DE102016204535A1

DE102016204535A1 - Messmikroskop zur Vermessung von Masken für lithographische Verfahren sowie Messverfahren und Kalibrierverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102016204535A1
Application number: DE102016204535.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Jäckel; Carola Bläsing-Bangert; Dirk Seidel
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2017-09-21
Also published as: TW201802431A; TWI664391B; US11079586B2; US20170269347A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Messmikroskops (1), welches zur Vermessung von Masken (7) verwendet werden kann, bei welchem eine Kalibriermaske in einem Selbstkalibrierungsalgorithmus eingesetzt wird, um Fehlerkorrekturdaten des Messmikroskops zu ermitteln, wobei beim Selbstkalibrierungsalgorithmus die Kalibriermaske im Messmikroskop in verschiedenen Positionen abgebildet und vermessen wird, um ein oder mehrere Anteile der Fehlerkorrekturdaten zu ermitteln, wobei das Oberflächenprofil der Kalibriermaske ermittelt und bei der Bestimmung der Fehlerkorrektur eingesetzt wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Messmikroskop und ein Verfahren zum Betrieb desselben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Masken für lithographische Verfahren mittels eines Messmikroskops sowie ein entsprechendes Messmikroskop und ein Verfahren zur Kalibrierung eines derartigen Messmikroskops.
Bei lithographischen Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten oder nanostrukturierten Bauteilen der Mikroelektronik oder Mikrosystemtechnik werden strukturierte Elemente, wie Masken, die auch als Lithographiemasken, Fotomasken bzw. Retikel bezeichnet werden, eingesetzt, die zur Erzielung der Auflösung von Strukturen im Nanometerbereich entsprechend genau hergestellt und positioniert werden müssen. Es sind bereits Vorrichtungen zur Vermessung von Masken bekannt, wie sie beispielsweise in der DE 10 2008 005 355 A1 und der DE 10 2009 019 140 A1 beschrieben sind. Es wird die Verwendung eines Messmikroskops offenbart, wobei an Luftbildern der Masken bzw. der strukturierten Elemente vorgegebene Positionen innerhalb der Strukturen (Strukturpositionen) vermessen werden.
Die Positionsermittlung auf Masken beruht auf einer interferometrischen Längenmessung. Hierzu werden spezielle Justagemarken auf einer Maske oder ein Strukturelement der Nutzstrukturen einer Maske einzeln mittels eines mikroskopischen Bildes hinsichtlich ihrer Position erfasst. Über einen Positioniertisch werden die einzelnen Justagemarken oder Strukturelemente der Maske nacheinander in das Zentrum des Bildfeldes gefahren und die Position der jeweiligen Justagemarken oder Strukturelemente über Kantenschwellwerte oder über Korrelationsmethoden ermittelt. Daraufhin wird der Abstand zur vorher vermessenen Justagemarke oder vermessenem Strukturelement durch Bestimmung des vom Positioniertisch zwischen den Messungen zurückgelegten Weges ermittelt. Der vom Positioniertisch zurückgelegte Weg wird mittels interferometrischer Messung ermittelt.
Im Folgenden werden wegen der besseren Lesbarkeit nur noch der Begriff Justagemarken verwendet. Dieser umfasst auch Strukturelemente der Nutzstrukturen.
Die Kalibrierung von Positionsmessvorrichtungen erfolgt herkömmlicherweise durch Selbstkalibrierungsverfahren. Hierbei kann durch die Aufnahme und Vermessung einer Kalibriermaske, die eine definierte Struktur aufweist, sodass Strukturpositionen auf der Kalibriermaske in etwa bekannt sind, bei mehreren unterschiedlichen Messpositionen ein Gleichungssystem erzeugt werden, das in den einzelnen Gleichungen in einer Reihenentwicklung verschiedene Fehleranteile berücksichtigt, die beispielsweise von der Stage für die zu vermessenden Masken im Messmikroskop oder von den zu vermessenden Elementen selbst, beispielsweise durch nicht exakte Strukturen auf der Kalibriermaske, eingebracht werden können.
Aus dem quasi-redundanten Messdatensatz lassen sich Positionsfehler der Justagemarken auf der Kalibriermaske von immanenten Fehlern der Positionsmessvorrichtung separieren. Letztere werden wiederum zur Kalibrierung der Positionsmessvorrichtung verwendet.
Typische Ursachen für Fehler der Positionsmessvorrichtung sind u. a. Interferometerfehler sowie Kipp- und Unebenheiten der Interferometerspiegel. Solche Fehler werden durch oben beschriebene Kalibrierverfahren berücksichtigt.
Obwohl mit der Selbstkalibrierung von Messmikroskopen mit Kalibriermasken bereits gute Ergebnisse bei der Vermessung von strukturierten Elementen erzielt werden können, besteht weiterer Bedarf dahingehend, die Vermessung von strukturierten Elementen genauer durchführen zu können. Insbesondere ist mit den im Bereich der Lithographie bekannten Messmikroskopen eine Ermittlung von Oberflächenprofilen von Masken nicht möglich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Vermessung von strukturierten Elementen für lithographische Verfahren sowie ein entsprechendes Messmikroskop und ein Verfahren zur Kalibrierung des entsprechenden Messmikroskops anzugeben, die es ermöglichen, strukturierte Elemente genauer zu vermessen. Insbesondere sollen die entsprechenden Verfahren und das Messmikroskop eine einfache Durchführung der Verfahren bei gleichzeitig guten und exakten Ergebnissen sowie einen entsprechenden einfachen Aufbau des Messmikroskops ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Messmikroskop bereitzustellen, welches die einfache Ermittlung eines Oberflächenprofils einer Maske, auch als Topologie der Maske oder als Höhenprofil bezeichnet, erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kalibrierverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Vermessung strukturierter Elemente für lithographische Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Messmikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schlägt zunächst ein verbessertes Kalibrierverfahren für die Kalibrierung eines Messmikroskops vor, welches zur Vermessung von Masken für Lithographieverfahren dient.
