DE102010047050A1

DE102010047050A1 - Verfahren zur Charakterisierung einer Struktur auf einer Maske und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010047050A1
Application number: DE102010047050A
Authority: DE
Inventors: Dr. Seitz Holger
Original assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: US20120075456A1; DE102010047050B4; US9222897B2

Abstract

Es wird bereitgestellt ein Verfahren zur Charakterisierung einer Maske, die eine Struktur aufweist, umfassend die Schritte: – Erzeugen eines Luftbildes zumindest eines Ausschnitts der Struktur der Maske, – Aufnehmen einer ortsaufgelösten Verteilung von Intensitäten des Luftbildes, – Ermitteln einer Gesamtintensität aus den Intensitäten zumindest eines Bereichs des Luftbildes. Weiterhin wird ein Maskeninspektionsmikroskop zur Charakterisierung einer Maske unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt.

Description

Diese Patentschrift betrifft ein Verfahren und ein zur Charakterisierung einer Struktur auf einer Maske.
Diese Patentschrift betrifft zudem ein Maskeninspektionsmikroskop zur Charakterisierung einer Struktur auf einer Maske.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen kommen zahlreiche Meßmethoden zum Einsatz, um die Ergebnisse der einzelnen Schritte des lithographischen Prozesses zu überwachen.
Zur Prüfung eines Prozesses zur Erzeugung von Strukturen auf Wafern ist es vorteilhaft, die kleinsten auf einem Wafer noch darstellbaren Strukturen zu charakterisieren. Diese werden als kritische Dimension, Critical Dimension, abgekürzt als CD, bezeichnet. Meist bezieht sich die kritische Dimension einer Struktur auf die Linienbreite eine abwechselnd aus Linien und Freiräumen (Lines and Spaces) bestehenden Struktur. Diese Struktur wird im lithographischen Prozess zunächst auf einer Maske (Photomaske, Reticle) beispielsweise durch Chrom auf Quarzglas, dargestellt. Es sind auch weitere Masken bekannt, so beispielsweise phasenschiebende Masken (Phase Shift Masks, PSM) oder reflektive Masken, die insbesondere bei Beleuchtungsstrahlung kurzer Wellenlängen im EUV-Bereich verwendet werden. Durch Belichtung in einem Scanner wird diese Struktur auf einem mit Resist beschichteten Wafer dargestellt. Durch anschließendes Entwickeln und Ätzen wird die gewünschte Struktur auf dem Wafer erhalten.
Die Charakterisierung einer Struktur, insbesondere der CD bzw. die Linienbreite einer Struktur, kann sowohl auf der Maske als auch auf dem Wafer erfolgen. Die Messung auf dem Wafer ist einerseits sehr aussagekräftig, da das Produkt am Ende der Prozesskette charakterisiert wird, andererseits sehr aufwändig, da der vollständige Prozess der Waferbelichtung für die Testzwecke durchzuführen ist.
Erfolgt die Charakterisierung einer herzustellenden Struktur bereits auf der Maske, werden Fehler durch das Verhalten der Maske bei der Abbildung und durch weitere Verfahrensschritte nicht in die Messung einbezogen. Fehler auf der Maske werden in der Regel bei der Abbildung durch den Scanner verstärkt. Eine weitere Problematik ist, dass die Maskenstrukturen bekannt sind, welche durch auflösungsverbessernde Strukturmerkmale (RET, Resolution Enhancement Technology) optimiert werden und somit nicht vollständig den abzubildenden Strukturen entsprechen. Dies erschwert beispielsweise eine direkte Messung der CD auf der Maske.
Die Messung der CD sowohl auf Masken als auch auf Wafern erfolgt beispielsweise durch die Raster-Elektronenmikroskopie (CD-SEM, Critical Dimension Scanning Electron Microscopy).
Eine weitere Möglichkeit zur Messung der CD ist die Auswertung der Luftbilder von Masken mit einem Maskeninspektions-Mikroskop. Das Luftbild zeigt bei dieser Methode weitgehend die Merkmale, welche auch auf dem Wafer abgebildet werden.
Ein weitere Möglichkeit zur Charakterisierung von Masken, wie der CD-Messung von Masken und Wafern, bieten nicht-abbildende optische Verfahren. Bei transmissiven Masken kommt hierbei insbesondere die Messung der Transmission strukturierter Bereiche einer Maske zum Einsatz, wie beispielsweise in der internationalen Offenlegungsschrift WO2009083606A1 offenbart.
Die nicht-abbildenden optischen Verfahren liefern Messgrößen, die mit qualitätsrelevanten Eigenschaften der Maske, beispielsweise der Linienbreite bzw. CD einer Maske, korreliert sind. Durch Messung dieser Größen selbst ist eine Charakterisierung der Masken möglich. Durch Kalibrierung der Verfahren ist auch die Ermittelung absoluter Werte möglich.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein schnelles und kostengünstiges Verfahren mit hoher Messgenauigkeit und eine Vorrichtung zur Charakterisierung einer Struktur auf einer Maske bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Charakterisierung einer Maske, welche eine Struktur aufweist, umfassend die Schritte: – Erzeugen eines Luftbildes der Maske, – Aufnehmen einer ortsaufgelösten Verteilung von Intensitäten des Luftbildes, – Ermitteln einer Gesamtintensität aus den Intensitäten zumindest eines Bereichs des Luftbildes.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass aus den Intensitätswerten eines aufgenommenen Luftbilds auf schnelle und einfache Weise ein charakteristischer Wert ermittelt werden kann. Die Aufnahme des Luftbildes wird vereinfacht, da es nicht notwendig ist, dass das Luftbild in der besten Fokusebene aufgenommen wird. Der Toleranzbereich bei der Fokussierung ist hier größer als die üblicherweise angegebene Schärfentiefe. Der Toleranzbereich kann beispielsweise das zweifache, das dreifache oder das vierfache der Schärfentiefe sein.
