DE4035076A1 - Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberflaeche eines messobjektes - Google Patents

Description

Die Erfindung ist zum Messen von linearen Abmessungen auf der Oberfläche eines Meßobjektes anwendbar, insbesondere bei Zweikoordinatenmeßgeräten, bei Meßgeräten für die Ultra-Präzisions-Bearbeitungstechnik, bei Tastschnittgeräten, bei Meßgeräten für die Messung von mikroelektronischen Halbleiterstrukturen, bei Rauheitsmeßgeräten, bei Profilmeßgeräten und zur Erzeugung von Mikrostrukturen auf Oberflächen.

Zur Messung linearer Abmessungen von Halbleiterstrukturen sind optische Anordnungen bekannt, die mit Hilfe von optischen Abbildungssystemen und optoelektronischen Empfängern eine lineare Auflösung von ca. 0,7 µm erreichen.

Eine wesentliche Steigerung der lateralen Auflösung unter 0,7 µm ist wegen des Wellencharakters des Lichtes nicht möglich. Infolge von optischen Beugungserscheinungen, die für jeden Meßpunkt die wirkliche Lage der Strukturkanten verfälschen, entstehen Meßfehler, insbesondere bei der Messung von Strukturbreiten unter 1 µm. (Feingerätetechnik 32 (1983) 9, S. 402-406; Technisches Messen 54 (1987) 6, S. 243-252; Journal für Optik und Feinmechanik 35 (1988), S. 196-235).

Des weiteren sind elektronenmikroskopische Meßanordnungen bekannt, bei denen die Meßobjekte eine elektrisch leitende Oberflächenschicht aufweisen müssen. Der Meßvorgang erfolgt im Vakuum, so daß die bei Wafern übliche Vakuumaufspannung nicht anwendbar ist, und damit Messungen an Wafern mit diesen Anordnungen nur eingeschränkt durchführbar sind. Wie bei einer optischen Meßanordnung entstehen auch hier Meßfehler infolge elektronenoptischer Abbildungsfehler (Reimer, L.; Pfefferkorn, G.: "Raster-Elektronenmikroskopie", Springer-Vlg. Berlin, 1977).

Bei Meßanordnungen, die auf dem Prinzip der Raster-Tunnel-Mikroskopie (STM) oder auf der Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM) beruhen wird eine nanometerfeine Spitze aus Wolfram, Gold, Diamant o. a. im Abstand von wenigen Nanometern über die Prüflingsoberfläche geführt, so daß sich zwischen Spitze und Oberfläche entweder bei einer Spannung von wenigen Millivolt ein Tunnelstrom von einigen Nanoampere ausbildet (STM) oder zwischenatomare Kräfte wirksam werden (AFM), die über einen Abstandsregler konstant gehalten werden.

Diese Lösungen haben den Nachteil, daß die Prüflingsoberfläche beim STM wegen des Tunnelstromes elektrisch leitend sein muß.

Die Anordnungen sind so empfindlich, daß nur Flächen von wenigen Mikrometer Größe abgetastet werden können und die Abtastgeschwindigkeiten sehr niedrig sind.

Bei diesen Abtastungen entstehen durch die Meßvorgänge auf dem Prüfling Spuren.

(Proceedings of SPIE, Vol. 897, 1988, S. 8-15; EP 03 38 083 A1; Physical Review Letters 56 (1986) 9, S. 930-933).

Zur Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM) ist eine Anordnung bekannt, bei der auf einem Piezoschwinger eine Tastnadel befestigt ist, deren Spitze hochfrequent schwingend die Oberfläche des Prüflings antastet.

Eine elektrische Meßschaltung ermittelt die Verschiebung der Resonanzfrequenz des Piezoschwingers, die durch das Berühren der Prüflingsoberfläche mit der Tastnadel hervorgerufen wird.

Eine mit der Meßschaltung in Verbindung stehende Regelschaltung, und eine den Piezoschwinger tragende Stelleinheit, dienen der Profilermittlung.

