DE102012103428A1

DE102012103428A1 - Inspektionsanordnung

Info

Publication number: DE102012103428A1
Application number: DE201210103428
Authority: DE
Inventors: Bernd Srocka; Ralf Langhans
Original assignee: HSEB Dresden GmbH
Current assignee: Unity Semiconductor GmbH
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2013-10-24
Also published as: US9217633B2; WO2013156323A1; EP2839268A1; US20150124245A1

Abstract

Eine Anordnung zum Untersuchen einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche eines Wafers oder anderen Objekte, enthaltend einen Halter zum Halten des Objekts; eine im Bereich vor der zu untersuchenden Oberfläche beabstandet angeordnete Inspektionsanordnung; und eine Messanordnung zur Bestimmung des Abstands und/oder der Neigung der Oberfläche zur Inspektionsanordnung; gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle, deren Strahlung unter einem Winkel auf die zu untersuchende Oberfläche gelenkt wird; und einen ortsauflösenden Detektor zur Aufnahme der von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Strahlung aus der Strahlungsquelle, wobei die Strahlungsquelle und der Detektor außerhalb des für die Inspektion erforderlichen Bereichs zwischen Inspektionsanordnung und zu untersuchender Oberfläche angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Untersuchen einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche eines Wafers oder anderen Objekte, enthaltend

(a) einen Halter zum Halten des Objekts;
(b) eine im Bereich vor der zu untersuchenden Oberfläche beabstandet angeordnete Inspektionsanordnung; und
(c) eine Messanordnung zur Bestimmung des Abstands und/oder der Neigung der Oberfläche zur Inspektionsanordnung.

Die Erfindung betrifft ferner ein Inspektionsverfahren zum Untersuchen einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche eines Wafers oder anderen Objekts mit einer im Bereich vor der zu untersuchenden Oberfläche beabstandet angeordnete Inspektionsanordnung, bei dem der Abstand und/oder die Neigung der Oberfläche zur Inspektionsanordnung bestimmt wird.
In verschiedenen Industriezweigen werden flächige Produkte mit optischen Verfahren auf ihre Eigenschaften untersucht. In der Halbleiter- und Solarzellenindustrie sind dies unter anderem Wafer. Wafer sind Scheiben aus Halbleiter-, Glas-, Folien- oder Keramikmaterialien. In verschiedenen Inspektionsschritten ist die genaue Bestimmung der Oberflächenlage der Probe wichtig für die korrekte Ausführung der eigentlichen Inspektion und die korrekte Interpretation der Messergebnisse. Die Oberflächenlage der Probe wird insbesondere durch ihre Höhe und ihre Neigung bestimmt. Unter dem Begriff Höhe wird hier der Abstand zum Inspektionssystem verstanden.
Für die Fertigungskontrolle und die Qualitätsprüfung sind genaue Kenntnisse über die erzeugten Schichten und Oberflächen erforderlich. Dabei werden verschiedene Inspektionsverfahren eingesetzt. Mit den Inspektionsverfahren werden Material- und Strukturparameter sowie Schichteigenschaften der obersten oder mehrerer oberer Schichten gemessen werden. Eine Reihe dieser Verfahren benötigt eine sehr genaue Kontrolle des Abstandes der Oberfläche vom Inspektionssystem und der Neigung der Oberfläche am Inspektionsort gegenüber charakteristischen Achsen des Inspektionssystems.
Beispiele für Verfahren, die Informationen über Abstand und Neigung der Probe zum Messkopf verarbeiten, sind Ellipsometrie, Scatterometrie, Reflektometrie, optische Inspektion, Inspektion mit anderer elektromagnetischer Strahlung und Ultraschallsensorik. Die von diesen Verfahren generierten Messsignale hängen neben der eigentlichen Messgröße auch von den zwei genannten äußeren Parametern ab. Alle Verfahren benötigen eine eben liegende Probe relativ zur Normalenachse des Inspektionssystems. Dabei sind die Anforderungen an die Neigung für die Ellipsometrie, Reflektometrie und Scatterometrie besonders hoch. In der Regel erfordern die Verfahren unmittelbar über dem Inspektionsort sehr viel Raum für die Inspektionsapperatur. Insbesondere kommen Optiken mit großen Öffnungswinkeln zum Einsatz, welche dicht an der Probenoberfläche bereits große Durchmesser benötigen. Die räumlichen Bedingungen beschränken die Möglichkeiten zum Bestimmen des Abstands sowie der Neigung der Probe am Inspektionsort.
Stand der Technik
Es ist bekannt, ellipsometrische Messungen zur zerstörungsfreien Schichtanalyse durchzuführen. Die Probe wird dabei mit polarisiertem Licht beleuchtet. Das Licht wird an den Grenzflächen zwischen den Schichten reflektiert oder transmittiert und anschließend detektiert. Die Eigenschaften der Schichten werden über die Änderung des Polarisationszustandes des detektierten Lichtes bestimmt. Diese Messwerte sind stark von der Fokuslage und der Neigung der Oberfläche der Probe abhängig.
