用于光瞳成像散射测量的变迹法

摘要

本发明涉及用于光瞳成像散射测量的各种变迹方案。在一些实施例中，系统包含安置于照明路径的光瞳平面内的变迹器。在一些实施例中，所述系统进一步包含经配置以用变迹照明的至少一部分来扫描样本的表面的照明扫描仪。在一些实施例中，所述系统包含经配置以提供四极照明功能的变迹光瞳。在一些实施例中，所述系统进一步包含变迹收集场光阑。本文中描述的各种实施例可经组合以实现某些优点。

说明书

优先权

本申请案主张安迪·希尔(Andy Hill)等人于2012年11月27日申请的名称为“用于 光瞳成像散射测量计量的变迹法(APODIZATION FOR PUPIL IMAGING  SCATTEROMETRY METROLOGY)”的第61/730,383号美国临时申请案的优先权，所述 案是当前共同待审的或为享有申请日的权利的(若干)当前共同待审申请案的申请案。前 述临时申请案的全文特此以引用的方式并入。

技术领域

本发明大体上涉及光学计量的领域，且更特定地说，涉及用于光学计量系统的变迹 法。

背景技术

光学计量通常在半导体制造期间用于测量装置或测试特征的光学及/或结构特性。例 如，光学或结构特性可包含临界尺寸，例如高度、侧壁角度、间距、线宽、膜厚度、折 射率及不同层之间或单个层内的曝光之间的重叠。可在光学计量系统中实施变迹法以控 制沿光学路径的明确界定位置处的照明的角度及空间分布。当计量准确度及精确度取决 于从小计量目标检索高保真度光谱或角度信息的能力时，变迹法尤为重要。在此类情况 中，需要防止由来自样本上的指定计量目标外的区域的无用散射引起或归因于来自沿光 学路径的中间光学组件或孔径的散射的信号污染。

在角度解析(光瞳成像)散射计的情况中，所属领域中的已知实践是以下各项的组 合：(1)照明路径中的简单平坦的顶部孔径(光瞳)光阑，其限制照明数值孔径(NA)，使得 可在收集光瞳中隔离来自计量目标的不同衍射级；及(2)照明路径中的简单平坦的顶部场 光阑，其用于将照明定域于小目标上。利用前述架构，照明场光阑变为光瞳成像系统的 限制孔径。照明场光阑的硬边缘导致照明孔径光阑的图像中的振铃，且振铃导致光瞳图 像中的等级(例如0级与1级)之间的交互或干扰。解决此问题的一种方法是光学计量系 统的照明路径中的场变迹法。利用场变迹法，场中的平稳变化的透射函数的引入导致共 轭光瞳平面中的平稳变化且快速衰变的函数以有效地抑制导致等级之间的干扰的振铃。

前述方法可适合于无照明展度的空间非相干系统。然而，对于采用相干照明源的光 学计量系统(例如具有高空间及时间相干性的基于激光的系统)，出现大量噪声问题。需 要对空间相干照明光束塑形而使得其在场平面中具有低尾部以最小化目标的边缘的外 围污染及衍射。需要光瞳平面中的低尾部以最小化衍射级之间的交互及干扰及物镜光瞳 的削波。可在照明场光阑或照明孔径光阑中通过某一组合振幅及相位变迹而对光束塑 形。为了使目标噪声的效应平均化，需要在测量期间扫描目标上的空间相干照明点。如 果在照明场平面处执行光束塑形且点扫描机构位于此场平面前方，那么场平面及光瞳平 面中的光束形状将随点横跨场变迹器扫描而改变。此引入总光束强度的波动以及光瞳中 的光的分布的不对称性。

发明内容

本发明涉及利用下文描述的变迹方案中的一或多者来处理所属领域中的部分或全 部前述缺陷。

本发明的各种实施例涉及一种用于执行光学计量的系统，其包含：至少一个照明 源，其经配置以照明样本；及至少一个检测器，其经配置以接收从样本散射、反射或辐 射的照明的至少部分。通信地耦合到所述一或多个检测器的至少一个计算系统可经配置 以基于照明的所检测部分而确定样本的至少一个空间属性，例如光学或结构特性。