Messmikroskope zur Vermessung von Masken, die im Lithographieverfahren eingesetzt werden, müssen Messungen von hoher Genauigkeit ermöglichen. Für die vorliegende Erfindung sind Messmikroskope vorgesehen, deren relative laterale Messgenauigkeit bis in den Bereich kleiner oder gleich 0,5 nm reicht.
Entsprechend werden derartige Messmikroskope kalibriert, wobei die Kalibrierung Fehlerkorrekturdaten liefert, mit denen Messfehler entsprechend korrigiert werden können. Die Fehlerkorrekturdaten, die zur Korrektur der Messfehler eingesetzt werden, stellen im einfachsten Fall einen einfachen Korrekturfaktor für entsprechende Messdaten, also beispielsweise x-, y-, z-Koordinaten eines Messpunkts auf dem zu vermessenden, strukturierten Element dar. Hierbei kann ein Korrekturfaktor für eine Vielzahl von gemessenen Koordinaten der zu vermessenden, strukturierten Elemente ermittelt werden oder es können für jeden Messwert individuelle Fehlerkorrekturdaten in Form einer Art Korrekturlandkarte ermittelt werden, die für jeden Punkt auf der Oberfläche eines strukturierten Elements die entsprechenden Fehlerkorrekturdaten angibt. Darüber hinaus können die Fehlerkorrekturdaten nicht nur einfache Korrekturfaktoren sondern auch komplexe Korrekturfunktionen umfassen, die unterschiedliche Korrekturalgorithmen aufweisen.
Die Kalibrierung des Messmikroskops umfasst erfindungsgemäß einen Selbstkalibrierungsalgorithmus, bei welchem eine Kalibriermaske, die definierte Strukturen aufweist, in mindestens zwei, vorzugsweise mehreren unterschiedlichen Messpositionen untersucht, insbesondere vermessen wird. Durch die Aufnahme von mehreren Abbildungen der Kalibriermaske in unterschiedlichen Positionen und Vermessung der Strukturen der Kalibriermaske bei bekannten Positionen der Strukturen der Kalibriermaske, d. h. bekannten Strukturpositionen, in den aufgenommenen Abbildungen kann mit Kenntnis der relativen Messpositionen der Kalibriermaske ein Gleichungssystem erzeugt werden, welches auch bei nicht exakten Strukturpositionen, also Strukturen bzw. Strukturpositionen mit gewissen Abweichungen, eine Ermittlung von Fehlerkorrekturdaten in der Weise ermöglicht, dass eine hohe Messgenauigkeit für die korrigierten Messdaten möglich wird. Um dies noch zu verbessern, verwendet das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren für den Selbstkalibrierungsalgorithmus eine Kalibriermaske mit durch Messung bekanntem Oberflächenprofil, auch als Höhenprofil bezeichnet. Durch diese Maßnahme wird eine genauere Messung auch in z-Richtung ermöglicht. Insbesondere wird eine Separierung des Messfehlers in z-Richtung in Fehleranteile, welche durch die Stage bedingt sind und Fehleranteile, welche durch die Maske bedingt sind ermöglicht.
Die Ermittlung des Oberflächenprofils erfolgt durch ein hochpräzises Planinterferometer, d. h. nicht in dem Messmikroskop selbst. Die zu untersuchende Oberfläche einer Maske, dessen Profil ermittelt wird, erstreckt sich üblicherweise entlang einer Hauptfläche der Maske, die durch die beiden größten Dimensionen des zu untersuchenden, strukturierten Elements aufgespannt wird.
Das gemessene Oberflächenprofil kann insbesondere so in einem Kalibrierungsverfahren für ein Messmikroskop eingesetzt werden, dass das Oberflächenprofil und somit die Koordinaten in z-Richtung (z-Koordinaten), die die Normalenrichtung auf der zu untersuchenden Oberfläche bzw. die Höhenrichtung darstellt, als bekannte Randbedingungen in das Gleichungssystem aus dem Selbstkalibrierungsprozess eingeführt werden. Damit können die z-Koordinaten der Kalibriermaske als gegeben angenommen werden und es ist bei der Bestimmung der Fehlerkorrekturdaten von Fehleranteilen der Kalibriermaske in Richtung der Normalen auf der Oberfläche des strukturierten Elements bzw. quer oder senkrecht zur Hauptfläche des strukturierten Elements eine Vereinfachung des Gleichungssystems dahingehend möglich, dass die z-Koordinaten der Kalibriermaske nicht mehr mit unbekannten Abweichungen berücksichtigt werden müssen. Da somit die Einflüsse der Kalibriermaske in z-Richtung bereits berücksichtigt sind, kann der verbleibende, zu korrigierende Fehler anderen Einflüssen zugeordnet werden, beispielsweise Einflüssen durch Fehler in der Stage. Mit anderen Worten wird eine Aufteilung der Fehler auf Fehler der Maske und auf Fehler der Stage ermöglicht. Sowohl eine Verkippung der Maske auf der Stage, als auch eine keilförmige Verzerrung der Maske haben Auswirkungen auf die Messwerte in z-Richtung, die – ohne Wissen über ein Oberflächenprofil – nicht voneinander getrennt werden können.
