DE102005035553A1

DE102005035553A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Untersuchung strukturierter Oberflächen

Info

Publication number: DE102005035553A1
Application number: DE200510035553
Authority: DE
Inventors: Norbert Czarnetzki
Original assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und dafür geeignete Vorrichtungen zur optischen Untersuchung strukturierter Oberflächen, insbesondere photolithografischer Masken. DOLLAR A Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur optischen Untersuchung strukturierter Oberflächen, insbesondere photolithografischer Masken, wird von einem identischen Ausschnitt des Objektes, zeitgleich jeweils ein Abbild bei konfokaler und Dunkelfeldbeleuchtung aufgenommen, nachfolgend durch Bildmischung kombiniert und daraus eine Fehlermatrix generiert. Anhand dieser erfolgt ein Verglich von Abbildern definierter Fehlerstellen bei konfokaler Beleuchtung und separat bei Dunkelfeldbeleuchtung, in dessen Ergebnis die Fehlerstellen klassifiziert werden. DOLLAR A Die entscheidenden optischen Voraussetzungen des Verfahrens bestehen in gleichzeitig realisierten Abbildungen identischer Objektausschnitte bei konfokaler Dunkelfeldbeleuchtung. Dadurch entstehen Bilder mit sowohl konfokalen als auch Dunkelfeldmerkmalen, die realistischere Fehlerinformationen enthalten als herkömmliche Bilder. Dies ist Voraussetzung für einen effektiven Analyseprozess, der im vorgeschlagenen Verfahren, anders als eine "Die-to-Die-Technik", nur Informationen aus einem einzigen Bildausschnitt zur Fehleranalyse benutzen muss.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und dafür geeignete Vorrichtung zur optischen Untersuchung strukturierter Oberflächen, insbesondere photolithografischer Masken. Dabei werden konfokale und Bilder aus Dunkelfeldverfahren einer identischen Objektebene zum effektiven Informationsgewinn an Beobachtungsobjekten genutzt, um im Auflichtverfahren einen empfindlichen, kontrastreichen und schnellen Nachweis von Fehlern am Beobachtungsobjekt zu erreichen.

Nach dem bekannten Stand der Technik erfolgt die Beobachtung eines Objektes mit den genannten Abbildungs- bzw. Beleuchtungsverfahren klassischerweise räumlich und/oder zeitlich getrennt.

In US 5,587,832 wird ein konfokales, mikroskopisches Beobachtungsverfahren beschrieben, welches auf einem optischen „Tandem-Arrangement" mit einer zwingend zentralsymmetrischen Nipkowscheibe bzw. der komplizierten Aufspaltung von Bild und Beleuchtung im Primärtubus des Mikroskops basiert. Nachteilig wirkte sich bei dieser Lösung noch aus, dass die optische Anordnung diffizil, langzeit-instabil und äußerst schwierig zu justieren war.

Eine verbesserte Tandem-Anordnung wurde in der US 5,587,832 vorgeschlagen. Trotzdem wurden die Vorteile des parallelisierten Bildaufbaus und dieses stark kontrastierenden Beobachtungsverfahrens hierbei erst richtig gezeigt ebenso wie dessen Vorzüge bei der Verbesserung von lateraler Auflösung und Tiefendiskriminierung. Die in den Schriften US 4,927,254 A und DE 195 11 937 beschriebenen Lösungen zur Beseitigung des primären Reflexlichtes der Nipkowscheibe führten zu einer technischen Verbreitung des parallel-konfokalen Verfahrens.

In DE 40 35 799 werden stationäre, parallel konfokale Beleuchtungsarrays unter Nutzung von Mikrolinsenarrays vorgeschlagen und die konfokale Bildausblendung durch Bildverarbeitungsmaßnahmen (konfokale Pixilierung) am CCD-Kamera Bild vorgenommen.

In US 5,248,876 wird das erste mal eine parallel konfokale Linearscantechnik unter Einsatz einer CCD Kamera sowie ein konfokaler Autofokus vorgeschlagen.

Insbesondere die parallel konfokale Beobachtungstechnik führte in Verbindung mit der topologischen Falschfarbtechnik gemäß DE 196 12 846 zu einer Auflösungssteigerung, Kontrastverbesserung und Erleichterung besonders von manuellen optischen Inspektionsschritten.

Die in der DE 197 14 221 beschriebene superschnelle, konfokale Scantechnik unter Nutzung einer speziell strukturierten TDI-Kamera ermöglichte eine automatische Wafer-Inspektion für diese Beobachtungsart.

Da optische Dunkelfeldverfahren, die auf die essentielle Ausnutzung von Streueigenschaften der Materie zurückgehen, seit längerem bekannt sind, finden diese im Stand der Technik eine breite Anwendung.

Beispielsweise sieht US 6,366,690 die Nutzung von Streumessanordnungen zur Detektion von Partikel- oder Kratzerdefekten auf strukturierten Wafern vor. Obwohl diese Anordnungen nicht bildgebend sind, können Defekte lokal zuordnet werden, da die Streuindikatrix eines Quellpunktes oder einer Quelllinie gemessen wird und der Wafer darunter hindurch gescannt wird.

Im US 4,585,315 wird die schalt- und wechselbare Nutzung von Hell- und Dunkelfeldkanal mit verschiedenen Leuchtquellen beansprucht, wobei eine verschiebbare AXICON-Treppenspiegel-Anordnung verwendet wird.

