DE19824624A1 - Measuring system for optical diffraction analysis of periodic submicrometer structures - Google Patents

Measuring system for optical diffraction analysis of periodic submicrometer structures

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Joerg Dr Bischoff
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4788—Diffraction

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Abstract

The system has an ellipsoidal mirror (5) and a monochromatic light source (1) and is arranged so that a beam part element (4) is located at one of the two focal points (F1) of the mirror. The sample (7) to be tested is positioned in the other focal point (F2) of the mirror. Optoelectronic elements (10) are arranged in a quarter circle arc above the sample.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur optischen Diffraktionsanalyse von Proben periodischer Submikrometerstrukturen. Sie ist einsetzbar zur optischen Diffraktionsanalyse von Sublambdagittern, d. h. periodischen ein- oder zweidimensionalen Strukturen mit einer räumlichen Periode die kleiner als die antastende Lichtwellenlänge ist. Die optische Diffraktionsanalyse periodischer Mikrostrukturen, im angelsächsischen Sprachgebrauch auch als "Optical Scatterometry" bekannt, hat seit ihrer Einführung durch eine von Prof. R. McNeil and der UNM Albuequerque geleiteten Arbeitsgruppe, eine gewisse Bedeutung als alternatives Meßverfahren der Mikro- und Mikroelektroniktechnologie erlangt. Das Prinzip des Verfahrens besteht in der winkelaufgelösten Messung des an periodischen Mikrostrukturen gebeugten Lichtes (d. h. der Beugungseffizienzen in den ausbreitungsfähigen Ordnungen) bzw. des direkten Reflexes in Abhängigkeit vom Einfallswinkel. In einem zweiten Schritt werden mittels moderner Datenanalyseverfahren wie multivarianter Regression, Regression auf der Basis neuronaler Netze oder einem Vergleichstabellenprinzip die zu bestimmenden Profil- und ggf. auch Materialparameter aus den Streulichtdaten extrahiert. Die Messung erfolgt hierbei integral über mehrere Gitterperioden. Es wird in der Regel mit Strahldurchmessern zwischen 0,1 und 1 mm gearbeitet, woraus die Erfassung von ca. 100 bis 1000 Gitterperioden folgt. Dadurch ist eine starke Konzentration des gebeugten Lichtes in bestimmte Richtungen (Beugungsordnungen) gewährleistet.The invention relates to a measuring arrangement for optical diffraction analysis of samples periodically Submicron structures. It can be used for optical diffraction analysis of sublambda gratings, d. H. periodic one- or two-dimensional structures with a spatial period smaller than is the probing light wavelength. The optical diffraction analysis of periodic microstructures, in Anglo-Saxon language also known as "Optical Scatterometry" has been around since its inception by a working group led by Prof. R. McNeil and the UNM Albuequerque, a certain Gained importance as an alternative measuring method for micro and microelectronic technology. The The principle of the method is the angularly resolved measurement of periodic microstructures diffracted light (i.e. the diffraction efficiencies in the spreadable orders) or the direct reflex depending on the angle of incidence. In a second step, using modern Data analysis methods such as multivariate regression, regression based on neural networks or  the profile and material parameters to be determined from the Stray light data extracted. The measurement is carried out integrally over several grid periods. It is in usually worked with beam diameters between 0.1 and 1 mm, from which the detection of approx. 100 up to 1000 grid periods follows. This results in a strong concentration of the diffracted light in certain Directions (diffraction orders) guaranteed.

