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Verfahren zum Prüfen definierter Strukturen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen definierter Strukturen
auf Oberflächen elektrischer Baueinheiten oder der zur Ilerstellung dieser Baueinheiten
erforderlichen Hilfsmittel. Beispielsweise zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen
sind Maskensätze zur photolithographischen Erzeugung von Ohc:-flächenstrukturen
erforderlich. Diese Oberflächenstrukturen enthalten beispielsweise den geometrischen
Verlaufvon öffnungen in der auf der Halbleiteroberfläche befindlichen Oxydschicht,
Kontaktstellen oder Verbindungsleitungen. Da in der Regel auf einer halbleiterscheibe
zahlreiche identische Bauelemente oder integrierte 'chaltunyen erzeugt werden, wiederholen
sich die StruKturen einer Maske in nebeneinanderliegenden Teilbereichen. Die Abmessungen
in der Halbleitertechnik sind extrem klein, so daß die Strukturen in den Maskensätzen
vielfach nur um weniger als 1 /um von den Sollstrukturen abweichen dürfen. Die Maskensätze
müssen daher nach ihrer erstellung auf die Einhaltung der Toleranzen und auf andere
Herstellungsfehler hin überprüft werden. Die im Einsatz befindlichen Masken müssen
zur frühzeitigen Erkennung von Beschädigungen
laufend überwacht
werden, damit kostentreibende Aus fal lursachen rasch rkann t werden.
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Zur Uberpriifung und Kontrolle von Maskensätzen oder anderen Strukturen
kleiner Abmessungen sind bereits mehrere Verfahren bekannt geworden. Bei einem bekannten
Verfahren (Western Eleetric, The Engineer Vol XVII, No. 3, Juli 73, S. 38-47), werden
durch phasenrichtige Subtrahierung der Ist-Strukturen von den Soll-Strukturen mit
Hilfe von Raumfiltern Fehler in der Ist-Struktur ausgefiltert. Hierzu sind aberrationsfreie
Linsen erforderlich, da jeder optische Wegunterschicd die Anzeige nicht vorhandener
Fehler bedeutet. Bildfeld und Auflösung dieses bekannten Verfahrens sind somit durch
die Optik begrenzt. Die Auflösungsgrenze liegt derzeit bei einigen µm, so daß dieses
bekannte Verfahren bei sehr feinen Strukturen nicht eingesetzt werden kann.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren (IEEE Transactions on Electron
Devices Vol ED-22, No. 7, Juli 75, S. 487-495) werden zwei benachbarte Strukturen,
die miteinander identisch sein sollen, durch einen gespaltenen Laserstrahl abgetastet
Die erzeugten Signale werden laufend miteinander verglichen, wobei Signalabweichnungen
einen
Fehler in einer der beider abgetasteten Strukturen anzeigen. Bei diesem Verfahren
mit einem Zweistrahlkompartor werden stets zwei miteinander zu vergleichende identisch
StruL. tu ren benötigt. Dies ergibt erhebliche Justierprobleme. Ferner ist auch
hier eine Optik erforderl ich, die das Auflösungsvermögen grenzt und außerdem systembedingte
Fehlerquellen enthalten kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrude, ein Prüf-und Kontrollverfahren
anzugeben, bei dem ein Vergleich der zu überprüfenden Struktur mit seiner Soll-Struktur
oder mit einer anderen, nach genau den gleichen Vorschriften erzeugten Struktur
nicht mehr erforderlich ist. Dadurch entfallen alle Justierprobleme. Ferner soll
es nicht mehr notwendig sein, den Prüfling zu identifizieren, cl. h., seine Soll-Struktur
vorzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungs gemaß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren
der eingangs beschriebenen Art die jeweils vorhanclene Ist-Struktur abgetastet und
abgespeichert wird, daß die so ermittelte Struktur anhand vorgegebener, für den
Aufbau der Struktur geltender allgemeiner Konstruktionsregeln (syntaktischer Zusammenhang
der Strukturelemente) auf die Einhaltung dieser Regeln überprüft wird und daß die
Strukturfehler anzeigenden Regelabweichungen ermittelt werden.
