CN116964438A - 增强重叠计量的性能 - Google Patents

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Abstract

一种用于计量的方法包含引导至少一个照明射束照明半导体晶片，在所述半导体晶片上已相继沉积了至少第一经图案化层及第二经图案化层，包含所述第一经图案化层中的第一目标特征及所述第二经图案化层中的重叠在所述第一目标特征上的第二目标特征。在使一或多个成像参数变化的同时捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的一序列的图像，此变化是在整个所述序列期间发生。处理所述序列中的所述图像，以便识别所述图像中所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应对称中心且测量所述对称中心随变化的图像参数的变化。在测量所述第一经图案化层与所述第二经图案化层之间的重叠误差时应用经测量变化。

Description

增强重叠计量的性能
技术领域
本发明大体来说涉及半导体装置的制造，且特定来说涉及用于半导体电路计量的设备及方法。
背景技术
半导体电路通常是使用光学光刻方法制造。在光学光刻中，在半导体晶片上方沉积且使用光学或其它辐射图案化光敏聚合物(光致抗蚀剂)的薄层，从而使晶片的部分被光致抗蚀剂覆盖。在图案化之后，通过例如蚀刻及离子撞击等方法使晶片改质以改变晶片的材料性质或形貌，而晶片的被光致抗蚀剂覆盖的部分不被影响。
半导体电路计量通常用于测量经图案化光致抗蚀剂的性质，例如经图案化特征的形貌及位置。光致抗蚀剂的经图案化特征相对于先前过程层的准确位置对于确保光学光刻过程的高合格率是重要的。经图案化光致抗蚀剂相对于下伏过程层的配准的任何误差(错误配准)称为“重叠误差”。作为实例，在具有10nm到14nm(所谓的10nm设计规则)的最小线宽度的典型半导体电路中，最大可准许重叠误差为2nm到3nm。在前沿半导体电路中，线宽度缩小到5nm，其具有最大可准许重叠误差的伴随减小。
重叠误差通常是使用光学重叠计量工具测量，这是因为可见光波长及近红外波长中的光辐射能够穿透光致抗蚀剂层以及在光致抗蚀剂下方的介电层。光学重叠计量工具(例如KLA公司(美国加利福尼亚州苗必达市)的ArcherTM系列工具)将位于半导体晶片的划割线(分离邻近的半导体芯片的线)中的代理目标(例如KLA的AIMTM重叠目标)成像。将图像分析算法应用于所获取图像以便定位过程层中的一组目标特征的对称中心(CoS)及经图案化光致抗蚀剂层中的对应目标特征的CoS。重叠误差被计算为两个层的目标特征的对称中心之间的距离。
本发明说明及权利要求书中使用的术语“光射线”、“光辐射”、“光”、及“辐射射束”通常是指可见光辐射、红外辐射及紫外辐射中的任一者及全部。
发明内容
下文中所描述的本发明的实施例提供用于半导体电路计量的经改善设备及方法。
因此，根据本发明的实施例，提供一种用于计量的方法，其包含引导至少一个照明射束照明半导体晶片，在所述半导体晶片上已相继沉积了至少第一经图案化层及第二经图案化层，包含所述第一经图案化层中的第一目标特征及所述第二经图案化层中的重叠在所述第一目标特征上的第二目标特征。在使一或多个成像参数变化的同时捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的一序列的图像，此变化是在整个所述序列期间发生。处理所述序列中的所述图像，以便识别所述图像中所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应对称中心且测量所述对称中心随变化的图像参数的变化。在测量所述第一经图案化层与所述第二经图案化层之间的重叠误差时应用经测量变化。
在所公开实施例中，所述第一经图案化层包含过程层，且所述第二经图案化层包含沉积于所述过程层上方的抗蚀剂层。
在一些实施例中，捕获所述序列的所述图像包含使用相互配准的第一相机及第二相机捕获所述目标特征的第一图像及第二图像，且处理所述图像包含通过将所述第一图像与所述第二图像进行比较而测量所述对称中心的所述变化。在一个实施例中，捕获所述第一图像及第二图像包含将配准图像朝向所述第一相机及所述第二相机投影，且相对于所述配准图像配准所述第一相机及所述第二相机。在实例实施例中，将所述配准图像投影包含产生光栅图案且将所述光栅图案与所述目标特征的所述图像一起投影到所述第一相机及所述第二相机中的相应检测器阵列上。
另外或替代地，捕获所述第一图像及所述第二图像包含在所述第一图像中将所述成像参数中的所述一或多者设定为第一设定且在所述第二图像中将所述成像参数中的所述一或多者设定为第二设定。在所公开实施例中，设定所述成像参数中的所述一或多者包含将所述第一相机与所述第二相机设定在不同的相应的第一焦点位置及第二焦点位置中，且使所述第一相机及所述第二相机步进通过相应的第一序列及第二序列的所述第一焦点位置及所述第二焦点位置以便测量所述对称中心随所述焦点位置的变化。在实例实施例中，所述第一与第二焦点位置间隔开恒定焦距ΔZ，且在所述第一序列及所述第二序列的每一步阶中，所述第一焦点位置及所述第二焦点位置两者被递增ΔZ。
进一步地，另外或替代地，所述至少一个照明射束包含处于不同的相应的第一偏光状态及第二偏光状态中的第一照明射束及第二照明射束，且捕获所述第一图像及所述第二图像包含应用偏光分束器以将在所述第一偏光状态中从所述晶片反射的光朝向所述第一相机引导且将在所述第二偏光状态中从所述晶片反射的光朝向所述第二相机引导。
在一个实施例中，捕获所述序列的所述图像包含以不同焦点设定捕获所述目标特征的所述图像，且处理所述图像包含测量所述对称中心随所述焦点设定的所述变化。
另外或替代地，捕获所述序列的所述图像包含以多个不同波长捕获所述目标特征的所述图像，且处理所述图像包含测量所述对称中心随所述波长的所述变化。
进一步地，另外或替代地，捕获所述序列的所述图像包含以两个或更多个不同偏光状态捕获所述目标特征的所述图像，且处理所述图像包含测量所述对称中心随所述偏光状态的所述变化。
仍进一步地，另外或替代地，捕获所述序列的所述图像包含以所述至少一个照明射束的至少一个孔径的多个不同偏移捕获所述目标特征的所述图像，且处理所述图像包含测量所述对称中心随所述孔径的所述偏移的所述变化。
在另一实施例中，捕获所述序列的所述图像包含使用相机以所述半导体晶片相对于所述相机的不同角定向捕获所述目标特征的所述图像，且处理所述图像包含测量所述对称中心随所述角定向的工具引致移位。
在一些实施例中，应用所述经测量变化包括响应于所述经测量变化而找出所述一或多个成像参数的最优范围，且通过将所述一或多个成像参数设定为在所述最优范围内的值而产生用于测量所述重叠误差的方案。在所公开实施例中，捕获所述序列的所述图像包含在所述半导体晶片上的多个不同位置处捕获多个目标特征的所述图像，且找出所述最优范围包含应用在所述多个不同位置处测量的所述变化以便选择在所述半导体晶片的区域内最优的所述范围。
另外或替代地，处理所述图像包含测量所述目标特征中的至少一者的非对称性。
根据本发明的实施例，还提供一种用于计量的方法，其包含引导至少一个照明射束照明半导体晶片，在所述半导体晶片上已沉积了至少一个经图案化层，所述至少一个经图案化层包含光栅，所述光栅包含平行于预定义轴定向的多个条。捕获所述光栅的一或多个图像，且处理所述一或多个图像以便表征所述条中的一或多者关于所述轴的非对称性。在对所述经图案化层做出计量评估时应用经表征非对称性。
在所公开实施例中，捕获所述一或多个图像包含以不同焦点设定捕获所述光栅的一序列的所述图像，且处理所述一或多个图像包含测量所述图像中所述光栅的对称中心随所述焦点设定的变化，且基于所述经测量变化而表征所述非对称性。另外或替代地，处理所述一或多个图像包含计算所述条中的所述一或多者的图像与所述图像的经反射版本之间的相关性，且依据经计算相关性导出所述非对称性的量度。
根据本发明的实施例，另外提供一种光学检验设备，其包含照明组合件，所述照明组合件经配置以引导至少一个照明射束照明半导体晶片，在所述半导体晶片上已相继沉积了至少第一经图案化层及第二经图案化层，包含所述第一经图案化层中的第一目标特征及所述第二经图案化层中的重叠在所述第一目标特征上的第二目标特征。成像组合件经配置以捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的一序列的图像。控制器经配置以在整个所述序列期间使所述设备的一或多个成像参数变化，处理所述序列中的所述图像以便识别所述图像中所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应对称中心且测量所述对称中心随变化的图像参数的变化，并且在测量所述第一经图案化层与所述第二经图案化层之间的重叠误差时应用经测量变化。
