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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Masken für
die Photolithographie, bei dem eine photolithographische Waferbelichtung
simuliert wird.
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Bei
der Herstellung von Halbleiterstrukturen, wie sie in der Computertechnologie
bei Prozessoren und in letzter Zeit zunehmend auch in wechselbaren Speichermedien
zum Einsatz kommen, geht die Entwicklung dahin, immer kleinere Strukturen
auf derselben Fläche zu erzeugen. Derzeit erhältliche
Computerchips bestehen in etwa aus 30 verschiedenen, übereinanderliegenden
Schichten, die Größe der funktionellen Strukturen,
der sogenannten Features beträgt etwa 45 nm. Mit entsprechend
hoher Genauigkeit müssen die zur Herstellung dieser Features verwendeten
Photolithographiemasken hergestellt werden. Ein Wafer wird dabei
bis zu dreißigmal belichtet, für jede Schicht
wird jedoch eine andere Maske benötigt.
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Zur
Analyse und Endkontrolle von Masken für die Photolithographie
unter lithographischen Bedingungen ist die Luftbildanalyse, beispielsweise
mit Hilfe des AIMS der Firma Carl Zeiss SMS GmbH, seit langem bekannt
und etabliert. Dabei wird die Maske mit den gleichen Belichtungseinstellungen
und mit der gleichen Wellenlänge belichtet, wie sie später
bei der Photolithographie verwendet werden. Im Gegensatz zur Photolithographie,
wo die Maskenstruktur stark verkleinert auf den Wafer abgebildet
wird, erzeugt man mit dem AIMS vergrößerte Luftbilder,
die auf eine Detektierungseinheit, beispielsweise eine CCD-Kamera
abgebildet, digitalisiert und gespeichert werden. Das Luftbild entspricht
somit dem Bild, das im Photolithographiescanner auf der Photolackschicht
erzeugt würde. Die Photolithographiemaske kann mit Hilfe
des AIMS also auf korrektes lithographisches Verhalten untersucht
werden, ohne daß teuere Testserien belichtet werden müssen.
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Ein
anderes Verfahren, was es ermöglicht, auf Testserien zu
verzichten, ist beispielsweise in der
DE 197 57 696 B4 beschrieben.
In dem dort offenbarten Simulationsverfahren werden alle Schritte
simuliert, ohne daß jemals eine echte Maske verwendet werden
muß. Zunächst wird ein virtuelles Bild bzw. ein
Zwischenbild berechnet, das dem Luftbild der Maske entspricht. Zur
Berechnung wird dazu das Maskenlayout verwendet. Dieses geht dann
in die Simulation der Belichtung des Photolacks ein. Um aus dem
virtuellen Bild Eingangsdaten zu erzeugen, wird auf das Bild ein
Schwellenwertmodell angewendet, welches im Ergebnis liefert, ob
an einer Stelle im Bild eine Maskenstruktur ist oder nicht. In Abhängigkeit von
den Schwellenwerten wird dann eine Simulation der Entwicklung der
Photolackschicht durchgeführt. Bei einem positiven Photolack
bedeutet die Entwicklung, daß oberhalb des Schwellenwertes
der Photolack insgesamt aufgelöst bzw. verbraucht wird,
während er dort, wo die Intensitätswerte im Zwischenbild unter
dem Schwellenwert liegen, stehen bleibt. Dieses sehr einfache Modell
wird durch die in der
DE 197
57 696 B4 beschriebene Erfindung verbessert, indem zunächst
ein Luftbild simuliert wird und dieses Luftbild im folgenden wie
eine Säureverteilung betrachtet wird, wobei die Säureverteilung
aus einem Photolack in einem Belichtungsprozeß erzeugt
wird. Daraus erhält man ein Diffusionszwischenbild unter Berücksichtigung
der Diffusion der Säure in einem nach der Belichtung stattfindenden
Aushärteprozeß. Dieses Diffusionszwischenbild
wird schließlich in ein Schwellenwertmodell konvertiert,
so daß die erwartete Größe der Konturen
im Photolack moduliert werden kann. Ein Vorteil bei diesem Verfahren
ist, daß nicht der Gesamtprozeß unter Berücksichtigung
der Belichtung und Entwicklung der dreidimensionalen Photolackschicht,
die auch eine Diffusion entlang der Z-Richtung beinhaltet, simuliert
werden muß. Die Säureverteilung bzw. die Photolackschicht
wird durch eine zweidimensionale Ebene approximiert, es wird also
davon ausgegangen, daß die Photolackschicht sehr dünn
ist, was eine starke Approximation darstellt.
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In
der
US 7,072,502 B2 wird
eine Methode zur Untersuchung von Phasenschiebmasken (phase shift
masks, PSM) beschrieben. Dabei wird eine Anzahl von Luftbildern
der Maske aufgenommen, die dann für die Simulation einer
Belichtung und Entwicklung des Photolacks herangezogen werden. Die
Luftbilder unterscheiden sich im wesentlichen dadurch, daß sie
bei unterschiedlichen Fokuseinstellungen aufgenommen werden. Anhand
der bei verschiedenen Foki aufgenommenen Bilder bzw. den daraus
simulierten Belichtungen lassen sich dann Rückschlüsse über
Fehler auf der Maske machen. Die Simulation der Waferbelichtung
ist hier dreidimensional.
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Mit
den im Stand der Technik bekannten Methoden ist es möglich,
Masken mehr oder weniger genau zu analysieren. Die Auswertung der
Ergebnisse der Simulation ist mitunter jedoch recht aufwendig, beispielsweise
wenn für verschiedene Energiedosen, d. h. die Energie,
die pro Flächeneinheit auf die Waferoberfläche
trifft, verschiedene Fokusstapel von Luftbildern aufgenommen werden
und für jeden Fokusstapel eine Belichtungssimulation durchgeführt wird,
um beispielsweise das Prozeßfenster zu bestimmen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Analyse von Masken für
die Photolithographie dahingehend weiterzuentwickeln, daß die
Analyse vereinfacht und beschleunigt wird.
