用的图案形成装置，图案形成装置承载图案，图案当被施加至衬底并经受一个或多个进一步的处理步骤时产生根据如上所述的发明的衬底。
本发明的进一步特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作在下面参照附图详细地描述。需要注意的是，本发明不限于本文中所描述的具体实施例。这样的实施例在本文中被呈现用于仅说明的目的。另外的实施例对于相关领域技术人员而言基于本文中所包含的教导将是显而易见的。
附图说明
现在将参照附图借助于仅示例来描述发明的实施例，其中：
图1描绘了光刻设备；
图2描绘了光刻单元或簇；
图3图示出执行拉曼光谱术的检查设备的主要部件；
图4图示出光谱术中的拉曼偏移的现象；
图5示出由尺寸约束引起的在拉曼光谱中的变化；
图6(a)至图6(d)图示出能量状态的密度如何受到导致图5中图示出的现象的不同类型约束的影响；
图7图示出通过光刻工艺形成的结构，图示出了不同程度的空间约束；
图8是用于将拉曼光谱术应用于形成在衬底上的结构的尺寸的测量的实际仪器的示意图；
图9(a)至图9(e)图示出在如图8中看到的仪器的构造上的变型(a)至(e)，其中变型(c)至(e)包括泵浦辐射源；
图10图示出其中向前散射的辐射被检测的在仪器的构造上的另一变型；
图11图示出其中向后和向前散射的辐射都被检测的在仪器的构造上的另一变型；
图12图示出用于在图8至图10的设备中使用的包括了反馈控制的辐射源布置；
图13(a)和图13(b)示出在监测光刻工艺的性能时用于与图8至图10的设备一起使用的示例目标结构的形式；和
图14是包括根据本发明的实施例的微观结构的检查的示例器件制造方法的流程图。
具体实施方式
该说明书公开了包含了该本发明的特征的一个或多个实施例。所公开的实施例仅仅举例说明了本发明。本发明的范围不限于所公开的实施例。本发明由所附的权利要求来限定。
所描述的实施例以及说明书中的对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用表明所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但每一个实施例可以不一定包括特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定是指相同的实施例。此外，当与实施例有关地描述了特定特征、结构或特性时，可以理解的是：无论是否明确地描述，与其他实施例有关地影响这样的特征、结构或特性都在本领域技术人员的知识内。
本发明的实施例可以在硬件、固件和/或软件的组合中实施。本发明的实施例也可以被部分地实施为可以由一个或多个处理器读取并执行的、被存储在机器可读介质上的指令。机器可读介质可以包括用于存储或传输呈可由机器(例如，计算装置)读取的形式的信息的任何机构。例如，机器可读介质可以包括只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；磁盘存储介质；光存储介质；闪速存储器装置；电、光、声或其他形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)以及其他。此外，固件、软件、程序、指令可以在本文中被描述为执行某些动作。然而，应该领会的是，这样的描述仅仅为了方便并且这样的动作实际上由计算装置、处理器、控制器或执行固件、软件、程序、指令等的其他装置产生。
然而，在更加详细地描述这样的实施例之前，呈现出可以实施本发明的实施例的示例环境是有指导性的。
图1示意性地示出根据本发明的实施例的包括了源收集器模块SO的光刻设备LAP。设备包括：照射系统(照射器)IL，被配置成调节辐射束B(例如，EUV辐射)；支撑结构(例如，掩模台)MT，被构造成支撑图案形成装置(例如，掩模或掩模版)MA并且被连接至配置成将图案形成装置精确定位的第一定位器PM；衬底台(例如，晶片台)WT，被构造成保持衬底(例如，涂覆有抗蚀剂的晶片)W并且被连接至配置成将衬底精确定位的第二定位器PW；和投影系统(例如，反射投影系统)PS，被配置成将通过图案形成装置MA赋予辐射束B的图案投影到衬底W的目标部分C(例如，包括一个或多个裸片)上。
照射系统可以包括各种类型的光学部件，如折射式、反射式、磁性的、电磁式、静电式或其它类型的光学部件或者其任何组合，用于指向、成形或控制辐射。
支撑结构支撑着图案形成装置、即承载着其重量。它以取决于图案形成装置的定向、光刻设备的设计以及诸如例如图案形成装置是否被保持在真空环境中等的其他条件的方式保持着图案形成装置。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。支撑结构可以例如是可根据需要被固定或可移动的框架或台。支撑结构可以确保图案形成装置处于例如相对于投影系统的期望的位置。在本文中的术语“掩模版”或“掩模”的任何使用可以视为与更一般的术语“图案形成装置”同义。
在本文中使用的术语“图案形成装置”应该广义地解释为能够用于赋予辐射束在其截面中的这样的图案以至于创建出衬底的目标部分中的图案的任何装置。应该注意的是，赋予辐射束的图案可以不是确切地对应于衬底的目标部分中的期望的图案，例如如果图案包括相移特征或所谓的辅助特征的话。一般地，赋予辐射束的图案将对应于诸如集成电路等的正在目标部分中被创建的器件中的特定功能层。
图案形成装置可以是透射的或反射的。图案形成装置的示例包括掩模、可编程反射镜阵列和可编程LCD面板。掩模是光刻技术中公知的，并且包括诸如二元、交替相移和衰减相移等的掩模类型，以及各种混合掩模类型。可编程反射镜阵列的示例采用小的反射镜的矩阵布置，其中每一个反射镜可以单独地倾斜以便沿不同方向反射传入的辐射束。倾斜的反射镜赋予由反射镜阵列反射的辐射束中的图案。
在本文中所使用的术语“投影系统”应该广义地解释为涵盖任何类型的投影系统，包括折射式、反射式、反射折射式、磁性的、电磁式和静电式光学系统或其任何组合，视正在使用的曝光辐射或者诸如浸没液体的使用或真空的使用等的其他因素的情况而定。本文中的术语“投影透镜”的任何使用都可以视作与更一般的术语“投影系统”同义。
如本文中描绘的，设备是透射型的(例如，采用透射掩模)。可替代地，设备可以是反射型的(例如，采用如上面提到的类型的可编程反射镜阵列，或者采用反射掩模)。
光刻设备可以是具有两个(双台)或更多衬底台(和/或两个或多个掩模台)类型的。在这样的“多台”机器中，附加的台可以并行地使用，或者可以在一个或多个其他台正用于曝光的同时在一个或多个台上执行预备步骤。
