计量系统以及方法
【专利摘要】提供了计量系统以及方法。所述计量系统包括：被配置成产生衍射受限光束的光源；变迹器，所述变迹器被配置成在照射光学器件的入射光瞳中使所述光束成形；光学元件，所述光学元件被配置成将所述衍射受限光束从所述变迹器定向到晶片上的光栅靶上的所述照射斑并且收集来自所述光栅靶的散射光；被配置成拒绝一部分所收集散射光的视场光阑；检测器，所述检测器被配置成检测穿过所述视场光阑的散射光并且响应于检测到的散射光生成输出以使所述光栅靶由所述计量系统使用散射计量来测量；以及被配置成使用所述输出来确定所述光栅靶的特性的计算机系统。
【专利说明】计量系统以及方法
[0001] 本申请是申请日为2010年9月1日、申请号为"201080039744. 4"、发明名称为"计 量系统以及方法"的发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的夺叉引用
[0003] 本申请要求2009年9月3日提交的题为"多功能计量系统（Multifunction Metrology System) "的美国专利申请S/N. 61/239, 699,其如在本文中完全阐述一样通过引 用结合于此。
【背景技术】
[0004] 1.发明领域
[0005] 本发明一般涉及计量系统以及方法。
[0006] 2.相关抟术的描沭
[0007] 以下描述和示例不因其包括在该部分中而被视为现有技术。
[0008] 在半导体制造工艺中的各个点对晶片执行计量处理，以确定晶片的各种特性，诸 如晶片上的经图案化结构的宽度、在晶片上形成的膜的厚度、以及晶片的一层上的经图案 化结构对晶片的另一层上的经图案化结构的覆盖。光学临界尺寸（CD)计量当前使用光谱 散射计量（scatterometry)或角解析散射计量来执行。光学覆盖计量使用成像方法或基于 散射计量的方法（光谱和角解析两者）来执行。膜计量使用光谱椭圆计量（ellipsometry) 来执行。光谱椭圆计量的一个示例在Norton等人的美国专利No. 5, 859, 424中示出，其如 在本文中完全阐述一样通过引用结合于此。
[0009] 然而，以上所述的当前使用的计量方法有许多缺点。例如，当前的光学CD计量方 法限于较大的光栅靶大小（例如，50微米乘以50微米）。类似地，基于散射计量的覆盖方 法将最小的光栅单元大小限于15微米乘以15微米。旧方法的另一缺点是，基于散射计量 的覆盖计量和基于成像的覆盖计量在完全分开的平台上实现。
[0010] 因此，开发没有以上所述的一个或多个缺点的计量方法以及系统可能是有利的。
【发明内容】
[0011] 各个实施例的以下描述不应以任何方式被解释为限制所附权利要求的主题。
[0012] 一个实施例涉及计量系统。该计量系统包括被配置成产生衍射受限光束的光源。 该计量系统还包括变迹器，该变迹器被配置成在照射光学器件的入射光瞳中以在晶片平面 中距照射斑（spot)的中心远于1. 5微米的辐照度小于该斑的中心的峰值辐照度的ΚΓ6的 方式使光束成形。另外，该计量系统包括被配置成将衍射受限光束从变迹器定向到晶片上 的光栅靶上的照射斑并且收集来自光栅靶的散射光的光学元件。该计量系统还包括被配置 成拒绝一部分所收集散射光的视场光阑。该计量系统还包括检测器，该检测器被配置成检 测穿过视场光阑的散射光并且响应于检测到的散射光生成输出以使光栅靶由计量系统使 用散射计量来测量。另外，该计量系统包括被配置成使用该输出来确定光栅靶的特性的计 算机系统。该计量系统还可如本文中所描述地配置。
[0013] 另一实施例涉及计量方法。该计量方法包括在照射光学器件的入射光瞳中以在晶 片平面中距照射斑的中心远于1. 5微米的辐照度小于该斑中心的峰值辐照度的ΚΓ6的方式 使衍射受限光束成形。该计量方法还包括将衍射受限光束定向到晶片上的光栅靶上的照射 斑。另外，该计量方法包括收集来自光栅靶的散射光。该计量方法还包括拒绝来自光栅靶的 一部分所收集散射光。该方法还包括在拒绝该部分所收集散射光之后检测散射光。另外， 该方法包括响应于检测到的散射光生成输出。该方法还包括使用该输出来确定光栅靶的特 性。
[0014] 以上所述方法的每一步骤可如本文中进一步描述地执行。以上所述的方法可包括 本文中所描述的任何其他方法的任何其他步骤。以上所述的方法可使用本文中所描述的任 何系统来执行。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 得益于优选实施例的以下详细描述和基于参考附图，本发明的其他优点将对本领 域技术人员变得显而易见：
[0016] 图1是示出计量系统的一个实施例的侧视图的示意图。
[0017] 尽管本发明容许各种修改和替换形式，但其具体实施例作为示例在附图中示出且 将在本文中详细描述。这些附图可能未按比例绘制。然而应当理解，本发明的附图和详细 描述并不旨在将本发明限于所公开的特定形式，相反，其意图是覆盖落在如所附权利要求 所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效方案以及替换方案。
【具体实施方式】
[0018] 现在转到附图，应当注意，附图未按比例绘制。具体而言，附图的某些元件的比例 被显著地放大，以强调这些元件的特性。
[0019] 一个实施例涉及计量系统。该计量系统（或"计量工具"）预期在半导体器件生产 和相关应用中使用。本文中进一步描述的各个计量任务可在半导体或相关器件生产的各个 阶段（诸如光刻和蚀刻）中执行。在一些实施例中，本文中所描述的计量系统可被集成到 半导体制造系统中，诸如光刻系统或蚀刻系统、或者以某些方式物理地、化学地、或机械地 更改晶片的任何其他系统。计量系统可被集成到半导体制造系统中，从而由半导体制造系 统对晶片执行的工艺中的一个步骤期间和/或在一个步骤之前、在一个步骤之前、或由半 导体制造系统对晶片执行的工艺的步骤之间，计量系统可测量晶片并确定晶片的特性，而 无需从半导体制造系统去除晶片（即，晶片设置在半导体制造系统内）。计量系统可如何集 成到半导体制造系统中的示例在Levy等人共有的美国专利No. 6, 891，627中描述并示出， 其如在本文中完全阐述一样通过引用结合于此。
