DE68908879T2

DE68908879T2 - Verfahren und vorrichtung für optische messungen.

Info

Publication number: DE68908879T2
Application number: DE90900915T
Authority: DE
Inventors: Olivier Hignette; Michel Lacombat
Original assignee: NANO MASTER EVRY
Current assignee: Orbot Instruments Ltd
Priority date: 1988-12-05
Filing date: 1989-12-05
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2009-12-06
Also published as: FR2640040A1; WO1990006489A2; DE68908879D1; US5191393A; WO1990006489A3; EP0401351A1; EP0401351B1; FR2640040B1

Description

Diese Erfindung betrifft die optische Messung von Abmessungen im Submikrometer- oder Mikrometerbereich eines Objekts und die Messung des Ausmaßes der Überdeckung zweier Objekte oder übereinandergelegter Muster und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche es gestatten, sehr hohe Meßgenauigkeiten, genauer als ein Zehntel Mikrometer, zu erreichen. Die Erfindung findet eine besonders wichtige, obwohl nicht ausschließliche Anwendung auf dem Gebiet der automatischen Überprüfung von Strichbreiten auf Wafern, welche Leiterbahnen von höchstintegrierten Schaltungen tragen, sowie der Überdeckung (overlay in der englischsprachigen Terminologie) von für die Wafer wesentlichen dünnen Schichten und/oder der Waferkartierung der integrierten Schaltungen.
Die Produktionstechnologie integrierter Schaltungen entwickelt sich schnell, wobei sich insbesondere die Breite der Leiterbahnen der integrierten Schaltungen immer weiter verringert. Tatsächlich gestatten die Produktionstechniken von integrierten Schaltungen das Ätzen von Strichbreiten in der Größenordnung von Mikrometern, wobei diese Technologien aber schnell überholt sind. Striche von 0,1 um werden schon jetzt experimentell erreicht, und das amerikanische Programm SEMATEC (Semiconductor Manufacturung Technology) sieht die Entwicklung einer Produktionstechnologie für statische Speicher ESRAM mit 16 MegaBit mit Strichbreiten von 0,3 um und einem Ausschuß, der geringer als 3 % ist, für den Beginn der 90er Jahre vor.
Es wird also zwingend erforderlich, die Messung der kritischen Dimensionen der Submikrometerstriche sowohl in ihrer Präzision als auch in ihrer Zuverlässigkeit zu verbessern. Das Ziel für die Meßgenauigkeit der kritischen Dimensionen für die zukünftigen Produktionstechniken der integrierten Schaltungen liegt in der Größenordnung von 0,01 um. Kein Verfahren und keine Vorrichtung des Stands der Technik gestattet es, solche Spezifikationen zu erfüllen.
Der Grad der Überdeckung zwischen zwei normalerweise übereinandergelegten Mustern zweier Schichten von integrierten Schaltungen muß gleichfalls mit einer besseren Genauigkeit überprüfbar sein; tatsächlich sind die Messungen der Überdeckungen von Filmen mittels optischem Nonius oder mittels elektronischer Überprüfung nicht zufriedenstellend, wenigstens in bestimmten Produktionsstadien eines Wafers.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Messung bereitzustellen, welche besser als die bisher bekannten den Anforderungen der Praxis genügen, insbesondere dadurch, daß sie eine Genauigkeit erlauben, welche bisher in den Messungen der Strichbreiten und den Messungen der Überdeckungen zwischen Schichten nicht erreicht wurde, mit einer großen Zuverlässigkeit und einer gleichfalls außergewöhnlichen Wiederholbarkeit, wodurch es möglich wird, diese zu automatisieren. Zum Beispiel konnte man eine Genauigkeit in der Größenordnung von +/- 0,02 um von 0,5 um breiten Strichen auf einer dünnen Schicht (Dicke kleiner als 800 Nanometer) erreichen, oder eine Genauigkeit in der Größenordnung von +/- 50 nm bei der Überdeckung von dicken (größer 4 um) Metallschichten.
Zu diesem Zweck haben die Erfinder ihre Suche auf eine optomechanische Vorrichtung gerichtet, welche ein Mikroskop mit Bogenlampe benutzt, obwohl eine solche Anlage von vorneherein für das Erreichen der gewünschten Resultate nicht zufriedenstellend ist. Die optische Auflösung im sichtbaren Licht ist tatsächlich auf ungefähr 0,5 um begrenzt. Darüber hinaus ist die von einer Bogenlampe abgegebene Wärme und/oder sind die Verluste in der Leuchtdichte, welche bei Vorrichtungen des Stands der Technik beobachtet werden, wenn die Lichtquelle vom Ort der Messung entfernt wird, zu beträchtlich, um vorteilhafte Ergebnisse erwarten zu lassen.
Die Benutzung des Ultravioletten (U.V.), welche eine bessere Auflösung ermöglicht, scheint von vorneherein ausgeschlossen, wegen der beträchtlichen Verluste in der Leuchtdichte, die mit den Vorrichtungen der beschriebenen Art des Stands der Technik beobachtet werden und/oder der von den UV-emittierenden Bogenlampen abgegebenen Wärme.
Die Druckschrift WO-A-86/05587 beschreibt eine Vorrichtung zur optischem Messung, welche mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 übereinstimmt und ein Verfahren, welches ihre Benutzung ermöglicht. Diese Vorrichtung zur optischem Messung bewirkt eine direkte Beleuchtung des Objekts mittels des von einem UV-Laser oder einem Beleuchter gelieferten Lichts. Eine solche Vorrichtung würde es nicht gestatten, als Quelle eine Bogenlampe zu benutzen, deren Vorteil es ist, ein sich sehr weit in das Ultraviolette erstreckendes Spektrum zu liefern, welche aber den Nachteil der Wärmeabgabe aufweist.
