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Rekonstruktion von nanostrukturierten Oberflächen durch Röntgenkleinwinkelstreuung (GISAXS)

27.10.2017

Modellierung von Röntgenstreuintensitäten auf Basis der finiten-elemente Methode: Die untere Abbildung vergleicht das rekonstruierte Model eines Gitterprofils aus GISAXS-Messungen mit Querschnittsaufnahmen eines Rasterelektronen- mikroskopes.

Indirekte Messmethoden wie Röntgenkleinwinkelstreuung können bei der dimensionellen Rekonstruktion von nanostrukturierten Oberflächen eingesetzt werden, wie erste Studien an der PTB verdeutlichen. Unsicherheiten unterhalb von 1 nm lassen sich durch die Messung der winkelaufgelösten Intensitätsverteilungen im Röntgenstreuprozess realisieren.

Die fortschreitende Entwicklung in der Miniaturisierung stellt die Metrologie vor immer neue Herausforderungen. Im Bereich der Photolithographie sind in aktuellen Entwicklungen schon Strukturgrößen von 10 nm bis 20 nm vertreten. Eine metrologische Vermessung dieser meist gitterähnlichen nanostrukturierten Oberflächen ist eine enorme Herausforderung für die bisher eingesetzten Messmethoden. Diese Entwicklung wird sich durch den sich abzeichnenden Wechsel auf die sogenannte EUV-Lithographie noch weiter verschärfen, und es wird weltweit nach Lösungsmöglichkeiten und Alternativen geforscht.

Bei der Röntgenstreuung wird die Wechselwirkung der einfallenden Röntgenphotonen mit der nanostrukturierten Oberfläche untersucht. Bedingt durch die sehr kurze Wellenlänge und dem streifenden Strahlungseinfall der Röntgenstrahlung zeichnet sich diese Methode durch eine hohe Oberflächensensitivität aus. Auch wegen der sehr kurzen benötigten Messzeit ist sie ein idealer Kandidat für eine mögliche Prozesskontrolle im industriellen Umfeld. Da es sich aber um kein direktes Abbildungsverfahren handelt, kann nicht direkt von den gestreuten Photonen auf die Form des Streuobjektes geschlossen werden. Hierfür müssen aufwendige Modellierungs- und Optimierungsverfahren angewandt werden. Der Einsatz von sogenannten rigorosen „Maxwell-Solvern“ auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) wurde im Röntgenbereich bisher immer ausgeschlossen. Die sehr kurze Wellenlänge führt dazu, dass auch die Größe der einzelnen Elemente sehr klein sein muss, was die Speicherkapazitäten von aktuellen Computern überfordert.

Diese Beschränkung lässt sich jedoch durch eine Anpassung der Messgeometrie umgehen. Unter streifendem Einfall der Röntgenstrahlung und einer konischen Ausrichtung des Gitters kann die Größe der finiten Elemente um eine Größenordnung angehoben werden, was im Gegenzug den erforderlichen Speicherbedarf und die Rechenzeit signifikant reduziert. Dadurch lassen sich auch statistische Validierungsverfahren wie zum Beispiel Markov-Chain-Monte-Carlo für die Rekonstruktion einsetzen. Die mit diesem Verfahren kürzlich untersuchten Gitterstrukturen mit Strukturgrößen von 50 nm bis 65 nm zeigen, dass eine Rekonstruktion der Oberflächenstruktur mit einer Unsicherheit im Bereich von sub-nm möglich ist.

 

Ansprechpartner:

A. Fernández Herrero, 7.12, E-Mail: Opens window for sending emailAnalia.Fernandez.Herrero(at)ptb.de

V. Soltwisch, 7.12, E-Mail: Opens window for sending emailVictor.Soltwisch(at)ptb.de

 

V. Soltwisch, A. Fernández Herrero, M. Pflüger, A. Haase, J. Probst, C. Laubis, M. Krumrey, F. Scholze,Opens external link in new window Reconstructing detailed line profiles of lamellar gratings from GISAXS patterns with a Maxwell solver, J. Appl. Cryst. 50, 1524-1532 (2017)