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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem Strukturen auf Masken
für die Photolithographie vermessen werden. Bei einem solchen
Verfahren wird zunächst die Maske auf einer im Raum verfahrbaren Plattform
gelagert, die Position der Plattform wird dabei kontrolliert, beispielsweise
mit Laserinterferometrie oder anderer hochpräziser Meßtechnik.
Die Struktur auf der Maske wird dann mit Beleuchtungslicht von einer
im Regelfall kohärentes Licht abstrahlenden Beleuchtungslichtquelle
beleuchtet. Von der Maske kommendes Licht wird durch eine Abbildungsoptik
auf eine Detektierungseinrichtung abgebildet und dort als Bild detektiert.
Die detektierten Signale bzw. das Bild werden in einer Auswerteeinrichtung
ausgewertet und die Positionen bzw. die Abmaße der Strukturen
bestimmt.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, mit der Strukturen auch
auf Masken für die Photolithographie vermessen werden.
Eine solche Vorrichtung umfaßt eine Beleuchtungseinrichtung
mit mindestens einer, kohärentes Beleuchtungslicht ausstrahlenden
Beleuchtungslichtquelle, die die Maske über einen Beleuchtungsstrahlengang
beleuchtet. Sie umfaßt außerdem eine im Raum verfahrbare Plattform,
die die Maske aufnimmt, wobei die Position der Plattform kontrolliert
wird, beispielsweise mit einer laserinterferometrischen oder einer
anderen, gleichermaßen hochpräzisen Meßeinrichtung
kontrolliert wird. Schließlich umfaßt die Vorrichtung
auch eine Abbildungsoptik, die von der Maske kommendes Licht auf
eine Detektierungseinrichtung abbildet, wo das Licht als Bild detektiert
wird, sowie eine mit der Detektierungseinrichtung gekoppelte Auswerteeinrichtung,
die die detektierten Signale des Bildes auswertet und die Positionen
und Abmaße der Strukturen bestimmt.
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Die
Entwicklung bei der Herstellung von Computerchips geht in die Richtung,
immer kleinere Strukturen auf derselben Fläche zu erzeugen.
Derzeit bestehen solche Chips aus etwa dreißig verschiedenen, übereinanderliegenden
Schichten, die Größe der funktionellen Strukturen,
der sogenannten Features beträgt etwa 45 nm. Mit entsprechend
hoher Genauigkeit müssen die zur Herstellung dieser Features
verwendeten Photolithographiemasken hergestellt werden. Ein Wafer
wird dabei bis zu dreißig mal belichtet, für jede
Schicht wird jedoch eine andere Maske benötigt. Aus diesem
Grund ist es erforderlich, daß die Masken zum einen sehr
genau gefertigt sind und zum anderen sehr genau positioniert werden,
so daß die Schichten exakt aneinander ausgerichtet sind,
d. h. dass der Registrierungs-Fehler sehr klein ist. In bezug auf übereinanderliegende Schichten
muß dabei für neueste Anwendungen eine Genauigkeit
von 4,8 nm erreicht werden. Mit dieser Genauigkeit müssen
die Masken, die üblicherweise eine Seitenlänge
von 150 mm haben, zueinander ausgerichtet werden. Wesentlich ist
also, daß die Maskenstrukturen in dem Substrat, welches
die Maske bilden soll, an den richtigen Positionen in bezug auf
eine Referenzkoordinate, beispielsweise die sogenannten Alignmentmarken,
die für die Ausrichtung im Scanner verwendet werden, erzeugt
werden.
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Zur
Qualitätskontrolle der Registrierung (auch als Registration
bezeichnet) werden bisher auf der Maske spezielle Strukturen, sogenannten
Marken aufgebracht, beispielsweise Kreuze mit Ausdehnungen von 10 × 10 μm,
bis zu einer Strichlänge von 38 μm, und einer
Strichdicke von 1 μm bis 8 μm auf der Maske. Diese
Strukturen werden dann mit einem sogenannten Registration Tool dahingehend
analysiert, ob sie innerhalb der zugesegneten Toleranz an den richtigen
Positionen sitzen. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise das
IPRO3 der Firma Vistec. Dieses Gerät arbeitet mit einer
Wellenlänge von 365 nm. Die damit erreichbare Genauigkeit
ist jedoch für zukünftige Strukturen nicht hoch
genug.
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Außerdem
sind diese speziellen Marken verhältnismäßig
groß. Da auf einer Maske in der Regel zwischen hundert
und vierhundert solcher Marken erzeugt werden, wird durch diese
Strukturen relativ viel Platz belegt – oftmals können
diese Kontrollstrukturen daher nur am Maskenrand aufgebracht werden. Aus
diesem Grund ist es wünschenswert, die Registrierung nicht
nur an den Registrierungsmarken zu messen, sondern insbesondere
auch und gegebenenfalls ausschließlich an den Designstrukturen,
die letztlich auf dem Chip eine bestimmte Funktion erfüllen.
Die Größen dieser Strukturen sind jedoch wesentlich
kleiner, sie liegen beispielsweise in der Größenordnung
von 85 nm, der halbe Abstand (half-pitch) auf der Maske beträgt
120 nm.
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Das
Registration Tool verwendet üblicherweise eine Wellenlänge
von zwischen 193 und 400 nm. Die Strukturen auf der Maske sind also
kleiner als die Wellenlänge. Um so kleine Strukturen mit
hoher Genauigkeit vermessen zu können, braucht man ein
Optiksystem mit sehr hoher Auflösung. Um dies zu erreichen,
gibt es verschiedene Möglichkeiten.
