04.01.2016
Genau vermessene Linienstrukturen mit Breiten im Mikro- und Submikrometerbereich werden in der Halbleiterindustrie und dem Präzisions-Maschinenbau benötigt. In der PTB-Arbeitsgruppe „Quantitative Mikroskopie“ wird zur Messung der Breite dieser Strukturen ein metrologisches UV-Mikroskop eingesetzt. Hierbei werden die quer zur Linienstruktur gemessenen Bildprofile mit einem sogenannten Schwellwertverfahren ausgewertet. Dazu wird ein Signalpegel („Schwellwert“) im fokalen Bild bestimmt, an dessen lateraler Position die linke und rechte Kante der Linienstruktur direkt abgelesen werden kann. Dieser Schwellwert wird zuvor für die jeweils vorliegende Struktur unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Mikroskops berechne
Dieses etablierte und praktikable Verfahren hat gewisse Nachteile, die sich auf die erreichte Messunsicherheit auswirken: Idealerweise benötigt man Aufnahmen mit perfekter Fokussierung, jede Abweichung vom besten Fokus erzeugt systematische Messabweichungen. Weiterhin nutzt man aus dem gesamten Kantenprofil nur wenige Messpunkte in der Nähe des Schwellwerts, was aufgrund des immer vorhandenen Signalrauschens zu statistischen Messunsicherheiten führt.
Es wurde jetzt ein verbessertes Verfahren entwickelt, das diese Nachteile vermeidet: Es werden mehrere Bildprofile mit jeweils leicht unterschiedlicher Fokussierung (um den besten Fokus herum) aufgezeichnet. Die bestmögliche Fokusposition muss hierin nicht enthalten sein. Die gemessenen Bildprofile werden mit berechneten Bildprofilen verglichen, wobei die Parameter ‚Linienbreite‘ und ‚Fokusposition‘ bei den berechneten Profilen so variiert werden, dass eine möglichst gute Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Bildprofile vorliegt. Systematische Messabweichungen aufgrund möglicher Fehlfokussierungen treten nicht mehr auf, denn derartige Fokusabweichungen sind in den berechneten Bildprofilen ja bereits berücksichtigt. Da zudem das gesamte Kantenprofil (und nicht nur einige Abschnitte in diesem Profil) ausgewertet wird, verbessert sich auch die statistische Messunsicherheit.
Allerdings ist bei diesem neuen Verfahren ein deutlich höherer Aufwand bei der Auswertung der Messdaten nötig, der erst jetzt mit der Verfügbarkeit entsprechender Rechenleistung sowie einer zuverlässigen numerischen Simulation der Lichtwechselwirkung mit dem Messobjekt und der mikroskopischen Abbildung geleistet werden kann.
In Zukunft sollen neben der Defokussierung auch Abbildungsfehler wie z.B. Astigmatismus oder Koma (hervorgerufen durch nichtideale Abbildungsoptiken oder Justierungenauigkeiten) in analoger Weise berücksichtigt werden. Damit wird eine weitere Reduzierung sowie eine bessere Quantifizierung der Messunsicherheit ermöglicht. Darüber hinaus kann damit indirekt auch das verwendete Mikroskop besser validiert werden.
(M. Wurm, D. Bergmann, FB 4.2, matthias.wurm(at)ptb.de)