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Verfahren und Vorrichtung zur opto-elektronischen Ver-
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messung von Mikro strukturen, insbesondere auf Masken und Scheiben
der Halbleitertechnik.
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Integrierte Schaltkreise bestehen aus einer Fülle von Strukturelementen,
die in mehreren Ebenen angeordnet sind.
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Ihre Abmessungen, die sich ständig verringern, bestimmen entscheidend
das elektrische Verhalten des Schaltkreises.
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Eine präzise Maßkontrolle der Strukturelemente in den unterschiedlichen
Stadien des Fertigungsprozesses ist deshalb unumganglich.
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Bei handelsüblichen Fernsehmeßmikroskopen sind Verfahren bekannt,
bei denen durch die Auswertung des Signalverlaufes einer Fernsehzeile die Breite
von ObJekten elektronisch bestimmt wird. Diese Verfahren haben Jedoch dann ihre
Grenzen, wenn der Kontrast der Objekte im Bereich der Rauschamplitude des Videosignales
liegt. Eine große Anzahl von Strukturen ist jedoch gerade durch solch geringe Kontraste
gekennzeichnet. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß aufgrund
des schneidenden
Verlaufes der Abtastrichtung zur Kante eine punktuelle
Messung durchgeführt wird und damit lokale Storungen im Kantenverlauf unmittelbar
in das Meßergebnis eingehen.
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Weiter sind Einrichtungen, z. B. bei fotoelektrischen Mikroskopen
bekannt, bei denen die Abtastung des zu vermessenden Objektes über einen verfahrbaren
Spalt abgetastet wird, dessen Achse parallel zu der Kante des zu vermessenden Objektes
verläuft. Die jeweils durch den Spalt hindurchtretende Lichtmenge wird über einen
Fotomultiplier in ein elektrisches Signal umgesetzt, aus dessen Verlauf nach einer
Digitalisierung die Abmessung der Struktur in einem Kleinrechner berechnet wird.
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Diese Art der Bilderfassung setzt eine präzise, messend erfolgte mechanische
Bewegung des Objektes bzw. des Empfängers voraus. Damit ist die Meßwertbildung zwangsläufig
langsam und eine Darstellung des gesamten aufgenommenen Bildes auf einer handelsüblichen
Betrachtungseinrichtung (z. B. TV-Monitor) nicht möglich.
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Neben den geringen Abmessungen der Strukturen (rv2 /um) erschwert
vor allen Dingen der geringe Kontrast der durch Lack- oder Oxidstufen begrenzten
Strukturen eine exakte und objektive Vermessung. Der Erfindung liegt deshalb die
Aufgabe zugrunde, die Abmessungen von Strukturen auf Scheiben und Masken auch bei
geringsten Kontrasten in kurzer Zeit automatisch und damit objektiv und rationell
zu vermessen. Die Reproduzierbarkeit der Meßwerte muß dabei unter 0,1 /um liegen.
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Die Losung der Erfindung besteht darin, daß eine optoelektronische,
punktförmige Abtastung - vorzugsweise mit einer Fernsehkamera - vorgenommen wird,
die zeilenweise in den zu vermessenden Kanten parallel verlaufenden Ge-
raden
verläuft und daß die örtlichen Intensitäten zeilenweise oder zeilenabschnittsweise
aufintegriert werden und daß aus benachbarten integralen Werten oder benachbarten
kollektiven integralen Werten Differenzen gebildet werden, daß ferner aus den Extremwertbestinunungen
in diesem Signalverlauf der Meßwert gebildet wird, der vorzugsweise eine Strecke
darstellt, die dann senkrecht zur Zeilenrichtung verläuft. Die Extremwertbestimmung
macht das Meßergebnis unabhängig von Beleuchtungs-qchwankungen und Beleuchtungsinhomogenitäten.
Die Meßrichtung verläuft senkrecht zur Zeilenrichtung. Dadurch wird einmal der Einfluß
der Linearitätsfehler der Kamera wesentlich verringert, zum anderen wird die zu
verarbeitende Frequenz deutlich herabgesetzt, sowie eine zusätzliche Ortsdigitalisierung
überflüssig, da die Ortszuordnung über die Flanschzeilennummer erfolgen kann. Diese
Art der ortlichen Mittelwertbildung verringert einmal den Rauschanteil im Signalverlauf,
zum anderen werden Kanten, die annähernd parallel zur 7eilenrichtung verlaufen,
hervorgehoben und Störungen wie z. B. einzelne Partikel eliminiert.
