DD290337A7

DD290337A7 - Verfahren zur hochgenauen laengenmessung an messobjekten

Info

Publication number: DD290337A7
Application number: DD32329488A
Authority: DD
Inventors: Thomas Chudoba; Bertram Hauffe
Original assignee: Forschungszentrum Mikroelektronik Dresden,De
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1991-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen Laengenmessung an Meszobjekten, insbesondere an Schablonen zur fotolithografischen Strukturierung unter Verwendung eines Zweikoordinatenmeszgeraetes bei gleichzeitiger Kompensation von Temperaturunterschieden. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz in einem ersten Verfahrensschritt die Zeitfunktion fuer die Laengenaenderung eines Meszobjektes in der Weise ermittelt wird, dasz von zwei festgelegten weit auseinanderliegenden Meszmarken mehrfach die Ortskoordinaten bestimmt und einschlieszlich der Meszzeitpunkte mittels Steuerrechner abgespeichert werden. In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt die Messung von einem oder mehreren Meszobjekten gleicher Geometrie und gleichen Materials zur Bestimmung der Ortskoordinaten an mehreren, mindestens an zwei weit auseinanderliegenden Meszmarken, wobei die zwei weit auseinanderliegenden Meszmarken sofort nacheinander und alle anderen beliebigen Meszmarken in gleichmaeszigen Zeitabstaenden mehrfach vermessen werden. Mittels Steuerrechner und interner Zeiteinheit erfolgt das Erfassen und Abspeichern der Meszzeitpunkte der Ortskoordinaten der zwei weit auseinanderliegenden Meszmarken. In einem dritten Verfahrensschritt wird die im ersten Schritt ermittelte allgemeine Zeitfunktion fuer das Abklingverhalten von Temperaturdifferenzen definierter Meszobjekte mit den im zweiten Schritt ermittelten zeitlich festgelegten Laengenaenderungen der zwei weit auseinanderliegenden Meszmarken mittels Steuerrechner verglichen und anhand dessen werden Korrekturwerte fuer die Ortskoordinaten aller festgelegten Meszmarken aus dem zweiten Schritt bestimmt.{fotolithografische Strukturierung; Laengenmesz-Verfahren; Zweikoordinatenmeszgeraet; Schablone; Temperaturkompensation; Laengenaenderung; weit auseinanderliegende Meszmarken; Steuerrechner; Korrekturwerte}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen Längenmessung an Meßobjekten, insbesondere an Schablonen zur fotolithografischen Strukturierung unter Verwendung eines Zweikoordinatenmeßgerätes bei gleichzeitiger Kompensation von Temperaturunterschieden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind Verfahren zur hochgenauen Längenmessung, bei denen ein Ausgleich von Temperaturunterschieden zwischen Meßgerät und Meßobjekt dadurch erreicht wird, daß die Meßobjekte solange in einem mittels Regelkreises temperierten Meßraum des Meßgerätes liegen, bis der Temperaturunterschied unter eine festgelegte Grenze abgeklungen ist. Es ist auch üblich, daß die Meßobjekte in einer separaten Klimakammer mit Temperaturregelkreis liegen, welche die Temperatur des Meßraumes aufrechterhält. In beiden Fällen ist nach Anlieferung der Meßobjekte ein Zeitaufwand von 0,5-7 h für die Temperierung notwendig, bevor mit der Messung begonnen werden kann. Im ersten Fall ist das Meßgerät außerdem für den Temperierzeitraum blockiert und kann nicht genutzt werden. Der Aufwand für das Betreiben einer separaten Klimakammer mit genauer Regelung (wie in Productronic 3/87-Vorstellung der Maskeninspektionsmaschine LMS 2000 zur hochgenauen Messung von Strukturen und Koordinaten angegeben) ist sehr groß.

