位置量测设备和关联的光学元件

本申请要求于2018年12月31日提交的美国申请62/787,201和于2019年3月28日提交的欧洲申请19165908.5的优先权，其通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明涉及用于在光刻过程中测量位置信息的设备。

背景技术

光刻设备是将期望图案施加到衬底上(通常施加到衬底的目标部分上)的机器。光刻设备可以被用于例如集成电路(IC)的制造中。在该实例中，图案形成装置(备选地被称为掩模或掩模版)可以被用于生成要被形成在IC的单个层上的电路图案。该图案可以被转移到衬底(例如硅晶片)上的目标部分(例如包括部分管芯、一个或多个管芯)上。图案的转移通常经由成像到在衬底上提供的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上。通常，单个衬底将包含被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(其中每个目标部分通过将整个图案一次曝光到目标部分上来辐射)以及所谓的扫描仪(其中每个目标部分通过在给定方向(“扫描”方向)上通过辐射束扫描图案来辐射，同时同步扫描平行或反平行于该方向的衬底。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移到衬底。

在复杂器件的制造中，通常许多光刻图案化步骤被执行，从而在衬底上的连续层中形成功能特征。因此，光刻设备的性能的关键方面是能够相对于在先前层中(通过相同的设备或不同的光刻设备)所铺设的特征正确且准确地放置所施加的图案。为此，衬底被设置有一个或多个对准标记集合。每个标记都是一种结构，其位置可以在稍后时间使用位置传感器(通常是光学位置传感器)来测量。光刻设备包括一个或多个对准传感器，通过该对准传感器，标记在衬底上的位置可以被准确地测量。不同类型的标记和不同类型的对准传感器是从不同制造商和同一制造商的不同产品已知的。在当前光刻设备中广泛使用的一种传感器基于在US 6961116(den Boef等人)中描述的自参考干涉仪。通常，标记被单独测量以获得X和Y位置。然而，组合的X和Y测量可以使用所发布的专利申请US 2009/195768A(Bijnen等人)中描述的技术来执行。这种传感器的修改和应用是在US2015355554A1(Mathijssen)、WO2015051970A1(Tinnemans等人)中描述的。所有这些出版物的内容均通过引用并入本文。

为了监测光刻过程，图案化衬底的参数被测量。例如，参数可以包括在图案化衬底中或图案化衬底上形成的连续层之间的重叠误差。该测量可以对产品衬底和/或专用量测目标执行。有各种技术用于测量在光刻过程中形成的微观结构，包括使用扫描电子显微镜和各种专用工具。一种快速且非侵入性形式的专用检查工具是散射仪，其中辐射束被引导至衬底表面上的目标上，并且散射或反射束的特性被测量。两种主要类型的散射仪是已知的。光谱散射仪将宽带辐射束引导至衬底上，并测量散射到特定窄角范围中的辐射的光谱(根据波长的强度)。角分辨散射仪使用单色辐射束，并测量散射辐射的随角度而变化的强度。

已知散射仪的示例包括在US2006033921A1和US2010201963A1中描述的类型的角分辨散射仪。由这种散射仪使用的目标相对较大，例如40μm*40μm的光栅，并且测量束会生成小于光栅的光斑(即，光栅未填充)。除了通过重构测量特征形状之外，基于衍射的重叠还可以使用这种设备测量，如所发布的专利申请US2006066855A1中描述的。使用衍射阶的暗场成像的基于衍射的重叠量测使得能够对较小的目标进行重叠测量。暗场成像量测的示例可以在国际专利申请WO 2009/078708和WO 2009/106279中找到，这些文档通过引用全部并入本文。该技术的其他发展已在所发布的专利出版物US20110027704A、US20110043791A、US2011102753A1、US20120044470A、US20120123581A、US20130258310A、US20130271740A和WO2013178422A1中描述。这些目标可以小于照射点，并且可以被晶片上的产品结构包围。使用复合光栅目标，多个光栅可以在一个图像中被测量。所有这些应用的内容也均通过引用并入本文。

越来越期望对比目前使用的更小的目标(对准标记)执行对准。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供了一种量测设备，包括：光学元件，被配置为在量测设备的光瞳平面处或附近接收至少：包括第一较高衍射阶的第一辐射，和第二辐射，其包括用辐射照射量测目标而产生的零阶；并且在第一方向上一起引导所述第一辐射和第二辐射；量测设备还被配置为至少形成第一干涉图案的第一图像，所述第一干涉图案是由所述第一辐射和第二辐射在像平面处的干涉产生的。

在本发明的第二方面中，提供了一种具有多个光学表面的光学元件，该多个光学表面至少包括在第一梯度方向上具有第一梯度的第一光学表面，和在第二梯度方向上具有第二梯度的第二光学表面，由此被配置为在至少第一方向或第二方向上引导入射到其上的角分辨辐射的不同部分。

在本发明的第三方面中，提供了一种可变衰减器，包括：相距一定距离按顺序布置的第一反射镜元件和第二反射镜元件；以及衰减器，用于改变所述第一反射镜元件和所述第二反射镜元件之间的所述距离。

本发明的其他方面、特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作在下面参照附图详细描述。要注意的是，本发明不被限于本文描述的具体实施例。这种实施例是仅出于说明性目的而在本文中呈现的。基于本文包含的教导，附加实施例对于(多个)相关领域的技术人员将是显而易见的。

