DE10001239A1 - Device for measuring structures on substrate has non-optical measurement device on bearer element, whereby normal air pressure conditions exist between measurement device and substrate - Google Patents

Device for measuring structures on substrate has non-optical measurement device on bearer element, whereby normal air pressure conditions exist between measurement device and substrate

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DE10001239A1
DE10001239A1 DE2000101239 DE10001239A DE10001239A1 DE 10001239 A1 DE10001239 A1 DE 10001239A1 DE 2000101239 DE2000101239 DE 2000101239 DE 10001239 A DE10001239 A DE 10001239A DE 10001239 A1 DE10001239 A1 DE 10001239A1
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DE
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substrate
non
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optical
measurement device
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DE2000101239
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Klaus Rinn
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Abstract

The device has a non-optical measurement device (23) mounted on a bearer element (15), whereby normal air pressure conditions exist between the measurement device and the substrate (9). The measurement device can be an atomic force microscope (24) or an electron beam objective. An optical lens can be used to rapidly locate structure on the substrate. Independent claims are also included for the following: a method of measuring structures on a substrate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zum Vermessen von Strukturen auf einem Substrat. The invention relates to a measuring device for measuring structures on a substrate.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen von Strukturen auf einem Substrat, wobei die nicht-optische Messung unter normalen Luftdruckbedingungen durchgeführt wird. Furthermore, the invention relates to a method for measuring structures on a substrate, wherein the non-optical measurement is performed under normal atmospheric pressure conditions.

Die Auflösung bisheriger und zukünftiger rein optischer Messsysteme wird eine Grenze im 100 nm Bereich erreichen. The dissolution of existing and future all-optical measuring systems will reach a limit in the 100 nm range. Für die Genauigkeitsanforderungen bei Halbleitersubstraten der aktuellen Generation (unter 10 nm) ist eine Auflösung sehr viel kleiner als die Strukturdimensionen notwendig. a resolution is very much smaller than the structural dimensions necessary for accuracy requirements in the semiconductor substrates of the current generation (below 10 nm). Selbst bei aktuellen photolithographischen Masken, hier haben die Masken bzw. Substrate eine 5-fache Vergrößerung, stößt die optische Messtechnik an ihre Grenzen. Even with current photolithographic masks here, the masks or substrates have a 5x magnification, optical measurement technology is reaching its limits. Das gilt umso mehr für zukünftige Lithographieverfahren, welche eine 1 zu 1 Abbildung haben können, sowie das Vermessen von Wafern. This applies even more for future lithography methods which may have a one to one mapping and surveying of wafers.

Nichtoptische Systeme könnten eine stark verbesserte Auflösung erreichen. Non-optical systems could achieve a greatly improved resolution. Eine hohe Durchsatzrate und eine benutzerfreundliche Handhabe sind für den Erfolg der neuen Systeme unbedingt erforderlich. A high throughput rate and a user-friendly handling is absolutely necessary for the success of the new systems.

Ein Messsystem, das ein optisches mit einem nichtoptischen Verfahren kombiniert, ist in der japanischen Offenlegungsschrift 09/119825 offenbart. A measuring system that combines an optical with a non-optical method is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication 09/119825. Das Messsystem besteht aus einer großen Vakuumkammer, in der die Koordinaten der Probe sowohl mit einem optischen Verfahren als auch mit einem nichtoptischen Verfahren vermessen werden. The measurement system consists of a large vacuum chamber in which the coordinates of the sample to be measured both with an optical method, as well as with a non-optical methods. Mit einem Lichtstrahl und einem Photodetektor wird die Absolutkoordinate I eines Referenzpunktes auf der Probe bestimmt, der vom Ursprung um einen bestimmten Betrag entfernt ist. With a light beam and a photodetector, the absolute coordinate of a reference point I on the sample is determined, which is away from the origin by a certain amount. Die Relativkoordinate LI, bezogen auf die Absolutkoordinate, wird mittels eines Elektronenstrahls und einem Detektor für geladene Teilchen bestimmt. The relative coordinate LI, based on the absolute coordinate is determined by means of an electron beam and a charged particle detector. Die Probe wird innerhalb der Vakuumkammer mittels eines Schlittens von der optischen Messstelle zur Elektronenstrahl-Messstelle verfahren. The sample is moved within the vacuum chamber by means of a carriage of the optical measuring point for electron beam measuring point. Ein Interferometer überwacht und kontrolliert den Verfahrweg innerhalb der Vakuumkammer. An interferometer monitors and controls the travel within the vacuum chamber. Dieses System hat einen entscheidenden Nachteil: die gesamte Messung muss im Vakuum durchgeführt werden, wodurch sich für den Benutzer eine umständliche Handhabung ergibt. This system has a major drawback: the entire measurement must be carried out in vacuum, resulting in a cumbersome operation for the user. Der Durchsatz bei diesem System ist ebenfalls durch die Vakuumkammer beschränkt. The throughput of this system is also limited by the vacuum chamber.

