DE19840725B4

DE19840725B4 - Method and interference-optical measuring device for optoelectronic measurement of the microstructures of a microelectronic component

Info

Publication number: DE19840725B4
Application number: DE19840725A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dr. Frankowski; Harald Dr. Wittrich; Wilfred Dr. John; Leonhard Dr. Weixelbaum
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV; GF Messtechnik GmbH
Current assignee: Gf Messtechnik 14513 Teltow De Forschungsve GmbH
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2018-08-29
Also published as: DE19840725A1; DE29715904U1

Abstract

Verfahren zur optoelektronischen Vermessung der Mikrostrukturen eines mikroelektronischen Bauelementes auf einem in einer Ätzkammer befindlichen Halbleiterwafer während des gesamten Ablaufs eines Ätzprozesses zur Ausbildung der Mikrostrukturen, bei dem ein kohärenter Lichtwellenzug durch einen Strahlenteiler in zwei getrennte Wellenzüge aufgespalten wird, von denen einer auf die Oberfläche eines Halbleiterwafers geleitet und dort reflektiert wird, der andere auf einen Referenzspiegel geleitet, dort reflektiert und dem vom Halbleiterwafer reflektierten Wellenzug überlagert wird, und aus der Größe des Unterschiedes der Weglängen des reflektierten Lichtes unter Verwendung eines Mess- und Steuerrechners Messwerte ermittelt werden, indem ausgewählte Objektfelder der Waferoberfläche und die Interferenzstreifen auf der Matrix einer CCD-Aufnahmekamera, beispielsweise über ein Zeit-Ätztiefen-Diagramm, abgebildet werden.method for the optoelectronic measurement of the microstructures of a microelectronic component on one in an etching chamber while semiconductor wafer the entire course of an etching process for the formation of the microstructures, in which a coherent light wave train split by a beam splitter into two separate wave trains one of which is on the surface of a semiconductor wafer guided and reflected there, the other directed to a reference mirror, reflected there and superimposed on the wave train reflected by the semiconductor wafer becomes, and from the size of the difference the path lengths of the reflected light using a measuring and control computer Measured values are determined by selecting selected object fields of the wafer surface and the interference fringes are imaged on the matrix of a CCD camera, for example via a time-etched-depth diagram become.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine interferenzoptische Messeinrichtung zur optoelektronischen Vermessung der Mikrostrukturen eines mikroelektronischen Bauelementes auf einem in einer Ätzkammer befindlichen Halbleiterwafer während des gesamten Ablaufs eines Ätzprozesses zur Ausbildung der Mikrostrukturen.The The invention relates to a method and an optical interference measuring device for the optoelectronic measurement of the microstructures of a microelectronic Component on a in an etching chamber located semiconductor wafer during the entire course of an etching process for the formation of microstructures.

Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist das Vermessen der Ätztiefen der durch Ätzverfahren herzustellenden Mikrostrukturen auf dem Halbleiterwafer.A preferred application of the invention is the measurement of etch depths by etching to be produced microstructures on the semiconductor wafer.

Es ist bekannt, Messungen im Mikro- und Nanometerbereich, beispielsweise zur Bewertung der Mikrorauhigkeit einer optisch glatten Oberfläche einer Halbleiterscheibe/Mikrochip mit interferenzoptischen Verfahren und Einrichtungen vorzunehmen – DE 195 25 903 A1 .It is known to carry out measurements in the micrometre and nanometer range, for example for evaluating the microroughness of an optically smooth surface of a semiconductor wafer / microchip using interference-optical methods and devices, DE 195 25 903 A1 ,