附图说明

本发明的实施例现在将通过示例参照附图描述，其中：

图1描绘了与其他设备一起形成半导体装置的生产设施的光刻设备；

图2是根据本发明的实施例的量测装置的示意图；

图3是根据本发明的实施例并且可用于图2的量测装置中的三个替代光学元件的示意图以及对应的对准图像；

图4是通过图2所示的量测装置的一阶束和零阶束的示意图；

图5是根据本发明的实施例的可变衰减器和关联的量测装置的示意图；

图6是根据本发明的实施例的第一反射式光学元件和关联的量测装置的示意图；

图7是可用于图2、5或6的任何量测装置中的第二反射式光学器件的示意图；以及

图8是可用于图2、5或6的任何量测装置中的第三反射式光学器件的示意图。

具体实施方式

在更详细地描述本发明的实施例之前，呈现本发明的实施例可以被实施的示例环境是有益的。

图1在200示出了作为实现大容量光刻制造过程的工业生产设施的一部分的光刻设备LA。在本示例中，制造过程适用于在诸如半导体晶片等衬底上制造半导体产品(集成电路)。本领域技术人员将了解，多种产品可以通过在该过程的变型中处理不同类型的衬底来制造。半导体产品的生产仅被用作示例，其在今天具有很大的商业意义。

在光刻设备(或简称为“光刻工具”200)内，测量站MEA在202被示出，并且曝光站EXP在204被示出。控制单元LACU在206被示出。在该示例中，每个衬底访问测量站和曝光站，以被施加图案。例如，在光学光刻设备中，投影系统被用于使用调节辐射和投影系统将产品图案从图案形成装置MA转移到衬底上。这是通过在辐射敏感抗蚀剂材料层中形成图案的图像来完成的。

本文使用的术语“投影系统”应该被广义地理解为涵盖任何类型的投影系统，包括折射、反射、反射折射、磁性、电磁以及静电光学系统或其任何组合，如对于所使用的曝光辐射或者诸如使用浸液或使用真空等其他因素来说所适合的。图案形成装置MA可以是掩模或掩模版，其将图案赋予由图案形成装置透射或反射的辐射束。众所周知的操作模式包括步进模式和扫描模式。众所周知，投影系统可以以多种方式与用于衬底和图案形成装置的支撑和定位系统协作，以将期望图案施加到衬底上的许多目标部分。可编程图案形成装置可以被使用来代替具有固定图案的掩模版。例如，辐射可以包括深紫外(DUV)或极紫外(EUV)波段的电磁辐射。本公开也适用于其他类型的光刻过程，例如压印光刻和直写光刻，例如通过电子束。

光刻设备控制单元LACU控制各种致动器和传感器的所有移动和测量，以容置衬底W和掩模版MA，并实现图案化操作。LACU还包括信号处理和数据处理能力，以实现与设备操作相关的期望计算。在实际应用中，控制单元LACU将被实现为许多子单元的系统，每个子单元处置设备内的子系统或部件的实时数据获取、处理和控制。

当图案在曝光站EXP处被施加到衬底之前，衬底在测量站MEA处被处理，使得各种制备步骤可以被执行。制备步骤可以包括使用水平传感器映射衬底的表面高度，并且使用对准传感器测量衬底上的对准标记的位置。对准标记名义上以规则的网格图案布置。然而，由于创建标记的不准确性以及由于衬底在整个处理中发生的变形，标记会偏离理想的网格。因此，除了测量衬底的位置和定向之外，如果设备要以非常高的准确性在正确的位置处打印产品特征，那么实际上，对准传感器必须详细地测量衬底区域上的许多标记的位置。该设备可以是所谓的双台类型，其具有两个衬底台，每个衬底台具有由控制单元LACU控制的定位系统。当一个衬底台上的一个衬底在曝光站EXP处被曝光时，另一衬底可以在测量站MEA处被装载到另一衬底台上，使得各种制备步骤可以被执行。因此，对准标记的测量非常耗时，并且提供两个衬底台能够显著地提高设备的产出。如果位置传感器IF在它位于测量站以及曝光站时无法测量衬底台的位置，则第二位置传感器可以被提供，以使得衬底台的位置能够在两个站处被追踪。例如，光刻设备LA可以是所谓的双台类型，其具有两个衬底台和两个站–曝光站和测量站–衬底台可以在这两个站之间交换。在替代实施例中，测量站是单独的量测或对准设备的一部分。在另一实施例中，衬底在测量站和曝光站之间交换，其中每个站包括单独的衬底台以保持衬底，并且在对衬底的测量被执行之后，衬底从测量衬底台卸下，然后针对曝光过程被转移到曝光站的衬底台并且位于曝光站的衬底台上。

在生产设施内，设备200形成“光刻单元”或“光刻簇”的一部分，“光刻单元”或“光刻簇”还包含涂覆设备208，用于将光敏抗蚀剂和其他涂层施加到衬底W以由设备200进行图案化。在设备200的输出侧，烘烤设备210和显影设备212被提供，以用于将曝光的图案显影为物理抗蚀剂图案。在所有这些设备之间，衬底处置系统负责支撑衬底，并将它们从设备的一块转移到设备的下一块。通常被统称为轨道的这些设备受轨道控制单元的控制，该轨道控制单元本身由监控系统SCS控制，该监控系统SCS也经由光刻设备控制单元LACU控制光刻设备。因此，不同的设备可以被操作，以最大化产出和处理效率。监控系统SCS接收配方信息R，该配方信息R更详细地提供了对要被执行的步骤的定义，以创建每个图案化衬底。

