EP1434977A1 - Scatterometrische messanordnung und messverfahren - Google Patents

Scatterometrische messanordnung und messverfahren

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Publication number
EP1434977A1
EP1434977A1 EP02785122A EP02785122A EP1434977A1 EP 1434977 A1 EP1434977 A1 EP 1434977A1 EP 02785122 A EP02785122 A EP 02785122A EP 02785122 A EP02785122 A EP 02785122A EP 1434977 A1 EP1434977 A1 EP 1434977A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
detector
sample
optical device
measuring arrangement
measuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02785122A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen DOBSCHAL
Gunter Maschke
Jörg BISCHOFF
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microelectronic Systems GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss Microelectronic Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microelectronic Systems GmbH filed Critical Carl Zeiss Microelectronic Systems GmbH
Publication of EP1434977A1 publication Critical patent/EP1434977A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J4/00—Measuring polarisation of light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211—Ellipsometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection

Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement with an optical device into which a diverging beam of rays emanating from a sample is coupled, and further with a detector downstream of the optical device, which has a plurality of detector pixels arranged in one plane and which can be evaluated independently of one another, the Optic device spectrally split the diverging S (ray bundle in a first direction transverse to the direction of propagation of the ray bundle and direct it to the detector. Furthermore, the invention relates to a measuring method with the steps: directing a ray bundle onto a sample to be examined such that a diverging ray bundle from the sample !
  • Such a measuring arrangement is used, for example, in optical scatterometry, with both photometry (measuring the intensity of radiation coming from a sample as a function of, for example, the angle of reflection and / or the wavelength) and ellipsometry (measuring the state of polarization one of one Sample coming radiation depending on, for example, the angle of reflection and / or the wavelength) are methods of optical scatterometry. From the measured values obtained in these methods, which is also referred to as the optical signature of the sample, conclusions can be drawn about the examined sample by means of suitable methods.
  • DE 198 42 364 C 1 discloses a measuring arrangement and a measuring method of the type mentioned at the outset for ellipsometry, the sample to be examined being imaged into the detector plane by means of the optical device in order to carry out a spatially resolved measurement.
  • the object of the invention is a measuring arrangement of the type mentioned and a To further develop measurement methods of the type mentioned at the outset such that • a spectral and an angle-resolved scatterometric measurement can be carried out quickly on a sample.
  • the object is achieved in a measuring arrangement of the type mentioned at the outset in that the optical device also parallelises the beam before it hits the detector in a second direction transverse to the direction of propagation in such a way that adjacent beams of the beam incident on the detector are in the second direction Beams run parallel to each other.
  • the intensity of the radiation beam as a function of the drop angle and as a function of the wavelength can be detected simultaneously with a single measurement, which advantageously shortens the measurement time significantly.
  • a particular advantage of the measuring arrangement according to the invention is therefore that with a single measurement, angle-resolved and spectrally resolved information can be obtained without having to move parts mechanically during the measurement.
  • the measurement can thus be carried out extremely precisely and very quickly, which is particularly important with regard to process controls, e.g. in semiconductor manufacturing, is a big advantage.
  • the first and second directions are preferably perpendicular to the direction of propagation, it being particularly preferred that the first and second directions enclose an angle of 90 ° with one another. This advantageously ensures that the evaluation of the measurement data is facilitated since there is only a spectral dependency in the first direction, while there is only an angle dependency in the second direction.
  • the optical device completely parallelize the beam (and thus also in the first direction).
  • the spectral decomposition which in this case takes place in particular after the parallelization, can be carried out with great accuracy, so that the measuring accuracy of the measuring arrangement is extremely high.
  • a particularly preferred development of the measuring arrangement according to the invention consists in the fact that the optical device carries out the spectral decomposition in such a way that focusing in the plane of the detector pixels occurs in the first direction.
  • the individual spectral components are thus focused next to one another (or adjacent in the first direction) on the detector, as a result of which a very high resolution for the measurement as a function of the wavelength is achieved.
  • a cylinder mirror is particularly preferably provided in the measuring arrangement according to the invention for focusing.
  • the desired focus can thus be achieved in a simple manner and without generating color errors.
  • Cylinder mirror of the beam path are folded so that the measuring arrangement can be implemented compactly.
  • the optical device in the measuring arrangement according to the invention for spectral decomposition can be a dispersive element, such as e.g. a grating.
  • the desired spectral decomposition can only be carried out in the first direction.
  • the dispersive element is preferably designed as a reflective element, e.g. a reflective grating. This allows the beam path to be folded, making the measuring arrangement compact.
  • a combination of the cylindrical mirror for focusing with the reflective, dispersive element is of particular advantage, since a double folding of the beam path leads to a very small measuring arrangement.
  • an advantageous embodiment of the measuring arrangement according to the invention is that the optical device for parallelization comprises one, two or more mirrors, in particular one, two or more spherical mirrors.
  • the parallelization can be carried out without producing color errors which can occur when refractive elements are used for the parallelization. This leads to an improvement in measuring accuracy.
  • the dispersive element e.g. a grating is formed for spectral decomposition directly on the mirror surface of the mirror for parallelization, so that the desired functions of the optical device can be realized with a single optical element.
  • the dispersive element can be formed on one or more of the mirror surfaces of the mirrors, so that the space requirement of the measuring arrangement is less.
  • the optics device has a first optics module for parallelizing the coupled beam and a second optics module downstream of the first optics module for spectral decomposition.
  • the parallelization is carried out before the spectral division, since then the parallelization can be easily implemented without the generation of undesirable color errors (for example by using only mirror elements for parallelization).
  • the detector pixels are preferably arranged in rows and columns and the spectral decomposition takes place in the column direction, whereas the parallelization is carried out in the row direction.
  • the spectral decomposition can also be done in the row direction. In this case, the parallelization is then carried out in the column direction.
  • the detector can be preceded by a micropolarization filter which comprises a multiplicity of pixel groups, each of which has at least two (preferably three) analyzer pixels for ellipsometry with different main axis alignment and a transparent pixel for photometry.
  • a micropolarization filter which comprises a multiplicity of pixel groups, each of which has at least two (preferably three) analyzer pixels for ellipsometry with different main axis alignment and a transparent pixel for photometry.
  • exactly one pixel of the pixel groups is assigned to each detector pixel.
  • an ellipsometric measurement can also be carried out at the same time, with angle-resolved and spectrally resolved information also being able to be obtained with the ellipsometric measurement by means of a single measurement process. A large number of different measured values can thus be acquired by means of a single measuring process, which enables a very precise and fast measurement.
  • an illuminating arm can be provided in the measuring arrangement according to the invention, which generates a (preferably converging) beam for illuminating the sample to be examined and directs it in such a way that a diverging beam of rays emanates from the sample and is then coupled into the optical device for examination ,
  • a diverging beam of rays emanates from the sample and is then coupled into the optical device for examination
  • the illuminating arm can be arranged relative to the optical device as a function of the sample to be examined such that light or radiation reflected or transmitted by the sample is coupled into the optical device as a diverging beam. So you can always choose the arrangement that is best suited for the respective sample. It is also possible to arrange the illuminating arm in such a way that only one or more predetermined diffraction orders, if these occur, are coupled into the optics device only from the sample. Alternatively, of course, too the optical device can be arranged such that only the desired radiation is injected.
