本申請要求于2014年7月9日提交的EP申請14176391的權益，其內容通過參考整體結合于此。

技術領域

本發明涉及例如可在通過光刻技術的設備制造中使用的檢查裝置和相關聯的檢查方法。本發明還涉及制造設備的方法以及在實施這些方法中有用的計算機程序產品。

背景技術：

光刻裝置是在襯底上、通常在襯底的目標部分上施加期望圖案的機器。光刻裝置例如可用于集成電路(IC)的制造。在這種情況下，圖案化設備(備選地被稱為掩模或掩模版)可用于生成將形成在IC的各自層上的電路圖案。該圖案可以轉印到襯底(例如，硅晶片)上的目標部分(例如，包括管芯的部分、一個管芯或多個管芯)。圖案的轉印通常經由成像轉印到襯底上設置的輻射敏感材料(抗蝕劑)層上。通常，單個襯底將包含連續圖案化的相鄰目標部分的網絡。已知光刻裝置包括所謂的步進器以及所謂的掃描器，在步進器中通過一次在目標部分上曝光整個圖案來輻射每個目標部分，在掃描器中通過在給定方向(“掃描”方向)上通過輻射束掃描圖案、同時與該方向平行或反平行地同步掃描襯底來輻射每個目標部分。還可以通過將圖案壓印到襯底上來將圖案從圖案化設備轉印到襯底。

在光刻工藝中，期望頻繁地對所創建的結構進行測量，例如用于工藝控制或驗證。用于進行這些測量的各種工具是已知的，包括掃描電子顯微鏡，其通常用于測量電路尺寸(CD)，并且包括特殊工具來測量光刻裝置的套刻精度(在形成于不同圖案化步驟中的圖案之間、例如在設備中的兩個層之間的對準的精度)和離焦。近來，已經開發了各種形式的散射儀以便于在光刻領域中使用。這些設備將輻射束引導到目標上并且測量散射輻射的一個或多個特性—例如，作為波長函數的反射的單個角度處的強度、作為反射角度函數的一個或多個波長處的強度或者作為反射角度函數的極化—以得到可以確定感興趣目標的特性的“光譜”。感興趣特性的確定可以通過各種技術來執行：例如，通過諸如嚴格耦合波分析或有限元法之類的迭代方法重構目標結構；庫搜索；以及主成分分析。

用于確定結構參數的方法和裝置例如在WO 20120126718中公開。還在US20110027704A1、US2006033921A和US2010201963A1中公開了方法和散射儀。由這種散射儀使用的目標是相對較大的光柵，例如40μm*40μm，并且測量束生成小于光柵(即，光柵是欠填充的)的照射點。除了散射測量以確定在一個圖案化步驟中制作的結構的參數，方法和裝置還可用于執行基于衍射的套刻精度測量。

使用衍射級的暗場圖像檢測的基于衍射的套刻精度度量能夠實現對較小目標的套刻精度測量。這些目標可以小于照射點，并且可以通過晶片上的產品結構來環繞。多個目標可以在一個圖像中測量。可以在國際專利申請US2010328655 A1和US2011069292 A1中找到暗場成像度量的示例，這些文獻通過參考整體結合于此。在已公布的專利公開US20110027704A、US20110043791A、US20120044470A、US20120123581A、US20130258310A、US20130271740A和WO2013178422A1中描述了其它的技術開發。這些目標可以小于照射點，并且可以被晶片上的產品結構環繞。使用組合光柵目標，可以在一個圖像中測量多個光柵。已經開發了類似的技術用于使用經修改的小目標來測量聚焦量和劑量。分別在文獻WO201482938A1和US2014/0139814A1中公開了確定光刻裝置的劑量和聚焦量的方法。所有提到的申請的內容也通過參考結合于此。

因此，在已知的基于強度的散射儀中，通過測量由適當目標衍射的輻射的強度來推斷諸如套刻精度、CD和聚焦量之類的感興趣參數。例如，在使用暗場成像的基于衍射的度量中，通過以使得分開地得到-1衍射級強度和+1衍射級強度的這種方式測量目標來得到結果。針對給定光柵比較這些強度，提供了對目標中的不對稱性的測量。然后，根據目標的形式(其被具體設計為具有對感興趣參數敏感的不對稱性)，可以將所測量的不對稱性轉換為套刻精度、聚焦量或劑量的測量。

已知示例和方法僅使用不相干光源測量散射輻射的強度。目標的重構是不適定反問題，這不能在不具有關于目標的先驗信息的情況下解決。為了在使用當前檢查裝置時解決不適定反問題，需要相對較大的目標結構以用于感興趣參數的提取。類似地，具有小目標的已知暗場成像度量僅測量不同衍射級的強度，并且測量不期望地對工藝引起的變化敏感。也就是說，測量不能在由于感興趣參數引起的不對稱性和由工藝變化引起的不對稱性或其他變化之間進行區分。

在US2012243004A1中，提出采用上述類型的散射儀來執行相干傅里葉散射測量。本修改的目的是得到衍射光譜的相位信息以及強度信息。相位信息的可用性允許更確信的重構。US2012243004A1中公開的方法需要捕獲和比較多個衍射光譜以得到相位信息。因此，這帶來產量的損失，也就是說，在給定時間中可以進行較少的測量。在大容量制造環境中，產量以及精度應該被最大化。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種光學檢查裝置和度量方法，其可以得到并利用來自衍射光譜的相位信息，同時更適合用于大容量制造環境。

在第一方面中，本發明提供了用于測量目標結構的特性的檢查裝置，該裝置包括輻射源以及與光學系統組合的圖像檢測器，光學系統限定以下束路徑：

–照射路徑，用于接收來自輻射源的輻射、形成具有所選照射輪廓的照射輻射的束并將所述照射輻射聚集在襯底上的目標上；

–收集路徑，用于收集來自所述目標的衍射輻射并將衍射輻射的所選部分傳遞至圖像檢測器；以及

–參考路徑，用于接收來自輻射源的輻射并將參考輻射的束傳遞至圖像檢測器以便干涉衍射輻射，

其中，圖像檢測器包括用于捕獲二維圖像的像素的陣列的圖像檢測器，

其中，所述照射路徑和所述參考路徑中的至少一項包括用于偏移參考輻射的光學頻率的設備，使得圖像檢測器處的輻射的強度包括時變分量，該時變分量具有與衍射輻射與參考輻射的頻率之間的差值相對應的特征頻率，

并且其中，所述圖像檢測器包括可參考所述特征頻率操作的鎖定圖像檢測器以針對每個像素記錄表示所述時變分量的幅度和相位的信息。

在一些實施例中，裝置包括處理器，用于處理所記錄的幅度和相位信息以計算目標的特性的測量值。

在一些實施例中，該裝置可操作用于計算針對多個目標的不對稱性的測量值。處理器可進一步被配置為使用目標的所述測量值和已知特性來計算用于形成目標的光刻工藝的性能參數。性能參數例如可以是套刻精度、聚焦量和劑量中的一個。

鎖定圖像檢測器可以位于收集路徑的光瞳面或圖像面中。

在另一方面中，本發明提供了一種用于測量目標結構的特性的方法，該方法包括以下步驟：

(a)利用從輻射源發射且具有所選照射輪廓的照射輻射來照射襯底上的目標；

(b)收集來自所述目標的衍射輻射并將衍射輻射的所選部分傳遞至圖像檢測器，圖像檢測器包括用于捕獲二維圖像的像素的陣列；

(c)將從輻射源發射的參考輻射的束傳遞至圖像檢測器以干涉衍射輻射，

其中，步驟(a)和(c)包括在參考輻射和照射輻射之間引入光學頻率偏移，使得圖像檢測器處的輻射的強度包括時變分量，該時變分量具有對應于頻率偏移的特征頻率；并且其中，步驟(b)包括在特征頻率處操作圖像檢測器作為鎖定圖像檢測器，以記錄表示時變分量的幅度和相位的二維圖像。

本發明還提供了一種制造設備的方法，其中，通過光刻工藝在一系列襯底上形成設備特征和度量目標，其中，一個或多個被處理襯底上的度量目標的特性通過根據上述本發明的方法或檢查裝置來測量，并且其中，使用所測量的特性來調整光刻工藝的參數以用于其它襯底的處理。

在其他方面中，本發明提供了計算機程序產品，該計算機程序產品包含用于實施一個或多個實施例的方法步驟的機器可讀指令的一個或多個序列。計算機程序產品可以包括存儲在非暫態機器可讀介質中的所述指令。

