DE102018201935A1

DE102018201935A1 - Verfahren zur Vermessung von Strukturen auf einem Substrat für die Mikrolithographie

Info

Publication number: DE102018201935A1
Application number: DE102018201935.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Carl; Markus Bauer
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: WO2019154793A1; DE102018201935B4

Abstract

Ein Verfahren zur Vermessung von Strukturen auf einem Substrat (12), welches für den Einsatz in der Mikrolithographie konfiguriert ist, wird bereitgestellt. Die Strukturen umfassen eine Mehrzahl von über zumindest einen Abschnitt des Substrats verteilten Strukturelementanordnungen (14) mit jeweils mindestens zwei Strukturelementen (16), bei denen der jeweilige Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Strukturelementen an einen Sollabstand angepasst ist. Das Verfahren umfasst ein Aufspalten eines Messstrahls (32) in mindestens zwei, auf eine Oberfläche (13) des Substrats gerichtete Teilstrahlen (38, 40) sowie ein Rekombinieren der Teilstrahlen (38, 40) nach Wechselwirkung mit dem Substrat und Aufzeichnen einer Intensitätsverteilung der rekombinierten Teilstrahlen mittels eines Detektors (46). Die mindestens zwei, auf die Substratoberfläche gerichteten Teilstrahlen werden derart an den Sollabstand angepasst, dass im Sollabstand oder einem Vielfachen des Sollabstandes angeordnete Strukturelemente einander überlagernd auf den Detektor abgebildet werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Messvorrichtung zur Vermessung von Strukturen auf einem Substrat, welches insbesondere für den Einsatz in der Mikrolithographie konfiguriert ist.
Die Halbleiterindustrie bedient sich hochkomplexer Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltkreise unter Verwendung von Halbleitermaterialien, welche in Schichten auf ein Substrat, z.B. in Gestalt eines Silizium-Rohwafers aufgebracht und unter Einsatz von Mikrolithographie strukturiert werden. Ein integrierter Schaltkreis wird typischerweise mittels einer Vielzahl von Lithographie-Retikels hergestellt. Aufgrund des großen Ausmaßes der Schaltkreisintegration und der immer kleiner werdenden Größe von Halbleiterbauteilen werden die Retikels und die hergestellten Bauteile zunehmend anfällig bezüglich Defekten. Das heißt, Defekte, welche Fehler im Bauteil hervorrufen, werden zunehmend kleiner.
Verschiedene Messvorrichtungen in Gestalt von Inspektionssystemen finden in der Halbleiterindustrie Verwendung zur Erkennung von Defekten auf einem Lithographie-Retikel oder einem Wafer. Weiterhin werden Messvorrichtungen der eingangs genannten Art in Gestalt von Metrologiesystemen zur Overlaymessung zwischen verschiedenen lithographisch hergestellten Schichten bzw. Ebenen eingesetzt, um Funktionsfehler im fertigen Bauteil zu vermeiden, die auf ungenaue Ausrichtung der strukturierten Schichten zurückzuführen sind. Die genannten Messvorrichtungen sind jedoch für die vorstehend erläuterten steigenden Anforderungen in der Halbleiterfertigung oft zu ungenau und/oder zu zeitintensiv und damit aufgrund des dadurch erhöhten Ausschusses bzw. verringerten Waferdurchsatzes zu kostenintensiv.
Zugrunde liegende Aufgabe
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, womit die vorgenannten Probleme gelöst werden, und insbesondere die Messgenauigkeit und/oder die Messgeschwindigkeit verbessert werden können.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorgenannte Aufgabe kann erfindungsgemäß beispielsweise gelöst werden mit dem nachstehend beschriebenen Verfahren zur Vermessung von Strukturen auf einem Substrat. Das Substrat ist insbesondere für den Einsatz in der Mikrolithographie konfiguriert. Die Strukturen umfassen eine Mehrzahl von über zumindest einen Abschnitt des Substrats verteilten Strukturelementanordnungen mit jeweils mindestens zwei Strukturelementen, bei denen der jeweilige Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Strukturelementen an einen Sollabstand angepasst ist. Das Verfahren umfasst ein Aufspalten eines Messstrahls in mindestens zwei, auf eine Oberfläche des Substrats gerichtete Teilstrahlen sowie ein Rekombinieren der Teilstrahlen nach Wechselwirkung mit dem Substrat und Aufzeichnen einer Intensitätsverteilung der rekombinierten Teilstrahlen mittels eines Detektors. Die mindestens zwei, auf die Substratoberfläche gerichteten Teilstrahlen werden derart an den Sollabstand angepasst, dass im Sollabstand oder einem Vielfachen des Sollabstandes angeordnete Strukturelemente einander überlagernd auf den Detektor abgebildet werden.
Bei dem für den Einsatz in der Mikrolithographie konfigurierten Substrat für den Einsatz in der Mikrolithographie kann es sich um einen Wafer oder eine Lithographie-Maske bzw. ein Retikel handeln. Unter den „Strukturen auf dem Substrat“ sind einerseits Strukturen, die auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht sind, und andererseits Strukturen, die unter der Oberfläche des Substrats angeordnet sind, insbesondere sich quer zur Substratoberfläche erstreckende Strukturen, zu verstehen. Bei den Strukturen handelt es sich insbesondere um Mikrostrukturen, wobei unter Mikrostrukturen Strukturen mit einer Strukturgröße von kleiner als 5 µm, insbesondere von kleiner als 1 µm, von kleiner als 100 nm oder von kleiner als 10 nm, zu verstehen sind. Unter der Wechselwirkung mit dem Substrat ist eine Reflexion am Substrat oder ein Durchgang durch das Substrat zu verstehen.
Wie erwähnt, werden die mindestens zwei, auf die Substratoberfläche gerichteten Teilstrahlen derart an den Sollabstand angepasst, dass im n-fachen Sollabstand angeordnete Strukturelemente einander überlagernd auf den Detektor abgebildet werden, wobei n eine natürliche Zahl ist. Mit anderen Worten sind die auf das Substrat gerichteten Teilstrahlen derart an den Sollabstand angepasst, dass Bilder von im Sollabstand angeordneten Strukturelementen am Detektor überlagert werden. Die Anpassung der mindestens zwei Teilstrahlen an den Sollabstand kann insbesondere durch Veränderung der Wellenlänge des Messstrahls erfolgen.
Durch Auswertung der vom Detektor aufgezeichneten Intensitätsverteilung kann eine jeweilige Abweichung eines Konfigurationsparameters der Strukturelementanordnungen von einem Sollwert bestimmt werden. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine jeweilige Abweichung eines Konfigurationsparameters der Strukturelementanordnungen von einem Sollwert durch Auswertung der vom Detektor aufgezeichneten Intensitätsverteilung bestimmt.
Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Teilstrahlen an den Sollabstand bzw. ein Vielfaches des Sollabstandes der zu vermessenden Strukturelemente und die Rekombination der Teilstrahlen ist es möglich die genannte Abweichung eines Konfigurationsparameters der Strukturelementanordnungen von einem Sollwert mit hoher Genauigkeit und gleichzeitig geringem Zeitaufwand zu messen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Erzeugung der Teilstrahlen mittels Aufspaltung des Messstrahls sind die Teilstrahlen zueinander kohärent. Dank dieser Kohärenz hat das erfindungsgemäße Messverfahren gegenüber der bei herkömmlichen Waferinspektionssystemen durchgeführten Verarbeitung von Bildstapeln am Computer den Vorteil, nicht nur sensibler, sondern auch unempfindlicher gegenüber Schrotrauschen zu sein. Bei der Signalauswertung gemäß des erfindungsgemäßen Messverfahrens sieht man nicht mehr die Aktefakte, d.h. falschen Defektsignale, die durch die Verarbeitung jeweils unabhängig verrauschter Teilbilder entstehen (Rausch-induzierte Defektsignale), sondern lediglich das übliche Schrotrauschen auf dem reinen Defektinduzierten Signal.