Ein weiteres bekanntes Verfahren gemäß DD-WP 248865 minimiert den Einfluß der Störgröße Temperatur bei Längenmessungen dadurch, daß sich die Empfängeranordnungen von zwei Abtastninrichtungen auf Materialien befinden, die sich im Längenausdehnungskoeffizienten wesentlich unterscheiden und daß nach Auswertung der Messung von einem Rastermaßstab eine rechnerische Korrektur der Meßwerte erfolgt. Das Verfahren erfordert durch die Nutzung zweier Abtasteinrichtungen einen hohen apparativen Aufwand und ist außerdem nur anwendbar, wenn für die Materialien mit den Abtasteinrichtungen und das Meßobjekt etwa gleiches Abklingverhalten von Temperaturunterschieden auftritt. Das kann aber nicht angenommen werden.

Bei den Verfahren und Einrichtungen nach DD-WP 210746 und DE-OS 2830980 wird der umgekehrte Fall genutzt, das heißt, nicht die Abtasteinrichtungen, sondern die Maßstäbe befinden sich auf zwei Materialien mit verschiedenen Länyenauedehnungskoeffizienten. Die unterschiedlichen Ergebnisse bei Messung dieser Maßstäbe werden zur Korrektur der Meßwerte vom Meßobjekt benutzt. Auch dabei ist Voraussetzung, daß das Abklingverhalten von Temperaturunterschieden zwischen den Materialien mit den Rastermaßstäben und dem Meßobjekt gegenüber dem Meßgerät gleich ist. Die Rastermaßstäbe müssen vor der Messung unter denselben thermischen Bedingungen lagern wie das Meßobjekt. Dies ist jedoch nicht realisierbar, wenn das Meßobjekt nach vorausgehenden Bearbeitungsschritten zur Messung angeliefert wird. Ein weiteres Verfahren (DE-OS 324 207) korrigiert die Temperaturabhängigkeit von Meßsignalen, indem bei Messungen festgelegter Art einmal ein Temperaturbereich durchfahren wird und durch Temperaturfühler zu bestimmten Temperaturen das Frf assen von Meßwerten ausgelöst wird. Die gewonnenen Wertepaare werden gespeichert und in eine mathematische Funktion umgewandelt, die zur Korrektur weiterer Meßwerte zur Verfügung steht. Bei vielen Meßobjekten ist es jedoch sehr aufwendig oder nicht möglich, ihre Temperatur mit der erforderlichen Genauigkeit während der Messung zu ermitteln, um die entsprechenden Korrekturwerte zuzuordnen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei höchster Meßgenauigkeit die Temperierzeit der Meßobjekte, die einen wesentlichen Teil der Gesamtmeßzeit ausmacht, entscheidend zu verringert· und damit den Zeitabstand zwischen Anlieferung der Meßobjekte und Vorliegen der Meßergebnisse zu verkürzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur hochgenauen Längenmessung an Meßobjekten zu entwickeln, bei dem Temperaturunterschiede zwischen Meßobjekt und temperierter Meßkammer eines Zweikoordinatenmeßgerätes, die sich in einer zeitabhängigen Längenänderung des Meßobjektes ausdrucken, kompensiert werden.

Zur Realisierung des Verfahrens wird das Zweikoordinatenmeßgerät mit temperierter Meßkammer in Verbindung mit Mitteln zum Konstanthalten und Messen der Meßkammertemperatur, zur Feststellung der Meßzeitpunkte und einem Steuerrechner, der die entsprechenden Meßwerte abspeichert und verarbeitet, eingesetzt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Meßobjekt in die temperierte Meßkammer gebracht wird, deren Temperatur elektronisch erfaßt und konstant gehalten wird. Das thermische Ausdehnungsverhalten des Meßobjektes wird mit Hilfe zweier Meßmarken und einer internen Zeiteinheit des Steuerrechners bestimmt und mittels Steuerrechners werden Korrekturwerte für die Meßwerte ermittelt. Dafür sind drei Teilschritte notwendig. In einem ersten Schritt wird mittels Zweikoordinatenmeßgerätes und angeschlossenem Steuerrechner die allgemeine Zeitfunktion für die Längenänderung des Meßobjektes, insbesondere Schablone zur fotolithografischen Strukturierung, bestimmt. Dazu wird das Meßobjekt auf eine gegenüber der temperierten und vorzugsweise ovakuierten Meßkammer um 1-10K abweichende Temperatur gebracht. Anschließend werden fortlaufend in Intervallen von einigen Minuten die Ortskoordinaten zwei weit auseinanderliegender, vor der Messung festgelegter Meßmarken sofort nacheinander auf dem Meßobjekt über einen Zeitraum, in dem ein annähernder Temperaturausgleich zwischen dem Meßobjekt und der Meßkammer erreicht wird, vermessen. Mittels Steuerrechners und interner Zeiteinheit werden die Meßzeitpunkte und die Ortskoordinaten abgespeichert.