附圖說明

現在參照附圖僅通過示例描述本發明的實施例，其中對應的參考標號表示對應的部分，其中：

圖1示出了光刻裝置；

圖2示出了光刻單元或簇；

圖3(a)是根據本發明實施例的包括鎖定圖像檢測器的檢查裝置的示意圖，圖3(b)是針對給定方向的照射的入射光線和衍射光線的細節；

圖4示出了圖3(a)的裝置中的鎖定圖像檢測器的操作的原理；

圖5(a)和圖5(b)示出了在不同的照射模式中使用圖3(a)的裝置得到衍射圖案的幅度分量和相位分量；

圖6示出了用于從圖5(a)或圖5(b)所示類型的衍射圖案中重構結構的示例性處理；

圖7(a)和圖7(b)示出了分別用于根據圖5(a)或圖5(b)所示類型的衍射光譜確定套刻精度或其他性能參數的示例性處理；

圖8(a)是根據本發明另一實施例的包括鎖定圖像檢測器的檢查裝置的示意圖，其適于具有小目標的暗場成像度量；

圖8(b)示出了當使用圖8(a)的裝置執行測量時襯底上的測量點的概況和復合目標；

圖8(c)示出了在圖8的裝置中得到的圖8(b)的目標的幅度圖像和相位圖像；

圖9示出了用于使用圖8(a)的裝置中的暗場成像確定套刻精度或其他性能參數的示例性處理；

圖10(a)是根據本發明另一實施例的包括鎖定圖像檢測器的檢查裝置的示意圖，其適于具有小目標的暗場成像度量，圖10(b)是用于給定方向的照射的入射光線和衍射光線的細節；以及

圖11示出了檢查裝置，其中使用鎖定成像檢測器來執行橢圓偏振或偏振測量。

具體實施方式

圖1示意性示出了光刻裝置。該裝置包括：

-照射系統(照射器)IL，被配置為調節輻射束B(例如，UV輻射或DUV輻射)；

-支撐結構(例如，掩模臺)MT，被構造為支撐圖案化設備(例如，掩模)MA并且連接至第一定位器PM，第一定位器PM被配置為精確地根據特定參數定位圖案化設備；

-襯底臺(例如，晶片臺)WT，被構造為保持襯底(例如，抗蝕劑涂覆晶片)W并且連接至第二定位器PW，第二定位器PW被配置為精確地根據特定參數定位襯底；以及

-投影系統(例如，折射投影透鏡系統)PL，被配置為將通過圖案化設備MA給予輻射束B的圖案投影到襯底W的目標部分C(例如，包括一個或多個管芯)上。

照射系統可以包括各種類型的光學部件，諸如折射、反射、磁、電磁、靜電或其他類型的光學部件或者任何它們的組合，用于引導、成形或控制輻射。

支撐結構支撐、即承載圖案化設備的重量。其以根據圖案化設備的定向、光刻裝置的設計和其他條件(諸如圖案化設備是否保持在真空環境中)的方式來保持圖案化設備。支撐結構可以使用機械、真空、靜電或其他夾鉗技術來保持圖案化設備。支撐結構可以是框架或臺，例如其可以根據需要固定或可移動。支撐結構可以確保圖案化設備例如相對于投影系統處于期望位置。本文對術語“掩模版”或“掩模”的任何使用可以與更一般的術語“圖案化設備”同義地來考慮。

本文使用的術語“圖案化設備”應該廣義地解釋為是指可用于為輻射束在其截面中給予圖案的任何設備，諸如以在襯底的目標部分中創建圖案。應該注意，給予輻射束的圖案可以不精確地對應于襯底的目標部分中的期望圖案，例如如果圖案包括相移特征或者所謂的輔助特征時。通常，給予輻射束的圖案將對應于設備中在目標部分中創建的特定功能層，諸如集成電路。

圖案化設備可以是透射型或反射型的。圖案化設備的示例包括掩模、可編程反射鏡陣列和可編程LCD面板。在光刻中已知掩模，并且包括諸如二元、交替相移和衰減相移的掩模類型以及各種混合掩模類型。

本文使用的術語“投影系統”應該廣義地解釋為包括任何類型的投影系統，包括折射、反射、折反射、磁、電磁和靜電光學系統或者任何它們的組合，適當地根據所使用的曝光輻射或者其他因素(諸如浸液的使用或真空的使用)。本文對術語“投影透鏡”的任何使用可以與更一般的術語“投影系統”同義地來考慮。

如本文所示，裝置是透射型的(例如，采用透射掩模)。備選地，裝置可以是反射型(例如，采用上面所述類型的可編程反射鏡陣列或者采用反射掩模)。

光刻裝置可以是具有兩個(雙級)或更多襯底臺(和/或兩個或多個掩模臺)的類型。在這種“多級”機器中，可以并行地使用附加臺，或者可以在一個或多個臺上執行預備步驟，而將一個或多個其他臺用于曝光。

光刻裝置還可以是如下類型的：其中襯底的至少一部分可以被具有相對較大折射率的液體(例如，水)覆蓋以填充投影系統與襯底之間的空間。浸液還可以應用于光刻裝置中的其他空間，例如掩模和投影系統之間。本領域中已知浸沒技術用于增加投影系統的數值孔徑。

參照圖1，照射器IL接收來自輻射源SO的輻射束。源和光刻裝置可以是分開的實體，例如當源是準分子激光器時。在這種情況下，可以不考慮將源形成光刻裝置的一部分，并且利用例如包括適當的定向反射鏡和/或擴束器的光束傳遞系統BD，將輻射束從源SO傳輸至照射器IL。在其他情況下，源可以是光刻裝置的集成部分，例如當源是汞燈時。根據需要，源SO和照射器IL與光束傳遞系統BD一起可以被稱為輻射系統。

照射器IL可以包括用于調整輻射束的角強度分布的調整器AD。此外，照射器IL可以包括各種其他部件，諸如積分器IN和冷凝器CO。照射器可用于調節輻射束，以在其截面中具有期望的均勻性和強度分布。

輻射束B入射到保持在支撐結構(例如，掩模臺MT)上的圖案化設備(例如，掩模MA)上，并且通過圖案化設備進行圖案化。在穿過掩模MA后，輻射束B經過投影系統PL，投影系統PL將束聚焦在襯底W的目標部分C上。利用第二定位器PW和位置傳感器IF(例如，干涉測量設備、線性編碼器、2D編碼器或電容傳感器)，可以精確地移動襯底臺WT，例如以在輻射束B的路徑中定位不同的目標部分C。類似地，第一定位器PW和另一位置傳感器(其在圖1中沒有明確示出)可以用于相對于輻射束B的路徑精確地定位掩模MA，例如在從掩模庫中機械取回之后或者在掃描期間。通常，掩模臺MT的移動可以利用形成第一定位器PW的部分的長行程模塊(粗定位)和短行程模塊(細定位)來實現。類似地，使用形成第二定位器PW的部分的長行程模塊和短行程模塊來實現襯底臺WT的移動。在步進機(與掃描器相對)的情況下，掩模臺MT可以僅連接至短行程致動器，或者可以固定。掩模MA和襯底W可以使用掩模對準標記M1、M2以及襯底對準標記P1、P2來對準。盡管襯底對準標記被示為占用專用的目標部分，但它們可以位于目標部分之間的空間中(這些被稱為劃線對準標記)。類似地，在掩模MA上設置多于一個管芯的情況下，掩模對準標記可位于管芯之間。

所示裝置可用于步進模式或掃描模式。在步進模式中，曝光場的最大尺寸限制單個靜態曝光中成像的目標部分C的大小。在掃描模式中，掩模臺MT和襯底臺WT被同時掃描，而給予輻射束的圖案被投影到目標部分C上(即，單個動態曝光)。襯底臺WT相對于掩模臺MT的速度和方向可以通過投影系統PL的放大(縮小)和圖像逆轉特性來確定。在掃描模式中，曝光場的最大尺寸限制單個動態曝光中的目標部分的寬度(在非掃描方向上)，而掃描運動的長度確定目標部分的高度(在掃描方向上)。

在另一模式中，掩模臺MT被保持基本靜止保持可編程圖案化設備，并且襯底臺WT被移動或掃描，同時給予輻射束的圖案被投影到目標部分C上。在該模式中，通常采用脈沖輻射源，并且在襯底臺WT的每次移動之后或者在掃描期間的連續輻射脈沖之間，可編程圖案化設備根據需要進行更新。該操作模式可以容易地施加于無掩模光刻，其利用可編程圖案化設備，諸如上述類型的可編程反射鏡陣列。

