CN110799905A - 确定过程的性能参数的方法 - Google Patents

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Abstract

光刻过程的重叠误差是使用多个目标结构测量的，每个目标结构具有已知的重叠偏差。检测系统获取表示在多个不同的获取条件(λ1、λ2)下由所述目标结构衍射的辐射的选定部分的多个图像(740)。将所述被获取的图像的像素值组合(748)以获得一个或更多个合成图像(750)。从一个或更多个合成图像提取(744)多个合成衍射信号，且使用所述多个合成衍射信号计算重叠的测量结果。相比于单独地从所述被获取的图像提取衍射信号，减小了计算负担。所述被获取的图像可以是使用散射仪获得的暗场图像或光瞳图像。

Description

确定过程的性能参数的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月26日提交的欧洲申请17177953.1的优先权，并且所述欧洲申请的全部内容通过引用并入本发明中。
技术领域
本发明涉及用于可用于例如通过光刻技术进行器件制造的量测的方法和设备，且涉及使用光刻技术来制造器件的方法。
背景技术
光刻设备是将所期望的图案施加至衬底上(通常施加至衬底的目标部分上)的机器。光刻设备可以用于例如集成电路(1C)的制造中。在那种情况下，图案形成装置(其替代地被称作掩模或掩模版)可以用于产生待形成在1C的单层上的电路图案。可以将这种图案转印至衬底(例如硅晶片)上的目标部分(例如包括管芯的部分、一个管芯或几个管芯)上。典型地通过成像至设置在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上来进行图案的转印。通常，单个衬底将包含连续地图案化的相邻目标部分(被称作“场”)的网络。
在光刻过程中，期望频繁地进行所产生的结构的测量，例如以用于过程控制和验证。用于进行这些测量的各种工具是已知的，包括常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(器件中两个层的对准准确度)的专用工具。近来，已开发出在光刻领域中使用的各种形式的散射仪。这些装置将辐射束引导至目标上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；在一个或更多个波长下作为反射角的函数的强度；或作为反射角的函数的偏振-以获得可以根据其确定目标的感兴趣的属性的衍射“光谱”。
已知的散射仪的示例包括US2006033921A1和US2010201963A1中描述的类型的角分辨散射仪。这样的散射仪使用的目标是相对大的光栅(例如40微米乘40微米)，且测量束产生小于光栅的斑(即，光栅未填充满)。除了通过重构来进行特征形状的测量之外，也可以使用这样的设备来测量基于衍射的重叠，如已公布专利申请US2006066855A1中描述的。使用衍射阶的暗场成像进行的基于衍射的重叠量测使得能够对较小目标的重叠和其它参数进行测量。这些目标可以小于照射斑且可以被衬底上的产品结构围绕。可以利用图像平面中的暗场检测将来自环境产品结构的强度与来自重叠目标的强度有效地分离。
可以在专利申请US20100328655A1和US2011069292A1中找到暗场成像量测的示例，所述专利申请的全部内容通过引用并入本发明中。已公布专利公开出版物US20110027704A、US20110043791A、US2011102753A1、US20120044470A、US20120123581A、US20120242970A1、US20130258310A、US20130271740A、US2015138523A1和US2016161864A1中已描述了所述技术的进一步发展。典型地，在这些方法中，期望测量作为目标的属性的不对称性。目标可以被设计成使得不对称性的测量结果可以用于获得诸如重叠、聚焦或剂量之类的各种性能参数的测量结果。通过使用散射仪检测衍射光谱的相对部分之间的强度差来测量目标的不对称性。例如，可以比较+1衍射阶与-1衍射阶的强度以获得不对称性的量度。
为了减小测量时间，用于暗场量测的已知的设备具有孔和检测系统，其被配置成在X方向和Y方向两者上同时检测从分量光栅衍射的辐射和独立地检测这些不同的方向的衍射。因此，避免了对在X和Y方向上的分离的检测步骤的需要。上文提及的在先专利公开出版物中包括这样的技术的示例，且例如本优先权日尚未公布的未公布专利申请EP16157503.0、EP16204457.2和EP17169918.4中也包括这样的技术的示例。
在这样的设备中用于获取衍射信号的辐射可以是具有各种波长(颜色)的宽带或窄带辐射。典型地，针对每个目标类型和测量限定“选配方案”，所述选配方案指定照射和检测参数(包括检查辐射的颜色)的最佳组合。特定关注点是所谓的“叠层灵敏度”，其中测量受到例如形成结构的部分的层的厚度或成分的变化影响，从而造成诸如重叠之类的感兴趣的参数的不确定度。选择选配方案来最小化所述不确定度。若干研究已表明：将来自多个颜色获取的信息组合可以显著地改善所述方法的准确度。出于这些和其它原因，可以在商用检查设备中提供颜色切换能力。
在这种情境中，正开发用于使用来自多个波长的信息获得较准确的重叠测量的新方法。上文提及的专利公开出版物US2016161864A1描述用于将使用两个或更多个不同的颜色进行的测量组合从而获得相对于过程变化更鲁棒的测量结果的方法。所述公开出版物的内容由此通过引用并入本发明中。应了解，为了获得期望的测量大小或量值(在这种情况下为重叠)而从多个被获取的图像提取不对称性信息使每个测量所需的图像处理操作的数目倍增。这影响了所需的计算能力和软件架构的复杂度两者。
发明内容
在第一方面中，本发明旨在提供用于获得在不同的获取条件下测量诸如重叠之类的性能参数的益处的替代方法。本发明的实施例减轻了已知的方法所需的计算负担增大的问题。
在第一方面中，本发明提供一种确定过程的性能参数的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)获得已通过所述过程形成的多个目标结构，每个目标结构具有与所述性能参数有关的已知的偏置或偏差；
(b)使用检测系统以获取表示在多个不同的获取条件下由所述目标结构衍射的辐射的选定部分的多个图像；
(c)将被获取的图像的至少一个子集的像素值组合以获得一个或更多个合成图像；
(d)从一个或更多个合成图像提取多个合成衍射信号；和
(e)使用所述合成衍射信号计算所述性能参数的测量结果。
本发明还提供一种检查设备，用于确定过程的性能参数，所述检测设备包括：
用于衬底的支撑件，在所述衬底上提供已通过所述过程形成的多个目标结构，每个目标结构具有与所述性能参数有关的已知的偏置；
照射系统和检测系统，所述照射系统和检测系统可以一起操作以获取表示在多个不同的获取条件下由所述目标结构衍射的辐射的选定部分的图像；
处理装置，所述处理装置被布置成：将所述被获取的图像的至少一个子集的像素值组合以获得一个或更多个合成图像，从一个或更多个合成图像提取多个合成衍射信号，且使用所述合成衍射信号计算所述性能参数的测量结果。
所述过程可以例如是光刻过程。如本发明中所使用的术语“光刻过程”是指以下过程的示例：将图案施加至衬底上的层，且通过被施加的图案控制一个或更多个物理或化学处理步骤，以获得(直接地或间接地)成品中的功能特征。正在被测量的所述性能参数可以与图案化步骤和/或所述物理或化学处理步骤的性能有关。
所述检查设备可以应用根据现有技术已知的光学系统和技术或使用新设备来实施。例如，可以使用上文提及的暗场成像技术来实施所述检查设备，由此获得用于单个图像中的多个目标结构的第一和/或第二衍射信号。
在另一方面中，本发明提供一种处理装置，所述处理装置被布置成接收从多个目标结构在不同的获取条件下获取的多个图像且通过以下操作导出性能参数的测量结果：将所述被获取的图像的至少一个子集的像素值组合以获得一个或更多个合成图像，从一个或更多个合成图像提取多个合成衍射信号，且使用所述合成衍射信号计算所述性能参数的测量结果。
