DE69819159T2

DE69819159T2 - System zum detektieren von oberflächenanomalien und/oder -merkmalen

Info

Publication number: DE69819159T2
Application number: DE69819159T
Authority: DE
Inventors: Guoheng Zhao; Stanley Stokowski; Mehdi Vaez-Iravani
Original assignee: KLA Tencor Corp
Current assignee: KLA Corp
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: US20040036864A1; DE69819159D1; US20080002193A1; ATE252731T1; US7280199B2; JP2001512237A; EP1000346B1; WO1999006823A1; JP4616472B2; US20080218762A1; US6608676B1; EP1000346A1; US7869023B2; US20050036138A1; AU8765798A

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Oberflächenprüfsysteme und insbesondere ein verbessertes System zum Nachweis von Anomalien und/oder Merkmalen einer Oberfläche.
Die Notwendigkeit der Erfassung von Anomalien einer Oberfläche, wie z. B. denjenigen auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers, wurde mindestens seit den frühen 80er Jahren erkannt. In dem Artikel "Automatic Microcircuit and Wafer Inspection" (Automatische Prüfung von Mikroschaltkreisen und Wafern) in Electronics Test, Mai 1981, S. 60–70 offenbart beispielsweise Aaron D. Gara ein Waferprüfsystem, um festzustellen, ob Mikroschaltkreis-Chips verkehrt herum liegen oder nicht, und um Defekte zu erfassen. In diesem System wird ein Lichtstrahl von einem Laser durch einen Strahldehner und eine Zylinderlinse mit rechteckiger Öffnung bzw. Apertur geschickt, wobei die Linse den Strahl zu einer schmalen Laserlicht-Linie quer zur Einfallsebene des Strahls fokussiert, um die Waferoberfläche zu beleuchten. In dem Artikel wird angegeben, daß der kleinste Defekt, den das System sichtbar machen kann, weniger als 10 μm breit ist.
Die Größe der auf Siliciumwafern gefertigten Halbleiterbauelemente ist wesentlich verkleinert worden. Die Verkleinerung von Halbleiterbauelementen zu immer kleineren Abmessungen hat eine viel strengere Anforderung an die Empfindlichkeit von Waferprüfsystemen gestellt, von denen gefordert wird, Verunreinigungsteilchen und Strukturdefekte sowie Oberflächendefekte zu erfassen, die klein im Vergleich zur Größe der Halbleiterbauelemente sind. Zur Zeit der Einreichung dieser Patentanmeldung ist eine Entwurfsregel für Elemente bis hinab zu 0,2 μm oder weniger gefordert worden. Gleichzeitig ist wünschenswert, daß Waferprüfsysteme für einen ausreichenden Durchsatz sorgen, so daß diese Systeme für die unmittelbare Kontrolle zum Nachweis von Waferdefekten eingesetzt werden können. Ein Typ eines Oberflächenprüfsystems verwendet eine Abbildungsvorrichtung, die eine große Fläche beleuchtet, und Bilder von doppelten Oberflächenbereichen, wie z. B. einer Targetfläche und einer Bezugsfläche, die als Schablone dient, werden verglichen, um Unterschiede zwischen ihnen festzustellen. Diese Unterschiede können Oberflächenanomalien anzeigen. Ein derartiges System erfordert eine beträchtliche Zeit zum Abtasten der gesamten Oberfläche einer Photomaske oder eine Halbleiterwafers. Zu einem Beispiel eines solchen Systems siehe US-A-4 579 455.
US-A-4 898 471 von Stonestrom et al. zeigt einen anderen Ansatz. Der auf einer Waferoberfläche durch einen Abtaststrahl beleuchtete Bereich ist eine Ellipse, die sich entlang einer als Durchlauf bezeichneten Abtastlinie bewegt. In einem Beispiel hat die Ellipse eine Breite von 20 μm und eine Länge von 115 μm. Licht, das durch Strukturanomalien in einem solchen beleuchteten Bereich gestreut wird, wird durch Photodetektoren erfaßt, die unter Azimutwinkeln im Bereich von 80 bis 100° angeordnet sind, wobei ein Azimutwinkel eines Photodetektors als der Winkel zwischen der Richtung des Lichts, das durch den Photodetektor von der beleuchteten Fläche aufgefangen wird, und der Richtung des Beleuchtungsstrahls bei Betrachtung von oben definiert ist. Die durch die Photodetektoren von einem Bereich erfaßten Signale werden zur Konstruktion von Schablonen verwendet. Bei der Bewegung des elliptischen Lichtflecks entlang der Abtastlinie zu einem benachbarten Bereich wird wieder von den Strukturen innerhalb des Lichtflecks gestreutes Licht erfaßt, und das Photodetektorsignal wird dann mit der Schablone verglichen, um die Gegenwart von Verunreinigungsteilchen oder Strukturdefekten festzustellen. Während der Abtaststrahl rasterartig quer über die Oberfläche des Wafers geführt wird, wird der Wafer gleichzeitig durch einen mechanischen Tisch in einer Richtung senkrecht zur Durchlaufrichtung bewegt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die gesamte Oberfläche geprüft worden ist.
Das System von Stonestrom et al. arbeitet zwar gut bei der Prüfung von Wafern mit Halbleiterbauelementen, die mit gröberer Auflösung hergestellt werden, aber bei ständig abnehmender Größe der gefertigten Bauelemente ist es jetzt wünschenswert, ein verbessertes Prüfwerkzeug bereitzustellen, das zum Nachweis sehr kleiner Anomalien eingesetzt werden kann, die mit Hilfe des Stonestromschen Systems schwer nachweisbar sind.
