DE4135958A1

DE4135958A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion kleinster teilchen auf strukturierten flaechen

Info

Publication number: DE4135958A1
Application number: DE19914135958
Authority: DE
Inventors: Roelof Van Dr. 7525 Bad Schoenborn De Wijnaendts-Resandt; Matthias 6900 Heidelberg De Botz
Original assignee: Leica Lasertechnik GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 1991-10-31
Filing date: 1991-10-31
Publication date: 1993-05-06
Also published as: WO1993009424A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur De tektion kleinster Teilchen auf strukturierten Flächen durch punkt weises Abtasten der Fläche mit einem fokussierten Laserstrahl kleiner numerischer Apertur, Detektion des vom Laserfokus ausge henden Streulichts und Analyse des Streulichts in einer elektroni schen Auswerteschaltung.

Strukturierte Flächen im Zusammenhang mit der Erfindung sind ins besondere Waferscheiben während des Herstellungsprozesses von in tegrierten Schaltkreisen und Belichtungsmasken zur Erzeugung der Strukturen auf den Waferscheiben.

Standardisierte ICs werden heute in großen Mengen hergestellt. Die für die Herstellung notwendigen Waferbelichtungsverfahren unter liegen einem Entwicklungsprozeß, der es ermöglicht, immer kleinere Strukturen auf den entsprechenden Wafern herzustellen. Mit dieser Entwicklung steigt die Bedeutung von Inspektionssystemen, mit de ren Hilfe Verunreinigungen auf Belichtungsmasken nachgewiesen wer den können. 75% des Ausschusses bei der IC-Produktion beruht heute auf unentdeckten Verunreinigungen, wie sie z. B. durch anfallenden Staub auch während der Produktion der Wafer entstehen können.

Die ersten automatischen Inspektionssysteme, die zur Kontrolle von Kontaminationen entwickelt wurden, waren Laser-Scanning-Systeme. Diese arbeiten mit dem Streulicht, das während der Abtastung ent steht. Ein Lichtbündel wird dabei auf die zu untersuchende Fläche fokussiert und die Fläche wird zweidimensional punktweise abge tastet. Solange unstrukturierte Wafer, Masken oder Spiegel unter sucht werden, können Partikel mit einem Durchmesser von 0,15 µm bis 0,2 µm mit einer Nachweissicherheit von 50% bis 90% erfaßt werden. Der Nachteil dieser Streulicht-Meßverfahren ist ihr starker Abfall der Nachweisempfindlichkeit bei strukturierten Flächen, da die an den Strukturen entstehende Streustrahlung zu einem hohen Strah lungshintergrund führt.

Es wurden daher verschiedene Geräte entwickelt, die mit Hilfe von linear polarisiertem Licht das an den Strukturen entstehende Streulicht von dem an Verunreinigungen entstehenden Streulicht un terscheiden können. Die physikalische Grundlage hierfür ist die Tatsache, daß linear polarisiertes Licht, welches an einer Struk tur gestreut wird, sowohl Polarisationsrichtung als auch Polarisa tionsgrad im wesentlichen beibehält, während sich der Polarisa tionsgrad des an Verunreinigungen gestreuten Lichtes verändert. Bekannte Geräte geben eine Nachweiswahrscheinlichkeit von 90% bis 95% für Teilchen mit einem Durchmesser von 0,8 µm bis 1,0 µm an. Ne ben der verringerten Nachweisempfindlichkeit erfordern die Geräte einen erheblichen optischen Konstruktionsaufwand.

