DE102008002779B4

DE102008002779B4 - Verfahren zum Bestimmen des Verfahrbereichs für die Fokussierung auf ein Substrat

Info

Publication number: DE102008002779B4
Application number: DE200810002779
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr. Rinn; Hans-Artur Dr. Boesser
Original assignee: Vistec Semiconductor Systems GmbH
Current assignee: KLA Tencor MIE GmbH
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: DE102008002779A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln der Verfahrbereiche in Z-Koordinatenrichtung für die Bestimmung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat, wobei die Strukturen in einer zur Z-Koordinatenrichtung senkrechten Ebene vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Schritte:
a) Berechnen einer Durchbiegung des Substrats unter Einbeziehung eines Elastizitätsmoduls des Substrats;
b) Messen der Lage der Z-Position des Substrats an mindestens drei Stellen auf dem Substrat mit einer Fokus-Vorrichtung;
c) Ermitteln eines Datensatzes, durch welchen die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats bestimmt wird, aus den in Schritt b) gemessenen Z-Positionen und der in Schritt a) berechneten Durchbiegung; und
d) Verwenden des gewonnenen Datensatzes zur Festlegung der Verfahrbereiche eines Messobjektivs in Z-Koordinatenrichtung in Abhängigkeit von der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Verfahrbereiche in Z-Koordinatenrichtung für die Bestimmung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat, wobei die Strukturen in einer zur Z-Koordinatenrichtung senkrechten Ebene vorgesehen sind.
Ein Koordinaten-Messgerät ist hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise wird dabei auf das Vortragsmanuskript „Pattern Placement Metrology for Mask making” von Frau Dr. Carola Bläsing verwiesen. Der Vortrag wurde gehalten anlässlich der Tagung Semicon, Education Program, in Genf am 31 März 1998, in dem die Koordinaten-Messmaschine ausführlich beschrieben worden ist. Der Aufbau einer Koordinaten-Messmaschine, wie er z. B. aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird in der nachfolgenden Beschreibung zu der 1 näher erläutert. Ein Verfahren und ein Messgerät zur Positionsbestimmung von Strukturen auf einem Substrat ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 100 47 211 A1 bekannt. Zu Einzelheiten der genannten Positionsbestimmung sei daher ausdrücklich auf diese Schrift verwiesen.
Ferner ist eine Koordinaten-Messmaschine aus einer Vielzahl von Patentanmeldungen bekannt, wie z. B. aus der DE 19858428 A1 aus der DE 101 06 699 A1 oder aus der DE 10 2004 023 739 A1 . In allen hier genannten Dokumenten des Standes der Technik wird eine Koordinaten-Messmaschine offenbart, mit der Strukturen auf einem Substrat vermessen werden können. Dabei ist das Substrat auf einen in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung vierfahrbaren Messtisch gelegt, über dem eine mikroskopische Messeinrichtung mit einem in Z-Koordinatenrichtung vierfahrbaren Messobjektiv fest installiert ist. Die Position des Messtisches in X- und Y-Richtung wird mit Interferometern mit nm- und sub-nm-Genauigkeit bestimmt. Damit können alle Strukturen des Substrats in den Messbereich der Mikroskopoptik verfahren und zusammen mit dem Messobjektiv hochgenau in ihrer relativen Lage zueinander vermessen werden. Eben so gilt es, das Objektiv derart in Z-Koordinatenrichtung zu verstellen, dass die zu messenden Kanten der Strukturen scharf abgebildet werden. Scharf bedeutet dabei auf wenige nm in Z-Richtung reproduzierbar.
Die Fokusebene kann mit verschiedenen Methoden und den daraus resultierenden Genauigkeiten und Fokus-Messzeiten bestimmt werden. Durchfährt man die Fokusebene durch die Z-Bewegung des Messobjektivs und bestimmt die optimale Fokusebene durch die Auswertung der synchronisiert mit der Z-Bewegung durch das Messobjektiv aufgenommenen Strukturbilder (Z-Scan) über den Kontrast der Struktur, erhält man eine optimale Fokuslage. Dieses Verfahren wird TV-Autofokus genannt. Sowohl die Verfahrgeschwindigkeit der Z-Bewegung als auch die maximale Bildrate (~25/sec) sind beschränkt. So kann das Auffinden der optimalen Fokuslage mit dem Messobjektiv eine erhebliche Zeit in Anspruch nehmen, die sich mit der Länge des Verfahrbereiches vergrößert. Somit wird der Durchsatz bei der Vermessung von Substraten erheblich reduziert. Nach dem Stand der Technik wird daher vor jedem Z-Scan die Fokuslage mittels eines zusätzlichen Fokus-Systems bestimmt. Bei dem hier beschriebenen Typ einer Koordinaten-Messmaschine für Substrate der Halbleiterindustrie handelt es sich um einen Laser-Autofokus, der in der U.S. Patentschrift 4,7989,48 beschrieben ist und der Fokusebenen mit einer Reproduzierbarkeit (~100 nm) einstellt, die im Bereich der Tiefenschärfe des Messobjektivs liegt. Die Reproduzierbarkeit dieses Verfahrens ist jedoch in der Regel nicht hinreichend, so dass mittels TV-Autofokus gemessen wird. Der Laser-Autofokus-Wert dient somit als Startpunkt.
