TWI571709B - 聚焦監控之配置及包括此種配置之檢測裝置 - Google Patents

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Description

聚焦監控之配置及包括此種配置之檢測裝置
本發明係關於用於光學系統之聚焦監控配置。本發明可應用於(例如)可用於(例如)藉由微影技術進行之器件製造中的檢測裝置及微影裝置中。
微影程序為將所要圖案施加至基板上(通常施加至基板之目標部分上)之程序。微影裝置可用於(例如)積體電路(IC)之製造中。在彼情況下，圖案化器件(其替代地被稱作光罩或比例光罩)可用以產生待形成於IC之個別層上之電路圖案。可將此圖案轉印至基板(例如，矽晶圓)上之目標部分(例如，包含晶粒之部分、一個晶粒或若干晶粒)上。通常經由成像至提供於基板上之輻射敏感材料(抗蝕劑)層上而進行圖案之轉印。可涉及步進移動及/或掃描移動，以在橫越基板之順次目標部分處重複圖案。亦有可能藉由將圖案壓印至基板上而將圖案自圖案化器件轉印至基板。
在微影程序中，需要頻繁地進行所產生結構之量測，例如以用於程序控制及驗證。用於進行此等量測之各種工具為吾人所知，包括常常用以量測臨界尺寸(CD)之掃描電子顯微鏡，及用以量測微影裝置之疊對(在不同圖案化步驟中形成之圖案之間(例如，在一器件中之兩個層之間)的對準準確度)及散焦之特殊化工具。近來，已開發供微影 領域中使用的各種形式之散射計。此等器件將輻射光束導向至目標上且量測散射輻射之一或多個屬性--例如，依據波長而變化的在單一反射角下之強度；依據反射角而變化的在一或多個波長下之強度；或依據反射角而變化的偏振--以獲得可供判定目標之所關注屬性之「光譜(spectrum)」。可藉由各種技術來執行所關注屬性之判定：例如，藉由諸如嚴密耦合波分析或有限元素方法之反覆途徑而進行的目標結構之重新建構；庫搜尋；及主成份分析。
舉例而言，WO 20120126718中揭示用於判定結構參數之方法及裝置。US20110027704A1、US2006033921A1及US2010201963A1中亦揭示方法及散射計。由此等散射計使用之目標為相對大(例如，40微米乘40微米)光柵，且量測光束產生小於光柵之照明光點(亦即，光柵填充不足)。除了用以判定在一個圖案化步驟中製造的結構之參數之散射量測以外，方法及裝置亦可應用於執行以繞射為基礎之疊對量測。
使用繞射階之暗場影像偵測之以繞射為基礎之疊對度量衡實現對較小目標之疊對量測。此等目標可小於照明光點且可由晶圓上之產品結構環繞。可在一個影像中量測多個目標。可在國際專利申請案US2010328655 A1及US2011069292 A1中找到暗場成像度量衡之實例，該等專利申請案之文件的全文係據此以引用方式併入。已公佈專利公開案US20110027704A、US20110043791A、US20120044470A、US20120123581A、US20130258310A、US20130271740A及WO2013178422A1中已描述該技術之進一步開發。以上文件大體上描述經由目標之不對稱性之量測進行的疊對之量測。分別在文件WO2014082938 A1及US2014/0139814A1中揭示使用不對稱性量測來量測微影裝置之劑量及聚焦之方法。所有所提及申請案之內容亦以引用方式併入本文中。本發明不限於應用於任何特定類型之檢測裝置， 或甚至通常應用於檢測裝置。
檢測裝置及其他光學系統中之共同問題為控制光學系統至目標上之聚焦中的問題。無論光學系統是用於藉由成像、藉由散射量測之檢測抑或用於諸如表面處理之其他目的，許多系統皆需要在極緊密容許度內對光學系統之聚焦之即時控制。舉例而言，已公佈專利申請案US20080151228A中揭示用於上文所描述的類型之散射計之聚焦控制配置。自目標反射之光係以故意聚焦誤差而成像於兩個光偵測器上。比較兩個光偵測器之間的經照明區域允許獲得散焦之指示及識別散焦之方向。彼申請案之內容係以引用方式併入本文中。
使用已知配置之當前器具可達成在大約±200奈米內之聚焦準確度。然而，已知配置亦在使用中遭受限制。亦有必要使聚焦光與關於光學系統之主功能之其他輻射共用光學系統。因此，具有有限功率之單波長係用於聚焦。令人遺憾的是，在經設計以測試多種目標之檢測應用中，其不能保證所有目標類型皆將以良好信號強度反射單波長。(換言之，一些類型之目標相比於其他類型之目標將更容易聚焦)。因此，實務上在所有情形下難以以良好動態範圍(雜訊之抑制)獲得聚焦信號。
本發明之發明人已認識到，可藉由將干涉量測技術及鎖定偵測應用於聚焦控制配置中而獲得改良型動態範圍及雜訊抑制。替代地或另外，使用鎖定偵測允許將不同波長之輻射用於聚焦監控，從而允許遍及目標之較寬範圍之良好品質控制。
在一第一態樣中，本發明提供一種用於一光學系統之聚焦監控配置，其包含：- 一聚焦光束遞送系統，其用於將聚焦輻射遞送至該光學系統，該光學系統經配置以將該聚焦輻射遞送至一目標； - 一聚焦光束收集系統，其用於在自該目標之反射之後收集該聚焦輻射；及- 一聚焦偵測系統，其用於接收該經收集聚焦輻射且用於處理該經收集聚焦輻射以判定該光學系統相對於該目標是否焦點對準；其中該聚焦監控配置進一步包含一參考光束遞送系統，該參考光束遞送系統用於將參考輻射遞送至該聚焦偵測系統，該參考輻射經配置以在該聚焦偵測系統中干涉該經收集聚焦輻射，其中該參考輻射及該聚焦輻射具備至少一相對頻移，使得在該偵測系統中偵測之該干涉輻射包括具有對應於該或每一相對頻移之一特性頻率之一時變分量，且其中該聚焦偵測系統包含可參考該特性頻率而操作之一或多個鎖定偵測器。
在使用該鎖定偵測器的情況下，可以高品質將該所要聚焦輻射與該光學系統中之其他信號分離。
可提供該聚焦監控配置作為該同一光學系統為一部分的一功能裝置之部分。替代地，該聚焦監控配置可耦接至一功能裝置且用於控制該其他裝置之操作。
在一特定實施例中，該聚焦輻射包含具有一第一波長範圍之第一聚焦輻射及具有一第二波長範圍之第二聚焦輻射。該參考輻射包含具有實質上該第一波長範圍之第一參考輻射及具有實質上該第二波長範圍之第二參考輻射。該第一參考輻射及該第一聚焦輻射具備一第一相對頻移且該第二參考輻射及該第二聚焦輻射具備一第二相對頻移，使得在該偵測系統中偵測之該干涉輻射包括具有對應於該第一相對頻移之一特性頻率的一第一時變分量，及具有對應於該第二相對頻移之一特性頻率的一第二時變分量。
在此實施例中，該聚焦偵測系統可包含可參考該第一特性頻率 及該第二特性頻率兩者而操作之一或多個鎖定偵測器，且可操作以選擇使用該第一聚焦輻射及該第二聚焦輻射中之哪一者來判定該光學系統是否焦點對準。
該等鎖定偵測器可基於使用一高速光偵測器而獲得的一經取樣信號之頻譜分析。替代地，一鎖定影像偵測器可用以僅使用具有該選定特性頻率之輻射來捕捉一影像場。
本發明進一步提供一種檢測裝置，其包含：一檢測照明系統，該檢測照明系統用於將檢測輻射遞送至目標；及一檢測偵測系統，該檢測偵測系統用於在該檢測輻射由該目標散射之後收集該檢測輻射，其中形成該檢測照明系統及該檢測偵測系統中之一者或兩者之部分的一光學系統具備如上文所闡述之一聚焦監控配置。
本發明之此等以及其他特徵及優點對熟習此項技術者而言自以下實例之【實施方式】之考慮而將顯而易見。
2‧‧‧輻射源
11‧‧‧背向投影式光瞳平面
12‧‧‧透鏡系統/光學組件
13‧‧‧干涉濾光器/光學組件
14‧‧‧參考鏡面
15‧‧‧顯微鏡接物鏡/透鏡系統/物鏡
16‧‧‧部分反射表面/光束分裂器/光學組件
17‧‧‧偏振器/光學組件
18‧‧‧偵測器
30‧‧‧目標
300‧‧‧散射計
500‧‧‧聚焦監控配置
500'‧‧‧經修改聚焦監控配置
501‧‧‧量測照明光束
502‧‧‧第一輻射源
504‧‧‧第二輻射源
505‧‧‧聚焦輻射
506‧‧‧第一移頻器(AOM)
508‧‧‧第二移頻器(AOM)
510‧‧‧第一衰減器件
512‧‧‧第二衰減器件
520‧‧‧聚焦偵測系統
