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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem Korrekturwerte
der Durchbiegung eines Substrats relativ zum Koordinatensystem einer
Koordinaten-Messmaschine zugeordnet werden können.
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Ein
Messgerät zur Vermessung von Strukturen auf Substraten
zur Herstellung von Wafern (Masken) ist aus dem Vortragsmanuskript „Pattern
Placement Metrology for Mask Making" von Frau Dr. Carola Bläsing bekannt.
Dieser Vortrag wurde gehalten anlässlich der Tagung Semicon,
Education Program in Genf am 31.03.1998. Die dortige Beschreibung
bildet die Grundlage einer Koordinaten-Messmaschine, wie sie für
die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Verwendung findet.
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Die
Deutsche Patentschrift
DE 198
17 714 offenbart ein Verfahren zur Messung von Strukturen auf
einer Maskenoberfläche. Die Maske ist in einem Koordinaten-Messgerät
auf einem senkrecht zur optischen Achse eines abbildenden Messsystems
interferometrisch messbar verschiebbaren Messtisch gelagert. Bei
dem hier beschriebenen Verfahren wird die Ausrichtung der Maske
relativ zu einem Messgeräte-Koordinatensystem bestimmt.
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Das
U.S.-Patent 5,459,577 offenbart
ein Verfahren zur Bestimmung der Position von Strukturen auf der
Oberfläche eines Substrats. Dabei wird mit der Maschine
zunächst eine erste Durchbiegung gemessen, wobei die erste
Durchbiegung durch eine Konfiguration von Unterstützungspunkten
des Substrats erreicht wird. Anschließend wird eine zweite Durchbiegung
gemessen, die durch eine andere Konfiguration der Unterstützungspunkte
erreicht wird. Je nach Position und Lage der Unterstützungspunkte
für das Substrat erhält man eine andere Form der
Durchbiegung. Da eine positionsgleiche Ablage eines Substrats auf
den Unterstützungspunkten nicht gewährleistet
ist, würde daraus resultieren, dass für jedes
neu abgelegte Substrat eine entsprechend Messung der Durchbiegung,
bzw. Deformation des Substrats aufgrund der Position der Unterstützungspunkte
gemessen werden muss. Dies ist erheblich zeitauf wendig und reduziert
somit den Durchsatz der Substrate bei der Vermessung von Positionen
der Strukturen auf den Substraten.
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Der
Artikel von K.-D. Röth und K. Rinn, veröffentlicht
in Mitteilungen für Wissenschaft und Technik BD. XI, Nr.
5, Seite 130 bis 135, Oktober 1997, beschreibt die Masken-Metrologie
und ihre Anwendung für die Halbleiterproduktion. Die nominelle
Genauigkeit einer Koordinaten-Messmaschine wird dabei bestimmt,
durch die Orientierungen, in welchen die Maske auf einem Substrathalter
abgelegt ist. Misst man z. B. die Maske in vier Orientierungen (0°,
90°, 180° und 270°), so erhält
man je Orientierung leicht unterschiedliche Messergebnisse. Dies
zeigt bereits deutlich, dass die Ablage des Substrats in dem Substrathalter
und schließlich deren Orientierung zu einem Koordinatensystem
des Messtisches und/oder der Koordinaten-Messmaschine für
die Durchbiegung und letztendlich für die Genauigkeit der
Bestimmung der Messwerte der einzelnen Strukturen auf dem Substrat
von erheblicher Bedeutung ist.
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Aufgabe
der gegenwärtigen Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen,
mit dem Korrekturwerte der Durchbiegung eines Substrats in Abhängigkeit von
der Zuordnung des Substrats relativ zum Koordinatensystem einer
Koordinaten-Messmaschine bestimmt werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das die Merkmale
des Anspruchs 1 umfasst.
