CN108292038B - 物镜系统 - Google Patents

Abstract

一种对准系统使用自参考干涉仪，所述自参考干涉仪包括具有多个透镜元件组的物镜系统。在一个实施例中，物镜配置并布置成提供大数值孔径、长工作距离和低波前误差。

Description

物镜系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月7日提交的美国临时专利申请第62/264,155号的优先权，通过引用将其全文合并到本发明中。

技术领域

本发明涉及一种可以在光刻投影设备中获得应用的物镜系统、器件制造方法以及通过该器件制造方法制造的器件。

背景技术

此处所采用的术语“图案形成装置”应当被宽泛解释为表示可以用于赋予入射辐射束已形成图案的横截面的装置，已形成图案的横截面对应于将在衬底的目标部分中产生的图案。在这种情形中，也可以使用术语“光阀”。通常，图案将对应于在目标部分中产生的器件(诸如集成电路或其它器件(参见下文))中的特定功能层。这样的图案形成装置的示例为掩模。掩模的概念在光刻术中是公知的，其包括诸如二元、交替相移和衰减相移的掩模类型，以及各种混合掩模类型。这样的掩模在辐射束中的放置根据所述掩模上的图案来引起照射到所述掩模上的辐射的选择性地透射(在透射掩模的情况下)或反射(在反射掩模的情况下)。在掩模的情况下，支撑结构通常将是掩模台，掩模台确保掩模可以被保持在入射辐射束中的所期望的位置处，且如果是这样期望的话，其可以相对于所述束移动。

图案形成装置的另一示例是可编程的反射镜阵列。该阵列的一个示例是具有黏弹性控制层和反射表面的矩阵可寻址表面。该设备所依据的基本原理是，例如，反射表面的已寻址区域反射入射光作为衍射光，而未被寻址的区域反射入射光作为非衍射光。在使用适当的滤光片的情况下，可以从反射束滤出非衍射光，从而仅留下衍射光。以这样的方式，束根据可寻址矩阵表面的寻址图案形成图案。可编程的反射镜阵列的可替代实施例采用微小反射镜的矩阵布置，所述微小反射镜中的每一个可以通过施加合适的局部化电场或通过采用压电致动器来围绕轴线单独地倾斜。再者，所述反射镜是矩阵可寻址的，使得已寻址的反射镜将沿不同于未被寻址的反射镜的方向反射入射福射束。以这样的方式，根据矩阵可寻址反射镜的寻址图案对反射束图案化。可以使用合适的电子装置执行所需的矩阵寻址。在上文中所描述的两种情形中，图案形成装置可以包括一个或者更多个可编程反射镜阵列。可以例如从美国专利5,296,891和5,523,193以及PCT公开出版物WO98/38597和WO98/33096中看到关于如本文此处所提及的反射镜阵列的更多信息。在可编程反射镜阵列的情况下，支撑结构可以具体实施为框架或台，例如，其可以根据需要是固定的或可移动的。

图案形成装置的另一示例是可编程LCD阵列。在美国专利5,229,872中给出了这种构造的示例。如上文所述，在这种情况下，支撑结构可以具体实施为框架或台，例如，其可以根据需要是固定的或可移动的。

出于简化目的，在某些位置处，本文的其余部分可以具体地自身涉及包括掩模和掩模台的示例。然而，应当在如上文中所阐述的图案形成装置的更广泛的情形中明白在这些情况下所论述的一般原理。

光刻投影设备可以用于例如集成电路(IC)的制造。在这种情况下，图案形成装置可以产生对应于IC的单层的电路图案，且该图案可以被成像到在已经被涂覆有辐射敏感材料(抗蚀剂)层的衬底(硅晶片)上的目标部分(例如，包括一个或更多个管芯)上。通常，单个晶片将包含经由投影系统一次一个被连续辐射的相邻目标部分的整个网络。在当前设备中，在采用通过掩模台上的掩模来图案形成的情况下，可以在两种不同类型的机器之间进行区分。在一种类型的光刻投影设备中，通过一次将整个掩模图案曝光至目标部分上来辐射每一目标部分。这样的设备通常被称为晶片步进机。在通常被称为步进扫描设备的可替代设备中，通过沿给定的参考方向(“扫描”方向)逐步地以投影束扫描掩模图案，同时沿平行于或反向平行于该方向的方向同步地扫描衬底台来辐射每一目标部分。通常，因为投影系统将具有放大因数M(通常＜1)，所以衬底台被扫描的速度V将是掩模台被扫描的速度的因数M倍。可以(例如)从美国专利6，046，792看到关于如此处所描述的光刻装置的更多信息。

在使用光刻投影设备的已知制造的过程中，将(例如，在掩模中的)图案成像到至少部分地由辐射敏感材料(抗蚀剂)层覆盖的衬底上。在该成像之前，衬底可以经历各种工序，诸如涂底料、抗蚀剂涂覆和软焙烤。在曝光之后，可使衬底经受其它工序，诸如曝光后焙烤(PEB)、显影、硬焙烤，和已成像的特征的测量/检查。这一系列的工序用作图案化器件(例如，IC)的单层的基础。该已图案化的层可以随后之后经历多种过程，诸如蚀刻、离子注入(掺杂)、金属化、氧化、化学机械抛光等等，所有过程意图完成单个层。如果需要多个层，则将必须针对每一新的层重复整个工序或它的变形。重要的是确保各种堆叠层的重叠(并置)尽可能地准确。出于这一目的，将小的参考标记设置于晶片上的一个或更多个位置处，因此在晶片上定义坐标系统的原点。在与衬底保持器定位装置(在下文中被称为“对准系统”)组合地使用光学装置和电子装置的情况下，每次必须将新层并置在现有层上时，就可以随后重新定位该标记，且可以使用该标记作为对准参考。最终，一系列器件将存在于衬底(晶片)上。之后通过诸如切片或切割的技术来使这些器件彼此分离，由此可以将单个器件安装在载体上、连接至引脚等等。可以(例如)从Peter van Zant的书“Microchip Fabrication：APractical Guide to Semiconductor Processing”(第三版，Mc Graw Hill PublishingCo.，1997年，ISBN0-07-067250-4)获得关于这些过程的进一步的信息。

为简便起见，投影系统可以在下文中被称为“透镜”。然而，该术语应当被宽泛地解释为涵盖各种类型的投影系统，包括(例如)折射式光学装置、反射式光学装置和反射折射式光学系统。辐射系统也可以包括根据这些设计类型中的任一种进行操作的部件，用于引导、成形或控制投影辐射束，这些部件也可以在下文被统称为或单独地称为“透镜”。进一步地，光刻设备可以是具有两个或更多个衬底台(和/或两个或更多个掩模台)的类型。在这些“多平台”装置中，可以并行地使用额外的台，或可以在一个或更多个台上进行预备步骤的同时，将一个或更多个其它台用于曝光。例如，美国专利5,969,441和WO98/40791中描述了双平台光刻设备。

光刻过程中的一个主要步骤是将衬底与光刻设备对准，使得掩模图案的投影图像处于衬底上的正确位置处。半导体器件和通过光刻技术制造的其它器件需要多次曝光以在器件中形成多个层，且必须使这些层正确地排列或对齐。随着越来越小的特征被成像，重叠要求变得更严格，且因此，对准过程的需要的准确性变得更严格。

在EP-A-0906590中所描述的一种已知的对准系统中，衬底上的标识包括两对参考光栅，一对X参考光栅和一对Y参考光栅，其中所述一对中的两个光栅具有略微不同的周期。用空间上相干光来照射光栅，且衍射光被收集和成像到检测器阵列上，不同的衍射阶已被分离，使得对应的正阶与负阶干涉。所述阵列中的每一检测器包括参考光栅和光子检测器。随着衬底被扫描，检测器的输出正弦地变化。当来自一对光栅的信号同时地达到峰值时，所述标识被对准。这一类型的系统提供了大的动态范围，且通过使用高衍射阶该系统对标识不对称性不敏感。然而，提供具有不同周期的两个光栅的需要增加用于衬底上的对准标识所需要的空间的量。期望最小化专用于对准标识且因此不可以用于器件生产的这样的“硅片实体部分(silicon real estate)”的量。

对于“实质上相等”、“约”或“大约”的提及可以被理解为涵盖在参考值的约±10％或更特定地为参考值的约±5％内的测量。

EP-A-1,148,390中所描述的另一已知的对准系统使用紧凑的自参考干涉仪以产生被旋转超过+90°和-90°的两个重叠的图像，随后使所述两个重叠的图像在光瞳面中干涉。光学系统和空间滤光片选择且分离第一阶束，且将其再成像于检测器上。该系统具有许多优点，但需要对准标识上有180°对称性。

