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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung
periodischer Strukturen auf einem Substrat. Zur Durchführung
des Verfahrens wird eine Koordinaten-Messmaschine verwendet. Die
Koordinaten-Messmaschine besitzt einen in X-Koordinatenrichtung
und in Y-Koordinatenrichtung beweglichen Messtisch.
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Ein
Koordinaten-Messgerät ist hinlänglich aus dem
Stand der Technik bekannt. Beispielsweise wird dabei auf das
Vortragsmanuskript
"Pattern Placement Metrology for Mask making" von Frau Dr. Carola
Bläsing verwiesen. Der Vortrag wurde gehalten anlässlich
der Tagung Semicon, Education Program in Genf am 31. März.
1998, in dem die Koordinaten-Messmaschine ausführlich
beschrieben worden ist. Der Aufbau einer Koordinaten-Messmaschine,
wie er z. B. aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird in der
nachfolgenden Beschreibung zu der
1 näher
erläutert. Ein Verfahren und ein Messgerät zur
Positionsbestimmung von Strukturen auf einem Substrat ist aus der
Deutschen Offenlegungsschrift
DE 10047211 A1 bekannt. Zu Einzelheiten der
genannten Positionsbestimmung sei daher ausdrücklich auf
diese Schrift verwiesen.
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Ferner
ist eine Koordinaten-Messmaschine aus einer Vielzahl von Patentanmeldungen
bekannt, wie z. B. aus der
DE
19858428 , aus der
DE
10106699 oder aus der
DE
102004023739 . In allen hier genannten Dokumenten des Standes
der Technik wird eine Koordinaten-Messmaschine offenbart, mit der
Strukturen auf einem Substrat vermessen werden können.
Dabei ist das Substrat auf einem in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung
verfahrbaren Messtisch gelegt. Die Koordinaten-Messmaschine ist
dabei derart ausgestaltet, dass die Positionen der Strukturen, bzw.
der Kanten der Strukturen mittels eines Objektivs bestimmt werden.
Zur Bestimmung der Position der Strukturen, bzw. deren Kanten ist
es erforderlich, dass die Position des Messtisches mittels mindestens
eines Interferometers bestimmt wird. Schließlich wird die
Position der Kante in Bezug auf ein Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine
ermittelt.
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Die
unveröffentlichte Deutsche Patentanmeldung
DE 10 2007 025 304.6 offenbart
ein Verfahren zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Messung
einer Koor dinaten-Messmaschine. Dabei werden mit einem Messfeld
einer Kamera mehrere Bilder von einer Struktur auf dem Substrat
aufgenommen. Das Substrat ist dabei auf einem in X-Koordinatenrichtung
und in Y-Koordinatenrichtung verfahrbaren Messtisch gelegt. Die Position
dieses Messtisches wird bei der Bildaufnahme mit einem Wegmesssystem
bestimmt. Das in der Patentanmeldung offenbarte Verfahren ist nicht
geeignet zur Messung der Position von periodischen auf dem Substrat
angeordneten Strukturen.
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Aufgabe
der gegenwärtigen Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben,
mit dem auch die Position von periodisch angeordneten Strukturen
auf einem Substrat zuverlässig bestimmt werden kann.
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Die
obige Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das die
Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
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Es
ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass
die Einschränkung auf eine periodische Funktion nicht zwingend
notwendig ist. Im Prinzip kann man das Messbild oder das Messintensitätsprofil
mit einem irgendwie ähnlichen Modell beschreiben, und z.
B. Drehung, Vergrößerung und Verschiebung dieser
(2D- oder 1D-)Funktion bestimmen. Periodische Funktionen stellen
eine Möglichkeit dar mit der man die Messbilder oder die
Messintensitätsprofile der periodischen Strukturen annähern
kann.
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Zunächst
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Messfenster
im Bildfeld einer Kamera der Koordinaten-Messmaschine definiert.
Der Messtisch wird derart in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung
verfahren, dass ein Messobjektiv der Koordinaten-Messmaschine zumindest
eine Gruppe sich wiederholender, periodischer Strukturen auf dem
Substrat in das Messfenster abbildet. Anhand der im Messfenster
abgebildeten periodischen Strukturen wird mit dem Detektorelement
ein Messbild oder auch Messintensitätsprofil von diesen
periodischen Strukturen erzeugt. An die Messung wird eine Funktion
in eine oder mehrere Richtungen angepasst. Die Funktion kann auch
eine periodische Funktion sein, wobei die Parameter für
die Periodenlänge und Phase variiert werden. Für
die Anpassung bei Messbildern kann auch die Richtung variiert werden.