Es hat sich gezeigt, dass die zwei genannten Verfahren für Inspektionsaufgaben im Bereich der Halbleiterindustrie, insbesondere im Hinblick auf das exponentielle Wachstum der Branche und den gewachsenen Ansprüchen zur Qualität der optische Inspektion im Herstellungsprozess der Wafer und dessen rasanter Strukturverkleinerung, am besten geeignet sind. Entsprechend ausgebildete Mikroskope unter Implementierung beider Verfahren sind für automatische als auch manuelle Inspektionsverfahren speziell für die Halbleiterindustrie konstruiert worden. Obwohl beide Verfahren in einem Inspektionsgerät implementiert worden sind, wurden diese im allgemeinen separat angewendet.

US 6,078,386 und US 6,288,780 beschreiben jedoch spezielle Lösungen zur Hellfeld- und Dunkelfeldbeobachtung in einer Anordnung, wobei diese auch gleichzeitig zur Beobachtung auch identischer Objektbereiche genutzt werden. Ziel ist hierbei die Verbesserung der Fehler-Detektivität und bildanalytische Trennung von Objektfehlern, bzw. das Finden von ernsten Bauabweichung auf einem Wafer. Beansprucht werden weiter die Verknüpfung von geometrisch zuordenbaren „baugleichen" Dunkel- mit Dunkelfeldbildern sowie Hell- mit entsprechenden Hellfeldbildern. Dazu werden gleichzeitig mehrere spektral unterschiedliche Lichtquellen und denen zugeordnete Empfänger eingesetzt.

Auch in US 5,917,588 werden gleichzeitig mehrere, spektral identische Lichtquellen für die Ausleuchtung von Hell- und Dunkelfeld genutzt, wobei jedoch räumlich unterschiedliche Bereiche des Wafers mit dem Hell- und Dunkelfeldverfahren beleuchtet und auf zwei entsprechend räumlich versetzte Zeilenempfänger abgebildet. Die Auswertung für gleiche Ortsbereiche erfolgt hierbei unter Beachtung zeitlich/räumlicher Verzögerungen der verknüpfbaren Hell- oder Dunkelfeld-Bilder, da beide Bildtypen vom gleichen Ortsbereich zeitlich nacheinander entstehen.

In DE 199 03 486 wird eine optische Anordnung zur Makro-Inspektion beschrieben, bei der zur Erzeugung identischer Beobachtungsszenen eine Echtzeit-Verknüpfung von klassisch erzeugten Hell- und Dunkelfeldbildern erfolgt.

Hierbei werden „optische Kennungen" wie polarisationsoptische oder spektrale Eigenschaften in der Beleuchtung benutzt, um die erzeugten Hell- und Dunkelfeldbilder auf einem Flächendetektor zu separieren.

Auch bei der in US 5,777,729 beschriebenen Lösung werden Hell- und Dunkelfeldbilder mit geringer Pixel-Auflösung erzeugt und verrechnet. Es besteht allerdings ein Unterschied in der Anzahl und der Entstehungsart der Hell- und Dunkelfeldbilder. Diese entstehen hierbei unter Anwendung schneller Bildeinzugstechniken und verschiedener Beleuchtungswinkel durch Mehrfachbelichtung des kompletten Wafers. Zweck ist die bildanalytische Separation von Fehlern im Beobachtungsobjekt zur automatischen 100% Detektion von Makrofehlern im optisch-lithographischen Strukturierungszyklus einer Halbleiterfabrik.

Unter Anwendung verschiedener subtraktiver Bildmischtechniken wird gemäß der DE 198 24 460 von zwei verschiedenartig erzeugten Konfokalbildern eines identischen, meist sehr kleinen Beobachtungsfeldes ein hinsichtlich Kontrast und Auflösung verbessertes Gesamtbild erzeugt. Eine bildanalytische Zerlegung von Bildinformationen zum Zweck der Fehlerdetektion wird nicht durchgeführt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur optischen Inspektion zu schaffen, mit dem eine schnelle und effiziente Analyse eines Beobachtungsobjektes möglich ist. Insbesondere soll mit dem Verfahren eine optische Detektion von Partikeln und Objektstörungen unterhalb der Auflösungsgrenze für Auflichtbeobachtung analoger Wellenlängen und Aperturen erreicht werden, wobei der Einfluss unvermeidbarer optischer Abbildungsfehler minimiert werden sollen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Für die weitere Beschreibung wird folgendes definiert: Auf einem Retikel mit mindestens zwei identischen Chips (Die) oder auf einer 1:1-Maske können jeweils zwei Chips (Die's) miteinander verglichen werden. Dabei werden stochastische Defekte, wie beispielsweise Partikel, Entwickler, Ätzmittel oder Reiniger als Unterschiede erkannt. Die „Die to Die"-Inspektion ist ein gut automatisierbares Verfahren.

Im Gegensatz dazu spricht man von „Die to Data"-Inspektion, wenn ein Chip (Die's) auf einem Retikel mit den Entwurfsdaten verglichen wird. Hierbei handelt es sich um ein aufwendiges aber auch leistungsfähigeres Verfahren.

