CN111989619A - 半导体结构的基于模型的重构 - Google Patents

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Abstract

通过以下步骤确定制备在衬底上的结构的性质的方法和设备：根据所述结构的测量光瞳图像的像素来确定测量特性，所述测量特性包括比射手测量光瞳图像更少的信息；生成与所述测量特性相对应的初始的模拟特性，并且所述模拟特性基于所述结构的候选模型；在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止；基于作为所述候选模型的所述粗模型生成初始的模拟光瞳图像；在迭代法中比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分，直到所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分之间的差小于精阈值为止。

Description

半导体结构的基于模型的重构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月9日提交的欧洲申请18166389.9的优先权，所述申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于基于结构的模型而重构制备在衬底上的结构的方法和设备。更具体地，本发明可以涉及使用从所述结构衍射或散射的测量电磁辐射、和作为从所述结构的模型衍射或散射而模拟的模拟电磁辐射来重构所述结构。
背景技术
光刻设备是一种构造为将期望的图案施加到衬底上的机器。例如，光刻设备可以使用于集成电路(IC)的制造中。光刻设备可以例如将图案形成装置(例如，掩模)处的图案(也经常被称为“设计布局”或“设计”)投影到设置在衬底(例如，晶片)上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上。
为了将图案投影到衬底上，光刻设备可以使用电磁辐射。这种辐射的波长确定可以形成在衬底上的特征的最小尺寸。当前使用的典型的波长是365nm(i线)、248nm、193nm或13.5nm。使用极紫外(EUV)辐射(具有在4-20mm范围内的波长，例如6.7nm或13.5nm)的光刻设备可以被用于在衬底上形成与使用例如具有193nm波长的辐射的光刻设备相比更小的特征。
低k1光刻术被用于处理尺寸小于光刻设备的经典分辨率极限的特征。在这样的过程中，分辨率公式可以被表示为CD＝k1×λ/NA，其中λ是所采用的辐射的波长，NA是光刻设备中的投影光学器件的数值孔径，CD是“临界尺寸”(通常是所印制的最小特征尺寸，在这种情况下为半节距)，并且k1是经验分辨率因子。通常，k1越小，在衬底上再现类似于由电路设计者规划的形状和尺寸的图案以实现特定电学功能性和性能就变得越困难。为了克服这些困难，可以将复杂的精调谐步骤应用至光刻投影设备和/或设计布局。这些步骤包括例如但不限于：NA的优化、自定义照射方案、相移图案形成装置的使用、设计布局的各种优化(诸如设计布局中的光学邻近效应校正(OPC，有时也被称为“光学和过程校正))、或通常被定义为“分辨率增强技术”(RET)的其它方法。可替代地，可以使用用于控制光刻设备的稳定性的紧密控制回路来改善低k1下的图案的再现。
在光刻过程中在衬底上制备结构之后，接着可以是量测过程以确定结构的一个或多个性质。在特定的量测过程中，可以使用所述结构的模型库来重构每个所述结构，每个模型与所述结构相对应但性质稍微不同。在这样的量测过程中，电磁辐射从结构衍射或散射，并且在散射仪的光学系统的检测支路的光瞳平面中捕获光瞳图像。同样，如果从所述结构的模型衍射或散射电磁辐射，则模拟出导致相同的电磁辐射的模拟瞳孔图像。比较测量光瞳图像与模拟光瞳图像导致与所述结构的模型的与实际制备的结构比较时的准确度有关的差。通过迭代过程，所述模型可以被改变并且接着又进行相同的过程，直到所述差小于阈值为止，此后所述模型被认为表示所述结构。
这样的方法很费时并且在计算工作方面是昂贵的。
发明内容
根据本发明，在一方面，提供了一种用于确定制备在衬底上上的结构(诸如，周期性结构)的性质的设备，所述设备包括处理器，所述处理器被配置成执行计算机程序代码以执行具有以下步骤的方法：根据从光学设备获得的测量结果生成的所述结构的测量光瞳图像的像素来确定测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；生成与所述测量特性相对应的初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型；在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止；基于作为所述候选模型的所述粗模型生成初始的模拟光瞳图像；在迭代法中比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分，以将所述结构的精模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量光瞳图像的所述至少一部分与所述模拟光瞳图像的所述至少一部分之间的差小于精阈值为止。
可选地，所述测量特性包括基于所述测量光瞳图像中的多个像素的强度的平均强度，并且其中所述模拟特性包括与所述模拟光瞳图像中的多个像素的强度相对应的平均强度。
可选地，所述测量特性包括用于表示所述测量光瞳图像的一个或更多个泽尼克多项式的一个或更多个系数，并且其中所述模拟特性包括用于表示所述模拟光瞳图像的一个或更多个泽尼克多项式的一个或更多个系数。
可选地，所述测量特性包括与使用入射到所述结构的不同波长的辐射而获得的多个光瞳图像有关的多个测量特性，并且其中所述模拟特性包括与被模拟成入射到所述结构的模型的不同波长的辐射有关的多个模拟特性。
可选地，比较所述测量特性与所述模拟特性包括比较所述测量特性的多个值与所述模拟特性的对应值。