520a‧‧‧正規化信號偵測器/第三偵測器
520b‧‧‧第一鎖定輻射偵測器
520c‧‧‧第二鎖定偵測器
540a‧‧‧光學組件/光束分裂器(BS)
540b‧‧‧光學組件/鏡面
542a‧‧‧光學組件/光束分裂器(BS)
542b‧‧‧光學組件/鏡面
546a‧‧‧光學組件/鏡面
546b‧‧‧光學組件/鏡面
555‧‧‧頻率源
560‧‧‧光學組件/鏡面
590a‧‧‧光學組件
590b‧‧‧光學組件
700‧‧‧不等性
702‧‧‧不等性
900‧‧‧鎖定影像偵測器
902‧‧‧光敏像素
AD‧‧‧調整器
AS‧‧‧對準感測器
B‧‧‧輻射光束
BD‧‧‧光束遞送系統
BK‧‧‧烘烤板
C‧‧‧目標部分
CH‧‧‧冷卻板
CO‧‧‧聚光器
DE‧‧‧顯影器
ds1‧‧‧原始樣本
ds2‧‧‧原始樣本
ds3‧‧‧原始樣本
ds4‧‧‧原始樣本
FC‧‧‧聚焦控制信號
FFT‧‧‧快速傅立葉變換
I/O1‧‧‧輸入/輸出埠
I/O2‧‧‧輸入/輸出埠
IF‧‧‧位置感測器
If1‧‧‧第一聚焦信號
If2‧‧‧第二聚焦信號
IL‧‧‧照明系統/照明器
IN‧‧‧積光器
In‧‧‧正規化信號
LA‧‧‧微影裝置
LACU‧‧‧微影控制單元
LB‧‧‧裝載匣
LC‧‧‧微影製造單元
M1‧‧‧光罩對準標記
M2‧‧‧光罩對準標記
MA‧‧‧圖案化器件/光罩
MET‧‧‧度量衡系統
MT‧‧‧支撐結構/光罩台
P1‧‧‧基板對準標記
P2‧‧‧基板對準標記
PM‧‧‧第一定位器
PS‧‧‧投影系統
PU‧‧‧處理器/處理器單元
PW‧‧‧第二定位器
RO‧‧‧基板處置器或機器人
S'‧‧‧光點影像
S‧‧‧照明光點
SC‧‧‧旋塗器
SCS‧‧‧監督控制系統
SO‧‧‧輻射源
TCU‧‧‧塗佈顯影系統控制單元
W‧‧‧基板
WTa‧‧‧基板台
WTb‧‧‧基板台
WTm‧‧‧基板台
現在將參看隨附示意性圖式而僅作為實例來描述本發明之實施例，在該等圖式中，對應元件符號指示對應部件，且在該等圖式中：圖1描繪微影裝置；圖2描繪其中可使用根據本發明之檢測裝置的微影製造單元或叢集；圖3描繪作為光學系統之一實例的經配置以執行角度解析散射量測之已知檢測裝置，其中可應用根據本發明之聚焦監控配置；圖4說明已知散射計之實例中之照明光點與目標光柵之間的關係；圖5為根據本發明之一實施例的檢測裝置中之聚焦監控配置的示意圖，其包括鎖定偵測器；圖6(包含圖6(a)至圖6(c))說明圖5之聚焦監控配置中之聚焦判定 的原理；圖7(包含圖7(a)至圖7(b))展示不同光學波長下之聚焦信號可如何適合於不同目標上之聚焦監控；圖8說明圖5之裝置之一項實施例中的鎖定偵測器之操作原理；圖9為根據本發明之一替代實施例的檢測裝置中之聚焦監控配置的示意圖，其包括鎖定影像偵測器；及圖10說明圖9之裝置中之鎖定影像偵測器的操作原理。
圖1示意性地描繪微影裝置。該裝置包含：- 照明系統(照明器)IL，其經組態以調節輻射光束B(例如，UV輻射或DUV輻射)；- 支撐結構(例如，光罩台)MT，其經建構以支撐圖案化器件(例如，光罩)MA，且連接至經組態以根據某些參數來準確地定位該圖案化器件之第一定位器PM；- 基板台(例如，晶圓台)WT，其經建構以固持基板(例如，抗蝕劑塗佈晶圓)W，且連接至經組態以根據某些參數來準確地定位該基板之第二定位器PW；及- 投影系統(例如，折射投影透鏡系統)PS，其經組態以將由圖案化器件MA賦予至輻射光束B之圖案投影至基板W之目標部分C(例如，包含一或多個晶粒)上。
照明系統可包括用於導向、塑形或控制輻射的各種類型之光學組件，諸如，折射、反射、磁性、電磁、靜電或其他類型之光學組件，或其任何組合。
支撐結構支撐(亦即，承載)圖案化器件。支撐結構以取決於圖案化器件之定向、微影裝置之設計及其他條件(諸如，圖案化器件是否被固持於真空環境中)之方式來固持圖案化器件。支撐結構可使用機 械、真空、靜電或其他夾持技術以固持圖案化器件。支撐結構可為(例如)框架或台，其可根據需要而固定或可移動。支撐結構可確保圖案化器件(例如)相對於投影系統處於所要位置。可認為本文對術語「比例光罩」或「光罩」之任何使用皆與更一般之術語「圖案化器件」同義。
本文所使用之術語「圖案化器件」應被廣泛地解譯為係指可用以在輻射光束之橫截面中向輻射光束賦予圖案以便在基板之目標部分中產生圖案的任何器件。應注意，舉例而言，若被賦予至輻射光束之圖案包括相移特徵或所謂輔助特徵，則該圖案可不確切地對應於基板之目標部分中之所要圖案。通常，被賦予至輻射光束之圖案將對應於目標部分中所產生之器件(諸如，積體電路)中之特定功能層。
圖案化器件可為透射的或反射的。圖案化器件之實例包括光罩、可程式化鏡面陣列，及可程式化LCD面板。光罩在微影中為吾人所熟知，且包括諸如二元、交變相移及衰減相移之光罩類型，以及各種混合光罩類型。可程式化鏡面陣列之一實例使用小鏡面之矩陣配置，該等小鏡面中每一者可個別地傾斜，以便使入射輻射光束在不同方向上反射。傾斜鏡面在由鏡面矩陣反射之輻射光束中賦予圖案。
本文所使用之術語「投影系統」應被廣泛地解譯為涵蓋適於所使用之曝光輻射或適於諸如浸潤液體之使用或真空之使用之其他因素的任何類型之投影系統，包括折射、反射、反射折射、磁性、電磁及靜電光學系統，或其任何組合。可認為本文對術語「投影透鏡」之任何使用皆與更一般之術語「投影系統」同義。
如此處所描繪，裝置屬於透射類型(例如，使用透射光罩)。替代地，裝置可屬於反射類型(例如，使用上文所提及之類型之可程式化鏡面陣列，或使用反射光罩)。
微影裝置可屬於具有兩個(雙載物台)或兩個以上基板台(及/或兩 個或兩個以上光罩台)之類型。在此等「多載物台」機器中，可並行地使用額外台，或可對一或多個台進行預備步驟，同時將一或多個其他台用於曝光。
微影裝置亦可屬於如下類型：其中基板之至少一部分可由具有相對高折射率之液體(例如，水)覆蓋，以便填充投影系統與基板之間的空間。亦可將浸潤液體施加至微影裝置中之其他空間，例如，光罩與投影系統之間的空間。浸潤技術在此項技術中被熟知用於增加投影系統之數值孔徑。本文所使用之術語「浸潤」不意謂諸如基板之結構必須浸沒於液體中，而是僅意謂液體在曝光期間位於投影系統與基板之間。
參看圖1，照明器IL自輻射源SO接收輻射光束。舉例而言，當輻射源為準分子雷射時，輻射源及微影裝置可為分離實體。在此等狀況下，不認為輻射源形成微影裝置之部件，且輻射光束係憑藉包含(例如)合適導向鏡面及/或光束擴展器之光束遞送系統BD而自輻射源SO傳遞至照明器IL。在其他狀況下，舉例而言，當輻射源為水銀燈時，輻射源可為微影裝置之整體部件。輻射源SO及照明器IL連同光束遞送系統BD(在需要時)可被稱作輻射系統。
照明器IL可包含用於調整輻射光束之角度強度分佈之調整器AD。通常，可調整照明器之光瞳平面中之強度分佈的至少外部徑向範圍及/或內部徑向範圍(通常分別被稱作σ外部及σ內部)。另外，照明器IL可包含各種其他組件，諸如，積光器IN及聚光器CO。照明器可用以調節輻射光束，以在其橫截面中具有所要均一性及強度分佈。
輻射光束B入射於被固持於支撐結構(例如，光罩台MT)上之圖案化器件(例如，光罩MA)上，且係由該圖案化器件而圖案化。在已橫穿光罩MA的情況下，輻射光束B傳遞通過投影系統PS，該投影系統將該光束聚焦至基板W之目標部分C上。憑藉第二定位器PW及位置感 測器IF(例如，干涉量測器件、線性編碼器、2D編碼器或電容性感測器)，可準確地移動基板台WT，例如，以便使不同目標部分C定位於輻射光束B之路徑中。相似地，第一定位器PM及另一位置感測器(其未在圖1中被明確地描繪)可用以(例如)在自光罩庫之機械擷取之後或在掃描期間相對於輻射光束B之路徑來準確地定位光罩MA。一般而言，可憑藉形成第一定位器PM之部件之長衝程模組(粗略定位)及短衝程模組(精細定位)來實現光罩台MT之移動。相似地，可使用形成第二定位器PW之部件之長衝程模組及短衝程模組來實現基板台WT之移動。在步進器(相對於掃描器)之狀況下，光罩台MT可僅連接至短衝程致動器，或可固定。可使用光罩對準標記M1、M2及基板對準標記P1、P2來對準光罩MA及基板W。儘管所說明之基板對準標記佔據專用目標部分，但該等標記可位於目標部分之間的空間中(此等標記被稱為切割道對準標記)。相似地，在一個以上晶粒提供於光罩MA上之情形中，光罩對準標記可位於該等晶粒之間。
