CN105527794A - 套刻误差测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种套刻误差测量装置及方法。所述套刻误差测量装置的光源系统提供宽波段的线形测量光束；测量光束入射到第一分光镜上分为两束测量光，一快门使得一束测量光通过，该束测量光入射第二分光镜上后反射；反射光通过显微物镜后每一点以不同的入射角投射到被测对象上发生反射和衍射，并再次通过所述显微物镜达到探测器上，形成衍射光谱测量信号。在进行测量时，通过快门使得两束测量光分别在被测对象上和监测光栅上发生衍射，获得光强的非对称性，从而提高了测量精度及工艺适应性，减少了测量误差干扰。

Description

套刻误差测量装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域的设备，特别涉及一种应用于光刻测量技术中的套刻误差测量装置及方法。

背景技术

根据半导体行业组织(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors，ITRS)给出的光刻测量技术路线图，随着光刻图形关键尺寸(CD)进入22nm及以下工艺节点，特别是双重曝光(DoublePatterning)技术的广泛应用，对光刻工艺参数套刻(overlay)的测量精度要求已经进入亚纳米领域。由于成像分辨率极限的限制，传统的基于成像和图像识别的套刻测量技术(Imaging-Basedoverlay，IBO)已逐渐不能满足新的工艺节点对套刻测量的要求。基于衍射光探测的套刻测量技术(Diffraction-Basedoverlay，DBO)正逐步成为套刻测量的主要手段。

美国专利US7791727B2(下文称文献1)公开了一种DBO技术，该技术通过测量套刻标记衍射光角分辨谱中相同衍射级次间的非对称性得到套刻误差，衍射光的衍射角随入射光入射角度变化而改变，所谓衍射光角分辨谱是指不同角度的入射光在被套刻标记衍射后衍射光在不同角度形成的光强分布，如其公式6所示，中国专利CN1916603也公开了类似的技术，其中图10是一种环形照明模式下，各个衍射级次的角分辨谱在CCD探测器上的分布情况。

文献1中的Fig.3是该技术方案的装置结构图，光源2发出的光经干涉滤波装置30后形成窄带宽的入射光，物镜L1将入射光汇聚到硅片的套刻标记上。探测器32位于物镜的后焦面，套刻标记的衍射光被物镜收集后被探测器接受。探测器测得套刻标记各个角度衍射光的角分辨谱。为了获得大范围的角分辨谱，该方案中使用大数值孔径(numericalaperture，NA)的物镜。由于不同波长的衍射光的衍射角度不同，为了防止不同波长角分辨谱间的重叠，该方案采用干涉滤波装置对光源进行滤波，形成窄带宽的测量光。原则上，该方案只能一次测量一个波长下的反射光角分辩谱。为了进行多波长测量，Fig.6，7提供了一种在物镜光瞳面进行分光的方案，以便同时测量多个分立波长下的角分辩谱。

尽管如此，文献1仍然只能测量有限个分立的波长。从其描述中可知，首先，该方案用于套刻误差测量的测量光波长范围有限，面对复杂的半导体制造工艺，可能存在一定的工艺适应性问题。例如，若测量波长正好是膜厚的4倍，则容易发生干涉效应而使反射率大大降低，从而造成测量精度的下降；其次，该方案使用的大NA物镜方案，具有很小的焦深范围。一般而言，该角分辨谱测量方案中，测量光使用的有效孔径大于0.9，以典型测量波长600nm计算，则其有效焦深范围不到1um，因此，在测量过程中必须对焦面位置进行高精度的控制，这将影响测量速度和精度；若焦面控制不力，则测量光斑极易扩散到被测套刻标记外，形成大量杂光，从而影响套刻测量精度。

发明内容

本发明的一个目的在于解决检测套刻误差时测量波长不能使用宽波段，以提高测量工艺适应性的问题。

本发明的另一个目的在于解决检测套刻误差时光能利用率较低，测量信号获取时间较长的问题。

本发明的另一个目的在于解决检测套刻误差时，在利用高级次光测量套刻误差时，有效信号少的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种套刻误差测量装置，用于对放置于工件台上的被测对象进行套刻误差的分析，所述被测对象为周期性结构，所述套刻误差测量装置包括：

