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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung eines Simulationsmodells
der photolithographischen Projektion eines auf einer Photomaske gebildeten
Musters auf ein Substrat eines Halbleiterwafers.
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Zur
Herstellung integrierter Schaltungen werden üblicherweise auf Halbleiterwafern
mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften versehene Schichten
aufgebracht und jeweils lithographisch strukturiert. Ein lithographischer
Strukturierungsschritt kann darin bestehen, einen photoempfindlichen
Resist aufzutragen, diesen mit einer gewünschten Struktur für die betreffende
Ebene zu belichten und zu entwickeln, sowie anschließend die
somit entstandene Resistmaske in die unterliegende Schicht in einem Ätzschritt
zu übertragen.
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Für den lithographischen
Projektionsschritt eines Schaltungsmusters wird üblicherweise als Belichtungsapparat
ein Wafer-Scanner
oder Wafer-Stepper verwendet. Im Belichtungsapparat erfolgt die
Belichtung des photoempfindlichen Resists mit elektromagnetischer
Strahlung einer vorherbestimmten Wellenlänge, die beispielsweise im
UV-Bereich liegt.
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Jede
einzelne Schicht des Schaltungsmusters wird üblicherweise mit einer speziellen
Maske (auch Reticle genannt) und einer Projektionsoptik auf den
Halbleiterwafer abgebildet. Das Reticle besteht aus einer Substratschicht,
die mit absorbierenden Elementen, wie z. B. einer Chromschicht,
versehen ist, die das Schaltungsmuster nachbilden. Die Projektionsoptik
des Belichtungsapparats enthält
oftmals mehrere Linsen und Blenden und bewirkt häufig eine Reduktion des Schaltungsmusters
bei der Übertragung
auf die Resistschicht.
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Dichte
Linien-Spalten-Muster, wie sie etwa im Bereich der Herstellung von
dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) gebildet werden,
weisen beispielsweise Strukturbreiten von 70, 90 oder 110 nm auf.
Beim lithographischen Belichtungsprozeß eines solchen Musters werden
heutzutage in den Belichtungsapparaten Wellenlängen von 248 nm oder 193 nm
verwendet.
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Die
erzielbare Strukturauflösung
wird von mehreren Faktoren beeinflußt. Dabei hat es sich unter
anderem herausgestellt, daß dicht
gepackte Strukturen mit einer anderen Linienbreite als isolierte oder
semi-isolierte Strukturen auf die Resistschicht abgebildet werden.
Weiterhin wird eine Verkürzung von
abzubildenden Linien an ihren Enden sowie eine veränderte Linienbreite
beobachtet. Um die aus diesen Effekten resultierenden Ungenauigkeiten
bei der lithographischen Projektion zu minimieren, werden kritische
Strukturelemente oftmals mit sogenannten OPC-Strukturen versehen.
OPC-Strukturen (OPC = Optical Proximity Correction) verändern an
bestimmten Stellen des Schaltungsmusters die Form bzw. Abmessungen
bestimmter Strukturelemente, bzw. sind zusätzliche sich im Photoresist
nicht abbildende Strukturen.
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Zur
Bestimmung der OPC-Strukturen wird üblicherweise das Schaltungsmuster
unter Verwendung eines Simulationsmodells der photolithographischen
Projektion berechnet, das sich bei der Abbildung auf die Resistschicht
des Halbleiterwafers ergibt. Dazu wird häufig ein Simulationsmodell
verwendet, das mittels eines zweidimensionalen Modells die physikalischchemischen
Prozesse während
der Lithographie berechnet. Diese Berechnungen müssen für nahezu die ganze Fläche des
Reticles ausgeführt werden,
um die OPC-Strukturen für
den gesamten herzustellenden Chip berechnen zu können.
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Es
hat sich allerdings gezeigt, daß die
häufig verwendeten
zweidimensionalen Modelle fehlerbehaftet sind, da aufgrund der zweidimensionalen
Betrachtung wichtige physikalische Effekte nicht berücksichtigt
werden können.
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In
der Lithographiesimulation wurden in den letzten Jahren verfeinerte,
aber aufwendigere Rechenmethoden implementiert, die eine möglichst
realitätsnahe
Modellierung und Berechnung physikalisch-chemischer Prozesse in
der Lithographietechnologie ermöglichen.