所述系统可包含安置于照明路径的光瞳平面内的变迹器或变迹光瞳。所述变迹器可 经配置以使沿照明路径导引的照明变迹。在一些实施例中，所述系统可进一步包含照明 扫描仪，所述照明扫描仪沿照明路径安置且经配置以用所述变迹照明的至少部分扫描样 本的表面。所述系统可进一步包含：照明场光阑，其经配置以阻止沿照明路径导引的照 明的部分扫描样本的所述表面；及收集场光阑，其经配置以阻止沿收集路径导引的照明 的部分由检测器接收。

在一些实施例中，所述系统可包含沿照明路径安置的变迹光瞳。所述变迹光瞳可包 含经配置以提供四极照明功能的至少四个长形孔径。所述变迹光瞳可经进一步配置以使 沿照明路径导引的照明变迹。此外，沿照明路径安置的照明场光阑可经配置以阻止沿照 明路径导引的照明的部分照射或扫描样本的表面。

在一些实施例中，所述系统可包含安置于照明路径的光瞳平面内的变迹器，且可进 一步包含沿收集路径安置的变迹收集场光阑。所述变迹收集场光阑可经配置以使沿收集 路径导引的照明变迹，且经进一步配置以阻止沿收集路径导引的照明的部分由检测器接 收。

所属领域技术人员将明白，前述实施例及下述进一步实施例可经组合以实现各种优 点。因此，除非另有注释，否则本文中描述的配置不应被解释为本发明的限制。此外， 应了解，以上一般描述及以下详细描述两者均只是示范性及解释性的，且未必为本发明 的限制。并入本说明书中且构成本说明书的部分的附图说明本发明的目标。描述及图式 一起用于解释本发明的原理。

附图说明

所属领域技术人员可通过参考附图而更佳地理解本发明的多个优点，其中：

图1是说明根据本发明的实施例的光学计量系统的框图，所述系统包含安置于所述 系统的光瞳平面内的变迹器；

图2是说明根据本发明的实施例的光学计量系统的框图，所述系统进一步包含安置 于系统的光瞳平面内的照明扫描仪；

图3是说明根据本发明的实施例的光学计量系统的框图，其中照明扫描仪安置于照 明场光阑后方；

图4是说明根据本发明的实施例的包含变迹照明场光阑的光学计量系统的框图；

图5是说明根据本发明的实施例的光学计量系统的框图，其中变迹器安置于照明场 光阑及照明扫描仪后方；

图6是说明根据本发明的实施例的光学计量系统的框图，其中变迹器及照明场光阑 安置于照明扫描仪后方；

图7是说明根据本发明的实施例的进一步包含变迹收集场光阑的光学计量系统的框 图；

图8是说明根据本发明的实施例的光学计量系统的框图，其中照明扫描仪经配置以 扫描沿样本表面的照明且经进一步配置以使从样本表面收集的照明解除扫描(descan)；

图9A是根据本发明的实施例的示范性变迹器标量光瞳平面曲线的图表；

图9B是根据本发明的实施例的示范性变迹器标量光瞳平面曲线的晶片平面标量强 度(对数标度)的图表；

图9C是根据本发明的实施例的用于示范性变迹器标量光瞳平面曲线的在光瞳图像 传感器(即，检测器)处的所得标量曲线的图表；

图10A说明根据本发明的实施例的经配置以用于四极照明功能的光瞳；及

图10B说明根据本发明的实施例的多个光瞳配置。

具体实施方式

现将详细参考附图中所说明的所揭示标的物。

图1到10B大体上说明例如角度解析(光瞳成像)散射计或类似者的光学计量系统 100的变迹方案。根据各种实施例，光瞳及/或检测器平面处的变迹实现具有相对较小尺 寸的目标上的高性能计量。此外，以下实施例包含与测量质量、性能及/或精确度的某些 优点相关联的配置。应注意，下文描述的实施例提供说明性目的且多项实施例的各个部 分可经组合以实现具有选定优点的进一步实施例。