Ein modifiziertes Laser-Streulich-Meßverfahren wird in der US-PS 50 08 558 angegeben. Die Einstrahlrichtung des Laserstrahls wird danach um einen kleinen Winkel periodisch geändert. Aus dem Streu lichtsignal werden Komponenten herausgefiltert, deren Frequenz einen ganzzahligen Vielfachen der Modulationsfrequenz entspricht und die über eine bestimmte Zeit eine konstante Phasenlage zu der Modulationsfrequenz haben. Mit diesem Verfahren sollen kleine Par tikel auf der Oberfläche einer Waferscheibe und solche in dem Raum oberhalb der Waferscheibe detektiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem auch auf strukturierten Flächen eine sichere Detektion von kleinsten Teilchen aus einem Streulichtsignal möglich ist, ohne daß polarisierende Bauelemente eingesetzt werden müssen und mit dem eine der Streulichtmessung an unstrukturierten Flächen vergleich bare Nachweisempfindlichkeit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 2. Eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens ist in den Ansprüchen 4 und 5 angegeben.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Detektion des an Verunreinigungen entstandenen Streulichts aufgrund seiner geo metrischen Intensitätsverteilung möglich ist. Während das von Strukturen ausgehende Streulicht durch Zylinderwellen beschrieben werden kann, erfolgt die Ausbreitung des Streulichts von Verunrei nigungen in Form von Kugelwellen. Es resultiert also eine unter schiedliche räumliche Intensitätsverteilung I_s (R, ϕ), die zur De tektion genutzt wird. Die nachfolgend angegebene Gleichung (1) be schreibt das an Kugeln gestreute Licht und dient als Modell für die Streuung an Verunreinigungen. Gleichung (2) beschreibt das an Zylindern gestreute Licht und dient als Modell für die Streuung an Strukturen.

I_o = Intensität des senkrecht einfallenden Lichts
I_s = Intensität des Streulichts
S(R, ϕ) = Streufunktion Kugel
T(R) = Streufunktion Zylinder
R = Höhenwinkel
ϕ = Seitenwinkel
λ = Laser-Wellenlänge
r = Abstand vom Laser-Fokus

Die beiden Gleichungen machen deutlich, daß sich die Intensitäten bis auf konstante Faktoren im wesentlichen durch die geometrische Streufunktion unterscheiden. Beide Streufunktionen hängen vom Höhenwinkel 8 ab, d. h. dem Winkel unter dem die Streuintensität gegenüber der optischen Achse des einfallenden Lichtes beobachtet wird. Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, daß die Inten sitätsunterschiede des Streulichts bei Streuung an einer Kugel und Streuung an einem Zylinder nicht signifikant vom Höhenwinkel R ab hängen. Der Betrag der Intensitäten ist jedoch umso größer je ge ringer der Winkel zwischen senkrechter Einstrahlrichtung und Be obachtungsrichtung ist. Die Detektoren sollten daher möglichst nahe dem Objektiv für die Fokussierung des Laserstrahls angeordnet werden.

Die Streufunktion für eine Kugel ist zusätzlich vom Seitenwinkel abhängig, d. h. dem Beobachtungs-Winkel in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des einfallenden Lichtes. Experimentelle Un tersuchungen haben ergeben, daß die Abhängigkeit der Intensi tätsverteilung vom Seitenwinkel ϕ umso besser meßbar ist, wenn der Durchmesser des Laserfokus kleiner als der Durchmesser der Teilchen ist und die numerische Apertur NA des Laserstrahlbündels möglichst klein ist. Der für das erfindungsgemäße Verfahren we sentliche Effekt besteht jedoch darin, daß bei Streuung an einem Teilchen in jeder Richtung ϕ Streustrahlung auftritt.

Die Streufunktion für einen Zylinder besagt, daß Streustrahlung nur in der Ebene auftritt, die senkrecht zur Zylinderachse steht und die die optische Achse des einfallenden Lichtes enthält. Von mehreren um die optische Achse des einfallenden Lichtes herum an geordneten Detektoren werden also nur die symmetrisch zur Zylin derachse und in der Nähe der Streustrahlungsebene liegenden Detek toren ein Signal erzeugen. Je kleiner die Strukturen auf der zu untersuchenden Fläche sind, umso mehr hängt auch hier die tatsäch liche Streulichtverteilung von der Größe des Laserfokus und der numerischen Apertur NA ab. Werden mehrere Strukturen mit unter schiedlichen Kantenrichtungen gleichzeitig vom Laserfokus erfaßt, so ergibt sich eine unscharfe Streustrahlungsebene und es können auch unsymmetrisch zueinander angeordnete Detektoren gleichzeitig ein Signal erzeugen. Der für das erfindungsgemäße Verfahren we sentliche Effekt besteht jedoch darin, daß bei Streuung an einer Struktur ausgeprägte Signalmaxima an zueinander im wesentlichen symmetrisch liegenden Detektoren entstehen und an den übrigen Detek toren kein signifikantes Signal entsteht.

