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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 vordefinierten
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. Die Wellenlänge des Inspektionstools ist
größer als
die Wellenlänge
des Scanners Die resultierende Auflösung eines Inspektionsscanners
ist gröber
als die eine Scanners. Da aber eine großere 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.
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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-Bestimmungsalgorithmus 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.
Es
wird eine bessere Empfindlichkeit erreicht, da nur ein rauschendes
Abbild verglichen werden muss.
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.
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.