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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung optischer Eigenschaften einer Photomaske für die Halbleiterlithographie in einer Maskenmetrologievorrichtung.
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Elektrische Bauteile bestehen aus mehreren strukturierten Schichten, welche einzeln und nacheinander erstellt werden, bis das Bauteil fertiggestellt ist. Jede Schicht wird photolithografisch auf ein Halbleitersubstrat, den sogenannten Wafer, übertragen, wobei als Vorlage jeweils eine sogenannte Maske dient. Eine Maske umfasst im Allgemeinen ein transparentes Trägermaterial, beispielsweise Quarzglas, und ein nichttransparentes Material, allgemein Absorber genannt. Dieser Absorber wird so strukturiert, dass er bei der Abbildung der Maske auf dem Wafer helle und dunkle Bereiche erzeugt. Eine photosensitive Schicht auf dem Wafer, der sogenannte Resist, reagiert mit dem einfallenden Licht, wodurch der Resist entsprechend der Maskenvorlage strukturiert wird. Somit entstehen letztendlich die gewünschten Strukturen auf dem Wafer.
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Bei der Strukturierung des Absorbers auf der Maske besteht ein verbreitetes Problem darin, die Strukturen exakt nach den Maßvorgaben zu erzeugen. In der Regel gibt es auf einer realen Maske eine gewisse Varianz beispielsweise einer Linienbreite, welche den Vorgaben nach konstant sein soll. Ein Maß für die Linienbreitenvarianz ist dabei die sogenannte CDU (Critical Dimension Uniformity). Dieses Maß bestimmt maßgeblich über die Qualität der Maske. Übersteigt die CDU einer Maske ein gewisses Maß, gilt die Maske als nicht gebrauchsfähig und damit als Ausschuss, denn für eine hohe Ausbeute an funktionsfähigen elektrischen Bauteilen spielt die Uniformität der Linienbreiten auf dem Wafer eine tragende Rolle. Erschwerend kommt an dieser Stelle noch hinzu, dass durch das lithografische Verfahren im Scanner die von der Maske erzeugte Linienbreitenvarianz auf dem Wafer um einen Faktor, dem sogenannten Mask Error Enhancement Factor (MEEF), höher ist als die Linienvarianz des Absorbers auf der Maske.
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Zwar können durch Ätzverfahren in räumlich eng begrenzten Bereichen die Strukturen auf der Maske in gewissen Grenzen modifiziert werden; allerdings stellt sich regelmäßig die Aufgabe einer großflächigeren Modifikation. Für derartige Modifikationen wird deswegen nach dem Stand der Technik das sogenannte CDC-(Critical Dimension Control) Tool verwendet. Mittels des CDC-Tools werden unter Verwendung eines Femtosekundenlasers lokale Streuzentren, sogenannte Pixel, beziehungsweise ganze Bereiche mit Pixeln, also Änderungen in der Materialstruktur der Maske, eingeschrieben. Es sind üblicherweise mit Pixeln versehene Bereiche mit Durchmessern im Bereich von mehreren Millimetern beziehungsweise Zentimetern zu schaffen. Da die Pixel in das Quarzglas geschrieben werden und sich damit im optischen Pfad vor dem Absorber befinden, wird während des Belichtungsprozesses das einfallende Licht an diesen Pixel gestreut, wodurch ein Teil des Lichtes nicht mehr den Absorber der Maske erreicht. Durch Variation der Pixeldichte nimmt man somit Einfluss auf Intensität des Lichtes, welches den Absorber erreicht. Die hiervon ausgelösten Intensitätsveränderungen rufen während des Belichtungsprozesses wiederum eine Linienbreitenänderung auf dem Wafer hervor. Moduliert man nun mit dieser Technik die Intensität, mit der der Absorber belichtet wird entsprechend der bekannten CDU der Maske, kann man die Linienvarianz der Maske für die Abbildung im Scanner kompensieren. Mit anderen Worten wird durch das Einschreiben der Pixel die physikalisch auf der Maske abweichende Linienbreite auf dem Bild, welches auf dem Wafer entsteht, korrigiert. Dabei wird jedoch nicht der Absorber auf der Maske physikalisch verändert, sondern nur dessen Abbildung bei der Belichtung des Wafers im Scanner.
