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Die
Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Überprüfung von Substraten, insbesondere
von Halbleiterwafern und Objektplatten. Insbesondere betrifft die
Erfindung ein neuartiges System, welches Pixellinien auf dem Substrat
ausleuchtet und von den Linien reflektiertes und/oder gestreutes
Licht abbildet.
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Zur Überprüfung von
Wafern und Objektplatten sind im Stand der Technik mehrere Systeme
bekannt. Zwei Beispiele für
solche Systeme sind in 1 und 2 gezeigt.
Bei dem Beispiel des Systems von 1 wird der
Wafer 100 mit einem Lichtstrahl ausgeleuchtet, der von
einer Lichtquelle 110 ausgeht und den Wafer unter einem
Winkel von 90° erreicht
(worauf insgesamt als normale Ausleuchtung Bezug genommen wird).
Vorzugsweise liefert die Lichtquelle kohärentes Licht, d. h. die Lichtquelle kann
eine Laserquelle sein. Der Lichtstrahl überstreicht den Laser mittels
einer Überstreicheinrichtung 120,
gewöhnlich
einer Akusto-Optischen-Überstreicheinrichtung
(AOD) oder ein rotierender Spiegel, in die Richtung, die durch den
Pfeil mit Doppelkopf markiert ist. Der Wafer 100 wird in
die senkrechte Richtung bewegt, indem der Träger bewegt wird, auf dem der
Wafer liegt. Somit kann eine zweidimensionale Fläche des Wafers von dem Lichtstrahl überstrichen
werden.
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Da
der Wafer prinzipiell eine spiegelartige obere Fläche hat,
reflektiert der Lichtstrahl nach dem Snell'schen-Gesetz mit 180° spiegelnd zurück. Dieses
spiegelnd reflektierte Licht wird von einem Lichtsensor 140 gesammelt
und sein Signal wird dazu verwendet, ein "Hellfeld"-Bild zu erhalten, d. h. ein Bild, das
von spiegelnd reflektiertem Licht erzeugt wird. Immer dann, wenn
der Lichtstrahl eine Unregelmäßigkeit
auf dem Wafer trifft, beispielsweise ein Teilchen oder ein geätztes Muster,
streut jedoch das Licht in verschiedene Richtungen. Etwas von dem gebeugten/gestreuten
Licht wird dann von den Lichtsensoren 130 gesammelt und
ihr Signal dazu verwendet, ein "Dunkelfeld"-Bild zu erhalten,
d. h. ein Bild, das von gebeugtem/gestreutem Licht erzeugt wird.
Wenn somit der Wafer kein Muster auf sich trägt (beispielsweise ein blanker
Wafer ist), erscheinen die Unregelmäßigkeiten in dem Dunkelfeld-Bild
als Sterne in einem dunklen Himmel. Wenn der Wafer ein Muster auf
sich trägt,
verursachen die Unregelmäßigkeiten
ein Streulicht, das von der normalen durch das Muster verursachten
Beugung abweicht.
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Bei
dem als Beispiel in 2 gezeigten System wird der
Wafer 200 von einem Lichtstrahl beleuchtet, der von einer
Lichtquelle 210 ausgeht, den Wafer jedoch unter einem flachen
Winkel erreicht, worauf insgesamt als streifende Ausleuchtung Bezug genommen
wird. Der Lichtstrahl überstreicht
den Wafer mittels seiner Überstreicheinrichtung 220,
gewöhnlich
eine Akusto-Optische-Überstreicheinrichtung
oder ein drehender Spiegel, in die Richtung, die durch den Pfeil
mit dem Doppelkopf markiert ist. Der Wafer 200 wird in
der senkrechten Richtung bewegt, indem der Träger bewegt wird, auf dem der
Wafer liegt. Somit kann eine zweidimensionale Fläche des Wafers von dem Lichtstrahl überstrichen
werden.