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Das
Verfahren der Zuordnung von Korrekturwerten der Durchbiegung eines
Substrats in einem Substrathalter relativ zum Koordinatensystem
einer Koordinaten-Messmaschine hat besondere Vorteile, da für
jeden Typ des Substrats die Durchbiegung des Substrats für
beliebige Punkte auf dem Substrat berechnet wird, wobei die Korrekturwerte
der Durchbiegung der Maske relativ zu einem Bezugspunkt bekannt
sind. Dabei kann der Nullpunkt bzw. der Bezugspunkt der Korrekturwerte
der Durchbiegung ein Auflagepunkt des Substrats im Substrathalter
sein. Für jeden bei der Koordinaten-Messmaschine verwendeten
Substrathalter wird die Lage zweier Referenzmarken auf dem Substrathalter
in Bezug auf den Bezugspunkt bestimmt. Bei dem gerade verwendeten
Substrathalter in der Koordinaten-Messmaschine wird automatisch
die Lage der mindesten zwei Referenzmarken auf dem Substrathalter
relativ zum Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine bestimmt.
Dadurch wird die Lage des Bezugspunkts relativ zum Koordinatensystem
der Koordinaten-Messmaschine berechnet. Aus dem Messergebnis für
die Lage des Bezugspunkts wird die Zuordnung der Korrekturwerte
für die Berechnung der Durchbiegung des jeweils im Substrathalter
befindlichen Substrats relativ zum Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine
an jedem Punkt des Substrats ermittelt, an welchen auch eine Messung
durchgeführt worden ist.
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Es
wird eine Verschiebung des Substrathalters relativ zum Koordinatensystem
der Koordinaten-Messmaschine bestimmt.
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Ebenso
kann eine Drehung des Substrathalters relativ zum Koordinatensystem
der Koordinaten-Messmaschine bestimmt werden. Zusätzlich
ist es möglich, dass eine Verschiebung und eine Drehung
des Substrathalters relativ zum Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine
bestimmt werden.
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Das
Substrat hat mindestens zwei Referenzmarken ausgebildet. Der Substrathalter
hat mindestens drei Auflagepunkte für das Substrat ausgebildet.
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Die
Berechnung der Durchbiegung des Substrats kann z. B. mittels einer
Finite-Element-Methode erfolgen. Dabei wird die vorher ermittelte
Lage der Auflagepunkte für das Substrat in Bezug auf das
Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine und die Lage des
Substrathalters in Bezug auf das Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine bei
der Berechnung der Durchbiegung des Substrats berücksichtigt.
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Im
Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und
ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher
erläutern.
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1 zeigt
schematisch eine Koordinaten-Messmaschine gemäß dem
Stand der Technik, bei der das erfindungsgemäße
Verfahren Anwendung findet;
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2 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Substrat, welches in einen
Substrathalter eingelegt ist;
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3a zeigt
eine vergrößerte Darstellung eines in einem Substrathalter
eingelegten Substrats, wobei in dieser Darstellung das Substrat
ohne Verschiebung in dem Substrathalter positioniert ist;
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3b zeigt
eine vergrößerte Darstellung eines in einem Substrathalter
eingelegten Substrats, wobei das Substrat bzgl. der korrekten Position
im Substrathalter verschoben ist;
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3c zeigt
eine vergrößerte Darstellung einer Position eines
Substrats im Substrathalter, wobei das in den Substrathalter eingelegte
Substrat gegenüber der korrekten Position des Substrats
im Substrathalter gedreht ist;
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4a zeigt
eine schematische Darstellung der Anordnung eines Substrathalters
mit einem Substrat im Messtisch und die Zuordnung des Messtisches
zum Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine;
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4b zeigt
die Verdrehung des Koordinatensystems des Substrathalters bzgl.
des Koordinatensystems der Koordinaten-Messmaschine;
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5 zeigt
eine schematische Anordnung des Substrathalters mit dem Substrat
im Messtisch einer Koordinaten-Messmaschine, wobei die Verdrehung
des Substrathalters gegenüber dem Koordinatensystem des
Messtisches übertrieben dargestellt ist, um die Beziehung
der einzelnen Koordinatensysteme untereinander besser darstellen
zu können.