Bei dem Waferprüfsystem, wobei ein Lichtstrahl einen zu prüfenden kleinen Oberflächenbereich beleuchtet, wie z. B. bei den oben beschriebenen Systemen von Stonestrom et al. und von Gara, beeinflußt die Größe des beleuchteten Flecks die Empfindlichkeit des Systems. Wenn der Fleck groß im Vergleich zur Größe der zu erfassenden Defekte ist, dann weist das System eine niedrige Empfindlichkeit auf, da die Hintergrund- oder Rauschsignale im Vergleich zu den Amplituden der Signale, die Anomalien innerhalb des Flecks anzeigen erhebliche Amplituden aufweisen können. Um immer kleinere Defekte nachzuweisen, ist es daher wünschenswert, die Größe des beleuchteten Bereichs auf der Waferoberfläche zu verkleinern.
Mit abnehmender Größe des beleuchteten Bereichs verringert sich jedoch gewöhnlich der Durchsatz. Außerdem stellt eine kleinere Fleckgröße eine viel strengere Anforderung an Justierungs- und Überdeckungsgenauigkeit. Wie oben diskutiert, ist es bei vielen Waferprüfsystemen üblich, einen Vergleich zwischen einem Targetbild und einem Bezugsbild auszuführen, um die Gegenwart von Anomalien festzustellen. Wenn der beleuchtete Bereich nicht der vorgesehene Targetbereich, sondern gegen den Targetbereich verschoben ist, kann der Vergleich falsche Zählungen ergeben und kann völlig bedeutungslos werden. Eine solche Verschiebung des Bildes gegenüber dem Targetbereich ist als Überdeckungsfehler bekannt.
Überdeckungsfehler können durch fehlerhafte Justierung der Beleuchtungsoptik, die auf viele Ursachen zurückzuführen ist, wie z. B. mechanische Schwingungen, sowie durch Positionsänderung des Wafers, wie z. B. Wölbung oder Neigung des Wafers oder andere Unregelmäßigkeiten der Waferoberfläche, verursacht werden. Aus diesem Grunde ist in US-A-5 530 550 von Nikoonahad et al. ein Waferpositioniersystem vorgeschlagen worden. In dieser Patentschrift schlagen Nikoonahad et al. vor, die Spiegelreflexion des Abtaststrahls und einen positionsempfindlichen Detektor zum Erfassen der Höhenänderung des Wafers zu verwenden und diese Information zur Positionsänderung des Wafers nutzen, um eine Höhenänderung oder eine Neigung der Waferoberfläche zu kompensieren.
Die oben beschriebenen Systeme sind zwar unter Umständen für einige Anwendungen zufriedenstellend, können aber für andere Anwendung kompliziert und kostspielig sein. Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Oberflächenprüfsystem mit verbesserter Empfindlichkeit und Leistung bei niedrigeren Kosten bereitzustellen, das für einen breiteren Anwendungsbereich eingesetzt werden kann.
US-A-5 585 916 beschreibt ein Oberflächenprüfgerät und -verfahren mit Verwendung von kollimiertem Laserlicht von einer Laserdiode. JP 09015163A (und die äquivalente US-A-5 748 305) sowie Gara DA, "Automatic Microcircuit and Wafer Inspection", Electronics Test, Bd. 4, Nr. 5, 1981, S. 60, 62, 66, 68, 70, offenbaren beide Oberflächenprüfgeräte, in denen eine Linie mit Hilfe einer Zylinderlinse senkrecht zur Einfallsebene eines Beleuchtungsstrahls auf die Oberfläche fokussiert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird in den unabhängigen Patentansprüchen dargelegt. Wir beschreiben ein Verfahren zum Nachweis von Anomalien und/oder Merkmalen einer Oberfläche, das aufweist: Fokussieren eines Strahlenbündels mit schrägem Einfallswinkel zur Beleuchtung einer Linie auf der Oberfläche, wobei der Strahl und eine durch den Strahl hindurchgehende und senkrecht zur Oberfläche stehende Richtung eine Einfallsebene des Strahls definieren, wobei die Linie im wesentlichen in der Einfallsebene des Strahls liegt; und Abbilden der Linie auf eine Detektorzeile, wobei jeder Detektor in der Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie erfaßt.
Wie beschreiben außerdem ein Verfahren zum Nachweis von Anomalien einer Oberfläche und/oder einem Oberflächenmerkmal, das aufweist: Fokussieren eines Strahlenbündels mit schrägem Einfallswinkel zur Beleuchtung einer Linie auf der Oberfläche, wobei der Strahl und eine durch den Strahl hindurchgehende und senkrecht zur Oberfläche stehende Richtung eine Einfallsebene des Strahls definieren, und Abbilden der Linie auf eine Detektorzeile außerhalb der Einfallsebene, wobei jeder Detektor in der Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie erfaßt.
Wir beschreiben ferner eine Vorrichtung zum Nachweis von Anomalien einer Oberfläche, die aufweist: eine Einrichtung zum Fokussieren eines Strahlenbündels mit schrägem Einfallswinkel zur Beleuchtung einer Linie auf der Oberfläche, wobei der Strahl und eine durch den Strahl hindurchgehende und senkrecht zur Oberfläche stehende Richtung eine Einfallsebene des Strahls definieren, wobei die Linie im wesentlichen in der Einfallsebene des Strahls liegt; mindestens eine Detektorzeile; und ein System, das die Linie auf die mindestens eine Detektorzeile abbildet, wobei jeder Detektor in der mindestens einen Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie erfaßt.