Nachteilig bei einer Anordnung ist, daß die in der Meßanordnung gezeigte würfelförmige Geometrie des Piezoschwingers keine harmonische Schwingung ermöglicht und daß die im Vergleich zum Piezoschwinger massereiche Tastnadel die Eigenresonanz des Piezoschwingers dämpft.

Des weiteren ist das angewendete Meßverfahren der Resonanzfrequenzdifferenzmessung zeitlich träge und relativ unempfindlich und deshalb als hochdynamisches und zugleich hochempfindliches Meßprinzip weniger geeignet (EP 02 90 647).

Zur mechanischen Abtastung von Halbleiterstrukturen und für Rauheitsmessungen sind Tastschnittgeräte bekannt, die mit einer Diamantspitze als Tastspitze in Abhängigkeit von Tastspitzengeometrie und Meßkraft eine laterale Auflösung von 6 µm erreichen. Nachteilig bei diesen herkömmlichen Tastschnittgeräten ist, daß infolge dynamischer Effekt, z. B. Springen der Tastnadel, nur geringe Meßgeschwindigkeiten möglich sind, die hohe Meßzeiten bedingen. Der ständige Kontakt von Diamantspitzen und Prüflingsoberfläche erfordert Meßkräfte von mindestens 10^-5 N, die Verletzungsspuren auf der Oberfläche des Meßobjektes erzeugen können (Sonderdruck aus Kontrolle 11/12, 1987).

Des weiteren sind Tastschnittgeräte bekannt, deren Tastspitze auf einem piezoelektrischen Seignettekristall mit großer Piezowirkung befestigt ist. Der Kristall wirkt als Biegefeder, die beim Bewegen der Tastspitze über die Oberfläche eines Meßobjektes elektrische Spannungen erzeugt, welche zur Meßwertgewinnung weiterverarbeitet werden. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, daß nur eine geringe Meßgeschwindigkeit möglich ist, und daß die Meßkräfte der Tastspitze zu groß sind (Perthen, J.: "Prüfen und Messen der Oberflächengestalt", Carl Hanser Vlg. München, 1949, S. 118-119).

Weiterhin bekannt ist eine Anordnung, bei der zur Rauheitsmessung in einem die Oberfläche mit einer Spitze abtastenden Hebel ein Piezokristall integriert ist, dessen ihn belastenden Meßkräfte zur Signalgewinnung verwertet werden. Nachteilig sind die großen Meßkräfte, die ein Abtasten von Mikrostrukturen ohne deren Verletzung erschweren und die nur geringen zulässigen Meßgeschwindigkeiten durch das quasi statische Meßverfahren. (G 86 00 738.6 U1).

Für die Härtemessung und in Anwandlung zur Oberflächenprofilermittlung ist ein Berührungsdetektor bekannt, bei dem der Kontakt zur Oberfläche durch einen piezoelektrischen Stabresonator ermittelt wird, auf dessen Stirnseite eine Tastspitze, bevorzugt aus Diamant, befestigt ist.

Der Stabresonator wird über seitliche Elektroden von einem Generator oder Oszillator in Eigenresonanz erregt. Eine elektronische Meßschaltung wertet die bei Berührung der Tastspitze mit der Meßoberfläche auftretenden Frequenz- oder Amplitudenänderungen des Resonators als Kontaktsignal aus, das in Verbindung mit einem Steller zur Profilermittlung dienen kann. Nachteil dieser Anordnung ist, daß der Stabresonator hohe Meßkräfte bewirkt und niedrige Resonanzfrequenzen aufweist, so daß die Meßoberfläche verletzt werden kann und nur geringe Meßgeschwindigkeiten erzielbar sind (WO 89/00672 A1).

Ein weiteres bekanntes Tastschnittgerät arbeitet nach einem Impulstastverfahren, bei dem eine Tastnadel impulsförmig von der Oberfläche des Meßobjektes angehoben und wieder abgesenkt wird. Das Gerät arbeitet quasi statisch. Das Anheben der Tastnadel dient der Verminderung von Reibkräften und Tangentialkräften in den Lagerstellen des Meßwerkes. Bei diesem Gerät ist es von Nachteil, daß die Impulsgeschwindigkeit gering ist und daß die Meßkräfte zu hoch liegen.