[0020] 图1示出计量系统的一个实施例。该计量系统包括被配置成产生衍射受限光束的 光源。在一个实施例中，光源包括激光和单模光纤。以此方式，照射光束可使用通过单模光 纤的激光作为光源来生成。例如，如图1所示，光源8可包括激光10、以及生成衍射受限光 束14的单模光纤12。这种光源实现照射斑（以及可能的衍射受限照射斑），该照射斑与本 文中进一步描述的变迹器一起实现对相对较小靶的计量。光源可生成只有一个波长的光 (即，单色光）、具有许多离散波长的光（即，多色光）、或具有多个波长的光（即，宽带光）。 光源所生成的光可能具有任何合适的波长，诸如可见波长或约190nm至约900nm之间的任 何波长。光源还包括任何其他合适的光源，诸如白光源、紫外线（UV)激光、弧光灯、激光驱 动的光源（诸如从美国马萨诸塞州沃本市的Energetiq技术公司购得的EQ-1000)、超连续 激光（宽带激光）（诸如从美国新泽西州摩根维尔市NKT光子公司购得的Koheras Versa)、 或其某些组合。光源还可被配置成提供具有足够亮度的光，该亮度在一些情况下可以是大 于约lWAnm cm2Sr)的亮度。该计量系统还可包括到光源的快反�。糜谖榷ㄆ涔β屎筒� 长。到光源的快反馈可如本文中进一步描述地配置。
[0021] 该计量系统还包括变迹器，该变迹器被配置成在照射光学器件的入射光瞳中以在 晶片平面中距照射斑的中心远于1. 5微米的辐照度小于该斑中心的峰值辐照度的ΚΓ6的方 式使光束成形。例如，如图1所示，计量系统可包括置于光源所生成的衍射受限光束的路径 中的变迹器16。变迹器可置于计量系统的照射光瞳中。变迹一般可被定义为更改光学系统 的入射光瞳中的光分布（例如，使用掩模来更改照射光束的幅值和/或相位），由此改变照 射光束的强度分布曲线。在本情况下，变迹器被配置成将照射斑的"尾部"（例如，照射斑中 距照射斑的中心大于1. 5微米的部分）中的辐照度减小到小于峰值辐照度的ΚΓ6,由此减 少所谓的信号污染。将这种变迹器包括在本文中所描述的计量系统中是可对相对较小的光 栅靶实现计量的特征之一。
[0022] 该计量系统还包括光学元件，这些光学元件被配置成将光束从变迹器定向到晶片 上的光栅靶上的照射斑并且收集来自光栅靶的散射光。例如，在图1所示的实施例中，光学 兀件可包括折射光学兀件18和20、分束器22、折射光学兀件24、分束器26、具有其孔径光 阑28的物镜30、折射光学兀件36、分束器38和40、以及折射光学兀件42。折射光学兀件 18、20、24、36和42可包括本领域已知的任何合适的折射光学元件，诸如折射透镜。另外，虽 然折射光学元件18、20、24、36和42以相同的方式使用相同的常规符号在图1中示意性地 示出，但是折射光学元件中的全部、部分、或没有一个可相同地或不同地配置。此外，折射光 学元件18、20、24、36和42中的每一个可包括一个或多个折射光学元件。
[0023] 折射光学元件18被配置成将衍射受限光束从光源8定向到变迹器16。折射光学 元件20被配置成将光束从变迹器通过可包括二向色分束器的分束器22定向到折射光学元 件24。折射光学元件24被配置成将光束定向到可包括任何合适分束器的分束器26。分束 器26被配置成将光束从折射光学元件24反射到物镜30,该物镜被配置成将衍射受限光束 聚焦在晶片34上的光栅靶（未示出）上的照射斑32。物镜30可包括任何合适的折射光学 元件和/或任何合适的反射光学元件。例如，物镜可具有全反射设计或反折射设计，诸如在 授予Rodgers的美国专利No. 5, 309, 276和授予Shafer等人的美国专利No. 6, 801，358中 所描述的那些设计，它们如在本文中完全阐述一样通过引用结合于此。物镜还可针对从约 150nm到约lOOOnm的波长来设计。另外，物镜可被设计成在照射中没有中心遮挡。
[0024] 物镜（或"多个物镜"）可以是相对高值孔径（NA)的物镜（例如，具有约0· 9或 更大的NA)，由此实现对照射光瞳的优化选择（在本文中未示出的光瞳区域选择）。相对 较高NA的物镜如该术语在本文中所使用地一般指物镜的入射光瞳的半径与物镜的焦距相 当，或者换句话说，从物镜发射到晶片上的射线填充相对较大的锥角。例如，NA为0. 9的物 镜具有〇. 9f的入射光瞳半径，其中f是透镜的焦距。这等效于射线照到晶片的最大锥角是 arcsinO. 9 = 64度的事实。因此，相对较高NA的物镜具有相对较大的入射光瞳。以此方 式，不同的部分（例如，入射光瞳的仅一部分）可用于照射。换句话说，入射光瞳（此处用 作照射光瞳）相对较大的事实实现对该光瞳的子区域的选择性照射，该子区域随后被转换 成整个物镜NA所提供的最大照射锥体的子锥体。
[0025] 光瞳区域选择可使用可用于将光从光源定向到照射光瞳的仅特定部分的任何合 适的光学元件来执行。例如，光学元件（未示出）可用于调制光源，由此选择照射光瞳的用 于计量系统所执行的测量的部分。可用于空间地调制光的合适光学元件的示例包括诸如 可从美国德克萨斯州达拉斯市的Texas仪器得到的反射微镜阵列器件、诸如可从德国德累 斯顿市Fraunhofer学院得到的衍射微镜阵列器件、液晶器件（LCD)、衍射光学元件、固定孔 径、可执行对光的空间调制的任何其他光学元件、或其某些组合。替换地，光学元件（未示 出）可用于代替选择照射光瞳的仅一个或多个部分在计量系统所执行的测量中使用。
[0026] 因此，折射光学元件18和20、分束器22、折射光学元件24、分束器26、以及物镜30 构成计量系统的照射子系统（或"照射光瞳"），该照射子系统被配置成将光从光源定向到 晶片（例如，用于散射计量测量）。以此方式，照射子系统可用于散射计量测量，并且如附图 标记46圈出且指示的照射子系统中的衍射受限光束可以是高斯光束。例如，计量系统的光 源可被配置成提供高斯光束，并且变迹器可能不更改衍射受限光束的高斯性质。