一旦图案在光刻单元中被施加和显影，图案化衬底220就被转移到其他处理设备，诸如在222、224、226中所图示的。在典型的制造设施中，广泛的处理步骤通过各种设备来实现。为了示例，该实施例中的设备222是蚀刻站，并且设备224执行蚀刻后退火步骤。其他物理和/或化学处理步骤被应用在其他装置226等中。可能需要多种类型的操作来制造真实的器件，诸如材料的沉积、表面材料特点的修改(氧化、掺杂、离子注入等)、化学机械抛光(CMP)等。实际上，设备226可以表示在一个或多个设备中执行的一系列不同的处理步骤。作为另一示例，设备和处理步骤可以被提供用于实现自对准多重图案化，以基于由光刻设备铺设的前体图案产生多个更小的特征。

众所周知，半导体器件的制造涉及多次重复这种处理，以在衬底上逐层构建具有适当材料和图案的器件结构。因此，到达光刻簇的衬底230可以是新制备的衬底，或者它们可以是先前在该簇中或完全在另一设备中处理过的衬底。类似地，取决于所需的处理，离开设备226的衬底232可以被返回，以用于同一光刻簇中的后续图案化操作，它们可能被送往不同簇中的图案化操作，或者它们可以是待发送以进行切块和包装的成品。

产品结构的每层都需要不同的过程步骤集合，并且在每层处使用的设备226的类型可能完全不同。进一步地，即使在要由设备226应用的处理步骤名义上相同的情况下，在大型设施中，也可能有几个假定相同的机器并行工作，以在不同的衬底上执行步骤226。这些机器之间的设置或故障的微小差异可能意味着它们以不同的方式影响不同的衬底。甚至对于每层相对通用的步骤(诸如蚀刻(设备222))也可以由名义上相同但并行工作以最大化产出的若干蚀刻设备来实现。而且，实际上，根据要被蚀刻的材料的细节和特殊要求(诸如例如各向异性蚀刻)，不同层需要不同的蚀刻过程，例如化学蚀刻、等离子体蚀刻。

先前和/或随后的过程可以在其他光刻设备中执行，正如刚刚提及的，甚至可以在不同类型的光刻设备中执行。例如，器件制造过程中对诸如分辨率和重叠等参数要求非常高的一些层可以在比要求较低的其他层更先进的光刻工具中执行。因此，一些层可能会在浸入型光刻工具中曝光，而其他层则在‘干燥’工具中曝光。一些层可能会在以DUV波长工作的工具中曝光，而其他层则使用EUV波长辐射来曝光。

为了由光刻设备曝光的衬底被正确且一致地曝光，期望检查曝光的衬底，以测量诸如后续层之间的重叠误差、线厚度、临界尺寸(CD)等特性。因此，光刻单元LC所在的制造设施还包括量测系统，该量测系统接收已在光刻单元中处理的一些或全部衬底W。量测结果被直接或间接地提供给监控系统SCS。如果误差被检测到，则调整可以对后续衬底的曝光，特别是如果量测可以立即且足够快地完成，以致同一批次的其他衬底仍将要被曝光。而且，已经曝光的衬底可以被剥离和返工以提高产量，或者被抛弃，从而避免对已知有缺陷的衬底执行进一步处理。在衬底的仅一些目标部分有缺陷的情况下，进一步的曝光可以仅对那些好的目标部分执行。

在图1中还示出了量测设备240，其被提供用于在制造过程中的期望阶段执行产品参数的测量。现代光刻生产设施中的量测站的常见示例是散射仪，例如暗场散射仪、角分辨散射仪或光谱散射仪，并且它可以适用于在设备222中蚀刻之前，在220测量经显影的衬底的特性。使用量测设备240，可以确定例如重要的性能参数(诸如重叠或临界尺寸(CD))不满足显影抗蚀剂中指定的准确性要求。在蚀刻步骤之前，存在剥离显影的抗蚀剂并通过光刻簇再处理衬底220的机会。通过监控系统SCS和/或控制单元LACU 206随时间进行小的调整，来自设备240的量测结果242可以被用于维持光刻簇中的图案化操作的准确性能，从而最小化制造产品不符合规范并且需要返工的风险。

附加地，量测设备240和/或其他量测设备(未示出)可以适用于测量已处理衬底232、234和传入衬底230的特性。量测设备可以被用在已处理衬底上，以确定重要参数，诸如重叠或CD。

在通过使用对准传感器测量对准标记在衬底上的位置来执行对准时，期望减小对准标记节距的大小，例如减小到大约100nm的幅度内(更具体地在300至800nm的范围内)。还期望减小对准标记的面积(占用空间)，使得它们中的许多(例如数百个，甚或数千个)可以在整个晶片上容纳；包括管芯内，产品结构之间，其中晶片空间“昂贵”。

许多目前的对准传感器(诸如在介绍中提及的出版物中描述的那些)需要相互相干的共轭离轴束(例如它们源自相同的单模辐射源)。这允许使用暗场成像模式在对应的衍射阶之间产生干涉，其中零阶通常被阻止。这种暗场成像被认为提供了优于明场成像的性能。然而，使用空间相干辐射会导致干涉伪影，诸如散斑效应，这会对对准测量产生影响，从而导致位置误差。

因此，一种适合于对准或位置测量的量测装置被提出，其使用空间非相干辐射，从而消除散斑问题，同时能够在不同形式的小对准标记上进行对准。为了解决小标记节距(例如小于照明波长)，提出在明场模式下成像，其中较高的衍射阶与像平面中的零阶干涉(例如在检测器上或附近)。在实施例中，零阶强度的衰减被提供，以提高对比度(例如将零阶强度降低到与其受到干涉的较高衍射阶的幅度类似的幅度)

