Verfahren zur Bestimmung der Lage eines scheibenförmigen Substrates relativ zu einem anlageninternen Koordinatensystem einer Elektronenstrahl-Belichtungsanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines scheibenförmigen Substrates relativ zu einem anlageninternen Koordinatensystem einer Elektronenstrahl-Belichtungsanlage, bei dem mittels Elektronenstrahl Randpositionen des Substrates durch Messung der Intensität rückgestreuter Elektronen bei einer Randabtastung des im Randbereich zur Erkennung der Substratausrichtung mit einer Kerbe versehenen Substrates ermittelt werden.
Die Erfindung kann insbesondere in der Elektronenstrahl-Lithographie und zu Inspektionszwecken verwendet werden.
In einem normalen Belichtungsverlauf bei der Elektronenstrahl-Lithographie wird zunächst die Lage des zu belichtenden Substrates (Wafer) in einem Prealigner vermessen, wodurch der Wafer mit einer definierten Lage (Zentrum und Verdrehung) auf einem Tisch, auf dem die Belichtung stattfinden soll, mit einer Genauigkeit besser als +/-100 μm (Zentrum) und +/- 1 ,5 mrad (Verdrehung) positioniert werden kann.
Soll die Belichtung mit hoher Genauigkeit bezüglich auf dem Wafer befindlicher Strukturen erfolgen, müssen vor der Belichtung etwa 50 μm große Justiermarken (Alignment-Marken), die sich in einem eng begrenzten reservierten Bereich auf dem Wafer befinden, vermessen werden. Da die Lage des Wafers nach dem Prealignment nur bis auf mehrere hundert Mikrometer bekannt ist, muss bei der ersten Markensuche eine relativ große Waferfläche abgesucht werden. Werden zur Positionsbestimmung der Justiermarken die aus der Waferoberfläche rückgestreuten Elektronen (Intensität des Reflexionssignals) benutzt, ist das nicht nur zeitaufwendig, sondern es wird auch die abgetastete Fläche belichtet. Bei einer Suchfläche von mehren hundert Quadratmikrometern können dadurch auch Flächen, die für Halbleiterstrukturen vorgesehen sind, belichtet werden, wodurch sich die Prozessausbeute verschlechtert.
Ein weiteres Problem besteht bei Belichtung des noch unstrukturierten Substrats, da aufgrund hier noch nicht zur Verfügung stehender Justiermarken die Belichtung mit genauem Bezug zu den physischen Rändern des Substrates erfolgen muss. Nur dadurch ist bei aufeinander folgenden Lithographieprozessen gewährleist, dass in jeweils nachfolgenden Lithographieprozessen, zum Beispiel Belichtung mit optischer Lithographie (Mix & Match-Betrieb), die zuvor hergestellten Strukturen gefunden werden, um sich daran auszurichten.
In der EP 105 185 A1 wird ein Verfahren beschrieben, das durch Öffnungen in einem Waferhalter Kantenabschnitte des Wafers mit dem Elektronenstrahl einer Elektronenstrahl-Belichtungsanlage bestrahlt und abtastet. Durch Vergleich der Kantenstellungsdaten an vier Stellen des Wafers wird dessen Grobstellung ermittelt, bevor anschließend anhand von Justiermarken eine Feinjustierung vorgenommen wird. Insbesondere werden in senkrecht zueinander gerichteten Abtastrichtungen ein geradkantiger Abschnitt (Fiat) sowie zwei auf dem Waferrand gegenüberliegende bogenförmige Abschnitte durch jeweils zwei Öffnungen abgetastet, wobei die eine Abtastrichtung senkrecht auf dem geradkantigen Abschnitt steht, und die andere Abtastung entlang einer Geraden durch die auf dem Waferrand sich gegenüberliegenden Öffnungen verläuft. Von Nachteil des Verfahrens ist seine Nichtanwendbarkeit auf Wafer, die über eine Kerbe (Notch) im Kantenbereich anstatt eines geradkantigen Abschnittes (Fiat) als Orientierungsmittel verfügen. Nicht in Betracht gezogen wird bei dem bekannten Verfahren ferner, dass Waferform und -durchmesser Toleranzen unterworfen sind und dass die Signalform des Waferrandes oft gestört oder verzerrt ist, was eine Erkennung verhindert.
