DE19817714A1 - Verfahren zur Messung der Lage von Strukturen auf einer Maskenoberfläche - Google Patents

Verfahren zur Messung der Lage von Strukturen auf einer Maskenoberfläche

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung von Strukturen auf einer Maskenoberfläche, bei dem die Maske in einem bildauswertenden Koordinatenmeßgerät auf einem senkrecht zur optischen Achse eines abbildenden Meßsystems interferometrisch meßbar verschiebbaren Meßtisch gelagert und ein der Maske zugeordnetes Masken-Koordinatensystem über Ausrichtemarken relativ zu einem Meßgeräte-Koordinatensystem ausgerichtet wird und wobei die Soll-Lage der Strukturen in dem Masken-Koordinatensystem vorgegeben ist, wird zusätzlich zur Ist-Lage der Strukturen im Masken-Koordinatensystem auch die Lage von zwei senkrecht zueinanderstehenden Außenkanten der Maske im Masken-Koordinatensystem gemessen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Lage von Strukturen auf einer Maskenoberfläche, bei dem die Maske in einem bildauswertenden Koordinaten-Meßgerät auf einem senkrecht zur optischen Achse eines abbildenden Meßsystems interferometrisch meßbar verschiebbaren Meßtisch gelagert und ein der Maske zugeordnetes Masken-Koordinatensystem über Ausrichtemarken relativ zu einem Meßgeräte-Koordinatensystem ausgerichtet wird und wobei die Soll-Lage der Strukturen in dem Masken-Koordinaten­ system vorgegeben ist.
Ein Meßgerät zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist in dem Vortragsmanuskript "Pattern Placement Metrology for Mask Making, Dr. C. Bläsing, Semicon Genf, Education Program, ausgegeben am 31.3.1998, mit seinen Grundelementen beschrieben. Das Meßgerät dient insbesondere der Qualitätskontrolle von Masken für die Halbleiterherstellung. Die Qualität der Maske wird in der Chip-Produktion immer kritischer. Die Spezifikationen für die Lage der Strukturen (Pattern) von einer Maske zur anderen werden immer enger. Das in dem Vortragsmanuskript beschriebene Meßgerät kann die Lage der Strukturen relativ zu definierten Ausrichtemarken, die das Masken-Koordinatensystem definieren, mit einer Genauigkeit von typischerweise besser als 10 nm messen. Mit Hilfe dieser Ausrichtemarken können die Masken im Stepper für die Projektion auf Waferoberflächen ausgerichtet werden. Fehler, die hierbei gemacht werden, gehen direkt in das Fehlerbudget des Lithografie-Prozesses ein. Die Maske wird im Stepper so ausgerichtet, daß bei der Belichtung die jeweiligen Ausrichtemarken genau übereinander liegen. Die Stepper haben allerdings nur einen gewissen Bereich, um den die Maske zur physikalischen Ausrichtung verschoben und rotiert werden kann.
Mit immer enger werdenden Spezifikationen an alle Komponenten wird auch die Lage der Strukturen relativ zur Außenkante der Maske ein wichtiges Qualitätsmerkmal der Maske. Die Lage der Strukturen relativ zu den Außenkanten wird als "Centrality" oder auch "Pattern Centrality" bezeichnet.
Die Maske wird im Lithografie-Gerät (z. B. E-beam oder Laserlithografie) üblicherweise an drei Punkten angelegt, um eine reproduzierte Lage zu erhalten. Mit den drei Punkten sind zwei Außenkanten festgelegt, wobei davon ausgegangen wird, daß diese im rechten Winkel zueinander stehen. Diese beiden Kanten bilden eine Referenz für das von den Strukturen erzeugte Muster.
