DE3428772A1

DE3428772A1 - Optisches messsystem

Info

Publication number: DE3428772A1
Application number: DE19843428772
Authority: DE
Inventors: William B. Mountain View Calif. Cole; Hoyt H. Santa Clara Calif. Nelson
Original assignee: Nanometrics Inc
Current assignee: Nanometrics Inc
Priority date: 1983-08-04
Filing date: 1984-08-03
Publication date: 1985-02-14
Also published as: GB8418351D0; GB2144536A; JPS6042606A

Description

Optisches Meßsystem

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein optisches Meßsystem beziehungsweise ein optisches Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung befaßt sich mit der Messung von sehr feinen beziehungsweise engen Linien und anderen sehr kleinen Objekten längs einer Achse derselben oder längs zweier Achsen derselben, wobei diese Messungen gleichzeitig durchführbar sind. Die Erfindung eignet sich besonders für die Halbleiter-Industrie zur Durchführung äußerst genauer und schneller Messungen von schmalen Linien und der sehr kritischen Ausrichtmarken zur Bestimmung der genauen Ausrichtung von vielleicht hundert Chips beziehungsweise Dies, die in die Herstellung eines integrierten Schaltkreis-Wafers eingehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges optisches Meßsystem zu schaffen, das nur sehr kurze Meßperioden benötigt und durch Vibrationen bedingte Fehler ausscheidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Meßsystem verwendet eine elktronische Abtastung, welche die Notwendigkeit von durch Schraubenspindeln beziehungsweise Führungsschrauben angetriebene Abtastern und ähnlichem überflüssig macht. Ein weiterer Vorteil beruht darin, daß die tatsächlichen

Abtastmessungen während einer sehr kurzen Zeitperiode
getätigt werden, so daß eine Möglichkeit von Fehlern aufgrund äußerer Vibrationen praktisch vollständig vermieden werden kann und eine rasche Gewinnung der Daten g

zwischen den verschiedenen Bewegungen des Objekttischs möglich wird, wenn sich dieser von einer Lage in die nächste bewegt, ohne daß es notwendig ist abzuwarten bis der Objekttisch vollständig zur Ruhe gekommen
ist . Eine weitere Besonderheit beruht darin, daß die Messungen gleichzeitig in der X- und der Y-Richtung
gewonnen werden, so daß eine sehr rasche Messung von nahe beieinander gelegenen ,orthogonal ausgerichteten Markierungen möglich ist, ohne daß die Probe neu
orientiert werden muß. Desweiteren werden hierdurch
Messungen von anderen zweidimensionalen Markierungen oder Strukturen möglich.

Mit der Erfindung wird ein optisches Meßsystem geschaffen, das ein optisches Objektivlinsensystem
enthält, welches auf die Probe fokussiert ist, welche auf einem bewegbaren bzw. verschiebbaren Objekttisch gehaltert ist und die Markierung oder Linie enthält, die gemessen werden.soll. Das Bild der Probe wird
von einem Strahlenteiler aufgenommen, der einen
Teil der Energie auf eine erste Multi-Photosensorenanordnung lenkt, die in X-Richtung ausgerichtet ist, während der Rest der Energie auf die Oberfläche
einer ähnlichen Sensoranordnung fällt, die Photosensoren aufweist, welche in der Y-Richtung ausge-

^ou richtet sind. Die Photosensoren sind vorzugsweise

kommerziell erhältliche Vorrichtungen mit eingebauten Elektroniken für ein serielles Ausgangssignal , das
externen Puffern, Analog/Digital-ümwandlern zugeführt

wird und anschließend an eine digitale Datenverar-35

beitungsanlage gelangt, welche die Eingangsdaten in Ausgangssignale umwandeln, die von einem Drucker wiedergegeben werden oder, wenn dies erwünscht ist, in einer anschließenden Verarbeitungsschaltung oder -an-

^ Ordnung verwendet werden können.

Um bei den Messungen ein "Einfrieren" gegen Schwingungen und mögliche Bewegungen des Objekttischs zu erreichen, wird die Probe durch das Objektiv mit weißem Licht beleuchtet, das von einer hochintensiven Kurzzeitbogenlampe geliefert wird. Das weiße Licht enthält alle Farben und ermöglicht eine selektive Filterung nach Wunsch.