Damit lässt sich die Fehlerkorrektur von Messdaten in eine Richtung quer zur Hauptfläche der strukturierten Elemente, die gleichzeitig bei der Anwendung des Messmikroskops die optische Achse des Messmikroskops darstellt, verbessern und die korrigierten Messdaten weisen eine höhere Messgenauigkeit auf.
Der Messfehler bei der Bestimmung von z-Koordinaten eines strukturierten Elements, wie einer Maske, in einer Richtung quer zur abgebildeten Objektebene kann somit deutlich verringert werden, sodass nach einer erfindungsgemäßen Kalibrierung auch eine zuverlässige Bestimmung der z-Koordinaten eines zu vermessenden, strukturierten Elements bzw. einer Maske, möglich ist. Dies gilt insbesondere auch für die Fälle, die üblicherweise bei Messmikroskopen auftreten, nämlich dass die Kalibrierung mittels einer Kalibriermaske im Selbstkalibrierungsalgorithmus nur bei solchen Messpositionen der Kalibriermaske durchgeführt wird, bei denen die Kalibriermaske in einer x-y-Ebene, also quer zur optischen Achse des Messmikroskops bewegt wird, beispielsweise durch Drehung um eine Achse parallel zur optischen Achse des Messmikroskops oder durch entsprechende translatorische Bewegungen entlang der x- und y-Richtung, und/oder dass die Vermessung eines strukturierten Elements ebenfalls mit einer Orientierung der zu vermessenden Oberfläche quer zur optischen Achse bzw. zur z-Richtung erfolgt.
Zur definierten Ermittlung des Oberflächenprofils der Kalibriermaske kann die Kalibriermaske auf einer Dreipunktlagerung angeordnet werden, die ebenfalls im Messmikroskop für die Vermessung von strukturierten Elementen für Lithographieprozesse vorgesehen sein kann. Durch eine geeignete Dreipunktlagerung können Einflüsse durch Fehler in der Lagerebene, wie beispielsweise Unebenheiten und dergleichen, und/oder durch Fehler auf der Rückseite der zu vermessenden Elemente, wie ebenfalls Unebenheiten oder dergleichen, vermieden werden.
Die Maske kann auf einer sogenannten Stage oder Halterung in horizontaler Ausrichtung gelagert werden. Üblicherweise weist eine entsprechende Stage drei Auflagepunkte auf, auf denen die Maske aufliegt. Durch die horizontale Anordnung wirkt auf die Maske die Schwerkraft, so dass es zu einer Durchbiegung der Maske, dem sogenannten ”Mask Sacking”, kommt. Durch die Durchbiegung der Maske gibt es jedoch bei der Transmission in der Richtung der optischen Achse unterschiedliche Fokuspositionen örtlich verteilt über der Maske bzw. die lithographisch relevante Oberfläche oder Topographie kann in z-Richtung, also in Richtung der optischen Achse bei der Abbildung, Abweichungen von einer Soll-Position aufweisen. Dies kann zu Problemen bei der Beleuchtung und beim Abbilden der Maske führen.
Da die Durchbiegung der Maske bzw. die Abweichung der lithographisch relevanten Topographie in z-Richtung von einer Soll-Position in Abhängigkeit von dem Material der Maske und der Gestaltung der Maske unvermeidbar ist, wird die Maskendurchbiegung berücksichtigt und die Abbildungseinstellungen werden entsprechend angepasst.
Darüber hinaus kann bei der Bestimmung des Oberflächenprofils die Durchbiegung der Kalibriermaske aufgrund der Schwerkraft bei horizontaler Lagerung berücksichtigt werden, wie dies beispielsweise in der DE 10 2014 018 510 A1 beschrieben ist. Darüber hinaus kann die Durchbiegung auch durch Simulation, beispielsweise durch Finite-Elemente-Simulation, ermittelt werden und die ermittelte Durchbiegung kann von den durch interferometrische Messung ermittelten z-Koordinaten abgezogen werden, um die Durchbiegung zu berücksichtigen.
Bei der Vermessung der Kalibriermaske kann ferner eine Kompensation einer Veränderung des Brechungsindex der Luft durch Dichtänderungen oder Temperaturschwankungen vorgesehen werden. Hierzu kann das Messmikroskop eine Einrichtung zur Bestimmung des Brechungsindex des Mediums in dem das Messmikroskop betrieben wird, umfassen. Als Medium kommt üblicherweise Luft in Betracht.
Zur Bestimmung des Brechungsindex kann ein Interferometer eingesetzt werden, welches einen konstanten Abstand in dem Messmikroskop vermisst, sodass Änderungen des Brechungsindex durch Variationen des Mediums erfassbar werden.
Die Kompensation des Einflusses des Brechungsindex kann so erfolgen, dass das zu vermessende, strukturierte Element, also z. B. die Kalibriermaske, zu einem Referenzzeitpunkt mindestens an einem, vorzugsweise mehreren Punkten der zu vermessenden Oberfläche, beispielsweise an den den Lagerungspunkten des Dreipunktlagers entsprechenden Punkten der zu vermessenden Oberfläche interferometrisch vermessen wird, sodass ein Abstand zu einem Messobjektiv des Messmikroskops, also eine z-Koordinate der zu messenden Oberfläche ermittelt wird. Zu dem Referenzzeitpunkt wird ebenfalls der Brechungsindex des Mediums des Messmikroskops ermittelt, der als Referenzwert dient. Bei späteren Messaufnahmen des Messmikroskops mittels des Messobjektivs wird der Abstand des abzubildenden und zu vermessenden strukturierten Elements zum Messobjektiv entsprechend der Änderung des Brechungsindex zum Messzeitpunkt im Vergleich zum Referenzzeitpunkt korrigiert.