Entsprechend dem Interferometerprinzip, das diesen Verfahren und Einrichtungen zugrunde liegt, wird ein von einer lichtquelle kommender kohärenter Wellenzug durch einen Strahlenteiler in zwei getrennte Wellenzüge aufgespalten, die dann das Messobjekt (Objektwelle) und den Referenzspiegel (Referenzwelle) beleuchten. Infolge der Reflexion der Lichtwellen am Referenzspiegel und an der Oberfläche des Messobjektes werden sowohl die Referenzwelle als auch die Objektwelle zum Strahlenteiler zurückgeführt und zu einem optoelektronischen Sensor geleitet. Aufgrund der unterschiedlichen optischen Weglängen des Objekt- und Referenzstrahlenganges besitzen die beiden kohärenten Lichtwellenzüge einen geringfügigen Phasenversatz, der nach dem Durchtritt des jeweils reflektierten Lichtes durch den Strahlenteiler eine interferentielle Überlagerung bewirkt. Am optoelektronischen Sensor werden somit in Abhängigkeit von der Größe des Unterschiedes in der optischen Weglänge der beiden Lichtstrahlengänge unterschiedlich dichte Interferenzstreifenverläufe (Intensitätsmodulationen) registriert. Aus den Unterschieden der optischen Weglängen zwischen dem reflektierten Referenzstrahlengang und den von der Messfläche zurückgeführten Lichtwellen kann durch Auszählung der an einem optischen Sensor registrierten Interferenzstreifenzahlen beispielsweise die Qualität und die Quantität einer Oberflächenstruktur bestimmt werden. Als optischer Sensor kann beispielsweise auch eine CCD-Aufnahmekamera vorgesehen sein, siehe US 5 202 748 oder DE 40 37 798 A1 .According to the interferometer principle underlying these methods and devices, a coherent wave train coming from a light source is split by a beam splitter into two separate wave trains, which then illuminate the measurement object (object wave) and the reference mirror (reference wave). As a result of the reflection of the light waves at the reference mirror and at the surface of the measurement object, both the reference wave and the object wave are returned to the beam splitter and directed to an optoelectronic sensor. Due to the different optical path lengths of the object and reference beam path, the two coherent light wave trains have a slight phase offset which causes an interferential superimposition after the passage of the respective reflected light through the beam splitter. As a function of the size of the difference in the optical path length of the two light beam paths, differently dense interference fringe courses (intensity modulations) are registered at the optoelectronic sensor. From the differences in the optical path lengths between the reflected reference beam path and the light waves returned from the measurement surface, the quality and the quantity of a surface structure can be determined by counting the number of interference fringes recorded on an optical sensor, for example. As an optical sensor, for example, a CCD camera can be provided, see US 5,202,748 or DE 40 37 798 A1 ,

Diese interferenzoptischen Messverfahren und Einrichtungen haben aber den Nachteil, dass aufgrund des Interferometerprinzips geringste Störeffekte, wie beispielsweise Umgebungsschwingungen oder Temperaturschwankungen, wie sie bei praktischen Messungen immer wieder auftreten, zu Änderungen in den optischen Weglängen führen und somit die Messungen stören, indem man falsche oder keine Messergebnisse erhält. Derartige Störungen treten vor allem bei praktischen Messungen außerhalb von Optiklabors oder speziell ausgerüsteten Messräumen auf.These but interference optical measurement methods and facilities have the disadvantage that due to the interferometer principle least parasitics, such as environmental vibrations or temperature fluctuations, as they occur again and again in practical measurements, to changes in the optical path lengths lead and thus disturbing the measurements, by getting wrong or no measurement results. Such disturbances occur especially in practical measurements outside of optical laboratories or specially equipped measuring rooms on.

Um Verfälschungen und Störungen des Messergebnisses bei der Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit einer Halbleiterscheibe durch Tageslicht oder Fremdlichtquellen auszuschließen und eine eindeutige Zuordnung der reflektierten Lichtstrahlen bei Verwendung von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen für die durchzuführenden Messungen zu verwenden, wird nach DE-OS 36 37 477 der auf die Scheibenoberfläche gerichtete Lichtstrahl vor seinem Auftreffen mit einer charakteristischen Frequenz periodisch unterbrochen oder die Verwendung eines gepulsten Lasers angeregt.Around falsifications and disorders the measurement result in determining the surface roughness a semiconductor wafer by daylight or extraneous light sources excluded and an unambiguous assignment of the reflected light beams in use of light of different wavelengths for the one to be performed To use measurements, according to DE-OS 36 37 477 directed to the disc surface Beam of light before its impact with a characteristic frequency periodically interrupted or the use of a pulsed laser stimulated.