Mit diesen komplexen Simulationen können kleine Bereiche des Reticles
genau simuliert werden. Für
eine großflächige Anwendung können diese
Simulationsmodelle nicht angewendet werden, da die erforderlichen
Rechenzeiten um Größenordnungen
zu lang wären.
Beispiele für
genaue Simulationsmodelle sind das sogenannte Transfer-Matrix-Modell
und andere dreidimensionale Simulationsmodelle.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das
ein vereinfachendes photolithographisches Simulationsmodell so verbessert, daß oben genannte
Probleme überwunden
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zur Verbesserung einer photolithographischen Simulation
der Projektion eines auf einer Photomaske gebildeten Musters von
Strukturelementen auf ein Substrat gelöst, das folgende Schritte umfaßt:
- – Bereitstellen
eines Musters;
- – Bereitstellen
eines Simulationsmodells, das die physikalisch oder chemischen Prozesse
während der
Lithographie beschreibt;
- – Ausführen einer
Simulation der Projektion des Musters auf ein Substrat eines Halbleiterwafers
in einem Belichtungsapparat mit dem Simulationsmodell;
- – Berechnen
einer Intensitätsverteilung
in der Substratebene in einer zweidimensionalen Simulation der Abbildung
des Musters unter Berechnung einer Intensitätsverteilung im Fourier-Raum;
- – Bereitstellen
einer zweidimensionalen Filterfunktion;
- – Berechnen
eines frequenzabhängigen
Intensitätsverlusts
beim Schr–tt
der Simulation des Musters durch Multiplikation der Intensitätsverteilung im
Fourier-Raum mit der Filterfunktion.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, daß bei
sich verringender Gitterkonstante, was einer höheren Ortsfrequenz der Maskenstrukturen
entspricht, eine verringerte Transmission für verschiedene Frequenzen berücksichtigt werden
kann. Dadurch können
Effekte, die in einem vereinfachten, häufig nur zweidimensionalen
Simulationsmodell nicht berücksichtigt
werden können,
wie z. B. Schrägeinfall
des Lichts und damit verbundenen winkel- und polarisationsabhängige Reflexion
von Beugungsordnungen, berücksichtigt
werden, obwohl sie eigentlich nur einer dreidimensionalen Simulation voll
zugänglich
sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens erfolgt die Simulation der photolithographischen
Projektion anhand eines Modells mit mehreren gekoppelten Parametern.
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Gemäß dieser
Vorgehensweise kann ein sehr schnelles und effizientes Berechnungsverfahren zur
zweidimensionalen Simulation angewendet werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird darüber
hinaus die bei der Belichtung strukturierte Resistschicht vermessen
und die Filterfunktion so ausgewählt,
daß sie
wenigstens einen Fitparameter aufweist, wobei der Fitparameter so
gewählt
wird, daß die
simulierte Intensitätsverteilung
mit den gemessenen Abständen
der Resiststruktur übereinstimmt.
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Gemäß dieser
Vorgehensweise kann beispielsweise im OPC-Prozeßfluß für die Berechnung von OPC-Strukturen
die verwendete Filterfunktion an gemessenen Resiststrukturen angepaßt, d.h.
kalibriert werden, so daß sich
eine optimale Übereinstimmung
ergibt. Der Fitparameter stellt sich dabei als wei terer Parameter
bei der Anpassung des Simulationsmodells an die realen Verhältnisse
dar und kann somit bei einer Kalibrierung des Simulationsmodells neben
den üblichen
Parametern wie z. B. Resistkontrast gleichfalls optimiert werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens weist die Filterfunktion die Form einer Gauß-Funktion
auf, wobei die Halbwertsbreite der Gauß-Funktion dem Fitparameter
entspricht und durch eine Messung der Resiststruktur bestimmt wird.
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Gemäß dieser
Vorgehensweise kann der Fitparameter auf einfache Weise angepaßt werden, ohne
dazu komplizierte Berechnungen vornehmen zu müssen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird die Filterfunktion durch eine simulierte Resiststruktur
bestimmt.
