CN107077079A

CN107077079A - 测量目标结构的属性的方法、检查设备、光刻系统和器件制造方法

Info

Publication number: CN107077079A
Application number: CN201580058279.1A
Authority: CN
Inventors: M·博兹库尔特; M·J·J·加克; P·A·J·廷尼曼斯
Original assignee: ASML Netherlands BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-08-18
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: US20160086324A1; IL250590A0; TWI634393B; CN107077079B; WO2016034428A2; US9940703B2; IL250590B; TW201727391A; US9633427B2; TW201614383A; US20170206649A1; KR20170051477A; WO2016034428A3; KR101991762B1; TWI588622B

Abstract

基于目标的图像的强度测量目标结构的属性。方法包括(a)获得目标结构的图像；(b)限定(1204)多个候选感兴趣区域，各候选感兴趣区域包括在图像中的多个像素；(c)至少部分基于在感兴趣区域内的像素的信号值来限定(1208，1216)用于候选感兴趣区域的优化度量值；(d)限定(1208，1216)目标信号函数，目标信号函数限定了图像中的各像素对目标信号值的贡献。各像素的贡献取决于(i)哪个候选感兴趣区域包含该像素和(ii)那些候选感兴趣区域的优化度量值。

Description

测量目标结构的属性的方法、检查设备、光刻系统和器件制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年9月1日提交的欧洲申请14183095.0的优先权，该申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及可用于例如通过光刻技术执行器件的制造时的量测的方法和检查设备。本发明进一步涉及用于在这样的检查设备中使用的计算机程序产品和使用光刻技术制造器件的光刻系统和方法。

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。在这种情形下，备选地称作掩模或掩模版的图案形成装置可以用于生成要形成在IC的单独层上的电路图案。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、一个或若干裸片)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材料(抗蚀剂)上。一般来说，单个衬底将包含被相继地图案化的相邻目标部分的网络。

在光刻工艺中，期望频繁地进行所创建的结构的测量，例如用于工艺控制和验证。用于进行这样的测量的各种工具是已知的，包括通常用于测量临界尺寸(CD)的扫描电子显微镜，和用以测量重叠、器件中的两个层的对齐的精度的专业工具。近年来，开发了各种形式的散射仪用于在光刻领域中使用。这些装置将辐射的射束引导到目标上并测量散射的辐射的一个或多个属性—例如，根据波长变化的在反射的单个角度处的强度；根据反射角度变化的在一个或多个波长处的强度；或者根据反射角度变化的偏振—以获得可以从其确定目标的感兴趣的属性的衍射“光谱”。

已知散射仪的示例包括US2006033921A1和US2010201963A1中描述的类型的角度分辨散射仪。由这样的散射仪使用的目标相对大，例如40μm×40μm的光栅，并且测量射束生成小于光栅(即，光栅被欠填充)的光斑。除了通过重建进行的特征形状的测量之外，可以如已公布的专利申请US2006066855A1中所描述的那样使用这样的设备来测量基于衍射的重叠。使用衍射阶的暗场成像进行的基于衍射的重叠量测使得能够实现较小目标上的重叠测量。暗场成像量测的示例可以在国际专利申请US20100328655A1和US2011069292A1中找到，这些文献通过引用整体并入本文。该技术的进一步的发展已描述在已公布的专利出版物US20110027704A、US20110043791A、US2011102753A1、US20120044470A、US20120123581A、US20130258310A、US20130271740A和WO2013178422A1中。这些目标可以小于照射光斑并且可以被晶片上的产品结构包围。可以使用复合光栅目标在一个图像中测量多个光栅。所有这样申请的内容也通过引用并入本文。

在已知量测技术中，通过在使目标转动或者改变照射模式或成像模式的同时在某些条件下测量目标两次来获得重叠测量结果，以单独地获得-1和+1衍射阶强度。比较对于给定光栅的这些强度提供了光栅中的不对称性的测量，并且重叠光栅中的不对称性可以用作重叠误差的指标。除了重叠之外，可以使用与图4中图示出的相同的一般形式的目标并通过相同的一般过程来测量光刻工艺的其他性能参数。目标可以设计成其中目标的不对称性例如取决于光刻工艺中的聚焦误差或曝光剂量误差。

因为复合光栅目标中的单独的光栅的降低了的大小，暗场图像中的边缘效应(条纹(fringes))变得显著，并且在目标内的不同光栅的图像之间可能存在有串扰。为了解决该问题，上面提到的US20110027704A教导仅选择各光栅的图像的中央部分作为“感兴趣区域”(ROI)。仅使用ROI内的像素值来计算不对称性和重叠。

然而，随着考虑愈来愈小的目标，可限定为没有边缘效应的ROI的大小降低到愈来愈小数量的像素。结果，对于给定的采集时间，测量本质上更加嘈杂。此外，在定位ROI时的任何变化都变成在测得的不对称性上的误差的显著源。

边缘效应可能非常强烈。光栅的不对称边缘如果大且强烈到足以在ROI内结束，则它们会增加强度信号误差。对于ROI的放置上的小图案识别误差，高强度边缘的仅一小部分可能会在ROI内结束。边缘效应的少量存在不是问题，因为传统的1σ或2σ滤波器在去除这些像素上是成功的。然而，对于较大的图案识别误差，2σ滤波器将不太好地工作并且将引入强度信号上的较大误差。

作为吉布斯现象(Gibbs phenomenon)的结果可能会在ROI内出现强度上的振荡。这可能例如当在散射仪中使用0.4NA(数值孔径)的光瞳滤波器并且有限数量的傅里叶分量可用于形成光栅场图像时发生。这造成横跨光栅图像的强度的周期性振荡。因为该效应，周期性振荡的顶部上的ROI的稍微不同的放置都会造成横跨ROI的不同的平均强度。因此，最终的平均强度对ROI的放置非常敏感。

横跨光栅图像的强度梯度可能由离焦与高NA检测组合的影响引起。最终影响是ROI不得不被放置在强度上的斜坡上。在该情况中定位上的误差将造成平均强度上的额外误差。可以预料到这些强度梯度将在未来的设备中更加严重，其中散射的辐射的离轴照射和离轴聚集使得信号对聚焦误差更加敏感。还有，在聚焦误差的情况下，混合目标内的分量光栅的图像可以在不同方向上移动以便相互重叠。现有的信号提取方法将越来越受到挑战。

发明内容

本发明人认识到可以改善重叠目标的暗场强度测量。本发明旨在提供一种测量目标结构的属性的方法，其解决上面标识出的已知技术的问题中的一个或多个。

本发明在第一方面中提供一种测量衬底上的目标结构的属性的方法，方法包括如下步骤：

(a)使用由目标结构在照射下衍射的辐射的预定部分获得目标结构的图像；

(b)限定多个候选感兴趣区域，各候选感兴趣区域包括在所述图像中的多个像素；

(c)至少部分基于感兴趣区域内的像素的信号值，限定用于候选感兴趣区域的优化度量值；

(d)直接或间接限定目标信号函数，目标信号函数限定了图像中的各像素对目标信号值的贡献，各像素的贡献取决于(i)哪个候选感兴趣区域包含该像素和(ii)那些候选感兴趣区域的优化度量值；以及

(e)使用通过根据限定的目标信号函数将来自检测到的图像的多个像素信号值组合而直接或间接计算的目标信号值，来获得相同目标结构或不同目标结构的属性的测量。

本发明在第二方面中提供一种用于测量衬底上的目标结构的属性的检查设备，设备包括：

-支撑件，用于在其上形成有所述目标结构的衬底；

-光学系统，用于照射目标结构并且使用由目标结构衍射的辐射的预定部分来获得目标结构的图像；

-处理器，被布置成：

限定多个候选感兴趣区域，各候选感兴趣区域包括在所述图像中的多个像素；

至少部分基于感兴趣区域内的像素的信号值限定用于候选感兴趣区域的优化度量值；

直接或间接限定目标信号函数，目标信号函数限定了图像中的各像素对目标信号值的贡献，各像素的贡献取决于(i)哪个候选感兴趣区域包含该像素和(ii)那些候选感兴趣区域的优化度量值；以及

