DE4035075A1 - Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberflaeche eines messobjektes - Google Patents

Description

Die Erfindung ist zum Messen von linearen Abmessungen auf der Oberfläche eines Meßobjektes anwendbar, insbesondere bei Zweikoordinatenmeßgeräten, bei Meßgeräten für die Ultra-Präzisions- Bearbeitungstechnik, bei Tastschnittgeräten, bei Meßgeräten für die Messung von mikroelektronischen Halbleiterstrukturen, bei Rauheitsmeßgeräten, bei Profilmeßgeräten und zur Erzeugung von Mikrostrukturen auf Oberflächen.

Zur Messung linearer Abmessungen von Halbleiterstrukturen sind optische Anordnungen bekannt, die mit Hilfe von optischen Abbildungssystemen und optoelektronischen Empfängern eine lineare Auflösung von ca. 0,7 µm erreichen.

Eine wesentliche Steigerung der lateralen Auflösung unter 0,7 µm ist wegen des Wellencharakters des Lichtes nicht möglich. Infolge von optischen Beugungserscheinungen, die für jeden Meßpunkt die wirkliche Lage der Strukturkanten verfälschen, entstehen Meßfehler, insbesondere bei der Messung von Strukturbreiten unter 1 µm. (Feingerätetechnik 32 (1983) 9, S. 402-406; Technisches Messen 54 (1987) 6, S. 243-252; Journal für Optik und Feinmechanik 35 (1988), S. 196-235) Des weiteren sind elektronenmikroskopische Meßanordnungen bekannt, bei denen die Meßobjekte eine elektrisch leitende Oberflächenschicht aufweisen müssen. Der Meßvorgang erfolgt im Vakuum, so daß die bei Wafern übliche Vakuumaufspannung nicht anwendbar ist, und damit Messungen an Wafern mit diesen Anordnungen nur eingeschränkt durchführbar sind. Wie bei einer optischen Meßanordnung entstehen auch hier Meßfehler infolge elektronenoptischer Abbildungsfehler. (Reimer, L.; Pfefferkorn, G.: "Raster-Elektronenmikroskopie", Springer-Vlg. Berlin, 1977)

Bei Meßanordnungen, die auf dem Prinzip der Raster-Tunnel-Mikroskopie (STM) oder auf der Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM) beruhen wird eine nanometerfeine Spitze aus Wolfram, Gold, Diamant o. a. im Abstand von wenigen Nanometern über die Prüflingsoberfläche geführt, so daß sich zwischen Spitze und Oberfläche entweder bei einer Spannung von wenigen Millivolt ein Tunnelstrom von einigen Nanoampere ausbildet (STM) oder zwischenatomare Kräfte wirksam werden (AFM), die über einen Abstandsregler konstant gehalten werden. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß die Prüflingsoberfläche beim STM wegen des Tunnelstromes elektrisch leitend sein muß. Die Anordnungen sind so empfindlich, daß nur Flächen von wenigen Mikrometer Größe abgetastet werden können und die Abtastgeschwindigkeiten sehr niedrig sind. Bei diesen Abtastungen entstehen durch die Meßvorgänge auf dem Prüfling Spuren. (Proceedings of SPIE, Vol. 897, 1988, S. 8-15; EP 03 38 083 A1; Physical Review Letters 56 (1986) 9, S. 930-933).

Zur Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM) ist eine Anordnung bekannt, bei der auf einem Piezoschwinger eine Tastnadel befestigt ist, deren Spitze hochfrequent schwingend die Oberfläche des Prüflings antastet. Eine elektrische Meßschaltung ermittelt die Verschiebung der Resonanzfrequenz des Piezoschwingers, die durch das Berühren der Prüflingsoberfläche mit der Tastnadel hervorgerufen wird. Eine mit der Meßschaltung in Verbindung stehende Regelschaltung, und eine den Piezoschwinger tragende Stelleinheit, dienen der Profilermittlung. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß die in der Meßanordnung gezeigte würfelförmige Geometrie des Piezoschwingers keine harmonische Schwingung ermöglicht und daß die im Vergleich zum Piezoschwinger massereiche Tastnadel die Eigenresonanz des Piezoschwingers dämpft. Des weiteren ist das angewendete Meßverfahren der Resonanzfrequenzdifferenzmessung zeitlich träge und relativ unempfindlich und deshalb als hochdynamisches und zugleich hochempfindliches Meßprinzip weniger geeignet (EP 02 90 647).

