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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Inspektion von periodischen Strukturen auf Lithographiemasken
mit einem Mikroskop, mit einer justierbaren Beleuchtung, einem Betätigungselement
zur Bewegung eines Kreuztisches mit der daran befestigten Lithografiemaske,
um Abbildungen der Lithographiemaske an einem rechnergesteuerten
Ort auf der Lithographiemaske aufzunehmen, wobei Position, Größe und Pitch-Spezifikation
der Lithographiemaske gespeichert werden.
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In der Mikrolithographie werden Halbleiterstrukturen
bekanntermaßen
durch die Abbildung einer Struktur, die vorher auf einer Lithographiemaske erzeugt
worden ist, auf einem mit einem Photoresist beschichteten Wafer
durch Belichten und nachfolgendes Entwickeln des Photoresists realisiert.
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Nach der Fertigung der Lithographiemaske hat
diese unterschiedliche Eigenschaften, die sich von Maske zu Maske ändern. Diese
unterschiedlichen Eigenschaften haben bei der Abbildung derselben
einen erheblichen Einfluss auf die Photolithographie. Es wird hierbei
zwischen allgemeinen (globalen) und lokalen Eigenschaften unterschieden,
die normalerweise spezifiziert sind.
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Globale Eigenschaften sind beispielsweise die
Abweichung der Linienbreite (CD-Target Value) vom Zielmaß (Offset
Error), sowie die Schwankung der Abweichung über das Bildfeld (Uniformity
Error). Bei den alternierenden Phasenmasken gibt es Strukturen, die
bei kohärenter
Beleuchtung phasenschiebende Eigenschaften besitzen. Diese Phasenschieber
werden realisiert, indem man bei den betreffenden Strukturen in
das Glas ätzt.
Durch Abweichungen von der idealen Ätztiefe kommt es zu unerwünschten
Helligkeitsabweichungen, die ebenfalls eine globale Maskeneigenschaft
darstellen.
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Lokale Eigenschaften sind Defekte
auf der Maske, die entweder durch Fehler bei der Maskenherstellung
entstanden sind, oder aber nachträgliche Verunreinigungen, z.B.
durch Staub.
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Das Ziel bei der Herstellung von
Lithographiemasken ist daher, eine Lithographiemaske herzustellen,
die sämtliche
Anforderungen erfüllt.
Mit Bezug auf die lokalen Eigenschaften werden die Masken gegenwärtig durch
Prozesskontrolle und Qualitätsmessungen
geprüft.
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Gegenwärtig werden systematische Fertigungsfehler
von Lithographiemasken, wie regelmäßige Abweichungen des Linienabstandes
(Offset Target Error) und Änderungen
der Linienbreite (Uniformity Error) direkt an den Strukturen durch
verschiedene SEM-Messungen
(Scanning Electron Microscopy) auf vielen Punkten der Maske gemessen.
Das ist allerdings ein zeitaufwendiger und unzuverlässiger Bewertungsprozess,
da die Messfehler und die schlechte Wiederholbarkeit einer SEM nachteilig sind.
So beeinflusst zum Beispiel die Richtung eines Elektronenstrahles
das Messergebnis signifikant. Aus diesem Grund ist dieses Verfahren
für in
Quarz geätzte
Lithographiemasken nicht geeignet, da bei diesen keine gut definierten Ätzungen
für die SEM-Messung
vorhanden sind.
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Für
neue Maskentechnologien, wie Interferenzmasken, wird die Maskenbewertung
sehr schwierig. Interferenzmasken enthalten Trenches (Gräben), die
in die Maske geätzt
worden sind und eine Beugung (Phasenverschiebung) des durchgeleiteten
Lichtes bewir ken. Für
die Bestimmung der Beugungs- und Übertragungsparameter existiert
allerdings kein eingeführtes
Verfahren.
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Angewendet wird eine Kombination
aus einer Tiefenmessung und einer optischen Messung unter Verwendung
eines MSM-Mikroskopes (Microlithography Simulation Microscope).
Die mit einem solchen Mikroskop erhaltenen Messwerte werden schließlich mit
Linienbreitenmessungen von strukturierten Wafern verglichen, um
eine Information über den
Wert der neu produzierten Lithographiemasken zu erhalten.
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Ein weiteres Ziel besteht darin,
nun zur Defektinspektion überzugehen.