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Eine
Koordinaten-Messmaschine 1 der in 1 beschriebenen
Art ist bereits mehrfach aus dem Stand der Technik bekannt. Im Wesentlichen
hat die Koordinaten-Messmaschine 1 eine Ebene 25a ausgebildet,
auf der ein Messtisch 20 auf Luftlagern in der Ebene 25a bewegbar,
bzw. verfahrbar angeordnet ist. In der hier dargestellten Ausführungsform ist
die Ebene 25a durch die X-Koordinatenrichtung und Y-Koordinatenrichtung
aufgespannt. Der Messtisch 20 ist in vorteilhafter Weise
auf Luftlagern 21 in der Ebene 25a verfahrbar.
In dem Messtisch 20 kann ein Substrathalter 27 aufgenommen
werden, der ein Substrat 2 trägt, auf dessen Oberfläche 2a mehrere Strukturen 3 ausgebildet
sind. Die Position des Messtisches 20 wird mit mindestens
einem Laserinterferometer 24, das einen Messstrahl 23 aussendet,
erfasst. In der hier dargestellten Ausführungsform wird die
Ebene 25a, in der der Messtisch 20 bewegbar angeordnet
ist, durch einen Granitblock 25 ausgebildet. Es ist für
einen Fachmann selbstverständlich, dass dieser Granitblock 25 auch
durch jedes andere Material ausgebildet sein kann, das eine für
die Bewegung des Messtischs 20 erforderliche stabile Ebene 25a zur
Verfügung stellt.
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Der
Granitblock 25 ist auf Schwingungsdämpfern 26 schwingungsgedämpft
positioniert. Zur Beleuchtung des Substrats 2, bzw. der
Strukturen 3 ist eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 und eine
Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 vorgesehen. Das Licht
der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 wird in der hier
dargestellten Ausführungsform mittels eines Umlenkspiegels 7 in
die Durchlichtbeleuchtungsachse 4 eingekoppelt. Das von
der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 ausgehende Licht
gelangt über einen Kondensor 8 zu dem Substrat 2.
Die Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 sendet Licht in
den Auflichtbeleuchtungsstrahlengang 5 aus. Über
ein Messobjektiv 9 gelangt das Licht der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 zu
dem Substrat 2. Das Messobjektiv 9 sammelt somit
das von dem Substrat 2 ausgehende Licht, welches von der
Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 oder der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 kommt.
Das von dem Messobjektiv 9 aufgenommene Licht gelangt dabei über
einen Umlenkspiegel 12 zu einer Kamera 10, die
einen Detektor 11 ausgebildet hat. Der Detektor 11 ist
mit einem Rechner 16 verbunden, der aus den registrierten
Signalen ein digitales Bild erzeugt. Das Messobjektiv 9 ist
mit einer Verschiebeeinrichtung 15 in Z-Koordinatenrichtung
verschiebbar angeordnet, so dass mit der Verschiebeeinrichtung 15 das
Messobjektiv 9 auf die Oberfläche 2a des
Substrats 2, bzw. auf die abzubildende Struktur 3 fokussiert
werden kann.
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Die
auf der Oberfläche 2a des Substrats 2 vorhandenen
Strukturen 3 können mit der Koordinaten-Messmaschine 1 in
ihrer Position bzgl. des Koordinatensystems 40 der Koordinaten-Messmaschine 1 genau
bestimmt werden. Zur Bestimmung der Position der einzelnen Strukturen 3 werden
bei jeder zu messenden Struktur 3 jeweils zwei gegenüberliegende
Kanten 3a einer Struktur 3 gemessen. Aus dem gemessenen
Intensitätsprofil der Struktur 3 lässt
sich dann die Lage der beiden gegenüberliegenden Kanten
ermitteln. Die Position einer Kante 3a einer Struktur wird
mit einer Koordinaten-Messmaschine 1 im Nanometer-, bzw.