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Ein
Verfahren zur Analyse von Masken für die Photolithographie,
das diese Aufgabe löst, umfaßt die folgenden Schritte:
Zunächst
wird ein Luftbild der Maske für eine ersten Fokuseinstellung
erzeugt und in einem Luftbilddatensatz gespeichert. Der Luftbilddatensatz
wird an einen Algorithmus übergeben, der eine photolithographische
Waferbelichtung simuliert. Eine solche Simulation einer photolithographischen
Waferbelichtung besteht darin, daß für vorgegebene
Belichtungsparameter – u. a. für eine vorgegebene
Energiedosis –, die Belichtung und Entwicklung einer auf
die Oberfläche eines Wafers aufgebrachten Photolackschicht mit
einer vorgegebenen Dicke simuliert wird. Anhand des Luftbilddatensatzes
kann der Algorithmus feststellen, inwiefern die Photolackschicht
an einer bestimmten Position auf dem Wafer belichtet wird. Der Algorithmus
simuliert unter anderem die chemische Behandlung und Entwicklung
des Photolacks. Das Ergebnis der Simulation entspricht im allgemeinen Fall
im Prinzip dem dreidimensionalen Profil der Photolackschicht auf
dem Wafer nach der Entwicklung wiedergibt. Im erfindungsgemäßen
Verfahren wird nun für mindestens zwei voneinander verschiedene Energiedosen
die Simulation durchgeführt. Dann werden in vorgegebener
Höhe von der Waferoberfläche jeweils Konturen
bestimmt, die Bereiche mit Photolack von Bereichen ohne Photolack
trennen. Das Ergebnis, die Konturen, werden für jede der
Energiedosen jeweils als zweidimensionaler Konturdatensatz mit der
Energiedosis als Parameter gespeichert.
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Das
Luftbild kann dabei auf verschiedene Weise erzeugt werden. Eine
gängige und sehr genaue Methode besteht darin, das Luftbild
mit einem Emulationsabbildungssystem, das die Abbildung der Maske
auf eine Photolackschicht in einem Photolithographiescanner emuliert,
zu erzeugen. Ein solches Emulationsabbildungssystem ist beispielsweise das
AIMS der Carl Zeiss SMS GmbH. Bei diesem speziellen Mikroskop werden
in der Regel die gleichen Einstellungen für die Beleuchtung,
beispielsweise betreffend Wellenlänge, Polarisation, maskenseitige
numerische Apertur, verwendet. Dies ist jedoch nicht zwingend, auch
einfacher aufgebaute Mikroskope können verwendet werden,
wobei dann ggf. Abstriche bei der Genauigkeit in Kauf zu nehmen sind.
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Eine
andere Möglichkeit besteht darin, nicht nur die Belichtung
zu simulieren, sondern auch das Luftbild mit einem Luftbildsimulationsalgorithmus
zu simulieren. Solche Programme sind ebenfalls käuflich
erwerbbar und verwenden die Daten des Maskenlayouts, die in einer
Maskendesigndatei gespeichert sind oder die gemessene Struktur von
tatsächlich existierenden Masken.
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Programme
zur Simulation von Waferbelichtungen sind kommerziell erhältlich,
beispielsweise Solid E von Synopsys Inc., Panoramics von Panoramic
Technology oder Prolith von KLA Ten cor. Eine einfache Ausgestaltung
einer solchen Photolacksimulation basiert darauf, daß auf
die Daten des Luftbilddatensatzes in einem ersten Schritt eine dreidimensionale
Faltung mit einer Gaußfunktion angewendet wird, mit der
die Intensitätsverteilung modifiziert wird. Damit wird
u. a. die Diffusion innerhalb des Photolacks berücksichtigt,
d. h. die Durchmischung belichteter und unbelichteter Partikel während
der Belichtung und der Entwicklung. Da im vorliegenden Fall jedoch
nur die Photolackschicht in einer vorgegebenen Höhe von
Interesse ist, kann die Faltung auch auf diesen Bereich beschränkt
werden, d. h. eine Diffusion senkrecht zur Waferoberfläche
muß nicht berücksichtigt werden, es reicht also
eine zweidimensionale Faltung mit einer Gaußfunktion ohne
die vertikale Komponente. Dadurch wird die Genauigkeit des Ergebnisses
nur wenig verringert. Dennoch liegen Unterschiede zu einer rein
zweidimensionalen Photolackschicht vor, da sich die Photolackschicht
in einer gewissen Höhe von der Waferoberfläche
aus gemessen befindet, beispielsweise in einem Bereich von 5%–15%
der Gesamtdicke der Photolackschicht, also zwar in der Nähe
der Waferoberfläche, jedoch nicht auf ihr. Die Zeit, die
benötigt wird, damit auch diese tiefer und nicht an der
Oberfläche des Photolacks liegende Schicht belichtet wird,
muß daher ebenfalls berücksichtigt werden. Beispielsweise
wird durch die Tiefe der Photolackschicht die absorbierte Energie
und die Fokusposition beeinflußt. Das stellt einen wichtigen
Unterschied zu dem in der
DE
197 57 696 B4 beschriebenen Modell dar. Wendet man nach einer
zweidimensionalen Faltung in einem zweiten Schritt eine Schwellenwertfunktion
an, die einen Wert mit einem von Null verschiedenen Wert dann liefert, wenn
Photolack vorhanden ist, und Null sonst, so ist das Ergebnis unabhängig
von der Höhe über der Waferoberfläche,
so daß das Ergebnis unmittelbar in einem Konturdatensatz
zweidimensional gespeichert werden kann.