還可以采用上述使用模式或者完全不同的使用模式的組合和/或變形。

如圖2所示，光刻裝置LA形成光刻單元LC的一部分，有時也稱為光刻單元或簇，其還包括用于執行對襯底的預曝光工藝和曝光后工藝的裝置。傳統地，這些包括用于沉積抗蝕劑層的旋涂器SC、用于對經曝光的抗蝕劑進行顯影的顯影劑DE、激冷板CH和烘烤板BK。襯底處理器或者機器人RO從輸入/輸出端口I/O1、I/O2拾取襯底，在不同的處理裝置之間移動它們，然后傳遞至光刻裝置的進料臺LB。這些設備(通常統稱為軌跡)受軌跡控制單元TCU的控制，TCU本身被管理控制系統SCS控制，SCS還經由光刻控制單元LACU來控制光刻裝置。因此，不同的裝置可以被操作用于最大化產量和處理效率。

為了正確且一致地曝光由光刻裝置曝光的襯底，期望檢查經曝光的襯底以測量特性，諸如后續層之間的套刻誤差、線厚度、臨界尺寸(CD)等。如果檢測到誤差，則可以對后續襯底的曝光進行調整，尤其是在不久后且足夠快地可以檢查到相同批次的其他襯底仍然將被曝光的情況下。此外，可以剝離或重做已經曝光的襯底—以提高產量—或丟棄，從而避免對已知故障的襯底執行曝光。在只有襯底的一些目標部分故障的情況下，可以僅對良好的那些目標部分執行進一步的曝光。

檢查裝置用于確定襯底的特性，具體地，確定不同襯底或同一襯底的不同層的特性如何根據層而變化。

檢查裝置可集成到光刻裝置LA或光刻單元LC中，或者可以為單獨的設備。為了能夠實現最快速的測量，期望檢查裝置在曝光之后立刻在經曝光的抗蝕劑層中測量特性。然而，抗蝕劑中的潛像具有非常低的對比度—在抗蝕劑被曝光給輻射的部分與未曝光給輻射的部分之間僅存在非常小的折射率的差值—不是所有的檢查裝置都具有足夠的靈敏度來進行潛像的有用測量。因此，可以在曝光后烘烤步驟(PEB)之后進行測量，并且增加抗蝕劑的曝光部分和未曝光部分之間的對比度，PEB通常是在經曝光的襯底上執行的第一個步驟。在該階段中，抗蝕劑中的圖像可以稱為是半潛的。還可以對經顯影的抗蝕劑圖像進行測量—在該點處，去除抗蝕劑的曝光或未曝光部分—或者在諸如蝕刻的圖案轉印步驟之后。后者的可能性限制了用于重做故障襯底的可能性但是仍然可以提供有用的信息。

用于基于散射測量度量的外差干涉系統

本文公開了經修改的檢查裝置和相關聯的方法，其中，鎖定圖像檢測器用于使用外差干涉技術來執行散射測量和/或暗場成像。經修改的裝置提供散射目標的全場衍射圖案，包括幅度和相位，而不僅是強度測量。可以針對諸如CD(臨界尺寸)之類的參數來得到目標形狀信息，并且裝置還可用于獲取相位信息以改進套刻精度、聚焦量或劑量的測量。

注意，類似的參考標號在附圖中表示類似的部件。

圖3(a)以簡化形式示出了實施外差干涉技術的檢查裝置100。在圖3(b)中更詳細地示出了光柵目標T和衍射光線。裝置100包括輻射源102和相關聯的透鏡104、面對目標T的物鏡106、第一移頻器108、第二移頻器110以及鎖定圖像檢測器112。這些部件被配置在有效限定四個束路徑的光學系統中。在圖3(a)中，以不同的線格式來表示跟隨這些路徑中的每一個路徑的光線。如在已知裝置中那樣，存在用于照射目標的照射路徑(實線)和用于收集衍射輻射并傳遞至檢測器112的收集路徑(虛線)。此外，在該裝置中設置有包括第一移頻器108的第一參考路徑(點線)以及包括第二移頻器110的第二參考路徑(點劃線)。頻率源114為移頻器108和110以及鎖定圖像檢測器112提供參考頻率。處理單元PU接收來自鎖定圖像檢測器112的圖像數據。

在該示例中，圖像檢測器112位于與物鏡106的光瞳面共軛的平面中。在這種平面中，找到目標T的衍射光譜的一部分。在其他示例中，如以下所述，鎖定圖像檢測器112處于目標T的圖像平面中。在本說明書中，軸u和v定義為表示與光瞳面共軛的平面中的位置，而軸x和y定義為表示圖像平面中的位置。如已知裝置中那樣，鎖定圖像檢測器112可以為光瞳面中的任何位置傳遞強度值(u，v)。然而，附加地，為鎖定檢測器提供頻移參考束和適當的參考頻率意味著在該示例中圖像檢測器可以為每個位置分開地提供幅度值A(u，v)和相位值

可以在許多不同的布局中實施所提到的束路徑，并且僅為了說明設計的原理，這里示意性示出了反射鏡116a、116b、116c、118a、118b、120、122以及分束器(BS)124、126的特定結構。附圖中沒有示出可包括在實際系統中的多種部件，例如包括透鏡或其他聚焦元件。它們可以容易從已知裝置中得到，并且不需要詳細描述。還可以提供用于不同功能(例如，聚焦或不同類型的測量)的附加束路徑。

輻射源102可以是單色相干光源(例如，窄線寬激光器)。通過使用相干光源，該裝置變得不太對光學路徑長度的差敏感并且干涉測量變得可行。相干光源(和附加部件，諸如光學濾波器)可以用于圖3的光學配置中，假設路徑長度差可忽略。

在照射路徑中，可以限定期望的照射輪廓。作為其簡單實施方式，適當形式的孔板128被置于分束器126與反射鏡120之間。由于孔板在與物鏡106的光瞳面共軛的平面中限定了空間強度分布，所以效果是選擇照射輻射撞擊到襯底上的角度的范圍。在所示示例中，孔板128具有給定形式以選擇離軸照射模式。可以通過使用不同的孔來實現照射的其他模式。期望剩余的光瞳面為暗，因為期望照射模式外任何不需要的光將干涉期望的測量信號。

如圖3(b)所示，在襯底W與物鏡106的光學軸O正交的情況下放置光柵目標T。從偏離軸O的角度撞擊到目標T上的照射光線I引發零級光線(線0)和兩個第一級光線(線+1和-1)。應該記得，在過填充的小目標光柵的情況下，這些光線僅僅是許多并行光線中的一個，它們覆蓋襯底的區域，包括度量目標T和其他特征。在提供組合光柵目標的情況下，目標內每個對應的光柵都將引起其自身的衍射光譜。由于板128中的孔具有有限寬度(需要允許有用量的光)，所以入射光線I實際上將占用一些角度，并且衍射光線0和+1/-1將在一定程度上擴展。根據小目標的點擴展功能，每個級+1和-1都將進一步在角度范圍上擴展，而不是所示的單個理想光線。注意，光柵間距和照射角度可以設計或調整，使得進入物鏡的第一級光線緊密地與中心光軸對準。圖3(b)中示出的+1級光線一定程度上偏離軸，僅為了使其能夠更容易地在示圖中被區分。

場闌130可以設置在反射鏡122和116c之間。在該示例中，場闌130用于阻擋零級衍射束。其位于與收集路徑中的物鏡106的背光瞳面共軛的平面中，物鏡106的背光瞳面在下文中可以稱為“收集光瞳”或“檢測光瞳”。然后，在暗場模式中檢測衍射光譜(不與其他示例中描述的暗場成像模式混淆)。

圖3所示特定形式的孔板128和場闌130僅僅是示例。在其他示例中，使用目標的軸上照射，并且具有離軸孔的孔徑光闌用于基本僅將一個第一級的衍射光傳遞至傳感器。在又一些實施例中，代替第一級束或者除第一級束之外，可以在測量中使用第二級束、第三級束和更高級的束(圖3中未示出)。為了使照射適用于這些不同類型的測量，孔板128可以包括形成在盤周圍的多個孔圖案，該盤旋轉以將期望圖案置于適當位置。備選地或附加地，可以設置和交換板128的集合以實現相同的效果。還可以使用諸如可變形反射鏡陣列或透射型空間光調制器的可編程照射設備。移動反射鏡或棱鏡可用作調整照射模式的另一方式。

如所提到的，檢測器112在本裝置中是相位敏感鎖定圖像檢測器。鎖定檢測通常已知為可通過“標記”包含信息的信號的一部分來執行窄帶(由此為低噪聲)檢測的技術。通過在所選頻率ω_D處(例如遠離噪聲頻率)調制信號來標記感興趣的信號。鎖定傳感器在所選頻率ω_D處被鎖定以記錄感興趣的信號并忽略其他信號或噪聲。在本裝置中，使用包括像素的二維陣列的相位敏感鎖定圖像檢測器，每個像素都提供鎖定傳感器功能。相對頻率偏移被施加于衍射束和參考束中的輻射。這些束頻率之間的拍頻被用作用于鎖定圖像檢測器的鎖定頻率。以這種方式，該裝置可用于執行外差干涉測量以得到幅度和相位信息。