(Lehmann, R.: "Leitfaden der Längenmeßtechnik", VEB Vlg. Technik Berlin, 1960, S. 277).

Ziel der Erfindung ist die Gebrauchswertsteigerung eines Struktur- und Rauheitsmeßgerätes, insbesondere die Verbesserung der Genauigkeit, die Erhöhung der Meßgeschwindigkeit und die Verringerung der Meßkräfte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Messen linearer Abmessungen auf der Oberfläche eines Meßobjektes zu entwickeln, die es ermöglicht, die Oberfläche mit geringen Meßkräften hochfrequent mit Hilfe eines piezoelektrischen Resonators abzutasten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Anordnung, bei der eine die Oberfläche antastende Spitze auf einem Resonator befestigt ist, der parallel zur Oberfläche geführt wird und dessen Positionsbestimmung durch übliche Wegmeßverfahren erfolgt, und der weiterhin mit einer Auswerteschaltung zur Erfassung von Resonanzänderungen und einer angeschlossenen Regelschaltung verbunden ist, welche an senkrecht zur Oberfläche auf den Resonator wirkenden Stellelementen angeschlossen ist, als Auswerteschaltung eine Phasenmeßschaltung vorgesehen ist, die die Phasendifferenz der Wechselspannung zwischen mindestens einer ersten auf dem Resonator angeordneten Elektrode und einem elektrischen Bezugspunkt und der Wechselspannung zwischen mindestens einer weiteren auf dem Resonator angeordneten Elektrode und dem elektrischen Bezugspunkt ermittelt.

Es ist vorteilhaft, wenn als antastende Spitze eine Mikrotastspitze aus Diamant verwendet wird, die verschleißfest ist, wegen ihrer kleinen Masse nicht merklich das Resonanzverhalten des Resonators beeinflußt und deshalb eine Gesamtgröße unter 20 µm aufweisen soll.

Des weiteren ist es vorteilhaft als Resonator Piezoschwinger mit hoher Schwinggüte aus Lithiumniobat als Dickenschwinger, aus Quarz mit AT-Schnitt als Dickenscherschwinger oder aus Quarz als Stabschwinger anzuwenden.

Infolge der Berührung der schwingenden Tastspitze mit der Oberfläche des Meßobjektes treten am Piezoschwinger Resonanzverstimmungen auf, wozu die Auswerteschaltung u. a. eine Einrichtung zur Erfassung von Änderungen der Phase an ein und demselben Resonator, aber verschieden auf ihm angebrachten Elektroden, enthält.

Das Meßsignal der Auswerteschaltung bildet das Eingangssignal eines Reglers. Das Ausgangssignal des Regelers wirkt auf ein piezoelektrisches oder magnetoelastisches Stellelement, der den Resonator trägt und ihn so in Kontakt mit der Prüflingsoberfläche bringt, daß die Berührungsstöße der Tastspitze stets ein konstantes, sehr geringes Maß von etwa 10^-8 N aufweisen.

Das Stellelement sollte wegen seiner Hysterese ein Wegmeßsystem aufweisen, um hysteresefreie Meßwerte erhalten zu können.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel mit einem LiNbO₃-Dickenschwinger, und

Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel mit einem Quarz-Dickenscherschwinger.

