DE10302868A1

DE10302868A1 - Method for determining structural parameters of a surface

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Publication number: DE10302868A1
Application number: DE10302868A
Authority: DE
Inventors: Andrea Dipl.-Phys. Weidner; Andreas Dr. Erdmann; Claus Dr. Schneider
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-01-25
Filing date: 2003-01-25
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-26
Also published as: DE10302868B4; WO2004068070A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Bestimmung von Strukturparametern einer Oberfläche, bei dem neben der optischen Vermessung periodischer Strukturen auch eine Simulation durchgeführt wird bzw. ein lernfähiges System eingesetzt wird, mit denen die Strukturparameter rechnerisch ermittelt werden. Die mit einer Simulation oder mit einem lernfähigen System verarbeiteten Eingangswerte werden so lange variiert, bis die errechneten Werte innerhalb einer bestimmten Toleranzgrenze zu den gemessenen Strukturparametern liegen. DOLLAR A Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Simulation unter Verwendung eines Näherungsverfahrens und/oder eines lernfähigen Systems zur Berechnung von Beugungseffekten durchgeführt wird und dass die mit dem Näherungsverfahren und/oder dem lernfähigen System berechneten Strukturparameter für einen Optimierungsschritt, der rigorose Berechnungsverfahren einsetzt, verwendet werden.A method for determining structure parameters of a surface is described, in which, in addition to the optical measurement of periodic structures, a simulation is also carried out or an adaptive system is used, with which the structure parameters are determined by calculation. The input values processed with a simulation or with a system capable of learning are varied until the calculated values are within a certain tolerance limit for the measured structural parameters. DOLLAR A The method is characterized in that the simulation is carried out using an approximation method and / or a learning system for calculating diffraction effects, and in that the structural parameters calculated with the approximation method and / or the learning system are used for an optimization step that uses rigorous calculation methods , be used.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Strukturparametern einer Oberfläche, bei dem wenigstens ein kohärenter Lichtstrahl definierter Intensität und Polarisation auf die Oberfläche gerichtet, ein von regelmäßigen Strukturen der Oberfläche reflektierter oder transmittierter Strahl detektiert und zumindest eine Abbildungsvorschrift ermittelt wird, die wenigstens einen Strahlparameter des reflektierten oder transmittierten Lichtstrahls auf wenigstens einen Strahlparameter des auf die Oberfläche gerichteten Lichtstrahls abbildet. Weiterhin wird mit einer Simulation, die auf der Grundlage vorgebbarer Strukturparameter durchgeführt wird, eine Funktion berechnet, die wenigstens einen simulierten Strahlparameter des reflektierten oder transmittierten Lichtstrahls auf wenigstens einen simulierten Strahlparameter des auf die Oberfläche gerichteten Lichtstrahls abbildet. Die vorgebbaren Strukturparameter werden mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens derart variiert, dass eine aus der ermittelten Abbildungsvorschrift und der berechneten Funktion gebildete Differenzfunktion Funktionswerte annimmt, die kleiner als Funktionswerte einer Grenzfunktion sind.The invention relates to a Method for determining structure parameters of a surface, at at least a coherent one Light beam of defined intensity and polarization directed towards the surface, one of regular structures the surface reflected or transmitted beam detected and at least an imaging rule is determined, the at least one beam parameter of the reflected or transmitted light beam to at least a beam parameter of the light beam directed onto the surface maps. It also comes with a simulation based on predefinable structural parameters is carried out, a function is calculated, the at least one simulated beam parameter of the reflected or transmitted light beam to at least one simulated beam parameter the on the surface maps directed light beam. The predefinable structural parameters are varied with the help of an optimization process in such a way that one from the determined mapping rule and the calculated one Function formed difference function assumes function values that are smaller than the function values of a limit function.

Bei der Bestimmung von Strukturparametern technischer Oberflächen, insbesondere in der Halbleiterfertigung, müssen während des Fertigungsprozesses oftmals Linienbreiten und -profile von strukturierten Schichten kontrolliert werden. Für die Funktionsfähigkeit eines Produkts ist die exakte Einhaltung der Spezifikationen für die Linienbreite von ausschlaggebender Bedeutung. Daneben sind noch weitere Strukturparameter wie z.B. Grabentiefe oder Seitenwandschräge von großer Wichtigkeit. Zur Kontrolle dieser Fertigungsparameter auf Lithographiemasken, Halbleiterscheiben oder anderen feinstrukturierten Oberflächen werden entsprechende Messverfahren eingesetzt.When determining structural parameters technical surfaces, especially in semiconductor manufacturing, must during the manufacturing process often line widths and profiles of structured layers to be controlled. For the functionality of a product is the exact adherence to the specifications for the line width of crucial importance. There are also other structural parameters such as. Trench depth or sidewall slope of great importance. For control this manufacturing parameters on lithography masks, semiconductor wafers or other finely structured surfaces are appropriate measuring methods used.

