光刻设备对准传感器和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年8月28日提交的ep申请15183058.5的优先权，并且其通过引用整体合并于此。

本发明涉及一种具有对准传感器的光刻设备和一种光刻对准方法。

背景技术：

光刻设备是将期望的图案施加到衬底上、通常到衬底的目标部分上的机器。光刻设备可以用于例如集成电路(ic)的制造。在这种情况下，可以使用替代地称为掩模或掩模版的图案形成装置来生成待形成在ic的个体层上的电路图案。这个图案可以被转印到衬底(例如，硅晶片)上的目标部分(例如，包括部分、一个或若干管芯)上。图案的转印通常是经由成像到设置在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上。通常，单个衬底将包含连续图案化的相邻目标部分的网络。已知的光刻设备包括所谓的步进器和所谓的扫描器，在所谓的步进器中，通过将整个图案一次曝光到目标部分上来被照射每个目标部分，在所谓的扫描器中，通过在给定方向(“扫描”方向)上通过辐射束扫描图案同时平行或反平行于这个方向扫描衬底来照射每个目标部分。也可以通过将图案压印到衬底上来将图案从图案形成装置转印到衬底上。

在光刻中，将多个图案投影到衬底上，例如，以便使得能够制造复杂的半导体结构。这些多个图案被连续投影到衬底上。为了能够以复杂度和小尺寸制造图案，需要图案的高精度重叠。为了减少所谓的重叠误差，应用多种技术，包括衬底的对准。为了对准衬底，由对准传感器执行对准测量。对准传感器基本上测量设置在衬底上的一个或多个已知参考的位置，一个或多个已知参考例如包括诸如对准参考图案等已知图案。

在光刻工艺中，制造成本及其减少可能起到相关作用。结果，衬底(例如，半导体)结构的设计者的目标在于在衬底上获取大的可用面积，以便从一个衬底获取尽可能多的最终产品，从而尽可能小地牺牲衬底表面的一部分。对准标记通常放置在可用区域旁边，即，在衬底的表面上的(例如，半导体结构)图案(也称为目标部分)旁边。为了能够提供高对准精度并且增加每个衬底的净产量，可以观察在衬底上的图案中(例如，在较低层中)提供对准标记的趋势，由此在对准标记之上的连续层提供(例如，半导体)结构。因此，可以在对准标记之上提供另外的层，从而有效地使用可用的衬底表面。由此，增加了衬底表面的可用空间，并且减少了仅用于“开销”目的(诸如提供参考对准标记)的衬底表面。鉴于高重叠要求，可能会出现在衬底表面上提供大量对准标记并且将其分布在衬底表面上的需求。观察到要提供到衬底上的层的数目趋向于增加，导致要被连续地投影到衬底上的光刻图案的数目增加。由于大量的层可以被提供到衬底上的事实，在光刻设备的操作使用期间，这样的对准标记可以由设置在其之上的多个层隐藏。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供了一种光刻设备，其包括：

被构造为保持衬底的衬底台；以及

被配置为感测设置到由衬底台保持的衬底上的对准标记的位置的传感器，

其中传感器包括：

被配置为用辐射束照射对准标记的辐射源，

被配置为检测已经与对准标记相互作用的辐射束作为离焦光学图案的检测器，以及

数据处理系统，被配置为

-接收表示离焦光学图案的图像数据，以及

-处理图像数据以用于确定对准信息，包括向离焦光学图案应用无透镜成像算法。

根据本发明的另一方面，提供了一种光刻对准方法，其包括：

提供具有对准标记的衬底，

向对准标记上发射辐射束，

由检测器检测已经与对准标记相互作用的辐射束，其中已经与对准标记相互作用的辐射束作为离焦光学图案被投影到检测器上，

从检测器接收表示离焦光学图案的图像数据，以及

处理图像数据以用于确定对准信息，包括向离焦光学图案应用无透镜成像算法。

根据本发明的又一方面，提供了一种数据处理系统，其包括用于从检测器接收离焦光学图案的数据输入，离焦光学图案来自已经与对准标记相互作用的辐射束，数据处理系统被配置为：

-在数据输入处接收表示离焦光学图案的图像数据，以及

-处理图像数据以用于确定对准信息，包括向离焦光学图案应用无透镜成像算法。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于由数据处理系统执行的控制软件，控制软件被配置为：