Die algorithmische Verarbeitung eines Bildstapels kann dabei zusätzlich eingesetzt werden zu Trennung verschiedener Defekttypen, beispielsweise vertikaler und horizontaler Overlayfehler, indem für den einen Fehlertyp die erfindungsgemäße kohärente Überlagerung von Teilbildern, und für den anderen Fehlertyü die inkohärente Überlagerung via algorithmischer Verarbeitung von Bildstapeln genutzt wird. Auf diese Weise lassen sich insbesondere unerwünschte Defektsignale herauskalibrieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Teilstrahlen derart eingestellt, dass diese bei Reflexion an einem anstelle des Substrats angeordneten Planspiegel oder bei Reflexion an einem Substrat mit Sollabstand bzw. einem Vielfachen des Sollabstands angeordneten Strukturelementen am Detektor destruktiv überlagern. Dies kann durch Anordnen eines Phasenschiebers im Strahlengang eines der Teilstrahlen oder durch ein „Verstimmen“ des Strahlengangs etwa durch leichtes Schrägstellen des Substrats erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die einander überlagernd auf den Detektor abgebildeten Strukturelemente entlang der Oberfläche des Substrats voneinander beabstandet angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die auf das Substrat gerichteten Teilstrahlen unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die auf das Substrat gerichteten Teilstrahlen am Substrat um den Sollabstand oder ein Vielfaches des Sollabstandes zueinander versetzt. Darunter ist zu verstehen, dass die Teilstrahlen quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung versetzt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die einander überlagernd auf den Detektor abgebildeten Strukturelemente quer zur Oberfläche des Substrats voneinander beabstandet angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die auf das Substrat gerichteten Teilstrahlen in Bezug auf die Substratoberfläche unterschiedliche Fokuseinstellungen auf, insbesondere sind die Teilstrahlen auf unterschiedliche Ebenen innerhalb des Substrats fokussiert. Dabei können die Teilstrahlen insbesondere auf unterschiedliche, parallel zur Substratoberfläche angeordnete, Fokusebenen fokussiert sein. Gemäß einer Ausführungsvariante sind die Fokuseinstellungen der Teilstrahlen um den Sollabstand oder ein Vielfaches des Sollabstandes zueinander versetzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die einander überlagernd auf den Detektor abgebildeten Strukturelemente in unterschiedlichen Ebenen des Substrats angeordnete Metrologiestrukturen, der Konfigurationsparameter umfasst eine Überlagerungsgenauigkeit der Metrologiestrukturen und durch die Auswertung der vom Detektor aufgezeichneten Intensitätsverteilung wird ein Overlayfehler zwischen den unterschiedlichen Ebenen des Substrats bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Konfigurationsparameter einen tatsächlichen Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Strukturelementen der jeweiligen Strukturelementanordnung. Das heißt, bei der Bestimmung der Abweichung des Konfigurationsparameters wird eine Abstandsabweichung zwischen den betreffenden Strukturelementen vom Sollabstand bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die Strukturelementanordnungen jeweils mindestens drei Strukturelemente und der Konfigurationsparameter umfasst ein Zentrierungsmaß eines der Strukturelemente einer jeweiligen Strukturelementanordnung in Bezug auf jeweils zum betroffenen Strukturelement benachbarte Strukturelemente. Der Konfigurationsparameter kann z.B. die Differenz zwischen den Abständen des jeweiligen Strukturelements zu den jeweils benachbarten Strukturelementen angeben. Dabei kann die Sollkonfiguration durch die Differenz von null definiert werden, sodass eine von null verschiedene Differenz als Abweichung des Konfigurationsparameters von dessen Sollkonfiguration bzw. als Abweichung des Zentrierungsmaßes von der exakten Zentrierung zu verstehen ist.
Gemäß einer Ausführungsvariante umfassen die Strukturelementanordnungen jeweils eine Vielzahl an Strukturelementen, bei denen der Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen einem jeweiligen Strukturelement und dessen übernächsten Nachbarn jeweils den doppelten Sollabstand beträgt und der Konfigurationsparameter umfasst das Zentrierungsmaß von jeweils dazwischen angeordneten Strukturelementen. Die Abweichung dieses Konfigurationsparameters von der exakten Zentrierung beschreibt einen sogenannten „Pitchwalk“.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Konfigurationsparameter eine jeweilige Breite der Strukturelemente einer Strukturelementanordnung. Bei der Bestimmung der Abweichung des Konfigurationsparameters von dem Sollwert wird eine Abweichung der Breite des betreffenden Strukturelements von einer Sollbreite bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei der Bestimmung der Abweichung des Konfigurationsparameters eine Abweichung der Breite des jeweiligen Strukturelements in Bezug auf ein benachbartes Strukturelement bestimmt.
Gemäß einer Ausführungsvariante umfassen die Strukturelementanordnungen jeweils eine Vielzahl an Strukturelementen, bei denen jedes zweite Strukturelement eine einheitliche Breite aufweist, wobei bei der Bestimmung der Abweichung des Konfigurationsparameters eine Abweichung der Breite der jeweils dazwischen angeordneten Strukturelemente von der einheitlichen Breite ermittelt wird. Die Abweichung des Konfigurationsparameters von einem Sollwert kann in diesem Fall als eine Abweichung der Überlagerungsgenauigkeit von einem vorgegebenen Toleranzbereich, d.h. das Auftreten von Überlagerungsfehlern, definiert sein. Dabei kann der Toleranzbereich auch null sein, sodass bereits bei einer Abweichung von der exakten Überlagerung ein Überlagerungsfehler auftritt. Insbesondere können in unterschiedlichen Ebenen des Substrats angeordnete Metrologiestrukturen an einer Vielzahl von Orten der Substratoberfläche vermessen werden und damit Overlayfehler zwischen den unterschiedlichen Ebenen des Substrats umfänglich bestimmt werden.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Messvorrichtung zur Vermessung von Strukturen auf einem für den Einsatz in der Mikrolithographie konfigurierten Substrat bereitgestellt. Die Strukturen umfassen eine Mehrzahl von über zumindest einen Abschnitt des Substrats verteilten Strukturelementanordnungen mit jeweils mindestens zwei Strukturelementen, bei denen der jeweilige Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Strukturelementen an einen Sollabstand angepasst ist. Die Messvorrichtung umfasst eine Strahlaufspaltungseinrichtung zum Aufspalten eines Messstrahls in mindestens zwei auf eine Oberfläche des Substrats gerichtete Teilstrahlen sowie einen Detektor zum Aufzeichnen einer durch Rekombination der Teilstrahlen nach Reflexion am Substrat erzeugten Intensitätsverteilung. Die Strahlaufspaltungseinrichtung ist dazu konfiguriert, die mindestens zwei, auf die Substratoberfläche gerichteten Teilstrahlen derart an den Sollabstand anzupassen, dass im Sollabstand oder einem Vielfachen des Sollabstandes angeordnete Strukturelemente einander überlagernd auf den Detektor abgebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Messvorrichtung weiterhin eine Auswertungseinrichtung zum Bestimmen einer jeweiligen Abweichung eines Konfigurationsparameters der Strukturelementanordnungen von einer Sollkonfiguration durch Auswertung der vom Detektor aufgezeichneten Intensitätsverteilung.
Die Messvorrichtung kann insbesondere als Inspektionsvorrichtung zur Wafer- oder Retikelinspektion oder als Overlaymessvorrichtung zur Bestimmung eines Overlayfehlers zwischen unterschiedlichen Ebenen eines Wafers konfiguriert sein.
Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen, Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsvarianten, etc. des erfindungsgemäßen Messverfahrens angegebenen Merkmale können entsprechend auf die erfindungsgemäße Messvorrichtung übertragen werden. Diese und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in der Figurenbeschreibung und den Ansprüchen erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind und deren Schutz ggf. erst während oder nach Anhängigkeit der Anmeldung beansprucht wird.