Zur Erzeugung und Aufnahme des Luftbildes kann ein Maskeninspektionsmikroskop verwendet werden. Zur Erzeugung eines Luftbildes wird die Maske mit Beleuchtungsstrahlung beleuchtet, beispielsweise mit Licht der Wellenlänge von 193 nm oder 13,5 nm. Das Luftbild wird in Transmission oder in Reflexion aufgenommen. Ein Luftbild kann von einem Ausschnitt der Oberfläche der Maske an einer festgelegten Position aufgenommen werden. Die Position wird durch einen charakteristischen Punkt des Ausschnitts bzw. des Bereichs, beispielsweise dessen Mittelpunkt, angegeben. Durch die Vorgabe von Beleuchtungseinstellungen wie z. B. Dipol, Quadrupol oder Annular und der Vorgabe der Polarisation der Beleuchtungsstrahlung können Bedingungen geschaffen werden, die jenen im Scanner, bei der eigentlichen Verwendung der Maske, weitgehend entsprechen. Dies ermöglicht eine aussagekräftige Charakterisierung der Maske. Zur Fokussierung kann bei einem Maskeninspektionsmikroskop entweder die Maske in Richtung der optischen Achse des Mikroskops bewegt werden oder das Objektiv. Der Toleranzbereich bei dieser Bewegung ist durch die Schärfentiefe gegeben. Ist die Schärfentiefe bei einer gegebenen Beleuchtungseinstellung in der Ebene der Maske beispielsweise 1 μm, so ist der Toleranzbereich bei der Fokussierung in der Maskenebene beispielsweise 2, 3 oder 4 μm. Dies führt zu dem weiteren Vorteil, dass nach einmaligem Ausrichten einer Maske in einem Maskeninspektionsmikroskop zwischen den einzelnen Messungen keine Fokussierung notwendig ist. Die führt zu einer erheblich schnelleren Durchführung des Verfahrens.
Die ortsaufgelöste Intensitätsverteilung eines Luftbildes kann durch einen entsprechenden Detektor aufgenommen werden, der in der Ebene des Luftbildes angeordnet ist. Dieser Detektor weist beispielsweise eine zweidimensionale Matrix von Einzelsensoren auf (beispielsweise ein CCD-Sensor, welcher aus einer Matrix von einzelnen Pixeln aufgebaut ist). Durch die Einzelsensoren werden die Intensitäten am jeweiligen Ort, d. h. die Intensitäten der einzelnen Pixel, ermittelt.
Die Berechnung der Gesamtintensität kann durch Addition der einzelnen Intensitäten erfolgen. Die Gesamtintensität wird aus den Intensitäten eines Bereichs des Luftbilds ermittelt. Dieser Bereich kann das vollständige Luftbild umfassen. Der Bereich kann auch nur einen Teil des Luftbilds umfassen. Es kann auch die Gesamtintensität aus mehreren Bereichen ermittelt werden. Es kann für jeden Bereich eine eigene Gesamtintensität ermittelt werden oder eine Gesamtintensität aus den Intensitätswerten aller Bereiche.
Sofern das Luftbild jedoch Bildstörungen aufweist, d. h. Bereiche, deren Intensitäten bei der Ermittlung der Gesamtintensität nicht berücksichtigt werden sollen, ist die Wahl eines geeigneten Bereichs des Luftbildes vorteilhaft.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Gesamtintensität auf eine Bezugsgröße normiert, insbesondere auf die Gesamtintensität, welche bei einer Maske ohne Struktur gemessen wird.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Vergleich der ermittelten Gesamtintensitäten unterschiedlicher Messreihen und auch unterschiedlicher Masken ermöglicht wird.
Da die Beleuchtungsstrahlung eines verwendeten Messgerätes Schwankungen unterworfen ist, ermöglicht die Normierung den Vergleich von Gesamtintensitäten die aus Messungen ermittelt werden, die zu unterschiedlichen Zeiten vorgenommen wurden.
Zur Normierung werden alle ermittelten Gesamtintensitäten auf einen Referenzwert bezogen. Zur Normierung der Messwerte werden die Quotienten der Messwerte und des Referenzwertes ermittelt. Als Referenzwerte sind Gesamtintensitäten geeignet, die auf einfache Weise reproduzierbar ermittelt werden können. Beispiele sind neben der Gesamtintensität einer Maske ohne Struktur auch die Ermittlung der Gesamtintensität ohne Maske im Abbildungsstrahlengang.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung umfasst den Schritt: Ermitteln einer Linienbreite der Struktur aus einer Korrelation zwischen zumindest einer ermittelten Gesamtintensität einer Struktur und einer bekannten Linienbreite dieser Struktur.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass aus den Messungen der Gesamtintensitäten auf einfache Weise Absolutwerte der Linienbreite einer Struktur ermöglicht werden.
Die Kalibrierung der Gesamtintensitäten kann gegen Absolutwerte der Linienbreite der Struktur auf der Maske oder auf dem Wafer oder gegen die Linienbreite der Struktur eines simulierten Luftbilds erfolgen. Die Absolutwerte können durch elektronenmikroskopische Verfahren ermittelt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung umfasst den Schritt: Vorgeben zumindest einer Position auf der Maske, an welcher die Maske charakterisiert wird.