Die beiliegende Zeichnung zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des optischen Meßsystems.

Man erkennt in der Zeichnung eine Objektivlinse 10, die beispielsweise in einem optischen Mikroskop enthalten sein kann. Die Linse 10 ist auf die Oberfläche einer Probe 12 fokussiert, die auf einem justierbaren Mikroskoptisch 14 gehaltert ist. Die Probe 12 kann, wie bereits vorstehend erwähnt, ein Objekt sein, das eine Oberflächenbesonderheit aufweist, die gemessen werden soll. Das Objekt kann jedoch auch ein HaIbleiter-Wafer sein mit Chips einer integrierten Schaltung und Ausrichtmarkierungen, die eine genaue Ausrichtung erforderlich machen.

Zur Erziehlung einer ordnungsgemäßen Beleuchtung wird die Probe von einer Hochintensitätslampe 16, wie beispielsweise einerXenon-Bogenlampe, beleuchtet, wobei die Lampe über eine Kondensatorentaldung mit Strom versorgt wird, so daß eine blitzartige, sehr intensive Abgabe von weißem Licht über eine Zeitdauer von

15 Mikrosekunden erfolgt. Das von der Lampe abgegebene Strahlenbündel wird über eine Linse 18 und einen Strahlenteiler 2 0 sowie das Objektiv 10 auf die Oberfläche der Probe 12 fokussiert. Durch die Verwendung einer Xenon-Bogenlampe mit hoher Intensität, die weißes Licht für eine kurze Zeitdauer emittiert, benötigt man nur eine sehr geringe Systemanlaufzeit und ein Aufheizen der Probenoberfläche wird vermieden. Desweiteren kann das Licht nach Wunsch gefiltert werden, so daß man jegliche erwünschte farbige Beleuchtung erhält. Schließlich, und dies ist zumindest ebensowichtig, werden alle unerwünschten Schwingungen, die von internen und externen Quellen herrühren "eingefroren"

während die Messungen durchgeführt werden. 15

Das Bild der beleuchteten Probenoberfläche wird durch den Beleuchtungsstrahlenteiler 2 0 projeziert und teilweise von einem zweiten Strahlenteiler 22 in einen Brennpunkt reflektiert, an dem eine beobacht-

bare Anzeige 24 wie ein Fadenkreuz angebracht sein kann. Ein Beobachtungsokular 26 ist ebenfalls auf die Anzeige fokussiert, wobei es dieses ermöglicht, daß die Beobachtungsperson das Bild der Probenoberfläche sieht und hierdurch geeignete Einstellungen des Objekttischs 14 durchführen kann. Das durch den zweiten Strahlenteiler 22 durchgelassene Bildstrahlenbündel wird von einem dritten Strahlenteiler 28 in verdoppelte Strahlengänge 30 und 32 aufgeteilt, wobei jeder von diesen auf die Detektoroberflächen von Photo-

detektorsensoranordnungen 34 und 36 fokussiert ist.

Die Sensoranordnung 36 ist in der Zeichnung vertikal gezeigt. In Wirklichkeit sind die Sensoranordnungen 34 und 36 orthogonal zueinander derart angeordnet, daß

die Anordnung 34 die gesamte Breite des fokus'sierten 35

Bildstrahlenbündels 30 in die X-Richtung ermittelt und registriert, während die Anordnung 36 die gesamte Länge des fokussierten Bildes 32 in die Y-Richtung ermittelt und registriert. Jede der Sensoranordnungen 34 und 36 enthält, ohne jedoch auf diese Zahl beschränkt zu sein, 512 identische Photosensoren, die über die Länge der Anordnung ausgerichtet sind. Da jeder Photosensor identisch mit den anderen ist und da alle in gleichen Abständen zueinander angeordnet sind , läßt sich auf ein paar Sensoren in der Linie auffallendes Licht sehr genau messen, indem man lediglich die Zahl der Sensoren bestimmt, die im Vergleich zu der Umgebung ein unterschiedliches Ausgangssignal liefern.

Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel sind beide Sensoranordnungen 34 und 36 kommerziell erhältliche, lineare Diodenreihen Chips, wie sie beispielsweise von E.E. & G. Reticon hergestellt werden. Wenn man dies vorzieht, können als Sensoranordnungen kommerziell erhältliche ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) verwendet werden, wie sie beispielsweise von Fairchild, Hitachi und anderen gefertigt werden. Jeder der Chips in den Anordnungen kann Unterschiede in der Beleuchtungsintensität an 512 Photostellen oder Bildpunkten ermitteln, wobei jeder Chip seine eigenen benötigten Analog-Multiplexer, Puffer und Tast- und Halteschaltungen enthält und jeder einen seriellen Ausgangssignalstring liefert im Ansprechen auf ein Eingangstastsignal. In den Zeichnungen ist desweiteren angedeutet, daß jede der Sensoranordnungen 34 und 36 individuell entlang Längs- und Querachsen justierbar ist. Dies ermöglicht es der Bedienungsperson "kleinere Justierungen der Chips vorzunehmen,

um sicherzustellen, daß die Strahlenbündel 30 und 32 im Normalfalle nahe der Mitte der Chips fokussiert sind, so daß die Strahlengänge während der Messung von relativ großen Details nicht aus denselben herausgeraten. Es kann desweiteren eine Justierung vorgesehen sein, um Chips mit unterschiedlichen Zahlen von Photosensoren in der Anordnung aufzunehmen.

Das Ausgangssignal der X-Richtung-Sensoranordnung 34 ist über einenPuffer 38 an einen Analog/Digital-Umsetzer 40 angeschlossen, der jedes der analogen Ausgangssignale in entsprechende digitale Signale umwandelt. In entsprechender Weise ist die Y-Richtung-Sensoranordnung 36 über einen Puffer 42 an einen Analog/Digital-Umsetzer 44 angeschlossen. Die digitalen Ausgangssignale der Analog/Digital-Umsetzer 40 und 44 werden anschließend der Datenverarbeitungsanlage 46 zugeführt, die Ausgangssignale erzeugen und diese einer anschließenden Steuerschaltung zuführen kann oder die

in der Lage ist, einenAusdruck über die gemessenen Dimensionen zu liefern. Wenn sehr hohe Vergrößerungen bei der Durchführung der Messungen zur Anwendung kommen, kann es äußerst schwierig sein, die Kanten einer zu messenden Markierung exakt von Unregelmäßigkeiten im Hintergrund zu unterscheiden, so daß die Kanten lediglich als Band ansteigender Lichtintensitäten erscheinen. In derartigen Fällen kann ein Datenverarbeitungsgerät 46 verwendet werden, das von einer Bauart ist, wie sie im US-Patent 4 373 817 beschrieben _r

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ist, so daß zunächst eine Messung durchgeführt und aufge- \\ zeichnet wird, ohne daß eine Probe auf dem Objekttisch liegt. Nachdem man auf diese Weise eine Aufzeichnung des Hintergrund-"Rauschens" in dem optischen System durchgeführt hat, erfolgt eine zweite Messung·, bei der die Probe auf dem Objekttisch angeordnet ist, wobei

die Datenverarbeitungsanlage anschließend die beiden Messungen vergleicht und hieraus die exakte Messung der Probe ermittelt.

Claims

Patentanwälte · European Patent Attorneys

Flüggenstraße 17 · D-8000 München

3. August 1984 D/we N 4266-D

Nanometrics Inc.
West Maude Avenue
Sunnyvale, CA 94086
USA

Optisches Meßsystem

Patentansprüche

'Optisches Meßsystem für die Messung von Abmessungen auf der Oberfläche eines kleinen Objekts gekennzeichnet durch:

zumindest eine Sensoranordnung (34, 36), die eine Mehrzahl von ausgerichteten, identischen einzelnen Photosensoren enthält;

ein optisches System einschließlich einer Fokussierungslinse (10) um ein Bild des Objekts (12) auf die ausgerichteten Photosensoren (34; 36) der zumindest einen Sensoranordnung zu fokussieren, wobei das Bild eine Ausgangssignaländerung in denjenigen Photosensoren erzeugt, welche der von dem Bild herrührenden Energie ausgesetzt sind;

und eine Auswertvorrichtung mit an die zumindest eine Sensoreinrichtung (34,36) gekoppelten Einrichtungen,

die auf das Ausgangssignal der Photosensoren anspricht und dazu dient, die Anzahl bzw. Nummer der aufeinanderfolgenden Photosensoren zu bestimmen, welche der von dem Bild

des Objekts herrührenden Energie ausgesetzt sind. 5

2. Optisches Meßsystem, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß zur Messung einer ersten und einer zweiten Dimension auf dem Objekt eine erste Sensoranordnung (34) und eine zweite Sensoranordnung