Man kann z. B. auch in einem Messbild durch 2D-FFT die Periode,
die Phase und die Richtung bestimmen.
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Die
Anpassung kann z. B. nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate
erfolgen, bei der das Signal des Messbildes oder das Messintensitätsprofil I →
i mittels einer ähnlich gewählten
Funktion P(r →) approximiert wird. Ein möglicher Algorithmus
ist:
Man bestimmt die Amplitude A, die Verschiebung Δr →,
und den Wellenvektor k → so, dass an den gemessenen Positionen r →
i im Messbild gilt:
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Die
Verschiebung Δr →Design (bei gleicher
Richtung und Periodenlänge) der periodischen Funktion für
die Designdaten wird analog ermittelt. Die Positionsabweichung von
Messung zu Design ergibt sich aus der Differenz der Verschiebungsvektoren.
Ermittelt man für Design zusätzlich einen unterschiedlichen
Wellenzahlvektor k →Design, so kann man auch
die lokale Phasenlage z. B. an der Designposition rD einer
Struktur bestimmen. Z. B. indem man die kleinstmögliche
Verschiebung Δ bestimmt, so dass: k → × (r →D – Δr → – Δ)
= k →Design × (r →D – Δr →Design
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Ebenso
ist es möglich, dass die Parameter der Periodenlänge
und der Phase anhand des gemessenen Messintensitätsprofils
mittels einer Fourieranalyse ermittelt werden. Die Periodenlänge
ergibt sich aus einem Maximum im Leistungsspektrum und die Phase
aus einem Verhältnis von Sinus- und Kosinusthermen im Maximum
des Leistungsspektrums.
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Beobachtbare
Fehler bei der Substratherstellung müssen sich nicht auf
Positionsfehler beschränken, auch Abweichungen in Periodenlänge
(Pitch) und Richtung der Periodizität sind beobachtbar
(z. B. als Differenz von k → zu k →Design.)
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Das
Verfahren zum Gewinnen von Positionsdaten periodischer Strukturen
auf einem Substrat kann bei Overlay-Messungen oder bei Substraten
für das Double-Patterning verwendet werden.
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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, wie sie für
die Bestimmung der Lage der Strukturen auf einem Substrat seit längerem
verwendet wird.
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2 zeigt
die Zuordnung eines Messfensters zu einer zu vermessenden Struktur 3.
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3 zeigt
schematisch eine Ausführungsform von periodischen, sich
wiederholenden Strukturen auf der Oberfläche eines Substrats.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform von periodischen, sich wiederholenden
Strukturen auf der Oberfläche eines Substrats.
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5a zeigt
mehrere, periodische Strukturen, welche in einem Messfenster angeordnet
sind.
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5b zeigt
eine mit dem Detektorelement registrierte Intensitätsverteilung
der Strukturen, wie sie im Messfenster der 5a dargestellt
sind.
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5c zeigt
ein Messintensitätsprofil, welches entlang der in 5b gezeigten
Schnittlinie A-A aufgenommen worden ist.
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6a zeigt
eine Anordnung von balkenförmigen periodischen Strukturen
in einem Messfenster.
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6b zeigt
die zweidimensionale Intensitätsverteilung, welche anhand
der in 6a gezeigten periodischen Strukturen
registriert worden ist.
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6c zeigt
ein eindimensionales Messintensitätsprofil, welches entlang
der Linie A-A aus 6b entnommen worden ist.
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7 zeigt
die schematische Anwendung von Overlay-Masken und das aus der Anwendung
der Overlay-Masken resultierende Ergebnis auf einem belichteten
Wafer (Double-Exposure).
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8 zeigt
eine schematische Ansicht einer ersten und einer zweiten Overlay-Maske,
die mit Ausrichtmarken versehen ist. Wobei diese Ausrichtmarken
periodische Strukturen darstellen können.
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Ein
Koordinaten-Messgerät der in 1 dargestellten
Art ist bereits ausführlich im Stand der Technik beschrieben
und wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens verwendet. Das Koordinaten-Messgerät 1 umfasst
einen in X- Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung beweglichen
Messtisch 20. Der Messtisch 20 trägt
ein Substrat, bzw. eine Maske für die Halbleiterherstellung.