Figurenliste
Die vorstehenden, sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur Vermessung von Strukturen auf einem für den Einsatz in der Mikrolithographie konfigurierten Substrat,
2 eine Draufsicht auf ein Substrat mit einer Vielzahl von Strukturelementanordnungen,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur Vermessung von Strukturen auf einem für den Einsatz in der Mikrolithographie konfigurierten Substrat,
4 eine Veranschaulichung des an einem Detektor der Messvorrichtung gemessenen Intensitätsverlaufs bei einer Abweichung eines Mitte-zu-Mitte-Abstands zwischen Strukturelementen einer Strukturelementanordnung von einem Sollabstand für Strukturelemente einer ersten Beschaffenheit,
5 eine Veranschaulichung des an einem Detektor der Messvorrichtung gemessenen Intensitätsverlaufs bei einer Abweichung eines Mitte-zu-Mitte-Abstands zwischen Strukturelementen einer Strukturelementanordnung von einem Sollabstand für Strukturelemente einer zweiten Beschaffenheit,
6 eine Veranschaulichung des an einem Detektor der Messvorrichtung gemessenen Intensitätsverlaufs bei einer Abweichung einer Breite eines Strukturelements von einer Sollbreite für Strukturelemente einer ersten Beschaffenheit,
7 eine Veranschaulichung des am Detektor der Messvorrichtung gemessenen Intensitätsverlaufs bei einer Abweichung einer Breite eines Strukturelements von einer Sollbreite für Strukturelemente einer zweiten Beschaffenheit,
8 eine Strukturelementanordnung mit einem als „Pitchwalk“ bezeichneten Konfigurationsfehler sowie eine Veranschaulichung eines dafür am Detektor der Messvorrichtung gemessenen Intensitätsverlaufs,
9 eine Strukturelementanordnung mit einem als „CD-Walk“ bezeichneten Konfigurationsfehler sowie eine Veranschaulichung eines dafür am Detektor der Messvorrichtung gemessenen Intensitätsverlaufs,
10 verschiedene Beispiele von mittels einer geringauflösenden Intensitätsmessung über die gesamte Oberfläche eines Substrats gemessenen Intensitätsverteilungen,
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur Vermessung von Strukturen auf einem für den Einsatz in der Mikrolithographie konfigurierten Substrat,
12 ein Teilbereich einer alternativen Ausführungsvariante der Messvorrichtung gemäß 11,
13 eine Draufsicht auf eine Metrologiestruktur zur Bestimmung eines Overlayfehlers zwischen unterschiedlichen Ebenen eines Substrats, sowie
14 die Verwendung von Metrologiestrukturen des in 13 gezeigten Typs zur Bestimmung eines Overlayfehlers mittels der Messvorrichtung gemäß 11.

Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen oder Ausführungsvarianten sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.
Zur Erleichterung der Beschreibung ist in der Zeichnung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebeziehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. In 1 verläuft die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein, die x-Richtung nach rechts und die z-Richtung nach oben.
1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 10 zur Vermessung von Strukturen auf einem für den Einsatz in der Mikrolithographie konfigurierten Substrat 12, wie etwa eines Wafers für die Mikrolithographie oder einer Lithographie-Maske. Dies können auf einer Oberfläche 13 des Substrats angeordnete Strukturen sein, wie in 1 dargestellt. Weiterhin können die zu vermessenden Strukturen auch unter der Substratoberfläche 13 angeordnet sein, insbesondere können sie sich auch quer zur Substratoberfläche 13 erstrecken, wie z.B. nachstehend unter Bezugnahme auf die 11 bis 14 beschrieben.
Die in 1 dargestellten Strukturen umfassen eine Mehrzahl von über die Substratoberfläche 13 verteilten Strukturelementanordnungen 14, wie in 2 für über eine Waferoberfläche verteilte Strukturelementanordnungen beispielhaft veranschaulicht. Die Strukturelementenanordnungen 14 umfassen jeweils eine Mehrzahl an Strukturelementen 16. Der jeweilige Mitte-zu-Mitte-Abstand d zwischen den Strukturelementen 16, die beispielsweise als Linien konfiguriert sein können, ist an einen vorgegebenen Sollabstand do angepasst, der einzelne tatsächliche Mitte-zu-Mitte-Abstand d kann jedoch aufgrund von Fertigungsfehlern bzw. Fertigungsabweichungen vom Sollabstand do abweichen. Diese Abweichungen können von Strukturelement 16 zu Strukturelement 16 zufällig variieren oder aber ein bestimmtes Muster aufweisen, wie weiter unten unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beispielhaft erläutert.
Die Messvorrichtung gemäß 1 umfasst eine Beleuchtungseinheit 18 mit einer Strahlungsquelle 20, z.B. in Gestalt eines Lasers, zur Erzeugung von Messstrahlung 24. Als Messstrahlung 24 kommt Strahlung im Infrarotwellenlängenbereich, im sichtbaren Wellenlängenbereich, wie beispielsweise bei etwa 632 nm, im UV-Wellenlängenbereich, wie beispielsweise bei etwa 365 nm oder 248 nm, oder im VUV-Wellenlängenbereich, wie beispielsweise bei etwa 193 nm in Frage. Die Strahlungsquelle kann insbesondere mit einer Wellenlängeneinstelleinrichtung 22 zur Feineinstellung der genauen Wellenlänge der Messstrahlung 24 versehen sein. Der Zweck einer derartigen Wellenlängeneinstelleinrichtung 22 im Betrieb der Messvorrichtung 10 wird weiter unten näher erläutert.
Die Beleuchtungseinheit 18 umfasst weiterhin eine Strahlaufweitungsanordnung mit einer Fokussierlinse 26, einem Raumfilter 28 sowie einer weiteren Fokussierlinse 30 zur Aufweitung des Strahlquerschnitts der von der Strahlungsquelle 20 erzeugten Messstrahlung 24. Die querschnittsaufgeweitete Messstrahlung 24 wird nachstehend als Messstrahl 32 bezeichnet. Der Messstrahl 32 wird nach Durchlaufen eines Strahlteilers 34 von einer Strahlaufspaltungseinrichtung 36a in Gestalt eines Beugungsgitters in mindestens zwei Teilstrahlen 38 und 40 aufgespalten. Die Teilstrahlen 38 und 40 weisen im Ausführungsbeispiel gemäß 1 unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen 39 bzw. 41 auf und werden von einer Fokussierlinse 42 auf die Substratoberfläche 13 fokussiert. Die Teilstrahlen 38 und 40 können dabei z.B. durch die an der Strahlaufspaltungseinrichtung 34a in +1. und -1. Beugungsordnung erzeugten Wellen gebildet werden.
Die Ausbreitungsrichtungen 39 und 41 sind derart gewählt, dass die Fokuspunkte der Teilstrahlen 38 und 40 auf der Substratoberfläche 13 um den Sollabstand do oder ein Vielfaches des Sollabstands zueinander versetzt sind. Damit treffen einer geeigneten Einstrahlrichtung des Messstrahls 32 zugeordnete Teilstrahlen 38 und 40 bei geeigneter Anordnung des Substrats 12 jeweils zentral auf im Sollabstand do oder einem Vielfachen des Sollabstands angeordnete Strukturelemente 16 auf. Zu Feinanpassung der Ausbreitungsrichtungen 39 und 41 an den Sollabstand do ist die Messvorrichtung mit einer geeigneten Anpassungseinrichtung versehen. Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies die Wellenlängeneinstelleinrichtung 22. Durch Veränderung der genauen Wellenlänge der Messstrahlung 24 lässt sich der Differenzwinkel zwischen den Ausbreitungsrichtungen 39 und 41 der am Beugungsgitter der Strahlaufspaltungseinrichtung 36a erzeugten Teilstrahlen 38 bzw. 40 verändern.
Die Teilstrahlen 38 und 40 werden am Substrat 12 reflektiert und nach abermaligem Durchlaufen der Fokussierlinse 42 vom Beugungsgitter der Strahlaufspaltungseinrichtung 36a wieder rekombiniert, d.h. überlagert. Die rekombinierten Teilstrahlen 38 und 40 werden daraufhin von dem Strahlteiler 34 abgelenkt und von einer Fokussierlinse 44 auf einen zweidimensional auflösenden Detektor 46, z.B. in Gestalt einer CCD-Kamera, fokussiert. Durch die vorstehend erläuterte Anpassung der Ausbreitungsrichtungen 39 und 41 an den Sollabstand do werden im Sollabstand do oder einem Vielfachen des Sollabstands angeordnete Strukturelemente 16 einander überlagernd auf den Detektor 46 abgebildet.
Der Detektor 46 zeichnet die durch die überlagerte Abbildung der Strukturelemente 16 erzeugte Intensitätsverteilung auf. Dabei kann, je nach Größe der Detektionsfläche und Einstellung der Fokussierlinse 44 die Intensitätsverteilung in einem Teilbereich der Substratoberfläche 13 oder auch über die gesamte Substratoberfläche 13 aufgezeichnet werden. Eine Auswerteeinheit 47 dient der Auswertung der vom Detektor 46 aufgezeichneten Intensitätsverteilung zur Bestimmung einer jeweiligen Abweichung eines Konfigurationsparameters der Strukturelementanordnungen 14. Wie weiter unten, insbesondere unter Bezugnahme auf die 8 und 9, näher erläutert, kann diese z.B. eine Abweichung eines tatsächlichen Mitte-zu-Mitte-Abstands d zwischen den Strukturelementen 16 der jeweiligen Strukturelementanordnung 14 von einem Sollabstand do oder eine Abweichung einer jeweiligen Breite der Strukturelemente 16 von einer Sollbreite betreffen.
