CN110663002B - 测量目标的方法、量测设备、光刻单元和目标 - Google Patents

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Abstract

公开了用于测量在衬底上形成的目标的方法和设备。所述目标包括对准结构和量测结构。在一种方法中，执行第一测量过程，所述第一测量过程包括利用第一辐射照射目标并检测由第一辐射从目标的散射引起的辐射。第二测量过程包括利用第二辐射照射所述目标并检测由所述第二辐射从所述目标的散射引起的辐射。所述第一测量过程检测所述对准结构的位置。第二测量过程使用由所述第一测量过程检测到的所述对准结构的位置，以将所述第二辐射的辐射斑对准至所述量测结构内的期望部位上。

Description

测量目标的方法、量测设备、光刻单元和目标
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月19日提交的欧洲申请17171935.4的优先权，该欧洲申请通过引用全文并入本文。
技术领域
本发明涉及用于测量在衬底上形成的目标的方法和设备、一种光刻单元和一种目标。
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。光刻设备可以例如用于集成电路(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、一个或几个管芯)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——例如作为波长的函数的在单个反射角下或在一范围反射角上的强度；作为反射角的函数的在一种或更多种波长下的强度；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。确定感兴趣的属性可以通过各种技术来执行：例如，通过使用严格耦合波分析或有限元方法实施的迭代方法进行的目标的重构；库搜索；以及主成分分析。
目标可以使用暗场散射测量来测量，其中第零阶衍射(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。
针对给定重叠目标的不同的衍射阶之间(例如第-1衍射阶和第+1衍射阶之间)的强度不对称性提供目标不对称性的测量结果；即，目标中的不对称性。重叠目标中的这种不对称性能够用作重叠(两个层的不期望的未对准)的指标。
可能期望目标定位在具有可用于目标的极小空间的部位中，例如，定位在包含正被制造的产品的结构的产品区域中。定位在此类区域中的目标需要是小的。以足够的准确度将辐射斑与此类目标对准是具有挑战的。
发明内容
期望改进用于测量目标的现有方法和设备。
根据本发明的一方面，提供了一种测量在衬底上形成的目标的方法，所述目标包括对准结构和量测结构，其中所述方法包括：第一测量过程，包括利用第一辐射照射所述目标并检测由所述第一辐射从所述目标的散射引起的辐射；和第二测量过程，包括利用第二辐射照射所述目标并检测由所述第二辐射从所述目标的散射引起的辐射，其中：所述第一测量过程检测所述对准结构的位置；第二测量过程使用由所述第一测量过程检测到的所述对准结构的位置，以将所述第二辐射的辐射斑对准至所述量测结构内的期望部位上；和所述第二测量过程的辐射斑被使得：理论上能够围绕形成所述辐射斑的至少第零阶辐射的最小四边形边界框与所述对准结构相交或围绕所述对准结构；和由所述四边形边界框围绕的至少第零阶辐射完全在所述对准结构之外。
根据本发明的一方面，提供了一种量测设备，用于测量在衬底上形成的目标，所述量测设备包括：第一测量系统，配置成利用第一辐射照射所述目标并检测由所述第一辐射从所述目标的散射引起的辐射；第二测量系统，配置成利用第二辐射照射所述目标并检测由所述第二辐射从所述目标的散射引起的辐射；和控制器，配置成：使用由所述第一测量系统检测到的辐射检测所述对准结构的位置；和控制所述第二测量系统使用所检测到的所述对准结构的位置以将所述第二辐射的辐射斑对准到所述量测结构内的期望部位上，其中所述第二测量的辐射斑被使得：理论上能够围绕形成所述辐射斑的至少第零阶辐射的最小四边形边界框与所述对准结构相交或围绕所述对准结构；和由所述四边形边界框围绕的至少第零阶辐射完全在所述对准结构之外。
根据本发明的一方面，提供了一种在衬底上形成的目标，所述目标包括：对准结构和量测结构，其中：在所述量测结构上平均的所述量测结构对可见光的照射的总反射比与在所述对准结构上平均的所述对准结构对可见光的照射的总反射比相差达在所述对准结构上平均的所述对准结构对可见光的照射的总反射比的至少20％；所述量测结构包括其中不存在所述对准结构的部分的圆形或椭圆形区；和理论上能够围绕所述圆形或椭圆形区的最小四边形边界框与所述对准结构相交或围绕所述对准结构。
附图说明
现在将参考所附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的部件，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)针对给定的照射方向的目标光栅的衍射光谱的细节；(c)对已知形式的多光栅目标和衬底上的测量斑的轮廓的描绘；和(d)在图3的(a)的散射仪中获得的图3的(c)的目标的图像的描绘；并且
