CN110050232A

CN110050232A - 量测设备、光刻系统和测量结构的方法

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Publication number: CN110050232A
Application number: CN201780075933.9A
Authority: CN
Inventors: N·潘迪; A·E·A·科伦
Original assignee: ASML Netherlands BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2019-07-23
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: IL267092B1; TWI691801B; US20180173111A1; KR102264717B1; IL267092A; CN110050232B; WO2018104025A1; EP3333632A1; US10895812B2; IL267092B2; TW201833683A; KR20190094200A

Abstract

公开了用于测量通过光刻过程在衬底上形成的结构的量测设备和方法。在一种布置中，光学系统利用辐射照射所述结构并检测被所述结构散射的辐射。光学系统包括第一发散元件(121)。第一发散元件使仅仅来自光瞳平面场分布的第一部分(41)的散射辐射沿着第一发散方向(56)以光谱形式发散。第二发散元件(122)与第一发散元件分离开并使仅仅来自所述光瞳平面场分布的第二部分(42)的散射辐射沿着第二发散方向(57)以光谱形式发散，所述光瞳平面场分布的第二部分与所述光瞳平面场分布的第一部分不同。

Description

量测设备、光刻系统和测量结构的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年12月8日提交的欧洲申请16202927.6的优先权，该欧洲申请通过引用全文并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于测量通过光刻过程在衬底上形成的结构的量测设备、一种光刻系统和一种测量通过光刻过程在衬底上形成的结构的方法。

背景技术

光刻设备是一种将所期望的图案施加到衬底(通常是在衬底的目标部分)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IC的单层上形成的电路图案。可以将该图案转印到衬底(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。典型地，通过将图案成像到设置在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上进行图案的转印。通常，单个衬底将包含被连续图案化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的准确度的度量。可依据两个层之间的未对准程度来描述重叠，例如，对被测量的1nm的重叠的提及可描述两个层存在1nm的未对准的情形。

近来，各种形式的散射仪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。确定所感兴趣的属性可以通过各种技术来执行：例如，通过诸如严格耦合波分析或有限元方法等迭代方法进行目标的重构；库搜索；以及主成分分析。

常规散射仪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斑(即，光栅未被充满)。这简化了目标的数学重构，这是由于可将目标视为无限的。然而，为了减小所述目标的大小(例如至10μm×10μm，或更小)，例如使得它们能够被定位于产品特征当中、而非定位于划线中，已提出使光栅小于测量斑(即，光栅过度填充)的量测。典型地，使用暗场散射测量来测量这些目标，其中零阶衍射(对应于镜面反射)被阻挡，且仅较高阶被处理。暗场量测的示例可以在国际专利申请WO 2009/078708和WO 2009/106279中找到，这些文献通过引用全文并入本文。已经在专利出版物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并入本文。使用衍射阶的暗场检测的基于衍射的重叠实现在较小的目标上进行重叠的测量。这些目标可以小于照射斑并且可以被晶片上的产品结构包围。目标可包括能够在一个图像中测量的多个光栅。

在已知的量测技术中，通过在某些条件下测量重叠目标两次，同时旋转重叠目标或改变照射模式或成像模式以分别地获得-1和+1衍射阶(正第一衍射阶和负第一衍射阶)强度，来获得重叠测量结果。关于给定重叠目标，强度不对称性(这些衍射阶强度的比较)提供目标不对称性(即，目标中的不对称性)的量度。重叠目标中的这种不对称性能够用作重叠误差(两个层的不期望的未对准)的指示。

当执行这种暗场散射测量时，量测设备当前可在任一时间使用单一波长的测量辐射来执行测量。然而，不同层中的不同目标可以显示对于不同波长测量辐射的不同行为，这会引起变化的测量品质。作为波长的函数的变化也可能由于对目标结构的处理诱发的改变而产生。例如，诸如化学机械平坦化蚀刻之类的半导体制造过程、层厚度的非均一性和在沉积期间晶片的表面上的厚度变化改变量测目标的结构，因此也改变最佳波长。因此，期望将测量辐射单独地调谐至目标和/或层。

发明内容

期望提供允许有效地执行高品质测量的量测设备和方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种量测设备，用于测量通过光刻过程在衬底上形成的结构，所述量测设备包括：光学系统，配置成利用辐射照射所述结构并且检测由所述结构散射的辐射，所述光学系统包括：第一发散元件，配置成使仅仅来自光瞳平面场分布的第一部分的散射辐射沿着第一发散方向以光谱形式发散；和第二发散元件，与所述第一发散元件分离，配置成使仅仅来自所述光瞳平面场分布的第二部分的散射辐射沿着第二发散方向以光谱形式发散，所述光瞳平面场分布的第二部分与所述光瞳平面场分布的第一部分不同。

根据本发明的一个方面，提供了一种量测设备，用于测量通过光刻设备在衬底上形成的结构，所述量测设备包括：光学系统，配置成利用辐射照射所述结构并且检测由所述结构散射的辐射，所述光学系统包括：束旋转装置，配置成使得所述散射辐射的束的至少一部分在第一光瞳平面和第二光瞳平面之间旋转，所述旋转使得：在所述第一光瞳平面中的第一光瞳平面场分布包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分与所述第二部分不重叠，所述第一部分的形状和尺寸与所述第二部分的形状和尺寸相同；和在所述第二光瞳平面中的第二光瞳平面场分布包括形状和尺寸与所述第一光瞳平面场分布的所述第一部分的形状和尺寸相同的部分，其中来自所述第一光瞳平面场分布的所述第一部分和所述第二部分的所有辐射传递通过所述第二光瞳平面场分布的所述部分。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量通过光刻过程在衬底上形成的结构的方法，包括：利用辐射照射所述结构以产生从所述结构散射的辐射；使用第一发散元件以使仅仅来自光瞳平面场分布的第一部分的散射辐射沿着第一发散方向以光谱形式发散；使用与所述第一发散元件分离的第二发散元件使仅仅来自所述光瞳平面场分布的第二部分的散射辐射沿着第二发散方向以光谱形式发散，所述光瞳平面场分布的第二部分与所述光瞳平面场分布的第一部分不同；及检测来自所述光瞳平面场分布的被发散的第一部分和来自所述光瞳平面场分布的被发散的第二部分的辐射。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量通过光刻设备在衬底上形成的结构的方法，包括：利用辐射照射所述结构以产生从所述结构散射的辐射；使散射辐射的束的至少一部分在第一光瞳平面和第二光瞳平面之间旋转，所述旋转使得：在所述第一光瞳平面中的第一光瞳平面场分布包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分与所述第二部分不重叠，所述第一部分的形状和尺寸与所述第二部分的形状和尺寸相同；和在所述第二光瞳平面中的第二光瞳平面场分布包括形状和尺寸与所述第一光瞳平面场分布的所述第一部分的形状和尺寸相同的部分，其中来自所述第一光瞳平面场分布的所述第一部分和所述第二部分的所有辐射传递通过所述第二光瞳平面场分布的所述部分。

附图说明

现在将参考所附的示意性附图仅通过举例方式来描述本发明的实施例，在附图中对应的附图标记指示对应部件，且在附图中：

图1描绘了一种光刻设备；

图2描绘了一种光刻单元或簇；

图3包括：(a)用于使用第一对照射孔测量目标的暗场散射仪的示意图；(b)目标光栅的针对给定的照射方向的衍射光谱的细节；(c)对已知形式的多个光栅目标和衬底上的测量斑的轮廓的描绘；和(d)对图3(c)的目标在图3(a)的散射仪中获得的图像的描绘；