Auf einer Oberfläche des Substrats 2 sind mehrere
Strukturen 3 aufgebracht. Der Messtisch selbst ist auf
Luftlagern 21 gestützt, die ihrerseits auf einem
Block 25 abgestützt sind. Die hier beschriebenen
Luftlager stellen eine mögliche Ausführungsform
dar uns sollen nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst
werden. Der Block 25 kann aus einem Granitblock gebildet
sein. Für einen Fachmann ist es selbstverständlich,
dass der Block 25 aus jedem Material bestehen kann, das
für die Ausbildung einer Ebene 25a geeignet ist,
in der sich der Messtisch 20 bewegt bzw. verfahren wird.
Für die Beleuchtung des Substrats 2 sind mindestens
eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 und/oder eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 vorgesehen.
In der hier dargestellten Ausführungsform wird das Licht
der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 mittels eines Umlenkspiegels 7 in
die Beleuchtungsachse 4 für das Durchlicht eingekoppelt.
Das Licht der Beleuchtungseinrichtung 6 gelangt über
einen Kondensor 8 auf das Substrat 2. Das Licht
der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 gelangt durch das Messobjektiv 9 auf
das Substrat 2. Das von dem Substrat 2 ausgehende
Licht wird durch das Messobjektiv 9 gesammelt und von einem
halbdurchlässigen Spiegel 12 aus der optischen
Achse 5 ausgekoppelt. Dieses Messlicht gelangt auf eine
Kamera 10, die mit einem Detektor 11 versehen
ist. Dem Detektor 11 ist eine Recheneinheit 16 zugeordnet,
mit der aus den aufgenommenen Daten digitale Bilder erzeugt werden
können.
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Die
Position des Messtisches 20 wird mittels eines Laser-Interferometers 24 gemessen
und bestimmt. Das Laser-Interferometer 24 sendet hierzu
einen Messlichtstrahl 23 aus. Ebenso ist das Messmikroskop 9 mit einer
Verschiebeeinrichtung in Z-Koordinatenrichtung verbunden, damit
das Messobjektiv 9 auf die Oberfläche des Substrats 2 fokussiert
werden kann. Die Position des Messobjektivs 9 kann z. B.
mit einem Glasmaßstab (nicht dargestellt) gemessen werden.
Der Block 25 ist ferner auf schwingungsgedämpft
gelagerten Füßen 26 aufgestellt. Durch
diese Schwingungsdämpfung sollen alle möglichen
Gebäudeschwingungen und Eigenschwingungen des Koordinaten-Messgerätes
weitestgehend reduziert, bzw. eliminiert werden.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung, bei der einer Struktur 3 ein
Messfenster 30 zugeordnet ist. Mittels des Messfensters 30 kann
die Position der ersten Kante 3a der Struktur 3 und
die Position der zweiten Kante 3b der Struktur 3 bestimmt
werden. Aus der Position der ersten Kante 3a und der zweiten
Kante 3b lässt sich die Position der Struktur 3 berechnen.
Wie aus 2 ersichtlich ist, ist in dem
Messfenster 30 nur eine einzige Struktur zumindest teilweise
vorhanden.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung periodischer Strukturen auf der Oberfläche 2a eines
Substrats 2. Die in 3 dargestellten
periodischen Strukturen sind als Punkte 32 ausgebildet.
In der Regel stellen diese Strukturen Kontaktlöcher dar.
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4 zeigt
eine andere Ausführungsform der Anordnung von periodischen
Strukturen auf der Oberfläche 2a eines Substrats 2.
In der hier dargestellten Ausführungsform stellen die periodischen
Strukturen Balken 34 dar, welche periodisch auf der Oberfläche 2a des
Substrats angeordnet sind. Periodische Strukturen, wie in 4 dargestellt,
treten häufig in Bereichen auf, in denen Speicherelemente
ausgebildet werden sollen.
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Die 5a bis 5c zeigen
wie ein Messintensitätsprofil von mehreren in einem Messfenster 30 angeordneten
periodischen Strukturen, hier Kontaktlöcher 32,
aufgenommen werden. Die Kontaktlöcher 32 sind dabei
mit einem Pitch 40x in X-Richtung
voneinander beabstandet. Ebenso sind die Kontaktlöcher 32 in
Y-Richtung mit einem Pitch 40y voneinander
beabstandet. Die Vielzahl der Kontaktlöcher 32 ist
nun in einem Messfenster 30 angeordnet. In 5b ist
das zweidimensionale Messintensitätsprofil 38 dargestellt,
welches mit dem Detektorelement 11 der Kamera 10 der
Koordinaten-Messmaschine 1 anhand der in 5a angeordneten
periodischen Strukturelemente gewonnen worden ist. In 5b ist
ein eindimensionales Messintensitätsprofil 39 dargestellt,
das entlang der in 5b gezeigten Linie A-A gewonnen
worden ist. Dabei ist auf der Abszisse 50 die X-Koordinate
aufgetragen. Auf der Ordinate 51 ist die Intensität
aufgetragen.