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Die Verwendung einer Fernsehkamera als Betrachtungs- und Meßmittel
bietet die Möglichkeit, Meßwertbildung und MeB-ergebnis durch Helltastung definierter
Linien auf dem TV-Monitor mit dem Objekt unmittelbar in Bezug zu bringen.
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Dies erleichtert den Meßvorgang erheblich und erlaubt eine wirkungsvolle
Kontrolle der Meßergebnisse. So wird beispielsweise die Auswahl der zu vermessenden
Kanten durch verfahrbare, hell getastete Linienpaare durchgeführt, deren Länge gleichzeitig
dem Integrationsbereich entspricht. Dieser kann dadurch am Fernsehmonitor an die
Objektabmessung angepaßt werden. Ferner bietet sich die Möglichkeit, die Fernsehzeilen
hell zu tasten, die von der automatischen Erkennung den Extremwerten zugeordnet
wurden, und damit die Basis für die Breitenbestimmung
darstellen.
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Aufgrund der geringen Kontraste und der daraus notwendigen hohen Verstärkung
ist jedoch der Verlauf im allgemeinen noch nicht hinreichend ruhig, um daraus die
Lage der Extremwerte in Form von Zeilennummern mit der erforderlichen Wiederholbarkeit
zu bestimmen. GemEB einer Weiterbildung der Erfindung werden daher die Integrale
verschachtelt (kollektive Integrale) zusammengefaßt (z. B.
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1 + 2 + 3, 2 + 3 + 4, 3 + 4 + 5) und diese Ergebnisse vorzugsweise
nicht von aufeinanderfolgenden Ergebnissen subtrahiert, sondern ebenfalls wieder
über mehrere Ergebnisse hinweg verschachtelt gebildet werden, z. B.
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(1 + 2 + 3) - (3 + 4 + 5); (2 + 3 + 4) - (4 + 5 + 6).
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Oder es wird zuerst die Differenz gebildet und diese Ergebnisse dann
geschachtelt zusammengefaßt, z. B.
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(1 - 3) + (2 - 4) + (3 - 5). Aus diesen Operationen ergibt sich eine
Folge von Spannungswerten Z Un, die dem Ort jeder Zeile zuzuordnen sind, wobei die
Extrema in diesem Verlauf mit den Kanten der zu vermessenden Struktur übereinstimmen.
Der Verlauf des so gewonnenen Signals ist nun so stabil, daß die Lage der Extremwerte
als Zeilennummer auch bei geringsten Kontrasten mit hoher Wiederholbarkeit bestimmt
werden können.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Lage der Extremwerte
hardwaremäßig, z. B. durch Spitzendetektoren, bestimmt und die automatische Berechnung
der Breite aus diesen Ergebnissen ebenfalls hardwaremäßig vorgenommen, so daß nach
jedem Fernsehhalbbild in Echtzeit ein Meßergebnis ansteht. Aufgrund der dadurch
erreichten kurzen Meßzeit erlaubt das Verfahren eine zusätzliche zeitliche Mittelung
über mehrere Einzelmeßwerte, so daß die Genauigkeit des Endergebnisses nochmals
gesteigert werden kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Überwachung des Fokussierungszustandes,
der einen entscheidenden Einfluß auf das Neßergebnis hat, eine elektronische Auswertung
des durch zeilenweise Integral- und Differenzbildung gewonnenen Signalverlaufes
durchgeführt.
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Im Rahmen der weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden zur Überwachung des Foknssierzustandes die Amplituden der Extremwerte im
Verlauf der Differenz der zeilenweisen Integrale betragsmig aufaddiert und diese
Spannung auf ein analoges Anzeigeinstrument gegeben und ein optimaler Fokussierungszustand
aus einem Maximum dieser Spannung abgeleitet. Die Verwendung von Fernsehkameras
erlaubt ferner das Verfahren auch im W-Bereich in gleicher Form einzusetzen. Die
dadurch erreichte höhere optische Auflösung erlaubt die Vermessung von Strukturen,
die deutlich unter 1 Xum liegen.