-接收表示离焦光学图案的图像数据，离焦光学图案来自已经与对准标记相互作用的辐射束，以及

-处理图像数据以用于确定对准信息，包括向离焦光学图案应用无透镜成像算法。

附图说明

现在将仅通过举例的方式参考附图来描述本发明的实施例，在附图中，相应的附图标记表示相应的部分，并且在附图中：

-图1描绘了其中可以实施本发明的光刻设备；

-图2描绘了可以应用于图1的光刻设备中的根据本发明的对准传感器的高度示意图；

-图3描绘了另一对准传感器的高度示意图；

-图4描绘了又一对准传感器的高度示意图；

-图5a-图5b描绘了又一些对准传感器的高度示意图；

-图6描绘了又一对准传感器的高度示意图；

-图7描绘了又一对准传感器的高度示意图；以及

-图8描绘了示出根据图6和图7的对准传感器的操作的流程图。

具体实施方式

图1示意性地描绘了根据本发明的一个实施例的光刻设备。该设备包括：

-被配置为调节辐射束b(例如，uv辐射或euv辐射)的照射系统(照射器)il。

-被构造为支撑图案形成装置(例如，掩模)ma并且连接到第一定位器pm的支撑结构(例如，掩模台)mt，第一定位器pm被配置为根据某些参数准确地定位图案形成装置；

-被构造为保持衬底(例如，抗蚀剂涂布的晶片)w并且连接到第二定位器pw的衬底台(例如，晶片台)wt，第二定位器pw被配置为根据某些参数准确地定位衬底；以及

-被配置为将由图案形成装置ma赋予辐射束b的图案投影到衬底w的目标部分c(例如，包括一个或多个管芯)上的投影系统(例如，折射投影透镜系统)ps。

照射系统可以包括用于引导、成形或控制辐射的各种类型的光学部件，诸如折射、反射、磁、电磁、静电或其他类型的光学部件或者其任何组合。

支撑结构支撑，即支承图案形成装置的重量。它以取决于图案形成装置的取向、光刻设备的设计和其他条件(诸如例如，图案形成装置是否被保持在真空环境中)的方式来保持图案形成装置。支撑结构可以使用机械、真空、静电或其他夹持技术来保持图案形成装置。支撑结构可以是例如框架或台，其可以根据需要是固定的或可移动的。支撑结构可以确保图案形成装置例如相对于投影系统处于期望的位置。本文中术语“掩模版”或“掩模”的任何使用可以被认为与更一般的术语“图案形成装置”同义。

本文中使用的术语“图案形成装置”应当被广义地解释为指代可以用来在辐射束的横截面中赋予图案以便在衬底的目标部分中产生图案的任何设备。应当注意，被赋予辐射束的图案可能不是完全对应于衬底的目标部分中的期望图案，例如在图案包括相移特征或所谓的辅助特征的情况下。这种技术被称为光学邻近校正(opc)。光学邻近校正(opc)是一种通常用于补偿由衍射或工艺影响引起的图像错误的光刻增强技术。对opc的需求主要见于半导体器件的制造，并且是由于光的局限性，即，需要在处理之后将原始设计的边缘布置完整性保持到硅晶片上的蚀刻图像中。这些投影图像出现不规则性，诸如比所设计的更窄或更宽的线宽，这些可以通过改变用于成像的光掩模上的图案来补偿。诸如圆角等其他失真由光学成像工具的分辨率驱动，并且更加难以补偿。如果不加以校正，这样的失真可能会显著改变所制造的电气特性。光学邻近校正通过移动边缘或向在光掩模上写入的图案添加额外的多边形来校正这些错误。这可以通过基于特征之间的宽度和间隔的预先计算的查找表来驱动(称为基于规则的opc)，或者通过使用紧凑模型来动态地模拟最终图案并且从而驱动边缘的移动(典型地分割成部分)以找到最佳解决方案来驱动(这就是所谓的基于模型的opc)。其目标是尽可能复制设计者在硅晶片中绘制的原始布局。通常，被赋予辐射束的图案将对应于在目标部分中产生的诸如集成电路等器件的特定功能层。

图案形成装置可以是透射式的或反射式的。图案形成装置的示例包括掩模、可编程反射镜阵列和可编程lcd面板。掩模在光刻中是众所周知的，并且包括掩模类型，诸如二进制、交替相移和衰减相移、以及各种混合掩模类型。可编程反射镜阵列的示例采用小反射镜的矩阵布置，其中的每个小反射镜都可以单独地倾斜以便在不同的方向上反射入射辐射束。倾斜的反射镜在由反射镜矩阵反射的辐射束中产生图案。

本文中使用的术语“投影系统”应当广义地解释为包括适合于所使用的曝光辐射或者适合于诸如浸液的使用或真空的使用等其他因素的任何类型的投影系统，包括折射、反射、反射折射、磁、电磁和静电光学系统或其任何组合。本文中的术语“投影透镜”的任何使用可以被认为与更一般的术语“投影系统”同义。

如本文中所描绘，该设备是透射型的(例如，采用透射掩模)。备选地，该设备可以是反射型的(例如，采用如上所述类型的可编程反射镜阵列，或采用反射掩模)。

光刻设备可以但不必是具有两个(双级)或更多个衬底台(和/或两个或更多个掩模台)的类型。在这样的“多级”机器中，可以并行使用附加的台，或者可以在一个或多个台上执行预备步骤，同时使用一个或多个其他台进行曝光。

光刻设备也可以是这样一种类型，即，其中衬底的至少一部分可以被具有相对较高折射率的液体(例如，水)覆盖，以填充投影系统与衬底之间的空间。浸液也可以应用于光刻设备中的其他空间，例如在掩模与投影系统之间。用于增加投影系统的数值孔径的浸入技术在本领域是众所周知的。本文中使用的术语“浸入”并不表示诸如衬底等结构必须浸没在液体中，而仅表示液体在曝光期间位于投影系统与衬底之间。

参考图1，照射器il从辐射源so接收辐射束。源和光刻设备可以是分开的实体，例如当源是准分子激光器时。在这种情况下，源被认为没有形成光刻设备的一部分，并且辐射束借助于光束传递系统bd从源so传递到照射器il，光束传递系统bd包括例如合适的定向反射镜和/或扩束器。在其他情况下，源可以是光刻设备的组成部分，例如当源是汞灯时。根据需要，源so和照射器il连同光束传递系统bd可以被称为辐射系统。