光源系统、第一分光镜、快门、第二分光镜、显微物镜、透镜组及探测器；其中，所述光源系统提供宽波段的线形测量光束；所述测量光束入射到第一分光镜上分为两束测量光，所述快门使得其中一束测量光通过，该束测量光入射第二分光镜上后反射；反射光通过显微物镜后每一点以不同的入射角投射到被测对象上发生反射和衍射，并再次通过所述显微物镜达到探测器上，形成衍射光谱测量信号。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，还包括监测光栅，所述快门使得其中另一束测量光通过，该束测量光入射第二分光镜上后还发生透射；透射光经过透镜组后投射在与被测对象共轭且周期相同的监测光栅上，透射光投射在监测光栅上后衍射光依次经过透镜组和第二分光镜到达探测器上，形成衍射光谱监测信号。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，经第一分光镜分为的两束测量光分列于所述透镜组的光轴两侧，且对称分布；该两束测量光经第二分光镜反射后分列于所述显微物镜的光轴两侧，且对称分布。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述监测光栅包括以所述透镜组的光轴为对称轴的第一监测光栅和第二监测光栅，所述第一监测光栅沿顺时针方向与所述透镜组的光轴呈一锐角，所述第一监测光栅和第二监测光栅分别对应所述两束测量光。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述第一分光镜与快门之间还设置有狭缝光阑。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述光源系统包括光源、光源整形系统及准直系统，光源发出光产生二维的面光源，经过所述光源整形系统后，形成一维的线光源，所述线光源经过准直系统形成平行光。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述光源为白光光源，或者由若干个分立谱线组成的复合光源。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述光源整形系统为若干个光纤组成的光纤簇，所述光纤簇靠近光源处的一端以二维面或三维面排布，在另一端以线形排布。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述三维面为半球形或椭球形，每一光纤的入射面与所述三维面相切。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述套刻误差测量装置还包括一起偏器和一检偏器，所述起偏器位于光源与第一分光镜之间，所述检偏器位于所述第二分光镜与探测器之间。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述起偏器与分光镜之间设置有一补偿器，通过旋转补偿器以测得偏振态的反射率变化和位相变化。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述起偏器与光源之间还设置有一滤光装置。

可选的，对于所述的套刻误差测量装置，所述滤光装置为干涉式的滤波片，单色仪，或声光调制器。

本发明提供一种套刻误差测量方法，包括：

利用所述的套刻误差测量装置，控制所述快门使得两束测量光分别入射第一被测对象，从而在光瞳相同位置处分别获得的正、负级次衍射光谱，测得第一被测对象的光强非对称性A_right；

利用所述的套刻误差测量装置，控制所述快门使得两束测量光分别入射第二被测对象，从而在光瞳相同位置处分别获得的正、负级次衍射光谱，测得第二被测对象的光强非对称性A_left；

则计算套刻误差 $\mathrm{\ϵ}=\frac{A_{\mathrm{right}}+A_{\mathrm{left}}}{A_{\mathrm{right}}-A_{\mathrm{left}}}\mathrm{\Δ};$

其中，第一被测对象的预设偏移量为Δ，第二被测对象的预设偏移量为－Δ。

可选的，对于所述的套刻误差测量方法，包括：

将第一被测对象放置在工件台上，调整快门使得一束测量光通过，获得正级次衍射光谱；

调整快门使得另一束测量光通过，获得负级次衍射光谱；

将两次衍射光谱对应的光强相减得A_right＝k(ε+Δ)；

将第二被测对象放置在工件台上，调整快门使得一束测量光通过，测得正级次衍射光谱；

调整快门使得另一束测量光通过，测得负级次衍射光谱；

将两次衍射光谱对应的光强相减得A_left＝k(ε-Δ)；

其中，k为标记工艺及测量光属性相关的因子。

可选的，对于所述的套刻误差测量方法，套刻误差测量装置还包括监测光栅，所述快门使得其中一束测量光通过，该束测量光入射第二分光镜上后发生透射；透射光经过透镜组后投射在与被测对象共轭且周期相同的监测光栅上，透射光投射在监测光栅上后衍射光依次经过透镜组和第二分光镜到达探测器上，形成衍射光谱监测信号，将衍射光谱测量信号相对衍射光谱监测信号做归一化处理，从而消除宽波段光源中部分波段光强扰动对测量的影响。

