DE3540916C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur raster-lichtmikroskopischen Darstellung von Objekten im Dunkelfeld gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1, wie sie aus der EP 00 11 709 A2 bekannt ist.

Für die Inspektion von Halbleitersubstraten werden zunehmend Dunkel­ feld-Kontrastierungsverfahren eingesetzt, da sie ein besseres Erkennen und Vermessen z. B. der Linienbreiten der Mikrostrukturen auf dem Substrat als bei Hellfeld-Beobachtung ermöglichen. Konventionelle Mikroskope sind zu diesem Zwecke mit speziellen Objektiven ausgerüstet, um die ein sogenann­ ter Dunkelfeldkondensor in Form eines Ringspiegels gelegt ist. Dieser Ringspiegel fokussiert ein konzentrisch um das Objektiv geführtes Be­ leuchtungslichtbündel auf das Objekt und leuchtet das gesamte Bildfeld aus.

Es ist auch bereits bekannt, für die Inspektion von Halbleitersubstraten sogenannte Raster-Lichtmikroskope zu verwenden. Diese zum Teil auch als Laser-Scan-Mikroskope (LSM) bezeichneten Instrumente erzeugen einen in der Regel beugungsbegrenzten Lichtpunkt, der nit Hilfe von Ablenkspiegeln zeilenförmig über das Objekt bewegt wird. Bei diesen Mikroskopen dient das Objektiv zur Fokussierung des Abtastlichtstrahls auf das Objekt. Zur Erzeugung eines Dunkelfeldbildes wird das Signal eines neben dem Objektiv, also außerhalb der Apertur der Beleuchtungsoptik angeordneten Detektors herangezogen. Ein solches Raster-Lichtmikroskop ist z. B. in der US-PS 44 41 124 beschrieben. Dort wird das gesamte vom Dunkelfeldkondensor (Ringspiegel) erfaßte Licht einem einzigen Detektor zugeführt, der das Dunkelfeldsignal liefert. Die damit gewonnenen Dunkelfeldbilder sind jedoch, was die Erkennbarkeit der unter zwei ausgesprochenen Vorzugsrich­ tungen verlaufenden, linienförmigen Strukturen auf dem Halbleitersubstrat betrifft, nicht optimal. Insbesondere ist es nicht ohne weiteres möglich, Defekte oder Verschmutzungen der Oberfläche des Substrats deutlich gegen die aufgebrachten Strukturen hervorzuheben.

In der DE 32 37 826 A1 ist ebenfalls ein Raster-Lichtmikroskop beschrie­ ben, das mit einem einzigen Detektor arbeitet. Um die von den regelmäßigen Strukturen der Oberfläche herrührenden Signale gegenüber den Signalen aufgrund von Oberflächendefekten zu unterdrücken, besitzt das Gerät eine kreuzförmige Blende zwischen der Objektivlinse und dem einen Photodetek­ tor. Hiermit lassen sich jedoch die von den regelmäßigen Objektstrukturen herrührenden Reflexe nur unvollkommen ausblenden und außerdem muß das zu untersuchende Objekt relativ zu dieser Blende winkelmäßig so ausgerichtet werden, daß die Richtung des Blendenkreuzes mit den Vorzugsrichtungen der Strukturen übereinstimmt.

Aus der US-PS 44 60 273 ist ein Raster-Lichtmikroskop bekannt, welches zwei neben dem Objektiv angeordnete Dunkelfeld-Detektoren enthält, deren Verbindungslinie senkrecht zu den linienförmigen Strukturen auf der Substratoberfläche verläuft (Fig. 16 und 17). Mit einer solchen Anordnung lassen sich nur Strukturen einer einzigen Vorzugsrichtung wirksam unter­ drücken, so daß eine eindeutige Diskriminierung zwischen Struktur und Defekt nicht möglich ist. Zudem muß die Detektoranordnung immer senkrecht zu den Strukturen auf dem Substrat ausgerichtet werden, wodurch das Arbeiten mit dem Instrument erschwert wird.

In der DE 27 27 926 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung von Fehlern auf reflektierenden bahnförmigen Materialien bekannt, die neben einem Hell­ felddetektor zwei Dunkelfelddedektoren besitzt, die beim Auftauchen von nicht reflektierenden Fehlern der Bahn ansprechen. Die Signale dieser Detektoren sind einer Differenzschaltung zugeführt.