Ein rein optisches Messgerät zur Bestimmung der Lage von Strukturen auf einen transparenten Substrat ist in der deutschen Patentanmeldung DE-A-198 19 492.7-52 offenbart. A purely optical measuring device for determining the position of structures on a transparent substrate is disclosed in German Patent Application DE-A-198 19 492.7-52. Dabei ist die Lage einer Struktur auf dem Substrat durch den Abstand einer Kante der Struktur relativ zu einem Bezugspunkt definiert. The position of a structure on the substrate by the distance between an edge of the structure is defined relative to a reference point. Das Messgerät besteht aus einer Auflicht-Beleuchtungseinrichtung, einer Abbildungseinrichtung und einer Detektoreinrichtung für die abgebildeten Strukturen und einem senkrecht relativ zur optischen Achse interferometrisch verschiebbaren Messtisch. The measuring device consists of an incident-light illumination device, an imaging device and a detector device for the imaged structures and a vertically displaceable relative to the optical axis of interferometrically measuring table. Zur Aufnahme des Substrats ist der Messtisch als offener Rahmen ausgebildet. For receiving the substrate, the measuring table is designed as an open frame. Unter dem Messtisch ist eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, deren optische Achse mit der optischen Achse der Auflicht-Beleuchtungseinrichtung fluchtet. Under the measuring table, an illumination device is provided, whose optical axis is aligned with the optical axis of the incident-light illumination device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Messgerät zu schaffen, das reproduzierbare Messergebnisse von sehr kleinen Strukturen auf einem Substrat zukünftiger Strukturdimensionen liefert, wobei Benutzerfreundlichkeit und eine hohe Durchsatzrate gewährleistet sein sollen. The object underlying the invention is to provide a measuring device that provides reproducible measurement results of very small structures on a substrate of future structure dimensions, ease of use and a high throughput should be assured.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messgerät, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Tragelement gegenüber dem Substrat vorgesehen ist, dass eine nicht-optische Messeinrichtung am Tragelement angebracht ist und Umgebungsluftdruck zwischen der nicht-optischen Messeinrichtung und dem Substrat vorherrscht. The object is achieved by a measuring device, which is characterized in that a support element is provided opposite the substrate so that a non-optical measuring device is mounted on the support member and prevailing ambient air pressure between the non-optical measuring device and the substrate.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das reproduzierbare Messergebnisse von sehr kleinen Strukturen auf einen Substrat zukünftiger Strukturdimensionen liefert, wobei Benutzerfreundlichkeit und eine hohe Durchsatzrate gewährleistet sein sollen. Another object of the invention is to provide a method that provides reproducible results of very small structures on a substrate of future structure dimensions, ease of use and a high throughput should be assured.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das die folgenden Schritte umfasst: This object is achieved by a method comprising the steps of:

  • a) Anfahren der zu vermessenden Struktur ( 19 ) unter Umgebungsluftdruck, a) starting the (structure to be measured 19) is under ambient air pressure,
  • b) Ermitteln einer Grobposition der Struktur ( 19 ) auf dem Substrat, b) determining a coarse position of the structure (19) on the substrate,
  • c) Vermessen der angefahrenen Struktur ( 19 ) mit einer nicht-optischen Messeinrichtung ( 23 ) unter Umgebungsluftdruck, und c) measuring the approached structure (19) having a non-optical measuring device (23) under ambient air pressure, and
  • d) Bestimmen der exakten Position und Ausdehnung der Struktur ( 19 ). d) determining the exact position and extent of structure (19).

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Advantageous further developments emerge from the features of the subclaims.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Messgerätes und der Verfahrens ist es möglich reproduzierbare Messergebnisse zu liefern. With the inventive design of the measuring device and the method, it is possible to provide reproducible results. Ein besonders kostengünstiger und benutzerfreundliche Effekt ergibt sich daraus, dass die nicht-optische Messung unter Umgebungsluftdruck durchgeführt wird. A particularly cost-effective and user-friendly effect results from the fact that the non-optical measurement is carried out under atmospheric pressure. Als Umgebungsluftdruck wird der natürlich vorhandene Luftdruck angesehen, dies betrifft auch den Luftdruck in einer Klimakammer, die Luftfeuchte und Temperatur, jedoch nicht den Luftdruck, regelt. As ambient air pressure of the naturally occurring air pressure is considered, this also applies to the air pressure in an air chamber, the air humidity and temperature, but not controls the air pressure. Besonders deutlich wird dies, wenn die angefahrene Struktur mit einem Elektronenstrahl, der mit einem Elektronenstrahlobjektiv generiert wird, vermessen wird. This is particularly evident when the approached structure is measured with an electron beam generated by an electron lens. Hier ist es dann nicht erforderlich, dass das gesamte Messgerät von einer Vakuumkammer umgeben ist, um die Messung durchführen zu können. Here it is not necessary then that the entire instrument is surrounded by a vacuum chamber in order to perform the measurement.

Die nicht-optische Messung kann z. The non-optical measurement z can. B. mit einem AFM (Atomic Force Microscope) durchgeführt werden. B. be performed with an AFM (Atomic Force Microscope). Der Durchsatz kann mit einem zusätzlichen optischen Mikroskop, bzw. einem entsprechenden Objektiv, gesteigert werden. The throughput can be increased a corresponding lens, with an additional optical microscope, respectively. Dabei macht man sich zunutze, dass die Messung mit dem optischen Mikroskop deutlich schneller erfolgt als mit der nicht-optischen Messeinrichtung. Use is made use of the fact that the measurement with the optical microscope is much faster than with the non-optical measuring device. Dazu wird mit dem Objektiv die Stelle des Substrats ausgewählt, die man genauer untersuchen bzw. vermessen will. For this purpose, the selected location of the substrate with the lens which is to be studied or measured more accurately. Das AFM misst dann maximal in dem durch das Objektiv ausgewählten Messfenster. The AFM then measures a maximum in the selected measurement window through the lens.

Eine starre Verbindung, hier in Form des Tragelements, zwischen dem AFM und dem Objektiv ergibt eine starre Koppelung dieser beiden Bauteile. A rigid connection, in the form of the support element, between the AFM and the lens results in a rigid coupling of these two components. Ein Interferometer ermöglicht eine genaue Bestimmung der Position des Tragelements und somit auch der am Tragelement angeordneten Bauteile. An interferometer allows for accurate determination of the position of the supporting element and thus also the supporting element is arranged on the components. So kann das AFM in dem optisch gefundenen Messfenster exakt positioniert werden. Thus, the AFM can be positioned exactly in the optically detected measurement window. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Struktur auf dem Substrat mit einem Objektiv angefahren wird. It has proved to be advantageous if the structure on the substrate with a lens is approached. Die erforderliche Scharfstellung kann mit einem Autofokussystem erfolgen. The required focus can be done with an autofocus system. Bei dem hier durchgeführten Messverfahren werden die Kanten von den Strukturen auf dem Substrat bestimmt. In the measurement process carried out here, the edges are determined by the structures on the substrate. Durch das optische Anfahren der zu messenden Kanten, kann das Messfenster für das AFM sehr eng um die zu messenden Kanten festgelegt werden. By the optical approaching the edges to be measured, the measuring window for the AFM can be closely fixed to the edges to be measured. Der Messtisch oder auch die Trägerplatte wird dann entsprechend verfahren, damit die zu messende Struktur im Messfenster unter dem AFM zu liegen kommt. The measuring table or the carrier plate is then moved accordingly, so that the structure to be measured in the measurement window under the AFM comes to lie. Während der AFM-Messung wird z. While the AFM measurement is z. B. die Abweichung des Messtisches von der Sollposition mit einem Interferometer bestimmt. B. determines the deviation of the measurement table of the target position with an interferometer.