图4描绘了根据本发明的实施例的量测设备；

图5描绘了一种示例孔板；

图6描绘了一种示例光瞳平面场分布；

图7(a)描绘了在透镜阵列上的代表性的发散的光瞳平面场分布；

图7(b)是显示针对不同透镜的光瞳平面场分布的第一部分的透射率(竖直轴线)作为波长(水平轴线)的函数的曲线图；

图7(c)是显示针对不同透镜的光瞳平面场分布的第二部分的透射率(竖直轴线)作为波长(水平轴线)的函数的曲线图；

图8描绘了一种具有反射型发散元件的多光谱单元；

图9描绘了一种具有透射型发散元件的多光谱单元；

图10描绘了一种示例光瞳平面场分布以及第一发散方向和第二发散方向；

图11描绘了到第一透镜阵列上的第一部分的示例发散光瞳平面场分布和到第二透镜阵列上的第二部分的示例发散光瞳平面场分布；

图12描绘了一种图10的光瞳平面场分布的示例旋转；

图13示意性地描绘了多光谱单元的光学部件的替代定序，其中光楔定位于束旋转装置之后；

图14(a)描绘了在第一透镜阵列上的光瞳平面场分布的代表性的发散的第一部分；

图14(b)描绘了在第二透镜阵列上的光瞳平面场分布的代表性的发散的第二部分；

图14(c)是显示针对不同透镜的第一部分和第二部分的透射率(竖直轴线)作为波长(水平轴线)的函数的曲线图；

图15示意性地描绘了具有两个子元件的偏振旋转装置的操作；

图16描绘了在由图15的偏振旋转装置进行偏振旋转之前对应于第一部分的辐射相对于第一发散元件的两个不同偏振；

图17描绘了在由图15的偏振旋转装置进行偏振旋转之后对应于第一部分的辐射相对于第一发散元件的两个不同偏振；和

图18描绘了一种替代的多光谱单元，其中使光瞳平面场分布的不同部分旋转，使得其在执行发散时彼此重叠。

具体实施方式

本说明书公开了包括本发明特征的一个或更多个实施例。所公开的实施例仅仅举例说明了本发明。本发明的范围不限于所公开的实施例。本发明由所附权利要求限定。

所描述的实施例以及说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的参考指示所描述的实施例可包括特定的特征、结构或特性，但每个实施例可能不一定包括所述特定的特征、结构或特性。而且，这些短语不一定指的是相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，应理解，结合无论是否被明确描述的其它实施例而实现这样的特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。

在更为详细地描述这些实施例之前，提出一个可以实施本发明的实施例的示例环境是有指导意义的。

图1示意性地描绘了一种光刻设备LA。所述光刻设备包括：照射系统(照射器)IL，配置成调节辐射束B(例如UV辐射或DUV辐射)；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，所述第一定位器PM配置成根据特定参数来准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(例如涂覆抗蚀剂的晶片)W并且连接到第二定位器PW，所述第二定位器PW配置成根据特定参数来准确地定位衬底；以及投影系统(例如折射型投影透镜系统)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。

照射系统可以包括各种类型的光学部件，诸如折射型、反射型、磁性型、电磁型、静电型或其它类型的光学部件、或其任意组合，用以引导、成形、或控制辐射。

支撑结构支撑(即承载)图案形成装置的重量。支撑结构以依赖于图案形成装置的方向、光刻设备的设计和诸如例如图案形成装置是否保持在真空环境中的其他条件的方式保持图案形成装置。所述支撑结构可以采用机械的、真空的、静电的或其它夹持技术保持图案形成装置。所述支撑结构可以是框架或台，例如，其可以根据需要成为固定的或可移动的。所述支撑结构可以确保图案形成装置(例如相对于投影系统)位于所期望的位置上。这里使用的任何术语“掩模版”或“掩模”可以被认为与更上位的术语“图案形成装置”同义。

这里使用的术语“图案形成装置”应该被广义地解释为表示能够用于在辐射束的横截面上赋予辐射束图案、以在衬底的目标部分上形成图案的任何装置。应注意，被赋予至辐射束的图案可以不完全对应于衬底的目标部分中的所期望的图案，例如，如果图案包括相移特征或所谓的辅助特征。通常，被赋予至辐射束的图案将对应于在目标部分中产生的器件(诸如集成电路)中的特定功能层。

图案形成装置可以是透射型的或反射型的。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类型、交替型相移掩模类型、衰减型相移掩模类型和各种混合掩模类型之类的掩模类型。可编程反射镜阵列的示例采用小反射镜的矩阵布置，每一个小反射镜可以单独地倾斜，以便沿不同的方向反射入射的辐射束。所述已倾斜的反射镜将图案赋予由所述反射镜矩阵反射的辐射束。

这里使用的术语“投影系统”应该被广义地解释为包括各种类型的投影系统，包括折射型光学系统、反射型光学系统、反射折射型光学系统、磁性型光学系统、电磁型光学系统和静电型光学系统或其任意组合，例如对于所使用的曝光辐射或者对于诸如使用浸没液体或使用真空之类的其他因素合适的。这里使用的任何术语“投影透镜”可以被认为与更上位的术语“投影系统”同义。

在这个实施例中，例如，所述设备属于透射型(例如，采用透射型掩模)。可替代地，所述设备可以属于反射型(例如，采用如上文所提及类型的可编程反射镜阵列，或采用反射型掩模)。

光刻设备可以是具有两个(双平台)或更多个衬底台和例如两个或更多个掩模台的类型。在这种“多平台”机器中，可以并行地使用附加的台，或可以在一个或更多个台上执行预备步骤的同时，将一个或更多个其它台用于曝光。

光刻设备也可以是这样一种类型：其中衬底的至少一部分可以被具有相对高折射率的液体(例如水)覆盖，以便填充投影系统和衬底之间的空间。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。本领域中众所周知的是，浸没技术用于增加投影系统的数值孔径。这里使用的术语“浸没”并不意味着诸如衬底的结构必须浸没在液体中；相反，“浸没”仅意味着在曝光期间液体位于投影系统和衬底之间。

参照图1，照射器IL接收来自辐射源SO的辐射束。例如，当所述源为准分子激光器时，所述源和光刻设备可以是分立的实体。在这种情况下，不认为所述源构成光刻设备的一部分，且借助于包括(例如)适合的定向反射镜和/或扩束器的束传递系统BD将辐射束从源SO传递至照射器IL。在其它情况下，例如当所述源为汞灯时，所述源可以是所述光刻设备的组成部分。可以将源SO和照射器IL以及需要时设置的束传递系统BD一起称为辐射系统。

所述照射器IL可以包括用于调整所述辐射束的角强度分布的调整器AD。通常，可以调整照射器的光瞳平面中的强度分布的至少外部径向范围和/或内部径向范围(其通常分别被称为σ-外部和σ-内部)。此外，照射器IL可以包括各种其他部件，诸如，积分器IN和聚光器CO。所述照射器可以用于调节所述辐射束，以在其横截面中具有所期望的均匀性和强度分布。

所述辐射束B入射到保持在支撑结构(例如，掩模台MT)上的所述图案形成装置(例如，掩模MA)上，并且通过所述图案形成装置来形成图案。在已横穿掩模MA的情况下，辐射束B传递通过投影系统PS，所述投影系统将所述束聚焦到衬底W的目标部分C上。借助于第二定位器PW和位置传感器IF(例如，干涉仪器件、线性编码器、2-D编码器或电容传感器)，可以准确地移动衬底台WT，例如以便将不同的目标部分C定位于辐射束B的路径中。类似地，例如在从掩模库进行机械获取之后，或在扫描期间，可以将第一定位器PM和另一个位置传感器(图1中未明确示出)用于相对于辐射束B的路径准确地定位掩模MA。通常，可以借助于构成所述第一定位器PM的一部分的长行程模块(粗定位)和短行程模块(精定位)来实现掩模台MT的移动。类似地，可以采用构成第二定位器PW的一部分的长行程模块和短行程模块来实现所述衬底台WT的移动。在步进器的情况下(与扫描器相反)，掩模台MT可以仅与短行程致动器相连，或可以是固定的。可以通过使用掩模对准标记MI、M2和衬底对准标记PI、P2来对准掩模MA和衬底W。尽管所示的衬底对准标记占据了专用目标部分，但是它们可以位于多个目标部分之间的空间(这些公知为划线对准标记)中。类似地，在将多于一个的管芯设置在掩模MA上的情况下，掩模对准标记可以位于所述管芯之间。

所描绘出的设备可以用于下列模式中的至少一种中：

1.在步进模式中，在将掩模台MT和衬底台WT保持为基本静止的同时，将赋予所述辐射束的整个图案一次投影到目标部分C上(即，单一的静态曝光)。然后将所述衬底台WT沿X和/或Y方向移动，使得可以对不同目标部分C曝光。在步进模式中，曝光场的最大尺寸限制了在单一的静态曝光中被成像的目标部分C的尺寸。

