DE19717885A1 - Verfahren und Vorrichtung mit zwei gleichzeitig benutzten Beobachtungskameras, welche dreidimensionale Messungen am Ort und in Echtzeit von einer komplexen Struktur auf einem Stapel dünner Schichten während einer Auftragungs- oder Abtragungsoperation gestatten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Morphologie und zur Beobachtung der Dicke sowie deren Entwicklung in einer örtlich festgelegten Zone einer Oberflächenschicht auf einer Dünnschichtstruktur.

Unter zahlreichen möglichen Anwendungen der Erfindung kann man die Kontrolle am Ort und in Echtzeit bei der Fertigung von Mikrosystemen, wie Halbleitern, von integrierten Schaltkreisen angeben, beispielsweise die dreidimensionale Kontrolle durch Gewinnung der Kontur einerseits und durch die Absolutmessung der Dicke einer Schicht sowie ihrer Geschwindigkeit des Aufwachsens (der Ablagerung) oder der Abnahme (Ätzung) andererseits.

Durch die französische Patentanmeldung Nr. 2 680 414 (SOFIE) ist eine kompakte Anordnung zur Beobachtung und zu gleichzeitigen interferometrischen Messungen über Laser bekannt, die es ermöglicht, interferometrische Messungen am Ort über einem Dünnschichtstapel durchzuführen, der in einer Vakuum-Bearbeitungskammer angeordnet ist. Die Anordnung umfaßt eine Beobachtungskamera mit einer optischen Achse des Objektivs, die gemeinsam für einen monochromatischen Beleuchtungsstrahl und für einen oder zwei Laserstrahlen für interferometrische Messungen ist.

Die in diesem früheren Dokument offenbarte Technik ist hochleistungsfähig, insbesondere zur Kontrolle der Geschwindigkeit des Aufwachsens oder des Abnehmens der Oberflächenschicht einer Dünnschichtstruktur. Sie leidet jedoch an gewissen Unzulänglichkeiten. Insbesondere weisen der monochromatische Lichtstrahl zur Beleuchtung und der Laserstrahl für die Messungen nicht exakt die gleiche Wellenlänge auf, was das Problem eines Achromatismus erzeugt, der die gleichzeitige Fokussierung für die beiden Licht­ strahlen nur dann möglich macht, wenn die Objektive achromatisch sind. Zudem ermöglicht diese Technik keine Absolutmessung der Dicke der Oberflächenschicht in der Beobachtungszone, weil sie auf einer interferometrischen Differentialmessung beruht, die sich modulo einer Periode in der Nähe von λ/2n wiederholt, wobei λ die Beobachtungswellen­ länge und n der Brechungsindex der Oberflächenschicht sind.

Aus der französischen Patentanmeldung Nr. 2 718 231 (SOFIE) ist auch ein Verfahren zur Überwachung der Dicke einer örtlich festgelegten Zone der Oberflächenschicht einer Dünnschichtstruktur bekannt, das in der Lage ist, die absolute Dicke der Oberflächenschicht in einer spezifischen Analysezone zu messen, indem mit einem Spektrographen eine Spektralanalyse eines Lichtstrahls durchgeführt wird, der von einem weißen Lichtstrahl kommt, der durch den Dünnschicht­ stapel reflektiert wird. Diese Technik ist wirksam, doch ermöglicht sie lediglich die Erkennung der Dicke der Schicht und die Geschwindigkeit ihrer Veränderung in einer örtlich festgelegten Zone.

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine vervollkommnete Technik vorzuschlagen, um die Grenzen der vorerwähnten klassischen Techniken zu überwinden und eine Abschätzung der Dicke der Oberflächenschicht über die Gesamtanordnung des Meßobjekts oder mindestens eines großen Teils davon zu ermöglichen.

Die Erfindung hat zugleich zum Ziel, eine Überwachungs­ vorrichtung zu schaffen, welche dieses Verfahren durchführt und in die Ausrüstung integrierbar ist, welche bereits für die Kontrolle der Herstellung von komplexen Dünnschicht­ strukturen unter Vakuum existiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bestimmt zur dreidimensionalen Messung und zur Beobachtung am Ort und in Echtzeit einer Oberflächenschicht einer Dünnschichtenstruktur im Verlauf der Bearbeitung in einer Vakuumkammer, welche mit einem Fenster in ihrer Oberseitenwand versehen ist. Die Vorrichtung umfaßt eine erste Beobachtungseinrichtung für Breitfeld entsprechend den Abmessungen der Dünnschichten­ struktur, verbunden mit einer ersten Beleuchtungseinrichtung, eine zweite Schmalfeld-Beobachtungseinrichtung entsprechend den Abmessungen einer örtlich festgelegten Zone der Dünn­ schichtenstruktur, verbunden mit einer zweiten Beleuchtungs­ einrichtung, eine Einrichtung zur Spektralanalyse, verbunden mit einer dritten Beleuchtungseinrichtung, welche einen schmäleren Strahl als die zweite Beleuchtungseinrichtung liefert, sowie einen um zwei zur Oberfläche der Dünn­ schichtenstruktur parallele Achsen beweglichen Tisch, der in der Lage ist, die zweite Beobachtungseinrichtung und die Einrichtung zur Spektralanalyse zur Beobachtung von örtlich festgelegten Zonen auf der Anordnung der Dünnschichten­ struktur zu tragen. Man kann so extrem genaue Messungen an bestimmten Punkten auf kleinen, genau definierten Bereichen mit Hilfe der Schmalfeldbeobachtung erhalten, und man kann daraus mit Hilfe der Weitfeldbeobachtung eine für die Gesamtanordnung des Prüfobjekts gültige Abschätzung ableiten.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die erste Beobachtungseinrichtung eine Matrixkamera mit Ladungs­ transferzellen, und die erste Beleuchtungseinrichtung ist eine weiße Quelle, die einem vor der Kamera angeordneten Filter zugeordnet ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt die zweite Beobachtungseinrichtung eine Matrixkamera mit Ladungstransferzellen, und die zweite Beleuchtungseinrichtung ist eine weiße Quelle, die einem vor der Kamera angeordneten Interferenzfilter zugeordnet ist.