根据本发明的实施例，进一步提供一种光学检验设备，其包含照明组合件，所述照明组合件经配置以引导至少一个照明射束照明半导体晶片，在所述半导体晶片上已沉积了至少一个经图案化层，所述至少一个经图案化层包含光栅，所述光栅包含平行于预定义轴定向的多个条。成像组合件经配置以捕获所述光栅的一或多个图像。控制器经配置以处理所述一或多个图像以便表征所述条中的一或多者关于所述轴的非对称性且在对所述经图案化层做出计量评估时应用经表征非对称性。
依据本发明的实施例的以下详细说明连同图式将更全面地理解本发明，图式中：
附图说明
图1是根据本发明的实施例的用于测量半导体晶片上的经图案化薄膜层的光学性质的光学检验设备的示意性侧视图；
图2是根据本发明的实施例的用于光学检验设备中的光栅投影仪的示意性侧视图；
图3是根据本发明的实施例的由光学检验设备中的相机获取的图像的示意性表示；
图4是示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于测量重叠计量代理目标的过程层特征及抗蚀剂层特征的CoS的变化的过程的流程图；
图5是示意性地展示根据本发明的实施例的图4的过程中的两个相机之间的焦点间隔的绘图；
图6是示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于测量重叠计量代理目标的特征的CoS相对于照明波长的变化的过程的流程图；
图7是示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于跨越焦点设定及波长产生及评估CoS的图谱特征及敏感度的过程的流程图；
图8a到8d是根据本发明的实施例的抗蚀剂层及过程层的CoS的工具引致移位(CoS_TIS)及经校正CoS(CoS_COR)的图谱特征的示意性表示；
图9a及9b是根据本发明的实施例的抗蚀剂层及过程层的精度图谱特征的示意性表示；
图10是示意性地图解说明根据本发明的实施例的CoS_TIS随孔径偏移的变化的绘图；
图11a是根据本发明的实施例的由光学检验设备中的相机获取的代理目标的图像的示意性表示；
图11b是根据本发明的实施例的图9a的代理目标中的光栅条的示意性截面图；及
图12是示意性地图解说明根据本发明的实施例的使用图像信号的相关性来监测重叠代理目标中的特征的非对称性的一序列的绘图。
具体实施方式
概述
用于重叠计量的代理目标通常用于半导体晶片上的相继经图案化层之间的重叠的精确测量。举例来说，这些层可包括过程层及抗蚀剂层，或者在蚀刻后应用中介于两个过程层之间。(因此，尽管下文参考过程层及抗蚀剂层描述实例实施例，但这些实施例的原理可经过必要的修改而适用于第一过程层及第二过程层。)
然而，代理目标中的特征(抗蚀剂层目标特征及过程层目标特征两者)不同于装置区域中的对应特征：代理目标的特征通常具有比装置中的线宽的线，以便可由在可见光光谱或近红外光光谱中操作的计量工具分辨；且所述目标在其设计上是对称的，因此使得能够实施强大的基于对称性的图像处理算法来计算重叠的值。此外，代理目标通常位于半导体晶片的划割线中以便不占据装置区域的有价值的“有效面积”。光学光刻曝光系统(扫描仪)的光学失真在划割线中与装置区域中的那些失真是不同的，因此导致代理目标中的图案与装置中的对应图案之间的空间变化的移位差。
这些设计及计量考量致使代理目标的特征以不同于芯片区域中的装置特征的方式对光刻及过程效应做出反应，且从代理目标测量的重叠误差可相对于实际装置特征中的重叠误差具有偏移。可应用校准函数以便由从代理目标测量的重叠误差导出装置区域中的重叠误差的准确量度。然而，准确校准需要来自代理目标的稳定且可重复的重叠测量。这些又受到例如特征非对称性等过程引致效应的挑战。
此外，当每一代理目标包括光致抗蚀剂中的目标特征及前一过程层中的目标特征两者时，这两组目标特征可在垂直于半导体晶片的方向上间隔开多达数微米的距离。在这些情形中，所述两组目标特征是通过使计量工具单独地聚焦于抗蚀剂层及过程层并以相应焦点设定获取图像而成像。然而，过程变化效应及形貌的组合使得难以找出从代理目标产生稳定且可重复的重叠测量的最优计量“方案”，即，一组计量条件(例如，焦点、照明的数值孔径及波长)。
本文中所描述的本发明的实施例通过提供使得能够独立表征光学重叠代理目标的两组目标特征的光学计量工具及方法而解决这些问题。在一些实施例中，所述计量工具包括两个成像相机，所述两个成像相机相互配准但以固定高度差聚焦于代理目标上。将由所述两个相机捕获的图像进行比较以便校准且校正由于成像参数(例如焦点变化、光谱响应及偏光)导致的代理目标层的光学特性的变化，例如对称中心(CoS)的变化。
在一些实施例中，投影仪将配准图像(例如二维光栅的图像)朝向两个相机投影。使计量工具的焦点步进通过各自等于固定高度差的连贯步阶，使得一个相机(称为CAM1)总是达到另一相机(CAM2)在前一步阶期间所在的焦点设定。当CAM1达到其新焦点位置时，将其与CAM2在CAM2位于所述焦点位置处时获取的图像配准。在每一焦点位置处，每一相机获取代理目标的图像。通过焦点设定将代理目标的两组目标特征中的每一组的所述系列的经获取图像彼此配准。依据这两个系列的图像，可针对两组目标特征中的每一组计算CoS相对于焦点的变化。CoS相对于焦点的稳定性会给出为稳定重叠测量应获取两组目标特征的图像的焦点设定。稳定重叠测量又使得能够对半导体电路中的重叠误差进行稳定且可重复的校准。
另外或替代地，映射每一组目标特征的CoS相对于照明波长及/或偏光的可变性，且然后使用此映射来达成稳定重叠测量。因此，本发明实施例识别在波长及焦点的二维空间内的最优测量范围。
对光学检验设备的说明
图1是根据本发明的实施例的用于测量半导体晶片12上的经图案化薄膜层的光学性质的光学检验设备10的示意性立体图解。
光学检验设备10包括成像组合件14、照明组合件16及光学中继组合件18。光学检验设备进一步包括光栅投影仪20、相机组合件22、控制器24、存储器25及上面安装半导体晶片12的平台26。设备10及其组件的定向是在笛卡尔(Cartesian)坐标28内界定。在后续图中，以适当定向展示相同笛卡尔坐标28。小写字母x、y及z在下文中用于标示三个笛卡尔坐标轴，而大写字母X、Y及Z用于标示这些轴上的坐标。
成像组合件14示意性地展示为单个物镜30。替代地，组合件14可包括干涉物镜(例如，林尼克(Linnik)干涉仪)、暗视场物镜、相位对比物镜或另一适合种类的物镜或者透镜及/或镜子的组合。
物镜30通常是具有高数值孔径(NA)(例如0.7或甚至更高的NA)的具极高光学质量的复合透镜。在替代实施例中，物镜30可具有由控制器24控制的可变NA。
在经绘图的实施例中，由控制器24控制的照明组合件16包括两个照明器15及17，其分别包括光源32及33，所述光源独立地发射呈处于一或多个离散可调谐波长或者在呈连续波(CW)或脉冲形式的一或多个连续光谱内的相应射束34及35的光辐射。光源32及33还可发射处于各种偏光状态中的光辐射，例如未经偏光、经线性偏光或经圆形偏光的辐射。
照明器15及17进一步包括连接到相应光源32及33的两个相应孔径组合件36及37。孔径组合件36及37由相应致动器38及39致动，从而将组合件36的不同孔径带给射束34且将组合件37的不同孔径带给射束35。致动器38及39可进一步在相应孔径的平面中对每一组合件的每一个别孔径做出精细调整。分别从照明器15及17发射的射束40及41由分束器42共线地组合成射束43。包括两个照明器的此种类的双照明组合件增强了设备10为晶片12上的过程层及抗蚀剂层提供独立照明条件(例如，波长、偏光及/或NA)的灵活性。
替代地，照明组合件16可包括例如照明器15的单个照明器，其中通过光源32及孔径组合件36的适合调整而选择用于过程层及抗蚀剂层的照明条件。进一步替代地，照明组合件可包括多于两个照明器，例如三个或四个照明器，其中使用例如分束器的适合光学布置组合从相应照明器射出的射束。
光学中继组合件18包括分束器44及45、分束器组合件46以及透镜50及52。分束器组合件46包括分束器47及48，所述分束器可使用致动器49移动到设备10的光学路径中及从所述光学路径移出，如下文将进一步详述。相机组合件22包括两个检测器阵列54及56，所述检测器阵列还称为“相机”且分别标示为CAM1及CAM2。相机组合件22进一步包括两个致动器58及60，所述致动器分别使CAM1及CAM2沿着z轴移动。尽管透镜50及52在图中展示为单个透镜，但替代地，其可包括多个透镜及/或镜子。
光栅投影仪20经配置以将光栅图像投影到CAM1及CAM2中，如将在图2中进一步详述。控制器24耦合到光栅投影仪20、存储器25、平台26、光源32及33以及致动器38、39、48、58及60。控制器24通常包括在软件及/或固件中编程以执行本文中所描述的功能的可编程处理器，以及用于连接到设备10的其它元件的适合数字及/或模拟接口。替代地或另外，控制器24包括执行控制器的功能中的至少一些的硬接线及/或可编程硬件逻辑电路。尽管为了简单起见，控制器24在图1中展示为单个一体式功能块，但在实践中，控制器可包括具有用于接收及输出图中所图解说明及上下文中所描述的信号的适合接口的多个经互连控制单元。