照射器il可以包括用于调节辐射束的角强度分布的调节器ad。通常，可以调节照射器的光瞳面中的强度分布的至少外部和/或内部径向范围(通常分别称为“外部σ”和“内部σ”)。另外，照射器il可以包括各种其他部件，诸如积分器in和聚光器co。照射器可以用于调节辐射束，以在其横截面中具有期望的均匀性和强度分布。

辐射束b入射在被保持在支撑结构(例如，掩模台mt)上的图案形成装置(例如，掩模ma)上，并且由图案形成装置图案化。在穿过掩模ma之后，辐射束b穿过投影系统ps，投影系统ps将光束聚焦到衬底w的目标部分c上。借助于第二定位器pw和位置传感器if(例如，干涉测量装置、线性编码器或电容式传感器)，衬底台wt可以准确地移动，例如，从而将不同的目标部分c定位在辐射束b的路径中。类似地，可以使用第一定位器pm和另一位置传感器(其在图1中未明确示出)来将掩模ma相对于辐射束b的路径准确地定位，例如，在从掩模库中机械取出之后，或者在扫描期间。通常，掩模台mt的移动可以借助于形成第一定位器pm的部分的长行程模块(粗略定位)和短行程模块(精细定位)来实现。类似地，衬底台wt的移动可以使用形成第二定位器pw的部分的长行程模块和短行程模块来实现。在步进器(与扫描器相对)的情况下，掩模台mt可以仅连接到短行程致动器，或者可以被固定。掩模ma和衬底w可以使用掩模对准标记m1、m2和衬底对准标记p1、p2来对准。尽管如图所示的衬底对准标记占据专用目标部分，但是它们可以位于目标部分之间的空间中(这些被称为划线对准标记)。类似地，在其中在掩模ma上提供多于一个管芯的情况下，掩模对准标记可以位于管芯之间。

所描绘的设备可以用于以下模式中的至少一种：

1.在步进模式中，掩模台mt和衬底台wt保持基本静止，同时被赋予辐射束的整个图案被一次投影到目标部分c上(即单次静态曝光)。然后，衬底台wt沿着x和/或y方向移动，从而可以暴露不同的目标部分c。在步进模式中，曝光场的最大尺寸限制了在单个静态曝光中成像的目标部分c的尺寸。

2.在扫描模式中，同步地扫描掩模台mt和衬底台wt，同时被赋予辐射束的图案被投影到目标部分c上(即单次动态曝光)。衬底台wt相对于掩模台mt的速度和方向可以通过投影系统ps的放大率(缩小率)和图像反转特性来确定。在扫描模式中，曝光场的最大尺寸限制了在单次动态曝光中目标部分的宽度(在非扫描方向上)，而扫描运动的长度决定了目标部分的高度(在扫描方向上)。

3.在另一种模式中，掩模台mt被保持为基本静止以保持可编程图案形成装置，并且在被赋予辐射束的图案被投影到目标部分c上的同时衬底台wt被移动或扫描。在这种模式中，通常采用脉冲辐射源，并且在衬底台wt的每次移动之后或者在扫描期间的连续辐射脉冲之间根据需要更新可编程图案形成装置。这种操作模式可以容易地应用于利用可编程图案形成装置的无掩模光刻，诸如上述类型的可编程反射镜阵列。

也可以采用上述使用模式或完全不同的使用模式的组合和/或变体。

图2描绘了可以被包括在图1的光刻设备中的根据本发明的传感器(也称为对准传感器)的高度示意性视图。衬底台wt保持其上具有对准标记am的衬底w。对准传感器包括被配置为向衬底上发射对准辐射束ab(也称为辐射束)的对准辐射源asr(也称为辐射的源或辐射源)、以及被配置为检测已经与对准标记相互作用的对准束的对准光学检测器aod(也称为检测器)。对准传感器被配置为将已经与对准标记am相互作用的对准束ab投影到对准光学检测器aod上，作为离焦光学图案op。光学图案op可以被认为是朝向光学检测器aod散射的辐射的强度(以及也可能是相位)的空间分布。对准传感器还包括数据处理设备(或数据处理系统)dpd，其被连接到对准光学检测器并且被配置为接收表示由对准光学检测器检测到的离焦光学图案的图像数据并且处理图像数据以从接收的图像数据确定对准信息。数据处理设备可以从接收的图像数据计算综合聚焦图像，并且从计算的综合聚焦图像确定对准信息，或者可以直接从接收的图像数据确定对准信息。在后一种情况下，可以省略从接收的图像数据计算综合聚焦图像的中间步骤，并且对准信息从接收的图像数据得出。

对准传感器被应用以得出对准标记的位置。对准标记设置在衬底(也称为晶片)上。注意，在本文档中，术语“衬底”和“晶片”可互换地使用。对准标记可以形成对准光栅或任何其他合适的对准标记。可以将所感测的对准标记的位置与参考位置或者晶片处理中的前一步骤中的相同对准标记的位置相比较，并且可以基于从对准传感器获取的测量来执行晶片的对准。对准束可以是激光束或任何其他合适的光束，诸如单色光束(即，具有基本单一波长的辐射)、波长在一定的波长范围内的光束等。例如借助于衍射、散射或任何其他合适的相互作用而已经与对准标记相互作用的光束通过对准光学检测器来检测，诸如光学检测器阵列，例如ccd或cmos光学检测器阵列或者用于检测对准光学检测器的捕获区域内的例如强度或颜色的空间分布的任何其他合适的光学检测器。