Den Erfindern stand im übrigen das Problem entgegen, eine im wesentlichen konstante Gleichförmigkeit von ungefähr +/- 2 % in den Pupillenebenen (II) und Objektebenen (I) der benutzten Optik zu erreichen.
Als Hinweis sei angegeben, daß die optischen Vorrichtungen des Stands der Technik bestenfalls eine Gleichförmigkeit des Fernfelds in der Objektebene (I) der Größenordnung von 10 % bieten und eine Gleichförmigkeit des Nahfelds in der Pupillenebene (II), welche eindeutig schlechter (größer 20 %) ist. Solche Nachteile der Vorrichtungen des Stands der Technik sind hinderlich und gestatten die für die Überprüfung der kritischen Dimensionen von höchstintegrierten Schaltungen (VLSI) der zukünftigen Jahre erforderlichen Leistungsdaten nicht. In Zusammenhang mit dem Stand der Technik sind auch die mathematischen Bildverarbeitungsmethoden anzuführen, welche es ermöglichen, die Abmessungen eines Bildes zu rekonstruieren, mit einem das Auflösungsvermögen der benutzten Optik übersteigenden Kontrast (pression) für die gegebenen Wellenlängenbereiche.
Die Prinzipien einer solche Bildverarbeitung für die Überprüfung der kritischen Abmessungen sind in dem Artikel "Accurate image modeling for submicron CD optical control" von M.E. Guillaume, P. Livrozet, J. L. Buevoz und M. Alcouffe-Noally (Miktroelectric engineering 6-1987) beschrieben.
Schließlich ist eine Methode zum Messen der Überdeckungen bekannt, deren Prinzipien in einem anderen Artikel: "A new signal processing method for overlay and grid characterization measurements" von O. Hignette, M. Alcouffe- Noally und M. E. Guillaume (Microelectronic Engineering 6-1987; 637-643) beschrieben sind; diese Methode ist geeignet, bei der Durchführung der Erfindung benutzt zu werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung von integrierten Schaltungen vorzusehen, welche es gestatten, diese Methoden effektiv einzusetzen und vor allem verbesserte industrielle Resultate zu liefern, insbesondere durch Verbesserung der Leistungen in bezug auf Lichtstärke und Gleichförmigkeit in den Pupillen(II)- und Objekt(I)-Ebenen um wenigstens eine Größenordnung in bezug auf den Stand der Technik.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung insbesondere ein Verfahren zur optischen Messung von Abmessungen im Submikrometerbereich eines Objekts oder der Überdeckung zwischen zwei Objekten gemäß dem Patentanspruch 1 vor.
Eine einfache Methode der Verarbeitung wird durch den Vergleich mit einem vorbestimmten, möglicherweise verstellbaren Schwellenwert gebildet. Eine leistungsfähigere, aber komplexere Methode benutzt die Fourier-Transformierte, zur Rekonstruktion der Ränder und die mathematische Korrelation der erhaltenen Signale mit dem symmetrischen Bild dieser Signal in bezug auf einen willkürlichen Ursprung zum Messen des Grads der Überdeckung.
Die Verwendung einer Lichtwellenleiter-Monofaser aus reinem Quarz mit großem Durchmesser (500 um bis 1 mm) ermöglicht den Lichttransport über mehrere Meter ohne wesentliche Abschwächung der Leuchtdichte im Gegensatz zum Beispiel zur Verwendung eines Lichtwellenleiter- Multifaserbündels. Es ist also möglich, die Lichtquelle aus dem Reinräum zu verbannen, in welchem die integrierten Schaltungen überprüft werden. Auf diese Weise wird die durch die Lichtquelle gebildete Wärme- und Staubquelle eliminiert, wodurch einerseits die Verbesserung der Meßbedingungen und andererseits die Verwendung einer sehr energiereichen Lampe von der Art einer Bogenlampe ermöglicht wird.
Es schien, als ob die Strukturfehler einer Lichtwellenleiter-Monofaser mit großem Durchmesser (größer 500 um) insbesondere der Zustand ihrer Ausgangsfläche, sie von vorneherein für eine Vorrichtung, für die eine sehr große Genauigkeit erforderlich ist, ausschließen würde.
Im Gegensatz zu dieser vorherrschenden Vorstellung haben die Erfinder festgestellt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der die Durchführung gestattenden Vorrichtung außergewöhnliche Ergebnisse erzielt werden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform benutzt das Verfahren einerseits sichtbares Licht und andererseits ultraviolettes Licht.
Die Verwendung von ultraviolettem Licht für die Überprufung und die Messung sehr kleiner Abmessungen ist besonders interessant. Einerseits ermöglicht sie das Absenken der Auflösungsgrenze (proportional zur Wellenlänge) und andererseits verleiht sie dem beobachteten Objekt ein insgesamt stabileres Randprofil, wenn man eine Quelle mit ausreichender spektraler Breite (größer 20 Nanometer) verwendet. Die zum Erreichen der gewünschten Genauigkeit verwendeten Algorithmen werden dadurch vereinfacht sowie die Wiederholbarkeit der Messungen verbessert.
Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 3 vor.
In bevorzugten Ausführungsformen wird auf die eine und/ oder die andere der folgenden Anordnungen zurückgegriffen:
- Die Vorrichtung umfaßt Mittel, welche im Strahlengang des vom Objekt reflektierten und aus dem Mikroskopobjektiv austretenden Lichtbündels angeordnet sind, zum Trennen der UV-Komponente von der sichtbaren Komponente, zum Leiten der UV-Komponente auf eine Matrixkamera mit UV-empfindlichen Sensoren und zum Leiten der sichtbaren Komponente auf eine Matrixkamera mit Sensoren für sichtbares Licht;
- der Lichtkondensor ist ein achromatischer Kondensor im Sichtbaren und im Unsichtbaren, umfassend: einen dichroitischen, antikalorischen Filter, einen ersten außerachsigen, Parabolspiegel, der geeignet ist, das Licht, das er reflektiert, zu einem zweiten außerachsigen, Parabolspiegel zu kollimieren, der geeignet ist, das Licht wieder in einen Punkt zu verdichten, und Mittel zum Filtern des Lichts im Sichtbaren und im Ultravioletten, welche im Strahlengang des kollimierten Lichtbündels zwischen den zwei außerachsigen Parabolspiegeln angeordnet sind.
- die Vorrichtung umfaßt im Strahlengang der vom Mikroskopobjektiv kommenden reflektierten Strahlen angeordnete Mittel zum Umlenken wenigstens eines Teils der Energie der reflektierten Strahlen auf den Sensor einer Farbkamera, welche eine visuelle Darstellung des beobachteten Objekts liefert,
- die Vorrichtung umfaßt im Strahlengang der reflektierten Strahlen angeordnete Mittel, zum Leiten wenigstens eines Teils der Energie der reflektierten Strahlen auf Spektralphotometrische Analysemittel und zum Minimieren der Kontraste zwischen dem Objekt und seiner unmittelbaren Umgebung, ausgehend von Verarbeitungsmitteln für von der oder den Matrixkameras erhaltene Signale;
Erstaunlicherweise ermöglichen diese Mittel tatsächlich eine größere Genauigkeit in der Messung der Dimensionskontrolle (C.D.) zum Messen der Information an den Rändern eines Objekts,
- die Mittel zur Verarbeitung der von der oder den Sensormatrixkameras erhaltenen Signale umfassen Mittel zum Messen der Strichbreite auf einem Wafer und/oder der Messung der Überdeckung von dünnen Schichten, welche für einen Wafer wesentlich sind,
- die Vorrichtung umfaßt optische Mittel, welche es ermöglichen, eine Messung des Objekts sowohl auf hellem als auch auf schwarzem Hintergrund durchzuführen,
- die Vorrichtung umfaßt Kohärenzlicht-Interferometrie Mittel zum Positionieren eines Tisches, auf welchem das beobachtete Objekt angeordnet ist, in bezug auf eine Referenzposition wobei die Mittel einen Referenzspiegel, der starr mit dem Meßobjektiv des Mikroskops verbunden ist, umfassen, sowie einen Spiegel, der starr mit dem Tisch verbunden ist, wobei die differentielle Messung des Interferometers zwischen dem Spiegel und einem starr mit dem Tisch verbundenen Spiegel durchgeführt wird.
Eine solche Anordnung ermöglicht eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit der Messungen. Zum Beispiel 30 nm für 3 auf 200 mm, was einen großen Vorteil bei der Kartographie integrierter Schaltungen bietet.
Die Erfindung wird durch die Lektüre der folgenden Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform, welche in nicht einschränkender Weise beispielhaft ist, besser verstanden werden.
Die Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
- Fig. 1 eine perspektivische Schemazeichnung ist, welche einen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltenden Apparat zeigt;
- Fig. 2 eine Schemazeichnung des Prinzips einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform des Kondensors der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
- Fig. 4 ist eine Prinzipdarstellung eines Interferometeraufbaus zur Messung der Position in der Vorrichtung ist;
- Fig. 5 eine spezielle Ausführung, im Schnitt und im Aufriß, des optischen Teils eines Teils der Vorrichtung von Fig. 2 zeigt;
- Fig. 6 eine geschnittene Draufsicht von Fig. 5 ist;
- Fig. 7 eine Schemazeichnung ist, welche den mechanischen Betrieb des Apparats von Fig. 1 zeigt, welcher eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt.
Fig. 1 zeigt einen Apparat 1, welcher eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur optischen Messung eines Objekts, welches zum Beispiel durch einen Strich auf einem Wafer 3 gebildet wird, welcher Leiterbahnen von integrierten Schaltungen umfaßt. Dieser Wafer 3 liegt auf einem Tisch 4, der selbst auf einem an sich bekannten Luftkissen auf einem Sockel 5 zum Beispiel aus Granit ruht. Er ist auf diese Weise vollkommen von Umgebungsvibrationen isoliert.
Verschiebungsmittel des Tisches in der horizontalen Ebene entlang zweier orthogonaler Achsen Ox, Oy, welche einen Bezugsort und Bezugspunkt bilden, sind vorgesehen. Sie umfassen insbesondere hochgenaue interferometrische Positioniermittel 6 des Tisches 4 in der Bezugsrichtung Ox, Oy.
Diese Mittel 6 umfassen ein Laserinterferometer vom bekannten Typ und ermöglichen eine mechanische Positioniergenauigkeit in der Größenordnung von 0,01 um.
Die Vorrichtung 2 umfaßt ein automatisches optisches Mikroskop 7, welches über einen Lichtwellenleiter 8 mit einer länglichen Lichtquelle (in Fig. 1 nicht dargestellt) verbunden ist.