2.在扫描模式中，在对掩模台MT和衬底台WT同步地进行扫描的同时，将赋予所述辐射束的图案投影到目标部分C上(即，单一的动态曝光)。衬底台WT相对于掩模台MT的速度和方向可以通过所述投影系统PS的(缩小)放大率和图像反转特性来确定。在扫描模式中，曝光场的最大尺寸限制了单一动态曝光中目标部分的宽度(沿非扫描方向)，而所述扫描运动的长度决定了目标部分的高度(沿扫描方向)。

3.在另一模式中，将用于保持可编程图案形成装置的掩模台MT保持为基本静止，并且在对所述衬底台WT进行移动或扫描的同时，将赋予所述辐射束的图案投影到目标部分C上。在这种模式中，通常采用脉冲辐射源，并且在所述衬底台WT的每一次移动之后、或在扫描期间的连续辐射脉冲之间，根据需要更新所述可编程图案形成装置。这种操作模式可易于应用于利用可编程图案形成装置(诸如，如上所提及类型的可编程反射镜阵列)的无掩模光刻术中。

也可采用上文所描述的使用模式的组合和/或变形例，或完全不同的使用模式。

如图2所示，光刻设备LA构成光刻单元LC的一部分，并且有时被称为光刻元或簇，光刻单元LC还包括用于在衬底上执行曝光前和曝光后过程的设备。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，在不同的过程设备之间移动衬底，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涂胶显影机，并且由涂胶显影机控制单元TCU控制，该涂胶显影机控制单元TCU本身由管理控制系统SCS控制，该管理控制系统SCS也经由光刻控制单元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。

为了正确且一致地曝光由光刻设备所曝光的衬底，期望检查被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)等属性。如果检测到误差，则可以例如对后续衬底的曝光进行调整，特别是如果在检查可足够迅速地且快速地进行而使得同一批次的其它衬底仍处于待曝光的情况下。此外，已经曝光的衬底可被剥离并返工-以改善良率-或可能被废弃，由此避免对已知有缺陷的衬底执行曝光。在仅衬底的一些目标部分有缺陷的情况下，可仅对被认为没有缺陷的那些目标部分执行进一步曝光。

使用量测设备来确定衬底的属性，尤其是确定不同衬底或同一衬底的不同层的属性如何在层间变化。所述量测设备可集成至光刻设备LA或光刻元LC中，或可以是独立的装置。为了实现最快速的测量，期望量测设备在曝光之后立即测量被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，这是因为在已被辐射曝光的抗蚀剂部分与尚未被辐射曝光的抗蚀剂部分之间仅存在非常小的折射率差，并且并非所有的量测设备都具有足够的灵敏度来进行有用的潜像测量。因此，可在曝光后焙烤步骤(PEB)后进行测量，曝光后焙烤步骤(PEB)通常为对已曝光的衬底进行的第一步骤且增加抗蚀剂的已曝光部分与未曝光部分之间的对比度。在这一阶段，抗蚀剂中的图像可被称作半潜像(semi-latent)。也可以对显影后的抗蚀剂图像进行测量-此时，抗蚀剂的曝光部分或未曝光部分已被移除-或在图案转印步骤(诸如蚀刻)后进行显影后的抗蚀剂图像的测量。后一种可能性限制了有缺陷的衬底返工的可能性，但仍可以提供有用的信息。

图3(a)中示出了一种量测设备。图3(b)中更为详细地示出了目标T和用于照射目标的测量辐射的衍射射线。所示出的量测设备属于已知为暗场量测设备的类型。所述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)，或被包括在光刻单元LC中。用虚线O表示具有贯穿所述设备的几个支路的光轴。在这种设备中，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引导到衬底W上。这些透镜被布置成4F布置的双次序。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，同时允许接近中间光瞳平面用于空间频率滤光。因此，可以通过在呈现衬底平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)光瞳平面。具体地，这可以通过在物镜光瞳平面的后投影图像的平面中、在透镜12和14之间插入适当形式的孔板13来完成。在图示的示例中，孔板13具有被标注为13N和13S的不同的形式，以允许选择不同的照射模式。本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，仅为了便于描述起见，孔板13N提供从指定为“北”的方向的离轴(照射)。在第二照射模式中，孔板13S用于提供类似的照射，但是从标注为“南”的相反方向的照射。通过使用不同的孔，其它的照射模式是可能的。期望光瞳平面的其余部分是暗的，这是因为在所期望的照射模式之外的任何不必要的光都可能干扰所期望的测量信号。

如图3(b)所示，目标T被放置成衬底W垂直于物镜16的光轴O。衬底W可由支撑件(未示出)支撑。从偏离轴线O一角度射到目标T上的测量辐射的射线I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)。应注意，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实际上会占据一角度范围，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。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3(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能够在图中更容易区分开。

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。返回至图3(a)，第一照射模式和第二照射模式两者都通过指定标注为北(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，标注为+1(N)的+1阶衍射射线进入物镜16。相比，当使用孔板13S施加第二照射模式时，-1阶衍射射线(标注为-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(光瞳平面图像)。每个衍射阶击中传感器上的不同点，以便图像处理可以比较和对比多个阶。由传感器19捕获的光瞳平面图像可以用于聚焦量测设备和/或对第一阶束的强度测量值进行归一化。光瞳平面图像也可以用于诸如重构等许多测量目的。

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，孔径光阑21设置在与光瞳平面共轭的平面中。孔径光阑21起到阻挡第零阶衍射束的作用，使得目标的形成在传感器23上的图像仅由-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，则同理将不会形成光栅线的图像。

图3所示的特定形式的孔板13和场阑21仅仅是示例。在本发明的另一个实施例中，使用对目标的同轴照射，并且使用具有离轴孔的孔径光阑以将衍射光中的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，代替第一阶束或者除第一阶束之外，可以在测量中使用第二阶、第三阶和更高阶束(图3中未示出)。

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，该盘旋转以将所期望的图案带到合适的位置。应该注意的是，孔板13N或13S仅用于测量在一个方向(X方向或Y方向，这依赖于设置)上定向的光栅。为了测量正交的光栅，可以实施90°和270°的目标旋转。在上文提到的先前公开的申请中描述了这些的使用和所述设备的许多其它变型及应用。

图3(c)描绘根据已知的实践在衬底上形成的(复合)目标。在这个示例中的复合目标包括紧密地定位在一起的四个光栅25a至25d，使得它们都将位于由量测设备的量测辐射照射束形成的测量场景或测量斑24内。因此，四个光栅都被同时地照射并被同时地成像在传感器19和23上。在专用于重叠测量的示例中，光栅25a至25d本身是通过重叠的光栅所形成的复合光栅，所述重叠光栅在形成于衬底W上的半导体器件的不同层中被图案化。光栅25a至25d可以具有不同偏置的重叠偏移(层之间的有意的失配)，以便促进在形成有复合光栅的不同部分的不同层之间的重叠测量。这些技术对于技术人员而言是公知的，将不对其进行进一步地描述。光栅25a至25d也可以在它们的方向上不同，如图所示，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25a和25c分别是具有+d、-d偏置的X方向光栅。光栅25b和25d分别是具有偏移+d和-d的Y方向光栅。这些光栅的分立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。目标可以包括多于四个的光栅或少于四个的光栅，或仅包括单个光栅。

图3(d)示出了在图3(a)的设备中使用图3(c)的目标而可以在传感器23上形成且由传感器23检测到的图像的示例。虽然光瞳平面图像传感器19不能分辨不同的单独光栅25a至25d，但图像传感器23可以分辨出不同的单独光栅25a至25d。黑色的矩形表示传感器上的图像的场，衬底上的照射斑24在该场内被成像到相应的圆形区域26内。在该区域内，矩形区域27a-27d表示小的目标光栅25a至25d的图像。如果目标位于产品区域中，则也可能在该图像场的周边看见产品特征。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25a至25d的分立的图像27a至27d。这样，所述图像不必非常精确地在传感器框架内的特定部位处被对准，这极大地改善了整个测量设备的生产量。

