EP0904558A2 - Konfokale mikroskopische anordnung - Google Patents

Konfokale mikroskopische anordnung

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EP0904558A2
EP0904558A2 EP98912431A EP98912431A EP0904558A2 EP 0904558 A2 EP0904558 A2 EP 0904558A2 EP 98912431 A EP98912431 A EP 98912431A EP 98912431 A EP98912431 A EP 98912431A EP 0904558 A2 EP0904558 A2 EP 0904558A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
confocal microscopic
detection
microscopic arrangement
confocal
illuminated
Prior art date
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Ceased
Application number
EP98912431A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas SCHERÜBL
Norbert Czarnetzki
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Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
Original Assignee
VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Carl Zeiss Jena GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by VEB Carl Zeiss Jena GmbH, Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical VEB Carl Zeiss Jena GmbH
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    • G02B21/006—Optical details of the image generation focusing arrangements; selection of the plane to be imaged
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Definitions

  • the illuminating light is split longitudinally spectrally and focused on an object, with each focus point corresponding to a certain wavelength.
  • the light reflected from the object reaches a dispersive element via a beam splitter and is focused by this onto a photodiode array.
  • the strongest signal is determined by reading the photodiode array and related to the object surface.
  • US Pat. No. 4,965,441 describes a scanning, ie point-by-point confocal arrangement with increased depth resolution, dispersive elements being arranged in the evaluation beam path for wavelength separation.
  • WO 92/01965 describes an arrangement for simultaneous image generation with a moving pinhole in the illumination beam path, the objective having a high chromatic aberration and the arrangement being intended to be used as a profile sensor.
  • WO 95/00871 also describes an arrangement with a moving pinhole and a focusing element with axial chromatism, wherein in
  • a system for generating a color height image is also implemented, for example, with the CSM additive for the applicant's axiotron microscope.
  • the height profile is inspected by visual evaluation of the color image.
  • a special application is wafer inspection, i.e. the detection of defects on wafers (e.g. particles on top, irregularities in the structure). Defects become visible as areas with different colors. In this way, height differences ⁇ 0.1 ⁇ m can be differentiated in color.
  • the accessible height range, the color spread, depends on the lens used and is, for example, 4 ⁇ m for a 50x lens.
  • the detection of a defect size of 0.1 ⁇ m is considered necessary.
  • the minimum detectable defect size is determined by the resolution, the inspection speed by the computer capacity.
  • Considerable electronic computational effort has to be made to process the information at the appropriate speed. If, for example, a wafer with a diameter of 300 mm is scanned with a 0.3 ⁇ m grid, a total of 10 12 pixels must be processed with digital image processing.
  • the object of the invention is to enable a rapid yet highly accurate detection of wafer defects.
  • the method of integral spectral decomposition and analysis of the color image information shown has the advantage that defects whose height expansion is less than 0.1 ⁇ m can be detected.
  • optical preprocessing by means of spectral decomposition also enables faster processing of the present height profile, since the height profile of the entire image field is compressed in the spectrum.
  • An arrangement according to the invention can also be used to implement a highly precise autofocus, which will be discussed in more detail below.
  • Fig. 1 The measuring and evaluation principle according to the invention
  • Fig. 2 Different height profiles and corresponding color - height spectra.
  • Fig. 3 The shift of a spectral line due to a height difference
  • Spectrometer entry slit Fig. 5 A first version with cross-section converter Fig. 6: A second version with cross-section converter Fig. 7: A version with a color camera for image evaluation Fig. 8: A version with several lasers of different wavelengths Fig. 9: Spectra for different height profiles Focusing on two levels with laser wavelengths 11 and 12 Table 1: Color spreads for different lenses 1 with a light source 1, which can be a white light source, but can also consist of several lasers of different wavelengths or multi-line lasers, collector lens 2
  • the hole pattern 5 is preferably a rotating one
  • the grid arrangement is moved appropriately for scanning the image and generates a parallel confocal image.
  • a targeted longitudinal color error is introduced into the beam path in such a way that after the beam has passed through the color corrected one
  • Height information is optically coded by a corresponding color representation.
  • a dispersive element 9 which can be, for example, a prism or holographic grating on a diode row or
  • CCD - line 10 shown, which is connected to an evaluation and processing unit 14.
  • the color-coded height profiles are thus broken down into an equivalent color spectrum. This is shown in Fig. 2 a - d.
  • the spectral positions of the maxima correspond to the corresponding contour lines, while the number of
  • the object is located on an xy shift table, not shown, and is scanned either in a continuous movement or in a step-and-go procedure.
  • Height information about the location on object 0 is given.
  • the height setting in the z direction is controlled by an autofocus system or by a special height control algorithm described below.
  • 2 a - d shows a height profile H and a defect point F to be detected as well as the spectrum S AD corresponding to the profile and measured on the receiver 10 and the difference spectra S AB.A-C, AD formed during the evaluation.