Aus diesen Werten wird eine Zeitkonstante für das Abklingverhalten von Temperaturunterschieden des definierten Meßobjektes bestimmt. Dabei wird der Zusammenhang zwischen den Temperaturdifferenzen ΔΤ und den gemessenen Längenänderungen ΔΙ durch die Formel für die lineare thermische Ausdehnung ΔΙ = α · I₀ · ΔΤ hergestellt, wobei α der lineare Ausdehnungskoeffizient und I₀ der Abstand zwischen den beiden Meßmarken bei einer konstanten Meßkammertemperatur sind. Die Art des Abklingverhaltens hängt davon ab, ob die Meßobjekte in Luft lagern und somit die Wärmeübertragung im wesentlichen durch Konvektion und Wärmeleitung erfolgt oder ob sie im Vakuum lagern und die Wärme durch Wärmestrahlung übertragen wird. In einem 2.Schritt erfolgt die Messung an vorzugsweise mehreren Meßobjekten obiger Art nacheinander im selben Meßgerätzu einem beliebigen Zeitpunkt nach Einlegen in die Meßkammer und bereits während einer Temperaturänderung des jeweiligen Meßobjekts, so daß wesentliche Zeit für das Austemperieren des Meßobjektes eingespart wird.

Mit dieser Messung werden die Ortskoordinaten von mehreren, mindestens von zwei beliebigen weit auseinanderliegenden Meßmarken bestimmt.

Die zwei weit auseinanderliegenden Meßmarken werden sofort nacheinander und alle anderen Meßmarken fortlaufend in gleichmäßigen oder beliebigen Zeitabständen und beliebiger Reihenfolge vermessen. Werden alle Meßmarken in beliebigen Zeitabstanden und beliebiger Reihenfolge vermessen, sind alle Zeitpunkte der Messungen mittels der Zeiteinheit des Steuerrechners abzuspeichern, ansonsten nur die der zwei weit auseinanderliegenden Meßmarken. In einem dritten Schritt wird die im ersten Schritt ermittelte allgemeine Zeitfunktion für das Abklingverhalten von Temperaturunterschieden definierter Meßobjekte mit den im zweiten Schritt ermittelten zeitlich festgelegten Längenänderungen der zwei weit auseinanderliegenden Meßmarken verglichen. Das erfolgt durch ein mathematisches l'erationsverfahren unter Berücksichtigung der Absoluttemperatur der Meßkammer, die mittels Temperaturfühlers und Digitalisierungseinheit an den Steuerrechner übermittelt wird. Anhand dieses Vergleichs worden Korrekturwerte für die Ortskoordinaten aller im zweiten Schritt Festgelegten Meßmarken berechnet.

Ausführungsbelspiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur hochgenauen Längenmessung, Fig. 2: die ermittelte allgemeine Zeitfunktion für die Längenänderung des Meßobjektes in bezug auf zwei weit

auseinanderliegende Meßmarken, Fig. 3: die Zeitfunktion für die Längenänderung des Meßobjektes in bezug auf mehrere weit auseinanderliegende Meßmarken.