一般来说，以下实施例涉及以下优点中的一或多者。系统100的实施例可包含用于 对沿照明路径导引的照明塑形以避免照明计量样本102(例如半导体晶片或掩模)的目标 区域的外部的配置。此外，系统100的实施例可包含用于减轻或取消沿照明路径从光学 表面及/或孔径边缘衍射或散射的照明以避免污染光瞳区域的配置。系统100的实施例可 进一步包含用于塑形或排除沿收集路径反射、散射或辐射的杂散照明以避免检测到来自 样本102的目标区域外的区域的照明的配置。例如，一些配置可涉及阻止或排除从物镜 或收集场光阑衍射的照明部分。下文关于系统100的以下实施例而论述进一步目标或优 点。

如图1中所示，系统100可包含至少一个空间相干(例如激光)或非相干(例如激光持 续等离子“LSP”或激光驱动光源“LDLS”)的照明源104。本文中的若干实施例涉及基 于空间相干照明源的光学计量系统；然而，由所论述的配置提供的许多优点还可应用于 基于空间非相干照明源的系统。在一些实施例中，照明源104可经配置以沿通向自由空 间照明路径的光纤106提供照明。

在一些实施例中，系统100包含安置于照明路径的光瞳平面内的变迹器108，例如 独立变迹元件或变迹光瞳。系统100可进一步包含沿照明路径安置的照明场光阑112。 照明场光阑112可经配置以阻止沿照明路径导引的照明部分将照明定域于样本102的目 标区域处且滤除来自上游组件的寄生(散射或衍射)照明。

在一些实施例中，系统100进一步包含安置于变迹器108与照明场光阑112之间的 照明扫描仪110，例如扫描镜。例如，照明光学器件可经布置而使得来自照明源104的 照明被导引穿过变迹器108且接着通过照明扫描仪110而横跨照明场光阑112扫描。或 者，如图5中所示，照明光学器件可经布置而使得来自照明源104的照明被导引穿过照 明场光阑112且接着通过照明扫描仪110而横跨变迹器108扫描。照明扫描仪110可包 含或可耦合到一或多个致动器以使照明扫描仪110能够用根据场光阑112进一步塑形的 变迹照明来点扫描样本102的目标区域。照明光学器件可经进一步布置而使得照明扫描 仪110安置于光瞳平面内。例如，如图2中所示，照明扫描仪110可与光瞳平面共轭。 将照明扫描仪110放置于光瞳平面处可在变迹照明的至少一部分在样本102的目标区域 处进行点扫描期间改善由变迹器108提供的变迹函数的稳定性。

在一些实施例中，如图3中说明，变迹器108及照明场光阑112安置于照明扫描仪 110前方。因而，由照明扫描仪110接收的照明经变迹且根据照明场光阑112而进一步 塑形。此布置允许照明场光瞳112包含较小孔径，因为无需横跨场光阑112扫描照明。 因此，照明场光阑112可滤除由变迹器108及光纤106导致的更多空间噪声。此外，将 由时间相依性导致的强度噪声引入到场光阑112的点偏离边缘的衍射中的概率更小。当 将照明扫描仪110安置于变迹器108及照明场光阑112后方时，可避免归因于场光阑边 缘的扫描的强衍射。

图4说明其中照明场光阑112还可经变迹以除了由光瞳变迹器108提供的光瞳变迹 以外还引入场变迹的进一步实施例。变迹照明场光阑112可允许改善塑形沿照明路径导 引的照明的能力。强度调制及光瞳分布的变化可发生在点扫描期间；然而，可由变迹大 幅减轻归因于点到达照明场光阑112的边缘的衍射效应。减轻衍射效应是重要的，因为 如果衍射效应不受控制，那么可发生光瞳点的混合。因为照明场光阑112处的图像最终 成像到样本102，所以场变迹可进一步减小样本102的目标区域的边缘及收集场光阑120 的边缘处的点强度，藉此抑制收集光瞳处的光瞳点的混合。

如上文论述，图5说明其中照明光学器件可经布置而使得来自照明源104的照明被 导引穿过照明场光阑112且接着通过照明扫描仪110而横跨变迹器108扫描的实施例。 此布置可允许相对较小的照明场光阑112安置于照明扫描仪110前方以减轻来自照明源 104及/或光纤106的进入噪声。此外，将变迹器108定位于照明扫描仪110后方可允许 提高塑形横跨样本102所扫描的照明的能力。

