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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Abbildungsqualität eines
Rasterelektronenmikroskops, das zur Messung der Größe von Bauteilstrukturdetails,
die während
der Herstellung von Bauteilen in einer Substratschicht konfiguriert
werden, verwendet wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Schaffen
poröser
Siliziumoberflächengebiete;
- – Abtasten
der Oberflächengebiete
mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops;
- – Analysieren
der mit dem Rasterelektronenmikroskop angefertigten Abbildungen
mit Hilfe einer schnellen Fourier-Transformations-Technik, um eine
Indikation für
die Auflösung
des Rasterelektronenmikroskops zu erhalten.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Testsubstrat zur Verwendung
mit dem Verfahren, ein Verfahren zur Herstellung des Testsubstrats,
einen Prozess zur Massenfertigung von Bauteilen, in dem das Bestimmungsverfahrung
verwendet wird und ein selbsttestendes Rasterelektronenmikroskop.
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Für das Herstellen
der genannten Bauteile werden Lithografie-Verfahren verwendet, die
eine größere Anzahl
von Maskierungs-, Ätz-,
Implantations- und anderen Schritten umfassen. Ein Lithografie-Projektionsgerät ist ein
essenzielles Werkzeug in den Lithografie-Techniken. Mit Hilfe eines
derartigen Gerätes
wird, für
jede zu konfigurierende Schicht des Bauteils, ein Maskenmuster mit
Strukturdetails, die den Strukturdetails des zu konfigurierenden
Bauteils in der genannten Schicht entsprechen, auf einen strahlungsempfindlichen
Film, mit dem die genannte Schicht vor dem Belichtungsschritt beschichtet
wurde, übertragen.
Die strahlungsempfindliche Schicht ist speziell für die Strahlung
empfindlich, die für
das Belichten verwendet wird, d.h. sie ändert ihre Eigenschaften in
Gebieten, wo die Strahlung eingefallen ist. Eine derartige Schicht
ist eine Ausführungsform einer
Photolackschicht, wobei dieser Ausdruck auch eine Schicht abdeckt,
die empfindlich für
einen geladenen Teilchenstrahl, beispielsweise einen Elektronenstrahl,
ist. Unter Übertragung
eines Musters wird sowohl das Abbilden eines Maskenmusters in eine Photolackschicht
als auch das Schreiben eines Musters in eine derartige Schicht,
beispielsweise mit Hilfe eines Elektronenstrahls, verstanden. Während des Herstellprozesses
von Bauteilen werden aufeinander folgende Maskenmuster, jede für eine andere
Substratschicht, auf dasselbe Ziel, beispielsweise ein IC-Gebiet,
auf das Substrat übertragen.
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Das
Lithografieverfahren und Gerät
können auch
in der Herstellung anderer Bauteile als ICs, beispielsweise integrierte
oder planare optische Bauteile, Magnetköpfe oder Flüssigkristallanzeigefelder verwendet
werden.
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Unter
einem Substrat wird eine Materialplatte, beispielsweise Silizium,
verstanden, in der ein komplettes Vielschichtbauteil, wie z.B. ein
IC, Schicht für
Schicht mit Hilfe einer Anzahl von aufeinander folgenden Sätzen von
Prozessschritten gebildet werden soll. Jeder dieser Sätze umfasst
als Hauptprozessschritte: Beschichten des Substrats mit einem strahlungsempfindlichen
oder Photolack-Film, Ausrichten des Substrat gegenüber der
Maske, Abbilden des Maskenmusters in den Photolackfilm, Entwickeln des
Photolackfilms, Ätzen
des Substrat durch den Photolackfilm und außerdem Reinigen und andere Prozessschritte.
Der Ausdruck Substrat deckt Substrate an verschiedenen Stufen in
dem Herstellprozess ab, d.h. sowohl ein Substrat ohne oder mit nur
einer Ebene von schon konfigurierten Strukturdetails des Bauteils
als auch ein Substrat mit der vorletzten Ebene von schon konfigurierten
Strukturdetails des Bauteils und alle Zwischen-Substrate.
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Die
Einstellungen, beispielsweise der Fokus, und die Leistung des Projektionsgeräts werden
zu regelmäßigen Zeitpunkten,
beispielsweise zu Beginn eines Arbeitstages oder beim Starten der
Belichtung einer Charge von identischen Substraten, kontrolliert. Eine
Testmaske oder Produktionsmaske, die zur Belichtung einer Charge
von Scheiben verwendet wird, wird an verschiedenen Positionen und
möglicherweise
mit verschiedenen Fokus-Einstellungen auf die Photolackschicht auf
einem Testsubstrat abgebildet. Nachdem der Photolack entwickelt
ist, wird die Oberfläche
auf dem Testsubstrat mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) abgetastet,
um die Qualität
des in der Photolackschicht konfigurierten Musters zu bestimmen.
Normalerweise wird die Qualität
der kleinsten Strukturdetailabmessungen, auch „critical dimensions (CD)" [kritische Dimensionen]
genannt, bestimmt. Auf diese Weise kann die beste Fokus-Einstellung
bestimmt werden und ob die geforderte Abbildungsqualität erreicht
wurde. Die aus der Testbelichtungsleistung erzielten Daten können verwendet werden,
um Einstellungen des Projektionsgerät zu korrigieren.
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Es
ist erwünscht,
die Strukturdetailbreiten des in einem Substrat konfigurierten Bauteils
ständig zu
verringern, um ständig
die Arbeitsgeschwindigkeit eines Bauteils zu erhöhen und/oder die Anzahl der elektronischen
Komponenten in einer IC-Bauteil zu erhö hen. Als eine Konsequenz sollten
Maskenmuster mit zunehmend kleineren Musterstrukturdetails und kleineren
Abständen
zwischen diesen Strukturdetails belichtet werden. Das bedeutet,
dass zunehmend strengere Anforderungen an die CD-Kontrolle in der
Produktionsumgebung des Bauteils durchgesetzt werden müssen und
Fehlerquellen, die diese Kontrolle beeinträchtigen können, reduziert oder eliminiert
werden müssen.
Eine wichtige Fehlerquelle ist die Instabilität des weitverbreitet verwendeten Messwerkzeugs,
des REMs. Traditionell wird ein CD-REM durch Verwendung einer Standard-Testprobe
stabilisiert und kalibriert, d.h. eine Kalibrierungsscheibe, die
mit einem speziellen Maskenmuster von Strukturdetails und Zwischenräumen und
den Breiten und Periodizitäten
der Strukturdetails versehen ist, wird durch das REM überwacht.
Wenn die gemessene Strukturdetailbreite und -periode von den Standardwerten
verschieden sind, muss das REM justiert werden, bis die gemessenen
Werte den Standardwerten entsprechen. Ein inhärentes Problem bei dieser Art
der Kalibrierung ist, dass der Algorithmus zur Linienbreitenmessung
zur Analyse der REM-Ausgangsdaten nicht zum Festellen von kleinen
Fokusfehlern oder stigmatischen Fehlern geeignet ist, so dass derartige
Fehler unbemerkt bleiben können. Das
kann zur Folge haben, dass schlechte Bauteil-Schichten den REM-Test
passieren, was weitergeht, bis bemerkt wird, dass die Ausbeute des
Produktionsprozesses des Bauteils gefallen ist. Inzwischen ist eine
Menge von Bauteilen verschwendet. Außerdem ist diese Art der Kalibrierung
streng an eine spezielles Testprobe gekoppelt. Wenn eine Testprobe
durch eine neue Testprobe ausgetauscht werden muss, beispielsweise
weil die erste Testprobe zerbrochen oder verunreinigt ist, muss
die neue Testprobe zuerst gemessen werden, um sie zu charakterisieren
und die Ergebnisse der mit der neuen beziehungsweise der ersten
Testprobe durchgeführten Messungen
müssen
zueinander in Relation gesetzt werden.
