DE102016218452A1

DE102016218452A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes eines ersten Strukturelements auf einem Substrat von einem zweiten Strukturelement

Info

Publication number: DE102016218452A1
Application number: DE102016218452.0A
Authority: DE
Inventors: Frederik Blumrich
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-03-29
Also published as: TWI645248B; TW201830132A; US10535132B2; US20180089817A1

Abstract

Es wird bereitgestellt ein Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes eines ersten Strukturelements auf einem Substrat von einem zweiten Strukturelement, umfassend die Schritte: – Bereitstellen einer ersten Serie von ersten Bildern, wobei jedes der ersten Bilder zumindest das erste Strukturelement umfasst, – Bereitstellen einer zweiten Serie von zweiten Bildern, wobei jedes der zweiten Bilder zumindest das zweite Strukturelement umfasst, – Für jedes Bild der ersten und der zweiten Serie: Ermitteln je einer Korrelationsfunktion aus je einem ersten Bild der ersten Serie und einem zweiten Bild der zweiten Serie, – Ermitteln einer Ensemble-Korrelationsfunktion aus den Korrelationsfunktionen, – Ermitteln des Abstandes aus der Ensemble-Korrelationsfunktion. Weiterhin wird ein Mikroskop zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes eines ersten Strukturelements auf einem Substrat von einem zweiten Strukturelement.
Die Erfindung betrifft zudem ein Mikroskop zur Durchführung des Verfahrens
Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen werden in der Lithographie durch Scanner oder Stepper die Strukturen von Masken, welche auch als Retikel bezeichnet werden, auf Wafer übertragen. Um sicherzustellen, dass die verwendeten Masken fehlerfrei sind, werden diese vor Einsatz in der Waferbelichtung umfangreichen Untersuchungen unterzogen. Die in dieser Patentschrift offenbarten Verfahren sind auch allgemein auf Substrate anwendbar, welche Strukturelemente umfassen.
Ein Verfahren zur Untersuchung von Masken ist die hochgenaue Messung der Positionen von Strukturen auf Masken. Diese wird als „Registration“ oder „Photomask Pattern Placement“ bezeichnet. Mit einem Mikroskop, welches als Positionsmessvorrichtung (Registration-Tool) bezeichnet wird, werden spezielle als „Registration Pattern“ bezeichnete Kontroll-Strukturen auf den Masken, wie beispielsweise Quadrate, Kreuze oder Winkel gemessen und mit deren Soll-Positionen verglichen. Es werden auch Positionen von Strukturen auf der Maske vermessen, die Teil der genutzten Strukturen der Maske sind. Dies wird als „Real Pattern Registration“ bezeichnet.
Zur Untersuchung einer Maske werden auch die Ausmaße von Strukturmerkmalen, wie der Breite von Linien oder der Durchmesser von Kontaktlöchern gemessen. In einer Variante werden die kleinsten noch darstellbaren Strukturmerkmale vermessen. Diese werden auch als kritische Dimensionen bezeichnet, englisch „critical dimension“, kurz CD. Zur Durchführung dieser Messungen werden spezielle Mikroskope wie beispielsweise das WLCD der Firma Zeiss verwendet
Bei den genannten Untersuchungen wird durch ein entsprechendes Mikroskop ein Luftbild der Struktur einer Maske auf einen lichtempfindlichen ortsauflösenden Detektor abgebildet, wie beispielsweise einen CCD-Chip (Charge Coupled Device), projiziert. Gesteuert durch einen Computer werden die auf den Detektor abgebildeten Luftbilder aufgenommen und als Dateien gespeichert.
Neben Luftbildern, können auch Phasenbilder der Masken ermittelt werden. Es wurde, wie in der DE 102015218917 beschrieben, erkannt, dass Phasenbilder eine höhere Kantensteilheit aufweisen als Intensitätsbilder. Durch die Analyse eines Phasenbildes lässt sich somit die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Lokalisierung von Strukturmerkmalen erhöhen.
Zur Auswertung der Luftbilder und der Phasenbilder ist es häufig die Aufgabe, den Abstand eines Strukturmerkmals in zwei zu vergleichenden Bildern zu ermitteln.
Beispielsweise kann zur Ermittlung der Position eines Strukturmerkmals eines gemessenen Luftbildes dessen Position mit dem Strukturmerkmal eines simulierten Luftbildes korreliert werden. Die Simulation des Luftbildes erfolgt aus dem Maskendesign, welches der zu untersuchenden Maske zugrunde liegt.