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Da
das Licht den Wafer mit einem streifenden Winkel θ erreicht,
erfolgt die Spiegelreflexion mit einem entsprechenden Winkel θ nach dem Snell'schen Gesetz. Dieses
Licht kann von einem Sensor 240 gesammelt werden und sein
Signal wird dazu verwendet, das Hellfeld-Bild zu erzeugen. Alles gebeugte/gestreute
Licht wird von Sensoren 230 gesammelt, deren Signal dazu
verwendet wird, Dunkelfeld-Bilder zu erzeugen. Alles gebeugte/gestreute Licht
wird von Sensoren 230 gesammelt, deren Signal dazu verwendet
wird, Dunkelfeld-Bilder
zu erzeugen.
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Bei
den vorstehenden beispielsweisen Systemen werden die Bilddaten bezogen
auf jeden Sensor seriell erfasst. D. h., dass jedes zweidimensionale Bild,
ob Hell- oder Dunkelfeld, dadurch aufgebaut wird, dass Signale Pixel
für Pixel
pro überstreichendem
Lichtstrahl erfasst werden. Dies ist ein zeitraubender serieller
Vorgang, der die Leistung solcher Systeme direkt beeinflusst. Darüber hinaus
ist die Überstreichgeschwindigkeit
solcher Systeme durch die Geschwindigkeit der Überstreicheinrichtung (d. h. durch
die Bandbreite für
eine Akusto-Optische-Überstreicheinrichtung)
und durch die Elektronik beschränkt,
die die Detektoren trägt,
beispielsweise den SEV (Sekundär-Elektronen-Vervielfacher).
Es besteht somit ein Bedürfnis,
ein System zu entwickeln, das keinen überstrichenen Lichtstrahl verwendet.
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Da
die Auslegungskriterien schrumpfen, wird vorwärts blickend die Bedeutung
der Erfassung von zunehmend kleinen Unregelmäßigkeiten äußerst wichtig. Bei Auslegungskriterien,
wie 0,18 und 0,15 μm
können
sehr kleine Unregelmäßigkeiten,
wie Teilchen mit Submikrongröße, tödliche Defekte
sein und die Fehlfunktion der Vorrichtung herbeiführen. Um solche
kleinen Unregelmäßigkeiten
zu erfassen, muss man jedoch eine Lichtquelle mit sehr kleiner Wellenlänge verwenden,
beispielsweise eine Ultraviolett-(UV)- oder eine Tiefultraviolette-(TUV)-Lichtquelle.
Dies wird zu wenigstens zwei entscheidenden Problemen: erstens sind
es optische Bauelemente, die in TUV-Bereichen arbeiten, und zweitens
bedeutet eine kleine kurze Welle eine kleine Leckgröße des Lichtstrahls,
deshalb müssen
die Überstreichgeschwindigkeit
und die Datensammlungsgeschwindigkeit erhöht werden.
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Z.
Zt. haben im Handel erhältliche
AODs, die ein Überstreichen
für einen
TUV-Strahl unterstützen können, eine äußerst begrenzte
Leistung. Auch wenn ein solcher AOD entwickelt werden kann, ist
es außerdem
z. Zt. unklar, ob er die Energiepegel aushalten kann, die zum Erzielen
eines Hochauflösungsbildes
unter Verwendung eines TUV-Lichtstrahls erforderlich sind. Somit
kann eine Reduzierung des Leistungspegels auch die Verwendung einer
langsameren Überstreich-AOD
bestimmen. Deshalb können
zukünftige
Systeme auch Ausrüstungen
erfordern, die nicht auf Strahlüberstreichen
beruhen.
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Ein
linearer Fleck ist in 1 der WO-A/99-06823 gezeigt.
Eine Anordnung mit zwei Ausleuchtungssystemen ist in 7 der US-A-5,274,434
gezeigt.
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Die
Erfindung wird durch das System von Anspruch 9 und durch das Verfahren
von Anspruch 1 angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung wird dadurch vorteilhaft, dass sie eine viel
schnellere Datenerfassungsgeschwindigkeit ermöglicht. Ferner kann sie mit
kurzen Wellenlängen
arbeiten, beispielsweise mit UV- oder tiefer UV-Ausleuchtung. Insbesondere
benötigt
das erfindungsgemäße System
keinen Überstreichmechanismus.
Andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der weiteren Beschreibung.