在操作光学检验设备10之前，将半导体晶片12安装于平台26上。在操作期间，平台26可在控制器24的控制下使晶片12沿着x轴、y轴及z轴移动，以及使所述晶片围绕z轴旋转。沿着z轴的移动称为“聚焦”。
为了照明晶片12，照明组合件16将光辐射的射束43朝向分束器44发射，所述分束器使所述射束反射到物镜30中。物镜30又使射束43聚焦到晶片12上。射束43在从照明组合件16射出时在垂直于其传播的平面中(在yz平面中)的横截面通过孔径组合件36及37的经适合放置且对准的孔径而修改。这些孔径将射束43的横截面的形状界定为例如圆形、正方形或变形的，并且界定所述横截面的尺寸。如下文中将详述，射束43可包括不同波长及/或偏光状态的两个射束，其中孔径组合件36及37独立地控制所述两个射束中的每一者的横截面。
组合件36及37的孔径通常与物镜30的入射光瞳共轭(通过额外光学器件成像到所述入射光瞳上，其中图中为了简单起见而省略所述额外光学器件)，使得从照明器组合件16射出的射束43的横截面界定照明晶片12的光辐射的数值孔径。因此，所述照明的形状可为例如圆形、正方形或在角空间中变形的，且可在物镜30的全NA与所述全NA的分率之间变化。在一些配置中，所述照明可局限于超出物镜30的收集NA的NA值，因此使得能够对晶片12上的特征进行暗视场成像。
照明晶片12的光辐射由晶片往回朝向物镜30反射以通过所述物镜而将晶片上的特征朝向相机组合件22成像。由物镜30接收的经反射辐射进一步穿过分束器44及45投影到分束器组合件46中，其中所述经反射辐射照射在分束器47或分束器48上，这取决于所述两个分束器中的哪一者通过致动器49定位于所述经反射辐射的路径中。在此实例中，分束器47是波长中性分束器，即，其反射及透射系数具有相同光谱行为。分束器48是二向色分束器，其经配置以透射例如380nm到550nm的一个光谱带Δλ1，且反射例如560nm到800nm的不同(非重叠)光谱带Δλ2。因此，当分束器47在所述光学路径中时，相机CAM1及CAM2中的每一者接收所述经反射辐射的跨越其整个光谱的部分；而当分束器48在所述路径中时，所述辐射的光谱被分裂使得CAM1接收在光谱带Δλ1内的辐射且CAM2接收在光谱带Δλ2内的辐射。使光源32发射在光谱带Δλ1中的光辐射且光源33发射在光谱带Δλ2中的光辐射会允许独立控制针对所述两个层中的每一者的照明(包含照明NA)。
替代地或另外，分束器47及48中的一者可为偏光分束器，其透射一个偏光状态且反射正交偏光状态。因此，举例来说，在使光源32及33发射处于正交偏光状态中的光辐射的情况下，来自光源32的辐射将被引导到CAM1且来自光源33的辐射将被引导到CAM2。类似于上文中所描述的照明的光谱划分，控制照明的偏光会允许独立控制针对所述两个层中的每一者的照明。在一个实施例中，分束器48是二向色分束器与偏光分束器的组合。
由组合件46中的选定分束器透射及反射的光辐射分别通过透镜50聚焦到CAM1上及通过透镜52聚焦到CAM2上。晶片12的图像因此由CAM1及CAM2捕获且由控制器24读出并处理。
图2是根据本发明的实施例的光栅投影仪20的示意性立体图解。光栅投影仪20将光栅图像朝向相机CAM1及CAM2投影，以用作两个相机之间的位置参考。光栅投影仪20包括光源组合件80、单模光纤82、衍射组合件84及空间滤波器86。
在此实例中，光源组合件80包括两个超发光二极管(sLED)88及90，其中sLED 88发射处于波长λ1＝450nm的光辐射，且sLED 90发射处于波长λ2＝750nm的光辐射。光源82进一步包括透镜92、94及96以及二向色分束器98。替代地，可使用其它类型及波长的光源。
衍射组合件84包括定位于两个透镜102与104之间的高对比度透射衍射光栅组合件100，例如玻璃上铬光栅的组合件。衍射光栅组合件100包括正交光栅，以便沿y方向及z方向两者衍射光。这些光栅共同形成由投影仪20投影的光栅图案的部分。
由sLED 88及90发射的光辐射通过相应透镜92及94朝向二向色分束器98投影。分束器98经配置以使由sLED 88发射的光辐射通过且反射由sLED 90发射的辐射，因此将由所述两个sLED发射的辐射组合成单个射束106。射束106通过透镜96聚焦到单模光纤82的输入端108中。通过光纤82传输的光辐射通过所述光纤的输出端110从所述光纤射出到衍射组合件84中且作为射束112通过透镜102朝向衍射光栅100投影。输出端110定位于透镜102的焦平面处，且因此射束112是经准直的。射束112通过光栅组合件100衍射成经准直衍射级，所述经准直衍射级通过透镜104聚焦到焦平面116。
定位于焦平面116中的空间滤波器86经配置以仅使通过光栅组合件100衍射的±1级通过。此功能性详细地展示于插图118中，所述插图在yz视图中(即，从x轴的方向)展示空间滤波器86。空间滤波器86包括不透明基座122上的透明环形件120，例如，玻璃上铬基座，其中铬被移除以形成所述环形件。±1衍射级在环形件120内展示为由sLED 88发射的辐射的正方形124及由sLED 90发射的辐射的正方形126。0衍射级被空间滤波器的中心部分128阻挡，且超出±1级的衍射级被空间滤波器86的外围部分130阻挡。
在通过空间滤波器86之后，±1衍射级形成扩展射束132。这些射束彼此干涉而产生传播正弦光栅(作为±1级之间的干涉图案)，所述传播正弦光栅由分束器42(图1)反射成射束134。下文参考图3进一步描述正弦光栅。射束134与从晶片12(图1)反射的光辐射共线地朝向相机CAM1及CAM2传播，因此使得能够进行两个相机的相互配准，如下文中将详述。
作为射束134传播的正弦光栅的光谱含量取决于sLED 88及90中的一者还是两者被通电且发射光辐射。发射波长λ1及λ2以及二向色分束器48的光谱性质经匹配使得所述波长中的一者被所述分束器反射且另一者被透射。
图3是根据本发明的实施例的由相机CAM1或CAM2中的一者获取的图像150的示意性表示。在此实例中，图像150包括AIMTM代理目标152以及由光栅投影仪20沿着所述代理目标的图像投影的四个光栅154、156、158及160。AIMTM代理目标152中的目标特征包括沿着x轴及y轴成对定向的四个抗蚀剂光栅162及类似地沿着x轴及y轴成对定向的四个过程层光栅164。为了清晰起见，仅概述抗蚀剂光栅162中的两者及过程层光栅164中的两者，每一种光栅中的一者是沿着x轴定向且另一者是沿着y轴定向。
替代地，可在其它种类的代理目标中使用其它形式的目标特征。举例来说，所谓的框中框代理目标中的目标特征包括若干条的若干正方形框。
出于计算抗蚀剂层与过程层之间的重叠误差的目的，控制器24依据目标152的图像计算抗蚀剂光栅162的CoS的X坐标及Y坐标(CoSX,R,CoSY,R)且类似地计算过程层光栅164的CoS的X坐标及Y坐标(CoSX,P,CoSY,P)。对称中心(往回投影到晶片12)的X坐标之间及Y坐标之间的差产生相应X重叠误差OVLX＝(CoSX,R-CoSX,P)及Y重叠误差OVLY＝(CoSY,R-CoSY,P)。为了简洁起见，下文中将使用CoS来标示二维向量(CoSX,CoSY)。
光栅154、156、158及160由光栅投影仪20投影，如上文中(图2)所描述。光栅的空间分裂及布置是通过例如将衍射光栅组合件100中的光栅分离成两对正交光栅而实现。相机CAM1及CAM2两者“看到”光栅154、156、158及160，且控制器24(图1)使用这些光栅来沿x方向及y方向两者相对于所述光栅配准两个相机的位置。如下文中将进一步详述，此配准是目标152的连贯图像的准确配准过程中的组成部分。
表征重叠计量代理目标中的抗蚀剂目标特征及过程目标特征
以下图展示用于测量重叠代理目标的目标特征的CoS随不同成像参数(例如焦点及照明波长)的变化的若干种不同方法。为了方便及清晰起见，参考上文所描述及前述图中所展示的系统结构及组件且参考特定类型的代理目标及其目标特征而描述这些方法。然而，这些方法的原理可经过必要修改而类似地在其它重叠计量系统中且使用其它类型的代理目标来应用，如所属领域的技术人员在阅读本发明说明之后将了解。此外，这些不同方法的元素可经组合以使得能够进行多因数CoS测量及校准。所有此类替代实施方案被视为在本发明的范围内。
图4是示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于测量重叠计量代理目标的过程层及抗蚀剂层目标特征的CoS随焦点的变化的过程的流程图200。所述过程涉及图1中所描述的光学检验设备10，另外参考图2到3。图4中所图解说明的过程的目标是相对于设备10内的晶片12的焦点设定单独表征重叠代理目标(例如AIMTM目标152)的层中的每一者的目标特征的CoS的位置。