Die Offenlegungsschrift DE 102 32 242 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Rastern von Proben mit einem optischen Abbildungssystem und einem Scanningtisch. Dabei werden an Probenpunkten x_p, y_p Bildaufnahmen mittels einer Kamera von der Probe oder/und Messungen mittels einer optischen Messeinrichtung an der Probe vorgenommen. Hierzu wird der Scanningtisch durch Gewinnen und Speichern von Höhenwerten z an verschiedenen Kalibrier-Positionen x, y des Scanningtisches kalibriert und dadurch ein Ablauf-Höhenprofil des Scanningtisches erzeugt. Für das Rastern von Proben werden mittels einer Referenzhöhe z_ref der Probe zusammen mit dem Ablauf-Höhenprofil des Scanningtisches die Proben-Höhenpositionen z_p an den Probenpunkten x_p, y_p ermittelt. Bereits während des Anfahrens eines jeden Probenpunktes x_p, y_p mit dem Scanningtisch wird die zugehörige Proben-Höhenposition z_p eingestellt, so dass die Ablauffehler des Scanningtisches ausgeglichen sind, und Bildaufnahmen oder Messungen sofort bei Erreichen des Probenpunktes x_p, y_p möglich sind.
Andere Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage durch eine zusätzliche durch das Messobjektiv führende optische Einrichtung oder eine räumlich getrennte Einrichtung bedingen Nachteile durch den komplexeren Aufbau, unterschiedliche Fokuslagen und gegebenenfalls Abstriche in der Qualität des Messobjektivs. Letzteres ergibt sich, wenn Mess- und Fokuseinrichtung nicht bei der gleichen Wellenlänge betrieben werden können. Hinzu kommt, dass das Messobjektiv nahe (typisch 200 Mikrometer) am zu vermessenden Substrat positioniert werden muss. Somit kann es vorkommen, dass sich der Verfahrbereich des Messobjektivs mit den Dickenschwankungen des Substrats überschneidet. Zusätzlich zu den Dickenschwankungen des Substrats kommen noch Schwankungen hinsichtlich der Parallelität der Oberfläche des Substrats in Bezug auf die X-/Y-Ebene. Somit kann es vorkommen, dass sich der Verfahrbereich des Messobjektivs mit der Lage der Oberfläche des zu vermessenden Substrats überschneidet. Dies ist gefährlich, da es bei der Einstellung der Fokuslage dazu kommen kann, dass das Messobjek tiv auf das Substrat auffährt. Dies wiederum führt zu einer Beschädigung des Messobjektivs und/oder des Substrats.
Somit ist es Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Durchsatz bei der Vermessung von Substraten hochgehalten wird und wobei eine mögliche Beschädigung des Substrats und/oder des Objektivs bei der Fokussierung vermieden wird.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen des Verfahrbereichs für die Fokussierung auf ein Substrat, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Die Dicke der zur Zeit gebräuchlichen Masken- bzw. Substrat-Typen beträgt nominell 6,350 mm. Die Substrate können dabei mit einer Dickentoleranz von +/– 0,1 mm hergestellt werden. Die Ebenheit der Oberfläche des Substrats 2 kann sich in einem Bereich von 0,00025 bis 0,02 mm bewegen. Die maximale Durchbiegung des Substrats, welche sich aus einer Dreipunktauflage am Rand des Substrats und dem Elastizitätsmodul errechnet, liegt dabei bei etwa 0,0005 mm. Die Lage der Oberfläche Z_surf ist somit eine komplexe Funktion der Position des Messtisches in der X/Y-Ebene, Zsurf = f(X, Y).
Die Lage der Oberfläche ergibt sich aus der Substratdicke und Ebenheit, sowie der Höhenlage der Auflagepunkte. Abweichungen davon resultieren aus der Durchbiegung, die bei Kenntnis der nominellen Substratgeometrie und des Elastizitätsmoduls sehr gut berechnet werden kann. Aus der Messung der Höhen an mindestens drei Stellen auf dem Substrat und den bekannten Durchbiegungsdaten wird die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats berechnet. Das Messen kann z. B. mit einem Autofokussystem erfolgen. Somit ist die Lage der Gesamtoberfläche durch einen Datensatz bestimmt. Diese Höhen müssen dann noch in Relation zur Lage des Messobjektivs gebracht werden. Wurden die Daten bereits in Verbindung mit der Koordinaten-Messmaschine erzeugt, z. B. dadurch, dass das Substrat in dem zur Koordinatenmessung vorgesehenen, in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung verfahrbaren Messtisch lag, liegt diese Relation bereits vor.
Wird die Bestimmung der Lage der Gesamtoberfläche in einer Messeinrichtung durchgeführt, muss mit dem Messobjektiv in der Koordinaten-Messmaschine, welche die Position der Strukturen auf dem Substrat bestimmt, mindestens an einem Punkt der Abstand A_obj zwischen dem Messobjektiv und der Substratoberfläche bestimmt werden.
