CN110612481A - 测量结构的方法、检查设备、光刻***和器件制造方法 - Google Patents

Abstract

重叠量测目标(600、900、1000)包含通过光刻术形成的多个重叠光栅(932‑935)。从目标获得第一衍射信号(740(1))，并导出目标结构的第一不对称性值(As)。从目标获得第二衍射信号(740(2))，并导出第二不对称性值(As')。使用不同的捕获条件和/或目标结构和/或偏置值的不同设计来获得第一衍射信号和第二衍射信号。第一不对称性信号和第二不对称性信号用于求解方程并获得重叠误差的测量结果。计算重叠误差假设给定目标结构中的不对称性不是由于在第一方向、第二方向或是两个方向上的重叠引起的。使用合适的偏置方案，该方法即使在存在二维重叠结构的情况下也允许准确地测量重叠和其它与不对称性相关的属性。

Description

测量结构的方法、检查设备、光刻***和器件制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月8日提交的欧洲申请17169918.4的优先权，以及于2017年11月21日提交的欧洲申请17202806.0的优先权，这些欧洲申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于例如可用于通过光刻技术的器件制造中的量测的方法和设备，以及涉及使用光刻技术制造器件的方法。

背景技术

光刻设备是一种将所期望的图案施加到衬底上(通常在衬底的目标部分上)的机器。光刻设备可以用于例如集成电路(IC)的制造中。在这种情况下，可以将可替代地称为掩模或掩模版的图案形成装置用于生成待形成于集成电路的单层上的电路图案。可以将该图案转印到衬底(例如硅晶片)上的目标部分(例如包括管芯的一部分、一个或更多个管芯)上。通常，通过将图案成像到设置在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上进行图案的转印。通常，单个衬底将包含被连续形成图案的相邻目标部分(称为场)的网络。

在光刻过程中，经常期望对所产生的结构进行测量，例如用于过程控制和验证。已知用于进行这种测量的各种工具，包括通常用于测量临界尺寸(CD)的扫描电子显微镜和用于测量重叠的专用工具，重叠是器件中的两个层的对准的准确度。近来，各种形式的散射仪已经被开发，应用在光刻领域中。这些装置将辐射束引导到目标上，并且测量被散射的辐射的一个或更多个属性，例如在单个反射角下作为波长的函数的强度、在一种或更多种波长下作为反射角的函数的强度、或者作为反射角的函数的偏振，以获得衍射“光谱”，可以根据该“光谱”确定目标的感兴趣的属性。

已知散射仪的示例包括US2006033921A1和US2010201963A1中所述类型的角度分辨散射仪。由这样的散射仪所使用的目标是相对大的光栅，例如40μm×40μm，且测量束产生比光栅更小的斑(即，光栅未被填充满)。除了通过重构来测量特征形状之外，可以使用这种设备测量基于衍射的重叠，如公开的专利申请US2006066855A1中所述。使用衍射阶的暗场成像的基于衍射的重叠量测使得能够在较小的目标上进行重叠和其它参数的测量。这些目标可以小于照射斑并且可以被衬底上的产品结构包围。通过图像平面中的暗场检测，可以有效地将来自环境产品结构的强度与来自重叠目标的强度分离。

暗场成像量测的示例可以在专利申请US20100328655A1和US2011069292A1中找到，这些文献的全部内容通过引用结合于此。已经在专利公开出版物US20110027704A、US20110043791A、US2011102753A1、US20120044470A、US20120123581A、US20120242970A1、US20130258310A、US20130271740A和WO2013178422A1中描述了上述技术的进一步发展。通常在这些方法中，期望测量不对称性作为目标的属性。目标可以被设计成使得可以使用不对称性的测量结果来获得各种性能参数的测量结果，诸如重叠、聚焦或剂量。通过使用散射仪检测所述衍射光谱的相对部分之间的强度差异来测量目标的不对称性。例如，可以比较+1和-1衍射阶的强度，以获得不对称性的量度。

为了减少测量时间，用于暗场量测的已知设备具有孔径和检测***，该孔径和检测***被配置为同时检测在X和Y两个方向上来自分量光栅的衍射辐射，并独立地检测这些不同的衍射方向。因此，无需在X和Y方向上分开的检测步骤。此类技术的示例包括在上述现有专利出版物中，并且还包括在例如未公开的专利申请EP16157503.0中。

通常期望在所述类型的量测目标中的光栅结构在不同于其周期性的主要方向的方向上被分段。进行这种分段的原因可能是引起不对称性相关的效应，从而允许通过同一技术测量除重叠之外的其它属性。进行这种分段的其它原因可能是使光栅结构更“似产品”，从而使它们被印刷成图案化性能更像是主要感兴趣的产品结构。光栅结构可以仅仅在布局上完全是二维的，例如类似于接触孔或导柱的阵列。然而，通常在两个或更多个方向(通常是相对于衬底限定的X和Y方向)上分别控制和测量图案化过程的性能的重叠其它参数。

当目标结构在两组特征(在两个层中)都具有分段或其他二维特性时，会出现一个特殊的问题。不幸的是，如果量测目标中的光栅结构是二维结构，为完全二维的光栅或者在正交于其周期性主要方向的方向上具有某种分段，则由正交方向上的结构产生的衍射与主方向上的衍射混合，并且单独的测量会受到噪声或串扰的影响。此外，在这样的目标中，在两个不同方向上的重叠误差将影响检查设备捕获的衍射信号。已知的方法倾向于假定每个目标结构仅在主方向上具有不对称性。当该假设不再有效时，已知的技术不可避免地变得不那么准确。使这个问题更为恶化的是，通常，量测设备的操作者甚至可能不知道所研究的量测目标是否具有所描述类型的二维属性。

发明内容

本发明的第一方面旨在即使当目标结构本质上可以是二维的时也允许有效测量诸如重叠的性能参数。本发明的另一方面旨在允许在不依靠预先信息的情况下识别量测目标中的二维特性。

本发明的第一方面提供了一种确定光刻过程的重叠性能的方法，该方法包括以下步骤：

(a)获得已经通过所述光刻过程形成的多个目标结构，每个目标结构包括在至少第一方向上周期性地布置的一组第一特征和在至少第一方向上周期性地布置的一组第二特征，且在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时每个目标结构经受重叠误差，

(b)使用检测***来捕获第一衍射信号，该第一衍射信号包括由所述目标结构的至少一个子组衍射的辐射的选定部分；

(c)使用所述检测***来捕获第二衍射信号，该第二衍射信号包括由至少一个子组的重叠目标衍射的辐射的选定部分；

(d)处理从第一衍射信号和第二衍射信号导出的不对称性信息，以至少计算在至少所述第一方向上的所述重叠误差的测量结果，

其中，除了所述重叠误差之外，在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时所述目标结构已经形成有被编程的偏移，每个子组中的所述被编程的偏移在所述第一方向和第二方向两者上都不同，所述第一方向和所述第二方向不平行，

并且其中，步骤(d)中的计算重叠误差将所述不对称性信息与所述被编程的偏移的知识相结合，同时假设给定目标结构中的不对称性不是由于所述第二特征在第一方向、第二方向或是两个方向上的相对移位引起的。

使用合适的偏置方案，该方法即使在存在(可能未知)二维结构和两个方向上未知的重叠的情况下也允许准确地测量重叠和其它与不对称性相关的属性。如果需要，可以添加其它组衍射信号，以进一步提高准确度。

在第一实施例中，在不同的捕获条件下捕获第一衍射信号和第二衍射信号。捕获条件可以例如在用于照射和/或检测目标结构的辐射的波长、偏振和/或角度分布中的一个方面上不同。

在第二实施例中，所述第一衍射信号包括由第一子组目标结构衍射的辐射，并且所述第二衍射信号包括由不同于所述第一子组目标结构的的第二子组目标结构衍射的辐射。所述第一子组的目标结构和所述第二子组的目标结构可以例如在第二方向上的节距、特征大小、相对位置和分段中的一个或更多个上不同。

在第三实施例中，相似设计的第一子组目标结构和第二子组目标结构在一个步骤中被印制，具有被编程的偏移的四个以上的不同组合。复合量测目标中可以包含七个或八个不同的被编程的偏移。

如果需要，可以将第一、第二和第三实施例组合。

本发明还提供一种用于确定光刻过程的重叠性能的检查设备，所述检查设备包括：

用于衬底的支撑件，在所述衬底上设置有已经通过所述光刻过程形成的多个目标结构，每个目标结构包括在至少第一方向上周期性地布置的一组第一特征和在至少第一方向上周期性地布置的一组第二特征，且在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时每个目标结构经受重叠误差，

照射***和检测***，所述照射***和所述检测***一起能够操作以捕获包括由所述目标结构的至少一个子组衍射的辐射的选定部分的第一衍射信号和包括由重叠目标的至少一个子组衍射的辐射的选定部分的第二衍射信号；

处理器，用于处理从第一衍射信号和第二衍射信号导出的不对称性信息，以至少计算在至少所述第一方向上的所述重叠误差的测量结果，

其中所述处理器能够基于以下进行操作：除了所述重叠误差之外，在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时所述目标结构已经形成有被编程的偏移，每个子组中的所述被编程的偏移在所述第一方向和第二方向上都不同，所述第一方向和所述第二方向不平行，以及

所述处理器被布置为通过以下计算重叠误差：将所述不对称性信息与所述被编程的偏移的知识相结合，同时假设给定目标结构中的不对称性不是由于所述第二特征在第一方向、第二方向或是两个方向上的相对移位引起的。

可以使用现有技术中已知的光学***和技术或使用新设备来实施检查设备。例如，可以使用上述暗场成像技术来实施检查设备，从而在单个图像中获得针对多个目标结构的第一衍射信号和/或第二衍射信号。

本发明的另一方面提供了一种用于根据如上所述的本发明的第一方面的方法中的量测目标，其中，所述量测目标包括至少四个目标结构，每个目标结构包括在第一方向和第二方向上均为周期性的第一特征以及在所述第一方向和所述第二方向上均为周期性的第二特征，所述第一和第二方向不平行，并且其中，在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时所述目标结构具有在所述第一方向和所述第二方向上的被编程的偏移，所述至少四个目标结构中的每个目标结构在所述第一方向和所述第二方向上具有被编程的偏移的不同组合。

本发明在进一步的独立方面中提供了一种用于重叠的量测中的量测目标，所述量测目标包括多个目标结构，每个目标结构包括在第一方向和第二方向上均为周期性的第一特征以及在所述第一方向和所述第二方向上均为周期性的第二特征，所述第一和第二方向不平行，并且其中，在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时所述多个目标结构中的不同目标结构具有在所述第一方向和所述第二方向上的被编程的偏移，并且其中，所述多个目标结构被布置在所述量测目标中，使得与两个相邻目标结构邻接的任何目标结构具有介于这两个相邻目标结构的被编程的偏移之间的被编程的偏移。

根据本发明的另一方面提供了一种用于光刻过程的一组图案形成装置，所述图案形成装置包括：至少第一图案形成装置，所述第一图案形成装置被配置为限定根据本发明上述任一方面所述的量测目标的所述第一特征；以及第二图案形成装置，所述第二图案形成装置被配置为限定所述量测目标的所述第二特征。

本发明的另一方面提供了一种处理装置，所述处理装置被布置成接收从多个目标结构捕获的至少第一衍射信号和第二衍射信号，并通过执行本发明上述第一方面所述的方法中的步骤(d)而在至少第一方向上导出重叠误差的测量结果。

本发明还提供了一种或更多种计算机程序产品，包括用于使可编程处理装置实施如上所述的根据本发明的一个或更多个方面的机器可读指令。机器可读指令可以呈现在例如非暂时性储存介质中。

机器可读指令还可以被布置为使所述可编程处理装置自动控制检查设备的操作以使得通过所述方法的步骤(b)和(c)捕获所述第一衍射信号和第二衍射信号。

本发明还提供了一种光刻***，包括光刻设备和根据本发明的如上所述的第二方面所述的检查设备。

本发明还提供了一种制造器件的方法，其中使用光刻过程将器件图案施加到一系列衬底上，该方法包括：使用根据如上所述的本发明的方法，利用至少一个所述衬底上形成为所述器件图案的一部分或在所述器件图案之外形成的多个目标结构来测量一个或更多个性能参数，并根据测量结果控制用于后续衬底的光刻过程。

本发明的另外的特征和优点以及本发明的各实施例的结构和操作被参考附图在下文更详细地描述。注意到，本发明不限于此处描述的特定实施例。这样的实施例被在此处显示，仅用于说明性的目的。基于此处包含的教导，相关领域的技术人员将明白另外的实施例。

附图说明

现在将参考所附示意性附图、以示例的方式来描述本发明的实施例，其中：

图1描绘了一种光刻设备以及构成用于半导体器件的生产设施的其它设备；

图2示意性地示出了(a)适于执行根据本发明的一些实施例的角度分辨散射测量和暗场成像检查方法的检查设备，以及(b)在图2(a)的设备中由目标光栅导致的入射辐射的衍射的放大细节；

图3的(a)示出了分段照射轮廓，图3的(b)示出了在分段照射轮廓下方的不同方向上产生衍射信号的，以及图3的(c)示出了棱镜装置在分段检测***中的布局，这些都在图2所示的检查设备的一个实施例的操作中；

图4示出了在以下情形中包括多个分量光栅的复合量测目标，(a)每个分量光栅仅在一个方向上是周期性的，和(b)每个分量光栅在两个方向上是或可以是周期性的；

图5示出图4的目标的多重图像，由图4的设备在衍射阶空间分离的情况下捕获；

图6以平面图并且利用沿线B和线C的横截面示出了根据本公开的第一实施例的示例目标布局；

图7示出在根据本公开的第一实施例的方法中使用第一测量条件和第二测量条件获得的图6的目标的暗场图像；

图8是使用本公开原理测量目标结构的属性的方法和控制光刻过程的方法的流程图；

图9的(a)示出了类似于图6的目标布局，以及图9的(b)示出了使用根据本公开的第一实施例的这样的目标来实施图8的方法的一部分；

图10的(a)示出了根据本公开的第二实施例的目标布局，以及图10的(b)示出了使用根据本公开的第二实施例的这样的目标来实施图8的方法的一部分；

图11示出在根据本公开的第二实施例的方法中使用第一目标类型和第二目标类型获得的图6的目标的暗场图像；

图12的(a)示出了根据本公开的修改的第一实施例的量测目标，图12的(b)示出了在目标布局中定义的一组特征，以及图12的(c)示出了在图12的(a)中圈出的目标布局的中心部分的细节；