Zur Untersuchung von Struktureigenschaften wird die Scatterometrie verwandt. Bei der Scatterometrie wird das Antwortsignal eines unter verschiedenen Winkeln eingestrahlten Lichtstrahls analysiert. Zusätzlich oder alternativ kann Licht verschiedener Wellenlängen eingesetzt werden. Durch eine Modellrechnung werden die Strukturparameter mit dem Antwortsignal zur Übereinstimmung gebracht.
Die Messungen erfordern für eine gute Auflösung und Reproduzierbarkeit den Einsatz von Optiken mit großer Apertur. Das bedeutet, dass das Licht möglichst flach geneigt zur Probenoberfläche eingestrahlt wird. Vorrichtungen zur genauen Bestimmung des Abstandes von der Probe sowie der Neigung erfordern ebenfalls eine große Apertur. Die Anordnungen können gewöhnlich nicht oder nur mit Beeinträchtigung der Messung in derselben Optik wie die Messoptik erfolgen.
Bekannt sind Autofokus-Systeme, die einen oder mehrere Laserstrahlen durch das Beobachtungsobjektiv des Inspektionssystems oder ein zusätzliches Objektiv auf die Probe abbilden. Die Strahlung wird dabei außerhalb der optischen Achse angeordnet. Sie werden auf der Probenoberfläche reflektiert und durch dieselbe Objektivoptik zurück auf einen ortsauflösenden Detektor geleitet. Ein solcher ortsauflösender Detektor ist beispielsweise eine CCD-Zeile. Die rücklaufende Strahlung verläuft dann entsprechend spiegelsymmetrisch zur optischen Objektivachse. Am Detektor erzeugen sie ein Signal an einer definierten Position. Eine bestimmte Position entspricht genau der Fokuslage definiert durch den Abstand zwischen Objektiv und Probenoberfläche, bei der die Probe im Fokus der Optik liegt. Ein abweichender Abstand führt zu einer entsprechenden Verschiebung des Signals auf der CCD-Zeile. Die Fokuslage kann gezielt nachgeregelt werden.
Bekannt sind weiterhin Systeme, die ein Linienmuster auf die Probe abbilden und die rücklaufenden Strahlen auf einer schräg gestellten Detektorfläche empfangen. Das gespiegelte Linienmuster wird hinsichtlich seines Kontrastes analysiert. Die Position mit dem höchsten Kontrast gibt die Fokuslage an.
Bei beiden Verfahren wird die Strahlung durch die Abbildungsoptik des Inspektionssystems geführt. Es ist daher erforderlich zusätzliche Elemente in den Strahlengang ein- und wieder auszublenden. Die Elemente können die eigentliche Messung stören.
In einem Ellipsometer ist nach den bekannten Verfahren eine zusätzliche Optik zu den Ellipsometerarmen erforderlich. Diese Optik benötigt ebenfalls eine hohe Apertur und entsprechenden Raum unmittelbar über dem Messort. Das beschränkt die Bestimmung der Lage der Probenoberfläche.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln Neigungs- und Höhenunterschiede bei der Inspektion von Oberflächen berücksichtigen ohne die Inspektion zu stören.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch

(d) eine Strahlungsquelle, deren Strahlung unter einem Winkel auf die zu untersuchende Oberfläche gelenkt wird; und
(e) einen ortsauflösenden Detektor zur Aufnahme der von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Strahlung aus der Strahlungsquelle, wobei
(f) die Strahlungsquelle und der Detektor außerhalb des für die Inspektion erforderlichen Bereichs zwischen Inspektionsanordnung und zu untersuchender Oberfläche angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die Position des an der Oberfläche reflektierten Strahls auf dem Detektor verändert, wenn die Oberfläche des Objekts geneigt oder die Höhe verändert wird. Beispielsweise detektiert der Detektor den Strahl in einem Bereich mit größerem Abstand zur Oberfläche, wenn die Probe angehoben oder in Richtung der Strahlungsquelle geneigt wird. Wird die Probe gesenkt oder in Richtung des Detektors geneigt, bewegt sich der detektierte Strahl auf der Detektoroberfläche hingegen in Richtung der zu untersuchenden Oberfläche. Wird die Probe um die projizierte Achse der Verbindungslinie Strahlungsquelle – Detektor nach links geneigt, wandert der Strahl auf dem Detektor ebenfalls nach links. Analoges gilt bei Neigung nach rechts.
Die Lage des an der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Strahls auf dem Detektor ist also ein Maß für den Abstand oder die Neigung der zu untersuchenden Oberfläche. Durch geeignete Kalibrierung können Absolutwerte ermittelt werden.
