DE10157850A1

DE10157850A1 - Verfahren und Vorrichtung zur hochpräzisen Bestimmung der Topographie einer Oberfläche

Info

Publication number: DE10157850A1
Application number: DE2001157850
Authority: DE
Inventors: Ingolf Weingaertner; Michael Schulz; Ralf Geckeler; Clemens Elster
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 2001-11-24
Filing date: 2001-11-24
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2021-11-25
Also published as: DE10157850B4

Abstract

Zur hochpräzisen Bestimmung der Topographie einer Oberfläche durch Scannen der Oberfläche und Differenzwinkelbestimmung an wenigstens jeweils zwei voneinander beabstandeten Messpunkten einer Messposition und Auswertung der Differenzwinkelmessung zur Ermittlung der Topographie wird vorgeschlagen, dass in jeder Messposition aus den Messergebnissen für die jeweils wenigstens zwei Messpunkte Neigungsvektoren DOLLAR I1 bestimmt werden und dass die Topographie durch vektorielle Integration über die gemessenen Neigungsvektoren ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur hochpräzisen Bestimmung der Topographie einer Oberfläche durch Scannen der Oberfläche und Differenzwinkelbestimmung aus wenigstens jeweils zwei voneinander beabstandeten Messpunkten einer Messposition und Auswertung der Differenzwinkelmessung zur Ermittlung der Topographie.

Es ist bekannt, dass Winkelmessungen, mit denen somit die Steigung der Struktur der Oberfläche eines Objektes bestimmt wird, gegenüber einfachen Abstandsmessungen Vorteile bieten und höhere Messgenauigkeiten erzielen lassen. Es ist ferner bekannt, dass systematische Fehler der Messanordnung, beispielsweise durch die Scanbewegung relativ zur Oberfläche produzierte Unregelmäßigkeiten, dadurch kompensiert werden können, dass Differenzmessungen durchgeführt werden. Es ist daher bekannt, einen Messkopf mit zwei Messanordnungen auszustatten und zur Durchführung der Abtastung parallel zur Oberfläche zu führen. Etwaige Abweichungen von der parallelen Führung gehen in die Differenzmessung nicht ein, da sich für beide Messanordnungen in gleicher Weise gelten.

Fehler dieser Art, die additiv zum Messsignal hinzutreten, können somit durch Differenzmessungen beseitigt werden. Zur Rekonstruktion des Winkelverlaufs wurden zunächst die Orte der Differenzmessung sehr nahe beieinander gewählt, um so das Differential des gemessenen Winkels zu ermitteln, das proportional zur zweiten Ableitung der Struktur der Oberfläche, also zur jeweiligen Krümmung der Oberfläche ist. Nachteilig hierbei ist, dass sich die Winkel regelmäßig über den geringen Abstand der beiden Messorte der Differentialmessung wenig ändern, sodass ein Messsignal entsteht, das um Größenordnungen kleiner ist als der gemessene Winkel selbst. Der eigentliche Messwert des Winkeldifferentials geht daher leicht im Rauschen unter. Darüber hinaus können Fehler an der Ausrichtung der beiden Messanordnungen relativ zueinander nicht oder nur schwer erkannt und daher nicht berücksichtigt werden.

Durch die DE 198 33 269 C1 ist es bekannt, auch größere Abstände zwischen den Messpunkten für die Durchführung der Differenzmessung zu verwenden, sodass die Differenzmessung an einem ersten Ort und an wenigstens einem zweiten Ort auch mit ein und demselben Messkopf ausgeführt werden kann. Die Mathematik zur Auswertung der dabei enthaltenen Messsignale ist in der genannten Schrift erläutert. Das Abscannen der Oberfläche wird dabei in zueinander parallelen Linien vorgenommen, auf denen sich auch die Schermessung, also der Abstand der wenigstens zwei Messpunkte für eine Messposition befinden. Der Krümmungsverlauf der Oberfläche wird daher zunächst nur linear im Bereich der Abtastlinien ermittelt. Die flächige Topographie muss dann durch eine geeignete Zuordnung der gemessenen linearen Topographiewerte vorgenommen werden, wenn redundante Messungen senkrecht zu den ersten Abtastlinien vermieden werden sollen. Die erstmalig ermöglichte hochgenaue Bestimmung der Topographie erfordert daher einigen Zeitaufwand für die Ermittlung der Messwerte und für die Auswertung.

