CN1296774C - 光刻装置和器件制造方法 - Google Patents

Abstract

对准系统使用自参考干涉仪，产生两个重叠和相对旋转的对准标记图像。探测器检测图像的傅立叶变换产生干涉的光瞳平面的强度。从两个图像的衍射级相位的差异获得位置信息，所述差异表示在干涉级中强度的变化。通过测量衍射级两侧两个位置处的强度也能够测量不对称性。

Description

光刻装置和器件制造方法

技术领域

本发明涉及一种光刻投射装置，包括：

用于提供辐射投射光束的辐射系统；

用于支撑图案形成装置的支撑结构，所述图案形成装置用于根据所需的图案对投射光束进行图案形成；

用于保持基底的基底台；

用于将带图案的光束投射到基底的靶部上的投射系统；和

具有自参考干涉仪的对准系统，用于投射对准标记的两个重叠图像，这两个图像相对旋转180°。

背景技术

这里使用的术语“图案形成装置”应广义地解释为能够给入射的辐射光束赋予带图案的截面的部件，其中所述图案与要在基底的靶部上形成的图案一致；本文中也使用术语“光阀”。一般地，所述图案与在靶部中形成的器件如集成电路或者其它器件的特殊功能层相对应(如下文)。这种图案形成装置的示例包括：

■掩模。掩模的概念在光刻中是公知的。它包括如二进制型、交替相移型、和衰减相移型的掩模类型，以及各种混合掩模类型。这种掩模在辐射光束中的布置使入射到掩模上的辐射能够根据掩模上的图案而选择性的被透射(在透射掩模的情况下)或者被反射(在反射掩模的情况下)。在使用掩模的情况下，支撑结构一般是一个掩模台，它能够保证掩模被保持在入射光束中的理想位置，并且如果需要该台会相对光束移动。

■程控反射镜阵列。这种设备的一个例子是具有一粘弹性控制层和一反射表面的矩阵可寻址表面。这种装置的理论基础是(例如)反射表面的寻址区域将入射光反射为衍射光，而非寻址区域将入射光反射为非衍射光。用一个适当的滤光器，从反射的光束中滤除所述非衍射光，只保留衍射光；按照这种方式，光束根据矩阵可寻址表面的寻址图案而产生图案。程控反射镜阵列的另一实施例利用微小反射镜的矩阵排列，通过使用适当的局部电场，或者通过使用压电致动器装置，使得每个反射镜能够独立地对于一轴倾斜。再者，反射镜是矩阵可寻址的，由此寻址反射镜以不同的方向将入射的辐射光束反射到非寻址反射镜上；按照这种方式，根据矩阵可寻址反射镜的定址图案对反射光束进行图案形成。可以用适当的电子装置进行该所需的矩阵寻址。在上述两种情况中，图案形成装置可包括一个或者多个程控反射镜阵列。反射镜阵列的更多信息可以从例如美国专利US5,296,891、美国专利US5,523,193、PCT专利申请WO98/38597和WO 98/33096中获得，这些文献在这里引入作为参照。在程控反射镜阵列的情况中，所述支撑结构可以是框架或者工作台，例如所述结构根据需要可以是固定的或者是可移动的。

■程控LCD阵列，例如由美国专利US 5,229,872给出的这种结构，它在这里引入作为参照。如上所述，在这种情况下支撑结构可以是框架或者工作台，例如所述结构根据需要可以是固定的或者是可移动的。

为简单起见，本文的其余部分在一定的情况下具体以掩模和掩模台为例；可是，在这样的例子中所讨论的一般原理应适用于上述更宽范围的图案形成装置。

光刻投影装置可以用于例如集成电路(IC)的制造。在这种情况下，图案形成装置可产生对应于IC一个单独层的电路图案，该图案可以成像在已涂敷辐射敏感材料(抗蚀剂)层的基底(硅片)的靶部上(例如包括一个或者多个电路小片(die))。一般的，单一的晶片将包含相邻靶部的整个网格，该相邻靶部由投影系统逐个相继辐射。在目前采用掩模台上的掩模进行图案形成的装置中，有两种不同类型的机器。一类光刻投影装置是，通过将全部掩模图案一次曝光在靶部上而辐射每一靶部；这种装置通常称作晶片步进器。另一种装置(通常称作分步扫描装置)通过在投射光束下沿给定的参考方向(“扫描”方向)依次扫描掩模图案、并同时沿与该方向平行或者逆平行的方向同步扫描基底台来辐射每一靶部；因为一般来说，投影系统有一个放大系数M(通常＜1)，因此对基底台的扫描速度V是对掩模台扫描速度的M倍。关于如这里描述的光刻设备的更多信息可以从例如美国专利US6,046,729中获得，该文献这里作为参考引入。

在用光刻投影装置的制造方法中，(例如在掩模中的)图案成像在至少部分由一层辐射敏感材料(抗蚀剂)覆盖的基底上。在这种成像步骤之前，可以对基底可进行各种处理，如涂底层，涂敷抗蚀剂和软烘烤。在曝光后，可以对基底进行其它的处理，如曝光后烘烤(PEB)，显影，硬烘烤和测量/检查成像特征。以这一系列工艺为基础，对例如IC的器件的单层形成图案。这种图案层然后可进行任何不同的处理，如蚀刻、离子注入(掺杂)、镀金属、氧化、化学一机械抛光等完成一单层所需的所有处理。如果需要多层，那么对每一新层重复全部步骤或者其变化。最终，在基底(晶片)上出现器件阵列。然后采用例如切割或者锯断的技术将这些器件彼此分开，单个器件可以安装在载体上，与管脚等连接。关于这些步骤的进一步信息可从例如Peter van Zant的 “微 型集成电路片制造：半导体加工实践入门(Microchip Fabrication：A Practical Guideto Semiconductor Processing)”一书(第三版，McGraw Hill PublishingCo.，1997，ISBN 0-07-067250-4)中获得，这里作为参考引入。

为了简单起见，投影系统在下文称为“透镜”；可是，该术语应广义地解释为包含各种类型的投影系统，包括例如折射光学装置，反射光学装置，和反折射系统。辐射系统还可以包括根据这些设计类型中任一设计的操作部件，该操作部件用于引导、整形或者控制辐射投射光束，这种部件在下文还可共同地或者单独地称作“透镜”。另外，光刻装置可以具有两个或者多个基底台(和/或两个或者多个掩模台)。在这种“多级式”器件中，可以并行使用这些附加台，或者可以在一个或者多个台上进行准备步骤，而一个或者多个其它台用于曝光。例如在美国专利US5,969,441和WO98/40791中描述的二级光刻装置，这里作为参考引入。

光刻过程中一关键步骤是将基底与光刻的装置对准，以便掩膜图案的投射图像在基底的正确位置上。由光刻技术制造的半导体和其它器件需要多次曝光，以在器件中形成多层，并且这些层正确地排列非常重要。当成像更小特征时，对重叠的要求以及因此导致的对于对准操作的必要准确度的要求变得更严格。

在如EP-A-0 906 590(该文献在这里作为参考引入)中所述的一公知的对准系统中，在基底上的标记包括两对参考光栅，一个X和一个Y，该两个光栅对具有稍微不同的周期。用空间相干光照射光栅，聚焦所衍射的光并成像在探测器阵列上，不同的衍射级被分开，以使相应正和负衍射级干涉。阵列中每一探测器包括参考光栅和光探测器。当基底被扫描时，探测器的输出呈正弦变化。当来自两个光栅对的信号同时在最大值时，标记被对准。这种类型的系统提供一个较大的动态范围，并且由于使用高衍射级，系统对标记的不对称是不灵敏的。可是，对提供两个具有不同周期的光栅的需求增加了对准标记在基底上所需的空间量。希望使得用于对准标记的这种“硅不动产”(silicon real estate)的量最小，因此不可用于器件的生产。

如EP-A-1,148,390(该文献在这里作为参考引入)所述的另一公知的对准系统中，使用小型自参考干涉仪，产生旋转+90°和-90°的两个重叠的图像，然后该图像在光瞳平面中产生干涉。光学系统和空间滤光器选择并分离第一级光束并且将它们再成像在探测器上。该系统具有许多优点，但是在对准标记中需要180°对称。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的对准系统，优选地本对准系统用单独一个对准标记和/或适应不对称的对准标记，从而能够捕获对准位置。

如开始段落限定的本发明光刻装置可达到上述和其它目的，其特征在于在所述对准系统中进一步包括探测器系统用于检测在所述自参考干涉仪的光瞳平面中多个不同位置的光强。

通过检测光瞳平面的光强，对准系统最大限度地使用可得到的信息。例如，通过检测在光瞳平面中多个衍射级位置的光强变化，可以得出极精细的定位信息。当标记被扫描时，从光强变化中的相对相位获得这种位置信息；不同衍射级以不同空间频率产生光强变化。当数个光强最大值重合时，能够确定一个中心对准位置。可替换地，或者另外，通过测量衍射级相对侧近距离相隔的两个位置的强度，由检测两个强度信号的拍频能够获得粗略位置或者捕获。捕获范围的大小由探测器的间隔确定，探测器相互越靠近，捕获位范围越大。另外，通过检测光瞳平面上暗区相位的变化，能够检测标记中的不对称性并被用于补偿在对准位置中由于不对称引起的误差。