Das Verfahren nutzt die Möglichkeit mit entfernten Geräten, nämlich Strahlungsquelle und Detektor dennoch nah am Inspektionspunkt zu messen. Zwischen der Inspektionsanordnung und der zu untersuchenden Oberfläche befindet sich ein Bereich, der für die Inspektion erforderlich ist. Beispielsweise wird Strahlung durch diesen Bereich geleitet. Erfindungsgemäß werden keine Einrichtungen in diesem Bereich angeordnet. Sowohl die Strahlungsquelle, als auch der Detektor werden außerhalb dieses Bereichs angeordnet.
Vorzugsweise sind zwei Strahlungsquellen an unterschiedlichen Positionen mit jeweils einem zugehörigen Detektor vorgesehen. Die Strahlungsquellen mit dem zugehörigen Detektor können insbesondere in gekreuzter Anordnung zueinander angeordnet sein. Die Verwendung von zwei unabhängigen Messungen erlaubt die gleichzeitige Bestimmung der Höhe und der Neigung der Oberfläche des Objekts. Der Winkel, den die beiden Strahlengänge bilden kann beispielsweise ein rechter Winkel sein.
Die Strahlungsquellen strahlen jeweils einen kollimierten Strahl unter flachem Winkel auf die zu untersuchende Oberfläche. Der Auftreffpunkt wird so gewählt, dass die Optik des Inspektionssystems nicht in ihren Aufgaben gestört wird. Der Auftreffpunkt liegt also vorzugsweise geringfügig abseits des aktuellen Inspektionsortes. Es ist für den Erfindungsgedanken weder erforderlich, dass beide Strahlen im selben Punkt auf die zu untersuchende Oberfläche treffen. Auch die Einstrahlungswinkel müssen nicht identisch sein. Die Strahlen werden an der zu untersuchenden Oberfläche reflektiert. Die reflektierten Strahlen werden von den zugehörigen Detektoren detektiert. Ein von einer in der Höhe verschobenen oder geneigten Oberfläche reflektierter Strahl trifft an einer anderen Stelle des ortsauflösenden Detektors auf und signalisiert so die veränderte Lage der zu untersuchenden Oberfläche.
Aus den beiden Positionen der Strahlauftreffpunkte auf den Detektoren lassen sich die Effekte Höhenveränderung der zu untersuchenden Oberfläche und die Neigung eindeutig voneinander trennen. Eine ausschließliche Höhenveränderung liegt dann vor, wenn auf beiden Detektoren die Strahlauftreffpunkte auf der Schnittlinie der Detektorebene mit der den ausgesendeten Strahl enthaltenden senkrechten Ebene liegen. Liegen sie beide über dem normalen Auftreffpunkt, ist die Oberfläche zu hoch. Liegen sie darunter, ist die Oberfläche zu tief.
Da die beiden Strahlungsquelle-Detektor-Paare zueinander in einem Winkel angeordnet sind, wird jede Neigung der Probe immer zu einem seitlichen Versatz des Auftreffpunktes auf mindestens einem der beiden Detektoren führen. Dies kommt daher, dass die beiden projizierten Verbindungslinien Strahlungsquelle-Detektor jeweils eine theoretische Rotationsachse definieren. Da diese beiden Rotationsachsen aufgrund der gewinkelten Anordnung nicht parallel zueinander verlaufen, kann die Probe nur dann bezüglich beider Achsen keine seitliche Auslenkung des reflektierten Strahls erzeugen, wenn sie genau horizontal ausgerichtet ist.
Es können Mittel zur Bestimmung der Höhe und/oder Neigung der zu untersuchenden Oberfläche aus der Lage des reflektierten Strahls auf dem Detektor vorgesehen sein. Diese Mittel können beispielsweise einen Computer umfassen, welcher aus den Messwerten absolute Werte berechnet. Dabei kann beispielsweise der Abstand zwischen einem Punkt auf der zu untersuchenden Oberfläche und einem definierten Punkt an der Inspektionsanordnung mit Hilfe eines geeigneten Computerprogramms oder durch Vergleich mit einer Kalibrierkurve bestimmt werden. Es kann auf ähnliche Weise auch die Neigung der zu untersuchenden Oberfläche gegenüber der Horizontalen oder dergleichen bestimmt werden.
Zusätzlich oder stattdessen kann der Halter oder das Objekt in dem Halter beweglich angeordnet sein und die Neigung und/oder Höhe der zu untersuchenden Oberfläche kann einstellbar sein, so dass ein Sollwert der Lage des reflektierten Strahls auf dem Detektor erreicht wird. Für einige Anwendungen ist eine Absolutbestimmung der Höhe oder der Neigung gar nicht erforderlich. Es ist ausreichend, wenn die Lage der Oberfläche auf einen Sollwert geregelt wird. Dieser Sollwert kann durch einen Punkt auf der Detektoroberfläche bzw. den Detektoroberflächen definiert werden. Die Lage des Objekts wird dann so nachgeführt, dass der Sollwert während der Inspektion eingehalten wird.