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Gemäß dieser
Vorgehensweise kann eine Anpassung des Fitparameters der Filterfunktion
erfolgen, ohne eine tatsächliche
Belichtung einer Resistschicht ausführen zu müssen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
den Ablauf des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens
anhand eines Flußdiagramms
und
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2 in
einem Diagramm gemessene und simulierte Strukturbreiten, die zur
Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
herangezogen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird im folgenden als Teil eines OPC-Prozeßflusses für die Berechnung von OPC-Strukturen
eines Schaltungsmusters erläutert.
Im OPC-Prozeßfluß wird üblicherweise
eine Optimierung der Geometrie der Maskenstrukturen und gegebenenfalls
weiterer Lithographieparameter durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich aber auch für
andere Berechnungen, die eine Simulation eines großflächigen Schaltungsmusters
erfordern.
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In 1 ist
in Form eines Flußdiagramms eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt. OPC-Strukturen dienen dazu, bestimmte Strukturelemente
des Schaltungsmusters in ihrer Linienbreite zu verändern, so
daß bestimmte Abbildungsfehler
bei der Übertragung
des Schaltungsmusters in eine Resistschicht eines Halbleiterwafers
kompensiert werden können.
Unter OPC-Strukturen werden beispielsweise mit Serifen oder Hammerheads
bezeichnete Strukturen verstanden, die gezielte Veränderung
von Linienbreiten oder die Hinzunahme von feine Strukturelementen
(scattering bars), die unterhalb der Auflösungsgrenze des Belichtungsapparates
liegen, zählen
ebenfalls dazu.
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Um
die anzuwendende gezielte Veränderung
der Strukturelemente bestimmen zu können, wird üblicherweise das Schaltungsmuster
während der
photolithographischen Projektion auf die Resiststruktur in einem
Simulationsprogramm berechnet. Da die Auswahl bzw. Bestimmung von
Größe und Form
der OPC-Strukturen nicht Gegenstand der Erfindung ist, ist in dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 nur
ein Teil des Verfahrens gezeigt, das zur Bestimmung von OPC-Strukturen
angewendet wird. Üblicherweise
sind die Schritte Start 10 und Ende 15 des Verfahrens
in ein Programm eingebunden, das zur Auswahl bzw. Berechnung der
OPC-Strukturen dient und in einer Art Unterprogramm das erfindungsgemäße Verfahren
umfaßt.
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In
einem ersten Verfahrensschritt 20 wird das Kalibrierungsmuster
für die
Filterfunktion (auch als Pupillenfilter be zeichnet) bereitgestellt.
Dazu können beispielsweise
die Daten eines Layoutprogramms verwendet werden. Es enthält Strukturen
deren Beugungsmuster die Linsenpupille abtasten, z. B. Linen-/Spaltmuster
verschiedener Periodizität
in jeweils verschiedener Orientierung.
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In
einem zweiten Schritt 22 wird das Simulationsmodell bereitgestellt.
Das Simulationsmodell kann dabei eine Simulation mit mehreren gekoppelten
Parametern (sogenanntes Lumped Element Program, das mit scaled defocus
scalar oder scaled defocus vector Abbildungsmodellen ausgeführt ist)
umfassen. Es ist im Rahmen der Erfindung aber auch vorgesehen, daß jedes
andere skalare oder vektorielle Simulationsmodell verwendet werden
kann.
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Im
dritten Schritt 24 wird eine Filterfunktion bereitgestellt.
Die Filterfunktion umfaßt
einen oder mehrere Fitparameter, die die üblicherweise zweidimensionale
Filterfunktion charakterisieren. Die Filterfunktion kann beispielsweise
in Form einer Gauß-Funktion
ausgeführt
sein. Dabei wäre
die Halbwertsbreite ein geeigneter Fitparameter. Die Filterfunktion
kann auch als Polynom höherer
Ordnung oder im allgemeinen als zweidimensionale numerische Matrix
vorliegen.
