DE10142317A1

DE10142317A1 - Vorrichtung zur Bestimmung eines Überlagerungsfehlers und kritischer Dimensionen in einer Halbleiterstruktur mittels Streuungsmessung

Info

Publication number: DE10142317A1
Application number: DE10142317A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schulz
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: US6816252B2; US20030043372A1; DE10142317B4

Abstract

Eine Vorrichtung zum Ermitteln von Informationen über kritische Dimensionen und Überlagerungsgenauigkeit von Strukturelementen in einer Halbleiterstruktur umfasst eine Lichtquelle, einen Detektor und eine optische Einrichtung, die einen ersten optischen Strahlengang und einen zweiten optischen Strahlengang definiert. Der erste optische Strahlengang und der zweite optische Strahlengang sind in Übereinstimmung mit den entsprechenden Orientierungen von beugenden Mustern orientiert, die auf der Halbleiterstruktur vorgesehen sind, um die erforderliche Information ohne Notwendigkeit für eine Drehung der Halbleiterstruktur zu erhalten. Dies stellt einen deutlich höheren Durchsatz sicher.

Description

GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere eine Vorrichtung für messtechnische Aufgaben mittels Steuerungsmessung.

Beschreibung des Stands der Technik

Die Herstellung integrierter Schaltungen erfordert, dass kleine Gebiete mit präzise gesteuerter Größe in einer Materialschicht eines geeigneten Substrats, etwa eines Siliziumsubstrats, gebildet werden. Diese kleinen Gebiete mit präzise gesteuerter Größe werden durch Behandeln der Materialschicht mittels beispielsweise Ionenimplantation oder Ätzung erzeugt, wobei eine Maskenschicht über der zu behandelnden Materialschicht gebildet wird, um diese kleinen Gebiete zu definieren. Im Allgemeinen kann eine Maskenschicht aus einer Schicht aus Fotolack bestehen oder damit gebildet werden, die mittels eines lithografischen Prozesses strukturiert ist. Während des lithografischen Prozesses kann der Fotolack auf das Wafersubstrat aufgeschleudert werden und wird anschließend selektiv mit ultravioletter Strahlung belichtet. Nach Entwicklung des Fotolacks werden abhängig von der Art des Fotolacks - Positivlack oder Negativlack - die belichteten Bereiche oder die nichtbelichteten Bereiche entfernt, um das geforderte Muster in der Fotolackschicht zu bilden. Da die Abmessungen der Muster in modernen integrierten Schaltungen ständig kleiner werden, müssen die Anlagen zum Strukturieren von Elementstrukturen sehr strenge Anforderungen hinsichtlich der Auflösung der beteiligten Herstellungsvorgänge erfüllen. In diesem Zusammenhang wird Auflösung als ein Maß betrachtet, das die gleichbleibende Fähigkeit spezifiziert, Bilder mit minimaler Größe unter vordefinierten Herstellungsschwankungen zu drucken. Einen wichtigen Faktor bei der Verbesserung der Auflösung stellt der lithografische Prozess dar, in dem die in einer Fotomaske oder Retikel enthaltenen Muster optisch auf das Substrat mittels eines optischen Abbildungssystems übertragen werden. Daher werden große Anstrengungen unternommen, um die optischen Eigenschaften des lithografischen Systems, etwa die numerische Apertur, die Fokustiefe, und die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle ständig zu verbessern.