Die dritte Beleuchtungseinrichtung kann entweder eine Quelle für weißes Licht, das von einem mit einer optischen Faser und einer Membran gekoppelten Xenonlichtbogen geliefert wird, oder eine Laserlichtquelle sein.

Vorteilhafterweise umfaßt die Einrichtung zur Spektral­ analyse einen optischen Verbinder und eine optische Faser. Die Einrichtung zur Spektralanalyse kann zudem einen Spektrographen umfassen, der mit einer optischen Faser verbunden ist und einen Analysenschlitz, ein Beugungsgitter für ein ebenes Feld und ein lichtempfindliches Element umfaßt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Vorrichtung eine Einrichtung zur Verarbeitung der von den Beobachtungseinrichtungen und der Einrichtung zur Spektralanalyse abgegebenen elektrischen Signale, welche die Verarbeitung von digitalisierten zwei- und dreidimensionalen Bildern durchzuführen vermag, sowie eine Steuereinrichtung zur Verstellung des beweglichen Tisches. Durch die Verarbeitung der genannten elektrischen Signale erhält man zwei digitale Aufnahmen entsprechend den jeweiligen Feldern der beiden Beobachtungseinrichtungen.

Das Verfahren zur dreidimensionalen Messung und zur Beobachtung am Ort und in Echtzeit einer Oberflächenschicht von einer Dünnschichtenstruktur im Verlauf der Bearbeitung in einer Vakuumkammer, die in ihrer Oberseitenwand mit einem Fenster versehen ist, umfaßt die folgenden Schritte:

• - Lenkung eines ersten Beleuchtungs-Lichtstrahls auf die Anordnung der zu beobachtenden Struktur, eines zweiten Beleuchtungs-Lichtstrahls auf eine örtlich festgelegte Zone der zu beobachtenden Struktur und eines dritten Beleuchtungs-Lichtstrahls auf einen spezifischen Bereich, wobei die Strahlen einen gemeinsamen optischen Pfad benutzen, der auf der den Objektiven von zwei Videokameras gemeinsamen optischen Achse zentriert ist und der das Fenster der Bearbeitungskammer durchdringt, um die örtlich festgelegte Zone zu erreichen,
• - Lenkung des durch die Anordnung der Dünnschichten­ struktur reflektierten Lichtstrahls auf einen Matrixsensor einer Breitfeld-Videokamera und des von der örtlich fest­ gelegten Zone reflektierten und den gemeinsamen optischen Pfad benutzenden Lichtstrahls zum einen Teil auf einen Matrixsensor einer Schmalfeld-Videokamera durch ein Filter hindurch, um eine monochromatische Aufnahme der örtlich festgelegten Zone durch Differential-Interferometrie sichtbar zu machen, und zum anderen Teil auf einen Spektrographen jeweils nacheinander durch eine Selektionsmembran, eine optische Faser und einen Analysenschlitz am Eingang des Spektrographen, und
• - Durchführung einer Spektralanalyse des reflektierten Lichtstrahls mit Hilfe des Spektrographen, um die absolute Dicke der Oberflächenschicht in einem spezifischen Analysen­ bereich, der Teil der örtlich festgelegten Zone ist, zu messen.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Überwachungsverfahren noch die folgenden Schritte:

• - Erkennung des Typs der Dünnschichtenstruktur durch Vergleich zwischen dem mittels der Breitfeld-Videokamera sichtbar gemachten Bild und einer Bibliothek von Bildern, die verschiedenen Typen von Dünnschichtstrukturen entsprechen und die in einem Speicher einer Einrichtung zur Bildverarbeitung und zur Steuerung der Verstellung der Schmalfeld-Kamera gespeichert sind,
• - Positionierung der Schmalfeld-Kamera bezüglich der Dünnschichtenstruktur,
• - Durchführung einer Eichung mit Hilfe der Messung des Absolutwerts der Dicke an mehreren Punkten,
• - Durchführung einer Abschätzung der Morphologie der Dünnschichtenstruktur durch monochromatische Differential­ interferometrie mit Hilfe der Breitfeld-Kamera, wobei die von der Breitfeld-Kamera gelieferten Informationen durch die Einrichtung zur Verarbeitung und Steuerung mit den von der Schmalfeld-Kamera an einzelnen Punkten der Dünnschichten­ struktur gelieferten Informationen in Beziehung gesetzt werden, und
• - Beobachtung und Überwachung der Entwicklung der Morphologie der Dünnschichtenstruktur bei Änderungen der Abmessungen, die durch die Bearbeitung hervorgerufen werden.