一旦光栅的分立的图像已被识别，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一个重要示例。

当前，当使用第二成像支路来执行暗场测量时，所使用的测量辐射仅包括单一波长。最优波长依赖于存在于目标中的薄膜层的特定厚度。随着层厚度在晶片上发生改变，测量辐射需要对单独目标进行单独调谐。这可以由在波长范围下依序测量来完成，但这花费相当大的时间且降低制造过程的生产力。始终期望减少测量时间以增加制造生产力和/或准确度(通过允许进行更多的测量)。另外，有时执行多层重叠测量，在多层重叠测量中，在单个图像中捕获不同层中的多个目标。对于此类多层测量，对不同层中的目标进行波长的优化是不可能的，所选择的波长将仅为不同目标的最佳折衷。

图4示意性地图示目的在于解决这些问题的量测设备架构。它通过并行地使用多个波长对目标(例如，其可相似于图3(c)中所描绘的目标)执行测量来完成这一目的。所使用的技术可被称作多光谱成像。这允许针对每个单独的层选择最优波长。因此，当执行例如多层测量时，可在不牺牲生产量的情况下针对每个目标优化波长。而且，提供目标的完整光谱图会改善重叠测量相对于过程变化的鲁棒性。

量测设备在很大程度上与图3(a)的量测设备、且尤其是这个设备的第二测量支路相同(根据本公开的设备可以以与图3(a)中所图示的方式相似的方式包括另一测量支路)。因此，照射系统与传感器之间的光学设计原理大体上不变，其中相同的标记属于等同的元件。

早先设计与图4的量测设备之间的主要差别是照射系统30和包括多光谱单元32，来替代传感器23。

照射系统30提供包括多个波长的测量辐射。测量辐射可以包括连续光谱或多个离散波长(或波长带)。在实施例中，所述测量辐射可以包括自400nm至900nm延伸的多个波长。

图4描绘了用于测量通过光刻过程而形成于衬底W上的结构的量测设备的示例。图3(c)的四个光栅25a-25d是适合于通过所述量测设备进行测量的结构的示例。量测设备包括光学系统，所述光学系统配置成利用辐射照射所述结构并且检测由所述结构散射的辐射。光学系统包括能够同时地检测不同波长带中的散射辐射的多光谱单元32。关于多光谱单元32的另外细节将在下文进行讨论。

图5描绘了适合于与根据实施例的量测设备一起使用的示例孔板13。所述孔板13可例如如图3中所示定位于光瞳平面中(替代例如孔板13N和13S)。光瞳平面可以是与物镜16的光瞳平面共轭的平面。光瞳平面是形成有目标的衍射光谱的至少部分(其有时被称作光瞳平面图像)的平面。

图5的孔板13允许辐射传递通过圆形区的左上方和右下方象限。孔板13阻挡辐射通过圆形区的右上方和左下方象限。孔板13因此限定辐射在孔板13的部位处的光瞳平面场分布，其随后将照射目标T(包括待测量的结构)。

图6示意性地描绘了自包括正交的X方向光栅和Y方向光栅的结构(诸如图3(c)中所示的目标T)散射的辐射的光瞳平面场分布。散射辐射的光瞳平面场分布形成于以光学方式定位于目标T下游的光瞳平面中。这种光瞳平面同样可以是与物镜16的光瞳平面共轭的平面。第零阶散射(镜面反射)使源自由图5的孔板13限定的光瞳平面场分布的左上方象限和右下方象限中的任一者的辐射提供对图6的光瞳平面场分布的贡献，所述贡献也完全在左上方象限和右下方象限内(如由图6中的“0”示意性地指示的)。相比，来自X方向光栅和Y方向光栅的高于零阶的散射将提供对图6的光瞳平面场分布的贡献，所述贡献在左上方象限和右下方象限的外面(即，在如由图6中示意性地指示的右上方象限和右下方象限中-应注意，+1和-1区的形状并不旨在表示这些区在实践中的确切形状，其可不同于所示出的形状)。为了以高灵敏度测量高于零阶的散射辐射，可将孔径光阑提供于图6的光瞳平面中，所述孔径光阑阻挡左上方象限和右下方象限中的光(即，零阶散射辐射)。在此情况下，如图6所标注，下游的贡献于检测信号的光瞳平面场分布将包括第一部分41(图6中的右上方象限；为了清楚起见由粗线环绕)和第二部分42(图6中的左下方象限；为了清楚起见也由粗线环绕)。

如图7中示意性地描绘，在用于多光谱成像的一种途径中，由散射辐射形成的光瞳平面场分布在透镜51至54(为简单起见示出为正方形)的阵列上以光谱形式发散(即，根据散射辐射的波长而发散)。透镜51-54的阵列将对应于散射辐射的光谱的不同部分的辐射聚焦至检测器的对应不同部分上。图7(a)显示针对离散的均匀间隔的波长的图6中所描绘的类型的代表性发散的光瞳平面场分布(其中零阶被阻挡)(为了清楚起见描绘离散的波长，因为在实践中发散将提供连续的光瞳平面场分布)。每一代表性的光瞳平面场分布包括第一部分41(标记有A至H中的一个)和第二部分42(标记有A′至H′中的对应一个)。图7(b)显示针对透镜52和53中的每一个透镜的、作为波长函数的光瞳平面场分布的第一部分41的透射率。图7(c)显示针对透镜52和53中的每一个透镜、作为波长的函数的光瞳平面场分布的第二部分42的透射率T。

图7(b)和图7(c)显示当给定的光瞳平面场分布的波长以透镜51-54中的任意两个透镜之间的边界55为中心时，该光瞳平面场分布的第一部分41和第二部分42入射于不同的透镜上。第一部分41最大限度地贡献于边界右侧的透镜，而第二部分42对所述透镜的贡献为零。随着波长增大，第一部分41对所述透镜的贡献将保持恒定，而来自第二部分42的贡献将随着波长增加而线性地增大直至光瞳平面场分布已移动所述光瞳平面场分布的宽度的一半为止。随着波长继续增加，第一部分41最终将开始与右侧的下一透镜重叠，并且来自第一部分41的贡献将之后针对一个透镜线性地降低且针对下一透镜线性地上升。因此，对于每一透镜以及对于第一部分41和第二部分42中的每一个而言，透射率T线性地上升、保持稳定、之后线性地降低。然而，重要的是，第一部分41的透射率T相对于第二部分42的透射率T作为波长的函数而相移。这个示例中的相移的幅度等于对应于光瞳平面场分布移动所述光瞳平面场分布的宽度的一半的波长范围。

发散的光瞳平面场分布中的第一部分41与第二部分42之间的相移在使用所述发散的光瞳平面场分布进行测量时造成不期望的工具诱发移位(TIS)误差。TIS误差通过由不使用对应于图7(b)和图7(c)中的上升和下降的区域T的波长而降低(即，在光瞳平面场分布与两个不同的透镜重叠的情况下)。然而，这意味着感兴趣的光谱的相当大部分在检测器处是不可利用的。

下文所描述的实施例采用不同的途径，所述途径在来自感兴趣的光谱的辐射具有最小损失或没有损失的情况下降低或避免TIS误差。所述实施例可以使用上述参考图3和图4所描述的量测设备来实施，其中多光谱单元32配置成如下文参考图8-18所描述的来操作。

在实施例中，多光谱单元32包括第一发散元件121。第一发散元件121使仅仅来自光瞳平面场分布的第一部分41的散射辐射沿着第一发散方向56(图10和图12中所示)以光谱形式发散。多光谱单元32还包括第二发散元件122。第二发散元件122与第一发散元件121分离(例如与第一发散元件121隔开)。第二发散元件122使仅仅来自光瞳平面场分布的第二部分42的散射辐射沿着第二发散方向57(图10和图12中所示)以光谱形式发散。在实施例中，第一发散元件121以光谱形式发散来自第一部分41的所有辐射且不以光谱形式发散来自第二部分42的辐射，第二发散元件122以光谱形式发散来自第二部分42的所有辐射且不以光谱形式发散来自第一部分41的辐射。

