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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Overlay-Verschiebung.
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Bei
der Fertigung eines Halbleiterbausteins werden dessen Strukturen
in verschiedenen Ebenen gefertigt. Ein fertiger Halbleiterbaustein
umfasst eine Vielzahl von Ebenen, in denen sich die einzelnen Strukturen
befinden. Die Orientierung der einzelnen Ebenen zueinander ist von
erheblicher Bedeutung. Wäre
eine Ebene zu sehr gegenüber
einer vorhergehenden oder nachfolgenden Ebene verschoben, so könnte die
zu einer Unterbrechung der Verbindung von Elementen in einer und
der nächsten
Ebene führen.
Die Orientierung, Verschiebung bzw. die Ausrichtung zweier aufeinander
folgender Ebenen wird als Overlay-Verschiebung bezeichnet. In der
Halbleiterfertigung werden Wafer während des Fertigungsprozesses
in einer Vielzahl von Prozessschritten sequentiell bearbeitet. Mit
zunehmender Integrationsdichte steigen die Anforderungen an die
Qualität
der auf den Wafern ausgebildeten Strukturen. Um die Qualität der ausgebildeten
Strukturen überprüfen und
eventuelle Defekte finden zu können,
ist das Erfordernis an die Qualität, die Genauigkeit und die
Reproduzierbarkeit der den Wafer handhabenden Bauteile und Prozessschritte
entsprechend. Dies bedeutet, dass bei der Produktion eines Wafer
mit der Vielzahl von Prozessschritten und der Vielzahl der aufzutragenden
Schichten an Photolack oder Ähnlichem eine
zuverlässige
und frühzeitige
Erkennung von Defekten besonders wichtig ist. Ebenso bedeutsam für die Qualität eines
Halbleiterbauelements ist der Overlay der einzelnen Ebenen im Halbleiterbauelement.
Es ist also von besonderer Bedeutung, dass die Verschiebung der
einzelnen Ebenen sich innerhalb eines Toleranzbereichs bewegt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen,
mit dem auf einfache Weise der Overlay (die Verschiebung aufeinander
folgender Ebenen) eines Halbleitersubstrats bestimmt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Es
ist von besonderen Vorteil, wenn zur Messung der Overlay-Verschiebung
die folgenden Schritte durchgeführt
werden. Zunächst
erfolgt das Aufnehmen von mindestens einem Bild eines Referenzelements,
das mindestes ein erstes Strukturelement in einer ersten Ebene und
mindestes ein zweites Strukturelement in einer zweiten Ebene aufweist.
Anschließend
wird mindestens ein Messelement angefahren und ein Bild des Messelements
aufgenommen. Dann wird ein Verschiebungswert zwischen dem Referenzelement
und dem mindestes einen Messelement durch Vergleich des Bildes des
Referenzelements mit dem Bild des Messelements ermittelt. Bei der Überschreitung
eines vorgegebenen Toleranzwertes erfolgt eine Ausgabe für eine Bedienperson
auf einem User-Interface.
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Ebenso
können
mehrere Referenzelemente auf einem Substrat aufgenommen werden,
wobei dann aus diesem ein Mittelwert für die Bewertung der Messelemente
bestimmt wird.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn das Referenzelement aus einem ersten
Strukturelement besteht, das das zweite Strukturelement umschließt. Das
erste Strukturelement und das zweite Strukturelement können jeweils
aus einem n-seitigen Polygon aufgebaut sein. Besonders geeignet
für die
Bestimmung des Overlays ist, wenn das erste Strukturelement und
das zweite Strukturelement jeweils aus einem regelmäßigen Viereck
bzw. aus einem Quadrat aufgebaut sind.
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Die
Bedienperson wählt
z.B. ein Referenzelement über
ein User Interface derart aus, dass ein Rahmen um das Referenzelement
gezogen wird. Die Inspektionsanordnung umfasst ein Mikroskop, das mit
einer Kamera versehen ist, die ein Bild eines Bereichs des Substrats,
der Referenzelements und/oder des Messelements aufnimmt. Der Vergleich des
Bildes des Referenzelements mit dem Bild des Messelements wird über subpixelgenaues
Pattern-Matching durchgeführt.
