NL9400716A - Werkwijze en apparaat voor het bepalen van een structuurelementvormende variant van een lithografisch systeem. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Werkwijze en apparaat voor het bepalen van een structuurelementvormende variant van een lithografisch systeem.

De onderhavige uitvinding heeft in het algemeen betrekking op werkwijzen en apparaten voor het bepalen van bedrijfsvarianten van een optisch systeem en meer in het bijzonder op het focusseren van een lithografisch systeem.

Bij de ontwikkeling en fabricage van geïntegreerde schakelingen worden de mogelijkheden van op zeer grote schaal geïntegreerde (VLSI-) en op ultra grote schaal geïntegreerde (ULSI-) schakelingen gestuurd door verschillende fabricagetechnologieën, maar optische lithografie wordt typisch gezien als de meest kritische. Technologiegeneraties van geïntegreerde schakelingen worden gemeten in termen van lithografische minimumstructuurelementgrootten, b.v. submicrometerlijnbreedten.

Aan de steeds maar toenemende vraag naar kleinere schakelingsstructuurelementen en hogere pakkingsdichtheden is in hoofdzaak voldaan door het vergroten van de numerieke apertuur van een lenzenstelsel in een microlithografisch werktuig. De prestaties van de meeste lithografische lenzen zijn echter door diffractie beperkt. De drie variabelen die deze beperking bepalen, zijn (1) de numerieke lensapertuur, (2) de golflengte van de belichtingsstraling, en (3) de coherentie van de belichtingsstraling. Rayleigh-criteria kunnen worden gebruikt als een benadering voor het bepalen van de minimale resolutie en de totale dieptescherpte van een door diffractie beperkt systeem.

Wat betreft minimale resolutie is de vergelijking als volgt: minimale resolutie = kl (belichtingsgolflengte/NA) waarin NA de numerieke apertuur is en kl een schaalfactor is, die afhangt van de lensaberratie en een aantal andere factoren. In het algemeen wordt het aangenomen dat voor de actuele generatie van lithografische werktuigen kl = 0,8 geldt.

De dieptescherpte voor het in overeenstemming met de bovenstaande vergelijking opgeloste minimale structuurelement wordt als volgt bepaald: dieptescherpte = k2 (belichtingsgolflengte/(NA)2) waarin k2 een schaalfactor is, die afhangt van lensaberraties en verwerkingsfactoren. Voor k2 wordt een nominale waarde 0,8 aangenomen.

Aan de hand van de bovenstaande vergelijkingen kan het worden gezien, dat een toeneming in de numerieke apertuur van de projectie-optica superieure resoluties bereikt, maar ten koste van de dieptescherpte. Het bereik van acceptabele focus wordt verder gereduceerd door factoren zoals de bestaande topografie van het substraat, welke niet-platheid van het substraat dan ook, de nauwkeurigheid van het automatische focusseringssysteem van het lithografische werktuig, en de fout die behoort bij het proces van het bepalen van de optimale focus.

Het is recentelijk gebleken dat de optimale focus, zoals bepaald door het automatische focusseringssysteem van het lithografische werktuig, een functie van het type film op het oppervlak van het substraat is. Er kan bijvoorbeeld, zoals bepaald door het werktuig, een verschuiving van 0,4 pi van het beste focusvlak voor een polypoortniveau in vergelijking met een contactmasker zijn. Het is eveneens bepaald, dat de optimale focus een functie van de bestaande topografie op het substraat is. Dit is waargenomen als een 0,2 pi verschuiving in het beste brandvlak tussen het polypoortniveau van een geheugenschakeling en hetzelfde niveau voor een geïntegreerd CPU-schakelingsschijfje. Deze resultaten geven aan, dat nauwkeurige bepaling van optimale focus een kritische factor is bij het bereiken van de maximale dieptescherpte die met een bepaalde projectielens kan worden verkregen.

Zoals hierin gedefinieerd, is een "lithografisch systeem" gedefinieerd als zijnde voorzien van onderdelen (1) voor de overdracht van een beeld door middel van een projectiesysteem, (2) voor de interactie van geprojecteerde flux met een fotolaksysteem, en (3) voor de ontwikkeling van het beeld in de fotolak.

Er bestaan drie conventionele werkwijzen voor het bepalen hoe nauwkeurig een gewenst beeld na doortocht door een lithografisch systeem wordt gereproduceerd. De eerste werkwijze is beschreven in het Amerikaanse octrooi schrift 4 890 239. Deze werkwijze berust op de meting van de lijnbreedte van een lithografisch structuurelement over een bereik van focusposities. Een grafiek van lijnbreedte als functie van focus wordt voor de reeks brandpuntinstellin-gen gevormd. De optimale focus wordt geëxtraheerd door het selecteren van de waarde, waarbij de lijnbreedte het ongevoeligst voor belichting is, d.w.z. waar de krommen van lijnbreedte als functie van focus het innigst met elkaar zijn gebundeld. Hoewel deze werkwijze in het verleden acceptabel is geweest, heeft zij verscheidene tekortkomingen, die een rechtstreeks resultaat van de hierboven beschreven trend van het doen toenemen van de numerieke apertuur zijn. Voor werktuigen, waarbij een zeer grote numerieke apertuur behoort, zijn krommen van lijnbreedte als functie van focus asymmetrisch geworden. Aldus is het afleiden van de optimale focus onder gebruikmaking van deze werkwijze moei!ijker geworden.

Een tweede werkwijze voor het kiezen van optimale focus is gebaseerd op het verkrijgen van doorsneden van een verzameling van evenwijdige lijnen of contacten in een SEM (rasterelektronenmicro-scoop) over een bereik van focusposities. Zijwandhoek wordt dan uitgezet als een functie van focus, waarbij zijwandhoek is gedefinieerd als de hoek van een wand van fotolak met betrekking tot een schijfoppervlak. Optimale focus wordt bepaald door het selecteren van het maximum van de grafiek. In tegenstelling tot de in het genoemde Amerikaanse octrooi schrift beschreven werkwijze, werkt deze werkwijze zelfs goed voor gevallen, waarin krommen asymmetrisch zijn. Het verkrijgen van doorsneden van de lijnen of contacten vereist echter destructief en vuil klieven van een monster en is arbeidsintensief.

