CN108139682B

CN108139682B - 量测方法和设备、计算机程序及光刻系统

Info

Publication number: CN108139682B
Application number: CN201680057525.6A
Authority: CN
Inventors: N·潘迪; 周子理; A·E·A·科伦; G·范德祖克
Original assignee: ASML Netherlands BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2036-09-13
Also published as: TW201816359A; US10423077B2; KR102104843B1; TWI616642B; NL2017452A; US20190146356A1; TWI651514B; IL258057B; US20170097575A1; TW201721093A; KR20180059930A; WO2017055072A1; IL258057A; CN108139682A; US10191391B2

Abstract

公开了一种用于测量光刻过程的参数的量测设备，以及相关的计算机程序和方法。该量测设备包括光学系统和透镜阵列，所述光学系统通过利用测量辐射照射衬底上的目标并检测由目标散射的测量辐射来测量目标。阵列中的每个透镜都能够操作，以将散射的测量辐射聚焦到传感器上，从而所述透镜阵列在传感器上形成包括多个子图像的图像，每个子图像由透镜阵列中相应的透镜形成。由此形成的全光图像包括由来自子图像的像平面信息、(来自子图像的相对位置的)波前变形信息、以及来自子图像的相对强度的光瞳信息。

Description

量测方法和设备、计算机程序及光刻系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年10月2日提交的欧洲申请15188190.1的优先权，该欧洲申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于量测术的方法和设备，所述量测术能够用于例如利用光刻技术制造器件，并且涉及使用光刻技术制造器件的方法。

背景技术

光刻设备是一种将所需图案施加到衬底上(通常在衬底的目标部分上)的机器。例如，光刻设备可以用于集成电路(IC)的制造中。在这种情况下，可以将可替代地称为掩模或掩模版的图案形成装置用于生成要在集成电路的单层上形成的电路图案。可以将该图案转移到衬底(例如硅晶片)上的目标部分(例如包括管芯的一部分、一个或更多个管芯)上。通常，通过将图案成像到设置在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上进行图案的转移。通常，单个衬底将包含被连续形成图案的相邻目标部分的网络。在光刻过程中，经常期望对所产生的结构进行测量，例如用于过程控制和验证。已知用于进行这种测量的各种工具，包括通常用于测量临界尺寸(CD)的扫描电子显微镜和用于测量重叠的专用工具，重叠是器件中的两个层的对准精确度的量度。重叠可以被描述为术语两个层之间对准不良(misalignment)的度，例如对测量的1nm的重叠的提及可以描述两个层未对准1nm的情况。

近来，各种形式的散射计已经被开发，应用在光刻领域中。这些装置将辐射束引导到目标上，并且测量散射辐射的一个或更多个属性，例如在单个反射角下作为波长的函数的强度、在一种或更多种波长下作为反射角的函数的强度、或者作为反射角的函数的偏振，以获得“光谱”，可以根据该“光谱”确定目标的感兴趣的属性。可以利用各种技术执行感兴趣的属性的确认，例如通过诸如严格耦合波分析或有限元方法、库搜索和主成分分析等迭代方法来重建目标。

常规散射计所使用的目标相对大，例如40μm×40μm，光栅和测量束产生比光栅小的光斑(即，光栅未被充满)。这简化了目标的数学重建，这是因为它可以被认为是无限的。然而，为了将目标的尺寸减小到例如10μm×10μm或更小，例如可以将它们定位在产品特征中，而不是在划线中；已经提出光栅被制成比测量斑小(即，光栅被过填充)的量测术。通常，这样的目标被使用暗场散射测量术来测量，其中，衍射的第零阶(对应于镜面反射)被阻挡，并且仅处理高阶。暗场量测术的示例可以在国际专利申请WO 2009/078708和WO 2009/106279中找到，上述国际专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文中。已经在专利公开出版物US20110027704A、US20110043791A和US20120242970A中描述了上述技术的进一步发展。所有这些申请的内容也通过引用的方式并入本文中。使用衍射阶的暗场检测的基于衍射的重叠能够实现对更小的目标进行重叠测量。这些目标可以小于照射斑，并且可能被晶片上的产品结构包围。目标可以包括可以在一个图像中测量的多个光栅。

在已知的量测技术中，通过在特定条件下测量目标两次来获得重叠测量结果，同时旋转目标或者改变照射模式或成像模式，以便分别获得-1阶衍射强度和+1阶衍射强度。强度不对称性(这些衍射阶强度的比较)为给定的目标提供目标不对称性的测量，即，目标中的不对称性。目标中的这种不对称性可以被用作重叠误差(两个层的不期望的对准不良或未对准)的指标。

虽然已知的基于图像的暗场重叠测量是快速的并且在计算上非常简单的(一旦校准的话)，但它们依赖于如下假设：重叠(即，重叠误差和有意的偏置)是目标中的目标不对称性的唯一原因。目标中的任何其它不对称性(例如一个或两个重叠的光栅内的特征的结构不对称性)也会导致第一阶(或其它高阶)中的强度不对称性。这种强度不对称性导致结构不对称性，而与重叠不相关，这明显地扰乱了重叠测量，给出了不准确的重叠测量。目标的最底部或底部光栅中的不对称性是结构不对称性的一种常见形式。它可能源自于例如晶片处理步骤，诸如在最初形成底部光栅之后执行的化学机械抛光(CMP)。

因此，期望以更直接且更快的方式来区分由重叠误差和其它效应所引起的对目标不对称性的贡献。还期望简化量测系统内聚焦和/或像差测量所需的设备。进一步期望能够在小的过填充目标上执行临界尺寸测量(和其它重建技术)。

发明内容

本发明在第一方面提供了一种用于测量光刻过程的参数的量测设备，所述量测设备包括：

光学系统，所述光学系统通过利用测量辐射照射衬底上的目标并检测由所述目标散射的测量辐射来测量所述目标；以及透镜阵列，每个透镜都能够操作，以将散射的测量辐射聚焦到传感器上，从而所述透镜阵列在所述传感器上形成图像，使得所述图像包括多个子图像，每个子图像由所述透镜阵列中相应的透镜形成。

本发明在另一方面提供了一种测量光刻过程的参数的方法，所述方法包括：通过利用测量辐射照射衬底上的目标并检测由所述目标散射的测量辐射来测量所述目标；形成所述目标的图像，所述图像包括多个子图像，每个子图像由透镜阵列中相应的透镜形成；以及根据所述图像来测量光刻过程的所述参数。

本发明进一步提供了一种计算机程序，所述计算机程序包括：处理器可读指令，当在适当的处理器所控制的设备上运行时，所述处理器可读指令使得所述处理器所控制的设备执行根据第一方面或第二方面所述的方法；以及计算机程序载体，所述计算机程序载体包括这种计算机程序。所述处理器所控制的设备可以包括第三方面的量测设备或第四方面的光刻系统。

在下文中参考附图详细地描述本发明的进一步的特征和优点以及本发明的各个实施例的结构和操作。应该注意的是，本发明不限于本文中所述描述的特定实施例。本文中给出的这些实施例仅用于说明的目的。基于本文所包含的教导，另外的实施例对于相关领域的技术人员而言将会是显而易见的。

附图说明

现在将参考附图并且仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1描绘了根据本发明的实施例的光刻设备；

图2描绘了根据本发明的实施例的光刻单元或簇；

图3包括(a)用于使用第一对照射孔来测量目标的暗场散射计的示意图，(b)用于给定的照射方向的目标光栅的衍射光谱的细节，(c)在使用散射计进行基于衍射的重叠测量中提供另外的照射模式的第二对照射孔，以及(d)与第一对孔和第二对孔组合的第三对照射孔；

图4描绘了多个光栅目标的已知形式和衬底上的测量斑的轮廓；

图5描绘了图3的散射计中获得的图4的目标的图像；

图6是显示使用了图3的散射计的重叠测量方法的步骤的流程图，所述步骤适用于形成本发明的实施例；

图7(a)至(c)示出了在零区域中具有不同的重叠值的重叠光栅的示意性横截面；

图7(d)是由于处理效应而在底部光栅中具有结构不对称性的重叠光栅的示意性横截面；

图8示出没有经受结构不对称性的理想化目标中的重叠测量的已知原理：

图9示出非理想化目标中的重叠测量的原理，在该重叠测量中修正了本发明的实施例中公开的结构不对称性；

图10是根据本发明的实施例的暗场散射计的示意图；以及

图11是根据本发明的示例性实施例的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

在详细地描述本发明的实施例之前，有益的是提出一个可以实施本发明的实施例的示例性环境。

图1示意性地描绘了一种光刻设备LA。该光刻设备包括：照射光学系统(照射器)IL，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，构造成支撑图案形成装置(例如掩模)MA并且连接到第一定位器PM，该第一定位器PM配置成根据特定参数来精确地定位图案形成装置；衬底台(例如晶片台)WT，构造成保持衬底(例如抗蚀剂涂覆的晶片)W并且连接到第二定位器PW，该第二定位器PW配置成根据特定参数来精确地定位衬底；以及投影光学系统(例如折射式投影透镜系统)PS，配置成将由图案形成装置MA赋予辐射束B的图案投影到衬底W的目标部分C(例如包括一个或更多个管芯)上。