图4描绘了定位在产品区域外部的划线中的目标；
图5描绘了在包括对准结构和量测结构的目标上的圆形的辐射斑；
图6描绘了在包括对准结构和量测结构的替代目标上的椭圆形的辐射斑；和
图7描绘了一种量测设备，所述量测设备包括第一测量系统、第二测量系统和控制器。
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。本发明由其所附权利要求限定。
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”等的提及指示所描述的实施例可以包括特定的特征、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，其在本领域技术人员的知识范围内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。
在更为详细地描述这些实施例之前，提出可以实施本发明的实施例的示例性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配置成根据某些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配置成根据某些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，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之类的其它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。本发明使用的任何术语“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。
本发明使用的术语“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产生图案的任何装置。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，在图案包括相移特征或所谓的辅助特征的情况下。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。被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。
本发明使用的术语“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，对于所使用的曝光辐射或者对于诸如浸没液体的使用或真空的使用之类的其它因素合适的。本发明使用的任何术语“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，采用透射式掩模)。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，或采用反射式掩模)。
光刻设备可以是具有两个(双平台)或更多衬底台(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。本发明使用的术语“浸没”并不意味着诸如衬底之类的结构必须浸没在液体中；而是，“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，且辐射束被借助于包括(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可以包括各种其它部件，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中未明确描绘)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Ml、M2和衬底对准标记Pl、P2来对准掩模MA和衬底W。尽管所图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上的情形下，掩模对准标记可以位于所述管芯之间。
所描绘的设备可以用于下列模式中的至少一种：
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。这种操作模式可以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。
也可以采用上述使用模式的组合和/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(有时也被称为光刻元或簇)的一部分，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机DE、激冷板CH和焙烤板BK。衬底处置器或机器人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进料台LB。这些装置通常统称为涂覆显影系统或轨道，并且由涂覆显影系统控制单元TCU控制，该涂覆显影系统控制单元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。