圖4示出了在頻率ω_D處鎖定的鎖定圖像檢測器112的操作的原理。如在已知裝置中那樣，圖像傳感器132包括光檢測像素的二維陣列。陣列的軸被標記為u和v，其中p(x，y)表示傳感器的位置(u，v)處的像素。圓形136表示收集光學路徑的光瞳，在其中(在圖3的示例中)將找到目標T的衍射光譜。

圖4中的示圖示出了在像素p(u，v)處記錄的照射強度I(t)的時間演化。傳統的圖像檢測器將簡單地針對曝光間隔對該強度進行積分，并且輸出每個像素的單個強度。然而，在鎖定圖像檢測器中，在參考頻率(1/ω_D)的周期內的間隔處，每個像素p(u，v)處的輻射被獨立地采樣多次(ds1、ds2、ds3、ds4)。對于本示例來說，假設每個周期具有四個采樣點，它們相隔90°。假設強度波形I(t)包含與參考頻率ω_D同步的正弦分量，則這將給出用于所示樣本ds1-ds4的不同值。樣本ds1-ds4可以在多個周期上進行積分以得到信號s1、s2、s3、s4。以這種方式，不與參考頻率同步的強度波形的頻率分量將被求平均，并且四個值s1-s4允許計算同步分量的相位和幅度。例如，可以通過以下公式來計算同步分量的幅度A、相位和dc偏移B：

以及

該分量的強度可以計算為I＝A²。

圖像傳感器132例如可以是自適應CMOS圖像傳感器。注意，單光子雪崩二極管(SPAD)、CCD或任何其他適當的傳感器也可以用作檢測器。本領域技術人員將能夠將已知的鎖定方法和/或相位敏感檢測方法適于如本文所述那樣檢測幅度和相位圖像。雖然圖3示出了從鎖定圖像檢測器112中得到的幅度和相位值，但設計選擇是在檢測器本身中計算這些值還是在處理單元PU中計算這些值。實際上，如果處理單元PU接收原始采樣ds1-ds4或者從鎖定圖像檢測器接收積分值s1-s4，然后根據需要執行幅度、相位、強度的計算，這樣可能是便利的。還注意，不需要以值A和的形式來表示幅度和相位信息。可以通過一對分量矢量U和V來表示用于每個像素的幅度和相位信息。通過根據已知關系將幅度和相位表示為復數來容易進行這些表達形式之間的轉換：

返回到圖3，裝置100包括移頻器108、110來使得鎖定檢測能夠用于外差干涉技術以及用于改進的標準化函數。可以選擇移頻器的數量和頻率調制技術來匹配應用要求。移頻器例如可以是電光調制器、光纖調制器、磁光調制器、基于塞曼效應的調制器和/或優選為聲光調制器。為了方便，移頻器108、110可以是聲光調制器(AOM)。

如本領域技術人員已知的，AOM通過在晶體中設置聲波來進行操作。這些波在晶體內形成一種移動的布拉格光柵，其中移動的速度通過驅動頻率來確定。聚焦在布拉格結構中的AOM上(以滿足布拉格條件)的入射光(頻率ω)主要衍射到第一級輸出束和零級輸出束中，它們通過聲布拉格角度的兩倍來分離。AOM內的“光柵”的運動還引起第一級輸出束的頻率發生ω+mΔω的頻率偏移，其中m＝1對應于第一級衍射，以及Δω對應于調制頻率。對于第一級衍射光來說，頻率的頻率偏移等于AOM的調制頻率。可以在不同調制頻率下通過頻率源114來驅動移頻器(AOM)108、110，使得例如Δω₁可以為30kHz、Δω₂可以為100kHz。這種頻率中的小偏移不對散射/衍射效應產生影響。精確的頻率和相位是不重要的，只要鎖定圖像檢測器從與AOM相同的頻率源接收其參考信號即可。

使用頻率偏移Δω₁，檢查裝置100實施一種外差干涉技術，并因而允許在檢測器112處測量衍射圖案的幅度和相位而不是僅測量強度。

例如，在N.Kumar等人的“Phase retrieval between overlapping orders in coherent Fourier scatterometry using scanning”(Journal of the European Optical Society-Rapid publications,Europe,v 8,Jul.2013,ISSN 1990-2573)中描述了出于這種目的獲取相位信息的先前方法。Kumar參考文獻包括在上面提到的專利申請US2012243004A中描述的工作。基于外差干涉的配置例如在G.E.Sommargren Applied Optics(Vol.20，Issue 4，pp.610-618(1981))和M.Pitter等人的Opticas Letter(Vol.29，No.11，June 1(2004))中公開。在US 5923423A中公開了用于檢測和分析晶片表面缺陷的外差散射儀。如已經提到的，這些已知方法通常要求多個測量和掃描移動來得到相位信息，因此不能很好地適合于大容量制造的檢查。在M.Pitter等人的“CMOS cameras for phase sensitive imaging”(Institute of Biophysics,Imaging and Optical Science University of Nottingham,UK,http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/FastImSem/Pitter.pdf,)中公開了相位敏感成像的相位敏感檢測技術和應用示例。根據本申請，類似于Pitter所公開的鎖定圖像檢測器被應用于基于散射測量和/或衍射的度量以用于光刻工藝的參數的測量。

在圖3的檢查裝置100中，由輻射源102發射的輻射束通過分束器124和126分裂成三束(照射束、第一參考束和第二參考束)，并且每一束都跟隨特定的光學路徑。

照射束跟隨的照射路徑和收集路徑類似于已知散射儀的照射路徑和收集路徑。然而，在本示例中，輻射源102發射頻率ω的單色輻射。頻率ω的照射束通過孔徑128給出期望的輪廓并且經由物鏡106聚焦在襯底W上。物鏡106具有大數值孔徑(NA)，優選為至少0.9且更優選為至少0.95。使用浸沒技術，散射儀甚至可具有超過1的數值孔徑的透鏡。入射輻射(也為頻率ω)通過襯底W上的目標衍射到衍射光譜中。至少0級且任選較高級的束被物鏡106收集并且引導回到反射鏡122。反射鏡122經由場闌120和反射鏡116c引導經散射/衍射的輻射到鎖定圖像檢測器112。被檢測器112檢測的信號輸出至處理器和控制器PU并且用于計算中，該計算將取決于被執行的測量的特定類型。

為了使得收集光瞳適用于不同類型的測量，場闌130可以包括形成在盤周圍的多個孔圖案，該盤旋轉以將期望圖案置于適當位置。備選地或附加地，可提供和交換場闌130的集合以實現相同的效果。還可以使用可編程場闌設備，諸如可變形反射鏡陣列或透射型空間光調制器。移動反射鏡或棱鏡可用作調整收集/成像模式的另一方式。在本說明書和權利要求書中對場闌的參考可解釋為包括允許選擇在收集路徑中傳送的目標的衍射光譜的期望部分的任何設備。

回想在該示例中，檢測器112對物鏡的背光瞳面進行“再成像”。光瞳面是輻射的徑向位置限定入射角度并且角度位置限定輻射的方位角的平面。檢測器112還可以位于背投影光瞳面中，背投影光瞳面位于透鏡系統106的焦距處。只有衍射光譜的所選部分被入射到檢測器上。這些部分取決于：(i)照射的所選方向；(ii)衍射級的角度擴展，這取決于與照射波長λ相關的目標光柵的周期性；以及(iii)由場闌130對光譜的部分的選擇。對于基于衍射的度量來說，假設至少一個較高級包括在所選部分中(例如，+1和/或-1級)。然而，僅通過包括0級就可以進行散射測量，并且不排除具有這種配置的實施例。在本說明書中，從圖3開始，為了方便將使用術語“衍射圖案”或“衍射光譜”。除非上下文另有要求，否則不包括或排除特定部分的衍射光譜。假設使用本公開的基于外差干涉技術的檢查裝置。本領域技術人員可以容易地將教導適于不同類型的散射儀，或者甚至其他類型的測量儀器。

為了實施外差干涉技術，跟隨第一參考路徑的第一參考束經由反射鏡116a引導至移頻器(AOM)108。第一參考束的頻率通過AOM偏移到頻率ω+Δω₁，然后經頻移的第一參考束(即，第一級衍射束)通過反射鏡116b、116c引導至檢測器112。

跟隨第二參考路徑的附加第二參考束經由分束器124和126被引導至移頻器(AOM)110。第二參考束的頻率通過AOM偏移至(不同的)頻率ω+Δω₂。然后，通過反射鏡118a、118b將經頻移的第二參考束(即，第一級衍射束)引導至反射鏡120。從反射鏡120，經頻移的第二參考束跟隨與照射束相同的光學路徑。頻率ω+Δω₂處的經頻移的第二參考束由此經由顯微鏡物鏡106聚焦到襯底W上、反射回并引導至檢測器112。第二參考束與照射束的不同在于，其不具有特定的照射輪廓。

