DE19525903A1 - Vorrichtung zur Auswertung der Oberflächeneigenschaften von reflektierenden Meßobjekten mit kleinen Abmaßen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auswertung der Oberflächeneigenschaften von reflektierenden Meßobjekten mit kleinen Abmaßen insbesondere für Untersuchungen von dünnen Schichten.

Die Vorrichtung wird angewendet beim Vermessen von Schichtsystemen auf Masken und Wafern in der Bauelementefertigung der Mikroelektronik, aber auch in anderen Bereichen der Technik, die eine Erfassung von Schicht- und Grenzflächeneigenschaften erforderlich werden lassen, insbesondere bei der Vergütung von Werkstoffoberflächen.

Nach Schäfer, W.; Terlecki, G.: Halbleiterprüfung Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, Hüthig Verlag, Heidelberg, 1986 sind lichtoptische Meßverfahren bekannt die eine Bestimmung von Schichtdicken von dünnen Schichten berührungslos und in einer Umgebungsathmosphäre zulassen. Spektralphotometrische Schichtdickenmessung und Ellipsometrie beruhen auf Analyse eines von den zu untersuchenden Schichten reflektierten Meßstrahls. Für diese Verfahren ist insbesondere bei kleinen zu untersuchenden Meßproben oder Meßprobenabschnitten in andersartiger Umgebung, die exakte Ausrichtung der Probenoberfläche zu den Meßstrahlen sowohl in der Position als auch hinsichtlich des Einfallswinkels von ausschlaggebender Bedeutung für den Meßfehler.

Üblicherweise wird beim gegenwärtigen Stand der Technik eine orthogonale Positionierung einer kleinen interessierenden Meßfläche auf der Meßprobe gegenüber der Meßvorrichtung mit Hilfe eines Mikroskops mit Zielvorrichtung und der damit kontrollierbaren Bewegung der Meßprobe auf einem Kreuztisch erreicht.

Die Justierung der Meßprobenoberfläche senkrecht zur Achse der Meßvorrichtung erfolgt, insbesondere in der Ellipsometrie, über das nach Flügge, S. Hrsg.: Handbuch der Physik, Bd. 29: Optische Instrumente, Springer Verl. 1967 und anderen Autoren bekannte Autokollimatorprinzip. Hierzu wird ein mit dem Beobachtungsmikroskop gekoppeltes Autokollimatorfernrohr verwendet. Der das Autokollimatorfernrohr verlassende Strahl mit einem Durchmesser von mehreren mm wird an dem Meßobjekt reflektiert. Die Neigung des reflektierten Strahls gegen den einfallenden wird durch Verändern der Objektausrichtung mit Hilfe einer goniometrischen Aufhängung des Meßobjektes auf dem Kreuztisch zum Verschwinden gebracht. Die Neigung des reflektierten Strahls wird aber durch die mittlere Neigung der gesamten vom Autokollimatorstrahl getroffenen Oberfläche bestimmt und nicht, wie oftmals erforderlich, nur von der viel kleineren interessierenden Meßfläche. So entsteht ein Justierfehler, der direkt in das Meßergebnis als Fehler eingeht. In der Praxis ist dies typischerweise bei ellipsometrischen oder spektralphotometrischen Messungen von kleineren separaten Einzelchips der Fall und wird besonders bei Untersuchungen kritisch, bei denen einzelne Strukturen auf einem kleinen Einzelchip mit Hilfe einer Mikrospoteinrichtung vermessen werden, und der Chip wegen Montagetoleranzen geneigt auf einem verhältnismäßig stark reflektierenden Träger (z. B. bei mit elektrischen Kontakten versehenen Gehäuseteilen) befestigt ist. Weiterhin wird dieser Fehler auch bei Messungen von Wafern in unmittelbarer Nähe der abgerundeten Waferkante wirksam.

Das Vorhandensein stärkerer Mikrorauhigkeiten bewirkt eine starke Verfälschung der über Modellrechnungen errechneten Parameter der zu vermessenden Schichtsysteme, wird mit den herkömmlichen Verfahren dem Beobachter aber nicht direkt angezeigt. Eine direkte Beurteilung der Grenzflächen der zu vermessenden Schichtsysteme hinsichtlich ihrer Mikrorauhigkeit erfordert zum gegenwärtigen Stand der Technik einen separaten Meßaufbau wie er z. B. in DT 22 41 617 "Verfahren zum optischen Messen der Oberflächenrauhigkeit" beschrieben ist und ist daher in der Regel auch mit Positionierungsfehlern durch das ungenaue Anfahren ein und desselben Meßflecks für verschiedene Meßverfahren, die im allgemeinen auch auf separaten Meßgeräten durchgeführt werden, verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zeitlich parallel zur orthogonalen Positionierung des Meßobjektes mit Hilfe der Beobachtung über ein Mikroskop mit Zielvorrichtung und der Bewegung der Meßprobe auf einem Kreuztisch orthogonal zur Achse einer Meßvorrichtung, eine zu vermessende kleine interessierende Teiloberfläche des Meßobjektes senkrecht zur Achse der Meßvorrichtung zu justieren und Aussagen zu Mikrorauhigkeiten auf dieser Teiloberfläche zu erhalten. Dabei darf die Beschaffenheit und die Neigung der Probenoberfläche außerhalb des zu vermessenden Bereiches keinen Einfluß auf die Justage und die Aussagen zu den Mikrorauhigkeiten haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein bekanntes Mikroskop mit Zieleinrichtung, daß für die vorliegende Aufgabe durch ein großes Objektiv und einen großen Arbeitsabstand (Stereo-Zoom Mikroskop) gekennzeichnet sein muß, mit einer gegenüber dem Objektivdurchmesser des Mikroskops kleinen und dadurch auf die mikroskopische Abbildung nur einen vernachlässigbaren Einfluß ausübende Vorrichtung zur Kontrolle der Neigung von kleinen Probenoberflächen in geeigneter Weise gekoppelt wird.