Die Anordnung besteht nach Fig. 1 aus einem Gestell 1 an das je ein in Reihe geschalteter Grobsteller 2 und Feinsteller 3 montiert ist. An dem Feinsteller 3 ist ein Dickenschwinger 4 befestigt, auf dem eine Tastspitze 5 angeordnet ist. Die Tastspitze 5 berührt die Oberfläche 6 des Meßobjektes 7. Der mit Elektroden versehene Dickenschwinger 4 steht mit einer Oszillatorschaltung 8 und einer Schaltung 9 zur Erfassung von Änderungen der Phase in Verbindung. Die Schaltung 9 ist mit einer Regelschaltung 10 verbunden, deren Ausgänge jeweils mit dem Grobsteller 2 und dem Feinsteller 3 verbunden sind.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist der Feinsteller über ein Distanzring 11 mit einem Quarz-Dickenscherschwinger 12 mit AT-Schnitt gekoppelt, an dem wie in Fig. 1 eine Tastspitze 5 befestigt ist. Grobsteller 2 und Feinsteller 3 bewirken eine Verstellung des Resonators 5 in Richtung 13 senkrecht zur Oberfläche 6 des Meßobjektes 7. Der Versteller kann mit einem Wegmeßsystem erfaßt werden. Der Resonator 5 kann in Richtung 14 über die Oberfläche 6 geführt werden. Die Oszillatorschaltung 8 versetzt den Dickenschwinger 4 oder den Dickenscherschwinger 12 in eine Hochfrequenzschwingung im MHz-Bereich. Berührungen der schwingenden Tastspitze 5 mit der Oberfläche 6 rufen am Dickenscherschwinger 12 Resonanzverstimmungen hervor, die als Änderung der Phase durch Schaltung 9 erfaßt werden. Ebenso können durch die Schaltung 9 Resonanzfrequenzänderungen oder Amplitudenänderungen erfaßt werden. Die von der Schaltung 9 erfaßten Resonanzänderungen bilden die Eingangssignale für die Regelschaltung 10, die so auf den Grobsteller 2 und Feinsteller 3 wirkt, daß die Tastspitze 5 nur geringe Meßkräfte auf die Oberfläche 6 ausübt. Infolge der hohen Kreisgüten von 10⁴ bis 10⁵, die Piezoschwinger in Resonanz aufweisen, werden Änderungen der Schwingbedingungen mit hoher Empfindlichkeit registriert.

Meßverfahren, die auf Änderungen der Resonanzfrequenz oder -amplitude reagieren, erfordern für eine Vergleichsmessung einen unbeeinflußten Referenzschwinger. Die elektronischen Auswerteverfahren hierfür, wie z. B. Frequenzmessung, reagieren zeitlich träge. Sehr empfindlich und schnell reagiert bei Piezoschwingern die Phase auf Änderungen der Resonanzbedingungen. Solche Meßverfahren erfordern nicht unbedingt einen Referenzschwinger, sondern können an ein und demselben Piezoschwinger vorgenommen werden, weil im Piezoschwinger selbst Phasenänderungen auftreten.

Bei dem in Fig. 1 verwendeten Dickenschwinger 4 wirken der hohe Kopplungsfaktor sowie das Schwingen der Tastspitze 5 senkrecht zur Oberfläche 6 vorteilhaft. Der Dickenschwinger 4 kann an dem Feinsteller 3 so mit einer Kittschicht angekoppelt sein, daß eine hohe Reflexion der Piezoschwingungen an der Stirnfläche des Feinstellers 3 auftritt und seine Schwingung nur wenig durch die Ankopplung gedämpft wird.

Bei dem in Fig. 2 verwendeten Dickenscherschwinger 12 schwingt die Tastspitze 5 parallel zur Oberfläche 6. Der AT-Schnitt des Quarzes bietet den Vorteil einer guten Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz. Durch die Ankopplung des Dickenscherschwingers 12 über den peripheren Distanzring 11 besteht zwischen dem zentralen Teil des Dickenscherschwingers 12 und der Stirnfläche des Stellers ein Spalt, der dazu dient, eine möglichst ungedämpfte Dickenscherschwingung des Quarzes zu ermöglichen.

Claims (1)

1. Anordnung zum Messen linearer Abmessungen auf einer strukturierten Oberfläche eines Meßobjektes, bei der eine die Oberfläche antastende Spitze auf einem Resonator befestigt ist, der mittels Führungen parallel zur Oberfläche beweglich ist, und an dem zur Positionsbestimmung Wegmeßsysteme gekoppelt sind, und der weiterhin mit einer Auswerteschaltung zur Erfassung von Resonanzänderungen und einer angeschlossenen Regelschaltung verbunden ist, welche an senkrecht zur Oberfläche auf den Resonator wirkenden Stellelementen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerteschaltung eine Phasenmeßschaltung vorgesehen ist, deren Eingänge mit Elektroden verbunden sind, die am Resonator (5) befestigt sind.