CN101093362A - 角分辨分光光刻术的特性测定方法与设备 - Google Patents

Abstract

在从衬底衍射时进行两个正交偏振光束的同时测量来确定衬底的特性。具有在正交方向上偏振的辐射的线性偏振光源经由两个非偏振分束器传送，所述两个非偏振分束器中的一个相对于另一个旋转90°。组合光束接着被衍射而离开衬底，然后返回而通过非偏振分束器并通过移相器和沃拉斯顿棱镜，然后被CCD照相机测量。这样，可测量相位和两个偏振光束的各种相位跃变的强度，并可确定光束的偏振态。如果移相变为零(即无相移)，则衬底的光栅使其参数由同一检测器系统同时用TE和TM偏振光测量。

Description

角分辨分光光刻术的特性测定方法与设备

技术领域

本发明涉及可在采用光刻技术的器件制造中使用的检查方法，并涉及利用光刻技术、蚀刻应用和薄膜测量来制造器件的方法。

背景技术

光刻设备是一种将想要的图案施加到衬底、通常为衬底的目标部分上的机器。光刻设备可用于例如集成电路(IC)的制造。在那种情形下，可利用也可被称为掩模或掩模原版的图案形成装置生成将在IC的单层上形成的电路图案。该图案可被转移到衬底(如硅片)上的目标部分(如包含一个或若干管芯的部分)。图案的转移通常借助于在衬底上设置的辐射敏感材料层(光刻胶)上的成像。一般，单个衬底将包含被连续图案化的相邻目标部分的网格。已知的光刻设备包括所谓的步进机和扫描机，在步进机中，通过同时使整个图案曝光到目标部分上而使每个目标部分被照射；在扫描机中，通过辐射束沿着给定方向(“扫描方向”)扫描图案并同时沿着与这个方向平行或反平行的方向扫描衬底而使每个目标部分被照射。也可通过在衬底上压印图案将图案从图案形成装置转移至衬底。

为了确定例如层厚、临界尺寸(CD)或重叠等的衬底特征，使光束例如在对准目标处反射离开衬底表面并且在照相机上使反射光束成像。通过测量反射光束的特性，可确定衬底的特性。这可以例如通过将反射光束和存储在与已知衬底特性相关联的已知量值库中的数据比较来完成。

测量衬底特性的一种方法是通过使偏振光束从衬底表面上存在的光栅衍射，并使偏振光束的衍射光谱在检测器阵列上成像。必须控制测量光束的偏振态，以使其偏振态不被传感器光学部件的缺陷所改变。图2示出了这样做的一种方式。利用偏振分束器PBS合并两个源P和S。PBS的使用确保了来自P和S源的光分别是S和P偏振的(即光束的偏振分别垂直和平行于PBS的入射面)。为了能够在同一照相机的CCD上测量各偏振光束的衍射光谱，在各个源处设置了快门(图中未示出)。交替打开两个光束p、s的快门，使得在任何时刻只有两个偏振光束中的一个过该系统。这需要许多快速移动部件且两个偏振光束之间的交替增加了在衬底上测试所耗用时间，从而增加了通过时间。

发明内容

理想的方式是提供一种在确定衬底特性时可缩短测量p和s偏振光束所耗用时间的设备。

按照本发明的一个方面，设置了用来测量衬底特性的检查设备、光刻设备或光刻区，光刻区其中包括：配置成提供具有两个正交偏振方向的辐射的光源；配置成使辐射束聚焦到衬底上；分束器，配置成将自衬底表面反射一次的辐射束分离成两个正交偏振的子光束的透镜；以及配置成同时检测从衬底表面反射的两个辐射束的角分辨光谱的检测器系统。

按照本发明的另一方面，设置了用来测量衬底特性的检查设备、光刻设备或光刻区，光刻区其中包括：配置成提供具有两个正交偏振方向的辐射束的光源；配置成使辐射束聚焦到衬底上的透镜；配置成检测自衬底反射的辐射束的检测器系统；第一非偏振分束器，它配置成在第一方向上接收来自源的辐射束并将辐射束在第二方向上反射到衬底上，并在第二方向上接收自衬底反射的辐射束并将辐射束传到检测器系统；第二非偏振分束器，它相对于第一非偏振分束器旋转了90°，配置成在第二方向上接收来自第一非偏振分束器的辐射束、在第二方向上将该辐射束的一部分传输到检测器并在第三方向上反射辐射束的另一部分，其中第三方向垂直于第二方向；以及第三偏振分束器，它配置成接收来自第二非偏振分束器的辐射束、将该辐射束分离成正交偏振的子光束并将子光束传到检测器系统，其中检测器系统配置成同时检测两个子光束的反射光谱。

