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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung
des Höhenprofils
eines Halbleitersubstrats entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und
10. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine konfokale Wafer-Inspektionsvorrichtung
und ein Verfahren zur linienweisen Aufzeichnung des Höhenprofils
eines gesamten Wafers.
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Eine
konfokale Wafer-Inspektionsvorrichtung und -Verfahren, bei denen
eine konfokal-chromatische Höhenmessvorrichtung
mit einem Translationstisch, einem Computer und zwei Kameras kombiniert
ist, ist aus der
WO
03/036227 A1 bekannt.
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Die
U.S. Patentanmeldung
2005/0030528 A1 offenbart eine konfokalchromatische Wafer-Inspektionsvorrichtung
und -verfahren basierend auf einer konfokalen Höhenmessvorrichtung zur genauen
Höhenmessung
dreidimensionaler Objekte auf mikroelektronischen Wafer Chips. Die
Vorrichtung umfasst neben der konfokalen Höhenmessvorrichtung, die eine
punktförmige
Lichtquelle und einen räumlichen
Filter enthält,
einen Translationstisch, einen Computer, ein Mikroskop und zwei
Kameras.
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Die
EP 0 916 981 B1 offenbart
ein konfokales Spektroskopiesystem und – verfahren mit einer wellenlängen-programmierbaren
Lichtquelle.
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Aus
der
US 6167148 ist eine
verbesserte Wafer-Inspektionsvorrichtung und – verfahren bekannt, bei denen
ein Weisslicht-Abbild einer gesamten Waferoberfläche erzielt wird.
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Die
WO 01/51885 A1 offenbart
eine Höhenmessvorrichtung
für Bumps
(mikroskopische Metallkugeln) auf Wafern sowie ein Verfahren zur
Messung und dem direkten Vergleich von Bump-Höhen auf Wafern basierend auf
der Projektion einer zirkulären Lichtquelle
auf einen Bump aus verschiedenen Projektionswinkeln.
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Nachteile
des Standes der Technik: Bei den vorliegenden Erfindungen wird die
Oberfläche
punktförmig
abgetastet. Dadurch ergibt sich eine begrenzte Abtastgeschwindigkeit
und eine Begrenzung des Waferdurchsatzes bei Oberflächenvermessungen des
gesamten Wafers.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu schaffen, mit denen das Höhenprofil
einer strukturierten Probe schnell, genau und preiswert vermessen
werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die
Aufgabe wird auch gelöst
durch die Verfahrensmerkmale des Patentanspruchs 10.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass mit einer linienweisen Aufnahme das Höhenprofil einer großen Anzahl benachbarter
Punkte gleichzeitig durchgeführt
werden kann und dadurch eine schnellere Detektion als im Falle punktweiser
Abtastung möglich
wird. Ferner kann das Höhenprofil
eines gesamten Wafers rasch aufgezeichnet werden. Die Verwendung
eines zweidimensionalen Detektors erhöht zusätzlich die Detektionsgeschwindigkeit
und ermöglicht
zudem eine preiswerte und genaue Höhenmessung.
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Die
Aufgabe wird insbesondere gelöst
durch eine Vorrichtung zur Messung des Höhenprofils eines Halbleitersubstrats
mit einer Weisslicht-Lichtquelle, die einen Beleuchtungsstrahlengang
definiert, über
den das von der Weisslicht-Lichtquelle
ausgehende Weisslicht über
einen Strahlteiler auf das Halbleitersubstrat trifft, und dass der
Strahlteiler das vom strukturierten Substrat reflektierte Licht
in einen Detektionsstrahlengang lenkt und auf eine Detektionseinheit
richtet. Im Detektionsstrahlengang ist ein dispersives Element angeordnet,
vor dem sich eine spaltförmige
Blende befindet. Die Detektionseinheit ist ein zweidimensionaler
Detektor.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die im Beleuchtungsstrahlengang angeordneten
Linsen nicht hinsichtlich ihrer chromatischen Aberration korrigiert sind,
sodass das Licht der Quelle verschiedener Wellenlängen in
unterschiedlichen Ebenen abgebildet wird. Wird das von der Oberfläche reflektierte
Licht über
einen Strahlteiler auf eine spaltförmige Blende abgebildet, gelangt
von jedem Punkt auf der Oberfläche
nur Licht einer Wellenlänge
in den Detektor. Das Licht anderer Wellenlängen wird nicht in die Spaltebene
fokussiert und dadurch stark abgeschwächt. Da die in den Detektor
gelangende Wellenlänge
von der jeweiligen Strukturhöhe
des Substrats abhängt,
kann mit einer Wellenlängenmessung
auf die am jeweiligen Ort des Substrats geschlossen werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung trifft
im Beleuchtungsstrahlengang ein Beleuchtungsfleck auf das strukturierte Substrat,
dessen Durchmesser größer als
die Länge der
spaltförmigen
Blende ist. Die Länge
der spaltförmigen
Blende soll kleiner oder gleich dem Durchmesser des strukturierten
Substrats sein.