与现有技术相比，本发明提供的套刻误差测量装置及方法中，使用宽波段光源，光谱范围可延展到紫外和红外波段，测量光波长范围更宽广；而现有技术使用可见光波段内几个分立的波长作为测量光，波长范围和选择均有限；本发明使用宽波段线光源，其衍射光光谱包含入射角和波长信息；而现有技术得到衍射光谱仅包含入射光角度信息；此外，本发明使用宽波段线光源，光能利用率高，现有技术光能利用率较低。

本发明通过第一分光镜形成两束测量光对被测对象进行测量，分别获得正负级次衍射光谱信号，获取的有效测量信号丰富，且无测量工具引起误差(TIS-Toolinducedshift)，测量精度高；现有技术同时测量正负级次衍射光信号，但获取的有效测量信号大大减少，测量精度有限。

本发明所测得的正负级次衍射光信号经过物镜相同位置，不受测量物镜透过率影响；现有技术同时得到正负级次衍射光信号，经过物镜不同位置，受物镜透过率影响。

本发明在进行非对称性处理时，可直接将正负级次衍射光信号相减，无其他误差引入量，测量精度较高；现有技术需测校光瞳中心，并将衍射光信号以此中心旋转后相减，测量精度受光瞳中心测校精度的影响。

附图说明

图1为本发明实施例一的套刻误差测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一的套刻误差测量装置获得的衍射光谱的示意图；

图3为本发明实施例一的套刻误差测量装置的光源整形系统的一较佳选择的结构示意图；

图4为本发明实施例一的套刻误差测量装置的光源整形系统的另一较佳选择的结构示意图；

图5为本发明实施例二的套刻误差测量装置的结构示意图；

图6为本发明实施例三的套刻误差测量装置的结构示意图；

图7为本发明实施例三的套刻误差测量装置获得的衍射光谱的示意图；

图8为本发明实施例三的套刻误差测量装置在设定参数下获得的衍射光谱的示意图；

图9为本发明实施例四的第一被测对象的标准预设结构的剖视图；

图10为本发明实施例四的第二被测对象的标准预设结构的剖视图；

图11为本发明实施例四的第一被测对象的实际结构示意图；

图12为本发明实施例四的第二被测对象的实际结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的套刻误差测量装置及方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供一种套刻误差测量装置，用于对放置于工件台上的被测对象进行套刻误差的分析，所述被测对象为周期性结构，所述套刻误差测量装置包括：

光源系统、第一分光镜、快门、第二分光镜、显微物镜、透镜组及探测器；其中，所述光源系统提供宽波段的线形测量光束；所述测量光束入射到第一分光镜上分为两束测量光，所述快门使得其中一束测量光通过并入射第二分光镜上后反射；反射光通过显微物镜后每一点以不同的入射角投射到被测对象上发生反射和衍射，并再次通过所述显微物镜达到探测器上，形成衍射光谱测量信号。

进一步的，根据上述套刻误差测量装置进行套刻误差测量，该测量方法包括利用所述的套刻误差测量装置，控制所述快门使得两束测量光分别入射第一被测对象，在光瞳相同位置处分别获得的正、负级次衍射光谱，测得第一被测对象的光强非对称性A_right；利用所述的套刻误差测量装置，控制所述快门使得两束测量光分别入射第二被测对象，在光瞳相同位置处分别获得的正、负级次衍射光谱，测得第二被测对象的光强非对称性A_left；

则计算套刻误差 $\mathrm{\ϵ}=\frac{A_{\mathrm{right}}+A_{\mathrm{left}}}{A_{\mathrm{right}}-A_{\mathrm{letf}}}\mathrm{\Δ};$

其中，第一被测对象的预设偏移量为Δ，第二被测对象的预设偏移量为－Δ。

以下列举所述套刻误差测量装置及方法的较优实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

下面提供套刻误差测量装置及方法的较优实施例。

【实施例一】

请参考图1，图1为本发明实施例一的套刻误差测量装置的结构示意图。所述套刻误差测量装置包括：光源系统；具体的，所述光源系统包括光源41、光源整形系统43，所述光源例如可以是白光光源，或者由若干个分立谱线组成的复合光源，如由若干个不同波长的激光器通过混频得到。所述光源41产生的测量光束优选为二维的面光束，即截面42为一矩形(未图示)，当然也可以是其他任意形状的二维形貌。