所描繪裝置可用於以下模式中之至少一者中：
1.在步進模式中，在將被賦予至輻射光束之整個圖案一次性投影至目標部分C上時，使光罩台MT及基板台WT保持基本上靜止(亦即，單次靜態曝光)。接著，使基板台WT在X及/或Y方向上移位，使得可曝光不同目標部分C。在步進模式中，曝光場之最大大小限制單次靜態曝光中成像之目標部分C之大小。
2.在掃描模式中，在將被賦予至輻射光束之圖案投影至目標部分C上時，同步地掃描光罩台MT及基板台WT(亦即，單次動態曝光)。可藉由投影系統PS之放大率(縮小率)及影像反轉特性來判定基板台WT相對於光罩台MT之速度及方向。在掃描模式中，曝光場之最大大小限制單次動態曝光中之目標部分之寬度(在非掃描方向上)，而掃描運動之長度判定目標部分之高度(在掃描方向上)。
3.在另一模式中，在將被賦予至輻射光束之圖案投影至目標部分C上時，使光罩台MT保持基本上靜止，從而固持可程式化圖案化器件，且移動或掃描基板台WT。在此模式中，通常使用脈衝式輻射源，且在基板台WT之每一移動之後或在一掃描期間之順次輻射脈衝之間根據需要而更新可程式化圖案化器件。此操作模式可易於應用於利用可程式化圖案化器件(諸如，上文所提及之類型之可程式化鏡面陣列)之無光罩微影。
亦可使用對上文所描述之使用模式之組合及/或變化或完全不同的使用模式。
如圖2所展示，微影裝置LA形成微影製造單元LC(有時亦被稱作叢集)之部件，微影製造單元LC亦包括用以對基板執行曝光前程序及曝光後程序之裝置。通常，此等裝置包括用以沈積抗蝕劑層之旋塗器SC、用以顯影經曝光抗蝕劑之顯影器DE、冷卻板CH，及烘烤板BK。基板處置器或機器人RO自輸入/輸出埠I/O1、I/O2拾取基板、在不同程序裝置之間移動基板，且將基板遞送至微影裝置之裝載匣LB。常常被集體地稱作塗佈顯影系統(track)之此等器件係在塗佈顯影系統控制單元TCU之控制下，塗佈顯影系統控制單元TCU自身受到監督控制系統SCS控制，監督控制系統SCS亦經由微影控制單元LACU而控制微影裝置。因此，不同裝置可經操作以最大化產出率及處理效率。
為了正確且一致地曝光由微影裝置曝光之基板，需要檢測經曝光基板以量測諸如後續層之間的疊對誤差、線厚度、臨界尺寸(CD)等等之屬性。因此，經定位有微影製造單元LC之製造設施亦包括度量衡系統MET，度量衡系統MET收納已在微影製造單元中處理之基板W中的一些或全部。將度量衡結果直接或間接地提供至監督控制系統SCS。若偵測到誤差，則可對後續基板之曝光進行調整，尤其是在檢 測可足夠迅速地且快速地進行而使得同一批量之其他基板仍待曝光的情況下。又，已經曝光之基板可被剝離及重工以改良良率，或被捨棄，藉此避免對已知有缺陷之基板執行進一步處理。在基板之僅一些目標部分有缺陷之狀況下，可僅對良好的彼等目標部分執行另外曝光。
在度量衡系統MET內，檢測裝置係用以判定基板之屬性，且詳言之，判定不同基板或同一基板之不同層之屬性如何在不同層間變化。檢測裝置可整合至微影裝置LA或微影製造單元LC中，或可為單機器件。為了實現最快速量測，需要使檢測裝置在曝光之後立即量測經曝光抗蝕劑層中之屬性。然而，抗蝕劑中之潛影具有極低對比度──在已曝光至輻射的抗蝕劑之部分與尚未曝光至輻射的抗蝕劑之部分之間僅存在極小折射率差──且並非所有檢測裝置皆具有足夠敏感度來進行潛影之有用量測。因此，可在曝光後烘烤步驟(PEB)之後採取量測，曝光後烘烤步驟(PEB)通常為對經曝光基板進行之第一步驟且增加抗蝕劑之經曝光部分與未經曝光部分之間的對比度。在此階段，抗蝕劑中之影像可被稱作半潛像(semi-latent)。亦有可能進行經顯影抗蝕劑影像之量測──此時，抗蝕劑之經曝光部分或未經曝光部分已被移除──或在諸如蝕刻之圖案轉印步驟之後進行經顯影抗蝕劑影像之量測。後者可能性限制重工有缺陷基板之可能性，但仍可提供有用資訊。
圖3描繪已知散射計300。在此器件中，由輻射源2發射之輻射係使用透鏡系統12而準直且透射通過干涉濾光器13及偏振器17、由部分反射表面16反射且經由顯微鏡接物鏡15而聚焦至基板W上之光點S中，顯微鏡接物鏡15具有高數值孔徑(NA)，較佳為至少0.9且更佳為至少0.95。浸潤散射計可甚至具有數值孔徑超過1之透鏡。
與在微影裝置LA中一樣，可在量測操作期間提供一或多個基板 台以固持基板W。該等基板台在形式上可相似於或相同於圖1之基板台WTa、WTb。在檢測裝置與微影裝置整合之實例中，該等基板台可甚至為相同基板台。可將粗略定位器及精細定位器提供至第二定位器PW，第二定位器PW經組態以相對於量測光學系統準確地定位基板。提供各種感測器及致動器(例如)以獲取所關注目標之位置，且將所關注目標帶入至接物鏡15下方之位置中。通常將對橫越基板W之不同部位處之目標進行許多量測。基板支撐件可在X及Y方向上移動以獲取不同目標，且在Z方向上移動以獲得光學系統在目標上之所要聚焦。當實務上光學系統保持實質上靜止且僅基板移動時，方便地將操作考慮並描述為好像接物鏡及光學系統被帶入至基板上之不同部位。倘若基板與光學系統之相對位置正確，則基板與光學系統中之哪一者在真實世界中移動或其兩者是否移動原則上並不重要。
反射輻射接著通過部分反射表面16而傳遞至偵測器18中，以便使散射光譜被偵測。偵測器可位於背向投影式光瞳平面11中，背向投影式光瞳平面11處於透鏡系統15之焦距，然而，該光瞳平面可代替地運用輔助光學件(圖中未繪示)而再成像至該偵測器上。光瞳平面為輻射之徑向位置界定入射角且角度位置界定輻射之方位角之平面。偵測器較佳為二維偵測器，使得可量測基板目標30之二維角度散射光譜。偵測器18可為(例如)CCD或CMOS感測器陣列，且可使用為(例如)每圖框40毫秒之積分時間。
參考光束常常用以(例如)量測入射輻射之強度。為了進行此量測，當輻射光束入射於光束分裂器16上時，使輻射光束之部分朝向參考鏡面14作為參考光束而透射通過該光束分裂器。參考光束接著投影至同一偵測器18之一不同部分上或替代地投影至不同偵測器(圖中未繪示)上。
干涉濾光器13之集合可用以選擇在為(比如)405奈米至790奈米或 甚至更低(諸如，200奈米至300奈米)之範圍內之所關注波長。干涉濾光器可為可調諧的，而非包含不同濾光器之集合。可使用光柵來代替干涉濾光器。孔徑光闌或空間光調變器(圖中未繪示)可提供於照明路徑中以控制目標上之輻射之入射角之範圍。
偵測器18可量測在單一波長(或窄波長範圍)下之散射光之強度、分離地在多個波長下之散射光之強度，或遍及一波長範圍而整合之散射光之強度。此外，偵測器可分離地量測橫向磁偏振光及橫向電偏振光之強度，及/或橫向磁偏振光與橫向電偏振光之間的相位差。
基板W上之目標30可為1-D光柵，其經印刷成使得在顯影之後，長條(bar)係由固體抗蝕劑線形成。目標30可為2-D光柵，其經印刷成使得在顯影之後，光柵係由抗蝕劑中之固體抗蝕劑導柱或通孔形成。長條、導柱或通孔可替代地經蝕刻至基板中。此圖案對微影投影裝置(特別是投影系統PS)中之色像差敏感，且照明對稱性及此等像差之存在將使其自身表現為經印刷光柵之變化。因此，經印刷光柵之散射量測資料係用以重新建構光柵。1-D光柵之參數(諸如，線寬及形狀)或2-D光柵之參數(諸如，導柱或通孔寬度或長度或形狀)可經輸入至藉由處理器PU自印刷步驟及/或其他散射量測程序之知識而執行之重新建構程序。