Da einige Defekte auf der Lithographiemaske auf die auf dem Wafer
ausgeformten Chips übertragen
werden, ist es sehr wichtig eine fehlerfreie Maskenstruktur sicherzustellen.
Da jeder Prozessschritt bei der Maskenfertigung unvermeidlich einige
Defekte in der Lithographiemaske generiert, ist es notwendig, in
der Lage zu sein, Lithographiemasken zu inspizieren und zu reparieren.
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Bei der Maskeninspektion wird die
Lithographiemaske auf Defekte untersucht und die gefundenen Defekte
nach deren Bedeutung für
die Lithographie und dem Einfluss auf die Funktionalität des Chips
klassifiziert. Maskendefekte, welche die Funktionalität und die
Zuverlässigkeit
der Chipfunktion gefährden,
müssen
unbedingt repariert werden.
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Die gegenwärtig eingesetzten Prüfeinrichtungen
nutzen die Laser Scanning Microskopie, um Lithographiemasken auf
Defekte zu überprüfen. Dabei
wird die Maskenoberfläche
mit einem Laserstrahl abgetastet und das reflektierte und übertragene
Licht gemessen. Bei defektfreien Bereichen liegt die Summe des reflektierten
und des übertragenen
Lichtes über
einem vordefinierten Wert, wohingegen bei Defekten das Licht gestreut
wird, so dass sich die Summe der Intensitäten von einem vordefinier ten
Wert unterscheidet.
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Bei High-End-Masken wird diese Näherung auf
verschiedenen Wegen ausgeweitet, wie z.B., dass anstelle des Vergleiches
mit einem konstanten Referenzsignal (Die-to-Database), ein benachbartes Chip
als Referenz für
die „Die-to-Die" Inspection genutzt
wird.
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Bei Standard-Qualitätsmasken
ist diese Näherung
einfach und effizient in Bezug auf die Inspektionszeit und die Kosten.
Bei High-End-Masken und insbesondere bei Interferenzmasken leidet
diese Näherung
an der Tatsache, dass diese eine unterschiedliche niedrigere Wellenlänge als
beim abschließenden
Lithographieschritt nutzen. Da aber eine niedrigere Wellenlänge eine
niedrigere Auflösung
bedeutet, ist die Empfindlichkeit in Bezug auf Defekte geringer,
als beim abschließenden
Lithographieprozess.
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Ein anderes Problem des Laser-Scanning-Verfahrens
ist, dass die Interferenzmasken (Beugungsgitter) beim Laser Scanning
und bei der optischen Abbildung sehr unterschiedlich gesehen werden.
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Eine Lösung dieses Problems besteht
darin, den lithographischen Abbildungsprozess mit einem modifizierten
Mikroskop zu simulieren. Eine derartige Art von Lithographie-Mikroskopen
wird abgekürzt
mit dem Produktnamen MSM (Microlithography Simulation Microscope)
bezeichnet und wird beispielsweise durch die Fima ZEISS angeboten.
Das MSM hat den Vorteil, dass es die gleiche Wellenlänge wie
beim Lithographieprozess, die gleiche Beleuchtung der Lithographiemaske
und die gleichen optischen Vorgaben für den Öffnungswinkel der Projektionsoptik
verwendet.
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Im Gegensatz zur lithographischen
Belichtung, bei der die Abbildung von der Lithographiemaske verkleinert
wird, vergrößert das
MSM das Abbild der Lithographiemaske auf einen Sensor. Weiterhin kann
das MSM nur einen kleinen Abschnitt der Maske gleichzeitig abbilden.
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Beim schrittweisen Abtasten der Lithographiemaske
ist es möglich,
Abbilder derselben aufzunehmen, die im wesentlichen der Intensität entsprechen,
mit der ein Wafer belichtet würde.
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Wenn ein Fehler einen starken Einfluss
auf die Belichtung des Resists hat, würde dies aus dem Luftbild,
welches von dem MSM Mikroskop aufgenommen worden ist, ersichtlich
sein. Um das Mikroskop allerdings für die Inspektion nutzen zu
können, benötigt man
ein Fehlersignal, das den Defekt signalisiert. Somit muss die Lithographiemaske
verschiedene identische Chip Layouts aufweisen, so dass das Mikroskop
diese Abbildungen paarweise vergleichen kann.
