DE3781197T2

DE3781197T2 - Verfahren und vorrichtung mit einem zweistrahleninterferenzmikroskop zur untersuchung von integrierten schaltungen und dergleichen.

Info

Publication number: DE3781197T2
Application number: DE8787106331T
Authority: DE
Inventors: Mark Davidson
Original assignee: KLA Instruments Corp
Current assignee: KLA Corp
Priority date: 1986-05-06
Filing date: 1987-05-01
Publication date: 1993-03-25
Anticipated expiration: 2007-05-02
Also published as: US4818110A; JPS63100302A; EP0244781A2; DE3781197D1; EP0244781A3; JPH0629692B2; ATE79669T1; EP0244781B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf optische Präzisionsuntersuchungsmethoden und -vorrichtungen und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von mikroskopischen Untersuchungen und Messungen der Geometrie von Halbleiter-Wafern unter Verwendung von Interferenzmikroskopie in Kombination mit elektronischer Bildverarbeitung.

Diskussion des Standes der Technik

Es besteht schon lange ein Bedürfnis, eine Möglichkeit zu schaffen, um die Charakteristiken von Kleinstoberflächen, wie von denen, die auf Halbleiter-Wafern gebildet sind, zu untersuchen und zu messen. Eine solche interessierende Charakteristik ist die Linienbreite der verschiedenen Spuren, die auf der Waferoberfläche bei der Herstellung eines IC erzeugt werden.
Ein herkömmliches Verfahren der Meßtechnik für integrierte Schaltungen umfaßt die Verwendung eines herkömmlichen Mikroskops zusammen mit irgend einem elektronischen Detektor, der an der Bildebene positioniert ist. Zum Beispiel Videokameras, Scan- Schlitze (vgl. US-Patent Nr. 4, 373, 817), Schersysteme und lineare Arrays wurden als Detektoren zusammen mit herkömmlichen Mikroskopen verwendet. Jedoch ist die Fähigkeit eines herkömmlichen Mikroskops dadurch begrenzt, daß es nur die Intensität der optischen Wellenamplitude messen kann und die komplexe Phase der Amplitude nicht messen kann. Als Folge davon wird bei der dreidimensionalen Natur integrierter Schaltkreisoberflächen mit dem klassischen Mikroskop ein Gerät verwendet, welches für Präzisions-Oberflächenuntersuchungen und -messungen dieser Art ungeeignet ist.
Andere herkömmliche Verfahren verwenden konfokale Laser-Scan- Mikroskope, um dreidimensionale Daten in Bezug auf die Oberflächen integrierter Schaltungen zu erhalten.
Die FR-A-2 143 204 offenbart eine Untersuchungsmethode, bei welcher Fernseh-Techniken zur Auswertung von durch einen Laserstrahl erzeugten Tupfen verwendet werden. Bei dieser Untersuchungseinrichtung wird zwischen zwei Videosignalen, die jeweils von der Bestrahlung einer lichtempfindlichen Oberfläche mit kohärentem aus zwei Interferenzstrahlen bestehendem Licht erzeugt sind, ein Vergleich durchgeführt. Das Licht des einen Strahles wird von einer zu untersuchenden und auf dem Schirm darzustellenden Oberfläche zurückgestreut, das Licht des anderen Strahles wird von einer Referenzfläche reflektiert. Die Punkt-Zu- Punkt-Abweichungen in dem Unterschied zwischen den beiden sich ergebenden Tupfenmustern werden verwendet, um ein von der Verformung der Oberfläche repräsentatives Bild zu erzeugen.
Durch die US-A-4 340 306 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer topographischen Karte einer Objektoberfläche unter Verwendung eines Weißlicht-Interferometers offenbart, bei dem das Auftreten von Null-Weglängendifferenzen an verschiedenen Punkten des Objektes detektiert wird, indem nach den Maxima der Interferenzintensität gesucht wird. Dieses Verfahren ist jedoch nicht zur Erzeugung von synthetischen Bildern geeignet. Weitere Probleme können dadurch entstehen, daß dieses Verfahren zu empfindlich für die relativen Reflektionsfähigkeiten in Bezug auf ein sich vertikal erstreckendes Objekt ist.
Eine weitere gute Abhandlung des Problems kann in T. Wilson und C. Shepard (1984), Theory and Practice of Scanning Optical Microscopy, Academic Press, gefunden werden.
Abgesehen von der Komplexität und den relativ hohen Kosten bei der Verwendung von konfokalen Lasergeräten und -verfahren, führt die Tatsache, daß solche Verfahren monochromatisches Licht verwenden, dabei zu Ungenauigkeiten, die durch destruktive Interferenz zwischen bestimmten Dicken von durchsichtigen Filmen verursacht wird, die sich oft bei Haltleiter-Anordnungen finden.