Zur mechanischen Abtastung von Halbleiterstrukturen und für Rauheitsmessungen sind Tastschnittgeräte bekannt, die mit einer Diamantspitze als Tastspitze in Abhängigkeit von Tastspitzengeometrie und Meßkraft eine laterale Auflösung von 6 nm erreichen. Nachteilig bei diesen herkömmlichen Tastschnittgeräten ist, daß infolge dynamischer Effekte, z. B. Springen der Tastnadel, nur geringe Meßgeschwindigkeiten möglich sind, die hohe Meßzeiten bedingen. Der ständige Kontakt von Diamantspitze und Prüflingsoberfläche erfordert Meßkräfte von mindestens 10^-5 N, die Verletzungsspuren auf der Oberfläche des Meßobjektes erzeugen können. (Sonderdruck aus Kontrolle 11/12, 1987)

Des weiteren sind Tastschnittgeräte bekannt, deren Tastspitze auf einem piezoelektrischen Seignettekristall mit großer Piezowirkung befestigt ist. Der Kristall wirkt als Biegefeder, die beim Bewegen der Tastspitze über die Oberfläche eines Meßobjektes elektrische Spannungen erzeugt, welche zur Meßwertgewinnung weiterverarbeitet werden. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, daß nur eine geringe Meßgeschwindigkeit möglich ist, und daß die Meßkräfte der Tastspitze zu groß sind. (Perthen, J.: "Prüfen und Messen der Oberflächengestalt", Carl Hanser Vlg. München, 1949, S. 118-119). Weiterhin bekannt ist eine Anordnung, bei der zur Rauheitsmessung in einem die Oberfläche mit einer Spitze abtastenden Hebel ein Piezokristall integriert ist, dessen ihn belastenden Meßkräfte zur Signalgewinnung verwertet werden. Nachteilig sind die großen Meßkräfte, die ein Abtasten von Mikrostrukturen ohne deren Verletzung erschweren und die nur geringen zulässigen Meßgeschwindigkeiten durch das quasi statische Meßverfahren (G 8 600 738.6 U1). Für die Härtemessung und in Abwandlung zur Oberflächenprofilermittlung ist ein Berührungsdetektor bekannt, bei dem der Kontakt zur Oberfläche durch einen piezoelektrischen Stabresonator ermittelt wird, auf dessen Stirnseite eine Tastspitze, bevorzugt aus Diamant, befestigt ist.
Der Stabresonator wird über seitliche Elektroden von einem Generator oder Oszillator in Eigenresonanz erregt. Eine elektronische Meßschaltung wertet die bei Berührung der Tastspitze mit der Meßoberfläche auftretenden Frequenz- oder Amplitudenänderungen des Resonators als Kontaktsignal aus, das in Verbindung mit einem Steller zur Profilermittlung dienen kann. Nachteil dieser Anordnung ist, daß der Stabresonator hohe Meßkräfte bewirkt und niedrige Resonanzfrequenzen aufweist, so daß die Meßoberfläche verletzt werden kann und nur geringe Meßgeschwindigkeiten erzielbar sind. (WO 89/00672 A1)

Ein weiteres bekanntes Tastschnittgerät arbeitet nach einem Impulsverfahren, bei dem eine Tastnadel impulsförmig von der Oberfläche des Meßobjektes angehoben und wieder abgesenkt wird. Das Gerät arbeitet quasi statisch. Das Anheben der Tastnadel dient der Verminderung von Reibkräften und Tangentialkräften in den Lagerstellen des Meßwerkes. Bei diesem Gerät ist es von Nachteil, daß die Impulsgeschwindigkeit gering ist und daß die Meßkräfte zu hoch liegen. (Lehmann, R.: "Leitfaden der Längenmeßtechnik", VEB Vlg. Technik Berlin, 1960, S. 277).