[0027] 物镜30还被配置成收集来自晶片的光。从晶片收集的光包括散射光。然而，从晶 片收集的光还可包括来自晶片的其他光（例如，反射光）。物镜30将所收集光通过分束器 26定向到折射光学元件36,该折射光学元件将所收集光通过分束器38和40定向到折射光 学元件42。折射光学元件42被配置成将所收集散射光定向到检测器44。检测器44可如 本文中进一步描述地配置。以此方式，物镜30、分束器26、折射光学兀件36、分束器38和 40、折射光学元件42、以及检测器44构成计量系统的检测子系统。检测子系统可用于散射 计量测量，如本文中进一步描述的。
[0028] 物镜的光学象差规格可从本文中进一步描述的散射计量斑大小导出。例如，优选 执行对用于角解析散射计量实现计量系统的物镜的设计和制造以在照射斑尾部处确保以 上所述的显著较低辐照度。光学设计优选确保最小的重影量，该最小的重影量可由从物镜 的任何光学表面反射回晶片的相对较强的晶片反射产生。该设计还优选提供过大孔径用 于使从透镜边缘和至少1_的空隙（air-space)的散射最小化，以减少相干效应。从照射 的散射优选通过保证光学表面和涂层上的相对较低的表面粗糙度（通常为约〇. lnm均方 根（RMS))以及相对较低的表面缺陷率（划痕和挖痕，类似于5/1X0. 040和每IS010110的 L1X0. 006)来进一步最小化。计量系统中所包括的孔径和光阑优选具有用于最少地散射到 晶片中的仔细制造的边缘，并且物镜组件的内部机械表面优选被加工并处理成吸收任何散 射光。光学元件优选在干净的环境中清洗和组装以将光学元件上的灰尘颗粒的数量保持在 将导致可感测散射的水平以下。因此，本文中所描述的各个实施例可具有针对表面粗糙度、 划痕和挖痕、缺陷、以及清洁度的光学制造要求的规范，从而确保相对较低的漫射光和以此 方式确保相对较低的残余辐照度。类似于以上所述的对物镜的考虑优选应用于计量系统中 所包括的所有光学元件。用于相对较低漫射光的这些光学制造要求可与本文中所描述的任 何其他实施例组合。
[0029] 在一个实施例中，光栅靶上的照射斑的直径小于3微米。例如，如上所述，残余辐 照度被建立为来自光栅靶的临界尺寸（CD)和覆盖计量的性能准则，残余辐照度是距晶片 上的照射斑的中心1. 5微米半径以外的辐照度，并且残余辐照度限值是照射斑的中心处的 辐照度的1〇_6。因此，照射斑的半径可能约为1. 5微米，并且因此，直径约为3微米或更小。
[0030] 在另一实施例中，计量系统被配置成在收集来自光栅靶的散射光的同时跨光栅靶 扫描照射斑。例如，如图1所示，计量系统可被配置成在多个方向48上例如通过横向地移 动光源、由此移动衍射受限光束来横向地扫描衍射受限光束14。以此方式，计量系统可跨光 栅靶视场扫描照射斑。计量系统可以光栅或其他方式跨光栅靶区域扫描该斑。计量系统可 被配置成使用任何合适的器件（例如，机械平台）来跨光栅靶扫描照射斑。以此方式，不同 于在该靶上提供扩大的照射斑，该斑可在光栅靶区域内扫描。（图1所示光束14的位置表 不通过光学系统的视场中心的光射线，而光束50的位置并不表不通过光学系统的光瞳中 心的光射线。沿着计量系统的光轴49的圆点表示光束14和50所表示的不同射线与光轴 相交的点。）
[0031] 以此方式，本文中所描述的计量系统实施例实现对比当前用于散射计量测量的光 栅革G小的光栅祀的测量。例如，在一些实施例中，光栅祀的横向尺寸小于10微米乘以小于 10微米。横向尺寸在与晶片的上表面基本平行的平面上定义。在一个这种示例中，光栅靶 的横向尺寸可以是5微米乘以5微米。例如，本文中所描述的实施例实现对来自相对较小 光栅靶的CD的基本正确的光学测量（例如，5微米乘以5微米）。另外，本文中所描述的实 施例实现对与相对较小光栅单元的基本正确的光学散射计量覆盖测量（例如，5微米乘以5 微米）。以此方式，本文中所描述的实施例的一个优点在于，计量系统配置实现对小到5微 米乘以5微米的光栅靶的光学CD计量、以及对单元大小小到5微米乘以5微米的光栅靶的 基于散射计量的覆盖计量。光栅靶本身可包括本领域已知的任何合适的光栅靶。
[0032] 在一个实施例中，光学元件被配置成将所收集散射光的重像集中到光学元件的成 像光瞳中的局部区域或跨成像光瞳将重像扩散开以减小重像的辐照度。例如，本文中所描 述的实施例可使用光瞳成像系统的光学设计原理配置，该光瞳成像系统将与信号相干的重 像集中到光瞳图像中的特定局部区域（诸如例如〇. 1NA半径内的光瞳中心）、或将其在足够 大的区域上扩散以使重影辐照度最小化到例如小于信号的1〇_6。这种光瞳重像控制可与本 文中所描述的任何其他实施例组合地应用。
[0033] 计量系统还包括被配置成拒绝一部分所收集散射光的视场光阑。例如，在一个实 施例中，计量系统包括视场光阑52,该视场光阑置于所收集散射光的路径中以使视场光阑 可拒绝一部分所收集散射光。以此方式，在收集臂中使用收集视场光阑以供散射计量（例 如，角解析散射计量）。收集视场光阑可能通过提供拒绝该靶周围的非期望信号和足够的光 瞳解析率之间的优化平衡来实现相对较小的散射计量计量靶。例如，对于给定光栅靶大�。� 视场光阑大小可针对信号污染和光瞳成像解析率之间的折衷进行优化。
[0034] 计量系统可被配置成执行一种用于将视场光阑对准计量光栅靶的方法。将视场光 阑对准计量光栅靶可使用斑照射和将各个部件对准该斑来执行。例如，可观察到照射视场 光阑的平面中的照射斑，并且照射视场光阑可与该斑对准。镜式晶片（或其他合适的反射 表面）可在物镜下面进行聚焦。可观察到收集视场光阑的平面中的反射照射斑，并且收集 视场光阑可与该斑对准。晶片上的照射斑可通过分开的对准光学器件（例如，使用本文中 进一步描述的检测器66以及相对应的光学元件）来观察，并且这些光学器件与该斑对准。 当计量光栅靶进入视野时，检测器66及其相对应的光学元件可用于使该靶进入照射斑的 位置，由此将视场光阑对准计量光栅靶。