Een derde bij het identificeren van een optimale focus gebruikte werkwijze is er een, die vereist dat de bedieningspersoon visueel de beste focus in een elektronen- of optische microscoop identificeert door het inspecteren van de "kwaliteit" van het beeld als een functie van focus. Deze werkwijze is bedieningspersoon-afhankelijk en vertoont grote variaties tussen bedieningspersonen.

Een doel van de uitvinding is om te voorzien in een werkwijze en apparaat voor het bepalen van optimale instellingen voor bedrijfsvarianten van een structuurelementvormend systeem.

Het hierboven genoemde doel is bereikt door een werkwijze en systeem die voorzien in een kwantitatieve beoordeling van lithografisch gedrukte patronen van een of meer structuurelementen bij een bepaling van een optimum voor focus, belichting of andere structure! ementvormende variant. Een beeld van het gedrukte patroon wordt gevormd en dan van een intensiteitsvariabel ruimtelijk patroon ge- transformeerd in een twee-dimensionaal vermogensspectrum door middel van een Fourier-transformatie. Het resulterende getransformeerde optische vermogensspectrum van het beeld is voorzien van ten minste één aslijn van maximaal optisch vermogen. Het optische vermogen langs een of meer van de aslijnen wordt vergeleken met optisch vermogen dat wordt vertegenwoordigd tussen de aslijnen van maximaal vermogen, waardoor kwantitatief de mate wordt beoordeeld, waarin het structuurelement of de structuurelementen van een patroon zijn "afgerond". Een kwaliteitseijfer voor focus, belichting of andere structuurelement-vormende variant kan worden geselecteerd in responsie op de vergelijking van op-aslijnvermogen met naast-aslijnvermogen. De "beeldvormende variant" kan zelfs een keuze tussen systemen voor het tot stand brengen van het gedrukte patroon zijn, zodat "het instellen" van de beeldvormende variant een stap van het selecteren van een lithografisch werktuig in plaats van een ander kan zijn.

Typische toepassingen van de uitvinding zijn het kwantitatief bepalen van optima voor de fabricage van geïntegreerde schakelingsschijfjes en gedrukte schakelingsplaten. Geïntegreerde schakelingen hebben traditioneel bestaan uit structuurelementen die kanten hebben, die ideaal loodrecht op elkaar staan. Hiernaar wordt verwezen als een "Manhatten-opmaak", waarbij elkaar kruisende kanten zijn ontworpen om elkaar onder scherpe 90°-hoeken te ontmoeten. Voor een Manhattan-opmaak zal een getransformeerd optisch vermogensspectrum twee orthogonale aslijnen van maximaal optisch vermogen hebben. Niet-ïdeale omstandigheden en instellingen gedurende fabricage van de ontworpen opmaak zullen afgeronde hoeken bij de kruising van kanten tot stand brengen. De uitvinding voorziet in een kwantitatieve beoordeling van de afronding, teneinde een kwaliteitseijfer vast te stellen. "Niet-Manhattan-opmaken" zijn niet beperkt tot hoeken van 90°. Wanneer ontworpen geometrieën niet zijn beperkt tot stellen orthogona-le lijnen, kan de uitvinding worden gebruikt, indien de van belang zijnde structuurelementen behoren tot een redelijk kleine verzameling van rotatiehoeken, zodat maximale vermogensaslijnen en tussenliggende hoeken kunnen worden gedefinieerd bij het bepalen van op-aslijnvermogen en naast-aslijnvermogen. Niet-Manhattan-opmaken bijvoorbeeld, waarbij ontworpen kanten elkaar kruisen onder hoeken die slechts 45°-hoeken en 90°-hoeken vormen, zullen vier aslijnen van maximaal vermogen hebben, die onder 45° met elkaar staan.

In een de voorkeur hebbende uitvoeringsvorm wordt een reeks patroonformaties in een fotolak gefabriceerd. Elke formatie binnen de reeks wordt gefabriceerd op een manier om hetzelfde patroon van een of meer structuurelementen te verkrijgen, maar bij een andere instelling van een bepaalde structuurelementvormende variant, zoals focus of belichtingsintensiteit of de golflengte van het voor belichting gebruikte licht. Voor elke formatie wordt dan digitaal of fotografisch een beeld geregistreerd. De reeks kan eveneens bestaan uit identieke patronen, waarbij de structuurelementvormende variant, die wordt gevarieerd, geen verband houdt met belichting, b.v. fotolak-dikte, het type fotolak of de parameters van fotolakverharding.

Hoewel dit niet kritisch is, kan verwerking van de bemonsterde beelden beginnen met het verbeteren van de fijne structuur die van belang is, terwijl ruis en welke onbelangrijke structuurelementen van de beelden dan ook worden onderdrukt. Verbetering van de van belang zijnde structuur kan worden uitgevoerd door een eenvoudige afvlakking, differentiatie, de toepassing van een kantverbeterings-fi1 ter of andere algoritmische verbeteringen die gewoon zijn in de bestaande beeldverwerkingspraktijk.

Voor elk beeld wordt een twee-dimensionale discrete Fourier-getransformeerde berekend. De Fourier-getransformeerde wordt dan gekwadrateerd om een twee-dimensionaal vermogensspectrum te verkrijgen.

Optioneel kan elk Fourier-vermogensspectrum worden weergegeven als een beeld dat uitgericht met het reële ruimtebeeld is georiënteerd, waaruit het vermogensspectrum werd bepaald. Binnen het Fourier-vermogensspectrum is afstand vanaf een oorsprong lineair gerelateerd aan ruimtelijke frequentie. De weergave is niet-kritisch, aangezien computerprogrammering bekend is voor het uitvoeren van kwantitatieve beoordeling binnen kritische dimensiemeetwerktuigen (CD-meetwerktuigen).

