DE60212987T2

DE60212987T2 - Vorrichtung zur schnellen, quantitativen, kontaktlosen topografischen Untersuchung von Halbleiterscheiben oder spiegelähnlichen Oberflächen

Info

Publication number: DE60212987T2
Application number: DE60212987T
Authority: DE
Inventors: Endre István LUKACS; János MAKAI; Ferenc Riesz; Bela Szentpali; Lothar Pfitzner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; HUNGARIAN ACADEMY OF SCIENCES; HUNGARIAN ACADEMY OF SCIENCES RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICSAND MATERIALS SCIENCE
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; HUNGARIAN ACADEMY OF SCIENCES; HUNGARIAN ACADEMY OF SCIENCES RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICSAND MATERIALS SCIENCE
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: EP1434981A1; US7133140B2; ATE332498T1; WO2003031955A1; DE60212987D1; US20040263864A1; HU0104057D0; EP1434981B1; HUP0104057A2

Description

Die Mikroelektronikindustrie benötigt tadellos flache, spielegelähnliche Oberflächen aufweisend defektfreie Einzelkristallwafer als Grundlage für die Produktion von integrierten Schaltungen und Komponenten; jede mögliche Abweichung von der idealen Fläche macht ein Herstellungsverfahren schwierig oder sogar unmöglich oder der Ertrag an produzierten Schaltungen verringert sich.
Solche Defekte entstehen häufig während den individuellen Verfahrensschritten der Kristall- und Waferproduktion (z.B.: beim Schneiden, beim Polieren). Viele technologische Phasen der Produktion der integrierten Schaltungen (z.B.: das Ausglühen, die Schichtabsetzung, das Strukturieren), können ein Krümmen oder ein Verwerfen der ursprünglich flachen Oberfläche verursachen. Infolgedessen ist die Untersuchung der Flachheit nicht nur für den Waferhersteller sondern auch für den Verbraucher äußerst wichtig. Besitzt man ein Prüfungsverfahren, dann können Wafer, bevor man sie verwendet, sortiert werden, und sich somit viele kostspielige technologische Verfahrensschritte ersparen.
US 4.547.073 offenbart ein Gerät mit einem Makyoh Topograph. Das Prinzip der Bildanordnung wird in 1 genau beschrieben. Ein homogener paralleler Lichtstrahl 12 trifft auf die zu untersuchende Oberfläche 5. Falls die Oberfläche perfekt flach ist, dann erscheint ein homogener Punkt auf dem Schirm 6, der in einem bestimmten Abstand weg von der Oberfläche positioniert ist. Falls die Oberfläche nicht gleichmäßig flach ist, wird die Parallelität des reflektierten Lichtstrahls gestört, was eine Ungleichmäßigkeit in der Intensitätsverteilung verursacht und es erscheint ein Bild auf dem Schirm, das die Topographie der Oberfläche wiedergibt. Zum Beispiel, eine Delle 14 fokussiert den Lichtstrahl, was ein Intensitätsmaximum 10 auf dem Schirm ausbildet, währenddessen ein Hügel 13 diesen Lichtstrahl defokussiert, was zu einem Intensitätsminimum 11 führt. Die Empfindlichkeit der Technik erhöht sich bei Vergrößerung des Probe-Schirm Abstandes. Der Nachteil dieses Verfahrens ist der Mangel an quantitativer Auswertung.
Aus der WO 00/29835 ist ein Verfahren für eine quantitative Auswertung bekannt.
Diese weist ein Aufnehmen von zwei Bildern an zwei unterschiedlichen Probe-Schirm Abständen auf; die Oberflächentopographie und Reflexionsabbildung wird durch die Iteration der Beugungsintegrale der Oberfläche festgestellt. Die Methode kann quantitative Resultate erbringen, von Nachteil aber ist die extreme Langsamkeit des Algorithmus und den hohen Anforderungen hinsichtlich der Qualität des Lichtstrahls und der mechanischen Anpassungen.
K. H. Yang, "Journal of the Electrochemical Society, Vol. 132, 1985, p. 1214", offenbart eine weitere Verbesserung. Wie in 2 gezeigt, fällt ein Lichtstrahl 12 kollimiert mit Hilfe eines Kollimators auf die Oberfläche 5 und ein reflektiertes Bild wird auf dem Schirm 6 ausgebildet, welcher Schirm in irgendeinem Abstand weg zur Oberfläche angeordnet ist. Der Lichtstrahl 12 durchläuft ein quadratisches Rasterfeld 3 und von der Position des Bildes der Rasterpunkte kann der Bogenverlauf der Oberfläche berechnet werden. Dennoch ist das erwähnte Bewertungsverfahren nur verwendbar, gleichmäßige Bogenverläufe festzustellen. Ein weiterer Nachteil ist, daß als Folge der großen Raster-Probe und Raster-Schirm Abstände die Beugungseffekte ein Verwischen des Bildes des Rasters verursachen, was zu einer ungenauen Ermittlung der Gitterpunkte führt. Die Fehler des Verfahrens erhöhen sich damit. Größere Deformation kann eine Überlagerung des Bilds der Rasterpunkte verursachen, und die Dichte der Rasterpunkte begrenzen, was die erreichbare horizontale Auflösung verringern.
Von D. Malacara(Ed.), "Optical shop testing, John Wiley und Sons, New York, 1978, p. 323.1", ist der "Hartman Test" bekannt. Dieser Test wird für die Auswertung von optischen Komponenten, insbesondere von astronomischen Spiegeln mit großem Durchmesser, unter Zuhilfenahme von projizierten Masken verwendet. Eine typische Anwendung der Technik wird in 3 gezeigt. Das Licht der Punktquelle 1 wird durch eine Maske 5 auf die zu untersuchende Oberfläche 5 projiziert, welche Maske 5 eine undurchlässige Platte mit Bohrungen ist. Der Lichtstrahl reflektiert und erreicht durch die Bohrungen den Schirm 6. Von der Position des reflektierten Lichtstrahls eines vorgegebenen (x, y) Punkts auf dem Schirm, kann die Höhe des Punkt h(x, y) im Vergleich mit einem Bezugspunkt, der eine willkürlich gewählte Höhe von null hat, durch eine Summierung von Näherungswerten eines Integrals bestimmt werden, in dem die Summierung zwischen einem Referenzpunkt und dem vorgegebenen Punkt auf dem Weg, definiert durch die benachbarten Bohrungen der Maske, durchgeführt wird. Die Elemente der besagten Summierung sind das Produkt von drei Quantitäten: eine geometrische Konstante L, charakteristisch zum optischen Layout, der Unterschied der gemessenen Koordinaten von der ideal flachen und realen Oberfläche und des Abstandes zwischen den vorgegebenen und benachbarten Punkten. Zum Beispiel kann für ein quadratisches Rasterfeld die Berechnung durch die Gleichung durchgeführt werden:
