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Gebiet der
vorliegenden Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende
Erfindung die Messtechnik bei der Herstellung von Mikrostrukturen,
etwa von integrierten Schaltungen, und betrifft insbesondere die
Messung von Abmessungen von Mikrostrukturelementen mittels Messanlagen, etwa
eines Rasterelektronenmikroskops (SEM), die die Bestimmung kritischer
Abmessungen (CD) der Mikrostrukturen ermöglichen.
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Bei der Herstellung von Mikrostrukturen, etwa
von integrierten Schaltungen, mikromechanischen Elementen, optoelektronischen
Komponenten und dergleichen, werden Bauteilstrukturelemente, etwa
Schaltungselemente, typischerweise auf einem geeigneten Substrat
gebildet, indem die Oberflächenbereiche
einer oder mehrerer Materialschichten, die zuvor auf dem Substrat
gebildet wurden, strukturiert werden. Da die Abmessungen, d. h.
die Länge, die
Breite und die Höhe
der einzelnen Strukturelemente ständig verringert wird, um die
Leistungsfähigkeit
und die Kosteneffizienz zu verbessern, müssen diese Abmessungen innerhalb
strikt vorgeschriebener Toleranzen gehalten werden, um die erforderliche
Funktionalität
des fertiggestellten Bauteils sicherzustellen. Für gewöhnlich müssen eine große Anzahl
an Prozessschritten ausgeführt
werden, um eine Mikrostruktur fertigzustellen, und daher müssen die
Abmessungen der Strukturelemente während der diversen Herstellungsstadien
sorgfältig überwacht werden,
um die Prozessqualität
aufrecht zu erhalten und um weitere kostenintensive Prozessschritte
zu vermeiden, wenn Prozessanlagen die Spezifikationen in einem anfänglichen
Herstellungsstadium nicht erfüllen.
Beispielsweise ist in modernsten CMOS-Bauteilelementen die Gateelektrode,
die als eine auf einer dünnen
Gateisolationsschicht gebildete Polysiliziumlinie aufgefasst werden
kann, ein äußerst kritisches
Strukturelement eines Feldeffekttransistors und hat einen großen Einfluss
auf dessen Eigenschaften. Daher muss die Größe und die Form der Gateelektrode
präzise
gesteuert werden, um die erforderlichen Transistoreigenschaften
bereitzustellen. Es werden daher große Anstrengungen unternommen,
um die Abmessungen der Gateelektrode ständig zu überwachen.
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Bauteilelemente werden typischerweise
hergestellt, indem ein spezifiziertes Muster aus einer Photomaske
oder einem Retikel auf ein strahlungsempfindliches Photolackmaterial
mittels optischer Abbildungssysteme und anschließender fortschrittlicher Lackbehandlungs- und Entwicklungsverfahren übertragen
wird, um eine Lackmaske mit Abmessungen zu erhalten, die deutlich
kleiner als das optische Auflösungsvermögen des
Abbildungssystems sind. Es ist daher äußerst wichtig, die Abmessungen
dieser Lackstrukturelemente präzise
zu steuern und zu überwachen,
da diese Strukturelemente, die die Abmessungen der tatsächlichen
Bauteilstrukturelemente bestimmen, "überarbeitet" werden können, wenn eine
Abweichung von der Prozessspezifizierung erkannt wird.
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Ein häufig verwendetes Messwerkzeug
zum Bestimmen der Strukturgrößen in nicht
zerstörender Weise
ist das Rasterelektronenmikroskop ( SEM), das auf Grund der kurzen
Wellenlänge
der Elektronen in der Lage ist, Strukturelemente mit Abmessungen,
die auch als kritische Dimensionen (CD) bezeichnet werden, im Bereich
deutlich unter einem Mikrometer auflösen kann. Prinzipiell werden
beim Anwenden eines SEM Elektronen, die aus einer Elektronenquelle
ausgesandt werden, auf einen kleinen Fleck auf dem Substrat mittels
eines Strahlformungssystems fokussiert. Die durch die einfallenden
Elektronen erzeugte Sekundärstrahlung
wird dann erfasst und in geeigneter Weise dargestellt. Obwohl ein
SEM eine überlegene
Auflösung
im Vergleich zu optischen Messinstrumenten aufweist, hängt die
Genauigkeit der Messergebnisse stark von der Fähigkeit ab, den Fokus des SEM
in korrekter Weise einzustellen, d. h. in korrekter Weise einen
oder mehrere Anlagenparameter, etwa den Linsenstrom einer magnetischen Linse,
die Beschleunigungsspannung und dergleichen einzustellen. Beim Abtasten
eines Strukturelements, etwa einer Linie, kann beispielsweise ein Elektronenstrahl,
der nicht auf die optimierte Fokusbedingung eingestellt ist, zu
einem vergrößerten Messwert
führen,
wohingegen das Abtasten eines Grabens mit einem leicht defokussierten
Elektronenstrahl zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Grabenbreite
führen
kann. Da die ständig
kleiner werdenden Strukturgrößen modernster
Mikrostrukturen äußerst strenge
Anforderungen hinsichtlich der Kontrollierbarkeit von kritischen
Dimensionen auferlegen, werden die Messtoleranzen der Messanlagen sogar
noch restriktiver, da die eng gesetzten kritischen Abmessungen in
reproduzierbarer und zuverlässiger
Weise überwacht
werden müssen.
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In einigen konventionellen SEM-Anlagen wird
der Fokus manuell von einem Bediener festgelegt und überprüft. Dieses
Verfahren ist jedoch nicht ausreichend sensibel, da die Anlageneinstellung deutlich
von der Fertigkeit und der Erfahrung des Bedieners abhängt. In
anderen konventionellen Verfahren zur Fokussierung einer SEM-Anlage
kann ein optisches Mikroskop verwendet werden, um die Position in
der Tiefenrichtung der Strukturelemente darzustellen und um die
erhaltene Tiefenposition mit einem oder mehreren Vorrichtungsparametern
der SEM-Anlage in Beziehung zu setzen, um damit Fokusbedingungen
für die
nachfolgende Messung der Strukturelemente zu gewinnen. Auf Grund
der beim Bestimmen einer geeigneten Fokustiefe beteiligten Variablen
erweisen sich diese Verfahren als nur schwer reproduzierbar und
können
daher nicht in ausreichender Weise das erforderliche "Messbudget" bereitstellen. Angesichts
der zuvor angeführten
Probleme werden seit einiger Zeit SEM-Anlagen verwendet, die so
gestaltet sind, um Dimensionsmessungen in im Wesentlichen vollständig automatischer
Weise auszuführen.