第一部分41可包括为圆形区的象限，如例如图6中所描绘。在这种实施例中，第二部分42可包括不同象限，例如圆形区的完全相反或在直径上相反的象限。第一部分41不同于第二部分42。在实施例中，第一部分41不与第二部分42重叠。在实施例中，第一部分41与第二部分42具有彼此相同的尺寸，具有彼此相同的形状，或具有彼此相同的尺寸和彼此相同的形状。

第一发散元件121和第二发散元件122可每个都包括能够以依赖于辐射的波长的方式改变辐射的传播方向的任何元件。在实施例中，第一发散元件121和第二发散元件122中的任一者或两者包括衍射光栅或棱镜。第一发散元件121和第二发散元件122中的任一者或两者可以是反射型(如在下文所描述的图8中)或透射型(如在下文所描述的图9中)。

与上文在图7中所描述的途径形成对比(在图7中，所有光瞳平面场分布被一起作为一个单元发散)，提供第一发散元件121和第二发散元件122允许光瞳平面场分布的不同部分彼此独立地发散。这种增强的灵活性使得有可能以新方式处理散射辐射。一个期望的结果是可降低或避免光瞳平面场分布的不同部分之间的透镜透射率T之差(上文关于图7所讨论)，由此降低或避免TIS误差。

图8和图9描绘了多光谱单元32，其以彼此相同的方式进行操作，除了发散元件121、122在图8的布置中是反射型的、在图9的布置中是透射型的之外。以下描述详细地参考图8的部件，但是将理解，图9中所描绘的对应部件将以对应的方式进行操作。

在图8和图9的实施例中(且在其它实施例中)，光楔102定位成靠近平面101，在平面101中，光瞳平面场分布由进入多光谱单元32的散射辐射形成。光楔102分隔辐射使得对应于光瞳平面场分布的第一部分41的辐射沿着通向第一发散元件121的第一光学路径100a引导，对应于光瞳平面场分布的第二部分42的辐射沿着通向第二发散元件122的第二光学路径100b引导。第一部分41和第二部分42的分隔在图8中在水平(a)处示意性地描绘。

图8和图9的实施例(以及其它实施例)还包括束旋转装置103，所述束旋转装置使第一部分41和第二部分42旋转且在下文中进一步详细地描述。这种旋转在图8中的水平(b)处示意性地描绘。还提供将束中的每一个分隔(沿着第一光学路径I00a和第二光学路径100b)成两个正交偏振的依赖于偏振的分束器104，且在下文中对其进行进一步详细地描述。所述旋转在图8中的水平(c)处示意性地描绘。在由依赖于偏振的分束器104处理之后，辐射由由透镜105聚焦到第一发散元件121和第二发散元件122上。在所示出的实施例中，在第一发散元件121和第二发散元件122之前提供偏振旋转装置111-114，且在下文中对其进行进一步详细地描述。

在图8和图9的实施例中(且在其它实施例中)，多光谱单元32的光学系统经由透镜I06a将来自以光谱形式发散的第一部分41的散射辐射引导至第一透镜阵列131上。所述光学系统还经由透镜106b将来自以光谱形式发散的第二部分42的散射辐射引导至第二透镜阵列132上。第一透镜阵列131位于形成有光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分41的平面中。第二透镜阵列132位于形成有光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分42的平面中。第一透镜阵列131将辐射聚焦至第一检测器141上。第二透镜阵列132将辐射聚焦至第二检测器142上。在实施例中，来自每个阵列131、132的被聚焦辐射在各自检测器141、142上形成对应于被测量的结构的图像。

在实施例中，第一透镜阵列131和第二透镜阵列132中的任一者或两者包括以规则1D或2D阵列布置的多个透镜。在实施例中，所述透镜名义上是相同的(例如具有相同直径)，但可以单独地是可调整的以允许精调由所述透镜在相应的检测器141、142上形成的图像。例如，在实施例中，可单独地调整透镜中的每一个的焦距或位置。具有可单独调整焦距或位置的透镜在本领域中是众所周知的，因此在此不提供另外细节。精调透镜可以补偿例如透镜的作为波长的函数的光学属性的变化。

在实施例中，透镜被配置成校正变形，例如由第一发散元件121或第二发散元件122引入的变形。在实施例中，透镜被配置成校正不规则变形(anamorphic distortion)(其若不被校正将使圆形图像变形成椭圆形图像)。这可以例如通过使用圆柱形透镜来实现。

在所示的实施例中，将第一光学子系统设置于第一发散元件121和透镜阵列131之间。将第二光学子系统设置于第二发散元件122和透镜阵列132之间。在图8和图9的示例中，第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个包括两个可调整(例如可旋转安装的)反射元件110a、110b。反射元件110a、110b可被调整以控制光瞳平面场分布的发散的第一部分41和第二部分42在各自透镜阵列131和132上的定位。例如，可以在以下情况下需要调整反射元件110a、110b：需要检测光瞳平面场分布(其将由第一发散元件121和第二发散元件122不同地发散且因此需要对反射元件110a、110b进行不同定位以实现与透镜阵列131、132的对准)的不同光谱范围。

在实施例中，第一发散方向56相对于光瞳平面场分布与第二发散方向57相反。示例方向在图10和图12中相对于图6所示的类型的光瞳平面场分布显示。将第一发散方向56布置成与第二发散方向57相反有助于以光学对称方式处理光瞳平面场分布的不同部分41、42，这降低了TIS误差。

在实施例中，第一发散方向56和第二发散方向57平行于第一部分41的镜面对称线58和第二部分42的镜面对称线58。在图10和图12的示例中，第一部分41的镜面对称线58与第二部分42的镜面对称线58重合(图10中的对角线及图12中的水平线)。使第一部分41和第二部分42沿着镜面对称线58发散通过减小光瞳平面场分布的对应不同部分的发散度之间的差从而降低TIS误差。

在实施例中，光瞳平面场分布的第一部分41和第二部分42包括光瞳平面中具有相同形状和尺寸的非重叠区。在图10和图12的特定示例中，非重叠区为圆的完全或在直径上相反的象限。

在实施例中，在正被测量的结构包括光栅(例如X方向光栅和Y方向光栅)的情况下，光瞳平面场分布的第一部分41和光瞳平面场分布的第二部分42分别包含来自所述光栅的相等且相反的衍射阶。在其中光瞳平面场分布由来自包括X方向光栅和Y方向光栅的结构的第一阶衍射形成的图6、图10和图12的示例中，光瞳平面场分布的第一部分41包括来自X方向光栅的+1阶衍射和来自Y方向光栅的-1阶衍射。光瞳平面场分布的第二部分42包括来自Y方向光栅的+1阶衍射和来自X方向光栅的-1阶衍射。

在实施例中，第一发散元件121和第二发散元件122被定向成使得第一部分41和第二部分42可沿着各自的第一发散方向56和第二发散方向57而发散，而在散射辐射到达第一发散元件121和第二发散元件122之前光瞳平面场分布无任何旋转。因此，直接地实现如图10中所图示的发散。图11描绘了到透镜51-53的第一阵列131上的第一部分41和到透镜51’-53’的第二阵列132上的第二部分42的示例发散的光瞳平面场分布。

在替代实施例中，如图8和图9中所例示，光学系统包括束旋转装置103，该束旋转装置在将来自光瞳平面场分布的第一部分41的辐射引导至第一发散元件121上之前及在将来自光瞳平面场分布的第二部分42的辐射引导至第二发散元件122上之前使光瞳平面场分布旋转预定角度。束旋转装置103可例如使用杜夫(Dove)棱镜(自截头型直角棱镜成形的已知棱镜)来实施。使光瞳平面场分布旋转使得有可能有效地测量具有不同方向的结构，而不必须执行诸如第一发散元件121和第二发散元件122的下游光学元件的基本的再定位。预定角度可因此被选择成(例如)使得第一发散方向56和第二发散方向57(由第一发散元件121和第二发散元件122的各自方向限定)平行于第一部分41的镜面对称线58且平行于第二部分42的镜面对称线58。示例旋转在图12中示意性地进行描绘。在这个示例中，旋转包括45度的顺时针旋转，使得镜面对称线58是水平的且与由这个示例的第一发散元件121和第二发散元件122提供的发散方向56和57对准。