Mit dieser Anordnung lassen sich jedoch keine Fehler bzw. Verschmutzungen gegenüber einer gleichzeitig auf dem Prüfling aufgebrachten regelmäßigen Struktur unterscheiden.

In der eingangs genannten 00 11 709 A2 ist ein Mikroskop für die Halbleiterinspektion beschrieben, dessen Objektiv mehrere, in der hinteren Brennebene des Objektivs selbst angeordnete Lichtleiter enthält. Diese Lichtleiter können sektorförmig zusammengefaßt sein und Licht zu einem oder mehreren Detek­ toren weiterleiten.

Mit einer solchen Anordnung wird die nutzbare Apertur des Objektivs derart eingeschränkt, daß die bei Raster-Lichtmikroskopen geforderte, beugungs­ begrenzte Fokussierung des über das Objektiv geführten Beleuchtungslichtes nicht mehr gewährleistet ist, d. h. das Auflösungsvermögen verschlechtert sich. Außerdem ist es schwierig ein größeres Bündel von Lichtleitfasern in das Objektiv zu integrieren, ohne daß dessen Handhabbarkeit (Auswechslung, Anbringung an einen Revolver) darunter leidet. In welcher Form die Signale mehrerer Detektoren verarbeitet werden sollen um z. B. Defekte oder Schmutzpartikel im Dunkelfeldbild hervorzuheben, ist in der genannten Schrift nicht näher ausgeführt.

Letzteres gilt auch für die aus der DE 32 32 885 A1 bekannten Vorrichtung zur Oberflächenprüfung. Dort sind ebenfalls mehrere Detektoren, auch mit Zwischenschaltung von Lichtleitern ringförmig im Dunkelfeld in der hin­ teren Brennebene eines Objektivs angeordnet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die Inspektion von Auflichtobjekten wie z. B. Wafern in der Halbleiterindustrie anzugeben, die eine möglichst gute Erkennung von Defekten, Verunreini­ gungen etc. gewährleistet und dabei regelmäßige Strukturen, unabhängig von deren Orientierung im Bild unterdrückt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale erfindungsgemäß gelöst.

Die Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß Schmutzpartikel wie Staub, Defekte und z. B. zerrissene Kanten an Halbleiterstrukturen Licht ohne ausgesprochene Vorzugsrichtung streuen, während die Streucharakte­ ristik von wohldefinierten glatten Kanten und Oberflächen eine ausgeprägte Vorzugsrichtung besitzt. Wenn also mehrere kreisringförmig um das Objektiv bzw. bei Durchlichtbeobachtung um den Kondensor herum angeordnete Detek­ toren gleichzeitig ein Signal vergleichbarer Größe liefern, ist das ein Hinweis auf Streuung an Staubpartikeln oder Defekten. Das aus einer logischen "und"-Verknüpfung resultierende Signal aller Detektoren liefert also ein Bild des Objekts, in dem alle Strukturen mit glatten Kanten und Oberflächen unterdrückt sind, unabhängig von der Orientierung der Kanten. Eine automatische Inspektion von Masken und Wafern auf Staub oder Defekte wird damit wesentlich erleichtert.

Bei der Verwendung von vier Detektoren können zusätzlich die Signale gegenüberliegender Detektoren voneinander subtrahiert und die Summe der beiden Differenzsignale zur Bilddarstellung verwendet werden. Damit ist es möglich mit den gleichen Detektoren, die zur Erkennung von Verunreini­ gungen verwendet sind, ein weiteres Dunkelfeldbild mit anderem Informa­ tionsgehalt zu erzeugen. In diesem Bild werden Objektstrukturen wie Linien und Leiterbahnen plastisch (pseudo 3D) dargestellt und es wird eine Entscheidung darüber ermöglicht, ob eine Objektstruktur erhaben oder vertieft ist.

Da Raster-Lichtmikroskope in der Regel ohnehin auch einen Hellfeld- Detektor, z. B. in Form eines Photomultipliers besitzen, ist es zweckmäßig dessen Signal dem durch die logische "und"-Verknüpfung erzeugten Signal im Sinne einer Falschfarbendarstellung zu überlagern. Es erscheinen dann Staubpartikel und Defekte im Hellfeldbild der Probe deutlich hervorgeho­ ben, so daß eine einfache örtliche Zuordnung zwischen den Strukturen und den Defekten möglich ist.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann für Auflichtdarstellungen einfach ein herkömmliches Dunkelfeldobjektiv benutzt werden, in dessen das Objektiv umgebenden Beleuchtungs-Ringkanal, der bei Verwendung an einem Raster-Lichtmikroskop nicht für Beleuchtungszwecke benötigt wird, drei oder mehr Detektoren eingebaut sind.