Diese Vorrichtung besteht aus einer optischen Anordnung zur Erzeugung, Aufspaltung, Umlenkung und Auswertung des Strahlenganges eines parallelen Lichtstrahls mit sehr kleinem Durchmesser, vorzugsweise aus einer Laserlichtquelle, unter Nutzung des Vergleichs eines von der interessierenden Teiloberfläche der Meßprobe reflektierten Meßstrahls mit einem in der Vorrichtung selbst erzeugten Referenzstrahl.

Die Vorrichtung wird außerhalb oder innerhalb des optischen Aufbaus des Mikroskops so angeordnet, daß sich deren Komponenten weit außerhalb der Fokusebenen des Mikroskops befinden und ist vorzugsweise so positioniert, daß die optische Achse des auf das Meßobjekt einfallenden Meßstrahls mit der optischen Achse des Mikroskopobjektivs zusammenfällt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß gegenüber der Verwendung einer herkömmlichen Autokollimatoreinrichtung die Messung der Neigung der Probenoberfläche nur auf das Gebiet beschränkt bleibt, daß durch den Meßfleck des schmalen parallelen Meßstrahls der beschriebenen Vorrichtung erfaßt wird. Alle Effekte die durch Oberflächeneigenschaften außerhalb dieses Gebiets entstehen bleiben weitgehend unberücksichtigt. Bei besonders feinen Meßstrahlen wird ein störendes Beugungsbild, die bekannten Airy'sche Beugungsscheiben, erzeugt. Strukturen auf dem Meßobjekt, die außerhalb des dann in erster Linie zur Auswertung herangezogenen Meßflecks des zentralen Maximum des Meßstrahls liegen, aber von den konzentrisch angeordneten Nebenmaxima erfaßt werden, haben nur unter besonders ungünstigen Reflextionsverhältnissen Einfluß auf eine Verfälschung der Abbildung des Meßflecks des zentralen Maximums, und selbst dann ist dieser Einfluß wegen der gegenüber dem zentralen Maximum relativ kleinen Intensitäten der Nebenmaxima sehr gering.

Die bei der Verwendung einiger herkömmlicher Systeme zur Meßprobenausrichtung für lichtoptische Meßverfahren übliche mechanische Umschaltung zwischen mikroskopischen Beobachtungsbetrieb zur Positionierung der Probe mit Hilfe des Kreuztisches entsprechend der Lage der Strukturdetails auf der Probenoberfläche und dem Autokollimatorbetrieb zur Justage der Neigung der Probenoberfläche entfällt. Insbesondere für einen automatisierten Betrieb können beide Einstellvorgänge ständig simultan erfolgen.

Die relative Veränderung des Intensitätsprofils des Strahles nach der Reflexion an einer Meßprobenoberfläche mit Mikrorauhigkeit gegenüber dem Intensitätsprofil des Referenzstrahls kann zu einer Beurteilung der Mikrorauhigkeit, im einfachsten Fall zu einer Entscheidung über die prinzipielle Meßbarkeit der Probe mit den angewendeten lichtoptischen Meßverfahren, herangezogen werden.

Die Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch die Vorrichtung und den Strahlengang innerhalb der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung als Vorsatz für ein Mikroskop wirkt.

Fig. 2 einen Schnitt durch den Teil eines Mikroskops, in das die Vorrichtung integriert ist und den Strahlengang innerhalb der Vorrichtung.

Der prinzipielle Strahlengang innerhalb der Vorrichtung ist für beide Ausführungsbeispiele gleich, so daß es genügt die Erläuterung anhand des ersten Ausführungsbeispiels (Fig. 1) vorzunehmen.

Eine Laserlichtquelle mit vorgesetzten Blendensystem (3) erzeugt einen parallelen Lichtstrahl mit möglichst kleinem Strahldurchmesser.

