DE102015215559B4 - Verfahren zur hochauflösenden Abbildung eines Oberflächenbereiches bei streifendem Einfall der Messstrahlung - Google Patents

Verfahren zur hochauflösenden Abbildung eines Oberflächenbereiches bei streifendem Einfall der Messstrahlung Download PDF

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Abstract

Verfahren zur hochauflösenden Abbildung eines Oberflächenbereiches eines Objektes (3), insbesondere für die Mikroskopie, bei demder Oberflächenbereich unter streifendem Einfall mit Messstrahlung (1) beleuchtet und am Oberflächenbereich reflektierte Messstrahlung (2) mit einem ortsauflösenden Detektor (4) erfasst wird, um ein erstes Bild des Oberflächenbereiches unter einer ersten Einfallsrichtung der Messstrahlung (1) auf den Oberflächenbereich aufzuzeichnen, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aufzeichnung des ersten Bildes wenigstens ein weiteres Bild des Oberflächenbereiches unter einer geänderten Einfallsrichtung der Messstrahlung (1) auf den Oberflächenbereich aufgezeichnet wird, und aus dem ersten und dem wenigstens einen weiteren Bild ein gegenüber dem ersten Bild höher aufgelöstes Bild des Oberflächenbereiches rekonstruiert wird.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochauflösenden Abbildung eines Oberflächenbereiches eines Objektes, insbesondere für die EUV- oder VUV-Mikroskopie, bei dem der Oberflächenbereich unter streifendem Einfall mit Messstrahlung beleuchtet und am Oberflächenbereich reflektierte Messstrahlung mit einem ortsauflösenden Detektor erfasst wird, um ein Bild des Oberflächenbereiches aufzuzeichnen.
  • Der Spektralbereich optischer Strahlung mit Wellenlängen zwischen ca. 5 nm und 200 nm ist für messtechnische Anwendungen von besonderem Interesse. Strahlung in diesem Wellenlängenbereich, auch als EUV- oder VUV-Strahlung bezeichnet (EUV: Extrem Ultraviolett - VUV: Vakuum Ultraviolett), weist eine verglichen mit sichtbarem Licht und auch mit Röntgenstrahlung starke Wechselwirkung mit Materie auf. Viele Elemente besitzen Absorptionskanten in diesem Spektralbereich, die für einen Kontrast in der Messung genutzt werden können. EUV- und VUV-Strahlung kann daher im Bereich der Mikroskopie sehr vorteilhaft für Proben aus beliebigen Materialien eingesetzt werden. Allerdings bestehen bei Einsatz von Messstrahlung in diesem Spektralbereich bestimmte Einschränkungen. So können in Transmission nur sehr dünne Proben (« 1 µm) untersucht werden, da diese Messstrahlung eine sehr hohe Absorption in Materie aufweist. Bei Messungen in Reflexion können viele Proben unter Einfallswinkeln nahe der Probennormale nicht untersucht werden, da sie keine ausreichende Reflektivität aufweisen.
  • Als universelle Methode zur Untersuchung von beliebigen Proben bietet sich die Messung der Reflexion im streifenden Einfall (≤ 30° zur Oberflächenebene der Probe) an, die sich den Effekt der externen Totalreflexion zu Nutze macht. Proben aus beliebigen Materialien bieten bei diesen Einfallswinkeln eine ausreichende Reflektivität für eine mikroskopische Untersuchung.
  • Stand der Technik
  • So zeigt bspw. die Veröffentlichung von M. Baba et al., „Submicron scale image observation with a grazing incidence reflection-type single-shot soft X-ray microscope", Japanese Journal of Applied Physics 53 (2014), Seiten 080302-1 bis 080302-4, ein Beispiel für die Mikroskopie in diesem Spektralbereich, bei dem die Probenoberfläche unter streifendem Einfall mit der Messstrahlung beleuchtet und am Oberflächenbereich reflektierte Messstrahlung mit einem ortsauflösenden Detektor erfasst wird.
  • Aus der US 5 268 742 A ist ein Verfahren zur hochauflösenden Abbildung eines Objektes bekannt, bei dem die Oberfläche des Objektes aus einer Richtung unter streifendem Einfall mit einem Laserstrahl beleuchtet und der von der Objektoberfläche reflektierte Strahl mit einem Referenzstrahl interferometrisch überlagert wird.