发明内容

本发明的实施例的一个方面提供一种物镜，所述物镜包括：离心引起的彗差校正元件；配置且布置成校正依赖场的像差的透镜元件组；配置且布置成校正高阶色球像差的透镜元件组；配置且布置成校正低阶色球像差的透镜元件组；和具有正光焦度的透镜元件组。在一实施例中，前述元件从物体侧依次布置。在一实施例中，所述物镜针对具有在约500nm与约900nm之间的波长的光满足如下条件：NA大于约0.6，且较佳地，0.68＜NA＜0.72，P-V奇数波前误差小于约8nm且较佳地小于约5nm，且在一实施例中，工作距离大于约6毫米，较佳地大于约8毫米，在一实施例中为9毫米，或在约6毫米与约10毫米之间。

实施例的另一方面为一种物镜，所述物镜包括：第一弯月形透镜；第一双合透镜，包括具有正光焦度的高色散元件和具有负光焦度的低色散元件；第二弯月形透镜，包括高折射率低色散材料；第二双合透镜，所述第二双合透镜具有正光焦度；低色散正透镜；光阑；包括低色散透镜元件和高色散透镜元件的透镜组；和包括三个低色散光学元件的透镜组，所述透镜组具有正光焦度。在一实施例中，前述元件从物体侧依次设置。

实施例的另一方面为一种光刻投影设备，包括：辐射系统，用于提供辐射投影束；支撑结构，用于支撑根据所期望的图案来图案化所述投影束的图案形成装置；衬底台，用于保持衬底；投影系统，用于将所述图案化的束投影至所述衬底的目标部分上；和对准系统，具有自参考干涉仪，所述自参考干涉仪包括如前述段落中的任一段落中所描述的物镜。

这一方面和其它方面根据本发明在一种光刻设备中被实现，所述光刻设备包括：辐射系统，构造并布置成提供辐射投影束；支撑结构，构造并布置成支撑图案形成装置，所述图案形成装置构造并布置成根据所期望的图案来图案化所述投影束；衬底台，构造并布置成保持衬底；投影系统，构造并布置成将所述图案化的束投影至所述衬底的目标部分上；和对准系统，具有自参考干涉仪，所述自参考干涉仪构造并布置成投影被相对旋转180°的对准标记的两个重叠的图像，所述对准系统还包括检测器系统，所述检测器系统构造并布置成检测所述自参考干涉仪的光瞳面中的多个不同位置处的光强度。

通过检测所述光瞳面中的强度，所述对准系统最大限度地利用可用的信息。例如，通过检测所述光瞳面中的多个衍射阶的位置处的强度变化，可推导出极其精细的定位信息。所述信息随着所述标识被扫描而从所述强度变化的相对相位获得；所述不同衍射阶的强度将随着不同空间频率变化。当几个强度峰值重合时，可以确定中心对准位置。可替代地或另外，通过测量在衍射阶的相对侧上紧密地隔开的两个位置处的强度，可通过检测两个强度信号之间的拍频来获得粗略位置或捕获。捕获范围的尺寸由检测器的间隔确定-所述检测器越接近，所述捕获范围就越大。此外，通过检测所述光瞳面的暗区域中的相位变化，可检测所述标识的不对称性，且可使用所述不对称性来补偿由这些不对称性造成的所述对准位置的误差。

原则上，可将本发明的对准系统与各种不同形式的标识(包括在现有技术中所知的那些形式)一起使用，从而提供有价值的向后兼容性。也可使本发明的对准系统与现有技术的对准系统直接地兼容，从而允许终端使用者在无修改的情况下使用针对早先的系统所推导出的标识布置和过程。此外，所述对准系统可提供额外的特征和更准确的对准。

某些实施例也可使用相比于现有技术具有较高的空间频率的新对准标识，从而提供改进的对准鲁棒性和准确性。另外，在实施例中，可使用单频短光栅，从而降低专用于对准标识的划线空间的量。

在本发明的某些实施例中，可提供所述标识的未经滤波的照相机图像。通常，所述图像将较清晰且可用于诸如捕获的额外功能。

某些实施例也可以被具体实施例为模块化形式，其中前部部件具有严格的稳定性要求，后部部件的稳定性要求较不严格。可在不需要改变前端的情况下修改和升级所述后部部件。

根据本发明的另一方面，提供一种器件制造方法，包括：提供至少部分地由辐射敏感材料层覆盖的衬底；使用辐射系统提供辐射投影束；使用图案形成装置在所述投影束的横截面中将图案赋予所述投影束；将图案化的辐射束投影至所述辐射敏感材料层的目标部分上；和在所述投影步骤之前或之后，使用自参考干涉仪执行与所述衬底上的对准标记的对准，所述自参考干涉仪投影被相对旋转180°的所述对准标记的两个重叠的图像，其中所述对准包括测量光瞳面中的多个不同位置处的光强度，在所述光瞳面中，所述对准标记的所述图像的傅立叶变换干涉。

尽管在本发明中具体参考根据本发明的设备在IC制造中的使用，但应明确地理解，这样的设备具有许多其它可能的应用。例如，其可被用于制造集成光学系统、用于磁畴存储器的引导和检测图案、液晶显示面板、薄膜磁头等等中。本领域普通技术人员应了解，在这些替代应用的情形中，本发明中对术语“掩模版”、“晶片”或“管芯”的任何使用应被认为分别由上位的术语“掩模”、“衬底”和“目标部分”替换。

在本发明中，术语“辐射”和“束”用于涵盖所有类型的电磁辐射，包括紫外辐射(例如，波长为365nm、248nm、193nm、157nm或126nm)和极紫外辐射(EUV，例如，波长在5nm至20nm的范围内)，以及粒子束，诸如离子束或电子束和x射线。

附图说明

现在仅通过举例的方式参考所附的示意图来描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施例的光刻投影设备；

图2示出了第一实施例的对准系统的被选择的部件，用于解释其操作的概念；

图3示出了图2的对准系统的不同模块；

图4是用在图2和图3的对准系统中的自参考干涉仪的简化侧视图；

图5是在解释图4的自参考干涉仪的光瞳面中的干涉时所提及的图表；

图6是可用于解释图4的自参考干涉仪的功能的视图；

图7是示出了不变点的干涉仪的输入平面和输出平面的视图；

图8是示出了输出中的衍射阶的旋转的干涉仪的输入平面和输出平面的视图；

图9是用于解释使用孔或孔径步骤以从产品结构消除串扰的对准系统的光学部件的视图；

图10是示出了孔径光阑的轮廓的标识和产品结构的视图；

图11示出了本发明的第一实施例的对准系统的检测布置；

图12示出了用于本发明的第一实施例的对准系统中的色彩分离的可能布置；

图13、图14和图15是在解释不对称标识的检测时所提及的向量图；

图16是在本发明的运行的示例中用于照射一维标记的强度轮廓的曲线图；

图17是本发明的示例中的一维标识的图表；

图18是本发明的示例中的远场中的强度分布的曲线图；

图19是本发明的示例中的已测量的相位作为远场角度的函数的曲线图；

图20是本发明的运行的第二示例中的不对称标记的图表；

图21是本发明的第二示例中的远场中的强度的图表；

图22是第二示例中的已测量的相位作为远场角度的函数的曲线图；

图23是第二示例中的干涉信号的对比度作为远场中的角度的函数的曲线图；

图24是在本发明的运行的第三示例中的相位变化的曲线图；

图25是本发明的第四示例中的远场中的强度的曲线图；

图26是第四示例中的已测量的相位作为远场角度的函数的曲线图；

图27A和图27B是示出改变照射束的宽度的效应的曲线图；

图28是本发明的第五示例中的已测量的相位作为角度的函数的曲线图；

图29示出了本发明的第二实施例的对准系统的检测布置；

图30是本发明的第二实施例中在解释用于捕获的照相机的功能时所提及的图表；和

图31示出了本发明的第三实施例的对准系统的检测布置；

图32是可用于本发明的实施例中的阶组合棱镜的分解图；

图33是示出相对阶的组合的呈组装形式的图32的阶组合棱镜的视图；

图34是用于根据实施例的对准系统中的物镜的图示；和

图35是图示特定实施例的性能的轴向色彩图。

在所述图中，相应的参考标记表示表示相应的部件。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的光刻投影设备1。所述光刻投影设备包括辐射系统Ex、IL，构造并布置成提供辐射投影束PB(例如，诸如由操作准分子激光器产生的波长在248nm、193nm或157nm的，或由操作激光器激发的等离子体源产生的波长在13.6nm下的UV辐射或EUV辐射)。在该实施例中，辐射系统也包括辐射源LA。所述设备还包括：第一物体(掩模)台MT，设置有掩模保持器，所述掩模保持器构造并布置成保持掩模MA(例如，掩模版)，且连接至用于相对于投影系统或透镜PL准确地定位所述掩模的第一定位装置PM；第二物体(衬底)台WT，设置有衬底保持器，该衬底保持器构造并布置成保持衬底W(例如，涂覆抗蚀剂的硅晶片)，且连接至用于相对于投影系统或透镜PL准确地定位所述衬底的第二定位装置PW。投影系统或透镜PL(例如，石英透镜系统和/或CaF2透镜系统，或折射式系统或反射折射式系统、反射镜组，或场偏转器阵列)构造并布置成将掩模MA的被辐射的部分成像到衬底W的目标部分C(例如，包括一个或更多个管芯)上。投影系统PL被支撑在参考框架RF上。如此处所示的，所述设备是透射类型(即，具有透射掩模)。然而，通常，其也可以是反射类型(例如，具有反射掩模)。可替代地，所述设备可以采用另一种类的图案形成装置，诸如如上文所提及的类型的可编程反射镜阵列。