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Es
ist weiterhin ein Mittel vorgesehen, das eine Relativbewegung zwischen
dem strukturierten Substrat und der spaltförmigen Blende erzeugt. In einem
Ausführungsbeispiel
wird hierzu ein XY-Scantisch verwendet, auf dem das Substrat fest
aufliegt. Durch entsprechende Rasterbewegungen des XY-Scantisches lässt sich
das Höhenprofil
des gesamten Substrats schnell erfassen. Das Halbleitersubstrat
kann ein strukturierter oder unstrukturierter Wafer, ein Flat Panel
Display oder eine Maske zur Halbleiterherstellung sein. Zur spektralen
Auffächerung
ist ein dispersives Element angeordnet, wobei dieses ein eindimensionales
optisches Gitter oder ein Prisma ist. Dabei versteht man unter einem
eindimensionalen Gitter eine Vielzahl von parallel angeordneten
optischen Elementen wie z.B. mikroskopischen Prismen oder Metallstreifen,
deren Periodizität sich
nur in eine Richtung erstreckt.
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Zur
Detektion des einfallenden Lichts wird ein. zweidimensionaler Detektor
verwendet, wie z.B. ein CCD-Chip oder ein CMOS-Chip.
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Die
Aufgabe wird auch gelöst
durch ein Verfahren zur Aufzeichnung des Höhenprofils eines strukturierten
Substrats. Dabei wird zunächst
das strukturierte Substrat mit einem Beleuchtungsfleck aus Weisslicht
beleuchtet. Dann wird das vom Halbleitersubstrat reflektierte Weisslicht
auf eine spaltförmige
Blende abgebildet und mit einem dispersiven Element spektral aufgefächert. Die
einzelnen spektralen Anteile des aufgefächerten Lichts werden mit einem
zweidimensionalen Detektor detektiert, wobei mit dem zweidimensionalen
Detektor unterschiedliche Orte der spektralen Anteile auf dem strukturierten
Substrat ermittelt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Länge
der spaltförmigen
Blende kleiner als der Durchmesser des strukturierten Substrats.
Der Beleuchtungsfleck ist derart ausgebildet, dass er die spaltförmige Blende überstrahlt.
Die Größe des Beleuchtungsflecks
ist dabei so bemessen, dass mit mindestens zwei Scanbewegungen die
gesamte Oberfläche
des strukturierten Substrats erfasst werden kann.
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Das
aufgefächerte
Licht wird mit einem CCD-Chip oder einem CMOS-Chip detektiert und
die unterschiedlichen Orte der spektralen Anteile auf dem zweidimensionalen
Detektor in eine Höheninformation
der auf dem Halbleitersubstrat vorgesehenen Strukturen umgerechnet.
Als strukturiertes Substrat wird bevorzugt ein Wafer, ein Flat Panel
Display oder eine Maske zur Halbleiterherstellung verwendet.