除了藉由重新建構進行參數之量測以外，角度解析散射量測亦有用於產品及/或抗蝕劑圖案中之特徵之不對稱性之量測。不對稱性量測之一特定應用係針對疊對之量測，其中目標30包含疊置於另一組週期性特徵上的一組週期性特徵。舉例而言，在已公佈專利申請案US2006066855A1中描述使用(例如)圖3之器具進行之不對稱性量測的概念。簡單地陳述，雖然目標之繞射光譜中之繞射階之位置係僅藉由目標之週期性予以判定，但繞射光譜中之不對稱性指示構成該目標之個別特徵中之不對稱性。在圖3之器具中(其中偵測器18可為影像感測 器)，繞射階中之此不對稱性直接呈現為由偵測器18記錄之光瞳影像中之不對稱性。可藉由單元PU中之數位影像處理來量測此不對稱性，且相對於已知疊對值來校準此不對稱性。
圖4說明典型目標30之平面圖，及圖3之散射計中之照明光點S之範圍。為了獲得免於來自周圍結構之干涉之繞射光譜，已知方法中之目標30為大於照明光點S之直徑的光柵。光點S之直徑可超過10微米或20微米，且光柵寬度及長度可為30或40平方微米。換言之，光柵係由照明「填充不足」，且繞射信號免於目標光柵自身外部之產品特徵及其類似者干涉。照明配置2、12、13、17可經組態以提供橫越物鏡15之光瞳平面之均一強度的照明。替代地(但在照明路徑中包括孔徑的情況下)，照明可限於同軸方向或離軸方向。如在上文所引用之先前申請案中所描述，經修改散射計可使用所謂暗場成像以自皆落在同一照明光點S內的若干較小目標捕捉繞射輻射。
使用干涉量測學及鎖定偵測器之聚焦監控
不管檢測裝置或其他光學系統之類型，一般需要提供用於監控及調整光學系統之聚焦的自動系統，諸如，形成圖3中之散射計之系統。若光點S未聚焦，則照明將落在除了目標30以外的特徵上，且所收集輻射將不允許該目標之屬性之準確量測。如已經提及，將輻射光束傳遞通過光學系統且使用某種偵測器系統以獲得表示聚焦誤差之信號之聚焦配置為吾人所知。例如在已公佈專利申請案US20080151228A中。自目標反射之光係以不同聚焦偏移而成像至兩個光偵測器上。比較兩個光偵測器之間的經聚焦光點區域允許獲得光學系統之散焦之指示及識別散焦之方向。美國專利申請案說明可用以獲得光點區域之量度之各種簡單光偵測器。可設想其他類型之聚焦配置，且本發明不限於US20080151228A之技術。
本文揭示經修改聚焦監控配置及關聯方法，其中鎖定偵測器用 以使用外差式干涉量測技術來監控曝光裝置之聚焦相關屬性。聚焦監控配置意欲用於光學系統(諸如，上文所描述之檢測裝置)中。
圖5以簡化形式描繪實施外差式干涉量測技術之聚焦監控配置500。詳言之，圖5提供用於判定及控制檢測裝置之聚焦相關屬性之光學路徑的示意圖。關於作為散射計或其他檢測裝置之光學裝置之主功能，被標註為501之量測照明光束遵循包含光學組件12、13、16、17(此圖式未繪示)及接物鏡15(被展示)之照明路徑。亦提供包含用於收集由目標30反射之輻射之15之收集路徑，如上文參看圖3所描述。由收集路徑之光學組件收集之輻射導向至連接至處理器PU之偵測器18，以用於目標重新建構或其他目的。此等組件之形式及功能可與上文參看圖3所描述的相同，且因此在此章節中將不對其進行論述。目標30可形成於已使用圖1之微影裝置及上文參看圖2所描述的處理工具之叢集而圖案化並處理之基板W上。僅針對同一實例提及包括接物鏡15之光學系統。代替角度解析散射量測或除了角度解析散射量測以外，其亦可經調適以用於暗場成像。
下文所說明並描述之聚焦監控配置及方法可應用於經設計以用於不同種類之檢測(例如，在顯微鏡中)或用於不同於檢測之目的(例如，表面處理或光學記錄)之光學系統中。詳言之，本發明之配置亦可應用於微影裝置LA中之投影系統PS或諸如對準感測器AS之輔助系統之聚焦。實際上，聚焦監控配置之光學系統可為或可不為執行目標之檢測或處理的功能光學系統之部件(或與執行目標之檢測或處理的功能光學系統共用部件)。聚焦監控配置之光學系統可輔助至使用該聚焦監控配置之該光學系統而間接地監控及/或控制之另一功能系統。在此等狀況下，供監控聚焦之光學系統不同於執行目標之檢測及/或處理之功能系統。在微影領域中，舉例而言，功能系統可為諸如用以製造光罩(圖案化器件)MA之電子束圖案化裝置。其他實例可為雷 射或機械加工裝置或表面處理裝置。倘若聚焦監控配置耦接至功能系統且運用功能系統來校準聚焦監控配置，則可實施所要監控及/或控制功能。
照明光點S在目標30上之聚焦係藉由可涉及光學系統內之移動元件之合適機構及/或使光學系統與基板相對於彼此本體地移動來達成。在此說明中為了實例起見，藉由相似於微影裝置之基板台WTa及WTb之基板台WTm支撐基板W。定位器PW回應於由處理器PU產生之聚焦控制信號FC而控制基板之高度。定位器PW亦控制基板W在X及Y方向上之位置，以將每一所關注目標帶入至接物鏡15下方之位置中。
此實例中之聚焦監控配置500包含第一輻射源502、第二輻射源504，第一輻射源502、第二輻射源504各自具有一關聯透鏡系統。聚焦輻射505傳遞通過接物鏡15以自目標30反射。該配置進一步包括：一第一移頻器506、一第二移頻器508、一第一衰減器件510、一第二衰減器件512及一聚焦偵測系統520，該聚焦偵測系統520包括一正規化信號偵測器520a以及第一鎖定偵測器520b及第二鎖定偵測器520c。此等組件配置於有效地界定若干光束路徑之光學系統中。一般言之，與在已知裝置中一樣，存在用於運用聚焦輻射505來照明目標之照明系統及用於收集反射輻射且將反射輻射遞送至偵測系統520之收集系統。更具體言之，配置500包含將第一聚焦輻射遞送至接物鏡及目標的第一照明路徑。第一照明路徑包括輻射源502、第一移頻器506以及光學組件540a(例如，光束分裂器)及540b(例如，鏡面)。另外，配置500包括將第二聚焦輻射遞送至接物鏡及目標的第二照明路徑。第二照明路徑包括第二輻射源504、第二移頻器508以及光學組件542a(例如，光束分裂器)及542b(例如，鏡面)。如下文進一步所解釋，第一聚焦輻射與第二聚焦輻射在其顏色(波長範圍)方面不同。第一聚焦輻射具有第一波長範圍且第二聚焦輻射具有第二波長範圍。
另外，提供利用由移頻器506、508引入的頻率移位之外差式參考系統，如下文所解釋。該參考系統包括將第一參考輻射遞送至偵測系統520而繞過接物鏡及目標的第一參考路徑。第一參考路徑包括如所展示之第一衰減器件510及光學組件546a(例如，鏡面)。相似地，提供用於將第二參考輻射遞送至偵測系統520的第二參考路徑。第二參考路徑包括第二衰減器件512及光學組件546b(例如，鏡面)。界定在聚焦輻射505自目標30反射之後用於該聚焦輻射505的收集路徑之收集系統包含接物鏡15及光學組件560(例如，鏡面)。
頻率源555將第一參考頻率△ω1及第二參考頻率△ω2分別提供至第一移頻器506及第二移頻器508。此等參考頻率中之一選定參考頻率亦提供至第一鎖定偵測器520b及第二鎖定偵測器520c。此等偵測器可為單像素光電二極體，或多像素或多區帶偵測器，如上文所提及之先前專利申請案中所描述。偵測系統520包括自偵測器520a、520b、520c接收資料且使用此等資料以產生聚焦控制信號FC之處理器PU。可設想，處理器PU係藉由共用與圖3所展示之用於度量衡功能之處理器PU相同的處理硬體之軟體來實施。然而，可視需要提供專用子處理器以實施聚焦監控及控制功能。
可在許多不同佈局中實施所提及之光束路徑，且此處僅出於設計原理之說明之目的而示意性地展示鏡面540b、542b、546a、546b及560以及光束分裂器(BS)540a、542a之特定組態。圖式中未展示將包括於實務系統中之眾多組件，包括(例如)透鏡或其他聚焦元件。可易於自已知裝置調適此等組件且無需對其進行詳細描述。亦可提供用於不同功能(用於不同類型之量測)之額外光束路徑。