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Wie
von G.L. Fanget et al. in der Veröffentlichung: „Survey
of Scanning Electron Microscopes Using Quantitative Resolution Evaluation" in SPE Vol. 3050,
1997, Seiten 80–92
verdeutlicht wurde, liefert die Auflösung eines REMs ein gutes Abbild
von der Fähigkeit
des REMs, CD-Messungen oder Prozess-Beurteilungen durchzuführen. Die
Auflösung wird
durch Abtasten einer speziellen Probe mit dem REM bestimmt und die
vom REM aufgenommenen Abbildungsdaten werden mit Frequenzbereichstransformierten
verarbeitet. Das erlaubt eine objektivere Bestimmung der Auflösung als
eine Überprüfung mit dem
menschlichen Auge, die schwierig und subjektiv ist. Die verwendete
Probe ist eine Siliziumschicht mit einer mikroporösen Oberfläche mit
einer zufälligen Verteilung
der Durchmesser und Lokalisierung der Poren. Tiefe Poren mit Durchmessern
im Bereich von 5 bis 50 nm, fast senkrecht zur Oberfläche und
mit dünnen
Wänden
führen
zu Abbildungen mit hohem Kontrast. Die Probe erhält man durch Ätzen einer
Siliziumscheibe in einem Flusssäure-Elektrolyt.
Nach dem Abtasten der Probe wird ein zwei-dimensionaler schneller
Fourier-Transformations (2D-FFT) -Abbildungsanalyseprozess durchgeführt, der
in einem verrauschten Spektrum mit kleinen Spitzen, die zufällig in
dem Frequenzbereich (FD) verteilt sind, resultiert. Um die Messung
zu verbessern, wird das Spektrum durch eine Faltung geglättet, die
eine Zwei-Dimensionen-Türfunktion
genannt wird. Das liefert dieselben Ergebnisse wie das Bestimmen
eines gleitenden Mittelwerts in jeder Richtung des Frequenzbereichs.
Dann werden eine große
Anzahl, beispielsweise sechzig Richtungen des Frequenzbereichs überprüft und eine
Grenzfrequenz (COF) auf jeder von ihnen bestimmt. Die Werte dieser
COFs werden in einer Auflösungs-Kontur-Karte
dargestellt.
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In
diesem Verfahren zur Auflösungsmessung wird
die Probenstruktur mehrere Male gemessen und die gemessenen Werte
sind durch die Probenstruktur beeinflusst. Das Verfahren ist also
Probenstruktur-abhängig
und erfordert Kalibrierung. Das ist in einer zweiten Veröffentlichung
bestätigt: „A contribution
to the evaluation of scanning electron microscope resolution" in: SPE Vol. 3332,
Seiten 71–80.
Gemäß dieser
Veröffentlichung
ist die Abbildungsverarbeitung designt, um die Transfer-Funktion
des REM aus der Probenabbildung zu extrahieren und diese Funktion
zu analysieren. Das würde
den Einfluss der Probenparameter auf die Endergebnisse verringern
und präzisere
Information über
das REM selbst liefern als eine Beschreibung der Probe. Auch in
dem zweiten Verfahren wird die Probenstruktur mehrer Male gemessen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein schnelles Verfahren zum Bestimmen
der eingangs definierten Abbildungsqualität eines REMs zu schaffen, in
dem die gemessene Auflösung
unabhängig von
der Oberflächenstruktur
ist. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt
des Abtastens der Oberflächengebiete
beziehungsweise des Verschaffens der Auflösung Folgendes umfasst:
- – Anfertigen
von Abbildungen von einer Anzahl von Oberflächenstrukturen mit unterschiedlichen mittleren
Porengrößen;
- – Berechnen
des Fourier-Spektrums jeder dieser Abbildungen; und
- – Bestimmung
der Auflösung
des Rasterelektronenmikroskops durch Extrapo lation der Auflösung, die
zu einem Signal/Rausch-Verhältnis
von Null gehört,
aus der Breite, der Signalamplitude und dem Rausch-Offset des Fourier-Spektrums von
allen genannten Abbildungen.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch Anfertigen von Abbildungen
einer ausrechenden Menge von Oberflächengebieten mit ausreichend
unterschiedlichen Porengrößen, wobei
jede Abbildung ein spezifisches Fourier-Spektrum hat, ausreichend
Abbildungsdaten gewonnen werden können, um aus diesen den Wert
der Spektrumsbreite für
ein Signal/Rausch-Verhältnis
von Null zu extrapolieren. Der letztere Wert entspricht der Auflösung des
REMs. Auf diese Weise ist die gewonnene Auflösung unabhängig von der verwendeten Testprobe.
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Eine
erste Ausführungsform
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, Abbildungen
anzufertigen, das Abtasten von Gebieten poröser Siliziumoberflächen von
einer Anzahl verschiedener Substrate umfasst, von denen jedes eine
unterschiedliche mittlere Porengröße hat.
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Eine
erfinderische und bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, Abbildungen anzufertigen,
das Abtasten eines einzigen Substrats umfasst, das mit einer porösen Siliziumoberfläche mit
einer mittleren Porengröße, die
kontinuierlich in einer Richtung von einer kleinen Größe zu einer
größeren Größe zunimmt,
versehen ist.
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Diese
erfinderische Ausführungsform
beruht auf der Erkenntnis, dass die poröse Struktur mit unterschiedlichen
mittleren Porengrößen auf
einem einzigen Testsubstrat bereitgestellt werden kann, sodass die
Auflösung
des REMs bestimmt werden kann, indem nur dieses einzelne Substrat
abgetastet wird, was eine erhebliche Zeitersparnis hervorbringt.
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Um
eine Anfangsfokussierung auf der Testprobe und/oder Navigation und
Mustererkennung zu erlauben, ist die zweite Ausführungsform vorzugsweise dadurch
gekennzeichnet, dass ein Substrat verwendet wird, dessen poröse Oberfläche mit
einem zusätzlichen
Muster von Strukturdetails mit Abmessungen, die wesentlich größer als
die Porengrößen sind,
versehen ist.
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Die
Abmessungen der Strukturdetails der zusätzlichen Muster liegen im Bereich
von Mikrometern, die eine Anfangsfokussierung und eine ultimative,
beispielsweise schrittweise, Fokussierung des REMs auf die poröse Struktur
erlaubt. Jedes zusätzliche
Muster kann Information über
die Position der zugeordneten Substratoberfläche enthalten, die es erlaubt,
jede gegebene Fläche
in das Objektfeld des REMs zu positionieren.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein neues und erfindungsreiches
Substrat zur Verwendung in dem neuen Verfahren. Dieses Substrat
ist gekennzeichnet durch eine poröse Siliziumoberfläche mit
einer mittleren Porengröße, die
kontinuierlich in einer Richtung von einer kleinen Größe zu einer
größeren Größe zunimmt.
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Der
Vorteil dieses Substrats ist, dass es eine erhebliche Reduzierung
der Zeit, die zur Bestimmung der Auflösung des REMs notwendig ist,
erlaubt, was in einer Produktionsumgebung für Bauteile, in der das REM
verwendet wird, von großer
Wichtigkeit ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
dieses Testsubstrats ist dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Oberfläche mit
einem zusätzlichen
Muster von Strukturdetails mit Abmessungen, die wesentlich größer als
die Porengrößen sind,
versehen ist.
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Diese
Testsubstrat erlaubt eine Anfangsfokussierung des REMs auf die Probe
und/oder Navigation und Mustererkennung.
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Vorzugsweise
ist dieses Testsubstrat dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen
Muster längliche
Strukturdetails umfassen, die ihre Längsausrichtung in Richtung
der zunehmenden mittleren Porengröße haben.
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Das
Testsubstrat kann außerdem
dadurch gekennzeichnet sein, dass das zusätzliche Muster aus einer strukturierten
Schicht eines Nicht-Silizium-Materials aufgebaut ist.
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Die
Strukturdetails dieses Musters zeigen in Bezug auf ihre Umgebung
genügend
Kontrast.