  • Two adjacent spectra are recorded and subtracted from one another, as shown schematically in FIG. 2.
  • a routine for example peak search routine, as is usually used in optical spectroscopy, the maxima in the difference spectrum are determined which are above a predetermined noise level. If such maxima are present, there is a defect in the area examined.
  • the position and the corresponding spectra or the reference spectrum are saved.
  • the spectra are evaluated in more detail later in a classification unit, since the position and half-width range contain further information about the type of defects that are used for a defect classification. 2.
  • the comparison of spectra is carried out as described under 1., but an ideal stored spectrum is used as the comparison spectrum.
  • this height control is necessary, since a difference in height leads to a shift of the spectra to one another.
  • this height control can be carried out with a conventional autofocus system or with the height control algorithm described below, which uses the spectral height information.
  • spectral deviation ⁇ from a wavelength ⁇ o which corresponds to a height deviation ⁇ z, is shown schematically.
  • the height of the object to be examined relative to the imaging optics is determined by a suitable z setting, e.g. B. z-table chosen so that a certain spectral line corresponds to a certain height level of the object.
  • This line ⁇ 0 target maximum
  • ⁇ 0 target maximum
  • the Z table position is readjusted using an adjusting element, preferably a piezo adjusting element. If the deviation is less than this previously defined value, the entire spectrum is shifted accordingly by electronic means and then one of the defect detection algorithms described above is carried out.
  • the above-mentioned method for height control is suitable - advantageously as an autofocus method for a confocal microscope.
  • the advantages of confocal microscopy are known to be that a defined object plane, the focal plane, is worked out in the image. The confocal principle suppresses the optical image from another level. Therefore, only the focus plane is visible in the image.
  • a certain wafer level can be focused using the confocal principle. All other layers appear dark in this image. In applications in which only a certain level is to be examined, the confocal method is therefore advantageous. This simplifies digital image processing for defect detection.
  • confocal microscopy for the analysis of special levels, for example a wafer, requires a highly accurate autofocus system that focuses precisely on the level of interest.
  • Usual autofocus methods (such as the triangulation method) only measure the altitude of a certain object point. Depending on the structure at hand, this does not necessarily focus on the level of interest. Averaging processes over several object points also focus only on any plane.
  • the present invention permits the recording of a height histogram, ie the height distribution over a specific object area, by means of the spectral analysis. An evaluation of this distribution according to the height control algorithm given above then enables focusing on a specific plane, which corresponds, for example, to the wavelength ⁇ 0 in FIG. 3.
  • a microscope objective 7 with a tube lens (not shown) generates an intermediate image Z, which lies in the plane of the pinhole arrangement 5.
  • This intermediate image is imaged, for example, on the camera output KA of the microscope with the aid of imaging optics 9.
  • a diode array spectrometer which consists of a grating 12, here a holographic grating, a diode row 13 and an evaluation unit 14, consisting here of memory, display unit and comparator.
  • the object is scanned by a step-and-go mode with an xy- table, not shown.
  • Known interferometric displacement measuring systems are provided for detecting the table position, for example, the control and detection of the table position in the x, y and Z direction being coupled to the spectral evaluation by a connection to the evaluation unit 14. In this embodiment, therefore, only a part of the intermediate image field is transferred to the spectrometer.
  • the evaluation or defect detection takes place in the evaluation unit by means of a comparison with a stored ideal height professional (die-to-database comparison) or with one or more previous height profiles (die-to-die comparison) in accordance with the defect detection algorithm shown above with the height control algorithm shown.
  • part of the intermediate image field imaged on the camera output KA is mapped with a disordered glass fiber bundle 15, which serves as a cross-sectional converter, in a diode array spectrometer consisting of a grating 13, a diode array 13 and an evaluation unit 14, by the fibers are arranged in the intermediate image plane as a light entrance bundle and in front of the entrance slit 11.
  • a larger area of the intermediate image field can be spectrally analyzed at the same time.
  • an anamorphic (cylinder-optical) cross-sectional converter 16 is used to image the intermediate image in the spectrometer slit 11 in a further advantageous embodiment according to FIG. 6, ie the imaging scales in the slit direction and perpendicular to the slit direction are different.
  • This embodiment has the advantage that the entire intermediate image field or a larger part of it can be spectrally analyzed.
  • the evaluation and defect detection as well as the raster movement and z control - are carried out as already described.
  • a camera K which is mounted on the camera output KA of the microscope, is used for the spectral analysis of the entire intermediate image.
  • the analysis is carried out pixel by pixel by comparing the gray values, when using a color camera by pixel-by-pixel color comparison.
  • the gray values or colors are counted pixel by pixel and displayed spectrally according to color or gray value in a histogram.
  • the spectral color information can also be obtained by using two black and white cameras in combination with different filters, as described in WO 95/00871 and SCANNING, Vol. 14, 1992, pp. 145-153.
  • the height control is carried out by an autofocus system, preferably by the autofocus method shown above, and the defect detection by the defect detection algorithm shown.