Eine effiziente Methode zur Bestimmung von optischen Materialeigenschaften sowie der Dicken dünner Schichten stellt hierbei die Scatterometrie, zu der insbesondere die Reflekto- bzw. die Ellipsometrie gehören, dar. Die Scatterometrie umfasst zerstörungsfrei arbeitende Messverfahren, die Veränderungen eines Lichtstrahls nach seinem Auftreffen auf eine periodisch strukturierte Oberfläche messen und auswerten. Die Vorteile dieser Messverfahren sind die hohe Empfindlichkeit, die zerstörungs- und sogar berührungsfreie Messung sowie die einfache praktische Handhabung. Allerdings liefern die Messungen nicht direkt die erwünschten Materialdaten, wie bspw. Schichtdicke, sondern erfordern eine Anpassung berechneter Werte an die Messwerte. Bei dieser Anpassung gehen die untersuchten Materialeigenschaften als Modellparameter in die Rechnung ein.An efficient method of determination of optical material properties and the thickness of thin layers represents the scatterometry, in particular the reflective or belong to ellipsometry, The scatterometry includes non-destructive measuring methods, the changes of a light beam after it strikes a periodically structured one surface measure and evaluate. The advantages of these measuring methods are high sensitivity, the destructive and even non-contact Measurement as well as simple practical handling. Deliver however the measurements do not directly the desired material data, such as For example, layer thickness, but require an adjustment calculated Values to the measured values. With this adjustment the examined ones go Material properties as model parameters in the calculation.

In der Scatterometrie, wie sie zur Strukturbreitenmessung in der Halbleiterindustrie eingesetzt wird, werden Intensität oder Polarisationszustand des an periodischen Strukturen reflektierten oder transmittierten Strahls als Funktion eines Winkels oder der Wellenlänge gemessen. Diese funktionelle Abhängigkeit des reflektierten Strahls wird durch Strukturparameter wie Linienbreite oder Tiefe beeinflusst und ist charakteristisch für die beugende Struktur. Allerdings ist eine Bestimmung der Strukturparameter direkt aus dem Messergebnis nicht möglich, da dieses inverse Beugungsproblem mathematisch nicht gelöst werden kann. Demgegenüber ist eine Vorwärts-Simulation der Messergebnisse eines angenommenen Strukturmodells möglich, bspw. mit rigorosen Verfahren wie der „Rigorous Coupled Wave Analysis" bspw. M. Moharam, et. al., Journal of the American Optical Society A. vol. 12 (1995), S. 1077–1086). Herbei werden die Maxwell-Gleichungen mit den durch die Struktur vorgegebenen Randbedingungen exakt gelöst.In scatterometry, how to Structure width measurement is used in the semiconductor industry intensity or state of polarization of that reflected by periodic structures or transmitted beam as a function of an angle or the wavelength measured. This functional dependency of the reflected beam is determined by structural parameters such as line width or depth and is characteristic of the diffractive Structure. However, the determination of the structural parameters is direct not possible from the measurement result, since this inverse diffraction problem cannot be solved mathematically can. In contrast is a forward simulation the measurement results of an assumed structural model possible, e.g. with rigorous methods such as "Rigorous Coupled Wave Analysis", for example M. Moharam, et. al., Journal of the American Optical Society A. vol. 12 (1995), Pp. 1077-1086). The Maxwell equations are obtained with those by the structure given boundary conditions exactly solved.

Bisher werden für die Simulation der Beugungseffekte diese aufwändigen rigorosen Verfahren verwendet, da die Abmessungen der Strukturen von weniger als 200 nm im Bereich der messenden Wellenlänge liegen. Die Messergebnisse werden mit den Simulationen verglichen, um durch eine iterative Variation der Simulationsparameter und damit der Strukturparameter eine optimale Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung zu erzielen.So far, the simulation of diffraction effects this elaborate rigorous process used because of the dimensions of the structures of less than 200 nm are in the range of the measuring wavelength. The measurement results are compared to the simulations by an iterative variation of the simulation parameters and thus the Structure parameters an optimal match between simulation and measurement.

Problematisch hierbei ist allerdings, dass mit den bislang bekannten Auswerteverfahren Schwankungen etwa der Linienbreite für diese Optimierung nicht direkt berücksichtigt werden, sondern jeder Optimierungsschritt eine vollständige zeit- und rechenaufwändige Simulation erfordert.However, the problem here is that with the evaluation methods known to date, fluctuations such as the Line width for this optimization is not taken into account directly, but rather every optimization step a complete time and computationally complex simulation requires.