所述过程在开始步骤202中开始。在聚焦步骤204中，控制器24通过使平台26沿z方向移动及/或通过利用致动器58及60移动相机CAM1及CAM2而设定所述相机以聚焦于晶片12上。通过致动器58与60的差别移动而将所述相机设定为焦差ΔZ。(在本发明说明中，焦点设定是指晶片空间中的Z坐标。举例来说，焦差ΔZ是指相机CAM1及CAM2在晶片12上或在所述晶片附近在间隔开ΔZ的相应xy平面处的聚焦。)下文中参考图5描述相机CAM1与CAM2的焦点间隔及聚焦的进一步细节。
在第一光栅配准步骤206中，相对于由光栅投影仪20投影的光栅154、156、158及160配准相机CAM1及CAM2两者。为了执行此配准，控制器24处理光栅的所获取图像以便找出每一相机相对于光栅在x方向及y方向上的相对位置。为了将相机彼此配准，可使其相对于光栅154、156、158及160物理地移动，或者可计算相机与光栅之间的偏移并然后在后续处理中应用所述偏移。由于光栅的周期性形式以及CAM1及CAM2中的像素的重复结构，控制器24能够将每一相机相对于光栅配准成比0.1nm更佳的准确度(参考晶片空间中的xy坐标)。此外，由于相同光栅是朝向每一相机CAM1及CAM2投影，因此经投影光栅的任何空间移位或振动针对所述两个相机在共同模式中发生。由于每一相机是相对于相同共同模式光栅而配准，因此所述相机将以比0.1nm更佳的准确度彼此配准。在第一获取步骤208中，由控制器24从相机CAM1及CAM2读出代理目标152、具体来说是光栅162及164的图像且存储于存储器25中。
在重聚焦步骤210中，平台26使晶片12沿z方向移动距离ΔZ，因此将CAM1带到CAM2在步骤210之前所在的Z坐标。在第二光栅配准步骤212中，控制器24再次将每一相机CAM1及CAM2与光栅154、156、158及160配准，如同在第一光栅配准步骤206中。此步骤的目标是确保两个相机之间的继续配准。在CAM1配准步骤214中，相对于由CAM2在先前焦点位置中获取的图像配准CAM1，因此，与第二光栅配准步骤212一起，确立两个相机相对于先前焦点位置在xy平面中的位置。类似于第一获取步骤208，在第二获取步骤216中，由控制器24通过相机CAM1及CAM2读出代理目标152的图像且存储于存储器25中。
在决策步骤218中，控制器24基于预设定系列的焦点步阶而决定是否需要另一焦点步阶。如果答案是肯定的，那么过程返回到重聚焦步骤210且从那里继续。一旦已采取了所有预设定焦点步阶，控制器24便处理存储于存储器25中的图像以在计算步骤220中计算光栅162及164中的每一者的相应CoS随通过为ΔZ的焦点步阶的焦点设定的变化。过程在结束步骤222中结束。
在一些实施例中，调整照明照射于晶片12上的方向以便补偿计量工具的成像光学器件中的残余光学误差。举例来说，在光学检验设备10中，控制器24可通过致动器38调整孔径组合件36在yz平面中的位置以补偿物镜30中的残余光学误差。由于光栅162及164中的每一者的CoS取决于孔径组合件36的位置，因此可通过针对孔径组合件36的多个位置测量CoS随焦点的变化而收集更全面数据。在实施例中，流程图200中所描述的过程是针对孔径组合件的一系列Y坐标及Z坐标(例如(Y0±n*ΔY,Z0±n*ΔZ))运行，其中Y0及Z0标示孔径组合件36的标称中心位置，ΔY及ΔZ标示孔径组合件的递增步阶，且n是采取从零到最大值N的值的整数索引。所获得数据可用于进一步改善重叠测量的质量，如下文中将在标题为“选择测量条件”的章节中描述。
图5是示意性地展示根据本发明的实施例的CAM1与CAM2之间的焦点间隔以及在图4的过程中采取的焦点步阶的绘图。
通过N个焦点步阶使两个相机CAM1及CAM2相对于晶片空间中的z坐标(即，相对于晶片12在z坐标中)的位置移位。在第一步阶250中，将CAM1聚焦在平面Z＝Z0处，且将CAM2聚焦在平面Z＝Z0+ΔZ处，如Z坐标轴251上所标记。在第二步阶252中，将晶片焦点递增ΔZ，从而将CAM1带到Z＝Z0+ΔZ且将CAM2带到Z＝Z0+2ΔZ，即，CAM1现在位于与CAM2在第一步阶250中所在的焦点位置相同的焦点位置处。在第三步阶254中，再次将晶片焦点递增ΔZ，从而将CAM1带到Z＝Z0+2ΔZ且将CAM2带到Z＝Z0+3ΔZ。此过程继续到第N步阶256，其中CAM1位于Z＝Z0+(N-1)ΔZ处且CAM2位于Z＝Z0+NΔZ处。
换句话说，在每一焦点步阶处，将CAM1定位在CAM2在前一步阶处所在的焦点处，因此实现连贯步阶之间的配准。此连串步阶与光栅配准步骤206及212(图4)组合地使得控制器24能够通过焦点将每一相机沿x方向及y方向精确地对准，且通过焦点计算光栅162及164中的每一者的真实CoS。
图6是示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于测量重叠计量代理目标的目标特征的CoS相对于照明波长的变化的过程的流程图300。所述过程使用图1中所展示的光学检验设备10，另外参考图2到3。图6中所图解说明的过程的目标是相对于设备10所使用的照明的波长单独表征重叠代理目标(例如AIMTM目标152)的目标特征中的每一者的CoS的位置。流程图300包括分别用于计算光栅164及光栅162的CoS随照明波长的变化的第一部分301及第二部分302。
所述过程在开始步骤303中开始。在分束器部署步骤304中，控制器24将致动器48通电以将二向色分束器46带入设备10的光学路径中，因此分裂设备10的光学路径中的光辐射，使得CAM1接收所述辐射的在光谱带Δλ1内的部分，且CAM2接收所述辐射的在光谱带Δλ2内的部分。
过程然后进入第一部分301。在第一照明步骤306中，以波长λ1及λ2照明半导体晶片12，其中波长λ1是在光谱带Δλ1内，且波长λ2是在光谱带Δλ2内，其中光源32发射处于波长λ1的光辐射且光源33发射处于波长λ2的光辐射。在第一聚焦步骤308中，控制器24使用平台26以及致动器58及60将相机CAM1聚焦到光栅162上的对比焦点且将CAM2聚焦到光栅164上的对比焦点。术语“对比焦点”是指相应相机上的光栅图像展现最大对比度C的焦点位置。对比度C又基于给定相机上的光栅图像的最大强度Imax及最小强度Imin而定义为C＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)。类似于第一光栅配准步骤206(图4)，在第一光栅配准步骤310中，相对于经投影光栅154、156、158及160配准相机CAM1及CAM2。在第一获取步骤312中，然后由相机CAM1及CAM2获取光栅162及164的图像，由控制器24从所述相机读出所述图像且存储于存储器25中。
在第一波长改变步骤314中，控制器24使由光源33发射到光谱带Δλ2中的光辐射的波长递增Δλ，因此将到达CAM2的照明的波长从λ2改变为λ2+Δλ。在第一重聚焦步骤316中，以经递增波长将CAM2重聚焦到对比焦点。在第二光栅配准步骤318中，相对于光栅154、156、158及160配准相机CAM1及CAM2，如同在第一光栅配准步骤310中。在重配准步骤320中，相对于在获取步骤312中通过CAM1获取的光栅162的同一图像将CAM1重聚焦且重配准。因此，将CAM1确立为部分301的“锚”，因为其被继续以同一波长及同一焦点相对于同一物理光栅162而配准。在第二获取步骤322中，由CAM2获取光栅164的图像，由控制器24从所述相机读出所述图像且存储于存储器25中。
在第一决策步骤324中，控制器24基于预设定系列的波长步阶而确定光谱带Δλ2中是否需要另一波长步阶。如果答案是肯定的，那么过程返回到第一波长改变步骤314，再次使到达CAM2的照明的波长递增Δλ，且继续过程。当已穷尽所有预设定波长步阶时，控制器24在第一计算步骤326中基于存储于存储器25中的图像而计算通过光谱带Δλ2中的波长步阶Δλ，光栅164的CoS随波长的变化。
过程继续到第二部分302，详细地描述所述第二部分以便阐明第一部分与第二部分之间的差别。第二部分302中的步骤328、330、332、334、340及346与第一部分301中的相应步骤306、308、310、312、318及324相同。然而，第二部分302中的步骤336、338、342及344不同于其在第一部分301中的对应部分314、316、320及326，这是因为在第二部分的这些步骤中，光谱扫描是通过光谱范围Δλ1而非如在第一部分中通过光谱范围Δλ2而发生。