Gemäß einer Ausführungsform wird die relative Phasenlage der auf das Substrat 12 eingestrahlten Teilstrahlen 38 und 40 derart angepasst, dass die am Detektor 46 erzeugte Intensitätsverteilung für den Fall von in Sollkonfiguration vorliegenden Strukturelementanordnungen 14 keinen Kontrast aufweist. Mit anderen Worten ist die relative Phasenlage derart angepasst, dass sich die Bilder der im Sollabstand oder einem Vielfachen des Sollabstandes angeordneten Strukturelemente 16 destruktiv am Detektor 46 überlagern. Wie weiter unten näher erläutert, führt hingegen eine Abweichung eines der vorstehend genannten Konfigurationsparameter der Strukturelementanordnungen 15 von einem der Sollkonfiguration zugeordneten Sollwert zu konstruktiven Überlagerungen und damit zu einem Kontrast in der aufgezeichneten Intensitätsverteilung. Die entsprechende Anpassung der relativen Phasenlage kann beispielsweise mittels eines im Strahlengang des ersten Teilstrahls 38 und/oder zweiten Teilstrahls 40 angeordneten phasenschiebenden Elements oder durch geeignete Verkippung des Einstrahlwinkels des Messstrahls 32 auf dem Beugungsgitter der Strahlaufspaltungseinrichtung 36a gegenüber einer senkrechten Einstrahlung erfolgen.
3 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 10 zur Vermessung von Strukturen auf einem für den Einsatz in der Mikrolithographie konfigurierten Substrat 12. Diese Messvorrichtung unterscheidet sich von der Messvorrichtung 10 gemäß 1 lediglich durch die Konfiguration der Strahlaufspaltungseinrichtung, welche in der Ausführung gemäß 3 mit dem Bezugszeichen 36b bezeichnet wird und als doppelbrechendes Prisma, z.B. als Wollaston-Prisma oder als Normarski-Prisma konfiguriert ist.
Bei Ausführung als Normarski-Prisma weist die Strahlaufspaltungseinrichtung 36b, wie in einer Detaildarstellung in 3 dargestellt, zwei doppelbrechende Prismenelemente 48 und 50 aus Calcit auf, welche mittels eines Kittmaterials 52, wie etwa Kanadabalsam, miteinander verbunden sind. Die beiden Prismenelemente 48 und 50 haben die Form rechtwinkliger Dreiecke und weisen senkrecht zueinander orientierte optische Achsen 49 und 51 auf. Die optische Achse 49 des ersten Prismenelements 48 ist sowohl bezüglich der Ankathete also auch bezüglich der Gegenkathete der Prismenoberfläche schräg orientiert. Dies führt zu einem Brennpunkt der beiden in der o.g. Detaildarstellung lediglich mittels der ihnen zugeordneten Ausbreitungsrichtungen dargestellten Teilstrahlen 38 und 40 außerhalb des Normarski-Prismas, wodurch die Fokussierung auf die Substratoberfläche 13 erleichtert wird.
4 dient der Veranschaulichung, welche Veränderung die am Detektor 46 der Messvorrichtung 10 gemäß 1 oder 3 erzeugte Intensität I bei einer Abweichung des Mitte-zu-Mitte-Abstands d zwischen den Strukturelementen 16 einer Strukturelementanordnung 14 vom Sollabstand do erfährt. In der Veranschaulichung gemäß 4 dient damit der Mitte-zu-Mitte-Abstand d als Konfigurationsparameter der Sollkonfiguration, dessen Sollwert der Sollabstand do ist.
Die im oberen Abschnitt von 4 gezeigten Bilder bzw. Diagramme veranschaulichen die Situation bei welcher der Mitte-zu-Mitte-Abstand d exakt dem Sollabstand do entspricht. Das linke obere Bild zeigt zwei Strukturelemente 16 einer Strukturelementanordnung 14, welche jeweils die Breite a aufweisen und weiterhin durch einen Zwischenraum 17 ebenfalls der Breite a getrennt sind. Die Strukturelemente 16 weisen jeweils eine reflektive Wirkung bezüglich der Messstrahlung 24 auf, während der Zwischenraum 17 absorbierend wirkt. Der Mitte-zu-Mitte-Abstand d zwischen den beiden Strukturelementen 16 beträgt damit 2a. Dies ist auch der Sollabstand do auf den die Teilstrahlen 38 und 40 angepasst sind. Die Teilstrahlen 38 und 40 sind in der Darstellung gemäß 4, wie auch in der Detaildarstellung in 3 lediglich mittels der ihnen zugeordneten Ausbreitungsrichtungen dargestellt.
Im linken oberen Bild von 4 ist die Teilstrahlanordnung 38/40 an vier unterschiedlichen x-Positionen, bezeichnet mit „1“, „2“, „3“ und „4“, gezeigt. Die gezeigten Teilstrahlanordnungen 38/40 entsprechen jeweils denjenigen Teilstrahlen 38 und 40, die sich für unterschiedliche x-Positionen in der Ebene des Substrats 12 auf dem Detektor 42 überlagern. Das heißt, die Punkte „1“, „2“, „3“ und „4“ bezeichnen unterschiedliche Orte auf dem Detektor 46, an denen die durch die entsprechenden, an unterschiedlichen x-Positionen angeordneten, Teilstrahlanordnungen 38/40 erzeugten Überlagerungsbilder erzeugt werden.
Die Teilstrahlen 38 und 40 der mit „1“ bezeichneten Teilstrahlanordnung treffen jeweils auf einen absorbierenden Zwischenraum 17 auf, sodass diese nicht oder nur geringfügig zurückreflektiert werden und damit am entsprechenden Ort des Detektors 24 keine oder nur eine zu vernachlässigend geringe Intensität erzeugen, wie in dem im rechten oberen Bereich der 4 dargestellten l-x-Diagramm am Ort „1“ eingezeichnet.
Die Teilstrahlen 38 und 40 der mit „2“ bezeichneten Teilstrahlanordnung 38/40 treffen jeweils am linken Rand eines der zueinander benachbarten reflektierenden Strukturelemente 16 auf und werden beide zurückreflektiert. Wie bereits vorstehend erwähnt, wird die Phasenlage der auf das Substrat 12 eingestrahlten Teilstrahlen 38 und 40 derart angepasst, dass die am Detektor 46 erzeugte Intensitätsverteilung für den Fall von in Sollkonfiguration vorliegenden Strukturelemetentanordnungen 14 keinen Kontrast aufweist. Dies wird in der vorliegenden Ausführungsform dadurch bewirkt, indem der linke Teilstrahl 38 mit einer Phasenlage von φ_l=+π/2 und der rechte Teilstrahl 40 mit einer Phasenlage von φ_r=-π/2 auf die Substratoberfläche 13 eingestrahlt werden. Dies führt dazu, dass die beiden zurückreflektierten Teilstrahlen 38 und 40 der mit „2“ bezeichneten Teilstrahlanordnung auf dem Detektor 46 destruktiv interferieren, d.h. die Summe φ_l + φ_r ihrer Phasenlagen und damit auch die Intensität am Ort „2“ des Detektors 46 ist null, wie in den beiden oberen Diagrammen von 4 dargestellt.
Die Teilstrahlen 38 und 40 der mit „3“ bezeichneten Teilstrahlanordnung treffen jeweils am rechten Rand auf die benachbarten Strukturelemente 16, somit ergibt sich am Ort „3“ des Detektors 46 eine destruktive Interferenz um damit die Intensität null. Die Teilstrahlanordung 4 ist gegenüber der Teilstrahlanordnung 1 um den Abstand d₀ nach rechts versetzt. Deren Teilstrahlen 38 und 40 treffen daher ebenfalls jeweils auf einen absorbierenden Zwischenraum 17, sodass am Ort „4“ des Detektors 46 ebenfalls keine Intensität verzeichnet wird. Zusammenfassend ergibt sich damit für den Fall, in dem der Mitte-zu Mitte-Abstand d exakt dem Sollabstand do entspricht, eine Intensitätsverteilung von konstant null.