Dieses Verfahren der Brechungsindexkompensation kann nicht nur in Kalibrierverfahren eingesetzt werden, sondern auch bei einem Verfahren zur Vermessung strukturierter Elemente in einem Messmikroskop, sodass entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegender Erfindung für ein derartiges Verfahren sowohl unabhängig als auch in Kombination mit anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung Schutz begehrt wird. Darüber hinaus kann ein Verfahren zur Vermessung strukturierter Elementen auch ein Kalibrierverfahren nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise:
1 eine Darstellung eines Messmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht auf eine Kalibriermaske in zwei unterschiedlichen Messpositionen während des Selbstkalibrierungsalgorithmus;
3 Darstellung eines Messmikroskops mit Messung der Position der Stage und des Objektivs durch Interferometer;
4 Darstellung einer Maske mit Oberflächenprofil im seitlichen Schnitt.
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die 1 zeigt in einer rein schematischen Darstellung ein Messmikroskop 1 zur Vermessung von strukturierten Elementen, wie beispielsweise Fotomasken (mit oder ohne Pellicle). Das Messmikroskop 1 weist einen Mikroskopkörper 2 auf, in dem ein Messobjektiv 5 angeordnet ist. Außerdem umfasst das Messmikroskop 1 eine Lichtquelle 4, mit der ein in einer Stage 3 angeordnetes, strukturiertes Element 7 beleuchtet werden kann. Die Lichtquelle 4 strahlt das Beleuchtungslicht 14 über einen Strahlteiler 13 im Mikroskopkörper 2 auf das zu untersuchende Element 7, wobei das von dem zu untersuchenden Element 7 reflektierte Beleuchtungslicht 14 in einen Detektor 6 abgebildet wird, sodass das zu untersuchende Element 7 mit Auflichtbeleuchtung im Detektor aufgenommen werden kann. Bei dem Detektor 6 kann es sich beispielsweise um eine CCD-Kamera handeln, mit der eine Abbildung des zu untersuchenden Elements 7 erfasst werden kann.
Die zu untersuchende Maske 7 ist auf eine Dreipunktlagerung 12 in der Stage 3 aufgelegt, wobei die Stage in drei unabhängigen Raumrichtungen bewegbar ist. Die Maske 7 liegt dabei auf halbkugelförmigen Elementen. Diese können direkt auf der Stagee angebracht sein. In einer Variante können diese auch auf einem Maskenhalter angebracht sein, Dann wird die Maske auf den Maskenhalter aufgelegt und der Maskenhalter auf die Stage. Die Stage 3 kann sowohl in einer Ebene quer zur optischen Achse (entspricht in der 1 der Darstellung des Beleuchtungslichts) des Messmikroskops 1 bewegt werden, als auch in eine Richtung senkrecht hierzu. Entsprechend kann die Bewegung der Stage 3 in drei unabhängige Raumrichtungen entsprechend des kartesischen Koordinatensystems in x-, y- und z-Richtung erfolgen. Die Bewegungen in x- und y-Richtung erfolgt innerhalb der Ebene senkrecht zur optischen Achse, während die Bewegung in z-Richtung, in Richtung der optischen Achse verläuft.
In einer Variante eines Messmikroskops (1) ist die Stage (7) nur in der x-y-Ebene verfahrbar. Die Messoptik 5 ist in z-Richtung verfahrbar. Eine Kalibrierung ist dann auf gleiche Weise möglich, wie bei der in alle Richtungen verfahrbaren Stage.
Die Positionierung der Maske 7 in der x-y-Ebene mittels der Stage 3 kann über ein oder mehrere Interferometer 9 ermittelt werden.
Mindestens zwei Interferometer werden zur Ermittlung der Lage der Stage 3 in der x-y-Ebene eingesetzt. In 3 ist als Beispiel ein Interferometer 9 mit dem korrespondierenden Interferometerspiegel 3a gezeigt, welcher an der Stage 3 befestigt ist.
Zur Ermittlung der Position der Stage in z-Richtung ist mindestens ein weiteres Interferometer 9 vorgesehen. Über einen Umlenkspiegel 3b, welcher an der Stage 3 befestigt ist, wird der Interferometerstrahl auf einen z-Spiegel 2b umgeleitet. Der z-Spiegel 2b ist an dem Mikroskopkörper 2 befestigt und steht senkrecht zur z-Achse.
Darüber hinaus weist das Messmikroskop 1 eine Einrichtung 10 zur Bestimmung des Brechungsindex eines im Messmikroskop vorliegenden Mediums, beispielsweise der Luft, auf. Die Einrichtung 10 zur Bestimmung des Brechungsindex umfasst ebenfalls ein Interferometer 11, welches den Abstand zu einem fest installierten Spiegel 16 ermittelt, sodass Änderungen des Brechungsindex des Mediums, beispielsweise durch Luftdruckänderungen oder Temperaturschwankungen ermittelt werden können.