Für die Qualitätsprüfung bei industriellen Fertigungsverfahren, beispielsweise die Herstellung von Wafern, aus denen eine Vielzahl von integrierten Schaltkreisen gewonnen werden, besteht ein erhebliches Bedürfnis, die Überprüfung der Topographie mit einer Genauigkeit im Bereich weniger Nanometer mit kurzen Messzeiten auszuführen. Wafer haben einen Durchmesser von bis zu über 400 mm und sollten beidseitig in beispielsweise 30 Sekunden mit der angegebenen Genauigkeit und einer Lateralauflösung von weniger als 1 mm überprüfbar sein. Ein Verfahren, das derartige Anforderungen erfüllt, ist derzeit nicht bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass mit der gewünschten hohen Genauigkeit die Topographie einer Oberfläche in wesentlich kürzerer Messzeit als mit den bekannten Verfahren erfassbar ist. Ferner soll hierfür eine geeignete Vorrichtung angegeben werden.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Messposition aus den Messergebnissen für die jeweils wenigstens zwei Messpunkte Neigungsvektoren bestimmt werden und dass die Topographie durch vektorielle Integration über die gemessenen Neigungsvektoren ermittelt wird.

Während mit den bisherigen Messverfahren jeweils eine Neigung an einem Messpunkt in der Abtastrichtung bzw. in der Scherrichtung bestimmt worden ist, wird erfindungsgemäß die Neigung eines Flächenelements an dem Messpunkt vektoriell ermittelt. Dies bedeutet, dass nicht nur - wie bisher - eine in der Abtastrichtung liegende Komponente des Neigungsvektors ermittelt wird, sondern der Neigungsvektor selbst, also die Lage des Neigungsvektors im Raum. Hierzu ist es erforderlich, die Neigung nicht nur bezüglich einer Bezugsrichtung, sondern bezüglich zweier Bezugsrichtungen, die vorzugsweise senkrecht zueinander stehen, zu ermitteln. Die beiden Messrichtungen liegen vorzugsweise für eine Vielzahl von Messpositionen, möglichst für alle Messpositionen, in einer Ebene, wobei für eine makroskopisch glatte Oberfläche diese Ebene parallel zu der Ebene der jeweiligen Oberflächenelemente liegen kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich eine Richtung radial von einem Mittelpunkt und die andere Richtung als Umfangsrichtung senkrecht auf dem Radius. Für jeden Messpunkt wird die Neigung dabei sowohl in radialer Richtung als auch in Richtung konzentrischer Kreise gleichzeitig gemessen und somit die vollständige Information über die Winkel-Orientierung des jeweils gemessenen Flächenelements erfasst. Die Scherrichtung für die wenigstens zwei Messpunkte einer Messposition liegen vorzugsweise in der radialen Richtung. Das Scannen der Oberfläche wird vorzugsweise durch eine Rotation der Oberfläche um ihren Mittelpunkt und durch eine radiale Verstellung der Messpunkte vorgenommen. Die radiale Verstellung kann stufenweise, nachdem ein konzentrischer Kreis messtechnisch erfasst worden ist, oder kontinuierlich zur Ausbildung einer spiralförmigen Abtastspur erfolgen. Letzteres Verfahren bietet den Vorteil einer kontinuierlichen, stetigen Messung, die schnell und ohne ruckartige Bewegungen durchgeführt werden kann.

Durch das erfindungsgemäße Messverfahren werden Einflüsse der Fehler der Führungen, insbesondere der Drehführung und der Lateralführung, durch Fehlertrennung mit Hilfe des Shearing-Prinzips unwirksam gemacht, und zwar für die vollständigen Neigungsvektoren und für beide Führungen. Da die Scherung und der Scanschritt nicht verkoppelt sind, kann die Messung bezüglich des Scannens mit nahezu beliebiger Lateralauflösung durchgeführt werden. Die Lateralauflösung hängt wesentlich nur von der Größe des Lichtflecks ab.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, beide Oberflächen eines flächigen Objektes gleichzeitig zu vermessen, sodass beispielsweise ein Wafer gleichzeitig auf der Oberseite und Unterseite vermessen werden kann, woraus sich dann auch noch die Dickenvariation des Wafers als Zusatzinformation ergibt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung eingesetzt, die eine Detektionseinrichtung zur Bestimmung eines Neigungsvektors aus den Messergebnissen an wenigstens zwei Messpunkten und einer Auswertungseinrichtung zur Ermittlung der Topographie durch vektorielle Auswertung der gemessenen Neigungsvektoren aufweist.