可选地，比较所述测量特性与所述模拟特性包括比较所述测量特性的多个值的序列与所述模拟特性的对应值的序列，并且其中所述粗阈值包括所述序列之间的拟合良好性。
可选地，至少部分地基于所述候选模型直接地确定所述模拟特性，而不首先确定所述模拟光瞳图像。
可选地，所述测量特性和所述模拟特性不包括分别与辐射从所述结构被散射或被衍射的角度、或辐射被模拟成从所述结构的所述候选模型被散射或被衍射的角度有关的信息。
可选地，当比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分时，已经通过用具有一个波长的辐射照射所述结构而获得了所述测量光瞳图像。
根据本发明，在一方面，提供了一种用于确定制备在衬底上的结构的性质的设备，所述设备包括处理器，所述处理器被配置成执行计算机程序代码以执行具有以下步骤的方法：根据从由光学设备通过用多个波长的辐射照射所述结构而获得的多个测量结果生成的所述结构的多个测量光瞳图像的像素来确定多个测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；生成与所述测量特性相对应的多个初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型，所述候选模型被模拟成由所述多个波长的辐射照射；在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止。
可选地，所述处理器还被配置成执行计算机程序代码以执行以下步骤：基于作为被模拟成由一个波长的辐射照射的所述候选模型的所述粗模型生成初始的模拟光瞳图像，并且其中已经通过用一个波长的辐射照射所述结构获得了所述测量光瞳图像中的一个测量光瞳图像；在迭代法中比较一个测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分，以将所述结构的精模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量光瞳图像的所述至少一部分与所述模拟光瞳图像的所述至少一部分之间的差小于精阈值为止。
根据本发明，在一方面，提供了一种用于确定制备在衬底上的结构的性质的方法，所述方法包括：根据从光学设备获得的测量结果生成的所述结构的测量光瞳图像的像素来确定测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；生成与所述测量特性相对应的初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型；在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止；基于作为所述候选模型的所述粗模型生成初始的模拟光瞳图像；在迭代法中比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分，以将所述结构的精模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量光瞳图像的所述至少一部分与所述模拟光瞳图像的所述至少一部分之间的差小于精阈值为止。
根据本发明，在一方面，提供了一种用于确定制备在衬底上的结构的性质的方法，所述方法包括：根据从由光学设备通过用多个波长的辐射照射所述结构而获得的多个测量结果生成的所述结构的多个测量光瞳图像的像素来确定多个测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；生成与所述测量特性相对应的多个初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型，所述候选模型被模拟成由所述多个波长的辐射照射；在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止。
根据本发明，在一方面，提供一种计算机程序，包括这样的指令：所述指令在至少一个处理器上执行时使所述至少一个处理器控制设备以执行根据本文中的任何公开内容所述的方法。
根据本发明，在一方面，提供一种量测系统，所述量测系统用于确定制备在衬底上的结构的一个或更多个性质并且包括根据本文中的任何公开内容所述的用于确定制备在衬底上的结构的性质的设备。
根据本发明，在一方面，提供一种包括上文公开的量测系统的光刻系统。
根据本发明，在一方面，提供一种包括上文公开的光刻系统的光刻单元系统。
附图说明
在本文中参考随附附图来描述示例性实施例，在附图中：
图1为光刻设备的示意图；
图2为光刻单元的示意图；
图3为整体光刻的示意图，表示三种关键技术之间的协作以优化半导体制造；
图4a为散射仪的示意图；
图4b为散射仪的示意图；
图5是用于确定制备在衬底上的结构的性质的示例性迭代过程的流程图；
图6是用于确定制备在衬底上的结构的性质的示例性迭代过程的流程图；以及
图7和图8示出了与以不同的波长从制备在衬底上的结构衍射或散射的辐射有关的多个测量特性和模拟特性的图。
具体实施方式
在本文件中，术语“辐射”和“束”被用于涵盖所有类型的电磁辐射，包括紫外辐射(例如具有365nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波长)和极紫外辐射(EUV，例如具有在约5-100nm的范围内的波长)。
如本发明中使用的术语“掩模版”、“掩模”或“图案形成装置”可以被广泛地解释为是指可以用以向入射辐射束赋予被图案化的横截面的通用图案形成装置，所述被图案化的横截面对应于将要在衬底的目标部分中产生的图案。在这种内容背景下，也可以使用术语“光阀”。除经典掩模(透射型或反射型、二元、相移、混合型等等)以外，其它这样的图案形成装置的示例包括可编程反射镜阵列和可编程LCD阵列。
