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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei der Bestimmung von Strukturdaten,
wobei erfindungsgemäß die Linearitätsgrenze zu
kleineren Strukturen hin verbessert wird.
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Das
Messen von Strukturdimensionen (sog. CD Critical Dimension) wird üblicherweise
mit bekannten Systemen wie Mikroskopen, CD-SEM, AFM, usw. durchgeführt.
Sogenannte Scatterometrie-Verfahren beruhen ebenfalls auf Messmethoden
mit Mikroskopen; sie benötigen jedoch in der Regel sich wiederholende
Strukturen im Messfeld.
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Prinzipiell
lassen sich zwei verschiedene Proben unterscheiden, an denen die
Messung durchgeführt wird. Dies sind zum einen Masken (Quarzscheiben)
und zum anderen Wafer (Siliziumscheiben). Die Strukturen auf den
Wafern sind in der Regel um einen Faktor vier kleiner als die auf
den Masken. Die im Folgenden angegebenen Abmessungen beziehen sich
auf Masken.
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Die
Messstrukturen haben in der Regel eine Rechteckstruktur (z. B. Einzellinien,
Linienfelder; sog. Line and Space, L&S) mit regelmäßigen, äquidistanten
oder auch unregelmäßigen Abständen, gekennzeichnet
durch große Längen (mehrere Mikrometer) und kleine
Breiten (einige hundert Nanometer). Ebenfalls gemessen werden Winkel
als auch sogenannte Dots und Holes (D&H), auch Kontaktlöcher genannt,
die in beiden Dimensionen nur einige hundert Nanometer groß sind.
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Ein
Hauptnachteil des Messens mit optischen Systemen ist die Auflösungsbegrenzung
durch Beugungserscheinungen. Dies führt bspw. dazu, dass
Einzellinien in den Abbildungen stark verbreitert wiedergegeben
werden bzw. von benachbarten Strukturen kaum oder nicht mehr unterschieden
werden können.
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Weiterhin
unterliegen die zur Bestimmung der Strukturdimensionen aufgenommenen
Messprofile starken Schwankungen, die durch die mit den verschiedenen
bekannten Aufnahmeverfahren Auflicht (Reflexion) und Durchlicht
(Transmission) verbundenen Unterschiede des Messaufbaus; als auch
die unterschiedlichen Messproben selbst (Phasenshift-Masken für
unterschiedliche Belichtungswellenlängen; 193 nm mit ArgonFluorid-Lasern – ArF;
248 nm mit KryptonFluorid-Lasern – KrF; Chrom auf Quarz
Masken – CoG; Resist-Masken) bedingt sind.
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Als
ein stabiles Verfahren mit sehr guter Messwiederholbarkeit hat sich
bei der Bestimmung der CD das Verfahren der sog. Kantendetektion
herausgestellt, da es von geringen Intensitätsschwankungen
der Beleuchtung relativ unbeeinflusst ist. Die Kantendetektion beruht
auf der Bestimmung eines 100%-Levels des gemessenen Profils und
der Lage der beiden Profilkanten. Das Verfahren ist z. B. in der
DE 100 47 211 A1 offenbart.
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In
Ermangelung hinreichender Kalibrierstandards sind die Messwerte
als Absolut-Messwert nicht hinreichend genau. Die Kalibrierung erfolgt
in der Regel mittels einer sogenannten Pitch-Struktur, die eine Linie
und einen Zwischenraum eines äquidistanten Linienfeldes
beschreibt. Die Breite der derzeit üblicherweise genutzten
Pitch-Struktur liegt dabei in einem Bereich von ca. 1 bis 4 Mikrometern.
Eine Pitch-Struktur kann reproduzierbar gemessen werden, da die
gleichen Kanten zur Bestimmung der Pitch-Breite heran gezogen werden.
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Durch
Verbesserungen hinsichtlich der Auflösung (höhere
Apertur) bzw. der Optik und Beleuchtung sowie der Messstabilität
gelingt es, sehr gute Wiederholbarkeiten (z. B. in Bereich von kleiner
1 nm mit DUV-Optik für eine Wellenlänge bei 248
nm) zu erzielen, als auch die Linearitätsgrenze zu kleineren Strukturen
hin zu verschieben. Die DUV-Optik ist bspw. in der
DE 199 31 949 A1 offenbart.