本发明对准系统的特别优点之处在于，它能够利用包括那些在现有技术中公知的各种不同形式的标记，提供有价值的反向兼容性。本发明的对准系统还能够与现有的对准系统直接兼容，以允许最终的用户不经过改进即可使用在先系统的标记的布置和操作。另外，本对准系统可以提供附加特征和更精确的对准。

本发明也可以使用比现有技术具有更高空间频率的新的对准标记，提供改进的对准稳定性和精确性。另外，能够使用单一频率短光栅，来减小属于对准标记的划线通道(scribe lane)的不动产量。

在本发明的实施方案中，可以提供标记的未滤光的照相图像。该图像更清晰，并能够用于如捕获等其它功能。

本发明还能够以模块的形式体现，其中其前部具有严格的稳定要求，其后部具有不严格的稳定要求。在不需要改变前端的情况下，可以修改和改进后部。

根据本发明的另一方面，提供一种器件的制造方法，包括如下步骤：

提供一至少部分覆盖一层辐射敏感材料的基底；

利用辐射系统提供辐射投射光束；

利用图案形成装置来使投射光束其横截面具有图案；

在具有该层辐射敏感材料的靶部上投射带图案的辐射光束；和

在所述投射步骤前或后，用自参考干涉仪与所述基底上的对准标记进行对准，所述自参考干涉仪投射所述对准标记的两个重合图像，所述图像相对旋转180°；

其特征在于所述对准步骤包括在光瞳平面中在多个不同位置测量光强，在所述光瞳平面处所述对准际记的所述图像的傅立叶变换进行干涉。

在本申请中，本发明的装置具体用于制造IC，但是应该明确理解这些装置可能具有其它应用。例如，它可用于集成光学系统的制造，用于磁畴存储器、液晶显示板、薄膜磁头等的引导和检测图案等。本领域的技术人员将理解，在这种可替换的用途范围中，在说明书中任何术语“划线板”，“晶片”或者“电路小片(die)”的使用应认为分别可以由更普通的术语“掩膜”，“基底”和“靶部”代替。

在本文件中，使用的术语“辐射”和“光束”包含所有类型的电磁辐射，包括紫外辐射(例如具有365，248，193，157或者126nm波长)和EUV(远紫外辐射，例如具有5-20nm的波长范围)，和粒子束，如离子束或者电子束和X射线。

附图说明

现在通过举例的方式，参照附图描述本发明的实施方案，其中：

图1表示根据本发明第一实施方案的光刻投射装置；

图2表示本发明第一实施方案对准系统的选择部分，用于解释其工作原理；

图3表示图2所示的对准系统的不同模块；

图4是用于图2和图3的对准系统中的自参考干涉仪的简化侧视图；

图5是用于解释在图4自参考干涉仪光瞳平面中的干涉的图；

图6是用于解释图4所示自参考干涉仪功能的视图；

图7是用于表示不变点的干涉仪输入和输出平面的视图；

图8是用于表示在输出时衍射级旋转的干涉仪输入和输出平面的视图；

图9是用于解释为消除来自产品结构的串扰而采取孔径光阑的对准系统的光学组件的视图；

图10是显示标记和产品结构的孔径光阑轮廓的视图；

图11表示本发明第一实施方案的对准系统的探测布置；

图12表示本发明第一实施方案的对准系统的用于颜色分离的可能的布置；

图13，14和15是用于解释不对称标记的探测的矢量图；

图16是在本发明运行实施例中用于照射一个一维掩膜的光强曲线图；

图17是本发明的所示实施例中一维标记的图；

图18是本发明的实施例中在远场的光强分布图；

图19是作为本发明实施例中所测量相位作为远场角的函数的图；

图20是本发明第二运行实施例中不对称标记的视图；

图21是本发明第二实施例中在远场光强的图；

图22是作为本发明实施例中所测量相位作为远场角的函数的图；

图23是第二实施例中作为远场角的函数的干涉信号的对比图；

图24是本发明第三运行实施例中相位变化的图；

图25是本发明第四实施例中在远场光强的图；

图26是第四实旋例中所测量相位作为远场角的函数的图；

图27A和27B是表示照射光束宽度变化影响的图；

图28是第五实施例中所测量相位作为远场角的函数的图；

图29表示本发明第二实施方案的对准系统的探测布置；

图30是在本发明第二实施方案中解释关于用于捕获的照相功能的图；

图31是表示本发明第三实施方案的对准系统的探测布置；

图32是在本发明实施方案中可使用的级结合棱镜的分解视图；和

图33是表示结合相对级的装配形式中的图32的级结合棱镜视图。

在附图中，相应的参考标记表示相应的部分。

具体实施方式

实施例1

图1是示意地表示本发明具体实施方案光刻投射装置。该装置包括：

辐射系统Ex，IL，用于提供辐射投射光束PB(例如DUV辐射)，在这种具体例子中，该辐射系统还包括一辐射源LA；

第一目标台(掩膜台)MT，设有用于保持掩模MA(例如划线板)的掩膜保持器，并与用于将该掩模相对于物体PL精确定位的第一定位装置连接；

第二目标台(基底台)WT，设有用于保持基底W(例如涂敷抗蚀剂的硅晶片)的基底保持器，并与用于将基底相对于物体PL精确定位的第二定位装置连接；

投射系统(“透镜”)PL(例如折射透镜系统)，用于将掩模MA的辐射部分成像在基底W的靶部C(例如包括一个或多个电路小片(die))上。

如这里指出的，该装置属于透射型(例如具有透射掩模)。可是，一般来说，它还可以是例如反射型(例如具有反射掩模)。另外，该装置可以利用其它种类的图案形成装置，如上述涉及的程控反射镜阵列型。

辐射源LA(例如准分子激光器)产生辐射光束。该光束直接或横穿如扩束器Ex的调节装置后，再照射到照射系统(照射器)IL上。照射器IL包括调节装置AM，用于设定光束强度分布的外和/或内径向量(通常分别称为σ-外和σ-内)。另外，它一般包括各种其它部件，如积分器IN和聚光器CO。按照这种方式，照射到掩模MA上的光束PB在其横截面具有理想的均匀和强度分布。

应该注意，图1中的辐射源LA可以置于光刻投射装置的壳体中(例如当源是汞灯时经常是这种情况)，但也可以远离光刻投射装置，其产生的辐射光束被(例如通过定向反射镜的帮助)引导至该装置中；当光源LA是准分子激光器时通常是后面的那种情况。本发明和权利要求包含这两种方案。

光束PB然后与保持在掩膜台MT上的掩模MA相交。由掩模MA选择性反射的光束PB通过透镜PL，该透镜将光束PB聚焦在基底W的靶部C上。在第二定位装置(和干射测量装置IF)的辅助下，基底台WT可以精确地移动，例如在光束PB的光路中定位不同的靶部C。类似的，例如在从掩模库中机械取出掩模MA或在扫描期间，可以使用第一定位装置将掩模MA相对光束PB的光路进行精确定位。一般地，用图1中未明确显示的长冲程模块(粗略定位)和短行程模块(精确定位)，可以实现目标台MT、WT的移动。可是，在晶片步进器中(与分步扫描装置相对)，掩膜台MT可与短冲程执行装置连接，或者固定。

所表示的装置可以按照二种不同模式使用：

1.在步进模式中，掩膜台MT保持基本不动，整个掩膜图像被一次投射(即单“闪射”)到靶部C上。然后基底台WT沿x和/或y方向移动，以使不同的靶部C能够由光束PB照射。

2.在扫描模式中，基本为相同的情况，但是所给的靶部C没有暴露在单“闪射”中。取而代之的是，掩膜台MT沿给定的方向(所谓的“扫描方向，例如y方向”)以速度v移动，以使投射光束PB扫描整个掩膜图像；同时，基底台WT沿相同或者相反的方向以速度V＝Mv同时移动，其中M是透镜PL的放大率(通常M＝1/4或1/5)。在这种方式中，可以曝光相较大的靶部C，而没有牺牲分辨率。

为了能够在基底的正确位置上曝光，光刻装置包括对准传感器10，它能够精确地测量设置在基底W上的对准标记WM的位置。具体是，对准传感器被固定，保持在基底台WT上的基底W在其下被扫描，直至由对准传感器捕获对准标记WM。然后，当基底上的对准标记与对准传感器正确对准后，通知基底台的位置。对准传感器10是一个离轴传感器，意思是其照射对准标记并直接而不通过投射系统PL来检测反射光。对准传感器10可以设置在曝光位置或者在单独的测量位置或者在上述两个位置上。在后者的情况中，对准传感器可以用于测量在基底上的对准标记相对固定在基底台WT上的参考标记(基准)的位置。一旦基底台已转移到曝光位置，就测量基底台参考标记相对投射系统PL的位置，并据此得出基底记相对投射透镜的位置。如果对准传感器设置在曝光位置，本方法也可以使用，另外，可以精确地获知在对准传感器中参考标记相对投射透镜的位置，以使在基底上的对准标记的位置能够直接被确定。一般地，至少测量基底上的两个对准标记的位置，以确定基底的确切位置和取向。也可以在扫描曝光初始和结束时使用对准系统，以核实已进行的扫描是在正确的位置上。