Die Herstellung von Mikrostrukturen eines elektronischen Bauelementes auf einem Halbleiterwafer oder die Produktion von speziell strukturierten Oberflächen einer Halbleiterscheibe erfolgen weitestgehend durch Ätzprozesse. Diese Ätzprozesse werden mit Hilfe ätzender Flüssigkeiten oder mit entsprechend aktivierten Gasen, z.B. mittels Plasmaätzverfahren, durchgeführt. Im Falle einer sogenannten Trockenätzung mit ätzenden Gasen wird die Halbleiterscheibe, auf der zuvor das Layout der Mikrostruktur aufgebracht worden ist, in eine Ätzkammer gebracht und nach Evakuierung der Ätzkammer durch einströmende aggressive Gase der Ätzprozess durchgeführt. Die Qualität der so hergestellten mikroelektronischen Struktur und die Leistungsparameter des mikroelektronischen Bauelementes werden entscheidend von der Maßhaltigkeit und der Kantenstruktur der auf ätztechnischem Wege hergestellten Mikrostruktur bestimmt. Mit der Zielstellung, die dem vorgegebenen Layout entsprechende Mikrostruktur des Chips im Ätzprozess zu erzeugen, wird zum Beispiel der Ätzprozess mehrfach unterbochen, der Halbleiterwafer aus der Ätzkammer entnommen und außerhalb der Ätzkammer die bereits durch den Ätzprozess hergestellte Struktur, beispielsweise mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops, vermessen. Sofern die projektierten Ätztiefen noch nicht erreicht worden sind, wird nach der Vermessung der Wafer in die Ätzkammer zurückgebracht und der Ätzprozess fortgesetzt.The Production of microstructures of an electronic component on a semiconductor wafer or the production of specially textured surfaces of a Semiconductor wafer are largely carried out by etching processes. These etching processes become more corrosive with the help liquids or with appropriately activated gases, e.g. by plasma etching, carried out. In the case of a so-called dry etching with corrosive gases, the semiconductor wafer, on which previously the layout of the microstructure has been applied, in an etching chamber brought and after evacuation of the etching chamber by inflowing aggressive Gases of the etching process performed. The quality the microelectronic structure thus produced and the performance parameters of microelectronic components are crucial to the dimensional stability and the edge structure of the etched Paths fabricated microstructure determined. With the goal, the microstructure of the chip corresponding to the given layout in the etching process For example, the etching process is repeatedly interrupted, the semiconductor wafer from the etching chamber taken and outside the etching chamber already through the etching process produced structure, for example by means of a scanning electron microscope, measure. If the projected etch depths have not yet been reached After measurement, the wafer is returned to the etching chamber and the etching process continues.

Diese Art der Vermessung der Mikrostruktur bzw. die Überwachung des Ätzprozesses durch mehrfache Entnahme des Halbleiterwafers aus der Ätzkammer ist sehr zeit-aufwendig und damit unwirtschaltlich. Zum anderen wird durch das wiederholte Unterbrechen des Ätzprozesses für die durchzuführenden Messungen bis zum Erreichen der gewünschten Ätztiefe die Qualität der Ätzstruktur erheblich nachteilig beeinflusst.This type of measurement of the microstructure or the monitoring of the etching process by multiple removal of the semiconductor wafer from the etching chamber is very time-consuming and thus unmanageable. On the other hand, the repeated interruption of the etching process for the durchzufüh rende measurements until the desired etching depth, the quality of the etching structure significantly adversely affected.

Andererseits ist diese umständliche Verfahrensweise dadurch bedingt, dass infolge der während des Ätzprozesses auftretenden Schwingungen, beispielsweise für die Herstellung und Aufrechterhaltung des Vakuums in der Ätzkammer, geeignete optoelektronische Messverfahren und – einrichtungen, die eine in situ Vermessung ermöglichen würden, nicht eingesetzt werden können.on the other hand is this awkward Due to the fact that due to the during the etching process occurring vibrations, for example, for the production and maintenance the vacuum in the etching chamber, suitable optoelectronic measuring methods and devices which have an in allow situ measurement would not can be used.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Messeinrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend weiterzubilden, dass ohne Unterbrechung des Ätzvorganges eine ständige Kontrolle des Ätzprozesses und eine Vermessung der durch Ätzen herzustellenden Mikrostruktur eines Halbleiterwafers in situ und in Echtzeit möglich sind.Of the Invention is therefore the object of a method and a Further develop measuring equipment of the type mentioned at the outset, that without interrupting the etching process permanent Control of the etching process and a measurement of by etching to be fabricated microstructure of a semiconductor wafer in situ and possible in real time are.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1, 14 und 15 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention this Task by the in the claims 1, 14 and 15 specified characteristics solved. Advantageous developments The invention will become apparent from the dependent claims.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden ausgewählte Objektfelder der Waferoberfläche und die Interferenzstreifen auf der Matrix der CCD-Aufnahmekamera abgebildet. Auf diese Weise kann der gesamte Ablauf des Ätzvorganges zur Ausbildung der Mikrostrukturen eines in der Ätzkammer befindlichen Halbleiterwafers direkt überwacht und beispielsweise die Ätztiefe an frei ausgewählten unterschiedlichen Waferbereichen direkt gemessen bzw. durch separate Kurvenverläufe erfasst werden. Zu diesem Zweck wird ein speziell entwickeltes Mess- und Steuersoftwarepaket verwendet, mit dessen Hilfe am Rechnermonitor ein Zeit-Ätztiefen-Diagramm erscheint, anhand dessen die Ätztiefe in Echtzeit verfolgt werden kann.With the solution according to the invention become selected object fields the wafer surface and the interference fringes on the matrix of the CCD camera displayed. In this way, the entire process of the etching process for forming the microstructures of a semiconductor wafer located in the etching chamber directly monitored and for example the etching depth at freely selected different wafer ranges measured directly or by separate curves be recorded. For this purpose, a specially developed measuring and Control software package used with its help on the computer monitor a time-etched-depth diagram appears based on which the etching depth can be tracked in real time.