在图8和图9的实施例中，束旋转装置103定位于光楔102之后。图13描绘了其中光楔102定位于束旋转装置之后的替代方案。因此，第一部分41和第二部分42由束旋转装置103一起旋转，之后由光楔102分离且被引导到分离的第一发散元件121和第二发散元件122上。

在实施例中，如图11所图示，第一发散元件121和第一透镜阵列131相对于第二发散元件122和第二透镜阵列132被布置成使得形成于第一透镜阵列131的平面中的光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分41围绕两个正交的对称平面61和62相对于形成于第二透镜阵列132的平面中的光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分42镜面对称。这种对称性确保来自相等且相反的衍射阶的散射辐射在由各自检测器141、142检测之前传播通过对称光学路径，由此降低或避免TIS误差。

图14中呈现使用实施例可实现的对称发散且可将所述对称分散与图7所示的非对称发散进行比较。图14(a)显示第一透镜阵列131的透镜51-54上的光瞳平面场分布的代表性的发散的第一部分41。图14(b)显示第二透镜阵列132的对应的透镜51’-54’上的光瞳平面场分布的代表性的发散的第二部分42。与在图7(a)中一样，第一部分41被标注为A-H且其每个都对应于以相同字母标注为A′-H′的(即，源自由具有相同波长的辐射形成的光瞳平面分布)第二部分42。图14(c)显示针对透镜52-53和52’-53’中的每一个透镜、作为波长的函数的第一部分41和第二部分42的透射率T。图14(c)仅示出一个曲线图，因为：与在图7的布置不同，第一部分41的透射率T完全与第二部分42的透射率T重叠。并不存在上文关于图7所讨论的相移，且不存在对TIS误差的对应贡献。

在实施例中，多光谱单元32还包括依赖于偏振的分束器104。例如，如图8中的水平(c)处所描绘，依赖于偏振的分束器104将来自第一部分41的散射辐射分隔成具有第一偏振41a的辐射和具有第二偏振41b的辐射。依赖于偏振的分束器104还将来自第二部分42的散射辐射分隔成具有第一偏振42a的辐射和具有第二偏振42b的辐射。在实施例中，依赖于偏振的分束器104包括渥拉斯顿(Wollaston)棱镜(将光分离成两个正交线性偏振的射出束的已知装置)。

在实施例中，如图8中所描绘的，来自光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分的具有第一偏振41a的辐射被引导至第一透镜阵列131的第一子部分131a上。来自光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分的具有第二偏振41b的辐射被引导至第一透镜阵列131的第二子部分131b上。来自光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分的具有第一偏振42a的辐射被引导至第二透镜阵列132的第一子部分132a上。来自光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分的具有第二偏振42b的辐射被引导至第二透镜阵列132的第二子部分132b上。因此，替代光瞳平面场分布的两组发散部分入射于透镜上(如图11中所描绘)，将四组发散部分入射于透镜上。来自两个不同偏振中的每一个的发散部分彼此平行。

在实施例中，设置偏振旋转装置111-114，其使入射于第一发散元件121上的辐射的偏振旋转，使得所述偏振与第一发散元件121的具有最高衍射效率的方向对准。偏振旋转装置111-114还使入射于第二发散元件122上的辐射的偏振旋转，使得所述偏振与第二发散元件122的具有最高衍射效率的方向对准。衍射效率因此得以改善，而且衍射效率针对两个偏振部件是相同的。在实施例中，施加至入射于第一发散元件121上的辐射的偏振的旋转与施加至入射于第二发散元件122上的辐射的偏振的旋转相同(例如45度旋转)，由此确保对两个偏振部件的对称光学处理。可使用各种已知光学部件来使偏振旋转，包括例如棱镜旋转器(例如第零阶波片、双重菲涅尔菱面体、宽带棱柱旋转器)、双折射旋转器或法拉第旋转器。

在图8和图9的实施例中，偏振旋转装置111-114包括四个元件：第一偏振旋转装置子元件111，其使来自第一部分41的具有第一偏振41a(在旋转之前)的散射辐射的偏振旋转；第二偏振旋转装置子元件112，其使来自第一部分41的具有第二偏振41b的散射辐射旋转；第三偏振旋转装置子元件113，其使来自第二部分42的具有第一偏振42a的散射辐射旋转；和第四偏振旋转装置子元件114，其使来自第二部分42的具有第二偏振42b的散射辐射旋转。

图15-图17描绘了一种替代的方法，其中仅需要两个偏振旋转装置子元件141和142。在这个实施例中，来自两个以光谱形式发散的部分中的每一个的具有相同偏振的辐射被引导至同一偏振装置子元件上。因此，来自以光谱形式发散的第一部分的具有第一偏振41a(在图15-图17的方向中是垂直的)的辐射411和来自以光谱形式发散的第二部分的具有第一偏振42a(也是垂直的)的辐射421入射于同一个偏振旋转装置子元件141上。所述偏振旋转装置子元件141使偏振顺时针旋转45度且将辐射分别引导至第一发散元件121和第二发散元件122上，所述第一发散元件121和第二发散元件122被设置成角度，从而使得被旋转的偏振与光栅线正交。所述旋转在图16和图17的上部部分中针对来自第一部分41的辐射进行描绘。以对应的方式，来自以光谱形式发散的第一部分的具有第二偏振41b(在图15-图17的方向中是水平的)的辐射412和来自以光谱形式发散的第二部分的具有第二偏振42b(也是水平的)的辐射422入射于同一个偏振旋转装置子元件142上。所述偏振旋转装置子元件142使偏振逆时针旋转45度且将辐射分别引导至第一发散元件121和第二发散元件122上，所述第一发散元件121和第二发散元件122被设置成角度，从而使得被旋转的偏振与光栅线正交。所述旋转在图16和图17的下部部分中针对来自第一部分41的辐射进行描绘。

在上述实施例中，通过使光瞳平面场分布的不同部分在不同方向上发散从而避免或降低了TIS误差。在替代实施例中，可以通过使光瞳平面场分布的不同部分旋转，使得其在执行发散时处于彼此上方(即，占据光瞳平面中的同一位置)来实现相似的效果。

在这种类型的实施例中，照射系统可以以上文描述的方式中的任一方式配置，以利用辐射照射待测量的结构并且检测由所述结构散射的辐射。散射辐射可以被引导至多光谱单元32中，多光谱单元的示例被在图18中示意性地描绘。设置束旋转装置70，其使散射辐射的束的至少一部分在第一光瞳平面501(例如辐射进入多光谱单元32所处的平面，该平面与物镜的光瞳平面共轭)与第二光瞳平面505(例如与所述物镜的光瞳平面共轭的另一平面)之间旋转。第一光瞳平面501中的第一光瞳平面场分布包括第一部分41和第二部分42(在图18中的平面501左侧的插图中示意性地描绘)。第一部分41与第二部分42不重叠。第一部分41和第二部分42的形状和尺寸相同。在所显示的特定示例中，第一部分41和第二部分42包括圆的彼此完全相反的象限。由束旋转装置70提供的旋转使得第二光瞳平面505中的第二光瞳平面场分布包括形状和尺寸与第一光瞳平面场分布的第一部分41和第二部分42中的每一个的形状和尺寸相同的部分41、42(圆的右下方象限)。来自第一光瞳平面场分布的第一部分41和第二部分42的所有辐射传递通过第二光瞳平面场分布的单个部分41、42。

在实施例中，束旋转装置70使散射辐射的束的第一部分旋转，使得第一光瞳平面场分布的第一部分41在第一指向上(例如顺时针)旋转第一量(例如90度)。束旋转装置70还使散射辐射的束的第二部分旋转，使得第一光瞳平面场分布的第二部分42在第二指向上(例如逆时针)旋转第一量(例如90度)，所述第二指向与第一指向相反。在所示的实施例中，透镜502和504限定图像平面503。束旋转装置70设置于所述图像平面503中。束旋转装置70包括元件70a(例如杜夫棱镜)，该元件提供散射辐射的束的第一部分的旋转(对应于图像511-参见图18中的平面503左侧的插图)。束旋转装置70还包括元件70b(例如杜夫棱镜)，所述元件提供散射辐射的束的第二部分的旋转(对应于图像512-参见图18中的平面503左侧的插图)。