使用通过根据限定的目标信号函数将来自检测到的图像的多个像素信号值组合而直接或间接计算的目标信号值来获得相同目标结构或不同目标结构的属性的测量。

本发明在第三方面中提供一种计算机程序产品，包括用于引起通用处理设备执行根据第一方面的方法的步骤(b)至(e)的机器可读指令。

本发明在第四方面中提供一种光刻系统，包括：

光刻设备，包括：

照射光学系统，被布置成照射图案；

投影光学系统，被布置成将图案的图像投影到衬底上；和

根据第二方面的检查设备，

其中光刻设备被布置成在将图案施加到进一步的衬底时使用来自检查设备的测量结果。

本发明在第五方面中提供一种制造器件的方法，其中使用光刻工艺将器件图案施加至一系列衬底，方法包括使用根据第一方面的方法检查作为所述器件图案的一部分或在所述器件图案旁边形成在所述衬底中的至少一个上的至少一个目标结构，并且根据方法的结果来控制用于后面的衬底的光刻工艺。

下面参照附图详细描述本发明的进一步的特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作。需要注意的是，本发明不限于本文描述的特定实施例，这样的实施例在本文中呈现仅用于说明的目的。附加实施例对于相关领域(多个)技术人员来说基于本文所包含的教导是显而易见的。

附图说明

现在将参照随附示意图通过仅示例的方式来描述本发明的实施例，在图中对应的附图标记表示对应的部件，并且其中：

图1描绘了光刻设备；

图2描绘了可以在其中使用根据本发明的检查设备的光刻单元或簇；

图3包括(a)使用第一对照射孔径的根据本发明的实施例用于在测量目标时使用的暗场散射仪的示意图，(b)对于照射的给定方向的目标光栅的衍射光谱的细节，(c)在使用用于基于衍射的重叠测量的散射仪时提供了进一步的照射模式的第二对照射孔径，和(d)组合了第一和第二对孔径的第三对照射孔径；

图4描绘了已知形式的多个光栅目标和衬底上的测量光斑的轮廓线；

图5描绘了在图3的散射仪中获得的图4的目标的图像；

图6是示出了使用图3的散射仪进行的已知重叠测量方法的步骤的流程图；

图7图示出根据传统量测技术的暗场重叠目标的图像和目标的光栅中的一个光栅中的感兴趣区域(ROI)的定位；

图8图示出遭受边缘效应和强度振荡与梯度的暗场图像；

图9图示出根据本发明的实施例的ROI放置；

图10示出了在3-D中示出对于Sx(X轴)、Sy(Y轴)、Px和Py的不同组合的示例优化度量3σI(以％为单位)的分布的图表；

图11是示出根据本发明的实施例的使用图3的散射仪进行的重叠测量方法的步骤的流程图；

图12是示出根据本发明的实施例的确定目标强度值的步骤的流程图；以及

图13示意性地图示出可编程以实施本发明的实施例的处理器的数据处理硬件。

具体实施方式

在详细描述发明的实施例之前，呈现出可以在其中实施本发明的实施例的示例环境是有益的。

图1示意性地描绘了光刻设备LA。设备包括：照射系统(照射器)IL，被配置成调节辐射束B(例如，UV辐射或DUV辐射)；图案形成装置支撑件或支撑结构(例如，掩模台)MT，被构造成支撑图案形成装置(例如，掩模)MA并连接至配置成根据某些参数将图案形成装置准确地定位的第一定位器PM；两个衬底台(例如，晶片台)WTa和WTb，各被构造成保持衬底(例如，涂有抗蚀剂的晶片)W并且各连接至配置成根据某些参数将衬底准确地定位的第二定位器PW；和投影系统(例如，折射投影透镜系统)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。参考框架RF将各种部件连接，并且用作用于设置和测量图案形成装置和衬底的及它们上的特征的位置。

照射系统可以包括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，或者它们的任何组合，用于引导、成形或控制辐射。

图案形成装置支撑件以取决于图案形成装置的取向、光刻设备的设计和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来保持图案形成装置。图案形成装置支撑件可以采取很多形式。图案形成装置支撑件可以确保图案形成装置例如相对于投影系统处于期望的位置。

本文使用的术语“图案形成装置”应该被广义地解释为是指可以用来在其横截面中赋予辐射束以图案以便在衬底的目标部分中创建图案的任何装置。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。一般情况下，赋予辐射束的图案将对应于正在目标部分中创建的器件(诸如集成电路等)中的特定功能层。

如这里所描绘的，设备是透射型的(例如，采用透射图案形成装置)。备选地，设备可以是反射型的(例如，采用如上面所提及的类型的可编程反射镜阵列，或者采用反射掩模)。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。本文中的术语“掩模版”或“掩模”的任何使用可以被视为与更上位的术语“图案形成装置”同义。术语“图案形成装置”也可以被解释为是指以数字形式存储了用于在控制这样的可编程图案形成装置时使用的图案信息的装置。

本文使用的术语“投影系统”应该被广义地解释为涵盖了任何类型的投影系统，包括折射、反射、反射折射、磁性、电磁和静电光学系统，或者它们的任何组合，视正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”的任何使用可以被视作与更上位的术语“投影系统”同义。

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由具有相对高的折射率的液体、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。浸没技术是现有技术中公知的，用于增加投影系统的数值孔径。

在操作中，照射器IL从辐射源SO接收辐射束。源和光刻设备可以是分离的实体，例如当源是受激准分子激光器时。在这样的情况中，源不视为形成光刻设备的一部分，并且辐射束在光束传递系统BD的帮助下被从源SO传递至照射器IL，光束传递系统BD包括例如合适的引导反射镜和/或扩束器。在其他情况中，源可以是光刻设备的一体部分，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可以例如包括用于调整辐射束的角强度分布的调整器AD、积分器IN和聚光器CO。照射器可以用来调节辐射束，以在其横截面中具有期望的均匀性和强度分布。

辐射束B入射在被保持在图案形成装置支撑件MT上的图案形成装置MA上，并通过图案形成装置而被图案化。在横穿图案形成装置(例如，掩模)MA之后，辐射束B通过了投影系统PS，该投影系统使射束聚焦到衬底W的目标部分C上。在第二定位器PW和位置传感器IF(例如，干涉仪装置、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WTa或WTb准确地移动，例如以便将不同的目标部分C定位在辐射束B的路径中。类似地，第一定位器PM和另一位置传感器(其在图1中未明确描绘出)可以用来将图案形成装置(例如，掩模)MA相对于辐射束B的路径准确地定位，例如在从掩模库进行的机械检索之后，或在扫描期间。

图案形成装置(例如，掩模)MA和衬底W可以利用掩模对齐标记M1、M2和衬底对齐标记P1、P2而对齐。尽管如所图示出的衬底对齐标记占据了专用目标部分，但它们可以位于目标部分之间(这些被称为划片道对齐标记)。类似地，在其中超过一个的裸片设置于图案形成装置(例如，掩模)MA上的情况中，掩模对齐标记可以位于裸片之间。小的对齐标记也可以被包括在裸片内、在器件特征之中，在该情况中，期望标记尽可能地小并且不要求与相邻的特征不同的任何成像或工艺条件。下面进一步描述检测对齐标记的对齐系统。

所描绘的设备可以以各种各样的模式使用。在扫描模式中，在将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图案形成装置支撑件(例如，掩模台)MT和衬底台WT(即，单次动态曝光)。衬底台WT相对于图案形成装置支撑件(例如，掩模台)MT的速度和方向可以通过投影系统PS的放大(缩小)率和图像反转特性来确定。在扫描模式中，曝光场的最大大小限制了在单次动态曝光中目标部分的宽度(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)。如本领域中公知的，其他类型的光刻设备和操作模式是可能的。例如，步进模式是已知的。在所谓的“无掩模”光刻中，可编程图案形成装置被保持静止但具有改变的图案，并且移动或扫描衬底台WT。

也可以采用上面描述的使用模式的组合和/或变化或者完全不同的使用模式。

光刻设备LA是所谓的双平台类型的，其具有两个衬底台WTa、WTb和两个站—曝光站EXP与测量站MEA—在两个站之间可以互换衬底台。在使一个衬底台上的一个衬底在曝光站曝光的同时，可以将另一衬底装载到测量站处的另一个衬底台上并执行各种预备步骤。这使得能够实现设备的吞吐量上的大幅增加。预备步骤可以包括利用水平传感器LS绘制衬底的表面高度轮廓的地图和利用对齐传感器AS测量衬底上的对齐标识的位置。如果位置传感器IF不能在它处于测量站以及处于曝光站时测量出衬底台的位置，则可以设置第二位置传感器以使得能够相对于参考框架RF在两个站处追踪衬底台的位置。其他布置是已知和可用的，取代所示的双平台布置。例如，其中设置了衬底台和测量台的其他光刻设备是已知的。当执行准备测量时将衬底台和测量台停靠在一起，接着在衬底台经受曝光时使它们脱离。