Bei stark periodischen Objektstrukturen ist es zweckmäßig, den Vergleich von Abbildern an den definierten Fehlerstellen als „Cell-to-Cell"-Vergleich durchzuführen. Bei diesem, auf Selbstähnlichkeit des Beobachtungsobjektes beruhende Vorgehen werden nur Teile eines Chips (Die's) des Retikels miteinander verglichen. Dieses Verfahren gestattet auch strukturelle Fehler im Inspektionsobjekt zu analysieren.

Die entscheidenden optischen Voraussetzungen des Verfahrens besteht in der Gleichzeitigkeit der Realisierung von konfokaler und Dunkelfeldbeleuchtung bzw. Abbildung vom identischen Objektausschnitt eines Beobachtungsobjektes bei konfokaler und Dunkelfeldbeleuchtung. Dadurch entstehen Bilder mit sowohl konfokalen als auch Dunkelfeldmerkmalen, die mehr reale Fehlerinformationen gleichzeitig enthalten als herkömmliche Bilder. Dies ist Voraussetzung für einen effektivierten Analyseprozeß, der im vorgeschlagenen Verfahren, anders als eine "Die-to-Die Technik", nur Informationen aus einem einzigen Bildausschnitt zur Fehleranalyse benutzen muss.

Im vorgeschlagenen Verfahren werden zuerst Konfokal- mit Dunkelfeldbild verknüpft und dann erst zur Fehleranalyse bzw. Klassifikation an bereits vorselektierten Fehlerorten konfokale Bildausschnitte mit konfokalen Bildausschnitten und Dunkelfeld- mit Dunkelfeld- Bildausschnitten zugeordneter Die's verglichen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen
1: eine einstufige Anordnung zur additiven Bildmischung,
2: eine einstufige Anordnung zur subtraktiven Bildmischung,
3: eine mehrstufige Anordnung zur additiven Bildmischung und
4: eine mehrstufige Anordnung zur subtraktiven Bildmischung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur optischen Untersuchung strukturierter Oberflächen, insbesondere photolithografischer Masken, wird von einem identischen Ausschnitt der strukturierten Oberfläche, zeitgleich jeweils ein Abbild bei konfokaler und Dunkelfeldbeleuchtung aufgenommen, nachfolgend durch Bildmischung kombiniert und daraus eine Fehlermatrix generiert. Anhand dieser erfolgt ein Vergleich von Abbildern definierter Fehlerstellen bei konfokaler Beleuchtung und ein separater Vergleich von Abbildern definierter Fehlerstellen bei Dunkelfeldbeleuchtung, indessen Ergebnis die Fehlerstellen klassifiziert werden.
Die Bildmischung kann dabei sowohl durch Addition als auch durch Subtraktion der jeweils eines Abbildes bei konfokaler und bei Dunkelfeldbeleuchtung erfolgen.
Bei der additiven Bildmischung wird das optisch addierte, digitalisierte Mischbild mit Soll-Daten verglichen, wobei der Vergleich durch Subtraktion erfolgt. Von einer Suchroutine werden durch „Die-to-Die"-Vergleich über Grauwertschwellen die abweichenden Fehlerorte ermittelt und als Fehlermatrix generiert. Daraus lassen sich insbesondere Koordinaten von Partikel-Defekten und strukturellen Defekten bestimmen.
Im einzelnen werden die rechnerisch ermittelbaren Fehlerkoordinaten, zum Bestätigen von (Bild-)Fehlern des aktuellen Objektbereiches, durch gezielte, punktuelle Rechenoperationen an gespeicherten Bildmatritzen des Vorgänger-Dies benutzt, um Fehler zu bestätigen oder zu verwerfen.
Das mathematisch rechnerische Vorgehen der diskutierten Methodik wird im anschließenden Teil dargestellt.
Die Verknüpfungsoperation _Δ(A_ij) der Bild-Pixelmatritzen des subtraktiven Bild-Verknüpfungsverfahrens ist die Differenzbildung gegenüber einer Objekt-Datenbasis, die mathematisch symbolhaft in der anschließenden Formel definiert ist: ∆(Aij) ∼ <Ai''j''> = Pij – Bi'j' (1)mit

A_i''j'': resultierende Elemente der addierten Bildmatrix
P_ij: die Pixel-Elemente der aktuellen Mischbild-Matrix 2
B_i'j': die Pixel-Elemente der gespeicherten Mischbild-Matrix 1 wobei
i, i'': über die Pixel pro Zeile,
j, j'': über die Anzahl der Zeile,
i': über Zeilen der gespeicherten Matrix1 und
j': über Spalten der gespeicherten Matrix1 laufen.

Sie liefert die Fehlermatrix A_i''j'' des additiven Bildmischverfahrens, wobei alle Komponenten a_i''j'' der Fehlermatrix, die oberhalb einer Schwelle ε (Grauwert schwelle) liegen, als potentielle Fehler (Orte) aufzufassen sind. Die Pixel-Indizes stellt die Zuordnung zu den Koordinaten her.
Bei der subtraktiven Bildmischung werden jeweils ein Abbild bei konfokaler und bei Dunkelfeldbeleuchtung voneinander subtrahiert und die Ergebnisse in Form einer Fehlermatrix generiert wird. Zusätzliche Bildoperationen wie Bildverschiebung oder gar der bildtechnisch problematische Zugriff auf Soll-Daten entfallen hier.
Die Fehlermatrix des subtraktiven Bildmischverfahrens wird analog ermittelt und besteht aus Messwerten zweier Messkanäle mit jeweils konfokaler oder Dunkelfeld-Information eines Objektausschnittes. Dies ist fehleranalytisch vorteilhaft und mit wenig Fehlschlüssen auf potentielle, reale Fehler verbunden. Verknüpfungsoperation _Δ(F_ij) der Bild-Pixelmatritzen des subtraktiven Bild-Verküpfungsverfahrens ist die Differenzbildung, die mathematisch in der anschließenden Formel definiert ist: ∆(Fij) ∼ Fi''j'' = |Kij – Dij| (2)mit

