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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Verschiebeinterferometrie

Arbeitsgruppe 5.22

Forschungsthemen

Dimensionelle Metrologie an Photomasken- und Halbleiterstrukturen

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Dimensionelle Metrologie an Photomasken- und Halbleiterstrukturen

Im Zuge der immer höheren Integrationsdichte in der Halbleiterindustrie steigt der Bedarf, Strukturen mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich messen zu können. Es sind die Position und die Breite von Linienstrukturen, sowie die geometrische Beschaffenheit an deren Kantenübergängen zu quantifizieren.





Die Parameter Kantenwinkel (Steigung), Verrundungen (Krümmungsradien) und Rauheit der Kante haben Einfluss auf die Bestimmung der Strukturbreiten durch optische und elektronenmikroskopische Messverfahren.

Aufgabe der Arbeitsgruppe Maskenmesstechnik ist, diese Parameter zu bestimmen, indem geeignete Messverfahren (weiter) entwickelt werden.

Dimensionelle Metrologie mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM):

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Entwicklung von anwendungsspezifischen Kantenoperatoren

 

 

 

Eine der Hauptaufgaben der REM-Metrologie von Photomasken- und Halbleiterstrukturen ist die Bestimmung der Strukturbreite (engl. Critical Dimension, CD). Abbildung 3.1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine trapezförmige Linienstruktur. Relevante Parameter der Struktur sind die Strukturbreite des oberen Plateaus (Top CD), die Strukturbreite am Kantenfuß (Bottom CD), der Kantenwinkel der Seitenflanken sowie Krümmungsradien am oberen Plateau bzw. am Kantenfuß.

 

Abbildung 3.1: Querschnitt durch eine trapezförmige Linienstruktur. Die Breite des oberen Plateaus wird als Top CD bezeichnet, die Breite der Struktur am Kantenfuß als Bottom CD. Die Struktur ist definiert durch Breite, Höhe, Kantenwinkel und Krümmungsradien.

Algorithmen, die aus der REM-Abbildung bzw. dem Signalprofil die Kantenpositionen bzw. die Strukturbreite bestimmen, werden Kantenoperatoren oder CD-Operatoren genannt. Um eine rückführbare, physikalisch abgesicherte Bestimmung der Strukturbreite zu gewährleisten, muss die REM-Abbildung, also das Sekundärelektronen-Signalprofil, eindeutig der Probentopographie zugeordnet werden können. Dies ist nur möglich durch eine fundierte physikalische Modellierung der Signalentstehung, etwa durch Monte Carlo Simulationen.

Abbildung 3.2: Topographisches Modell einer trapezförmigen Linienstruktur (mit Elektronen-Trajektorien). Aus dem Modell wird in der Monte Carlo Simulation ein Intensitätsprofil der Sekundärelektronen-Abbildung sowie ein Graustufenbild berechnet.

Abbildung 3.2 zeigt das topograpische Modell einer trapezförmigen Linienstruktur aus Silizium. Aus diesem Modell wird in der Monte Carlo Simulation ein Intensitätsprofil der Sekundärelektronen-Abbildung berechnet, das wiederum zu einem Graustufenbild weiterverarbeitet werden kann. Damit ist ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Topographie der Probenstruktur und REM-Abbildung gegeben und es kann aus der Abbildung auf die Topographie rückgeschlossen werden.

Abbildung 3.3: Monte Carlo Simulation der Sekundärelektronen-Erzeugung in der Elektronen-Diffusionswolke. Links: Farblich codierte Karte der Dichteverteilung der SE-Erzeugung, rechts: Anzahl der erzeugten SE gegen die X-Koordinate aufgetragen ergibt eine Exponenital-Verteilung.

In Abbildung 3.3 sieht man das Ergebnis einer Monte Carlo Simulation der Anregung von Sekundärelektronen (SE) in Silizium für eine Strahlenergie von 5 keV. Links ist eine farblich codierte Dichtematrix abgebildet, rechts die Anzahl der erzeugten SE entlang der X-Achse. Die Verteilung der SE-Erzeugung ist sehr gut durch eine Exponentialverteilung zu beschreiben. Bei der Annäherung des Elektronenstrahls an eine Oberflächenstufe auf der Probe steigt daher das SE-Signal exponentiell an, da durch die Seitenwand der Stufe zusätzliche SE austreten können. Dieser Effekt wird ausgenützt zur Definition des sogenannten Exponentialfit-TopCD-Operators:

 

Abbildung 3.4: Bedingt durch die exponentielle Verteilung der SE-Anregung in der Diffusionswolke steigt das SE-Signal vor einer Oberflächenstufe exponentiell an. Zur Bestimmung der oberen Kantenposition wird daher eine Exponentialfunktion (grün) an die gemessene Signalflanke (rot) approximiert. Extrapolation auf 100% Signalmaximum ergibt die obere Kantenposition.

