DE102007036815B4

DE102007036815B4 - Verfahren zur Bestimmung des durch die Substrattopologie und eine Koordinaten-Messmaschine bedingten systematischen Fehlers bei der Vermesung von Positionen von Kanten von Strukturen eines Substrats

Info

Publication number: DE102007036815B4
Application number: DE102007036815A
Authority: DE
Inventors: Slawomir Dr. Czerkas
Original assignee: Vistec Semiconductor Systems GmbH
Current assignee: KLA Tencor MIE GmbH
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2027-08-04
Also published as: US20090033894A1; JP2009036766A; DE102007036815A1; US8149383B2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des durch die Substrattopologie und eine Koordinaten-Messmaschine bedingten systematischen Fehlers bei der Vermessung von Positionen von Kanten von Strukturen (3) eines Substrats (2), wobei das Substrat (2) in einem Messtisch (20) mittels drei Haltepunkten (30) in einer Ebene liegt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
– dass an einer Vielzahl von Positionen auf einer Oberfläche (2a) des Substrats (2) jeweils eine Position in X-, Y- und Z-Koordinatenrichtung gemessen wird;
– dass das Substrat (2) um eine zu einer X/Y-Ebene der Koordinaten-Messmaschine parallele Achse (70) geneigt wird, wobei auf einen der Haltepunkte (30) ein Abstandselement (35) gelegt wird, so dass eine geneigte Position eingestellt wird, wobei das Substrat (2) um die parallele Achse (70) zu der X/Y-Ebene (20a) der Koordinaten-Messmaschine geneigt wird;
– dass die Position in X-, Y- und Z-Koordinatenrichtung mindestens einer Kante (3a) an der Vielzahl der Positionen von Strukturen auf der Oberfläche...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des durch Substrattopologie und/oder von der Geometrie des Substrathalters und der Koordinaten-Messmaschine bedingten systematischen Fehlers bei der Vermessung von Positionen von Kanten von Strukturen eines Substrats. Im Besonderen betrifft das Verfahren die Bestimmung des systematischen Fehlers bei der Vermessung von Strukturen auf einem Substrat. Das Substrat wird beliebig gehalten, vorzugsweise ist das Substrat in einen Messtisch gelegt, und mittels drei Haltepunkten in einer Ebene positioniert.
Eine Vorrichtung der gattungsbildenden Art ist z. B. in der DE 199 49 005 A1 , der DE 198 58 428 A1 , der DE 101 06 699 A1 oder der DE 10 2004 023 739 A1 offenbart. In allen hier genannten Dokumenten des Standes der Technik wird eine Koordinaten-Messmaschine offenbart, mit der Strukturen auf einem Substrat vermessen werden können. Dabei ist das Substrat auf einem in X-Koordinatenrichtung und einen in Y-Koordinatenrichtung verfahrbaren Messtisch gelegt. Die Koordinaten-Messmaschine ist dabei derart ausgestaltet, dass die Positionen der Strukturen, bzw. der Kanten der Strukturen mittels eines Messobjektivs bestimmt werden. Dabei wird die Position des Messtisches mittels eines Interferometers bestimmt. Es ist aber denkbar, dass die Po sition des Tisches auf eine andere Weise bestimmt wird, wobei letztendlich die Position der Kante in Bezug auf ein Koordinatensystem der Messmaschine ermittelt wird.
Eine Koordinaten-Messmaschine zum Vermessen von Strukturen auf Wafern und zu deren Herstellung eingesetzten Masken ist aus dem Vortragsmanuskript „Pattern Placement Metrology for Mask Making” von Frau Dr. Carola Bläsing bekannt. Dieser Vortrag wurde anlässlich der Tagung Semicon Edjucation Program in Genf am 31.03.1998 gehalten. Die dortige Beschreibung bildet die Grundlage einer Koordinaten-Messmaschine, wie diese vielfach am Markt erhältlich ist.
Die US 5,136,149 A offenbart ein Fokusverfahren für einen optischen Kopf. Für die Fokussierung wird das Objekt schräg beleuchtet. Das vom Objekt zurückkommende Licht gelangt auf ein Position Sensitive Device (PSD). Aus dem Signal des PSD kann die Fokuslage und auch die Verkippung des Objekts im Raum bestimmt werden. Bei der hier vorgeschlagenen Vorrichtung handelt es sich nicht um eine Koordinaten-Messmaschine.