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Bei diesem Verfahren ist es somit nicht mehr erforderlich, die Soll-Struktur
des Prüfling festzustellen, sondern es wird nur noch gep@dft, ob die Struktur den
allgemeinen Konstruktionsvorschriften genügt, die bei der Realisierung der Maskenstruktur
angewandt wurden.
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Die Konstruktionsregeln müssen für die Maskenprüfung in einer geeigneten
Form bereitgehalten werden. Konstruktionsregeln sind beispielsweise die Mindestabmessungen
der vorkommenden Strukturen bzw. die Abstände zwischen den Strukturen, die Orientierung
der Strukturkanten und die Art der vorkommenden Winkel in den Kantenecken. Weicht
die zu überprüfende Struktur von diesen Konstruktionsregeln ab, muß ein Strukturfehler
vorliegen. Es ist be@nah ausgeschlossen, daß durch zufällige Fehler aus einer korrekten
Maske eine andere Maske entsteht, die immer noch alle Konstruktionsregeln erfüllt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine automatisehe Maskenprtifung,
wobei das Vorhandensein einer Vorlage (Master) oder einer wiederholten Struktur
nicht vorausgesetzt wird und das hohe Auflösungsvermögen eines Abtasters mit nur
einem Strahl voll ausgenützt werden kann.
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Die zu prüfenden Strukturen werden vorzugsweise mit einem Laser- oder
einem Elektronenstrahl abgetastet.
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Der Detektor kann für Transmission oder Reflexion angeordnet
sein.
Das abgetastete Bild wird dabei mit der für die geforderte Genauigkeit entsprechenden
Auflösung in einzelne Bildpunkte zerlegt. Die bildpunkte werden in Form einer Schwarz-Weiß-Information
digitalisiert.
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Hierdurch entsteht eine extrem großc Informationsmenge, die sich nur
mit Schwierigkeiten in einer Datenverarbeitungsanlage verarbeiten ließe. Es ist
daher notwendig und sinnvoll, diese Informationsmenge auf das erforderliche Mindestmaß
zu reduzieren. Dies geschieht mittels lokaler Operationen in einer sequentiell angeordneten,
mehrstufigen Datenverarbeitunclskettc, an deren Ausgang eine Restinformation stc1lt,
die den tatsächlichen Strukturverlauf ausreichend ein deutig wiedergibt und die
nun auf die Einhaltung der allgemeinen Konstruktionsregeln überprüft werden kann.
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Die hierfür erforderliche Datenverarbeitungsanlage ist beispielsweise
ein Mikroprozessor.
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Mit Hilfe eines ersten Operators wird das abgetastete und digitalisicrte
Schwarz-Wciß-Bild entrauscht, um die durch das Abtastsystem bedingten Rauschfehler
zu beseitigen. Hierzu werden bestimmte fehlerhafte Bildpunkte aus dem Rasterbild
nach Abfragen der benachbarten Bildpunkte umgewandelt. Mit Hilfe eines zweiten lokalen
Operators werden vorzugsweise die Schwarz-Wetß-Kanten der aufgenommenen Struktur
ermittelt, und der
zwischen zwei Kanten liegende, aus schwarzen
Bildpunktten bestehende Boldinformationsinhalt wird gelöscht.
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Schließlich können mit Hilfe eines dritten lokalen Operatorn die auffälligen
Punkte der Gesamtstruktur ermittelt werden, die dann in einer Datenverarbeitungsanlage
auszuwerten sind. Solche auffälligen Punkte sind vorzugsweise die Ecken der Schwarz-heiß-Kanten,
die wiederum durch Abfragen der an Eckpunkten benachbarten Bildpunkte nach Lacke
und Art ermittelt werden - Die nachgeschaltet Datenverarbeitungsanlage hat daher
nur noch zu überprüfen, ob zu jeder vorhandenen Ecke einem dem Verlauf der Kanten
entsprechende Gegenecke vorhanden ist. Somit wird in der Datenverarbeitungsanlage
anhand der vorgegeben und einprogrammierten Konstruktionsregeln die übereinstimmung
oder Nichtübereinstimmung von Eckpunkten und Becktypen mit diesen Regeln festgestellt.
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bei dem erfindungsgemäßen Verfatiren werden nur die zulässigen Strukturen
durch Konstruktionsregeln definiert, so daß alle nicht durch die Konstruktionsregeln
abgedeckten Strukturen unzulässig sind und damit als Fehler ausgewiesen werden.