Vorzugsweise liegt der Winkel unter dem die Strahlung aus der Strahlungsquelle auf die zu untersuchende Oberfläche gelenkt wird, im Bereich von 45° bis 85° zur Flächennormale auf die zu untersuchende Oberfläche. Mit anderen Worten: der Strahl trifft sehr flach – beispielsweise fast horizontal – auf eine horizontale Oberfläche. Dann passt die Strahlführung in den Zwischenraum zwischen der Inspektionsanordnung und er zu untersuchenden Oberfläche. Strahlungsquellen und Detektoren können außerhalb dieses Zwischenraums angeordnet werden und stören die eigentliche Inspektion der Oberfläche nicht.
Die Strahlungsquelle kann anwendungsabhängig und abhängig von der Wirtschaftlichkeit verschieden ausgebildet sein. Sie kann von einem Laser mit gut kollimiertem Strahl, zum Beispiel einer Laserdiode oder von einer mit einer Kollimationsoptik versehenen LED gebildet sein oder von einer Strahlungsquelle mit ausgedehntem Wellenlängenspektrum, mit welchem Interferenzen an wiederkehrenden Strukturen der zu untersuchenden Oberfläche detektierbar sind.
Sind auf der zu untersuchenden Oberfläche regelmäßige Gitterstrukturen vorhanden, muss die Beugung des Strahls an diesem Gitter und die daraus resultierende Aufspaltung in Teilstrahlen der Beugungsordnungen beachtet werden. Man kann dies durch verschiedene Maßnahmen erreichen. Zum einen kann anstelle eines monochromatischen Lichtes eine Weißlichtquelle oder eine Quelle mit einem hinreichend breiten Wellenlängenspektrum eingesetzt werden. Dann wird eine Intensitätsverteilung auf dem Detektor in Form eines Interferogramms erzeugt. Das höchste Maximum wird durch die nullte Beugungsordnung gebildet, da hier alle Farben des Lichtes beitragen. Die anderen Maxima der Beugung liegen für jede Wellenlänge an einem anderen Ort auf dem Detektor und bilden daher insgesamt einen mehr oder weniger flachen Hintergrund. Zum anderen kann man auch bei einer monochromatischen Quelle nach dem Maximum mit der höchsten Intensität suchen, da dieses immer durch die nullte Beugungsordnung erzeugt wird. Die höheren Beugungsordnungen liegen symmetrisch um die nullte Ordnung und weisen je nach Struktur der Gitteranordnung geringere Intensitäten auf.
Benutzt man für die Anordnung einen Laser, ist es vorteilhaft, auf die Astigmatismuskorrektur zu verzichten und stattdessen den Strahl transversal so auszurichten, dass die große Halbachse der Strahlellipse quer zur Einfallsebene auf der Probe steht. Durch den flachen Einstrahlungswinkel wird die kleine Halbachse im Auftreffpunkt gestreckt. Dadurch verlässt der Strahl die zu untersuchende Oberfläche nach der Reflexion mit deutlich geringerer Elliptizität.
Es ist vorteilhaft, wenn der vom auftreffenden Strahl beleuchtete Teil der zu untersuchenden Oberfläche groß genug ist, um eine über eventuelle Strukturen der zu untersuchenden Oberfläche gemittelte Reflexion zu erfahren. Damit werden die Effekte von Unebenheiten reduziert. Das Verhältnis von beleuchteter Fläche zur Strukturgröße lässt sich leicht durch die Kollimation und den Abstand zwischen Strahlungsquelle und zu untersuchender Oberfläche einstellen.
Der Detektor kann von einem Charge-Coupled-Device (CCD), einem CMOS, oder von einem anderen Flächendetektor mit hoher Ortsauflösung gebildet sein, oder der Detektor umfasst positionsempfindliche Photodioden oder Quadrantendioden. Die eingesetzten Detektoren sind vorzugsweise elektrooptische Flächenkameras, die ein der jeweiligen Einsatzanforderung entsprechend gewähltes hochauflösendes Bild des reflektierten Strahlprofils aufnehmen. Durch bekannte Bildverarbeitungsalgorithmen kann man den Schwerpunkt des aufgenommenen Strahlbildes ermitteln und so die lokale Lage des Strahlzentrums sehr genau ablesen. Es können alternativ auch einfachere Aufnahmesysteme wie z.B. Quadrantendioden oder positionsempfindliche Photodioden eingesetzt werden. Quadrantendioden sind eine Anordnung aus vier Photodioden. positionsempfindliche Photodioden sind großflächige Photodioden, in denen der Schwerpunktsort des Signals durch eine erzeugte Spannungsdifferenz der an den Rändern der aktiven Fläche abgenommenen Signale ermittelt wird.