Die US 6,677,565 B1 offenbart einen schnellen Autofokus. Hierzu wird ein Lichtmuster auf die Oberfläche des zu messenden Objekts projiziert. Aus der Analyse des vom Objekt zurückkommenden Bildes des Lichtmusters können die Fokuslage und die Verkippung des Objekts bestimmt werden. Das Dokument spricht nicht die Problematik der Bestimmung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat (Maske) an.
Die US 6,924,929 B2 offenbart ein Mikroskop, das einen in horizontaler Richtung bewegbaren Tisch besitzt. Mit einem Zeilensensor wird während der Bewegung des Tisches ein Bild des Probe aufgenommen. Das hier vorgeschlagene Mikroskop hat keinen Bezug zu der Vermessung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 63 345 A1 offenbart eine optische Messanordnung und ein Verfahren zur Neigungsmessung. Das Dokument hat ebenfalls nichts mit der Vermessung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat zu tun.
Die US 6,259,960 B1 offenbart ein System für die Inspektion von Defekten auf einem Substrat (Wafer). Ein Defekt wird mit einem Elektronenmikroskop erzeugt. In eine Datenbank kann z. B. Information über die Größe und Lage des Defekts auf dem Wafer abgerufen werden. Eine optische Vermessung von Positionen von Kanten von Strukturen kann man dem Dokument nicht entnehmen. Ferner ist eine Inspektion von Defekten offenbart, was sich deutlich von einem Verfahren zur Vermessung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat (Maske) unterscheidet.
Der Artikel von G. Schlüter, u. a. „Next generation mask metrology tool”, in „Photomask and Next-Generation Lithography Mask Technology IX (Proceedings of SPIE) Vol. 4754, S. 758–768, 2002, beschreibt die Weiterentwicklung und die Verbesserung einer Koordinaten-Messmaschine. Dadurch soll die Messgenauigkeit verbessert werden. Eine Bestimmung des systematischen Fehlers der Koordinaten-Messmaschine ist nicht erwähnt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine höhere Genauigkeit bei der Accuracy zu ermitteln, wobei eine Korrektur der Messdaten mittels Korrekturwerten durchgeführt wird.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Mit der Erfindung ist es möglich, eine Koordinaten-Messmaschine zur Bestimmung der lateralen Korrektur in Abhängigkeit von der Substrattopologie einzusetzen. Dabei ist ein Substrat auf einen in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung beweglichen Messtisch gelegt. Der Messtisch trägt das zu messende Substrat. Das Substrat selbst liegt dabei auf drei Haltepunkte auf, die eine Ebene festlegen bzw. aufspannen. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, die die Position von einer Vielzahl von Positionen auf der Oberfläche des Substrats in Z-Koordinatenrichtung bestimmt. Das Substrat ist dabei um eine zur X-/Y-Ebene parallele Achse drehbar, so dass das Substrat ebenfalls in der gedrehten Position messbar ist.
Am Substrathalter sind drei Haltepunkte angebracht, wobei mindestens ein Haltepunkt mit einem Abstandselement versehen werden kann, so dass die durch die drei Haltepunkte und dem mindestens einem Abstandselement definierte Ebene gegenüber der horizontalen Ebene geneigt ist und somit die Drehung um die X-/Y-Ebene parallele Achse einstellbar ist. Die Drehung des Substrats kann auf beliebige Weise erfolgen, z. B. es kann ein anderer Substrathalter benutzt werden, der z. B. durch unterschiedliche Höhen der drei Haltepunkte die erforderliche Neigung des Substrats einstellt. Eine weitere Möglichkeit ist, dass man einen der Haltepunkte mit einem Abstandselement versieht, um dadurch die Neigung des Substrats einzustellen.
Die durch die Haltepunkte, bzw. den Haltepunkt und mit dem mindestens einen Abstandselement aufgespannte Ebene kann bestimmt werden, woraus sich die Oberfläche des durch die Haltepunkte gehalterten Substrats bestimmen lässt. Die ortsabhängige Dicke des Substrats lässt sich aus dem ortsabhängigen Abstand der Ebene und der Oberfläche des Substrats berechnen.