wobei, Δx und Δy die Längen des auf die Probenoberfläche projizierten Rasters sind, f_xi, f_yi sind die gemessenen Koordinaten des Bildes des Oberflächenpunktes (x_i, y_i) und (x_i', y_i') sind die Koordinaten des Bildes des Punktes (x_i, y_i) für eine ideale flache Oberfläche.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Topographie einer Halbleiteroberfläche berührungsfrei mit großer Geschwindigkeit bestimmen kann. Außerdem soll die Erfindung das Problem lösen, eine Vorrichtung zur Untersuchung von Proben, die einen Durchmesser nahezu so groß wie 300 mm oder mehr haben, mit einer hohen horizontalen Auflösung zu schaffen. Die Vorrichtung soll eine höher Empfindlichkeit und Genauigkeit als vom Stand der Technik bekannt aufweisen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Vorrichtung für eine berührungsfreie, quantitativ schnelle, topographische Untersuchung von Halbleiterwafern und anderen spiegelähnlichen Oberflächen gelöst, welche Vorrichtung eine Lichtquelle, einen konkaven Spiegel 4, der den Lichtstrahl der Lichtquelle parallelisiert und diesen kollimierten Lichtstrahl auf die zu untersuchende Oberfläche lenkt, eine strukturierte Vorlagenmaske 3, die zwischen der Lichtquelle und dem Spiegel positioniert ist, und einen Bildsensor aufweist, der im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet ist, der vom konkaven Spiegel reflektiert wird.
Ein Computer 8 wird durch eine passende Schnittstelle 7 an den Sensor angeschlossen, der einerseits auf einem verbundenen Bildschirm ein Bild durch den Sensor dedektiert anzeigt, und andereseits mit einem Algorithmus (z.B. einem Korrelationsverfahren) die Position der Bildelemente des Bildes der Maske feststellt.
Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur in der Mikroelektronikindustrie benutzt werden. Ähnliche Anforderungen müssen für optische Elemente, für meachanische Präzisionsteile, sowie für optische und magnetische Scheiben in der IT Industrie erfüllt werden.
Die Oberflächentopographie der Halbleiterwafer und anderen spielgelähnlichen Oberflächen kann von den Koordinaten der vorbeschriebenen Bildelemente und von den Koordinaten der Bildelemente einer flachen Referenzoberfläche mit Hilfe der vorbeschriebenen Anordnung der Mitteln und einem Algorithmus nach dem vorbeschriebenen Hartmann Test bestimmt werden. Ein wesentlicher Punkt der Erfindung ist, daß die Position der Maske 3 und des Bild-Sensors 6 so gewählt wird, daß ein im Wesentlichen scharfes Bild der Maske auf der Sensor-Oberfläche entsteht, so daß die Genauigkeit der Ermittlung der Bildelemente der Maske und infolgedessen die Genauigkeit, die horizontale Auflösung und der dynamische Wertebereich des Meßverfahrens deutlich verbessert ist.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, wird eine Kollimatorlinse vor der Lichtquelle 1 im optischen Weg vorgesehen; dieses Linse macht den Lichtstrahl, der durch die Lichtquelle ausgestraht wird, weniger divergent, so daß die Lichtquelle näher an die Maske 3 gesetzt, folglich die Größe der Meßvorrichtung verringert werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, wird ein Laserlicht, dessen Quelle divergent mittels einer Sammellinse gemacht wird, anstatt der Lichtquelle 1 angewendet.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Sammel- oder Streulinse vor dem Bild-Sensor 6 vorgesehen, so daß Vergrößerung und Empfindlichkeit eingestellt werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, wird der optische Weg anliegend am Bild-Sensor 6 und der zu untersuchenden Oberfläche 5 oder der optische Weg anliegend bei der Lichtquelle 1 an der zu untersuchenden Oberfläche und liegend auf einer Seite der Maske 3 gefaltet von zumindest einem flachen Spiegel 2, von welchen Spiegeln zumindest einer oder mehrere teilweise transparent sein können; auf diese Weise kann die Größe der Meßanordnung verringert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ist der konkave Spiegel 4 ein außerhalb der Achse liegender parabolischer Spiegel, in dessen Brennpunkt die Lichtpunktquelle angeordnet ist. Der Vorteil der Verwendung eines außerhalb der Achse liegenden parabolischen Spiegels ist, daß die jeweiligen optischen Wege zur Oberfläche der Maske, zur zu untersuchenden Oberfläche und zum Bild-Sensor senkrecht verläuft, so daß Fehler verringert werden, die mit einem nicht normalen Lichteinfall bekannt von anderen Ausführen zusammenhängen. Ein anderer Vorteil des außerhalb der Achse liegenden parabolischen Spiegels gegenüber spärischen Spiegeln und Linsen ist das Fehlen von optischen Abweichungen. Die bevorzuge Ausführung der Erfindung wird in 4 gezeigt: der Lichtstrahl wird zuerst von der zu untersuchenden Oberfläche reflektiert, dann vom konkaven Spiegel 4 auf die Oberfläche des Bild-Sensors 6 von einem teilweise transparenten Spiegel projeziert.
Die vorbeschiebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden.
Die Vorteile der bestehenden Erfindung gegenüber den früheren Lösungen sind wie folgt:

– die Erfindung ist für eine quantitativ schnelle (in der Praxis: Echtzeit), automatisierte, reproduzierbare Ermittlung der Oberflächentopographie verwendbar;
– die horizontale Auflösung ist verbessert;

Folglich ist gezeigt, daß die Erfindung die Aufgabe löst.

1: Lichtquelle
2: flacher Spiegel
3: strukturierte Maske
4: kollimierender konkaver Spiegel
5: zu überprüfende Oberfläche
6: Bildsensor
7: Computerschnittstelle
8: Computer
9: Bildschirm
10: Intensität des Maximums
11: Intensität des Minimums
12: homogener paralleler Lichtstrahl
13: Hügel
14: Delle

Claims

Vorrichtung für eine quantitativ schnelle, berührungsfreie topographische Untersuchung von Halbleiterwafern und anderen spiegelähnlichen Oberflächen, aufweisend eine Lichtquelle (1), einen Kollimator (4), der einen parallelen Lichtstrahl erzeugt und diesen Lichtstrahl auf die zu untersuchende Oberfläche (5) lenkt, eine strukturierte Maske (3) und einen Bildsensor (6), wobei die relativen Positionen der Maske und des Sensors zu den anderen Elementen der Vorrichtung so gewählt werden, daß auf dem Sensor ein im Wesentlichen scharfes Bild der Maske gegeben ist, dadurch gekennzeichneten, daß der Kollimator ein konkaver Kollimatorspiegel (4) ist und daß sich die Maske (3) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Kollimatorspiegel befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Maske (3) ein quadratisches Rasterfeld ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konkave Kollimatorspiegel (4) ein außerhalb der Achse liegender parabolischer Spiegel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang und vor der Lichtquelle (1) eine Sammellinse positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Laser ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Punktquelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang und vor dem Bildsensor (6) entweder eine Sammel- oder eine Streulinse positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Faltung des optischen Wegs zwischen der Punktquelle und dem konkaven Spiegel (4) ein flacher Spiegel (2) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Faltung des optischen Wegs zwischen der Oberfläche (5) und dem Kollimatorspiegel und/oder zwischen dem Sensor und Kollimatorspiegel mindestens ein flacher Spiegel (2) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der flachen Spiegeln teilweise transmissive ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor ein CCD Bildsensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der außerhalb der Achse liegende parabolische Spiegel (4) so justiert ist, daß ein Lichtweg senkrecht zur Oberfläche der Maske (3) und zur zu untersuchenden Oberfläche (5) und dem Bildsensor (6) zur Verfügung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (6) über ein Interface (7) an einen Computer (8) angeschlossen ist.