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Falls
man diese vereinfachende zweidimensionale Näherung nicht
verwenden möchte, kann man auch Luftbilder bei verschiedenen
Fokuseinstellungen erzeugen – aufnehmen oder simulieren – und im
Luftbilddatensatz zu einem dreidimensionalen Luftbild kombinieren,
dessen Ausdehnung sich parallel zur optischen Achse von der Unterseite
zur Oberseite der Photolackschicht erstreckt. Die Fokuspositionen
müssen dabei entsprechend in bekannter Weise umgerechnet
werden, wobei der Abbildungsmaßstab sowie der Brechungsindex
des Photolacks berücksichtigt werden müssen. Stehen
nur wenige Luftbilder mit verschiedenen Fokuseinstellungen zur Verfügung,
so kann man zwischen diesen interpolieren oder gar außerhalb
extrapolieren.
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Grundsätzlich
kann natürlich auch erst das dreidimensionale Photolackprofil
berechnet werden und anschließend mit diesem weitergearbeitet
werden. Bei einer Simulation in allen drei Raumrichtungen können
die Konturen dann bestimmt werden, indem nach der Simulation der
photo graphischen Belichtung für jeden der aus der Simulation
erhaltenen Datensätze mindestens ein Schnitt parallel zur
Waferoberfläche in der vorgegebenen Höhe durchgeführt
wird.
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Außerdem
lassen sich nicht nur Schnitte in einer Höhe durchführen,
sondern in mehreren Höhen in einem Bereich vorgegebener
Dicke um die vorgegebene Höhe, so daß gleichermaßen
eine Schicht für jeden der aus der Simulation erhaltenen
Datensätze ausgeschnitten wird. Die Konturen werden dann durch
Mittlung über die Dicke der Schicht bestimmt und in den
Konturdatensätzen gespeichert.
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Nachdem
mindestens zwei Konturdatensätze erzeugt worden sind, werden
sie zu einem dreidimensionalen Multikonturdatensatz mit der Prozeßschwelle
oder dem Kehrwert der Energiedosis als dritter Dimension verknüpft.
Anhand der Übergänge von Null zu von Null verschiedenen
Werten in den Konturen im Multikonturdatensatz wird ein dreidimensionales
Profil der Energiedosis in Abhängigkeit von der Position
auf der Maske erzeugt. Statt der Energiedosis kann man vorteilhaft
auch den Kehrwert der Energiedosis oder eine andere Funktion der
Energiedosis in Abhängigkeit von der Position auf der Maske
als Ergebnis ausgeben bzw. als dritte Dimension heranziehen. Ein
solcher Multikonturdatensatz kann beispielsweise aus 80 oder mehr
Konturdatensätzen zusammengesetzt werden. Die Ränder
der Konturen werden zur Bestimmung des Profils herangezogen, dies
kann beispielsweise durch ein mehrdimensionales Polynom approximiert
werden.
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Der
Kehrwert der Energiedosis ist proportional zur sogenannten Prozeßschwelle.
Eine Prozeßschwelle von 0,25 bedeutet, daß ¼ des
Lichts, welches auf einen Bereich der Maske ohne Struktur trifft, ausreicht,
um die Photolackschicht zu entwickeln. Dies entspricht einer hohen
Dosis, d. h. auch einer hohen Intensität, wenn die Belichtungszeit
immer dieselbe ist. Dieses Profil oder Schnitte durch dieses Profil
können dann ausgegeben und/oder in einem Profildatensatz
gespeichert und/oder automatisch ausgewertet werden. Beispielsweise
kann ein direkter Vergleich mit der Luftbildaufnahme durchgeführt werden.
Dazu ist es vorteilhaft, wenn sowohl der Luftbilddatensatz als auch
das Profil auf die Belichtung durch einen lichtdurchlässigen
Bereich der Maske hindurch normiert werden. Das erhaltene Profil
entspricht nicht einem räumlichen Profil der Photolackschicht
auf dem Wafer, sondern einem effektiven Luftbild, d. h. der Photolackverteilung
auf dem Wafer in Abhängigkeit von der Energiedosis, mit
der die Photolackschicht belichtet wird. Daraus läßt
beispielsweise ohne weiteres ablesen, wie sich die kritische Dimension
bei der Veränderung der Energiedosis ändern wird,
auch das Verhalten anderer Prozeßgrößen
läßt sich ablesen.
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Die
bei der Simulation erzeugten Daten lassen sich natürlich
nicht ausschließlich für die Weiterverarbeitung
zu Profilen nutzen, auch die Übergabe an weitere Algorithmen
zur weiteren Auswertung ist möglich.
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Bevorzugt
werden bei der Erzeugung jedes Luftbilddatensatzes auch Kontrastverluste
durch Vektoreffekte berücksichtigt. Dies kann sowohl rechnerisch,
als auch durch optische Maßnahmen bei der Erzeugung des
Luftbildes erreicht werden, wie beispielsweise in den Patentfamilien
DE 10 2004 033 603
A1 ,
DE 10 2004
033 602 beschrieben, deren Offenbarung hier ausdrücklich
mit einbezogen wird. Die Vektoreffekte werden also bereits vor der Übergabe der
Luftbilddatensätze an den Algorithmus berücksichtigt,
sie müssen daher für jedes Luftbild nur einmal
berechnet werden, unabhängig davon, für wieviel
Energiedosen Simulationen durchgeführt und somit Konturdatensätze
erzeugt werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden weitere Luftbilder
bei weiteren Fokuseinstellungen aufgenommen, also Fokusstapel erzeugt.