D. h., diese SEM-Anlagen wiederholen für jedes Messziel einen Prozessablauf
mit Mustererkennung, automatischer Fokussierung der Anlage und Messung
des interessierenden Musters. Mit abnehmenden Strukturgrößen erweist
sich das automatische Bestimmen optimaler Auflösungsbedingungen zunehmend
als eine Herausforderung, da beispielsweise das Strahlformungssystem
moderner SEM-Anlagen so gestaltet ist, um eine optische Auflösung bei
zunehmend geringerer Fokustiefe zu ergeben, während Strukturelemente mit
zunehmend reduzierter Größe ein geringeres
Signal für
die automatisierten Fokussieralgorithmen produzieren, die in diesen
Anlagen implementiert sind. Wenn daher eine Routine zum Bestimmen
einer optimalen Auflösung einer
Inspektionsanlage ausgeführt
wird, kann die ermittelte Einstellung ein gewisses Maß an Unsicherheit
aufweisen, die durch das spezielle verwendete Inspektionsinstrument
und das funktionale Verhalten beispielsweise der implementierten
Fokusermittelungsalgorithmen und den aktuellen Bedingungen bestimmt
ist. Obwohl daher moderne bekannte Inspektionsanlagen eine erhöhte Genauigkeit
und einen verbesserten Durchsatz durch das automatische Bestimmen
geeigneter Fokus- und Auflösungsbedingungen
ermöglichen,
sind die Anforderungen für äußerst eng
gesetzte Messtoleranzen, die für
Strukturelementsgrößen von
0.08 Mikrometer und sogar weniger erforderlich sind, nicht in zufriedenstellender Weise
durch gegenwärtig
verfügbare
Inspektionsanlagen erfüllt.
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Angesichts der obigen Problematik
wäre es daher
wünschenswert,
eine Technik bereitzustellen, die das zuverlässige Bestimmen der Abmessungen von
Strukturelementen im Bereich deutlich unterhalb eines Mikrometers
mit minimaler Abweichung ermöglicht.
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Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung
an eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Abmessung
eines Strukturelements, wobei mehrere Auflösungs- oder Fokusbedingungen gewählt werden
und die Abmessung des Strukturelements für jede dieser Bedingungen gemessen
wird. Auf der Grundlage dieser Messwerte wird dann die tatsächliche
Abmessung des Strukturelements berechnet, wobei eine Information
hinsichtlich der Art des zu messenden Strukturelements berücksichtigt wird
und/oder ein Algorithmus zum Auffinden einer "optimalen" Auflösung oder eines Fokus der Inspektionsanlage
für eine
der mehreren Messungen angewendet wird. Zu beachten ist, dass in
der Beschreibung die Begriffe "Auflösung" und "Fokus" austauschbar sind
für Messanlagen
mit einem Strahlformungssystem, das eine aktive Steuerung eines
sondierenden Strahls ermöglicht,
der von der Messanlage ausgesendet wird. Beispielsweise ist ein
SEM in der Lage, die Eigenschaften eines ausgesandten Elektronenstrahls
zu steuern, wobei beispielsweise eine Größe der Strahlungstaille als
ein Fokus bestimmender und damit ein Auflösung bestimmender Parameter
aufgefasst werden kann, so dass dieser Fokusparameter die Fähigkeit
der Anlage beschreibt, eine minimale Abmessung in präziser Weise
zu erhalten. In anderen Anwendungen kann der Begriff Fokus als ungeeignet
betrachtet werden, um diese Fähigkeit
zu beschreiben, und daher wird der Begriff Auflösung als ein generischer Begriff
verwendet, um im Allgemeinen die Fähigkeit zum Bestimmen einer minimalen
Strukturgröße in einem
einzelnen Messzyklus quantitativ zu kennzeichnen.
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Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer
Abmessung eines Strukturelements das Bereitstellen einer Inspektionsanlage
mit einer Auflösung,
die durch mindestens einen Auflösungsparameter
einstellbar ist. Mehrere Werte des mindestens einen Auflösungsparameter
werden dann bestimmt und die Abmessung wird für unterschiedliche Auflösungen gemessen,
um mehrere Messergebnisse zu erhalten, wobei jede Auflösung durch
einen entsprechenden der Werte vertreten ist. Des weiteren wird
eine endgültige
Abmessung des Strukturelements auf der Grundlage der mehreren Messergebnisse
und auf der Grundlage von Informationen über das zu messende Strukturelement
berechnet.
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Gemäß einer weiteren anschaulichen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer
Abmessung eines Strukturelements das Bereitstellen einer Inspektionsanlage
mit einer Auflösung,
die durch mindestens einen Auflösungsparameter
einstellbar ist. Ein erster Wert des mindestens einen Auflösungsparameter wird
so bestimmt, dass die Auflösung
ein vordefiniertes Auflösungskriterium
erfüllt.
Anschließend
wird die Abmessung mit dem ersten Wert gemessen, um ein erstes Messergebnis
zu gewinnen. Danach wird die Abmessung mit einem zweiten Wert des
mindestens einen Auflösungsparameter,
der größer als
der erste Wert ist, gemessen, um ein zweites Messergebnis zu erhalten.
