SE438552B - Sett att optiskt undersoka ett monster - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 i 7812035-9 -framkallningen i och för identifiering och korrigering av dimen- sionsvariationerna innan man kommer till ett stadium då avsevärd om-behandling blir erforderlig.

För närvarande sker dimensionskontrollen av mönster i inte- grerade kretsar ("IC-kretsar“) manuellt med användning av ett mikroskop med tråd-okular. Denna kontroll kräver utbildad perso- nal och är mycket tidskrävande. Noggrannheten och tillförlitlig- heten är beroende på operatören, och därtill kommer att arbetet för operatörens del är tröttande, vilket menligt påverkar resul- tatet. Ett automatiskt kontrollsystem skulle eliminera dylika felkällor och skulle möjliggöra snabb och noggrann kontroll av stora mängder komplicerade kretsmönster. Enligt uppfinningen ästadkommes ett sätt enligt kravet 1 för provning av sidleds- dimensionerna för IC-mönster utan att mikroskop behöver anfiändas.

På bifogade ritning med fig. 1-4 är fig. 1 och Z genomskär- ningsbilder som visar en utföringsform av en diffraktionsgitter- profil vilken används vid det nya sättet enligt uppfinningen.

Pig. 3 visar samma genomskärningsbild som fig. 2 men visar dess- utom en ljusstråle som faller in mot diffraktionsgitterprofilen och undergår diffraktion så att diffraktionsstrålar av nollzte, första och andra ordningen bildas. Pig. 4 är en schematisk vy som visar en utföringsform av en anordning som används för att genomföra det nya sättet enligt uppfinningen.

Som åskådliggöres i fig. 1 innefattar det första förfarings- steget i sättet enligt uppfinningen att man applicerar ett skikt 10 av material på en provyta 12 på ett substrat IU. I typiska fall innefattar substratet 14 med provytan 12 en del av en stor halvledarbricka eller mask på vilken ett IC-kretsmönster av sam- ma material är pålagt, vilket mönsters sidledsdimensioner optiskt skall undersökas medelst den nya metoden enligt uppfinningen.

Det mönster som skall undersökas kan innefatta ett skikt 10 av etsad kiseldioxid, kiselnitrid, polykristalliniskt kisel eller metall. I den ifrågavarande utföringsformen utgöres materialet av ett maskerande skikt 10 av fotoresist, och substratet 1U är en del av en kiselbricka. En sådan del kan med fördel innefatta en "utskärningsdel" av kiselbrickan, dvs en ej utnyttjad sektion i brickans mitt, eller också kan den passa in på sidan av varje steg och upprepat kretsmönster. Sättet enligt uppfinningen är även tillämpbart för undersökning av sidledsdimensionerna för ett IC-mönster av en emulsion eller en metallisk oxid som befin- 10 20 P) .UI 30 H0 3 7812035-9 ner sig på en IC-mask av glas.

Materialet avlägsnas därefter selektivt från såväl halvle- darbrickan som den mindre provytan 12 samtidigt för framställ- ning av IC-kretsmönstret på brickan och ett diffraktionsgitter Diffrak- tionsgittret 16 innefattar på avstånd från varandra befintliga ränder eller band 18 av materialet med en bandbredd W och en 16 på provytan 12 i enlighet med vad som visas i fig. 2. periodicitet d. I en för experiment utförd utföringsform hade gittret 16 en storlek av ca 0,5 x 0,5 mm, en bandbredd W lika med ungefär 5 pm och en periodicitet av ungefär 20 pm. I det förevarande exemplet, där materialet utgöres av en fotoresist, genomföras avlägsningssteget genom selektiv exponering av foto- resisten för ljus med användning av en på ändamålsenligt sätt mönstrad mask och efterföljande framkallning med användning av konventionella fotolitografiska metoder, vilka är välkända för en fackman. Eftersom fotoresisten avlägsnas samtidigt på brickan och på provytan 12 och sålunda utsättes för samma kritiska be- handlingsparametrar, exempelvis exponeringstid och framkallnings- tid, kan diffraktionsgittret 16 användas som ett provmönster för optisk kontroll av IC-kretsmönstrets sidledsdimensioner. Med andra ord, den sldtliga bredden W för banden 18 i diffraktíons- gittret 16 kommer att vara ett mått på bredden av fotoresistlin- jerna i det intill befintliga IC-kretsmönstret på samma bricka och kan följaktligen användas för kontroll av behandlingsparamec- rarna (fotoresistens tjocklek, exponeringstid och framkallnings- tid) med avseende på sidledsdimensions-toleranserna. I andra ut- föringsformer kan mönstret som provas och gittrets 16 band lá bestå av andra material, exempelvis kiseldioxid, kiselnitrid, polykristalliniskt kisel eller metall.