本发明还提供一个或更多个计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于使可编程处理装置实施如上文阐述的本发明的一个或更多个方面的机器可读指令。所述机器可读指令可以例如实现在非暂时性储存介质中。
所述机器可读指令还可以被布置成使所述可编程处理装置自动地控制检查设备的操作以通过所述方法的步骤(b)获取所述衍射信号。
本发明还提供一种光刻系统，所述光刻系统包括光刻设备和根据如上文阐述的本发明的第二方面的检查设备。
本发明还提供一种制造器件的方法，其中使用过程将器件图案施加至是一系列衬底，所述方法包括：使用根据如上文阐述的本发明的方法，使用作为所述衬底中的至少一个上的所述器件图案的部分或除了所述器件图案之外而形成的多个目标结构来测量一个或更多个性能参数；和根据所述测量的结果控制针对稍后的衬底的所述过程。
下文参考随附附图详细地描述本发明的另外的特征和优点，以及本发明的各种实施例的结构和操作。应注意，本发明不限于本发明中描述的特定实施例。本发明中仅出于说明性目的而呈现这样的实施例。基于本发明中包含的教导，额外的实施例对于本领域技术人员而言将是清楚的。
附图说明
现在将参考随附附图通过举例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：
图1描绘光刻设备连同构成用于半导体器件的生产设施的其它设备；
图2示意性地图示(a)根据本发明的一些实施例的被调适以执行角分辨散射测量和暗场成像检查方法的检查设备，和(b)在图2的(a)的设备中由目标光栅导致的入射辐射的衍射的放大细节；
图3图示(a)分段照射轮廓，(b)在分段照射轮廓下方在不同的方向上产生衍射信号，和(c)棱镜装置在分段检测系统中的布局，它们都包含在图2的检查设备的一个实施例的操作中；
图4图示包括多个分量光栅的复合量测目标；
图5图示由图4的设备在衍射阶空间分离的情况下获取的图4的目标的多重图像；
图6图示(a)使用图3的检查设备导出与不对称性有关的参数的已知的基本方法，和(b)从US2016161864A1已知的增强的方法；
图7图示应用本公开的原理以测量与不对称性有关的参数的增强的方法的一个实施例；
图8图示选择获取条件以最大化图7的方法的灵敏度的方法；
图9的(a)和(b)图示图7的方法与从US2016161864A1已知的方法之间的关系；和
图10是测量目标结构的属性的方法和使用本公开的原理控制过程的方法的流程图。
具体实施方式
在详细地描述本发明的实施例之前，呈现可以实施本发明的实施例的示例环境是有指导性的。
图1在100处将光刻设备LA示出为实施大容量光刻制造过程的工业设施的部分。在本示例中，制造过程适用于在诸如半导体晶片之类的衬底上制造半导体产品(集成电路)。本领域技术人员将了解，可以通过以这个过程的变形例处理不同的类型的衬底来制造各种各样的产品。半导体产品的生产纯粹用作现今具有大商业意义的示例。
在光刻设备(或简化为“光刻工具”100)内，在102处示出测量站MEA且在104处示出曝光站EXP。在106处示出控制单元LACU。在这个示例中，每个衬底访问测量站和曝光站以被施加图案。例如，在光学光刻设备中，投影系统用于使用调节后的辐射和投影条统将产品图案从图案形成装置MA转印至衬底上。所述转印是通过在辐射敏感抗蚀剂材料层中形成图案的图像来完成的。
本发明中使用的术语“投影系统”应被广泛地解释为涵盖适于使用的曝光辐射或适于诸如浸没液体的使用或真空的使用的其它因素的任何类型的投影系统，包括折射式、反射式、反射折射式、磁性式、电磁式和静电式光学系统，或其任何组合。图案形成装置MA可以是将图案赋予至由图案形成装置透射或反射的辐射束的掩模或掩模版。众所周知的操作模式包括步进模式和扫描模式。众所周知的是，投影系统可以以多种方式与用于衬底和图案形成装置的支撑和定位系统配合，以将期望的图案施加至横穿衬底的许多目标部分。可以使用可编程图案形成装置来替代具有固定图案的掩模版。辐射例如可以包括在深紫外线(DUV)波带或极紫外线(EUV)波带中的电磁辐射。本公开也适用于其它类型的光刻过程，例如压印光刻术和例如通过电子束的直写光刻术。
光刻设备控制单元LACU控制各种致动器和传感器的移动和测量，从而使设备LA接纳衬底W和掩模版MA且实施图案化操作。LACU也包括用于实施与设备的操作相关的期望的计算的信号处理和数据处理能力。实际上，控制单元LACU将被实现为许多子单元的系统，每个子单元处理设备内的子系统或部件的实时数据获取、处理和控制。
在曝光站EXP处将图案施加至衬底之前，在测量站MEA处处理衬底使得可以进行各种预备步骤。所述预备步骤可以包括使用水平传感器来映射或绘制衬底的表面高度，和使用对准传感器来测量衬底上的对准标记的位置。对准标记名义上布置成规则的栅格图案。然而，由于产生标记时的不准确度且也由于衬底的贯穿其处理而发生的变形，标记偏离理想栅格。因此，如果设备应以非常高的准确度在正确部位处印制产品特征，则除了测量衬底的位置和方向之外，对准传感器实际上也必须详细地测量横跨衬底区域的许多标记的位置。设备可以属于具有两个衬底台的所谓的双平台类型，每个衬底台具有受到控制单元LACU控制的定位系统。在曝光站EXP处曝光一个衬底台上的一个衬底的同时，可以在测重站MEA处将另一衬底装载至另一衬底台上，使得可以进行各种预备步骤。因此，对准标记的测量非常耗时，且提供两个衬底台会实现设备的生产量的相当大的增加。如果在衬底台处于测量站处和处于曝光站处时位置传感器IF不能够测量衬底台的位置，则可以设置第二位置传感器以使得能够在两个站处追踪衬底台的位置。光刻设备LA(例如)属于所谓的双平台类型，其具有两个衬底台WTa和WTb以及两个站-曝光站和测量站，在所述两个站之间可以交换衬底台。
在生产设施内，设备100构成“光刻单元”或“光刻簇”的一部分，所述“光刻单元”或“光刻簇”也包含涂覆设备108以用于将光敏抗蚀剂和其它涂层施加至衬底W以由设备100进行图案化。在设备100的输出侧处，设置焙烤设备110和显影设备112以用于将曝光后的图案显影成实体抗蚀剂图案。在所有这些设备之间，衬底处理系统负责支撑衬底且将衬底从一台设备转移至下一台设备。常常被统称为“涂覆显影系统或轨道(track)”的这些设备是在涂覆显影系统控制单元的控制下，所述涂覆显影系统控制单元自身受到管理控制系统SCS控制，管理控制系统SCS也通过光刻设备控制单元LACU控制光刻设备。因此，不同的设备可以被操作以最大化生产量和处理效率。管理控制系统SCS接收选配方案信息R，所述选配方案信息R非常详细地提供待执行以产生每个图案化衬底的步骤的定义。
一旦已在光刻单元中施加并显影了所述图案，就将图案化衬底120转移至诸如在122、124、126处图示的其它处理装置。由典型制造设施中的各种设备来实施宽范围的处理步骤。出于示例起见，这种实施例中的设备122是蚀刻站，且设备124执行蚀刻后退火步骤。在另外的设备126等中施加另外的物理和/或化学处理步骤。可能需要多种类型的操作以制造实际器件，诸如材料的沉积、表面材料特性的改性(氧化、掺杂、离子注入等)、化学机械抛光(CMP)等。实际上，设备126可以表示在一个或更多个设备中执行的一系列不同的处理步骤。
如本发明中使用的术语“光刻过程”是指将图案施加至衬底上的层且通过被施加的图案控制某物理或化学处理步骤以实现功能产品特征的过程的任何示例。
众所周知的是，半导体器件的制造涉及这样的处理的多次重复，以在衬底上逐层地构建具有适当材料和图案的器件结构。因此，到达光刻簇的衬底130可以是新制备的衬底，或其可以是先前已在这个光刻簇中或完全地在另一设备中被处理的衬底。类似地，依赖于所需处理，衬底132在离开设备126时可以被返回以用于同一光刻簇中的后续图案化操作，所述衬底132可以被预定以用于不同的光刻簇中的图案化操作，或所述衬底132可以是待发送以用于切片和封装的成品。
