Untersuchung der Unsicherheitseinflüsse der Geradheitsmessung am Nanometerkomparator mittels Simulation

 Neben der Messung von Strukturabständen sollen künftig mit dem Nanometerkomparator (nmK) auch die Geradheitsabweichungen von Strukturteilungen kalibriert werden. Dafür müssen die Topographieabweichungen des mit dem Messobjektträger verbundenen Messspiegels bestimmt werden. Üblicherweise geschieht dies mittels Umschlagverfahren, die jedoch eine wiederholbare reproduzierbare Auflage des Messobjektes voraussetzen. Um die sich daraus ergebenden Unsicherheitsbeiträge vermeiden zu können, soll zusätzlich das bisher nur für Topographiemessungen eingesetzte „traceable multi- sensor“ (TMS)-Verfahren verwendet werden.

Um das TMS-Verfahren für den Einsatz am nmK zu evaluieren und den Einfluss sensitiver Parameter, wie die Positionierung der Sensoren, abzuschätzen, wurden in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen „Form- und Wellenfrontmetrologie“ und „Datenanalyse und Messunsicherheit“ die geplanten Messungen simuliert. Dazu ist der komplette zukünftige Messablauf in einer 3D Simulationsumgebung so umgesetzt worden, dass jedes Messsystem und bewegte Element durch ein separates Koordinatensystem dargestellt wird. Auf diese Weise konnten virtuelle Experimente, unter Einbeziehung aller normal-verteilter Messabweichungen, mit Relativbewegungen und Verkippungen der Koordinatensysteme zueinander durchgeführt werden. Das TMS-Verfahren liefert als Lösung eines linearen Gleichungssystems neben den Topographiewerten auch die Veränderung des Abstandes des Sensorelements zum Messspiegel, die den Führungsabweichungen entsprechen. Die Simulationen haben gezeigt, dass sich das TMS-Verfahren prinzipiell für die Kalibrierung von Geradheitsabweichungen im Sub-Nanometer Bereich eignet.

Durch die in die Simulation eingeflossene Glättung der rekonstruierten Topographie über die Durchmesser der Gaußstrahlen wird der Rekonstruktionsfehler durch Topographie-Anteile mit hohen Ortsfrequenzen auch für wenige Sensoren minimiert. Das TMS-Verfahren wird derzeit zur Kalibrierung von Topographien entlang einer Linie genutzt. Dank der dreidimensionalen Simulation konnte gezeigt werden, dass diese Beschränkung des TMS-Verfahrens zu einem erheblichen Einfluss des Messobjekts führt.

Durch die geplante Antastung der Strukturen mit einem DUV-Mikroskop mit geringer Tiefenschärfe muss der Abstand zwischen Objektiv und Messobjekt konstant gehalten werden. Am nmK geschieht dies über eine Höhenbewegung des Messobjektes und des damit verbundenen Messspiegels. Eine unebene Oberflächentopographie des Messobjektes führt somit zu Messpositionen, die von einer Linie abweichen, und einem Einfluss von Lotabweichungen zwischen dem Messobjekt und dem Messspiegel. Wegen des Glättungseffektes durch die ausgedehnten Interferometerstrahlen wirkt sich der letztere Effekt jedoch deutlich stärker aus. Die virtuellen Experimente haben gezeigt, dass die Abweichung des Winkels zwischen dem Messspiegel und dem Messobjekt von 90° der kritischste Parameter ist. Daher wurde eine spezielle Justagemethode entwickelt, die auf einer zusätzlichen Justagebrücke beruht. Die erreichbare Unsicherheit der Geradheitsmessung wird neben dieser Winkeljustage maßgeblich durch die Kenntnis der Strahlabstände des Multisensorelements und der Unsicherheit der Gierwinkelmessung bestimmt.

Die virtuellen Experimente haben gezeigt, dass Kalibrierungen von Geradheitsabweichungen von Strukturen auf Masken mit Sub-Nanometer Unsicherheiten möglich sind [1]. Die erreichbare Unsicherheit wird aber neben der Genauigkeit der Justage der Messsysteme maßgeblich durch die Qualität des Messobjektes und des Messspiegels bestimmt, da der Rekonstruktionsfehler durch das TMS-Verfahren proportional zu den Topographiefehlern des Messspiegels ist.

Bild 1: Prinzipbild des um die Geradheitsmetrologie erweiterten Nanometerkomparators. Der Y-Spiegel wird zur Realisierung des TMS-Verfahrens von 3 Interferometern synchron abgetastet.

 
[1] C. Weichert et al: A model based approach to reference-free straightness measurement at the Nanometer Comparator; SPIE Proc. 7390-28 (2009), 73900O-1 - -10