图1示意性地描绘了一种光刻设备LA。述光刻设备LA包括：照射系统(也被称作照射器)IL，所述照射系统被配置成调节辐射束B(例如，UV辐射、DUV辐射或EUV辐射)；掩模支撑件(例如，掩模台)MT，所述掩模支撑件被构造成支撑图案形成装置(例如，掩模)MA，并且被连接至被配置成根据某些参数来准确地定位图案形成装置MA的第一定位器PM；衬底支撑件(例如，晶片台)WT，所述衬底支撑件被构造成保持衬底(例如，涂覆有抗蚀剂的晶片)W，被连接至被配置成根据某些参数而准确地定位衬底支撑件的第二定位器PW；以及投影系统(例如，折射投影透镜系统)PS，所述投影系统被配置成将由图案形成装置MA赋予至辐射束B的图案投影至衬底W的目标部分C(例如，包括一个或更多个管芯的部分)上。
在操作中，照射系统IL例如通过束传递系统BD从辐射源SO接收辐射束。照射系统IL可以包括用于引导、成形和/或控制辐射的各种类型的光学部件，诸如折射型、反射型、磁性型、电磁型、静电型和/或其它类型的光学部件，或其任何组合。照射器IL可以被用于调节辐射束B以在其横截面中在图案形成装置MA的平面处具有期望的空间性强度分布和角强度分布。
本发明中使用的术语“投影系统”PS应被广泛地解释为涵盖适于所使用的曝光辐射和/或适于诸如浸没液体的使用或真空的使用之类的其它因素的各种类型的投影系统，包括折射型、反射型、反射折射型、变形型、磁性型、电磁型和/或静电型光学系统或其任何组合。本文中使用的任何术语“投影透镜”可以被认为与更上位的术语“投影系统”PS同义。
光刻设备LA可属于如下类型：衬底的至少一部分可以由具有相对高折射率的浸没液体(例如水)覆盖，以便填充投影系统PS与衬底W之间的空间——这也被称作浸没光刻术。以引用方式并入本发明中的US6952253中给出关于浸没技术的更多信息。
光刻设备LA也可以属于具有两个或更多个衬底支撑件WT(也称为“双平台”)的类型。在这种“多平台”机器中，可以并行地使用衬底支撑件WT，和/或可以在对位于衬底支撑件WT中的一个衬底支撑件上的衬底W进行准备衬底W的后续曝光的步骤的同时将另一衬底支撑件WT上的另一衬底W用于在另一衬底W上曝光图案。
除了衬底支撑件WT以外，光刻设备LA也可以包括测量平台。测量平台被布置成保持传感器和/或清洁装置。传感器可以被布置成测量投影系统PS的性质或辐射束B的性质。测量平台可以保持多个传感器。清洁装置可以被布置成清洁光刻设备的一部分，例如投影系统PS的一部分或系统的提供浸没液体的部分。测量平台可以在衬底支撑件WT远离投影系统PS时在投影系统PS下移动。
在操作中，辐射束B入射到保持在掩模支撑件MT上的图案形成装置(例如掩模)MA上，并且由图案形成装置MA上存在的图案(设计布局)来图案化。在已横穿掩模MA的情况下，辐射束B穿过投影系统PS，所述投影系统将所述束聚焦至衬底W的目标部分C上。借助于第二定位器PW和位置测量系统IF，可以准确地移动衬底支撑件WT，例如以便在聚焦且对准的位置处将不同的目标部分C定位在辐射束B的路径中。类似地，第一定位器PM和可能的另一位置传感器(在图1中未明确地描绘)可以用以相对于辐射束B的路径来准确地定位图案形成装置MA。可以通过使用掩模对准标记M1、M2和衬底对准标记P1、P2来对准图案形成装置MA和衬底W。尽管如所图示的衬底对准标记P1、P2占据专用目标部分，但所述标记可以位于目标部分之间的空间中。当衬底对准标记P1、P2位于目标部分C之间时，这些衬底对准标记被称为划线对准标记。
如图2中所示出，光刻设备LA可以形成有时也被称作光刻元或光刻簇的光刻单元LC的部分，所述光刻单元LC常常也包括用以对衬底W执行曝光前和曝光后过程的设备。常规地，这些包括用以沉积抗蚀剂层的旋涂器SC、用以显影曝光后的抗蚀剂的显影器DE、例如用于调节衬底W的温度(例如，用于调节抗蚀剂层中的溶剂)的激冷板CH和焙烤板BK。衬底处理装置或机器人RO从输入/输出端口I/O1、I/O2拾取衬底W、在不同过程设备之间移动衬底W且将衬底W传递至光刻设备LA的进料台LB。光刻单元中常常也被共同地称作涂覆显影系统的装置通常处于涂覆显影系统控制单元TCU的控制下，涂覆显影系统控制单元TCU自身可以受管理控制系统SCS控制，管理控制系统SCS也可以例如经由光刻控制单元LACU来控制光刻设备LA。
为了正确且一致地曝光由光刻设备LA曝光的衬底W，期望检查衬底以测量被图案化的结构的性质，诸如后续层之间的重叠误差、线厚度、临界尺寸(CD)等等。出于这种目的，可以在光刻单元LC中包括检查工具(未示出)。如果检查到误差，则可以对后续衬底的曝光或对将要对衬底W执行的其它处理步骤进行例如调整，尤其是在同一批量或批次的其它衬底W仍将要曝光或处理之前进行检测的情况下。
也可以被称作量测设备的检查设备用以确定衬底W的性质，并且具体地，确定不同衬底W的性质如何变化或与同一衬底W的不同层相关联的性质在层与层间如何变化。检查设备可替代地被构造成识别衬底W上的缺陷，并且可以例如为光刻单元LC的一部分，或可集成至光刻设备LA中，或甚至可以为单独的装置。检查设备可以测量潜像(在曝光之后在抗蚀剂层中的图像)上的性质，或半潜像(在曝光后焙烤步骤PEB之后在抗蚀剂层中的图像)上的性质，或显影后的抗蚀剂图像(其中抗蚀剂的曝光部分或未曝光部分已被移除)上的性质，或甚至蚀刻后的图像(在诸如蚀刻的图案转印步骤之后)上的性质。
典型地，光刻设备LA中的图案化过程是在处理中的最关键的步骤之一，其需要衬底W上的结构的尺寸设定和放置的高准确度。为了确保这种高准确度，可以将三个系统组合成所谓的“整体”控制环境，如图3示意性地描绘的。这些系统中的一个系统是光刻设备LA，其(实际上)连接至量测工具MT(第二系统)且连接至计算机系统CL(第三系统)。这种“整体”环境的关键在于优化这三个系统之间的协作以增强总体过程窗口且提供严格的控制回路，从而确保由光刻设备LA执行的图案化保持在过程窗口内。过程窗口定义一系列过程参数(例如，剂量、聚焦、重叠)，在所述过程参数内的具体制造过程产生限定的结果(例如，功能半导体器件)——典型地光刻过程或图案化过程中的过程参数允许在所限定的结果内变化。