An die Peakflanke des gemessenen Signalprofils wird eine Exponentialfunktion approximiert (Abbildung 3.4), Extrapolation auf 100% Signalmaximum definiert die obere Kantenposition. Der Kantenoperator wurde in umfangreichen Serien von Monte Carlo Simulationen für verschiedene Strahlenergien, Sondendurchmesser, Kantenwinkel und Probenmaterialien getestet.

Abbildung 3.5: Erweiterter Exponenitialfit-Operator (BDF-Operator): Das Signalprofil über die gesamte Struktur wird in einzelne Abschnitte unterteilt, in denen sich das Signalprofil durch einfache Exponentialfunktionen beschreiben lässt. Diese Modellfunktion wird mit dem gaußförmigen Sondenprofil gefaltet und die resultierende Funktion mittels Least-Squares-Fit an das gemessene Signalprofil approximiert.

Ein weitergehender Kantenoperator ist der sogenannte BDF-Operator. Hierbei wird das gesamte Signalprofil über eine Linienstruktur in einzelne Segmente unterteilt, die jeweils durch einfache Exponentialfunktionen angenähert werden. Diese Modellfunktion wird mit dem gaußförmigen Sondenprofil gefaltet und die resultierende Funktion mittels Least-Squares-Fit an das gemessene Signalprofil angepasst. Damit können sowohl Top- und Bottom-CD ausgewertet werden als auch Informationen über die Elektronensonde gewonnen werden (z.B. kann automatisch gewarnt werden, wenn ein zu großer Sondendurchmesser auf ein unscharfes Bild schließen lässt.)

Untersuchungen zur Charakterisierung des Justagezustandes eines REM

 

REM-Abbildungen bzw. -Signalprofile stellen die Modulation der Sekundärelektronen-Ausbeute bei Rasterung über die Probenoberfläche dar. Sie sind daher charakteristisch für die abgebildete Probenstruktur, so dass aus dem Signalprofil Informationen über die Probe gewonnen werden können. Aber auch die Eigenschaften des Messgerätes beeinflussen das Signalprofil. Für die Interpretation der Signalprofile ist daher eine Trennung von Geräteeinflüssen und charakteristischen Probeneigenschaften notwendig. Die Geräteeinflüsse sind nicht konstant, sondern abhängig vom Justagezustand des Gerätes. Insbesondere die Fokussierung, d.h. die Form und der Durchmesser der Elektronensonde, beeinflussen die Abbildung und die Messung von Strukturbreiten.

Zur Messung des Fokussierungs-Zustands werden meist Proben mit sehr hochaufgelösten Strukturen verwendet, etwa Goldinseln auf Kohlenstoff, wobei die Größe der Goldinseln nur wenige Nanometer beträgt. Zur Auswertung werden verschiedene Methoden verwendet: Eine direkte Methode ist die Auswertung des Signalübergangs vom (hellen) Gold zum (dunklen) Kohlenstoff. Wenn wir annehmen, dass ein unendlich fein auflösendes Mikroskop diesen Übergang als diskrete Stufe darstellen würde (was allerdings auch perfekte Probenstrukturen und vernachlässigbare Streuung im Festkörper bedeutet), dann kann der resultierende „reale“ Signalübergang als Faltung der diskreten Signalstufe mit dem realen Sondenprofil gedeutet werden. Üblicherweise wird der Abstand von 75% - 25% des Signalunterschieds als Sondenbreite definiert. (Abbildung 4.1)

Bei einer Fourier-Analyse der Abbildung wird das gesamte Bild zur Auswertung herangezogen. Aus dem Bild wird mittels Fast-Fourier-Transformation ein Fourier-Spektrum berechnet, das die Ortsfrequenzen des Bildes in allen Raumrichtungen darstellt. Da über dem tatsächlich übertragenen Signal noch ein Rauschen liegt, wird ein Schwellwert eingeführt, der das Signalspektrum vom Rauschuntergrund trennt. Damit kann die maximal übertragene Ortsfreuquenz ermittelt werden. Außerdem können Störfrequenzen in der Abbildung sichtbar gemacht und ausgewertet werden. (Abbildung 4.1).