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Der Nachteil bei diesem Verfahren
ist, dass jedes Abbild durch das allgemeine Rauschen beeinflusst
wird und dass das schlussendliche Fehlerabbild ein höheres Rauschen
aufweist.
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Ein anderer Nachteil dieses Verfahrens
ist dessen Komplexität,
indem das gesamte Abbild eines Die's in den Speicher des Computers gescannt, justiert
und verglichen werden muss. Das erfordert ein beträchtliches
Speichervolumen und auch erhebliche Rechenzeit.
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Bein Einlegen in eine Maskenstage
ist diese bezüglich
des Sensors meist leicht verdreht. Dieses Maskenverfahren kann die
Verdrehung der Maske und den Vergrößerungsfaktor der Maske mit
hoher Genauigkeit bestimmen und korrigieren. Wenn Vergrößerung und
Bildverdrehung bekannt sind, kann man die Fourierkoeffizienten bestimmen.
Mittels Rücktransformation
mittels einer Fourierreihe erhält man
ein rekonstruiertes rauschfreies Bild.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
globalen Eigenschaften einer Maske zu charakterisieren und lokale
Bildfehler zu erkennen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch
Kalibrierung einer ersten Abbildung jeder Array-Struktur ausgewählter Orte
der Lithographiemaske, Berechnung der Fourier-Koeffizienten am Bezugspunkt
eines Arrays/Beugungsgitters, Berechnung eines Restabbildes aus
der Differenz zwischen der Originalabbildung des Arrays und der
Fouriererweiterung und Bildung eines Schwellwertes, um ein den Fehler
anzeigendes Abbild zu berechnen.
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Die Fourierkoeffizienten sind eine
vollständige
Beschreibung der optischen Eigenschaften einer periodischen Struktur,
die jedoch durch Mittelung über
das Bildfeld von hoher Güte
und Genauigkeit ist. Um die speziellen Abbildungseigenschaften von
alternierenden Phasenmasken (Interferenzmasken) zu charakterisieren,
ist die Aufnahme der Bildintensität über den Defocus notwendig.
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Die Kalibrierung kann durch Bestimmung
der Maskendrehung und die Bestimmung der Vergrößerung erfolgen. Das Ziel der
Kalibrierung besteht darin, den Winkel der Maskendrehung mit möglichst
hoher numerischer Genauigkeit zu bestimmen.
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Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung
des Drehwinkels und der Vergrößerung durch
numerische Optimierung, indem der Drehwinkel und der Vergrößerungsfaktor
so gewählt
wird, dass der Betrag des zugehörigen
Fourierkoeffizienten maximal ist.
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Um die Kräuselung bei der Berechnung
des Restabbildes zu verringern, wird bevorzugt ein zusätzliches
Frequenzfilter verwendet.
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In weiterer Fortführung der Erfindung werden die
Fourierkoeffizienten entsprechend eines Fehler-Bestimmungsal-gorithmus bestimmt
und berechnet, wobei die Fourier-koeffizienten der Hauptposition
an vielen Orten der Maske gemessen werden. Die Fourierkoeffizienten
werden dann durch Rücktransformation
und einen vorgegebenen Intensitätsschwellwert
in einen Linienbreitenwert umgerechnet, so dass ein Mittelwert der
Abweichung der Linienbreite durch Bildung eines Durchschnittswertes über alle Messpunkte
bestimmt wird. Die Lithographiemaske wird zurückgewiesen, falls die Abweichung
der Linienbreite größer ist,
als ein vorgegebener Schwellwert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, dass zur Bestimmung des Phasenfehlers jede Maskenposition unter
unterschiedlichen Brennweiten aufgenommen wird und nachfolgend die
Breite der Abbildungslinien und deren Abstände durch Anwendung der Fourieranalyse
gemessen wird. Die Abweichung über
die Defocussierung wird dann aus der Differenz der benachbarten
Zwischenräume
bestimmt, falls die Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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Aus dem rauschfreien Bild und der
original Messung lässt
sich durch Differenzbildung ein Fehlerbild berechnen. Da das Hauptfeature
nun weg ist, lassen sich grobe Bildfehler durch den Schwellwertdetektor
leicht erkennen. Für
die Defektinspektion ist nur eine Aufnahme im Fokus notwendig.