  • the grating vector of the sample section to be examined (the grating vector denotes the direction of the periodicity of the grating) lies in the plane of incidence (this is determined by the axis of the illuminating arm and the axis of the measuring arm, which has the optical device and the detector), there are possibly occurring ones Diffraction orders also on the plane of incidence.
  • the so-called conical diffraction takes place, in which all diffraction maxima with the exception of the zeroth order of diffraction (direct reflection) lie on an arc perpendicular to the plane of incidence.
  • Appropriate positioning of the sample e.g. by turning
  • the object is achieved by the measuring method according to the invention in that, in addition to the measuring method of the type mentioned at the outset, the diverging beam before it hits the detector is parallelized in a second direction transverse to the direction of propagation in such a way that the rays of the beams of rays striking the detector run parallel to one another.
  • An angularly resolved and spectrally resolved photometric measurement can thus be carried out by means of a single measuring process, without parts having to be moved mechanically. This increases both the measuring accuracy and the measuring speed.
  • a special embodiment of the measuring method according to the invention consists in that, depending on the sample to be examined, only a part of the detector pixels of the detector are evaluated. As a result, the measurement can be accelerated, since the detector pixels, the information of which is less meaningful, are not taken into account, so that an undesired slowdown in the measurement process can be prevented. As a result, the measuring method according to the invention becomes faster and still has a very high accuracy. This also enables fast and optimal measurement on different sample types.
  • a (preferably converging) beam with a defined polarization state can be directed onto the sample, in which case the light that strikes a part of the detector pixels is passed through analyzers, while the light that strikes the remaining detector pixels is not through the analyzers.
  • the beam is focused on the sample and then the beam reflected or transmitted by the sample is measured.
  • the size of the sample spot to be examined can then be adjusted via the focusing or possible defocusing of the incident beam.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a measuring arrangement according to the invention
  • FIG. 2 is a perspective view of the structure of the measuring arm of the measuring arrangement shown in FIG. 1;
  • Fig. 3 is a side view of the measuring arm of Fig. 2;
  • Fig. 4 is a view of the detector of the measuring arm
  • FIG. 5 shows an exploded view of a detail of the arrangement of the detector and micropolarization filter.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a measuring arrangement according to the invention for a combined angle-resolved and spectral reflection photometry.
  • An angle-resolved and spectral ellipsometry as will be described below in connection with FIG. 5, can preferably also be carried out simultaneously with the measuring arrangement.
  • the measuring arrangement comprises an illuminating arm 1 and a measuring arm 2.
  • the illuminating arm 1 contains a broadband light source 3, which emits radiation in the wavelength range from 250 to 700 nm, for example, a collimator 4 arranged downstream of the light source 3, which generates a parallel beam 5 with which one Illumination optics 6 is applied.
  • a polarizer 7 can be inserted between the collimator 4 and the illumination optics 6 (as indicated by the double arrow A), so that in this case the illumination optics 6 are exposed to polarized light.
  • the illumination optics 6 generate a converging beam 8 with which a sample 9 to be examined is illuminated.
  • the opening angle ⁇ of the beam 8 in the plane of incidence (here the plane of the drawing) is approximately 40 °, whereas the opening angle of the beam 8 in a plane perpendicular to the plane of incidence is preferably smaller (for example 10 ° to 25 °), but of course can also have the same value as the opening angle ⁇ .
  • the lighting arm 1 is tilted by approximately 50 ° (angle) with respect to the sample normal N, so that an angle of incidence range of 10 ° to 60 ° is covered with the beam 8 in the plane of incidence. As can be seen from Fig. 1, the two arms 1, 2 are arranged symmetrically to the sample normal N.
  • the converging beam 8, which impinges on the sample 9, is subject to an interaction with it (for example, it is diffracted on a periodic structure), and a diverging beam of rays emanating from the sample 9 is generated, from which the drawn, diverging beam 10 in the measuring arm 2 is coupled.
  • the measuring arm 2 is designed and arranged so that the diverging beam 10 corresponds to the beam that would be generated with a purely specular reflection (here essentially zero-order diffraction).
  • the opening angle ⁇ of the beam 10 is also about 40 ° in the plane of incidence, so that in the plane of incidence the angle of the beam of the diverging beam 10 is 10 ° to 60 °.
  • the direction of propagation C of the beam 10 is the direction of propagation of the central beam (this is the beam with the angle of reflection of 35 °).
  • the sample 9 and thus the periodic structure of the sample 9 to be examined can be oriented such that the lattice vector of the periodic structure is not in the plane of incidence. Then the conical diffraction occurs, in which only the zeroth diffraction order lies in the plane of incidence. In this way it can easily be achieved that only the zeroth diffraction order is evaluated.
  • the diverging bundle of rays 10 is coupled into an optic direction 11 of the measuring arm 2, the diverging bundle of rays 10 being parallelized on the one hand in the optic device 11 and spectrally broken down perpendicularly to the plane of the drawing on the one hand so that a dropping bundle of rays 12 is generated (the exact mode of operation of the optic device 11 will be described in detail below).
  • the beam of rays 12 generated in this way is then directed onto a flat detector 13 which comprises a multiplicity of detector pixels arranged in rows and columns, which can be evaluated or read independently of one another.
  • a CCD chip is used.
  • a micropolarization filter 14 which will be described in more detail later, can be inserted between the optical device 11 and the detector 13 (as indicated by the double arrow B).
  • FIGS. 2 and 3 An embodiment of the measuring arm 2 is shown in FIGS. 2 and 3, the plane of incidence being the plane of the drawing in FIG. 3.
  • the optical device 11 comprises an aperture 15 (which is only shown in FIG. 3), which limits the opening angle ⁇ of the beam 10 coupled into the optical device 11.
  • This is followed by a concave, spherical mirror 16 and a convex, spherical mirror 17, with which the diverging beam 10 is completely parallelized in such a way that adjacent rays of the parallelized beam 18 in the drawing plane of FIG. 3 as well as in a plane perpendicular to the drawing plane Adjacent rays of the parallelized beam 18 run parallel to one another. Due to the parallelization, the position of each beam in the drawing plane of FIG. 3 in the beam 18 is predetermined by the angle of reflection on the sample 9.
  • ⁇ 1 10 °
  • ⁇ 2 60 °
  • the two mirrors 16, 17 thus have the effect that the angle of reflection ⁇ of the beams in the diverging beam bundle 10 is converted into a position in the parallel beam bundle 18.
  • the diverging beam is therefore also parallelized in a first direction (in the plane of the drawing in FIG. 3) transverse to the direction of propagation C (the direction of the central beam).
  • the parallelized beam 18 is directed onto a reflection grating 21.
  • the reflection grating 21 is designed and arranged such that spectral decomposition takes place only perpendicular to the plane of FIG. 3 (second direction).
  • parallel beam tufts of one wavelength emanate from the grating 21 for each drop angle ⁇ , the drop angle of the parallel beam tufts having different values depending on the wavelength.
  • the detector 13 which is shown schematically in FIG. 4 and comprises the plurality of individually readable photo elements (detector pixels) 23 arranged in rows and columns, is arranged in the measuring arm 2 in such a way that the spectral decomposition in the direction of the columns (arrow Y) and the conversion of the exit angles ⁇ of the diverging beam 10 in the direction of the lines (arrow X) takes place.