De kwantitatieve beoordeling wordt bereikt door eerst een hoekvermogensfunctie voor elk vermogensspectrum te extraheren. Het gemiddelde optische vermogen langs de horizontale lijn door de oorsprong van het vermogensspectrum wordt berekend. Optioneel worden een minimale straal en een maximale straal langs de lijn door de oorsprong gedefinieerd, teneinde de berekening van gemiddeld vermogen te beperken tot een gedeelte van de lijn waarvan het ten minste waarschijnlijk is, dat deze significante bijdragen heeft als gevolg van bemonste-ringsruis en andere hoogfrequenteffecten, alsmede absolute contrast-niveaus in het beeld. De berekening van gemiddeld vermogen wordt herhaald voor alle lijnen onder hoeken van -180° tot en met +180°. Indien de minimale en/of maximale stralen zouden worden gebruikt voor de horizontale lijn, dienen ze voor alle andere lijnen te worden gebruikt. Het resultaat is een hoekvermogensfunctie die de sterkte van de lithografisch gedrukte structuurelementen in verscheidene richtingen vertegenwoordigt. Een karakteristiek van het Fourier-vermogens-spectrum is dat alle structuurelementen exact door de oorsprong reflecteren, zodat de optische waarde van de hoekvermogensfunctie vanaf +180° tot en met -180° exact gelijkwaardig is. Verschillen in de hoeveelheid informatie tussen aslijnen van maximaal vermogen in het Fourier-vermogensspectrum, dat is berekend voor een beeld dat afgeronde hoeken heeft, blijken significant meer in de geëxtraheerde hoekvermogensfunctie.

Uit elke hoekvermogensfunctie wordt dan een kwaliteits-cijfer geëxtraheerd. De hoek van maximaal vermogen, d.w.z. de maximale waarde van de hoekvermogensfunctie, is gedefinieerd als de nul hoek.

Dit verzekert dat een aslijn van maximaal vermogen wordt gebruikt bij het bepalen van de verschillen tussen op-aslijnvermogen en naast-aslijnvermogen. Ofschoon dit niet kritisch is, definieert de onderhavige benadering een kwaliteitscijfer voor het fabriceren van een Manhattan-opmaak als het verschil tussen (1) het produkt van de vermogenswaarde bij de nul hoek maal de waarde bij 90° van de nul hoek en (2) het produkt van de vermogenswaarden bij +45° en -45° van de nulhoek. De uit de hoekvermogensfuncties van de verscheidene vermo-gensspectra in een reeks geëxtraheerde kwaliteitseijfers worden dan gebruikt om het optimum van de van belang zijnde structuurelement-vormende variant te selecteren. De werkwijze kan eveneens worden gebruikt bij het bepalen van instellingen voor niet-Manhattan-opmaken door het toepassen van een gelijksoortige benadering voor het vinden van een verschil tussen op-aslijnvermogen en naast-aslijnvermogen.

De berekeningen voor het verschaffen van het Fourier-vermogensspectrum kunnen worden geëlimineerd door gebruik van een conventionele lens om het spectrum op het achterbrandvlak van de lens tot stand te brengen. Indien het spectrum optisch wordt verkregen, kan de hoekvermogensfunctie elektromechanisch worden verkregen. Een roterende sleufsluiter kan in het achterbrandvlak van de lens zijn gepositioneerd, waarbij het licht, dat door de sleufsluiter loopt, wordt verzameld en gekwantifiseerd om de hoekvermogensfunctie vast te stellen.

Hoewel de werkwijze is beschreven als zijnde gebruikt met lithografische systemen, kan zij bij andere toepassingen worden gebruikt. Structuurelementvormende varianten bij de fabricage van geïntegreerde schakelingen en gedrukte schakelingsplaten kunnen worden bepaald. Toepassingen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, de bepaling van optimale focus, belichting, fotolakmaterialen, etsmiddelen en parameters voor verharding voor belichting en na belichting. Bovendien kan, zoals voorafgaand is opgemerkt, de werkwijze worden gebruikt om tussen systemen te selecteren voor het vormen van het structuurelement of de structuurelementen.

Een voordeel van de onderhavige uitvinding is, dat een kwantitatieve vaststelling wordt verschaft, waarbij een bepaling van beste focus mogelijk is, die niet bedieningspersoon afhankelijk is. Bovendien kan de werkwijze in een kortere tijdsperiode worden uitgevoerd.

De uitvinding zal nu nader worden beschreven aan de hand van de tekening, waarin: figuur 1 een schematische voorstelling van een lithografisch systeem voor het vormen van een patroon op een halfgeleider-schijf is; figuren 2A en 2B schematische voorstellingen van een apparaat voor het bepalen van een optimum van een structuurelementvormende variant voor het lithografische systeem van figuur 1 in overeenstemming met de onderhavige uitvinding zijn; figuur 3 een bovenaanzicht van een door het lithografische systeem van figuur 1 gedrukt ideaal structuurelement is; figuur 4 een voor het beeld van figuur 3 opgewekt Fourier-vermogensspectrum is; figuur 5 een bovenaanzicht van het structuurelement van figuur 3 is, waarin hoeken zijn afgerond als een resultaat van een niet-ideale instelling van het lithografische systeem van figuur 1; figuur 6 een voor het beeld van figuur 5 opgewekt Fourier-vermogensspectrum is; figuur 7 een grafiek van een uit het vermogensspectrum van figuur 4 geëxtraheerde hoekvermogensfunctie is; figuur 8 een uit het vermogensspectrum van figuur 6 geëxtraheerde hoekvermogensfunctie is; figuren 9-11 grafieken van kwaliteitscijfer als functie van defocus zijn, zoals berekend voor verscheidene hoekvermogensfunc-ties en voor verschillende ruimtelijke frequenties; figuur 12 een vooraanzicht van een sleufsluiter is, die mechanische lijnen bepaald, waarlangs optisch vermogen moet worden gemeten om een hoekvermogensfunctie zoals in figuren 7-8 te verkrijgen; en figuur 13 een schema van een systeem is, dat is voorzien van de sleufsluiter van figuur 12, voor het opto-mechanisch verkrijgen van de hoekvermogensfunctie.