Des weiteren wird die Abmessung mit einem dritten Wert des mindestens
einen Auflösungsparameters,
der kleiner als der erste Wert ist, gemessen, um ein drittes Messergebnis
zu erhalten und anschließend
wird eine endgültige
Abmessung des Strukturelements auf der Grundlage des ersten, des zweiten
und des dritten Messergebnisses abgeschätzt.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bestimmung
der Abmessung eines Strukturelements das Bereitstellen einer Inspektionsanlage
mit einer Auflösung,
die durch mindestens einen Auflösungsparameter
einstellbar ist. Mehrere Werte des mindestens einen Auflösungsparameter werden
bestimmt und die Abmessung wird mit jedem der mehreren Werte gemessen,
um entsprechende Messergebnisse zu gewinnen. Ferner werden die Messergebnisse
mit den Werten durch eine mathematische Funktion in Beziehung gesetzt
und eine endgültige
Abmessung des Strukturelements wird durch Bestimmen einer spezifizierten
Eigenschaft der mathematischen Funktion berechnet.
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Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Messsystem einen Messbereich,
der ausgestaltet ist, ein Signal zu erzeugen, das für einen
Oberflächenbereich
eines zu messenden Werkstücks kennzeichnend
ist. Ferner ist ein Auflösungseinstellbereich
vorgesehen und so ausgestaltet, um mindestens einen Systemparameter
zu steuern, um damit eine Auflösung
des Systems einzustellen. Eine Steuereinheit steht in Verbindung
mit dem Messbereich und dem Auflösungseinstellbereich,
wobei die Steuereinheit so gestaltet ist, um mehrere Parameterwerte
auszuwählen,
um damit den Auflösungseinstellbereich
auf unterschiedliche Auflösungen
einzustellen und wobei die Steuereinheit ferner so gestaltet ist, um
eine Abmessung eines Strukturelements, das in dem Oberflächenbereich
ausgebildet ist, auf der Grundlage eines Messergebnisses für jede der
unterschiedlichen Auflösungen
zu berechnen.
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Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
sind in den angefügten
Patentansprüchen
definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird;
Es zeigen:
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1 schematisch
ein Messsystem mit einem SEM- und einer Steuereinheit gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Endung;
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2a und 2b schematisch die Wirkung
eines defokussierten Elektronenstrahls, der über ein Bauteilelement geführt wird;
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3 einen
Graph, der ein typisches Ergebnis darstellt, das für eine CD-Bestimmung
einer anschaulichen Ausführungsform
erhalten wird;
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4 einen
Graph, der Messergebnisse darstellt, die mittels eines nicht-optimierten
Auflösungserkennungsalgorithmus
erhalten werden können;
und
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5 schematisch
ein weiteres Messsystem mit einem Atombindungskraftmikroskop (AFM)
in einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Zu beachten ist, dass, obwohl die
vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellt
sind, diese Beschreibung nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung
auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern
die beschriebenen Ausführungsformen
stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden
Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Wie zuvor dargestellt ist, erfordern
das Reduzieren der Strukturelementsgrößen und wirtschaftliche Zwänge, dass
die Herstellern von Mikrostrukturen Messsysteme für CD-Messungen verwenden,
die genaue Messergebnisse sicherstellen, während gleichzeitig ein hoher
Durchsatz erzielt wird. Automatisierte Messanlagen für nicht-destruktive
CD-Messungen können äußerst komplexe
und teure Anlagen in einer Prozesslinie darstellen, wobei die erforderlichen
Prozesstoleranzen trotzdem nur unter großen Schwierigkeiten erreichbar
sind, insbesondere wenn dies auch für künftige Bauteilgenerationen
erreicht werden soll. Die vorliegende Erfindung liefert eine deutliche
Verbesserung der Messgenauigkeit und somit eine Verbesserung der
Anlagenausnutzung für gegenwärtige und
künftige
Generationen von Mikrostrukturen, indem der Einfluss der automatisierten Auflösungserkennungsalgorithmen
verringert wird.
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Mit Bezug zu 1 wird nun ein Messsystem für eine automatisierte
nicht-destruktive CD-Messung
gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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In 1 umfasst
ein Messsystem 100 einen Messbereich 150, einen
Parametereinstellbereich 110, der damit verbunden ist,
und eine Steuereinheit 120, die in Verbindung mit dem Messbereich 150 und dem
Parametereinstellbereich 110 steht. Der Messbereich 150 umfasst
eine Kathode 151 und eine Anode 152, die so gestaltet
und angeordnet sind, um während
des Betriebs einen Elektronenstrahl 153 zu erzeugen. Ein
Strahlformungssystem 154 umfasst ablenkende Elemente 155,
beispielsweise in Form von Elektrodenplatten und/oder Spulen, und
eine oder mehrere magnetische Linsen 156. Eine Halterung 157 ist
so ausgebildet und so angeordnet, um ein Werkstück 158 beispielsweise
ein Halbleitersubstrat oder einen Halbleiterchip in Position zu
halten. Der Einfachheit halber sind Einrichtungen, die zum Einladen
und Ausladen des Werkstückes 158 in
die Halterung
157 erforderlich sind, nicht gezeigt. Ein
Detektor 159, der an ein Verstärker 160 gekoppelt
ist, ist so positioniert, um ein Signal von dem Werkstück 158 zu
empfangen. Eine Anzeigeeinrichtung 161, etwa eine Kathodenstrahlröhre (CRT)
ist mit dem Verstärker 160 verbunden
und ist ferner so ausgebildet, um ein Signal zu erzeugen, das für das von
dem Detektor 159 über
den Verstärker 160 empfangene
Signal kennzeichnend ist. Für
die CRT 161 sind Ablenkelemente 162 vorgesehen,
die mittels eines Vergrößerungseinstellelements 164 mit
dem Strahlablenkelementen 155 verbunden sind. Ferner ist
ein Abtastgenerator 163 mit den Ablenkelementen 155 und 162 verbunden.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Anzeigeinrichtung 161 eine
beliebige Anordnung repräsentieren
soll, die das Beobachten und/oder Aufzeichnen eines Ausgangssignals,
das von den Verstärker 160 geliefert
wird, ermöglicht.
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Ferner ist die Steuereinheit 120 mit
dem Verstärker 160 und
mit dem Parametereinstellbereich 110 verbunden. Im Gegensatz
zu konventionellen Geräten
ist die Steuereinheit 120 so aufgebaut, um den Parametereinstellbereich 110 anzuweisen,
diverse Werte für
einen oder mehrere Anlagenparameter auszuwählen, so dass eine Auflösung, beispielsweise
der Fokus, des Messbereichs 150 in geeigneter Weise vor
dem Erzeugen eines Messergebnisses eingestellt werden kann.