计算机系统CL可以使用将要被图案化的设计布局(的部分)以预测使用哪种分辨率增强技术以及执行计算光刻模拟和计算以确定哪种掩模布局和光刻设备设定实现图案化过程的最大总体过程窗口(在图3中由第一标度SC1中的双箭头描绘)。典型地，分辨率增强技术被布置成匹配光刻设备LA的图案化可能性。计算机系统CL也可以用以检测光刻设备LA当前正在过程窗口内何处操作(例如，使用来自量测工具MT的输入)以预测是否可能存在由于例如次佳处理产生的缺陷(在图3中由第二标度SC2中的指向“0”的箭头描绘)。
量测工具MT可以将输入提供至计算机系统CL以实现准确模拟和预测，并且可以将反馈提供至光刻设备LA以识别例如光刻设备LA的校准状态中的可能漂移(在图3中由第三标度SC3中的多个箭头描绘)。
在光刻过程中，期望频繁地对所产生的结构进行测量，例如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，包括扫描电子显微镜或各种形式的量测设备，诸如散射仪。已知的散射仪的示例经常依赖于提供专用量测目标，诸如欠填充目标(这样的目标：其形式为简单光栅或在不同层中的交叠光栅，其足够大使得测量束生成的斑小于所述光栅)或过填充目标(由此照射斑部分地或完全地包含所述目标)。另外，量测工具(例如，对欠填充目标(诸如，光栅)进行照射的角分辨散射仪)的使用允许所谓的重构方法，其中通过用目标结构的数学模型对散射辐射的相互作用进行模拟、并将模拟结果与测量结果进行比较，可以计算所述光栅的性质。调整模型的参数，直到模拟的相互作用产生与从真实目标观察到的衍射图案相似的衍射图案。
散射仪是通用仪器，其允许通过以下方式测量光刻过程的参数：通过在光瞳或与散射仪的物镜的光瞳共轭的平面中具有传感器，这种测量通常被称作基于光瞳的测量；或通过在像平面中或与像平面共轭的平面中具有传感器，在这种情况下测量通常被称作基于图像或场的测量。全文以引用方式并入本发明中的专利申请US20100328655、US2011102753A1、US20120044470A、US20110249244、US20110026032或EP1,628,164A中进一步描述这样的散射仪和相关联的测量技术。上述的散射仪可以使用来自软x射线和可见光至近红外波段的光来在一个图像中测量来自多个光栅的多个目标。
在图4中描绘了一种量测设备，诸如散射仪。量测设备包括将辐射投影到衬底6上的宽带(白光)辐射投影仪2。反射辐射或散射辐射被传递到光谱仪检测器4，光谱仪检测器4测量镜面反射辐射的光谱10(强度作为波长的函数)。根据这种数据，可以通过处理单元PU来重构引起所检测的光谱的结构或轮廓，例如通过严格耦合波分析和非线性回归、或如图4底部处所示通过与模拟光谱库的对比来执行重构。一般而言，对于重构，结构的一般形式是已知的，并且根据对于制造结构的过程的知识来假定一些参数，从而仅留下结构的几个参数待根据散射测量数据来确定。这种散射仪可以被配置为正入射散射仪或斜入射散射仪。
在图4B中示出了可以用于示例性布置中的另一量测设备，诸如散射仪。在这种装置中，由辐射源2发射的辐射通过使用透镜系统12由干涉滤光器13和偏振器17来聚焦，被部分反射表面16反射，并经由显微镜物镜15被聚焦到衬底W上，显微镜物镜15具有例如为至少0.8、优选地至少0.9、和更优选地至少0.95的高数值孔径(NA)。浸没式散射仪甚至可以具有数值孔径大于1的透镜。然后，被反射的辐射通过部分反射表面16传输到检测器18中，以便检测散射光谱。检测器18可以位于背向投影式光瞳平面11中，光瞳平面位于透镜系统15的焦距处，然而，光瞳平面可以替代地用辅助光学器件(未示出)重新成像到检测器上。光瞳平面是辐射的径向位置限定入射角且角位置限定辐射的方位角的平面。检测器优选地是二维检测器，从而可以测量衬底目标30的二维角散射光谱。检测器18可以是例如CCD或CMOS传感器的阵列，并且可以使用例如每帧40毫秒的积分时间。光瞳图像是在光瞳平面中捕获的图像。
参考束经常被用于例如测量入射辐射的强度。为此，当辐射束入射到分束器16上时，其一部分通过分束器作为参考束朝向参考反射镜14传输。然后将参考束投影到同一检测器18的不同部分上。
一组干涉滤光器13可以用于选择在比如405-790nm或甚至更低(诸如200-400nm)、或甚至更高(800-1000nm)、或这些范围的组合的范围内的感兴趣的波长。干涉滤光器可以是可调谐的，而不是包括一组不同的滤光器。可以使用光栅来代替干涉滤光器。
检测器18可以测量单个波长(或窄波长范围)处的散射光的强度、分别在多个波长处或在波长范围上积分的强度。此外，检测器可以分别测量横向磁偏振光和横向电偏振光的强度、和/或横向磁偏振光与横向电偏振光之间的相位差。
使用宽带光源(即具有宽范围的光频率或波长并因此具有多种颜色的光源)是可行的，其提供大的集光率，从而允许混合多个波长。在宽带内的多个波长优选地每个都具有Δλ的带宽和至少2Δλ(即，带宽的两倍)的间距。辐射的几个“源”可以是扩展的辐射“源”的不同部分，这些部分已经使用例如纤维束分隔开。以这种方式，角分辨散射光谱可以在多个波长处被并行地测量。3D光谱(波长和两个不同的角度)可以被测量，其包含比2D光谱更多的信息。这允许更多的信息被测量，其增加了量测过程的稳健性。这在EP1,628,164a中更详细地描述，所述欧洲申请的全部内容通过引用而被并入本文中。
衬底W上的目标30可以是光栅，光栅被印制成使得在显影之后，栅条由固体抗蚀剂线形成。栅条可以替代地被蚀刻到衬底中。这种图案对光刻投影设备(特别地投影系统PL)中的色像差以及照射对称度敏感，并且这种像差的存在将表明自身在所印制的光栅中的变化。因此，所印制的光栅的散射测量数据被用于重构光栅。光栅的参数(诸如线宽和线形)可以被输入到重构过程中，重构过程由处理单元PU根据印制步骤和/或其它散射测量过程的知识来进行。
使用本文中描述的散射仪中的一个散射仪与目标结构及其衍射性质的建模相结合，可以以多种方式来执行结构的形状和其它参数的测量。在由图5表示的示例性过程中，计算基于目标形状的第一估计(结构的第一模型)的衍射图案，并将衍射图案与来自制备在衬底上的结构的测量衍射图案进行比较。然后，系统地改变模型的参数并且在迭代序列中重新计算衍射，以产生新的候选结构，从而达到最佳拟合。在另外的示例性布置过程中，可以预先计算许多不同候选结构的衍射光谱以创建衍射衍射光谱的“库”。然后将从测量目标观察到的衍射图案与计算光谱的库进行比较，以找到最佳拟合。两种方法可以一起使用：可以从库中获得粗拟合，然后是迭代过程以找到最佳拟合。
