Hochauflösende Messtechnik und Simulation

Ziel der Arbeitsgruppe Hochauflösende Messtechnik und Simulation ist die Untersuchung und Entwicklung optischer Messverfahren, die eine hochpräzise Strukturvermessung im Sublambdabereich erlauben. Unsere Arbeit konzentriert sich hierbei insbesondere auf die Charakterisierung optisch wirksamer Oberflächen und Volumina als auch technischer Oberflächen aus dem Bereich der Halbleiterindustrie.

Da die heutigen Genauigkeitsanforderungen an die optische Metrologie das optische Auflösungsvermögen um bis zu zwei Grössenordnungen unterschreiten, ist ein präzises Verständnis der Wechselwirkung des Lichtes mit der untersuchten Struktur unerlässlich. Die Notwendigkeit, Strukturdetails im herkömmlichen Sinne auflösen zu können, wird dabei immer mehr durch eine hochpräzise modellbasierte Objektrekonstruktion ersetzt.

Unsere Arbeitsschwerpunkte liegen daher einerseits in der rigorosen Simulation der eigentlichen Licht-Struktur-Wechselwirkung bis hin zur Modellierung des kompletten optischen Messprozesses, andererseits in der experimentellen Untersuchung neuer und bewährter Messverfahren, die neben der Intensität die Polarisation und die Phase des Lichtes als weitere Informationskanäle nutzten, um Strukturinformation höchster Genauigkeit zu erhalten. Hierzu zählen neben mikroskopischen Verfahren, die Diffraktometrie, Scatterometrie und polarisationsaufgelöste Tomographie

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Für die Prozesskontrolle in der Halbleiterindustrie ist neben den Strukturdimensionen einzelner ausgewählter Strukturen gerade auch die Feststellung vorhandener Defekte auf dem Wafer interessant. Aus der Kenntnis der Defektdichte, der Verteilung und den vorhandenen Defekttypen lassen sich Kompen­sationsmaßnahmen ableiten, die dann zu einer Steigerung der Ausbeute führen. Für solche Messaufgaben ist z.B. die Methode der Scatterometrie ungeeignet, da sie für eine repräsentative Stichprobe eines gesamten Wafers zu langsam ist. Mit Hilfe der Defektoskopie dagegen lässt sich sehr schnell eine Vielzahl an Strukturen gleichzeitig auf Defekte prüfen. Ausgangspunkt dafür ist ein Mikroskopaufbau, der bei Nanostrukturen natürlich keine aufgelöste Abbildung der Strukturen mehr liefern kann. Von Vorteil ist allerdings, dass in der Praxis solche Defekte isoliert vorkommen, was bedeutet, dass in einer periodischen Anordnung von gleichen Strukturen an isolierten Stellen durch die Defekte andere optische Eigenschaften vorliegen. Unter bestimmten Beleuchtungs-bedingungen wirken diese Stellen dann als helle oder dunkle Punkte im Mikroskopbild, unabhängig davon wie groß die Strukturen oder die Defekte sind. Die Beleuchtungsbedingungen, bei denen das geschieht können dann als spezifische Signatur zur Unterscheidung verschiedener Defekte verwendet werden. So kann man schon parallel zur Einführung eines neuen Prozesses Maßnahmen zur Erkennung von Defekten entwickeln, die dann zur Steigerung der Ausbeute verwendet werden.

 

Veröffentlichungen

  1. S. Rafler; T. Schuster; K. Frenner; W. Osten; U. Seifert: Improvements on the simulation of microscopic images for the defect detection of nanostructures, Proc. SPIE 6922 (2008) 692215
  2. S. Rafler; M. Petschow; U. Seifert; K. Frenner; W. Osten: Effects of Pupil Discretization and Littrow illumination in the Simulation of Bright-field defect detection, Optics Letters 34, Issue 12, p. 1840 (2009)

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Zur adäquaten Erklärung zahlreicher Phänomene der Optik genügt die skalare Beschreibung, wie sie zum Beispiel in der Beugungstheorie nach Fresnel und Kirchhoff vorliegen. Der Vektorcharakter des elektrischen Lichtwellenfeldes und die realen physikalisch optischen Randbedingungen werden dabei vernachlässigt. Durch die Miniaturisierung, insbesondere im Bereich der Halbleitertechnologie, rücken Strukturen in der Grössenordnung der Lichtwellenlänge und darunter in den Mittelpunkt des Interesses. In diesem Fall beeinflussen physikalisch optische Wechselwirkungseffekte zunehmend die Beugungsspektren von transmittiertem oder reflektierten Licht und können nur durch rigorose, vektorielle Rechnungen korrekt beschrieben werden. Anders als in der skalaren Optik existieren im Bereich der rigorosen Beugungstheorie praktisch keine analytischen Lösungen von Problemen, so dass mit numerischen Simulationen gearbeitet werden muss. Seit Ende der 90er Jahre wird am ITO intensiv auf dem Gebiet der rigorosen numerischen Simulation von Beugungseffekten an periodischen Strukturen gearbeitet. Das institutseigene Simulationstool Microsim, das auf dem Prinzip der gekoppelten Wellenmoden, der RCWA, basiert, wird seit dieser Zeit stetig verwendet und weiterentwickelt.

