DE3103949A1

DE3103949A1 - Vorrichtung zum pruefen der breitenmasse eines beugungsgitters und verfahren zum betrieb der vorrichtung

Info

Publication number: DE3103949A1
Application number: DE3103949A
Authority: DE
Inventors: Hans Peter 8962 Bergdietikon Kleinknecht; Heinrich 8902 Urdorf Meier
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1980-02-14
Filing date: 1981-02-05
Publication date: 1982-01-21
Also published as: US4330213A; JPS56129802A; GB2069691B; JPS6123484B2; GB2069691A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Prüfen der Breitenmaße eines auf einem Substrat angeordneten, aus einzelnen Gitterstreifen der Streifenbreite a mit einer Gitterkonstanten d bestehenden, ebenen Beugungsgitters, mit

a) einer Belichtung des Beugungsgitters mit einem in gebeugte Strahlen verschiedener Ordnung zu zerlegenden, ' monochromatischen Lichtstrahl;

b) einer Detektoreinrichtung mit Detektoren zum Messen der Intensität und zum Ermitteln von Intensitätssignalen von wenigstens zwei der gebeugten Strahlen; und

c) auf die Intensitätssignale ansprechenden Mitteln zum Bestimmen der Breite a der Streifen. j

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.

In der US-PS 42 00 396 wird die Anwendung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Ausmessen von Beugungsprüfmustern ^:

bzw. -gittern auf die entsprechende'Untersuchung von Foto-

J. masken.und Scheibchen integrierter Schaltkreise beschrieben,

j Zum Bestimmen der Breitenmaße der Strukturbestandteile des '■

'Χ Schaltkreises wird der auf einem Substrat liegende Schalt-

kreis nach Art eines Beugungsgitters zum Erzeugen und

ι ■

Ausmessen des Beugungsgitters bestrahlt. Durch das Messen [ der'Streifenbreite mit einem Gitterprüfbild wird eine schnelle und genaue Bestimmung der Breiten von Strukturen aus feinen Linien möglich. Bevor beim Herstellen integrierter

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Schaltkreise die einzelnen auf Substraten hergestellten Linien nach der Beugungsgitter-Methode geprüft wurden, erfolgte die Messung im allgemeinen - wenn nicht ausschließlich - mit Hilfe von optischen Mikroskopen. Die Arbeit mit einem Mikroskop ist zeitaufwendig und erfordert einen sachverständigen Bearbeiter, wenn die Breite der Linien von integrierten Schaltkreisen zu bestimmen ist. Linienbreiten von weniger als 2 Mikrometern sind dabei mit einem manuell betätigten optischen Mikroskop nur sehr schwierig genau zu bestimmen. Demgegenüber setzt die Messung bei Zugrundelegung eines Beugungsgitters gemäß oben genannter US-PS lediglich voraus, daß das Muster einem Laserstrahl ausgesetzt wird und die Intensitäten von zwei BeugungsOrdnungen gemessen werden. Die Messung kann dabei mittels Durchstrahlung bei Masken oder Reflexion bei Scheibchen erfolgen« Bei Linien bis zu einer Breite von etwa 0,6 Mikrometern läßt sich bei Anwendung der Beugungsmethode die Linienbreite mit einer Genauigkeit von etwa - 5 % bestimmen. Die Intensitätsmeßergebnisse der Strahlen verschiedener BeugungsOrdnung werden auf folgender Basis ausgewertet:

d
a = cos __/ _f (1)

In der vorgenannten Gleichung (1) bedeuten a die Linienbreite der das Beugungsgitter darstellenden Linien; d die entsprechende Gitterkonstante; Ip die Intensität des gebeugten Strahls zweiter Ordnung; und I. die Intensität des BeugungsStrahls erster Ordnung.

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■ .-■ --■■■■■ ■■ ■ V\

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf möglichst einfache Weise zu betätigende und Änderungen der Gitterkonstanten d anzupassende Vorrichtung zum Messen der zu vergleichenden Intensitäten zu schaffen. Die erfindungsgemäße Lösung ist gekennzeichnet durch einen" Antrieb zum Bewegen der Detektoren in einer senkrecht zu dem Gitterstreifen verlaufenden Ebene in je eine die Beugungsstrahlen schneidende Position. Vorzugsweise gehört zu dem Antrieb ein Paar um eine in einer geraden Verlängerung der Gitterstreifen liegende und parallel dazu verlaufende, gemeinsame Achse zu schwenkender Hebelarme mit jeweils einem an einem Längsende befestigten Detektor.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfiiuung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a den schematischen Aufbau einer Anordnung zum Beugen eines monochromatischen, auf ein in einer senkrecht zur Ebene des Beugungsgitters ^ (Prüfmusters) und senkrecht zu den Gitterlinie'n stehenden Ebene angeordnetes DeteMnrpaar gerichteten Lichtstrahls, wobei das Beugungsgitter durchstrahlt oder der Lichtstrahl am Beugungsgitter reflektiert wird;

Figo 1b einen Schnitt durch das Prüfmuster von Fig» 1a senkrecht zur Blickrichtung 1b - 1b;

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S . ■" '
I'

Fig. 2a, · eine schematische Draufsicht, eine Vordero_ ^υη ansicht bzw_o eine Seitenansicht einer

Vorrichtung zum Ausrichten des Prüfmusters und zum Messen der Intensität von Beugungs-

i| strahlen verschiedener Ordnung;

Fig» 5a eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zum

Verschieben des Prüfmusters in einer Vor- ι richtung najh. Fig. 2a;

Fig. 3b den geometrischen Zusammenhang der Vorrichtung nach Fig. 3a;

Fig. 4 eine Kennlinie betreffend die Abhängigkeit ■ des Winkels /3 von der Stellung y des Objekttisches gemäß Fig. 3b;

Fig. 5a schematische Darstellungen der Winkelab-■ — hängigkeit eines der Spiegel von Fig_o 2c !-· von dem Beugungsgitter nach Fig. 1;

Fig. 6 eine schematisch dargestellte Vorrichtung .' zum einstellbaren Positionieren der zum

- J Bestimmen der Intensität der gebeugten Strahlen

Ά ■ vorgesehenen Detektoren; und

Fig. 7. einen Funkt ions ablauf plan der Elektronik zum Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 2a.