附图说明

现在通过举例方式并参考所附示意图对本发明的实施例进行描述，在附图中相应的附图标记表示相应的部分，其中：

图1a描述本发明实施例的光刻设备；

图1b描述本发明实施例的光刻区或光刻组；

图2描述现有技术的检查系统；

图3描述图2的时间线；

图4描述本发明实施例的检查设备；

图5描述图4的时间线；

图6描述现有技术的椭偏计；

图7描述由椭偏计发现的辐射束的特性；

图8描述本发明实施例的椭偏计；

图9描述图8的本发明实施例的一部分；以及

图10描述本发明的另一实施例。

具体实施方式

图1示意描述光刻设备。该设备包括配置成可调节辐射束B(例如UV辐射或DUV辐射)的照明系统(照明器)IL支持体(例如掩模台)MT配置成支撑图案形成装置(例如掩模)MA并且与配置成依照某些参数将图案形成装置准确定位的第一定位装置PM相连。衬底台(例如晶片台)WT配置成可支持衬底(例如经光刻胶涂敷的晶片)W并且与配置成依照某些参数将衬底精确定位的第二定位装置PW相连。投影系统(例如折射式投影透镜系统)PL配置成将由图案形成装置MA赋予辐射束B的图案投射到衬底W的目标部分C(例如包括一个或多个管芯)上。

照明系统可包括对辐射进行定向、成形和/或控制的各类型的光学部件，如折射光学部件、反射光学部件、磁光学部件、电磁光学部件、静电光学部件或其它类型的光学部件、或者其中的任何组合。

支持体支撑图案形成装置(例如承载其重量)。支持体以依赖于图案形成装置的取向、光刻设备的设计以及其它条件(例如，图案形成装置是否保持在真空环境中)的方式支撑图案形成装置。支持体可用机械的、真空的、静电的或其它的夹紧技术来支持图案形成装置。支持体可以是例如根据需要而固定或移动的框架或台。支持体可确保图案形成装置位于理想的位置比如相对投影系统而言。在这里，术语“掩模原版”或“掩模”的任何用法可被认为与更通用的术语“图案形成装置”同义。

本文所使用的术语“图案形成装置”应广义解释为指可用来将图案赋予辐射束的横截面以在衬底的目标部分产生图案的任何装置。应当注意，例如如果图案包括相移特征或所谓的辅助特征，则赋予辐射束的图案可能不是恰好对应于衬底的目标部分中想要的图案。一般，赋予辐射束的图案将对应于正在目标部分中形成的装置中的某功能层，例如集成电路。

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、可编程镜阵列和可编程LCD面板。掩模在光刻术领域中是众所周知的，并包括如二元、交变相移和衰减相移的掩模类型以及各种混合掩模类型。可编程镜阵列的一例是微镜的矩阵设置，各微镜可单独地倾斜以沿不同方向反射所入射的辐射束。倾斜的微镜在镜矩阵反射的辐射束中传递图案。

这里所用的术语“投影系统”应广义理解为包括各种类型的投影系统，包括折射式、反射式、反射折射式、磁式、电磁式和静电式光学系统或其任意组合，这例如应根据所用的曝光辐射或其它因素(如使用浸液或使用真空)来适当确定。术语“投影透镜”在本文中的任何使用均应视为与更通用的术语“投影系统”同义。

这里所描述的装置是透射型的(如使用透射掩模)。另一方面，设备还可以是反射型的(如使用上面提到的可编程镜阵列的类型，或使用反射掩模)。

一种类型的光刻装置可以具有两个(双台)或多个衬底台(和/或两个或多个掩模台)。在这种“多台”式机器中，附加的台可以并行地使用，或者可在一个或多个台上进行预备步骤而将一个或多个其它的台用于曝光。

光刻设备还可以是下列类型的，其中衬底的至少一部分可被具有较高折射率的液体例如水所覆盖，以填充投射系统和衬底之间的空间。浸液还可用于光刻设备中的其他空间，例如掩模和投影系统之间的空间。浸没技术在增加投影系统的数值孔径的领域中是公知的。本文所使用的术语“浸没”并不意味着例如衬底的结构必须被浸没在液体中，而是仅仅意味着在曝光期间液体位于投影系统和衬底之间。

参考图1a，照明器IL接收来自辐射源SO的辐射束。该辐射源和光刻设备可为独立的实体，例如在辐射源为准分子激光器时。在这种情况下，辐射源不应被视为光刻装置的组成部分，辐射束借助于光束传送系统BD从辐射源SO传递到照明器IL中，光束传送系统BD例如包括适当的引导镜和/或光束扩束器。在其它情况下，该辐射源可以是光刻装置的一个整体部分，例如在该源为水银灯时。辐射源SO和照明器IL(如果需要)连同光束传送系统BD可统称为辐射系统。

