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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
]

Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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2196-7113
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Volume 85, Issue 2

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Methode zur Erfassung periodischer Sub-Wellenlängen-Nanostrukturen für den In-Prozess-Einsatz

Method to measure periodical sub-wavelength nanostructures for an in-process application

Dirk StöbenerORCID iD: http://orcid.org/0000-0002-1624-2106 / Gabriela Alexe
  • Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitäts wissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, 28359 Bremen Germany
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/ Andreas Tausendfreund
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Published Online: 2017-11-13 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2017-0093

Zusammenfassung

Das Verfahren der Scatterometrie bietet das Potenzial periodische Nanostrukturen wie z. B. Gitter prozessintern zu prüfen. Allerdings liefert es keine Topografiedatensätze, sondern nur Oberflächenparameter wie z. B. die Stegbreite einer Nanostruktur und dies auch nur, sofern der Zusammenhang zwischen Streulichtverteilung und Oberflächenparametern durch Untersuchungen bekannt ist. Dieser Beitrag beschreibt einen Scatterometrie-Ansatz zur nanometergenauen In-Prozess-Erfassung der lokalen Höhen eines sinusförmigen Nanogitters. Da der Zusammenhang zwischen der Gitterhöhe und der resultierenden Streulichtverteilung nicht bekannt war, wurde der Streuprozess mit einem numerischen Modell für unterschiedliche Oberflächen und Messparameter simuliert. Im Ergebnis ergaben sich ein Messaufbau und eine Messmethodik, mit denen eine eineindeutige Messung der Gitterhöhe bis 500 nm erreicht wurde. Zusätzlich wurde die Unsicherheit des Messansatzes basierend auf den Simulationsergebnissen für unterschiedliche Mess- und Simulationsparameter, wie z. B. den Einfallswinkel und die Laserwellenlänge, untersucht. Die resultierende Messunsicherheit der Gitterhöhe ist gegenwärtig durch unbekannte systematische Messabweichungen limitiert und beträgt bei der Verwendung von Laserlicht im sichtbaren Wellenlängenbereich ≤ 8 nm. Eine experimentelle Überprüfung des Messansatzes mit einem Laboraufbau konnte die Sensitivität für die Identifizierung von lokalen Abweichungen der Gitterhöhe belegen. Bei der Verwendung eines angepassten Detektionssystems für die Streulichtverteilung sind prinzipiell Messraten bis in den MHz-Bereich erreichbar, so dass der Ansatz für In-Prozess-Anwendungen geeignet ist.

Abstract

Scatterometry has the potential to evaluate periodical nanostructures, like e.g. gratings, during the manufacturing process. But, the method does not measure topography data sets. Instead, it determines surface property parameters, like e.g. the width of a nanostructure, and this can only be achieved, if the relationship between scattered light distribution and surface property is known. This paper presents a scatterometry-based approach for an in-process determination of the local heights of a sinusoidal grating imprinted in a foil. Initially, the relationship between the grating height and the resulting light distribution was not known. Hence, the scattering process has to be simulated for different surfaces and measuring parameters with a numerical model. The simulation results were used to derive a measurement method and a setup, which enabled to achieve biunique measurements of grating heights up to 500 nm. Additionally, the uncertainty of the approach was investigated based on the simulation results for different measurement and simulation parameters, like e.g. angle of incidence and laser wavelength. The determined measurement uncertainty of the grating height is recently limited by unknown systematic measurement deviations and is below a value of 8 nm, if laser light in the visible wavelength range is used. An experimental evaluation of the measurement approach with a laboratory setup proofed its sensitivity for the identification of local grating height deviations. If a suitable detection system is used for the scattered light distribution, measurement rates up to the MHz-range can be achieved, which shows that the approach is appropriate for an in-process application.

Schlagwörter: Nanostrukturen; Scatterometrie; Beugung; optische Gitter

Keywords: Nanostructures; scatterometry; diffraction; optical gratings

About the article

Dirk Stöbener

Dirk Stöbener absolvierte ein Physik-Studium an der Universität Bremen und ist seit 2000 am BIMAQ als Leiter der Arbeitsgruppe „In-prozess Messtechnik und Optik“ tätig. Seine Forschungsinteressen umfassen akustische und optische Verfahren zur fertigungsnahen Messung von Werkstückeigenschaften wie z. B. den Dimensionen, der Verformung oder der Rauheit.

Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, 28359 Bremen

Gabriela Alexe

Gabriela Alexe studierte Physik an der Universität Bukarest, Rumänien, und ist seit 2015 wissenschaftliche Mitarbeiterin am BIMAQ, Arbeitsgruppe „In-prozess Messtechnik und Optik“. Ihr Arbeitsgebiet ist die Untersuchung und Beschreibung der Lichtstreuung an Nanostrukturen auf der Basis von Maxwell-Gleichungen mit dem Ziel der Entwicklung von schnellen In-Prozess-Messverfahren.

Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, 28359 Bremen

Andreas Tausendfreund

Andreas Tausendfreund studierte Physik an der Universität Bremen und ist seit 2005 wissenschaftlicher Mitarbeiter am BIMAQ, Arbeitsgruppe „In-prozess Messtechnik und Optik“ Seine Arbeitsgebiete sind der Einsatz von optischen Messverfahren in Fertigungsprozessen und die Untersuchung und Beschreibung der Lichtstreuung an Nanostrukturen auf der Basis von Maxwell-Gleichungen.

Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, 28359 Bremen

Andreas Fischer

Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Fischer übernahm am 1. August 2016 die Leitung des Bremer Instituts für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ) am Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen. Nach dem Studium der Elektrotechnik und der daran anschließenden Promotion, für die er u. a. 2010 mit dem Messtechnik-Preis der AHMT e. V. ausgezeichnet wurde, habilitierte er sich auf dem Gebiet der Messtechnik am Institut für Mess- und Sensorsystemtechnik der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik an der Technischen Universität Dresden. Zu seinen Forschungsinteressen zählen laseroptische Messsysteme für hochdynamische Strömungs-, Fertigungs- und Materialprüfungsprozesse sowie messsystemtheoretische Ansätze zur Beschreibung von Messbarkeitsgrenzen.

Universität Bremen, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Linzer Str. 13, 28359 Bremen


Revised: 2017-09-19

Accepted: 2017-10-10

Received: 2017-07-20

Published Online: 2017-11-13

Published in Print: 2018-02-23


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 85, Issue 2, Pages 88–96, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2017-0093.

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