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In
den Zeichnungen:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines zum Stand der Technik gehörenden Waferüberprüfsystems,
das eine normale Ausleuchtung verwendet.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines weiteren zum Stand der Technik
gehörenden Waferüberprüfsystems,
das eine Ausleuchtung mit streifendem Winkel benutzt.
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Systems mit linearem Fleck.
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4 ist
eine Draufsicht auf die Elemente des in 3 gezeigten
Systems, die für
das Verständnis
der Dunkelfeld-Abbildung relevant sind.
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5 ist
eine Seitenansicht der Elemente des in 3 gezeigten
Systems, die für
das Verständnis
der Hellfeld-Abbildung relevant sind.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die vier Dunkelfeld-Detektoren verwendet.
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7 ist
eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die Dunkel- und Hellfeld-Detektoren
verwendet.
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8 zeigt
als Beispiel ein optisches System zum Umwandeln des Lichtstrahls
in einen linearen Strahl.
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9 zeigt
eine Art einer zweidimensionalen Abbildung eines Wafers.
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10 und 11 zeigen
zwei Anordnungen einer Scheimpflug-Abbildung.
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Ehe
mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen fortgefahren wird,
ist zu vermerken, dass alle Ausführungsformen
für die Überprüfung von
kein Muster aufweisenden Wafern geeignet sind. Mehrere beträchtliche
Vorteile der Erfindung sind jedoch insbesondere zweckmäßig für die kompliziertere
Aufgabe der Überprüfung von
Muster aufweisenden Wafern. Deshalb bezieht sich ein Großteil der
hier angegebenen Erörterung
auf mit Muster versehene Wafer.
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3 zeigt
eine vereinfachte Version eines Systems mit linearem Fleck. Der
Wafer 300 wird durch einen linearen Fleck 305 ausgeleuchtet,
der in Normalrichtung bezüglich
des Wafers auftrifft und von einem Lichtstrahl 300 und
einer geeigneten Optik 320 erzeugt wird. Bei der bevorzugten
Ausgestaltung wird der lineare Fleck stationär gehalten, während der
Wafer durch Bewegen des Trägers
in der y-Richtung überstrichen
wird. Somit wird ein zweidimensionaler Streifen über dem Wafer überstrichen,
ohne dass es erforderlich ist, dass der Fleck in der x-Richtung überstreicht.
Die Abmessungen des überstrichenen
Streifens werden von der effektiven Größe des linearen Flecks bestimmt.
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Dann
wird gespiegelt reflektiertes Licht von dem linearen Fleck auf einer
Sensoranordnung 340 und gebeugtes Licht auf Sensoranordnungen 330 abgebildet.
Somit können
mit hoher Geschwindigkeit Hell- und Dunkelfeld-Bilder erhalten werden,
da die Bilder zur gleichen Zeit als eine Linie anstatt als Pixel zur
gleichen Zeit genommen werden. D. h., dass jede Aufnahme einer Sensoranordnung
Pixeldaten für eine
gesamte Linie, nämlich
die Breite des überstrichenen
Streifens bereitstellt. Da Sensoranordnungen mit 1024, 2048 und
4096 Pixel allgemein im Laden erhältlich sind, kann die Geschwindigkeit
der Bilderfassung durch Verwendung der Erfindung dramatisch gesteigert
werden. Verwendet man beispielsweise eine Sensoranordnung, die 2048
Pixel bei 16 Kanälen
hat, kann man eine Erfassungsgeschwindigkeit von 400 Mb/s erreichen.
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Bekanntlich
besteht eine Schwierigkeit bei der Überprüfung von mit Mustern versehenen
Wafern darin, dass auf dem Wafer aufgebaute Elemente, wie Metallleiter,
auch Licht beugen. Dies führt
zu wenigstens zwei Problemen. Soweit es ein Hellfeld-Bild betrifft,
verdicken starke Reflexionen von einem Metallleiter den Lichtsensor,
so dass Unregelmäßigkeiten, die
nahe an dem Leiter liegen, unentdeckt bleiben können. Was das Dunkelfeld angeht, so
kann die Beugung von den Metallleitern von dem System fälschlich
für Unregelmäßigkeiten
gehalten werden. Um diese Probleme zu vermeiden, wird bei der bevorzugten,
in 3 gezeigten Ausführung der lineare Fleck mit
einem 45°-Winkel
auf die Strassen und Alleen (in gestrichelten Linien gezeigt) des
mit Muster versehenen Wafers projiziert. Demzufolge werden bezogen
auf das Hellfeld-Bild Momentanreflexionen von den Metallleitern
minimiert und bezogen auf die Dunkelfeld-Bilder wird eine Beugung
von den Metallleitern in der Richtung der Sensoren vermieden.