经过光源整形系统43后，测量光束由面光束形成一维的线光束44，请参考图2，其为本发明实施例中光源整形系统43的一较佳选择的结构示意图，所述光源整形系统43为若干个光纤组成的光纤簇434，所述光纤簇434靠近光源处的一端(入射面432)以二维面排布，所述入射面432的正视图为433，为一矩形结构，实际上该面可组织成任意二维形状，以利于入射光431耦合进光纤簇。由于光纤可弯曲的特性，光纤簇434在另一端(出射面435)以线形排布，其正视图为437。由于光传输部分的光纤芯一般直径很小，可达几百微米。出射光具有一定的数值孔径(NA)，典型地在0.1或更小，因此可以视光纤出射端为一近似点光源，可以以一自聚焦系统436对其进行准直，例如可以是凹透镜阵列，最终输出光强为线形分布的平行光。

为了达到更好的光耦合效率，另一种光源整形系统43的较优选择见图3。该结构中光纤簇434的入射面是一个三维结构432，如半球形，或椭球形等。每一束光纤的入射面与光纤簇434的入射面432面型相切，这样的光纤排布使光源的出射光更容易进入光纤入射面的NA捕获范围内。

请继续参考图1，测量光束44经过第一分光镜401后，产生两束测量光441、442，这两束测量光441、442分列于所述透镜组49的光轴两侧，且对称分布。沿测量光441、442的传播方向设置有狭缝光阑402，所述狭缝光阑402具有两个缝，从而使得测量光441和442通过，入射至快门403，快门403根据需要使得所需的一束测量光通过，而另一束则被挡住。同样地，测量光441和442在经过第二分光镜45的反射后垂直入射至被测对象时，两测量光相对于显微物镜46的光轴对称分布。

以测量光441通过快门403为例，继续经过第二分光镜45产生反射光和透射光两部分。反射光通过显微物镜46将线形光束上的每一点以不同的入射角投射到被测对象47上，被测对象47一般为硅片上的周期性结构，如密集光栅等。光束在被测对象47上发生反射和衍射，然后再经过显微物镜46和第二分光镜45，最终入射至探测器411(例如是二维探测器)上，产生衍射光谱测量信号413(请参考图4)。沿原路传播的透射光在经过透镜组49后，投射在与被测对象47满足共轭关系且与被测对象47的周期相同的监测光栅上，具体是第一监测光栅410a。第一监测光栅410a倾斜放置，例如是沿顺时针方向与透射光(延长线)呈一锐角放置，使得透射光在所述第一监测光栅410a上发生衍射后产生衍射光。其中，0级光反射出去，-1级光经过透镜组49及第二分光镜45后，入射至探测器411，作为衍射光谱监测信号414(请参考图4)。

请参考图4，其中经过显微透镜46后的-1级光产生衍射光谱测量信号413，0级光则形成衍射光谱测量信号412，从而衍射光谱测量信号412、413与衍射光谱监测信号414最终在探测器411表面上形成所示的衍射光谱415，可以将衍射光谱测量信号413相对衍射光谱监测信号414做归一化处理，从而消除宽波段光源中部分波段光强扰动对套刻测量的影响。探测器411上形成的测量光斑一般为矩形或圆形，尺寸一般为微米量级，典型地可以是50μm×50μm，因此，被测对象47可以置于硅片的划线槽中。硅片由一工件台48承载，该工件台可以在x、y、z，及rx、ry、rz自由度运动，以保证测量光斑位于被测对象47上。本实施例中，衍射光谱测量信号413能够体现反射光强/反射率随入射角和波长的变化情况。

所述监测光栅包括以所述透镜组49的光轴为对称轴的第一监测光栅410a和第二监测光栅410b，所述第一监测光栅410a和第二监测光栅410b分别对应所述两束测量光441、442。因此，当快门403使得测量光442通过时，如图1中用虚线所示的光线表示了经过各个光学元件后的传播情况，这与测量光441的传播情况类似，区别在于，是+1级光作为衍射光谱监测信号414，其他过程在此不作详述。

