Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Zur Messung von Strukturbreiten auf Photomasken oder anderen Normalen wird neben der Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie auch die lichtoptische Mikroskopie eingesetzt. Die optische Mikroskopie hat den Vorteil, dass sie zerstörungsfrei ist und keine Probenpräparation benötigt.

In der PTB wird für die optische Strukturbreitenmessung ein modifiziertes Mikroskop der Firma Zeiss eingesetzt, siehe Bild 1. Das Mikroskop arbeitet mit einer Licht­wellenlänge im UV bei 365 nm. Die Apparatur befindet sich im Reinraumzentrum der PTB.

Mit dem Gerät können Strukturbreiten im Bereich von 0,3 µm bis 200 µm kalibriert werden. Die Reproduzierbarkeit der Messwerte für die Strukturbreite liegt im Bereich einiger Nanometer. Die erreichbare Unsicherheit der Messergebnisse hängt entscheidend von der Qualität des Messobjekts und der Kenntnis über optische und geometrische Parameter der Strukturen ab. Bei gut bekannten Objektparametern werden erweiterte Unsicherheiten von U = 20 nm (k = 2) erreicht.

Das Mikroskop nutzt das Objektrasterverfahren. Dazu wird das Objekt mit einem piezoelektrisch angetriebenen Doppelparallelfeder-Tisch senkrecht zu den Strukturkanten verschoben. Die Objektverschiebung wird mit einem Laserinterferometer und zusätzlich mit einem kapazitiven Wegsensor gemessen. In der Bildebene des Mikroskops ist parallel zu den Strukturkanten ein ortsfester Abtastspalt vor einem Photomultiplier angeordnet. Die registrierte Photostromstärke wird als Funktion der Objektverschiebung dargestellt. Das Objektrasterverfahren ermöglicht in Verbindung mit dem Laserinterferometer einen direkten, einfachen und genauen Anschluss an die Längeneinheit „Meter“.

Ein Beispiel eines solchen „Linienprofils“ ist in Bild 2 gezeigt. Für eine genaue Bestimmung der Strukturbreiten ist ein Vergleich der gemessenen Profile mit entsprechenden physikalischen Modellprofilen notwendig. In diese Modellrechnungen gehen die relevanten Parameter des optischen Mikroskops (z.B. Wellenlänge der verwendeten optischen Strahlung, numerische Aperturen der Optiken) und Informationen über die Objekte ein (z.B. optische Konstanten, Geometrie der Strukturkanten). In Bild 2 ist ein solches Modellprofil zusammen mit der Messkurve dargestellt.