  • the optical device 11 thus effects an imaging of the sample to infinity (the detector plane is not conjugated to the sample plane), the spectral decomposition being in the detector plane.
  • the detector 13 With the detector 13, an optical signature of the examined sample section is thereby detected, with an angular resolution in the row direction (X) and a wavelength resolution in the column direction (Y). Therefore, with the measuring arm 2 according to the invention, the intensity can be measured simultaneously as a function of the drop angle ⁇ and as a function of the wavelength ⁇ .
  • the elements of the measuring arm are arranged relative to one another in such a way that the following deflection angles (difference between incoming and reflected beam) occur in accordance with the guide beam principle.
  • the apex beam or central beam of the beam leaving the element serves as the input reference beam for the next component.
  • the grating 23 is a flat linear grating with a grating frequency of 500 lines / mm (one line is a complete structure period) and is arranged such that the angle of incidence on the grating is 11,824 ° with respect to the grating normal.
  • the deflection angle (in the sagittal direction) for a beam with a wavelength of 380.91 nm is 12.652 °.
  • the deflection angle of 20 ° given in table 2 on the cylinder mirror 22 is also related to the wavelength of 380.91 nm.
  • the illuminating optics 6 of the illuminating arm 1 can have two spherical mirrors (not shown) and an aperture (not shown) in an identical manner to the measuring arm 2, so that when a parallel beam 5 is applied, the desired converging beam 8 is generated.
  • the bundle diameter of the incident beam 8 on the sample 9 is preferably selected so that it illuminates at least some periods of the structure.
  • the period of such structures (such as, for example, lines spaced apart from one another, which should have a predetermined width and height and a predetermined flank angle when the process is carried out correctly) can be 150 nm, so that a bundle diameter of a few 10 ⁇ m is then sought.
  • the measured optical signature also changes, so that starting from the measured optical signature by known methods (such as neural networks) to the actual values of the desired parameters (such as line width, Line height, flank angle) can be inferred. It was found during the measurements that the sensitivity (i.e.
  • the changes in the optical signature as a function of a change in the parameter to be examined is not constant over the entire beam cross-section of the beam that strikes the detector 13 , but very much depends on the respective sample type (e.g. photoresist on silicon, etched silicon, etched aluminum) and the respective geometries (e.g. one- or two-dimensional repeat structures).
  • the individual pixel elements 23 of the detector 13 are shown as squares, the sensitivity as a function of the wavelength ⁇ and the drop angle ⁇ for a first sample type by contour lines 24, 25, 26, 27 and for a second sample type by contour lines 28, 29, 30, 31 is indicated.
  • the contour lines can be determined experimentally and / or theoretically.
  • the detector 13 When measuring the first type of sample, the detector 13 is preferably controlled such that only the pixel elements 23 lying within the contour line 24 are read out, while when measuring the second type of sample only the pixel elements 23 lying within the contour line 28 are read out. As a result, only the relevant pixel elements 23 can be detected and evaluated, so that the evaluation is not unnecessarily slowed down by the information of the remaining image pixel elements which is not so relevant.
  • Those in which individual image pixels can be selectively read out are preferably used as the detector 13. This can e.g. a CMOS image detector or also a CID image detector (charge injection device image detector).
  • the polarizer 7 is arranged in the lighting arm 1 in such a way that the beam bundle coupled into the lighting optics 6 is linearly polarized and thus has a defined or known polarization state.
  • the micropolarization filter 14 comprises a multiplicity of filter pixels 32, 33, 34, 35 arranged in rows and columns, each filter pixel 32, 33, 34, 35 being assigned to exactly one detector pixel 23, as in the schematic exploded illustration of a section of the detector 13 and Micropolarization filter 14 can be seen in FIG. 5.
  • Each 2 x 2 filter pixels form a pixel group 36, with three filter pixels 32, 33, 34 (eg fine metal grids that can be produced using known microstructuring techniques) of the pixel group 36 analyzers with different transmission or main axis directions (eg 0 °, 45 °, 90 °) for polarized radiation and the fourth filter pixel 35 is transparent.
  • the three analyzer pixels 32, 33, 34 associated detector pixels 23 can thus be detected, and the intensity can be measured with the fourth detector pixel 23, which is associated with the transparent filter pixel 35.
  • the resolution is thus reduced by a factor of 2 compared to the prescribed embodiment, but information about the changes in the polarization state is also obtained, so that spectral and angle-resolved ellipsometry can also be carried out simultaneously with a single measurement.
  • the distance between the sample 9 and the two arms 2 and 3 is preferably set such that the converging beam 8 on the sample 9 has the smallest possible diameter.
  • the converging beam 8 is thus focused as well as possible on the sample.
  • Sample 9 is further moved relative to the two arms 2 and 3, so that the measurement described in connection with the foregoing embodiments, for each point carried out>. , can be.
  • the spatial resolution is thus achieved by measuring separate points, since the individual measurements do not provide any spatially resolved information per se. This is because, in the measuring arrangement according to the invention, the measuring arm does not record an image of the examined sample location, but rather an integral optical signature (the optical signature averaged over the sample spot).
  • the movement of the sample 9 relative to the arms 2 and 3 is preferably carried out by means of a sample table (not shown) on which the sample 9 is held, with the sample table also the distance from the arms 2, 3 and thus the bundle diameter of the beam 8 on the sample 9 is adjustable.
  • both arms 2 and 3 can of course also be moved relative to sample 9, or it is also possible to combine both movements.

Abstract

Bei einer Messanordnung mit einer Optikeinrichtung, in die zur Messung ein von einer Probe ausgehendes, divergierendes Strahlenbündel (10) eingekoppelt wird, und weiter mit einem der Optikeinrichtung nachgeordneten Detektor (13), der eine Vielzahl von in einer Ebene angeordneten, unabhängig voneinander auswertbaren Detektorpixeln aufweist, wobei die Optikeinrichtung (11) das divergierende Strahlenbündel (10) in einer ersten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels (10) spektral zerlegt und auf den Detektor (13) lenkt, parallelisiert die Optikeinrichtung das Strahlenbündel auch noch, bevor es auf den Detektor (13) trifft, in einer zweiten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung derart, dass in der zweiten Richtung benachbarte Strahlen des auf den Detektor (13) treffenden Strahlenbündels zueinander parallel verlaufen.

Description

SCATTEROMETRISCHE MESSANORDNUNG UND MESSVERFAHREN
Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung mit einer Optikeinrichtung, in die zur Messung ein von einer Probe ausgehendes, divergierendes Strahlenbündel eingekoppelt wird, und weiter mit einem der Optikeinrichtung nachgeordneten Detektor, der eine Vielzahl von in einer Ebene angeordneten und unabhängig voneinander auswertbaren Detektorpixeln aufweist, wobei die Optikeinrichtung das divergierende S(rahlenbündel in einer ersten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels spektral zerlegt und auf den Detektor lenkt. Ferner betrifft die Erfindung ein Meßverfahren mit den Schritten: Richten eines Strahlenbündels auf eine zu untersuchende Probe derart, daß von der Probe ein divergierendes Strahlenbünde! ausgeht, Durchführen einer spektralen Zerlegung des divergierenden Strahlenbündels in einer ersten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des divergierenden Strahlenbündels und Richten des spektral zerlegten Strahlenbündels auf einen Detektor, der eine Vielzahl von in einer Ebene angeordneten und unabhängig voneinander auswertbaren Detektorpixeln aufweist.