照明器IL可包括调节器AD，用于调节辐射束的角强度分布。通常来说，至少可以调节照明器的光瞳面上的强度分布的外部和/或内部径向范围(通常分别称为σ-外部和σ-内部)。此外，照明器IL可包括各种其它部件，例如积分器IN和聚光器CO。照明器用来调整辐射束，使得其在其横截面上具有所想要的均匀性和强度分布。

辐射束B入射到固定于支持体(例如掩模台MT)上的图案形成装置(例如掩模MA)上，并由该图案形成装置形成图案。在穿过掩模MA后，辐射束B通过投影系统PL，将光束聚焦在衬底W的目标部分C上。借助于第二定位装置PW和位置传感器IF(例如干涉测量装置、线性编码器或电容传感器)，衬底台WT可精确地移动，以例如将不同的目标部分C定位在辐射束B的路径中。类似地，可用第一定位装置PM和另一位置传感器(在图1中未明示)来相对于辐射束B的路径对图案形成装置MA进行精确的定位，例如从掩模库中以机械方式取回掩模后或者在扫描过程中。一般，借助于形成为第一定位装置PM的一部分的长行程模块(粗略定位)和短行程模块(精确定位)，可实现掩模台MT的运动。类似地，采用形成为第二定位装置PW的一部分的长行程模块和短行程模块，可实现衬底台WT的运动。采用步进机(与扫描机相反)的场合，掩模台MT可只与短行程致动器相连，或被固定。掩模MA和衬底W可采用掩模对准标记M1、M2和衬底对准标记P1、P2来对准。虽然衬底对准标记显示为占据了专用目标部分，然而它们可位于目标部分之间的空间内(它们称为切割线对准标记)。类似地，在掩模MA上有多于一个管芯的场合，掩模对准标记可设于管芯之间。

所述装置可用于至少下述模式之一：

1.在步进模式中，掩模台MT和衬底台WT基本上保持静止，而赋予辐射束的整个图案被一次性投影到目标部分C上(即单次静态曝光)。然后沿X和/或Y方向移动衬底台WT，使得不同的目标部分C被曝光。在步进模式中，曝光区域的最大尺寸限制了在单次静态曝光中所成像的目标部分C的大小。

2.在扫描模式中，掩模台MT和衬底台WT被同步地扫描，而赋予辐射束的图案被投射到目标部分C上(即单次动态曝光)。衬底台WT相对于掩模台MT的速度和方向由投影系统PS的放大(缩小)和图像反转特性来确定。在扫描模式中，曝光区域的最大尺寸限制了单次动态曝光中的目标部分的宽度(非扫描方向上)，而扫描运动的长度决定了目标部分的高度(扫描方向上)。

3.在另一模式中，固定可编程图案形成装置的掩模台MT基本上保持不动，衬底台WT被移动或被扫描，而赋予辐射束的图案被投射在目标部分C上。在这种模式中，一般在扫描期间，使用脉冲辐射源并且在衬底台WT每次移动之后或者在连续辐射脉冲之间根据需要对可编程图案形成装置进行更新。可容易地将这种操作模式应用于利用可编程图案形成装置(如上面提到的一类可编程镜阵列)的无掩模光刻术。

还可使用上述模式的组合和/或变化或者使用完全不同的模式。

如图1b所示，光刻设备LA形成(有时也称为光刻组)光刻区LC的一部分，它还包括用于在衬底上实施前曝光和后曝光工序的设备。这些包括用于淀积光刻胶层的自旋涂料器SC、用于使曝光的光刻胶显影的显影机DE、激冷板CH(chill plate)和烘烤板BK(bakeplate)。衬底搬运机(或机械手)RO从输入/输出口I/O1、I/O2拾取衬底，使它们在不同处理设备之间移动并接着传至光刻设备的进料台LB。常常被总称为导向装置(track)的这些设备在导向控制单元TCU的控制之下，导向控制单元本身受控于监控系统SCS，该系统还控制光刻设备。因此，不同的设备可被操作得使通过与处理效率最大。

为了使由光刻设备曝光的衬底能够对于每个光刻胶层一致地曝光，需要测量某些衬底特性，以确定是否有对准、旋转等的变化须通过光刻设备进行补偿。用单独的检查设备来确定衬底特性，尤其是确定不同衬底或同一衬底的不同层的特性如何随层而变化。

如上所讨论的，图2描述现有技术的检查设备。来自两个光源P、S的辐射束进入偏振分束器PBS，虽然偏振分束器PBS可改变偏振方向，但它使两个光束保持正交偏振，且两个光束在被偏转而通过显微物镜24而到达衬底W上的光栅30之前，进入非偏振分束器NPBS。偏振光束被光栅30衍射并且被偏转向上而通过显微物镜24，通过非偏振分束器NPBS返回，然后通过两个聚焦透镜L，这两个透镜将与光瞳面相同的后焦平面在照相机CCD上成像。两个正交偏振光束不是同时被传送而通过系统。辐射源P、S处的快门轮流打开和关闭，使得只有偏振光束p或偏振光束s在任一时刻通过该系统。因此，在点20处只有一个偏振光束将照射到照相机的CCD上，并且在任何时刻t被测量。