Mittel 9, die zum Beispiel durch elektrische Mikrostellglieder gebildet werden, ermöglichen die Verschiebung des Mikroskops 7 entlang einer zur horizontalen Ebene, welche durch die Bezugsrichtungen Ox und Oy definiert ist, senkrechten Achse Oz. Autofokussiermittel 10 bewirken das automatische Scharfstellen des Mirkoskops 7 auf den Wafer 3. Wenigstens eine Ladungskopplungssensor-Matrixkamera 11 (CCD) ist vorgesehen. Sie ist mit Signaldarstellungs- und Verarbeitungsmitteln 12 verbunden, welche zum Beispiel einen Computer von der Art eines PC und seine Steuerelemente umfassen, wie zum Beispiel eine Tastatur 14 und/oder eine Maus 15. Der Apparat 1 umfaßt auch einen Schaltschrank 16 zur Leistungsversorgung und eine Steuervorrichtung 2.
Eine dichte Mikroskopschutzhaube 17 ist vorgesehen und ermöglicht den Betrieb des Mikroskops in vollkommen reiner Umgebung. Die im Inneren der Haube abgegebene Wärme wird durch ein an sich bekanntes Kühlelement (nicht dargestellt) abgeführt.
Fig. 2 ist eine Prinzipdarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2. Sie ermöglicht es, die Abmessungen im Submikrometerbereich eines Strichs 20 des Wafers 3 mit integrierten Schaltungen zu messen oder die Überdeckung zwischen zwei Schichten 20', welche eine integrierte Schaltung auf einem Wafer 3 bilden. Sie umfaßt ein Lichtwellenleiter-Monofasersystem 21, welches eine ein multispektrales Lichtbündel 23 (UV, sichtbar) aussendende Bogenlampe 22, zum Beispiel eine Xenon-Bogenlampe, einen Kondensor 24 und eine Lichtwellenleiter-Monofaser 8 aufweist.
Die Faser 8 ist aus praktisch reinem Quarz und weist einen Durchmesser auf, der größer als 500 um ist, vorteilhafterweise zum Beispiel 1 mm, und weist eine beträchtliche Länge auf, welche häufig größer als 3 m ist.
Diese Länge gestattet es dem Lichtwellenleitersystem 21, vom automatischen optischen Mikroskop 7 entfernt zu werden, welches deswegen durch die von der Bogenlampe 22 gebildete Wärme und Störquelle nicht gestört wird.
Der Lichtwellenleiter 8 kann teilweise in sich selbst zusammengewickelt werden, um das Lichtbündel, das er transportiert, einheitlich zu machen.
Der Kondensor 24 umfaßt vorteilhafterweise ein Filter 26, welches es ermöglicht, nur enge Bereiche um zwei ausgewählte Wellenlängen im Sichtbaren und im Ultravioletten zu erhalten und einen Lichtdichtemodulator 27 für das von der Bogenlampe 22 ausgestrahlte Lichtbündel; als Variante sind zwei Filter 26 vorgesehen, wobei das eine im Sichtbaren und das andere im Ultravioletten (zum Beispiel bei 300 Nanometer, wo die Bogenlampe noch eine beträchtliche Emission aufweist) durchsichtig ist.
Das Filter 26 ermöglicht es, die benutzten Wellenlängen kontinuierlich zu variieren. Die Verschiebungen des Filters in bezug auf das Lichtbündel können automatisch ablaufen und vom Computer 13 gesteuert sein.
Das Lichtbündel 23 wird vom Kondensor 24 auf die Eingangsoberfläche der Lichtwellenleiter-Monofaser 8 fokussiert. Das Lichtbündel verläßt dann die Monofaser durch eine Ausgangsoberfläche 31, welche vollkommen eben ist in der Form von Strahlen 29. Im Strahlengang der Strahlen 29 angeordnete Mittel 28 lenken dann die Lichtstrahlen 29 unter orthogonalem Einfall auf das Objekt 20 des Wafers 3. Diese Mittel 28 umfassen eine Blende 30 zum Zentrieren des Bündels. Die Blende ist vorteilhafterweise herausnehmbar. Zum Beispiel können vier Blenden mit unterschiedlichen Öffnungen ausgewählt werden, um eine vollkommen zentrierte Beleuchtung des Objekts zu erreichen.
Das Bündel 29 wird durch einen Spiegel oder einen Strahlteiler orthogonal einfallend auf das Objekt 20 über ein Objektiv 32 des Mikroskops 7 gelenkt. Das Mikroskop umfaßt vorteilhafterweise mehrere Objektive, zum Beispiel vier Objektive, welche ein von 60 um bis 1,5 mm gehendes Feld überdecken, mit Vergrößerungen von 2,5 x, 20 x, 50 x und 80 x.
Automatische Fokussiermittel 33 des Objektivs 32 auf das Objekt sind vorgesehen. Sie können durch ein Autofokussiersystem von der Art gebildet sein, welches in der französischen Patentanmeldung 87 12 699 des bereits erwähnten Anmelders beschrieben ist und auf welche verwiesen wird. Das Autofokussiersystem benutzt einen Diodenlaser-Meßfühler, welcher im Infraroten (zum Beispiel bei 780 um) arbeitet und dessen Auflösung durch Beugung begrenzt ist. Er liefert ein Fehlersignal, welches die Betätigung eines Motors auslöst, der das Objektiv auf einer konstanten Höhe in bezug auf das Objekt während Translationsverschiebungen dieses letzteren hält. Um ein korrektes Funktionieren zu ermöglichen, ist das Objektiv achromatisch ausgebildet.
Die Vorrichtung 2 umfaßt im Strahlengang der vom Objekt reflektierten, über das Objektiv 32 des Mikroskops 7 kommenden Strahlen 35 Mittel 34. Diese Mittel weisen einen ersten Umlenkspiegel 36 auf sowie Strahlteiler 37, 38, welche Teile der reflektierten Strahlen 35 jeweils auf die Matrixsensoren 39, 40 der entsprechenden Ladungskopplungssensor-Matrixkameras 41, 42 umlenken.
Zum Beispiel trennt der Spiegel 37 die UV-Komponente von der sichtbaren Komponente und lenkt die UV-Komponente auf die Sensorenmatrix 39 der UV-Kamera 41 und die sichtbare Komponente auf den Spiegel 38, der wenigstens einen Teil der Strahlen des sichtbaren Lichts auf die Sensorenmatrix 40 der Matrixkamera 42 umlenkt.