光刻设备也可以是如下类型的：其中衬底的至少一部分可以被具有相对高折射率的液体、例如水覆盖，以便填充投影系统与衬底之间的空间。浸没液体也可以施加至光刻设备中的其他空间，例如在掩模与投影系统之间。浸没技术在本领域中公知用于增加投影系统的数值孔径。如本文中使用的术语“浸没”不意味着诸如衬底等的结构必须被淹没在液体中，而是仅意味着液体在曝光期间位于投影系统与衬底之间。
参见图1，照射器IL从辐射源SO接收辐射束。源和光刻设备可以是分开的实体，例如当源是准分子激光器时。在这样的情况中，源不视为形成光刻设备的一部分，并且辐射束在包括了例如合适的定向反射镜和/或扩束器的光束传递系统BD的帮助下从源SO传给照射器IL。在其他实施例中，源可以是光刻设备的不可缺少的一部分，例如当源是汞灯时。源SO和照射器IL与如果需要的话的光束传递系统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整器AD。一般地，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(常分别称作σ-外和σ-内)可以被调整。另外，照射器IL可以包括诸如积分器IN和聚光器CO等的各种其他部件。照射器可以用来调节辐射束，以在其截面中具有期望的均匀性和强度分布。
辐射束B入射在被保持在支撑结构(例如，掩模台MT)上的图案形成装置(例如，掩模MA)上，并且通过图案形成装置被图案化。横穿过了掩模MA，辐射束B通过投影系统PL，该投影系统PL将光束聚焦到衬底W的目标部分C上。在第二定位器PW和位置传感器IF(例如，干涉装置、线性编码器、2-D编码器或电容传感器)的帮助下，可以使衬底台WT精确地移动、例如以便将不同的目标部分C定位在辐射束B的路径上。类似地，第一定位器PM和另一位置传感器(图1中未明确地描绘出)可以用于将掩模MA相对于辐射束B的路径精确地定位，例如在从掩模库进行机械检索之后或者在扫描期间进行。一般情况下，掩模台MT的移动可以在形成第一定位器PM的一部分的长行程模块(粗略定位)和短行程模块(精细定位)的帮助下实现。类似地，衬底台WT的移动可以利用形成第二定位器PW的一部分的长行程模块和短行程模块来实现。在步进器(与扫描器相对)的情况中，掩模台MT可以仅连接至短行程致动器，或者可以是固定的。掩模MA和衬底W可以利用掩模对准标记MK1、MK2和衬底对准标记P1、P2对准。虽然如图示出的衬底对准标记占据专用目标部分，但它们可以位于目标部分(这些被称为划线对准标记)之间的空间中。类似地，在一个以上的裸片设置在掩模MA上的情形中，掩模对准标记可以位于裸片之间。
所描绘的设备可以以以下模式中的至少一个使用：
1.在步进模式中，在使赋予辐射束的整个图案一次投影到目标部分上的同时使掩模台MT和衬底台WT维持基本静止(即，单次静态曝光)。接着使衬底台WT沿X和/或Y方向偏移，使得不同的目标部分C可以被曝光。在步进模式中，曝光场的最大的尺寸限制了在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，在使赋予辐射束的图案投影到目标部分C上的同时同步地扫描掩模台MT和衬底台WT(即，单次动态曝光)。衬底台WT的相对于掩模台MT的速度和方向可以由投影系统PL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次动态曝光中的目标部分的宽度(在非扫描方向上)，而扫描运动的长度确定了目标部分的高度(在扫描方向上)。
3.在另一模式中，在使赋予辐射束的图案投影到目标部分C上的同时使掩模台MT维持基本静止地保持着可编程图案形成装置并且使衬底WT移动或扫描衬底WT。在该模式中，一般地采用脉冲辐射源并且在衬底台WT的每次移动之后或者在扫描期间的相继的辐射脉冲之间根据需要更新可编程图案形成装置。该模式的操作可以容易地应用于利用诸如如上面提到的类型的可编程反射镜阵列等的可编程图案形成装置的无掩模光刻技术。
也可以采用在上述使用模式上做出的组合和/或变型或者完全不同的使用模式。
如图2所示，光刻设备LA形成光刻单元LC的一部分，该光刻单元LC有时也称作光刻单元或簇，并且还包括在衬底上执行预或后曝光处理的设备。传统上，这些设备包括沉积抗蚀剂层的旋涂器SC、使曝光的抗蚀剂显影的显影器DE、激冷板CH和烘烤板BK。衬底操作器或机器人RO从输入/输出端口I/01、I/02拾取衬底、使它们在不同处理设备之间移动并接着传递至光刻设备的进料台LB。经常统称作轨道的这些装置是在自身受到管理控制系统SCS控制的轨道控制单元TCU的控制之下，该管理控制系统SCS还借助光刻控制单元LACU控制光刻设备。因此，不同设备可以被操作成使生产量和处理效率最大化。
为了使由光刻设备曝光的衬底正确且一致地曝光，期望检查曝光的衬底以测量诸如随后的层之间的重叠误差、线厚度、临界尺寸(CD)等的性质。如果检测到误差，则可以对随后的衬底的曝光进行调整，尤其是如果检查可以即刻且快速地完成足以使得相同批次的其他衬底仍然处于待曝光的话。还有，可以将已经曝光的衬底剥离并重新加工—以提高生产率—或者丢弃，由此避免在已知会有缺陷的衬底上执行曝光。在衬底的仅一些目标部分有缺陷的情况中，可以仅在良好的那些目标部分上执行进一步的曝光。
检查设备(图2中未示出)被用来确定衬底的性质，并且特别是确定不同衬底或相同衬底的不同层的性质如何在层之间变化。检查设备可以被集成到光刻设备LA或光刻单元LC内，或者可以是独立的装置。为了使得能够实现最迅速的测量，期望检查设备在曝光之后立即测量曝光的抗蚀剂层中的性质。然而，抗蚀剂中的潜像具有非常低的对比度—仅在抗蚀剂的已经曝光于辐射的一部分与尚未曝光的那些部分之间在折射率上有非常小的差异—并且不是所有检查设备都具有充分的敏感度以进行对潜像的有用的测量。因此测量可以在习惯上作为在曝光的衬底上执行的第一步骤并且增加抗蚀剂的曝光的与未曝光的部分之间的对比度的后曝光烘烤步骤(PEB)之后进行。在该阶段中，抗蚀剂中的图像可以称作半潜的。也可以进行对被显影的抗蚀剂图像的测量—在该点上抗蚀剂的或者曝光的或者未曝光的部分已经被去除—或者在诸如蚀刻等的图案转移步骤之后进行。后一可能性限制了对于有缺陷的衬底的重新加工的可能性但仍然可以提供有用的信息。