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Eine
Ausführungsform
dieses Testsubstrats ist dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht
eines der Metalle Wolfram, Titan, Zirkonium, Hafnium, Kobalt, Yttrium,
Lanthan, Platin, Palladium und Aluminium umfasst.
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Diese
Materialien, die für
andere Zwecke in Lithografie-Techniken verwendet werden, sind gut gegen
HF-Ätzen
resistent.
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Eine
alternative Ausführungsform
des Testsubstrats ist dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte
Schicht eines der Materialien Zirkoniumnitrid, Siliziumnitrid und
Siliziumkarbid umfasst.
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Besonders
eine Nitridzusammensetzung mit einer großen Menge an Silizium ist für diese
Schicht sehr geeignet.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines
Testsubstrats mit einem porösen
Silizium, wobei dessen mittlere Porengröße kontinuierlich in einer
Richtung von einer kleinen Größe zu einer
größeren Größe zunimmt.
Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden aufeinanderfolgenden
Schritte:
- – in
Anordnen eines p+-dotierten Substrats in
einer mit Salzlösung
gefüllten
Zelle;
- – Eintauchen
der Zelle in einen mit einer Elektrolytlösung gefüllten Behälter;
- – Verbinden
eines der Pole einer Stromquelle mit einer Kathode, die in dem Behälter angeordnet
ist, und des anderen Pols mit der Zelle, die eine Anode bildet,
sodass ein elektrischer Strom von dem Substrat zu der Anode fließt;
- – kontinuierliches
Reduzieren der Substratoberfläche,
die der elektrolytischen Lösung
ausgesetzt ist, in eine Richtung; und
- – Abschalten
der Stromquelle, wenn die Substratoberfläche von der Elektrolytlösung frei
kommt.
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Dies
ist ein einfaches und schnelles Verfahren, die zusammengesetzte
poröse
Struktur zu erhalten, die notwendig ist, um das oben beschriebene Verfahren
durchzuführen,
wobei das Verfahren mit einfachen Mitteln durchgeführt werden
kann.
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Dieses
Verfahren kann außerdem
durch zusätzliche
Schritte der Bildung eines zusätzlichen Musters
von Strukturdetails mit Abmessungen, die wesentlich größer als
die Porengröße sind,
gekennzeichnet sein.
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Das
zusätzliche
Muster kann zuerst gebildet werden und dann werden die Poren geätzt. Für die strukturierte
Schicht ist eines der oben erwähnten Metalle
sehr geeignet, weil diese eine gute Widerstandsfähigkeit gegen HF-Ätzen haben.
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Vorzugsweise
ist das Herstellungsverfahren dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzlich gebildete
Muster gebildet wird, nachdem die Substratoberfläche mit einer porösen Struktur
versehen worden ist.
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Die
Verwendung des Verfahren zur Bestimmung der Abbildungsqualität eines
Rasterelektronenmikroskops in der Umgebung eines Prozesses zur Herstellung
von Bauteilen wie z.B. ICs erlaubt, die Ausbeute dieses Prozesses
zu verbessern. Die Erfindung bezieht sich deshalb auch auf einen
Prozess zur Massenfertigung von Bauteilen mit Bauteilstrukturdetails
in mindestens einer Substratschicht von Bauteilesubstraten, wobei
der Prozess mindestens einen Satz der folgenden aufeinanderfolgenden Schritte
umfasst:
- – Bereitstellen
eines Maskenmusters mit Strukturdetails, die den Bauteilstrukturdetails
entsprechen, die in der genannten Schicht konfiguriert werden sollen;
- – Abbilden
des Maskenmusters in eine Photolackschicht, mit der die Substrate
beschichtet sind und Entwickeln dieser Schicht, wobei dabei eine
strukturierte Beschichtung entsprechend dem Maskenmuster gebildet
wird;
- – in
Entfernen von Material oder Hinzufügen von Material auf Gebieten
der Substratschicht, wobei die Gebiete durch das Muster der strukturierten Beschichtung
abgegrenzt werden;
- – wobei
am Beginn der Herstellung einer Charge ein mit einer strukturierten
Beschichtung versehenes Substrat kontrolliert wird, indem Abbildungen davon
mit Hilfe eines Elektronenmikroskops angefertigt werden und die
Abbildungen analysiert werden, um die Abmessungen der Strukturdetails der
strukturierten Beschichtung zu kontrollieren. Dieser Prozess ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsqualität des Rasterelektronenmikroskops
regelmäßig mit
Hilfe des hier vorher beschriebenen Verfahrens überprüft wird.
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Die
Erfindung kann auch in einem Rasterelektronenmikroskop mit einer
Elektronenabtasteinheit, einem Objektträgers zum Halten eines mit dem Mikroskop
zu untersuchenden Objekts und einer Signalverarbeitungseinheit,
die mit einem Programm zur Analyse der von der Abtasteinheit gelieferten
Daten versehen ist, implementiert werden. Dieses Mikroskop ist dadurch
gekennzeichnet, dass ein kleiner Teil der Objektträgeroberfläche, die
der Abtastvorrichtung zugewandt ist, permanent mit einer Testprobe
in Form einer kleinen porösen
Siliziumoberfläche
versehen ist, deren mittlere Porengröße kontinuierlich in der Abtastrichtung
der Abtasteinheit zunimmt, und dadurch, dass die Verarbeitungseinheit
mit einem zusätzlichen
Programm zur Analyse der während
des Abtastens der Testprobe von der Abtasteinheit gelieferten Daten
versehen ist.
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Durch
Positionieren des Objektträgers
auf eine derartige Weise, dass die Testprobe im Objektfeld ist,
während
die Probe abgetastet wird und die von der Abtasteinheit gelieferten
Daten analysiert werden, kann die unmittelbare Leistung des Mikroskops
bestimmt werden. Auf diese Weise ist ein selbsttestendes Elektronenmikroskop
geschaffen.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden als nicht-einschränkendes
Beispiel mit Bezug auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen
erklärt
und werden aus diesen ersichtlich. In der Zeichnung zeigen:
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1 die
Oberfläche
eines konventionellen Testsubstrats;
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2 das
Fourier-Spektrum einer derartigen Oberfläche;
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3 ein
Fourier-Spektrum einer Ausführungsform
einer porösen
Siliziumoberfläche,
die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet wird;
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4 ein
Gerät zur
Herstellung eines erfindungsgemäßen Siliziumsubstrats;
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5 die
Variation der Porengröße des Testsubstrats
als Funktion der HF-Konzentration
und der Stromdichte;
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6a und 6b zwei
Teile der porösen Oberfläche, die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung von Testsubstraten erzielt wurde;
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7 die
Werte der 1/e-Breiten und die Signal/Rausch-Verhältnisse von Fourier-Spektren,
die beim Abtasten dieser Oberfläche
erzielt wurden und eine Best-Fit-Kurve
für diese
Werte;
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8a und 8b Abbildungen
bei entsprechend verschiedenen Vergrößerungen von Teilen einer porösen Oberfläche, die
mit einem zusätzlichen
Muster versehen ist;
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9 Best-Fit-Kurven,
die aus Messungen in verschiedene Richtungen und unter den besten Fokusbedingungen
resultieren;
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10 eine
erste Ausführungsform
eines REMs, in das die Erfindung implementiert ist; und
-
11 eine
zweite Ausführungsform
eines REMs, in das die Erfindung implementiert ist.
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Der
Hauptparameter für
die Qualität
eines REMs ist dessen Auflösung.
Normalerweise ist die Bestimmung der Auflösung eine subjektive Prozedur. Typischerweise
tastet ein zu kontrollierendes REM eine Kohlenstoffprobe ab, die
mit Goldpartikeln versehen ist, wie in 1 gezeigt.
In dieser Abbildung sind die hellen Goldpartikel mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet
und der schwarze Kohlenstoffhintergrund ist mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet.