Die Kameras 41, 42 sind mit Digitalisierungsmitteln 43 verbunden, welche eine pixelweise Darstellung des Mikroskopfelds an Mittel 44 zur Verarbeitung der empfangenen Signale liefern. Die Mittel 44 werden durch wenigstens einen Computer mit einer Steuereinheit und Speichern, welcher gespeicherte Programme durchführt, gebildet. Die Mittel 44 sind geeignet zum Verarbeiten der Signale und ausgehend von den Signalen zum Rekonstruieren der Ränder des Objekts oder der Überdeckung zwischen zwei Objekten, insbesondere dann, wenn ihre Abmessungen kleiner sind als die Auflösungsgrenze der Optik bei den durch den Filter 26 vorbestimmten ausgewählten Wellenlängen. Peripheriegeräte 45 zum Überprüfen und zum Steuern der Vorrichtung sind mit den Verarbeitungsmitteln 44 verbunden.
Die Signalverarbeitungsmittel können vorgesehen sein, um im Falle der Messung der Überdeckung ("overlay") die Position der Mitte einer symmetrischen Figur in bezug auf eine bestimmte Meßtechnik (hier die CCD-Matrixkamera) zu finden, wie es in dem Artikel von O. Hignette, M. Alcouffe- Noally und M. E. Guillaume beschrieben ist, der vorher erwähnt wurde. Zu diesem Zweck umfassen die Mittel 44 mathematische Interkorrelationsmittel für die vom Sensor gelieferte Figur mit seinem symmetrischen oder Spiegelbild bezüglich eines willkürlichen Ursprungs. Die mit der Interkorrelationsfigur erhaltene Position des Maximums bestimmt eine Entfernung für die erste Schicht und dann für die zweite. Mittels der Differenz wird das Ausmaß der Überdeckung zwischen den zwei Schichten mit der gewünschten Genauigkeit dank der Differenz- und Ergebniswiederherstellungsmittel erhalten.
Im Fall der Dimensionsüberprüfung, d.h. im Fall der Messung der Breite eines Strichs, umfassen die Signalverarbeitungsmittel mathematische Verarbeitungsmittel, welche die Bildung von Bildern aus den empfangenen Signalen durch Zerlegung der Signale in orthogonale Sinus- und Kosinusfunktionen im Raum der räumlichen Frequenzen, welche der Fourier-Transformierten der aufgenommenen räumlichen Signale entsprechen, ermöglichen.
Diese Verarbeitung, die in dem bereits erwähnten Artikel von M. E. Guillaume, P. Livrozet, J. L. Buevoz und M. Alcouffe-Noally beschrieben ist, ermöglicht es, das physikalische Problem umzukehren, d.h. ausgehend von den experimentellen Daten (photometrisches Profil) und unter Anwendung einer Transferfunktion die beste Übereinstimmung zwischen physikalischen Daten und verarbeiteten (modellierten) Daten durch Variation der Modellparameter gemäß schnell konvergierender Algorithmen (Methode der kleinsten Quadrate, Newton Ralphson, maximale Entropie usw.) zu suchen. Die Modellparameter ergeben dann also die gesuchte Breite.
Die Vorrichtung 2 umfaßt auch Mittel 46, welche durch einen Strahlteiler gebildet werden, der sich im Weg der durch den Strahlteiler 38 hindurchgegangenen Strahlen befindet zum Umlenken wenigstens eines Teils der Energie der Strahlen auf das Objektiv 47 einer Farbkamera 48, welche eine visuelle Darstellung des beobachteten Objekts zum Beispiel auf einem Bildschirm 49 liefert.
Es ist möglich, die Lichtdichte des Bündels 23 mit Hilfe von Mitteln 50 zu variieren, welche einen Motor und/oder ein electrisches Stellglied umfassen, welche auf eine Platte wirken, die den Lichtdichtemodulator 27 des Kondensors 24 bildet.
Die Mittel 50 können auch auf das Filter 26 mittels eines zweiten elektrischen Stellglieds wirken, welches durch Verschieben des Filters 26 orthogonal zum Lichtbündel die benutzten Wellenlängen kontinuierlich und in automatischer Art und Weise variiert.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung befinden sich Mittel 51 im Strahlengang wenigstens eines Teils der Energie der vom Objekt 20 reflektierten Strahlen (hinter dem Strahlteiler 46 in dem in Fig. 2 dargestellten Fall) zum Leiten dieses Teils der Energie auf spektralfotometrische Analysemittel 52, die an sich bekannt sind. Diese Mittel 52 wirken auf die Mittel 50 zum Steuern des Filters 26 und des Dichtemodulators 27 und ermöglichen es auf diese Weise, die Kontraste zwischen dem Objekt und seiner unmittelbaren Umgebung zu minimieren; wodurch eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Mikroskops zur Dimensionskontrolle (C.D.) ermöglicht wird.
Die Vorrichtung 2 kann auch Mittel 53 umfassen, welche es ermöglichen, eine Messung des Objekts entweder auf hellem Hintergrund oder auf dunklem Hintergrund durchzuführen. Diese sind in schematischer Art und Weise in Fig. 2 gestrichelt dargestellt und an sich bekannt.
Die Messung auf schwarzem Hintergrund ermöglicht es, Störlicht zu minimieren und durch zum Beispiel systematische und automatische Kombination einer Messung auf hellem Hintergrund und einer Messung auf schwarzem Hintergrund ein und desselben Objekts die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung noch zu verbessern.
Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des Kondensors der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das Lichtbündel 23 der Hochleistungsbogenlampe 22 (50 bis 500 Watt, insbesondere 150 Watt), zum Beispiel einer Xenon-Bogenlampe, gelangt auf einen diochroitischen, antikalorischen Filter 60, der infrarotes Licht 61 hindurchläßt und UV und sichtbares Licht 62 auf einen außerachsigen ("off axis" in der englischen Fachsprache) Parabolspiegel 63 reflektiert.