Zusammenfassung der gegenwärtigen Erfindung

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der gegenwärtigen Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, um dreidimensionale Untersuchungen von integrierten Schaltkreisen und ähnlichem zu ermöglichen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung von synthetischen Bildern unter Verwendung eines Zweistrahlen-Interferenzmikroskops anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um die Breite am oberen Ende, am Boden und die Höhe einer Linie einer integrierten Schaltung präzise zu messen.
Kurz gesagt umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein speziell adaptiertes Linnik-Mikroskop in Kombination mit einer Videokamera, einen Halbleiter-Transportschlitten und Datenverarbeitungselektronik, um eine neue Untersuchungsvorrichtung unter Verwendung des Zweistrahlen- Interferenzmikroskops zu bilden. Die Vorrichtung kann entweder Breitband- oder Schmalband-Licht verwenden, um eine Mehrzahl von Interferenzbildern an unterschiedlichen axialen Positionen in Bezug auf die zu untersuchende Oberfläche zu erzeugen. Die Punkt-Zu-Punkt-Helligkeit entlang von Scan-Linien entlang solcher Bilder wird dann verwendet, um zum Grad der Kohärenz (oder der Interferenzamplitude, der Varianz der Interferenzstreifen, oder der Schwingungsamplitude der Interferenz streifen) proportionale Daten zu erzeugen, während die optische Wegdifferenz bei einem zweistrahligen optischen oder akustischen Mikroskop verändert wird.
Einer der Vorteile der gegenwärtigen Erfindung besteht darin, daß sie ein viel einfacheres und wirtschaftlicheres Verfahren als bei der Verwendung des konfokalen Mikroskops angibt.
Ein anderer Vorteil besteht darin, daß weißes Licht anstelle von monochromatischem Licht verwendet werden kann, weshalb ein Rauschsignalabstand erhalten werden kann, der nicht durch kohärente Tupfeneffekte verschlechtert wird, die jedes kohärente optische System beeinflussen. Desweiteren ist bei der Verwendung von weißem Licht die Möglichkeit der destruktiven Interferenz an bestimmten Dicken von transparenten Filmen ausgeschaltet.
Desweiteren scheint die theoretische Auflösung entlang der optischen Achse besser als bei einem konfokalen Mikroskop zu sein, da die kurze Kohärenzlänge von weißem Licht die Fokusausdehnung des Gerätes wirksam reduziert. Empirisch gesehen scheint darüberhinaus die gegenwärtige Erfindung zu einer erheblichen Verbesserung der lateralen Auflösung des Mikroskopes zu führen, zumindest zum Zwecke der Messung von Linienbreiten an integrierten Schaltkreisen.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der gegenwärtigen Erfindung werden dem Fachmann nach dem Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den verschiedenen Figuren der Zeichnung dargestellt sind, zweifellos offenbart werden.