源LA(例如，UV准分子激光器、设置在储存环或同步加速器中的电子束的路径周围的波荡器或摆动器、激光产生等离子体源、放电源，或电子束源或离子束源)产生辐射束PB。例如，束PB被直接地或在已横穿诸如扩束器Ex的调节器之后被馈送到照射系统(照射器)IL中。照射器IL可以包括用于设定所述束中的强度分布的外部和/或内部径向范围(一般分别称为σ-外部和σ-内部)的调整装置AM。另外，照射器IL通常将包括各种其它部件，诸如积分器IN和聚光器CO。以这样的方式，射在掩模MA上的束PB在其横截面中具有所期望的均匀性和强度分布。

关于图1应当注意，源LA可以在光刻投影设备的外壳内(例如，经常当源LA是汞灯时的情况)，但是源LA也可以远离光刻投影设备，源LA产生的辐射束被引导到所述设备中(例如，借助于合适的引导反射镜)。后一种情形是经常当源LA是准分子激光器时的情况。本发明涵盖这两种情形。尤其，本发明涵盖(例如)辐射系统Ex、IL适应于提供波长小于约170nm(诸如波长为157nm、126nm和13.6nm)的辐射投影束的实施例。

束PB随后遇到(intercept)被保持在掩模台MT上的掩模MA。在已横穿掩模MA的情况下，束PB传递通过透镜PL，该透镜PL将束PB聚焦到衬底W的目标部分C上。借助于第二定位装置PW和干涉仪IF，可以准确地移动衬底台WT，例如，以便使不同目标部分C定位在束PB的路径中。类似地，第一定位装置PM可以用于相对于束PB的路径准确地定位掩模MA，例如，在从掩模库机械获取掩模MA之后，或在扫描期间。通常，将借助于长行程模块(粗定位)和短行程模块(精定位)来实现物体台MT、WT的移动。然而，在晶片步进机(相对于步进扫描设备)的情况下，掩模台MT可以仅仅连接至短行程致动器，或可以是固定的。可以使用掩模对准标记M₁、M₂和衬底对准标记P₁、P₂来对准掩模MA和衬底W。

所示的设备可以用在两种不同的模式中：

1.在步进模式中，掩模台MT被保持为基本静止，且整个掩模图像被同时(即，单次“闪光”)投影到目标部分C上。随后使衬底台WT在X方向和/或Y方向上移位，使得可以由束PB辐射不同的目标部分C；

2.在扫描模式中，基本上相同的情形是适用的，除了不在单次“闪光”中曝光给定的目标部分C。可代替地，掩模台MT可以在给定的方向(所谓的“扫描方向”，例如，Y方向)上以速度v移动，由此使得投影束PB在掩模图像之上进行扫描。此时，衬底台WT以速度V＝Mv沿相同方向或相反方向被同时地移动，其中M为透镜PL的放大率(通常，M＝1/4或1/5)。以这样的方式，可以在不必折衷或损害分辨率的情况下曝光相对大的目标部分C。

为了使曝光能够正确地定位在衬底上，光刻设备包括可以准确地测量设置在衬底W上的对准标记WM的位置的对准传感器10。在实践中，对准传感器是固定的，且在其下方扫描被保持在衬底台WT上的衬底W，直到对准标识WM被对准传感器捕获为止。随后，注意当衬底上的对准标识与对准传感器正确地对准时衬底台的位置。对准传感器10为离轴传感器，意味着其照射对准标识且直接地而非通过投影系统PL来检测反射光。对准传感器10可以被设置在曝光站处，或在分离的测量站处，或设置于上述两者处。在后一种情况下，对准传感器可以用于测量衬底上的对准标识相对于固定至衬底台WT的参考标识(基准)的位置。一旦衬底台已经转移至曝光站，就随后测量衬底台参考标识相对于投影系统PL的位置，且从该位置推导出衬底标识相对于投影透镜的位置。如果对准传感器被设置在曝光站处，那么也可以使用该方法，可替代地，可以准确地知道在对准传感器中的参考或基准相对于投影透镜的位置，使得可以直接地确定衬底上的对准标记的位置。通常，将测量衬底上的至少两个对准标识的位置以确定衬底的精确位置和方向。也可以在扫描曝光开始和结束时使用对准系统以验证已经在正确位置处进行扫描。

图2是对准系统10的整体示意图。光源11发射空间相干辐射束照射标识WM，该标识WM将所述辐射反射成正衍射阶+n和负衍射阶-n。这些衍射阶由物镜12准直，且进入自参考干涉仪13。物镜12可以具有高的NA，例如，NA＝0.6，从而允许使用波长为850nm的照射辐射来检测具有1.5微米的小间距的标记。自参考干涉仪输出具有相对旋转为180°的输入的两个图像，所述两个图像重叠并因此可以被使得干涉。在光瞳面14中，可以看到这些图像的重叠的傅立叶变换，且不同衍射阶被分离，且可以使所述重叠的傅立叶变换干涉。光瞳面中的检测器15检测干涉的衍射阶以提供位置信息，如下文进一步地解释的。图2的右手侧部分示出了重叠图像的形成，一个图像+n′、-n′相对于输入阶+n、-n被旋转+90°，且第二图像+n″、-n″被旋转-90°。

图像旋转器和干涉仪13形成对准系统的核心，且其在图2中被示出为黑色方块。下文给出了该部分的详细解释。对准系统10的优点是整个光瞳面14中的相位信息是可用的且可以用合适的检测器阵列15来测量。该情形的结果是，对准系统10提供标识选择的自由度-所述对准系统可以在具有实质上180°旋转对称性的任何标识上对准。实际上，如下文将要论述的，可以调试和检测特定量的不对称性。

对准系统10的另一吸引人的特征为其模块化，在图3中示出。自参考干涉仪13和物镜12形成需要是稳定的一个紧凑单元(前端10a)。该前端10a产生包含位置信息的两个重叠波前。在传感器的后端10b进行光瞳面14中的相位差的实际测量。该后端10b具有较不严厉的稳定性规格，这是因为位置信息已经在前端10a被编码。非关键的后端10b包含检测器配置15、光源多路复用器11，和允许使用多个波长的波长解多路复用器16。该配置确定了将可用于终端用户的功能。

一个重要的优点为后端10b的设计改变不会对关键的前端10a产生影响的事实。如果例如需要不同波长或不同光栅周期，那么前端10a需要仅被设计一次且不需要重新设计。

前端10a包含干涉仪13、用于照射束的分束器17、四分之一波片18和物镜12。代替分束器，也可能使用具有小的中心镀银区域的带角的平面板以将照射束反射到对准标识上。后端10b可以以各种不同的形式被具体实施，但是基本上包含用于执行以下功能的部件：用于产生干涉图案的偏振器19(重叠束被正交地极化)；用于防止产品串扰的孔径光阑20；用于分裂检测器侧上的各种波长的波长解多路复用器16；和检测器阵列15a-15b。如下文所解释的，也可以选择孔径光阑的形状以避免阶之间的串扰。

整个光瞳面的可用性和后端的模块化允许构造灵活的对准传感器。可以相对小的设计努力来增加新功能，且可以使所述传感器在应用水平与其它对准传感器兼容，从而允许使用者继续使用针对使用其它对准传感器的设备所开发的包括掩模和机器设定的工艺。

自参考干涉仪13实现相反的重叠衍射阶的干涉。该干涉仪为检测原理的关键部分，这是因为该干涉仪的漂移或不稳定性会降低对准准确性。干涉仪13在图4(侧视图)中被示出，且由三个主要部分组成：用于分裂和重新组合入射波前的偏振分束器(PBS)131；和反射入射波前并使入射波前旋转超过90°的两个棱镜132、133。被反射且旋转的波前也被侧向地移位。此外，极化被旋转超过90°。为了最小化漂移，干涉仪13由固体玻璃制成，且将分离的部分131、132、133胶合在一起。在实践中，干涉仪13可由两个实心的玻璃部分制成，每一部分包括棱镜132、133中的一个和分束器131的半部，它们沿着分束器131的反射平面131a胶合在一起。

图4中的实心头箭头示出了入射波前的单束的射线轨迹，同时空心头箭头表示了入射波前的方向，而不是偏振平面。沿着波前的射线轨迹和方向示出了两个棱镜沿顺时针方向将波前旋转超过90°。两个已重新组合的波前已经相对于彼此获得净180°旋转且被正交地平面偏振。