Die Qualität der lithografischen Abbildung ist äußerst wichtig bei der Erzeugung sehr kleiner Strukturgrößen. Von vergleichbarer Bedeutung ist jedoch auch die Genauigkeit, mit der ein Bild auf der Oberfläche des Substrats positioniert werden kann. Integrierte Schaltungen werden durch sequentielles Strukturieren von Materialschichten hergestellt, wobei Strukturelemente auf aufeinanderfolgenden Materialschichten eine räumliche Beziehung zueinander aufweisen. Jedes in einer nachfolgenden Materialschicht gebildete Muster muss zu einem entsprechenden, in der vorhergehenden Materialschicht gebildeten Muster innerhalb spezifizierter Justiertoleranzen ausgerichtet werden. Diese Justiertoleranzen werden beispielsweise durch eine Variation eines Fotolackbildes auf dem Substrat aufgrund von Ungleichförmigkeiten von Parametern, wie etwa Fotolackdicke, Ausbacktemperatur, Belichtung und Entwicklung hervorgerufen. Ferner können Ungleichförmigkeiten bei den Ätzprozessen zu Abweichungen in den geätzten Strukturelemente führen. Ferner gibt es eine Unsicherheit bei der Überlagerung des Bildes des Musters für die momentane Materialschicht zu dem geätzten Muster der vorhergehenden Materialschicht, wenn das Bild fotolithografisch auf das Substrat übertragen wird. Mehrere Faktoren tragen dazu bei, dass das Abbildungssystem nicht in der Lage ist, zwei Schichten in perfekter Weise zu überlagern, etwa Unzulänglichkeiten innerhalb eines Maskensatzes, Temperaturunterschiede zwischen den Zeitpunkten der Belichtung, und eine begrenzte Justierfähigkeit der Justiervorrichtung. Folglich sind die dominierenden Kriterien zur Bestimmung der minimalen Strukturgröße, die schließlich erreichbar ist, die Auflösung für das Erzeugen von Strukturelementen in einzelnen Substratebenen und der gesamte Überlagerungsfehler, zu dem die oben erläuterten Faktoren, insbesondere die Lithografieprozesse, beitragen.

Daher ist es äußerst wichtig, die Auflösung, d. h. die Fähigkeit zuverlässig und reproduzierbar die minimale Strukturgröße zu erzeugen, die ebenso als kritische Abmessung bzw. Dimension (CD) bezeichnet wird, in einer spezifischen Materialschicht zu überwachen und ständig die Überlagerungsgenauigkeit von Mustern von zwei nacheinander gebildeten Materialschichten zu bestimmen. In jüngster Zeit ist das Streumessungsverfahren zu einem mächtigen Werkzeug bei der Bestimmung eines periodischen Musters aus Strukturelementen mit einer Größe im Bereich von 1 µm bis 0,1 µm geworden. Bei der Streumessungsanalyse wird das Substrat, das eine periodische Struktur enthält, mit Strahlung eines geeigneten Wellenlängenbereichs belichtet und das gebeugte Licht wird detektiert. Es können viele Arten von Vorrichtungen zur Belichtung und Erfassung des gebeugten Lichtstrahls verwendet werden. US-Patent 5,867,276 beschreibt einen sogenannten Zwei-θ-Streumesser, wobei der Einfallswinkel eines Lichtstrahls kontinuierlich durch gleichzeitiges Drehen der Probe und des Detektors variiert wird. Ferner beschreibt dieses Dokument ein Linsenstreuungsmessungssystem unter Anwendung eines rotierenden Blocks, um einen Lichtstrahl, der von einer Lichtquelle emittiert wird, zu unterschiedlichen Stellen der Eingangsapertur einer Linse zu lenken, um das Substrat unter unterschiedlichen Einfallswinkeln zu belichten. Des Weiteren beschreibt dieses Dokument einen Streuungsmesser mit einem fixierten Einfallswinkel, wobei eine Belichtungsquelle mit mehreren Wellenlängen verwendet wird, um die erforderliche Information aus dem gebeugten Strahl mit mehreren Wellenlängen zu erhalten. Aus dieser in dem Messspektrum enthaltenen Information können die optischen und dimensionalen Eigenschaften der einzelnen Elemente, die die periodische Struktur bilden, und die Dicke darunter liegender Schichten beispielsweise durch statistische Verfahren ermittelt werden. Die interessierenden Probenparameter können die Breite von Linien, wenn das periodische Muster Linien und Abstände enthält, deren Seitenwandwinkel und andere strukturelle Details einschließen. Im Falle einer komplexeren periodischen Struktur mit beispielsweise einer zweidimensionalen Periodizität können die Parameter räumliche Eigenschaften, etwa einen Lochdurchmesser oder eine Tiefe, einschließen. Es sollte erwähnt werden, dass in der vorliegenden Anmeldung der Begriff "Streuungsmesser" auch Geräte mit einschließt, die einen im Wesentlichen linear polarisierten Lichtstrahl aussenden, etwa wie ein Ellipsometer, um strukturelle Informationen hinsichtlich der Änderungen in dem Polarisationszustand durch Erfassen und Analysieren des von der periodischen Struktur gestreuten Lichtstrahls zu erhalten.