Es besteht deshalb die Aufgabe, die Lage des Zentrums und die Verdrehung des scheibenförmigen Substrates, das als Orientierungsmittel eine Kerbe im Substratrand aufweist, mittels Elektronenstrahlabtastung des Substratrandes und Detektion der reflektierten Elektronen derart zu ermitteln, dass der Einfluss der Substratform und des Substratdurchmessers auf die Erkennungssicherheit reduziert wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Bestimmung der Lage eines scheibenförmigen Substrates relativ zu einem anlageninternen Koordinatensystem einer Elektronenstrahl-Belichtungsanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zunächst die Lage des Zentrums des scheibenförmigen Substrates durch Anpassung von mehreren, entlang des Substratrandes außerhalb des Bereiches der Kerbe gemessenen Randpositionen an ein der Form des Substrates entsprechendes Formmodell bestimmt wird, und dass nach einer Randpositionsermittlung der Kerbe die Substratausrichtung aus der Lage des Zentrums und mindestens einer Randposition der Kerbe bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterliegt keinen Beschränkungen hinsichtlich der Größe des Substrates. Auch die Substratform kann unterschiedlich ausgebildet sein. Nur das Formmodell muss den Gegebenheiten entsprechend angepasst werden. Demgemäß wird die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht durch Fehler bei der Messung, sondern durch die Abweichung der Substratform vom Formmodell bestimmt.
Bei einem als Halbleiterwafer ausgebildeten scheibenförmigen Substrat werden in einem ersten Verfahrensschritt die Randpositionen an mehreren, entlang des Waferrandes bevorzugt, aber nicht notwendig symmetrisch positionierten Messstellen durch Abtasten mit dem Elektronenstrahl ermittelt. Bevor die genaue Vermessung des Waferrandes erfolgt, wird zunächst ein Suchalgorithmus abgearbeitet, um den Waferrand zu finden. Eine besonders hohe Genauigkeit für die Position des Waferrandes wird erreicht, wenn dieser durch die Position eines Korrelationsmaximums bestimmt wird, das sich aus dem abgeleiteten, geglätteten und mit einer Referenzkurve korrelierten Intensitätssignal der rückgestreuten Elektronen ergibt und das oberhalb eines Schwellwertes liegt.
Im zweiten Verfahrensschritt ist es besonders vorteilhaft, wenn die Substratausrichtung aus der Lage des Zentrums des scheibenförmigen Substrates und Randpositionen geradliniger Schenkelabschnitte der Kerbe bestimmt wird.
Die Substratausrichtung kann aber auch in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung aus der ermittelten Scheitelposition der parabelförmigen Kerbenmitte und der Lage des Zentrums des scheibenförmigen Substrates bestimmt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 den Prinzipaufbau einer Elektronenstrahl-Belichtungsanlage
Fig. 2 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Zentrums und des Radius eines Wafers sowie der Waferausrichtung
Fig. 3 eine Messstellenanordnung, die vier symmetrisch um den Waferumfang verteilte Messstellen aufweist
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung einer Messstelle
Fig. 5 ein Messfenster, in dem ein Suchalgorithmus für den Waferrand ausgeführt wird
Fig. 6 das Reflexions-Signal beim Übergang vom Waferhalter zum Wafer
Fig. 7 die Bestimmung der Kantenposition durch Korrelation des abgeleiteten Reflexionssignals mit Referenz-Kurve
Fig. 8 Formabweichungen von erfindungsgemäß ermittelten Messwerten zu einem
Kreis- und einem Ellipsenmodell für einen Wafer
Fig. 9 eine Messstellenanordnung entlang des Randverlaufs einer Kerbe
Fig. 10 eine vergrößerte Darstellung einer Messstelle für einen geradlinigen Schenkelabschnitt der Wafernotch
Die in Fig. 1 gezeigte Elektronenstrahl-Belichtungsanlage weist eine Elektronenkanone 1 , eine elektronenoptische Säule zur Fokussierung eines von der Elektronenkanone 1 bereitgestellten Elektronenstrahls 2, bestehend aus einem elektromagnetischen Linsensystem 3 und einer Objektivlinse 4, einschließlich eines Mikro- und eines Makroablenksystems. Ein x-y-Tisch 5 dient zur Aufnahme eines Substrats in Form eines zu belichtenden Wafers 6, der mit Hilfe eines Prealigners und eines Handlingsystems (beide nicht dargestellt) auf einem Objekthalter 7 (Fig. 3) befestigt und mit diesem auf dem x-y-Tisch 5 mit einer definierten Lage positioniert wird. Solange der Wafer 6 belichtet wird, erfolgt keine mechanische Bewegung zwischen dem auf dem Objekthalter 7 befestigten Wafer 6 und dem x-y-Tisch 5.