产品结构的每个层需要不同的一组过程步骤，且在每个层处使用的设备126可以在类型方面完全不同。另外，即使在待由设备126施加的处理步骤名义上相同的情况下，在大设施中也可以存在若干假设相同的机器并行地工作以对不同的衬底执行步骤126。这些机器之间的小的设定或故障差异可以意味着其以不同的方式影响不同的衬底。甚至对于每个层来说是相对共同的步骤，诸如蚀刻(设备122)也可以由名义上相同但并行地工作以最大化生产量的若干蚀刻设备来实施。此外，实际上，不同的层根据待蚀刻的材料的细节需要不同的蚀刻过程，例如化学蚀刻、等离子体蚀刻，且需要特定要求，诸如各向异性蚀刻。
可以在如刚才提及的其它光刻设备中执行先前过程和/或后续过程，且甚至可以在不同的类型的光刻设备中执行先前过程和/或后续过程。例如，器件制造过程中的在诸如分辨率和重叠之类的参数上要求非常高的一些层与要求较不高的其它层相比可以在更先进的光刻工具中执行。因此，一些层可以曝光于浸没类型光刻工具中，而其它层曝光于“干式”工具中。一些层可以曝光于在DUV波长下工作的工具中，而其它层是使用EUV波长辐射来曝光。
为了正确地且一致地曝光由光刻设备曝光的衬底，期望检查曝光后的衬底以测量属性，诸如后续层之间的重叠误差、线厚度、临界尺寸(CD)等。因此，其中定位有光刻单元LC的制造设施也包括量测系统MET，量测系统MET接纳已在光刻单元中处理的衬底W中的一些或全部。将量测结果直接地或间接地提供至管理控制系统(SCS)138。如果检测到误差，则可以对后续衬底的曝光进行调整，尤其是在可以足够迅速地且快速地完成量测以使得同一批量的其它衬底仍处于待曝光状态的情况下。此外，已经被曝光的衬底可以被剥离和返工以改善良率，或被丢弃，由此避免对已知有缺陷的衬底执行进一步处理。在衬底的仅一些目标部分有缺陷的情况下，可以仅对良好的那些目标部分执行进一步曝光。
图1中也示出了量测设备140，所述量测设备140被提供用于在制造过程中的期望阶段进行产品的参数的测量。现代光刻生产设施中的量测设备的常见示例为散射仪，例如角分辨散射仪或光谱散射仪，且其可以在设备122中蚀刻之前被应用于测量在120处的被显影的衬底的属性。在使用量测设备140的情况下，可以确定例如诸如重叠或临界尺寸(CD)之类的重要性能参数并不满足被显影的抗蚀剂中的指定准确度要求。在蚀刻步骤之前，存在通过光刻簇剥离被显影的抗蚀剂且重新处理衬底120的机会。同样众所周知的是，通过管理控制系统SCS和/或控制单元LACU106随着时间推移进行小的调整，可以使用来自设备140的量测结果142以维持光刻簇中的图案化操作的准确性能，由此使正在制造的产品不符合规格并需要返工的风险最小化。当然，量测设备140和/或其它量测设备(图中未示出)可被应用于测量被处理的衬底132、134和进入的衬底130的属性。
示例检查设备
图2的(a)示意性地示出实施所谓的暗场成像量测的检查设备的关键元件。所述设备可以是独立的装置或并入例如测量站处的光刻设备LA中或光刻单元LC中。由虚线O表示贯穿设备具有若干分支的光轴。图2的(b)中更详细地图示目标光栅结构T和衍射射线。
如引言中引用的在先申请中描述的，图2的(a)的暗场成像设备可以是可替代光谱散射仪或除了光谱散射仪之外而使用的多用途角分辨散射仪的部分。在这种类型的检查设备中，由辐射源11发射的辐射由照射系统12调节。例如，照射系统12可以包括准直透镜系统12a、彩色滤光片12b、偏振器12c和孔径装置13。调节后的辐射遵循照射路径IP，在所述照射路径IP中，调节后的辐射是由部分反射表面15反射且通过物镜16而聚焦成衬底W上的斑S。量测目标T可以形成在衬底W上。物镜16可以在形式上与显微镜物镜类似，但具有高数值孔径(NA)，优选为至少0.9且更优选为至少0.95。可以根据需要使用浸没流体以获得大于1的数值孔径。
在这个示例中，物镜16也用于收集已由目标散射的辐射。示意性地，示出用于这种返回辐射的收集路径CP。多用途散射仪可以在收集路径中具有两个或更多个测量分支。图示的示例具有包括光瞳成像光学系统18和光瞳图像传感器19的光瞳成像分支。也示出成像分支，下文将更详细地描述所述成像分支。另外，其它光学系统和分支将包括在实际设备中，例如用于收集参考辐射以用于强度归一化、用于获取目标的粗略成像、用于聚焦等。可以在上文提及的在先公开出版物中发现这些光学系统和分支的细节。
在量测目标T设置在衬底W上的情况下，所述量测目标T可以是1-D光栅，其被印制成使得在显影之后，栅条是由实体抗蚀剂线形成。目标可以是2-D光栅，其被印制成使得在显影之后，光栅是由抗蚀剂中的实体抗蚀剂导柱或通孔形成。栅条、导柱或通孔可替代地被蚀刻至衬底中。这些光栅中的每个是其属性可以使用检查设备来研究的目标结构的示例。在光栅的情况下，结构是周期性的。在重叠量测目标的情况下，光栅被印制在已通过先前的图案化步骤形成的另一光栅的顶部上或与所述光栅交错。
可以调整照射系统12的各种部件以在同一设备内实施不同的量测“选配方案”。除了选择波长(颜色)和偏振作为照射辐射的特性之外，照射系统12也可以被调整以实施不同的照射轮廓。孔径装置13的平面与物镜16的光瞳平面和光瞳图像检测器19的平面共轭。因此，由孔径装置13限定的照射轮廓限定以斑S入射于衬底W上的光的角分布。为了实施不同的照射轮廓，孔径装置13可以设置在照射路径中。孔径装置可以包括安装于可移动滑动件或轮上的不同的孔13a、13b、13c等。孔径装置可替代地包括固定或可编程空间光调制器(SLM)。作为另一替代方案，光纤可以设置在照射光瞳平面中的不同的部位处，且可选择性地用于在其对应部位处递送光或不递送光。这些变形例都在上文引用的文献中论述和例示。孔径装置可以具有反射式的形式，而非透射式的。例如，可能使用反射SLM。实际上，在UV或EUV波带中工作的检查设备中，大多数或全部光学元件可以是反射式的。
依赖于照射模式，示例射线30a可以被设置成使得入射角是如在图2的(b)中的“I”处示出的那样。由目标T反射的零阶射线的路径被标注为“0”(不应与光轴“O”混淆)。类似地，在同一照射模式中或在第二照射模式中，可以设置射线30b，在这种情况下，与第一模式相比，入射角与反射角将调换。在图2的(a)中，第一示例照射模式和第二示例照射模式的零阶射线分别被标注为0a和0b。
如图2的(b)中更详细地示出的，作为目标结构的示例的目标光栅T被放置成使得衬底W垂直于物镜16的光轴O。在离轴照射轮廓的情况下，与轴线O成角度地照射在光栅T上的照射I的射线30a引起零阶射线(实线0)和两个一阶射线(点划线+1和双点划线-1)。应记住，在利用过填充的小目标光栅的情况下，这些射线仅为覆盖包括量测目标光栅T和其它特征的衬底区域的许多平行射线中的一个。由于照射射线30a的束具有有限的宽度(为接纳有用量的光所必要的)，因此入射射线I事实上将占据一角度范围，且衍射射线0和+1/-1将稍微展开。根据小目标的点扩散函数，每个阶+1和-1的衍射辐射将在角度范围上进一步展开，而不是如示出的单条理想射线。
如果目标具有多个周期性分量，则那些周期性分量中的每个将引起一阶和更高阶衍射射线，其可以在进入页面中或离开页面的方向上。为简单起见，图2的(b)的示例仅仅描述一维光栅。
在用于暗场成像的收集路径的分支中，成像光学系统20在传感器23(例如CCD或CMOS传感器)上形成衬底W上的目标的图像T’。孔径光阑21设置在收集路径CP的成像分支中的平面中，所述平面与物镜16的光瞳平面共轭。孔径光阑21也可以被称为光瞳光阑。孔径光阑21可以采取不同的形式，正如照射孔可以采取不同的形式一样。与透镜16的有效孔径结合的孔径光阑21确定使用散射辐射的哪个部分在传感器23上产生图像。典型地，孔径光阑21用于阻挡零阶衍射束，使得形成在传感器23上的目标的图像仅从一阶束形成。在两种一阶束被组合以形成图像的示例中，所述图像将是所谓的暗场图像，其等效于暗场显微法。
将由传感器23获取的图像输出至图像处理器和控制器PU，图像处理器和控制器PU的功能将依赖于正被执行的测量的特定类型。出于本发明的目的，执行对目标结构的不对称性的测量。不对称性测量可以与目标结构的知识组合以获得用于形成所述目标结构的光刻过程的性能参数的测量。可以这种方式测量的性能参数包括例如重叠、聚焦和剂量。提供目标的专门设计以允许通过同一基本不对称性测量方法进行不同的性能参数的这些测量。