Abbildung 4.1: Bestimmung der REM-Auflösung mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT). Von einer REM-Abbildung kleiner Goldcluster auf Kohlenstoff (oben links) wird das Fourier-Spektrum berechnet, das die Ortsfrequenzen des Bildes in allen Raumrichtungen darstellt. Über einen Schwellwert, der vom Rauschpegel des Bildes abhängt, wird die maximal übertragene Ortsfrequenz bestimmt (hier: entlang der X-Achse).

Untersuchung und Kalibrierung von nanostrukturierten Gitterteilungen

Die Kombination von hoch auflösender Elektronensonde und präzisem 2D-Koordinatentisch erlaubt die Untersuchung und Kalibrierung von nanostrukturierten Gitterteilungen mit dem EOMS.

Diese Gitterteilungen werden als Messobjekte im Elektronenoptischen Metrologie-system (EOMS) auf dem x-y-Koordinatentisch eingesetzt und schrittweise unter dem Mikroskop bewegt, wobei die hoch genaue Messung der jeweiligen Positionen des Messobjektes mit dem im EOMS integrierten Vakuum-Interferometersystem erfolgt.

An jeder Messposition wird mindestens ein REM-Bildeinzug vorgenommen und die Phasenlage der Gitterstruktur im REM-Bild durch Korrelationsverfahren bestimmt. Die Kombination von gemessener Objektposition mit der Phasenlage der Gitterteilung im REM-Bild erlaubt es, die Gitterteilung auch über größere Objektbereiche hinweg mit hoher Präzision zu charakterisieren. Die Bilder zeigen das Prinzip sowie das Ergebnis der Messung der Teilungs- und Geradheitsabweichungen einer Gitterteilung mit 100 nm Periodenlänge über einen Probenbereich von 1 mm. Die mittlere Periodenlänge konnte an diesem Normal hoher Qualität mit einer Unsicherheit von relativ 10-5 bestimmt werden.

Abbildung 5.1: REM-Bild einer Gitterteilung mit 100 nm Periodenlänge (links; 1,6 &mue;m Bildfeld) sowie hieraus gemitteltes Intensitätsprofil mit Anpassung einer Fourier-Reihe, aus der die Phasenlage des Gitters im Bild bestimmt wird.

Abbildung 5.2: Ergebnis der gemessenen Teilungsabweichungen an der 100 nm Gitterteilung. Gezeigt sind die Teilungsabweichungen im unteren, mittleren und oberen Bereich des ca. 1 mm großen Messobjektes (die Unterschiede resultieren größtenteils aus der Klebe-Befestigung des 1mm-Si-Chips auf dem Probeteller und der dadurch bedingten Verzerrung des Gitters). Die mittlere Periodenlänge konnte an diesem Normal hoher Qualität mit einer Unsi-cherheit von relativ 10-5 bestimmt werden. Referenz: W. Häßler-Grohne, T. Dziomba, C.G. Frase, H. Bosse, J. Prochazka: Characterizati-on of a 100 nm 1D pitch standard by metrological SEM and SFM, Proc. SPIE Micro-lithography, 5375, 426–436, (2004)

Charakterisierung von REM-Scangeneratoren

Beim Einsatz der Rasterelektronenmikroskopie für dimensionelle Messungen kommt der präzisen Charakterisierung der messtechnischen Eigenschaften des im REM integrierten Rastergenerators bzw. Scangenerators eine wichtige Bedeutung zu. Die Vergrößerung (Magnification) sowie die oftmals von der Scangeschwindigkeit abhängigen Nichtlinearitäten sind vor einer REM-Messung genau zu bestimmen. In der PTB stützen wir uns hierfür auf vorab im EOMS kalibrierte 1D bzw. 2D-Maßverkörperungen ab, für hohe Vergrößerungen zumeist Gitterteilungen mit Periodenlängen im Bereich von 100 nm oder noch darunter.