在点20处，光束被称为TM(横磁)偏振光束或TE(横电)偏振光束。p或TM方向的偏振平行于入射面并且磁场(M)垂直于入射位置。s光束或TE光束垂直于入射面并且电场(E)平行于入射面。图2示出了光瞳面PP处的偏振方向。光瞳面PP的平面图示出为圆，其中光栅30在圆的中心，正交偏振方向TE和TM相对于光栅被示出。

图3示出了检测TE和TM偏振方向的过程的时间线。TE捕获40耗费约40ms。打开和关闭相应的快门耗费约20ms。随后的TM捕获42耗费另一个40ms。因此，测量衍射光谱花费的总时间约为100ms。将不同光栅或不同衬底置于显微物镜24下耗费约250ms。关闭第一快门并且下一个衬底光栅的TE捕获40再次发生，耗费另一个40ms，等等。衬底的机械移动耗费有限数量的时间(在此例中为250ms)且难以缩短。因此，本发明的目的是缩短100ms的衍射光谱捕获时间。图4示出了用以缩短该段时间的检查设备。

图4的检查设备能够做到(而已知系统不能做到)让照相机CCD能够同时获取TM和TE偏振光谱。这取消了对快门的需求(以及因此消除了快门打开和关闭时间)，并且如图5所示将TM和TE光谱的捕获时间缩短至40ms。将获取光谱并改变光栅所耗用总时间从图3的350nm减少到图5的大约290ms。

这样做的方式是将快门从图4所示的辐射源P、S中移去。这些s和p偏振辐射束通过偏振分束器PBS并且被偏转到非偏振分束器NPBS。在经由非偏振分束器NPBS被反射回来之前，如在现有技术中那样，组合光束通过显微物镜24并且在衬底W上从光栅30上衍射。当通过两个透镜L时，组合光束通过透镜系统的光瞳面中的沃拉斯顿棱镜50。沃拉斯顿棱镜由用作偏振器的双折射材料制成。它由两种材料制成，每种材料具有“速射向”和“慢射向”，使得在一个方向上偏振的光束将会比垂直方向上偏振的光束更快地移过其中一种材料。当s光束从第一种材料传到第二种材料时，它会有效地“弯”向右，因为当到达两种材料之间的边界时它会突然获得速度。在垂直方向上偏振的p光束会发生相反的事情，即当它到达两种材料之间的边界时会慢下来并且因此在相反方向上弯曲。两个光束在通过光楔60之前独立地(但是同时)通过另一个聚焦透镜L。光楔功能可以其他方式实现，例如通过使用具有不同倾斜角的倾斜反射镜，只要光楔60使光在不同方向上重新定向，从而允许多个光束的测量同时进行。光楔设置于系统的成像面。两个分离的正交偏振辐射束接着通过进一步聚焦透镜(系统)L，然后照射到CCD照相机上的位置70和72，它们分别是s-光谱和p-光谱。这样，可同时测量图像捕获，从而削减了一半以上的图像捕获时间(见图5所示和上文描述)。

本发明的第二实施例使得更多的正交偏振光束参数可被测量。图6示出了基于现有技术的椭圆偏振传感器(或椭偏计)。椭偏测量术是对散射光的偏振态的测量。椭偏测量术测量两个参数：两个不同偏振光束之间的相差(Δ)和两个偏振光束的振幅比(tanψ)。利用这两个参数，可描述纯偏振光束的任何偏振态。具体地，如果入射光束既有s又有p偏振，则反射光束将具有反射系数R_p和R_s。每个偏振方向的复振幅用E_p和E_s表示并且分别被计算为R_p.p和R_s.s。Δ是E_p和E_s之间的相差并且tanψ是E_p与E_s的比率。换言之，

Δ＝arg(E_p-E_s)                       (1)

tanψ＝E_p/E_s                         (2)

图7示出了这两个参数之间的关系。具体而言，表示作为通过相位调制器加上的S和P之间的相差的函数的一个像素中的强度变化。在给出的示例中，强度完全得到调制，因此E_s和E_p的振幅一定相等。如图7所示，I是光束的强度并且P是E_p和E_s的总偏振。如果两个振幅是相同的(即E_p＝E_s)，则整个光束的强度最小，因为正交波方向相互抵消。