Ein DUV-geeignetes Trocken-Objektiv für Mikroskope umfasst
Linsengruppen aus Quarzglas, Flussspat und teilweise auch Lithiumfluorid.
Es besitzt einen DUV-Fokus für ein Wellenlängenband λ
DUV ± Δλ, mit Δλ =
8 nm und zusätzlich einen parfokalen IR-Fokus für
eine IR-Wellenlänge λ
IR mit
760 nm ≤ λ
IR ≤ 920 nm.
Dazu ist das vorletzte Element beidseitig konkav ausgebildet und
sein objektseitiger Außenradius deutlich kleiner als der
bildseitige Außenradius. Das DUV-Objektiv ist IR-autofokustauglich.
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Verfahren
des Standes der Technik hinsichtlich der Linearitätssteigerung
bzw. der Optical Proximity Correction sind u. a. in den Patentanmeldungen
WO 01/92818 A1 und
DE 102 57 323 A1 beschrieben.
Dort ist ein Verfahren und ein Mikroskop zum Detektieren von Bildern
eines Objekts offenbart, insbesondere zur Bestimmung der Lokalisation
eines Objekts relativ zu einem Bezugspunkt, wobei das Objekt mit
einer Lichtquelle beleuchtet und mit Hilfe eines Abbildungssystems
auf einen vorzugsweise als CCD-Kamera ausgeführten Detektor
abgebildet wird. Das detektierte Bild des Objekts wird mit einem
Referenzbild verglichen, wobei zur Minimierung der Fehler bei der
Messwertinterpretation bei der Erzeugung des Referenzbilds Informationen über
die Eigenschaften des Abbildungssystems berücksichtigt werden.
Hinzu kommt, dass bei einer vorgebbaren Abweichung der verglichenen
Bilder das Referenzbild derart variiert wird, dass es zumindest
weitgehend dem detektierten Bild entspricht.
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Eine
weitere Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung der Messgenauigkeit
wird in
DE 10 2005
025 535 A1 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung
wird hiermit in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.
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Ein
Nachteil der beschriebenen Systeme besteht darin, dass aufgrund
der verwendeten Standardoptik die CD-Linearität begrenzt
ist. Somit sind der linearen Messung zu kleineren Strukturbreiten
Grenzen gesetzt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein eine Vorrichtung zu
schaffen, mit der eine weitere Verbesserung in der Steigerung der Linearität
und damit der Genauigkeit des Messens von Strukturen, die nahe der
optischen Auflösungsgrenze liegen erreicht wird.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, das die Merkmale
des Anspruchs 1 umfasst.
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Es
ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung von
Dimensionsmesswerten (z. B. Strukturbreiten) mit Hilfe eines optischen
Systems zu schaffen, bei dem die Verbesserung in der Steigerung
der Linearität und damit der Genauigkeit des Messens von
Strukturen liegt, die nahe der Auflösungsgrenze liegen.
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Diese
weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die
Merkmale des Patentanspruchs 10 aufweist.
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Der
Vorteil ist die gesteigerte Konkurrenzfähigkeit gegenüber
nichtoptischen Systemen und zu Systemen, wie sie bspw. in der
DE 10 2005 025 535 A1 beschrieben
sind.
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Die
Vorrichtung zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei der Bestimmung
von Strukturdaten ist mit einem in X-Koordinatenrichtung und Y-Koordinatenrichtung
verfahrbaren Auflagetisch versehen. Auf dem Auflagetisch ist ein
zusätzlicher Halter zur Halterung eines Stubstrats angebracht.
Mindestens eine Lichtquelle und mindestens ein Objektiv und eine
erste Detektoreinheit sind vorgesehen, die das von auf dem Substrat
aufgebrachten Strukturen reflektierte oder transmittierte Licht
empfängt. Ein zweiter Detektor ist vorgesehen, der die
von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende Beleuchtungsintensität
zeitgleich aufzeichnet und einem Rechner zuführt, der aus
dem von der ersten Detektoreinheit und dem zweiten Detektor empfangenen
Licht die Strukturdaten ermittelt.
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Auf
Basis theoretischer Berechnungen kann nachgewiesen werden, dass
die Verwendung von polarisiertem Licht zu einer verbesserten und
zu kleineren Messstrukturen hin verschobenen Linearitätsgrenze
führt.