In der Zeichnung

ist Fig. 1 ein schematisches Diagramm, das die wesentlichen Funktionskomponenten der vorliegenden Erfindung darstellt; ist Fig. 2 ein isometrisches Diagramm, welches eine Linie einer integrierten Schaltung und fünf Untersuchungsebenen zeigt; sind Fig. 3 und 7 tatsächliche fotografische Darstellungen von Interferenzbildern, die an den Ebenen 5 bis 1 gemäß Fig. 2 aufgenommen wurden;
ist Fig. 8 ein Flußdiagramm, das die Arbeitsweise der Datenverarbeitungselektronik der gegenwärtigen Erfindung funktionsmäßig darstellt;
ist Fig. 9 ein RMS-Profil einer zentralen Spalte, das gemäß der gegenwärtigen Erfindung aufgenommen wurde; und
ist Fig. 10 eine Darstellung einer Kathodenstrahlanzeige gemäß der gegenwärtigen Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Interferenzmikroskope können die Topographie reflektierender Oberflächen mit herkömmlichen Verfahren solange messen, bis sich die Welligkeit im Relief innerhalb der Schärfentiefe des Abbildungssystems befinden und solange die Topographie nicht so rauh ist, daß der Interferenz-Zählalgorithmus durcheinandergebracht wird. Die Grundformel ist
Δh=1$Φ/2Π/λ (1)
wobei Δh die Höhendifferenz zwischen zwei Punkten des Bildes ist, ΔΦ die Phasendifferenz ist und X die Wellenlänge des Lichtes ist. Die Standardanwendungen des Linnik-Mikroskops in diesem Zusammenhang sind beschrieben in "Incident-Light Microscope Inteferometer for the Orthoplan and Metalloplan", Instruction manual for Use of the Linnik Microscope Attachment by Ernst Leitz GmbH, Wetzlar (1980); and in LEITZ, "Incident- Light Interference Illuminator for the orthoplan/Metalloplan, a module which uses the waf e length oflight for measurement (1980)".
Jedoch versagen diese standardverfahren, wenn eine der folgenden drei Bedingungen zutrifft:
1. Die topographischen Veränderungen der Objektoberfläche innerhalb des Bildfeldes übertreffen die Schärfentiefe des Mikroskops;
2. das Objekt besteht aus transparenten Strukturen, die auf einem lichtundurchlässigen Substrat gebildet sind; oder
3. die Objektoberfläche weist Steilflächen oder Wände auf, deren vertikale Erstreckung eine halbe Wellenlänge des Lichtes übersteigen.
Wenn irgendeine dieser Bedingungen auftritt, wie dies bei integrierten Schaltungsanordnungen häufig der Fall ist, führt die herkömmliche Verwendung des Linnik- oder eines anderen zweistrahlen-Interferenzmikroskopes schlicht nicht zu sinnvollen Daten, da der Interferenz-Zähl-Algorithmus hoffnungslos durcheinander gebrachte und falsche Ergebnisse liefert, wenn er mit Gleichung 1 in Verbindung gebracht wird.
Das Auswerteverfahren der vorliegenden, hier beschriebenen Erfindung vermeidet diese bei der herkömmlichen Verwendung der Linnik-Interferenz-Mikroskopie auftretenden Schwierigkeiten und eröffnet neue Möglichkeiten zur automatischen Untersuchungen von Halbleiter-Anordnungen, wenn es in elektronische Hardware implementiert wird.
Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Breitbandbeleuchtung (weißes Licht) eine sehr kurze Kohärenzlänge aufweist, und daß durch Messung des Kohärenzgrades zwischen einem Objektstrahl und einem Referenzstrahl an jedem Punkt des Bildes ein wirkungsvolles Lichtuntersuchungsverfahren zur Verfügung gestellt wird.
Das Prinzip kann mit skalarer Beugungstheorie erläutert werden. Jedoch lassen sich die Grundideen im allgemeinen sogar dann anwenden, wenn die skalare Beugungstheorie keine gute Näherung liefert.
Man nehme die Wellengleichung von Licht in einem homogenen Medium:
[δ²/δt² -C²Δ]U(x,t)=0 (2)
wobei c die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium ist und U (x, t) die gewöhnliche skalare Wellennäherung des elektrischen Feldes ist. U kann als ein Fourier-Integral in der Form geschrieben werden
wobei
Die Spektraldichte ist
wobei α eine Normierungskonstante ist und 6 eine Delta-Funktion ist. Der Grad der Kohärenz ersten Grades ist
wobei die Klammern < > den Gesamtdurchschnitt anzeigen. Falls die Welle U eine Summe von zwei Teilwellen ist:
U=U&sub1;+U&sub2; (7) dann kann der Grad der Kohärenz zwischen U&sub1; und U&sub2; analog definiert werden als
Auf die Fig. 1 bezugnehmend ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt, welche ein Suchmikroskop 10, ein Linnik-Mikroskop 12, einen X/Y-Schlitten 14 zur Aufnahme eines Wafers 16 und eine piezoelektrische Vertikalbewegungseinheit 18 zwischen einer Setup-Position unterhalb des Mikroskops 10 und einer Beobachtungsposition unterhalb des Mikroskops 12 umfaßt, ein Paar von Videokameras 20 und 22, Datenverarbeitungselektronik 24f eine Kathodenstrahlanzeuge (CRT) 26 und eine elektronische Steuerungs- und Bedienungskonsole 28.
Das Beobachtungsmikroskop 10 und die Kamera 20 werden verwendet, um es einer Bedienungsperson zu ermöglichen, unter Verwendung von CRT 26 eine zu untersuchende bestimmte Wafer-Oberflächenstruktur (wie z. B. eine Widerstandslinie) visuell zu lokalisieren. Sobald die Struktur lokalisiert ist und mit der optischen Achse des Mikroskops 10 ausgerichtet ist, plaziert eine vorbestimmte Bewegung der Wafer aufnehmenden Schlittens 14 die Struktur direkt in das Sichtfeld des Mikroskops 12.
Bei einem zweistrahligen Interferenzmikroskop (wie dem Linnik- Mikroskop) ist eine Lichtwelle aus einer Quelle 31, die die Bildebene 36 erreicht, eine Summe von zwei Teilwellen; eine wird von der Oberfläche des Objektes 16 reflektiert, und die andere wird von der Oberfläche eines Referenzspiegels 34 reflektiert. So wird die von der Quelle 31 emittierte Wellenenergie durch den Referenzspiegel 34 in Objektwellenenergie, die von dem Objekt 16 durch einen Objektkanal 30 zu der Bildebene 16 gelangt, und in Refrenzwellenenergie aufgespalten, die von der durch den Referenzspiegel 34 gebildeten Referenzoberfläche durch einen Referenzkanal 32 zu der Bildebene 36 gelangt.
Im Bild erscheinen bei 36 Interferenzstreifen, sogar dann, wenn weißes Licht zur Beleuchtung des Objektes verwendet wird. Falls Breitbandbeleuchtung (weißes Licht) verwendet wird, ist die Interferenzbildung am stärksten, wenn die Wegdifferenz zwischen dem Referenzkanal 32 und dem Objektkanal 30 sehr klein ist, im Bereich eines Bruchteils der durchschnittlichen Wellenlänge, da die Kohärenzlänge von weißem Licht sehr klein ist. Falls der Kohärenzgrad zwischen dem Referenzkanal und dem Objektkanal hoch ist, sind die Interferenzen stark. Umgekehrt sind die Interferenzen schwach, wenn der Kohärenzgrad niedrig ist. In der bevorzugten Ausführung wird Weißlicht-Kohler-Beleuchtung durch eine Xenon-Bogenlampe 31 erzeugt, und ein Verschluß 33 ist vorgesehen, um den Referenzstrahl ein- und auszuschalten. Die Interferenzrate und -richtung kann bei kommerziell erhältlichen Linnik-Mikroskopen durch eine außerachsige Bewegung des Mikroskop-Objektivs im Referenzkanal gesteuert werden. In entsprechender Weise ist bei der bevorzugten Ausführungsform die Linse 35 vorgesehen, um die Interferenzstreifen, die an der Bildebene 36 auftreten, parallel zu der Rasterrichtung der Kamera 22 auszurichten, und um den Interferenzstreifenabstand zu 32 horizontalen Rasterreihen der Kamera 22 einzustellen.
Der Zusammenhang zwischen dem Kohärenzgrad und der Intensität der Interferenzstreifen kann folgendermaßen beschrieben werden, wobei U&sub1; die Objektwelle und U&sub2; die Referenzwelle ist. Von der Bildebene führt die Überlagerung der Objektweile und der Referenzwelle zu der Lichtintensität
< U&sub1; + U&sub2; > =< U&sub1; > +< U&sub2; > + 2Re< U&sub1;1*U&sub2;> (9)