  • M. Banyay et al., „Table-top reflectometer in the extreme ultraviolet for surface sensitive analysis", in: Applied Physics Letters, Vol. 94, 2009, S. 063507-1 bis 063507-3 beschreiben ein Verfahren zur Untersuchung von Oberflächen, bei dem die Oberfläche unter streifendem Einfall mit EUV-Messstrahlung beleuchtet und die Messstrahlung nach Reflexion an der Oberfläche spektral aufgespalten wird.
  • Bei Messungen im streifenden Einfall ist jedoch die mögliche räumliche Auflösung entlang einer Probenrichtung fundamental eingeschränkt. Die flachen Einfallswinkel führen zu einer effektiven Verkleinerung der Probenstrukturen in Projektion. Strukturen scheinen entlang dieser Richtung nach der Reflexion um einen Faktor vom Sinus des Einfallswinkels kleiner als in der Richtung senkrecht dazu. Die Verkleinerung der Probenstrukturen durch die Projektion bewirkt eine Verschlechterung der räumlichen Auflösung eines Detektorsystems bezogen auf die Probenoberfläche. Dieser Effekt begrenzt die Realisierbarkeit von hochauflösenden Messgeräten im streifenden Einfall.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur hochauflösenden Abbildung eines Oberflächenbereiches eines Objektes anzugeben, das bei streifendem Einfall der Messstrahlung insgesamt eine höhere räumliche Auflösung bietet. Das Verfahren soll sich insbesondere für die optische Abbildung und/oder Mikroskopie im EUV-/VUV-Spektralbereich eignen.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der abzubildende Oberflächenbereich der zu vermessenden Probe unter streifendem Einfall mit Messstrahlung beleuchtet und am Oberflächenbereich reflektierte Messstrahlung mit einem ortsauflösenden Detektor erfasst, um ein erstes Bild des Oberflächenbereiches unter einer ersten Einfallsrichtung der Messstrahlung auf den Oberflächenbereich aufzuzeichnen. Der streifende Einfall entspricht einem Einfallswinkel von vorzugsweise ≤ 30° zur Oberflächenebene des Objektes bzw. der Probe im Oberflächenbereich. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nach der Aufzeichnung des ersten Bildes wenigstens ein weiteres Bild des Oberflächenbereiches unter einer geänderten Einfallsrichtung der Messstrahlung auf den Oberflächenbereich aufgezeichnet. Aus dem ersten und dem wenigstens einem weiteren Bild wird dann ein gegenüber dem ersten Bild in wenigstens einer Dimension höher aufgelöstes Bild des Oberflächenbereiches rekonstruiert.
  • Der Begriff der Einfallsrichtung wird in der vorliegenden Patentanmeldung relativ zum abzubildenden Oberflächenbereich verstanden, wobei sich durch die geänderte Einfallsrichtung auch die Einfallsebene ändert. Die Einfallsebene wird durch die Einfallsrichtung der Messstrahlung und die Flächennormale auf die Ebene des abzubildenden Oberflächenbereiches aufgespannt.
  • Während das erste Bild eine maximale Auflösung in einer Richtung senkrecht zur ersten Einfallsrichtung aufweist, liegt die höchste Auflösung beim zweiten Bild in einer Richtung senkrecht zur zweiten Einfallsrichtung. Damit wird mit dem zweiten Bild zusätzliche Auflösung gewonnen, so dass aus beiden Bildern ein Bild mit insgesamt höherer Auflösung rekonstruiert werden kann. Die Bildinformation (detektierte Intensität) des ersten und auch jedes weiteren Bildes kann dabei jeweils in der Richtung der geringeren Auflösung des jeweiligen Einzelbildes auch gemittelt werden. Die Rekonstruktion kann in ähnlicher Weise erfolgen wie bei der Bildrekonstruktion aus Bildern unterschiedlicher Aufnahmerichtung im Bereich der Computertomographie. Im Unterschied zur klassischen Tomographie wird hier jedoch nicht aus zweidimensionalen Bildern ein dreidimensionales Bild sondern aus Bildern mit jeweils eindimensionaler Information (Information bzw. Intensitätsverteilung senkrecht zur Einfallsrichtung) eine zweidimensionale Oberfläche rekonstruiert. Im einfachsten Fall werden für die Rekonstruktion lediglich die Intensitäten der Einzelbilder, die jeweils bei unterschiedlichen Einfallsrichtungen aufgenommen werden, für jede Ortskoordinate P(x,y) addiert. Bereits damit lässt sich eine erste Rekonstruktion der Probenoberfläche erreichen. Durch aufwändigere Rekonstruktionsverfahren (bspw. Filterung) kann die Rekonstruktion in ihrer Qualität noch verbessert werden.
