DE102007036814A1

DE102007036814A1 - Koordinaten-Messmaschine zum Vermessen von Strukturen auf einem Substrat

Info

Publication number: DE102007036814A1
Application number: DE102007036814A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Adam; Hans-Artur Dr. Boesser; Michael Heiden
Original assignee: Vistec Semiconductor Systems GmbH
Current assignee: KLA Tencor MIE GmbH
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-02-12
Also published as: US7961334B2; US20090031572A1

Abstract

Es ist eine Koordinaten-Messmaschine (1) zum Vermessen von Strukturen (3) auf einem Substrat (2) offenbart. Die Koordinaten-Messmaschine (1) besitzt einen in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung verfahrbaren Messtisch (20), ein Messobjektiv (9), mindestens ein Laserinterferometer (24) zum Bestimmen der Position des Messtisches (20) und/oder des Messobjektivs (9). Zumindest der Messtisch (20), das Messobjektiv (9) und das mindestens eine Laserinterferometer (24) sind in einer Vakuumkammer (50) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koordinaten-Messmaschine zum Vermessen von Strukturen auf einem Substrat. Im Besonderen betrifft die Erfindung eine Koordinaten-Messmaschine, die einen verfahrbaren Messtisch, ein Messobjektiv, mindestens ein Laser-Interferometer zur Bestimmung der Position des Messtisches und ein Messobjektiv umfasst.
Ein Messgerät zum Vermessen von Strukturen auf Wafern oder auf einem Substrat (Maske zur Herstellung von Halbleitern) ist in dem Vortragsmanuskript „Pattern Placement Metrology for Mask Making" von Frau Dr. Carola Bläsing offenbart. Der Vortrag wurde anlässlich der Tagung Semicon, Edjucation Program in Genf am 31. März 1998 gehalten. Die dortige Beschreibung offenbart ein Koordinaten-Messgerät, das Messverfahren und den prinzipiellen Aufbau des Koordinaten-Messgeräts mit Zusatzgeräten. Das Koordinaten-Messgerät ist dabei in einer Klimakammer angeordnet, um innerhalb der Klimakammer für die Messung gleiche klimatische Bedingungen hinsichtlich der Temperatur und der Feuchte herzustellen.
Die Deutsche Patentschrift DE 196 284 969 offenbart ebenfalls eine Koordinaten-Messvorrichtung, die ein Zweistrahl-Interferometer zur Bestimmung der Position eines Messtisches umfasst. Das Zweistrahl-Interferometer besitzt einen wirksam reduzierten Einfluss der Wellenlängenänderungen auf die Wellenlängenmessung. Dies wird erreicht, durch Einfügen eines lichtdurchlässigen, geschlossenen, inkompressiblen Körpers in den Referenzstrahlengang oder den Messstrahlengang, so dass die außerhalb des Körpers verlaufenden Anteile von Referenzstrahlengang und Messstrahlengang bei einer bestimmten Positionierung des verfahrbaren Messspiegels gleich lang sind.
Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 199 49 005 offenbart eine Einrichtung und ein Verfahren zum Einbringen verschiedener transparenter Substrate in ein hochgenaues Messgerät. Das hochgenaue Messgerät und die zu dem hochgenauen Messgerät gehörenden zusätzlichen Elemente zum Transportieren der transparenten Substrate sind in einer Klimakammer angeordnet. Mit der Klimakammer kann somit der Einfluss von Druck, Feuchte und Temperatur unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen reduziert werden.