图13示出了图12的目标的变型，包括过渡区；

图14的(a)示出了根据本公开的第三实施例的量测目标，以及图14的(b)示出了由图4的设备在衍射阶空间分离的情况下来捕获的目标的多重图像的一部分，并具有为了从多个目标结构获得不对称性信号的信号处理的示意性表示；

图15示出了使用根据本公开的第三实施例这样的目标的图8的方法的一部分的实施；

图16的(a)示出了根据本公开的修改的第三实施例的放大的量测目标，以及图16的(b)示出了由图4的设备在衍射阶的空间分离的情况下来捕获的目标的多重图像的一部分，并具有为了从多个目标结构获得不对称性信号的信号处理的示意性表示；和

图17的(a)和图17的(b)示出了图16的实施例中的目标结构的替代群组。

具体实施方式

在详细地描述本发明的实施例之前，有益的是提出一个可以实施本发明的实施例的示例性环境。

图1中的100示出了光刻设备LA，其作为实施大容量光刻制造过程的工业设施的一部分。在本示例中，制造过程适用于在诸如半导体晶片的衬底上制造半导体产品(集成电路)。技术人员将理解，可以通过在该过程的变型中处理不同类型的衬底来制造多种产品。半导体产品的生产仅作为在今天具有重大的商业意义的一个示例。

在光刻设备(或简称“光刻工具”100)内，测量站MEA在102处示出，曝光站EXP在104处示出。控制单元LACU在106处示出。在该示例中，每个衬底访问测量站和曝光站以被施加图案。在光学光刻设备中，例如，投影***用于使用经过调节的辐射和投影***将产品图案从图案形成装置MA转印到衬底上。这是通过在辐射敏感抗蚀剂材料的层中形成图案的图像来完成的。

本文使用的术语“投影***”应该被广义地理解为包括适合于所使用的曝光辐射或者其他因素(诸如使用浸没液体或使用真空)的任何类型的投影***，包括折射型、反射型、反射折射型、磁性型、电磁型和静电型光学***，或它们的任何组合。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***可以用各种方式与用于衬底和图案形成装置的支撑和定位***协作，以将所期望的图案施加到衬底上的多个目标部分。可以使用可编程图案形成装置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)波段中的电磁辐射。本公开还适用于其它类型的光刻过程，例如压印光刻和例如通过电子束的直写光刻。

光刻设备控制单元LACU控制各种致动器和传感器的移动和测量，使得设备LA接收衬底W和掩模版MA并实施图案形成操作。LACU还包括信号处理和数据处理能力，以实施与设备操作相关的所期望的计算。在实践中，控制单元LACU将被实现为多个子单元的***，每个子单元处理所述设备内的子***或部件的实时数据采集、处理和控制。

在将图案施加到曝光站EXP处的衬底之前，在测量站MEA处处理衬底，使得可以执行各种预备步骤。预备步骤可包括使用水平传感器来绘制衬底的表面高度，和使用对准传感器来测量衬底上的对准标记的位置。对准标记名义上布置成规则的栅格图案。然而，由于产生标记的不准确性以及由于在其整个处理过程中发生的衬底变形，所述标记偏离理想栅格。因此，除了测量所述衬底的位置和方向之外，如果设备要以非常高的准确度在正确的部位处印制产品特征，则实际上所述对准传感器必须详细测量横跨衬底区域上的多个标记的位置。该设备可以是所谓的双平台型，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***。在曝光站EXP处曝光一个衬底台上的一个衬底的同时，可在测量站MEA处将另一衬底装载至另一衬底台上以使得进行各种预备步骤。因此，对准标记的测量非常耗时，提供两个衬底台能够显著提高设备的生产量。如果位置传感器IF在测量站和曝光站处时都不能测量衬底台的位置，则可以提供第二位置传感器以能够在两个站处追踪衬底台的位置。光刻设备LA例如是所谓的双平台型，其具有两个衬底台WTa和WTb以及两个站-(即曝光站和测量站)，且在所述两个站之间衬底台可被交换。

在生产设施内，设备100形成“光刻单元”或“光刻簇”的一部分，其还包含涂覆设备108，用于将光敏抗蚀剂和其它涂层施加到衬底W上，以用于由设备100进行图案化。在设备100的输出侧处，设置焙烤设备110和显影设备112，用于将曝光的图案显影成实体抗蚀剂图案。在所有这些设备之间，衬底处理***负责支撑所述衬底并将它们从一件设备转移到下一件设备。这些设备通常统称为“轨道涂覆***(track)”，并由轨道涂覆***控制单元控制，轨道涂覆***控制单元本身由管理控制***SCS控制，该管理控制***SCS也通过光刻设备控制单元LACU控制光刻设备。因此，可以操作不同的设备以最大化生产量和处理效率。管理控制***SCS接收选配方案信息R，选配方案信息R非常详细地提供了待执行以创建每个已形成图案的衬底的步骤的定义。

一旦在光刻单元中施加并显影图案，就将已形成图案的衬底120转移到其它处理设备，例如122、124、126所示。在典型的制造设施中的各种设备实施各种处理步骤。为了举例，该实施例中的设备122是蚀刻站，并且设备124执行蚀刻后退火步骤。进一步的物理和/或化学处理步骤在其它设备126等中被施加。制造真实的器件可能需要多种类型的操作，例如材料的沉积、表面材料特性的改性(氧化、掺杂、离子注入等)、化学机械抛光(CMP)等。实际上，设备126可以表示在一个或更多个设备中执行的一系列不同的处理步骤。

众所周知，半导体器件的制造涉及这种处理的多次重复，以在衬底上逐层地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130可以是新制备的衬底，或者它们可以是先前已完全在该簇中或在另一设备中被处理过的衬底。类似地，依赖于所需的处理，离开设备126的衬底132可以被返回以用于在同一的光刻簇中的后续图案形成操作，它们可以在不同的簇中进行图案形成操作，或者它们可以是待被送去用于切割和封装的成品。

产品结构的每一层需要不同的一组处理步骤，并且在每一层处所使用的设备126的类型可以完全不同。此外，即使在由设备126要施加的处理步骤名义上是相同的情况下，在大型设施中，也可能存在若干假设相同的机器并行工作以在不同衬底上执行步骤126。这些机器之间的设定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。甚至对于每层相对共用的步骤，例如蚀刻(设备122)，也可以通过名义上相同但并行工作以最大化生产量的几个蚀刻设备来实施。此外，在实践中，根据待蚀刻材料的细节，不同的层需要不同的蚀刻过程，例如化学蚀刻、等离子蚀刻，以及特殊要求，例如各向异性蚀刻。

如前所述，可以在其它光刻设备中执行先前和/或后续的过程，并且甚至可以在不同类型的光刻设备中执行先前和/或后续的过程。例如，器件制造过程中对诸如分辨率和蚀刻的参数要求非常高的一些层可以在比其它要求较低的层更先进的光刻工具中执行。因此，一些层可以在浸没型光刻工具中曝光，而其它层则暴露在“干”工具中。一些层可以在工作在DUV波长的工具中曝光，而其它层则使用EUV波长辐射曝光。

为了正确且一致地曝光由光刻设备所曝光的衬底，期望检查经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)等属性。由此，其中定位光刻元LC的制造设施也包括量测***MET，量测***MET接收已在光刻单元中处理的衬底W中的一些或全部。将量测结果直接或间接地提供至管理控制***(SCS)138。如果检测到误差，则可以对后续衬底的曝光进行调整，尤其是如果量测可以足够迅速地且快速地进行使得同一批次的其它衬底仍处于待曝光。此外，已经曝光的衬底可以被剥离并返工-以改善良率-或被废弃，由此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，可仅对良好的那些目标部分执行进一步曝光。

图1中还示出了量测设备140，其被提供用于在制造过程中的期望阶段测量产品的参数。现代光刻生产设施中的量测设备的常见示例是散射仪，例如角度分辨散射仪或光谱散射仪，并且其可以被应用于在设备122中蚀刻之前在设备120处测量已显影的衬底的属性。使用量测设备140，例如，可以确定诸如重叠或临界尺寸(CD)的重要性能参数不满足在已显影的抗蚀剂中的指定准确度要求。在蚀刻步骤之前，存在剥离已显影的抗蚀剂并通过光刻簇再处理衬底120的机会。众所周知，来自设备140的量测结果142可以用于通过随时间进行小的调整的管理控制***SCS和/或控制单元LACU106来维持光刻簇中的图案形成操作的准确性能，由此最小化产品不符合规格、需要返工的风险。当然，可以应用量测设备140和/或其它量测设备(未示出)来测量经过处理的衬底132、134和进入的衬底130的属性。

检查设备示例

图2的(a)示意性地示出了实施所谓的暗场成像量测的检查设备的关键元件。该设备可以是独立的装置，也可以被包括在光刻设备LA中，例如处于测量站，或光刻单元LC中。用虚线O表示具有贯穿所述设备的几个支路的光轴。目标光栅结构T和衍射射线在图2的(b)中被更详细示出。

如在引言中引用的在先申请中所描述的，图2的(a)的暗场成像设备可以是多用途角度分辨散射仪的一部分，其可以代替光谱散射仪或除了光谱散射仪之外来使用。在这种类型的检查设备中，由辐射源11发射的辐射由照射***12调节。例如，照射***12可以包括准直透镜***12a、滤色器12b、偏振器12c和孔径装置13。经过调节的辐射沿循照射路径IP，其中它被部分反射表面15反射并经由物镜16聚焦到衬底W上的斑S中。量测目标T可以形成在衬底W上。物镜16的形式可以类似于显微镜物镜，但是具有高数值孔径(NA)，优选地至少为0.9，并且更优选地至少为0.95。如果需要，可以使用浸没流体，以获得大于1的数值孔径。

在这个示例中的物镜16也用于收集已经被目标散射的辐射。示意性地示出了用于该返回的辐射的收集路径CP。多用途散射仪可以在收集路径中具有两个或更多个测量分支。所示出示例具有光瞳成像分支，其包括光瞳成像光学***18和光瞳图像传感器19。还示出了成像分支，其将在下面更详细地描述。另外，更多的光学***和分支将被包括在实际设备中，例如用于收集用于强度归一化的参考辐射，用于采集目标的粗略成像，用于聚焦等等。这些细节可以在上面提到的现有出版物中找到。

当在衬底W上提供量测目标T时，这可以是1-D光栅，其被印制成使得在显影之后，栅条由实心抗蚀剂线形成。目标可以为2-D光栅，所述2-D光栅被印制成使得在显影之后，该光栅由实心抗蚀剂导柱或抗蚀剂中的通孔形成。栅条、导柱或通孔可以替代地被刻蚀至衬底中。这些光栅中的每一个都是目标结构的示例，其属性可以使用检查设备来研究目。在光栅的情况下，该结构是周期性的。在重叠量测目标的情况下，光栅被印制在已经由先前的图案化步骤形成的另一光栅的顶部或与其交错。

照射***12的各种部件可以是可调整的，以在同一设备内实施不同的量测“选配方案”。除了选择波长(颜色)和偏振作为照射辐射的特性之外，照射***12可以被调整以实施不同的照射轮廓。孔径装置13的平面与物镜16的光瞳平面和光瞳图像检测器19的平面共轭。因此，由孔径装置13限定的照射轮廓限定以斑S入射到衬底W上的光的角度分布。为了实施不同的照射轮廓，可以在照射路径中设置孔径装置13。孔径装置可以包括安装在可移动滑动件或轮上的不同孔13a、13b、13c等。它可以替代地包括固定的或可编程空间光调制器(SLM)。作为另一种替代方案，光纤可以设置在照射光瞳平面中的不同部位处，并且可以选择性地用于在其各自的部位传递光或者不传递光。这些变型都在上面引用的文件中讨论和举例说明。孔径装置可以是反射形式，而不是透射的。例如，可以使用反射SLM。实际上，在UV或EUV波段中工作的检查设备中，大多数或所有光学元件可以是反射性的。

依赖于照射模式，可以提供示例射线30a，使得入射角如图2的(b)中的“I”所示。由目标T反射的零阶射线的路径被标记为‘0’(不要与光轴‘O’混淆)。类似地，在相同的照射模式或在第二照射模式中，可以提供射线30b，在这种情况下，与第一模式相比，入射角和反射角将被交换。在图2的(a)中，第一示例照射模式和第二示例照射模式的零阶射线被分别标记为0a和0b。

如图2的(b)中更详细地示出，作为目标结构的一个示例的目标光栅T被放置成衬底W垂直于物镜16的光轴O。在离轴照射轮廓的情况下，从偏离轴线O的一角度射到光栅T上的照射I的射线30a产生零阶射线(实线0)和两个一阶射线(点划线表示+1阶，并且双点划线表示-1阶)。应注意，对于过填充的小目标T光栅而言，这些射线只是覆盖包括量测目标光栅T和其它特征的衬底区域的多个平行射线之一。由于照射射线30a束具有有限的宽度(对于允许有用数量的光而言是必需的)，因而入射射线I实际上将会占据一角度范围，并且衍射射线0和+1/-1将会稍微展开。根据小目标的点扩散函数，每个阶+1和-1的衍射辐射都将进一步遍及一角度范围而展开，而不是如图示的单条理想的射线。

如果目标具有多个周期性分量，则每个周期性分量都会产生第一阶和更高阶的衍射射线，其方向可能是进入页面或离开页面的方向。为了简单起见，图2的(b)的示例仅描述了一维光栅。