Diese bekannten Detektoren haben alle den Zweck die Schwerpunktslage eines optischen Strahls zu ermitteln und lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung einsetzen. Die Empfindlichkeit der Anordnung bei der Bestimmung der Höhe und Neigung der zu untersuchenden Oberfläche hängt dabei jedoch wesentlich von der Ortsauflösung bei der Bestimmung des Strahlschwerpunktes ab.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Retroreflektor, eine Retroreflexionsfolie oder ein anderer Reflektor vorgesehen, mit welchem die von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung mehrfach über die zu untersuchende Oberfläche leitbar ist. Als Retroreflektor können zwei oder drei reflektierenden Flächen oder ein totalreflektierendes Prisma vorgesehen sein. Dadurch lässt sich die Auflösung der Anordnung steigern. Der Retroreflektor wird auf der gegenüberliegenden Seite der Strahlungsquelle angeordnet.
Retroreflektoren sind Anordnungen von zwei oder drei reflektierenden Flächen, die ankommendes Licht in seine Einfallsrichtung reflektieren. Dabei wird im Gegensatz zu einfachen Reflektoren, wie etwa einem Planspiegel, ein paralleler Versatz erzeugt. Die reflektierenden Flächen können sowohl von Spiegeln als auch von Prismen mit Totalreflexion gebildet sein. Die reflektierenden Flächen stehen üblicherweise senkrecht aufeinander. Ein Retroreflektor mit nur zwei Flächen wirkt lediglich in einer Ebene senkrecht zu den beiden Spiegelebenen retroreflektiv. Bei einem Retroreflektor mit drei Flächen sind die reflektierenden Flächen in Form einer Würfelecke angeordnet. Dadurch erzeugen die Flächen Retroreflexion im gesamten räumlichen Einfallswinkelbereich. Für die Erhöhung der Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung ist bereits ein zweiflächiger Retroreflektor effektiv einsetzbar, solange die Spiegelflächen senkrecht zur vertikalen Ebene des ausgesandten Strahls aus der Strahlungsquelle ausgerichtet sind.
Nach der ersten Reflexion an der Probe weisen die Strahlen noch einen vergleichsweise geringen Abstand auf. Werden die Strahlen nun mit dem Retroreflektor zurück auf die zu untersuchende Oberfläche gelenkt und dort erneut reflektiert, so weisen die zurücklaufenden Strahlen am Detektor einen größeren Abstand auf. Die Empfindlichkeit der Anordnung wurde damit gegenüber der einfachen Reflexion verdoppelt. Es versteht sich, dass weitere Retroreflektoren eingesetzt werden können, um den Teststrahl mehrmals hin und her zu schicken und dadurch mehrmals an der zu untersuchenden Oberfläche zu spiegeln. Dadurch wird die Auflösung weiter erhöht. Es ist nicht erforderlich, dass die Reflexionsorte auf der zu untersuchenden Oberfläche identisch sind. Die Reflexionsorte lassen sich gezielt wählen, indem man von 90° abweichende Winkel zwischen den Spiegelflächen des Retroreflektors wählt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektoroberfläche derart angeordnet ist, dass die detektierte Strahlung einen Winkel mit der Flächennormale der Detektoroberfläche bildet. Dadurch kann die Auflösung und damit die Empfindlichkeit der Anordnung weiter gesteigert werden. Je flacher der reflektierte Strahl auf die Detektorfläche fällt, desto mehr wird das Höhenlagesignal bzw. das Signal der Neigung der Probe verstärkt. Da die Abbildung des Strahls auf einer geneigten Detektorfläche eine Erhöhung der Elliptizität des Strahlprofils nach sich zieht, ist es vorteilhaft, wenn das Strahlprofil durch geeignete Optiken an der Strahlungsquelle gezielt angepasst wird. Für eine zu der zu untersuchenden Oberfläche parallele Ausrichtung der Detektorfläche kann z.B. bei einem Einstrahlwinkel von 20° auf die zu untersuchende Oberfläche die Höhenauflösung gegenüber der Detektorflächenlage senkrecht zum reflektieren Strahl um einen Faktor 3 gesteigert werden. Bei 15° beträgt die Steigerung der Empfindlichkeit bereits einen Faktor 4.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle polarisiertes Licht erzeugt und ein Analysator vor dem Detektor angeordnet ist. Es können ebenfalls Modulationsmittel vorgesehen sein zur Modulation der Intensität der Strahlungsquelle. Dadurch kann die Anordnung insbesondere die Inspektionsmessung unempfindlicher gegen Streulicht gemacht werden und gegen Fremdeinflüsse korrigiert werden. Solche Verfahrensweisen sind aus der Technik von Reflexionslichttastern bekannt und können mit dem vorliegenden Verfahren ebenfalls kombiniert werden.
Bei der Ausführung des Aufbaus ist eine sehr steife Verbindung von Strahlungsquelle und Detektor sowie zum Inspektionssystem vorteilhaft. Man kann dies durch die Wahl entsprechend hoher Profilmaße erreichen.