So beschreibt bspw. die DE 199 14 696 A1 ein Gerät zur schnellen Messung winkelabhängiger Beugungseffekte an feinstrukturierten Oberflächen. Das Gerät besteht aus einer kohärenten Strahlungsquelle, die in unterschiedliche Richtungen abstrahlt, einem sphärischen oder asphärischen Spiegel oder Spiegelsegmenten, die derart angeordnet sind, dass sie einem sphärischen oder asphärischen Spiegel entsprechen, und einer Detektoreinheit zur Intensitätsmessung der an einer Probe gebeugten Strahlung. Die beschriebene Vorrichtung zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass die in unterschiedliche Richtungen umgelenkte Strahlung derart von der Spiegelanordnung reflektiert wird, dass der kohärente Strahl zeitlich hintereinander sequenziell mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Probe umgelenkt wird. Hierzu wird der Messstrahl kontinuierlich bzw. in kleinen Schritten verändert. Die Intensitäten des direkten Reflexes sowie der ggf. auftretenden höheren Beugeordnungen werden gemessen. Die Auswertung der Intensitätsverläufe in Abhängigkeit des variierten Einfallswinkels lässt Rückschlüsse auf Form und Material der untersuchten periodischen Strukturen zu.For example, describes DE 199 14 696 A1 a device for fast measurement of angle-dependent diffraction effects on finely structured surfaces. The device consists of a coherent radiation source that emits in different directions, a spherical or aspherical mirror or mirror segments arranged in such a way that they correspond to a spherical or aspherical mirror, and a detector unit for measuring the intensity of the radiation diffracted on a sample. The device described is essentially characterized in that the radiation deflected in different directions is reflected by the mirror arrangement in such a way that the coherent beam is deflected sequentially in time with different angles of incidence onto the sample. For this purpose, the measuring beam is changed continuously or in small steps. The intensities of the direct reflex as well as the higher bending orders that may occur are measured. The evaluation of the intensity curves depending on the varied angle of incidence allows conclusions to be drawn about the shape and material of the periodic structures examined.

Eine derartige Beugungsanalyse kann in zwei Schritte gegliedert werden. Zunächst erfolgt eine Intensitätsmessung des gestreuten bzw. gebeugten Lichts. Anschließend wird die gemessene Intensitäts verteilung mit simulierten Beugungseffekten verglichen, wobei die Gitterparameter in einem vorgegebenen Bereich variiert werden. Diejenigen Parameterwerte, die zur besten Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation führen, werden als sinnvolle Näherungen der realen Gitterparameter angenommen. Um den für das beschriebene Verfahren erforderlichen Rechenaufwand zu reduzieren wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, auf eine genaue quantitative Auswertung zu verzichten und stattdessen lediglich eine Klassifizierung durchzuführen. Auf Grund der großen Zahl von Einflussgrößen ist eine eindeutige Klassifizierung der Gitterparameter allerdings nur möglich, falls eine ausreichende Anzahl von Intensitätsmesswerten für den untersuchten Messpunkt zur Verfügung steht.Such a diffraction analysis can divided into two steps. First, an intensity measurement is carried out of the scattered or diffracted light. Then measure the measured intensity distribution simulated diffraction effects compared with the grating parameters can be varied within a predetermined range. Those parameter values the best match between measurement and simulation are considered useful approximations of the real lattice parameters. To the procedure described This document will reduce the computational effort required proposed to dispense with an exact quantitative evaluation and just do a classification instead. On Reason of the great Number of influencing variables is a clear classification of the lattice parameters, however, only possible, if a sufficient number of intensity measurements for the examined Measuring point available stands.

Um die Auswertung der Messung zu beschleunigen, gibt es derzeit zwei Ansätze. Bei der einen Lösung werden die Simulationen vor den eigentlichen Messungen durchgeführt und in einer Datenbank gespeichert. Anschließend wird durch einen Suchalgorithmus die Simulation mit den zu Grunde liegenden Strukturparametern ausgewählt, die am besten mit den Messergebnissen übereinstimmt. Die zweite Lösung zur Auswertung von Beugungseffekten sieht dagegen die Variation der Simulationsparameter vor. Hierbei werden die Simulationsparameter für eine weiterhin rigorose Simulation solange variiert, bis die Abweichung der Simulation von der Messung unter einem bestimmten Wert liegt. Die dabei verwendeten rigorosen Simulationsverfahren können allerdings meist nur für Spezialfälle, wie etwa für senkrechten Lichteinfall, verwendet werden, um die geforderte Schnelligkeit zu erreichen.To evaluate the measurement too accelerate, there are currently two approaches. Be at one solution the simulations are carried out before the actual measurements and stored in a database. Then, through a search algorithm selected the simulation with the underlying structural parameters, the best matches the measurement results. The second solution to Evaluation of diffraction effects, however, sees the variation in Simulation parameters. Here the simulation parameters for one rigorous simulation continues to vary until the deviation the simulation of the measurement is below a certain value. However, the rigorous simulation methods used can mostly only for Special Cases how about for vertical incidence of light, used to achieve the required speed to reach.