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Beispielsweise
kann man die Wellenlänge verkürzen. Aus technischen
Gründen ist es allerdings sehr schwierig, eine Wellenlänge
von weniger als 193 nm zu verwenden, so daß hier derzeit
eine gewisse Grenze besteht.
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Eine
andere Möglichkeit besteht darin, die numerische Apertur
(NA) zu vergrößern. Da viele Laser, die Licht
einer Wellenlänge von 193 nm aussenden, jedoch recht breitbandig
sind – mit einer Halbwertsbreite in der Regel von 0,5 nm –,
ist es notwendig, daß das Optiksystem chromatisch korrigiert
ist. Bei Optiken mit großer numerischer Apertur ist dies jedoch
sehr aufwendig. Zusätzlich gibt es bei der Maskenqualifizierung
die Aufgabe, die Maske zu vermessen, nachdem auf die Maske zusätzlich
ein schützendes Pellikel aufgebracht wurde, das verhindern
soll, daß Partikel direkt auf die Maske gelangen und zu
Abbildungsfehlern führen. Etwaige Effekte des Pellikels
müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Beispielsweise
kann in diesen Fällen die Inspektion nur mit einem Arbeitsabstand
erfolgen, der größer als der Abstand des Pellikels
von der Maske ist, der in der Regel zwischen 3 und 7 mm liegt. Geometrie-
und Bildfehleranforderungen an die Optik beschränken die
numerische Apertur praktisch auf maximal 0,7.
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Unter
diesen Randbedingungen wird es jedoch schwierig die oben aufgeführten
Vermessungen mit hinreichend hoher Genauigkeit durchzuführen. So
ist es beispielsweise schwierig, die Strukturen mit hinreichendem
Kontrast abzubilden. Auch Bildfehler, wie Abberationen, Verzeichnungen
und Telezentriefehler können sich negativ auf die Meßgenauigkeit auswirken.
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In
der Photolithographie ist es bekannt, die Beleuchtungseinstellungen
an die jeweils zu vermessende Struktur so anzupassen, daß in
der unstrukturierten Photolackschicht unter hoher numerischer Apertur
ein maximaler Interferenzkontrast entsteht. Dies ist beispielsweise
beschrieben in der
US 6,704,092 und
in der
US 6,233,041 .
Die Interferenz und damit die Bilderzeugung in der Photolackschicht wird
dabei durch die Gesetzmäßigkeit der räumlichen Vektorinterferenz
bestimmt. Rigorose Wechselwirkungen an den Maskenstrukturen werden
zwar im Belichtungsprozeß beobachtet, da sie gegebenenfalls
das Prozeßfenster einschränken, darüber
hinaus werden sie auch in zunehmenden Maße bei der Maskenauslegung
dann als Korrektur berücksichtigt. Im Vergleich zu reinen
Interferenzeffekten spielen sie in der Photolithographie jedoch
eine untergeordnete Rolle. Die Beleuchtungswinkel auf der Maske
sind in der Photolithographie kleiner als NA = 0,35.
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Während
bei der Lithographie eine Maske stark verkleinert auf den Wafer
bzw. auf die Photolackschicht abgebildet wird, wird bei der Luftbild-Analyse
oder der hochauflösenden Registration-Metrologie die Maske
stark vergrößert auf eine Detektierungseinrichtung,
in der Regel einer Kamera mit CCD- oder CMOS-Chip abgebildet. Aufgrund
des hohen Abbildungsmaßstabes fällt auf die Sensorschicht ein
quasi-kollimiertes Lichtwellenfeld. Die Interferenz-Erscheinungen,
die den Kontrast im optischen Bild bewirken, zeigen vernachlässigbare
3D-Effekte. Wesentlich wichtiger ist hier die elektromagnetische Wechselwirkung
bei der Beleuchtung der Struktur, sowie die Tatsache, daß in
der Beleuchtung maskenseitig hohe Einfallswinkel auftreten. 3D-Vektoreffekte spielen
hier also eine wesentliche Rolle und können, sofern sie
nicht berücksichtigt werden, zu unerwünschten
Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung führen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, das eingangs beschriebene Verfahren
dahingehend weiter zu entwickeln, daß die Genauigkeit bei
der Positions- und Maßbestimmung für die zu vermessenden
Strukturen erhöht wird.
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Dieser
Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst,
daß die Eigenschaften des Beleuchtungslichtes auf die zu
vermessende Struktur abgestimmt werden. Da anders als bei biologischen
Proben in einem hohen Maß a priori Wissen über
die zu vermessenden Strukturen vorhanden ist, können die
Beleuchtungseinstellungen gezielt an die Eigenschaften dieser Strukturen – wie
Materialzusammensetzung seiner Form, Ausdehnung etc. – angepaßt
werden. Die Einstellungen betreffen beispielsweise die Wellenlänge,
die Polarisation, die Intensität des Lichtes im Falle nichtlinearer Effekte,
sowie die Kohärenz, und die Winkelverteilung in der Fokusebene,
die durch die Verwendung verschiedener Pupillenblenden wie z. B.
Dipol- oder Quadrupolblenden mit verschiedenen Polgrößen
beeinflußt werden kann. All diese Eigenschaften können
auf die zu vermessende Struktur abgestimmt werden.