Die Konstruktionsregeln ergeben sich aus dem jeweiligen Konstruktionsprinzip für
die Strukturen, wobei insbesondere die grundsätzlichen Konstruktionsregeln des sogenannten
"pattern generators" zu beachten
sind. Bei Masken für integrierte
Halbleiterschaltungen gelten als allgemeine Konstruktionsregeln vorzugsweise die
Mindestabstände und die Kantenorientierungen in zwei zueinander senkrecht verlaufenden
Richtungen. Es ist jedoch auch möglich, schräg verlaufende Kanten oder den verlauf
von Rundungen zu defineren.
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Die zu überprüfenden Strukturen werden vorzugsweise achsenparallel
zu einer der vorkommenden Kantenrich-Lungen abgetastet. Die Auflösung in Bildpunkte
wird so gewählt, daß ein Mindestabstand 3 bis 8 Bildpunkte um faßt.
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Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im
folgenden noch anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert werden.
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In der Figur 1 ist ein kleiner Ausschnitt aus einer Maskenstruktur
dargestellt. Die Strukturen bestehen aus schwarzen Gebieten vor weißem Hintergrund.
Diese Gebiete können voneinander isoliert oder zusammenhängend sein. Zu den allgemeingültigen
Konstruktionsregeln der dargestellten Struktur gehören die Mindestabstände zwischen
den einzelnen schwarzen Gebieten und zwischen den benachbarten Kanten eines schwarzen
Gebietes. Bei der dargestellten Struktur verlaufen die Verbindungslinien
zwischen
jweils zwei Eckpunkten vertikal oder horizontal. Auch diese Orientierung der Kanten
gehört zu den definierten Konstruktionsregeln. Ferner kann beispielsweise definiert
werden, daß bei den Strukturen, so wie es in Figur 1 dargestellt ist, nur rechte
Winkel in den Ecken vorkommen. Bei jedoch Maske werden die zulässigen Konstruktionsregeln
ausdrücklich vereinbart. Unzulässig ist daher jede Strucktur, die sich nicht in
diese Konstruktionsregeln einfügt.
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Das Maskenbild wird beispielsweise mit einem rastenden Elektronenstrahl
abgetastet. dabei wird die Prüfmaske beispielsweise abschnittsweise kontrolliert.
Dabei erschneit es zweckmäßig. die Prüfabschnitte überlappend anzuordnen, um keine
störenden Randefekte zu erhalten.
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Es entstehen Rasterbilder von Bildauschnitten der zu überprüfenden
Maske. Bild 2 zeigt einen derartigen Ausschnitt, der hier eine fehlerhafte Maskenstruktur
enthält. Bei der gewählten Auflösung entspricht eine Bildelementengröße etwa einem
Viertel des vorkommenden Mindestabstandes.
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Die Darstellung von Bild 2 wurde mit einem an die Datenverarbeitungsanlage
angeschlossenen Schnelldrucker erzeugt. Dabei wurden die chwarzen Bildpunkte in
Form von ausgedruckten Rechtecken wiedergegeben, während die weißen
Bildpunkte
nicht dargesteLlt sind. In der Figur 2 erkennt man, daß die von recht unten sciiräg
nach links oben verlaufende Struktur einen Maskenfehler bildet, der durch die Datenverarbeitungsanlage
automatisch festgestellt werden soll.
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Rasterbilder wie das von Bild 2 enthalten - besonders bei komplizierten
Masken - seir viele Informationen, die nur durch rechenintensive Verarbeitungsvorgänge
ausgewertet werden können. Das erfindungsgemäße Vorgehen trennt den gesamten Verarbeitungsprozeß
in zwei Schritte, die mi jeweils verschiedenen Mitteln realisiert werden und jis.-gesamt
eine günstige Realisieruiig mit verhältnismäßig einfachen Mitteln zulassen. Dabei
ist der erste Schritt eine Aufbereitung der Bildinformation zur Gewinnung charakteristischer
Strukturelement:e und der zweite Schritt die logische Überprüfung (syntaktische
Kontrolle) der gegenseitigen Beziehungen zwischen den festgestellten und mit ihren
Koordinaten versehcnen Struckturelementen.