当前散射仪在其分辨能力上受到限制，而半导体工业正走向其中特征将低于当前散射仪的分辨能力的技术“节点”。虽然诸如扫描电子显微术(SEM)和原子力显微术(AFM)等的技术是公知的并且能够产生最小可能性的结构的图像，但SEM和AFM也已知是代价高且耗时的技术。散射仪被用于高容量生产环境中的检查的吸引力在于能够相对迅速地进行测量，这将给出关于所形成的结构的尺寸的信息而不用在物理上使用SEM或AFM检查各结构。散射仪的分辨率可以通过移动至使用诸如UV辐射等的较短波长而被向下延伸。然而，这带来了其自己的技术挑战，并且当经典的衍射光学器件不再能够分辨正在制造的结构时只能推迟日期。结果，我们寻求一种执行由散射仪当前所执行的功能以使比经典光学器件的分辨能力小得多的结构的尺寸特征化的仪器。
图3图示出根据本文中所提出的新型方法的、可用作测量较小微观结构的尺寸特性的检查设备的拉曼光谱仪的基本结构和操作原理。目标结构100被来自源104的辐射102的光束辐照。由目标散射的辐射106用检测装置108来检测。如到目前为止所描述的，设备看起来类似于传统散射仪，其中影响到散射的辐射的衍射效应将被用作测量的基础。新型检查设备因此利用被称为非弹性散射的现象，由此散射的辐射106含有在入射的辐射102中不存在的一个或多个波长(频率)的辐射。这些成分是拉曼散射仪中被分析的那些。
非弹性散射的机制是其中传入的光子被试样的材料散射而获取或失去其能量的一部分至材料内的一些其他形式的能量的机制。最常见地，来自光子的能量与诸如分子振动和晶格振动等的材料的振动模式交换。在周期性晶格材料中，振动模式经常被视作称为声子的准粒子。这些振动能量状态典型地具有比激发辐射中的光子的能量稍低的对应于红外范围中的光子能量的能量。可能出现的特别是在半导体材料中而且在绝缘体中出现的另一类型的准粒子是激子，其包括电子空穴对，一起表现为准粒子。
如所提及的，非弹性散射的现象造成含有在传入的激发辐射的波长处的峰值旁边的附加、偏移的峰值的散射辐射的光谱。可以对该拉曼光谱进行分析和/或与已知材料的光谱进行比较以获得关于材料组成和试样的其他材料性质的信息。当激发光子失去能量给了材料时，散射的光子具有较低能量(较长波长)并且该现象被称作斯托克斯偏移(Stokesshift)。当光子在散射中获取能量时，散射的光子具有较短波长，并且这被称为反斯托克斯偏移。
为了增强非弹性散射信号，已知提供来自泵浦源122的“泵浦”辐射120。泵浦辐射是适用于改变可用于与拉曼光谱仪的传入的辐射102相互作用的能量状态(振动模式、激子等类似物)的群体的辐射。传入的光束102可以称作“探测”束而来自泵浦源122的辐射120可以称作泵浦束。用于探测和泵浦束的激发源可以是连续波(CW)或脉冲式的或者甚至是组合的激光器。
为了执行拉曼光谱术，激发辐射102典型地具有非常窄的带宽，理想地仅包括辐射的信号波长。在检测装置中，该波长的所有辐射都在检测前被滤出，使得非弹性散射辐射110的偏移的波长可以在波长和强度两者上被检测到。虽然源104可以例如是单波长激光器，但对于源而言提供可在不同波长之间切换的辐射102将是有用的，以便探测不同材料的性质。
用于检测装置108、108’的信号被数字化并用在处理单元112内的计算中。相同仪器也可以包括需要执行传统散射测量的部件，并且诸如物镜等的光学部件中的一些可以在这些使用之间共享。参见图3的示意性示例，例如，可以设想提供包括光栅结构的量测目标，如已知的散射测量目标中那样。在这种情况中，第二检测器108’可以被提供用于检测通过目标100上的光栅结构在非零阶衍射的辐射。
图4图示出图3的检查设备所检测到的散射辐射106/110的光谱的小部分。图4的图表中示出的光谱表示通过检测装置108可能看到什么。纵轴以任意单位表示辐射强度，而横轴表示波长。假设激发辐射102具有波长λ0。如将预料的，传入的探测束102的正常的弹性散射导致在波长λ0处的大峰值200。另一方面，归因于散射的光子与目标100的材料中的振动或其他能量状态之间的耦合，小峰值202在偏移的波长λ1处出现在光谱中。如图示出的该拉曼峰值具有较长波长，并且结果具有比λ0低的能量。204所标出的在波长上的差异被称为拉曼偏移，或者在该情况中也称为斯托克斯偏移。其中可能在真正的拉曼光谱中有几个的这样的峰值表明散射的光子的比例已失去其能量的一部分给了材料中的特定能量状态。
因为斯托克斯偏移204是朝向较长波长的，所以在该领域中常见的是将该斯托克斯偏移称作“红色偏移”现象。同样如图4中所图示出的，一个或多个第二峰值206可能在比探测束波长λ0短的波长λ2处出现。也称作反斯托克斯偏移的拉曼偏移208可以因此被称作“蓝色偏移”。对红色偏移和蓝色偏移的引用仅仅分别表明辐射的偏移至较长或较短波长的偏移，并且不表明所牵涉到的波长是在可见的辐射光谱的任何特定部分中。事实上，它们可以是在光学光谱的例如从红外、通过可见光谱并到紫外波长的任何部分中。
虽然在拉曼光谱术中传统上使用附加的光谱成分来调查目标的材料性质，但发明人已认识到：约束效应允许拉曼光谱术用来测量正受检查的材料的尺寸性质。现在将参照图5和图6来说明该潜力。
在拉曼光谱术中，常见的是在波数而不是波长或频率方面表达偏移204和208。波数是波长的倒数，并且常见地以厘米的倒数(cm-1)为单位表达出来。拉曼偏移Δω是最常见的表达，并且通过以下公式由原始的和偏移的波长计算：
其中Δω是用波数表达的拉曼偏移，λ0是激发(探测)束波长，并且λ1是拉曼光谱上的特征的波长。最常见地，为了表达拉曼光谱中的波数而示出的单位是厘米的倒数(cm-1)。由于波长信号经常以纳米为单位表达，所以为了实用目的可以在上面的公式的右手侧中包括107的尺度因子。数值Δω将在斯托克斯(红)偏移的情况中是正的，并且在反斯托克斯(蓝)偏移的情况中是负的。可以在传入的电磁场的波矢k和频率ω方面将非弹性散射量化。晶格位移(例如)可以用声子波矢q来描述。所谓的斯托克斯波具有偏移的波矢k 斯托克斯＝k-q和偏移的频率ω斯托克斯＝ω-ω0。反斯托克斯波由k 反斯托克斯＝k+q和ω反斯托克斯＝ω+ω0限定。
图5的图表是由下面进一步提及的Faraci等人(2006)再现的。示出了发生在某一材料(在该情况中是硅)的拉曼光谱中的峰值202如何取决于正受检查的结构的尺寸特性而以稍微不同的位置和形状出现。用于峰值202的拉曼偏移Δω针对具有100nm(曲线202)的特性尺寸的结构具有第一数值，但是对于具有3nm(202’)和2nm(202”)的尺寸的结构变得逐步不太红色偏移。此外，峰值变得逐步更加分散，如用图表中标记为FW100、FW3和FW2的半高全宽所表示的。