因此，对应于第一部分41的辐射以相对于第二部分42对称的方式以光学方式进行处理，且使其结合在一起以便占据第二光瞳平面场分布中的同一区(参见图18中的平面505左侧的插图)。设置于第二光瞳平面505中的单个发散元件123(例如光栅或棱镜)将第一部分41和第二部分42以同样的方式发散，从而有效地提供第一部分41和第二部分42在相对于第一光瞳平面场分布的相反的方向上的发散。以光谱形式发散的第一部分41和以光谱形式发散的第二部分42被引导至单个透镜阵列133上。透镜阵列133将辐射聚焦至检测器143上。以光谱形式发散的第一部分41和以光谱形式发散的第二部分42将在相同位置处入射于透镜阵列133上，但可使其聚焦至检测器143的不同部分上，由此促进单独检测。例如，光楔可用于分隔第一光瞳平面501处或附近的辐射束，使得来自第一光瞳平面场分布的第一部分41和第二部分42的辐射沿着不同路径行进至透镜阵列133。因此，虽然以光谱形式发散的第一部分41和以光谱形式发散的第二部分42在相同位置处入射于透镜阵列133上，但其将从不同方向(角度)入射且因此将聚焦于检测器143上的不同位置处。

上述实施例允许利用来自多个不同波长带的辐射同时测量结构。因此可以进行结构的高品质测量，因为测量并不限于单一波长带。可以高效率进行测量，因为没有必要在不同时间使用不同的波长带来执行测量。此外，由光瞳平面场分布的不同部分的不均等的处理所引起的TIS误差被降低或避免。

本文中所描述的构思可用于实现多光谱测量的并行读出，来代替必须分离地选择每个波长并连续地执行多个测量。例如可以在对重叠目标执行重叠测量时使用这种测量。

利用不同波长的并行测量使得测量更加具有鲁棒性。例如，可通过组合多个颜色(例如通过使用盲源分离技术，如在美国申请14/906,896所描述的，该申请的全部内容在此通过引用并入本文)来获得更好的不对称性校正。

本文公开的构思可发现除了用于监视的目的、对结构在光刻后测量之外的用途。例如，这种检测器架构可用于基于光瞳平面检测的未来对准传感器构思中，用在光刻设备中以在图案化过程期间对准衬底。

虽然上文描述的目标是为测量目的而专门设计和形成的量测目标，但是在其它实施例中，可以在作为在衬底上形成的器件的功能部分的目标上测量属性。许多器件具有规则的类似光栅的结构。这里使用的术语“目标光栅”和“目标”不需要该结构已经专门设置用于正在执行的测量。

量测设备可以用于光刻系统中，诸如参照图2如上所述的光刻单元LC。光刻系统包括执行光刻过程的光刻设备LA。光刻设备可以被配置为当执行后续光刻过程时使用由量测设备进行的对通过光刻过程所形成结构的测量的结果，例如用以改善后续的光刻过程。

实施例可以包括计算机程序，其包含描述了测量结构上的目标和/或分析测量以获得关于光刻过程信息的方法的机器可读指令的一个或更多个序列。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)。在现有光刻术或量测设备已经在生产中和/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，以使处理器执行如本文所述的方法。

虽然在本文中对光刻设备用于IC的制造进行了具体参考，但是，应该理解，本文所述的光刻设备可以具有其他应用，例如集成光学系统的制造、磁畴存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等。本领域技术人员将理解，在这种替代应用的上下文中，这里使用的任何术语“晶片”或“管芯”可以被认为分别与更上位的术语“衬底”或“目标部分”同义。本文所指的衬底可以在曝光之前或之后例如在涂胶显影机(一种典型地将抗蚀剂层施加到衬底上并且对已曝光的抗蚀剂进行显影的工具)、量测工具和/或检查工具中进行处理。在可应用的情况下，可以将本文的公开内容应用于这种和其他衬底处理工具中。另外，所述衬底可以被处理一次以上，例如用于产生多层IC，使得本文使用的术语“衬底”也可以表示已经包含多个已处理层的衬底。

尽管上文已经具体参考了在光学光刻术的上下文中使用本发明的实施例，但是应当理解，本发明可以用于其他应用，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，图案形成装置中的形貌限定了在衬底上产生的图案。图案形成装置的形貌可以被压制到被提供给衬底的抗蚀剂层中，于是抗蚀剂通过应用电磁辐射、热、压力或者它们的组合被固化。在抗蚀剂被固化之后所述图案形成装置被移出抗蚀剂，在其中留下图案。

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(例如具有或约为365nm、355nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波长)和极紫外(EUV)辐射(例如具有在5-20nm的范围内的波长)以及诸如离子束或电子束等的粒子束。

在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，包括折射式的、反射式的、磁性的、电磁的和静电的光学部件。

在下面编号的方面中进一步描述了根据本发明的其它实施例：

1.一种量测设备，用于测量通过光刻过程在衬底上形成的结构，所述量测设备包括：

光学系统，配置成利用辐射照射所述结构并且检测由所述结构散射的辐射，所述光学系统包括：

第一发散元件，配置成使仅仅来自光瞳平面场分布的第一部分的散射辐射沿着第一发散方向以光谱形式发散；

第二发散元件，与所述第一发散元件分离，配置成使仅仅来自所述光瞳平面场分布的第二部分的散射辐射沿着第二发散方向以光谱形式发散，所述光瞳平面场分布的第二部分与所述光瞳平面场分布的第一部分不同。

2.根据方面1所述的设备，其中，所述第一发散方向相对于所述光瞳平面场分布与所述第二发散方向相反。

3.根据方面1或2所述的设备，其中，所述第一发散方向和所述第二发散方向平行于所述第一部分的镜面对称线和所述第二部分的镜面对称线。

4.根据前述方面中任一方面所述的设备，其中，所述光学系统配置成将来自以光谱形式发散的第一部分的散射辐射引导到第一透镜阵列上，并将来自以光谱形式发散的第二部分的散射辐射引导到第二透镜阵列上。

5.根据方面4所述的设备，其中，所述第一透镜阵列配置成将辐射聚焦到第一检测器上，所述第二透镜阵列配置成将辐射聚焦到第二检测器上。

6.根据方面4或5所述的设备，其中：

所述第一透镜阵列位于其中形成有所述光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分的平面中，所述第二透镜阵列位于其中形成有所述光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分的平面中。

7.根据方面6所述的设备，其中，所述第一发散元件和所述第一透镜阵列相对于所述第二发散元件和所述第二透镜阵列被布置成使得形成于所述第一透镜阵列的平面中的光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分围绕两个正交的对称平面与形成于所述第二透镜阵列的平面中的光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分镜面对称。

8.根据前述方面中任一方面所述的设备，其中，所述光学系统包括束旋转装置，所述束旋转装置配置成在将来自所述光瞳平面场分布的第一部分的辐射引导至所述第一发散元件之前和在将来自所述光瞳平面场分布的第二部分的辐射引导至所述第二发散元件之前使所述光瞳平面场分布旋转预定角度。

9.根据方面8所述的设备，其中，所述预定角度使得所述第一发散方向和所述第二发散方向平行于所述第一部分的镜面对称线和所述第二部分的镜面对称线。

10.根据前述方面中任一方面所述的设备，其中，所述光学系统被配置成使得当所述结构包括光栅时，所述光瞳平面场分布的第一部分和所述光瞳平面场分布的第二部分分别包含来自所述光栅的相等且相反的衍射阶。

11.根据前述方面中任一方面所述的设备，还包括依赖于偏振的分束器，所述依赖于偏振的分束器配置成将来自所述光瞳平面场分布的第一部分的散射辐射和来自所述光瞳平面场分布的第二部分的散射辐射中的每一个分隔成具有第一偏振的辐射和具有第二偏振的辐射。

12.根据方面11所述的设备，其中，所述光学系统配置成：

将来自所述光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分的具有所述第一偏振的辐射引导至所述第一透镜阵列的第一子部分上；

将来自所述光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分的具有所述第二偏振的辐射引导至所述第一透镜阵列的第二子部分上；

将来自所述光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分的具有所述第一偏振的辐射引导至所述第二透镜阵列的第一子部分上；及

将来自所述光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分的具有所述第二偏振的辐射引导至所述第二透镜阵列的第二子部分上。

