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Open Access
Optische Messtechnik an den Grenzen zwischen Makro und Nano
(2005) Osten, Wolfgang; Kerwien, Norbert
Schaut man in der Geschichte zurück, so ist in den unterschiedlichsten Bereichen der Wissenschaft der Erkenntnisgewinn vielfach erst durch optische Techniken möglich geworden. Dies mag damit zusammenhängen, dass die visuelle Wahrnehmung für den Menschen im Kontext aller Sinne von herausragender Bedeutung ist. „I see!“ Diese zwei Worte machen deutlich, dass sich das „Sehen“ auch über den angelsächsischen Bereich hinaus nicht nur auf die visuelle Wahrnehmung beschränkt, sondern eng mit dem Verständnis und Begreifen von Zusammenhängen verknüpft ist. Es ist daher auch nicht verwunderlich, dass die großen Meilensteine in der Entwicklung der Wissenschaft eng mit den Erfolgen auf dem Gebiet der Optik verknüpft sind. Das Einsteinjahr 2005 erinnert uns vor allem daran, dass Einstein im Jahr 1905 mehrere bahnbrechende Erkenntnisse veröffentlicht hat, von denen einige wie die spezielle Relativitätstheorie und die Erklärung des lichtelektrischen Effekts aufs engste mit der Optik verknüpft sind. Weniger bekannt ist, dass er gerade für die letztgenannte Arbeit 1921 den Nobelpreis für Physik erhalten hat. Weitere anschauliche Beispiele bieten die Astronomie und der Bereich der Biologie und Medizin. Während bei der einen die Optik die technische Grundlage für den Blick in die Tiefen des Alls lieferte, richtete sich in der Biologie und Medizin das Interesse auf die Mikrowelt mit stetig kleiner werdenden Strukturen. Durch die Entwicklung immer leistungsfähigerer Teleskope und Mikroskope wurden jedoch auch die physikalischen Grenzen, denen die optischen Technologien unterliegen, deutlich.
Open Access
Zum Einfluss von Polarisationseffekten in der mikroskopischen Bildentstehung
(2007) Kerwien, Norbert; Osten, Wolfgang (Prof. Dr.)
Diese Dissertation setzt sich mit Polarisationseffekten in der hochauflösenden bildgebenden Metrologie auseinander. Sie greift dabei im Kern auf Konzepte der modellbasierten Objektrekonstruktion zurück. Durch die enge Verknüpfung zwischen der elektromagnetischen Licht-Objekt-Wechselwirkung und den Vektoreigenschaften des Lichtwellenfeldes wird die Polarisation zum Schlüssel für die Entwicklung neuer Messkonzepte in der bildgebenden Metrologie. Die Arbeit demonstriert anhand verschiedener Beispiele die Leistungsfähigkeit dieses Messkonzeptes. Verschiedene Strukturmerkmale, die im Sublambdabereich variieren, prägen einem partiell polarisierten Lichtwellenfeld im mikroskopischen Bild charakteristische Merkmale auf, die zur Objektrekonstruktion herangezogen werden. Diese enge Verzahnung zwischen Modellierung und Simulation einerseits und polarimetrischer Messtechnik anderseits spiegelt sich auch in der Struktur der Arbeit wieder. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben es nicht nur, die bildgebende Metrologie in den Sublambdabereich voranzutreiben, sondern die Visualisierung elektromagnetischer Wechselwirkungseffekte im mikroskopischen Bild hilft darüber hinaus, die Details der physikalisch-optischen Wechselwirkungseffekte von Nanostrukturen mit einem Lichtwellenfeld besser zu verstehen. Diese Erkenntnisse können auch unmittelbar für die Optimierung scatterometischer und diffraktometrischer Messverfahren verwendet werden. Die Arbeit gliedert sich in einen Theorieteil, einen Experimentalteil und einen methodischen Teil. Aufeinander aufbauend stellen sie die numerischen Werkzeuge und experimentellen Messverfahren vor, mit denen der Polarisationstransfer durch Mikro- und Nanostrukturen für metrologische Zwecke genutzt werden kann. Der erste Teil (Kapitel 1-5) beschreibt die theoretischen Grundlagen für die Einbindung elektromagnetischer Wechselwirkungseffekte in die mikroskopische Bildsimulation. Zur Theorie der optischen Abbildung existiert eine Fülle ausgezeichneter Lehrbücher, die den Abbildungsprozess auf Basis der skalaren Fourier-Optik beschreiben. Allerdings werden dabei Polarisationseffekte im Wechselwirkungsprozess nicht berücksichtigt. Veröffentlichungen zur elektromagnetischen Bildsimulation in der Mikroskopie und der Lithographie konzentrieren sich mehr auf die Anwendung als auf eine grundlegende Beschreibung der eingesetzten Simulationsmodelle. Kapitel 5 gibt deshalb eine ausführliche Darstellung des in dieser Arbeit verwendeten Simulationsmodells, aus der sich auch die weiteren Entwicklungsmöglichkeiten und Grenzen des Modells ableiten. Insbesondere für 3D-Strukturen kann eine vollständige rigorose Rechnung sehr aufwendig werden. Die Simulation der Beugungsspektren auf einem PC für ein Bild mit hoher Beleuchtungsapertur kann unter Umständen einige Stunden bis Tage in Anspruch nehmen. Abschnitt 3.5 stellt daher ein neues semi-rigoroses Berechnungsverfahren vor, das sich zwar auf die Konzepte der skalaren Beugungstheorie stützt, diese aber mit Modellen der elektromagnetischen Theorie umsetzt. Mit dieser Methode ist eine effiziente Berechnung von Beugungsproblemen an großflächigen Strukturen mit einer Geschwindigkeitssteigerung von über drei Größenordnungen möglich. Durch einen direkten Vergleich mit vollständig rigorosen Methoden (RCWA) kann der Einfluss rigoroser Wechselwirkungseffekte auf die Bildentstehung gezielt studiert werden. Im zweiten Teil (Kapitel 6-7) werden der experimentelle Aufbau und die Messverfahren vorgestellt, mit denen im tiefen ultravioletten Spektralbereich ortsaufgelöst die vollständige polarisationsoptische Information eines partiell polarisierten Lichtwellenfeldes in Form der Kohärenzmatrix vermessen werden kann. Durch die Gegenüberstellung von Messung und Simulation wird das Rekonstruktionspotential von Sublambdastrukturmerkmalen durch hochaufgelöste polarimetrische Messungen deutlich. Die Beispiele zeigen, dass die bildgebende Polarimetrie gerade in der hochauflösenden Metrologie einen tiefen Einblick in die physikalisch-optischen Effekte der mikroskopischen Bildentstehung ermöglicht. Im dritten Teil (Kapitel 8) wird das Konzept der Strukturrekonstruktion im Sublambdabereich auf Basis des polarisationsoptischen Transferverhaltens in einen allgemeinen mathematischen Kontext gestellt. Zur Beschreibung des Polarisationstransfers dienen das Jones- und das Müller-Matrix-Kalkül. Spezielle Formmerkmale der untersuchten Strukturen prägen den Matrizen charakteristische Eigenschaften auf. Sie werden damit zum polarisationsoptischen Fingerabdruck, den die Struktur als charakteristisches Merkmal bei der Wechselwirkung im Lichtwellenfeld hinterlässt. Der dabei entwickelte Formalismus ist nicht nur die Basis für neuartige metrologische Messmethoden, sondern kann auch gewinnbringend für das Design von Nanostrukturen angewendet werden.