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Der Betrieb des Messsystems 100 wird
nun auch mit Bezug zu 2 beschrieben.
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Das Werkstück 158 wird in die
Halterung 157 eingeladen und der Messbereich 150 wird
evakuiert, um geeignete Umgebungsbedingungen zum Erzeugen des Elektronenstrahls 153 zu
erzeugen.
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Anschließend wird ein typisches Muster
mit einem oder mehreren Strukturelementen, die zu messen sind, mittels
beispielsweise optischer Einrichtungen (nicht gezeigt) oder durch
entsprechendes Justieren des Vergrößerungssystems 164 identifiziert,
um eine relativ großräumige Sicht
auf das Werkstück 158 zu
erhalten, um damit das Erkennen des zu interessierenden Musters
zu ermöglichen.
Es sollte beachtet werden, dass beispielsweise eine beliebige Bildverarbeitungseinrichtung
für diesen Zweck
eingesetzt werden kann. Wenn der Elektronenstrahl 153 zur
Identifizierung des Zielmusters verwendet wird, weist die Steuereinheit 120 den
Parametereinstellbereich 110 an, einen oder mehrere Anlagenparameter
geeignet zu steuern, um damit ein geeignetes Signal aus dem Detektor 159 und
dem Verstärker 160 zu
erhalten, das zur Mustererkennung geeignet ist. Beispielsweise kann
eine Beschleunigungsspannung, die zwischen der Kathode 151 und der
Anode 152 angelegt wird und/oder ein Strom, der der einen
oder mehreren magnetischen Linsen 156 zugeführt wird,
gemäß vordefinierter
Einstellwerte ausgewählt
werden, um Signale zu erzeugen, die das Erkennen des Zielmusters
ermöglichen.
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Wenn das Zielmuster identifiziert
ist, instruiert die Steuereinheit 120 den Parametereinstellbereich 110,
den Wert mindestens eines Parameters zu variieren, so dass mehrere
unterschiedliche Auflösungsbedingungen,
d. h. im vorliegenden Fall unterschiedliche Fokusbedingungen, erzeugt
werden. Dann wird für
jeden der unterschiedlichen Werte ein Abtastvorgang durch Betreiben
des Abtastgenerators 163 in Gang gesetzt, so dass der von
dem momentan gültigen
Parameterwert geformte Elektronenstrahl 153 über ein
zu messendes Strukturelement gelenkt wird.
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Die Elektronen des Strahls 153,
die auf das Strukturelement treffen, erzeugen eine Vielzahl von Sekundärsignalen,
etwa Sekundärelektronen,
die von dem Material des Strukturelements freigesetzt werden, Elektronen,
die von dem Material des Strukturelements gestreut werden, Röntgenstrahlung,
die durch die Absorption von Primärelektronen, die Streuung der
Primärelektronen
und/oder die Emission der Sekundärelektronen
erzeugt wird, und dergleichen. Mindestens eines dieser Signale wird
von dem Detektor 159 nachgewiesen. Das entsprechende Signal,
das von dem Detektor 159 ausgesandt und von dem Verstärker 160 verstärkt wird,
wird der Steuereinheit 120 eingespeist, die nach Beendigung
des Abtastvorgangs ein erstes Messergebnis der Abmessung des Strukturelements
erzeugt. Diese Prozedur wird für
jede der mehreren unterschiedlichen Parameterwerte wiederholt, um
ein zweites, drittes und möglicherweise
mehr Messergebnisse zu erhalten, wobei jedes Messergebnis einer
anderen Auflösungsbedingung,
d. h. Fokusbedingung, des Messbereichs 150 entspricht.
Typischerweise hängt
das Messergebnis für
die Abmessung des Strukturelements von der Auflösungsbedingung, d. h. der Fokusbedingung
ab, die zum Erhalten des Messergebnisses angewendet wird, wie dies
detaillierter mit Bezug zu den 2a und 2b beschrieben ist.
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In 2a enthält das Werkstück 158 ein Strukturelement 240 in
Form einer Linie, etwa einer Lacklinie, mit einer lateralen Abmessung 230,
die auch als die kritische Abmessung betrachtet wird: Ein Strukturelement 250 in
Form eines Grabens mit einer kritischen Abmessung 230 ist
auf der rechten Seite der 2a dargestellt.
Auf der linken Seite der 2a ist
der Elektronenstrahl 153 so dargestellt, dass dieser von
dem Strahlformungssystem 154 mit einem Fokus 201 in
Form einer Strahltaille (nicht gezeigt) geformt ist, deren Größe im Wesentlichen
die Abbildungseigenschaften der Messanlage 100 bestimmt.
Daher ist der Elektronenstrahl 153 defokussiert. Der Elektronenstrahl 153 ist
für drei
unterschiedliche Abtastpositionen 210, 211 und 212 für eine Abtastbewegung,
wie sie durch den Pfeil 202 angedeutet ist, dargestellt.
In ähnlicher
Weise sind drei Abtastpositionen 220, 221 und 222 auf
der rechten Seite der 2a während der
Messung der kritischen Abmessung 230 des Grabens 250 gezeigt.
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2b zeigt
einen Graben, der ein qualitatives Ergebnis des Abtastens der Linie 240 und
des Grabens 250 zeigt. Die vertikale Achse repräsentiert das
Signal, das von dem Verstärker 160 gewonnen wird,
und die horizontale Achse repräsentiert
die Abtastposition. Kurven A und AA beschreiben qualitativ das Verhalten
des Ausgangssignals von dem Verstärker 160 für einen
defokussierten Elektronenstrahl (Kurve A) und einen "ideal" fokussierten Elektronenstrahl
(Kurve AA), wenn die Linie 240 abgetastet wird. Die Kurven
B und BB zeigen qualitativ das Verhalten des Ausgangssignals von
dem Verstärker 160 für einen
defokussierten Elektronenstrahl (Kurve B) und einen "ideal" fokussierten Elektronenstrahl
(Kurve BB), wenn der Graben 250 abgetastet wird. Typischerweise
kann der Elektronenstrahl 153 an der Position 210 ein
relativ schwaches "Hintergrundsignal" bei Wechselwirkung
mit den horizontalen Bereichen des Werkstücks 158 erzeugen.