【实施例二】

请参考图5，其为本发明实施例二的套刻误差测量装置的结构示意图，为了简便，在本实施例中，除非特别说明，与实施例一相同的部件采用相同的标号，并省略其说明。

如图5所示，本实施例的套刻误差测量装置还包括一起偏器416和一检偏器417。所述起偏器416位于光源系统与第一分光镜401之间，使得线形的测量光束44经过起偏器416后，产生TE模的偏振光或TM模的偏振光。在测量光路中的第二分光镜45与探测器411之间增加所述检偏器417，这样测得的衍射光谱测量信号413可以是TE模反射率随入射角和波长的变化，也可以是TM模反射率随入射角和波长的变化。一般地，TE和TM对同一被测对象的反射率并不相同，尤其是在测量线形光栅结构时。若被测对象47为金属，则TE模由于与光栅平行而更容易被吸收，因而反射效率更低。因此，根据不同的工艺条件选择合适的偏振态进行测量是非常重要的，而散射计量系统提供多种可供选择的偏振态也是非常必要的，这将提高系统的工艺适应性。

在本实施例的入射光路中的起偏器416与第一分光镜401之间再加入一个补偿器(未图示)，则可以形成类似椭偏仪的测量功能。通过旋转补偿器，可以测得偏振态的反射率变化和位相变化。

【实施例三】

请参考图6，其为本发明实施例三的套刻误差测量装置的结构示意图，为了简便，在本实施例中，除非特别说明，与实施例二相同的部件采用相同的标号，并省略其说明。

衍射光的各级次空间频率为sinθ＝m×λ/p，其中θ为衍射角度，m为衍射级次，λ为波长，p为套刻标记周期。由于测量使用宽波段光，在同一衍射级次内，各个波长的衍射光在空间上分离。本发明中是通过测量同一波长、同一入射角下的衍射光强非对称性确定套刻误差的。因此，需在探测器411上精确的确定同一波长衍射光的位置。如图6所示，在光源系统与起偏器416之间加入滤光装置418，实现探测器411上波长位置校准。所述滤光装置418可滤出一个或多个波长，此时探测器411可测得单波长精确的定位位置，如图7的衍射光谱419所示。通过校准一个或多个波长在探测器411上的位置，可确定整个衍射光谱的位置。其中，衍射光谱421对应图4中的412，衍射光谱422对应图4中的413，衍射光谱420对应图4中的414。所述滤光装置418可以是干涉式的滤波片、单色仪以及声光调制器等。

本发明测得的高级次衍射光谱的范围与入射光波段、入射角度，套刻标记周期、物镜NA、以及测量光的空间频率等有密切关系。举例而言，如测量光选取400nm～800nm波段，套刻标记周期为1μm，物镜NA为0.95，则1级光最小的空间频率为0.4，即0级光与1级光的最小距离为0.4NA。利用上述套刻误差测量装置，获得如图8所示的衍射光谱，探测器411的显微物镜接收到的衍射光谱423为1级和2级光，且两者间无叠加，衍射光谱423的信号量充足，约占光瞳总面积的50％甚至以上，足够满足套刻测量对于衍射光信息量的需求。图8展示了经过显微物镜46后的测量光在探测器411上形成的衍射光谱，也即如图4中的衍射光谱412、413的一种更为具体详细的披露。图8中的情况对应于通过测量光441获得的衍射光谱，各级衍射光则具体为-3级光、-2级光，-1级光和0级光；对于是测量光442通过的情况，则其衍射光谱是如图8中向右翻转180°，且各级衍射光自左向右为0级光、+1级光、+2级光和+3级光。

本发明的套刻误差测量装置在使用过程可针对所测套刻标记(被测对象)的实际工艺状况，优选对套刻误差较为敏感的测量光波段进行测量。

【实施例四】

基于上述几个实施例的装置，本发明提出一种套刻误差测量方法。请参考图9，提供第一被测对象，所述第一被测对象包括衬底1，形成于衬底1上的第一光栅结构2，第二光栅结构4及位于第一光栅结构2和第二光栅结构4之间的中间层3，所述第一光栅结构2由前一次曝光图形经显影、刻蚀、沉积等半导体工艺制成，第二光栅结构4通常为本次曝光、显影后的光刻胶图形。所述中间层的材质及分布情况为公知常识，在此不做赘述。在标准预设情况下，所述第一光栅结构2和第二光栅结构4之间具有预设偏移量5，记为Δ。但是由于各种因素，实际情况如图10所示，所述第一光栅结构2和第二光栅结构4之间的偏移量6，则所述偏移量6为Δ+ε，其中ε即为套刻误差，也就是本方法中需要求得的量。那么提供第二被测对象，请参考图11，与第一被测对象基本相同，不同之处在于，两个被测对象的预设偏移量是相反的，所述第二被测对象的预设偏移量5为－Δ。则在具有套刻误差的情况下，第二被测对象的偏移量6为－Δ+ε，如图12所示。