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Die
Verwendung von S-polarisiertem Licht im Beleuchtungsstrahlengang
führt zu einer Verbesserung der CD-Linearität
für Strukturen in Y-Richtung. Die Verwendung von P-polarisiertem
Licht führt dagegen zu einer Verbesserung der CD-Linearität
für Strukturen in X-Richtung.
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Durch
den Einsatz von polarisiertem Licht kann abhängig vom verwendeten
Objektiv eine signifikante Verschiebung der Linearitätsgrenze
um mehrere Nanometer erfolgen. Beispielsweise verschiebt sich die
Linearitätsgrenze bei Verwendung eines DUV-ATM-Objektivs
(150x/0,90/248 nm) um 75 nm von 350 nm (unpolarisiertes Licht) auf
275 nm (polarisiertes Licht).
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Die
verwendeten Polarisationsfilter werden zweckmäßigerweise
in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht bzw. dort integriert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein drehbarer Polarisationsfilter verwendet, wodurch sich eine
sehr kompakte Bauform realisieren lässt. Dieser drehbare Filter
ermöglicht je nach eingestellter Orientierung eine verbesserte
Linearität für die zu messende Struktur. Bei der
Verwendung eines drehbaren Polarisationsfilters kann pro Messdurchlauf
jedoch nur eine Orientierung der Strukturen gemessen werden. Dies
entspräche einem erhöhten Zeitaufwand, da für die
Messungen in X- und Y-Richtung jeweils eine getrennte Messung durchgeführt
werden muss. Der Durchsatz würde sich in etwa halbieren.
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Um
dieses Problem zu umgehen, wird gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung eine Pockels- oder Kerr-Zelle
im Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt. Durch die Verwendung eines elektrooptischen
Schalters in Form einer Pockels-Zelle kann die eingesetzte Lichtquelle
in kürzester Zeit geschalten werden bzw. die Lichtintensität moduliert
werden. Durch Ausnutzung des elektrooptischen Effekts ist somit
ein Umschalten der Polarisationsrichtung innerhalb weniger Mikrosekunden
möglich. Somit kann zwischen zwei aufzunehmenden Kamerabildern
die Polarisationsrichtung nahezu verzögerungs- und schwingungsfrei
umgeschaltet werden.
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Mit
Hilfe der Pockels- oder Kerr-Zelle ist es also möglich,
innerhalb eines Messlaufs abwechselnd Bilder mit S- bzw. P-polarisiertem
Licht aufzunehmen. Es kann daraufhin eine getrennte Auswertung der
S- und P-Polarisation und somit der Y bzw. X-Messstrukturen vorgenommen
werden.
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Im
Rahmen einer normalen Messung werden in etwa 100 Bilder in einem
Z-Abstand von 13 nm aufgenommen und analysiert. Verwendet man die oben
beschriebene alternierende Polarisation, so erhält man
ca. 50 Bilder für S-Polarisation und ca. 50 Bilder für
P-Polarisation, die innerhalb der Z-Ebene miteinander verzahnt sind.
Um Messungen ohne Informationsverlust durchzuführen, muss
die sog. Z-Stage-Geschwindigkeit entsprechend angepasst werden.
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Wahlweise
kann wenigstens eine zweite Detektoreinheit zur Erfassung einer
Beleuchtungsintensität vorgesehen ist. Diese zweite Detektoreinheit kann
in Auflichtanordnung oberhalb des Messtischs und/oder in Durchlichtanordnung
unterhalb des Messtischs angeordnet sein.
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Nachfolgend
wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme
der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Aus den beigefügten Zeichnungen
werden sich weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der gegenwärtigen
Erfindung ergeben.
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Es
zeigen:
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1a eine
schematische Ansicht einer ersten Variante eines Aufbaus, mit dem
optische CD-Messungen durchgeführt werden;
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1b eine
schematische Ansicht einer zweiten Variante eines Aufbaus, mit dem
optische CD-Messungen durchgeführt werden;
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2 eine
schematische Ansicht eines Substrats mit darauf befindlichen Strukturen;
und
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3 in
einem Diagramm den Vergleich ermittelter CD-Messwerte für
Strukturen in Y-Richtung.