在用于暗场成像的采集路径的分支中，成像光学***20在传感器23(例如CCD或CMOS传感器)上的衬底W上形成目标的图像T’。在与物镜16的光瞳平面共轭的收集路径CP的成像分支中的平面中提供孔径光阑21。孔径光阑21也可以被称为光瞳光阑。孔径光阑21可以采用不同的形式，正如照射孔径可以采用不同的形式一样。孔径光阑21结合透镜16的有效孔径确定散射辐射的哪一部分被用于在传感器23上产生图像。通常，孔径光阑21起到阻挡零阶衍射束的作用，使得形成在传感器23上的目标的图像仅由一阶束形成。在两个一阶束组合形成图像的示例中，这将是所谓的暗场图像，相当于暗场显微图像。

由传感器23采集的图像被输出到图像处理器和控制器PU，其功能将依赖于正在执行的特定类型的测量。为此目的，执行对目标结构的不对称性的测量。不对称性的测量可以与目标结构的知识相结合，以获得用于形成所述目标结构的光刻过程的性能参数的测量。可以用这种方式测量的性能参数包括例如重叠、聚焦和剂量。提供目标的特殊设计，以允许通过相同的基础不对称性测量方法进行这些对于不同性能参数的测量。

处理器和控制器PU还生成控制信号(例如λ和AP)，以控制照射特性(偏振、波长)并使用孔径装置13或可编程空间光调制器选择孔径。孔径光阑21也可以以相同的方式被控制。照射和检测的这些参数的每种组合都被视为待进行测量的“选配方案”。

再次参照图2的(b)和照射射线30a，来自目标光栅的+1阶衍射射线将进入物镜16并且对在传感器23处记录的图像作出贡献。射线30b以与射线30a相反的角度入射，因此-1阶衍射射线进入物镜并且对所述图像作出贡献。当使用离轴照射时，孔径光阑21阻挡零阶辐射。如现有技术出版物中所述，照射模式可以用X和Y方向的离轴照射来定义。

图2的(a)的孔径装置13中的孔13c、13e和13f包括在X和Y两个方向上的离轴照射，并且对于本公开而言尤其感兴趣。孔径13c产生可以被称作分段照射轮廓的内容，并且例如可以与例如由分段棱镜22限定的分段孔径结合使用，如下所述。孔13e和13f可以例如以上面提到的一些先前公开的专利申请中描述的方式与同轴孔径光阑21结合使用。

通过比较这些不同照射模式下的目标光栅的图像，可以获得不对称性的测量。可替代地，不对称性的测量可以通过保持相同的照射模式，但旋转目标来获得。虽然示出了离轴照射，但是也可以使用目标的同轴照射，并且可以使用修改的离轴孔径光阑21将基本上仅一个一阶衍射光传递到传感器。在另一示例中，分段棱镜22与同轴照射模式结合使用。分段棱镜22可以被视为单独的离轴棱镜的组合，并且如果需要的话可以被实施为安装在一起的一组棱镜。这些棱镜定义了分段孔，其中每个象限中的射线略微偏转一角度。光瞳平面中的这种偏转具有在图像平面中的每个方向上将+1和-1阶在空间上分离的效果。换句话说，每个衍射阶和方向的辐射在传感器23上形成不同部位的图像，使得无需两个连续的图像捕获步骤就可以检测和比较它们。实际上，在图像传感器23上的分离部位处形成分离的图像。例如，在图2的(a)中，使用来自照射射线30a的+1阶衍射得到的图像T’(+1a)与使用来自照射射线30b的-1阶衍射得到的图像T’(-1b)在空间上分离。该技术在上述公开的专利申请US2011102753A1中公开，其内容通过引用整体并入本文。代替一阶束或者除了一阶束之外，可以在测量中使用二阶、三阶和更高阶的束(图2中未示出)。作为进一步的变型，离轴照射模式可以保持恒定，而目标本身在物镜16下方旋转180度以使用相反的衍射阶来捕获图像。

无论使用这些技术中的哪一种，本公开都适用于其中同时捕获在两个方向(例如，被称为X和Y的正交的方向)上衍射的辐射的方法。

虽然示出了传统的基于透镜的成像***，但是本文公开的技术可以同样地应用于全光相机，并且还可以与所谓的“无透镜”或“数字”成像***一起应用。因此，衍射辐射的处理***的哪些部分在光学域中实施并且哪些在电子和软件领域中实施具有大的设计选择度。

基于图像的不对称性测量

参照图3的(a)，并且在孔径装置13附近观察照射***P(IP)的光瞳平面，孔13c已经被选择成限定特定的照射空间轮廓，如902所示。在照射***的该所期望的空间轮廓中，标注为a和b的两个径向上相反的象限是亮的，而其它两个象限则是暗的(不透明)。该空间照射轮廓在被聚焦以在目标T上形成斑S时限定了照射的相应的角度分布，其中，来自各角度的射线仅在这两个象限中。从公开的专利申请US2010/201963中，这种分段类型的孔在散射测量设备中是已知的。下文将进一步描述该修改的照射孔的优点。

当来自照射轮廓902的亮分段的射线被目标结构中的周期性特征衍射时，它们将处于与光瞳平面中的偏移相对应的角度。图3的(a)中的箭头‘x’”表示由在X方向上周期性的结构引起的照射的衍射方向，而箭头‘y’表示由在Y方向上周期性的结构引起的照射的衍射方向。箭头‘0’表示直接反射，即零阶衍射。这种分段类型的孔的一个特征是，关于由预期的衍射方向(在本示例中为X和Y)定义的对称线，照射轮廓的被照射区域是对称地相对的暗区域。因此，有可能分离出更高阶的衍射辐射，并同时地收集指向两个方向的辐射。

图3的(b)示出了检查设备的收集路径中的共轭光瞳平面P(CP)中的照射分布。首先假设目标T是一维衍射光栅，且在作为第一方向的X方向上具有周期性。尽管照射的空间轮廓902具有标注为a和b的亮象限，但由目标光栅的线的衍射产生的衍射图案由图3的(b)中的904处的图案表示。在此图案中，除了标注为a₀和b₀的零阶反射之外，还可见标注为a_+x和b_-x的一阶衍射信号。由于照射孔径的其它象限是暗的，并且更一般而言，因为照射图案具有180°旋转对称性，因此衍射阶a_+x和b_-x是“自由的”，这意味着它们不会与照射孔径其它部分的零阶或更高阶信号重叠(在此阶段仅考虑X方向)。可以利用分段照射图案的这种属性来从衍射光栅(对准标记)获得清晰的一阶信号，该衍射光栅的节距为如果使用常规的圆形对称照射孔径所能成像的最小节距的一半。

现在，假设目标在第二方向上具有周期性特征，例如与第一方向正交的Y方向。在第二方向上的这些特征可以源自名义上一维光栅的分段。它们也可能来自其他具有Y方向的一维光栅，这些光栅可能出现在斑S的区域内以及检查设备的视场内。它们也可能来自这些光栅的混合。进一步假定在Y方向上周期性的特征与在X方向上周期性的特征具有相同的周期，因此具有相同的衍射角。结果是可以在收集路径的光瞳904中看到的衍射信号a_+y和b_-y。这些信号包括沿Y方向的一阶衍射信号。为了在附图中简化图示，将Y方向和X方向上的衍射信号示出为彼此独立。实际上，X衍射信号和Y衍射可以在光瞳904中重叠。本领域技术人员将理解，这依赖于目标在X和Y上的节距以及所选择的波长。

如图所示，零阶信号a₀和b₀也出现在收集***的光瞳中。依赖于是否需要这些零阶信号，它们可以被分段的孔径光阑21阻挡，其形式类似于孔13d。对于基于不对称性的测量，通常感兴趣的是较高阶信号，例如+1和-1阶信号。

在所示的简单示例中，在收集路径的光瞳中Y方向衍射信号不与X方向衍射信号重叠，但是在其它情况下，它们可能会重叠，具体依赖于光栅的节距和照射的波长。无论如何，在存在某种二维特征的情况下，来自两个方向的衍射信号可能会在收集路径中的光瞳的相同象限中混合。在分段光栅的情况下，在一个或两个方向上的分段可能比光栅在另一方向上的节距精细得多。在存在非常精细的分段的情况下，较高阶衍射信号可能会完全落在收集路径的孔径之外，但是本发明人已经认识到，第二方向上的衍射仍然可能导致来自第一方向的信号变化，其确实落入图3的(b)的左上方和右下方的象限。

图3的(c)示意性地示出了图2的检查设备的成像分支中的分段棱镜22的布局。圆形光瞳P(CP)由虚线圆表示。在光瞳的每个象限中，提供了不同地成角度的棱镜，该棱镜将辐射偏转一定角度。如上面已经参考图2的(a)在上面所说明的，在光瞳平面中的该角偏转转化为在检测器23的平面中的图像的空间分离。现在将进一步描述设备在这种类型的配置中的操作以及一些实际的益处和挑战。然而，本公开的原理可应用于其它配置。

图4描绘了根据已知实践在衬底W上形成的复合量测目标。复合目标包括四个目标结构，其形式为紧密地定位在一起的光栅32至35，使得它们都将位于由量测设备的照射束形成的测量斑S内。圆圈31表示衬底W上的斑S的范围。因此，四个目标结构全部同时被照射并同时在传感器23上成像。在专用于重叠测量的示例中，光栅32至35本身是由在不同光刻步骤中被图案化的第一特征和第二特征形成的重叠光栅。为了便于描述，将假设第一特征和第二特征形成在形成于衬底W上的半导体器件的不同层中，但是可替代地它们可以形成在同一层中，例如作为多次图案化过程的一部分。光栅32至35可以被不同地偏置，这意味着除了由图案形成过程所引入的任何未知的重叠误差之外，它们还具有设计好的重叠偏移。偏置的知识有助于测量其中形成重叠光栅的不同部分的层之间的重叠。如图所示，光栅32至35的方向也可以不同，以便在X和Y方向上衍射入射辐射。

在一个已知示例中，光栅32和34是在一个光栅相对于另一个的放置时分别具有+d、-d的偏置的X方向光栅。这意味着光栅32使其重叠部件被布置成使得如果它们都精确地印刷在它们的名义部位处，则其中一个部件将相对于另一个偏移距离d。光栅34使其部件被布置成使得如果被完美地印制，则将存在d的偏移，但是在与第一光栅相反的方向上，依此类推。光栅33和35是分别具有偏移+d和-d的Y方向光栅。可以在由传感器23捕获的图像中识别这些光栅的单独图像。虽然示出了四个光栅，但是另一个实施例可以要求更大的矩阵以获得所期望的准确度。

图5示出了可以在图2-3的设备中使用图4的目标、使用分段的照射轮廓以及使用分段的棱镜22在传感器23上形成并由传感器23检测的图像的示例。这种配置同时提供了在X和Y两个方向上的离轴照射，并允许同时从图3的(b)中的光瞳904的左上方象限和右下方象限检测沿X和Y的衍射阶。

暗矩形40表示传感器上的图像的场，其中衬底上的被照射的斑31被成像到四个相应的圆形区域中，每个圆形区域仅使用来自收集路径CP中的光瞳904的一个象限的辐射。目标的四个图像标注为502至508。在图像502中，使用光瞳904左上方象限的辐射照射的斑31的图像被标注为41。在其中，矩形区域42-45表示小目标光栅32到35的图像。如果光栅位于产品区域，则在该图像场的周边也可以看到产品特征。图像处理器和控制器PU使用图案识别来处理这些图像以识别光栅32至35的单独图像42至45。以这种方式，图像不必非常精确地在传感器框架内的特定部位处对准，这大大地提高了整个测量设备的生产量。

如所提及的并且如图5所示，由于分段棱镜22对收集路径的光瞳904中的信号的作用，并且由于分段照射轮廓902及其相对于目标T的X和Y方向的定向，四个图像502-508中的每个仅使用每个目标的衍射光谱的某些部分。因此，分别在左下方和右上方的图像504和508分别由零阶辐射a₀和b₀形成。图像502由较高阶衍射辐射形成，具体而言，是从亮象限b在负X方向和从亮象限a在正Y方向(衍射信号a_+y和b_-x)上衍射的辐射。相对而言，图像506由高较阶衍射辐射形成，具体而言，是从亮象限b在正X方向和从亮象限a在负Y方向(衍射信号a_-y和b_+x)上衍射的辐射。

来自仅包括一维光栅的目标的在X方向上衍射的信号与在Y方向上衍射的信号之间没有串扰。这是因为每个分量光栅31-35仅在两个方向中的一个方向上衍射辐射，并且每个光栅的图像由于光学***的成像作用而在图像502-508内在空间上分离。一旦已经识别出光栅的单独图像，就可以测量那些单独图像的强度，例如，通过对所识别区域(ROIs)内的所选像素强度值求平均或求和。可以将图像的强度和/或其它属性彼此进行比较，以同时获得四个或更多个光栅的不对称性的测量结果。这些结果可以与目标结构和偏置方案的知识相结合，以测量光刻过程的不同参数。重叠性能是这种参数的重要示例，并且是两个光刻层的侧向对准的量度。重叠可以更具体地例如定义为底部光栅的顶部的中心与相应的顶部光栅的底部的中心之间的侧向位置差。为了获得光刻过程的其它参数的测量结果，可以使用不同的目标设计。同样，目标设计和偏置方案的知识可以与不对称性测量结合，以获得所期望性能参数的测量结果。目标设计是已知的，例如，用于从以这种方式获得的不对称性测量结果中获得剂量或聚焦的测量结果。

二维目标的问题

现在参考图4的(b)，如上所述，一些目标将在图像的相同部分内沿两个方向散射或衍射辐射。图4的(b)的目标在四个分量光栅432-435的每一个中具有二维结构。二维结构可以源自在一层或更多层中的一维光栅中的分段。二维结构可以可替代地由表示例如完全二维的接触孔或过孔的阵列的光栅产生。