  • FIG. 8 shows a further embodiment, the white light source being replaced by illumination with 3 differently colored lasers L1-L3.
  • the white light source being replaced by illumination with 3 differently colored lasers L1-L3.
  • different image planes can now be highlighted.
  • the resulting spectrum consists only of the lines of the laser wavelengths ⁇ i, ⁇ 2 and ⁇ 3 used .
  • the integral number of events of the respective lines is proportional to the area share of the corresponding focus level. If there are defects in this plane, the number of photons detected decreases accordingly, as shown schematically in FIG. 9 for two wavelengths.
  • Defects therefore only manifest themselves in the integral number of detected events, but not, as in the embodiments with a white light source, also in different wavelengths.
  • the cross-sectional converters shown in the described embodiments are used as cross-sectional converters 14.
  • the anamorphic figure 16 is shown.
  • the specified defect detection algorithm is simplified. After subtracting the spectra only in the range of laser wavelengths used events are counted above a noise threshold. The number of these events is then proportional to the area share of the defect on the corresponding contour line.
  • Table 1 shows the typical color spreads for different lenses.

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Abstract

Mittels konfokaler mikroskopischer Anordnung, mit rasterförmiger Beleuchtung eines Objektes (5), Mitteln zur Erzeugung einer ersten wellenlängenselektiven (z.B. chromatischer Farblangsfehler) Aufspaltung des Beleuchtungslichtes (6) Mitteln zur Erzeugung einer zweiten wellenlängenselektiven Aufspaltung des vom Objekt kommenden Lichtes, Detektionsmitteln (10) zur Erfassung der durch die zweiten Mittel erzeugten Lichtverteilung, wird ein Autofokus für ein konfokales Mikroskop realisiert, wobei eine spektrale Aufspaltung und Detektion eines wellenlängenselektiv beleuchteten Objektbildes erfolgt und aus der Bestimmung der Frequenz- und/oder Intensitätsabweichung von einem einer Objektlage entsprechenden vorgegebenen Referenzwert ein Steuersignal zur Verstellung der Fokuslage erzeugt wird. Weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung von Abweichungen eines ersten Höhenprofiles von einem zweiten Höhenprofil, vorzugsweise zur Erfassung und/oder Kontrolle von Defekten an Halbleiterstrukturen, wobei ein erstes Objekt mit einer Lichtquelle wellenlängenselektiv beleuchtet wird und das vom ersten Objekt stammende Licht detektiert und elektronisch mit einem zweiten Objekt verglichen wird.

Description

Konfokale mikroskopische Anordnung -
Aus GB 2144537 A ist ein Gerät zur Profilvermessung von Oberflächen bekannt, das eine polychromatische Lichtquelle aufweist.
Das Beleuchtungslicht wird longitudinal spektral aufgespalten und auf ein Objekt fokussiert, wobei jedem Fokuspunkt eine bestimmte Wellenlänge entspricht. Das vom Objekt reflektierte Licht gelangt über einen Strahlenteiler auf ein dispersives Element und wird von diesem auf ein Fotodiodenarray fokussiert. Durch Auslesen des Fotodiodenarrays wird das stärkste Signal ermittelt und in Beziehung zur Objektoberfläche gebracht.
WO 88/10406 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung von Abständen zwischen einem optischen Element mit großer chromatischer Abberration und einem Gegenstand, ebenfalls zur Profilvermessung., mit einer strukturierten Lichtquelle und einer spektraldispersiven Apparatur sowie einer CCD - Kamera.
In US 4965441 ist eine scannende, das heißt punktweise abtastende konfokale Anordnung mit erhöhter Tiefenauflösung beschrieben, wobei im Auswertestrahlengang zur Wellenlängenseparation dispersive Elemente angeordnet sind.
Das Prinzip eines scannenden Bilderzeugungsverfahrens mit einer Objektiviinse starker chromatischer Abberration und spektraler Zerlegung des vom Objekt rückgestreuten Lichtes ist auch Gegenstand von DE 4419940 A1.
WO 92/01965 beschreibt eine Anordnung zur simultanen Bilderzeugung mit bewegter Lochblende im Beleuchtungsstrahlengang, wobei das Objektiv eine hohe chromatische Abberration aufweisen kann und die Anordnung als Proifilsensor verwendet werden soll.
IN WO 95/ 00871 wird ebenfalls eine Anordnung mit bewegter Lochblende und einem fokussierenden Element mit axialem Chromatismus beschrieben, wobei im
Auswertestrahlengang zwei Kameras vorgeordnete spektrale Filter vorgesehen sind.
Pixeiweise erfolgt eine Signaldivision zur Wellenlängenbestimmung. Derartige Anordnungen sind auch aus SCANNING, Vol.14, 1992, S. 145 -153 bekannt.
Ein System zur Erzeugung eines Farbhöhenbildes wird weiterhin beis pielsweise mit dem CSM Zusatz für das Axiotron-Mikroskop der Anmelderin realisiert.