Die Ränder
der Linie 240, die sich von der Oberfläche des Werkstücks 158 aus
erstrecken, erzeugen dann einen deutlichen Anstieg in dem Signal,
der durch eine erhöhte
Aussendung von Sekundärelektronen
auf Grund der geänderten
Topographie bei Einfall der Primärelektronen des
Strahls 153 bewirkt wird. In 2a wird
angenommen, dass der Fokus 210, d. h. die Strahltaille, nicht
optimal ist (Kurven A, B). Auf Grund der defokussierten Bedingung
erzeugt der Elektronenstrahl 153 daher eine breitere Signalform
im Vergleich zu einem optimal eingestellten Fokus (Kurve AA). Folglich
kann der entsprechende Erkennungsalgorithmus, der in der Steuereinheit 120 implementiert
ist, die kritische Abmessung 230 beim Erzeugen eines Messergebnisses 231 überschätzen.
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Anderseits kann für die gleichen Fokusbedingungen
das relativ geringe "Hintergrundsignal", das an der Abtastposition 220 erzeugt
wird, reduziert werden, wenn die Ränder des Grabens 250 überquert
werden, wie dies beispielsweise durch die Abtastposition 221 angedeutet
ist, wenn ein Teil des Strahls mit dem Randbereich des Grabens 250 wechselwirkt,
wohingegen eine verringerte Signalabschwächung in Positionen erreicht
wird, in denen im Wesentlichen der gesamte Elektronenstrahl 153 auf die
Unterseite des Grabens 250 auftrifft. Wiederum führt die
defokussierte Bedingung (Kurve B) zu einer breiteren Signalform
als ein "ideal" fokussierter Strahl (Kurve
B), so dass für
eine Signalabschwächung
die kritische Dimension unterschätzt
werden kann, wodurch ein zu kleines Messergebnis 232 erzeugt
wird. Folglich können
die Messergebnisse 231 und 232 empfindlich von
der Bedingung für
das Einstellen des Fokus 210 abhängen.
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In der vorliegenden Erfindung werden
daher mehrere unterschiedliche Parameterwerte ausgewählt, um
unterschiedliche Auflösungs-,
d. h. Fokusbedingungen, zu erhalten, wobei die Messergebnisse, etwa
die Ergebnisse 231 oder 232, verwendet werden,
um eine endgültige
oder "wahre" kritische Abmessung
zu berechnen, wodurch das Messbudget des Messsystems 100 minimiert
wird. Wie zuvor angemerkt wurde, werden in modernen SEM-Anlagen, etwa der
Anlage 100 automatisierte Fokuserkennungsalgorithmen jeweils
vor einer Vielzahl von Messzyklen verwendet, um zu versuchen, genaue Messungen
zu erreichen. Es ist daher offensichtlich, dass die Messergebnisse
von der Wirksamkeit des verwendeten Algorithmus abhängen.
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Daher wird in einer speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Endung die Auflösung
oder der Fokus, der mittels eines derartigen automatisierten Algorithmus
erhalten wird, lediglich als eine anfängliche Anlageneinstellung
zum Gewinnen eines ersten Messergebnisses angewendet und die Auflösung wird
so variiert, dass mindestens ein Parameter, der die Auflösung, d.
h. die Fokusbedingung, definiert, etwa der Strom zu der Magnetlinse 156 und/oder
die Beschleunigungsspannung, auf einen Wert oberhalb des zuvor durch
den Algorithmus ermittelten Wertes festgelegt wird. Anschließend wird eine
entsprechende kritische Abmessung gemessen, die ein anderes Messergebnis
als das erste Messergebnis auf Grund des höheren Maßes an Defokussierung ergibt,
unter der Voraussetzung, dass der Fokuserkennungsalgorithmus sehr
effizient ist. Danach wird der Parameterwert auf einen kleineren
Wert als der zuvor durch den Algorithmus ermittelte Wert gesetzt
und die entsprechende kritische Abmessung wird gemessen.
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3 zeigt
die entsprechenden Messergebnisse für ein Linienelement, etwa das
Linienelement 240, für
drei verschiedene Fokuseinstellungen. In 3 repräsentiert die horizontale Achse
diskrete Parameterwerte, die als Fokuseinheiten bezeichnet sind,
für mindestens
einen Anlagenparameter, der den Anlagenfokus beeinflusst. Die vertikale
Achse repräsentiert
die kritische Abmessung der Linie 240. Abhängig von
der Wirksamkeit des Algorithmus zum Auffinden einer "optimalen" Auflösungsbedingung, was
durch Variieren eines Anlagenparameters in einer schrittweisen Art
und Bestimmen beispielsweise des Punktes einer maximalen Änderung
im Kontrast während
des Abtastens des Werkstücks 158 entlang einer
einzelnen Abtastlinie erreicht werden kann, kann das Messergebnis,
das die "optimale" Parametereinstellung
repräsentiert
und durch 301 gekennzeichnet ist, eine kritische Abmessung
ergeben, die innerhalb eines relativ kleinen Bereichs der tatsächlichen
kritischen Abmessung liegt. Da auf Grund der Berücksichtigung des Durchsatzes
eine Messung für eine
große
Anzahl an Werkstücken 158 vorzugsweise
in vollständig
automatisierter Weise ausgeführt wird,
kann die Qualität
des implementierten Algorithmus zur Auffindung der "optimalen" Auflösungsbedingung
während
des Betriebs der Messanlage 100 nicht effizient überwacht
und bewertet werden. Die zweite Messung, die mit einer Parametereinstellung ausgeführt wird,
die beispielsweise eine Fokuseinheit höher als die anfängliche
Fokuseinstellung liegt, kann zu einem Messwert 302 führen, der
deutlich größer als
das Messergebnis 301 ist. Wie zuvor mit Bezug zu den 2a und 2b angemerkt ist, führen typischerweise Messungen
von Linienelementen zu überschätzten Abmessungen
mit einer zunehmenden Abweichung von einer idealen Fokusposition. Die
dritte Messung, die mit einer Parametereinstellung ausgeführt wird,
die beispielsweise eine Einheit unterhalb der anfänglichen
Auflösungsbedingung liegt,
kann zu einem Messergebnis 203 führen, das ebenfalls das Messergebnis 301 übersteigt.