Die gesamte Weglängendifferenz zwischen dem Referenzkanal und dem Objektkanal kann verändert werden, um so eine Phasendifferenz zwischen dem Objektkanal und dem Referenzkanal einzuführen. In der schmalen Bandbreiten-Approximation wird die Phasenverschiebung die gleiche für alle Lichtfrequenzen sein. In diesem Fall haben die Intensitäten an der Lichtebene die Form
Die Varianz in Gleichung (10), welche durch Variation von Φ zwischen -Π und Π leicht zu finden ist, ist
Varianz von
und deshalb kann der Grad der Kohärenz ausgedrückt werden als
In dem gegenwärtigen Fall ist die Beleuchtung tatsächlich breitbandig, und die Phasenverschiebung ist für unterschiedliche Lichtfrequenzen verschieden. Jedoch zeigt es sich, daß in diesem Fall die folgende funktionale Form für < U&sub1; * U&sub2;> eine gute Näherung für Bilder ist, die in einem zweistrahligen Interferenzmikroskop aufgenommen sind:
< U&sub1;*U&sub2;> =meR(l)eilK(l), 1 = Wegdifferenz (13)
wobei R(l) und K(l) über den Abstand 2Π/K(l) langsam variieren und deshalb Gleichung (12) noch ableitbar ist, sofern Φ über 2Π variiert wird, indem 1 zwischen -Π/K(l) und Π/K(l) bei der Berechnung der Varianz variiert wird. Der Paramter "m" in Gleichung (13) ist eine komplexe Konstante.
Deshalb kann man eine einfach meßbare Größe C(x,t) definieren, welche als ein praktisches Maß des Kohärenzgrades verwendet werden kann.
Falls U&sub1; und U&sub2; nicht kohärent sind, ist C = 0. Grundsätzlich kann unter der Annahme, daß R(l) und K(l) in Gleichung (13) langsam verändert werden, gezeigt werden daß
Das Verfahren der gegenwärtigen Erfindung besteht darin, Bilder synthetisch aufzubauen, deren Helligkeit an jedem Punkt zu C proportional ist. Dabei handelt es sich um Bilderzeugung mit Hilfe einer Erfassung der Kohärenz.
Das Interferenzmikroskop 12 wird vor der Berechnung von C in der folgenden Weise eingestellt:
Mit einem ersten Oberflächenspiegel (nicht dargestellt) am Objekt (bei 16) wird der Fokus im Objektkanal 30 und im Referenzkanal 32 justiert, so daß der Referenzspiegel 34 und der Objektspiegel beide gleichzeitig fokussiert sind. Dann wird die Wegdifferenz eingestellt, bis ein maximaler Grad an Kohärenz zwischen der Objektwelle und der Referenzwelle erreicht ist. Diese Referenzposition stellt dann den Mittelpunkt bei der Veränderung der Wegdifferenz dar, welche verwendet wird, um den Kohärenzgrad zu messen.
Falls Interferenzdaten, wie unten beschrieben, verwendet werden, ist die Einstellung etwas anders. In diesem Fall wird ein Fenster im Zentrum der Bildebene 36 als gewünschte Fläche ausgewählt und nach dem Fokussieren des Referenz- und des Objektspiegels wird der Weg so eingestellt, daß die Interferenzamplitude in der Mitte des Fensters am größten ist. Der Objektspiegel wird dann durch ein Objekt wie einen Silizium-Wafer 16 ersetzt, der einen auf seiner oberen Fläche gebildeten integrierten Schaltkreis aufweist.
Alle Teile der Objektfläche, welche sich auf der selben "Ebene", wie die Oberfläche des Referenzspiegels befinden, erzeugen jetzt eine gestreute Welle, die in Bezug auf die Referenzwelle relativ kohärent ist, und diese Bildpunkte erscheinen in dem Endbild bei 36 (Fig. 1) als hell. Die hellsten Punkte sind diejenigen, bei denen das Objekt lokal eine horizontal reflektierende Oberfläche darstellt, da an diesen Punkten die Objektwelle und die Referenzwelle am besten übereinstimmen. Teile des Objektes, welche sich auf einer anderen Ebene als der Referenzspiegel befinden, erscheinen dunkel. Eine Untergliederung kann erreicht werden, indem der Wafer 16 nach oben oder unten bewegt wird, um aufeinanderfolgende Bilder zu erzeugen, die den betreffenden Objektebenen entsprechen, die den Wafer 16, wie in Fig. 2 dargestellt, passieren.
Der Kohärenzgrad C kann in einem Linnik-Mikroskop auf verschiedene Arten gemessen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Weglänge des Referenzkanals 32 zu verändern, z. B. über eine oder mehrere Wellenlängen, um die Referenzposition herum, währenddessen die Veränderung der Intensitätsvarianz an jedem Punkt der Bildebene des Mikroskopes elektronisch berechnet wird. Die Amplitude der Veränderung ist proportional zu C.
Alternativ können bei Merkmalen von Objektoberflächen, welche sich in einer Richtung nicht sehr schnell verändern (wie dies bei einer Linie eines integrierten Halbleiterschaltkreises der Fall ist) die Interferenzstreifen so eingestellt werden, daß sie senkrecht zu einer zu untersuchenden Linie liegen. Der Streifenabstand kann gleichfalls in einer geeigneten Weise eingestellt werden. In diesem Fall ist C einfach die Amplitude der Interferenzen in dem Fenster, d. h.
C = Interferenzamplitude im Fenster (16)
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß, wie unten weiter ausgeführt, nur ein Bild notwendig ist, um eine Messung von C in allen Punkten entlang der Linie durchzuführen.
Die Fig. 3 bis 7 zeigen
Fotos von tatsächlichen Interferenzdaten, die an den verschiedenen Objekterstreckungen gemäß Fig. 2 aufgenommen sind. Das Objekt war in diesem Fall ein Silizium- Wafer, der eine einen Mikrometer hohe Widerstandslinie 40 aufweist, die auf seiner oberen Oberfläche gebildet ist. Die vertikalen und horizontalen weißen Linien, die auf den Fotos dargestellt sind, sind eine elektronische Überlagerung, die auf der Anzeige CRT 26 erzeugt sind und können für diese Diskussion ignoriert werden. Der Widerstandsteil 40 befindet sich in der Mitte jedes Fotos, und die fünf Fotos der Fig. 3 bis 7 sind, wie in Fig. 2 dargestellt, an verschiedenen Punkten des Objektes entlang der vertikalen (oder Z-)Achse aufgenommen.
Präziser gesprochen, befindet sich die Brennebene des in Fig. 3 gezeigten Bildes etwas oberhalb der oberen Oberfläche der Widerstandslinie 40, d. h. auf der Ebene 5 in Fig. 2. Innerhalb des zentralen, schwarz auf den Fotos eingerahmten Fensters 42 ist die dargestellte Interferenzintensität schwach.
Fig. 4 zeigt den um ein paar tausend Angström angehobenen Wafer, um das obere Ende der Widerstandslinie scharf zustellen (auf der Ebene 4 gemäß Fig. 2). Die Interferenzstreifen 43 im Fenster 42 sind jetzt im mittleren Bereich des Bildes stark (was der oberen Oberfläche des Widerstands entspricht), sind jedoch schwach auf den benachbarten Seiten (wo kein Widerstand vorhanden ist).
Fig. 5 zeigt den nochmals um ein paar zusätzliche tausend Angström angehobenen Wafer, so daß sich die Brennebene zwischen der obersten Ebene des Widerstandes und dem Silizium-Substrat (Ebene 3 in Fig. 2) befindet. Hier sind wiederum die Interferenzstreifen sowohl im Widerstandsbereich als auch im Siliziumbereich schwach, da sich keine von beiden im Fokus befindet.
In Fig. 6 wurde der Wafer nochmals um ein paar tausend Angström auf die Ebene 2 angehoben, um die Siliziumoberfläche 44 (Fig. 2) zu fokussieren. Hier sind die Interferenzstreifen 45 auf dem Silizium stark und in dem Widerstandsbereich des Bildes ziemlich schwach.
In Fig. 7 zeigt lediglich der Widerstand infolge der Reflektion des Lichtes von dem Boden der Widerstandsschicht starke Interferenzen.
Das Verfahren, nach dem die Interferenzamplituden verwendet werden, um die Linienbreiten von integrierten Schaltkreisen zu messen, ist in dem Flußdiagramm von Fig. 8 dargestellt. Die Kästen beschreiben den verwendeten Algorithmus. Die "Spalten im Fenster", auf die in Fig. 8 Bezug genommen wird, beziehen sich auf Spalten von Bildpunkten, von denen einer bei 46 in Fig. 2 gezeigt ist, die durch den Prozessor 24 gescannt werden, um die Varianz-Werte über die Länge des Fensters 42 zu bestimmen und damit die Interferenzkohärenz zu berechnen.
