Lichtmikroskop misst Nanostrukturen

In vielen Bereichen der Naturwissenschaft und Technik werden immer kleinere Strukturen mit Abmessungen im Mikro- und Nanometerbereich verwendet. Dabei müssen oft, beispielsweise um die Funktionsfähigkeit eines mikroelektronischen Bauelements zu beurteilen, die geometrischen Abmessungen dieser Strukturen ermittelt werden. Lichtmikroskopische Messungen sind einfach, schnell und kostengünstig. Liegt die Größe der zu messenden Strukturen jedoch im Bereich der verwendeten optischen Wellenlänge (365 nm bis 546 nm), werden die so genannten Proximity-Effekte zu einem Problem. Dabei überlagern sich die Beugungsbilder der beiden Strukturkanten.

In der PTB konnte gezeigt werden, dass sich diese Effekte deutlich reduzieren lassen, wenn man die Strukturen seitlich im streifenden Einfall beleuchtet und dabei die Beleuchtungsrichtung abwechselt. Bei einseitiger Beleuchtung mit einem Laserstrahl mit geeigneter Polarisation wird das Licht hauptsächlich an der der Einstrahlrichtung zugewandten Strukturkante gestreut. Wechselt man die Richtung des Lichts, kann man gezielt zwischen den Beugungsbildern der ansteigenden und abfallenden Kanten einer Struktur schalten und diese damit zeitlich getrennt messen.

Basierend auf diesem Prinzip wurden zwei (Dunkelfeld-) Mikroskopieverfahren entwickelt, die es erlauben, Strukturgrößen unterhalb der klassischen Auflösungsgrenze der Lichtmikroskopie hochgenau zu messen, wobei die Messunsicherheit von 50 nm auf 20 nm reduziert werden konnte.

Bei der ersten Methode, der AGID-Mikroskopie (alternating grazing incidence dark field microscopy), wird die zu untersuchende Struktur in Auflicht beleuchtet, während bei der zweiten Methode, dem FIRM-Verfahren (frustrated total internal reflection microscopy), die Beleuchtung in Durchlicht erfolgt. Hier ist zusätzlich eine spezielle Optik realisiert worden, mit der das Licht in das Substrat der zu messenden Probe eingekoppelt wird.

Die beiden Methoden sind bereits von der Industrie aufgegriffen worden und sollen Anwendung im Bereich der Inspektionssysteme für Photomasken in der Halbleiterindustrie sowie in der Strukturgrößencharakterisierung von Nano- und Mikropartikeln finden.

Zurzeit wird die Technologie im Rahmen eines gemeinsamen Projektes mit Industriepartnern weiterentwickelt mit dem Ziel, Anwendern verbesserte Strukturbreitenmesssysteme zur Verfügung zu stellen, die bei Verwendung einer Wellenlänge von 375 nm eine lineare Messung von Strukturbreiten bis hinunter zu 100 nm erlauben. Gegenüber konventionellen Hellfeld-Mikroskopen der gleichen Wellenlänge entspricht dies einer Verbesserung um einen Faktor zwei.