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In
den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder
im Wesentlichen gleich wirkende Elemente oder Funktionsgruppen.
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In 1a ist
der Aufbau 1 dargestellt, mit dem CD-Messungen an einem
mikroskopischen Bauteil 2 durchgeführt werden
können. Auf einem Grundgestell 3 ist ein Auflagetisch 4 für
das Substrat 2 vorgesehen. Der Auflagetisch 4 ist
als sog. Scanning-Tisch ausgestaltet. Der Auflagetisch 4 ist
in einer X-Koordinatenrichtung und einer Y-Koordinatenrichtung verfahrbar.
Auf dem Auflagetisch 4 ist das zu untersuchende Substrat 2 abgelegt.
Das Substrat 2 kann auf dem Auflagetisch 4 in
einem zusätzlichen Halter 6 gehaltert sein. Das
Substrat 2 ist ein Wafer, eine Maske, ein mikromechanisches
Bauteil oder ein artverwandtes Bauteil. Zur Abbildung des Substrat 2 ist
mindestens ein Objektiv 8 vorgesehen, das einen Abbildungsstrahlengang 10 definiert.
Der Auflagetisch 4 und der zusätzliche Halter 6 sind
derart ausgebildet, dass sie ebenfalls für die Durchlichtbeleuchtung
geeignet sind. Hierzu sind der Auflagetisch 4 und der zusätzliche
Halter 6 mit einer Freisparung (nicht dargestellt) für
den Durchtritt der Durchlichtbeleuchtung 12 ausgebildet.
Die Durchlichtbeleuchtung 12 geht von einer Lichtquelle 20 unterhalb
des Grundgestells 3 und des Tischs 4 aus. Die
Auflichtbeleuchtung geht von einer Lichtquelle 16 oberhalb
des Tischs 4 aus. Im Abbildungsstrahlengang 10 ist
ein Strahlteiler 13 vorgesehen, der das Detektionslicht 14 auf
eine erste Detektionseinheit 15a lenkt. Die erste Detektionseinheit 15a ist
hinter dem Strahlteiler 13 im Abbildungsstrahlengang 10 vorgesehen.
Ebenso kann eine CCD Kamera vorgesehen sein, mit der das Bild der
zu untersuchenden Stelle des Substrats 2 aufgezeichnet
bzw. aufgenommen wird. Die Detektionseinheit 15a ist mit
einem Display 17 und einem Rechner 18 verbunden.
Der Rechner 18 dient zur Steuerung der Vorrichtung 1,
zur Verarbeitung der gewonnenen Daten und zur Speicherung und Auswertung
der aufgenommenen Daten.
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Eine
Erweiterung des in 1a gezeigten Aufbaus der Vorrichtung
ist, dass ein zweiter Detektor 15b vorgesehen ist, der
zum zeitgleichen Aufzeichnen der Beleuchtungsintensität
verwendet wird (vgl. 1b). Es sind bekannte optische
Mittel vorgesehen, die das Licht in entsprechender Weise auf den
zweiten Detektor 15b richten. Nicht kritische Referenzstrukturen
werden in gleicher Weise zeitgleich oder zeitversetzt, vorteilhaft
z. B. mit einer CCD-Kamera, aufgezeichnet.
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Auch
wenn in der Darstellung der 1b der zusätzliche
zweite Detektor 15b lediglich in einer Auflichtanordnung
dargestellt ist, so ist dies keineswegs einschränkend zu
verstehen. Ein solcher zusätzlicher optischer Detektor 15b kann
wahlweise auch unterhalb des Auflagetischs 4 angeordnet
sein, was einer Durchlichtanordnung entspricht.
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Bei
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die mehreren
Objektive 8 an einem Revolver (nicht dargestellt) vorgesehen,
so dass ein Benutzer unterschiedliche Vergrößerungen
wählen kann. Der Auflagetisch 4 ist in einer jeweils
senkrecht zueinander liegenden X-Koordinatenrichtung und einer Y-Koordinatenrichtung
verfahrbar ausgebildet. Damit kann jede zu beobachtende Stelle des
Substrats 2 in den Abbildungsstrahlengang 10 gebracht
werden.