Durch visuelle Auswertung des Farbbildes wird das Höhenprofil inspiziert.
Eine spezielle Anwendung ist dabei die Waferinspektion, d.h. die Detektion von Defekten auf Wafern (z. B. aufliegende Partikel, Unregelmäßigkeiten in der Struktur). Defekte werden dabei als farblich abgegrenzte Bereiche sichtbar. Damit können Höhenunterschiede < 0.1 μm farblich unterschieden werden. Der zugängliche Höhenbereich, die Farbspreizung, hängt vom verwendeten Objektiv ab und beträgt beispielsweise 4 μm bei einem 50x Objektiv.
Bei der automatischen Waferinspektion ist eine schnelle Detektion von Defekten nötig. Übliche in der Praxis eingesetzte Verfahren arbeiten auf der Basis von Laserstreuung oder digitaler Bildverarbeitung. Damit können z.Zt. Defekte im Bereich 0.2 μm mit einem typischen Durchsatz von 20 Wafern (0 = 200 mm) pro Stunde detektiert werden. Laserstreuverfahren sind dabei auf den Nachweis von Partikel (Schmutz, Staub) beschränkt, während die digitale Bildverarbeitung auch andere Arten von Defekten, wie Strukturfehler sog. „Pattern Defects" nachweisen kann.
Mit zunehmender Integrationsdichte elektronischer Schaltkreise werden geringere Nachweisgrenzen erforderlich. Bei einem 1 GB DRAM wird beispielsweise der Nachweis einer Defektgröße von 0.1 μm als nötig betrachtet. Bei Verfahren mit digitaler Bildverarbeitung ist die minimal nachweisbare Defektgröße durch das Auflösungsvermögen, die Inspektionsgeschwindigkeit durch die Rechnerkapazität bestimmt. Es muß dabei erheblicher elektronischer Rechenaufwand betrieben werden, um die Informationen mit der entsprechenden Geschwindigkeit zu verarbeiten. Wird beispielsweise ein Wafer mit 300 mm Durchmesser mit einem 0.3 μm Gitter abgerastert, so müssen insgesamt 1012 Pixel mit digitaler Bildverarbeitung verarbeitet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle und dennoch hochgenaue Detektion von Waferdefekten zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen beschrieben.
Das dargestellte Verfahren der integralen spektralen Zerlegung und Analyse der Farbbildinformation hat den Vorteil, daß Defekte deren Höhenausdehnung kleiner als 0.1 μm ist, nachgewiesen werden können.
Die optische Vorverarbeitung durch eine spektrale Zerlegung ermöglicht darüber hinaus eine schnellere Verarbeitung des vorliegenden Höhenprofils, da das Höhenprofil des gesamten Bildfeldes komprimiert im Spektrum vorliegt. Ebenfalls läßt sich mit einer erfindungsgemäßen Anordnung ein hochgenauer Autofokus realisieren, auf den im weiteren noch näher eingegangen wird.
Die Erfindung und ihre Wirkungen und Vorteile werden nachstehend anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : Das erfindungsgemäße Meß - und Auswerteprinzip
Fig. 2: Verschiedene Höhenprofile und entsprechende Färb - Höhenspektren.
Fig.3 : Die Verschiebung einer Spektrallinie durch Höhenunterschiede einer
Leiterbahnoberfläche Fig.4: Die Abbildung des erzeugten Zwischenbildes auf einen
Spektrometereintrittsspalt Fig.5: Eine erste Ausführung mit Querschnittswandler Fig.6: Eine zweite Ausführung mit Querschnittswandler Fig. 7: Eine Ausführung mit einer Farbkamera zur Bildauswertung Fig.8: Eine Ausführung mit mehreren Lasern unterschiedlicher Wellenlänge Fig.9: Spektren für verschiedene Höhenprofile bei Fokussierung auf zwei Ebenen mit den Laserwellenlängen 11 und 12 Tabelle 1 : Farbspreizungen für verschiedene Objektive In einem parallel konfokalen Aufbau gemäß Fig.1 mit einer Lichtquelle 1 , die eine Weißlichtquelle sein kann , aber auch aus mehreren Lasern verschiedener Wellenlänge oder Mehrlinienlasern bestehen kann , Kollektorlinse 2
, Spiegel 3 und einem optischen Teilerelement 4 ,wird ein Lochraster 5, das sich in der Zwischenbildebene eines Mikroskopobjektivs 7 befindet, beleuchtet.
Bei dem Lochraster 5 handelt es sich um vorzugsweise um eine rotierende
Nipkowscheibe oder auch eine Doppelnipkowscheibe mit
Mikrolinsenanordnung , beispielsweise in EP 727 684 A2 beschrieben.
Die Lochrasteranordnung wird zum Abrastern des Bildes geeignet bewegt und erzeugt ein parallel konfokales Bild.