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Das
obige Merkmal ist als Beispiel in 4 im Einzelnen
gezeigt, die eine Draufsicht auf das Erfindungssystem nach 3 ist.
Insbesondere ist der lineare Fleck 305 mit einem 45°-Winkel zur
x-y-Achse (d. h. den Straßen-
und Alleerichtungen des Wafers) gezeigt. Auf jeder Seite des linearen
Flecks werden Objektive 315 verwendet, um den Fleck auf
die Liniensensoren 330 abzubilden. Solange keine Unregelmäßigkeit
vorhanden ist, d. h. kein Licht gebeugt wird, ist natürlich das
von den Objektiven 315 projizierte Bild größtenteils
dunkel. Wenn jedoch eine Unregelmäßigkeit vorhanden ist, wird
das diese treffende Licht gestreut und auf den Sensoranordnungen 330 abgebildet.
Abhängig
von der Größe der Unregelmäßigkeit
kann das helle Bild nur an einem einzigen oder an mehreren Elementen
der Sensoranordnung erscheinen. Die erfasste Pixelgröße wird
mit zwei Hauptfaktoren bestimmt: Ausleuchtungslinienbreite und die
Sammeloptikauflösung.
Die Ausleuchtungslinienbreite wird durch die numerische Apertur der
Zylinderlinse bestimmt. Die erfasste Pixelgröße in der Längsrichtung wird jedoch durch
die numerische Apertur der Sammeloptik und der Linien-CCD-Kamerapixelgröße bestimmt.
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Die
Aufnahme des Hellfeld-Bildes ist beispielsweise in 5 gezeigt,
wo die Elemente, die zur Dunkelfeld-Abbildung gehören, zur
Klarheit weggelassen sind. Insbesondere geht das Ausleuchtungslicht
durch einen Strahlenteiler 565 und ein Objektiv 545 hindurch.
Wenn das Licht reflektiert wird, geht es wieder durch das Objektiv 545 hindurch,
wird jedoch dieses Mal von dem Spiegel 565 in die Linse 575 reflektiert.
Die Linse 575 bildet den linearen Fleck auf der Sensoranordnung 540 ab.
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Obwohl
das insoweit beschriebene System eine weit erhöhte Leistung hat, weist es
in seiner bevorzugten Ausgestaltung zwei lineare Flecke auf, die auf
vier Dunkelfeld-Sensoranordnungen abgebildet werden. Dies ist als
Beispiel in 6 verwirklicht, die zeigt, wie
das System nach dem Stand der Technik von 2 modifiziert
werden kann, um das System der Erfindung aufzugreifen. Natürlich können jedoch alle
hier beschriebenen Ausführungsformen
in gleicher Weise bei jedem System nach dem Stand der Technik eingesetzt
werden, einschließlich
bei den in 1 und 2 gezeigten.
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In 6 wird
der von der Lichtquelle 610 erzeugte Strahl durch den Strahlenteiler 615 geteilt.
Ein Teil des Lichts darf sich fortsetzen und einen ersten linearen
Fleck ausleuchten, während
das restliche Licht von einem Spiegel 625 reflektiert wird,
um einen zweiten linearen Fleck auszuleuchten. Die linearen Flecke
sind mit 45° bezügliche der
x-y-Achse des Wafers, jedoch mit 90° zueinander ausgerichtet. Zwei Paare
von Sensoranordnungen bilden eine lineare Anordnung ab, während ein
weiteres Paar die andere abbildet. Diese Ausgestaltung zeigt eine
Abbildung eines jeden Pixels aus vier unterschiedlichen Dunkelfeld-Perspektiven.
