DE2554086A1

DE2554086A1 - Verfahren zur analyse und/oder zur ortsbestimmung von kanten

Info

Publication number: DE2554086A1
Application number: DE19752554086
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Phys Dr Scheidewie
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1975-12-02
Filing date: 1975-12-02
Publication date: 1977-06-16

Description

Verfahren zur Analyse und/oder zur Ortsbestimmung von Kanten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse und/oder zur Ortsbestimmung von Kanten mit einem relativ zu der die Kante oder Kanten enthaltenden Fläche verschiebbaren Mikroskopobjektiv und schrägeinfallender Beleuchtung.
Auf vielen Gebieten der Technik, insbesondere aber bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen werden Vorrichtungen benötigt, mit denen man die Abmessungen und die Lage linienförmiger oder punktfdrmiger Bereiche in großer Genauigkeit feststellen kann. Da bei modernen integrierten Schaltungen linienförmige Bereiche und Abstände zwischen linienförmigen Bereichen in der Größenordnung von 1 bis 2 pm vorkommen, sind die Anforderungen an die Genauigkeit beim Vermessen derartiger Anordnungen besonders hoch. Die Schwierigkeiten bei der Durchführung derartiger Messungen, die zur Steuerung und Überwachung bei der Massenherstellung von integrierten Schaltungen laufend durchgeführt werden müssen, sind insbesondere dadurch bedingt, daß die Kantenbreiten der zu vermessenden linienförmigen oder punktförmigen Bereiche in der Regel von der gleichen Größenordnung wie die Elemente selbst sind.
Das hat zur Folge, daß exakte Untersuchungen derartig fein strukturierter Muster nur durch statistische Auswertung ganzer Meßreihen durchgeführt werden können. In der OS 22 62 855 wird eine optische Abtastvorrichtung mit schräg auf den Aufzeichnungsträger auftreffenden Abtaststrahlen und senkrecht zur Ebene des Aufzeichnungsträgers erfolgenderAuswertung des Streulichtes beschrieben, bei der zwischen der Beleuchtungsanordnung und der Detektoranordnung einerseits und der Ebene des Aufzeichnungsträgers andererseits ein Diffusor angeordnet ist. Mit dieser Vorrichtung können, wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, nur relativ grob strukturierte Muster vermessen werden, da feinere Details durch den zwischen Lichtquelle und Aufzeichnungsträger sowie zwischen Aufzeichnungsträger und Detektor angeordneten Diffusor zwangsläufig verwischt werden. Die in den Offenlegungsschriften 20 17 400 und 21 02 027 beschriebenen Vorrichtungen eignen sich ebenfalls nicht zur exakten Ausmessung von Linienelemente und Abstände in der Größenordnung von 2 pm und weniger aufweisenden Mustern, da die Meßgenauigkeit bei der Ortsbestimmung einer Kante durch periodische Veränderung der Lage und/oder der Form des abtastenden Strahls zwar erheblich erhöht wird, eine Berücksichtigung der Breite und Form der Kante selbst jedoch nicht möglich ist. Da alle in der Technik vorkommenden körperlichen Kanten, Durchsichtigkeit-oder Farbübergänge immer eine räumliche Ausdehnung haben, die in der Regel in der Größenordnung von 0,5 bis 5 pin liegt, sind Vermessungen von in dieser Größenordnung liegenden Elementen von vorneherein mit einer Fehlerquelle behaftet, deren Fehler im ungünstigsten Fall einige 100 % größer als die zu vermessenden Strukturen sein können. Bei visueller Betrachtung mit hochauflösenden Mikroskopen ist es zwar möglich, bestimmte Materialdicken, Transparenzen oder Farbtöne der durch die Kanten dargestellten über gänge zu ermitteln und als Referenzpunkte für die Lagebestimmung aller ähnliche Beschaffenheiten aufweisenden Kanten zu verwenden.
Die Festlegung derartiger Referenzpunkte beruht jedoch weitgehend auf Schätzungen und ist starken individuellen Störeinflüssen ausgesetzt.