Weiterhin muss in diesem Fall die unterschiedliche Kippung K_Auflage durch die verschiedenen Auflagepunkte berücksichtigt werden. Die Kippung K_Auflage kann einmalig für das Gesamtsystem bestimmt werden und bleibt im Rahmen der benötigten Genauigkeit konstant. Aus diesen Daten ergibt sich zusammen mit der Kenntnis der Daten des Messobjektivs, hier insbesondere die Tiefenschärfe T_Mobj, der Verfahrbereich des Messobjektivs V_Mobj für jeden Punkt der Oberfläche. Die Tiefenschärfe T_Mobj bleibt mit dem Messobjektiv konstant. Somit ist V_Mobj eine Funktion von K_Auflage, T_Mobj, Z_surf und A_obj VMobj = f(KAuflage, TMobj, Zsurf, Aobj)
Weiterhin ist somit klar, dass die optimale Fokuslage an der jeweiligen Stelle (X, Y), an der sich das Messobjektiv über dem Substrat befindet, innerhalb des somit beschränkten Verfahrbereichs des Messobjektivs in Z-Koordinatenrichtung liegen muss.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass an mindestens drei Stellen auf dem Substrat die Lage der Z-Position des Substrats mit einer Fokus-Vorrichtung gemessen wird. Es muss dann nicht mehr an jeder Messposition mit der Fokus-Vorrichtung gemessen werden. Die Lage der Gesamtoberfläche wird durch einen Datensatz bestimmt, der sich aus der gemessenen Lage der mindestens drei Stellen und der berechneten Durchbiegung des Substrats ergibt. Der gewonnene Datensatz wird dazu verwendet, die Verfahrbereiche eines Messobjektivs in Z-Koordinatenrichtung in Abhängigkeit von der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats festzulegen.
Eine Möglichkeit ist, dass die Lage der Z-Position des Substrats an den mindestens drei Stellen und somit die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats in einer Messeinrichtung vermessen wird, die von einer Koordinaten-Messmaschine separiert ist. Vor der Aufnahme von mehreren Bildern einer Struktur in der Koordinaten-Messmaschine, wobei die mehreren Bilder in unterschiedlichen Positionen der Z-Koordinatenrichtung aufgenommen werden, wird über mindestens eine Referenzstruktur die Lage der Gesamtoberfläche relativ zum Messobjektiv der Koordinaten-Messmaschine bestimmt, so dass der Verfahrbereich des Messobjektivs an jeder Stelle der Gesamtoberfläche bestimmt ist.
Eine andere Möglichkeit ist, dass die Lage der Z-Position des Substrats an den mindestens drei Stellen und somit die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats in einer Koordinaten-Messmaschine vermessen wird. Die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats ist mit dem Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine gekop pelt, so dass aus der Position des Messobjektivs in Bezug auf das Koordinatensystem der Messmaschine der Verfahrbereich des Messobjektivs an jeder Stelle der Gesamtoberfläche bestimmt ist.
Wenn möglich sollte es vermieden werden, das Fokussystem nicht direkt in das Messsystem der Koordinaten-Messmaschine zu integrieren. Im anderen Fall kann ein Fokussystem extern benutzt werden. Ebenso bietet sich die Möglichkeit, dass im Messsystem das Fokussystem über eine zweite optische Achse bzw. ein zweites Objektiv realisiert ist. Über das zweite Objektiv kann ein Fokussystem betrieben werden.
Zur Bestimmung der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats kann z. B. die Koordinaten-Messmaschine eingesetzt werden. Ebenso ist es denkbar, dass zur Bestimmung der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats eine der Koordinaten-Messmaschine zugeordnete Messeinrichtung verwendet wird. Die der Koordinaten-Messmaschine zugeordnete Messeinrichtung kann z. B. ein Rotator sein, mit dem die Orientierung des Substrats eingestellt werden kann. Dem Rotator können dann auch ein Mittel zur Bestimmung der Dicke und/oder der Keiligkeit des Substrats und ein Mittel zur Bestimmung der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats zugeordnet sein.
Die Lage der Gesamtoberfläche kann z. B. mit einem TV-Autofokus während des so genannten Random-Walks bestimmt werden. Der Random-Walk dient dazu, das Substrat vor der eigentlichen Messung hinsichtlich der Temperatur hinreichend genau an die Umgebungsbedingungen auf dem verfahrbaren Tisch anzupassen. Hierzu verfährt der Tisch das Substrat in beliebiger Art und Weise über den X-Y-Messbereich. Während dieser Zeit kann an mindestens drei Stellen die Fokuslage mit dem TV-Autofokus bestimmt werden. Die weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Lage der Gesamtoberfläche mit einem TV-Autofokus ist, dass der TV-Autofokus an mindestens drei vorbestimmte Stellen des Substrats fährt und anhand dieser Messung die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats bestimmt.