Genauer gesagt wird das Bild 36 durch die Videokamera 22 gescannt, welche davon ein analoges Raster erzeugt, das der Verarbeitungselektronik 24 zugeführt wird. Der erste Verarbeitungsschritt besteht in der Konvertierung der analogen Daten in digitale Daten von 8-bit-Form und in der Speicherung dieser Daten in einem Computerspeicher. Ein "Fenster", wie das bei 42 in Fig. 2 gezeigte, wird dann spaltenweise abgescannt, wie dies bei 46 dargestellt ist, und die zu jeder Spalte korrespondierenden Daten werden durch Direct-Memory-Access-Übertragung (DMA) an einen Hochgeschwindigkeits-Rechenprozessor übertragen, der die Varianz jedes spaltenweisen Arrays berechnet und seinen RMS-Wert (Standardabweichung) im Speicher speichert. Nachdem die Daten über das Fenster 42 aufgenommen sind, wird der Schlitten in der Z-Richtung auf eine andere Ebene stufenweise bewegt, ein weiterer Scan-Vorgang wird durchgeführt und die Daten werden gespeichert. Dieser Vorgang wird auf Ebenen wiederholt, die etwa 500 Angström voneinander entfernt sind, bis genügend Daten erhalten sind, um alle gewünschten Flächen auszuwerten. Die verschiedenen Sätze von Scan-Daten, die im Speicher gespeichert sind, werden dann selbst am zentralsten Punkt XR bei "X" der Widerstandslinie 40 (entlang der Z-Achse in Fig. 2) gescannt, um die Ebene zu bestimmen, die den höchsten RMS-Wert besitzt, und diese Ebene wird bestimmt, um mit dem obersten Ende der Scan-Linie zusammenzufallen und diesen so zu identifizieren.
Ein solcher elektronischer Scan ist in Fig. 9 dargestellt, in welcher die Ordinate den RMS-Wert der zentralen Spaltendaten darstellt und die Abszisse die Untersuchungsebene (oder Schlittenposition entlang der z-Achse) darstellt. Wie dargestellt, entspricht die Spitze bei 4 dem obersten Ende der Widerstandslinie 40 von Fig. 2, während die Spitze an der Ebene 2 der Reflektion von dem Wafer-Substrat 44 entspricht. Der horizontale Abstand zwischen den beiden Spitzenwerten ist so ein Maß für die vertikale Dicke der Widerstandslinie 40.
Der Speicher wird danach an den X-Positionen XS nur über dem Substrat abgescannt, um die Scan-Linie zu finden, die den hellsten Wert aufweist, und die so als der Boden der Linie verwendet wird. Indem der Wert am oberen Ende von diesem Informationswert am Boden abgezogen wird, kann die Höhe der Linie bestimmt werden.
Der nächst Schritt besteht darin, auf die Speicherposition, die dem oberen Ende der Linie entspricht, einen Kantenfindungsalgorithmus anzuwenden, um die obere Rohbreite zu bestimmen. Ein Kantenfindungsalgorithmus wird anschließend auf die Speicherstelle angewendet, die dem Boden der Linie entspricht, um die Rohbreite am Boden zu bestimmen. Die Endergebnisse für die Breiten am oberen Ende und am Boden werden dann nach den Formeln Obere Breite = A&sub1;* obere Rohbreite + B&sub1;* Rohbreite am Boden + C&sub1; Bodenbreite = A&sub2;* obere Rohbreite + B&sub2;* Rohbreite am Boden + C&sub2; bestimmt.
Die Konstanten A, B und C werden durch Kalibrierung bestimmt. Sobald diese Breiten bestimmt sind, können sie dem Kathodenstrahlschirm (CRT) zugeführt und auf diesem dem Benutzer angezeigt werden.
Fig. 10 zeigt die Wiedergabe eines Künstlers der synthetischen Bilder, die auf dem CRT-Schirm durch die Bildwiedergabe C erzeugt sind. Die oberen und unteren rechten Quadranten 50 und 52 zeigen Querschnitte der Linie, wobei jede Zeile einem unterschiedlichen Niveau (Scan-Linie) entspricht. Der hervorstehende Widerstand 54 erscheint als eine Wolke oberhalb des Silizium-Substrats. Eine elektronische Linie 56 wurde in dem rechten oberen Quadranten mittels der Auswahl des Algorithmus als beste Zeile gezogen, die als oberstes Ende der Linie angesehen wird.
Der obere linke Quadrant 58 zeigt diese Zeile vertikal vergrößert, um den ganzen Quadranten auszufüllen, und um dadurch wie eine Ansicht von oben nach unten zu wirken. Der untere rechte Quadrant 52 zeigt eine mit Hilfe des Algorithmus 60 gezogene Linie als die am besten geeignete für die Ebene am Substratboden.
Der untere linke Quadrant 62 zeigt eine vergrößerte Ansicht von oben nach unten auf die Linie 60. Der Kantenfindungsalgorithmus verwendet dann ein Grenzwertverfahren, um die Kanten sowohl in den oberen als auch in den unteren linken Quadranten zu finden.
Auf diese Art ist die Höhe bekannt (durch den Abstand in der Schlittenposition zwischen der obersten und der Bodenzeile), die obere Breite ist durch den Abstand zwischen den Kanten in dem oberen linken Quadranten bekannt, die Bodenbreite ist durch den Abstand zwischen den Kanten im linken Bodenquadrant bekannt, und die Winkel der Wände können berechnet werden. Für optimale Ergebnisse ist eine Kalibrierung mit Ergebnissen eines Scan- Elektronenmikroskops notwendig.
Bei der Anwendung umfaßt das Verfahren als erstes eine Ausrichtung einer Halbleiter-IC-Linie (wie 40 in Fig. 2) im Sichtbereich des Beobachtungsmikroskops 10. Der Wafer wird dann um einen bestimmten Betrag nach rechts bewegt, wie in Fig. 1 dargestellt, so daß die ganze Linie jetzt durch das Linnik- Mikroskop 12 beobachtet werden kann. Die Interferenzstreifen werden dann vorjustiert, um senkrecht zu der Linienerstreckung zu liegen, und der Streifenabstand wird eingestellt, um zwei vollständige Interferenzstreifen innerhalb des Fensters (zur Varianzberechnung) 42 (Fig. 3 bis 7) zu haben, wenn eine reflektierende Ebene des Objektes im Fokus ist (vgl. z. B. Fig. 4).
Der Wafer wird dann in der Z-Richtung abgesenkt, so daß der höchste Punkt in der Linie mehrere tausend Angström unterhalb der Brennebene ist, und das sich ergebende Bild bei 36 wird durch die Elektronik 24 digitalisiert. Die Interferenzamplitude wird dann für jede Scan-Spalte 46 (Fig. 2) in dem Fenster 42 berechnet, und das Ergebnis wird im Speicher abgespeichert.
Ein Verfahren zur Berechnung der Interferenz-Kohärenz besteht darin, die Varianz jedes Spalten-Arrays 46 (Fig. 2) über das Fenster 42 zu berechnen. Um dies für jedes Array 46 zu erreichen, berechnet der Rechenprozessor in der Elektronik 24:
Der Schlitten wird dann um einen kleinen Abstand (ungefähr 500 Angström) bewegt, und ein anderes Bild wird digitalisiert, die Interferenzamplituden berechnet und die Ergebnisse gespeichert. Das Verfahren des Bewegens des Schlittens nach oben, des Digitalisierens des Bildes und das Speichern der Interferenzamplituden wird dann wiederholt, bis der Schlitten einen ausreichenden Weg abgescannt hat, um den untersten Punkt der Linie oberhalb der optischen Brennebene zu plazieren, so daß die gesamte Tiefe der Linie untersucht wurde.
Die obere und die Bodenebene der Linie werden dann bestimmt, indem die hellsten Scan-Zeilen an den geeigneten Positionen des Bildes gesucht werden. Dann werden die Kanten der Linie an dem oberen und dem Bodenniveau durch einen Kantenfindungsalgorithmus bestimmt. Schließlich werden die Ausgangsdaten mit Hilfe einer Kalibrierungsformel berechnet, welche die obere Breite und die Bodenbreite berechnet durch:
Obere Breite = A&sub1;* (obere Rohbreite) +B&sub1;* (Bodenrohbreite) +C&sub1;
Bodenbreite = A&sub2;* (obere Rohbreite) +B&sub2;* (Bodenbreite) +C&sub2;,
wobei A&sub1;, A&sub2;, B&sub1;, B&sub2;, C&sub1; und C&sub2; durch einen Kalibrierungsvorgang bestimmt werden, und die Ergebnisse an den CRT 26 geliefert werden können. Die Ergebnisse umfassen die obere Breite und die Bodenbreite, als auch die Positionen der vier Kanten, die bei der Berechnung der Wandwinkel verwendet wurden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dagelegt wurde, wird davon ausgegangen, daß nach einem Lesen dieser Beschreibung dem Fachmann zahlreiche Änderungen und Abwandlungen davon offensichtlich erscheinen. Es ist deshalb beabsichtigt, daß die zugehörigen Ansprüche sämtliche solche Ausführungen umfassen, welche in die wahre Lehre und den wahren Bereich der Erfindung fallen.