Das Zweikoordinatenmeßgerät 1 in Figur 1 ist eir. elektronisches Meßgerät, bei dem das Meßobjekt 2, vorzugsweise Schablone für die fotolithografische Strukturierung, in eine; evakuierten Meßkammer 3 lagert, die durch einen Thermostaten 4 auf einer konstanten Temperatur To von 20⁰C gehalten wird. Über einen Temperaturmeßfühler 5 und eine Digitalisierungseinheit 6 wird die Temperatur der Meßkammer 3 an den Steuerrechner 7 übermittelt, der eine interne Zeiteinheit 8 besitzt. Die Schablone 2 besteht aus LE-Glas mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten α = 3,7 · 10~^β K~' und hat insbesondere in einer Koordinatenrichtung an entgegengesetzten Enden im Abstand I₀ = 100mm zwei Meßmarken 9; 10. Zu Beginn der Messung zur Zeit t = 0 besitzt sie eine Temperatur T₁ und ruht auf vier punktförmigen Auflagen 11, die am Schablonenrand angeordnet sind. Dadurch kann Wärmeabgabe durch Wärmeleitung vernachlässigt werden, denn sie erfolgt im wesentlichen durch Wärmestrahlung. Der Temperaturausgleich zwischen Meßkammer 3 und Schablone 2 erfolgt exponentiell entsprechend der Formel:

ΔΙ = [1]

2«"Tν _±

(¹⁺wÄ,-)^e T-

wobei t - Zeit, τ- Zeitkonstante, ΔΙ - Längendifferenz zu I₀ mit ΔΙ (t —»«) = ο ist.

Da die Messung nur in endlichen Zeiten durchgeführt wird, setzt sich die Längendifferenz ΔΙ aus der gemessenen Differenz Δ l_m der zu den Zeitpunkten \ gemessenen Abständen der zwei Meßmarken 9; 10 und dem letzten gemessenen Abstand sowie einem Restwert ΔΙ, zusammen. Damit modifiziert sich die Formel [1 ] zu

/1₊ 2Ql₀T₀ \_t__

[ Al_n, (t = O) + ΔΙ_Γ ) τ

In einem ersten Schritt werden nun im Abstand von 10 min über einen Zeitraum von 6-7 h die beiden Meßmarken 9; 10 fortlaufend vermessen und die Zeitpunkte dieser Messungen sowie die genauen Ortskoordinaten mittels Steuerrechner 7 und interner Zeiteinheit 8 abgespeichert. Die Schablone 2 besitzt zu Beginn der Messung einen Temperaturunterschied zur Meßkammer 3 von 3-5 K, der durch Lagerung in einer Temperierbox oder in einem anderen Raum hergestellt werden kann. Anschließend werden mittels Steuerrechner über ein iteratives mathematisches Verfahren aus den Meßwerten mit Formel [2] die noch unbekannte Zeitkonstante τ und der Restwert ΔΙ, bestimmt und man erhält die in Figur 2 dargestellte Kennlinie. In einem zweiten Schritt erfolgen die eigentlichen Messungen zur Bestimmung der Ortskoordinaten beliebiger Meßmarken. Das Verfahren ist effektiv einsetzbar, wenn mehr als zwei Meßobjekte gleicher Art vermessen werden sollen. Die zu vermessende Schablone 2 hat nach dem Einschleusen in die Meßkammer 3 eine Temperatur von T₁ = 22⁰C, so daß sich der Abstand zweier 100mm auseinanderliegender Meßmarken um ΔΙ = 0,74Mm vergrößert hat. Um die Meß.genauigkeit zu erhöhen, werden entsprechend der Kennlinie in Figur 3 sechs Meßläufe durchgeführt, die jeweils über einen Zeitraum tML verlaufen und insgesamt etwa 1 h dauern. Zu Beginn und am Ende eines Meßlaufes werden zwei in einer Richtung weit auseinanderliegende Meßmarken, beispielsweise die Ausgleichsmarken, vermessen und der Zeitpunkt ihrer Messung mittels interner Zeiteinheit 8 des Steuerrechners 7 abgespeichert.

Dazwischen werden alle anderen in Anzahl und Reihenfolge festgelegten Meßmarken in gleichmäßigen Zeitabständen vermessen.