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Eine Vorrichtung zur DurchfUhrung des Verfahrens nach der Erfindung
besteht darin, daß in einem Bedienfeld ein Fernsehmonitor, eine Leuchtbandanzeige
für die Fokuskontrolle, sowie die digitalen Anzeigen der Ergebnisse zusammengefaßt
sind und daß diese Ergebnisse die Breite einer Oxidstruktur oder Lackstruktur an
deren Fuß, etwa halber Höhe und Oberfläche sowie die Boschungsbreite rechts und
links beinhalten und diese Anzeigen wahlweise zu- und abschaltbar sind.
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In den Fernsehmonitor können zwei Rechtecke hellgetastet werden, die
in ihrer Lage über Bedienelemente verfahrbar sind und deren Länge in Zeilenrichtung
der Integrationslänge entspricht und deren Breite den aktiven Meßbereich darstellt.
Durch die frei wählbare Anordnung dieser MeB-felder werden anhand des Fernsehbildes
die Kanten von der Bedienperson herausgegriffen, deren Abstände
elektronisch
gemessen werden sollen.
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Nach einer Weiterbildung der Vorrichtung sind Mittel vorgesehen, die
das Ergebnis der eleictronischen Kantenerfassung, das heißt, die elektronisch gefundene
Lage der Extremwerte im Verlauf der zeilenweisen Differenz der Integrale innerhalb
der Maß felder durch gestrichelte Linien ebenfalls hell tastet. Ferner kann die
Integrationslänge, die durch die Lange des äußeren Rahmens eingestellt werden kann,
ebenfalls variabel sein, so daß auch Strukturen vermessen werden können, die nur
in begrenztem Umfang geradlinige Kanten aufweisen. Mit der Vorrichtung nach der
Erfindung erhält die Bedienperson einen unmittelbaren Bezug zu der Meßwertbildung
und ermittelt die entsprechende Kontrollfunktion.
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Nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine
optische Vorrichtung zur Bilddrehung im Mikroskop vorgesehen, so daß zur Ausrichtung
des Objektes parallel zu den Fernsehzeilen eine Objektdrehung nicht erforderlich
ist.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: Figur
1 eine prinzipielle Darstellung der Strukturen im Querschnitt und darunter die Draufsicht,
Figur 2 das Ergebnis der zeilenweise Integrale, Figur 3 die Differenz der verschachtelt
zusammengefaßten Integrale, Figur 4 das Prinzip der Meßwertfindung für die Fokuskontrolle,
Figur
5 schematisch die aus dem Verlauf abgeleiteten fünf Meßwerte und Figur 6 ein Bedienfeld
mit den dazu erforderlichen Anzeigeelemten.
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In der Figur 1 ist auf einem Substrat 1, z. B. aus Glas oder Silizium,
eine Struktur 2, z. B. aus Lack oder Siliziumoxid, aufgebracht. Mit paralleler Auflichtbeleuchtung
3 erscheint diese Struktur wie in der Draufsicht darunter angedeutet ist, durch
dunkle Ränder 4, die durch die Boschung hervorgerufen werden. In der Draufsicht
sind ferner der Verlauf der Fernsehzeilen 5 und die Integrationslänge 1 eingetragen.
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In der Figur 2 ist das Ergebnis der zeilenweisen Integration 6 aufgetragen,
sowie die Zusammenfassung mehrerer zeilenweiser Integrale 7 schematisch angedeutet.
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Die Figur 3 zeigt den Verlauf der Differenz der in Kollektiven zusammengefaßten
Integrale 8, wobei jedem Hell-Dunkel oder Dunkel-Hellttbergang ein Maximum bzw.
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Minimum zuzuordnen ist.
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In der Figur 4 ist schematisch die Neßwertbildung für die Fokuskontrolle
aus den Amplituden Al bis A4 der Extremwerte angedeutet.
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Die Figur 5 zeigt die Ableitung der verschiedenen Meßwerte aus dem
Kurvenverlauf von Figur 3, und zwar die Breite Bo an der Oberfläche der Struktur,
die Breite Bu am Fuß der Struktur und die Breite Bm etwa in der Mitte der Boschung,
sowie die Böschungsbreiten B1 und Br. Die Werte Bm, Bo, Bu, B1 und Br ergeben sich
aus den Extremwertbestimrmrngen, denen die Zeilenzahlen Z1 bis Z4 zugeordnet sind.