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Bei
der Abstimmung der Eigenschaften des Beleuchtungslichts auf die
zu vermessende Struktur ist die Strukturwechselwirkung auf der Maske
als zentraler Punkt zu berücksichtigen. Die optimale Beleuchtung,
bei der die besten Ergebnisse erzielt werden bzw. die Genauigkeit
am höchsten wird, kann empirisch im Registration Tool selbst
durch Versuchsreihen ermittelt werden. Vorteilhaft ist es aber, die
Einstellungen der Eigenschaften des Beleuchtungslichts anhand der
Ergebnisse von rigorosen Luftbildsimulationen bzw. rigorosen Strukturrechnungen
zu bestimmen. Dies kann beispielsweise datenbankbasiert geschehen
oder aber durch die Nutzung von Methoden der inversen Beugung. Die
Ergebnisse können selbst auch wieder in einer Datenbank
gespeichert werden, so daß bei der Untersuchung neuer Strukturen
oder ähnlicher Strukturen auf Beleuchtungseinstellungen,
die in der Datenbank gespeichert sind, zurückgegriffen
werden kann.
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Dabei
kann die Genauigkeit bei der Positions- und Maßbestimmung
auf verschiedene Weise verbessert werden.
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In
einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Eigenschaften
des Beleuchtungslichts im Hinblick auf eine Kontrastmaximierung
in der Abbildung an die zu vermessende Struktur angepaßt. Dies
erhöht die Reproduzierbarkeit der Registration-Messungen
und der Messungen der kritischen Dimension (CD). Die Kontrasterhöhung
ist besonders gut geeignet für Masken mit kontrastarmen
Strukturen im Luftbild, wie beispielsweise prozessierte EUVL-Masken
oder Photolack-Masken, die bereits durch latente Belichtung strukturiert
sind. Indem in den aufgenommenen Bildern höhere Kontraste
erzielt werden, kann entweder die Registrierungs-Meßgenauigkeit
oder die Meßgenauigkeit bezüglich der kritischen
Dimension erhöht werden, oder aber es kann ein höherer
Durchsatz erzielt werden, da die Messungen schneller abgeschlossen
werden können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die Eigenschaften
des Beleuchtungslichts im Hinblick auf eine verbesserte Kontrolle
der Fokuslage an die zu vermessende Struktur angepaßt.
So kann man beispielsweise dann eine afokale Ebene wählen,
um unabhängiger von Defokussierungsfehlern zu sein, oder
aber eine gewünschte Fokusebene, um beispielsweise Telezentriefehler
zu vermeiden und um letztlich eine genauere und reproduzierbare
Registrierungsmessung und/oder Messung der kritischen Dimension
(CD) zu erhalten.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die Eigenschaften
des Beleuchtungslichts im Hinblick auf einer verbesserte Kontrolle
der Tiefenschärfe an die zu vermessende Struktur angepaßt.
Dann kann man beispielsweise die Tiefenschärfe erhöhen,
um die Fokusschrittweite und so bei gegebener Fokusschrittzahl den
Fokusfangbereich zu erhöhen. Dies bringt Vorteile, wenn
auf der Maske größere Unebenheiten sind, da dann
zum einen der Fokus leichter und sicherer gefunden werden kann und
zugleich außerhalb des Fokusses einen für die Reproduzierbarkeit
der Registrierungs- und CD-Messungen ausreichenden Kontrast zu erhalten.
Auf der anderen Seite kann auch eine Reduzierung der Tiefenschärfe
hilfreich sein, wenn beispielsweise der Fokus bereits auf andere
Weise – beispielsweise via Autofokus – bekannt
ist und somit ein kleiner Fangbereich ausreicht. In diesem Fall
kann mit kleineren Fokusschrittweiten gearbeitet werden, womit der
beste Fokus (BF) sicherer bestimmt werden kann. Als Folge werden
die Fehler, die bei der Meßwert-Interpolation auf den BF
entstehen, reduziert. Vorteilhaft ist dies insbesondere dann, wenn
die Registrierungs-Messung oder die CD-Messung signifikant als Funktion
des Fokus variieren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Eigenschaften
des Beleuchtungslichts im Hinblick auf eine verbesserte Kontrolle
der Telezentrie an die zu vermessende Struktur angepaßt.
Durch eine solche Anpassung kann der Telezentriefehler der Abbildung
minimiert oder sogar vollständig eliminiert werden. Aufgrund
von Telezentriefehlern in der Abbildung verschiebt sich die Lage
von Strukturen in der Abbildung bzw. im Auswertefenster in Abhängigkeit
von der vertikalen Lage, der z-Lage. Defokussierungsfehler, Fehler
in der Messung der z-Position oder sonstige vertikale Positionsunsicherheiten
verursachen auf diese Weise ungewollte Registrierungs- und CD-Meßfehler.
Diese Fehler können minimiert bzw. eliminiert werden, wenn
der Telezentriefehler kontrolliert werden kann. Er läßt
sich dann beispielsweise in der Auswertung als Korrekturgröße
entsprechend berücksichtigen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die Eigenschaften
des Beleuchtungslichts im Hinblick auf die Bestimmung und Korrektur von
einem oder mehreren Bildfehlern, beispielsweise von Verzeichnungen
und Abberationen, an die zu vermessende Struktur angepaßt.