在第二照明步骤328中，以波长λ1及λ2照明半导体晶片12。在第二聚焦步骤330中，控制器24将相机CAM1聚焦到光栅162上的对比焦点且将CAM2聚焦到光栅164上的对比焦点。在第三光栅配准步骤332中，相对于光栅154、156、158及160配准相机CAM1及CAM2。在第三获取步骤334中，由相机CAM1及CAM2获取光栅162及164的图像，由控制器24从所述相机读出所述图像且存储于存储器25中。
在第二波长改变步骤336中，控制器24使由光源32发射到光谱带Δλ1中的光辐射的波长递增Δλ。在第二重聚焦步骤338中，以经递增波长Δλ1+Δλ将CAM1重聚焦到对比焦点。在第四光栅配准步骤340中，相对于光栅154、156、158及160配准相机CAM1及CAM2。在第二重配准步骤342中，相对于在第三获取步骤334中从CAM2读出的光栅164的同一图像将CAM2重聚焦且重配准，因此将CAM2确立为第二部分302的锚。在第四获取步骤344中，由相机CAM1获取光栅162的图像，由控制器24从所述相机读出所述图像且存储于存储器25中。
在第二决策步骤346中，控制器24基于预设定系列的波长步阶而确定在光谱带Δλ1内是否需要另一波长步阶。如果答案是肯定的，那么过程返回到第二波长改变步骤336，再次使到达CAM1的照明的波长递增Δλ且继续过程。当已进行所有预设定波长步阶时，控制器24在第二计算步骤348中计算通过光谱带Δλ1中的波长步阶Δλ，光栅162的CoS随波长的变化。过程在结束步骤350中结束。
类似于对CoS相对于焦点的变化的测量，CoS相对于波长的变化的所获得数据可用于进一步改善重叠测量的质量，如下文中将在标题为“选择测量条件”的章节中描述。
测量CoS相对于照明波长的变化还可利用作为额外参数的光辐射的偏光状态来执行。在实施例中，针对照射于晶片12上的照明的各种偏光状态而测量CoS相对于波长的变化。因此，控制器24命令光源32及33发射处于两个正交偏光状态的光辐射，且单独针对每一偏光状态测量CoS相对于照明波长的变化。在替代实施例中，以未经偏光光辐射照明晶片12，且通过还充当偏光器的二向色分束器46或通过二向色分束器与两个相机CAM1及CAM2之间的经适合定位的偏光器而确定到达所述两个相机中的每一者的特定偏光状态。
图7是示意性地图解说明根据本发明的实施例的用于跨越焦点设定及波长产生及评估CoS的图谱特征及敏感度的过程的流程图500。
为了捕获扫描仪引致重叠误差(例如晶片12在扫描仪内的位移及旋转，以及扫描仪视场失真)，通常在晶片上的数个测量位点处测量重叠误差。流程图500中所展示的过程涉及晶片12上的N个位点上的测量，其中所述位点由n(n＝1、2、…N)加索引。此外，针对抗蚀剂层及过程层两者运行所述过程。
相对于晶片12的两个定向上的焦点测量CoS，其中针对第二定向，使晶片围绕Z轴旋转180°。针对第一定向(任意地设定为0°定向)将CoS相对于焦点标示为CoS0(Z)且针对第二定向将其标示为CoS180(Z)，由控制器24将CoS的工具引致移位(TIS)CoS_TIS计算为CoS_TIS(Z)＝(CoS0(Z)+CoS180(Z))/2。CoS_TIS描述由于设备10的成像路径中的光学组件的非对称性(例如物镜30的非对称性)导致的CoS的误差。可由控制器24将其中已从经测量CoS减去CoS_TIS的经校正CoS计算为CoS_COR(Z)，其中CoS_COR(Z)＝[CoS0(Z)-CoS180(Z)]/2且“COR”标示“经校正”。如上文中所提及，CoS标示二维向量(CoSX,CoSY)，即，符号“CoS”包含其X坐标及Y坐标两者。
由于设备10的机械振动导致的对CoS的测量的不准确可通过多次获取代理目标152的图像且将测量结果求平均而减小。
过程在开始步骤502中开始。在偏光选择步骤504中，选择由照明组合件16发射的照明的偏光状态(或若干偏光状态)。在位点选择步骤506中，选择晶片12上的位点n。在波长选择步骤507中，选择波长λ。在0度通过焦点的CoS步骤508中，通过焦点Z测量CoS，如参考图4到5所描述。在180度通过焦点的CoS步骤510中，重复以上测量，但是在晶片12处于相对于步骤508旋转180°的定向的情况下。在第一CoS_TIS步骤512中，由控制器24从针对每一焦点设定Z在0°及180°定向下的CoS的相应值将CoS_TIS计算为CoS_TIS＝(CoS0+CoS180)/2。为了简单起见，已从这些公式省略对焦点Z、波长λ、偏光P及位点n的显式相依性。在第一CoS_COR步骤514中，由控制器24从针对每一焦点设定Z在0°及180°下的CoS的相应值将CoS_COR计算为CoS_COR＝(CoS0-CoS180)/2。(再次，已省略对变量的显式引用。)在波长决策步骤516中，控制器24基于波长的预设定列表而决定是否应再次运行步骤507到514。在肯定性答案的情形中，在波长递增步骤517中使波长λ递增，且过程从步骤507继续。
当已穷尽所有预设定波长时，过程继续以最佳对比焦点测量CoS与波长的相对关系，如参考图6所描述。尽管已在先前步骤中以所有所需波长测量了CoS与焦点的相对关系，但设备10的漂移可能导致CoS与焦点的相对关系的结果中的一些在焦点坐标Z中漂移。如下文中将详述，将使用测量CoS与波长的相对关系来校正此种类的漂移。
在0度通过波长的CoS步骤518中，通过波长的预设定光谱以最佳对比焦点测量CoS。在180度通过波长的CoS步骤520中，重复以上测量，但是在晶片12处于相对于步骤516旋转180°的定向的情况下。在第二CoS_TIS步骤522中及在第二CoS_COR步骤524中，由控制器24从在步骤518及520中获取的数据计算CoS_TIS及CoS_COR，如上文中参考相应步骤512及514所描述。
在CoS_TIS拼合(stitch)步骤526中，控制器24针对每一波长λ将来自步骤507到516的在焦点Z处于最佳对比焦点的情况下的通过焦点的CoS_TIS的结果与来自步骤522的CoS_TIS的结果进行比较。如果两个结果之间存在差异，那么将针对波长λ的通过焦点的CoS_TIS的结果在焦点坐标Z中移位以便移除所述差异。这会将针对邻近波长的通过焦点的CoS_TIS的结果“拼合”成二维Z-λ空间中的CoS_TIS的一致表示，如下文中将参考图8a进一步详述。在CoS_TIS图谱特征步骤528中，控制器24将此表示收集到CoS_TIS值对两个变量Z及λ的集合中。此集合称为CoS_TIS图谱特征。
在CoS_TIS导数步骤530中，控制器24计算二阶导数的值，其指示CoS_TIS相对于变量Z及λ的变化的敏感度。在最小CoS_TIS步骤532中，控制器24在CoS_TIS图谱特征中识别(Z,λ)平面中的其中CoS_TIS的绝对值小于预定义限制的二维区域(或多个二维区域)，因此指示CoS的最小工具引致移位的区域，即，CoS的最小误差。(CoS_TIS的X分量及Y分量可被指派不同限制。)在最小CoS_TIS导数步骤533中，控制器24在CoS_TIS图谱特征中识别(Z,λ)平面中的其中/>的绝对值小于另一预定义限制的二维区域(或多个二维区域)，因此指示CoS_TIS的具最高稳定性的区域。
类似于CoS_TIS拼合步骤526，在CoS_COR拼合步骤534中，控制器24针对每一波长λ将来自步骤507到516的在焦点Z处于最佳对比焦点的情况下的通过焦点的CoS_COR的结果与来自步骤524的CoS_COR的结果进行比较。如果两个结果之间存在差异，那么将针对波长λ的通过焦点的CoS_COR的结果在焦点坐标Z中移位以便移除所述差异。这会将针对邻近波长的通过焦点的CoS_COR的结果“拼合”成Z-λ空间中的CoS_COR的一致表示。
类似于CoS_TIS图谱特征步骤528，在CoS_COR图谱特征步骤536中，控制器24将此表示收集到CoS_COR值对两个变量Z及λ的集合中，所述集合在本文中称为CoS_COR图谱特征。在CoS_COR导数步骤538中，控制器24计算二阶导数的值，其指示CoS_COR相对于变量Z及λ的改变的敏感度。
在最小CoS_COR导数步骤540中，控制器24在CoS_COR图谱特征中识别其中的绝对值小于又一预定义限制的二维区域(或多个二维区域)，因此指示CoS_COR的具最高稳定性的区域。(由于CoS_COR可具有相对于零的任意偏移，因此没有理由识别其中CoS_COR小于预定义限制的区域。)
在位点决策步骤542中，控制器24验证是否需要测量晶片12上的额外位点n。如果结果是肯定的，那么过程返回到步骤506，选择下一位点。当已测量了所有位点(针对当前偏光)时，控制器24在偏光决策步骤544中验证是否需要在照明的额外偏光状态下执行测量。如果结果是肯定的，那么过程返回到步骤504，且再次使用照明的新偏光状态测量所有N个位点。当已穷尽所有所需偏光状态时，过程在结束步骤546中结束。