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In
den 6a bis 6c ist
die Aufnahme eines Messintensitätsprofils dargestellt,
welches anhand von periodischen Balkenstrukturen 34 gewonnen
worden ist, die in einem Messfenster 30 der Koordinaten-Messmaschine 1 angeordnet
sind. Die balkenförmigen Strukturen 34 sind ebenfalls
in X-Koordinatenrichtung durch einen Pitch 40x voneinander
beabstandet. Die in 6a gezeigten periodischen Strukturen 34,
welche in dem Messfenster 30 angeordnet sind, werden durch
das Messobjektiv 9 auf den Detektor 11 der Kamera 10 der
Koordinaten-Messmaschine 1 abgebildet. Aus dieser Abbildung
resultiert das in 6b gezeigte zweidimensionale
Messintensitätsprofil 38. In 6c ist
ein eindimensionales Messintensitätsprofil 39 dargestellt, das
entlang der in 6b gezeigten Linie A-A gewonnen
werden kann. Dabei ist auf der Abszisse 50 die X-Koordinatenrichtung
aufgetragen. Auf der Ordinate 51 ist die Intensität
aufgetragen.
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Anhand
der in den 5a und 6a aufgenommenen
Strukturen sieht man, dass in der Praxis oft die Strukturen periodisch
sind. Eine periodische Funktion f ist gekennzeichnet, dass sie bei
Verschiebung in sich selbst übergeht. D. h. es gibt mindestens
einen Vektor λ →, so dass: f(r →) = f(r → +
nλ →) mit: n = ..., –2, –1, 0, 1, 2, ... Gleichung (1)
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Bekannte
und auch sinnvoll einsetzbare Vertreter der periodischen Funktion
sind z. B. die Sinus- und auch die Kosinusfunktion, mit einer Periode
von λ = 2π.
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Man
kann an das Messbild oder an ein 1-dimensionales Messintensitätsprofil
eine geeignete Funktion fitten. Für das Messbild wird man
eine zweidimensionale Funktion anfitten. An das Messintensitätsprofil
wird eine eindimensionale Funktion angefittet. Die freien Parameter
der Funktion sind die Periodenlänge und die Phase. Als
mögliche Ausgangsfunktion (1-dimensional) eignet sich eine
Sinus- oder eine Kosinus-, oder eine Rechteckfunktion. Für
das Anpassen an das Messintensitätsprofil gilt es nun die
am besten geeigneten, bzw. optimalen Parameter für die
Periodenlänge und die Phase zu finden, damit der Verlauf
der angepassten Funktion am Besten dem gemessenen Messintensitätsprofil
entspricht. Ebenso ist es denkbar, dass man das Messintensitätsprofil
einer Forieranalyse unterzieht. Aus der Forieranalyse erhält
man ebenfalls die Periodenlänge, welche sich aus dem Maximum
im Leistungsspektrum ergibt. Aus dem Verhältnis von Sinus-
und Kosinusthermen im Maximum ergibt sich die Phase. Um nun eine
Aussage treffen zu können, wie die Position der periodischen
Strukturen auf dem Substrat 2 ist, geht man von der Kenntnis
der Designdaten der Strukturen auf der Maske aus und überlegt
sich, wie eine periodische Funktion F auszusehen hat, welche allein
aus den Designdaten bestimmt wird. Dabei ist zu beachten, dass Sinus-,
oder Kosinus-, oder Rechteckfunktionen symmetrisch um eine Symmetrieachse 42 der
periodischen Strukturen, wie diese im Messfenster dargestellt sind,
sein sollen. Aus der mittels der Designdaten gewonnenen Funktion
lässt sich ebenfalls die Phase und der Pitch (in X-Koordinatenrichtung
oder in Y-Koordinatenrichtung) der periodischen Strukturen bestimmen.
Ein Fehler bzgl. der Position der sich wiederholenden Strukturen
(in X-Koordintenrichtung oder in Y-Koordinatenrichtung) ergibt sich
aus einer Phasendifferenz zwischen der an das gemessene Messintensitätsprofil
angepassten periodischen Funktion und der mittels der Designdaten
berechneten periodischen Funktion. Der Fehler in X-Koordinatenrichtung
ergibt sich aus Gleichung 2.
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Dabei
ist λ die Periodenlänge, die man bei bekannter
Periodenlänge Λ aus der Basisfunktion mittels der
Gleichung 3 bestimmen kann.