Das kollimierte Lichtbündel wird durch ein Filter 65 für das Ultraviolette und das Sichtbare gefiltert, der zum Beispiel orthogonal zum kollimierten Lichtbündel 64 in einer zum oben beschriebenen Filter 26 identischen Art und Weise verschiebbar ist, und durch eine Vorrichtung 66, welche es gestattet, die Lichtdichte in einer kontinuierlichen Art und Weise ebenso wie die ebenfalls oben beschriebene Platte 27 zu variieren.
Das so behandelte Lichtbündel 67 wird von neuem durch einen zweiten außerachsigen Parabolspiegel 68 reflektiert und auf die ebene Eingangsoberfläche 69 des Lichtwellenleiters 8 der Vorrichtung 2 fokussiert.
Die außerachsigen Paraboloidspiegel sind vorteilhafterweise mit einem Material beschichtet, welches das ultraviolette und das sichtbare Licht reflektiert, vorteilhafterweise Rhodium.
In Fig. 4 ist eine bevorzugte Anordnung eines Teils der interferometrischen Mittel 6 zum Messen der Position des Tisches 4 gezeigt, auf welchen der Wafer 3 gesetzt ist. Diese Mittel umfassen einen Spiegel 70, der geeignet ist, das Referenzlichtbündel 71 eines Interferometerlasers zu reflektieren. Der Spiegel 70 ist, zum Beispiel teilweise herausnehmbar, durch Mittel 72 starr mit dem Meßobjektiv 73 verbunden. Die Differenzmessung wird zwischen dem Spiegel 70 und einem mit dem Tisch 4, auf welchem der Wafer 3 liegt, starr verbundenen Spiegel 74 durchgeführt.
Die Positionierung des Wafers 3 in bezug auf das Objektiv 73 des Mikroskops 7 kann wegen dieser starren Verbindung zwischen dem Spiegel 70 und dem Objektiv 73 mit großer Genauigkeit durchgeführt werden.
In der bevorzugten Ausführungsform des in den Fig. 5 und 6 gezeigten optischen Teils umfaßt das Mikroskop 7 eine Trägerstruktur 80. Der Lichtwellenleiter 8 ist durch ein Befestigungsteil 81 zentriert und starr mit dieser Struktur verbunden. Der Strahlengang des vom Lichtwellenleiter kommenden Lichtbündels ist durch eine strichpunktierte Linie 82 dargestellt.
In diesem Strahlengang sind im wesentlichen und aufeinanderfolgend angeordnet:
. eine Lichtbündel-Zentrierblende 30, welche auswechselbar ist und durch eine Reihe von geeigneten Blenden ersetzbar ist, welche so ausgewählt werden, daß eine perfekt zentrierte optimale Beleuchtung des zu messenden Objekts erreicht wird,
. einen Strahlteiler 83 zwischen dem einfallenden Lichtbündel und dem reflektierten Lichtbündel, welcher es ermöglicht, die gesamte Energie des von der Monofaser 8 kommenden Lichtbündels durch das Mikroskopobjektiv 32 unter senkrechtem Einfall auf das Objekt 20 zu leiten, welches sich auf dem auf dem Tisch 4 liegenden Wafer 3 befindet,
. das Objektiv 32, welches auf einem automatischen Objektivtubus 100 angebracht ist, der zum Beispiel drei weitere Objektive trägt, welche es ermöglichen, Felder von einigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern zu überdecken,
. aufs Neue den Spiegel 83, welcher dieses Mal für das vom Objekt orthogonal reflektierte Lichtbündel durchsichtig ist,
. einen Spiegel 36, welcher es ermöglicht, das reflektierte Lichtbündel über optische Mittel 84 (welche zum Beispiel durch ein System von Fokussierlinsen gebildet sind) auf Lichtbündel-Empfangsmittel zu leiten. Diese Empfangsmittel umfassen vorteilhafterweise:
. Mittel 85 zum Trennen des sichbaren Lichts und des ultravioletten Lichts von dem vom Objekt reflektierten Lichtbündel, umfassend (Fig. 6):
- eine Platte 86, welche einen Filter für UV/sichtbares Licht bildet, der das sichtbare Licht durchläßt und das UV-Licht auf eine Gruppe von Spiegeln 87, 88 und die Sensorenmatrix 39 der CCD-UV-Kamera 41 reflektiert,
- Mittel 89, um aus dem vom Objekt reflektierten Lichtbündel einen Teil der im Sichtbaren verbliebenen Energie herauszuziehen, welche durch einen Strahlteiler gebildet werden, der diesen Teil der Energie auf den Sensor 40 einer für sichtbares Licht empfindlichen CCD-Kamera 42 umlenkt,
- optische Mittel 90 zum Fokussieren der im Lichtbündel verbliebenen Energie auf in den Fig. 5 und 6 nicht dargestellte und an sich bekannte spektralphotometrische Analysemittel 52.
Diese Analysemittel 52 ermöglichen es insbesondere, die Kontraste zwischen dem Objekt und seiner Umgebung zu minimieren, indem sie über die Rechenmittel 43 und die Wirkungsmittel 50 auf den Wellenlängen-Variationsfilter 26 und auf den Lichtdichtemodulator 27 wirken, der zum Beispiel durch eine Platte mit variablem Durchlaßgrad gebildet ist (siehe Fig. 2).
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird jetzt unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.
Ein Leiterbahnen von integrierten Schaltungen umfassender Wafer 3 wird ausgewählt und mittels eines (nicht dargestellten) automatischen Roboterarms, der den Wafer durch Ansaugen (Vakuumpumpe) aufnimmt, aus einer Aufbewahrungsbox 21 genommen.
Der Wafer wird dann zu einer Vorausrichtungsstation 93 überführt (Pfeil 92), wo er orientiert wird, wobei die geschnittene Kante 94 zum Beispiel durch nicht dargestellte Mittel entlang Ox oder Oy orientiert sein kann.
Der Wafer 3 wird dann automatisch durch den automatischen Roboterarm auf den Luftkissentisch 4 unter das Objektiv 32 des Mikroskops 7 gesetzt.