Wir beschreiben ferner eine Vorrichtung zum Nachweis von Anomalien einer Oberfläche und/oder eines Oberflächenmerkmals, die aufweist: eine Einrichtung zum Fokussieren eines Strahlenbündels mit schrägem Winkel zur Beleuchtung einer Linie auf der Oberfläche, wobei der Strahl und eine durch den Strahl hindurchgehende und senkrecht zur Oberfläche stehende Richtung eine Einfallsebene des Strahls definieren; mindestens eine Detektorzeile außerhalb der Einfallsebene; und ein System, das die Linie auf die mindestens eine Detektorzeile abbildet, wobei jeder Detektor in der mindestens einen Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie erfaßt.
Wir beschreiben ferner eine Vorrichtung zum Nachweis von Anomalien und/oder eines Oberflächenmerkmals auf einer ersten und einer zweiten Oberfläche eines Objekts, die aufweist: eine Einrichtung zum Fokussieren eines Strahlenbündels mit schrägem Einfallswinkel zur Beleuchtung einer Linie auf der ersten Oberfläche, wobei der Strahl und eine durch den Strahl hindurchgehende und senkrecht zur ersten Oberfläche stehende Richtung eine Einfallsebene des Strahls definieren, wobei die Linie im wesentlichen in der Einfallsebene des Strahls liegt; mindestens eine Detektorzeile; ein System, das die Linie auf die mindestens eine Detektorzeile abbildet, wobei jeder Detektor in der mindestens einen Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie erfaßt; und eine Einrichtung zum Nachweis von Anomalien und/oder einem Oberflächenmerkmal der zweiten Oberfläche.
Außerdem wird eine Vorrichtung zum Nachweis von Anomalien und/oder eines Oberflächenmerkmals auf einer ersten und einer zweiten Oberfläche eines Objekts beschrieben, die aufweist: eine Einrichtung zum Fokussieren eines Strahlenbündels mit schrägem Einfallswinkel zur Beleuchtung einer Linie auf der ersten Oberfläche, wobei der Strahl und eine durch den Strahl hindurchgehende und senkrecht zur ersten Oberfläche stehende Richtung eine Einfallsebene des Strahls definieren; eine Detektorzeile außerhalb der Einfallsebene; ein System, das die Linie auf die Detektorzeile abbildet, wobei jeder Detektor in der Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie erfaßt; und eine Einrichtung zum Nachweis von Anomalien und/oder einem Oberflächenmerkmal der zweiten Oberfläche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Oberflächenprüfsystems zur Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Draufsicht des Systems von 1.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Beleuchtungsabschnitts eines Oberflächenprüfsystems zur Erläuterung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Diagramm einer Punktverwaschungsfunktion zur Darstellung der Arbeitsweise der Systeme gemäß den 1 und 3.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Parallelzeile von ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD), die für die Erläuterung der Erfindung brauchbar ist.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtstrahls, der eine Linie auf einer Oberfläche beleuchtet, und entsprechende Positionen von Detektoren einer Zeile bezüglich eines Abbildungssystems entlang der Linie 6-6 in 2, um die Arbeitsweise des Systems gemäß den 1–3 als Reaktion auf eine Höhenänderung der geprüften Oberfläche zu erläutern.
7 zeigt eine schematische Darstellung der Abbildungsoptik, der CCD-Detektoren und eines zu prüfenden Abschnitts der zu prüfenden Oberfläche für das System gemäß 1, dargestellt entlang der Linie 7-7 in 2, um zur Veranschaulichung der Erfindung die Arbeitsweise des Systems gemäß den 1–3 als Reaktion auf eine Höhenänderung der Oberfläche zu erläutern.
8 zeigt eine schematische Darstellung der Erfassungs- und Abbildungsoptik in dem System gemäß 1.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Waferprüfsystems mit Verwendung eines Zylinderspiegels zur Erläuterung einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur Prüfung der oberen und unteren Oberflächen eines Objekts zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
11 zeigt eine perspektivische Ansicht des Beleuchtungsabschnitts eines Oberflächenprüfsystems zur Erläuterung einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Um die Beschreibung zu vereinfachen, werden identische Komponenten in dieser Patentanmeldung durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Oberflächenprüfsystems zur Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das System 10 weist ein zylinderförmiges Objektiv, wie z. B. eine Zylinderlinse 12, zum Fokussieren eines vorzugsweise kollimierten bzw. gebündelten Lichtstrahls 14 zu einem fokussierten Strahl 16 auf, um auf der zu prüfenden Oberfläche 18 einen Bereich in Form einer Linie 20 zu beleuchten. Der Strahl 14 und daher auch der fokussierte Strahl 16 werden unter einem schrägen Einfallswinkel auf die Oberfläche 18 gerichtet. Anders als bei dem oben beschriebenen Verfahren von Gara liegt die Linie 20 im wesentlichen in der Einfallsebene des fokussierten Strahls 16. In diesem Zusammenhang ist die Einfallsebene des Strahls 16 durch die gemeinsame Ebene definiert, die den Strahl 16 und eine Normalenrichtung, wie z. B. 22, zur Oberfläche 18 enthält und durch den Strahl 16 geht. Damit die beleuchtete Linie 20 in der Brennebene der Linse 12 liegt, ist die Zylinderlinse so ausgerichtet, daß ihre Hauptebene im wesentlichen parallel zur Oberfläche 18 ist. Das Bild der Linie wird durch ein Abbildungs-Teilsystem 30 auf eine Detektorzeile fokussiert, wie z. B. eine lineare CCD-Zeile 32. Die lineare Zeile 32 ist vorzugsweise parallel zur Linie 20.