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Der
erfindungsgemäß eingesetzte Polarisationsfilter 30a, 30b ist
im Beleuchtungsstrahlengang integriert. Bei Messung mittels Auflichtbeleuchtung wird
der Polarisationsfilter 30a zwischen der Auflichtlichtquelle 16 und
dem Strahlteiler 13 angebracht. Bei Messung mittels Durchlichtbeleuchtung
ist der Polarisationsfilter 30b zwischen der Durchlichtlichtquelle 20 und
dem Auflagetisch 4 mit dem Substrat 2 angebracht.
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Die
schematische Darstellung der 2 zeigt
eine Draufsicht auf ein mikroskopisches Bauteil und Beispiele für
darauf aufgebrachte Leiterstrukturen 40, die im Wesentlichen
lineare Verläufe mit zueinander orthogonalen Richtungen
aufweisen. Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung können kleinere Strukturen optisch vermessen
werden als dies bisher der Fall war.
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Die 3 zeigt
in einem Diagramm den Vergleich ermittelter CD-Messwerte für
Strukturen in Y-Richtung. Es wird dabei verdeutlicht, dass eine S-Polarisation
für Y-Strukturen eine Verbesserung der Linearitätsgrenze
ergibt. Dargestellt ist die CD-Linearität anhand einer
248 nm-Beleuchtung. Auf der vertikalen Achse 42 sind Zahlenwerte
für die optische CD zwischen ca. 50 nm und ca. 250 nm aufgetragen. Auf
der horizontalen Achse 44 sind Zahlenwerte für die
nominelle CD zwischen ca. 200 nm und ca. 400 nm aufgetragen. Die
drei Linien 50, 52 und 54 verdeutlichen
Linearitäten, wobei die untere Linie 50 eine Linearität
für parallel polarisiertes Licht (P-Polarisation), die
mittlere Linie 52 eine Linearität nicht polarisiertes
Licht und die obere Linie 54 eine Linearität für
senkrecht polarisiertes Licht (S-Polarisation) darstellt. Die dreieckigen
Messpunkte 60 zeigen dementsprechend Messwerte, die mit
einer P-Polarisation aufgenommen wurden. Die runden Messpunkte 62 zeigen
Messwerte, die ohne Polarisationsrichtung aufgenommen wurden. Die
quadratischen Messpunkte 64 zeigen Messwerte, die mit einer
S-Polarisation aufgenommen wurden.
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Das
Diagramm verdeutlicht, dass mit unpolarisiertem Licht bereits bei
ca. 350 nm Abweichungen auftreten, so dass dieser Bereich die ungefähre
Linearitätsgrenze bildet. Mit S-polarisiertem Licht können die
Strukturen dagegen bis ca. 275 nm ohne Linearitätsabweichungen
erfasst werden. Das bedeutet, dass für das verwendete DUV-ATM-Objektiv (150x/0,90/248
nm) die Linearitätsgrenze im Vergleich mit unpolarisiertem
Licht von ca. 350 nm auf ca. 275 nm verschoben werden kann.
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Der
Einsatz einer Pockels- oder Kerr-Zelle als Polarisationsfilter im
Beleuchtungsstrahlengang ermöglicht sehr schnelle Umschaltvorgänge
der Polarisationsrichtung und damit Messdurchläufe in bisher
bekannten Taktzeiten, ohne dass durch die zusätzliche Polarisation
im Beleuchtungsstrahlengang die Zeitdauern für die optischen
Bauteiluntersuchungen verlängert würden. Mittels
des elektrooptischen Effekts kann innerhalb weniger Mikrosekunden
zwischen den verschiedenen Polarisationsrichtungen umgeschaltet
werden, so dass alternierend Bilder mit jeweils S- und P-Polarisation
aufgenommen und getrennte Auswertungen für S- und P-Polarisationsrichtungen
bzw. für X- und Y-Messstrukturen vorgenommen werden können.
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Die
Erfindung wurde in Bezug auf besondere Ausführungsformen
beschrieben. Es ist dennoch für einen Fachmann selbstverständlich,
dass Abwandlungen und Änderungen der Erfindung gemacht
werden können ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden
Ansprüche zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10047211
A1 [0007]
- - DE 19931949 A1 [0009]
- - WO 01/92818 A1 [0010]
- - DE 10257323 A1 [0010]
- - DE 102005025535 A1 [0011, 0017]