Für Sublambda-Gitter ist das gebeugte Licht höherer Ordnung entsprechend der Gittergleichung nicht mehr ausbreitungsfähig. Dennoch enthält das direkt reflektierte bzw. transmittierte Licht ausreichende Information über das beugende Profil solange das Verhältnis von Wellenlänge λ zu Gitterperiode d nicht sehr viel größer als 1 ist. Durch Messung dieser nullten Beugungsordnung in Transmission und/oder Reflexion als Funktion des Einfallswinkels lassen sich charakteristische Kurven bzw. Abhängigkeiten gewinnen, die man als eine Art optischen Fingerabdruck des Gitterprofils ansehen kann. Auf diese Weise können wieder genug Eingangsdaten für eine erfolgreiche Datenanalyse bereitgestellt werden. Wegen der gleichzeitigen Änderung von Einfallswinkel θi und Streuwinkel θs wird das Verfahren auch als 2θ-Scatterometry bezeichnet. Derzeit erfolgt das Anfahren der Winkelstellungen zeitlich nach­ einander, woraus relativ lange Meßzeiten resultieren.For sublambda gratings, the diffracted light of higher order can no longer propagate according to the grating equation. Nevertheless, the directly reflected or transmitted light contains sufficient information about the diffractive profile as long as the ratio of wavelength λ to grating period d is not very much greater than 1. By measuring this zeroth diffraction order in transmission and / or reflection as a function of the angle of incidence, characteristic curves or dependencies can be obtained, which can be viewed as a kind of optical fingerprint of the grating profile. In this way, enough input data can again be provided for a successful data analysis. Because of the simultaneous change in the angle of incidence θ i and the scattering angle θ s , the method is also referred to as 2θ scatterometry. Currently the angular positions are approached one after the other, which results in relatively long measuring times.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art (2θ-Prinzip) anzugeben, mit der die Meßzeiten wesentlich reduziert werden.The invention is based on the object of an arrangement of the type described at the outset (2θ principle) specify with which the measuring times are significantly reduced.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst. According to the invention, the object is achieved with the features specified in the patent claims.  

Die erfindungsgemäße Anordnung wird durch folgende Wirkungsweise charakterisiert.The arrangement according to the invention is characterized by the following mode of operation.

  • 1. Die zu messende Probe wird in einem der beiden Brennpunkte eines Ellipsoidspiegels oder eines Ellipsoidspiegelsegments angeordnet.1. The sample to be measured is in one of the two focal points of an ellipsoid mirror or an ellipsoid mirror segment.
  • 2. Im zweiten Brennpunkt des Ellipsoidspiegels befindet sich ein diffraktiver Mehrfach­ strahlteiler, der den einfallenden (monochromatischen) Strahl in mehrere, unterschied­ lich gerichtete Teilstrahlen annähernd gleicher Intensität aufspaltet.2. There is a diffractive multiple in the second focal point of the ellipsoid mirror beam splitter, which differentiates the incident (monochromatic) beam into several Lich directed partial beams split approximately the same intensity.
  • 3. Die erzeugten Teilstrahlen müssen nicht notwendigerweise in einer Ebene liegen, was besonders für die Untersuchung von Doppelgittern aber auch für die Realisierung der sogenannten konischen Anordnung bei der Messung eindimensionaler Gitter von Interesse sein kann.3. The partial beams generated do not necessarily have to lie in one plane, what especially for the investigation of double grids but also for the realization of the so - called conical arrangement when measuring one - dimensional grids from May be interested.
  • 4. Die vom Mehrfachstrahlteiler ausgehenden Teilstrahlen werden am Ellipsoidspiegel reflektiert und treffen unter verschiedenen Einfallswinkeln (Elevation θ und Azimut Φ) gleichzeitig auf die gleiche Region der Probe.4. The partial beams coming from the multiple beam splitter are at the ellipsoid mirror reflect and hit at different angles of incidence (elevation θ and azimuth Φ) simultaneously on the same region of the sample.
  • 5. In der Richtung der transmittierten oder reflektierten Strahlen befindet sich ein Detekto­ rarray oder mehrere diskrete Detektoren zur Messung der Lichtintensität.5. There is a detector in the direction of the transmitted or reflected rays rarray or several discrete detectors for measuring the light intensity.
  • 6. Mit dieser Anordnung können auch periodische Strukturen mit λ < d untersucht werden, indem auch die Intensitäten der höheren Beugungsordnungen durch entsprechend angeordnete Detektoren gemessen werden.6. With this arrangement, periodic structures with λ <d can also be examined, by also matching the intensities of the higher diffraction orders by Arranged detectors are measured.
  • 7. Die Anordnung kann mittels eines idealen Spiegels an der Stelle der Probe geeicht werden, wodurch unterschiedliche Empfindlichkeiten der Empfänger und Unterschiede bei der Aufspaltung am Vielfachstrahlteiler auskalibriert werden können.7. The arrangement can be calibrated at the place of the sample using an ideal mirror be, creating different sensitivities of the recipient and differences can be calibrated during splitting on the multiple beam splitter.