Ein derartiges Verfahren zur Bestimmung von Strukturparametern der Oberflächen, insbesondere von Halbleiterbauelementen, geht aus der US 5,963,329 hervor. Auch in diesem Fall wird eine Funktion ermittelt, die die Intensität des Ausgangsstrahls auf die Wellenlänge des reflektierten Strahls abbildet. Darüber hinaus wird eine Simulation durchgeführt, für die die Simulationsparameter variiert werden. Hierbei werden die Maxwell-Gleichungen mit den durch die Struktur vorgegebenen Randbedingungen exakt gelöst. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass für exakte Ergebnisse eine erhebliche Rechenzeit benötigt wird bzw. zur Verkürzung der benötigten Rechenzeit die Simulation vereinfacht werden muss und so ein möglicher Messaufbau beschränkt wird.Such a method for determining structural parameters of the surfaces, in particular of semiconductor components, is based on US 5,963,329 out. In this case too, a function is determined which maps the intensity of the output beam to the wavelength of the reflected beam. In addition, a simulation is carried out for which the simulation parameters are varied. The Maxwell equations are exactly solved with the boundary conditions given by the structure. A disadvantage of this method is that a considerable computing time is required for exact results or the simulation has to be simplified in order to shorten the required computing time and thus a possible measurement setup is limited.

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Strukturparametern einer Oberfläche anzugeben, das die Detektion regelmäßiger Strukturen der Oberfläche mit einem beliebigen Messaufbau ermöglicht und darüber hinaus eine schnelle Auswertung der Beugungseffekte ermöglicht. Insbesondere soll die Schnelligkeit der Auswertung auch eine integrierte Messung während des Prozesses ermöglichen.Based on the known state the invention is therefore based on the object of the invention To specify methods for determining structural parameters of a surface, that is the detection of regular structures the surface with any measurement setup and beyond enables a quick evaluation of the diffraction effects. In particular, the Speed of evaluation also an integrated measurement during the Enable process.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie aus dem nachfolgenden Beschreibungstext unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution to the basis of the invention lying task is specified in claim 1. Advantageous further training of the inventive concept are the subject of the dependent claims as well from the following description with reference to the embodiments refer to.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Bestimmung von Strukturparametern einer Oberfläche, bei dem wenigstens ein kohärenter Lichtstrahl definierter Intensität und/oder Polarisation auf die Oberfläche gerichtet, ein von regelmäßigen Strukturen der Oberfläche reflektierter oder transmittierter Strahl detektiert und zumindest eine Abbildungsvorschrift ermittelt wird, die wenigstens einen Strahlparameter des reflektierten oder transmittierten Lichtstrahls auf wenigstens einen Strahlparameter des auf die Oberfläche gerichteten Lichtstrahls abbildet. Weiterhin wird mit einer Simulation, die auf der Grundlage vorgebbarer Strukturparameter durchgeführt wird, eine Funktion berechnet, die wenigstens einen simulierten Strahlparameter des reflektierten oder transmittierten Lichtstrahls auf wenigstens einen simulierten Strahlparameter des auf die Oberfläche gerichteten Lichtstrahls abbildet. Die vorgebbaren Strukturparameter werden mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens derart variiert, dass eine aus der ermittelten Abbildungsvorschrift und der berechneten Funktion gebildete Differenzfunktion Funktionswerte annimmt, die kleiner als Funktionswerte einer Grenzfunktion sind. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Simulation unter Verwendung eines Näherungsverfahrens und/oder eines lernfähigen Systems zur Berechnung von Beugungseffekten durchgeführt wird und dass die mit dem Näherungsverfahren und/oder dem lernfähigen System berechneten Strukturparameter für einen Optimierungs schritt, der rigorose Berechnungsverfahren einsetzt, verwendet werden.According to the invention is a method for determination of structural parameters of a surface in which at least one coherent Light beam of defined intensity and / or polarization directed at the surface, one of regular structures the surface reflected or transmitted beam detected and at least an imaging rule is determined, the at least one beam parameter of the reflected or transmitted light beam to at least a beam parameter of the light beam directed onto the surface maps. It also comes with a simulation based on predefinable structural parameters is carried out, a function is calculated, the at least one simulated beam parameter of the reflected or transmitted light beam to at least one simulated beam parameter the on the surface maps directed light beam. The predefinable structural parameters are varied with the help of an optimization process in such a way that one from the determined mapping rule and the calculated one Function formed difference function assumes function values that are smaller than the function values of a limit function. The procedure is characterized in that the simulation using an approximation and / or one capable of learning System for calculating diffraction effects is carried out and that the one with the approximation and / or the learnable System calculated structural parameters for an optimization step, who uses rigorous calculation methods.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Strukturparametern einer Oberfläche stellt damit zum einen sicher, dass weder eine Diskretisierung der Ergebnisse erfolgt, noch eine Vorab-Simulation notwendig ist und auch keine Beschränkung auf vorab simulierte Strukturtypen besteht. Zum anderen zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass die Rechenleistung zur Berechnung der Beugungseffekte minimiert wird und so die Beugungseffekte schnell und zuverlässig ausgewertet werden.The method according to the invention for determining structural parameters of a surface thus ensures on the one hand that there is neither discretization of the results, nor a preliminary simulation is maneuverable and there is no restriction to previously simulated structure types. On the other hand, the method according to the invention is characterized in that the computing power for calculating the diffraction effects is minimized and the diffraction effects are thus evaluated quickly and reliably.