为了使衬底被正确且一致地曝光由光刻设备曝光，期望检查被曝光的衬底以测量诸如后续层之间的重叠、线厚度、临界尺寸(CD)等属性。如果检测到误差，则例如可以对后续衬底的曝光进行调整，特别是如果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状态。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，可以仅对被视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。所述量测设备可以被集成至光刻设备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，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，抗蚀剂的已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)后对显影后的抗蚀剂图像的进行测量。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)中更为详细地图示了目标T和用于照射所述目标的测量辐射的衍射射线。所图示的量测设备属于已知的暗场量测设备。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(例如在测量站处)，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。这些透镜呈双次序的4F布置的。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，可以通过限定在呈现衬底平面的空间光谱的平面(这里称为(共轭)光瞳平面)中的空间强度分布来选择辐射入射到衬底上的角度范围。具体地，这可以通过在透镜12和14之间(在物镜光瞳平面的后投影图像的平面中)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。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的(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的一角度射到目标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多个平行射线之一。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紧密地对准。图3的(a)和3的(b)所图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阶和+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的(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)的在直径方向上相反的孔来说明。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)。每个衍射阶撞击传感器上的不同点，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结果进行归一化。光瞳平面图像也可以用于诸如重构等多个测量目的。
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，这依赖于设定)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多个其它变形例及应用。
图3的(c)描绘了根据已知的实践在衬底上形成的(复合)目标。在这个示例中的目标包括四个光栅25a至25d，这四个光栅紧密地定位在一起以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本身是通过重叠这些光栅所形成的复合光栅，所述复合光栅在形成于衬底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(层之间的故意失配)，以便促进在形成有复合光栅的不同部分的多个层之间的重叠测量。这些技术对于技术人员而言是已知的，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的(d)示出了在图3的(a)的设备中使用图3的(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的光栅25a至25d，但图像传感器23可以分辨出不同的单独的光栅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。
图4描绘了定位于围绕产品区域70的划线72中的示例性目标74(被描绘为圆形特征)。将目标74定位于划线72中是常规的，因为划线允许目标74相对较大。此外，划线72中的目标74周围的区可以被布置为相对于目标74具有相对较大的光学对比度。大的光学对比度使得更容易将辐射斑与目标74对准。在一种方式中，获得含有目标74的区的图像。计算机实施的图案分辨使用该图像来识别目标74所定位之处。这种定位被用于在使用目标74的后续测量过程期间将辐射斑与目标74对准。