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Beispielsweise
weist die Abbildungsoptik in der Regel feldabhängige Fehler
auf, die dazu führen, daß die auf eine CCD-Kamera
abgebildeten Strukturen je nach Bildfeldlage einen unterschiedlichen
Versatz aufweisen. Durch eine entsprechende Auswahl der Beleuchtungseinstellungen
kann diese strukturabhängige Feldverzeichnung minimiert
oder sogar vollständig kompensiert werden. Registrierungs-
und CD-Meßfehler, die durch unterschiedliche Lagen der Strukturen
im Bildfeld zustande kommen, lassen sich auf diese Weise reduzieren
und somit läßt sich die Genauigkeit erhöhen.
Außerdem wird so vermieden, das Verzeichnungsbild für
verschiedene Strukturen ermitteln und korrigieren zu müssen,
was grundsätzlich auch möglich ist. Diese Korrekturen
lassen sich auch für mehrere Strukturen gemeinsam durchführen.
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Während
das Optimum darin besteht, für jede Struktur eine optimale
Einstellung der Beleuchtungsparameter zu finden, werden in einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Eigenschaften des Beleuchtungslichtes
einheitlich für mehrere zu vermessende Strukturen angepaßt.
Dies hat unter anderen den Vorteil, daß nicht für
jede neu zu vermessende Struktur ein Wechsel in den Einstellungen stattfinden
muß und somit Zeit gespart wird und Fehler vermieden werden.
Eine typische Meßaufgabe besteht beispielsweise darin,
die Relativposition zweier verschiedener Strukturen zueinander zu
vermessen. Nicht korrigierte Abberationen in der abbildenden Optik
führen dazu, daß aufgrund der Beleuchtung unterschiedliche
Strukturtypen einen unterschiedlichen lateralen Positionsversatz
in der Abbildung erfahren (Registrierungs-Offset). Durch die Auswahl
einer bestimmten, an die Strukturen angepaßten Beleuchtung
kann erreicht werden, daß dieser Positionsversatz entweder
minimiert wird oder sogar ganz verschwindet, so daß alle
Strukturtypen denselben lateralen Positionsversatz erhalten, welcher
dann als irrelevante Translation wiederum eliminierbar und damit
vernachlässigbar ist.
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In
einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens schließlich
werden für jede zu vermessende Struktur Messungen mit mindestens
zwei von einander verschiedenen Einstellungen des Beleuchtungslichts
durchgeführt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn
die Optimierung einzelner der oben genannten Abbildungseigenschaften
nicht erreichbar ist, weil beispielsweise aufgrund von Abberationen ein
lateraler Positionsversatz bleibt, der für unterschiedliche
Strukturtypen verschieden ist. In mindestens zwei, besser noch mehreren
voneinander verschiedenen Einstellungen des Beleuchtungslichts lassen
sich gegebenenfalls die abberationsinduzierten Registrierungs- und
CD-Meßeffekte kompensieren.
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Die
Meßwerte der Messungen mit den verschiedenen Beleuchtungseinstellungen
werden vorteilhaft zu einem Gesamtmeßwert addiert, wobei
die Meßwerte einzeln gewichtet werden und die Summe der
Gewichte Eins ergibt. Vorzugsweise werden die Wichtungsfaktoren
für die Gewichtsaddition dabei anhand von Luftbildsimulationen
ermittelt, die Auswahl ist dabei so zu treffen, daß die
zu optimierende Abbildungseigenschaft wie Kontrast, Tiefenschärfe, Fokuslage,
Telezentrie, etc., in der Summe der Einzelergebnisse den gewünschten
Wert erreicht und dadurch Registrierungs- und CD-Meßfehler
minimiert oder sogar eliminiert werden. Hier wie auch in den vorangehend
beschriebenen Fällen kann die Sequenz von optimierten Beleuchtungseinstellungen experimentell
oder durch eine Simulation herausgefunden werden.
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Eine
weitere Abwandlung besteht darin, für jede der Strukturen
eine Variation der Beleuchtungseinstellungen durchzuführen,
d. h. für jede zu vermessende Struktur Messungen mit mindestens
zwei voneinander verschiedenen Einstellungen des Beleuchtungslichtes
durchzuführen. Falls die Abbildungsoptik noch unkorrigierte
Abberationen, sogenannte Restabberationen aufweist, variiert dann
der gemessene Registrierungs- oder CD-Meßwert. Wählt
man nun Beleuchtungseinstellungen, die sensitiv und bevorzugt auch
selektiv auf unterschiedliche Abberationstypen reagieren, kann dies
dazu genutzt werden, die Restabberationen zu separieren und auf diese
Weise zu bestimmen. Die Kenntnis der Abberationen gestattet dann,
diese entweder physikalisch – beispielsweise per Justage
oder Objektivmanipulation – zu minimieren oder sogar zu
eliminieren, oder rein auf rechnerische Weise im Ergebnis in Abhängigkeit
von der Maskenstruktur zu berücksichtigen, d. h. letztendlich
eine Kalibrierung auf die Restabberationen durchzuführen.
Wird diese Kalibrierung einmal beispielsweise bei Aufstellung des
Gerätes durchgeführt, so können im späteren
Betrieb unter Last Registrierungs- und CD-Meßfehler minimiert
oder sogar ganz vermieden werden.
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Auch
hier kann die Auswahl der Beleuchtungseinstellungen anhand von Luftbild-Simulationen vorgenommen
werden oder experimentell bestimmt werden.