Die verschiedenen Messeinrichtungen, wie beispielsweise der Detektor 6, die Einrichtung 10 zur Ermittlung des Brechungsindex, die Interferometer 8, 9, und/oder Einrichtungen mit Antrieben und/oder Aktuatoren, wie die Stage 3, sind mit einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung 15 verbunden, die eine Auswerteeinheit umfasst, sodass aus den ermittelten Messdaten gewünschte Informationen ermittelt und auf Basis dieser Informationen zumindest Teile des Messmikroskops 1 entsprechend gesteuert werden können.
Über den Detektor 6 können Abbildungen der zu vermessenden Elemente 7 aufgenommen werden und über die Interferometer 8, 9 können entsprechende Abstandsmessungen bzw. Positionsmessungen durchgeführt werden.
Die Vermessung einer Maske 7 erfolgt in der Weise, dass zunächst das zu untersuchende Element 7 auf der Dreipunktlagerung 12 gelagert wird, wobei die seitliche Positionierung, d. h. die Positionierung des zu untersuchenden Elements 7 innerhalb der xy-Ebene, durch entsprechende Interferometermessungen mit dem Interferometer 9 bzw. mit entsprechenden weiteren Interferometern, die in 1 nicht gezeigt sind, durchgeführt wird.
Danach werden ein oder mehrere Abbildungen der zu untersuchenden Elemente 7 mit dem Detektor 6 erfasst und aus der einen oder mehreren Abbildungen, die bei der gleichen und/oder verschiedenen Positionen der zu messenden Maske aufgenommen werden können, können die Positionen der zu untersuchenden Elemente ermittelt werden.
Neben der Position eines Strukturmerkmals in der x-y-Ebene ist auch die Ermittlung der Position in z-Richtung möglich. Durch Verfahren der Stage 3 in z-Richtung oder des Objektivs 5 wird ein Abstand zwischen der Oberfläche der Maske 7 und dem Objektiv derart eingestellt, dass das abzubildende Strukturelement in der besten Fokusebene zu liegen kommt.
Zur Angabe der Koordinaten der gemessenen Positionen wird ein Bezugssystem verwendet. Dies kann aus drei Markierungen auf der Maske bestehen, beispielsweise drei Markierungen in drei der Ecken einer quadratischen Maske. Die x-, y-, und z-Positionen dieser Markierungen werden zunächst gemessen. Diese Markierungen definieren dann ein Maskenkoordinatensystem, in welchem die Positionen der Strukturelemente angegeben werden. Es können auch drei Markierungen auf der Stage 3 angebracht werden. Dann werden die x-, y-, und z-Positionen dieser Markierungen gemessen. Diese Markierungen definieren ein Maschinenkoordinatensystem. In diesem Koordinatensystem werden die Positionen der Strukturen dann angegeben.
In einer weiteren Variante wird als Bezugssystem in z-Richtung die Lage einer speziellen Ebene ermittelt. Die z-Position der Maske 7 wird an jenen Positionen auf der Maske 7, an denen diese auf Punkten der Dreipunktlagerung 12 aufliegt gemessen. Diese durch die ermittelten z-Werte der Oberfläche der Maske 7 definierte Ebene wird eine Referenzebene genutzt.
Zur Erreichung von Messungen hoher Genauigkeit wird das Messmikroskop kalibriert. Die Fehlerkorrektur für die x-, y-, z-Koordinaten kann aufgrund der bei der Kalibrierung des Messmikroskops gewonnenen Fehlerkorrekturdaten durchgeführt werden, wobei für jede x-, y-, z-Koordinate eine entsprechende Fehlerkorrektur vorgegeben sein kann. Die Fehlerkorrekturdaten können auch Fehlerkorrekturwerte zur Korrektur einer Vielzahl von x-, y-, z-Koordinaten enthalten.
Zur Kalibrierung wird eine Kalibriermaske 20 mit vorgegebenen Strukturen 21 verwendet. Eine Kalibriermaske 20 wird wie eine herkömmliche Maske durch einen Elektronenstrahlschreiber (Maskenschreiber) hergestellt. Die dabei auftretenden Fehler der resultierenden Kalibriermasken sind so hoch, dass durch direkte Kalibrierung unter Einsatz einer Kalibriermaske 20 die gewünschte Genauigkeit bei Messungen mit dem Messmikroskop nicht erreicht werden kann.
Deshalb wir ein Selbstkalibrierungsalgorithmus verwendet, bei dem, wie in 2 dargestellt, eine Kalibrierungsmaske 20 mit vorgegebenen, definierten Strukturen 21 in mindestens zwei Messpositionen abgebildet und vermessen wird. In der 2 sind zwei Messpositionen dargestellt, bei denen die Maske 20 in einem Winkel von 90° um die z-Achse gedreht ist. Die Struktur der Kalibriermaske 20 weist ein orthogonales Raster aus äquidistantes Punkten auf. Details des verwendeten Verfahrens der Selbstkalibrierung sind in der Offenlegungsschrift WO2008/055589 offenbart. Auch in der Patentschrift in US 4,583,298 ist ein entsprechendes Verfahren offenbart.