Bei den kalibrierten Gitterteilungen sind somit die Positionen und die Positionsabweichungen der Messstrukturen des Gitters bekannt und können für die Charakterisierung der messtechnisch wichtigen Eigenschaften des für die Elektronenablenkung und Bildgenerierung verwendeten REM-Scangenerators herangezogen werden. Zunächst ergibt sich die Pixelvergrößerung des aufgenommen REM-Bildes aus der kalibrierten Periodenlänge des verwendeten Gitternormals (Geradenanpassung). Etwaige Nichtlinearitäten können als Abweichungen von der Geraden bestimmt werden. Aufgrund der begrenzten dynamischen Eigenschaften der zur Strahlablenkung verwendeten Scanspulen ergeben sich Nichtlinearitäten besonders zu Beginn der Scanzeilen, also nach dem schnellen Zeilenrücklauf. Das nachfolgende Bild zeigt das Ergebnis der Charakterisierung solcher Nichtlinearitäten. Präzise dimensionelle Messungen mit dem REM erfordern die Kenntnis und Berücksichtigung dieser von der Scangeschwindigkeit abhängigen Abweichungen.

Abbildung 6.1: In Bezug auf eine kalibrierte Gitterstruktur gemessene nichtlineare Abweichungen eines Scangenerators für hohe Scangeschwindigkeiten (2 MHz pixelclock), Angabe in Pixeln, 3 Wiederholungsmessungen.

Entwicklung von Strukturbreiten-Maskennormalen (CD-Normale)

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Entwicklung von Strukturbreiten-Maskennormalen (CD-Normale)

Die PTB hat in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt mit mehreren Industriepartnern aus der deutschen Masken- und Halbleiterindustrie ein Strukturbreiten-Maskennormal entwickelt. Dieses Maskennormal ist gleichermaßen für optische, sowie rastersondenmikroskopische und rasterelektronenmikroskopische Messungen geeignet, also für alle derzeit in der Industrie angewendeten mikroskopischen Messverfahren. Es weist folgende Charakteristika auf:

  • Quarzglas-Maske, 6025 Standardformat (d.h. 152 mm x 152 mm x 6,25 mm)
  • Chrom-Absorberschicht mit Antireflex-Beschichtung, alternativ MoSi-Beschichtung
  • Linien- und Grabenstrukturen in isolierter und dichter Umgebung
  • zusätzlich quadratische Strukturen, auch isoliert und dicht (Kontaktloch bzw. pads)
  • größere Hellfelder für Transmissionskalibrierung
  • zusätzliche Pitch-Strukturen (Strichmaßstäbe für Bildfeldkalibrierung)
  • größere Strukturen oberhalb von 5 μm, kleinere in Stufungen bis herab zu 0,5 μm
  • 20 nm-Strukturstufung unter 500 nm bis herab zu 100 nm (seit 9/2007 bis zu 50 nm)
  • Strukturanordnung auf regelmäßigem Designraster für automatische Messungen





3 x 3 Die-Layout des Strukturbreiten-Maskennormals (oben links), einzelnes Messfeld (Die, unten links) sowie Linien-Messstrukturgruppe (rechts).

Photo eines Strukturbreiten-Maskennormals sowie REM-Bilddtafel der Linien-strukturgruppe bei verschiedenen Vergrößerungen.

Ergebnisse der Strukturbreiten-Messungen (CD-Messungen) an einem Strukturbreiten-Maskennormal für die 65 nm Technologiegeneration.

Es sind die Ergebnisse für die obere Strukturbreite (top CD), bestimmt mit dem REM sowie für die Strukturbreie bei mittlerer Strukturhöhe, bestimmt mit der UV-Mikroskopie eingetragen. Zusätzliche AFM-Messungen der Höhe und des Kantenwinkels der Linienstrukturen bestätigen die zu erwartenden Differenzen der beiden Messverfahren. Erst bei kleineren Strukturbreiten ergeben sich Differenzen der Verfahren, die allerdings teilweise auch von der Strukturqualität herrühren können.

Die Strukturbreiten-Maskennormale folgen dem kontinuierlichen Fortschritt in der Herstellungstechnologie. Die PTB kooperiert mit zwei kommerziellen Maskenhäusern in Deutschland, die 20kV bzw. 50kV Elektronenstrahlschreiber-Technologie für die Maskenherstellung einsetzen. Die Masken aus diesen Fertigungslinien werden in der PTB mit verschiedenen Messverfahren kalibriert und sind kommerziell verfügbar.