尽管因此将在X和Y两个方向上发生衍射，但是在每个光栅图像42-45内，量测目标的目的是分离地测量诸如X和Y方向中的一者或两者上的重叠的参数。在图像的同一部分中，来自另一个方向的衍射的贡献表示所需的衍射信号中的“污染”或噪声。在重叠测量中，我们从X方向上的不对称性(+1阶和-1阶衍射之间的差)得出X重叠。即使在简单的水平上，也可以理解，来自Y方向上的衍射的附加辐射会导致较差的信噪比。如果在两层中都存在分段(或具有不对称形状)，则附加衍射不仅会增加光，还会增加不对称性。此外，由于重叠误差可能在两个方向上出现，所以假设与一个方向有关的不对称性信号的变化可能对另一方向上的重叠误差敏感。无论第二方向上的衍射信号是否落入检测光瞳904内，都会出现该问题。这会导致测量误差，此外还会导致信噪比劣化。

用于二维重叠测量的重叠目标

图6示出了根据本公开的第一实施例的形成在衬底上并且适于重叠测量的量测目标600的放大示意图(a)、(b)和(c)。在该示例中的量测目标包括四个目标结构632、633、634、635，其可以具有与图4的(a)的目标中的光栅32-35相似的尺寸和布局。视图(a)是从衬底上方看的平面图。视图(b)是沿视图(a)的线B的横截面，而视图(c)是沿线C的横截面。可以看出，每个目标结构632-635包括在至少第一方向上周期性地布置的一组第一特征662。在该示例中，第一方向是Y方向，并且每个第一特征662包括在第二(X)方向上分段的栅条。在第二方向上的分段周期Px和分段的占空比与在第一方向上的分段周期Py和占空比不同，尽管在另一示例中它们可以相同。

每个目标结构632-635进一步包括在至少第一方向上周期性地布置的一组第二特征664。在该示例中，第二特征664也是在第二方向上分段的栅条，其具有在第一方向上相同的周期Py以及在第二方向上相同的分段周期Px。如横截面图(b)和(c)所示，该示例中的第一特征形成在目标结构的第一层L1中，并且第二特征形成在第二层L2中。在其它示例中，例如通过多个图案化过程形成的第一特征和第二特征可以形成在单个层中。

重叠性能涉及光刻制造过程的相对于现有第一特征的位置精确地放置第二特征的能力。假设目标设计是这样的：名义上每个第二特征都确切地放置在相应的第一特征之上。在存在重叠误差的情况下，第二特征相对于它们相应的第一特征在X方向上位移OVx的量、在Y方向上位移OVy的量。假设在两个方向上的重叠误差在量测目标600的小区域上是恒定的，尽管它在横跨衬底的量测目标之间以及衬底之间可以变化。重叠误差可能是由于第二特征本身被不准确地放置引起的，也可能是由于第一特征的变形引起的，例如在形成第一特征的图案形成步骤中或在随后的化学和/或物理处理步骤中所引起的。

众所周知，除了(未知的)重叠误差之外，用于重叠量测的目标结构还可以被形成为具有被编程的偏移(也称为“偏置”)。通过被用于在衬底的不同层L1和L2中限定第一特征和第二特征的图案形成装置MA的适当设计，将这些偏置值编程到目标结构中。在图4的(a)的已知目标中，每个目标结构仅在一个方向上具有偏置，以测量该方向上的重叠。假设另一个方向的重叠误差不会影响测量，但是事实并非如此。发明人已经认识到，即使在第二方向上的衍射阶不落在检测***的光瞳之内的情况下，在两组特征中为二维的目标结构也遭受第一方向上的重叠与第二方向上的重叠之间的串扰。发明人已经进一步认识到，包括在第一方向和第二方向两者上的偏置值的适当组合的偏置方案可以用于获得在第一方向上的重叠测量，该重叠测量针对周期性特征的影响和在第二方向上的重叠变化而被校正。

在示例目标600中，相对于第一方向(Y)，正偏置值+dy被编程到目标结构632和635中，从而在图6的(a)中第二特征向上位移，而负偏置值–dy被编程到目标结构633和634中。相对于第二方向(X)，正偏置值+dx被编程到目标结构632和633中，从而在图6的(a)中第二特征向右位移，而负偏置值–dx被编程到目标结构634和635中。如视图(b)和(c)所示，第二特征相对于第一特征的实际放置是每个方向上的被编程的偏置值和该方向上的未知重叠误差的组合。

因此，图6中所示的量测目标包括在两个周期性方向上具有四种不同偏置组合的目标结构。在此示例中，目标显然以Y方向为其主要方向，而在X方向上进行分段会导致衍射效果较弱。因此，该目标被设计为主要用于测量Y方向上的重叠。如果需要的话，可以提供类似的量测目标，其被布置为使得周期性的主要方向是X方向，从而允许更准确地测量在X方向上的重叠。周期性效果在两个方向上同样强的目标可以用于同样准确地测量在两个方向上的重叠。

数学模型

现在让我们考虑一下图像中各个光栅区域的强度通常如何用于根据一对(一维)偏置光栅(图4的(a))计算(一维)重叠误差Ov。在简化的线性近似中，通过使用来自单个目标结构(光栅32-35)的强度来计算重叠OV：

其中，表示来自带有偏置值+d的目标结构的+1阶和-1阶衍射信号之间的强度差，表示来自带有偏置-d的目标结构的+1阶和-1阶衍射信号之间的强度差。

方程式(1)可以改写为：

其中，As_+d是从带有偏置+d的目标结构的衍射信号得出的不对称性值，As_-d是从带有偏置-d的目标结构的衍射信号得出的不对称性值。

根据不对称性As和重叠误差Ov之间存在线性关系的假设将上述方程式(1)导出：

其中K是一个简单系数。实际上，一种实例可以使用所述关系的不同模型。例如，通常使用关系的正弦模型，在这种情况下，方程式(2)变为：

在方程式(2’)中，偏移d表示为相对于表示光栅周期的2π弧度的角度。出于本申请的描述的目的，将假定简单的线性模型。技术人员可以使用正弦模型或其它优选模型容易地实现相同的原理，并根据需要调整适其它等式(3)。

在以上所有方程式中，为简单起见，省略了一些缩放因子和归一化因子。例如，如在上面提到的一些先前公开的申请中所描述的，使用那些强度的平均值作为分母来归一化强度之间的差可能是方便的。因此，例如，上面的内容写成：

完整的表达可以为：

为了方便起见，在本公开中将使用较短的表达，而本领域技术人员可以将归一化和其它实际细节与常规技能和知识结合在一起。

如果每个目标结构仅是一维的，如图4的(a)所示，则如图5所示的单个被捕获的图像40具有获得相对于X和Y方向的重叠Ov的独立测量结果所需的完整信息。然而，在目标中的光栅具有二维结构的情况下，如上所述，用于不同方向的衍射信号变成混合的并且相互依赖。

根据上面介绍的数学模型，附加正交衍射阶的存在向为了计算Ov而必须求解的方程组增加了附加未知量。现在为了保持线性模型的简单性，不对称性值As对重叠误差的依赖性包括一个附加项，如下面的等式(4)所示。

As＝K_x*Ov_x+K_y*Ov_y+K_xy*Ov_x*Ov_y (4)

在这里，我们看到，来自给定目标结构的衍射信号中观察到的不对称性是由于x方向上的重叠Ov_x和y方向上的重叠Ov_y以及另外依赖于两个方向上的重叠的“交叉项”的影响所致。系数K_x和K_y表示不对称性对在每个相应方向上的重叠的敏感度。第三个系数K_vx表示对交叉项的敏感度(假设此解释是，附加项也线性地依赖于乘积Ov_x*Ov_y)。尽管这些系数被在数学模型中表示，但它们的值事先未知，类似于一维示例中的系数K。当应用方程式(2)或(2’)来计算重叠的测量结果时，系数K被计算(至少是隐含的)。

考虑到图6的示例量测目标600，目标结构的数量和两个方向上被编程的偏移的组合产生以下四个方程，分别表示四个目标结构632、633、635和634的不对称性值：

As_+dx+dy＝K_x*(Ov_x+dx)+K_y*(Ov_y+dy)+K_xy*(Ov_x+dx)*(Ov_y+dy)

As_+dx-dy＝K_x*(Ov_x+dx)+K_y*(Ov_y-dy)+K_xy*(Ov_x+dx)*(Ov_y-dy)

As_-dx+dy＝K_x*(Ov_x-dx)+K_y*(Ov_y+dy)+K_xy*(Ov_x-dx)*(Ov_y+dy)

As_-dx-dy＝K_x*(Ov_x-dx)+K_y*(Ov_y-dy)+K_xy*(Ov_x-dx)*(Ov_y-dy) (5)

不对称性值本身可以从衍射信号获得，例如从图5所示类型的图像中提取。但是，这组四个方程有五个未知量：Kx，Ky，Kxy，Ovx和Ovy，因此无法用标准技术求解。

发明人已经认识到，通过在不同条件下获得第二组衍射信号，可以添加另一组方程。第二组衍射信号产生了附加组方程：

As′_+dx+dy＝K′_x*(Ov_x+dx)+K′_y*(Ov_y+dy)+K′_xy*(Ov_x+dx)*(Ov_y+dy)

As′_+dx-dy＝K′_x*(Ov_x+dx)+K′_y*(Ov_y-dy)+K′_xy*(Ov_x+dx)*(Ov_y-dy)

As′_-dx+dy＝K′_x*(Ov_x-dx)+K′_y*(Ov_y+dy)+K′_xy*(Ov_x-dx)*(Ov_y+dy)

As′_-dx-dy＝K′_x*(Ov_x-dx)+K′_y*(Ov_y-dy)+K′_xy*(Ov_x-dx)*(Ov_y-dy) (6)

其中素数符号‘表示适用于第二衍射信号的(观察到的)不对称性值和(未知)系数。两组衍射信号在每个方向上的重叠值都相同。因此，第二衍射信号引起四个附加方程式，但是仅引起三个附加未知量。与之前的一组方程式(有5个未知量)结合使用时，可以对Ovx和Ovy进行求解。

图7示出了在根据本公开的第一实施例的方法中通过两个图像捕获步骤获得的两个图像740(1)和740(2)。每个图像捕获来自图6中所示目标的衍射信号，但使用不同的捕获条件。每个图像740(1)和740(2)具有与图5所示相同的形式，具有目标的四个空间上分离的图像702(1/2)-708(1/2)。如已经针对图5所述，每个图像702(1/2)由目标在负X方向和正Y方向(被标注为-x/+y)上衍射的辐射形成。每个图像706(1/2)由在正X方向和负Y方向(被标注为+x/-y)上衍射的辐射形成。斑表示在每种情况下表示单个目标结构632的衍射信号的区域。它们之间的区别在于，图像702(1)和706(1)是在第一捕获条件下捕获的第一衍射信号的记录，而图像702(2)和706(2)是在与第一照射条件不同的第二照射条件下捕获的第二衍射信号的记录。

第一捕获条件和第二捕获条件可以在从检查设备及其操作的多种操作参数中选择的一个或更多个参数上不同。例如，差异可以在于用于捕获衍射信号的照射条件上，使得第一照射条件和第二照射条件在照射的辐射波长、辐射偏振和角度分布中的一个或更多个不同。差异可能不是在于照射条件，或者不仅是在于照射条件，而且检测侧的条件上可能存在差异。例如，波长滤波器、孔径差和/或偏振差都可以通过例如合适的滤波器全部施加在检测侧。因此，对捕获条件的差异的引用应理解为包括条件的任何差异，范围从光源本身、通过照射路径和收集路径到检测器和信号处理。

由于在捕获图像740(1)和740(2)中使用的捕获条件不同，从它们的衍射信号计算出的不对称性值将具有对不同方向的重叠不同的敏感度。从图像740(1)中表示的第一衍射信号计算出的第一不对称性值可以用作不对称性值As输入上述方程式(5)，而对于相同的目标结构的第二不对称性值As'可以从图像740(2)中的第二衍射信号计算出，并可以用作上述方程式(6)的输入。使用总共8个方程，可以计算8个未知量。这些未知量包括两个方向上的重叠误差O_vx和O_vy，因此可以获得所期望的重叠测量结果。

即使目标结构具有强的二维特征，所获得的重叠测量结果，例如在图6所示的目标的情况下的OVy，也将受到对第二方向上重叠的变化的降低的敏感度。还应注意，该计算及其所基于的数学模型均未假设特定的目标结构或衍射信号或不对称性值表示特定方向上的不对称性和重叠。因此，即使在被捕获的衍射信号中两个方向的重叠的效果完全混合时，该计算也是有效的。通过适当选择偏置方案和足够数量的联立方程式的解，可以计算出每个方向特有的重叠误差，以获得所期望的测量结果。当然可以优化目标结构的设计，以使特定目标在一个方向上可以比另一个方向更可靠(准确)地测量重叠。主要周期性通常会在引言和权利要求书的语言中的第一方向，并且可以是X方向、Y方向或任何任意方向。

应用示例

图8示出了使用上面概述的设备和方法测量光刻过程的性能的方法。在步骤S20中，处理一个或更多个衬底以产生包括多个目标结构的量测目标。目标的设计可以是例如图6所示和上面描述的设计。当然，其它设计也是可能的，包括以下描述的示例。目标可以是大目标或小目标设计，这依赖于要使用设备的第一测量分支还是第二测量分支。目标可以在不同区域中包括多个目标结构。出于本申请描述的目的，假设重叠作为光刻制造过程的性能参数是令人感兴趣的。