Eine solche Meßanordnung wird beispielsweise in der optischen Scatterometrie eingesetzt, wobei sowohl die Photometrie (die Messung der Intensität einer von einer Probe kommenden Strahlung in Abhängigkeit von beispielsweise des Ausfallwinkels und/oder der Wellenlänge) als auch die Ellipsometrie (die Messung des Polarisationszustandes einer von einer Probe kommenden Strahlung in Abhängigkeit von beispielsweise des Ausfallwinkels und/oder der Wellenlänge) Verfahren der optischen Scatterometrie sind. Aus den bei diesen Verfahren gewonnenen Meßwerten, die auch als optische Signatur der Probe bezeichnet wird, können dann mittels geeigneter Verfahren Rückschlüsse auf die untersuchte Probe gezogen werden.
Aus DE 198 42 364 C 1 sind eine Meßanordnung und ein Meßverfahren der eingangs genannten Art zur Ellipsometrie bekannt, wobei dabei zur Durchführung einer ortsaufgelösten Messung die zu untersuchende Probe mittels der Optikeinrichtung in die Detektorebene abgebildet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßanordnung der eingangs genannten Art und ein Meßverfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, • daß an einer Probe eine spektrale und eine winkelaufgelöste scatterometrische Messung schnell durchführbar ist.
Die Aufgabe wird bei einer Meßanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Optikeinrichtung das Strahlenbündel auch noch, bevor es auf den Detektor trifft, in einer zweiten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung so parallelisiert, daß in der zweiten Richtung benachbarte Strahlen des auf den Detektor treffenden Strahlenbündels zueinander parallel verlaufen. Dadurch kann gleichzeitig mit einer einzigen Messung die Intensität des Strahlenbündels in Abhängigkeit des Ausfallwinkels und in Abhängigkeit der Wellenlänge erfaßt werden, wodurch vorteilhaft die Meßzeit deutlich verkürzt wird.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßanordnung besteht daher darin, daß mit einer einzigen Messung winkelaufgelöste und spektral aufgelöste Informationen gewonnen werden können, ohne daß bei der Messung Teile mechanisch zu bewegen sind. Somit kann die Messung äußerst genau und sehr schnell durchgeführt werden, was insbesondere im Hinblick auf Prozeßkontrollen, z.B. in der Halbleiterfertigung, ein großer Vorteil ist.
Die erste und zweite Richtung verlaufen bevorzugt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wobei es insbesondere noch bevorzugt ist, daß die erste und zweite Richtung einen Winkel von 90° miteinander einschließen. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, daß die Auswertung der Meßdaten erleichtert ist, da in der ersten Richtung nur eine spektrale Abhängigkeit gegeben ist, während in der zweiten Richtung nur eine Winkelabhängigkeit vorliegt.
Es ist besonders bevorzugt, daß die Optikeinrϊchtung das Strahlenbündel vollständig (und somit auch in der ersten Richtung) parallelisiert. Dadurch kann die spektrale Zerlegung, die in diesem Fall insbesondere nach der Parallelisierung erfolgt, mit großer Genauigkeit erfolgen, so daß die Meßgenauigkeit der Meßanordnung außerordentlich hoch ist.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Meßanordnung besteht darin, daß die Optikeinrichtung die spektrale Zerlegung derart durchführt, daß in der ersten Richtung eine Fokussierung in der Ebene der Detektorpixel erfolgt. Somit werden die einzelnen spektralen Anteile nebeneinander (bzw. in der ersten Richtung benachbart) auf den Detektor fokussiert, wodurch eine sehr hohe Auflösung für die Messung in Abhängigkeit der Wellenlänge erreicht wird.
Besonders bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung zur Fokussierung ein Zylinderspiegel vorgesehen. Damit kann in einfacher Art und Weise und ohne Erzeugung von Farbfehlern die gewünschte Fokussierung erzielt werden. Des weiteren kann mittels des Zylinderspiegels der Strahlengang gefaltet werden, so daß die Meßanordnung kompakt verwirklicht werden kann.
Insbesondere kann die Optikeinrichtung bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung zur spektralen Zerlegung ein dispersives Element, wie z.B. ein Strichgitter, aufweisen. Mittels dieses dispersiven Elementes kann sicher die gewünschte spektrale Zerlegung nur in der ersten Richtung durchgeführt werden.
Bevorzugt ist das dispersive Element als reflektives Element ausgebildet, wie z.B. ein reflektives Strichgitter. Dadurch kann eine Faltung des Strahlengangs erfolgen, wodurch die Meßanordnung kompakt wird. Eine Kombination des Zylinderspiegeis zur Fokussierung mit dem reflektiven, dispersiven Element ist von besonderem Vorteil, da eine zweimalige Faltung des Strahlengangs zu einer sehr kleinen Meßanordnung führt.
Ferner besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Meßanordnung darin, daß die Optikeinrichtung zur Parallelisierung einen, zwei oder mehrere Spiegel, insbesondere einen, zwei oder mehrere sphärische Spiegel, umfaßt. Dadurch kann die Parallelisierung durchgeführt werden, ohne daß dabei Farbfehler erzeugt werden, die bei der Verwendung von refraktiven Elementen zur Parallelisierung auftreten können. Dies führt zu einer Verbesserung der Meßgenauigkeit.
Ferner ist es auch noch möglich, daß das dispersive Element, z.B. ein Gitter, zur spektralen Zerlegung direkt auf der Spiegeloberfläche des Spiegels zur Parallelisierung ausgebildet ist, so daß mit einem einzigen optischen Element die gewünschten Funktionen der Optikeinrichtung verwirklicht werden können.
Falls mehrere Spiegel zur Parallelisierung vorgesehen sind, kann das dispersive Element auf einer oder mehreren der Spiegeloberflächen der Spiegel ausgebildet sein, so daß der Raumbedarf der Meßanordnung geringer ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Meßanordnung weist die Optikeinrichtung ein erstes Optikmodul zur Parallelisierung des eingekoppelten Strahlenbündels und ein dem ersten Optikmodul nachgeordnetes zweites Optikmodul zur spektralen Zerlegung auf. Damit ist es möglich, die unterschiedlichen optischen Aufgaben (nämlich die Parallelisierung und die spektrale Zerlegung) durch separate Optikmodule durchzuführen, die genau auf ihre Aufgaben optimiert werden können, so daß die Meßanordnung insbesondere für hochpräzise Messungen geeignet ist. Besonders vorteilhaft ist es, daß die Parallelisierung vor der spektralen Aufteilung durchgeführt wird, da dann die Parallelisierung ohne die Erzeugung von unerwünschten Farbfehlern einfach realisierbar ist (z.B. durch die ausschließliche Verwendung von Spiegelelementen zur Parallelisierung).