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Sind
die Restabberationen bekannt, so lassen sich andererseits auch davon
ausgehend bestimmte Strukturen definieren – beispielsweise
eine Anordnung, eine kritische Dimension, der Abstand zweier Strukturen,
das Material, die Topographie etc. –, die bezüglich
der bestimmten Bildfehler optimale Abbildungseigenschaften – wie
Kontrast, Tiefenschärfe, Strukturlage, minimierter Telezentriefehler, etc. – aufweisen,
so daß die Registrierungs- und CD-Meßfehler verringert
werden und die Genauigkeit somit ermöglicht wird. Diese
optimierten Strukturen können darüber hinaus dann
vorteilhaft auf Masken oder anderen Substraten verwendet werden.
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Schließlich
gestattet die Kenntnis der Restabberationen auch, für erwartete
Strukturen optimierte Beleuchtungseinstellungen zu definieren, die bezüglich
der Bildfehler optimierte Abbildungseigenschaften aufweisen, und
auf diese Weise ebenfalls die Genauigkeit zu erhöhen, da
die Meßfehler bei der Registrierung verringert werden.
Diese optimierten Beleuchtungseinstellungen können dann
beispielsweise vorteilhaft als Grundeinstellungen in entsprechenden
Meßgeräten für die Registrierung und
die Bestimmung der kritischen Dimension verwendet werden.
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Für
eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, die insbesondere
geeignet ist, die vorangehend genannten Verfahrensschritte einzeln
oder in Kombination auszuführen, wird die Aufgabe gelöst,
in dem die Beleuchtungseinrichtung Einstellmittel zur Abstimmung
der Eigenschaften des Beleuchtungslichts auf die zu vermessende
Struktur derart umfaßt, daß die Genauigkeit der
Positionsbestimmung erhöht wird.
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Diese
Einstellmittel umfassen bevorzugt Pupillenblenden wie annulare Blenden,
Dipol-, Quadrupol- und Multipolblenden, Disar- und Quasarblenden, Zikularblenden,
sowie Phasenverschiebungsstrukturen und/oder Polarisatoren, die
jeweils so angeordnet sind, daß sie einzeln oder in Kombination
in einer Pupillenebene in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht
werden können. Mit diesen Einstellmitteln läßt
sich für jede Struktur eine optimale Beleuchtungseinstellung
finden, in der die gewünschten Abbildungseigenschaften
optimiert werden können und/oder Abbildungsfehler minimiert
werden können.
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Bevorzugt
umfaßt die Vorrichtung außerdem eine Datenbank,
in der für eine Vielzahl von Strukturen eine oder mehrere
Beleuchtungseinstellungen hinterlegt sind, anhand derer die Abstimmung
erfolgt. Je nachdem, welche Abbildungseigenschaft optimiert oder
welcher Bildfehler korrigiert bzw. kontrolliert werden soll, kann
eine der Beleuchtungseinstellungen ausgewählt werden, wobei
der Vorgang über eine Steuereinheit automatisiert werden
kann. Außerdem können auch Beleuchtungseinstellungen hinterlegt
sein, die für eine Vielzahl von Strukturen optimierte Abbildungseigenschaften
bzw. minimierte Abbildungsfehler liefern.
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Es
versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen
Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten
Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren,
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 den
Aufbau einer Vorrichtung zur Vermessung von Strukturen auf Masken
für die Photolithographie,
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2 eine
detaillierte Darstellung des Verfahrensschritts zur Abstimmung des
Beleuchtungslichts auf die zu vermessende Struktur,
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3 eine
Beleuchtungseinrichtung für eine solche Einrichtung im
Detail,
-
4a–g verschiedene Beleuchtungseinstellungen
und
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5a–c ein Beispiel für
die Kontrasterhöhung bei polarisierter Beleuchtung.
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Bei
der in 1 gezeigten Vorrichtung ist eine Maske 1 für
die Photolithographie auf einem Träger auf einer Plattform 2 gelagert.
Die Plattform 2 kann in drei Raumrichtungen verfahren werden.
Um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, wird die aktuelle
Position bzw. die Wegedifferenz mittels – nicht gezeigter – laserinterferometrischer
oder anderer hochpräziser Meßgeräte kontrolliert.
Die Maske 1 und die Plattform 2 sind horizontal
angeordnet, d. h. senkrecht zur Wirkung der Schwerkraft. Oberhalb
der Plattform 2 mit der Maske 1 ist eine Beleuchtungseinrichtung 3 angeordnet.
Diese enthält mindestens eine, kohärentes Beleuchtungslicht
ausstrahlende Beleuchtungsquelle, die die Maske über einen
Beleuchtungsstrahlengang beleuchtet. Die Beleuchtungslichtquelle
kann beispielsweise als Laser, der Licht der Wellenlänge
193 nm aussendet, ausgestaltet sein. Die Beleuchtungseinrichtung 3 dient
der Durchlichtbeleuchtung der Maske 1. Auf der anderen
Seite der Plattform 2 befindet sich eine weitere Beleuchtungseinrichtung 3',
die der Auflichtuntersuchung der Maske 1 dient. Von der
Maske 1 kommendes Licht, welches entweder das durch die
Maske 1 hindurchtretende oder das von ihr reflektierte
Licht ist, wird über eine Abbildungsoptik 4 und
einen halbdurchlässigen Spiegel 5 auf eine ortsauflösende
Detektierungseinrichtung 6, die als CCD-Kamera ausgestaltet
sein kann, abgebildet. In dieser werden die detektierten Intensitäten
des Bildes in elektrische Signale umgewandelt und an eine Auswerteeinrichtung 7 übermittelt.