处理器和控制器PU也产生诸如λ和AP之类的控制信号，用于控制照射特性(偏振、波长)且用于使用孔径装置13或可编程空间光调制器来选择孔。也可以以相同的方式控制孔径光阑21。照射和检测的这些参数的每个组合都被认为是用于待进行的测量的“选配方案”。
再次参考图2的(b)和照射射线30a，来自目标光栅的+1阶衍射射线将进入物镜16且对在传感器23处记录的图像做出贡献。射线30b以与射线30a相反的角度入射，且因此，-1阶衍射射线进入所述物镜且对所述图像做出贡献。当使用离轴照射时，孔径光阑21阻挡零阶辐射。如先前公开出版物中描述的，照射模式可以利用在X和Y方向上的离轴照射限定。
图2的(a)的孔径装置13中的孔13c、13e和13f包括在X方向和Y方向两者上的离轴照射，且对于本发明来说是特别感兴趣的。孔13c产生可以被称作分段照射轮廓的轮廓，且可以例如与例如由下文描述的分段棱镜22限定的分段孔组合地使用。孔13e和13f可以例如以上文提及的一些在先公布专利申请中描述的方式与同轴孔径光阑21组合地使用。
通过比较在这些不同的照射模式下的目标光栅的图像，可以获得不对称性测量。可替代地，可以通过保持同一照射模式但旋转目标来获得不对称性测量。虽然示出离轴照射，但可替代地使用目标的同轴照射，且可以使用修改的离轴孔径光阑21以将实质上仅一个一阶衍射光传递至传感器。在另一示例中，分段棱镜22被用于与同轴照射模式组合。分段棱镜22可以被视为单独的离轴棱镜的组合，且根据需要可以被实施为安装在一起的棱镜集合。这些棱镜限定分段孔，其中每个象限中的射线稍微偏转一角度。光瞳平面中的这种偏转具有在图像平面中在每个方向上使+1阶与-1阶在空间上分离的效果。换句话说，每个衍射阶和方向的辐射将图像形成至传感器23上的不同的部位，使得可以检测和比较所述图像，而无需两个顺序的图像获取步骤。实际上，在图像传感器23上的分离部位处形成分立的图像。在图2的(a)中，例如，使用从照射射线30a的+1阶衍射产生的图像T’(+1a)是与使用来自照射射线30b的-1阶衍射产生的图像T’(-1b)空间上分离。上文提及的公开专利申请US20110102753A1中公开了这种技术，所述公开专利申请的全部内容通过引用并入本发明中。代替一阶束或除了一阶束之外，二阶、三阶和更高阶束(图2中未示出)也可以用于测量中。作为另一变形例，可以使离轴照射模式保持恒定，而使目标自身在物镜16下方旋转180度以使用相反的衍射阶来获取图像。
无论使用这些技术中的哪种技术，本发明都适用于同时获取在两个方向(例如被称为X和Y的正交方向)上衍射的辐射的方法。
虽然图示了常规的基于透镜的成像系统，但本发明中公开的技术可以同样适用于全光摄影机，且也适用于所谓的“无透镜”成像系统或“数字”成像系统。因此，存在关于用于衍射辐射的处理系统的哪些部分被实施在光学域中且哪些部分被实施在电子域和软件域中的大的设计选择度。
基于图像的不对称性测量
参考图3的(a)且观察孔径装置13附近的照射系统的光瞳平面P(IP)，孔13c已经被选择以限定902处图示的照射的特定空间轮廓。在照射系统的所期望的空间轮廓中，被标注为a和b的两个完全相对的象限是亮的，而另外两个象限是暗的(不透明)。被聚焦以在目标T上形成斑S时，这种空间照射轮廓限定照射的对应的角分布，其中射线仅在这两个象限中形成角度。这种分段类型的孔根据公布专利申请US2010/201963已知为散射测量设备。下文中将进一步描述这种被修改的照射孔的优点。
当来自照射轮廓902的亮区段的射线是由目标结构中的周期性特征衍射时，所述射线将处于与光瞳平面中的移位对应的角度。图3的(a)中的箭头“x”指示由在X方向上为周期性的结构引起的照射的衍射方向，而箭头“y”指示由在Y方向上为周期性的结构引起的照射的衍射方向。箭头“0”指示直接反射，换句话说，零阶衍射。孔的这种分段类型的特征为，关于由预期的衍射方向(在这个示例中为X和Y方向)限定的对称线，照射轮廓的照射区是对称地相对的暗区。因此，有可能将较高阶衍射辐射分离，同时收集同时在两个方向上引导的辐射。
图3的(b)图示在检查设备的收集路径中在共轭光瞳平面P(CP)中的照射分布。首先假定目标T为一维衍射光栅，其在作为第一方向的X方向上具有周期性。虽然照射的空间轮廓302具有被标注为a和b的亮象限，但由目标光栅的线衍射引起的衍射图案在图3的(b)中由304处的图案表示。在这个图案中，除了被标注为a0和b0的零阶反射之外，也可以看到被标注为a+x、b-x的一阶衍射信号。因为照射孔的其它象限是暗的且更通常地因为照射图案具有180°旋转对称性，所以衍射阶a+x和b-x是“自由的”，这意味着所述衍射阶a+x和b-x不与来自照射孔的其它部分的零阶或更高阶信号重叠(在这个阶段仅考虑X方向)。可以利用分段照射图案的这种属性来从节距为可以在使用常规的圆对称的照射孔的情况下成像的最小节距的一半的衍射光栅(对准标记)获得清晰的一阶信号。
零阶信号a0和b0也存在于如所图示的收集系统的光瞳中。依赖于是否想要这些零阶信号，所述零阶信号可以被在形式上与孔13d类似的分段孔径光阑21阻挡。对于基于不对称性的测量，通常感兴趣的是较高阶信号，例如+1阶信号和-1阶信号。
图3的(c)示意性地示出分段棱镜22在图2的检查设备的成像分支的布局。圆形光瞳P(CP)由虚线圆表示。在光瞳的每个象限中，提供呈不同角度的棱镜，所述棱镜使辐射偏转某一角度。光瞳平面中的这个角度偏转被转换成检测器23的平面中的图像的空间分离，如上文已经参考图2的(a)图示的。现在将进一步描述呈这种类型的配置的设备的操作以及一些实际益处和挑战。然而，本发明的原理可应用于其它配置。
图4描绘根据已知的实际形成在衬底W上的复合量测目标。复合目标包括呈光栅32至35的形式的四个目标结构，所述光栅紧密地定位在一起，使得它们都在由量测设备的照射束形成的测量斑S内。圆31指示衬底W上的斑S的范围。所述四个目标结构因此都被同时地照射且同时地成像在传感器23上。在专用于重叠测量的示例中，光栅32至35自身是由在不同的光刻步骤中图案化的第一特征与第二特征形成的重叠光栅。为了易于描述，将假定第一特征和第二特征形成在在衬底W上形成的半导体器件的不同的层中，但其可替代地例如作为多重图案化过程的部分而形成在一个层中。光栅32至35可以被不同地偏置，这意味着所述光栅32至35除了由图案化过程引入的任何未知的重叠误差之外也具有被设计好的重叠偏移。偏置的知识促进其中形成有重叠光栅的不同的部分的层之间的重叠的测量。光栅32至35的方向也可以不同(如示出的)，以便使入射辐射在X方向和Y方向上衍射。
在一个已知的示例中，光栅32和34是在将一个光栅相对于另一光栅放置时分别具有+d、-d的偏置的X方向光栅。这意味着光栅32使其其重叠分量布置成使得如果它们两者都确切地印制在其名义部位处，则所述分量中的一个将相对于另一个偏移一距离d。光栅34使其分量被布置成使得如果被完美地印制在其名义部位处，则将存在为d但在与第一光栅等相反的方向上的偏移。光栅33和35是分别具有+d和-d的偏移的Y方向光栅。可以在由传感器23获取的图像中识别这些光栅的分立的图像。虽然图示了四个光栅，但另一实施例可能需要更大的矩阵以获得期望的准确度。
图5示出可以在图2至图3的设备中使用图4的目标、使用分段照射轮廓和使用分段棱镜22而在传感器23上形成且由传感器23检测的图像的示例。这样的配置提供同时在X和Y两个方向上的离轴照射，且允许同时检测来自图3的(b)中的光瞳304的左上方和右下方的象限的在X和Y上的衍射阶。
暗矩形40表示传感器上的图像的场，在所述场内，衬底上的照射斑31被成像至四个对应的圆形区域中，所述圆形区域各自使用仅来自收集路径CP中的光瞳304的一个象限的辐射。目标的四个图像被标注为502至508。在图像502内，使用光瞳304的左上方象限的辐射的照射斑31的图像被标注为41。在这个图像内，矩形区域42至45表示小目标光栅32至35的图像。如果所述光栅位于产品区域中，则在这个图像场的周边中也可以看见产品特征。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32至35的分立的图像42至45。以这种方式，图像并不必须在传感器框架内的特定部位处极精确地对准，这极大地改善测量设备整体上的生产量。