Som åskådliggöres i fig. 3 utsättes diffektionsgittret 16 nu för en monokromatisk ljusstråle 20, exempelvis en laserstråle.

Diffraktionsgittret 16 och den under detta befintliga provytan 12 fungerar såsom ett relief-mönster, vilket sprider den mono- kromatiska ljusstrålen i ett diffraktionsmönster som innehåller en nollzte ordningens stråle 22, en första ordningens stråle 20 och en andra ordningens stråle 26. I en för experiment anordnad utföringsform hade ljusstrålen 20 en diameter av ungefär två (2) millimeter och träffade diffraktionsgittret 16 likformigt, så att alla dettas delar var likformigt exponerade för den infallan- de ljusstrålen 20. Det föredrages att använda en He-Ne-gaslaser 10 15 20 25 iso 35 '7812035-9 med en våglängd Ä.lika med 0,6328 Pm, detta därför att denna laser är relativt billig,ti1lförlitlig och bekväm att använda.

Dess våglängd kan lätt detekteras medelst en kiseldiod elle: en finxtransistor, och fotoresisten är okänslig för denna våglängd.

Det i fig. 3 visade relief-mönstret används såsom ett re- flektions-fas-gitter där gittret 16 sprider den infallande ljus- strålen 20 i diffraktions-ljusstrålar av olika ordning, vilka strålars intensiteter beror på den som resultat erhållna inter- ferensen mellan olika reflekterade och genom diffraktion spridda ljusstrålar, i det följande kallade diffraktionsstrålar. Vinkel- läget för de olika diffraktionsstrâlarna av olika ordning beror endast på gitterperioden d och våglängden )\. Diffraktions- vinkeln 6 för ett diffraktionsgitter är en funktion av }\ och d i enlighet med följande samband: sin 6 = sin GI + m) där GI är ljusstrâlens 20 infallsvinkel i enlighet med fig. 3, d är periodiciteten och m är diffraktionsordningen. I det förevarande exemplet används diffraktionsstrâlarna 24 och 25 av första och andra ordningen, varvid sålunda m är lika med 1 resp. 2. Den ovanstående ekvationen blir då: sin e1'= sin eT + Ma sin 6 = sin GI + ZÄ/d där 91 och 69 är diffraktionsvinklarna för strålarna av första och andra ordningen 24 resp. 26 i enlighet med fig. 3. Om man använder en laserstråle som likformigt infaller mot diffraktions- gittret 16 och-har en våglängd )\lika med Û,8328 mikrometer er- håller man för ett diffraktionsgitter med en periodicitet lika med 20 Pm en första ordningens diffraktionsvinkel 61 lika med ungefär 1,80 och en andra ordningens diffraktionsvinkel 62 lika med ungefär 3,60. Man kan då mäta intensiteten för dessa första och andra ordningens strålar 24 resp. 26, Il resp. I2, genom an- vändning av fotodetektorer som är placerade i vederbörande diff- raktionsvinklar 61 och 62 för mottagning av den första och den andra ordningens strålar 24 resp. 26.

En del av ljusstrålen 20 som infaller mot diffraktionsgitt- ret 16 reflekteras från dess övre yta under det att andra delar (ej visade) av strålen 20 går in mot banden 18 av fotoresist och därefter undergår en eller flera inre reflexioner innan de går ut därifrån. Den uppmätta intensiteten för diffraktions~ Cfl 10 15 30 HO 7812035-9 -strålarna är resultat av interferens mellan dessa del-strålar.

Intensiteten för diffraktions-strålarna kommer att förändras om bredden W för banden 18 ändras, detta som resultat av ändrad interferens mellan diffraktions-strålar och reflekterade strålar.