Im U.S. Patent 5,469,269 wird insbesondere auf den Einfluss von schnellen, zufälligen Luftbewegungen eingegangen, wie sie beispielsweise nach Türöffnen oder -schließen oder nach Bewegungen in der Umgebung des Messgeräts auftreten. Die dadurch verursachten, örtlich begrenzten Luftdruckschwankungen bewirken lokale Anderungen des Brechungsindex und damit Wellenlängenänderungen im Lichtstrahl. Zur Lösung des Problems wird vorgeschlagen den Mess- und Referenzstrahlengang mit in beiden Enden offenen Rohren zu umhüllen. In die Rohre soll definiert Temperatur stabilisierte Luft oder Temperatur stabilisiertes Gas eingeblasen werden. Für den längenvariablen Messstrahlengang sind Rohre mit teleskopartigem Verlängerungsmechanismus vorgesehen. Durch die weitgehende Umhüllung des Lichtstrahls wird der Einfluss schneller Luftdruckschwankungen weitgehend verhindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Messung der Tischposition mit dem Interferometer unabhängig von Schwankungen der Umgebung, wie z. B. Temperatur, Feuchtigkeit und insbesondere Luftdruck, möglich ist.
Eine weitere Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist es, eine Vorrichtung derart auszugestalten, dass bei Verwendung von Wellenlängen von < 248 Nanometer keine Verschmutzungen der Substrate mit Kohlenwasserstoffen verursacht wird, die aufgrund von Crack-Produkten auftreten, die sich bei der Verwendung dieser kurzen Wellenlängen auf dem Messobjektiv oder auf dem Substrat niederschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Koordinaten-Messmaschine, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Zur Lösung der obigen Aufgabe ist es von besonderem Vorteil, wenn zumindest der Messtisch, das Messobjektiv und das mindestens eine Laser-Interferometer in einer Vakuumkammer angeordnet sind.
Ebenso kann ein Beleuchtungskondensor für die Durchlichtbeleuchtung des Substrats vorgesehen sein, so dass mit der Koordinaten-Messmaschine Messungen im Auflicht und/oder Durchlicht durchführbar sind. Der Beleuchtungs-Kondensor ist dann zumindest teilweise in der Vakuumkammer angeordnet. Die Vakuumkammer ist mit mindestens einem für die jeweilige verwendete Messwellenlänge transparenten Fenster versehen. Somit kann hierüber das entsprechende Licht, bzw. Messlicht der Vakuumkammer zugeführt werden.
Zum Einbringen von Substraten in die Vakuumkammer, ist die Vakuumkammer mit einer Schleuse versehen.
Dem Messobjektiv, dem Laser-Interferometer und dem Beleuchtungs-Kondensor kann jeweils ein transparentes Fenster für die Beleuchtungs- bzw. Messwellenlänge zugeordnet sein. Dabei ist es denkbar, dass die transparenten Fenster in Abhängigkeit von der gerade verwendeten Beleuchtungs- bzw. Messwellenlänge ausgetauscht werden können, bzw. austauschbar angeordnet sind.
Sowohl die Vakuumkammer, als auch die Schleuse sind an ein Vakuumsystem mit einer Vakuumpumpe angeschlossen, so dass das entsprechende Vakuum, bzw. Vorvakuum erzeugt werden kann.
Die Koordinaten-Messmaschine kann dabei derart ausgestaltet sein, dass das Messobjektiv der Oberfläche des Substrats gegenüberliegt, die die Strukturen trägt und dass der Normalenvektor der Oberfläche des Substrats mit den Strukturen parallel zur Gewichtskraft ist. Man spricht hier von einem inversen Aufbau. Der inverse Aufbau hat den Vorteil, dass das Substrat in der Koordinaten-Messmaschine genau die gleiche Anordnung hat, als bei der Verwendung des Substrats in einem Stepper für die Belichtung von Strukturen auf einem Wafer. Die andere Anordnung des Substrats ist diejenige, wie sie in den bisherigen Koordinaten-Messmaschinen verwendet wurden. Dabei ist der Normalenvektor der Oberfläche des Substrats mit den Strukturen antiparallel zur Gewichtskraft.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern.