在步骤S20，将衬底装载到检查设备中，例如图2的检查设备。衬底是一种使用图1的光刻制造***在其上已经生产了目标结构(以及可选的功能器件结构)的衬底。为此目的，将提供一组图案形成装置，以通过一系列图案化操作(化学和物理处理步骤交错)来限定器件结构和量测目标的特征。这些图案形成装置中的一个将直接或间接地限定实施本公开的原理的多个目标结构的第一特征。另一个图案形成装置将直接或间接地限定第二特征。图案形成装置中的第一特征和第二特征的位置包括用于二维偏置方案的被编程的偏移。如果用于某些或所有图案化步骤的光刻工具使用可编程图案形成装置，则该组图案形成装置可以包括一组或更多组图案化数据，而不是物理掩模版。

在步骤S21中，定义量测选配方案，包括用于使用两组或更多组衍射数据(例如，在以上参考图7描述的图像中捕获的衍射数据)测量重叠的选配方案。定义了这种选配方案的所有常规参数，包括照射辐射的波长偏振、角度分布等。

根据本公开的原理，选配方案定义了两组(或更多组)不同的参数，从中获得第一衍射信号和第二衍射信号。在第一示例中，第一衍射信号和第二衍射信号之间的差别在于照射辐射的波长。在其它实施例中，可以定义不同的偏振，或者可以定义照射辐射的不同角度分布(照射轮廓)。如上所述，还可以使用不同的检测参数，例如检测路径中的孔径、波长或偏振滤波。在下面参考图10和11描述的其它实施例中，选配方案可以在单组捕获条件下指定要用于获得第一衍射信号和第二衍射信号的目标结构的不同子组。

在步骤S22中，能够操作检查设备以从多个目标结构捕获两组或更多组衍射信号。这些可以是使用指定的捕获条件/子组的暗场图像(例如，图7中的图像740(1)和740(2))。

如虚线框所示，可以使用其它不同的捕获条件和/或目标子组来获得第三组衍射信号和更多组衍射信号。上面的数学讨论已经表明，通过切换到不同的捕获条件，变量Ov_x和Ov_y保持不变，同时引入了其它新的未知量。这意味着，随着捕获条件的每一次额外变化以及由此引入一组新的方程式，未知量的数量更接近方程式的数量。在一起使用第一衍射信号和第二衍射信号时，未知量比方程式多的情况下，可以使用第三衍射信号、第四衍射信号重复该过程直至任意数量。通过足够的变化，方程式的数量变成等于未知量的数量，因此可以求解方程式。因此，该方法可以应用于具有多个未知量的任何数学模型：只要可用波长的数量允许额外的项，就可以生成足够的方程式。

不同的模型可能隐含更多的系数，从而需要额外的衍射信号来求解具有八个以上未知量的体系。即使在其特征为系数K_x，K_y和K_xy的线性模型(可以通过两组四个不对称性值来求解)的情况下，被测量的重叠的附加准确度可以通过捕获其它衍射信号并针对感兴趣的参数求解更大的方程组来获得。例如，使用三个或四个目标结构来获得第三组衍射信号，可以构造11个未知量的方程组：上述8个加上三个新的K值。假设利用仅三个新的附加系数获得三个、四个或更多个新的不对称性值。因此，用第三衍射信号添加另一个捕获将为感兴趣的参数(例如重叠)的测量带来额外的准确度。

不言而喻，这些捕获中的任何一个实际上都可以执行多次，并对结果进行平均以减少随机噪声。还应理解，可以对横跨衬底的多个目标重复捕获。

在步骤S23，根据所捕获的各种目标结构的衍射信号计算不对称性值As和As’。在使用暗场成像以及分段照射和检测光学元件的示例中，可以通过选择和组合来自一个或更多个暗场图像中不同的感兴趣的区域的像素强度来得出这些不对称性值。可以根据图像740(1)中捕获的第一衍射信号来计算第一不对称性值As，而可以根据图像740(2)中捕获的第二衍射信号来导出第二不对称性值As’。

在步骤S24，一旦已经针对未知量的数量获得了足够的不对称性值，就可以求解整个方程组，以计算与目标结构有关和/或与已用于形成目标结构的光刻过程的性能有关的一个或更多个感兴趣的参数。感兴趣的参数尤其包括方向性的重叠值Ov_x和Ov_y。感兴趣的参数可以简单地是目标结构的图像是否包含在两个方向上衍射的辐射的混合。相对于K_x和/或K_y的交叉系数K_xy的值可以用作例如重要的二维特性的指示。

注意，任何前述方法中的任何所得到的方程组都可以通过使用数值技术来求解，并且不需要解析解。所有变量的解可以仅作为隐式步骤，而仅感兴趣的参数(例如，一个或两个方向上的重叠Ov)被计算并显式输出。

在步骤S25，可以响应于获得的测量结果和辅助数据更新量测选配方案。例如，用于新产品或目标布局的量测技术可能正在开发中。有关二维特性的信息可以用于选择更合适的选配方案。

在步骤S26，在操作图1的光刻生产设施的开发和/或生产阶段中，可以更新用于光刻过程的选配方案，例如以改善未来衬底中的重叠。在一个或两个不同方向上更准确地测量重叠的能力允许开发和应用更有效的校正。本文公开的技术与使用分段照射和分段检测***的有效测量技术完全兼容，包括当目标结构具有明显的二维结构时。检查设备可以与固定的分段检测***一起使用，同时覆盖整个目标范围，从而降低了设备的成本和尺寸。

可以在检查设备的图像处理器和控制器PU内执行用于获得测量结果并控制波长和其它选配方案参数的选择的计算。在替代实施例中，可以从检查设备硬件和控制器PU远程执行不对称性和其它所感兴趣的参数的计算。它们可以例如在管理控制***SCS内的处理器中执行，或者在布置成从检查设备的处理器和控制器PU接收测量数据的任何计算机设备中执行。校准测量的控制和处理可以在与使用所获得的校正值执行大容量计算的处理器分离的处理器中执行。所有这些选项都是实施者的选择问题，并且不会改变所应用的原理或获得的好处。在说明书和权利要求书中使用的术语“处理器”也应理解为包括处理器的***。

第一实施例的附加示例

图9的(a)示出了类似于图6的目标600的目标900，以及图9的(b)示出了使用这样的目标来实施图8的方法的一部分。目标900包括四个目标结构932、933、934、935。在此示例中，每个目标结构都将X方向作为其周期性的主要方向，并且旨在准确测量X方向上的重叠Ov_x。在Y方向上可以存在分段，但在附图的比例上看不到。X和Y方向上的被编程的偏移包括在每个目标结构中的第一特征和第二特征的相对布置中。如标记“+dx+dy”等所示，这些偏移实施了一偏置方案，其具有四种偏移组合，与图6所示的相同。

如图9的(b)所示，在步骤S22，从四个目标结构捕获两组衍射信号。当使用图2的检查设备时，所有四个目标结构933-935在照射斑931内同时被照射。检查设备在两个暗场图像740(λ1)和740(λ2)中捕获第一衍射信号和第二衍射信号。该示例中的暗场图像是图7中所示的图像740(1)和740(2)的示例。指示标注λ1和λ2表示用于捕获第一衍射信号和第二衍射信号的辐射的波长是不同的。可以预料，结果将是由第一特征和第二特征形成的光栅的衍射阶的扩散角有差异。然而重要的是，辐射与限定目标结构的层堆叠的相互作用可能在许多方面是不同的，不一定是可预测的或已知的。相互作用的具体差异可能是由目标结构的三维性质引起的，其中层L1和L2以及中间层的厚度和材料属性都影响检查辐射的传播。每组衍射信号将以不同的方式对重叠以及对不同参数中的过程变化敏感。根据上述数学模型，在使用第二波长时的系数K’与在使用第一波长时的系数K不同。

在步骤S23，对每个目标结构导出第一不对称性值As和第二不对称性值As’。它们在步骤S24中被组合以获得至少在第一方向上的重叠测量，在该示例中该第一方向是X方向。

依赖于检查设备的结构，可以顺序地或同时地捕获第一衍射信号和第二衍射信号。波长的选择可以通过滤色器12b，或者通过可调谐或可切换的源11进行。可以使用多种波长的照射，并在检测侧进行滤光。波长的选择可以基于利用目标结构的设计的计算和/或实验来进行，目的是确保第一系数K和第二系数K’之间存在显著差异，从而在组合在一起时最大化不对称性值的信息含量。第一实施例的其它示例可以通过切换诸如照射***的偏振(滤光片12c)或角度分布(孔径装置13)之类的其它参数来进行。如上所述，除了照射***之外或替代照射***，还可以在检测***中切换参数。

第二实施例

图10的(a)示出了目标的不同形式，图10的(b)示出了使用第二实施例中的这种目标实施图8的方法的一部分。目标1000包括八个而不是四个目标结构。八个目标结构分为两个不同的子组，由后缀“a”和“b”表示。如图9所示，在此示例中，每个目标结构都将X方向作为其周期性的主要方向，并且旨在准确测量X方向上的重叠Ov_x。在Y方向上可以存在分段，但在该附图的比例上看不到。目标结构的第一子组包括四个目标结构1032a、1033a、1034a和1035a。目标结构的第二子组包括四个目标结构1032b、1033b、1034b和1035b。在每个子组中，X和Y方向上的被编程的偏移包括在每个目标结构中的第一特征和第二特征的相对布置中。如标注“+dx+dy”等所示，这些偏移在每个子组中实施了一偏置方案，其具有四种偏移组合，与图6所示的相同。

如图10的(b)结合图11所示，在步骤S22，捕获两组衍射信号740(a)和740(b)。假设对于第一衍射信号和第二衍射信号两者，该实施例中的捕获条件都相同。这样可以减少测量时间。第一衍射信号和第二衍射信号之间的差异是通过目标结构的第一子组和第二子组之间的设计差异来实现的。可以看出，八个目标结构在第二方向上做得更小，因此它们都可以匹配于同一照射斑1031和设备的视场内。以这种方式，可以从单个暗场图像740(a/b)内的区域捕获两组衍射信号。如果优选的话，目标结构可以保持与目标600和900相同的尺寸，但是随后将需要额外的捕获步骤以获得整组的衍射信号，并且通过捕获条件的不一致会引入额外的误差。

在该示例中的检查设备捕获第一衍射信号740(a)和第二衍射信号740(b)，并且指示标注a和b表示用于捕获第一衍射信号和第二衍射信号的目标结构的设计是不同的。在光刻过程中可以可靠地产生的任何种类的差异都可以被考虑。目标结构可以在一个或两个方向上具有不同的节距和/或占空比。作为另一个简单的差异，目标结构的一个子组可以具有“线上线”的布局，而另一子组可以具有“沟槽上线”的布局。在线上线的布局中，第二特征位于相应的第一特征的正上方，如图6的(b)的横截面所示。在沟槽上线的布局中，第二特征位于第一特征之间的空隙的上方。在任何情况下，辐射与限定目标结构的层堆叠的相互作用在目标结构的两个子组之间可以以多种方式不同，其方式不一定是可预测的或已知的。每组衍射信号将以不同的方式对重叠以及对不同参数中的过程变化敏感。根据上面给出的数学模型，第二子组的系数K’将不同于第一子组的系数K。

在步骤S23，针对第一子组中的每个目标结构1032a-1035a导出第一不对称性值As，并针对第二子组中的每个目标结构导出第二不对称性值As’。在步骤S24，这四个值As和四个值As’组合在一起，以获得至少在第一方向上的重叠的测量，在该示例中该第一方向是X方向。

将理解的是，如果需要第三组衍射信号、第四组衍射信号等，则可以包括具有另外不同设计的第三、第四和其它子组。另外，可以将第一实施例和第二实施例的技术进行组合，以使得例如使用两个不同的捕获条件来从目标结构的两个不同子组获得衍射信号。这直接产生四组衍射信号。通过不同子组的适当设计以及适当的捕获条件选择，可以求解出附加未知量。替代地，代替求解单个大的方程组，可以(例如)一起使用第一衍射信号和第二衍射信号以及一起使用第三衍射信号第四衍射信号来进行重叠误差的独立计算。这样，在不使数学模型及其解复杂化的情况下，可以通过多种方式测量相同的Ov值，并将其组合起来以提高检查设备的重叠准确度性能。

最后，如上所述，虽然上述技术可以用于在两个方向上独立地测量目标的属性，但是它也可以用作简单检查以查看两组特征中是否存在重要的二维结构。如果没有，那么单组衍射信号就足以测量其它目标，从而节省时间。如果存在显著的二维性，例如由两组衍射信号之一中的显著值K_xy表示，则可以将本公开的技术应用于获得一个或两个方向上的重叠的准确测量结果。

修改的实施例

图12的(a)示出功能类似于图6的目标1200的目标1200，但是具有现在将描述的修改。目标1200包括四个目标结构1232、1233、1234、1235。在该示例中，每个目标结构均具有X方向和Y方向作为周期性的主要方向。作为简单的示例，每个第一特征1262可以在衬底上包括X-Y尺寸为200×200nm的正方形结构，并且节距Px和Py在两个方向上可以是800nm。因此，每个第一特征和每个第二特征在X方向和Y方向上都具有相同的尺寸。在替代实施方式中，尺寸和/或节距在两个方向上可以不同。将理解的是，特征及其间隔被示意性地示出，并且未按比例示出，也未以其真实数值示出。如在先前的示例中，每个第一特征和/或每个第二特征可以在一个或两个方向上被细分为较小的特征，该子分段在图的比例上不可见。在下面的示例中，纯粹为了简单起见，第一特征和第二特征将被示出和描述为好像它们是单一特征。X和Y方向上的被编程的偏移被包括在每个目标结构中的第一特征1262和第二特征1264的相对布置中。如标注“+dx+dy”等所示，这些偏移实施具有四种偏移组合的偏置方案。这些组合与图6中所示的组合相同，但彼此之间的排列关系不同。通过考虑以下解释的原理可以理解，图6的偏置方案同样适用。而且，该目标被设计为具有高度的对称性，以减小对光学***的像差的敏感度，并且使其与现有的量测方法和设备兼容。