Aus Abbildungen der Kalibriermaske 20 in den verschiedenen Messpositionen kann ein Gleichungssystem für verschiedene vorgegebener Positionen 22 auf der Kalibriermaske aufgestellt werden, welche die Eliminierung des Restfehlers der Positionen 22 auf der Kalibriermaske 20 ermöglichen. Das Gleichungssystem zur Ermittlung der Fehlerkorrekturdaten umfasst eine Vielzahl von Gleichungen für die Positionen 22 der Struktur 21 der Kalibriermaske, wobei die Fehlerkorrekturwere für die Korrektur der x-, y-, z-Koordinaten durch Reihenentwicklungen dargestellt werden können. Die Reihenentwicklungen umfassen verschieden Anteile zur Kompensation von unterschiedlichen Einflüssen, die sich beispielsweise den Einflüssen der Maske und der Maskenhalterung zuordnen lassen können.
Um bei einer Ermittlung der Fehlerkorrekturdaten aus unterschiedlichen Positionen der Kalibriermaske 20, zuverlässige Werte für die Korrektur der z-Koordinaten zu erhalten, wird erfindungsgemäß zusätzlich die Oberfläche der Kalibriermaske 20 interferometrisch vermessen, sodass ein Oberflächenprofil der Kalibriermaske erstellt werden kann.
Das Oberflächenprofil wird durch ein Planinterferometer ermittelt. Es kommt beispielsweise ein Gerät der Bezeichnung Tropel FlatMaster oder insbesondere für Masken das Gerät der Bezeichnung Tropel UltraFlat beide von der Firma Corning Inc. & Tropel Metrology Systems zum Einsatz.
Das mittels Interferometer gemessene Oberflächenprofil wird zusätzlich um die durch die Schwerkraft gegebene Durchbiegung der Kalibriermaske bei der Interferometer-Messung korrigiert, wozu eine Finite-Elemente-Simulation der Durchbiegung verwendet wird. Ein Beispiel eines Oberflächenprofils 7a einer Maske 7 ist in 4 schematisch im Längsschnitt gezeigt.
Das so ermittelte Oberflächenprofil der Kalibriermaske 20 kann dann als Randbedingung bei der Ermittlung der Fehlerkorrekturdaten vorgegeben werden. Dadurch lässt sich eine zuverlässige Korrektur der bei der Vermessung einer Maske 7 ermittelten z-Koordinaten durchführen, sodass das Messverfahren zur Vermessung der zu vermessenden Maske auch auf die Bestimmung der z-Koordinaten des zu vermessenden Elements zuverlässig angewendet werden kann. Damit wird die Ermittlung von Oberflächenprofilen von Masken unter Verwendung eines Messmikroskops ermöglicht.
Die Stage 3 wird durch ein Verfahren der Selbstkalibrierung kalibriert. Das Verfahren ist im Detail in der Offenlegungsschrift DE 10 2009 016 858 A1 offenbart. Die Begriffe Reproduzierbarkeit und Genauigkeit beziehen sich hier und im Folgenden auf die Reproduzierbarkeit bzw. Genauigkeit, mit der die Position der Stage bekannt ist. Diese sind in der Regel besser als die Reproduzierbarkeit bzw. Genauigkeit, mit der die Stage absichtlich an eine vorgegebene Position bewegt werden kann.
Für eine Selbstkalibrierung des Fehlers der Position der Stage (im Folgenden als Stagefehler bezeichnet) wird ein und dieselbe Kalibriermaske mehrfach mit der Stage vermessen, wobei diese im zweiten und den weiteren Durchgängen gegenüber dem ersten verschoben oder verdreht ist. Ein einzelner dieser Durchgänge wird im Folgenden als Kalibrierstellung bezeichnet, die Messung einer vorgegebenen Markierung in einem Durchgang als Einzelmessung, die Gesamtheit aller Messungen als Kalibriersequenz. Aus den Messergebnissen soll der Stagefehler in Abhängigkeit von der Stageposition berechnet werden.
Die Stage wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in allen drei Dimensionen kalibriert.
Bei einer Variante der Kalibrierung wird in guter Näherung von der Voraussetzung ausgegangen, dass sich sowohl die Stage (einschließlich der Auflagepunkte für die Kalibriermaske) als auch die Kalibriermaske selbst wie ein starrer Körper verhalten. Deformationen dürfen weder beim Verfahren der Stage noch beim Umsetzen der Kalibriermaske von einer Kalibrierstellung zur nächsten im Rahmen der Messgenauigkeit auftreten. Weitere Annahmen über Stage und Kalibriermaske sind nicht erforderlich. Weitere genauere Kalibrierverfahren sind möglich.
Der positionsabhängige Stagefehler lässt sich mit Hilfe eines Funktionensystems beschreiben, dessen freie Parameter durch die Kalibrierung ermittelt werden sollen („Stageparameter”). Die Beziehung zwischen den Stageparametern und dem Stagefehler soll linear sein:
Die x-Stagefehler f_x, y-Stagefehler f_y und z-Stagefehler f_z als kontinuierliche Funktionen der Stageposition (t_x, t_y, t_z) sind über die Matrix K mit den Stageparametern λ₁ bis λ_R verknüpft. Die Matrix verkörpert das gewählte Funktionensystem und hängt daher von angefahrenen Stagepositionen t_x, t_y und t_z ab. Die Stageparameter können nicht-lokal sein (z. B. Polynomkoeffizienten) oder aber lokal, d. h. identisch mit x-, y- oder z-Komponenten des Stagefehlers auf einem vorgegebenen diskreten Raster von Stagepositionen. In diesem Fall ist K eine Interpolationsmatrix von diesem Stageraster auf den gesamten Fahrbereich.