(36) vorgesehen sind, welche derart ausgerichtet sind, daß ihre wirksamen Längsachsen parallel zu der ersten und der zweiten Dimension des Objekts verlaufen

3. Optisches Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

zeichnet,daß das optische System einen ersten Strahlenteiler (28) enthält, welcher eine Bildverdoppelung in dem Abbildungsstrahlengang des Objekts bildet und die beiden Strahlengänge der ersten beziehungsweise der

zweiten Sensoranordnung (34 bzw. 36) zuführt. 20

4. Optisches Meßsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen von zumindest einer der Sensoranordnungen justierbar

sind.
25

5. Optisches Meßsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnungen (34, 36) lineare Photodiodenanordnungen

sind, von denen jede serielle Ausgangssignale liefert. 30

6. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche

1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnungen (34, 36) ladungsgekoppelte Vorrichtungen sind.
35

7. Optisches Meßsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Photosensoren einem Analog/Digital-Umformer (40,- 44) zugeführt und einem Datenverarbeitungsgerät(46) zugeleitet werden zur Erzeugung von Ausgabeanzeigen über die erste und die zweite Dimension des Objekts.

8. Optisches Meßsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische · System einen zweiten Strahlenteiler (20) enthält, der in dem Abbildungsstrahlengang zwischen dem Objekt (12) und dem ersten Strahlenteiler (28) angeordnet ist und dazu dient, einen Beleuchtungsstrahlenbündel auf das Objekt einzuspiegeln.

9. Optisches Meßsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Hochintensitätsbeleuchtungsquelle (16) zur Erzeugung des Beleuchtungs-Strahlenbündels.

10. Optisches Meßsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochintensitätsbeleuchtungsquelle (16) eine Hochintensitäts-Xenon-Bogenlampe ist.

11. Optisches Meßsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System einen dritten Strahlenteiler (22) enthält, der in dem Abbildungsstrahlenbündel zwischen dem ersten Strahlenteiler (28) und dem zweiten Strahlenteiler (20) angeordnet ist, wobei der dritte Strahlenteiler (22) einen Teil des Abbildungsstrahlenbündels auf ein Okular (26) richtet.

12. Optisches Meßsystem zur Messung von Abmessungen auf der Oberfläche eines Objekts, insbesondere nach einem

der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Sensoranordnung (34, 36), die eine Mehrzahl von parallelen zueinander benachbarten Photosensoren enthält;

eine Kurzzeitbeleuchtungsquelle (16), welche so angeordnet ist, daß sie das Objekt (12) beleuchtet; ein optisches System, das eine Fokussierungslinse (10) enthält, welche dazu dient, ein Bild des beleuchteten Objekts(12) auf die Photosensoren abzubilden, wobei dieses Bild auf jedem Photosensor in der Mehrzahl der Photosensoren eine Änderung eines Ausgangssignals erzeugt, die proportional der von dem Bild erhaltenen Energie ist;

eine mit der zumindest einen Sensoranordnung (24,36) gekoppelte Meßeinrichtung, die auf die Signalausgänge der Mehrzahl der Photosensoren anspricht und die Anzahl oder Nummer aufeinanderfolgender Photosensoren bestimmt, welche der Energie des von dem Objekt erzeugten Bildes

ausgesetzt werden.
20

13. Optisches Meßsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System Mittel (28) enthält, um einen ersten und einen zweiten Strahlengang (30,32) zu erzeugen, die orthogonal zueinander sind und daß die Sensoranordnung erste und zweite Vielfachanordnungen von parallelen zueinander benachbarten Sensoren in zueinander orthogonalen Ebenen enthält, wobei jede Ebene senkrecht zu dem ersten bzw. zweiten Abbildungs-Strahlengang (30, 32) verläuft und in deren Brenn-

° punkt angeordnet ist.

14. Optisches Meßsystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsquelle (16)

weißes Licht liefert und daß Möglichkeiten zur selek-35

tiven Filterung des auf das Objekt geleiteten Beleuchtungsstrahlenbündels vorgesehen sind.