F_i''j'': resultierende Elemente der subtrahierten Bildmatrix
K_ij: die Pixel-Elemente der digitalen konfokalen Bildmatrix 2D
D_i'j': die Pixel-Elemente der digitalen Dunkelfeld Bildmatrix 1 wobei
i, i', i'': über die Pixel pro Zeile und
j, j', j'': über die Anzahl der Zeile laufen.

Sie liefert die Fehlermatrix F_i''j'' des subtraktiven Bildmischverfahrens, wobei alle Komponenten f_i''j'' der Fehlermatrix, die infolge flächenhafter Abweichung der Bildinhalte oberhalb einer Schwelle f (Flächen-Differenzschwelle) liegen, als potentielle Fehler (Orte) aufzufassen sind. Die Pixel-Indizes stellen die Zuordnug zu den Koordinanten innerhalb der Matritzendimension her.
Die subtraktive Bildmischung hat den bildanalytischen Vorteil, echte Struktur- und/oder Partikeldefekte besser erkennen und in allen Objektvergrößerungen sowie allen Objektgattungen behandeln und von, aus technologischen Gründen entstehenden, unkritischen Objektstrukturveränderungen, unterscheiden zu können.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der subtraktiven Bildmischung ist die Ausnutzung der optisch verschiedenartiger Kontrastierungseigenschaften:

• geringe Tiefenschärfe des Konfokalbildes gegenüber Dunkelfeldbild
• stärkere Kontrastierung des Konfokalbildes in Bildteilen mit Phaseneigenschaften

Dies drückt sich in der bildtechnischen Unterscheidbarkeit von Objektbildern identischer Bildausschnitte aus und führt nach der Bildmischung zur Selektion von potentiellen Defekten. Im übrigen ist wie für die meisten optischen Inspektionsverfahren für jeden spezifischen Strukturierungschritt ein individuelles Rezept zu erarbeiten, um wichtige von unwichtigen Fehlern an ihrem individuell optischen Erscheinungsbild unterscheiden zu lernen.
Der Vergleich von Abbildern an den definierten, aus der Fehlermatrix ermitteten Fehlerstellen, erfolgt sowohl für Abbilder bei konfokaler als auch separat bei Dunkelfeldbeleuchtung als „Die-to-Die"-Vergleich.
Bei stark periodischen Objektstrukturen ist es zweckmäßig, dass der Vergleich von Abbildern an den definierten Fehlerstellen sowohl bei konfokaler als auch separat bei Dunkelfeldbeleuchtung als „Cell-to-Cell"-Vergleich erfolgt. Dieses auf Selbstähnlichkeit des Beobachtungsobjektes beruhende Vorgehen gestattet auch strukturelle Fehler im Inspektionsobjekt, durch die numerische Bildoperation „Differenzbildung" zweier Bildteile des Mischbildes zu analysieren. Daraus lassen sich sowohl Partikel-Defekte als auch Strukturdefekte erkennen und deren Koordinaten generieren.
Im Fall kleiner optischer Vergrößerungen, wie beispielsweise bei der Makro-Inspektion, liegt im Bildfeld im allgemeinen automatisch eine Periodizität des Beobachtungsobjektes vor, da mehrere "Die's" gleichzeitig im Bildfeld abgebildet werden. Mit einer numerischen Operation „Bildverschiebung" wird die Bildüberdeckung selbstkonjugierter Bildbereiche sicher gestellt, so dass durch eine numerische „Differenzbildung" die Fehleranalyse selbstkonjugierter Bildbereiche und des gesamten Bildfeld durchgeführt werden kann. Hier gestattet also die Periodizität des Beobachtungsobjektes das bildanalytisch beschriebene Vorgehen und erlaubt wiederum strukturelle Fehler und Partikeldefekte im Inspektionsobjekt zu erkennen.
Nachdem die Fehlermatritzen ermittelt worden sind, werden zur statistischen Erhärtung der Fehleranalyse die Urbilder der Ausgangsmessung an den Fehlerorten f_i''j'' mit Messbildern der vorausgegangenen Messung am Fehlerbildort verglichen. Δ(Rij) ∼ Ri'j' > = Kij (a) – Kij (b) (3a)mit

R_i'j': resultierende Elemente der Subtraktions-Operator-Bildmatrix
K_ij ^(a): (Fehler-) Pixel-Elemente der konfokalen Bildmatrix des gespeicherten Die's
K_ij ^(b): (Fehler-) Pixel-Elemente der konfokalen Bildmatrix des aktuellen Die's wobei
i,i': über die Fehleranzahl der Matrixzeile
j,j': über die Fehleranzahl der Matrixspalte laufen.