  • Vorzugsweise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren mehr als zwei Bilder mit jeweils unterschiedlichen Einfallsrichtungen auf den Oberflächenbereich aufgezeichnet, um aus diesen Bildern dann ein Bild mit höherer Auflösung zu rekonstruieren. Die Nutzung von mehr als zwei unterschiedlichen Einfallsrichtungen ist vor allem für die hochaufgelöste Abbildung von komplexeren Oberflächenstrukturen der Probe von Vorteil.
  • Die unterschiedlichen Einfallsrichtungen können durch geeignete Umlenkung und/oder Aufteilung der Messstrahlung in mehrere Teilstrahlen erfolgen, die dann unter unterschiedlichen Richtungen auf die Objektoberfläche gerichtet werden. In der bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird jedoch für die Änderung der Einfallsrichtung lediglich die Probe bzw. das Objekt um die Flächennormale der Ebene des abzubildenden Oberflächenbereiches gedreht. Vor der Aufzeichnung jedes neuen Bildes erfolgt somit lediglich eine geeignete Drehung des Objektes zur Änderung der Einfallsrichtung. Dies kann durch eine entsprechend um diese Achse drehbare Probenhalterung erreicht werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens wird eine breitbandige Strahlungsquelle zur Erzeugung der Messstrahlung eingesetzt und die am Oberflächenbereich reflektierte Messstrahlung vor dem Auftreffen auf den Detektor spektral aufgetrennt. Diese spektrale Auftrennung oder Aufspaltung erfolgt jeweils parallel zur Einfallsebene und betrifft damit die Richtung der geringsten Auflösung des jeweiligen Bildes, über die die aufgezeichnete Intensität auch gemittelt werden kann. Für die spektrale Aufspaltung kann bspw. ein BeugungsGitter eingesetzt werden. Selbstverständlich sind jedoch auch andere die Messstrahlung spektral aufspaltende Elemente möglich. Durch diese spektrale Aufspaltung kann vor allem bei Nutzung von EUV- oder VUV-Messstrahlung aus den Bildern zusätzlich eine Information über die Elementzusammensetzung der Probe in dem Oberflächenbereich gewonnen werden. Diese Technik ist aus dem Bereich der Reflektometrie bekannt, bei der die Reflektivität als Funktion der Wellenlänge bestimmt und daraus die entsprechenden Informationen über die Elementzusammensetzung an der Probenoberfläche abgeleitet werden. Auf diese Weise kann ein Bilddatensatz I(x,z,λ) erhalten werden, der zweidimensionale Bilder der Probenoberfläche bei unterschiedlichen Wellenlängen A enthält.
  • Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es somit, eine zweidimensional ortsaufgelöste Information der Probenreflektivität zu gewinnen, optional mit einer zusätzlichen spektralen Information. Durch die Beleuchtung aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen wird die bisher in einer Dimension durch den streifenden Einfall bedingte Auflösungsbegrenzung überwunden. Durch die zusätzliche Nutzung der bei jedem Einzelbild räumlich schlecht aufgelösten Dimension für die spektrale Messung können zusätzliche Informationen über die Materialzusammensetzung der Probe erhalten werden.
  • Das vorgeschlagene Verfahren kann in vielen Bereichen eingesetzt werden, in denen eine optische Abbildung eines Oberflächenbereiches einer Probe mit hoher Auflösung erhalten und ausgewertet werden soll. Das Verfahren eignet sich dabei insbesondere für den Bereich der EUV- und VUV-Messtechnik. Für die EUV- bzw. VUV-Mikroskopie bietet das Verfahren erhebliche Vorteile. Entsprechende optische Abbildungen sind bspw. in der die Halbleiterfertigung unterstützenden Messtechnik erforderlich. Das Verfahren ist selbstverständlich weder auf diese Anwendungen noch auf den Wellenlängenbereich der EUV- bzw. VUV-Strahlung begrenzt.