Subnanometerbereich ermittelt. Folglich ist es selbstverständlich,
dass eine Durchbiegung des Substrats einen erheblichen Einfluss
auf die exakte Bestimmung der Position einer Kante 3a einer
Struktur 3 hat. Die gemessenen Werte der Position einer
Kante 3a einer Struktur 3 lassen sich nur dann
bzgl. der Durchbiegung des Substrats korrigieren, wenn man annimmt,
dass der Substrathalter 27 zusammen mit dem Substrat 2 immer
gleichmäßig und auf gleiche Art und Weise in die
Koordinaten-Messmaschine 1 eingelegt wird. Der Substrathalter 27 sollte
dabei immer in der gleichen Orientierung in Bezug auf das Koordinatensystem 40 der
Koordinaten-Messmaschine 1 in den Messtisch 20 eingelegt
werden. Dies kann natürlich nicht gewährleistet werden,
so dass es unbedingt erforderlich ist, für jede Messung
die genaue Position der Auflagepunkte des Substrats 2 im
Substrathalter 27, die Orientierung des Substrathalters 27 im
Messtisch 20 und somit die Orientierung des Substrathalters 27 in
Bezug auf das Koordinatensystem 40 der Koordinaten-Messmaschine 1 zu
kennen.
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2 zeigt
eine schematische Anordnung eines Substrats 2 in einen
Substrathalter 27. Der Substrathalter 27 ist als
Rahmen ausgebildet und weist einen umlaufenden Rand 27a auf.
Auf dem umlaufenden Rand sind mindestens drei Auflagepunkte 30 für
das Substrat 2 ausgebildet. Die Auflagepunkte 30 werden
z. B. aus Rubinkugeln gebildet. Somit liegt das Substrat 2 eindeutig
auf jeweils drei Punkten auf. Anhand dieser definierten Auflage
kann somit die Durchbiegung des Substrats 2 berechnet werden. Alle
hierzu nötigen physikalischen und geometrischen Parameter
des Substrats 2 sind bekannt. Die Auflagepunkte 30 für
das Substrat 2 sind in der 2a jeweils
durch die Kreuze 31 markiert. Der Substrathalter 27 weist
ferner mindestens zwei Referenzmarken 32 auf. Über
die Lage der zwei Referenzmarken 32 auf dem Substrathalter
kann somit die Lage des Substrathalters relativ zum Koordinatensystem
der Koordinaten-Messmaschine bestimmt werden.
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Nicht
nur der Substrathalter 27 kann verschoben und/oder verdreht
in die Koordinaten-Messmaschine 1 eingelegt werden. Auch
das Substrat 2 kann in den Substrathalter 27 verdreht
und/oder verschoben eingelegt werden. 3a zeigt
eine vergrößerte Darstellung der Position des
Substrats 2 im Substrathalter 27. Das Substrat 2 ist
in 3a mit einer dicken schwarzen Linie gekennzeichnet.
Das Substrat 2 ist dabei hier exakt im Substrathalter abgelegt.
Das Substrat liegt dabei auf einem Auflagepunkt 30 auf,
der, wie bereits in 2 erwähnt ist, durch
eine Rubinkugel gebildet wird. Die Lage des Auflagepunktes 30 wird
durch das Kreuz 31 markiert.
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3b zeigt
die Situation, bei der das Substrat 2 gegenüber
der exakten Positionierung des Substrats 2 im Substrathalter
verschoben ist. Die exakte Positionierung des Substrats 2 ist
hier in 3b durch die gestrichelte dicke
Linie dargestellt. Die verschobene Ablage des Substrats 2 im
Substrathalter 27 ist in 3b durch
die durchgezogene dicke Linie dargestellt.
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3c zeigt
weiterhin eine vergrößerte Darstellung des Randbereichs
des Substrathalters 27, in dem ein Substrat 2 verdreht
eingelegt ist. Das in der genauen ausgerichteten Position in den
Substrathalter 27 abgelegte Substrat ist ebenfalls in 3c durch
eine dicke gestrichelte Linie dargestellt. Das verdrehte Substrat 2 ist
in 3c durch die durchgezogene dicke Linie dargestellt.