Ausrichtung

Das Bild der integrierten Schaltungen des Wafers 3 wird dann auf dem Sensor der Matrixkamera 42 in sichtbarem Licht gebildet und in digitale Signale umgewandelt.
Die digitalen Signale werden mit sehr großer Geschwindigkeit durch die Verarbeitungsmittel 12 verarbeitet, welche die automatische globale Ausrichtung des Wafers in X, Y und θ (Winkelausrichtung) steuern.
Wenn dieses Ausrichten einmal durchgeführt ist, wobei das Ganze mit Hilfe der interferometrischen Mittel 6 gesteuert und überprüft wird, begibt sich der Auflagetisch 4 automatisch in eine vorbestimmte Startposition zur Messung des Objekts, d.h. der auf dem Wafer gebildeten Leiterbahnen.
Die Messungen der Strichbreite (C.D.), der Schichtüberdeckung und/oder der Kartographie werden dann durchgeführt.
Das Mikroskopfeld wird durch aufeinanderfolgende Objektivwechsel (automatisches Drehen des Revolverkopfs 100) reduziert, um zum Beispiel 60 um zu erhalten.
Dabei stellt das Autofokussiersystem 23 jedesmal auf das Objekt scharf. In einer vorteilhaften Betriebsart der Ausführungsform der Erfindung wirkt es auf die Stellglieder 9 in Richtung Oz, wobei die entgegengesetzten Auflagerpunkte der Struktur 80 zum Beispiel in Kugelgelenken 95 gehalten sind.

Messungen der Überdeckungen und der Abmessungen

Jede integrierte Schaltung oder Teil der integrierten Schaltung wird dann aufeinanderfolgend gemäß einem programmierten Zyklus untersucht, wobei der Tisch 4 Schritt für Schritt entlang den Richtungen Ox und/oder Oy fortschreitet.
Die mit den CCD-Kameras erhaltenen aufeinanderfolgenden Signale werden mit Hilfe der Verarbeitungsmittel 43 verarbeitet. Die Messungen der überdeckung benutzen das Bild im Sichtbaren, in dem die Harze durchsichtig sind, welches von der Kamera 42 geliefert wird. Die Abmessungsmessungen werden mit der Kamera 41 bei einer Wellenlänge im Ultravioletten, in dem die Harze undurchsichtig sind, vorteilhafterweise bei einer Wellenlänge von ungefähr 300 Nanometer durchgeführt.
Diese zwei Typen von Messungen werden aufeinanderfolgend durchgeführt, wobei die Fokussierung durch das System 33 aufrecht erhalten wird.
Wenn diese Messungen abgeschlossen sind, wird der Wafer automatisch vom Roboterarm herausgenommen und in seine Aufbewahrungsbox 91 zurückgelegt.
Wie im Vorherigen dargelegt, gestatten es das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung, bessere Resultate als die vorherigen zu erhalten.
Um diesen Vorteil besser hervorzuheben, werden im folgenden Tabellen gezeigt, welche die Erfindung mit dem Stand der Technik bezüglich der erreichten Genauigkeiten und der Wiederholbarkeiten der durchgeführten Messungen in den Bereichen der Messung der Strichbreite, der Messung der Überdeckung zwischen Schichten und der Kartographie vergleicht. Tabelle 1 Erfindung Stand der Technik (Schwellenmethoden) Messung der Strichbreite Genauigkeit Wiederholbarkeit Harz (dicke Schicht > 0,8um) Harz (dünne Schicht < 0,8um) bei allen Materialarten - Strichbreite > 0,5um - Strichbreite > 0,3um (mit UV) 3x Standardabweichung nicht definiert Tabelle 2 Erfindung Stand der Technik Messung der Überdeckung (Overlay) Genauigkeit Wiederholbarkeit Schicht aus Nichtmetall - Höhenunterschied zwischen Mustern < 1,5 um Metallschicht - Strichhöhe > 20um - Höhenunterschied zwischen Mustern < 1 um Tabelle 3 Erfindung Stand der Technik Kartographie (Koordinaten) Genauigkeit Wiederholbarkeit Für alle Arten von Schichten (> 20 um) Auf Masken oder Netzen
Die Erfindung ist insbesondere auf dem Gebiet der Verifikation und der Überprüfung von charakteristischen Abmessungen von Masken oder Topographien integrieter Schaltungen benutzbar sowie für Messungen von Objekten, deren Abmessungen größer als Mikrometer, zum Beispiel 1,5 um sind.

Claims

1. Verfahren zur optischen Messung von Abmessungen im Submikrometerbereich eines Objekts (20) oder der Überdeckung zwischen zwei Objekten (20'), gekennzeichnet durch

- die Emission eines Lichtbündels (23) durch eine Bogenlampe (22) in eine Lichtwellenleiter-Monofaser (8) mit einem Durchmesser größer als 500 um und einer Länge größer als 3 m,

- das Leiten der aus der Lichtwellenleiter-Monofaser (8) kommenden Lichtstrahlen (29) auf das Objekt (20) oder die Objekte (20') unter orthogonalem Einfall und das Bündeln der Lichtstrahlen auf das Objekt mittels eines Objektivs (32) eines Mikroskops (7), wobei das Fokussieren auf das zu messende Objekt automatisch durch ein im Infraroten arbeitendes Autofokussiersystem (33) bewirkt wird,

- das Trennen der reflektierten, durch das Mikroskopobjektiv (32) hindurchgegangenen Strahlen von den einfallenden Strahlen und das Leiten derselben auf den Sensor (39,40) einer Ladungskopplungsmatrixkamera (41,42), welche eine pixelweise Darstellung des Mikroskopfelds erzeugende Digitalisierungsmittel (43) aufweist,

- und das Verarbeiten der so erzeugten räumlichen Signale zum Rekonstruieren der Ränder des Objekts (20) ausgehend von diesen Signalen, zum Messen der Entfernung zwischen diesen Rändern oder zum Messen der Überdeckung zwischen zwei Objekten (20') im Feld.

