Neues Verfahren für Charakterisierung von Nanostrukturen

Im PTB-Labor können jetzt auch sehr kleine Messfelder mittels Röntgen­kleinwinkel­streuung untersucht werden

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Teststruktur: Die metrologische Zielstruktur (periodische Linien) wurde gedreht zur umgebenen chaotischen Struktur aufgebracht, um die Streusignale in der Röntgenkleinwinkelstreuung separieren zu können. Abbildung: PTB

Im PTB-Labor am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin-Adlershof ist der Nachweis gelungen, dass auch Messfelder mit einer Größe von wenigen Mikrometern mittels Röntgenkleinwinkelstreuung in Reflexionsgeometrie unter streifendem Einfall charakterisiert werden können. Das Problem der Signalüberlagerung, weil der einfallende Strahl auch die Umgebung der Messfelder beleuchtet, kann dabei mit einem einfachen Trick umgangen werden. Die Idee dahinter beruht auf einer minimalen Drehung der Messfelder in Bezug zu den umgebenden Nanostrukturen.

Für die Qualitätskontrolle nanostrukturierter Oberflächen werden in der Industrie Testfelder aus periodisch angeordneten Strukturen eingesetzt. Unter anderem werden diese Felder in lithographischen Anwendungen über eine Photomaske verteilt, um die Qualität der umgebenden Waferstruktur, die nach dem Prozessieren die logischen Schaltkreise abbildet, zu kontrollieren. Aus Kostengründen sind diese Kontrollfelder meist auf unter (50x50) µm² in ihrer Fläche beschränkt. Für eine Charakterisierung dieser sehr kleinen Strukturen ist Röntgenstreuung ein idealer Kandidat. Die sehr kurze Wellenlänge von monochromatischer Röntgenstrahlung in Kombination mit der periodischen Anordnungen der Nanostrukturen erlaubt über die Diffraktion der einfallenden Strahlung die geometrische Form sehr präzise zu bestimmen.

Dieses Verfahren wird in der sogenannten Transmissionsgeometrie, also wenn die Strahlung die Probe durchdringen kann, auch schon sehr häufig eingesetzt. Die Absorption der Röntgenstrahlung bildet dabei aber eine natürliche Begrenzung für diese Methode, die die Dicke der zu untersuchenden Proben beschränkt. Röntgenkleinwinkelstreuung in Reflexionsgeometrie unter streifendem Einfall (GISAXS) umgeht dieses Problem. Wegen der für diese Methode notwendigen sehr kleinen Einfallswinkel verlängert sich jedoch die Projektion des einfallenden Strahls auf der Probe derart, dass es zu Überlagerungen des Signals der Testfelder mit dem Signal der umgebenden Struktur kommt. Aus diesem Grund wurde GISAXS bisher als Alternative für metrologische Anwendungen verworfen.

Teststrukturen, die in dem neuen Verfahren in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin entwickelt und im Elektronenstrahl-Lithographieverfahren gefertigt wurden, konnten jetzt jedoch erfolgreich in der PTB durch GISAXS charakterisiert werden und demonstrieren das Potenzial dieser neuen Methode. Das Verfahren wurde kürzlich auch zum Patent angemeldet.
 

Ansprechpartner:

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Fachbereich 7.1: Radiometrie mit Synchrotronstrahlung
PTB-Labor bei BESSY

Mika Pflüger
E-Mail: Mika.Pflueger(at)ptb.de
Tel.: +49 30 3481-7118

Victor Soltwisch
E-Mail: Victor.Soltwisch(at)ptb.de
Tel.: +49 30 3481-7129
 

Publikation:

M. Pflüger, V. Soltwisch, J. Probst, F. Scholze, M. Krumrey, IUCrJ 4, Grazing-incidence small-angle X-ray scattering (GISAXS) on small periodic targets using large beams, 431-438 (2017)
 

Siehe dazu auch PTB-Nachricht: Rekonstruktion von nanostrukturierten Oberflächen durch Röntgenkleinwinkelstreuung (GISAXS)