在期望在衬底W上以较高空间密度执行量测测量的情况下，可能有必要将目标74定位于除了划线72中之外的部位处。这可能例如在待使用目标74的测量结果来实施较高阶校正的情况下是必须的。可能必须例如将目标定位于产品区域70内。在除了划线72中之外的部位处，可能有困难的是，为了使用计算机实施的图案分辨来可靠地识别目标74而将围绕该目标74的区中的光学对比度布置为足够高的。额外高对比度的结构可以邻近于目标74而形成，但这会用尽额外空间，所述额外空间可能是不可利用的。辐射斑可能与目标74对准，而不必分辨每个目标74，或分辨与每个目标74相关联的对准结构。这可以使用其它对准结构并依靠衬底台WT的移动的准确度来实现。然而，使用这种方式难以实现高的准确度。此外，对于除划线72中之外的部位处的单独目标74可利用的空间来说可能要求目标74非常小。例如，目标74可以小于10x10μm2，可选地约5x5μm2。这增加了将辐射斑与目标74足够准确地对准的难度。
根据本公开的实施例的方法解决上述挑战。所述方法包括测量形成于衬底W上的目标80。示例性目标80在图5和图6中加以描绘。目标80包括一个或更多个对准结构76A至76D。在实施例中，目标80包括彼此分离的两个或更多个对准结构76A至76D。在图5和图6的示例中，提供四个彼此分离的对准结构76A至76D。目标80还包括量测结构84。
执行第一测量过程，所述第一测量过程包括利用第一辐射来照射目标80且检测由第一辐射从目标80的散射引起的辐射。执行第二测量过程，所述第二测量过程包括利用第二辐射来照射目标80且检测由第二辐射从目标80的散射引起的辐射。
第一测量过程检测对准结构76A至76D中的一个或更多个中的每一个的位置。在实施例中，所述检测包括形成对准结构76A至76D中的一个或更多个中的每一个和量测结构84的图像。计算机实施的图案分辨可以随后用于分辨对准结构76A至76D且由此检测位置。可以通过将对准结构76A至76D中的一个或更多个中的每一个布置为相对于衬底W上的周围区域(诸如量测结构84)具有高的光学对比度从而促进所述检测。在实施例中，在量测结构84上平均的量测结构84对第一辐射的照射的总反射比与在对准结构76A至76D上平均的对准结构76A至76D中的一个或更多个中的每一个对第一辐射的照射的总反射比相差达在对准结构76A至76D上平均的对准结构76A至76D对第一辐射的照射的总反射比的至少20％、可选地至少50％、可选地至少80％、可选地至少90％。在实施例中，至少第一辐射包括可见光辐射，使得在量测结构84上平均的量测结构84对可见光辐射的照射的总反射比与在对准结构76A至76D上平均的对准结构76A至76D中的一个或更多个中的每一个对可见光辐射的照射的总反射比相差达在对准结构76A至76D上平均的对准结构76A至76D对可见光辐射的照射的总反射比的至少20％、可选地至少50％、可选地至少80％、可选地至少90％。
量测目标84可以包括适于执行量测测量的任何结构。量测测量可以测量光刻过程的参数或包括至少一个光刻步骤的制造序列中的步骤的参数。所述参数可以包括例如重叠或临界尺寸。在各种实施例中，量测结构84包括诸如光栅之类的周期性结构。量测结构84可以包括上文参考图3的(a)-(d)描述的量测目标T的结构中的任何一个。在实施例中，一个或更多个对准结构76A-76D中的每一个是非周期性的。
第二测量过程使用由第一测量过程检测到的对准结构76A至76D中的一个或更多个中的每一个的位置，以将第二辐射的辐射斑82对准至量测结构84内的期望部位上(例如量测结构84的中心)。第二测量过程的辐射斑82被使得理论上可能围绕形成辐射斑82的至少第零阶辐射的最小四边形边界框与对准结构76A至76D中的一个或更多个中的每一个相交或围绕对准结构76A至76D中的一个或更多个中的每一个。在实施例中，辐射斑82的形状通过衍射效应限制为圆形或椭圆形(依赖于入射到衬底W上的角度)。高于第零阶的波瓣可以存在或可以通过光学滤光(变迹)而移除。由四边形边界框围绕的至少第零阶辐射完全地在对准结构76A至76D中的一个或更多个中的每一个之外。因此，提供目标80，其中量测结构84包括不存在对准结构的圆形或椭圆形区(即，限定形成辐射斑82的至少第零阶辐射的区)，且理论上可以围绕该圆形或椭圆形区的最小四边形边界框与一个或更多个对准结构76A至76D中的每一个相交或围绕该一个或更多个对准结构76A至76D中的每一个。
在实施例中，提供两个或更多个对准结构，且所述对准结构中的每一个与最小四边形边界框的各个角重叠。这种类型的示例在图5和图6中加以描绘。
在图5的示例中，由第零阶辐射形成的辐射斑82是圆形的。这可以例如通过辐射垂直地入射到衬底W上来实现。四个对准结构76A-76D设置在辐射斑82之外。可以围绕辐射斑82的最小四边形边界框是正方形，其尺寸被设置成使得正方形的每一边都接触限定辐射斑82的所述圆形的一部分。所述正方形会与四个对准结构76A-76D中的每一个相交。
在图6的示例中，由第零阶辐射形成的辐射斑82是椭圆形的。这可以通过例如将具有圆对称的横截面轮廓的辐射倾斜地入射到衬底W上来实现。四个对准结构76A-76D设置在辐射斑82之外。可以围绕辐射斑82的最小四边形边界框是矩形，其尺寸被设置成使得矩形的每一边都接触限定辐射斑的所述椭圆形的一部分。所述矩形会与四个对准结构76A-76D中的每一个相交。