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Bei
Winkelfunktionen ist natürlich Λ = 2Π.
Real wird die Phase sehr klein sein, damit muss man Lambda nicht
so extrem präzise wissen.
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In 7 ist
das Schema der Anwendung zur Messung von Overlay auf Wafern dargestellt.
Hierbei sind die einzelnen Strukturen derart gering voneinander
beabstandet, dass die genaue Positionsbestimmung der einzelnen Strukturen
erschwert ist. Da der Abstand D zwischen den Strukturen S auf dem
Wafer 60 immer kleiner werden soll, wird der Wafer 60 mit
einer ersten Maske 21 und dann
mit einer zweiten Maske 22 belichtet (siehe
auch 8). Dieses Verfahren heißt Double-Exposure.
Ein abgewandeltes Verfahren nennt sich Double-Patterning. Wie aus 7 deutlich
hervorgeht, sind die auf der ersten Maske 21 vorgesehenen
Strukturen und die auf der Maske 22 versehenen
Strukturen um den Abstand D zueinander verschoben. Nach der Belichtung
der beiden Masken 21 und 22 auf den Wafer 50 erhält
man somit ein Bild, bei dem die einzelnen Strukturen 3 den
Abstand D aufweisen.
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Dabei
ist zu beachten, dass sich bei zwei Strukturen die um D zueinander
verschoben sind ein etwas anderer Sachverhalt zu beachten ist. Ist
eine erste periodische Struktur mit der Periode λ und eine
zweite periodische Struktur mit gleicher Periode allerdings um D
verschoben, so ergeben sich auf dem Wafer zwei Abstände:
D und λ – D. Hier sollte man den oben erwähnten
Algorithmus erweitern, so dass die Summe aus zwei Funktionen, welche
durchaus gleich sein können, an das Messbild oder das Messintensitätsprofil
angepasst werden. Man erhält dann zwei Verschiebungen und
kann damit auswerten. So wäre bei einer Auswertung des Messintensitätsprofils
der Fertigungsfehler der Unterschied von D zu λ – D,
falls das aus den beiden Masken zusammengesetzte Muster die Periodizität λ/2
haben sollte.
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Um
dies zu erreichen, sind auf der ersten Maske 21 ,
wie in 8 dargestellt, Ausrichtmarken 601 aufgebracht.
Ebenso sind auf der zweiten Maske 22 ,
wie in 8 dargestellt, andere Ausrichtmarken 602 aufgebracht. Auf der ersten Maske 21 sind die Ausrichtmarken 601 einfache Linien. Auf der zweiten Maske 22 sind die Ausrichtmarken 602 Doppellinien. Bei der Belichtung des
Wafers gilt es nun, diese Ausrichtmarken so übereinander
zu positionieren, dass die Linien der ersten Maske 21 in den jeweiligen Zwischenräumen
der Doppellinien der zweiten Maske 22 zu
liegen kommen. Nur so ist gewährleistet, dass sich die
auf dem Wafer 50 beabsichtigte Struktur ergibt. Vor der
Belichtung des Wafers 50 mit den Masken 21 und 22 ist es erforderlich, die Qualität
der hergestellten Masken 21 und 22 genau zu kennen. Dazu ist es auch
erforderlich, dass die Position der Ausrichtmarken 601 und 602 bestimmt
wird. Somit ist es auch erforderlich, dass sich die Ausrichtmarken 601 und 602 hinsichtlich
ihres Typs unterscheiden. Für die Bestimmung der Position
dieser Ausrichtmarken 601 und 602 bei der Ermittlung ihrer Position
ist es z. B. erforderlich, das erfindungsgemäße
Verfahren anzuwenden. Nur so ist gewährleistet, dass man
die genaue Position der unterschiedlichen Strukturtypen der unterschiedlichen
Ausrichtmarken auf den unterschiedlichen Masken überprüfen
kann und somit einen Vergleich zu den Herstellerangaben ziehen kann.
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Die
Erfindung wurde unter Berücksichtigung spezieller Ausführungsformen
beschrieben. Es ist jedoch denkbar, dass Abwandlungen und 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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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10047211
A1 [0002]
- - DE 19858428 [0003]
- - DE 10106699 [0003]
- - DE 102004023739 [0003]
- - DE 102007025304 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Vortragsmanuskript
"Pattern Placement Metrology for Mask making" von Frau Dr. Carola
Bläsing verwiesen. Der Vortrag wurde gehalten anlässlich
der Tagung Semicon, Education Program in Genf am 31. März. 1998 [0002]