Zur Auswahl der Positionen auf der Maske an welcher eine Charakterisierung der Maske vorzunehmen ist, sind erfindungsgemäß verschiedene Strategien vorgesehen.
Es können die Gesamtintensitäten an einmal festgelegten gleichbleibenden Positionen einer Maske zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt werden. Dies ermöglicht eine Kontrolle, ob sich die Qualität der Maske, beispielsweise durch Verschmutzung, verschlechtert. Es können auch die Gesamtintensitäten an den gleichen festgelegten Positionen an unterschiedlichen Exemplaren von Masken mit der gleichen Struktur ermittelt werden, um so einen Vergleich der Masken zu ermöglichen.
Zur Charakterisierung von Masken können vergleichbare Strukturen ausgewählt werden. Ein Beispiel für vergleichbare Strukturen sind Strukturen, die als Linien und Freiräume (Lines and Spaces) ausgebildet sind und die gleiche Sollwerte für die Gitterperiode und die Linienbreite aufweisen. Bei diesem Beispiel wäre eine Abweichung der ermittelten Gesamtintensitäten an unterschiedlichen Positionen einer Maske oder der gleichen Position an unterschiedlichen Masken ein Hinweis auf eine Abweichung der Linienbreite oder der Gitterperiode. Da bei Masken die Gitterperiode in guter Näherung als konstant anzusehen ist, ist der Vergleich der Gesamtintensitäten ein gutes Maß für den Vergleich der Linienbreiten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere Positionen vorgegeben, welche gleichmäßig über die Fläche der Maske verteilt sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass Masken charakterisiert werden können, auch wenn über die Strukturen keine oder nur unvollständige Informationen vorliegen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere in Verbindung mit den weiteren Ausgestaltungen der Analyse der Luftbilder zum Auffinden vergleichbarer Strukturen von Vorteil. Diese Ausgestaltung ist weiterhin von Vorteil, um verschiedene Exemplare von Masken mit der gleichen Struktur zu vergleichen oder um die Zustände einer Maske zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu vergleichen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Positionen auf der Maske ermittelt, an welchen vergleichbare Strukturen auf der Maske ausgebildet sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass gezielt vergleichbare Strukturen ausgewählt werden können. Unnötige Messungen und die Auswahl vergleichbarer Strukturen aus einer Vielzahl aufgenommener Bilder können vermieden werden. Die Vorgabe der Positionen kann insbesondere aus dem Masken-Design erfolgen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung umfasst den Schritt: Analysieren der Luftbilder zur Ermittlung von Positionen mit vergleichbaren Strukturen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass auch ohne Kenntnis des Maskendesigns vergleichbare Strukturen ermittelt werden können.
Die Analyse der Luftbilder kann beispielsweise durch Frequenzanalyse, d. h. Ermittlung und Auswertung der Ortsfrequenzspektren, erfolgen.
Ein weiteres Kriterium zur Auswahl von Positionen mit vergleichbaren Strukturen ist die Vorgabe eines Intervalls der Gesamtintensitäten. So können alle Positionen, deren Gesamtintensitäten innerhalb vorgegebener Grenzen voneinander abweichen als vergleichbare Strukturen angenommen werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung umfasst den Schritt: Ermitteln von zumindest einer der folgenden Größen aus den Luftbildern: Gitterkonstante, Ausrichtung der Gitterkonstante, Linienbreite, Bildfehler.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass über eine Auswahl anhand der ermittelten Größen vergleichbare Strukturen ermittelt werden können. Die Analyse kann aus den Ortsfrequenzspektren der Luftbilder erfolgen auch durch Analyse der Luftbilder selbst. So können beispielsweise Positionen ermittelt werden, an welchen die Gitterperiode bzw. die Linienbreite identisch ist, bzw. innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt. Diese Positionen können dann als vergleichbare Strukturen angenommen werden.
Treten in den Luftbildern Bildstörungen auf, d. h. Teilbereiche mit nicht vergleichbarer Struktur, so können auch diese erkannt werden.
Bei der Analyse der Ortsfrequenzspektren der Luftbilder werden die Lagen und Abstände der Maxima der Ortsfrequenzen analysiert, wie in den Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine exakte Position ermittelt, durch Vergleich zumindest eines Bereichs des aufgenommenen Luftbildes mit einem simulierten Luftbild.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Reproduzierbarkeit der Messungen erhöht wird.
Beim Positionieren der Maske, beispielsweise in einem Maskeninspektionsmikroskop, kann der Ausschnitt des Luftbildes festgelegt werden, welcher sich im Strahlengang des Maskeninspektionsmikroskops befindet. Sofern bei einer erneuten Positionierung der Maske zu einem späteren Zeitpunkt ein Fehler Auftritt, weichen die Ausschnitte und damit die ermittelten Gesamtintensitäten voneinander ab. Um dies zu vermeiden bzw. um die Genauigkeit der Positionierung zu erhöhen, kann ein aus dem Masken-Design simuliertes Bild im Bereich der Sollposition erstellt werden. Die Position des gemessenen Luftbildes kann dann durch Überlagerung mit dem simulierten Luftbild korrigiert werden. Es kann auch eine Positionskorrektur durch Überlagerung mit einem Luftbild als Referenzbild durchgeführt werden, welches durch ein Maskeninspektionsmikroskop aufgenommen wurde. Dies setzt voraus, dass die Positionen des Referenzbilds mit dem Masken-Design übereinstimmen bzw. Abweichungen bekannt sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine direkte Gesamtintensität ermittelt, durch das Aufnehmen einer einzelnen Intensität durch einen hochempfindlichen, nicht-abbildenden Sensor.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine Ermittlung einer Gesamtintensität durch ein weiteres Messverfahren hochgenau ermöglicht wird. Der Bereich umfasst hier das gesamte Luftbild.