图6图示出空间约束对示例材料中的能量状态的密度的影响。图6(a)在顶部中示出传统块体材料300。下面的图表中的曲线302图示出基本上具有连续形式的能量状态D(E)的密度。
图6(b)图示出当材料被大致约束在一个维度上时的状态的密度。量子约束效应意味着状态的密度不再连续，而是台阶状。图6(b)的结构被称为量子阱。
将结构进一步约束在两个维度上，如图6(c)所示，我们将得到的结构称作“量子线”。我们看到在状态密度的函数上的进一步改变，并且最后，将材料约束在三个维度中，如图6(d)中看到的，我们获得了被称为量子点的东西。可得到的能量状态是严格受限的离散量化(德尔塔-形状的)的能量状态。图6中图示出的现象在半导体物理学领域是公知的，例如如由Simon M.Sze、Kwok K.Ng John Wiley&Sons公司在教科书半导体器件的物理学(新泽西州ISBN-13:978-0-471-14323-9(见第61页))中所说明的，该说明内容通过引用全部合并于此。
在科学文献中，已经对纳米结构的拉曼光谱术进行了研究，例如纳米线或各种半导体材料。我们例如参考以下文章：
-Faraci等人，“用于Si纳米晶体的修改了的拉曼约束模型”，Phys.Rev.B 73，033307(2006)
-Faraci等人，“Si纳米晶体的拉曼光谱中的量子尺寸效应”J.Appl.Phys.109，074311(2011)
-Wang等人，“硅纳米线的拉曼光谱研究：高阶散射和声子约束效应”，Phys.Rev.B61(24)，16827(2000)
-Zhao等人，“硅纳米线的量子约束和电子性质”Phys.Rev.Lett.92，236805(2004)。这些文章都通过引用全部合并于此。
图7图示出在半导体器件的制造中可以由半导体或其他材料形成的结构。结构400是长形的并且具有一定高度。如果它们的宽度足够小，则它们将在一些方面表现为量子阱。具有较低高度的类似结构402通过类似于图6中看到的结构可以表现为量子线。在412处示出的被约束在三维中的类似结构可以表现为量子点。可以设想各种其他形式的结构，如在2D平面中具有有限尺寸但在一个方向上较短的量子点划线(quantum dashes)。因此，是缩短的量子线。实际上产品状结构很可能是点划线形状的。它们也可以以不同角度布置，而不是与X轴或Y轴对准。
一方面拉曼偏移与峰值加宽之间的通用关系以及另一方面目标结构的尺寸特性实际上已经都进行了观察，并通过理论模型进行了计算。本申请提出利用该观察、使用拉曼光谱的变更的偏移和加宽的现象来测量非常小的结构的尺寸性质。特别地，已经认识到：虽然传统散射测量技术随着结构变得越来越小而将与识别尺寸特征作斗争，但由尺寸约束引起的偏移和峰值加宽现象的力度在该范围之下增加。因此新技术提供了能够进行远低于20nm的测量而不用求助于SEM或AFM技术的检查设备的前景。此外，虽然已经详细研究了电子和空穴上的量子约束效应并应用在很多不同类型的电子装置中，但是需要认识到的是类似的量子效应发生在与分子和晶体材料的振动有关联的能量状态中。这些振动模式可以通过拉曼光谱术在所有类型的材料中进行调查。例如对于硅纳米结构，声子约束长度为近似22nm。这证实了拉曼光谱术是用于具有低于该长度的尺寸的结构的尺寸特性的测量的有效方法。
如将稍后将说明的，拉曼偏移与峰值加宽之间的通用关系以及目标结构的尺寸特性实际上已经都进行了观察，并且通过理论模型进行了计算。该关系的起源在于，空间约束引入了限制材料内的能量状态的可用性的量子效应这个事实，而不管它们是振动模式还是激子。然而，对用于尺寸特性的测量的关系的实际使用不取决于任何完美的理论模型或定量数据：可用测量可以通过所观察到的对已知目标的对准而简单地获得。
在Wang等人的文章(2000)中，通过测量并通过建模两者研究了不同尺寸的硅纳米线的拉曼光谱。该研究清楚地表明拉曼光谱对减小的特征尺寸的敏感度。拉曼峰值被认为具有大偏移，并且变得(i)较少红色偏移和(ii)随着硅纳米结构变小而被加宽。
Faraci等人的文章(2006，2011)提供了随着硅纳米结构在尺寸上降低而支持拉曼峰值的观察到的偏移与加宽的理论模型。上面提及的图5是基于来自Faraci(2006)的附图并描绘了对于尺寸为100nm、3nm和2nm的量子点的所计算的拉曼光谱。光谱被标准化为彼此相同的高度，采用相等的统一性。它们的线宽是在一半最大强度处被测量的，如图5所示。Faraci等人的文章还呈现了描绘作为特征尺寸的函数的拉曼偏移和FWHM的行为的图表。这些图表示出随着特征尺寸减小而增加声子约束的系统性影响。在～5nm及以下的尺寸时，激子约束也可以起作用。
Zhao等人的文章(2004)证实了纳米尺度的结构示出激子的量子约束。对于硅纳米线，已经发现：激子约束长度是近似5nm。低于该长度的约束导致激子带隙能量的增加，从而导致了激子能量的偏移。归因于拉曼光谱中的其影响，该偏移造成拉曼光谱峰值的位置和宽度上的偏移，这可以进而被用作纳米结构尺寸的测量。
虽然以上研究提到硅作为感兴趣的材料，但是量子约束的现象和拉曼光谱术不以任何方式限于硅或类似半导体材料。而是，本文中所引入的技术可以应用于其他半导体材料、诸如氮化硅等的复合材料以及特别是诸如在光刻工艺中用作抗蚀剂材料等的有机材料。
图8图示出用于使用拉曼光谱术来确定目标结构的尺寸特性的实际检查设备的主要部件。目标800可以形成在已经使用图1的光刻设备和参照图2在上面描述的处理工具的簇进行图案化和处理的衬底W上。检查设备包括激发辐射的源802、带通滤波器804、反射镜806、偏振器808、分束器810和物镜812。目标800可以在物镜的下方被安装在与光刻设备中的衬底台WTa类似的衬底台上。在检测一侧，反射镜812被布置在分束器810的后方，其中透镜814和销孔816在光谱光栅818之前。检测器820被布置成接收来自光栅818的辐射821的光谱，并将光谱信息传递至处理单元822。
在操作中，通过源802、带通滤波器804和偏振器808产生辐射的单色偏振束。滤波器804被设置成“清理”激光光谱输出，使得仅期望的波长存在。得到的辐射形成用于拉曼光谱术的激发束830，并且经由分束器810和物镜812被传递到正在检查的结构800上。散射的辐射通过相同物镜812返回至分束器810。分束器在该示例中具有陷波滤波器或分色镜的形式，使得与激发束830相同波长的辐射不能传送到反射镜812。结果，仅拉曼偏移的辐射到达由透镜814、销孔816、光栅818和检测器820形成的光谱仪。由检测器传递至处理单元822的信号因此表示目标800的拉曼光谱。
