Optische Meßtechnik für die Ultrapräzisionsbearbeitung:

Von der Asphärenprüfung bis zur Defektanalyse

1. Optische Meßtechnik zur DUV-Lithografie

Die optische Lithografie hat für die Herstellung von Mikrometer- und Submikrometer-Strukturen extrem stark an Bedeutung gewonnen. Strukturbreiten bis hinunter zu 200 nm sollen die anstehende Generation von Herstellungsverfahren in der Mikroelektronik sichern. Neue optische Technologien versprechen eine weitere Reduktion der Strukturgrößen.

Im Gegensatz zu anderen Technologien ist die optische Lithografie außerordentlich kostengünstig. Die Röntgenlithografie benötigt teure Quellen wie Synchrotrons, und die Elektronen- oder Ionenlithografie ist auf gutes Vakuum angewiesen, das eine kostengünstige Manipulation in der Fertigung nicht gewährleisten kann.

1.1 Hochgenaue Asphärenprüfung und adaptive Pupillenanpassung

Die hochgenaue Form- und Fehlerprüfung an asphärischen Flächen in der industriellen Fertigung ist ein ungelöstes Problem. Asphärische Flächen werden zukünftig vermehrt eingesetzt, da sie neben einer Qualitätsverbesserung auch eine Reduktion der Komponenten bewirken.

Die weiter fortschreitende Verbesserung der Fertigungstechnologien für asphärische Flächen erfordert auch die Entwicklung neuer schneller und flexibler Verfahren zur Defekterkennung und Vermessung. Mit statischen Kompensatoren geht die Umstellung auf neue Prüflinge zwangsläufig mit einem Neudesign des Kompensators (Nullinse, CGH oder CGH mit Korrektionselement) einher. Die aufwendige und teure Rechnung und Fertigung von Nulllinsen dauert Wochen. Dies kann durch den Einsatz von Computer Generierten Hologrammen (CGH's) vereinfacht und beschleunigt werden. Bei der Vermessung der asphärischen Oberflächen werden sowohl Formfehler als auch Defekte erkannt.

Die Umsetzung dieses Meßverfahrens zur hochgenauen Interferometrie auch für große Aperturen setzt die Möglichkeit zur Realisierung von entsprechend hochpräzisen CGH's voraus. Erfahrungen mit der Herstellung von CCH's liegen am Institut vor.

Am Institut sind ebenfalls Erfahrungen mit neuartigen Membranspiegeln [1] vorhanden, die u.a. auch zur Wellenfrontanpassung in der Ashärenprüfung eingesetzt werden können.

Durch die starke Miniaturisierung kann das Elernent auch in einer fertigungsnahen Umgebung leicht in Meßaufbauten integriert werden. Mit dem gleichen System kann auch eine flexible online Korrektur der Aberrationen in der Pupille erreicht werden.

Am Institut für Technische Optik wurden schon umfangreiche Arbeiten zur Asphärenmessung, insbesondere auch mit Computer-generierten Hologrammen (CGH's) an kleineren Pupillen durchgeführt [2-4]. Schwerpunkt der gegenwärtigen und zukünftigen Arbeit ist die hochpräzise Asphärenmessung über große Aperturen mit CGH's. Hierbei ergeben sich neue Anforderungen an die Präzision der Hologramme.

1.2 Meßtechnik für Fertigung und Justage von DUV-Hochleistungsobjektiven

Die Fertigung und Justage von Hochleistungsobjektiven und Lithografiesystemen wird durch die verfügbare Meßtechnik begrenzt. Neue, effiziente Meßverfahren tragen dazu bei, diese zu vereinfachen. Wichtige Teilaspekte sind dabei die Verzeichnungsmessung von Lithografieobjektiven. Das Institut für Technische Optik ist bereits erfolgreich im Bereich der Entwicklung und Verbesserung von Verfahren für die Verzeichnungsmessung tätig und hat Meßgenauigkeiten von unter 5 nm erreicht. Dabei geht es zunehmend auch um die Elimination von Umwelteinflüssen und neuartige Verfahren zur Kalibrierung von Meßobjekten.