Durch die parallele Nutzung von zwei Sensoren wird eine hochgenaue Charakterisierung der Maske ermöglicht. Durch den hochempfindlichen nicht-abbildendem Sensor wird die hochgenaue Messung der direkten Gesamtintensitäten ermöglicht. Die direkte Gesamtintensität entspricht bei Messung im Durchlicht-Verfahren in guter Näherung der Transmission der Maske, bei Messungen in Reflexion, in guter Näherung dem Reflexionsgrad der Maske. Diese Werte sind mit den aus Einzelintensitäten ermittelten Werten der Gesamtintensität eines Luftbildes vergleichbar. Die Messergebnisse können mit der Analyse der Luftbilder bzw. den aus den Luftbildern ermittelten Gesamtintensitäten korreliert werden.
Zeitliche Schwankungen der Gesamtintensitäten können aufgezeichnet werden und verwendet werden, um Messfehler zu kompensieren, die durch Schwankungen der Intensitäten der Beleuchtungsstrahlung verursacht werden.
Messungen der Gesamtintensitäten und der direkten Gesamtintensitäten können auch unabhängig voneinander vorgenommen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden der Mittelwert der Gesamtintensitäten oder der direkten Gesamtintensitäten aller vergleichbaren Strukturen und die prozentuale Abweichung der einzelnen Gesamtintensitäten oder der direkten Gesamtintensitäten vom Mittelwert berechnet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine einfache und aussagekräftige Begutachtung der Maske ermöglicht wird.
Die Erfindung umfasst zudem ein Maskeninspektionsmikroskop zur Charakterisierung einer Maske, welches eine Datenverarbeitungsanlage (210) aufweist, die die Schritte gemäß den Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführt.
Die Datenverarbeitungsanlage ist beispielsweise ein Computer, welcher so programmiert ist, dass die genannten Schritte durchgeführt werden. Die Steuereinheit ist derart programmiert, das alle genannten Verfahren und deren Ausgestaltungen durchgeführt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Maskeninspektionsmikroskops weist dieses einen nicht-abbildenden Sensor zur Ermittlung einer direkten Gesamtintensität eines Luftbildes auf.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine hochgenaue Ermittlung der direkten Gesamtintensität einer Maske ermöglicht wird.
Zur Veranschaulichung der Erfindung folgen:
1: Längsschnitt eines Abschnitts eines Beleuchtungsstrahlengangs eines erfindungsgemäßen Maskeninspektionsmikroskops;
2: Längsschnitt eines Abschnitts eines Beleuchtungsstrahlengangs und Abbildungsstrahlengang eines erfindungsgemäßen Maskeninspektionsmikroskops;
3: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Maskeninspektionsmikroskops welches mit Beleuchtungsstrahlung im EUV-Bereich arbeitet;
4: Schema des Ablaufs eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Maskeninspektionsmikroskop nach einem ersten Ausführungsbeispiel besteht, wie in 1 dargestellt, aus einer Strahlungsquelle 5, einem Excimer-Laser, der Beleuchtungsstrahlung der Wellenlänge 193 nm emittiert. Längs der optischen Achse 1 folgt ein Homogenisierer 10 zur Homogenisierung der Intensitätsverteilung der Beleuchtungsstrahlung in der Pupillenebene und zu dessen Depolarisierung. Über einen Strahlteiler 11 wird Beleuchtungsstrahlung auf einen Energiemonitor 12 gelenkt. Zeitliche Schwankungen der Intensität der Strahlungsquelle 5 werden von einer Datenverarbeitungsanlage 210 registriert.
Nun folgt eine Blendenplatte 45, welche in einer Pupillenebene des Beleuchtungsstrahlengangs 3 angeordnet ist. Diese dient zur Vorgabe einer Beleuchtungseinstellung wie beispielsweise Dipol oder Annular. Die Steuerung der Position der Blendenplatte 45 erfolgt über Antrieb 50, der eine genaue Positionierung der Blenden 51 ermöglicht.
Die eingestellte Blende der Blenden 51 wird durch ein Zoomobjektiv 55 mit Stelltrieb 60 in der gewünschten Größe auf die resultierende Pupillenebene 135 des Kondensors 130, wie in 2 dargestellt, abgebildet. Der Abbildungsmaßstab kann um den Faktor 3 variiert werden.
Die Fortsetzung des Beleuchtungsstrahlengangs 3 des ersten Ausführungsbeispiels ist in 2 dargestellt. Es folgt eine Feldblende 100 zur Vorgabe der Größe des Beleuchtungsfeldes auf der Maske 145. Nach der Feldblende 100 folgen eine Tubuslinse 105 und der Kondensor 130 mit der Pupillenebene 135. Die quadratische Öffnung der Feldblende 100 hat eine Kantenlänge von 340 μm. Dies ergibt auf der Maske ein Bildfeld mit einer Kantenlänge von 26 μm.
Zur Polarisation der Beleuchtungsstrahlung können die Polarisatoren 110 und 120 durch die Antriebe 115 und 125 in den Beleuchtungsstrahlengang 3 eingebracht werden. Polarisator 110 polarisiert die Beleuchtungsstrahlung linear, die Richtung der Polarisation kann durch Drehung des Polarisators 110 durch Antrieb 115 eingestellt werden. Um tangentiale Polarisation der Beleuchtungsstrahlung zu erreichen, wird zusätzlich zu dem Polarisator 110 der Polarisator 120, der als segmentierter Polarisationskonverter ausgebildet ist, in den Beleuchtungsstrahlengang 3 eingebracht. Die lineare Polarisation wird durch diesen Polarisator 120 sektorweise gedreht, so dass näherungsweise tangentiale Polarisation resultiert. Es stehen drei Varianten des Polarisators 120 zur Verfügung (nicht in 2 dargestellt). Es kann zwischen den Unterteilungen in 4, 8 oder 12 Sektoren gewählt werden.
