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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines
Messtisches einer Koordinaten-Messmaschine.
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Die
deutsche Patentschrift
DE
197 34 695 C1 offenbart ein Verfahren zur Korrektur der
Messfehler einer Koordinaten-Messmaschine. Es ist ein Verfahren
zur Selbstkalibrierung der Koordinaten-Messmaschine offenbart. Dabei
werden die Koordinaten von Strukturen auf einem unkalibrierten Referenzobjekt
in mehreren Drehlagen auf dem Objekttisch der Koordinaten-Messmaschine
vermessen. Die gemessenen Koordinaten werden mit Drehfunktionen
in die Ausgangslage zurückgedreht. Damit wird eine Korrekturfunktion
so bestimmt, dass die zurückgedrehten Koordinaten mit den
Koordinaten der Anfangsorientierung eine optimale Übereinstimmung
aufweisen. Dabei wird jedes Referenzobjekt nur um eine Achse gedreht.
Drehsymmetrische Linearkombinationen der zur Approximation der Korrekturfunktion
herangezogenen Fit-Funktionen werden bestimmt und bei der Approximation
außer Acht gelassen. Die erzeugten Korrekturfunktionen
sind systematisch vollständig und enthalten keine unbestimmten
oder fehlerhaften Terme.
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Hochgenaue
Koordinaten-Messmaschinen werden in der Halbleiterindustrie zur
Vermessung der Strukturen auf Masken oder Wafern eingesetzt. Die
genaue Kenntnis der Koordinaten der Strukturen auf Masken ist zwingend
erforderlich, um eine kontrollierte Fertigung von integrierten Schaltkreisen
durchführen zu können.
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Die
Messwerte dieser hochgenauen Koordinaten-Messmaschine besitzen Fehlerkomponenten,
welche vom Messort, also der gemessenen Koordinate selbst, abhängen.
Dabei existieren systematische Fehlerkomponenten, die aus der Konstruktion
und der Auswahl der Bauelemente der Koordinaten-Messmaschine selbst
resultieren. So sind z. B. bekannte Fehler Ursachenmängel
in der Spiegelorthogonalität und der Spiegel ebenheit, Verzeichnungen
in der Skalierung der Messachsen (sog. Kosinus-Fehler) sowie die
Durchbiegung der zum Korrigieren benutzten Maske.
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Zum
Erreichen höchster Genauigkeit der Messungen benötigen
hochgenaue Koordinaten-Messmaschinen eine Koordinaten-abhängige
Fehlerkorrektur. Die Ermittlung dieser Korrektur wird im Allgemeinen durch
Vergleichen mit einem Standard erreicht. Bei extrem hohen Genauigkeiten,
wie sie beispielsweise in der Messtechnik von Halbleitersubstraten
benötigt werden, existiert jedoch kein hinreichend genauer
Standard. Dafür ist bekannt, eine Koordinaten-Messmaschine
mit sich selbst zu kalibrieren, indem ein und dasselbe Objekt in
mehreren Lagen vermessen wird. Mit einer durch Selbstkalibrierung
erzeugten Fehler-Korrekturfunktion werden alle Fehler der Koordinaten-Messmaschine
mit Ausnahme des Skalierungsfehlers erfasst. Dieser kann nur durch
Vergleich mit einem geeigneten Längenstandard bestimmt
werden.
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Das
U.S.-Patent 4,583,298 beschreibt
die Selbstkalibrierung einer Koordinaten-Messmaschine mit Hilfe
einer sog. Kalibrierplatte, auf welcher ein Gitter angeordnet ist.
Die Positionen der Gitterpunkte sind jedoch nicht kalibriert. Die
Gitterplatte wird auf den Objekttisch der Koordinaten-Messmaschine
aufgelegt und die Positionen ihrer Gitterpunkte werden gemessen.
Dieselbe Gitterlinie wird dann zwei- oder mehrmals jeweils um 90° um
eine Drehachse weitergedreht und in jeder der eingestellten Orientierungen
werden die Positionen der Gitterpunkte gemessen. Die Messergebnisse
werden mathematisch zurückgedreht und verschiedene Korrekturfaktoren
und Tabellen so optimiert, dass die zurückgedrehten Datensätze
eine bessere Übereinstimmung aufweisen.