图6示出了来自沿着存在于传感器中的三个分束器的两个本征线性偏振的其中之一(即如图6所示的x或y方向)线性偏振的辐射源P的照明辐射。这确保了在轮廓分明的线性偏振态的情况下照射光瞳面，而不考虑分束器的偏振相关性。三个分束器中，80将照明的一部分发送至成像支路，82将照明的一部分发送至聚焦支路，N-PBS为非偏振分束器。

图6还示出了沿相位调制器90的特别轴和普通轴取向的eo-坐标系统。这个相位调制器可以是比如电光调制器(泡克耳斯盒)或机械可调调制器(贝雷克补偿器或索累-巴比涅)。(参见Hecht Zajac：“Optics”(Addison Wesley)的关于索累-巴比涅调制器的信息)。该坐标系统相对于xy-坐标系统旋转了45°。

利用基于eo-坐标系统的琼斯矩阵表示法来分析传感器。注意，作为备选，也可利用缪勒矩阵表示来分析传感器以考虑光学部件的去偏振效应。光瞳面中的散射光束由琼斯矢量给出：

${\stackrel{\‾}{J}}_S=\left[\begin{array}{c}{E}_{e1}\\ E_{o1}\end{array}\right]---\left(3\right)$

这里，E_o1和E_e1分别是沿e和o方向的散射场的未知复振幅。这些振幅由调查研究中的物体30(例如衬底上的光栅、薄膜或类似物)以及高NA显微物镜24的偏振相关性来确定。由非偏振分束器N-PBS透射的场的琼斯矢量是：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{o2}\\ E_{o2}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}{T}_P+T_S& -T_P+T_S\\ -T_P+T_S& T_P+T_S\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{e1}\\ E_{o1}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中T是偏振光束的透射系数。

这个场然后被送入而通过光束相位调制器90，引入偏振光束的e和o分量之间的已知相移。结果，由相位调制器90透射的场的琼斯矢量是：

最后，光由将入射光束在空间上分离成沿x和y方向正交且线性偏振的两个光束的沃拉斯顿棱镜50透射。入射到CCD照相机上的这些空间分离的场由下式给出：

如果分束器在透射中为完全非偏振，则有：

T_p＝T_s＝T                               (7)

在那种情况下，入射到CCD上的空间分离的场E_x4和E_y4由下式给出：

CCD上两个空间分离的光束的强度I接着简化为：

图7示出了偏振光束的强度I和总偏振P(E_p和E_s)的关系。如果E_p和E_s相同，则对于ψ＝Δ强度I达到拐点。

正如由图7导出的，Δ是例如可通过测量各种已知相移的强度而容易且准确测量的E_e1和E_o1之间的相差。这个过程类似于相移干涉测量。

三个椭偏量tan(ψ)＝|E_e1|/|E_o1|、cos(Δ)和sin(Δ)可以如下由I_x4(或作为备选由I_y4)导出：

对一系列不同的相移_i测量强度I_x4和I_y4。相移数N至少为3，但是有更多的相移则更理想，因为可提高测量精度。相移分布于2π弧度的范围内。相移常常是均匀分布的，但这不是必需的。

如此，测量N个强度I_x4，i和I_y4，i(i∈1…N)。利用标准的最小二乘法拟合技术通过测量强度拟合下式给出的谐波曲线：

I_x4＝|E_e1|²+|E_o1|²-2|E_e1||E_o1|cos(+Δ)

I_y4＝|E_e1|²+|E_o1|²+2|E_e1||E_o1|cos(+Δ)    (10)

透射T设为1。这样后续的分析就表明结果将与T的实际值无关。

很容易找到这些谐波曲线的最大值和最小值并分别将I_x4和I_y4表示为I_x4，MAX、I_x4，MIN和I_y4，MAX、I_y4，MIN。这些极值可写成：

I_x4，MAX＝(|E_e1|+|E_o1|)²

I_x4，MIN＝(|E_e1|-|E_o1|)²                    (11)

完全可能示出I_x4的极值，因为容易验证I_y4具有相同极值。还可写成：

$\sqrt{I_{x4,\mathrm{MAX}}}=\left|E_{e1}\right|+\left|E_{o1}\right|$

$\sqrt{I_{x4,\mathrm{MIN}}}=\left|E_{e1}\right|-\left|E_{o1}\right|---\left(12\right)$

经重新整理可得到：

$2\left|E_{e1}\right|=\sqrt{I_{x4,\mathrm{MAX}}}+\sqrt{I_{x4,\mathrm{MIN}}}$

$2\left|E_{o1}\right|=\sqrt{I_{x4,\mathrm{MAX}}}-\sqrt{I_{x4,\mathrm{MIN}}}---\left(13\right)$