Zur automatischen Erfassung der Kanten bei der Ausmessung von feinstrukturierten Mustern wurde bei allen bisher bekannten Vorrichtungen ein dünner Laserstrahl oder Lichtpinsel verwendet, der jedoch, bedingt durch seinen relativ großen Querschnitt, zur Analyse von nur wenige zur oder Bruchteile von Jarn breiten Kanten nicht geeignet war.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse und/oder zur Ortsbestimmung von Kanten anzugeben, das eine vollautomatische und extrem schnelle Bestimmung von Profilen von Kanten oder Helligkeitsverläufen von schwarz-weiß oder Transparenzübergängen ermöglicht, deren Breite in der Größenordnung einer Lichtwellenlänge liegt. Durch die Analyse der Kantenprofile oder Helligkeitsübergänge sollen charakteristische Punkte oder Bereiche im Verlauf der Kantenprofile oder der Helligkeitsübergänge werden, die anschließend als Referenzpunkte zur Ortsbestimmung einzelner Kanten oder zur Vermessung von einer Vielzahl von Kanten aufweisender feinstrukturierten Mustern verwendet werden Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung gelöst.
Während bei allen bisher bekannten automatischen Vorrichtungen zur Auffindung einer Kante die Meßgenauigkeit im wesentlichen durch den Querschnitt des zur Verfügung stehenden Meßstrahls begrenzt wurde und die die Kanten bildenden Profile oder Transparenz-, bzw. Farbverläufe nur annähernd durch periodische Veränderung der Lage oder Form des abtastenden Strahls berücksichtigt werden konnten, ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, das Profil einer Kante oder einen Transparenzverlauf in ein elektrisches Analogsignal zu verwandeln, das entweder durch Analogrechenschaltungen, beispielsweise durch Schwellwert- lictung, Ditrerenzierung oder Integrierung oder aber nach umwandlung in Digitalsignale einen Computer zur weiteren Auswertung zugeführt werden kann.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Fign. näher erläutert.
Es zeigen; Fig. 1 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 3 die schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fign. 4 u. 5 schematische Darstellungen verschiedener Kurvenverläufe und der ihnen zugeordneten Abtastsignale.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Mikroskopobjektiv 1, dessen im Bereich der optischen Achse 2 liegendes Gesichtsfeld durch zwei vorzugsweise als Helium-Cadmium-Laser ausgebildete Lichtquellen 4 und 5 über Vorrichtungen 6, 7 bzw.
8, 9 zur Erweiterung des Strahlquerschnittes unter einem Winkel von etwa 20° beleuchtet wird. In einer Zwischenbildebene 10 des Mikroskopobjektivs 1 ist eine Blende 11 mit einer sehr kleinen rechteckförmigen Öffnung 12 angeordnet, durch die das von einem Photodetektor 13 erfaßbare Blickfeld begrenzt wird. Ein Kanten 21 und 22 aufweisendes Objekt 20 ist auf einem Kreuzsupport 23 angeordnet, das über schematisch dargestellte Spindeltriebe 24 und 25 in X- und Y-Richtung verschoben werden kann. Um die mittels der Strahlen 7R und 9R erzeugten optischen Informationen voneinander unterscheiden zu können, wird dafür gesorgt, daß der Lichtstrahl 7R aus Rechteckimpulsen mit einer Wiederholungsfrequenz von 10 kHz und der Lichtstrahl 9R aus Rechteckimpulsen mit einer Wiederholungsfrequenz von 50 kHz besteht. Diese Modulation kann beispielsweise durch Verwendung von die entsprechenden Impulsfrequenzen liefernden Impulslaser, durch geeignete Modulation der die beiden Lichtquellen modulierenden Spannung oder durch Anordnung nicht dargestellter elektrooptischer Verschlüsse bewirkt werden. Die am Ausgang des Photodetektors 13 auftretenden elektrischen Signale, die aus Signalen mit einer Folgefrequenz von 10 kHz und aus Signalen mit einer Folgefrequenz von 50 kHz bestehen, werden einem Frequenzfilter 14 zugeführt, an dessen Ausgängen 15 und 16 Signalfolgen mit den Folgefrequenzen von 10 kHz bzw. 50 kHz auftreten, deren Amplituden Funktionen des jeweils abgetasteten Kantenprofils sind. Diese Analogsignale werden Analogdigitalwandlern 17 und 18 zugeführt, deren Ausgänge mit einem Computer 19 verbunden sind. Bei der in Fig. 1 dargestellten Lage der Kante 22 der zu untersuchenden Probe 20 wird der Strahl 9R wie aus Fig. 8 ersichtlich, durch den unteren, konkaven Kantenbereich im Punkte Fg fokussiert, während sie im oberen, konvexen Kantenbereich defokussiert wird. Der virtuelle Brennpunkt liegt im zuletzt genannten Fall im Punkte F1. Die Koordinaten XO bzw. X1 dieser Punkte sind in bezug auf den Kantenanfang bzw.