Ein entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß durch eine Parallelisie­ rung des 2θ-Prinzips und die damit verbundene simultane Messung des spekularen Reflexes für mehrere Einfallwinkel die Akzeptanz dieses Meßprinzips für den industriellen Einsatz wesentlich erhöht werden kann.A decisive advantage of the arrangement according to the invention is that through parallelism tion of the 2θ principle and the simultaneous measurement of the specular reflex for several Angle of incidence, the acceptance of this measuring principle for industrial use can be significantly increased can.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert
In der zugehörigen Zeichnung zeigtThe invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment
In the accompanying drawing shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung zur simultanen Erfassung einer 2θ-Kurve in Reflexion mittels eines Ellipsoidspiegels in Kombination mit einem Vielfachstrahlteiler. Fig. 1 is a schematic representation of the arrangement for the simultaneous detection of a 2θ curve in reflection by means of an ellipsoid mirror in combination with a multiple beam splitter.

Grundelement der Anordnung ist ein Ellipsoidspiegel 5 in dessen erstem Brennpunkt F1 sich ein diffraktiver Mehrfachstrahlteiler 4 und in dessen zweiten Breiinpunkt sich die zu untersuchende Probe 7 befindet. Die Probe kann mittels eines rechnergesteuerten Koordinatentisches 8 positioniert werden. Das von einem Laser (oder einer anderen monochromatischen Lichtquelle) 1 ausgehende Licht wird mittels eines Faserkoppelsystems 2 in die Meßanordnung eingekoppelt und mittels eines Umlenk­ spiegels 3 auf das Strahlteilerelement gelenkt. Der diffraktive optische Strahlteiler teilt den aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelten Strahl in eine bestimmte Anzahl von Teilstrahlen auf. Aufgrund der optischen Eigenschaften des Ellipsoidspiegels werden alle Strahlen, die vom ersten Brennpunkt ausge­ hen im zweiten Brennpunkt wieder vereinigt. Da sich die Probe im zweiten Brennpunkt F2 befindet, kann auf diese Weise sichergestellt werden, daß mehrere Teilstrahlen 6 unter verschiedenem Einfalls­ winkel gleichzeitig auf die Oberfläche treffen. Diese werden entsprechend dem Profil der Probenober­ fläche für die verschiedenen Einfallswinkel unterschiedlich reflektiert 9 und von optoelektronischen Empfängerelementen 10, die im Viertelkreisbogen über der Probe angeordnet sind, detektiert. Diese Messung erfolgt im Unterschied zum bekannten 2θ-Prinzip gleichzeitig, wodurch eine hohe Meß­ geschwindigkeit und damit Meßdurchsatz gesichert werden kann. The basic element of the arrangement is an ellipsoid mirror 5, in the first focal point F1 of which there is a diffractive multiple beam splitter 4 and in the second pulping point the sample 7 to be examined is located. The sample can be positioned using a computer-controlled coordinate table 8 . The light emanating from a laser (or another monochromatic light source) 1 is coupled into the measuring arrangement by means of a fiber coupling system 2 and is directed onto the beam splitter element by means of a deflecting mirror 3 . The diffractive optical beam splitter divides the beam coupled out of the optical waveguide into a certain number of partial beams. Due to the optical properties of the ellipsoid mirror, all rays originating from the first focus are combined again in the second focus. Since the sample is located in the second focal point F2, it can be ensured in this way that a plurality of partial beams 6 hit the surface at different angles of incidence simultaneously. These are reflected differently according to the profile of the sample surface for the different angles of incidence 9 and are detected by optoelectronic receiver elements 10 , which are arranged in a quarter-circle arc above the sample. In contrast to the known 2θ principle, this measurement is carried out simultaneously, which means that a high measuring speed and thus measuring throughput can be ensured.