图12的目标与上述目标之间的主要区别在于目标结构以一个连续的阵列形成。图12的(b)示出了目标1200的一层，其仅包括第一特征1262。例如，这可以是重叠量测目标1200的底层。可以看出，第一特征1262形成为连续的周期性阵列，在不同的目标结构之间没有间隙。图12的(c)是目标1200的中心部分的放大图，其对应于图12的(a)和(b)中的虚线圆。在这里可以看出，四个目标结构1232、1233、1234、1235只是这个较大的连续阵列的四个区域，其中，一个区域到另一个区域的被编程的位置偏移(重叠偏置)不同。每个区域中的被编程的位置偏移可以方便地由偏置矢量表示，这些偏置矢量在图12的(c)的每个区域中显示。

在所示的示例中，假设第一特征定义了重叠量测目标的底层，第二特征位于顶层，被随后施加。被编程的偏移位于每个区域中的第二特征1264的放置中，而第一特征的阵列是完全规则的。然而，这仅是一个可能的示例，被编程的偏移可以在底层、顶层或在这两者中。以连续阵列提供底层特征的一个好处是减少影响该结构的过程影响。此外，可以在整个目标上对任何要校正的过程变化进行建模。但是，在某些过程和设计中，将被编程的偏移放在第一层中，而将规则的阵列放在顶层中可能会有好处。

原则上存在由于不同目标结构之间的边缘效应而使衍射信号包括串扰的风险。目标结构之间不存在间隙以及阵列在两个方向上的均匀性都是有助于减少边缘效应的因素。此外，还可以在量测目标中选择哪个目标结构相邻于另一个结构放置，以减少由于边缘效应而产生的噪声。例如，从图12的(c)中的矢量可以看出，这种布置使得每个目标结构都具有两个直接相邻的目标结构。偏置方案被设计为使每个目标结构的被编程的偏移介于其直接相邻的目标结构的被编程的偏移之间。就偏置矢量而言，偏置矢量从每个目标结构到下一个仅旋转90度。可以认为目标结构被布置成环形，该环形可以为顺时针或逆时针旋转或穿过，并且偏置矢量总是最多以90度步进。该布置避免了例如在偏置矢量指向相反的方向的两个目标结构之间具有公共的边界。虽然当辐射被有限的结构衍射时边缘效应是不可避免的，但是仔细的设计可以使它们最小化。通过最小化边缘效应，可以降低信号噪声，或者可以放宽其他约束。例如，量测目标的整体大小能够被减小，和/或目标和感兴趣区域(ROI)的位置准确度可以被放宽。

图13仅示出了来自量测目标1300的中心细节，其是图12的量测目标的进一步修改。在该示例中，在相邻目标结构之间提供了狭窄的过渡区域1302，其中，偏置矢量介于目标结构的偏置矢量与任一侧的偏置矢量之间。从一个角度看，这样的过渡区虽然是“被浪费的空间”，但可以通过减少边缘效应来帮助提高准确性。原则上，在不偏离本公开的原理的情况下，偏置的变化可以从每个特征到下一个特征连续。但是，在这种情况下，信号可能对感兴趣的区域ROI的放置中的误差变得过于敏感。

第三实施例

图14的(a)示出了根据本公开的第三实施例的量测目标1400。详细地，目标具有与上述目标1200和1300相同的基本结构。也就是说，多个目标结构形成为较大的连续阵列的相邻区域。然而，在该目标中，区域的数量大于四个，并且包括围绕中心区域成环形布置的八个外部区域。从左上方开始编号，并逆时针进行，八个外部区域分别形成目标结构1432-1至1432-8。与前面的示例一样，一个区域到另一个区域的被编程的位置偏移(重叠偏置)不同。在该示例中，被编程的位置偏移方便地由偏置矢量表示，该偏置矢量显示在图14的(a)的每个区域中。中心区域可选地提供形成中心目标结构1432-0。如下所述，中心目标结构可以用于不同的目的。就目前而言，可以假定其具有零偏置，以简单的点表示。

可以假定第一特征和第二特征的形式与图12和13的示例中的特征相同(特征大小为200×200nm，并且节距Px＝Py＝800nm)。如果每个连续阵列的整体大小与图12中的相同，则每个目标结构当然会更小。可替代地，可以增加目标的整体大小以获得单个目标结构的期望大小。在一个示例中，整体大小为16×16μm。

在引言和权利要求的术语中，八个目标结构1432-1至1432-8在一个量测目标中一起提供第一子组的目标结构和第二子组的目标结构。如果需要，可以在单个捕获步骤中对所有八个目标结构进行成像，并且可以将来自所有目标结构的衍射信号作为一个大组进行处理。在这样的实施例中，子组的分割在某种程度上是任意的，因为它们之间的唯一区别是所施加的重叠偏置。然而，出于本申请描述的目的，方便地是考虑奇数目标结构(1432-1，-3，-5，-7)形成第一子组而偶数目标结构(1432-2，-4，-6，-8)形成第二子组。将会看到，第一子组的目标结构的偏置方案与图12中的目标1200的偏置方案相同。

第二子组的目标结构(1432-2，-4，-6，-8)被定位成每个都位于第一子组的两个目标结构之间。第二子组的偏置方案使得每个目标结构在X和Y方向上都具有被编程的偏移，其介于其任一侧的相邻者之间。结果，与两个相邻目标结构邻接的任何目标结构都具有介于这两个相邻目标结构的被编程的偏移之间(不考虑中心区域，其不是为此目的目标结构之一)的被编程的偏移。就偏置矢量而言，将看到，偏置矢量现在在相邻目标结构之间旋转不到90度。更具体地，在该示例中，表示所述被编程的偏移的偏置矢量在相邻目标结构之间旋转45度。

以与图12和图13中示例所描述的方式相同的方式，被编程的偏移从相邻者到相邻者的逐渐变化以及使用单个连续的特征阵列，具有减少边缘效应的好处。如已经说明的那样，这减轻了通常是由于通过拟合待拟合至较小的总面积的大量目标而引起的允许信号品质的损失。有效地，目标1400的详细结构与图13所示的相同，但是过渡区1310足够宽以自身形成目标结构。可以在量测目标1400中的区域之间以与图13中相同的方式提供狭窄的过渡区(未显示)。过渡区将具有从任一侧的目标结构旋转小于45度的偏置角。

现在参考图14的(b)，其示出了由图4的设备以衍射阶的空间分离来捕获的目标的多重图像1440的一部分。为了节省空间，仅显示+1和-1衍射阶图像，并分别标注为1440(+1)和1440(-1)。除了从复合量测目标1400的单次捕获中获得足够的用于重叠测量的衍射信号外，以与第一实施例和第二实施例基本相同的方式处理信号。这不排除通过使用不同的辐射特性获得额外的衍射信号来提高准确性的可能性。它也不排除为额外目标提供不同设计参数的可能性。这仅意味着从信号衍射图像1440可以获得足够的信号来求解所需的方程组。

图14的(b)重叠有为了从八个目标结构中获得不对称性值As的信号处理的示意表示。通过比较来自对应于右上方目标结构1432-7的感兴趣区域(ROI)的相反阶衍射信号，获得第一不对称性值As₁。作为另一示例，通过比较来自对应于左下方目标结构1432-3的感兴趣区域(ROI)的相反阶衍射信号，获得第四不对称性值As₄。在给定来自单个衍射图像的总共八个不对称性值的情况下，圆圈中的数字表示每个目标结构与相应的不对称性值As_i之间的对应关系。

在给定如图14的(b)所示获得的这八个不对称性值As₁至As₈的情况下，可以通过求解类似于上述方程组的方程组来确定重叠。对于本示例，方程式实施了不对称性值与重叠之间关系的正弦模型，而不是简单的线性近似。因此，目标1400的方程组为：

如果我们假设第九个区域为目标结构1432-0提供零偏置，则其不对称性值As₀的方程式将是上述八个方程式的线性组合，并且不添加信息。在矩阵符号中，无论是否有“无偏置”情况，矩阵的秩均保持为8。如下将描述，这增加了将中心区域用于其它目的的可能性。

图15示出了使用根据本公开的第三实施例这样的目标实施图8的方法的一部分。在步骤S23中，从捕获的衍射信号获得第一子组的目标结构和第二子组的目标结构的不对称性值As。该图显示了将它们视为一组不对称性值以进行进一步计算。而不需要单独捕获。

因为所有目标结构都具有相同的目标设计参数，并且所有衍射信号都以相同的辐射特性捕获，所以不同目标结构之间的系数K或周期P没有差异。换句话说，只有五个未知量，原则上，这些方程式中仅五个就应该足以解出所有未知量。但是，可以预期通过使用六、七或八个可以提高准确性。如果使用少于八个，则建议选择在两个方向上都具有良好平衡的被编程的偏移的目标结构。如果使用五个以上的值，则更容易实现。然而，在其它实施例中，在任何情况下，第一子组和第二子组中的目标结构的数量可以少于八个。

可以设想量测目标1400的多种变型，而不背离上述原理。由不同的被编程的偏移定义的区域的大小不必全部都相等。有些可能更大，以提供更高的信号品质，而另一些则更小。例如，可以决定为具有混合(X和Y)偏置的目标结构提供较小的面积，并为单方向偏置提供较大的面积以更多强调单方向偏置。(中心区域也可以更小。该区域不必是正方形。所示的示例具有不同长度的偏置矢量，这依赖于目标结构是具有混合的(X和Y)位置偏移还是单个方向的偏移(仅X或仅Y)。作为另一修改，例如，不同目标结构之间在每个方向上的偏移的幅度可以不同，以使偏置矢量的长度更相等。例如，要使偏置矢量的均匀长度为20nm，目标结构1432-8中的偏置可以是例如(0，20)，而目标结构1432-7中的偏置矢量可以是(20/√2，20/√2)或大约(14，14)。作为另一变型，可以将单个偏置目标结构布置在目标的拐角处，混合偏置区位于其之间。

另外，如上所述，不用于重叠测量目标结构的中心区域可以用于其他目的。作为其一个示例，代替零偏置重叠目标，可以完全省略第二特征(顶部光栅)。这使得能够单独测量第一层，从而不对称性值AS₀提供了底部光栅不对称性的测量结果作为有用的性能参数。在替代实施例中，底部光栅可以是省略的，或者两个光栅都可以是省略的。

修改的第三实施例

图16的(a)示出了根据本公开的修改的第三实施例的放大的量测目标。图16的(b)示出了由图4的设备捕获的目标的多重图像的一部分。详细地，目标具有与上述目标1200、1300和1400相同的基本结构。也就是说，多个目标结构1632-1等形成为较大的连续阵列的相邻区域。但是，在该目标中，区域数量为49，以7x7个区域的正方形阵列排列。被编程的位置偏移也由偏置矢量方便地表示，该偏置矢量显示在每个区域中。偏置方案再次使得与两个相邻目标结构邻接的任何目标结构具有介于这两个相邻目标结构的被编程的偏移之间(不考虑零偏置的区域，其不是为此目的目标结构之一)的被编程的偏移。就偏置矢量而言，将看到，偏置矢量在相邻目标结构之间也旋转小于90度。再次，在该示例中，表示所述被编程的偏移的偏置矢量在相邻目标结构之间旋转45度。而且，该目标被设计为具有180度旋转对称性，以降低对光学***像差的敏感度，并与其它量测方法兼容。

可以假定第一特征和第二特征的形式与图12和13的示例中的特征相同(特征大小为200×200nm，并且节距Px＝Py＝800nm)。如果每个连续阵列的整体大小与图12中的相同，则每个目标结构当然会更小。可替代地，可以增加目标的整体大小以获得单个目标结构的期望大小。在一个示例中，整体大小为16×16μm。

在图16的(b)中，再次对衍射图像的相应部分进行编号，以显示哪些衍射信号产生了上面的方程式中的不对称性值As₁至As₈中的哪一个。每个不同的被编程的偏移在横跨阵列的不同目标结构中至少出现四次。被编程的偏移中有四个出现更多次。这提供了用于求解八个方程的信号的冗余。可以以多种不同的方式利用这种冗余，这将在下文中描述。

44个目标结构(具有非零的被编程的偏移的区域)可以被看成是在不同的群组中。这些不同的群组可以用作器件制造过程中不同层对的重叠目标。例如，可以在第一层中以连续阵列的形式制造第一特征，然后可以在上述阵列的第一部分上方的第二层中添加第二特征，以限定第一群组目标结构。可以在阵列的第二部分上方添加第二特征，以限定第二群组目标结构，依此类推。假设每个群组具有一组五个或更多不同的被编程的偏移，例如七个或八个不同的被编程的偏移，则第一群组目标结构可以用于测量在第一层上方的第二层的重叠，而第二群组目标结构可以用于测量在第一层上方的第三层的重叠。

现在参考图17，说明了在给出目标1600的基本设计的情况下用于选择这些群组的两个不同选项。参考图17的(a)，将注意到一些目标结构与其相邻的目标结构定义了闭合的环，每个环的布局与目标1400相似。如标注为1700-1至1700-4的边界所示，可以定义四个群组。这些群组中的每个都包含八个被编程的偏移的完整组。图17的(b)将同一基本目标设计的群组另外分割成几个群组。如标注为1702-1至1702-4的框所示，第一、第三、第五和第七行区域可用于提供四个群组的目标结构，其中每群组的目标结构排成一行。每行包含一组八个不同被编程的偏移中的七个。如上所述，从五到八个不同的被编程的偏移中的任何一个都足以求解出重叠测量所需的方程组。

在每个群组内，与两个相邻目标结构邻接的任何目标结构具有介于这两个相邻目标结构的被编程的偏移之间的被编程的偏移。因此，每个群组的目标结构都可以有效地用作独立的量测目标，并且可以分配给不同的顶部光栅或底部光栅(多层目标)。如已经提到的，如果适合于特定过程，则可能是顶部光栅形成为连续阵列而没有位置偏移，而被编程的偏移被包括在于顶层之前形成的下层中。