照射光学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，或者它们的任意组合，用以对辐射进行引导、成形或控制。

图案形成装置支撑件以依赖于图像形成装置的方向、光刻设备的设计、以及诸如图案形成装置是否被保持在真空环境中等其它条件的方式保持图案形成装置。图案形成装置支撑件可以采用机械的、真空的、静电的、或其它夹紧技术来夹持图案形成装置。图案形成装置支撑件可以是例如框架或台，例如，它可以根据需要是固定的或者可移动的。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位于期望的位置。可以认为本文中使用的任何术语“掩模版”或“掩模”与更上位的术语“图案形成装置”同义。

本文中使用的术语“图案形成装置”应该被广义地理解为表示下述任何装置：该装置能够用于将图案在辐射束的横截面中赋予辐射束，以便在衬底的目标部分中形成图案。应该注意的是，被赋予辐射束的图案可能不与在衬底的目标部分中期望的图案完全对应(例如，如果该图案包括相移特征或者所谓的辅助特征)。通常，被赋予辐射束的图案将会与在目标部分(例如集成电路)中形成的器件中的特定的功能层相对应。

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、交替相移掩模、衰减相移掩模以及各种混合掩模类型的掩膜类型。可编程反射镜阵列的示例采用小反射镜的矩阵布置，每一个小反射镜都可以独立地倾斜，以便在不同方向上反射入射的辐射束。已倾斜的反射镜将图案赋予由反射镜矩阵反射的辐射束。

如此处所示出的，光刻设备是透射型的(例如采用透射型掩模)。可替代地，光刻设备可以是反射型的(例如采用如上所述的类型的可编程反射镜阵列，或者采用反射型掩模)。

光刻设备可以是如下类型：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，以便填充投影系统和衬底之间的空间。浸没液体也可以被施加至光刻设备中的其它空间，例如掩模和投影系统之间的空间。本领域中公知的是，浸没技术被用于增加投影系统的数值孔径。本文中使用的术语“浸没”并不意味着诸如衬底等结构必须浸没在液体中，而仅意味着在曝光期间液体位于投影系统和衬底之间。

参考图1，照射器IL接收来自辐射源SO的辐射束。所述辐射源和光刻设备可以是分立的实体(例如当辐射源是准分子激光器时)。在这种情况下，不将辐射源视为形成光刻设备的一部分，并且借助包括例如合适的定向反射镜和/或扩束器的束传递系统BD将辐射束从辐射源SO传到照射器IL。在其它情况下，辐射源可以是光刻设备的组成部分(例如当辐射源是汞灯时)。可以将辐射源SO和照射器IL以及必要时设置的束传递系统BD一起称作辐射系统。

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。通常，可以对照射器IL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，照射器IL可以包括各种其它部件，例如整合器IN和聚光器CO。可以将照射器IL用于调节辐射束B，以便在其横截面中具有期望的均匀性和强度分布。

辐射束B入射到保持在图案形成装置支撑件(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MA来形成图案。在穿过图案形成装置(例如掩模)MA之后，辐射束B通过投影光学系统PS，该投影光学系统PS将辐射束聚焦到衬底W的目标部分C上，从而将图案的图像投影在目标部分C上。借助于第二定位装置PW和位置传感器IF(例如干涉仪装置、线性编码器、2D编码器或电容传感器)，可以精确地移动衬底台WT，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，例如在从掩模库的机械获取之后或者在扫描期间，可以将第一定位装置PM和另一个位置传感器(图1中未明确地示出)用于相对于辐射束B的路径精确地定位图案形成装置(例如掩模)MA。

可以使用掩模对准标记M1、M2和衬底对准标记P1、P2来对准图案形成装置(例如掩模)MA和衬底W。尽管图所示的衬底对准标记占据了专用目标部分，但它们可以位于目标部分之间的空间(这些是公知的划线对准标记)中。类似地，在将多于一个的管芯设置在图案形成装置(例如掩模)MA上的情况下，掩模对准标记可以位于管芯之间。在期望标记尽可能小并且不需要与相邻特征不同的成像或过程条件的情况下，在器件特征之中，小的对准标识也可以被包括在管芯中。下面进一步描述检测对准标识的对准系统。

本示例中的光刻设备LA是所谓的双平台类型，该双平台类型具有两个衬底台WTa、WTb和两个站-曝光站和测量站-衬底台可以在所述两个站之间交换。当一个衬底台上的一个衬底在曝光站上进行曝光时，另一个衬底可以被装载到测量站处的另一个衬底台上，并且执行各种预备步骤。预备步骤可以包括使用水平传感器LS来绘制衬底的表面控制的地图，并且使用对准传感器AS来测量衬底上的对准标识的位置。这样能够显著地增加所述设备的生产量。

图示的设备可以以各种模式使用，这些模式包括例如步进模式或扫描模式。光刻设备的构造和操作对于本领域的技术人员而言是公知的，并且无需为了理解本发明进一步被描述。

如图2所示，光刻设备LA构成光刻系统的一部分，并且被称为光刻单元LC或光刻元或簇。光刻单元LC还可以包括用于在衬底上进行曝光前和曝光后处理的设备。常规地，这些设备包括：用于沉积抗蚀剂层的旋涂机SC、用于显影曝光后的抗蚀剂的显影剂DE、激冷板CH和焙烤板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，在不同的处理设备之间移动衬底，然后将其传送到光刻设备的装载台LB。这些装置通常统称为轨道，并且由轨道控制单元TCU控制，该轨道控制单元TCU本身由管理控制系统SCS控制，该管理控制系统SCS也通过光刻术控制单元LACU来控制光刻设备。因此，可以操作不同的设备以最大化生产量和处理效率。

量测设备如图3(a)所示。用于照射目标的测量辐射的目标T和衍射射线在图3(b)中被更详细示出。图示的量测设备是被称为暗场量测设备的类型。量测设备可以是独立的装置，也可以被包括在光刻设备LA中，例如处于测量站，或光刻单元LC中。用虚线O表示具有贯穿所述设备的几个支路的光轴。在该设备中，由源11(例如氙灯)发射的光经由分束器15而被包括透镜12、14和物镜16的光学系统引导到衬底W上。这些透镜被以4F布置的双次序布置。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进入用于空间频率滤波的中间光瞳面即可。因此，可以通过在呈现衬底面的空间光谱的平面中限定空间强度分布来选择辐射入射到衬底上的角度范围，这里称为(共轭)光瞳面。具体地，这可以通过在物镜光瞳面的后投影图像的平面中、在透镜12和14之间插设适当形式的孔板13来完成。在图示的示例中，孔板13具有被标记为13N和13S的不同的形式，以允许选择不同的照射模式。本发明的示例中的照射系统形成了离轴照射模式。在第一照射模式中，孔板13N仅为了便于描述起见，提供指定为“北”的方向的离轴。在第二照射模式中，孔板13S用于提供相似的照射，但是来自标记为“南”的相反方向。通过使用不同的孔，其它模式的照射是可能的。光瞳面的其余部分期望是暗的，这是因为在所需的照射模式之外的任何不必要的光都会干扰所需的测量信号。

如图3(b)所示，目标T被布置，且衬底W垂直于物镜16的光轴O。衬底W可以由支撑件(未示出)支撑。测量辐射I偏离轴线O射到目标T上的射线产生第零阶射线(实线0)和两个第一阶射线(点划线表示+1阶，并且双点划线表示-1阶)。应该记住的是，对于过填充的小目标而言，这些射线只是覆盖包括量测目标T和其它特征的衬底区域的许多平行射线之一。由于板13中的孔具有有限的宽度(对于允许有用数量的光而言是必需的)，因而入射射线I实际上将会占据一范围的角度，并且衍射射线0和+1/-1将会稍微展开。根据小目标的点扩散函数，每个阶+1和-1都将进一步在一个角度范围之上展开，而不是如图示的单条理想的射线。应该注意的是，目标的光栅节距和照射角度可以被设计或调整成使得进入物镜的第一阶射线与中心光轴接近对准，图3(a)和(b)所示的射线被显示为略微偏离轴线，这纯粹是为了使它们在图中更容易区分。

由衬底W上的目标T所衍射的至少0和+1阶被物镜16收集，并且通过分束器15被引导返回。返回图3(a)，第一照射模式和第二照射模式都通过指定标记为北(N)和南(S)的在直径方向上相对的孔来说明。当测量辐射的入射射线I来自光轴的北侧时，也就是当使用孔板13N施加第一照射模式时，标记为+1(N)的+1阶衍射射线进入物镜16。相反地，当使用孔板13S施加第二照射模式时，-1阶衍射射线(标记为-1(S))是进入透镜16的射线。