Bei der Ätzung von Mikrostrukturen auf Wafern ist es üblich und notwendig, diese mit einer Abdeckmaske zu versehen, um zu gewährleisten, dass durch den Ätzvorgang tatsächlich nur die abzutragenden Waferbereiche durch das Ätzmaterial (Gas oder Flüssigkeit) erreicht und abgetragen werden können.at the etching of microstructures on wafers it is common and necessary to use these provided with a mask to ensure that by the etching process indeed only the wafer areas to be removed by the etching material (gas or liquid) can be reached and removed.

Für die Vermessung der Ätztiefe unter Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung werden durch die Abbildung der Waferoberfläche auf dem Rechnermonitor jeweils mit der Maus des Rechners zwei auszuwertende Flächen definiert, wobei eine auf der Maske und die andere im zu ätzenden Bereich des Wafers liegt. Im ungeätzten Ausgangszustand existiert eine Fhasenverschiebung, deren Wert auf Null gesetzt wird. Mit Beginn des Ätzvorganges ändert sich die optische Weglänge im Ätzbereich, wodurch am optoelektronischen Sensor dann ein von Null verschiedener Phasenunterschied zu registrieren ist, der aufgrund der Verwendung monochromatischen Lichtes ein direktes Maß für den Ätzabtrag ist.For the survey the etching depth using the solution according to the invention by the figure the wafer surface on the computer monitor in each case with the mouse of the computer two to be evaluated surfaces defined, one on the mask and the other in the etched Range of the wafer is located. In the unetched initial state exists a phase shift whose value is set to zero. With beginning the etching process changes the optical path length in the etching area, thereby at the optoelectronic sensor then a non-zero phase difference To register is due to the use of monochromatic Light a direct measure of the Ätzabtrag is.

Der in der Ätzkammer befindliche Halbleiterwafer wird erfindungsgemäß durch Lichtwellenimpulse von einigen Mikrosekunden Pulslänge einer mit Hilfe des Mess- uns Steuerrechners getriggerten monochromatischen Lichtquelle beleuchtet. Aufgrund der kurzen Belichtungszeiten ist die Fhasendifferenz zwischen Objekt und Referenzstrahlengang der Lichtwellenimpulse innerhalb der Belichtungszeit konstant. Auch sehr starke Schwingungen und andere störende Einflüsse, die bisher zwangsmäßig zu Störeffekten in den optischen Weglängen der Objekt- und Referenzlichtwellen eines Interferometers führten, werden von der CCD-Aufnahmekamera dadurch nicht mehr registriert.Of the in the etching chamber located semiconductor wafer according to the invention by light wave pulses of a few microseconds pulse length a monochromatic one triggered with the help of the measuring and control computer Illuminated light source. Due to the short exposure times is the phase difference between object and reference beam path of the lightwave pulses constant within the exposure time. Also very strong vibrations and other disturbing ones influences, the previously obsessive about in the optical path lengths of the object and reference light waves of an interferometer no longer registered by the CCD camera.

Auf diese Weise ist es möglich, trotz extremer Schwingungen der interferenzoptischen Messeinrichtung und des Messobjektes stehende Interferenzbilder am Mess- und Steuerrechner zu erhalten, die beispielsweise eine exakte messtechnische Bewertung der Ätztiefen einer Mikrostruktur auf einem Halbleiterwafer ermöglichen.On this way it is possible despite extreme vibrations of the interference optical measuring device and the measurement object standing interference images on the measuring and control computer to obtain, for example, an exact metrological evaluation the etching depths enable a microstructure on a semiconductor wafer.

Nach einem weiteren Merkmal besitzt die erfindungsgemäße Messeinrichtung einen Laser oder eine Laserdiode mit zwei unterschiedlichen Lichtwellenlängen, wodurch die Abbildung eines 3D-Profils (Mapping) von der Mikrostuktur im Halbleiterwafer möglich ist.To a further feature of the measuring device according to the invention has a laser or a laser diode having two different wavelengths of light, thereby the mapping of a 3D-profile (mapping) of the microstructure in the Semiconductor wafer possible is.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung entsprechnd Anspruch 3 bzw. Anspruch 14 wird der Referenzspiegel aus dem Strahlengang entfernt. Das Entfernen des Referenzspiegels aus dem Strahlengang führt dazu, dass der CCD-Sensor der Kamera das von der Oberfläche des Wafers reflektierte Licht aufnimmt. Im Falle einer reflektierenden Waferoberfläche kann während des Ätzprozesses die Reflektivität der Waferoberfläche bzw. deren Änderung verfolgt werden, z.B. beim Abtrag unterschiedlich reflektierender Schichten.To an embodiment according to claim 3 or claim 14 is the reference mirror removed from the beam path. Removing the reference mirror out of the beam path leads that the CCD sensor of the camera from the surface of the Wafer's reflected light picks up. In the case of a reflective wafer surface can while the etching process the reflectivity the wafer surface or their change be followed, e.g. when removing different reflective Layers.