还提出通过对主要为曝光后量测(例如用于重叠/聚焦/CD量测)设计的现有量测装置进行相对较小的修改来提供这种对准量测装置。这种量测工具能够执行暗场量测(例如DBO/DBF)，同时(平行)检测或单独检测对应的衍射阶(例如+1和-1衍射阶的同时检测)。修改可以包括在光瞳平面处或附近的合适的光学元件，其引导至少一个较高衍射阶和零阶，使得它们干涉以在像平面处形成干涉图案，由此对准可以被确定(例如通过干涉条纹的位置)。在该上下文中，光瞳平面可以表示晶片的傅里叶像平面或其光学共轭平面。

在实施例中，光学元件可以将对应的(例如+1和-1)衍射阶中的每个衍射阶连同零阶引导至像平面处的不同区域，使得这些衍射阶中的每个衍射阶与零阶在像平面处干涉，以形成对应的干涉图案，其可以由检测器单独成像。在特定的、可选的实施例中，光学元件还可以通过(例如正交)方向分开衍射阶。在又一可选修改中，对准量测装置还可以包括用于零阶信号的衰减器。

本文还公开了用于实施这种对准量测装置的合适的光学元件和衰减器，并且在实施例中，适合于经由对目前暗场(例如曝光后)量测装置的相对简单的修改来实现这种装置，诸如介绍中引用的任何内容。

这种量测装置将能够使用非相干辐射测量小节距目标，从而消除散斑问题。这种量测装置可以被用作用于测量衬底位置(例如测量周期性结构或对准标记相对于固定参考位置的位置)的位置或对准传感器。然而，该量测装置也可用于测量重叠(例如测量不同层中的周期性结构的相对位置，甚或在缝合标记的情况下，测量同一层)。量测装置还能够测量周期性结构中的不对称性，因此可以被用于测量基于目标不对称性测量的任何参数(例如使用基于衍射的重叠(DBO)技术的重叠或使用基于衍射的聚焦(DBF)技术的聚焦)。

为了实现这一点，上述暗场散射仪可以通过用上述光学元件替换零阶块(通常位于光瞳平面中)来修改，该光学元件在与负衍射束不同的方向上引导正一阶衍射束中的每个束，同时还在这些方向中的每个方向上引导零阶束。这使得图像能够在像平面处被单独地形成，以避免较高阶中的每个较高阶与零阶干涉。照明光瞳可以具有与目前在许多DBO/DBF应用中使用的相同的轮廓，其中辐射仅通过一对相对的象限透射。零阶衰减器也可以被放置在光瞳平面处，可能形成光学元件的一部分。

图2示出了这种量测装置的可能实施方式。该设置是暗场散射测量的典型设置，其中照明光瞳IP以已经描述的四等分轮廓遮蔽。目标或对准标记AM被放置，其中衬底W正交于物镜OL的光轴。衬底W可以由支撑件(未示出)支撑。从离轴角度入射到对准标记AM的测量辐射射线(未示出)产生零阶射线(第零实线)和两个一阶射线(虚线+1和-1)。应该记住的是，在利用过度填充的小目标的情况下，这些射线只是覆盖包括对准标记AM和其他特征的衬底区域的许多平行射线中的一个平行射线。要注意的是，对准标记AM的光栅节距和照明角度可以被设计或调整，使得进入物镜OL的一阶射线与中心光轴紧密对准。图2所图示的射线被示出为略微离轴，纯粹是为了使它们能够在图中更容易地区分。

至少由衬底W上的对准标记AM衍射的0阶和+1阶被物镜16收集，并且可选地经由透镜L的各种布置向回引导，诸如以聚焦到一个或多个中间像平面IIP上。可选地，光瞳分支被提供，包括分束器(或翻转镜)BS和连接至处理单元PU的光瞳检测器PD。成像分支包括用于将目标的图像聚焦到成像检测器上的成像元件或最终透镜FL。

上述量测装置的元件通常与已知的上述暗场成像装置共有。在典型的暗场散射测量设置中，此处示出的照明轮廓仅允许检测较高的衍射阶，而镜面反射阶在到达传感器时被阻挡。此处的差异在于在光瞳平面中提供光学元件OE，其在与-1衍射阶(第三辐射)和零阶(的第二部分)不同(例如相对)的方向上引导+1衍射阶(第一辐射)和零阶(的第一部分)。通过这种方式，光瞳可以被聚焦在像平面处，以形成单独的干涉图像：在图像检测器ID的第一区域上具有零阶的+1衍射阶的第一干涉图案，以及在图像检测器ID的第二区域上具有零阶的-1衍射阶的第二干涉图案。因此，要注意的是，没有零阶块(该设备不是作为暗场设备操作的)。然而，可选地，衰减器AT可以被提供，其将零阶的强度衰减到与所捕获的(+1，-1)衍射阶的强度类似的水平。这可以在每个目标方向上完成，使得来自正交布置的光栅(第四辐射)的+1衍射阶可以被用于形成具有零阶的第三干涉图案，并且来自正交布置的光栅(第五辐射)的-1衍射阶可以被用于形成具有零阶的第四干涉图案。

要了解的是，图2纯粹是用于图示基本原理的示例性设置的图。细节方面(诸如光路中的透镜/透镜元件的数量、位置和类型)可能与所示的不同。例如，透镜L、OL、FL中的一个或多个可以包括具有多个透镜/其他光学元件的透镜系统，和/或可以是反射式的而非透射式的。例如，最终透镜FL被省去，取而代之的是光学元件的“楔形物”或子元件可以被提供有聚焦能力(例如每个都包括透镜)，以除了引导之外还进行聚焦。