Bevorzugt sind die Detektorpixel in Zeilen und Spalten angeordnet und erfolgt die spektrale Zerlegung in Spaltenrichtung, wohingegen die Parallelisierung in Zeilenrichtung durchgeführt wird. Dadurch ist die Auswertung der Detektorpixel besonders einfach, da jedes Detektorpixel einer bekannten Wellenlänge und einem bekannten Ausfallwinkel zugeordnet ist. Natürlich kann die spektrale Zerlegung auch in Zeilenrichtung erfolgen. In diesem Fall wird dann die Parallelisierung in Spaltenrichtung durchgeführt.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung dem Detektor ein Mikropolarisationsfilter vorgeordnet sein, der eine Vielzahl von Pixelgruppen umfaßt, die jeweils zumindest zwei (bevorzugt drei) ■■ Analysatorenpixel zur Ellipsometrie mit unterschiedlichen Hauptachsenausrichtung und ein transparentes Pixel zur Photometrie aufweisen. Insbesondere ist dabei jedem Detektorpixel genau ein Pixel der Pixelgruppen zugeordnet. In diesem Fall kann zusätzlich zur photometrischen Messung noch eine ellipsometrische Messung gleichzeitig durchgeführt werden, wobei auch bei der ellipsometrischen Messung winkelaufgelöste und spektral aufgelöste Informationen mittels eines einzigen Meßvorgangs gewonnen werden können. Somit können eine Vielzahl von unterschiedlichen Meßwerten mittels eines einzigen Meßvorgangs erfaßt werden, wodurch eine sehr genaue und schnelle Messung ermöglicht wird.
Des weiteren kann bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung ein Beleuchtungsarm vorgesehen sein, der ein (bevorzugt konvergierendes) Strahlenbündel zur Beleuchtung der zu untersuchenden Probe erzeugt und auf diese derart richtet, daß von der Probe ein divergierendes Strahlenbündel ausgeht, das dann in die Optikeinrichtung zur Untersuchung eingekoppelt wird. Dadurch wird eine sehr kompakte Meßanordnung bereitgestellt, mit der die Probe gleich in geeigneter Weise beleuchtet werden kann.
Der Beleuchtungsarm kann so relativ zur Optikeinrichtung in Abhängigkeit der zu untersuchenden Probe angeordnet sein, daß durch die Probe reflektiertes oder transmittiertes Licht bzw. Strahlung als divergierendes Strahlenbündel in die Optikeinrichtung eingekoppelt wird. Damit kann man immer die Anordnung wählen, die für die jeweilige Probe am besten geeignet ist. Auch ist es möglich, den Beleuchtungsarm so anzuordnen, daß in die Optikeinrichtung nur von der Probe kommende Strahlung einer oder mehrerer vorbestimmter Beugungsordnungen, sofern diese auftreten, eingekoppelt wird. Alternativ kann natürlich auch die Optikeinrichtung derart angeordnet werden, daß nur die gewünschte Strahlung eingekoppelt wird.
Falls Gittervektor des zu untersuchenden Probenabschnitts (der Gittervektor kennzeichnet die Richtung der Periodizität des Gitters) in der Einfallsebene (diese wird durch die Achse der Beleuchtungsarms und die Achse des Meßarms, der die Optikeinrichtung und den Detektor aufweist, bestimmt) liegt, befinden sich eventuell auftretende Beugungsordnungen ebenfalls in der Einfallsebene. Wenn jedoch der Gittervektor nicht mehr in der Einfallsebene liegt, so findet die sogenannte konische Beugung statt, bei der alle Beugungsmaxima mit Ausnahme der nullten Beugungsordnung (direkter Reflex) auf einem Bogen senkrecht zur Einfallsebene liegen. Durch eine geeignete Positionierung der Probe (z.B. durch Drehen) kann somit in einfacher Weise gewährleistet werden, daß nur der direkte Reflex in die Optikeinrichtung eingekoppelt und somit detektiert wird. Natürlich kann man auch die gesamte Meßanordnung um die Probennormale drehen, um die gewünschte konische Beugung zu erzeugen.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Meßverfahren dadurch gelöst, daß zusätzlich zum Meßverfahren der eingangs genannten Art noch das divergierende Strahlenbündel, bevor es auf den Detektor trifft, in einer zweiten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung so parallelisiert wird, daß die in der zweiten Richtung benachbarten Strahlen des auf den Detektor treffenden Strahlenbündels zueinander parallel verlaufen. Damit kann eine winkelaufgelöste und spektral aufgelöste photometrische Messung mittels eines einzigen Meßvorgangs durchgeführt werden, ohne daß dabei Teile mechanisch bewegt werden müssen. Dies erhöht sowohl die Meßgenauigkeit als auch die Meßgeschwindigkeit.
Eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens besteht darin, daß in Abhängigkeit der zu untersuchenden Probe nur ein Teil der Detektorpixel des Detektors ausgewertet werden. Dadurch kann die Messung beschleunigt werden, da die Detektorpixel, deren Informationen weniger aussagekräftig sind, nicht berücksichtigt werden, so daß eine unerwünschte Verlangsamung des Meßverfahrens verhindert werden kann. Im Ergebnis wird das erfindungsgemäße Meßverfahren schneller und weist dabei noch eine sehr hohe Genauigkeit auf. Auch wird dadurch die schnelle und optimale Messung an unterschiedlichen Probentypen möglich.
Ferner kann beim erfindungsgemäßen Meßverfahren ein (bevorzugt konvergierendes) Strahlenbündel mit definiertem Polarisationszustand auf die Probe gerichtet werden, wobei dann das Licht, das auf einen Teil der Detektorpixel trifft, durch Analysatoren geführt wird, während das Licht, das auf die restlichen Detektorpixel trifft, nicht durch die Analysatoren geführt wird. Dadurch wird eine kombinierte ellipsometrischen und photometrische Messung möglich, wobei beide Messungen wiederum winkelaufgelöst und spektral aufgelöst mittels eines einzigen Meßvorgangs durchgeführt werden können. Somit werden sehr schnell sehr viele Meßwerte erfaßt, woraus mit hoher Genauigkeit Rückschlüsse auf die gewünschten Parameter der zu untersuchenden Probe gezogen werden können.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Strahlenbündel auf die Probe fokussiert und dann das von der Probe reflektierte oder transmittierte Strahlenbündel gemessen. Über die Fokussierung bzw. auch mögliche Defokussierung des einfallenden Strahlenbündels kann dann die Größe des zu untersuchenden Probenflecks eingestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßanordnung; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus des Meßarms der in Fig. 1 gezeigten Meßanordnung;
Fig. 3 eine Seitenansicht des Meßarms von Fig. 2;
Fig. 4 eine Ansicht des Detektors des Meßarms, und
Fig. 5 eine Explosionsdarstellung eines Ausschnitts der Anordnung von Detektor und Mikropolarisationsfilter.
In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßanordnung für eine kombinierte winkelaufgelöste und spektrale Reflexionsphotometrie gezeigt. Bevorzugt kann mit der Meßanordnung auch noch gleichzeitig eine winkelaufgelöste und spektrale Ellipsometrie, wie nachfolgend in Verbindung mit Fig. 5 noch beschrieben wird, durchgeführt werden.