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Andere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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In
der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt
und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines Systems zur Ermittlung des Overlays bei Halbleitersubstraten;
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2 eine schematische Darstellung
eines User Interfaces, mit dem ein Benutzer den Overlay-Check durchführt;
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3a eine schematische Ansicht
einer ersten Ausführungsform
eines Referenzelements, mit dem der Overlay bestimmt wird;
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3b eine schematische Ansicht
der ersten Ausführungsform
des Referenzelements, mit dem der Overlay bestimmt wird, wobei die
Matrix eines CCDs überlagert
ist;
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4a eine schematische Ansicht
der ersten Ausführungsform
des Referenzelements, mit dem der Overlay bestimmt wird, wobei die
erste Ebene gegenüber
der zweiten Ebene verschoben ist;
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4b eine schematische Ansicht
der ersten Ausführungsform
des Referenzelements, wobei die erste Ebene gegenüber der
zweiten Ebene verschoben und die Matrix eines CCD überlagert
ist;
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5a eine Ansicht einer zweiten
Ausführungsform
einer Referenzstruktur oder eines Referenzelements, mit dem der
Overlay bestimmt wird;
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5b eine schematische Ansicht
der zweiten Ausführungsform
der Referenzstruktur oder des Referenzelements, mit dem der Overlay
bestimmt wird, wobei die erste Ebene gegenüber der zweiten Ebene in der
x-Richtung verschoben ist; und
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6 eine Ansicht einer dritten
Ausführungsform
einer Struktur, an Hand der der Overlay geprüft wird.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für eine Inspektionsanordnung 1,
mit der flächenhafte
Substrate S, beispielsweise Wafer, mikroskopisch untersucht werden
können.
Beispielsweise wird bei der hier beschriebenen Erfindung die Verschiebung
von zwei aufeinander folgenden Ebenen eines Wafers untersucht, um
eine eventuelle Fehlausrichtung der einzelnen Ebenen zu ermitteln.
Hierzu ist die Inspektionsanordnung 1 mit einem Mikroskop 2 versehen. Zur
Bildbearbeitung kann das Mikroskop 2 mit einer Kamera 3 mit
CCD-Chip versehen sein, wodurch der aufgenommene mikroskopische
Teilbereich des Wafers digitalisiert wird.
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Das
Mikroskop 2 der Inspektionsanordnung 1 ist auf
ein an einem Inspektionsort 1 befindliches Substrat S,
hier einen Wafer, ausrichtbar. Der Inspektionsort 1 ist
von einem Gehäuse 4 umschlossen,
in dem gleichzeitig auch das Mikroskop 2 aufgenommen ist.
In dem Gehäuse 4 ist
weiterhin eine Fördereinrichtung 5 zum
Transport der Substrate S zu dem Inspektionsort 1 hin und
von diesem weg vorgesehen.
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Die
Inspektionsanordnung 1 umfasst weiterhin ein erstes Magazin 6 zur
Aufnahme mehrerer Substrate S. Weiterhin ist eine Übergabeeinrichtung 7 vorgesehen,
welche die Substrate S von dem ersten Magazin 6 an die
Fördereinrichtung 5 übergibt. Nach
der Inspektion werden die Substrate S in einem zweiten Magazin 8 gesammelt.
Eine weitere Übergabeeinrichtung 9 dient
dazu, die Substrate S von der Fördereinrichtung 5 in
das zweite Magazin 8 zu transferieren. Bevorzugt sind die
Magazine 6 und 8 als Wechselmagazine ausgebildet,
in denen die Substrate S übereinander
gestapelt werden. Jedes der Magazine 6 und 8 ist
dazu gesondert an das Gehäuse 3 angekoppelt.
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Weiterhin
umfasst die Inspektionsanordnung 1 eine Bedienungskonsole 10,
die an einer Seite des Gehäuses 4 bei
der Bedienungsposition P angeordnet ist. Dazu sind an dem aus dem
Gehäuse 4 hinausragenden
Einblick 12 für
das Mikroskop 2 zwei Okulare 14 vorgesehen, welche
sich über
die Bedienungskonsole 10 erstrecken.
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Neben
dem Einblick 12 für
das Mikroskop 2 sind am Gehäuse 4 ein erstes Betrachtungsfeld 16 (Display)
zur Darstellung eines Bildes oder eines Bildausschnittes des Substrates
S und ein zweites Betrachtungsfeld 18 zur direkten Betrachtung
des Substrates S oder eines Teilbereiches des Substrates S vorgesehen.
Die beiden Betrachtungsfelder 16 und 18 sind in
Bezug auf eine Bedienperson 20 derart geneigt, dass die
vor dem Einblick 12 des Mikroskops 2 befindliche
Bedienperson 20 im wesentlichen senkrecht auf das jeweilige
Betrachtungsfeld 16 bzw. 18 blickt. Ferner ist
im Gehäuse 4 mindestens
ein Rechner 22 vorgesehen, der unter anderem auch für die Verarbeitung
der durch das Mikroskop 2 aufgenommenen Bilder benutzt
wird.
