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Optische Charakterisierung von Sub-Wellenlängenstrukturen

Nicht-abbildendes Verfahren ermöglicht die Messung der Größe von Gitterstrukturen weit unter der optischen Auflösungsgrenze

PTB-News 3.2015
01.10.2015
Besonders interessant für

Halbleiterindustrie

optische Industrie

Grundlagenforschung

Eine in der PTB entwickelte optische Messmethode bietet die Möglichkeit, die Größe von Gitterstrukturen zu messen, die deutlich kleiner sind als die verwendete optische Wellenlänge. Solche Strukturen spielen beispielsweise eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuartiger effizienterer Optiken sowie bei der lithografischen Herstellung moderner nanoelektronischer Bauelemente, können aber mit klassischen optischen Verfahren nicht mehr gemessen werden. Es steht jetzt ein schnelles Verfahren zur Messung der Dimensionen von Sub-Wellenlängenstrukturen zur Verfügung.

Optisch bestimmtes Quer-schnittsprofil (rote Kurve) einer Silizium-Gitterstruktur. Zum Vergleich im Hintergrund das elektronenmikros-kopisch gemessene Querschnittspro-fil eines identisch hergestellten Messobjekts, das für diese Aufnahme durchgeschnitten werden musste.

Vergleich der gemessenen Reflexionskurven (Punkte) mit der bestangepassten Modellrechnung (Linien) bei variierendem Einfallswinkel. Die Grafiken verdeutlichen die verwendeten Messkonfigurationen (Einfallsebene relativ zur Gitterorientierung und Polarisation des Lichtes).

In vielen Bereichen der Naturwissenschaft und Technik werden in zunehmendem Maße immer kleinere Strukturen mit Abmessungen von deutlich weniger als 100 Nanometern verwendet. Dabei ist es z. B. für die Funktionsfähigkeit eines nanoelektronischen Bauelements wichtig, die geometrischen Abmessungen dieser Strukturen sehr genau und effizient messen zu können, ohne diese Strukturen zu beeinflussen, zu verunreinigen oder gar zu zerstören. Hierzu wurden bisher insbesondere optische Messverfahren wie die Mikroskopie oder die klassische Scatterometrie erfolgreich eingesetzt.

Bei der Scatterometrie wird die Intensitätsverteilung der verschiedenen Beugungsordnungen gemessen und daraus die Gittergeometrien rekonstruiert. Bei Dimensionen weit unterhalb der optischen (Abbe‘schen) Auflösungsgrenze sind diese Methoden jedoch nicht mehr einsetzbar, da bei Gitterstrukturen mit kürzerer Periodizität als die Hälfte der verwendete Wellenlänge keine höheren Beugungsordnungen mehr auftreten. Insbesondere in der Halbleiterindustrie werden deshalb dringend alternative optische Messverfahren zur Entwicklung und Fertigung verbesserter elektronischer Bauelemente benötigt.

In der PTB wurde gezeigt, dass mit modifizierten optischen Scatterometrieverfahren bei einer Beleuchtungswellenlänge von 266 nm auch gitterartige Strukturen mit Perioden bis hinab zu wenigen 10 nm zuverlässig charakterisiert werden können. Hierbei wird die verbleibende „Beugungsordnung“, die spiegelnde Reflexion, in Abhängigkeit vom Einfallswinkel in verschiedenen Messkonfigurationen gemessen. Aus den Messdaten lassen sich die Strukturgeometrien sehr genau rekonstruieren. Hierbei gelingt es sogar, wenige Nanometer kleine Details der Kantenprofile wie z. B. Kantenverrundungen zu erfassen.

Hiermit steht nun ein hocheffizientes optische Verfahren zur Messung und Kalibrierung der Dimensionen von Sub-Wellenlängenstrukturen und Strukturbreitenstandards zur Verfügung. Dieses wird unter anderem in der Halbleiterindustrie im Bereich der Wafer-Metrologie Anwendung finden, wo es insbesondere auch zur Prozesskontrolle während der Fertigung eingesetzt werden kann.

Ansprechpartner

Bernd Bodermann
Fachbereich 4.2 Bild- und Wellenoptik
Telefon: (0531) 592-4222
E-Mail: bernd.bodermann@ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

J. Endres, M. Wurm, J. Probst, M. Schoengen, A. Diener, B. Bodermann: Determination of subwavelength grating structure geometry by optical scatterometry (zur Veröffentlichung eingereicht bei Optics Letters)