Die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats kann auch mit einem Laser-Autofokus, dessen Wellenlänge sich von der Messwellenlänge der Koordinaten-Messmaschine unterscheidet, und dem Messobjektiv bestimmt werden. Ebenso ist es möglich, dass die Lage der Gesamtoberfläche mit einem Laser-Autofokus und einem Alignment-Objektiv bestimmt wird. Dabei werden mindestens drei Stellen auf dem Sub strat ausgewählt, anhand derer die Bestimmung der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats durchgeführt wird.
Die Lage der Gesamtoberfläche kann auch mit dem Messlicht, z. B. erzeugt von einem Laser, der Koordinaten-Messmaschine bestimmt werden. Hierzu wird dieser Lasermessstrahl benutzt, um die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats an mindestens drei Stellen auf dem Substrat zu ermitteln. Der Lasermessstrahl wird dabei in die optische Achse des Fokussystems eingekoppelt.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern.
1 zeigt schematisch eine Koordinaten-Messmaschine gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt die Ablage des Substrats auf dem Messtisch, wobei das Substrat in einen Spiegelkörper eingelegt ist, der auf dem Messtisch positioniert ist.
3 zeigt eine schematische Anordnung einer Koordinaten-Messmaschine, der weitere Messeinrichtungen, bzw. Stationen zugeordnet sind, mit denen die Substrate gehandhabt werden und letztlich in die Koordinaten-Messmaschine eingelegt werden.
4 zeigt eine Außenansicht des Gehäuses, in dem die Koordinaten-Messmaschine und die weiteren Stationen angeordnet sind.
5 zeigt eine schematische Ansicht eines Rotators, mit dem die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats und weitere Parameter des Substrats bestimmt werden können.
6 zeigt den optischen Aufbau, wie er bei der Koordinaten-Messmaschine Verwendung findet.
7 zeigt eine schematische Ansicht einer Koordinaten-Messmaschine, bei der die Einrichtungen für den Alignment- und den Fokusteil weggelassen sind.
8 zeigt eine schematische Ansicht einer Koordinaten-Messmaschine, bei der mittels eines weiteren Objektivs und somit eines weiteren Strahlengangs das Alignment und die Lage der Gesamtoberfläche ermittelt werden.
9 zeigt ein schematisches Bild von der Oberfläche des Substrats, welches mit einem Objektiv mit geringer Vergrößerung aufgenommen worden ist.
10 zeigt schematisch die Aufnahme der in 9 mit dem gestrichelten Rechteck gekennzeichneten Struktur, wobei die Aufnahme mit einem Hochleistungsobjektiv durchgeführt worden ist.
11 zeigt die Aufnahme des in 10 mit dem gestrichelten Rechteck gekennzeichneten Bereichs der Struktur, wobei die Aufnahme mit dem Messobjektiv der Koordinaten-Messmaschine durchgeführt worden ist.
1 zeigt eine Koordinaten-Messmaschine 1 zum Vermessen der Positionen von Strukturen 3 auf Substraten 2. Die Koordinaten-Messmaschine 1 umfasst eine optische Einrichtung 100 zum Messen von Positionen von Strukturen 3 auf einem Substrat 2. Auf einem Substrat 2 sind auf einer Oberfläche 2a eine Vielzahl von Strukturen 3 vorgesehen. Das Substrat 2 ist dabei selbst in einen Messtisch 20 gelegt (kann auch zusätzlich noch in einen Spiegelkörper 20a eingelegt sein), der in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung verschiebbar angeordnet ist. Der Messtisch 20 ist somit in einer Ebene 25a verschiebbar, die durch ein Element 25 gebildet wird. In der Regel ist dieses Element 25 aus Granit hergestellt. Das Element 25 ist ebenfalls auf schwingungsgedämpft gelagerten Füßen 26 aufgestellt. Der Messtisch 20 wird mittels mehrerer Lager 21 in der Ebene 25a verfahren. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Lager 21 als Luftlager ausgebildet sein. Die Position des Messtisches 20, der durch die X-Koordinatenrichtung und Y-Koordinatenrichtung aufgespannten Ebene wird mittels mindestens eines Laser-Interferometers 24 gemessen. Hierzu sendet das Laser-Interferometer 24 einen entsprechenden Messlichtstrahl 23 aus. In dem hier beschriebenen Fall hat das Laser-Interferometer eine Wellenlänge von 633 nm.
Für die Beleuchtung des Substrats 2 ist eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 vorgesehen, die das Licht in einen Durchlichtbeleuchtungsstrahlengang 4 aussendet. Das Licht von der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 gelangt über einen Umlenkspiegel 7 in den Durchlichtbeleuchtungsstrahlengang 4. Ein Kondensor 8 formt das von der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 kommende Licht und richtet es letztendlich auf das Substrat 2. Für den Fall, dass eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 benötigt wird, ist diese ebenfalls vorgesehen. Über das Messobjektiv 9 gelangt das Licht im Auflichtbeleuchtungsstrahlengang 5 auf das Substrat 2 und wird ebenfalls durch das Messobjektiv 9 letztendlich über einen Teilerspiegel 12 auf eine Kamera gelenkt. Dieses erfolgt sowohl im Auflicht, als auch im Durchlicht. Die Kamera 10 umfasst einen Detektor 11. Der Detektor 11 ist mit einem Rechner 16 verbunden, der aus den mit dem Detektor 11 aufgenommenen Signalen ein digitales Bild ermittelt. Zusammen mit dem Rechner 16 wird dann die Position, bzw. die Breite einer Struktur 3 berechnet.