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Meßgeschwindigkeit einer Oberflächenmeßanordnung bei hoher Genauigkeit und geringen Meßkräften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Messen linearer Abmessungen auf der Oberfläche eines Meßobjektes zu entwickeln, die es ermöglicht, die Oberfläche gleichzeitig mit mehreren Tastspitzen mechanisch abzutasten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Anordnung, die aus einem Meßkopf und einem Meßobjektträger besteht, wobei der Meßkopf relativ zur Oberfläche des Meßobjektes beweglich angeordnet ist, im Meßkopf eine Vielzahl von Sensoren angeordnet sind, die je eine die Oberfläche des Meßobjektes abtastende Tastspitze aufweisen,
daß in jedem Sensor ein Meßwertwandler zur Gewinnung von Tastsignalen enthalten ist, und
daß in jedem Sensor eine Stell- und Meßeinrichtung für eine Positionierung der jeweiligen Tastspitze in Richtung senkrecht zur Oberfläche vorgesehen ist.

Hinsichtlich der Meßwertermittlung ist es vorteilhaft, wenn die Sensoren matrix- oder linienförmig angeordnet sind. Eine besonders hohe Meßgeschwindigkeit erreicht man dann, wenn die Sensoren platten- oder stabförmige Resonatoren mit oder ohne Stoßaufnehmer enthalten, die jeweils zwischen Tastspitzen und Stelleinrichtung angeordnet sind und die über eine Meßsignalauswerteschaltung mit einer Regelschaltung für die Stelleinrichtung in Verbindung stehen.

Durch die Vielzahl der angeordneten Sensoren, ist es möglich, an mehreren Orten der Oberfläche gleichzeitig Strukturmessungen durchzuführen, wodurch sich die Meßzeit pro Prüfling umgekehrt proportional zur Sensoranzahl verringert. Des weiteren verringern sich der erforderliche Bewegungsbereich der Stellelemente für den Meßkopf bzw. das Meßobjekt und der erforderliche Meßbereich der den Stellelementen zugeordneten Wegmeßsysteme auf die Größe eines Meßbereiches von einem Sensor.

Makros- und mikroskopische Unebenheiten der Prüflingsoberfläche werden durch die Stelleinrichtungen der einzelnen Sensoren ausgeglichen, die einen ausreichenden Arbeitswerg für diese Vertikalverschiebung aufweisen müssen. Hierbei erfahren die Tastspitzen zueinander Horizontalverlagerungen von nur wenigen Nanometern, die entweder kompensiert oder meßtechnisch erfaßt und in einer Meßsignalauswerteschaltung korrigiert werden.

Da Temperaturänderungen an der die Sensoren tragenden Platte Meßfehler bewirken können, besteht die Platte aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe Null. Mit solch einer Sensorplatte ist es möglich, durch Wiederholungsmessungen an den Strukturen eines Prüflings die Isotropie seines Temperaturfeldes festzustellen und somit den Zeitpunkt seiner thermischen Ausgeglichenheit genau zu bestimmen. Jeder Sensor mißt in einem Meßfeld. Die Meßfelder müssen untereinander meßtechnisch angeschlossen werden, in dem in einem Koordinatensystem die Lage aller Tastspitzen bestimmt wird.