Onder verwijzing naar figuur 1 is een lithografisch systeem 10 voor gebruik bij het fabriceren van geïntegreerde schakelingen op een halfgeleiderschijf 12 getoond. Structuurelementvormende varianten voor het overbrengen van een gewenst beeld en voor het fabriceren van het beeld in een laag kunnen worden geoptimaliseerd onder gebruikmaking van de hieronder te beschrijven werkwijze. Het lithografische systeem is hierin gedefinieerd als omvattende de overdracht van het gewenste beeld door middel van een projectie-systeem, de interactie van geprojecteerde flux met de fotolak, en de ontwikkeling van het gewenste beeld in de fotolak. Aldus kunnen optimale focus, optimale beiichting en andere optische eigenschappen worden gekwantificeerd. Bovendien kunnen onder gebruikmaking van de uitvinding materialen voor het fabriceren van het patroon en procesparameters worden geselecteerd.

Met het oog op de duidelijkheid zal de werkwijze primair worden beschreven onder verwijzing naar het bepalen van een kwaliteitscijfer voor een focusinstelling. Een eerste stap van de uitvinding is een reeks lithografische patroonformaties in een foto-laklaag op de halfgeleiderschijf 12 te fabriceren. Een focusreeks kan bijvoorbeeld instellingen omvatten, die lopen vanaf -1,4 /im tot en met +1,4 μιτι of een belichtingsreeks kan instellingen omvatten binnen het bereik van x joule tot en met y joule.

Beelden van de belichte fotolaklaag op de halfgeleider-schijf 12 worden dan digitaal of foto!ithografisch geregistreerd. In een de voorkeur hebbende uitvoeringsvorm worden de beelden digitaal geregistreerd onder gebruikmaking van een in de handel verkrijgbaar kritisch dimensiemeetwerktuig (CD-meetwerktuig), zoals de Hitachi $6000. Het CD-werktuig 12 is in figuur 2A getoond. Een rasterelektro-nenmicroscoop (SEM) stapt van schijfje naar schijfje om automatisch een digitaal beeld van een patroon te verzamelen, dat bestaat uit een of meer structuurelementen.

In de de voorkeur hebbende uitvoeringsvorm van figuur 2A is het CD-werktuig, dat digitaal elk beeld registreert, direkt met een digitale signaalprocessor (DSP) 18 verbonden. De DSP is een beeldverwerkingssysteem dat in de handel verkrijgbaar is. Een Hewlett-Packard Vectra 486/25 kan bijvoorbeeld worden gebruikt met een Synoptics Synergy rasteropslaginsteekkaart. De programmatuur werd ontwikkeld onder SEMPER 6+, een hoofdbesturingssysteem dat bij Synoptics verkrijgbaar is, maar andere programmatuur kan daarvoor in de plaats worden gesteld. Het resulterende systeem maakt ontwikkeling van programma’s mogelijk onder gebruikmaking van beeldspecifieke opdrachten en vereenvoudigde ontwikkeling van routines, zoals de hieronder beschreven routine.

Bij een alternatieve uitvoeringsvorm worden de beelden fotografisch op film geregistreerd. In figuur 2B kan een CCD-camera 16 op een staander zijn gemonteerd om in de DSP 18 geregistreerde beelden af te tasten. Optioneel kan een toepassingsgerichte zwart/wit videomonitor 20 worden gebruikt.

Voor elk van de bemonsterde beelden van de focusreeks kan de DSP 18 voorzien in eenvoudige afvlakking, differentiatie, of een toepassing van een kantverbeterend filter of ander bekend beeld-verbeteringsalgoritme om de fijne structuur te verbeteren, die uniek is voor het fotolakpatroon van belang, terwijl ruis en structuurelementen die niet van belang zijn, worden onderdrukt. Een Fourier-vermogensspectrum wordt dan ontwikkeld voor elk van de beelden.

Dit wordt volbracht door het berekenen van een twee-dimensionale discrete Fourier-getransformeerde en het dan kwadrateren van de getransformeerde.

Hoewel de verwerking typisch volkomen elektronisch wordt uitgevoerd, kan het Fourier-vermogensspectrum op de monitor 20 worden weergegeven. De weergave zal een beeld zijn, dat uitgericht met het reële ruimtebeeld is georiënteerd, waaruit het vermogensspectrum werd bepaald. Figuur 3 is een bemonsterd beeld van een in een fotolak-laag 24 gevormd vierkant structuurelement 22. Figuur 4 illustreert het bijbehorende Fourier-vermogensspectrum van het beeld van figuur 3.

Zoals typisch is bij fotolithografisch gedrukte patronen, bestaat het structuurelement 22 van figuur 3 uit orthogonale lijnverzamelingen. Daarnaar wordt verwezen als een Manhattan-opmaak. Hier zijn de lijnverzamelingen in horizontale en verticale richtingen, maar ze kunnen ook onder andere hoeken met elkaar staan. Op een manier, die consistent is met de informatie in het beeld in figuur 3, bevat het Fourier-vermogensspectrum van figuur 4 twee orthogonale verzamelingen informatie. Dat wil zeggen dat het optische vermogen bestaat langs slechts twee orthogonale aslijnen. De periodiciteit van de op deze aslijnen aangetroffen informatie bevat de afmetingen van het vierkante structuurelement en de daarbij behorende harmonischen. Het patroon van figuur 3 is een eenvoudig patroon. Een geïntegreerde schakeling zal een groter aantal structuurelementen in het patroon hebben. Ongeacht het aantal structuurelementen zal een Manhattan-opmaak voorzien in een vermogensspectrum dat de twee orthogonale aslijnen van maximaal vermogen heeft. Een niet-Manhattan-opmaak zal resulteren in aanvullende aslijnen van maximaal vermogen, maar de werkwijze kan met dergelijke opmaken worden gebruikt, indien de aanvullende aslijnen redelijk in aantal zijn.