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Wie
aus den 3a bis 3c deutlich
wird, kann das Substrat immer in geänderter Art und Weise
auf den Auflagepunkten 30 positioniert werden. Somit ergeben
sich immer andere Lagen dieser Auflagepunkte 30 in Bezug
auf das Substrat 2, was wiederum einen Einfluss auf die
reale Durchbiegung des Substrats 2 hat. Somit ist es selbstverständlich,
dass man diese Orientierung, bzw. Verschiebung oder Verdrehung des
Substrats 2 kennen muss, in Bezug auf die Auflagepunkte 30,
um eine exakte Durchbiegung des Substrats 2 berechnen zu
können und dies dann bei der Korrektur der Messwerte der
Positionen der Strukturen 3 auf dem Substrat 2 zu
verwenden.
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4a zeigt
die schematische Anordnung eines Substrathalters 27 mit
einem Substrat 2 im Messtisch 20. Der Substrathalter 27 definiert
dabei ein Substrathalter-Koordinatensystem 42. Der Messtisch 20 besitzt
ebenfalls ein Messtisch-Koordinatensystem 41. Ferner hat
die Koordinaten-Messmaschine 1 ebenfalls ein Koordinaten-Messmaschine-Koordinatensystem 40 ausgebildet.
Es ist nun erforderlich, diese Lage der einzelnen Koordinatensysteme 40, 41 und 42 zueinander
zu kennen, um daraus Korrekturwerte bezüglich der Durchbiegung
des Substrats 2 zu berechnen und somit auch die genaue
Position der Strukturen 2 auf dem Substrat 3 relativ
zum Koordinatensystem 40 der Koordinaten-Messmaschine 1 zu
bestimmen. Aus dem Messergebnis für die Lage des Bezugspunkts
bzw. eines der Auflagepunkte 30 des Substrats 2 kann
die Zuordnung der Korrekturwerte für die Berechnung der
Durchbiegung des jeweils im Substrathalter 27 befindlichen
Substrats 2 relativ zum Koordinatensystem 40 der
Koordinaten-Messmaschine 1 an jedem Punkt des Substrats 2 ermittelt
werden, an welchen auch eine Messung durchgeführt worden
ist.
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4b zeigt
die Orientierung des Koordinatensystems 42 des Substrathalters 27 in
Bezug auf das Koordinatensystem 41 des Messtisches 20.
Das Koordinatensystem 42 des Substrathalters 27 ist
in 4b gestrichelt dargestellt. Das Koordinatensystem 42 des
Substrathalters 27 ist gegenüber dem Koordinatensystem 41 des
Messtisches 20 um einen Winkel 43 gedreht. Mit
der gegenwärtigen Erfindung ist es möglich, diese
Verdrehung oder auch Verschiebung der einzelnen Elemente der Koordinaten-Messmaschine 1 zueinander
zu ermitteln und bei der Berechnung der Durchbiegung des Substrats 2 zu
berücksichtigen.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung der Anordnung eines Substrathaltes 27 im
Messtisch 20 einer Koordinaten-Messmaschine 1.
Die Anordnung des Substrathalters 27 im Messtisch 20 der
Koordinaten-Messmaschine 1 ist dabei übertrieben
gedreht dargestellt, um eine bessere Verdeutlichung der einzelnen
zu messenden Positionen zu erhalten. Der Substrathalter 27 hat
dabei das Koordinatensystem 42 ausgebildet. Der Messtisch 20 hat
das Koordinatensystem 41 ausgebildet. Auf dem Substrat 2 ist mindestens
eine Referenzmarke, bzw. Referenzposition 50N ausgebildet.
Ferner liegt das Substrat 2 im Substrathalter 27 auf
den mindestens drei Auflagepunkten 30 auf. Auf dem Substrathalter 27 sind
ferner mindestens zwei Referenzmarken 321 und 322 ausgebildet.