Die Meßanordnung umfaßt einen Beleuchtungsarm 1 sowie einen Meßarm 2. Der Beleuchtungsarm 1 enthält eine breitbandige Lichtquelle 3, die beispielsweise Strahlung im Wellenlängenbereich von 250 bis 700 nm abgibt, einen der Lichtquelle 3 nachgeordneten Kollimator 4, der ein paralleles Strahlenbündel 5 erzeugt, mit dem eine Beleuchtungsoptik 6 beaufschlagt wird. Zwischen dem Kollimator 4 und der Beleuchtungsoptik 6 kann, falls gewünscht, ein Polarisator 7 eingeschoben werden (wie durch den Doppelpfeil A angedeutet ist), so daß in diesem Fall die Beleuchtungsoptik 6 mit polarisiertem Licht beaufschlagt wird.
Die Beleuchtungsoptik 6 erzeugt ein konvergierendes Strahlenbündel 8, mit dem eine zu untersuchende Probe 9 beleuchtet wird. Der Öffnungswinkel θ des Strahlenbündels 8 in der Einfallsebene (hier die Zeichenebene) beträgt etwa 40°, wohingegen der Öffnungswinkel des Strahlenbündels 8 in einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene bevorzugt kleiner ist (beispielsweise 10° bis 25°), aber natürlich auch den gleichen Wert wie der Öffnungswinkel θ aufweisen kann. Der Beleuchtungsarm 1 ist um etwa 50° (Winkel ) gegenüber der Probennormalen N verkippt, so daß mit dem Strahlenbündel 8 in der Einfallsebene ein Einfallswinkelbereich von 10° bis 60° abgedeckt wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die beiden Arme 1 , 2 symmetrisch zur Probennormalen N angeordnet.
Das konvergierende Strahlenbündel 8, das auf die Probe 9 trifft, unterliegt einer Wechselwirkung mit dieser (es wird beispielsweise an einer periodischen Struktur gebeugt) und dabei wird ein von der Probe 9 ausgehendes, divergierendes Strahlenbündel erzeugt, von dem das eingezeichnete, divergierende Strahlenbündel 10 in den Meßarm 2 eingekoppelt wird. Der Meßarm 2 ist dabei so ausgelegt und angeordnet, daß das divergierende Strahlenbündel 10 dem Strahlenbündel entspricht, daß bei einer rein spiegelnden Reflexion (hier also im wesentlichen Beugung nullter Ordnung) erzeugt werden würde. Somit beträgt der Öffnungswinkel φ des Strahlenbündels 10 auch etwa 40° in der Einfallsebene, so daß in der Einfallsebene die Ausfallswinkel der Strahlen des divergierenden Strahlenbündels 10 10° bis 60° betragen. Die Ausbreitungsrichtung C des Strahlenbündels 10 ist dabei die Ausbreitungsrichtung des Mittelstrahls (das ist der Strahl mit dem Ausfallwinkel von 35°). Mit dieser Anordnung werden hauptsächlich Beugungseffekte nullter Ordnung erfaßt, aus denen dann auf die Parameter der zu untersuchenden Probe, deren Struktur (z.B. Strichgitter) in der Regel vorher bekannt ist, rückgeschlossen werden kann.
Insbesondere kann die Probe 9 und somit die zu untersuchende periodische Struktur der Probe 9 so ausgerichtet sein, daß der Gittervektor der periodischen Struktur nicht in der Einfallsebene liegt. Dann tritt die konische Beugung auf, bei der nur noch die nullte Beugungsordnung in der Einfallsebene liegt. In dieser Weise läßt sich leicht erreichen, daß nur die nullte Beugungsordnung ausgewertet wird.
Das divergierende Strahlenbündel 10 wird in eine Optikrichtung 11 des Meßarms 2 eingekoppelt, wobei in der Optikeinrichtung 11 das divergierende Strahlenbündel 10 einerseits so parallelisiert und andererseits senkrecht zur Zeichenebene so spektral zerlegt wird, daß ein ausfallendes Strahlenbündel 12 erzeugt wird (die genaue Wirkungsweise der Optikeinrichtung 11 wird nachfolgend noch im Detail beschrieben). Das so erzeugte Strahlenbündel 12 wird dann auf einen flächigen Detektor 13 gerichtet, der eine Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Detektorpixeln umfaßt, die unabhängig voneinander ausgewertet bzw. ausgelesen werden können. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein CCD-Chip verwendet. Falls gewünscht, kann zwischen der Optikeinrichtung 11 und dem Detektor 13 ein Mikropolarisationsfilter 14, der später detaillierter beschrieben wird, eingeschoben werden (wie durch den Doppelpfeil B angedeutet ist).
In Fig. 2 und 3 ist eine Ausführungsform des Meßarms 2 gezeigt, wobei in Fig. 3 die Einfallsebene die Zeichenebene ist.
Die Optikeinrichtung 11 umfaßt eine Blende 15 (die nur in Fig. 3 dargestellt ist), die den Öffnungswinkel φ des in die Optikeinrichtung 11 eingekoppelten Strahlenbündels 10 begrenzt. Darauf folgen ein konkaver, sphärischer Spiegel 16 und ein konvexer, sphärischer Spiegel 17, mit denen das divergierende Strahlenbündel 10 vollständig so parallelisiert wird, daß sowohl in der Zeichenebene von Fig. 3 benachbarte Strahlen des parallelisierten Strahlenbündels 18 als auch in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene benachbarte Strahlen des parallelisierten Strahlenbündels 18 zueinander parallel verlaufen. Aufgrund der Parallelisierung ist die Position jedes in der Zeichenebene von Fig. 3 verlaufenden Strahls im Strahlenbündel 18 durch den Ausfallwinkel an der Probe 9 vorgegeben. Somit liegt der Strahl 19 mit dem kleinsten Ausfallwinkel δ1 (=10°) im parallelisierten Strahlenbündel 18 ganz links, während der Strahl 20 mit dem größten Ausfallwinkel δ2(=60°) im parallelisierten Strahlenbündel 18 ganz rechts verläuft. Das gleiche gilt für die Position der Strahlen in Ebenen, die parallel zur Zeichenebene sind.
Die beiden Spiegel 16, 17 bewirken somit, daß der Ausfallwinkel δ der Strahlen im divergierenden Strahlenbündel 10 in eine Position im parallelen Strahlenbündel 18 umgesetzt wird. Das divergierende Strahlenbündel wird also auch in einer ersten Richtung (in der Zeichenebene von Fig. 3) quer zur Ausbreitungsrichtung C (die Richtung des Mittelstrahls) parallelisiert.
Wie Fig. 2 und 3 zu entnehmen ist, wird das parallelisierte Strahlenbündel 18 auf ein Reflexionsgitter 21 gerichtet. Das Reflexionsgitter 21 ist so ausgebildet und angeordnet, daß nur senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 3 (zweite Richtung) eine spektrale Zerlegung erfolgt. Somit gehen vom Gitter 21 für jeden Ausfallwinkel δ jeweils parallele Strahlbüschel einer Wellenlänge aus, wobei der Ausfallwinkel der parallelen Strahlbüschel in Abhängigkeit der Wellenlänge unterschiedliche Werte aufweist.