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In Figo 1 wird ein Beugungsprüfmuster bzw. Beugungsgitter dargestellt, das aus mehreren Beugungs- bzw. Gitterstreifen 34a besteht. Das Beugungsgitter 34 wird im Schnitt in Fig. 1b vergrößert dargestellt. Es kann durch Ätzen einer auf die Oberfläche 34b eines Substrats 34c aufgebrachten Schicht hergestellt werden. Jeder Gitterstreifen 34a besitzt eine j Breite a und eine Periodizität bzw. Gitterkonstant d. Das j , Gitter kann in der in der US-PS 42 00 396 beschriebenen j Weise gebildet werden.

Typisch besitzt das Beugungsgitter 34 eine etwa quadratische Form mit einer Seitenlänge in der Größenordnung , von 0,2 bis 0,5 mm. Die Gitterkonstante d soll so gewählt j werden, daß das Verhältnis a/d etwa gleich 0,25 oder 0,75

istο Gemäß Gleichung (1) ergeben sich bei kleinen Änderungen dieses Verhältnisses von a/d die größten Änderungen des Verhältnisses Ip/I^. Für die Verhältnisse a/d «*-"0,25 oder a/d*vO,75 ist daher die höchste Empfindlichkeit zu erwarten. Die Zuverlässigkeit der Beugung und der Verwendung von ■ Laserstrahlen wird erhöht, wenn innere Reflexionen des

Strahls in der Probe vermieden werden. Als Einfallswinkel, *

,i bei der Anordnung nach Fig. 1 wird daher zweckmäßig der

ί sogenannte Brewstersche Winkel ? angewendet, für den gilt: j ■ tg? = η (2)

In der Gleichung (2) bedeuten ? den Einfallswinkel und η den Brechungsindex des Materials des Substrats 34c. Der Laserstrahl 49 wird dabei gemäß Fig. 1a in der Einfallsebene polarisiert.

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Nummer: , J1 03 949

Int. Cl.⁵: G 01 B II/24

Anmeldetag: 05.02.81

Yeröffentliohungstag: 21.01.82

ZA O

Ein Laserstrahl 49a wird dazu benutzt, reflektierte Beugung:= trahlen 50, 52, 54 nullter (O), erster (1) bzw. zweiter (2) Beugungsordnung zu erzeugen, wein das Gitter aus einem auf einem trüben oder undurchsichtigen Substrat 34c liegenden Scheibchen besteht. Wenn dagegen als Tes⁺--Beugungsgitter 34 eine Maske mit aus durchsichtigem Material, z.B. aus Glas, bestehendem Substrat vorliegt, wird der Laserstrahl 49 zum Erzeugen der gebeugten Strahlen von unter auf das Testgitter bzw. -muster gerichtet. Vorzugsweise werden im Rahmen der erfindungsgemäßen Messung die Beugungsstrahlen 52 und 54 erster bzw. zweiter Ordnung verwendet. Auf Wunsch lassen sici jedoch auch Beugungr.strahlen höherer Beugungsordnung zu der Messung heranziehen.

Erfindungsgercäß werden zum Messen der Beugungsstrahlen 52 und ;4 die Detektoren 56 und 58, z.B. Fotodioden D. und Dp, in einer Ebene 60 angeordnet, die senkrecht zu der aas Beugungsgitter 34 definierenden Ebene und insbesondere auch senkrecht zu den Gitterlinien 54a verläuft. Die Detektoren 56 und 58 werden so beweglich angeordnet, daß der Abstand zwischen ihnen längs eines Kreisbogens 62, wie unten erläutert werden wird, dem Wert der Gitterkonstanten d entspricht. Zum ordnmgsgemäße.η Einstellen der Detektoren längs des Kreisbogens τ2 wird weiterhin der Punkt P als Referenzpunkt in der Eoene 60 verwendet. An diesem Punkt P durchstößt die läng3 der g-Achse parallel zu einem der Beugungsstreifen 34a in der Ebene des Beugungsgitters 34 verlaufende Linie 64 die Ebene 60. Es sei darauf hingewiesen, daß der Beu^ungsstrahl

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Nummer: , 51 03 949 Int. Cl.⁵IG 01 B II/24 AnmeldetagP5.O2.81 VerSffentlichungBtagt 21. 01.82

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50 nullter Ordnung die Ebene 60 auf dem Kreisbogen 62 an einem Punkt 62a trifft, der senkrecht auf der Linie 6*J (und der Ebene des Beugungsgitters) steht. Weiter unten wird erläutert werden, wie die Detektoren 56 und 58 in die gewünschte Stellung relativ zum Beugungsgitter ~5k gebracht werden.

In der Fig. 2a, b, c wird ein Ausführungsbeisplel mit dem prinzipiellen Aufbau und der gegenseitigen Anordnung der Einzelteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtun ■ senematisch dargestellt. Diese Versuchseinrichtung arbeite* nach dem Prinzip der Durchstrahlung von zu prüfenden Marken. Zur Meßeirrichtung 10 gehört ein polarisierter Laser 12, vorzugsweise ein HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 0,623t Mikrometern. Mit dem Laser 12 wird ein an einem Spiegel 16 reflektierter und durch einen Chopper l8 geleiteter, monochromatischer Lichtstrahl ^9 erzeugt.. Der Chopper 18 zerhackt den Lichtstrahl in bekannter Weise bei etwa 1000 Hz und vermindert den Störpegel, wenn ein Lock-in-Verstärker 48 einschließlich der Elektronik 20 gemäß Pig. 7 so abgestimmt wird, daß nur das durch den zerhackten Lichtstrahl erzeugte Wechsels.!r^nal .'!usgevrihlt wird. Die durch den Chopper l8 erzeugte Hezugsrpannung wird £uf den Lock-in-Verstärker 48 aufgekoppelt..