In einer Ausführungsform, die besonders vorteilhaft zur Erfassung von Anomalien von kleiner Größe ist, weist das Abbildungs-Teilsystem 30 eine optische Achse 36 auf, die im wesentlichen senkrecht zur Linie 20 ist, so daß der Mittelabschnitt der linearen CCD-Zeile 32 in einer Ebene liegt, die im wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene des Strahls 16 ist. Die optische Achse 36 kann innerhalb dieser Ebene in jeder beliebigen Richtung orientiert sein, einschließlich einer Position direkt oberhalb der Linie 20. In einem solchen Fall würde auch die Zeile 32 direkt über der Linie 20 liegen. Nach Wunsch kann eine weitere Zeile 32', die in 2 durch gestrichelte Linien dargestellt ist, in einer Position angeordnet werden, die der Zeile 32 diametral gegenüber liegt, wobei die Zeile 32' eine optische Achse 36' aufweist, die gleichfalls im wesentlichen senkrecht zur Linie 20 ist. Die beiden Zeilen können zusammen verwendbar sein, um 45°-Linienmuster zu erfassen.
Das Abbildungs-Teilsystem 30 projiziert ein Bild eines Teils der Linie 20 auf einen entsprechenden Detektor in der CCD-Zeile 32, so daß jeder Detektor in der Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie 20 erfaßt. Die Länge der Linie 20 wird nur durch die Größe des gebündelten Eingangsstrahls 14 und die physikalische Apertur der Linse oder der Linsenkombination 12 begrenzt. Um die Länge der Linie 20 zu steuern, kann ein durch gestrichelte Linien dargestellter, wahlfreier Strahldehner 34 zur Steuerung des Durchmessers des Strahls 14 verwendet werden, um so die Länge der Linie 20 zu steuern.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beleuchtungsabschnitts eines Waferprüfsystems zur Erläuterung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Um das Diagramm zu vereinfachen, ist der Abschnitt des Systems zum Erfassen und Projizieren eines Bildes der beleuchteten Linie auf die Detektorzeile weggelassen worden. Statt einer einzelner symmetrischer Linse verwendet die Ausführungsform gemäß 3 zwei Zylinderlinsen 12' zur engeren Fokussierung, d. h. zum Fokussieren auf eine dünnere Linie. In 1 sind sowohl der Beleuchtungs- als auch der Erfassungsabschnitt des Systems 10 stationär, und die Oberfläche 18 wird um eine Spindel 50 gedreht, die außerdem entlang der Richtung 52 bewegt wird, so daß die Linie 20 die Oberfläche 18 auf einer Spiralbahn abtastet, um die gesamte Oberfläche zu überstreichen. Wie in 3 dargestellt, kann die zu prüfende Oberfläche 18' auch durch einen Koordinatentisch 54 bewegt werden, der die Oberfläche in X- und Y-Richtung bewegt, damit die Linie 20 die gesamte Oberfläche abtastet. Wieder bleiben die Beleuchtungs- und Erfassungsabschnitte des Systems 10' gemäß 3 stationär bzw. unbeweglich. Dies ist vorteilhaft, weil auf Grund der Tatsache, daß zwischen dem Beleuchtungsabschnitt und dem Erfassungsabschnitt des Systems im wesentlichen keine Relativbewegung auftritt, die optische Justierung im System vereinfacht wird.
4 zeigt eine graphische Darstellung der Punktverwaschungsfunktion der fokussierten Linie 20 in Fokussierungsrichtung entlang jedem Punkt der Linie. Wie in 4 dargestellt, hat die Punktverwaschungsfunktion der Linie 20 die Form einer Gauß-Kurve, wie z. B. eine Funktion, die bei Verwendung eines 488 nm-Argon-Lasers erzeugt wird. Die Linie 20 kann auch eine veränderliche Punktverwaschungsfunktion entlang der Linie 20 aufweisen, mit einem Maximum in der Mitte der Linie 20. Um die Veränderung der Intensität entlang der Linie zu vermeiden, kann es wünschenswert sein, den Strahl mit Hilfe eines Strahldehners 34 auf eine größere Länge zu dehnen, wie z. B. von 10 mm, und nur die Mitte oder den Mittelabschnitt der Linie zu verwenden, wie z. B. die mittleren 5 mm der Linie, so daß die Leistungsschwankung entlang dem abgebildeten Linienabschnitt unbedeutend ist. Mit Hilfe einer geeigneten Apertur in dem nachstehend beschriebenen Abbildungs-Teilsystem ist es möglich, den auf die Zeile abgebildeten Linienabschnitt zu steuern.
5 zeigt eine schematische Darstellung der linearen CCD-Zeile 32. Wie in 5 dargestellt, weist die Zeile 32 eine Abmessung d in einer zur Linie 20 parallelen Richtung auf, und W ist die Breite der Beleuchtungslinie. Mit anderen Worten, das Bild der Linie 20, das durch das Teilsystem 30 auf die Zeile 32 projiziert wird, hat die Breite W. Die Bildpunkt- bzw. Pixelgröße des Prüfsystems 10 wird durch die Rasterteilung p und die Pixelgröße der Detektoren in der Zeile 32 Richtung parallel zur Linie 20, oder d, bestimmt. Mit anderen Worten, die Pixelgröße ist gleich dp. Wenn man daher annimmt, daß der nutzbare Teil der auf die CCD-Zeile 32 projizierten Beleuchtungslinie eine Länge von 5 mm hat und die Breite W der Beleuchtungslinie 10 μm beträgt und die Zeile 32 500 Elemente aufweist, wobei d gleich 10 μm ist und der Rasterlinienabstand 5 μm beträgt, dann ist die effektive Pixelgröße auf dem Wafer gleich 5 μm × 10 μm, wobei angenommen wird, daß das Bild der Linie an der Detektorzeile die gleiche Länge wie die Linie aufweist. In der Praxis werden zur Vermeidung der Alias-Verzerrung mindestens zwei oder drei Proben in jeder Richtung (in Richtung der Linie 20 und senkrecht dazu) pro effektiver Lichtfleckgröße auf der Probenoberfläche genommen. Vorzugsweise werden Linsen von hinreichend hoher Qualität eingesetzt, wie z. B. hochwertige Kameralinsen, beispielsweise Linsen mit einem Gesichtsfeld von 5 mm, woraus sich ein Erfassungswinkel von 30° ergibt.
Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß das System 10 eine hohe Empfindlichkeit aufweist, da die effektive "Pixel"-Größe 5 × 10 μm beträgt, was viel kleiner ist als die Pixelgröße gemäß Stonestrom et al Auf Grund der Tatsache, daß anstelle eines einzigen beleuchteten Flecks wie bei Stonestrom et al. die ganze Pixelzeile auf der Oberfläche 18 gleichzeitig beleuchtet und erfaßt wird, weist das System 10 gleichzeitig auch einen akzeptierbaren Durchsatz auf. Wie oben festgestellt, wird die Länge der Linie 20 nur durch die Größe des gebündelten Strahls 14 und die physikalische Apertur der Linse oder Linsenkombination 12 begrenzt. Wenn man daher annimmt, daß der Tisch 54 eine Tischgeschwindigkeit von 10 Mikrometer pro 0,1 Millisekunde hat, kann bei einer Linienabtastgeschwindigkeit von 10 kHz die Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von 100 mm pro Sekunde abgetastet werden. Für eine Linie 20 von 5 mm wird dann die Waferoberfläche mit einer Geschwindigkeit von 5 cm²/s abgetastet.
Das System 10 ist außerdem robust und tolerant gegen Höhenschwankungen und eine Neigung der Oberfläche 18 und 18'. Dies wird in Bezug auf die 1, 2, 5–7 erläutert. 6 zeigt eine Schnittansicht eines Teils der Oberfläche 18 entlang der Linie 6-6 in 2, den fokussierten Strahl 16 und zwei Bilder der Zeile 32, wenn sich die Oberfläche 18 in zwei verschiedenen Höhen befindet. 7 zeigt eine Schnittansicht der CCD-Zeile 32, das Abbildungs-Teilsystem 30 und zwei Positionen eines Abschnitts der zu prüfenden Oberfläche 18 entlang der Linie 7-7 in 2.
Wie aus den 1, 2 und 6 erkennbar, projiziert das Abbildungs-Teilsystem 30 auch ein Bild der CCD-Zeile 32 auf die Oberfläche 18, welches das Bild der Linie 20 überlappt. Dies ist in 6 dargestellt. Wenn daher die Oberfläche 18 sich in der Position 18A befindet, dann projiziert das Abbildungs-Teilsystem 30 ein Bild 32a der Detektorzeile auf die Oberfläche 18A, wie in 6 dargestellt. Wenn aber die Höhe der Oberfläche größer ist, so daß sich die Oberfläche statt dessen bei 18B befindet, dann projiziert das Abbildungs-Teilsystem ein Bild der Detektorzeile auf die Position 32B. Die längere Dimension des Strahls 16 ist so gewählt, daß er beide Bilder 32A und 32B der Zeile ausleuchtet.
Aus 6 ist klar ersichtlich, daß das Bild eines bestimmten Detektors in der Zeile auf den gleichen Abschnitt der Oberfläche 18 projiziert wird, ungeachtet der Höhe der Oberfläche. So wird z. B. das Abbildungs-Teilsystem 30 den ersten Detektor in der Zeile 32 auf die Position 32A (1) auf der Oberfläche 18A projizieren, aber auf die Position 32B (1) in der Position 18B der Oberfläche, wie in 6 dargestellt. Die beiden Bilder liegen übereinander, so daß zwischen ihnen keine seitliche Verschiebung auftritt. In der umgekehrten Abbildungsrichtung wird ein Bild des gleichen Abschnitts der Oberfläche 18 und daher der Linie 20 auf zwei verschiedene Positionen auf der Zeile 32 fokussiert, aber die beiden Positionen werden nur in vertikaler Richtung verschoben, nicht in Querrichtung. Wenn daher die Detektoren beide Positionen überstreichen, dann hat die Veränderung der Höhe zwischen 18A, 18B der Oberfläche keine Auswirkung auf die Erfassung durch die Zeile 32, und das System 10, 10' ist tolerant gegen vertikale Höhenschwankungen der geprüften Oberfläche.
Eine Möglichkeit, um sicherzustellen, daß die Zeile 32 die Bilder der Linie 20 auf der Oberfläche 18 in beiden Positionen 18A, 18B überstreicht, besteht darin, Detektoren in einer Zeile 32 so zu wählen, daß die Abmessung der Detektoren in der vertikalen Richtung lang genug ist, um eine solche Positionsänderung der Oberfläche zu überstreichen, so daß verschiedene Positionen eines Abschnitts der Linie 20 durch das Teilsystem 30 auf den Detektor und nicht auf einen Punkt außerhalb des Detektors fokussiert werden. Mit anderen Worten, wenn die vertikale Abmessung des Detektors so gewählt wird, daß sie größer ist als die erwartete Höhenänderung des Bildes der Linie, die durch Höhenänderung der Waferoberfläche verursacht wird, dann beeinflußt die Änderung der Waferhöhe nicht die Erfassung. Dies ist ausführlicher in 7 dargestellt.