可以在上文所提及的EP-A-1，148390中找到旋转棱镜的操作的更多的细节。可以示出，棱镜可以被模型化为镜像和旋转任何入射束的光学元件。

为了解释干涉仪的操作，图6示出了具有进入干涉仪13的箭头状的物体134的矩形输入平面。输入物体134被分束器131分裂并进入两个旋转棱镜132、133。为了方便起见，第二旋转棱镜133也以幻影133’的形式被镜像示出在分束器平面中。该方法简化了所述解释，这是因为现在我们具有两个重叠的干涉仪分支：具有第一棱镜的“真实”分支和具有第二棱镜的“虚拟”分支。

由于干涉仪13的对称性，两个棱镜132、133的虚拟反射镜平面135重合。然而，两个棱镜的旋转轴136、137位于干涉仪13的中心线138的相对侧。虚拟反射镜平面135产生输入物体134的虚拟图像134’。镜像的图像134’在所述图中被示出为空心箭头。然而，此处仅为了方便起见示出该图像，实际上由于两个棱镜的额外的旋转并不存在该图像。

两个旋转轴136、137被放置于干涉仪分支的中心的相对侧处。因此，图像被沿相反方向旋转。+90°旋转和-90°旋转分别引起交叉阴影箭头139a和对角阴影箭头139b。两个箭头面朝相反方向(因此，净旋转实际上为180°)，且箭头的脚部被连接，其说明所述脚部的位置为干涉仪的不变点。

图7示出了不变点的图形构造。干涉仪具有宽度为a且高度为2a的矩形输入和输出平面。进入干涉仪的场占据了干涉仪的上半部(输入区域)，且在对称中心上向下被镜像且由两个棱镜旋转超过+90°和-90°。这些重叠的场存在于输出区域中。旋转轴如图所示被分开距离a。可以容易地以曲线图方式验证不变点IP是输入区域的精确中心。

围绕不变点IP的同心圆在相对旋转180°的情况下成像到其自身上，如由交叉阴影片和对角阴影片所指示。在输入和输出的距离a上的侧向移位的好处是防止光进入对准辐射源(例如，激光)中的光反馈的事实。

现在容易地看到如何用该干涉仪产生重叠衍射阶。将0阶投影到旋转不变点上，且偶数衍射阶和奇数衍射阶如图8所示围绕该点旋转。

对准系统10利用空间相干光源(例如激光)，这是因为可以仅通过丢弃大量的光而使热光源和气体放电光源空间上相干。为了避免一些干涉问题，可能使用具有短时间相干性的光。

因此，光源11为激光二极管，因为这些二极管通常是空间上相干的，且通过将RF调制应用至注入电流可以容易地损坏其相干长度。期望使用具有多个不同频率(例如，约532nm、635nm、780nm和850nm)的照射。可能使用频率加倍的源，诸如具有相位调制器的频率加倍Nd：YAG激光(参见EP-A-1026550)，或光纤激光器，以及在这些频率下发射的二极管。

照射光学装置的设计由两个相冲突的要求驱动。为了最大化信号强度和最小化产品串扰，期望仅照射标识的小斑点。另一方面，小斑点使捕获过程复杂化。此外，对准准确性更多地受到斑点位置变化影响。

可以用孔径光阑和用高功率激光器的可用性来有效地抑制产品串扰，对准性能很少受到信号强度限制。针对该原因，照射斑点尺寸至少大于标识尺寸。假定标识尺寸为50×50μm²的数量级且规定的捕获范围具有相同数量级，则斑点直径为100μm的数量级是合适的。

关于照射斑点的形状，再次存在关于在光瞳面中的照射束的角范围的冲突要求。可以使束的角度尺寸保持尽可能小以允许使用粗光栅作为标识。然而，小的角范围导致过大的照射斑点，因此可以在角范围与斑点形状之间找到最佳取舍。对于λ＝633nm，16μm光栅的第1阶以40弧度的角度被衍射。为了测量该低空间频率，通常应当将照射束的角度尺寸限定为约40mrad的直径。

在对准系统10中，照射斑点被圆形偏振以能够借助于如图3所示的偏振分束器17和0阶四分之一波片18来分离照射光与检测光。

对于节距比照射束的波长大得多的粗光栅，偏振的选择并不是非常重要。然而，在标识节距具有与波长相同的数量级的情况下，衍射效率依赖于偏振，且在极端情况下，对准标识可以用作仅衍射偏振分量的偏振器。对于这种标识，圆形偏振光是有利的。在线性偏振光的情况下，始终存在光栅的效率对于一个特定方向是极低的概率。圆形偏振光包含两个正交偏振分量(具有90°相移)，因此始终存在将高效地衍射光的一个分量。

为了抑制寄生反射，可能将小的倾斜施加至偏振分束器17和四分之一波片18。可以谨慎地选择倾斜角度以最小化通过该倾斜引入的像差。当然，也可能在物镜的设计时校正这些像差。

干涉仪产生光瞳E(k)的两个正交的偏振(虚拟)图像，其中k为空间频率。光瞳面14中的总光场为原始场加上该场的180°旋转复本。光瞳面中的强度为：

I(k，x₀)＝|E_p(k，x₀)+E_p(-k，x₀)|² (1)。

如果将具有宽度2Δk的两个检测器15放置在光瞳面14中的位置k＝k₀和k＝-k₀处，那么由这些检测器捕获的光功率P₁和P₂由下式给出：

和

图5以曲线图方式示出了信号形成。由于反射镜操作，水平阴影区域重叠和干涉，且对角阴影区域重叠和干涉。两个场之间的相位差包含位置信息。

光瞳的两个图像被正交地和线性地偏振，且因此它们之间的干涉在强度变化(条纹)的形式上是不可见的。为了转化强度变化中的相位变化，光瞳的两个图像典型地应当具有用偏振光学元件来实现的相同的偏振，偏振光学元件可以是二向色偏光片、基于多层涂覆的规则偏振分束器，或双折射式分束器，诸如萨瓦板(Savart plate)、渥拉斯顿棱镜(Wollaston Prism)、格兰-泰勒(Glan-Taylor)分束器或“线栅格(wire grid)”偏振器。

二向色偏光片由于其有限的光学品质而不是较佳的，且其经常在近IR区域中较不有效。此外，这些偏光片丢弃50％的光子。多层分束器会好很多，但是其上获得良好的消光系数的波长范围可能是受限制的。双折射式分束器在大的波长范围上具有极佳的消光系数，但双折射可以导致温度漂移，这是因为双折射是依赖于温度的。

如果分束器被用作偏振器19，那么入射在其上的场具有琼斯(Jones)向量：

偏振分束器相对于E(k)和E(-k)的方向以45°来定向，因此由分束器传输的强度I₁(k)和由分束器耦合出的强度I₂(k)为：

和

可以看出，两种强度以相反的相位变化，且总强度等于入射在分束器上的强度。因此，两个分支都包含位置信息且可以用于对准。这意味着有可能将一个分支用于x位置检测且将另一分支用于y位置检测，从而允许使用矩形孔径光阑以避免产品串扰。可替代地，一个分支可以与小孔径光阑一起用于精细对准，且另一分支可以与大孔径光阑一起用于捕获或获取。另外一个替代方案是将一个分支用于一个组波长且将另一分支用于另一组波长。

对准标识经常放置在非常接近于产品结构的划线中，这可以导致产品串扰：由产品散射的光影响对准信号。可以通过使用足够小的照射束来强烈地衰减产品串扰。然而，出于各种原因小照射束不是较佳的。在小照射束的情况下，照射斑点的位置的稳定性变得更加关键。例如，在扫描斑点的极端情况下，照射斑点的漂移直接地引起对准位置漂移。捕获也变得更加关键，这是因为在将衬底W装载到衬底台WT上之后，存在标识被极不良地照射的较大几率。最后，需要较大的照射NA，其使得对粗光栅的检测的要求更高。

针对这些原因，期望使用大的照射斑点，例如，具有大致为最大标识直径的三倍的1/e²宽度。如此大的斑点的结果是产品结构被照射，且标识上的光功率降低。然而，后一项不是严重问题，这是因为可以提供足够大的功率的光源。

可以用放置在标识的中间图像处的孔径光阑来解决产品串扰的问题，如图9所示。因为对准系统10不需要空间滤波且物镜12的高NA保证标识的清晰图像，且孔径光阑20可以提供对产品串扰的非常有效抑制。

因为干涉仪具有旋转棱镜，所以两个标识图像被投影到孔径光阑20上：正图像MI-1和倒图像MI-2。当扫描标识时，这些图像沿相反方向移动。在扫描方向上，孔径光阑20被设计为足够长以包含整个标识。在非扫描方向(即，垂直于划线)上，可以使孔径光阑20任意地窄。孔径的实际宽度为在产品串扰与信号强度之间的取舍。