  • Figurenliste
  • Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei der optischen Abbildung eines Oberflächenbereiches unter streifendem Einfall der Messstrahlung; und
    • 2 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt stark schematisiert die Situation bei der Vermessung eines Oberflächenbereiches einer Probe 3 unter streifendem Einfall. Die Figur zeigt hierbei die auf einen Oberflächenbereich der Probe 3 gerichtete Messstrahlung 1, die an der Probenoberfläche reflektiert wird. Die reflektierte Messstrahlung 2 trifft dann auf die sensitive Fläche eines ortsauflösenden Detektors 4. Durch den streifenden Einfall erscheinen die Strukturen des beleuchteten Oberflächenbereiches in y-Richtung in der Projektion auf die Ebene der sensitiven Fläche des Detektors 4 kleiner als sie unter einem Blickwinkel von 90° sind. In x-Richtung erscheinen die Probenstrukturen hingegen in der Projektion auf diese Ebene der Detektorfläche in ihrer Größe unverändert. Die y-Richtung und die z-Richtung verlaufen dabei parallel zur Einfallsebene der Messstrahlung, die x-Richtung erstreckt sich senkrecht zur Einfallsebene.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die oben beschriebene fundamentale Limitierung der Auflösung in y-Richtung umgangen, indem mehrere Messungen bzw. Bildaufzeichnungen unter unterschiedlichen Einfallsrichtungen der Messstrahlung auf den zu vermessenden Oberflächenbereich der Probe durchgeführt bzw. aufgezeichnet werden. In der bevorzugten Ausgestaltung erfolgt diese Änderung der Einfallsrichtung durch eine Probenrotation um die z-Achse. Durch diese Probenrotation zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Messungen werden diese Messungen unter verschiedenen Rotationswinkeln durchgeführt und aus den so gewonnenen Messdatensätzen bzw. Einzelbildern ein höher aufgelöstes Bild des Oberflächenbereiches der Probe in x- und y-Richtung algorithmisch rekonstruiert. Damit lassen sich auch in y-Richtung höher aufgelöste Strukturgrößen der Probe ermitteln.
  • Optional kann die Messstrahlung bei der Messung zusätzlich spektral aufgespalten werden, um weitere Probeninformationen zu gewinnen. Aufgrund der schlechten räumlichen Auflösung in der y-Richtung der Probe, bedingt durch die Beleuchtung im streifenden Einfall, wird der reflektierte Strahl vorzugsweise in dieser Richtung spektral aufgespalten. Die fehlende räumliche Auflösung in dieser Richtung wird dann wiederum durch die oben beschriebene Probenrotation in Verbindung mit weiteren Messungen bzw. Bildaufzeichnungen unter unterschiedlichen Rotationswinkeln gewonnen.
  • 2 zeigt hierzu schematisch den Aufbau für die Durchführung eines derartigen Verfahrens. In der Figur ist wiederum die eintreffende Messstrahlung 1 zu erkennen, die unter streifendem Einfall an der Oberfläche der Probe 3 reflektiert wird. Die reflektierte Messstrahlung 2 wird dann über eine Fokussieroptik 5 mit eindimensionaler Fokussierung geleitet, die den reflektierten Messstrahl 2 auf den Detektor 4 fokussiert. Die Fokussierung erfolgt dabei in der Richtung der höchsten Auflösung, d.h. in einer Richtung senkrecht zur Einfallsebene der Messstrahlung auf die Probe 3, um dadurch eine Abbildung der Probenoberfläche in dieser Dimension auf dem Detektor 4 zu erzeugen.