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Das
U.S.-Patent 4,583,298 befasst
sich ausführlich mit deren Problem fehlerhafter und auch
unzuverlässiger Korrekturen. Als Ursache werden Fehler
bei der Messung der zur Korrekturbestimmung herangezogenen Messwerte
ermittelt. Es wird gezeigt, dass eine mathematisch eindeutige Korrektur
nur dann erzielt wird, wenn mehr als zwei verschiedene Drehlagen
mit derselben Gitterplatte vermessen werden und dabei die Drehzentren
für die Drehungen zwischen den Drehlagen ausreichend verschieden
sind. Dazu wird die Gitterplatte, wie bekannt, auf den Objekttisch
aufgelegt und die Positionen ihrer Gitterpunkte in mehreren Orientierungen
der Gitterplatte vermessen. Die Orientierungen werden beispielsweise
durch mehrfache Drehungen um 90° um ihren Mittelpunkt erreicht.
Danach jedoch muss die Gitterplatte auf eine gänzlich andere
Position auf dem Objekttisch verschoben werden. Dort wird die Messung
der Position ihrer Gitterpunkte in mehreren Orientierungen, wie
bereits vorbekannt, wiederholt.
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Wesentlich
ist hierbei, dass dieselbe Gitterplatte auf dem Objekttisch verschoben
werden muss.
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Diese
Forderung erweist sich in der Praxis jedoch als nachteilig; denn
am einfachsten dreht man die Gitterplatte um solche Winkel, bei
denen die äußeren Dimensionen ineinander übergehen.
Dabei ist der Drehpunkt stets der Mittelpunkt der Gitterplatte.
So wird in der
U.S. 4,583,298 beispielsweise
eine quadratische Kalibrierplatte in einen quadratischen Rahmen
eingelegt und nach jeder Messung um 90° versetzt wieder
in ihm abgelegt. Damit sind alle Drehzentren gleich dem Mittelpunkt
der Kalibrierplatte. Nur wenn die Drehzentren weit auseinander liegen,
d. h. ihre Abstände ähnlich groß sind
wie die Abstände der Kalibrierstrukturen, ist die Fehlerkorrektur
besser. Aber selbst bei Realisierung deutlich unterschiedlicher
Drehzentren sind die ermittelten Korrekturfaktoren sowie das Ergebnis
der Korrektur nicht ganz zufrieden stellend.
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Um
eine signifikante Verschiebung der Drehzentren zu erlauben, muss
der Haltemechanismus, wie z. B. der quadratische Rahmen, verschoben
werden. Dabei muss auch der Messtisch im Vergleich zum unverschobenen
Objekt vergrößert werden. Die zu diesem Umbau
der Koordinaten-Messmaschine erforderlichen Maßnahmen sind
mit erheblichen Nachteilen verbunden. So ist die Anbringung eines
verschiebbaren Halterahmens für die Kalibrierplatte auf
dem Objekttisch problematisch. Sind nämlich mehrere Maskenhalterungen
auf dem Probentisch vorhanden (z. B. Vakuum-Chuck oder spezielle
Mehr-Punkt-Lagerung), müssten diese extra für
die Kalibriermessung aufgebaut werden. Das Auflegen eines Halterahmens
auf vorhandene Maskenhalterungen kommt ebenfalls nicht in Frage,
da diese beschädigt werden können bzw. keine ebene
Auflagefläche für den Halterahmen bieten.
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Auch
die Vergrößerung des Messbereichs zur Vermessung
der Kalibrierplatte in verschobenem Zustand ist problematisch. Sie
erfordert kostenintensive und konstruktive Änderungen,
die in die Fertigungskosten der Koordinaten-Messmaschine eingehen.
Auch werden die Außenabmessungen der Koordinaten-Messmaschine
vergrößert. Die Aufstellfläche der Koordinaten-Messmaschine
wirkt sich aber direkt auf die Betriebskosten aus, weil in der Halbleiterindustrie
die Aufstellfläche im Reinraum sehr kostenintensiv ist.
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Das
U.S.-Patent 5,798,947 offenbart
ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogramm für die
Selbstkalibrierung von zweidimensionalen Tischen für die
Metrologie. Hierzu wird ein steifes Substrat verwendet, welches
auf einem regelmäßigen Gitter Merkmale aufweist,
um jede der zweidimensionalen Tischpositionen bzgl. eines Koordinatensystems
zu kalibrieren. Aus der Kalibrierung soll für die X-Koordinatenrichtung und
die Y-Koordinatenrichtung jeweils eine eigene Verzerrfunktion ermittelt
werden. Dabei wird jede der zweidimensionalen Tischpositionen eines
Arrays von Tischpositionen zu einem kartesischen Koordinatensystem
in Verbindung gesetzt, um daraus die Verzerrungen zu bestimmen.
Zunächst wird ein Substrat, das eine Vielzahl von Marken
trägt, auf dem Messtisch abgelegt. Die Marken auf dem Substrat
sind dabei voneinander regelmäßig beabstandet.
Danach wird jede Position einer jeden Marke auf dem Substrat gemessen.