取这些表达式之比得到：

$\tan \left(\mathrm{\ψ}\right)=\frac{\left|E_{e1}\right|}{\left|E_{o1}\right|}=\frac{\sqrt{I_{x4,\mathrm{MAX}}}+\sqrt{I_{x4,\mathrm{MIN}}}}{\sqrt{I_{x4,\mathrm{MAX}}}-\sqrt{I_{x4,\mathrm{MIN}}}}---\left(14\right)$

其余的两个量cos(Δ)和sin(Δ)通过计算下式来确定：

$=2\left|E_{e1}\right|\left|E_{o1}\right|\cos \left(\mathrm{\Δ}\right)$

$=2\left|E_{e1}\right|\left|E_{o1}\right|\sin \left(\mathrm{\Δ}\right)$

取S和C之比得到：

$\mathrm{\Δ}=a\tan \left(\frac{S}{C}\right)---\left(16\right)$

符号C和S可用来确定Δ所在的正确象限。

图6所示的现有技术存在的问题是，传输中真正为非偏振的分束器非常难以实现，即使并非不可能。这是由于通过分束器传输的场的s和p分量在透过倾斜的分束面时通常会经历不同的振幅和相位变化。复合透射比T_p和T_s之间的这种差异导致会减少敏感性的误差项和引入Δ测量中基本误差的误差项。这个问题曾经非常难以解决，许多解决方案被预先认为不合实际：

1.由于在物镜中交织有偏振效应的事实，这个误差的校准极端复杂。在假定分束器在传输中充分完善的条件下可对这些误差进行校正。然而，分束器刚一引入显著的偏振误差，分离的分束器和物镜偏振效应就变得极端复杂。

2.减小分束器的分束角可减少该误差，但会导致较长和不实用的光学轨道长度，使小体积的小型传感器的实现变得复杂。

3.可用材料叠层使s和p偏振的复合透射相等。分束器平面由多层薄膜叠层构成，利用这种结构可使透过这个叠层的透射对偏振不敏感。因此，可使复合透射相等。然而，这只可在较小的波长间隔内取得，不可能扩展到宽带角分辨微椭偏测量。术语“微椭偏测量”用来表示其中非常高的数值孔径透镜用于形成小测量光点的测量概念。这使得具有微米范围空间分辨率的定域椭偏测量成为可能。期望它是一种可收集大量信息的方法，例如可测量薄膜对于各种波长的折射率。

4.可使用具有最小退偏振效应的纯金属分束器。然而，它有比混合(例如，介质)分束器更明显的吸收。

所提出的本发明在没有使现有系统在任何程度上变得更复杂的条件下克服了上述备选方案的所有限制。如图8所示，利用相对于彼此旋转90°的、两个标称上相同的非偏振分束器N-PBS可以很容易地实现传输中完全非偏振的分束器，这两个分束器如图9所示。当已从衬底光栅衍射的光束通过第一分束器时，入射光束的S和P分量通过分束器经历了不同的复合透射。第二分束器绕光束轴转过90°，这有效地互换了S和P。结果，在第一分束器中发生的偏振改变被第二分束器抵消。其净效果是在透过两个分束器后输入光束的偏振态保持不变。

跟踪透过这些分束器的传输光束即示出此概念的原理。引入第一分束器的任何相移β通过第二分束器来补偿。这是由于在第一分束器处为p偏振的光束在第二分束器处变为s偏振，反之亦然。结果，入射光场的x和y分量的净传输在标称上是相等的。

上述概念适用于具有测量支路中相位调制器90的系统。然而，这个概念也可利用照明支路中的相位调制器来实现。在那种情况下，两个分束器的概念可能很容易扩展到在反射中为真正非偏振的分束器。如果必要，可增设第三分束器来构成在反射和透射中为真正非偏振的合成分束器。这在图10中被示出。将第三非偏振分束器插入照明支路的末端，也就是相对于第二分束器再旋转90°，并且因此相对于第一分束器面向相反的方向。

如果将移相器90(其调制轴仅为e轴)移去或转为零(即无相移)，则有效设立了本发明第一实施例的设备。换言之，如果无相移，则该椭偏计就可充当图4的检查设备。

尽管在本文中可能具体提到了在IC制造中使用光刻设备，但是应当理解，本文所述的光刻设备可具有其他应用，例如，制造集成光学系统、磁畴存储器的制导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)和薄膜磁头等。应当意识到，在这种备选的应用情况中，本文中术语“晶片”或“管芯”的任何用法可被认为分别与更通用的术语“衬底”或“目标部分”是同义的。本文提到的衬底可在曝光之前或之后在例如导向装置(track)(一种通常将光刻胶层施加于衬底并显影曝光的光刻胶的工具)、计量工具和/或检查工具中被处理。在可适用的地方，本文的公开内容可适用于这种和其他衬底处理工具。另外，例如为了形成多层IC，衬底可经过不止一次的处理，使得本文所使用的术语衬底还可指已经包含多个经过处理的层的衬底。