Δ(Rij) ∼ <Ri'j'> = Dij (a) – Dij (b) (3b)

R_i'j': resultierende Elemente der Subtraktions-Operator-Bildmatrix,
D_ij(a): (Fehler-) Pixel-Elemente der Dunkelfeld-Bildmatrix des gespeicherten Dies,
D_ij(b): (Fehler-) Pixel-Elemente der Dunkelfeld-Bildmatrix des aktuellen Die's wobei
i, i': über die Fehleranzahl der Matrixzeile und
j, j': über die Fehleranzahl der Matrixspalte laufen.

Sie liefert die resultierende Fehlermatrix R_i'j' des additiven oder auch des subtraktiven Bildmischverfahrens. Alle Komponenten r_i''j'' der resultierenden Matrix, die oberhalb von Schwellen η₁ (Grauwertschwelle Konfokalbild) bzw. η₂ (Grauwertschwelle Dunkelfeldbild) liegen sind als resultierende Fehler des aktuellen Die-Bildes (Ortes) aufzufassen. Sie gehen in einen Fehler-File des Wafers für den späteren Fehler-Review ein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Untersuchung strukturierter Oberflächen besteht aus einer Steuer- und Auswerteeinheit, zwei Beleuchtungsstrahlengängen, zur Realisierung einer konfokalen und einer Dunkelfeldbeleuchtung und einem Abbildungstrahlengang, mit einem optischen System zur Abbildung des zu untersuchenden, auf einer Scan-Vorrichtung positionierten Objektes auf mindestens einer Bildaufnahmevorrichtung.
Dazu zeigt 1 eine einstufige Anordnung zur additiven Bildmischung. Ausgehend von der im ersten Beleuchtungsstrahlengang 1 angeordneten Beleuchtungsquelle 4, deren Spektrum innerhalb des korrigierten Bereiches des Abbildungsobjektivs 5 frei wählbar ist, erfolgt die Einkopplung der Dunkelfeld-Beleuchtung in der Nähe der Eintrittspupille des Primärtubus des im Abbildungsstrahlengang 3 angeordneten Abbildungsobjektivs 5. Die Einkopplung erfolgt hierbei über einen Ringspiegel 6, der vorzugsweise 100%-verspiegelt ist.
Ausgehend von der im zweiten Beleuchtungsstrahlengang 2 angeordneten Beleuchtungsquelle 7, deren Spektrum ebenfalls innerhalb des korrigierten Bereiches des Abbildungsobjektivs 5 frei wählbar ist, erfolgt die Einkopplung der konfokalen Beleuchtung im parallelen Strahlengang, hinter der im Abbildungsstrahlengang 2 angeordneten Abbildungsobjektives 5. Die Einkopplung erfolgt hierbei über einen Strahlteiler 8, der vorzugsweise eine sphärische Kathetenfläche im Bildbereich und ein Teilungsverhältnis von 50:50 aufweist.
Das Objekt 9 wird von den Beleuchtungsquellen 7 und 4 über das Abbildungsobjektiv 5 im konfokalen und im Dunkelfeld beleuchtet und durch Reflexion auf der Bildaufnahmevorrichtung 10 abgebildet.
Die nicht dargestellte Steuer- und Auswerteeinheit ist mit der Bildaufnahmevorrichtung 10 verbunden und verfügt über eine Einrichtung zur Speicherung der Abbildungen des Objektes 5.
Zur Durchführung des additiven Mischbildverfahrens ist nur eine Bildaufnahmevorrichtung 10 erforderlich, auf die sowohl die Abbildung des konfokalen als auch des Dunkelfeldbildes des Objektes 9 im gemeinsam genutzten Abbildungsstrahlengang 3 erfolgt. Beide Abbilder werden überlagert, pixelweise addiert und als Ganzes weiterverarbeitet.
Während zur Durchführung des additiven Mischbildverfahrens nur eine Bildaufnahmevorrichtung erforderlich ist, auf die sowohl die Abbildung des konfokalen als auch des Dunkelfeldbildes in Reflexionsrichtung im gemeinsam genutzten Abbildungsstrahlengang erfolgt, sind zur Durchführung des subtraktiven Mischbildverfahrens zwei Bildaufnahmevorrichtungen erforderlich.
Dazu ist im Abbildungsstrahlengang ein zusätzlicher, vorzugsweise dichroitischer Strahlteiler angeordnet, der den konfokalen und Dunkelfeldzweig wieder voneinander trennt und auf jeweils einer Bildaufnahmevorrichtung abbildet. Beide Bildaufnahmevorrichtungen müssen im Fall des optisch-subtraktiven Ver fahrens datensynchronisiert betrieben werden. Zusätzlich zu dem dichroitischen Strahlteiler können weitere spektralsensitive optische Elemente zur Aufspaltung der beiden Beleuchtungszweige, d. h. zur Trennung von konfokalem und Dunkelfeldzweig, vorhanden sein. Die beiden verschiedenartigen Abbilder des identischen Objektausschnitts werden mit zwei unterschiedlichen Bildaufnahmevorrichtungen aufgenommen und weiter verarbeitet.
In einer weiteren Ausführung ist sowohl der Strahlteiler als auch der Ringspiegel polarisationsoptisch sensitiv ausgebildet ausgelegt. Das Spektrum der beiden Beleuchtungszweige kann innerhalb des korrigierten Bereiches des Abbildungsobjektivs frei gewählt werden.
Hierzu zeigt 2 eine einstufige Anordnung zur subtraktiven Bildmischung. Ausgehend von der im ersten Beleuchtungsstrahlengang 1 angeordneten Beleuchtungsquelle 4, deren Spektrum innerhalb des korrigierten Bereiches des Abbildungsobjektivs 5 frei wählbar ist, erfolgt die Einkopplung der Dunkelfeld-Beleuchtung in der Nähe der Eintrittspupille des Primärtubus des im Abbildungsstrahlengang 3 angeordneten Abbildungsobjektivs 5. Die Einkopplung erfolgt hierbei über einen polarisationsoptisch sensitiv ausgebildeten Ringspiegel 6' und geeignete λ/4-Platten 12 zur Drehung der Polarisationsebene, wobei diese Art der Einkopplung zwar aufwendige aber effektiver ist. Der Ringspiegel 6' ist in dieser Variante mit einer Polteilerschicht, bevorzugt mit S-Polarisierung in 45°-Reflexion, verspiegelt.