Das Substrat wird dabei in einer Ausgangs-Referenzposition auf dem
Tisch gehalten. Wenn diese Messung abgeschlossen ist, wird das Substrat
um die Referenzposition gedreht, so dass das Substrat in eine gedrehte
Referenzposition übergeführt wird. Anschließend
werden die Positionen der Marken auf dem Substrat gemessen, wobei
das Substrat in der gedrehten Referenzposition gehalten wird. Es
wird eine komplette, nicht vierfach rotationssymmetrische Verzerrung
zwischen dem zweidimensionalen Array von Tischpositionen und dem
kartesischen Koordinatengitter aus den gemessenen Positionen der
Marken in der originalen und der gedrehten Referenzposition bestimmt.
Das Substrat wird um mindestens ein Intervall (Gitterabstand der
Marken) relativ zu der originalen Referenzposition verschoben. Damit
wird das Substrat in eine verschobene Referenzposition übergeführt.
Anschließend werden die Positionen der Marken auf dem Substrat
gemessen, wobei das Substrat in der verschobenen Referenzposition
gehalten wird. Es wird eine unvollständige, nicht vierfach
rotationssymmetrische Verzerrung zwischen dem zweidimensionalen
Array von Tischpositionen und dem kartesischen Gitter aus den gemessenen
Positionen der Marken in der originalen und der verschobenen Referenzposition
bestimmt. Letztendlich wird ein zweidimensionaler Verschiebefehler
und ein zweidimensionaler Rotationsfehler aus der kompletten, nicht
vierfach rotationssymmetrischen Verzerrung und der unvollständigen,
nicht vierfach rotationssymmetrischen Verzerrung bestimmt. Ebenso
wird eine vollständige, vierfach rotationssymmetrische
Verzerrung zwischen dem zweidimensionalen Array von Tischpositionen
und dem kartesischen Koordinatengitter aus den Verschiebe- und Rotationsfehlern
und der gemessenen Position der Marken in der originalen, der gedrehten
und der verschobenen Referenzposition bestimmt.
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Bei
dem in dem
U.S.-Patent 5,798,947 offenbarten
Verfahren werden spezielle Masken verwendet, auf dem die zu vermessenden
Marken in einem regelmäßigen Gitter in der X-/Y-Ebene
angeordnet sind.
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Ein
Koordinaten-Messgerät und ein Verfahren der gattungsbildenden
Art sind aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 023 739 bekannt.
Dabei ist ebenfalls eine Maske auf einem in X-Koordinatenrichtung
und in Y-Koordinatenrichtung verschiebbaren Messtisch angeordnet.
Ferner sind eine Abbildungsoptik und ein Detektor vorgesehen. Mit
einer Auflichtbeleuchtungseinrichtung und/oder einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung
kann die Maske beleuchtet werden, damit die zu vermessende Struktur
auf den Detektor abgebildet wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung
eines Messtisches einer Koordinaten-Messmaschine zu schaffen, in
dem es möglich ist, ohne große Umbauten und ohne
die Verwendung von speziellen Masken, die Kalibrierung der Koordinaten-Messmaschine
zuverlässig durchzuführen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß durch den unabhängigen
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterentwicklung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Für
die Durchführung der Kalibrierung eines Messtisches einer
Koordinaten-Messmaschine wird eine Maske zunächst in einer
Dreipunkt-Auflage des Messtisches abgelegt. Die für die
Kalibrierung des Messtisches verwendete Maske ist eine Maske, die
ebenfalls für die Halbleiterherstellung verwendet wird
und somit auf der Oberfläche eine Vielzahl von Strukturen
trägt, die einen Projektionsprozess verkleinert auf die
Oberfläche eines Wafers abbilden, um dort in einen Photolack
die entsprechenden Strukturen für die Herstellung der Schaltkreise
auf dem Wafer auszubilden. Für die Kalibrierung wird dann
eine Vielzahl von Positionen von unterschiedlichen auf der Maske
verteilt angeordneten Strukturen in einer Anfangsorientierung der
Maske bestimmt. Anschließend wird die Maske um einen bestimmten
Winkel gedreht und es wird die gleiche Vielzahl von Marken auf der
Oberfläche der Maske in der gedrehten Orientierung gemessen.
Letztendlich wird die Maske um einen beliebigen Wert verschoben
und ebenfalls die gleiche Vielzahl von unterschiedlichen, auf der Maske
verteilt angeordneten Strukturen in der verschobenen Position der
Maske vermessen. Aus den gemessenen Daten der Positionen der verschiedenen
Marken in den jeweils unterschiedlichen Orientierungen bzw. Anordnungen
der Maske wird eine Gesamtkorrekturfunktion zur Beseitigung der
Koordinaten-abhängigen Messfehler ermittelt. Die Korrekturfunktion
bestimmt sich aus einer ersten Korrekturfunktion und einer zweiten Korrekturfunktion.