在最小四边形边界框是正方形或矩形的实施例中，边界框的宽度和高度中的任一者或两者都可以小于10微米、可选地小于9微米、可选地小于8微米、可选地小于7微米、可选地小于6微米、可选地小于5微米。
实施例基于以下认识：尤其是对于小目标而言，用于测量的辐射斑82将典型地是圆形的或椭圆形的，而可用于定位目标82的区将典型地具有四边形形式(例如正方形或矩形)。这留下了用于定位对准结构的空间，而不会增加目标80使用的总面积。对于例如5x5μm2的目标，最大辐射斑82与最小正方形边界框之间的区将向四个对准结构提供750x750nm的空间。
图7描绘了基于上述原理的示例性量测设备。所述量测设备包括第一测量系统61和第二测量系统62。量测设备可以被设置为例如上文参考图1和2描述的光刻系统的一部分。所述量测设备被配置成根据上文描述的方法中的任何一种测量形成于衬底W上的目标80。
第一测量系统61执行上文描述的第一测量过程。在实施例中，第一测量系统61包括第一辐射源42。第一辐射源42用第一辐射经由光学系统44照射目标80。
第二测量系统62执行上文描述的第二测量过程。在实施例中，第二测量系统62包括第二辐射源11。第二辐射源11用第二辐射照射目标。在实施例中，第一辐射源42与第二辐射源11不同，例如其被配置成输出具有不同属性的辐射和/或被容纳在分离的装置中。来自第一辐射源42的辐射被配置成适合于执行第一测量过程。来自第二辐射源11的辐射被配置成适合于执行第二测量过程。
第二测量系统62包括光学系统40，所述光学系统用于将来自第一辐射源11的辐射引导至衬底W上。来自衬底W的被反射的辐射被光学系统40引导至一个或更多个传感器19、23上。在实施例中，第二测量系统包括上文参考图3描述的类型的量测设备。在这种类型的实施例中，光学系统40可以包括在图3的(a)中描绘的透镜12、14和物镜16。光学系统40可以还包括如图3的(a)中描绘的分束器15，用于将辐射引导朝向衬底W。光学系统40可以还包括第一测量支路和第二测量支路中的任一者或两者。在图7的特定示例中，提供这些测量支路中的两者。测量支路中的每一个的光学元件的示例性细节在图3的(a)中描绘。来自第一测量支路的输出被引导至传感器19。来自第二测量支路的输出被引导至传感器23。
在实施例中，光学系统40包括作为物镜16(参见图3的(a))的一部分的另一分束器，用于将来自第一辐射源42的辐射从光学系统44引导至衬底W并将该辐射从衬底W引导回光学系统44。第一测量过程使用来自传感器46的输出。
在实施例中，提供控制器48，控制器使用来自传感器46的输出检测一个或更多个对准结构76A-76D的位置。控制器48使用所检测到的一个或更多个对准结构76A-76D的位置控制由第二测量系统62执行的第二测量过程，以将第二辐射的辐射斑对准到量测结构84内的期望部位上。
本文公开的构思可发现除了用于监视的目的对结构进行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进一步的对准传感器构思中，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。本文使用的术语“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如上所论述的光刻单元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，例如用以改进后续光刻过程。
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/或分析测量结果以获得关于光刻过程的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储存介质(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处于生产和/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，以使处理器执行如本文所述的方法。
虽然本文是对光刻设备用于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它应用，诸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，本文使用的任何术语“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。本文所提及的衬底可以在曝光之前或之后例如在涂覆显影系统(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它衬底处理工具中。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可以表示已经包含多个已处理层的衬底。
在下面编号的方面中描述了根据本发明的另外的实施例：
1.一种测量在衬底上形成的目标的方法，所述目标包括对准结构和量测结构，其中所述方法包括：
第一测量过程，包括利用第一辐射照射所述目标并检测由所述第一辐射从所述目标的散射引起的辐射；和