Typischerweise zeigen die Beugungsmuster, die zur Messung kritischer Dimensionen und der Überlagerungsgenauigkeit verwendet werden, eine Periodizität entlang einer vordefinierten Richtung. Folglich sind zwei beugende Muster vorgesehen, die eine Periodizität aufweisen, die entlang zweier orthogonaler Richtungen definiert ist, um die Qualität der kritischen Abmessung hinsichtlich der beiden Richtungen zu überwachen. Diese Anordnung erfordert jedoch das Drehen des Substrats und das erneute Justieren des Substrats gegenüber der Messvorrichtung, etwa einem spektroskopischen Ellipsometer, das in Halbleiterfabriken häufig verwendet wird. Das Drehen und das erneute Justieren des Substrats verringert jedoch den Durchsatz erheblich.

Daher gibt es einen Bedarf für eine Vorrichtung, die zur Messung kritischer Dimensionen und der Überlagerungsgenauigkeit verwendet wird, die genaue Messungen mit hoher Effizienz erlaubt.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Angesichts der oben aufgeführten Probleme wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Messen kritischer Dimensionen und Überlagerungsfehler in einer Hableiterstruktur bereitgestellt, wobei die Halbleiterstruktur ein erstes beugendes Muster, das in einer ersten Richtung orientiert ist, und ein zweites beugendes Muster, das in einer zweiten Richtung orientiert ist, umfasst. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lichtquelle zum Aussenden zumindest eines Lichtstrahls, mehrere erste Ablenkelemente, die einen ersten optischen Strahlengang zum Leiten eines ersten Lichtstrahles zu dem ersten beugenden Muster und mehrere zweite Ablenkelemente, die einen zweiten Strahlengang zum Lenken eines zweiten Lichtstrahls auf das zweite beugende Muster definieren. Die Vorrichtung umfasst fernen einen Detektor, der optisch an die ersten und zweiten Strahlengänge koppelbar ist, um einen von jeweils den ersten und zweiten beugenden Mustern gebeugten Lichtstrahl zu empfangen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln von Informationen über kritische Dimensionen und eine Überlagerungsgenauigkeit von Strukturelementen, die in einer Halbleiterstruktur gebildet sind, bereitgestellt, wobei die Halbleiterstruktur ein erstes beugendes Muster, das in Bezug zu einer ersten Richtung orientiert ist, und ein zweites beugendes Muster, das in Bezug zu einer zweiten Richtung orientiert ist, aufweist. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle zum Aussenden zumindest eines Lichtstrahles und zumindest eine optische Faser, um einen ersten optischen Strahlengang und einen zweiten optischen Strahlengang zu definieren. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Detektor, der optisch an die ersten und zweiten Strahlengängen ankoppelbar ist, um einen von jeweils den ersten und zweiten beugenden Mustern gebeugten Lichtstrahl zu empfangen.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt die Detektion erster und zweiter Lichtstrahlen, die von den unterschiedlich orientierten ersten und zweiten beugenden Mustern gebeugt sind. Somit ist eine zeitaufwendige Drehung des Substrats und eine erneute Justierung nicht mehr notwendig. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft in Kombination mit bestehenden Streumessern, etwa einem spektroskopischen Ellipsometer, da das Ellipsometer sowohl als Lichtquelle als auch als Detektor der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist. Um daher die gesamte Information über kritische Dimensionen zu erhalten, oder um die gesamte Überlagerungsinformation zu ermitteln, wenn die ersten und zweiten beugenden Muster Informationen über die Überlagerungsgenauigkeit von Strukturelementen, die durch zwei aufeinanderfolgende fotolithografische Prozesse gebildet sind, können ein oder mehrere