如提及且如图5中说明的，由于分段棱镜22对收集路径的光瞳904中的信号的动作且由于分段照射轮廓902和其相对于目标T的X方向和Y方向的方向，四个图像502至508中的每个使用每个目标的衍射光谱的仅某些部分。因此，分别在左下方和右上方处的图像504和508是分别由零阶辐射a0和b0形成的。图像502是由较高阶衍射辐射形成的，具体来说是由在来自亮象限b在负X方向上衍射的辐射和来自亮象限a在正Y方向上衍射的辐射(衍射信号a+y和b-x)形成的。相对而言，图像506是由较高阶衍射辐射形成的，具体来说是由来自亮象限b在正X方向上衍射的辐射和来自亮象限a在负Y方向上衍射的辐射(衍射信号a-y和b+x)形成的。
在不使用上文描述的分段照射和分段检测技术的实施方式中，可以分别地而非在单个图像中获取暗场图像502和506。本公开的原理可以在任一情况下同样适用。本公开的原理也可以适用于使用较大目标和光瞳图像传感器19的大量测的情况。
为简单起见，假定每个目标仅包括一维光栅，每个分量光栅31至35在两个方向中的仅一方向个上衍射辐射，且每个光栅的图像通过光学系统的成像动作在图像502至508内空间上分离。一旦已识别光栅的分立的图像，就可以例如通过对识别的区域(ROI)内的选定像素强度值求平均值或求和来测量那些单独的图像的强度。可以将图像的强度和/或其它属性彼此进行比较以针对四个或更多个光栅同时获得不对称性的测量结果。可以将这些结果与目标结构和偏置方案的知识组合，以测量光刻过程的不同的参数。重叠性能是这样的参数的重要示例，且是两个光刻层的侧向对准的量度。更具体地说，可以将重叠限定为例如底部光栅的顶部的中心与对应的顶部光栅的底部的中心之间的侧向位置差。
为了获得光刻过程的其它参数的测量结果，可以使用不同的目标设计。此外，可以将目标设计和偏置方案的知识与不对称性测量结果组合以获得期望的性能参数的测量结果。例如，目标设计已知用于从以这种方式获得的不对称性测量结果获得剂量或聚焦的测量结果。本公开适用于所有这些基于不对称性的测量结果，而不管是用于重叠、聚焦、剂量还是某些其它参数。
如上文提及的，测量的性能参数可以与图案化步骤的执行有关，例如重叠或聚焦，和/或与在图案化步骤之后的物理或化学处理步骤的执行有关。例如，可以在执行蚀刻步骤或抛光步骤中引入不对称性。
对于目标包括具有二维结构的光栅的情况，可能出现不同的光栅的衍射阶之间的串扰。可以应用额外的技术以获得特定于两个方向的测量结果，例如如在本优先权日期未公布的上文提及的申请EP16204457.2和EP17169918.4中公开的。那些申请的内容由此通过引用并入本发明中，而那些技术的细节并不与对本公开的理解相关。
不对称性测量的增强的方法
图6图示(a)使用图3的检查设备导出与不对称性有关的参数的已知的基本方法和(b)从通过引用并入本发明中的US2016161864A1已知的增强的方法。图6的(b)的增强的方法被方便地称作“A+/A-”方法。
图6的(a)中图示的基本方法大体上如上文描述的那样。纯粹出于示例的目的，假定图2的检查设备与上文描述的分段照射和分段检测一起使用。本公开的原理可以恰好易于应用在其它布置中。接收呈暗场图像640的形式的衍射信号，暗场图像640具有图5中示出的图像40的形式。所述图像是使用颜色、偏振和在量测选配方案中确定的其它参数的设定来获取的。预处理步骤642应用先前已针对检查设备确定的校准设定。例如，这些校准设定可以校正图像传感器23中的非均一性。
在步骤644中，处理被获取的图像以识别感兴趣的区(ROI)且提取呈对于不同的衍射阶和目标内的不同的光栅的强度值的形式的衍射信号。在步骤646中，以已知的方式将强度组合以导出每个光栅的不对称性值，且接着将不对称性与已知的偏置方案组合以获得重叠OV的测量结果。可以通过将+1阶衍射信号与-1阶衍射信号的强度相减而获得不对称性值。在将强度差用作不对称性量度之前，可以通过参考平均强度而归一化强度差。所述步骤被标注为dI/I来表示此归一化比较。
在图6的(b)的已知的增强的方法中，遵循相同的一般步骤顺序，但获取多个图像640，每个图像是利用例如辐射的不同的波长(颜色)或不同的偏振来获取的。纯粹作为示例，图示了利用波长λ1和λ2获取的图像640。对于每个图像，执行预处理步骤642和信号提取步骤644以针对每个颜色提取针对不同的光栅的相反的衍射阶的多个强度。接着使用US2016161864A1中描述的A+/A-方法将具有不同的偏置值的光栅的不对称性值组合以获得重叠测量OV。如在先前公开中解释的，这种重叠测量相对于过程效应更鲁棒。
图6的(a)和(b)中图示的方法的步骤可以方便地通过合适的程序化处理硬件中的数字信号处理来实施。可以在通用处理器中实施所有步骤，或可以针对所述步骤中的一个或更多个提供专业硬件。(这同样适用于下文参考图7描述的增强的方法。)如刚刚描述的，用于将多个波长数据组合的已知的方法(即A+/A-方法)涉及从每个单独的图像(其对应于所考虑颜色中的每个)提取衍射信号。信号提取步骤644是所述方法的计算上最密集的部分。当对于多个图像需要图像处理操作的全集合时，这不利地影响所需的计算能力和软件架构的复杂度两者。同时，由于例如传感器不对称性或污染而在图像中存在影响准确度或精度的图像缺陷，且这些图像缺陷是通过重叠计算而进行的。
本发明人已认识到，使用多个获取条件(例如颜色和/或偏振)的益处也可以通过在图像水平处将来自多个获取条件的数据组合来获得。接着需要仅对得到的图像应用信号提取和重叠计算方法。此外，通过将强度水平下的信息组合，我们能够在执行信号提取之前减少这些效应且因此改善准确度和精度两者。
图7图示应用本公开的原理以测量诸如重叠之类的与不对称性有关的参数的增强的方法的一个实施例。纯粹出于示例起见，假定图2的检查设备与上文描述的分段照射和分段检测一起使用。本公开的原理可能恰好易于应用在其它布置中。
与在图6的(b)的已知的方法中一样，使用图2的设备获得多个暗场图像740，每个暗场图像是利用辐射的不同的波长(颜色)或其它参数来获得的。对应于图6的特征的特征具有类似的附图标记，其具有前缀“7”来替代“6”。因此，纯粹作为示例来图示利用波长λ1和λ2获取的图像740。与在已知的方法中一样，使每个图像经受预处理步骤742。图像合成步骤748接着从多个图像740(λ1)等的预处理步骤742接收所述多个图像740(λ1)等且仍以图像的形式将其组合，以获得单个合成图像750。
提供信号提取步骤744和测量计算步骤746，所述信号提取步骤744和测量计算步骤746的形式与图6的(a)的基本方法的信号提取步骤和测量计算步骤的形式类似。这些步骤处理所述合成图像以获得重叠(或其它与不对称性有关的参数)的测量结果。具体地说，应注意，执行单个信号提取步骤744来替代执行每图像的信号提取步骤644。如将在下文说明的，图像合成步骤748可以在计算上相对便宜。在以下示例中，函数f将合成图像定义为单独的图像的线性组合(逐像素)。因此，可以获得计算负担的总体减小，同时保持使用多个波长方法的益处。
本公开并不排除“混合式”方法，其中将被获取的图像的组或子集组合成多个合成图像，且接着对多个图像执行信号提取，但少于获取条件的数目。例如，第一合成图像可能是使用不同的颜色结合第一偏振而获取的图像的加权组合，而第二合成图像可能是使用不同的颜色结合第二偏振而获取的图像的加权组合。在另一实施例中，第一合成图像可能是使用不同的偏振和/或角分布结合第一颜色而获取的图像的加权组合，而第二合成图像可能是使用不同的偏振和/或角分布结合第二颜色而获取的图像的加权组合。
处理细节和数学示例
我们现在将说明我们可以如何通过仅对组合后的图像执行信号提取，来替代必须对每个图像执行信号提取步骤，从而减小软件的复杂度和计算量。
作为示例，我们考虑函数f为输入图像740(λ1)的线性组合。这意味着将合成图像计算为：
其中I(λi)是与照射条件λi对应的暗场图像740(的每像素强度)，i是遍及不同的照射条件变化的指数，且wi是线性组合的加权系数。可以基于物理假定或由于某一优化工序来选择加权系数。每个不同的照射条件可以是例如波长和/或偏振的不同的组合。重要的是，系数wi可以具有正值和负值两者，使得实际上将图像从彼此减去，而不仅是将图像相加。