Die erste Korrekturfunktion ergibt sich aus den Messwerten der Positionen
der Strukturen auf der Maske in der gedrehten Orientierung, wobei
die gewonne nen Messwerte der Strukturen auf der Maske auf die in
der Anfangsorientierung gewonnenen Messwerte der Strukturen zurückgedreht
werden. Die zweite Korrekturfunktion gibt die in der verschobenen
Position gewonnenen Messwerte der Strukturen der Maske auf die in
der gedrehten Orientierung gewonnenen Messwerte der Strukturen zurück.
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Die
Maske kann mit einem Handler der Koordinaten-Messmaschine in der
Anfangsorientierung, der gedrehten Orientierung und der verschobenen
Position auf den Messtisch der Maske abgelegt werden.
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Der
Messtisch kann als Spiegelkörper ausgebildet sein und weist
drei Auflagepunkte für die Maske auf. Dabei wird die Maske
durch den Handler gesteuert und in der durch die Koordinaten-Messmaschine
bestimmten Orientierung oder Verschiebung auf den drei Auflagepunkten
des Spiegelkörpers abgelegt.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann der Spiegelkörper
ebenfalls drei Auflagepunkte ausgebildet haben, auf die ein Maskenhalter
abgelegt werden kann. Der Maskenhalter hat selbst drei Auflagepunkte
für die Maske ausgebildet, auf denen die Maske definiert
aufliegt. Der Maskenhalter wird zusammen mit der Maske durch den
Handler gesteuert und in der durch die Koordinaten-Messmaschine
bestimmten Orientierung oder Verschiebung auf den drei Auflagepunkten
des Spiegelkörpers abgelegt.
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Die
Vielzahl von unterschiedlichen auf der Maske verteilt angeordneten
und zu vermessenden Strukturen wird derart ausgewählt,
dass die Vielzahl der zu vermessenden Strukturen innerhalb eines
effektiven Bereichs der Maske etwa gleich verteilt ist, ohne dass
zwischen den einzelnen zu vermessenden Strukturen ein gleicher Abstand
in X-Koordinatenrichtung und/oder in Y-Koordinatenrichtung vorliegt.
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Der
Handler wird derart gesteuert, dass die Maske auf dem Messtisch
in einer beliebigen Orientierung und/oder in einer beliebigen Verschiebung
in Bezug auf ein Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine
zu liegen kommt.
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Die
Koordinaten-Messmaschine besitzt einen in einer Ebene beweglichen
Messtisch. Der Messtisch ist derart ausgebildet, dass die Masken
entsprechend in der Ebene verfahren werden können. Ferner
ist eine Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung vorgesehen, wobei
die Abbildungseinrichtung mindestens ein Objektiv und einen Detektor
umfasst. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst eine Lichtquelle mit
einem Auflichtstrahlengang und/oder eine Lichtquelle in einem Durchlichtstrahlengang.
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Mathematisch
betrachtet ist eine vom Messort abhängige Korrekturfunktion
zur Beseitigung der Koordinaten-abhängigen Messfehler einer
Koordinaten-Messmaschine eine zwei- oder dreidimensionale Korrekturfunktion.
Die Korrekturfunktion ist in der Praxis immer stetig und differenzierbar.
Durch Anwendung dieser Korrekturfunktion auf eine gemessene fehlerbehaftete
Rohkoordinate r → (gemeint ist der Ortsvektor) einer Struktur eines
beliebigen Messobjekts erhält man die zugehörige
korrigierte Koordinate r →Korr = r → + Korrekturfunktion.
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Zur
Bestimmung der Korrekturfunktion wird diese durch eine Reihenentwicklung
eines Satzes vorgegebener Fit-Funktionen approximiert.
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Zur
Bestimmung der Korrekturfunktion müssen daher die Fit-Parameter
zu den Fit-Funktionen so bestimmt werden, dass die Korrektur optimal,
also der Restfehler minimal oder gleich Null wird.
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Es
gibt also spezielle Komponenten der Korrekturfunktion, welche nicht
eindeutig bestimmt oder mit sehr großem Fehler behaftet
sind. Hierbei handelt es sich vorwiegend um Komponenten, die bei
den Kalibriermessungen aller Orientierungen eines zur Kalibrierung
benutzten Referenzobjekts stets in sich selbst übergehen
(exakt oder auch nur näherungsweise), d. h. die drehsymmetrischen
Komponenten sind invariant für die durchgeführten
Drehungen des Referenzobjekts. Es handelt sich dabei jeweils um
eine Linearkombination von Fit-Funktionen, die als Ganzes drehsymmetrisch
bzgl. aller durchgeführten Drehungen sind.