如图2所示，光刻设备LA形成有时也称作光刻单元或簇的光刻单元LC的一部分，该光刻单元还包括用以在衬底上进行预曝光工艺或后曝光工艺的设备。传统上，这些设备包括用以沉积抗蚀剂层的旋涂器SC、用以使经曝光的抗蚀剂显影的显影器DE、激冷板CH和烘烤板BK。衬底处理器或机器人RO从输入/输出端口I/O1、I/O2拾取衬底、使它们在不同工艺设备之间移动并且接着传送至光刻设备的装载台架LB。通常总称为轨道的这些装置在轨道控制单元TCU的控制之下，该轨道控制单元TCU自身由监控系统SCS控制，该监控系统SCS还经由光刻控制单元LACU控制着光刻设备。因此，可以操作不同设备以使吞吐量和处理效率最大化。

为了使通过光刻设备曝光的衬底正确且一致地曝光，期望检查经曝光的衬底以测量诸如后续层之间的重叠误差、线厚度、临界尺寸(CD)等等的属性。相应地，光刻单元LC位于其中的制造设施还包括量测系统MET，其接收已在光刻单元中经过处理的衬底W中的一些或所有。量测结果被直接或间接提供给监控系统SCS。如果检测到误差，则可以对后续衬底的曝光进行调整，尤其是如果检查可以被完成得即刻且快速到足以使相同批次的其他衬底仍然要曝光的话。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，由此避免在已知有缺陷的衬底上执行进一步的处理。在其中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。

在量测系统MET内，使用检查设备来确定衬底的属性，并且特别是，不同衬底或相同衬底的不同层的属性从层到层是如何变化的。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经曝光的抗蚀剂层中的属性。然而，抗蚀剂中的潜像具有非常低的对比度—在抗蚀剂的经曝光于辐射的部分与未曝光的那些之间在折射率上仅有非常小的差异—并且不是所有检查设备都具有用以进行潜像的有用测量的充分的敏感度。因而测量可以在曝光后烘烤步骤(PEB)之后进行，该曝光后烘烤步骤习惯上是在经曝光的衬底上所执行的第一步骤并且增加抗蚀剂的经曝光和未曝光部分之间的对比度。在该阶段，抗蚀剂中的图像可以称作半潜。也可以进行经显影的抗蚀剂图像的测量—此时抗蚀剂的或者经曝光的或者未曝光的部分已被去除—或者在诸如蚀刻等的图案转移步骤之后进行。后一可能性限制了有缺陷衬底的重新加工的可能性但仍然可以提供有用的信息。

适用于在本发明的实施例中使用的暗场量测设备示出在图3(a)中。在图3(b)中更详细地图示出光栅目标T和衍射射线。暗场量测设备可以是独立的装置，或者被并入或光刻设备LA中、例如在测量站处或光刻单元LC中。遍及设备具有若干分支的光轴用点划线O代表。在该设备中，由源11(例如，氙灯)发射的光通过包括透镜12、14和物镜16的光学系统经由分束器15被引导到衬底W上。这些透镜布置在双序列的4F布置中。可以使用不同的透镜布置，只要它仍然将衬底图像提供到检测器上，并且同时允许对用于空间频率滤波的中间光瞳面的访问。因而，可以通过在呈现衬底面的空间光谱的平面(这里也称作(共轭)光瞳面)中限定空间强度分布来选择辐射入射在衬底上的角度范围。特别地，这可以通过在作为物镜光瞳面的背面投影图像的平面中将合适形式的孔径板13插入透镜12与14之间来完成。在图示示例中，孔径板13具有不同形式，标有13N和13S，允许了选择不同的照射模式。本示例中的照射系统形成离轴照射模式。在第一照射模式中，孔径板13N从仅出于描述起见而指定为“北”的方向提供离轴。在第二照射模式中，孔径板13S用于提供类似的照射，但是从标有“南”的相反方向。通过利用不同的孔径，照射的其他模式也是可能的。光瞳面的其余部分期望是暗的，因为在期望的照明模式外的任何不必要的光会与期望的测量信号产生干涉。

如图3(b)所示，光栅目标T与衬底W一起正交于物镜16的光轴O放置。从离开轴O的角度撞在目标T上的照射的射线I产生零阶射线(实线0)和两个一阶射线(点划线+1和双点划线-1)。应该记住，利用过填充的小目标光栅，这些射线仅为覆盖了包括量测目标T和其他特征在内的衬底的区域的多个平行射线中的一个。在提供复合光栅目标的情况下，目标内的各单独的光栅将产生其自己的衍射光谱。由于板13中的孔径具有有限宽度(对于准许有用量的光是必要的)，所以入射射线I事实上会占据角度的范围，并且衍射射线0和+1/-1会稍微散开。根据小目标的点扩散函数，各阶+1和-1会进一步扩散到角度的整个范围，而不是所示出的单个理想射线。注意，光栅节距和照射角度可以设计或调整为使得进入物镜的一阶射线与中心光轴紧密对齐。图3(a)和图3(b)中图示的射线示出为稍微离轴，纯粹是用以使得它们能够在图中更容易区分。

由衬底W上的目标衍射的至少0和+1阶被物镜16收集并且经过分束器15被往回引导。回到图3(a)，通过将直径上相反的孔径指定标为北(N)和南(S)，图示出第一和第二照射模式两者。当入射射线I来自光轴的北侧时，也就是当利用孔径板13N应用第一照射模式时，标有+1(N)的+1衍射射线进入物镜16。相比之下，当利用孔径板13S应用第二照射模式时，-1衍射射线(标有-1(S))是进入透镜16的衍射射线。

第二分束器17将衍射射束分成两个测量分支。在第一测量分支中，光学系统18利用零和一阶衍射射束在第一传感器19(例如，CCD或CMOS传感器)上形成目标的衍射光谱(光瞳面图像)。各衍射阶撞击传感器上的不同点，使得图像处理可以将阶进行比较和对比。由传感器19捕获到的光瞳面图像可以用于使量测设备聚焦和/或使一阶射束的强度测量归一化。光瞳面图像也可以用于诸如重建等的很多测量目的，这不是本公开的主题。

在第二测量分支中，光学系统20、22在传感器23(例如，CCD或CMOS传感器)上形成衬底W上的目标的图像。在第二测量分支中，孔径光阑21设置在与光瞳面共轭的平面中。孔径光阑21起到阻挡零阶衍射射束的功能，使得形成在传感器23上的目标的图像仅由-1或+1一阶射束形成。由传感器19和23捕获到的图像被输出至图像处理器和控制器PU，该处理器和控制器的功能将取决于正在执行的特定类型的测量。注意，术语“图像”在这里以广义的含义使用。如果仅存在-1和+1阶中的一个的话，不会形成光栅线本身的图像。

图3中示出的特定形式的孔径板13和场阑21纯粹是示例。在本发明的另一实施例中，使用了目标的在轴照射，并且具有离轴孔径的孔径光阑被用于使基本上仅一个一阶衍射光传到传感器。(在13和21处示出的孔径在该情况中被有效地交换。)在再其他的实施例中，可以在测量中使用二阶、三阶和更高阶的射束(图3中未示出)，取代一阶射束或除了一阶射束之外。

为了使照射适合于这些不同类型的测量，孔径板13可以包括围绕盘形成的多个孔径图案，该盘转动以使期望的图案到位。备选地或另外地，可以设置或换成一组板13，以取得相同效果。也可以使用诸如可变形反射镜阵列或透射空间光调制器等的可编程照射装置。移动反射镜或棱镜可以用作调整照射模式的另一方式。

如刚刚关于孔径板13所说明的，用于成像的衍射阶的选择可以备选地通过使光瞳光阑21变更来取得，或者通过以具有不同图案的光瞳光阑代替来取得，或者通过用可编程空间光调制器替换固定场阑来取得。在该情况中，测量光学系统的照射侧可以保持恒定，而成像侧则具有第一和第二模式。因而，在本公开中，有效地存在有三种类型的测量方法，各具有自己的优点和缺点。在一个方法中，改变照射模式以测量不同阶。在另一方法中，改变成像模式。在第三方法中，照射和成像模式保持不变，只是使目标转动180°。在各情况中，期望的效果是相同的，即，以在目标的衍射光谱中选择出相互对称地相对的非零阶衍射辐射的第一和第二部分。原则上，可以通过同时改变照射模式和成像模式的组合来获得阶的期望选择，但是这很可能带来没有优点的缺点，所以将不再进一步讨论。