更详细地参考图5，将概括地描述执行目标结构形状和/或材料性质的测量的方法。对于本说明书，将假定目标是1维(1D)结构、或2D或3D周期性结构。在实践中，它可能是2维周期的，并且处理将被相应地适应。
在步骤502中，在散射仪的光瞳平面处测量从衬底上的实际目标结构衍射的辐射的光瞳图像(或衍射图案)，诸如上文描述的。这种测量光瞳图像被转发至计算系统，，诸如计算机。计算系统可以是参考上文的处理单元PU，或它可以是分开的设备。
在步骤503中，依据多个参数pi(p1、p2、p3等等)来建立限定目标结构的参数化模型的“模型选配方案”。这些参数可以例如以1D周期性结构表示侧壁的角度、特征的高度或深度、特征的宽度。目标材料和下面的层的性质电可以由诸如折射率(在散射测量辐射束中存在的特定波长下)之类的参数来表示。将在下文中给出具体示例。重要地，虽然目标结构可以由描述其形状和材料性质的几十个参数来定义，但是出于以下过程步骤的目的，模型选配方案将把这些参数中的多个参数定义成具有固定值而其它参数将是可变参数或“浮动”参数。
在步骤504中：例如通过设定浮动参数(即，p1<(0)>、p2<(0)>、p3<(0)>等等)的初始值pi<(0)>来估计候选模型目标结构形状。每个浮动参数将在某些预定范围内生成，如选配方案中定义的。
在步骤506中，表示候选模型的参数与模型的不同元素的光学性质一起被用于计算表示光瞳图像的模拟光瞳图像(或衍射图案)，如果实际结构与候选模型结构相同则会产生所述光瞳图像。例如，这可以使用严格的光学衍射方法来完成，诸如RCWA、或麦克斯韦方程式的任何其它解算器。这给出了模型目标结构形状的所估计的衍射图案或候选模型衍射图案。
在步骤508和510中，测量光瞳图像和模拟光瞳图像随后被比较并且它们的相似点和差异被用于计算模型目标结构形状的“优值函数”。
在步骤512中，假定优值函数指示在候选模型准确地表示实际目标形状之前候选模型需要被改善，则估计新参数p1<(1)>、p2<(1)>、p3<(1)>等并将它们迭代地反馈到步骤506中。重复步骤506-512。在示例性布置中，优值函数可以是测量光瞳图像和模拟光瞳图像之间的差，并且所述差可以与阈值进行比较，诸如用于确定是否需要进一步完善模型的阈值。如果所述差低于阈值，则模型被认为足够近似于实际目标结构。
为了辅助搜索，步骤506中的计算可以还生成优值函数的偏导数，偏导数指示在参数空间中的这个特定区中增大或减小参数将增大或减小优值函数的灵敏度。优值函数的计算和导数的使用在本领域中通常是已知的，并且在这里将不会详细地描述。
在步骤514中，当优值函数指示迭代过程已经收敛于具有期望的准确度的解时，当前候选模型被报告为实际目标结构的测量结果。
这种迭代过程的计算时间将主要由所使用的前向衍射模型来确定，即，使用严格的光学衍射理论根据所估计的目标结构进行的所估计的模型衍射图案的计算。如果需要更多的参数，则可以使用更多自由度。计算时间原则上随自由度数目的乘幂而增加。
在506处计算的所估计的衍射图案或模型衍射图案可以被表示成各种形式。如果所计算的图案被表示成与在步骤510中生成的测量图案同样的形式，则比较被简化。例如，模拟光谱可以容易地与由图3的设备测量光谱进行比较，模拟光瞳图案可以容易地与由图4b的设备测量光瞳图案进行比较。
在整个本说明书中，假设使用图4的散射仪，则使用术语“衍射图案”。技术人员可以容易地将教导适用至不同类型散射仪，甚至其它类型的测量仪表。
在已知的系统中，图5的方法可以被用于多个(例如，7个或21个)不同波长的辐射。另外，虽然可以测量和模拟具有少于100像素的光瞳图像，但是也可以测量和模拟具有100-5000像素的完整光瞳图像。可选地，光瞳图像具有在500-3000范围内的多个像素。使用多个波长和完整光瞳图像意味着图5的方法的计算负担和时间负担较高。本文中公开的示例性方法和设备包括用于确定制备在衬底上的结构的性质的多步骤方法。所述多步骤方法可以包括粗略地确定结构的模型然后精细地确定结构的模型。
广义地，方法和设备可以通过如下步骤粗略地确定模型：根据结构的测量光瞳图像的像素确定结构的测量特性，基于结构的候选模型生成模拟特性，以及以与图5的迭代过程类似的迭代过程来比较这两个特性直到这两个特性之间的差小于阈值。测量特性和模拟特性包括比光瞳图像更少的信息，这使模拟特性在时间负担和计算负担方面代价更小。在一些示例中，测量特性和模拟特性可以是测量光瞳图像和模拟光瞳图像的多个像素的平均强度。然而，重要的是，应注意，在图5中被用于确定模拟光瞳图像的麦克斯韦方程的解算器不必在确定模拟特性之前确定完整的模拟光瞳图像。作为替代，解算器可以被配置成基于结构的候选模型直接地确定模拟特性。
通过执行图5的方法、使用粗确定模型作为起始点，本文中公开的方法和设备可以精细地确定模型。
图6示出用于确定制备在衬底上的结构的性质的方法的流程图。可以通过设备(例如量测设备，诸如本文中公开的量测设备)来执行所述方法。
光学设备(诸如散射仪或可以构成量测设备的一部分的其它设备)可以获得600待建模的结构的测量光瞳图像。如上文论述的，所述光学设备可以用从结构的表面散射或衍射的辐射来照射结构。散射辐射或衍射辐射的至少一部分被光学设备的检测支路捕获并被入射到光瞳平面中的检测器上，检测器产生光瞳图像。在示例性布置中，光学设备的数值孔径大于0.5、大于0.7或大于0.9。
基于测量光瞳图像，所述设备的处理器确定602测量特性。测量特性包括比测量光瞳图像更少的信息。光瞳图像包含与衍射辐射或散射辐射有关的角度信息和强度信息。也就是说，光瞳图像的像素的部位与由结构衍射或散射的辐射的角度和方向有关，并且像素的强度与衍射辐射或散射辐射的强度有关。在一些示例性布置中，测量特性可以仅包括强度信息。也就是说，测量特性可以不包括角度信息。在一些示例性布置中，测量特性可以包括测量光瞳图像的多个像素的平均强度，并且在特定布置中可以包括测量光瞳图像中的所有像素的平均强度。对于测量特性，这可以直接从测量光瞳图像中的像素的强度来确定。