2 zeigt eine schematische Darstellung, bei der das Substrat 2 auf einen Messtisch 20 gelegt ist. In der Regel befindet sich auf dem Messtisch 20 ein Spiegelkörper 20a, in den das Substrat 2 eingelegt wird. Das Substrat 2 hat auf der Oberfläche 2a eine Vielzahl von Strukturen 3 ausgebildet. Im Spiegelkörper 20a liegt das Substrat auf mindestens drei Auflagepunkten 30 auf. Durch diese Auflagepunkte 30, durch die Dicke des Substrats 2 selbst und durch die verbleibende Keilform des Substrats wird letztendlich die Lage der Oberfläche 2a des Substrats bestimmt.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung einer Koordinaten Messmaschine 1 mit weiteren zusätzlichen Elementen, die für die Handhabung der Substrate 2 und für die Positionierung der Substrate 2 in der Koordinaten-Messmaschine 1 Verwendung finden. Die Koordinaten-Messmaschine 1 und die weiteren Geräte sind dabei in einem Gehäuse 50 angeordnet. Der Übersicht halber ist die Koordinaten-Messmaschine 1 sehr schematisch dargestellt, so dass hier lediglich der Messtisch 20 und das auf dem Messtisch 20 positionierte Substrat 2 dargestellt sind. Der Koordinaten-Messmaschine 1 ist dabei innerhalb des Gehäuses 50 eine Temperierstation 32, ein Rotator 34 und eine Übergabestation 38 zugeordnet. Ebenso ist (sind) innerhalb des Gehäuses 50 ein oder zwei 3-Achsen-Transportroboter 36 vorgesehen. Der Transportroboter 36 ist dafür verantwortlich, dass die Substrate 2 zu den verschiedenen Stationen bzw. von und zu der Koordinaten-Messmaschine transportiert werden. An mindestens einer Gehäusewand 50a des Gehäuses ist eine Übergabeöffnung 35 ausgebildet, mit der Substrate von außen in das Gehäuse 50 für die Koordinaten-Messmaschine 1 eingebracht werden können.
4 zeigt eine Frontansicht des Gehäuses 50, bei der, wie bereits in 3 erwähnt, die Übergabeöffnung 35 in einer Gehäusewand ausgebildet ist. Ebenso können am Gehäuse 50 ein Display 61 und eine Eingabeeinheit 62 vorgesehen sein. Mit der Eingabeeinheit kann der Benutzer verschiedene Messprozesse für die Koordinaten-Messmaschine, bzw. die zusätzlich im Gehäuse vorhandenen Geräte eingeben. In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der Rechner 16 außerhalb des Gehäuses angeordnet. Dies ist von Vorteil, da somit die durch den Rechner verursachte Wärmeentwicklung nicht das im Gehäuse 50 vorhandene Mikroklima beeinflusst.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer der Koordinaten-Messmaschine zugeordneten Einrichtung, mit der die Lage der Gesamtoberfläche 2a des Substrats vermessen werden kann. Ebenso können mit der Einrichtung weitere Parameter des Substrats, wie z. B. Dicke und Ebenheit bestimmt werden. In der hier dargestellten Ausführungsform wird zur Bestimmung der Lage der Gesamtoberfläche 2a des Substrats 2 und der weiteren Parameter des Substrats 2 der Rotator 34 verwendet. Mit dem Rotator 34 kann die Orientierung des Substrats 2 in bestimmten Lagen eingestellt werden. Der Rotator 34 umfasst einen Drehteller 34a, mit dem die verschiedenen Orientierungen des Substrats 2 eingestellt werden können. Ebenso ist ein Anschlag 200 vorgesehen, um eine definierte Lage des Substrats 2 im Rotator 34 zu gewährleisten. Auf die Oberfläche 2a des Substrats 2 ist eine Kamera, bzw. ein Objektiv 60 gerichtet. Mittels des Objektivs 60 wird an mindestens drei unterschiedlichen Stellen die Lage der Gesamtoberfläche 2a des Substrats bestimmt. Dies kann dabei mittels dreier ausgewählter Positionen geschehen. Die Daten werden mit dem Rechner 16 ausgewertet, der anhand der aufgenommenen Messwerte letztendlich die Lage Z_surf der Gesamtoberfläche 2a des Substrats 2 in Abhängigkeit von der X- und Y-Position bestimmt. Wie bereits in 4 erwähnt, kann dem Rechner 16 ferner ein Display 61 zugeordnet sein.