Messstellen, d. h., ein oder mehrere beugende Muster in einer ununterbrochenen Sequenz aufgesucht werden. Die den Wafer haltende Halterung wird über die Distanz zwischen den beugenden Mustern linear bewegt, ohne den Wafer zu drehen. Somit wird im Vergleich zu einer konventionellen Vorrichtung, etwa ein spektroskopisches Ellipsometer, ein deutlicher Anstieg des Durchsatzes erreicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht der optischen Einrichtung einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer anschaulichen Ausführungsform, die in der Lage ist, gleichzeitig zwei unterschiedlich orientierte beugende Muster zu messen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen gezeigt sind, beschrieben ist, ist es selbstverständlich, dass die vorliegende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten anschaulichen Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen zeigen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Vorrichtung 100 für messtechnische Zwecke von kritischen Dimensionen und der Überlagerungsgenauigkeit umfasst eine Lichtquelle 101 und einen Detektor 102. Die Lichtquelle 101 kann ausgebildet sein, um einen Lichtstrahl mit einer breiten spektralen Zusammensetzung bereitzustellen, oder diese kann ausgebildet sein, um einen Lichtstrahl einer oder mehrerer Wellenlängen, die sich über einen relativ engen Wellenlängenbereich erstrecken, bereitzustellen. Der Detektor 102 kann ein oder mehrere dispersive optische Elemente umfassen, die in der Lage sind, spektral aufgelöste Informationen hinsichtlich eines empfangenen Lichtstrahls zu liefern. Insbesondere kann der Detektor 102 ausgebildet sein, um Informationen über den Polarisationszustand eines empfangenen Lichtstrahls bereitzustellen. Des Weiteren kann ein spektroskopisches Ellipsometer, wie dieses zur Analyse optischer Eigenschaften von Materialschichten, die auf einem Halbleitersubstrat gebildet sind, verwendet wird, als die Lichtquelle 101 und der Detektor 102 eingesetzt werden. Mehrere Ablenkspiegel 103-108 definieren einen ersten optischen Strahlengang 109 und einen zweiten optischen Strahlengang 110. An einem Gebiet 111, in dem sich der erste Strahlengang 109 und der zweite Strahlengang 110 schneiden, ist ein Substrathalter 112 vorgesehen, der eine Halbleiterstruktur mit ersten und zweiten beugenden Mustern, die in zwei unterschiedlichen Richtungen orientiert sind, etwa in der X-Richtung und der Y-Richtung wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, wobei der erste Strahlengang 109 der X-Richtung entspricht und der zweite Strahlengang 110 der Y-Richtung entspricht. Der Ablenkspiegel 103 und der Ablenkspiegel 108 sind mechanisch jeweils mit einer Schaltvorrichtung 113 und 114 gekoppelt, um den Ablenkspiegel 103 und den Ablenkspiegel 108 jeweils optional in dem ersten und zweiten Strahlengang 109 und 110 anzuordnen. Ein Teil des ersten Strahlenganges 109, der auf das Gebiet 111 trifft, liegt in einer ersten Einfallsebene parallel zu der X- Richtung. Ein Teil des zweiten Strahlenganges 110, der auf das Gebiet 111 trifft, liegt in einer zweiten Einfallsebene parallel zu der Y-Richtung.
Im Betrieb wird eine Halbleiterstruktur, etwa ein Wafer, mit unterschiedlich orientierten beugenden Mustern auf dem Substrathalter 112 befestigt und hinsichtlich der X- und Y-Richtung ausgerichtet. Der Substrathalter 112 wird zu dem Gebiet 111 verfahren und eines der beugenden Muster, beispielsweise das Muster entsprechend der X-Richtung, wird so justiert, um einen von der Lichtquelle 101 und sich entlang dem ersten Strahlengang 109 ausbreitenden Lichtstrahl zentral zu empfangen. Die Schalteinrichtung 113 wird betätigt, um den Ablenkspiegel 103 aus dem Strahlengang 109 zu entfernen. Die Schalteinrichtung 113 kann eine bewegte Halterung (nicht gezeigt) aufweisen, um den Ablenkspiegel 103 durch eine geradlinige Bewegung zu entfernen, und/oder die Schalteinrichtung 113 kann eine Drehhalterung (nicht gezeigt) aufweisen, um den Ablenkspiegel 103 durch Rotation zu entfernen. In gleicher Weise wird die Schalteinrichtung 114 betätigt, um den Ablenkspiegel 108 so anzuordnen, um einen Lichtstrahl von dem Ablenkspiegel 106 zu empfangen und diesen auf den Detektor 102 zu lenken. Nach der Analyse des von einem ersten beugenden Muster gebeugten und zu dem Detektor 102 durch die Ablenkspiegel 106 und 108 geführten Lichtstrahls wird die Schalteinrichtung 113 aktiviert, um den Ablenkspiegel 103 in dem Strahlengang 109 anzuordnen, um den von der Lichtquelle 101 ausgesandten Lichtstrahl zu dem Ablenkspiegel 104 umzulenken. Der Ablenkspiegel 104 reflektiert den Lichtstrahl zu dem zweiten beugenden Muster, das beispielsweise in der X-Richtung orientiert ist. Der gebeugte Lichtstrahl wird dann über den Ablenkspiegel 107 zu dem Detektor geleitet, wobei die Schalteinrichtung 114 betätigt wird, um den Ablenkspiegel 108 aus dem zweiten Strahlengang 110 zu entfernen. Abhängig von der Position der beugenden Muster, kann es notwendig sein, den Substrathalter 112 in eine der Richtungen X und Y zu bewegen, um den sich entlang der ersten und zweiten Strahlengänge 109 und 110 ausbreitenden Lichtstrahl präzise in der Mitte anzuordnen. In einer Ausführungsform sind die optischen Eigenschaften der reflektierenden Spiegel 103 bis 108 im Wesentlichen identisch, so dass Messergebnisse für die beiden Richtungen ohne einen Einfluss der Ablenkspiegel 103-108 direkt miteinander vergleichbar sind. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, eine symmetrische Anordnung hinsichtlich der Anzahl an Ablenkspiegel, die zur Definition der ersten und zweiten Strahlengänge 109 und 110 verwendet werden, vorzusehen. In der vorliegenden Ausführungsform werden die ersten und zweiten Strahlengänge 109, 110 jeweils durch drei Ablenkungen definiert. Insbesondere für polarisationssensitive Anwendungen ist eine symmetrische Anordnung vorteilhaft, da zusätzliche Reflexionen in einem der Strahlengänge zu einer Änderung des Polarisationszustandes des gebeugten Strahls in für jeweils die ersten und zweiten Strahlengänge unterschiedlicher Weise führen kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 2 umfasst eine Vorrichtung 220 zur Messung kritischer Dimensionen und der Überlagerungsgenauigkeit eine Lichtquelle 201, mehrere Ablenkspiegel 203 bis 208, die jeweils einen ersten Strahlengang 209 und einen zweiten Strahlengang 210 definieren. Ein Substrathalter 212 ist ausgebildet, um eine Halbleiterstruktur, etwa einen Wafer, aufzunehmen, die an einem Gebiet 211 angeordnet ist, indem sich die ersten und zweiten Strahlengänge 209 und 210 schneiden. Ein Detektor 202 umfasst einen ersten Detektionsbereich 221 und einen zweiten Detektionsbereich 222, um einen ersten und einen zweiten abgelenkten Lichtstrahl zu empfangen. Der Ablenkspiegel 203 ist teilweise durchlässig, so dass ein auf den Ablenkspiegel 203 einfallendes Licht teilweise reflektiert und teilweise durch den Ablenkspiegel 203 hindurchgeht. Das Verhältnis zwischen der Durchlässigkeit und der Reflektivität des Ablenkspiegels kann in einer Ausführungsform zu ungefähr 0,5 gewählt werden. Es kann jedoch ein anderes Verhältnis für die Intensitäten der sich entlang der ersten und zweiten Strahlengänge 209, 210 ausbreitenden Lichtstrahlen verwendet werden.