 

Referenzen:

F. Gans et al.: Results of a round robin measurement on a new CD mask standard Proc. EMLC 21, 2005, 109–19, (VDI-VDE GMM report 45), also published as Proc. SPIE 5835

J. Richter et al.: Calibration of CD mask standards for the 65 nm node: CoG and MoSi, EMLC 2007, 23rd European Mask and Lithography Conference, Jan 22-26, Grenoble, SPIE Vol. 6533, 6533-53

Optische Längen- und x-y-Koordinatenmessung auf ebenen Messobjekten:

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Untersuchungen zur Strukturbreiten-Maßübertragung

 

Hochgenaue Längenmaßweitergabe auf 1D- und 2D-Objekten

 

Untersuchungen an Normalen zur Bestimmung der lithografischen Verkleinerung

Die lithografische Herstellung von Integrierten Schaltkreisen erfolgt in Wafer-Steppern bzw. Wafer-Scannern durch die im Maßstab 1:4 verkleinerte Projektion der Strukturen auf der Maske auf den belackten Wafer. Die Belichtungsmaschinen können den Verkleinerungsmaßstab (sowie weitere Parameter) des Photolithografieobjektives in gewissen Grenzen einstellen und so Längenschwankungen von Maske zu Wafer oder vorherige Maßstabsfehler der Belichtung teilweise kompensieren. Allerdings benötigt der Hersteller des Photolithografieobjektives doch eine Referenz für die Einstellung des Maßstabsfaktors.

Die PTB hat in Kooperation mit einem Hersteller von Photolithografieobjektiven anhand eines Maskenpaares mit aufgebrachten Liniengittern eine solche Maßstabs-Referenz mit dem Maskenmessgerät LMS 2020 kalibriert. Bei dem Maskenpaar handelt es sich um unterschiedlich große Masken, wobei eines, das 200 mm-Objektgitter mit 4 μm Gitterperiode anstelle der Maske im Wafer-Stepper eingesetzt wird und die kleinere 40 mm-Maske als Bildgitter mit einer Gitterperiode von 1 μm an der Stelle des Wafers eingesetzt wird.

 Abbildung 3.1: Photos von Objekt- und Bildgitter des Maskenpaares für die Kalibrierung des Maßstabsfaktors.

Im Folgenden sind die mittels LMS 2020 bestimmten Messergebnisse für die Positionsabweichungen der aufgebrachten 1D-Liniengitter auf beiden Masken dargestellt.

 Abbildung 3.2: Gemessene Positionsabweichungen im 1D-Bildgitter, dargestellt sind die Abweichungen von einer mittleren Gitterperiode von 1000,007 nm.  Abbildung 3.3: Gemessene Positionsabweichungen im 1D-Objektgitter, dargestellt sind die Abweichungen von einer mittleren Gitterperiode von 3999,968 nm.

Die Bestimmung des durch das Gitterpaar verkörperten Verkleinerungs-Maßstabes wurde mit einer Unsicherheit von 5*10-7 durchgeführt. Zudem ließen sich die kalibrierten Verzeichnungen der 1D-Gitter ebenfalls hochgenau kalibrieren und vom Kooperationspartner für die weitere Korrektur von Objektiverzeichnungen verwenden.

Referenzen: Arnz, M.; Häßler-Grohne, Wolfgang; Bodermann, Bernd; Bosse, Harald: Calibration of test masks used for lithography lens systems; 22th European Mask and Lithography Conference EMLC, VDE-Verlag, 2006 (GMM-Fachbericht: 49), S. 103 - 114

Hochgenaue Längenmaßweitergabe auf 1D- und 2D-Objekten

 

Hochgenaue Längenmaßweitergabe auf 1D- und 2D-Objekten

 

Untersuchungen an Normalen zur Bestimmung der lithografischen Verkleinerung

Die lithografische Herstellung von Integrierten Schaltkreisen erfolgt in Wafer-Steppern bzw. Wafer-Scannern durch die im Maßstab 1:4 verkleinerte Projektion der Strukturen auf der Maske auf den belackten Wafer. Die Belichtungsmaschinen können den Verkleinerungsmaßstab (sowie weitere Parameter) des Photolithografieobjektives in gewissen Grenzen einstellen und so Längenschwankungen von Maske zu Wafer oder vorherige Maßstabsfehler der Belichtung teilweise kompensieren. Allerdings benötigt der Hersteller des Photolithografieobjektives doch eine Referenz für die Einstellung des Maßstabsfaktors.

Die PTB hat in Kooperation mit einem Hersteller von Photolithografieobjektiven anhand eines Maskenpaares mit aufgebrachten Liniengittern eine solche Maßstabs-Referenz mit dem Maskenmessgerät LMS 2020 kalibriert. Bei dem Maskenpaar handelt es sich um unterschiedlich große Masken, wobei eines, das 200 mm-Objektgitter mit 4 μm Gitterperiode anstelle der Maske im Wafer-Stepper eingesetzt wird und die kleinere 40 mm-Maske als Bildgitter mit einer Gitterperiode von 1 μm an der Stelle des Wafers eingesetzt wird.