第二分束器17将衍射束分成两条测量支路。在第一测量支路中，光学系统18利用第零阶和第一阶衍射束在第一传感器19(例如CCD或CMOS传感器)上形成目标的衍射光谱(光瞳面图像)。每个衍射阶射到传感器上的不同点，以便图像处理可以比较和对比多个阶。由传感器19捕获的光瞳面图像可以用于聚焦量测设备和/或归一化第一阶束的强度测量。然而，这种对于聚焦的单独支路的要求是不期望的，因为增加了成本和复杂性。本公开的目的之一是消除对单独的聚焦支路的需要。光瞳面图像也可以用于诸如重建等许多测量目的。

在第二测量支路中，光学系统20、22在传感器23(例如CCD或CMOS传感器)上形成目标T的图像。在第二测量支路中，孔阑21设置在与光瞳面共轭的平面中。孔阑21起到阻挡第零阶衍射束的作用，使得形成在传感器23上的目标的图像仅由第一阶(-1阶或+1阶)束形成。由传感器19和23捕获的图像被输出到处理图像的处理器PU，该处理器PU的功能将依赖于正在执行的特定类型的测量。应该注意的是，术语“图像”在这里被在宽的含义上使用。如果仅存在-1阶和+1阶中的一个，则同理不会形成光栅线的图像。

图3所示的孔板13和场光阑21的特定形式纯粹是示例性的。在本发明的另一个实施例中，使用目标的同轴照射，并且使用具有离轴孔的孔阑以将大致仅一种第一阶衍射光传递到传感器。在另外的其它实施例中，第二阶、第三阶和更高阶束(图3中未示出)可以被用在测量中，以代替第一阶束或者作为第一阶束的补充。

为了使测量辐射适应这些不同类型的测量，孔板13可以包括围绕盘形成的多个孔图案，该盘旋转以将所需的图案带到合适的位置。注意到，孔板13N或13S只能用于测量在一个方向(X方向或Y方向，这取决于设定)上定向的光栅。为了测量正交光栅，可以实施对目标施加90°和270°的旋转。图3(c)和图3(d)示出了不同的孔板。在上面提到的先前公开的申请中描述了这些的使用以及所述设备的许多其它变型和应用。

图4描绘了根据已知实践的形成在衬底上的目标或复合目标。本示例中的目标包括四个子目标(例如光栅)32至35，它们定位成紧密地在一起，使得它们全部位于由量测设备的量测辐射照射束形成的测量斑31内。因此，所述四个目标全部同时被照射，并且被在传感器19和23上同时成像。在专用于测量重叠的示例中，光栅32至35本身是通过覆盖光栅而形成的光栅，所述光栅被在衬底W上所形成的半导体器件的不同层中形成图案或图案化。光栅32至35可以具有不同的偏置的重叠偏置，以便测量层之间的重叠，在所述层中形成有复合光栅的不同部分。下面将参考图7来解释重叠偏置的含义。如图所示，光栅32至35的方向也可以不同，以便在X方向和Y方向上衍射入射的辐射。在一个示例中，光栅32和34是分别具有+d、-d的偏置量的X方向光栅。光栅33和35是分别具有+d和-d的偏置量的Y方向光栅。这些光栅的单独的图像可以在由传感器23捕获的图像中被识别。这仅是目标的一个示例。目标可以包括多于或少于4个光栅，或者仅包括单个光栅。

图5示出了使用图3(d)的孔板13NW或13SE，在图3的设备中使用图4的目标，可以在传感器23上形成和检测的图像的示例。虽然光瞳面图像传感器19不能解析或分辨不同的单个光栅32至35，但图像传感器23可以这样做。黑色的矩形表示传感器上的图像的场，衬底上的照射斑31在该场内被成像到相应的圆形区域41内。在该区域内，矩形区域42-45表示小目标光栅32至35的图像。如果目标位于产品区域中，则产品特征也可能在该图像场的周边是可见的。图像处理器和控制器PU使用图案识别来处理这些图像，以识别光栅32至35的分离的图像42至45。这样，图像不必非常精确地在传感器框架内的特定位置处被对准，其极大地改善了整个测量设备的生产量。

一旦目标的分离图像已被识别，那些单独的图像的强度就可以被测量，例如通过对所识别区域内的选定的像素强度值求平均值或求和。图像的强度和/或其它属性可以相互比较。这些结果可以被组合以测量光刻过程的不同参数。重叠性能是这种参数的重要示例。

这样的图像的一个缺点是，无法从图像中获得角度分辨信息，而只能获得平均(或求和)的强度值。这意味着，例如，不可能测量作为角度的函数的重叠。仅能得到单个的重叠值，由此不可能区分实际重叠与由目标的结构不对称性所产生的强度不对称性。

图6示出了如何使用例如申请WO2011/012624中描述的方法来测量包含分量目标32至35的两层之间的重叠误差(即，不期望的和无意的重叠对准不良)。这种方法可以称为基于微衍射的重叠(μDBO)。这种测量是通过目标不对称性来完成的，所述目标不对称性是通过比较它们在+1阶和-1阶暗场图像上的强度而显示的(其它相应的高阶的强度可以被比较，例如+2阶和-2阶)，以获得强度不对称性的量度。在步骤S1中，衬底(例如半导体晶片)被通过光刻设备(例如图2的光刻单元)处理一次或更多次，以产生包括光栅32-35的目标。在步骤S2中，使用图3或图10的量测设备，仅使用第一阶衍射束(例如-1阶)之一来获得目标32至35的图像。在步骤S3中，无论是通过改变照射模式还是改变成像模式，或者通过在量测设备的视场中将衬底W旋转180°，可以使用另一个第一阶衍射束(+1阶)获得目标的第二图像。因此，在第二图像中捕获+1阶衍射辐射。通过使用棱镜来分离开多个阶，由+1阶和-1阶衍射束(并且可能还有第零阶)形成的目标的分离的图像可以在单次捕获中被获得。

注意到，通过在每个图像中仅包含第一阶衍射辐射的一半，这里所说的“图像”不是常规的暗场显微镜图像。目标的单个目标线将不会被分辨出。每个目标将简单地由一定强度水平的区域表示。在步骤S4中，在每个分量目标的图像内识别感兴趣的区域(ROI)，从该感兴趣的区域测量强度水平。

已经识别出每个单独目标的ROI并且测量其强度，然后可以确定目标的不对称性，并因此确定重叠误差。这是在步骤S5中(例如由处理器PU)完成的，通过比较所获得的用于每个目标32-35的+1阶和1阶的强度值，以确定它们的强度不对称性，例如它们强度的任何差异。术语“差异”并不意味着仅指减法。差异可以按比例形式来计算。在步骤S6中，使用针对多个目标的测量的强度不对称性以及那些目标的任何已知的强加的重叠偏置量的知识来计算在目标T附近的光刻过程的一个或更多个性能参数。在本文描述的应用中，将包括使用两种或更多种不同的测量条件手段数据的测量(结果)。非常感兴趣的性能参数是重叠。如稍后将要描述的，这些新方法还允许计算光刻过程的其它性能参数。这些性能参数可以被反馈，以改进光刻过程和/或用于改进图6本身的测量和计算过程。

在上述的在先申请中，公开了使用上述的基本方法来提高重叠测量的品质的各种技术。不会在本文中对这些技术做进一步详细解释。它们可以与本申请中新公开的技术组合起来使用，现在将对其进行描述。

图7示出了具有不同偏置量的目标(重叠光栅)的示意性横截面。如图3和图4所示，这些可以用作衬底W上的目标T。仅出于示例的目的，示出了在X方向上具有周期性的光栅。具有不同的偏置量和不同的方向的这些光栅的不同组合可以单独提供或作为目标的一部分提供。

从图7(a)开始，图中示出了在标记为L1和L2的两个层中形成的目标600。在最底层或底层L1中，第一结构(最底部或底部结构，例如光栅)由特征602和衬底606上的空间604形成。在层L2中，第二结构例如是光栅，由特征608和空间610形成。(横截面被绘制成使得特征602、608(例如线)延伸到页面中)。光栅图案在两个层中以节距P重复。特征602和608可以采用线、点、块和过孔(via holes)的形式。在(a)所示的情况下，由于不存在对准不良所产生的重叠贡献，例如没有重叠误差，也没有强加的偏置量，使得每个特征608恰好位于第一结构中的特征602之上。

在图7(b)中，示出了具有第一已知的强加的偏置量+d的相同目标，使得第一结构的特征608相对于第二结构的特征向右移位距离d。在实践中，偏置距离d可能为几纳米，例如10nm至20nm，而节距P例如在300nm至1000nm的范围内，例如500nm或600nm。在(c)中，我们看到另一个具有第二已知强加的偏置量-d的特征，使得608的特征向左移位。在(a)至(c)中示出的这种类型的偏置目标在本领域中是公知的，并且被用在上面提到的在先申请中。