根据本发明的一个实施例，如以上参考图2所述，对准传感器将离焦光束投影到对准光学检测器上。表述“离焦”应当被理解为缺乏聚焦到对准图案在对准光学检测器接收的图像本身中不是清晰可见的程度。为了从离焦光学图案得出可用数据，应用所谓的无透镜成像技术。传入电磁辐射的属性(例如，离焦光学图像的强度、相位)被检测并且转换成数字数据，然后数字数据经受操作以便从辐射中提取信息。也就是说，无透镜成像可以在软件中模拟光学系统。由于光学系统是用软件模拟的，所以在使用透镜、聚焦反射镜和/或其他光学元件的光学系统中发生的故障或像差可以省略，因此，原则上，无透镜光学成像可以模拟作用于任何波长的辐射的理论上理想的光学器件。

对准传感器可以使用所谓的无透镜光学器件。注意，表述“无透镜光学器件”可以(然而不一定需要)指代不包括任何折射或反射光学部件(诸如透镜、聚焦反射镜等)的光学成像系统。

使用根据本发明的对准传感器，可以覆盖大的波长范围。例如，可以设想0.1纳米至1500纳米的对准束波长范围。由于使用软件的综合光学图像的处理没有或较少程度地受到波长相关像差的影响，因此不存在或部分不存在这样的光学部件(诸如透射透镜、聚焦反射镜、偏振器等)，可以应用大的波长范围。使用这样的大的波长范围，可以更容易地检测“隐藏的”对准图案，即由光刻工艺中提供的其他层覆盖的对准图案，因为它增加了另外的层对于在大波长范围内发生的至少一些波长透明的可能性。设置在对准标记之上的层可以在其光学透射特性方面显著不同。例如，包含金属膜的层对于特定波长可以具有与氧化物层不同的光学透射特性。在所描述的对准传感器中，可以应用大的波长范围。当使用大的波长范围的对准束时，对准图案之上的一层或多层针对特定波长呈现出透明度的可能性可能增加。也就是说，当使用大的波长范围时，发现提供足够高透射率的特定波长的机会可能增加。

使用无透镜成像算法，检测器上的光学成像只需要使得能够捕获入射辐射的相关属性，这些相关属性使得能够将辐射转换为数据以用于数字模拟理论上理想的光学系统。因此，图2中的检测器aod表示物理域与光域之间的接口。在从标记am到检测器的辐射路径中可以有但不一定有一个或多个光学元件。

数据处理设备dpd可以由单独的数据处理设备(诸如设置有合适的软件指令的微处理器)形成，或者可以集成到光刻设备的其他数据处理设备中。换言之，由数据处理设备执行的任务可以例如被实现为在光刻设备的现有数据处理设备上运行的任务(处理)。对准束可以是任何合适的对准束，诸如(光学)激光束。对准辐射源可以相应地是任何合适的辐射源，诸如激光器。由于本发明能够操作在宽的波长范围内的对准束，例如，范围从uv到ir，因此可以应用相应的对准辐射源(提供宽光谱或具有可调波长)。对准标记可以是任何合适的对准标记。例如，对准标记可以包括衍射对准标记。可以应用任何其他合适的对准标记。

已经设计了各种技术，其可以被应用以使用无透镜成像算法从由对准光学检测器检测的图像获取相位信息和/或计算综合聚焦图像。以下参考图3、图4、图5a和图5b描述一些示例。注意，尽管在这些示例中的每个示例中，计算综合图像并且从综合图像得出对准信息，但是计算综合图像的步骤可以省略，即，可以使用无透镜成像算法直接得出对准信息而不是综合图像。

在一个实施例中，如图3中示意性地描绘的，对准辐射源asr包括波长选择性元件wse，其被配置为接收波长参数wp并且响应于波长参数wp来控制对准束的波长范围。数据处理设备dpd然后被配置为从波长参数和从所接收的针对每个波长参数的图像数据，即从所接收的作为波长参数的函数的图像数据，计算综合图像。由于由对准光学检测器接收的光学图像将示出对波长的依赖性，所以可以使用这种依赖性来得出相位信息并且由此计算综合聚焦图像。例如，波长的变化可以转化为由对准光学检测器检测的光学图案的变化，因为变化的波长(在不变的光学路径处)导致干涉光束部分之间的相互相位变化。波长参数wp可以由任何合适的参数提供，诸如以纳米来表示波长的数值的模拟或数字信号。波长选择性元件可以是任何合适的光学元件，诸如可控滤波器，例如可控(例如，可调谐)带通光学滤波器或可控(可调谐)窄带光学滤波器。

在一个实施例中，如图4中示意性地描绘的，光刻设备被配置为使衬底台和对准光学检测器相对于彼此移动，以改变由衬底台保持的衬底w与对准光学检测器aod之间的光学距离od，数据处理设备被配置为从光学距离和从所接收的针对每个光学距离的图像数据，即从所接收的作为光学距离的函数的图像数据，计算综合图像。因此，通过改变光学距离，对准光学检测器上的未聚焦的图像改变，其用于得出相位信息。相位信息可以从由对准光学检测器检测的图像的变化关于光学距离的变化来获取。这种技术可以应用于单色光束以及宽带光束。通过在垂直于衬底表面的方向(通常为竖直方向)上移动衬底台来移位衬底可以由衬底台致动器wta执行，衬底台致动器wta可以例如由衬底台定位器wp(如图1中描绘的)形成，因此可能不需要位移致动器方面的附加硬件。特定地，或者除了衬底台在竖直方向上的位移之外，衬底台还可以在水平方向上移动以改变光学距离。