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Anschließend berechnet die Steuereinheit 120 eine
endgültige
kritische Abmessung 405 auf der Grundlage der Messergebnisse 301, 302 und 303 und/oder
auf der Basis von Information über
das Strukturelement 240. D. h., da das Strukturelement 240 eine
Linie ist, erwartet die Steuereinheit 120 einen Anstieg
der kritischen Abmessung bei einer Verschlechterung der Auflösung, d.
h. bei einer ansteigenden Abweichung von der idealen Fokusposition. Wenn
andererseits die Information über
das Strukturelement die Steuereinheit 120 davon unterrichtet, dass
ein anderes Verhalten zu erwarten ist, d. h., wenn das zu messende
Strukturelement der Graben 250 ist, erwartet die Steuereinheit
ein kleiner werdendes Messergebnis bei zunehmender Abweichung von
der idealen Fokuseinstellung. Die Steuereinheit 120 bestimmt
dann eine mathematische Funktion, die die Messergebnisse 201, 302 und 303 repräsentiert,
und bestimmt auf der Grundlage der mathematischen Funktion eine
endgültige
kritische Abmessung, die präziser
die tatsächliche
Abmessung des zu messenden Strukturelements repräsentiert.
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In einer Ausführungsform kann die Funktion 304 eine
vordefinierte Art einer Funktion, beispielsweise eine Parabel oder
ein Polynom höher
Ordnung sein, und die Steuereinheit 120 ist so ausgebildet,
um die Koeffizienten der Funktion 304 zu bestimmen und einen
Extremwert und/oder einen Bereich, der einen Extremwert enthält, zu berechnen,
um damit die endgültige
Abmessung zu erhalten. In dem in 3 gezeigten
Beispiel repräsentiert
die Funktion 304 eine Parabel, wobei ein Minimum 305 als
die endgültige Abmessung
der Linie 240 betrachtet wird. Für den Graben 250 kann
die Funktion 304 durch eine nach unten geöffnete Parabel
repräsentiert
sein, so das der Extremwert ein Maximum ist. Es sollte beachtet werden,
dass die Funktion 304 durch einen beliebigen geeigneten
mathematischen Ausdruck repräsentiert
werden kann, der es ermöglicht,
eine spezifizierte Eigenschaft der Funktion 304, die die
endgültige kritische
Abmessung repräsentiert,
zu ermitteln. Daher muss die Funktion 304 nicht notwendigerweise als
ein zusammenhängender
analytischer Ausdruck dargestellt sein, sondern kann ferner als
mehrere diskrete Punkte oder eine Kombination aus variablen Paaren
und analytischen Ausdrücken,
und dergleichen dargestellt sein.
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In einer Ausführungsform kann die mathematische
Funktion 304 durch diskrete Variablenpaare dargestellt
sein, die eine Abhängigkeit
zwischen dem mindestens einen auflösungsbestimmenden Parameterwert
und der gemessenen Abmessung darstellen. Zum Beispiel kann die Abhängigkeit
zwischen dem mindestens einem Parameter und der gemessenen kritischen
Abmessung auf der Grundlage von Eichmessungen ermittelt werden,
die zuvor an Produkt- oder Testwerkstücken ausgeführt wurden, und diese Variablenpaare
können
selbst als die mathematische Funktion zur Bestimmung der endgültigen Abmessung
verwendet werden, oder die Variablenpaare können verwendet werden, um die
mathematische Funktion zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Fit-Kurve
bestimmt werden und die endgültige Abmessung
kann auf der Grundlage der Fit-Kurve und den Messergebnissen berechnet
werden. In gewissen Fällen
kann es dann ausreichend sein, lediglich eine Messung mit einer
spezifizierten Auflösungsbedingung
auszuführen,
beispielsweise der Fokuseinstellung, wie sie von einem automatisierten Algorithmus
erzeugt wird, um auf der Grundlage der Fit-Kurve und des Messergebnisses
die endgültige Abmessung
zu bestimmen. Dazu wird das mit der spezifizierten Fokusbedingung
gewonnene Messergebnis mit dem entsprechenden Punkt oder Bereich der
Fit-Kurve verglichen und es wird die resultierende Abweichung bestimmt.
Die zugehörige
endgültige Abmessung
kann dann bestimmt werden, indem die Abweichung zu der endgültigen Abmessung
der Kalibrationskurve addiert wird. Zusätzliche Messungen mit anderen
Fokuseinstellungen können
ausgeführt werden,
um abzuschätzen,
ob im Wesentlichen die gleiche endgültige Abmessung für alle Messungen erhalten
wird. Wenn ein oder mehrere der Ergebnisse außerhalb eines spezifizierten
Bereichs liegen, d. h. nicht der Kalibrationsabmessung übereinstimmen, kann
ein unzulässiger
Anlagenstatus für
einen Bediener angezeigt werden. In diesem Falle kann eine präzise erneute
Kalibrierung des Messsystems 100 ausgeführt werden. Anstelle der Fit-Kurve
können
die mehreren Kalibrationsmessergebnisse direkt als die mathematische
Funktion verwendet werden und das Ergebnis der momentanen Messung
kann mit dem entsprechenden Kalibrationsergebnis verglichen werden.
Vorzugsweise wird mindestens ein den Fokus bestimmender Parameter
während
der Messung auf einen Wert festgelegt, der am nächsten an der "idealen" Fokusbedingung liegt.