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In einem Bedienfeld 9 nach der Figur 6 sind ein Fernsehmonitor 10,
eine Leuchtbandanzeige 11 zur Fokuskontrolle, sowie 5 digitale Anzeigen 12 bis 16
untergebracht, die Uber Schalter 17 zu oder abschaltbar sind. Im Fernsehmonitor
sind die beiden verfahrbaren Meßbereiche 18 und 19 auf eine zu messende Struktur
20 grob eingestellt. Die strichlierten Linien 21 bis 24 entsprechen den Zeilennummern
Z1 bis Z4 in Figur 5. Diese sind die Grundlage für die Meßwertbildung von Bo, Bu,
Bm, B1 und Br, die auf den Digitalanzeigen 12 bis 16 dargestellt sind.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung erfolgt zuerst eine zeilenweise
Integration der Amplitude des Videosignales (Figur 1 und 2). Eine anschließende
Differenzbildung dieser integralen Spannungswerte verringert außerdem die negativen
Auswirkungen von Beleuchtungs- bzw. Empfängerinhomogenitäten. Zur Rontraststeigerung
ist es dabei zweckmäßig, die Differenz nicht von benachbarten Zeilen zu bilden,
sondern hierzu Zeilen zu verwenden, die weiter auseinander liegen (z. B.
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#Un + #Un + 6, #Un + 1 - #Un + 7, #Un + 2- #Un + 8 etc Figur 3). Aus
dieser Operation ergibt sich eine Folge von Spannungswerten A Un, die dem Ort jeder
Zeile zuzuordnen sind, wobei die Extrema in diesen Verlauf mit den Kanten der zu
vermessenden Struktur übereinstimmen. Zur Glättung des durch den Rauschanteil nach
unruhigen Signalverlaufes erfolgt nun eine in sich geschachtelte, örtliche Zusammenfassung
über mehrere Zeilen (z. B.
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#Un + #Un + 1 .. #Un + 6, #Un + 2 ... + #Un + 7, ... etc, Figur 4).
Das Ergebnis hieraus ist wiederum eine Folge von Spannungswerten (##Un), die jeder
einzelnen Zeile n zugeordnet werden können. Der Verlauf dieses Signales ist nun
so stabil, daß die Lage der Extremwerte als Zeilennummer eindeutig auch bei geringsten
Kontrasten bestimmt werden kann.
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Die Lageerkennung (Z1.. .Z4) der Extremwerte erfolgt über Spitzendetektoren.
Bei einer Lackstruktur entstehen so vier Zeilennummern, aus denen durch Mittelwertbildung
(Z1 + Z2 - Z3 + Z4) und anschließender Multiplikation mit 2 2 einem Eichfaktor die
Breite b des Objektes bestimmt wird.
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Da die Lagebestimmung der Extremwerte sowie die daraus abgeleitete
arithmetische Berechnung der Breite hardwaremäßig erfolgen kann, steht nach jedem
Fernsehhalbbild (20 ms) ein Meßwert an. Aufgrund der extrem kurzen Zeit für die
Meßwertbildung bietet sich eine zeitliche Mittelung über eine große Zahl (z. B.
30) von Einzelwerten an.
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Neben der automatischen Kantenerfassung ist firr eine objektisierte
Dimensionskontrolle an Mikrostrukturen eine elektronische Erfassung bzw. Uberwachung
des Fokussierungszustandes erforderlich.
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Hierzu bietet sich die Differenz der zeilenweisen Integrale (Un) Un)
unmittelbar an. Die Summe der betragsmäßigen Amplituden (A1+ A2 +A3 + A4) an den
Stellen Z1 bis Z4 ist ein gutes und relativ einfach zu bildendes Kriterium für den
Fokuszustand (Figur 4). Diese Spannung wird auf ein Anzeigeinstrument gegeben und
die H5henverstellung des Mikroskopes solange verändert, bis dieser Wert sein Maximum
erreicht hat.
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Die minimal vermeßbaren Strukturabmessungen sind nicht durch das beschriebene
Verfahren bzw. Elektronik begrenzt. Diese sind von dem Auflösungsvermögen der eingesetzten
Optik bestimmt. Prinzipiell ist das Meßverfahren bei allen zeilenförmig organisierten
Bildabtastungen zur Strukturvermessung einsetzbar. So kann z. B.
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damit auch die automatische Strukturvermessung anhand elektronenoptischer
Bilder durchgeführt werden.
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10 Patentansprüche 6 Figuren