图7(d)示意性地示出了结构不对称的现象，在这种情况下，结构不对称性出现在第一结构中(底部光栅不对称性)。当一个真实的特征在侧边上具有一些斜度并且具有一定的粗糙度时，在(a)至(c)中的光栅的特征显示为完美的正方形侧边。然而，它们意图在轮廓上至少是对称的。在(d)中，第一结构中的特征602和/或空间604根本不再具有对称形式，而是由于处理步骤而变得是变形的。因此，例如，每个空间的底表面已经变得倾斜。所述特征和空间的侧壁角也变得不对称。因此，目标的总体目标不对称性将会包括独立于结构不对称性的重叠贡献(即，由于第一结构和第二结构的对准不良而导致的重叠贡献；它本身由重叠误差和任何已知的强加的偏置量构成)以及由于目标中的这种结构不对称性而产生的结构贡献。

当仅使用两个偏置光栅通过图6的方法测量重叠时，不能将过程引起的结构不对称性与由于对准不良而导致的重叠贡献区分开，并且重叠测量(尤其为了测量不期望的重叠误差)最终变得不可靠。目标的第一结构(底部光栅)中的结构不对称性是结构不对称性的常见形式。它可能源自于例如在最初形成第一结构之后进行的衬底处理步骤，例如化学机械抛光(CMP)。

在WO2013/143814A1中，提出了利用图6的方法的修改形式使用三个或更多个分量目标来测量重叠。使用图7(a)至(c)所示的类型的三个或更多个目标来获得重叠测量，所述重叠测量在某种程度上对目标光栅中的结构不对称性进行校正，例如在实际的光刻工艺中由底部光栅导致的。然而，这种方法需要新的目标设计(例如与图4所示的设计不同)，因此需要新的掩膜版。此外，目标面积更大，因此会消耗更多的衬底面积。

在图8中，曲线702示出了在构成目标的单个光栅内具有零偏置量和无结构不对称性的“理想”目标的重叠OV和强度不对称性A之间的关系。因此，这个理想目标的目标不对称性仅包括由于已知的强加的偏置量和重叠误差OVE产生的第一结构和第二结构的对准不良性而导致的重叠贡献。所述曲线图和图9中的曲线图仅是为了说明本公开所依据的原理，并且在每张曲线图中强度不对称性A和重叠OV的单位是任意的。下面将进一步给出实际尺寸的示例。

在图8的“理想”情况下，曲线702显示强度不对称性A与重叠具有非线性周期性关系(例如正弦关系)。正弦变化的周期P对应于光栅的周期或节距P，当然被转换为适当的比例。在这个示例中，虽然正弦形式是纯粹的，但在实际情况下可以包括谐波。

如上所述，可以使用偏置光栅(具有已知的强加的重叠偏置量)来测量重叠，而不是依靠单一测量。该偏置量具有在由其制作的图案形成装置(例如掩膜版)中限定的已知值，并且用作对应于测量的强度不对称性的重叠的晶片上校准(on-wafer calibration)。在附图中，以图形方式来说明计算。在步骤S1-S5中，对于分别具有强加的偏置量+d和-d的目标，获得强度不对称性测量结果A^+d和A^-d(例如图7(b)和(c)所示)。将这些测量结果拟合成正弦曲线给出了如图所示的点704和706。在已知偏置量的情况下，可以计算真实重叠误差OV_E。根据目标的设计得知正弦曲线的节距P。虽然曲线702的竖直尺度不知道是从哪里开始的，但它是未知的因素，该未知的因素可以被称为第一谐波比例常数K_l。这个常数K_l是强度不对称性测量对目标的敏感度的量度。

以等式的方式，重叠误差OV_E和强度不对称性A之间的关系被假设为：

其中，在使得目标节距P对应于角度2π弧度的尺度上表示重叠量。

由于重叠非常小，所以可以使用假设sin(OV_E±d)＝OV_E±d将上述关系近似为感兴趣的范围上的线性关系：

使用具有不同的已知的偏置量(例如+d和-d)的目标的两个测量(结果)，可以计算重叠误差OV_E。

图9示出了引入结构不对称性的第一效果，例如图7(d)所示的底部光栅不对称性。“理想的”正弦曲线702不再适用。然而，至少近似地，底部光栅不对称性或其它结构不对称性具有在强度不对称性A上增加偏置项的效果，所述偏置项在所有重叠值上是相对恒定的。所得到的曲线在曲线图中显示为712，其中，标记K₀表示由于结构不对称性而造成的偏置项。偏置项K₀依赖于测量辐射的选定特性，例如测量辐射的波长和偏振(“测量选配方案或条件手段数据”)，并且对过程变化是敏感的。以等式的方式，在步骤S6中用于计算的关系变为：

上述近似对于感兴趣的重叠范围仍然有效。

在存在结构不对称性的情况下，由等式(2)描述的重叠模型将提供受到偏置项K₀影响的重叠误差值，并且最终将会是不准确的。因为偏置项所描述的强度偏移是依赖于波长的，所以当绘制重叠误差时，结构不对称性也将导致使用不同的测量条件手段数据的同一目标的测量差异。目前，在单独一个测量步骤中没有方法去除由于结构不对称性而产生的重叠贡献，以便校正重叠误差测量值。因此，引起生产量劣化(throughput penalty)来校正偏置项K₀，或者衬底处理中的轻微变化将会导致重叠量变化，从而影响重叠控制回路APC(自动过程控制)和器件良品率。

提出测量目标的目标不对称性，并且因此测量不忽略结构不对称性的影响的重叠，同时允许使用如图4所示的当前目标设计。这种模型化可以作为对图6所示的方法中的步骤S6的修改来执行。所提出的方法可以使用真实的衬底测量数据来准确地计算重叠误差，并且其可以确定目标和测量条件手段数据的最佳的或优选的组合。不需要模拟或重建。

因此，提议在图3(a)的布置的第二测量支路的光瞳面中增加可以是微透镜阵列的透镜阵列。在实施例中，这种透镜阵列可以位于由输出透镜组件20的焦距f₂₀限定的输出透镜组件20的焦平面处或附近。相比于前述布置，这提供了许多优点。微透镜阵列中的每一个微透镜都从光瞳的局部部分产生单独的图像或子图像。根据局部的子图像，可以执行局部重叠计算。子图像的位置在出射光瞳上提供像差分布。这种像差分布允许对像差进行校正，并且还允许确定焦点。第二测量支路(用于执行μDBO测量)内的焦点确定意味着可以省略图3(a)所示的第一测量支路。

所得到的全光图像可以被认为是包括图像平面信息(子图像)和(来自子图像的相对位置的)波前变形信息的混合图像。此外，子图像的强度允许计算光瞳图像，该图像不受产品结构的结构不对称性的影响。这种光瞳图像可以根据包括在图像中的子图像的相对强度来构造。光瞳图像可以用于重构或重建结构不对称性和用于对小的(有限的)目标上执行CD量测。

图10示出了适合于执行重叠测量的量测设备。该量测设备虽然与图3(a)所示的量测设备非常相似，但只包含单一测量支路(相当于图3(a)的第二测量支路)，使得传感器23位于像平面中。将不再进一步描述与图3(a)所示的量测设备的共有的元件。

微透镜阵列60位于光学系统的光瞳面PP与像平面(传感器23)之间。本文中的术语“光瞳面”是指光学系统中的如下任何平面：它是物镜16的“后焦平面”BFP的像。输出透镜组件20产生物镜16的后焦平面BFP的像。微透镜阵列60可以包括单独的透镜(或微透镜)的二维阵列。微透镜阵列60可以使得其位于光瞳面PP中(或者更具体地位于输出透镜20的焦平面处)。可替代地，微透镜阵列60可以位于距光瞳面PP和像平面两者的距离f_ml处，其中，距离f_ml是微透镜阵列内的每个微透镜的焦距(假设阵列中的所有微透镜是相似的)。在实践中，可能优选的是将微透镜阵列布置在输出透镜20的精确的焦平面上，以最小化光晕，尽管将微透镜阵列置于其的前方可能更为方便，使得变换关系不受二次相位因素阻碍；例如在图10所示的位置处，距光瞳面的距离等于微透镜阵列中的每个微透镜的焦距f_ml。

每个微透镜在传感器23上产生聚焦的图像。微透镜阵列60代替图3(a)所示的量测设备的最终透镜22和任何棱镜(未示出)。在这种配置中，所述设备类似于Shack-Hartmann传感器。出射光瞳64处的辐射轮廓由微透镜阵列60成像到传感器23上，从而产生包括子图像68a、68b、70的全光图像66，每一个子图像分别由微透镜阵列60的一个微透镜产生。高阶子图像68a由散射辐射的第一阶中的一者形成，高阶子图像68b由散射辐射的第一阶中的另一者形成，并且第零阶子图像70由散射辐射的第零阶形成。高阶子图像68a和68b还可以包括由高于第一阶的阶形成的图像。第零阶子图像70可以被吸收中性密度滤波器(absorbingneutral density filter)衰减，使得它们处于传感器的动态范围内，或者可以使用高动态范围的检测器。可替代地，第零阶可能被完全地阻挡。