Ein wichtiges Merkmal für die Positionsmessung auf großen Substraten ist, wie bereits oben erwähnt, die starre Kopplung zwischen dem Antastsystem (Objektiv, AFM) und dem Interferometer. An important feature for the position measurement on large substrates, as already mentioned above, the rigid coupling between the scanning system (lens, AFM) and the interferometer. Für diesen Aspekt wäre eine horizontale Bewegung (in der X/Y Ebene) der AFM-Antastspitze eher negativ. For this aspect, a horizontal movement (in the X / Y plane) of the AFM Antastspitze would be more negative. Die Genauigkeit der Messung könnte noch gesteigert werden, wenn die Spitze des AFM möglichst unbeweglich ist. The accuracy of the measurement could be increased when the tip of the AFM is immobile as possible. Hier wird das Substrat zusammen mit dem Messtisch verfahren und dabei vollflächig mit dem AFM abgetastet. Here, the substrate is moved together with the measuring table and thereby the whole surface scanned by the AFM.

Ein solches Messverfahren wirkt sich aber dann nachteilig auf die Durchsatzrate aus. but then such a measurement method has a disadvantageous effect on the throughput rate.

Ein weiteres nicht-optisches Verfahren könnte mit einem Elektronenstrahl realisiert werden. Another non-optical method could be implemented with an electron beam. Um auch bei der Anwendung eines Elektronenstrahls zu gewährleisten, dass die Messung nicht im Vakuum durchgeführt werden muss, wird ein Elektronenstrahlobjektiv verwendet, das durch dessen mikroskopischen Aufbau im Kleinen eine herkömmliche elektronenmikroskopische Säule realisiert. In order to ensure also in the application of an electron beam that the measurement need not be carried out in vacuum, an electron lens is used, the realized by its microscopic structure on a small scale, a conventional electron microscope column. Auch hier ist eine vorteilhafte Kombination mit einem herkömmlichen Objektiv denkbar. Here, too, an advantageous combination with a conventional lens is conceivable. Durch das Objektiv kann das Anfahren an die zu vermessenden Stellen des Substrats beschleunigt werden. Through the lens starting up can be accelerated at the points to be measured of the substrate. Dies reduziert die Zeit der Einwirkung des Elektronenstrahls auf das Substrat. This reduces the time of exposure to the electron beam on the substrate. Dadurch wird die bereits geringe Aufladung bei Systemen, die ausschließlich mit Elektronenstrahlobjektiven arbeiten, weiter reduziert, da ein großer Teil des Messvorgangs (z. B. Fokussieren, Feinjustage des Messfensters, etc.) optisch ist. As a result, the already low charging in systems which work exclusively with electron lenses further reduced because a large part of the measurement process (eg. As focusing, fine adjustment of the measuring window, etc.) is optical. Die Vermessung mit einem Elektronenstrahl kann die Auflösung eines Messsystems im Vergleich zu einem herkömmlich optischen Messsystem erheblich steigern. The measurement with an electron beam can significantly increase the resolution of a measurement system compared to a conventional optical measurement system.

In der Zeichnung sind vier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Messgerätes schematisch dargestellt und werden anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. In the drawing, four embodiments of the measuring device according to the invention are schematically shown and will be described below with reference to FIGS. Dabei zeigen show Here

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Messgeräts, bei dem das Substrat im Durchlicht beleuchtet wird und wobei die verfeinerte Messung mittels eines AFMs durchgeführt wird, Fig. 1 a first embodiment of the measuring device, wherein the substrate is illuminated in transmitted light, and wherein the refined measurement is performed by means of an AFM,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Messgeräts, bei dem das Substrat im Auflicht beleuchtet wird und wobei die verfeinerte Messung mittels eines AFMs durchgeführt wird, Fig. 2 shows a second embodiment of the measuring device, wherein the substrate is illuminated in incident light, and wherein the refined measurement is performed by means of an AFM,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des Messgeräts, bei dem das Substrat im Durchlicht beleuchtet wird und wobei die verfeinerte Messung mittels eines Elektronenmikroskops durchgeführt wird, und Fig. 3 shows a third embodiment of the measuring device, wherein the substrate is illuminated in transmitted light, the refined measurement is performed by an electron microscope, and

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform des Messgeräts, bei dem das Substrat im Auflicht beleuchtet wird und wobei die verfeinerte Messung mittels eines Elektronenmikroskops durchgeführt wird. Fig. 4 shows a fourth embodiment of the measuring device, wherein the substrate is illuminated in incident light, and wherein the refined measurement is performed by means of an electron microscope.