In der Praxis müssen sowohl bei der numerischen Apertur NA des La serstrahlenbündels als auch dem Durchmesser des Fokus aufgrund der optischen Korrektur des abbildenden Objektivs Grenzen in Kauf ge nommen werden. Außerdem haben die zu detektierenden Teilchen keine einheitliche Größe und auch die Verteilung und Geometrie der Strukturen auf den zu untersuchenden Flächen ist sehr unterschied lich. Es tritt daher immer ein undifferenzierter Streustrahlungs untergrund auf. Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, daß dieser durch eine geeignete Referenzspannung an den Detektoren kompensiert werden kann und sich danach die beschriebenen Ab hängigkeiten in der geometrischen Streulichtverteilung eindeutig nachweisen lassen. Es erzeugt jeweils eine bestimmte Auswahl der Detektoren aufgrund des Streulichts ein Signal. Aus der Anzahl und der Lage der ansprechenden Detektoren kann auf die geometrische Verteilung des Streulichts und damit auf seinen Ursprung geschlos sen werden. Eine Steigerung der Nachweisempfindlichkeit konnte er reicht werden, wenn der zu empfangende Streulichtkegel durch eine definierte Apertur der Detektoren begrenzt wird. Dabei ist die Apertur der Detektoren der numerischen Apertur NA des Laserstrahls nach der Beziehung

anzupassen, wobei α der Öffnungswinkel der Apertur bezogen auf den Fokus des Laser strahls ist. Als vorteilhafte Näherung für die geometrische Form der Aperturblende hat sich ein Dreieck ergeben, dessen Basis pa rallel zur untersuchten Fläche ausgerichtet wurde. Mit einer nu merischen Apertur NA = 0,25 des Laserstrahlenbündels und einem Fo kusdurchmesser von 5 µm konnten Teilchen mit einem Durchmesser ab 0,3 µm auf einer strukturierten Fläche sicher detektiert werden.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Sie wird anhand der Figuren beschrieben. Diese zeigen in

Fig. 1 einen Laser-Scanner mit Streulichtdetektoren,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Analyse der De tektorsignale.

Fig. 1 zeigt den Kopf eines Laser-Scanners 10 mit einem ein La sterstrahlenbündel 11 fokussierenden Objektiv 12. Der Fokus 13 des Laserstrahlenbündels 12 liegt auf der Oberfläche einer Waferschei be 14. Die optische Achse 15 des Laserstrahlenbündels 11 steht senkrecht auf der Waferscheibe 14.

Mit dem Objektiv 12 ist eine trichterförmige Halterung 16 gekop pelt, in die mehrere Streulicht aufnehmende Detektoren 17 bis 24 eingesetzt sind. Die Detektoren sind so ausgerichtete daß ihre Achsen auf den Fokus 13 gerichtet sind. Die Neigung gegenüber der optischen Achse 15 des Laserstrahlenbündels ist mit R bezeichnet. Eine Blende vor dem Detektor begrenzt den aufgenommenen Streu lichtkegel auf einen Winkel α(R). Insbesondere wird eine dreieck förmige Blende 25 verwendet, deren Basis parallel zur Oberfläche der Waferscheibe 14 ausgerichtet ist.

Fig. 2 zeigt in der Aufsicht zunächst die Anordnung von acht De tektoren 17 bis 24 gleichmäßig verteilt um den Fokus 13. Die An ordnung geht davon aus, daß die Streulichtaufnahme durch Licht leiter erfolgt und als fotoelektrische Detektoren Photomultiplier vorgesehen sind. Die Ausgangssignale der Photomultiplier werden jeweils dem einen Eingang eines Differenzverstärkers zugeführt, an dessen anderen Eingang eine einstellbare Referenzspannung gelegt wird. Die Ausgänge der Differenzverstärker werden in einen Puls-Decoder eingegeben, der daraus einen Signalcode bildet, der der Anzahl und Lage der signalgebenden Detektoren entspricht. Durch Vergleich mit einem vorgegebenen Signalcode kann in der Schaltung entschieden werden, ob ein Teilchen detektiert wurde und ein Aus gangssignal erzeugt werden.