Wenn beispielsweise die Kurve 304 im Voraus durch entsprechende
Kalibrationsmessungen bestimmt worden ist – die Ergebnisse 303, 302, 301 können als
Kalibrationsergebnisse betrachtet werden – könnte die Fokusbedingung, die
301 entspricht, für
die eigentlichen Messungen verwendet werden.
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In anderen Ausführungsformen kann die Abhängigkeit
zwischen der kritischen Abmessung und der Auflösung der Messanlage 100 durch
ein theoretisches Modell – möglicherweise
in Verbindung mit Kalibrationsmesswerten – erzeugt werden. Beispielsweise
kann die Wechselwirkung des Elektronenstrahls 153 mit einem
spezifizierten Strukturelement, etwa der Linie 240 oder
dem Graben 250, für
mehrere unterschiedliche Abmessungen und Auflösungsbedingungen möglicherweise
auf der Grundlage entsprechender Kalibrationsmessungen für diese
Abmessungen der spezifizierten Strukturelemente berechnet werden.
Ein entsprechender Satz an Modellkurven kann dann in einem tatsächlichen
Messprozess mit mehreren Messergebnissen verglichen werden, um zu
bestimmen, welche Kurve und damit welche endgültige Abmessung mit den Messergebnissen
für unterschiedlich
eingestellte Auflösungsbedingungen übereinstimmt.
Die Ausführungsformen,
in denen Kalibrationsmessungen verwendet werden, und insbesondere
die Ausführungsformen,
die eine auf einem Modell basierende Fit-Kurve zum Berechnen der
endgültigen
Abmessung enthalten, können einen
erhöhten
Durchsatz liefern, da eine minimale Anzahl an tatsächlichen
Messzyklen ausreichend sein kann, oder diese können es ermöglichen, die endgültige Abmessung
zu gewinnen, ohne sich zu sehr auf einen automatisierten Fokusauffindungsalgorithmus
zu stützen,
oder womöglich
ohne einen Fokusauffindungsalgorithmus auszuführen.
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In weiteren Ausführungsformen können die Messergebnisse,
wie sie mit Bezug zu 3 beschrieben
sind, gewonnen werden, wobei die Steuereinheit 120 so gestaltet
ist, um unmittelbar eine Kurve an die erhaltenden Messergebnisse
anzupassen und endgültige
Abmessung auf der Grundlage der individuell gewonnenen Fit-Kurve,
beispielsweise durch Bestimmen der Extremwerten der Fit-Kurve, zu
berechnen.
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In anderen Ausführungsformen kann, wenn ein
automatisierter Algorithmus zum Auffinden einer optimalen anfänglichen
Auflösungsbedingung
verwendet wird, die Qualität
dieses Algorithmus bewertet und überwacht
werden auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem anfänglichen
Messergebnis, beispielsweise dem Ergebnis 301 in 3, und der durch die Berechnung
erhaltenden endgültigen
Abmessung. Auf diese Weise kann der Fokusauffindungsalgorithmus
hinsichtlich der Genauigkeit und Zuverlässigkeit während des Herstellungsprozesses überwacht
werden.
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4 zeigt
Messergebnisse, die erhalten werden können, wenn kein anfänglicher
Fokusauffindungsalgorithmus verwendet wird, oder wenn der Algorithmus
deutlich "verstimmt" ist. In 4 kann ein erstes Messergebnis 401 erhalten
werden, beispielsweise durch einen automatisierten Algorithmus,
für eine
erste Fokusbedingung und anschließend werden ein zweites und
ein drittes Messergebnis 402, 403 ermittelt, wobei
die Messergebnisse keine maximale oder minimale "tatsächliche" Abmessung einschließen. Auf
der Grundlage von Informationen über das
zu messende Strukturelement kann die Steuereinheit 120 dann
entscheiden, eine oder mehrere zusätzliche Messungen durchzuführen, beispielsweise mit
einer Fokuseinstellung, die den Wert übersteigt, die dem Messergebnis 402 entspricht,
wenn ein Graben zu messen ist, oder mit einer Fokuseinheit, die kleiner
als diejenige für
das entsprechende Messergebnis 403 ist, wenn eine Linie
zu messen ist. Die endgültige
Abmessung wird dann in der zuvor mit Bezug zu 3 beschriebenen Weise berechnet. Wenn ferner
ein automatisierter Fokusauffindungsalgorithmus verwendet wird,
kann die Fokuseinstellung erneut kalibriert werden, um damit eine
bessere Übereinstimmung
des anfänglichen
Messergebnisses 401 mit der tatsächlichen Abmessung für die nachfolgenden
Messzyklen zu erreichen. Ferner kann eine Messsequenz, die die in 4 gezeigten Messergebnisse
ergibt, verwendet werden, um die Messsequenz als unzulässig einzustufen,
wenn lediglich eine begrenzte Anzahl von Messzyklen mit dem Prozesserfordernissen
verträglich
ist.
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Bekanntlich kann das Einbringen des
Werkstücks 158 in
den Elektronenstrahl 153 entsprechende Bereiche des Werkstücks 158 beeinflussen.
Beispielsweise lädt
die Abscheidung von Elektronen in nicht leitenden Bereichen eines
zu messenden Strukturelements allmählich den Bereich auf und übt damit einen
zunehmenden Einfluss auf die Wechselwirkung der auftreffenden Elektronen 153 mit
dem zu messenden Material aus. Ferner kann der Elektronenstrahl 153 die
Materialeigenschaften ändern
und damit zu einer Änderung
der Wechselwirkungseigenschaften des Elektronenstrahls 153 mit
dem Material zur Folge haben. Insbesondere das Einbringen eines Lackstrukturelements
in den Elektronenstrahl 153 kann zusätzlich zu der Ladungsansammlung
zu einer Schrumpfung des Strukturelements führen, so dass eine wiederholte
Messung im Wesentlichen des gleichen Bereichs zu unterschiedlichen
gemessenen Abmessungen führen
kann.
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Obwohl typischerweise die Parameter,
etwa die Größe des Strahlstromes,
die Beschleunigungsspannung und dergleichen so eingestellt werden, dass
der einfallende Elektronenstrahl 153 in minimaler Weise
das zu messende Strukturelement beeinflusst, kann es in einigen
Ausführungsformen
vorteilhaft sein, das wiederholte Messen des im Wesentlichen identischen
Werkstückbereichs
zu berücksichtigen.