Ein Bediener kontrolliert die von dem REM erstellten Abbildungen,
um die kleinsten Partikel und/oder die kleinsten Abstände zwischen
Partikeln, die noch sichtbar sind, zu bestimmen. Der kleinste Abstand wird
die Auflösung
genannt. Bestimmen der Auflösung
auf diese Weise ist ein subjektiver Prozess und erfordert von dem
Bediener Fertigkeit. Die Chance für eine falsche Bestimmung wird
durch die Tatsache erhöht,
dass normalerweise eine einzige Abbildung geprüft wird, so dass keine Maßnahmen
unternommen werden, Rauscheffekte auszulöschen oder zu reduzieren.
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Die
Abbildungsqualität
eines REMs, also die Qualität
einer mikroskopischen Aufnahme wie die in 1 gezeigte
kann leichter in dem Frequenz-, d.h. dem Fourier-, Bereich untersucht
werden. Computerprogramme für
eine derartige Untersuchung sind schon verfügbar. Ein derartiges Programm
reduziert die Subjektivität
der Untersuchung und stellt ein quantitatives Gerüst zur Überwachung
von Auflösung,
Astigmatismus, Abbildungsqualität über die Zeit
und zum Vergleichen der Leistung verschiedener REMs bereit.
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Beim
Analysieren der REM-Daten mit Hilfe der gut bekannten Technik der
schnellen Fourier-Transformation wird ein Spektrum im Frequenzbereich
erzielt. Dieses Spektrum ist gut durch eine Normalverteilung beschrieben. 2 zeigt
ein Beispiel eines derartigen Fourier-Spektrums. Die Werte Fs der schnellen Fourier-Transformation (FFT)
als Funktion der Partikeldichte auf der abgetasteten Probe sind
durch die Gaußkurve
Fc dargestellt, die am besten zu den berechneten
Werten passt. Die Dichte dy der Partikel
auf der Probe entlang der y-Achse eines xy-Koordinatensystems ist
entlang der horizontalen Linie in 2 gezeichnet.
Das Fourier-Spektrum wird nicht nur durch die Auflösung des
REMs bestimmt, sondern auch durch die Struktur der Probe, sodass
die Messung der Auflösung
durch die Probenstruktur beeinflusst wird.
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Es
hat sich herausgestellt, dass ein Siliziumsubstrat mit einer mikroporösen Oberflächenstruktur eine
attraktive Probe für
hochauflösende
Messungen ist. Sehr feine Details der Porenstruktur können beobachtet
werden, wenn das REM auf hohe Auflösung eingestellt ist. Die mikroporöse Struktur
kann durch eine anodische Auflösung
eines Siliziumsubstrats in einer konzentrierten Flusssäure (HF)
erzielt werden, wie im Folgenden beschrieben wird. Die Poren der Struktur
liegen senkrecht zur Oberfläche
und haben scharfe Wände,
sodass ein hoher Kontrast erzielt wird.
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Beim
Abtasten einer derartigen porösen
Siliziumstruktur mit einem REM und dem Analysieren der Abbildungen
wird ein Fourier-Spektrum wie das in 2 erzielt.
Die Kurve dieses Spektrums ist ähnlich
einer theoretischen Kurve die in der oben erwähnten Veröffentlichung „A contribution
to the evaluation of scanning electron miscroscope resolution" gezeigt ist. Das
Fourier-Spektrum umfasst Informationen über die Auflösung des
REMs, das verwendet wurde, um die poröse Struktur abzutasten, sodass die
Auflösung
im Prinzip aus diesem Spektrum abgeleitet werden könnte. Aber
die Fourier-Werte, die gemäß der genannten
Veröffentlichungen
erhalten werden, sind wieder nicht nur von der Auflösung des REM
abhängig,
sondern auch von der Struktur des porösen Siliziums. Die gemessene
Auflösung
umfasst einen Substratstruktur-abhängigen Term, was bedeutet,
dass ein Kalibrierungsprozess ausgeführt werden muss. Außerdem beeinflussen
auch Rauscheffekte die gemessene Auflösung.
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Um
eine poröse
Siliziumoberflächenstruktur zu
erhalten, deren Poren eine gegebene mittlere Größe haben, wird eine Siliziumscheibe
in einer Lösung mit
einem gege benen HF-Prozentsatz unter einer gegebenen konstanten
elektrischen Stromdichte während
eines gegebenen Zeitintervalls anodisiert. Durch Verwendung unterschiedlicher
elektrischer Stromdichten und unterschiedlichen HF-Konzentrationen
werden poröse
Strukturen mit unterschiedlichen mittleren Porengrößen erzielt.
Wenn die Stromdichte erhöht
wird und die HF-Konzentration verringert wird, nimmt die mittlere
Porengröße zu. Wenn die
Stromdichte verringert wird und die HF-Konzentration erhöht wird,
nimmt die mittlere Porengröße ab. Wenn
das Siliziumsubstrat in eine HF-Lösung eingetaucht wird und ein
elektrischer Strom von dem Substrat zu einer Kathode, die in der
HF-Lösung
angeordnet ist, eingeprägt
wird, findet eine Auflösung
des Siliziums auf Grund des Angriffs von F– -Ionen
statt und es werden Siliziumfluoridionen gebildet, wobei Elektronenladungen
beteiligt sind. Wenn das Substrat P+-dotiert
ist, werden elektrische Löcher
aus dem Volumeninneren des Materials an die Oberfläche transportiert.
Die Bildung der Oberflächenporen
beruht auf dem Diffusionsbegrenzten Transport von Löchern aus
dem Siliziumvolumeninneren zu den Poren, die gebildet werden. Da
die Diffusionslänge
von der elektrischen Stromdichte und den Dotierungsniveaus abhängt, sind
die Größe der Poren
und ihre Verteilung eine Funktion dieser zwei Parameter.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
macht vorteilhaften Gebrauch von der Möglichkeit, die mittlere Porengröße in der
obigen, leichten Weise zu steuern. Gemäß der Erfindung wird eine Anzahl
unterschiedlicher Porenstrukturen hergestellt, jede mit Hilfe einer
unterschiedlichen Stromdichte und einer unterschiedlichen HF-Konzentration.
Das zu messende REM tastet jede dieser Strukturen ab, und ihre Fourier-Spektren
werden berechnet. Rauscheffekte werden auch berücksichtigt. Eine entsprechende
Anzahl von Fourier-Spektren
wird erzielt, von denen eines in 3 gezeigt
ist. Dieses Spektrum ist ein Spektrum einer porösen Struktur, die durch Anodisierung
einer Siliziumscheibe in 10% HF bei einer konstanten elektrischen
Stromdichte von 7,5 mA/cm2 erzielt wurde.
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3 zeigt
eine große
Anzahl diskreter Fourier-Werte Fa. Die gestrichelte Kurve Fc ist die Gauß-Kurve, die am besten mit
den diskreten Werten Fd fittet. Das Fourier-Spektrum oder Kurve
Fc hat eine Signalamplitude Sa und zeigt
einen konstanten Offset, der einen im Wesentlichen gleichmäßigen Hintergrund
oder konstanten Rauschpegel NL darstellt, der unabhängig von
der Probe ist. Der Rauschpegel NL ist auf das REM bezogen und sein
physikalischer Grund kann thermisches oder Schrotrauschen des Detektors
des REMs, wobei das Rauschen ein weißes Rauschspektrum hat, und/oder
mechanische Vibration des Probenhalters sein.