簡要參看圖6，可回想起，可藉由比較如藉由兩個偵測器520b及520c看到之輻射光點之大小而導出聚焦量測。上文所提及之先前專利申請案US20080151228A中描述此技術之原理以及可同樣應用於本配 置中之一些變化。在此配置中，兩個偵測器配置成一個在光學系統之背焦平面前方且一個在背焦平面後方，該背焦平面亦被稱作場平面。亦即，該兩個偵測器故意經定位以在光學系統實際上聚焦於目標上時經歷聚焦誤差。此故意散焦以及任何實際聚焦誤差影響每一偵測器上之光點影像S'之大小。當聚焦誤差為零時，偵測器兩者上之光點影像S'將相等(圖6(a)之情形)。當聚焦誤差在第一方向上為非零時，光點影像S'將在偵測器520b上遍及較大區域而展開且在偵測器520c上遍及較小區域而展開(圖6(b)之情形)。可以電子方式偵測空間範圍之此不等性(可以各種方式量測該不等性)。相似地，當聚焦誤差在相對方向上為非零時，光點影像S'、不等性將反轉(圖6(c)之情形)。此等經偵測不等性可用以產生聚焦誤差量測，及/或聚焦控制信號FC之校正。
圖7說明不同目標(基板)中之聚焦偵測問題。此等目標可由於幾何形狀(層厚度)及/或材料(折射率變化)而不同。圖7(a)說明對於第一目標T之可自偵測器在不同光學波長λ下獲得的聚焦偵測信號。在使用處於波長λ1之單色聚焦輻射的情況下，在偵測器520b及520c處接收之經反射信號強。可明確觀測到不等性700且不等性700可用以量測聚焦誤差。在使用不同波長λ2的情況下，信號較不強。可量測不等性702，但不等性702更易受雜訊影響。明確地，對於此目標，應偏好波長λ1用於聚焦監控配置中。
然而，對於不同目標結構(圖7(b))，在波長λ1下之經反射信號強度可比將已在波長λ2下之經反射信號強度小得多。在一態樣中，本發明藉由提供可在兩個或兩個以上波長下操作，而在該等波長之間不具有干涉且不干涉可存在之其他光學信號之聚焦監控配置來處理此問題。可產生此等多個波長且在不移動部件的情況下將此等多個波長分離。可同時產生該等波長且一次性選擇任一者或同時選擇該等波長，此取決於實施。
再次參看圖5，現在將解釋在根據本發明之聚焦監控配置中如何獲得波長之此所要選擇性。
自目標收集之第一聚焦輻射與第一參考輻射混合。若此兩個光束在偵測器520b、520c處相干，則其將以良好界定之方式進行干涉。相似地，第二聚焦輻射及第二參考輻射在偵測系統中干涉。輻射源502及504可各自為單色相干光源(例如，窄線寬雷射)。藉由使用相干光源，裝置變得對聚焦輻射與參考輻射之間的光學路徑長度較不敏感，且使用偵測器520b、520c之干涉量測變得可行。
熟習此項技術者應理解，自一共同源導出之不同輻射光束之間的相干性取決於該源輻射之空間相干性及時間相干性。可依據相干時間表達時間相干性，但通常依據相干長度表達時間相干性(此等相干時間及相干長度僅僅藉由在任何情況下皆為傳輸介質的光之速度而相關)。兩個干涉射線將相干，其中其已遵循之路徑長度在源輻射之相干長度內相同。兩個路徑中之波之間的相位關係將固定。單色雷射被認為係相干光源，此係因為其產生具有比在實務光學系統中發現之任何距離長得多的相干長度之輻射。然而，儘管寬頻帶輻射通常將被認為係非相干光，但其仍具有與其光譜頻寬相關的(小)相干長度。空間相干性係指橫越輻射光束(橫越波前)而非縱向之相干性。為了獲得自一共同源導出之兩個光束之間的有用干涉，光束中之每一點處之空間移位應在另一光束中之一對應點之相干區域內。
非相干光源(及諸如光學濾光器之額外組件)可用於圖5之光學配置中，其限制條件為：使路徑長度差可忽略(亦即，路徑長度差短於所使用輻射之相干長度)。此約束可在設計方面帶來挑戰。另一方面，其帶來輻射源之較廣選擇，且其避免管理在使用空間相干源時出現的「斑點(speckle)」之需要。
雖然移頻器被展示為在聚焦輻射之路徑中，但取而代之，其可 替代地提供於參考輻射之路徑中。由輻射源502及504遞送之光束原則上可由耦接至用以選擇所需波長之光學組件之同一源遞送。另外，可在圖5之檢測裝置500中實施兩個以上輻射源。亦可提供用於不同功能之額外光束路徑及光學組件。
衰減器件510及512可為(例如)中性密度濾光器。衰減器件510及512可置放於參考路徑中之別處，以調整由輻射源502及504遞送之參考光束之強度以在特定狀況下與反射輻射之強度相容。可使衰減度可變。舉例而言，藉由電動化中性密度濾光輪使衰減度可變。
移頻器可為(例如)電光調變器、光纖調變器、磁光調變器、基於塞曼效應(Zeeman Effect)之調變器，及/或聲光調變器。出於實例起見，移頻器506、508可為聲光調變器(AOM)。
如由熟習此項技術者所知，AOM藉由在晶體中設置聲波而操作。此等波在晶體內形成一種移動布拉格光柵，其中移動速度係藉由驅動頻率予以判定。在布拉格體系中(為了滿足布拉格條件)聚焦至AOM上之入射光(在頻率ω下)主要繞射成分離達聲布拉格角兩倍的一階輸出光束與零階輸出光束。「光柵」在AOM內之運動亦造成一階輸出光束之頻率頻率移位達ω+m△ω，其中m=1對應於一階繞射且△ω對應於調變頻率。對於一階繞射光，頻率之頻率移位等於AOM之調變頻率。移頻器(AOM)506、508可由處於不同調變頻率之頻率源555驅動，使得(例如)△ω 1可為30kHz，△ω 2可為100kHz。頻率之此小移位(相對於為或為大約可見波長之輻射頻率小)對目標處之散射/繞射效應沒有影響。只要鎖定偵測器被鎖定處於對應於所關注差拍頻率之頻率，頻率源之確切頻率及相位就不重要。
偵測系統520之偵測器520b及520c在本實例中為鎖定偵測器。鎖定偵測通常作為可藉由將具有週期性變化的含有所要資訊之信號之部分「加標籤」而執行窄頻帶偵測(因此執行低雜訊偵測)之技術為吾人 所知。藉由在(例如)所選擇頻率ω D 下調變所關注信號而將該信號加標籤。在所選擇頻率ω D 下鎖定鎖定感測器以記錄所關注信號且忽略其他信號或雜訊。為了在本裝置中將聚焦監控信號「加標籤」，在照明光束中之輻射與參考光束中之輻射之間應用相對頻移。當該等光束干涉時出現差拍頻率。等於相對頻移之差拍頻率係用作用於鎖定偵測器中之鎖定頻率。此外，藉由以不同差拍頻率(不同週期性分量)加標籤於第一聚焦輻射及第二聚焦輻射，可彼此分離地以及與任何雜訊分離地偵測該第一聚焦輻射與該第二聚焦輻射。在使用第一聚焦輻射及第二聚焦輻射相對於第一參考輻射及第二參考輻射之不同頻率移位△ω 1及△ω 2的情況下，可使鎖定偵測器520b、520c選擇性地僅對第一聚焦輻射作出回應或僅對第二聚焦輻射作出回應。若使鎖定偵測與頻率源555同步，則可獲得極高選擇性且亦可提取相位資訊。
圖8說明圖5之配置中之聚焦偵測系統520中之信號處理的可能實施。個別偵測器520a、520b、520c在此實例中為簡單高速光電二極體。為了能夠量測(間接地)光點之大小，可將小於預期光點的光罩或孔徑置放於光電二極體前方(或可使光電二極體敏感區域自身小)。接著，隨著光點生長，光電二極體之敏感區域上之經偵測強度實際上將縮減。此僅為一種可能的實施。
若每一偵測器520b及520c事實上分段至多個像素或區中，則每一區將得到信號If1或If2。換言之，信號IF1及If2中之每一者在一些實施例中可包含多個分量，每一分量係與對應偵測器之一不同區有關。在第一實施例之以下描述中，僅提及單一組件，出於簡單起見，相同論述應用於像素區中之每一者。提供第三偵測器520a以量測表示照明光束之強度的正規化信號In。在一替代實施例中，每一偵測器為包含許多像素之一陣列之影像偵測器。
圖8中之小曲線圖展示由每一偵測器520a、520b、520c記錄之照 明強度I(t)的時間演進。諸如偵測器520a之習知偵測器將簡單地積分此強度歷時曝光時間間隔，且輸出單一強度量測。然而，在鎖定偵測器中，隨著時間推移以可分離地識別及量測特定週期性分量之方式對輻射進行取樣。在此特定實例中，在高頻率下(例如，大於100kHz、大於200kHz、(例如，在300kHz至500kHz之範圍內))對來自每一光電二極體之時變信號進行取樣且將該時變信號數位化。接著藉由處理器PU(或藉由專用數位信號處理器(DSP))處理經數位化信號以識別所關注週期性分量。可藉由(例如)使用快速傅立葉變換(FFT)演算法來計算光電二極體信號之頻譜來識別週期性分量。FFT將遞送信號之完整頻譜。下文中將更詳細地描述此鎖定偵測之理論。
以此方式，第一鎖定輻射偵測器520b量測第一聚焦信號(例如，一或多個強度值)If1，而第二鎖定偵測器520c量測第二聚焦信號If2。