Diese weiteren Luftbilder werden als weitere Luftbilddatensätze
gespeichert und an den Algorithmus übergeben. Mit diesem
werden weitere Konturdatensätze, Mulitkonturdatensätze
und im folgenden weitere Profile erzeugt, die in weiteren Profildatensätzen
gespeichert und/oder mit dem zuerst bestimmten Profil gemeinsam
ausgewertet und/oder ganz oder in Schnitten ausgegeben werden. In
jeder der Fokuseinstellungen wird der Fokus verschieden eingestellt,
d. h. daß die Fokusebene jeweils an verschiedenen Stellen
liegt, sie kann u. a. auch außerhalb der Photolackschicht
liegen. Auf jedes in dieser Fokusebene aufgenommene Luftbild wird
die Simulation mit entsprechender Variation der Energiedosis angewendet
und ein entsprechendes Profil erzeugt. Anhand dieser Profile lassen
sich dann weitere Auswertungen vornehmen, beispielsweise eine graphische
Darstellung der Linienbreite in Abhängigkeit von der Prozeßschwelle,
Darstellungen von Bossungkurven, eine Analyse des Prozeßfensters
oder die Bestimmung des Pivotpunkts, d. h. der Dosis, für
die sich bei variierender Fokussierung keine wesentlichen Änderungen
in der Lage der Konturen ergibt. Bei Variation der Energiedosis
erhält man somit auch ohne weiteren Aufwand Aussagen darüber,
inwiefern sich eine Defokussierung auf die Ausdehnung der Konturen
und davon abgeleitet der kritischen Dimension auswirkt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren läßt
sich auch auf die Mehrfachbelichtung von Wafern, wie sie beispielsweise
beim Double-Patterning eingesetzt wird, anwenden. Bei einer Fokuseinstellung
bedeutet eine Belichtung des Wafers nacheinander mit mindestens
zwei Masken dann, daß für beide Masken Luftbilddatensätze
erzeugt und pixelweise zum Luftbilddatensatz addiert werden. Die
Photolackschicht wird also sozusagen zweimal belichtet, bevor sie
entwickelt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß für
beide Masken Luftbilddatensätze erzeugt wer den. Der Luftbilddatensatz
für die Maske, mit der zuerst belichtet wird, wird dann
an den Algorithmus übergeben, wobei für eine oder
mehrere voneinander verschiedene Energiedosen jeweils die Belichtung und
Entwicklung einer auf die Oberfläche eines Wafers aufgebrachten
Photolackschicht anhand dieses Luftbilddatensatzes simuliert werden.
Anschließend wird der Luftbilddatensatz für die
Maske, mit der anschließend belichtet wird, an den Algorithmus übergeben
und ebenfalls für ein oder mehrere Energiedosen entsprechend
verfahren. Die sich aus der Simulation ergebenden Daten werden dann
gemeinsam dargestellt, zu einem Datensatz zusammengefaßt und/oder
weiter verarbeitet. Bevorzugt werden die aus dem Luftbildsatz der
Maske, mit der zuerst belichtet wird, erzeugten Daten jeweils berücksichtigt. Dies
entspricht dem Auftragen einer neuen Photolackschicht nach Belichtung
mit der ersten und vor Belichtung mit der zweiten Maske. Dies ist
insbesondere dann sinnvoll, wenn nach der ersten Belichtung ein Ätzprozeß simuliert
wurde, so daß die Waferoberfäche nicht mehr eben
ist.
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Schließlich
läßt sich die vorangehend beschriebene Analyse
anhand der Darstellung oder Auswertung von Multikonturdatensätzen
für Photolithographieprozesse auch mit echten Lackprofilen durchführen.
Dazu wird ein Wafer durch die Maske und eine Projektionsbelichtungseinrichtung
wie einen Scanner für mindestens zwei Energiedosen belichtet und
anschließend entwikkelt, wobei vor jeder erneuten Belichtung
die Photolackschicht erneuert wird oder auch eine andere Stelle
des Wafers verwendet wird. Nach der Entwicklung werden die entstandenen Lackprofile
abgetastet, beispielsweise mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM).
Die Ergebnisse werden jeweils in Lackprofildatensätzen
gespeichert. Anhand der Lackprofildatensätze werden jeweils Konturen
bestimmt, die Bereiche mit Photolack von solchen Bereichen ohne
Photolack trennen, das Ergebnis wird jeweils als zweidimensionaler
Konturdatensatz gespeichert. Die Konturdatensätze werden dann
zu einem dreidimensionalen Multikonturdatensatz zusammengefügt
und in der oben beschriebenen Weise dargestellt und/oder ausgewertet.
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Es
versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen
Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten
Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren,
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 die
Schritte zur Erstellung eines Maskenprofils in bezug auf den Kehrwert
der Energiedosis,
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2 eine
Draufsicht auf ein Profil,
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3 ein
Vergleich des Profils aus 1 mit einem
für die Maske aufgenommenen Luftbild,
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4 mehrere
Profile für verschiedene Fokuseinstellungen und
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5 eine
Darstellung der Belichtung gemäß des Standes der
Technik.
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Bei
einem Verfahren zur Analyse von Masken für die Photolithographie
wird als erstes ein Luftbild der Maske bei einer Fokuseinstellung
aufgenommen. Der Fokus befindet sich dabei in einer Ebene, die in
der Realität im Bereich einer auf einen Wafer aufgebrachten
Photolackschicht liegt. Das Bild wird anschließend digitalisiert
und in einem Luftbilddatensatz gespeichert. Dieser Luftbilddatensatz
wird dann an einen Algorithmus übergeben, der eine photolithographische
Waferbelichtung simuliert. In Abhängigkeit von vorgegebenen
Parametern, wie der Energiedosis – d. h. der Energieeintrag
pro Flächeneinheit –, wird die Belichtung und
Entwicklung einer auf die Oberfläche eines Wafers aufgebrachten
Photolackschicht, die eine vorgegebene Dicke hat, simuliert. Der
Luftbilddatensatz legt dabei fest, an welche Stellen auf der Photolackschicht
Licht fällt und an welche nicht. In Abhängigkeit
von der Art des Photolacks werden dann Belichtung und Entwicklung
simuliert. Bei einem positiven Photolack bedeutet das, daß bei der
Entwicklung die belichteten Stellen in Abhängigkeit von
der Energiedosis ausgewaschen bzw. vom Photolack befreit werden.