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Ein
wichtiger Parameter für
das neue Verfahren ist die 1/e-Breite, in 3 mit W(1/e)
bezeichnet, der Kurve Fc, d.h. die Breite
der Gaußkurve
bei einer Signalamplitude, die 1/e des Maximalwertes Sa ist. Die
1/e-Breite, die Signalamplitude Sa und der Rauschpegel NL können aus
den Abbildungsdaten durch Verwendung der Anpassung mit Hilfe einer Fehlerquadratroutine,
d.h. eines Verfahrens zum Fitten einer Kurve an experimentelle Daten,
berechnet werden. Die 1/e-Breite wird verwendet, die Auflösung des
REMs zu bestimmen. Diese Breite ist auch von der porösen Struktur
des Testsubstrats abhängig,
sodass eine REM-Auflösung,
die mit Hilfe einer einzige Probe mit einer gegebenen Struktur gemessen
wird, immer noch einen Substrat-abhängigen Term umfassen würde. Erfindungsgemäß wird eine
Anzahl von porösen
Siliziumstrukturen mit unterschiedlichen mittleren Porengrößen abgetastet,
die Daten ihrer Fourier-Spektren werden kombiniert und durch Extrapolation
wird eine REM-Auflösung,
die unabhängig
von der porösen
Struktur ist, bestimmt.
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Die
unterschiedlichen Porenstrukturen, die für dieses Verfahren benötigt werden,
können
in Form derartiger Strukturen auf verschiedenen Substraten, die
nacheinander in das Objektfeld des zu messenden REMs gelegt werden,
abgetastet werden und aus dem Objektfeldfeld entfernt werden werden, bereitgestellt
werden. Die zum Messen der unterschiedlichen Porenstrukturen benötigte Zeit
kann wesentlich reduziert werden, wenn diese Strukturen auf getrennte
Oberflächengebiete
auf einem einzigen Substrat aufgebracht werden können. Dann wird die gesamte
notwendige Information durch Abtasten eines Substrats gesammelt.
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Ein
wesentlicher Teil der Erfindung beruht auf dem Verfahren und dem
Gerät zur
Herstellung eines derartigen Substrats mit unterschiedlichen Porengrößen. Das
Prinzip dieses Verfahrens und Geräts ist in 4 gezeigt.
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Das Ätzgerät von 4 umfasst
einen Ätzbadhalter
HEb, der mit einem Elektrolyt mit Flusssäure (HF)
gefüllt
ist. In dem Halter HEb ist eine Kathode
Ka, beispielsweise aus Platin angefertigt, angebracht. In den Halter
HEb ist eine Zelle Ce zum Unterbringen eines
Substrats Su in das Elektrolyt El eingetaucht. Die Zelle umfasst
eine Anode An, beispielsweise aus Platin angefertigt, die mit einem
ersten Pol einer Stromquelle Cs verbunden ist, deren anderer Pol
mit der Kathode Ka verbunden ist. Während des Ätzprozesses prägt die Stromquelle
einen konstanten Strom von der Anode zur Kathode ein. Die Zelle
Ce ist mit einer Salzlösung
Sa, beispielsweise K2SO4 in
einer Konzentration von 22 g/l, gefüllt, die eine elektrische Verbindung
zwischen der Anode und dem Substrat Su schafft. So wirkt das Substrat
während
des Ätzprozesses
als Anode. Das zu ätzende
Substrat ist eine P+-Siliziumscheibe, die stark mit Bor dotiert
ist und einen niedrigen elektrischen Widerstand hat, beispielsweise
0,01–0,02 Ωcm. Der
Vorteil eines derart niedrigen Widerstands ist, dass die Scheibe
einfach in die Zelle eingetaucht werden kann und kein Rückseitenkontakt
aus Bor-Implantation und Aluminiumbedampfung notwendig ist. Das
Elektrolyt El umfasst vorzugsweise Äthanol, beispielsweise 50 %.
Der Zusatz von Äthanol
zu der HF-Lösung
garantiert, dass das Ergebnis des Ätzprozesses reproduzierbar
ist. Als eine weiter Verbesserung kann eine kleine Menge von Triton-X,
beispielsweise 10 ml/6 l, der Lösung zugefügt werden,
um die Oberflächenspannung
zu verringern.
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Zu
Beginn des Ätzprozesses
ist das Substrat Su völlig
in das Elektrolyt eingetaucht und der elektrische Strom wird auf
die gesamte Substratoberfläche verteilt,
sodass die Stromdicht relativ gering ist. Dann wird die Substratfläche, die
in Kontakt mit dem Elektrolyt kommt, kontinuierlich verringert.
Da der Strom konstant ist, wird die Stromdichte kontinuierlich zunehmen,
was in einer kontinuierlichen Zunahme der mittleren Größe der gebildeten
Poren resultiert. Diese Größe wird
die größte an den
Oberflächengebieten
sein, die die längste
Zeit mit dem Elektrolyt in Kontakt stehen. Auf diese Weise wird
eine poröse
Siliziumoberfläche
mit einem Gradienten in der mittleren Porengröße gebildet. Die Menge an HF
im dem Ätzbad
kann in der Größenordnung
von 10 % liegen und die Stromstärke
kann sich zwischen ein paar bis zu einigen zehn mA/cm2 bewegen.
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Um
die Substratoberfläche,
die in Kontakt mit dem Elektrolyte steht, zu verringern, kann das
Substrat aus dem Elektrolyt gezogen werden, d.h. in dem Gerät von 4 wird
das Substrat langsam nach oben gezogen. Vorzugsweise wird der Pegel
des Elektrolyts einfach durch Öffnen
des Ventils Va in dem Ätzbadhalter
HEb langsam verringert.
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Das
Elektrolyt, das das Ventil verlässt,
wird in einem Behälter
Co gesammelt und kann gereinigt und in einem nachfolgenden Ätzprozess
wiederverwendet werden. 5 zeigt die Variation des Porenradius
als Funktion der Konzentration HF (log10(HF) entlang
der horizontalen Achse) und des elektrischen (Anodisierungs-) Stroms
I (log10(I) entlang der vertikalen Achse). 5 zeigt,
dass die Porenbildung bei höheren
HF-Konzentrationen und niedrigeren Stromdichten begünstigt ist,
d.h. die Fläche
PF in der 5. Bei niedrigeren HF-Konzentrationen
und höheren
Stromdichten, d.h. die Fläche
EP in 5, wird die Oberfläche elektropoliert. Zwischen
den Flächen PF
und EP gibt es eine Übergangsfläche TA.
Die Punkte in der PF-Fläche
repräsentieren
Einstellungen, die in den Experimenten verwendet wurden, und die
Zahlen an diesen Punkten deuten die typi schen Porengrößen in nm
an, die mit diesen Einstellungen gebildet werden. Beispielsweise
werden mit einer 10% HF-Konzentration und einer Stromdichte von 7,5
mA/cm2 Poren mit einem Radius in dem Bereich von
13 bis 5 nm gebildet. 5 bestätigt die Tatsache, dass die
Porengröße durch
Variieren der HF-Konzentration und der Stromdichte eingestellt werden
kann. Als Daumenregel: eine größere Stromdichte
resultiert in größeren Poren
und einem breitem Bereich der Porengrößen, und eine höhere HF-Konzentration
resultiert in kleineren Poren und einem schmaleren Bereich der Porengrößen.
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Die
poröse
Struktur, die mit Hilfe des in 4 illustrierten
Verfahrens und Gerätes
erzielt wird, zeigt einen Gradienten in der mittleren Porengröße in einer Richtung,
nämlich
der Richtung, in der die Oberfläche,
die mit dem Elektrolyt in Kontakt steht, reduziert wird. Die mittlere
Porengröße an der
höheren
Seite Sut des Substrats ist am kleinsten,
und die an der niedrigeren Seite Sub ist
am größten. Die Ätzbedingungen
können
in der Art eingestellt werden, dass die mittlere Porengröße zwischen
sehr fein, in der Größenordnung
von 1 nm, und relativ grob, in der Größenordnung von 25 nm liegt.
Das Substrat, das mit der porösen
Struktur versehen wird, kann eine aktuelle 8-Zoll Siliziumscheibe
sein.
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6a zeigt
als Abbildung einen Teil feinen porösen Struktur PSF der
höheren
Substratseite und 6b einen Teil der gröberen Porenstruktur
PSC der niedrigeren Substratseite. Beide
Abbildungen wurden mit einer REM-Einstellung von 300.000-fach gemacht.