图3(a)示出了光学元件OE的第一实施例。光学元件OE被配置为通过这种方式保证(例如在聚焦之后)零阶和一阶在像平面IP中或附近重叠，以便在该像平面处的检测器上形成干涉图案。该实施例中的光学元件包括由6个楔形物或六面楔形物(具有六个面的单个元件，每个都在两个方向中的一个方向上成角度)或等效物限定的六个区域。光学元件的轮廓使得零阶0和正衍射阶+1X和+1Y是在第一方向上引导的，使得它们可以被聚焦在检测器(检测平面)上的第一(例如在此处的示例中为上部)区域上，并且零阶0和负衍射阶-1X和-1Y被引导为使得它们可以被聚焦在检测器上的第二(例如较低)区域上。因此，箭头指示每个区域的楔形物梯度方向(向上指示正梯度，向下指示负梯度)。光学元件的具体形状以及楔形物是由一个元件、六个单独的元件(或另一数量的元件)实现的并不重要。要注意的是，图3(a)中的阴影指示两组楔形物区域，即，按方向或按顺序，其将在像平面中受到干涉；它不以任何方式表示强度。

图3(b)是所得图像的示例。该示例中的对准标记具有与对角相对的两个X方向光栅和2个Y方向光栅的典型的DBO型布置(但在一层中)类似的形式。通过在6面光学元件之后对光瞳重新成像，彼此不相干的两个位移图像被创建。当一阶和零阶重叠时，在检测器上成像的条纹将被形成。给定对准位置的测量，当具有对准标记的晶片移动时，监测这些条纹的相位变化。

图3(c)示出了光学元件OE的第二实施例，包括由楔形物或楔面限定的8个区域。箭头和阴影再次分别表示梯度方向和分组。在该实施例中，楔面在四个方向上进行分组，从而将零阶和第一方向阶的不同的一个引导至四个方向中的一个相应方向，使得它们可以被分别单独聚焦在检测器上的四个不同区域上，以形成四个干涉图像。通过图3(d)可以看出，像平面现在包括对准标记的四个图像，每个图像由零阶与第一阶不同的一个干涉形成，以形成干涉图案。四个单独的非相干图像使得关于标记不对称性的更多信息能够通过图像的相对强度确定。这将在下面更详细地描述。

此外，该四图像实施例可以将散焦效应与标记位移分开。每个单独的干涉图案将随散焦变化而移位。然而，针对“相对图像”(即，0，+1X图像和0,-X图像中的条纹将在相反方向上移位相等幅度)，该移位幅度相等并且方向相反；针对Y方向图像，同样如此。因此，对准的位置移位被视为两个单独干涉图像的共同(相同方向)移位；而聚焦偏移将导致相反的移位。

可以通过考虑多个因素中的一个或多个来选择楔形物的定向和顺序，包括最小化图像到图像的串扰，最大化图像间隔，优化检测器(相机)填充和/或优化楔形物可制造性。通过又一示例，图3(e)示出了又一8面实施例，其中楔形物相对于光轴具有成45度或其正交倍数对准的梯度。所得图像在图3(f)被示出。这种布置的优点是图像在检测器/相机上的更好区域填充。因此，相对于图3(d)的情况，图3(f)中的图像布置需要更少的摄像机区域。

要了解的是，楔面的具体布置、它们的顺序和定向可以在实现检测器处的至少一个一阶与零阶之间的干涉的参数内，在每个方向甚或仅针对单个方向(两个方向x/y目标是可选的，并且所提出的系统涵盖对单向对准标记的单向对准感测)与所示的示例不同，。单个衍射图像(每个方向)使成像的衍射条纹(即，衍射图案的相位)能够与固定参考进行比较。

因此，对准可以通过以已知方式将从图案确定的位置与从固定参考(例如透射图像传感器(TIS)基准)的测量获得的位置进行比较来确定。单个条纹图案(例如来自单个光栅对准标记)或每个方向的单个图案(例如来自两个光栅对准标记)可以被用于对准。然而，当存在多个图像(每个方向)时，多个图像之间的距离也可以被用作参考。在两个方向上执行对准的另一选项可以使用具有单个2D周期性图案的对准标记。而且，非周期性图案可以使用本文描述的量测装置测量。另一对准标记选项可以包括四光栅目标设计，诸如对应于图3的图像，其类似于目前共同用于测量重叠的设计(例如DBO目标)。因此，目标(诸如这些)通常已经存在于晶片上，因此类似的采样可以被用于对准和重叠。这种对准方法是已知的，并且将不再进一步描述。

虽然一个图像足以通过使用适当的校准获得目标的位置，但实际上，这种单个图像可能对散焦效应过于敏感。因此，至少两个干涉图案的成像是优选的(例如对单独的图像进行平均，以给出更稳健的对准信号)。更具体地，为了获得对准标记的对准位置，提出从第一图像中提取第一位置值x1，并且从第二(相对)图像中提取第二位置值x2。标记的位置被确定为这两个值之间的平均值：(x1+x2)/2。

(x1+x2)/2.

因为在至少一些实施例中，所提出的设备至少捕获由+1衍射阶形成的第一图像和由-1衍射阶形成的第二图像(在每种情况下都与零阶干涉)，所以所得图像中的强度的比较可以提供关于标记不对称性的信息(例如对准标记中的无意过程不对称性，其被设计为对称的，诸如地板倾斜或不相等的侧壁角度)。标记不对称性效应的测量可以从该强度比较(例如第一图像和第二图像之间的强度差)确定。然后，这种强度差(或强度不对称性)或其他比较可以被用于使用对准标记来校正对准位置测量。用于测量过程不对称性的技术可能类似于使用目前的后处理量测工具测量重叠的技术。测量不对称性的能力意味着，使用已知的基于衍射的重叠(聚焦)技术，重叠(或聚焦)也可以使用相同的工具在相同的目标上测量。