Bei Vorhandensein einer transparenten Schicht, z.B. SiO₂, auf einer reflektierenden Unterlage, z.B. Silizium-Wafer, nimmt der CCD-Sensor der Kamera das durch Interferenz an dünnen Schichten entstehende Interferenzlicht auf.In the presence of a transparent layer, for example SiO ₂ , on a reflective base, for example silicon wafers, the CCD sensor of the camera picks up the interference light produced by interference on thin layers.

Jeder Einzelsensor der CCD-Kamera und damit jeder Pixel des Monitorbildes kann als separates Interferometer angesehen werden.Everyone Single sensor of the CCD camera and thus each pixel of the monitor image can be considered as a separate interferometer.

Es wird gegenüber herkömmlichen Lösungen eine hohe laterale Auflösung erreicht, die lediglich vom verwendeten optischen System und der Anzahl der Elemente der CCD-Matrix festgelegt ist. Es können beliebig viele voneinander unabhängige Messpunkte gewählt werden (max. Anzahl der Elemente der CCD-Matrix).It is opposite usual solutions a high lateral resolution achieved only by the optical system used and the Number of elements of the CCD matrix is set. It can be arbitrary many independent measuring points chosen (maximum number of elements of the CCD matrix).

Das mehrfache Unterbrechen des Ätzvorganges zum Vermessen der Ätztiefe und der Mikrostrukturen sowie das jeweils erneute Anfahren des Ätzvorganges entfallen bei allen Ausführungsformen nach der Erfindung vollständig. Der kontinuierliche Ablauf des Ätzprozesses führt nicht nur zu einer erheblichen Zeiteinsparung, sondern ist insbesondere mit einer wesentlichen Steigerung in der Qualität der geätzten Mikrostrukturen und mit einer entscheidenden Anhebung der Leistungsparameter des Halbleiterwafers verbunden.The multiple interruption of the etching process for measuring the etching depth and the microstructures and each renewed start of the etching process omitted in all embodiments the invention completely. The continuous process of the etching process does not lead only to a considerable time saving, but is in particular with a significant increase in the quality of the etched microstructures and with a significant increase in the performance parameters of the semiconductor wafer connected.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:The Invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments. In the corresponding Show drawing:

1 den Aufbau der interferenzoptischen Messeinrichtung in schematischer Darstellung 1 the structure of the interference optical measuring device in a schematic representation

2 eine interferenzoptische Messeinrichtung mit einem mehrfach gefalteten Abbildungsstrahlengang 2 an interference-optical measuring device with a multiply folded imaging beam path

3 den Verlauf der Intensitäten im Interferenzbild einer Ätzstufe 3 the course of the intensities in the interference image of an etching step

Die in 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Messeinrichtung verwenden als monochromatische Lichtquelle 1 eine Laserdiode. Um Störungen der Messvorgänge und Verfälschungen der Messergebnisse durch die während des Ätzprozesses auftretenden Schwingungen und sonstiger Störeffekte im Bereich des Messortes zu vermeiden und eine Messung der Mikrostruktur in situ und in Echtzeit überhaupt zu ermöglichen, wird die Laserdiode über den Mess- und Steuerrechner der Messeinrichtung (nicht dargestellt) getriggert und die Oberfläche des in der Ätzkammer 9 befindlichen Halbleiterwafers 5 mit gepulsten Lichtwellen von einigen Mikrosekunden Pulslängen beleuchtet. Die Lichtwellen der Lichtquelle 1 werden durch eine Kollimatoroptik 2 kollimiert, die aus einer Optik mit kurzer und einer Optik mit längerer Brennweite besteht, wobei die Lichtwellen der Laserdiode mit einer kurzbrennweitigen Optik auf ein Pinhole fokussiert und danach wieder mit einer Optik längerer Brennweite kollimiert werden. Hierdurch ist die Intensität der Lichtwellen im zentralen Bereich des Lichtstrahles homogen.In the 1 and 2 illustrated embodiments of the measuring device according to the invention use as a monochromatic light source 1 a laser diode. In order to avoid disturbances of the measurement processes and falsifications of the measurement results due to the vibrations occurring during the etching process and other disturbing effects in the area of the measurement location and to permit a measurement of the microstructure in situ and in real time at all, the laser diode is switched on via the measurement and control computer of the measuring device ( not shown) and the surface of the in the etching chamber 9 located semiconductor wafer 5 illuminated with pulsed light waves of a few microseconds pulse lengths. The light waves of the light source 1 be through a collimator optics 2 collimated, which consists of a lens with short and a longer focal length optics, the light waves of the laser diode are focused with a short focal length optics on a pinhole and then collimated again with a lens longer focal length. As a result, the intensity of the light waves in the central region of the light beam is homogeneous.