In einem weiteren Beispiel wird mit einer Positionsmessvorrichtung das Luftbild oder das Phasenbild eines Registration Pattern aufgenommen. Durch Spiegelung des Luftbildes wird ein weiteres Luftbild ermittelt. Die Spiegelung erfolgt beispielsweise an zwei Spiegelebenen, welche parallel zur X-Achse und zur Y-Achse ausgebildet sind und die sich Mittelpunkt des Luftbildes schneiden. Durch Korrelation der Beiden Luftbilder kann deren Abstand ermittelt werden. Aus diesem Abstand kann der Abstand des gemessenen Registration-Patterns von dessen Soll-Position ermittelt werden. Dieses Verfahren wird im Detail in der Offenlegungsschrift DE 102010047051 erläutert.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können mehrere Bilder eines Strukturelements aufgenommen werden und es kann deren Mittelwert gebildet werden. Dabei ist von Nachteil, dass die Verbesserung des Signal-Rauschabstandes (Verminderung des Bildrauschens) in dem erhaltenen Bild nur gering ist.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können Luftbilder mit unterschiedlichen Aufnahmebedingungen aufgenommen werden. Bei der Aufnahme von Luftbildern können beispielsweise die Beleuchtungssettings (d. h. die Winkelverteilung der Beleuchtung) oder die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung verändert werden. Es kann auch der Fokus verändert werden. D. h. es können sogenannte Fokus-Stapel aufgenommen werden. Wie oben erwähnt, können neben Luftbildern auch Phasenbilder ermittelt werden. Bei der Auswertung einer Serie von Luftbildern ist von Nachteil, dass eine Mittelwertbildung aus Luftbildern und Phasenbildern nur bedingt aussagekräftig ist, da die Luftbilder nicht direkt vergleichbar sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren bereitzustellen, welches unter Vermeidung oder Minimierung der genannten Nachteile die hochgenaue Ermittlung des Abstandes von Strukturelementen ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, zur Ermittlung eines Abstandes eines ersten Strukturelements auf einem Substrat von einem zweiten Strukturelement, umfassend die Schritte:

– Bereitstellen einer ersten Serie von ersten Bildern, wobei jedes der ersten Bilder zumindest das erste Strukturelement umfasst,
– Bereitstellen einer zweiten Serie von zweiten Bildern, wobei jedes der zweiten Bilder zumindest das zweite Strukturelement umfasst,
– Für jedes Bild der ersten und der zweiten Serie: Ermitteln je einer Korrelationsfunktion aus je einem ersten Bild der ersten Serie und einem zweiten Bild der zweiten Serie,
– Ermitteln einer Ensemble-Korrelationsfunktion aus den Korrelationsfunktionen,
– Ermitteln des Abstandes aus der Ensemble-Korrelationsfunktion.

Das Substrat kann beispielsweise als Maske ausgebildet sein. Die Korrelationsfunktion kann eine Kreuzkorrelation sein.
Das erste Strukturelement und das zweite Strukturelement können bezogen auf das Maskendesign das gleiche Strukturelement sein, welches jeweils von der ersten Serie von Bildern und der zweite Serie von Bildern umfasst wird.
Das erste und das zweite Strukturelement können bezogen auf das Maskendesign unterschiedliche Strukturelemente sein, so dass die erste Serie von Bildern und die zweite Serie von Bildern unterschiedliche Strukturelemente umfassen.
Bei der Ermittlung einer Ensemble Korrelationsfunktion werden zunächst paarweise Korrelationsfunktionen aus ersten und zweiten Bildern gebildet und aus diesen Korrelationsfunktionen wird der Mittelwert gebildet.
Jede einzelne Korrelationsfunktion setzt sich aus dem eigentlichen Messsignal (entspricht dem gesuchten wahren Signal gefaltet mit der Punktverteilungsfunktion (auch Point Spread Function, PSF) des Abbildungssystems eines verwendeten Mikroskops und einem Anteil statistischer Störungen (Rauschen) zusammen. Der Erwartungswert der statistischen Störungen in der Korrelationsfunktion ist Null, da hier der Wertebereich Symmetrisch zu Null ist. Der Wertebereich einer normierten Korrelationsfunktion ist typischerweise in einem Bereich von –1 bis +1. Wird die Summe über alle Kreuzkorrelationsfunktionen gebildet, so addieren sich die Anteile des gesuchten eigentlichen Messsignals auf, da sie im Falle stationärer Objekte jeweils an (nahezu) der gleichen Position der Kreuzkorrelationsfunktion auftreten. Gleichzeitig mitteln sich die statistischen Anteil über der Korrelationsfunktionen heraus. So erfolgt durch die Summation der Korrelationsfunktionen eine Erhöhung des Signal-Rauschabstandes in der Ensemble-Korrelationsfunktion.
Es ist daher vorteilhaft, die Ermittlung des Abstandes mit einer Ensemble-Korrelationsfunktion durchzuführen, da dadurch eine höhere Zuverlässigkeit und Genauigkeit erreicht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als zumindest eines der Bilder ein Luftbild oder ein Phasenbild bereitgestellt.
Durch die in der Bildebene eines Mikroskops gemessenen Bilder wird zunächst nur eine ortsaufgelöste Verteilung der Intensität der Beleuchtungsstrahlung nach Wechselwirkung mit dem Objekt gemessen. Diese Intensität ist der Betrag des Quadrats der Amplitude der Beleuchtungsstrahlung nach Wechselwirkung mit dem Objekt. Diese Bilder werden als Luftbilder, Intensitäts-Bilder oder Amplitudenbilder bezeichnet.
Es wurde, wie in der DE 102015218917 beschrieben erkannt, dass Phasenbilder eine höhere Kantensteilheit aufweisen als Intensitätsbilder. Durch die Analyse eines Phasenbildes lässt sich somit die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Lokalisierung der Strukturmerkmale erhöhen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Bild durch ein Mikroskop ermittelt.
Neben herkömmlichen Mikroskopen können zur Untersuchung von Masken beispielsweise Maskeninspektionsmikroskope zum Einsatz kommen. Diese weisen Objektive auf, die objektseitigm d. h. maskenseitig, eine Numerische Apertur (NA) aufweisen, die jener von Scannern entsprechen, welche bei der Waferbelichtung zum Einsatz kommen.