In figuur 5 heeft een niet-optimale instelling van het hierboven beschreven lithografische systeem tot gevolg gehad, dat de hoeken 26, 28, 30 en 32 van het structuurelement 34 zijn afgerond. De afgeronde hoeken zijn lijnen die niet orthogonaal zijn, zodat het bijbehorende Fourier-vermogensspectrum in figuur 6 is voorzien van informatie die naast de orthogonale aslijnen van het spectrum ligt.

Dat wil zeggen dat er een toeneming in de vermogensinhoud onder tussen de orthogonale aslijnen liggende hoeken is in vergelijking met het spectrum van figuur 4. De onderhavige uitvinding voorziet in een kwantitatieve beoordeling van de mate, waarin structuurelementen van een gewenst beeld zijn afgerond. De kwantitatieve beoordeling wordt dan gebruikt om procesinstellingen en parameters te selecteren.

De hierin beschreven kwantitatieve beoordeling is een extractie van de relatieve hoeveelheid informatie uit de verschillende hoekgebieden van het vermogensspectrum, teneinde een kwaliteitscijfer voor de doortocht van een ideaal beeld door het lithografische systeem te verkrijgen. Uit elk vermogensspectrum wordt een hoekvermogens-functie (angular power function) geëxtraheerd. In figuren 4 en 6 wordt een nulgradenpunt ge-definieerd als een horizontale lijn waarvan de oorsprong ligt bij de snijding van de orthogonale aslijnen en die zich in een positieve richting uitstrekt, d.w.z. zich naar rechts uitstrekt. Het gemiddelde vermogen langs deze horizontale lijn wordt berekend. De berekening wordt herhaald voor lijnen onder alle hoeken vanaf -180° tot en met +180°, teneinde een hoekvermogensfunctie tot stand te brengen die de sterkte van het vierkante structuurelement in verscheidene richtingen vertegenwoordigt.

Hoewel dit niet kritisch is, kan een maximale straal vanaf de oorsprong, d.w.z. de snijding van de orthogonale aslijnen van maximaal vermogen, zijn gedefinieerd. Door het beperken van de berekening van gemiddeld vermogen tot de afstand binnen de maximale straal, kan de bijdrage op basis van bemonsteringsruis en andere hoogfrequent-effecten worden gereduceerd. Ook kan een minimale straal zijn gedefinieerd, teneinde de bijdrage door absolute contrastniveaus in het beeld te reduceren.

Binnen een Fourier-vermogensspectrum reflecteren alle structuurelementen exact door de oorsprong. Dientengevolge is het berekende gemiddelde vermogen van de hoekvermogensfunctie vanaf +180° tot en met -180° een spiegelbeeld. De helft van de hoekvermogensfunctie voor het spectrum van figuur 4 is in figuur 7 getoond, terwijl de hoekvermogensfunctie voor het vermogensspectrum van figuur 6 gedeeltelijk in figuur 8 is vertegenwoordigd. Zoals kan worden gezien, blijken de verschillen in de hoeveelheid niet-orthogonale informatie in het uit het afgeronde beeld bepaalde Fourier-vermogensspectrum significant meer in de hoekvermogensfunctie.

Hoewel de hoekvermogensfunctie is beschreven als een middeling van optisch vermogen langs lijnen onder hoeken met elkaar, is een middeling niet kritisch. Andere middelen voor het berekenen van een hoekvermogensfunctie kunnen worden toegepast. Bijvoorbeeld kan een optellingsproces worden toegepast.

Het kwaliteitscijfer wordt uit de hoekvermogensfunctie geëxtraheerd. Ten eerste wordt de hoek van maximaal vermogen bepaald. Deze stap is niets meer dan een bepaling van de maximale waarde langs de hoekvermogensfunctie. Deze is gedefinieerd als het hoekwaardenul-punt. De bepaling van het hoekwaardenulpunt is belangrijk in die gevallen, waarin de orthogonale lijnen van de lithografisch gedrukte structuurelementen onder een hoek met de horizontaal en verticaal bij het registreren en aftasten van bemonsterde beeld staan. Omdat het vierkante kenmerk van figuren 3 en 5 horizontale en verticale lijnverzamelingen heeft, ligt het hoekwaardenulpunt in figuren 7 en 8 op de oorsprong.

Het dient te worden opgemerkt, dat de hoekvermogens-functies van figuren 7 en 8 zich herhalen. Dat wil zeggen dat elke hoekvermogensfunctie een singuliere schakeling met een cirkelfunctie is.

In een uitvoeringsvorm, waarbij een kwaliteitscijfer is gewenst voor het fabriceren van een Manhattan-opmaak, is het kwali-teitscijfer gedefinieerd als het verschil tussen (1) het produkt van de waarde bij de nul hoek en de waarde bij +90° of -90° en (2) het produkt van de berekende vermogenswaarden bij +45° en -45°. Hoewel dit niet de voorkeur verdient, kunnen minder exacte berekeningen voor het extraheren van een kwaliteitscijfer uit de hoekvermogensfunctie worden toegepast. Het gebruik van de waarde bij +45° en -45° kan in de plaats worden gesteld voor waarden bij hoeken die niet direkt tussen de orthogonale aslijnen liggen. In de praktijk wordt de gehele werkwijze elektronisch uitgevoerd onder gebruikmaking van het CD-werktuig 14 en de DSP 18 van figuur 2A.