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Falls
erforderlich, werden in einem weiteren Schritt 26 die notwendigen
Fitparameter bereitgestellt, und zwar normalerweise am Anfang der
Kalibrierung basierend auf Erfahrung oder im Zuge der Optimierung
mit veränderten
Parametern entsprechend dem Fitverfahren, das selbst nicht Gegenstand
der Erfindung ist. Bei einer Simulation 28 der photolithographischen
Projektion des Schaltungsmusters auf das Substrat des Halbleiterwafers
bedient man sich üblicherweise
in einem Zwischenschritt einer Fourier-Transformation, so daß die Filterfunktion
ebenfalls in der Fourier-Ebene vorliegen muß. Durch eine Multiplikation
der Intensitätsverteilung
im Fourier-Raum mit der Filterfunktion läßt sich ein frequenzabhängiger Intensitätsverlust
berechnen. Dies ist bei der Berechnung mit einem zweidimensionalen
Modell besonders wichtig, da Effekte wie z. B. der Schrägeinfall
von Licht im Projektionsapparat sowohl von der Polarisation wie
auch von der Beugungsordnung des Lichts abhängt. Dadurch werden Randstrahlen,
die in höherer
Beugungsordnung vorliegen, üblicherweise
geschwächt.
Durch die Filterfunktion werden diese Effekte berücksichtigt.
Es sei an dieser Stelle erwähnt,
daß die
Filterfunktion unphysikalischer Natur ist. Durch die fehlerbehaftete Simulation
ergibt sich ein fehlerbehaftetes Simulationsergebnis, das durch
die Filterfunktion korrigiert wird. Der tatsächliche frequenzabhängige Transmissionsverlauf
der Projektionsoptik ist für
Randstrahlen in Wirklichkeit kleiner als der durch die Filterfunktion beschriebene
Wert.
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Nachfolgend
wird ein Berechnen 30 der Intensitätsverteilung in der Resist-Ebene
durchgeführt. Das
im ersten Schritt 20 bereitgestellte Kalibrierungsmuster
wird in der Regel dazu verwendet werden, ein Belichten 32 eines
Halbleiterwafers mit einer Resistschicht durchzuführen, wobei
die Abmessungen der Strukturelemente des Schaltungsmusters anschließend durch
Messen 34 der belichteten und entwickelten Resistschicht
bestimmt werden können.
Das Vermessen der Strukturelemente kann beispielsweise mittels eines
Rasterelektronenmikroskops durchgeführt werden.
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Durch
Vergleich 36 kann die gemessene Resiststruktur und die
aus dem simulierten Intensitätsverlauf
errechnete Resiststruktur auf Unterschiede hin überprüft werden. Falls in Abfrage 38 die
Unterschiede klein bzw. tolerierbar sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren
beendet, anderenfalls wird durch Modifikation 40 der oder
die Fitparameter verändert.
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Die
modifizierten Fitparameter werden wiederum im weiteren Prozeßschritt 26 dem
Simulationsmodell bereitgestellt. Durch mehrfaches Vergleichen kann
das Simulationsergebnis der gemessenen Resiststruktur angepaßt werden.
Damit ist es möglich,
mittels eines einfachen zweidimensionalen Simulations modells eine
gute Übereinstimmung
zwischen gemessener und simulierter Resiststruktur zu erzielen.
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Es
ist im Rahmen der Erfindung aber auch vorgesehen, anstelle der gemessenen
Resiststruktur eine exakter simulierte Resiststruktur in einem alternativen
Prozeßschritt 42 bereitzustellen,
die zum Vergleich mit dem Simulationsergebnis herangezogen wird.
Die simulierte Resiststruktur kann dabei beispielsweise von einem
Simulator bereitgestellt werden, der dreidimensionale Effekte berücksichtigt. Beispielsweise
sind Simulatoren bekannt, die dreidimensionale Maskeneffekte wie
z. B. Beugung und Nahfeldeffekte an der Maske berechnen können. Außerdem ist es mit diesen Simulatoren möglich, die Winkelabhängigkeit
der Lichtreflexion an der Resistoberfläche berechnen zu können.
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Weiterhin
ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Werte für den bzw.
die Fitparameter empirisch zu bestimmen, beispielsweise aus Erfahrungswerten
früherer
Kalibrierungen unter Berücksichtigung
der Transmissionsunterschiede der früheren und im konkreten Anwendungsfall
vorliegenden Linsen.