在激发辐射可以具有不同波长的实施例中，适当的滤波器或分色镜应该被提供用于当前使用的波长。这可以通过具有不同滤波器的滤波器轮(filter wheel)简单地实施。这同样适用于设置在源侧的滤波器804以“清理”激光光谱输出。
虽然图8输出了一个示例设备，但大量变型也是可以的。源802可以是单或多波长激光器，或者是连续激光器(CW和脉冲激光器是可以的，见较早提到的)。它可以以连续波模式或脉冲模式或者两者的某种混合进行操作。偏振器808可以在定向上是固定的，或者可以是可调的，以便更改入射偏振以适应不同的目标。当然目标和/或设备也可以相对于彼此是可转动的，根据它们是如何安装的。目标800也可以是可转动的，根据它们是如何安装的。曲面镜可以用于使辐射聚焦，代替透镜中的一个或多个。如果感兴趣的波段是在紫外范围内的话这可以特别令人感兴趣。
在检测一侧又进一步的修改是可能的，检测装置820可以包括单个检测器或多个检测器。典型地，长形像素阵列将被提供用于捕捉由于光栅818的作用被扩散了的辐射的光谱。销孔816可以是狭缝，以便使辐射的使用最大化而不会使光谱模糊。由于分辨拉曼光谱的特征所需的光谱分辨率非常精细，所以从光栅818至检测器820的路径长度可以比该未按比例的图中所表示出的长得多。从光栅至检测器的路径长度可以例如是0.5m或1m长。这样的长光路可以通过反射镜的使用被折叠，以提供更加紧凑的设备。
参见图9，设备布局的各种可替代的配置是可能的，而不会改变基本光学配置和操作原理。在图9中(a)中我们看到表示图8的布置，其中单个物镜812承载激发束830和散射束832两者，在图9(b)中看到了不同的布置，其中激发束830和散射束832分别通过单独的物镜840和842被处理。目标的照射可以是通过正入射或通过倾斜入射。
图9(c)、图9(d)和图9(e)示出还包括对应于图3中看到的泵浦源122的泵浦激光器的可替代的配置。泵浦源在图9中未明确示出，但泵浦辐射850被示意性地示出。在被泵浦的拉曼光谱术中，激发束830经常也被称作“探测”束，以将其与泵浦束区分开。在图9(c)中，单个物镜852负责传递泵浦和探测辐射以及接收散射的辐射832。在图9(d)中，布置与图8和图9(a)中相同，附加有用于传递泵浦辐射的单独的物镜854。最后，在图9(e)中我们看到具有三个光束的三个单独的透镜，即，用于传递激发束的物镜856、用于传递泵浦束的透镜858和用于收集散射辐射832的物镜860。
应该注意的是，尽管图9(b)、图9(d)和图9(e)示出了通过各种透镜进入的光束之间的宽角度的发散，但实际上必须注意不同辐射束的波矢的恰当对准。也就是说，如果泵浦辐射的波矢与激发辐射的波矢显著错位，则通过泵浦束在试样内激发的能量状态可能无法与激发(探测)束830相互作用以增强拉曼信号。在该情况中泵浦激光器的唯一作用将会是加热试样。因此，本领域技术人员应该理解的是，光束、即使它们由单独的光学系统传递也可以比示意图中所图示出的更紧密地对准。
另外，当使用泵浦激光器(或两个激发源)时，两个激光器应该在正常情况下也在时间上同步。因此，控制回路(未示出)将被包括在设备中以控制由两个源生成的激光脉冲的定时。同步也可以通过在光路上包括“延迟线”的形式来完成，以代替直接驱动激光器的控制。
利用合适配置中的这些各种部件，本领域技术人员将能够应用本领域中已知的很多具体的多种拉曼光谱术。这些包括：克尔门控拉曼光谱术；傅里叶变换相干反斯托克斯拉曼光谱术(CARS)；超拉曼光谱术；表面增强(共振)拉曼光谱术(SE(R)RS)；受激拉曼散射(SRS)-SRS四波混频；时间分辨拉曼光谱术。SRS和CARS是允许弱拉曼信号借助于非线性激发的增强的相干拉曼散射技术。所有这些技术的更多细节可以在文献中找到。不论所使用的技术，都可以预料到声子和其他准粒子的空间约束将允许结构的尺寸特性能够由它们在拉曼光谱上的效应而被检测。
图10图示出进一步的选项，其中拉曼辐射被向前散射(即，透射通过试样)，以代替如之前示例中图示出地被向后反射。在图10布置中，部件与图9(e)中类似地编号，其中用于泵浦和激发束(换言之是泵浦和探测束)的源和光学器件位于目标800的上侧，并且用于拉曼偏移光的光学器件和检测装置位于目标的后方。当然，实际上，目标的定向是无关紧要的，并且诸如顶、底、前和后等的术语可以互换地解释。
示出了泵浦源870，其可以是单或多波长(可调谐)激光器，或者是用于施加在适于激发目标800内的期望的能量状态的波长范围内的辐射的连续激光器。用于泵浦激光束850的光束路径包括带通滤波器872和偏振器874。泵浦束850和激发(探测)束830在分色镜876中被组合并且通过共用物镜856/858被传递至目标。分色镜876被用作带通滤波器(图8中的804)以选择出待反射到物镜内的期望的激发波长，而反射镜对于泵浦辐射也将是透明的。据此，两个激光器可以被对准使得它们的路径重叠并进入共用的物镜856/858。
用于拉曼散射光的862的收集光学器件包括在目标800的后侧的透镜860。当然，该实施例提出了拉曼信号将被沿激发束的向前方向散射并且可在衬底的后侧被检测。该变型中的设备可以例如被配置成实施CARS，如上面提及的。取决于所使用的波长和衬底的材料，该实施例可以从由于衬底中或者特别是在衬底上的特定材料中的吸收而被抑制的激发辐射中获益。
图11示出可替代的配置，其中检测已经被向前散射和向后反射的拉曼辐射。也就是说，图9和图10的示例中的元件可以被组合在单个仪器中，而不改变基本光学配置和操作原理。在图11的布置中，部件与图10中类似地编号，其中散射束832表示向后散射的拉曼辐射并且散射束862表示向前散射的拉曼辐射。用于激发束830和泵浦束850(如果提供了)的源和光学器件未示出在图11中，并且位于目标800的上侧，如图9(c)和图10中所公开的。然而，用于拉曼偏移光的光学器件和检测装置位于目标800的上、下两侧上，不只是在一侧或在另一侧上。例如，向后拉曼散射可以通过与图8的光学器件和检测装置类似的光学器件和检测装置来检测。向前拉曼散射可以例如通过与图10的光学器件和检测装置类似的光学器件和检测装置来检测。处理单元822接收来自向前和向后辐射两者的检测器的信号。取决于特定目标，并取决于调查下的尺寸特性，处理单元822可以在向前和向后信号之间选择，或者使用向前和向后信号的组合，以获得尺寸特性的最佳测量。