Durch einen Chromaten 6 wird ein gezielter Farblängsfehler in den Strahlengang eingebracht, derart, daß nach dem Strahldurchgang durch das farbkorrigierte
Objektiv 7 die Fokuspunkte 8 der verschieden Farbanteile der Lichtquelle 1 in verschiedenen Ebenen liegen .
Dadurch erhält man ein parallel konfokales Bild des Objekts 0 , in dem die
Höheninformationen durch eine entsprechenden Farbdarstellung optisch kodiert vorliegen.
Diese Farbdarstellung wird nun durch ein dispersives Element 9 , das beispielsweise ein Prisma oder holographisches Gitter sein kann auf eine Diodenzeile oder
CCD - Zeile 10 abgebildet, die mit einer Auswerte- und Verarbeitungseinheit 14 verbunden ist.
Die farblich kodierten Höhenprofile werden damit in ein äquivalentes Farbspektrum zerlegt. Dies ist in Fig. 2 a - d dargestellt. Die spektralen Positionen der Maxima entsprechen dabei den zugehörigen Höhenlinien, während die Anzahl der
Ereignisse (Fläche unter dem Maximum) dem Flächenanteil des jeweiligen
Höhenniveaus proportional ist.
Das Objekt befindet sich auf einem nicht dargestellten xy-Verschiebetisch und wird entweder in einer kontinuierlichen Bewegung oder in einer step-and-go Prozedur abgerastert.
Die Verstellung des Verschiebetisches ist mit der Auslesung des Empfängers 10 synchronisiert, so daß eine eindeutige Zuordnung der ausgelesenen
Höheninformation zur Lage auf dem Objekt 0 erfolgt. Die Höheneinstellung in z-Richtung wird durch ein Autofocussystem oder durch _ einen speziellen weiter unten beschriebenen Höhenkontrollalgorithmus kontrolliert. In Fig. 2 a - d ist ein Höhenprofil H sowie eine zu detektierende Defektstelle F sowie jeweils das dem Profil entsprechende ,auf dem Empfänger 10 gemessene Spektrum S A-D und die bei der Auswertung gebildeten Differenzspektren S A-B.A- C, A-D dargestellt.
Es wird deutlich , daß durch Vergleich eines dem idealen Höhenprofil entsprechenden Spektrums SA mit den tatsächlich bei der Waferkontrolle gemessenen Spektren SB - SD eine Information über Art und Umfang der vorhandenen Defektstelle F gewonnen werden kann. Beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind einige Fehlertypen F in Fig. 2 dargestellt. Fall A in Fig. 2a kennzeichnet ein ideales, fehlerfreies Höhenprofil. In Fig. 2b ist ein Partikel F auf der obersten Schicht, in Fig. 2c ein Partikel zwischen zwei Höhenstrukturen H skizziert. Fig. 2d zeigt eine fehlerhafte Verbindung V zwischen den beiden Höhenstrukturen H. Man erkennt., daß sich je nach Defekttyp die entsprechenden Spektren SA-SD unterscheiden. Ebenso unterscheiden sich die entsprechenden Differenzspektren A-B, A-C, A-D je nach vorliegenden Fehlertyp hinsichtlich der Lage, Breite und Intensität der entsprechenden Maxima. Diese Unterschiede erlauben einen Rückschluß auf den vorliegenden Fehlertyp und Fehlergröße.
Zur Defekterkennung bei Anwendungen beispielsweise in der Waferinspektion , können vorteilhaft verschiedene Verfahren angewendet werden: 1.
Es werden zwei benachbarte Spektren aufgenommen und voneinander abgezogen, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Mit einer Routine ,z.B. Peak-Search-Routine, wie in der optischen Spektroskopie üblicherweise eingesetzt, werden die Maxima im Differenzspektrum bestimmt, die über einen vorher festgelegten Rauschpegel liegen. Liegen solche Maxima vor, befindet sich in dem untersuchten Bereich ein Defekt. Die Position und die entsprechenden Spektren bzw. das Referenzspektrum werden gespeichert. In einer Klassifizierungseinheit werden die Spektren später genauer ausgewertet, da in der Lage und Halbwertsbreite weitere Informationen über die Art der Defekte enthalten sind, die zu einer Defektklassifizierung verwendet werden. 2. Der Vergleich von Spektren erfolgt wie unter 1. beschrieben, nur wird als Vergleichsspektrum ein ideales gespeichertes Spektrum herangezogen.
3. Es werden zunächst mehrere Spektren aufgenommen und aus diesen durch Mittelung ein Referenzspektrum gebildet. Dieses gemittelte Referenzspektrum wird dann wie unter Punkt 1 beschrieben mit einem aktuellen Spektrum verglichen.
Bei dem angegebenen Defekterkennungsalgorithmus ist eine Höhenkontrolle nötig, da ein Höhenunterschied zu einer Verschiebung der Spektren zueinander führt. Prinzipiell kann diese Höhenkontrolle mit einem üblichen Autofocussystem durchgeführt werden oder mit dem nachfolgend beschriebenen Höhenkontrollalgohthmus, der die spektralen Höheninformation verwendet.