Efter uppmätning av intensiteten för den första ordningens stråle 2H och den andra ordningens stråle 26, Il man en kvotsignal (I2/I1), i typiska fall medelst en elektronisk resp. I2, får analog divideringsanordning, vilken kvot i det förevarande exemp- let är lika med intensiteten för den andra ordningens stràle di- viderad med intensiteten för den första ordningens sträle. För ett rektangulärt díffraktionsgitter 16 är bandbredden W en funk- tion av denna kvot-signal (I2/Il) och bestämmas genom att man i det förevarande exemplet använder approximationen w = d/W Gas* Viïï, där d är den kända periodiaiferen för diffraktionsgittret 16. Ehuru man vid den beskrivna utföringsfor- men använder ett rektangulärt relief-mönster för diffraktions- gittret 16, eftersom ett sådant är speciellt enkelt att tillverka och är förknippat med enkel analys, är det även möjligt att an- vända andra periodiska gitter, även om dessa är svårare att till- verka och kräver mera matematik i samband med tolkningen.

Nästa steg vid den nya metoden enligt uppfinningen är att jämföra bandbredden W med ett förutbestämt värde för erhållande av en skillnadssignal, varvid skillnadssignalens storlek är ett mått på sidledsdimensionstoleransen för IC-kretsmönstret. I den nu beskrivna utföringsformen utföres detta jämförelsesteg i själ- va verket medelst en proceseanordning med en kalkylator som ur kvotsignalen (I2/Il) snabbt beräknar ett värde på kvoten W/d, dvs bandets bredd dividerad med periodicitetskonstanten. Denna kvot (W/d) jämföres därefter med det önskade förhållandet W/d.

Vid verkliga provningsoperationer kan elektronisk grindning av undre och övre gränser för W/d inprogrammeras i kalkylatorn, vil- ken därefter automatiskt kan sortera halvledarbrickorna i valda kategorier. För detta ändamål har vi modifierat en halvautoma- tisk brickinspektionsmaskin med handelsbeteckningen Model 671 från Kulicke andâoffa Fort Washington, Pennsylvania, USA, för användning tillsammans med vår laser-provanordning. Vid använd- ning av denna nya metod kan maskinen ifråga behandla en bricka för var sjunde sekund.

Den nya metoden enligt uppfinningen möjliggör snabb mätning av W (om gitterperíoden d är känd) på ett objektivt sätt utan 10 15 220 30 H0 7812035~9 s användning av mikroskop. Denna nya teknik ger ett medelvärde pá bredden W av fotoresist-banden över hela gitter-arean. Metoden är okänslig för fel i provmönstret, eftersom de uppmätta inten- siteterna är resultat från hela det av lasern belysta gitter- -mönstret. Metoden kan användas för kontroll av masker likaväl som för kontroll av brickor i olika stadier av processen. Meto- den enligt uppfinningen är speciellt lämpad för provning av mas- ker, eftersom gitter-provmönstren i det ideala fallet utgöres av en rektangelvâg. Ett flertal provkörningar visade att lasertek- niken i detta fall är noggrannare och tillförlitligare än möj- ligheten att mäta gitterbandbredderna i mikroskop, nämligen bätt- re än 1 0,5 Pm. Ehuru det provade mönstret i det valda exemplet består av fotoresist, är sättet enligt uppfinningen lika väl an- vändbart för optisk provning av mönster av andra material, ex- empelvis kiseldioxid, kiselnitrid, polykristalliniskt kisel och olika metalliska ledare.

Våra undersökningar har givit vid handen att d = 20 pm är en god kompromiss för provmönstrets gitterkonstant. Om man dif- ferentierar den ovan angivna ekvationen finner man att den högsta känsligheten och mätnoggrannheten, dvs den största ändringen i I2/Il för en given ändring i W/d, erhålles för W/d = 0,25 (I2/I1= = 0,5). Samtidigt'är det önskvärt att göra bandbredden W i gitt- lika med bredden av den smalaste strukturen i På teknikens nuvarande ståndpunkt kan den sist- nämnda bredden i typiska fall vara 5 pm, vilket innebär W = 5 pm och d = 20 pm. Gittret ger mycket goda diffraktionsreflexer för 5 . . 2 . H g en sa liten gitter-area som 0,5 x 0,5 mm . Vid en matnaggrannhe, ret 16 ungefär kretsmönstret. avi 10 % får man en absolut noggrannhet av 3 0,5 mikrometer, vilken noggrannhet är tillfyllest för integrerade kretsar av nu förekommande typer.