应注意，我们必须假定在将输入图像组合之前使其对准，这意味着横跨不同的图像的相同像素位置对应于目标T和衬底W上的相同部位。来自不同的颜色的图像之间的对准可以通过在获取所述图像之前校准光学系统来实现，或通过在将所述图像组合之前预对准步骤(例如使用归一化交叉相关或任何其它对齐(registration)方法)来实现。这种预对准步骤将例如在图7的方法中被插入在步骤742与748之间。由于由通过检测系统的光遵循的不同的光学路径，所以光栅的图像可能终止于图像传感器的稍微不同的部位，即使光栅的图像应名义上处于相同地点。在从光瞳图像而非暗场图像提取衍射信号的实施例中，想要的衍射阶的衍射角将根据波长改变而明显地改变。可以包括根据波长缩放衍射图案的缩放运算作为预对准步骤的部分。
在已产生合成图像
Figure BDA0002338782890000221
的情况下，可以从合成图像提取每个光栅或其它目标结构的合成衍射信号
Figure BDA0002338782890000222
和
Figure BDA0002338782890000223
每个合成衍射信号自动地包括在不同的获取条件下获得的衍射信号的相同的加权组合。
常用的重叠计算方法假定+1阶图像与-1阶图像之间的不对称性与重叠的正弦成比例：
I+1-I-1＝K(OV)， (2)
其中I+1和I-1是+1阶衍射信号和-1阶衍射信号，且K是表示重叠测量的灵敏度的系数且依赖于叠层和传感器参数两者。如果优选，则可以采用除线性模型(例如正弦)之外的关系的模型。如已经提及的，实际上可以应用这些方程式中未说明的归一化因子：
Figure BDA0002338782890000224
其中
Figure BDA0002338782890000225
是被比较的强度的平均值。仅出于简洁性起见，从方程式省略这种归一化。
应注意，在我们考虑如在方程式(1)中构造的合成图像的情况下假定同样成立：
Figure BDA0002338782890000226
因此，由于
Figure BDA0002338782890000227
从合成图像导出的不对称性与重叠成比例(在线性模型示例中)，因此我们仍可以对组合后的图像使用我们当前重叠信号提取和重叠计算方法。应注意，重叠测量的灵敏度
Figure BDA0002338782890000228
现在将为：
Figure BDA0002338782890000231
可以看到本发明中公开的和图7中示意性地表示的增强的技术的若干优点。所述技术是灵活的，这是因为设计者可以基于物理假定或作为优化问题的结果选择系数wi作为量测选配方案的部分，使得我们可改良灵敏度、叠层灵敏度或感兴趣的任何其它性能参数。所述方法简单且其需要对处理硬件和软件的最小程度的改变。如在以下示例中示范的，现有的基本信号提取方法在不对合成图像进行任何修改的情况下起作用。
作为另一益处，通常用于评估量测技术的许多关键性能指示符(KPI)(例如叠层灵敏度)可以与我们为了单个颜色获取而计算所述关键性能指示符的方式相同的方式来计算。在可能不存在明显的“正确方式”来限定许多这些KPI的其它增强的方法中，情况并非如此。
使用两个颜色的示例
可以将多个获取条件(例如照射条件)选择为针对给定数目的图像获取最大化增强的方法的益处，而非随机地限定所述多个获取条件(例如照射条件)。例如，如果我们将合成图像强度
Figure BDA0002338782890000232
选择为仅两个图像的线性组合，则我们可能希望选择颜色和系数wi i＝1，2，使得我们可以最大化组合后的灵敏度
Figure BDA0002338782890000233
为此，可能有用的是观测通过绘制K作为波长的函数而获得的所谓的“摆动曲线”的典型行为。
图8图示了这样的摆动曲线802，其表示灵敏度系数K相对于波长λ(作为可能发生变化以产生不同的获取条件的参数的示例)的变化。假定K通过剂量而归一化(即所有图像已接收相同数目的光子)，我们提出获取在摆动曲线的具有相反的正负号或异号的波峰处的图像。我们接着使所述图像相减以获得合成图像。依据方程式1，这种减法是通过设定加权系数使得w2＝-w1＝1来获得的。
在这种情况下，得到的灵敏度
Figure BDA0002338782890000241
将为：
Figure BDA0002338782890000242
针对正偏置光栅和负偏置光栅的不对称性将等于：
Figure BDA0002338782890000243
接着，将重叠计算为：
Figure BDA0002338782890000245
其中“bias”为正偏置与负偏置的量值。
应理解，可预先选择两个获取条件且所述两个获取条件是所使用的仅有的两个获取条件，或可以通过在图像合成步骤748中设定系数而从较大数目的获取条件选择所述两个获取条件。在每次获取的图像获取时间是测量费用的显著部分的情况下，前一途径当然可能是有益的。当未必预先知道最佳选配方案时，后一途径可能是优选的。
使用上文的方程式，也可以示出：通过图7的方法使对应于这两个颜色的图像相减且接着对得到的合成图像施加重叠计算在数学上等效于在利用两个颜色的情况下应用图6的(b)的已知的A+/A-方法。A+/A-方法在图9中被图示。如在US2016161864A1中较完整解释的，对于图4中图示的类型的单个重叠目标，我们针对不同的获取条件(例如不同的颜色)绘制具有正偏置的光栅的测量的不对称性A+相对于具有负偏置的光栅的测量的不对称性A-。如图9的(a)中示出的，A+/A-方法所隐含的经验观测结果为这些点902(λi)大致处于线904上，且这条线的斜率m与重叠相关如下：
Figure BDA0002338782890000246
可以针对任意数目的点使用例如“最小平方”拟合找到所述线的斜率。以这种方式，任意数目的点(获取条件)可以用于获得重叠(或其它与不对称性有关的参数)的“最佳”测量。现在参考图9的(b)，我们考虑使用仅两个点(针对两个不同的颜色λ1和λ2的示例。在这种情况下，线906的斜率m简单地由以下给出：
Figure BDA0002338782890000251
将两个方程式组合并运算，我们可以将重叠计算为：
Figure BDA0002338782890000252
这确切地是针对我们使两个图像相减的情况(如在的前一章节中示出的)而获得的重叠的公式。也应注意，我们在图9的(b)中绘制(A+-A-)轴线908。投影至这个轴线上的位置表示系数K的值。我们可以看到，选择尽可能在(A+,A-)平面中的两个点通常等效于选择在具有异号的摆动曲线的波峰处的点。
实验结果
实验结果确认以上描述的益处。将图7的方法应用至从典型的类产品的晶片上的重叠目标获取的图像。在针对六种不同的颜色通过A+/A-方法将测量结果组合的情况下，针对每个目标获得参考测量OVref。接着针对每个波长，在针对每个目标获得的重叠测量OV与“理想”参考测量OVref之间存在计算的差。可以通过单个波长获得的最佳测量各自示出与每一目标的参考测量的系统性偏差，和目标之间的清楚的变化。在本发明中公开的合成图像方法中选择并使用处于摆动曲线的具有异号的波峰处的两个波长λ1和λ2，以将通过这两个波长获取的图像组合且获得重叠测量。也在利用相同的两个颜色的情况下使用A+A-方法获得所述测量。已发现，与最佳的单个颜色测量中的任一个相比，合成图像方法极大地改善了与理想结果OVref的匹配。实验也证实了数学上预期的结果，所述结果与在使用相同的两个颜色的情况下的A+/A-方法一样好。因此，在无准确度损失的情况下获得计算减少的益处。其次，我们预期通过使具有相对叠层灵敏度的图像相减，我们可以部分地移除存在于两个图像中的伪像(artifact)。
在其它实验中，提供有用于例如在现代3-D NAND装置中找到的厚叠层的技术。在厚叠层中，摆动曲线随着波长非常快速地振荡。这种行为使得难以获得足够的叠层灵敏度来实现准确测量。已观测到，在许多厚叠层的情况下，0度偏振与90度偏振针对叠层灵敏度具有异号。接着如果我们使在获取条件下使用0度和90度偏振获得的图像相减，则我们具有叠层灵敏度将超出测量所需的水平的区域，且“摆动”也将稍微较宽。