Das in Fig. 1 dargestellte hochgenaue Messgerät 100 besteht aus einem Granitblock 2 , der auf Füßen 3 schwingungsgedämpft gelagert ist. The illustrated in Fig. 1 highly accurate measuring device 100 consists of a granite block 2 which is mounted on a vibration-damped pads 3. Ein Messtisch 4 stützt sich auf Luftlagern 5 auf dem Granitblock 2 ab. A measurement table 4 is supported on air bearings 5 on the granite block 2 from. Andere Lager sind ebenfalls verwendbar, die eine gleichmäßige und hochgenaue Verschiebung gewährleisten können. Other storage can also be used, which can ensure a uniform and highly accurate displacement. Der Messtisch 4 ist horizontal in zwei zueinander senkrechten Richtungen, hier durch zwei Pfeile x und y angedeutet, in den Richtungen x und y gleitend verschiebbar. The measuring table 4 is indicated horizontally in two mutually perpendicular directions, here by two arrows x and y, x and y slidable in the directions. Die Antriebe zur Erzielung der Verschiebung sind hier nicht dargestellt. The drives to achieve the shift are not shown here. Auf dem Messtisch 4 ruht ein Spiegelkörper 6 . On the measurement table 4 rests a mirror body. 6 Durch den Spiegelkörper 6 sind senkrecht drei Bolzen 7 mit abgerundeten Enden spannungsfrei hindurchgeführt, die nach oben und unten überstehen. Through the mirror body 6 perpendicularly three bolt 7 are guided free of tension with rounded ends, which protrude upward and downward. Mittels der Bolzen 7 stützt sich der Spiegelkörper 6 auf dem Messtisch 4 ab. By means of the pin 7 supports the mirror body 6 onto the measuring table. 4 Die Bolzen 7 sind so angeordnet, dass sie eine stabile Drei-Punkt-Auflage des Spiegelkörpers 6 auf dem Messtisch 4 bewirken, hier also zwei Bolzen links und rechts vorne in der Schnittebene, der dritte Bolzen hinten in der Mitte. The bolts 7 are arranged so that they produce a stable three-point support of the mirror body 6 on the measuring table 4, in this case two bolts on the left and right front in the cutting plane, the third bolt back in the middle. Um die Aufstandsfläche optimal klein zu halten, sind die unteren Enden der Bolzen 7 als Kugelfläche gestaltet. In order to keep the contact area optimally small, the lower ends of the bolts 7 are designed as a spherical surface. Auf den oberen Enden der Bolzen 7 liegt eine Aufnahme 8 mit einer rahmenförmigen Vertiefung auf, in die ein Substrat 9 mit Strukturen 19 aufgelegt ist. On the upper ends of the bolts 7 is a receptacle 8 with a frame-shaped recess into which a substrate 9 is placed with structures 19th Es ist auch möglich, das Substrat 9 direkt auf die Bolzen 7 aufzulegen. It is also possible to lay the substrate 9 directly to the bolt. 7 In den Spiegelkörper 6 sind die beiden Messspiegel 13 mx , 13 my (letzterer ist nicht dargestellt) für die Positionsbestimmung mittels eines Interferometers 26 in der x- und der y-Achse des Messtischs 4 integriert. In the mirror body 6, the two measurement mirrors 13 mx, 13 (the latter not shown is) my for the position determination by means of an interferometer 26 in the x- and y-axis of the measuring table 4 are integrated. In diesem Beispiel sind sie direkt auf das Material des Spiegelkörpers 6 aufgedampft. In this example, they are deposited directly on the material of the mirror body. 6 Andere Möglichkeiten zur Erzielung einer spiegelnden Fläche sind denkbar und dem Fachmann hinlänglich bekannt. Other ways to earn a reflective surface are conceivable to the skilled person well known. Auf den Messspiegel 13 mx am Spiegelkörper 6 ist ein der x-Achse zugeordneter Interferometer-Messstrahl 14 mx gerichtet, der zur interferometrischen Bestimmung der x-Position des Messtischs 4 dient. On the measurement mirror 13 at the mirror mx body 6 a of the x-axis associated with interferometer measurement beam 14 is directed mx, which is used for the interferometric determination of the x position of the measuring table. 4 An der rückwärtigen Außenseite des Spiegelkörpers 6 ist ein (hier nicht dargestellter) Messspiegel 13 my integriert. On the rear outer side of the mirror body 6 (not shown here) measuring mirror 13 my is integrated. Auf diesen ist ein der y-Achse zugeordneter (ebenfalls nicht dargestellter) Interferometer-Messstrahlengang 14 my gerichtet, der zur interferometrischen Bestimmung der y-Position des Messtischs 4 dient. In these, a y-axis is associated with interferometer measurement beam path 14 directed (also not shown) my, which is used for the interferometric determination of the y-position of the measuring table. 4

Ein Objektiv 10 das eine optische Achse 11 definiert, ist auf die Oberfläche des Substrats 9 gerichtet. A lens 10 which defines an optical axis 11 is directed at the surface of the substrate. 9 Unterhalb des Substrats 9 ist auf der optischen Achse 11 ein Kondensor 12 verschiebbar angeordnet, der bei Bedarf eine Durchlichtbeleuchtung erzeugt. Below the substrate 9, a condenser 12 is arranged displaceably on the optical axis 11, which generates a transmitted illumination, if necessary. Um diese Durchlichtbeleuchtung zu ermöglichen, sind der Granitblock 2 , der Messtisch 4 , der Spiegelkörper 6 und die Aufnahme 8 mit rahmenförmigen Öffnungen um die optische Achse 11 ausgestattet. In order to allow for this transmitted light illumination, the granite block 2, the measuring table 4, the mirror body 6 and the receptacle are equipped with 8 frame-shaped openings around the optical axis. 11 In den Granitblock 2 ist eine Beleuchtungseinrichtung 12 eingesetzt, die aus einem höhenverstellbaren Kondensor 12 a und einer Lichtquelle 12 b besteht. In the granite block 2, an illumination device 12 is used which consists of a height-adjustable condenser 12 a and b is a light source 12th Als Lichtquelle 12 b kann z. As the light source 12 can b z. B. auch die Austrittsfläche eines Lichtleiters vorgesehen sein. B. also be provided, the exit surface of a light guide. Der Kondensors 12 fluchtet mit der optischen Achse 11 des Objektivs 10 . The condenser 12 is aligned with the optical axis 11 of the lens 10 degrees. Die Höhenverstellung des Kondensors 12 mit Lichtquelle 12 b dient der Anpassung der auf die Struktur 9 zu richtenden Beleuchtungsstrahlen an unterschiedliche optische Dicken verschiedener Substrate 8 . The height adjustment of the condenser 12 with light source 12 b is used for the adaptation of the structure 9 to be directed illumination beam to different optical thicknesses of various substrates. 8