Die Anordnung kann genutzt werden in einem Inspektionsverfahren zum Untersuchen einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche eines Wafers oder anderen Objekts mit einer im Bereich vor der zu untersuchenden Oberfläche beabstandet angeordnete Inspektionsanordnung, bei dem der Abstand und/oder die Neigung der Oberfläche zur Inspektionsanordnung bestimmt wird gekennzeichnet durch die Schritte

(a) Beleuchten der zu untersuchenden Oberfläche mit Strahlung aus einer Strahlungsquelle unter einem Winkel;
(b) Detektieren der von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Strahlung aus der Strahlungsquelle mit einem ortsauflösenden Detektor; wobei die Strahlungsquelle und der Detektor außerhalb des für die Inspektion erforderlichen Bereichs zwischen Inspektionsanordnung und zu untersuchender Oberfläche angeordnet sind; und
(c) Bestimmen der Höhe und/oder Neigung aus der Lage der reflektierten Strahlung auf dem Detektor und/oder Regeln der Höhe und/oder Neigung nach Maßgabe der Lage der reflektierten Strahlung auf dem Detektor.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Seitenansicht einer Inspektionsanordnung mit einem zu untersuchenden Objekt, in der die Auswirkungen eines Höhenversatzes illustriert sind.
2 ist eine Draufsicht auf die Anordnung aus 1.
3 zeigt die Anordnung aus 1, in der die Auswirkungen einer Neigung des zu untersuchenden Objekts illustriert sind.
4 zeigt eine Anordnung ähnlich wie in 1, bei der mit einem Retroreflektor eine erhöhte Auflösung erreicht wird.
5 zeigt eine Anordnung ähnlich wie in 1, bei der durch Neigung des Detektors eine erhöhte Auflösung erreicht wird.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete Inspektionsanordnung für Wafer 12. Die Inspektionsanordnung 10 nutzt eines der Verfahren Ellipsometrie, Scatterometrie, Reflektometrie, optische Inspektion, Inspektion mit anderer elektromagnetischer Strahlung und Ultraschallsensorik. Die Inspektionsanordnung kann aber auch ein photolitographisches Verfahren anwenden.
Der Wafer 12 liegt auf einem nicht dargestellten Halter auf. Der Halter ist derart ausgebildet, dass der Wafer damit auch in der Höhe und bezüglich der Neigung bewegt werden kann und mit einer geeigneten Bewegungssteuerung ausgerüstet.
Zwischen der Inspektionsanordnung 10 und der mit 14 bezeichneten Oberfläche des Wafers 12 ist ein Zwischenraum 16. Durch diesen Zwischenraum laufen Strahlen, beispielsweise bei berührungslosen, optischen Verfahren, Licht. Es versteht sich, dass Elemente, die in diesem Zwischenraum angeordnet sind, das Inspektionsverfahren stören würden oder verzögern, wenn diese nur zeitweilig eingeklappt oder sonst wie eingesetzt werden.
Der Wafer 12 und jedes andere zu untersuchende Objekt ist im Allgemeinen eine flache Scheibe mit einer vergleichsweise planen Oberfläche 14. Es lässt sich also gut ein Abstand zwischen der Oberfläche 14 und einer ausgewählten Ebene der Inspektionsanordnung 10 definieren. Dieser korrespondiert bei der vorliegenden Anordnung mit horizontal angeordnetem Wafer zu der Höhe des Wafers. Auch kann die Neigung der Oberfläche 14 beispielsweise gegenüber der Horizontalen definiert werden. Die oben aufgeführten Verfahren der Inspektionsanordnung sind empfindlich gegenüber der Höhe und der Neigung des Wafers.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher eine Messanordnung zur Bestimmung der Höhe und der Neigung der Oberfläche vorgesehen. Die Messanordnung umfasst einen Diodenlaser 18 als Strahlungsquelle. Der Diodenlaser 18 emittiert einen gut kollimierten Laserstrahl 20.
Der Laserstrahl 20 trifft unter einem flachen Winkel auf die Oberfläche 14 des Wafers 12. Der Winkel α des Laserstrahls zur Flächennormalen der Oberfläche 14 beträgt etwa 80°. Man erkennt, dass der Strahl 20 bei diesem Winkel gut durch den Zwischenraum 16 zwischen Inspektionsanordnung 10 und Waferoberfläche 14 gelangt. Die Laserdiode 18 mit den zugehörigen Steuerungs- und Versorgungseinrichtungen ist weit außerhalb des Bereichs 16 angeordnet.
Die Waferoberfläche 14 ist reflektierend. Der Laserstrahl 20 wird daher an einem Punkt 22 an der Oberfläche 14 reflektiert. Der Auftreffpunkt auf der Probe wird so gewählt, dass die Inspektionsanordnung 10 nicht in ihren Aufgaben gestört wird, d.h. geringfügig abseits des aktuellen Inspektionsortes. Der mit 24 bezeichnete, reflektierte Strahl trifft außerhalb des Bereichs 16 auf eine CCD-Kamera 26 mit einer Vielzahl von Bildpunkten, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
Bei justierter Anordnung und horizontaler Waferoberfläche 14, bei der die Waferoberfläche genau im Fokus der Inspektionsanordnung 10 liegt, trifft der reflektierte Laserstrahl 24 etwa mittig auf die CCD-Kamera 26. Dieser Punkt ist mit 28 bezeichnet und beschreibt einen Sollwert für die Auftreffposition.