在該結構中，頻率ω處的衍射束、頻率ω+Δω₁處的第一參考束和頻率ω+Δω₂處的第二參考束在檢測器112處重疊，在檢測器處創建干涉圖案。

由于頻率偏移，這些干涉束建立特性和“拍”頻。三個干涉束生成具有以下四個拍頻的信號：Δω₁、Δω₂、Δω₂-Δω₁、Δω₂+Δω₁。使用參照圖4描述的原理，可以使用鎖定圖像檢測器獨立地檢測它們。

從以下信息信號中的任意一個，可以根據需要獨立地獲取與測量的散射信號相關聯并且在通過干涉信號(通過將鎖定參考頻率ω_D設置為Δω₁、Δω₂或Δω₂-Δω₁中的所選一個)生成的信號中進行編碼的信息：

·鎖定在頻率Δω₁處的信號：相對于第一參考束，每個像素p(u，v)處的測量信號的幅度、相位和強度(即，目標T的衍射光譜的所選部分)。假設參考束橫跨檢測光譜具有恒定或至少良好限定的相位，則該拍頻處的信號的相位直接表示從該目標T衍射的光學信號的相位。可以在每個像素處獨立地檢測該相位。

·鎖定在頻率Δω₂處的信號：相對于第二參考束，測量信號的幅度、相位和強度。在應用中，該信號不需要用于遠場衍射測量。然而，其可用于其他目的，例如包括基于上面提到的Kumar等人的教導的聚焦估計。針對該教導，Kumar等人的內容結合于此作為參考。

·鎖定在頻率Δω₂-Δω₁處的信號：可以得到參考信號并用于強度標準化。

可以忽略Δω₂+Δω₁處的信號。

原理上，單個鎖定圖像檢測器可以在任何給定時刻處僅獲取這些信號中的一個信號。為了獲取這些信息信號中的多于一個的信號，檢測器112可以在感興趣的每個頻率處順序頻率鎖定以一個接一個地記錄感興趣的信號。備選地，也可以并行使用多個檢測器，以同時得到不同的信息信號。備選地，為了同時區分多個頻率分量，在單個鎖定圖像檢測器112中實施多于四個的采樣和積分電路。

在詳細介紹了裝置的形式和功能后，現在將描述裝置的實際應用和各種信息信號，并且現在將描述裝置和方法的可選示例。

在光學度量中對強度標準化的應用

參考上面提到的最后一個信息信號，處理單元PU使用強度標準化信息來補償輻射源102的強度的變化，使得對于目標特性的變化，它們不成為錯誤。與已知散射儀中的標準化參考束跟隨的路徑相比，本示例中的第二參考束跟隨穿過光學系統的如下路徑，該路徑幾乎與實際測量中使用的照射路徑和收集路徑跟隨的路徑相同。因此，該信號允許測量結果更精確的標準化。通過應用特定的頻率偏移和鎖定檢測，確保第二參考束可以跟隨與衍射輻射的照射和檢測相同的路徑，而不影響第一信息信號。相反，盡管它們跟隨相同路徑并且使用相同的檢測器(不同于已知裝置)，但衍射信號不影響強度標準化的測量。

強度圖像I(u，v)可充分用于標準化的目的，不過當然相位信息可根據期望來獲取。

對基于衍射的度量/散射測量的應用

如已知的，可以執行散射測量和基于衍射的度量的方法很多，并且這里僅描述一些示例以示出一般可用的新技術的應用。以下公開的示例的共同點是利用相位信息捕獲衍射輻射。換句話說，捕獲的圖像具有可認為是復數或矢量的像素值而不是簡單的每個像素的標量值。由于矢量表示周期函數的相位信息，所以它們還可以被稱為“相量”。

利用光瞳圖像檢測的應用示例

圖5(a)和圖5(b)示出了對應于兩個照射模式得到的衍射圖案圖像的示例，它們可以形成在檢測器112上并被檢測器112檢測到。在附圖每個部分的中心處，示出了目標光柵138，在該示例中其通過度量裝置的照射束形成的照射點140欠填充。圖中未示出，該光柵138可以是形成復合目標的組件光柵的較大集合光柵的部分。光柵是一維的，其在X方向上具有周期性。還將提供Y方向光柵，和/或具有斜線或二維周期性的光柵。

圖5(a)和圖5(b)的示例示出了鎖定檢測器112在例如等于Δω₁的頻率處被鎖定的情況的操作。在這種情況下，如上所解釋的，檢測器112可以僅“看到”在頻率Δω₁處的信息信號，其通過由目標T衍射的頻率ω處的束與頻率ω+Δω₁處的第一參考束(其基本直接來自于照射源)之間的干涉生成。在每幅圖的左側示出了通過給定形式的孔板128提供的照射輪廓。檢測器112允許光學場的相位和幅度A的測量值以及(如果期望的話)檢測信號的強度I。為了示出通過檢測器112相關聯的幅度和相位的分離，在圖的每個部分的右手側處表示兩個分離的檢測圖像。圖像142-A和142-分別捕獲檢測信號的幅度和相位。將復雜的像素值示為兩個不同的圖像僅是示例性的。它們可以處理為兩個獨立的圖像或者認為是具有復雜像素值的單個圖像(類似于數字彩色照片中的不同顏色通道)。如上所述，還可以計算強度圖像，但是這在圖中未示出。此外，如上所述，可以通過電場的一對正交分量矢量E_x和E_y來間接地表示幅度和相位分量。A和的值的表達是選擇問題。此外，不存在為什么不應該使用強度和相位(I和)來代替幅度和相位的原因。

在圖5(a)中，照射輪廓限定遠離光軸的單片照射144(I)。這是圖3中示出的示例。由于場闌130的動作，只有+1級衍射信號可見，標為144(+1)。通過場闌130阻擋其他衍射級(包括在144(0)處以點線表示的0級)，或者甚至不進入物鏡(例如，圖3(b)中看到的-1級以及高于第一級的級)。可以利用離軸照射圖案的使用以根據具有如下間距的衍射光柵(套刻目標)得到清楚的第一級信號，該間距是在使用傳統的圓形對稱照射孔徑時可以成像的最小間距的一半。然而，通常需要獲得-1級衍射信號以用于比較。因此，這種配置要求在不同的條件下測量目標兩次，同時旋轉目標或改變照射模式或成像模式以分別得到-1和+1衍射級。

在圖5(b)的示例中，從圖3的檢查裝置100中去除場闌130，并且通過圖5(b)的分段孔徑光闌128來代替圖5(a)的孔徑光闌128。這種類型的孔徑具有標為a和b的兩個照射象限，這兩個照射象限在照射光瞳中彼此在直徑上相對且其間具有暗象限。因此，在檢測圖像142-A和142-中可見標為a₀和b₀的零級反射以及標為a_-1、a₊₁、b_-1和b₊₁的第一級衍射信號。由于照射孔徑的其他象限是暗的，并且更一般地由于照射圖案具有180°旋轉對稱性，所以衍射級a-1和b₊₁在檢測圖像中是“自由的”，表示它們不與來自照射孔徑的其他部分的零級或更高級信號重疊。可以利用分段照射圖案的這種特性來從具有如下間距的衍射光柵(套刻目標)中得到清楚的第一級信號，該間距是在使用傳統的圓形對稱照射孔徑時可成像的最小間距的一半。同時，可以從同一(復雜)圖像的不同區域中提取兩個相對的第一級信號，使得不需要進行分開的測量。在已知申請US20100201963中描述了可針對散射測量利用的該衍射圖案和模式，其中進一步的示例如下。

目標重構處理的應用示例

使用上面結合目標結構(諸如目標T)的建模及其衍射特性描述的檢查裝置，可以多種方式來執行目標的形狀和其他參數的測量。在由圖6表示的這種處理的示例中，計算基于目標結構(第一候選結構)的第一估計值的衍射圖案并與觀察到的衍射圖案進行比較。然后，模型的參數系統地變化并且在一系列迭代中重新計算衍射，以生成新候選結構，從而實現最適合的方案。然而，通過傳統的散射儀，僅可以比較建模的衍射圖案與觀察到的圖案之間的強度，利用圖3的裝置可以比較幅度和相位(或強度和相位)。在以下討論中，輻射和相位(或強度和相位)將簡稱為“幅度/強度和相位”。如上所述，該措辭還可以理解為涵蓋備選形式的表達。