Weitere Informationen zu Microsim gibt es im Software Bereich.

 

Veröffentlichungen

  1. M. Totzeck, "Numerical simulation of high-NA quantitative polarization microscopy and corresponding near-fields", Optik, 112 (2001) 381-390
  2. Reinig P., Dost R., Mört M., Hingst, T., Mantz U., Schuster, T. Kerwien, N., Kaufmann J., Osten W.: "Potential and limits of scatterometry: A study on bowed profiles and high aspect ratios", Scatterometry Workshop 2004, 3.-5.5.2004 Porquerolles, Frankreich
  3. R. Berger, J. Kauffmann, N. Kerwien, W. Osten, H.J. Tiziani: Rigorose Beugungssimulation: Ein Vergleich zwischen RCWA, DTD und der Finiten Elemente Methode, 105. DgaO-Tagung 2004 P59
  4. Kerwien N., Schuster T., Rafler S., Osten W., "Semi-rigorous Diffraction Theory: Realization of Classical Concepts in the Framework of Electrodynamics", J. Opt. Soc. Am. A 24 (2007) No. 4 1074-1084

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Scatterometrie ist der Überbegriff für verschiedene nicht abbildende optische Messmethoden die verwendet werden um periodische Strukturen, mit Dimensionen unterhalb der optischen Auflösungsgrenze, zu charakterisieren. Die stellt eine etablierte Technik im Bereich der CD und Profil Metrologie dar und ist eine der weitverbreitetsten Methoden für die CD-Metrologie im Bereich der Halbleitertechnik.

 

Abgeschlossene Projekte:

  • Design und Herstellung von Nahfeld-Fernfeld-Transformatoren mittels Sub-100 nm Zwei-Photonen-Polymerisation (DFG)
  • Entwicklung funktioneller sub-100 nm 3D-Zwei-Photonen-Polymerisationstechnik und optische Charakterisierungsmethoden (DFG)

Veröffentlichungen

  1. Ferreras Paz, V., Frenner, K., & Osten, W. (2014). Increasing Scatterometric Sensitivity by Simulation Based Optimization of Structure Design. In W. Osten (Ed.), Fringe 2013 - 7th International Workshop on Advanced Optical Imaging and Metrology (pp. 345–348). Springer Berlin Heidelberg.
  2. Ferreras Paz, V., Peterhänsel, S., Frenner, K., & Osten, W. (2012). Solving the inverse grating problem by white light interference Fourier scatterometry. Nature Light: Science & Applications, 1(11), e36.
  3. Bilski, B., Frenner, K., & Osten, W. (2011). About the influence of Line Edge Roughness on measured effective–CD. Optics Express, 19(21), 19967.
  4. Ferreras Paz, V., Peterhänsel, S., Frenner, K., Osten, W., Ovsianikov, A., Obata, K., & Chichkov, B. (2011). Depth sensitive Fourier-Scatterometry for the characterization of sub-100 nm periodic structures. In Proceedings of SPIE (Vol. 8083, p. 80830M–80830M–9).
  5. Osten, W., Ferreras Paz, V., Frenner, K., Schuster, T., & Bloess, H. (2009). Simulations of Scatterometry Down to 22 nm Structure Sizes and Beyond with Special Emphasis on LER. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1173, pp. 371–378). AIP.
  6. Schuster, T., Rafler, S., Ferreras Paz, V., Frenner, K., & Osten, W. (2009). Fieldstitching with Kirchhoff-boundaries as a model based description for line edge roughness (LER) in scatterometry. Microelectronic Engineering, 86(4-6), 1029–1032.
  7. T. Schuster, S. Rafler, W. Osten, P. Reinig, T. Hingst, "Scatterometry from crossed grating structures in different configurations", Proc. SPIE 6617, 661715-1 – 661715-9 (2007)
  8. M. Totzeck: „Numerical simulation of high-NA quantitative polarization microscopy and corresponding near-fields", Optik 112 (9), 399-406 (2001)

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Objects in nature consist of atoms and molecules that are arranged in specific patterns dictated by the laws of physics and chemistry. Those patterns determine the electromagnetic properties of the material in question, and in turn how they influence electromagnetic waves. By designing arrangements of shapes with features that are smaller than a given wavelength, so called metamaterials can be developed in such a way that they have properties, which do not exist in nature. At ITO we focus our investigations on so called super lenses, which have unprecedented imaging and magnification abilities.

The key to understanding the underlying physical principles of the imaging properties of metamaterial structures is the simulation of resonant interactions between excited surface waves (surface plasmon polaritons) and the electromagnetic field. Particularly suitable are rigorous methods like the RCWA (Rigorous Coupled Wave Algorithm) which is utilized in Microsim, a software that was developed at our institute. Due to the complex calculation algorithms, convergence enhancements play a major role in terms of computation time reduction (especially for structures comprised of metal). Furthermore, we're operating a Helios NanoLab DualBeam of FEI, which allows us to manufacture the designed nanostructures ourselves.

Current project: DFG Superlinse

Publications:

  1. S. Maisch, P. Schau, K. Frenner, W. Osten, "About the feasibility of nearfield-farfield transformers based on optical metamaterials" in Fringe 2009: 6th International Workshop on Advanced Optical Metrology (2009), 375–383.
  2. P. Schau, K. Frenner, L. Fu, H. Schweizer, W. Osten, "Coupling between surface plasmons and Fabry-Pérot modes in metallic double meander structures" in Proc. SPIE 7711 (2010), 77111F
  3. L. Fu, H. Schweizer, T. Weiss, P. Schau, K. Frenner, W. Osten, H. Giessen, D. N. Chigrin, "Mode hybridization and interaction in a metallic meander Fabry-Pérot cavity" in AIP Conf. Proc. 1291 (2010), Vol. 1291, 115–117.
  4. P. Schau, K. Frenner, L. Fu, H. Schweizer, H. Giessen, W. Osten, "Rigorous modeling of meander-type metamaterials for sub-lambda imaging" in Proc. SPIE 8083 (2011), 808303
  5. H. Schweizer, L. Fu, N. Liu, T. Weiss, P. Schau, K. Frenner, W. Osten, H. Giessen, "The promise of metamaterials for new applications in optics" in Proc. SPIE 8083 (2011), 808302
  6. P. Schau, K. Frenner, L. Fu, W. Osten, H. Schweizer, H. Giessen, "Sub-wavelength imaging using stacks of metallic meander structures with different periodicities" in Proc. SPIE 8093 (2011), 80931K
  7. L. Fu, P. Schau, K. Frenner, W. Osten, T. Weiss, H. Schweizer, H. Giessen, "Mode coupling and interaction in a plasmonic microcavity with resonant mirrors", Phys. Rev. B 84, 1–6 (2011)
  8. L. M. Gaspar Venancio, S. Hannemann, G. Lubkowski, M. Suhrke, H. Schweizer, L. Fu, H. Giessen, P. Schau, K. Frenner, W. Osten, "Metamaterials for optical and photonic applications for space: preliminary results" in Proc. SPIE 8146, (2011), 81460E
  9. P. Schau, K. Frenner, L. Fu, H. Schweizer, H. Giessen, W. Osten, "Design of high-transmission metallic meander stacks with different grating periodicities for subwavelength-imaging applications", Opt. Express 19, 3627–3636 (2011)
  10. P. Schau, L. Fu, K. Frenner, M. Schäferling, H. Schweizer, H. Giessen, L. M. G. Venancio, W. Osten, "Polarization scramblers with plasmonic meander-type metamaterials", Opt. Express 20, 22700 (2012)
  11. P. Schau, L. Fu, K. Frenner, H. Schweizer, M. Schäferling, T. Weiss, H. Giessen, L. M. Gaspar Venancio, S. Hannemann, W. Osten, "Polarization scrambling with metallic meander structures for space applications" in Proc. SPIE 8423, (2012), 842314
  12. L. Fu, P. Schau, K. Frenner, H. Schweizer, J. Zhao, B. Frank, L. Wollet, P. Gaiser, B. Gompf, H. Giessen, W. Osten, "Experimental demonstration of dispersion engineering through mode interactions in plasmonic microcavities" in Proc. SPIE 8423 (2012), p. 84232I
  13. H. Schweizer, L. Fu, M. Hentschel, T. Weiss, C. Bauer, P. Schau, K. Frenner, W. Osten, H. Giessen, "Resonant multimeander-metasurfaces: A model system for superlenses and communication devices", Phys. status solidi 249, 1415–1421 (2012)

Projekte

  • DFG Superlinse
  • Speckle Simulation
  • FluoTis

Abgeschlossene Projekte

Gruppenleiter

Karsten Frenner
Dr.

Karsten Frenner

Gruppenleiter Hochauflösende Messtechnik und Simulation

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