Das Objektiv 10 ist auf einem Tragelement 15 angebracht, an dem ein Referenzspiegel 16 rx für die interferometrische x-Positionsbestimmung des Messtischs 4 befestigt. The lens 10 is mounted on a support element 15 to which a fixed reference mirror 16 rx for interferometric position determination of the x-measurement table. 4 Er befindet sich in einem starren Abstand zu der optischen Achse 11 des Objektivs 10 . It is located in a rigid distance from the optical axis 11 of the lens 10 degrees. Auch für die interferometrische Positionsbestimmung der y-Achse ist ein Referenzspiegel 16 ry , angebracht, der in dieser Figur nicht dargestellt ist. Also for the interferometric position determination of the y-axis is a reference mirror 16 ry, attached, which is not shown in this figure. Ausgehend vom Interferometer 26 ist auf den Referenzspiegel 16 rx ein Referenzstrahlengang 17 rx für die x-Achse und auf den Referenzspiegel 16 ry ein Referenzstrahlengang 17 ry für die y-Achse gerichtet. Starting from the interferometer 26 is to the reference mirror 16, a reference beam path rx rx 17 for the x-axis and to the reference mirror 16 ry, a reference beam path 17 ry for the y-axis directed. Auf dem Tragelement 15 ist in der optischen Achse 11 ein Positionsdetektor 20 vorgesehen. On the supporting element 15 in the optical axis 11, a position detector 20 is provided. Dieser Positionsdetektor 20 kann in Form einer CCD-Camera oder eines Helligkeitsdetektors ausgebildet sein. This position detector 20 may be in the form of a CCD camera or a brightness detector.

Weiterhin ist mit dem Tragelement 15 ein Fokuspositionsgeber 22 verbunden, der die Fokusposition des Objektivs 10 relativ zum Substrat 9 angibt und die Fokussierung des Objektivs 10 auf die Substratoberfläche kontrolliert und regelt. Furthermore, a focus position detector 22 is connected to the supporting element 15, which indicates the focus position of the lens 10 relative to the substrate 9 and controls the focusing of the lens 10 to the substrate surface and controls. An dem Tragelement 15 ist neben dem Objektiv 10 eine nicht-optische Messeinrichtung 23 angeordnet, die im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel als AFM 24 ausgebildet ist. On the support member 15 is a non-optical measuring device 23, is arranged next to the lens 10 is formed in the embodiment described here as an AFM 24th Das AFM 24 dient zur Feinvermessung der Strukturen 19 auf der Maskenoberfläche. The AFM 24 is used for fine measurement of the structures 19 on the mask surface. Mit dem Objektiv 10 kann man den Durchsatz optimieren, indem man den Messbereich des AFM-Systems maximal im Ort (durch ein Messfenster) als auch in der Höhe (durch einen Fokusbereich) einschränkt. With the lens 10 can optimize the throughput by restricting the range of the AFM system maximum in place (through a measurement window) and in height (by a focus area). Eine Feinvermessung der gesamten Oberfläche des Substrats 9 wäre mit dem AFM viel zu zeitaufwendig. A fine measurement of the entire surface of the substrate 9 would be too time consuming with the AFM. Nur mit einer starren Kopplung von Antastsystemen und den Interferometerspiegeln 13 mx , 13 my , 16 mx und 16 my lassen sich Positionen exakt messen, und so das AFM 24 exakt in dem optisch gefundenen Messfenster positionieren. Only with a rigid coupling of probing systems and interferometer mirrors 13 mx, 13 my, 16 mx and my 16 positions can be measured accurately, and so the exact position in the optical measuring window found the AFM 24th

In einem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 2 dargestellt, wird das Substrat 9 im Auflicht beleuchtet und die verfeinerte Messung ebenfalls mittels des AFMs 24 durchgeführt. Shown in a second embodiment, as shown in Fig. 2, the substrate 9 is illuminated in incident light and the refined measurement is also carried out by means of the AFM 24th Der Einfachheit halber werden für identischen Bauteile bei den unterschiedlichen Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen verwendet. For simplicity, like reference numerals are used for identical components in the different embodiments. Eine Beleuchtungseinheit 28 für die Beleuchtung des Substrats 9 mit Auflicht ist am Positionsdetektor 20 vorgesehen. An illumination unit 28 for illuminating the substrate 9 with incident light is provided on the position detector 20th Im Positionsdetektor 20 ist ein halbdurchlässiges optisches Element 30 vorgesehen, mit dem die Beleuchtung durch das Objektiv auf die Oberfläche des Substrats 9 gerichtet wird. In the position detector 20, a half-transmissive optical element 30 is provided, with which the illumination is directed through the lens to the surface of the substrate. 9

Fig. 3 zeigt die dritte Ausführungsform der Erfindung, bei dem neben dem Objektiv 10 ein Elektronenstrahlobjektiv 40 am Tragelement 15 vorgesehen ist. Fig. 3 shows the third embodiment of the invention, in which an electron lens 40 adjacent the lens 10 is provided on the supporting member 15. Elektronenoptische Systeme sind zur Zeit weit entwickelt und mit Hilfe der Mikrostrukturtechnik fassen sich die Elektronenstrahlobjektive hinreichend klein fertigen. Electron-optical systems are well developed at the time and with the help of microstructure technology, the electron lenses summarize finished sufficiently small. In diesem Ausführungsbeispiel ist die nicht-optische Messeinrichtung 23 , wie bereits oben erwähnt, in Form des Elektronenstrahlobjektivs 40 ausgebildet. In this embodiment, the non-optical measuring device 23, as already mentioned above, in the form of the electron lens 40th Das Elektronenstrahlobjektiv 40 bildet eine besonders vorteilhafte Kombination mit dem Objektiv 10 . The electron lens 40 forms a particularly advantageous combination with the lens 10th Eine Feinvermessung ausschließlich mit dem Elektronenstrahlobjektiv 40 ist möglich. A fine measurement exclusively with the electron lens 40 is possible. Bei der Kombination Objektiv 10 mit dem Elektronenstrahlobjektiv 40 werden Aufladungen durch den Elektronenstrahl minimiert, da für einen möglichst großen Teil des Messvorgangs (wie z. B. Fokussieren, Feinjustage des Messfeldes, . . .) optische Verfahren verwendet werden. In the combination lens 10 with the electron lens 40 charges by the electron beam (such as, for example focusing, fine adjustment of the measuring field...) Be minimized, as for as large a part of the measurement process used optical methods.