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Erfindungsgemäß wird die
Auslösung
eines REMs bestimmt, in dem man die poröse Siliziumoberfläche mit
dem Gradienten in der mittleren Porengröße in dem Objektfeld des REM
anordnet und sie in Richtung des Gradienten abtastet. Das REM macht
Abbildungen von aufeinander folgenden Oberflächenbereichsteilen, deren Abbildungen
analysiert werden. Jede Abbildung wird in ein Fourier-Spektrum wie
das von 3 transformiert. Die 1/e-Breite (W(1/e))
und das Signal/Rausch-Verhältnis
(SNR) jedes Spektrums werden bestimmt. 7 zeigt
die Werte dieser Parameter für
alle Abbildungen und auch die, theoretische, Kurve CF, die am besten
mit dieses Werten fittet.
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Das
Verfahren hat folgenden physikalischen Hintergrund: Für poröse Strukturen
mit relativ großen Poren,
PSC an der niedrigeren Seite des Substrats
ist die Anzahl der Poren pro Längeneinheit,
ausgedrückt in
Linien/nm Dy in 3, relativ
klein. Der Porendurchmesser liegt gut innerhalb der Auflösungsgrenze
des REMs, sodass die 1/e-Breite des Fourier-Spektrums durch die
poröse
Struktur bestimmt ist. Das Spektrum einer derartigen relativ groben Struktur
zeigt relativ hohe Spektralintensitäten. Für poröse Strukturen mit relativ kleinen
Poren, PSF an der höheren Seite des Substrats,
ist die Anzahl der Poren pro Längeneinheit
relativ groß und
die 1/e-Breite ist relativ groß und
nähert
sich der Auflösung
des REMs. Es ist unmöglich,
poröse
Strukturen aufzulösen,
deren räumliche
Frequenzen jenseits der Auflösung
des REMs sind. Die spektralen Intensitäten einer feinen Porenstruktur
sind relativ klein. 3 zeigt auch einen frequenzunabhängigen Rauschbeitrag
oder den Rauschpegel NL. Dieser Rauschpegel ist auf das REM selbst
bezogen und wird beispielsweise durch das Schrotrauschen des REM-Detektors oder
durch mechanische Vibrationen des Substrathalters verursacht. Der
Rauschpegel ist konstant und unabhängig von der Porenstruktur.
Da eine feinere Porenstruktur kleinere spektrale Intensitäten liefert,
zeigt ihr Fourier-Spektrum ein kleineres Signal/Rausch-Verhältnis SNR
als eine gröbere
Porenstruktur. Innerhalb der Grenze einer sehr feinen Porenstruktur
nähert
sich SNR null und die 1/e-Breite des
Spektrums nähert
sich der Auflösung
des REMs. Diese Grenze kann gefunden werden, indem man das REM mit
einer Anzahl von porösen
Siliziumproben mit mittleren Porengrößen in dem Bereich von beispielsweise
1 bis 25 nm versorgt, die Werte für W(1/e) und SNR für jede Probe
bestimmt, diese Werte als Kurve CF fittet und den Schnittpunkt der
Kurve CF bestimmt. Dieser Punkt R, bezeichnet mit dem durchgezogenen
Pfeil in 7, repräsentiert die Auflösung des überprüften REMs.
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Das
oben beschriebene Verfahren in Bezug auf eine einzelne Probe mit
einem Gradienten der mittleren Porengröße in einer Richtung kann auch
in Kombination mit einer Anzahl von Proben, wobei jede eine gegebene
mittlere Porengröße hat,
die unterschiedlich zu den der anderen Proben ist, verwendet werden.
Diese separaten Proben können
durch Anodisierung einer entsprechenden Anzahl von Siliziumsubstraten
in einer HF-Lösung geschaffen
werden, jedes Mal mit einer anderen Stromdichte und/oder einer anderen
HF-Konzentration. Das Gerät
aus 4 kann verwendet werden. Während des Ätzens eines Substrats bleibt
das Ventil Va geschlossen.
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Der
Graph CF von 7 ist die Best-Fit-Kurve für 1/e-Breiten
in einer Richtung, beispielsweise die x-Richtung aus einem rechtwinkligen
Koordinatensystem, aus welcher die Auflösung eines REMs in der Richtung
bestimmt werden kann. Eine zweite Testprobe mit einem Gradienten
der mittleren Porengrößen in der
y-Richtung kann vorbereitet und mit dem REM abgetastet werden. Dann
erhält
man eine Best-Fit-Kurve für
die 1/e-Breiten in y-Richtung. Dies ist in 9 illustriert,
worin eine willkürliche Best-Fit-Kurve für die x-Richtung
mit CF(x) und eine Best-Fit-Kurve für die y-Richtung mit CF(y) bezeichnet
ist. Die 1/e-Breite bei einem Signal/Rausch-Verhältnis (SNR), das gleich null
ist, entsprechend der Auflösung
des REMs in der x- und der y-Richtung, ist mit R(x) beziehungsweise
R(y) bezeichnet. Wenn, wie in 9 illustriert,
die Auflösung
in x-Richtung von der in y-Richtung verschieden ist, zeigt das gemessene
REM Astigmatismus. Durch Ausweiten des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf Messungen in zwei, vorzugsweise zueinander senkrechten, Richtungen
kann der Astigmatismus des REMs gemessen werden. Dieser Astigmatismus
ist proportional zu R(y) – R(x).
Das Ergebnis dieser Messung kann verwendet werden, um den Stigmatisierer
des REMs zu steuern, sodass der Astigmatismus des REMs ausgelöscht oder
auf ein akzeptables Niveau reduziert werden kann.
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Ein
anderer Parameter, der für
die Leistung des REMs wichtig ist, ist der Fokus. Die erfindungsgemäße Messung
kann jedes Mal für
eine unterschiedliche Fokuseinstellung durchgeführt werden, was Durch-den-Fokus-Abtasten
genannt wird. Die Detektorsignale, die aus einer derartigen erweiterten Messung
resultieren, können
zu Fourier-Transformations-Ausdrücken verarbeitet
werden und eine Best-Fit-Kurve für
die besten Fokuswerte kann bestimmt werden. Eine derartige Kurve
ist in 9 mit CF(bf) bezeichnet. Die Auflösung R(bf),
die zu dieser Kurve gehört,
ist die reale, oder optimale, Auflösung des REMs, d.h. die Auflösung für optimalen
Fokus und ohne Astigmatismus.
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Das
oben beschrieben Verfahren und Gerät können verwendet werden, um die
Qualität
eines REMs zu bestimmen, beispielsweise im Endstadium seiner Herstellung
oder durch den Benutzer während eines
Abnahmetests. Das Verfahren und Gerät können auch in einer IC-Produktionsumgebung
verwendet werden, wo REMs verwendet werden, um kritische Abmessungen
(CD) während
der Herstellung von ICs zu messen. Eine derartige Messung wird beispielsweise
durchgeführt,
nachdem eine Photolackschicht mit einer Maskenstruktur belichtet
und der Photolack entwickelt wurde, und bevor die Photolackstruktur
in eine geeignete Schicht des IC-Substrats übertragen wird. Durch Überprüfen des
für diese Messungen
verwendeten REMs in regelmäßigen Zeitintervallen
wird sichergestellt, dass die Ergebnisse dieser Messungen zuverlässig sind.
Eine Abnahme in der Qualität
der ICs kann beobachtet werden und der Herstellungsprozess kann
in einer frühen Phase
korrigiert werden, sodass die Ausbeute der Herstellung auf einem
hohen Niveau gehalten werden kann. In Hinsicht auf die großen Mengen
von produzierten ICs, ist dies von größter Wichtigkeit in der IC-Produktion.