Die Bildverarbeitungseinrichtung ermöglicht es, den Strahl der dritten Beleuchtungseinrichtung, die dem Eingang der für den Spektrographen bestimmten optischen Faser zugeordnet ist, auf der örtlich festgelegten Zone zu zentrieren. Sie ermöglicht außerdem die Fokussierung des Beleuchtungsstrahls auf dem Meßobjekt durch Messung seiner Intensität. Die Bildebene wird in Abhängigkeit von den optischen Charakteristiken des Kameraobjektivs, vom Rauschabstand für die vom Spektrographen abgegebenen Signale und von der Morphologie der örtlich festgelegten Ione festgelegt, damit sie beispielsweise nur einen repräsen­ tativen Abschnitt der überwachten Oberflächenschicht unter Ausschluß von benachbarten Teilen außerhalb der betreffenden Schicht enthält.

Der Eingangsschlitz des Spektrographen wird in Abhängigkeit von den Kennwerten des Spektrographen, vom Durchmesser und von der Anordnung der optischen Übertragungs­ faser und von der Öffnung der Membran, welche den Strahl­ durchmesser der dritten Beleuchtungseinrichtung auf der zu messenden Schicht definiert, festgelegt.

Die Spektralanalyse des reflektierten Strahls ermöglicht es, die Dicke der Oberflächenschicht in der beobachteten Zone zu erhalten. Diese Bestimmung ist in der Praxis nur für Dicken der Oberflächenschicht oberhalb eines Schwellenwertes möglich, welcher von der kleinsten Wellenlänge des Spektrums des Beleuchtungs-Lichtstrahls abhängt. Es ist möglich, den kleinsten Schwellenwert in der Spektralanalyse zu vermindern, indem ein Beleuchtungsspektrum gewählt wird, dessen kleinste Wellenlänge in Richtung Ultraviolett verschoben ist.

Durch Differentialinterferometrie wird die Entwicklung der Lichtintensität des reflektierten Strahls untersucht, der dem von der zweiten monochromatischen Beleuchtungsquelle abgegebenen Strahl entspricht. Auf diese Weise kann man genau die Dickenveränderung der Oberflächenschicht des Prüfobjektes in Abhängigkeit von der Zeit bestimmen. Diese Technik ermöglicht es, genau der Dickenentwicklung der Oberflächen­ schicht des Prüfobjektes zu folgen, insbesondere während des Vorgangs einer Plasmaätzung oder des Vorgangs einer chemischen Ablagerung in der Gasphase auf der Oberflächen­ schicht.

Die beiden Videokameras liefern digitalisierte Bilder von der Oberfläche des Prüfobjektes, welche gleichzeitig verarbeitet werden können, um eine bessere Darstellung des Oberflächenzustandes des Prüfobjektes zu erhalten. Man kann so die zweidimensionalen geometrischen Eigenschaften des Prüfobjektes mit Hilfe der Bearbeitungsfunktionen der Grundbilder erhalten, beispielsweise über die Bearbeitung der Umfangslinien, der Konturen unter Veränderung des Kontrasts.

Die Kombination zwischen der Spektralanalyse und der durch die Breitfeld-Kamera sowie durch die Schmalfeld-Kamera durchgeführte Differentialinterferometrie ermöglicht es somit, ,in Realzeit die absolute Dicke von bestimmten Zonen der Oberflächenschicht des Prüfobjektes zu bestimmen, daraus die Morphologie der Gesamtanordnung der Oberflächenschicht des Prüfobjektes abzuleiten und die augenblickliche Ver­ änderungsgeschwindigkeit der Dicke der Oberflächenschicht nicht nur in den örtlich festgelegten Zonen, sondern auch über die Gesamtanordnung des Prüfobjektes zu bestimmen.

Die Erfindung erschließt sich besser beim Lesen der detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen, die in keiner Weise eine Beschränkung der Erfindung darstellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Erläuterungsschema der für das erfindungsgemäße Verfahren benutzten Apparatur;

Fig. 2 ein Erläuterungsschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3a und 3b schematisch die detaillierten Ansichten der örtlich festgelegten Zone des Prüfobjektes, die nach der erfindungsgemäßen Technik überwacht wird, und

Fig. 4 das Funktionsprinzip des Spektrographen.

Die Anmelderin hat bereits die sehr kompakte Anordnung zur Beobachtung und für gleichzeitige interferometrische Messungen über Laser, insbesondere von Dünnschichten­ strukturen dargelegt, wobei die Technik im einzelnen in den französischen Patentanmeldungen Nr. 2 680 414 und 2 718 231 ausgeführt ist, auf die sich der Leser bezüglich weiterer Einzelheiten betreffend die Apparatur und die grundsätzliche Funktion der Vorrichtung beziehen möge.