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Üblicherweise wird während des Herstellungsprozesses der Maske die CDU gemessen. Dieses erfolgt unter anderem mit Hilfe einer Maskenmetrologievorrichtung, also einer optischen Anlage, welche die wichtigsten optischen Eigenschaften eines Scanners emuliert und damit einen Teil der zum o.g. MEEF beitragenden Effekte inhärent erfasst. Vertreter dieser Anlagen sind das Wafer Level Critical Dimension Messgerät, kurz WLCD, und das Aerial Image Measurement System, kurz AIMS™, wobei ersteres dediziert zur Messung der CDU genutzt wird. Da die hier aufgeführten Verfahren prinzipiell auf beiden Anlagen eingesetzt werden können, wird im folgenden Text mit AIMS™/WLCD auf die Anlagen verwiesen.
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Die - dabei wünschenswerte - Bestimmung der voraussichtlichen Auswirkungen des CDC-Prozesses auf die Abbildung in einem Scanner ist jedoch ausgesprochen aufwendig und mit einem erheblichen Kalibrations- und Verifikationsaufwand verbunden, insbesondere deswegen, weil im WLCD und dem AIMS™/WLCD Beleuchtungsverhältnisse in Bezug auf die simultan beleuchtete Fläche herrschen, welche von den in einer realen Projektionsbelichtungsanlage geltenden Verhältnissen erheblich abweichen.
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Der Aufwand lässt sich dadurch reduzieren, dass das winkelabhängige Streuverhalten der Pixelfelder vorab ausgemessen wird, was insbesondere mittels eines Ellipsometers, beispielsweise mittels eines Produktes der Firma J. A. Woollam - Ellipsometry Solutions erfolgen kann; die entsprechende Messung liefert dann eine Streufunktion, die das winkelabhängige Streuverhalten eines Pixelfeldes für unterschiedliche Einfallswinkel vollständig beschreibt, und welche Kernel genannt wird. Der Kernel beschreibt, welche Streulichtintensitäten unter welchen Streuwinkeln erzeugt werden, wenn ein Lichtstrahl mit bekanntem Einfallswinkel auf ein Pixelfeld mit bekannter Pixeldichte fällt. Er ist damit eine anlagenunabhängige Beschreibung des optischen Verhaltens der Pixel und somit in der Lage, die unterschiedlichen optischen Effekte der Pixel unter unterschiedlichen Bedingungen wie z.B. im Scanner und im WLCD zu beschreiben.
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Eine Anwendung des Kernels ist in dem deutschen Patent
DE 10 2017 123 114 B3 beschrieben. Dort wird ein Kernel bei der Verifikation einer mittels eines Pixelfeldes korrigierten Photomaske verwendet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei welchem die Auswirkungen des CDC-Prozesses auf das Verhalten einer Maske in einem Scanner mit gegenüber dem Stand der Technik weiter verringertem Aufwand abgeschätzt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung optischer Eigenschaften einer Photomaske für die Halbleiterlithographie in einer Maskenmetrologievorrichtung, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Verfahren die Einstellung einer an die Eigenschaften der Maske angepassten Beleuchtungsverteilung umfasst. Bei den in Betracht gezogenen Eigenschaften kann es sich insbesondere um die Eigenschaften eines Pixelfeldes, insbesondere Pixelgröße und/oder Pixeldichte handeln.
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Die Einstellung der gewünschten Beleuchtungsverteilung kann insbesondere unter Verwendung einer flexiblen Beleuchtungseinheit der Maskenmetrologievorrichtung erfolgen; die flexible Beleuchtungseinheit kann insbesondere einzeln ansteuerbare Spiegelelemente bzw. Mikrospiegel oder teiltransparente bzw. einstellbare Blenden umfassen.
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Zur Einstellung der angepassten Beleuchtungsverteilung kann ein Kernel Verwendung finden, welcher insbesondere unter Verwendung der flexiblen Beleuchtungseinheit bestimmt werden kann.
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Dabei macht es sich die Erfindung zunutze, dass es durch die flexibel einstellbare Beleuchtung möglich ist, das durch das üblicherweise mittels des CDC-Tools eingeschriebene Pixelfeld zu emulieren, ohne dass dazu das Pixelfeld selbst zuerst geschrieben werden muss.
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Dabei kann das Verfahren insbesondere folgende Schritte umfassen:
- - die Bestimmung des Kernels am AIMS™/WLCD
- - die Bestimmung einer CDC-Ratio
- - die Vorhersage einer nach einer Maskenkorrektur erwarteten CDU
- - die Bestimmung des Einflusses eines CDC-Prozesses auf Hot Spots
- - die Emulation von Polarisationseffekten
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Die flexibel einstellbare Beleuchtung eröffnet die Möglichkeit, den Kernel selbst unter Verwendung des AIMS™/WLCD zu bestimmen. Im Unterschied zu der Messung nach dem Stand der Technik unter Verwendung eines Ellipsometers wird das Streumuster der Pixel jedoch in diesem Fall nicht punktweise abgetastet und gemessen. Vielmehr kann das komplette relevante Streumuster, welches für einen Einfallswinkel entsteht, in einer einzigen Messung erfasst werden.
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Der allgemeine Kernel beschreibt das Streumuster unter verschiedenen Einfallswinkeln. Diese Streumuster werden durch Abtasten der Pupille ermittelt, was durch die flexible Einstellbarkeit der Beleuchtung im WLCD im Vergleich zur Verwendung einer Blende wesentlich einfacher möglich ist.
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Zur Bestimmung des Kernels selbst unter Verwendung des AIMS™/WLCD sind Modifikationen am AIMS™/WLCD von Vorteil. Im bisher bekannten Betriebsmodus des AIMS™/WLCD fokussiert das Objektiv des AIMS™/WLCD auf die Absorberstruktur der Maske, die in einer von der Ebene der eingeschriebenen Pixel deutlich abweichenden Ebene liegt. Das führt jedoch dazu, dass große Anteile des Streulichtes der Pixel die Apertur des Objektivs nicht erreichen, so dass eine Messung des Streuverhaltens der Pixel ohne Modifikationen an dem AIMS™/WLCD nicht möglich ist.
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Dadurch, dass für eine Messung des Streuverhaltens der Pixel beziehungsweise der Pixelfelder die Fokusebene der Maskenmetrologievorrichtung beispielsweise durch Anwendung eines Autofokusverfahrens in die Ebene der Pixel gelegt wird, wird entsprechend dieser Variante der Erfindung eine Messung des Streuverhaltens der Pixel durch diese möglich.
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Insbesondere kann zur Bestimmung des Kernels die Photomaske mit gleichen Bedingungen beleuchtet werden, wie es in der zugehörigen Projektionsvorrichtung vorgesehen ist, insbesondere mit derselben Wellenlänge und oder derselben Numerischen Apertur; derartige Bedingungen werden auch als aktinische Bedingungen bezeichnet.
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Mit anderen Worten gestattet es das beschriebene Verfahren, aus einer Beleuchtung einer mit Pixeln versehenen Maske mit der Pre-Pupille direkt die Post-Pupille zu bestimmen. Die Absorberschicht der Maske kann für diese Art der Messung auch weggelassen werden.
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Zur Verifikation des so ermittelten Kernels wird unter Nutzung der gegebenen originalen Pupille, der sogenannten Pre-Pupille, auf einer Maskenposition ohne Pixel und nachfolgend auf einer Maskenposition mit Pixeln gemessen. Die gemessene Pupille mit Pixeln - die sogenannte Post-Pupille, die alle benötigten optischen Effekte der Pixel beinhaltet- muss dann der Pre-Pupille gefaltet mit dem ermittelten Kernel entsprechen. In diesem Fall ist der Kernel zutreffend bestimmt.
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Der Ansatz, eine effektive Post-Pupille über die Faltung einer gegebenen Pre-Pupille und dem verifizierten Kernel zu errechnen, bildet die Grundlage für die weiteren Varianten der Erfindung.
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Weiterhin kann das Verfahren dadurch beschleunigt werden, dass nur bestimmte CDC-Ratios gemessen werden und Zwischenwerte interpoliert werden.
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Es ist daneben von Vorteil, dass die Größe des Beleuchtungsfeldes an die Pixeldichte der Photomaske angepasst ist, so dass mindestens ein sich wiederholendes Pixelmuster vollständig beleuchtet wird.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung sowie die oben verwendeten Begriffe anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein Flussdiagramm zu einer ersten Variante der Erfindung,
- 2 eine Übersicht zu einer zweiten Variante der Erfindung,
- 3 eine Übersicht zu einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 4 eine exemplarische Polarisationsverteilung in einer Pupille,
- 5 eine Darstellung von Bereichen gemischter Polarisation in einer Pupille,
- 6 eine schematische Darstellung zur Addition von Intensitäten nach zwei Belichtungen,
- 7 eine Darstellung der Fokusverhältnisse in einer konventionellen Maskenmetrologievorrichtung,
- 8 eine Darstellung der Fokusverhältnisse in einer erfindungsgemäß modifizierten Maskenmetrologievorrichtung.
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1 zeigt ein Flussdiagramm zu einer ersten Variante der Erfindung. Dort wird die oben beschriebene neue Möglichkeit zur Emulation des Pixelfelds dazu verwendet, die CDC-Ratio, also das Verhältnis aus der Änderung einer Critical Dimension (CD) und der Abschwächung der Intensität durch ein Pixelfeld, auch ohne Kalibrierung anhand einer vorab ausgewählten Struktur wie z. B. Lines and Spaces o. ä. zu bestimmen. Hierzu wird in einem ersten Schritt zunächst ein Luftbild der Struktur mit der bekannten Pre-Pupille aufgenommen, also unter Bedingungen, als ob keine Pixelfelder in der Maske vorhanden wären (was sie in diesem Schritt auch nicht sind). Für die abgebildete Struktur ist bekannt, welche CD sie auf dem Wafer erzeugen soll, dies ist die sog. Target-CD. Im gemessenen Luftbild wird nun der Intensitätswert, auch Threshold genannt, bestimmt, bei dem die Target-CD erreicht wird.
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Danach wird unter Verwendung des sogenannten Kernels und der Pre-Pupille die Post-Pupille für eine bestimmte Attenuation, also für eine bestimmte Pixeldichte bestimmt. Mit der so bestimmten neuen Pupille werden die Messungen für die im ersten Schritt bereits gemessenen Features wiederholt, woraus sich ein neues Luftbild ergibt. Unter Anwendung des bereits bestimmten Thresholds auf das neue Luftbild lässt sich dann die sogenannte Post-CD für den Fall bestimmen, als ob die Maske bereits den CDC-Prozess durchlaufen hätte, also als ob Pixel in der Maske wären. Trägt man nun die Differenz aus Pre-CD und Post-CD in ein Koordinatensystem mit der Abszisse Attenuation und der Ordinate „Differenz aus Pre-CD und Post-CD“ ein, erhält man eine Ursprungsgerade, deren Steigung der CDC-Ratio entspricht. Besonders vorteilhaft bei dem geschilderten Verfahren ist es, dass die CDC-Ratio bestimmt werden kann, ohne dass Pixel in die Maske geschrieben werden müssen. Weiterhin brauchen die unterschiedlichen Beleuchtungsfelder für das AIMS™/WLCD und den Scanner im vorliegenden Fall nicht berücksichtigt zu werden, da dieser Unterschied nur bei einer Beleuchtung von realen Pixeln zum Tragen kommt - entsprechend der Erfindung wird zunächst vollständig ohne reale, in die Maske eingeschriebene Pixel vorgegangen.
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In einer weiteren Variante der Erfindung wird eine Möglichkeit geschaffen, die CDU nach der Maskenkorrektur, also dem CDC-Prozess, vorherzusagen, bevor die Pixel in die Maske eingeschrieben werden. Diese Variante ist anhand der in 2 dargestellten Übersicht illustriert. In einem ersten Schritt wird dazu für eine bestimmte Struktur aus dem Luftbild 1 der Maske die Pre CDU-Map 2 bestimmt. Dazu ist die genutzte Struktur an mehreren Stellen auf der Maske zu messen. Nachfolgend wird unter Kenntnis der CDC-Ratio die erforderliche Attenuation Map 3, also die örtliche Verteilung der über die Maskenfläche hinweg erforderlichen Attenuation beziehungsweise der dazu erforderlichen Pixeldichten ermittelt. Im nächsten Schritt wird unter Verwendung des bekannten Kernel 5, der berechneten Attenuation Map 3 und der bekannten Pre-Pupille 4, also derjenigen Pupille, die dem Zustand vor Einschreiben der Pixel entspricht, für jede Position eine Post-Pupille 6 berechnet, also diejenige Pupille, die der Absorber nach Einschreiben der Pixel „sehen“ würde. Danach wird unter Verwendung dieser Post-Pupillen 6 die CDU an allen interessierenden Positionen erneut vermessen wobei der genutzte Threshold gegenüber der Messung mit der Pre-Pupille unveränderlich bleibt. Die Post-Pupille wird dabei über die flexible Beleuchtungseinheit des AIMS™/WLCD eingestellt. Im Ergebnis erhält man nach Anwendung des bekannten Thresholds eine Abschätzung für die Post-CDU Map 7, also die CDU an den entsprechenden Positionen über die Maske hinweg nach dem Einschreiben der Pixel in die Maske. Vorteilhaft ist dabei, dass es das beschriebene Verfahren gestattet, die Post-CDU zu emulieren, also bereits vor Einschreiben der Pixel in die Maske zu ermitteln, zu welcher CDU Map 7 eine bestimmte Attenuation Map 3 führen würde.
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Eine weitere Variante der Erfindung ermöglicht es, den Einfluss des CDC-Prozesses auf alle möglichen Features wie beispielsweise Hot Spots zu bestimmen, ohne Pixel in die Maske einzuschreiben. Unter einem Hot Spot versteht man eine kritische Struktur auf einer Maske, die dazu neigt, im Wafer-Produktionsbetrieb mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit Fehler zu verursachen. Diese Variante ist anhand der in 3 dargestellten Übersicht illustriert, die gegenüber 2 um die in dem entsprechenden Verfahren durchgeführten Schritte und Features ergänzt ist.
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In einem ersten Schritt wird in an sich bekannter Weise zunächst die Maske vermessen und eine CDU Map ermittelt und im Anschluss äquivalent zu der vorangegangenen Variante die Attenuation Map ermittelt.
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Nachfolgend wird eine Liste von Koordinaten der interessierenden Hot Spots 8 bereitgestellt. Aus den bekannten Koordinaten der Hot Spots 8 und der Attenuation Map wird danach - beispielsweise durch Interpolation - die Pixeldichte am Ort der Hot Spots ermittelt. Daran anschließend wird aus der bekannten Pre-Pupille, dem ebenso bekannten Kernel wie auch den bekannten Pixeldichten die Post-Pupille bestimmt.
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Mit Hilfe der so bestimmten Post-Pupille werden unter Verwendung der flexiblen Beleuchtungseinheit die Luftbilder der Hot Spots jeweils mit der Post-Pupille und mit der Pre-Pupille aufgenommen und ein Vergleich der beiden Bilder vorgenommen. Auf diese Weise kann wie oben bereits erwähnt der Einfluss des CDC-Prozesses auf die Hot Spots bereits vor Anwendung des CDC-Prozesses auf die Maske ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die flexible Beleuchtungseinheit des AIMS™/WLCD dazu verwendet werden, Polarisationseffekte auf Waferebene im Produktionsprozess zu emulieren. Zur Belichtung von Wafern wird üblicherweise polarisiertes Licht verwendet, um Kontrastverluste zu minimieren, die von Vektoreffekten stammen.
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4 zeigt eine exemplarische Polarisationsverteilung in der Pupille, bei welcher 4 90° Kreissegmente gebildet sind, die abwechselnd x- und y-polarisiert sind. In einem Scanner wird die Polarisation des Beleuchtungslichtes eingestellt, bevor dieses auf die Maske trifft. Entsprechend wird dieses Licht insbesondere bei Vorhandensein von Pixeln auf der Maske durch deren Streuwirkung zusätzlich gestreut, so dass sich im weiteren Verlauf des Lichtes nach dem Passieren der Maske insbesondere in den Grenzbereichen zwischen den beiden Polarisationen Bereiche gemischter Polarisation bilden. Die entsprechende Situation ist in 5 schematisch dargestellt, wobei die Bereiche gemischter Polarisation schraffiert dargestellt sind.
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Wie vorne beschrieben, wird im AIMS™/WLCD die flexible Beleuchtung dazu genutzt, um die Pixel-Effekte zu emulieren. Da es dadurch im AIMS™/WLCD nicht zu der Streuung an den Pixeln kommt, können sich auch nicht die Bereiche gemischter Polarisation ausbilden. Dieser Problematik kann in dieser Ausführungsform der Erfindung jedoch durch eine Mehrfachbelichtung begegnet werden. Dabei wird zunächst nur für eine Polarisation die Post-Pupille berechnet und zu einer ersten Intensitätsmessung verwendet. Danach wird der Vorgang für die zweite Polarisation wiederholt. Nach der zweiten Belichtung werden die Intensitäten beider Bilder addiert und normiert, so dass für die Messungen durch das AIMS™/WLCD der Effekt der gemischten Polarisationen im Scanner bereits berücksichtigt ist. Die Vorgehensweise ist schematisch in 6 dargestellt.
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7 zeigt zur Verdeutlichung den bisher bekannten Betriebsmodus des AIMS™/WLCD mit der Fokussierung des Objektives des AIMS™/WLCD auf die Absorberstruktur 10 der Maske 9, wobei große Anteile des Streulichtes der Pixel 11 wie in der Figur durch die Pfeile und den Winkel Φ1 angedeutet die Apertur 12 des Objektivs nicht erreichen, so dass wie oben bereits erwähnt eine Messung des Streuverhaltens der Pixel 11 ohne Modifikationen an dem AIMS nicht möglich ist.
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Die entsprechend modifizierte Situation, bei der die Fokusebene des Systems in die Ebene der Pixel 11 gelegt wird, ist anhand der 8 verdeutlicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftbild
- 2
- Pre-CDU-Map
- 3
- Attenuation Map
- 4
- Pre-Pupille
- 5
- Kernel
- 6
- Post-Pupille
- 7
- Post-CDU Map
- 8
- Hot Spot
- 9
- Maske
- 10
- Absorberstruktur
- 11
- Pixel