Anders ist die Situation, wenn der Mitte-zu-Mitte-Abstand d vom Sollabstand do abweicht, wie im linken unteren Bild von 4 veranschaulicht. Hier ist das rechte Strukturelement 16 um Δx nach rechts verschoben, sodass der Mitte-zu-Mitte-Abstand d nur noch d=d₀-Δx beträgt. Während die Wirkung der Teilstrahlanordnungen „1“ und „4“ sich gegenüber dem oberen Bild nicht unterscheiden, wird bei der Teilstrahlanordnung „2“ nun der rechte linke Teilstrahl 38 nicht mehr reflektiert. Das heiß hier wird nur der linke Teilstrahl 40 reflektiert, was am Ort „2“ des Detektors 46 zu einer Phasenlage von -π/2 führt. Diese Phasenlage setzt sich bis zu einem Ort „2a“ fort, an dem nun auch der rechte Teilstrahl 38 reflektiert wird. Ab dem Ort „2a“ bis zum Ort „3“ heben sie die Phasen wieder auf, d.h. es erfolgt destruktive Interferenz mit einer Gesamtphase von null. Vom Ort „3“ bis zum Ort „3a“ wird lediglich der linke Teilstrahl 38 reflektiert, was zu einer Gesamtphasenlage von +π/2 führt.
Unter Berücksichtigung eines aufgrund von Beugungseffekten hervorgerufenen „Verwaschungseffekts“ ergibt sich für die Konfiguration des linken unteren Bildes von 4 die im rechten unteren l-x-Diagramm veranschaulichte Intensitätsverteilung mit zwei Maxima auf dem Detektor 46. Der Abstand der beiden Maxima beträgt a+Δx und die Höhe der Maxima ist proportional zur Verschiebung Δx.
Analog verhält sich die Intensitätsverteilung bei einer Abweichung des Mitte-zu-Mitte-Abstands d vom Sollabstand do im Fall, in dem die Substratoberfläche 13 bezüglich der Messstrahlung 24 durchgehend reflektiv ist und die Strukturelemente 16 durch Topographieabweichungen gebildet sind, wie in 5 veranschaulicht. Wie in den beiden im linken Bereich von 5 angeordneten Bildern gezeigt, ist die Substratoberfläche 13 an den Strukturelementen 16 gegenüber den Zwischenräumen 17 in z-Richtung um Δh erhöht. Wie im linken oberen Bild von 5 veranschaulicht, sind die Weglängen für die Teilstrahlen 38 und 40 bis zum Detektor 46 für alle Positionen jeweils gleich lang. Für die Positionen „1“ und „4“ werden jeweils beide Teilstrahlen 38 und 40 am unteren Höhenniveau des entsprechenden Zwischenraums 17 reflektiert, im Bereich zwischen der Position „2“ und „3“ am oberen Höhenniveau des jeweiligen Strukturelements 16. Damit ergibt sich für die Sollkonfiguration gemäß dem in 5 oben links dargestellten Bild wie in 4 eine konstante Intensitätsverteilung mit dem Wert null.
Für den Fall der Konfiguration gemäß dem unteren Bild von 5, bei dem der Mitte-zu-Mitte-Abstand d vom Sollabstand do um den Wert Δx abweicht, ist zwischen den Positionen „2“ bis „2a“ die Weglänge des jeweils rechten Teilstrahls 40 um 2·Δh kürzer als die des jeweils linken Teilstrahls 38. Dies ergibt am Detektor 46 für die überlagerten Teilstrahlen 38 und 40 jeweils eine relative Phasenlage Δφ von $Δ φ = 2 \cdot Δ h \cdot \frac{2 π}{λ},$
wobei λ die Wellenlänge der Messstrahlung 24 ist. Zwischen den Positionen „3“ und „3a“ ist die Weglänge des jeweils linken Teilstrahls 38 um 2·Δh kürzer als die des jeweils rechten Teilstrahls 40, sodass sich am Detektor 46 für die überlagerten Teilstrahlen jeweils eine Phasenlage von -Δφ ergibt.
Analog zur Anordnung gemäß 4 ergibt sich unter Berücksichtigung eines aufgrund von Beugungseffekten hervorgerufenen „Verwaschungseffekts“ für die Konfiguration des linken unteren Bildes von 5 ebenfalls eine Intensitätsverteilung mit zwei Maxima auf dem Detektor 24, wie im rechten unteren l-x-Diagramm von 5 veranschaulicht. Auch hier beträgt der Abstand der beiden Maxima a+Δx und die Höhe der Maxima ist proportional zur Verschiebung Δx.
Die 6 und 7 dienen der Veranschaulichung, welche Veränderung die am Detektor 46 der Messvorrichtung gemäß 1 oder 3 erzeugte Intensität I bei einer Abweichung der Breite einer der Strukturelemente 16 von einer Sollbreite erfährt. Dabei veranschaulicht 6 analog zu 4 die Situation für ein Substrat 12, bei dem die Strukturelemente 16 mit einer reflektiven Wirkung versehen sind, während die Zwischenräume 17 absorbierend sind. 7 veranschaulicht analog zu 5 die Situation, bei der die Strukturelemente 16 durch Topographieabweichungen einer durchgehend reflektiven Substratoberfläche 13 erzeugt werden.
Das Bild sowie die beiden Diagramme in der oberen Hälfte von 6 sind identisch zum oberen Bereich von 4 und zeigen die Situation, in der beide Strukturelemente den Mitte-zu-Mitte-Sollabstand do sowie eine einheitliche Breite von a aufweisen. Die auf dem Detektor 46 erzeugte Intensitätsverteilung ist konstant null. Im unteren Bereich von 6 ist die Situation dargestellt, bei der die Breite des linken Strukturelements 16 um Δa vergrößert ist, d.h. a+Aa beträgt. Dabei teilt sich Δa auf eine linksseitige Verbreiterung von Δa₁ und eine rechtsseitige Verbreiterung von Δa₂ auf. Die Breite des rechten Strukturelements 16 beträgt weiterhin a. Die dargestellte Verbreiterung des linken Strukturelements 16 führt auf dem Detektor 46 zu einer kombinierten Phasenlage φ_l + φ_r, welche im Bereich zwischen einem um Δa₁ rechts vom Ort „2“ angeordneten Ort „1a“ und dem Ort „2“ den Wert π/2 aufweist. Dasselbe gilt für den Bereich zwischen dem Ort „3“ und einem um Δa₂ links vom Ort „3“ angeordneten Bereich. Die verbleibenden Bereiche im l-x-Diagramm sind konstant null.
Unter Berücksichtigung des aufgrund von Beugungseffekten hervorgerufenen „Verwaschungseffekts“ ergibt sich im zugehörigen l-x-Diagramm ein die beiden Phasenlagenspitzen überspannendes Maximum. Der Grund dafür, dass sich hier im Gegensatz zum entsprechenden l-x-Diagramm in den 4 und 5, bei denen zwei Maxima auftreten, lediglich nur ein - aber breiteres - Maximum bildet, liegt darin, dass die Phasenlagenspitzen gemäß 6 beide positive Phasenlagenabweichungen sind, während die Phasenlagenspitzen gemäß der 4 und 5 sich aus einer negativen und einer positiven Abweichung zusammensetzen. Die Höhe des im unteren l-x-Diagramm von 6 dargestellten Maximums ist proportional zur Verbreiterung Δa des linken Strukturelements 16.
Auch im in 7 dargestellten Fall, in dem die Strukturelemente 16 durch Topographieabweichungen einer durchgehend reflektiven Substratoberfläche 13 erzeugt werden, resultiert aus der Verbreiterung des linken Strukturelements 16 im l-x-Diagramm ein Maximum, dessen Höhe proportional zur Verbreiterung Δa des linken Strukturelements 16 ist.
8 veranschaulicht im oberen Abschnitt eine Strukturelementanordnung 14 mit einem als „Pitchwalk“ bezeichneten Konfigurationsfehler, bei dem jeweils Paare an Strukturelementen 16 gegenüber der Anordnung mit gleichmäßigem Abstand aufeinander hin verschoben sind. Die Referenzkonfiguration der Strukurelementanordnung 14 ohne Konfigurationsfehler ist in 8 mit unterbrochenen Linien dargestellt. In dieser weisen aufeinander folgende Strukturelemente 16-1 bis 16-4 eine jeweilige Breite a auf und sind jeweils durch einen 2a breiten Zwischenraum 17 voneinander getrennt. Der Mitte-zu-Mitte-Abstand der Referenzkonfiguration, d.h. der Sollabstand do, auf den die Teilstrahlen 38 und 40 der Messvorrichtung 10 gemäß 1 oder 3 angepasst sind, beträgt damit 3a. In der mit dem Konfigurationsfehler behafteten Anordnung sind die Strukturelemente 16-1 und 16-3 jeweils um Δx nach rechts verschoben und die Strukturelementente 16-2 und 16-4 jeweils um Δx nach links. Damit variiert der tatsächliche Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen benachbarten Strukturelementen 16 zwischen d=d_o-2Δx und d=d₀+2Δx hin und her.