  • Durch ein Beugungsgitter 6 wird der reflektiere Messstrahl 2 in der dazu senkrechten Richtung in seine Spektralkomponenten aufgetrennt. Das Beugungsgitter 6 kann an beliebiger Stelle im Strahlengang hinter der Probe 3 platziert werden. Es hat ebenfalls eindimensional-fokussierende Eigenschaften. Diese dienen der Fokussierung der Spektrallinien in der Einfallsebene auf den Detektor 4, also senkrecht zur Fokussierung durch die Fokussieroptik 5. Dies dient der Erzeugung von scharf abgebildeten Spektrallinien. Auf dem Detektor 4 ist dann in der Projektion der y-Richtung die spektrale Information, in der Projektion der x-Richtung, jeweils bezogen auf die in 1 dargestellten Richtungen, die ortsaufgelöste Information abgebildet. Dies ist in 2 schematisch veranschaulicht, wobei hier vereinfachend auf der Detektorfläche lediglich drei Linien dargestellt sind, die drei unterschiedliche Spektralanteile andeuten sollen. Für die Aufzeichnung der weiteren Einzelbilder unter anderen Einfallsrichtungen bzw. Rotationswinkeln wird die Probe 3 um die Flächennormale des zu vermessenden Oberflächenbereiches rotiert, wie dies durch den Rotationspfeil in 2 angedeutet ist. Bei jeder der gewählten Rotationspositionen wird dann wiederum ein Einzelbild aufgezeichnet. Aus diesen Einzelbildern wird dann durch Rekonstruktion ein hochaufgelöstes Bild des Oberflächenbereiches gewonnen, das sowohl in x- als auch in y-Richtung des Oberflächenbereiches eine hohe Ortsauflösung aufweist.
  • Mit dieser Methode ist es daher möglich, eine hochaufgelöste, zweidimensionale Ortsinformation (x- und y-Richtung) des vermessenen Oberflächenbereiches der Probe 3 zu ermitteln, welche in der Ortskoordinate P(x, y) eine spektral aufgelöste Reflektivität enthält. Damit ist es möglich, nicht nur Strukturen in einem Mikroskop aufzulösen, sondern auch Aussagen über deren Elementzusammensetzung zu treffen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Messstrahl
    2
    reflektierter Messstrahl
    3
    Probe
    4
    Detektor
    5
    Fokussieroptik
    6
    Beugungsgitter

Claims (8)

  1. Verfahren zur hochauflösenden Abbildung eines Oberflächenbereiches eines Objektes (3), insbesondere für die Mikroskopie, bei dem der Oberflächenbereich unter streifendem Einfall mit Messstrahlung (1) beleuchtet und am Oberflächenbereich reflektierte Messstrahlung (2) mit einem ortsauflösenden Detektor (4) erfasst wird, um ein erstes Bild des Oberflächenbereiches unter einer ersten Einfallsrichtung der Messstrahlung (1) auf den Oberflächenbereich aufzuzeichnen, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aufzeichnung des ersten Bildes wenigstens ein weiteres Bild des Oberflächenbereiches unter einer geänderten Einfallsrichtung der Messstrahlung (1) auf den Oberflächenbereich aufgezeichnet wird, und aus dem ersten und dem wenigstens einen weiteren Bild ein gegenüber dem ersten Bild höher aufgelöstes Bild des Oberflächenbereiches rekonstruiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aufzeichnung des ersten Bildes mehrere weitere Bilder des Oberflächenbereiches unter jeweils einer anderen Einfallsrichtung der Messstrahlung (1) auf den Oberflächenbereich aufgezeichnet werden, und aus dem ersten und den weiteren Bildern ein gegenüber dem ersten Bild höher aufgelöstes Bild des Oberflächenbereiches rekonstruiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Einfallsrichtung durch Drehung des Oberflächenbereiches um seine Flächennormale erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Messstrahlung (1) einer spektralen Bandbreite eingesetzt und nach der Reflexion am Oberflächenbereich in einer Richtung parallel zur Einfallsebene spektral aufgespalten wird, um eine spektrale Auswertung der Reflexion am Oberflächenbereich zu ermöglichen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Aufspaltung mit einem Beugungsgitter (6) erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrahlung (1) nach der Reflexion am Oberflächenbereich zur Abbildung des Oberflächenbereiches in einer Dimension, die der Richtung senkrecht zur spektralen Aufspaltung entspricht, auf den Detektor (4) fokussiert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die spektrale Aufspaltung ein spektral- und ortsaufgelöster Bilddatensatz der Probenoberfläche erhalten wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Messstrahlung (1) EUV- oder VUV-Strahlung eingesetzt wird.
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