Als Mikroskope können auch Positionsmessvorrichtung verwendet werden, die zur hochgenauen Vermessung von Masken verwendet werden.
In einer weiteren Variante der Erfindung werden zur Ermittlung eines Phasenbildes durch ein herkömmliches Mikroskop zumindest zwei Luftbilder aufgenommen, wobei die zumindest zwei Luftbilder bei diversifizierten Bedingungen aufgenommen werden.
Aus den zumindest zwei geeigneten Luftbildern des gemessenen Bereichs des Substrats wird das Phasenbild ermittelt. Dabei unterscheiden sich die Bedingungen der Aufnahmen in definierter Weise.
In einer Variante dieser Maßnahme können die Diversifizierungen durch mathematische Modelle beschrieben werden. Somit können bekannte Algorithmen zur Ermittlung des Phasenbildes verwendet werden.
In einer weiteren Variante dieser Maßnahme erfolgt die Diversifizierung durch die Aufnahme der zumindest zwei Luftbilder, welche in Z-Richtung voneinander beabstandeten parallelen Ebenen angeordnet sind. Zur Ermittlung von Phasenbildern aus einem Satz von Luftbildern beabstandeter paralleler Ebenen, der auch als Bildstapel, Fokusstapel oder Z-Stapel bezeichnet wird, stehen zahlreiche Verfahren bereit. So beispielsweise der IFTA-Algorithmus oder der TIE-Algorithmus.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Phasenbilder auch bei Verwendung einfacher Mikroskope auf schnelle Weise ermittelt werden können.
Zur Ermittlung eines Phasenbildes kann auch ein Phasenkontrast-Mikroskop verwendet werden. Als Phasenbilder werden demnach auch Bilder bezeichnet, die eine Mischung aus Phaseninformation und aus Amplitudeninformation enthalten. Die direkte Messung derartiger Phasenbilder kann beispielsweise durch ein Zernike-Phasenkontrast-Mikroskop oder ein Differentialinterferenzkontrast-Mikroskop erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Bild durch Simulation ermittelt.
Bei der Untersuchung von Masken ist häufig das Maskendesign bekannt. Dann kann aus dem Maskendesign ein Luftbild simuliert werden, welches mit einem durch ein Mikroskop aufgenommenen Luftbild verglichen wird. Auf diese Weise können Abstände zwischen den gemessenen Positionen, d. h. Ist-Positionen, von Strukturmerkmalen und den durch Simulation ermittelten Soll-Positionen von Strukturmerkmalen erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Bilder der zweiten Serie durch eine geometrische Transformation aus den Bildern der ersten Serie ermittelt. Diese Transformation kann zumindest eine der folgenden Transformationen umfassen: Verschiebung (Translation), Drehung (Rotation), Streckung (Zentrische Streckung), Ähnlichkeitsabbildung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Bilder der zweiten Serie durch Spiegelung aus den Bildern der ersten Serie ermittelt.
Die Spiegelung erfolgt beispielsweise an zwei Spiegelebenen, welche parallel zur X-Achse und zur Y-Achse ausgebildet sind und die sich im Mittelpunkt des Luftbildes schneiden.
Diese Maßnahme kann bei der Ermittlung der Position von symmetrischen Registration-Pattern zum Einsatz kommen. Durch den Abstand aus Bild und Spiegelbild eines Registration-Pattern kann auf schnelle und einfache Weise der Abstand dieser Registration Pattern von der Soll-Position ermittelt werden. Details zu diesem Verfahren sind in der Offenlegungsschrift DE 102010047051 offenbart.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden innerhalb einer Serie von Luftbildern die Aufnahmebedingungen variiert, wobei die Aufnahmebedingungen der ersten und zweiten Luftbilder der ersten und zweiten Serie paarweise identisch sind.
Aufnahmebedingungen sind beispielsweise:

– Das Beleuchtungssetting, auch als Beleuchtungseinstellung bezeichnet, d. h. die Winkelverteilung bzw. Intensitätsverteilung der Beleuchtungsstrahlung. Dies umfasst auch die Beleuchtungsrichtungen bzw. den Öffnungswinkel, der auch als Sigma bezeichnet wird. Auch die Variation der Detektionsrichtung bei Aufnahme eines Luftbildes wird hier umfasst.
– Die Polarisation der Beleuchtungsstrahlung im Beleuchtungsstrahlengang oder im Abbildungsstrahlengang.
– Die Wellenlänge bzw. der Wellenlängenbereich der verwendeten Beleuchtungsstrahlung.
– Belichtungszeiten.
– Die Fokuseinstellungen. Es werden sogenannte Fokus-Stapel aufgenommen.
– Die Art des Bildes, d. h. ob Luftbilder oder Phasenbilder ermittelt werden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass über die Korrelationsfunktionen eine Mittelung über Daten möglich wird, die sonst nicht möglich wäre.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die variierten Aufnahmebedingungen Beleuchtungssettings oder Fokus-Einstellungen.
In einer Variante dieser Maßnahme umfasst eine Serie einen Fokus-Stapel.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in den Bildern zumindest ein Bereich des Strukturelements vorgegeben, der bei der Ermittlung des Abstandes berücksichtigt wird.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass bei der Auswertung der Bilder störende Merkmale entfernt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Strukturelement oder der zumindest eine Bereich des Strukturelements als Kante des Strukturelements ausgebildet.