图2是对准系统10的总体示意图。光源11发射辐射的空间相干光束，它照射标记WM，标记WM反射该辐射成为正和负衍射级+n，-n。它们由物镜12准直并进入自参考干涉仪13，物镜12可以具有高的NA，例如＝0.6，允许使用具有850nm波长的辐射照射检测1.5μm的小间距标记。自参考干涉仪以相对180°旋转输出输入信号的两个图像，它们是重叠的，因此能够形成干涉。在光瞳平面14中，可以看到这些图像的重叠傅立叶变换按照不同衍射级被分开，并且可以形成干涉。在光瞳平面的探测器15检测干涉的衍射级，来提供位置信息，下面将进一步解释。图2右边的部分表示重叠图像的形成：一图像+n’，-n’相对输入级+n，-n旋转+90°，第二图像+n”，-n”旋转-90°。

图像旋转器和干涉仪13形成对准系统的核心，并且在图2中所示作为一个黑匣子。下面给出这部分的详细说明。对准系统10具有的优点是可获得整个光瞳平面14的相位信息，并能够用适当的探测器阵列15进行测量。结果是它提供了选择标记的自由度即对准系统可以对准任何一个具有基本上180°旋转的对称的标记。事实上，如下面的讨论，一定量的不对称能够被适应和检测。

对准系统10另一个具有吸引力的特征是它的模块化，如图3所示，自参考干涉仪13和物镜12形成一个需要稳定的紧凑的单元(前端10a)。该前端10a产生含有位置信息的两个重叠的波前。光瞳平面14中相位差异的实际测量是在传感器的后端10b中进行。该后端10b在稳定性上具有不严格的技术要求，因为位置信息已经在前端10a进行编码。非关键的后部10b包括探测器构造15，光源多路复用器11和波长多路分配器16，以允许使用多个波长。该结构决定终端用户可使用的功能性。

一个重要优点是后端10b的设计变化不影响关键的前端10a。例如如果需要不同的波长或者不同的光栅周期，前端10a仅需要设计一次，而不需要再设计。

前端10a包括干涉仪13，用于照射光束的分光器17，四分之一波长板18和物镜12。也可以使用一个具有小的中心镀银区域的有角度的平板代替分光器，将照射光束反射到对准标记上。后部10b可以各种不同的形式来实现，但是主要包含完成下述功能的元件：偏振器19，以产生干涉图案(重叠的光束被正交偏振)；孔径光阑20防止产生串扰；波长多路分配器16，以在探测器侧分离各种不同的波长；和一个探测器阵列15a-15b。如下面所述，也可以选择孔径光阑的形状来避免级间串扰。

整个光瞳面的可用性和后部的模块化允许构成灵活的对准传感器。用相对小的设计工作可以添加新的功能，并且该传感器与其它对准传感器在应用程度上是可兼容的，允许用户继续使用其操作，包括掩膜和机械设定，对于装置用其它对准传感器进行开发。

自参考干涉仪13完成相对重叠衍射级的干涉。该干涉仪是检测理论的一个关键部分，因为所述干涉仪的漂移或者不稳定性降低对准精度。图4是干涉仪的一个侧视图，并包括3个主要部分：一个偏振分光器(PBS)131，以分离和再组合入射波前；两个棱镜132，133，按照90°的方式反射和旋转入射波前。已反射和旋转的波前也被侧向地移动。而且偏振被旋转了90°。为了将漂移最小化，干涉仪13由固态玻璃制成，独立部分131，132，133用胶粘在一起。具体地，干涉仪13可以由两块固态玻璃部分制成，每一部分包括棱镜132，133中的一个和半个分光器131，它们沿分光器131的反射面131a用胶粘在一起。

图4中实心箭头表示入射波前的单个光束的射线轨迹，而空心箭头表示入射波前方位而不是偏振面。跟踪射线轨迹和波前方位显示两个棱镜都将波前顺时针旋转90°。两个再组合波前已相互获得净180°的旋转，且是正交平面偏振的。

旋转棱镜的进一步详细工作在上面提及的EP-A-1,148,390中描述。它可以表示成棱镜能够模制成作为反射和旋转任何入射光束的光学元件。

为了解释干涉仪的工作，图6表示了一个进入干涉仪13的具有箭头形状目标134的矩形输入面。输入目标134由分光器131分离，并进入两个旋转棱镜132，133。为方便起见，第二旋转棱镜133也显示为在分光器平面中镜像为虚线133’。该方法简化说明，因为我们现在有两个重叠的干涉分部：第一棱镜的“实部”和第二棱镜的“虚部”。

由于干涉仪13的对称性，两个棱镜132，133的虚镜面135重合。可是，两个棱镜的旋转轴136，137在干涉仪13中心线138相对的两侧。虚镜面135产生一个入射目标134的虚像134’。在图中镜像134’用空心箭头表示。可是，所述像显示在这里仅是为方便起见，并且因为两棱镜的额外旋转，实际上所述像是不存在的。

两个旋转轴136，137位于干涉仪13分支中心的相对两侧。结果，像以相对的方向旋转。+90°旋转和-90°旋转分别产生交叉影线的和斜阴影线的箭头139a，139b。两个箭头方向相反(所以纯旋转是180°)，箭头的尾部相连，它表明尾部的位置是干涉仪的不变点。

图7表示不变点的结图案形成。干涉仪具有宽为a高为2a的矩形输入和输出面。进入干涉仪的区域占用干涉仪的顶部的一半(输入区域)，其越过对称的中心被向下反射，并由棱镜旋转+90°和-90°。这些重叠的区域在输出区域中出现。如图所示所述旋转轴分开的距离为a。不变点IP存在于输入区域的正中心处，这容易用图示的方式证实。

绕不变点IP的同心圆以相对180°的旋转成像在其自身上，如交叉和斜的阴影线部分所示。在输入和输出距离a上横向位移的好处是可防止光反馈到对准辐射源(例如激光器)中。

现在容易看到重叠的衍射级是如何用所述干涉仪产生的。零级被投射到辐射的不变点，并且如图8所示偶数和奇数衍射级绕该点旋转。

对准系统10需要空间相干光源，优选是激光器，因为热和气体放电光源通过丧失许多光才能够产生空间相干。为了避免一些干涉问题优选使用短的时间相干性的光束。

因此，优选光源11是激光二极管，因为这种二极管是空间相干的，并且它们的相干长度能够易于因为对诸如电流采用RF调制而受损。理想的是用几个如532nm，635nm，780nm和850nm不同频率照射。如同二极管在这些频率发射一样，也可以使用倍频率光源，如带有相调制器的倍频率Nd:YAG激光器(参见EP-A-1 026 550这里引入作为参考)，或者光纤激光器。

两个相矛盾的技术要求引导照射的光学设计。为了获得最大信号强度和产生最小串扰，仅仅照射标记的小光斑是理想的。另一方面，小光斑使捕获方法复杂化。而且，对准精度由于光斑的位置变化受到很大影响。

用孔径光阑和高功率可用激光器能够有效抑制产生的串扰，对准的性能很少由信号强度限制。为此，照射光斑的尺寸应至少大于标记的尺寸。假设标记的尺寸等级是50×50μm²，所需捕获范围是相同等级的，则适合的光斑直径等级是100μm。

关于照射光斑的形状，在光瞳平面照射光束的角范围再一次存在矛盾的技术要求。光束角的尺寸必须尽可能保持小，以允许使用粗光栅作为标记。可是，小的角范围导致过大的照射光斑，所以在角范围和光斑形状之间必须进行优化权衡。16μm光栅的第1级对于λ＝633nm在40弧度的角度衍射。为了测量这种低的空间频率，照射光束的角范围必须限制在约40mrad的直径。

在对准系统10中，照射光斑是圆偏振的，以能够对用图3所示的偏振分光器17和零级四分之一波长板18照射并检测光束进行分离。

对于具有大于照射光束波长的间距的粗光栅，偏振的选择不太重要。可是，在标记的间距与波长是相同等级时，衍射效率取决于偏振度，并且在极端情况下，对准标记能够作为偏振器，仅衍射偏振成分。对于这种标记，圆偏振光是有利的。在线性偏振光的情况下，总是发生光栅的效率在某一具体方位非常低的情况。圆偏振光包括两个正交的偏振成分(具有90°相移)，所以总是有一成分将光束进行有效衍射。