Für die Darstellung von transparenten Objekten wie z. B. Masken im Durchlicht werden die Detektoren entsprechend um den Kondensor der Mikroskopoptik herum angeordnet bzw. an diesem befestigt.

Zweckmäßigerweise ist den Detektoren eine für jeden Detektor separat Licht sammelnde Optik vorgeschaltet. Das erlaubt, es die Detektor­ fläche und damit die Kapazität der Detektordioden klein zu halten, damit möglichst hohe Abtastfrequenzen bis weit in den MHz-Bereich hinein bei minimiertem Detektorrauschen erzielt werden können.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die elektronische Schaltung zur logischen Verknüpfung der Detektorsignale in jedem Signalkanal, d. h. im Signalweg vor der Verknüpfungsschaltung, einen Komparator enthält. Dann können durch geeignete Einstellung der Komparatorschwelle Staub oder Defekte unterhalb einer bestimmten Größe im Bild unterdrückt werden, falls das erwünscht ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-6 der beigefügten Zeichnungen. Davon sind

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Raster-Lichtmikroskops für Dunkelfeld;

Fig. 2 eine detaillierte Schnittzeichnung des am Mikroskop nach Fig. 1 verwendeten Objektivs;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Wicht sammelnden Optik 9 im Objektiv nach Fig. 2;

Fig. 4a u. b eine alternativ zu den Dioden (10) und der Licht sammeln­ den Optik (9) im Objektiv nach Fig. 2 verwendbare Detektor­ anordnung in Aufsicht bzw. Schnittdarstellung;

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild der den Dunkelfelddetektoren aus Fig. 1 bzw. 2 nachgeschalteten Elektronik;

Fig. 6 vier mit dem Mikroskop nach Fig. 1-5 in verschiedenen Kontrastierungsverfahren erzeugte Bilder.

Das in Fig. 1 vereinfacht dargestellte Raster-Lichtmikroskop enthält beleuchtungsseitig einen Laser (1), dessen Strahl von einer aus zwei Linsen (2 und 3) bestehenden Optik aufgeweitet wird und danach auf die Ablenkeinheit (5) trifft, die zur Auslenkung des Strahls in den beiden Richtungen x und y senkrecht zur Strahlachse dient. Nach Reflexion an der Ablenkeinheit (5) wird der Strahl von einem Objektiv (18) punktförmig auf die Oberfläche des Objekts (12) beispielsweise eines Wafers fokussiert und tastet einen dem Sehfeld des Objektivs entsprechenden Bereich rasterförmig ab. Tatsächlich enthält dieses Raster-Lichtmikroskop noch weitere, hier nicht dargestellte Komponen­ ten im Beleuchtungsstrahlengang wie z. B. eine Optik, mit der die Ablenkeinheit (5) in die Hauptebene des Objektivs (18) abgebildet wird. Der optische Aufbau eines Raster-Lichtmikroskops ist beispielsweise in der DE 30 37 983 C2 näher beschrieben.

Das Objektiv ist ein sogenanntes "HD"-Objektiv mit einem konzentrisch um die Objektivlinsen gelegten Dunkelfeldkondensor (6). Solche Objek­ tive sind aus der konventionellen Dunkelfeld-Mikroskopie hinreichend bekannt.

Zwischen dem Strahlaufweiter, bestehend aus den Linsen (2 und 3) und der Ablenkeinheit (5) ist ein Strahlteiler (4) angeordnet, der das vom Objekt (12) im Hellfeld reflektierte Licht auf einen Photo­ multiplier (7) lenkt. Der Ausgang dieses Photomultipliers (7) ist einer Einrichtung (8) zugeführt, die mit der Abtastbewegung der Ablenkeinheit (5) synchronisiert ist und ein Hellfeldbild des Objekts (12) liefert.

In den bisher beschriebenen Teilen handelt es sich um ein an sich bereits bekanntes Raster-Lichtmikroskop wie es z. B. auch in der US-PS 44 41 124 beschrieben ist.