Ein in Fig. 1 dargestellter Detektor 8 ist zum Nachweis reflektierter Elektronen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, wobei das gemessene Intensitätssignal gemäß dem in zwei Verfahrensschritte gegliederten erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertet wird, um die Lage eines Wafers als Substrat relativ zum anlageninternen Koordinatensystem der Elektronenstrahl-Belichtungsanlage zu bestimmen.
Während ein erster Verfahrensschritt das Waferzentrum mit den Koordinaten xθ und yθ und den Waferradius r ermittelt, wird in einem zweiten Verfahrensschritt, ebenfalls durch Abtastung mit dem Elektronenstrahl 2, die Position einer Kerbe 9 vermessen und die Waferausrichtung in Form der Verdrehung θ des Wafers 6 bestimmt. Die erhaltenen Koordinaten und der Verdrehungswinkel θ werden durch eine Koordinaten- Transformation in das Koordinatensystem des x-y-Tisches 5 überführt und für die Justiermarkenausrichtung benutzt. Damit kann der Suchbereich für die Justiermarkenausrichtung deutlich reduziert werden.
Im ersten Verfahrensschritt wird die Position des Waferrandes 10 mit dem Elektronenstrahl 2 innerhalb von Messfenstern an mehreren Messstellen, die nicht im Bereich der Kerbe 9 liegen, vermessen. Durch den Prealigner ist die grobe Position des Waferzentrums xθg, yθg sowie des groben Waferradius rg und die grobe
Waferverdrehung θg bekannt, die als Eingangsparameter benutzt werden, um die Position der in der Größe und der Winkellage (φ-Positionen) einstellbaren Messstellen zu bestimmen. Da die Oberfläche des Wafers 6 nicht verdeckt ist und somit frei zum Elektronenstrahl 2 liegt, sind die Messstellen sowohl nach dem Ort als auch in der Anzahl frei wählbar. Daher können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Objekte unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Orientierung gemessen werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind mindestens drei Messstellen entlang des Waferumfanges erforderlich, wobei vier bis acht Messstellen zu bevorzugen sind.
Gemäß Fig. 3 sind beispielsweise vier Messstellen M1 - M4 vorgesehen, die entlang des Waferrandes 10 nicht notwendigerweise symmetrisch positioniert sind und von denen eine der Messstellen M1 - M4 in Fig. 4 vergrößert gezeigt ist. Innerhalb eines Messbereiches MB erfolgen entlang von Abtastbahnen AB, die orthogonal zum erwarteten Verlauf des Waferrandes 10 gerichtet sind, ein punktweises Abtasten (Messabtastung bzw. Messsweep MA) der erwarteten Position des Waferrandes 10 und eine gleichzeitige Detektion der reflektierten Elektronen mit dem Detektor 8. Die Messfenster an jeder Messstelle M1 - M4 sind hinsichtlich der Größe des Messbereiches MB, eines Suchbereiches SB sowie der Anzahl der durch punktierte Linien charakterisierten Abtastpunkte in den Abtastbahnen AB variierbar.