1 zeigt schematisch ein Koordinaten-Messgerät, gemäß dem Stand der Technik, wobei das gesamte Koordinaten-Messgerät in einer Vakuumkammer angeordnet ist.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung der Vakuumkammer in Bezug auf die wesentlichen Bestandteile einer Koordinaten-Messmaschine.
3 zeigt eine Anordnung der Vakuumkammer bei einer Koordinaten-Messmaschine mit inversem Aufbau.
4 zeigt eine schematische Anordnung der Vakuumkammer in Verbindung mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Vakuums.
5 zeigt eine schematische Anordnung der Vakuumkammer, die mit einer Schleuse versehen ist, über welche die zu vermessenden Substrate in die Kammer eingegeben werden können.
Ein Koordinaten-Messgerät der in 1 dargestellten Art ist aus dem Stand der Technik bekannt, dennoch wird der Vollständigkeit halber hier noch mal der schematische Aufbau eines Koordinaten-Messgeräts 1 beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das gesamte Koordinaten-Messgerät 1 in einem Gehäuse 50 vorgesehen. Dabei ist das gesamte Gehäuse 50 als Vakuumkammer ausgebildet. Obwohl in der Darstellung der 1 nicht gezeigt, ist das Gehäuse 50 mit einem System zum Erzeugen eines Vakuums verbunden. Ebenso kann außerhalb des Gehäuses die Elektronik angeordnet sein, mit der die von einer Kamera 10 aufgenommenen Daten von dem Substrat, bzw. den Strukturen auf dem Substrat ausgewertet und digitalisiert werden können.
Das Koordinaten-Messgerät 1 dient zum Vermessen von Strukturen 3, die auf einem Substrat 2 aufgebracht sind. Das Substrat 2 ist dabei auf oder in einem Messtisch 20 gelegt, der auf einer Ebene 25a in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung verschiebbar angeordnet ist. Die Lagerung des Messtisches kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. Eine Möglichkeit der Lagerung sind Luftlager. Die Verschiebung des Messtisches 20 wird innerhalb der Ebene 25a, welche durch die X-Koordinatenrichtung und die Y-Koordinatenrichtung aufgespannt ist, mittels der Lager 21 realisiert. Bei der Verwendung von Luftlagern, sind diese Luftlager für die Verwendung im Vakuum geeignet. Die Ebene 25a ist durch ein Element 25 ausgebildet. In einer Ausführungsform ist es möglich, dass die Ebene 25a von einem Granitblock ausgebildet wird. Die Position des Messtisches 20 innerhalb der Ebene 25a wird mit mindestens einem Laser-Interferometer 24 gemessen. Ebenso ist es möglich, die Position des Messobjektivs 9 mittels eines Laser-Interferometers (nicht dargestellt) zu bestimmen.
Die Koordinaten-Messmaschine 1 kann mit einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 versehen sein. Das Licht der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 gelangt über einen Umlenkspiegel 9 und einen Kondensor 8 auf das Substrat 2. Ebenso ist eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 vorgesehen, die das Licht über das Messobjektiv 9 auf das Substrat 2 richtet. Das Messobjektiv 9 ist dabei mit einer Verstelleinheit 15 in Z-Koordinatenrichtung, bzw. in Richtung der optischen Achse 5 verschiebbar angeordnet. Durch die Verschiebeeinrichtung 15 kann somit das Messobjektiv auf die Strukturen 3 auf dem Substrat fokussiert werden. Es ist empfehlenswert alle Elemente, die eine große Menge an Wärme erzeugen außerhalb des Gehäuses 50, bzw. der Vakuumkammer anzuordnen. In dem hier vorliegenden Fall ist es notwendig, v. a. die Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14, die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 und den Rechner (nicht dargestellt), außerhalb des Gehäuses 50 vorzusehen. Damit das von der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 und/oder der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 ausgehende Licht in das Innere des Gehäuses 50 gelangen kann, ist das Gehäuse 50 mit entsprechenden Fenstern 52 versehen. Die transparenten Fenster 52 sind dabei derart ausgebildet, dass sie für die jeweiligen zur Messung verwendeten Wellenlängen transparent sind.