Fig. 4 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 4 shows the fourth embodiment of the invention. Hier ist ebenfalls, wie bereits in Fig. 2 erläutert, eine Beleuchtungseinheit 28 am Positionsdetektor 20 vorgesehen. Here, a lighting unit is also, as already explained in Fig. 2, 28 provided on the position detector 20. Diese Anordnung dient somit zur Beleuchtung des Substrats 9 mit Auflicht. This arrangement is used for illumination of the substrate 9 with incident light.

Neben den hier beschriebenen nicht-optischen Messsystemen, wie z. In addition to those described herein non-optical measuring systems such. B. AFM und Elektronenstrahl, finden weitere Messsysteme Anwendung. B. AFM and electron additional measuring systems are used. Eines davon ist z. One of these is for. B. das Photon Tunnel Mikroskop. As the photon tunneling microscope. Weiter ist zu bemerken, dass alle zur Anwendung kommenden, nicht-optischen Messsysteme geeignet sind, ein Substrat 9 unter normalen Luftduckbedingungen zu vermessen. It should also be noted that all are suitable for use next, non-optical measuring systems to measure a substrate 9 under normal air conditions Duck. Eine Umhüllung des gesamten Messgeräts 100 mit einer Kammer zum Evakuieren ist hier nicht erforderlich. A serving of the entire meter 100 with a chamber for evacuation is not necessary here.

Bei erfindungsgemäßen Messverfahren kann mit dem Objektiv 10 der Durchsatz an zu vermessenden Substraten 9 erhöht und auch optimiert werden. When the inventive measuring method with the objective 10, the throughput of substrates to be measured can be increased 9 and also optimized. Hierbei wird der Messbereich des AFMs maximal im Ort (durch ein Messfenster) als auch in der Höhe (durch einen Fokusbereich) einschränkt. Here, the measuring range of the AFMs maximum in place (through a measurement window) and in height (through a focus range) is restricted.

Nur mit einer starren Kopplung der beiden Messsysteme und der Interferometerspiegel 16 rx und 16 ry lassen sich Positionen exakt messen. Only with a rigid coupling of the two measuring systems and the interferometer mirrors 16 and 16 rx ry, positions can be measured accurately. Das AMF wird entsprechend der reinen optischen Messung exakt in dem optisch gefundenen Messfenster positioniert. The AMF is positioned according to the pure optical measurement exactly in the optically detected measurement window.

Ein mögliches Ausbildungsbeispiel für ein Messverfahren mit einem AFM ist im Folgenden erläutert. A possible construction example of a measurement method with an AFM is explained below. Das Substrat 9 wird durch das Objektiv 10 angefahren. The substrate 9 is approached by the objective lens 10 degrees. Das optische System stellt dann auf die zu vermessende Stelle des Substrats 9 scharf. The optical system then focuses on the to be measured location of the substrate. 9 Optisch werden dann die zu messenden Kanten lokalisiert. the edges to be measured are then isolated optically. Eine Grobposition der zu messenden Struktur wird dadurch bestimmt. A coarse position of the structure to be measured is thereby determined. Um diese Grobposition wird ein Bereich festgelegt, der dann das Messfenster für das AFM 24 definiert. To this rough position range is determined, which then defines the measurement window for the AFM 24th Das Messfenster ist somit sehr eng um die Kante definiert. The measuring window is thus defined very tightly around the edge. Der Messtisch 4 wird dann entsprechend verfahren, damit das Messfenster unter dem AFM 24 zu liegen kommt. The stage 4 is then moved accordingly so that the measurement window comes to lie under the AFM 24th Nun erfolgt die exakte Vermessung der Struktur 19 im Messfenster mittels des AFMs 24 . Now the exact measurement of the structure 19 in the measuring window by means of the AFM 24 is carried out. Dabei wird interferometrisch die Abweichung des Messtisches 4 von der Grobposition bestimmt und damit die exakte Position und Ausdehnung der Struktur ermittelt. The deviation of the measurement table 4 is interferometrically determined by the coarse position and thus determines the exact position and extent of the structure. Die Genauigkeit eine Systems mit einem AFM 24 könnte noch weiter erhöht werden, wenn man von einer möglichst unbeweglichen Spitze des AFM 24 ausgeht. The accuracy of a system with a AFM 24 could be further increased, if one starts from an immobile tip of the AFM possible 24th Dann müsste das Substrat 9 durch Fahren des Messtisches 4 abgetastet werden. Then, the substrate would need to be sampled by driving the measuring stage 4. 9