虽然本示例中用于成像的光学系统具有由场阑21限制的宽入射光瞳，但在其他实施例或应用中，成像系统自身的入射光瞳大小可以小到足以限制到期望的阶，并因此也用作场阑。图3(c)和图3(d)中示出可以如下面进一步描述地那样使用的不同孔径板。

典型地，目标光栅将以或者南北或者东西走向的光栅线对齐。也就是说，光栅将在衬底W的X方向或Y方向上对齐。注意，孔径板13N或13S可以仅用于测量一个方向(取决于设置的X或Y)上取向的光栅。对于正交光栅的测量，可以实施目标的经过90°和270°的转动。然而，更方便地，利用孔径板13E或13W在照射光学器件中提供来自东部或西部的照射，如图3(c)所示。孔径板13N至13W可以独立地形成并且可以互换，或者它们可以是可转动90°、180°或270°的单个孔径板。如已经提到的，图3(c)中图示出的离轴孔径可以设置在场阑21中，取代照射孔径板13。在该情况中，照射将是在轴的。

图3(d)示出可用于将第一和第二对的照射模式组合的第三对孔径板。孔径板13NW在北部和西部具有孔径，而孔径板13SE在南部和西部具有孔径。只要这些不同衍射信号之间的串扰不太大，就可以在不改变照射模式的情况下执行X和Y光栅两者的测量。

利用小目标的重叠测量

图4描绘了根据已知实践的形成在衬底上的复合光栅目标。复合目标包括被紧密定位在一起的四个单独的光栅32至35，使得它们都在由量测设备的照射射束形成的测量光斑31内。四个目标因此同时都被照射并且同时成像在传感器19和23上。在专用于重叠测量的示例中，光栅32至35自身是由在形成于衬底W上的半导体器件的不同层中图案化的上覆光栅形成的复合光栅。光栅32至35可以具有被不同地偏置的重叠偏移，以便便于复合光栅的不同部分形成所在的层之间的重叠的测量。光栅32至35也可以在其取向上不同，如所示出的，以便使入射的辐射在X和Y方向上衍射。在一个示例中，光栅32和34是分别具有+d、-d的偏置的X方向光栅。这意味着光栅32使其上覆部件被如下布置：使得如果它们两者被确切地印刷在它们的标称位置处，则部件中的一个将以距离d相对于另一个偏移。光栅34使其部件被如下布置：使得如果被完美地印刷，则将会有d的偏移但是在与第一光栅相反的方向上，等等。光栅33和35是分别具有偏移+d和-d的Y方向光栅。虽然图示出四个光栅，但另一实施例可能要求较大的矩阵，以获得期望的精度。例如，九个复合光栅的3×3阵列可以具有偏置-4d、-3d、-2d、-d、0、+d、+2d、+3d、+4d。这些光栅的分离的图像可以在由传感器23捕获到的图像中标识。

图5示出利用来自图3(d)的孔径板13NW或13SE、使用图3的设备中的图4的目标可在传感器23上形成并由传感器23检测的图像的示例。虽然光瞳面图像传感器19无法分辨不同的单独光栅32至35，但图像传感器23可以做到。交叉阴影矩形40代表传感器上的图像的场，在该场内，衬底上的被照射光斑31被成像到对应的圆形区域41上。理想地，该场是暗的。在暗场图像内，矩形区域42-45代表单独的光栅32至35的图像。如果光栅位于产品区域中，则也可以在该图像场的外围看到产品特征。虽然在图5的暗场图像中示出仅单个复合光栅目标，但在实践中通过光刻制成的半导体器件或其他产品可以具有很多层，并且期望在不同对的层之间进行重叠测量。对于一对层之间的各重叠测量，要求一个或多个复合光栅目标，并且因而可能在图像场内存在其他复合光栅目标。图像处理器和控制器PU利用图案识别对这些图案进行处理以标识光栅32至35的分离的图像42至45。以该方式，图像不是必须在传感器框架内的特定位置非常精准地对齐，这大大提高了测量作为整体的设备的吞吐量。然而，如果成像过程受到跨越图像场的非均匀性的影响，则仍然需要准确对齐。在本发明的一个实施例中，标识四个位置P1至P4并且光栅尽可能地与这些已知位置对齐。

一旦已标识光栅的分离的图像，就可以例如通过将标识的区域内的选择的像素强度值求平均值或求和来测量出那些单独图像的强度。可以将图像的强度和/或其他属性相互比较。可以将这些结果组合以测量出光刻工艺的不同参数。重叠性能是这样的参数的重要示例。

图6图示出如何利用例如在申请US20110027704A中所描述的方法、通过光栅的不对称来测量包含部件光栅32至35的两个层之间的重叠误差，如通过将它们在+1阶和-1阶暗场图案中的强度进行比较所揭露的。在步骤S1处，通过图2的光刻单元将例如半导体晶片的衬底处理一次或多次，以创建包括重叠目标32至35的结构。在步骤S2处，利用图3的量测设备，仅使用一阶衍射射束中的一个(叫做-1)来获得光栅32至35的图像。接着，无论是通过改变照射模式还是改变成像模式，或者通过使衬底W在量测设备的视野中转动180°，可以获得使用了另一一阶衍射射束(+1)的光栅的第二图像(步骤S3)。结果，在第二图像中捕获到+1衍射辐射。

注意，通过在各图像中仅包括一阶衍射辐射的一半，这里所指的“图像”不是传统的暗场量测图像。各光栅将由某强度水平的区域简单地代表。单独的光栅线将不会被分辨，因为+1和-1阶衍射辐射中的仅一个存在。在步骤S4中，在将要从中测量出强度水平的各部件光栅的图像内仔细标识感兴趣区域(ROI)。这样做是因为，特别是在单独光栅图像的边缘周围，强度值可能大体上很大程度上依赖于诸如抗蚀剂厚度、组成、线形状以及边缘效应等的工艺变量。

对于各单独的光栅标识了ROI并测量了其强度之后，接着可以确定光栅结构的不对称性，并因此确定重叠误差。这由图像处理器和控制器PU完成：在步骤S5中，将对于各光栅32-35的+1和-1阶获得的强度值进行比较，以标识它们强度上的任何差异，并且(步骤S6)从光栅的重叠偏置的知识来确定目标T附近中的重叠误差。

在上面提到的现有申请中，公开了各种技术用于使用上面提到的偏置方法来提高重叠测量的质量。例如，图像之间的强度差异可能归因于用于不同测量的光路上的差异，而不是纯粹归因于目标上的不对称性。照射源11可以使得照射光斑31的强度和/或相位不均匀。可以通过例如参考目标图像在传感器23的图像场中的位置来确定并应用校正以使这样的误差最小化。可以使单独的部件光栅在其周期性的方向上延长，以便使给定目标区域内的有用衍射信号最大化。这些技术在其现有申请中进行了说明，并且在这里不再进一步详细说明。它们可以与现在将描述的本申请中新公开的技术组合地使用。

在US20130271740A中，对单独的光栅的边缘部分中或周围的特征进行修改以便减小边缘效应的强度和程度。这些修改可以以与用来增强光刻工艺中的精细特征的印刷的光学邻近校正(OPC)特征类似的方式工作。在US20130258310A中，提议使用三个或更多部件光栅通过图6的方法来测量重叠。通过测量对于具有至少三个不同偏置的光栅的不对称性，可以修改步骤S6中的计算以便校正目标光栅中的特征不对称性，诸如实际光刻工艺中由底部光栅不对称性引起的。这些技术类似地在现有申请中进行了说明，并且这里不再进一步详细说明。它们可以与现在将描述的本申请中新公开的技术组合地使用。

除了重叠之外，可以使用与上面图示出的相同的一般形式的目标并通过相同的一般过程来测量光刻工艺的其他性能参数。特别地，可以设计目标，其中目标的不对称性例如取决于光刻工艺中的聚焦误差或曝光剂量误差。上面的设备和技术因而适合于基于衍射的聚焦测量和基于衍射的剂量测量，以及基于衍射的重叠。重叠在本公开中仅用作可以通过所公开的技术测量的性能参数的一个示例。在小目标大小、偏置方案和类似物上的类似考虑将在这些其他参数的测量中同样适用。

在描述本发明的实施例之前，将参照图7描述用于测量暗场重叠目标上的强度的已知过程。

图7图示出根据已知量测技术的暗场重叠目标的典型图像和ROI方格在目标光栅中的一个中的定位。从图像传感器23获得的暗场图像被示出为大正方形702，不过它可以是矩形或任何形状。点划线704至708代表强度轮廓，其中强度从704经过706到708逐渐增加。