可以计算来自每个子图像68a、68b的局部重叠。这可以使用已知的μDBO处理技术(例如已经描述的那些技术(例如根据偏置光栅的强度不对称性))来完成。然而，如下文所描述的，这些局部值可以被组合以获得整体重叠值。该组合可以包括局部重叠值的权重。

在成像是理想的情况下，不存在像差(例如，由成像系统引入的离焦像差或像差)，子图像68a、68b、70将位于均匀的2D栅格上。这假设微透镜在微透镜阵列60中以均匀的2D栅格布置。如果存在任何像差，则这本身会表现在波前曲率(相位分布偏移)方面。微透镜阵列60允许测量该波前曲率；这可以通过测量子图像68a、68b、70相对于均匀的栅格的位置的偏差(栅格变形)来完成。根据这种栅格变形，可以确定光瞳的哪一部分具有最大的变形，由此确定哪一部分对像差最敏感。然后，可以在光瞳上施加权重，这取决于光瞳的哪些部分是最依赖于过程的。当所使用的目标的类型是已知时，这可以根据传感器模型来预先进行模拟。光瞳的最依赖于过程的部分也可以根据测量而推断出来，例如，通过查看光瞳的具有相对较高强度的部分。

这样测得的像差可以进一步被分解为由离焦导致的像差以及由其它源导致的像差(透镜像差、其它成像像差等)。这是因为从全光图像66测得的、由非聚焦像差导致的栅格变形对于不同的离焦程度趋向于是静态的或不变的，而由离焦导致的栅格变形会随着聚焦(离焦)而变化。通过校正由非聚焦像差产生的栅格变形，可以从全光图像66推断出正确的聚焦，这是因为正确的聚焦对应于在全光图像66中没有栅格变形的情形。全光图像在第一方向上的离焦将导致栅格在第一方向上(例如相对于栅格中心径向地向外)变形。类似地，全光图像在第二方向上的离焦将导致栅格在第二方向上(例如相对于栅格中心径向地向内)变形。

由非聚焦像差导致的栅格变形可以通过执行初始校准测量来校正；这可以包括：获得在两个或更多个设定的离焦度的全光图像66，并且计算这些测量中的静态栅格变形。这种校准还允许在全光图像是离焦的情况下测量离焦度。

尽管上述方法主要在离焦的情况进行了描述，但它可以用于任何像差。可以检测光瞳上的任何像差，并且可以获得针对重叠度的无像差的、角度分辨的测量。平滑变化的像差可以被认为是分段线性的。重要的是，发现了像差仅导致子图像68a、68b、70偏离栅格；它们不会改变局部重叠测量。

正是由于测量像差(特别是聚焦)的能力，不需要额外的测量支路。可以使用单一测量支路，来通过使用μDBO技术来测量目标的图像中的强度不对称性获得(在光瞳图像中无法分辨的)小复合目标的重叠测量。单一测量支路也可以用来确定物镜16是否正确地聚焦在衬底上。单一测量支路还能够校正从所测得的栅格变形导出的光瞳扰动而获得的聚焦和/或非聚焦像差。

图11是示出根据所公开的方法执行包括校准的重叠测量的方法的流程图。在校准阶段，可以确定权重w(x，y)。在第一步骤中，获得测量数据M(x，y)，该测量数据M(x，y)包括由以二维阵列(x，y)布置的多个子图像组成的原始全光图像。根据这些子图像中的每个子图像，确定栅格变形G(x，y)的局部重叠值OVL(x，y)和局部测量值或度量。可以针对衬底上的许多目标(在理想情况下对衬底上的所有目标)重复这些步骤。此外，可以针对多个衬底(例如，对应于相同叠层的衬底)来进行这些步骤。结果，可以为衬底上的每个位置和多个衬底确定栅格变形G(x，y)。可以使用栅格变形G(x，y)数据集的变化来确定局部重叠值OVL(x，y)在光瞳位置(x，y)上的权重w(x，y)。权重w(x，y)也可以由在具有目标布局的知识的预先数值计算来确定。举例来说，可以使用由栅格变形G(x，y)的变化所产生热图(heatmap)来确定所述权重。所述热图可以显示在光瞳位置方面上的变形。因此，热图将会指示光瞳的哪些区域显示最大的变形，并且哪些区域最依赖于过程并且对像差敏感。这些区域可能被分配较低的权重。在一些情况下，较低的权重可以是零权重，使得当计算整体值时将会忽略来自相应的光瞳区域的局部重叠值。加权可以是二元的，使得低变形(例如低于阈值)的区域被以100％加权，并且高变形(例如高于阈值)的区域被以0％加权。否则，权重可以具有更高的分辨率，或者是连续的。

另外，校准阶段可以包括根据栅格变形G(x，y)确定机器常数以及依赖于过程的参数PDP。

一旦校准阶段已经完成，所述权重就可以用于从全光图像获得的一组局部重叠值获得整体重叠测量值。这可以针对在校准阶段期间从测量数据M(x，y)获得的所有重叠值OVL(x，y)进行。权重w(x，y)也可以应用于任何后续测量。如前文所述，测量数据M(x，y)将会包括全光图像，该全光图像包括多个(高阶)子图像68a、68b。根据权重w(x，y)，计算局部重叠值OVL(x，y)，并且局部重叠值被结合到单个整体重叠值OVL中。在特定实施例中，所述组合可以如下：

图10的设备的另一个优点在于，它能够仅使用单一测量辐射波长和/或偏振来从单个μDBO测量获得重叠值。这允许在测量的目标内校正结构不对称性(例如底部光栅不对称性)。

通过滤除产品结构的影响，可以独立于目标上的测量辐射的不同的入射角，测量重叠。由于真实的重叠与入射角无关，而由目标内的结构不对称性引入的任何偏移都依赖于入射角，所以可以将所测得的重叠量分开为真实的重叠以及由结构不对称性引起的重叠。

已知的μDBO技术可以包括在单一测量中获得目标的关于+1阶和-1阶的图像，例如图5所示的目标的图像。+1阶和-1阶(和可选的第零阶)可以由光瞳面中的棱镜分开，使得每一个图像在传感器上是分开的。如已经描述的，目标可以包括具有两个不同的偏移量(例如+d和-d)的一对或更多对光栅。结果，目标的单一测量可以产生足够的信息来消掉等式(1)或(2)中的K₁，从而能够在假设没有结构不对称性的情况下确定重叠误差OV_E。然而，在存在结构不对称性(而且总是会存在的)并且适用等式(3)时，这样的测量将不会产生足够的信息来消掉或获得K₀的值。因此，例如，测量不同的波长的辐射需要更多的测量。

通过使用图10的量测设备，所得到的全光图像66可以包括目标(包括具有两种偏移量的光栅)的多对单独的高阶子图像68a、68b，其中，每一对子图像包括使用+1阶辐射获得的子图像和使用-1阶辐射获得的子图像。每一对子图像将会对应不同的入射角。因此，单一测量可以产生足够的信息来获得偏移量K₀的值并消掉K₁，这意味着等式(3)可以针对于重叠误差OV_E被求解。

显然，通过使用本文公开的一般方法，存在多种求解K₀和确定重叠误差OV_E的方式。在实施例中，不对称性测量值A^+d被针对于不对称性测量的已确定的值A^-d绘图，它们是分别相对于具有强加的偏置量+d和-d的目标得到的。图上的每个点对应于一对子图像。偏移量K₀可以从拟合至这些点的线与每一轴线的相交点找到，这条线被描述如下：

单个全光图像提供足够多的点(即，两个点，但优选地，更多的点)来绘制线的实施，使得能够使用该方法，同时还能够找到与轴线的交点。相比，使用常规的图像只能得到单个点，并且需要做出该线经过原点的假设(即，不存在结构不对称性)。可替代地，多于一次的测量被进行，由此降低了生产量。

图10的设备的另一个优点在于，它可以实现更好的不对称性校准，这是因为它提供了对在过程不对称性和传感器引起的不对称性之间的交叉项的鲁棒性。因为使用图10的设备来分辨或解析光瞳，所以也可以确定入射光瞳中的不对称性。这可以是量测系统光学装置中的相位像差的结果，并且可以在分辨的光瞳中被看到。考虑入射到目标上的平面波。在标量近似中，在与目标平行的2D平面处由目标所反射的标量场可以被表示为：