Bisher war "Pattern Centrality" nicht von großer Bedeutung. Die Toleranzen in den Stepperhalterungen für die Masken waren so groß, daß die Genauigkeit der Masken-Lithografiesysteme auch ohne weitere Messungen die Spezifikationen erfüllt haben. Zur Prozeßkontrolle werden bisher nur Stichproben gemessen. Dazu werden normale Mikroskope benutzt, die so umgebaut sind, daß sie die gleichen Anlagepunkte haben wie die Lithografiesysteme. Die Maske wird dann vom Operator manuell auf den Tisch des Mikroskopes gelegt. Es werden spezielle "Centrality Marken" auf die Maske geschrieben, die dann manuell unter dem Mikroskop in Bezug auf die Anlagekanten vermessen werden. Solange die Abstände zu den Kanten in einem vorgegebenen Toleranzbereich bleiben, ist eine ausreichende Ausrichtung der Maske im Stepper mit Hilfe der Ausrichtemarken gewährleistet. Die Genauigkeitsanforderungen an die Messung sind nicht sehr hoch.
Mit jeder neuen Chipgeneration werden aber die Anforderungen an die Genauigkeit und den Meßdurchsatz immer größer. Die Genauigkeit, die mit der manuellen Messung mit einem herkömmlichen Mikroskop erreicht werden kann, reicht nicht mehr aus. Zudem wird mit der manuellen Messung zu viel Zeit für die Ausrichtung im Meßgerät, das Auffinden der Strukturen und die eigentliche Messung aufgewendet. Außerdem muß die Maske für jede Messung in einem separaten Meßgerät zunächst aus einer Transportbox entnommen und nach der Messung wieder sorgfältig in dieser verpackt werden. Jeder Handlingvorgang erhöht die Gefahr einer Verschmutzung und der Beschädigung der Maske.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren anzugeben, mit dem die "Pattern Centrality" mit höherer Genauigkeit, gesteigerter Geschwindigkeit und bei verringerter Beschädigungsgefahr bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zusätzlich zur Ist-Lage der Strukturen im Masken-Koordinatensystem auch die Lage von zwei senkrecht zueinander stehenden Außenkanten der Maske im Masken-Koordinatensystem gemessen wird. Dabei wird vorteilhafterweise die Lage der Außenkante in einer Koordinatenachse aus dem durch Bildauswertung gemessenen Wert der Kantenposition und in der anderen Koordinatenachse durch die aktuelle Meßtischposition bestimmt. Wenn zu einer Außenkante zwei Lagewerte und zu der anderen Außenkante mindestens ein Lagewert bestimmt wird, können unter der Annahme der rechtwinklig zueinander stehenden Außenkanten zwei Referenzlinien für die Ermittlung der "Centrality" bestimmt werden.
Da das Verfahren ein bildauswertendes Meßsystem verwendet, kann ein Bild der Außenkante der Maske im Meßgerät gespeichert und eine zu messende Kantenposition in einem automatischen Suchlauf des Meßtisches eingestellt werden. Zur Messung der Lage der Außenkante wird zweckmäßigerweise eine Abbildungsoptik mit niedriger Apertur verwendet. Wenn dann die Meßtisch-Oberfläche zumindest im Bereich der Außenkanten der aufliegenden Maske für die Abbildungsstrahlen des Meßgerätes reflektierend ausgebildet ist, wird die Kante im reflektierten Licht beleuchtet und es gelangt eine ausreichende Lichtintensität in das Meßsystem.
In Anlehnung an das herkömmliche Verfahren zur Bestimmung der "Pattern Centrality" können auf der Maske ausgewählte Strukturelemente vorgesehen werden, deren Lage im Masken-Koordinatensystem und relativ zu den Außenkanten der Maske ermittelt wird. Es kann aber auch die Lage aller gemessenen Strukturen relativ zu den Außenkanten ermittelt werden, ohne daß besondere "Centrality-Marken" vorgesehen werden.