Es kann ein optionales Transmissionselement 220 in dem zweiten Strahlengang 210 vorgesehen sein, um das zusätzliche "Transmissionsereignis" zu kompensieren, das ein Lichtstrahl in dem ersten Strahlengang 209 bei einem Durchlaufen durch den Ablenkspiegel 203 erfährt. Durch Vorsehen des Transmissionselements 220 ist die Anzahl an Reflexionen und Transmissionen in dem ersten Strahlengang 209 und in dem zweiten Strahlengang 210 gleich. Die Lage des Transmissionselements 220 in dem zweiten Strahlengang 210 ist nicht entscheidend und das Transmissionselement kann beispielsweise zwischen dem zweiten Detektionsbereich 221 und dem Ablenkspiegel 207, oder zwischen den Ablenkspiegeln 203 und 204 angeordnet werden.
In einer anschaulichen Ausführungsform ist die kombinierte Durchlässigkeit des Ablenkspiegels 203 und des Transmissionselements 220 so gewählt, dass diese im Wesentlichen an die Reflektivität des Ablenkspiegels 203 angepasst ist, wodurch eine im Wesentlichen gleiche Lichtintensität in den ersten und den zweiten Strahlengängen 209, 210 bereitgestellt wird.
Beim Betrieb wird ein Lichtstrahl von der Lichtquelle 201 ausgesendet und erreicht den Ablenkspiegel 203, wo ein Teil des Lichtes reflektiert wird, um sich entlang dem zweiten Strahlengang 210 zu dem Ablenkspiegel 204 auszubreiten. Der Teil des einfallenden Lichtstrahls, der durch den Ablenkspiegel 203 hindurchläuft, breitet sich entlang dem ersten Strahlengang 209 zu dem Ablenkspiegel 205 aus. In einer anschaulichen Ausführungsform ist der Ablenkspiegel 203 so gestaltet, dass ungefähr 50% des ankommenden Lichts reflektiert und 50% durchgelassen werden. Die Ablenkspiegel 204 und 205 sind so positioniert, dass die daran reflektierten Lichtstrahlen die auf dem Substrathalter 212 montierte Halbleiterstruktur an entsprechenden beugenden Mustern treffen, die in Übereinstimmung mit den Richtungen der ersten und zweiten Strahlengänge 209 und 210 orientiert sind. Das von einem beugenden Muster gebeugten und sich entlang dem zweiten Strahlengang 210 ausbreitende Licht trifft an dem Ablenkspiegel 207 ein und wird auf das Transmissionselement 220 gelenkt, an dem ein Teil des gebeugte Lichts, abhängig von der Durchlässigkeit des Transmissionselements 220, durch das Transmissionselement 220 hindurchgeht, und in den zweiten Detektionsbereich 221 eindringt. Das von dem anderen beugenden Muster gebeugte und sich entlang dem ersten Strahlengang 209 ausbreitende Licht trifft an dem Ablenkspiegel 206 ein und wird von dem Ablenkspiegel 208 reflektiert, wo der Lichtstrahl reflektiert wird, um an dem ersten Detektionsbereich 222 einzutreffen. Erwähnt werden sollte, dass der von der Lichtquelle 201 ausgesandte und sich entlang dem ersten Strahlengang 209 ausbreitende Lichtstrahl die gleichen "Ablenk- und Transmissions-Ereignisse" erfährt" wie der sich entlang dem zweiten Strahlengang 201 ausbreitende Lichtstrahl. Folglich kennzeichnen die aus dem zweiten Detektionsbereich 221 und dem ersten Detektionsbereich 222 gewonnenen Messergebnisse unmittelbar den Unterschied der unterschiedlich orientierten beugenden Muster. Somit erlaubt diese Ausführungsform, gleichzeitig Information über die kritische Dimension und/oder die Überlagerungsgenauigkeit von beugenden Mustern zu ermitteln, die in zwei unterschiedlichen Richtungen orientiert sind. Ferner sind keine beweglichen Ablenkspiegel erforderlich.
In einer weiteren Variation ist der Ablenkspiegel 207 so justiert, um den Lichtstrahl auf den ersten Detektionsbereich 222 zu richten. In dem ersten Detektionsbereich 222 werden dann die spektralen Eigenschaften der kombinierten Lichtstrahlen der Strahlen, die von den unterschiedlich orientierten beugenden Mustern gebeugt sind, analysiert. Abhängig von den beugenden Eigenschaften der beugenden Muster sowie den spektralen Eigenschaften des von der Lichtquelle 201 gelieferten Lichtstrahls kann ein einzelner Detektionsbereich 222 ausreichend sein, um die erforderliche Information über die kritischen Dimensionen und/oder die Überlagerungsgenauigkeit zu erhalten. Ferner kann der Ablenkspiegel 206 so positioniert werden, um den gebeugten Lichtstrahl zu dem zweiten Detektionsbereich 221 zu führen.