尽管上面可能具体提到了在光学光刻的情况中使用本发明的实施例，但是将意识到，本发明可用于其他应用，例如压印光刻，并且在情况允许的地方，本发明不限于光学光刻。在压印光刻中，图案形成装置中的图像限定在衬底上形成的图案。图案形成装置的图像可被压入供给衬底的光刻胶层，在衬底上通过加电磁辐射、加热、加压或其组合使光刻胶固化。在光刻胶被固化后，将图案形成装置移离光刻胶，而图案留在光刻胶中。

本文所使用的术语“辐射”和“光束”包含所有类型的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射(例如具有大约365、355、248、193、157或126nm的波长)和远紫外(EUV)辐射(例如具有范围在5-20nm内的波长)以及如离子束或电子束的粒子束。

在情况允许的地方，术语“透镜”可指各种类型的光学部件的任何一种或组合，包括折射光学部件、反射光学部件、磁光学部件、电磁光学部件和静电光学部件。

虽然在上面对本发明的特定实施例进行了描述，但是将意识到，可以与所述的不同的方式来实施本发明。例如，本发明可采用描述上面公开的方法的、包含一个或多个机器可读指令序列的计算机程序的形式，或者采用将这样的计算机程序存储在其中的数据存储介质(例如半导体存储器、磁盘或光盘)的形式。

上面的描述旨在进行说明而不是限制。因而，本领域的技术人员显见，只要未偏离下面所陈述的权利要求的范围，可对所描述的本发明进行修改。

Claims (26)

1.一种配置成测量衬底特性的检查设备，包括：

配置成可提供辐射束的光源；

配置成将所述辐射束聚焦到衬底上的透镜；

配置成在所述辐射束从所述衬底表面反射后，将所述辐射束分离成两个正交偏振的子光束的分束器；以及

配置成可同时检测两个正交偏振子光束的角分辨光谱的检测器系统。

2.如权利要求1所述的检查设备，还包括配置成使所述子光束偏转进一步分开的光楔。

3.如权利要求1所述的检查设备，其中所述分束器包括偏振棱镜。

4.如权利要求1所述的检查设备，其中所述分束器包括沃拉斯顿棱镜。

5.如权利要求1所述的检查设备，其中所述子光束包括TE光束和TM光束。

6.如权利要求1所述的检查设备，其中所述检测器系统配置成在约40ms内检测两个子光束。

7.如权利要求1所述的检查设备，其中所述光源至少包括第三偏振方向。

8.一种测量衬底特性的方法，包括：

提供具有正交偏振方向的辐射束；

将所述辐射束反射而离开衬底表面；

将所述反射辐射束分离成其相应的正交偏振的子光束；以及

同时检测这两个子光束。

9.一种配置成测量衬底特性的检查设备，包括：

配置成可提供具有两个正交偏振方向的辐射束的光源；

配置成将所述辐射束聚焦到衬底上的透镜；

配置成可检测从所述衬底反射的所述辐射束的检测器系统；

第一非偏振分束器，配置成在第一方向上接收来自所述光源的辐射束并将所述辐射束在第二方向上反射到所述衬底上，在所述第二方向上接收从所述衬底反射的辐射束并将所述辐射束传到所述检测器系统；

相对于所述第一非偏振分束器旋转90°的第二非偏振分束器，配置成在第二方向上接收从所述第一非偏振分束器传送的辐射束，在所述第二方向上将所述辐射束的一部分传输至所述检测器并在第三方向上反射所述辐射束的另一部分，其中所述第三方向垂直于所述第二方向；以及

第三偏振分束器，配置成可接收从所述第二非偏振分束器传送的辐射束、将所述辐射束分离成正交偏振的子光束并将所述子光束传送至所述检测器系统，其中

所述检测器系统配置成可同时检测两个子光束的反射光谱。

10.如权利要求9所述的检查设备，其中，所述第三分束器是沃拉斯顿棱镜。

11.如权利要求9所述的检查设备，还包括聚焦系统和设于所述聚焦系统的成像面的光楔，所述光楔配置成使所述正交偏振子光束的方向改变到不同方向上，以使得所述子光束在所述检测器系统上的不同位置处被接收。

12.如权利要求9所述的检查设备，还包括聚焦系统和设于所述聚焦系统的成像面的倾斜反射器，所述反射器配置成使所述正交偏振子光束的方向改变到不同方向上，以使得所述子光束在所述检测器上的不同位置处被接收。