6 zeigt einen detaillierten Aufbau der optischen Einrichtung 100, wie er bei der Koordinaten-Messmaschine bisher eingesetzt wird. Dabei werden für gleiche Teile, wie sie bereits in 1 beschrieben worden sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Die optische Einrichtung 100 umfasst ein Messobjektiv 9, mit dem im Wesentlichen die Strukturen auf der Oberfläche 2a des Substrats 2 abgebildet werden. Das Messobjektiv besitzt dabei einen geringen Arbeitsabstand 140 von der Oberfläche 2a des Substrats 2. Für die Beleuchtung des Substrats 2 sind eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 und eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 vorgesehen. Das Licht der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 wird in eine Faser 6a eingekoppelt und wird mittels der Faser 6a zu einem Kondensor 8 geführt, der letztendlich das Beleuchtungslicht für das Substrat 2 zur Verfügung stellt. Ebenso ist es möglich, eine Auflichtbeleuchtung mittels der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 durchzuführen. Das Licht der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 wird ebenfalls in eine Faser 14a eingekoppelt. Über eine Strahlformoptik 108 gelangt das aus der Lichtleitfaser 14a austretende Licht zu einer Blende 122 und von dort auf einen zweiten semitransparenten Strahlteiler 132, der das Licht in die optische Achse 5 des Messobjektivs 9 einkoppelt. Ebenso ist eine Beleuchtungseinrichtung 102 für die Alignment-Beleuchtung vorgesehen. Das Licht der Beleuchtungseinrichtung 102 wird ebenfalls in eine Faser 102a eingekoppelt. Über eine Strahlformoptik 106 gelangt das Licht der Beleuchtungseinrichtung 102 zu einem vierten semitransparenten Strahlteiler 134, der somit ebenfalls das Licht für das Alignment in die optische Achse 5 des Messobjektivs 9 einkoppelt. Ferner ist ein Laserautofokussystem 120 vorgesehen, dessen Messlicht ebenfalls zu einem semitransparenten Strahlteiler 133 gelangt, der ebenfalls das Messlicht des Autofokussystems 120 in die optische Achse 5 des Messobjektivs koppelt. Das von der Oberfläche 2a des Substrats zurückkommende Licht des Laserautofokussystems 120 wird dann mittels des dritten Strahlteilers 133 wieder in das Laserautofokussystem eingekoppelt, der letztlich daraus den Fokuszustand und damit V_Mobj ermittelt. Das von der Alignment-Beleuchtung von der Oberfläche 2a des Substrats 2 reflektierte Licht wird ebenfalls mittels dem Messobjektiv 9 gesammelt und gelangt zu einer Abbildungsoptik 104 für das Alignment-System. Das von der Optik 104 austretende Licht wird einer CCD-Kamera 110 zugeführt. Mit der CCD-Kamera 110 wird letztendlich die Auswertung hinsichtlich des Alignments durchgeführt. Das von der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 kommende Licht wird mittels des Messobjektivs 9 auf die Oberfläche 2a des Substrats 2 abgebildet. Dieses von der Oberfläche dann ausgehende Licht wird mittels des Messobjektivs 9 gesammelt und gelangt über einen ersten Strahlteiler 131 zu einer CCD-Kamera 10. Ebenso wird das von der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 kommende Licht mit dem Messobjektiv 9 gesammelt und gelangt ebenfalls über den ersten Strahlteiler 131 zu der Kamera 10. Dem ersten Strahlteiler 131 sind eine Tubuslinse 112 und eine Feldlinse 114 nachgeschaltet. Mit diesen Linsensystemen wird das von dem Messobjektiv 9 gesammelte Licht auf den CCD-Chip der Kamera 10 abgebildet.
7 zeigt einen Teilbereich der in 6 gezeigten optischen Einrichtung 100. Das Alignment-System und Autofokussystem 120 sind weggelassen. Nur die Messvorrichtung verbleibt, mit der die Breite und/oder Position von Strukturen auf einem Substrat 2 vermessen werden können. Die Fokussierung kann hier über die Kanten 122a der Feldblende 122 oder einen TV-Autofokus erfolgen. Zur Bestimmung der Fokuslage werden die Grauwerte im Bildfeld der Kamera 10 ausgewertet.
8 zeigt eine Ausführungsform des Aufbaus der optischen Einrichtung 100, bei der ein Messobjektiv 9 und ein Übersichts- und Alignmentobjektiv 209 vorgesehen sind. Das Übersichts- und Alignmentobjektiv 209 ist fokustauglich ausgelegt. Das Übersichts- und Alignmentobjektiv 209 definiert eine optische Achse 231 und ebenso legt das Messobjektiv 9 eine optische Achse 5 fest. Zur Messung wird das Substrat 2 in die optische Achse 5 des Messobjektivs 9 verfahren. Das Übersichts- und Alignmentobjektiv 209 und das Messobjektiv 9 sind in der optischen Einrichtung 100 in einer festen räumlichen Zuordnung zueinander montiert, so dass der Unterschied in den Fokuslagen zwischen Übersichts- und Alignmentobjektiv 209 und Messobjektiv 9 einen konstanten Wert besitzt. Dies setzt voraus, dass das Übersichts- und Alignmentobjektiv 209 und das Messobjektiv 9 mittels derselben Einrichtung 300 in Z-Richtung bewegt werden.