Wie in Fig. 1 gezeigt, schließt eine Vakuum-Bearbeitungskammer 1 ein zu bearbeitendes Prüfobjekt 2 ein, beispielsweise eine Scheibe bzw. ein Wafer eines integrierten Schaltkreises im Verlauf der Fertigung durch Plasmaätzung, und sie umfaßt in ihrer Oberseitenwand ein Siliziumfenster 3. Eine Überwachungseinheit 4 ist oberhalb der Bearbeitungs­ kammer 1 auf einem Tisch 5 für horizontale X-Y-Verstellung angebracht. Die Überwachungseinheit 4 ist über eine optische Faser 6 und ein elektrisches Kabel 7 mit einer Auswertungs- und Steuereinheit 8 verbunden, mit der eine Steuertastatur 9 und eine optische Anzeige-Einheit verbunden sind. Die Einheit 8 ist mit zwei elektrischen Schrittmotoren (nicht darge­ stellt) verbunden, um die horizontale Verstellung der Überwachungseinheit 4 auf dem Tisch 5 zu ermöglichen. Die Überwachungseinheit 4 ist vom Schmalfeld-Typ, der in der Lage ist, einen kleinen Abschnitt des Prüfobjektes 2 sichtbar zu machen. Eine Breitfeld-Überwachungseinheit 11 ist oberhalb der Bearbeitungskammer 1 angeordnet und in der Lage, die Gesamtanordnung des Prüfobjektes 2 zu beobachten.

Wie im einzelnen in Fig. 2 dargestellt, umfaßt die Überwachungseinheit 4 eine Videokamera 12, deren regelbares Objektiv 13 vom Autofokustyp sein kann, ferner eine Beleuchtungsquelle 14, eine Weißlichtquelle 15 und eine bestimmte Anzahl von optischen Blenden, um die Führung der Lichtstrahlen entlang von vorbestimmten optischen Pfaden sicherzustellen.

Die Schmalfeld-Videokamera 12 umfaßt einen Sensor 16, der vorzugsweise von einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Ladungstransferzellen (CCD) besteht. Der Sensor 16 ist auf eine nicht dargestellte Weise mit dem elektrischen Kabel 7 verbunden, um ein Videosignal an die Auswerte- und Steuereinheit 8 zu liefern, damit es über die Anzeigeeinheit 10 sichtbar gemacht wird. Die mit der Kamera 12 verbundene Beleuchtungsquelle 14 umfaßt eine Weißlichtquelle und ein Beobachtungs-Interferenzfilter, welches die Wellenlänge des monochromatischen Lichtes bestimmt, das vorzugsweise in dem Spektrum des sichtbaren Lichtes abgegeben wird. Der von der Beleuchtungsquelle 14 abgegebene Strahl durchquert ein mattgeschliffenes Glas 17, und wird dann auf einer halb­ durchlässigen Blende 18 reflektiert, welche zwischen dem Objektiv 13 und dem Sensor 16 der Kamera 12 angeordnet ist, derart, daß der Beleuchtungs-Lichtstrahl den optischen Pfad der Kamera 12, d. h. die optische Achse 13a des Objektivs 13, benutzt. Eine erste Lichtfalle 19 in Form einer Blende ist hinter der halbdurchlässigen Blende 18 angeordnet, um den Teil des Beleuchtungs-Lichtstrahls zu absorbieren, der die halbdurchlässige Blende 18 durchquert hat, und um so die optischen Störungen in der Überwachungseinheit 4 zu reduzieren.

Die Weißlichtquelle 15, beispielsweise vom Xenon-Typ, emittiert einen Lichtbogen, der über eine optische Faser 20 und eine einstellbare Membran 21 über eine halbdurchlässige Blende 22 auf eine weitere halbdurchlässige Blende 23 geleitet wird, welch letztere in den Lichtweg zwischen dem Objektiv 13 und dem Sensor 16 der Kamera 12 eingeschaltet ist, derart, daß der Strahl zugleich den optischen Pfad der Kamera 12 benutzt, der mit der optischen Achse 13a des Objektivs 13 zusammenfällt. Eine weitere Lichtfalle 24 in Form einer Blende ist hinter der halbdurchlässigen Blende 23 angeordnet, um die in der Überwachungseinheit 4 fehlge­ laufenen Lichtstrahlen zu absorbieren. In anderen Aus­ führungsformen könnte die Weißlichtquelle 15 durch eine Laserlichtquelle ersetzt werden, die direkt in der Überwachungseinheit 4 angeordnet ist.

Die Breitfeld-Videokamera 11 umfaßt zugleich ein einstellbares Objektiv 25, eine Beleuchtungsquelle 26 und optische Blenden, um die Führung der Beleuchtungsstrahlen entlang den vorgegebenen optischen Pfaden sicherzustellen. Die Videokamera 11 umfaßt einen nicht dargestellten Sensor von der gleichen Art wie der Sensor 16 der Videokamera 12, und sie ist über ein elektrisches Kabel 27 mit der Auswerte- und Steuereinheit 8 verbunden, um ein Videosignal zu liefern, welches zur Sichtbarmachung auf der Anzeigeeinheit 10 bestimmt ist. Die Beleuchtungsquelle 26 umfaßt eine Weißlichtquelle und ein Interferenzfilter, welches die Wellenlänge des monochromatischen Lichtes definiert, welches vorzugsweise in dem Spektrum des sichtbaren Lichtes emittiert wird. Der von der Beleuchtungsquelle 26 emittierte Strahl ist auf eine halbdurchlässige Blende 28 gerichtet, die vor dem Objektiv 25 angeordnet ist, derart, daß der von der Beleuchtungsquelle 26 emittierte Lichtstrahl den optischen Pfad der Kamera 11 benutzt. Eine zweite halbdurchlässige Blende 29 ist auf der optischen Achse 13a zwischen dem Objektiv 13 und dem Fenster 5 der Bearbeitungskammer 1 und auf der optischen Achse der Videokamera 11 derart angeordnet, daß der von der Beleuchtungsquelle 26 emittierte Lichtstrahl über die halbdurchlässigen Blenden 28 und 29 auf das Prüf­ objekt 2 gelenkt wird.