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Wichtig ist, daß die Feststellung der Strukturelemente hier nur die
Betrachtung sehr kleiner Bildausschnitt erfordert. Dies geschieht mittels lokaler
Operationen. in dazugehöriges Verarbeitungsfenster wird sequentiell über das Rasterbild
des zu überprüfenden Maskenausschnittes bewegt. Diese Aufgabe legt die Verwendung
einer speziellen
Bildverarbeitungshardware nahe, die erfindungsgemäß
durch eine Verarbeitungskette (pipeline) von lokalen Operatoren realisiert wird.
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Dagegen erfordert die eigentliche Maskenprüfung durch syntaktische
Komtrolle der gegenseitigen Beziehungen zwischen den Strukturelementen ein Verarbeitungswerk
von höherer logischer Komplexität. Für diesen Zweck wird eine geeignete Datenverarbeitungseinheit
- z. I3. ein Mikroprocessor -eingesetzt.
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Die erforderliche Datenverarbeitungskette (pipeline) ist in der Figur
3 dargestellt. Vom Abtaster wird ein erstes Rasterbild geliefert, das vorzugsweise
in einem Schieberegister abgespeichert wird. Dieses Rasterbild entspricht beispielsweise
dem in der Figur 2 dargestellten Bild. Das Rasterbild wird mit Hilfe eines lokalen
Operators 1 schrittweise abgetastet bzw. abgefragt, um die durch das Abtastverfahren
bedingtes Rauschfehler zu eliminieren. Der lokale Operator 1 fragt hierzu stets
zu einem bestimmten Bildpunkt benachbarte Bildpunkte ab und entscheidet dann, ob
der abgefragte Bildpunkt seine Information behält oder in die gegenteilige In Formation
umgewandelt wird. Das vom lokalen Operator 1 abgegebene entrauschte Rasterbild,
in dein vereinzelte schwarze Bildelemente vor weißem Hintergrund
oder
verinzelte Löcher in schwarzer Umgebung beseitigt sind und die Schwarz-Weiß-Kanten
geglättet wurden, wird nun mit Hilfe eines zweiten lokalen Operators überprft.
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Dieser lokale Operator fragt gleichfalls schrittweise benachbarte
Bildpunkte ab und bewirkt so eine Kantenbestimmung. Dies bedeutet, daß mit dem lokalen
Operator 2 alle sclwiarzen Bildpunkte, die zwischen den Kanten an eines schwarzen
Gebietes liegen, gelöscht werden.
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Mit Hilfe eines nachgeschalteten dritten lokalen Operators 3 werden
schließlich noch die Eckpunkte dtr vorkommenden Kanten und die Eckenart festgestellt.
Die dann noch verbleibende, zur Identifizierung der vorhandenen Struktur jedoch
ausreichende Restinformation wird auf einen Speicher 4 übertragen und in einem Mikroprozessor
5 ausgewertet. Diesem Mikroprozessor 5 werden die allgemeinen Konstruktionsregeln,
die beim Aufbau der überprüften Maske angewandt wurden, einprogrammiert. Durch Vergleich
der in den Mikroprozessor eingespeisten Daten mit diesen Konstruktionsregeln werden
Abweichungen, die Strukturfeiilern entsprechen, ermittelt und ausgegeben.
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In der Figur 4 ist dargestellt, wie das vom Abtastet gelieferte Rasterbild
zunächst entrauscht wird. In den in der Figur dargestellten sechs Kästchen ist der
jeweils
überprüfte Bildpunkt durch einen kleinen Pfeil charakterisiert.
Mit Hilfe des lokalen Operators wird für jeden Bildpunkt durch überprüfung der benachbarten
Bildpunkte entschieden, ob dieser Bildpunkt umgewandelt wird. Die beiden oberen
Bilder zeigen zwei weiße Bildpunkte, die von drei schwarzen Bildpunkten jeweils
umgeben sind und die weißen BIldpunkte jeweils in einer Reihe schwarer Bildpunkte
liegen. Dann sit klar, daß der weise Bildpunkt durch einen Rauschfehler bedingt
wird und in einen schwarzen Bildpunkt umgewandelt werden muß.
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Bei den beiden mittleren Bildern handelt es sich um sogenannte Spots,
also schwarze Bildpunkte in weißer Umgebung. Diese vereinzelten schwarzen Bildpunkte
werden dann, wie dargestellt, in weiße Bildpunkte umgewandlet.