In einer IC-Produktionsumgebung können eine Anzahl von REMs verwendet
werden, um in verschiedenen Stufen in dem Produktionsprozess für ICs, d.h.
für verschiedene
Schichten des IC-Substrats Messungen durchzuführen. Für IC-Schichten mit feineren Strukturen, d.h.
schmaleren CDs, werden genauere Messungen und so REMs mit einer
höheren
Auflösung
benötigt,
als für IC-Schichten
mit gröberen
Strukturen. Das vorliegende Verfahren und Gerät können auch verwendet werden,
um die REMs entsprechend ihrer Auflösung einzustufen, sodass diese
REMs in optimaler Weise verwendet werden können.
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Das
zu überprüfende REM
kann die Porenstruktur mit Porengrößen in der Größenordnung
von nm nur dann überwachen,
wenn es auf eine hohe Vergrößerung eingestellt
ist, zum Beispiel sind die in 6a und 6b gezeigten
Abbildungen mit einer Vergrößerung von
300.000X gemacht. Es ist ziemlich schwierig, ein REM, das auf eine
so hohe Vergrößerung eingestellt
ist, auf eine Struktur mit Strukturdetailabmessungen in der Größenordnung
von nm zu fokussieren. Es ist auch schwierig, festzustellen, welcher
Teil der Porenstruktur momentan abgetastet wird oder das REM auf
einen geforderten Teil der Struktur zu navigieren. Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung sind Mittel geschaffen, welche das geforderte
Fokussieren und Navigieren erlauben. Diese Mittel sind in Kombination
mit einer niedrigeren Vergrößerung des
REMs durch zusätzliche
Muster von Strukturdetails auf der Probe oder dem Substrat ausgebildet,
wobei die Strukturdetails Abmessungen haben, die wesentlich größer als
die Porengröße sind.
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8a zeigt
eine Abbildung eines kleinen Teils eines porösen Siliziumsubstrats, das
mit einem zusätzlichen,
oder Fokus- und Navigationsmuster, das ein Muster von Strukturdetails,
beispielsweise Balken verschiedener Längen und Breiten, umfasst, versehen
ist. Die Längsrichtung
der zusätzlichen Strukturdetails
ist vorzugsweise die Richtung, in welcher der Gradient der mittleren
Porengröße auftritt. Die
Abmessungen der zusätzlichen
Strukturdetails liegen in der Größenordnung
von μm.
In der zusätzlichen
Struktur kann eine Position auf dem Substrat codiert sein. Die Abbildung
von 8a wurde bei einer Vergrößerung von 1000X gemacht. Bei
einer solchen Vergrößerung des
REMs sind die Poren nicht sichtbar. 8b zeigt
eine Abbildung eines kleinen Unterteils an dem Ort einer Ecke eines
der Balken von 8a, gemacht mit einer REM-Vergrößerung von
100.000X. In dieser Abbildung sind individuelle Poren sichtbar.
Wenn die Prüfung
des Testsubstrats gestartet wird, wird die Vergrößerung des REMs auf ein niedriges
Niveau eingestellt und das REM wird auf eine der zusätzlichen
Musterstrukturen eingestellt. Dann wird die Substratfläche, auf
die fokussiert wird, gelesen und das Substrat wird, wenn notwendig,
bewegt, um eine andere Substratfläche in das Feld des REMs zu
bewegen. Die Vergrößerung des REMs
wird erhöht,
bis die Poren sichtbar werden. Die Vergrößerung kann schrittweise vergrößert werden, während unterschiedliche
Abmessungen der zusätzlichen
Musterstruktur verwendet werden können.
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Die
zusätzliche
Musterstruktur kann eine strukturierte Schicht sein, die mit Hilfe
eines konventionellen Lithografieprozesses gebildet ist, der beispielsweise
ein optisches Projektionsgerät,
das auch als „Wafer
stepper/scanner" bekannt
ist, verwendet. Das Material der Schicht kann irgendeins der Materialien
sein, das in der „Anfangsphasenlithografie-Technik", was der kritischste
Teil eines Lithografieprozesses ist und sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen
ist, verwendet werden darf. Das Material sollte resistent gegen
HF-Ätzen
sein und kann ein Metall sein, beispielsweise Wolfram (W), Titan
(Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Kobalt (Co), Yttrium (Y), Lanthan
(La), Platin (Pt), Palladium (Pa) und Alumminium (Al). Das Material
der strukturierten Schicht kann auch aus einem nicht-metallischen
Material sein, beispielsweise Zusammensetzungen mit Stickstoff wie
Zirkoniumnitrid (ZrN), Siliziumnitrid (SiN) und Siliziumkarbid (SiC).
Bevorzugt werden Aluminium, Wolfram und Nitrid-Zusammensetzungen
wie Siliziumnitrid (Si3N4)
und Silizium-reiche Nitride im Allgemeinen. Ein poröses Siliziumsubstrat
mit dem Navigations- und Fokusmuster kann produziert werden, indem
erst das Substrat mit dem Muster versehen wird und dann das Substrat
in HF-Lösung
geätzt wird.
Aber bevorzugt wird, das Substrat zu ätzen und die poröse Oberfläche mit
der strukturierten Schicht zu versehen. Ätzen der zusätzlichen
Muster wird dann vermieden, was eine breitere Auswahl von Materialien
für die
strukturierte Schicht erlaubt.
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Ein
REM wird in der Halbleiterindustrie als ein Element zur Kontrolle
der Qualität
des Lithografieprozesses und der Geräte dafür, um ein Maskenmuster auf
ein Substrat, oder eine Scheibe, die mit einer Photolackschicht
versehen ist, abzubilden, verwendet. Die in der Photolackschicht
gebildete Abbildung beschreibt die Oberflächengebiete des Substrats,
wo Änderungen
im Material ausgeführt
werden sollen. Ein Prozess zur Massenfertigung von Bauteilen umfasst
Bauteilestrukturdetails in mindestens einer Substratschicht des
Bauteilesubstrats, wobei der Prozess mindestens einen Satz der folgenden
aufeinanderfolgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen
eines Maskenmusters mit Strukturdetails, die den Bauteilestrukturdetails
entsprechen, die in der genannten Schicht konfiguriert werden sollen;
- – Abbilden
des Maskenmusters in eine Photolackschicht, mit der die Substrate
beschichtet sind und Entwickeln dieser Schicht, wobei dabei eine
strukturierte Schicht entsprechend dem Maskenmuster gebildet wird;
- – Entfernen
von Material oder Hinzufügen
von Material auf Gebieten der Sub stratschicht, wobei die Gebiete
durch das Muster der strukturierten Beschichtung beschrieben werden;
wobei
am Beginn der Herstellung einer Charge ein mit einer strukturierten
Beschichtung versehenes Substrat kontrolliert wird, indem Abbildungen
davon mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops angefertigt werden
und die Abbildungen analysiert werden, um die Abmessungen der strukturierten
Beschichtungsstrukturdetails zu kontrollieren.
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Wenn
die Abbildungsqualität
des Rasterelektronenmikroskops regelmäßig mit dem oben beschriebenen
Verfahren überprüft wird,
ist es sichergestellt, dass die Kontrolle zuverlässig ist. Das erlaubt, Abweichungen
oder Fehler, die in dem Lithografieprozess zur Herstellung von Bauteilen,
wie z.B. ICs, auftreten, in einer frühen Phase festzustellen, sodass
korrektive Maßnahmen
ergriffen werden können,
und die Ausbeute des Prozesses auf einem hohen Niveau zu halten.