或者，如图6中所示，变迹器108及照明场光阑112可安置于照明扫描仪110后方。 将变迹器108安置于照明扫描仪110后方可允许照明光瞳中的平稳变迹函数，因为照明 扫描仪110只影响行进穿过变迹器108的照明的角度。此外，安置于变迹器108后方的 照明场光阑112可经启用以滤除来自包含变迹器108、照明扫描仪110、光纤106及任 何额外照明光学器件(例如各种透镜)的上游组件的寄生照明。

系统100可进一步包含经配置以导引照明从照明路径穿过物镜116以照明样本102 的分束器114。系统100可包含经配置以支撑样本102的载台118。在一些实施例中， 载台118可进一步包含或可耦合到至少一个致动器。致动器可经配置以平移或旋转载台 118以将样本102安置于选定位置处。因此，可经由致动样本载台118而使照明瞄准或 扫描样本102的选定区域。替代地或另外，照明光学器件中的一或多者(例如物镜116) 可经致动以瞄准样本102的选定区域及/或调整瞄准样本102的照明的焦点。

照明可能会被样本102的目标区域散射、反射或辐射。系统100可包含经配置以从 样本102接收经散射、经反射或经辐射的照明的至少部分的至少一个检测器122，例如 相机、分光计、光二极管或任何其它光检测器。在一些实施例中，收集场光阑120经配 置以阻止沿收集路径从样本102导引的照明的至少部分以导致检测器122滤除寄生照 明，例如由分束器114、物镜116及/或任何其它收集光学器件衍射或散射的照明。

在一些实施例中，可使收集场光阑120进一步变迹，如图7中所示。应注意，可由 本文中描述的实施例中的任一者支持包含变迹收集场光阑120及其它特征。变迹收集场 光阑120可有利地减小对由来自收集场光阑120的边缘的衍射或散射引起的光束位置相 对于样本102的目标区域的中心的偏心误差的敏感度。特定地说，具有小数值孔径(NA) 的收集场光阑可对偏心误差更敏感，且可因此明显受益于变迹。为进一步解释，对偏心 的敏感度可由从场光阑120散射的来自给定级(例如1级衍射)的所要衍射与来自另一级 (例如0级衍射)的非所要衍射之间的干扰引起。可通过对照明进行塑形以补偿衍射或散 射效应的收集场光阑变迹来抑制衍射级之间的干扰。此外，收集场光阑120的变迹可减 少来自定位于收集场光阑120后方的光瞳平面中的光瞳孔径的边缘的衍射或散射效应。 抑制寄生(衍射或散射)照明到达检测器122可允许通过减小由偏心误差导致的不准确度 且允许更高精确度而改善计量性能。

系统100可包含通信地耦合到一或多个检测器122的至少一个计算系统124。计算 系统124可经配置以基于从样本102的目标区域散射、反射或辐射的照明的所检测部分 而确定样本102的至少一个空间属性。例如，计算系统124可经配置以根据所属领域中 已知的计量及/或检验算法中的一或多者而确定样本102的光学或结构特性或与样本102 相关联的缺陷信息。计算系统124可经配置以执行嵌入于由至少一个通信地耦合的载体 媒体126存储的程序指令128中的至少一种计量或检验算法。在一些实施例中，计算系 统124包含经配置以执行来自通信地耦合的载体媒体126的程序指令128的至少一个单 核或多核处理器。此外，应认识到，可由单个计算系统或多个计算系统实施本发明中描 述的各种步骤或功能中的任一者。

图8说明其中沿照明路径的部分及收集路径的部分安置照明扫描仪110的系统100 的另一实施例。因此，照明扫描仪110可经配置以用沿照明路径传递的照明来点扫描样 本102的目标区域，且经进一步配置以解除扫描从样本102沿收集路散射、反射或辐射 到检测器122的照明。通过分别扫描及解除扫描瞄准及收集自样本102的照明，照明扫 描仪110可减小偏心误差且改善检测器122处所接收的照明的均匀度。因此，扫描/解除 扫描光学布置可改善测量性能。