在一个实施例中，数据处理设备被配置为使用迭代重建算法来计算综合图像。基于初始假设，可以计算初始综合图像。使用逐步方法，所计算的图像可以朝向综合图像迭代。使用迭代重建算法计算综合图像如下工作。借助于测量或借助于先前的知识(诸如当知道对准标记将具有何种图案时)，收集图案必须满足的一组约束。重建解决方案将满足所有这些约束。因此，可以把这个重建问题看作是可行性问题，其中可以标识满足所有这些约束的解决方案。标识可行性问题的解决方案可以借助于交替投影算法来进行，其中候选解决方案被逐个投影(在高维空间中正交地)到每个约束上。当候选解决方案(充分地)满足所有约束时，可以终止算法。

在一个实施例中，如图5a中示意性地描绘的，对准传感器还包括被配置为提供对准参考束arb的对准束参考路径abrp，对准参考束用于在对准光学检测器aod处与对准束ab相互作用，数据处理设备dpd被配置为从所接收的图像数据计算综合图像，所接收的图像数据由对准束和对准参考束的相互作用产生。因此，由于对准参考束与对准束之间在对准光学检测器处的相互作用取决于对准光学检测器处的对准束的相位，所以可以从中得出相位信息。可以由此计算综合聚焦光学图像，下面提供示例。在第一示例中，参考束传播的参考光学路径的光学长度改变。在第二示例中，参考束的波长改变。

在第一示例中，如图5a中示意性地描绘的，对准束参考路径abrp包括可移动的参考结构mrs。对准传感器被配置为移动参考结构mrs以改变参考束rb的传播路径的光学长度。数据处理设备dpd被配置为针对每个光学长度从光学长度和从接收的图像数据计算综合图像。相位信息可以从作为参考束rb的传播路径的光学长度的变化以及因此入射在对准光学检测器上的参考束的相位的结果的对准束光学检测器检测到的光学信号的变化得出(因为，在变化的光学路径长度的情况下，对准光学检测器处的相位将根据光学路径长度而变化)。

在第二示例中，如图5b中示意性地描绘的，对准辐射源asr包括波长选择性元件wse，其被配置为接收波长参数wp并且响应于波长参数wp来控制对准束的波长范围。数据处理设备dpd被配置为从波长参数和从所接收的针对每个波长参数的图像数据，即从所接收的作为波长参数的函数的图像数据，计算综合图像。相位信息可以从作为参考束rb的波长变化以及因此在对准光学检测器上入射的参考束的相位的结果的对准束光学检测器检测到的光学信号的变化得出(因为，给定固定的光学路径长度，对准光学检测器处的相位将根据波长而变化)。

在一个实施例中，数据处理设备被配置为将综合图像与表示对准标记的预期图像相关并且从相关的结果得出对准信息。预期图像表示在知道衬底上的对准标记的形状、光学特性和近似位置的情况下预期的图像。可以针对衬底上的对准标记的各种可能的位置来确定相关性，由此最高相关性可以提供关于最接近地对应于对准标记的位置的可能位置之一的信息。这个过程可以以迭代方式执行，从而增加确定衬底上的对准标记的位置的准确性。这种校正也可以用仅部分综合聚焦的、即不是完全聚焦的综合图像来进行。例如，可以对其应用附加的滤波。在部分(光学)聚焦图像的情况下，如果已经获取相位，则可以数字地重新聚焦。如果这不能进行，则相关峰值不是很强，但是对准仍然可以进行(精度较低)。注意，替代地，代替迭代重建，可以应用所谓的“匹配滤波器”算法。

在一个实施例中，对准传感器在从对准标记到对准光学检测器的光学路径中不包括聚焦光学元件(例如，透镜或反射镜)。

下面参考图6-图8更详细地描述使用计算光学器件的可能实施例。

图6示意性地示出了用于执行对准测量的对准传感器。使用修改形式的“无透镜成像”或相干衍射成像(cdi)。也与数字全息相关的cdi是一种已经被提出用于显微镜的技术。在本公开中，cdi技术适于在衍射结构上执行对准，例如，光栅结构的不对称性的测量。对准传感器虽然不一定完全无透镜，但是不需要非常复杂的高na宽带物镜和其他光学元件以满足未来应用中的性能要求。

图6(a)的对准传感器包括辐射源611和图像传感器623。这个示例中的辐射源611提供空间相干辐射束630。源611可以由一个或多个窄带(单色)激光源形成，在这种情况下，辐射将即是空间相干的，又是时间相干的。替代地，在本示例中假设，源611可以是具有低时间相干性的空间相干的宽带源。这样的源可以是所谓的超连续谱源或“白光激光器”。源611可以用照射系统612中的其他装置补充，以按期望的形式传送光束630。例如，在一些实施例中，源611和照射系统可以包括波长选择器613(如虚线所示)。这样的波长选择器可以是例如声光可调滤波器(aotf)。