De hierboven beschreven berekening van het kwaliteitscijfer neemt aan dat de gewenste structuurelementen in een patroon alle uit orthogonale lijnverzamelingen bestaan en dat welke tussenliggende waarden dan ook worden veroorzaakt door onnauwkeurigheden in het reproduktieproces. Zoals voorafgaand is opgemerkt, kan de werkwijze worden uitgebreid naar andere geometrieën, zolang als alle structuurelementen van belang tot een of andere redelijke kleine verzameling van rotatiehoeken behoren. Een niet-Manhattan-patroon kan bijvoorbeeld lijnverzamelingen hebben, die zijn gedefinieerd door een 45°-index, in plaats van door de 90°-index van een Manhattan-patroon. Het niet-Manhattan-patroon zou vier aslijnen van maximaal vermogen hebben, die onder 45° met elkaar staan. Het kwaliteitscijfer zou dan berekeningen vereisen om te kijken naar waarden op de geëxtraheerde hoekvermogens-functies die anders zijn dan de waarden bij ±90° en +45°, aangezien de waarden bij ±90° en ±45° alle waarden zouden zijn die aslijnen van maximaal optisch vermogen vertegenwoordigen. De formule voor het niet-Manhattan-patroon zou bijvoorbeeld een berekening van de verschillen tussen het produkt van waarden bij ±90° en het produkt van waarden bij ±22,5° op een hoekvermogensfunctie kunnen zijn.

Onder verwijzing nu naar figuren 12 en 13 kunnen de hierboven beschreven Fourier-getransformeerden optisch worden verkregen, terwijl de hoekvermogensfuncties van figuren 7 en 8 opto-mechanisch worden verkregen. Een half-verzilverde spiegel 50 maakt de vrije doortocht van vanaf een door pijl 52 getoonde zijde mogelijk.

Het licht valt in op een object 54, zoals een halfgeleiderschijf of een gedrukte schakelingsplaat. Optische baan 56 vertegenwoordigt licht dat vanaf het object 54 wordt gereflecteerd, zoals door een kant van een structuurelement op het object 54. Het gereflecteerde licht wordt door een objectieflens 58 opnieuw naar de half-verzilverde spiegel 50 gericht.

Licht, dat de achterzijde van de half-verzilverde spiegel 50 treft, wordt naar een "Fourier-transformatielens" 60 gericht. De lens 60 is een conventionele lens die het getransformeerde spectrum op het achterbrandvlak ervan tot stand brengt. De combinatie van een inspectiebundel, de objectieflens 58, de half-verzilverde spiegel 50 en de Fourier-transformatielens 60 bereikt de Fourier-getransformeerde waaruit een hoekvermogensfunctie kan worden geëxtraheerd. Het getransformeerde beeld wordt door een roterende sleufsluiter 62 gericht. Zoals het best in figuur 12 kan worden gezien, is de sleufsluiter voorzien van eerste en tweede sleuven 64 en 66.

Zoals hierboven is opgemerkt, wordt de hoekvermogensfunctie bepaald door het kwantificeren van het vermogen langs de lijn die zich uitstrekt vanaf de oorsprong van een Fourier-vermogensspec-trum. In figuur 12 bepalen de sleuven 64 en 66 een dergelijke lijn. Optioneel kan de sleufsluiter 62 een enkele sleuf hebben. Omdat de sluiter roteert, verandert de hoek van de lijn met betrekking tot een arbitraire beginpositie continu. Aldus kunnen de hoekvermogensfuncties van figuren 7 en 8 worden verkregen door het verzamelen en kwantificeren van licht dat door de sluiter 62 schijnt. Binnenkanten 68 en buitenkanten 70 van de sleuven bepalen minimale en maximale stralen voor het kwantificeren van het optische vermogen. Zoals voorafgaand is opgemerkt, zal het instellen van minimale en maximale stralen de signaal/ruisverhouding beïnvloeden.

Zoals in figuur 13 is getoond, wordt de sleufsluiter 62 door een motor 72 geroteerd. Licht dat door een sleuf in de sluiter loopt, wordt opnieuw gericht door een integrerende lens 74 die het licht naar een fotodiode 76 richt. De fotodiode wekt een signaal op, dat overeenkomt met de intensiteit van verzameld licht. Het signaal wordt dan door een digitale signaalprocessor 78 ontvangen. De digitale signaalprocessor bewerkstelligt de berekeningen voor het extraheren van een kwaliteitscijfer uit de hoekvermogensfunctie.

Het systeem van figuur 13 kan worden toegepast als een on-line fabricage-instelling. Dat wil zeggen dat het systeem kan worden gebruikt om te voorzien in een automatische focus voor een lithografisch systeem. Het object 54 is getoond als zijnde gemonteerd op een Z-aslijntafel 80. Het object 54 kan dichter naar de bron van binnenkomend licht 52 of verder daarvanaf worden bewogen door middel van een Z-aslijnmotor 82. De digitale signaalprocessor 78 kan worden geprogrammeerd op een manier om de Z-aslijnmotor 82 te activeren, indien het kwaliteitscijfer dat voor een patroon op het object 54 wordt berekend niet binnen een acceptabel bereik ligt. Het signaal om de Z-aslijnmotor 82 te sturen, wordt vanaf de digitale signaalprocessor 78 langs stuurlijn 84 gezonden.

Om de gevoeligheid van de werkwijze voor focusfouten te testen, zonder de complexiteit van een lithografisch proces en de complexiteit van SEM-inspectie te introduceren, werd een testpatroon getekend en onder gebruikmaking van de CCD-camera 16 in de digitale signaalprocessor 18 van figuur 2A ingevoerd. Vijf beelden van het testpatroon bij verscheidene brandpunt!nstel1ingen werden gebruikt. Daaropvolgende verwerking van de resulterende beelden, teneinde een kwaliteitscijfer te extraheren, leverden de in figuur 9 getoonde grafieken op. Een eerste patroon 36 is getoond voor een grafiek van kwaliteitscijfers die werd verkregen zonder het gebruik van een filter. Een tweede patroon 38 werd verkregen onder gebruikmaking van een eenvoudig kantextractiefilter. Het dient te worden opgemerkt, dat het filter de gevoeligheid voor optimale focus significant verbeterd. De ordinaat in de grafiek is het kwaliteitseijfer, dat een arbitraire absolute waarde heeft. De nul van het kwaliteitscijfer wordt gevonden bij de snijding met de abscis. Deze nul is het punt, waarop de 90° en 45° gemiddelde vermogenswaarden gelijkwaardig zijn.