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Der
entscheidende Vorteil der Erfindung beruht darin, mit einem relativ
einfachen und damit schnell auszuführenden Simulationsmodell eine
sehr hohe Genauigkeit zu erzielen. Im folgenden Beispiel wird anhand
gemessener Simulationszeiten gezeigt, daß ein Simulator, der sehr genaue
Modelle verwendet, nicht für
großflächige Berechnungen
geeignet ist. Beispielsweise wurde mit einem dreidimensionalen Transfer-Matrix-Modell (beispielsweise
bereitgestellt durch den Simulator Solid-C der Firma Sigma-C) für ein Meßfenster
von 0,04 μm
auf 0,04 μm eine
Simulationsdauer von 1360 s beobachtet. Wird jedoch das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet, beträgt
die Simulationszeit nur noch 120 s. Zur Bestimmung von OPC-Strukturen werden
oftmals Chipflächen
von einigen hundert Quadratmikrometern berechnet. Die Simulation
mit einem genauen Simulationsmodell würde mehrere Tage bzw. Jahre
in An spruch nehmen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich
diese Berechnungen jedoch in wenigen Stunden durchführen, ohne
merkliche Genauigkeitseinbußen
feststellen zu können.
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Die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare
Genauigkeit soll im folgenden anhand eines Beispiels demonstriert
werden. In 2 ist ein Linearitätsdiagramm
gezeigt, bei dem die Abhängigkeit
der Linienbreite CDWafer eines Linien-Spalten-Musters auf
dem Wafer von der Linienbreite CDMaske auf
der Maske dargestellt wird. Auf der Maske ist die Linienbreite und
die Breite des Spaltes jeweils gleich gewählt. Die angegebenen Werte
beziehen sich auf unterschiedliche Periodizität des Linien-Spalten-Musters.
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In
der ersten Kurve 50 sind die Dimensionen des Linien-Spalten-Musters gezeigt,
die durch Messung gewonnen wurden, nachdem das Schaltungsmuster
auf einen Wafer übertragen
wurde. Man erkennt, daß die
tatsächlich
erzielten Linienbreiten CDWafer besonders
im Bereich der Auflösungsgrenze deutlich
nicht linear von der Linienbreite CDMaske der Maske
abhängen.
Diese Nichtlinearität
ist eine wichtige Eigenschaft des lithographischen Prozesses, die beispielsweise
bei der Bestimmung der OPC-Strukturen korrekt beschrieben werden
muß.
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In
Kurve 52 ist die Simulation mit einem einfachen Modell,
das Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, gezeigt.
Man erkennt, daß insbesondere
die Nichtlinearität
nicht ausreichend beschrieben wird. In Kurve 54 ist das
Simulationsergebnis des dreidimensionalen Simulationsmodells gezeigt.
Man erkennt, daß dort
eine annähernd
realistische Linearität
simuliert wurde. In der vierten Kurve 56 ist das Simulationsergebnis
gezeigt, das durch das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wurde. Für die Filterfunktion
wurde eine Gauß-Funktion
angenommen, wobei der Fitparameter bei der Kalibrierung an die Meßwerte angefittet
wurde. Man erkennt, daß das
erfindungsgemäße Verfahren
die beste Übereinstimmung
mit den Meßwerten
erzielt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich leicht
in Simulationsmodelle verschiedener Hersteller von Simulationsprogrammen
integrieren. Als Beispiel seien hier der Optissimo Simulator der
Firma PDF-Solutions oder der Calibre Simulator der Firma Mentor
Graphics angeführt.
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- 10
- Start
- 15
- Ende
- 20
- erster
Schritt
- 22
- zweiter
Schritt
- 24
- dritter
Schritt
- 26
- weiterer
Schritt
- 28
- Simulation
- 30
- Berechnen
- 32
- Belichten
- 34
- Messen
- 36
- Vergleichen
- 38
- Abfragen
- 40
- Modifizieren
- 42
- alternativer
Prozeßschritt
- 50
- erste
Kurve
- 52
- zweite
Kurve
- 54
- dritte
Kurve
- 56
- vierte
Kurve