Die Erfindung hat also einen Effekt auf den Prozess der Massenfertigung
von Schaltungsanordnungen, sodass ein derartiger Prozess als eine
Implementierung der Erfindung angesehen werden kann.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Rasterelektronenmikroskop,
dass mit Selbsttest-Einrichtungen versehen ist. Ein derartiges REM
kann nicht nur zur Inspektion in einem Lithografieprozess verwendet
werden, sondern auch für
Messungen und Inspektionen im Allgemeinen. 10 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
eines REMs. Das REM 10 umfasst eine evakuierte Umhüllung 11,
die eine Elektronenkanone 12, eine Steuerelektrode 13,
durch die ein Elektronenstrahl gebildet und beschleunigt wird, und
eine Anode 14 enthält. Der
(nicht gezeigte) Elektronenstrahl aus der Kanone passiert nacheinander
eine erste elektromagnetische fokussierende Linse 16, Ablenkplatten 17 und 18 und eine
zweite elektromagnetische fokussierende Linse 19 und fällt nachfolgend
auf eine zu untersuchende Probe 21 ein. Diese Probe ist
auf einem Objektträger oder
einem Objekttisch 23 angeordnet, der in x- und y-Richtung
beweglich ist. Wenn gewünscht,
können elektromagnetische
Ablenkspulen anstatt der Ablenkplatten 17 und 18 verwendet
werden, wobei die Spulen so angeordnet werden können, dass sie weniger Abbildungsfehler
als die Ablenkplatten erzeugen. Auf den Einfall der (primären) Elektronen
des Elektronenstrahls auf die Probe werden sekundäre Elektronen
aus dem Probenmaterial in Abhängigkeit von der
Struktur der Probe, d.h. ihrer Oberflächenstruktur oder anders, freigesetzt.
Die sekundären Elektronen
werden von einem Detektor 25 eingefangen, der den Fluss
einfallender sekundärer
Elektronen in ein Detektorsignal Sd umsetzt, das Informationen über die
Struktur der Probe umfasst. Das Signal Sd kann an eine Kathodenstrahlröhre (CRT) 26 geliefert
werden, um die Probenstruktur für
den Bediener sichtbar zu machen. Alternativ oder gleichzeitig kann das
Signal Sd an eine Verarbeitungseinheit oder einen Personal Computer 28 geliefert
werden. Dieser Computer ist mit einem dedizierten Programm oder Algorithmus
versehen, das erlaubt, relevante Informationen aus dem Signal Sd
zu extrahieren. Diese Information kann als relevantes Informationssignal
Si in Form eines Datenstroms oder eines CRT-Signals zum Drucken
beziehungsweise zur Visualisierung lokal oder remote ausgegeben
werden.
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Gemäß der Erfindung
ist der REM-Objekttisch mit einer Testprobe oder Testsubstrat 30 mit
einer porösen
Oberfläche
wie hier vorher beschrieben versehen, und der Computer ist mit einem
dedizierten Testanalyseprogramm zum Analysieren der von dem REM
von der Testprobe gemachten Abbildung versehen. Die Testprobe kann
klein sein, beispielsweise 1 × 1
cm2 und kann eine poröse Oberfläche mit einer mittleren Porengröße, die
in einer Richtung abnimmt, umfassen. Durch Positionierung der Testprobe
in dem Objektfeld der Abtastelektroneneinheit (12, 13, 14, 16, 17, 18, 19),
Abtasteten der Probe in Richtung der abnehmenden mittleren Porengröße und Analysieren
des Detektorsignals Sd, das so von dem Testanalyseprogramm erhalten
wird, wird ein Testsignal St erzielt, das Information über die
Leistung (die Auflösung)
des REMs umfasst. Auf diese Weise ist ein REM durch wirklich einfache
Mittel mit einer Selbsttestfähigkeit
erweitert.
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Das
Testsignal kann ein einen weiteren Prozessor 32 geliefert
werden, der aus dem Testsignal ein oder mehr Steuersignale für einen
oder mehr Stellantriebe bildet. Eine oder mehr Komponenten der Elektronen-rasternden
Vorrichtung können
durch das Steuersignal eingestellt werden, sodass die geforderte
REM-Leistungung erzielt wird. Auf diese Weise ist das REM mit Selbststeuerungsmöglichkeiten
erweitert, durch die eine gute Leistung über die Lebensdauer des REMs
hin aufrecht erhalten werden kann. Das Signal Sc und der Block 34 in 9 stellen
schematisch das/die genannte(n) Steuersignal oder – signale
und die Stellantriebe dar. Das in 9 gezeigte
REM ist ein Allzweck-REM, das für unterschiedliche
Messungen und Überprüfungen verwendet
werden kann.
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11 zeigt
schematisch eine andere Ausführungsform
eines REMs, wobei diese Ausführungsform
speziell zur Überprüfung von
IC-Scheiben mit größeren Durchmes sern,
zum Beispiel 30 cm, geeignet ist. Wenn eine Scheibe mit einem derartigen Durchmesser
horizontal platziert werden sollte, müsste die Größe der Vakuumkammer des REMs
erheblich zunehmen. Um die Größe des REMs
zu begrenzen, wird die Scheibe in Bezug auf die Achse des Elektronenstrahl
geneigt. In 11 bezeichnet Bezugszeichen 32 einen
Teil der Säule
des REMs. Eine Elektronenquelle (in 11 nicht
gezeigt) erzeugt einen Elektronenstrahl (den primären Strahl), der
entlang der optischen Achse 34 des REMs verläuft. Dieser
Elektronenstrahl kann eine oder mehr elektronische Linsen passieren,
wie z.B. eine Kondensatorlinse 36, um entgültig ein
Objektivlinse 38 zu erreichen. Diese Linse, in dieser Ausführungsform eine
Einpollinse, bildet einen Teil eines magnetischen Kreises, von dem
die Wand 40 der Proben-, oder Präparatkammer 42 auch
einen Teil bildet. Die Objektivlinse 38 bringt den primären Elektronenstrahl
zu einem Fokus mit einer Probe oder einem Objekt 48, die/das
geprüft
werden soll, und unter der Objektivlinse angeordnet abgetastet wird.
Das Abtasten des Objekts 48 wird durch Bewegen des primären Elektronenstrahls
in zwei zueinander senkrechten Richtungen mit Hilfe der Abtastspulen 44,
die in der Bohrung der Objektivlinse 38 untergebracht sind,
bewirkt. Das Objekt ist auf einen Objektträger 50 befestigt, der
einen Teil des Objekttisches 53 bildet. Der Objektträger kann
in zwei zueinander senkrechten Richtungen verschoben werden, sodass
eine geforderte Fläche
des Objekts zur Überprüfung ausgewählt werden
kann. Zusätzlich
dazu kann der Objektträger 50 relativ
zu dem Objekttisch 53 geneigt werden.
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Das
Abbilden wird dadurch bewirkt, dass Elektronen aus dem primären Strahl,
die auf das Objekt einfallen, sekundäre Elektronen von dem Objekt lösen, wobei
die sekundären
Elektronen sich in Richtung der Objektivlinse 38 ausbreiten.
Dieses sekundären
Elektronen werden von einem Detektor 46 erfasst, der in
der Bohrung dieser Linse untergebracht ist. Dieser Detektor ist
mit einer Verarbeitungseinheit (nicht gezeigt) verbunden, die den
Detektor anregt, die Detektorelektronen in ein Abbildungssignal
umzusetzen, das zur Bildung einer Abbildung des Objekts, zum Beispiel
mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre,
verwendet werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der Objektträger 48 mit
einer Testprobe 30 versehen und die Verarbeitungseinheit
mit einem Programm zum Verarbeiten der Detektorsignale, die beim
Abtasten der Probe 30 erzielten Signale versehen. Das erlaubt,
dass dieses REM mit Selbsttest- und einer Selbststeuerungsfähigkeit
in derselben Weise wie mit Bezug auf das REM von 10 beschrieben
erweitert ist.
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Ein
REM, das regelmäßig mit
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung überprüft wird, kann nicht nur in
einem Prozess zur Herstellung von ICs verwendet werden, sondern
auch in Prozessen zur Herstellung anderer Bauteile wie integrierter
und planarer optischer Systeme, Flüssigkristallanzeigetafeln, Dünnfilmmagnetköpfe usw..
Zudem kann ein derartiges REM und so die Erfindung außerhalb
dieses Herstellungsfeldes für
allgemeine Messungen und Überprüfungen feiner
Strukturen und Objekte verwendet werden.