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Mit
der Koordinaten-Messmaschine 1 wird zunächst mindestens
eine Referenzposition 50N bzw. Bezugspunkt
P0 auf dem Substrat 2 im jeweiligen gerade bei der Messung
verwendeten Substrathalter 27 bestimmt. In der Regel ist
der Bezugspunkt P0 einer der Auflagepunkte 30 des Substrats 2.
Wie die Position einer Struktur 3, bzw. einer Referenzposition
auf einem Substrat 2 bestimmt wird, ist aus dem Stand der
Technik hinlänglich bekannt und muss aufgrund der Übersichtlichkeit
der Erfindung hier nicht extra erwähnt werden. Die Lage
des Auflagepunktes 30 wird dabei relativ zur Lage zweier
Referenzmarken 321 und 322 auf dem Substrathalter 27 bestimmt.
Letztendlich wird bei dem jeweiligen im Substrathalter 27 eingelegten
Substrat 2 automatisch die Lage von mindestens zwei Referenzmarken 321 und 322 auf dem
Substrathalter relativ zum Koordinatensystem 40 der Koordinaten-Messmaschine
bestimmt bzw. relativ zum Koordinatensystems 41 des Messtisches 20.
Aus dem Messergebnis kann dann die Lage des Auflagepunktes 30 für
das Substrat 2 und die Lage des Substrathalters 27 relativ
zum Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine 1 bestimmt
werden, wobei daraus die Zuordnung der Korrekturwerte für
die Messwerte von gemessenen Positionen von Strukturen 3 auf
dem Substrat 2 ergeben, wobei das Substrat jeweils im Substrathalter 27 eingelegt
ist. Die Korrekturwerte können an jedem beliebigen Punkt
des Substrats 2, der mit der Koordinaten-Messmaschine 1 vermessen
worden ist, angewendet werden.
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Die
Position der Referenzmarke 50N auf
dem Substrat wird in Bezug auf das Koordinatensystem 41 des
Messtisches, bzw. Koordinatensystem 40 der Koordinaten-Messmaschine
bestimmt. Aus der Relativposition des Auflagepunktes für
das Substrat 2 im Substrathalter 27, erhält
man somit die Lage der Verdrehung des Substrats 2 relativ
zum Koordinatensystem 41 des Messtisches 20, bzw.
des Koordinatensystems 40 der Koordinaten-Messmaschine. Schließlich
liefert die Bestimmung der Positionen der Referenzmarken 321 und 322 auf
dem Substrathalter 27 eine Verdrehung oder Verschiebung
des Substrathalters 27 relativ zum Koordinatensystem 41 des Messtisches 20 oder
des Koordinatensystems 42 der Koordinaten-Messmaschine 1.
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Aus
der Auflage des Substrats 2 bzgl. der Auflagepunkte 30 können,
wie bereits oben erwähnt, die Korrekturwerte für
die Durchbiegung des Substrats 2 bestimmt werden. Um Rechenzeit
zu sparen, ist es denkbar, dass für die verschiedenen Positionen der
Auflagepunkte für das Substrat 2 die Korrekturwerte
in Tabellen in einer Datenbank in einem Computer, bzw. Rechner 16 hinterlegt
sind. Somit wäre es möglich, dass bei der Kenntnis
der genauen Position der Auflagepunkte 30 die entsprechenden
Korrekturwerte automatisch aus der Datenbank abgerufen werden können,
ohne dabei eine exakte erneute Berechnung der Durchbiegung durchführen
zu müssen.
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Die
Erfindung wurde unter Berücksichtigung einer bevorzugten
Ausführungsform beschrieben. Es ist für einen
Fachmann jedoch denkbar, dass Abwandlungen und/oder Änderungen
durchgeführt 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 19817714 [0003]
- - US 5459577 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Pattern
Placement Metrology for Mask Making" von Frau Dr. Carola Bläsing [0002]
- - K.-D. Röth und K. Rinn, veröffentlicht in
Mitteilungen für Wissenschaft und Technik BD. XI, Nr. 5, Seite
130 bis 135, Oktober 1997 [0005]