更詳細地參照圖6，對于該描述來說可以假設目標僅在一個方向上是周期性的(1D結構)。實際上，其可以在2個方向上是周期性的(2維結構)，并且可以相應地適應處理。

602：使用諸如上述的散射儀來測量目標的遠場衍射圖案，包括相位信息。該測量的衍射圖案被轉發至諸如計算機的計算系統。計算系統可以是上面提及的處理單元PU，或者其可以是獨立的裝置。因此獲取相關聯光學場的衍射信號強度(I)和/或幅度(A)和相位

603：建立“模型配方”，其根據多個參數a_i(a₁、a₂、a₃等等)來限定目標結構的參數化模型。例如在1D周期性結構中，這些參數可以表示側壁的角度、特征的高度或深度、特征的寬度。目標材料和下面層的特性也可以通過參數來表示，諸如折射率(在特定波長下存在于散射測量輻射束)。重要地，雖然目標結構可以通過描述其形狀和材料特性的許多參數來限定，但模型配方將限定這些參數中的一些具有固定值而其他參數可變或者“浮置”參數來用于以下處理步驟的目的。先前的申請公開了可以進行固定參數和浮置參數之間的選擇的處理。此外，這些先前的申請介紹了可允許改變參數而無需完全獨立的浮置參數的方式。為了描述圖6的目的，僅可變參數被認為是參數p_i。

604：針對浮置參數(即，a₁⁽⁰⁾,a₂⁽⁰⁾,a₃⁽⁰⁾等)，通過設置初始值a_i⁽⁰⁾來估計模型目標結構。如在配方中限定的，每個浮置參數都將在特定的預定范圍內生成。

606：表示估計的目標結構的參數(包括形狀以及模型的不同元件的光學特性)被用于計算散射特性，例如使用嚴格的光學衍射方法(諸如RCWA)或者麥克斯韋方程的任何其他求解程序。這給出了估計目標結構的估計或模型衍射圖案。盡管在現有應用中可以將建模的遠場衍射圖案轉換為簡單的強度值，但在本申請中的步驟606保持幅度/強度和相位的單獨值或者矢量E_x、E_y，由此以任何方便的形式來表示幅度/強度和相位。

608、610：然后比較測量的衍射圖案(幅度/強度和相位)與模型衍射圖案，并且使用它們的相似性和差異性來計算用于模型目標結構的“評價函數”。對于該步驟來說，考慮可以各種方式來表示步驟602和606中得到的幅度/強度和相位，其通常將便于針對兩個步驟選擇相同形式的表述。否則，步驟608中的比較可以解決一些預轉換。

612：假設評價函數表示模型需要在其精確表示實際目標結構之前進行改進，估計新參數a₁⁽¹⁾、a₂⁽¹⁾、a₃⁽¹⁾等并且迭代反饋到步驟506中。重復步驟606-612。

為了幫助搜索，步驟606中的計算可以進一步生成評價函數的偏導數，表示在參數空間的該特定區域中，利用其增加或減小參數的敏感性將增加或減小評價函數。評價函數的計算以及導數的使用在本領域中是公知的，并且這里將不再詳細描述。

614：當評價函數表示該迭代處理收斂于具有期望精度的解時，當前估計的參數被報告作為實際目標結構的測量值。

該迭代處理的計算時間主要通過所使用的前向衍射模型來確定，即，使用嚴格的光學衍射理論、根據估計目標結構來計算估計模型衍射圖案。如果需要更多參數，則具有更大的自由度。計算時間原則上隨著多個自由度的冪增加。可以各種形式來表示在606中計算的估計或模型衍射圖案。如果以與步驟602中生成的測量圖案相同的形式表示所計算圖案，則比較被簡化。例如，建模的光瞳圖案可以容易地與由圖3的裝置測量的光瞳圖案比較。例如，在WO2012126718中進一步詳細描述用于確定結構參數的處理。

可以期望幅度/強度和相位的比較以提高迭代處理的魯棒性，原因在于存在可以區分不同模型參數的效果的更多信息。可以根據減小的計算負擔(例如，所需的更少的迭代和/或更少的可變參數)和/或根據最終結果的較大精度來實現改進的性能。上面提到的現有申請US2012243004A1提供了在目標重構中使用相位信息的更詳細說明。

流程圖中未示出的另一方法使用預計算的衍射圖案的庫來代替在進行每個測量時計算模型。感興趣參數的測量通過搜索庫中與觀察到的衍射圖案最匹配的圖案、然后查找用于已被用于生成庫圖案的形狀和其他參數值來得到。可以通過使用幅度/強度圖像和相位圖像作為用于找到庫中的最佳匹配圖案的標準，來使得庫搜索更有鑒別力。還可以使用庫搜索后跟迭代修改的組合來實施混合方法。

利用鎖定圖像檢測器112與拍頻Δω₁同步執行上述測量。如上所述，通過將鎖定頻率設置為Δω₂-Δω₁，可以在處理期間方便的時間執行用于強度標準化的測量。備選地，可以與Δω₁處的測量并行地操作具有鎖定頻率Δω₂-Δω₁的獨立檢測分支。在圖6的方法中可以在適當階段處將標準化施加于測量的衍射圖案，即在步驟602和608之間的某個時間處。在從衍射圖案中提取關鍵參數用于與模型進行比較的示例中，在提取關鍵參數之前，通常將對原始幅度/強度數據執行標準化。

應用示例：光瞳面中基于衍射的套刻

參照圖7(a)和圖7(b)，上面提到的其他現有申請公開了如何可通過簡單地觀察衍射圖案中的不對稱性來測量光刻工藝的各種性能參數。例如，根據由檢測器112測量的目標138，可以從圖5(a)或圖5(b)的衍射圖案中推斷套刻精度測量。套刻目標中的光柵138包括在襯底上的第一層和第二層中形成在彼此頂部上的兩個光柵。還可以利用其他特殊形成的目標來使用不對稱性，以測量除套刻精度之外的參數，例如測量光刻工藝的聚焦量或劑量性能。這些技術涉及光柵線的一側或另一側上的精細特征，以這種方式，非理想的聚焦量或劑量設置導致每條線中的不對稱形狀。套刻的另一形式是由多個圖案化處理進行的交錯線之間的套刻。在套刻精度度量的示例中描述的本技術可以容易地適用于所有這些類型的度量。可以通過比較從一對衍射圖案圖像(如圖5(a))或者從使用檢測器112捕獲的相同衍射圖案內的不同區域(圖5(b))提取的+1和-1級的強度來獲取用于光柵138(例如)的不對稱信號。

圖7(a)示出了可用于圖5(a)所示情況的示例性處理，其中在兩個獨立的測量中在檢測器112處記錄衍射光譜的相對部分(例如，+1級和-1級)。在步驟701中，襯底(例如，半導體晶片)通過圖2的光刻單元進行處理一次或多次，以創建包括套刻目標138的結構。在702中，使用圖3的度量裝置，利用圖5(a)左手側的孔板128，得到圖5(a)右手側的+1級衍射圖案。在703中，例如通過旋轉目標或改變照射模式來得到-1級衍射圖案。

在步驟704中，在步驟S2和S3中得到的衍射圖案內任選地識別感興趣的區域(ROI)，從中將測量強度等級。是否需要該步驟取決于衍射圖案是否可包含在其中找到所選衍射級的區域144(+1)等外的噪聲。

對于每個衍射級識別ROI并測量其強度，隨后可以確定光柵結構的不對稱性，因此確定套刻誤差(或其他參數)。這在步驟705中通過圖像處理器和控制器PU來進行，其將針對目標138的+1和-1級得到的幅度/強度值(和任選地相位)比較以識別它們強度中的任何差值。在步驟705中計算幅度/強度差值以得到針對每個光柵的不對稱性的測量。在步驟706中，根據不對稱性測量以及光柵的套刻偏差的知識，處理器計算目標T附近的套刻誤差。

現在，雖然衍射光譜的不對稱性的測量是在完美實施的工藝中測量套刻精度，但實際上，在頂部或底部光柵特征中的諸如工藝引入的不對稱性的其他因素會不期望地影響結果。材料和形狀的其他變化會類似地減小從不對稱性測量推斷的套刻測量的精度。來自鎖定圖像檢測器112的除幅度/強度信息之外的相位信息的可用性可被用于提高精度而不需要進行進一步的測量。兩個衍射圖案的相位圖像142-可以在步驟705中進行比較，以得到關于觀察到的不對稱性的類型(原因)的附加信息。備選地或另外地，在步驟705中比較幅度或強度之后，來自相位圖像的信息可用于在步驟706中執行的感興趣參數的計算中計算校正。備選地或另外地，在步驟705中的比較之前，可應用相位信息來計算測量的幅度或強度中的校正。在特定應用中，相位信息可應用于計算用于捕獲圖像的聚焦校正。可應用這些聚焦校正例如以更精確地限定步驟704中的ROI，或者以另一方式來更加精確地提取期望的衍射級。