Korrelationen mellan de W/d-data som uppmätts med vår laser- maskin och de medelst mikroskop uppmätta värdena har varit inom 10 % och brytningsindices i gittrets 15 struktur, exempelvis prov- mönster av_negativ fotoresist, blir dock gitterkarakteristikan för positiva fotoresist-sampler. För vissa skikttjocklekar í viss mån icke-rektangulär, vilket har en tendens att medföra att den ovannämnda relationen mellan linjebredden W och inten- sitetskvoten I2/I1 ej längre gäller. För dessa fall provades med mätning under en infallsvinkel lika med Brewster-vinkeln, och 'detta visade sig vara fördelaktigt. Den monokromatiska ljusstrå- 10 15 25 30 ud v 78120399 len riktades så att den inföll likformigt mot det rektangulära relief-mönstret med en infallsvinkel lika med Brewster-vinkeln, definierad genom sambandet tg SI = n, där n är materialets brytningsindex. Infallsplanet måste i detta fall vara parallellt gitter-banden 18, och polarisationen (den elektriska vektorn) den infallande ljusstrålen måste ligga i infallsplanet. Un- der dessa förhållanden följer karakteristikan för gitterprov- mönstret bättre den rektangulära approximationsformeln. Detta med för beror på att reflexionen vid gränsskiktet mellan luft och foto- resist under dessa förhållanden är undertryckt, vilket eliminerar multipelstrålinterferensen inom fotoresisten. Som resultat härav får man ett rent fasgítter för vilket det icke-rektangulära bi- draget kan försummas.

I fig. u visas en utföringsform av en anordning för att ge- nomföra den nya metoden enligt uppfinningen. En monokromatisk ljuskälla, exempelvis en He-Ne-laser 28, är placerad så att den från densamma utgående ljusstràlen 20 faller in mot en strålde- lare 30, vilken reflekterar en del av ljuset mot en kisel-sol- cell 31 vilken tjänstgör såsom referensdetektor. företrädesvis används även en intermittent arbetande slutare eller "hackare" 32, vilken i det förevarande exemplet hackar ljusstrålen 20 med en frekvens av ungefär 26 Hz. Genom användning av en hackare 32 reduceras bakgrundsbruset när en lås-förstärkare är avstämd för att ta upp endast den växelströmssignal som alstras av den hac- kade ljusstrâlen 20. En serie speglar BU, 36 och 38 riktar där- efter lasersträlen 20 mot det på provytan 12 placerade diffrak- tionsgittret 16. Speglarna 36 och 38 kan lutas medelst fjärrman- övrering för underlättande av inställningen av ljusstrålens 20 läge på substratet 1U. Diffraktionssträlarna 24 och 26 reflekte- ras sedan från en annan spegel 40 så att diffraktions-strålarnas 2u och 26 intensiteter kan mätas medelst fotodetektorer 42 som är placerade i avpassade vinkellägen för mottagning av diffrak- tionsstrálarna 2H och 26. En tredje detektor HH verkar såsom en kvadrant-detektor vilken avkänner läget för nollzte ordningens stråle 22 och medelst ett servosystem styr spegelns 40 lutning så att strålen av den noll:te ordningen alltid är kvar i kvad- rantdetektorns H4 mitt. I den förevarande utföringsformen utgörs fotodetektorerna 42 och HH av kisel-PIN-dioder (back-förspända till 10 volt) vilka används i kombination med lås-förstärkare (ej visade) för alstring av en signal som reducerar bakgrunds- 10 15 20 30 7812035-9 i 8 bruset.

I den nu aktuella utföringsformen tillföres resultaten från de båda intensitetsmätningarna Il och I2, till en elektronisk analog divideringsanordning H6 för erhållande av kvot-signalen (Iz/Il). Denna kvotsignal tillföres sedan till kalkylatorn 48 för bestämning av bandbredden W och för jämförelse mellan band- bredden W och ett förutbestämt värde för erhållande av skillnads- signalen. I typiska fall presenteras kvoten Iz/Il för kontroll- ändamål_på en analog indikator som är kalibrerad i W/d-enheter i enlighet med den ovan angivna ekvationen. Såsom en ytterligare kontroll kan diffraktions-strålmönstret partiellt reflekteras av en glasplatta 50 mot en transparent skärm 52, Denna presenta- tion av diffraktionsmönstret kan användas för justering av pri- märstrålen genom inställning av en spegel 36, och för bestämning av gitterperioden d i händelse av flertydighet om ett flertal gitterprovmönster används på substratet 14.