Claims

1. Verfahren zum Beobachten eines Objektes und zum Generieren synthetischer Bilddaten, mit den Schritten:

a) Verwenden eines optischen Interferenzsystems, das einen Objektkanal (30) und einen Referenzkanal (32) zur simultanen Beobachtung eines Objektes (16) und einer reflektierenden Referenzoberfläche (34) aufweist, und Generieren einer Mehrzahl von Bildern, die durch Interferenz zwischen Objektwellenenergie, die von dem Objekt (16) ausgesandt wird und durch den Objektkanal (30) zu einer Bildebene (36) gelangt, und Referenzwellenenergie, die von der Referenzoberfläche (34) ausgesandt wird und durch den Referenzkanal (32) zur Bildebene (36) gelangt;

b) bei jedem Bild Bestimmung des Kohärenzgrades zwischen der Objektwellenenergie und der Referenzwellenenergie bei jedem Pixelpunkt einer vorbestimmten Gruppe von Pixelpunkten in der Bildebene (36) und Entwickeln von Kohärenzdaten, die jedem Pixelpunkt entsprechen und der Helligkeit eines jeden Pixelpunktes proportional sind;

c) Verwenden der Kohärenzdaten, um synthetische Bilddaten zu erzeugen, die repräsentativ für eine bestimmte Eigenschaft des Objektes (16) sind;

dadurch gekennzeichnet, daß:

d) jedes Bild infolge einer Veränderung der Position entweder des Objektes (16) oder der Referenzoberfläche (34) gebildet wird;

e) für jedes Bild der absolute Wert des Kohärenzgrades zwischen der Objektwellenenergie und der Referenzwellenenergie bestimmt wird, indem entlang jeder Spalte einer Gruppe von mxn Pixeln in der Bildebene (36) die Varianz berechnet wird, wobei m und n ganze Zahlen sind, und die jeder Spalte entsprechenden absoluten Kohärenzdaten generiert werden;

f) die Helligkeit eines jeden unter Verwendung der synthetischen Bilddaten erzeugten Bildes erzeugten Pixelelementes den absoluten Kohärenzdaten proportional ist.