Damit der energetische Vorteil der Dunkelfeldbeleuchtung zum Tragen kommt, ist eine zusätzliche λ/4-Platte 13 vorzusehen. Die λ/4-Platte 13 muss dabei über eine breitbandige Wirkung verfügen, was auch thermisch korrigierte Platten 0-ter Ordnung nur für eine spezielle Wellenlänge λ, im allgemeinen leisten. Die vorzugsweise multiplen λ/4-Platten 12 und 13 sind zur Vermeidung von Reflexen angekippt im Abbildungsstrahlengang 3 angeordnet.
Ausgehend von der im zweiten Beleuchtungsstrahlengang 2 angeordneten Beleuchtungsquelle 7, deren Spektrum ebenfalls innerhalb des korrigierten Bereiches des Abbildungsobjektivs 5 frei wählbar ist, erfolgt die Einkopplung der konfokalen Beleuchtung im parallelen Strahlengang, hinter der im Abbildungsstrahlengang 2 angeordneten Abbildungsobjektivs 5. Die Einkopplung erfolgt hierbei über einen ebenfalls polarisationsoptisch sensitiv ausgebildeten Strahlteiler 8', der eine sphärischer Kathetenfläche aufweist und dessen Teilerhypothenusen-Fläche eine Polteilerschicht ebenfalls mit S-Polarisierung nach 45°-Reflexion hat.
Das Objekt 9 wird von den Beleuchtungsquellen 7 und 4 über das Abbildungsobjektiv 5 im konfokalen und im Dunkelfeld beleuchtet und durch Reflexion auf die Bildaufnahmevorrichtungen 10 und 11 abgebildet.
Zur Trennung der durch die konfokale und die Dunkelfeldbeleuchtung erzeugten Abbilder des Objektes 9 ist im Abbildungsstrahlengang, hinter dem Strahlteiler 8' ein zusätzlicher, dichroitischen Strahlteiler 14 angeordnet.
Die Abbilder des Objektes 9 bei konfokaler und Dunkelfeldbeleuchtung auf die Bildaufnahmevorrichtungen 10 und 11 abgebildet, die datensynchronisiert betrieben werden. Zusätzlich zu dem dichroitischen Strahlteiler können weitere spektralsensitive optische Elemente zur Trennung von konfokalem und Dunkelfeldzweig, vorhanden sein. Die beiden verschiedenartigen Abbilder des identischen Ausschnittes des Objektes 9 werden separat aufgenommen und auch separat weiterverarbeitet.
Die Einkopplung über polarisationsoptische Einkoppelelemente stellt hierbei die lichttechnisch effektivere, aber aufwendigere Beleuchtung dar. Das Einkoppeln des konfokalen Beleuchtungszweiges erfolgt auch hier mit einem Strahlteiler mit sphärischer Kathetenfläche im Bildbereich.
Im folgenden wird auf eine weitere Ausgestaltungsvariante eingegangen. Der bei klassischen Mikroskopen typischere mehrstufige Tubus gestattet im sekundären Tubus die konfokale Beleuchtung/Abbildung und im Primärtubus die klassische Einkopplung der Dunkelfeldbeleuchtung.
Dabei wird der konfokale Zweig ähnlich DE 195 11 937 aufgebaut und nutzt eine typische Nipkowscheibe als parallel konfokalen Scanner. Als Kamera kann somit eine normale CCD Kamera fungieren. Die Einkopplung der Dunkelfeldbeleuchtung erfolgt, wie bereits beschrieben, klassisch in der Nähe der Eintrittspupille des Abbildungsobjektivs mit einem Ringspiegel.
Hierzu zeigt 3 eine zweistufige Anordnung zur additiven Bildmischung. Ausgehend von der im ersten Beleuchtungsstrahlengang 1 angeordneten Beleuchtungsquelle 4, deren Spektrum innerhalb des korrigierten Bereiches des Abbildungsobjektivs 5 frei wählbar ist, erfolgt die Einkopplung der Dunkelfeld-Beleuchtung in der Nähe der Eintrittspupille des Primärtubus des im Abbildungsstrahlengang 3 angeordneten Abbildungsobjektivs 5. Die Einkopplung erfolgt hierbei über einen polarisationsoptisch sensitiv ausgebildeten Ringspiegel 6' und geeignete λ/4-Platten 12 zur Drehung der Polarisationsebene. Der Ringspiegel 6' ist in dieser Variante mit einer Polteilerschicht, bevorzugt mit S-Polarisierung in 45°-Reflexion, verspiegelt.
Damit der energetische Vorteil der Dunkelfeldbeleuchtung zum Tragen kommt, ist eine zusätzliche λ/4-Platte 13 vorzusehen. Die λ/4-Platte 13 muss dabei über eine breitbandige Wirkung verfügen. Die vorzugsweise multiplen λ/4-Platten 12 und 13 sind zur Vermeidung von Reflexen angekippt im Abbildungsstrahlengang 3 angeordnet.
Ausgehend von der im zweiten Beleuchtungsstrahlengang 2 angeordneten Beleuchtungsquelle 7, deren Spektrum ebenfalls innerhalb des korrigierten Bereiches des Abbildungsobjektivs 5 frei wählbar ist, erfolgt die Einkopplung der konfokalen Beleuchtung im parallelen Strahlengang, hinter der im Abbildungs strahlengang 2 angeordneten Abbildungsobjektivs 5. Die Einkopplung erfolgt hierbei über einen ebenfalls polarisationsoptisch sensitiv ausgebildeten Strahlteiler 8', der eine sphärischer Kathetenfläche aufweist und dessen Teilerhypothenusen-Fläche eine Polteilerschicht ebenfalls mit S-Polarisierung nach 45°-Reflexion hat.