Dieser einfallende Lichtstrahl (7) wird über einen Strahlteilerwürfel (4) auf das Meßobjekt, das im dargestellten Fall auf einem Einzelchip (2) besteht, der mit entsprechenden Montagefehlern auf einem Träger (1) befestigt ist, abgelenkt. Dabei entstehen zwei Strahlen (8) und (9), die im weiteren zur Auswertung herangezogen werden.

Durch senkrechte Reflexion des einfallenden Strahls (7) an der Unterseite des Strahlteilerwürfels (4) wird ein Referenzstrahl (8) erzeugt, der zweckmäßigerweise über ein Reflexionsprisma oder Spiegel (5) auf einen Beobachtungsschirm (6) gelenkt wird.

Der andere Teil des Meßstrahls (7) durchdringt die Unterseite des Strahlteilerwürfels (4), trägt nach der Reflexion am Einzelchip (2) als reflektierter Meßstrahl (9) die benötigten Informationen vom Meßobjekt und wird in Abhängigkeit von der Ausrichtung und den Eigenschaften der Oberfläche des Einzelchips (2) annähernd parallel zum Referenzstrahl (8) auf den Beobachtungsschirm (6) gelenkt.

Auf dem Beobachtungsschirm (6), der für erweiterte Anwendungen aus einem zweidimensionalen lichtoptischen Sensor und einem angeschlossenen Bildverarbeitungssystem besteht, werden Referenzstrahl (8) und reflektierter Meßstrahl (9) gemeinsam abgebildet und können über eine Positionsauswertung und eine Auswertung der Intensitätsprofile für die vorgesehenen Aufgaben ausgewertet werden.

Zusätzlich wird durch die Anordnung eines steuerbaren Verschlusses (10) in den Strahlengang des einfallenden Strahls (7) nach dem Strahlteilerwürfel (4) eine Verbesserung der Auswertung in der Weise erzielt werden, daß bei geschlossenen Verschluß (10) eine separate Auswertung des Referenzstrahls (8) ohne reflektierten Meßstrahl (9) erfolgt, während bei geöffneten Verschluß (10) die Überlagerung von Referenzstrahl (8) und reflektiertem Meßstrahl (9) ausgewertet wird. Dadurch wird eine vorteilhafte Bildung von Signaldifferenzen möglich, so daß z. B. auch das Signal des reflektierten Meßstrahls (9) ohne den Einfluß des nicht ansteuerbaren Referenzstrahls (8) berechnet werden kann.

Bezugszeichenliste

 1 Träger des zu vermessenden Einzelchips
 2 zu vermessender Einzelchip
 3 Laserlichtquelle mit Blendensystem
 4 Strahlteilerwürfel
 5 Umlenkspiegel
 6 Beobachtungsschirm
 7 einfallender paralleler Meßstrahl mit kleinem Durchmesser
 8 von der Unterseite des Strahlteilerwürfels reflektierter Referenzstrahl
 9 vom Einzelchip reflektierter Meßstrahl
10 Verschluß
11 große Objektivlinse des Mikroskops mit großem Arbeitsaufwand
12 Tubus des Mikroskops
13 Fenster in der Objektivlinse

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Auswertung der Oberflächeneigenschaften von reflektierenden Meßobjekten mit kleinen Abmaßen insbesondere bei Untersuchungen von dünnen Schichten mit ellipsometrischen und spektralphotometrischen Meßverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß ein paralleler Lichtstrahl mit sehr kleinem Durchmesser, vorzugsweise aus einer Laserlichtquelle, in einen, innerhalb der optischen Anordnung an einem Strahlteilerwürfel erzeugten Referenzstrahl und einen von der Meßprobe reflektierten Meßstrahl aufgespalteten wird, beide Strahlen auf einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung, die aus einem Beobachtungsschirm oder einem Bildverarbeitungssystem besteht, als Leuchtflecken abgebildet werden, und die Lage dieser Leuchtflecke gegeneinander für eine Bewertung der Ausrichtung der Meßprobenoberfläche gegenüber der optischen Achse der Vorrichtung und ihre Intensitätsprofile für die Bewertung von Mikrorauhigkeiten auf der Probenoberfläche genutzt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein steuerbarer Verschluß im Strahlengang des von der Meßprobe reflektierten Meßstrahls angeordnet ist und bei geschlossenem Verschluß nur der Referenzstrahl, bei geöffneten Verschluß der Referenzstrahl und von der Meßprobe reflektierter Meßstrahl in die Auswerteeinrichtung gelangen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihren kritischen geometrischen Abmessungen gegenüber der großen Objektivlinse eines Mikroskops mit großen Arbeitsabstand kleine Vorrichtung außerhalb oder innerhalb des optischen Aufbaus dieses Mikroskops so angeordnet wird, daß sich die Komponenten der Vorrichtung weit außerhalb der Fokusebenen des Mikroskops befinden und die Vorrichtung vorzugsweise so positioniert wird, daß die optische Achse des auf das Meßobjekt einfallenden Meßstrahls der Vorrichtung mit der optischen Achse des Mikroskopobjektivs zusammenfällt.