Neben der Verzeichnungsmessung gewinnt die Vermessung weiterer Bildfehler zunehmend an Bedeutung. Hier müssen neue Konzepte entwickelt werden. Strehlratio's besser als 0,95 müssen erreicht werden.

1.3 Beleuchtungsoptik

Nano- und Sub-Mikrostrukturen ermöglichen neue Verfahren in der Beleuchtungstechnik. In Lithografiesysternen werden diffraktive Elemente zur Homogenisierung und zur Kohärenzgradwandlung eingesetzt (diffraktive Diffusoren). Neuartige Beleuchtungssysteme für allgemeine Einsatzbereiche können mit Sub-Mikrostrukturen und Massenfertigung analog zur CD-Technologie realisiert werden. Solche Beleuchtungssysteme bieten neue Möglichkeiten und Potentiale z.B. auch in der Kraftfahrzeugbeleuchtung. Das Institut für Technische Optik beschäftigt sich mit der Berechnung, der Optimierung, der Simulation und der Herstellung derartiger diffraktiver Elemente.

2. Optische Meßtechnik für Nano- und Mikrostrukturen

Die optische Fernfeld-Meßtechnik besitzt gegenüber den konkurrierenden Verfahren, wie Raster-Elektronenmikroskopie und Raster-Tunnel/Kraft-Mikroskopie trotz der geringeren lateralen Auflösung entscheidende Vorteile:

(i) Arbeit an Luft

(ii) Ein großes Meßfeld, d.h. kurze Meßzeiten, durch die Parallelität des Meßverfahrens

(iii) In der Lithografie ist die Konsistenz gewährleistet, da Strukturierung und Messung im gleichen Welenlängenbereich erfolgen.

Häufig ist außerdem a-priori Information über die zu untersuchende Struktur vorhanden (z.B. Material, Schichtdicke); dann ist eine zuverlässige Unterschreitung der lateralen l /2 Auflösungsgrenze möglich.

2.1 Vermessung von Mikrolinsenarrays mit konfokaler Mikroskopie

Mikrolinsenarrays gewinnen in vielen Einsatzbereichen zunehmende Bedeutung, so z.B. zur Faserkopplung von Diodenlasern, in der Displaytechnik und in der Meßtechnik. Neben der aufwendigen Einzellinsenvermessung mit interferometrischen Verfahren bietet sich eine neuartige Variante der konfokalen Mikroskopie [5] zur Vermessung von Linsenarrays an. Hiermit werden die Homogenität der Brennweite und die wesentlichen Abbildungseigenschaften der Linsen bestimmt. Es wurden am Institut für Technische Optik bereits Grundlagenarbeiten geleistet sowie das prinzipielle Meßverfahren demonstriert. Der entscheidende Vorteil dieser Technik besteht darin, daß eine große Anzahl von Linsen parallel vermessen und charakterisiert werden kann (bis zu einigen 1000 in einem Meßzyklus), was einen entscheidenden Vorteil für eine produktionsnahe Qualitätskontrolle besitzt.

2.2 Hochauflösende Vermessung der Mikrostruktur-Geometrie

Zur optischen Mikrostruktur-Breitenmessung werden noch klassische mikroskopische Verfahren (sichtbare Optik, Hellfeld, Dunkelfeld, Konfokal) in Verbindung mit Schwellwertkriterien eingesetzt. Damit lassen sich Strukturbreiten bis 1 µm und, bei abnehmender Genauigkeit, bis 0,5 µm messen.

Um die Vorteile der Optik auch für kleinere Strukturen nutzen zu können, läuft die technisch/wissenschaftliche Entwicklung auf dem Gebiet der optischen Mikrostrukturanalyse in Richtung kürzerer Wellenlängen (UV-Mikroskopie), Einsatz adaptiv-optischer Verfahren, höherer Meßraten und Struktur-Rekonstruktion mittels Bildverarbeitung (super-resolution algorithmus). Auf allen Gebieten ist das ITO aktiv an der Forschung beteiligt.