 Abbildung 3.1: Photos von Objekt- und Bildgitter des Maskenpaares für die Kalibrierung des Maßstabsfaktors.

Im Folgenden sind die mittels LMS 2020 bestimmten Messergebnisse für die Positionsabweichungen der aufgebrachten 1D-Liniengitter auf beiden Masken dargestellt.

 Abbildung 3.2: Gemessene Positionsabweichungen im 1D-Bildgitter, dargestellt sind die Abweichungen von einer mittleren Gitterperiode von 1000,007 nm.  Abbildung 3.3: Gemessene Positionsabweichungen im 1D-Objektgitter, dargestellt sind die Abweichungen von einer mittleren Gitterperiode von 3999,968 nm.

Die Bestimmung des durch das Gitterpaar verkörperten Verkleinerungs-Maßstabes wurde mit einer Unsicherheit von 5*10-7 durchgeführt. Zudem ließen sich die kalibrierten Verzeichnungen der 1D-Gitter ebenfalls hochgenau kalibrieren und vom Kooperationspartner für die weitere Korrektur von Objektiverzeichnungen verwenden.

Referenzen: Arnz, M.; Häßler-Grohne, Wolfgang; Bodermann, Bernd; Bosse, Harald: Calibration of test masks used for lithography lens systems; 22th European Mask and Lithography Conference EMLC, VDE-Verlag, 2006 (GMM-Fachbericht: 49), S. 103 - 114

Untersuchungen an Normalen zur Bestimmung der lithografischen Verkleinerung

 

Hochgenaue Längenmaßweitergabe auf 1D- und 2D-Objekten

 

Untersuchungen an Normalen zur Bestimmung der lithografischen Verkleinerung

Die lithografische Herstellung von Integrierten Schaltkreisen erfolgt in Wafer-Steppern bzw. Wafer-Scannern durch die im Maßstab 1:4 verkleinerte Projektion der Strukturen auf der Maske auf den belackten Wafer. Die Belichtungsmaschinen können den Verkleinerungsmaßstab (sowie weitere Parameter) des Photolithografieobjektives in gewissen Grenzen einstellen und so Längenschwankungen von Maske zu Wafer oder vorherige Maßstabsfehler der Belichtung teilweise kompensieren. Allerdings benötigt der Hersteller des Photolithografieobjektives doch eine Referenz für die Einstellung des Maßstabsfaktors.

Die PTB hat in Kooperation mit einem Hersteller von Photolithografieobjektiven anhand eines Maskenpaares mit aufgebrachten Liniengittern eine solche Maßstabs-Referenz mit dem Maskenmessgerät LMS 2020 kalibriert. Bei dem Maskenpaar handelt es sich um unterschiedlich große Masken, wobei eines, das 200 mm-Objektgitter mit 4 μm Gitterperiode anstelle der Maske im Wafer-Stepper eingesetzt wird und die kleinere 40 mm-Maske als Bildgitter mit einer Gitterperiode von 1 μm an der Stelle des Wafers eingesetzt wird.

 Abbildung 3.1: Photos von Objekt- und Bildgitter des Maskenpaares für die Kalibrierung des Maßstabsfaktors.

Im Folgenden sind die mittels LMS 2020 bestimmten Messergebnisse für die Positionsabweichungen der aufgebrachten 1D-Liniengitter auf beiden Masken dargestellt.

 Abbildung 3.2: Gemessene Positionsabweichungen im 1D-Bildgitter, dargestellt sind die Abweichungen von einer mittleren Gitterperiode von 1000,007 nm.  Abbildung 3.3: Gemessene Positionsabweichungen im 1D-Objektgitter, dargestellt sind die Abweichungen von einer mittleren Gitterperiode von 3999,968 nm.

Die Bestimmung des durch das Gitterpaar verkörperten Verkleinerungs-Maßstabes wurde mit einer Unsicherheit von 5*10-7 durchgeführt. Zudem ließen sich die kalibrierten Verzeichnungen der 1D-Gitter ebenfalls hochgenau kalibrieren und vom Kooperationspartner für die weitere Korrektur von Objektiverzeichnungen verwenden.