[0035] 在一个实施例中，视场光阑不以所收集散射光沿其传播的光轴为中心，由此减少 所收集散射光在检测器上的重影，如本文中进一步所述。例如，视场光阑的光学实现是使视 场光阑偏离光轴。视场光阑的这种定位是用于减少重影的附加策略。具体而言，偏轴视场 光阑可用于减少因重影引起的信号污染，甚至使其最小化。以此方式，可执行对整个光学系 统到收集视场光阑的设计和制造（包括使用变迹器来抑制收集视场光阑的边缘处的光学 信号的尾部）以保证散射和重影的最小水平。
[0036] 另外，计量系统包括检测器，该检测器被配置成检测穿过视场光阑的散射光并且 响应于检测到的散射光生成输出以使光栅靶由计量系统使用散射计量来测量。例如，检测 器44可被配置成检测穿过视场光阑52的散射光并且响应于检测到的散射光生成输出以使 光栅靶由计量系统使用散射计量来测量。检测器可包括任何合适的检测器，诸如电荷耦合 器件（CCD)。以此方式，以上所述的光源（例如，激光10和单模光纤12)可被用作散射计量 光源，并且检测器可被用作散射计量计量检测器。在一些实施例中，计量系统可被配置成通 过以光阑或其他方式跨靶区域扫描直径为0.6微米的照射斑和串行地收集来自相继扫描 点的信号来收集来自具有该斑的5微米乘以5微米的计量靶的散射计量信号。
[0037] 在一个实施例中，散射计量包括角解析散射计量。以此方式，计量系统可被配置为 角解析散射计量。换句话说，计量系统可被配置成在多个离散角测量散射光的强度。这些 测量可例如通过在测量之间移动一个或多个光学元件、或同时通过使用单个检测器或一个 以上的检测器在收集空间内的多个离散角单独地测量散射光的强度来顺序地执行（一个 离散角接一个离散角）。另外，计量系统的这一实施例可与本文中所描述的任何其他实施例 的特征组合。例如，角解析散射计量实施例可与被配置为本文中所描述的视场光阑组合，与 此同时将非期望光瞳重影集中到局部光瞳区域。在另一实施例中，散射计量包括使用多个 离散波长来执行的角解析散射计量。计量系统可被配置成并发（并行地）或一个接一个顺 序地使用若干离散波长来执行角解析散射计量。这些测量可以本领域已知的多种不同方式 执行。计量系统还可被配置成并发（并行地）或一个接一个顺序地使用若干离散波长、以 及使用用于稳定光源功率和波长的快反馈来执行角解析散射计量。另外，如本文中进一步 描述的，光学元件可包括可用于在一个以上的偏振状态中执行测量的偏振器和分析器。例 如，在一个实施例中，计量系统可被配置成通过并发（并行地）或一个接一个顺序地使用若 干离散波长、结合并发（并行地）或一个接一个顺序地使用若干偏振状态来执行角解析散 射计量。这些测量可以本领域已知的多种不同方式执行。另外，计量系统可被配置成通过 并发（并行地）或一个接一个顺序地使用若干离散波长、结合并发（并行地）或一个接一 个顺序地使用若干偏振状态、以及使用用于稳定光源功率和波长的快反�。粗葱薪墙馕� 散射计量。
[0038] 在附加实施例中，散射计量包括光谱散射计量。光谱散射计量可使用计量系统以 本领域已知的多种不同方式执行。在又一实施例中，散射计量包括使用多个离散角来执行 的光谱散射计量。使用多个离散角的光谱散射计量可使用计量系统实施例以本领域已知的 多种不同方式执行。计量系统可被配置成通过并发（并行地）或一个接一个顺序地使用若 干离散角来执行光谱散射计量。另外，计量系统可被配置成通过并发（并行地）或一个接 一个顺序地使用若干离散角、结合并发（并行地）或一个接一个使用若干偏振状态，来执行 光谱散射计量。这些测量可以本领域已知的多种不同方式执行。此外，散射计量可以是光 谱散射计量、或角解析散射计量、或光谱散射计量和角解析散射计量两者的组合。
[0039] 在一个实施例中，光学元件包括置于衍射受限光束的路径中的偏振器和置于所收 集散射光的路径中的分析器。例如，如图1所示，光学元件可包括置于衍射受限光束的路径 中的偏振器54和置于所收集散射光的路径中的分析器56。在一个这种实施例中，偏振器和 分析器被配置成散射计量可使用多个偏振状态来执行。例如，偏振器和分析器可被配置成 如果旋转偏振器和分析器，则偏振器和分析器将不同的偏振分别赋予衍射受限光束和所收 集散射光。因此，取决于用于测量的偏振状态，计量系统可旋转偏振器和/或分析器。偏振 器和分析器可包括本领域已知的任何合适的偏振部件。
[0040] 在另一这种实施例中，计量系统被配置成至少使用光源、包括偏振器和分析器的 光学元件、以及检测器来执行对晶片的椭圆计量测量。椭圆计量测量可使用计量系统实施 例以本领域已知的任何方式执行。椭圆计量测量可包括单波长椭圆计量测量、光谱椭圆计 量测量、可变角椭圆计量测量、可变角光谱椭圆计量测量、任何其他椭圆计量测量、或其某 些组合。
[0041] 在一个实施例中，计量系统包括被配置成生成晶片图像的附加检测器。以此方式， 计量系统可被配置成用于晶片的基于成像的计量测量。例如，在图1所示的实施例中，计量 系统包括附加光源58,该附加光源可包括任何合适的光源。光源可生成只有一个波长的光 (即，单色光）、具有许多离散波长的光（即，多色光）、或具有多个波长的光（即，宽带光）。 光源所生成的光可具有任何合适的波长，诸如UV波长。光源可如参考光源8所描述地进一 步配置。此外，虽然计量系统在图1中被示为包括两个光源（一个用于散射计量或其他计 量测量而另一个用于成像），但是计量系统可包括可用于本文中所描述的所有测量（包括 散射计量和其他计量测量以及成像）的仅一个光源。
[0042] 计量系统还可包括被配置成将来自附加光源58的光定向到分束器22的折射光学 元件60。折射光学元件60可如本文中所描述地进一步配置。分束器22被配置成将来自折 射光学兀件60的光反射到折射光学兀件24,该折射光学兀件24将光定向到分束器26。来 自附加光源的光被分束器26通过物镜30反射，该物镜将光聚焦在晶片上。