Für Sensoren mit matrixförmiger Anordnung ist das dadurch realisierbar, daß auf den Grenzlinien von Quandranten liegende Strukturen von jeweils benachbarten Sensoren, die als Kanten- oder Höhendetektoren wirken, ermittelt und von den Wegmeßsystemen gemessen werden. Die Meßfehler dieser Überdeckungsmessungen addieren sich von Quadrant zu Quadrant wie bei einem Kettenmaß, aber durch Wiederholungsmessungen an den gleichen Strukturen lassen sich die Meßfehler gemäß den Gesetzen der Fehlerstatistik wieder verringern, so daß bei einer Sensormatrix im Mittel keine größeren Meßfehler auftreten, wie bei einem Einsensormeßsystem. Diese Anschlußmessungen der Meßquadranten können entweder mit besonders geeigneten Strukturen, z. B. Beugungsgitterfurchen, oder auch mit normalen Prüflingen vorgenommen werden, wobei im ersten Fall die Meßgenauigkeit wegen geringerer Kantenrauhigkeit der Eichstrukturen größer ist und im zweiten Fall die Anschlußmessungen als Nebenprodukt der Meßergebnisse mit anfallen. Mit einer Sensormatrix ist die Orthogonalität der Koordinaten des Meßgerätes recht einfach bestimmbar. Dies kann dadurch erfolgen, daß zwei sich annähernd kreuzende Strukturkanten zweimal gemessen werden, wobei vor der zweiten Messung der Prüfling um annähernd 90 Grad gedreht wird. Eine hohe Genauigkeit der Bestimmung des Orthogonalitätsfehlers wird dadurch erzielt, daß von der Sensormatrix viele sich annähernd senkrecht kreuzende Strukturkanten in das Meßergebnis einbezogen werden. Der Winkel zwischen den beiden Strukturkanten geht nicht in das Endergebnis ein.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine an einem Meßkopf 1 befestigte Sensorplatte 2, an der vertikal bewegliche Tastsensoren 3 mit Tastspitzen 4 matrixförmig angeordnet sind. Die Tastspitzen 4 berühren die zu messende Oberfläche 5 eines Meßobjektes 6. Das Meßobjekt 6 ist auf einem Koordinatentisch 7 befestigt, der zu den Tastspitzen 4 relativ horizontal beweglich ist. Die Tastspitzen 4 der Tastsensoren 3 sind mechanisch auf gleiche Höhe kalibriert. Jedem Tastsensor 3 ist ein Meßwertwandler 8 zur Gewinnung von Tastsignalen zugeordnet. Als Meßwertwandler 8 kann ein Stoßaufnehmer verwendet werden, insbesondere, wenn die Tastsensoren 3 platten- oder stabförmige Resonatoren 9 enthalten. Die Meßwertwandler 8 sind mit einer Meßsignalauswerteschaltung verbunden, an die eine Regelschaltung zur Auswertung der einzelnen Stelleinrichtungen für die Tastsensoren 3 angeschlossen ist.

Claims (3)

1. Anordnung zum Messen linearer Abmessungen auf einer strukturierten Oberfläche eines Meßobjektes, bestehend aus einem Meßkopf und einem Meßobjektträger, wobei der Meßkopf zur Oberfläche relativ beweglich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß im Meßkopf (1) eine Vielzahl von Sensoren (3) angeordnet sind, die je eine die Oberfläche (5) des Meßobjektes (6) abtastende Tastspitze (4) aufweisen,
daß in jedem Sensor (3) ein Meßwertwandler (8) zur Gewinnung von Tastsignalen enthalten ist, und
daß in jedem Sensor (3) eine Stell- und Meßeinrichtung für eine Positionierung der jeweiligen Tastspitze (4) in Richtung senkrecht zur Oberfläche (5) vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3) matrix- oder linienförmig angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3) platten- oder stabförmige Resonatoren mit oder ohne Stoßaufnehmer enthalten, die jeweils zwischen Tastspitze (4) und Stelleinrichtung angeordnet sind und die über eine Meßsignalauswerteschaltung mit einer Regelschaltung für die Stelleinrichtung in Verbindung stehen.