偵測器520a、520b、520c可(例如)為光電二極體器件及/或經調適(亦即，鎖定)光電二極體器件。應注意，經調適CMOS影像感測器、單光子突崩二極體(SPAD)、CCD或任何其他合適感測器亦可用作偵測器。熟習此項技術者將能夠調適已知鎖定方法及/或相位敏感偵測方法以偵測如本文所描述之振幅及相位影像。在使用鎖定功能性的情況下，可視需要計算及使用振幅值及相位值(A,φ)，而不僅僅計算及使用強度。測定信號之相位可用以(例如)判定目標內部之聚焦深度。現在將基於數學來描述鎖定功能之詳細操作。
返回至圖5，出於簡單起見，以下內容描述由輻射源502遞送之第一聚焦輻射及第一參考輻射之處理。由輻射源504遞送之第二聚焦輻射及第二參考輻射之光學路徑及功能相似。
由輻射源502發射的發射頻率ω 1之單色輻射的輻射在兩個路徑(第一照明路徑及第一參考路徑)中由光束分裂器540a分裂。第一照明路徑包括移頻器506，移頻器506將第一照明光束之頻率移位至頻率 ω 1+△ω 1。由光學組件540b將頻率為ω 1+△ω 1之聚焦輻射通過光學組件560及542b且通過接物鏡15而導向至目標30。在已知類型之散射計的狀況下之接物鏡15具有高數值孔徑(NA)，較佳為至少0.9且更佳為至少0.95。在使用浸潤技術的情況下，散射計可甚至具有數值孔徑超過1之透鏡。第一聚焦輻射(在頻率ω 1+△ω 1下)係由基板W上之目標反射且由接物鏡15收集且通過光學組件542b而返回導向至光學組件560。光學組件560將反射輻射導向至偵測系統520。
在鎖定偵測器520b及520c經鎖定至相同頻率△ω 1之情形下，其將選擇性地偵測第一聚焦輻射與第一參考輻射之間的干涉。所有其他信號及頻率將作為雜訊被捨棄。將藉由偵測器520a、520b、520c偵測之信號In、If1、If2輸出至處理器PU，且使用該等信號使用輻射之第一波長來判定聚焦誤差。藉由鎖定至不同頻率△ω 2，可使用輻射之第二波長來判定聚焦誤差。如下文將描述，在一些實施例中，偵測器可同時鎖定至兩個不同頻率中，使得該配置可使用波長中之任一者或其兩者。
除了在兩個不同波長之間提供選擇性以外，使用鎖定偵測亦改良聚焦判定之信雜比。現在將解釋此情形之數學基礎。回想起，遵循第一參考路徑之第一參考輻射係由光學組件546a通過第一衰減器件510及光學組件546b、560而導向至偵測系統520。處於頻率ω 1之第一參考輻射干涉處於相對經移位頻率ω 1+△ω 1之經收集第一聚焦輻射。彼此相干的此等兩個干涉輻射產生「差拍」信號。攜載差拍信號之干涉輻射係由光學組件590a(例如，光束分裂器)劃分成兩個部分。第一部分導向至偵測器520a，且第二部分係由光學組件590b(例如，光束分裂器)進一步劃分成兩個部分。此等部分中之一者導向至鎖定偵測器520b，且此等部分中之一第二部分導向至鎖定偵測器520c。在此組態中，藉由偵測器520a偵測之信號In可用於強度正規化。
與該信號相關聯之資訊經編碼於藉由偵測器中之每一者偵測之強度信號中。在再次忽略來自源504之第二輻射且僅考慮處於第一波長ω1、具有振幅之光場(E T )、在(角度)頻率ω 1+△ω 1下振盪、由目標30反射之第一輻射的情況下，可將場表達為，其中|E T |為場振幅，I T 為由目標反射之強度，φ(t)表示相位項。相似地，可將與輻射源502相關聯的具有振幅及角度頻率ω 1之光場E R 表達為。可將到達偵測系統520之偵測器中之每一者的輻射之總強度表達如下：- 在偵測器520a處： - 在偵測器520b處： - 在偵測器520c處：
在以上方程式中，R 590a 及R 590b 分別為光學組件590a及59ob之反射係數，且表示在偵測器520a/520b/520c處之遍及聚焦監控配置之整個頻譜之總量測雜訊項。最終藉由偵測器520a、520b、520c之電子頻寬判定配置之頻譜。舉例而言，此頻寬可大於100kHz或甚至200kHz。在一實例實施中，偵測器包含具有為大約400kHz之取樣頻率的高速光電二極體。
如自方程式(1)至(3)可看出，除了遍及系統之整個頻譜而積分之量測雜訊項以外，偵測器中之每一者處之信號亦含有若干分量，諸 如，DC分量(|E T |2+|E R |2)。如由熟習此項技術者所知，雜訊光譜密度大體上與1/f(其中f為頻率)成比例，使得雜訊能量隨著頻率增加而降低。僅方程式(1)至(3)之具有角度頻率△ω 1之分量(例如，項)含有與聚焦屬性之判定及控制相關之資訊。另外，如上文所解釋，若在頻率△ω 1下鎖定偵測系統520之偵測器中之每一者，則可接著藉由偵測器僅偵測與頻率△ω 1同步之週期性分量。因此，此等經偵測週期性分量將為：- 在偵測器520a處： - 在偵測器520b處： 其中R 590a 為光學組件590a之反射係數。
- 在偵測器520c處： 其中N 520a/b/c (△ω 1)為在偵測器520a/520b/520c處在為大約鎖定頻率之頻率下產生的總量測雜訊項。
以上外差式干涉量測技術之關鍵特徵為偵測系統之敏感度的顯著增加。此情形引起改良型信雜比，此係因為在方程式(4)至(6)中僅可看到在為大約鎖定頻率之頻率下產生之雜訊。作為雜訊位準縮減之直接結果，偵測系統變得較穩固及/或允許低強度聚焦監控配置之實施。如所提及，當偵測經鎖定至頻率△ω2時，相同方程式及推理適用於第二聚焦輻射及第二參考輻射。此外，藉由能夠選擇鎖定頻率，可執行聚焦監控，使用第一波長及第二波長中之無論哪一者皆得到給定目標上之較強信號。可在不具有波長之摻合的情況下同時應用波長兩者。軟體中之投票機制可用以選擇兩個(或更多)信號中之最佳信號以判定最佳聚焦。該兩個信號之加權組合可用以選擇每一波長影響最終 結果之程度，而非為簡單選擇。
另外，偵測系統動態範圍之增加係進一步藉由控制由輻射源502經由衰減器件510遞送之第一參考光束之強度來達成。舉例而言，若由目標30反射之輻射之強度位準在當前選定波長下高，則可減低第一參考光束之強度位準，同時仍維持偵測系統之高敏感度。另一方面，若由目標30反射之輻射之強度位準降低到低於偵測系統操作所需之臨限強度位準，則可藉由衰減器件510之啟動而將第一參考光束之強度位準增加達所需量。處理器PU可視需要連接至致動器(圖中未繪示)以自動控制衰減器件510及512。
本發明之發明人已計算出：可藉由應用本文所揭示之技術來達成動態範圍改良達高達106倍。關於此改良，使用干涉量測雜訊縮減(頻率移位及鎖定偵測)之結果為高達104倍，且另一102倍係由可調整衰減器件之使用引起。因此，在當前聚焦監控配置可需要由目標反射之輻射之功率為大約1微瓦的情況下，在維持高偵測系統敏感度的同時大約100nW降至1pW之反射功率可足夠。
另外，如所提及，干涉輻射之部分可用於強度正規化。舉例而言，由偵測器520a記錄之信號In可作為強度正規化因數而應用於由偵測器520b及520c記錄之信號。強度正規化可為在偵測器520b及520c中或在處理器單元PU內執行之資料處理之第一步驟。
圖9說明經修改聚焦監控配置500'，其中具有與圖5中相同功能的部件具有相同元件符號。此配置與圖5之配置之間的主要差異在於：偵測器520b、520c(位於背焦平面前方及後方)係由位於背焦平面中之單一鎖定影像偵測器900替換。圖10說明鎖定影像偵測器900之操作原理。鎖定影像偵測器包含光敏像素902陣列，每一光敏像素經鎖定於偵測頻率ω D 下。該陣列之軸線被標註為X及Y，其中902表示在感測器之位置(x,y)處之像素。在處理器PU之控制下，可選擇來自頻率源555 之移位頻率△ω 1 、△ω 2 ......△ω n 中之任一者作為偵測頻率ω D 。