在标识的扫描期间，可以在标识图像与孔径(场)光阑的边缘重叠时发生衍射效应。当发生该衍射效应时，已检测的信号为标识的空间图像与场光阑的窗口函数的卷积。如果场光阑具有尖锐的边缘，那么衍射阶的部分渗漏到相邻衍射阶中，从而造成串扰。可以通过使场光阑在扫描方向上变迹，即，通过向场光阑提供“软”边缘来抑制该串扰。用于向场光阑提供软边缘的可能方法包括：在场边缘处的透射率梯度；在场边缘上的鲨鱼齿状轮廓；倾斜边缘或倒圆的边缘。如果使用鲨鱼齿状轮廓，那么将空间频率选择为足够高以避免在非扫描方向上的衍射效应。倾斜边缘或圆形边缘暗示标识应当在非扫描方向上宽于场光阑，但是通常将为所述情况，这是因为场光阑也防止产品串扰。因为可以通过对场光阑的形状进行合适的选择来实现任何期望的窗函数，倾斜边缘或倒圆的边缘可以是有用的。

在将衬底W装载在衬底WT上之后，需要粗对准以用于捕获。在y粗对准期间，可以存在大x的偏置Δx，其导致图10中所示出的情形。在轮廓中所示出的标识WM和产品结构PS的实际位置可以与被示出为交叉阴影的预期位置相差不同，偏置为Δx。如果孔径光阑20的宽度等于划线宽度SL-W，那么来自产品结构PS的光可渗漏通过孔径光阑20。由于该原因，孔径光阑20小于划线宽度。

在实践中，期望在x方向和y方向具有矩形孔径光阑。偏振分束器19的两个输出可以用于如上文所提及的这两个方向。可替代地，空间光调制器(SLM)，例如，LCD阵列，可以用作可编程孔径光阑。SLM的光学品质并不是关键的，这是因为位置信息已经在干涉仪中被编码。

根据本发明，检测阵列15放置在光瞳面中，例如，在孔径光阑20之后的光瞳面22中。图11中示出了最简单的检测器配置。为了简单起见，仅示出了最低的3个阶和一个波长。此外，也未示出零阶。两个多模检测光纤23从每一阶收集光。离开这两个光纤的光可以耦合到一个多模光纤24中且发送至远程光电检测器25。

这个方法是简单的，且通过与已知传感器兼容的功能性。然而，因为物镜12的所述NA可以是高的，所以可以通过提供额外的波长输出或额外的阶来容易地增加额外的功能。

为了对于标识节距是更加灵活性或允许测量诸如方块或框架的非周期性标识，可以使用检测器阵列。该检测器阵列也允许如下文所论述的准确的不对称性检测的可能性。对于检测器阵列，许多选项是可能的：一束多模光纤、每个通道的离散的PIN检测器或CCD或CMOS(线性)阵列。

一束多模光纤的使用能够针对稳定性的原因远程地定位任何散热元件。离散的PIN检测器提供大的动态范围，但是各自需要分离前置放大器。元件的数量因此受到限制。CCD线性阵列提供许多元件，它们可以被高速地读出且如果相位步进检测被使用则是尤其值得注意。

如果针对最大灵活性需要二维数据获取，则典型地大量的平行通常是必须的，从而增加了电子装置的复杂性。如果数据获取被限制至两个正交方向使得可以使用线性检测器阵列，则大的灵活性是可能的。

如上文所提及的，标识可以由可被分离地检测的多个不同波长照射。可能使用二向色光学装置以分离不同色彩。可替代地，可以使用作为色散元件的闪耀光栅，且所述闪耀光栅提供增加额外的波长的灵活性。闪耀光栅具有锯齿状光栅形状，且它们具有在仅一个阶中衍射大部分光的属性。图12中示出了使用闪耀光栅26的布置。再次，检测器15放置在光瞳面22中。弱零阶可用作照相机27的输入。如果闪耀光栅针对于第1阶被优化且具有节距P_b，则第1阶的衍射角为：

通过所需的波长分离度来确定光栅间距的选择。如果波长分离度为Δλ，则对应角波长色散为：

孔径20的有限宽度w产生角发散：

使用由于衍射造成的波长色散通常大于角发散(Δθ_d＞Δθ_w)的要求，得到：

最短波长导致对波长分离度的最高要求。例如，如果w＝20μm，则以下表1中给出针对各种不同波长的波长分离度：

表1

闪耀光栅通常围绕一个中心波长优化。在这种情况下，中心波长将为(532+850)/2＝691nm。在波长范围的极值(532nm和850nm)下，光栅的效率将会降低。然而，因为在这些波长下的可用激光功率非常高，这是可接受的。此外，在这些波长下发生的0阶衍射可以被用于照相机图像。

通常，在相位光栅对准期间扫描标识。该扫描移动将相位差放在具有时间频率2k_xv_x的载体上：

解调制该信号得到根据下式的标识位置：

当扫描标识时，标识沿着孔径移动。因此，在划线内部且邻近于标识的结构移动到检测孔径中，且这可以使对准信号变形。该变形类似于产品串扰，且可以通过划线中的(量测)标识之间的合适的分离度来避免。

然而，仅需要所述扫描以引入用于准确相位测量所需要的载体频率。通过使用可变的延迟器，相位调制干涉测量也可以用于提取相位信息

在该技术中，标识保持静止，且延迟器被用于将已知的相位变化ψ(t)施加到光瞳面中的干涉图案：

在实践中，可以使用两种形式的相位调制：导致傅立叶变换的干涉测量的等距相位步进，和谐波相位调制

使用相位调制干涉测量可以允许在划线中的量测结构(比如对准标识)的更密集填充。应当注意，相位调制干涉测量也可以用在其它形式的对准传感器中。

如现在将描述的，也有可能从光瞳面中的光的相位测量标识不对称性。首先将描述理论背景，且随后描述一些示例结果和实际实施方式。

由标识反射的复合近场为：

E_nf(x，x₀)＝E_ill(x)r(x-x₀) (14)，

其中E_ill(x)为固定的照射束的复合光场，r(x-x₀)为具有偏置x₀的标识的复振幅反射率。该偏置为用对准传感器测量的未知的标识位置。

复合反射近场可以始终被分解成具有偏置x₀的对称(＝偶)函数和反对称(＝奇)函数。因此，在不损失通性的情况下，则可以被确定为：

下标“e”和“_o”用于分别指代偶函数和奇函数。按照定义，这些函数具有属性f_e(x)＝f_e(-x)和f_o(x)＝-f_o(-x)。注意近场的这种表达式是完全通用的且还根本不受到限制。换言之，近场的以上描述覆盖了所有处理效应和照射不完善。

光瞳中的场E_p(k，x₀)是E_nf(x，x₀)的傅立叶变换(FT)：

偶函数的FT为偶数和实数，且奇函数的FT为奇数和虚数。这些基本属性得到用于光瞳中的场的以下表达式：

实数值函数A_e(k)，A_o(k)，B_e(k)和B_o(k)是函数a_e(k)，a_o(k)，b_e(k)和b_o(k)的傅立叶变换。该方程式在这个通用公式中提供了较少的有用属性。然而，可能通过考虑许多特殊情况来推导出E_p(k，x₀)的一些有用的属性，诸如对称振幅物体(除a_e(x)≠0之外所有项都为零，)、对称复合物体，或不对称复合物体(所有项≠0)。

对称振幅标识的光瞳中的场为：

光瞳面中的相位

随着k线性地变化，且仅为标识位置x₀的函数：

振幅A_e(k)是k的偶函数且独立于标识位置。对于该特别简单的标识类型，可以通过测量E_p(k，x₀)的相位的斜率来明确地确定所述位置：

对于具有复合反射系数的对称标识，光瞳中的场变为：

强度I_e(k)和相位ψ_e(k)都是由下式给出的偶函数：

和

光瞳中的相位不再是直线，因此，光瞳面中的两个任意点之间的相位测量不一定导致位置的正确测量。然而，可以容易地示出，在光瞳k和-k中的两个共轭点之间的相位差独立于标识形状且仅由标识位置确定。因此，对准系统10的光瞳面中的强度为：

必须注意，该方程式描述了具有相反的空间频率的点完全地重叠的理想情形。在对准系统10中，当标识被倾斜时，光瞳中的重叠场沿相反方向移动。因此，在存在小的标识倾斜(或不完善的传感器调整)的情况下，光瞳中的强度为：

偶函数的导数始终是奇函数，且如果偶数相位变化具有抛物线分量，则引入额外的线性相位变化。该线性相位变化会引起对准偏置。该观测基本上是依赖于焦点的效应的可替代描述。当标识被离焦时，光瞳面中的场获得抛物线相位变化，且当标识被倾斜时进行对准偏置。

