Schnelle Weißlicht-Müller-Matrix-Scatterometrie zur Charakterisierung von Nanostrukturen mit großem Parameterraum
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde die Weißlicht-Müller-Matrix-Fourier-Scatterometrie als neuartige Messmethode zur modellgestützten Charakterisierung komplexer Halbleiter-Nanostrukturen untersucht. Wie es der Name bereits andeutet, kombiniert der vorgeschlagene Ansatz die bewährten Techniken der Fourier-Mikroskopie, Fourier-Spektroskopie und Müller-Polarimetrie in einem Sensor und ermöglicht die Vermessung der gleichermaßen winkel- und wellenlängenaufgelösten Müller-Matrix der Probe. Der im Vergleich zu konventionellen scatterometrischen Methoden deutlich gesteigerte Informationsgehalt der Messung verbessert die Eindeutigkeit und Robustheit der anschließenden Rekonstruktion signifikant. Mithilfe einer detaillierten Sensitivitätsanalyse auf der Basis rigoroser RCWA-Simulationen konnte nachgewiesen werden, dass der Einsatz der winkel- und wellenlängenaufgelösten Müller-Matrix insbesondere bei komplexen Multi-Parameter-Problemen sowohl die Messunsicherheiten der einzelnen Parameter als auch die Kreuzkorrelationen zwischen den Parametern senkt. Hierfür wurde ein breites Spektrum an Teststrukturen untersucht (dichte sowie isolierte Liniengitter, verschiedene Wiederholperioden und Materialien). Ein besonderer Fokus lag auf der Rekonstruktion potentiell asymmetrischer (Sub-)Nanometer-Abweichungen der Gitterstrukturen von der jeweiligen Sollform – diese sind aufgrund geringer Streuvolumina in der Praxis meist besonders schwer zu detektieren. Des Weiteren wurde getestet, ob ausreichende Sensitivität für die zusätzliche Rekonstruktion der optischen Materialeigenschaften besteht. Die vorgeschlagene Messtechnik kann im Allgemeinen beiden Problemstellungen gut und flexibel begegnen. Darüber hinaus wurde die Sensitivitätsanalyse für die Erarbeitung konkreter Messvorschriften genutzt. Neben Faustregeln hinsichtlich des verwendeten Wellenlängenbandes und der minimal benötigten Wellenlängenauflösung konnten zwei verschiedene Auswerteverfahren vorgeschlagen werden: eine Verwendung des gesamten aufgenommenen Datensatzes ist schnell und robust, während eine vorhergehende Datenselektion auf der Basis von Simulationen oder Erfahrungswerten die Messunsicherheiten noch etwas weiter reduziert und/oder speziell auf die Struktur angepasste Optimierungen zulässt. Um die praktische Anwendbarkeit der Messmethode demonstrieren zu können, wurde anschließend ein entsprechender Labor-Demonstrator ausgelegt und aufgebaut. Für die Berechnung der Müller- Matrix sind pro Teststruktur aktuell vier Messungen bei unterschiedlichen Winkelstellungen des Polarisators und Analysators nötig. Zusätzlich muss jede Messung kalibriert werden, um die Systemeinflüsse zu beseitigen und korrekte relative Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Messungen zu garantieren. Hierfür werden Referenzmessungen auf besonders einfachen Kalibrierproben mit bekannten Eigenschaften durchgeführt. Die Güte der modellgestützten Rekonstruktion wurde abschließend an drei dichten Silizium-Liniengittern mit Wiederholperioden im Sub-Wellenlängenbereich (150 nm, 116 nm und 96 nm) getestet. Die ermittelten Werte stimmen gut mit zusätzlichen REM- und AFM-Messungen überein, was einerseits die eindeutige Unterscheidbarkeit der ähnlichen Strukturen nachweist und andererseits nahelegt, dass die Methode keine relevanten systematischen Messfehler aufweist. In Summe konnten sämtliche Hauptziele des Projekts erreicht werden. Die im Projektplan alternativ vorgeschlagene Messmethode mit photoelastischen Modulatoren und einer Hochgeschwindigkeitskamera konnte aufgrund massiver technischer Probleme mit der Kamera bis dato jedoch nicht umgesetzt werden. Als offene Punkte verbleiben somit der experimentelle Nachweis der Messzeit-Reduktion durch den obigen alternativen Ansatz sowie eine Erweiterung der bereits durchgeführten Messungen hinsichtlich der Anzahl Modellparameter und der verwendeten Proben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Optical sensor design for fast and process-robust position measurements on small diffraction gratings“, Optics and Lasers in Engineering 134, 106267 (2020)
M. L. Gödecke, C. M. Bett, D. Buchta, K. Frenner und W. Osten
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„White-light Mueller-matrix Fourier scatterometry for the characterization of nanostructures with large parameter spaces”, Proceedings of SPIE 11325, 113250V (2020).
M. L. Gödecke, K. Frenner und W. Osten