为了抑制寄生反射，可以对偏振分光器17和四分之一波长板18施加一个较小的倾斜。倾斜角度必须仔细选择，以使由该倾斜引入的像差为最小。当然，也可以在物镜的设计中校正这种像差。

干涉仪产生光瞳的两个正交偏振(虚)像E(k)，其中k是空间频率。在光瞳平面14的整个光学区域是原始区域加上所述区域180°旋转后的区域。光瞳平面的强度是：

I(k，x₀)＝|E_P(k，x₀)+E_P(-k，x₀)|²                      (1)

如果用宽度为2Δk的两个探测器15置于光瞳平面14中的k＝k₀和k＝-k₀的位置，那么由这些探测器捕获的光强度P₁和P₂由下式给出：

$P_1\left(x_0\right)=\underset{-k_0-\mathrm{\Δk}}{\overset{{-k}_0+\mathrm{\Δk}}{\∫}}{\left|E_P(k,x_0)\right|}^2\mathrm{dx}+\underset{-k_0-\mathrm{\Δk}}{\overset{-k_0+\mathrm{\Δk}}{\∫}}{\left|E_P(-k,x_0)\right|}^2\mathrm{dk}$

$+\underset{-k_0-\mathrm{\Δk}}{\overset{-k_0+\mathrm{\Δk}}{\∫}}{E}_P(k,x_0)E_P^{*}(-k,x_0)\mathrm{dk}---\left(2\right)$

$+\underset{-k_0-\mathrm{\Δk}}{\overset{-k_0+\mathrm{\Δk}}{\∫}}{E}_P^{*}(k,x_0)E_P(-k,x_0)\mathrm{dk}$

$P_2\left(x_0\right)=\underset{-k_0-\mathrm{\Δk}}{\overset{{-k}_0+\mathrm{\Δk}}{\∫}}{\left|E_P(k,x_0)\right|}^2\mathrm{dx}+\underset{-k_0-\mathrm{\Δk}}{\overset{-k_0+\mathrm{\Δk}}{\∫}}{\left|E_P(-k,x_0)\right|}^2\mathrm{dk}$

$+\underset{-k_0-\mathrm{\Δk}}{\overset{-k_0+\mathrm{\Δk}}{\∫}}{E}_P(k,x_0)E_P^{*}(-k,x_0)\mathrm{dk}---\left(3\right)$

$+\underset{-k_0-\mathrm{\Δk}}{\overset{-k_0+\mathrm{\Δk}}{\∫}}{E}_P^{*}(k,x_0)E_P(-k,x_0)\mathrm{dk}$

图5表示信号形成图。因为反射镜的工作，水平阴影区域重合并干涉，斜线阴影区重合并干涉。两个区域之间相差异包含位置信息。

光瞳的两个像是正交的线性偏振，并且因此不能以强度变化(干涉条纹)的形式看见它们之间的干涉。为了在强度变化中转换相变，光瞳的两个像必须具有用偏振的光学元件获得的相同的偏振度，所述偏振的光学元件可以是二向色片偏振器，基于多层涂层的正则偏振分光器，或者是双折射分光器如Savart板，Wollaston棱镜，Glan-Taylor分光器或者“线栅”偏振器。

不优选二向色片偏振器，因为它们的光学品质有限，并且经常在近红外区失效。而且，这些片状偏振器丧失50％的光子。多层分光器较好，但是实现好的消光比的波长范围可能受到限制。双折射分光器在大的波长范围上具有极好的消光比，但是双折射可导致温度漂移，因为双折射取决于温度。

如果分光器用作偏振器19。那么其上的场入射具有Jones矢量：

$\stackrel{\→}{J}=\left(\begin{array}{c}E\left(k\right)\\ E\left(k\right)\end{array}\right)---\left(4\right)$

偏振分光器的方位相对E(k)和E(-k)取向45°，所以由分光器透射的强度I₁(k)，和耦合出的强度I₂(k)是：

如所看到的，在反相位中两个强度不同，整个强度等于入射到分光器上的强度。因此，两个分支包括位置信息并且能够用于对准。这意味着对于x位置检测使用一个分支，对于y位置检测使用另一个分支是可能的，允许为避免产生串扰而使用矩形孔径光阑。另外，为了进行精细对准，一分支可以使用小的孔径光阑，并且为了捕获，另一分支使用大的孔径光阑。进一步可代替的是为一组波长使用一分支，为另一组波长使用另一分支。

对准标记通常位于划线通道中，非常接近产品结构，这会导致产生串扰：由产品而散射的光影响对准信号。通过使用足够小的照射光束能够强烈地减弱所产生的串扰。可是，由于各种因素小的照射光束是不优选的。用小的照射光束，照射光斑位置的稳定性变得更关键。例如，在扫描光斑的极端情况下，照射光斑的漂移直接导致对准位置的漂移。另外，捕获成为更关键的因素，因为在基底W位于基底台WT上后，标记照射状况不良的机会很大。最终就需要较大的照射NA，这样就更需要检测粗光栅。

因此，理想的是使用大的照射光斑，例如用约3倍于最大标记直径的1/e²宽度。这种大光斑的结果是产品结构被照射，并且在标记上的光强度减小。可是，因为能提供足够强的光源，所以后者不是严重的问题。

用如图9所示置于标记的中间像处的孔径光阑能够解决产品串扰的问题。因为对准系统10不需要空间滤光，并且物镜12的高NA能保证标记的像清晰，孔径光阑20可以对产品串扰提供非常有效的抑制。

因为干涉仪具有旋转棱镜，标记的两个像被投射到孔径光阑20上：正像MI-1和倒像MI-2。当标记被扫描时，这些像以相反方向移动。在扫描方向中，孔径光阑20必须足够长以包含全部标记。在非扫描方向(例如与划线通道成直角的方向)，孔径光阑20可以任意窄。所述孔径光阑的实际宽度要在产生串扰和信号强度之间权衡。

在标记扫描期间，当标记的像在孔径(视场)光阑的边缘重叠时，能够发生衍射效应。当这一现象发生时，被检测的信号是标记的虚象的卷积和视场光阑的窗口函数。如果视场光阑有清晰的边缘，那么部分衍射级漏入相邻的衍射级中，引起串扰。该串扰能够通过在扫描方向对视场光阑的变迹法，即在视场光阑上提供“软”边缘来抑制。在视场光阑上提供“软”边缘的可能的方法包括：在视野边缘处形成透射率梯度，鲨鱼牙形状的视野边缘，倾斜边缘或者圆形边缘。如果使用鲨鱼牙形状，空间频率必须足够高，以在非扫描方向避免衍射效应。倾斜或者圆形边缘需要标记在非扫描方向比视场光阑宽，但是通常是这种情况，因为视场光阑也是防止产生串扰的。倾斜或者圆形边缘是优选的，因为通过适当选择视场光阑的形状，能够获得任何理想的窗口函数。

在基底W固定在基底台WT上后，为了捕获需要进行粗对准。在y粗对准期间，可出现大的x偏移Δx，这会形成图10所示情况。轮廓线所示的标记WM和产品结构PS的实际位置可以会与期望位置相关偏移Δx，如图交叉线部分所示。如果孔径光阑20的宽度等于划线通道的宽度，SL-W，来自产品结构PS的光束能够漏过孔径光阑20。因此该孔径光阑20的宽度小于划线通道的宽度。

实际上对于x和y方向理想的是具有矩形孔径光阑。偏振分光器19的两个输出能够被用于如上所述的这2个方向。另外空间光调制器(SLM)，例如LCD阵列，能够用作程控孔径光阑。SLM的光学品质不是关键的，因为位置信息已经在干涉仪中编码。

根据本发明，探测器阵列15位于光瞳平面中，优选地是在孔径光阑20后的光瞳平面22中。最简单的探测器结构如图11所示。为了简化仅表示最低的3级和一个波长。而且，未表示零级。两个多模探测器光纤23收集来自每一级的光。离开这两光纤的光与一多模光纤24耦合，并且送入远距离的光探测器25中。

本方法是简单的且提供与公知的传感器相兼容的功能性。可是，因为物镜12的NA高，通过设置额外的波长输出或者额外的级，容易添加额外的功能。

为了使标记间距更灵活或者允许测量非周期的标记，例如箱或者框架，可以使用探测器阵列。该探测器阵列也提供精确检测如下面讨论的不对称检测的可能性。对于这些探测器阵列，可以有多种选择：多模光纤束，每通道不连续结探测器，或者CCD或者CMOS(线性)阵列。

多模光纤束的使用能使任何损耗元件为了稳定的原因远距离设置。不连续结探测器提供大的动态范围，但每个需要独立的前置放大器。因此限制了元件的数量。CCD线性阵列提供能够高速读出的多个元件，并且如果使用相位跃变检测是特别有益的。

如果为了最大的灵活性需要获得二维数据，且要求高度并行性，增加了电子线路的复杂性。如果数据的获得限制在两个正交方向，以便能够使用探测器阵列，那么可能具有很大灵活性。