Referenzen: Arnz, M.; Häßler-Grohne, Wolfgang; Bodermann, Bernd; Bosse, Harald: Calibration of test masks used for lithography lens systems; 22th European Mask and Lithography Conference EMLC, VDE-Verlag, 2006 (GMM-Fachbericht: 49), S. 103 - 114

Rastersondenmikroskopie an größeren planaren Messobjekten

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Entwicklung von kantensensitiven Messverfahren

Das erstrebte Ziel ist, Strukturbreiten auf zwei Nanometer genau, letztlich sogar bis hin zu Sub-Nanometern genau, messen zu können. Für Auflösungen im Sub-Nanometerbereich müssen die den optischen Verfahren zugrunde gelegten Modelle der Kantengeometrie verfeinert werden, das heißt Krümmungsradien und Rauheit (Granularität) berücksichtigt werden. Diese quantitativen Angaben zur Topographie im Ortsraum werden sondenmikroskopisch gewonnen. 


Die Rasterkraftmikroskopie ermöglicht das Messen ohne spezielle Präparation der Proben und ohne Vakuum. Als Alternative zu den scannenden Verfahren mit speziellen CD-Sonden, die sowohl in lateraler als auch vertikaler Schwingungsrichtung angeregt werden, wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die Sonde in Einzelpositionen an die Oberfläche angenähert wird - die Einzelpunktantastung. Senkrechte Seitenwände, also Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, können unter einem beliebigen Winkel mit einer großen Anzahl von Punkten abgetastet werden. Ein weiterer Vorteil der Einzelpunktantastung ist die gezielte Steuerung der Sonde: Dem scannenden Messprinzip von Rastersondenmikroskopen liegt ein Modell zugrunde, in dem davon ausgegangen wird, dass der Sondenparameter für den gesamten Scanbereich direkt proportional zum Wechselwirkungsverhalten zwischen Sonde und Probe ist. Die vertikale Position der Sonde, die auf konstantem Abstand von der Topografie gehalten wird, wird aufgezeichnet. Die lateralen Positionen werden aus dem Scanbereich ermittelt, der als exakt äquidistant gerastert vorausgesetzt wird. Im Gegensatz dazu können bei der Einzelpunktantastung passend zu den Material- und Geometrieverhältnissen der jeweils angetasteten Strukturbereiche die Parameter der Sondenresponse individuell eingestellt bzw. ausgewertet werden.

Die Einzelpunktmessmethode verfolgt einen koordinatenmesstechnischen Ansatz, bei dem gezielt ausgewählte Punkte gemessen werden. Das Rasterkraftmikroskop wird so ähnlich wie ein Koordinatenmessgerät betrieben entgegen seiner üblichen Verwendung mit dem Rasterscan-Verfahren, bei dem die Oberfäche in für die lateralen Achsen äquidistanten Punkten und im wesentlichen bei konstantem Abstand von der Oberfläche, abgetastet wird. Steile Kanten können mit den üblichen Rasterscan-Verfahren - auch bei Verwendung spezieller CD-Spitzen - nicht hinreichend aufgelöst werden. Beim Rasterscan, bei dem die Sonde mittels Regelung möglichst auf konstantem Abstand zur Oberfläche gehalten werden soll, wird die Antastsonde entsprechend der Reaktionszeit des Reglers an steilen Kanten besonders belastet. Deren Spitze kann dann in Folge dessen abgetragen werden. Kennzeichen des Einzelpunktmessmodus' ist neben der gezielten Auswahl relevanter Antastpunkte auch, dass mit ihm nahezu ohne Abnutzung oder Veränderung der Sondenspitze gemessen wird. Durch den Non-Kontakt-Betrieb ausschließlich im Bereich der attraktiven Wechselwirkungskräfte ist dieses Verfahren auch hinsichtlich der Sondenabnutzung den Step-In-Geräten (Veritekt, Hitachi) von Vorteil. Problematisch hingegen ist dann jedoch die Definition, wo jeweils der Oberflächenpunkt ist.

Im Zusammenhang mit dem Einzelpunktmessmodus wird das Messgerät im folgenden nicht Rasterkraftmikroskop, sondern AFM gemäß dem englischen Begriff atomic force microscope genannt.