2. Verfahren zur optischem Messung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Überdeckung zwischen zwei Objekten sichtbares Licht und ultraviolettes Licht verwendet wird und zur Abmessungskontrolle des Objekts ultraviolettes Licht verwendet wird.

3. Vorrichtung zur optischen Messung der Abmessung im Submikrometerbereich eines Objekts (20) oder der Überdeckung zwischen zwei Objekten (20') umfassend:

- eine Optik (28) im Strahlengang von Lichtstrahlen zum Leiten dieser Lichtstrahlen auf das Objekt (20) oder die Objekte (20') unter orthogonalem Einfall, wobei die Optik (28) wenigstens ein achromatisches Mikroskopobjektiv (32,73) mit automatischer Scharfstellung auf das Objekt durch Autofokussierung aufweist, und

- optische Mittel (34) im Strahlengang der vom Mikroskopobjektiv kommenden reflektierten Lichtstrahlen (35) zum Umlenken wenigstens eines Teils der Energie der reflektierten Lichtstrahlen auf eine erste Matrixkamera (41) und zum Umlenken wenigstens eines Teils der Energie im sichtbaren Bereich der reflektierten Lichtstrahlen auf eine andere Matrixkamera (42),

- einen Digitalisierungswandler (43), der eine pixelweise Darstellung des Bilds des Mikroskopfelds erzeugt, welches Bild durch die eine oder die andere Kamera in der Form von räumlichen Signalen erzeugt wird,

- und Datenverarbeitungsmittel (44) zur Verarbeitung der erhaltenen räumlichen Signale, welche es ermöglichen, von diesen Signalen ausgehend die Ränder des Objekts (20) zu rekonstruieren und die Entfernung zwischen diesen Rändern zu messen oder die Überdeckung zwischen zwei Objekten (20') zu messen,

dadurchgekennzeichnet, daß das Lichtbündel zur Optik durch ein Lichtleitersystem (21) geliefert wird, welches eine Bogenlampe (22), einen Kondensor (24) und eine Lichtwellenleiter-Monofaser (8) mit einem Durchmesser, größer als 500 um, und einer Länge größer als 3 m, umfaßt und Licht liefert, welches wenigstens zwei vorbestimmte Wellenlängen enthält, wobei die eine im sichtbarem Bereich und die andere im ultravioletten Bereich liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor (21) ein achromatischer Kondensor im Sichtbaren und im Unsichtbaren ist, umfassend:

- einen dichroitischen, antikalorischen Filter (60),

- einen ersten außerachsigen, Parabolspiegel (63), der geeignet ist, das Licht, das er reflektiert, zu einem zweiten außerachsigen, Parabolspiegel (68) zu kollimieren, der geeignet ist, das Licht wieder in einen Punkt zu verdichten, und

- Mittel (65,66) zum Filtern des Lichts im Sichtbaren und im Ultravioletten, welche im Strahlengang des kollimierten Lichtbündels zwischen den zwei außerachsigen Parabolspiegeln (63,68) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel (34) im Strahlengang der vom Mikroskopobjektiv kommenden reflektierten Strahlen angeordnete Trennelemente (37,38) umfassen, zum Trennen der UV-Komponente von der sichtbaren Komponente, zum Umlenken der UV-Komponente auf den Sensor (39) einer UV-Matrixkamera (41) und zum Umlenken der sichtbaren Komponente auf den Sensor (40) einer Matrixkamera (42) für sichtbares Licht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Strahlengang der vom Mikroskopobjektiv kommenden reflektierten Strahlen angeordnete Trennelemente (38,46) umfaßt, zum Umlenken wenigstens eines Teils der Energie der reflektierten Strahlen auf den Sensor (47) einer Farbkamera (48) welche eine visuelle Darstellung des beobachteten Objekts (20,20') liefert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Strahlengang der vom Objektiv kommenden reflektierten Strahlen angeordnete Mittel (51) umfaßt, zum Leiten wenigstens eines Teils der Energie der reflektierten Strahlen auf spektralphotometrische Analysemittel (52) und zum Minimieren der Kontraste zwischen dem Objekt und seiner unmittelbaren Umgebung, ausgehend von Datenverarbeitungsmitteln (41) für von der oder den Matrixkameras (41,42) erhaltene Signale.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsmittel für die von der oder den Matrixkameras (41,42) kommenden Signale Mittel zum Messen und zur automatischen Kontrolle der Breite von Strichen (20) auf einem Leiterbahnen von integrierten Schaltungen tragenden Wafer (3) umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsmittel (44) für die von der oder den Matrixkameras (41,42) erhaltenen Signale Mittel zum Messen und zur automatischen Kontrolle der Überdeckung dünner Schichten (20') umfaßt, welche für einen Leiterbahnen von integrierten Schaltungen tragenden Wafer (3) wesentlich sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Kohärenzlicht-Interferometrie- Mittel (33) umfaßt, zum Positionieren eines Tisches (4), auf welchem das beobachtete Objekt angeordnet ist, in bezug auf eine Referenzposition wobei die Mittel einen Referenzspiegel (71), der starr mit dem Meßobjektiv (73) verbunden ist, umfassen, sowie einen Spiegel (74), der starr mit dem Tisch (4) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, die dazu bestimmt ist, die Überdeckung zwischen zwei Objekten zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsmittel (44) vorgesehen sind zum Durchführen einer Interkorrelationsfunktionsberechnung der räumlichen Signale und der symmetrischen Signale dieser Signale in bezug auf einen willkürlichen räumlichen Ursprung.