如上所述，标记优选地由几个必须单独检测的不同波长照射。可以使用二向色的光纤系统以分离不同的颜色。另外，炫耀光栅能够作为色散元件使用，并为添加额外的波长提供灵活性。炫耀光栅具有锯齿形光栅形状，它们具有仅在一级中衍射大部分光的性能。使用炫耀光栅26的布置如图12所示。探测器15重新位于光瞳平面22中。微弱的零级可用作照相机27的输入。如果炫耀光栅针对第1级进行优化，并且具有间距P_b，那么第1级的衍射角度为：

$\sin \left({\mathrm{\θ}}_d\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{P_b}---\left(7\right)$

由所需波长间隔确定光栅间距的选择。如果波长间隔是Δλ，那么相应角波长色散为：

${\mathrm{\Δ\θ}}_d=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\sqrt{P_b^2-{\mathrm{\λ}}^2}}---\left(8\right)$

光阑20的限定宽度w产生一角散度为：

${\mathrm{\Δ\θ}}_w=\frac{\mathrm{\λ}}{w}---\left(9\right)$

由于衍射(Δθ_d＞Δθw)的产生，利用波长色散必须大于角发散的要求：

$\mathrm{\Δ\λ}>\mathrm{\λ}\sqrt{\frac{P_b^2-\mathrm{\λ}}{w^2}}---\left(10\right)$

最短波长在波长间隔上要求最高。例如，如果w＝20μm，各种不同波长的波长间隔由下表1给出：

                   表1

Δλ[nm]，@w＝20μm
				λ[nm]	Pb＝1.5μm	Pb＝1.2μm	Pb＝1.0μm
532	37	29	23
				633	43	32	25
780	50	36	24
				850	53	36	22

炫耀光栅通常绕中心波长优化。在这种情况下，中心波长是(532+850)/2＝691nm。在波长范围的极限值(532和850nm)处光栅的效率将降低。但是，这是可接受的，因为在这些波长处可使用的激光器的能量非常高。而且，在这些波长处产生的零级衍射可以用于摄影像。

通常标记在相位光栅对准期间被扫描。该扫描运动以瞬时频率2k_xv_x而在载体上产生相位差：

          I(k，t)＝I₀+I₁cos(_k-_-k+2kv_xt)             (11)

根据下式解调信号产生标记位置：

当标记被扫描时，它沿光阑移动。结果在划线通道中和相邻的标记的结构移入探测孔中，并且这可以改变对准信号。这种失真与产品串扰类似，通过在划线通道中(计量学)标记之间进行适当分离，能够避免上述问题。

可是，在引入载体频率时才需要扫描，所需载体频率用于精确的相位测量。通过使用可变的衰减器，可利用相位调制干扰测量，同时提取相位信息_k-_-k。该技术中标记保持不动，衰减器用于在光瞳平面给干涉图案施加一个公知的相变ψ(t)：

I(k，t)＝I₀+I₁cos(_k-_-k+ψ(t))    (13)

实际上可以使用两种形式的相位调制：导致傅立叶变换干涉测量和谐波相位调制的等距离相位跃变

$\mathrm{\ψ}\left(t\right)=\widehat{\mathrm{\ψ}}\cos \left(\mathrm{\Ωt}\right)$

相位调制干扰测量的应用可以将计量结构(如对准标记)更密集的包装在划线通道中。应该注意相位调制干扰测量也可以使用其它形式的对准传感器。

如下面将要描述的，可以在光瞳平面中从光束的相位测量标记的不对称性。首先，描述理论背景，然后是一些实施例结果和实际执行过程。

由标记反射的复合近场是：

E_nf(x，x₀)＝E_ill(x)r(x-x₀)      (14)

E_ill(x)是固定照射光束的复合光场，r(x-x₀)是具有x₀偏移的标记的复合振幅反射率。该偏移是必须用对准传感器测量的未知标记的位置。

复合的反射近场总是被分解成具有x₀偏移的对称(＝偶数)和反对称(＝奇数)函数。所以没有大部分损失，我们可以写成：

E_nf(x，x₀)＝a_e(x-x₀)+a₀(x-x₀)+j[b_e(x-x₀)+b₀(x-x₀)]

          ＝a_e(x-x₀)+jb_e(x-x₀)+a₀(x-x₀)+jb₀(x-x₀)     (15)

下标‘e’和‘o’分别用于表示偶和奇函数。通过定义，这些函数具有f_e(x)＝f_e(-x)和f_o(x)＝-f_o(-x)的性质。注意该近场的表达式完全是通用的，没有以任何方式进行限制。换言之，近场的上述说明适用于所有处理效果和照明不完整性。

光瞳的场E_p(k，x₀)是E_nf(k，x₀)的傅立叶变换(FT)：

$E_p(k,x_0)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{E}_{\mathrm{nf}}(x,x_0)e^{-\mathrm{jkc}}\mathrm{dx}---\left(16\right)$

偶函数的FT是偶的实的，奇函数的FT是奇的虚的。这些函数的基本性质对于光瞳中的场产生下述表达式：

E_p(k，x₀)＝[A_e(k)+jB_e(k)]e^jkx0+[jA_o(k)-B_o(k)]e^jkx0    (17)

真值函数A_e(k)，A_o(k)，B_e(k)和B_o(k)是函数A_e(k)，a_o(k)，b_e(k)和b_o(k)的傅立叶变换。该等式在这个通用公式中完全没有意义。但是，通过考虑许多具体情况，如对称振幅物体(除a_e(x)≠0所有项是零)，对称的复杂物体，或者不对称复杂物体(所有项≠0)得出E_p(k，x₀)的一些有用的性质是可能的。

对称振幅标记的光瞳中的场是

E_p(k，x₀)＝Ae(k)e^jkx0             (18)

光瞳平面中相位以k线性变化并且仅是标记位置x₀的函数：

(k)＝kx₀                        (19)

振幅A_e(k)是一个k的偶函数，并与标记的位置无关。对于具体的简单的标记类型，通过测量E_p(k，x₀)的相位斜度能明确地确定位置：

对于具有复合反射系数的对称的标记，在光瞳的场变成：

E_p(k，x₀)＝[A_e(k)+jB_e(k)]e^jkx0

         ＝I_e(k)e^{j[Ψe(k)+sxo]}    (21)

强度I_e(k)和相位ψ_e(k)是两个偶函数，由下式给出：

I_e(k)＝A² _e(k)+B² _e(k)              (22)

Ψ_e(k)＝arg(A_e(k)+jB_e(k))         (23)

在光瞳中的相位不再是直线，所以在光瞳平面任意两点间的相位测量不一定导致正确的位置测量。可是，它能够容易地表示光瞳中两个共轭点间的相位差异，该共轭点k和-k与标记形状无关并且仅由标记位置确定。所以对准系统10在光瞳平面的强度是：

$I\left(k\right)={|E_p(k,x_0)+E_p(-k,x_0)|}^2$

$=I_e\left(k\right)+I_e(-k)+2\sqrt{I_e\left(k\right)I_e(-k)}\cos ({\mathrm{\ψ}}_e\left(k\right)-{\mathrm{\ψ}}_e(-k)+{2\mathrm{kx}}_0)---\left(24\right)$

$=I_e\left(k\right)+I_e(-k)+2\sqrt{I_e\left(k\right)I_e(-k)}\cos \left({2\mathrm{kx}}_0\right)$

必须注意，上述等式描述的是具有相对空间频率的点正好重叠的理想状态。在对准系统10中，当标记倾斜时，在光瞳中的重叠场以相反方向移动。所以在标记小倾斜(或者不良传感器调节)的情况下，我们发现在光瞳中的强度为：

$I\left(k\right)={|E_p(k+\mathrm{\Δk},x_0)+E_p(-k+\mathrm{\Δk},x_0)|}^2$

$=I_e(k+\mathrm{\Δk})+I_e(-k+\mathrm{\Δk})+2\sqrt{I_e(k+\mathrm{\Δk})I_e(-k+\mathrm{\Δk})}\cos ({\mathrm{\ψ}}_e(k+\mathrm{\Δk})-{\mathrm{\ψ}}_e(-k+\mathrm{\Δk})+{2\mathrm{kx}}_0)$

$=I_e(k+\mathrm{\Δk})+I_e(-k+\mathrm{\Δk})+2\sqrt{I_e(k+\mathrm{\Δk})I_e(-k+\mathrm{\Δk})}\cos (2\frac{{\mathrm{d\ψ}}_e\left(k\right)}{\mathrm{dk}}\mathrm{\Δk}+{2\mathrm{kx}}_0)---\left(25\right)$

偶函数的导数总是一个奇函数，我们能够看到如果该偶相位变化有一个抛物线成分，将引入附加线性相位变化。所述线性相位变化引起对准偏移。该观测是基于聚焦相关影响的另一描述。当标记被散焦时，在光瞳平面的场获得一个抛物线的相位变化，当标记倾斜时，产生对准偏移。

对于具有复合反射系数的不对称际记，光瞳中的场变成：

E_p(k，x₀)＝[A_e(k)+jB_e(k)]e^jkx0+[jA_o(k)-B_o(k)]e^jkx0

         ＝[Z_e(k)+Z_o(k)]e^jkx0

         ＝[|Z_{o |}e^jψe(k)+|Z_oe|e^jψ1(k)]e^jkx0    (26)

不对称部分的振幅由下式给出：

$\left|Z_{\mathrm{oe}}\left(k\right)\right|=\sqrt{A_o^2\left(k\right)+B_o^2\left(k\right)}---\left(27\right)$

该等式表示振幅必须是一个偶函数，所以|Z_oe(k)|＝|Z_oe(-k)|。

相位2Pi由下式给出：

ψ_i(k)＝arg(jA₀(k)-B_o(k))                       (28)

由于A_o(k)和B_o(k)的奇性质，相位ψ_i具有如下性质：

ψ_i(k)＝ψ_i(-k)+π                              (29)

由于不对称性，光瞳中场的振幅变化，并且引入附加相位项(k)：

E_p(k，x₀)＝Z(k)e^jkx0

         ＝|Z|e^{j(ψe(k)+φ(k))}e^jkx0             (30)

图13阐明Z是如何构成的。该图还表示通过不对称成分Z_o(k)，如何引入附加相位项(k)。图13表示相位项(k)具有(k)(-k)≤0的性质，所以(k)总是包含一个奇成分和也许一个小的(但不相关的)偶成分。

不给不对称的类型施加任何限制，我们能够得出相位项(k)和振幅Z(k)：

$\left|Z\left(K\right)\right|=\sqrt{{\left|Z_e\left(k\right)\right|}^2+{\left|Z_{\mathrm{oe}}\left(k\right)\right|}^2+2\left|Z_e\left(k\right)\right|\left|Z_{\mathrm{oe}}\left(k\right)\right|\cos ({\mathrm{\ψ}}_i-{\mathrm{\ψ}}_e)}---\left(32\right)$

这些等式十分复杂，因为没有进行关于不对称特性的假设。有两个特定情况，能够阐明这些等式的用途。在第一种情况下Z_e(k)垂直Z_oe(k)。在这种情况下，

${\mathrm{\ψ}}_i\left(k\right)-{\mathrm{\ψ}}_e\left(k\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(33\right)$

其产生

$\left|Z\left(K\right)\right|=\sqrt{{\left|Z_e\left(k\right)\right|}^2+{\left|Z_{\mathrm{oe}}\left(k\right)\right|}^2}---\left(35\right)$

对于这种情况，我们能够写出相位和振幅

(k)＝-(-k)                            (36)

|Z(k)|＝|Z(-k)|                           (37)

所以相位是一个纯奇函数，当在空间频率k处测量时，其导致对准误差。图14表示该第一种情况。

在第二种特定情况中，Z_e(k)平行于Z_oe(k)，所以

ψ_i(k)-ψ_e(k)＝0(k＞0)

ψ_i(k)-ψ_e(k)＝π(k＜0)                   (38)

其产生

(k)＝0

|Z(k)|＝|Z_e(k)|+|Z_oe(k)|    (k＞0)

|Z(k)|＝|Z_e(k)|-|Z_oe(k)|    (k＜0)        (39)

对于这种情况，不对称不引入反对称相位项(因此无相位误差)但其导致振幅的不对称性。这在图15中表示。

(k)的表达式太复杂，使其不能连续使用。可是，如上所述，我们能够将其分解成对称的和反对称的部分：

(k)＝_e(k)+_o(k)

因为奇相位变化被检测，所以偶相位变化是不相关的。而且，如上所述，位置信息包括在光瞳平面纯相位的倾斜中，那么我们仅需要考虑以k线性变化的相位项。

由对准系统10检测的整个相位变化Ψ_d(k)是：

ψ_d(k)＝_e(k)-_o(-k)+2kx₀

      ＝2(c₁+x₀)k+2c₃k³+2c₅k⁵+…+2c_2n+1k²ⁿ⁺¹+…    (41)

该等式说明在对准中标记不对称的一个重要和非常基本的问题是：在光瞳中相位斜度不再由标记位置x₀明确地确定，但还由通过项c₁以未知不对称性确定。

幸运地，被测相位Ψ_d(k)的较高阶项(c₃，c₅等)仅是未知不对称性的函数，因此存在一个该问题的解决办法。较高阶项的测量可以提供线性不对称性项c₁的确定。

在多数情况下，光瞳中的场包括亮区(大振幅|Z|)和暗区(小振幅|Z|)。例如，亮区对应50％工作循环光栅的奇衍射级。这种光栅的偶级是暗区。在亮区中，我们有|Z_e|＞＞|Z_oe|，并且由不对称性引入的相位变化是小的，大致为：

通常(k)是非常小的，并且几乎不会以可能由过程变化引起的不对称性中的小变化而变化。理论上亮区可以用于测量较高阶项，但是测量精度过于受到限制。

然而光瞳中的场的暗区情况完全不同。在这些区域|Z_e|≈|Z_oe|，并且由于过程的不同引起的不对称性中的小变化导致相位大变化，因为：

如我们所看到的，当Z_oe(k)的大小可与Z_e(k)相比的时候，相位随k强烈变化。

现在参照一维实施例将进一步解释不对称性检测的理论。标记用如图16所示的强度曲线照射。入射光栅的光强度是1mW，全部宽度约是100μm。照射光束的波长为633nm。

标记是一个孤立的2μm宽的条，深度是40nm，如图17所示。其居中在250nm处。该实施例是一维的，所以条在y方向无限延伸。该条的反射系数是唯一的。后面将讨论该条向周期性结构(即光栅)的延伸。

该条具有相对小的相位深度，与照射光斑(注意图16和17的尺度是不同)的宽度相比也是非常小的。因此，所反射的光具有较强的镜面反射，并只有非常少量的光被衍射。如图18可清楚地表明远场的强度分布。

强的镜面峰值清楚可见，并达到1.5×10^-4W/1.3mrad的最大强度。镜面反射的全部宽度是20mrad，它可以通过积分来验证，实际上所有入射能量都被镜面反射。衍射光达到仅为1.5×10^-7W/1.3mrad的最大强度，所以具有5mrad孔径的探测器捕获仅0.6μW全部光强度。如果是2μm宽的条以4μm的周期被重复，对于将是第二衍射级的位置的sin(θ)≈0.32，强度为零。

标记是完全对称的，所以由对准系统10检测的相位差异将产生完全直的线，其斜率与标记的位置成比例。在图19中能够清楚地表示所测量的相位作为远场角度的函数。

小尖峰是在零强度点的数值异常。实际上这些点与在零强度区域产生的相位特异点相应。除这些数值异常点之外，可以清楚地看到相位是一具有零斜率的直线，它表示标记处在对准位置。

可是，我们现在通过增加传统的屋顶部分(rooftop)引入少量不对称性，例如我们用4nm的屋顶部分，使标记的形状如图20所示。

图21表示在光瞳平面光的强度。与对称情况相比，其形状几乎没有变化。可是，暗区的强度已大大增强。已经表明在光瞳平面‘暗’区的变化是一个不对称(变化)的好的指示器。

暗区的强度达到约2×10^-11W/1.3mrad的最小值。这是非常低的强度，为了能够在该区域测量，有用的是计算在测量期间实际捕获了多少光子。假设1mrad的检测角度和30ms的捕获时间，获得所有光子的能量为4.6×10^-13J。一个光子的能量约为3.13×10^-19J，所以入射到探测器上的所有光子的总量是：

$N_{\mathrm{ph}}=\frac{4.6\×{10}^{-13}}{3.13\×{10}^{19}}---\left(44\right)$

$\≈1.5\×{10}^6$

该计算表示在暗区精确的相位测量是可能的。图22表示对准系统测量的相位变化。

与对称情况相比，所测量的相位已极大地变化。在亮区相位达到几乎线性的斜率，这是造成对准偏移的原因。例如，在sin(θ)＝0.16处，如图中所示出现0.058弧度的小相位误差。如果所述标记以4μm的周期重复，在光瞳中该点对应于将会出现的第一级的位置。相位的误差非常小，但不幸地，它将显露一个大的对准误差Δx：

$\mathrm{\Δx}=\frac{0.058}{4\mathrm{\π}}\×4\mathrm{\μm}---\left(45\right)$

$\≅18\mathrm{nm}$

幸运地，造成这种偏移的不对称能够非常清楚地在光瞳平面的暗区中被检测出来。可以非常清楚地看到在绕sin(θ)＝0.32的区域中所测量的相位表现出极大的和非线性的变化。图23表示所检测的干涉信号的对比度。

图23的对比度曲线表示该对比度是足够高的，可以精确的测量相位。可是，必须强调，在对比度被明显降低时可以存在其它不对称类型。

实际上，能够探测不对称的变化(即过程变化)可能是更重要的。图24表示顶部变化1nm的相位变化。它与18nm/4＝4.5的过程变化相应。所导致的相位变化是可基于光子统计来测量的0.1弧度的等级。