图像传感器623可以是ccd或cmos传感器。可以通过提供孔径器件、可编程空间光调制器或空间分布式光纤来实现不同的照射模式。

在从源611到目标t的照射路径中，照射光学系统包括简单反射镜640和低na透镜642。透镜642将照射辐射束630聚焦成衬底w上的对准目标t的位置处的光斑s。定位系统(例如，类似于光刻设备la中的定位系统pw)将衬底w和目标t带到光束630的焦点。光斑可以具有如下类似的尺寸和形状，例如大约直径在范围10至80μm，例如20至50μm或约40μm的圆形。在其中照射辐射束630如图所示以斜角入射的实施例中，光斑s可以是非圆形的，或者可以应用变形光学器件以实现圆形光斑。被目标反射的辐射646(零阶衍射)为了简单起见被示出为在648处被丢弃。在一个实际的实施例中，可以使用反射的(零阶)辐射，例如以确定作为位置控制机构的一部分的衬底的聚焦位置。包括由目标t散射的辐射的期望部分的辐射650由传感器623收集。不需要高na物镜来收集目标辐射，并且辐射可以直接从目标传递到传感器。在一个实际示例中，可以提供简单的收集光学系统，用于至少大致校准光束(减小发散)。在(b)处的插图中示意性地示出了可以是简单透镜的这样的收集光学系统。不过，复杂的高na物镜被消除。照射的辐射可以绕过收集光学系统被直接引导到目标区域。这有助于避免由光学系统的元件内的照射的辐射的散射引起的噪声。

除了收集的散射辐射650之外，参考辐射652也被传送到传感器623。散射辐射650和参考辐射652从相同的源611得出，以便彼此相干并且因此在传感器处形成取决于传感器上的每个像素的相对相位的中间图案。在所示示例中，参考辐射652是通过用分束器654分离照射的辐射630的一部分并且经由可移动反射镜656、发散透镜658和折叠反射镜660将其传递至传感器而获取的。参考辐射650在传感器623的视场上用具有相对均匀的幅度的“参考波”淹没图像传感器623。参考波在以明确限定的角度关于系统的光轴倾斜的方向上行进，并且因此参考波具有明确定义的幅度和相位。可以被称为物体波的散射辐射650具有未知的幅度和相位。

作为分离照射的辐射的一部分以形成参考波的替代方案，所谓的“自参考”布置也是可能的。在这种情况下，高阶散射场本身的一部分被分离出来并且用作参考波。例如，自参考布置可以通过将散射场的剪切副本与散射场进行干涉来工作。

如将在下面进一步解释的，参考波与物体波之间的干涉给出在传感器623上所获得的强度分布，其可以由处理器pu使用以计算散射的物体波的复数辐射场(这里的“复数”表示幅度和相位两者)。表示这些捕获的强度分布中的一个或多个的图像数据662被传送到处理器pu。然后可以使用波传播算法来计算综合图像，而不需要成像光学器件21。

参考波处于斜角不是必需的。然而，通过使用斜角，可以在具有高空间频率的目标上引入条纹图案，并且可以用其来从单个图像采集中“确定”相位信息。参考波的角度必须不能太大，例如小于波长除以像素阵列节距的两倍(λ/2*像素尺寸)。例如，在典型的设置中，3-4度可能就足够了。在没有这种高频条纹图案的情况下，可以例如通过“相位步进”来获取相位信息。如下所述，一种用于相位步进的方法是在改变参考束的相对相位的同时获取多个图像。尽管这可以进行，但是对设置的稳定性提出了相当严格的要求，并且倾斜的参考束因此可以是有利的。在其他方法中，相位步进可以通过空间调制来完成，使得在所谓的“超级像素”内发现不同的相位步长。术语超级像素可以被理解为像素的集合，例如基于它们的邻域、相位、幅度、或强度或相关性等。

应当确定传感器的布置和其像素阵列的节距，使得像素阵列提供对干涉图案的足够采样。作为粗略的指导，像素间隔(节距)应当小于例如λ/2d，其中λ是照射的辐射630中的(最长)波长，并且d是从目标t到图像传感器623的间隔。在实际的示例中，间隔d可以为1厘米数量级。传感器尺寸可以在每个方向(x和y)上是d的几倍，例如d的五倍或更多倍、d的十倍或甚至更大。在这方面，注意，图6和图7的图在尺寸上非常扭曲，以便清楚地描述光学系统。与附图所显示的相比，传感器在实践中可以更加接近目标，或者范围更宽。例如，传感器可以具有距离d和范围l，使得当从目标t看时，传感器对着相对较宽的角度θ。角度θ可以在每个维度上超过100度，例如超过135度，以及例如大约150度。如图6(b)的插图所示，可以使用简单的校准透镜664来增加到传感器的物理距离，同时仍然捕获大范围的散射辐射角。如图所示，传感器的范围不需要居中于目标上。它仅需要被定位以基于照射的辐射的入射角、照射的辐射的一个或多个波长和周期性光栅的节距来捕获期望的衍射阶。