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In
den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt
und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung zur Höhenmessung eines strukturierten Substrats
mittels des konfokalen Prinzips gemäss dem Stand der Technik;
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2a eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur linienweisen
Abtastung der Oberfläche
eines Halbleitersubstrats, wobei die spaltförmige Blende in Y-Richtung
orientiert ist;
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2b eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur linienweisen
Abtastung der Oberfläche
eines Halbleitersubstrats, wobei die spaltförmige Blende senkrecht zur
X-Richtung orientiert ist;
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3a eine
schematische Darstellung des zur Höhenmessung verwendeten zweidimensionalen Detektors,
beispielsweise einem CCD-Chip oder einem CMOS-Chip, bei dem die
verschiedenen Wellenlängen
an unterschiedlichen Orten x registriert werden. In Y-Richtung ist
das Wellenlängenspektrum für unterschiedliche
Punkte in X-Richtung aufgetragen;
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3b eine
schematische Darstellung eines Höhenprofils,
wo aus der y-Lage des Intensitätsmaximums
auf die Höhe
des Wafers am Ort x geschlossen werden kann;
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4 eine
schematische Darstellung der Anordnung und Relativbewegung von Halbleitersubstrat,
Weisslichtbeleuchtung bzw. Beleuchtungsfleck und spaltförmiger Blende;
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5a eine
schematische Darstellung dreier unterschiedlich hoher Strukturen
auf einem Halbleitersubstrat, deren jeweilige Höhe durch Verwendung eines Weisslichtbeleuchtungsflecks
und der spaltförmigen
Blende gleichzeitig erfasst werden; und
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5b eine
schematische Darstellung der drei unterschiedlich hohen Strukturen
auf einem Halbleitersubstrat in der Draufsicht.
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Gleiche
Merkmale und Elemente werden in verschiedenen Abbildungen der Einfachheit
halber mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Höhenmessung
eines strukturierten Substrats mittels des konfokalen Prinzips gemäss dem Stand
der Technik (Quelle: SPIE's
46th Annual Meeting, San Diego, USA, 2.–3. August 2001, Vortrag Firma
Stil). Eine punktförmige
Weisslichtquelle 3 wird auf der Oberfläche 5a des Substrates 5 abgebildet.
Die abbildende Linse 7 besitzt starke chromatische Aberration,
d. h., das Licht der Quelle verschiedener Wellenlängen, dargestellt
als 11.1, 11.2 und 11.3 wird in unterschiedlichen
Ebenen abgebildet. Wird das von der Oberfläche 5a des Substrates 5 reflektierte
Licht über
einen Strahlteiler 9 auf eine punktförmige Aperturblende 13,
deren Abstand zum Strahlteiler 9 konstant gehalten wird,
abgebildet, so gelangt nur Licht einer Wellenlänge 11.2 in das Spektrometer 15.
Das Licht der anderen Wellenlängen 11.1 und 11.3 ist
nicht auf einen Punkt der Oberfläche 5a des
strukturierten Substrats 5 fokussiert und dadurch stark
abgeschwächt
und trifft als Lichtfleck auf die punktförmige Aperturblende 13.
Mit Kenntnis der chromatischen Aberration der abbildenden Linse 7 last
sich durch eine Messung im Spektrometer 15 auf die aktuelle
Höhe des
Substrats 5 schließen.
Dabei ist zu beachten, dass nur diejenige Wellenlänge, die
die optimale Fokusbedingung erfüllt (11.2),
mit der größten Intensität im Spektrometer
abgebildet wird. Aus der Intensitätsmessung der jeweiligen Wellenlängen kann
somit die aktuelle Höhe
des Substrats bestimmt werden.
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Da
die Wellenlänge
mit der Höhe
auf dem Substrat korreliert, kann man mit einer Wellenlängenmessung
auf die Strukturhöhe
schließen.
Dazu wird das Licht spektral zerlegt und auf eine CCD-Zeile abgebildet.
Jeder Punkt der Zeile entspricht damit einer bestimmten Höhe der Struktur
des Substrats.
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2a zeigt
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des
Höhenprofils.