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In 2 ist eine schematische
Darstellung eines User Interfaces 22 gezeigt, mit dem ein
Benutzer den Overlay-Check durchführt bzw. die Inspektionsanordnung 1 für den Overlay-Check
einstellt. Auf dem User Interface 22 ist in einem ersten
Fenster 24 ein Übersichtsbild
das Substrats S dargestellt. Das Substrat S ist in mehrere Bildfester 26 unterteilt,
die von dem Mikroskop 2 der Inspektionsanordnung 1 aufgenommen
werden können.
Es ist für
einen Fachmann selbstverständlich,
dass die Größe des Bildfensters 26 von
der gewählten
Vergrößerung des
Mikroskops 2 abhängig
ist. Das aktuelle durch das Mikroskop 2 abgebildete Bildfenster 28 ist
auf dem User Interface 22 als ausgefülltes Rechteck dargestellt. Das
Zentrum des Substrats S ist durch ein Kreuz 30 gekennzeichnet.
Ein weiteres Kreuz 30 kennzeichnet ein Bildfenster, in
dem sich ebenfalls eine Struktur zur Bestimmung der Verschiebung
zweier Ebenen auf dem Substrat S befindet.
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In
einem zweiten Fenster 32 ist auf dem User Interface 22 ein
Bild 34 des durch die Kamera 3 des Mikroskops 2 aufgenommenen
aktuellen Bildfensters 28 dargestellt. Das aufgenommene
Bild umfasst mindestens ein Referenzelement 36 oder ein
Messelement, an dem die Verschiebung zweier Ebenen zueinander bestimmt
werden soll. Das Referenzelement 36 umfasst mindestens
ein erstes Strukturelement 36a in einer ersten Ebene 38 und
mindestes ein zweites Strukturelement 36b in einer zweiten
Ebene 40. Obwohl in der Beschreibung nur zwei Ebenen erwähnt werden,
deren Overlay bestimmt werden soll, ist dies nicht als Beschränkung auszufassen.
Es ist ebenso denkbar, dass Referenzelemente 36 oder Messelemente
aus mehr als zwei Strukturelementen bestehen, die in mehr als zwei
unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Es gilt also die Verschiebung
der einzelnen Ebenen zueinander zu ermitteln. Die Bedienperson 20 wählt das
Referenzelement derart aus, dass ein Rahmen 42 um das Referenzelement 36 gezogen
wird. Dies kann die Bedienperson 20 über die Bedienungskonsole 10 oder
eine Maus (nicht dargestellt) ausführen.
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Oberhalb
des zweiten und des ersten Fensters 32 und 24 ist
ein Balken 44 vorgesehen, der mehrere Click-Button 45 umfasst.
Jeder der Click-Button 45 steht für ein Werkzeug, das die Bedienperson 20 aufrufen
kann. Die aufrufbaren Werkzeuge können z.B. die Speicherung,
die Berechung, die Vermessung, die Wahl der Vergrößerung,
die Bildaufnahme etc. umfassen. Ferner umfasst das User Interface 22 mehrere
Unterbereiche 46a, 46b, 46c, 46d,
die für
die Steuerung der Inspektionsanordnung oder der Informationsausgabe
für die
Bedienperson 20 vorgesehen sind. Ein erster Unterbereich 46a betrifft
die Ein- und Ausgabe einer Substrats S in die Inspektionsanordnung 1.
Ferner können
hier die bereits in der Inspektionsanordnung 1 gespeicherten Daten
verwaltet werden. Es können
bereits gespeicherte Daten der Overlay Checks vorausgehender Substrate
S aufgerufen, neue Daten gespeichert oder andere Daten gelöscht werden.
Ein zweiter Unterbereich 46b betrifft die Fokus- und Positionsbestimmung
auf einem Substrat S. Hier kann z.B. zwischen einem Laser-Fokus
oder einem TV-Fokus gewählt
werden. Ein dritter Unterbereich 46c betrifft den Detektions- und Lernmodus. Hier
kann z.B. die Inspektionsanordnung zum Einlernen einer Overlay-Verschiebung
verwendet werden, die dann für
die weiteren Messungen an Substraten S eines Loses angewandt wird.
Dabei wird im Lernmodus festgelegt innerhalb welcher Grenzwerte
eine Overlay-Verschiebung
noch als akzeptabel angesehen wird. Ein vierter Unterbereich 46d betrifft
die Inspektionsposition. Die Bedienperson 20 kann hier
mehrere Inspektionspositionen abspeichern oder editieren, damit
die Inspektionsanordnung 1 die entsprechenden Positionen
auf dem Substrat anfährt.
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Unterhalb
des ersten Fensters 24 ist auf dem User Interface 22 eine
Steuerelement 47 dargestellt. Mit dem Steuerelement 47 kann
die Bedienperson 20 das Substrat S derart verfahren, dass
ein bestimmter Bereich durch das Mikroskop 2 und die Kamera 3 abgebildet
wird. Das Verfahren des Substrats S kann mit einem herkömmlichen
motorisch gesteuerten XYZ-Tisch (nicht dargestellt) erfolgen. Ferner
sind in der Nähe
der Steuerelements 47 mehrere Fenster 48 vorgesehen,
in denen z.B. die x-Position
und die y-Position des Bildfensters des Substrats S angezeigt wird,
welches sich gerade in der Beobachtungsposition des Mikroskops 2 befindet.
In weiteren Fenstern 49 wird der Bedienperson 20 die
Reihe und die Spalte auf dem Substrat S angezeigt, in denen sich das
momentan aufgenommene Bildfenster des Substrats S befindet.
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Ferner
ist das erste Fenster 24 mit einer Vielzahl von Reitern 50 versehen. Über die
Reiter kann die Bendienperson 20 Auswahlen, wie z.B., Wafer Boat,
Wafer Map, Statistic, Info oder Gallery, treffen.
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3a ist eine schematische
Ansicht einer ersten Ausführungsform
einer Referenzstruktur oder eines Referenzelements 36,
mit dem der Overlay bestimmt wird. Das Referenzelement 36 umfasst
mindestens ein erstes Strukturelement 36a in einer ersten
Ebene 38 und mindestes ein zweites Strukturelement 36b in
einer zweiten Ebene 40. Dabei ist zu Beachten, dass die
erste Ebene 38 unter der zweiten Ebene 40 liegt. 3b zeigt eine schematische
Ansicht der ersten Ausführungsform
des Referenzelements 36, mit der der Overlay bestimmt wird,
wobei eine Matrix 50 eines CCDs der Kamera 3 dem
Referenzelement 36 überlagert
ist. Die Matrix 50 des CCDs besteht aus einer Vielzahl
von Pixeln 52, die das Bild vom Referenzelement 36 aufnehmen.
In Vergleich zur 3a ist
die Darstellung aus 4a eine
schematische Ansicht der ersten Ausführungsform des Referenzelements 36,
mit der der Overlay bestimmt wird, wobei die erste Ebene 38 gegenüber der
zweiten Ebene 40 verschoben ist. Der Unterschied zu 3a resultiert aus einer
Verschiebung des zweiten Strukturelements 36b bezüglich des
ersten Strukturelements 36a in X-Richtung. Eine Verschiebung
in die X-Richtung und Y-Richtung ist ebenfalls möglich, wird jedoch auch Gründen der
Einfachheit hier nicht erwähnt.
In 4b ist eine schematische
Ansicht der ersten Ausführungsform
des Referenzelements 36 dargestellt, wobei die erste Ebene 38 gegenüber der
zweiten Ebene 40 verschoben ist und die Matrix 50 des CCDs
der Kamera 3 überlagert ist.
Die Signale der einzelnen Pixel 52 des CCDs werden zur
Ermittlung der Verschiebung herangezogen. Zur Bestimmung des Overlays,
muss mindestes ein Substrat S oder ein Wafer vorliegen, der Referenzelemente
mit entweder einem korrekten Alignment oder einem bekannten Misalignment
aufweist. Von diesem Substrat S oder Wafer wird ein Bild des Referenzelements
gegrabbt. Dies ist bereits in 3b und 4b beschrieben. So nehmen
die einzelnen Pixel 52 der Matrix 50 eines CCDs
das Bild des Referenzelements 36 auf. Das Referenzelement 36 besitzt Strukturen,
die in beiden Layern oder Ebenen enthalten sind, deren Alignment
zueinander gemessen werden soll. Welche Strukturen zu welchen Layer
gehören
muss von der Bedienperson 20 festgelegt werden. Bei dem
in 3a offenbarten Ausführungsbeispiel
ist dies eine so genannte Box-in-Box Struktur und die Festlegung
geschieht durch das Aufziehen des rechteckigen Rahmens 42 (siehe 2). Es sind aber auch beliebig
komplizierte Strukturen als Referenzelemente (siehe 5 und 6)
möglich.