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Im
Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und
ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher
erläutern.
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1 zeigt
schematisch eine Koordinaten-Messmaschine, mit der die Kalibrierung
des Messtisches der Koordinaten-Messmaschine durchgeführt
wird.
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2 zeigt
schematisch eine Maske, welche auf dem Messtisch auf drei Auflagen
bzw. Auflagepunkten aufliegt.
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3 zeigt
schematisch eine Maske, welche selbst in einen Maskenhalter auf
drei Auflagepunkten aufliegt und wobei dieser Maskenhalter wiederum
auf drei Auflagepunkten auf dem Messtisch liegt.
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4 zeigt
schematisch den Aufbau eines Systems, welches eine Koordinaten-Messmaschine
und mehrere andere Einrichtungen umfasst, die für die Orientierungseinstellung
der Maske bzw. des Maskenhalters verantwortlich sind.
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5a zeigt
schematisch eine Maske in einer Ausgangsorientierung.
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5b zeigt
schematisch die Maske in einer anderen eingestellten Orientierung.
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6 zeigt
schematisch eine Einrichtung, welche dem System aus der Koordinaten-Messmaschine zugeordnet
ist, um damit die eingestellte Orientierung der Maske zu bestimmen
bzw. zu überprüfen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Koordinaten-Messmaschine 1,
wie sie gemäß in dem erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet wird. Die Koordinaten-Messmaschine besitzt einen
Messtisch 20, der eine Maske 2 trägt.
Ebenso ist es möglich, dass der Messtisch 20 eine
Maske 2 trägt, die selbst in einen Maskenhalter 2b eingelegt
ist. Der Messtisch 20 selbst ist als Spiegelkörper
ausgebildet, wobei über ein entsprechend angeordnetes Laser-Interferometersystem 24 die
Position des Messtisches 20 ermittelt wird. Der Messtisch 20 selbst
ist auf Lagern 21 in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung
beweglich. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die
Lager 21 als Luftlager ausgebildet. Der Messtisch 20 ruht
auf einem Block 25, der eine Ebene 25a ausgebildet
hat. Bevorzugt ist der Block 25 aus Granit gebildet. Die
Position des Messtisches 20 wird, wie bereits erwähnt,
mittels des Laser-Interferometersystems 24 bestimmt. Das
Laser-Interferometersystem 24 sendet hierzu einen Messlichtstrahl
aus. Der Block 25 ist auf Schwingungsdämpfern 26 positioniert.
Es ist für einen Fachmann selbstverständlich,
dass für die Bereitstellung der Ebene 25a, in
der sich der Messtisch 20 verfahren lässt, aus
jedem anderen Material gebildet sein kann. Die Ausbildung des Blocks 25 aus
Granit soll in keinster Weise als Beschränkung der Erfindung
aufgefasst werden.
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Die
Maske 2 trägt eine Vielzahl von Strukturen 3,
die es gilt, hinsichtlich der Position in Bezug auf ein Koordinatensystem,
zu vermessen. Zur Beleuchtung der Maske 2 ist eine Lichtquelle 14 in
der Auflichtbeleuchtungseinrichtung oder eine Lichtquelle 6 in
der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung angeordnet. Die Lichtquelle 14 in
der Auflichtbeleuchtungseinrichtung sendet Licht in einen Auflichtbeleuchtungsstrahlengang 5 aus.
Die Lichtquelle 6 in der Durchlichtbeleuchtungsanordnung
sendet Licht in einen Durchlichtbeleuchtungsstrahlengang 4 aus.
Licht der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 wird mittels
eines Kondensors 8 auf die Maske 2 gerichtet.
Das Licht der Lichtquelle 14 der Auflichtbeleuchtungsanordnung
gelangt über das Messobjektiv 9 auf die Maske.
Das Messobjektiv 9 ist mit einer Verschiebeeinrichtung 15 in
Z-Koordinatenrichtung zur Fokussierung verschiebbar angeordnet.