Die E]ektronik 20 nach Fig. 7 enthält die Steuerungen zum Betrieb der Motoren und die Verstärker zum Verc-tärken und Verarbeiten der verschiedenen, insbesondere von den Detektoren 56 und 58 kommenden Signale sowie einen Rechner

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zum Bestimmen der Streifenbreite a und ferner gegebenenfalls zum Vergleichen der Streifenbreite a mit einem vorgegebenen Wert und Lieferung des Betrages der Abweichung von einer Bezugsgröße bzw. einem Sollwert. Eine diese Aufgaben erfüllende Elektronik 20 wird in bekannter Weise aufgebaute Fig. 7 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel zum Betrieb bzw. Beschälten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens _β

Das zerhackte Licht passiert gemäß Fig. 2a - c einen geeignet beaufschlagten Verschluß 22,und einen Kollimator zum Bündeln des Laserstrahls und zum Kompensieren jeder Strahldivergenz. Dann wird der Strahl an den Spiegeln 26, 28 und 30 reflektiert und durch das zu untersuchende Gitter 34 geleitet. Die Durchstrahlung des Gitters 34 erfolgt dabei vorzugsweise unter einem dem Brewsterschen Winkel entsprechenden Einfallswinkel. Beim Hindurchtreten durch das Beugungsgitter 34 wird der Strahl 49 in einen Strahl 50 nullter Ordnung, einen gebeugten Strahl 52 erster Ordnung, einen gebeugten Strahl 54 zweiter Ordnung und weitere nicht gezeichnete gebeugte Strahlen zerlegt. Die Strahlen 52 und 54 erster und zweiter Ordnung werden durch in einer senkrecht zu den Gitterlinien 34a des Beugungsgitters 34 stehenden Ebene 60 angeordnete Fotodioden D^ bzw. Dp unterbrochen.

Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Detektoren 56 und 58 auf einem gemeinsamen Kreisbogen 62 eines Geradkreiskegels stehen, dessen Spitze T (Fig.1a)

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in der Ebene des Beugungsgitters 34 und dessen Symmetrieachse T-P längs der Gitterstreifen 34a liegt.

Die beispielsweise als Fotodioden D^, D₂ ausgebildeten Detektoren 56 und 58 werden vorzugsweise auf den Lockin-Verstärker 48 der Elektronik nach Fig. 7 geschaltet. Die Intensitäten I₁ und I^ der betreffenden Detektoren werden gemäß Gleichung (1) gemessen und so verarbeitet, daß die Streifenbreite a mit Hilfe des Mikroprozessors (Fig. 7) zu bestimmen ist.

Zum richtigen Anordnen des zu untersuchenden Gitters der Maske 32 innerhalb des Strahls 49 wird ein Maskenhalter mit einem passenden, nicht gezeichneten Mechanismus versehen, der es erlaubt, die Maske mit Hilfe eines üblichen x-y-Manipulators auf einem Objekttisch 35 zu bewegen. Der Tisch 35 wird als Ganzes auf Führungsschienen 38 zwischen ; zwei Endpositionen 36 und 36' hin- und herbewegt. Eine Stellung 36 des Tisches 35 ist auf der linken Seite von Fig. 2a mit ausgezogenen Linien dargestellt. In dieser Position 36 durchstrahlt der Laser- bzw. Lichtstrahl 49 das Gitter 34. Die andere, mit 36' bezeichnete Stellung des Tisches 35 ist in Fig. 2a in gestrichelten Linien angedeutet. In dieser Stellung 36' befindet sich die Maske unter einem Mikroskop 40. Es handelt sich dabei zweckmäßig um ein Mikroskop mit Fadenkreuz-Okular zum manuellen Orientieren und Einstellen der Maske 32 auf die optische Achse des Mikroskops_o Die Geometrie der beiden Stellungen 36 und 36' wird so gewählt, daß die Bedienungsperson den Tisch zuerst in die Stellung 36' (Ausrichtposition) schieben

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g kann, um das Gitter 34 im Fadenkreuz des Mikroskops 40

! mit Hilfe des x-y-Manipulä"tors des Maskenhalters 33 auszul| richten und die Gitterlinien 34a senkrecht zu der die

I Detektoren 56 und 58 enthaltenen Ebene 60 zu stellen. An-Ü schließend wird der Tisch 35 in die linke Stellung 36

ί (Meßposition) verschoben und das Beugungsgitter 34 gelangt

I automatisch in die gewünschte Stellung auf dem Weg des

% Laserstrahls 49 zum Bilden der gebeugten Strahlen» Die '

3 hierzu erforderliche Einrichtung wird weiter unten be- ^;

f schrieben,, ■?

II Der Tisch 35 wird von der Stellung 36^l zur Stellung 36 ] f: automatisch mit Hilfe des Motors 76 (Fig. 3a und 7) nach $ Betätigen des Einschalters 66 und der Motorantriebsschal-

f tung 67 (Fig. 7) bewegt. Beim Verschieben des Tisches 35 I zur linken Stellung 36 wird ein Endschalter 77 betätigt, I über den die Einrichtung und der Betrieb zum Messen der I Linienbreite a in Gang gesetzt wird, Weiterhin wird der Tisch 35 in der linken Stellung 36 vorzugsweise vollständig in einer lichtdichten Kammer mit Hilfe eines (in den Fig. 2a, 2b) nicht dargestellten Deckels eingeschlossen. Die Einrichtung wird daher mit Ausnahme des das Mikroskop 40 enthaltenden Teils vollständig eingekapselt. Wenn weiterhin der Tisch·35 in der eingekapselten Stellung 36 steht, sind Mittel zum Betätigen eines Hebels 46 (Fig. 7) vorgesehen, durch den der Verschluß 22 des Laserstrahls 49 geöffnet wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die vorgenannten Mittel zum Verschließen und Einkapseln vollauf den Vorschriften zum Schutz der Gesundheit genügen, wie sie bei- ' spielsweise vom U.S. Department of Health, Education and Weifare herausgegeben worden sind.

