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Scatterometrische Vermessung von Subwellenlängen-Gitterstrukturen

08.01.2015

Einleitung
Bei der klassischen Scatterometrie – wie sie auch in der Abteilung Optik der PTB genutzt  wird - werden eindimensionale periodische Gitterstrukturen monochromatisch beleuchtet, die Effizienzen der einzelnen Beugungsordnungen gemessen und durch Lösung der Maxwell-Gleichungen wird auf das Querschnittsprofil des Gitters zurückgeschlossen. Bei Gitterperioden unterhalb der halben Beleuchtungswellenlänge breitet sich jedoch nur noch die die 0. Beugungsordnung aus. Durch Kombination verschiedener Messkonfigurationen gelang es jetzt, auch solche Proben mit  Strukturbreiten von nur etwa einem Zehntel der eingesetzten Wellenlänge optisch zu vermessen.

Experiment
Die experimentellen Untersuchungen wurden an Siliziumgittern mit dem DUV-Scatterometer der PTB bei einer Wellenlänge von 266 nm durchgeführt. Es wurde s- oder p-polarisiertes Licht verwendet. Die Probe wurde mit ihren Gitterlinien sowohl senkrecht als auch parallel zur Einfallsebene ausgerichtet. Die sich so ergebenen vier Konfigurationen wurden jeweils unter variierenden Einfallswinkeln von -87° bis +87° vermessen (s. Abb. 1).

 

Abb. 1: Die vier verschiedenen Messkonfigurationen

Auswertung
Die Auswertung basiert auf einem für alle vier verschiedenen Messkonfigurationen parallel durchgeführten Vergleich der Mess- mit Simulationsdaten. Das verwendete Strukturmodell geht von einem trapezförmigen Grundkörper, Kantenverrundungen und einer das Silizium umgebenden Oxid-Schicht aus. Die jeweiligen geometrischen Parameter wurden im Rahmen einer Best-Fit-Analyse bestimmt.

 

Abb. 2: Gemessene Reflektivitäten (Messpunkte) und simulierte Reflektivitäten (durchgezogene Linien) für die vier unterschiedlichen Messkonfigurationen. Links: für die Struktur mit der nominellen Periode/Höhe/Breite von 100/100/55 nm, rechts: für die Struktur mit der nominellen Periode/Höhe/Breite von 50/50/25 nm.

Ergebnisse
Ein Vergleich der Mess- und Simulationsdaten für zwei verschiedene Gitterstrukturen ist in Abb. 2 dargestellt. Die Gitter wurden vom Helmholtzzentrum Berlin (HZB) hergestellt und haben nominelle Breiten von nur 25 nm und 55 nm und Höhen sowie Perioden von je 50 nm bzw. 100 nm. Neben der erzielten hervorragenden Übereinstimmung zwischen Best-Fit-Simulation und Experiment, fallen die gänzlich unterschiedlichen Intensitätsverläufe für die zwei unterschiedlichen Proben auf (man vergleiche z.B. die klassische Gitterausrichtung bei p-polarisierter Beleuchtung: Konfiguration d)). Daraus kann in dem hier vorliegenden Fall von Subwellenlängen-Strukturen, die deutlich unterhalb der mikroskopischen Auflösungsgrenze liegen, auf eine sehr hohe Empfindlichkeit der Messung gegenüber den geometrischen Abmessungen geschlossen werden. Dies zeigt sich auch in der Qualität der erzielten Rekonstruktionsergebnisse: Zu einer unter gleichen Bedingungen prozessierten und anschließend durchgeschnittenen Probe liegen vom HZB elektronenoptisch gemessene Querschnittsbilder vor. Die Übereinstimmung mit den von uns rekonstruierten Profilen ist ausgezeichnet (siehe Abb. 3).

 

Abb. 3: Elektronenoptische Aufnahme der Querschnittsprofile im Vergleich mit den scatterometrisch erzielten Rekonstruktionsergebnissen.