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Messverfahren wird durch die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Messgeräte realisiert. A further embodiment for a measuring method is implemented by the shown in Fig. 3 and Fig. 4 gauges. Hierbei ist das AFM 24 aus Fig. 1 bzw. Fig. 2 durch ein Elektronenstrahlobjektiv 40 ersetzt. Here, the AFM 24 of FIG. 1 or FIG. 2 is replaced by an electron beam objective 40. Die für das Elektronenstrahlobjektiv 40 notwendige Steuer- und Regelelektronik ist hier nicht explizit dargestellt, da sie mit der Elektronik für herkömmliche Raster-Elektronenmikroskope vergleichbar und somit dem Fachmann hinreichend bekannt ist. The time required for the electron lens 40 and control electronics is not shown explicitly, as it is comparable and thus well known to those skilled with electronics for conventional scanning electron microscopes. Das Messverfahren unter Verwendung eines Elektronenstrahlobjektivs 40 benötigt nicht unbedingt ein zusätzliches optischen Antastverfahren durch das Objektiv 10 . The measuring method using an electron lens 40 does not necessarily require an additional optical probing through the lens 10 degrees. Das Elektronenstrahlobjektiv 40 wird über die Oberfläche des Substrats 9 verfahren und dabei werden die Positionen der Kanten der Strukturen 19 und die entsprechenden Strukturbreiten bestimmt. The electron lens 40 is moved over the surface of the substrate 9 and thereby the positions of the edges of the structures 19 and the corresponding line widths are determined. Die durch den Elektronenstrahl des Elektronenstrahlobjektivs 40 verursachte Aufladung der Oberfläche des Substrats 9 ist bereits reduziert, da zum einen das Elektronenstrahlobjektiv 40 mit einer geringen Spannung betrieben wird und zwischen der Oberfläche des Substrats 9 und dem Elektronenstrahlobjektiv 40 kein Vakuum vorherrscht. The charging of the surface of the substrate 9 caused by the electron beam of the electron lens 40 is already reduced because on the one hand the electron lens 40 is operated with a low voltage and 40 prevails no vacuum between the surface of the substrate 9 and the electron lens. Die dort ionisierten Luftmoleküle transportieren zusätzlich die überschüssige Ladung ab und sorgen somit für eine weitere Reduzierung der Aufladung des Substrats 9 . The ionized air molecules there additionally carry the excess charge, and thus ensure a further reduction of the charge of the substrate. 9

Auch hier ist dennoch eine vorteilhafte Kombination mit einem Objektiv 10 denkbar. Here, too, an advantageous combination with a lens 10 is still possible. Mit dem Objektiv 10 könnte die Oberfläche des Substrats 9 beobachtet und das entsprechende Messfenster für das Elektronenstrahlobjektiv 40 schnell aufgefunden werden. With the lens 10, the surface of the substrate 9 could be observed, and the corresponding measuring window for the electron lens 40 will be found quickly. Die durch den Elektronenstrahl verursachten Aufladungen könnten somit noch weiter minimiert werden, indem ein großer Teil des Messvorgangs (z. B. Fokussieren, Feinjustage des Messfeldes, . . .) mit dem Objektiv 10 , also optisch, durchgeführt wird. The charges caused by the electron beam could thus be even further minimized by a large part of the measurement process (eg. As focusing, fine adjustment of the measuring field...) Is performed with the lens 10, so visually.

Auch ist hier ebenso wie bei dem AFM der Durchsatzvorteil von Nutzen. Also here, as in the AFM the throughput advantage of benefits. Insbesondere kann durch mehrfaches Abscannen des Substrats 9 und durch statistische Methoden bei der Auswertung der Scans eine weitere Verringerung der Messfehler erzielt werden. In particular, a further reduction of the measurement error can be obtained by repeated scanning of the substrate 9 and by statistical methods in the evaluation of the scans.

Die vorliegende Erfindung ist in Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben worden. The present invention has been described with reference to exemplary embodiments. Es ist jedoch für jeden auf diesem Fachgebiet tätigen Fachmann offensichtlich, dass Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüchen zu verlassen. It is obvious to anyone working in this field expert, however, that changes and modifications can be made without departing from the scope of the following claims.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

2 2

Granitblock granite block

3 3

Fuß foot

4 4

Messtisch measuring table

5 5

Luftlager air bearing

6 6

Spiegelkörper mirror body

7 7

Bolzen bolt

8 8th

Aufnahme admission

9 9

Substrat substratum

10 10

Objektiv lens

11 11

optischen Achse optical axis

12 12

Beleuchtungseinrichtung lighting device

12 12

a Kondensor a condenser

12 12

b Lichtquelle b light source

13 mx 13 mx

Messspiegel für x-Richtung Measuring mirror for x-direction

13 my 13 my

Messspiegel für y-Richtung Measuring mirror for the y-direction

14 mx 14 mx

Interferometer-Mess strahl für x-Position Interferometric beam of x-position

14 my 14 my

Interferometer-Mess strahl für y-Position Interferometer for measuring beam position y

14 14

Detektor-Einrichtung. Detector means.

15 15

Tragelement supporting member

16 rx 16 rx

Referenzspiegel der x-Achse Reference mirror the x-axis

16 ry 16 ry

Referenzspiegel der y-Achse The y-axis reference mirror

17 rx 17 rx

Referenzstrahlengang Reference beam path

17 ry 17 ry

Referenzstrahlengang Reference beam path

19 19

Strukturen structures

20 20

Positionsdetektor position detector

22 22

Fokuspositionsgeber Focus position encoder

23 23

nicht-optisches Messsystem non-optical measuring system

24 24

AFM AFM

26 26

Interferometer interferometer

28 28

Beleuchtungseinheit lighting unit

30 30

optisches Element optical element

40 40

Elektronenstrahlobjektivs electron lens

100 100

Messgerät gauge
x Pfeil in x-Richtung x arrow in x-direction
y Pfeil in y-Richtung y arrow in y-direction

Claims (15)