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Im folgenden werden Komponenten der Meßeinrichtung noch eingehender beschrieben. Um Stabilitäts- und Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, wird der den x-y-Manipulator und den Maskenhalter 33 aufnehmende Tisch 35 vorzugsweise ' ziemlich schwer ausgeführt. Es ist daher nicht möglich, den Tisch 35 von der einen in die andere Position von Hand oder mit einem gleichförmigen Motorantrieb zu bewegen, ohne das empfindliche System in den beiden Endstellungen 36 und 36· gemäß Fig. 2a anzuschlagen. Stattdessen ist ein starker Antrieb erforderlich, der eine langsame Vorwärts- / bewegung am Anfang und Ende des Verschiebeweges und eine ^: relativ hohe Geschwindigkeit in der Mitte zwischen den Endpositionen 36 und 36' gewährleistet. Außerdem muß sichergestellt werden, daß die beiden Endpositionen des Tisches 35 exakt zu treffen sind. All diese Forderungen können im Prinzip durch einen sogenannten Sinus-Antrieb bekannter Art erfüllt werden. Zu einem solchen Sinus-Antriebs-Mechanismus gehört jedoch typischerweise ein Stift oder ein ähnliches Element, das in einer Nut oder längs einer Kante einer den Mechanismus, z.B„ der Tisch 35, tragenden Führungsschiene oder ähnlichem zum genauen Positionieren der be- : treffenden Bauelemente zu verschieben ist. Ein solcher Me- * chanismus erfordert auch sehr geringe mechanische ToIe- \ ranzen und sehr glatte Oberflächen. Schließlich sind kosten- und raumaufwendige, federvorgespannte Einrichtungen zum EIi-■_t minieren jeglichen Bewegungsspiels des Tisches erforderlich.

,·: Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein zwei Hebelarme 70 ' und 71 (Figo 3a und b) aufweisender Sinus-Antriebs-Mechanismus vorgeschlagen, der in herkömmlichen Drehlagern, z_oB. '.

1 ? A Π ί ^ / f) ^A Ί Λ

I Kugellagern läuft. Mit dieser Konstruktion ist eine gleich- ;| · mäßige Reproduzierbarkeit der Stellung mit größerer Genaujfj igkeit als 10 Mikrometer ohne wesentlichen Aufwand zu erreichen. Gemäß Fig. 3a wird der erste Hebelarm 70 mit einem Zahnrad 72 verbunden, das wiederum über einen Motor 76 jt zu rotieren ist. Das Zahnrad 72 wird dabei auf einer nicht

I gezeichneten Welle befestigt, welche mit dem Tischgehäuse i'f zu koppeln ist. Das andere Ende des ersten Hebelarms 70 •i wird mit Hilfe eines ähnlichen Kugellagers Jk mit einem

•| zweiten Hebelarm 71 verbunden. Das äußere Ende 71a des

■j zweiten Hebelarms 71 wird über ein weiteres Kugellager

t! mit der Grundplatte des Tisches 35 gekoppelt. Das äußere

M Ende 71a des zweiten Hebelarms 71 wird also auf diese

ii Weise so angeordnet, daß es horizontal längs einer der Füh-

\. rungsschienen 38 zu verfahren ist« Der Antrieb des Zahn-

II rads 72 durch den Motor 76 wird durch die Elektronik 20 ί (Fig. 7) gesteuert.

In Fig. 3a sind die beiden Endstellungen 36 und 36' des Tisches 35 gestrichelt und eine mittlere Stellung 36' ^l in ausgezogenen Linien dargestellt. In den Endstellungen betätigt der erste Hebelarm 70 entweder den Endschalter 77 und/ : oder den Endschalter 78. In der Tischstellung 36' werden die ; ■<? Hebelarme 70 und 71 lang aneinanderhängend ausgestreckt, I' * und die Kante 70t des ersten Hebelarms 70 betätigt und ver- I ■ schiebt den Endschalter 78 aus der dargestellten in die gestrichelte Position. In der gestrichelt dargestellten I Stellung 36 wird durch den zur Schaltung nach Fig. 7 gehörenden Schalter 78 auf eine im folgenden zu beschreibende Weise

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bewirkt, daß der Motor abgeschaltet wird_o

In der durch Motordrehung in entgegengesetzter Richtung : zu erreichenden Tischstellung 36 überlappen sich die
Hebelarme 70 und 71, und die Kante 7Ou des Hebelarms 70
betätigt den Endschalter 77 und stößt ihn aus der gestrichelt dargestellten Stellung in die mit Vollstrich gezeichnete Position,, In der gestrichelt dargestellten Po- ' ; sition des in den Schaltkreis von Fig_o 7 eingesetzten ; ^! Schalters 77 wird der Motor ebenfalls zum Stehen gebracht. '
Mechanische Anschläge 80 und 81 dienen dazu, die Bewegung des ersten Hebelarms 70 zu begrenzen und dadurch
jeweils in den Endpositionen 36 und 36' eine genaue Ortsvorgabe des Tisches 35 zu gewährleisten. Bei den Endschaltern 77 und 78 handelt es sich vorzugsweise um einpolige
Zwei-Wege-Schalter. Diese werden vorzugsweise in die Schal- · tungen 67 und 65 (Fig. 7) gesetzt, um den Schaltkreis ' zu beaufschlagen und die im folgenden beschriebenen Funktionen zu erfüllen. ' '