Wie in 7 gezeigt, ist die Pixelhöhe (die Abmessung senkrecht zur optischen Achse und zur Linie 20) der Zeile 32 größer als die Positionsänderung des Bildes der Linie 20, die durch eine Höhenänderung der Waferoberfläche verursacht wird, so daß die Abbildungsoptik des Teilsystems 30 den gleichen Abschnitt der Oberfläche und der Linie auf der Waferoberfläche auf den gleichen Detektor projiziert. Wenn alternativ die Pixelhöhe der CCD-Zeile 32 kleiner als die erwartete Positionsänderung des Bildes der Linie 20 infolge der Höhenänderung der Waferoberfläche ist, können mehrere CCD-Zeilen verwendet werden, die in einer zweidimensionalen Matrix übereinander angeordnet sind, so daß die Gesamthöhe der mehreren Zeilen in vertikaler Richtung größer ist als die erwartete Höhenänderung des Bildes der Linie 20. Wenn diese Gesamthöhe größer als die erwarete Bewegung des Linienbildes in vertikaler Richtung ist, dann wird eine solche zweidimensionale Matrix trotz der Höhenschwankungen der Waferoberfläche für die Erfassung der Linie ausreichend sein. Die durch die Detektoren in der gleichen vertikalen Spalte aufgezeichneten Signale können einfach addiert werden, um das Signal für einen entsprechenden Abschnitt der Linie 20 zu ergeben.
Auch wenn die Höhe oder vertikale Abmessung der Matrix 32 kleiner ist als die erwartete Höhenänderung der Waferoberfläche, kann die Abbildungsoptik des Teilsystems 30 so konstruiert werden, daß die Änderung der Höhe oder der vertikalen Abmessung des auf die CCD-Matrix projizierten Bildes der Linie 20 innerhalb der Höhe der CCD-Matrix liegt. Diese und weitere Varianten liegen innerhalb des Umfangs der Erfindung. Damit das System 10 und 10' tolerant gegen eine Höhenänderung des Wafers ist, ist daher das Bild der Linie an der Matrix 32 länger als die Matrix, und das Ausmaß der Höhenänderungen des Bildes der Linie 20 auf der Detektoranordnung ist so beschaffen, daß das projizierte Bild immer noch auf die Detektormatrix fällt.
Falls in der Anordnung 32 eine zweidimensionale Detektormatrix verwendet wird, kann auch eine zeitlich verzögerte Integration ausgeführt werden, um das Signal-Rausch- oder Signal-Hintergrund-Verhältnis zu verbessern, wobei die Verschiebung der Signale zwischen benachbarten Detektorzeilen mit der rasterartigen Führung der Linie 20 quer über die Oberfläche 18 synchronisiert wird.
8 zeigt eine schematische Darstellung, die ausführlicher das Abbildungs-Teilsystem 30 gemäß den 1 und 2 darstellt. Das Teilsystem 30 weist vorzugsweise zwei identische Linsen auf: die Linse 102 zum Auffangen des Lichts von der Linie 20 und zur Durchführung einer Fourier-Transformation, und die Linse 104 zur Abbildung der Linie auf die Zeile 32. Die beiden Linsen 102, 104 sind vorzugsweise identisch, um die Aberration zu minimieren. In der Position 106, wo die Linie 20, die Position 106 und die Zeile 32 in Brennpunkten der beiden Linsen 102, 104 liegen, die jeweils eine Brennweite f aufweisen, kann ein Filter und Polarisator verwendet werden. Auf diese Weise angeordnet, minimiert das Teilsystem 30 die Aberration. Wie oben festgestellt, kann in einer Reihe von Positionen im Teilsystem 30 auch eine veränderliche Apertur angewandt werden, um durch Steuerung der Aperturgröße den Abschnitt der Linie 20 zu steuern, der auf die Zeile 32 fokussiert wird.
Anstelle der Verwendung einer Zylinderlinse 12, wie in den 1 und 2 dargestellt, kann ein Zylinderspiegel benutzt werden, wie in 9 dargestellt. Damit die Linie 20 in der Brennebene des Zylinderspiegels 112 liegt, sollte der Spiegel so ausgerichtet sein, daß die Ebene 112', die durch die Ränder 112a, 112b des Spiegels definiert wird und diese verbindet, im wesentlichen parallel zu der geprüften Oberfläche 18 ist. Im allgemeinen kann jedes zylindrische Objektiv verwendet werden, das den Effekt hat, einen Strahl 14 auf eine fokussierte Linie auf der Oberfläche 18 zu fokussieren, wobei die Fokussierleistung nur in der Richtung angewandt wird, die im wesentlichen senkrecht zu der Einfallsebene ist, die durch den Brennpunktstrahl 16 und eine Normale 22 zu der durch den Strahl gehenden Oberfläche 18 definiert ist.
Ein alternatives Verfahren zur Erzeugung eines Strich- bzw. Linienfokus auf der Probe ist die Verwendung einer Zylinderlinse auf die herkömmliche Weise, d. h. mit ihrer Hauptebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 14, und die Anordnung eines Beugungsgitters 252 unmittelbar hinter der Linse. Der Gitterabstand ist so gewählt, daß der Hauptbeugungswinkel mit dem gewünschten Beleuchtungswinkelbereich übereinstimmt. Die Linse und das Gitter werden parallel zueinander und zur Probenoberfläche 18 gehalten. Die Struktur der Gitterlinien (oder -furchen) ist senkrecht zur Richtung der fokussierten Linie. Das Gitter hat daher nur die Auswirkung, daß es das Licht entlang dem gewünschten Einfallswinkel umlenkt. Obwohl eine Vielzahl verschiedener Gittertypen eingesetzt werden können, wird die Verwendung eines holographischen Gittertyps wegen seines verbesserten Wirkungsgrades bevorzugt.