圖7(b)非常類似于圖7(a)并且是在圖5(b)中所示情況下執行的等效處理的示例。回想一下，使用圖3的度量裝置，例如利用圖5(b)的孔板128，在一個測量中但在(復雜)圖像的不同部分處記錄+1和-1衍射級。因此，通過單個步驟702’來替代步驟702和703，其中同時記錄+1和-1衍射級。然后，在步驟704’中，在步驟702’中得到的衍射圖案內仔細識別兩個感興趣區域(ROI)，以提取衍射圖案的所選相對部分(在該示例中為+1和-1衍射級)，從中將測量強度等級(任選為相位)。針對每個衍射級識別ROI并測量其幅度/強度(任選為相位)后，然后可以在步驟705’和706’中確定光柵結構的不對稱性，并因此確定諸如套刻誤差之類的感興趣參數。可以在步驟704’、705’和/或706’中使用相位信息來提高精度，如圖7(a)所說明的。應用示例：暗場成像度量

如在簡介中所提到的，用于基于衍射的度量的另一類型的檢查裝置采用暗場成像來代替光瞳圖像檢測。實際上，如參考的現有應用所示，用于暗場成像功能和光瞳面成像的光學系統可以共享許多部件，并且兩種類型的裝置可以有用地在單個商用裝置中進行組合。暗場成像功能和光瞳成像功能可以通過將束分裂為不同分支來提供，如現有應用所示。備選地，可提供可移動部件來將光學系統的單個分支轉換為一個形式來代替另一個。為了簡化，以下示例僅具有暗場成像功能。再次，實際產品中的光學系統可包括許多輔助部件，諸如透鏡和偏振器。為了簡化在附圖中沒有示出這些部件。

圖8(a)示出了適于執行暗場成像并結合鎖定圖像檢測器和移頻器以實施外差干涉技術的檢查裝置800。光學配置通常與圖3的配置相同，并且相同的參考標號用于等效部件。這里僅描述不同之處。與圖3的裝置的主要不同在于提供成像透鏡802(或透鏡系統)。通過光學系統802來聚焦從該目標T散射的輻射和參考束以在鎖定圖像檢測器112上形成襯底W上的目標T的圖像。也就是說，檢測器112現在位于與目標的平面共軛的平面中，而不是與物鏡106的光瞳面共軛的平面。該平面中的坐標標為x和y，而不是u和v。如從參考中已知的，采用暗場成像操作模式允許使用更小的目標，并且允許同時進行從多個小目標的測量。這可以帶來以下優點：其使用襯底上的較少空間，并且對于大容量制造的度量應用中可以保持高測量生產力。

圖8(b)示出了根據已知實踐的形成在襯底上的復合目標。復合目標包括緊密定位在一起的四個光柵842-845，使得它們都將位于照射點840內。成像透鏡802在檢測器112上提供其中將聚焦目標T的圖像的圖像平面。只有衍射光譜中所選的一個第一級有助于圖像的形成，而其他被物鏡的孔徑或場闌130排除。從而，每個“圖像”都不是可決定光柵線的傳統圖像。(為了形成傳統圖像，要求至少兩個衍射級干涉)。相反，當鎖定圖像檢測器112與拍頻Δω₁同步時，每個光柵都呈現為光的片段，其強度取決于衍射到衍射光譜的所選部分中的能量。

在專用于套刻精度測量的示例中，光柵842-845本身是套刻光柵，其包括在形成于襯底W上的半導體器件的不同層中圖案化的套刻光柵。光柵842-845可以具有不同偏差的套刻偏移，以利于形成復合光柵的不同部分的層之間的套刻精度的測量。光柵842-845還可以在它們的定向方向上不同，如圖所示，從而在X方向和Y方向上衍射進入的輻射。在一個示例中，光柵842和844是分別具有+d和-d的偏差的X方向光柵。光柵843和845是分別具有偏移+d和-d的Y方向光柵。已知目標設計和偏差方案的許多變化并且根據期望來應用。雖然示出了四個光柵，但另一實施例可要求更大的矩陣來得到期望的精度。可以適應目標，使得它們不對稱性的測量可用于得到除套刻精度之外的參數的測量，這在上面已經提到。這些參數的示例是光刻工藝中的聚焦量和劑量。

圖8(c)示出了在圖8(a)的裝置中使用圖8(b)的目標和圖8(c)中示出的孔板128通過檢測器112檢測的幅度圖像(846-A)和相位圖像(846-)的示例。深色矩形表示檢測器112上的圖像的場，其中襯底上的照射點140被成像到對應的圓形區域850中。在該區域內，矩形區域852-855表示小目標光柵842-845的“圖像”。如果光柵位于產品區域中，則還可以在該圖像場的外圍中可見產品特征。圖像處理器和控制器PU使用模式識別來處理這些圖像846-A和846-以識別光柵842-845的獨立圖像852-855。一旦識別了光柵的獨立圖像，就可以從上述用于每個光柵的測量信號中獲取諸如光學場的平均強度以及相位和幅度之類的特性。測量的強度/幅度和/或相位可以在利用不同的目標定向或成像模式或照射模式得到的圖像之間進行比較，以得到每個光柵中的不對稱性的測量。通過比較用于不同的偏差光柵的不對稱性，處理單元PU或獨立的計算機可以計算光刻工藝的套刻或參數的測量值。

例如，通過比較用于給定光柵的測量信號得到根據已知實踐的套刻測量結果，以推斷光柵中的不對稱性，并且可以將套刻光柵中的不對稱性用作套刻誤差的指示。

圖9示出了使用上述裝置和目標測量套刻精度的基本方法。在該示例中，該方法基于申請US2011027704中描述的方法，其使用圖3和圖4的裝置。原理上，通過光柵的不對稱性來測量包含圖8(b)的組件光柵的兩個層之間的套刻誤差，如通過比較+1級和1級暗場圖像中的強度來揭示的那樣。在步驟910中，襯底(例如，半導體晶片)通過圖2的光刻單元處理一次或多次，以創建形成度量目標的包括套刻光柵842-845的結構。

在920中，使用圖8的度量裝置，并且利用與拍頻Δω₁同步的鎖定圖像檢測器112，僅使用一個第一級衍射束(即-1)來得到光柵842-845的(復雜)圖像。然后，通過改變照射模式或改變成像模式，或者通過在度量裝置的視場中將襯底W旋轉180°，可以得到使用另一個第一級衍射束(+1)的光柵的第二(復雜)圖像(步驟930)。從而，在第二圖像中捕獲用于每個光柵的+1衍射輻射。設計選擇的問題是是否可以在每個圖像中捕獲所有光柵842-845，以及是否需要移動裝置或襯底以捕獲獨立圖像中的光柵。在任一情況下，假設經由鎖定圖像檢測器112捕獲所有組件光柵的第一圖像和第二圖像。

在步驟940中，在每個組件光柵的圖像內仔細識別感興趣區域(ROI，參見圖8(c))，從中將測量強度等級。這么做是因為，特別是在對應光柵圖像的邊緣周圍，強度值通常可以高度依賴于工藝變化，諸如抗蝕劑厚度、組成、線形狀以及邊緣效應。

針對每個對應的光柵識別ROI并測量其橫跨ROI的強度，然后可以確定光柵結構的不對稱性，并由此確定套刻誤差。如現有申請所描述的，這通過圖像處理器和控制器PU在步驟950中進行，其將針對每個圖像852-855的+1和-1級得到的幅度/強度值和/或相位值進行比較以識別它們強度中的任何差異。在步驟950中計算強度差以得到針對每個光柵的不對稱性的測量。在步驟960中，根據不對稱性測量以及根據光柵的套刻偏差的知識，處理器計算目標T附近的套刻誤差(或其他感興趣的參數)。

以類似于圖7所解釋的方式，通過鎖定圖像檢測器112得到的相位信息可以與幅度和/或強度信息組合來提高計算感興趣的參數的測量的精度。

相位信息還允許光瞳面中“過濾”信號的建模。在圖像平面中測量的信號可以經傅里葉過濾，然后可以建模光瞳面中的“過濾”信號。可以通過圖像處理器和控制器PU來執行建模。例如在目標結構接近產品結構的情況下或者在感興趣區域外的不均質的情況下，光瞳面中過濾信號的重構提高了測量質量。相位信息可用于在數據后處理期間計算地推斷和抵消聚焦誤差。然后，進一步提高了測量質量。

圖10(a)示出了暗場成像檢查裝置的另一示例。圖10(a)的示例類似于圖8的示例，但是修改為同時捕獲鎖定圖像檢測器的不同部分上的+1和-1級圖像。這種修改基于在公開的專利申請US2011102753A1中所描述的發明，其內容結合于此作為參考。