Anhand von Fig. 3b werden die geometrischen Zusammenhänge
\ der Hebelarme 70 und 71 sowie der Achsen der Kugellager

7k, 73 und 75 erläutert« Die Längen der Hebelarme seien ^; [ "? La bzw, Lb. Die Winkelstellung des Hebelarms 70 wird durch
i'* den Winkel/^ und die Stellung des Tisches durch die Koor- ■ Ij' dinate y definiert. Der Winkel ß ändert sich von 0 bis 180°,

wenn der Tisch 35 von der Position 36« am Mikroskop, für
; die y = 2 (La) gilt, zur Position 36 mit der eigentlichen ^: ■ Laseranordnung , für die y = 0 gilt, bewegt wird. Aus >

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elementaren geometrischen Beziehungen ergibt sich, daß die Tischstellung 36 eine Funktion des Winkels /? ist. Diese Beziehung wird als Funktion von y in Abhängigkeit von /3 in Fig. 4 mit der für das Hebelarm-Längenverhältnis (Lb/La) = 1,5:1 der beiden Hebelarme 70 und 71 geltenden Kennlinie 82 verdeutlicht. Bei dem vorstehenden Hebelarm-Längenverhältnis handelt es sich um einen brauchbaren Konstruktionswert _o Bei Verwendung eines mit konstanter Geschwindigkeit drehenden Motors 76 wird der Winkel β ebenfalls mit gleich- ; förmiger Geschwindigkeit vergrößert. Die Bewegung beginnt ; dabei mit dem Winkel/^= 0° (an der Mikroskop-Position 36¹).

Dabei ändert sich y zunächst sehr langsam und wird bei ι unveränderter Winkelgeschwindigkeit in einem mittleren ■ Bereich der Bewegung immer schneller, bis die Änderungsgeschwindigkeit von y wieder kleiner wird, wenn der Winkel ß den Wert 180° erreicht, der der Stellung der Laser-Position 36 des Tisches 35 entspricht.

Ferner werden die Endstellungen der Hebelarme an den Positionen 36' und 36 sehr genau selbst dann erreicht, wenn die Bewegung des Tisches (35) für Werte des Winkels yC? endet, die im geringen Maße von den Winkeln 0° bzw» 180° abweichen. Aus der geometrischen Beziehung gemäß Fig. 3b und den Abmessungen der Hebelarme- 70 und 71 läßt sich errechnen, daß eine Ungenauigkeit des mechanischen Anschlags 80 von immerhin 1 mm zu einer Ungenauigkeit in der Stellung des Tisches 35 an der Mikroskopposition 36' von nur 17 Mikrometern und bei der Laserstellung 36 sogar nur zu einem Fehler von etwa 3 Mikrometern führt. (Die Asymmetrie dieser Zahlen kann auf die Asymmetrie der Kennlinie 82 zurückgeführt werden).

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Es wird nun erläutert, in welcher Weise der Laser- bzw. Lichtstrahl 49 die Fotomaske 32 durchquert„ Das geschieht gemäß Fig. 1a und 2c, indem der Lichtstrahl von unten her auf die Maske auffällt und diese unter einem spitzen Winkel ? dem Brewsterschen Winkel, durchstrahlt_o Der Brewstersche Winkel beträgt für Glas mit einem typischen j Brechungsindex von 1,5 etwa 56°„

In den Fig. 5a und 5b wird der Effekt der Brechung eines durch eine Glasplatte 90 geringerer Dicke und eine Glasplatte 92 (gestrichelte Linie) größerer Dicke durchtretenden Strahls erläutert. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Messen der Streifenbreite in der Praxis muß es möglich sein, den Meßvorgang verschiedenen, um bis zu 0,75 mm variierenden Dicken von Glasplatten anzupassen. Der solche Glasplatten aufnehmende Maskenhalter 33 kann ! so ausgelegt werden, daß die obere Oberfläche der jeweiligen Glasplatte 90, 92, auf der das zu untersuchende Beugungsgitter 34 liegt, immer dieselbe Höhe hat„ In der Praxis ist die Dicke des Beugungsgitters 34 selbst klein (ca. 1 Mikrometer) im Verhältnis zur Dicke der Glasplatte, : Bei verschiedenen Plattendicken wird der verwendete Laser- -; oder Lichtstrahl jedoch leicht verschoben, wie das in Fig. ; mit der gestrichelten Linie angedeutet ist. Diese seitliche ■ Verschiebung beträgt für einen Brechungsindex von η = 1,5 ¹I und einen Dickenunterschied von 0,75 mm etwa/^ χ = 0,625 mm. i

Diese Strahlverschiebung muß durch eine entsprechende Ver- ; - Schiebung des Spiegels 30 aus der Position 30a in die Position 30b gemäß Fig. 5b kompensiert oder verhindert werden. Der Spiegel kann in geeigneter Weise verschoben

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werden, indem er auf eine kleine Bühne 29 gesetzt wird,

die durch eine geeichte Mikrometerschraube mit passender & Anzeige zu verstellen ist. Wenn also die Dicke und der

ί| Brechungsindex der Glasplatten 90 und 92 bekannt sind, Ί kann jeweils die Stellung des Spiegels 30 bestimmt werden, bei der der Lichtstrahl 49 in gewünschter Weise durch das k zu untersuchende Beugungsgitter 34 fällt. Durch das Ein-

halten des Brewsterschen Einfallswinkels 7 werden innere § Reflexionen des Lichtstrahls beim Passieren der Glasplatten verhindert.