Mit Hilfe des Strahlenteilers 4 werden die Lichtstrahlungen der Lichtquelle 1 sowohl auf den Halbleiterwafer 5 in der Ätzkammer 9 als auch auf den Referenzspiegel 3 gelenkt. Für einen optimalen Kontrast des Interferenzbildes, das auf der Matrix der CCD-Abbildungskamera 7 abgebildet wird, sollte die Reflex-ion des Referenzspiegels 3 gleich der des Wafers 5 und die Länge des Referenzarmes 12 der interferenzoptischen Messeinrichtung gleich der des Objektarmes 13 sein. Der Referenzspiegel 3 ist leicht geneigt, damit das Referenzlichtbündel nicht senkrecht auf die Matrix der CCD-Aufnahmekamera 7 trifft und so eine Aufmodulation des Nutzsignals auf das Trägersignal erfolgt. Diese aufmodulierte Nutzsignalphase wird dann durch das Mess- und Steuerprogramm hinsichtlich der Ermittlung des aktuellen Phasenunterschiedes der aktuellen Ätztiefe ausgewertet und im Ätztiefen-Zeit-Diagramm als Messwert angezeigt.With the help of the beam splitter 4 become the light rays of the light source 1 both on the semiconductor wafer 5 in the etching chamber 9 as well as the reference mirror 3 directed. For optimum contrast of the interference image, on the matrix of the CCD imaging camera 7 should be reflected, the reflex ion of the reference mirror 3 equal to the wafer 5 and the length of the reference arm 12 the interference optical measuring device equal to the object arm 13 be. The reference mirror 3 is slightly tilted so that the reference light bundle is not perpendicular to the matrix of the CCD camera 7 takes place and so a modulation of the useful signal is carried out on the carrier signal. This modulated useful signal phase is then evaluated by the measuring and control program with respect to the determination of the current phase difference of the current etching depth and displayed in the etching depth-time diagram as a measured value.

Nach der Reflexion an den spiegelnden Flächen des Referenzspiegels 3 und der Oberfläche des Halbleiterwafers 5 werden die Strahlen durch eine vorteilhafterweise zweilinsige Abbildungsoptik 6 gebrochen. Diese Abbildungsoptik 6, die zwischen dem Strahlenteiler 4 und der CCD-Aufnahmekamera 7 angeordnet ist, bildet den Halbleiterwafer 5 mit einem Abbildungsmaßstab von zum Beispiel der Größe acht auf die Matrix der CCD-Aufnahmekamera 7 ab. Auf dem Monitor des Mess- und Steuerrechners ist dadurch mindestens ein Objektfeld von 0,5 mm × 0,7 mm zu sehen, das durch eine Veränderung der optischen Abbildungsverhältnisse ent-sprechend vergrößert oder auch verkleinert werden kann, wenn ein Abstand von 150 mm zwischen dem optischen Ausgang des Messgerätes zur Oberfläche des Wafers eingestellt ist.After reflection at the reflecting surfaces of the reference mirror 3 and the surface of the semiconductor wafer 5 The rays are advantageously through a two-line imaging optics 6 Broken. This imaging optics 6 between the beam splitter 4 and the CCD camera 7 is arranged, forms the semiconductor wafer 5 with a magnification of, for example, size eight on the matrix of the CCD camera 7 from. On the monitor of the measuring and control computer thereby at least one object field of 0.5 mm × 0.7 mm can be seen, which can be increased by a change in the optical imaging ratios accordingly or can be reduced, if a distance of 150 mm between the optical output of the meter is set to the surface of the wafer.

Zur Vermeidung eines unnötig langen Kameraarmes der interferenzoptischen Messeinrichtung werden die vom Referenzspiegel 3 und vom Halbleiterwafer 5 reflektierten Lichtstrahlen nach Durchgang durch die Optik 6 mit Hilfe von Umlenkspiegeln 10 gefaltet (2).To avoid an unnecessarily long camera arm of the interference optical measuring device, the reference mirror 3 and the semiconductor wafer 5 reflected light rays after passing through the optics 6 with the help of deflecting mirrors 10 folded (folded) 2 ).