目标的定向无关紧要，并且诸如顶、底、前和后等的术语可以互换地解释。本领域技术人员将能够调节设备布局以检测向前和向后散射的拉曼辐射。可替代的配置可以包括泵浦激光器和用于传递探测和泵浦辐射的单独的物镜，如图9中所公开的。
图12图示出可以应用在以上实施例中以提供激发激光器的实时反馈控制的另一变型。在图12中，分束器900使激发束的小部分902流出，该小部分902被传递通过滤波器904并到达检测器906，检测器906将信号强度与期望的水平进行比较，并且生成被供给以控制源802的反馈控制信号908。第二滤波器904是中性密度滤波器以避免检测器的过度曝光。
图13(a)示意性地示出用于与图8至图11的检查设备一起使用的图案形成装置M和量测目标的整体布局。如公知的，图案形成装置(掩模)M可以含有单个器件图案，或者是器件图案的阵列，如果光刻设备的场地大到足以容纳它们的话。为了示例起见假定图案形成装置是光学光刻掩模，但也可以例如是压印装置。在其他系统中，可以根本不使用物理掩模，并且图案形成装置可以是可编程的，例如使用可变形的反射镜装置或直接写入技术。图13(a)中的示例示出了标有D1至D4的四个器件区域。划道目标与这些器件图案区域相邻放置并且被置于它们之间。在诸如半导体器件等的成品衬底上，衬底W将通过沿着这些划道切割而被划片成单独的器件，使得目标的存在不会减小可用于功能性器件图案的区域。当目标与传统量测目标相比小时，它们也可以被部署在器件区域内，以允许对横跨衬底的光刻和工艺性能的更紧密的监测。该类型的一些目标被示出在器件区域D1至D4中。
虽然图13(a)示出了图案形成装置M，但相同图案在光刻工艺之后被再现在衬底W上，并且结果该描述适用于衬底W以及图案形成装置。为了在衬底W上制造真正的产品，可以使用形成了完整掩模组的对应序列的图案形成装置依次地施加很多不同的器件层。
图13(a)的下部以更多细节示出了目标800。目标被分成两个目标区域800a和800b。在各区域内，有一个或多个水平定向的结构800ah、800bh和一个或多个竖直定向的结构800av、800bv。区域800a中的结构是与临界尺寸是感兴趣的临界尺寸的实际产品特征相比相对较大尺寸的结构，并且将被用于基于拉曼光谱术的尺寸量测的校准。区域800b中的结构被形成为在所有特性上尽可能接近器件区域D1至D4内的感兴趣的器件结构。校准区域800a中的结构被形成为以便在除尺寸外的所有特性上都尽可能接近器件结构。可以有如图示出的各类型和定向的单个结构，或者可以有可周期性地布置以便做出光栅(未示出)的结构的阵列。然而，与其中可预测的衍射是操作原理的散射测量中不一样，光栅结构不是必须的。当设计呈光栅形式的目标时要注意的点在于相邻线或点中的激子可以彼此影响以便相对于单个隔离结构改变行为。
作为示例，当区域800b中的结构可以具有10nm的尺寸的时候，校准区域800a中的结构可以具有50nm或100nm的尺寸。校准结构的尺寸是用于仔细设计选择方案的问题。在没有经历相同量子约束效应的情况下，它应该尽可能接近器件结构的尺寸。否则，在校准结构的处理上的差异可能也会引起它们具有除尺寸以外的不同的特性。例如，通过诸如蚀刻等的处理和化学-机械抛光形成的结构，如果它们在尺寸上非常不同的话，则可能会具有在层高、边缘粗糙度、材料应力、掺杂等类似物上的很多差异。所有这些参数可以在拉曼光谱上具有巨大影响，这将干扰CD的期望的测量。作为基于常见类型的材料的示例，本发明的实施例可以具有有着大于25nm的临界尺寸的校准结构，就是说，虽然器件状结构具有小于20nm例如小于10nm的尺寸。
提供水平和竖直定向的结构允许了处理这样的结构的影响被测量。还有，它允许了使用辐射的不同偏振来测量而不用使目标或检查设备中的偏振器转动。在实际实施例中，可以有不同类型的器件结构并且可以提供一个以上的区域800b。例如，即使具有相同的标称CD，也可以有线结构和点结构(如用于形成接触孔(过孔))。
图13(b)图示出第二示例目标，其中点状特征被形成为例如类似于器件图案中的接触孔。再次，校准结构被设置在校准区域800a中，并且器件状结构被设置在区域800b中。在该示例中，各区域800a、800b含有具有点状形式并分别具有临界尺寸CDas和CDbs的结构800as、800bs的阵列。进一步的变型将包括比图13(a)中示出的那些短和/或长的“量子点划线”特征。
虽然图13(a)和图13(b)中的特征示出为被关于衬底坐标系平面的X和Y方向定向，但真正的器件装置可以不如此地定向。例如，“6f2”设计的DRAM(动态随机存取存储器)器件中的某些层具有被以倾斜角度对准、也就是说既不与X轴对准也不与Y轴对准的特征。为了在承载这些器件层的衬底上的量测，用于拉曼光谱术的量测目标可以设置有以相对于产品特征的对准的角度排列的线和/或点。
类似地，为了校准的目的，可以有一个以上的校准区域800a。也可以设置不同尺寸的校准结构，以提供在校准曲线上的附加的点。可能例如期望向校准结构提供不同尺寸，例如其中声子约束效应和激子约束效应以不同尺度发挥作用，和/或其中约束效应在不同材料中以不同尺度发挥作用。在原理上，校准结构不需要针对每一个器件状结构被提供(或测量)，但测量精度取决于尽量消除工艺和材料变量，并且这些变量中的很多已知随着横跨在衬底上的位置而变化。校准结构还用于校准针对激发束的强度上的变化的测量。在原理上，校准结构会小于器件状结构，如果该器件状结构的尺寸是公知的话。然而，在大多数应用中，它将会是不太确定的尺寸已知的较小结构，并且校准结构将较大。
图13中图示出且在上面描述的目标结果仅是在本发明的实施例中可用的目标的几个示例，并且可以设想很多变型。此外，本发明不限于测量形成在半导体器件上的图案，而且可以应用于多种结构。还有，可以预想的是，用于很多不同目的的目标可以在目标800的旁边设置在真正的衬底上。典型的器件制造工艺将在各种位置使用对准标记，重叠测量标记等类似物。此外，不同目标类型可以被设置在用于不同层的掩模上。例如，虽然本拉曼量测目标可以被要求在一些临界层上，但其他层可以具有宽松的尺寸公差并且可以使用传统散射测量目标。
图14是总结了使用拉曼光谱术和量子约束的原理来测量目标结构的尺寸特性的一种可能性方法的流程图。方法形成了其中例如如图12中示出的类型的一组图案形成装置M被用来创建复杂半导体器件的器件制造方法的一部分。流程表示出用于基本一个层的处理，应该理解的是，步骤将在适当修改的情况下重复进行，以逐层地建立器件结构。