So umfaßt die Überwachungseinheit 4 die Videokamera 12 mit der Beleuchtungsquelle 14 und die Weißlichtquelle 15, um einen Lichtstrahl, der aus dem von der Beleuchtungsquelle 14 abgegebenen Beleuchtungs-Lichtstrahl und dem von der Weiß­ lichtquelle 15 abgegebenen Strahl zusammengesetzt ist, auf einem gemeinsamen optischen Pfad zu emittieren, welcher mit der optischen Achse 13a des Objektivs 13 der Kamera 12 zusammenfällt. Der kombinierte Lichtstrahl wird durch die Überwachungseinheit 4 durch das Objektiv 13, die halbdurch­ lässige Blende 29 und das Fenster 3 der Bearbeitungskammer 1 geleitet, um auf das Prüfobjekt 2 mit einer Dünnschichten­ struktur zu gelangen. Der von dem Prüfobjekt 2 reflektierte Lichtstrahl benutzt den selben optischen Pfad gemeinsam mit dem einfallenden Lichtstrahl und durchquert die halbdurch­ lässige Blende 29 sowie das Objektiv 13, um in das Innere der Überwachungseinheit 4 zu gelangen. Die halbdurchlässige Blende 23 trennt den reflektierten Lichtstrahl in zwei Teile auf. Ein durchlaufender Teil erreicht nach Durchquerung der halbdurchlässigen Blenden 23 und 18 den Sensor 16 der Kamera 12. Ein von der Blende 23 reflektierter Teil durchquert die halbdurchlässige Blende 22, um über einen optischen Verbinder 30, der auf der Überwachungseinheit 4 befestigt ist, eine optische Faser 6 zu erreichen. Die halbdurchlässige Blende 29 teilt ebenfalls den reflektierten Strahl in zwei Teile, wobei sich ein Teil auf das Objektiv 13 richtet, wie vorher dar­ gelegt, und wobei der andere Teil die halbdurchlässige Blende 28 durchsetzt und sich auf das Objektiv 25 der Breitfeld-Videokamera 11 richtet.

Der auf den Sensor 16 der Videokamera 12 gerichtete reflektierte Strahl entspricht dem Spektrum des von der Beleuchtungsquelle 14 abgegebenen Beleuchtungs-Lichtstrahls mit einem reflektierten Strahl von weißem Licht einer relativ hohen Intensität. Um eine Blendung der Sensoren 16 und damit der Videokamera 12 durch den reflektierten Strahl weißen Lichtes zu vermeiden, ist ein Filter 13 in dem Lichtweg der Kamera 12 direkt vor dem Sensor 16 angeordnet. Das optische Filter 31 ist durchlässig für ein charakteristisches Wellen­ band und undurchlässig für die anderen Wellenlängen, um nur ein gleichsam monochromatisches Licht zu dem Sensor 16 der Kamera 12 durchzulassen.

So verhält sich jede CCD-Zelle des Sensors 16 indivi­ duell wie ein Interferometer, welche ein Pixel der Bildebene der Kamera 12 repräsentiert. Daraus ergibt sich, daß die Videokamera 12 sich wie eine Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Interferometern verhält, und sie liefert so ein Videosignal, dessen Sichtbarmachung auf der Anzeigeeinheit 10 einer quasi monochromatischen Kartographie entspricht, die die Oberflächen-Morphologie der beleuchteten, örtlich begrenzten Zone des Prüfobjektes 2 repräsentiert. In dem Fall eines Laserstrahls wählt man die charakteristische Wellen­ länge des optischen Filters 31 genügend nahe an der Wellen­ länge des Laserstrahls, derart, daß gleichzeitig auf der Anzeigeeinheit 10 der Laserpunkt im Inneren der beleuchteten, örtlich begrenzten Zone angezeigt wird, ohne daß der letztere die Videokamera 12 blendet. Die Funktion der Videokamera 11 ist ähnlich derjenigen der Videokamera 12, wobei sich jede CCD-Zelle des Sensors der Kamera 11 individuell ebenfalls wie ein Interferometer verhält, welches ein Pixel der Bildebene der Kamera 11 darstellt.

Der optische Verbinder 30 empfängt einen Teil des reflektierten Strahls, um ihn über das optische Faserkabel 6 an die Auswerte- und Steuereinheit 8 zu leiten.