在其它布置中，测量特性可以包括针对一个或更多个泽尼克多项式的一个或更多个系数。技术人员将理解，泽尼克多项式和相应的系数可以被用于表示光瞳图像。
在一些示例性布置中，可以使用不同波长的辐射来获得多个光瞳图像。可以使用例如7种或21种不同的波长并且因此可以存在7个或21个光瞳图像。在这样的布置中，测量特性可以包括多个测量特性，可以基于多个光瞳图像来确定所述多个测量特性。例如，来自所述多个光瞳图像中的一个光瞳图像的多个像素的平均强度可以构成测量特性中的每个特性。
以与图5的方法类似的方式，确定604结构的初始的候选模型。
基于结构的所确定的候选模型，确定606与测量特性相对应的模拟特性。模拟特性可以通过至少部分地基于候选模型和麦克斯韦方程由解算器来确定，并且对应与根据从结构的候选模型获得的光瞳图像而确定的特性。如已经提到的，解算器可以直接根据候选模型确定模拟特性，而不需要首先确定模拟光瞳图像。
在一些示例性布置中，模拟特性因此可以包括平均强度数据，如上文论述的。另外，模拟特性可以包括与不同波长的辐射有关的多个模拟特性或模拟值，不同波长的辐射被模拟成入射到结构的所确定的候选模型上。这在下文中更详细地论述。
在迭代过程中，比较608测量特性与模拟特性以确定它们之间的差。如果所述差大于粗阈值，则更新604结构的候选模型，并且在重复比较608之前再次确定606模拟特性。如果所述差低于阈值，则粗模型被确定为当前候选模型。在示例性布置中，测量特性和模拟特性可以是平均强度，并且在那些布置中，所述阈值可以是平均强度之间的差的阈值。
在通过结构的模型的精确定进行初始运行时，步骤610导致粗确定模型被用于开始精确定。也就是说，来自粗迭代过程(604-604)的粗确定模型输出被用作候选模型以开始精迭代过程(610-614)。
基于粗限定模型(结构的候选模型)以与上文关于图5描述的相同的方法来生成612所模拟的光瞳图像。
比较614模拟光瞳图像的至少一部分与测量光瞳图像的至少一部分。在迭代过程中，如果所述差大于精阈值，则更新610候选模型，生成612更新后的模拟光瞳图像，以及比较更新后的模拟光瞳图像与测量光瞳图像。这种过程被重复直到所述差低于上述精阈值为止，在此时输出当前候选模型。可以使用用一个波长的照射辐射获得的光瞳图像来执行这种过程。可以基于同一波长来生成模拟光瞳图像。
在针对多个波长确定多个测量特性和模拟特性的示例性布置中，每个特性可以被绘制以在整个波长范围上确定特性的谱。这可以被认为是特性的连续波长行为。测量特性和模拟特性的谱的比较(图6的步骤608)可以被用于促进结构的粗模型的确定。这在下文中结合图7和图8来解释。
图7和图8分别示出第一泽尼克多项式和第二泽尼克多项式的系数的序列。在图7和图8中，所述序列被绘制以有助于描述，尽管这不必以本文中公开的方法和设备的示例性实施方式来完成。在实践中，第一泽尼克多项式实际上表示光瞳图像的多个像素的平均强度。图7和图8的左侧图示出水平偏振并且右侧图示出竖直偏振。x轴示出波长，例如从400nm到700nm，并且y轴示出系数的值。
在图7和图8示出的实施例中，使用七个波长，并且针对每个波长确定测量系数和模拟系数。在这个示例中，测量特性是第一泽尼克系数和第二泽尼克系数的图700、700’、800、800’，并且模拟特性是第一泽尼克系数和第二泽尼克系数的图702、702’、802、802’。在模型的粗确定中可以使用一个、两个或更多个泽尼克系数。
对于测量特性，根据在每个波长下获得的测量光瞳图像来确定泽尼克系数，并且泽尼克系数被绘制为如图7和图8所示的700、700’、800、800’。对于模拟特性，解算器基于当前候选模型而直接确定针对每个波长的泽尼克系数，并且这些泽尼克系数被绘制为如图7和图8中示出的702、702’、802、802’。在这种情况下，精阈值可以是所绘制的谱之间的拟合良好性指标。也就是说，模拟特性的图702、702’、802、802’应在某一阈值内拟合测量特性的图700、700’、800、800’。如果拟合良好性超过精阈值，则迭代过程(步骤604-608)被重复，也就是说，再次确定604候选模型，再次确定606模拟特性，以及还重复608所绘制的谱的比较。如果拟合良好性低于精阈值，则输出候选模型作为结构的精确定模型。
绘制上文论述的测量谱和模拟谱的多波长过程可以被用于任何测量特性和模拟特性。
在以下方面中公开了另外的实施例：
1.一种设备，用于确定制备在衬底上的结构的性质，所述设备包括处理器，所述处理器被配置成执行计算机程序代码以执行具有以下步骤的方法：
根据从光学设备获得的测量结果生成的所述结构的测量光瞳图像的像素来确定测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；
生成与所述测量特性相对应的初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型；
在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止；
基于作为所述候选模型的所述粗模型生成初始的模拟光瞳图像；在迭代法中比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分，以将所述结构的精模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量光瞳图像的所述至少一部分与所述模拟光瞳图像的所述至少一部分之间的差小于精阈值为止。
2.根据方面1所述的设备，其中所述测量特性包括基于在所述测量光瞳图像中的多个像素的强度的平均强度，
并且其中所述模拟特性包括与所述模拟光瞳图像中的多个像素的强度相对应的平均强度。
3.根据方面1或2所述的设备，其中所述测量特性包括用于表示所述测量光瞳图像的一个或更多个泽尼克多项式的一个或更多个系数，并且其中所述模拟特性包括用于表示所述模拟光瞳图像的一个或更多个泽尼克多项式的一个或更多个系数。