Diese Maßnahme kommt häufig bei der Vermessung von Strukturen auf Masken zum Einsatz.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung findet wird die Ensemble-Korrelation über die Fokusstapel in der Through-focus Scanning Optical Microscopy (TSOM) und/oder der Scatterfield Optical Microscopy (SOM) angewendet.
Die Erfindung umfasst auch ein Mikroskop zur Durchführung des Verfahrens. Dieses weist auf: eine Lichtquelle, eine Beleuchtungsoptik, einen Detektor zur Aufnahme eines Bildes, eine Abbildungsoptik zur Erzeugung des Bildes zumindest eines Strukturelements eines Substrats auf dem Detektor, einen Computer, der derart programmiert ist, dass zur Durchführung der genannten Verfahren das verwendete Mikroskop durch ihn gesteuert wird und dass verfahrensgemäße Berechnungen durchgeführt werden.
Es versteht sich, dass die bisher genannten und die im Folgenden noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in den beschriebenen, sondern auch in weiteren Kombinationen oder einzeln Verwendung finden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele und anhand der Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1: Ein Schema eines Mikroskops zur Messung der Position von Strukturen auf Substraten;
2: ein Schema der Änderungen des Mikroskops aus 1, welches hier als Phasenkontrastmikroskop ausgebildet ist;
3: ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels des Verfahrens zur Ermittlung des Abstandes eines ersten Strukturelements von einem zweiten Strukturelement.
Die ersten oder zweiten Bilder, welche ein erstes oder zweites Strukturelement umfassen, können durch Aufnahme durch ein Mikroskop oder durch Simulation ausgehend von Vorgaben des Objektes, ermittelt werden.
Die ersten oder zweiten Bilder können Luftbilder, bzw. Amplitudenbildern, oder Phasenbilder sein.
In 1 ist eine Mikroskop 5 gezeigt, das zur Messung von Luftbildern von Substraten, wie beispielsweise Masken, dient. Im Folgenden wird der Aufbau eines derartigen Mikroskops 5 erläutert.
Das Mikroskop 5 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 3. In 1 sind zwei Beleuchtungseinrichtungen 3 dargestellt, wobei die obere Beleuchtungseinrichtung 3 zur Beleuchtung des Substrats 2 für Messungen der Reflexion dient. Die untere Beleuchtungseinrichtung 3 dient zur Beleuchtung des Substrats 2 in Transmission. Das Mikroskop 5 umfasst zumindest eine dieser beiden Beleuchtungseinrichtungen 3. Sie kann auch beide Beleuchtungseinrichtungen 3 umfassen. Zwei unterschiedliche Beleuchtungseinrichtungen 3 ermöglichen es insbesondere, das Mikroskop 5 zur Messung an unterschiedlichen Substraten 2 zu verwenden.
Die Beleuchtungseinrichtung 3 umfasst eine Strahlungsquelle 4. Bei der Strahlungsquelle 4 kann es sich insbesondere um einen Laser, insbesondere um einen ArF-Laser, handeln. Die Strahlungsquelle 4 dient der Erzeugung von Beleuchtungsstrahlung 5. Die Beleuchtungsstrahlung 5 hat eine Wellenlänge von 193 nm. In einer Variante des Mikroskops 5 hat die Beleuchtungsstrahlung 6 eine Wellenlänge von 13.5 nm.
Alternative Strahlungsquellen 4, welche Beleuchtungsstrahlung 5 mit anderen Wellenlängen oder in einem anderen Wellenlängenbereich erzeugen, sind ebenfalls möglich.
Die Beleuchtungseinrichtung 3 kann Bestandteil eines Beleuchtungssystems 7 mit weiteren optischen Komponenten sein.
Das Beleuchtungssystem 7 kann eine Blende 8 umfassen. Die Blende 8 definiert ein Beleuchtungssetting zur Beleuchtung des Substrats 2. Die Blende 8 ist beispielsweise ringförmig, das heißt annular, ausgebildet. Die Blende 8 ist im Bereich der Eintrittspupille des Beleuchtungssystems 7 angeordnet. Das Substrat 2 wird dann mit einem ringförmigen, das heißt annularen, Beleuchtungssetting beleuchtet.
Neben ringförmigen Beleuchtungssettings werden auch weitere in der Lithographie übliche Beleuchtungssettings wie z. B. dipolare oder quadrupolare Beleuchtungssettings verwendet. Es können auch weitere beliebig vorzugebende Beleuchtungssettings verwendet werden. Es werden auch monopolare Beleuchtungssettings, die in guter Näherung einer kohärenten Strahlung eines vorgegebenen Winkels entsprechen, eingesetzt.
Anstelle einer Blende 8 ist es auch möglich, ein Beleuchtungssetting durch ein entsprechend geschaltetes Mikrospiegel-Array zu realisieren.
Das Mikroskop 5 umfasst eine Abbildungsoptik 9. Die Abbildungsoptik 9 hat eine objektseitige numerische Apertur von 0,8. Die Abbildungsoptik 9 wird auch als Projektionsoptik bezeichnet.
Im Strahlengang ist nachfolgend zur abbildenden Optik 9 eine Vergrößerungsoptik 10 angeordnet. Die Gesamtvergrößerung der Abbildungsoptik 9 und der Vergrößerungsoptik 10 beträgt 265:1.