Die Fig. 3a und 3b zeigen schematisch einige Bilder, die für das erfindungsgemäße Verfahren repräsentativ sind. Das zu bearbeitende Prüfobjekt ist eine Dünnschichtenstruktur, welche zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen durch Plasma-Ätzung oder Plasma-Ablagerung dient. Das Prüfobjekt 2 umfaßt ein Silizium-Substrat 32, eine das Substrat 32 bedeckende Unterschicht 33 und eine Oberflächenschicht 34 aus Siliziumoxid, in welche der integrierte Schaltkreis eingeätzt werden soll. Zu diesem Zweck werden bestimmte Abschnitte der Oberflächenschicht 34 mit einer Maske 35 abgedeckt. Die durch die Maske 35 nicht geschützte Zone 34a der Oberflächenschicht 34 wird durch ein an sich bekanntes Plasmaverfahren bis zu einer vorgegebenen Dicke abgeätzt. Der einfallende Licht­ strahl, der von der mit der Kamera 11 verbundenen Beleuch­ tungsquelle 26 abgegeben wird, beleuchtet die Anordnung des Prüfobjektes. Der einfallende Lichtstrahl, der von der Beleuchtungsquelle 14 der Überwachungseinheit 4 abgegeben wird, beleuchtet eine örtlich begrenzte Zone 2a auf der oberen Oberfläche des Prüfobjektes 2. Die örtlich begrenzte Zone 2a wird durch den Beleuchtungs-Lichtstrahl 36 begrenzt.

Der Weißlichtstrahl 37 ist konzentrisch zu dem Beleuchtungs­ lichtstrahl 36 und ermöglicht die genaue Positionierung des letzteren auf dem Prüfobjekt 2.

Eine monochromatische Kartographie bzw. Aufnahme der Anordnung des Prüfobjektes 2 wird in Realzeit durch die Videokamera 11 durchgeführt und kann auf der Anzeigeeinheit 10 sichtbar gemacht werden. In gleicher Weise wird eine monochromatische Aufnahme der beleuchteten, örtlich begrenzten Zone 2a des Prüfobjektes 2 (begrenzt durch die nutzbare Oberfläche der Kamera 12) in Realzeit durch die Videokamera 12 durchgeführt und kann auf der Anzeigeeinheit 10 sichtbar gemacht werden. Man kann so in Realzeit die Morphologie und ihre Änderung nach der Zeit des Prüfobjektes 2 und seiner beleuchteten, örtlich begrenzten Zone 2a vor und während des Prozesses der Plasmaätzung oder der Plasma­ ablagerung des Prüfobjektes 2 überwachen, ebenso wie die Dimensionskontrolle in Real zeit der Muster in der beleuch­ teten, örtlich begrenzten Zone 2a durch Pixelzählung und durch Einstellung einer Schwelle für die Lichtintensität der Videokamera 12. Der Lichtpunkt von weißem Licht 37a, der auf den belichteten Abschnitt 34a der Oberflächenschicht 34 des Prüfobjektes 2 gerichtet ist, ist auf der monochromatischen Aufnahme sichtbar, die durch die Videokamera 12 durchgeführt wird. So kann mit Hilfe des von der Kamera 11 gelieferten allgemeinen Bildes des Prüfobjektes 2, auf dem die örtlich begrenzte Zone 2a zu finden ist, und mit Hilfe des von der Videokamera 12 gelieferten Bildes der örtlich begrenzten Zone 2a die Ätzung genau verfolgt werden. Da die Kameras 11 und 12 gleichzeitig Informationen an die Auswerte- und Steuereinheit 8 liefern, kann dies zu verschiedenen Bearbeitungen von Bildern führen, wie zur Überlagerung oder zur Subtraktion von Bildern derart, daß der Operateur dazu kommt, den Ätzvorgang leichter auf dem Bildschirm 10 verfolgen zu können.

In der Auswerte- und Steuereinheit 8 befindet sich ein Spektrograph 8a, dessen Funktion anhand der Darstellung in Fig. 4 nunmehr beschrieben werden soll.

Um repräsentativ zu sein, muß der an den Spektrographen 8a zum Zweck einer Analyse gelieferte Lichtstrahl auf eine spezifische Zone 32 (Fig. 3b) begrenzt sein, die für das Prüfobjekt 2 repräsentativ ist. Die Plasmaätzung des Prüf­ objektes 2 erfordert die Überwachung der Dicke und der Dickenänderung Ae über die Zeit für den nicht bedeckten Abschnitt 34a der Oberflächenschicht 34. Es ist somit notwendig, daß die spezifische Analysenzone 38 sich im Inneren des Abschnittes 34a befindet, wobei die von der Maske 35 bedeckten Abschnitte ausgeschlossen sind. Vorzugsweise wird die spezifische Analysenzone 38 zu dem weißen Lichtpunkt 37a zentriert, wobei diese Zone durch die Selektionsmembran 30a am Eingang des optischen Verbinders 30 begrenzt wird. Die Öffnung der Selektionsmembran 21 wird in Abhängigkeit von der Vergrößerung des Objektivs 13, vom Abstand zwischen dem Objektiv 13 und der belichteten Zone 34a der Oberflächen­ schicht 34 des Prüfobjektes 2 sowie von dem Störabstand des von dem Spektrographen 8a abgegebenen Signals bestimmt. Die durch den Analysenschlitz 39 definierte Bildebene des Spektrographen 8a entspricht der spezifischen Analysenzone 38 auf dem Prüfobjekt 2. Zwischen der Selektionsmembran 21 und dem Analysenschlitz 39 befindet sich die optische Faser 6, welche die Weiterleitung des durch die spezifische Analysen­ zone 38 des Prüfobjektes 2 reflektierten Lichtstrahls in den Spektrographen 8a ermöglicht.