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Die
auf der Maske 1 befindlichen Strukturen, die zur Überprüfung
der Qualität dienen, werden dabei mit dieser Detektierungseinrichtung 6 abgebildet. Mit
Hilfe der mittels Interferometrie bestimmten Position der Maske 1 kann
die Position der Struktur auf der Maske 1 bestimmt werden.
Die Strahlengänge sowohl für Beleuchtung als auch
für die Abbildung sind dabei bevorzugt parallel zur Gravitationskraft ausgeführt,
auf diese Weise sind die Linsen und ihre Halterungen nur in axialer
Richtung der Gravitationskraft ausgesetzt, was die Genauigkeit der
Strahlführung erhöht.
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Die
Genauigkeit der Positionsbestimmung kann dabei erhöht werden,
indem die Eigenschaften des Beleuchtungslichts auf die zu vermessende Struktur
oder auf die zu vermessenden Strukturen abgestimmt werden. Die Vorgehensweise
dazu ist in 2 skizziert, wobei die Abstimmung
sowohl experimentell, also durch Ausprobieren verschiedener Beleuchtungen,
als auch rechnergestützt mit Hilfe von Luftbildsimulationen
erfolgen kann. Das Schema läßt sich in beiden
Fällen anwenden. Im ersten Schritt wird eine Startkonfiguration
für das Beleuchtungslicht eingestellt. Für verschiedene
Eigenschaften des Beleuchtungslichts, wie die Wellenlänge,
die Polarisation, die Winkelverteilung und/oder die Intensität
werden Einstellungen vorgenommen, die für die Beleuchtung
der Maske 1 relevant sein können. Bei der Beleuchtung
der Struktur hängt die Wechselwirkung des Beleuchtungslichts
wesentlich von den o. g. Eigenschaften des Beleuchtungslichts und
den Eigenschaften der Struktur, wie Material, Größe
und Form, ab. Mit der eingestellten Beleuchtung wird ein Bild detektiert.
Die detektierten Signale, d. h. die Intensität des Bildes,
wird dann im Hinblick auf eine interessierende Abbildungseigenschaft,
wie beispielsweise dem Kontrast, oder einen interessierenden Bildfehler, wie
beispielsweise den Telezentriefehler, analysiert. Ist das Ergebnis
nicht zufriedenstellend, so kann durch eine Variation der Beleuchtungseinstellungen versucht
werden, diese Abbildungseigenschaft bei der Darstellung zu optimieren,
beispielsweise den Kontrast zu maximieren oder den Telezentriefehler zu
minimieren. Für eine gegebene Struktur lassen sich dann
nach Durchlauf der Testreihen oder Abschluß der Simulation
Einträge in einer Datenbank erstellen, so daß die
optimierten Beleuchtungseinstellungen schnell abrufbar sind und
beim Messen verschiedener Strukturen auf der Maske die optimalen
Einstellungen jederzeit verwendet werden können.
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In 3 ist
die Beleuchtungseinrichtung im Detail dargestellt. Die Beleuchtungseinrichtung 3' ist vom
Grundsatz her ebenso aufgebaut, kann sich jedoch in einzelnen Einstellungen
von der Beleuchtungseinrichtung 3 unterschieden. Eine Lichtquelle 8 strahlt
kohärentes Licht ab, vorzugsweise handelt es sich bei der
Lichtquelle um einen Laser, der mit einer Wellenlänge von
193 nm Licht abstrahlt. Das von der Lichtquelle 8 abgestrahlte
Licht wird zu einem Homogenisierer 9 geleitet. In diesem
wird der Strahl für die Feld- und die Pupillenebene homogenisiert
um ein gleichmäßigeres Strahlenprofil zu erzeugen
und somit eine gleichmäßige Ausleuchtung zu erhalten.
Der Strahl wird dann über eine Zoomoptik 10 auf
eine Feldblende 11 fokussiert. Diese Feldblende dient dazu,
die Größe des auf der Maske 1 des beleuchteten Feldes
so einzustellen, daß ausschließlich der kleinstmögliche
Bereich, der für alle Strukturen bei der Abbildung gleich
erscheint, beleuchtet wird. Auf diese Weise lassen sich Streueffekte,
die durch die Nachbarschaft der zur Markierung verwendeten Strukturen
hervorgerufen werden, unterdrücken. Der Strahl wird dann über
eine Tubuslinse 12 und einen Kondensor 13 auf
die Maske 1 gelenkt und auf diese fokussiert. Im Strahlengang
sind außerdem in Pupillenebenen ein Polarisator 14 und
eine Pupillenblende 15 angeordnet. Diese beiden Elemente
stehen beispielhaft für die Einstellmittel, die verwendet
werden um die Eigenschaften des Beleuchtungslichts auf die zu vermessende
Struktur so abzustimmen, daß die Genauigkeit der Positionsbestimmung
erhöht wird. Statt einer Pupillenblende 15 lassen
sich auch diffraktive optische Elemente (DOE) verwenden. Zusätzlich
lassen sich außerdem auch Phasenverschiebungsstrukturen
verwenden. Polarisator 14 und Pupillenblende 15 sind außerdem
so angeordnet, daß sie aus dem Strahlengang entfernt werden
können und gegebenenfalls durch andere Elemente ersetzt wenden
können. Mit Hilfe der Pupillenblenden 15 im Pupillenstrahlengang,
die Licht nur in bestimmten Bereichen der Pupillenebene durchläßt,
kann die Winkelverteilung des Lichts in der Fokusebene beeinflußt
werden, wo die Strahlen interferieren. Typische Pupillenblenden 15 sind
sogenannte σ-Blenden, beispielsweise Dipolblenden, Quadrupolblenden,
Disarblenden und Annularblenden, um nur einige zu nennen. Auch die
Zoomoptik 10 kann als Einstellmittel aufgefaßt
werden, da mit ihr ebenfalls der beleuchtete Bereich auf der Maske
beeinflußt werden kann, insbesondere, in welcher Vergrößerung beispielsweise
die Dipolblende auf die Struktur abgebildet wird.