变化是可能的，例如在传送参考波时变化是可能的。在所示的示例中，可移动反射镜656可以用于路径长度补偿，以调节物体波与参考波之间的光学路径差。如果光源611是宽带光源，诸如白光激光器，则使用反射镜进行步进运行在大的波长范围对复数辐射场进行光谱测量。由于宽带源的相干长度相对较小，所以该设备可以通过捕获图像同时步进通过大范围的位置来操作。对应于接近于零的路径长度差的这些位置中的仅有的一些位置将位于相干长度内。其他位置不会产生复数场图像。注意，在反射镜656的给定位置处，路径长度差在传感器上的不同位置处可以不同。因此，被采样的远场中的每个点将在反射镜的不同位置处具有最大条纹对比度。为了计算特定波长的相位和/或幅度，可能还需要在计算中包含来自多个图像的信息。在低相干源的情况下，将会在整个图像中获取对比度变化。这可以通过测试目标上的测试测量来校准。

除了放松给定尺寸的图像场的设计挑战之外，消除复杂的物镜允许实现更大的视场，这对传统的光学器件来说是不可能的。例如，取代2×2的光栅阵列，可以在视场内用5×2或甚至5×4光栅对复合目标进行成像。

为了获取明确的复数辐射场信息，可以使可移动反射镜656的步长远小于照射的辐射的(最长)波长。在诸如半导体器件制造等大容量制造示例中的目标的测量中，每次测量花费的时间是关键的，但是不仅包括图像捕获本身花费的时间，而且还包括在图像捕获之前移动和获取每个目标的时间。一旦目标被获取，捕获多个图像同时使反射镜656步进可能不会显著增加总体对准测量时间。因此，在实践中，采取的步骤数目可能相当大，即使在随后的分析中很多捕获的图像贡献很小或没有贡献。而且，如果获取更大的视场，则可以在一次捕获操作中测量更多的个体光栅或其他目标结构。

在其他示例中，可以在不移动诸如可移动反射镜656等部件的情况下实现相位步进。例如，反射式或透射式空间光调制器可以在较大的“超级像素”内的不同像素位置处设置有不同的相位步长。通过将步长蚀刻到合适的材料中或通过更奇特的手段可以实现不同的相位步长。基于例如液晶的空间光调制器可以用于调制相位。在其他示例中，取代参考波的路径长度，或者除了参考波的路径长度之外，可以改变参考波的波长。如果已知波长和入射角，则可以计算复数辐射场。波长选择可以通过在照射路径中插入滤波器和/或通过选择不同的辐射源或者对可调谐源进行调谐来进行。

换言之，可以通过在恒定波长的情况下改变路径长度差、通过在恒定路径长度差的情况下改变波长、或者通过两种变化的组合来获取相位信息。如果需要，可以在散射之后应用波长选择。例如，波长选择滤波器可以被插入到图像传感器623的前面并且在捕获之间改变。可以提供多个图像传感器623，其中收集路径被波长选择分束器分开。例如以单芯片彩色图像传感器上的rgb滤波器阵列的方式，可以使相同图像传感器623内的不同像素对不同波长敏感。

图7示出了另一变体。大多数部件类似于图6中所示的部件，并且使用相同的附图标记。主要区别在于，参考辐射652不是直接从照射的辐射630获取，而是由反射镜670从目标t反射的零阶辐射646获取。这个变化可以简化或不简化光学布局。这种变化的好处是，散射辐射650(物体波)和参考辐射652(参考波)将在它们各自的光学路径的较大部分上受到相同的影响。特别地，目标相对于光学系统所经历的任何振动将基本上同等地影响参考波和物体波两者。因此，这些振动对记录的复数场的影响将会减小。这种布置中的参考波将携带关于目标结构的一些信息，但是这只是平均信息，并且为了测量物体波的复数辐射场，参考波仍然是有效的相位参考。

图8示出了使用图6或图7的设备的完整测量过程。该过程通过附图中所示的光学硬件结合处理器pu的操作来实现。描述了使用无透镜成像算法的示例。(i)控制硬件的操作和(ii)处理图像数据662的功能可以在相同的处理器中执行，或者可以分布在不同的专用处理器之间。图像数据的处理甚至不需要在相同的设备中甚至在同一国家进行。

在802a、802b、...、802n处，由处理器pu从图像传感器23捕获和接收一组强度分布图像。还接收定义与每个图像相关联的该设备的操作参数(例如，照射模式、反射镜656的位置等)的辅助数据(元数据)804。这个元数据可以与每个图像一起被接收，或者针对该组图像被预先定义和存储。元数据还可以包括衬底和目标结构的信息。另外，接收或预先存储的是参考波规范806，其定义参考波在图像传感器23上变化时的已知相位。只要准确知道图像传感器上和/或相对于可移动反射镜的任意初始位置的相对相位步长，就不需要知道绝对相位。可以提供附加的校准过程来获取这些信息，而不是单独依靠设计和计算。

处理器pu从接收的图像数据802a等、元数据804和参考波规范806计算复数辐射场810。这是物体波(散射辐射650)在图像传感器23上的幅度和相位的表示。这个表示可以以每个像素位置的幅度和相位值的形式来表示。其他同等形式的表达也是可用的。从这个复数辐射场，处理器pu在过程812中可以使用波传播算法来计算综合图像814，如通过理想光学系统聚焦到图像传感器(类似于图3的传感器23)上所看到的。