Die zu inspizierende Maske 145 mit der Struktur 150 ist durch ein Pellikel 155 geschützt. Die Maske liegt auf dem Maskenhalter 140, der durch Antrieb 142 lateral, in einer Ebene, welche als X-Y-Ebene bezeichnet wird, bewegt wird, um die Maske an die gewünschte Position zu bewegen, so dass sich der Ausschnitt der Maske, von welchem ein Luftbild aufzunehmen ist, im Beleuchtungsstrahlengang 3 befindet.
Zur Festlegung der Position eines Ausschnitts, von welchem ein Luftbild aufgenommen wird, wird dessen Mittelpunkt angegeben. Zu einem aufgenommene Luftbild wird diese Position des Mittelpunktes abgespeichert.
Über Antrieb 142 wird die Maske zur Fokussierung auch in Richtung der optischen Achse, der Z-Achse, bewegt. Alternativ wird zur Fokussierung das Objektiv 160 in Richtung der optischen Achse bewegt.
Zur Ausrichtung der Maske in der X-Y-Ebene werden an drei Positionen der Maske, bevorzugt in Randbereichen der Maske, die besten Fokusebenen ermittelt, d. h. die Z-Koordinaten der jeweiligen Positionen ermittelt. Aus den Koordinaten dieser drei Positionen ist die Ebene der Maske vorgegeben.
Das Bild der Maske wird durch das Objektiv 160 über die Tubus-Linse 165, Feldblende 170, Vergrößerungs-Optik 175 auf den Detektor 200, einen CCD-Chip (Charge Coupled Device), abgebildet. Die numerische Apertur wird durch die NA-Blende 180 mit Antrieb 182 eingestellt. Die durch den Energiemonitor 12 registrierten Schwankungen der Intensität der Beleuchtungsstrahlung werden verwendet, um die Intensitäten des aufgenommen Luftbildes zu korrigieren. Die Intensitäten eines aufgenommenen Luftbildes sind somit weitgehend frei von Schwankungen der Intensität der Beleuchtungsstrahlung.
Zur Messung der direkten Gesamtintensität eines Luftbildes wird über Antrieb 172 nach der die NA-Blende 180 ein Strahlteiler 171 in den Strahlengang 3 eingebracht, wie in 2 veranschaulicht. In einer nicht in der Abbildung dargestellten Variante kann anstelle des Strahlteilers auch ein Spiegel eingebracht werden. Dann ist zwar eine gleichzeitige Nutzung beider Sensoren nicht möglich, dafür wird die gesamte Beleuchtungsstärke für den Sensor zur Messung der direkten Gesamtintensität verwendet. Der über Strahlteiler 171 oder den Spiegel abgelenkte Strahl fällt dann über eine Sammellinse auf einen hochempfindlichen, nicht-abbildenden Sensor 174. Diese Sensor ist als Fotodiode oder als Fotomultiplier, welcher auch als PMT (photo multiplier tube) bezeichnet wird, ausgebildet. Auch die Messung der direkten Gesamtintensität kann verwendet werden, um zeitliche Schwankungen der Intensität der Beleuchtungsstrahlung zu korrigieren.
Zur Abbildung der Pupillenebene des Beleuchtungsstrahlengangs 3 auf dem Detektor 200 wird eine Bertrand-Linse 185 durch Antrieb 190 in den Beleuchtungsstrahlengang 3 eingebracht.
Alle Antriebe 50, 60, 101, 115, 125, 142, 172, 182, 190, 185 und die Detektoren 174 und 200 sind mit einer Datenverarbeitungsanlage 210 mit Ein- und Ausgabeeinheit 215 verbunden. Die Steuerung des Maskeninspektionsmikroskops erfolgt durch diese Datenverarbeitungsanlage 210. Sie ist als Computer ausgebildet, der so programmiert ist, dass die Verfahren zur Charakterisierung der Maske ausgeführt werden. Durch Auslesen des Detektors 200 durch die Datenverarbeitungsanlage 210 wird das jeweilige Luftbild abgespeichert, die Bilddaten werden weiterverarbeitet.
In einem weiteren in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet das Maskeninspektionsmikroskop in Reflexion. Hier wird die Maske 145 von der Seite der Struktur 150 beleuchtet. Die Maske liegt also genau mit der gegenüberliegenden Seite auf dem Maskenhalter 140. Die an der Struktur 150 reflektierte Strahlung wird in bekannter Weise durch einen Strahlteiler aus dem Beleuchtungsstrahlengang 3 ausgekoppelt und verläuft weiter, wie in 2 dargestellt bis zur Abbildung auf einem Detektor 200.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Maskeninspektionsmikroskop mit Beleuchtungsstrahlung im EUV-Bereich der Wellenlänge von 13.5 nm betrieben. Der Aufbau ist in 3 veranschaulicht. Die Strahlung einer EUV-Strahlungsquelle 221 wird von einem Kollektor 222 gesammelt und über Spiegel 224 und 226 auf eine zu untersuchende EUV-Maske 228 reflektiert. Eine Feldblende 234 dient zur Ermittelung der Größe des Beleuchtungsfeldes auf der EUV-Maske 228. Blende 234 wird auf der Maske abgebildet. Zur Fokussierung bzw. Defokussierung der Abbildung der Blende 234 dient ein Antrieb 235. Mit Blende 232, welche auf einer Blendenplatte 233 angeordnet sind, werden (analog zu beispielsweise den Blenden auf den Blendenplatten 45, 65) die gewünschten Beleuchtungswinkel realisiert. Ein Bild der EUV-Maske wird über das Abbildungssystem 230 auf einen Detektor 237 abgebildet, der, wie auch Antrieb 235, mit einer nicht dargestellten Datenverarbeitungsanlage verbunden ist, welche den Detektor ausliest und die Bild-Daten weiter verarbeitet.