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Die
genannten Blenden lassen sich allgemein als Off-Axis-Blenden zusammenfassen.
Bei diesen liegt σ – das Verhältnis von
der numerischen Apertur der Beleuchtungseinrichtung zur numerischen
Apertur der Abbildungsoptik – zwischen 0,5 und 1, wobei
jedoch nicht die ganze Beleuchtungspupille gefüllt ist.
Durch die genannten Blenden wird ein Teil der Pupille ausgeblendet,
auf diese Weise läßt sich die Auflösung
gegenüber einem normalen Mikroskop, in dem σ immer
1 ist, erhöhen.
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In 4 sind
verschiedene σ-Benden gezeigt, wobei der äußere
Kreis um das Zentrum jeweils den Rand der Pupille wiedergibt, und
die schraffierten Flächen im Inneren dieses Kreises den Bereich,
der ausgeblendet wird. Mit den strichpunktierten Linien/Kreisen
links und rechts sind die –1. Beugungsordnung (links) und
die 1. Beugungsordnung (rechte) gekennzeichnet. Die Größe
der Abbildung der Pupillenblende 15 kann beispielsweise
mit Hilfe der Zoomoptik beeinflußt werden.
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Bei
Wellenlängen von 193 nm und einer numerischen Apertur von
0,7 sind 85 nm-Strukturen mit einem Half-Pitch von 120 nm sehr nahe
an der Auflösungsgrenze. Der Kontrast ist sehr gering,
was normalerweise zu hohen Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung
der Strukturen führt. Bei so kleinen Strukturen andererseits
wirkt die Maske als Beugungsgitter. Die nullte Beugungsordnung,
d. h. die ungebeugte Ordnung, bei der der Einfallswinkel beibehalten
wird, wird stets vollständig innerhalb der Abbildungspupille
abgebildet. Die –1. und die 1. Beugungsordnung jedoch werden
durch die Maske gebeugt und somit abgelenkt. Nahe der Auflösungsgrenze
des Optiksystems ist bereits die erste Beugungsordnung nur teilweise
innerhalb und die 2. Beugungsordnung schon vollständig
außerhalb der Abbildungspupille.
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Kontrast
im Bild andererseits entsteht durch die Interferenz der verschiedenen
Beugungsordnungen miteinander. Nur der Teil der ersten Beugungsordnung,
der innerhalb der Pupille liegt, kann zum Kontrast beitragen. Um
daher die Beleuchtungseinstellungen im Hinblick auf eine Kontrastmaximierung anzupassen,
sollten die Beleuchtungseinstellungen so gewählt werden,
daß ein möglichst großer Anteil der ersten
Beugungsordnung innerhalb der Pupille liegt. Welche Pupillenblenden
dafür besonders geeignet sind, hängt auch von
der Struktur der Maske ab, insbesondere muß zwischen Amplituden-
und Phasenverschiebungsmasken unterschieden werden. Bei Amplitudenmasken
entsteht Kontrast durch Interferenz der nullten mit der +/–1.
Beugungsordnung. Die nullte Beugungsordnung sollte daher nahe am
Rand der Pupille liegen, die +/–1. Ordnung jeweils am gegenüberliegenden
Rand. In diesem Fall bietet sich eine sogenannte Off-Axis-Einstellung
an. In 4a ist dies am Beispiel einer
Dipolblende gezeigt, der Überlappungsbereich zwischen nullter
und 1. bwz. –1. Beugungsordnung ist jedoch sehr klein. Im
Falle der in 4b dargestellten Disarblende
ist der Überlappungsbereich größer. In
beiden Fällen lassen sich jedoch gute Verbesserungen des
Kontrasts erzielen. Mittels Dipolbeleuchtung, d. h. bei der Verwendung
von Dipol-Pupillenblenden lassen sich insbesondere bei eindimensionalen
Strukturen, d. h. bei linienförmigen Strukturen, die nur
in einer Richtung ausgedehnt sind, gute Kontrastverbesserungen erzielen.
Bei zweidimensionalen Strukturen muß dann eine Doppelmessung
durchgeführt werden.
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Andere
mögliche Blendentypen sind die in 4e dargestellte
Quadrupolblende, die in 4f um 45° gedreht
ist, sowie die in 4g dargestellte Quasarblende.
Insbesondere die Quadrupolbeleuchtung, wie sie in 4e dargestellt
ist, ist bei Amplitudenmasken vom Typ CoG (Chrom auf Glas) vorteilhaft,
wenn mit unpolarisiertem Licht beleuchtet wird. Bei größeren
Strukturen oder größeren numerischen Aperturen
als 0,6 lassen sich auch andere Beleuchtungen wie eine Quasarbeleuchtung
oder auch eine annulare Beleuchtung, wie sie in 4d dargestellt ist,
verwenden. Diese Beleuchtungseinstellungen lassen sich auch gut
für EUV-Absorptions-Masken verwenden.