在步骤1300处，使用图1中示出的类型的光刻设备将包括目标结构800的器件图案施加至衬底。(实际上，对于这里所提到的小尺寸的结构，可以是应用EUV光刻设备或其他技术。差异不是对于检查设备和方法的材料)。在1302处，使包括目标结构800的图案在抗蚀剂中显影，并且可以在CD测量之前使其经受各种进一步的处理步骤。待测量的结构实际上可以是通过所谓的两次或三次图案化产生的结构，使得几个光刻图案化步骤和/或其他处理步骤是要求的，以产生甚至在单个器件层中的单组线。
在1304处，将衬底加载到(例如)图8的检查设备中。在一些实施例中，检查设备将是与光刻设备分开的单元，并且可以与一个或多个光刻簇相关联。在其他实施例中，拉曼光谱术设备可以被集成到光刻设备内，并且例如在预曝光量测阶段(对准)期间使用。在这样的情况中，在步骤1304中的加载有效地是衬底的在另一图案化的层的施加之间进入到光刻设备内的加载。使用设备的检查可以在所有衬底上执行，或者仅在试样上执行。其他衬底或相同衬底上的其他层可以不检查，或者可以使用传统散射仪或其他手段来检查。除了本文中所描述的检查类型以外，相同衬底当然可以经受其他类型的检查。
在1306处，设备定位目标800并且根据所编程的检查选配方案从校准区域800a内的结构中的一个或多个获得一个或多个拉曼光谱。例如可以利用相同或不同的激发波长和相同或不同的偏振获得多个光谱。在1308处可以将光谱或多个光谱中的某些峰值识别出并特征化为它们的峰值波长(频率或波数)和它们的宽度(FWHM)。可以在检查选配方案中指定出感兴趣的峰值。
在1310处，在与步骤1306中所使用的相同的条件或波长、偏振等下，设备从目标区域800b内的结构中的一个或多个获得一个或多个拉曼光谱。在1312处，通过处理单元822，将测量出的光谱或多个光谱中的峰值识别出并特征化为它们的峰值波长和宽度。检查选配方案确保被选择用于测量和特征化的光谱和峰值与用于校准结构的相同。
在1314处，通过将在步骤1306和1308中获得的光谱中的一个或多个峰值的测量出的特性进行比较，处理单元822计算区域800b中的目标结构的CD或其他尺寸参数。这是待用作对器件结构的CD的测量的输出。计算可以完全基于根据经验获得的关系、基于理论模型或基于两者的组合。以该方式，方法的效用不依赖于对深层物理现象的完整和精确的理解。
不言而喻，步骤1306至1314可以对于横跨衬底设置的不同目标重复进行以获得由于它横跨衬底而变化的所述尺寸特性的地图。在这样做时，分析和计算步骤1308、1312和1314中的任何一个或所有是与获得步骤1306同时执行还是仅在所有数据都已经被收集之后进行，是设计选择方案的问题。
在1316处，可选地，动作可以通过超出光刻簇或光刻设备的检查选配方案中所限定的一定公差的CD测量(或一组测量)来触发。可以取决于被超出的阈值设想出动作的范围。用于一个层或器件类型的阈值可以与用于其他的不同。其中测量出的CD是在功能公差之外的一个动作将会是使用于重新加工或用于报废的衬底转移。虽然重新加工或报废衬底代价高，但占据对已经在一个临界层中有缺陷的衬底上的随后的层进行处理的光刻簇也代价高。其中测量出的CD是在功能公差内的另一类型的动作将会是将CD测量和/或建议的校正馈送到处理控制系统内，使得可以调整光刻的参数以提高用于随后衬底的CD。
取决于正被图案化的特定产品层，处理或者在步骤1318处结束或者在用于涂覆、曝光、蚀刻等等的进一步的步骤的1320处返回。当处理结束时，衬底前进至测试、划片和封装步骤，以提供成品半导体产品。
虽然在该正文中可能已经对IC的制造中的光刻设备的使用进行了具体参考，但应该理解的是，本文中所描述的光刻和量测设备可以具有诸如集成光学系统的制造、用于磁畴存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等的其他应用。本领域技术人员应该领会到，在这样的可替代的应用的情况下，并且在本文中的术语“晶片”或“裸片”的使用可以视作分别与更一般的术语“衬底”或“目标部分”同义。
虽然在上面可能已经对光学光刻的情况下的本发明的实施例的使用进行了具体参考，但如已经提及的，不限于光学光刻。例如，在压印光刻中，图案形成装置中的形貌限定了在衬底上创建的图案。可以将图案形成装置的形貌加压到被施加至衬底的一层抗蚀剂上，随之通过施加电磁辐射、热、压力或其组合使抗蚀剂固化。在抗蚀剂被固化之后将图案形成装置移出抗蚀剂，在其中留下图案。待施加至衬底的图案不需要物理上存在于掩模状图案形成装置上。另一已知的可替代方案是提供可编程的图案形成装置和/或使用所谓的直接写入方法。术语“图案形成装置”因此应该被解释为也涵盖其中待施加的图案由存储的数字数据限定的装置。
以上附图的光刻设备可以被设计成使用处于UV波长的辐射来操作，如果需要的话，设计可以由本领域技术人员修改成使用不同的或较宽范围的波长。本文中所使用的术语“辐射”和“束”涵盖所有类型的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射(例如，具有或者大约365nm、355nm、248nm、193nm、157nm或者126nm的波长)和极紫外(EUV)辐射(例如，具有在5nm至20nm的范围内的波长)，以及诸如离子束或电子束等的粒子束。
术语“透镜”只要上下文允许就可以是指包括折射式、反射式、磁性的、电磁式和静电式光学部件在内的各种类型的光学部件的任一个或组合。特别是对于EUV波长，图1的投影系统PS将是反射元件的形式。
虽然已经在上面描述了本发明的具体实施例，但应该领会的是，本发明可以以除了如所描述方式的以外的其他方式实践。例如，本发明、特别是关于测量工艺的控制和用于校准和测量的结果的处理，可以采取含有描述了如上面所公开的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其中存储有这样的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。
以上描述意在说明性的，但不是限制性的。因此，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在不脱离下面所陈述的权利要求的精神和范围的情况下对如所描述的本发明进行又进一步的修改。

Claims (28)

1.一种检查目标结构的方法，包括以下步骤：
(a)将具有第一波长的辐射引导在所述目标结构处；