使用图案识别算法来识别目标光栅并确定ROI的位置。识别四个光栅，如用四个正方形710描绘的。在该示例中ROI方格712简单地是正方形。该技术的准确度和精度可能高到数百纳米。单独的ROI方格被放置在各单独的光栅的顶部，将可能的边缘效应考虑在内。ROI方格的位置取决于目标形状并且各ROI方格的大小是固定的。

在由ROI方格划界的各ROI内，应用诸如例如2σ滤波器等的统计滤波器以去除偏离的像素值，并且用余下的像素针对各ROI计算平均强度。

如上面背景技术部分所讨论的，存在有边缘效应、强度上的振荡和强度上的梯度的问题。图8图示出严重遭受这些效应的影响的暗场图像。从图像传感器23获得的暗场图像被示出为大正方形802，不过它可以是矩形或任何形状。点划线804至810代表强度轮廓，其中强度从804到810逐渐增加。在两个光栅的右手侧812处可看到强的边缘效应。在右下光栅中强度上的振荡814明显。在左上光栅中强度梯度816明显。

本公开内的以下实施例提供了解决这些问题的测量强度的方法。结果，可以获得不对称性和诸如重叠、聚焦或剂量等的性能参数的更准确的测量。

在对原始的暗场图像进行分析以提取强度水平之前，使其经受变换。在变换期间，将ROI大小和位置的很多组合考虑在内。去除具有不良结果的ROI方格并且仅将具有稳定效果的ROI方格考虑在内。

图9图示出根据本公开的第一示例的候选ROI的限定。图示示出了单个部件的光栅的暗场图像，应理解的是，将对许多单独的图像应用相同的过程。如图8中那样，点划线代表暗场图像内的强度轮廓。取代使用如图7中的712处所示的单个大小和定位的ROI方格，一组不同大小和不同位置的ROI方格902被视为候选。在最终计算中将多个候选考虑在内。

如图9中图示出的，信号提取的过程开始于在“硬边界”904内的多个较小候选ROI方格的限定。使用图案识别来找到硬边界以使得它与光栅图像大致重合，例如图7中的标有710的方格可以用作硬边界。各候选ROI方格902具有尺寸Sx、Sy和相对于硬边界904的位置的位置Px、Py。尺寸和位置选取成使得ROI方格902不与硬边界904交叉。对于具有大小Sx、Sy和位置Px、Py的各ROI方格，可以使用诸如平均数等的集中趋势的量度来计算一个或多个代表信号值。对于各候选ROI方格，计算基于候选ROI方格内的像素信号值的优化度量值。在该特定实施例中，计算平均强度I作为代表信号值并且计算标准偏差σ作为优化度量值：

I(Sx，Sy，Px，Py)

3σI(Sx，Sy，Px，Py)

标准偏差σ或其他变化量度可以是归一化的相对值，而不是ROI方格中的值的“原”标准偏差。记住，不同候选ROI方格将保持不同数量的像素，可以例如通过使简单标准偏差以因数N^-1/2缩放获得所谓的相对标准偏差，其中N是候选ROI中的像素的数量。可以通过使各σ除以候选ROI中的像素值的平均并乘以100来计算例如表达为百分比的归一化标准偏差。对于各单独的ROI方格，可以在计算上面的参数中的任一个或两者之前应用滤波器，以从数据中去除偏离值。可以组合使用不同滤波器。在一个示例中对于接近硬边界的ROI方格使用1σ滤波器，在其它情况下使用2σ滤波器。在滤波之后，对于各ROI重新计算标准偏差用于在进一步的计算中使用。

在大小和位置的所有变化上的候选ROI方格的代表信号值形成多维数据集。各候选ROI方格可以被看作多维空间内的数据点。在上面的示例中，由代表信号值I(Sx，Sy，Px，Py)形成四维数据集。接着对该数据集进行处理以确定各像素将在作为整体代表光栅图像的经过优化的信号值中做出的贡献。在一个示例中，将值I(Sx，Sy，Px，Py)以使得对应的变化量度3σI用作选择标准和/或用作权重因数的方式组合。在一个示例中，忽略具有大3σI的点，并且用作为权重因数的对应的1/3σI'将余下的数据点求平均。

图10(a)中示出了数据点的示例集，其中已作为Sx和Sy的函数在3-D图表中绘制出变化的量度3σI。因此图10(a)示出了针对Sx(X轴)、Sy(Y轴)的不同组合的3σI(竖轴；以％为单位)的3-D分布。在绘图Sx、Sy中的各位置处，一列点代表具有不同位置Px和Py的单独ROI方格。图10(b)示出绘制在两个轴上的相同类型的数据集，其中视图沿着图10(a)中的大箭头的方向截取。可以设置限制、例如3σI≥1％，低于此，将所有点考虑在内。超过1％的点可以忽略。在平均期间将1/3σI用作权重因数。图10(a)和(b)代表的多维数据集可以被视作原始图像的变换版本。取代从原始图像提取信号，与图10的绘图中所示的数据集相关的分析给出了更好的结果。

利用本文公开的方法进行的测试表明，它对具有图案识别的大误差相对不敏感。最佳传统散射仪软件设置与本文公开的方法的实施例之间的比较表明了，即使在相对大的图案识别误差(1μm-2μm)的情况下，也获得了类似的重叠精度数。如果照射光斑内的目标定位准确到足以高达几微米，则这提供了可以省略图案识别的可能性。

图11是示出根据本发明的实施例的使用图3的散射仪进行的重叠测量方法的步骤的流程图。该流程图具有与如参照图6描述的已知方法共同的步骤1102至1106以及1112，但总体上关于目标而不是光栅。步骤1102至1106对应于在预定照射条件下使用由目标结构衍射的辐射的预定部分来形成和检测目标结构的图像的步骤。使用目标不对称来确定重叠或另一性能参数的步骤1112对应于测量目标结构的属性。

步骤1108和1110与图6不同。

在步骤1108中，根据在步骤1104和1106中测得的图像来确定目标强度值。下面参照图12公开用于确定目标强度值的示例过程。

在步骤1110中，计算用于各目标的强度差异以确定目标的不对称性。因此已测量出目标结构的不对称性或重叠误差的属性。

图12是示出根据本发明的实施例的确定目标强度值的步骤的流程图。

在可选的步骤1202中，在检测到的图像中标识有界区域。有界区域对应于特定目标结构。

在步骤1204中，限定多个候选感兴趣区域(ROI)。各ROI在图像或有界区域中具有多个像素。ROI可能在限定了各ROI内包含图像的哪些像素的两个或更多参数中彼此不同。在该示例中，参数(Sx，Sy，Px，Py)限定了图像或有界区域中的各ROI的大小和位置。利用正方形像素，ROI可以是正方形或矩形。然而，感兴趣的像素和区域不限于这样的形状。例如，像素可以是矩形或六边形，并且ROI可以具有任意形状并且可以不是连续的。

相同大小和形状的ROI可以被多次使用，但其中每一个都与不同的估计器相关联。例如，一个ROI可以具有1σ滤波器阈值并且另一个具有2σ滤波器阈值。滤波器的选择成为数据点的多维集合的另一参数。如果滤波器将某些像素排除在估计器中的计数外，那么在1σ或2σ阈值外的像素被有效地从ROI中排除。

感兴趣区域中的至少一些彼此重叠，使得给定像素可以包含在超过一个的候选ROI内。

在步骤1206中，取决于ROI与图像或有界区域的边缘的接近度，例如使用1σ滤波器或2σ滤波器来滤波ROI内所包含的像素的像素信号值。

在一实施例中，在步骤1208处，至少部分基于ROI内的像素的信号值对于各ROI限定优化度量值。该示例中的优化度量值1/σI(Sx，Sy，Px，Py)是基于相应ROI内所包含的像素的像素信号值的标准偏差σI(Sx，Sy，Px，Py)的。如上面所讨论的，可以使用除标准偏差以外的统计离差(statistical dispersion)的其他量度。直接或间接限定目标信号函数，其限定了图像中的各像素对目标信号值的贡献，各像素的贡献取决于(i)哪个候选ROI包含该像素和(ii)那些候选ROI的优化度量值。

在步骤1210中，基于相应ROI中所包含的像素的像素信号值的统计离差的亮度、在该示例中是标准偏差σI(Sx，Sy，Px，Py)，忽略优化度量值。因此具有大3σI的点可以从数据集中移除，或者在进一步的计算中被忽略，或者给予零权重。