Die Auswertung der gemessenen Intensitätskurven geschieht wiederum, wie oben bereits erwähnt, durch entsprechende Datenanalyseverfahren. Neben der Anwendung in der Mikroelektronikindustrie, z. B. für Messungen an periodischen dRAM-Strukturcn mit Linien breiten im Bereich von 0.25 µm und darunter, bestehen auch Möglichkeiten für den Einsatz des Verfahrens zur schnellen im-Prozeß-Charakterisierung diffraktiven Elementen für den Einsatz in hochgenauen Translations- und Rotationsmeßsystemen (translation- and rotation-encoders) und für optische Rückverdrahtungen (optical backplanes). As already mentioned above, the measured intensity curves are evaluated by corresponding data analysis methods. In addition to the application in the microelectronics industry, e.g. B. for Measurements on periodic dRAM structures with line widths in the range of 0.25 µm and below, there are also possibilities for using the method for rapid in-process characterization diffractive elements for use in high-precision translation and rotation measuring systems (translation- and rotation-encoders) and for optical backwiring (optical backplanes).  

BezugszeichenlisteReference list

11

Laser/Monochromatische Lichtquelle
Laser / monochromatic light source

22nd

Faserkoppelsystem
Fiber coupling system

33rd

Umlenkspiegel
Deflecting mirror

44th

Mehrfachstrahlteiler
Multiple beam splitter

55

Ellipsoidspiegel (oder Ellipsoidspiegelsegment)
Ellipsoid mirror (or ellipsoid mirror segment)

66

Einfallende Strahlen
Incident rays

77

Probe
sample

88th

Probentisch
Rehearsal table

99

Reflektierte (und gebeugte) Strahlen
Reflected (and diffracted) rays

1010th

Optoelektronische Empfänger
F1 Brennpunkt Optoelectronic receivers
F1 focus

11

des Ellipsoidspiegels
F2 Brennpunkt of the ellipsoid mirror
F2 focus

22nd

des Ellipsoidspiegels
of the ellipsoid mirror

Claims (4)

1. Meßanordnung zur optischen Diffraktionsanalyse von Proben (7) periodischer Submikrometer­ strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Anordnung einen Ellipsoidspiegel (5) und eine monochromatische Lichtquelle (1) enthält,
  • - sich in einem der beiden Brennpunkte (F1) des Ellipsoidspiegels ein Strahlteilerelement (4),
  • - in dem anderen Brennpunkt (F2) die zu untersuchende Probe (7) befinden und
  • - in einem Viertelkreisbogen oberhalb der Probe (7) optoelektronische Empfängerelemente (10) angeordnet sind.
1. Measuring arrangement for optical diffraction analysis of samples ( 7 ) periodic submicron structures, characterized in that
  • the arrangement contains an ellipsoid mirror ( 5 ) and a monochromatic light source ( 1 ),
  • a beam splitter element ( 4 ) is located in one of the two focal points (F1) of the ellipsoid mirror,
  • - The sample ( 7 ) to be examined is in the other focal point (F2) and
  • - Optoelectronic receiver elements ( 10 ) are arranged in a quarter circle above the sample ( 7 ).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Anordnung ein Faserkoppel­ system (2), mit dem das monochromatische Licht in die Meßanordnung eingekoppelt wird, und ein Umlenkspiegel (3), mit dem das Licht auf den Strahlteilerelement (4) gelenkt wird, angebracht sind.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that on the arrangement a fiber coupling system ( 2 ) with which the monochromatic light is coupled into the measuring arrangement, and a deflecting mirror ( 3 ) with which the light is directed onto the beam splitter element ( 4 ) will be attached. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (7) auf einem rechner­ gesteuerten Koordinatentisch (8) angebracht ist, mit dem die Probe (7) in zwei Koordinaten positioniert und im Winkel ausgerichtet werden kann.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the sample ( 7 ) is mounted on a computer-controlled coordinate table ( 8 ) with which the sample ( 7 ) can be positioned in two coordinates and aligned at an angle. 4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahl­ teilerelement (4) ein diffraktiver Mehrfachstrahlenteiler angeordnet ist.4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a diffractive multiple beam splitter is arranged as the beam splitter element ( 4 ).
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