Wie in Fig. 4 dargestellt, wird der durch den Analysen­ schlitz 39 in den Spektrographen 8a eintretende Lichtstrahl auf ein Beugungsgitter für ein ebenes Feld 40 projiziert. (Danach gelangt der Strahl auf) ein lichtempfindliches Element 41, welches in Form eines Steges von einer Vielzahl von Photodioden (beispielsweise in einer Zahl von 1024), von n CCD-Dioden, oder einer Matrix von CCD-Dioden mit m Zeilen und n Spalten gebildet sein kann. Bei einem Steg von CCD-Dioden repräsentiert üblicherweise jede Diode eine Abmessung von 25 µm×25 µm.

Das lichtempfindliche Element 41 liefert die Licht­ intensität für jede Wellenlänge λ des Spektrums des Beleuchtungs-Lichtstrahls. Das analysierte Spektrum wird durch eine minimale und eine maximale Wellenlänge begrenzt. Die Spektralanalyse ermöglicht es, in genauer Weise die augenblickliche Dicke e des beleuchteten Abschnitts 34a der Oberflächenschicht 28 des Prüfobjektes 2 zu liefern und so die Kinetik e(t) des Prozesses zu bestimmen.

Gleichzeitig mit der Spektralanalyse kann man eine Differential-Interferometrie in der Zeit für eine vorgegebene Wellenlänge λ_i, die in dem Beleuchtungsspektrum gewählt ist, durchführen. Die Analyse des Lichtintensitätsdiagramms in Abhängigkeit von der Zeit für die vorgegebene Wellenlänge λ_i ermöglicht es, auf an sich bekannte Weise die Änderungs­ geschwindigkeit der Dicke des belichteten Abschnittes 34a der Oberflächenschicht des Prüfobjektes 2 während des Prozesses der Plasmaauftragung oder des Plasmaätzens zu liefern.

Mit der Erfindung kann man mit Hilfe der Breitfeld-Kamera 11 eine zufriedenstellende Positionierung des Prüfobjektes 2 durchführen und man kann dann mittels der Schmalfeld-Kamera 12 eine vorgegebene Anzahl von Beobach­ tungen an vorgegebenen Koordinatenpunkten durchführen, um den in der Bearbeitungskammer vorhandenen Typ des Prüfobjektes 2 zu erkennen. Die zu der Steuer- und Bearbeitungseinheit gelieferten Informationen können mit Informationen verglichen werden, welche in einem Speicher der Steuer- und Bear­ beitungseinheit 8 gespeichert sind, die ihrerseits eine Bibliothek darstellt, in der Informationen registriert sind, die verschiedenen Typen von Prüfobjekten 2 entsprechen, welche die Bearbeitungskammer 1 passieren können. Man kann auf diese Weise eine automatische Erkennung des Typs des Prüfobjektes 2 durchführen. Diese Erkennung ermöglicht eine große Flexibilität bei der Herstellung der Halbleiter. Die gleichzeitige Verarbeitung der von den Videokameras 11 und 12 gewonnenen Bilder, beispielsweise durch Konturerfassung, verbessert die Verfolgung des Zustandes des Prüfobjektes durch den Operateur. Die Beobachtung einer bestimmten Anzahl von vorgegebenen Punkten des Prüfobjektes 2 mittels der Schmalfeld-Kamera 12 ermöglicht es durch Korrelation mit den von der Breitfeld-Kamera gelieferten Informationen, eine schnelle und genaue Abschätzung der Dicke der Oberflächen­ schicht auf der Gesamtanordnung des Prüfobjektes 2 zu erhalten. In gleicher Weise kann man eine Abschätzung der Dickenänderung der Oberflächenschicht auf der Gesamtanordnung des Prüfobjektes 2 erhalten.