Ist die Energiedosis nicht hoch genug, so bleibt der Photolack stehen.
Ein negativer Photolack zeichnet sich dadurch aus, daß er bei
Belichtung erhärtet bzw. chemisch stabil wird, so daß bei
der Entwicklung nur die unbelichteten Areale des Photolacks freigelegt
werden bzw. die belichteten Areale in einem solchem Maße,
wie Energieeintrag erfolgt ist. Hinzu kommt, daß sich nach
der Belichtung und vor und/oder während der Entwicklung die
belichteten Komponenten des Photolacks noch eine gewisse Strecke,
die sogenannte Diffusionslänge bewegen können.
Dies führt zu einer gewissen Verwaschung des Bildes. In 1a ist
beispielsweise für eine vorgegebene Energiedosis D das übliche, dreidimensionale
Profil der Photolackschicht auf dem Wafer dargestellt, allerdings
nur in einem Schnitt längs einer vorgegebenen Richtung
auf der Waferoberfläche, beispielsweise in einem X-Z-Schnitt.
Es handelt sich hierbei um einen negativen Photolack, d. h. je höher
die Energiedosis ist, desto mehr Photolack bleibt im Prinzip an
den Rändern auf der Waferschicht stehen.
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Das
Luftbild kann dabei auf verschiedene Weise erzeugt werden. Eine
gängige und sehr genaue Methode besteht darin, das Luftbild
mit einem Emulationsabbildungssystem, das die Abbildung der Maske
auf eine Photolackschicht in einem Photolithographiescanner emuliert,
zu erzeugen. Ein solches Emulationsabbildungssystem ist beispielsweise das
AIMS der Carl Zeiss SMS GmbH.
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Eine
andere Möglichkeit besteht darin, nicht nur die Belichtung
zu simulieren, sondern auch das Luftbild mit einem Luftbildsimulationsalgorithmus
zu simulieren. Auch die Erzeugung eines drei dimensionalen Luftbildes
anhand von Luftbildern, die bei verschiedenen Fokuseinstellungen
aufgenommen wurden, besteht. Außerdem lassen sich nicht
nur Schnitte in einer Höhe durchführen, sondern
in mehreren Höhen in einem Bereich vorgegebener Dicke um
die vorgegebene Höhe, so daß gleichermaßen
eine Schicht für jeden der aus der Simulation erhaltenen Datensätze
ausgeschnitten wird. Die Konturen werden dann durch Mittlung über
die Dicke der Schicht bestimmt und in den Konturdatensätzen
gespeichert.
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Im
hier beschriebenen Verfahren werden nun für mindestens
zwei voneinander verschiedene Energiedosen Simulationen durchgeführt
und aus den bei der Simulation erzeugten Datensätzen in
einer vorgegebenen Höhe von der Waferoberfläche Konturen
bestimmt, die Bereiche mit Photolack von Bereichen ohne Photolack
trennen. Das Ergebnis wird jeweils als zweidimensionaler Konturdatensatz mit
der Energiedosis als Parameter gespeichert.
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Bei
einem dreidimensionalen Photolackprofil, wie es in 1a gezeigt
ist, genügt es, mindestens einen Schnitt durch das Profil
in der vorgegebenen Höhe zu legen, um zu den Konturen bzw.
Konturdatensätzen zu gelangen. Außerdem lassen
sich nicht nur Schnitte in einer Höhe durchführen,
sondern in mehreren Höhen in einem Bereich vorgegebener Dicke
um die vorgegebene Höhe, so daß gleichermaßen
eine Schicht für jeden der aus der Simulation erhaltenen
Datensätze ausgeschnitten wird. Die Konturen werden dann
durch Mittlung über die Dicke der Schicht bestimmt und
in den Konturdatensätzen gespeichert.
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Auf
diese Weise erhält man einen zweidimensionalen Konturdatensatz,
der beispielsweise die in 1b gezeigten
Konturen enthält. Als Höhe kann beispielsweise
ein Wert von etwa 10% der ursprünglichen Dicke der Photolackschicht,
gemessen von der Waferoberfläche, vorgegeben werden. Dies ist
für weitere Analysen der Realität näher
als beispielsweise ein Wert bei 90% der ursprünglichen
Dicke. Die 10% sind dabei nur ein ungefährer Wert, ein abweichender
Ansatz der Höhe mit 5% oder 15% der ursprünglichen
Dicke sind ebenfalls möglich, mit diesen Werten lassen
sich ebenfalls noch realistische Ergebnisse erzielen.