Diese parallelen Strahlbüschel treffen auf einen Zylinderspiegel 22 und werden mittels diesem nur in Richtung der spektralen Zerlegung auf den Detektor 13 fokussiert. Der Detektor 13, der in Fig. 4 schematisch dargestellt ist und die Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten, individuell auslesbaren Photoelementen (Detektorpixel) 23 umfaßt, ist so im Meßarm 2 angeordnet, daß die spektrale Zerlegung in Richtung der Spalten (Pfeil Y) und die Umsetzung der Ausfallwinkel δ des divergierenden Strahlenbündels 10 in Richtung der Zeilen (Pfeil X) erfolgt. Die Optikeinrichtung 11 bewirkt somit eine Abbildung der Probe nach Unendlich (die Detektorebene ist nicht zur Probenebene konjugiert), wobei die spektrale Zerlegung in der Detektorebene vorliegt. Mit dem Detektor 13 wird dadurch eine optische Signatur des untersuchten Probenabschnitts erfaßt, wobei in Zeilenrichtung (X) eine Winkelauflösung und in Spaltenrichtung (Y) eine Wellenlängenauflösung erfolgt. Daher kann mit dem erfindungsgemäßen Meßarm 2 gleichzeitig eine Messung der Intensität in Abhängigkeit des Ausfallwinkels δ und in Abhängigkeit der Wellenlänge λ durchgeführt werden.
Die Abstände der einzelnen Optikelemente 16, 17, 21 , 22 und 13 des Meßarms 2 zueinander und die Radien der Spiegel 16, 17, 22 sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben, wobei die Zeichenebene von Fig. 3 der Meridionalebene entspricht und die Sagittalebene senkrecht zur Meridionalebene liegt:
Tabelle 1
Optikelemente Abstand (mm) Optikelement Radius (mm)
9 -16 68,13 16 54,60 (sphärisch, konkav)
16 - 17 27,00 17 34,70 (sphärisch, konvex)
17 - 21 70,00 22 103,03 (sagittaler Radius, konkav)
21 - 22 50,00
22 - 13 50,00
Die Elemente des Meßarms sind so relativ zueinander angeordnet, daß folgende Ablenkwinkel (Differenz zwischen ankommendem und reflektiertem Strahl) gemäß dem Führungsstrahlprinzip auftreten. Beim Führungsstrahlprinzip dient der ein Element verlassende Scheitelstrahl (bzw. Mittelstrahl des das Element verlassenden Strahlenbündels) als Eingangsbezugsstrahl für das nächste Bauelement. Tabelle 2
Optikelement Ablenkwinkel (°)
16 57,43 Ablenkung nur in meridionaler Richtung 17 110,00 Ablenkung nur in meridionaler Richtung 22 20 Ablenkung nur in sagittaler Richtung
Das Gitter 23 ist ein planes Lineargitter mit einer Gitterfrequenz von 500 Linien/mm (eine Linie ist dabei eine vollständige Strukturperiode) und ist so angeordnet, daß der Einfallswinkel am Gitter bezüglich der Gitternormalen 11 ,824° beträgt. Der Ablenkwinkel (in sagittaler Richtung) für einen Strahl der Wellenlänge von 380,91 nm beträgt 12,652°. Der in Tabelle 2 angegebene Ablenkwinkel von 20° am Zylinderspiegel 22 ist auch auf die Wellenlänge von 380,91 nm bezogen. Der Strahl mit dieser Wellenlänge, der am Zylinderspeigel 22 reflektiert wird, trifft senkrecht auf den Detektor 13.
Da im Meßarm 3 zuerst die Parallelisierung mittels der beiden Spiegel 16 und 17 und somit ohne die Verwendung von refraktiven Elementen durchgeführt wird, treten vorteilhaft bei dieser Parallelisierung keine Farbfehler auf.
Die Beleuchtungsoptik 6 des Beleuchtungsarms 1 kann in identischer Weise zum Meßarm 2 zwei sphärische Spiegel (nicht gezeigt) sowie eine Blende (nicht gezeigt) aufweisen, so daß bei Beaufschlagung mit einem parallelen Strahlenbündel 5 das gewünschte, konvergierende Strahlenbündel 8 erzeugt wird.
Bei der Messung von periodischen Strukturen wird der Bündeldurchmesser des einfallenden Strahlenbündels 8 auf der Probe 9 bevorzugt so gewählt, daß er zumindest einige Perioden der Struktur beleuchtet. Bei der Halbleiterfertigung kann die Periode solcher Strukturen (wie z.B. voneinander beabstandete Linien, die eine vorbestimmte Breite und Höhe sowie einen vorbestimmten Flankenwinkel bei richtiger Prozeßführung aufweisen sollten) 150 nm betragen, so daß dann ein Bündeldurchmesser von einigen 10 μm angestrebt wird. In Abhängigkeit der Probengeometrie (die sich aufgrund von z.B. Prozeßschwankungen ändert) ändert sich auch die gemessene optische Signatur, so daß ausgehend von der gemessenen optischen Signatur durch bekannte Verfahren (wie z.B. neuronale Netze) auf die tatsächlichen Werte der gewünschten Parameter (wie z.B. Linienbreite, Linienhöhe, Flankenwinkel) zurückgeschlossen werden kann. Es hat sich bei den Messungen herausgestellt, daß die Sensitivität (also die Änderungen der optischen Signatur in Abhängigkeit einer Änderung des zu untersuchenden Parameters, wie z.B. Breite und Höhe der parallelen Linien) nicht über den gesamten Bündelquerschnitt des auf den Detektor 13 treffenden Strahlenbündels konstant ist, sondern sehr stark von dem jeweiligen Probentyp (z.B. Photoresist auf Silizium, geätztes Silizium, geätztes Aluminium) und den jeweiligen Geometrien (z.B. ein- oder zweidimensionale Wiederholstrukturen) abhängt.
In Fig. 4 sind die einzelnen Pixelelemente 23 des Detektors 13 als Quadrate dargestellt, wobei die Sensitivität als Funktion der Wellenlänge λ und des Ausfallwinkels δ für einen ersten Probentyp durch Höhenlinien 24, 25, 26, 27 und für einen zweiten Probentyp durch Höhenlinien 28, 29, 30, 31 angedeutet ist. Die Höhenlinien kann man experimentell und/oder theoretisch ermitteln.
Bei Messung des ersten Probentyps wird der Detektor 13 bevorzugt so angesteuert, daß nur die innerhalb der Höhenlinie 24 liegende Pixelelemente 23 ausgelesen werden, während bei Messung des zweiten Probentyps nur die innerhalb der Höhenlinie 28 liegenden Pixelelemente 23 ausgelesen werden. Dadurch können nur die relevanten Pixelelemente 23 erfaßt und ausgewertet werden, so daß die Auswertung durch die nicht so relevanten Informationen der restlichen Bildpixelelemente nicht unnötigerweise verlangsamt wird. Als Detektor 13 werden bevorzugt solche verwendet, bei denen einzelne Bildpixel selektiv ausgelesen werden können. Dies kann z.B. ein CMOS-Bilddetektor oder auch ein CID-Bilddetektor (charge-injection-device- Bilddetektor) sein.
In einer Weiterbildung der beschriebenen Ausführungsform ist im Beleuchtungsarm 1 der Polarisator 7 so angeordnet, daß das in die Beleuchtungsoptik 6 eingekoppelte Strahlenbündel linear polarisiert ist und somit einen definierten bzw. bekannten Polarisationszustand aufweist. Im Meßarm 2 ist zwischen Optikeinrichtung 11 und dem Detektor 13 der Mikropolarisationsfilter 14 eingefügt, der bevorzugt unmittelbar vor dem Detektor 13 angeordnet ist.