2. Verfahren zum Generieren synthetischer Bilddaten, die für einen Querschnitt einer zumindest teilweise reflektierenden irregulären Oberfläche eines Objektes (16) repräsentativ sind, mit den Schritten:

a) Beleuchten einer irregulären Objektoberfläche mit Licht von einer Lichtquelle (31),

b) Beleuchten einer reflektierenden Referenzoberfläche (34) mit Licht von der Lichtquelle (31),

c) Sammeln von Objektlicht, das von der Objektoberfläche reflektiert ist, und Leiten des Objektlichtes entlang einer ersten optischen Achse mit einer ersten optischen Weglänge;

d) Auffangen von Referenzlicht, das von der Referenzoberfläche (34) reflektiert ist und Leiten des Referenzlichtes entlang einer zweiten optischen Achse, von der mindestens ein Teil parallel zur ersten optischen Achse ist, wobei die zweite optische Achse eine zweite von der ersten optischen Weglänge unterschiedliche optische Weglänge aufweist;

e) Fokussieren des entlang der ersten und der zweiten optischen Achse ausgesandten Lichtes, um ein Interferenz-Bildmuster zu erzeugen, das von der Interferenz des Objektlichtes mit dem Referenzlicht stammt;

f) Scannen des Bildmusters, um eine Serie von Daten zu erzeugen, die der Interferenzamplitude entlang einer ausgewählten Scan-Linie entsprechen;

dadurch gekennzeichnet, daß

g) die Position des Objektes (16) in bezug auf die erste optische Achse inkremental geändert wird, wobei jedesmal die Schritte c) bis f) wiederholt werden; und

h) die Mehrzahl von Datenfolgen verarbeitet wird, um synthetische Bilddaten zu erzeugen, die einem Querschnittsprofil der Objektoberfläche entsprechen, das in einer die Scan-Linien enthaltenden Ebene gewonnen wurde.

3. Verfahren nach Anspruch 2, das folgenden weiteren Schritt aufweist:

i) Anzeigen der synthetischen Bilddaten, um ein Querschnittsprofil der Objektoberfläche zu zeigen, das in einer die Scan-Linien enthaltenden Ebene gewonnen wurde.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Referenzoberfläche (34) durch einen optisch flachen Spiegel gebildet ist und die Objektoberfläche durch einen Teil eines Halbleiter- Wafers gebildet ist, der einen Längsstreifen (40) einer sich dadurch erhebenden Oberfläche aufweist, mit den folgenden weiteren Schritten:

j) Ausrichten des Wafers, so daß die ausgewählte Scan- Linie im wesentlichen senkrecht zu der Längserstreckung des Längsstreifens (40) ausgerichtet ist; und

k) Bestimmen der Position des Objektes in bezug auf die erste optische Achse, wenn der beim Kreuzen einer ersten ausgewählten Scan-Linie über die erhobene Oberfläche entsprechende Datenwert ein Maximum aufweist in bezug auf die entsprechenden Daten der anderen Scan-Linien, und Identifizieren dieses Teils als oberste Fläche des Streifens (40).

5. Verfahren nach Anspruch 4, das den folgenden weiteren Schritt aufweist:

l) Bestimmen der Breite der obersten Erhebung der hervorstehenden Oberfläche, indem die Länge des Teils an der ersten bestimmten Scan-Linie gemessen wird, an der die Daten das Maximum aufweisen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, mit den folgenden weiteren Schritten:

m) Bestimmen der Position des Objektes (16) in bezug auf die erste optische Achse, wenn der beim Kreuzen einer anderen bestimmten Scan-Linie über Teile der Oberfläche, die von der ersten hervorstehenden Oberfläche verschieden ist, entsprechende Datenwert in bezug auf die entsprechenden Daten der anderen Scan-Linien ein Maximum aufweist; und

n) Bestimmen der Breite der Basis der hervorstehenden Oberfläche, indem der Abstand zwischen den Teilen der anderen bestimmten Scan-Linien gemessen wird, über die die Daten ein Maximum aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, mit dem folgenden zusätzlichen Schritt:

o) Bestimmen der Höhe der über die benachbarte Wafer- Oberfläche hervorstehenden Oberfläche, indem der Abstand zwischen der Position des Objektes (16) entlang der ersten optischen Achse gemessen wird, wenn die Breite am obersten Bereich der hervorstehenden Oberfläche bestimmt wird, und zwischen der Position entlang der ersten optischen Achse, wenn die Breite an der Basis der hervorstehenden Oberfläche bestimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, das zusätzlich den folgenden Schritt aufweist:

p) Berechnen der Steigung der Seitenwände in der die Scan-Linien-Ebene enthaltenden hervorstehenden Oberfläche als eine Funktion der Höhe der von ihrer Basis nach oben aufstehenden Oberfläche und der Differenz zwischen der Breite des obersten Bereiches und der Basis entlang der entsprechenden Scan-Linien.

9. Verfahren zum Beobachten eines Objektes und zur Erzeugung synthetischer Bilddaten, mit den Schritten:

a) Verwenden eines optischen Interferenzsystems, das einen Objektkanal (30) und einen Referenzkanal (32) zur simultanen Beobachtung eines Objektes (16) und einer reflektierenden Referenzoberfläche (34) aufweist, und Erzeugen eines Bildes infolge der Interferenz zwischen Objektwellenenergie, die von dem Objekt (16) durch den Objektkanal (30) zu einer Bildebene (36) gelangt und zwischen Referenzwellenenergie, die von der Referenzoberfläche (34) durch den Referenzkanal (32) zu der Bildebene (36) gelangt;

b) Auswerten des Interferenzmusters, das durch die Interferenz zwischen der Objektwellenenergie und der Referenzwellenenergie entsteht, um den Grad der Kohärenz zwischen der Objektwellenenergie und der Referenzwellenenergie an jedem Pixelpunkt eines vorbestimmten Arrays von Pixelpunkten der Bildebene zu bestimmen und Erzeugen von Kohärenzdaten, die einem jeden Pixelpunkt entsprechen;

c) Verwenden der Kohärenzdaten, um synthetische Bilddaten zu erzeugen, die für eine bestimmte Charakteristik des Objektes (16) repräsentativ sind;

dadurch gekennzeichnet daß:

d) die synthetischen Bilddaten erzeugt werden, indem die Intensität der Interferenzstreifen (43) des Bildmusters berechnet wird und die lokale, durch die Streifen (43) verursachte Varianz der Bildintensität berechnet wird.

