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Messung von diffraktiven Optiken mit dem Scatterometer für das tiefe UV

03.02.2010

In seiner bisherigen Ausführung wurde das DUV-Scatterometer hauptsächlich zur Charakterisierung von Gitterstrukturen auf Fotomasken eingesetzt. Gemessen und ausgewertet werden dabei die diskreten Beugungseffizienzen der einzelnen Beugungsordnungen. Zusätzliche, physikalisch relevante Streuverteilungen, z. B. verursacht durch Rauheiten an Absorberkanten oder durch Inhomogenitäten der Gitterkonstanten, wurden bislang weder im Modell berücksichtigt noch wurden sie gezielt gemessen, dazu mangelte es an Winkelauflösung und Dynamikbereich. Um diese Streuverteilungen messbar zu machen, wurde das Scatterometer mit einem neuen Detektorsystem und einer neuen verbesserten Signalverarbeitung ausgerüstet. Dadurch konnte die Empfindlichkeit um fünf Größenordnungen gesteigert werden. In Kombination mit Spaltblenden (einige 10 bis einige 100 µm) vor dem Detektor kann zudem auch die Winkelauflösung stark verbessert werden.

Die bislang verwendeten Photodioden wurden durch solar-blind-Photomultiplier ersetzt. Um die gepulste Laser-Strahlung linear in Messspannungen umzusetzen, wurden die Fotostromsignale so geglättet, dass kritische Spitzenströme im Photomultiplier verhindert, die Linearitätsbedingungen der verwendeten Strom-Spannungswandler erfüllt und die Pulssignale mit hoher Genauigkeit digitalisiert werden können. Auch die Datenerfassung wurde verbessert. Zur Auswertung des Mess- und Referenzsignals wird jetzt eine Regressionsanalyse eingesetzt, bei der aktuelle Signalverläufe mit typischen (langzeitgemittelten) Signalverläufen verglichen werden. Während die zuvor verwendete Lock-In-Technik nur die erste Fourier-Komponente analysiert, wertet das neue Verfahren auch höhere Frequenzanteile des Signals aus. Darüber hinaus ist eine schnellere Messung möglich, da auf die für Lock-In-Verstärker typische zeitliche Mittelung verzichtet werden kann. Im statischen Fall wird zur Analyse die “Weighted Total Least Squares“-Methode nach Krystek und Anton benutzt [1]. Das Messprinzip setzt konstante Signalphasenlagen sowie konstante Signalformen voraus. Dies wird mit den in [2] vorgestellten Methoden online kontrolliert.

Durch die hier vorgestellten Verbesserungen bei der Signaldetektion wurde der Einsatzbereich des DUV-Scatterometers auf die Untersuchung von diffraktiven optischen Elementen sowie auf mikrolinsenarray-basierte Streuscheiben erweitert. Beispielhaft zeigt Abbildung 1 die Verteilungsfunktion einer Streuscheibe, wie sie im neuen DUV-Mikroskop unseres Fachbereichs Verwendung finden soll. Mittelfristig wird auch angestrebt, die Auswertung von Fotomasken um Rauheitsanalysen zu erweitern.

Winkelabhängige Streulichtverteilung eines optischen Diffusers bei einer Wellenlänge von 193 nm. Das rauschähnliche Aussehen wird durch kohärente Speckle-Effekte verursacht.

Literatur:

[1]        M. Krystek, M. Anton: A weighted total least-squares algorithm for fitting a straight line, Meas. Sci. Technol. 18, 3438-3442 (2007)

[2]        DE 10 2008 009 792A1, Verfahren zum Auswerten von Messwerten, M. Wurm (2008)