对于具有复合反射系数的不对称标识，光瞳中的场变为：

不对称部分的振幅是由下式给出：

该方程式示出了振幅为偶函数，因此|Z_oe(k)|＝|Z_oe(-k)|。相位ψ_i由下式给出：

ψ_i(k)＝arg(jA_o(k)-B_o(k)) (28)。

由于A_o(k)和B_o(k)的奇数属性，因此相位ψ_i具有属性：

ψ_i(k)＝ψ_i(-k)+π (29)。

由于不对称性，光瞳中的场的振幅改变且引入额外相位项

图13阐明如何构造Z。该图也示出了如何由不对称分量Z_o(k)引入额外的相位项

图13示出了相位项

具有属性

因此

始终包含奇分量且可能地包含小(但不相关)的偶分量。

在不向不对称性类型施加任何限制的情况下，我们可以将相位项

和振幅Z(k)写成：

和

因为还没有作出关于不对称性的性质的假定，所以这些方程式是相当复杂的。存在阐明这些方程式的使用的两种特殊情形。在第一种情况下，Z_e(k)垂直于Z_oe(k)。在那种情况下，我们具有：

由此得到：

和

对于这种情形，我们可以将相位和振幅写成：

和

|Z(k)|＝|Z(-k)| (37)。

因此，当以空间频率k完成测量时，相位是导致对准误差的纯奇函数。图14中示出了该第一种情况。

在第二种特殊情况下，Z_e(k)平行于Z_o(k)，因此

和

由此得到：

|Z(k)|＝|Z_e(k)|+|Z_oe(k)|(k＞0) (39)。

|Z(k)|＝|Z_e(k)|-|Z_oe(k)|(k＜0)

在这种情形中，不对称性不引入反对称相位项(且因此没有相位误差)，但是其引起了振幅的不对称性。图15中示出了这种情形。

对于

的表达式太复杂而不能继续使用该表达式。然而，如之前所述，该表达式可以被分解成对称部分和反对称部分：

偶数相位变化是不相关的，这是因为仅检测奇数相位变化。此外，如之前所述，在光瞳面中的净相位的斜率中包含位置信息，因此我们仅需要考虑随着k线性地变化的相位项。

如由对准系统10所检测的总相位变化Ψ_d(k)为：

该方程式说明了对准中的标识不对称性的一个重要且非常基本的问题：光瞳中的相位的斜率不再由标识位置x₀明确地确定，而是也通过未知的不对称性由项c₁来确定。

幸运地，已测量的相位Ψ_d(k)的更高阶项(c3、c5等)仅为未知的不对称性的函数且此处存在针对该问题的解决方案。更高阶项的测量可以允许确定线性不对称性项c1。

在许多情况下，光瞳中的场由亮区域(大振幅|z|)和暗区域(小振幅|z|)组成。例如，亮区域对应于50％占空比光栅的奇数衍射阶。这种光栅的偶数阶为暗区域。在亮区域中，我们具有|Z_e|＞＞|Z_oe|，且由不对称性引入的相位变化将是小的且可由下式近似给出：

通常，

将是非常小的且几乎不随着可以由过程变化造成的小的不对称性改变而变化。原则上，这些亮区域可以被用于测量更高阶项，但是测量准确性也可以是更加受限制的。

然而，在光瞳中的场的较暗区域中，情形变得完全不同。在这些区域中，我们具有

且由于过程变化的不对称性的小改变会造成相位的大变化，这是因为：

可以看出，当Z_oe(k)在幅值上与Z_e(k)相当时，相位随着k强烈地变化。

现在将参考一维示例来进一步地解释不对称性检测的理论。由在图16所示的强度轮廓照射标识。入射束的光功率为1mW，且整个宽度大致为100μm。照射束的波长为633nm。

如图17所示，标识为隔离开的栅条，具有40nm深度，2μm的宽度。其以x＝250μm为中心。示例是一维的，因此，栅条在y方向上延伸至无穷大。所述栅条的反射系数为统一的(unity)。稍后论述该标识至周期性结构(即，光栅)的延伸。

栅条具有相对小的相位深度，且与照射斑点的宽度相比也是非常小的(注意图16和图17中的不同刻度)。因此，反射光将具有非常强的镜面反射，且仅非常少量的光将被衍射。如图18所示，这被在远场中的强度分布中清楚地证明。

强的镜面峰是清楚地可见的且达到1.5×10^-4W/1.3mrad的峰强度。镜面反射的整个宽度为20mrad，且可通过积分验证在实践中所有的入射功率被镜面地反射。衍射光达到仅为1.5×10^-7W/1.3mrad的峰强度，因此具有孔径为5mrad的检测器捕获了仅为0.6μW的总光功率。对于sin(θ)≈0.32(如果该宽度为2μm的栅条以4μm的周期被重复，则其将是第二衍射阶的位置)，强度为零。

标识是完全对称的，因此，如由对准系统10所检测的相位差应当产生具有与标识位置成比例的斜率的完全直线。这在图19中是清楚可见的，图19示出了作为远场角度的函数的已测量的相位。

小的尖峰是位于零强度的点处的数值异常。在实践中，这些点对应于具有零强度的区域中发生的相位奇点。除了这些数值伪迹以外，可以清楚地看出，相位是具有零斜率的表示标识处于对准位置的直线。

然而，我们现在通过增加经典的屋顶(rooftop)引入少量不对称性。作为示例，我们采取4nm的屋顶，其导致图20所示的标识形状。

之后，图21示出了光瞳面中的光的强度。与对称情形相比较，形状几乎不改变。然而，暗区域中的强度已经显著地增加。这已经是光瞳面中的“暗”区域的变化为不对称性(的改变)的良好指示器的指示。

暗区域中的强度达到约2×10^-11W/1.3mrad的最小值。这是非常低的强度，且为了能够在这个区域中测量，可用于计算在所述测量期间实际捕获多少光子。假定检测角度为1mrad且获取时间为30ms，则会捕获4.6x10^-13J的总光子能量。1个光子的能量约为3.13x10^-19J，因此，入射在检测器上的光子的总量为：

该计算示出了暗区域中的准确相位测量是可能的。图22中示出了如由对准系统所测量的相位变化。

与对称情形相比较，已测量的相位已经显著地改变。在亮区域中，相位已经获得响应于对准偏置的几乎线性斜率。例如，在sin(θ)＝0.16处，发生0.058弧度的小的相位误差，如曲线图中所示。光瞳中的该点对应于第一阶的位置，如果标识以4μm的周期被重复，则将存在第1阶的位置。相位误差是小的，但是不幸地，其显示为如下的大的对准误差Δx：

幸运地，可以在光瞳面的暗区域中极清楚地检测到对该偏置负责的不对称性。可以极清楚地看出，已测量的相位示出了在sin(θ)＝0.32周围的区域的极大且非线性的变化。图23示出了检测到的干涉信号的对比度。

图23的对比度曲线表示对比度足够高以允许准确的相位测量。然而，必须强调，可以存在对比度可被显著地劣化的其它不对称性类型。

在实践中，也许甚至更重要的是能够检测不对称性改变(即，过程变化)。图24示出了针对1nm的屋顶改变的相位变化。这对应于18nm/4＝4.5nm的过程变化。所引起的相位变化具有0.1弧度的数量级，其基于光子统计是可测量的。

在实践中，上文所论述的隔离的结构将被周期性地重复以将散射光集中在离散的衍射阶中。然而，该周期性重复不会改变不对称性测量的构思，这是因为该周期性重复仅影响光瞳中的场的偶数相位分布ψ_e(k)和振幅|Z(k)|。由不对称性引入的奇数相位变化没有改变。

隔离的结构的复合反射系数为r(x)，且该结构在光瞳中导致复合场Z(k)。该结构以周期X_p向左N次周期性重复且向右N次的周期性重复产生具有r(x)的2N+1个副本的光栅：

傅立叶变换该表达式且使用傅立叶偏移定理会在光瞳中得到复合场Z_g(k)：

可以看出，Z_g(k)是通过将Z(k)与实值偶函数f(k)相乘获得。该函数可能是负的，其引起Z_g(k)的相位跃变。然而，这些相位跃变始终是对称的。当kXp＝m2π时Z_g(k)的振幅达到峰值，其中m为整数。这仅仅是光栅定律的数学公式，这是因为空间频率k是由下式给出：

图25示出了用于具有被重复5次的4nm屋顶的标识的远场中的强度。第一衍射阶和第三衍射阶在曲线图中是清楚可见的。在这些阶之间的强度略微高于预期的(1/3)²比率，所述比率是由衍射场中的惠更斯倾斜因子(Huygen′s obliquity factor)[1+cos(θ)]/2导致。弱奇数阶的强度也已经显著地增加。在所述阶之间，强度呈现快速振荡。然而，峰值强度对应于相当明显的量的光子。

图26中示出了光瞳面中的奇数相位变化。该曲线图再次示出了暗区域中的相同的大的相位偏移。然而，与隔离的物体的情形相比，存在需要解释的多个差异。

对应于15nm的标识偏移的额外的小的线性倾斜和小尖峰是将不会在实际的实施例中发生的伪迹。Ψ_d的严格检查示出：其示出略微的逐步变化。这是由标识的不均匀照射造成的。如图27所示，将照射束的宽度增加至200μm会再次引起Ψ_d的平滑变化。