Die Einrichtung zur Bestimmung der Position von einer Vielzahl von Positionen auf der Oberfläche des Substrats in Z-Koordinatenrichtung kann ein Messobjektiv, ein Objektiv mit großer Schärfentiefe, ein mechanischer Antasten oder eine andere beliebige geeignete (auch heute noch unbekannte) Messsonde oder Messsensor sein.
Das Verfahren zur Bestimmung des durch Substrattopologie und Koordinaten-Messmaschine bedingten systematischen Fehlers ist besonders vorteilhaft, wenn das Substrat in einem Messtisch eingelegt ist, wobei das Substrat mit drei Haltepunkten gehalten wird, welche eine Ebene definieren. Zunächst wird an einer Vielzahl von Positionen auf einer Oberfläche des Substrats jeweils eine Position in Z-Koordinatenrichtung gemessen. Das Substrat wird um eine zur X/Y-Ebene der Koordinaten-Messmaschine parallele Achse geneigt, so dass eine geneigte Position des Substrats eingestellt werden kann. Danach wird die Position in Z-Koordinatenrichtung mindestens einer Kante abermals an einer Vielzahl der Positionen auf der Oberfläche des Substrats an der gleichen Position des Substrats gemessen, die mit der Position des nicht gedrehten Substrats übereinstimmt. Eine Abweichung der lateralen Position der mindestens einen Kante der jeweils gemessenen Struktur wird aus den beiden Messungen an der jeweils gleichen Position auf dem Substrat ermittelt. Anhand der Abweichung wird eine Korrektur ermittelt, die die Abweichung der lateralen Position der mindestens einen Kante aus den beiden Messungen der jeweils gleichen Positionen auf dem Substrat minimal werden lässt. Aufgrund der Neigung kommt es zu einer geometrischen Verschiebung der Strukturen (Cosinus-Fehler). Diese muss bei Bedarf bei der Ermittlung der Korrektur berücksichtigt werden. Der Cosinus-Fehler kann durch gezielte Schwenkung des Substrats um eine definierte Achse ermittelt werden.
Die zu messende Substrattopologie hängt von der Keiligkeit des Substrats und/oder der Unebenheit des Substrats und/oder der Geometrie des Substrathalters und/oder dem von der Koordinaten-Messmaschine bedingten systematischen Fehler ab.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern.
1 zeigt schematisch eine Koordinaten-Messmaschine gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Einstellung einer definierten Verschwenkung des Substrats mit einem entsprechend dafür ausgebildeten Substrathalter.
3a zeigt schematisch einen Substrathalter, in dem ein Substrat zur Vermessung mit der Koordinaten-Messmaschine eingelegt ist.
3b zeigt schematisch ebenfalls den Substrathalter, bei dem das Substrat eingelegt ist, wobei ein Auflagepunkt mit einem zusätzlichen Abstandselement versehen ist, so dass das Substrat um eine Achse gegenüber der X-/Y-Ebene gedreht ist.
4a zeigt eine Seitenansicht, wobei einmal das Substrat in nicht gedrehter Position und einmal in gedrehter Position dargestellt ist.
4b zeigt eine Detailansicht der 4a, wobei die laterale Verschiebung dargestellt ist, die aufgrund der Drehung des Substrats ermittelt werden kann.
1 zeigt eine Koordinaten-Messmaschine 1, wie sie seit längerem im Stand der Technik Verwendung findet. Die Koordinaten-Messmaschine dient im Besonderen zur Bestimmung von Positionen von Strukturen 3 auf einem Substrat 2. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Substrat 2 in einen Substrathalter 27 eingelegt. Es ist ebenso vorstellbar, dass das Substrat direkt auf einen Messtisch 20 gelegt ist. In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Substrathalter 27 auf den Messtisch 20 gelegt. Der Messtisch 20 ist mit Luftlagern 21 in einer Ebene 25a in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung verfahrbar. Die Ebene 25a wird dabei durch ein Strukturelement 25 definiert. In einer Ausführungsform kann das Strukturelement ein Granit sein. Die Position des Messtisches 20 wird interferometrisch bestimmt. Zur Positionsbestimmung ist mindestens ein Interferometer 24 vorgesehen, dass auf dem Messtisch 20 einen Lichtstrahl 23 richtet. Zur Beleuchtung des Substrats 2 kann eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 vorgesehen sein, die über ein Messobjektiv 9 das Beleuchtungslicht entlang eines Auflichtbeleuchtungsstrahlengangs 5 auf das Substrat 2 richtet. Ebenso ist es möglich, das Substrat 2 mit Durchlicht zu beleuchten. Hierzu ist eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 vorgesehen, die das Licht über einen Umlenkspiegel 7 in den Durchlichtbeleuchtungsstrahlengang 4 einkoppelt. Das Licht wird über einen Kondensor 8 auf das Substrat 2 gerichtet.