第二测量过程，包括利用第二辐射照射所述目标并检测由所述第二辐射从所述目标的散射引起的辐射，其中：
所述第一测量过程检测所述对准结构的位置；
所述第二测量过程使用由所述第一测量过程检测到的所述对准结构的位置，以将所述第二辐射的辐射斑对准至所述量测结构内的期望部位上；和
所述第二测量过程的辐射斑被使得：
理论上能够围绕形成所述辐射斑的至少第零阶辐射的最小四边形边界框与所述对准结构相交或围绕所述对准结构；和
由所述四边形边界框围绕的至少第零阶辐射完全在所述对准结构之外。
2.根据方面1所述的方法，其中所述第一测量过程包括形成所述对准结构和所述量测结构的图像。
3.根据方面2所述的方法，其中所述第一测量过程使用计算机实施的图案分辨来分辨所述对准结构。
4.根据前述方面中任一项所述的方法，其中所述量测结构包括周期性结构。
5.根据前述方面中任一项所述的方法，其中所述对准结构是非周期性的。
6.根据前述方面中任一项所述的方法，其中：
在所述量测结构上平均的所述量测结构对所述第一辐射的照射的总反射比与在所述对准结构上平均的所述对准结构对所述第一辐射的照射的总反射比相差达在所述对准结构上平均的所述对准结构对所述第一辐射的照射的总反射比的至少20％。
7.根据前述方面中任一项所述的方法，其中所述目标包括彼此分离的两个或更多个对准结构。
8.根据前述方面中任一项所述的方法，其中所述最小四边形边界框是正方形的或矩形的。
9.根据前述方面中任一项所述的方法，其中所述辐射斑是圆形的或椭圆形的。
10.根据前述方面中任一项所述的方法，其中所述辐射斑是被限制为圆形或椭圆形的衍射。
11.一种量测设备，用于测量在衬底上形成的目标，所述量测设备包括：
第一测量系统，配置成利用第一辐射照射所述目标并检测由所述第一辐射从所述目标的散射引起的辐射；
第二测量系统，配置成利用第二辐射照射所述目标并检测由所述第二辐射从所述目标的散射引起的辐射；和
控制器，配置成：
使用由所述第一测量系统检测到的辐射检测所述对准结构的位置；和
控制所述第二测量系统使用所检测到的所述对准结构的位置以将所述第二辐射的辐射斑对准到所述量测结构内的期望部位上，其中
所述第二测量的辐射斑被使得：
理论上能够围绕形成所述辐射斑的至少第零阶辐射的最小四边形边界框与所述对准结构相交或围绕所述对准结构；和
由所述四边形边界框围绕的至少第零阶辐射完全在所述对准结构之外。
12.根据方面11所述的设备，其中所述第一测量系统配置成形成所述对准结构和所述量测结构的图像。
13.根据方面12所述的设备，其中所述控制器使用计算机实施的图案分辨来分辨所述对准结构。
14.根据方面11-13中任一项所述的设备，其中所述量测结构包括周期性结构。
15.根据方面11-14中任一项所述的设备，其中所述对准结构是非周期性的。
16.根据方面11-15中任一项所述的设备，其中：
在所述量测结构上平均的所述量测结构对所述第一辐射的照射的总反射比与在所述对准结构上平均的所述对准结构对所述第一辐射的照射的总反射比相差达在所述对准结构上平均的所述对准结构对所述第一辐射的照射的总反射比的至少20％。
17.根据方面11-16中任一项所述的设备，其中所述目标包括彼此分离的两个或更多个对准结构。
18.根据方面11-17中任一项所述的设备，其中所述最小四边形边界框是正方形的或矩形的。
19.根据方面11-18中任一项所述的设备，其中所述辐射斑是圆形的或椭圆形的。
20.根据方面11-19中任一项所述的设备，其中所述辐射斑是限制为圆形或椭圆形的衍射。
21.一种光刻单元，包括：
光刻设备，配置成执行光刻过程以限定在衬底上的目标；和
根据方面11-20中任一项所述的量测设备，配置成测量所述目标。
22.一种在衬底上形成的目标，所述目标包括：
对准结构和量测结构，其中：
在所述量测结构上平均的所述量测结构对可见光的照射的总反射比与在所述对准结构上平均的所述对准结构对可见光的照射的总反射比相差达在所述对准结构上平均的所述对准结构对可见光的照射的总反射比的至少20％；
所述量测结构包括圆形或椭圆形区，所述对准结构的任何部分都不存在于所述圆形或椭圆形区中；和
理论上能够围绕所述圆形或椭圆形区的最小四边形边界框与所述对准结构相交或围绕所述对准结构。
23.根据方面22所述的目标，其中所述最小四边形边界框是正方形的或矩形的。
24.根据方面23所述的目标，其中所述最小四边形边界框的宽度和高度中的任一者或两者小于10微米。
25.根据方面22-24中任一项所述的目标，其中所述量测结构包括周期性结构。
26.根据方面22-25中任一项所述的目标，其中所述对准结构是非周期性的。
27.根据方面22-26中任一项所述的目标，其中所述目标包括彼此分离的两个或更多个对准结构。
28.根据方面27所述的目标，其中所述对准结构中的每一个与所述最小四边形边界框的各个角重叠。
29.一种测量根据方面22-28中任一项所述的目标的方法，其中所述方法包括：
第一测量过程，包括利用第一辐射照射所述目标并检测由所述第一辐射从所述目标的散射引起的辐射；和
第二测量过程，包括利用第二辐射照射所述目标并检测由所述第二辐射从所述目标的散射引起的辐射，其中：
所述第一测量过程检测所述对准结构的位置；和
所述第二测量过程使用由所述第一测量过程检测到的所述对准结构的位置，以将所述第二辐射的辐射斑对准至所述量测结构内的期望部位上。