图8a到8d是根据本发明的实施例的抗蚀剂层及过程层的CoS_TIS及CoS_COR图谱特征的示意性表示。图8a展示抗蚀剂层的CoS_TIS图谱特征600，图8b展示抗蚀剂层的CoS_COR图谱特征602，图8c展示过程层的CoS_TIS图谱特征604，且图8d展示过程层的CoS_COR图谱特征606。每一图谱特征600、602、604及606属于给定位点n且针对给定偏光P。类似图谱特征是针对所有N个位点及照明的所有偏光状态而产生。每一图谱特征表示在波长范围(λmin,λmax)及焦点范围(Zmin,Zmax)中的CoS_TIS或CoS_COR的相应值。曲线608、610、612及614展示相应图谱特征600、602、604及606的最佳对比焦点相对于波长的焦点位置。
在图7的步骤532、533及540中识别的区域展示于图谱特征600到606中。因此，在区域616内，小于预定义限制L1，且在区域618内，CoS_TIS小于预定义限制L2。在区域620内，/>小于预定义限制L3。在区域622内，/>小于预定义限制L4，且在区域624内，CoS_TIS小于预定义限制L5。在区域626内，/>小于预定义限制L6。因此，区域616及622分别指示抗蚀剂层及过程层的CoS_TIS的具高稳定性的区域，而区域618及624指示CoS_TIS的低值，即，这些层的低测量工具误差。区域620及626分别指示抗蚀剂层及过程层的CoS_COR的高稳定性。
在图7的步骤526及534中介绍的“拼合”的概念示意性地图解说明于图8a中。三个线628、630及632标示根据图7的步骤507到516在相应波长λi-1、λi及λi+1下测量CoS_TIS随焦点Z的变化所沿着的三个路径。曲线608上的三个点634、636及638指示在图7的步骤518到522处测量CoS_TIS随波长λ而变之处。将线628上在此线和曲线608相交之处的CoS_TIS的值与点634处的CoS_TIS的值进行比较。如果所述两个值相同，那么不将线628移位。然而，如果所述值不一致，那么沿着Z方向将线628(连同其CoS_TIS值)移位直到线628上在和曲线608的交点处的值与点634处的值一致为止。针对线630关于点636且针对线632关于点638重复类似过程。
一旦这三个线628、630及632已在必要的情况下经移位使得每一线和曲线608的交点处的值与相应点634、636及638处的值一致，便将所述线称为“拼合”在一起。针对从λmin到λmax的所有类似线重复此过程，因此在通过焦点测量CoS_TIS值期间校正设备10的可能漂移。将类似拼合操作应用于图谱特征602、604及606。
图9a及9b是根据本发明的实施例的抗蚀剂层及过程层的精度图谱特征的示意性表示。在此实施例中，评估CoS测量的精度。精度测量包括CoS的数个连贯测量(例如，五个、十个或十五个测量)，及计算精度度量。共同度量是测量的3σ值(三倍标准差)。在其中已在上文中(图5到7)所描述的测量期间测量CoS的精度(标志为CoS_Prec)的实施例中，关于焦点Z及波长λ的两个变量产生精度图谱特征。
图9a中的图谱特征700表示抗蚀剂层的CoS的精度，且图9b中的图谱特征702表示过程层的CoS的精度。类似于相应图8a、8b、8c及8d的图谱特征600、602、604及606，每一图谱特征表示波长范围(λmin,λmax)及焦点范围(Zmin,Zmax)中的CoS_Prec的相应值。图谱特征700及702包括相应曲线704及706，其展示最佳对比焦点相对于波长的焦点位置。依据图谱特征700中的抗蚀剂层的CoS_Prec的值，控制器24已识别区域708及710，其中CoS_Prec包括低于预设定限制L7的值。类似地，依据图谱特征702中的过程层的CoS_Prec的值，控制器24已识别区域712、714及716，其中CoS_Prec包括低于预设定限制L8的值。
选择测量条件
设备10在重叠计量期间的计量方案(即，各种参数(例如，焦点、波长、偏光)的设定)可对计量结果的质量具有重要影响。如下文中将详述，设备10的用户可选择使测量条件变化以便达到不同因数(例如稳定性及准确度)之间的所要平衡。图4到9中所图解说明的计量结果的层特定表征赋予用户一组复杂的工具用来在考虑到用户的特定目标的情况下选择测量条件。下文中给出图解说明这些工具的使用的两个实例实施例。
实施例1–在此实施例中，针对所有测量位点及所有偏光，由控制器24针对每一层依据图谱特征600、602、604及606(图8a到8d)且依据图谱特征700及702(图9a到9b)计算度量M1：
所述度量以及其分量中的变量是波长λ、焦点坐标Z、照明的偏光状态P，及层L(抗蚀剂层或过程层)。AVGN是指N个经测量位点的平均数，且3σN是指N个位点的三倍标准差，其中AVGN及3σN考虑到跨越位点及偏光，过程变化对图谱特征的影响。为了简洁起见，已由“Prec”标示精度。
由于度量M1包括CoS_TIS作为其贡献因数，因此其在评估测量的准确度(工具引致误差)时被加权。通过找出以下测量条件：
M1(λ,Z,P,L)<LIMIT(M1)，
(其中LIMIT(M1)是M1的预定义限制)，经测量重叠误差将展现最小工具引致误差。
针对具有两个照明器15及17(图1)的设备10，可针对每一层独立地通过使用层特定度量M1而使测量条件最优化。如果设备10包括仅一个照明器，那么将找出针对两个层的测量条件之间的折衷。举例来说，对单照明器设备的可能要求是：
M1(λ,Z,P,Lresist)+M1(λ,Z,P,Lprocess)<LIMIT’(M1)，
其中Lresist及Lprocess分别是指抗蚀剂层及过程层，且其中LIMIT’(M1)是(另一)预定义限制。
如果CoS_TIS是工具的恒定校正因数，那么其可通过一次式校准程序而校准。然而，由于代理目标的目标特征的局部几何形状与计量工具光学器件的光学响应之间的耦合，CoS_TIS可在测量晶片上的多个位点时在目标之间有变化。此类CoS_TIS变化可因跨越晶片的过程变化而发生。
可针对所述层中的每一者通过相应孔径组合件36及37的孔径的横向移位而减小CoS_TIS对度量M1的贡献。
实施例2–在此实施例中，由控制器24针对每一层使用与度量M1相同的图谱特征计算度量M2。然而，度量M2的公式不同于度量M1的公式：
由于度量M2包括CoS_COR及CoS_TIS两者的(二阶)导数，因此其表达在重叠误差测量期间CoS的稳定性。因此，通过要求
M2(λ，Z，P，L)<LIMIT(M2)，
其中LIMIT(M2)是针对M2的预定义限制，所测量重叠误差将展现高稳定度且可因此支持所测量重叠误差的准确校准及稳健重叠计量。
针对度量M2，使用与M1相同的变量：与度量M1一样，将AVGN及3σN应用于N个位点。取决于具有个或两个照明器的照明组合件16的构造，类似考量适用于度量M2，如同适用于M1。
替代地或另外，可使用来自图谱特征600、602、604及606以及来自图谱特征700及702的数据产生其它度量以反映不同的用户特定要求。
图10是示意性地图解说明根据本发明的实施例的CoS_TIS随孔径偏移的变化的绘图800。
绘图800展示利用设备10测量的四个测量位点(n＝1、…、4)的CoS_TIS相对于孔径组合件36的孔径中的一者的横向偏移AO的变化。不同位点的相应CoS_TIS值是展示为线802。由于跨越四个位点的变化(例如层对比度、特征形貌、焦点变化、位点倾斜及过程变化)，线802具有变化的偏移及斜率。四个位点上随AO而变的CoS_TIS的平均值AVG(CoS_TIS)是展示为线804。
四个测量位点上的CoS_TIS的最优(最小)变化3σ(CoS_TIS)1是在孔径偏移AO1处，得出CoS_TIS＝CoS_TIS1。AO1的非零值指示晶片12与成像组合件14之间存在全局角对准误差。
选择比AO1大的孔径偏移将减小AVG(CoS_TIS)，但将增加3σ(CoS_TIS)，这指示AVG(CoS_TIS)与3σ(CoS_TIS)之间的最优化的机会。如同在图1中的设备10中，使用独立光源及孔径组合件使得能够进行每一层的AVG(CoS_TIS)与3σ(CoS_TIS)之间的独立最优化。
图11a及11b示意性地图解说明根据本发明的实施例的应用CoS随焦点的变化来表征AIMTM代理目标152中的目标特征的侧壁非对称性。
图11a是AIMTM代理目标152的图像(展示于图3中)，其中围绕沿着x轴定向的抗蚀剂光栅162及过程层光栅164标记轮廓。光栅162及164的相应光栅条902及904是沿着y轴定向。
图11b是沿着图11a中的线908a及908b从过程层光栅164截取的光栅条904a及904b的示意性截面图。为了一起展示两个截面图，未按相同比例展示光栅条及其沿着x轴的相互间隔。