呈现的示例通过简单的减法使用两个获取条件，但在需要时可以将所述方法扩展至更多颜色和/或不同的加权系数。选择获取条件和系数的方式可以根据产品特性而不同。
呈现的示例使用仅具有在量值上相等但在方向上相反的两个偏置值的偏置方案。可以将该方法扩展至具有不同的偏置值的偏置方案，且扩展至具有多于两个值的偏置方案，且扩展至在多于一个方向上具有重叠和偏置值的目标。
光刻制造过程中的应用
图10图示在控制图1中图示的类型的光刻制造系统时应用量测。将在这里列出步骤，且接着更详细地解释所述步骤：
S21：处理晶片以在衬底上产生结构
S22：横跨衬底测量重叠和/或其它参数
S23：更新量测选配方案
S24：更新光刻和/或过程选配方案
在步骤S21处，使用光刻制造系统横跨衬底产生结构。在S22处，使用量测设备140且可选地使用其它量测设备和信息源以横跨衬底测量结构的属性。使用如以上描述且如例如图7中示出的多个获取条件来获取衍射信号。获得并使用一个或更多个合成图像以导出结构的与不对称性相关的属性。例如，我们感兴趣的与不对称性相关的属性可能是重叠(OVL)和/或聚焦和/或剂量。
在步骤S23处，可选地，按照获得的测量结果更新量测选配方案和量测设备的校准。选配方案可以例如指定哪些特定获取条件在未来使用，和/或其待组合的方式。
在步骤S24处，比较重叠或其它参数的测量结果与期望值，且使用重叠或其它参数的所述测量结果以更新光刻制造系统内的光刻设备和/或其它设备的设定。通过使用合成图像提供量测设备，可以针对给定处理负担获得较准确的测量结果。这进而可以在其它测量中应用测量的结果时和在进一步控制光刻设备时导致更佳的性能。
结论
上文公开的原理允许通过使用多个获取条件来改良测量准确度，而不会成比例地增大计算负担。所述技术适于应用于待通过使用分段检测系统的暗场成像方法和其它方法进行的不对称性测量。使用两组或多于两组获取条件和/或两个或更多个不同的目标结构设计会允许基于分段检测系统的简单且高效的检查设备以在较宽的目标设计范围(包括在两个层中在第二方向上具有显著衍射的目标设计)下进行操作。
同时，由于例如传感器不对称性或污染而通常在图像中存在影响准确度或精度的图像缺陷，且这些图像缺陷是通过重叠计算而进行的。我们预期通过将强度水平下的信息组合，我们能够在执行信号提取之前减少这些效应且因此改良准确度和精度两者。
虽然上文已描述本发明的特定实施例，但应了解，可以与描述方式不同的其它方式来实践本发明。
虽然实施例中图示的检查设备或工具包括具有用于通过平行图像传感器使光瞳平面与衬底平面同时成像的第一分支和第二分支的特定形式的散射仪，但替代布置是可能的。所述分支可由诸如反射镜之类的可移动光学元件选择性地耦接，而不是提供由分束器17永久地耦接至物镜16的两个分支。可以使光学系统具有单个图像传感器，至传感器的光学路径通过可移动元件重新配置以充当光瞳平面图像传感器且接着充当衬底平面图像传感器。
虽然图2中图示的光学系统包括折射式元件，但可替代地使用反射式光学器件。例如，使用反射光学器件可以使得能够使用较短波长的辐射。
虽然上文描述的目标结构为出于测量的目的而特定地设计和形成的量测目标，但在其它实施例中，可以在为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类光栅的结构。如本发明中使用的术语“目标光栅”和“目标结构”并不要求已特定地针对正被执行的测量来提供所述结构。
与在图案形成装置上和图案化衬底上实现的检查设备硬件和合适的目标结构相关联地，实施例可以包括实施所述方法的步骤的处理装置。处理装置可以是单个处理器，或并行和/或顺序地一起工作的处理器的集合体。这种处理装置可以整体地或部分地通过计算机程序控制，所述计算机程序包含一个或更多个机器可读指令序列，所述一个或更多个机器可读指令序列实施上文说明的类型的测量方法以获得关于目标结构和/或关于光刻过程的信息。这种计算机程序可以在例如图2的设备中的图像处理器和控制器PU和/或图1的控制单元LACU内执行。也可以提供其中储存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)。
尽管上文可以已特定地参考在光学光刻术的情境中对本发明的实施例的使用，但应了解，本发明可以用于其它应用(例如压印光刻术)中，且在该情境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或形貌(topography)限定在衬底上产生的图案。可以将图案形成装置的形貌压入被供应至衬底的抗蚀剂层中，在衬底上的抗蚀剂是通过施加电磁辐射、热、压力或其组合而固化的。在抗蚀剂固化之后，将图案形成装置移出抗蚀剂，从而在其中留下图案。
在以下被编号的方面中还描述根据本发明的另外的实施例：
1.一种确定过程的性能参数的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)获得已通过所述过程形成的多个目标结构，每个目标结构具有与所述性能参数有关的已知的偏置；
(b)使用检测系统以获取表示在多个不同的获取条件下由所述目标结构衍射的辐射的选定部分的多个图像；
(c)将被获取的图像的至少一个子集的像素值组合以获得一个或更多个合成图像；
(d)从一个或更多个合成图像提取多个合成衍射信号；和
(e)使用所述合成衍射信号计算所述性能参数的测量结果。
2.根据方面1所述的方法，其中，多个获取条件在用于照射所述目标结构和/或检测所述被获取的图像的辐射的波长、偏振和/或角分布中的一个或更多个方面不同。
3.根据方面2所述的方法，其中，所述多个获取条件至少在用于照射所述目标结构的和/或检测所述被获取的图像的辐射的所述波长方面不同。
4.根据方面2或3所述的方法，其中，所述多个获取条件至少在用于照射所述目标结构和/或检测所述被获取的图像的辐射的所述偏振方面不同。
5.根据任一前述方面所述的方法，其中，在步骤(c)中通过使用针对所述被获取的图像中的至少一个的正权重和针对所述被获取的图像中的至少另一个的负权重而对来自所述被获取的图像的像素值进行加权组合来产生所述合成图像。
6.根据任一前述方面所述的方法，其中，步骤(e)包括通过将在步骤(d)中提取的所述合成衍射信号中的两个或更多个组合获得针对两个或更多个目标结构的不对称性值。
7.根据任一前述方面所述的方法，其中，步骤(d)包括从一个或更多个合成图像的对应的部分提取多个合成衍射信号。
8.根据方面7所述的方法，其中，所述被获取的图像是表示衍射辐射在所述检测条统的光瞳平面中的分布的光瞳图像。
9.根据方面7所述的方法，其中，所述被获取的图像是所述多个目标结构的暗场图像，每个暗场图像是使用衍射辐射的特定部分形成的。
10.根据方面9所述的方法，其中，所述被获取的图像中的每个包含互补部分，所述互补部分是使用在第一方向和第二方向上衍射的辐射的相反的衍射阶形成的相同的多个目标结构的图像。
11.根据方面7、8、9或10所述的方法，其中，在步骤(b)中，在使用具有被照射区和暗区的分段照射轮廓照射所述目标结构的同时获取所述图像，每个被照射区在所述第一方向上反射时和在所述第二方向上反射时与暗区对称地相对。
12.根据方面11所述的方法，其中，所述分段照射轮廓具有四个象限，所述被照射区仅落在彼此完全相反的两个象限。
13.根据引用方面9或10时的方面11或12所述的方法，其中，所述检测系统是分段检测系统，从而所述第一图像或每个第一图像和所述第二图像或每个第二图像包括互补部分，所述互补部分是使用由所述目标结构衍射的所述辐射的相反的衍射阶形成的所述目标结构的图像。
14.根据方面7至13中任一项所述的方法，其中，所述性能参数是重叠，且所述目标结构中的每个是形成在两个或更多个层中的重叠光栅。
15.根据方面7至14所述的方法，其中，所述多个目标结构包括以划分成类似四等分的矩形布局的方式布置在一起的四个目标结构。
16.根据任一前述方面所述的方法，还包括使用被确定的性能参数来修改量测选配方案以测量另外的目标结构。
17.根据任一前述方面所述的方法，还包括使用所述被确定的性能参数来控制光刻设备以将图案施加至衬底。
18.一种检查设备，用于确定过程的性能参数，所述检查设备包括：