Dem Auflichtbeleuchtungsstrahlengang 5 ist ferner eine
Auskoppeleinrichtung 12 angeordnet, die das von der Maske 2 ausgehende
und von dem Objektiv 9 gesammelte Licht auf eine Kamera 10 lenkt,
die einen Detektor 11 umfasst. Der Detektor 11 ist
mit einem Rechner verbunden, der aus den aufgenommenen Signalen
ein Intensitätsprofil der gerade mit dem Messobjektiv 9 betrachteten
Struktur 3 ermittelt. Aus dem Messintensitätsprofil
kann man dann die Position mindestens einer Kante der Struktur in
Bezug auf ein Koordinatensystem ermitteln.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung, bei der eine Maske 2 in
einem Messtisch 20 eingelegt ist. Die Maske 2 liegt
dabei auf drei Haltepunkten 50 auf. Die Haltepunkte 50 sind
am Messtisch 20 befestigt.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die Maske 2 in
einen Halterahmen 2b eingelegt. Dieser Halterahmen 2b wird
letztendlich in den Messtisch 20 eingelegt. Der Halterahmen 2b liegt
dabei auf den zwei Haltepunkten auf, die am Messtisch 20 ausgebildet
sind. Der Maskenhalter 2b hat selbst wiederum drei Haltepunkte 51 ausgebildet,
auf denen die Maske 2 aufliegt.
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4 zeigt
ein System 30, das neben einer Koordinaten-Messmaschine 1 weitere
Elemente aufweist, die für die Handhabung der Maske 2 und
für die Positionierung der Maske 2 in der Koordinaten-Messmaschine 1 Verwendung
finden. Die Koordinaten-Messmaschine 1 und die weiteren
zusätzlichen Elemente sind dabei in einem Gehäuse 30 angeordnet.
Der Übersicht halber ist die Koordinaten-Messmaschine 1 sehr
schematisch dargestellt, so dass hier lediglich der Messtisch 20 und
die auf dem Messtisch 20 positionierte Maske 2 dargestellt
sind. Der Koordinaten-Messmaschine 1 ist innerhalb des
Gehäuses 30 eine Temperierstation 32,
ein Rotator 34 und eine Übergabestation 38 zugeordnet.
Ebenso ist innerhalb des Gehäuses 50 ein Transportroboter 36 (Handler)
zugeordnet, der entlang des Doppelpfeils 40 bewegt werden
kann. Der Transportroboter 36 ist dafür verantwortlich,
dass die Maske zu den verschiedenen Stationen bzw. von und zu der
Koordinaten-Messmaschine 1 transportiert werden kann. Ebenso
ist der Transportroboter 36 dafür verantwortlich,
dass die mit dem Rotator 34 eingestellte Orientierung einer
Maske 2 oder einer in den Maskenhalter 2b abgelegten
Maske 2 in der somit eingestellten Orientierung auf den
Messtisch 20 der Koordinaten-Messmaschine 1 abgelegt
wird. Ebenso ist der Transportroboter 36 dafür
ver antwortlich, dass die Maske 2 mit einer entsprechend
vordefinierten Verschiebung auf den Messtisch 20 der Koordinaten-Messmaschine 1 abgelegt
wird. Ferner ist an mindestens einer Gehäusewand 30a eine Übergabeöffnung 35 ausgebildet,
mit der Masken 2 von außen in das Gehäuse 30 der
Koordinaten-Messmaschine 1 eingebracht werden. Das Gehäuse 30 ist
als Klimakammer ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass bei der
Handhabung der Masken 2 innerhalb des Gehäuses 30 im
Wesentlichen keine Temperierzeiten zu beachten sind. Die Masken 2 können
somit, abgesehen von einer kleinen Temperaturangleichung, sofort
mit der Koordinaten-Messmaschine 1 vermessen werden.
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5a zeigt
eine Maske 2 in einer Anfangsorientierung. Die Maske 2 kann
dabei einen relevanten Bereich 2c ausgebildet haben, der
für die Abbildung der Strukturen auf der Oberfläche
eines Wafers verantwortlich ist. In diesem relevanten Bereich 2c ist
die Vielzahl der Strukturen 3 angeordnet. Ebenso kann auf
der Oberfläche der Maske 2 eine Kennzeichnung
in Form eines Barcodes 54 angebracht sein. Ebenso ist es
möglich, dass eine alphanumerische Kennzeichnung 56 auf
der Maske 2 vorhanden ist.
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In 5b ist
die Maske 2 in einer um 180° gedrehten Orientierung
gezeigt. Anhand der alphanumerischen Kennzeichnung 56 oder
auch anhand des Barcodes 54 kann die somit eingestellte
Orientierung der Maske 2 ermittelt werden.
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6 zeigt
schematisch eine Anordnung, mit der die Orientierung einer Maske 2 bestimmt
bzw. überprüft werden kann. In der hier dargestellten
Ausführungsform ist dem Rotator 34 eine Kamera 60 zugeordnet. Der
Rotator 34 besitzt einen Drehteller 34a, auf dem
die Maske 2 bzw. der Maskenhalter 2b mit der Maske 2 aufgelegt
wird. Über dem Rotator 34 kann die für
die Kalibrierung erforderliche Orientierung eingestellt werden. Mit
der Kamera 60 können die entsprechenden Markierungen
(Barcode 54 oder alphanumerische Kennzeichnung 56)
auf der Maske 2 erfasst werden. Anhand dieser Erfassung
lässt sich dann die eingestellte Orientierung der Maske 2 ermitteln.