代替对不同的层使用不同的群组，可以利用图16的目标中的冗余来获得与单个层对有关的附加信息。例如，在目标上不同位置测得的单个偏置值的结果可用于校正可能在目标区域上发生的过程变化，或检查工具本身的变化，例如辐射斑的均匀性的变化。虽然在图17中将群组显示为相邻目标结构的正方形或直线，但群组包括分布广泛的目标结构(甚至随机分布在较大的目标上的目标结构)的其它方案也是可行的。

上面关于第三实施例描述的众多变型可以等同地应用于修改的第三实施例中。

中心无偏置的区域也可以用于测量底部光栅的不对称性或其它参数。如果较大的目标提供多个这种区域，则可以横跨目标测量这些参数的变化。当然，中心无偏置的区域可以用作重叠计算的附加输入，以提高相对于诸如光栅不对称之类的效应的鲁棒性。

结论

当目标结构在第一特征和第二特征两者中均具有二维特性时，以上公开的原理允许维持测量准确度。该技术适用于通过使用分段检测***的暗场成像方法以及其它方法进行的不对称性测量。使用两组或更多组捕获条件和/或两种或更多种不同的目标结构设计，允许基于分段检测***的简单有效的检查设备在更大范围的目标设计下操作，包括那些在两层中的第二方向具有明显衍射的目标设计。

另外，所公开的方法和设备可以传递关于目标结构的二维特性的信息。实际上，在检查之前，这种信息可能是未知的。

关于第三实施例，从复合量测目标的单次采集可以确定2D重叠。该第三实施例可以扩展到多层目标设计。

基于连续阵列结构的实施例可以减少噪声和过程依赖性，以及实现过程效应的目标内/光栅间校正。

具有渐进的偏置差异的目标结构的布置有助于减小光栅之间的边缘效应，从而实现更大的ROI选择和/或减小的总目标大小。

诸如底部光栅不对称性之类的参数的附加测量结果可以集成到目标设计中。

虽然上面已经描述了本发明的特定实施例，但是应该理解，可以以不同于所描述的方式实践本发明。

虽然实施例中示出的检查设备或工具包括具有用于通过平行图像传感器同时使光瞳平面和衬底平面成像的第一分支和第二分支的特定形式的散射仪，但是替代布置是可能的。可以通过诸如反射镜的可移动光学元件选择性地耦接两个分支，而不是通过分束器17将两个分支设置为与物镜16永久耦接。可以使光学***具有单个图像传感器，到传感器的光路通过可移动元件被重新配置以用作光瞳平面图像传感器，然后用作衬底平面图像传感器。

尽管图2所示的光学***包括折射元件，但可以使用反射光学元件代替。例如，反射光学元件的使用可以使得能够使用较短波长的辐射。

尽管上述目标结构是为测量目的而具体指定和形成的量测目标，但是在其它实施例中，可以在作为形成在衬底上的器件的功能部分的目标上对属性进行测量。多个器件具有规则的类似光栅的结构。在本文所使用的术语‘目标光栅’和‘目标结构’不需要该结构已经具体地针对正在进行的测量而提供。

与检查设备硬件和在图案形成装置和图案化衬底上实现的合适的目标结构相关联，实施例可以包括计算机程序，该计算机程序包含实施上文所示类型的测量方法的一个或更多个机器可读指令序列，以获得有关目标衬底和/或有关光刻过程的信息。这种计算机程序可以例如在图2的设备中的图像处理器和控制器PU中和/或图1的控制单元LACU内执行。还可以提供其中存储有这种计算机程序的数据储存介质(例如，半导体存储器、磁盘或光盘)。

在下面编号的方面中描述了根据本发明的其它实施例：

1.一种确定光刻过程的重叠性能的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)获得已经通过所述光刻过程形成的多个目标结构，每个目标结构包括在至少第一方向上周期性地布置的一组第一特征和在至少所述第一方向上周期性地布置的一组第二特征，且在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时每个目标结构经受重叠误差，

(b)使用检测***来捕获第一衍射信号，所述第一衍射信号包括由所述目标结构的至少一个子组衍射的辐射的选定部分；

(c)使用所述检测***来捕获第二衍射信号，所述第二衍射信号包括由重叠目标的至少一个子组衍射的辐射的选定部分；

(d)处理从第一衍射信号和第二衍射信号导出的不对称性信息，以至少计算在至少所述第一方向上的所述重叠误差的测量结果，

其中，除了所述重叠误差之外，在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时所述目标结构已经形成有被编程的偏移，每个子组中的所述被编程的偏移在所述第一方向和第二方向两者上都不同，所述第一方向和所述第二方向不平行，

并且其中，步骤(d)中的计算重叠误差将所述不对称性信息与所述被编程的偏移的知识相结合，同时假设给定目标结构中的不对称性不是由于所述第二特征在第一方向、第二方向或是两个方向上的相对移位引起的。

2.根据方面1所述的方法，其中，在步骤(b)中在第一捕获条件下捕获所述第一衍射信号，并且在步骤(c)中在不同于所述第一捕获条件的第二捕获条件下捕获所述第二衍射信号。

3.根据方面2所述的方法，其中，所述第一捕获条件和所述第二捕获条件在用于目标结构的照射和/或检测的辐射的波长、偏振和角度分布中的一个或更多个上不同。

4.根据方面1、2或3所述的方法，其中，在步骤(b)中捕获的所述第一衍射信号包括由第一子组的目标结构衍射的辐射，并且在步骤(c)中捕获的所述第二衍射信号包括由与所述第一子组的目标结构不同的第二子组的目标结构衍射的辐射。

5.根据方面4所述的方法，其中，所述第一子组的目标结构和所述第二子组的目标结构在所述第二方向上的节距、特征大小、相对放置和分段中的一个或更多个上不同。

6.根据方面4所述的方法，其中，所述第一子组的目标结构和所述第二子组的目标结构仅在所述第一方向和所述第二方向两者上的被编程的偏移的组合方面不同，在两个子组上可利用的被编程的偏移的组合的数量大于四。

7.根据方面6所述的方法，其中，所述第一子组和所述第二子组的目标结构一起被布置成复合量测目标，目标结构的布局使得由在所述第一方向和所述第二方向上所述被编程的偏移限定的偏置矢量从每个目标结构向其相邻的目标结构逐渐变化。

8.根据方面1至7中的任一项所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一个包括尺寸在所述第一方向上与在所述第二方向上相同的特征。

9.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一个包括细长特征，所述细长特征横向于所述第一方向延伸并且在所述第二方向上被周期性地分段。

10.根据方面9所述的方法，其中，细长的所述第一特征和第二特征的分段的周期不同于所述第一特征和第二特征的间隔的周期。

11.根据前述方面中的任一项所述的方法，其中，至少所述第一子组的目标结构的所述第一特征形成为第一连续阵列，并且所述第一子组的目标结构的所述第二特征形成为特征的第二连续阵列，不同的目标结构通过所述位置偏移在所述连续阵列的一个或另一个上的变化来限定。

12.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，步骤(d)中的计算重叠误差从所述第一衍射信号导出至少四个目标结构中的每一个的第一不对称性值，并且从所述第二衍射信号导出至少四个目标结构中的每一个的第二不对称性值，并且至少使用导出的所述第一不对称性值和第二不对称性值来求解四个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

13.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，步骤(d)中的计算重叠误差从所述第一衍射信号和第二衍射信号导出五个或更多个目标结构的不对称性值，并且至少使用导出的不对称性值来求解四个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

14.根据方面13所述的方法，其中，步骤(d)中的计算重叠误差从所述第一衍射信号和第二衍射信号导出七个或更多个目标结构的不对称性值，并且至少使用导出的第一不对称性值和第二不对称性值来求解四个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

15.根据前述方面中任一项所述的方法，还包括步骤：

(c2)使用所述检测***来捕获第三衍射信号，所述第三衍射信号包括由所述重叠目标的至少一个子组衍射的辐射的选定部分；

并且其中步骤(d)包括处理从所述第一衍射信号、第二衍射信号和第三衍射信号导出的不对称性信息，以计算在至少所述第一方向上的所述重叠误差的测量结果。

16.根据方面15所述的方法，其中，步骤(d)中的计算重叠误差使用所述第一衍射信号导出至少四个目标结构中的每个的不对称性值，使用所述第二衍射信号导出至少四个目标结构中的每个的不对称性值，并使用所述第三衍射信号导出至少三个目标结构中的每个的不对称性值，并使用八个以上的所导出的不对称性值来求解其中有八个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

17.根据方面12至16中的任一项所述的方法，其中，步骤(d)中的计算重叠误差计算出在所述第二方向上的重叠误差的测量结果。

18.根据前述方面中任一项所述的方法，其中在步骤(b)中，使用检测***捕获用于所述多个目标结构的所述第一衍射信号，以形成所述多个目标结构的一个或更多个第一图像；在步骤(c)中，使用所述检测***捕获用于所述多个目标结构的所述第二衍射信号，以形成所述多个目标结构的一个或更多个第二图像；并且在步骤(d)中，从所述一个或更多个第一图像的各个部分的强度值导出每个目标结构的第一不对称性值，从所述一个或更多个第二图像的各个部分的强度值导出第二不对称性值。

19.根据方面18所述的方法，其中，所述第一图像和所述第二图像中的每一个都包含互补部分，所述互补部分是使用沿所述第一方向和第二方向衍射的相反的衍射阶的辐射形成的相同多个目标结构的图像。

20.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，在步骤(b)和(c)中，当使用具有被照射区域和暗区域的分段照射轮廓来照射所述目标结构时，捕获所述衍射信号，当沿所述第一方向反射时和沿所述第二方向反射时，每个被照射区域与暗区域对称相对。

21.根据方面20所述的方法，其中，所述分段的照射轮廓具有四个象限，所述被照射区域仅落在彼此完全相反的两个象限内。

22.根据方面20或21所述的方法，其中，所述检测***是分段检测***，由此，所述第一图像或每个第一图像以及所述第二图像或每个第二图像包括互补部分，所述互补部分是使用被所述目标结构衍射的相反衍射阶的辐射形成的所述目标结构的图像。

23.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，每个所述目标结构形成在两个或更多个层中，所述第一特征和所述第二特征形成在所述层中的不同层中。

24.根据前述方面中任一项所述的方法，其中，所述多个目标结构包括四个目标结构，所述四个目标结构以矩形布局布置在一起，所述矩形布局被分割为相似的四等份。

25.根据前述方面中任一项所述的方法，进一步包括使用所确定的属性来修改用于测量其它目标结构的量测选配方案。

26.根据前述方面中任一项所述的方法，进一步包括使用所确定的属性来控制光刻设备以将图案施加到衬底。

27.一种用于确定光刻过程的重叠性能的检查设备，所述检查设备包括：

用于衬底的支撑件，在所述衬底上设置有已经通过所述光刻过程形成的多个目标结构，每个目标结构包括在至少第一方向上周期性地布置的一组第一特征和在至少所述第一方向上周期性地布置的一组第二特征，且在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时每个目标结构经受重叠误差，

照射***和检测***，所述照射***和所述检测***一起能够操作以捕获第一衍射信号和第二衍射信号，所述第一衍射信号包括由所述目标结构的至少一个子组衍射的辐射的选定部分，所述第二衍射信号包括由重叠目标的至少一个子组衍射的辐射的选定部分；

处理器，用于处理从所述第一衍射信号和第二衍射信号导出的不对称性信息，以至少计算在至少所述第一方向上的所述重叠误差的测量结果，

其中所述处理器能够基于以下进行操作：除了所述重叠误差之外，在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时所述目标结构已经形成有被编程的偏移，每个子组中的所述被编程的偏移在所述第一方向和第二方向两者上都不同，所述第一方向和所述第二方向不平行，以及

所述处理器被布置为通过以下计算重叠误差：将所述不对称性信息与所述被编程的偏移的知识相结合，同时假设给定目标结构中的不对称性不是由于所述第二特征在所述第一方向、所述第二方向或是两个方向上的相对移位引起的。

28.根据方面27所述的检查设备，其中，所述照射***和所述检测***被配置为使得所述第一衍射信号在第一捕获条件下被捕获，并且所述第二衍射信号在与所述第一捕获条件不同的第二捕获条件下被捕获。

29.根据方面28所述的检查设备，其中，所述第一捕获条件和所述第二捕获条件在用于所述目标结构的照射和/或检测的辐射的波长、偏振和角度分布中的一个或更多个上不同。

30.根据方面27、28或29所述的检查设备，其中，所述第一衍射信号包括由目标结构的第一子组衍射的辐射，并且所述第二衍射信号包括由不同于所述第一子组目标结构的第二子组目标结构衍射的辐射。

31.根据方面27至30中的任一项所述的检查设备，其中，所述处理器被布置为通过以下计算重叠误差：从所述第一衍射信号导出至少四个目标结构中的每一个的第一不对称性值，从所述第二衍射信号导出至少四个目标结构中的每一个的第二不对称性值，并且通过使用至少导出的所述第一不对称性值和第二不对称性值来求解四个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

32.根据方面27至30中任一项所述的检查设备，其中，所述处理器被布置为通过以下计算重叠误差：从所述第一衍射信号和第二衍射信号导出五个或更多个目标结构的不对称性值，并且至少使用导出的不对称性值来求解四个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

33.根据方面32所述的检查设备，其中，所述处理器被布置为通过以下计算重叠误差：从所述第一衍射信号和第二衍射信号导出七个或更多个目标结构的不对称性值，并且至少使用导出的所述第一不对称性值和第二不对称性值来求解四个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

34.根据方面27至33中任一项所述的检查设备，其中，所述照射***和所述检测***还一起能够操作以捕获包括由所述目标结构的至少一个子组衍射的辐射的选定部分的第三衍射信号，并且其中所述处理器被布置为处理从所述第一衍射信号、第二衍射信号和第三衍射信号导出的不对称性信息，以计算在至少所述第一方向上的所述重叠误差的测量结果。