其中，r(x，y)是包括振幅分布a(x，y)和相位分布

的反射场。如果目标是重叠光栅，则反射场具有表现在振幅项a(x，y)中的不对称性。该标量场通过传感器的光学装置传播，并且在2D强度检测器处被检测。

传感器中的光瞳面处的标量场由该场的成比例的傅里叶变换给出该变换是标量近似中透镜在输入场上的作用。光瞳面处的场可以被描述为

其中，

表示输入标量场的成比例的傅里叶变换。

传感器像差自身主要表现为光瞳面中的相位分布。例如，离焦可以被描述为光瞳上的二次相位分布，并且倾斜可以被描述为在相应的方向上的线性相位分布。

在这种情况下，在有像差的光瞳面处的标量场可以被描述为

其中，

是相位像差。

如果在光瞳面中测量重叠，即，如果2D检测器被放置在光瞳面中，则强度被记录为

光瞳面相位像差不影响重叠测量。

然而，如果重叠被在场平面中测量，则场平面中的分布由光瞳面分布的成比例的傅里叶变换给出。

检测到的信号是复杂分布的模平方。可以看出，由于傅里叶变换运算，传感器引起的像差

完全耦合到所检测的信号中。If(x，y)中的每一个被检测的像素经受来自全光瞳的贡献，并且所述图像被或由于传感器像差而变形。

这也可以通过卷积定理而被看出。乘法的傅里叶变换可以表示为单个傅里叶变换的卷积。

其中，

是像差函数的傅里叶变换。可以看出，场平面中的复杂分布由光瞳像差函数的傅里叶变换卷积，并且结果被传感器像差“模糊化”。例如，如果传感器像差是由离焦引起的，则图像会产生离焦模糊。因此，场平面中的图像是失真的，并且比光瞳面的图像更容易产生聚焦误差。

由于每个微透镜的焦深增加，所以图10的设备允许对厚叠层进行成像。这与厚叠层(例如3D NAND)的光栅图像对比，所述厚叠层在离轴(例如利用棱镜)测量时显示出倾斜。这些倾斜取决于焦点，因而取决于底部和顶部光栅之间的叠层厚度。

图10的设备允许在单一测量中测量多目标标记。多目标标记包括如下目标：所述目标具有单个标记中的成不同的层组合的光栅；例如，标记可以包括包括在层1和层2中的光栅的目标、以及包括在层1和层3中的光栅的目标。这允许在单一测量中测量不同的层组合之间的重叠。这些目标中的每一个目标可以具有不同的节距。对应于特定目标的光瞳的面积取决于节距，因此，可以在光瞳内分辨出不同的目标。结果，不同的子图像将会对应不同的目标，并且因此可以在单一测量中获得不同层组合的重叠。

对于相对较大的节距，在出射光瞳面中也存在较高的衍射阶。通过使用适当地从第一阶和高阶中选择的子图像，可以从许多这样的子图像的组合中获得较大节距结构的重叠。同时，可以选择不同的一组子图像用于具有较小的节距的目标的重叠测量。例如，多目标重叠标记可以具有两种不同的节距P1和P2，使得P1是较大的节距并且针对于该较大的节距在光瞳内检测除了第一阶以外的高阶，并且P2是较小的节距并且针对于该较小的节距在光瞳的边缘处仅检测第一阶。由于来自P1目标的衍射而形成的子图像出现在光瞳的两个不同区域，而来自P2目标的子图像形成在出射光瞳的边缘处。对于P1目标的重叠测量，可以选择不同的一组图像，并且具有不同于P2目标的重叠测量的权重的不同的权重。因此，通过使用全光图像，可以为多目标标记中的每个光栅混合并加权不同的子图像。

图10的设备也可以用于CD(临界尺寸)重建，特别是小目标的CD重建。CD重建通常在图3(a)的设备的第一测量支路中完成，这是因为它需要获得衍射光谱(光瞳图像)，并且使用重建技术从光瞳图像推断出目标的一个或更多个轮廓参数。这种重建技术可以包括：迭代地调整候选轮廓参数，模型化所得到的光瞳图像并将其与测量的光瞳图像进行比较。重复此过程，直到模型化的且测量的光瞳图像收敛为止。重建技术还可以包括(附加地或者可替代地)将光瞳图像与对应于已知轮廓参数的先前计算出的光瞳图像的库进行比较，直到找到最接近的匹配。因为CD重建需要光瞳图像，所以成像技术一直是不可能的，并且因此一直不可能使用小于测量斑的小的过填充目标。如果要使用过填充目标，则测量斑内的目标附近的产品特征会干扰光瞳图像。在没有图像的情况下，不可能分离出产品特征的作用。

如上所述，可以从全光图像获得光瞳图像。然而，由于光瞳图像已经被从实像图像(全光图像)的阵列获得，所以可以(例如使用图案识别技术)检查全光图像，并且可以滤除产品结构的作用。这可以通过识别与产品结构相对应的子图像来完成，并且当构建光瞳图像时不使用这些子图像。这样，可以获得2D角度分辨的光瞳图像，该光瞳图像与产品结构无关。可以在重建中使用该光瞳图像。

在所描述的实施例的替代实施例中，如已经描述的，同步的相位和振幅角度分辨散射计可以包括微透镜阵列，该微透镜阵列利用处于其焦平面中的传感器布置在光瞳面中，以便以Shack-Hartmann型波前传感器进行操作。因此，与仅朝向CCD照相机中继光瞳信息的图3(a)的第一测量支路类似的类型的散射计相比，光瞳信息也可以被中继(例如通过分束器)到波前传感器。波前传感器测量局部波前梯度，它可以通过积分转换成波前。在这种类型的散射计中，可以同时测量由目标印制到照射光上的相位和振幅信息。为了重建的目的而使用更多的信息，应该使得应用对传感器的缺点和次优的测量条件更加具有鲁棒性，从而有效地增加应用的“过程窗口”。

尽管上述的目标是出于测量目的而专门设计和形成的量测目标，但在其它实施例中，可以在形成在衬底上的器件的功能部件的目标上测量属性。许多器件具有规则的光栅状的结构。这里使用的术语“目标光栅”和“目标”不要求专门针对正在执行的测量提供结构。此外，虽然量测目标的节距P接近于散射计的光学系统的分辨率极限，但可能远大于利用光刻过程在目标部分C中制作的典型产品特征的尺寸。实际上，目标内的重叠光栅的线和/或空间可以被制成包括尺寸与产品特征相似的较小结构。

与在衬底和图案形成装置上实现的目标的物理光栅结构相关联地，实施例可以包括计算机程序，该计算机程序包含描述测量衬底上的目标和/或分析测量以获得关于光刻过程的信息的方法的一个或更多个机器可读指令的序列。该计算机程序可以在例如图3的设备中的单元PU和/或图2的控制单元LACU中被执行。还可以提供其中存储有这种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)。在现有的量测设备(例如图3所示类型的量测设备)已经在生产和/或使用中的情况下，可以通过提供更新的计算机程序产品来实施本发明，以使处理器执行修改的步骤S6，并且因此在降低了对结构不对称性的灵敏度的情况下计算重叠误差或其它参数。

所述程序可以可选地布置成控制光学系统、衬底支持件等，以执行用于在合适的多个目标上测量不对称性的步骤S2至S5。

尽管上文公开的实施例是根据基于衍射的重叠测量(例如，使用图3(a)所示的设备的第二测量支路进行的测量)来描述的，但在原理上相同的模型可以用于基于光瞳的重叠测量(例如，使用图3(a)所示设备的第一测量支路进行的测量)。因此，应该认识到的是，这里描述的概念同样适用于基于衍射的重叠测量和基于光瞳的重叠测量。

尽管上文已经对本发明的实施例在光学光刻术中的情形中使用做出了具体参考，但应该理解的是，本发明可以用于其它应用，例如压印光刻术，并且在上下文允许的情况下不限于光学光刻术。在压印光刻术中，图案形成装置中的拓扑限定了在衬底上产生的图案。图案形成装置的拓扑可以被印制到提供给衬底的抗蚀剂层中，通过施加电磁辐射、热、压力或它们的组合而使抗蚀剂固化。将图案形成装置从抗蚀剂中移出，从而在抗蚀剂固化后留下图案。

根据本发明的进一步的实施例被呈现在以下编号的方面中：

1.一种用于测量光刻过程的参数的量测设备，所述量测设备包括：

光学系统，用于通过利用测量辐射照射衬底上的目标并检测由所述目标散射的测量辐射来测量所述目标；和

透镜阵列，每个透镜都能够操作，以将所述散射的测量辐射聚焦到传感器上，从而所述透镜阵列在所述传感器上形成图像，使得所述图像包括多个子图像，每个子图像由所述透镜阵列中相应的透镜形成。

2.根据方面1所述的量测设备，其中，所述透镜阵列包括以规则2D阵列布置的多个类似的透镜。

3.根据方面1或2所述的量测设备，其中，所述传感器位于由所述透镜阵列限定的像平面上。

4.根据方面1、2或3所述的量测设备，其中，所述透镜阵列位于所述光学系统的光瞳面上。

5.根据方面1、2或3所述的量测设备，其中，所述透镜阵列位于所述光学系统的光瞳面与所述像平面之间，并且距所述光瞳面的距离等于所述透镜阵列中的每个透镜的焦距。

6.根据方面4或5所述的量测设备，其中，所述光学系统包括输出透镜和物镜，所述输出透镜能够操作以在所述光瞳面处形成所述物镜的后焦平面的图像。

7.根据前述任一方面所述的量测设备，其中，所述图像是全光图像。

8.根据前述任一方面所述的量测设备，其中，所述子图像中的至少一些子图像由所述散射的测量辐射的高阶构成。

9.根据前述任一方面所述的量测设备，其中，所述量测设备能够操作以测量所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差。