Unter Zugrundelegung der in den 4 und 5 veranschaulichten Effekte ergibt sich für die reale, auf dem Detektor 46 erzeugte, Intensitätsverteilung I_R eine Abfolge von Maxima mit alternierendem Abstand, wie im unteren Bereich von 8 dargestellt. Die Höhe der Maxima von I_R ist proportional zu Δx. Der mit I₀ bezeichnete Intensitätsverlauf von konstant null zeigt den für die Referenzkonfiguration erhaltenen Intensitätsverlauf. Wird der Detektor 46 mit ausreichend hoher Auflösung konfiguriert bzw. die Intensitätsverteilung ausreichend stark vergrößert auf den Detektor 46 abgebildet, dass die gezeigte Intensitätsverteilung I_R aufgelöst werden kann, so kann aus der erwähnten Charakteristik der Intensitätsverteilung zunächst die genaue Art des Konfigurationsfehlers identifiziert werden. Im vorliegenden Fall kann festgestellt werden, dass es sich um den vorstehend beschriebenen „Pitchwalk“ handelt. Aus der Höhe der Maxima kann dann Δx entweder absolut oder relativ ermittelt werden. Bei einer relativen Ermittlung von Δx kann bestimmt werden, wie Δx zwischen in verschiedenen Abschnitten der Substratoberfläche 13 angeordneten Strukturelementanordnungen 14 variiert. Weiterhin kann aus der Höhe der Maxima ein Zentrierungsmaß der Strukturelemente 16 in Bezug auf jeweils zum betroffenen Strukturelement benachbarte Strukturelemente bestimmt werden. So kann beispielsweise ein Zentrierungsmaß des Strukturelements 16-2 in Bezug auf die benachbarten Strukturelemente 16-1 und 16-3 bestimmt werden.
Die vorstehend beschriebene hochauflösende Auswertung der Intensitätsverteilung I_R hat jedoch den Nachteil, dass eine vollständige Vermessung der Substratoberfläche 13 sehr zeitaufwendig ist. Gemäß einer Ausführungsform wird daher die auf dem Detektor 46 erzeugte Intensitätsverteilung mit einer vergleichsweise geringen Auflösung erfasst, und zwar so, dass für den in 8 gezeigten Bereich anstatt der Intensitätsverteilung I_R lediglich ein konstanter Intensitätswert I_M aufgezeichnet wird.
Da der Intensitätswert I_M proportional zur für den „Pitchwalk“ charakteristischen Verschiebung Δx ist, kann mittels dieser Auswertung eine Variation des Ausmaßes des „Pitchwalk“, d.h. eine Variation von Δx über einen großen Bereich der Substratoberfläche 13 oder auch über die gesamte Substratoberfläche 13 in zeiteffizienter Weise erfolgen. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass a priori oder durch geeignete Messungen bekannt ist, dass der Grund für einen erhöhten Intensitätswert I_M im gesamten Messbereich in gleicher oder zumindest ähnlicher Weise auf den beschriebenen „Pitchwalk“ zurückgeht. Grundsätzlich kann nämlich, wie nachstehend näher beschrieben, ein derartiger erhöhter Intensitätswert I_M auch auf andere Konfigurationsfehler zurückgehen, wie beispielsweise auf den nachstehend unter Bezugnahme auf 9 beschriebenen „CD-Walk“. Analog dazu kann mittels der niedrig auflösenden Auswertung eine Variation eines Zentrierungsmaßes der Strukturelemente 16 in Bezug auf jeweils zum betroffenen Strukturelement benachbarte Strukturelemente über einen großen Bereich der Substratoberfläche oder über die gesamte Substratoberfläche 13 bestimmt werden.
Die in 10 unter (a) bis (c) dargestellten Intensitätsverteilungen zeigen verschiedene Beispiele für mittels der vorstehend beschriebenen geringauflösenden Intensitätsmessung über die gesamte Oberfläche eines Substrats 12 in Gestalt eines Wafers bestimmte Variationen des Intensitätswerts I_M . Dabei weisen jeweils die Randbereiche sowie zentrale Bereiche des entsprechenden Wafers starke Ausprägungen des „Pitchwalk“-Konfigurationsfehlers auf, wobei in der mit (b) bezeichneten Messung im Vergleich zur Messung (a) der zentrale Bereich des Substrats 12 auf Kosten des Randbereichs wesentlich stärker ausgeprägt ist.
9 veranschaulicht im oberen Abschnitt eine Strukurelementanordnung 14 mit einem als „CD-Walk“ bezeichneten Konfigurationsfehler, bei dem jedes n-te, z.B. jedes zweite, Strukturelement 16 gegenüber den anderen Strukturelementen 16 eine abweichende Breite aufweist. In dem in 9 veranschaulichten Beispiel ist jedes zweite Strukturelement, und zwar die Strukturelemente 16-1 und 16-3, von dieser Breitenabweichung betroffen. Die Referenzkonfiguration der Strukturelementanordnung 14 ohne Konfigurationsfehler setzt sich aus den in 9 mit unterbrochenen Linien dargestellten Strukturelementen 16-1 und 16-3 sowie den mit durchgezogenen Linien dargestellten Strukturelementen 16-2 und 16-4 zusammen. Die Referenzkonfiguration entspricht derjenigen aus 8, d.h. die Strukturelemente 16-1 bis 16-4 weisen eine jeweilige Breite a auf und sind jeweils durch einen 2a breiten Zwischenraum 17 voneinander getrennt. In der mit dem Konfigurationsfehler behafteten Anordnung sind weisen die Strukturelemente 16-1 und 16-3 jeweils eine um Δa vergrößerte Breite auf, d.h. deren Breite ist a+Aa.
Unter Zugrundelegung der in den 6 und 7 veranschaulichten Effekte ergibt sich für die reale, auf dem Detektor 46 erzeugte, Intensitätsverteilung I_R eine Abfolge von in gleichmäßigem Abstand angeordneten Maxima, deren jeweilige Höhe proportional zu Δa ist. Der mit I₀ bezeichnete Intensitätsverlauf von konstant null zeigt den für die Referenzkonfiguration erhaltenen Intensitätsverlauf. Wie durch Vergleich der Intensitätsverläufe I_R in den 8 und 9 ersichtlich, unterscheidet sich der den „Pitchwalk“ charakterisierende Intensitätsverlauf von dem den „CD-Walk“ charakterisierenden Intensitätsverlauf insbesondere darin, dass der Intensitätsverlauf des „Pitchwalk“ doppelt so viele Maxima wie der Intensitätsverlauf des „CD-Walk“ aufweist, welche darüber hinaus schmaler und jeweils paarweise gruppiert sind. Wird der Detektor 46 mit ausreichend hoher Auflösung konfiguriert bzw. die Intensitätsverteilung ausreichend stark vergrößert auf den Detektor 46 abgebildet, dass die in 9 gezeigte Intensitätsverteilung I_R aufgelöst werden kann, so kann aus der erwähnten Charakteristik der Intensitätsverteilung zunächst die genaue Art des Konfigurationsfehlers identifiziert werden, im vorliegenden Fall kann festgestellt werden, dass es sich um den vorstehend beschriebenen „CD-Walk“ handelt. Aus der Höhe der Maxima kann dann Δa entweder absolut oder relativ ermittelt werden. Bei einer relativen Ermittlung von Δa kann bestimmt werden, wie Δa zwischen in verschiedenen Abschnitten der Substratoberfläche 13 angeordneten Strukturelementanordnungen variiert.
Wie bereits vorstehend erwähnt, wird zur Verringerung des Zeitaufwandes gemäß einer Ausführungsform die auf dem Detektor erzeugte Intensitätsverteilung mit einer vergleichsweise geringen Auflösung erfasst, und zwar so, dass für den in 9 gezeigten Bereich anstatt der Intensitätsverteilung I_R lediglich ein konstanter Intensitätswert I_M aufgezeichnet wird.
Da der Intensitätswert I_M proportional zur für den „CD-Walk“ charakteristischen Verbreiterung Δa ist, kann mittels dieser Auswertung eine Variation des Ausmaßes des „CD-Walk“, d.h. eine Variation von Δa über einen großen Bereich der Substratoberfläche 13 oder auch über die gesamte Substratoberfläche 13 in zeiteffizienter Weise erfolgen. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass a priori oder durch geeignete Messungen bekannt ist, dass der Grund für einen erhöhten Intensitätswert I_M im gesamten Messbereich in gleicher oder zumindest ähnlicher Weise auf den beschriebenen „CD-Walk“ zurückgeht.