ι Durch das Anordnen der Detektoren 56 und 58 in einer senk- ! recht zur Ebene der Maske 32 und zu den Gitterstreifen 34a - des zu untersuhenden Beugungsgitters verlaufenden Ebene 60 werden zwei bedeutende Vorteile erzielt. Zunächst genügt ein relativ einfacher Mechanismus um sicherzustellen, daß lediglich durch Einstellen einer Skala oder eines anderen Anzeigeninstruments, z.B. des Schalters 42, auf die bekannte und exakte Gitterkonstante d die Detektoren 56 und 58 in die genauen Positionen gebracht werden können, in denen sie auf der Linie der gebeugten Strahlen 52 und 54 erster und zweiter Ordnung liegen. In der Anordnung ist es weiterhin möglich, die Detektoren 56 und 58, z.B. Fotodioden, so zu orientieren,■ daß das senkrechte Auftreffen der gebeugten Strahlen auf die Detektoren sowohl für die Strahlen erster und zweiter Ordnung als auch für alle Gitterkonstanten sichergestellt wird.

Diese Vorteile werden deshalb erhalten, weil alle gebeugten Strahlen - wie oben erläutert (vergleiche Fig. 1a, b) eine Hälfte eines Kreiskegels bilden_o Dieses Phänomen wurde experimentell bestätigt und kann aus den bekannten Inter-' ferenzprinzipien hergeleitet werden. Es sei darauf hinge-

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wiesen, daß alle BeugungsOrdnungen die genannte vertikale Ebene 60 längs einer Kreislinie durchstoßen, deren Radius '■ 62b für einen vorgegebenen Einfallswinkel "K festgelegt ist₀ Aus diesem Grunde werden die Detektoren 56 und 58 auf Hebelarmen 100 und 102 befestigt, die um die Achse T-P (Fig. 1a) rotieren können. Die Detektoren werden dabei an den Armen so orientiert, daß sie auf den Punkt T des zu untersuchenden Beugungsgitters 34 gerichtet sind_o Diese Anordnung führt zu einem Normaleinfallswinkel 7 für alle j gebeugten Strahlen z.B. auf die Detektoren 56 und 58 und alle ι anderen möglicherweise zu verwendeten Detektoren.

Vor der Beschreibung der Konstruktionseinzelheiten der Hebelarme gemäß Fig. 6 wird ein weiterer prinzipieller Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Die horizontalen Abstände X₁ und X₂ repräsentieren in Fig. 1a , und Fjg, 6 den Abstand der Durchstoßpunkte der gebeugten :. ' Strahlen 52 und 54 erster und zweiter Ordnung in der Ebene 60 von dem senkrecht auf dem Punkt P und der Ebene des Beugungsgitters 34 stehenden Radius 62b. Für die Werte von X₁ und X₂ ergeben sich folgende Beziehungen:

x, = (3)

sxn

X₂ = 2 f_ (4)

sin 7 · d

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Ii ί

[ In den Gleichungen (3) und (4) bedeutet g den Abstand

zwischen dem Beugungsgitter 34 und der als Schirm dienen-

I den Ebene 60, d_eh. den mit dem Buchstaben g bezeichneten

'! Abstand T-P längs der gestrichelten Linie 64„ Mit T^. wird

I die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts bezeichnet,

I welche im Ausführungsbeispiel den Wert 0,6328 Mikrometer

1 hat.

I Bei den Parametern des beschriebenen Ausführungsbeispiels I ist der Abstand x₂ doppelt so groß wie der Abstand x. I (Xp = 2xxJ, Weiterhin hängen beide Abstände in gleicher J Weise mit der Gitterkonstanten d zusammen. Wenn die zum I . Untersuchen ausgebildete Gitterkonstante geändert werden soll, bedeutet das, daß die Abstände x. und x~ mit Hilfe der Einrichtung nach Fig. 6 entsprechend anzupassen sind.

I Im beschriebenen Ausführungsbeispiel durchläuft der einj fallende, mit durchgezogener Linie dargestellte Laserstrahl 49 das Prüfgitter 34 in der in Fig. 1a dargestellten Weise, Diese Einrichtung wird zum Messen der Streifenbreite a von transparenten Proben wie Fotomasken, unter Anwendung der sogenannten Durchstrahlungsmethode der Strahlbrechung

■ν

i. -J verwendet. Im Prinzip läßt sich jedoch in gleicher Weise || '" verfahren., wenn nicht durchsichtige Proben von Scheibchen I , nach der Reflexionsmethode der Strahlbrechung betreffend

i die Streifenbreite auszumessen sind. Der einfallende Strahl 49a wird dann an der Oberfläche des Gitters 34 unter einem

; Winkel ⁵C in der in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Weise

^r copy

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reflektierte Die gegenseitige Anordnung der Spiegel 16, 26, 28 und 30 muß bei Anwendung der Reflexionsmethode natürlich geändert werden. In der Praxis ist es daher günstig, wenn zum Untersuchen von nicht durchsichtigen Scheinehen nach der Reflexionsmethode und von.durchsichtigen Fotomasken nach der Durchstrahlungsmethode jeweils besondere Einrichtungen vorbereitet werden und nicht ein jeweils umzubauendes Universalgerät vorgesehen wird.

Anhand von Fig. 6 wird der Hebelmechanismus zum Positionieren der Detektoren beschrieben. Die Hebelarme 100 und 102 werden auf dem mit der Gehäusekonstruktion der Schirmebene 60 gekoppelten Lager 104 befestigt. Eine Führung 106 wird mit einer Nut bzw. einem Schlitz 107 zum Aufnehmen von an die Hebelarme 100, 102 angesetzten Führungsstiften 108 bzw. versehen. Die Führung 106 wird mit Hilfe eines Riemen- _; Scheibensystems mit Scheiben 110 und 111 sowie einem an : die Längsenden 113 und 114 der Führung 106 angebrachten Führungsdraht 112 horizontal bewegt. Die Riemenscheibe wird mittels eines durch den Mikroprozessor 65 und die Motorsteuerung 68 (Fig. 7) geregelten Schrittmotors 115 angetrieben»