Um das Objektiv (18) herum sind kreisförmig vier Dioden (10a bis d) (z. B. Pindioden) angeordnet, deren Ausgänge ebenfalls mit der Einrichtung (8) verbunden sind. Diese vier Dioden (10a bis d) befinden sich wie aus der detaillierten Darstellung in Fig. 2 er­ sichtlich in dem ringförmigen Kanal des Dunkelfeldkondensors (6) neben der Fassung (11) der drei Objektivlinsen (18a bis c). Zwischen den Dioden (10a bis d) und dem Ringspiegel (13) des Dunkelfeldkonden­ sors ist eine Licht sammelnde Optik (9) in den Dunkelfeldkondensor eingesetzt. Diese Optik besitzt die in Fig. 3 perspektivisch dar­ gestellte Form und besteht aus vier Kegelstümpfen aus transparentem Material wie Glas oder Kunststoff, die nebeneinander gesetzt wurden, und an die der Außendurchmesser der Fassung (11) und der Innen­ durchmesser des Dunkelfeldkondensors (6) angearbeitet wurde. Infolge der in Fig. 3 dargestellten Formgebung konzentriert jeder der vier Kegelstümpfe der Licht sammelnden Optik (9) das vom Ringspiegel (13) erfaßte und in Fig. 2 gestrichelt dargestellte Streulicht eines Quadranten. das in seiner Basis z. B. (14a) eintritt, durch innere Totalreflexion an der Stirnfläche (15a). Auf diese Stirnfläche (15a) ist der jeweilige Detektor. also z. B. die Diode (10a) aufgesetzt. Es können daher an dieser Stelle Pindioden oder Avalanchedioden mit kleiner lichtempfindlicher Fläche aufgebracht werden, die eine dementsprechend kleine Kapazität besitzen und hohe Signalverar­ beitungsfrequenzen zulassen.

Natürlich ist es auch möglich anstelle des total reflektierenden Ele­ mentes der Licht sammelnden Optik (9) eine sammelnde Optik aus z. B. vier Linsen zu verwenden oder dem Ringspiegel (13) die Form von vier fokussierenden Einzelspiegeln zu geben. Im letzteren Falle ist kein weiteres Bauteil zur Lichtsammlung erforderlich. Anstelle der Licht sammelnden Optik (9) mit den daran anschließenden Dioden (10) kann außerdem die in Fig. 4 dargestellte Variante mit vier auf einem Träger (16) aufgebrachten, kreisringsegmentförmigen Detektorarrays (17a bis d) gewählt werden.

In den Fig. 1-4 ist der Auflichtfall, d. h. der instrumentelle Aufbau des Raster-Lichtmikroskopes für Auflicht-Dunkelfeldbeobachtung beschrieben. Es ist jedoch klar, daß in ganz ähnlicher Weise auch Durchlicht-Dunkelfeldbilder von z. B. Masken erzeugt werden können.

Dazu sind, wie in Fig. 1 unterhalb des Objekts (12) gestrichelt angedeutet, die Detektoren (110a bis d) um den Kondensor (118) herum angeordnet bzw. an diesem befestigt. An die Stelle des Kondensors (118) kann im übrigen ein zweites Objektiv mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau gesetzt werden, um Durchlichtbeobachtung zu ermöglichen.

Die Signale der Detektordioden (10a bis d bzw. 110a bis d) werden, wie es aus Fig. 5 ersichtlich ist, nach Verstärkung in einen Vier­ kanalverstärker (21) einem Logikkreis (23) und außerdem einem Analog­ kreis (24) zugeführt. Der Analogkreis erlaubt mehrere Schalt­ möglichkeiten. In einer Summierschaltung werden die Signale aller vier Dioden (10a bis d) addiert. Das resultierende Summensignal (V) ergibt bei Synchronisation mit der Abtastbewegung der Ablenkeinheit (5) in Fig. 1 ein Dunkelfeldbild, wie es im Beispiel nach Fig. 6 rechts oben dargestellt ist. Darin treten die Kanten der Halbleiter­ strukturen und auf der Oberfläche des beobachteten Wafers befind­ lichen Staubpartikel hell auf dunklem Untergrund hervor.