于是，首先利用所述的套刻误差测量装置和第一被测对象进行测量，调整快门使得一束测量光通过，投射到第一被测对象上，获得第一衍射光谱；之后调整快门使得另一束测量光通过，获得第二衍射光谱，从而测得第一被测对象的光强的非对称性A_right。所述第一衍射光谱和第二衍射光谱分别是在光瞳相同位置处分别获得的正、负级次衍射光谱，两者相减便可求得光强的非对称性A_right。

接着，利用所述的套刻误差测量装置和第二被测对象进行测量，调整快门使得一束测量光通过，投射到第二被测对象上，获得第三衍射光谱；之后调整快门使得另一束测量光通过，获得第四衍射光谱，从而测得第二被测对象的光强的非对称性A_left。所述第三衍射光谱和第四衍射光谱分别是在光瞳相同位置处分别获得的正、负级次衍射光谱，两者相减便可求得光强的非对称性A_left。

则所述套刻误差 $\mathrm{\ϵ}=\frac{A_{\mathrm{right}}+A_{\mathrm{left}}}{A_{\mathrm{right}}-A_{\mathrm{letf}}}\mathrm{\Δ}.$

具体的，上述测量的原理是：当测量光正入射到第一被测对象上时，由于套刻误差引起的标记结构不对称性使衍射光的高级次光光强产生不对称性，该不对称性在很小的套刻误差范围内随套刻误差近似线性变化。例如，套刻误差为ε，则测得入射光各级衍射光的光强I₊和I_－的非对称性近似可表示为：

A＝I₊－I_－＝k·ε(1)

其中k是标记工艺以及测量光属性相关的因子，是一个未知量。为了去除该未知量，先分别利用测量光441和测量光442对第一被测对象进行测量，由于测量光441和测量光442最终分别是利用了负级次衍射光和正级次衍射光，因而符合式(1)，可得A_right＝k(ε+Δ)。同理，将第一被测对象换成第二被测对象，可得A_left＝k(ε－Δ)。则，可得套刻误差为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{A_{\mathrm{right}}+A_{\mathrm{left}}}{A_{\mathrm{right}}-A_{\mathrm{letf}}}\mathrm{\Δ}$

在上述测量过程中，可以通过将衍射光谱测量信号相对衍射光谱监测信号做归一化处理，从而消除宽波段光源中部分波段光强扰动对测量的影响。

通过上述实施例，将本发明的套刻误差测量装置及方法相比现有技术的优势展现出来。具体包括：在本发明中，使用宽波段光源，光谱范围可延展到紫外和红外波段，测量光波长范围更宽广；而现有技术使用可见光波段内几个分立的波长作为测量光，波长范围和选择均有限；本发明使用宽波段线光源，其衍射光光谱包含入射角和波长信息；而现有技术得到衍射光谱仅包含入射光角度信息；此外，本发明使用宽波段线光源，光能利用率高，现有技术光能利用率较低。

本发明通过第一分光镜形成两束测量光对被测对象进行测量，分别获得正负级次衍射光谱信号，获取的有效测量信号丰富，且无测量工具引起误差(TIS-Toolinducedshift)，测量精度高；现有技术同时测量正负级次衍射光信号，但获取的有效测量信号大大减少，测量精度有限。

本发明所测得的正负级次衍射光信号经过物镜相同位置，不受测量物镜透过率影响；现有技术同时得到正负级次衍射光信号，经过物镜不同位置，受物镜透过率影响。

本发明在进行非对称性处理时，可直接将正负级次衍射光信号相减，无其他误差引入量，测量精度较高；现有技术需测校光瞳中心，并将衍射光信号以此中心旋转后相减，测量精度受光瞳中心测校精度的影响。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种套刻误差测量装置，用于对放置于工件台上的被测对象进行套刻误差的分析，所述被测对象为周期性结构，所述套刻误差测量装置包括：

光源系统、第一分光镜、快门、第二分光镜、显微物镜、透镜组及探测器；其中，所述光源系统提供宽波段的线形测量光束；所述测量光束入射到第一分光镜上分为两束测量光，所述快门使得其中一束测量光通过，该束测量光入射第二分光镜上后反射；反射光通过显微物镜后每一点以不同的入射角投射到被测对象上发生反射和衍射，并再次通过所述显微物镜达到探测器上，形成衍射光谱测量信号。