Der Mikropolarisationsfilter 14 umfaßt eine Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Filterpixeln 32, 33, 34, 35, wobei jedes Filterpixel 32, 33, 34, 35 genau einem Detektorpixel 23 zugeordnet ist, wie in der schematischen Explosionsdarstellung eines Abschnitts des Detektors 13 und des Mikropolarisationsfilters 14 in Fig. 5 ersichtlich ist. Dabei bilden jeweils 2 mal 2 Filterpixel eine Pixelgruppe 36, wobei drei Filteφixel 32, 33, 34 (z.B. feine Metallgitter, die mittels bekannter Mikrostruktierungstechniken herstellbar sind) der Pixelgruppe 36 Analysatoren mit unterschiedlichen Durchlaß- bzw. Hauptachsenrichtungen (z.B. 0°, 45°, 90°) für polarisierte Strahlung sind und das vierte Filterpixel 35 transparent ausgebildet ist. Mit den den drei Analysatorpixeln 32, 33, 34 zugeordneten Detektorpixeln 23 kann somit der Polarisationszustand erfaßt werden und mit dem vierten Detektorpixel 23, das dem transparenten Filterpixel 35 zugeordnet ist, kann die Intensität gemessen werden. Bei dieser Ausführungsform ist somit zwar die Auflösung um den Faktor 2 im Vergleich zu der vorgeschriebenen Ausführungsform verringert, jedoch werden zusätzlich noch Informationen über die Änderungen des Polarisationszustandes gewonnen, so daß auch noch eine spektrale und winkelaufgelöste Ellipsometrie gleichzeitig mit einer einzigen Messung durchgeführt werden kann.
Wenn mit der beschriebenen Meßanordnung eine ortsaufgelöste Messung durchgeführt werden soll, wird der Abstand der Probe 9 zu den beiden Armen 2 und 3 bevorzugt so eingestellt, daß das konvergierende Strahlenbündel 8 auf der Probe 9 einen möglichst geringen Durchmesser aufweist. Das konvergierende Strahlenbündel 8 wird somit möglichst gut auf die Probe fokussiert. Die Probe 9 wird ferner relativ zu den beiden Armen 2 und 3 bewegt, so daß für jeden Punkt die in Verbindung mit den vorhergehenden Ausführungsformen beschriebenen Messung durchgeführt>..werden kann. Die Ortsauflösung wird somit durch die Messung von separaten Punkten erreicht, da die einzelnen Messungen an sich keine ortsaufgelöste Information liefern. Dies liegt daran, daß bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung der Meßarm kein Bild der untersuchten Probenstelle, sondern eine integrale optische Signatur (die über den Probenfleck gemittelte optische Signatur) erfaßt.
Die Bewegung der Probe 9 relativ zu den Armen 2 und 3 wird bevorzugt mittels eines Probentisches (nicht gezeigt), auf dem die Probe 9 gehaltert ist, durchgeführt, wobei mit dem Probentisch auch noch der Abstand zu den Armen 2,3 und somit der Bündeldurchmesser des Strahlenbündels 8 auf der Probe 9 einstellbar ist. Alternativ können natürlich auch beide Arme 2 und 3 entsprechend relativ zur Probe 9 bewegt werden, oder es ist auch möglich, beide Bewegungen zu kombinieren.

Claims

Ansprüche
1. Meßanordnung mit einer Optikeinrichtung (11), in die zur Messung ein von einer Probe (9) ausgehendes, divergierendes Strahlenbündel (10) eingekoppelt wird, und weiter mit einem der Optikeinrichtung (11) nachgeordneten Detektor (13), der eine Vielzahl von in einer Ebene angeordneten, unabhängig voneinander auswertbaren Detektorpixeln (23) aufweist, wobei die Optikeinrichtung (11) das divergierende Strahlenbündel (10) in einer ersten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung (C) des Strahlenbündels (10) spektral zerlegt und auf den Detektor (13) lenkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikejnrichtung (11) das Strahlenbündel auch noch, bevor es auf den Detektor (13) trifft, in einer zweiten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung (C) so parallelisiert, daß in der zweiten Richtung benachbarte Strahlen des auf den Detektor (13) treffenden Strahlenbündels zueinander parallel verlaufen.
2. Meßanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Optikeinrichtung (11 ) die spektrale Zerlegung derart durchführt, daß in der ersten Richtung eine Fokussierung in der Ebene der Detektorpixel (23) erfolgt.
3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikeinrichtung (11) zur Fokussierung einen Zylinderspiegel (22) umfaßt.
4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikeinrichtung (11) zur spektralen Zerlegung ein dispersives Element, insbesondere ein Strichgitter (21), aufweist.
5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dispersive Element reflektiv ist.
6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikeinrichtung (11) zur Parallelisierung einen Spiegel, insbesondere einen sphärischen Spiegel (16; 17), umfaßt.
7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Optikeinrichtung ein erstes Optikmodul (16, 17) zur Parallelisierung des eingekoppelten Strahlenbündels (10) und ein dem ersten Optikmodul (16; 17) nachgeordnetes zweites Optikmodul (21, 22) zur spektralen Zerlegung des parallelisierten Strahlenbündels enthält.
8. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Optikmodul zur Parallelisierung nur Spiegelelemente (16, 17) umfaßt.
9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoφixel (23) in Zeilen und Spalten angeordnet sind und die spektrale Zeriegung in Zeilenoder Spaltenrichtung erfolgt.
10. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor (13) ein Mikropolarisationsfilter (14) vorgeordnet ist, der eine Vielzahl von Pixelgruppen umfaßt, die jeweils zumindest zwei Analysatorenpixel mit unterschiedlichen Hauptachsenrichtungen zur Ellipsometrie und ein transparentes Pixel zur Photometrie aufweisen.
11. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beleuchtungsarm (1) vorgesehen ist, der ein Strahlenbündel (8) derart auf die zu untersuchende Probe richten kann, daß das divergierende Strahlenbündel (10) erzeugt wird.
12. Meßverfahren mit den Schritten:
Richten eines Strahlenbündels (8) auf eine zu untersuchende Probe (9) derart, daß von der Probe (9) ein divergierendes Strahlenbündel (10) ausgeht,
Durchführen einer spektralen Zerlegung des divergierenden Strahlenbündels (10) in einer ersten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung (C) des divergierenden Strahlenbündels (10) und
Richten des spektral zerlegten Strahlenbündels auf einen Detektor (13), der eine Vielzahl von in einer Ebene angeordneten und unabhängig voneinander auswertbaren Detektorpixeln (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das divergierende Strahlenbündel (10) auch noch, bevor es auf den Detektor (13) trifft, in einer zweiten Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung (C) so parallelisiert wird, daß in der zweiten Richtung benachbarte Strahlen des auf den Detektor (13) treffenden Strahlenbündels zueinander parallel verlaufen.
13. Meßverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in
Abhängigkeit der zu untersuchenden Probe (9) nur ein vorbestimmter Teil der Detektorpixel (23) ausgewertet werden.
14. Meßverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel (8), das auf die Probe (9) gerichtet wird, einen definierten Polarisationszustand aufweist und daß ein Teil des auf den Detektor (13) gerichteten Strahlenbündels durch Analysatoren hindurchgeleitet wird.
15. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel (8) auf die Probe (9) fokussiert wird.
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