Die in 10 unter (a) bis (c) dargestellten Intensitätsverteilungen können auch auf Messungen von Substraten 12 zurückgehen, bei denen der Konfigurationsfehler maßgeblich durch „CD-Walk“ bestimmt ist. In diesem Fall lassen sich aus den Intensitätsverteilungen gemäß 10 ablesen, in welchen Bereichen des Substrats 12 der „CD-Walk“ besonders stark und in welchen Bereichen besonders schwach ausgeprägt ist.
11 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 10 zur Vermessung von Strukturen auf einem für den Einsatz in der Mikrolithographie konfigurierten Substrat 12. Diese Messvorrichtung unterscheidet sich von der Messvorrichtung 10 gemäß 1 lediglich in der Anordnung der Fokussierlinse 42 sowie in der Konfiguration der Strahlaufspaltungseinrichtung, welche in der Ausführung gemäß 11 mit dem Bezugszeichen 36c bezeichnet ist. Die zu vermessenden Strukturen umfassen ebenfalls eine Mehrzahl von über die Substratoberfläche 13 verteilten Strukturelementanordnungen 14, welche wiederum jeweils eine Mehrzahl an Strukturelementen 16 umfassen. Anders als gemäß 1 sind die Strukturelemente 16 der Strukturelementanordnungen 14 nicht entlang der Substratoberfläche 13, sondern quer zur Substratoberfläche 13 beabstandet und damit übereinander, angeordnet. Dabei ist der jeweilige Mitte-zu-Mitte-Abstand d zwischen den Strukturelementen 16 ebenfalls an einen vorgegebenen Sollabstand do angepasst, der nun jedoch ein vertikaler, d.h. ein in z-Richtung orientierter Sollabstand ist. Der einzelne tatsächliche Mitte-zu-Mitte-Abstand d zwischen den übereinander angeordneten Strukturelementen 16 kann aufgrund von Fertigungsfehlern bzw. Fertigungsabweichungen vom Sollabstand do abweichen. Diese Abweichungen können wie auch die vorstehend unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschriebenen horizontalen Abweichungen von Strukturelement 16 zu Strukturelement 16 variieren oder ein bestimmtes Muster aufweisen.
Die Anordnung aus der Fokussierlinse 42 und der Strahlaufspaltungseinrichtung 36c gemäß 11 dient ebenfalls der Erzeugung von mindestens zwei auf die Substratoberfläche 13 gerichteten Teilstrahlen 38 und 40, jedoch weisen diese Teilstrahlen 38 und 40 nicht, wie bei der Anordnung aus Strahlaufspaltungseinrichtung 36a und Fokussierlinse 42 gemäß 1 unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen auf, sondern unterschiedliche Fokuseinstellungen in Bezug auf die Substratoberfläche 13, d.h. unterschiedliche Fokuseinstellungen in z-Richtung, auf.
Die Fokuseinstellungen sind dabei derart gewählt, dass die Fokuspunkte der Teilstrahlen 38 und 40 quer zur Substratoberfläche 13 um den Sollabstand do oder ein Vielfaches des Sollabstands zueinander versetzt sind. Damit treten bei geeigneter Anordnung des Substrats 12 jeweils auf im Sollabstand do oder einem Vielfachen des Sollabstands übereinander angeordnete Strukturelemente 16 auf, wie in 11 für das an der Substratoberfläche 13 angeordnete Strukturelement 16 sowie das unmittelbar darunter angeordnete Strukturelement 16 veranschaulicht.
Zur Erzeugung der unterschiedlichen Fokuseinstellungen in z-Richtung ist die Strahlaufspaltungseinrichtung 36c in der Ausführungsform gemäß 11 als diffraktives optisches Element, und zwar als komplex codiertes diffraktives optisches Element mit mindestens zwei überlagerten diffraktiven Strukturmustern konfiguriert. Eine Feinanpassung der Fokuseinstellungen der Teilstrahlen 38 und 40 an den Sollabstand do kann durch Veränderung der genauen Wellenlänge der Messstrahlung 24 mittels der Wellenlängeneinstelleinrichtung 22 oder durch Verschiebung des diffraktiven optischen Elements der Strahlaufspaltungseinrichtung 36 in z-Richtung und entsprechende Anpassung der z-Position des Substrats erfolgen, wie in 11 mittels der mit den Bezugszeichen 54 und 56 versehenen Doppelpfeile veranschaulicht.
12 veranschaulicht eine gegenüber der in 11 gezeigten Ausführung alternative Ausführungsform zur Erzeugung der Teilstrahlen 38 und 40 mit unterschiedlichen z-Fokuseinstellungen. Hier enthält die von der Strahlungsquelle 20 erzeugte Messstrahlung zwei unterschiedliche Wellenlängen λ₁ und λ₂ . Anstatt der Fokussierlinse 42 und der Strahlaufspaltungseinrichtung 36c in Gestalt eines komplex kodierten diffraktiven optischen Elements gemäß 11 findet in der Ausführungsform gemäß 12 ein einfach codiertes diffraktives optisches Element mit einer strahlfokussierenden Funktion als Strahlaufspaltungseinrichtung 36c Verwendung. Während der Teil der Messstrahlung mit der Wellenlänge λ₁ als Teilstrahl 38 auf die Substratoberfläche 13 fokussiert wird, dient der Teil der Messstrahlung mit der Wellenlänge λ₂ als Teilstrahl 40 mit einer in z-Richtung um den Sollabstand do nach unten versetzten Fokuseinstellung. Eine Feinanpassung der Fokuseinstellungen der Teilstrahlen 38 und 40 an den Sollabstand do kann hier durch Veränderung der Wellenlängen λ₁ und λ₂ etwa mittels geeigneter Wellenlängenfilter erfolgen. Grundsätzlich ist bei der Erzeugung der Teilstrahlen 38 und 40 in der Ausführungsform gemäß 12 darauf zu achten, dass die Teilstrahlen 38 und 40 ausreichend kohärent zueinander sind, um ein Interferenzmuster am Detektor 46 zu bilden. Dies kann durch die Wahl ausreichend nah zueinander liegender Wellenlängen λ₁ und λ₂ und/oder insbesondere durch den Einsatz von Fequenzkämmen bewerkstelligt werden.
Wie in 11 veranschaulicht, werden die Teilstrahlen 38 und 40 an den entsprechenden Strukturelementen 16 reflektiert und von der Strahlaufspaltungseinrichtung 36c wieder rekombiniert, sodass im vertikalen Sollabstand do oder einem Vielfachen des Sollabstands angeordnete Strukturelemente 16 einander überlagernd auf den Detektor 46 abgebildet werden. Die Auswerteeinheit 47 ermittelt eine jeweilige Abweichung eines Konfigurationsparameters der Strukturelementanordnungen 14, wie etwa eine Abweichung eines tatsächlichen Mitte-zu-Mitte-Abstands d zwischen den Strukturelementen der jeweiligen Strukturelementanordnung 14 vom Sollabstand do. Dies erfolgt analog zur vorstehend bezüglich der Messvorrichtung 10 gemäß der 1 und 3 erläuterten Auswertung der vom Detektor 46 aufgezeichneten Intensitätsverteilung.
In den 13 und 14 wird eine Verwendung der Messvorrichtung 10 gemäß 11 zur Bestimmung eines Overlayfehlers zwischen unterschiedlichen Ebenen eines Substrats 12 veranschaulicht. Bei den unterschiedlichen Ebenen kann es sich um im Herstellungsprozess eines Halbleiterwafers nacheinander mittels jeweiliger photolithographischer Belichtungen auf den Wafer aufgebrachte Strukturebenen handeln. Zwischen den photolithographischen Belichtungen werden üblicherweise andere Fertigungsschritte, wie etwa Ätzschritte, Materialablagerungsschritte etc. ausgeführt. Zur Sicherstellung der Funktionalität des mittels der Halbleiterfertigung hergestellten Halbleiterchips ist es wichtig, dass die photolithographisch aufgebrachten Strukturebenen innerhalb bestimmter Toleranzen aufeinander ausgerichtet sind. Laterale Abweichungen der Strukturebenen werden allgemein als „Overlayfehler“ bezeichnet.
Zur Vermessung von derartigen Overlayfehlern wird gemäß einem Ausführungsbeispiel die in 13 in Draufsicht veranschaulichte Metrologiestruktur 116 in mindestens zwei photolithographisch aufgebrachten Strukturebenen erzeugt. Dabei wird die Metrologiestruktur 116 an mehreren identischen Orten der jeweiligen Strukturebene erzeugt, sodass die Metrologiestrukturen 116 bei Aufbringung ohne Overlayfehler in Draufsicht gemäß 13 exakt übereinander liegen. Die Metrologiestrukturen 116 sind in der Ausführungsform gemäß 13 jeweils als quadratischer Rahmen ausgebildet.
