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Die Erfindung betrifft eine Autofokuseinrichtung für eine Abbildungsvorrichtung sowie ein Autofokussierverfahren.
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Im Allgemeinen werden Autofokuseinrichtungen bzw. Autofokussierverfahren dazu verwendet, ein Objekt in einer Fokusebene einer abbildenden Optik zu positionieren. Im Falle konstanter Brennweite der abbildenden Optik gilt es, den Abstand zwischen abbildender Optik und abzubildendem Objekt oder zwischen abbildender Optik und Bildsensor derart anzupassen, dass sich das Objekt zur Erzeugung eines Bildes von ausreichender Qualität in einer Fokusebene der Abbildungsoptik befindet. Insbesondere aus der Kameratechnik sind schon seit einigen Jahrzehnten Autofokussierverfahren bekannt, bei welchen beispielsweise durch eine Kontrastauswertung eines aufgenommenen Bildes in mehreren Iterationsschritten eine Optimierung des Abstandes zwischen abbildender Optik und Bildsensor vorgenommen wird. Um eine schnelle Einstellung der optimalen Brennweite zu erreichen, sind ebenfalls aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, bei welchen mittels einer auf das abzubildende Objekt projizierten Struktur eine Auswertung dahingehend vorgenommen wird, dass eine aktuelle Abweichung von der gewünschten Fokusebene unmittelbar ermittelt wird, worauf nachfolgend der Abstand zwischen abbildender Optik und abzubildendem Objekt in einem Schritt passend eingestellt werden kann, wodurch weitere Iterationsschritte entfallen.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 082 414 A1 , welche auf die Anmelderin zurückgeht und hiermit durch Bezugnahme voll umfänglich mit aufgenommen wird, ist ein entsprechendes System für eine Anlage zur Inspektion von Fotomasken für die Halbleiterlithographie beschrieben. Das dort gezeigte System beruht darauf, dass eine Autofokuseinrichtung ein Fokusmodul zeigt, welches ein periodisch strukturiertes Fokussierbild in eine Fokussierbildebene projiziert, welche die Fokusebene der Abbildungsoptik des Systems schneidet. Während des in der genannten Schrift beschriebenen Autofokussierverfahrens können bei periodischen Strukturen auf der untersuchten Fotomaske störende Moiréeffekte auftreten, wodurch die Messung erschwert oder sogar verfälscht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren anzugeben, in welchem der störende Einfluss periodischer Strukturen auf einem abzubildenden Objekt, insbesondere auf einer Phasenmaske, verringert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
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Die Erfindung schließt eine Autofokuseinrichtung für eine Abbildungsvorrichtung ein, wobei die Abbildungsvorrichtung
- – eine Abbildungsoptik mit einer Fokusebene zum Abbilden eines Objektes
- – einen Objekttisch zum Haltern des Objektes
- – ein Bewegungsmodul zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Objekttisch und Abbildungsoptik umfasst und wobei die Autofokuseinrichtung ein Fokusmodul zum Erzeugen eines Fokussierbildes durch Abbildung einer Fokussierstruktur in einer die Fokusebene schneidenden Fokussierbildebene aufweist. Erfindungsgemäß ist die Fokussierstruktur derart beschaffen, dass ihre Abbildung in mindestens einer Raumrichtung x unterschiedliche Ortsfrequenzen enthält.
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Mit anderen Worten kann die Abbildung der Fokussierstruktur bereichsweise zwar periodische Strukturen enthalten, jedoch ist die Fokussierstruktur dabei derart ausgebildet, dass ihre Abbildung zumindest in demjenigen Bereich, der von einer für die Autofokussiervorrichtung verwendeten Kamera bzw. Abbildungsvorrichtung erfasst wird, mindestens zwei Strukturen unterschiedlicher Periodizität enthält. Schon allein durch diese Maßnahme kann das Auftreten der oben genannten nachteiligen Effekte wirkungsvoll verringert werden.
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Die erfinderische Idee geht von der Überlegung aus, eine neue Fokussierstruktur, beispielsweise in Form eines Autofokusgitters, für eine Autofokuseinrichtung zur Untersuchung von Maskenstrukturen anzugeben.
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So können bei einer Messung mittels einer erfindungsgemäßen Fokussierstruktur zusammen mit einer Defokussierung des Objekts vor einer Autofokusmessung und bei lateraler Bewegung des Objekts während einer Autofokusmessung die Fokusfehler von bis zu 200 nm auf unter 16 nm reduziert werden.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aus der Überlagerung von Maskenstrukturen und Fokussierstrukturen ein störender Moiréeffekt eliminiert wird. Insbesondere werden dadurch störende Einflüsse periodischer Strukturen auf einem abzubildenden Objekt im Zusammenhang mit einer Phasenmaske verringert. Die Fokussierstrukturen sind aperiodisch, indem diese in mindestens einer Raumrichtung x unterschiedliche Ortsfrequenzen enthalten. Die Fokussierstrukturen können jedoch in jeder Richtung aperiodisch sein. Zumindest im Sehfeld der Abbildungsoptik sollte eine aperiodische Struktur vorliegen. Die unterschiedlichen Ortsfrequenzen sollten hierbei durch die optische Abbildung auch abbildbar und daher auch größer als die Auflösungsgrenze der Abbildungsoptik sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Fokussierstruktur derart beschaffen sein, dass ihre Abbildung in mindestens einer Raumrichtung x keine Periodizität enthält.
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Dadurch, dass in x-Richtung keine Periodizität vorhanden ist, wird die Messgenauigkeit weiter gesteigert. Unter der x-Richtung wird insbesondere diejenige Raumrichtung verstanden, um welche das Objekt, also beispielsweise eine Fotomaske für die Halbleiterlithographie, während der Autofokusmessung verschoben werden kann. In diesem Falle wird über einen geeigneten Auswertealgorithmus bevorzugt nur die Information der Struktur in x-Richtung betrachtet.
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In weiterer ergänzender Ausführungsform kann die Fokussierstruktur derart beschaffen sein, dass im Frequenzraum unterschiedliche Ortsfrequenzen in einem Bereich zwischen einem Innenradius r
i und einem Außenradius r
o vorhanden sind, wobei r
o im Bereich der optischen Auflösungsgrenze des Systems liegt und für den Innenradius r
i gilt:
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Diese Bedingungen geben den gewünschten Bereich der Ortsfrequenzen an.
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Vorteilhafterweise kann die Fokussierstruktur als sogenanntes Tigergitter, Mehrstreifen-Gitter, Fächer-Gitter oder Systematic-Chirp-Gitter ausgebildet sein. Derartige Gitterstrukturen bestehen aus Strichstrukturen oder mehreren Streifen, welche untereinander variierende Ortsfrequenzen aufweisen.
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Bei einem Mehrstreifen-Gitter sind benachbarte Striche in Form von Zonen so angeordnet, dass untereinander ausreichend stark variierende Strukturen entstehen. Mit Hilfe einer Auswertung der Defokuswerte wird dann eine Mittelung aller im Messfeld erfassten Zonen durchgeführt. Alternativ können auch diejenigen Zonen ausgewählt und ausgewertet werden, die nicht oder nur wenig von Moiréeffekten betroffen sind. Des Weiteren kann alternativ für jede Zone eine Anpassungsfunktion mit mehr oder weniger ausgeprägtem Moiréeffekt gebildet werden, um bei der Auswertung damit ein gewichtetes Mittel über die Defokusinformation aller Streifen zu bilden.
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Neben der beschriebenen Fokussierstruktur kann zusätzlich noch eine weitere, gröbere Struktur für eine Grobfokussierung vorhanden sein. Diese Struktur kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie mittig in einem von der Kamera erfassten Bereich angeordnet ist. Um einen größeren Bereich der erfindungsgemäßen Fokussierstruktur zur Verfügung zu haben, kann der Anteil dieser Struktur an dem von der Kamera erfassten Bereich auf weniger als ein Drittel, insbesondere auf ca. ein Sechstel begrenzt werden.
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Bevorzugt kann es sich bei dem Objekt um eine Photomaske für die Halbleiterlithographie handeln. Bei der optischen Lithographie werden die Strukturen mehrerer Photomasken in unterschiedlicher Häufigkeit auf den Wafer aufgebracht. Das Aufspüren und Korrigieren von möglichen Defekten auf der Maske ist außerordentlich wichtig, damit sich keine Fehler auf die Wafer übertragen und die Chips damit unbrauchbar wären. Bekannte Photomaskensysteme können bereits Defekte auf Photomasken analysieren und reparieren sowie spezifische Maskeneigenschaften vermessen und optimieren. In derartigen Photomaskensystemen können die erfindungsgemäßen Autofokuseinrichtungen in Abbildungsvorrichtungen integriert werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt ein Autofokussierverfahren für eine Abbildungsvorrichtung ein, wobei die Abbildungsvorrichtung
- – eine Abbildungsoptik mit einer Fokusebene zum Abbilden eines Objektes
- – einen Objekttisch zum Haltern des Objektes
- – ein Bewegungsmodul zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Objekttisch und Abbildungsoptik umfasst
und wobei eine Autofokuseinrichtung mit einem Fokusmodul zum Erzeugen eines Fokussierbildes durch Abbildung einer Fokussierstruktur in einer die Fokusebene schneidenden Fokussierbildebene aufweist. Erfindungsgemäß ist die Fokussierstruktur derart beschaffen, dass ihre Abbildung in mindestens einer Raumrichtung x unterschiedliche Ortsfrequenzen enthält.
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Sofern nur die Raumrichtung x unterschiedliche Ortsfrequenzen enthält, wird die Kontrastauswertung bevorzugt nur in x-Richtung ausgewertet. Ein Kontrast in eine von der x-Richtung abweichende Richtung wird nicht ausgewertet und kann in der Praxis unberücksichtigt bleiben, da sich bereits in x-Richtung der maximale Kontrast einstellt.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung kann das Objekt zum Start des Verfahrens um einen Wert beabstandet von der Fokusebene positioniert werden. Dieser Wert sollte größer sein, als die Summe aus einer Rayleigh-Länge und der maximalen Unsicherheit über die Fokusposition des Objektes vor Beginn der Autofokusmessung. Dadurch ist sichergestellt, dass die Maske während der Autofokusmessung in gewünschter Weise um mindestens eine Rayleigh-Länge defokussiert ist. Auf diese Weise kann die Autofokuseinrichtung ein exakteres Ergebnis liefern. Die Rayleighlänge liegt für die betrachteten Systeme üblicherweise bei ca. 0,3µm; die maximale Unsicherheit über die Fokusposition kann insbesondere ca. 1µm betragen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Objekt während des Verfahrens in lateraler Richtung bewegt werden.
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In weiterer ergänzender Ausführungsform kann es sich bei dem Objekt um eine Photomaske für die Halbleiterlithographie handeln.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
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1 Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokuseinrichtung, integriert in eine Abbildungsvorrichtung;
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2 Eine weitere Darstellung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokuseinrichtung;
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3 Eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Fokussierstruktur;
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4 Ein Beispiel eines Bildes einer Autofokusmessung;
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5 Eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fokussierstruktur – Mehrstreifen-Gitter;
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6 Eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fokussierstruktur – Fächergitter;
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7 Eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fokussierstruktur – Systematic Chirp Gitter.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokuseinrichtung 1, integriert in eine Abbildungsvorrichtung, und 2 eine weitere Darstellung dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Autofokuseinrichtung 1 im Messmodus.
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Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Autofokuseinrichtung 1 in einem Mikroskop als Abbildungsvorrichtung 2 zur Untersuchung von Objekten 3 in Form von Lithographiemasken integriert. Das Mikroskop 2 in 1 umfasst eine Beleuchtungsquelle 4, die inkohärente oder partiell kohärente Beleuchtungsstrahlung abgibt. Die Beleuchtungsstrahlung wird über einen ersten Umlenkspiegel 5 und einen zweiten Umlenkspiegel 6 zum Abbildungsobjektiv 7 geführt und mittels diesem zur Beleuchtung auf die Lithographiemaske 3 gerichtet.
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Die Lithographiemaske 3 wird über das Abbildungsobjektiv 7, den teiltransparenten zweiten Umlenkspiegel 6 sowie eine Tubusoptik 8, die zusammen eine Abbildungsoptik 9 bilden, auf eine CCD-Kamera 10 abgebildet, um ein Bild eines Teiles des Objektes 3 zu erzeugen. Beispielsweise kann mit dem Mikroskop 2 die laterale Position von Justiermarken der Lithographiemaske 3 hochgenau bestimmt werden.
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Das Mikroskop 2 weist ferner einen Objekttisch 11 auf, mit dem das Objekt 3 sowohl lateral in y-Richtung, also senkrecht zur Zeichenebene, sowie in x-Richtung als auch in Beobachtungsrichtung, also in z-Richtung, positioniert werden kann. Der Objekttisch 11 beinhaltet ein Bewegungsmodul 18 zum relativen Bewegen von Objekttisch 11 und Abbildungsoptik 9. Alternativ kann das Bewegungsmodul 18 so ausgebildet sein, dass der Objekttisch 11 nur in x- und y-Richtung und die Abbildungsoptik 9 in z-Richtung bewegt werden. Auch kann beispielsweise nur die Abbildungsoptik 9 in x-, y- und z-Richtung bewegt werden.
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Die Autofokuseinrichtung 1 nutzt die Beleuchtungsquelle 4 sowie das Abbildungsobjektiv 7 des Mikroskops 2 zur Beleuchtung des Objektes 3 mit einem Fokussierbild und nutzt das Abbildungsobjektiv 7, die Tubusoptik 8 und die CCD-Kamera 10 zur Aufnahme des auf das Objekt 3 abgebildeten Fokussierbildes.
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Dazu ist einerseits der erste Umlenkspiegel 5 verschiebbar (durch Doppelpfeil P1 angedeutet), so dass er aus dem Strahlengang der von der Beleuchtungsquelle 4 kommenden Beleuchtungsstrahlung herausbewegt werden kann, wie in 2 gezeigt ist. Daher trifft die Beleuchtungsstrahlung auf einen dritten Umlenkspiegel 12, der die Beleuchtungsstrahlung durch eine gegenüber der Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung um 45° gekippte Fokussierstruktur 13 lenkt. Der Kippwinkel kann jedoch auch jeder andere Winkel aus einem Bereich größer 0 und kleiner 90° sein. Die Gitterstruktur wird über eine Autofokusoptik 14, zwei weitere Umlenkspiegel 15, 16, dem zweiten Umlenkspiegel 6 sowie dem Abbildungsobjektiv 7 auf das Objekt 3 abgebildet. Der Umlenkspiegel 16 ist dabei so verfahrbar vorgesehen (Doppelpfeil P2), dass er von der in 1 gezeigten ersten Stellung in die in 2 gezeigte zweite Stellung verfahrbar ist, um die Abbildung des Fokussierbildes auf das Objekt 3 zu ermöglichen.
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Die Fokussierstruktur 13 kann beispielsweise als sogenanntes Tigergitter oder Mehrstreifen-Gitter ausgebildet sein, das in einer Raumrichtung x unterschiedliche Ortsfrequenzen aufweist. Die Gitterlinien erstrecken sich in y-Richtung, so dass sich eine in x-Richtung aperiodische Struktur bei Abbildung auf das Objekt 3 erstreckt.
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Durch die Schrägstellung der Fokussierstruktur 13 und die verkleinerte Abbildung der Fokussierstruktur 13 in die Fokussierbildebene 19 mittels der Autofokusoptik 14 schneidet die Fokussierbildebene 19, in der das Fokussierbild liegt, die Fokusebene 20 der Abbildungsoptik 9 des Mikroskopes 2 unter einem spitzen Winkel von wenigen Grad. Bei der in 2 gezeigten Darstellung wird angenommen, dass die Oberfläche des Objektes 3 genau in der Fokusebene 20 positioniert ist. Die auf das Objekt 3 abgebildete Fokussierstruktur 13 und somit das Fokussierbild wird am Objekt 3 reflektiert und mittels der Abbildungsoptik 9 in die Detektorebene des CCD-Flächensensors S abgebildet.
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3 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Fokussierstruktur 13 in Gestalt eines sogenannten Tigergitters 13.1. Gut erkennbar in der 3 ist die weitgehende Unterdrückung von Periodizität, in der durch den Pfeil angedeuteten x-Richtung. Das gezeigte Gitter kann in der üblichen Weise mittels einer strukturierten Chrombeschichtung auf einem Glassubstrat angefertigt werden. Insbesondere kann das Gitter bereichsweise entweder einen Transmissionswert von 0% oder einen Transmissionswert von 100% zeigen.
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Bevorzugt zur Auswertung kommt bei dieser Struktur nur der Kontrast in x-Richtung. Das Tigergitter 13.1 umfasst mit seiner Aperiodizität eine große Anzahl an senkrechten Linien sowie leicht schräg verlaufende Linienstrukturen. Gut zu erkennen ist auch, dass es quasi keine waagrechten Linien enthält, die bei einer Auswertung in x-Richtung keinen Beitrag zum Kontrast liefern.
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4 zeigt ein aus einer Simulation gewonnenes Beispiel eines Bildes einer Autofokusmessung unter Verwendung eines Tigergitters. Gut erkennbar ist der vergleichsweise hohe Kontrast in der Bildmitte, was darauf hindeutet, dass die Fokuseinstellung des Systems bereits weitgehend optimiert ist.
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Der kontrastreiche Bereich, in dem das Tigergitter scharf auf die Kamera abgebildet wird, ist in der Bildmitte in y-Richtung spaltenförmig. Im linken und rechten Bildabschnitt entsteht durch die Schrägstellung der Fokussierstruktur ein Bildbereich außerhalb des Tiefenschärfebereichs mit schlechtem Kontrast.
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5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fokussierstruktur 13 als sogenanntes Mehrstreifen-Gitter 13.2, welches an verschiedenen y-Positionen des Gitters parallel aneinandergrenzende Zonen Z enthält, die jeweils eine unterschiedliche Periodizität in x-Richtung aufweisen.
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6 zeigt dagegen ein sogenanntes Fächergitter 13.3 mit einem kontinuierlichen Verlauf einer aufgefächerten Linenstruktur in y-Richtung. In x-Richtung entstehen wiederum unterschiedliche Ortsfrequenzen.
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In 7 ist ein sogenanntes Systematic-Chirp-Gitter 13.4 gezeigt, welches ein Kontinuum verschiedener Periodizitäten enthält. Ein sich in y-Richtung erstreckender und beliebig begrenzter Flächenausschnitt F enthält unabhängig von seiner Position in x-Richtung sämtliche Ortsfrequenzen der Fokussierstruktur.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Autofokuseinrichtung
- 2
- Abbildungsvorrichtung; Mikroskop
- 3
- Objekt; Lithographiemaske
- 4
- Beleuchtungsquelle
- 5
- erster Umlenkspiegel
- 6
- zweiter Umlenkspiegel
- 7
- Abbildungsobjektiv
- 8
- Tubusoptik
- 9
- Abbildungsoptik
- 10
- CCD-Kamera
- 11
- Objekttisch
- 12
- dritter Umlenkspiegel
- 13
- Fokussierstruktur
- 13.1
- Tigergitter
- 13.2
- Mehrstreifen-Gitter
- 13.3
- Fächer-Gitter
- 13.4
- Systematic-Chirp-Gitter
- 14
- Autofokusoptik
- 15
- Umlenkspiegel
- 16
- Umlenkspiegel
- 17
- Fokusmodul
- 18
- Bewegungsmodul
- 19
- Fokussierbildebene
- 20
- Fokusebene
- x
- Raumrichtung
- S
- CCD-Flächensensor
- Z
- Zone
- F
- Flächenausschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011082414 A1 [0003]