由以引用的方式并入本文中的第20080037134号美国公开案部分地描述光瞳成像散 射计中的变迹的使用。变迹器108及各种实施例中的变迹照明场光阑112及/或变迹收集 场光阑120可并入有由第20080037134号美国公开案论述或引用的变迹技术中的任一 者。变迹器的关键特性中的一者是随径向尺寸而变的所述变迹器的透射曲线。变迹函数 通常呈梯形或高斯形式。在系统100的一些实施例中，变迹曲线可进一步包含(但不限于) 顶帽形式、优化顶帽形式、高斯形式、双曲正切形式或布莱克曼(Blackman)形式。并非 为极坐标式变迹曲线，而是还可通过使X方向的1D变迹分布乘以Y方向的对应者而实 施呈笛卡尔坐标形式的2D变迹分布。如下文进一步描述，可根据成本函数而选择变迹 曲线以改善或优化系统性能。

图9A到9C说明多个不同变迹曲线及样本成像平面及收集光瞳平面处的对应所得曲 线的标量分布的实例。例如，图9A展示例示顶帽曲线、优化顶帽曲线、高斯曲线及双 曲正切曲线的标量光瞳平面曲线(透射率对光瞳坐标)。图9B展示对应于示范性变迹曲线 的样本成像平面处的标量强度，且图9C展示检测器(即，收集)光瞳平面处的对应所得标 量曲线。如由图9A到9C中的示范性图表说明，样本坐标处的照明点的外围中的强度可 大幅减小，因此导致来自样本102的目标区域外的区域的检测器122处的信号污染减少。

在一些实施例中，可根据成本函数而选择变迹曲线。例如，变迹曲线可经指定以实 质上最大化光瞳检测器122上的孔径中的给定位置处的尾部与峰值的比率，同时实质上 最小化总信号及随后精确度影响。在1D情况中，可根据以下成本函数而选择光瞳变迹 曲线：

$F\left(p\right(k\left)\right)={\int }_{x>x_0}dx\left[{\left|{\int }_{-NA}^{+NA}dkp\left(k\right)e^{-ikx}\right|}^2\right]+{\lambda }_1{\int }_{k<k_0}dk{|p\left(k\right)-p\left(0\right)|}^2,$

其中p(k)是光瞳变迹器曲线，x₀界定样本的目标范围，k₀界定光瞳平面的目标范围， λ₁界定场平面中的尾部减小及光瞳函数均匀度的相对权重，且NA界定光瞳孔径(自然单 位)。此外，在实施例中，可根据以下成本函数而选择收集变迹曲线：

$F\left(p\right(x\left)\right)={\int }_{k>k_0}dk\left[{\left|{\int }_{-L/2}^{+L/2}dxp\left(x\right)e^{+ikx}\right|}^2\right]+{\lambda }_2{\int }_{x<x_1}dx\left[\right|p\left(x\right)-p\left(0\right)\left|\right],$

其中p(x)是场变迹器曲线，x₁界定样本的目标范围，k₀界定光瞳平面的目标范围， λ₂界定场平面中的尾部减小及收集场光阑函数均匀度的相对权重，且L界定收集场光阑 大小。

在一些实施例中，照明光谱可作为计量配方设置的部分而变动。例如，可利用光谱 控制器或空间光调制器(SLM)(例如由TEXAS INSTRUMENTS制造的DLP微镜阵列)来 控制照明光谱。例如，可根据类似于上文描述的变迹曲线选择成本函数的成本函数而利 用随波长而变的目标相关参数(例如大小、间距或反射率)及目标接近度的类似特性来确 定及控制变迹曲线。

尽管强变迹函数存在优点，但可能存在信号的相关联损失及计量精确度的后续损 失。在一些实施例中，光瞳的形状，因此光瞳函数，可经修改以恢复计量精确度。图10A 及10B说明可应用于变迹光瞳108的各种光瞳函数200。在一些实施例中，如图10A中 说明，可在正交于衍射的方向上延长点(光瞳孔径)202a到202d以增加衍射点的大小。 此外，变迹光瞳200可经配置以用于包含至少四个长形孔径202a到202d的四极照明以 保证延长总是在正交于衍射的方向上且允许从照明波长与光栅间距的更高比率捕获等 级。图10B中说明光瞳200的进一步实施例。然而，预期可在不背离本发明的范围的情 况下并入各种修改。