Die Koordinaten (x_Pq, y_Pq, z_Pq) der Justagemarken (q = 1, 2, ..., Q) stehen über die durchgeführten Translationen und Rotationen der Kalibriermaske mit den gemessenen Stagekoordinaten in Verbindung. Bei dreidimensionaler Kalibrierung lautet die Beziehung:
Die Koordinaten der Kalibriermaske der Justagemarken müssen nicht im Voraus bekannt sein, ihre Werte werden ebenfalls durch die Kalibrierung ermittelt („Kalibriermaskenparameter”).
Für Stage- und Kalibriermaskenparameter wird ein lineares Gleichungssystem aufgestellt, indem ausgenutzt wird, dass sich nach den obigen Annahmen aus den gemessenen Koordinaten der Justagemarken durch Addition des Stagefehlers ihre tatsächlichen Koordinaten berechnen lassen. In drei Dimensionen lautet die Beziehung:
Hier bezeichnen mx_Si ^(J), my_Si ^(J) bzw. mz_Si ^(J) den x-, y- bzw. z-Messwert für die Stagekoordinaten der i-ten Einzelmessung. Der hochgestellte Index J verweist auf die zugehörige Kalibrierstellung und läuft von 1 bis zur Anzahl M der gemessenen Kalibrierstellungen. Auf der rechten Seite stehen im ersten Vektor die tatsächlichen Stagekoordinaten x_Si ^(J), y_Si ^(J), z_Si ^(J) bzw. der Justagemarken, welche nach demselben System indiziert sind, im zweiten Vektor die x- und y-Komponenten des Stagefehlers an der Stageposition (t_xi, t_yi), die bei der i-ten Einzelmessung angefahren wurde. Die Gleichungen (1) und (2) in (3) entsprechen den Gleichungen der gleichen Nummern aus der genannten Offenlegungsschrift DE 10 2009 016 858 A1 , sind jedoch für den dreidimensionalen Fall angegeben.
Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) in (3) erhält man ein lineares Gleichungssystem in den Stage- und Kalibriermaskesparametern. Die Rotationen der Stage werden nach den üblichen Annahmen nicht berücksichtigt, vom Kalibriermaske nur die Rotation Ψ_z um die z-Achse. Für die dreidimensionale Kalibrierung hängt die Matrix K auch von den z-Translationen des Kalibriermaskes (r_z ^(J)) und der Stage (t_zi) ab:
Das lineare Gleichungssystem (4) wird nach dem Parametervektor aufgelöst, womit sowohl der Stagefehler in Form der Parameter λ₁ bis λ_R bekannt sind als auch die Positionen (x_Pq, y_Pq) der Justagemarken relativ zueinander. Bei einem überbestimmten Gleichungssystem wird die gaußsche Methode der geringsten Fehlerquadrate angewandt, um die Lösungsparameter im Sinne eines besten Fits zu ermitteln.
Damit das Gleichungssystem (4) nicht unterbestimmt ist, muss ein konsistenter Satz von Kalibrierstellungen gemessen werden, welcher die nötige Information enthält. Lediglich der Nullpunkt des Koordinatensystems (= Translationen in x und y) und absolute Stagemaßstab können prinzipiell durch eine Selbstkalibrierung nicht ermittelt werden.
Für die genaue Festlegung des Maßstabs ist es zusätzlich notwendig, einen Kalibriermaske mit vorher genau bekannten Markenpositionen zu verwenden. Zur Festlegung des Maßstabes in z-Richtung wird erfindungsgemäß eine Kalibriermaske mit bekanntem Oberflächenprofil verwendet. Für Details wird auf die Veröffentlichung M. Raugh, „Self-Calibration of Interferometer Stages", Technical Report ARITH-TR-02-01 (2002) verwiesen.
Bei der Durchführung der Kalibrierung werden weitere systematische Fehler berücksichtigt. Insbesondere die Verkippung einer Maske oder eine keilförmige Verzerrung der Maske, wie dies in der DE 10 2009 016 858 A1 beschrieben ist.
Für die Parameter der Matrix K, also Stage- und Kalibriermaskespositionen, werden in einem ersten Durchgang die unkorrigierten Mess- oder Sollwerte eingesetzt. Ist durch Auflösen des Gleichungssystems eine erste Näherung an die Stageparameter λ₁ bis λ_R gefunden, kann die Lösung dann iterativ verbessert werden. Das Verfahren kann in offensichtlicher Weise auf eine Kalibriersequenz mit mehreren Kalibriermasken erweitert werden, in diesem Fall werden mit jeder Kalibriermaske Ω zusätzliche Parameter x_P1, ..., y_PQ(Ω) eingeführt.
Durch die Einrichtung 10 zur Bestimmung des Brechungsindex kann eine Brechungsindexkompensation in der Auswerteeinheit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 15 realisiert werden.
Der Brechungsindex des Mediums des Messmikroskops 1, welches üblicherweise Luft ist, wird zu dem gleichen Zeitpunkt ebenfalls ermittelt und gespeichert, um spätere Veränderungen des Brechungsindex gegenüber diesem Referenzzeitpunkt feststellen zu können.
Darüber hinaus kann eine Korrektur bezüglich der Fokusposition des zu vermessenden Elements bezüglich des Messobjektivs im Hinblick auf eine Veränderung des Brechungsindex bei verschiedenen Messungen durchgeführt werden, da die Einrichtung 10 zur Bestimmung des Brechungsindex den Brechungsindex fortlaufend ermittelt und in einer Speichereinheit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung speichert.