在步骤1212中，通过将来自检测到的图像的像素信号值组合来确定诸如强度等的目标信号值。这使用优化度量值来完成以确定给定像素对目标信号值的贡献。因此目标信号值被限定为图像中像素的信号值的函数，各像素对目标信号值的贡献取决于(i)哪个候选区域包含该像素和(ii)那些候选感兴趣区域的优化度量值。可以通过根据所限定的贡献将来自检测到的图像的多个像素信号值组合确定目标信号值来获得相同目标结构或不同目标结构的属性的测量。各像素的信号值对目标信号值(作为整体用于目标的信号值)贡献的方式可以被看作目标信号函数。目标信号函数可以直接(明确地)限定为过程的一部分，或者可以仅间接地限定，这取决于实施例。

在一实施例中，通过使用优化度量值来限定对于各ROI的代表信号值的权重，并使用用于不同ROI的代表信号值的加权组合来计算目标信号值，间接地确定各像素的贡献。代表信号值可以是例如在上面的示例中标为I(Sx，Sy，Px，Py)的ROI中的像素强度的平均或平均数。平均数是ROI内所包含的像素的像素信号值的集中趋势的量度。可以使用如上面所讨论的其他集中趋势的量度。因此，与已知技术相比，不是直接将像素组合，而是组合地使用变换的数据集的代表值。在4D空间中，其表示用图10(a)和图10(b)的图表示出，各点是通过对各ROI中的多个像素进行分析而获得的强度或标准偏差。

在确定给定像素对目标信号值的贡献之前，可以对相应ROI内所包含的像素的像素信号值进行滤波。这可以使用1σ滤波器和2σ滤波器来完成。

在另一实施例中，直接确定各像素的贡献(换言之，目标信号函数)，并且组合使用用于候选ROI的优化度量值，以通过对于来自检测到的图像的各像素信号值限定权重来限定用于各像素对目标信号值的权重值。因此可以使用优化度量值来产生限定了最终目标信号值中单独的像素的贡献的权重的“贡献映射”。最终结果可以与之前的实施例中相同。然而，当目标信号函数被限定为贡献映射时，可将其存储和使用在相同或其他光栅图像中，而不重新计算并应用优化度量值。各像素的贡献可以用像素权重值来代表，该像素权重值是包含该像素的所有候选感兴趣区域的权重值的组合。通过参考它们的优化度量值来限定候选感兴趣区域的权重值，正如上面的示例那样。然而，在本实施例中，不直接执行目标信号值的计算，而是首先计算贡献映射。

因此可以使用该贡献映射(直接代表目标信号函数)从一个目标结构取得优化，并且从对应于另一目标结构的图像的另一部分将其应用于像素值。贡献映射可以应用于在相同或不同衬底上的类似结构的其他图像。这节省了执行优化计算，并且当类似的目标具有共同的处理时是适当的，使得从一个目标导出的优化与后续目标相关。在该情况中，使用图案识别来定位要受到贡献映射的使用的其他目标。在确定给定像素对目标信号值的贡献之前，可以对来自检测到的图像的像素信号值进行滤波。再次，这可以使用1σ滤波器和2σ滤波器来完成。

可以使用用来形成和检测图像的装置的特性来计算优化度量值。

在另一实施例中，取代步骤1208和1210，执行步骤1214和1216。

在步骤1214中，在确定优化度量值之前，对平均数像素值数据I(Sx，Sy，Px，Py)和/或大小和位置数据(Sx，Sy，Px，Py)进行平滑。

在步骤1216中，至少部分基于ROI中的像素的信号值来限定对于各ROI的优化度量值，如步骤1208那样。然而，在该示例中，优化度量值是基于代表信号值相对于包含候选ROI集合的多维空间中的参数(例如，位置或大小)中的一个或多个的改变的速率(在该示例中是1/梯度)的。在该示例中，代表信号值是由ROI内所包含的像素的像素信号值确定的I(Sx，Sy，Px，Py)。直接或间接地限定目标信号函数，其限定了图像中的各像素对目标信号值的贡献，各像素的贡献取决于(i)哪个候选ROI包含该像素和(ii)那些候选ROI的优化度量值。

可以采用该方法的多个不同实施例。常见的特性是，在运行时，取决于图像特性来确定ROI的最佳位置和/或大小。示例实施例使用对于四个光栅中的每一个的许多组合之中的单个ROI方格。然而，可以单独地对四个光栅中的每一个优化ROI方格的大小、形状和位置。这可以每次在目标上完成，或者仅能完成一次，并且结果可以用于所有其他目标。

候选ROI方格的集合的可变参数的选择和数量是设计选择的问题。在第一实施例中，仅使ROI的位置变化以生成包括用于产生优化的度量值的代表信号值的数据集。可以使多维数据集在一些或所有维度中受到平滑函数，以减少候选ROI方格之间的随机变化的影响。对候选ROI方格的代表信号值和优化的度量值的引用应被理解为是指在该情况下的平滑值，并且不一定仅是从与所有其他值隔离的候选ROI获得的值。合适的平滑函数可以是与数据集相同数量的维数的多项式函数。例如，多维数据集I(Sx，Sy，Px，Py)的滤波版本可以由参数Sx、Sy、Px、Py的多项式函数来限定。该多项式函数可以通过诸如最小二乘拟合等众所周知的技术拟合到数据集中，并接着用于代替数据集。在第二实施例中，仅使ROI的大小变化。在第三实施例中，同时优化大小和位置两者(如上面所描述的)。大小可以在两个维度上变化，如上面所描述的，或者仅在一个维度上变化(例如，通过将ROI方格形状约束为正方形或圆形)。

在上面的实施例中，可以在加权平均组合中使用若干候选ROI方格，以确定各像素值在整体结果中做出了什么贡献。在另一实施例中，可以选择和使用单个“最佳”候选ROI方格。

可以对复合目标的每个图像中的每个光栅图像自动地执行上面所描述的优化计算。备选地，可以仅针对所选择的目标执行全部优化计算，并且可以将所得到的单独像素的贡献的映射存储并重新用于其他光栅图像。因此，在另一实施例中，对于复合目标图像中的所有ROI完成优化，但是对于各单独的图像是分离的，而在另一实施例中，单独地对于各ROI完成优化。在其中归因于当图像没有完美聚焦时的像差而预料到X和Y方向光栅在捕获的图像中沿不同方向移动的实施例中，可以对于X图像计算一次并对于Y图像计算一次贡献。

在优化过程期间，相对于优化度量参数对贡献进行优化。如上面所描述的，该参数可以是ROI区域内的3σ变化的最小化。在更一般的统计术语中，参数可以是统计离差的量度，其包括各种各样的可能性。如果所有数据都相同并随着数据变得更加多样化而增加，则统计离差的量度为零。统计离差的量度包括四分位差(IQR)或十分位间距、范围、平均数差、中位绝对偏差(MAD)、平均绝对偏差(或简称为平均偏差)、变异系数、四分位数离差系数、相对平均数差和方差。

因而可以使用不同的参数，诸如范围(最大值减去最小值)，或75％百分位数与25％百分位数值之间的差异。可以通过比较横跨多维数据集的维度的代表信号值来导出变化的量度，而不是使用候选ROI方格(例如，如上面所描述的σ)中的像素值内的变化的量度。例如，在由代表信号值I(Sx，Sy，Px，Py)形成的四维数据集中，可以计算I相对于参数Sx、Sy、Px、Py中的任一个的局部梯度。通过检查这些梯度可以获得优化度量。例如，取代使用1/3σ作为权重因数，可以使用局部梯度的倒数。

除用于优化的纯统计度量之外，优化还可以包括检查装置的知识，诸如照相机的噪声模型或光学几何。

除优化度量值之外，还可以针对给定的ROI方格提取信号估计器值。再次可以选取多个不同的实施。在统计学术语中，诸如集中趋势的度量等的代表信号值可以用作信号估计器。集中趋势的度量是用于概率分布的集中值或典型值。集中趋势的度量的示例包括算术平均数、中位数、模式、几何平均数、谐波平均数、加权平均数、截尾平均数、m和中列数。

在一个实施例中，该估计器是ROI方格中的像素值的平均数。在更复杂的实施例中，平均数与诸如上面描述的1σ和2σ滤波器等的滤波器组合。

最后，如图10(a)和(b)所示，基本是原始图像到另一形式的转换的该方法的原理提供了导出称为“目标西格玛(Target Sigma)”的新型测量质量指标的机会。该参数传统上由已知技术的固定ROI方格内的各像素中的重叠数量来计算。在该情况下，“目标西格玛”是ROI方格内的重叠数量的3σ变化。它有规律的在机器性能在规格内的情况下具有高值。预期基于图10(a)中图示出的变换数据集的另一测量质量指标的备选限定将更加鲁棒并且与实际机器性能更好地匹配。