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In den beiden unteren Kästchen sind Fille von verrundeten Ecken dargestellt.
Die in das weiße Bildfeld fallenden, min der Ecke liegenden schwarzen Einzelbildpunkte
werden als solche erkannt und in weiße Bildpunkte zur Eckenbegradigung umgewandelt.
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In der Figur 5 ist dargestellt, wie die Kanten bestimmt werden. Hierzu
wird jeder Bildpunkt darauf überprüft, ob er allseitig von schwarzen Bildpunkten
umgeben ist.
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Ist dies der Fall, wird dieser schwarze Bildpunkt in einen weißen
umgewandelt. Nach dieser Operation bleiben somit nur die Bildkanten als schwarze
Linien übrig.
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Zuverlässige Maskenstrukturen haben in der Regel Schwarz-Weiß-Kanten,
die zwischen jeweils zwei Eckpunkten gerade sind uid entweder in horizontaler oder
in vertikaler Richtung verlaufen. Dabei bilden sich an den Eckpunkten rechte Winkel,
die mit definierten Mindestschenkellängen versehen sind. Das nach der Kantenbestimmung
übrig bleibende Bild muß daher rechte Ecken aufweisen, die in vier verschiedenen
Orientierungen vorkommen können. Diese Orientierungen bilden den Eckentyp. Die Ecken
und die Eckentypen werden mit hilfe eines dritten lokalen Operators, der einen bestinunton
Nachbarschaftsbereich von te Bildpunkten abgraft, ermittelt. Der Eckbildpunkt selbst
kann dabei schwarz oder weiß sein. In der Figur 6 s incl die vier möglichen Eckentypen
dargestellt. Sie sind mit A, B, C und D bezeichnet.
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In der Figur 7 ist das Rasterbild darestellt, nachdem es entrauscht
wurde und die Kanten bestimmt sind. Die aus diesem Rasterbild ermittelten Ecken
und Ecktypen werden abgespeichert und im Mikroprozessor ausgewertet.
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Im Mikroprozessor wird systematisch überprüft, ob die ermittelten
Eckpunkte durch gerade, vertikale oder horizontale Kantenlinien miteinander verbunden
werden können. Hierbei kann beispielsweise definiert- werden, daß die Kanten eine
Mindestlänge haben müssen und daß
innerhalb des Kantenverlaufs
ein Sprung um eine Bildpunktreihe zulässig ist. Als zulässig erkannte Linien und
Eckpunkte werden gelöscht, sa daß schließlich nur noch die unzulässigen Kanten und
die von unzulässigen Ecken ausgehenden Kanten von der Datenverarbeitunganlage ausgegeben
werden. Ein derartiges Rasterbild, das dann nur noch Strukturfehler enthält, ist
in der Figur 8 dargestellt. Man erkennt deutlich, daß der von rechts unten nach
links oben verlaufende Strukturfehler voll erhalten bleibt.
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Die f)atenverarbeitungskette wird vorzugsweise an l-iciltqeL-ite oder/und
an Schnelldrucker angeschlossen. So ist es möglich, das Bild eines Fehlers mit oder
ohne seine Umgebung zur visuellen Klassifikation optisch wiederzugeben oder als
Protokoll auszudrucken. Das Druckprotokoll eignet sich besonders für die statistische
Auswertung und zur Ermittlung der Fehlerdichte.
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Es hat sici gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Verfahren Masken
oder andere Strukturen vollautomatisch überprüft werden können. Sämtliche Bildoperationen
von der BIldvorbereitung bis zur Eckensuche können mit lokalen Operationen ausgeführt
werden, die nur einen kleinen Nachbarschaftsbereich erfassen, beispielsweise
jeweils
5 x 5 oder 3 x 3 Bildpunkte. Diese Operationen werden zweckmäßig durch spezielle
Verkopplungsschaltungen realisiert, die die Speicher für Ein- und Ausgabebild miteinander
verbinden. Entscheidend ist, daß zur Überprüfung der Masken nur allgemeingültige
Nonstruktionsregeln für diese Masken, die damit zur Syntax einer Struktursprache
werden, vorgegeben werden müssen.