In Fig. 3 ist die spektrale Abweichung Δλ von einer Wellenlänge λo, die einer Höhenabweichung Δz entspricht, schematisch dargestellt.
Die Höhenlage des zu untersuchenden Objekts relativ zur Abbilungsoptik wird durch eine geeignete z-Einstellung, z. B. eines z-Tisches so gewählt, daß eine bestimmte spektrale Linie einem bestimmten Höhenniveau des Objekts entspricht. Diese Linie λ0 (Sollmaximum) charakterisiert idealerweise ein ausgezeichnetes Niveau, z.B. die Leiterbahnoberflächen eines Wafers .
Schwankungen in der Höhe (z-Richtung) um einen Betrag Δz entsprechen dann je nach eingestellter Farbspreizung und verwendeten Chromaten 6 (siehe beispielsweise Tabelle 1) einer Verschiebung dieser Hauptlinie um ein entsprechendes Δλ.
Bei einem beliebigen aufgenommenen Spektrum wird nun im Bereich von λ0 die genaue Lage des Maximums bestimmt.
Weicht das Maximum um eine vorher festgelegten Wert von λ0 ab, erfolgt eine Nachregelung der Z - Tischposition über ein Stellelement, vorzugsweise ein Piezostellelement. Ist die Abweichung geringer als dieser vorher festgelegte Wert wird das komplette Spektrum durch elektronische Mittel entsprechend verschoben und danach einer der oben beschriebenen Defekterkennungsalgorithmen durchgeführt. Darüber hinaus eignet sich das oben angebenen Verfahren zur Höhenkontolle - vorteilhaft als ein Autofokusverfahren für ein konfokales Mikroskop. Die Vorteile der konfokalen Mikroskopie liegen bekanntermaßen darin, daß eine definierte Objektebene, die Fokusebene, im Bild herausgearbeitet wird. Durch das konfokale Prinzip wird die optische Abbildung von anderen Ebene unterdrückt. Im Bild wird deshalb nur die Fokusebene sichtbar. Im Falle der Waferinspektion kann mit dem konfokalen Prinzip eine bestimmte Waferebene fokussiert werden. Alle anderen Ebenen erscheinen in diesem Bild dunkel. Bei Anwendungen, in denen nur eine bestimmte Ebene untersucht werden soll, ist damit das konfokale Verfahren vorteilhaft. Die digitalen Bildverarbeitung zur Defekterkennung wird damit vereinfacht.
Die Anwendung der konfokalen Mikroskopie zur Analyse von speziellen Ebenen, beispielsweise eines Wafers, erfordert aber ein hochgenaues Autofokussystem, das genau auf die interessierende Ebene fokussiert. Übliche Autofokusverfahren (wie z. B. das Triangulationsverfahren) messen nur die Höhenlage eines bestimmten Objektpunktes. Je nach vorliegender Struktur wird damit aber nicht unbedingt die interessierende Ebene fokussiert. Auch Mittelungsverfahren über mehrere Objektpunkte fokussieren nur auf eine beliebige Ebene. Die vorliegenden Erfindung erlaubt jedoch durch die spektrale Analyse die Aufnahme eines Höhenhistogrammes, d.h. die Höhenverteilung über einen bestimmten Objektbereich. Eine Auswertung dieser Verteilung nach dem oben angegeben Höhenkontrollalgorithmus ermöglicht dann die Fokussierung auf eine bestimmte Ebene, der beispielsweise die Wellenlänge λ0 in Fig. 3 entspricht.
In Fig. 4 erzeugt ein Mikroskopobjektiv 7 mit einer Tubuslinse (nicht eingezeichnet) ein Zwischenbild Z, welches in der Ebene der Lochblendenanordnung 5 liegt. Dieses Zwischenbild wird mit Hilfe einer Abbildungsoptik 9 beispielsweise auf den Kameraausgang KA des Mikroskops abgebildet.
Ein Teil des Feldes dieses Kameraausgangs KA wird durch einen Spalt 11 , der sich vorzugsweise in der Bildebene des Kameraausgangs oder einer zu ihr optisch konjugierten Ebene befindet, in ein Diodenarrayspektrometer abgebildet, das sich aus einem Gitter 12, hier ein holografisches Gitter , einer Diodenzeile 13 und einer Auswerteeinheit 14, bestehend hier aus Speicher, Anzeigeeinheit und Komparator, zusammensetzt. Das Objekt wird durch einen step-and-go Modus mit einem nicht dargestellten xy- - Tisch abgerastert.
