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Ein Blick ins Innere von Nanostrukturen

Rekonstruktion von nanonstrukturierten Oberflächen durch komplementäre Experimente und theoretische Modellbildung

PTBnews 1.2019
07.02.2019
Besonders interessant für

Halbleiterindustrie

Nanometrolgie

Die zunehmende Komplexität von nanostrukturierten Oberflächen bei technologischen Anwendungen ist eine Herausforderung für deren metrologische Charakterisierung. Besonders in der Halbleiterindustrie sind hochkomplexe Nanostrukturen, die aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sind, von großer Bedeutung. Im PTBLaboratorium am Elektronenspeicherring BESSY II ist jetzt an einer Si3N4-Nanonstruktur auf einem Siliziumsubstrat der Nachweis gelungen, dass die Modellierung von Röntgenfluoreszenzexperimenten mit Synchrotronstrahlung eine materialsensitive dimensionelle Rekonstruktion der nanostrukturierten Oberfläche ermöglicht.

Schematische Darstellung der Kombination aus FEM-Berechnung der elektrischen Feldstärkeverteilung und GIXRF-Messungen an einer Si3N4-Gitterstruktur auf einem Silizium-Substrat.

Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse werden durch einfallende Röntgenphotonen Elektronen aus inneratomaren Schalen angeregt. Der anschließende Zerfall dieser angeregten Zustände führt zur Emission elementspezifischer Röntgenfluoreszenzstrahlung. Über eine energieselektive Messung der Röntgenfluoreszenzintensitäten unter Nutzung kalibrierter Instrumentierung sind quantitative Rückschlüsse auf die Materialkomposition möglich.

Unter streifendem Einfall des anregenden Röntgenstrahls (Grazing-Incidence X-ray Fluorescence, GIXRF) entsteht durch Interferenz mit dem von der Probe reflektierten Anteil ein stehendes Wellenfeld, das lokal in die Oberflächenstruktur eindringt. Wenn die Probe um zwei Achsen bezüglich des einfallenden Röntgenstrahls rotiert, lassen sich daher gezielt die Orte maximaler elektrischer Feldstärke und damit Fluoreszenzemission variieren und die Struktur mit einer Subnanometer-Auflösung abtasten.

Die Auswertung der Daten erfordert die exakte numerische Modellierung der räumlichen Feldstärkeverteilung. Dazu wurde ein Ansatz gewählt, der bereits für Experimente zur Röntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall (Grazing- Incidence Small Angle X-ray Scattering, GISAXS) entwickelt wurde und auf einer Finite-Elemente-Methode (FEM) zum Lösen der Maxwell-Gleichungen beruht.

Diese Kombination von GIXRF mit FEM-Berechnung und die quantitative Modellierung der emittierten Fluoreszenzintensitäten ermöglicht Rückschlüsse auf die Anzahl und Position der Atome eines spezifischen Elements innerhalb der Nanostruktur.

Für zukünftige Anforderungen der Nanometrologie soll dieser experimentell- theoretische Ansatz noch mit GISAXS-Daten kombiniert werden. Diese enthalten zwar keine materialspezifischen Informationen, erlauben dafür jedoch eine sehr genaue dimensionelle Rekonstruktion der Nanostrukturen.

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
Röntgenmesstechnik mit
Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7174
Opens window for sending emailphilipp.hoenicke(at)ptb.de

 

Wissenschaftliche Veröffentlichung

V. Soltwisch, P. Hönicke, Y. Kayser, J. Eilbracht, J. Probst, F. Scholze, B. Beckhoff: Element sensitive reconstruction of nanostructured surfaces with finite elements and grazing incidence soft X-ray fluorescence. Nanoscale 10, 6177–6185 (2018)