[0043] 晶片所反射的光被物镜30收集，该物镜将所收集反射光通过分束器26定向到折 射光学元件36。折射光学元件36将所收集反射光定向到分束器38,该分束器将所收集反射 光反射到折射光学元件62。折射光学元件62将所收集反射光定向到折射光学元件64,该折 射光学兀件64将所收集反射光聚焦到附加检测器66。折射光学兀件62和64可如本文中 所描述地配置。附加检测器被配置成使用所收集反射光来生成晶片图像。附加检测器可包 括任何合适的检测器，诸如CCD。成像检测器可用于基于成像的计量，如本文中进一步描述 的。另外，计量系统可被进一步配置用于双光束成像。例如，计量系统可被配置成如Kandel 等人共有的美国专利No. 7, 528, 941中所描述地执行双光束成像，其如在本文中完全阐述 一样通过引用结合于此。在这些实施例中，物镜的光学象差规格可结合双光束成像工具引 起的偏移（TIS)误差预算如以上所述地导出（例如，用于散射计量斑大小要求）。此外，成 像检测器可用于晶片相对于光学元件的导航（例如，从而可通过使用附加检测器所生成的 晶片的图像来将晶片上的光栅靶移动到光学元件的视野内）。以此方式，本文中所描述的计 量系统实施例可包括同一平台上的散射计量和成像子系统的组合，其中散射计量可以是光 谱散射计量、或角解析散射计量、或两者的组合。
[0044] 可用于生成晶片图像的光学元件可由其他光学元件以光学系统的出射光瞳的图 像变成可访问的方式使用或补充。以此方式，诸如孔径68之类的一个或多个光学元件可置 于光瞳图像的平面中。由此，提供用于访问光瞳图像的选项。
[0045] 计量系统可包括其他光学元件。例如，如图1所示，分束器40可被配置成允许一 部分所收集散射光穿过该分束器，并且可反射另一部分所收集散射光。所收集散射光的反 射部分可用于确定计量系统的焦点。例如，所收集散射光的反射部分可被定向到焦点检测 斩波器70,该焦点检测斩波器可包括任何合适的斩波器。穿过焦点检测斩波器70的光可由 检测器72检测。检测器72可被配置成响应于检测器检测到的光生成输出。检测器72可 包括任何合适的检测器，诸如CCD。诸如本文中进一步描述的计算机系统可被配置成使用 检测器72所生成的输出以任何合适的方式确定测量的晶片上的光栅靶或膜是否正在焦点 上。计量系统可包括一个或多个器件（未示出），诸如被配置成如果光栅靶或膜被确定为离 焦则移动晶片或者计量系统的一个或多个光学元件的平台。
[0046] 如上所述，图1所示的计量系统包括多个检测器，这些检测器被配置成检测来自 晶片的光并响应于检测到的光生成输出，以使光栅靶可由计量系统使用多种不同的技术来 测量。图1所示的计量系统还可包括附加检测器。例如，计量系统可包括被配置成检测来 自晶片的光并响应于检测到的光生成输出的光谱仪（未示出）。光谱仪可包括任何合适的 光谱仪。从晶片散射的光可被置于所收集散射光的路径中的分束器（未示出）定向到光谱 仪。分束器还可如本文中进一步描述地配置。任何其他合适的光学元件还可置于光谱仪检 测到的光的路径中。光谱仪可被配置成测量作为波长函数的散射光强度。以此方式，计量 系统可被配置成使用光谱散射计量来执行对晶片的测量。因此，图1所示的计量系统可包 括同一平台上的散射计量和成像系统的组合，其中散射计量可以是光谱散射计量、或角解 析散射计量、或两者的组合。此外，图1所示的检测器中的一个可被配置为光谱仪，或者用 光谱仪代替。例如，分束器38可将一部分所收集散射光反射到图1所示的检测器66,并且 检测器66可被配置为如上所述地配置的光谱仪，或用光谱仪代替。
[0047] 计量系统还包括被配置成使用输出来确定光栅靶的特性的计算机系统。例如，如 图1所示，计量系统包括被配置成使用检测器44所生成的输出来确定光栅靶的特性的计算 机系统74。以此方式，计算机系统可被配置成响应于散射光使用来自检测器的输出来确定 光栅靶的特性。另外，计算机系统可被配置成使用来自检测器66的输出来确定光栅靶的特 性。以此方式，计算机系统可被配置成响应于反射光或晶片图像使用来自检测器的输出来 确定光栅靶的特性。计算机系统可使用本领域已知的任何合适的方法、算法、模型、技术等 来确定光栅靶的特性。
[0048] 计算机系统74耦合到检测器44和66 (例如，通过图1中的虚线所示的一个或多 个传输介质，这些传输介质可包括本领域已知的任何合适的传输介质）以使计算机系统可 接收检测器所生成的输出。计算机系统可以任何合适的方式耦合到检测器中的每一个。另 夕卜，计算机系统可以类似的方式耦合到计量系统中所包括的任何其他检测器。计算机系统 74可采用各种形式，包括个人计算机系统、大型计算机系统、工作站、系统计算机、图像计算 机、可编程图像计算机、并行处理器、或本领域已知的任何其他设备。一般而言，术语"计算 机系统"可被宽泛地定义为涵盖具有一个或多个处理器的任何设备，该设备执行来自存储 介质的指令。
[0049] 在一个实施例中，该特性包括光栅靶中的经图案化结构的CD。计算机系统可使用 如Fabrikant等人共有的美国专利No. 7, 511，830中所描述的散射计量测量、或以任何其他 合适的方式来确定经图案化结构的CD(以及经图案化结构的其他特性），其如在本文中完 全阐述一样通过引用结合于此。以此方式，本文中所描述的实施例可组合变迹器、视场光阑 和相对较小的光栅靶用于光学CD计量。在另一实施例中，该特性包括光栅靶中的经图案化 结构对在晶片上形成的另一光栅靶的经图案化结构覆盖。该光栅靶和另一光栅靶在晶片 的不同层上形成。计算机系统可被配置成使用响应于所收集散射光的输出来确定覆盖，如 Kandel等共有的美国专利No. 7, 616, 313和Mieher等共有的美国专利No. 7, 663, 753中所 述，它们如在本文中完全阐述一样通过引用结合于此。以此方式，本文中所描述的实施例可 组合变迹器、视场光阑和一组相对较小的光栅靶用于散射计量覆盖计量。另外，本文中所描 述的实施例可组合变迹器、视场光阑、相对较小的光栅靶和光瞳成像用于CD和覆盖计量。 此外，本文中所描述的实施例可组合变迹器、视场光阑、相对较小的光栅靶、光瞳成像、以及 在可见和近UV或者深UV中的离散照射谱线用于CD和覆盖计量。另外，如上所述，散射计 量可包括光谱散射计量。光栅靶的CD和覆盖可使用对光栅靶的光谱散射计量测量来确定。
[0050] 在以上进一步描述的一个实施例中，计量系统包括被配置成生成晶片图像的附加 检测器。在一个这种实施例中，计算机系统被配置成使用图像来确定光栅靶的附加特性。计 算机系统可被配置成使用图像以及任何合适的方法、算法、技术、模型等来确定光栅靶的附 加特性。在一些这种实施例中，该特性包括基于散射计量的覆盖，而附加特性包括基于成像 的覆盖。计算机系统可以任何合适的方式配置成确定基于成像的覆盖。例如，计量系统可 被配置成使用成像来确定覆盖，如授予Ghinovker的共有美国专利No. 7, 541，201中所述， 其如在本文中完全阐述一样通过引用结合于此。由此，本文中所描述的实施例在单个平台 上实现基于散射计量和基于成像的覆盖计量两者。
[0051] 在附加的这些实施例中，光学元件包括物镜，该物镜被配置成收集来自光栅靶的 散射光并且被配置成收集来自晶片的光以生成图像。例如，如图1所示，光学元件可包括物 镜30,该物镜被配置成收集来自光栅靶的散射光并且被配置成收集用来生成图像的来自晶 片的光。以此方式，角解析散射计量物镜和成像覆盖物镜可以是相同的光学元件。然而，另 一选择是实现两个单独的物镜（未示出），一个用于角解析散射计量，而另一个用于成像覆 盖。如果计量系统包括两个这种单独的物镜，则计量系统可被配置成取决于要执行的测量 (散射计量或成像）来移动光学器件。在这些实例中，计量系统可被配置成在不同类型的测 量之间切换物镜，与此同时在其余光学元件中被动地或主动地选择两个单独的子组件。替 换地，如果计量系统包括两个这种单独的物镜，则计量系统可被配置成物镜（以及相对应 的光学元件）是静止的。在这些实例中，计量系统可包括两个固定且静止的光柱（每一物 镜及其相对应的光学元件对应一个柱），并且计量系统可被配置成取决于对晶片执行的测 量来移动晶片以使计量靶从一个光柱的视野移动到另一光柱的视野。
[0052] 计算机系统可被配置成通过计算出视场光阑对该输出的影响来确定光栅靶的特 性。例如，计算机系统可被配置成使用算法来计算出相对较小的收集视场光阑对从晶片散 射的信号的改变。另外，本文中所描述的实施例可组合变迹器、收集视场光阑和算法来计算 出散射强度因用于CD和覆盖计量的收集视场光阑而引起的改变。
[0053] 如上所述，计量系统可被配置成执行对晶片的椭圆计量测量。在一个这种实施例 中，计算机系统被配置成使用检测器在椭圆计量测量期间生成的输出来确定在晶片上形成 的膜的特性。膜的特性可包括例如膜厚度、折射率、以及可使用椭圆计量测量确定的任何其 他薄膜特性。计算机系统可配置成以任何合适的方式确定该膜的特性。例如，计量系统可 被配置成使用椭圆计量测量来确定膜以及其他特性，如授予Bareket等人的共有美国专利 No. 7, 515, 253中所述，其如在本文中完全阐述一样通过引用结合于此。另外，计算机系统可 被配置成使用对该膜的光谱散射计量测量来确定该膜的特性。这种实施例可与本文中所描 述的任何其他实施例组合。例如，计量系统的一个实施例可包括同一平台上光学CD计量系 统、散射计量和成像覆盖计量系统、以及膜计量系统的组合。另外，如上所述，计量系统可被 集成到半导体制造系统中。以此方式，计量系统可被用作光刻系统的单个可集成传感器，该 传感器可用于测量散射计量覆盖、CD、膜厚、以及UV双光束成像覆盖。这种计量系统可能满 足16nm技术节点要求。
[0054] 本文中所描述的实施例的一个优点在于，计量系统可被配置为并被用作多功能计 量系统。例如，计量系统被配置成在单个平台上提供不同应用的组合。以此方式，计量系统 可被配置成使用本文中所描述的一种或多种技术来确定晶片上的光栅靶或其他结构（特 征）的一个以上的特性。换句话说，多个计量任务可通过合适的选择或不同计量方法（诸 如散射计量和成像方法）的组合来执行。在一个这种示例中，计算机系统可使用散射计量 测量（使用计量系统来执行）来确定如上所述的光栅靶中的经图案化结构的CD，并且使用 散射计量测量来确定经图案化结构对其他经图案化结构的覆盖，其中其他散射计量测量使 用计量系统来执行、或者成像使用计量系统来执行。在另一个示例中，计算机系统可使用散 射计量测量来确定CD，使用散射计量测量或成像结果来确定覆盖，并且使用椭圆计量测量 来确定薄膜特性。以此方式，本文中所描述的实施例可在一个计量工具中组合以下计量任 务：光学CD计量、光学覆盖计量、以及膜计量。另外，计算机系统可使用本文中所描述的技 术的任何组合来确定本文中所描述的特性的其他组合。
[0055] 在一些实施例中，光学元件被配置成将穿过视场光阑的散射光只定向到检测器的 第一部分。在一个这种实施例中，光学元件被配置成将衍射受限光束的一部分只定向到检 测器的第二部分而未首先将衍射受限光束的该部分定向到晶片，并且检测器的第二部分与 检测器的第一部分不重叠。例如，计量系统可执行一种用于测量并任选地校准、抑制和消除 空间相关噪声的方法，其中来自光源的光的基准部分被定向到计量检测器（例如，CCD或相 机）的一部分，而无需与计量信号重叠。光源的基准部分优选使用与实际信号路径的最大 可能公共路径，而无需从晶片反射。该校准的有利特征在于，它可与信号收集同时进行，并 且它可用于校准在与校准信号相同的时间间隔中所收集的信号。以此方式，计量系统可被 配置成执行到光源的快反馈以稳定其功率和波长。
[0056] 在另一实施例中，光学兀件被配置成将穿过视场光阑的散射光只定向到检测器的 第一部分，而检测器的第二部分看不见光。与检测器的第一部分不重叠的检测器的仅第二 部分所生成的输出由计算机系统用于校准检测器响应于在检测器的第一部分中检测到的 散射光而生成的输出。以此方式，检测器的一部分可用于校准。例如，计量系统可被配置成 执行一种用于使用计量检测器（例如，CCD或相机）未暴露给该系统中的任何光（例如，未 暴露给信号本身）的一部分、照射光束的上述基准部分、或任何其他光来测量并任选地校 准、抑制和消除暗噪声的空间相关部分。该校准的有利特征在于，它可与信号收集同时进 行，并且它用于校准在与校准信号相同的时间间隔中所收集的信号。