Der Granit 25 ist dabei auf schwingungsgedämpft gelagerten Füßen 26 positioniert. Das von dem Substrat 2 ausgehende Licht wird über einen Teilerspiegel 12 auf eine Kamera 20 gerichtet, die einen Detektor 11 umfasst. Der Detektor 11 ist mit einem Rechner 16 verbunden, mit dem die aufgenommenen Daten des Detektors 11 digitalisiert werden können. Das Messobjektiv 9 kann mittels einer Verschiebeeinrichtung 15 in Z-Koordinatenrichtung positioniert werden. Somit kann mit der Verschiebeeinrichtung 15 der Fokus auf die Oberfläche 2a des Substrats 2 eingestellt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Einstellung einer definierten Verschwenkung des Substrats 2 mit einem entsprechend dafür ausgebildeten Substrathalter 3. Zur Einstellung der definierten Neigung des Substrats 2 ist in dieser Ausführungsform der Substrathalter 3 in entsprechender Weise ausgebildet. Hierzu weisen die Haltepunkte 30 eine jeweils andere Höhe auf. Aufgrund der Drehung kommt es zu einer geometrischen Verschiebung der Strukturen (Cosinus-Fehler). Diese muss bei Bedarf bei der Ermittlung der Korrektur berücksichtigt werden. Der Cosinus-Fehler kann, wie bereits erwähnt, durch gezielte Schenkung des Substrats um eine definierte Achse ermittelt werden.
3a zeigt eine schematische Darstellung eines Substrats 2, das in einen Substrathalter 27 eingelegt ist. In der hier dargestellten Ausführungsform liegt das Substrat 2 auf drei Haltepunkte 30 auf. Die drei Haltepunkte 30 spannen eine Ebene auf, in der letztendlich das Substrat zu liegen kommt. Die Haltepunkte 30 berühren das Substrat 2 nur in einzelnen Punkten und sind in einem vorbestimmten Muster am Rand 34 des Substrathalters 27 verteilt. Da die Verteilung der Haltepunkte 30 am Rand 34 des Substrathalters 27 bekannt ist, kann man daraus die Durchbiegung des Substrats 2 errechnen. Auf dem Substrathalter 27 können zusätzlich noch mehrere Referenzmarken 32 vorgesehen sein, die zur Bestimmung der Position des Substrathalters 27 relativ zu einem Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine 1 dient.
3b zeigt das Substrat 2, welches um eine Achse 70 gedreht ist. Die Achse 70 ist dabei parallel zu der X-/Y-Ebene des Koordinatensystems der Koordinaten-Messmaschine 1. Die Drehung um die Achse 70 wird dadurch erreicht, in dem man auf einen Haltepunkt 30 ein Abstandselement 35 legt. Somit ist letztendlich das Substrat 2 unter einem Winkel zu der X-/Y-Ebene geneigt. Während der Messung wird zum einen die Position mehrerer Strukturen in Z-Koordinatenrichtung gemessen. Dabei wird jede Position einmal in der nicht gedrehten Stellung des Substrats 2 und einmal in der gedrehten Stellung des Substrats 2 vermessen. Aus den beiden Messungen lässt sich dann die laterale Verschiebung der verschiedenen Strukturen 3 auf dem Substrat 2 bestimmen. Ebenso kann man aus der Messung die Dickenabweichung des Substrats 2 ermitteln.
4a zeigt eine schematische Seitenansicht des Substrats 2. In einer Stellung, welche durch durchgezogene Linien dargestellt ist, ist das Substrat 2 nicht gedreht. In der zweiten Stellung, welche durch gestrichelte Linien dargestellt ist, ist das Substrat 2 um die Achse 70 gedreht. 4a zeigt deutlich, dass die Struktur 3 auf dem Substrat 2 an der Messposition 80 an einer anderen Stelle in Bezug auf die Messposition 80 zu liegen kommt.
