31.12.2006
Viele nichtabbildende optische Messverfahren zur quantitativen Charakterisierung von (periodisch) strukturierten Oberflächen oder auch Schichtsystemen lassen sich unter dem Oberbegriff Scatterometrie zusammenfassen. Eine Untergliederung hinsichtlich der untersuchten Eigenschaft des Lichtes sowie der Messvariablen bietet sich an. Die Tabelle zeigt eine Klassifizierung hinsichtlich der Lichteigenschaften Intensität, Polarisationszustand und Ausbreitungsrichtung sowie den Messvariablen Einfallswinkel und Wellenlänge.
Tabelle: Überblick über scatterometrische Messverfahren. (Θ-Einfallswinkel, Θ’-Beugungswinkel, η-Beugungseffizienz, R-Reflektionskoeffizient, I-Intensität, Δ, Ψ-ellipsometrisch Winkel, λ-Wellenlänge)
Die Verfahren unterscheiden sich oftmals lediglich dadurch, dass Messvariable und parameter getauscht wurden. Stattet man also die wesentlichen Stellelemente mit Messsystemen aus, so erhält man ein sehr vielseitiges Gerät. Dies war einer der Grundgedanken bei der Konzeption des neuen DUV-Scatterometers der PTB, das zur quantitativen Strukturprofilbestimmung auf Photolithographiemasken eingesetzt werden soll.
Abb. 1 zeigt schematisch die Komponenten des Scatterometers; Abb. 2 den technischen Entwurf und Abb. 5 ein Foto des System.
Als Strahlungsquelle wird ein TiSa-Laser eingesetzt, dessen Fundamentalwellenlänge zwischen 772 nm und 840 nm durchgestimmt werden kann. Das System erlaubt den Zugriff auf die 2., 3. und 4. Harmonische, so dass im DUV ein Wellenlängenbereich von 193 nm bis 210 nm zur Verfügung steht.
Abb. 1: Die wesentlichen Komponenten des neuen DUV-Scatterometers
Abb. 2: Entwurf des neuen DUV-Scatterometers. Bei der Konstruktion des Überbaus (Dreibein mit Detektorhalterung) wurde darauf Wert gelegt, dass die Drehachse des Detektors sehr genau gegen die des Maskenhalters ausgerichtet werden kann und zudem thermische Effekte sich nur minimal auf die Justage auswirken können.
Damit sind also auch at-wavelength-Messungen an aktuellen Photomasken möglich.
Die Strahlformungs- und Polarisationsoptik wurde so ausgewählt, dass sie über den gesamten Spektralbereich nicht ausgetauscht werden muss (lediglich für den Bereich λ<250 nm muss der Analysator gewechselt werden). Dies gelingt vornehmlich durch den Einsatz von variablen und motorisiert ansteuerbaren Berek-Retardierern statt der sonst üblichen λ/2- und λ/4-Platten (Kompensatoren). Die Polarisationsoptik erlaubt das Einstellen beliebiger elliptischer Polarisationszustände (also auch linear und zirkular). Zur Strahlformung wird ein Teleskop mit Raumfilter eingesetzt, das auch ein dezentes Fokussieren auf das Messobjekt ermöglicht.
Über die Drehung des Maskenhalters können Einfallswinkel zwischen ±90° eingestellt werden. Der Detektor kann die gesamte Beugungsebene abscannen (±180°). Dazu wird zunächst ein optischer Lift eingesetzt (siehe Abb. 3). Diese Konstruktion bietet drei Vorteile: 1. Streulicht am Ort des Detektors wird reduziert. 2. Der optische Weg (Probe-Detektor) wird verlängert, wodurch bei diffraktometrischen Messungen eine höhere Winkelauflösung erzielt werden kann, und 3. die eingesetzte Prismenkombination hält bei vertikaler Vibration des Auslegers den Abstand zwischen einfallendem und ausgehendem Strahl konstant, so dass der Detektor, der im Knotenpunkt der Vibration steht, stets an der selben Stelle getroffen wird.
Der Detektor selbst besteht aus drei fensterlosen Si-Photodioden, deren Anordnung eine weitestgehend polarisationsunabhängige Intensitätsmessung erlaubt (siehe Abb. 4). Zusätzlich wurde ein PSD (position sensitive device) mit in das Detektorgehäuse integriert. Über dessen Nullsignal kann der gesamte Detektor, der sich an einer motorisierten Vertikalachse befindet, in seiner Höhe automatisiert nachgeregelt werden. Dies dient zur Kompensation von z. B. Taumelfehlern.
Abb. 3: Der optische Umlenklift: Vom Messobjekt kommend passiert das Licht zunächst den Analysator. Über eine Kombination aus Hexagon- und 90°-Prisma wird das Licht zum Detektor geführt.
Abb. 4: Der Detektor besteht aus drei Si-Photodioden, die entsprechend der Zeichnung angeordnet sind (so genannter Trap-Detektor). Neben der zentrischen Öffnung des Gehäuses erkennt man die vertikale Aussparung für den PSD.
Es wurde ein Scatterometer entwickelt und aufgebaut, das vornehmlich im DUV eingesetzt werden soll. Dieses bietet eine Vielzahl von Messmöglichkeiten. Bis auf die phasenmodulierte Scatterometrie sind alle goniometrischen Methoden aus Tab. 1 möglich. Auch die spektroskopischen Methoden sind allesamt mit der entsprechenden Strahlungsquelle realisierbar.
Abb. 5: Das neue DUV-Scatterometer ist einsatzbereit. Um sowohl Turbulenzen als auch Absorptionen des Luftsauerstoffs zu verhindern, wurde die Anlage in eine Einhausung gesetzt.