实际上，将周期地重复上面讨论的孤立结构，以聚集不连续的衍射级中的散射光。可是，该周期地重复不改变不对称测量的原理，因为该周期地重复仅影响偶相位Ψ_e(k)分布和光瞳场的振幅|Z(k)|。不改变由不对称引入的奇相位变化。

孤立结构的复合反射系数是r(x)，该结构导致光瞳中的复合场Z(k)。结构以周期X_p周期地向左重复N次，向右重复N次，产生r(x)的2N+1复制的光栅：

$r_g\left(x\right)=\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}r(x-n.X_p)---\left(46\right)$

傅立叶变换该表达式和使用傅立叶位移理论，在光瞳中产生的复合场Z_g(k)：

$Z_g\left(k\right)=Z\left(k\right)\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-\mathrm{jkn}{X}_p}$

$=Z\left(k\right)[1+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}2\cos \left({\mathrm{knX}}_p\right)]---\left(47\right)$

$=Z\left(k\right)f\left(k\right)$

可以看到Z_g(k)是实值偶函数f(k)的Z(k)倍。该函数可以变为负的，这会引起Z_g(k)中的相位突变。可是，这些相位突变总是对称的。当kX_p＝m2π其中m是整数时，Z_g(k)的振幅为峰值。这仅仅是光栅定律的数学公式，因为空间频率k由下式给出：

$k=2\mathrm{\π}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\λ}}---\left(48\right)$

图25表示对于具有重复5次的4nm顶部的标记在远场中的强度。在图中清楚可见第一和第三衍射级。在这些级之间强度定量比在衍射场中由惠更斯倾斜因子[1+cos(θ)]/2引起的所期望的(1/3)²比率稍高。弱奇级的强度也相当大地增加。在级与级之间强度显示了快速的振荡。可是，峰值强度对应于相当大的可接受的光子量。

图26表示在光瞳平面中奇相位的变化。该图再一次显示在暗区同样大的相位偏移。可是，与孤立目标的情况相比，有一些需要解释的差异。

与15nm标记位移相应的特别小的线性倾斜和小的尖峰是人为造成的，在实际实施方案中不会出现。Ψ_d的严格检验表示它略微呈逐步变化。是由于标记的不均匀照射引起的。将照射光束的宽度增加到200μm再一次使Ψ_d平滑变化，如图27所示。

该图清楚地说明在不对称测量中照射轮廓的重要性。理论上具有有限宽度的均匀照射轮廓是优选的。可是，这一要求与照射光束的发散角必须要小的条件相矛盾。

不对称测量技术的准确性的最基本限制是标记的表面粗糙度。这不惊奇，因为表面粗糙度可以被认为是随机不对称性的形式，该随机不对称性在干涉图案的暗区引入大的和有干扰的相变。在下面的实施例中对于和在前面部分使用的相同的光棚进行说明。可是，增加0.5nm的表面粗糙度，平均颗粒尺寸为1μm。照射光斑的宽度为200μm。

图28表示在远场中的被测相位，并非常清楚地看到表面粗糙度的影响。乍看起来它的出现十分惊人的。幸运地，有许多原因使该干扰在实际情况中不是那么惊人。首先，大的尖峰与零强度(特异)点相应。因为探测器总有一个有限的空间延伸，这些影响在检测中将被抑制。第二，在具体实施例中照明光斑尺寸比光栅的宽度大，所以传感器在不感兴趣的区域中‘看见’大量粗糙度的影响。该论点再一次强调优化照射光斑的重要。

被测相位Ψ_d的线性项包括位置信息。可是，该位置受到所存在的不对称性的影响。为了知道该不对称性的作用，我们必须尽可能精确地知道不对称性的‘形状’。被测相位Ψ_d的非线性的变化给出关于不对称性的信息。每一不对称性具有其自身独特的特点。

为了在所测量的斜率上获得过程校正，我们可以使用两个不同的方法：类似预测配方的方法或者散射测量法。配方方法为本发明提出多种可能性，因为可以获得更多的数据，可以采用统计技术。特别有用的方法是使用‘反问题’技术，该技术也用于散射测量法。

对于CD(临界尺寸)计量学的应用，不对称的测量与散射测量法有许多相似之处。在后者的情况中，测量椭圆对称的数据，该数据按照一种非常复杂的方式与某个未知的抗蚀轮廓有关。这里采用反问题技术以再覆盖抗蚀图案。这种类型的测量问题正好与不对称测量相当。

对准传感器应优选产生局部信号，该信号在标记的位置处峰值非常明显。可是，这种传感器的实现将引入许多如信噪比的实际问题，因为窄的峰值需要大的测量带宽。为了精确性和动态范围的原因，经常使用相位光栅对准传感器，因为这些传感器产生窄带宽时限谐波信号。

不幸的是，正弦信号包括多个最大值，所以标记位置不能由单独一个峰值唯一地确定。为此，相位光栅对准传感器需要一个‘捕获’机构，其确定哪一个峰值与标记的位置相应。在本发明中，可能有两个捕获机构。如上所述，第一个利用如上所述可从零级获得的照相图像。第二个使用在光瞳平面检测的信号，并需要一个分裂式光电二极管(split photo diode)。两个方法都只需要一个短光栅。

用对准传感器10十分容易使用所有可用波长同时产生标记的清晰图像。只要其深度不是太浅，多个波长的使用保证标记应总是可见的。物镜12有一个大NA，例如0.6，并且空间滤光器的缺乏产生一个具有1-2μm等级分辨率的‘清晰’的图像，这足以允许利用先进的影像处理技术使用各种基于照相机的捕获算法。

用对准传感器10可以确保产生两个不同类型的图像：一个在偏振分光器后的照相图像，包括两个重叠的和偏移的标记图像，因此，用单独的偏振器产生的照相图像能够表示标记的两个独立的图像。图像的第一种类型产生两个相互旋转180°的图像，它对于捕获算法是有利的，因为部分重叠的标记图像的轮廓能够给出有关标记位置的准确信息。可是，当预对准误差超过划线通道宽度时，在一图像中的标记将被投射到另一图像的产品结构中，这可能导致稳定性问题，因为产品结构作为一个噪声源，降低图像处理算法的稳定性。

本发明也可以利用公知的技术，因此两个具有稍微不同周期的光栅产生两个具有稍微不同频率的谐波对准信号。两个信号的两个峰值重合的位置被定义为标记的位置。该方法已证实是一个具有足够大的捕获范围的可靠技术。

可是，如上所述，本发明提供另一可替换的捕获，它特别适用于具有宽衍射级的短的标记。该技术是基于可获得整个光瞳平面的事实。但是，只有当照射光斑大于标记的长度时它才有用。主要优点是该技术仅需要一个光栅，来代替两个分开的光栅。以下将进一步解释该技术。

考虑到具有周期X_g和宽度W＝N.X_g.的光栅，其中N是光栅线数。第一衍射级具有空间频率k₁：

$k_1=2\mathrm{\π}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\λ}}$

$=\frac{2\mathrm{\π}}{X_g}---\left(49\right)$

衍射级具有sin(k)/k形状，并且主波瓣全部宽度是：

$k_w=\frac{4\mathrm{\π}}{W}$

$=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{NX}}_g}---\left(50\right)$

用一个分开式的探测器测量该光栅的第一衍射级的对准信号。每一探测器单元捕获主波瓣的一半。两个单元之间的中心线居中在衍射级的峰值上。由这两个探测器捕获的空间频率的平均值约为：

$k_{a,b}\≈\frac{2\mathrm{\π}}{X_g}\±\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{NX}}_g}$

$=2\mathrm{\π}\left(\frac{N\±1}{N}\right)\frac{1}{X_g}---\left(51\right)$

两个探测器用稍微不同的空间频率测量一个信号。这两信号的有效波长是：

${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{off}}=\frac{2\mathrm{\π}}{|k_a-k_b|}$

$={\mathrm{NX}}_g$

$=W---\left(52\right)$

因此捕获范围等于±W

实施方案2

本发明的第二实施方案利用了光纤阵列用于从光瞳平面到探测器阵列传导光，但是其它地方与第一实施方案相同，并且能够以相同方式使用。

图29表示第二实施方案对准系统的探测器部分，来自自参考干涉仪(未在图29中示出)的光由偏振分光器19分离成两个分支，一个被直接引向照相机用于捕获目的(粗对准)，另一个被用于精对准测量。该精对准分支包括透镜31，33的光学系统，其在光纤35的阵列上再成像自参考干涉仪的光瞳平面，该光纤35将所成的像传导到遥控探测器阵列上，例如光电二极管阵列或者CCD。透镜31还在设置有作为孔径光阑的像平面滤光器32的位置产生一个标记的中间像。

光纤束35可以布置成在光纤束的端部设置适当的探测器阵列，以便能够确定在两个像重叠和干涉的光瞳平面中多个不同位置的强度。处理由此产生的数据以获得所需要的位置信息。实际上为了删除一些误差，加入来自探测分支光轴相对侧上的光纤对的信号。这可以通过光纤对的结合、使一对光纤中的两个在相同光电探测器或者电子元件上终止而完成。探测器阵列可包括多个与独立光纤或者光纤对或者如CCD阵列的位置敏感的探测器连接的不连续探测器。当然，光纤束本身、而不是光纤束的输入端可以位于光瞳平面中，但光纤束允许探测器阵列以及与其相关的电子元件例如前置放大器远离装置的温度敏感部分。另外空间滤光器34除去了零级。

图30所示为用于捕获的照相机的应用。对于各个位置的标记，该图上部两排表示标记的两个图像，下排表示由照相机看到的合成图像。在A栏中，标记被粗糙地对准，并且通过照相机所看到的图像是暗的和明亮的线，它们之间具有高对比度。当标记远离对准位置时，图像以相反的方向移动，首先导致图像灰度均匀，如B栏所示，然后导致图案线，如C栏所示，但是对于外部线具有额外线和较低的对比度。进一步移动使图像再一次变灰，如栏D所示，图像具有线，如栏E所示，再一次具有附加线。图像分辩软件能够容易地检测具有最小数量的线和最大的对比度的图像。

实施方案3

本发明的第三实施方案与第一实施方案相同，保留了探测器分支的结构，如图31所示。

第三实施方案的分支包括偏振器(未在图31中示出)，光学系统31，33和像面滤光器32，与第二实施方案相同。可是，代替光纤阵列和探测器，第三实施方案具有空间光调制器，例如LCD阵列(光阀)或者微反射镜阵列，39是程控为选择部分瞳平面，从这里出来的光由透镜40聚集到光纤41上，并被传导到光电探测器42中。

空间光调制器39是程控的，以从标记图像已重叠的傅立叶变换中选择特殊级的两光束，在标记被扫描以获得理想的位置信息时，由探测器42测量该光束的强度。在标记用多波长光源照射处，不同波长能够被分开，并分别在探测器42中检测。

第三实施方案具有许多优点，主要是在对准系统中能够使用任何具有180°旋转对称的标记，而不需要改变硬件。所有所需要的是适当地程控空间光束调制器，它能够在高速旋转下运行，甚至在相同基底上对准不同标记。第三实施方案的对准系统因此能够与如光栅，棋盘，盒，框架，人字形等公知的标记兼容。另外，用空间光束调制器39的不同设定重复扫描标记可以取样和分析整个光瞳平面。

如果偏振分光器用于产生重叠图像之间的所需的干涉，那么，如上所述，产生包含位置信息的两光束，并且如图31所示的组件可以被复制到单独的分支中，以允许同时检测两个级。另外，空间光束调制器能够选择改变光束的方向为多个不同方向，如具有超过两个反射镜位置的微透镜阵列，可以使用相应数量的聚光透镜，光纤和探测器，以在单独分支中允许检测多个级。如第二实施方案，可以免除光纤41并在聚光透镜40的焦点处的定位探测器，但是光纤41的使用使产生的热或者笨重的探测器可以远离热敏感组件处或者位于可具有更大空间的位置。

级结合棱镜

可用于本发明实施方案中的级结合棱镜如图32和33所示，图32表示棱镜的分解图，图33是装配形成图。

在其装配形成中，级结合棱镜50的基本形状是具有底部入射面55和侧边出射面56的三角形棱镜。该棱镜由对角线结合面57分割成两半51，54。图32更清楚地表示，正级+n进入第一半51的底面，形成从侧面58射向结合面57的全内反射。正级从作为分光表面的结合面57向后反射至安装在棱镜50后表面的四分之一波长板和反射镜。这些元件可使正级的偏振旋转，并且将它们反射回结合面即分光器表面57，从棱镜的前表面56出射。

同时，负级进入第二半54的底面，并且从第二侧面59和结合面即分光器表面57全内反射，也通过前表面56出射。

图33表示如果棱镜位于关于其中心对称地接收正和负级(即图中所示的+1到+4级和-1到-4级)的位置，相应+和-级被结合，但是第一、第二等的级保持分开状态。

在本发明实施方案的光瞳平面中可以用级结合棱镜，以结合基本带有相同信息的相对级，进行检测。级结合棱镜的使用使要检测的信号强度加倍，使其能够使用低功率光源。另外，所得到的对称布置的结果使正和负衍射级之间的不对称引起的不同达到平衡。本发明的级结合棱镜非常紧凑，并且在可用空间受到限制的情况下特别有效。

可以理解级结合棱镜除基于绕自参考干涉仪的对准系统的光瞳平面外，可以具有其它用途，尤其是可以用于希望结合位于单独平面中的衍射级的任何布置。棱镜也可以进行改变，例如在其两侧设置相等的光路长度。

以上已描述本发明的具体实施方案，可以理解本发明除上述之外，可以采用其他方式进行实施，本说明不作为本发明的限定。例如上述的对准系统可以用于对准设置在掩膜或者平台以及基底上的标记。

Claims (22)

1.一种光刻投射装置，包括：

用于提供辐射投射光束的辐射系统；

用于支撑图案形成装置的支撑结构，所述图案形成装置用于根据所需的图案对投射光束进行图案形成；

用于保持基底的基底台；

用于将带图案的光束投射到基底的靶部上的投射系统；和

具有自参考干涉仪的对准系统，用于投射对准标记的相对旋转180°的两个重叠图像；

其特征在于所述对准系统还包括探测器系统，该探测器系统用于在所述自参考干涉仪的光瞳平面中检测多个不同位置的光强。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个位置的至少两个位置基本上位于由所述对准标记产生的不同衍射级的位置上。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述多个位置的至少两个位置基本上等距离地位于由所述对准标记产生的衍射级的相对侧位置上。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述探测器系统包括基本上位于所述光瞳平面内的多个探测元件。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述探测器系统包括多个光纤，每个光纤具有基本上位于所述光瞳平面内的输入端和用于将通过光纤传导的光引导到多个探测元件中的一个上的输出端。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，每个所述光纤被布置成将光分别引向所述探测元件中对应的一个上。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光纤成对设置，一对光纤的输入端对称地位于所述光瞳平面中，并且该对光纤传导的光被引向同一探测元件上。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述探测元件包括光电二极管。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述探测元件是CCD阵列元件。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述探测器系统包括设置在所述光瞳平面中的空间光束调制器，所述空间光束调制是可控制的，以将光从所述光瞳平面的选择部分通过，并且还包括收集器，用于将所述空间光束调制器通过的光束收集到探测元件上。

11.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述对准系统包括用多个不同波长的光照射对准标记的装置，所述探测器系统包括用于将不同波长的光引向不同探测元件的波长多路分离装置。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述波长多路分离装置包括炫耀光栅。

13.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述对准系统在位于所述自参考干涉仪和所述光瞳平面之间的像平面中包括一个孔径光阑。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述孔径光阑具有可控制的孔径。

15.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述对准系统包括偏振分光器，该偏振分光器用于将自参考干涉仪输出的光分成两束光，并且其中具有两个探测器系统分别接收所述光束中的一个。

16.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述对准系统包括偏振分光器，该偏振分光器用于将通过自参考干涉仪输出的光束分成两束光，所述光束的其中一束光由所述探测器系统接收，另一束由照相机接收。

17.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述探测器系统包括一个级结合棱镜，该棱镜用于接收通过输入面的一系列正级和相应的一系列负级，并通过与所述输入面垂直的输出面输出结合的一系列级，所述棱镜包括：

在与所述输入面垂直并与所述输出面成45°的光束分离表面处结合的第一和第二半；和

设置在与所述输出面相对的所述棱镜的所述第一半的另一面附近的四分之一波长板和反射镜。

18.一种器件的制造方法，包括如下步骤：

提供一至少部分覆盖一层辐射敏感材料的基底；

利用辐射系统提供辐射投射光束；

利用图案形成装置来使投射光束其横截面具有图案；

在具有该层辐射敏感材料的靶部上投射带图案的辐射光束；和

在所述投射步骤前或后，用自参考干涉仪与所述基底上的对准标记进行对准，所述自参考干涉仪投射所述对准标记的相对旋转180°的两个重合的图像；

其特征在于所述对准步骤包括测量在所述对准标记的所述图像的傅立叶变换于涉的光瞳平面中的多个不同位置的光强。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述多个不同位置包括对应于所述傅立叶变换中不同衍射级的位置，从所述不同级强度变化的相对相位确定精确的位置信息。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述多个不同位置包括在所述光瞳平面中衍射级的相对侧等间距隔开的两个位置，其中由在衍射级的相对侧上所述两个位置处的强度变化的相对相位确定粗略位置信息。

21.根据权利要求18或19所述的方法，还包括测量在所述光瞳平面的暗区相位变化的步骤，以检测所述对准标记中的不对称性。

22.一种根据权利要求18所述的方法制造的器件。

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