Der Analogkreis (24) enthält außerdem eine Schaltung, in der die Sig­ nale der beiden paarweise gegenüberliegenden Dioden (10a und 10c sowie 10b und 10d) jeweils voneinander subtrahiert und anschließend die Differenzsignale addiert werden. Das aus dieser Verknüpfung (a-c) + (b-d) resultierende Signal (X) liefert eine Pseudo-3D-Darstellung der Halbleiterstrukturen im Dunkelfeld (vgl. Fig. 6 links unten). Erhebungen und Vertiefungen der Objektoberfläche lassen sich in dieser Darstellung sehr gut erkennen.

Der Logikkreis (23) enthält für jeden Detektor einen Komparator (22a bis d), wobei sich die Schwellen der Komparatoren (22a-d) gemeinsam einstellen lassen. Die Ausgänge der Komparatoren sind über ein "und"-Gatter zusammengeschaltet, das nur dann ein Signal abgibt, wenn alle Komparatoren (21a bis d) gleichzeitig durchschalten, d. h. wenn alle vier Dioden gleichzeitig ein Signal mit einer bestimmten Mindest­ intensität liefern. Der mit Y bezeichnete Ausgang des Logikkreises gibt deshalb nur dann ein Signal ab, wenn der auf die Probe fokussierte Abtastlichtstrahl ohne ausgeprägte Vorzugsrichtung in alle vier Raumrichtungen gleichzeitig gestreut wird, was wie eingangs erwähnt beim Auftreffen auf Verunreinigungen der Fall ist. Das Signal auf dem Ausgang Y liefert deshalb ein Bild, in dem die Halbleiter­ strukturen unterdrückt sind (siehe Fig. 6 rechts unten) und allein Defekte und Verunreinigungen hell hervortreten. Dieses Signal kann zusätzlich dem Hellfeldbild überlagert werden, welches der Ausgang W des dem Photomultiplier (7) nachgeschalteten Verstärkers liefert. Werden beide Signal Y und W zur Darstellung verschiedener Farben auf dem Monitor der Anzeigeeinheit (25) verwendet, dann ergibt sich ein in den Druckzeichnungen leider nicht wiederzugebendes Falschfarben­ bild, in dem sich die Defekte und Schmutzpartikel örtlich sehr einfach den Halbleiterstrukturen zuordnen lassen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur raster-lichtmikroskopischen Darstellung von Objekten im Dunkelfeld, mit einer Beleuchtungseinrichtung zur rasterförmigen Abtastung des zu untersuchenden Objektes, einem Objektiv oder einem Kondensor und mehreren, außerhalb der Apertur der Beleuchtungsoptik Licht empfangenden Detektoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Detekto­ ren (10a bis d; 17a bis d; 110a bis d) in einem ringförmigen, das Objektiv (18) oder den Kondensor (118) umgebenden Dunkelfeldkanal angeordnet und die Ausgangssignale der Detektoren (10a bis d) einer Einrichtung (8) zur logischen "und"-Verknüpfung der Einzelsignale zugeführt sind, derart, daß eine Bilddarstellung (Y) nur dann erfolgt, wenn alle Detektoren gleichzeitig ein Signal vergleichbarer Größe abgeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Detek­ toren (10a bis d) im Dunkelfeldkanal angeordnet sind und die Ein­ richtung zusätzlich die Signale gegenüberliegender Detektoren (10a/c; 10b/d) voneinander subtrahiert und die Summe der beiden Differenzsignale (a-c; b-d) bildet und zur Darstellung eines weiteren Bildes des Objekts verwendet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Detektor (7, 107) im Hellfeld angeordnet ist, dessen Signale (W) zur Darstellung eines weiteren Bildes des Objektes verwendet ist, wobei die beiden Bildsignale (Y, W) zur überlagerten Darstellung des Hellfeld- und des Dunkelfeldbildes in verschiedenen Farben dienen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektoren (10a bis d) eine für jeden Detektor separat Licht sammelnde Optik (9) vorgeschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht sammelnde Optik (9) aus mehreren Kegelstümpfen aus transparentem Material besteht, in denen das Licht durch innere Totalreflexion konzentriert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht sam­ melnde Optik aus mehreren Linsen besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht sam­ melnde Optik aus mehreren Segmenten eines Ringspiegels besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich­ tung (8) eine elektronische Schaltung ist, die für jeden Signalkanal einen Komparator (22a bis d) enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs­ signale der Komparatoren (22a bis d) einem logischen "und"-Gatter zugeführt sind.