Anstelle der Lage-Koordinaten kann sowohl für die ausgewählten Strukturelemente als auch für die anderen gemessenen Strukturen der Abstand zu den Außenkanten der Maske ermittelt werden.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 ein übliches Maskenlayout mit Anlagepunkten in einem Lithografiesystem,
Fig. 2 eine Maske mit zwei Centrality-Marken,
Fig. 3 eine typische Ausbildung der Maskenkante im Querschnitt und
Fig. 4 ein typisches Bild einer Maskenkante.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein Maskenlayout. Die dargestellte Maskenplatte enthält in einem zentralen Bereich die in einem Lithografiesystem erzeugten Maskenstrukturen (Reticle). In dem freien Bereich sind Ausrichtemarken aufgebracht. Zwei Außenkanten der Maskenplatte sollen im rechten Winkel zueinander stehen. Diese Kanten liegen an drei Punkten an. Die gestrichelten Linien bilden die Referenz für die Pattern Centrality.
Fig. 2 zeigt eine Maskenplatte mit gesondert aufgebrachten Centrality-Marken. Die Abstände zu den beiden als Referenz dienenden Außenkanten sind durch Pfeile angedeutet.
In Fig. 3 ist eine Maskenplatte im Kantenbereich im Querschnitt dargestellt. Die Kanten sind in typischer Weise angeschrägt, wobei der angegebene Abstand A üblicherweise zwischen 0,2 und 0,6 mm variieren kann.
Zur Durchführung des Verfahrens wird die Maske in dem Koordinaten-Meß­ system auf den Meßtisch geladen. Danach wird zunächst ein Alignment durchgeführt, mit dem die Maske zum Koordinatensystem des Meßgerätes ausgerichtet und das Masken-Koordinatensystem definiert wird. Im nächsten Schritt werden die Außenkanten der Maske vermessen.
Dazu wird der Meßtisch an die Position gefahren, an der die Kante gemessen werden soll. Der Hintergrund der Maske soll an dieser Stelle gut reflektieren, so daß über eine Abbildungsoptik mit geringer Apertur noch genügend Licht von diesem Hintergrund zur bildauswertenden Kamera des Meßgerätes gelangt. In Fig. 4 ist ein solches Bild dargestellt. Der Bereich außerhalb der Maske ist als helle Fläche zu erkennen. Die Kante selbst ist auf jeden Fall sehr dunkel, da wegen der Abschrägung die auftreffenden Lichtstrahlen aus dem Aperturbereich des abbildenden Objektivs herausreflektiert werden. Die Maskenoberfläche reflektiert dann wieder Licht in das Objektiv. Die Helligkeit hängt vom Maskentyp ab. Aufgrund der typischen Helligkeitsverteilung an der Außenkante der Maskenplatte kann dieses Bild auch abgespeichert und zur Bilderkennung in einem automatischen Suchlauf für den Meßtisch verwendet werden.
Hat der Tisch seine vorgegebene oder seine automatisch gefundene Meßposition erreicht, wird die genaue Position der Kante gemessen. Die Kantenmessung erfolgt mit Hilfe eines Bildanalyseverfahrens innerhalb des dargestellten Meßfensters. Die Genauigkeit der Messung hängt von der Auflösung des Bildaufnahmesystems (CCD-Kamera) ab. Als Kantenposition wird in einer Koordinatenachse der gemessene Wert der Kantenposition und in der anderen Koordinatenachse die aktuelle, interferometrisch gemessene Tischposition abgespeichert.
Auf diese Weise werden mindestens drei Punkte auf zwei Außenkanten der Maskenplatte gemessen, die unter einem rechten Winkel zueinander stehen.
Im nächsten Schritt wird die Lage der Centrality-Marken gemessen. Dazu werden jeweils z. B. zwei einander gegenüberliegende Kanten der Marke gemessen und die Mittellinie dazu bestimmt. Der Schnittpunkt von zwei senkrecht zueinander stehenden Mittellinien bestimmt die Lage (Koordinatenposition) der Marke. Diese Marken unterscheiden sich in ihrer Struktur nicht von Ausrichtemarken oder üblichen Meßstrukturen. Jede Struktur, die normalerweise gemessen werden kann, kann daher in dem erfindungsgemäßen Verfahren auch als Centrality-Marke verwendet werden. Es können somit beliebig viele Strukturen als Centrality-Marken definiert werden. Die Designpositionen (Soll-Lage), die Meßpositionen und die Anzahl der Marken können kundenspezifisch für jeden Meßvorgang definiert werden.