Durch Anordnen der Zeile 32 außerhalb der Einfallsebene des Strahls 16 in einer Doppeldunkelfeld-Konfiguration wird das Signal-Rausch- oder Signal-Hintergrund-Verhältnis gegenüber älteren Konstruktionen verbessert. In einer Doppeldunkelfeld-Kollektorkonfiguration ist die optische Achse des Kollektors in dem Teilsystem senkrecht zur optischen Achse der Beleuchtung, und der Kollektor liegt außerhalb der Einfallsebene. In einigen Anwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, die Zeile in der Einfallsebene anzuordnen. Vorzugsweise hat der Strahl 16 einen Winkel im Bereich von etwa 45 bis 85 Grad zur Normalenrichtung an die Oberfläche 18. Zusätzlich zum Nachweis von Anomalien kann die Erfindung auch zur Erfassung anderer Oberflächenmerkmale genutzt werden, wie z. B. von Markierungen.
Die vorstehend beschriebene Erfindung kann verwendet werden, um einen realisierbaren alternativen Mechanismus zur Prüfung von rauhen Schichten, strukturierten oder nicht strukturierten Halbleiterwafern und der Rückseiten von Wafern sowie von Photomasken, Zwischenmasken, Flüssigkristall-Displays oder anderen Flachbildschirmen bereitzustellen. Das erfindungsgemäße System ist kompakt, weist eine einfache Architektur auf und bietet eine relativ kostengünstige Alternative für die Prüfung von strukturierten Wafern. Ferner kann das erfindungsgemäße System wegen seiner niedrigen Kosten auch vorteilhaft in Verbindung mit einem anderen Oberflächenprüfsystem zur Prüfung von zwei verschiedenen Oberflächen eines Objekts eingesetzt werden, wie in 10 dargestellt. So kann, wie in 10 gezeigt, ein System 200 ein Vorderseiten-Prüfsystem 202 zur Prüfung der Vorderseite 204a des Halbleiterwafers 204 und ein System 206 (das dem System in den 1, 2 oder 3 ähnlich sein kann) zur Prüfung der Rückseite 204b des Wafers aufweisen. Wenn, wie in der oben beschriebenen Erfindung, die Beleuchtungs- und Lichtsammelabschnitte des Systems unbeweglich bleiben und die Oberfläche 204b durch Bewegen der Oberfläche geprüft wird, dann brauchen die beiden Systeme 202, 206 nicht synchronisiert zu werden. Das System 202 kann ein System wie z. B. das oben anhand der 1-3 beschriebene einschließen oder kann eines von vielen verschiedenen Arten von Anomalie- und Oberflächenmerkmal-Prüfsystemen sein. Alle derartigen Varianten liegen innerhalb des Umfangs der Erfindung.
Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden, aber man wird erkennen, daß Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Nachweis von Anomalien und/oder Merkmalen einer Oberfläche (18), das aufweist: Bereitstellen eines Strahlenbündels (16) mit schrägem Einfallswinkel zur Beleuchtung einer Linie auf der Oberfläche, wobei der Strahl und eine durch den Strahl hindurchgehende und senkrecht zur Oberfläche stehende Richtung eine Einfallsebene des Strahls definieren, wobei die Linie im wesentlichen in der Einfallsebene des Strahls liegt; und Abbilden der Linie auf eine Detektorzeile (32), wobei jeder Detektor in der Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie erfaßt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß ein fokussiertes Strahlenbündel bereitgestellt wird, das zu einer Linie (20) auf der Oberfläche fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bereitstellung die Fokussierung des Strahls zu einer dünnen Linie auf der Oberfläche einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strahl so beschaffen ist, daß ein Bild der Linie auf der Zeile länger als die Zeile ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch die Abbildung der Mittelteil der Linie auf die Zeile abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bereitstellung so erfolgt, daß das Strahlenbündel im wesentlichen nur in einer zur Einfallsebene senkrechten Richtung fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Fokussierung den Durchgang eines Strahlenbündels durch eine Zylinderlinse (12) oder zu einem Zylinderspiegel (112) einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Steuerung eines Querschnittsmaßes des Strahlenbündels und des schrägen Einfallswinkels zur Auswahl der Länge der beleuchteten Linie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Steuerung das Aufweiten eines Strahlenbündels aufweist, so daß der Strahl nach der Aufweitung einen gewünschten Durchmesser hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Linie durch die Abbildung entlang einer Achse fokussiert wird, die im wesentlichen senkrecht zu der Linie steht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abbildung eine veränderliche Blende verwendet, wobei das Verfahren ferner eine Steuerung der Öffnung der veränderlichen Blende als Reaktion auf die Rauhigkeit der Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner eine Relativbewegung zwischen der Oberfläche und dem Strahl veranlaßt, so daß die Oberfläche durch die Linie abgetastet wird, um Anomalien und/oder ein Oberflächenmerkmal zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei durch die veranlaßte Relativbewegung die Oberfläche bewegt wird und der Strahl und die Zeile im wesentlichen unbeweglich bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der schräge Winkel in einem Bereich von 45 bis 85° zu einer Normalenrichtung der Oberfläche liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abbildung ein Objektiv verwendet, und wobei die Linie in einer Brennebene des Objektivs liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Ausführung einer zeitverzögerten Integration an der Detektorzeile aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Linie durch die Abbildung auf eine Detektorzeile außerhalb der Einfallsebene abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zeile kürzer ist als ein Bild der Linie, das durch die Abbildung an der Zeile entsteht, wobei durch die Abbildung ein Mittelteil der Linie auf die Zeile abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch die Abbildung veranlaßt wird, daß trotz Änderungen der vertikalen Lage der Oberfläche ein Bild der Linie auf die Detektorzeile auffällt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fokussierung den Durchgang eines Strahlenbündels durch eine Zylinderlinse (12) einschließt, die eine Hauptebene aufweist, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fokussierung den Durchgang eines Strahlenbündels zu einem Zylinderspiegel (112) einschließt, der zwei im wesentlichen gerade Kanten aufweist, wobei eine durch die beiden Kanten definierte Ebene im wesentlichen parallel zur Oberfläche liegt.