Sollte das Näherungsverfahren die beugende Struktur nicht genau genug beschreiben, ist dies durch optische Effekte erkennbar, die außerhalb des Gültigkeitsbereiches des Näherungsverfahrens liegen. Diese Effekte sind daher nicht mit ausreichender Übereinstimmung zu simulieren. In einem solchen Fall werden die mit dem Näherungsverfahren berechneten Strukturparameter vorzugsweise für einen Optimierungsschritt genutzt, der rigorose Berechnungsverfahren, wie etwa eine Rigorous Coupled Wave Anlaysis, verwendet.Should the approximation be the diffractive Describe structure not exactly enough, this is by optical Effects noticeable outside of the scope of the approximation process lie. These effects are therefore not in sufficient agreement to simulate. In such a case, those using the approximation method calculated structural parameters preferably for an optimization step used the rigorous calculation method, such as a Rigorous Coupled Wave Anlaysis, used.

Auch in diesem Fall wird die Rechenzeit, die für die Simulation der Beugungseffekte benötigt wird minimiert und die Genauigkeit des Meßverfahrens erhöht.In this case too, the computing time, the for the simulation of the diffraction effects is minimized and the Accuracy of the measurement process elevated.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Optimierungsverfahren ein Regressionsverfahren eingesetzt. Mittels des Optimierungsverfahrens werden die Parameter der simulierten Struktur solange variiert, bis sich die berechnete Funktion innerhalb vorgebbarer Grenzwerte, die die erlaubte Abweichung der Simulation von der Messung festlegen, einer Grenzfunktion genähert hat. Hierbei ist es unerheblich ob die Messung die Reflexion, Transmission oder beide Effekte gemeinsam detektiert.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention a regression method is used as the optimization method. Using the optimization process, the parameters of the simulated Structure varies until the calculated function is within Predefinable limit values, which are the allowed deviation of the simulation from the measurement, has approached a limit function. It is irrelevant whether the measurement is reflection, transmission or both effects are detected together.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass eine Intensität und/oder ein Polarisationszustand des reflektierten oder transmittierten Lichtstrahls als Strahlparameter des reflektierten oder transmittierten Lichtstrahls verwendet wird. Vorzugsweise werden als Strahlparameter des auf die Oberfläche gerichteten Lichtstrahls ein Einfallswinkel und/oder eine Wellenlänge dieses Strahls verwendet. Auf diese Weise werden Intensität oder Polarisationszustand des an den periodischen Strukturen reflektierten oder transmittierten Strahls als Funktion eines Einfallswinkels oder über Wellenlänge des eingestrahlten Lichtstrahls gemessen. Diese funktionelle Abhängigkeit des reflektierten Strahls wird durch Strukturparameter, Volumenbreite oder -tiefe beeinflusst und ist charakteristisch für die beugende Struktur.Another embodiment provides that an intensity and / or a polarization state of the reflected or transmitted Light beam as a beam parameter of the reflected or transmitted Light beam is used. Are preferably used as beam parameters the on the surface directed light beam an angle of incidence and / or a wavelength of this Beam used. This way, intensity or state of polarization the one reflected or transmitted on the periodic structures Beam as a function of an angle of incidence or over the wavelength of the incident light beam measured. This functional dependency of the reflected beam is determined by structure parameters, volume width or depth and is characteristic of the diffractive Structure.

Eine besondere Ausführungsform sieht die Form-Doppelbrechung als Näherungsverfahren zur Berechnung von Beugungseffekten vor. Mit Hilfe dieses Verfahrens können näherungsweise die Beugungseffekte, die an periodischen Strukturen auftreten, berechnet werden. Das Verfahren kann für Linien-Graben-Srukturen mit Perioden, die deutlich kleiner als die Wellenlänge des eingestrahlten Strahls sind, verwendet werden. Auf diese Weise wird die Struktur durch zwei effektive Brechungsindizes beschrieben, die durch eine Reihenentwicklung nach dem Verhältnis Periode zu Wellenlänge berechnet werden.A special embodiment sees the form birefringence as an approximation for calculating diffraction effects. With the help of this procedure can approximately the diffraction effects that occur on periodic structures are calculated become. The procedure can be for Line-trench structures with periods that are significantly smaller than that wavelength of the irradiated beam are used. In this way the structure is described by two effective refractive indices, which is calculated by a series expansion according to the period to wavelength ratio become.

Selbstverständlich können für das erfindungsgemäße Verfahren aber auch andere Näherungsverfahren, die ein geeignetes Konvergenzverhalten aufweisen, verwendet werden. So werden in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Näherungsverfahren eingesetzt, die das Verhältnis von Strukturdicke zu Wellenlänge berücksichtigen.Of course, for the method according to the invention but also other approximation methods, which have a suitable convergence behavior can be used. So in another embodiment of the method according to the invention Approximation method used the relationship from structure thickness to wavelength consider.

Vorteilhaft ist auch die Verwendung von skalaren Berechnungsverfahren, wie bspw. Complex-amplitude-Transmittance-Method. Das letztgenannte Verfahren ist insbesondere für Strukturen geeignet, die Perioden aufweisen, die deutlich größer als die Wellenlänge des eingestrahlten Strahls sind.The use is also advantageous of scalar calculation methods, such as complex amplitude transmittance method. The latter method is particularly suitable for structures that Have periods that are significantly larger than the wavelength of the radiated beam.

Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Strukturparameter nicht mit Hilfe eines Simulationsverfahrens sondern mit Hilfe eines lernfähigen Systems unter Zugrundelegung eines geeigneten Algorithmusses ermittelt werden. Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe des lernfähigen Systems eine Funktion berechnet, die wenigstens einen Strahlparameter des reflektierten und/oder des transmittierten Lichtstrahls auf wenigstens einen Strahlparameter des auf die Oberfläche gerichteten Lichtstrahls abbildet. Aus der berechneten Funktion und der im Vorfeld ermittelten Abbildungsvorschrift wird eine Differenzfunktion ermittelt. Die einzelnen Verfahrensschritte werden so lange wieder holt, bis die Funktionswerte der Differenzfunktion Werte annehmen, die kleiner als Funktionswerte einer vorab definierten Grenzfunktion sind. Das vorbeschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die mit dem lernfähigen System berechneten Strukturparameter schließlich für einen Optimierungsschritt verwendet werden, der rigorose Berechnungsverfahren einsetzt.An alternative embodiment of the method according to the invention provides that the structural parameters are not using a simulation process but with the help of a capable of learning Systems determined using a suitable algorithm become. In this procedure, the system is learnable calculates a function that at least one beam parameter of the reflected and / or the transmitted light beam at least a beam parameter of the light beam directed onto the surface maps. From the calculated function and the one determined in advance A difference function is determined in the mapping rule. The individual process steps are repeated until the Function values of the difference function assume values that are smaller as function values of a previously defined limit function. The The method described above is characterized in that the with the learnable System calculated structure parameters for an optimization step be used that uses rigorous calculation methods.

Vorzugsweise wird ein lernfähiges System zur Ermittlung von Strukturparametern einer Oberfläche eingesetzt, sofern die Strukturparameter aus dem Intensitätsverlauf der gemessenen Werte bestimmt werden sollen. Der wesentliche Unterschied bei der Verwendung eines lernfähigen Systems an Stelle eines Näherungsverfahrens besteht darin, dass auf diese Weise eine Rückwärtskorrelation der berechneten Werte durchführbar ist.Preferably an adaptive system used to determine the structural parameters of a surface, provided the structure parameters from the intensity curve of the measured values should be determined. The main difference in use one capable of learning System instead of an approximation is that in this way a backward correlation of the calculated Values feasible is.

Eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Strukturparametern einer Oberfläche realisierbar ist, weist eine Strahlungsquelle, die kohärentes Licht abstrahlt, eine Detektionseinheit, die zumindest einen von regelmäßigen Strukturen der Oberfläche reflektierten und/oder transmittierten Lichtstrahl detektiert und zumindest einen Strahlparameter des reflektierten Lichtstrahls ermittelt sowie eine Simulationseinheit zur Berechnung von Beugungseffekten auf. Mit einer derartigen Vorrichtung sind in besonders geeigneter Weise, Strukturparametern einer Oberfläche zu bestimmen. Insbesondere stellt diese Vorrichtung sicher, dass weder eine Diskretisierung der Ergebnisse erfolgt, noch eine Vorab-Simulation notwendig ist und auch keine Beschränkung auf vorab simulierte Strukturtypen besteht. Darüber hinaus wird die benötigte Rechenleistung zur Berechnung der Beugungseffekte derart minimiert, dass die Beugungseffekte schnell und zuverlässig auswertbar sind.A device with which the method according to the invention for determining structural parameters of a surface can be implemented has a radiation source which emits coherent light, a detection unit which detects at least one light beam reflected and / or transmitted by regular structures of the surface and at least one beam parameter of the reflected Light beam determined and a simulation unit for calculating diffraction effects. Such a device is particularly suitable for determining structural parameters of a surface. In particular, this device ensures that the results are not discretized and that no preliminary simulation is necessary and there is also no restriction to previously simulated structure types. In addition, the computing power required to calculate the diffraction effects is minimized in such a way that the diffraction effects can be evaluated quickly and reliably.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Strukturparametern an einer Oberfläche sowie die Vorrichtung zu dessen Umsetzung soll im Weiteren näher erläutert werden.The method according to the invention for the determination of structural parameters on a surface as well as the device its implementation will be explained in more detail below.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch beschrieben. Hierbei zeigen:The invention is hereinafter without restriction the general inventive concept based on exemplary embodiments described as an example. Here show:

1: Durchführung einer Reflektometriemessung; 1 : Carrying out a reflectometry measurement;

2: Verfahrensschema zur Bestimmung von Strukturparametern mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens; und 2 : Process scheme for determining structure parameters with the help of an optimization process; and

3: Verfahrensschema zur Bestimmung von Strukturparametern mit Hilfe zweier Optimierungsverfahren, die unterschiedliche Berechnungsalgorithmen nutzen. 3 : Process scheme for determining structure parameters with the help of two optimization methods that use different calculation algorithms.