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Aufgrund
der Tatsache, daß Konturen bestimmt werden und daher grundsätzlich
eine vollständige Simulation des Verhaltens der dreidimensionalen
Photolackstruktur bei der Entwicklung notwendig ist, kann der Algorithmus
zur Simulation der Waferbelichtung in verschiedenen Punkten vereinfacht
werden. So kann beispielsweise die räumliche Diffusion senkrecht
zur Oberfläche vernachlässigt werden. Dies führt
dazu, daß gegenüber der üblichen Vorgehensweise,
bei der während der Simulation eine dreidimensionale Faltung
der Eingangsdaten mit einer Gauß-Funktion erfolgt, nunmehr
nur noch eine zweidimensionale Faltung notwendig ist, da allein
die Konturen interessieren. Setzt man beispielsweise eine Photolacksimulation
nach Dill an, also eine Gleichung von der Form A = 1 – exp(–IluftbildC·D) – B, so ist für
die Beschreibung der Diffusion die Inhibitorkonzentration ausschlaggebend,
die sich aus der dreidimensionalen Faltung der Funktion A mit einer
Gaußfunktion ergibt. Dabei ist ILuftbild die
Intensität der Lichtverteilung im Photolack. C ist der
Parameter C aus dem Modell von Dill und gibt die Lichtempfindlichkeit des
Photolacks an. D ist die Energiedosis der Belichtung. B schließlich
ist die Konzentration der Base im Photolack und A die Konzentration
der erzeugten Photosäure. Die Größen
A und B sind auf die Ausgangskonzentration des Photosäuregenerators
vor der Belichtung normiert. Die Konturen ergeben sich damit direkt
aus der Simulation, da sie von der Höhe unabhängig
sind.
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Falls
man diese vereinfachende zweidimensionale Näherung nicht
verwenden möchte, kann man auch Luftbilder bei verschiedenen
Fokuseinstellungen erzeugen – aufnehmen oder simulieren – und im
ersten Luftbilddatensatz zu einem dreidimensionalen Luftbild kombinieren,
dessen Ausdehnung sich parallel zur optischen Achse von der Unterseite
zur Oberseite der Photolackschicht erstreckt. Die Fokuspositionen
müssen dabei entsprechend in bekannter Weise umgerechnet
werden, wobei der Abbildungsmaßstab sowie der Brechungsindex
des Photolacks berücksichtigt werden müssen. Stehen
nur wenige Luftbilder mit verschiedenen Fokuseinstellungen zur Verfügung,
so kann man zwischen diesen interpolieren oder gar außerhalb
extrapolieren.
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Da
nur die Konturen nach Ende der Entwicklung interessieren, kann auch
der Schritt der Entwicklung des Photolacks in Abhängigkeit
von der Zeit und die Rate, mit der der Photolack als Funktion der
Konzentration des Inhibitors entwickelt wird, vernachlässigt
werden. Statt dessen wird eine Schwellwertfunktion für
die Photosäure angesetzt. Für einen positiven Photolack
heißt dies, daß der Photolack an den Stellen abgelöst
wird, wo die Konzentration der Photosäure nach der Diffusion
eine gewisse Schwellwertkonzentration überschreitet, andernfalls
bleibt der Photolack stehen. Für negativen Photolack ist
es umgekehrt. Dies führt zu einer deutlichen Beschleunigung
der Berechnungen, was allerdings wieder etwas relativiert wird,
wenn bei der Erzeugung des Luftbilddatensatzes Kontrastverluste
durch Vektoreffekte berücksichtigt werden. Diese müssen
allerdings nur einmal für jedes Luftbild berechnet werden.
Eine gesonderte Berechnung bei jeder Energiedosis ist nicht erforderlich.
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Sind
eine Reihe von solchen Konturdatensätzen, jedoch mindestens
zwei, bestimmt worden, so lassen sich die aus einem Luftbild erzeugten
Konturdatensätze zu einem dreidimensionalen Multikonturdatensatz
mit der Energiedosis oder einer Funktion der Energiedosis wie dem
Kehrwert der Energiedosis als dritter Dimension verknüpfen.
Dieser Multikonturdatensatz läßt sich bereits
graphisch darstellen, beispielsweise als dreidimensionale Ansicht
eines Schichtstapels oder als zweidimensionaler Schnitt durch diesen
Schichtstapel, wie in 1c dargestellt.
Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um einen negativen Photolack,
d. h. bei einer hohen Dosis wird die gesamte Photolackschicht belichtet und
daher unlöslich unter Einwirkung eines Entwicklers. Dies
wird durch die durchgezogene, untere Linie in 1c verdeutlicht.
Die darüberliegenden Linienstücke entsprechen
den Konturen, wie sie sich bei einer niedrigeren Energiedosis ergeben,
die darüberliegenden Linienstücke Konturen, die
bei einer noch niedrigeren Energiedosis erzeugt wurden, usw., bis die
Dosis so niedrig ist, daß der gesamte Photolack bei der
Entwicklung entfernt wird. In 1c sind
der Übersichtlichkeit halber nur vier Linien dargestellt,
in der Realität lassen sich jedoch relativ schnell, quasi in
Echtzeit, Konturen für zum Beispiel 80 Energiedosen und
mehr erzeugen, was die Genauigkeit erhöht.
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Anhand
der Übergänge von Null zu von Null verschiedenen
Werten in den Konturen im ersten Multikonturdatensatz wird nun ein
dreidimensionales Profil der Energiedosis oder einer Funktion der
Energiedosis wie des Kehrwertes der Energiedosis in Abhängigkeit
von der Position auf der Maske erzeugt. Dies ist in 1d genauer
dargestellt. Die Übergänge von Null zu den von
Null verschiedenen Werten in den Konturen bestimmen die Kanten der
Konturen. Das Profil wird so gewählt, daß es diese
Konturen einhüllt, beispielsweise indem die Datenpunkte
auf den Konturkanten als Stützstellen für eine
Approximation mit einem mehrdimensionalen Polynom verwendet werden.
Die Kanten der Konturen liegen dann alle auf dem Profil.