13.如权利要求9所述的检查设备，还包括配置成使所述辐射束的相位移动预定量的移相器。

14.如权利要求13所述的检查设备，其中，所述移相器配置成使所述辐射束的相位移动为0°。

15.如权利要求13所述的检查设备，其中，所述移相器包括平移补偿器。

16.如权利要求13所述的检查设备，其中，所述移相器包括倾斜补偿器。

17.如权利要求13所述的检查设备，其中，所述移相器包括非线性晶体，电压施加于所述非线性晶体以改变通过所述晶体的辐射的相位。

18.如权利要求17所述的检查设备，其中，所述非线性晶体是泡克耳斯盒。

19.如权利要求9所述的检查设备，还包括第四非偏振分束器，配置成与所述第一和第二非偏振分束器组合而用作合成分束器。

20.如权利要求9所述的检查设备，其中，所述第三方向朝向所述检查设备的成像和聚焦支路。

21.一种检测偏振辐射束的偏振态的方法，包括：

在第一方向上将所述辐射束引向第一非偏振分束器；

将所述辐射束在第二方向上反射，离开所述第一非偏振分束器而朝向衬底；

将所述辐射束反射而离开所述衬底，并在所述第二方向上返回所述第一非偏振分束器；

在所述第二方向上使所述辐射束通过所述第一非偏振分束器；

引导所述辐射束通过第二非偏振分束器，所述第二非偏振分束器相对于所述第一非偏振分束器旋转了90°；

在所述第二方向上使所述辐射束的一部分通过所述第二非偏振分束器；

在第三方向上使所述辐射束的一部分反射而离开所述第二非偏振分束器，其中，所述第三方向垂直于所述第二方向；

将所述辐射束的相位移动已知量；

将所述辐射分离成正交偏振的子光束；以及

同时检测所述子光束。

22.如权利要求21所述的方法，其中，不同偏振的辐射子光束的偏振态通过使所述子光束的相位改变预定量并相对于相位变化测量所述子光束的强度变化来确定。

23.一种配置成测量衬底特性的光刻设备，包括：

配置成可提供具有两个正交偏振方向的辐射束的光源；

配置成将所述辐射束聚焦到衬底上的透镜；

配置成在所述辐射束从所述衬底表面反射后将所述辐射束分离成两个正交偏振的子光束的分束器；以及

配置成可同时检测两个正交偏振子光束的角分辨光谱的检测器系统。

24.一种配置成测量衬底特性的光刻设备，包括：

配置成可提供具有两个正交偏振方向的辐射束的光源；

配置成将所述辐射束聚焦到衬底上的透镜；

配置成可检测从所述衬底反射的辐射束的检测器系统；

第一非偏振分束器，配置成在第一方向上接收来自所述光源的辐射束并将所述辐射束在第二方向上反射到所述衬底上，在所述第二方向上接收从所述衬底反射的辐射束并将所述辐射束传到所述检测器系统；

相对于所述第一非偏振分束器旋转90°的第二非偏振分束器，配置成在第二方向上接收从所述第一非偏振分束器传送的辐射束，在所述第二方向上将所述辐射束的一部分传输至所述检测器并在第三方向上反射所述辐射束的另一部分，其中所述第三方向垂直于所述第二方向；以及

第三偏振分束器，配置成可接收从所述第二非偏振分束器传送的辐射束、将所述辐射束分离成正交偏振的子光束并将所述子光束传送至所述检测器系统，其中

所述检测器系统配置成可同时检测两个子光束的反射光谱。

25.一种配置成测量衬底特性的光刻区，包括：

配置成可提供具有两个正交偏振方向的辐射束的光源；

配置成将所述辐射束聚焦到衬底上的透镜；

配置成在所述辐射束从所述衬底表面反射后将所述辐射束分离成两个正交偏振的子光束的分束器；以及

配置成可同时检测两个正交偏振子光束的角分辨光谱的检测器系统。

26.一种配置成测量衬底特性的光刻区，包括：

配置成可提供具有两个正交偏振方向的辐射束的光源；

配置成将所述辐射束聚焦到衬底上的透镜；

配置成可检测从所述衬底反射的所述辐射束的检测器系统；

第一非偏振分束器，配置成在第一方向上接收来自所述光源的辐射束并将所述辐射束在第二方向上反射到所述衬底上，在所述第二方向上接收从所述衬底反射的辐射束并将所述辐射束传到所述检测器系统；

相对于所述第一非偏振分束器旋转90°的第二非偏振分束器，配置成在第二方向上接收从所述第一非偏振分束器传送的辐射束，在所述第二方向上将所述辐射束的一部分传输至所述检测器并在第三方向上反射所述辐射束的另一部分，其中所述第三方向垂直于所述第二方向；以及

第三偏振分束器，配置成可接收从所述第二非偏振分束器传送的辐射束、将所述辐射束分离成正交偏振的子光束并将所述子光束传送至所述检测器系统，其中

所述检测器系统配置成可同时检测两个子光束的反射光谱。

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