In 1 ist eine spektrale Reflektometriemessung mit einer auf eine Probe 1 gerichteten Lichtstrahlung 2 und der von der Oberfläche 4 der Probe 1 reflektierten Lichtstrahlung 3 schematisch dargestellt. Mit Hilfe der Messung wird die spektrale und räumliche Verteilung der von den auf der Oberfläche 4 angeordneten periodischen Strukturen 5 reflektierten Lichtstrahlung 3 gemessen und gekennzeichnet.In 1 is a spectral reflectometry measurement with a sample 1 directed light radiation 2 and from the surface 4 the sample 1 reflected light radiation 3 shown schematically. With the help of the measurement the spectral and spatial distribution of those on the surface 4 arranged periodic structures 5 reflected light radiation 3 measured and labeled.

Die Messung an der Probe 1, die an der Oberfläche 4 periodische Linien-Graben-Strukturen 5 aufweist, erfolgt entweder mit einem Reflektometer oder einem kombinierten Ellipso-Reflektometer und liefert als Messergebnis die Reflektivität oder Transmission als Funktion der Wellenlänge. Diese Funktion, die die Reflektivität oder Transmission auf die Wellenlänge abbildet, wird als sog. Signatur (I_mess(λ)) bezeichnet und stellt eine gemessene Abbildungsvorschrift dar.The measurement on the sample 1 that are on the surface 4 periodic line-trench structures 5 has either a reflectometer or a combined ellipso-reflectometer and provides the result of the reflectivity or transmission as a function of the wavelength. This function, which maps the reflectivity or transmission to the wavelength, is referred to as the so-called signature (I _mess (λ)) and represents a measured mapping rule.

Mit Hilfe der ermittelten Messwerte wird ein Startmodell definiert, das die Schichtfolge 6 exakt und die Schichtdicken 7 sowie die Strukturform grob beschreibt. Die Signatur dieses Modells wird mittels der erweiterten Formdoppelbrechung nach Rytov berechnet und liefert die rechnerisch ermittelte Signatur (I_Sim(λ)). Anschließend wird die gemessene Signatur mit der berechneten Signatur unter Berücksichtigung des mittleren quadratischen Fehlers (MSE: Mean-Square-Error) verglichen. Der mittlere quadratische Fehler berechnet sich wie folgt:

With the help of the determined measured values, a start model is defined, which is the layer sequence 6 exactly and the layer thicknesses 7 and roughly describes the structural shape. The signature of this model is calculated using the extended form birefringence according to Rytov and supplies the calculated signature (I _Sim (λ)). The measured signature is then compared with the calculated signature taking into account the mean square error (MSE: Mean Square Error). The mean square error is calculated as follows:

Die Strukturparameter, wie etwa Schichtdicken, Linienbreiten oder Periode werden so lange variiert, bis der Wert für MSE unter einem definierten Wert liegt.The structural parameters, such as layer thicknesses, Line widths or periods are varied until the value for MSE is below a defined value.

Um kleinere Details der Struktur zu berechnen, werden auch Messergebnisse berücksichtigt, die außerhalb des Gültigkeitsbereiches des Näherungsverfahrens liegen. In dem vorliegenden Fall sind dies die Intensitätswerte für Wellenlängen, die kleiner oder gleich der Periode der Struktur sind. Deshalb wird das mittels der Formdoppelbrechung berechnete Modell als Startmodell für weitere Optimierungsschritte verwendet. Für diese weiteren Optimierungsschritte werden rigorose Simulationsmodelle, wie etwa eine Rigorous Coupled Wave Anlaysis verwendet. Die Messsignatur wird anschließend mit diesem rigoros berechneten Signaturen verglichen. Um die Schnelligkeit zu erhöhen, ist es möglich, nur die Wellenlängen zu berücksichtigen, für die das Näherungsverfahren nicht mehr gültig ist.To smaller details of the structure To calculate, measurement results that are outside are also taken into account of the scope of the approximation process lie. In the present case, these are the intensity values for wavelengths that are less than or equal to the period of the structure. That is why the model calculated using the shape birefringence as the starting model for further Optimization steps used. For these further optimization steps become rigorous simulation models, such as a rigorous coupled wave Anlaysis used. The measurement signature is then with compared to this rigorously calculated signature. For speed to increase Is it possible, only the wavelengths to take into account for that Approximation method no longer valid is.

In 2 ist ein Verfahrensablauf bei der Bestimmung von Strukturparametern einer Oberfläche dargestellt, bei dem ausschließlich mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus Beugungseffekte näherungsweise berechnet und so die Strukturparameter bestimmt werden. Mittels eines Optimierungsverfahrens werden auf diese Weise die Parameter der simulierten Struktur so lange variiert, bis eine aus der ermittelten Abbildungsvorschrift und der berechneten Funktion gebildete Differenzfunktion als Vergleichsmaßstab Funktionswerte annimmt, die kleiner als Funktionswerte einer ein gewünschtes Genauigkeitskriterium darstellenden Grenzfunktion sind.In 2 A process sequence for the determination of structure parameters of a surface is shown, in which diffraction effects are only approximately calculated using an optimization algorithm and the structure parameters are thus determined. In this way, the parameters of the simulated structure are varied by means of an optimization process until a difference function formed from the determined mapping rule and the calculated function assumes, as a comparison standard, function values that are smaller than the function values of a limit function that represents a desired accuracy criterion.