在該結構中，選擇修改的孔板128以僅在照射光瞳的中心處提供照射。如圖10(b)所示，這表示入射光線I垂直入射到目標T上，導致第一級衍射束在光軸O的任一側為徑向，而零級束沿著收集路徑并沿著光軸O行進。修改的場闌130過濾掉所有束，除了第一級衍射束。

通過場闌130的每個+1和-1衍射級隨后可以通過對應的光楔1010來偏離。這允許將兩個第一級衍射束相互分離，使得它們創建“復視覺”效應。因此，在檢測器上的不同位置處捕獲衍射光譜的相對部分，并且可以獨立地提取和處理。以這種方式，僅要求單個成像步驟來得到不對稱性測量。圖10(a)的裝置包括光楔1010，它們沿著x軸對準以在x方向上分離+1和-1衍射級。備選地，光楔1010可以沿著y軸對準以在y方向上分離+1和-1衍射級，或者可使用四個光楔1010的集合，其中一個光楔1010沿著x軸對準，其他沿著y軸對準，在x方向和y方向上分離+1和-1衍射級。

以與上面用于圖6的處理所描述的相同方式，通過將鎖定頻率設置為Δω₂-Δω₁，在方便的時間執行強度標準化。

變形例

代替偏移參考束的頻率或者除偏移參考束的頻率之外，用于獲取衍射圖案的照射路徑還可以包括移頻器。在衍射信號和參考束被頻率偏移的情況下，所得到的拍頻值(例如通過頻移的照射束與頻移的第一參考束之間的干涉生成)然后可以減小到較低值，甚至幾赫茲。較低的頻率可以允許使用對于其采集頻率具有更寬松規范的圖像傳感器。然而，這種較低的采集頻率可能不太適合用于不要求這種高測量產量的應用。

在圖8的裝置中，通過放置在反射鏡116c之后且在檢測器112之前的成像透鏡802，第一參考束被聚焦在檢測器112上。相比之下，在圖10(a)的裝置中，第一參考束通過放置在成像透鏡802之后且在檢測器112之前的反射鏡116c而被引導至檢測器112。根據應用，任意配置都可以在實際儀器中實施。

注意，在圖3、圖8和圖10的裝置中，可以在第一參考路徑的某處放置衰減設備(未示出)(例如，中性密度濾光片)，以調整經頻移的第一參考束的強度來與特定情況下的衍射信號的強度兼容。可以使得衰減程度可變。例如，通過機動化中性密度濾光輪。

可以通過分析由0級衍射束和第一級衍射束之間的干涉創建的干涉圖案來實現聚焦校正。

圖11示出了利用同步的鎖定圖像檢測器使用偏振的調制以執行偏振和橢偏測量。這可以是單獨的儀器，但是還可以是使用圖3、圖8或圖10的檢查裝置100執行的操作的任選模式。可以通過偏振元件1103來偏振由輻射源1102生成的照射束。調制元件1104周期性地在高頻下調制照射束的偏振狀態。該調制元件例如可以放置在偏振元件1103之后。調制元件可以實現旋轉偏振元件(例如，旋轉偏振器、EOM等)。然后，照射束用于經由光學部件1105和顯微鏡物鏡1106照射目標T。由于照射束的偏振在偏振旋轉元件的頻率下進行旋轉，所以從目標衍射的光(其經由光學部件1107引導至鎖定檢測器1112)還包含在相同頻率下改變的強度和/或偏振的時變分量。通過將固定分析器1108引入到檢查裝置100中，例如在鎖定檢測器1112之前，通過在旋轉頻率下鎖定檢測器1112，可以提取信號的幅度和相位。然后，可以使用所測量的信號的幅度和相位來提取目標的偏振測量參數。在該示例中，復雜的圖像數據例如可表示偏振矢量的幅度和角度。

設置還可以與固定偏振器和旋轉分析器一起工作。代替旋轉偏振器，可以使用電光調制器。

總結

本文公開的方法和相關聯的檢查裝置能夠實現以下一個或多個優勢。

通過實施相位敏感外差干涉技術來實現散射目標的遠場衍射圖案的測量。例如，遠場衍射圖案的測量允許獲取衍射信號強度以及相關聯的光學場的幅度和相位。這開啟了基于所測量的散射目標的復雜遠場衍射圖案執行完整的目標重構的可能性。例如，然后將可以增加重構處理的精度(例如，CD重構或完整的目標重構)。

基于強度的散射儀要求較大的目標以便從所測量的光強度中獲取臨界的度量參數(例如，CD、套刻精度和聚焦量)。本文公開的技術能夠實現全場測量，利于解決不適定逆散射問題。可以傳遞對逆問題(對散射目標的散射場)的良好限定且更精確的解決方案。這能夠顯著降低在晶片上放置度量目標所需的空間。

在測量不對稱性并且被特殊目標直接用于計算感興趣的測量參數而不執行重構的示例中，相位信息的可用性允許所計算的測量對形狀或處理的其他參數的變化不敏感。相位信息可在感興趣參數的計算內使用，或者可用于向計算值施加校正。

提供高分辨率和精確測量的能力是度量中的主要挑戰。度量系統經受許多噪聲源(例如，光學噪聲源、電噪聲源、機械噪聲源)。用于噪聲降低的一般方法是使用參考檢測器(例如，光電二極管)來檢測強度波動(傳遞參考信號)，然后使用參考信號來降低測量的感興趣信號中的噪聲。然而，與感興趣信號的路徑相比，這種一般方法的性能由于參考路徑的光學、電和機械部件的差異而受到限制。上面公開的第二參考束的提供允許同一束路徑被用于參考路徑以及感興趣的信號這兩者。一個檢測器可以利用適當的頻率參考來測量感興趣的信號和參考信號這兩者。此外，通過基于外差干涉技術進行測量，可以去除DC噪聲源。

當耦合至較高功率“本地振蕩器”(即，第一參考束)時，基于外差干涉技術的度量裝置允許顯著減小曝光劑量(即，用于目標照射的低光學強度)并實現相同的SNR(信噪比)。這可以例如用于得到改進的SNR而不增加光學劑量和/或積分時間。這將允許通過增加參考束的功率來測量暗晶片(低散射晶片)。如上所述，機動化ND濾光片可被添加以使得參考束的強度可調。

盡管在本文中特別參考了檢查裝置在IC制造中的使用，但應該理解，本文描述的檢查裝置可具有其他應用，諸如集成光學系統的制造、用于磁域存儲器的引導和檢測圖案、平板顯示器、液晶顯示器(LCD)、薄膜磁頭等。本領域技術人員應該理解，在這些備選應用的上下文中，本文使用的任何術語“晶片”或“管芯”可考慮為分別與更一般的術語“襯底”或“目標部分”同義。本文提及的襯底可以在曝光之前或之后例如在軌跡(通常將抗蝕劑層應用于襯底并顯影曝光的抗蝕劑的工具)、度量工具和/或檢查工具中被處理。在可應用的情況下，本公開可以應用于這些和其他襯底處理工具。此外，襯底可以被處理多于一次，例如以便創建多層IC，使得本文使用的術語襯底還可以表示已經包含多個處理層的襯底。

盡管上面具體參考本發明實施例在光學光刻的上下文中的使用，但應該理解，本發明可以用于其他應用，例如壓印光刻，并且在上下文允許的情況下不限于光學光刻。在壓印光刻中，圖案化設備中的拓撲限定在襯底上創建的圖案。圖案化設備的拓撲可以按壓到提供給襯底的抗蝕劑層中，由此通過施加電磁輻射、熱、壓力或它們的組合來固化抗蝕劑。使圖案化設備從抗蝕劑移開，從而在抗蝕劑固化之后在其中留下圖案。

本文使用的術語“輻射”和“束”涵蓋所有類型的電磁輻射，包括紫外(UV)輻射(例如，具有約365nm、355nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波長)和極紫外(EUV)輻射(例如，具有5nm-20nm范圍內的波長)，以及粒子束，諸如離子束或電子束。

在上下文允許的情況下，術語“透鏡”可以是指各種類型的光學部件的任何一個或組合，包括折射、反射、磁、電磁和靜電的光學部件。

雖然上面描述了本發明的具體實施例，但應該理解，可以除所描述之外的方式實踐本發明。此外，可以包含描述上述方法的機器可讀指令的一個或多個序列的計算機程序或者其中存儲有這種計算機程序的數據存儲介質(例如，半導體存儲器、磁盤或光盤)的形式來實施裝置的一部分。

上面的描述是示例性的而非限制性的。因此，本領域技術人員應該理解，在不背離下面闡述的權利要求的范圍的情況下，可以對所述本發明進行修改。