9 zeigt eine schematische Darstellung der Grobpositionierung des Substrats mit einem gering vergrößernden Objektiv. Das gering vergrößernde Objektiv besitzt eine etwa 4-fache Vergrößerung. Daraus resultiert ein Gesichtsfeld 170, das ungefähr eine Abmessung von 2 mm auf 1,8 mm besitzt. In dem Gesichtsfeld 170 ist somit eine Vielzahl von Strukturen 3 zu erkennen. Anhand derjenigen Struktur 3, die in 9 mit einem gestrichelten Rechteck 160 gekennzeichnet ist, wird dann anschließend ein Alignment durchgeführt. Das Alignment dient dazu, die X-Y-Position des Substrats relativ zum Tisch- bzw. X-Y-Messsystem und die Rotation des Substrats nach der Ablage auf dem Tisch zu bestimmen.
In 10 ist das Gesichtsfeld 180 dargestellt, welches sich ergibt, wenn das Alignment an der Struktur 3 mittels eines hoch vergrößernden Objektivs durchgeführt wird. Das hoch vergrößernde Objektiv besitzt dabei eine 50-fache Vergrößerung. Die Beleuchtungseinrichtung für das Alignment sendet sichtbares Licht aus. Aufgrund der 50-fachen Vergrößerung des hochauflösenden Objektivs ergibt sich ein Gesichtsfeld 180 von 200 μm auf 200 μm. Das gering vergrößernde Objektiv (4-fach) ist nicht fokustauglich. Das hoch vergrößernde Objektiv (Vergrößerung 50-fach) ist fokustauglich, dabei wird die Wellenlänge der Laserdiode 123 (siehe 6 und 8) des Laserautofokussystems 120 (siehe 6 und 8) verwendet. Die Wellenlänge der Laserdiode 123 beträgt 904 nm.
11 zeigt eine schematische Darstellung, bei der ein Fein-Alignment durchgeführt worden ist. Das Fein-Alignment wurde anhand des Strukturelements 3a durchgeführt, welches in 10 mit einem gestrichelten Rechteck 160 umrandet ist. Das Fein-Alignment wird mit dem hoch auflösenden Objektiv (50-fach) durchgeführt. Dabei wird das Strukturelement 3a mit dem Messobjektiv 9 (siehe 6) und der Tubuslinse 112 (siehe 6) auf die Kamera 10 (siehe 6) abgebildet. Hieraus resultiert ein Gesichtsfeld 190, welches eine Größe von 23 auf 23 μm besitzt.
Für die Messung der Position der Strukturen, bzw. der Breite der Strukturen wird Licht der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 (siehe 6) und/oder Licht der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 (siehe 6) verwendet. Die Wellenlänge für das Licht, welches für die Messung verwendet wird, besitzt einen Wellenlängenbereich von 360 nm bis 410 nm. Das von der Alignment-Beleuchtungseinrichtung 102 (siehe 6) ausgehende Licht besitzt eine Wellenlänge von 450 nm bis 650 nm. Wie bereits erwähnt, besitzt die Laserdiode 123 (siehe 6) des Laserautofokussystems 120 (siehe 6) eine Wellenlänge von ca. 904 nm. Zukünftige Messsysteme werden bei Wellenlängen von 248 nm und 193 nm statt dem Wellenlängenbereich von 360 nm bis 410 nm betrieben. Dabei wird es nur mit sehr großen Aufwendungen und oder Einschränkungen hinsichtlich der Messtauglichkeit möglich sein, das Messobjektiv sowohl für Alignment- als auch Fokuszwecke zu benutzen, wenn diese bei anderen Wellenlängen betrieben werden. Nutzt man im Falle eines Lasers diesen als Beleuchtungsquelle für Alignment und/oder Fokus, so ergeben sich auf Grund der mit der Anzahl der Laserpulse beschränkten Lebensdauer des Lasers wiederum eine Beschränkung hinsichtlich der Einsatzdauer des Lasers bzw. Einschränkungen bei der Nutzung sowie höhere Unterhaltungskosten.
Die zu untersuchende Struktur, bzw. die zu messende Struktur wird mittels des Messtisches in der optischen Achse des Messobjektivs positioniert. Dann erfolgt eine Fokussierung auf ca. 50 nm in Z-Richtung genau. Dadurch wird eine Z-Position des Messobjektivs festgelegt, um die herum das Messobjektiv in Z-Koordinatenrichtung verfahren werden kann. Das Fokussystem wird ausgeschaltet. Das Messobjektiv wird dann in Z-Koordinatenrichtung verfahren. Dies wird als Z-Scan bezeichnet. Der Bereich des Z-Scans umfasst ca. 1000 nm bis 1500 nm bei einem Objektiv mit einer Apertur von 0,9 und einem Arbeitsabstand von 200 μm. Wird ein Objektiv mit einer Apertur von 0,6 und einem Arbeitsabstand von ca. 6,9 mm verwendet, spricht man von einem Long-Working-Distance-Objektiv. Der Bereich, innerhalb dessen das Messobjektiv in Z-Koordinatenrichtung dann verfahren wird, ist ca. 3000 nm. Die hier angegebenen Apertur-Werte sind typisch für Objektive mit möglichst hohem Auflösungsvermögen. Die Arbeitsabstände sind bedingt durch zwei Substrattypen, Substrate mit und ohne Schutzfolie (Pellicle). Das Pellicle befindet sich mm oberhalb der Substratoberfläche und darf vom Objektiv nicht berührt werden. Die Verfahrbereiche ergeben sich aus der Tiefenschärfe des jeweiligen Objektivs gekoppelt mit den Bedingungen für einen sicheren Mess-Betrieb über die gesamte Substratoberfläche.