Aufgenommene Luftbilder liegen als digitale Graustufenbilder im Speicher der Datenverarbeitungsanlage 210 vor. Es handelt sich um eine Matrix von 1000·1000 Pixeln mit Intensitäten I_n,m die als Werte in einem Bereich von 0 bis 255 dargestellt werden. Die Indizes n und m bezeichnen Zeile und Spalte eines Pixels des Detektors.
Zur Simulation von Luftbildern aus dem Maskendesign werden bekannte Verfahren wie beispielsweise eine Kirchhoffsimulation oder rigorose Verfahren verwendet. Derartige Simulatoren sind auch kommerziell erhältlich, wie beispielsweise die Software Calibre Workbench von Mentor Graphics. Aus Bereichen von simulierten Luftbildern werden Gesamtintensitäten auf die gleiche Weise ermittelt, wie bei gemessenen Bildern. Simulierte Luftbilder können zum Einsatz kommen, um die gemessenen Luftbilder oder der Gesamtintensitäten mit den simulierten Luftbildern zu vergleichen. Sie werden auch verwendet, um die Position der aufgenommenen Luftbilder relativ zum Maskendesign zu korrigieren. Auch bei der Simulation der Luftbilder werden Beleuchtungseinstellungen und Polarisationseinstellungen berücksichtigt.
Zur Korrektur der Position eines aufgenommen Luftbildes wird das aufgenommene Luftbild mit einem Simulationsbild des entsprechenden Ausschnitts der Teilstruktur der Maske überlagert. Dabei wird anhand der Maskendesigndatei das zu erwartende Luftbild des zu messenden Ausschnitts der Maske simuliert. Für jeden zu messenden Ausschnitt wird das Luftbild der realen Maske dann am Simulationsluftbild mittels eines Korrelationsalgorithmus ausgerichtet, wodurch eine genauere Positionsbestimmung ermöglicht wird. Es wird eine Abweichung der Ist-Position von der Sollposition des Ausschnitts ermittelt. Diese als Lagefehler bezeichnete Abweichung wird als Wertepaar ΔX und ΔY angegeben. Dann wird der gemessene Ausschnitt entsprechend verschoben, so dass die Lage des Ausschnitts der vorgegebenen Sollposition entspricht. Um dies zu erreichen, werden die X- und Y-Koordinaten aller Pixel des Ausschnitts der Maske um den Lagefehler ΔX und ΔY korrigiert.
Als Korrelationsalgorithmus werden pixelweise die Differenzen der Intensitätswerte der übereinanderliegenden Pixel der beiden Bilder berechnet. Es werden die absoluten Differenzen der Grauwerte der einzelnen, bei der jeweiligen Verschiebung übereinanderliegenden Pixel summiert. Die Bilder werden solange gegeneinander verschoben, bis ein Minimum der summierten Differenzen erreicht ist.
Die Bilder werden dabei pixelweise gegeneinander verschoben oder in kleineren Einheiten als Pixel, d. h. subpixelweise gegeneinander verschoben. Derartige Korrelationsverfahren sind beispielsweise aus der DE12006059431 bekannt.
Ausgangspunkt der Berechnung ist die Position des Luftbildes gemäß dem Sollwert der Position des Maskenhalters und die Position des simulierten Bildes im Maskendesign.
Zur Ermittlung der Gesamtintensität I_G eines quadratischen Bereichs eines Luftbilds werden alle Intensitäten I_n,m innerhalb dieses Bereichs des Luftbilds addiert:
Der Bereich des Luftbildes erstreckt sich von der Zeile n1 bis n2 und von der Spalte m1 bis m2 des Detektors. Wird die Gesamtintensität des Luftbildes ermittelt, werden alle Intensitäten des Luftbilds addiert.
In einer Variante des Ausführungsbeispiels werden die zu ermittelnden Gesamtintensitäten normiert (Clear-Normierung). Es wird ein Bereich der Maske in den Abbildungsstrahlengang des Maskeninspektionsmikroskops gebracht, welcher keinerlei Struktur aufweist. Über die Intensitäten des derart aufgenommenen Luftbilds wird die Gesamtintensität ermittelt. Die so ermittelte Gesamtintensität wird als Clear-Intensität I_clear bezeichnet. Gesamtintensitäten werden zur Normierung durch die Clear-Intensität dividiert. Die Clear-Intensität zu einer Gesamtintensität ist: I_clear = I_G/I_clear; Die clear-normierten Gesamtintensitäten werden berechnet, um beispielsweise die Gesamtintensitäten unterschiedlicher Luftbilder miteinander zu vergleichen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt die Normierung durch Messung der Clear-Intensität I_clear, ohne dass eine Maske im Strahlengang vorhanden ist.
Zur Normierung von Gesamtintensitäten eines Bereichs eines Luftbildes ist die Clear-Intensität eines Bereichs zu verwenden. Ist die Clear-Intensität eines gesamten Luftbildes bekannt, kann die Clear-Intensität eines Ausschnittes durch die Größenverhältnisse des Bereichs und des vollständigen Luftbildes berechnet werden.