Die ermittelten Werte für die Kantenpositionen und die Positionen der gemessenen Centrality-Strukturen werden in einem Meßdatenfile mit abgespeichert und stehen somit für weitere Auswertungen zur Verfügung. Es kann aber auch ein separater Datenfile für die Centrality-Auswertung eingerichtet werden.
Mit einer geeigneten Auswertesoftware kann die weitere Auswertung kundenspezifisch durchgeführt werden. Die Auswertung kann unter anderem darin bestehen, die Abstände der Strukturen relativ zu den Kanten zu berechnen. Es können aber auch Schwerpunktverschiebungen, Rotationen, Orthogonalität etc. der Meßstrukturen relativ zu den Außenkanten ausgewertet werden.
Mit dem beschriebenen Verfahren wird nicht nur der Anwendungsbereich des an sich bekannten Meßgerätes erweitert. Es wird dadurch auch eine neue Gestaltung der Maskenstrukturen ermöglicht, denn bei höherer Belegung der Maskenfläche mit Strukturen können an beliebiger Stelle Centrality-Marken eingefügt oder es können auch ausgewählte Strukturen aus der regulären Maskenstruktur als Centrality-Marken definiert werden, die mit herkömmlichen Meßmethoden als solche nicht auswertbar wären.

Claims (11)

1. Verfahren zur Messung von Strukturen auf einer Maskenoberfläche, bei dem die Maske in einem bildauswertenden Koordinatenmeßgerät auf einem senkrecht zur optischen Achse eines abbildenden Meßsystems interferometrisch meßbar verschiebbaren Meßtisch gelagert und ein der Maske zugeordnetes Masken-Koordinatensystem über Ausrichtemarken relativ zu einem Meßgeräte-Koordinatensystem ausgerichtet wird und wobei die Soll-Lage der Strukturen in dem Masken-Koordinatensystem vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Ist-Lage der Strukturen im Masken-Koordinatensystem auch die Lage von zwei senkrecht zueinander stehenden Außenkanten der Maske im Masken-Koordinatensystem gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Außenkante in einer Koordinatenachse aus dem durch Bildauswertung gemessenen Wert der Kantenposition und in der anderen Koordinatenachse durch die aktuelle Meßtischposition bestimmt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Außenkante zwei Lagewerte und zu der anderen Außenkante mindestens ein Lagewert bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bild der Außenkante im Koordinatenmeßgerät gespeichert und eine zu messende Kantenposition in einem automatischen Suchlauf des Meßtisches eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Lage der Außenkante mit einer Abbildungsoptik mit niedriger Apertur durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßtisch-Oberfläche zumindest im Bereich der Außenkanten der aufliegenden Maske für die Abbildungsstrahlen des Meßgerätes reflektierend ausgebildet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Maske ausgewählte Strukturelemente vorgesehen werden, deren Lage im Masken-Koordinatensystem und relativ zu den Außenkanten der Maske ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage von beliebigen gemessenen Strukturen auch relativ zu den Außenkanten der Maske ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der ausgewählten Strukturelemente zu den beiden Außenkanten der Maske ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beliebigen gemessenen Strukturen zu den beiden Außenkanten der Maske ermittelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus abgespeicherten Lagekoordinaten der Strukturen und der Kantenpositionen unterschiedliche Auswertungen, wie z. B. Schwerpunktverschiebungen, Rotationen oder die Orthogonalität des Strukturmusters relativ zu den Außenkanten der Maske, durchgeführt werden.
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