由于半导体制作过程的非对称过程效应(例如，非对称蚀刻)，光栅条904具有非对称形貌结构，如图11b中所展示：光栅条904a的左侧壁910a垂直于xy平面，而右侧壁912a以倾斜角度与xy平面相交。类似地，光栅条904b的左侧壁910b垂直于xy平面，而所述光栅条的右侧壁912b以倾斜角度与xy平面相交。由于代理目标152通常占据具有几十微米或更小的线性尺寸的小区域，因此光栅164中的所有条904展现与图11b中所展示相同的非对称性。光栅条的非对称性使光栅164的CoS相对于焦点移位，且因此CoS随焦点的变化可用于表征非对称性，如下文中进一步详述。
为了表征光栅条904a及904b的非对称性(且借此表征所有光栅条902及904的非对称性)，控制器24读出由相机CAM1及CAM2在三个焦点步阶920、922及924中在于Z轴926上标记的焦点位置处获取的光栅164的三个图像。控制器24通过使平台26沿z方向移动及/或通过利用致动器58及60移动相机CAM1及CAM2而使用对比焦点(图6)将所述相机聚焦于晶片12上。在所有三个焦点步阶920、922及924中，将CAM1聚焦于光栅162上的固定xy平面位置Z＝Z0处且在此固定焦点处相对于光栅162配准。因此，此Z坐标Z0形成用于测量的“锚定焦点”。
在三个焦点步阶920、922及924中，分别将CAM2聚焦在具有Z坐标Z1、Z2及Z3的xy平面处。在图像获取期间，将相机CAM1及CAM2两者与经投影光栅154、156、158及160配准，如同在第一光栅配准步骤206(图4)中，因此确保相机之间的已知横向配准(在xy平面中的配准)。依据从CAM1读出的图像，控制器24计算示意性地标记为图11b中的点928的光栅164的CoS且将其存储于存储器25中。依据在三个焦点位置中从CAM2读出的三个图像，控制器24计算示意性地标记为点930、932及934的三个相应CoS值且将其存储于存储器25中。由控制器24相对于点928、930、932及934拟合的曲线936指示CoS相对于焦点的移位，且因此是光栅条902及904的截面非对称性的量度。曲线936可为直线或较高阶曲线。
上文中所描述的方法可类似地应用于沿y方向定向的过程层光栅164以及沿x方向及y方向两者定向的抗蚀剂光栅162，以便表征其截面非对称性。然后可校正对生产晶片进行的实际重叠测量以考量可由于这些非对称性而发生的明显CoS移位。
在替代实施例中，仅使用一个相机(例如CAM1)测量CoS与焦点的相对关系。对于此种类的测量，通过四个焦点位置Z0、Z1、Z2及Z3使CAM1聚焦，且由控制器24从在每一焦点位置处的CAM1读出光栅164的图像并存储于存储器25中。控制器24现在依据存储于存储器25中的图像计算相应CoS值，且计算CoS与焦点的相对关系，如上文中针对两相机测量所描述。因无法实施对固定特征的锚定及相互相机配准，因此单相机测量方法比先前描述的两相机方法对设备10的机械稳定性更敏感。
尽管上文中所描述的方法是使用四个焦点位置(“锚定”位置Z0以及三个焦点位置Z1、Z2及Z3)实施，但替代地可使用更少或更多数目个焦点位置。
图12是示意性地图解说明根据本发明的实施例的使用图像信号的相关性来监测重叠代理目标中的目标特征的非对称性的一序列的绘图。如上文中所解释，半导体制作过程的非对称过程效应(例如非对称蚀刻)可致使重叠代理目标的目标特征具有非对称横截面。本实施例利用监测这些非对称性(甚至在不将其量化的情况下)来监测半导体制作过程。
图12展示如图11b中的光栅条904a的截面图。控制器24从例如CAM1读出条904a的经获取图像且将所述图像转换成存储于存储器25中的图像信号。所述图像信号沿着曲线608a(图11a)的一部分在图12中展示为曲线1002。依据曲线1002的图像信号，控制器24通过将其围绕z轴反射而产生经反射图像信号，其中所述经反射图像信号展示为曲线1004。
控制器24计算两个相关曲线1006及1008：相关曲线1006是曲线1002的自相关性(与自身的相关性)，而相关曲线1008是曲线1002与1004之间的交叉相关性。曲线1006具有最大值Cauto max，而曲线1008具有最大值Ccross max。由于曲线1002的非对称性，因此Ccross max<Cauto max。交叉相关曲线1008的最大值Ccross max与自相关曲线1006的最大值Cauto max的比较可用作图像信号1002的非对称性的量度，且因此用作导致重叠代理目标中的目标特征的非对称截面轮廓的过程效应的量度。
重叠代理目标的目标特征的图像(例如条904a的图像)可在设备10的变化的操作条件下(例如利用晶片12的照明的变化的波长及/或偏光及/或不同焦点设定)获取。比率Ccross max/Cauto max随这些操作条件中的一或多者的变化将产生“相关图谱特征”，其可进一步用于在运行半导体制作过程时监测所述过程。举例来说，如果两个相关最大值的比率Ccross max/Cauto max下降到低于预设定限制(例如0.8)，那么其可用于指示不可接受的过程变化。
上文中所描述的方法可类似地应用于沿y方向定向的过程层光栅164以及沿x方向及y方向两者定向的抗蚀剂光栅162，以便表征其截面非对称性。
上文中所描述的实施例可单独或组合地用于确定最优重叠计量方案，其在用于测量重叠误差的运行时间提供稳健重叠测量条件。此方案规定焦点、波长、偏光、照明条件及物镜光瞳控制的最优设定。可将不同条件分别应用于过程层及抗蚀剂层。
另外或替代地，通过上文所描述的测量技术提供的信息(例如关于CoS相对于焦点的变化)可由控制器24用于增强重叠计量算法。上文中所描述的方法可进一步一般化到额外照明及收集通道以用于同时测量多对层之间的重叠误差。
将了解，以实例的方式引用上文所描述的实施例，且本发明不限于上文中特别展示及描述的内容。而是，本发明的范围包含上文中所描述的各种特征的组合及子组合两者，以及所属领域的技术人员在阅读上述说明后将联想到且在现有技术中未公开的对所述各种特征的变化及修改。

Claims (34)

1.一种用于计量的方法，其包括：
引导至少一个照明射束照明半导体晶片，在所述半导体晶片上已相继沉积了至少第一经图案化层及第二经图案化层，包含所述第一经图案化层中的第一目标特征及所述第二经图案化层中的重叠在所述第一目标特征上的第二目标特征；
在使一或多个成像参数变化的同时捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的一序列的图像，此变化是在整个所述序列期间发生；
处理所述序列中的所述图像，以便识别所述图像中所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应对称中心且测量所述对称中心随变化的图像参数的变化；及
在测量所述第一经图案化层与所述第二经图案化层之间的重叠误差时应用所述变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一经图案化层包括过程层，且所述第二经图案化层包括沉积于所述过程层上方的抗蚀剂层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中捕获所述序列的所述图像包括使用相互配准的第一相机及第二相机捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的第一图像及第二图像，且其中处理所述图像包括通过将所述第一图像与所述第二图像进行比较而测量所述对称中心的所述变化。
4.根据权利要求3所述的方法，其中捕获所述第一图像及所述第二图像包括将配准图像朝向所述第一相机及所述第二相机投影，且相对于所述配准图像配准所述第一相机及所述第二相机。
5.根据权利要求4所述的方法，其中将所述配准图像投影包括产生光栅图案且将所述光栅图案与所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图像一起投影到所述第一相机及所述第二相机中的相应检测器阵列上。
6.根据权利要求3所述的方法，其中捕获所述第一图像及所述第二图像包括在所述第一图像中将所述成像参数中的所述一或多者设定为第一设定且在所述第二图像中将所述成像参数中的所述一或多者设定为第二设定。
7.根据权利要求4所述的方法，其中设定所述成像参数中的所述一或多者包括将所述第一相机与所述第二相机设定在不同的相应的第一焦点位置及第二焦点位置中，且使所述第一相机及所述第二相机步进通过相应的第一序列及第二序列的所述第一焦点位置及所述第二焦点位置以便测量所述对称中心随所述第一焦点位置及所述第二焦点位置的变化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一焦点位置与所述第二焦点位置间隔开恒定焦距ΔZ，且在所述第一序列及所述第二序列的每一步阶中，所述第一焦点位置及所述第二焦点位置两者被递增ΔZ。