Die mit der Kamera 60 aufgenommenen Daten werden mit dem
Rechner 16 ausgewertet, der anhand der aufgenommenen Messwerte
letztendlich die Drehlage der Maske 2 in Abhängigkeit von
der X- und V-Position bestimmt. Dem Rechner 16 kann ferner
ein Display 62 zugeordnet sein, auf dem für einen
Benutzer die für die Messung relevanten Daten dargestellt
werden. Ebenso können die Daten der Orientierung der Maske 2,
welche durch den Rotator 34 eingestellt worden sind, an
den Transportroboter 36 übermittelt werden, damit
dieser die Maske 2 in der entsprechend eingestellten Orientierung
auf den Messtisch 20 ablegt. Ebenso lässt sich über
den Rechner 16 die für die Kalibriermessung erforderliche
Verschiebung der Maske 2 einstellen, so dass der Transportroboter 36 die
Maske 2 mit der erforderlichen Verschiebung auf den Messtisch 20 ablegt.
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Der
Hintergrund der verbesserten Korrekturstrategien ist immer, dass
es Fehlerkomponenten gibt, welche für die gemessenen Substratlagen
(Drehung und/oder Verschiebung) in sich selbst übergehen,
und damit grundsätzlich nicht detektierbar sind. Solche
Fehlerkomponenten sind prinzipiell unvermeidbar, jedoch kann man
diese stark einschränken, so dass in einer realen Anordnung
diese Fehlerkomponenten praktisch nicht auftreten. Genauer gesagt
sind diese Fehlerkomponenten dann als vernachlässigbar
anzusehen.
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Bei
der Korrektur werden Korrekturfunktionen auf die Messwerte angewendet,
wobei die Messwerte die Positionen der Strukturen auf einem Substrat
oder einer Marke in Bezug auf das Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine
sind. Aus einem unkorrigierten Ort (r →) (bzw. Position) wird ein Ort
mit verbesserter Genauigkeit: R → = r → + f →(r →) (1)
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Die
Korrekturfunktion wird so bestimmt, dass die Rücktransformationen T ^jk von der Substratlage j nach k möglichst übereinstimmende
Werte liefert, d. h.: R →k ≈ T ^jk(R →j) (2)
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Möglichst
gleich könnte man z. B. im Sinne der Gaußschen
kleinsten Fehlerquadrate interpretieren, also
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Dabei
bezeichnet der Index i die Messung des Messobjektes (Struktur) i.
Denkbar ist allerdings auch eine Minimierung der maximalen Differenz.
Ebenso sind andere Verfahren, vorzugsweise robuste Schätzverfahren
wie z. B. RANSAC, denkbar.
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Speziell
handelt es sich bei einem Substrat, das die Strukturen trägt,
anhand derer das Substrat vermessen werden soll, um ein starres
Objekt, eine Maske für die Herstellung von Halbleiterstrukturen
auf einem Wafer, (wenigstens z. B. mit Hilfe der Durchbie gungskorrektur
als starr gerechnet), also handelt es sich bei den Rücktransformationen
um Drehung und Verschiebung: T ^jk(R →) = R ^jk·R → + Δ →jk mit: Drehung R ^jk und
Verschiebung um Δ →jk (3)
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Die
Gleichung (2) bezieht sich auf korrigierte Messwerte, man kann sie
mittels Gleichungen (1) und (3) umschreiben zu: r →k+ f →(r →k) ≈ R ^jk·(r →j + f →(r →j) + Δ →jk ⇔
r →k + f →(r →k) ≈ R ^jk·r →j + R ^jk·f →(r →j) + Δ →jk (4)
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Wir
betrachten nun den Fall, dass ein Teil der Korrekturfunktion unter T ^jk(f →(r →)) in sich selbst übergeht, d.
