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Digitale Optik & EUV-Bildgebung
Lasertechnologien
Digitale Optik & EUV-Bildgebung
"Ein Bild sagt mehr als 1.000 Worte." Dieses Sprichwort passt hervorragend zu einem über Jahrhunderte ganz entscheidenden Erkenntnistreiber in Wissenschaft und Technik – der optischen Bildgebung. Ob auf großen Skalen wie in der Astronomie oder auf kleinen Skalen wie in der Biologie oder der Nanotechnologie, der tatsächliche "Einblick" war und ist nach wie von zentraler Bedeutung für das Verständnis physikalischer, chemischer und biologischer Vorgänge sowie deren technische Nutzbarmachung.
Über Jahrhunderte waren Entwicklung und Verbesserung von optischen Instrumenten und insbesondere der eigentlichen Optiken wie Spiegel und Linsen die wesentlichen Innovationstreiber in der Bildgebung. Mit der breiten Verfügbarkeit von leistungsfähigen Computern hat sich dies insbesondere in der letzten Dekade grundlegend geändert. Heutige Innovationen im Bereich der Bildgebung basieren hauptsächlich auf der digitalen Verarbeitung der Bildinformation. Der Einsatz von künstlicher Intelligenz in der Bildverarbeitung revolutioniert und transformiert zurzeit ganze Forschungsdisziplinen.
Am LHM werden neuartige laserbasierte digitale Bildgebungsverfahren entwickelt und deren technisches Innovationspotential in verschiedensten Anwendungsfeldern erforscht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der linsenlosen Bildgebung mit Licht im extrem ultravioletten Spektralbereich für die nanoskalige Diagnostik von Halbleitern und für deren Herstellung notwendigen lithografischen Masken.
Linsenlose Bildgebung im EUV-Bereich
Die kurze Wellenlänge von Strahlung im EUV-Bereich (Wellenlänge 2 - 40 nm) erlaubt prinzipiell Mikroskopie mit einer Auflösung im Nanometerbereich. Abbildende Optiken für die EUV-Strahlung sind aber extrem aufwändig herzustellen. Mit speziellen Phasenrekonstruktionsalgorithmen am Computer ist es jedoch möglich, hochauflösende Bildgebung auch ohne die teuren Optiken umzusetzen. Am LHM wird mit Hilfe von infraroten Lasern durch den Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) kohärente EUV-Strahlung erzeugt. Diese wird dann direkt auf die zu untersuchenden Nanostrukturen gelenkt. Anhand der mit einer Kamera detektierten gebeugten Strahlung wird dann die Objektstruktur mit nanoskaliger Auflösung am Computer algorithmisch rekonstruiert. Neben der allgemeinen Bildgebung liegt insbesondere in der Halbleiterdiagnostik ein großes Anwendungspotential dieser neuen Technologie.
Durch Aufnahme der kohärenten Beugungsbilder können Nanostrukturen ohne abbildende Optiken vermessen werden.
Die kohärente EUV-Strahlung wird durch das Erzeugen hoher Harmonischer von infraroter Laserstrahlung erreicht. Edelgasatome werden ionisiert, das Elektron im Feld beschleunigt bis es schließlich mit dem Mutterion unter Aussendung von hochenergetischer Strahlung rekombiniert.
Hohe Harmonische werden in Edelgasjet erzeugt. Der Laser erzeugt ein Plasma. Die eigentliche EUV- bzw. XUV-Strahlung ist nicht sichtbar.
EUV- bzw. XUV-Strahlung wird auf eine Halbleiterstruktur gelenkt. Die gestreute Strahlung wird direkt detektiert.
Optische Kohärenztomographie im EUV-Bereich
Moderne Halbleiterstrukturen werden heutzutage nicht nur lateral, sondern dreidimensional konzipiert und aufgebaut. Entsprechend reichen auch reine laterale Bildgebungsverfahren nicht mehr für die Diagnostik der Herstellungsprozesse aus. Es müssen demzufolge dreidimensionale zerstörungsfreie Methoden entwickelt werden. Am LHM wird die optische Kohärenztomographie im EUV-Bereich entwickelt. Sie erlaubt eine zerstörungsfreie dreidimensionale Abbildung von vergrabenen Strukturen mit einer Tiefenauflösung von wenigen Nanometern. Außerdem können neben der Strukturinformation auch umfangreiche Materialinformation algorithmisch extrahiert werden. Neben der Diagnostik von Halbleitern und Halbleitermasken eignet sich diese Technologie auch hervorragend für die Analyse von Mehrschichtsystem.
Prinzip der Kohärenztomografie im EUV-Bereich. Breitbandige EUV-Strahlung wird auf das Objekt fokussiert. Durch eine spektrale Analyse der zurückgestreuten Strahlung können mit speziellen Algorithmen die Tiefenstruktur und die Materialauflösung rekonstruiert werden.
Ein mittels Kohärenztomografie im EUV-Bereich gemessenes Tomogramm von dünnen Goldstrukturen eingebettet in Silizium. Die axiale Auflösung beträgt etwa 24 nm.
Compressed Sensing
In der Online-Diagnostik von Produktionsprozessen sind teilweise sehr hohe Geschwindigkeiten notwendig. Je nach Detailgrad der erforderlichen Diagnostik kommen so sehr große Datenmengen zusammen, die mitunter nicht mehr verarbeitet werden können. Am LHM werden deshalb digitale Abbildungstechnologien entwickelt, die die zur Bildgebung notwendigen Informationsdichte signifikant reduzieren und so eine schnellere und effizientere optische Diagnostik ermöglichen. In den mit dem Überbegriff "compressed sensing" bezeichneten Verfahren werden bereits bekannte Informationen über das zu untersuchende Objekt bereits bei der Datenaufnahme mit verwendet, um so weniger tatsächliche Information aufnehmen zu müssen. Vielversprechende Anwendungen liegen beispielsweise in der Online-Diagnostik von Hochrate-Lasermaterialbearbeitungsprozessen.
Durch geeignete Komprimierung kann der Speicherbedarf insbesondere bei Bilddaten minimiert werden. Compressed Sensing geht noch einen Schritt weiter, indem auch schon bei der Aufnahme der Bildinformationen nur die komprimierten Informationen aufgenommen werden. Eine wesentliche Voraussetzung ist dabei die Dünnbesetztheit (Sparcity) des zu rekonstruierenden Signals.