Die jeweiligen Winkelstellungen der Hebelarme 102 und 100 werden durch die Abstände c. und C₂ der Stifte 108 und von dem durch das Lager 104 definierten Punkt P bestimmt. Die Führung 106 wird mit Hilfe des Riemenscheibensystems horizontal bewegt. Durch Drehen und Festlegen der Schwenkstellung der Riemenscheibe 110 mit Hilfe des Motors 115 ,

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werden die Positionen der Detektoren 56 und 58 nach den I Prinzipien elementarer Geometrie bestimmt. Wenn also gilt

I c.:Cp=2:1 dann ergibt sich x^:x^ = Λ:Ζ\ vergleiche die

•| oben angegebenen Beziehungen (3) und (4). Das Fixieren

]t der Riemenscheibe 110 in Drehrichtung kann daher ent-

I sprechend den Beziehungen (3) und (4) in Größen der

\ Gitterkonstanten d geteilt bzw. geeicht werden. In der

i Praxis zeigt sich, daß der Mechanismus der Hebelarme

;| und Riemenscheiben nicht mit übermäßig großer Genauig-

I keit hergestellt werden muß, wenn die Größe der aktiven

;j Fläche der, insbesondere als Fotodioden auszubildenden,

% Detektoren 56 und 58 entsprechend groß ist« In einem

l| . erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind als Detektoren

!■ Fotodioden mit einer quadratischen aktiven Fläche von etwa

I 10 mm Kantenlänge vorgesehen, welche vorzüglich geeignet

tf sind, die gebrochenen Strahlen 52 und 54 erster und zweiter

£ Ordnung zu unterbrechen und zu empfangen.

Die Arbeitsweise der Meßeinrichtung 10 wird anhand des Blockbildes nach Fig. 7 beschrieben. Zunächst wird vorausgesetzt, daß sich der Tisch 35 in Position 36' befindet und daß die zu untersuchende Maske 32 von Hand in den Maskenhalter 33 eingelegt wird» Mit Hilfe einer herkömm-Lf ^T liehen x-y-Wendeeinrichtung (Manipulator) wird die Maske if', 32 dabei so ausgerichtet, daß der Mittelpunkt T (Fig„ 1a) I j des zu untersuchenden Gitters 34 mit dem Fadenkreuz des Okulars des Mikroskops 40 zur Deckung kommt.

Beim Positionieren der das zu untersuchende Gitter 34 > enthaltenden Maske 32 können auch Justierungen in Drehrichtung derart vorgenommen werden, daß die Gitterlinien 34a

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parallel zur y-Richtung des Mikroskop-Fadenkreuzes ausgerichtet werden. Nach erfolgter Orientierung der Maske 32 wird der am Gehäuse von Fig. 2a und 2t> vorgesehene Einschalter 66 betätigt und damit der Motor 76 über die Motorsteuerung 67 in Betrieb gesetzt. Der Motor 76 bringt den Tisch aus der Stellung 36' mit Hilfe des Zahnrads und des Hebelmechanismus gemäß Fig. 3a in die Stellung 36. In der Stellung 36 wird der Endschalter 77 betätigt und dadurch der Motor 76 stillgesetzte Zugleich wird durch das Betätigen des Schalters 77 das Programm des Mikroprozessors 65 über ._. den Strompfad 84 eingeleitet. Der Mikroprozessor 65 liest den d-Wert von dem am Gehäuse von Fig. 2a und b angeordneten Eingabeschalter 42 ab und liefert über den Strompfad 85 ein Kommando an die Motorsteuerung 68. Dadurch wird der die Positionen der Detektoren 56 und 58 entsprechend dem vorgegebenen d-Wert - ähnlich wie anhand von Fig. 6 be- · schrieben - einstellende Schrittmotor 115 geregelt.

Mit dem Tisch 35 in. der Position 36 wird der Verschluß 22 von der Position 36 aus über eine mechanische Verbindung 46 betätigt. Bei geöffnetem Verschluß 22 wird von einem zweckmäßig kontinuierlich betriebenen Laser 12 ein Strahl 49 durch den Chopper 18 zum Spiegel 30 sowie durch das Beugungsgitter 34 (Fig. 1a und b) geschickt, um eine Schar gebeugter Strahlen 50, 52 und 54 zu erhalten.

Die den gebeugten Strahlen 52 und 54 entsprechenden Ausgangssignale I₁ und Ip der Detektoren 56 bzw. 58 werden über Strompfade 86 und 87 auf einen Lock-in-Verstärker 48 gegeben. Die verstärkten Ausgangssignale des Verstärkers 48

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werden dem Mikroprozessor 65 über den Strompfad 88 zugeführt. Der Mikroprozessor 65 kombiniert diese Signale mit dem vom Eingangssehalter 42 abgelesenen Wst d, um dann den Wert der Streifenbreite a unter Verwendung von Gleichung (1) nach entsprechenden Tabellenwerten oder unmittelbar unter Anwendung der obigen Gleichung (1) zu berechnen. Die sich ergebende Streifenbreite a wird auf einer am Gehäuse gemäß Fig. 2a und b angebrachten Tafel 44 angezeigt. Die ermittelte Streifenbreite a kann auf Wunsch auch an weitere Prozeßsteuerungen 93 über den Stromweg 89 weitergeleitet werden.

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Claims

Dn.-Ing. Reiman König .- -" Dipl.-Ing."Klaus Bergen Ceoilienallee 76 A Düsseldorf 3O Telefon 452008 Patentanwälte

4.Februar 1931 33 852 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y, 10020 (V.St.A.)