在图3(b)中，图像被描绘为由没有零阶衰减的布置产生(图3(b)、3(d)和3(f)中的阴影表示强度)。因此，由于检测器上的非干涉零阶光(由每个图像周围的白色圆圈表示)的亮度，对比度会受到影响。图3(d)和3(f)都示出了由零阶被衰减的布置产生的图像，从而提高每个图像内的干涉图案(条纹)的对比度，并且提高信噪比。通常零阶的强度比任何衍射阶的强度都要强得多。因此，光学元件还可以包括衰减器，以平衡零阶和第一衍射阶之间的强度比(例如使得零阶强度在任何衍射阶的10％内)。要注意的是，衰减可以被应用于(或结合使用)图3(a)的光学元件或任何其他合适的光学元件。

在实施例中，衰减可以通过将衰减滤光片应用于零阶楔形物来提供。这种滤光片可以具有小于20％的透射率、小于10％的透射率或小于5％的透射率(例如4％的透射率)。一种可能的滤光片实施方式包括使用静态中性密度(ND)滤光片。这种ND滤光片可以被设置在滤光轮或其他这种布置上，以能够选择期望衰减。另一可能的滤光片实施方式包括空间光调制器(例如硅基液晶-LCoS)，以通过连续方式动态地改变衰减。

图4图示了图2的设备的工作布置，图示了在被照明束IB照明之后零阶束0和一阶束+1通过系统的路径。包括对准标记AM的晶片或衬底平面WP、照明光瞳平面IPP、包括光学元件OE的光瞳平面PP、包括最终透镜的聚焦平面FLP以及像平面(或检测器平面)IP，这五个平面分别从下到上被图示。在图的中心，系统的(简化)透视表示被示出。左侧是照明光瞳平面IPP处的照明光瞳IPP’，其从上到下示出(相对于中心图示)。主透视图像的右侧是晶片平面WP’、照明光瞳平面IPP”、光瞳平面PP’和衍射后的像平面IP’处的自上而下表示。光瞳平面表示IPP”、PP’示出了照明束IB、零阶束0和一阶束+1的光瞳内的位置。晶片平面WP’表示示出了对准标记AM位置，并且像平面IP’表示示出了图像Im位置，以及对应于未明确示出的衍射阶的其他干涉图案的对应图像Im’(示出为虚线)。光学元件OE上的箭头再次表示楔形物表面梯度的方向。

为了改进本文公开的概念的运作，零阶强度可以针对每个标记和/或堆栈被优化。所需的衰减程度可以在三个幅度阶的标度上变化。不同值ND滤光片的固定集合对此可能并不理想，并且可能缺乏期望的精度。另外，由于机械稳定性问题(振动等)，上面提及的基于机械轮的衰减器(根据需要旋转ND滤光片)在对准传感器中是不可取的。机械滤光片也可能需要相对较长的时间来改变。

图5描绘了包括可变反射器形式的可变衰减器VA的实施例，其旨在解决这些问题。已经描述过的系统部件将不再被描述。如所示，反射可变衰减器VA可以位于传感器的光瞳平面处。各种实施例都是可能的。所图示的实施例包括图5的插图所描绘的法布里-珀罗腔。该腔包括由长度为d的小间隙分开的两个半透明反射镜元件M1、M2。该间隙长度d可以通过例如压电致动器P来调整。位于空腔后面的是包括吸收材料的吸收板AB。第一反射镜元件M1具有无衰减的区域r1，其对应于一阶衍射(例如这些区域具有镜状表面)，和具有反射率R的半透明区域r2。反射镜元件M2是半透明的，其具有反射率R。

通过调整高度d，腔的反射率R

其中T是透射率，并且R是半透明反射镜的反射率。针对零阶，透射光T被入射到(至少接近)完美吸收体AB上，并被完全吸收。在1阶位置处，顶部反射镜(至少尽可能接近)100％反射，即，没有(预期的)衰减。

可以示出(例如在仔细选择相对于(多个)相关波长的反射率R(例如R＝0.8)的情况下，腔的可变反射率R

通过使用这种布置，反射的空间可变衰减被实现，其中偏振态没有变化并且提供仅衰减部分光瞳(即，零阶部分)的可能性。不需要大量的ND滤光片和滤光轮。由于衰减器是反射式的，而不是透射式的，因此热锚定被更好地控制。

以上示例已经描述了透射光学元件。虽然这在很大程度上是有效的，但(例如玻璃)光学元件中的色散会导致偏转角度根据波长而变化。这些不同的角度会转化为检测器上的移位图像，从而使多色源的使用同时模糊检测器上垂直于条纹方向的图像。因此，周围结构模糊并泄漏到对准目标图像中，阻碍对准信号的精确提取。在上述多个实施例中，零阶是使用ND滤光片衰减的。然而，ND滤光片玻璃和透明光学元件(楔形物)玻璃之间的色散差异导致一些颜色的对比度大大降低，这限制了可以被用于这种实施例的源带宽。

图6图示了将光瞳拆分为八个区段的反射光学元件ROE以及包括这种反射光学元件ROE的传感器布置。已经描述过的系统部件将不再被描述。该反射光学元件ROE具有零(或非常低)的色散，并且替换在先前实施例中的任何一个中描述的透明光学元件。

以与上述透射光学元件类似的方式，光瞳区域被拆分为八个部分(4对)，其中每对随后在检测器上成像。反射光学元件ROE的反射部件元件RCE

图6中的反射光学元件ROE使用与图3(c)和3(e)中描述的那些基本相同或类似的光学元件(例如楔形物)设计，但涂覆有反射材料(例如金属)或由反射材料制成。图6还示出了这种反射光学元件ROE的可能位置。