Bei der Ausführung der interferenzoptischen Messeinrichtung nach 2 befindet sich vor der CCD-Auf-nahmekamera 7 ein Interferenzfilter 8, um Störungen der Messungen durch Plasmaleuchten in der Ätzkammer 9 oder durch Umgebungslicht des Messortes auszuschließen und nur die Lichtstrahlung des verwendeten Lasers auf die Matrix der CCD-Aufnahmekamera 7 abzubilden.In the execution of the interference optical measuring device according to 2 is located in front of the CCD camera 7 an interference filter 8th to disturb the measurements by plasma lights in the etching chamber 9 or excluded by ambient light of the site and only the light radiation of the laser used on the matrix of the CCD camera 7 map.

Bei einer Überlagerung von gegeneinander geneigten ebenen Lichtwellen ist der Intensitätsverlauf senkrecht zu den am Monitor sichtbaren Interferenzstreifen sinusförmig. Da die Objektwellenfront vom Halbleiterwafer bei der Vermessung von Ätzstufen aufgrund der Struktur des Wafers nur stückweise eben ist, ist der Intensitätsverlauf des Interferenzbildes in der Matrixebene der CCD-Aufnahmekamera 7 ebenfalls nur teilweise sinusförmig. Auf der CCD-Matrix der Aufnahmekamera 7 wird über die Abbildungsoptik 6 sowohl die Oberfläche des maskierten als auch des nichtmaskierten Waferbereiches 5 abgebildet. Im Verlauf des Ätzprozesses erfährt der nichtmaskierte Waferbereich einen Ätzabtrag, der im interferometrischen Strahlengang an der CCD-Matrix der Aufnahmekamera 7 eine Änderung der optischen Weglängen und somit der Phasenlage δ der interferierenden Wellen zwischen dem maskierten und nichtmaskierten Bereich der Waferoberfläche) bewirkt. Unter Verwendung entsprechender Auswertealgorithmen, die in die verwendete Mess- und Steuersoftware implementiert sind, kann aus den Änderungen der Phasenlage δ (3) zwischen dem maskierten und dem nichtmaskierten Bereich die Ätztiefe bestimmt werden.In a superposition of mutually inclined planar light waves, the intensity profile is sinusoidal perpendicular to the visible on the monitor interference fringes. Since the object wavefront from the semiconductor wafer in the measurement of etching stages only piecemeal due to the structure of the wafer is plane, is the intensity profile of the interference image in the matrix plane of the CCD camera 7 also only partially sinusoidal. On the CCD matrix of the recording camera 7 is about the imaging optics 6 both the surface of the masked and the non-masked wafer area 5 displayed. In the course of the etching process, the non-masked wafer area undergoes an etching removal, which in the interferometric beam path on the CCD matrix of the recording camera 7 a change in the optical path lengths and thus the phase angle δ of the interfering waves between the masked and unmasked area of the wafer surface) causes. Using appropriate evaluation algorithms, which are implemented in the measurement and control software used, the changes in the phase position δ ( 3 ) between the masked and non-masked areas, the etch depth can be determined.

Die Intensität der Teilstrahlen 11, 12 kann in einer Ausführungsform der Messeinrichtung durch nicht dargestellte geeignete optische Elemente, z.B. ein Polarisationsfilter, beeinflusst werden.The intensity of the partial beams 11 . 12 can be influenced in one embodiment of the measuring device by means not shown suitable optical elements, such as a polarizing filter.

11: Lichtquellelight source
22: Kollimatoroptikcollimator optics
33: Referenzspiegelreference mirror
44: Strahlenteilerbeamsplitter
55: HalbleiterwaferSemiconductor wafer
66: Abbildungsoptikimaging optics
77: CCD-AufnahmekameraCCD recording camera
88th: Interferenzfilterinterference filters
99: Ätzkammeretching chamber
1010: Umlenkspiegeldeflecting
1111: Teilstrahlpartial beam
1212: Teilstrahl (Referenzarm)partial beam (The reference arm)
1313: Objektarmobject arm
αα: Winkelangle
δδ: Phasenverschiebungphase shift

Claims

Method for optoelectronic measurement of Microstructures of a microelectronic component on a in an etching chamber while semiconductor wafer the entire course of an etching process for the formation of the microstructures, in which a coherent light wave train split by a beam splitter into two separate wave trains one of which is on the surface of a semiconductor wafer guided and reflected there, the other on a reference mirror conducted, reflected and reflected from the semiconductor wafer Wave train superimposed becomes, and from the size of the difference the path lengths of the reflected light using a measuring and control computer Measured values are determined by selecting selected object fields of the wafer surface and the interference fringes on the matrix of a CCD camera, for example via a Time etching depth diagram, shown become.