Om de werkwijze in de realistische 1ithografietoepas-sing te testen, werd een focusreeks van lithografische belichtingen bewerkstelligd in een fotolak en ontwikkeld op de conventionele manier. De focusinstellingen liepen vanaf -1,4 /zm tot en met +1,4 /urn. Een SEM werd gebruikt om een bovenaanzichtsbeeld van elk van de belichtingen in de focusreeks op te wekken. Het fotolithografisch gedrukte patroon van structuurelementen omvatte rechthoekige gebieden, zodat in tegenstelling tot het hierboven beschreven vierkante structuurelement, het patroon een overheersende lijnverzameling had.

Figuren 10 en 11 illustreren grafieken van het kwaliteitsei jfer als functie van de focusfout met een aantal variaties. In figuur 10 werd een eerste spoor 40 verkregen zonder het gebruik van een filter, terwijl het tweede spoor 42 werd verkregen onder gebruikmaking van beeldkantdetectie. Figuur 11 illustreert het verschil in grafieken voor variaties in de minimale straal en maximale straal die zijn gedefinieerd bij het berekenen van de hoekvermogensfunctie, d.w.z. dat de berekeningen werden uitgevoerd onder gebruikmaking van verschillende ruimtelijke frequentiebereiken.

Enige toelichting op ruimtelijke frequentie zoals hierin gedefinieerd, kan instructief zijn. Voor elk Fourier-vermogens-spectrum, dat binnen de focusreeks van lithografische belichting is bepaald, vertegenwoordigen de maximale coördinaten voor zowel de abscis als ordinaat een ruimtelijke frequentie van een beeldelement in afmeting. Dit wordt gegeven door de coördinaatwaarde 255, aangezien een Fourier-getransformeerde van een 512x512 reeks volle schaalwaarden +255 en -255 heeft. Omdat het coördinatenstelsel een ruimtelijke frequentie heeft, is het omgekeerd evenredig met de ruimtelijke afmeting. Coördinaat 128 bijvoorbeeld is twee beeldelementen ruimtelijke afmeting ofte wel frequentie 128/255 = 0,5, en 64 vier beeld elementen of frequentie 0,25. De gegevens in figuur 11 vertegenwoordigen beeldanalyse in drie frequentiebereiken. Grafiek 44 heeft de coördinaatwaarden 10-40, met de overeenkomstige ruimtelijke perioden van 25,6-6,4 beeldelementen. Grafiek 46 heeft de coördinaatwaarden 40-70 en de ruimtelijke perioden van 6,4-3,66 beeldelementen, terwijl grafiek 48 de coördinaatwaarden 70-100 en de ruimtelijke perioden van 3,66-2,56 beeldelementen heeft.

Aan de hand van de informatie-inhoud van figuur 11 kan het worden ingezien dat de signaal/ruisverhouding snel daalt wanneer de ruimtelijke frequentie toeneemt. Nyquist-bemonsteringstheorie zou bevestigen dat er geen informatie boven frequentie 128 is, overeenkomend met een ruimtelijke periode van twee beeldelementen. Terugkerend naar figuur 10 werd een ruimtelijk frequentiebereik van 10-60, overeenkomend met een ruimtelijke periode van 25,6-4,3 beeldelementen, gebruikt bij het verkrijgen van de hoekvermogensfuncties, waaruit de sporen werden geëxtraheerd. De figuur illustreert het effect van het gebruiken van een eenvoudig kantdetectie-algoritme op de beelden alvorens met de Fourier-verwerking te beginnen. De kantdetectie verbetert de gevoeligheid voor grove focusfouten in het lithografische proces niet significant, maar voorzien in superieure gevoeligheid voor kleine focusfoutinstellingen.

De optimale focus van +0,4 μπι die in figuren 10 en 11 is aangegeven, komt overeen met de beste expertinterpretatie van de uit de focusreeks verkregen beelden. Aldus wordt een kwantitatieve beoordeling van optimale focus verkregen, hetgeen een werkwijze oplevert, die niet te veel afhangt van beoordeling van een bedienings-persoon.

Hoewel de hierboven beschreven stappen de de voorkeur hebbende werkwijze voor het bepalen van optimale instellingen vormen, zijn veranderingen in de werkwijze mogelijk. In plaats van het opwekken van een focusreeks van belichtingen kunnen bijvoorbeeld gegevens voor de ideale overdracht van een beeld worden geregistreerd, waarna de Fourier-verwerking kan plaatsvinden voor een enkele lithografische belichting voor vergelijking met het ideaal. Indien de enkele belichting binnen parameters ligt, die zijn bepaald om aanvaardbaar te zijn, zouden geen aanvullende belichtingen of Fourier-verwerking zijn vereist. Aldus zou de werkwijze kunnen worden gebruikt voor on-line kwaliteitsbeheersing.

Claims (20)

1. Werkwijze voor het instellen van een structuurelement-vormende variant voor het fabriceren van een patroon op een substraat, omvattende het vormen van een patroon op een substraat, het vormen van een beeld van het patroon, het transformeren van het beeld in overeenstemming met ruimtelijke frequentie van lichtintensiteit, waardoor een getransformeerd optisch vermogensspectrum van het beeld wordt gevormd, het bepalen van aslijnen van maximaal vermogen langs het getransformeerde optische vermogensspectrum, het vergelijken van het optische vermogen langs ten minste een van de aslijnen van maximaal optisch vermogen met optisch vermogen tussen de aslijnen van maximaal vermogen, en het selecteren van een instelling voor een structuur-elementvormende variant in responsie op de vergelijking van optisch vermogen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het transformeren van het beeld een stap is, die het vormen van een twee-dimensio-naal Fourier-vermogensspectrum omvat.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het bepalen van de aslijnen van maximaal vermogen en het vergelijken van optisch vermogen het extraheren van een hoekvermogensfunctie uit het getransformeerde optische vermogensspectrum omvat.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarbij het extraheren van de hoekvermogensfunctie het kwantificeren van optisch vermogen langs zich onder variërende hoeken door een oorsprong van de getransformeerde optische vermogensfunctie uitstrekkende lijnen omvat, waarbij de oorsprong ligt op de snijding van de aslijnen van maximaal vermogen.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij het vergelijken van optisch vermogen verder het kwantificeren van een verschil tussen optisch vermogen langs een zich door de met een aslijn van maximaal vermogen samenvallende oorsprong uitstrekkende lijn en langs een zich door de oorsprong op afstand van elk van de aslijnen van maximaal vermogen uitstrekkende lijn omvat.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het vormen van het patroon een formatie van een reeks lithografische formaties van het patroon is, waarbij elke formatie binnen de reeks verschilt met betrekking tot een instelling van de structuurelementvormende variant.

7. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij het transformeren van het beeld in overeenstemming met ruimtelijke frequentie een stap is van het optisch vormen van het optische vermogensspectrum en waarbij het kwantificeren van het optisch vermogen langs lijnen het mechanisch roteren van een inrichting omvat voor het bepalen van een lijn die zich door de oorsprong van de uit het optische vermogensspectrum geëxtraheerde hoekvermogensfunctie uitstrekt.

8. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de structuurelementvormende variant een parameter van een beeldprojectiesysteem is.

9. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de structuurelementvormende variant een variant van een fotolakstructurerings-proces is.

10. Werkwijze voor het bepalen van een optimum voor hetzij een focus, hetzij een belichting van een van belang zijnd systeem, omvattende het vormen van een reeks belichtingen voor een van belang zijnd systeem, waarbij elke belichting verschilt met betrekking tot ten minste hetzij focus, hetzij belichting, het voor elke belichting vormen van een Fourier-vermogensspectrum dat aslijnen van maximaal optisch vermogen heeft, waarbij elk Fourier-vermogensspectrum een oorsprong heeft, het uit elk Fourier-vermogensspectrum extraheren van een hoekvermogensfunctie, met inbegrip van het kwantificeren van vermogen langs ten minste gedeelten van lijnen die onder verscheidene hoeken vanaf de oorsprong van het Fourier-vermogensspectrum lopen, waarbij de lijnen eerste lijnen omvatten, die samenvallen met de aslijnen van maximaal optisch vermogen en tweede lijnen omvatten, die onder hoeken met de aslijnen van maximaal optisch vermogen staan, het voor elke hoekvermogensfunctie extraheren van gegevens door het vergelijken van vermogen langs de eerste lijnen met vermogen langs de tweede lijnen, met inbegrip van het bepalen van een kwaliteitscijfer op basis van het vergelijken van vermogen, het selecteren van een de voorkeur hebbende belichting van de reeks belichtingen op basis van het vergelijken van de kwaliteitseijfers, en het selecteren van een instelling voor het van belang zijnde systeem op basis van de instelling voor het systeem gedurende het vormen van de voorkeur hebbende belichting van de reeks belichtingen.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, waarbij de oorsprongs-hoekvermogensfunctie het snijpunt van de aslijnen van maximaal optisch vermogen is.

12. Werkwijze volgens conclusie 10, waarbij het kwantificeren van vermogen langs de eerste en tweede lijnen het selecteren van minimale en maximale stralen vanaf de oorsprong omvat en het kwantificeren van vermogen voor het gedeelte van elke lijn tussen de geselecteerde stralen omvat.

13. Werkwijze volgens conclusie 10, waarbij het bepalen van het kwaliteitscijfer het vergelijken (1) van een produkt van gekwantificeerd vermogen van twee naburige eerste lijnen en (2) een produkt van gekwantificeerd vermogen van twee tweede lijnen omvat, die op gelijke afstand van een van de twee naburige eerste lijnen liggen.

14. Apparaat voor gebruik bij het bepalen van een optimum van een structuurelementvormende variant van het fabriceren van een patroon op een substraat, omvattende middelen voor het fabriceren van een patroon op een substraat, middelen voor het ontvangen van een beeld van het patroon, transformatiemiddelen voor het verschaffen van een twee-dimensionaal Fourier-vermogensspectrum van het beeld, waarbij het Fourier-vermogensspectrum aslijnen van maximaal vermogen heeft, die bij een oorsprong elkaar snijden, middelen voor het extraheren van een hoekvermogensfunctie uit het Fourier-vermogensspectrum, inclusief geheugen voor het vasthouden van vermogenswaarden voor lijnen die zich onder variërende hoeken vanaf de oorsprong van het Fourier-vermogensspectrum uitstrekken, en middelen voor het bepalen van een optimale structuurelementvormende variant van de middelen voor het fabriceren in responsie op een vergelijking van de vermogenswaarden.

15. Apparaat volgens conclusie 14, waarin de middelen voor het bepalen van een optimum zijn voorzien van een computerschakelings-systeem voor het vergelijken van een verschil tussen maximale vermogenswaarden en minimale vermogenswaarden.

16. Apparaat volgens conclusie 14, waarin de middelen voor het fabriceren een lithografisch systeem omvatten.

17. Apparaat volgens conclusie 14, waarin de transformatiemiddelen een'elektronische inrichting omvatten.

18. Apparaat volgens conclusie 14, waarin de transformatiemiddelen een lens omvatten, die is gepositioneerd om het beeld om te zetten, teneinde te voorzien in een Fourier-vermogensspectrum bij een achterbrandvlak van de lens.

19. Apparaat volgens conclusie 14, waarin de middelen voor het extraheren van een hoekvermogensfunctie een elektronisch schake-lingssysteem van een digitale signaalprocessor omvatten.

20. Apparaat volgens conclusie 14, waarin de middelen voor het extraheren van een hoekvermogensfunctie zijn voorzien van een roterende sluiter die een sleuf heeft voor het bepalen van een lijn vanaf de oorsprong van het Fourier-vermogensspectrum. Eindhoven, april 1994.