9.根据权利要求3所述的方法，其中所述至少一个照明射束包括处于不同的相应的第一偏光状态及第二偏光状态中的第一照明射束及第二照明射束，并且其中捕获所述第一图像及所述第二图像包括应用偏光分束器以将在所述第一偏光状态中从所述半导体晶片反射的光朝向所述第一相机引导且将在所述第二偏光状态中从所述半导体晶片反射的光朝向所述第二相机引导。
10.根据权利要求1所述的方法，其中捕获所述序列的所述图像包括以不同的成像参数捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图像，其中处理所述图像包括测量所述对称中心随所述成像参数的所述变化，且其中所述成像参数是焦点设定、波长或偏光状态。
11.根据权利要求1所述的方法，其中捕获所述序列的所述图像包括以所述至少一个照明射束的至少一个孔径的多个不同偏移捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图像，且其中处理所述图像包括测量所述对称中心随所述孔径的所述偏移的所述变化。
12.根据权利要求1所述的方法，其中捕获所述序列的所述图像包括使用相机以所述半导体晶片相对于所述相机的不同角定向捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图像，且其中处理所述图像包括测量所述对称中心随所述角定向的工具引致移位。
13.根据权利要求1所述的方法，其中应用经测量变化包括响应于所述经测量变化而找出所述一或多个成像参数的最优范围，且通过将所述一或多个成像参数设定为在所述最优范围内的值而产生用于测量所述重叠误差的方案。
14.根据权利要求13所述的方法，其中捕获所述序列的所述图像包括在所述半导体晶片上的多个不同位置处捕获多个目标特征的所述图像，且其中找出所述最优范围包括应用在所述不同位置处测量的所述变化以便选择在所述半导体晶片的区域内最优的所述范围。
15.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述图像包括测量所述目标特征中的至少一者的非对称性。
16.一种用于计量的方法，其包括：
引导至少一个照明射束照明半导体晶片，在所述半导体晶片上已沉积了至少一个经图案化层，所述至少一个经图案化层包含光栅，所述光栅包含平行于预定义轴定向的多个条；
捕获所述光栅的一或多个图像；
处理所述一或多个图像以便表征所述条中的一或多者关于所述轴的非对称性；及
在对所述经图案化层做出计量评估时应用经表征非对称性。
17.根据权利要求16所述的方法，其中捕获所述一或多个图像包括以不同焦点设定捕获所述光栅的一序列的所述图像，且其中处理所述一或多个图像包括测量所述图像中所述光栅的对称中心随所述焦点设定的变化，且基于经测量变化而表征所述非对称性。
18.根据权利要求16所述的方法，其中处理所述一或多个图像包括计算所述条中的所述一或多者的图像与所述图像的经反射版本之间的相关性，且依据所述相关性导出所述非对称性的量度。
19.一种光学检验设备，其包括：
照明组合件，其经配置以引导至少一个照明射束照明半导体晶片，在所述半导体晶片上已相继沉积了至少第一经图案化层及第二经图案化层，包含所述第一经图案化层中的第一目标特征及所述第二经图案化层中的重叠在所述第一目标特征上的第二目标特征；
成像组合件，其经配置以捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的一序列的图像；及
控制器，其经配置以在整个所述序列期间使所述设备的一或多个成像参数变化，处理所述序列中的所述图像以便识别所述图像中所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应对称中心且测量所述对称中心随变化的图像参数的变化，并且在测量所述第一经图案化层与所述第二经图案化层之间的重叠误差时应用所述变化。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述成像组合件包括第一相机及第二相机，所述第一相机与所述第二相机相互配准且经配置以捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的第一图像及第二图像，且其中所述控制器经配置以通过将所述第一图像与所述第二图像进行比较而测量所述对称中心的所述变化。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述成像组合件包括投影仪，所述投影仪经配置以将配准图像朝向所述第一相机及所述第二相机投影，且所述控制器经配置以相对于所述配准图像配准所述第一相机及所述第二相机。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述投影仪经配置以产生光栅图案且将所述光栅图案与所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图像一起投影到所述第一相机及所述第二相机中的相应检测器阵列上。
23.根据权利要求20所述的设备，其中所述控制器经配置以在所述第一图像中将所述成像参数中的所述一或多者设定为第一设定且在所述第二图像中将所述成像参数中的所述一或多者设定为第二设定。
24.根据权利要求21所述的设备，其中所述控制器经配置以将所述第一相机与所述第二
相机设定在不同的相应的第一焦点位置及第二焦点位置中且使所述第一相机及所述第二相机步进通过相应的第一序列及第二序列的所述第一焦点位置及所述第二焦点位置以便测量所述对称中心随所述焦点位置的变化，且其中所述第一焦点位置与所述第二焦点位置间隔开恒定焦距ΔZ，且在所述第一序列及所述第二序列的每一步阶中，所述第一焦点位置及所述第二焦点位置两者被递增ΔZ。
25.根据权利要求20所述的设备，其中所述至少一个照明射束包括处于不同的相应的第一偏光状态及第二偏光状态中的第一照明射束及第二照明射束，且其中所述成像组合件包括偏光分束器，所述偏光分束器经配置以将在所述第一偏光状态中从所述半导体晶片反射的光朝向所述第一相机引导且将在所述第二偏光状态中从所述半导体晶片反射的光朝向所述第二相机引导。
26.根据权利要求19所述的设备，其中所述成像组合件经配置而以不同的成像参数捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图像，其中所述控制器经配置以测量所述对称中心随所述成像参数的所述变化，且其中所述成像参数是焦点设定、波长或偏光状态。
27.根据权利要求19所述的设备，其中所述照明组合件包括所述至少一个照明射束的至少一个孔径，且其中所述成像组合件经配置而以所述至少一个孔径的多个不同偏移捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图像，且其中所述控制器经配置以测量所述对称中心随所述孔径的所述偏移的所述变化。
28.根据权利要求19所述的设备，其中所述成像组合件经配置而以所述半导体晶片相对于所述成像组合件的不同角定向捕获所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图像，且其中所述控制器经配置以测量所述对称中心随所述角定向的工具引致移位。
29.根据权利要求19所述的设备，其中所述控制器经配置以响应于经测量变化而找出所述一或多个成像参数的最优范围，且通过将所述一或多个成像参数设定为在所述最优范围内的值而产生用于测量所述重叠误差的方案。
30.根据权利要求29所述的设备，其中所述成像组合件经配置以在所述半导体晶片上的多个不同位置处捕获多个目标特征的所述图像，且其中所述控制器经配置以通过应用在所述多个不同位置处测量的所述变化而找出所述最优范围以便选择在所述半导体晶片的区域内最优的所述范围。
31.根据权利要求19所述的设备，其中所述控制器经配置以测量所述第一目标特征及所述第二目标特征中的至少一者的非对称性。
32.一种光学检验设备，其包括：
照明组合件，其经配置以引导至少一个照明射束照明半导体晶片，在所述半导体晶片上已沉积了至少一个经图案化层，所述至少一个经图案化层包含光栅，所述光栅包含平行于预定义轴定向的多个条；
成像组合件，其经配置以捕获所述光栅的一或多个图像；及
控制器，其经配置以处理所述一或多个图像以便表征所述条中的一或多者关于所述轴的非对称性且在对所述经图案化层做出计量评估时应用经表征非对称性。
33.根据权利要求32所述的设备，其中所述成像组合件经配置而以不同焦点设定捕获所述光栅的一序列的所述图像，且其中所述控制器经配置以测量所述图像中所述光栅的对称中心随所述焦点设定的变化，且基于经测量变化而表征所述非对称性。
34.根据权利要求32所述的设备，其中所述控制器经配置以计算所述条中的所述一或多者的图像与所述图像的经反射版本之间的相关性，且依据所述相关性导出所述非对称性的量度。
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