13.根据方面12所述的设备，还包括偏振旋转装置，配置成：

使入射于所述第一发散元件上的辐射的偏振旋转，使得所述偏振与所述第一发散元件的具有最高衍射效率的方向对准；和

使入射于所述第二发散元件上的辐射的偏振旋转，使得所述偏振与所述第二发散元件的具有最高衍射效率的方向对准。

14.根据前述方面中任一方面所述的设备，其中，所述第一发散元件和所述第二发散元件中的每一个包括衍射光栅或棱镜。

15.一种量测设备，用于测量通过光刻设备在衬底上形成的结构，所述量测设备包括：

束旋转装置，配置成使得所述散射辐射的束的至少一部分在第一光瞳平面和第二光瞳平面之间旋转，所述旋转使得：

在所述第一光瞳平面中的第一光瞳平面场分布包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分与所述第二部分不重叠，所述第一部分的形状和尺寸与所述第二部分的形状和尺寸相同；和

在所述第二光瞳平面中的第二光瞳平面场分布包括形状和尺寸与所述第一光瞳平面场分布的所述第一部分的形状和尺寸相同的部分，其中来自所述第一光瞳平面场分布的所述第一部分和所述第二部分的所有辐射传递通过所述第二光瞳平面场分布的所述部分。

16.根据方面15所述的设备，其中，所述束旋转装置被配置成：

使散射辐射的束的第一部分旋转，使得所述第一光瞳平面场分布的所述第一部分在第一指向上旋转第一量；和

使散射辐射的束的第二部分旋转，使得所述第一光瞳平面场分布的所述第二部分在第二指向上旋转所述第一量，所述第二指向与所述第一指向相反。

17.一种光刻系统，包括：

光刻设备，配置成执行光刻过程；和

根据前述方面中任一项所述的量测设备，其中：

所述光刻设备布置成当执行后续光刻过程时使用由所述量测设备对由所述光刻过程形成的结构进行的测量的结果。

18.一种用于测量通过光刻过程在衬底上形成的结构的方法，包括：

利用辐射照射所述结构以产生从所述结构散射的辐射；

使用第一发散元件以使仅仅来自光瞳平面场分布的第一部分的散射辐射沿着第一发散方向以光谱形式发散；

使用与所述第一发散元件分离的第二发散元件使仅仅来自所述光瞳平面场分布的第二部分的散射辐射沿着第二发散方向以光谱形式发散，所述光瞳平面场分布的第二部分与所述光瞳平面场分布的第一部分不同；及

检测来自所述光瞳平面场分布的被发散的第一部分和来自所述光瞳平面场分布的被发散的第二部分的辐射。

19.根据方面18所述的方法，其中，所述第一发散方向相对于所述光瞳平面场分布与所述第二发散方向相反。

20.根据方面18或19所述的方法，其中，所述第一发散方向和所述第二发散方向平行于所述第一部分的镜面对称线和所述第二部分的镜面对称线。

21.根据方面18-20中任一方面所述的方法，其中，将来自以光谱形式发散的第一部分的散射辐射引导到第一透镜阵列上，并将来自以光谱形式发散的第二部分的散射辐射引导到第二透镜阵列上。

22.根据方面21所述的方法，其中，所述第一透镜阵列将辐射聚焦到第一检测器上，所述第二透镜阵列将辐射聚焦到第二检测器上。

23.根据方面21或22所述的方法，其中：

24.根据方面23所述的方法，其中，所述第一发散元件和所述第一透镜阵列相对于所述第二发散元件和所述第二透镜阵列被布置成使得形成于所述第一透镜阵列的平面中的光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分围绕两个正交的对称平面与形成于所述第二透镜阵列的平面中的光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分镜面对称。

25.根据方面18-24中任一方面所述的方法，其中，束旋转装置在将来自所述光瞳平面场分布的第一部分的辐射引导至所述第一发散元件之前和在将来自所述光瞳平面场分布的第二部分的辐射引导至所述第二发散元件之前使所述光瞳平面场分布旋转预定角度。

26.根据方面25所述的方法，其中，所述预定角度使得所述第一发散方向和所述第二发散方向平行于所述第一部分的镜面对称线和所述第二部分的镜面对称线。

27.根据方面18-26中任一方面所述的方法，其中：

当所述结构包括光栅时，所述光瞳平面场分布的第一部分和所述光瞳平面场分布的第二部分分别包含来自所述光栅的相等且相反的衍射阶。

28.根据方面18-27中任一方面所述的方法，还包括将来自所述光瞳平面场分布的第一部分的散射辐射和来自所述光瞳平面场分布的第二部分的散射辐射中的每一个分隔成具有第一偏振的辐射和具有第二偏振的辐射。

29.根据方面28所述的方法，其中：

30.根据方面29所述的方法，还包括：

31.根据方面18-30中任一方面所述的方法，其中，所述第一发散元件和所述第二发散元件中的每一个包括衍射光栅或棱镜。

32.一种用于测量通过光刻设备在衬底上形成的结构的方法，包括：

利用辐射照射所述结构以产生从所述结构散射的辐射；

使散射辐射的束的至少一部分在第一光瞳平面和第二光瞳平面之间旋转，所述旋转使得：

33.根据方面32所述的方法，其中，所述旋转包括：

具体实施例的前述描述将如此充分地揭示本发明的一般性质，在不背离本发明的整体构思且不进行过度实验的情况下，其他人可通过应用本领域技术内的知识针对于各种应用轻易地修改和/或适应这些具体实施例。因此，基于这里展示的教导和指导，这些适应和修改旨在落入所公开实施例的等同物的含义和范围内。应理解，这里的措辞或术语是出于描述而非限制性的目的，使得本说明书的术语或措辞将由技术人员根据教导和指导来解释。

本发明的宽度和范围不应受任一上述的示例性实施例限制，而应仅由下述的权利要求书及其等同方案来限定。

Claims

第一发散元件，配置成使仅仅来自光瞳平面场分布的第一部分的散射辐射沿着第一发散方向以光谱形式发散；和

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一发散方向相对于所述光瞳平面场分布与所述第二发散方向相反。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一发散方向和所述第二发散方向平行于所述第一部分的镜面对称线和所述第二部分的镜面对称线。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学系统配置成将来自以光谱形式发散的第一部分的散射辐射引导到第一透镜阵列上，并将来自以光谱形式发散的第二部分的散射辐射引导到第二透镜阵列上。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第一透镜阵列配置成将辐射聚焦到第一检测器上，所述第二透镜阵列配置成将辐射聚焦到第二检测器上。

6.根据权利要求4或5所述的设备，其中：

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第一发散元件和所述第一透镜阵列相对于所述第二发散元件和所述第二透镜阵列被布置成使得形成于所述第一透镜阵列的平面中的光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第一部分围绕两个正交的对称平面与形成于所述第二透镜阵列的平面中的光瞳平面场分布的以光谱形式发散的第二部分镜面对称。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学系统包括束旋转装置，所述束旋转装置配置成在将来自所述光瞳平面场分布的第一部分的辐射引导至所述第一发散元件之前和在将来自所述光瞳平面场分布的第二部分的辐射引导至所述第二发散元件之前使所述光瞳平面场分布旋转预定角度。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述预定角度使得所述第一发散方向和所述第二发散方向平行于所述第一部分的镜面对称线和所述第二部分的镜面对称线。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学系统被配置成使得当所述结构包括光栅时，所述光瞳平面场分布的第一部分和所述光瞳平面场分布的第二部分分别包含来自所述光栅的相等且相反的衍射阶。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括依赖于偏振的分束器，所述依赖于偏振的分束器配置成将来自所述光瞳平面场分布的第一部分的散射辐射和来自所述光瞳平面场分布的第二部分的散射辐射中的每一个分隔成具有第一偏振的辐射和具有第二偏振的辐射。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述光学系统配置成：

13.根据权利要求12所述的设备，还包括偏振旋转装置，配置成：

14.一种光刻系统，包括：

光刻设备，配置成执行光刻过程；和

根据前述权利要求中任一项所述的量测设备，其中：

15.一种用于测量通过光刻过程在衬底上形成的结构的方法，包括：

利用辐射照射所述结构以产生从所述结构散射的辐射；