Für einige der verwendeten Messverfahren wird in der Pupillenebene 9a der Abbildungsoptik 9 ein optisches Element 9b eingesetzt. Dieses kann als Ortsfrequenzfilter ausgebildet sein. Der Ortsfrequenzfilter kann als Pupillenblende ausgebildet sein.
Das Mikroskop 5 umfasst weiterhin eine Sensoreinrichtung. Die Sensoreinrichtung ist insbesondere als Kamera, insbesondere als CCD-Kamera 14, ausgebildet. Mittels der CCD-Kamera 14 wird ein Bild 15 des zu untersuchenden Substrats 2 aufgenommen. Die CCD-Kamera 14 ist in datenübertragender Weise mit einer Bildverarbeitungseinrichtung welche als Computer 16 ausgebildet ist, verbunden.
Für einige der verwendeten Messverfahren wird zwischen die Abbildungsoptik 9 und der Sensoreinrichtung 14 eine Bertrand-Linse in den optischen Strahlengang eingesetzt. Diese ermöglicht es, die Pupillenebene der Abbildungsoptik 9a auf der Sensoreinrichtung abzubilden.
Des Weiteren umfasst das Mikroskop 5 eine Halteeinrichtung 17, auch als Stage oder Bühne bezeichnet. Die Halteeinrichtung 17 umfasst drei Stützen 19. Die Stützen 19 bilden Auflagepunkte 20, an welchen das Substrat 2 auf der Halteeinrichtung 17 aufliegt. Das Substrat 2 liegt insbesondere derart auf der Halteeinrichtung 17, dass die zu strukturierende Seite nach oben weist. Das Substrat 2 liegt insbesondere mit der der zu strukturierenden Seite entgegengesetzten Seite auf den Stützen 19 auf.
Die Halteeinrichtung 17 dient der Positionierung des Substrats 2 im Strahlengang des Mikroskops 1. Die Halteeinrichtung 17 ist aktiv steuerbar. Sie wird durch die Bildverarbeitungseinrichtung 16 gesteuert. Sie ist insbesondere präzise verlagerbar. Sie weist sechs Verlagerungsfreiheitsgrade auf. Zur Bestimmung der Lage und/oder Ausrichtung der Halteeinrichtung 17 ist insbesondere eine Interferometer-Einrichtung 18 vorgesehen.
Zur Wahl des zu messenden Bereichs des Substrates 2 wird das Substrat durch Bewegung der Halteeinrichtung 17 senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik 9 (auch als X-Y-Ebene bezeichnet) in eine Position bewegt, so dass sich der zu messende Bereich im Bildfeld der Abbildungsoptik 9 befindet. Zur Fokussierung wird die Halteeinrichtung in Richtung der optischen Achse der Abbildungsoptik 9 (auch als Z-Achse bezeichnet) bewegt, so dass der zu messende Bereich in die beste Fokusebene zu liegen kommt. Des Weiteren umfasst das Mikroskop 5 ein Autofokussystem 23, in welchem ein oder mehrere Strahlteiler 24 vorgesehen sind.
Des Weiteren umfasst das Mikroskop 5 eine Hilfsoptik 21. Die Hilfsoptik 21 ist in datenübertragender Weise mit einer Steuereinrichtung 22 zur Steuerung der Verlagerung der Halteeinrichtung 17 verbunden. Mittels der Hilfsoptik 21 kann das Substrat 2 grob ausgerichtet werden.
Bildverarbeitungseinrichtung 16 ist als Computer ausgebildet, welcher programmiert ist, um die genannten Mikroskope zu steuern. Die Bildverarbeitungseinrichtung 16 ist zudem programmiert, um die im Folgenden genannten Auswerteverfahren durchzuführen.
Das Mikroskop 5 ist in einer Variante der Erfindung als Zernike-Phasenkontrast-Mikroskop 5a ausgebildet. Dieses wird anhand 5 erläutert.
Es kommt eine annulare Beleuchtung zum Einsatz, welche durch eine entsprechend geformte Blende 8 in der Pupille der Beleuchtungseinrichtung 3 geformt wird. Die annulare Beleuchtung, welche mit Hilfe der Strahlungsquelle 4 und/oder der Blende 8 erzeugt werden kann, hat einen inneren Radius r_i0. Die Beleuchtungspupille zur Beleuchtung des Substrats 2 hat einen äußeren Radius R_ip.
Die Abbildungsoptik 9 und die Vergrößerungsoptik 10 sind Bestandteile einer Phasenkontrastoptik. Die in 5 dargestellte Linse 6 ist exemplarisch zu verstehen. Bei diesem Bauelement kann es sich auch um mehrere Linsen und/oder einen oder mehrere Spiegel handeln.
Außerdem umfasst die Phasenkontrastoptik 9, 10, 11 eine Phasenmaske 11. Die Phasenmaske 11 ist in einer Pupillenebene 12 des Strahlengangs der Beleuchtungsstrahlung 5 angeordnet sein. Sie ist im Strahlengang hinter der Vergrößerungsoptik 10 angeordnet.
Bei der Phasenmaske 11 handelt es sich um eine π/2-Phasenmaske. Die Beleuchtungsstrahlung 5 erfährt somit beim Durchgang durch die Phasenmaske 11 eine Phasenverschiebung um π/2.