In einer Variante des Ausführungsbeispiels wird die Normierung für die direkte Gesamtintensität, welche durch den nicht-abbildenden Sensor 174, gemessen wird, durchgeführt. Dies kann sowohl gegen die Maske oder gegen den freien Strahlengang analog zur oben dargestellten Weise erfolgen.
In einer Variante des Ausführungsbeispiels wird zur Kalibrierung für eine oder für mehrere vergleichbare Strukturen einer Maske, deren Gitterperioden und Linienbreiten bekannt sind, die Gesamtintensität ermittelt.
Ist die Gitterperiode konstant, ist die Gesamtintensität in guter Näherung nur von der Linienbreite abgängig. Durch die Kalibrierung wird es ermöglicht, aus Messungen der Gesamtintensität die Absolutwerte der Linienbreiten zu ermitteln.
Die Kalibrierung kann gegen absolute Messungen an der Struktur auf der Maske oder auf dem Wafer erfolgen. Zur Messung der absoluten Dimensionen der Linienbreite, sowohl auf der Maske als auch auf dem Wafer, wird ein Rasterelektronenmikroskop verwendet. Die Kalibrierung kann auch gegen simulierte Luftbilder erfolgen.
Da bei den zu untersuchenden Masken nur eine geringe Abweichungen der Linienbreite (d. h. der CD, der kritischen Dimension) vom Sollwert zu erwarten ist, kann zwischen der Änderung der Gesamtintensität und der Linienbreite in guter Näherung ein linearer Zusammenhang angenommen werden.
In einer Variante des Ausführungsbeispiels wird die Kalibrierung für die direkte Gesamtintensität durchgeführt.
Eine Übersicht des Verfahrens zur Charakterisierung einer Maske ist in 4 gegeben. Zur Charakterisierung einer Maske wird zunächst die gewünschte Beleuchtungseinstellung eingestellt. Sofern Positionen auf einer Maske von Ausschnitten mit vergleichbaren Strukturen bekannt sind, werden gezielt an diesen Positionen Gesamtintensitäten ermittelt. Die Positionen vergleichbarer Strukturen können beispielsweise aus dem Maskendesign, d. h. den Informationen über Strukturen, die auf der Maske dargestellt sind, ermittelt werden.
Der Bereich oder mehrere Bereiche eines Luftbilds, die zur Ermittlung der Gesamtintensität zu berücksichtigen sind, werden über die Ein- und Ausgabeeinheit 215 der Datenverarbeitungsanlage 210 vorgegeben. Die Position eines Bereichs wird als dessen Mittelpunkt abgespeichert.
Ist das Maskendesign, d. h. die Struktur, die auf der Maske dargestellt ist, bekannt, können die Gesamtintensitäten der Bereiche der gemessenen Positionen, wie bereits erwähnt, auch aus den simulierten Luftbildern ermittelt werden. Zur Auswertung werden die gemessenen Gesamtintensitäten mit jenen der simulierten Gesamtintensitäten verglichen. Die prozentualen Abweichungen können, wie unten angegeben, grafisch dargestellt werden.
In einer weiteren Maßnahme, beispielsweise falls das Maskendesign nicht vorgegeben ist, werden gleichmäßig über die Maske verteilte Positionen zur Messung festgelegt. Es werden beispielsweise Positionen festgelegt, die sich in einem Raster befinden, welches als eine Matrix von beispielsweise 1000·1000 Positionen über die Maske gelegt wird.
Aus allen Bereichen der aufgenommenen Luftbilder werden Gesamtintensitäten vergleichbarer Strukturen herausgesucht. Kriterien sind die Gitterperiode, die Linienbreite und Ausrichtung der Gitterperiode, die clear-normierten Gesamtintensitäten und Bildfehler. Diese Kriterien können einzeln oder in Kombination angewendet werden.
Zunächst werden aus allen Gesamtintensitäten die clear-normierten Intensitäten ermittelt. Clear-normierte Gesamtintensitäten, welche innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegen, werden zu Gruppen vergleichbarer Strukturen zusammengefasst. Ein Toleranzbereich innerhalb einer Gruppe wird vorgegeben. Gesamtintensitäten mit Werten außerhalb des Toleranzbereiches werden zur Charakterisierung der Maske nicht herangezogen.
Die so gebildeten Gruppen können weiter analysiert werden. Die Gitterperioden und die Linienbreiten werden durch Frequenzanalyse der Luftbilder ermittelt. Durch Auswertung des Ortsfrequentspektrums wird die Gitterperiode und die Linienbreite ermittelt. Zur Frequenzanalyse wird das Luftbild vom Ortsraum in den Fourierraum transformiert, d. h. es wird das Ortsfrequenzspektrum berechnet. Die Frequenzen der Beugungsordnungen der Gitterperioden erscheinen im Ortsfrequenzspektrum als scharfe Maxima. Durch die Positionsbestimmung dieser Maxima im Vergleich zur Lage der Maxima der Frequenz der nullten Beugungsordnung können die Gitterperioden berechnet werden. Auch für die genannte Frequenzanalyse ist die Anforderung an die Bildschärfe gering. Zur Aufnahme der Luftbilder muss somit, wie bereits erwähnt, keine genaue Fokussierung erfolgen.