Als Detektionseinrichtung zur Ermittlung des Neigungsvektors eignet sich wenigstens ein Winkelmesssystem, vorzugsweise ein Autokollimationsfernrohr mit einer Vier- Quadranten-Diodenanordnung. Da die Vier-Quadranten-Diodenanordnung Neigungen bezüglich zweier orthogonaler Richtungen erkennen lässt, ist der Neigungsvektor an einer derartigen Detektionsvorrichtung unmittelbar ablesbar. Selbstverständlich können aber auch alle anderen Einrichtungen benutzt werden, um die Neigungen in zwei verschiedenen, vorzugsweise zu einander orthogonal stehenden Richtungen bestimmen.

Für die vorliegende Erfindung lassen sich die bekannten Scherverfahren verwenden, also beispielsweise die Scherung auch mit einem einzigen Messkopf durchführen, der zwischen den Messpunkten hin und her verfahren wird. Bevorzugt ist jedoch die Ausbildung eines Messkopfes mit wenigstens zwei zweidimensionalen Winkelsensoren, die starr miteinander verbunden sind und gemeinsam zum Abscannen der Oberfläche verfahren werden. Eine bevorzugte Anordnung sieht drei Sensoren vor.

Bei der Verwendung dieser Winkelsensoren zur Feststellung des Neigungsvektors werden diese notwendig in unterschiedlicher Orientierung verwendet. Zwischen je zwei Sensoren entsteht daher ein konstanter Winkel-Offset. Dieser kann durch eine Kalibrierung berücksichtigt, aber auch bei der Auswertung eliminiert werden, indem aus dem Datensatz einer jeden Messung die konstanten Winkel-Offsets ermittelt werden.