Set nya sättet enligt uppfinningen utgör en objektiv och k'antitativ metod för optisk provning av sidledsdimensionerna för ett IC-kretsmönster av material som är applicerat på«t sub- strat, varvid man ej behöver utföra någon mikroskopisk observa- tion och varvid man ej behöver vidröra substratet, något som skulle kunna förorsaka skada eller förorening. Lämpliga elektro- niska kretsar ger en direktavläsning av W/d och möjliggör ett "bra-dålig"-beslut för en sorteringsoperation. Provmönstrets storlek kan vara så liten som en kvadrat med 0,5 mm sida, och laserljusstrålens 20 våglängd är sådan att den ej medför någon störning av fotoresist-processen. Genom användning av ett brick- -laddningssystem som harmonierar med existrerande fotoresist- -applikations- och lägesensningssystem och genom anordnande av interface för en mikroprocessor till detta system möjliggör den beskrivna metoden snabb och objektiv provning av sidledsdimen- sionerna för lC-kretsmönster, vilket medför betydande besparingar i den arbetstid som krävs för provning av dylika mönster.

Claims (8)

<1 78120354 Patentkrav

1. Sätt att optiskt undersöka sidledsdimensionerna för ett mönster av material som är applicerat på ett substrat (lä), vilket sätt innefattar förfaringssteget att man applicerar ma- -terialet såväl på substratet (lb) som på en provyta (12), var- jämte sättet är k ä n n e t e c k n a t av att det dessutom innefattar förfaringsstegen att man selektivt avlägsnar mate- rialet samtidigt från såväl substratet (ln) som provytan (12) för framställning av ett IC-krets-mönster på substratet (ln) och ett diffraktionsgitter (16) på provytan (12) vilket inne- fattar på avstånd från varandra befintliga band (18) av nämnda material, varvid banden har en bredd lika med W och en periodi- citet lika med d, att man exponerar diffraktionsgittret (16) för en sträle (20) av monokromatiskt ljus, varigenom diffrak- tionsgittret (16) och den därunder befintliga provytan (12) fungerar som ett relief-mönster, att man genom diffraktion de- lar den monokromatiska ljusstrålen i diffraktions-strålar (22, 2u, 26) av olika ordning, att man mäter intensiteten för två av dessa diffraktions-strålar (24, 26) för erhållande av tvâ inten- sitetssignaler (Ii och I2), att man sänder dessa intensitets- signaler (Il och_I2) till processor-organ (H8) för bestämning av bandbredden W samt att man jämför nämnda bandbredd W med ett förutbestämt värde för erhållande av en skillnadssignal, varvid storleken av skillnadssignalen är ett mått på mönstrets sidleds- dimensionstolerans.

2. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att *den ena diffraktionsstråleintensiteten (Il) är intensiteten för den första ordningens stråle (24), att den andra diffraktions- strâleintensiteten (I2) är intensiteten för den andra ordning- ens stråle (26), att diffraktionsgittret (16) är ett rektangu- lärt relief-mönster, samt att nämnda processororgan (H8) för bestämning av bandbredden W utnyttjar approximationen W = (dÅV)cos*1 VE;7EåT.

3. Sätt enligt kravet 2, k ä n n e t e c k n a t av att det dessutom innefattar förfaringssteget att man riktar strålen av monokromatiskt ljus mot nämnda rektangulära relief-mönster (16) likformigt i en spetsig vinkel mot reliefmönstrets (16) plan.

4. Sätt enligt kravet 3, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda vinkel är en infallsvinkel GI lika med Brewster-vinkeln, 7812Û35'9 w definierad genom sambandet tg GI = n, där n är nämnda mate- rials brytningsindex.

5. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att förfaringssteget med mätning utföres genom användning av foto- detektorer (H2) som är placerade i sådana vinkellägen att de mottar nämnda första ordningens stråle (24) resp. nämnda andra ordningens stråle (26).

6. Sätt enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a t av att fotodetektorerna (#2) utgöres av kisel~PINfdioder.

7. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att den monokromatiska ljusstrâlen (20) är en laserstråle.

8. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t avi att substratet (lä) är en kiselbrioka, varvid bandets bredd W är ungefär 5 Pm och periodiciteten d är ungefär 20 pm. ml