Ein Teilchen als Streuzentrum liegt dann vor, wenn mehr als fünf Detektoren ein Signal abgeben. Ein Strukturelement als Streuzen trum liegt vor, wenn nur zwei einander gegenüberliegende Detekto ren ein Signal abgeben. Dazwischen kann es jedoch auch Übergangs formen geben. Bildet ein Strukturelement z. B. eine Ecke, so können gleichzeitig zwei Paare von einander gegenüberliegenden Detektoren ein Signal abgeben. Alle anderen Signalkombinationen sind dann als Teilchenstreuung zu interpretieren.

Claims

1. Verfahren zur Detektion kleinster Teilchen auf strukturierten Flächen durch punktweises Abtasten der Fläche mit einem fo kussierten Laserstrahl kleiner numerischer Apertur NA, Detek tion des von Laserfokus ausgehenden Streulichts und Analyse des Streulichts in einer elektronischen Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Streulichtverteilung um die optische Achse des Laser strahls herum durch eine Mehrzahl von n 3 zueinander sym metrisch angeordneter Detektoren gemessen wird, deren Auf nahmerichtung gegenüber der optischen Achse des Laser strahls um einen Winkel R geneigt und deren empfangener Streulichtkegel durch eine definierte Apertur begrenzt ist, wobei
- der Neigungswinkel R im wesentlichen durch die geometri schen Abmessungen der Laserstrahl-Optik bestimmt wird,
- die Apertur der Detektoren der des Laserstrahls nach der Beziehung angepaßt wird, mit α = Öffnungswinkel der Apertur bezogen auf den Fokus des Laserstrahls,
- die Anzahl n der Detektoren umso größer gewählt wird, je kleiner die numerische Apertur des Laserstrahls ist
- die Detektorsignale mit einer Referenzspannung verglichen werden, deren Größe in Abhängigkeit von den auf der Fläche vorhandenen Strukturen und der zu detektierenden Teilchen größe einstellbar ist,
- die die Referenzspannung überschreitenden Signale einer De coderschaltung zugeführt werden, in der die den Detektoren zugeordneten Signale logisch miteinander verknüpft werden, wobei ein Teilchen als erkannt gilt, wenn
- im Falle n 5 alle Detektoren gleichzeitig ein Signal er zeugen,
- im Falle n < 5 mehr als 5 Detektoren gleichzeitig ein Sig nal erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß den Detektoren näherungsweise eine dreieckförmige Apertur zugeordnet wird, deren Basis parallel zur abzutastenden strukturierten Fläche ausgerichtet wird.

3. Vorrichtung zur Detektion kleinster Teilchen auf strukturierten Flächen mit einer Laser-Scan-Vorrichtung (10) zur punktweisen Abtastung der Fläche (14) mit einem fokussierten Laserstrahl (11) kleiner numerischer Apertur, einem Streulichtdetektor und einer elektronischen Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß

- dem den Laserstrahl (11) fokussierenden Objektiv (12) der Laser-Scan-Vorrichtung (10) in symmetrischer Verteilung konzentrisch zur optischen Achse (15) des Laserstrahls (11) eine Mehrzahl von n 3 Streulicht-Detektoren (17-24) zuge ordnet ist, wobei
- die Aufnahmerichtung der Detektoren unter einem Winkel R gegenüber der optischen Achse (15) des Laserstrahls (11) geneigt und auf den Fokus (13) des Laserstrahls gerichtet ist,
- die Apertur der Detektoren der des Laserstrahls (11) an gepaßt ist und
- die Anzahl der Detektoren umso größer ist, je kleiner die Apertur des Laserstrahls (11) ist,
- die Auswerteschaltung eine einstellbare Referenzspannung, eine Schaltung zum Vergleich jedes Detektorsignals mit der Referenzspannung, eine Decoderschaltung zur Erzeugung eines den Detektoren zugeordneten Signalcodes und eine Logik schaltung enthält, die bei Vorliegen eines definierten Sig nalcodes ein Ausgangssignal für die Detektion eines Teil chens erzeugt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Apertur der Detektoren dreieckig ist, wobei die Basis des Dreiecks (25) parallel zur abzu tastenden Fläche (14) ausgerichtet ist.