  1. 1. Ein Messgerät ( 100 ) zum Vermessen von Strukturen ( 19 ) auf einem Substrat ( 9 ), dadurch gekennzeichnet , 1. A measuring device (100) for measuring structures (19) on a substrate (9), characterized in that
    • a) dass ein Tragelement ( 15 ) gegenüber dem Substrat ( 9 ) vorgesehen ist, a) a support member (15) opposite the substrate (9) is provided,
    • b) und dass eine nicht-optische Messeinrichtung ( 23 ) am Tragelement ( 15 ) angebracht ist, b) and that a non-optical measuring device (23) is mounted on the supporting element (15),
    • c) wobei normale Luftdruckbedingungen zwischen der nicht-optischen Messeinrichtung ( 23 ) und dem Substrat ( 9 ) vorherrschen. c) wherein prevail normal air pressure conditions between the non-optical measuring device (23) and the substrate (9).
  2. 2. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-optische Messeinrichtung ( 23 ) ein AFM ( 24 ) ist. 2. Instrument according to claim 1, characterized in that the non-optical measuring device (23) is an AFM (24).
  3. 3. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-optische Messeinrichtung ( 23 ) aus einem Elektronenstrahlobjektiv ( 24 ) besteht. 3. Timepiece according to claim 1, characterized in that the non-optical measuring device (23) consists of an electron lens (24).
  4. 4. Messgerät nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der nicht-optischen Messeinrichtung ( 23 ) ein optisches Objektiv ( 10 ) vorgesehen ist, das zum schnellen Auffinden von Strukturen ( 19 ) auf dem Substrat ( 9 ) dient. 4. Meter according to any one of claims 2 or 3, characterized in that in addition to the non-optical measuring device (23) comprises an optical lens (10) is provided which is used to quickly locate of structures (19) on the substrate (9) ,
  5. 5. Messgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Tragelement ( 15 ) nebeneinander die nicht-optische Messeinrichtung ( 23 ) und das Objektiv ( 10 ) angebracht und dadurch starr miteinander verbunden sind. 5. Timepiece according to claim 4, characterized in that on the support element (15) mounted side by side, the non-optical measuring device (23) and the lens (10), thereby rigidly connected to each other.
  6. 6. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein verfahrbarer Messtisch ( 4 ) vorgesehen ist, auf den die zu vermessenden Substrate ( 9 ) ablegbar sind, und dass ein Interferometer ( 26 ) vorgesehen ist, das die Sollposition des Messtisches ( 4 ) bestimmt. 6. Timepiece according to claim 1, characterized in that a movable measuring table (4) is provided, to which the to be measured substrates (9) can be stored, and in that an interferometer (26) is provided which is the nominal position of the measurement table (4) certainly.
  7. 7. Messgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer ( 26 ) ebenfalls die Position des Tragelements ( 15 ) bestimmt und kontrolliert. 7. Timepiece according to claim 5, characterized in that the interferometer (26) also determines and controls the position of the supporting element (15).
  8. 8. Messgerät nach Anspruch 5, dadurch kennzeichnet, dass am Tragelement ( 15 ) ein Fokuspositionsgeber ( 22 ) angebracht ist, der die Fokusposition des Objektivs ( 10 ) relativ zum Substrat ( 9 ) angibt und das Objektiv ( 10 ) auf das Substrat ( 9 ) fokussiert. 8. Timepiece according to claim 5, characterized indicates that a focus position sensor (22) is mounted on the supporting element (15) indicative of the focus position of the objective (10) relative to the substrate (9) and the lens (10) to the substrate (9 ) focused.
  9. 9. Verfahren zum Vermessen von Strukturen ( 19 ) auf einem Substrat ( 9 ), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 9. A method for measuring structures (19) on a substrate (9), characterized by the steps of:
    • a) Anfahren der zu vermessenden Struktur ( 19 ) unter Umgebungsluftdruck a) starting the structure to be measured (19) under ambient air pressure
    • b) Ermitteln einer Grobposition der Struktur ( 19 ) auf dem Substrat, b) determining a coarse position of the structure (19) on the substrate,
    • c) Vermessen der angefahrenen Struktur ( 19 ) mit einer nicht-optischen Messeinrichtung ( 23 ) unter Umgebungsluftdruck, und c) measuring the approached structure (19) having a non-optical measuring device (23) under ambient air pressure, and
    • d) Bestimmen der exakten Position und Ausdehnung der Struktur ( 19 ). d) determining the exact position and extent of structure (19).
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 10. The method according to claim 9, characterized by the steps of:
    • a) Positionieren des Substrates ( 9 ) auf einem in x- und y-Richtung beweglichen Messtisch ( 4 ), und a) positioning the substrate (9) on a mobile in the x- and y-direction of the measuring table (4), and
    • b) Ermitteln der exakten Position der Struktur ( 9 ) aus der durch das Inferterometer ermittelten Position des Messtisches ( 4 ) und der Position der nicht-optischen Messeinrichtung ( 23 ) b) determining the exact position of the structure (9) from the determined by the Inferterometer position of the measuring table (4) and the position of the non-optical measuring device (23)
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren der zuvermessenden Struktur mittels eines Objektivs ( 10 ) erfolgt. 11. The method according to claim 10, characterized in (10) is carried out that the approach of the zuvermessenden structure by means of a lens.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-optische Messeinrichtung ( 23 ) als AFM ( 24 ) ausgebildet ist. 12. The method according to claim 9, characterized in that the non-optical measuring device (23) as an AFM (24) is formed.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-optische Messeinrichtung ( 23 ) als Elektronenstrahlobjektiv ( 40 ) ausgebildet ist. 13. The method according to claim 9, characterized in that the non-optical measuring device (23) is formed as an electron lens (40).
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tragelement ( 15 ) gegenüber dem Substrat ( 9 ) vorgesehen ist, dass die nicht-optische Messeinrichtung ( 23 ) und ein Objektiv ( 10 ) nebeneinander am Tragelement ( 15 ) derart angebracht sind, dass die nicht-optische Messeinrichtung ( 23 ) und das Objektiv ( 10 ) starr miteinander verbunden sind. 14. The method according to claim 9, characterized in that a supporting element (15) opposite the substrate (9) is provided, that the non-optical measuring device (23) and a lens (10) are mounted side by side on the supporting element (15) in such a way that the non-optical measuring device (23) and the lens (10) are rigidly interconnected.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass am Tragelement ( 15 ) ein Fokuspositionsgeber ( 22 ) angebracht ist, der die Fokusposition des Objektivs ( 10 ) zum Substrat ( 9 ) einstellt. 15. The method according to claim 14, characterized in that the supporting element (15) a focus position sensor (22) is attached, adjusts the focus position of the lens (10) to the substrate (9).
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