h. es wird die Forderung nach Translationsinvarianz einer Funktion
kombiniert: f →(r →)= f →(r → + Δ →)mit der Rotationsinvarianz: R ^·f →(r →) = f →(R ^·r →)und damit ist
eine symmetrische Funktion definiert, mit der Eigenschaft: R ^·f →sym(r →) = f →sym(R ^·r → + Δ →jk) (5)
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Typische
Substratdimensionen (Markengrößen) sind 100 mm
auf 100 mm und die typische Größenordnung der
Korrektur ist 1 μm. Praktisch kann man auf dem Substrat
immer deutlich unter 10 000 Messungen durchführen, also
wird die typische Distanz der Messorte immer > 1 mm oder das 1000-fache des Korrekturwertes
sein. Damit sind die Werte einer praktisch bestimmbaren Korrekturfunktion
immer sehr viel kleiner als die Distanz der Messorte, so dass die
Annahme berechtigt ist: f(r →) ≅ f(R →) (6)damit und
mit (2) kann man schreiben: f(r →k) ≅ f(R →k) = f(T ^jk(r →j)) = f(R ^jk·r →j + Δ →jk) ⇔
f(r →k) ≅ f(R ^jk·r →j + Δ →jk)
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Also
kann man die Zielgleichung zur Bestimmung der Korrektur (4) schreiben
als: r →k + f →(r →k) ≅ r →k + f(R ^jk·r →j + Δ →jk) ≈ R ^jk·r →j + R ^jk·f →(r →j)
+ Δ →jk
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Addiert
man zur Korrekturfunktion eine beliebige symmetrische Funktion f
sym (siehe Gleichung (5)). Damit kann man
diese Gleichung schreiben als:
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Addiert
man also eine für die entsprechende Rotation und Translation
symmetrische Funktion zur Korrektur, so ändert sich die Übereinstimmung
der Substratlagen nicht. Damit ist eine solche Korrekturkomponente
grundsätzlich nicht bestimmbar.
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Die übrigens
offensichtlich undetektierbare Fehlerkomponente ist die Vergrößerung
(„Fehler bei der Meterdefinition”). Sie wird durch
folgende Funktion beschrieben: f →0(r →)
= α·r →f0 ist symmetrisch
für beliebige Drehungen und Verschiebungen, und damit (natürlich)
nicht bestimmbar.
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Bei
einer Korrekturbestimmung müssen die unbestimmbaren Komponenten
symmetrisch zu allen Transformationen zwischen den Substratlagen
sein. In Techniken des Standes der Technik wurde versucht, die symmetrischen
Korrekturfunktionskomponenten einzuschränken, indem die
Substrate um verschiedene Drehzentren rotiert wurden (siehe hierzu
die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2007 000 999 A1 ). Gemäß der vorliegenden
Erfindung versucht man, die Symmetrie durch Rotation plus Verschiebung
zu minimieren. Mathematisch kann man so relativ leicht alle Symmetriekomponenten
außer f
0 erkennen. Die praktische
Einschränkung ist allerdings:
- • Dass
die Hardware der Koordinaten-Messmaschine nur mit sehr großem
Aufwand Drehlagen realisieren lässt, die keine Vielfache
von 90° sind.
- • Bei der endlichen Messgenauigkeit genügt
schon eine näherungsweise Symmetrie, um die Bestimmung der
symmetrischen Korrekturkomponenten nur mit großem Fehler
durchführbar sein zu lassen. Typisch hierfür ist
die unvermeidliche Verschiebung und Drehung beim mechanischen Auflegen
eines Substrates auf den Messtisch der Koordinaten-Messmaschine.
Dies ist nicht hilfreich bei dem Symmetrieproblem, denn bei kleinen
Ortsänderungen bleibt die Korrekturfunktion praktisch unverändert
(siehe hierzu die Erläuterung zu Gleichung (6)).
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Ein
Beispiel einer Korrektur kann wie folgt aussehen:
Zunächst
wird das Substrat in der nicht gedrehten Stellung vermessen (Messung
in 0°);
Anschließend wird das Substrat um
90° gedreht und in der gedrehten Stellung vermessen (Messung
in 90°);
Dann erfolgt eine Verschiebung um 10 mm in
X-Koordinatenrichtung und eine Verschiebung um 9 mm in Y-Koordinatenrichtung.
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Mittels
der ersten beiden Schritte lassen sich alle nicht 90° drehsymmetrischen
Komponenten erkennen. Die Verschiebung um 10 mm in X-Koordinatenrichtung
reduziert die unbestimmbaren Komponenten auf 90° drehsymmetrisch
plus periodische Komponenten mit Periodenlängen von 10
mm/n mit n = 1, 2, 3, und die Verschiebung um 9 mm in Y-Koordinatenrichtung
schränkt weiter ein auf 9 mm/m mit m = 1, 2, 3. Somit ist
nur noch die Komponente mit Periode 1 mm (d. h. n = 10 und m = 9)
undetektierbar.
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Weitere
Verschiebungen und Drehungen verbessern die Qualität der
Korrektur noch weiter.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen
beschrieben. Es ist dennoch denkbar, dass Abwandlungen und Änderungen
der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich
der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19734695
C1 [0002]
- - US 4583298 [0006, 0007, 0009]
- - US 5798947 [0012, 0013]
- - DE 102004023739 A [0014]
- - DE 102007000999 A1 [0057]