Da vor der Waferrandvermessung die Position des Wafers aufgrund der Prealigner- und Handling-Genauigkeit sowie durch Waferradius-Toleranzen (etwa ±100 μm) nur bis auf mehrere hunderte Mikrometer bestimmt ist, wird ein Suchalgorithmus bei der Abtastung des Waferrandes 10 ausgeführt, um diesen sicher zu finden.
Gemäß Fig. 5 werden mittels des Mikroablenksystems der elektronenoptischen Säule abschnittsweise entlang einer Suchlinie SL mit Abtastweglängen von etwa 50 μm in der Mitte des Messfensters beginnend Suchabtastungen ausgeführt. Zur Verdeutlichung des Prinzips des Suchalgorithmus sind Abtastungen a - g dargestellt. Je nach Notwendigkeit können jedoch weniger oder weitere Abtastungen nach diesem Prinzip durchgeführt werden, bis der Waferrand 10 gefunden wird oder ein durch das Makroablenksystem der elektronenoptischen Säule begrenzter Suchbereich SB ausgeschöpft ist. Insbesondere werden die Abtastungen b bis g abwechselnd jeweils
um die halbe Abtastweglänge beidseitig zur ersten Abtastung a versetzt vorgenommen. Der Suchbereich SB kann eine Länge bis 1200 μm erreichen, was ausreichend ist, um den Waferrand 10 innerhalb eines Unsicherheitsbereiches zu finden.
Die zur Strahlpositionierung vorgesehenen Makro- und Mikroablenksysteme sind ausführlich in der DE 10 2004 058 967 A1 bzw. der US 2006/0121396 A1 dargestellt, deren Offenbarungen hier eingeschlossen sind. Der x-y-Tisch 5 wird für die Positionierung des Wafers 6 an den Messstellen benutzt. Innerhalb eines Messfensters erfolgt keine Tischbewegung.
Der Waferrand wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem im Querschnitt bevorzugt quadratisch geformten Elektronenstrahl 2 im Format von etwa 600 x 600 nm abgetastet. Andere Formatgrößen sind jedoch möglich.
Das infolge der Abtastung erhaltene Intensitätssignal weist gemäß Fig. 6 meistens einen den Waferrand 10 definierenden deutlichen Intensitätssprung beim Übergang vom Objekthalter 7 zum Wafer 6 auf. Dennoch können herstellungstechnologisch, wie z. B. durch Belackung und aufgebrachte Schichten bedingte Signalschwankungen auftreten, die eine Erkennung und Vermessung des Waferrandes 10 erschweren.
Deshalb wird das bei der Abtastung detektierte Intensitätssignal differenziert (Ableitung und Glättung) und dann mit einer Referenzkurve, die den erwarteten Kurvenverlauf der abgetasteten und differenzierten Signalkurve repräsentiert, korreliert (Fig. 7). D. h. die Position des Waferrandes 10 wird durch die Position des Korrelationsmaximums bestimmt. Mögliche „falsche" Kanten werden durch einen Schwellwert SW für das Korrelationsmaximum erkannt und eliminiert, indem Korrelationsmaxima, die unter diesem Schwellwert liegen, nicht als Waferrand interpretiert werden. Eine Anpassung der Referenzkurve sowie des Korrelationsschwellwertes für die unterschiedlichen Technologien erlauben eine sehr hohe Messgenauigkeit sowie eine hohe Zuverlässigkeit.
Nachdem die Position des Waferrandes 10 an allen Messstellen M1 - M4 bestimmt worden ist, erfolgt eine Modellanpassung der Messwerte an ein der Form des Wafers entsprechendes Modell. Verschiedene mathematische Modelle sind zur Anpassung möglich, vorzugsweise wird ein Kreismodell KM oder ein Ellipsenmodell EM benutzt (Fig. 8). Die Modellanpassung wird durch die Methode der kleinsten Fehlerquadrate ausgeführt und das Gleichungssystem mit der Cramer'schen Regel oder einer anderen geeigneten Methode gelöst. Dadurch können das Waferzentrum xθ, yθ und der Waferradius r mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit bestimmt werden.