尽管上文论述的一些实施例涉及只经强度调制的变迹函数，但是这里应强调，变迹 函数可为组合强度调制与相位变迹的复合函数。例如，上文针对场及光瞳变迹给定的成 本函数p(x)及p(k)可重写为p＝|p|e^iψ，其中|p|反映变迹器的强度调制，且ψ反映相位调 制。

可根据所属领域中已知的若干技术而制造变迹元件。一些实例包含半色调振幅透射 掩模、变化中性密度掩模及相位调制掩模。已知光刻技术尤其良好地适合于半色调振幅 掩模及具有离散相位步进(即，约8个层级)的相位掩模。在一些实施例中，可在光罩坯 料上的光致抗蚀剂中使用标准电子束写入技术来制造变迹元件以产生光学计量系统100 所需的高精确度变迹。

尽管上文论述且由图式说明的实施例展示单个光学柱(即，单线照明路径及单线收集 路径)，但是所属领域技术人员将明白，光学柱中可存在多个路径。例如，多路径光学布 置可用于不同照明及收集偏振状态，如以引用的方式并入本文中的第2011000108892号 美国公开案中所描述。在一些实施例中，可由共用变迹器使两个或两个以上偏振路径同 时变迹，或可存在用于各偏振路径的分离变迹器。

扫描光束与变迹的组合可提供显著优点。扫描空间相干光束允许在不损失改变场光 阑大小强加的光的情况下针对每一目标而控制照明点大小。支持空间相干照明的系统实 现目标上的最小可能点且随后实现最小可能目标大小。此外，使光瞳函数变迹(与场相反) 允许临界分布在点扫描期间于照明光瞳中保持不变。应进一步注意，扫描模块可用于诱 发从源射出的照明的强度调制。因此，入射于样本上的点可具有晶片坐标相依性总强度。 此可允许非相干光源的经有效变迹的照明场光阑。此组合的重要优点是改善选择变迹函 数的灵活性。此外，引入不遭受归因于其制程的散射副效应的照明场变迹器。

前述实施例的额外优点包含(但不限于)：减少或消除从目标区域外散射的光对收集 光瞳的信号污染；减少或消除沿照明或收集光学路径从孔径散射的光对收集光瞳的信号 污染；点扫描期间的稳定照明光瞳分布；在扫描期间减少点与场光阑及目标边缘之间的 交互；及受控扫描允许外围交互或目标边缘衍射与更佳目标噪声平均化之间的权衡。

所属领域技术人员将明白，存在可由其实现本文中描述的过程及/或系统及/或技术 的各种载体(例如硬件、软件或固件)，且优选载体将随其中部署过程及/或系统及/或其它 技术的背景而变动。实施方法的程序指令(例如本文中描述的程序指令)可通过载体媒体 而传输或存储于载体媒体上。载体媒体可包含传输媒体，例如电线、电缆或无线传输链 路。载体媒体还可包含存储媒体，例如只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或磁 带。

本文中描述的全部方法可包含：将方法实施例的一或多个步骤的结果存储于存储媒 体中。所述结果可包含本文中描述的结果中的任一者且可以所属领域中已知的任何方式 存储。存储媒体可包含本文中描述的任何存储媒体或所属领域中已知的任何其它适合存 储媒体。在已存储所述结果之后，所述结果可存取于存储媒体中且由本文中描述的方法 或系统实施例中的任一者使用，经格式化以对用户显示，由另一软件模块、方法或系统 使用，等等。此外，可“永久地”、“半永久地”、“暂时地”或在某一时间周期内存储所 述结果。例如，所述存储媒体可为随机存取存储器(RAM)，且所述结果未必无限期地存 留于所述存储媒体中。

尽管已说明本发明的特定实施例，但是应明白，所属领域技术人员可在不背离本发 明的范围及精神的情况下对本发明作出各种修改及实施例。因此，本发明的范围应只受 限于本发明的随附权利要求书。