该曲线图清楚地证明了不对称性测量中的照射轮廓的重要性。理想地，使用具有有限宽度的均匀照射轮廓。然而，该要求与照射束的角发散应当是小的的设计目标相冲突。

不对称性测量技术的准确性的非常根本的限制是标识的表面粗糙度。这并不令人吃惊，因为表面粗糙度可以被认为是随机不对称性的形式，其将大且有噪声的相位变化引入干涉图案的暗区中。这在以下示例中针对与在之前的部分中所使用的相同光栅得到证明。然而，这次0.5nm的表面粗糙度被增设有1μm的平均粒度。照射斑点具有200μm的宽度。

图28示出远场中的已测量的相位，表面粗糙度的影响是非常清楚地可见的。一看就显得相当剧烈。幸运地，存在噪声为何在实际情形将是较不剧烈的几个原因。首先，大尖峰对应于零强度的点(奇点)。因为检测器始终具有有限空间范围，所以这些效应将在检测中受到抑制。其次，在该特定的示例中，照射斑点尺寸与光栅宽度相比是较大的，因此传感器“看到”并不受关注的区中的大量粗糙度效应。这一论证再次强调最佳照射斑点的重要性。

已测量的相位Ψ_d的线性项包含位置信息。然而，该位置由于不对称性的存在而受影响。为了知道这一不对称性的贡献，我们应尽可能准确地知道不对称性的“形状”。已测量的相位Ψ_d的非线性变化给出关于不对称性的信息。每一不对称性具有其自己的独特的指纹。

为了推导出对己测量的斜率的过程校正，可使用两种不同的方法：预测性类似选配方案的方法或类似散射测量的方法。选配方案的方法给本发明提供更多的可能性，这是因为可以利用允许使用统计技术的更多数据。特别有用的方法为使用也用于散射测量中的“逆问题(inverse problem)”技术。

不对称性的测量与针对临界尺寸(CD)量测应用的散射测量具有很多类似性。在后一情况下，测量椭圆偏振数据，该椭圆偏振数据以极复杂方式与某一未知的抗蚀剂轮廓相关。此处应用逆问题技术以恢复抗蚀剂图案。此类型的测量问题确切地等同于不对称性测量。

对准传感器通常应产生在标识的部位处非常急剧地达到峰值的局部化信号。然而，这样传感器的实现将引入比如信噪比的大量实际问题，这是因为窄峰值需要大的测量带宽。出于准确性和动态范围的原因，经常使用相位光栅对准传感器，这是因为这些传感器产生窄带宽限时谐波信号。

不幸地，正弦信号包含多个最大值，因此标识位置并不唯一地由一个单峰值限定。出于这一原因，相位光栅对准传感器需要决定哪一峰值对应于标识位置的“捕获”机构。在本发明中，两个捕获机构是可以的。第一种捕获机构利用可从第0阶得到的照相机图像，如上文所论述。第二种捕获机构使用在光瞳面中检测的信号且需要分开的光电二极管。两种方法都仅需要一个短光栅。

在对准传感器10的情况下，相当容易地同时地使用所有可用的波长来产生标识的清晰图像。多个波长的使用保证标识应始终是可见的，只要标识的深度并不太小即可。物镜12具有大NA(例如，0.6的NA)，且不存在空间滤波会得到分辨率为1微米至2微米的数量级的“清晰”图像，所述数量级足够大以允许使用先进的图像处理技术的各种基于照相机的捕获算法。

在对准传感器10的情况下，可能产生两种不同类型的图像：在偏振分束器后面的照相机图像包括标识的两个重叠且偏移的图像，而用单独的振器所产生的照相机图像可显示出标识的两个单独的图像。第一类型的图像得到彼此相对地被旋转180°的两个图像，这是捕获算法的优点，因为部分重叠的标识图像的轮廓的形状可给出关于标识部位的准确信息。然而，当预对准误差超过划线宽度时，一个图像中的标识将被投影于另一图像的产品结构中，且这可导致鲁棒性问题，因为所述产品结构用作使图像处理算法的鲁棒性劣化的噪声源。

本发明也可利用已知技术，由此具有略微不同的周期的两个光栅产生具有略微不同频率的两个谐波对准信号。两个信号的两个峰值重合的部位被定义为标识位置。该方法已被证实为具有足够大的捕获范围的鲁棒性技术。

然而，如上文所提及，本发明提供尤其适合于具有宽衍射阶的短标识的另一捕获替代方案。这一技术基于整个光瞳面是可利用的事实。然而，该技术仅在照射斑点大于标识长度的情况下工作。所述技术的主要优点为仅需要一个光栅而非两个单独的光栅。现在将进一步解释所述技术。

考虑具有周期Xg和宽度W＝N.X_g的光栅，其中N为光栅线的数目。第一衍射阶具有如下的空间频率k₁：

衍射阶具有sin(k)/k的形状，且主瓣的整个宽度为：

用分开检测器(split detector)来测量该光栅的第一衍射阶的对准信号。每一检测器元件捕获主瓣的二分之一。两个元件之间的中心线以衍射阶的峰值为中心。由这两个检测器捕获的平均空间频率为约：

两个检测器都测量具有略微空间频率差别的信号。这两个信号的有效波长为：

因此，捕获范围等于±W。

本发明的第二实施例利用光纤阵列以用于将光从光瞳面传导至检测器阵列，但其它方面与第一实施例相同，且可以相同方式使用。

图29示出第二实施例的对准系统的检测器部件。来自参考干涉仪(图29中未示出)的光由偏振分束器19分裂成两个分支，一个分支被引导至照相机以用于捕获目的(粗对准)，另一分支用于精对准测量。精对准分支包括透镜31、33的光学系统，该透镜31、33将自参考干涉仪的光瞳面再次成像至光纤35的阵列上，该光纤35将所述光瞳面传导至远程检测器阵列，例如光电二极管阵列或CCD。透镜31也在设置用作孔径光阑的图像平面滤波片32的位置处产生标识的中间图像。

可以布置光纤束35，其中在所述束的末端处具有合适的检测器阵列，使得可确定两个图像重叠和干涉的光瞳面中的多个不同位置中的强度。可以处理所获得的数据以推导出所需的位置信息。尤其是为了消除一些误差，增加来自在检测分支的光轴的相对侧上的光纤对的信号。可通过组合光纤对、通过使一对光纤的末端处于同一光电检测器上或以电子方式完成所述增加。检测器阵列可以包括连接至单个光纤或光纤对或位置敏感检测器(诸如CCD阵列)的多个分离的检测器。当然，检测器阵列自身而非光纤束的输入末端可位于光瞳面中，但光纤束允许检测器阵列和其相关的电子装置(例如，前置放大器)被定位成远离所述设备的温度敏感部件。另外的空间滤波片34移除0阶。

图30中示出用于捕获的照相机的使用。该图针对标识的各种位置示出标识的两个图像(顶部两个行)和由照相机看到的总图像(底部行)。在A列中，标识被粗略地对准，且由照相机看到的图像具有暗线和明线，其中在暗线与明线之间具有高对比度。随着标识从对准移动开，图像沿相反方向移动，从而首先导致B列中所示出的均匀灰度图像，随后导致C列中所示出的线图案，但具有额外线且针对外部线具有较小的对比度。另外，移动再次导致D列的灰度图像和E列的具有线的图像，再次具有额外的线。图像辨识软件可容易地检测具有最小数目的线和最大对比度的图像。

本发明的第三实施例与第一实施例相同，除检测分支的构造以外，其在图31中被示出。

第三实施例的检测分支包括如在第二实施例中的偏振器(图31中未示出)、光学系统31、33，和图像平面滤波片32。然而，代替光纤阵列和检测器，第三实施例具有被编程以选择光瞳面的部分的空间光调制器(例如，LCD阵列(光阀)或微反射镜阵列)39，来自空间光调制器39的光由透镜40收集至光纤41上，此产生光电检测器42。

空间光调制器39被编程以从标识图像的重叠的傅立叶变换选择特定阶的两个束，随着标识被扫描所述两个束的强度可随后由检测器42测量以推导出所要的位置信息。在用多波长光源来照射标识的情况下，可分离开不同波长且在检测器42中分离地检测不同波长。

第三实施例具有许多优点，这些优点当中主要的优点是对准系统可与具有180°旋转对称性的任何标识一起使用，而不必修改硬件。所需要的全部就是空间光调制器被适当地编程，这可在运作中被执行，甚至用于与同一衬底上的不同标识对准。因此，第三实施例的对准系统可与诸如光栅、棋盘格、方块、框架、人字波等的已知标识兼容。另外，可在空间光调制器39的不同设定的情况下通过对标识进行重复扫描来采样和分析完整的光瞳面。