auf das Kantenende deutlich versetzt. Wird der Kreuzsupport 23 und damit die auf ihn angeordnete Probe 20 aus ihrer äußersten linken Lage nach rechts verschoben, so wird zunächst kein Anteil der Strahlung 9R in das Mikroskopobjektiv 1 gelangen, Gelangt der untere, konkave Teil der Kante 22 in den Bereich der optischen Achse 2 des Mikroskopobjektivs, so wird der Brennpunkt F0 auf die Ausnehmung 12 der Apertur 11 abgebildet und gelangt somit zum Detektor 13. Bei weiterer Rechtsverschiebung der Kante 22 gelangt zunächst der lineare Teil des Kantenprofils in den Bereich der optischen Achse 2, wobei relativ wenig Licht auf den Detektor 13 einfällt. Wird die Kante 22 noch weiter nach rechts verschoben, so daß der Brennpunkt F1 in den Bereich der optischen Achse 2 gelangt, so wird dieser durch die Ausnehmung 12 der Apertur 11 auf den Photodetektor 13 abgebildet. Wegen der starken Divergenz dieser Strahlung ist die Intensität des zum Photodetektor 13 gelangenden Lichtes geringer als im Falle der Abbildung des reellen Brennpunktes Fg. Das am Ausgang des Photodetektors 13 auftretende elektrische Signal hat den in Fig. 6F dargestellten Verlauf. Es wird daraufhingewiesen, daß die beiden Maxima einen kleineren seitlichen Abstand aufweisen, als der Anfang und das Ende der abgetasteten Kante, was auf die in Fig. 8 veranschaulichte Versetzung der Brennpunkte Fg und F1 in bezug auf den Kantenanfang und das Kantenende zurückzuführen ist.
Die Einsattelung zwischen den beiden Maxima hängt von der Richtung der beleuchtenden Strahlung 9R, der Reflektivität der Kantenfläche und ihrer Form ab. Der durch die Beleuchtung 7R bedingte Verlauf des am Ausgang des Photodetektors 13 auftretenden elektrischen Signals ist in Fig. 6E dargestellt. Die in Fig. 6B und 6C dargestellten Signalverläufe entstehen bei der Abtastung der Kante 21. In den Fign. 4A, 4D, 5A, 5D, 6A, 6D und 7A, 7D werden verschiedene Kantenprofile dargestellt. Die unter den einzelnen Kantenprofilen angeordneten Pfeile deuten die Richtung der beleuchtenden Strahlen 7R und 9R an. Die am Ausgang des Photodetektors 13 bei einer Abtastung von links nach rechts bzw. von rechts nach links entstehende elektrischen Signale werden in den jeweiligen Figuren dargestellt; sie sind mit EF bzw. BC bezeichnet.
Bedingt durch die unterschiedliche Modulation der Beleuchtungsstrahlen 7R und 9R, von denen, wie oben angeführt, der erste mit 10 kHz und der zweite mit 50 kHz moduliert sind, sind die am Ausgang des Photodetektors 13 auftretenden, den beleuchtenden Strahlen 7R und 9R zugeordneten elektrischen Signale ebenfalls in dieser Weise moduliert, so daß es möglich ist, diese Signale mit Hilfe des Filters 14 voneinander zu trennen und über gesonderte Leitungen 15, 16 ggf. nach geeigneter Gleichrichtung und Glättung, den Analogdigitalwandlern 17 und 18 zuzuführen. Im Computer 19 werden die den von den Analog-Digitalwandlern 17, 18 übertragenen Digitalsignalen entsprechenden Kantenprofilformen ermittelt.