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Mittels
einer Blende, wie sie der in 4d gezeigten
annularen Blende entspricht, läßt sich bei entsprechender
Ausgestaltung die Maske auch in Dunkelfeldbeleuchtung vermessen.
Dies läßt sich beispielsweise, wenn das Objektiv
eine numerische Apertur von 0,7 und der Kondensor eine numerische Apertur
von 0,9 hat mit einer annularen Beleuchtung mit einer äußeren
numerischen Apertur von 0,9 und einer inneren numerischen Apertur
von 0,75 erreichen. Die nullte Beugungsordnung liegt dann – bei entsprechender
Einstellung der Zoomoptik 10, die eine andere Vergrößerung
als die in 4d gezeigte erzeugt – komplett
außerhalb der Abbildungspupille. Wenn auf der Maske keine
Strukturen sind, ist das Bild komplett dunkel. Wenn andererseits
auf der Maske Strukturen sind, gelangen die +/–1. und +/–2. Beugungsordnung
in die Pupille. Kontrast entsteht durch die Interferenz der ersten
mit der zweiten Beugungsordnung. Zwar ist das Bild dem Objekt nicht mehr ähnlich,
dort wo Strukturen sind, bekommt man andererseits einen sehr guten
Kontrast.
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Für
Phasenverschiebungsmasken wiederum ist die Intensität der
Beugungsordnung sehr klein und im Idealfall annähernd Null.
Kontrast entsteht in diesem Fall durch Interferenz der –1.
mit der 1. Beugungsordnung. Idealerweise wählt man daher
eine Beleuchtung mit einem niedrigen σ, so daß die
nullte Beugungsordnung mit geringer Intensität in der Pupillenmitte
ist und die +/–1. nahe den Pupillenrändern, wie
beispielsweise in 4c gezeigt.
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Der
Kontrast kann auch mit der Verwendung von Phasenstrukturen wie DOE
erhöht werden. Hier wird eine der Beleuchtungseinstellung
entsprechende phasenschiebende Struktur, die die Phase um ein Viertel
der Wellenlänge verschiebt, in die Abbildungsapertur eingebracht.
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Schließlich
läßt sich auch ausschließlich oder in
Ergänzung zu den Pupillenblenden 15 eine polarisierte
Beleuchtung verwenden. Dies kann mittels des Polarisators 14 erreicht
werden, mit dem verschiedene Polarisationen eingestellt werden können. Bei
Maskenstrukturen nahe oder unterhalb der Lichtwellenlänge
kann die Maske als teilweiser Polarisator wirken. Die Maske behandelt
dann in x-Richtung polarisiertes Licht anders als in y-Richtung
polarisiertes Licht oder unpolarisiertes Licht. Der Kontrast läßt
sich optimieren, indem man die Polarisation auswählt, bei der
man den maximalen Kontrast bekommt. Falls beispielsweise auf der
Maske lineare Strukturen in y-Richtung sind, so erhält
man einen besseren Kontrast, wenn das Beleuchtungslicht ebenfalls
in y-Richtung polarisiert ist. Entsprechendes gilt für
die x-Richtung. Falls auf der Maske Strukturen in beiden Richtungen
liegen, so bietet sich auch tangentiale oder radiale Polarisation
an, da bei dieser Art von Polarisation die x-y-Symmetrie nicht gebrochen
wird. Ein Beispiel für die Kontrastoptimierung bei polarisierter
Beleuchtung ist in 5 dargestellt. Bei einer Lichtwellenlänge
von 193 nm und einer Linienbreite von 85 nm sowie einer Periode
der Strukturen von 240 nm, d. h. einem Half-Pitch von 120 nm, wie
sie in 5c beispielhaft dargestellt
ist, bei der also die Linien in y-Richtung ausgedehnt sind, ergibt
sich bei einer numerischen Apertur von 0,77 und einer unpolarisierten
Beleuchtung mit einer ringförmigen Blende das in 5a gezeigte Bild. Der dort gezeigte Kontrast – die
Intensität ist in beliebigen Einheiten dargestellt – ist
für eine präzise Bilderkennung zu gering. Ohne
annulare Blende wäre der Kontrast noch geringer bzw. gar
nicht mehr vorhanden.
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Verwendet
man nun zusätzlich zu der annularen Blende, die eine Dunkelfeldbeleuchtung
erzeugt, noch in y-Richtung polarisiertes Licht, so erhält man
das in 5b dargestellte Bild. Der Kontrast
ist hier ausreichend. Als Maske wurde hier beispielhaft eine EUV-Maske
verwendet.
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Mit
entsprechend anderen Einstellungen lassen sich Fokuslage, Tiefenschärfe
und Telezentrie kontrollieren und Bildfehler wie Verzeichnungen
und Abberationen bestimmen und entsprechend eliminieren oder zumindest
so berücksichtigen, daß sie zur Kalibrierung des
Geräts herangezogen werden können.
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- 1
- Maske
- 2
- Plattform
- 3,
3'
- Beleuchtungseinrichtung
- 4
- Abbildungsoptik
- 5
- halbdurchlässiger
Spiegel
- 6
- Detektierungseinrichtung
- 7
- Auswerteeinrichtung
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Homogenisierer
- 10
- Zoomoptik
- 11
- Feldblende
- 12
- Tubuslinse
- 13
- Kondensor
- 14
- Polarisator
- 15
- Pupillenblende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6704092 [0010]
- - US 6233041 [0010]