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Um
jedoch die verschiedenen Perspektiven zu korrelieren, müssen die
verschiedenen Abbildungsstellen der vier Sensoren 630 gezählt werden. D.
h., dass es beim Überprüfungssystem
bekannt ist, einen Vergleich Einzelbild-für-Einzelbild oder Zelle-für-Zelle
eines jeden Pixels durchzuführen,
um Fehler zu erfassen. Somit werden für jede spezielle Pixelstelle,
die auf dem Wafer gebildet wird, die verschiedenen Perspektivebilder
mit ähnlichen
Bildern einer entsprechenden Stelle in den benachbarten, vorhergehenden
oder fortsetzenden Stücken
oder Zellen verglichen. Für
jeden Vergleichsvorgang müssen
somit die Bilder der spezifischen Pixelstelle korreliert werden.
Dieser Vorgang ist schematisch in 6 dargestellt,
in dem jeder Sensor 630 verbunden mit einem Verzögerungsleiter 635 gezeigt
ist. Natürlich
kann die Verzögerung
unter Verwendung eines Algorithmus anstatt einer tatsächlichen
elektronischen Verzögerung
ausgeführt
werden. Da die gesammelten Daten in einem Speicher gespeichert werden,
heißt
dies für
jede Pixelstelle, dass der Algorithmus die geeigneten Daten aus
den geeigneten Stellen in dem Speicher holen kann.
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Natürlich müssen zwei
lineare Flecke im Raum nicht getrennt werden und können stattdessen gekreuzt
sein. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht besonders erwünscht, da
sie ein höheres
durch Streulicht verursachtes Rauschen hat. D. h., dass, während ein
Lichtfeld richtig auf der Sensoranordnung abgebildet wird, zusätzliches
Licht von dem anderen Lichtfeld auch in das Abbildungssystem eintritt und
das Verhältnis
von Signal zu Rauschen verringern kann. Deshalb wird die Ausführung, wie
sie gezeigt ist, bevorzugt. Zusätzlich
kann eine Hellfeld-Sensoranordnung zugefügt werden, obwohl sie zur Klarheit
in 6 weggelassen ist. Natürlich ist das System nach der
Erfindung leicht an Überprüfungssysteme
anpassbar, die kohärentes
UV- oder TUV-Licht verwenden, da es keine Begrenzung auf die Überstreichfähigkeit
und -geschwindigkeit gibt.
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Für die bevorzugte
Ausführungsform
ist es möglich,
handelsübliche
CCD-Elemente zu verwenden. Solche CCD-Elemente sind gegenwärtig fähig zu Erfassungsgeschwindigkeiten von
400 Mb/s, vorgesehen in 16 parallelen Kanälen, d. h. 25 Mb/s/Kanal. Obwohl
solche Datengeschwindigkeiten das Mehrfache der gegenwärtigen Datenerfassungsgeschwindigkeiten
betragen, können
die Linien-CCD-Elemente kundengerecht ausgelegt werden, um Datengeschwindigkeiten
in der Größenordnung
von 1 Gb/s zu erreichen und sogar die Erfassungsgeschwindigkeit
weiter zu steigern. Da die Daten von dem Linien-CCD-Element in 16
parallelen Kanälen
bereitgestellt werden, wird darüber
hinaus die Belastung an der Sammelelektronik verringert, da jeder
Leiter mit seiner eigenen Elektronik versehen werden kann, so dass
jedes Elektronikpaket ein Sechzehntel der Gesamtdatenrate handzuhaben hätte. Natürlich können die
kundengerechten CCD-Elemente mit einer größeren Anzahl von Kanälen ausgelegt
werden, die für
das spezielle Bewegungssystem geeignet sind.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 7 gezeigt.
Insbesondere zeigt 7 eine Weise der Modifizierung
des Systems von 1, um die Merkmale der vorliegenden Erfindung
einzuschließen.
Das System von 7 hat eine normale Ausleuchtung
von einer Lichtquelle 710. Das Licht aus der Lichtquelle 710 wird
durch eine Optik 720 in einen linearen Strahl gebracht.
Die Optik 720 kann insgesamt Elemente, wie einen Strahl-aufweiter,
eine Zylinderlinse, und eine Zylinderlinse in Kombination mit einer
Spaltöffnung
aufweisen. Eine beispielsweise Optik 720 ist in 8 gezeigt.