4.根据任一前述方面所述的设备，其中所述测量特性包括与使用入射到所述结构上的不同波长的辐射获得的多个光瞳图像有关的多个测量特性，
并且其中所述模拟特性包括多个模拟特性，所述多个模拟特性与被模拟成入射到所述结构的模型上的不同波长的辐射有关。
5.根据方面4所述的设备，其中比较所述测量特性与所述模拟特性包括比较所述测量特性的多个值与所述模拟特性的对应值。
6.根据方面5所述的设备，其中比较所述测量特性与所述模拟特性包括比较所述测量特性的多个值的序列与所述模拟特性的对应值的序列。
并且其中所述粗阈值包括所述序列之间的拟合良好性。
7.根据任一前述方面所述的设备，其中至少部分地基于所述候选模型直接地确定所述模拟特性，而不首先确定所述模拟光瞳图像。
8.根据任一前述方面所述的设备，其中所述测量特性和所述模拟特性不包括分别与辐射从所述结构被散射或被衍射的角度、或辐射被模拟成从所述结构的所述候选模型被散射或被衍射的角度有关的信息。
9.根据任一前述方面所述的设备，其中当比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分时，已经通过用具有一个波长的辐射照射所述结构而获得了所述测量光瞳图像和/或所述模拟光瞳图像。
10.一种设备，用于确定制备在衬底上的结构的性质，所述设备包括处理器，所述处理器被配置成执行计算机程序代码以执行具有以下步骤的方法：
根据从由光学设备通过用多个波长的辐射照射所述结构而获得的多个测量结果生成的所述结构的多个测量光瞳图像的像素来确定多个测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；
生成与所述测量特性相对应的多个初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型，所述候选模型被模拟成由所述多个波长的辐射照射；
在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止。
11.根据方面10所述的设备，其中所述处理器还被配置成执行计算机程序代码以执行以下步骤：
基于作为被模拟成由一个波长的辐射照射的所述候选模型的所述粗模型生成初始的模拟光瞳图像，并且其中已经通过用一个波长的辐射照射所述结构获得了所述测量光瞳图像中的一个测量光瞳图像；
在迭代法中比较一个测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分，以将所述结构的精模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量光瞳图像的所述至少一部分与所述模拟光瞳图像的所述至少一部分之间的差小于精阈值为止。
12.一种方法，用于确定制备在衬底上的结构的性质，所述方法包括：
根据从光学设备获得的测量结果生成的所述结构的测量光瞳图像的像素来确定测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；
生成与所述测量特性相对应的初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型；
在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止；
基于作为所述粗模型的所述候选模型生成初始的模拟光瞳图像；
在迭代法中比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分，以将所述结构的精模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量光瞳图像的所述至少一部分与所述模拟光瞳图像的所述至少一部分之间的差小于精阈值为止。
13.一种方法，用于确定制备在衬底上的结构的性质，所述方法包括：
根据从由光学设备通过用多个波长的辐射照射所述结构而获得的多个测量结果生成的所述结构的多个测量光瞳图像的像素来确定多个测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；
生成与所述测量特性相对应的多个初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型，所述候选模型被模拟成由所述多个波长的辐射照射；
在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止。
14.一种计算机程序，包括这样的指令：当所述指令在至少一个处理器上被执行时，所述指令使所述至少一个处理器控制设备以执行根据方面12或13中任一项所述的方法。
15.一种量测系统，用于确定制备在衬底上的结构的一个或更多个性质并且包括根据方面1至11中任一项所述的设备。
16.一种光刻系统，包括根据方面15所述的量测系统。
17.一种光刻单元系统，包括根据方面所述的光刻系统。
虽然在本文中可以对光刻设备在IC制造中的使用进行具体参考，但是应理解，本文中描述的光刻设备可以具有其它应用。可能的其它应用包括集成光学系统的制造、用于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，等等。
尽管在本文中在光刻设备的内容背景下对本发明的实施例进行具体的参考，但是本发明的实施例可以用于其它设备。本发明的实施例可以形成掩模检查设备、量测设备或测量或处理诸如晶片(或其他衬底)或掩模(或其他图案形成装置)之类的物体的任何设备的一部分。这些设备通常可以被称为光刻工具。这种光刻工具可以使用真空条件或环境(非真空)条件。
尽管上文已经在光学光刻术的内容背景下对实施例的使用进行了具体的参考，但是将理解，在内容背景允许的情况下，本发明不限于光学光刻术并且可以用于其它应用，例如压印光刻术。
技术人员将能够设想其它实施例，而不脱离随附权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种设备，用于确定制备在衬底上的结构的性质，所述设备包括处理器，所述处理器被配置成执行计算机程序代码以执行具有以下步骤的方法：