Es gibt Fälle, bei denen der Wafer einen anderen Abstand zur Inspektionsanordnung einnimmt. Dann fällt der Laserstrahl 24 nicht mehr am Punkt 28 auf den Detektor. 1 illustriert den Fall, bei dem der Abstand geringfügig größer ist und der Wafer die mit 30 bezeichnete Lage einnimmt. Man erkennt, dass der Laserstrahl 20 erst am Punkt 32 auf die Waferoberfläche 14 auftrifft. Der gestrichelt dargestellte, reflektierte Strahl 34 trifft dann am Punkt 36 auf den Detektor. Aus der Abweichung der tatsächlichen Lage am Punkt 36 und der Sollage am Punkt 28 kann nun die Abweichung von der Fokuslage des Wafers 12 ermittelt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Halter derart gesteuert, dass der Wafer seine Solllage einnimmt und der nachgeführte Strahl 24 am Punkt 28 auf dem Detektor 26 auftrifft.
2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung aus 1. Man erkennt, dass zwei Diodenlaser 18 und 38 mit den zugehörigen CCD-Kameras 26 und 40 vorgesehen sind. Die Diodenlaser 18 und 38 sind derart angeordnet, dass die Laserstrahlen 20 und 42 sich im Messbereich überkreuzen. Es ist weder erforderlich, dass beide Strahlen im selben Punkt auf die Waferoberfläche treffen, noch müssen die Einstrahlungswinkel genau gleich sein. Durch die Verwendung zweier Laserstrahlen 20 und 42 lässt sich zusätzlich zum Abstand auch die Neigung der Waferoberfläche 14 erfassen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in 2 der Fall illustriert, bei dem die Waferoberfläche 14 um eine Achse geneigt ist, welche der Projektion der Verbindungsachse zwischen Laserdiode 38 und CCD-Kamera 40 auf die Waferoberfläche 14 entspricht. Das ist durch einen Pfeil 44 repräsentiert. Durch die Neigung werden beide Laserstrahlen auf unterschiedliche Weise abgelenkt. Die Abweichung vom Sollwert ist am Detektor 40 größer als am Detektor 26. Aus der Ablenkung lässt sich die Neigung gegenüber der Horizontalen bestimmen. Wie beim Abstand kann der Halter derart gesteuert werden, dass der Wafer eine Solllage einnimmt.
3 zeigt den Fall einer gegenüber einem horizontalen Wafer 12 geneigten Wafer 58 von der Seite. Der geneigte Wafer 58 ist gestrichelt dargestellt. Man erkennt, dass der Laserstrahl 20 zwar an der gleichen Stelle 22 an der Waferoberfläche 14 reflektiert wird, aber unter einem anderen Winkel. Dies führt dazu, dass der abgelenkte Strahl 50 weiter oben auf dem Detektor 26 auftrifft. Eine Neigung in der anderen Richtung führt entsprechend dazu, dass der Strahl 50 weiter unten auf dem Detektor 26 auftrifft.
4 zeigt eine Anordnung gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel mit erhöhter Auflösung. Die Anordnung ist identisch mit der Anordnung aus 1. Der Detektor 126 ist jedoch nicht gegenüber der Strahlungsquelle 118 angeordnet, sondern auf der gleichen Seite. Der von der Laserdiode 118 erzeugte Strahl 120 wird an der Waferoberfläche 122 am Punkt 124 reflektiert. Der reflektierte Strahl 126 trifft auf einen Retroreflektor 128 mit zwei Planspiegeln. Dort wird der Strahl 126 mit einem Versatz zurückreflektiert. Der zurückreflektierte Strahl 130 trifft am Punkt 132 erneut auf die Waferoberfläche 122. Der Punkt 132 ist aufgrund des Strahlversatzes an einer anderen Stelle als der Punkt 124. Der von der Waferoberfläche erneut reflektierte Strahl 134 trifft schließlich am Punkt 136 auf den Detektor 126.
Wenn nun die Waferoberfläche 122 beispielsweise weiter unten liegt, ändert sich der Strahlverlauf. Die Waferoberfläche mit größerem Abstand ist in 4 gestrichelt dargestellt und mit 138 bezeichnet. Man erkennt, dass der Strahl 120 an einem anderen Punkt auf der Waferoberfläche, nämlich bei 140 reflektiert wird. Nach Durchlaufen des Retroreflektors 128 trifft der Strahl 142 wieder auf den Wafer und am Punkt 144 auf den Detektor. Es ist leicht einsichtig, dass der durch die Abstandsänderung erzeugte Versatz des Auftreffpunktes 136 auf dem Detektor mit Retroreflektor 128 größer ist, als ohne. Auf diese Weise wird die Auflösung der Messanordnung und somit die Empfindlichkeit erhöht.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Empfindlichkeit der Anordnung erhöht wurde, indem der Detektor 226 derart geneigt wurde, dass ein Winkel zwischen der Flächennormale der Detektoroberfläche und dem auftreffenden Strahl 228 besteht. Je flacher der einfallende Strahl auf die Detektoroberfläche fällt, desto mehr wird das Signal der Neigung der zu untersuchenden Oberfläche verstärkt. Man erkennt, dass der Abstand zwischen den Auftreffpunkten am Detektor zwischen den Strahlen 224 und 228 bei geneigtem Detektor – hier mit 230 bezeichnet – größer ist als der Abstand 232 bei dem gestrichelt dargestellten senkrecht angeordneten Detektor 26.