[0057] 本文中所描述的实施例还提供可扩展计量系统平台来适应本文中所描述的应用 的未来要求。例如，如上所述，计量系统可包括可见光源。以此方式，计量测量（例如，角解 析散射计量）可在可见光谱区域中执行。然而，角解析散射计量的操作可延伸到近UV或深 UV的光谱区域中。在这种光谱区域中的操作将附加要求赋予所有光学部件，但尤其赋予物 镜。例如，计量系统是可配置的（例如，可集成的、可与诸如从美国加利福尼亚州米尔皮塔 斯市的KLA-Tencor购得的Archer300系列工具之类的其他购得计量系统组合的、可被配置 成只用于成像、可被配置成只用于散射计量等）。此外，由于计量系统可被配置成在光栅靶 上扫描照射斑，因此本文中所描述的计量系统与运行中（on-the-fly)概念兼容（在该实例 中，在其移动的同时测量靶）。
[0058] 另一实施例涉及一种计量方法。计量方法包括在照射光学器件的入射光瞳中以在 晶片平面中距照射斑的中心远于1. 5微米的辐照度小于该斑中心的峰值辐照度的ΚΓ6的方 式使衍射受限光束成形。以此方式使衍射受限光束成形可如本文中进一步描述地执行（例 如，使用如本文中进一步描述的变迹器）。计量方法还包括将衍射受限光束定向到晶片上的 光栅靶上的照射斑。将光束定向到照射斑可如本文中进一步描述地执行（例如，使用本文 中进一步描述的光学元件）。另外，计量方法包括收集来自光栅靶的散射光。收集来自光 栅靶的散射光可如本文中进一步描述地执行（例如，使用本文中进一步描述的光学元件）。 计量方法还包括拒绝来自光栅靶的一部分所收集散射光。拒绝该部分所收集散射光可如本 文中进一步描述地执行（例如，使用如本文中所描述地配置的视场光阑）。计量方法还包括 在拒绝该部分所收集散射光之后检测散射光。另外，计量方法包括响应于所检测的散射光 生成输出。检测散射光和生成输出可如本文中进一步描述地执行（例如，使用如本文中所 描述地配置的检测器）。计量方法还包括使用该输出来确定光栅靶的特性。确定该特性可 如本文中进一步描述地执行（例如，使用如本文中所描述地配置的计算机系统）。
[0059] 该方法还可包括将该方法的任何步骤的结果存储在存储介质中。这些结果还包括 本文中所描述的任何结果（例如，光栅靶的特性），并且可以本领域已知的任何方式存储。 存储介质可包括本领域已知的任何合适的存储介质。在已存储了这些结果之后，这些结果 可在存储介质中访问，并且可如本文中所描述地使用，其中被格式化以显示给用户、由另一 软件�？�、方法、或系统使用等。此外，这些结果可被"永久地"、"半永久地"、临时地存储、或 者被存储一段时间。例如，存储介质可以是随机存取存储器（RAM)，并且这些结果可能在存 储介质中不必无限地持续。
[0060] 以上所述的方法可包括本文中所描述的任何方法的任何其他步骤。另外，以上所 述的方法可由本文中所描述的任何计量系统实施例执行。
[0061] 根据该描述，本发明的各个方面的其他修改和替换实施例对本领域技术人员将变 得显而易见。例如，提供了计量系统以及方法。因此，该描述应当被解释为只是说明性的， 并且出于教导本领域的技术人员实现本发明的一般方式的目的。应该理解，本文中示出且 描述的本发明的形式应当被视为当前优选的实施例。元件和材料可替代本文中示出且描述 的元件和材料，部分和过程可颠倒，并且本发明的某些特征可独立地使用，所有这些对受益 于本发明的该描述之后的本领域的技术人员将是显而易见的。可在不背离以下权利要求书 中所描述的本发明的精神和范围的情况下对本文所描述的元件作出改变。
【权利要求】
1. 一种计量系统，包括： 被配置成产生衍射受限光束的光源； 变迹器，所述变迹器被配置成在照射光学器件的入射光瞳中使所述光束成形； 光学元件，所述光学元件被配置成将所述衍射受限光束从所述变迹器定向到晶片上的 光栅靶上的所述照射斑并且收集来自所述光栅靶的散射光； 被配置成拒绝一部分所收集散射光的视场光阑； 检测器，所述检测器被配置成检测穿过所述视场光阑的散射光并且响应于检测到的散 射光生成输出以使所述光栅靶由所述计量系统使用散射计量来测量；以及 被配置成使用所述输出来确定所述光栅靶的特性的计算机系统。
2. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述光源包括激光和单模光纤。
3. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，由所述光源产生的光具有约190nm至约 900nm之间的波长。
4. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述光学元件包括针对从约150nm到约 lOOOnm波长设计的物镜。
5. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述计量系统被配置成在收集来自所 述光栅靶的散射光的同时跨所述光栅靶扫描所述照射斑。
6. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述散射计量包括角解析散射计量。
7. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述散射计量包括使用多个离散波长 来执行的角解析散射计量。
8. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述散射计量包括光谱散射计量。
9. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述散射计量包括使用多个离散角来 执行的光谱散射计量。
10. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述光学元件还被配置为通过将光从 所述光源定向到所述入射光瞳的仅一个或多个部分而执行光瞳区域选择。
11. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述光学元件还被配置为调制所述光 源，由此选择所述入射光瞳的用于由所述计量系统所执行测量的部分。
12. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述光学元件包括置于所述衍射受限 光束的路径中的偏振器和置于所收集散射光的路径中的分析器，并且其中所述偏振器和分 析器被配置成所述散射计量使用多个偏振状态来执行。
13. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述光学元件包括置于所述衍射受限 光束的路径中的偏振器和置于所收集散射光的路径中的分析器，并且其中所述计量系统被 配置成至少使用所述光源、包括所述偏振器和所述分析器的所述光学元件、以及所述检测 器来执行对所述晶片的椭圆计量测量。
14. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述计算机系统还被配置成使用所述 检测器在所述椭圆计量测量期间生成的输出来确定在所述晶片上形成的膜的特性。
15. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述视场光阑不以所收集散射光沿其 传播的光轴为中心，由此减少所收集散射光在所述检测器上的重影。
16. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述光学元件还被配置成将所收集散 射光的重像集中到所述光学元件的成像光瞳中的局部区域、或跨所述成像光瞳将所述重像 扩散开以减小所述重像的辐照度。
17. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述特性包括所述光栅靶中的经图案 化结构的临界尺寸。
18. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述特性包括所述光栅靶中的经图案 化结构对在晶片上形成的另一光栅靶的经图案化结构的覆盖，并且其中所述光栅靶和所述 另一光栅靶在晶片的不同层上形成。
19. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述变迹器、视场光阑和检测器针对 光瞳成像而配置。
20. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于还包括被配置成生成晶片图像的附加 检测器。
21. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，还包括被配置成生成所述晶片的图像 的附加检测器，其中所述计算机系统还被配置成使用所述图像来确定所述光栅靶的附加特 性。
22. 如权利要求21所述的计量系统，其特征在于，所述特性包括基于散射计量的覆盖， 并且其中所述附加特性包括基于成像的覆盖。
23. 如权利要求21所述的计量系统，其特征在于，所述光学元件包括物镜，所述物镜被 配置成收集来自所述光栅靶的散射光并且被配置成收集用于生成所述图像的来自所述晶 片的光。
24. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述光学元件还被配置成将穿过所述 视场光阑的散射光只定向到所述检测器的第一部分，其中所述光学元件还被配置成将所述 衍射受限光束的一部分只定向到所述检测器的第二部分而未首先将所述衍射受限光束的 所述部分定向到所述晶片，并且其中所述检测器的第二部分与所述检测器的第一部分不重 叠。
25. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述光学元件还被配置成将穿过所 述视场光阑的散射光只定向到所述检测器的第一部分，其中所述检测器的第二部分看不见 光，其中只由所述检测器的第二部分生成的输出被所述计算机系统用来校准所述检测器响 应于所述检测器的第一部分中的检测到的散射光而生成的输出，并且其中所述检测器的第 二部分与所述检测器的第一部分不重叠。
26. 如权利要求1所述的计量系统，其特征在于，所述变迹器被配置成在照射光学器件 的入射光瞳中以在晶片平面中距照射斑的中心远于1.5微米的辐照度小于所述斑的中心 的峰值辐照度的ΚΓ 6的方式使所述光束成形。
27. 如权利要求26所述的计量系统，其特征在于，所述光栅靶上的所述照射斑的直径 小于3微米。
28. 如权利要求26所述的计量系统，其特征在于，所述光栅靶的横向尺寸小于10微米 乘以小于10微米。
29. -种计量方法，包括： 在照射光学器件的入射光瞳中使衍射受限光束成形； 将所述衍射受限光束定向到晶片上的光栅靶上的所述照射斑； 收集来自所述光栅靶的散射光； 用视场光阑拒绝来自所述光栅祀的一部分所收集散射光； 在所述拒绝之后检测所述散射光； 响应于检测到的散射光生成输出，其中所述检测和所述生成是用检测器执行的，所述 检测器被配置检测穿过所述视场光阑的所述散射光并响应于检测到的散射光生成所述输 出以使所述光栅靶由所述计量系统使用散射计量来测量；以及 使用所述输出来确定所述光栅靶的特性。
【文档编号】G01N21/956GK104155313SQ201410437602
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2010年9月1日 优先权日:2009年9月3日
【发明者】D·坎戴尔, V·列文斯基, A·斯维泽, J·塞利格松, A·希尔, O·巴卡尔, A·马纳森, Y-H·A·庄, I·塞拉, M·马克维兹, D·纳格利, E·罗特姆 申请人:克拉-坦科股份有限公司
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