Zur Erfassung der Tischposition sind beispielsweise bekannte interferometrische Wegmeßsysteme vorgesehen , wobei die Ansteuerung und Erfassung der Tischposition in x,y und Z - Richtung durch eine Verbindung mit der Auswerteeinheit 14 mit der spektralen Auswertung gekoppelt ist. Es wird also in dieser Ausführung nur ein Teil des Zwischenbildfeldes in das Spektrometer übertragen. Die Auswertung bzw. Defekterkennung erfolgt in der Auswerteeinheit durch eine Vergleich mit einem gespeicherten idealen Höhenprofir (die-to-database Vergleich) oder mit einem oder mehreren vorhergehenden Höhenprofilen (die-to-die Vergleich) entsprechend dem oben dargestellten Defekterkennungsalgorithmus mit dem dargestellten Höhenkontrollalgorithmus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig.5 wird ein Teil des auf den Kameraausgang KA abgebildeten Zwischenbildfeldes mit einem ungeordneten Glasfaserbündel 15 , das als Querschnittswandler dient in ein Diodenarrayspektrometer bestehend aus einem Gitter 13, einer Diodenzeile 13 und einer Auswerteeinheit 14 abgebildet, indem die Fasern in der Zwischenbildebene als Lichteintrittsbündel und vor dem Eintrittsspalt 11 untereinander angeordnet sind. Hierdurch kann eine größere Fläche des Zwischenbildfeldes gleichzeitig spektral analysiert werden.
Die Auswertung und Defekterkennung sowie die Rasterbewegung und z-Kontrolle erfolgt wie bereits beschrieben.
Zur integralen spektralen Analyse des gesamten Zwischenbildfeldes wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 6 ein anamorphotischer (zylinderoptischer) Querschnittswandler 16 zur Abbildung des Zwischenbildes in den Spektrometerspalt 11 verwendet, d. h. die Abbildungsmaßstäbe in Spaltrichtung und senkrecht zur Spaltrichtung sind unterschiedlich . Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß das gesamte Zwischenbildfeld oder ein größere Teil davon spektral analysiert werden kann. Die Auswertung und Defekterkennung sowie die Rasterbewegung und z-Kontrolle - erfolgen wie bereits beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 7 wird zur spektralen Analyse des gesamten Zwischenbildes eine Kamera K, die am Kameraausgang KA des Mikroskops montiert wird, verwendet.
Bei der Verwendung einer schwarz-weiss Kamera erfolgt die Analyse pixelweise durch Vergleich der Grauwerte, bei Verwendung einer Farbkamera durch eine pixelweisen Farbvergleich. Die Grauwerte bzw. Farben werden pixelweise gezählt und spektral nach Farbe bzw. Grauwert in einem Histogramm dargestellt. Alternativ kann die spektrale Farbinformation auch durch die Verwendung von zwei schwarzweiß Kameras in Kombination mit unterschiedlichen Filtern, wie in WO 95/ 00871 und SCANNING, Vol.14, 1992, S. 145 -153 beschrieben gewonnen werden. Die Höhenkontrolle erfolgt durch ein Autofokussystem, vorzugsweise durch das oben dargestellte Autofokusverfahren, die Defekterkennung durch den dargestellten Defekterkennungsalgorithmus.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform , wobei die Weißlichtquelle durch eine Beleuchtung mit 3 verschiedenfarbigen Lasern L1 - L3 ersetzt. Durch den Einsatz von Lasern können nun verschiedene Bildebenen gezielt hervorgehoben werden. Das entstehende Spektrum besteht dabei nur aus den Linien der eingesetzten Laserwellenlängen λi, λ2 und λ3. Die integrale Anzahl der Ereignisse der jeweiligen Linien ist dem Flächenanteil der entsprechenden Fokusebene proportional. Beim Vorliegen von Defekten in diesen Ebene verringert sich die Anzahl der detektierten Photonen entsprechend, wie in Fig. 9 für zwei Wellenlängen schematisch dargestellt.
Defekte äußern sich also nur in der integralen Anzahl der detektierten Ereignisse, nicht jedoch wie bei den Ausführungsformen mit einer Weißlichtquelle in auch unterschiedlichen Wellenlängen. Als Querschnittswandler 14 werden bei dieser Ausführungsform die in den beschriebenen Ausführungsformen dargestellten Querschnittswandler verwendet. Dargestellt ist die anamorphotische Abbildung 16.
Bei der Defekterkennung wird der angegeben Defekterkennungsalgorithmus vereinfacht. Nach Subtraktion der Spektren müssen nur im Bereich der verwendeten Laserwellenlängen Ereignisse über einer Rauschschwelle gezählt werden. Die Anzahl dieser Ereignisse ist dann dem Flächenanteil des Defekts auf der entsprechenden Höhenlinie proportional.
In Tabelle 1 sind für verschiedene Objektive die typischen Farbspreizungen angegeben.
Tabelle 1 Farbspreizung

Claims

Patentansprüche
1.