Beispielsweise können
die Messergebnisse, etwa die Ergebnisse 302, 303, 402 und 403,
für den vorausgehenden
Elektronenbeschuss in dem Material des zu messenden Strukturelements
kompensiert werden. Wenn das Strukturelement beispielsweise ein
Lackstrukturelement ist, kann die Energiedeposition in dem Strukturelement
auf der Grundlage des momentan angewendeten Strahlstromes und der
Beschleunigungsspannung sowie der Art des verwendeten Lacktyps abgeschätzt werden
und das Messergebnis kann entsprechend der induzierten Lackschrumpfung
korrigiert werden. Entsprechende Korrekturwerte können ebenso
experimentell im voraus gewonnen werden und auf diese kann dann
mittels einer entsprechenden Nachschlag-Tabelle zugegriffen werden.
In ähnlicher
Weise kann die Wirkung der in dem Strukturelement angesammelten
Ladung berechnet oder durch vorhergehende Experimente bestimmt werden,
so dass eine entsprechende Korrektur der Messergebnisse für jede weitere
Messung ausgeführt
werden kann.
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Mit Bezug zu 5 wird nunmehr eine weitere anschauliche
Ausführungsform
einer Messanlage gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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In 5 umfasst
ein Messsystem 500 ein Atombindungskräftemikroskop (AFM) mit einer
Abtast/Detektionseinheit 501 und einer Spitze 502, die über ein
Werkstück 503 mit
einem darauf ausgebildeten Strukturelement 504 geführt wird.
Eine Steuereinheit 520 steht mit der Abtast/Detektionseinheit
501 in Verbindung.
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Während
des Betriebs wird die Spitze 502 über das Strukturelement 504 abtastend
bewegt, wie dies durch den Pfeil angedeutet ist, und die Ladungswolken
in der Spitze 502 wechselwirken mit den Ladungswolken auf
der Oberfläche
des Strukturelements 504 so, dass die Spitze 502 im Wesentlichen dem
Höhenprofil
des Strukturelements 504 folgt, wie dies durch den Pfeil 505 angedeutet
ist. Aus den von der Abtast/Detektionseinheit 501 bereitgestellten
Signalen bestimmt die Steuereinheit 520 ein Messergebnis,
das für
eine Abmessung 506 des Strukturelements 504 kennzeichnend
ist. Die Auflösung
der Messanlage 500 hängt
stark von dem Zustand der Spitze 502 ab, wobei beispielsweise
ein sich weniger verjüngender
Endbereich der Spitze 502 zu einer Überschätzung der Abmessung 506 führen kann.
Somit kann erfindungsgemäß ein Anlagenparameter, etwa
eine Konturinformation, die die Spitze 502 repräsentiert,
geändert
werden, möglicherweise
zusammen mit einem weiteren Anlagenparameter, der mit der Spitzekontur
in Beziehung steht, geändert werden,
und entsprechende Messungen können dann
ausgeführt
werden, um Messergebnisse für
die entsprechenden Parameterwerte der Konturinformation und den
weiteren Anlagenparametern, die mit der Kontur in Beziehung stehen,
zu erhalten.
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Hinsichtlich der Berechnung der endgültigen Abmessung
auf der Grundlage der mehreren Messergebnisse entsprechend zu unterschiedlichen
Auflösungsbedingungen
gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor bereits mit Bezug zu
der Messanlage 100 dargelegt sind.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung
ermöglicht
eine deutliche Verbesserung der Messgenauigkeit von Messanlagen
zum Messen minimaler Abmessungen von Strukturelementen, wobei mehrere
Messungen unter unterschiedlichen Auflösungsbedingungen ausgeführt werden,
um ein entsprechendes Ergebnis für
die minimale Abmessung zu berechnen. Dies kann im Voraus durchgeführt werden,
beispielsweise durch Erzeugen einer entsprechenden Abhängigkeit
zwischen der gewählten Auflösungsbedingung
und der gemessenen Abmessung für
eine Vielzahl von Test- oder Kalibriersubstraten, so dass in der
tatsächlichen
Messprozedur lediglich eine oder wenige Messzyklen erforderlich sind,
um eine genaue tatsächliche
Abmessung zu ermitteln. In anderen Ausführungsformen können mehrere
Messzyklen während
des eigentlichen Messvorgangs ausgeführt werden und es wird eine
Funktion für
die Messergebnisse bestimmt, um eine endgültige Abmessung mit hoher Genauigkeit
zu berechnen. Ferner kann die Qualität implementierter Auflösungseinstellungsalgorithmen
bewertet werden.
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Es sollte beachtet werden, dass die
bislang beschriebenen Ausführungsformen
sich auf einen einzelnen Parameter beziehen, der die Auflösungsbedingung
einer Messanlage steuert, die vorliegende Erfindung aber ebenso
auf eine Gegebenheit anwendbar ist, in der zwei oder mehrere Anlagenparameter
gleichzeitig variiert werden, um die Auflösungsbedingung der Messanlage
einzustellen und zu bestimmen. Wenn beispielsweise zwei Anlagenparameter
beim Variieren der Anlagenauflösung
beteiligt sind, können
die mehreren Messergebnisse, die für diese entsprechenden Variablenpaare
der beiden Anlagenparameter ermittelt werden, mit einer geeigneten
zweidimensionalen Funktion angenähert
werden, und geeignete Eigenschaften der zweidimensionalen Funktion
können
dann bestimmt werden, um die endgültige Abmessung zu ermitteln.
In ähnlicher Weise
können
drei oder mehr Anlagenparameter variiert werden und eine entsprechende
drei- oder mehrdimensionale Funktion kann bestimmt werden, die das
Berechnen der endgültigen
Abmessung ermöglicht.
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Weitere Modifikationen und Variationen
der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser
Beschreibung offenkundig. Folglich ist diese Beschreibung als lediglich
anschaulich und für
die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des
Ausführens
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind
die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als
die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.