如图8中示意性地所示，综合图像814可以具有与真实图像相同的形式。仅作为示例，示出了与复合目标中的每个个体光栅相对应的暗和亮矩形。综合图像可以是强度图像，类似于在已知设备中捕获的真实图像。但是，综合图像不一定必须是强度图像。它也可以是光栅的相位图像，或者可以计算强度和/或幅度和相位图像两者。如上所述，如果使用目标的衍射光谱的相对部分产生两个图像，则可以使用两个这样的图像来计算每个光栅的不对称性。在图8中，示出了第二综合图像814'。应当理解，第二综合图像是通过与图像814相同的过程基于第二组图像802a'等获取的，第二组图像802a'是当目标的照射轮廓或取向已经旋转180度时使用图像传感器623捕获的。换言之，综合图像814使用(例如)+1阶衍射辐射来产生，而综合图像814'使用-1阶衍射辐射来产生。

在步骤820，处理器pu比较图像814和814'中的不同光栅的图像的强度，以获取每个光栅的不对称性测量。在步骤822，通过预定公式和/或校准曲线来转换复合目标内的多个光栅的所测量的不对称性，以获取感兴趣参数(诸如重叠ov、焦距f或剂量d)的测量。公式是从目标结构的知识(包括应用的偏置方案)得到的。校准曲线可以通过比较一系列目标上的不对称性测量与通过诸如电子显微镜(sem、tem)等其他技术进行的感兴趣参数的测量来获取。

对所有感兴趣的目标重复所说明的过程。注意，这个过程的计算部分可以与图像捕获在时间和空间上分开。计算不需要实时完成，当然这是有利的。只有图像802a等的捕获需要衬底的存在，并且因此影响整个光刻设备制造工艺的生产率(吞吐量)。

如上所述，所捕获的图像802a的数目可以大于所选择的并且用于计算复数辐射场的数目。所使用的数目可以根据需要选择。原则上，使用物体波与参考波之间的不同(已知)相位步长捕获的四个图像应当足以获取明确的幅度和相位信息。或者，使用不同(已知)的波长的照射的辐射630捕获的四个图像将是足够的。可以使用更大的数目来提高测量确定性。如果可以使用目标结构和衬底的知识来约束计算，则可以减少计算所需要的图像的数目。已知的相位步进算法已经被证明对噪声更加鲁棒。例如，五步相移算法对于移相器校准更加鲁棒。存在多步算法，只要相位阶跃相同，就不需要相位阶跃的知识。也存在随机相位阶跃算法。参见例如在http://fp.optics.arizona.edu/jcwyant/optics513/chapternotes/chapter05/notes/phase％20shifting％20interferometry.nb.pdf可获得的jamescwyant,“phaseshiftinginterferometry.nb.pdf”,optics513chapter5,chapternotes,2011。

在上面的示例中，计算复数场810和计算综合图像814的步骤被示出为按顺序分开。这可能是一个在实践中进行的便捷方式。然而，原则上，计算可以被合并，使得能够通过单个计算直接从捕获的图像802a等前进到综合图像814而不需要明确地计算复数场。不应当将权利要求解释为要求将复数场明确计算为不同的数据阵列。

除了计算如已知的暗场成像散射仪的图像传感器23所看到的目标的综合图像之外，该装置还可以计算衍射图案的综合图像，如在瞳孔图像传感器中将看到的。与已知的装置不同，不需要将收集的辐射分裂成不同的光学分支来获取这些不同的图像。

无透镜成像算法和对准信息的得出可采用软件或其他合适的编程，诸如信号处理器的编程、门阵列的编程等。软件可在诸如微控制器、微处理器、数字信号处理器等任何合适的数据处理器上执行。

尽管在本文中可以具体地参考在制造ic中使用光刻设备，但是应当理解，本文中描述的光刻设备可以具有其他应用，诸如制造集成光学系统、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。本领域技术人员将会理解，在这种替代应用的情况下，术语“晶片”或“管芯”在本文中的任何使用可以被认为分别与更一般的术语“衬底”或“目标部分”同义。本文所指的衬底可以在曝光之前或之后在例如轨道(通常向基地施加抗蚀剂层并且使曝光的抗蚀剂显影的工具)、计量工具和/或检查工具中被处理。在适用的情况下，本文中的公开内容可以应用于这样的和其他的衬底处理工具。此外，衬底可以被处理多于一次，例如以便产生多层ic，使得本文中使用的术语衬底还可以指代已经包含多个处理层的衬底。

虽然以上已经在光学光刻的上下文中对本发明的实施例的使用进行具体的参考，但是应当理解，本发明可以用于其他应用(例如，压印光刻)，并且在上下文允许的情况下使用，不是仅限于光刻。在压印光刻中，图案形成装置中的形貌定义了在衬底上产生的图案。图案形成装置的形貌可以被压入被提供给衬底的抗蚀剂层，抗蚀剂在衬底上通过施加电磁辐射、热、压力或其组合而被固化。在抗蚀剂被固化之后，图案形成装置从抗蚀剂中移出，以在其中留下图案。

本文中使用的术语“辐射”和“光束”包括所有类型的电磁辐射，包括紫外(uv)辐射(例如，具有为或大约365、248、193、157或126nm的波长)和极紫外(euv)辐射(例如，具有在5-20nm范围内的波长)以及诸如离子束或电子束等粒子束。

在上下文允许的情况下，术语“透镜”可以指代各种类型的光学部件中的任何一个或其组合，包括折射型、反射型、磁性型、电磁型和静电型光学部件。

尽管以上已经描述了本发明的具体实施例，但是应当认识到，本发明可以以与上述不同的方式来实践。

以上描述旨在说明而非限制。因此，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离下面阐述的权利要求的范围的情况下对所描述的本发明进行修改。