Die Kompensation von Brechungsindexänderungen, die mit der Einrichtung 10 zur Bestimmung des Brechungsindex durchgeführt werden kann, kann sowohl beim Kalibrierverfahren für das Messmikroskop eingesetzt werden, bei welchem eine Kalibriermaske in verschiedenen Positionen abgebildet und vermessen wird, sowie bei der eigentlichen Vermessung strukturierter Elemente.
Hierbei wird an einer oder mehreren Stellen der zu vermessenden, strukturierten Elemente, also beispielsweise der Kalibriermaske oder einer zu vermessenden Fotomaske, die z-Koordinate interferometrisch ermittelt und gleichzeitig mittels der Einrichtung 10 zur Bestimmung des Brechungsindex' der aktuelle Brechungsindex festgestellt und gespeichert. Die so ermittelten z-Koordinaten der Oberfläche des zu vermessenden Elements dienen dann als Referenz für nachfolgende Messaufnahmen mit dem Messmikroskop und die Bestimmung von z-Koordinaten, wobei eine Veränderung des Brechungsindex' in Bezug auf die zeitlich spätere Bestimmung der z-Koordinaten kompensiert werden kann, da durch die Einrichtung 10 zur Bestimmung des Brechungsindex' eine Veränderung des Brechungsindex' festgestellt und die tatsächliche Veränderung des Brechungsindex' entsprechend bei der Ermittlung der z-Koordinaten berücksichtigt werden kann. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass entsprechend des Zeitintervalls, innerhalb dessen eine Abbildung des zu vermessenden Elements in Bezug auf die Erfassung des Referenzwertes der z-Koordinaten gemacht worden ist, die Änderung des Brechungsindex' in diesem Zeitintervall ermittelt wird und die ermittelten z-Koordinaten um diese Veränderung des Brechungsindex' korrigiert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008005355 A1 [0002]
DE 102009019140 A1 [0002]
DE 102014018510 A1 [0023]
WO 2008/055589 [0050]
US 4583298 [0050]
DE 102009016858 A1 [0056, 0065, 0070]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Veröffentlichung M. Raugh, „Self-Calibration of Interferometer Stages”, Technical Report ARITH-TR-02-01 (2002) [0069]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Messmikroskops (1), welches zur Vermessung von Masken (7) verwendet werden kann, bei welchem eine Kalibriermaske in einem Selbstkalibrierungsalgorithmus eingesetzt wird, um Fehlerkorrekturdaten des Messmikroskops zu ermitteln, wobei beim Selbstkalibrierungsalgorithmus die Kalibriermaske (20) im Messmikroskop in verschiedenen Positionen abgebildet und vermessen wird, wobei das Oberflächenprofil der Kalibriermaske ermittelt und bei der Kalibrierung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kalibrierung mindestens einen oder mehrere Anteile zur Kompensation von Maskeneinflüssen und mindestens einen oder mehrere Anteile zur Kompensation von Einflüssen der Stage aufweist, wobei der oder die Anteile zur Kompensation von Maskeneinflüssen in Richtung der Maskenoberfläche mit dem Oberflächenprofil korreliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Kalibrierung als Anteil der Stage eine Verkippung der Maske oder eine keilförmige Verzerrung der Maske berücksichtig wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Oberflächenprofil der Kalibriermaske durch Vermessung der Kalibriermaske ermittelt wird, insbesondere in einem von dem Messmikroskops (1) verschiedenen Messgerät.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Bestimmung des Oberflächenprofils der Kalibriermaske (20) die Durchbiegung der Maske auf Grund der Lagerung bei der Bestimmung, insbesondere durch Simulation, berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalibriermaske (20) während der Bestimmung des Oberflächenprofils in einer Dreipunktlagerung (12) gelagert wird.
Verfahren zur Vermessung strukturierter Elemente (7) für lithographische Verfahren, bei welchem ein Messmikroskop (1) eingesetzt wird, mit dem Abbildungen der strukturierten Elemente (7) erstellt werden können, wobei die zu vermessenden, strukturierten Elemente in einer Objektebene des Messmikroskops angeordnet wird, wobei eine oder mehrere Koordinaten der zu vermessenden, strukturierten Elemente in Richtung der optischen Achse des Messmikroskops (1) erfasst werden, wobei die erfassten Koordinaten in Richtung der optischen Achse als Referenzwert dienen und zeitlich nach dem Referenzwert ermittelte Koordinaten der zu vermessenden Elemente in Richtung der optischen Achse mit einer in der entsprechenden Zeitspanne erfolgten Veränderung eines die Abbildung des Messmikroskops beeinflussenden Brechungsindex korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren beim Selbstkalibrierungsalgorithmus im Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingesetzt wird und/oder dass ein im Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ermittelte Fehlerkorrektur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei zur Erfassung der Koordinaten in Richtung der optischen Achse eine interferometrische Messung durchgeführt wird.
Messmikroskop zur Vermessung strukturierter Elementen für lithographische Verfahren, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messmikroskop eine Einrichtung (10) zur Bestimmung des Brechungsindex des im Messmikroskop vorliegenden Mediums aufweist.
Messmikroskop nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung (10) zur Bestimmung des Brechungsindex ein Interferometer (11) aufweist.
Messmikroskop nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Messmikroskop eine Interferometer (8) zur Ermittlung eines Oberflächenprofils einer im Messmikroskop zu untersuchenden Maske aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zur Durchführung des Verfahrens ein Messmikroskop nach einem der Ansprüche 10 bis 12 verwendet wird.