Die Maskendicke, bzw. die Substratdicke beträgt nominell 6,350 mm. Die Substrate können dabei mit einer Dickentoleranz von +/– 0,1 mm hergestellt werden. Die Ebenheit der Oberfläche des Substrats 2 kann sich in einem Bereich von 0,00025 bis 0,02 mm bewegen. Die maximale Durchbiegung des Substrats, welches sich aus einer Dreipunktauflage am Rand des Substrats errechnet, liegt dabei bei etwa 0,0005 mm. Da die Messung der Position der Strukturen auf dem Substrat mittels des hochauflösenden Objektivs durchgeführt wird, das je nach Apertur ein Arbeitsbereich von ca. 1500 nm oder 3000 nm aufweist, überschneidet sich somit der Verfahrbereich des Messobjektivs mit der möglichen Lage der Oberfläche des Substrats. Da das Messobjektiv für die Fokussierung nicht verwendet werden kann, würde somit ohne Kenntnis der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats das Risiko bestehen, dass bei dem Verfahrweg des Objektivs die Möglichkeit eintreten kann, dass das Objektiv auf das Substrat auffährt. Dies würde letztendlich zu einer Beschädigung des Objektivs und/oder des Substrats führen. Dieses gilt es auf jeden Fall zu vermeiden, was durch die gegenwärtige Erfindung erreicht wird.
Die Erfindung wurde in Anbetracht auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist für einen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Verfahrbereiche in Z-Koordinatenrichtung für die Bestimmung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat, wobei die Strukturen in einer zur Z-Koordinatenrichtung senkrechten Ebene vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Berechnen einer Durchbiegung des Substrats unter Einbeziehung eines Elastizitätsmoduls des Substrats; b) Messen der Lage der Z-Position des Substrats an mindestens drei Stellen auf dem Substrat mit einer Fokus-Vorrichtung; c) Ermitteln eines Datensatzes, durch welchen die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats bestimmt wird, aus den in Schritt b) gemessenen Z-Positionen und der in Schritt a) berechneten Durchbiegung; und d) Verwenden des gewonnenen Datensatzes zur Festlegung der Verfahrbereiche eines Messobjektivs in Z-Koordinatenrichtung in Abhängigkeit von der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Z-Position des Substrats an den mindestens drei Stellen und somit die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats in einer Messeinrichtung vermessen wird, die von einer Koordinaten-Messmaschine separiert ist, und dass vor der Aufnahme von mehreren Bildern in Z-Koordinatenrichtung einer Struktur in der Koordinaten-Messmaschine über mindestens eine Referenzstruktur die Lage der Gesamtoberfläche relativ zum Messobjektiv bestimmt wird, so dass der Verfahrbereich des Messobjektivs an jeder Stelle der Gesamtoberfläche bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Z-Position des Substrats an den mindestens drei Stellen und somit die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats in einer Koordinaten-Messmaschine vermessen wird, und dass die Lage der Gesamtoberfläche des Substrats mit dem Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine gekoppelt ist, so dass aus der Position des Messobjektivs in Bezug auf das Koordinatensystem der Messmaschine der Verfahrbereich des Messobjektivs an jeder Stelle der Gesamtoberfläche bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Koordinaten-Messmaschine zugeordnete Messeinrichtung ein Rotator ist, der Mittel zur Bestimmung der Dicke des Substrats und zur Bestimmung der Gesamtoberfläche des Substrats enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Gesamtoberfläche in der Messeinrichtung oder der Koordinaten-Messmaschine mit einem TV-Autofokus während eines Random Walks bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Gesamtoberfläche in der Messeinrichtung oder der Koordinaten-Messmaschine mit einem TV-Autofokus bestimmt wird, wobei mindestens drei Stellen auf dem Substrat für die Bestimmung der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Gesamtoberfläche in der Messeinrichtung oder der Koordinaten-Messmaschine mit einem Laser-Autofokus während eines Random Walks bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Gesamtoberfläche in der Messeinrichtung oder der Koordinaten-Messmaschine mit einem Laser-Autofokus und einem Alignment-Objektiv bestimmt wird, wobei mindestens drei Stellen auf dem Substrat für die Bestimmung der Lage der Gesamtoberfläche des Substrats ausgewählt werden.