14 zeigt in dem linken Bereich den jeweils linksseitigen Abschnitt des Rahmens von übereinander angeordneten Metrologiestrukturen 116 im Schnitt entlang der Linie XIV-XIV aus 13. Die genannten linksseitigen Abschnitte des Rahmens der jeweiligen Metrologiestruktur 116 werden in der Schnittdarstellung von 14 als oberes Strukturelement 16-1 bzw. unteres Strukturelement 16-2 bezeichnet. Dabei wird in 14 die Situation veranschaulicht, in der das untere Strukturelement 16-2 gegenüber dem oberen Strukturelement 16-1 um den Overlayfeher Δx verschoben ist.
Wie im l-x-Diagramm von 14 veranschaulicht ergibt sich für die reale, auf dem Detektor 46 der Messvorrichtung 10 gemäß 11 erzeugte Intensitätsverteilung I_R zwei Maxima, deren Höhe proportional zum Overlayfehler Δx ist. Für den Idealfall ohne Overlayfehler (Δx=0) ergibt sich der mit I₀ bezeichnete Intensitätsverlauf von konstant null. Gemäß einer Ausführungsform wird zur zeiteffizienten Auswertung großer Flächenbereiches des Substrats 12 die auf dem Detektor erzeugte Intensitätsverteilung mit einer vergleichsweise geringen Auflösung erfasst, und zwar so, dass für den in 14 gezeigten Bereich anstatt der Intensitätsverteilung I_R lediglich ein konstanter Intensitätswert I_M aufgezeichnet wird.
Da der Intensitätswert I_M proportional zum Overlayfehler Δx ist, kann mittels dieser Auswertung eine Variation des Overlayfehlers Δx an unterschiedlichen, über einen großen Bereich der Substratoberfläche 13 bzw. die gesamte Substratoberfläche 13 verteilten, Metrologieorten in zeiteffizienter Weise ermittelt werden.
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, Ausführungsvarianten bzw. Ausführungsbespiele ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen, insoweit sie in den Rahmen der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen fallen, sowie Äquivalente vom Schutz der Ansprüche abgedeckt sein.
Bezugszeichenliste

10: Messvorrichtung
12: Substrat
13: Substratoberfläche
14: Strukturelementanordnung
16: Strukturelement
17: Zwischenraum
18: Beleuchtungseinheit
20: Strahlungsquelle
22: Wellenlängeneinstelleinrichtung
24: Messstrahlung
26: Fokussierlinse
28: Raumfilter
30: Fokussierlinse
32: Messstrahl
34: Strahlteiler
36a, 36b, 36c: Strahlaufspaltungseinrichtung
38: erster Teilstrahl
39: Ausbreitungsrichtung des ersten Teilstrahls
40: zweiter Teilstrahl
41: Ausbreitungsrichtung des zweiten Teilstrahls
42: Fokussierlinse
44: Fokussierlinse
46: zweidimensional auflösender Detektor
47: Auswerteeinheit
48, 50: doppelbrechende Prismenelemente
49, 51: optische Achsen
52: Kittmaterial
54: Verschiebungsrichtung
56: Verschiebungsrichtung
116: Metrologiestruktur
a: Breite
d: Mitte-zu-Mitte-Abstand
do: Sollabstand

Claims

Verfahren zur Vermessung von Strukturen auf einem Substrat (12), welches insbesondere für den Einsatz in der Mikrolithographie konfiguriert) ist, wobei die Strukturen eine Mehrzahl von über zumindest einen Abschnitt des Substrats verteilten Strukturelementanordnungen (14) mit jeweils mindestens zwei Strukturelementen (16) umfassen, bei denen der jeweilige Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Strukturelementen an einen Sollabstand angepasst ist, und das Verfahren umfasst: - Aufspalten eines Messstrahls (32) in mindestens zwei, auf eine Oberfläche (13) des Substrats gerichtete Teilstrahlen (38, 40) sowie - Rekombinieren der Teilstrahlen (38, 40) nach Wechselwirkung mit dem Substrat und Aufzeichnen einer Intensitätsverteilung der rekombinierten Teilstrahlen mittels eines Detektors (46), wobei die mindestens zwei, auf die Substratoberfläche gerichteten Teilstrahlen derart an den Sollabstand angepasst werden, dass im Sollabstand oder einem Vielfachen des Sollabstandes angeordnete Strukturelemente einander überlagernd auf den Detektor abgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine jeweilige Abweichung eines Konfigurationsparameters der Strukturelementanordnungen (14) von einem Sollwert durch Auswertung der vom Detektor aufgezeichneten Intensitätsverteilung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die einander überlagernd auf den Detektor abgebildeten Strukturelemente (16) entlang der Oberfläche des Substrats voneinander beabstandet angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die auf das Substrat gerichteten Teilstrahlen (38, 40) unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen (39, 41) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die auf das Substrat gerichteten Teilstrahlen (38, 40) am Substrat um den Sollabstand oder ein Vielfaches des Sollabstandes zueinander versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die einander überlagernd auf den Detektor abgebildeten Strukturelemente (16) quer zur Oberfläche (13) des Substrats voneinander beabstandet angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 6, bei dem die auf das Substrat gerichteten Teilstrahlen (38, 40) in Bezug auf die Substratoberfläche unterschiedliche Fokuseinstellungen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Fokuseinstellungen der Teilstrahlen um den Sollabstand oder ein Vielfaches des Sollabstandes zueinander versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die einander überlagernd auf den Detektor abgebildeten Strukturelemente in unterschiedlichen Ebenen des Substrats angeordnete Metrologiestrukturen (116) umfassen, der Konfigurationsparameter eine Überlagerungsgenauigkeit der Metrologiestrukturen umfasst und durch die Auswertung der vom Detektor aufgezeichneten Intensitätsverteilung ein Overlayfehler zwischen den unterschiedlichen Ebenen des Substrats bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem der Konfigurationsparameter einen tatsächlichen Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Strukturelementen (16) der jeweiligen Strukturelementanordnung (14) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8 oder 10, bei dem die Strukturelementanordnungen (14) jeweils mindestens drei Strukturelemente (16) umfassen und der Konfigurationsparameter ein Zentrierungsmaß eines der Strukturelemente einer jeweiligen Strukturelementanordnung in Bezug auf jeweils zum betroffenen Strukturelement benachbarte Strukturelemente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Strukturelementanordnungen (14) jeweils eine Vielzahl an Strukturelementen umfassen, bei denen der Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen einem jeweiligen Strukturelement (16-1) und dessen übernächsten Nachbarn (16-3) jeweils den doppelten Sollabstand beträgt und der Konfigurationsparameter das Zentrierungsmaß von jeweils dazwischen angeordneten Strukturelementen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Konfigurationsparameter eine jeweilige Breite der Strukturelemente (16) einer Strukturelementanordnung (14) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 13, bei dem bei der Bestimmung der Abweichung des Konfigurationsparameters eine Abweichung der Breite des jeweiligen Strukturelements (16-1) in Bezug auf ein benachbartes Strukturelement (16-2) bestimmt wird.
Messvorrichtung (10) zur Vermessung von Strukturen auf einem Substrat, welches insbesondere für den Einsatz in der Mikrolithographie konfiguriert ist, wobei die Strukturen eine Mehrzahl von über zumindest einen Abschnitt des Substrats verteilten Strukturelementanordnungen (14) mit jeweils mindestens zwei Strukturelementen (16) umfassen, bei denen der jeweilige Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Strukturelementen an einen Sollabstand angepasst ist, mit: - einer Strahlaufspaltungseinrichtung (36a, 36b, 36c) zum Aufspalten eines Messstrahls (32) in mindestens zwei auf eine Oberfläche des Substrats gerichtete Teilstrahlen (38, 40) sowie - einem Detektor (46) zum Aufzeichnen einer durch Rekombination der Teilstrahlen nach Wechselwirkung mit dem Substrat erzeugten Intensitätsverteilung, wobei die Strahlaufspaltungseinrichtung (36a, 36b, 36c) dazu konfiguriert ist, die mindestens zwei, auf die Substratoberfläche gerichteten Teilstrahlen derart an den Sollabstand anzupassen, dass im Sollabstand oder einem Vielfachen des Sollabstandes angeordnete Strukturelemente einander überlagernd auf den Detektor abgebildet werden.