In einer weiteren Variation kann der Ablenkspiegel 207 mechanisch mit einem Betätigungselement (nicht gezeigt) gekoppelt sein, so dass der Ablenkspiegel 207 so positionierbar ist, um den gebeugten Lichtstrahl optional zu dem zweiten Detektionsbereich 221 oder dem ersten Detektionsbereich 222 zu lenken. Das gleiche gilt für den Ablenkspiegel 206.
Es sollte erwähnt werden, dass andere Anordnungen unter Verwendung von 1, 2, 4 oder mehr Ablenkspiegel zum Definieren der ersten und zweiten Strahlengänge angewendet werden können und im Bereich der vorliegenden Erfindung liegen. Ferner kann ein beliebiges optisches Element, das einen Lichtstrahl ablenken kann, etwa ein Prisma und dergleichen, als die Ablenkspiegel verwendet werden.
In einer weiteren in den Figuren nichtgezeigten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine oder mehrere optische Fasern, um erste und zweite optische Strahlengänge zu definieren. Beispielsweise ist eine Lichtquelle optisch mit der ersten Glasfaser verbunden, die einen Teil eines ersten Strahlengangs repräsentiert und den Lichtstrahl zu einem ersten beugenden Gebiet lenkt. Eine zweite Glasfaser, die so angekoppelt ist, um einen Lichtstrahl aus der Lichtquelle zu empfangen, ist so angeordnet, um den Lichtstrahl einem zweiten beugenden Gebiet zuzuführen, das in einer anderen Richtung als das erste beugende Gebiet orientiert ist. Der von beispielsweise einem spektroskopischen Ellipsometer gelieferte Lichtstrahl kann sequentiell oder gleichzeitig in die ersten und zweiten Glasfasern eingekoppelt werden. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Glasfasern polarisationserhaltende Typen. Die von den ersten und zweiten beugenden Gebieten gebeugten Strahlen werden vorteilhafterweise in entsprechende Glasfasern eingekoppelt, um die Strahlen zu einer Detektoreinrichtung zu führen. Wenn ein Einkanaldetektor verwendet wird, d. h. ein Detektor zum Analysieren eines Lichtstrahls zu einer Zeit, können die Glasfasern auf der Detektorseite durch einen die Glasfaser verbindenden Faserkoppler kombiniert werden. Somit kann ein bestehendes spektroskopisches Ellipsometer zur Bestimmung beugender Eigenschaften von unterschiedlich beugenden Gebieten, in sequentieller Weise oder gleichzeitig, verwendet werden.
In einer weiteren in den Figuren nichtgezeigten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine erste Glasfaser, eine zweite Glasfaser und einen Schalter, der mechanisch mit einem Ende der ersten und zweiten Glasfaser gekoppelt ist. In einer ersten Position definiert der Schalter einen ersten Strahlengang, um einen Lichtstrahl in einer ersten Einfallsebene einem beugenden Gebiet zuzuführen und den von dem beugenden Gebiet gebeugten Lichtstrahl zu einem Detektor zu führen. In einer zweiten Position definiert de Schalter einen zweiten Strahlengang, um einen Lichtstrahl in einer zweiten Einfallsebene zu dem beugenden Gebiet zuzuführen und den von dem beugenden Gebiet gebeugten Lichtstrahl zu dem Detektor zu lenken. Der Schalter kann ein Drehelement umfassen, das um einen Winkel von 90° in der Ebene, die durch die Oberfläche des beugenden Gebiets definiert ist, gedreht werden kann. Die Flexibilität der ersten und zweiten Glasfasern erlaubt einen schnellen Wechsel zwischen den ersten und zweiten Positionen, und daher kann eine rasche Messung mit unterschiedlichen Strahlengängen, d. h., unterschiedlichen Einfallsebenen, durchgeführt werden.
Weiter Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann auf dem Gebiet angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten unterschiedlichen Formen der Erfindung als die gegenwärtigen bevorzugten Ausführungsformen aufzufassen.