(b)接收由所述目标结构散射的辐射，并且形成所述散射的辐射的光谱，以便将所述光谱中的归因于由所述目标结构的非弹性散射而具有不同于所述第一波长的波长的一个或多个光谱成分区分开；
(c)基于所述一个或多个光谱成分的特性计算所述目标结构的尺寸特性，其中所述计算包括将从所述目标结构获得的所述一个或多个光谱成分的特性与从校准结构获得的对应的一个或多个光谱成分的特性进行比较，所述目标结构与所述校准结构在至少一个尺寸上不同并且在其他特性上类似。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(b)包括在形成所述光谱之前阻挡所述第一波长的辐射。
3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括将除了所述第一波长的所述辐射以外的泵浦辐射引导至所述目标结构，由此增加所述计算中使用的所述光谱成分的强度。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述引导和接收步骤部分地通过共用的物镜元件来执行。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述引导和接收步骤通过单独的物镜元件来执行。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述散射的辐射的至少一部分被接收在所述目标结构的与照射光学器件的一侧相对的一侧上，由此以接收向前散射的辐射，所述照射光学器件用于将所述具有第一波长的辐射引导在所述目标结构处。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述散射的辐射的另一部分被接收在所述目标结构的与所述照射光学器件的一侧相同的一侧上，由此以接收向前和向后散射的辐射。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述校准结构具有大于所述目标结构的临界尺寸的临界尺寸。
9.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述计算至少部分基于所述光谱成分中的一个或多个的波长上的偏移。
10.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述校准至少部分基于所述光谱成分中的一个或多个的加宽。
11.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述目标结构具有小于22nm的临界尺寸。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述目标结构具有小于10nm的临界尺寸。
13.一种检查设备，包括：
照射光学器件，用于将具有第一波长的辐射引导在目标结构处；
检测光学器件，用于接收由所述目标结构散射的辐射并用于形成所述散射的辐射的光谱；
检测器，用于将所述光谱转换成电信号，以及
处理器，用于基于检测的所述光谱中的归因于非弹性散射而具有不同于所述第一波长的波长的一个或多个光谱成分的特性，计算所述目标结构的尺寸特性，其中所述计算包括将从所述目标结构获得的所述一个或多个光谱成分的特性与从校准结构获得的对应的一个或多个光谱成分的特性进行比较，所述目标结构与所述校准结构在至少一个尺寸上不同并且在其他特性上类似。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述检测光学器件被布置成在形成所述光谱之前阻挡所述第一波长的辐射。
15.如权利要求13或14所述的设备，进一步包括除了所述第一波长的所述辐射以外的朝向所述目标结构的泵浦辐射的源，由此增加所述计算中使用的所述光谱成分的强度。
16.如权利要求13、14或15所述的设备，其中所述照射光学器件和检测光学器件共享共用的光学元件。
17.如权利要求13、14或15所述的设备，其中所述照射光学器件和检测光学器件包括单独的光学元件。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述检测光学器件的至少一部分位于所述目标结构的与所述照射光学器件的一侧相对的一侧上，由此以接收向前散射的辐射。
19.如权利要求18所述的设备，其中所述检测光学器件的多个部分位于所述目标结构的两侧上，由此以检测向前和向后散射的辐射。
20.如权利要求13至19中的任一项所述的设备，其中所述计算至少部分基于所述光谱成分中的一个或多个的波长上的偏移。
21.如权利要求13至20中的任一项所述的设备，其中所述计算至少部分基于所述光谱成分中的一个或多个的加宽。
22.一种执行光刻工艺的方法，包括以下步骤：
通过所述光刻工艺在衬底上形成器件结构和至少一个量测目标结构，
通过如权利要求1至12中的任一项所述的方法来测量所述量测目标结构的尺寸特性；以及
依照所述尺寸特性的测量出的值来控制对被测量的所述衬底和/或另外的衬底的随后的处理。
23.如权利要求22所述的方法，其中对被测量的所述衬底的随后的处理被控制以便如果测量出的特性在某一公差之外则引起所述衬底的重新加工或报废。
24.如权利要求22所述的方法，其中对另外的衬底的处理被控制以便校正在针对被测量的所述衬底而计算的所述尺寸特性中观察到的偏差。
25.一种制造器件的方法，包括：通过如权利要求22、23或24所述的方法将一个或多个器件图案施加至衬底，和处理所述衬底以形成包括所述器件结构的器件作为功能元件。
26.一种用于在根据任一前述权利要求所述的方法或设备中使用的衬底，所述衬底设置有器件结构和量测结构，所述器件结构包括展现出对一个或多个波长的激发辐射的非弹性散射的材料，所述器件结构包括在一个或多个尺寸上足够小以致所述非弹性散射的特性显著地受量子约束的影响的结构，所述量测结构包括至少一个器件状结构和至少一个校准结构，所述至少一个器件状结构是在其组成和尺寸上类似于所述器件结构的结构，所述校准结构在其组成上类似于所述器件结构但在至少一个尺寸上不同于所述器件结构。
27.如权利要求26所述的衬底，其中所述校准结构大于所述器件状结构。
28.一种用于在光刻工艺中使用的图案形成装置，所述图案形成装置承载图案，所述图案当被施加至衬底并经受一个或多个进一步的处理步骤时产生权利要求26或27所述的衬底。
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