10.根据方面9所述的量测设备，其中，所述量测设备能够操作以：

根据所述子图像来测量所述散射的测量辐射中对应的高阶中的强度不对称性；和

根据强度不对称性的测量中的每一个来确定被测量的目标的目标不对称性的局部测量。

11.根据方面10所述的量测设备，其中，所述量测设备能够操作以结合在所测量的目标中的所述目标不对称性的局部测量，以获得目标不对称性的总体测量。

12.根据方面11所述的量测设备，其中，将所述目标不对称性的局部测量的所述结合包括：基于相应的子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差来对所述目标不对称性的局部测量进行加权。

13.根据方面12所述的量测设备，其中，相应的子图像的位置越靠近规则的2D栅格，所述目标不对称性的局部测量被给予越大的权重。

14.根据方面10至13中任一方面所述的量测设备，其中，所述量测设备能够操作以：

在单个测量步骤中，从包括第一光栅和第二光栅的目标的不同的相应的成对的子图像获得用于强度不对称性的多个不同的值，其中，所述第一光栅的目标不对称性包括由于结构不对称性、第一强加的目标不对称性、以及重叠误差导致的结构贡献，并且所述第二光栅的目标不对称性包括由于结构不对称性、第二强加的目标不对称性、以及重叠误差导致的结构贡献；和

根据所述用于强度不对称性的多个不同的值来确定用于所述重叠误差的值。

15.根据方面14所述的量测设备，其中，由于结构不对称性导致的所述结构贡献造成目标不对称性与由偏移项所描述的强度不对称性之间的关系的偏移，并且所述确定用于重叠误差的值包括确定用于所述偏移项的值。

16.根据方面14或15所述的量测设备，其中，所述确定用于重叠误差的值包括描绘根据所述第一光栅的检查而获得的强度不对称性测量对根据所述第二光栅的检查而获得的不对称性测量的图。

17.根据方面9至16中任一方面所述的量测设备，其中所述量测设备能够操作以基于所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差来确定所述光学系统是否被正确地聚焦。

18.根据方面17所述的量测设备，其中所述量测设备能够操作以：

针对多种焦点设定中的每一种获得图像；

确定焦点与所述图像所包括的子图像相对于规则的2D栅格的位置的所述偏差之间的关系；和

针对后续的图像，根据包括在每个后续图像内的子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差及所确定的关系确定焦点。

19.根据方面18所述的量测设备，其中，所述量测设备还能够操作以确定所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的所述偏差中的静态分量并且校正所述静态分量。

20.根据前述任一项方面所述的量测设备，其中所述量测设备能够操作以根据所述子图像的强度来计算光瞳图像。

21.根据方面20所述的量测设备，其中，所述量测设备能够操作以：

根据所述光瞳图像确定相位分布；和

根据所述相位分布确定所述光学系统中的像差。

22.根据前述任何一方面所述的量测设备，其中，所述目标小于所述量测设备的测量场，使得所述目标的测量还包括来自与所述目标相邻的结构的影响；所述量测设备能够操作以：

识别所述子图像中的哪个子图像是由与所述目标相邻的结构散射的测量辐射产生的，以及所述子图像中的哪个子图像是由所述目标散射的测量辐射产生的；和

仅使用由所述目标散射的测量辐射产生的子图像来重建所述目标的一个或更多个参数。

23.根据前述任一方面所述的量测设备，其中，所述目标包括两个或更多个具有不同的节距的光栅；所述量测设备能够操作以利用子图像在所述图像内的位置来识别哪个子图像对应于哪个目标。

24.根据方面23所述的量测设备，其中，所述两个或更多个光栅由不同的层组合中的结构构成，所述量测设备能够操作以在单一测量步骤中确定所述层组合中的每一个的目标不对称性的值。

25.根据方面24所述的量测设备，其中，所述光栅中的至少一者的节距使得所述光栅的子图像由不同的幅值的高阶形成在所述传感器上；和

为每个光栅确定目标不对称性的值包括：使用具有不同的权重的不同的子图像。

26.一种光刻系统，包括：

光刻设备，所述光刻设备包括：

照射光学系统，所述照射光学系统布置成照射图案；

投影光学系统，所述投影光学系统布置成将所述图案的图像投影到衬底上；和

根据前述任一方面所述的量测设备，

其中，所述光刻设备布置成在将所述图案施加至另外的衬底时由所述量测设备确定目标不对称性。

27.一种测量光刻过程的参数的方法，包括：

通过利用测量辐射照射衬底上的目标并检测由所述目标散射的测量辐射来测量所述目标；

形成所述目标的图像，所述图像包括多个子图像，每个子图像由透镜阵列中相应的透镜形成；和

根据所述图像来测量光刻过程的所述参数。

28.根据方面27所述的方法，其中，所述透镜阵列包括以规则的2D阵列布置的多个类似的透镜。

29.根据方面27或28所述的方法，其中，所述图像形成在由所述透镜阵列限定的像平面上。

30.根据方面27至29中任一方面所述的方法，其中，所述透镜阵列位于用于执行所述方法的光学系统的光瞳面上。

31.根据方面27至29中任一方面所述的方法，其中，所述透镜阵列位于所述光学系统的光瞳面与像平面之间，并且距所述光瞳面的距离等于所述透镜阵列中的每个透镜的焦距。

32.根据方面27至31中任一方面所述的方法，其中，所述图像是全光图像。

33.根据方面27至32中任一方面所述的方法，其中，所述子图像由所述散射的测量辐射的高阶构成。

34.根据方面27至33中任一方面所述的方法，其中，所述方法包括：测量所述子图像相对于规则2D栅格的位置的偏差。

35.根据方面34所述的方法，其中，所述方法包括：

根据强度不对称性的测量中的每个来确定被测量的目标的目标不对称性的局部测量。

36.根据方面35所述的方法，包括：结合所测量的目标中的所述目标不对称性的局部测量，以获得目标不对称性的总体测量。

37.根据方面36所述的方法，其中，将所述目标不对称性的所述局部测量结合包括：基于相应的子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差对所述目标不对称性的局部测量进行加权。

38.根据方面37所述的方法，其中，相应的子图像的位置越靠近规则的2D栅格，所述目标不对称性的局部测量被给予越大的权重。

39.根据方面35至38中任一方面所述的方法，包括：

根据用于强度不对称性的所述多个不同的值来确定用于所述重叠误差的值。

40.根据方面39所述的方法，其中，由于结构不对称性导致的所述结构贡献造成目标不对称性与由偏移项所描述的强度不对称性之间的关系的偏移，并且所述确定用于重叠误差的值包括确定用于所述偏移项的值。

41.根据方面39或40所述的方法，其中，所述确定用于重叠误差的值包括描绘根据所述第一光栅的检查而获得的强度不对称性测量对根据所述第二光栅的检查而获得的不对称性测量的图。

42.根据方面34至41中任一方面所述的方法，包括：基于所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差来确定所述光学系统是否被正确地聚焦。

43.根据方面42所述的方法，包括：

针对多种焦点设定中的每一种获得图像；

确定焦点与所述图像中所包括的子图像相对于规则的2D栅格的位置的所述偏差之间的关系；和

针对后续的图像，根据所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差及所确定的关系确定焦点。

44.根据方面43所述的方法，包括：确定所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的所述偏差中的静态分量并且校正所述静态分量。

45.根据方面27至44中任一方面所述的方法，包括：根据所述子图像的强度来计算光瞳图像。

46.根据方面45所述的方法，包括：

根据所述光瞳图像确定相位分布；和

根据所述相位分布确定所述光学系统中的像差。

47.根据方面27至46中任一方面所述的方法，其中，所述目标小于所述量测设备的测量场，使得所述目标的测量还包括来自与所述目标相邻的结构的影响；所述量测设备包括：

识别所述子图像中的哪个子图像是由与所述目标相邻的结构所散射的测量辐射产生，以及所述子图像中的哪个子图像是由所述目标散射的测量辐射产生的；和

仅使用由所述目标所散射的测量辐射产生的子图像来重建所述目标的一个或更多个参数。

48.根据方面27至47中任一方面所述的方法，其中，所述目标包括两个或更多个具有不同的节距的光栅；所述量测设备包括利用子图像在所述图像内的位置来识别哪个子图像对应于哪个目标。

49.根据方面48所述的方法，其中，所述两个或更多个光栅由不同的层组合中的结构构成，所述量测设备包括：在单个测量步骤中确定所述层组合中的每一个的目标不对称性的值。

50.根据方面49所述的方法，其中，所述光栅中的至少一个的节距使得所述光栅的子图像由不同的幅值的高阶形成在所述传感器上；和

所述为每个光栅确定目标不对称性的值包括：使用具有不同的权重的不同的子图像。

51.一种包括处理器可读指令的计算机程序，其中，当在适当的处理器所控制的设备上运行时，所述处理器可读指令使得处理器所控制的设备执行根据方面27至50中任一方面所述的方法。