2.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，还包括监测光栅，所述快门使得其中一束测量光通过，该束测量光入射第二分光镜上后还发生透射；透射光经过透镜组后投射在与被测对象共轭且周期相同的监测光栅上，透射光投射在监测光栅上后衍射光依次经过透镜组和第二分光镜到达探测器上，形成衍射光谱监测信号。

3.如权利要求2所述的套刻误差测量装置，其特征在于，经第一分光镜分为的两束测量光分列于所述透镜组的光轴两侧，且对称分布；该两束测量光经第二分光镜反射后分列于所述显微物镜的光轴两侧，且对称分布。

4.如权利要求3所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述监测光栅包括以所述透镜组的光轴为对称轴的第一监测光栅和第二监测光栅，所述第一监测光栅沿顺时针方向与所述透镜组的光轴呈一锐角，所述第一监测光栅和第二监测光栅分别对应所述两束测量光。

5.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述第一分光镜与快门之间还设置有狭缝光阑。

6.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述光源系统包括光源、光源整形系统及准直系统，光源发出光产生二维的面光源，经过所述光源整形系统后，形成一维的线光源，所述线光源经过准直系统形成平行光。

7.如权利要求6所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述光源为白光光源，或者由若干个分立谱线组成的复合光源。

8.如权利要求7所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述光源整形系统为若干个光纤组成的光纤簇，所述光纤簇靠近光源处的一端以二维面或三维面排布，在另一端以线形排布。

9.如权利要求8所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述三维面为半球形或椭球形，每一光纤的入射面与所述三维面相切。

10.如权利要求1所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述套刻误差测量装置还包括一起偏器和一检偏器，所述起偏器位于光源系统与第一分光镜之间，所述检偏器位于所述第二分光镜与探测器之间。

11.如权利要求10所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述起偏器与分光镜之间设置有一补偿器，通过旋转补偿器以测得偏振态的反射率变化和位相变化。

12.如权利要求10所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述起偏器与光源系统之间还设置有一滤光装置。

13.如权利要求12所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述滤光装置为干涉式的滤波片，单色仪，或声光调制器。

14.一种套刻误差测量方法，包括：

利用如权利要求1～13中任一项所述的套刻误差测量装置，控制所述快门使得两束测量光分别入射第一被测对象，从而在光瞳相同位置处分别获得的正、负级次衍射光谱，测得第一被测对象的光强非对称性A_right；

利用如权利要求1～13中任一项所述的套刻误差测量装置，控制所述快门使得两束测量光分别入射第二被测对象，从而在光瞳相同位置处分别获得的正、负级次衍射光谱，测得第二被测对象的光强非对称性A_left；

则计算套刻误差 $\mathrm{\ϵ}=\frac{A_{\mathrm{right}}+A_{\mathrm{left}}}{A_{\mathrm{right}}-A_{\mathrm{left}}}\mathrm{\Δ};$

其中，第一被测对象的预设偏移量为Δ，第二被测对象的预设偏移量为－Δ。

15.如权利要求14所述的套刻误差测量方法，其特征在于，包括：

将第一被测对象放置在工件台上，调整快门使得一束测量光通过，获得正级次衍射光谱；

调整快门使得另一束测量光通过，获得负级次衍射光谱；

将两次衍射光谱对应的光强相减得A_right＝k(ε+Δ)；

将第二被测对象放置在工件台上，调整快门使得一束测量光通过，测得正级次衍射光谱；

调整快门使得另一束测量光通过，测得负级次衍射光谱；

将两次衍射光谱对应的光强相减得A_left＝k(ε-Δ)；

其中，k为标记工艺及测量光属性相关的因子。

16.如权利要求14所述的套刻误差测量方法，其特征在于，套刻误差测量装置还包括监测光栅，所述快门使得其中一束测量光通过，该束测量光入射第二分光镜上后发生透射；透射光经过透镜组后投射在与被测对象共轭且周期相同的监测光栅上，透射光投射在监测光栅上后衍射光依次经过透镜组和第二分光镜到达探测器上，形成衍射光谱监测信号，将衍射光谱测量信号相对衍射光谱监测信号做归一化处理，从而消除宽波段光源中部分波段光强扰动对测量的影响。