"Vorrichtung zum Prüfen der Breitenmaße eines Beugungsgitters und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung"

Patentansprüche;

My Vorochtung (10) zum optischen Prüfen der Breitenmaße eines auf einem Substrat (34c) angeordneten, aus einzelnen Gitterstreifen (34a) der Streifenbreite a mit einer Gitterkonstanten d bestehenden, ebenen Beugungsgitters (34), mit

a) einer Belichtung (12) des Beugungsgitters (34) mit einem in gebeugte Strahlen (52, 54) verschiedener Ordnung zu zerlegenden, monochromatischen Lichtstrahl (49);

b) einer Detektoreinrichtung mit Detektoren (56, 58) zum Messen der Intensität und Ermitteln von Intensitätssignalen (I., I₂) von wenigstens zwei der gebeugten Strahlen (52, 54); ^unci

c) auf die Irxtensitatssignale (I₁, I₂) ansprechenden Mitteln (65) zum Bestimmen der Breite a der Streifen (34a),

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gekennzeichnet durch

d) einen Antrieb (100, 102) zum Bewegen der Detektoren

(56, 58) in einer senkrecht zu den Gitterstreifen (34a) j verlaufenden Ebene (60) in je eine die Beugungsstrahlen f (52, 54) schneidende Position.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zum Antrieb ein Paar um eine in einer geraden Verlängerung der Gitterstreifen (34a) liegende und parallel dazu verlaufende, gemeinsame Achse (64, 104) zu schwenkender Hebelarme (100, 102) mit jeweils einem an einem Längsende befestigten Detektor (56, 58) gehört (Fig. 6).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die lichtempfindlichen Flächen der an die Enden der Hebelarme (100, 102) angesetzten Detektoren (56, 58) in Normalrichtung auf das Beugungsgitter (34) ausgerichtet sind.

• 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,

■" gekennzeichnet durch

t ^ä

Mittel zum Einstellen des Abstandes zwischen den ' Detektoren (56, 58) auf einen vorgegebenen, der

Gitterkonstanten d entsprechenden Wert.

j 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem ' Antrieb (100, 102) Verstellmittel zum Verschieben der

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Detektoren (56, 58) auf einem Kreisbogen (62) eines geraden Kreiskegels zugeordnet sind, dessen Spitze (T) in der Ebene des Beugungsgitters (34) und dessen Achse (64) parallel zu den Gitterstreifen (34a) liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Voreinstellung des bogenförmigen Abstandes der Detektoren (56, 58) auf einen der Gitterkonstanten d entsprechenden Wert. '

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, ' gekennzeichnet -durch

einen Stift (108, 109) an jedem Hebelarm (100,102); -■ eine mit Hilfe von Transportmitteln (110, 112) in einer Richtung parallel zur Ebene der Gitterstreifen (34a) und senkrecht zu den Hebelarmen (100, 102) zu verschiebende Führung (106); und

eine sich senkrecht zur Verschieberichtung der Führung (106) in dieser erstreckende Nut (107) zur Aufnahme der Stifte (108, 109) für das Schwenken der Hebelarme beim Verschieben der Führung (106), wobei der Abstand (C, bzw. ^%Cp) zwischen jedem Stift (108, 109) und der Schwenkachse (104) der Hebelarme (100, 102) sowie die Stellung der Führung (106) die jeweilig entsprechende Position (X₁, Xp) der Detektoren (56, 58) bestimmen.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch

ein Mikroskop (40); und

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eine Unterlage (35, 38) zum Tragen und Verschieben des Beugungsgitters (34) zwischen einer vorgegebenen Position (36) zum Beaufschlagen des Gitters (34) mit dem zu beugenden Lichtstrahl (49) und einer weiteren Position (36^!) zum Betrachten des Gitters (34) durch das Mikroskop (40), wobei der letztgenannten Position Mittel zum manuellen Positionieren und Orientieren des Gitters (34) in eine im wesentlichen richtige Stellung und Ausrichtung für das Beleuchten mit dem Lichtstrahl und das Erzeugen der Bilder der gebeugten Strahlen (52, 54) zugeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen aus einem Paar gelenkig schwenkbar längs aneinander gesetzter, mit dem einen gemeinsamen Längsende mit einem Drehantrieb (72, 76) und mit dem anderen gemeinsamen Längsende mit den Verfahrmitteln gekoppelter Hebelarme (70, 71) bestehenden Sinus-Bewegungsantrieb zum Verschieben des Beugungsgitters (34) mit sinusförmigem Bewegungsablauf zwischen den beiden vorgegebenen Positionen (36, 36«).

Vorrich+ung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein das Beugungsgitter (34) aufnehmendes transparentes Substrat (92) vorgegebenen Brechungsindexes; eine Spiegelanordnung (30) zum Reflektieren des Lichtstrahls (49) durch Substrat (92) und Gitter (34); und der Spiegelanordnung (30) zugeordnete, geeichte Verstellmittel (29) zum Kompensieren von vom Brechungsindex herrührenden Fehlern im Lichtstrahl (49) (Fig. 5a, b).

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11. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektoren (56, 58) in einer senkrecht zu den Gitterstreifen verlaufenden Ebene (60) in eine die Beugungsstrahlen (52, 54) schneidende Position gebracht werden.

ο Verfehren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (56, 58) mit Hilfe eines Paars um eine in eine gerade Verlängerung (64) parallel zu den Gitterstreifen (34a) gelegte, gemeinsame Achse (104) zu schwenkender, je einen der Detektoren am freien Längsende aufnehmender Hebelarme (100, 102) positioniert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß der gegenseitige Abstand der Detektoren (56, 58) auf einen vorgegebenen, der Gitterkonstanten d entsprechenden Wert eingestellt wird.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (56, 58) auf einem Kreisbogen eines geraden Kreiskegels bewegt werden, dessen Spitze (T) in die Ebene des Beugungsgitters (34) und dessen Symmetrieachse (64) in eine Richtung parallel zu den Gitterstreifen (34a) gelegt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Bogenabstand der Detektoren

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j (56, 58) der
angepaßt . ... '_■ _- des 3103949 ; - 6 - Beugungsgitters Gitterkonstanten
wird«, d

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