如果使用偏振分束器以在重叠的图像之间产生必需的干涉，则如上文所提及的，产生包含位置信息的两个束，且可在单独的分支中复制图31所示出的部件以允许同时检测两个阶。此外，能够选择性地将光重引导至多个不同方向中的空间光调制器(诸如具有多于两个反射镜位置的微反射镜阵列)可与对应数目的收集透镜、光纤和检测器一起使用于允许在单个分支检测多个阶。如在第二实施例中，可能省掉光纤41且将检测器定位于收集器透镜40的焦点处，但光纤41的使用允许将产生热的或庞大的检测器定位为远离热敏性部件或在更多空间可用的位置处。

图32和图33中示出可用于本发明的实施例中的阶组合棱镜，其中图32示出分解形式的棱镜，图33示出组装形式的棱镜。

在阶组合棱镜50的组装形式中，阶组合棱镜50的基本形状为具有底入射面55和侧出射面56的三角形棱镜。所述棱镜由对角接合57划分成两个半部51、54。如图32更清楚地所示出，正阶+n进入第一半部51的底面，发生从侧面58朝向接合57的全内反射。正阶从接合57向后反射至安装至棱镜50的后面的四分之一波片和反射镜，该接合57用作分束器表面。这些用于使正阶的偏振旋转且使其通过接合、分束器表面57返回以射出棱镜的前面56。

同时，负阶进入第二半部54的底部且被从第二侧面59和接合、分束器表面57全内反射以便也通过前面56射出。

图33示出，如果棱镜被定位成接受围绕其中心对称的正阶和负阶，示出阶+1至+4和阶-1至-4，则对应+阶和-阶被组合，但第一阶、第二阶等被维持成分离的。

阶组合棱镜可用于本发明的实施例的光瞳面中以组合携载基本上相同的信息的相反的阶，以用于检测。阶组合棱镜的使用会使待检测信号的强度翻倍，从而使能够使用较低功率的光源。另外，所得到的对称布置平均化正衍射阶与负衍射阶之间的不对称性引起的差。本发明的阶组合棱镜非常紧凑且尤其用于可用空间受到限制的情形中。

应了解，除了用在以自参考干涉仪为基础的对准系统的光瞳面中，阶组合棱镜可具有其它用途，尤其可用于需要组合位于单个平面中的衍射阶的任何布置中。也可修改所述棱镜，例如，以在其两个侧中提供相等的光学路径长度。

在一实施例中，物镜12可如图34所示。下文在表1中示出用于这一类型的透镜的选配方案的特定示例。应了解，如所示出的选配方案为一特定的实施例，且不应认为将本发明限制成所述表中所示出的特定曲率、厚度、面形、半孔径或玻璃。

表1

具体地，物镜12的这一实施例包括，从物体侧的被构造为低功率壳层透镜的第一透镜元件60。例如，所述透镜可被设计成用于校正低阶离心引起的彗差。在一特定实施例中，所述透镜元件对除了低阶彗差以外的像差具有低敏感度，且对低阶彗差具有离心敏感度。应了解，这意谓所述透镜元件可提供相对于奇数像差的物镜的精细校正。

从物体侧开始，存在被构造并布置成校正依赖于场的像差的第一透镜组62c尤其是，这一透镜组包括被设计为侧向色彩补偿器的双合透镜(doublet)。在所述表的实施例中，该双合透镜为包括低色散负部件64和高色散正部件66的双合透镜。正部件具有高异常部分色散，而负部件接近正常色散，从而整体上针对双合透镜提供色彩补偿功能。透镜组62进一步包括弯月形透镜67，且三个元件组合以提供依赖于彩色场的像差校正和依赖于单色场的像差校正两者。

第二透镜组68为包括元件70和72的双合透镜，且用作提供针对色球像差的校正。其通常对高阶像差敏感。具有正光焦度的透镜74由CaF2制成以最小化色差，其之后为孔径光阑，随后为第三透镜组76。第三透镜组76包括两个元件78、80，其用于校正低阶色球像差。因此，第二透镜组和第三透镜组一起处理高色球像差和低色球像差两者。最终的第四透镜组82包括三个CaF2元件84、86、88，其针对物镜提供大多数的正光焦度。超低色散CaF₂材料被选择以最小化色差。

在根据一实施例的物镜中，CaF₂和其它异常部分色散玻璃的使用允许良好的轴向色彩校正、色球像差校正和侧向色彩校正。此外，所述设计可允许场内的低奇数波前像差。

在一实施例中，透镜被设计以满足特定性能目标。例如，透镜可被设计以针对具有在约500nm与约900nm之间的波长的光满足以下条件。数值孔径NA可大于约＞0.6，且更具体地可在在约0.68与约0.72之间的范围内。透镜可以进一步被设计使得P-V奇数波前误差小于约5nm，且工作距离大于约8毫米。通常，奇数波前误差可小于8nm或在4nm与10nm之间，且工作距离可高达15毫米。

图35为说明针对一实施例的色彩性能的轴向色彩绘图。示出在500nm至900nm的波长范围的性能。可看出，焦点偏移在所述波长范围上在约-0.0001毫米至0.0001毫米的范围变化。表2提供针对一实施例的性能数据。

表2

性能参数	设计性能
		NA	0.7
EFL，mm	12.853
		入射光瞳直径，mm	18
图像平面中的视场，mm	0.05
		物体空间中的视场，度	0.223
波长范围，nm	500-900
		多色RMS，nm	16.4
奇数像差P-V最大值，nm	4.3
		轴向色彩，μm	0.196
侧向色彩，％	0.106
		变形，nm	0.6
场平整度，nm	19.0

虽然在上文已描述本发明的特定实施例，但应了解，可以与所描述的方式不同的其它方式来实施本发明。所述描述并不要限制本发明。例如，上文所描述的对准系统可以用于与设置在掩模或台以及衬底上的标识对准。

Claims (14)

1.一种物镜，从物体侧依次包括：

离心引起的彗差校正元件；

第一透镜元件组，配置且布置成校正依赖场的像差；

第二透镜元件组，配置且布置成校正高阶色球像差；

第三透镜元件组，配置且布置成校正低阶色球像差；

第四透镜元件组，具有正光焦度。

2.如权利要求1所述的物镜，所述物镜针对具有在500nm与900nm之间的波长的光满足如下条件：

NA＞0.6

P-V奇数波前误差＜5nm；和

工作距离＞8毫米。

3.如权利要求1或2所述的物镜，其中所述第四透镜元件组包括CaF2透镜元件。

4.如权利要求3所述的物镜，其中所述第四透镜元件组由CaF2透镜元件组成。

5.如权利要求1或2所述的物镜，还包括设置于所述第二透镜元件组与所述第三透镜元件组之间的CaF2透镜元件。

6.如权利要求1或2所述的物镜，还包括设置于所述第二透镜元件组与所述第三透镜元件组之间的孔径光阑。

7.如权利要求1或2所述的物镜，其中每一透镜组包括至少一个透镜元件，所述至少一个透镜元件包括异常部分色散元件。

8.如权利要求1或2所述的物镜，其中所述离心引起的彗差校正元件包括熔融硅石。

9.如权利要求1或2所述的物镜，其中所述第一透镜元件组包括侧向色彩校正双合透镜和弯月形透镜元件，所述弯月形透镜元件包括具有正常部分色散的玻璃。

10.如权利要求1或2所述的物镜，其中所述第二透镜元件组包括双合透镜。

11.一种物镜，从物体侧依次包括：

第一弯月形透镜；

第一双合透镜，包括具有正光焦度的高色散元件和具有负光焦度的低色散元件；

第二弯月形透镜，包括低色散材料；

第二双合透镜，所述第二双合透镜具有负光焦度；

正透镜；

光阑；

包括一对透镜元件的透镜组，所述一对透镜元件包括一个低色散元件和一个高色散元件；

包括三个低色散光学元件的透镜组，所述透镜组具有正光焦度。

12.如权利要求11所述的物镜，所述物镜针对具有在500nm与900nm之间的波长的光满足如下条件：

NA＞0.6

P-V奇数波前误差＜5nm；和

工作距离＞8毫米。

13.一种光刻投影设备，包括：

辐射系统，用于提供辐射投影束；

支撑结构，用于支撑根据所期望的图案来图案化所述投影束的图案形成装置；

衬底台，用于保持衬底；

投影系统，用于将所述图案化的束投影至所述衬底的目标部分上；和

对准系统，具有自参考干涉仪，所述自参考干涉仪包括：

如前述权利要求中任一项所述的物镜。

14.如权利要求13所述的光刻投影设备，其中所述对准系统还包括检测器系统，且所述检测器系统包括：空间光调制器，所述空间光调制器设置在光瞳面中，所述空间光调制器能够控制以传递来自所述光瞳面的被选择部分的光；和，收集器，用于将由所述空间光调制器传递的光收集至检测元件上。

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