10. Vorrichtung zum Untersuchen eines Objektes, mit:

a) Interferenzmitteln, mit einem Objektkanal (30) und einem Referenzkanal (32) zur simultanen Beobachtung eines Objektes (16) und einer Referenzoberfläche (34), und zum Erzeugen eines entsprechenden Bildes, das durch die von dem Objekt (16) und durch den Objektkanal (30) zu der Bildebene (36) gelangende Objektwellenenergie und durch die von der Referenzoberfläche (34) durch den Referenzkanal (32) zu der Bildebene (36) gelangende Referenzwellenenergie erzeugt ist;

b) einer Einrichtung zum Messen des Kohärenzgrades zwischen der Objektwellenenergie und der Referenzwellenenergie eines vorbestimmten Arrays von Pixelpunkten in der Bildebene (36) und zum Erzeugen von Kohärenzdaten, die jedem Pixelpunkt entsprechen;

c) einer Einrichtung, die auf die Kohärenzdaten anspricht und geeignet ist, um synthetische Bilddaten zu erzeugen, die repräsentativ für bestimmte Eigenschaften des Objektes (16) sind;

dadurch gekennzeichnet daß:

d) die Interferenzeinrichtung eine Mikroskopeinrichtung (12) aufweist;

e) eine Schlitteneinrichtung (14) zum Halten und selektiven Bewegen des Objektes (16) relativ zur objektebene des Objektkanals vorgesehen ist.

11. Vorrichtung zur Beobachtung eines Objektes gemäß Anspruch 10, bei der die Einrichtung zum Messen des Kohärenzgrades eine Einrichtung zum Konvertieren der Lichtintensität des Bildes eines jeden Pixelpunktes des Arrays in entsprechende Signalwerte aufweist, und bei der die auf die Kohärenzdaten ansprechende Einrichtung Mittel zum Messen der Varianz der Signalwerte entlang jeder Spalte eines jeden Arrays aufweist, um eine Mehrzahl von Folgen von Varianzwerten zu erzeugen, die einem jeden Scan eines jeden Bildes entsprechen, und die Mittel aufweist, um unter Benutzung der Mehrzahl von Folgen von Varianzwerten die synthetischen Bilddaten zu erzeugen.

12. Vorrichtung zum Beobachten eines Objektes gemäß Anspruch 11, bei der die auf die Kohärenzdaten ansprechenden Mittel Anzeigemittel (26) aufweisen, die auf die synthetischen Bilddaten ansprechen und geeignet sind, um ein sichtbares Bild zu erzeugen, das den bestimmten Eigenschaften des Objektes (16) entspricht.

13. Vorrichtung zur Beobachtung eines Objektes gemäß Anspruch 10, bei der die Interferenz-Mikroskopeinrichtung ein Linnik- Mikroskop (12) ist, das eine außerachsige, bewegbare Objektivlinse (35) aufweist, die einen Teil des Referenzkanals (32) bildet.

14. Vorrichtung zum Bestimmen bestimmter Eigenschaften der Oberfläche einer Kleinsteinrichtung mit:

a) einer Schlitteneinrichtung (14) zum Halten und selektiven Bewegen der Kleinsteinrichtung;

b) einer optisch flachen Spiegeleinrichtung (34), die in einer vorbestimmten Beziehung relativ zur oberen Oberfläche der Kleinsteinrichtung angeordnet ist;

c) einer Beleuchtungsquelle (31) zum gleichzeitigen Beleuchten der Kleinsteinrichtung und der Spiegeleinrichtung (34);

d) Mitteln, um von der oberen Oberfläche eines beleuchteten Teils der Kleinsteinrichtung reflektiertes Objektlicht zu sammeln und entlang einer ersten optischen Achse mit einer vorbestimmten Länge zu richten;

e) Mitteln, um von der Oberfläche der Spiegeleinrichtung reflektiertes Referenzlicht zu sammeln und entlang einer zweiten optischen Achse zu richten, die eine vorbestimmte Länge aufweist, die von der der ersten optischen Achse abweicht;

f) Mitteln, um entlang der ersten und zweiten optischen Achse reflektiertes Licht zu fokussieren und ein Interferenzbild zu erzeugen, das infolge der Interferenz zwischen dem Objektlicht und dem Referenzlicht entsteht;

g) mit der Schlitteneinrichtung (14) verbundenen Mitteln, um die Kleinsteinrichtung schrittartig inkremental entlang der ersten optischen Achse zwischen Extremen auf gegenüberliegenden Seiten der Objektebene der Mittel zum Sammeln des Objektlichtes zu bewegen;

h) einer Einrichtung zum Scannen des Interferenzbildes entlang einer Scan-Linie während des Intervalls zwischen jeder inkrementalen Bewegung der Kleinststeinrichtung und zum Erzeugen einer Folge von Daten, die der Interferenzamplitude entlang jeder Scan-Linie entspricht;

i) einer Einrichtung zum Speichern der während jedem Scannen erzeugten Daten und

j) einer Einrichtung zum Verarbeiten der gespeicherten Daten, um eine Information zu gewinnen, die repräsentativ ist für einen Querschnitt der Oberfläche der Kleinsteinrichtung, der in einer Ebene liegt, die die Scan-Linie einschließt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Spiegeleinrichtung (34), die Beleuchtungsguelle (31), die Mittel zum Sammeln von Objektlicht, die Mittel zum Sammeln von Referenzlicht, und die Mittel zum Fokussieren durch ein zweistrahliges Interferenz-Mikroskop (12) gebildet sind.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der die Einrichtung zum inkrementalen Bewegen der Kleinsteinrichtung ein piezoelektrisches vertikales Bewegungssystem aufweist.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Einrichtung zum Scannen eine Videokameraeinrichtung (20) aufweist.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der die Einrichtung zum Sammeln von Referenzlicht eine außerachsig bewegbare Objektivlinseneinrichtung (35) aufweist, um die Differenz zwischen der ersten vorbestimmten Länge und der zweiten vorbestimmten Länge vorauszuwählen.