Das Licht einer Weisslichtquelle 3 wird im Beleuchtungsstrahlengang 16 mit
einem Linsensystem 17 parallelisiert und über einen
Strahlteiler 9 sowie ein fokussierendes Linsensystem 7 bevorzugt
in Form eines spaltförmigen
Beleuchtungsflecks auf der Oberfläche 5a eines Substrats 5 abgebildet. Das
Linsensystem 7 besitzt starke chromatische Aberration,
so dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedliche Ebenen
des Substrats 5 abgebildet wird. Eine genaue Beschreibung
der fokussierten Ebenen wird in 5 gegeben.
Der Strahlteiler 9 richtet das von der Oberfläche 5a des
Substrats 5 reflektierte Licht im Detektionsstrahlengang 18 mit dem
Linsensystem 19 zunächst
auf die spaltförmige Blende 21 und
dann über
das Linsensystem 25 auf den Detektor 29, wobei
die Blende 21 nur Lichtbündel der Wellenlängen, die
die Fokusbedingungen eines linienförmigen Abschnitts der Oberfläche 5a erfüllen, durchlässt (s.
auch 5a, 5b). Das von der spaltförmigen Blende 21 ausgehende
Licht wird über ein
senkrecht zur X-Richtung angeordnetes Gitter 23 gelenkt
und mit einem zweidimensionalen Detektor 29 detektiert,
wobei unterschiedliche Orte der spektralen Anteile auf dem Substrat 5 ermittelt
werden. Da in diesem Fall nur Licht einer Wellenlänge das
Gitter 23 passiert, findet keine spektrale Auffächerung
statt. Die spaltförmige
Blende 21 ist in dieser Darstellung in Y-Richtung orientiert,
zeigt also aus der Papierebene heraus, so dass in dieser Darstellung
nur der Blendenrahmen sichtbar ist.
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27.1 und 27.2 bezeichnen
zwei Lichtbündel unterschiedlicher
Orte gleicher Höhe
auf einem Linienabschnitt der Oberfläche 5a des strukturierten
Substrats 5 bzw. im zweidimensionalen Detektor 29.
Es handelt sich also um die Abbildung einer Linie mehrerer Punkte
von Ebenen gleicher Höhe
und gleicher Wellenlänge
auf dem Detektor.
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2b zeigt
eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung des Höhenprofils.
In 2b bezeichnen 11.1 und 11.2 Lichtbündel unterschiedlicher
Wellenlänge
bzw. Farbe von verschiedenen Orten in unterschiedlichen Ebenen auf
der Oberfläche 5a des
Substrats 5, die die Fokusbedingungen erfüllen. 2b ist
gegenüber 2a um
90° in X-Richtung
gedreht, um den Zusammenhang zwischen Wellenlänge, bzw. Farbe und einem vom
Weisslichtfleck beleuchteten Ort auf dem strukturierten Substrat 5 zu
verdeutlichen.
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Das
von der Weisslichtquelle 3 emittierte Licht wird im Beleuchtungsstrahlengang 16 mit
einem Linsensystem 17 parallelisiert und über einen Strahlteiler 9 sowie
ein fokussierendes Linsensystem 7 bevorzugt in Form eines
spaltförmigen
Beleuchtungsflecks auf der Oberfläche 5a eines strukturierten
Substrats 5 abgebildet. Das Linsensystem 7 besitzt
starke chromatische Aberration, so dass Licht unterschiedlicher
Wellenlängen
auf unterschiedlichen Ebenen des Substrats 5 abgebildet
wird. Eine genaue Beschreibung der fokussierten Ebenen wird in 5a und 5b gegeben.
Der Strahlteiler 9 richtet das von der Oberfläche 5a des
Substrats 5 reflektierte Licht im Detektionsstrahlengang 18 mit
dem Linsensystem 19 zunächst
auf die spaltförmige
Blende 21 sowie das Gitter 23 und dann über das
Linsensystem 25 auf den Detektor 29, wobei die
Blende 21 nur Lichtbündel
der Wellenlängen,
die die Fokusbedingungen eines linienförmigen Abschnitts der Oberfläche 5a erfüllen, durchlässt (s.
auch 5a und 5b). Das
von der spaltförmigen
Blende 21 ausgehende Licht wird über ein in X-Richtung angeordnetes
Gitter 23 spektral aufgefächert und mit einem zweidimensionalen
Detektor 29 detektiert, wobei unterschiedliche Orte der
spektralen Anteile auf dem strukturierten Substrat ermittelt werden.