In einem dritten Schritt werden die Meßwerte des zweiten Schrittes mit Hilfe des Steuerrechners 7 an die im ersten Schritt ermittelte allgemeine Zeitfunktion für die Längenänderung auf der Schablone 2 über ein iteratives mathematisches Verfahren optimal angepaßt. Dazu wird die Größe ΔΙ, schrittweise vergrößert, bis die Differenzquadrate zwischen den Meßwerten ä\_m (ti) und der allgemeinen Kurve ΔΙ (t) ein Minimum betragen. Da die Messungen in etwa gleichmäßigen Abständen erfolgen und die Punktreihenfolge festliegt, ist auch der Zeitpunkt jeder einzelnen Messung bekannt. Durch das Einsetzen der Werte in Formel [2] unter Berücksichtigung der abgespeicherten Meßkammertemperatur T₀ und des Streckenverhältnisses Meßpunkt-Ausgleichspunkt zum Abstand I₀ der Ausgleichspunkte werden die Ortskoordinaten zunächst auf einen Wert für den Zeitpunkt

ΔΙ,

t_s„ korrigiert und dann durch Multiplikation mit dem Faktor 1 auf einen Wert für die Meßkammertemperatur T₀ bei

t -» »gebracht. Damit werden die Ortskoordinaten der festgelegten Meßmarken auch ohne dem zeitaufwendigen Austemperieren der Schablone 2 ermit'.elt.

Claims

1. Verfahren zur hochgenauen Längenmessung an Meßobjekten, insbesondere an Schablonen zur fotolithografischen Strukturierung unter Verwendung eines Zweikoordinatenmeßgerätes mit temperierter Meßkammer, worin sich das Meßobjekt mit davon abweichender Temperatur befindet, in Verbindung mit Mitteln zum Konstanthalten und Messen der Meßkammertemperatur, zur Feststellung von Meßzeitpunkten und einem Steuerrechner, der die entsprechenden Meßwerte abspeichert und verarbeitet, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensablauf

a) Bestimmung der Zeitfunktion für die Längenänderung eines Meßobjektes in der Weise, daß das Meßobjekt (2) auf eine gegenüber der temperierten Meßkammer (3) um 1-10K abweichende Temperatur gebracht wird und anschließend fortlaufend in Intervallen von einigen Minuten die Ortskoordinaten zwei weit auseinanderliegender, vor der Messung festgelegter Meßmarken (9; 10) auf dem Meßobjekt (2) über einen Zeitraum, in dem annähernd ein Temperaturausgleich zwischen dem Meßobjekt (2) und der Meßkammer (3) erreicht wird, vermessen und gemeinsam mit den von einer internen Zeiteinheit (8) festgehaltenen Meßzeitpunkten in dem Steuerrechner (7) abgespeichert werden.

b) Messung an einem Meßobjekt (2) gleicher Geometrie und gleichen Materials zur Bestimmung der Ortskoordinaten von mehreren, mindestens von zwei beliebigen, weit auseinanderliegenden Meßmarken zu einem beliebigen Zeitpunkt nach Einlegen des Meßobjektes (2) in die Meßkammer (3) und bereits während einer Temperaturänderung, wobei die zwei weit auseinanderliegenden Meßmarken in gleichmäßigen Zeitabständen in vor der Messung festgelegter Anzahl und Reihenfolge mehrfach über den Zeitraum der gesamten Messung vermessen und die Zeitpunkte für das Erfassen der Ortskoordinaten der zwei weit auseinanderliegenden Meßmarken mittels Steuerrechners (7) abgespeichert werden.

c) Vergleich der in Schritt a) ermittelten allgemeinen Zeitfunktion für das Abklingverhalten von Temperaturdifferenzen definierter Meßobjekte mit den in Schritt b) ermittelten zeitlich festgelegten Längenänderungen der zwei weit auseinanderliegenden Meßmarken mittels Steuerrechner (7) und anhand dessen Bestimmung von Korrekturwerten für die Ortskoordinaten aller festgelegten Meßmarken aus Schritt b), wobei der Vergleich durch ein mathematisches Iterationsverfahren unter Berücksichtigung der Absoluttemperatur der Meßkammer (3) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßmarken aus Schritt b) in beliebigen Zeitabständen und beliebiger Reihenfolge vermessen und die Zeitpunkte dieser Messungen mittels Steuerrechner (7) abgespeichert werden.