Da die Abbildung des Strahls 220 bzw. 228 auf einer geneigten Detektorfläche eine Erhöhung der Elliptizität des Strahlprofils bewirkt, ist vor der Laserdiode eine geeignete Optik zur Strahlanpassung vorgesehen (nicht dargestellt).

Claims

Anordnung zum Untersuchen einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche eines Wafers oder anderen Objekte, enthaltend (a) einen Halter zum Halten des Objekts; (b) eine im Bereich vor der zu untersuchenden Oberfläche beabstandet angeordnete Inspektionsanordnung; und (c) eine Messanordnung zur Bestimmung des Abstands und/oder der Neigung der Oberfläche zur Inspektionsanordnung; gekennzeichnet durch (d) eine Strahlungsquelle, deren Strahlung unter einem Winkel auf die zu untersuchende Oberfläche gelenkt wird; und (e) einen ortsauflösenden Detektor zur Aufnahme der von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Strahlung aus der Strahlungsquelle, wobei (f) die Strahlungsquelle und der Detektor außerhalb des für die Inspektion erforderlichen Bereichs zwischen Inspektionsanordnung und zu untersuchender Oberfläche angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Strahlungsquellen an unterschiedlichen Positionen mit jeweils einem zugehörigen Detektor, insbesondere in gekreuzter Anordnung, vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zur Bestimmung der Höhe und/oder Neigung der zu untersuchenden Oberfläche aus der Lage des reflektierten Strahls auf dem Detektor.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter oder das Objekt in dem Halter beweglich angeordnet ist und die Neigung und/oder Höhe der zu untersuchenden Oberfläche einstellbar ist, so dass ein Sollwert der Lage des reflektierten Strahls auf dem Detektor erreicht wird.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel unter dem die Strahlung aus der Strahlungsquelle auf die zu untersuchende Oberfläche gelenkt wird, im Bereich von 45° bis 85° zur Flächennormale auf die zu untersuchende Oberfläche liegt.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle von einer Laserdiode oder von einer mit einer Kollimationsoptik versehenen LED gebildet ist oder von einer Strahlungsquelle mit ausgedehntem Wellenlängenspektrum, mit welchem Interferenzen an wiederkehrenden Strukturen der zu untersuchenden Oberfläche detektierbar sind.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor von einem Charge-Coupled-Device (CCD), einem CMOS, oder von einem anderen Flächendetektor mit hoher Ortsauflösung gebildet ist, oder dass der Detektor positionsempfindliche Photodioden oder Quadrantendioden umfasst.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Retroreflektor, eine Retroreflexionsfolie oder ein anderer geeigneter Reflektor vorgesehen ist, mit welchem die von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung mehrfach über die zu untersuchende Oberfläche leitbar ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Retroreflektor mit zwei oder drei reflektierenden Flächen oder ein totalreflektierendes Prisma vorgesehen sind.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoroberfläche derart angeordnet ist, dass die detektierte Strahlung einen Winkel mit der Flächennormale der Detektoroberfläche bildet.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle polarisiertes Licht erzeugt und ein Analysator vor dem Detektor angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Modulationsmittel zur Modulation der Intensität der Strahlungsquelle.
Inspektionsverfahren zum Untersuchen einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche eines Wafers oder anderen Objekts mit einer im Bereich vor der zu untersuchenden Oberfläche beabstandet angeordnete Inspektionsanordnung, bei dem der Abstand und/oder die Neigung der Oberfläche zur Inspektionsanordnung bestimmt wird gekennzeichnet durch die Schritte (a) Beleuchten der zu untersuchenden Oberfläche mit Strahlung aus einer Strahlungsquelle unter einem Winkel; (b) Detektieren der von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Strahlung aus der Strahlungsquelle mit einem ortsauflösenden Detektor; wobei die Strahlungsquelle und der Detektor außerhalb des für die Inspektion erforderlichen Bereichs zwischen Inspektionsanordnung und zu untersuchender Oberfläche angeordnet sind; und (c) Bestimmen der Höhe und/oder Neigung aus der Lage der reflektierten Strahlung auf dem Detektor und/oder Regeln der Höhe und/oder Neigung nach Maßgabe der Lage der reflektierten Strahlung auf dem Detektor.