Die 3 zeigt ein weiteres Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung von Strukturparametern einer Oberfläche. Zunächst werden ebenfalls mittels eines Optimierungsverfahrens, das ein Näherungsverfahren für die Simulation von Beugungseffekten verwendet, Oberflächenparameter bestimmt. Anschließend werden die Oberflächenparameter allerdings näher bestimmt, indem ein Optimierungsverfahren, das rigorose Verfahren für die Simulation von Beugungsverfahren einsetzt und das das näherungsweise berechnete Modell als Startmodell verwendet, die Strukturparameter so lange variiert, bis ein gegebenes Kriterium für den Vergleich der Ergebnisse von Messung und Simulation erfüllt ist, also eine aus der ermittelten Abbildungsvorschrift und der berechneten Funktion gebildete Differenzfunktion als Vergleichsmaßstab Funktionswerte annimmt, die kleiner als Funktionswerte einer ein gewünschtes Genauigkeitskriterium darstellende Grenzfunktion sind.The 3 shows a further method according to the present invention for determining structural parameters of a surface. First, surface parameters are also determined using an optimization method that uses an approximation method for the simulation of diffraction effects. However, the surface parameters are then determined in more detail by using an optimization method that uses rigorous methods for the simulation of diffraction methods and that uses the approximately calculated model as the starting model, until the structure parameters are varied until a given criterion for comparing the results of measurement and simulation is fulfilled, that is, a difference function formed from the determined mapping rule and the calculated function assumes function values as a comparison scale which are smaller than function values of a one representing a desired accuracy criterion Are limit function.

11: Probesample
22: einfallende Lichtstrahlungincident light radiation
33: reflektierte Lichtstrahlungreflected light radiation
44: Probenoberflächesample surface
55: Periodische Strukturperiodic structure
66: Schichtabfolgelayer sequence
77: Schichtdickelayer thickness

Claims

Method for determining structural parameters of a surface, in which at least one light beam ( 2 ) defined intensity and polarization on the surface ( 4 ) directed, one of regular structures ( 5 ) the surface ( 4 ) reflected and / or transmitted light beam ( 3 ) is detected and at least one imaging rule is determined which contains at least one beam parameter of the reflected and / or transmitted light beam ( 3 ) on at least one beam parameter of the on the surface ( 4 ) directed light beam ( 2 ) in which a function is calculated using a simulation that is carried out on the basis of predefinable structural parameters, which function at least represents a simulated beam parameter of the reflected and / or transmitted light beam ( 3 ) on at least one simulated beam parameter of the on the surface ( 4 ) directed light beam ( 2 ), and in which the predefinable structural parameters for the simulation are varied with the aid of an optimization method such that a difference function formed from the determined mapping rule and the calculated function assumes function values that are smaller than the function values of a limit function, characterized in that the simulation takes place under Use of an approximation method and / or a learning system for calculating diffraction effects is carried out and that the structural parameters calculated with the approximation method and / or the learning system are used for an optimization step that uses rigorous calculation methods.

A method according to claim 1, characterized in that a regression method is used as the optimization method becomes.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that an intensity and / or a polarization state of the reflected or transmitted light beam ( 3 ) as beam parameters of the reflected or transmitted light beam ( 3 ) is used.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the beam parameters of the light beam directed onto the surface ( 2 ) an angle and / or a wavelength is used.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that that as an approximation to Computing diffraction effects using an effective medium model, in particular Form double refraction, is used.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that that an approximation is used that is the relationship from structure thickness to wavelength considered.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that that as an approximation scalar calculation method, in particular the complex amplitude transmittance method, is used.

Method for determining structural parameters of a surface, in which at least one light beam ( 2 ) defined intensity and polarization on the surface ( 4 ) directed, one of regular structures ( 5 ) the surface ( 4 ) reflected and / or transmitted light beam ( 3 ) is detected and at least one imaging rule is determined which contains at least one beam parameter of the reflected and / or transmitted light beam ( 3 ) on at least one beam parameter of the on the surface ( 4 ) directed light beam ( 2 ) depicts a function with an adaptive system that reflects at least one beam parameter of the and / or transmitted light beam ( 3 ) on at least one beam parameter of the on the surface ( 4 ) directed light beam ( 2 ) maps, determines and selects structural parameters on the basis of the calculated function in such a way that a difference function formed from the determined mapping rule and the calculated function assumes function values that are smaller than the function values of a limit function, characterized in that the structural parameters calculated with the learnable system for one Optimization step that uses rigorous calculation methods can be used.

Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 8 with a radiation source which emits light, with a detection unit which has at least one of regular structures ( 5 ) a surface ( 4 ) reflected and / or transmitted light beam ( 3 ) is detected and at least one beam parameter of the reflected light beam ( 3 ) determined and with a simulation unit for calculating diffraction effects according to the method.