Eine schematische Darstellung des Detektors wird in 3a gezeigt.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik, dargestellt in 1,
wo durch Verwendung einer punktförmigen
Weisslichtquelle 3 und einer punktförmigen Aperturblende 13 jeweils
nur eine Wellenlänge
das Spektrometer 15 erreicht, treffen durch Verwendung der
fleckförmigen
Lichtquelle, der spaltförmigen Blende
und des eindimensionalen Gitters mehrere Wellenlängen gleichzeitig auf den zweidimensionalen
Detektor. Dadurch wird für
die gleiche Oberfläche eine
kürzere
Aufnahmezeit erzielt.
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3a zeigt
eine schematische Darstellung des in 2b zur
Messung verwendeten zweidimensionalen Detektors 29, beispielsweise
einem CCD-Chip,
bei dem die verschiedenen Wellenlängen in Y-Richtung aufgespaltet
sind und an unterschiedlichen Orten registriert werden. In Y-Richtung
ist das Wellenlängenspektrum
blau, grün
und rot für
jeweils unterschiedliche Punkte auf der Substratoberfläche in X-Richtung
aufgetragen. Das Licht trifft dabei linienweise auf den CCD-Chip.
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3b zeigt,
wie aus der y-Lage des Intensitätsmaximums
auf die Höhe
des strukturierten Substrats am Ort x geschlossen werden kann. Diese
Darstellung des Substratprofils ergibt sich durch Drehung der Darstellung
in 3a um 90° entgegen dem
Uhrzeigersinn. Auf dem Höhenprofil
zeigen sich zwei Höhen-Maxima,
die aus der Reflexion von Licht blauer Wellenlänge herrühren sowie ein absolutes Höhen-Minimum
der Oberfläche,
herrührend
aus der Reflexion von Licht roter Wellenlänge. Licht grüner Wellenlänge gibt
Strukturen mittlerer Höhe
wieder.
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4 ist
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung und Relativbewegung 33 von
Substrat 5, Weisslichtbeleuchtung bzw. Beleuchtungsfleck 31 und
spaltförmiger
Blende 21. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung trifft
im Beleuchtungsstrahlengang ein Beleuchtungsfleck 31, dessen
Durchmesser größer als
die Länge der
spaltförmigen
Blende ist, auf das Substrat 5. Das Substrat 5 liegt
dabei auf einem XY-Scantisch, der durch Rasterbewegungen 33 dafür sorgt,
dass sukzessive das gesamte Substrat 5 beleuchtet und mithin
das gesamte Höhenprofil
des Substrats 5 erfasst wird. Ferner zeigt in einer bevorzugten
Ausführungsform
der Beleuchtungsfleck 31 eine Linienform entsprechend der
spaltförmigen
Blende.
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5a ist
eine schematische Darstellung dreier unterschiedlich hoher Strukturen,
deren jeweilige Höhen
durch Verwendung eines Weisslichtbeleuchtungsflecks, der mehrere
Wellenlängen 27.3, 27.4 und 27.5 umfasst,
und der spaltförmigen
Blende 21 gleichzeitig auf einer Linie erfasst werden.
Die Wellenlängen 27.3, 27.4 und 27.5 werden
durch die chromatische Aberration in den Ebenen 28.3, 28.4 und 28.5 abgebildet
und erfüllen
die Fokusbedingung der jeweiligen Strukturhöhen von 5.1, 5.2 und 5.3 und werden
entsprechend 3a aufgezeichnet.
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5b ist
eine weitere schematische Darstellung der Strukturen auf einem Substrat 5,
die durch eine Scanbewegung 21.1 relativ zur spaltförmigen Blende 21 abgetastet
werden. Jede der drei unterschiedlich hohen Strukturen 5.1, 5.2 und 5.3 werden
mit der Blende erfasst, so dass diese auch gleichzeitig vermessen
werden können.
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Die
gezeigten Anordnungen und Verfahren dienen vor allem der sogenannten
Makroinspektion von Wafern, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.