Insbesondere wird Licht aus einer kohärenten Ausleuchtquelle in einen
expandierten Strahl 800 durch einen Strahlaufweiter 815 gebracht.
Der aufgeweitete Strahl 800 wird durch eine Spaltöffnung 810 und
dann durch eine Zylinderlinse 820 geführt. Dadurch wird ein räumlich linearer
Strahl erhalten. Der Strahl wird dann in zwei Strahlen aufgeteilt,
jeweils einen für
die Ausleuchtung eines linearen Flecks. Natürlich kann der Strahl zuerst
geteilt und dann durch zwei optische Systeme geführt werden, um jeden Strahl
zu einem linearen Strahl zu formen.
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Wie
in 7 gezeigt ist, werden vier Dunkelfeld-Lichtsensoranordnungen
verwendet, um vier Dunkelfeld-Perspektiven zu erhalten. Wie in 6 sind
die Sensoranordnungen mit Verzögerungsleitern 735 gekoppelt,
die in einer Software, Hardware oder einer Kombination davon ausgeführt sind.
Zusätzlich
sind in 7 zwei Hellfeld-Sensoranordnungen
gezeigt, um zwei Hellfeld-Bilder zu erhalten. Es ist jedoch vorstellbar,
dass eine einzige Hellfeld-Sensoranordnung
ausreichend ist.
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In 7 wird
ein zweidimensionales Bild dadurch erfasst, dass der Wafer in der
x-Richtung bewegt
wird. Insbesondere wenn ein mit Muster versehener Wafer unter Verwendung
eines Einzelbild-für-Einzelbild-Verfahrens
geprüft
wird, bevorzugt man, zweidimensionale "Streifenbilder" zu erhalten. Dies ist in 9 verwirklicht.
Ein mit Muster versehener Wafer 900 hat eine Vielzahl von
Einzelbildern 910. Jedes Einzelbild wird dadurch abgebildet, dass zweidimensionale
Streifen 920 abgebildet werden. Diese Streifen werden durch
eine Zweilinienfleckausleuchtung und Bewegungen des Wafers in einer Richtung
abgebildet. Dadurch entspricht die Breite des Streifens der Sensorreihengröße, d. h.
die Anzahl der breitenmäßig abgebildeten
Anzahl von Pixeln entspricht der Anzahl von Sensoren in der Sensoranordnung.
Die Länge
des Streifens kann entsprechend der Verwendung eingestellt werden.
In einem Einzelbild-für-Einzelbild-Vergleich
kann die Länge
des Streifens so eingestellt werden, dass sie beispielsweise drei
Einzelbilder abdeckt.
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Eine
weitere mögliche
Ausgestaltung zur Abbildung von gestreutem Licht aus einer ausgeleuchteten
Linie auf einem Linien-CCD-Element ist schematisch in 10 und 11 gezeigt.
Bei dieser Ausgestaltung wird die Ausleuchtungslinie 10 parallel zu
einer der Einzelbildseiten ausgerichtet. Das gestreute Licht wird
noch mit einem Winkel von 45° bezogen
auf die Straßen
und Alleen des Einzelbildes aufgrund des vorher erörterten
Verhältnisses
von Signal zu Rauschen gesammelt. Dies könnte durch Verwenden einer
Scheimpflug-Abbildungs-ausgestaltung
erreicht werden (Bezug: Rudolf Kingslake, "Optical System Design", Seite 58, 270),
d. h. die Sammelabbildungslinse 11 sollte in einer Position
im Raum so angeordnet werden, dass eine Mittelebene 12 senkrecht
zu dem in die gewünschte
Richtung (45 Grad) gestreuten Licht ist. Das Linien-CCD-Element 13 ist
so ausgerichtet, dass die Fortsetzung des Linien-CCD-Elements und
die Ausleuchtungslinie einander auf der Mittelebene kreuzen. Bei
einer solchen Ausgestaltung können
vier Linien-CCD-Elemente gleichzeitig das gestreute Licht sammeln
und es besteht keine Notwendigkeit für zwei Ausleuchtungslinien.