Die Phasenmaske 11 ist an die Form des Beleuchtungssettings, insbesondere an die Form der Blende 8, angepasst. Sie ist insbesondere derartig ausgebildet, dass die Blende 8 gerade auf den phasenschiebenden Bereich 13 der Phasenmaske 11 abgebildet wird. Die direkt von der Strahlungsquelle 4 zur Phasenmaske 11 umlaufende Beleuchtungsstrahlung 5, das heißt die Beleuchtungsstrahlung 5, welche die Phasenmaske 11 beugungsfrei erreicht, wird somit von der Phasenmaske 11 um π/2-Phasen verschoben. Die gebeugte Beleuchtungsstrahlung 5 trifft nicht auf den phasenschiebenden Bereich der Phasenmaske 11 und bleibt unverändert. Es kommt somit zu einer Interferenz der gebeugten und ungebeugten Anteile der Beleuchtungsstrahlung 5. Dies wiederum ermöglicht es, die Phasenverteilung der Wellenfront mit einem Detektor, insbesondere mit der CCD-Kamera 14, zu bestimmen.
Die Phasenmaske 11 ist insbesondere kreisförmig oder kreisringförmig, insbesondere annular, ausgebildet. Dies ist für ein hohes Kontrast zu Rausch-Verhältnis vorteilhaft.
Für Strukturelemente einer Maske ist eine ringförmige Beleuchtung mit einem inneren Radius r_i,0 vorgesehen, dessen Verhältnis zum Radius R_ip der Beleuchtungspupille im Bereich von 0,4 bis 0,5 oder im Bereich von 0,5 bis 0,6 oder im Bereich von 0,6 bis 0,7 liegt. Der äußere Radius der Beleuchtung wird durch den Füllgrad der Beleuchtungspupille bestimmt. Entsprechend weist die Phasenmaske 11 in der bildseitigen Apertur einen inneren Radius r_a,0 auf, dessen Verhältnis zum Radius R_ap der bildseitigen Apertur innerhalb der genannten Verhältnisse liegt..
Wenn eine Beleuchtungspupille mit einem geringeren Füllgrad zum Einsatz kommt, ist eine Beleuchtung des zu untersuchenden Substrats 2 mit einem inneren Radius r_i,0 = 0 geeignet. Auch hier wird der äußere Radius durch den Füllgrad der Beleuchtungspupille vorgegeben 3. In diesem Fall weist auch die Phasenmaske 11 einen inneren Radius r_a,0 = 0 auf.
Das Mikroskop 5 ist in einer Variante der Erfindung als Differentialinterferenzkontrast-Mikroskop ausgebildet. Das Differentialinterferenzkontrast-Verfahren wird auch als Differential-Interferenz-Kontrast- oder Nomarski-Kontrast-Verfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird wie bei einem Zernike-Phasenkontrast-Mikroskop 5a direkt ein Phasenbild erzeugt.
Zur Aufnahme eines ersten Luftbildes eines ersten Strukturelements auf einem Substrat wird das Substrat, beispielsweise eine Maske 5, auf die Bühne 17 gelegt. Durch Verfahren der Bühne 17 wird der Ausschnitt der Maske in den Strahlengang des Mikroskops gebracht, welcher das erste Strukturelement umfasst. Dann wird durch Detektor 6 gesteuert durch Computer 16 ein erstes Luftbild aufgenommen.
Ein Phasenbild kann aus mehreren Luftbildern (Amplitudenbildern) rekonstruiert werden. Es werden durch das Mikroskop 5 zumindest zwei Luftbilder bei diversifizierten Bedingungen aufgenommen.
Eine Diversifizierung kann beispielsweise durch zumindest eine der folgenden Maßnahmen erfolgen:

– Durch die Aufnahme von zumindest zwei Luftbildern in voneinander beabstandeten parallelen Ebenen, d. h. der Aufnahme eines Fokus-Stapels.
– Durch eine Ortsfrequenzfilterung in der Pupillenebene des Abbildungsstrahlengangs der Abbildung
– Durch Aufnahme der zumindest zwei Luftbilder bei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen.

Zur Ermittlung eines Phasenbildes können einzelne Luftbilder bei kohärenter Beleuchtung aufgenommen werden. Es ist auch möglich die einzelnen Luftbilder bei nicht kohärenter Beleuchtung aufzunehmen und anhand dieser Luftbilder ein Phasenbild zu ermitteln. Die ermittelte Phase wird dann als Äquivalenzphase bezeichnet. Die Äquivalenzphase kann ebenso als Grundlage für eine Registriermessung herangezogen werden kann wie die Bildphase.
Für den Rekonstruktionsschritt können unterschiedliche Verfahren vorgesehen sein. Es kann insbesondere ein Verfahren ausgewählt aus der folgenden Liste vorgesehen sein: Phasenermittlung mittels eines iterativen Fourier-Transformationsalgorithmus (IFTA, Iterative Fourier Transformation Algorithm), insbesondere mittels eines Gerchberg-Saxton-Algorithmus, modellbasierte Phasenermittlung, Methoden, welche auf der Intensitätstransport-Gleichung (TIE, Transport of Intensity Equation) beruhen und Fourier-Ptychographie. Weitere Verfahren zur Ermittlung der Bildphase oder der Äquivalenzphase im Rekonstruktionsschritt sind ebenso möglich. Für Details der Phasenermittlung mittels eines iterativen Fourier-Transformations-Algorithmus sei auf die Offenlegunsgschrift WO 2008/025 433 A2 verwiesen.