圖10中之曲線圖展示入射於偵測器900上之在每一像素902處記錄的照明強度I(t)之時間演進(當然，該信號在每一像素處不同)。習知影像偵測器將簡單地積分此強度歷時曝光時間間隔，且輸出每像素單一強度。然而，在鎖定影像偵測器中，在貫穿參考頻率(1/ωD)之週期之時間間隔下對每一像素處之輻射分離地取樣達多次(ds1、ds2、ds3、ds4)。對於本實例，假定存在每週期四個取樣點，該四個取樣點分離達90°。在假定強度波形I(t)含有與參考頻率ωD同步的正弦分量的情況下，此情形將向如所說明之樣本ds1至ds4給出不同值。樣本ds1至ds4可遍及若干週期而積分以獲得信號s1、s2、s3、s4。以此方式，將使強度波形之不與參考頻率同步之頻率分量達到平均數。該四個值s1至s4允許計算經同步分量之相位及振幅。舉例而言，可藉由如下公式計算經同步分量之振幅A、相位φ及dc偏移B：
可將此分量之強度計算為I=A2。可針對每一像素902個別地計算此等值。
在用於聚焦監控之應用中，相位影像φ(x,y)可用以在不比較兩個偵測器信號的情況下監控聚焦。實情為，扁平相位影像(φ橫越該影像為恆定的)將指示焦點對準狀態。非扁平相位影像將指示散焦。可由處理器PU使用相前之曲率方向及量值以計算散焦方向及程度。可相應地產生聚焦控制信號FC。
影像感測器132可(例如)為經調適CMOS影像感測器。應注意，單光子突崩二極體(SPAD)、CCD或任何其他合適感測器亦可用作偵測 器。熟習此項技術者將能夠調適已知鎖定方法及/或相位敏感偵測方法以偵測如本文所描述之振幅及相位影像。雖然圖3展示出自鎖定影像偵測器112之振幅值及相位值，但是在偵測器自身中計算此等值抑或在處理單元PU內計算此等值為設計選擇問題。實務上，可方便的是，處理單元PU自鎖定影像偵測器接收原始樣本ds1至ds4或經積分值s1至s4，且接著視需要執行振幅、相位、強度之計算。亦應注意，無需以值A及φ之形式表達振幅及相位資訊。可由一對分量向量U及V表示用於每一像素之振幅及相位資訊。容易藉由根據熟知關係將振幅及相位表達為複數而進行此等表達形式之間的轉換：U+iV=Ae1φ
相比於圖5至圖8之實施例，可注意，鎖定影像偵測器不能夠同時偵測所有頻率。在具有每像素八個個別樣本的情況下，可在同一影像偵測器中同時鎖定兩個頻率，或可提供兩個影像偵測器(具有一光束分裂器)。配置仍將不具有以數位方式處理經偵測頻譜之靈活性。因此，在此實施例中，可週期性地切換鎖定頻率(且因此切換光學波長)以檢查最佳信號品質，或可在度量衡配方中預定義設定。相似地，當使用用於控制除了檢測裝置以外的系統中之「聚焦」之聚焦監控配置時，可藉由嘗試不同頻率及/或藉由基於目標結構及/或先前測試之知識而預定義選擇來找到信號品質。
另一方面，鎖定影像偵測器提供簡單偵測器520b、520c不可提供的額外功能性。可出於多種目的(而不僅是聚焦控制)來使用由偵測器900捕捉之振幅及相位影像。同一影像偵測器可用於實際檢測信號(501)，以及用於聚焦。同一影像偵測器可用於正規化信號(501)，以及用於聚焦。正規化偵測器520a可為具有不同鎖定頻率之鎖定影像偵測器。
結論
本文所揭示之方法及關聯檢測裝置實現以下益處中之一或多者。
可改良聚焦監控之準確度。幾乎所有不相關雜訊源皆遵循一曲線，此意謂在較高頻率(例如，>10kHz)下量測會在吾人轉到較高量測頻率時降低此雜訊源對最終量測之雜訊影響。藉由實施此技術，顯著縮減了所有隨機雜訊源之影響。
一特定優點為：所揭示配置相對於「暗」目標而穩固。當前聚焦配置遭受關於基板之效能之劣化，其中自目標反射回之光學信號極低。雜訊淹沒信號，從而產生如下情形：其中雜訊頻率干擾聚焦量測且對新目標之快速設定變得不可能。藉由引入外差式原理且同時使用兩個或兩個以上顏色，變得有可能進行聚焦信號之雜訊受限量測，即使在經反射光歸因於諧振波長相依散射而次佳時。此外，可藉由使用較強參考信號(本地振盪器信號)而改良信雜比。在上文所論述之實例中，此操作可藉由調整衰減器件(ND濾光輪)而進行，以在信號低之狀況下改良信雜比。
儘管可在本發明中特定地參考聚焦監控及控制配置在諸如散射計之檢測裝置中之使用，但應理解，所揭示配置可在如上文已經提及的其他類型之功能裝置中具有應用。
儘管在本文中可特定地參考檢測裝置在IC製造中之使用，但應理解，本文所描述之檢測裝置可具有其他應用，諸如，製造整合式光學系統、用於磁疇記憶體之導引及偵測圖案、平板顯示器、液晶顯示器(LCD)、薄膜磁頭，等等。熟習此項技術者應瞭解，在此等替代應用之內容背景中，可認為本文對術語「晶圓」或「晶粒」之任何使用分別與更一般之術語「基板」或「目標部分」同義。
在以下編號條項中提供根據本發明之另外實施例：
1.一種用於一光學系統之聚焦監控配置，其包含： - 一聚焦光束遞送系統，其用於將聚焦輻射遞送至該光學系統，該光學系統經配置以將該聚焦輻射遞送至一目標；- 一聚焦光束收集系統，其用於在自該目標之反射之後收集該聚焦輻射；及- 一聚焦偵測系統，其用於接收該經收集聚焦輻射且用於處理該經收集聚焦輻射以判定該光學系統相對於該目標是否焦點對準；其中該聚焦監控配置進一步包含一參考光束遞送系統，該參考光束遞送系統用於將參考輻射遞送至該聚焦偵測系統，該參考輻射經配置以在該聚焦偵測系統中干涉該經收集聚焦輻射，其中該參考輻射及該聚焦輻射具備一相對頻移，使得在該偵測系統中偵測之該干涉輻射包括具有對應於該相對頻移之一特性頻率之一時變分量，且其中該聚焦偵測系統包含可參考該特性頻率而操作之一或多個鎖定偵測器。
2.如條項1之配置，其中該參考光束遞送系統經配置以使用來自與該聚焦光束遞送系統相同的一或若干源之輻射，該參考光束遞送系統繞過該目標。
3.如條項1或2之配置，其中該聚焦偵測系統包含：一第一鎖定輻射偵測器，該第一鎖定輻射偵測器經配置以接收該干涉輻射之一第一部分；及一第二鎖定輻射偵測器，該第二鎖定輻射偵測器經配置以接收該干涉輻射之一第二部分，該光學系統是否焦點對準之該判定係藉由比較藉由該第一鎖定輻射偵測器與該第二鎖定輻射偵測器偵測之輻射予以執行。
4.如條項3之配置，其中該第一鎖定偵測器及該第二鎖定偵測器中之一者定位於該光學系統之一前焦平面之一共軛前方，且該第一鎖定偵測器及該第二鎖定偵測器中之另一者定位於一前焦平面之一共軛 後方。
5.如條項4之配置，其中該光學系統是否焦點對準之該判定係藉由直接或間接地比較形成於該第一鎖定偵測器與該第二鎖定偵測器上之輻射光點之一空間範圍予以執行。
6.如前述條項中任一項之配置，其中該聚焦輻射及該參考輻射包括自一或多個相干輻射源導出之輻射。
7.如前述條項中任一項之配置，其中該聚焦輻射及該參考輻射包括自一或多個非相干輻射源導出之輻射。
8.如前述條項中任一項之配置，其中該聚焦輻射包含具有一第一波長範圍之第一聚焦輻射及具有一第二波長範圍之第二聚焦輻射，其中該參考輻射包含具有實質上該第一波長範圍之第一參考輻射及具有實質上該第二波長範圍之第二參考輻射，其中該第一參考輻射及該第一聚焦輻射具備一第一相對頻移且該第二參考輻射及該第二聚焦輻射具備一第二相對頻移，使得在該偵測系統中偵測之該干涉輻射包括具有對應於該第一相對頻移之一特性頻率的一第一時變分量，及具有對應於該第二相對頻移之一特性頻率的一第二時變分量，且其中該聚焦偵測系統包含可參考該第一特性頻率及該第二特性頻率兩者而操作之一或多個鎖定偵測器，且可操作以選擇使用該第一聚焦輻射及該第二聚焦輻射中之哪一者來判定該光學系統是否焦點對準。
9.如條項8之配置，其中該第一聚焦輻射及該第一參考輻射係自一第一相干輻射源導出，且該第二聚焦輻射及該第二參考輻射係自一第二相干輻射源導出。
10.如前述條項中任一項之配置，其中該參考光束遞送系統包括用於可調整地縮減該參考輻射之強度的一或多個可調整衰減器。
11.如前述條項中任一項之配置，其進一步包含用於回應於藉由該聚焦監控配置之該聚焦偵測系統進行之判定而自動調整該光學系統在該目標上之聚焦的一機構。
12.如條項11之配置，其中用於調整聚焦之該機構同時地配置以調整該聚焦監控配置之該光學系統耦接至之一功能系統。
13.如前述條項中任一項之配置，其中該聚焦偵測系統經配置以使用經偵測之具有該特性頻率的信號之相位之資訊。
14.如條項13之配置，其中該聚焦偵測系統包含一鎖定影像偵測器。