Durch die Frequenzanalyse der Luftbilder werden auch Bildfehler erkannt. Besteht ein Luftbild bzw. ein vorgegebener Bereich beispielsweise nur zu einem Anteil aus Linien und Freiräumen und zu einem weiteren Anteil z. B. aus einem Array von Pinholes, ist die Gesamtintensität dieses Bereichs nicht mit der Gesamtintensität eines Bereichs eines Luftbildes einer Struktur, welche ausschließlich aus Linien und Freiräumen besteht, vergleichbar. Luftbilder bzw. Bereiche bei welchen Bildfehler gefunden werden, werden zur weiteren Charakterisierung nicht herangezogen. Alternativ wird der zur Auswertung berücksichtigte Bereich des Luftbilds geändert. Im hier genannten Beispiel (ein Luftbild aus Linien und Freiräume mit einem Anteil eines Arrays von Pinholes) treten zusätzliche Maxima im Ortsfrequenzspektrum auf. Diese können detektiert werden. Sofern diese Maxima einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, wird das Bild zur Bewertung nicht mehr herangezogen.
Zur schnellen Auswertung der Luftbilder bzw. der Bereiche werden in einer Variante für häufig auf Masken anzutreffende Strukturen Ortsfrequenzspektren ermittelt. Dies können aus gemessenen aber auch aus simulierten Luftbildern berechnet werden. Die Lage und Höhe der Maxima wird dann in einer Datenbank abgespeichert. Somit kann aus der Lage und Höhe von Maxima der Ortsfrequenzspektren gemessener Bilder schnell auf die jeweilige Struktur geschlossen werden. Die Lage der Maxima wird bestimmt durch die Gitterperiode. Die Intensität der Maxima wird bestimmt von der Breite der Linien und von Materialparametern der Maske, wie Dicke und Brechungsindex sowie Beleuchtungs-Parameter wie beispielsweise Wellenlänge, Beleuchtungseinstellung oder Polarisation.
Sofern die Gesamtintensitäten wie oben erwähnt gegen bekannte CD-Werte kalibriert wurden, können in einem zweidimensionalen Diagramm die absoluten CD-Werte in Abhängigkeit der Position auf der Maske angegeben werden.
In einer Variante der Auswertung wird für eine Gruppe vergleichbarer Strukturen die prozentuale Abweichung aller Werte der Gesamtintensitäten von dessen Mittelwert berechnet. Verschiedenen prozentualen Abweichungen werden verschiedene Farben bzw. Farbtöne zugeordnet. Die Messwerte werden dann in einem zweidimensionalen Diagramm der Maske durch die jeweilige Farbe dargestellt. Üblicherweise ist für eine zu untersuchende Maske ein Sollwert der kritischen Dimension bekannt. Es kann zur Auswertung gemessener Gesamtintensitäten einer Maske angenommen werden, dass diese kritische Dimension näherungsweise dem Mittelwert der Gesamtintensitäten vergleichbarer Strukturen entspricht. Die relative Abweichung der Gesamtintensitäten vom Mittelwert entspricht dann der relativen Abweichung von der vorgegebenen kritischen Dimension.
Ein Variante des Ausführungsbeispiels kommt bei Masken zum Einsatz, die zahlreiche Bereiche mit identischen Strukturen aufweisen, sogenannte Dies. Zur Erhöhung der Genauigkeit wird der Durchschnitt der Gesamtintensitäten identischer Positionen aller Dies gemessen. Zur Auswertung wird dann für jede Position die prozentuale Abweichung der einzelnen Intensitätsquotienten vom Durchschnittswert über alle Dies angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009083606 A1 [0009]
DE 12006059431 [0079]

Claims

Verfahren zur Charakterisierung einer Maske, die eine Struktur aufweist, umfassend die Schritte: – Erzeugen eines Luftbildes zumindest eines Ausschnitts der Struktur der Maske, – Aufnehmen einer ortsaufgelösten Verteilung von Intensitäten des Luftbildes, – Ermitteln einer Gesamtintensität aus den Intensitäten zumindest eines Bereichs des Luftbildes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtintensität auf eine Bezugsgröße normiert wird, insbesondere auf die Gesamtintensität, welche bei einer Maske ohne Struktur gemessen wird.
Verfahren, nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: – Ermitteln einer Linienbreite der Struktur des Bereichs aus einer Korrelation zwischen zumindest einer ermittelten Gesamtintensität einer Struktur und einer bekannten Linienbreite dieser Struktur.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: – Vorgeben zumindest einer Position auf der Maske, an welcher die Maske charakterisiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere Positionen vorgegeben werden, welche gleichmäßig über die Fläche der Maske verteilt sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Positionen auf der Maske ermittelt werden, an welchen vergleichbare Strukturen auf der Maske ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: – Analysieren der Luftbilder zur Ermittlung von Positionen mit vergleichbaren Strukturen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: – Ermitteln von zumindest einer der folgenden Größen aus den Luftbildern: Gitterkonstante, Ausrichtung der Gitterkonstante, Linienbreite, Bildfehler.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine exakte Position ermittelt wird, durch Vergleich zumindest eines Bereichs des aufgenommenen Luftbildes mit einem simulierten Luftbild.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine direkte Gesamtintensität ermittelt wird, durch das Aufnehmen einer einzelnen Intensität durch einen hochempfindlichen, nicht-abbildenden Sensor.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Mittelwert der Gesamtintensitäten oder der direkten Gesamtintensitäten aller vergleichbarer Strukturen und die prozentuale Abweichung der einzelnen Gesamtintensitäten oder direkten Gesamtintensitäten vom Mittelwert berechnet wird.
Maskeninspektionsmikroskop zur Charakterisierung einer Maske, welches eine Datenverarbeitungsanlage (210) aufweist, die die Schritte gemäß den Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchfürt.
Maskeninspektionsmikroskop nach Anspruch 12, aufweisend einen nicht-abbildenden Sensor (174), zur Ermittlung einer direkten Gesamtintensität eines Luftbildes.