Im Beleuchtungsstrahlengang 2 des konfokalen Beleuchtungszweiges kann beispielsweise eine rotierende Nipkowscheibe 15 als parallel konfokalen Scanner, angeordnet sein.
Das Objekt 9 wird von den Beleuchtungsquellen 7 und 4 über das Abbildungsobjektiv 5 im konfokalen und im Dunkelfeld beleuchtet und durch Reflexion auf die Bildaufnahmevorrichtungen 10 abgebildet. Dabei werden die beiden verschiedenartigen Abbilder des identischen Ausschnittes des Objektes 9 auf der Bildaufnahmevorrichtungen 10 abgebildet, überlagert, pixelweise addiert und als Ganzes weiterverarbeitet.
Eine Besonderheit dieser Variante besteht darin, dass der Dunkelfeldkanal durch die Nipkowscheibe 15 zusätzlich abgeschwächt wird. Um dieses lichttechnische Missverhältnis der beiden Bildkanäle auszugleichen muss die zweite, konfokale Beleuchtungsquelle 7 entweder entsprechend geschwächt, eine sehr lichtstarke erste Beleuchtungsquelle 4 für Dunkelfeldbeleuchtung oder eine für die Dunkelfeldbeleuchtung empfindlichere Bildaufnahmevorrichtung 10 verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante zeigt 4 eine zweistufige Anordnung zur subtraktiven Bildmischung.
Ausgehend von der im ersten Beleuchtungsstrahlengang 1 angeordneten Beleuchtungsquelle 4, deren Spektrum innerhalb des korrigierten Bereiches des Abbildungsobjektivs 5 frei wählbar ist, erfolgt die Einkopplung der Dunkelfeld-Beleuchtung in der Nähe der Eintrittspupille des Primärtubus des im Abbil dungsstrahlengang 3 angeordneten Abbildungsobjektivs 5. Die Einkopplung erfolgt hierbei über einen Ringspiegel 6, der vorzugsweise 100%-verspiegelt ist.
Ausgehend von der im zweiten Beleuchtungsstrahlengang 2 angeordneten Beleuchtungsquelle 7, deren Spektrum ebenfalls innerhalb des korrigierten Bereiches des Abbildungsobjektivs 5 frei wählbar ist, erfolgt die Einkopplung der konfokalen Beleuchtung im parallelen Strahlengang, hinter der im Abbildungsstrahlengang 2 angeordneten Abbildungsobjektives 5. Die Einkopplung erfolgt hierbei über einen Strahlteiler 8, der vorzugsweise eine sphärische Kathetenfläche im Bildbereich und ein Teilungsverhältnis von 50:50 aufweist.
Auch hier kann im Beleuchtungsstrahlengang 2 des konfokalen Beleuchtungszweiges beispielsweise eine rotierende Nipkowscheibe 15 als parallel konfokalen Scanner, angeordnet sein.
Das Objekt 9 wird von den Beleuchtungsquellen 7 und 4 über das Abbildungsobjektiv 5 im konfokalen und im Dunkelfeld beleuchtet und durch Reflexion auf die Bildaufnahmevorrichtungen 10 und 11 abgebildet.
Zur Trennung der durch die konfokale und die Dunkelfeldbeleuchtung erzeugten Abbilder des Objektes 9 ist im Abbildungsstrahlengang ein zusätzlicher, dichroitischen Strahlteiler 14 angeordnet.
Die Abbilder des Objektes 9 bei konfokaler und Dunkelfeldbeleuchtung auf die Bildaufnahmevorrichtungen 10 und 11 abgebildet, die datensynchronisiert betrieben werden. Zusätzlich zu dem dichroitischen Strahlteiler können weitere spektralsensitive optische Elemente zur Trennung von konfokalem und Dunkelfeldzweig, vorhanden sein. Die beiden verschiedenartigen Abbilder des identischen Ausschnittes des Objektes 9 werden separat aufgenommen und auch separat weiterverarbeitet.
Durch die verwendete Nipkowscheibe 17 wird auch hier der Dunkelfeldkanal zusätzlich abgeschwächt. Dieses lichttechnische Missverhältnis kann durch die bereits genannten zusätzlichen Maßnahmen korrigiert werden.
Der optische Teil des Verfahrens besteht in der gleichzeitigen Einkopplung zweier Beleuchtungsquellen mit identischer oder verschiedener spektraler Charakteristik, wobei das Einkoppeln der Beleuchtung neutral oder polarisationsoptisch sensitiv erfolgen kann. Das Auskoppeln des Bildes bzw. der verschiedenen Bildteile erfolgt auf nur eine Bildaufnahmevorrichtung oder über einen dichroitischen Strahlteiler auf zwei Bildaufnahmevorrichtungen.
In den Ausführungsformen werden sowohl einstufige als auch mehrstufige optische Tuben eingesetzt, womit verschiedene parallel konfokale Anordnungen mit verschiedenen Dunkelfeldvarianten miteinander verknüpft werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur optischen Untersuchung strukturierter Oberflächen wird eine Lösung zur Verfügung gestellt, mit der Abbildungen identischer Objektausschnitt eines Beobachtungsobjektes gleichzeitig bei konfokaler und Dunkelfeldbeleuchtung realisiert werden können. Dadurch entstehen Bilder mit sowohl konfokalen als auch Dunkelfeldmerkmalen, die mehr reale Fehlerinformationen enthalten als herkömmliche Bilder.
Anders als beim "Die-to-Die" -Vergleich wird beim vorgeschlagenen Verfahren im ersten Schritt nur ein räumlich identischer Objektbereich zur Fehleranalyse herangezogen. Daraus ergibt sich eine rapide Reduzierung der typischen Bild-Verschiebeoperationen des "Die-to-Die"-Vergleiches, da beide Bilddatensätze identisch übereinander liegen und keiner Zuordnungsoperation bedürfen.