15.一種檢測裝置，其包含：一檢測照明系統，該檢測照明系統用於將檢測輻射遞送至目標；及一檢測偵測系統，該檢測偵測系統用於在該檢測輻射由該目標散射之後收集該檢測輻射，其中形成該檢測照明系統及該檢測偵測系統中之一者或兩者之部分的一光學系統具備上述一如條項1至11中任一項之聚焦監控配置。
16.如條項15之檢測裝置，其中該光學系統包括一高數值孔徑接物鏡，且其中該同一高數值孔徑接物鏡形成該檢測照明系統、該檢測偵測系統、該聚焦光束遞送系統及該聚焦光束收集系統之部分。
17.如條項15或13之檢測裝置，其中經配置以供應該檢測輻射之一輻射源不同於供應該聚焦輻射之一或若干輻射源。
18.如條項15、16或17之檢測裝置，其中該檢測輻射包含寬頻帶輻射，而該聚焦輻射包含一或多個波長範圍之窄頻帶輻射。
19.如條項15至18中任一項之檢測裝置，其中該檢測偵測系統可操作以形成一光瞳影像以用於對該目標執行角度解析散射量測。
20.如條項15至19中任一項之檢測裝置，其中該檢測偵測系統可操作以形成一暗場影像以用於對該目標執行以繞射為基礎之不對稱性量測。
本文所使用之術語「輻射」及「光束」涵蓋所有類型之電磁輻射，包括紫外線(UV)輻射(例如，具有為或為約365奈米、355奈米、248奈米、193奈米、157奈米或126奈米之波長)及極紫外線(EUV)輻射(例如，具有在5奈米至20奈米之範圍內之波長)；以及粒子束(諸如，離子束或電子束)。
術語「透鏡」在內容背景允許時可指各種類型之光學組件中之任一者或其組合，包括折射、反射、磁性、電磁及靜電光學組件。
雖然上文已描述本發明之特定實施例，但應瞭解，可以與所描述之方式不同的其他方式來實踐本發明。此外，可以如下形式實施裝置之部分：電腦程式，其含有描述如上文所揭示之方法的機器可讀指令之一或多個序列；或資料儲存媒體(例如，半導體記憶體、磁碟或光碟)，其具有儲存於其中之此電腦程式。
以上描述意欲為說明性而非限制性的。因此，對於熟習此項技術者將顯而易見，可在不脫離下文所闡明之申請專利範圍之範疇的情況下對所描述之本發明進行修改。
12‧‧‧透鏡系統/光學組件
15‧‧‧顯微鏡接物鏡/透鏡系統/物鏡
30‧‧‧目標
500‧‧‧聚焦監控配置
501‧‧‧量測照明光束
502‧‧‧第一輻射源
504‧‧‧第二輻射源
505‧‧‧聚焦輻射
506‧‧‧第一移頻器(AOM)
508‧‧‧第二移頻器(AOM)
510‧‧‧第一衰減器件
512‧‧‧第二衰減器件
520‧‧‧聚焦偵測系統
520a‧‧‧正規化信號偵測器/第三偵測器
520b‧‧‧第一鎖定輻射偵測器
520c‧‧‧第二鎖定偵測器
540a‧‧‧光學組件/光束分裂器(BS)
540b‧‧‧光學組件/鏡面
542a‧‧‧光學組件/光束分裂器(BS)
542b‧‧‧光學組件/鏡面
546a‧‧‧光學組件/鏡面
546b‧‧‧光學組件/鏡面
555‧‧‧頻率源
560‧‧‧光學組件/鏡面
590a‧‧‧光學組件
590b‧‧‧光學組件
FC‧‧‧聚焦控制信號
PU‧‧‧處理器/處理器單元
PW‧‧‧第二定位器
S‧‧‧照明光點
W‧‧‧基板
WTm‧‧‧基板台

Claims (15)

  1. 一種用於一光學系統之聚焦監控配置(focus monitoring arrangement)，其包含：一聚焦光束遞送系統(focusing beam delivery system)，其用於將聚焦輻射遞送至該光學系統，該光學系統經配置以將該聚焦輻射遞送至一目標(target)；一聚焦光束收集系統(focusing beam collection system)，其用於在自該目標之反射之後收集該聚焦輻射；及一聚焦偵測系統(focus detection system)，其用於接收該經收集聚焦輻射且用於處理該經收集聚焦輻射以判定該光學系統相對於該目標是否焦點對準；其中該聚焦監控配置進一步包含一參考光束遞送系統(reference beam delivery system)，該參考光束遞送系統用於將參考輻射遞送至該聚焦偵測系統，該參考輻射經配置以在該聚焦偵測系統中干涉(interfere with)該經收集聚焦輻射，其中該參考輻射及該聚焦輻射具備一相對頻移(relative frequency shift)，使得在該偵測系統中偵測之該干涉輻射包括具有對應於該相對頻移之一特性頻率(characteristic frequency)之一時變分量(time-varying component)，且其中該聚焦偵測系統包含可參考該特性頻率而操作之一或多個鎖定偵測器(lock-in detector)。
  2. 如請求項1之配置，其中該參考光束遞送系統經配置以使用來自與該聚焦光束遞送系統相同的一或若干源之輻射，該參考光束遞送系統繞過該目標。
  3. 如請求項1或2之配置，其中該聚焦偵測系統包含：一第一鎖定輻射偵測器，該第一鎖定輻射偵測器經配置以接收該干涉輻射之一第一部分；及一第二鎖定輻射偵測器，該第二鎖定輻射偵測器經配置以接收該干涉輻射之一第二部分，該光學系統是否焦點對準之該判定係藉由比較藉由該第一鎖定輻射偵測器與該第二鎖定輻射偵測器偵測之輻射予以執行。
  4. 如請求項3之配置，其中該第一鎖定偵測器及該第二鎖定偵測器中之一者定位於該光學系統之一前焦平面之一共軛前方，且該第一鎖定偵測器及該第二鎖定偵測器中之另一者定位於一前焦平面之一共軛後方。
  5. 如請求項1或2之配置，其中該聚焦輻射及該參考輻射包括自一或多個相干輻射源導出之輻射。
  6. 如請求項1或2之配置，其中該聚焦輻射及該參考輻射包括自一或多個非相干輻射源導出之輻射。
  7. 如請求項1或2之配置，其中該聚焦輻射包含具有一第一波長範圍之第一聚焦輻射及具有一第二波長範圍之第二聚焦輻射，其中該參考輻射包含具有實質上該第一波長範圍之第一參考輻射及具有實質上該第二波長範圍之第二參考輻射，其中該第一參考輻射及該第一聚焦輻射具備一第一相對頻移且該第二參考輻射及該第二聚焦輻射具備一第二相對頻移，使得在該偵測系統中偵測之該干涉輻射包括具有對應於該第一相對頻移之一特性頻率的一第一時變分量，及具有對應於該第二相對頻移之一特性頻率的一第二時變分量，且其中該聚焦偵測系統包含可參考該第一特性頻率及該第二特性頻率兩者而操作之一或多個鎖定偵測器，且可操作以選擇使用該第一聚焦輻射及該第二聚焦輻射中之哪一者來判定該光 學系統是否焦點對準。
  8. 如請求項1或2之配置，其中該參考光束遞送系統包括用於可調整地縮減該參考輻射之強度的一或多個可調整衰減器。
  9. 如請求項1或2之配置，其進一步包含用於回應於藉由該聚焦監控配置之該聚焦偵測系統進行之判定而自動調整該光學系統在該目標上之聚焦的一機構。
  10. 一種檢測裝置，其包含：一檢測照明系統(inspection illumination system)，該檢測照明系統用於將檢測輻射遞送至目標；及一檢測偵測系統，該檢測偵測系統用於在該檢測輻射由該目標散射之後收集該檢測輻射，其中形成該檢測照明系統及該檢測偵測系統中之一者或兩者之部分的一光學系統具備上述之一如請求項1至9中任一項之聚焦監控配置。
  11. 如請求項10之檢測裝置，其中該光學系統包括一高數值孔徑接物鏡，且其中該同一高數值孔徑接物鏡形成該檢測照明系統、該檢測偵測系統、該聚焦光束遞送系統及該聚焦光束收集系統之部分。
  12. 如請求項10或11之檢測裝置，其中經配置以供應該檢測輻射之一輻射源不同於供應該聚焦輻射之一或若干輻射源。
  13. 如請求項10或11之檢測裝置，其中該檢測輻射包含寬頻帶輻射，而該聚焦輻射包含一或多個波長範圍之窄頻帶輻射。
  14. 如請求項10或11之檢測裝置，其中該檢測偵測系統可操作以形成一光瞳影像以用於對該目標執行角度解析散射量測。
  15. 如請求項10或11之檢測裝置，其中該檢測偵測系統可操作以形成一暗場影像以用於對該目標執行以繞射為基礎之不對稱性量測。
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