Das kann entweder durch Rechnung oder durch Vergleich mit einem in Form von Digitalsignalen gespeicherten Katalog von Kantenprofilformen erfolgen. Auf diese Weise ist es möglich, die Form und in weitem Umfang auch die Breite und die Qualität der auf der zu untersuchenden Probe 20 befindlichen Kanten zu analysieren und zu bestimmen. In einem anschließenden oder im gleichen Arbeitsgang ist es möglich, mit Hilfe von durch die vorhergehende Analyse definierten besonders charakteristischen Fixpunkten, wie sie beispielsweise bei der in Fig. 8 dargestellten Kantenform durch die Koordinaten XO, X1 dargestellt werden, die Ortskoordinaten und somit die gegenseitigen Abstände einer beliebig großen Anzahl von Kanten zu errechnen oder durch Vergleich zu bestimmen.
In Fig. 2 wird ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, das sich von der in Fig. 1 dargestellen Vorrichtung nur durch einen um Achsen 31, 32 oszillierenden Spiegel 30 unterscheidet, die übrigen Elemente dieser Vorrichtung sind den Elementen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gleich und werden mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Durch den um etwa bis 200 um die Achsen 30, 32 oszillierenden Spiegel 30 wird beispielsweise eines der durch die Beleuchtung mit den Strahlen 7R und 9R erzeugten und in den Fign.
4 bis 7 dargestellten Intensitätsmuster über die Öffnung 12 der Blende 11 periodisch mit einer Frequenz von einigen 100 bis 1000 Hz verschoben, was einer gewobelten Abtastung der jeweils im Bereich des Mikroskopobjektivs 1 befindlichen Kante gleichkommt. Die in den Fign. 4 bis 7 dargestellten elektrischen Signale werden daher bei einer Verschiebung des Kreuzsupportes um eine Kantenbreite nicht, wie bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung nur einmal, sondern in schneller Folge wiederholt auftreten, so daß durch Vibrationen, veränderliches Fremdlicht, fliegende Staubteilchen oder elektrische Störungen auftretende Fehler im Computer statistisch ausgemittelt werden können.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Abtastung mit Hilfe einer Fernsehkameraröhre, auf deren Photokathode 35 das durch die Beleuchtungsstrahlen 7R und 9R erzeugte Intensitätsmuster abgebildet und durch einen nicht dargestellten Elektronenstrahl in Richtung eines Pfeiles 36 abgetastet wird. Die bei dieser Abtastung in bekannter Weise auftretenden Videosignale werden nach geeigneter Umformung und Digitalisierung einem Computer zugeführt. Auch in diesem Fall ist es möglich, eine Analyse der jeweils abgetasteten Kantenprofile und eine Bestimmung der Ortskoordinaten der zugeordneten Kanten oder Kantenpunkte mit großer Genauigkeit durchzuführen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch zweckmäßig sein, den oder die für die Abtastung bestimmter Kantenarten optimalen Einfallwinkel der beleuchtenden Strahlen vor Durchführung einer Meßreihe durch Versuche empirisch oder rechnerisch zu ermitteln und einzustellen.
Es ist aber auch möglich, diese Einfallwinkel mit großer Geschwindigkeit zyklisch zu verändern und entweder die gesamte anfallende Abtastinformation oder nur die bei bestimmten Einfallwinkeln anfallende Abtastinformation auszuwerfen.