图7图示了替代反射光学元件ROE’布置，它可以与图6中的反射光学元件ROE位于相同的位置。图7示出了反射光学元件ROE’，其包括按顺序布置的四个子元件或反射镜布置M

图8图示了另一替代的反射光学元件ROE”布置，它也可以与图6中的反射光学元件ROE位于相同的位置。在这种布置中，四个子元件包括四个分束器立方体BS

还可以了解的是，图3(a)所图示的光学元件的反射版本或本文公开或描述的任何其他光学元件布置(例如形成单个图像或每个方向的单个图像的光学元件)。这适用于本文描述的任何反射实施例，其中如何构造或布置六个(或更少)反射表面版本将是立即显而易见的。

要注意的是，上述任何反射光学元件都可以与上述可变衰减器VA组合使用，在这种情况下，它不会衰减零阶反射表面(例如针对光瞳的零阶部分和光瞳的衍射阶部分，所有反射表面的反射率将类似或相同)。

对较高衍射阶或+1和-1阶的任何提及都可以被更广泛地扩展为表示其他任何其他较高衍射阶，例如互补阶的其他对，诸如+2和-2阶、+3和-3阶等。检测器可以是任何合适的检测器，诸如CCD相机或类似物。多个检测器可以被用于在单独的检测器上检测每个图像。

根据本发明的其他实施例是在下面带编号的条项中描述的：

1.一种量测设备，包括：

光学元件，被配置为在量测设备的光瞳平面处或附近接收至少：包括第一较高衍射阶的第一辐射，和第二辐射，其包括用辐射照射量测目标而产生的零阶；并且在第一方向上一起引导所述第一辐射和第二辐射；

所述量测设备还被配置为至少形成第一干涉图案的第一图像，所述第一干涉图案是由所述第一辐射和第二辐射在像平面处的干涉产生的。

2.根据条项1的量测设备，还包括成像元件，被定位为从光学元件接收至少所引导的第一辐射和第二辐射，并且被配置为在像平面处的第一位置处至少形成所述图像。

3.根据条项2的量测设备，其中光学元件被配置为附加地接收包括第二较高衍射阶的第三辐射，所述第二较高衍射阶与所述第一较高衍射阶互补；所述光学元件还被配置为：

在第二方向上一起引导所述第三辐射和第二辐射，使得所述成像元件形成第二干涉图案的第二图像，所述第二干涉图案是由所述第三辐射和第二辐射在像平面处的干涉产生的。

4.根据条项3的量测设备，其中光学元件被配置为附加地接收：包括第三较高衍射阶的第四辐射，所述第三较高衍射阶对应于所述第一较高衍射阶但是从与衍射所述第一较高衍射阶正交的量测目标或目标部分衍射；和包括第四较高衍射阶的第五辐射，所述第四较高衍射阶对应于所述第二较高衍射阶但是从与衍射所述第二较高衍射阶正交的量测目标或目标部分衍射，以及

所述成像元件可操作为对第三干涉图案和第四干涉图案成像，第三干涉图案是由所述第四辐射和第二辐射在像平面处的干涉产生的，第四干涉图案是由所述第五辐射和第二辐射在像平面处的干涉产生的。

5.根据条项4的量测设备，其中光学元件包括多个光学表面，该多个光学表面被布置在光瞳平面内以在所述第一方向或所述第二方向上引导光瞳平面的不同部分，其中所述光学表面包括：在第一梯度方向上具有第一梯度的第一光学表面和在第二梯度方向上具有第二梯度的第二光学表面。

6.根据条项5的量测设备，包括：用于在第一方向上引导所述第一辐射、第二辐射和第四辐射的三个第一光学表面，以及用于在第二方向上引导所述第二辐射、第三辐射和第五辐射的三个第二光学表面，使得所述第一干涉图案和第二干涉图案被包括在所述第一图像中，并且所述第三干涉图案和所述第四干涉图案被包括在所述第二图像中。

7.根据条项4的量测设备，其中光学元件被配置为：在第一方向上引导所述第一辐射，在第二方向上引导所述第三辐射，在第三方向上引导所述第四辐射并在第四方向上引导所述第五辐射，并且将所述第二辐射引导至第一方向、第二方向、第三方向和第四方向中的每个方向，使得：所述第一干涉图案被包括在所述第一图像中，所述第二干涉图案被包括在所述第二图像中，所述第三干涉图案被包括在所述像平面处的第三位置处的第三图像中，并且所述第四干涉图案被包括在所述像平面处的第四位置处的第四图像中。