Bei der Ermittlung eines Verschiebungswerts zwischen dem Referenzelement 36 und
dem mindestes einen Messelement wird ein Vergleich des Bildes des
Referenzelements 36 mit dem Bild des Messelements durchgeführt. Der
Vergleich erfolgt für
jede der beiden Ebenen 38 und 40 durch ein subpixelgenaues Pattern
Matching gegen das Bild des Referenzelements 36. Hierbei
wird jeweils nur nach den Strukturelementen einer Ebene oder eines
Layers gesucht. Das Misalignment M wird gemäß der Gleichung 1 berechnet. M = ((A – A0) – (B – B0)) × Pixelgröße + M0
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Dabei
stehen sowohl A für
die Lage des ersten Strukturelements 36a in der ersten
Ebene 38 als auch B für
die Lage des zweiten Strukturelements 36b in der zweiten
Ebene 40 des Strukturelements 36 (4a) im Messbild. Ebenso stehen sowohl
A0 für
die Lage des ersten Strukturelements 36a in der ersten
Ebene 38 als auch B0 für die Lage
des zweiten Strukturelements 36b in der zweiten Ebene 40 des Strukturelements 36 (4a) im Referenzbild. M0 ist das Misalignment des Referenzelements 36 auf
dem Substrat S oder dem Referenzwafer.
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5a zeigt eine Ansicht einer
zweiten Ausführungsform
eines Referenzelements 60 (oder einer Referenzstruktur),
mit der der Overlay bestimmt wird. Die Referenzstruktur 60 besteht
aus einer Vielzahl von ersten Strukturelementen 60a und
einer Vielzahl von zweiten Strukturelementen 60b. Das Referenzelement 60 ist
eine kammartige Struktur, wobei die ersten Strukturelemente 60a in
einer ersten Ebene und die zweiten Strukturelemente 60b in
der zweiten Ebene angeordnet sind. Die Referenzstruktur 60 besteht
aus einer ersten Teilstruktur 62, einer zweiten Teilstruktur 63,
einer dritten Teilstruktur 64 und einer vierten Teilstruktur 65.
Die erste und die zweite Teilstruktur 62 und 63 sind
derart angeordnet, dass Längsachsen
des ersten und des zweiten Strukturelements 60a und 60b parallel
zu der Y-Richtung sind. Die dritte und die vierte Teilstruktur 64 und 65 sind derart
angeordnet, dass Längsachsen
des ersten und des zweiten Strukturelements 60a und 60b parallel
zu der X-Richtung sind. Die Darstellung in 5a zeigt die Referenzstruktur 60 in
der keine Verschiebung zwischen der ersten und der zweiten Ebene
vorherrscht.
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5b zeigt eine schematische
Ansicht der zweiten Ausführungsform
der Referenzstruktur 60 oder des Referenzelements, mit
der der Overlay bestimmt wird, wobei die erste Ebene gegenüber der zweiten
Ebene in der X-Richtung verschoben ist. Die Verschiebung erkennt
man daran, dass bei der ersten und der zweiten Teilstruktur 62 und 63 die
zweiten Strukturelemente 60b mehr zu den ersten Strukturelementen 60a hin
verschoben sind. Bei der dritten und der vierten Teilstruktur 64 und 65 sind
die zweiten Strukturelemente 60b und die ersten Strukturelemente
relativ zueinander in X-Richtung auseinander gezogen. Das Maß der Verschiebung
wird wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
subpixelgenau bestimmt.
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6 zeigt eine Ansicht einer
dritten Ausführungsform
einer Struktur, an der der Overlay einer ersten und einer zweiten
Ebene geprüft
wird. Zur Überprüfung des
Overlays eignet sich jede Struktur auf einem Substrat S oder Wafer,
die definierte Strukturelemente in unterschiedlichen Ebenen aufweist.
In dem in 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel
besteht die Referenzstruktur 70 aus einem ersten Strukturelement 70a und
einem zweiten Strukturelement 70b. Das erste Strukturelement 70a besteht
aus einem flächigen
Abschnitt 72 und einen abgewinkelten Fortsatz 73,
Das erste Strukturelement 70a ist in einer ersten Ebene
angeordnet. An das erste Strukturelement schließt sich ein zweites Strukturelement 70b an,
das im Wesentlichen parallel zur X-Richtung verläuft. Das zweite Strukturelement
ist in einer Ebene angeordnet, die sich von der ersten Ebene unterscheidet.
Eine Verschiebung der ersten zu der zweiten Ebene würde bei
dieser Ausführungsform
in einem mangelhaften Übergang
von ersten Strukturelement 70a zum zweiten Strukturelement 70b resultieren.