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In
einem letzten Schritt werden dann das Profil und/oder Schnitte durch
das Profil ausgegeben. Für das Beispiel in 1 ist
dies in 1e dargestellt, ein Schnitt
durch das Profil entlang einer Richtung auf der Oberfläche
des Wafers. Selbstverständlich kann das Profil auch in
einem Profildatensatz als dreidimensionaler Datensatz gespeichert werden,
auch eine Weiterverarbeitung, insbesondere automatisch, ist mit
entsprechenden Auswertealgorithmen möglich. Beispielsweise
lassen sich aus dem Profil auch die kritische Dimension in Abhängigkeit von
der Prozeßschwelle – proportional zum Kehrwert der
Energiedosis – bestimmen; auch die Bestimmung von Prozeßfenstern,
NILS-Darstellungen (NILS = normalized image log-slope), Bossung-Kurven,
etc. ist möglich. In 2 ist eine
Draufsicht auf das dreidimensionale Profil gezeigt, ähnlich
der Gestaltung topographischer Landkarten mit Höhenlinien
entspricht jede der dargestellten Konturen bzw. Konturlinien einer
Energiedosis bzw. Prozeßschwelle, so daß sich
graphisch leicht ein dreidimensionales Profil darstellen läßt.
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Da
die vorgegebene Höhe von etwa 10% von der Waferoberfläche
für alle bestimmten Konturen dieselbe ist, erhält
man insgesamt somit ein Profil, welches das Verhalten der untersten
Schicht des Photolacks in Abhängigkeit von der Dosis wiederspiegelt,
man spricht auch von einem sogenannten effektiven Luftbild.
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Das
in 1e gezeigte effektive Luftbild läßt sich
auch mit dem Luftbild der Maske direkt vergleichen, wie in 3 dargestellt.
Auf der X-Achse ist die Richtung auf der Waferoberfläche
in nm aufgetragen, die schon in 1 zugrundegelegt
wurde. Der Schnitt durch das Luftbild, welches beispielsweise mit
dem AIMS von Carl Zeiss erzeugt werden kann, ist als gestrichelte
Linie dargestellt, das Profil, dessen Erzeugung vorangehend beschrieben
wurde, mit der durchgezogenen Linie. Für beide Kurven wurde
dabei außerdem eine sogenannte Clear-Normierung durchgeführt:
Sowohl das Luftbild als auch das Profil sind auf die Belichtung
durch einen lichtdurchlässigen Bereich der Maske ohne Strukturen
hindurch normiert worden, so daß die links gezeigte Skala,
die die normierte Intensität und der Kehrwert der normierten
Prozeßschwelle in einem Graphen dargestellt werden können.
Ein Wert von 1 auf der Y-Achse bedeutet, daß die Dosis
nur so hoch ist, daß das Licht, das durch einen strukturlosen
Bereich der Maske hindurchtritt, gerade ausreicht, um den Photolack zu
belichten. Eine Prozeßschwelle bzw. eine Intensität
von 0,25 bedeutet, daß bereits ¼ des Lichts, das durch
den strukturlosen Bereich hindurchtritt, ausreicht, um den Photolack
entsprechend zu belichten. Die Dosis ist in diesem Fall viermal
so hoch wie bei einem Wert von 1. Aufgrund der Diffusion ist der
Kontrast im effektiven Luftbild geringer. Dies führt auch zu
einer Glättung in den breiteren Strukturen auf der rechten
Seite im Graphen in 3. Die Diffusionslänge
beträgt in der Regel etwa 15 nm, dieser Wert kann fest
vorgegeben sein, es kann jedoch auch einem Benutzer überlassen
sein, einen Wert für eine Diffusionslänge einzugeben.
Der Wert der Diffusionslänge kann so kalibriert werden,
daß die effektiven Luftbilder dem Verhalten der realen
Lackbilder für verschiedene Strukturgrößen
und Perioden möglichst gut entsprechen. Diese Kalibrierung
erfolgt vorteilhaft für jeden zu verwendenden Photolacktyp
einzeln.
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Während
die vorangegangenen Ausführungen die Erzeugung eines Profils
aus einem ersten Luftbild bei einer Fokuseinstellung zum Inhalt
hatten, so kann es von Vorteil sein, weitere Luftbilder bei weiteren
Fokuseinstellungen aufzunehmen und als weitere Luftbilddatensätze
zu speichern. Diese weiteren Luftbilddatensätze werden
dann an den Algorithmus übergeben, es werden weitere Konturdatensätze, Multikonturdatensätze
und folgend weitere Profile erzeugt, die in weiteren Profildatensätzen
gespeichert und/oder mit dem zuerst berechneten Profil gemeinsam
ausgewertet und/oder mit dem ersten Profil gemeinsam oder in Schnitten
ausgegeben werden. Dies ist beispielsweise in 4 dargestellt.
Die gestrichelten Linien entsprechen einem Fokusstapel, wie er aus
den Luftbildern, die beispielsweise mit dem AIMS erzeugt werden
können, direkt gewonnen wird. Die durchgezogenen Linien
entsprechen Profilen, die mit dem vorangehend beschriebenen Verfahren
gewonnen wurden. Jede Fokusebene, in der eine Messung durchgeführt
wird, entspricht einer Höhe in der Photolackschicht, gemessen
von der Oberfläche des Wafers aus. Das Profil bzw. die
Kurve mit den höchsten Amplituden entspricht der sogenannten Besten-Fokus-Ebene,
die anderen Kurven liegen mehr oder weniger außerhalb bzw.
innerhalb des Fokus, bezogen auf den Abstand zum Objektiv.