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，于是抗蚀剂通过施加电磁辐射、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。
本文使用的术语“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。
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范围内的知识容易地修改和/或适应这些具体实施例的各种应用。因此，基于本文展示的教导和指导，这些调适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，而应仅由随附的权利要求书及其等同方案来限定。

Claims (15)

1.一种测量在衬底上形成的目标的方法，所述目标包括对准结构和量测结构，其中所述方法包括：
第一测量过程，包括利用第一辐射照射所述目标并检测由所述第一辐射从所述目标的散射引起的辐射；和
第二测量过程，包括利用第二辐射照射所述目标并检测由所述第二辐射从所述目标的散射引起的辐射，其中：
所述第一测量过程检测所述对准结构的位置；
所述第二测量过程使用由所述第一测量过程检测到的所述对准结构的位置，以将所述第二辐射的辐射斑对准至所述量测结构内的期望部位上；和
所述第二测量过程的辐射斑被使得：
理论上能够围绕形成所述辐射斑的至少第零阶辐射的最小四边形边界框与所述对准结构相交或围绕所述对准结构；和
由所述四边形边界框围绕的至少第零阶辐射完全在所述对准结构之外。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一测量过程包括形成所述对准结构和量测结构的图像。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一测量过程使用计算机实施的图案分辨来分辨所述对准结构。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述量测结构包括周期性结构。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述对准结构是非周期性的。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中：
在所述量测结构上平均的所述量测结构对所述第一辐射的照射的总反射比与在所述对准结构上平均的所述对准结构对所述第一辐射的照射的总反射比相差达在所述对准结构上平均的所述对准结构对所述第一辐射的照射的总反射比的至少20％。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述目标包括彼此分离的两个或更多个对准结构。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述最小四边形边界框是正方形或矩形。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述辐射斑是圆形或椭圆形。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述辐射斑是限制为圆形或椭圆形的衍射。
11.一种量测设备，用于测量在衬底上形成的目标，所述量测设备包括：
第一测量系统，配置成利用第一辐射照射所述目标并检测由所述第一辐射从所述目标的散射引起的辐射；
第二测量系统，配置成利用第二辐射照射所述目标并检测由所述第二辐射从所述目标的散射引起的辐射；和
控制器，配置成：
使用由所述第一测量系统检测到的辐射检测所述目标的对准结构的位置；和
控制所述第二测量系统使用所检测到的所述对准结构的位置，将所述第二辐射的辐射斑对准到所述目标的量测结构内的期望部位上，其中
所述第二测量的辐射斑被使得：
理论上能够围绕形成所述辐射斑的至少第零阶辐射的最小四边形边界框与所述对准结构相交或围绕所述对准结构；和
由所述四边形边界框围绕的至少第零阶辐射完全在所述对准结构之外。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述第一测量系统配置成形成所述对准结构和量测结构的图像。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述控制器使用计算机实施的图案分辨来分辨所述对准结构。
14.一种光刻单元，包括：
光刻设备，配置成执行光刻过程以限定在衬底上的目标；和
根据权利要求11-13中任一项所述的量测设备，配置成测量所述目标。
15.一种在衬底上形成的目标，所述目标包括：
对准结构和量测结构，其中：
在所述量测结构上平均的所述量测结构对可见光的照射的总反射比与在所述对准结构上平均的所述对准结构对可见光的照射的总反射比相差达在所述对准结构上平均的所述对准结构对可见光的照射的总反射比的至少20％；
所述量测结构包括其中不存在所述对准结构的部分的圆形或椭圆形区；和
理论上能够围绕所述圆形或椭圆形区的最小四边形边界框与所述对准结构相交或围绕所述对准结构。
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