Vorrichtung zum Nachweis von Anomalien einer Oberfläche (18), die aufweist: eine Optik, die ein Strahlenbündel (16) mit schrägem Einfallswinkel zur Beleuchtung einer Linie auf der Oberfläche liefert, wobei der Strahl und eine durch den Strahl hindurchgehende und senkrecht zur Oberfläche stehende Richtung eine Einfallsebene des Strahls definieren, wobei die Linie im wesentlichen in der Einfallsebene des Strahls liegt; mindestens eine Detektorzeile (32); und ein System, das die Linie auf die mindestens eine Detektorzeile abbildet, wobei jeder Detektor in der mindestens einen Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie erfaßt; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Optik den Strahl zu der Linie (20) fokussiert.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Optik den Strahl zu einer dünnen Linie auf der Oberfläche fokussiert.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei ein durch das System auf der Zeile erzeugtes Bild der Linie länger als die Zeile ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das System einen Mittelteil der Linie auf die Zeile abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Optik den Strahl im wesentlichen nur in einer zur Einfallsebene senkrechten Richtung fokussiert.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Optik eine Zylinderlinse (12) oder einen Zylinderspiegel (112) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Optik eine Zylinderlinse mit einer Hauptebene enthält, die im wesentlichen parallel zu der Oberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Optik ein auf die Optik gerichtetes einfallendes Strahlenbündel fokussiert, wobei der einfallende Strahl im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche und zur Linse steht, wobei die Optik ferner ein Beugungsgitter (252) zum Umleiten der Strahlung von der Linse zur Oberfläche unter einem schrägen Winkel zur Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Optik ein auf die Optik gerichtetes einfallendes Strahlenbündel fokussiert, wobei der einfallende Strahl eine zur Oberfläche und zur Hauptebene der Linse schräge Richtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Optik einen Zylinderspiegel (112) mit zwei im wesentlichen geraden Kanten aufweist, wobei eine durch die beiden Kanten definierte Ebene im wesentlichen parallel zur Oberfläche liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, die ferner eine Strahldehner (34) aufweist, der das Strahlenbündel vor dem Fokussieren durch die Fokussiereinrichtung aufweitet.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die mindestens eine Detektorzeile außerhalb der Einfallsebene liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das System eine zu der Linie im wesentlichen senkrechte optische Achse aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das System eine veränderliche Blende zur Veränderung eines Sammelwinkels des Systems einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, die ferner eine Einrichtung aufweist, die eine Relativbewegung zwischen der Oberfläche und dem Strahl herbeiführt, so daß die Linie die Oberfläche abtastet, um Anomalien und/oder ein Oberflächenmerkmal zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei die mindestens eine Detektorzeile im wesentlichen unbeweglich bezüglich des Strahls ist, wenn die Relativbewegung zwischen der Oberfläche und dem Strahl herbeigeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der schräge Winkel in einem Bereich von 45 bis 85° zur Normalenrichtung der Oberfläche liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die mindestens eine Detektorzeile eine lineare Zeile ist, die im wesentlichen parallel zu der Linie ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das System eine Linseneinrichtung mit einer Fourier-Ebene aufweist, wobei die Vorrichtung ferner ein Filter und einen Polarisator aufweist, die im wesentlichen in der Fourier-Ebene liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die mindestens eine Zeile kürzer als ein Bild der Linie ist, das durch das System auf der Zeile erzeugt wird, wobei das System einen Mittelteil der Linie auf die Zeile abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei eine Abmessung der Zeile in einer Richtung quer zu der fokussierten Linie und/oder die Abbildung durch das System dazu führen, daß trotz Änderungen der vertikalen Lage der Oberfläche ein Bild der Linie auf die Detektorzeile auffällt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei eine Abmessung der Zeile in einer Richtung quer zur Linie so gewählt ist, daß trotz Änderungen der vertikalen Lage der Oberfläche ein Bild der Linie auf die Detektorzeile auffällt.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei das System veranlaßt, daß trotz Änderungen der vertikalen Lage der Oberfläche ein Bild der Linie auf die Detektorzeile auffällt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die mindestens eine Detektorzeile direkt oberhalb der Linie (20) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, die ferner eine zweite Detektorzeile (32') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei sich die zweite Zeile in einer der mindestens einen Zeile (32) entgegengesetzten Position befindet.
Vorrichtung zum Nachweis von Anomalien und/oder eines Oberflächenmerkmals auf einer ersten und einer zweiten Oberfläche eines Objekts, wobei die Vorrichtung aufweist: ein Optik, die ein Strahlenbündel (16) mit schrägem Einfallswinkel zur Beleuchtung einer Linie auf der ersten Oberfläche liefert, wobei der Strahl und eine durch den Strahl hindurchgehende und zur ersten Oberfläche senkrecht stehende Richtung eine Einfallsebene des Strahls definieren, wobei die Linie im wesentlichen in der Einfallsebene des Strahls liegt; mindestens eine Detektorzeile (32); ein System, das die Linie auf die mindestens eine Detektorzeile abbildet, wobei jeder Detektor in der mindestens einen Zeile Licht von einem entsprechenden Abschnitt der Linie erfaßt; und eine zweiten Detektor, der Anomalien und/oder ein Oberflächenmerkmal der zweiten Oberfläche erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik den Strahl zu einer fokussierten Linie (20) auf der Oberfläche fokussiert.
Vorrichtung nach Anspruch 47, wobei die erste und die zweite Oberfläche gegenüberliegende Seiten des Objekts sind.
Vorrichtung nach Anspruch 47, wobei die Detektorzeile außerhalb der Einfallsebene liegt.