结论

本文描述的方法允许在实践中解决导言中标识的问题中的一些或全部。边缘效应被有效地除去，因为它们仅对靠近硬边界的候选ROI方格起作用。这些候选在数量上受限，并且具有相对高的变化量度(3σI)。高的变化量度造成在强度计算期间的排除，和/或小的权重因数。对于靠近边缘的ROI方格的1σ滤波器的使用(而不是对于整个ROI区域仅使用2σ滤波器)，已经提高了对边缘效应的敏感度。

由于使用了ROI大小和位置的很多组合，所以预期振荡被有效地平均化。通过使用具有候选ROI大小和位置的很多组合的所公开的方法，有效地使光栅图像内的强度梯度的影响最小化。可以通过提供本文公开的检查装置、使用它测量经处理的衬底以测量光刻工艺的性能的参数、以及调整该过程的参数以改善或维持用于后续衬底的处理的光刻工艺的性能来改进使用光刻工艺制造器件的方法。

应当理解，上面的示例中使用的特定参数不是唯一可以限定的参数。根据用于量测的光刻设备和检查设备的限制，可以在真实设计过程中使用附加和/或备选参数。虽然上面描述的目标结构是专门设计且形成用于测量目的的量测目标，但是在其他实施例中，可以在作为形成在衬底上的器件的功能部件的目标上测量属性。很多器件具有规则的光栅状结构。如本文所使用的术语“目标光栅”和“目标结构”并不要求该结构专门用于正在执行的测量而提供。

上面描述的方法的步骤可以在任何通用数据处理硬件(计算机)内是自动化的。该设备可以与现有处理器集成，诸如图3(a)所示的处理单元PU、图1所示的光刻设备控制单元LACU或整体过程控制系统。硬件可以远离处理设备，甚至位于不同的国家。合适的数据处理设备(DPA)的部件示出在图13中。该设备可以布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能够实施如上面所描述的检查装置的功能。

连接到处理器1327的存储器1329可以包括多个存储器部件，像硬盘1361、只读存储器(ROM)1362、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)1363和随机存取存储器(RAM)1364。不是所有上述存储器部件都需要存在。此外，上述存储器部件在物理上非常接近处理器1327或彼此靠近并不是必须的。它们可能位于远离的距离处。

处理器1327也可以连接到某种用户接口，例如键盘1365或鼠标1366。也可以使用本领域技术人员已知的触摸屏、轨迹球、语音转换器或其他接口。

处理器1327可以连接到读取单元1367，其被布置为将例如呈计算机可执行代码形式的数据从像软盘1368或CDROM 1369一样的数据载体上读取出来或在一些情况下存储在数据载体上。还可以使用本领域技术人员已知的DVD或其他数据的载体。

处理器1327还可以连接到打印机1370以将输出数据在纸张上打印出来，以及连接到显示器1371、例如监视器或本领域技术人员已知的任何其他类型的LCD(液晶显示器)。

处理器1327可以借助于负责输入/输出(I/O)的发射机/接收机1373连接到通信网络1372、例如公共交换电话网(PSTN)、局域网(LAN)、广域网(WAN)等等。处理器1327可以被布置成经由通信网络1372与其他通信系统通信。在本发明的实施例中，外部计算机(未示出)、例如操作者的个人计算机可以经由通信网络1372登录到处理器1327上。

处理器1327可以被实施为独立系统或并行操作的多个处理单元，其中每个处理单元被布置成执行较大程序的子任务。处理单元也可以在一个或多个主处理单元中被划分成若干子处理单元。处理器1327的一些处理单元甚至可以与其他处理单元远离的距离处，并且经由通信网络1372通信。模块之间的连接可以做成有线或无线的。

计算机系统可以是利用布置成执行这里所讨论的功能的模拟和/或数字和/或软件技术的任何信号处理系统。

尽管对于本发明的实施例在光学光刻的背景下的使用做出了具体参考，但是应当领会的是，本发明可以用在其它应用中，例如压印光刻，并且只要上下文允许不限于光学光刻。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。图案形成装置的形貌可以被压入供给到衬底的一层抗蚀剂中，随之通过施加电磁辐射、热、压力或其组合使抗蚀剂固化。在抗蚀剂固化之后将图案形成装置从抗蚀剂上移走，在其上留下图案。

在下面编号的子句中提供根据本发明的进一步的实施例：

1.一种测量衬底上的目标结构的属性的方法，方法包括如下步骤：

2.根据子句1的方法，其中候选感兴趣区域在两个或更多参数中相互不同，参数限定了图像的哪个像素被包含在该候选感兴趣区域内。

3.根据子句2的方法，其中限定了图像的哪个像素被包含在各候选感兴趣区域内的参数限定在所述图像中的候选感兴趣区域的位置。

4.根据子句2或子句3的方法，其中限定了图像的哪个像素被包含在各候选感兴趣区域内的参数限定在所述图像中的候选感兴趣区域的大小。

5.根据任一项前述子句的方法，其中至少一些感兴趣区域彼此重叠，使得给定像素可以被包含在候选感兴趣区域中的超过一个候选感兴趣区域内。

6.根据任一项前述子句的方法，其中在步骤(e)中使用多个代表信号值中的至少一个来计算目标信号值，各代表信号值是候选感兴趣区域中的相应的一个内所包含的像素的像素信号值的组合。

7.根据子句6的方法，其中将多个代表信号值与取决于对于其相应候选感兴趣区域的优化度量值的权重组合。

8.根据子句6的方法，其中使用对应于具有最佳优化度量值的候选感兴趣区域的单个代表信号值来计算目标信号值。

9.根据子句6、7或8的方法，其中在计算代表值之前将候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值滤波。

10.根据子句1至5中的任一项的方法，其中在步骤(d)中以贡献映射的形式来限定目标信号函数，在贡献映射中给定像素对目标信号值的贡献由权重值限定，并且在步骤(e)中根据在贡献映射中的其相应权重值将来自检测到的图像的像素信号值组合。

11.根据任一项前述子句的方法，其中优化度量值是基于在相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值的统计离差的量度的。

12.根据子句11的方法，进一步包括忽略具有在相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值的过度统计离差的候选感兴趣区域。

13.根据任一项前述子句的方法，其中优化度量值是基于在包含候选感兴趣区域的集合的多维空间中的代表信号值相对于一个或多个参数的改变的速率的，代表信号值是从相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值确定的。

14.根据子句13的方法，进一步包括在计算优化度量值之前，对代表信号值和/或两个或更多参数进行平滑，参数限定了图像的哪个像素被包含在该候选感兴趣区域内。

15.根据任一项前述子句的方法，其中步骤(b)作为预备步骤包括在获得的图像中标识有界区域作为预备步骤，有界区域对应于特定目标结构，其中各候选感兴趣区域包括在所述有界区域内的多个像素。

16.根据任一项前述子句的方法，其中使用用于形成并检测图像的设备的特性来计算优化度量值。

17.根据任一项前述子句的方法，其中在计算优化度量值之前，将候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值滤波。

18.一种用于测量衬底上的目标结构的属性的检查设备，设备包括：

-支撑件，用于在其上形成有所述目标结构的衬底；

-处理器，被布置成：

至少部分基于感兴趣区域内的像素的信号值，限定用于候选感兴趣区域的优化度量值；

直接或间接限定目标信号函数，目标信号函数限定了图像中的各像素对目标信号值的贡献，各像素的贡献取决于(i)哪个候选感兴趣区域包含该像素，和(i)那些候选感兴趣区域的优化度量值；以及

使用通过根据限定的目标信号函数将来自检测到的图像的多个像素信号值组合而直接或间接计算的目标信号值，来获得相同目标结构或不同目标结构的属性的测量。

19.根据子句18的设备，其中候选感兴趣区域在两个或更多参数中相互不同，参数限定了图像的哪个像素被包含在该候选感兴趣区域内。

20.根据子句19的设备，其中限定了图像的哪个像素被包含在各候选感兴趣区域的参数限定在所述图像中的候选感兴趣区域的位置。

21.根据子句19或子句20的设备，其中限定了图像的哪个像素被包含在各候选感兴趣区域内的参数限定在所述图像中的候选感兴趣区域的大小。

22.根据子句18至21中的任一项的设备，其中至少一些感兴趣区域彼此重叠，使得给定像素可以被包含在候选感兴趣区域中的超过一个候选感兴趣区域内。

23.根据子句18或22中的任一项的设备，其中处理器被布置成使用多个代表信号值中的至少一个来计算目标信号值，各代表信号值是候选感兴趣区域中的相应的一个内所包含的像素的像素信号值的组合。