根据从光学设备获得的测量结果生成的所述结构的测量光瞳图像的像素来确定测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；
生成与所述测量特性相对应的初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型；
在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止；
基于作为所述候选模型的所述粗模型生成初始的模拟光瞳图像；
在迭代法中比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分，以将所述结构的精模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量光瞳图像的所述至少一部分与所述模拟光瞳图像的所述至少一部分之间的差小于精阈值为止。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述测量特性包括基于在所述测量光瞳图像中的多个像素的强度的平均强度，
并且其中所述模拟特性包括与所述模拟光瞳图像中的多个像素的强度相对应的平均强度。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述测量特性包括用于表示所述测量光瞳图像的一个或更多个泽尼克多项式的一个或更多个系数，
并且其中所述模拟特性包括用于表示所述模拟光瞳图像的一个或更多个泽尼克多项式的一个或更多个系数。
4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述测量特性包括与使用入射到所述结构的不同波长的辐射而获得的多个光瞳图像有关的多个测量特性，
并且其中所述模拟特性包括多个模拟特性，所述多个模拟特性与被模拟成入射到所述结构的模型上的不同波长的辐射有关。
5.根据权利要求4所述的设备，其中比较所述测量特性与所述模拟特性包括比较所述测量特性的多个值与所述模拟特性的对应值。
6.根据权利要求5所述的设备，其中比较所述测量特性与所述模拟特性包括比较所述测量特性的多个值的序列与所述模拟特性的对应值的序列，
并且其中所述粗阈值包括序列之间的拟合良好性。
7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中至少部分地基于所述候选模型直接地确定所述模拟特性，而不首先确定所述模拟光瞳图像。
8.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述测量特性和所述模拟特性不包括分别与辐射从所述结构被散射或被衍射的角度、或辐射被模拟成从所述结构的所述候选模型被散射或被衍射的角度有关的信息。
9.根据任一前述权利要求所述的设备，其中当比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分时，已经通过用具有一个波长的辐射照射所述结构而获得了所述测量光瞳图像和/或所述模拟光瞳图像。
10.一种设备，用于确定制备在衬底上的结构的性质，所述设备包括处理器，所述处理器被配置成执行计算机程序代码以执行具有以下步骤的方法：
根据从由光学设备通过用多个波长的辐射照射所述结构而获得的多个测量结果生成的所述结构的多个测量光瞳图像的像素来确定多个测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；
生成与所述测量特性相对应的多个初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型，所述候选模型被模拟成由所述多个波长的辐射照射；
在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止。
11.一种方法，用于确定制备在衬底上的结构的性质，所述方法包括：
根据从光学设备获得的测量结果生成的所述结构的测量光瞳图像的像素来确定测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；
生成与所述测量特性相对应的初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型；
在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止；
基于作为所述候选模型的所述粗模型生成初始的模拟光瞳图像；
在迭代法中比较所述测量光瞳图像的至少一部分与所述模拟光瞳图像的至少一部分，以将所述结构的精模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量光瞳图像的至所述少一部分与所述模拟光瞳图像的所述至少一部分之间的差小于精阈值为止。
12.一种方法，用于确定制备在衬底上的结构的性质，所述方法包括：
根据从由光学设备通过用多个波长的辐射照射所述结构而获得的多个测量结果生成的所述结构的多个测量光瞳图像的像素来确定多个测量特性，其中所述测量特性包括比所述测量光瞳图像更少的信息；
生成与所述测量特性相对应的多个初始的模拟特性，所述模拟特性基于所述结构的候选模型，所述候选模型被模拟成将由所述多个波长的辐射照射；
在迭代法中比较所述测量特性与所述模拟特性，以将所述结构的粗模型确定为所述结构的当前候选模型，直到所述测量特性与所述模拟特性之间的差小于粗阈值为止。
13.一种计算机程序，包括这样的指令：当所述指令在至少一个处理器上被执行时，所述指令使所述至少一个处理器控制设备以执行根据权利要求11或12中任一项所述的方法。
14.一种量测系统，用于确定制备在衬底上的结构的一个或更多个性质并且包括根据权利要求1至10中任一项所述的设备。
15.一种光刻系统，包括根据权利要求14所述的量测系统。
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