Die Erfindung kann natürlich auf andere Vakuum-Bearbeitungen von Dünnschichtenstrukturen zur Struktur­ erkennung, zur Überwachung der Morphologie und der Dicke in Realzeit und am Ort der Oberflächenschicht des Prüfobjektes angewendet werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen Messung zur Beobachtung am Ort und in Echtzeit einer Oberflächenschicht einer Dünnschichtenstruktur (2) bei der Bearbeitung in einer Vakuumkammer (1), die mit einem Fenster (3) in ihrer Ober­ seitenwand versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine erste Breitfeld-Beobachtungseinrichtung entsprechend den Abmessungen der Dünnschichtenstruktur, verbunden mit einer ersten Beleuchtungseinrichtung (26), eine zweite Schmalfeld-Beobachtungseinrichtung entsprechend den Abmessungen einer örtlich festgelegten Zone (2a) der Dünnschichtenstruktur, verbunden mit einer zweiten Beleuchtungseinrichtung (14), eine Einrichtung (8a) zur Spektralanalyse, verbunden mit einer dritten Beleuchtungseinrichtung (15), die einen schmäleren Strahl als die zweite Beleuchtungseinrichtung liefert, und einen um zwei zur Oberfläche der Dünnschichten­ struktur parallele Achsen beweglichen Tisch, der in der Lage ist, die zweite Beleuchtungseinrichtung und die Einrichtung zur Spektralanalyse zur Beobachtung von örtlich festgelegten Zonen auf der Anordnung der Dünnschichtenstruktur zu tragen, umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Beobachtungseinrichtung eine Matrixkamera (11) mit Ladungstransferzellen umfaßt, und daß die erste Beleuchtungseinrichtung eine weiße Quelle ist, die einem vor der Kamera angeordneten Filter zugeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Beobachtungseinrichtung eine Matrixkamera (12) mit Ladungstransferzellen ist, und daß die zweite Beleuchtungseinrichtung eine weiße Quelle ist, die einem vor der Kamera angeordneten Interferenzfilter zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Beleuchtungsein­ richtung (15) eine Quelle für weißes Licht ist, das von einem mit einer optischen Faser (20) und einer Membran (21) gekoppelten Xenonlichtbogen geliefert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Beleuchtungsein­ richtung eine Laserlichtquelle ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Spektral­ analyse einen optischen Verbinder (30) und eine optische Faser (6) umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Spektralanalyse zusätzlich einen Spektrographen (8a) umfaßt, der mit der optischen Faser (6) verbunden ist, und einen Analysenschlitz (39), ein Beugungsgitter für ein ebenes Feld (40) und ein lichtempfindliches Element (41) umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (8) zur Verarbeitung der von den Beobachtungseinrichtungen und der Einrichtung zur Spektralanalyse abgegebenen elektrischen Signale, welche die Verarbeitung von digitalisierten zwei- und dreidimensionalen Bildern durchzuführen vermag, sowie eine Steuereinrichtung zur Verstellung des beweglichen Tisches umfaßt.

9. Verfahren zur Überwachung und Beobachtung am Ort und in Echtzeit einer Oberflächenschicht von einer Dünn­ schichtenstruktur (2) im Verlauf der Bearbeitung in einer Vakuumkammer (1), die in ihrer Oberseitenwand mit einem Fenster (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß es aus folgenden Schritten besteht:

• - Lenkung eines ersten Beleuchtungs-Lichtstrahls auf die Anordnung der zu beobachtenden Struktur, eines zweiten Beleuchtungs-Lichtstrahls auf eine örtlich festgelegte Zone (2a) der zu beobachtenden Struktur und eines dritten Beleuchtungs-Lichtstrahls auf einen spezifischen Bereich, wobei die Strahlen einen gemeinsamen optischen Pfad benutzen, der auf der den Objektiven von zwei Videokameras (11, 12) gemeinsamen optischen Achse (13a) zentriert ist und der das Fenster der Bearbeitungskammer durchdringt, um die örtlich festgelegte Zone zu erreichen;
• - Lenkung des durch die Anordnung der Dünnschichten­ struktur reflektierten Lichtstrahls auf einen Matrixsensor einer Breitfeld-Videokamera (11) und des von der örtlich festgelegten Zone reflektierten und den gemeinsamen optischen Pfad benutzenden Lichtstrahls zum einen Teil auf einen Matrixsensor (16) einer Schmalfeld-Videokamera (12) durch ein Filter (31) hindurch, um eine monochromatische Aufnahme der örtlich festgelegten Zone durch Differential-Interferometrie sichtbar zu machen, und zum anderen Teil auf einen Spektro­ graphen (8a) jeweils nacheinander durch eine Selektions­ membran (30a), eine optische Faser (6) und einen Analysen­ schlitz (39) am Eingang eines Spektrographen hindurch; und
• - Durchführung einer Spektralanalyse des reflektierten Lichtstrahls mit Hilfe des Spektrographen, um die absolute Dicke der Oberflächenschicht in einem spezifischen Analysen­ bereich, der Teil der örtlich festgelegten Zone ist, zu messen.

10. Überwachungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es aus folgenden Schritten besteht:

• - Erkennung des Typs der Dünnschichtenstruktur durch Vergleich zwischen dem mittels der Breitfeld-Videokamera (11) sichtbar gemachten Bild und einer Bibliothek von Bildern, die verschiedenen Typen von Dünnschichtenstrukturen entsprechen und die in einem Speicher einer Einrichtung zur Bildverar­ beitung und zur Steuerung der Verstellung der Schmalfeld-Kamera gespeichert sind,
• - Positionierung der Schmalfeld-Kamera (12) bezüglich der Dünnschichtenstruktur;
• - Durchführung einer Eichung mit Hilfe der Messung des Absolutwerts der Dicke an mehreren Punkten;
• - Durchführung einer Abschätzung der Morphologie der Dünnschichtenstruktur durch monochromatische Differential-Interferometrie mit Hilfe der Breitfeld-Kamera, wobei die von der Breitfeld-Kamera gelieferten Informationen durch die Einrichtung (8) zur Verarbeitung und Steuerung mit den von der Schmalfeld-Kamera an einzelnen Punkten der Dünnschichten­ struktur gelieferten Informationen in Beziehung gesetzt werden; und
• - Beobachtung und Überwachung der Entwicklung der Morphologie der Dünnschichtenstruktur bei Änderungen der Abmessungen, die durch die Bearbeitung hervorgerufen werden.