Highly resolved edge detection and localization of micro structures using optical 3D measurements and simulations
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde das Übertragungsverhalten von optischen Profilometern bezüglich systematischer Artefakte und Kantenortsbestimmung bei rechteckigen Kanten und Stufen durch Simulationen und Messungen untersucht. Drei Arten von optischen Profilometern wurden verwendet: Weißlichtinterferometer, Konfokalmikroskop und Laserfokussensor. Für die Messungen wurde ein Rampennormal hergestellt. Weitere kommerziell erhältliche Normale mit unterschiedlichen Eigenschaften stehen zur Verfügung. Als Weißlichtinterferometer wurden Mirau- und Linnik-Interferometer (Eigenbauten) mit unterschiedlichen numerischen Aperturen genutzt. Das Kirchhoff-Modell und das Richards- Wolf-Modell berücksichtigen neben der Beugung auch die zeitliche und räumliche Kohärenz des Lichtes. Simulationsergebnisse der Interferenzsignale aus beiden Modellen stimmen gut mit Messergebnissen überein. Die Ergebnisse zeigen, dass Batwing-Effekte an senkrechten Stufen auftreten, deren Höhe einem HWR-Wert von 0,25 oder 0,75 entspricht. In den Simulationsergebnissen lassen sich keine Verschiebungen der Kantenortsposition durch den Batwing-Effekt erkennen. An Stufen mit einem HWR-Wert von 0,5 verschwindet der Batwing- Effekt. Infolge von Beugungs- und Abschattungseffekten wurde in den Simulationsergebnissen eine Verschiebung der Kantenortsposition um 60 nm beobachtet. Verschiebungen der Kantenlage zeigen sich auch, wenn Rechteckgitter mit größerem Aspektverhältnis gemessen werden. Dabei zeigen die oberen Plateaus eine deutlich größere Breite als die unteren Plateaus. Ähnliche Schlussfolgerungen werden auch aus den LFS-Messungen gezogen. Die Abweichung der gemessenen Profilbreite als Funktion der Grabentiefe folgt einer ansteigenden oszillierenden Kurve mit einer Periode von etwa der halben Wellenlänge der verwendeten Laserdiode. Die Simulationen zeigen zudem eine starke Polarisationsabhängigkeit (Gegenläufigkeit zwischen s und p-Polarisation). Kantenverschiebungen in gemessenen Höhenprofilen finden auch bei Rechteckgittern mit inhomogenen Materialeigenschaften, z. B. Chrom-auf-Glas-Gitter, statt. Zudem hängt hier die gemessene Stufenhöhe davon ab, wie groß die Gitterperiode ist und ob die unterschiedlichen Fresnel-Koeffizienten bei der Signalauswertung berücksichtigt werden. Außerdem wurde nachgewiesen, dass sich der Verlauf der Modulationstiefe der Interferenzsignale sehr gut zur Kantenortsbestimmung eignet. Während im Höhenprofil die Breiten des oberen und des unteren Plateaus stark voneinander abweichen, zeigt der Verlauf der Modulationstiefe an der Kantenposition einen Minimalwert. Das Richards-Wolf-Modell lässt sich auf konfokale Mikroskope übertragen. Die Simulationsund Messergebnisse der Tiefenscansignale auf einem Plateau und an einer senkrechten Kante stimmen gut miteinander überein. Ähnlich wie beim Weißlichtinterferometer treten Batwing-Artefakte an Stufen auf, deren Höhe einem HWR-Wert von 0,25 entspricht. Die Simulationsergebnisse zeigen bei der konfokalen Mikroskopie keine Kantenverschiebung. Zur Herstellung des Rampennormals wurde die mikrogalvanische Abscheidung in einer Hull-Zelle favorisiert und umgesetzt. Die galvanische Gradientenabscheidung hat in gewissen Grenzen funktioniert. Die gewünschten Spezifikationen wurden allerdings nicht erreicht. Insbesondere genügt weder die Gleichförmigkeit noch das senkrechte Binärprofil den für die Durchführung relevanter Messungen erforderlichen Ansprüchen. Deshalb wurde ein Rampennormal mit den gewünschten Spezifikationen durch die Firma Carl Zeiss durch graduelles Ionenstrahlätzen hergestellt. In Auswertung der bisherigen Vergleiche zwischen Simulation und Messung für den Laserfokussensor kann zusammengefasst festgestellt werden, dass die Modellsimulationen bereits wichtige qualitative Merkmale der Messsignale, z. B. Batwings aber auch den lateralen Offset der vermuteten Kantenlage im Vergleich zur tatsächlichen Kantenposition, gut wiedergeben. Dabei zeigt sich, dass die Batwings mit zunehmender Grabentiefe eine Abschwächung erfahren, was durch Abschattungseffekte des einfallenden Strahlenkegels erklärt werden kann.
Publications
- Fundamental aspects of resolution and precision in vertical scanning white-light interferometry, Surf. Topogr.: Metrol. Prop. 4, 0214004 (2016) 1-10
P. Lehmann, S. Tereschenko, W. Xie
(See online at https://doi.org/10.1088/2051-672X/4/2/024004) - Influences of edges and steep slopes in 3D interference and confocal microscopy. SPIE Proceedings 9890 (2016) 9890-34
W. Xie, S. Hagemeier, C. Woidt, H. Hillmer, P. Lehmann
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2228307) - Laser scanning metrology with improved lateral resolution. European Optical Society Annual Meeting (EOSAM) 2016, 26-30 Sept. 2016, Berlin
J. Bischoff, E. Manske, A. Albrecht, and M. Burkhardt
- Signal modeling in low coherence interference microscopy on example of rectangular grating, Optics Express 24 (2016) 14283-14300
W. Xie, P. Lehmann, J. Niehues, S. Tereschenko
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.24.014283) - Numerical investigations of the potential for laser focus sensors in micrometrology. SPIE Proceedings 10330 (2017) 10330-25
J. Bischoff, E. Manske, R. Mastylo
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2270252) - Transfer characteristics of optical profilers with respect to rectangular edge and step height measurement. SPIE Proceedings 10329 (2017) 1032916 (16 pp.)
W. Xie, S. Hagemeier, J. Bischoff, R. Mastylo, E. Manske, P. Lehmann
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2270185)