So steht am ITO eine ganze Palette von Verfahren zur Untersuchung von Mikrostrukturen (wie sie z.B. in der Halbleitertechnik vorkommen) zur Verfügung, die außerdem die dritte Dimension erfassen. Es sind Verfahren der konfokalen Mikroskopie und Weißlicht- Interferenzmikroskopie sowie die Interferenzmikroskopie und eine kürzlich entwickelte phasenschiebende Ellipsometrie zur Kantendetektion. Auf numerisch/theoretischer Seite werden rigorose Rechenverfahren, wie die IEA (lntegralgleichungsmethode) und die RCWA (rigorous coupled wave analysis) zur Berechnung der Nahfelder und der zugehörigen partiell kohärenten Abbildung eingesetzt. Damit konnten in letzter Zeit verschiedene Phänomene der optischen Mikrostrukturanalyse im sub-µm Bereich (Polarisationseffekt, supersteile Kantenbilder) aufgeklärt werden [6,7]. Neuartige Meßprinzipien auf Grundlage dieser Effekte werden z.Z. untersucht.

Entsprechend der Entwicklung in der Lithographie ist eine Ausdehnung der Mikrostrukturanalyse in den UV und DUV Spektralbereich notwendig. Aufgrund der stark erhöhten Stabilitätsanforderungen sollten die Aufbauten möglichst kompakt, einfach (geringe Anzahl der optischen Komponenten) und möglichst schnell sein.

Zur flächenhaften Form- und Oberflächenmessung werden zur Zeit noch überwiegend taktile Verfahren eingesetzt. Zukünftig werden aber vermehrt flächenhafte optische Meßverfahren verwendet, wie Weißlicht-Interferometrie und konfokale Mikroskopie, evtl. in Kombination mit polarisiationsoptischen Verfahren (8,9]. In jüngster Zeit hat das ITO gezeigt, daß die Ergebnisse der taktilen und der berührungslosen schnelleren optischen Verfahren gut übereinstimmen. Neue Hardware-Lösungen werden zukünftig die Meßzeiten noch deutlich senken.

2.3 Defektanalyse an periodischen Strukturen mittels Selbstfiltrierung

Das Erkennen von Defekten in periodischen Strukturen ist für heutige und zukünftige industrielle Anwendung speziell in der Mikroelektronik von großem Interesse. Bei einem Wafer mit Durchmesser 150 mm und einer zu detektierenden Defektgröße von 0.5 µm sind immerhin mehr als 10¹¹ Pixel zu inspizieren. Im Moment werden schon 300mm-Wafer eingesetzt und der Trend läuft zu noch größeren Durchmessern.

Um Defekte zu erkennen, bieten sich digital-elektronische oder optisch-analoge Bildverarbeitung an. Gegenüber digitaler Bildverarbeitung kann eine rein optische Untersuchung entscheidende Vorteile bieten. So können nur optische Verfahren in Echtzeit große Datenmengen verarbeiten. Die Defekterkennung in periodischen Mikrostrukturen erfordert das Unterdrücken der periodischen Struktur, wobei gleichzeitig sehr schwache Defektsignale detektieren werden müssen; desweiteren ist für die industrielle Applikation ein möglichst einfaches, robustes System anzustreben.

Der am Institut für Technische Optik entwickelte Selbstfilter [10,11] kann verglichen zu anderen Verfahren speziell mit seinem einfachen Ein-Strahl-Aufbau, einfacher Justage bei hoher Flexibilität, hoher Auflösung, guter optischer Qualität und hohem Signal-Rausch-Verhältnis Praxisnähe demonstrieren. Zur Defektanhebung wird in einem Fourierprozessor ein nichtlineares optisches Element eingesetzt. Dabei handelte es sich zunächst um BSO, später wurde auf optisch adressierbare Flüssigkristalle übergegangen.