Grundprinzip des neu entwickelten Messmodus ist das Antasten einzelner Punkte auf der Oberfläche, indem die Piezoaktoren, die die Messsonde verfahren, in kleinen Einzelschritten mit einstellbarer Geschwindigkeit in beliebiger Richtung bewegt werden können. Neben dem Antasten der Oberfläche kann die Sonde in gleicher Weise entfernt vom Messobjekt verfahren werden, um sie für einen Antastvorgang geeignet zu positionieren. Das Piezoverstellsystem des AFMs wird dabei in allen drei Achsen auf die zugehörigen Wegmesssysteme geregelt, häufig mittels der Signale von Dehnmessstreifen oder auch kapazitiven Sensoren. Es unterscheidet sich von herkömmlichen AFM-Anwendungen darin, dass nicht nur auf die beiden Wegsensoren der lateralen Achsen geregelt wird, sondern auch auf den der vertikalen. Die vertikale Achse wird also nicht auf das Cantileververhalten geregelt. Das Cantileververhalten - beim Oszillationmodus-AFM die Amplitudendämpfung - wird lediglich abgefragt, um den Annäherungsvorgang an die Oberfläche zu beenden, wenn die Spitze in Wechselwirkung mit der Oberfläche ist. Die einstellbaren Parameter des Antastvorganges sind

  • drei Schrittgrößenwerte für den Schrittvektor;
  • Anzahl der Schritte;
  • Schwellwert für das Sensorsignal, das indiziert, wie stark die Wechselwirkung mit der Oberfläche ist, bei der die Bewegung zu beenden ist (bei AFMs im Oszillationsmodus ist dies zumeist die Amplitudendämpfung);
  • Anzahl der zu sampelnden Werte im Antastpunkt.

Aufgrund der Streuung der Amplitudenwerte wird ein gleitender Mittelwert für den Vergleich mit dem Schwellwert gebildet, die Integrationslänge für den Mittelwert ist ebenfalls einstellbar.
Zu einem Messpunkt gehören vier Bereiche,

  1. die Annäherungsbewegung,
  2. das Wertesampeln im Antastpunkt,
  3. das Freifahren (d.h. die Sonde aus der Wechselwirkung zurückziehen)
  4. und die Bewegung zum nachfolgenden Antastpunkt,

sodass zu einem Messpunkt drei Schrittvektoren mit entsprechenden Schrittzahlen vorgegeben werden müssen. Die im Antastpunkt zu sampelnden Werte sind die Sensorsignale der drei Wegmesssysteme (beim getesteten System sind dies Dehnmessstreifen DMS) und drei Signale zur Cantileverschwingung: die Amplitude, die Phase und die Nulllage.

Wie beim Rasterscan-Verfahren wird auch beim Einzelpunktmodus die Amplitudendämpfung als Maß für den Abstand zur Oberfläche verwendet. Deshalb muss für den Einzelpunktmodus in gleicher Weise die Sensorik der Sonde eingemessen werden - im Fall von AFMs im Oszillationsmodus durch Aufnahme der Kennlinien zur Cantileveroszillation: Amplitudenkennlinie und Resonanzkurve. Da das Phasensignal ein signifikantes Kennzeichen für den Wechsel von attraktiven Wechselwirkungskräften zu repulsiven darstellt, wird auch dieses eingemessen, also Winkelwerten zugeordnet. Während für Rasterscan-Verfahren die Kenntnis der Lage einzelner Strukturen innerhalb des Messbereichs nicht gebraucht wird, wird sie für die Einzelpunktantastung mit der gezielten Antastung ausgewählter Bereiche im Vorhinein gebraucht. Wie in der Koordinatenmesstechnik, wird durch entsprechende Messstrategien die Lage der Kanten gesucht und eingemessen, d.h. eine Objektlagebestimmung durchgeführt. Diese Vorjustage sorgt dafür, dass der Winkel gezielt ausgewählt werden kann, unter dem Strukturseitenwände angenähert werden.

Anhand der auf den Plateaus, also oben auf der Struktur sowie rechts und links neben der Struktur, gemessenen Positionen wird die Messlinie ausgerichtet und die Höhe der Struktur bestimmt, die für die Berechnung der Kantensteigung zugrunde gelegt wird. Die Kantensteigung ergibt sich aus dem Kantenfinder, der hier durch Fitten einer Sigmoidalfunktion an die Seitenwanddaten realisiert wird. Es werden derzeit unterschiedliche Ansätze zur Bestimmung des Krümmungsradius der Kante getestet. Die hier gezeigte Abbildung soll das Messprinzip der Einzelpunktantastung veranschaulichen und zeigt die rohen Messpunkte, in die der Sondenradius und der Winkel des Öffnungskonus der Sonde eingeht: