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Algorithmus zur Rekonstruktion von 3D-Nanostrukturen

Oberflächenstrukturen mittels Röntgenfluoreszenzmessungen vermessen

PTBnews 3.2020
25.09.2020
Besonders interessant für

Halbleiterindustrie

Dimensionelle Nanometrologie

In der PTB wurden Methoden zur elementspezifischen Rekonstruktion von periodisch nanostrukturierten Oberflächen optimiert, die für die Herstellung hochmoderner integrierter Schaltkreise verwendet werden. Durch die neuartige Analyse der Röntgenfluoreszenzstrahlung wird es möglich, die räumliche Verteilung von verschiedenen Atomen innerhalb der Nanostrukturen zu bestimmen.

Schematische Darstellung der Floureszenzanregung einer Nanostruktur, die aus Atomen, verschiedener Elemente (A, B, C) zusammengesetzt ist. Bei Anregung mit einem Röntgenstrahl (E0) wird jeweils charakteristische Fluoreszenzstrahlung (E1, E2) emittiert.

In einer Zusammenarbeit der PTB mit der niederländischen Universität Twente und dem Kurchatov-Institut in Moskau wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der die Röntgenfluoreszenzemission bei Anregung mit Synchrotronstrahlung unter streifendem Einfall von periodischen dreidimensionalen (3D-) Nanostrukturen beschreibt. Dieser Algorithmus hat das Potenzial, zu einem leistungsfähigen Werkzeug für die Entwicklung und Herstellung von 3D-Nanostrukturen und daraus aufgebauten integrierten Schaltkreisen zu werden. Er nutzt die periodische Struktur der Nanogeometrie und löst die Maxwell-Gleichungen halbanalytisch mit einer Genauigkeit und Präzision, die gleichwertig mit gängigen Simulationen basierend auf der Finite- Elemente-Methode (FEM) ist. Dadurch sind Berechnungen der Licht-Materie- Wechselwirkungen in Schichtsystemen und von periodischen Nanostrukturen weniger aufwendig und in der Folge um fast zwei Größenordnungen schneller als entsprechende FEMSimulationen.

Um eine 3D-Nanostruktur zu vermessen, wurden die Elektronen der strukturbildenden Atome mit monochromatisierter Synchrotronstrahlung im Röntgenbereich am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II angeregt und ihre Fluoreszenzstrahlung bei Rückkehr in den Grundzustand winkelaufgelöst detektiert. Aus dieser emittierten Röntgenf luoreszenzstrahlung konnte die räumliche Verteilung der Atome und damit die Geometrie der Nanostruktur dreidimensional rekonstruiert werden.

Die signifikante Beschleunigung der Berechnungen ermöglicht darüber hinaus den Einsatz statistischer Methoden für die Bestimmung der Messunsicherheiten (z. B. Monte-Carlo- oder Bayes-Methoden) und ist ein wichtiger Baustein für die aktuelle Entwicklung hybrider Messtechniken. Bei diesen wird z. B. ein und dieselbe Nanostruktur mit verschiedenen Messmethoden analysiert und statistisch konsistent zu einem Ergebnis kombiniert. Dadurch können die Objekte genauer vermessen werden, als es mit nur einer einzelnen Messmethode möglich wäre. Dies wird die bereits bestehenden Messkapazitäten der PTB im Bereich der Nanometrologie erweitern und ergänzen, womit zukünftige Entwicklungen für Schaltkreise aus 3DNanostrukturen metrologisch begleitet werden können.

Ansprechpartner

Victor Soltwisch
Fachbereich 7.1 Radiometrie mit Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7129
Opens window for sending emailvictor.soltwisch(at)ptb.de

Philipp Hönicke
Fachbereich 7.2 Röntgenmetrologie mit Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-3228
Opens window for sending emailphilipp.hoenicke(at)ptb.de

Sebastian Heidenreich
Fachbereich 8.4 Mathematische Modellierung und Datenanalyse
Telefon: (030) 4381-7726
Opens window for sending emailsebastian.heidenreich(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

K. V. Nikolaev, V. Soltwisch, P. Hönicke, F. Scholze, J. de la Rie, S. N. Yakunin, I. A. Makhotkin, R. W. E. van de Kruijs, F. Bijkerk: A semi-analytical approach for the characterization of ordered 3D nanostructures using grazing-incidence X-ray fluorescence. J. Synchrotron Rad. 27 (2020)