Konfokale mikroskopische Anordnung bestehend aus einer Beleuchtungsanordnung zur rasterförmigen Beleuchtung eines Objektes , ersten Mitteln zur Erzeugung einer ersten wellenlängenselektiven Aufspaltung des
Beleuchtungslichtes und zweiten Mitteln zur Erzeugung einer zweiten wellenlängenselektiven
Aufspaltung des vom Objekt kommenden Lichtes, parallel für mehrere Punkte des
Objektes sowie Detektionsmitteln zur Erfassung der durch die zweiten Mittel erzeugten
Lichtverteilung.
2.
Konfokale mikroskopische Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die ersten Mittel mindestens ein optisches Element zur Erzeugung eines chromatischen Farblängsfehlers sind.
3.
Konfokale mikroskopische Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche
1 oder 2, wobei das Objekt über eine Loch - oder Schlitzrasterscheibe beleuchtet wird.
4.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3 , zur Ermittlung von Abweichungen mindestens eines ersten Objektbildes von mindestens einem gleichzeitig oder vorher detektierten und / oder gespeicherten zweiten Objektbild durch elektronischen Vergleich der detektierten spektralen Verteilung des ersten Probenbildes mit der des zweiten Probenbildes.
5.
Konfokaie mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4, wobei eine Abbildung des beleuchteten Objektes auf den Eintrittsspalt eines" Spektrometers erfolgt.
6.
Konfokale mikroskopische Anordnung nach Anspruch 5, wobei der Eintrittsspalt in einer Zwischenbildebene angeordnet ist , in die das beleuchtete
Objekt abgebildet wird.
7.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche 1- 6, wobei Mittel zur Anpassung eines vom beleuchteten Objekt erzeugten Zwischenbildes an den Eintrittsspalt eines Spektrometers vorgesehen sind.
8.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 7, mit Mittel zur Querschnittswandlung zwischen einer in Richtung der Detektion angeordneten Zwischenbildebene und dem Eintrittsspalt eines Spektrometers.
9.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei eine Faseroptik zur Querschnittswandlung vorgesehen ist.
10.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei eine anamorphotische Optik zur
Querschnittswandlung vorgesehen ist.
11.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche 1-
10 wobei die Beleuchtung des Objektes mit Weißlicht erfolgt.
12.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche 1 -
10, wobei die Beleuchtung des Objektes mit mindestens zwei Lichtquellen, vorzugsweise Lasern unterschiedlicherWellenlänge und/ oder mindestens einem - Mehrlinienlaser erfolgt.
13.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche 1 -
12 , mit einer bewegten Rasterscheibe im Beleuchtungsstrahlengang.
14.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche
1 - 12, wobei zur Erzeugung eines Scanvorgangs das beleuchtete Objekt bewegt wird.
15.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche
1 - 14, mit einer Färb - oder Schwarzweißkamera im Detektionsstrahlengang.
16.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 15, wobei mindestens ein Prisma und /oder Gitter zur spektralen Aufspaltung vorgesehen ist.
17.
Konfokale mikroskopische Anordnung , nach mindestens einem der Ansprüche
1 - 16 , wobei als Detektionsmittel CCD - Zeilen oder Diodenzeilen vorgesehen sind.
18.
Autofokus für ein konfokales Mikroskop, wobei mindestens punktweise eine spektrale Aufspaltung und Detektion eines welllenlängenselektiv beleuchteten Objektbildes erfolgt und aus der Bestimmung der Frequenz - und/ oder Intensitätsabweichung von einem einer Objektlage entsprechenden vorgegebenen Referenzwert ein Steuersignal zur Verstellung der
Fokuslage mittels der vertikalen Objektposition und/ oder des Abbildungssystems des Mikroskopes erzeugt wird.
19.
Verfahren zur Ermittlung von Abweichungen mindestens eines ersten Höhenprofiles von mindestes einem gleichzeitig oder vorher detektierten zweiten Höhenprofil, vorzugsweise zur Erfassung und/ oder Kontrolle von Defekten an
Halbleiterstrukturen, vorzuzgsweise mittels eines konfokalen Mikroskopes nach einem der Ansprüche 1 - 18, wobei ein erstes Objekt mit einer Lichtquelle wellenlängenselektiv beleuchtet wird und das vom ersten Objekt stammende Licht detektiert und elektronisch mit einem " vorher oder gleichzeitig detektierten zweiten Objekt verglichen wird.
20.
Verfahren nach Anspruch 19 , wobei vor der Detektion eine weitere wellenlängenselektive Aufspaltung erfolgt.
21.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 19 oder 20 , wobei ein Vergleich benachbarter Gebiete ein - und desselben Objektes erfolgt.
22.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 19 - 21 , wobei ein Vergleich mit einem gespeicherten Objekt erfolgt.
23.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 19 - 22 , wobei ein Vergleich durch Mittelung der Detektion mehrerer Objektgebiete oder Objekte und Bildung eines Referenzwertes erfolgt.
24.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 19 - 23 , wobei ein Vergleich durch Subtraktion zweier aufgenommener und / oder gespeicherter
Bilder erfolgt.
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