35.根据方面34所述的检查设备，其中，所述处理器被布置为通过以下计算重叠误差：使用所述第一衍射信号来导出至少四个目标结构中的每个的不对称性值，使用所述第二衍射信号来导出至少四个目标结构中的每个的不对称性值，使用所述第三衍射信号导出至少三个目标结构中的每个的不对称性值，并使用八个以上的所导出的不对称性值来求解八个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

36.根据方面31至35中任一项所述的检查设备，其中，所述处理器还被布置为计算在所述第二方向上的重叠误差的测量结果。

37.根据方面27至35中任一项所述的检查设备，其中，所述照射***和检测***能够操作用于以所述多个目标结构的一个或更多个第一图像的形式捕获用于所述多个目标结构的所述第一衍射信号，并且还能够操作用于以所述多个目标结构的一个或更多个第二图像的形式捕获用于所述多个目标结构的所述第二衍射信号，并且其中，所述处理器被布置为从所述一个或更多个第一图像的相应部分中的强度值导出每个目标结构的第一不对称性值，并且从所述一个或更多个第二图像的相应部分中的强度值导出每个目标结构的第二不对称性值。

38.根据方面37所述的检查设备，其中，所述第一图像和所述第二图像中的每一个都包含互补部分，所述互补部分是使用沿所述第一方向和第二方向衍射的相反的衍射阶的辐射形成的相同多个目标结构的图像。

39.根据方面27至38中任一项所述的检查设备，其中，所述照射***能够操作为使用具有被照射区域和暗区域的分段照射轮廓来照射所述目标结构，当沿所述第一方向反射时和沿所述第二方向反射时，每个被照射区域与暗区域对称相对。

40.根据方面39所述的检查设备，其中，所述分段照射轮廓具有四个象限，所述被照射区域仅落在彼此完全相反的两个象限内。

41.根据方面39或40所述的检查设备，其中，所述检测***是分段检测***，由此，所述第一图像或每个所述第一图像以及所述第二图像或每个所述第二图像包括互补部分，所述互补部分是使用被所述目标结构衍射的相反衍射阶的辐射的形成的所述目标结构的图像。

42.一种量测目标，用于根据方面1至26中任一项所述的方法中，其中，所述量测目标包括至少四个目标结构，每个目标结构包括在第一方向和第二方向两者上均为周期性的第一特征以及在所述第一方向和所述第二方向两者上均为周期性的第二特征，所述第一方向和第二方向不平行，并且其中，所述目标结构在所述第一方向和所述第二方向两者上在所述第二特征的相对于所述第一特征的放置中具有被编程的偏移，所述至少四个目标结构中的每个目标结构在所述第一方向和所述第二方向上具有被编程的偏移的不同组合。

43.根据方面42所述的量测目标，其中，每个所述目标结构形成在两个或更多个层中，所述第一特征和所述第二特征形成在所述层中的不同层中。

44.根据方面42或43所述的量测目标，其中，所述至少四个目标结构以矩形布局布置在一起，所述矩形布局被分成相似的四等份。

45.根据方面42、43或44所述的量测目标，其中所述量测目标包括所述目标结构的第一子组和所述目标结构的第二子组，每个子组包括至少四个目标结构，所述至少四个目标结构在所述第一方向和所述第二方向中具有被编程的偏移的不同组合，所述第二子组目标结构不同于所述第一子组目标结构。

46.根据方面45所述的量测目标，其中，所述第一子组的目标结构和所述第二子组的目标结构在第二方向上的节距、特征大小、相对放置和分段中的一个或更多个上不同。

47.根据方面45所述的量测目标，其中，所述第一子组的目标结构和所述第二子组的目标结构仅在所述第一方向和所述第二方向两者上的被编程的偏移的组合方面不同，在两个子组上可利用的被编程的偏移的组合的数量大于四。

48.根据方面47所述的量测目标，其中，所述第一子组和所述第二子组的目标结构被一起布置成复合量测目标，目标结构的布局使得由在所述第一方向和所述第二方向上所述被编程的偏移限定的偏置矢量从每个目标向其相邻的目标结构逐渐变化。

49.根据方面42至48中任一项所述的量测目标，所述第一特征和所述第二特征中的每一个包括尺寸在所述第一方向上与在所述第二方向上相同的特征。

50.根据方面42至49中任一项所述的量测目标，其中，至少所述第一子组目标结构的所述第一特征形成为第一连续阵列，并且至少所述第一子组目标结构的所述第二特征形成为特征的第二连续阵列，不同的目标结构通过所述位置偏移在所述连续阵列的一个或另一个上的变化来限定。

51.一种处理装置，被布置成接收从多个目标结构捕获的至少第一衍射信号和第二衍射信号，并通过执行方面1至26中任一项的方法中的步骤(d)而导出在至少第一方向上的重叠误差的测量结果。

52.根据方面51所述的处理装置，被布置成接收以所述多个目标结构的一个或更多个第一图像的形式的所述第一衍射信号，并接收以所述多个目标结构的一个或更多个第二图像的形式的所述第二衍射信号。

53.一种计算机程序产品，包括机器可读指令，所述机器可读指令用于使可编程的处理装置接收从多个目标结构捕获的至少第一衍射信号和第二衍射信号，并通过执行方面1至26中任一项的方法中的步骤(d)而导出在至少第一方向上的重叠误差的测量结果。

54.根据方面42所述的计算机程序产品，其中，所述机器可读指令还被配置为使所述可编程的处理装置自动控制检查设备的操作以使得通过所述方法的步骤(b)和(c)捕获所述第一衍射信号和第二衍射信号。

55.一种光刻***，包括：

光刻设备，用于在一个或更多个衬底上施加图案；

根据方面27至41中任一项所述的检查设备；和

控制***，用于当将所述图案施加到其它衬底上时，使用来自所述检查设备的测量结果来控制所述光刻设备。

56.一种制造器件的方法，其中使用光刻过程将器件图案施加到一系列衬底，所述方法包括：使用根据方面1至26中任一项所述的方法，利用至少一个所述衬底上形成为所述器件图案的一部分或在所述器件图案之外形成的多个目标结构，得出重叠误差；以及根据测量的结果控制后续衬底的所述光刻过程。

57.一种量测目标，用于重叠的量测中，所述量测目标包括多个目标结构，每个目标结构包括在第一方向和第二方向两者上均为周期性的第一特征以及在所述第一方向和所述第二方向两者上均为周期性的第二特征，所述第一方向和第二方向不平行，并且其中，所述多个目标结构中的不同目标结构在所述第一方向和所述第二方向两者上在所述第二特征的相对于所述第一特征的放置中具有被编程的偏移，并且其中，所述多个目标结构被布置在所述量测目标中，使得与两个相邻目标结构邻接的任何目标结构具有介于这两个相邻目标结构的被编程的偏移之间的被编程的偏移。

58.根据方面57所述的量测目标，其中，表示所述被编程的偏移的偏置矢量在相邻目标结构之间旋转小于90度。

59.根据方面58所述的量测目标，其中，表示所述被编程的偏移的偏置矢量在相邻目标结构之间旋转45度。

60.根据方面57至59中任一项所述的量测目标，其中，所述多个目标结构中的五个或更多个布置在闭合的环中。

61.根据方面57至60中任一项所述的量测目标，其中，所述多个目标结构中的八个或更多个布置在所述闭合的环中。

62.根据方面57至61中任一项所述的量测目标，其中，所述多个目标结构中的五个或更多个布置成一条线。

63.根据方面57至62中任一项所述的量测目标，其中，所述多个目标结构中的七个或更多个布置成一条线。

64.一组图案形成装置，用于光刻过程中，所述图案形成装置包括：至少第一图案形成装置，所述第一图案形成装置被配置为限定根据方面57至63中任一项所述的量测目标的所述第一特征；以及第二图案形成装置，所述第二图案形成装置被配置为限定所述量测目标的所述第二特征。

65.根据方面64所述的一组图案形成装置，其中，所述多个目标结构的所述第一特征形成为第一连续阵列，并且所述第一子组的目标结构的所述第二特征形成为特征的第二连续阵列，不同的目标结构通过所述位置偏移在所述连续阵列的一个或另一个上的变化来限定。

尽管上文已经对本发明的实施例在光学光刻术的内容背景中使用做出了具体参考，但应该理解的是，本发明可以用于其它应用，例如压印光刻术，并且在上下文允许的情况下不限于光学光刻术。在压印光刻术中，图案形成装置中的拓扑限定了在衬底上产生的图案。图案形成装置的拓扑可以被印制到提供给衬底的抗蚀剂层中，通过施加电磁辐射、热、压力或它们的组合而使抗蚀剂固化。将图案形成装置从抗蚀剂中移出，从而在抗蚀剂固化后留下图案。

这里使用的术语“辐射”和“束”包含全部类型的电磁辐射，所述电磁辐射包括紫外(UV)辐射(例如具有等于或约为365nm、355nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波长)和极紫外(EUV)辐射(例如具有处于1nm至100nm的范围内的波长)以及诸如离子束或电子束等粒子束。散射仪和其它检查设备的实施可以使用合适的源在UV和EUV波长中进行，并且本公开绝不限于使用IR和可见辐射的***。

在上下文的情况下，术语“透镜”可以表示各种类型的光学部件中的任何一种或其组合，包括折射式的、反射式的、磁性的、电磁的和静电的光学部件。反射组件可能用于在UV和/或EUV范围内操作的设备中。

本发明的广度和范围不应受任一上述的示例性实施例限制，而应仅由下述的权利要求书及其等同方案来限定。

Claims (15)

1.一种确定光刻过程的重叠性能的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)获得已经通过所述光刻过程形成的多个目标结构，每个目标结构包括在至少第一方向上周期性地布置的一组第一特征和在至少所述第一方向上周期性地布置的一组第二特征，在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时每个目标结构经受重叠误差，

(b)使用检测***来捕获第一衍射信号，所述第一衍射信号包括由所述目标结构的至少一个子组衍射的辐射的选定部分；

(c)使用所述检测***来捕获第二衍射信号，所述第二衍射信号包括由至少一个子组的重叠目标衍射的辐射的选定部分；

(d)处理从所述第一衍射信号和第二衍射信号导出的不对称性信息，以至少计算在至少所述第一方向上的所述重叠误差的测量结果，

其中，除了所述重叠误差之外，在所述第二特征相对于所述第一特征的放置中时所述目标结构已经形成有被编程的偏移，每个子组中的所述被编程的偏移在所述第一方向和第二方向两者上都不同，所述第一方向和所述第二方向不平行，

并且其中，步骤(d)中的计算重叠误差将所述不对称性信息与所述被编程的偏移的知识相结合，同时假设给定目标结构中的不对称性不是由于所述第二特征在所述第一方向、第二方向或是两个方向上的相对移位引起的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(b)中在第一捕获条件下捕获所述第一衍射信号，并且在步骤(c)中在不同于所述第一捕获条件的第二捕获条件下捕获所述第二衍射信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一捕获条件和所述第二捕获条件在用于目标结构的照射和/或检测的辐射的波长、偏振和角度分布中的一个或更多个上不同。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，在步骤(b)中捕获的所述第一衍射信号包括由第一子组的目标结构衍射的辐射，并且在步骤(c)中捕获的所述第二衍射信号包括由与所述第一子组的目标结构不同的第二子组的目标结构衍射的辐射。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一子组的目标结构和所述第二子组的目标结构在所述第二方向上的节距、特征大小、相对放置和分段中的一个或更多个上不同。

6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一个包括细长特征，所述细长特征横向于所述第一方向延伸并且在所述第二方向上被周期性地分段。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，细长的所述第一特征和第二特征的分段的周期不同于所述第一特征和第二特征的间隔的周期。

8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，步骤(d)中的计算重叠误差从所述第一衍射信号导出至少四个目标结构中的每一个的第一不对称性值，从所述第二衍射信号导出至少四个目标结构中的每一个的第二不对称性值，并且至少使用导出的所述第一不对称性值和第二不对称性值来求解四个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

9.根据前述任一权利要求所述的方法，还包括步骤：

(c2)使用所述检测***来捕获第三衍射信号，所述第三衍射信号包括由所述重叠目标的至少一个子组衍射的辐射的选定部分；

并且其中所述步骤(d)包括处理从所述第一衍射信号、第二衍射信号和第三衍射信号导出的不对称性信息，以计算在至少所述第一方向上的所述重叠误差的测量结果。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤(d)中的计算重叠误差使用所述第一衍射信号来导出至少四个目标结构中的每个的不对称性值，使用所述第二衍射信号来导出至少四个目标结构中的每个的不对称性值，并使用所述第三衍射信号导出至少三个目标结构中的每个的不对称性值，并使用八个以上的所导出的不对称性值来求解八个以上未知量的方程，所述未知量中的一个是在所述第一方向上的重叠误差的测量结果。

11.根据权利要求8、9和10中任一项所述的方法，其中，在步骤(d)中的计算重叠误差计算在所述第二方向上的重叠误差的测量结果。

12.根据前述任一权利要求所述的方法，其中在步骤(b)中，使用检测***捕获用于所述多个目标结构的所述第一衍射信号，以形成所述多个目标结构的一个或更多个第一图像；在步骤(c)中，使用所述检测***捕获用于所述多个目标结构的所述第二衍射信号，以形成所述多个目标结构的一个或更多个第二图像；并且在步骤(d)中，从所述一个或更多个第一图像的各个部分的强度值导出每个目标结构的第一不对称性值，从所述一个或更多个第二图像的各个部分的强度值导出第二不对称性值。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一图像和所述第二图像中的每一个都包含互补部分，所述互补部分是使用沿所述第一方向和第二方向衍射的相反的衍射阶的辐射形成的相同的多个目标结构的图像。

14.根据前述任一权利要求所述的方法，在步骤(b)和(c)中，当使用具有被照射区域和暗区域的分段照射轮廓来照射所述目标结构时，捕获所述衍射信号，当沿所述第一方向反射时和沿所述第二方向反射时，每个被照射区域与暗区域对称相对。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述分段照射轮廓具有四个象限，所述被照射区域仅落在彼此完全相反的两个象限内。