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Das Verfahren zur Herstellung von
Lithographiemasken ist weiterhin gekennzeichnet durch Beschichten, Ätzen, Entwickeln
einer Chrommaske, einer Halbtonmaske, oder einer Interferenzmaske
als Lithographiemaske, Inspizieren der Lithographiemaske und Reparieren
der Lithographiemaske.
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Die Reparatur kann mittels Ionenätzen, oder durch
Nutzung eines Atommikroskopes für
die Mikrobearbeitung der Lithographiemaske erfolgen.
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Die grundlegende Idee dieser Erfindung
besteht darin, aus der Tatsache, dass bei Speicherchips der größte Teil
des Designs aus regelmäßigen arrayähnlichen
Strukturen besteht, Nutzen zu ziehen. Diese Array-Strukturen sind
gleichzeitig die Strukturen mit den härtesten Anforderungen an die
Güte der
Linienbreiten, der Reparatur und der Defektinspektion.
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Wenn die Position, d.h., die vertikale
und die horizontale Position eines Arrays vorgegeben ist, kann dieses
Array mittels einer Fourieranalyse der Mikroskopabbildung inspiziert
werden. Der verbleibende Bereich der Maske kann dann entweder mittels
eines der vorerwähnten
Die-to-Die Inspektionsverfahren, oder mittels einer konventionellen
Laserinspektion mit geringerer Auflösung inspiziert werden.
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Wesentlicher Vorteil der Nutzung
der Fourieranalyse des Abbildes, verglichen mit der Die-to-Die Inspektion,
ist:
Es ist weniger Rechneraufwand (Speicher und Rechnerkapazität) erforderlich,
woraus eine Kosten- und Zeiteinsparung resultiert.
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Es wird eine bessere Empfindlichkeit
erreicht, da nur ein rauschendes Abbild verglichen werden muss.
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Es ist auch möglich, Ausgleichsfehler bei
Interferenzmasken zu messen. Es ist hier zu berücksichtigen, dass die Charakterisierung
von Masken mittels der konventionellen Die-to-Die Inspektionsalgorithmen
nicht möglich
ist.
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Es ist weiterhin möglich, die
Masken CD aus der Intensität
der höheren
Fourier-Koeffizienten zu bestimmen.
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Nachteilig bei diesem Verfahrens
ist lediglich, dass eine Beschränkung
auf periodische Strukturen notwendig ist.
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Zu berücksichtigen ist aber, dass
die Beschränkung
auf periodische Strukturen leicht ausgeglichen wird, durch die bessere
Empfindlichkeit und die geringeren Anforderungen an schnellere und
billigere Rechner.
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Man kann auch beide Verfahren miteinander kombinieren,
so dass die dichten Strukturen durch die Fourier-Analyse inspiziert
werden und die peripheren, weniger dichten Strukturen durch die Die-to-Die
Inspektion.
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Neben der Fehlerinspektion ist der
Algorithmus auch für
die Charakterisierung der Maske geeignet. Es ist möglich, den
Bereich des „Off-Target"-Fehlers der Cr Linienbreite
auf der Maske zu bestimmen.
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Zu diesem Zweck wird die Amplitude
des Fourier-Koeffizienten des Hauptmerkmalsortes mit einem Referenzwert
verglichen. Wenn der Wert geringe/kleiner ist, als der Referenzwert,
dann weist die Maske einen großen
positiven/negativen Zeichnungsfehler auf. Es ist auch möglich, die
Masken-CD-Gleichförmigkeit
zu bestimmen. Durch die Wiederholung dieser Messung an vielen Orten
erreicht man eine sehr genaue Ganzflächencharakterisierung der Maske.
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Bei Masken nach der Interferenztechnologie können die
Beugungsparameter (Phase Shift Parameter) und die Übertragungsfehler
durch dieses Analyseverfahren bestimmt werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend an
einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1a:
eine Abbildung eines dichten Linienmusters einer Maske;
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1b:
die Widergabe der Maske nach 1 nach
erfolgter Fourier-Transformation;
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2:
am Original gemessene Intensitätsfunktionen
des gemessenen Abbildes ohne und mit Filterung der Daten;
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3a:
ein Fehlerabbild vor der Bildverarbeitung;
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3b:
das Fehlerabbild nach 3a nach der
Bildverarbeitung mit klar sichtbaren wellenförmigen Mustern, die durch Abbildungsfehler
der Camera verursacht wurden;
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4a:
eine Originalabbildung einer defekten Maske;
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4b:
das Restfehlerabbild der Maske nach der Bildverarbeitung;
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5a:
eine Widergabe der Defektsignale der defekten Maske ohne Filterung
bei einem Schwellwert von 6%;
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5b:
das Defektsignal nach Filterung des Restabbildes mit einem Schwellwert
von 6%;
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6a:
einen Algorithmus zum Auffinden von Defekten für ein periodisches Eingangsbild;
und
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6b:
einen Algorithmus zur Qualifikation von alternierenden Phasenmasken.
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Nachfolgend soll das vorgeschlagene
Verfahren zur Ermittlung von Defekten kurz erklärt werden.
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1a zeigt
Linienmuster für
eine Interferenzmaske mit einem Abstand (Pitch) von 720 nm, aufgenommen
mit einem MSM-193 Mikroskop. Für ein
unendliches periodisches Gitternetzwerk ergibt die Fourier-Transformation
ein diskretes Gitter bei einer Bei spielfrequenz von 1/Pitch. Da
das Gitter im Beispiel nicht unendlich ist, sind die resultierenden Spektrallinien
durch die Resonanzfrequenz der Bildgrenze begrenzt.
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Bei diesem Beispiel beträgt das Pitch
des Gitters 720 nm, wobei aus dem Fourierbild ersichtlich ist, dass
das Gitter eine steile Spitze bei einer Frequenz von 1/720 nm ergibt.
Im Fourierbild kann man eine schwache Spitze bei einer Frequenz
von 1/1440 nm sehen (1b).
Das ist eine spezielle Eigenschaft von Interferenzmasken, die eine
derartige (unerwünschte)
Intensitätsstörung aufweisen
können.
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Bei einer beispielhaften Berechnung
der Spitzenamplitude des Hauptmerkmals kann man ein Referenzmuster
durch eine inverse Fourierreihen-Erweiterung berechnen.
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2 zeigt
das Ergebnis des rekonstruierten Signals, das mit Fourier-Koeffizienten
bei einer Grundfrequenz von 1/720 nm und 1/1440 nm erhalten wird.
Die Differenz zwischen dem gemessenen Abbild mit der Fourier Rekonstruktion
liefert ein Fehlerabbild, das für
die Fehlerdetektion verwendet werden kann.
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3b zeigt
das resultierende Fehlerabbild nach der Subtraktion der Fourier-Referenz
vom gemessenen Abbild (3a).
Wie zu erkennen ist, entsteht eine schwache Kräuselung in der Gitterperiode, aber
auch einige wellenförmige
Muster, die aus einem Abbildungsfehler der Camera resultieren. Durch Anwendung
eines zweiten Filterschrittes, der einen ringförmigen Bandpass-Filter um die Gitterfrequenz nutzt,
kann die Kräuselung
weiter reduziert und der Kontrast des Defektes weiter vergrößert werden.
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Zu berücksichtigen ist hier, dass
der Defekt nicht durch die Maske verursacht worden ist. Dies Abbildungsstörung wurde
durch ein Staubkörnchen auf
der Linse der CCD Kamera verursacht. Der zugehörige Algorithmus ist in 6a zusammengefasst.
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Im zweiten Beispiel (4a, b)
wurde die Fourier-Filter-Technologie
auf ein Abbild einer getesteten defekten Maske angewendet. wie aus 4a Seite ersichtlich ist,
sind die Defekte im Restabbild klar sichtbar und können durch
einen Schwellwertschalter erkannt werden.
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5a zeigt
eine widergabe der Defektsignale der defekten Maske ohne Filterung
bei einem Schwellwert von 6% und 5b das
Defektsignal nach Filterung des Restabbildes mit einem Schwellwert
von 6%.
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In den soweit dargestellten Beispielen
wurde nur ein Liniengitter für
die Fourierbearbeitung verwendet.
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Durch die Vereinfachung ist das Verfahren nicht
nur auf Liniengitter beschränkt.
Es ist möglich, das
Verfahren auf zweidimensionale Gitter, wie Kontaktlöcher oder
Trench Arrays anzuwenden. Der zugehörige Algorithmus ist in 6a zusammengefasst.