Für die Vermessung von Wafern werden diese gelegentlich auf einen Ring aufgelegt. Dadurch kann der Wafer mit einem großen Radius (ca. 50 m bis 100 m) "durchhängen". Hierdurch müssten die Winkelmesssysteme über einen großen Messbereich verfügen. Um einfachere Winkelmesssysteme mit kleineren Messbereichen einsetzen zu können, kann während der Rotationsbewegung der Wafer beispielsweise mittels eines Kipptisches so gekippt werden, dass für das jeweils gemessene Flächenelement die durch das "Durchhängen" verursachte Schrägstellung durch die Kippbewegung vermindert bzw. kompensiert wird.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines schematisch in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels und anhand einer beispielhaften Auswertung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein kreisrundes flächiges Objekt und einen Messkopf mit drei Sensoren zur jeweiligen Durchführung einer 2-D-Winkelmessung
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweidimensionalen Winkelsensors in Form eines Autokolimationfernrohrs.
Das in der Zeichnung dargestellte kreisförmige flächige Objekt 1 ist beispielsweise ein Wafer, also eine Halbleiter-Scheibe, in deren Material eine Vielzahl von später voneinander trennbaren integrierten Schaltkreisen ausgebildet sein können.
Der Wafer 1 wird in einer geeigneten Halterung befestigt, durch die er um seinen Mittelpunkt 2 in Richtung des Pfeiles 3 rotierbar ist.
Oberhalb des Wafers 1 ist eine Messanordnung 4 entlang einer radialen Richtung des Wafers 1 angeordnet. Die Messanordnung 4 weist drei starr miteinander verbundene Sensoren 5 auf, die in der radialen Richtung voneinander beabstandet sind von dem inneren Sensor 5 zum nächsten Sensor ergibt sich ein Abstand S1 und vom inneren Sensor zum äußeren Sensor ein Abstand S2.
Die Sensoren sind als zweidimensionale Winkelsensoren ausgebildet, also in der Lage, eine Neigung in Richtung des Radius r und in einer dazu senkrecht stehenden (Umfangsrichtung auf einem konzentrischen Kreis) zu messen.
Die Messung erfolgt bei einer kontinuierlichen Rotation des Wafers in Richtung des Pfeils 3. Nach einer vollen Umdrehung wird der Messkopf 4 um einen Schritt in radialer Richtung verstellt, um die Messwerte für den nächsten konzentrischen Kreis der Oberfläche des Wafers 1 aufzunehmen.
Die Auswertung der Messwerte erfolgt sinnvoller Weise in Polarkoordinaten r, φ. Der Neigungsvektor ≙ (r, φ) wird in zwei Komponenten, nämlich in radialer Richtung und in Umfangsrichtung, aufgenommen und ergibt sich als Änderung der Topographie t (r, φ)
Die gemessenen Winkelvektoren H (r, φ) stellen sich als Summe der Komponenten der ersten Ableitung der Topographie und von Abtastfehlern ≙ (r, φ) dar
Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen werden Winkel in drei Positionen r1, r2, r3 gemessen. Die drei Sensoren 5 sind fest miteinander verbunden und bewegen sich auf einer Scanvorrichtung durch den Mittelpunkt 2 des Wafers 1. Die Position der Scananordnung ergibt sich aus Radius r und Winkel φ. Wegen der festen Verbindung der drei Sensoren 5 miteinander, ist der Einfluss des Abtastfehlers ≙ (r, φ) in allen Fällen der gleiche, da der Wafer 1 nur eine einzige Bewegung ausführt und die Sensoren 5 miteinander verbunden sind. Somit gilt für die gemessenen Komponenten des Neigungsvektors an den drei Positionen r1, r2, r3:
Unter Verwendung der Abstandswerte (Scherwerte) s₁ = r₂ - r₁ und s₂ = r₃ - r₁, ergeben sich die nachstehenden Differenzen:
Somit wird deutlich, dass sich die Fehlerkomponenten α_r (r, φ) und α_φ (r, φ) durch die Berechnung der Differenzen eliminieren.
Das überraschende Ergebnis besteht darin, dass die Fehlereliminierung durch die Differenzbildung den Fehlereinfluss in beiden Winkelmessrichtungen eliminiert.
Die Verwendung zweier Differenzen (s₁, s₂) ermöglicht die vollständige Information über Neigungen und Topographie.
Die Auswertung findet mit den gemessenen Daten Δ₁ ≙ (r, φ) und Δ₂ ≙ (r, φ) statt.
Das Ergebnis der Auswertung ist der Neigungsvektor ≙ (r, φ) zusammen mit einem unbekannten Offset-Vektor ≙ (φ) mit den Komponenten C_r(φ) und C_φ(φ), die nur von φ abhängen und nicht mehr von r. Es ergibt sich:
Mit den so ermittelten Neigungsvektoren (unter Einschluss der Offset-Vektoren ≙(φ)) lässt sich die dreidimensionale Topographie ermitteln. Durch Differenzierung der Gleichung (14) nach φ, und der Gleichung (15) nach r lassen sich die beiden Gleichungen miteinander kombinieren zu

wenn C_r(φ) differenzierbar ist und berücksichtigt wird, dass C_φ(φ) nicht von r abhängt, sodass der Term bei der Differenzierung entfällt.
Durch Integration ergibt sich
und daraus
Da sich aus Gleichung (14) ergibt

folgt aus Gleichung (18) in Kombination mit Gleichung (19),
Durch Integration ergibt sich