A method according to claim 1, characterized in that the surface of the in the etching chamber ( 9 ) semiconductor wafer ( 5 ) with pulsed light waves of a monochromatic light source ( 1 ), which is triggered by the measuring and control computer of the measuring device, is illuminated and that the optoelectronic sensor of the CCD camera ( 7 ) in the image plane of the semiconductor wafer ( 5 ) and the reference mirror ( 3 ) reflected and superimposed beams arranged and in the imaging beam path ( 11 ) between beam splitters ( 4 ) and CCD camera ( 7 ) one the imaging beam path ( 11 ) magnifying optics ( 6 ) to be ordered.

A method according to claim 1, characterized in that during the etching process, the reflectivity of the wafer surface ( 5 ) or its change by means of the optoelectronic sensor of the CCD camera ( 7 ).

Method according to claim 1, characterized in that during the etching process in the presence of a transparent wafer surface ( 5 ) on a reflective base the interference light produced by interference on thin layers by means of the optoelectronic sensor of the CCD camera ( 7 ) is evaluated.

Method according to claims 1 to 4, characterized in that from the evaluation of the changes of the phase position (δ) of the interfering light waves between the masked and the non-masked area of the wafer surface ( 5 ) the etching depth is determined.

Method according to claim 2, characterized in that that of the semiconductor wafer ( 5 ) reflected light waves approximately orthogonal to the recording sensor of the CCD camera ( 7 ) and from the reflected light waves of the reference arm ( 12 ), wherein the reference light waves include an angle α <0 to the orthogonal of the recording sensor.

Process according to claims 1 to 4, characterized that the surface of the semiconductor wafer with a collimated laser light radiation is illuminated.

Method according to claims 1 to 4, characterized in that the monochromatic light source ( 1 ) is a laser light diode.

Process according to claims 1 to 4, as characterized in that the imaging beam path ( 11 ) by means of deflecting mirrors ( 10 ) folded several times and the CCD camera ( 7 ) an interference filter ( 8th ) is connected upstream.

Process according to claims 1 to 4, characterized in that the light source ( 1 ) a collimator optics ( 2 ), which is formed of a lens with short and a lens with a longer focal length.

Method according to claim 2, characterized in that the reflection of the reference mirror ( 3 ) equal to that of the semiconductor wafer ( 5 ) and the length of the reference arm ( 12 ) of the measuring device equal to the length of the object arm ( 13 ) is selected.

Method according to claims 1 to 4, characterized in that for the monochromatic light source ( 1 ) a laser or a laser diode with two wavelengths of light is selected.

Method according to claims 2 and 3, characterized in that the intensity of the partial beams ( 11 . 12 ) is influenced by suitable optical elements such as polarization filters.

Interference optical measuring device for optoelectronic measurement of the microstructures of a microelectronic component on a in an etching chamber ( 9 ) semiconductor wafer ( 5 ), consisting of a beam splitter ( 4 ), a reference level ( 3 ) and a measurement and control computer, wherein the semiconductor wafer ( 5 ) in the beam path of a monochromatic light source ( 1 ), for example a laser diode, which emits the pulsed light waves triggered by the measurement and control computer and which is equipped with collimator optics ( 2 ), in the image plane of the semiconductor wafer ( 5 ) and the reference mirror ( 3 ) reflected and superimposed rays of the optoelectronic sensor of a CCD camera ( 7 ) is arranged, and in the imaging beam path ( 11 ) between beam splitters ( 4 ) and CCD camera ( 7 ) one the imaging beam path ( 11 ) magnifying optics ( 6 ) is provided.

Interference optical measuring device for optoelectronic measurement of the microstructures of a microelectronic component on a in an etching chamber ( 9 ) semiconductor wafer ( 5 ), consisting of a beam splitter ( 4 ) and a measurement and control computer, wherein the semiconductor wafer ( 5 ) in the beam path of a monochromatic light source ( 1 ), for example a laser diode, which emits the pulsed light waves triggered by the measurement and control computer and which is equipped with collimator optics ( 2 ), in the image plane of the semiconductor wafer ( 5 ) reflected rays of the optoelectronic sensor of a CCD camera ( 7 ) is arranged, and in the imaging beam path ( 11 ) between beam splitters ( 4 ) and CCD camera ( 7 ) one the imaging beam path ( 11 ) magnifying optics ( 6 ) is provided.

Interference optical measuring device according to claim 14 or 15, characterized in that in the imaging beam path ( 11 ) Deflection mirror ( 10 ) and the CCD camera ( 7 ) an interference filter ( 8th ) is connected upstream.

Interference optical measuring device according to claim 14 or 15, characterized in that in the partial beam paths ( 11 . 12 ) optical elements such as polarizing filters for influencing the intensity of the rays ( 11 . 12 ) are introduced.