Zur Ermittlung eines Phasenbildes kann auch die modellbasierte Phasenermittlung eingesetzt werden. Bei der modellbasierten Phasenermittlung wird die Phase nicht pixelweise ermittelt, sondern es werden die Parameter eines Modells, beispielsweise Zernike-Polynome, beispielsweise auch iterativ ermittelt. Es wird von einer modalen Zerlegung der unbekannten Phasenfunktion ausgegangen. Durch Anwendung von beispielsweise der erweiterten Nijboer-Zernike Theorie (ENZ) kann die Phasenfunktion durch eine geringe Anzahl komplexer Zernike-Polynome dargestellt werden.
Als Phasenbild werden auch Bilder bezeichnet, die eine Mischung aus Phaseninformation und aus Amplitudeninformation enthalten. Die Direkte Messung derartiger Phasenbilder kann beispielsweise durch das beschriebene Zernike-Phasenkontrast-Mikroskop oder durch ein Differentialinterferenzkontrast-Mikroskop erfolgen. Weitere Details zu dem geeigneten Phasenkontrastmikroskop und den genannten Verfahren werden in der deutschen Patentanmeldung DE 102015218917 beschrieben.
Die Simulation eines Bildes (Luftbild oder Phasenbild) erfolgt durch kommerziell erhältliche Software wie beispielsweise MicroSim ausgehend von den Strukturvorgaben der Maske, dem Masken-Design Die Software MicroSim wird beispielsweise beschrieben in: M. Totzeck, "Numerical simulation of high-NA quantitative polarization microscopy and corresponding near-fields," Optik, 112 (2001) 381–390, MicroSim-Software, University of Stuttgart. Bei der Simulation werden die Bedingungen der Abbildung der Positionsmessvorrichtung wie beispielsweise die Numerische Apertur, Wellenlänge und Kohärenzgrad der Beleuchtung etc. berücksichtigt. Effekte, welche bei der Abbildung der Maske durch die Positionsmessvorrichtung zu einer Verzerrung des Luftbilds führen, insbesondere Nachbarschaftseffekte, werden berücksichtigt. Zu Nachbarschaftseffekten und zur Simulation von Luftbildern wird auf die Veröffentlichung verwiesen: H.H. Hopkins: On the diffraction theory of optical images. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 217 (1130): 408–432, 1953.
Bei der Aufnahme oder der Simulation von Luftbildern oder Phasenbildern einer Serie können beispielsweise folgende Abbildungsparameter geändert werden:

– Das Beleuchtungssetting, auch als Beleuchtungseinstellung bezeichnet. Dies umfasst auch die Beleuchtungsrichtungen bzw. den Öffnungswinkel, auch als Sigma bezeichnet. Auch die Variation der Detektionsrichtung bei Aufnahme eines Luftbildes wird hier umfasst.
– Die Polarisation der Beleuchtungsstrahlung im Beleuchtungsstrahlengang oder im Abbildungsstrahlengang.
– Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereich der verwendeten Beleuchtungsstrahlung.
– Belichtungszeiten
– Die Fokuseinstellungen. Es werden sogenannte Fokus-Stapel aufgenommen.

Im Folgenden wird ein Beispiel zur Durchführung des Verfahrens der Ensemble-Korrelation beschrieben. Es werden mehrere erste Bilder aufgenommen, welche eine erste Serie bilden. In einer ersten Variante werden die Bilder einer Serie mit den gleichen Aufnahmebedingungen aufgenommen. Die erste Serie kann ausschließlich Luftbilder oder ausschließlich Phasenbilder umfassen. Die erste Serie kann auch Phasenbilder und Luftbilder umfassen.
In einer zweiten Variante des Verfahrens werden die Bilder einer Serie mit unterschiedlichen Abbildungsparametern aufgenommen.
In einer dritten Variante werden die Phasenbilder durch unterschiedliche Verfahren ermittelt.
Die einzelnen Parameter oder Verfahrensschritte können einzeln oder in Kombinationen geändert werden.
Zur Ermittlung einer zweiten Serie von zweiten Bildern werden in einer ersten Variante aus einem vorgegebenen Maskendesign die zweiten Bilder durch Simulation ermittelt. Dabei werden entsprechend der ersten Serie Luftbilder oder Phasenbilder ermittelt. Die Aufnahmebedingungen der ersten Serie werden bei den jeweiligen Simulationen berücksichtigt. Ziel bei dieser Variante ist die paarweise Korrelation von ersten Bildern der ersten Serie mit zweiten Bildern der zweiten Serie, wobei den zu korrelierenden Paaren gleiche Aufnahmebedingungen zugrunde liegen.
Zur Ermittlung einer zweiten Serie von zweiten Bildern werden in einer zweiten Variante Bilder der ersten Aufnahme gespiegelt. Die Spiegelung erfolgt beispielsweise an zwei Spiegelebenen, welche parallel zur X-Achse und zur Y-Achse ausgebildet sind und die sich im Mittelpunkt des Luftbildes schneiden.
Zur Ermittlung einer zweiten Serie von zweiten Bildern werden in einer dritten Variante Aufnahmen eines zweiten Strukturelements durch ein Mikroskop aufgenommen. Dieses Strukturelement kann ein auf der gleichen Maske ausgebildetes Strukturelement, wie beispielsweise eine Kante sein. Sofern das erste Strukturelement und das zweite Strukturelement nicht gleich ausgerichtet sind, können diese vor Durchführung der Korrelation entsprechend gedreht werden.