Leerseite

Claims

P A T E N T A N 5 P R U c ii 5 1. Verfahren zur Analyse und/oder zur Ortsbestimmung von ----/ Kanten mit einem relativ zu der die Kante oder Kanten enthaltenden Fläche verschiebbaren Mikroskopobjektiv und schrägeinfallender Beleuchtung, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kanten (21, 22) enthaltende Fläche mit einem oder mehreren schrägeinfallenden Lichtstrahlen (7R, 9R) beleuchtet wird, dessen oder deren Durchmesser wesentlich größer als die Breite der zu messenden Kanten und/oder des Gesichtsfeldes des Mikroskopobjektivs (1) ist, das das Gesichtsfeld des Mikroskonobnektivs (1) in Bezug auf die. die zu analysierenden Kanten enthaltende Fläche verschoben\ und die beim Durchgang der Kanten durch a 5 Gesichtsfeld, bedingt durch die unterschiedlichen Streu-, Reflexions-, Fokussier- oder Defokkusierwirkungen bestimmter Kantenprofilbereiche (auftretenden Intensitätsänderungen des vom Mikroskopobjektiv aufgenommenen Lichtes durch einen Photodetektor (13) in elektrische Signale umgewandelt werden und daß die Form der bei der Abtastung einer Kante auftretenden Signale zu dem jeweiligen Kantenprofil und/oder zur jeweiligen Kantenlage empirisch oder rechnerisch in Bezug gesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, unter verschiedenen Winkeln und/oder aus verschiedenen Richtungen einfallenden beleuchtenden Strahlen (7R, 9R) unterschiedlich frequenzmoduliert sind, derart, daß die von den einzelnen beleuchtenden Strahlen erzeugten Signale durch geeignete Filteranordnungen (14) oder Zeitmultiplexverfahren voneinander getrennt werden können.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, unter verschiedenen Winkeln und/oder aus verschiedenen Richtungen einfallenden beleuchtenden Strahlen (7R, 9R) unterschiedliche Wellenlängen aufweisen und die Auswertung über wellenläncrenabhängige Photodetektoren erfolgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehendcn Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Uinfallswinkel des oder der beleuchtenden Strahlen periodisch veränderbar sind.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche zu bis ', dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der jeweils ahgetasteten Objekthereiche mit Hilfe eines oszillirenden Drehspiegels (30) über den Photodetektor periodisch verschoben wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergel-ienden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der vom Mikroskopobjektiv (1) aufgenommenen optischen Signale mit Hilfe einer Fernsehkameraröhre erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhrgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Abtastuny der Kanten entstehenden elektrischen Analogsignale digitalisiert und in einem Computer (19) zur Errechnung der zugeordneten Kantenprofile eingegeben werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Abtastung der Kante ten entstehenden elektrischen Analogsignale digitalisiert und in einem Computer (19) zur Ermittlung der zugaordneten Kantenprofile mit einem Katalog von Kantenprofile darstellenden gespeicherten Digitalwerten verglichen werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus den bei der Abtastung einer Kante entstehenden Signalen durch Schwellenwert-, Differenzier-, oder Integrierschaltungen besonders charakteristische Bereiche oder Punkte bestimmt werden, die als Referenzpunkte zur Destiittrng der Lage einer oder mehrerer Kanten dieneri .
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Lichtquellen (4, 5), zwei Vorrichtungen zur Strahlaufweitung (6, 7; 8, 9), durch die zwei Strahlen (7R, 9R) unter großen Winkeln auf die zu untersuchenden Objekte (20) gerichtet werden, einen diese Objekte aufnelmlenden Krettzsupport (23), ein das von dem untersuchten Objekt ausgehende Licht aufnehmendes Mikroskopobjektiv (1), einen senkrecht zur optischen Achse (2) des Mikroskopobjektivs um eine Achse (31, 32) oszillierender Spiegel (30), eine in einer Bildebene (10) angeordnete Blende (11) mit einer kleinen rechteckförmigen Öffnung (12), einen dahinter angeordneten Photodetektor (13), eine mit dessen Ausgang verbundene Frequenzfilteranordnung (14) zur Trennung der auf die mit unterschiedlichen Frequenzen impulsmodulierten Lichtquellen (4, 5) zurückzuführenden Abtastinformationen auf zwei Kanäle (15, 16), durch die elektrische Analogsignale in Digitalsignale umwandelnde Analog-/Digitalwandler (16, 17) und durch einen diesen nachgeschalteten Computer (19).