und nach Umformung und Ausintegration
Die Topographie lässt sich also durch Integration über die Neigungsvektorkomponente beim Startwinkel φ = 0 bzw. beim Startradius r = 0 ermitteln, wobei die Unkenntnis des Offset-Vektors ≙(φ) zu den beiden Zusatztermen K₁r und K₂ führt.
K₂ kann dadurch bestimmt werden, dass t(r = 0, φ) = const ist, wobei die Konstante beliebig ist.
K₁r beschreibt einen Konus mit einem Mittelpunkt bei r = 0 für beliebige φ. Wenn jeder radiale Scan über den gesamten Durchmesser des Wafers durchgeführt wird, lässt sich die hieraus ergebende Mehrdeutigkeit eliminieren.
Die Erläuterung der Auswertung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit an dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt. Die Auswertung ist aber auch möglich, wenn die Bestimmung der Winkel nicht in zueinander senkrecht stehender Richtungen erfolgt oder wenn keine Polarkoordinaten verwendet werden. Darüber hinaus kann die Anordnung der Sensoren 5 auch durch einen einzigen, innerhalb des Kopfes 4 in die Messpositionen verfahrbaren Sensor 5 ersetzt werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines zweidimensionalen Winkelsensors, der mit einer Lichtquelle 6, beispielsweise in Form einer Laserdiode über eine Kolimatorlinse 7 paralleles Licht auf die Oberfläche des Wafers 1 leitet. Das entsprechend der Neigung der Fläche des Wafers 1 reflektierte Licht gelangt durch die Kolimatorlinse 7 zurück auf einen Strahlteiler 8, der das reflektierte Licht von dem einfallenden Licht trennt und das reflektierte Licht auf eine Vier-Quadranten- Fotodiode 9 leitet.
In Abhängigkeit von der Neigung relativ zu zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen, die die Trennlinien der vier Quadranten der Vier-Quadranten-Fotodiode 9 wiedergeben, wird das auftreffende Licht vom Mittelpunkt der Vier-Quadranten- Fotodiode 9 abgelenkt. Demgemäß ist die Lage des Neigungsvektors für das mit dem Licht beaufschlagte Flächenelement der Fläche des Wafers 1 mittels der Vier- Quadranten-Fotodiode 9 unmittelbar ablesbar.

Claims

1. Verfahren zur hochpräzisen Bestimmung der Topographie einer Oberfläche durch Scannen der Oberfläche und Differenzwinkelbestimmung an wenigstens jeweils zwei voneinander beabstandeten Messpunkten einer Messposition und Auswertung der Differenzwinkelmessung zur Ermittlung der Topographie, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Messposition aus den Messergebnissen für die jeweils wenigstens zwei Messpunkte Neigungsvektoren ( ≙(r, φ)) bestimmt werden und dass die Topographie durch vektorielle Integration über die gemessenen Neigungsvektoren ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigungswerte in zwei Richtungen (r, φ) gemessen werden, die für eine Vielzahl von Messpositionen in einer Ebene liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche makroskopisch glatt ist und dass die Richtungen (r, φ) in einer parallel zum jeweiligen Oberflächenelement liegenden Ebene liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungen (r, φ) senkrecht zueinander stehen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Richtung (r) radial von einem Mittelpunkt (2) und die andere Richtung (φ) als senkrecht dazu stehende Umfangsrichtung erstreckt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (s₁, s₂) der wenigstens zwei Messpositionen in der radialen Richtung (r) liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Scannen durch eine Rotation der Oberfläche um ihren Mittelpunkt (2) und durch eine radiale Verstellung der Messpunkte vorgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Verstellung stufenweise erfolgt und die Umfangsrichtung auf einer Kreisbahn abgefahren wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Verstellung kontinuierlich erfolgt und die Umfangsrichtung auf einer spiralförmigen Bahn abgefahren wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messpunkte jeder Messposition jeweils ein Sensor (5) vorgesehen ist und dass die Sensoren (5) fest miteinander gekoppelt sind.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Detektionseinrichtung (4) zur Bestimmung eines Neigungsvektors aus den Messergebnissen an wenigstens zwei Messpunkten und durch eine Auswertungseinrichtung zur Ermittlung der Topographie durch vektorielle Auswertung der gemessenen Neigungsvektoren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (4) wenigstens ein Winkelmesssystem enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (4) zur Aufnahme der Messergebnisse an den wenigstens zwei Messpunkten zwischen den beiden Messpunkten einen zwischen den beiden Messpunkten verfahrbar ausgebildeten Sensor (5) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (4) eine der Anzahl der Messpunkte in jeder Messposition entsprechende Anzahl von Sensoren (5) aufweist, die starr miteinander verbunden sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (5) in einer radialen Richtung (r) mit Abstand zueinander angeordnet sind.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (5) zur gleichzeitigen Erfassung der Neigung in radialer Richtung (r) und in dazu senkrechter Richtung (φ) eingerichtet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine drehbare Aufnahme für ein die Oberfläche aufweisendes Objekt und durch eine radiale Verstelleinrichtung für die Detektionseinrichtung (4).

18. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17 zur Vermessung der Oberfläche eines flächigen Objekts (1).

19. Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 18 zur Vermessung der Oberfläche eines Wafers (1).

20. Verwendung nach Anspruch 17 oder 18, zur gleichzeitigen Vermessung beider Oberflächen des flächigen Objekts (1).