Claims

Verfahren zur optischen Untersuchung strukturierter Oberflächen, insbesondere photolithografischer Masken, bei dem von einem identischen Ausschnitt des Objektes, zeitgleich jeweils ein Abbild bei konfokaler und Dunkelfeldbeleuchtung aufgenommen, nachfolgend durch Bildmischung kombiniert und daraus eine Fehlermatrix generiert wird, anhand der ein Vergleich von Abbildern definierter Fehlerstellen bei konfokaler Beleuchtung und ein separater Vergleich von Abbildern definierter Fehlerstellen bei Dunkelfeldbeleuchtung erfolgt, indessen Ergebnis die Fehlerstellen klassifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Bildmischung jeweils ein Abbild bei konfokaler und bei Dunkelfeldbeleuchtung durch Addition kombiniert und mit Soll-Daten verglichen wird, indem durch Differenzbildung eine Fehlermatrix generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Bildmischung jeweils ein Abbild bei konfokaler und bei Dunkelfeldbeleuchtung durch Subtraktion kombiniert und die Ergebnisse in Form einer Fehlermatrix generiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Vergleich von Abbildern an den definierten Fehlerstellen sowohl bei konfokaler als auch separat bei Dunkelfeldbeleuchtung als „Die-to-Die"-Vergleich erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem bei stark periodischen Objektstrukturen der Vergleich von Abbildern an den definierten Fehlerstellen sowohl bei konfokaler als auch separat bei Dunkelfeldbeleuchtung als „Cell-to-Cell" Vergleich erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem zur statistischen Erhärtung der Fehleranalyse die aktuellen Abbilder an den ermittelten Fehlerorten mit gespeicherten Abbildern vorausgegangener Messung am selben Fehlerbildort, getrennt für konfokale und Dunkelbeleuchtung, verglichen werden.
Vorrichtung zur optischen Untersuchung strukturierter Oberflächen, bestehend aus einer Steuer- und Auswerteeinheit, zwei Beleuchtungsstrahlengängen (1, 2), zur Realisierung einer konfokalen und einer Dunkelfeldbeleuchtung und einem Abbildungsstrahlengang (3), mit einem optischen System zur Abbildung des zu untersuchenden Objektes (9) auf mindestens einer Bildaufnahmevorrichtung (10), bei der im Abbildungsstrahlengang (3) ein Ringspiegel (6), zur Einkopplung des Lichtes der Beleuchtungsquelle (4) des ersten Beleuchtungsstrahlenganges (1), und ein Strahlteiler (8), zur Einkopplung des Lichtes der Beleuchtungsquelle (7) des zweiten Beleuchtungsstrahlenganges (2) angeordnet sind und bei der die Steuer- und Auswerteeinheit mit mindestens einer Bildaufnahmevorrichtung (10) verbunden ist und über eine Einrichtung zur Speicherung der Abbildungen des Objektes (9) verfügt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die zwei Beleuchtungsquellen (4, 7) identische oder verschiedene spektrale Charakteristik aufweisen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 und 8, bei der der Strahlteiler (8) und der Ringspiegel (6) spektral neutral oder polarisationsoptisch sensitiv ausgebildet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der zur Durchführung des auditiven Bildmischverfahrens nur eine Bildaufnahmevorrichtung (10) vorhanden ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der zur Durchführung des subtüraktiven Bildmischverfahrens zwei Bildaufnahmevorrichtung (10, 11) und ein zusätzlicher, vorzugsweise dichroitischen Strahlteiler (14), zur Trennung von kornfokalem und Dunkelfeldzweig vorhanden sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der das zur Abbildung des zu untersuchenden Objektes (9) vorhandene optische System sowohl ein- oder auch mehrstufig ausgeführt sein kann.