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Im
Stand der Technik ist es üblich, Meß- oder Simulationsreihen
durchzuführen, bei denen man die Fokuseinstellung und die
Energiedosis in bestimmten Bereichen variiert und, wie in 5 gezeigt,
das Ergebnis als Matrix von Diagrammen darzustellen, wobei in der
einen Richtung der Fokus und in der anderen Richtung die Energiedosis
variiert. Aus dieser Darstellung ist es schwierig, ohne weitere
Hilfsmittel zu erkennen, wie sich bestimmte Parameter wie beispielsweise
die Linienbreite in Abhängigkeit von Energiedosis und/oder
Fokuseinstellung verändern. Im Gegensatz dazu lassen sich
aus den Luftbildmessungen, wie sie in 4 dargestellt
sind, ohne weiteres die Pivotpunkte bestimmen, d. h. die Punkte
an denen sich die verschiedenen Kurven schneiden bzw. ihren Wendepunkt
haben. Liegt die Prozeßschwelle auf dem Pivotpunkt, so änder
sich die Linienbreite über die Fokuseinstellung nicht,
d. h. der Lithographieprozeß würde auch bei Defokussierung hier
eine konstante Breite bzw. kritische Dimension der Strukturen liefern.
Die Eigenschaften der Photolackschicht und ihr Verhalten bei Defokussierung werden
dabei jedoch nicht berücksichtigt. Aufgrund der gewählten
Darstellung in Form von Profilen lassen sich jedoch die Pivotpunkte
auch bei Einschaltung einer Belichtungssimulation bestimmen, sie
variieren jedoch leicht, wie man der Figur entnehmen kann. Die Lage
der Pivotpunkte verschiebt sich also und damit ändert sich
auch die Ausdehnung der Konturen in Abhängigkeit von der
Fokussierung. Wie stark sich diese Änderung bemerkbar macht,
läßt sich 4 entnehmen.
Diese Darstellung ist wesentlich übersichtlicher als die übliche
Darstellung als Matrix von Einzeldiagrammen in 5,
bei denen der eine Index der Matrix der Fokusvariation und der andere
Index der Matrix der Dosisvariation entspricht. Bei variierender
Fokussierung entsprechen die Pivotpunkte den Punkten, bei denen
sich in der Lage der Konturen die geringsten Änderungen
ergeben.
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Selbstverständlich
ist es auch möglich, mit dem Verfahren die Belichtung mit
zwei oder mehr Masken, wie sie beispielsweise beim sogenannten Double-Patterning
erfolgt, zu berücksichtigen. Für eine Fokuseinstellung
können in diesem Fall für beide Masken Luftbilddatensätze
erzeugt und pixelweise zum ersten Luftbilddatensatz addiert werden.
Dies entspricht einer doppelten Belichtung der Photolackschicht
ohne einen Schritt einzuschalten, in dem die Schicht entwickelt
wird. Der erste Luftbilddatensatz wird dann wie vorangehend beschrieben
an einen Algorithmus übergeben, es werden verschiedene
Konturdatensätze erzeugt und schließlich ein Profil.
Dies ist selbstverständlich auch für mehrere Fokuseinstellungen
möglich, so daß auch hier Scharen von Profilen
mit verschiedenen Fokuseinstellungen erzeugt werden können.
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Die
Belichtung des Wafers nacheinander mit mindestens zwei Masken kann
auch auf andere Weise berücksichtigt werden, indem für
beide Masken Luftbilddatensätze erzeugt werden. Der – erste – Luftbilddatensatz
für die Maske, mit der zuerst belichtet wird, wird dann
an den Algorithmus übergeben, wobei für eine oder
mehrere voneinander verschiedene Energiedosen jeweils die Belichtung
und Entwicklung einer auf die Oberfläche eines Wafers aufgebrachten
Photolackschicht anhand dieses Luftbilddatensatzes bestimmt werden.
Anschließend wird der Luftbilddatensatz für die
Maske, mit der anschließend belichtet wird, an den Algorithmus übergeben und
ebenfalls für ein oder mehrere Energiedosen entsprechend
verfahren. Dabei können die aus dem Luftbildsatz der Maske,
mit der zuerst belichtet wird, erzeugten Daten jeweils berücksichtigt
werden. Dies entspricht einer zwischengeschalteten Entwicklung des
Photolacks nach Belichtung mit der ersten Maske und dem Aufbringen
einer neuen Photolackschicht vor Belichtung mit der zweiten Maske.
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Schließlich
läßt sich die vorangehend beschriebene Analyse
anhand der Darstellung oder Auswertung von Multikonturdatensätzen
für Photolithographieprozesse auch mit echten Lackprofilen durchführen.
Dazu wird ein Wafer durch die Maske und eine Projektionsbelichtungseinrichtung
wie einen Scanner für mindestens zwei Energiedosen belichtet und
anschließend entwikkelt, wobei vor jeder erneuten Belichtung
die Photolackschicht erneuert wird oder auch eine andere Stelle
des Wafers verwendet wird. Nach der Entwicklung werden die entstandenen Lackprofile
abgetastet, beispielsweise mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM).
Die Ergebnisse werden jeweils in Lackprofildatensätzen
gespeichert. Anhand der Lackprofildatensätze werden jeweils Konturen
bestimmt, die Bereiche mit Photolack von solchen Bereichen ohne
Photolack trennen, das Ergebnis wird jeweils als zweidimensionaler
Konturdatensatz gespeichert. Die Konturdatensätze werden dann
zu einem dreidimensionalen Multikonturdatensatz zusammengefügt
und in der oben beschriebenen Weise dargestellt und/oder ausgewertet,
d. h. es wird ein dreidimensionalen Profil der Energiedosis oder
einer Funktion der Energiedosis in Abhängigkeit von der
Position auf der Maske erzeugt.
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Insgesamt
ergeben sich durch das vorangehend beschriebene Verfahren Vorteile,
sowohl was die Schnelligkeit der Berechungen betrifft, und durch die
spezielle Kombination der berechneten Daten eine übersichtliche
Darstellung, die eine schnelle Auswertung auch durch einen Bearbeiter
zulassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19757696
B4 [0004, 0004, 0011]
- - US 7072502 B2 [0005]
- - DE 102004033603 A1 [0018]
- - DE 102004033602 [0018]