用于衬底的支撑件，在所述衬底上提供已通过所述过程形成的多个目标结构，每个目标结构具有与所述性能参数有关的已知的偏置；
照射系统和检测系统，所述照射系统和检测系统能够一起操作以获取表示在多个不同的获取条件下由所述目标结构衍射的辐射的选定部分的图像；
处理装置，所述处理装置被布置成：将所述被获取的图像的至少一个子集的像素值组合以获得一个或更多个合成图像，从一个或更多个合成图像提取多个合成衍射信号，且使用所述合成衍射信号计算所述性能参数的测量结果。
19.根据方面18所述的检查设备，其中，所述多个获取条件能够被布置成在用于照射所述目标结构的辐射的波长、偏振和角分布中的一个或更多个，或用于检测所述被获取的图像的辐射的波长、偏振和角分布中的一个或更多个方面不同。
20.根据方面18或19所述的检查设备，其中，所述处理装置被布置成通过使用针对所述被获取的图像中的至少一个的正权重和针对所述被获取的图像中的至少另一个的负权重而对来自所述被获取的图像的像素值进行加权组合来产生所述合成图像。
21.根据方面18至20中任一项所述的检查设备，其中，所述处理装置被布置成通过将提取的合成衍射信号中的两个或更多个组合而获得针对两个或更多个目标结构的不对称性值，所述不对称性值用于计算所述性能参数的所述测量结果。
22.根据方面18至21中任一项所述的检查设备，其中，所述处理装置被布置成从一个或更多个合成图像的对应的部分提取所述多个合成衍射信号。
23.根据方面22所述的检查设备，其中，所述被获取的图像是所述多个目标结构的暗场图像，每个暗场图像是使用衍射辐射的特定部分形成的。
24.根据方面23所述的检查设备，其中，所述被获取的图像中的每个包含互补部分，所述互补部分是使用在第一方向和第二方向上衍射的辐射的相反的衍射阶形成的相同的多个目标结构的图像。
25.一种处理装置，被布置成接收从多个目标结构在不同的获取条件下获取的多个图像且通过以下操作导出性能参数的测量结果：将所述被获取的图像的至少一个子集的像素值组合以获得一个或更多个合成图像，从一个或更多个合成图像提取多个合成衍射信号，且使用所述合成衍射信号计算所述性能参数的测量结果。
26.一种计算机程序产品，包括机器可读指令，所述机器可读指令用于使可编程处理装置接收在不同的获取条件下从多个目标结构获取的多个图像且通过执行根据方面1至17中任一项的方法中的步骤(c)、(d)和(e)而导出性能参数的测量结果。
27.根据方面26所述的计算机程序产品，其中，所述机器可读指令还布置成使所述可编程处理装置自动地控制检查设备的操作以使在不同的获取条件下通过所述方法的步骤(b)来获取所述图像。
28.一种光刻系统，包括：
光刻设备，用于将图案施加至一个或更多个衬底上；
根据方面17至24中任一项所述的检查设备；和
控制系统，用于在将所述图案施加至另外的衬底时使用来自所述检查设备的测量结果控制所述光刻设备。
29.一种制造器件的方法，其中，使用过程将器件图案施加至一系列衬底，所述方法包括使用根据方面1至17中任一项所述的方法使用作为所述衬底中的至少一个上的所述器件图案的部分或除了所述器件图案之外而形成的多个目标结构的重叠误差；和根据所述测量的结果控制针对稍后衬底的所述过程。
本发明中使用的术语“辐射”和“束”涵盖全部类型的电磁辐射，包括紫外线(UV)辐射(例如具有为或约为365nm、355nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波长)和极紫外线(EUV)辐射(例如具有在1-100nm的范围内的波长)，以及粒子束，诸如离子束或电子束。可以使用合适的源在UV和EUV波长内进行散射仪和其它检查设备的实施，且本公开决不限于使用IR和可见光辐射的系统。
术语“透镜”在情境允许时可以指各种类型的光学部件中的任一个或其组合，包括折射式、反射式、磁性式、电磁式和静电式光学部件。反射式部件很可能用于在UV和/或EUV范围内操作的设备中。
本发明的广度和范围不应受上述示例性实施例中的任一个限制，而应仅根据随附权利要求及其等效物来限定。

Claims (15)

1.一种确定过程的性能参数的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)获得已通过所述过程形成的多个目标结构，每个目标结构具有与所述性能参数有关的已知的偏差；
(b)使用检测系统以获取表示在多个不同的获取条件下由所述目标结构衍射的辐射的选定部分的多个图像；
(c)将被获取的图像的至少一个子集的像素值组合以获得一个或更多个合成图像；
(d)从一个或更多个合成图像提取多个合成衍射信号；和
(e)使用所述合成衍射信号计算所述性能参数的测量结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，多个获取条件在用于照射所述目标结构和/或检测所述被捕获的图像的辐射的波长、偏振和/或角分布中的一个或更多个方面不同。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个获取条件至少在用于照射所述目标结构和/或检测所述被获取的图像的辐射的波长方面不同。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述多个获取条件至少在用于照射所述目标结构和/或检测所述被获取的图像的辐射的偏振方面不同。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤(c)中通过使用针对所述被获取的图像中的至少一个的正权重和针对所述被获取的图像中的至少另一个的负权重而对所述被获取的图像的像素值进行加权组合来产生所述合成图像。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(e)包括通过将在步骤(d)中提取的所述合成衍射信号中的两个或更多个组合而获得针对两个或更多个目标结构的不对称性值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(d)包括从一个或更多个合成图像的对应的部分提取多个合成衍射信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述被获取的图像是表示衍射辐射在所述检测系统的光瞳平面中的分布的光瞳图像。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述被获取的图像是所述多个目标结构的暗场图像，每个暗场图像是使用衍射辐射的特定部分形成的。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述被获取的图像中的每个包含互补部分，所述互补部分是使用在第一方向和第二方向上衍射的辐射的相反的衍射阶形成的相同的多个目标结构的图像。
11.根据权利要求7、8、9或10所述的方法，其中，在步骤(b)中，在使用具有被照射区和暗区的分段照射轮廓照射所述目标结构的同时获取所述图像，每个被照射区在所述第一方向上反射时和在所述第二方向上反射时与暗区对称地相对。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述分段照射轮廓具有四个象限，所述被照射区仅落在彼此完全相反的两个象限。
13.根据当引用权利要求9或10时的权利要求11或12所述的方法，其中，所述检测系统是分段检测系统，从而所述第一图像或每个第一图像和所述第二图像或每个第二图像包括互补部分，所述互补部分是使用由所述目标结构衍射的所述辐射的相反的衍射阶形成的所述目标结构的图像。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其中，所述性能参数是重叠，且所述目标结构中的每个是形成在两个或更多个层中的重叠光栅。
15.根据权利要求7至14中任一项所述的方法，其中，所述多个目标结构包括以划分成类似四等分的矩形布局的方式布置在一起的四个目标结构。
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