52.一种计算机程序载体，所述计算机程序载体包括根据方面51所述的计算机程序。

这里使用的术语“辐射”和“束”包含全部类型的电磁辐射，所述电磁辐射包括紫外(UV)辐射(例如具有等于或约为365nm、355nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波长)和极紫外(EUV)辐射(例如具有处于5nm至20nm的范围内的波长)以及诸如离子束或电子束等粒子束。

上下文允许的情况下，术语“透镜”可以表示各种类型的光学部件中的任何一种或其组合，包括折射型、反射型、磁性型、电磁性型以及静电型光学部件。

以上对特定实施例的描述将充分地揭示本发明的一般性质，使得在不背离本发明的一般构思且不过度试验的情况下其他人可以通过应用本领域内的知识针对各种应用容易地修改和/或适应这些特定的实施例，。因此，基于本文给出的教导和指导，这样的适应和修改旨在落入所公开的实施例的等同物的含义和范围内。应该理解的是，这里的措辞或术语是出于举例描述的目的而不是限制性的，因此本说明书中的术语或措辞应该由本领域的技术人员根据所述教导和指导进行解释。

本发明的广度和范围不应该受到上述任何的示例性实施例的限制，而应该仅由随附的权利要求书及其等同物来限定。

Claims

透镜阵列，每个透镜都能够操作，以将所述散射的测量辐射聚焦到传感器上，从而所述透镜阵列在所述传感器上形成图像，使得所述图像包括多个子图像，每个子图像由所述透镜阵列中相应的透镜形成，

其中，所述量测设备能够操作以：

2.根据权利要求1所述的量测设备，其中，所述透镜阵列包括以规则2D阵列布置的多个类似的透镜。

3.根据权利要求1所述的量测设备，其中，所述传感器位于由所述透镜阵列限定的像平面上。

4.根据权利要求1、2或3所述的量测设备，其中，所述透镜阵列位于所述光学系统的光瞳面上。

5.根据权利要求3所述的量测设备，其中，所述透镜阵列位于所述光学系统的光瞳面与所述像平面之间，并且距所述光瞳面的距离等于所述透镜阵列中的每个透镜的焦距。

6.根据权利要求4所述的量测设备，其中，所述光学系统包括输出透镜和物镜，所述输出透镜能够操作以在所述光瞳面处形成所述物镜的后焦平面的图像。

7.根据权利要求1、2或3所述的量测设备，其中，所述图像是全光图像。

8.根据权利要求1、2或3所述的量测设备，其中，所述子图像中的至少一些子图像由所述散射的测量辐射的高阶构成。

9.根据权利要求1、2或3所述的量测设备，其中，所述量测设备能够操作以测量所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差。

10.根据权利要求1所述的量测设备，其中，所述量测设备能够操作以结合在所测量的目标中的所述目标不对称性的局部测量，以获得目标不对称性的总体测量。

11.根据权利要求10所述的量测设备，其中，将所述目标不对称性的局部测量的所述结合包括：基于相应的子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差来对所述目标不对称性的局部测量进行加权。

12.根据权利要求11所述的量测设备，其中，相应的子图像的位置越靠近规则的2D栅格，所述目标不对称性的局部测量被给予越大的权重。

13.根据权利要求1所述的量测设备，其中，所述量测设备能够操作以：

14.根据权利要求13所述的量测设备，其中，由于结构不对称性导致的所述结构贡献造成目标不对称性与由偏移项所描述的强度不对称性之间的关系的偏移，并且所述确定用于重叠误差的值包括确定用于所述偏移项的值。

15.根据权利要求13所述的量测设备，其中，所述确定用于重叠误差的值包括描绘根据所述第一光栅的检查而获得的强度不对称性测量相对于根据所述第二光栅的检查而获得的强度不对称性测量的图。

16.根据权利要求9所述的量测设备，其中所述量测设备能够操作以基于所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差来确定所述光学系统是否被正确地聚焦。

17.根据权利要求16所述的量测设备，其中所述量测设备能够操作以：

针对多种焦点设定中的每一种获得图像；

18.根据权利要求17所述的量测设备，其中，所述量测设备还能够操作以确定所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的所述偏差中的静态分量并且校正所述静态分量。

19.根据权利要求1、2或3所述的量测设备，其中所述量测设备能够操作以根据所述子图像的强度来计算光瞳图像。

20.根据权利要求19所述的量测设备，其中，所述量测设备能够操作以：

根据所述光瞳图像确定相位分布；和

根据所述相位分布确定所述光学系统中的像差。

21.根据权利要求1、2或3所述的量测设备，其中，所述目标小于所述量测设备的测量场，使得所述目标的测量还包括来自与所述目标相邻的结构的影响；所述量测设备能够操作以：

22.根据权利要求1、2或3所述的量测设备，其中，所述目标包括两个或更多个具有不同的节距的光栅；所述量测设备能够操作以利用子图像在所述图像内的位置来识别哪个子图像对应于哪个目标。

23.根据权利要求22所述的量测设备，其中，所述两个或更多个光栅由不同的层组合中的结构构成，所述量测设备能够操作以在单一测量步骤中确定所述层组合中的每一个的目标不对称性的值。

24.根据权利要求23所述的量测设备，其中，所述光栅中的至少一者的节距使得所述光栅的子图像由不同的幅值的高阶形成在所述传感器上；和

25.一种光刻系统，包括：

光刻设备，所述光刻设备包括：

照射光学系统，所述照射光学系统布置成照射图案；

根据前述任一权利要求所述的量测设备，

26.一种测量光刻过程的参数的方法，包括：

根据所述图像来测量光刻过程的所述参数，

其中，所述方法包括：

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述透镜阵列包括以规则的2D阵列布置的多个类似的透镜。

28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述图像形成在由所述透镜阵列限定的像平面上。

29.根据权利要求26至28中任一权利要求所述的方法，其中，所述透镜阵列位于用于执行所述方法的光学系统的光瞳面上。

30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述透镜阵列位于光学系统的光瞳面与像平面之间，并且距所述光瞳面的距离等于所述透镜阵列中的每个透镜的焦距。

31.根据权利要求26至28中任一权利要求所述的方法，其中，所述图像是全光图像。

32.根据权利要求26至28中任一权利要求所述的方法，其中，所述子图像由所述散射的测量辐射的高阶构成。

33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述方法包括：测量所述子图像相对于规则2D栅格的位置的偏差。

34.根据权利要求26所述的方法，包括：结合所测量的目标中的所述目标不对称性的局部测量，以获得目标不对称性的总体测量。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，将所述目标不对称性的所述局部测量的所述结合包括：基于相应的子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差对所述目标不对称性的局部测量进行加权。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，相应的子图像的位置越靠近规则的2D栅格，所述目标不对称性的局部测量被给予越大的权重。

37.根据权利要求26所述的方法，包括：

38.根据权利要求37所述的方法，其中，由于结构不对称性导致的所述结构贡献造成目标不对称性与由偏移项所描述的强度不对称性之间的关系的偏移，并且所述确定用于重叠误差的值包括确定用于所述偏移项的值。

39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述确定用于重叠误差的值包括描绘根据所述第一光栅的检查而获得的强度不对称性测量相对于根据所述第二光栅的检查而获得的强度不对称性测量的图。

40.根据权利要求33所述的方法，包括：基于所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的偏差来确定所述光学系统是否被正确地聚焦。

41.根据权利要求40所述的方法，包括：

针对多种焦点设定中的每一种获得图像；

42.根据权利要求41所述的方法，包括：确定所述子图像相对于规则的2D栅格的位置的所述偏差中的静态分量并且校正所述静态分量。

43.根据权利要求29所述的方法，包括：根据所述子图像的强度来计算光瞳图像。

44.根据权利要求43所述的方法，包括：

根据所述光瞳图像确定相位分布；和

根据所述相位分布确定所述光学系统中的像差。

45.根据权利要求26至28中任一权利要求所述的方法，其中，所述目标小于量测设备的测量场，使得所述目标的测量还包括来自与所述目标相邻的结构的影响；所述量测设备包括：

46.根据权利要求26至28中任一权利要求所述的方法，其中，所述目标包括两个或更多个具有不同的节距的光栅；量测设备包括利用子图像在所述图像内的位置来识别哪个子图像对应于哪个目标。

47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述两个或更多个光栅由不同的层组合中的结构构成，所述量测设备包括：在单个测量步骤中确定所述层组合中的每一个的目标不对称性的值。

48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述光栅中的至少一个的节距使得所述光栅的子图像由不同的幅值的高阶形成在传感器上；和

49.一种包括处理器可读指令的计算机程序存储介质，其中，当在适当的处理器所控制的设备上运行时，所述处理器可读指令使得处理器所控制的设备执行根据权利要求26至48中任一权利要求所述的方法。

50.一种计算机程序载体，所述计算机程序载体包括根据权利要求49所述的计算机程序存储介质。