Claims

1. Vorrichtung zum Gewinnen von Information über kritische Dimensionen und Überlagerungsgenauigkeit von strukturellen Elementen, die auf einer Halbleiterstruktur gebildet sind, wobei die Halbleiterstruktur ein erstes beugendes Muster, das mit Bezug zu einer ersten Richtung orientiert ist, und ein zweites beugendes Muster, das mit Bezug zu einer zweiten Richtung orientiert ist, aufweist, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Lichtquelle zum Aussenden zumindest eines Lichtstrahls;
mehrere erste Ablenkelemente, die einen ersten optischen Strahlengang in einer ersten Einfallsebene entsprechend zu der ersten Richtung definieren, und mehrere zweite Ablenkelemente, die einen zweiten optischen Strahlengang in einer zweiten Einfallsebene entsprechend zu der zweiten Richtung definieren; und
einen Detektor, der mit den ersten und zweiten optischen Strahlengängen verbindbar ist, um einen Lichtstrahl, der jeweils von den ersten und zweiten beugenden Mustern gebeugt ist, zu empfangen.

2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner erste und zweite betätigbare Ablenkspiegel umfasst, die optional jeweils in den ersten und zweiten optischen Strahlengängen angeordnet sind.

3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle ausgebildet ist, um im Wesentlichen linear polarisiertes Licht auszusenden.

4. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen ist.

5. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle ausgebildet ist, um gleichzeitig einen ersten Lichtstrahl und einen zweiten Lichtstrahl auszusenden, wobei die ersten und zweiten Lichtstrahlen sich jeweils entlang der ersten und zweiten Strahlengänge ausbreiten.

6. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Detektor zumindest einen ersten und einen zweiten Detektionsbereich aufweist, um gleichzeitig einen von den ersten und zweiten beugenden Mustern gebeugten Lichtstrahl zu erfassen.

7. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen ersten teilweise reflektierenden Spiegel, der einen ersten Teil eines einfallenden Lichtstrahls in den ersten Strahlengang lenkt und einen zweiten Teil des einfallenden Lichtstrahls in den zweiten Strahlengang lenkt, aufweist.

8. Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die ersten und zweiten Teile des einfallenden Lichts im Wesentlichen gleich sind.

9. Die Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner ein Transmissionselement aufweist, das in dem zweiten Strahlengang angeordnet ist.

10. Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine gemeinsame Durchlässigkeit des ersten teilweise reflektierenden Spiegels und des Transmissionselements im Wesentlichen gleich einer Reflektivität des ersten teilweise reflektierenden Spiegels ist.

11. Die Vorrichtung nach Anspruch 9, die ferner ein Betätigungselement aufweist, das mechanisch an einen der Ablenkspiegel gekoppelt ist, um den ersten oder zweiten Detektionsbereich für einen Lichtstrahl zu wählen, der sich entlang dem ersten oder dem zweiten Strahlengang fortpflanzt.

12. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren ersten Ablenkelemente zumindest einen reflektierenden Spiegel aufweisen, und wobei die mehreren zweiten Ablenkelemente zumindest einen reflektierenden Spiegel aufweisen.

13. Vorrichtung zum Gewinnen von Information über kritische Dimensionen und der Überlagerungsgenauigkeit von Strukturelementen, die auf einer Halbleiterstruktur gebildet sind, wobei die Halbleiterstruktur ein erstes beugendes Muster, das mit Bezug zu einer ersten Richtung orientiert ist, und ein zweites beugendes Muster, das mit Bezug zu einer zweiten Richtung orientiert ist, aufweist, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Lichtquelle zum Aussenden zumindest eines Lichtstrahls;
zumindest eine Glasfaser, um einen ersten optischen Strahlengang und einen zweiten optischen Strahlengang zu definieren, und
einen Detektor, der optisch an die ersten und zweiten optischen Strahlengänge ankoppelbar ist, um einen jeweils von den ersten und zweiten beugenden Mustern gebeugten Lichtstrahl zu empfangen.

14. Die Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner umfasst:
eine erste Quellenfaser mit einem optisch an die Lichtquelle gekoppelten Ende;
eine erste Empfangsfaser mit einem an den Detektor gekoppelten Ende;
eine zweite Quellenfaser mit einem optisch an die Lichtquelle gekoppelten Ende; und
eine zweite Empfangsfaser mit einem an den Detektor gekoppelten Ende;
wobei die erste Quellenfaser und die erste Empfangsfaser den ersten optischen Strahlengang definieren und die zweite Quellenfaser und die zweite Empfangsfaser den zweiten optischen Strahlengang definieren.

15. Die Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner umfasst:
eine erste Glasfaser, die mit einem ersten Ende optisch an die Lichtquelle gekoppelt ist;
eine zweite Glasfaser, die mit einem Ende optisch an dem Detektor gekoppelt ist; und
einen Schalter, der mechanisch mit jeweils einem zweiten Ende der ersten und zweiten Glasfaser gekoppelt ist; wobei eine erste Position des Schalters den ersten optischen Strahlengang und eine zweite Position den zweiten optischen Strahlengang definiert.

16. Die Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Schalter ein Drehelement aufweist, das in einer Ebene senkrecht zur ersten und zweiten Einfallsebene drehbar ist.