Im zweiten Verfahrensschritt werden zur Bestimmung der Waferausrichtung in Form der Verdrehung θ des Wafers 6 gemäß Fig. 9 und 10 bevorzugt die Randpositionen geradliniger Schenkelabschnitte 11 , 12 der Kerbe 9 an zwei von Messfenstern überdeckten Messstellen M5, M6 oder, falls eine Positionsermittlung der geradlinigen Schenkelabschnitte 1 1 , 12 aufgrund einer Beschädigung nicht möglich sein sollte, der annähernd parabelförmigen Kerbenmitte 13 an einer Messstelle M7 durch Randabtastung ermittelt.
Die Position der Kerbe 9 und daher die Position beider Messstellen wird durch einen durch den Prealigner ermittelten groben Wert für die Verdrehung des Wafers (θg/) sowie durch die im ersten Verfahrensschritt bestimmten Koordinaten des Waferzentrums xθ, yθ und des Waferradius r festgelegt. Suchbereich und Messzeit werden dadurch minimiert.
Die Abtastungen an den Messstellen M5, M6 werden in analoger Weise zu den Ausführungen gemäß Fig. 4 und 5 durchgeführt, wobei die Größe der Messstellen M5, M6 und die Anzahl der durchzuführenden Messabtastungen zu diesen Ausführungen verschieden sein kann. Bevorzugt werden bei der Erfindung Messfensterlängen FL von etwa 400 μm und Abstände AWR zum Waferumfang von etwa 300 μm genutzt, da der Kerbenrand in diesem Bereich im Wesentlichen geradlinig verläuft. Selbstverständlich sind auch andere Werte verwendbar.
Nachdem im Ergebnis der Messabtastungen an den Messpunkten M5, M6 in jedem Messfenster einzelne ermittelte Randpositionen vorliegen, wird innerhalb eines jeden Messfensters eine lineare Regression zu den einzelnen ermittelten Randpositionen
durchgeführt (Fig. 10). Indem durch die einzelnen ermittelten Randpositionen Ausgleichsgeraden gelegt werden, wird die eigentliche Randposition der geradlinigen Schenkelabschnitte 1 1 , 12 mit hoher Genauigkeit an die Fenstermitte des jeweiligen Messfensters angenähert. Der Treffpunkt der verlängerten Ausgleichsgeraden bzw. deren Schwerpunkt und Neigung bestimmen das Zentrum der Kerbe 9 und damit die Waferverdrehung. Mit xl, yl sind die Koordinaten des einen, in der Fig. 9 linken geradlinigen Schenkelabschnittes 11 und mit xr, yr des anderen, rechten geradlinigen Schenkelabschnittes 12 bezeichnet.
Die Waferausrichtung in Form der Verdrehung θ des Wafers 6 wird aus den ermittelten Koordinaten für die Randpositionen der geradlinigen Schenkelabschnitte 1 1 , 12 und den Positionskoordinaten des Waferzentrums xθ, yθ durch folgende Formel bestimmt:
Kann die Position der geradlinigen Schenkelabschnitte 1 1 , 12 an einer Messstelle M5 oder M6 nicht bestimmt werden, ist es ausnahmsweise möglich, eine Randabtastung der Kerbenmitte an nur einer Messstelle M7 vorzunehmen. Die Kerbenmitte ist in einem etwa 1 100 μm vom Waferumfang 13 entfernten Bereich 14 annähernd parabelförmig, so dass eine Beschreibung durch ein Parabelmodell gemäß y = (x-xm)2 +ym möglich ist. Durch wiederum durchzuführende Such- und Messabtastungen mit dem Elektronenstrahl 2 werden die Koordinaten des Scheitels S als Anpassungskoordinaten xm und ym bestimmt, aus denen sich die Waferausrichtung in Form der Verdrehung θ des Wafers 6 durch folgende Gleichung ergibt: