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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines durch wenigstens einen Lithographieschritt strukturierten Wafers.
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Stand der Technik
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Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD’s, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
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Hierbei besteht in der Praxis der Bedarf, für den strukturierten Wafer charakteristische Parameter wie z.B. den CD-Wert zu kontrollieren. Insbesondere bei in mehreren Lithographieschritten auf dem Wafer erzeugten Strukturen muss eine große Anzahl von Prozessparametern kontrolliert werden. Hierzu gehört insbesondere die Kontrolle der relativen Position von in unterschiedlichen Lithographieschritten auf dem Wafer erzeugten Strukturen, wobei möglichst hohe Genauigkeiten (z.B. in der Größenordnung von 1nm) angestrebt werden. Die hierbei bestimmte Überdeckungsgenauigkeit ist oft von besonderer Bedeutung und wird auch als „Overlay“ bezeichnet.
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Bei der Bestimmung solcher Parameter ist es u.a. bekannt, Hilfs- bzw. Markerstrukturen insbesondere in Randbereichen der jeweils hergestellten Waferelemente zu erzeugen, um anhand dieser Hilfsstrukturen eine beugungsbasierte Bestimmung der jeweils relevanten Parameter in einem scatterometrischen Aufbau durchzuführen. Ein hierbei in der Praxis auftretendes Problem ist, dass bei der Bestimmung mancher der für den strukturierten Wafer charakteristischen Parameter, wozu neben dem o.g. Overlay z.B. auch ggf. während des Ätzprozesses erzeugte Flankenwinkel von Strukturen auf dem Wafer gehören, eine beugungsbasierte Messung etwa allein in der nullten Beugungsordnung ohne weiteres nicht ausreicht. Um die Hilfs- bzw. Markerstrukturen einer Messung auch bei höheren Beugungsordnungen als lediglich der nullten Beugungsordnung zugänglich zu machen, werden diese Hilfs- bzw. Markerstrukturen typischerweise wesentlich gröber bzw. mit größerem Linienabstand ausgestaltet als die Nutzstrukturen.
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Neben dem zusätzlichen Aufwand für die Bereitstellung der Hilfsstrukturen tritt dabei jedoch in der Praxis das weitere Problem auf, dass die anhand der vergleichsweise groben Hilfsstrukturen ermittelten Parameterwerte nicht notwendigerweise das tatsächliche Verhalten der auf dem Wafer befindlichen, eigentlich interessanten Nutzstrukturen repräsentieren, was z.B. auf eine unzureichende Korrelation zwischen Nutz- und Hilfsstrukturen und/oder einen großen Abstand zwischen diesen zurückzuführen sein kann.
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Des Weiteren stellt die Ermittlung einer Mehrzahl relevanter Parameter innerhalb einer gegebenenfalls komplex aufgebauten Nutzstruktur auf einem Wafer auch insoweit eine anspruchsvolle Herausforderung dar, als die betreffenden geometrischen Parameter in der Regel eine starke Korrelation untereinander aufweisen bzw. linear abhängig sind und damit unter Umständen nur schwer simultan in einem einzigen Messaufbau bestimmt werden können.
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Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf
US 2015/0117610 A1 verwiesen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines durch wenigstens einen Lithographieschritt strukturierten Wafers bereitzustellen, welche die Ermittlung von einer oder mehreren für Strukturen auf dem strukturierten Wafer charakteristischen Kenngrößen bei möglichst geringer Beeinträchtigung des Durchsatzes der Projektionsbelichtungsanlage und unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 13 gelöst.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Charakterisierung eines durch wenigstens einen Lithographieschritt strukturierten Wafers, wobei wenigstens ein für den strukturierten Wafer charakteristischer Parameter auf Basis von Messungen der Intensität elektromagnetischer Strahlung nach deren Beugung an dem strukturierten Wafer ermittelt wird,
- – werden diese Intensitätsmessungen für eine Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, welche jeweils weniger als 10nm betragen, durchgeführt,
- – wobei aus diesen Intensitätsmessungen für jede einzelne von einer Mehrzahl von Beugungsordnungen jeweils die Wellenlängenabhängigkeit der in der jeweiligen Beugungsordnung gemessenen Intensität ermittelt wird, und
- – wobei die Ermittlung des wenigstens einen für den strukturierten Wafer charakteristischen Parameters basierend auf dieser Wellenlängenabhängigkeit erfolgt.
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Der Erfindung liegt zum einen das Konzept zugrunde, bei der beugungsbasierten Bestimmung von für einen strukturierten Wafer charakteristischen Parametern wie z.B. dem Overlay- oder dem CD-Wert durch Verringerung der Wellenlänge der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung gegenüber dem sichtbaren sowie DUV-Wellenlängenbereich die Erfassung auch höherer Beugungsordnungen als lediglich der nullten Beugungsordnung zu ermöglichen, ohne dass hierzu wesentlich gröbere bzw. einen größeren Linienabstand aufweisende Hilfs- bzw. Markerstrukturen benötigt werden.
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Insbesondere ermöglicht hierbei die Wahl von Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung unterhalb von 10nm bei der scatterometrischen Vermessung von Nutzstrukturen mit einem „half pitch“-Wert von entsprechender Größenordnung eine direkte Beobachtung höherer Beugungsordnungen als lediglich der nullten Beugungsordnung und damit die Bereitstellung zusätzlicher Informationen.
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Vorzugsweise weist die verwendete elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge im weichen bzw. mittleren Röntgenbereich auf und kann insbesondere zwischen 1nm und 5nm betragen. Dies hat zum einen den Vorteil, dass noch eine Messung in Reflexion am strukturierten Wafer mit hinreichend hohen Intensitätswerten möglich ist, andererseits aber auch die beugungsbasierte Messung am strukturierten Wafer noch mit einer gewissen Tiefe und damit die Vermessung auch dreidimensionaler Strukturen ermöglicht wird.
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Der Umstand, dass der erfindungsgemäße Übergang zum Röntgenbereich die Erfassung auch höherer Beugungsordnungen als lediglich der nullten Beugungsordnung ermöglicht, hat somit insbesondere den Vorteil, dass auf die Fertigung von zusätzlichen, vergleichsweise groben Hilfs- bzw. Markerstrukturen generell verzichtet werden kann, da bereits die eigentlichen Nutzstrukturen selbst analysiert bzw. zur Bestimmung der gewünschten charakteristischen Parameter genutzt werden können. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Verzicht auf Hilfs- bzw. Markerstrukturen beschränkt, so dass die beugungsbasierte Bestimmung der relevanten Parameter in dem erfindungsgemäßen scatterometrischen Aufbau weiterhin auch unter Verwendung von Hilfs- bzw. Markerstrukturen erfolgen kann. Aufgrund des möglichen Verzichts auf die Durchführung von Intensitätsmessungen bei höheren Beugungsordnungen können jedoch solche Hilfs- bzw. Markerstrukturen dann entsprechend geringe Linienabstände – die insbesondere mit denen der eigentlichen Nutzstrukturen vergleichbar sein können – aufweisen, so dass dann das eingangs beschriebene Problem einer gegebenenfalls unzureichenden Korrelation zwischen Nutz- und Hilfsstrukturen vermieden oder zumindest verringert werden kann.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ansatzes, hinsichtlich der in den Intensitätsmessungen verwendeten elektromagnetischen Strahlung zum Röntgenbereich überzugehen, besteht darin, dass das eingangs beschriebene Problem der Korrelation der zu messenden geometrischen Parameter in der jeweiligen Probe weitgehend reduziert bzw. eliminiert ist. Hierbei wird auch in vorteilhafter Weise ausgenutzt, dass Brechungsindexvariationen zwischen unterschiedlichen Materialien etwa im Vergleich zum sichtbaren Wellenlängenbereich wesentlich reduziert sind und die bei der scatterometrischen Vermessung erhaltenen Messergebnisse somit wesentlich stärker durch geometrische Parameter als durch Materialeigenschaften der untersuchten Strukturen bestimmt werden. Zugleich kann erfindungsgemäß aber auch eine gegebenenfalls noch vorhandene, geringe Materialabhängigkeit zur Unterscheidung bzw. Identifizierung von Materialien genutzt werden.
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Des Weiteren beinhaltet die Erfindung das Konzept, bei den Intensitätsmessungen zur Bestimmung der relevanten charakteristischen Parameter wie z.B. Overlay oder CD-Wert die Wellenlänge der auf den strukturierten Wafer auftreffenden elektromagnetischen Strahlung zu variieren, wobei insbesondere der Einfallswinkel der auf den strukturierten Wafer auftreffenden elektromagnetischen Strahlung unverändert beibehalten werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform werden somit die Intensitätsmessungen bei konstantem Einfallswinkel der auf den strukturierten Wafer auftreffenden elektromagnetischen Strahlung durchgeführt.
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Die erfindungsgemäße Variation der Wellenlänge hat – etwa im Vergleich zu einer auf einer Variation des Einfallswinkels basierenden scatterometrischen Bestimmung – den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Wellenlängenänderung zum einen ohne aufwendige Mechanik realisierbar ist und zum anderen auch ein wesentlicher Geschwindigkeitsvorteil bei Durchführung der Intensitätsmessungen erzielt werden kann. Dabei können insbesondere auch simultan mehrere Wellenlängen (gegebenenfalls aus einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Spektrum) auf den zu vermessenden, strukturierten Wafer eingestrahlt und im Nachhinein selektiv ausgewertet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform werden somit die Intensitätsmessungen für die Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung simultan durchgeführt. Die Erfindung ist jedoch auf eine derartige Ausgestaltung nicht beschränkt, so dass in weiteren Ausführungsformen die Intensitätsmessungen für die Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung auch zeitlich nacheinander durchgeführt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Ermittlung des wenigstens einen für den strukturierten Wafer charakteristischen Parameters basierend auf einem Vergleich zwischen gemessenen und simulierten Werten von wenigstens einer die Wellenlängenabhängigkeit der in der jeweiligen Beugungsordnung gemessenen Intensität der elektromagnetischen Strahlung charakterisierenden Größe.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Ermittlung des wenigstens einen für den strukturierten Wafer charakteristischen Parameters basierend auf einem Vergleich zwischen gemessenen und simulierten Werten für wenigstens ein lokales Intensitätsminimum in der Wellenlängenabhängigkeit der in der jeweiligen Beugungsordnung gemessenen Intensität der elektromagnetischen Strahlung.
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Gemäß einer Ausführungsform wird als Lichtquelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung ein HHG-Laser (HHG = „High-Order Harmonic Generation“ = „Erzeugung höherer Harmonischer“) verwendet. Eine solche Lichtquelle erzeugt in hinreichender Photonenanzahl ein quasi-kontinuierliches Spektrum, aus welchem unter Verwendung eines geeigneten spektralen Elements die gewünschte Wellenlänge bzw. der gewünschte Wellenlängenbereich herausgefiltert werden kann. Die elektromagnetische Strahlung ist hierbei bereits kollimiert und kann somit vergleichsweise einfach auf einen Spot auf der Probe bzw. auf dem strukturierten Wafer fokussiert werden. Dieser Spot kann dann mit einem geeigneten Detektor (z.B. einer CCD-Kamera oder einem Photodioden-Array) ohne weitere Optik zwischen dem strukturierten Wafer und Detektor hinsichtlich der erzeugten Beugungsmuster beobachtet bzw. analysiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens eine für den strukturierten Wafer charakteristische Parameter die Überdeckungsgenauigkeit (Overlay) von zwei in unterschiedlichen Lithographieschritten erzeugten Strukturen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens eine für den strukturierten Wafer charakteristische Parameter ein CD-Wert einer auf dem Wafer erzeugten Struktur.
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In weiteren Ausführungen können auch weitere für den strukturierten Wafer charakteristische Parameter, wie z.B. Flankenwinkel einer auf dem Wafer erzeugten Struktur, bestimmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt unter Verwendung der Intensitätsmessungen ferner eine Identifizierung wenigstens eines Materials des strukturierten Wafers.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Ermittlung des wenigstens einen für den strukturierten Wafer charakteristischen Parameters auf Basis von Messungen der Intensität elektromagnetischer Strahlung nach deren Beugung an Nutzstrukturen auf dem strukturierten Wafer (entsprechend aktiven „Device-Strukturen“ der zu fertigenden Halbleiterkomponente).
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Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines durch wenigstens einen Lithographieschritt strukturierten Wafers, wobei die Vorrichtung dazu konfiguriert ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen durchzuführen. Zu Vorteilen sowie vorteilhaften Ausgestaltungen der Vorrichtung wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1a–b schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmbaren Overlay-Wertes (1a) bzw. CD-Wertes sowie Flankenwinkels (1b);
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2 eine schematische Darstellung einer möglichen Messanordnung bzw. Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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3 ein Diagramm, in welchem Simulationsergebnisse der Wellenlängenabhängigkeit der in unterschiedlichen Beugungsordnungen jeweils erhaltenen Intensität zur Erläuterung einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgetragen sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1a–b sind zunächst lediglich schematische, stark vereinfachte Darstellungen zur Veranschaulichung beispielhafter, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmbarer Parameter gezeigt. 1a zeigt lediglich schematisch zwei in unterschiedlichen Lithographieschritten auf einem Wafer 150 erzeugte Strukturen 151 und 152 (mit einer dazwischen befindlichen Abstandsschicht 153, z.B. einer Oxidschicht), welche in lateraler Richtung (x-Richtung im eingezeichneten Koordinatensystem) einen erfindungsgemäß bestimmbaren Versatz d aufweisen, wobei dieser Versatz als Overlay-Wert bestimmbar ist. 1b zeigt eine lediglich schematische Darstellung einer infolge von Ätzprozessen auf einem Wafer 160 erzeugten Struktur 161, welche u.a. durch ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmbare CD-Werte sowie Flankenwinkel charakterisierbar ist.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer Messanordnung bzw. Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Messanordnung von 2 ist als Scatterometer ausgestaltet und weist eine Lichtquelle 201 auf, bei der es sich z.B. um eine breitbandige Lichtquelle zur Erzeugung eines kontinuierlichen bzw. quasi-kontinuierlichen Wellenlängenspektrums im Röntgenbereich (beispielsweise im Wellenlängenbereich von 1nm bis 5nm) handelt. Diese Lichtquelle enthält optional ein durchstimmbares Filterelement. Dieses kann z.B. so ausgestaltet sein, dass es nur einen schmalen Teil des Spektrums durchlässt, wobei der ausgewählte Teil des Spektrums schnell einstellbar ist. Eine mögliche Realisierung sind zwei gegenläufig gedrehte Gitter. Das Licht trifft gemäß 2 auf einen in der Feldebene befindlichen und in einer Waferebene auf einer Waferstage 221 angeordneten Wafer 220 bzw. die auf diesem Wafer 220 bereits lithographisch erzeugten Strukturen. Nach Beugung an diesen Strukturen gelangt das Licht auf einen in einer Feldebene befindlichen Detektor 230. Bei dem Detektor 230 kann es sich beispielsweise um eine CCD-Kamera oder ein Photodioden-Array handeln.
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Zur Ermittlung der relevanten, für den strukturierten Wafer charakteristischen Parameter (insbesondere Overlay- oder CD-Wert) erfolgt nun unter Verwendung der in 2 gezeigten Messanordnung für mehrere Beugungsordnungen (z.B. für die –2., –1., nullte, +1. und +2. Beugungsordnung) die Messung der in der betreffenden Beugungsordnung jeweils erhaltenen Intensität in Abhängigkeit von der erfindungsgemäß variierten Wellenlänge. Sodann erfolgt die Ermittlung des betreffenden charakteristischen Parameters auf Basis eines Vergleichs zwischen den gemessenen und simulierten Werten einer diese Wellenlängenabhängigkeit charakterisierenden Größe. Wie im Weiteren erläutert eignen sich hierzu insbesondere die in der Wellenlängenabhängigkeit der in jeweils einer Beugungsordnung gemessenen Intensität auftretenden lokalen Intensitätsminima, da die Lage dieser Intensitätsminima wiederum mit dem jeweiligen Overlay-Wert in der untersuchten Struktur korreliert.
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Auf Basis der mit dem Detektor 230 jeweils gemessenen Intensitätswerte lässt sich durch Vergleich (insbesondere Differenzbildung) grundsätzlich modellbasiert eine Bestimmung bzw. Kontrolle der relativen Position von in unterschiedlichen Lithographieschritten auf dem Wafer erzeugten Strukturen vornehmen. Dabei kann diese Analyse erfindungsgemäß insbesondere bereits an den auf dem Wafer 220 erzeugten Nutzstrukturen selbst (d.h. ohne Erfordernis vergleichsweise gröberer Hilfs- bzw. Markerstrukturen) durchgeführt werden.
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3 zeigt hierzu ein Diagramm, in welchem entsprechende Simulationsergebnisse der Wellenlängenabhängigkeit der in unterschiedlichen Beugungsordnungen jeweils erhaltenen Intensität aufgetragen sind, wobei der Simulation jeweils unterschiedliche Werte für den Overlay (nämlich Null, –2nm bzw. +2nm) zugrundegelegt wurden. Wie aus 3 ersichtlich ist, tritt im untersuchten Wellenlängenbereich von 4nm bis 5nm eine deutliche Variation der Intensität mit ausgeprägten lokalen Intensitätsmaxima sowie Intensitätsminima auf, wobei die Lage der lokalen Intensitätsminima wiederum empfindlich auf den jeweils gewählten Overlay-Wert reagiert. Erfindungsgemäß kann eine Simulation der elektromagnetischen Felder z.B. durch rigorose Berechnungen auf Basis des in 1a angedeuteten Modells eines periodischen Liniengitters durchführt werden. Aus dieser Simulation können dann die Intensitäten in den Beugungsordnungen berechnet werden, wie sie in 3 bei Variation des Overlay bzw. der Wellenlänge dargestellt sind.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0117610 A1 [0007]