8.根据条项7的量测设备，其中光学元件包括被布置在光瞳平面内的多个光学表面，所述多个光学表面包括四对平面；包括：

第一对，在第一梯度方向上具有第一梯度以在第一方向上引导所述第一辐射和第二辐射；

第二对，在第二梯度方向上具有第二梯度以在第二方向上引导所述第三辐射和第二辐射；

第三对，在第三梯度方向上具有第三梯度以在第三方向上引导所述第四辐射和第二辐射；

第四对，在第四梯度方向上具有第四梯度以在第四方向上引导所述第五辐射和第二辐射。

9.根据任何前述条项的量测设备，其中光学元件是透射式的。

10.根据条项1至8中任一项的量测设备，其中光学元件是反射式的。

11.根据条项10的量测设备，其中光学元件包括子元件的顺序布置。

12.根据条项11的量测设备，其中子元件的顺序布置包括反射镜或分束器的顺序布置，每个子元件被配置为针对光瞳平面的不同部分引导辐射。

13.根据任何前述条项的量测设备，包括衰减器，用于衰减所述第二辐射的强度。

14.根据条项13的量测设备，其中衰减器被布置为衰减光瞳平面的对应于所述第二辐射的部分。

15.根据条项13或14的量测设备，其中所述衰减器被包括为光学元件的部分，或者施加到光学元件的涂层。

16.根据条项13或14的量测设备，其中衰减器包括一个或多个滤光片，被布置为对第二辐射进行滤光。

17.根据条项13或14的量测设备，其中衰减器包括可变衰减器。

18.根据条项17的量测设备，其中可变衰减器包括：相距一定距离按顺序布置的第一反射镜元件和第二反射镜元件；以及

致动器，用于改变所述第一反射镜元件和所述第二反射镜元件之间的所述距离。

19.根据条项18的量测设备，其中致动器是压电致动器。

20.根据条项18或19的量测设备，包括吸收体材料，用于吸收未由所述第一反射镜元件和所述第二反射镜元件反射的任何辐射。

21.根据条项18、19或20的量测设备，其中所述第一反射镜元件包括高反射率的第一区域和半透明度的第二区域，并且所述第二反射镜元件是半透明的。

22.根据条项17至21中任一项的量测设备，其中可变衰减器位于量测目标与光学元件之间。

23.根据条项13至22中任一项的量测设备，其中衰减器将所述第二辐射的强度衰减为在所述第一辐射、第三辐射、第四辐射或第五辐射中的任何一个的强度的10％内。

24.根据任何前述条项的量测设备，包括：

检测器，可操作为捕获(多个)所述图像；以及

处理器，可操作为通过(多个)所述图像确定所述量测目标的位置信息。

25.根据条项24的量测设备，其中处理器可操作为通过在所述图像中干涉条纹的位置来确定所述位置信息。

26.根据条项24或25的量测设备，其中处理器可操作为将来自两个互补衍射阶的两个衍射图案的强度进行比较；

以及使用所述比较来确定量测目标中的不对称性。

27.根据条项26的量测设备，使用所确定的所述不对称性来校正所述位置信息。

28.根据任何前述条项的量测设备，还包括投影光学器件，用于将测量辐射投影到量测目标上并且至少捕获零阶和至少一个较高阶。

29.根据任何前述条项的量测设备，被配置为对准传感器，用于确定光刻曝光或量测过程中衬底或掩模版的对准位置。

30.一种具有多个光学表面的光学元件，该多个光学表面至少包括：在第一梯度方向上具有第一梯度的第一光学表面，和在第二梯度方向上具有第二梯度的第二光学表面，由此被配置为在至少第一方向或第二方向上引导入射到其上的角分辨辐射的不同部分。

31.根据条项30的光学元件，包括三个第一光学表面和三个第二光学表面。

32.根据条项30的光学元件，包括四对表面；包括：

第一对，在第一梯度方向上具有第一梯度；

第二对，在第二梯度方向上具有第二梯度；

第三对，在第三梯度方向上具有第三梯度；以及

第四对，在第四梯度方向上具有第四梯度；

由此被配置为将入射到其上的角分辨辐射的不同部分引导至第一方向、第二方向、第三方向或第四方向中的一个方向中。

33.根据条项30、31或32的光学元件，其中光学元件是透射式的。

34.根据条项30、31或32的光学元件，其中光学元件是反射式的。

35.根据条项34的光学元件，其中光学元件包括子元件的顺序布置。

36.根据条项35的光学元件，其中子元件的顺序布置包括反射镜或分束器的顺序布置，每个子元件被配置为引导角分辨辐射的不同部分。

37.根据条项30至36中任一项的光学元件，包括针对角分辨辐射的部分的衰减器。

38.一种可变衰减器，包括相距一定距离按顺序布置的第一反射镜元件和第二反射镜元件；以及

致动器，用于改变所述第一反射镜元件和所述第二反射镜元件之间的所述距离。

39.根据条项38所述的可变衰减器，其中致动器是压电致动器。

40.根据条项38或39所述的可变衰减器，包括吸收体材料，用于吸收未由所述第一反射镜元件和所述第二反射镜元件反射的任何辐射。

41.根据条项38、39或40所述的可变衰减器，其中所述第一反射镜元件包括高反射率的第一区域和半透明度的第二区域，并且所述第二反射镜元件是半透明的。

与本文描述的量测设备相关使用的术语“辐射”和“束”涵盖在任何波长范围内的所有类型的电磁辐射，包括红外波长，诸如1000至3000nm波长。

虽然以上描述描述了对光刻装置/扫描仪的校正，但所确定的校正也可以被用于任何过程，并且由IC制造过程中的任何集成电路(IC)制造设备使用，例如蚀刻设备，这对在层内形成的结构的位置和/或尺寸有影响。

与光刻设备相关使用的术语“辐射”和“束”涵盖所有类型的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射(例如具有等于或约为365、355、248、193、157或126nm的波长)和极紫外(EUV)辐射(例如具有在5至20nm范围内的波长)以及粒子束，诸如离子束或电子束。

在上下文允许的情况下，术语“透镜”可以指各种类型的光学部件中的任何一种或组合，包括折射、反射、磁性、电磁和静电光学部件。

具体实施例的前述描述将充分展现本发明的一般性，通过应用技术领域内的知识，在未过度实验，未偏离本发明的一般概念的情况下，其他人可以容易地修改和/或适应这种具体实施例的各种应用。因此，基于本文呈现的教导和指导，这种适应和修改旨在与所公开的实施例等效的意义和范围内。要理解的是，本文的措辞或术语是出于通过示例描述的目的，而非限制性的，使得本说明书的术语或措辞是由本领域技术人员鉴于教导和指导而解释的。

本发明的广度和范围不应该受到任何上述的示例性实施例的限制，而应该只根据以下权利要求及其等效物来定义。