2 zeigt eine andere Anordnung des Gehäuses 50, bzw. der Vakuumkammer. Die Vakuumkammer ist dabei derart ausgeformt, dass sie im Wesentlichen dem Messtisch 20, das mindestens eine Laser-Interferometer 24 und das Messobjektiv 9 umschließt. Das Gehäuse 50 ist ebenfalls mit einem transparenten Fenster für das von der Auflichtbeleuchtungsquelle 14 ausgehende Beleuchtungslicht versehen. Das Gehäuse 50 ist dabei derart ausgestaltet, dass zumindest ein Teil des Beleuchtungskondensors 8 von dem Gehäuse 50 umschlossen wird.
3 stellt eine weitere Ausführungsform der Anordnung einer Koordinaten-Messmaschine 1 dar. Dabei ist das Substrat 2 derart in die Koordinaten-Messmaschine eingelegt, dass eine Normale 30 der Oberfläche 2a des Substrats parallel mit der Gewichtskraft 33 ist. Diese Anordnung, auch inverse Anordnung bezeichnet, ist von Vorteil, da bei der Vermessung der Positionen der Strukturen 3 auf dem Substrat mit der Koordinaten-Messmaschine 1 die gleichen Bedingungen vorherrschen, wie bei einer Maske 2, die in einem Stepper eingelegt ist. In einem Stepper wird die Maske mittels Projektion verkleinert auf die Oberfläche des Wafers abgebildet. Wie bei der in den 1 und 2 beschriebenen Anordnung umschließt das Gehäuse 50 den Messtisch 20 mit dem Substrat 2, das mindestens eine Interferometer 24 und das Messobjektiv 9. Wie bereits oben erwähnt, sind die Bauelemente der Koordinaten-Messeinrichtung, wie z. B. Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14, Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 und Rechnersystem 16 außerhalb des Gehäuses 50 angeordnet. Damit das Licht der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 und der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 in das Innere des Gehäuses 50 gelangen kann, sind entsprechend transparente Fenster 52 vorgesehen.
4 zeigt eine schematische Ansicht des Gehäuses 50 für die Koordinaten-Messmaschine 1, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Gehäuse 50, in dem das Vakuum erzeugt werden soll, ist mit einem System 60 verbunden, mit dem das entsprechende Vakuum erzeugt werden kann. Das Gehäuse kann ferner mit einem Display 61 versehen sein, über das der Benutzer Informationen über die im Innern des Gehäuses 50 ablaufende Messung erhalten kann. Ebenso ist eine Eingabeeinheit 62 vorgesehen, über die der Benutzer spezielle Messrezepte eingeben kann und über die der Benutzer auch das System zum Erzeugen eines Vakuums steuern kann. Ferner hat das Gehäuse 50 mindestens eine Ladeöffnung 54 ausgebildet, über die Substrate in das Innere des Gehäuses 50 verbracht werden können. Selbstverständlich muss diese Ladeöffnung, bzw. Schleuse verschließbar ausgebildet sein, damit das im Innern des Gehäuses 50 vorherrschende Vakuum aufrechterhalten bleibt, so dass eine Kontamination des Vakuums vermieden werden kann.