24.根据子句23的设备，其中处理器被布置成将多个代表信号与取决于对于其相应候选感兴趣区域的优化度量值的权重组合。

25.根据子句23的设备，其中处理器被布置成使用对应于具有最佳优化度量值的候选感兴趣区域的单个代表信号值来计算目标信号值。

26.根据子句23、24或25的设备，其中处理器被布置成将候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值滤波。

27.根据子句18至22中的任一项的设备，其中处理器被布置成以贡献映射的形式来限定目标信号函数，在贡献映射中给定像素对目标信号值的贡献由权重值限定，并且在步骤(e)中根据在贡献映射中的其相应权重值将来自检测到的图像的像素信号值组合。

28.根据子句18至27中的任一项的设备，其中处理器被布置成使优化度量值基于在相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值的统计离差的量度。

29.根据子句28的设备，进一步包括忽略具有在相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值的过度统计离差的候选感兴趣区域。

30.根据子句18至29的设备，其中处理器被布置成使优化度量值基于在包含候选感兴趣区域的集合的多维空间中的代表信号值相对于一个或多个参数的改变的速率，并且其中处理器被布置成从相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值确定代表信号值。

31.根据子句30的设备，处理器被布置成在计算优化度量值之前，对代表信号值和/或两个或更多参数进行平滑，参数限定了图像的哪个像素被包含在该候选感兴趣区域内。

32.根据子句18至31中的任一项的设备，其中处理器被布置成作为限定多个候选感兴趣区域的预备步骤在获得的图像中标识有界区域作为预备步骤，有界区域对应于特定目标结构，其中各候选感兴趣区域包括在所述有界区域内的多个像素。

33.根据子句18至32中的任一项的设备，其中处理器被布置成使用用于形成并检测图像的设备的特性来计算优化度量值。

34.根据子句18至33中的任一项的设备，其中处理器被布置成在计算优化度量值之前，将候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值滤波。

35.一种计算机程序产品，包括用于引起通用处理设备执行根据以上子句1至17中的任一项的方法的步骤(b)至(e)的机器可读指令。

36.一种光刻系统，包括：

光刻设备，包括：

照射光学系统，被布置成照射图案；

投影光学系统，被布置成将图案的图像投影到衬底上；和根据子句18至34中的任一项的检查设备，

37.一种制造器件的方法，其中使用光刻工艺将器件图案施加至一系列衬底，方法包括使用根据子句1至17中的任一项的方法检查作为所述器件图案的一部分或在所述器件图案旁边形成在所述衬底中的至少一个上的至少一个目标结构，并且根据方法的结果来控制用于后面的衬底的光刻工艺。

本文使用的术语“辐射”和“射束”涵盖所有类型的电磁辐射，包括紫外线(UV)辐射(例如，具有或大约365nm、355nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波长)和极紫外线(EUV)辐射(例如，具有5nm-20nm范围的波长)，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，可以是指各种类型光学部件的任一个或组合，光学部件包括折射、反射、磁性、电磁和静电光学部件。

具体实施例的前述描述如此充分地揭示本发明的一般性质，使得其他人可以通过应用本领域技术范围内的知识来容易地在无需过多实验的情况下为各种应用修改和/或调适这样的具体实施例，而不会脱离本发明的一般概念。因而，基于本文呈现的教导和指导，这样的调适和修改旨在在所公开的实施例的等同物的含义和范围内。应当理解的是，本文中的措辞或术语是为了通过示例而不是限制的描述的目的，使得本说明书的术语或措辞将由本领域技术人员鉴于教导和指导来解释。

本发明的广度和范围不应受上述任何示例性实施例的限制，而应仅根据所附权利要求及其等同物来限定。

Claims

1.一种测量衬底上的目标结构的属性的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)使用由所述目标结构在照射下衍射的辐射的预定部分获得所述目标结构的图像；

(c)至少部分基于所述感兴趣区域内的像素的信号值，限定用于所述候选感兴趣区域的优化度量值；

(d)直接或间接限定目标信号函数，所述目标信号函数限定了所述图像中的各像素对目标信号值的贡献，各像素的所述贡献取决于(i)哪个候选感兴趣区域包含该像素和(ii)那些候选感兴趣区域的优化度量值；以及

(e)使用通过根据限定的所述目标信号函数将来自检测到的图像的多个像素信号值组合而直接或间接计算的目标信号值，来获得相同目标结构或不同目标结构的属性的测量。

2.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中至少一些感兴趣区域彼此重叠，使得给定像素可以被包含在所述候选感兴趣区域中的超过一个候选感兴趣区域内。

3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在步骤(e)中使用多个代表信号值中的至少一个来计算所述目标信号值，各代表信号值是所述候选感兴趣区域中的相应的一个内所包含的像素的像素信号值的组合。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中在步骤(d)中以贡献映射的形式来限定所述目标信号函数，在所述贡献映射中给定像素对所述目标信号值的贡献由权重值限定，并且在步骤(e)中根据在所述贡献映射中的其相应权重值将来自所述检测到的图像的像素信号值组合。

5.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述优化度量值是基于在相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值的统计离差的量度的。

6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述优化度量值是基于在包含候选感兴趣区域的集合的多维空间中的代表信号值相对于一个或多个参数的改变的速率的，所述代表信号值是从相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值确定的。

7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中步骤(b)包括在所获得的图像中标识有界区域作为预备步骤，所述有界区域对应于特定目标结构，其中各候选感兴趣区域包括在所述有界区域内的多个像素。

8.一种用于测量衬底上的目标结构的属性的检查设备，所述设备包括：

-支撑件，用于在其上形成有所述目标结构的所述衬底；

-光学系统，用于照射所述目标结构并且使用由所述目标结构衍射的辐射的预定部分来获得所述目标结构的图像；

-处理器，被布置成：

至少部分基于所述感兴趣区域内的像素的信号值，限定用于所述候选感兴趣区域的优化度量值；

直接或间接限定目标信号函数，所述目标信号函数限定了所述图像中的各像素对目标信号值的贡献，各像素的所述贡献取决于(i)哪个候选感兴趣区域包含该像素和(ii)那些候选感兴趣区域的优化度量值；以及

使用通过根据限定的所述目标信号函数将来自检测到的图像的多个像素信号值组合而直接或间接计算的目标信号值，来获得相同目标结构或不同目标结构的属性的测量。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述候选感兴趣区域在两个或更多参数中相互不同，所述参数限定了所述图像的哪个像素被包含在该候选感兴趣区域内。

10.如权利要求8至9中的任一项所述的设备，其中所述处理器被布置成以贡献映射的形式来限定所述目标信号函数，在所述贡献映射中给定像素对所述目标信号值的贡献由权重值限定，并且在步骤(e)中根据在所述贡献映射中的其相应权重值将来自所述检测到的图像的像素信号值组合。

11.如权利要求8至10中的任一项所述的设备，其中所述处理器被布置成使所述优化度量值基于在相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值的统计离差的量度。

12.如权利要求8至11所述的设备，其中所述处理器被布置成使所述优化度量值基于在包含候选感兴趣区域的集合的多维空间中的代表信号值相对于一个或多个参数的改变的速率，并且其中处理器被布置成从相应候选感兴趣区域内所包含的像素的像素信号值确定所述代表信号值。

13.一种计算机程序产品，包括用于引起通用处理设备执行如以上权利要求1至7中的任一项所述的方法的步骤(b)至(e)的机器可读指令。

14.一种光刻系统，包括：

光刻设备，包括：

照射光学系统，被布置成照射图案；

投影光学系统，被布置成将所述图案的图像投影到衬底上；和

根据权利要求8至12中的任一项所述的检查设备，

其中所述光刻设备被布置成在将所述图案施加到进一步的衬底时使用来自所述检查设备的测量结果。

15.一种制造器件的方法，其中使用光刻工艺将器件图案施加至一系列衬底，所述方法包括使用如权利要求1至7中的任一项所述的方法检查作为所述器件图案的一部分或在所述器件图案旁边形成在所述衬底中的至少一个上的至少一个目标结构，并且根据所述方法的结果来控制用于后面的衬底的光刻工艺。