Die Reihenfolge der Verfahrensschritte bei Ermittlung der Bilder ist beliebig. Zur Durchführung der Ensemble-Korrelation werden die folgenden Schritte durchgeführt. Eine erste Serie von ersten Bildern sei als Matrix. A_h(r, c) beschrieben. Eine zweite Serie von zweiten Luftbildern sei als Matrix B_h(r, r) beschrieben. Der Index h beschreibt die Nummer des Luftbildes einer Serie. Die Koordinaten des Luftbildes werden durch die Variablen r und c beschrieben. Eine Zeile eines Luftbildes hat n-Pixel. Ein Luftbild hat m Zeilen. Dies entspricht bei aufgenommenen Bildern den Pixeln des Detektors des verwendeten Mikroskops.
Bei simulierten Luftbildern entspricht dies der Größe des simulierten Luftbildes. Die Anzahl der Bilder einer Serie ist durch den Parameter z gegeben.
Es gilt: r ∊ [0, n], c ∊ [0, m], h ∊ [0, z]
Die Korrelation eines ersten Bildes der ersten Serie und eines zweiten Bildes der zweiten Serie wird durch Gleichung 1 berechnet: R AB / h(i, j) = corr[A_h(r, c), B_h(r, c)] Gleichung 1
Die Parameter i und j sind die Koordinaten der Korrelationsfunktion.
Die Ensemble-Korrelation wird durch Gleichung 2 berechnet: R_Ensemble(i, j) = 1 / z∑ z / h=0R AB / h(i, j) Gleichung 2
Zur Positionsermittlung anhand der Ensemble-Korrelationsfunktion wird zunächst ein Maximum dieser Funktion ermittelt. Die Genauigkeit dieser Ermittlung ist zunächst auf die Auflösung der zugrundeliegenden Luftbilder begrenzt.
Eine mögliche subpixel-genaue Auswertung der Korrelationsfunktion wird in der Offenlegungsschrift DE 102006059431 A1 beschrieben.
Das Ergebnis der Ensemble-Korrelation ist der gemittelte Abstand des ersten Strukturmerkmals der ersten Bilder der ersten Serie und des zweiten Strukturmerkmals der zweiten Bilder der zweiten Serie.
Eine Übersicht über das Verfahren ist in 3 gezeigt.
In einer Variante des Verfahrens wir die Ensemble Korrelation auf Fokus-Stapel der angewendet, die durch die Through-focus Scanning Optical Microscopy (TSOM) und/oder der Scatterfield Optical Microscopy (SOM) ermittelt wurden. Da sowohl bei TSOM aus auch bei SOM aus dem verschiedenen Bildern der Fokusstaffeln zunächst Volumendaten errechnet werden, auf denen dann die (Defekt-)Analyse erfolgt, kann hier durch die Nutzung der Ensemble-Korrelation zusätzlich vorteilhaft die Analysedimension von 3D auf 2D – und somit die Komplexität bzw. benötigte Rechnen-Leistung – reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015218917 [0007, 0023, 0092]
DE 102010047051 A [0010, 0038]
WO 2008/025433 A2 [0090]
DE 102006059431 A1 [0109]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Totzeck, “Numerical simulation of high-NA quantitative polarization microscopy and corresponding near-fields,” Optik, 112 (2001) 381–390 [0093]
H.H. Hopkins: On the diffraction theory of optical images. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 217 (1130): 408–432, 1953 [0093]

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes eines ersten Strukturelements auf einem Substrat von einem zweiten Strukturelement, umfassend die Schritte: – Bereitstellen einer ersten Serie von ersten Bildern, wobei jedes der ersten Bilder zumindest das erste Strukturelement umfasst, – Bereitstellen einer zweiten Serie von zweiten Bildern, wobei jedes der zweiten Bilder zumindest das zweite Strukturelement umfasst, – Für jedes Bild der ersten und der zweiten Serie: Ermitteln je einer Korrelationsfunktion aus je einem ersten Bild der ersten Serie und einem zweiten Bild der zweiten Serie, – Ermitteln einer Ensemble-Korrelationsfunktion aus den Korrelationsfunktionen, – Ermitteln des Abstandes aus der Ensemble-Korrelationsfunktion.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als zumindest eines der Bilder ein Luftbild oder ein Phasenbild bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bild durch ein Mikroskop ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bild durch Simulation ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zur Ermittlung des Phasenbildes zumindest zwei Luftbilder aufgenommen werden, wobei die zumindest zwei Luftbilder bei diversifizierten Bedingungen aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bilder der zweiten Serie durch Spiegelung aus den Bildern der ersten Serie ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei innerhalb einer Serie von Luftbildern die Aufnahmebedingungen variiert werden, wobei die Aufnahmebedingungen der ersten und zweiten Luftbilder der ersten und zweiten Serie paarweise identisch sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die variierten Aufnahmebedingungen Beleuchtungssettings oder Fokus-Einstellungen sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in den Bildern zumindest ein Bereich des Strukturelements vorgegeben wird, der bei der Ermittlung des Abstandes berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strukturelement oder der zumindest eine Bereich des Strukturelements als Kante des Strukturelements ausgebildet ist.
Mikroskop aufweisend: – eine Lichtquelle, – eine Beleuchtungsoptik, – einen Detektor zur Aufnahme eines Bildes, – eine Abbildungsoptik zur Erzeugung des Bildes zumindest eines Strukturelements eines Substrats auf dem Detektor, – einen Computer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.