4b zeigt schematisch die vergrößerte Darstellung des Bereichs aus 4a, der durch den gestrichelten Kreis gekennzeichnet ist. 4b zeigt die vergrößerte Darstellung des Substrats 2 in der nicht gedrehten Darstellung und in der gedrehten Darstellung. Wie bereits in der 4a beschrieben, ist die gedrehte Darstellung durch gestrichelte Linien dargestellt. Für die Antastung, bzw. Bestimmung der Position einer Kante 3a einer Struktur 3 wird, wie in den 1 und 2 beschrieben, ein Laser-Interferometer verwendet. Wie in 4b dargestellt ist, ist die Position der Kante 3a bei der nicht gedrehten Lage des Substrats 2 mit dem Pfeil 50 gekennzeichnet. Die Lage der Kanten 3a des gedrehten Substrats 2 ist mit dem Pfeil 51 gekennzeichnet.
Aus beiden Messungen ergibt sich somit eine Differenz zwischen der Lage der Kante 3a des nicht gedrehten Substrats 2 und der Lage der Kante 3a des gedrehten Substrats 2. Diese Differenz ist in 4b durch den Doppelpfeil 52 visualisiert Diese Differenz (Cosinus-Fehler) muss bei Bedarf bei der Ermittlung der Korrektur berücksichtigt werden. Die Korrektur kann als einzelner Korrekturwert und/oder als eine Korrekturfunktion realisiert sein.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des durch die Substrattopologie und eine Koordinaten-Messmaschine bedingten systematischen Fehlers bei der Vermessung von Positionen von Kanten von Strukturen (3) eines Substrats (2), wobei das Substrat (2) in einem Messtisch (20) mittels drei Haltepunkten (30) in einer Ebene liegt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – dass an einer Vielzahl von Positionen auf einer Oberfläche (2a) des Substrats (2) jeweils eine Position in X-, Y- und Z-Koordinatenrichtung gemessen wird; – dass das Substrat (2) um eine zu einer X/Y-Ebene der Koordinaten-Messmaschine parallele Achse (70) geneigt wird, wobei auf einen der Haltepunkte (30) ein Abstandselement (35) gelegt wird, so dass eine geneigte Position eingestellt wird, wobei das Substrat (2) um die parallele Achse (70) zu der X/Y-Ebene (20a) der Koordinaten-Messmaschine geneigt wird; – dass die Position in X-, Y- und Z-Koordinatenrichtung mindestens einer Kante (3a) an der Vielzahl der Positionen von Strukturen auf der Oberfläche (2a) des Substrats (2) an den gleichen Positionen des Substrats (2) gemessen wird, die mit den Positionen des nicht geneigten Substrats (2) übereinstimmen; – dass eine Abweichung der lateralen Position der mindestens einen Kante (3a) aus den beiden Messungen an den jeweils gleichen Positionen auf dem Substrat (2) ermittelt wird; und – dass anhand der Abweichung eine Korrektur ermittelt wird, die die Abweichung der lateralen Position der mindestens einen Kante (3a) aus den beiden Messungen der jeweils gleichen Positionen auf dem Substrat (2) minimal werden lässt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu der X/Y-Ebene (20a) der Koordinaten-Messmaschine parallele Achse (70) entlang der X-Koordinatenrichtung oder der Y-Koordinatenrichtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Substrattopologie von der Keiligkeit des Substrats (2) und/oder der Unebenheit des Substrats (2) und/oder von der Geometrie des Substrathalters (27) und/oder dem von der Koordinaten-Messmaschine bedingten systematischen Fehler abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur durch eine Korrekturfunktion oder Korrekturwerte gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der durch den Messtisch (20) bestimmten X/Y-Ebene (20a) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Verschiebung der Strukturen aufgrund der Drehung bei der Ermittlung der Korrektur berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Substrats (2) relativ zu der Lage eines Koordinatensystems der Haltepunkte (30) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position von Kanten einer Vielzahl von Strukturen auf der Oberfläche des Substrats in Z-Koordinatenrichtung eine Einrichtung vorgesehen wird, die ein Messobjektiv, ein Objektiv mit großer Schärfentiefe, ein mechanischer Antaster oder eine andere beliebig geeignete Messsonde oder Messsensor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Position in Z-Koordinatenrichtung mittels eines Messobjektivs durch Fokuseinstellung gemessen wird.