5 zeigt eine schematische Darstellung des Gehäuses 50, welche mit einer Schleuse 56 versehen ist. Das in 5 schematisch dargestellte Gehäuse 50 ist dabei derart ausgebildet, dass es im Wesentlichen nur das Messobjektiv 9, den Messtisch 20 und das mindestens eine Interferometer 24 zur Bestimmung der Position des Messtisches und/oder des Messobjektivs umschließt. Die Verbindung des Gehäuses zu einem System zum Erzeugen des Vakuums ist nicht dargestellt, da dies für einen Fachmann eine Selbstverständlichkeit darstellt. Die Schleuse ist notwendig, um Substrate 2 in das Innere des Gehäuses 50 zu verbringen. Wie bereits oben erwähnt, ist der Messtisch 20 mit dem Substrat 2 in einem Vakuumbehälter (Gehäuse 50) angeordnet. Das Laser-Interferometer 24 und das Messobjektiv 9 befinden sich dabei ebenfalls in dem Vakuum innerhalb des Gehäuses 50. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung ergeben sie die Vorteile, dass die Messung der Position des Messtisches 20 mit dem Laser-Interferometer 24 unabhängig von Schwankungen der Umgebung (wie z. B. Temperatur, Feuchtigkeit und insbesondere Luftdruck), ist. Wenn man bei der Bestimmung der Position der Strukturen 3 auf dem Substrat 2 zu immer kürzeren Messwellenlängen übergeht, wie z. B. < 248 Nanometer, so ergeben sich in der Luft hohe Transmissionsverluste. Diese treten dann nicht mehr auf, wenn die entsprechen den Bauteile für die Messung der Position der Strukturen im Vakuum angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass man bei diesen kurzen Wellenlängen (< 248 Nanometer) keine Ablagerung von Crack-Produkten auf dem Substrat 2 und/oder Messobjektiv 9 bekommt. Diese Crack-Produkte entstehen bei diesen kurzen Messwellenlängen bei der Spaltung von Kohlenwasserstoffen, die zweifellos innerhalb der Umgebungsluft vorliegen.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 196284969 [0003]
- DE 19949005 A [0004]
- US 5469269 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Pattern Placement Metrology for Mask Making" von Frau Dr. Carola Bläsing [0002]

Claims

Koordinaten-Messmaschine (1) zum Vermessen von Strukturen (3) auf einem Substrat (2) mit einem in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung verfahrbaren Messtisch (20), einem Messobjektiv (9), mindestens einem Laserinterferometer (24) zum Bestimmen der Position des Messtisches (20) und/oder des Messobjektivs (9), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Messtisch (20), das Messobjektiv (9) und das mindestens eine Laserinterferometer (24) in einer Vakuumkammer (50) angeordnet sind.
Koordinaten-Messmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beleuchtungskondensor (8) für die Durchlichtbeleuchtung des Substrats (2) vorgesehen ist, so dass mit der Koordinaten-Messmaschine (1) Messungen im Auflicht und/oder Durchlicht durchführbar sind.
Koordinaten-Messmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungskondensor (8) zumindest teilweise in der Vakuumkammer (50) angeordnet ist.
Koordinaten-Messmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumkammer (50) eine Schleuse zugeordnet ist, über die Substrate (2) der Vakuumkammer zuführbar sind.
Koordinaten-Messmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (50) mit mindestens einem für die jeweilige Beleuchtungs- bzw. Messwellenlänge transparenten Fenster (52) versehen ist.
Koordinaten-Messmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messobjektiv (9) und/oder dem Laserinterferometer (24) und/oder dem Beleuchtungskondensor (8) jeweils ein für die Messwellenlänge transparentes Fenster (52) zugeordnet ist.
Koordinaten-Messmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (50) und die Schleuse an ein Vakuumsystem (60) mit mindestens einer Vakuumpumpe angeschlossen sind.
Koordinaten-Messmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjektiv (9) der Oberfläche (2a) des Substrats (2) gegenüberliegt, die die Strukturen (3) trägt und dass ein Normalenvektor (30) der Oberfläche (2a) mit den Strukturen (3) antiparallel zur Gewichtskraft (33) ist.
Koordinaten-Messmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjektiv (9) der Oberfläche (2a) des Substrats (2) gegenüberliegt, die die Strukturen (3) trägt und dass ein Normalenvektor (30) der Oberfläche (2a) mit den Strukturen parallel zur Gewichtskraft (33) ist.