DE69013790T2

DE69013790T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionsbestimmung.

Info

Publication number: DE69013790T2
Application number: DE69013790T
Authority: DE
Inventors: Masakazu Ohta-Ku Tokyo Matsugu; Mitsutoshi Ohta-Ku Tokyo Ohwada; Kenji Ohta-Ku Tokyo Saitoh
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-08-04
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2010-08-04
Also published as: EP0411966B1; DE69013790D1; EP0411966A2; US5114236A; EP0411966A3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG UND VERWANDTER STAND DER TECHNIK

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lageermittlung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lageermittlung, die auf geeignete Weise in einem Belichtungsgerät für das Herstellen von Halbleiter-Mikroschaltungsvorrichtungen zum relativen Einstellen oder Ausrichten eines (nachstehend einfach als "Maske" bezeichneten) ersten Objekts (Originals) wie einer Maske oder einer Strichplatte und eines zweiten Objekts (Werkstückes) wie eines Halbleiterplättchens anwendbar sind.
In Belichtungsvorrichtungen für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen ist hinsichtlich des Sicherstellens von verbesserter Funktion die Relativausrichtung einer Maske und eines Halbleiterplättchens ein wichtiger Faktor. Insbesondere sind in Anbetracht der Forderungen nach einem höheren Integrationsgrad von Halbleitervorrichtungen hinsichtlich der bei den neueren Belichtungsvorrichtungen angewandten Ausrichtungssysteme Submikron-Ausrichtungsgenauigkeiten oder strengere Genauigkeiten erforderlich.
Bei vielen Arten von Ausrichtungssystemen werden an einer Maske und einem Halbleiterplättchen als "Ausrichtungsmuster" bezeichnete Merkmale angebracht und die Maske und das Halbleiterplättchen werden unter Nutzung von aus diesen Mustern erzielbaren Lageinformationen ausgerichtet. Hinsichtlich der Art des Ausführens der Ausrichtung gibt es als Beispiel ein Verfahren, bei dem durch Bildverarbeitung das Ausmaß der relativen Abweichung dieser Ausrichtungsmuster erfaßt wird. Ein anderes Verfahren ist in den US-PS 4 037 969 und 4 514 858 sowie der JP-OS 56-157 033 vorgeschlagen, bei dem als Ausrichtungsmuster sogenannte Zonenplatten verwendet werden, auf die Licht projiziert wird, und bei dem die Lagen von Lichtpunkten erfaßt werden, die auf einer vorbestimmten Ebene durch Lichtstrahlen aus den beleuchteten Zonenplatten gebildet werden.
Allgemein ist im Vergleich zu einem Ausrichtungsverfahren, bei dem auf einfache Weise ein herkömmliches Ausrichtungsmuster verwendet wird, ein Ausrichtungsverfahren, bei dem eine Zonenplatte verwendet wird, gegenüber irgendeinem Fehler eines Ausrichtungsmusters verhältnismäßig unempfindlich und es gewährleistet daher verhältnismäßig hohe Ausrichtungsgenauigkeiten.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten Ausrichtungssystems, bei dem Zonenplatten verwendet werden.
Gemäß Fig. 1 tritt von einer Lichtquelle 72 abgestrahltes paralleles Licht durch einem Halbspiegel 74 hindurch und wird durch eine Sammellinse 76 an einem Punkt 78 fokussiert. Danach beleuchtet das Licht ein Maskenausrichtungsmuster 68a an einer Maske 68 und ein Ausrichtungsmuster 60a an einem Halbleiterplättchen 60, das auf einen Auflagetisch 62 aufgelegt ist. Jedes dieser Ausrichtungsmuster 68a und 60a ist mit einer Reflektions-Zonenplatte versehen und bewirkt das spiegelnde Ablenken des aufgenommenen Lichtes, um einen Flecken von fokussiertem Licht auf einer Ebene zu bilden, die zu einer optischen Achse senkrecht ist, welche den Punkt 78 enthält. Das Ausmaß der relativen Abweichung der Lagen dieser auf diese Ebene gebildeten Lichtflecken wird dadurch erfaßt, daß mittels der Sammellinse 76 und einer weiteren Linse 80 die fokussierten Strahlen auf eine Meßebene 82 gerichtet werden.
Entsprechend einem Ausgangssignal aus dem Detektor 82 betätigt eine Steuerschaltung 84, eine Antriebsschaltung 64 zum relativen Ausrichten der Maske 68 und des Halbleiterplättchens 60.
Ein Abbildungsverhältnis von Lichtstrahlen von dem Masken- Ausrichtungsmuster 68a und dem Halbleiterplättchen-Ausrichtungsmuster 60a, die in Fig. 1 gezeigt sind, ist in Fig. 2 dargestellt.
Gemäß Fig. 2 wird ein Teil des von dem Punkt 78 divergent weg verlaufenden Lichtes durch das Masken-Ausrichtungsmuster 68a spiegelnd abgelenkt und bildet an oder nahe an dem Punkt 78 einen Flecken 78a von fokussiertem Licht, wobei der Flecken die Maskenlage wiedergibt. Ein anderer Teil des Lichtes tritt durch die Maske 68 in Form von in nullter Ordnung durchgelassenem Licht hindurch und wird ohne Veränderung seiner Wellenfront auf das Plättchen-Ausrichtungsmuster 60a an der Oberfläche des Halbleiterplättchens 60 projiziert. Durch das Plättchen-Ausrichtungsmuster 60a wird das enfallende Licht spiegelnd abgelenkt und tritt dann wieder in Form von in nullter Ordnung durchgelassenem Licht durch die Maske 68 hindurch und wird letztlich in der Nähe des Punktes 78 fokussiert, um einen Flecken 78b von fokussiertem Licht zu bilden, der die Lage des Halbleiterplättchens wiedergibt. Wenn bei dem dargestellten Beispiel das durch das Halbleiterplättchen 60 abgelenkte Licht einen Lichtpunkt bildet, wirkt die Maske 68 lediglich als lichtdurchlässiges Teil.
Die Lage des durch das Plättchen-Ausrichtungsmuster 60a auf die beschriebene Weise gebildeten Fleckens 78b stellt in der zu der den Punkt 78 enthaltenden optischen Achse senkrechten Ebene eine Abweichung Δ ' in einem Ausmaß dar, welches dem Ausmaß einer Abweichung Δ des Halbleiterplättchens 60 in bezug auf die Maske 68 entspricht.
Die Erfinder dieses Anmeldungsgegenstandes haben ein besonderes Problem festgestellt, das diesem Ausrichtungsverfahren eigentümlich ist. Falls nämlich bei diesem Verfahren eine Plättchenoberfläche in bezug auf eine Maskenoberfläche, eine bestimmte Bezugsoberfläche wie die Oberfläche eines Maskenhalters in einer Belichtungsvorrichtung für das Herstellen von Halbleitervorrichtungen oder eine Bodenfläche geneigt ist, auf die die Belichtungsvorrichtung aufgesetzt ist, tritt eine Verschiebung der Lage von auf einen Sensor fallendem Licht auf. Eine solche Verschiebung ergibt einen Ausrichtungsfehler.
Fig. 3 zeigt eine derartige Verschiebung der Lage des Schwerpunktes von Licht auf einer Meßfläche 82' in einem Fall, bei dem ein Halbleiterplättchen 60 um einen Winkel θ schräg liegt. Nimmt man nun an, daß das durch eine Maske hindurchtretende Ausrichtungslicht auf die in Fig. 3 dargestellte Weise auf das Halbleiterplättchen 16 auftrifft und an der Stelle einer Plättchen-Ausrichtungsmarkierung 60a eine mittlere Flächenneigung um einen Winkel θ vorliegt, dann liegt der Schwerpunkt des Lichtfleckens an der Meßfläche 82' an einem Punkt Pθ, der gegenüber dem Punkt Po des Fleckens des fokussierten Lichtes, der gebildet ist, wenn keine Schräglage auftritt, um ein Ausmaß Δδθ versetzt ist. Dies kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Δδθ = bw tan 2θ
Nimmt man nun an, daß
(i) θ = 10&supmin;&sup4; (rad)
(eine Änderung von 10 nm je 100 um einer Markierung) und
(ii) bw = 18,7 mm ist, dann ergibt sich
Δδθ = 18,7 x 10&spplus;³ x 2 x 10&supmin;&sup4; = 3,74 (um)
Das heißt, es tritt ein Ausrichtungsfehler von 3,74 um auf und dies bedeutet, dar die Maske und das Plättchen nicht mit einer Genauigkeit ausgerichtet werden können, die höher als dieser Wert ist.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zur Positionsermittlung ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Lage eines Substrats wie einer Maske oder eines Halbleiterplättchens auf genaue Weise ohne Beeinflussung durch eine gesamte oder örtliche Schräglage der Oberfläche des Substrates erfaßt werden kann.
Entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung ergibt sich ein Verfahren zum Ermitteln der Relativlage eines ersten und eines zweiten Substrates in einer im wesentlichen zu deren Oberflächen parallelen Richtung, wobei die Substrate im wesentlichen parallel zueinander und einander gegenübergesetzt sind, jedes der Substrate mit einem jeweiligen ersten und zweiten Beugungsmuster versehen ist, die jeweils wellenlängenabhängige Brechkraft haben, und das Verfahren Schritte umfaßt, bei denen
ein erster und ein zweiter Strahl von Strahlung mit voneinander verschiedenen Wellenlängen entlang einer gemeinsamen Achse derart auf das erste Beugungsmuster projiziert wird, daß die von dem ersten Muster gebeugten jeweiligen Strahlen auf das zweite Beugungsmuster auftreffen und von diesem als jeweiliger erster und zweiter Beugungsstrahl unterschiedlicher Wellenlänge zu einem Strahlungssensor hin gebeugt werden, und
die Einfallstelle des ersten und des zweiten Beugungsstrahls auf den Strahlungssensor erfaßt wird, wobei das Verfahren durch einen Schritt gekennzeichnet ist, bei dem die Relativlage des ersten und zweiten Substrates in einer zu deren Oberflächen im wesentlichen parallelen Richtung aufgrund der Differenz zwischen den Stellen des Einfallens der Strahlung des ersten und des zweiten Beugungsstrahls auf den Sensor bestimmt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ergibt sich ein Verfahren zum Ermitteln der Relativlage eines ersten und eines zweiten Substrates in einer im wesentlichen zu deren Oberflächen senkrechten Richtung, wobei die Substrate im wesentlichen parallel zueinander und einander gegenübergesetzt sind und das erste Substrat mit einem ersten Beugungsmuster versehen ist, das Verfahren Schritte umfaßt, bei denen
ein erster und ein zweiter Strahl von Strahlung mit voneinander verschiedenen Wellenlängen entlang einer gemeinsamen Achse derart auf das erste Beugungsmuster projiziert wird, daß die jeweils von dem ersten Muster gebeugten Strahlen schräg auf das zweite Substrat auftreffen und von diesem weg als jeweiliger erster und zweiter reflektierter Strahl unterschiedliche Wellenlänge zu einem Strahlungssensor hin reflektiert werden, und
die Einfallstellen der Strahlung des ersten und des zweiten relfektierten Strahls auf den Strahlungssensor erfaßt werden, und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist,
daß
das erste Beugungsmuster ein erstes Beugungsgittermuster ist,
sowie durch einen Schritt, bei dem
die Relativlage des ersten und zweiten Substrates in einer zu deren Oberflächen im wesentlichen senkrechten Richtung aufgrund der Differenz zwischen den Stellen des Einfallens der Strahlung des ersten und des zweiten reflektierten Strahls auf den Sensor bestimmt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann an dem ersten Substrat ein zusätzliches Beugungsmuster angebracht werden. Der erste und der zweite, von dem zweiten Substrat reflektierte Beugungsstrahl kann in das zusätzliche Beugungsmuster eingegeben und durch dieses wieder gebeugt werden, wonach die Beugungsstrahlen auf den Sensor gerichtet werden. Das zusätzliche Beugungsmuster kann vorzugsweise durch ein Muster mit Brechkraft wie eine Fresnel-Zonenplatte gebildet sein.
Alternativ kann das zweite Substrat mit einem Beugungsmuster versehen sein und der erste und der zweite Beugungsstrahl können auf das Beugungsmuster des zweiten Substrates gerichtet werden, wodurch der erste und der zweite Beugungsstrahl erzeugt wird.
Das Muster kann durch ein Beugungsmuster wie eine Fresnel- Zonenplatte oder ein linsenförmiges Element gebildet sein.
Das erste und das zweite Strahlungsbündel kann aufeinanderfolgend oder gleichzeitig projiziert werden. Andererseits können das erste und das zweite Strahlungsbündel oder der erste und der zweite Beugungsstrahl durch den Sensor aufeinanderfolgend oder gleichzeitig empfangen werden. Wenn diese gleichzeitig empfangen werden, können vorzugsweise zum Empfangen des ersten und des zweiten Strahlungsbündels oder des ersten und des zweiten Beugungsstrahls jeweils ein erster und ein zweiter Sensor eingesetzt werden, die voneinander verschieden sind.
Die Stelle des Einfallens des jeweiligen ersten und zweiten Strahlungsbündels oder des ersten und zweiten Beugungsstrahls auf den Sensor kann aufgrund der Lage des Schwerpunktes einer Intensitätsverteilung auf der Lichtempfangsfläche des Sensors oder alternativ aufgrund der Lage eines Spitzenwertes der Intensitätsverteilung an der Lichtempfangsfläche des Sensors bestimmt werden.
Der Sensor kann eine eindimensionale oder zweidimensionale Ladungskopplungsvorrichtung-Anordnung (CCD-Anordnung) oder ein lageempfindlicher Detektor (PSD) sein. Wenn ein lageempfindlicher Detektor verwendet wird, kann die Stelle des Einfallens des Strahlungsbündels oder des Beugungsstrahls durch die Lage des Schwerpunktes ermittelt werden, da der Detektor ein Signal erzeugen kann, welches die Lage des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung eines darin eingegebenen Lichtstrahls darstellt. Wenn andererseits eine CCD- Anordnung verwendet wird, ist es erforderlich, von vorneherein festzulegen, ob die Bestimmung der Stelle des Einfallens des Strahlungsbündels oder des Beugungsstrahls aufgrund der Lage des Schwerpunktes oder des Spitzenwertes erfolgen sollte, da die Anordnung ein Signal erzeugen kann, das der Intensitätsverteilung eines empfangenen Lichtstrahls entspricht. In einem jeden Fall kann für das Bestimmen der Stelle des Einfallens des Strahlungsbündels oder des Beugungssstrahls das Ausgangssignal der CCD-Anordnung in eine Steuereinheit eingegeben und in dieser verarbeitet werden.
Zum Projizieren des ersten und zweiten Strahlungsbündels mit unterschiedlichen Wellenlängen können eine Lichtquelle wie ein Halbleiterlaser, dessen Emissionswellenlänge einstellbar veränderlich ist, eine Kombination aus einer Lichtquelle für die Abgabe von mehrfarbigem Licht mit einem für Wellenlängen selektiven Element, eine Kombination aus mehreren Lichtquellen für die jeweilige Abgabe von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen oder dergleichen eingesetzt werden. Hinsichtlich des für Wellenlängen selektiven Elements können ein verstellbares Beugungsgitter, ein verstellbares Prisma, ein verstellbarer Etalon, eine Farbfiltereinheit oder dergleichen eingesetzt werden.
Für den aufeinanderfolgenden Empfang der Strahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen durch den Sensor kann zwischen dem Substrat und dem Sensor ein für Wellenlängen selektives Element gemäß der vorstehenden Beschreibung in der Weise angebracht werden, daß durch dieses hinsichtlich der Wellenlängen selektive Element hindurch die Strahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen aufeinanderfolgend auf den Sensor gerichtet werden können.
Für das gleichzeitige Empfangen der Strahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen durch den Sensor werden vorzugsweise mehrere Sensoren eingesetzt, damit diese Sensoren jeweils die Strahlen mit den unterschiedlichen Wellenlängen aufnehmen können. In diesem Fall kann für das Verteilen der Strahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen auf die entsprechenden Sensoren ein dichroitischer Spiegel oder eine einen solchen enthaltende Anordnung eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Lagebestimmungsverfahren oder eine Einrichtung zur Anwendung desselben kann auf geeignete Weise in einem Belichtungsgerät für das Herstellen von Halbleiter-Mikroschaltungsvorrichtungen angewandt werden. Da es in einem solchen Belichtungsgerät erforderlich ist, zur relativen Ausrichtung einer Maske und eines Halbleiterplättchens oder für das Einstellen des Abstandes zwischen diesen die relative Lage derselben zu erfassen, kann die Erfindung wirkungsvoll bei einen solchen Belichtungsgerät angewandt werden.
Zum leichteren Verständnis der Erfindung werden nun Ausführungsformen derselben als Beispiele unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 bis 3 sind schematische Darstellungen, die jeweils ein Beispiel für ein bekanntes Lageermittlungssystem veranschaulichen.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Lageermittlungssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 5A und 5B sind Ablaufdiagramme, die jeweils ein Beispiel für eine unter Verwendung des Lageermittlungssystems nach Fig. 4 auszuführende Ausrichtungsfolge veranschaulichen.
Fig. 6 und 7 sind schematische Darstellungen, die jeweils Beispiele für Brechkraftanordnungen von Ausrichtungsmustern zeigen, die auf einer Maske und einem Halbleiterplättchen gebildet sind.
Fig. 8A und 8B sind vergrößerte Darstellungen, die jeweils ein Beispiel für ein an einer Maske oder einem Halbleiterplättchen angebrachtes Ausrichtungsmuster zeigen.
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einer relativen Lageabweichung Δ einer Maske und eines Halbleiterplättchens und einer Versetzung Δ der Schwerpunktlage eines Lichtpunktes.
Fig. 10 bis 12 sind schematische Darstellungen, die jeweils ein Ausrichtungssystem gemäß einem zweiten, einem dritten bzw. einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines Abstandsmeßsystems, das gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gestaltet ist.
Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch optische Wege in der Nähe einer Maske und eines Halbleiterplättchens in dem Abstandsmeßsystem nach Fig. 13 zeigt.
Fig. 15A bis 15C sind schematische Darstellungen für das jeweilige Veranschaulichen und Erläutern von an einer Maske angebrachten Gittermustern und der optischen Funktionen der Gittermuster.
Fig. 16A und 16B sind schematische Darstellungen, die jeweils ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulichen.
Fig. 17A und 17B sind Ablaufdiagramme, die jeweils ein Beispiel für eine in dem Abstandsmeßsystem nach Fig. 13 aus zuführende Abstandseinstellfolge veranschaulichen.
Fig. 18 und 19 sind schematische Darstellungen, die jeweils ein Abstandseinstellsystem veranschaulichen, das gemäß einem siebenten bzw. achten Ausführungsbeispiel der Erfindung gestaltet ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Belichtungsgerätes (z.B. Röntgenstrahl-Belichtungsgerätes) für die Herstellung von Halbleiter-Mikroschaltungsvorrichtungen, in das ein Lageermittlungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung eingebaut ist. In der Zeichnung sind mit 1 eine Maske, an der ein Integrationsschaltungsmuster gebildet ist, mit 2 ein Halbleiterplättchen und mit 3a und 4a ein erstes und ein zweites wellenoptisches Element (als Ausrichtungsmarkierung) bezeichnet, die jeweils an der Maske 1 bzw. an dem Plättchen 2 ausgebildet sind und die jeweils durch eine Fresnel-Zonenplatte (ein Linsen- oder Spiegelelement mit einem Beugungsmuster) gebildet sind. Mit 5 ist ein in Z-Richtung bewegbares Spannfutter zum Festhalten des Plättchens 2 durch Anziehungskraft bezeichnet. Mit 6 ist ein Ausrichtungskopf bezeichnet, der verschiedenerlei Komponenten enthält, die für die Lageermittlung oder Ausrichtung erforderlich sind. Mit E ist eine Zone bezeichnet, durch die eine Strahlungsenergie wie Röntgenstrahlen für das Übertragen des Schaltungsmusters der Maske 1 auf das Plättchen hindurchtritt. Ferner sind mit 8 ein Photodetektor wie beispielsweise ein CCD-Zeilensensor, mit 9 eine Lichtempfangsfläche des Photodetektors 8, mit 10 eine Lichtquelle, die bei diesem Ausführungsbeispiel einen Halbleiterlaser mit veränderbarer Emissionswellenlänge aufweist, mit 11 ein Lichtprojektions- und Kollimatorlinsensystem und mit 12 ein Halbspiegel bezeichnet.
Ein XY-Tisch 100 ist zum Bewegen des von dem Plättchenfutter 5 angezogenen Plättchens in X- und Y-Richtung verstellbar. Ein Tischantrieb 101 dient zum Verstellen des XY-Tisches 101 in X- und Y-Richtung. Eine Zentraleinheit (CPU) 102 erzeugt im Ansprechen auf Ausgangssignale aus dem Detektor 8 Befehlssignale für den Tischantrieb 101 zum Bewegen des XY-Tisches 100 für das Ausrichten des Plättchens 2 mit der Maske 1 und führt die Signale dem Tischantrieb 101 zu. Der XY-Tisch 100 dient auch zum Bewegen des Plättchenspannfutters 5 und damit des Plättchens 4 in der Z-Richtung zu einer vorbestimmten Lage, um dadurch in einem vorbestimmten Bereich einen Abstand zwischen der Maske und dem Plättchen einzustellen.
Der XY-Tisch 100 enthält einen Feineinstellungs-Plättchentisch, der durch einen piezoelektrischen Antriebsmechanismus verstellbar ist, und einen Grobeinstellungs-Plättchentisch, der durch einen Schrittmotor-Antriebsmechanismus verstellbar ist. Der Tischantrieb 101 enthält diesen piezoelektrischen Antriebsmechanismus und diesen Schrittmotor- Antriebsmechanismus. Die Zentraleinheit 102 führt für eine sehr kleine Versetzung eines Plättchens Befehlssignale dem piezoelektrischen Antrieb zu, wogegen sie für eine Bewegung über eine verhältnismäßig große Strecke Befehlssignale dem Schrittmotorantrieb zuführt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das von der Lichtquelle (dem Halbleiterlaser bei diesem Beispiel) 10 abgestrahlte Licht durch das Projektionslinsensystem (Kollimatorlinsensystem) 11 zu parallelen Licht ausgerichtet. Das parallele Licht wird nach dem Reflektieren durch den Halbspiegel 12 in einer schrägen Richtung auf das erste wellenoptische Element 3a an der Maske 1 (als erstes Objekt) projiziert, das beispielsweise eine Gitterlinse sein kann, die eine Art von Fresnel-Zonenplatte ist.
Das erste wellenoptische Element (die Ausrichtungsmarkierung) 3a ist mit einem Gittermuster mit einer Funktion zum Konvergieren oder Divergieren von Licht (nämlich einer optischen Brechkraft, die als positive oder negative Linse dient) versehen und bewirkt das Beugen und Ablenken von aufgenommenen Licht, um das Licht in Richtung einer Senkrechten auf der Oberfläche der Maske 1 (als erstes Objekt) (in -Z-Richtung) abzustrahlen. Das von dem ersten wellenoptischen Element 3a abgestrahlte Licht fällt senkrecht auf ein zweites wellenoptisches Element (eine Ausrichtungsmarkierung) 4a, das in einem vorbestimmten Abstand von dem ersten wellenoptischen Element 3a in -Z-Richtung in einem Bereich des Plättchens 2 (als zweites Objekt) ausgebildet ist. Das zweite wellenoptische Element 4a hat eine Funktion zum Konvergieren oder Divergieren von Licht (nämlich eine optische Brechkraft, die als positive oder negative Linse dient) und bewirkt, daß das einfallende Licht reflektiv in Richtung zu dem Ausrichtungskopf 6 gebeugt und abgelenkt sowie auch auf der Aufnahmefläche 9 des Detektors B gesammelt wird, wobei das Licht durch den Halbspiegel 12 hindurchtritt. Die Beleuchtungsfläche an der mit dem Licht zu bestrahlenden Maske 1 wird derart gewählt, daß sie eine Größe hat, die größer als diejenige des ersten wellenoptischen Elements 3a ist, um sicherzustellen, daß selbst dann, wenn die Lage des ersten wellenoptischen Elements 3a durch einen Einstellfehler der Maske bei deren Anbringen an dem Belichtungsgerät geringfügig verschoben ist, sich der Zustand des von dem ersten wellenoptischen Elements 3a abgestrahlten Lichts insbesondere hinsichtlich des Strahldurchmessers, des Abstrahlungswinkels, des Öffnungswinkels und dergleichen nicht ändert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann wie beschrieben jedes Ausrichtungsmuster an der Oberfläche der Maske 1 durch eine Gitterlinse mit einer vorbestimmten Brennweite gebildet sein, durch die das Licht für die Ausrichtung, das aus dem Ausrichtungskopf 6 schräg auf die Oberfläche der Maske 1 projiziert wird, in Richtung der Senkrechten auf der Oberfläche der Maske 1 (-Z-Richtung) abgelenkt und an einer vorbestimmten Stelle (z.B. Z = -267,0 um) gesammelt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der Winkel α der Schrägprojektion des Lichtes auf die Oberfläche der Maske 1 vorzugsweise in folgendem Bereich:
10 < α < 80(º)
Andererseits kann ein Ausrichtungsmuster 4a an dem Plättchen 2 durch eine Gitterlinse mit einem Muster gebildet sein, das in bezug auf die Z-Achse asymmetrisch ist. Diese Gitterlinse kann beispielsweise zum Erzielen einer Brennweite von 278,78 um gestaltet sein. Sie bewirkt, daß das konvergente (divergente) Licht, das durch die Gitterlinse an der Oberfläche der Maske 1 bei dem Durchlaß gebeugt ist, zu dem Ausrichtungskopf gerichtet wird.
Dabei wird das mit 10a bezeichnete Ausrichtungslicht durch die Linsenfunktion der Gitterlinse beeinflußt und fällt dann auf den in dem Ausrichtungskopf 6 untergebrachten Photoempfänger 8. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel können die Maske und das Plättchen in bezug auf die Längsrichtung einer Schnittlinie (nämlich in der Y-Richtung) ausgerichtet werden, in welcher jeweilige Ausrichtungsmuster angebracht sind.
Falls hierbei das Plättchen eine Lageversetzung in der Y- Richtung in bezug auf die Maske 1 hat, welche an dem Belichtungsgerät fest angebracht ist, besteht zwischen den Gitterlinsen (Ausrichtungsmarkierungen) 3a und 4a der Maske 1 und des Plättchens 2 eine solche Beziehung wie im Falle der Annahme, daß die axiale Ausfluchtung von Linsenelementen eines gewöhnlichen optischen Linsensystems gestört ist. Infolge dessen ändert sich der Winkel der Abstrahlung des austretenden Lichtes 10a. Diese Änderung verursacht eine Versetzung der Lage des Einfallens des Lichtes 10a auf die Lichtempfangsfläche 9 des Detektors 8 in der Y-Richtung in einem Ausmaß, das der relativen Lageversetzung zwischen der Maske und dem Plättchen in der Y-Richtung entspricht, nämlich der Lage des Plättchens in bezug auf die Maske hinsichtlich der Y-Richtung. Bei diesem Beispiel weist der Detektor 8 einen CCD-Zeilensensor auf und an der Lichtempfangsfläche 9 sind die Lichtempfangselemente in gleicher Richtung wie die Y-Richtung aufgereiht. Solange die relative Lageabweichung zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 nicht allzu groß ist, ist die Vesetzung des Punktes des Lichtes 10a an der Lichtempfangsfläche 9 in der Y-Richtung zu der relativen Lageabweichung der Maske und des Plättchens in der Y-Richtung proportional.
Nimmt man nun an, daß die Maske und das Plättchen gegeneinander relativ in der Y-Richtung um Δ versetzt sind, daß der Abstand des Plättchens 2 zu dem Konvergenzpunkt (oder dem Divergenzursprung) des divergierend aus der Gitterlinse 3a der Maske 1 austretenden und auf das Plättchen 2 fallenden Lichtes mit a bezeichnet ist und daß der Abstand von dem Plättchen 2 zu der Lichtempfangsfläche 9 mit b bezeichnet ist, so kann eine Abweichung oder Versetzung Δδ des Schwerpunktes des Lichtes 10a an der Lichtempfangsfläche 9 durch die folgende Gleichung angegeben werden:
Δδ = Δ x (b/a + 1) ... (a)
Das heißt, die Versetzung Δδ der Schwerpunktlage ist unter Vergrößerung auf das "b/a + 1"-fache größer als die Lageversetzung Aa der Maske 1 und des Plättchens 2 und es wird daher ein Vergrößerungsmaßstab A = (b/a + 1) der Versetzung des Schwerpunktes des Lichtes gegenüber der Lageabweichung erzielt. Hierbei ist die Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers 10 zu diesem Zeitpunkt, nämlich die Wellenlänge des Lichtes 10a = λ.
Bei z.B. a = 0,5 mm und b = 50 mm ist die Versetzung Δδ der Schwerpunktslage entsprechend der Gleichung (a) 101-mal größer als die Lageabweichung Δ .
Hierbei hat der Ausdruck "Lichtschwerpunkt" die Bedeutung eines Punktes, an dem dann, wenn auf der Lichtempfangsfläche 9 ein Lagevektor eines jeweiligen Punktes an dieser Fläche mit der Lichtintensität an diesem Punkte multipliziert wird und die auf diese Weise erhaltenen Produkte über die ganze Fläche integriert werden, der integrierte Wert einen "Nullvektor" hat.
Nimmt man nun bei der Wellenlänge λ an, daß die Brennweite der Gitterlinse 3a der Maske 1 f ist und daß der Abstand zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 g ist, dann ergibt sich der folgende Zusammenhang:
a = f + g
Demzufolge ist bei der Wellenlänge λ der Maßstab A der Versetzung der Schwerpunktslage des Lichtes zu der Lageabweichung gegeben durch:
A = b/(f + g) + 1
Wenn der Radius eines jeweiligen Ringes des eine Ausrichtungsmarkierung bildenden Gittermusters mit rm bezeichnet ist (wobei m die Ordungszahl des Ringes ist), dann besteht ein Zusammenhang zu der Brennweite f, der ausgedrückt ist durch:
Daraus folgt:
Falls sich die Wellenlänge des Ausrichtungslichtes 10a um Δλ ändert, ändert sich die Brennweite f um Δf, das gegeben ist durch:
Δf = -Δλ/2mλ² x [rm² - (mλ)²]
= -Δλ/λ x f
Hierbei ändert sich die Vergrößerung der Versetzung der Schwerpunktslage des Lichtes 10a gegenüber der Lageabweichung um ΔA, das gegeben ist durch:
ΔA = -bΔf/(f + g)²
= bf/(f + g)² x Δλ/λ
= f/(f + g) x 1/λ x (A-1)Δλ
Demzufolge wird die Vergrößerung gleich "A + ΔA".
Wenn beispielsweise A = 101, die Brennweite f bei der Wellenlänge λf = 0,187 mm und g = 0,03 mm ist, dann ergibt sicht:
ΔA = 0,86 x Δλ/λ x (A-1)
Wenn Δλ/λ = 0,1 ist, dann ergibt sich ΔA = 8,6.
Wenn demnach bei einer relativen Lageabweichung der Maske 1 und des Plättchens 2 um eine Größe Δ die Wellenlänge des Lichtes aus der Lichtquelle beispielsweise durch Ändern der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers 10 um 10% verschoben wird, dann verschiebt sich die Schwerpunktlage des Lichtes 10a an der Lichtempfangsfläche 9 um Δδ', das angegeben werden kann durch:
Δδ' = ΔA X A ... (b)
= f/(f+g) x 1/x x (A-1) x Δλ x Δ
= 8,6 x Δ
Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß dann, wenn die Gitterlinsen (Ausrichtungsmarkierungen) einer Maske und eines Plättchens so ausgelegt sind, daß sich die Schwerpunktlage des Lichtes 10a an der Lichtempfangsfläche 9 nicht mit einer Anderung der Wellenlänge des Lichtes 10a (nämlich Δδ' = 0) ändert, sobald die Maske und das Plättchen keine relative Lageabweichung in der Y-Richtung haben (nämlich bei Δ = 0), die Größe Δδ' zu der Abweichung Δ zwischen der Maske und dem Plättchen proportional sein kann. Infolge dessen ist es möglich, dann, wenn die Werte λ, Δλ und g im voraus eingestellt sind, die Werte f und A ermittelt werden und der Wert ΔA im voraus berechnet wird, durch Erfassen der Größe Δδ' aus dem durch die Zentraleinheit 102 verarbeiteten Ausgangssignals des Detektors 8 und durch Einsetzen des Ergebnisses in die Gleichung (b) die relative Lageabweichung Δ zwischen der Maske und dem Plättchen zu bestimmen. Hierbei entspricht die Richtung der Versetzung der Schwerpunktlage des Lichtes 10a bei der Verschiebung der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers 10 um Δλ der Richtung der relativen Lageabweichung zwischen der Maske und dem Plättchen, nämlich dem positiven oder negativen Vorzeichen der Größe Δδ'. Wenn ein solcher Zusammenhang im voraus erfaßt wird, ist es somit möglich, die Richtung der Lageabweichung aus der Richtung der Versetzung der Schwerpunktlage des Lichtes 10a bei Verschiebung der Wellenlänge zu ermitteln.
Hierbei ist es nicht immer erforderlich, daß bei Δ = 0 die Größe Δδ' gleich 0 gesetzt wird. Vielmehr ist dann, wenn im voraus ein Absolutwert von Δδ' bei Δ = 0 sowie die Richtung der Versetzung der Schwerpunktlage des Lichtes 10a bei der Verschiebung der Wellenlänge erfaßt wird, das Bestimmen der relativen Lageabweichung zwischen der Maske und dem Plättchen dadurch möglich, daß in die Gleichung (b) eine Differenz zwischen der Größe Δδ' zum Zeitpunkt der Lageermittlung und der Größe Δδ' bei Δ = 0 eingesetzt wird.
Ein für die Maske/Plättchen-Ausrichtung angewandter Ausrichtungsprozeß kann folgender sein:
Ein erstes Beispiel ist folgendes: Es wird im voraus das Verhältnis einer Versetzung Δδ' der Schwerpunktlage des Lichtes 10a an der Lichtempfangsfläche 9 zu der relativen Lageabweichung Δ zwischen einer Maske und einem Plättchen bei einer Anderung der Wellenlänge, nämlich die Gleichung (b) ermittelt. Dann wird während der tatsächlichen Lageermittlung der Halbleiterlaser 10 zum Erzeugen einer Folge von zwei Lichtstrahlen mit zwei verschiedenen Wellenlängen erregt. Aus den Ausgangssignalen des Photodetektors 8 wird die Schwerpunktlage des mit jeder der beiden Wellenlängen erzeugten Lichtes 10a erfaßt und es wird die Versetzung Δδ' der Schwerpunktlage berechnet. Aus dem erhaltenen Wert Δδ' und unter Anwendung der Gleichung (b) wird die relative Lageabweichung Δ zwischen der Maske und dem Plättchen bestimmt und die Maske oder das Plättchen wird in einem der ermittelten Lageabweichung Δ entsprechenden Ausmaß bewegt.
Ein zweites Verfahren ist folgendes: Bei der tatsächlichen Lageermittlung wird der Halbleiterlaser 10 zum Erzeugen einer Folge von zwei Lichtstrahlen mit zwei verschiedenen Wellenlängen erregt, die im voraus bestimmt sind. Aus den Ausgangssignalen des Detektors 8 wird die Schwerpunktlage des mit jeder der beiden Wellenlängen gebildeten Lichtes 10a ermittelt. Durch Berechnung werden dann die Versetzung Δδ' der Schwerpunktlage sowie die Richtung bestimmt, mit der die Lageabweichung Δ aufgehoben wird. Dann wird die Maske oder das Plättchen in der ermittelten Richtung in einem Ausmaß bewegt, das der Größe Δδ' entspricht. Bei Abschluß der Bewegung wird wieder in Aufeinanderfolge das Licht mit den beiden verschiedenen Wellenlängen abgegeben und es wird wieder die Versetzung Δδ' der Schwerpunktlage erfaßt. Der vorstehend beschriebene Prozeß wird wiederholt, bis die Lageabweichung Δ in einen vorbestimmten zulässigen Bereich verringert ist
Die vorstehend beschriebenen Prozeduren unter Anwendung der Zentraleinheit 102 sind in den Ablaufdiagrammen in Fig. 5A und 5B veranschaulicht.
Wie beschrieben ist es bei diesem Ausführungsbeispiel nicht erforderlich, an der Lichtempfangsfläche 9 des Photodetektors 8 einen Bezugspunkt für das Erfassen der Schwerpunktlage des Ausrichtungslichtes 10a anzusetzen. Das heißt, es ist nicht erforderlich, die bei Δ = 0 anzunehmende Schwerpunktlage des Lichtes 10a an der Lichtaufnahmefläche zu bestimmen. Durch Ändern der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers 10 zu einer Verschiebung der Wellenlänge des Lichtes 10a ist es möglich, die relative Lageabweichung oder die relative Lage von zwei Objekten wie einer Maske und eines Halbleiterplättchens zu ermitteln.
Weiterhin ändert sich bei diesem Ausführungsbeispiel selbst dann, wenn das Plättchen 2 schräg liegt, bei einer Änderung der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers 10 nicht die sich aus einer solchen Schräglage ergebende Versetzung der Schwerpunktlage des Lichtes 10a an der Lichtempfangsfläche 9. Daher bleibt die Größe Δδ' unverändert. Dies ist auch der Fall bei einer Änderung der Lage der Lichtprojektionsvorrichtung (der Elemente 10, 11 und 12) oder der Detektorvorrichtung (der Elemente 8 und 12) in der X-Ebene. Daher ist es allein durch das Erfassen der Versetzung Δδ' der Schwerpunktlage möglich, die Lage des Plättchens ohne Beeinflussung durch irgendeine Schräglage des Plättchens oder durch irgendeine Änderung der Lage der Lichtprojektionsvorrichtung oder der Lichtdetektorvorrichtung zu ermitteln.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Lichtquelle ein Halbleiterlaser verwendet und die Emissionswellenlänge wird durch Steuern des demselben zugeführten Stroms geändert.
Demzufolge ist es allein durch Erfassen der Verschiebung der Schwerpunktlage des Lichtes 10a unter Änderung der Emissionswellenlänge möglich, einen Absolutwert der relativen Lageabweichung oder der relativen Lage eines Halbleiterplättchens gegenüber einer Maske zu ermitteln. Infolge dessen ist dieses Ausführungsbeispiel wirkungsvoller als eine Anordnung, bei der zwei Lichtstrahlen mit voneinandander verschiedenen Wellenlängen aus gesonderten Lichtquellen erzeugt werden.
Gemäß Fig. 4 wird das Ausrichtungslicht 10a bei dem Durchlaß durch eine Gitterlinse 3a der Maske 1 gebeugt, dann reflektierend durch eine Gitterlinse 4a des Plättchens 2 gebeugt und letztlich von der Lichtempfangsfläche 9 des in dem Ausrichtungskopf 6 untergebrachten Photodetektors 8 aufgenommen, wobei die Fehlausrichtung zwischen den optischen Achsen der Gitterlinsen der Maske und des Plättchens auf das n-fache mit einer vorbestimmten Vergrößerung vergrößert ist, die von der Wellenlänge abhängt. Aus dem Ausgangssignal des Photodetektors 8 wird die Schwerpunktlage des Lichtes 10a an der Lichtempfangsfläche 9 ermittelt.
Hierbei wird die Brennweite einer jeweiligen Gitterlinse (Ausrichtungsmarkierung) 3a oder 4a unter Berücksichtigung der Größe des Abstandes zwischen der Maske und dem Plättchen bei der Belichtung (der Musterübertragung) sowie dem Ausmaß der Versetzung Δδ der Schwerpunktlage gegenüber einer vorbestimmten Bezugslage gegenüber der relativen Lageabweichung Δ der Maske und des Plättchens bei der Erfassung mit Licht einer vorbestimmten Wellenlänge bestimmt.
Als Beispiel wird nun ein derartiges System zum Belichten mit Röntgenstrahlen bei kleiner Entfernung betrachtete bei dem die Lage des Schwerpunktes von Licht auf eine Lichtempfangsfläche 9 unter 100-facher Vergrößerung einer relativen Lageabweichung zwischen einer Maske und dem Plättchen bei der Ermittlung mit Licht einer vorbestimmten Wellenlänge erfaßt werden kann und ein Belichtungsabstand auf 30 um gehalten wird.
In diesem Fall wird beispielsweise ein Halbleiterlaser zum Erzeugen von Ausrichtungslicht mit einer Wellenlänge von 0,83 um eingesetzt. Das Ausrichtungslicht durchläuft ein Lichtprojektions-Linsensystem 11 in einem Ausrichtungskopf 6 und wird in paralleles Licht umgesetzt. Das paralle Licht tritt durch ein Gitterlinsensystem mit zwei Gitterlinsen (Zonenplatten) hindurch, die an einem Halbleiterplättchen 2 und einer Maske 1 als Ausrichtungsmarkierungen 3a und 4a angebracht sind, wobei das Licht aufeinanderfolgend zuerst durch die Maske und dann durch das Plättchen hindurchtritt. Beispiele für die Brechkraftverteilung eines solchen Gitterlinsensystems sind in Fig. 6 und 7 dargestellt. In diesen Figuren ist die Plättchen-Gitterlinse 4a als durch eine Durchlaß-Gitterlinse ersetzt dargestellt, die zu einer Reflektions-Gitterlinse äquivalent ist.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel, bei dem eine Gitterlinse 4a eines Plättchens 2 positive Brechkraft hat, während eine Gitterlinse 3a einer Maske 1 negative Brechkraft hat. Fig. 7 zeigt ein Beispiel, bei dem eine Gitterlinse 4a eines Plättchens 2 negative Brechkraft hat, während eine Gitterlinse 3a einer Maske 1 positive Brechkraft hat.
Ob negative Brechkraft oder positive Brechkraft anzuwenden ist, wird in Abhängigkeit davon bestimmt, ob in negativer Ordnung gebeugtes Licht oder in positiver Ordnung gebeugtes Licht verwendet werden soll.
Bei diesen besonderen Fällen hat die Gitterlinse 3a der Maske 1 einen Durchmesser von beispielsweise 300 um, während die Gitterlinse 4a des Plättchens 2 einen Durchmesser von beispielsweise 280 um hat. Die Anordnung der Bauteile und die Brennweiten der optischen Elemente werden derart festgelegt, daß der Schwerpunkt des Lichtes auf der Erfassungsfläche 9 unter 100-facher Vergrößerung einer Lageabweichung zwischen der Maske und dem Plättchen (einer Fehlausrichtung zwischen optischen Achsen) verschiebbar ist und daß als Ergebnis der Lichtflecken auf der Lichtempfangsfläche 9 einen Durchmesser von ungefähr 200 um hat (den Durchmesser einer Airy-Scheibe e&supmin;²).
Es wird nun die optische Geometrie einer Masken-Gitterlinse 3a und einer Plättchen-Gitterlinse 4a erläutert, die bei diesem Ausführungsbeispiel anwendbar sind.
Als erstes kann eine Masken-Gitterlinse 3a derart ausgelegt werden, daß dann, wenn auf diese paralleles Licht mit einem vorbestimmten Strahlenbündeldurchmesser unter einem vorbestimmten Winkel schräg einfällt, das abgelenkte Licht an einer vorbestimmten Stelle fokussiert wird. Üblicherweise kann in einem Fall, bei dem wechselweise kohärente Lichtquellen an einer Lichtquellenstelle (einem Objektpunkt) und der Stelle eines Abbildungspunktes angeordnet sind, ein Muster einer Gitterlinse dasjenige von Interferenzstreifen sein, die an einer Linsenfläche ausgebildet werden können (an einer Masken- oder Plättchenoberfläche, an der die Gitterlinse angebracht wird). Ansatzweise wird ein Koordinatensystem derart festgelegt, daß der Ursprung in der Mitte der Breite der Schnittlinie an der Maske liegt, die x-Achse in Richtung der Schnittlinie verläuft, die y-Achse in der Richtung der Breite verläuft und die z-Achse in der Richtung der Senkrechten zur Oberfläche der Maske 1 verläuft. Gleichungen bezüglich einer Gruppe von gebogenen Linien einer solchen Gitterlinse, durch die paralleles Licht, das auf diese unter einem Winkel α in bezug auf die senkrechte zur Plättchenoberfläche einfällt, bei zu der Schnittlinienrichtung senkrechter Projektion der XY-Ebene nach dem reflektierenden Beugen durch die Gitterlinse 3a an der Stelle eines Konvergenzpunktes (x&sub1;, y&sub1;, z&sub1;) abgebildet wird, können bei dem Bestimmen der Konturstelle eines jeweiligen Gitterringes durch x und y auf folgende Weise ausgedrückt werden:
wobei λ die mittlere Wellenlänge des auf die Gitterlinse 3a fallenden Ausrichtungslichtes ist und m eine ganze Zahl ist.
Nimmt man nun an, daß ein Hauptstrahl ein derartiger Strahl ist, der unter einem Winkel α einfällt, durch den Ursprung an der Maskenoberfläche verläuft und dann auf einen Konvergenzpunkt (x&sub1;, y&sub1;, z&sub1;) auftrifft, dann zeigt die rechte Seite der Gleichung (1), daß abhängig von dem Wert m die optische Weglänge "λ x m/2"-mal länger (kürzer) als diejenige für den Hauptstrahl ist, und die linke Seite stellt in bezug auf den optischen Weg des Hauptstrahls die Längendifferenz des optischen Weges eines derartigen Strahls dar, der durch einen Punkt (x, y, 0) an der Maske hindurch verläuft und dann auf den Punkt (x&sub1;, y&sub1;, z&sub1;) auftrifft.
Andererseits kann eine an einem Halbleiterplättchen 2 anzubringende Gitterlinse 4a derart ausgelegt werden, daß sie an einer vorbestimmten Stelle (an der Sensoroberfläche) eine sphärische Welle sammelt, die aus einer vorbestimmten Punktlichtquelle austritt. Wenn der Abstand zwischen einer Maske 1 und einem Plättchen 2 bei der Belichtung (Musterübertragung) mit g bezeichnet ist, dann kann eine solche Punktlichtquelle ausgedrückt werden durch: (x&sub1;, y&sub1;, z&sub1; - g).
Nimmt man nun an, daß die Maske 1 und das Plättchen 2 in bezug auf die y-Achsenrichtung auszurichten sind und daß nach beendeter Ausrichtung das Ausrichtungslicht an einem Punkt (x&sub2;, y&sub2;, z&sub2;) an der Lichtempfangsfläche 9 fokussiert ist, dann können Gleichungen bezüglich einer Gruppe von gebogenen Linien einer Gitterlinse eines Plättchens in dem vorangehend definierten Koordinatensystem folgendermaßen ausgedrückt werden:
Die Gleichung (2) ist eine Gleichung, die einer Bedingung genügt, durch die unter der Annahme, daß die Plättchenoberfläche "z = -g" ist und daß der Hauptstrahl ein Strahl ist, der durch den Ursprung an der Maskenoberfläche und einen Punkt (0, 0 ,-g) an der Plättchenoberfläche sowie außerdem durch einen Punkt (x&sub2;, y&sub2;, z&sub2;) an der Lichtempfangsfläche 9 verläuft, die Längendifferenz zwischen dem Weg des Hauptstrahls und dem Weg eines über die Gitterlinse (x, y, -g) an der Plättchenoberfläche verlaufenden Strahls gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge wird.
Allgemein kann eine Zonenplatte (Gitterlinse) für eine Maske als Amplituden-Gitterelement für "0" und "1" ausgebildet sein, in welchem abwechselnd zwei Bereiche, nämlich ein Bereich (transparenter Teilbereich), der lichtdurchlässig ist, und ein Bereich (Lichtsperrbereich) ausgebildet sind, der das Licht nicht durchläßt. Andererseits kann eine Zonenplatte für ein Halbleiterplättchen als Phasen-Gittermuster in Reliefform mit beispielsweise rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein. Der Umstand, daß in den Gleichungen (1) und (2) jede Gitterlinie (jeder Gitterring) an einer Stelle definiert ist, die in bezug auf den Hauptstrahl einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht, hat die Bedeutung, daß im Falle der Gitterlinse 3a an der Maske das Linienbreitenverhältnis des transparenten Teils zu dem Lichtsperrteil 1:1 ist und daß im Falle der Gitterlinse 4a an dem Plättchen das Linie-Zwischenraum- Verhältnis des rechteckigen Phasengitters 1:1 ist.
Als typisches Beispiel wurde eine Gitterlinse 3a an einer Maske dadurch gebildet, daß auf einen organischen Dünnfilm aus Polyimid ein Gitterlinsenmuster eines Netzwerkes übertragen wurde, das durch ein Elektronenstrahl-Belichtungsverfahren hergestellt wurde.
Andererseits wurde eine Gitterlinse an einem Halbleiterplättchen dadurch gebildet, daß an einer Maske ein auf das Plättchen zu übertragendes Muster hergestellt wurde und das Muster dann durch einen lithographischen Prozeß übertragen wurde.
Ein Beispiel für eine an einem Plättchen anzubringende Gitterlinse (Ausrichtungsmarkierung) 4a ist in Fig. 8A dargestellt und ein Beispiel für eine an einer Maske anzubringende Gitterlinse 3a ist in Fig. 8B dargestellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird bei diesem Beispiel ein Fall beschrieben, bei dem zwischen einer Maske und einem Plättchen eine bestimmte Lageabweichung besteht.
Das von dem Halbleiterlaser 10 als Beleuchtungslichtquelle abgestrahlte Licht mit einer Wellenlänge von 830 nm tritt durch das Projektionslinsensystem 11 hindurch und wird zu parallelem Licht mit einer Halbwertbreite von 600 um umgeformt. Das parallele Licht wird aus dem Ausrichtungskopf 6 unter einem Winkel von 17,5º in bezug auf die Senkrechte auf der Oberfläche der Maske 1 (die Z-Richtung) auf die Oberfläche der Maske 1 projiziert.
An einer Schnittlinie werden auf der Oberfläche der Maske 1 Gitterlinsen 3a gebildet, die jeweils eine Breite von 60 um und eine Länge von 280 um haben. Ferner werden an einer Schnittlinie auf der Plättchenoberfläche Gitterlinsen 4a gebildet, die jeweils die gleiche Größe wie die Gitterlinse 3a haben. Für eine relative Lageabweichung zwischen der Maske und dem Plättchen ist eine sehr kleine Versetzung durch den von dem piezoelektrischen Antrieb verstellten Feinverstellungs-Plättchentisch vorgesehen, während eine verhältnismäßig große Versetzung durch den von dem Schrittmotorantrieb verstellten Grobverstellungs-Plättchentisch vorgesehen ist. Zum Messen der Versetzung wurde ein Meßgerät (mit einer Auflösung von 0,001 um) verwendet und die Messung wurde in einer temperaturgeregelten Kammer bei einer geregelten Temperatur von 23 ± 0,5ºC ausgeführt. Als Photoempfänger in dem Ausrichtungskopf 6 wurde zum Erfassen der Lage des Schwerpunktes des Lichtes ein eindimensionaler (linearer) CCD-Zeilensensor verwendet. Der Zeilensensor wurde derart angeordnet, daß die Richtung, in der dessen Sensorelemente aufgereiht waren, in Übereinstimmung mit der Richtung (y-Achsenrichtung) gebracht wurde, in bezug auf die irgendeine Lageabweichung ermittelt werden sollte. Die Ausgangssignale aus dem Zeilensensor wurden zu einer Normierung in bezug auf die gesamte Lichtintensität in dem ganzen Lichtempfangsbereich verarbeitet. Dies gewährleistet, daß selbst bei einer geringfügigen Änderung der Ausgangsleistung der Ausrichtungslichtquelle (des Halbleiterlasers) der aus dem Zeilensensorsystem erhältliche Meßwert auf richtige Weise die Lage des Schwerpunktes wiedergibt.
Die Auflösung eines solchen Zeilensensors zum Bestimmen der Lage des Schwerpunktes könnte von der verwendeten Leistung des Ausrichtungslichtes abhängig sein. Wenn die Messung mit einem Halbleiterlaser mit 50 mW ausgeführt wurde, war das Ergebnis 0,2 um.
Bei einem Auslegungsbeispiel für eine Masken-Gitterlinse 3a und eine Plättchen-Gitterlinse 4a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Gitterlinsen derart eingestellt, daß die Lage des Schwerpunktes von Signallicht auf einer Sensoroberfläche verschiebbar ist, während eine Lageabweichung zwischen einer Maske und einem Plättchen 100-fach vergrößert ist.
Wenn die relative Lageabweichung zwischen Maske und Plättchen gleich 3,0 um ist, liegt der Schwerpunkt des Lichtes 10a an einer Stelle in einem Abstand von ungefähr 300 um von der Schwerpunktlage (dem Bezugspunkt) des Ausrichtungslichtes an dem Zeilensensor, die anzunehmen ist, wenn die Lageabweichung gleich 0,0 um ist.
Wenn im Ansprechen auf ein Signal aus der Zentraleinheit 102 der Injektionsstrom zum Halbleiterlaser in dem Ausrichtungskopf um 50 mA geändert wird, um dadurch die mittlere Emissionswellenlänge von 830 nm auf 838 nm zu verschieben, dann ist das Wellenlängenänderungsverhältnis Δλ/λ = 9,6 x 10&supmin;³. Dadurch hat die Änderung der Vergrößerung des Abweichungsmeßsystems ein Ausmaß ΔA = 0,82. Wenn in diesem Fall die Maske und das Plättchen eine relative Lageabweichung von 3 um haben, beträgt die Versetzung der Schwerpunktlage des Lichtes 10a 2,48 um. Falls andererseits die relative Lageabweichung von Maske und Plättchen 0,7 um beträgt, beträgt bei gleichem Wellenlängenänderungsverhältnis die Versetzung der Schwerpunktlage an der Lichtempfangsfläche des Photodetektors 0,574 um.
Auf diese Weise ist es möglich, unter der Voraussetzung, daß das Änderungsverhältnis der Wellenlänge der Lichtquelle vorbestimmt ist, aus der Versetzung Δδ' der Schwerpunktlage an der Lichtempfangsfläche des Photodetektors vor der Wellenlängenänderung gegenüber derjenigen nach der Wellenlängenänderung die relative Lageabweichung der Maske und des Plättchens gemäß folgender Gleichung zu bestimmten:
Δ = Δδ'/ΔA ... (3)
Die Fig. 9 veranschaulicht, wie sich die Schwerpunktlage des Lichtes gemäß der Erfassung durch einen Sensor ändert, wenn eine relative Lageabweichung zwischen einer Maske und einem Plättchen verändert wird. Aus der Fig. 9 ist ersichtlich, daß die Schwerpunktlage des Lichtes in einem linearen Zusammenhang mit der relativen Lageabweichung der Maske und des Plättchens steht, wobei die Vergrößerung des Gitterlinsensystems als Proportionalitätskonstante angesetzt ist.
Bezüglich der Wellenfront-Aberration des Lichtes 10a ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine geringere Wellenfront- Aberration vorzuziehen. Diese Wellenfront-Aberration wird jedoch mit einer größeren numerischen Apertur (NA) der verwendeten Gitterlinsen größer. Dementsprechend ist die Verwendung einer Gitterlinse mit kleinerer numerischer Apertur wünschenswert, wenn eine Gitterlinse (eine Ausrichtungsmarkierung mit Lichtbrechkraft) in einem begrenzten Bereich einzusetzen ist.
Gemäß der Beschreibung wird bei diesem Ausführungsbeispiel das Licht aus dem Ausrichtungskopf 6 schräg in eine Maske eingeleitet und außerdem kehrt das Licht von einem Plättchen weg zu dem Ausrichtungskopf entlang einem optischen Weg zurück, der gleichfalls schräg liegt. Dies gewährleistet das Messen der relativen Lageabweichung der Maske und des Plättchens unter Anordnung des Ausrichtungskopfes außerhalb der Zone E (Fig. 4).
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines Lageermittlungssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in ein Belichtungsgerät zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen eingebaut ist. Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 4 sind entsprechenden Elementen zugeordnet. Während die hauptsächlichen Komponenten dieses Ausführungsbeispiels die gleichen wie diejenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 sind, sind bei diesem Ausführungsbeispiel in dem Ausrichtungskopf als Lichtquellenvorrichtung zwei Halbleiterlaser 10-1 und 10-2 mit voneinander verschiedenen mittleren Emissionswellenlängen vorgesehen. Die Lichtwegeeinstellung ist derart, daß die Hauptstrahlen des Lichts aus den Halbleiterlasern 10-1 und 10-2 einander bei dem Abgeben der Strahlen aus einem Halbspiegel 12a überlagert sind. Die Zentraleinheit 102 schaltet selektiv oder abwechselnd die Halbleiterlaser 10-1 und 10-2 zu einer Änderung der Wellenlänge des Lichts ein, welches die Gitterlinsen (Ausrichtungsmarkierungen) 3a und 4a beleuchtet. Das heißt, die Zentraleinheit 102 schaltet die beiden Halbleiterlaser abwechselnd ein, um dadurch die Wellenlänge des Markierungsbeleuchtungslichtes zu verschieben (obgleich die Laser gleichzeitig erregt sein können). Zu diesem Zweck können vor den entsprechenden Lasern jeweils Verschlüsse angebracht werden und diese Verschlüsse können abwechselnd geöffnet und geschlossen werden.
Der Halbleiterlaser 10-1 hat eine mittlere Wellenlänge von 830 nm und der Halbleiterlaser 10-2 hat eine mittlere Wellenlänge von 780 nm. Bei der Auslegung der jeweils an den Schnittlinien 1a und 2a auszubildenden Gitterlinsen 3a und 4a erfolgte die Parametereinstellung unter der Annahme, daß Licht mit einer Wellenlänge von 805 nm verwendet wurde. Ferner wurde das Wellenlängenänderungsverhältnis auf Δλ/λ = 6,2 x 10&supmin;² eingestellt. Die Brennweite f der Masken-Gitterlinse 3a sowie der Abstand g zwischen der Maske und dem Plättchen bei der Belichtung sind die gleichen wie diejenigen bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vergrößerung A des Gitterlinsensystems für das Ermitteln der relativen Lageabweichung beträgt hinsichtlich des Lichtes mit einer Wellenlänge 805 nm "x100" und das Ausmaß ΔA der Vergrößerungsänderung ist 5,33 (Gleichung (3)).
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Hauptteil eines Belichtungsgerätes zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen zeigt, in das ein Lageermittlungssystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung eingebaut ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Lichtquelle eine Weißlichtquelle 10' verwendet und als wellenlängenselektive Vorrichtungen sind in dem Ausrichtungskopf 6 ein bewegbares Beugungsgitter 13 und eine Schlitzplatte 14 angebracht. Das Beugungsgitter 13 ist schräg zu dem darauffallenden Licht angeordnet und der Neigungswinkel desselben kann geändert werden. Aus dem Beugungsgitter 13 austretende Beugungsstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen haben unterschiedliche Austrittswinkel. In Anbetracht dessen, daß die Schlitzplatte 14, die beispielsweise mit einem Schlitz oder einem feinen Loch einer vorbestimmten Größe versehen ist, an einer vorbestimmten Stelle so angeordnet ist, daß sie mit dem Beugungslicht aus dem Beugungsgitter 13 bestrahlt wird, kann durch eine Schwenkbewegung des Beugungsgitters 13 für das Andern des Neigungswinkels desselben die Wellenlänge des Lichtes verändert werden, das durch die Öffnung (den Schlitz oder das feine Loch) der Schlitzplatte 14 hindurchtritt. Auf diese Weise wird zum Verschieben der Wellenlänge von der Zentraleinheit 102 das Beugungsgitter 13 um einen vorbestimmten Winkel verschwenkt, um dadurch die Wellenlänge des Lichtes zu ändern, welches die Gitterlinsen (Ausrichtungsmarkierungen) 3a und 4a beleuchtet.
Wenn wie bei diesem Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle mit geringer Kohärenz eingesetzt wird, ist es möglich, unerwünschtes Licht wie Flecken an der Lichtempfangsfläche 9 zu unterdrücken, die sich aus Streulicht beispielsweise von Rändern der Ausrichtungsmarken der Maske und des Plättchens oder von einer Resist-Fläche an dem Plättchen ergeben.
Das Element der hinsichtlich Wellenlängen selektiven Vorrichtung ist nicht auf ein Beugungsgitter beschränkt, sondern es kann irgendein anderes Element wie beispielsweise ein Prisma, ein Etalon oder eine Farbfilteranordnung verwendet werden. Wenn ein Farbfilter oder dergleichen verwendet werden soll, wird es nicht hinter der Lichtquelle 10', sondern unmittelbar vor der Lichtempfangsfläche 9 des Photodetektors 8 angeordnet. In diesem Fall kann auf die Gitterlinsen 3a und 4a weißes Licht projiziert werden und die Wellenlänge des Beugungslichtes kann durch die hinsichtlich der Wellenlänge selektive Vorrichtung derart gewählt werden, daß auf die Lichtempfangsfläche 9 eine zu ermittelnde erwünschte Wellenlänge geleitet wird. Wenn die Kombination aus einem Beugungsgitter 13 und einer Schlitzplatte 14 verwendet wird, kann die Öffnung (der Schlitz oder das feine Loch) der Schlitzplatte 14 derart eingestellt werden, daß selbst dann, wenn der Austrittswinkel des Lichtes 10a von dem Plättchen 2 weg sich mit der relativen Lageabweichung der Maske und des Plättchens ändert, das für die Ermittlung verwendete Licht mit einer Wellenlänge oder mit Wellenlängen nicht abgehalten wird, solange die relative Lageabweichung der Maske und des Plättchens in einem bestimmten Bereich liegt.
Die Fig. 12 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das wie die vorangehenden Ausführungsbeispiele als Lageermittlungssystem für eine Maske (ein Netzwerk) und ein Halbleiterplättchen in einem Belichtungsgerät zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen angewandt wird. Das Plättchen ist durch ein Resist in einer vorbestimmten Dicke überdeckt, das durch Schleuderbeschichtung gebildet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Wellenlänge des Ausrichtungslichtes 10a gemäß der Filmdicke und dem spektralen Reflektionsvermögen des Resists derart gewählt, daß sichergestellt ist, daß die Intensität des an der Lichtempfangsfläche 9 des Photodetektors 8 gesammelten Lichtes 10a auf konstante Weise nicht niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird vor dem Ermitteln der Lageabweichung das durch die Filmdicke des Resists bestimmte spektrale Reflektionsvermögen gemessen. Zu diesem Zweck ist eine optische Vorrichtung zum Messen des spektralen Reflektionsvermögens vorgesehen, die einen Ausrichtungskopf 6, ein Lichtempfangselement 113 und einen Spiegel 114 aufweist, welche an einem ortsfesten Rahmen des Belichtungsgerätes befestigt sind. Bevor bezüglich der Belichtungszone E eine Maske 1 angebracht wird, wird von einer Lichtquelle 10 in dem Ausrichtungskopf auf die Oberfläche eines Plättchens 2 Licht 10a projiziert und das Reflektionslicht von der Oberfläche des Plättchens 2 wird durch das Lichtempfangselement 113 aufgenommen und durch Erfassen des Intensitätspegels eines Ausgangssignals des Lichtempfangselements 113 wird die Intensität des empfangenen Lichts gemessen (obgleich diese Messung auch nach dem Anbringen der Maske ausgeführt werden kann).
Die Lichtquelle 10 kann mehrere Laser mit voneinander verschiedenen Emissionswellenlängen oder einen Laser mit veränderbarer Wellenlänge (wie beispielsweise einen Halbleiterlaser oder einen Farbstofflaser) aufweisen, dessen Emissionswellenlänge steuerbar ist, oder alternativ eine Super- Leuchtdiode (SLD), die ein halb-monochromatisches Licht abgeben kann, oder eine Weißlichtquelle mit einer hinsichtlich Wellenlängen selektiven Vorrichtung (wie einem Prisma, einem Etalon, einem Beugungsgitter, einer Farbfilteranordnung oder dergleichen). In einem wählbaren Wellenlängenbereich wird die Wellenlänge verändert und es wird die spektrale Reflektion von der mit einem Resist beschichteten Oberfläche des Plättchens 2 gemessen. Aufgrund der Meßdaten werden mindestens zwei für die Lageabweichungsmessung zu verwendende Wellenlängen bestimmt.
In dem in Fig. 12 dargestellten System erfolgt aufgrund des Einfallwinkels α des Lichtes 10a auf die Maske 1 und des Einfallwinkels α' des durch die Markierung 3a der Maske gebeugten und auf die Oberfläche des Plättchens 2 fallenden Lichtes 10a' die Wellenlängenbestimmung folgendermaßen:
Allgemein kann die Intensität Ir von Reflektionslicht, das sich aus dem Licht mit einer Intensität I und einer Wellenlänge λ ergibt, welches unter einem Winkel θ auf einen Dünnfilm mit einer Filmdicke l und einem Brechungsindex n fällt, der auf einem Substrat mit einem Brechungsindex no gebildet ist, unter Berücksichtigung der Mehrfachreflektion innerhalb des Dünnfilmes durch die folgende Gleichung angegeben werden:
Ir = [4Rsin(δ/2)]/[(1-R)² + 4Rsin²(δ/2)
= (4πnlcosθ)/λ
R = r x r'
wobei r das Amplitudenreflektionsvermögen an der Grenzfläche zwischen dem Dünnfilm und dem Substrat ist und r' das Amplitudenreflektionsvermögen an der Grenzfläche zwischen dem Dünnfilm und der damit in Berührung stehenden Umgebung (wie der Außenluft) ist.
Da Ir maximal wird, wenn δ der Bedingung δ = 1/2 x (2m-1)π genügt, wobei m eine ganze Zahl ist, wird das Reflektionsvermögen (bei dem die Mehrfachreflektion mit eingerechnet ist) zu einem Maximum, wenn der folgenden Beziehung genügt ist:
(4πnlcosθ)/λ = 1/2 x (2m-1)π
Nimmt man nun an, daß die Wellenlänge, die bei einem Einfallwinkel θ einen Spitzenwert des Reflektionsvermögens ergibt, mit λ(θ) bezeichnet ist, dann ergibt sich diese Wellenlänge durch:
λ(θ) = (4nlcosθ)/(2m-1)
Daraus folgt, daß die Wellenlänge λ(θ'), die einen Spitzenwert eines einem anderen Einfallwinkel θ' entsprechenden Reflektionsvermögens ergibt, durch Einsetzen von λ(θ) folgendermaßen gegeben ist:
λ(θ') = cosθ'/cosθ x λ(θ) ... (4)
Allgemein kann die Abhängigkeit der Wellenlänge, die ein Reflektionsvermögen in einem gewünschten Anteil des Spitzenwertes ergibt, von dem Einfallwinkel (θ) gemäß der Gleichung (4) angegeben werden.
Daher ist es gemäß der Gleichung (4) möglich, durch das vorangehende Messen der spektralen Reflektionseigenschaften des Blättchens 2 in bezug auf das Licht 10a bei einem bestimmten Einfallwinkel (α) die Wellenlänge zu bestimmen, die eine Reflektion für einen gewünschten Anteil des Spitzenwertes ergibt.
Ferner kann irgendeine für das Erzielen irgendeiner Reflektion einer bestimmten Proportion zu dem Spitzenwert zu wählende Wellenlänge nach Wunsch eingestellt werden und diese Wellenlänge kann unter Berücksichtigung des wählbaren Wellenlängenbereichs einer eingesetzten Lichtquelle bestimmt werden.
Hierbei ist anzumerken, daß die der Filmdicke des Resists entsprechende spektrale Intensitätskennlinie des Lichtes 10a an der Lichtempfangsfläche 9 des Photodetektors 8 mittels des Meßsystems für die Lageabweichung gemessen werden kann, das den Ausrichtungskopf 6, die Maske 1 und das Plättchen 2 enthält.
Nach dem Bestimmen der zu verwendenden Wellenlängen wird die relative Lageabweichung oder die relative Lage der Maske und des Plättchens bei diesem Ausführungsbeispiel auf im wesentlichen die gleiche Weise wie gemäß der Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 4 ermittelt.
Die Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die Erfindung bei einem System zum Messen des Abstands zwischen einer Maske und einem Plättchen in einem Belichtungsgerät zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen angewandt ist. Die Fig. 14 ist eine vergrößerte schematische Ansicht, die optische Wege in der Nähe eines ersten Objekts (Maske) und eines zweiten Objekts (Plättchen) nach Fig. 13 zeigt.
In Fig. 13 und 14 ist mit 131 das Licht aus einer Lichtquelle wie beispielsweise einem He-Ne-Laser, einem Halbleiterlaser oder dergleichen bezeichnet. Ein plattenförmiges erstes Objekt 1 ist beispielsweise eine Maske und ein plattenförmiges zweites Objekt 2 ist beispielsweise ein Halbleiterplättchen. Zur Belichtung (Musterübertragung) sind die Maske 1 und das Plättchen 2 einander gemäß der Darstellung in einem Abstand d&sub0; gegenübergesetzt. Mit 134 und 135 sind ein erstes bzw. zweites Wandlerelement bezeichnet, die in einem Teilbereich der Oberfläche der Maske 1 angebracht sind und die durch Gittermuster gebildete Markierungen enthalten. Diese Wellenfront-Wandlerelemente 134 und 135 können jeweils mit einem Beugungsgitter ohne optische Brechkraft oder mit einem Markierungselement mit optischer Brechkraft wie beispielsweise einer Fresnel-Zonenplatte mit der Funktion einer Linse versehen sein. Mit 7 ist eine Sammellinse mit einer Brennweite fS bezeichnet.
Mit 8 ist eine Lichtempfangsvorrichtung (Photodetektor) bezeichnet, die an der Stelle des Brennpunktes der Sammellinse 7 angeordnet ist. Die Lichtempfangsvorrichtung kann ein Zeilensensor, eine Photosensorvorrichtung (PSD) oder dergleichen sein und ist dazu ausgelegt, die Lage des Schwerpunktes von darauffallendem Licht zu erfassen. Eine signalverarbeitungsschaltung 115 bestimmt aus einem Ausgangssignal der Lichtempfangsvorrichtung 8 die Lage des Schwerpunktes des auf die Oberfläche der Lichtempfangsvorrichtung 8 fallenden Lichtes. Ferner ist die Signalverarbeitungsschaltung dazu betreibbar, auf die nachfolgend ausführlich beschriebene Weise durch Berechnung den Abstand d&sub0; zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 zu ermitteln.
Mit 110 ist allgemein ein optischer Kopf bezeichnet, der die Sammellinse 7 und die Lichtempfangsvorrichtung (den Photodetektor 8) sowie, falls erwünscht, die Signalverarbeitungsschaltung 115 enthält. Der optische Kopf ist in bezug auf die Maske 1 oder das Plättchen 2 bewegbar. Mit 111 ist ein Wellenlängenmonitor bezeichnet, der zum Messen der Wellenlänge des von einer Lichtquelle LD abgegebenen Lichtes benutzt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Lichtquelle LD ein Halbleiterlaser verwendet und ein in diesen einzuleitender elektrischer Strom wird mittels einer Injektionsstrom-Steuereinrichtung 117 derart gesteuert, daß aus der Lichtquelle LD unter Überwachung der Emissionswellenlänge aus dem Halbleiterlaser über den Wellenlängenmonitor 111 in Aufeinanderfolge Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen abgegeben wird. Die Lichtquelle LD und die Injektionsstrom-Steuereinrichtung 117 sind Bestandteile einer Lichtquelleneinheit 123.
Das Licht 131 (mit der mittleren Wellenlänge λ = 830 nm) aus der Lichtquelle LD fällt in einer zum Zeichnungsblatt parallelen Ebene senkrecht auf einen Punkt A an der Oberfläche einer ersten Fresnel-Zonenplatte (FZP) 134 auf der Oberfläche der Maske 1. Dann wird in einer vorbestimmten Ordnung oder in vorbestimmten Ordnungen unter einem Winkel θ1 von der ersten Fresnel-Zonenplatte 134 gebeugtes Beugungslicht an einem Punkt B (C) an der Oberfläche des Plättchens 2 reflektiert. Wenn die Maske und das Plättchen im Abstand d&sub0; angeordnet sind, wird das Licht an dem Punkt B reflektiert, und wenn sie in einem Abstand "d&sub0; + dG" angeordnet sind, wird das Licht an dem Punkt C reflektiert. Von den dadurch entstehenden Reflektionslichtstrahlen ist das Reflektionslicht 31 ein solches, das erzielbar ist, wenn das Plättchen 2 an der Stelle P1 (im Abstand d&sub0;) nahe an der Maske 1 angeordnet ist. Das Reflektionslicht 32 ist ein solches, das erzielbar ist, wenn das Plättchen 2 von der Stelle P1 weg um eine Strecke dG, nämlich zu einer Stelle P2 versetzt ist.
Danach fällt das von dem Plättchen 2 reflektierte Licht 31 (32) an einem Punkt D (E) auf der Oberfläche einer zweiten Fresnel-Zonenplatte (FZP) 135, die an dem ersten Objekt (der Maske) 1 angebracht ist. Die zweite Fresnel-Zonenplatte 135 hat die optische Funktion, den Abstrahlungswinkel für das abgestrahlte Beugungslicht entsprechend der Stelle des darauffallenden Lichtes zu verändern.
Das von der zweiten Fresnel-Zonenplatte 135 unter einem Winkel θ2 in einer vorbestimmten Ordnung oder in vorbestimmten Ordnungen gebeugte Beugungslicht (61, 62) wird über die Sammellinse 7 auf die Oberfläche der Lichtempfangsvorrichtung (des Photodetektors) 8 gerichtet.
Aufgrund der Erfassung der Einfallstelle des Lichtes (61, 62) auf die Oberfläche der Lichtempfangsvorrichtung 8 kann mittels der Signalverarbeitungsschaltung 115 durch Berechnung der Abstand zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 ermittelt werden. Auf diese Weise kann die Lage des Plättchens 2 in der z-Achsrichtung in bezug auf die Maske 1 ermittelt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die an der Maske 1 gebildete erste und zweite Fresnel-Zonenplatte 134 und 135 jeweils durch ein Gittermuster mit einer vorbestimmten Teilung gebildet und die Beugungswinkel (Abstrahlwinkel) θ1 und θ2 des Beugungslichts der vorbestimmten Ordnung oder der vorbestimmten Ordnungen (z.B. der ± ersten Ordnung) aus dem auf diese Platte-fallenden Licht werden im voraus in bezug auf die mittlere Wellenlänge λ des Lichtes 131 erfaßt. Fig. 15A, 15B und 15C veranschaulichen jeweils die Funktion der ersten und der zweiten Fresnel-Zonenplatte 134 und 135 der Maske 1 sowie den Zusammenhang der Lichtstrahlen (31, 32, 61 und 62) mit dem Abstand zwischen der Maske und dem Plättchen. Von diesen Zeichnungen ist Fig. 15A eine Draufsicht auf die erste und die zweite Fresnel-Zonenplatte 134 und 135, die Fig. 15B eine aus der X-Richtung gesehene Darstellung der durch die erste und die zweite Fresnel-Zonenplatte 134 und 135 hindurchtretenden Lichtstrahlen und die Fig. 15C ist der Darstellung in Fig. 15B gleichartig, aber aus der Y-Richtung gesehen. Es ist ersichtlich, daß jede dieser Fresnel-Zonenplatte als eine Markierung angesehen werden kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die erste Fresnel-Zonenplatte 134 Lichtablenkfunktion für das Beugen des Weges von empfangenem Licht, sie kann aber außerdem eine Funktion zum Konvergieren oder Divergieren von Licht haben.
Wie aus den Fig. 15A bis 15C zu ersehen ist, hat die zweite Fresnel-Zonenplatte 135 eine derartige Funktion, daß sich die Richtung der Beugung des empfangenen Lichtes allmählich mit der Stelle des Einfallens des auftreffenden Lichtes ändert. Beispielsweise stellt in Fig. 15A ein Punkt 11 den Durchlaßpunkt für den Schwerpunkt des von der Fresnel-Zonenplatte 135 abgegebenen Lichtes bei einem Abstand von 100 um zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 dar. Sobald der Abstand zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 größer wird, verschiebt sich der Durchlaßpunkt für das abgegebene Licht nach rechts gemäß Fig. 15A und der Schwerpunkt des abgegebenen Lichtes tritt durch einen Punkt 12 hindurch, wenn der Abstand gleich 200 um wird.
Während das Muster der Fresnel-Zonenplatte 135 in bezug auf die Y-Richtung keine optische Brechkraft für das Konvergieren oder Divergieren von Licht hat, kann es eine solche Brechkraft zum Einstellen einer Aufweitung des Lichtes haben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Fresel-Zonenplatte 135 in bezug auf die X-Richtung eine Lichtkonvergenzkraft (positive Brechkraft), so daß das Licht 61(,62) in Richtung eines Abstahlwinkels von 5º austritt und an einer Stelle in einem Abstand fM = 100º um von der Maske 1 fokussiert wird.
Wenn der Meßbereich für den Abstand zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 beispielsweise zu 100 bis 200 um gewählt wird, können die Größen der ersten sowie der zweiten Fresnel-Zonenplatte 134 und 135 dementsprechend festgelegt werden.
In Verbindung mit Fig. 13 wird nun die Art und Weise des Ermittelns des Abstandes zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 erläutert.
Wenn gemäß Fig. 13 der Abstand eines Schnittpunktes F zwischen den Beugungslichtstrahlen 61 und 62 zu der Maske 1 mit fM bezeichnet ist, dann gilt:
AD = 2d&sub0;tanθ1,
AE = 2(d&sub0; + dG)tanθ1,
dM = DE = AE - AD = 2dGtanθ1 ... (5)
ferner gilt
dM = 2 fM tanθ2 ... (6)
Das Ausmaß S der Versetzung des auf die Lichtempfangsfläche des Photodetektors 8 fallenden Lichtes ist gegeben durch:
S = 2 fS tanθ2 ... (7)
Somit folgt aus den Gleichungen (5), (6) und (7):
S = 2 dG fS/fM tanθ1 ... (8)
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden als Licht für das Ermitteln des Abstandes zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 von der Lichtquelleneinheit 123 aufeinanderfolgend mehrere Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen, z.B. mit Wellenlängen λ1 und λ2 (λ1 ≠ λ2) zugeführt. Dies bewirkt, daß an der zweiten Fresnel-Zonenplatte 135 auf der Oberfläche der Maske 1 zwei Zustände (Systeme) entstehen, die voneinander bezüglich der effektiven Brennweite fM verschieden sind. Es werden dann die Stellen S1 und S2 der auf die Lichtempfangsfläche des Photodetektors 8 fallenden Lichtstrahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen λ1 und λ2 erfaßt und aus der Differenz S zwischen diesen Einfallstellen (S = S1 - S2) wird der Abstand zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 ermittelt.
Nimmt man nun an, daß die Brennweite der zweiten Fresnel- Zonenplatte 135 der Maske 1 bei einer Wellenlänge λ mit f bezeichnet ist, daß der Abstand zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 mit g bezeichnet ist und daß der Abstand von dem Plättchen 2 zu dem Schnittpunkt F mit a bezeichnet ist, so ergibt sich der folgende Zusammenhang:
a = f + g
Daher kann die Vergrößerung A der Versetzung der Schwerpunktlage des Lichtes mit der Wellenlänge λ an der Lichtempfangsfläche 9 gegenüber einer Änderung dG des Abstandes ausgedrückt werden durch:
A = fS/fM dG tanθ
Wenn als nächstes die Wellenlänge λ bezeichnet ist und der Radius eines jeweiligen Ringes des Gittermusters der Markierung 135 mit rm bezeichnet ist (wobei m die Ordnungszahl des Ringes ist), dann ergibt sich bezüglich der Brennweite f der folgende Zusammenhang:
Daraus kann die Brennweite f ausgedrückt werden durch:
f = [rm² - (mλ)²]/2mλ
Falls sich die Wellenlänge des Lichtes um Δλ ändert, dann ist eine sich ergebende Brennweite f' gegeben durch:
f' = [rm² - m² (λ+Δλ)²]/2m(λ+Δλ)]
Das heißt, wenn die Brennweite der zweiten Fresnel-Zonenplatte 135 in bezug auf das Licht mit der Wellenlänge λ1 mit fM1 bezeichnet ist und die Brennweite dieser Fresnel- Zonenplatte 135 in bezug auf das Licht mit der anderen Wellenlänge λ2 mit fM2 bezeichnet ist, dann ergibt sich der folgende Zusammenhang:
S=dG fS tanθ1(λ1))/fM1 - tanθ1(λ2)/fM2] ... (9)
wobei fM1 ≠ fM2 ist.
Genau genommen gilt jedoch
S = dG [fS1/fM1 x tanθ1(λ1)
- fS2/fM2 x tanθ1(λ2) ...(10)
wobei fS1 und fS2 die effektiven Brennweiten der Sammellinse 7 bezüglich der Lichtstrahlen mit den Wellenlängen λ1 und λ2 sind.
Falls die Differenz zwischen den beiden Wellenlängen λ1 und λ2 groß ist, nämlich beispielsweise nicht kleiner als SP ≥ 2,0 D ist, ist die Abstandsermittlung auch bei gleichzeitigem Bestrahlen mit den Lichtstrahlen mit den Wellenlängen λ1 und λ2 erzielbar. Wenn die Differenz der Wellenlängen klein ist, nämlich beispielsweise die Differenz nicht größer als SP < 2,0 D ist, sollten diese Lichtstrahlen vorzugsweise in Aufeinanderfolge projiziert werden. Hierbei ist mit D ein größerer der Punktedurchmesser der Lichtstrahlen mit den Wellenlängen λ1 und λ2 an der Lichtempfangsfläche des Photodetektors bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird unter Überwachung der Wellenlänge des Lichtes 131 über den Wellenlängenmonitor 101 durch Ändern des Injektionsstroms zu der Lichtquelle LD durch die Injektionsstrom-Steuereinrichtung 117 die Emissionswellenlänge der Lichtquelle LD um 10% moduliert. Das heißt, λ2 = 1,1 x λ1 (λ1 = 0,830 um). Hierbei ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Fresnel-Zonenplatte 135 derart gestaltet, daß sich fM1 = 214,723 um und fM2 = 195,124 um ergibt.
Zuerst wird gemäß Fig. 15A die Gitterteilung PA der ersten Fresnel-Zonenplatte 134, die an der Lichteinfallseite ist, in der Y-Richtung auf PA = 1,66 um eingestellt, um tanθ1 (λ1) = 0,577 (mit θ1 (λ1) = 30º) zu genügen. Wenn hierbei tanθ1 (λ2) = 0,659 (mit θ1 (λ2) = 33,37º) und fS1 = fS2 = 30,0 mm gilt, kann die Größe S der Änderung der Lage des Lichtes, das auf die Oberfläche der Lichtempfangsvorrichtung 8 fällt, wenn die Lichtstrahlen mit den Wellenlängen λ1 und λ2 über die erste Fresnel-Zonenplatte 134, das Plättchen 2 und die zweite Fresnel-Zonenplatte 135 in dieser Aufeinanderfolge geleitet wird, angegeben werden durch:
S = 20,704 dG
Somit verschiebt sich für eine jede Änderung des Spaltes zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 um 1 um das Licht (der Lichtpunkt) an der Oberfläche der Lichtempfangsvorrichtung 8 um 15 um. Wenn als Lichtempfangsvorrichtung 8 eine Positionssensorvorrichtung PSD mit einer Positionsauflösung von 0,3 um verwendet wird, kann vom Prinzip her der Abstand zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 mit einer Auflösung gemessen werden, die nicht größer als 0,02 um ist.
Demgemäß ist dann, wenn die Gittermuster jeweils der ersten und der zweiten Markierung 134 und 135 der Maske und des Plättchens derart ausgelegt sind, daß sich selbst bei einer Änderung der Wellenlänge des Lichtes 131 bei Einhalten eines richtigen Abstandes zwischen der Maske und dem Plättchen in der Z-Richtung die Lage des Lichtschwerpunktes an der Oberfläche der Lichtempfangsvorrichtung 8 nicht verschiebt, die Differenz (nämlich Δδ') zwischen den Stellen der auf die Lichtempfangsfläche des Photodetektors 8 fallenden Lichtstrahlen mit den Wellenlängen λ1 und λ2 proportional zu dem Ausmaß Δ der Änderung des Abstandes zwischen der Maske und dem Plättchen. Daher ist es durch Ermitteln der Größe Δδ' aus dem Ausgangssignal des Photodetektors 8 möglich, das Ausmaß Δ der Änderung des Abstandes zwischen der Maske und dem Plättchen zu ermitteln. Ferner entspricht die Richtung der Versetzung der Lage des Lichtes auf der Lichtempfangsfläche des Photodetektors 8 bei einer Änderung der Wellenlänge um Δλ dem positiven oder negativen Vorzeichen der Richtung der Änderung des Abstandes zwischen der Maske und dem Plättchen. Daher ist es auch durch vorheriges Ermitteln dieser Übereinstimmungsbeziehung möglich, aus der Richtung der Versetzung der Einfallstelle des Lichtes bei der Änderung der Wellenlänge die Richtung der Abstandsänderung zu ermitteln.
Hierbei ist es nicht immer notwendig, daß bei Δ = 0 die Größe Δδ' gleich Null ist. Falls im voraus der Absolutwert von Δδ' bei Δ = 0 sowie die Richtung der Versetzung der Lichteinfallstelle bei der Änderung der Wellenlänge ermittelt werden, dann ist es möglich, aufgrund einer Differenz zwischen der sich bei Δ = 0 ergebenden Größe Δδ' und der Größe Δδ' zum Zeitpunkt der Abstandsermittlung den Abstand zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 zu bestimmen.
Der Abstand zwischen einer Maske 1 und einem Plättchen 2 kann auf verschiedenerlei Weise eingestellt werden. Ein erstes Verfahren ist folgendes: Die Gleichung bezüglich des Verhältnisses der Versetzung Δδ' der Stelle des Einfallens des Lichtes 131 auf die Lichtempfangsfläche des Photodetektors 8 bei der Wellenlängenänderung zu der Größe Δ der Anderung des Abstandes zwischen der Maske und dem Plättchen wird im voraus ermittelt und in einen Speicher der Signalverarbeitungsschaltung 115 eingespeichert. Bei der tatsächlichen Abstandsermittlung werden aus der Lichtquelle LD aufeinanderfolgend die beiden Lichtstrahlen mit den beiden vorbestimmten Wellenlängen zugeführt und es werden durch die Signalverarbeitungsschaltung 115 aufgrund der Ausgangssignale des Photodetektors 8 die Einfallstellen der jeweiligen Lichtstrahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen ermittelt. Dann wird die Versetzung Δδ' der Lichteinfallstelle berechnet und aus dem erfaßten Wert Δδ' das Ausmaß Δ der Änderung des Abstandes zwischen der Maske und dem Plättchen ermittelt. Danach wird die Maske oder das Plättchen in der Z-Richtung um ein Ausmaß bewegt, das der ermittelten Größe Δ entspricht, was durch Verstellen eine Objekttisches erfolgt, der die Maske oder das Plättchen trägt.
Ein zweites Verfahren ist folgendes: Bei der Abstandsermittlung werden aus der Lichtquelle LD aufeinanderfolgend Lichtstrahlen mit zwei vorbestimmten Wellenlängen zugeführt und aus der Lichteinfallstelle, die aufgrund des Ausgangssignals des Photodetektors 8 erfaßbar ist, wird die Größe Δδ' erfaßt. Hieraus wird die Richtung ermittelt, in der die Abweichung Δ aufgehoben wird, und die Maske oder das Plättchen wird in der ermittelten Richtung entlang der z- Achse in einem Δδ' entsprechenden Ausmaß bewegt, was durch Verstellen eines Objekttisches erfolgt, der die Maske oder das Plättchen trägt. Sobald die Bewegung beendet ist, werden aus der Lichtquelle LD wieder aufeinanderfolgend die Lichtstrahlen mit den beiden vorbestimmten Wellenlängen zugeführt und die vorstehend beschriebene Ermittlung und Bewegung werden wiederholt, bis die Größe Δ auf einen zulässigen Bereich verringert ist. Die vorstehend beschriebenen Ablauffolgen der Abstandseinstellung sind in den Ablaufdiagrammen in Fig. 17A und 17B dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt als ein Verfahren zum Bestimmen der Lage des Einfallens des Lichtes auf die Lichtempfangsfläche des Photodetektors 8 ein Verfahren vor, bei dem die Lage eines Schwerpunktes des Lichtes (der Intensitätsverteilung desselben) auf der Lichtempfangsfläche oder die Lage eines Spitzenwertes der Intensität an dieser Fläche aufgrund des Ausgangssignals des Photodetektors 8 erfaßt wird.
Gemäß der vorangehenden Beschreibung ist es bei diesem Ausführungsbeispiel nicht erforderlich, an der Lichtempfangsfläche des Photodetektors für die Abstandsermittlung einen besonderen Bezugspunkt anzusetzen. Das heißt, es ist nicht erforderlich, die bei Δ = 0 anzunehmende Lage des Einfallens des Lichtes auf die Lichtempfangsfläche zu bestimmen. Das Erfassen einer Abstandsänderung ist allein durch Modulieren oder Verschieben der Emissionswellenlänge der Lichtquelle LD ermöglicht. Ferner ändert sich mit einer Änderung der Emissionswellenlänge der Lichtquelle LD selbst bei einer Schräglage des Plättchens 2 nicht die sich aus einer solchen Schräglage ergebende Versetzung der Einfallstelle des Lichtes auf der Lichtempfangsfläche des Photodetektors. Daher bleibt die Größe Δδ' unverändert. Dies ist auch bei irgendeiner Änderung der Lage der Lichtprojektionsvorrichtung (111, 123) oder der Detektorvorrichtung (110) in der X- oder Y-Richtung der Fall. Demzufolge ist es von der Erfassung von Δδ' ausgehend möglich, die Abstandsänderung ohne Beeinflussung durch irgendeine Schräglage des Plättchens oder eine Lageänderung der Lichtprojektionsvorrichtung oder des Detektors zu erfassen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Lichtquelle LD ein Halbleiterlaser verwendet und durch Steuern eines Injektionsstroms zu dem Laser die Emissionswellenlänge moduliert. Als Ergebnis kann allein mit dem Erfassen einer Änderung hinsichtlich der Einfallstelle eines Lichtstrahls die Ermittlung des Absolutwertes einer Abstandsänderung sichergestellt werden. Dementsprechend ist dieses Ausführungsbeispiel nutzvoller als eine Anordnung, bei der aus gesonderten Lichtquellen zwei Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen zugeführt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel fällt für eine bestimmte Lage des Plättchens 2 bezüglich der Z-Richtung das Beugungslicht aus der zweiten Fresnel-Zonenplatte 135 auf die Sammellinse 7 unter einem bestimmten Winkel in bezug auf die optische Achse 63 ein. Ferner ist die Lichtempfangsvorrichtung 8 an die Stelle des Brennpunktes der Sammellinse 7 gesetzt. Daher ist unabhängig davon, an welcher Stelle an der optischen Achse 63 der optische Kopf 110 angeordnet ist, und außerdem auch dann, wenn dieser in einer zu der optischen Achse senkrechten Richtung etwas versetzt ist, die Einfallstelle des Lichtes auf die Oberfläche der Lichtempfangsvorrichtung 8 im wesentlichen unveränderbar. Dadurch kann irgendein durch die Versetzung des optischen Kopfes selbst verursachter Meßfehler unterdrückt werden.
Es ist hier anzumerken, daß in einem Fall, bei dem die Lageabweichung des optischen Kopfes 110 in einem gewissen Ausmaß zulässig ist, es nicht erforderlich ist, die Lichtempfangsvorrichtung 8 auf genaue Weise an der Stelle des Brennpunktes der Sammellinse 7 anzuordnen.
Die Sammellinse 7 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 13 kann gemäß der Darstellung in Fig. 16A und 16B weggelassen werden (sechstes Ausführungsbeispiel). Obgleich der Durchmesser des auf den Photodetektor 8 fallenden Lichtstrahls im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 etwas größer ist, können die Aufgaben der Erfindung gelöst werden.
Fig. 16A ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Sammellinse 7 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 13 weggelassen ist.
Fig. 16B zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Fresnel-Zonenplatte (Markierung) 135 einer Maske 1 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 16A durch ein Muster ersetzt ist, das die Funktion zum Abgeben von empfangenem Licht in einer bestimmten Richtung, aber nicht die Funktion zum Konvergieren oder Divergieren von Licht (nämlich optische Brechkraft) hat. Im einzelnen wird als Fresnel-Zonenplatte 135 ein Beugungsmuster verwendet, das ein geradliniges Beugungsgitter mit linearen Mustern aufweist, die unter einem regelmäßigen Teilungsabstand parallel zueinander angeordnet sind. Auch in diesem Fall können wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 16A die Aufgaben der Erfindung gelöst werden.
Bei dem in Fig. 16B dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Fresnel-Zonenplatte (das Beugungsgitter) 135 weggelassen werden, so daß das von dem Plättchen 2 reflektierte Licht einfach durch die Maske 1 hindurchtritt, ohne gebeugt zu werden. Der Photodetektor 8 kann zum Aufnehmen des auf diese Weise durchgelassenen Lichtes angeordnet werden.
Ferner kann die Fresnel-Zonenplatte (das Beugungsgitter oder die Markierung) 134 der Maske 1 nach Fig. 16A und 16B an der Lichteintrittsseite weggelassen werden und das Licht aus der Lichtquelle LD vor dessen Einführung in die Maske 1 mit einer Schräglage in bezug auf eine Senkrechte zu der Oberfläche der Maske 1 (die Z-Richtung) projiziert werden.
Weiterhin kann gemäß Fig. 16A und 16B ein Beugungsgitter an dem Plättchen derart angebracht werden, daß das Beugungslicht aus der Fresnel-Zonenplatte (dem Beugungsgitter) 134 durch das Beugungsgitter an dem Plättchen reflektierend abgelenkt und zu der Fresnel-Zonenplatte (Markierung) 135 gerichtet wird.
Fig. 18 ist eine schematische Darstellung eines Abstandsmeßsystems gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in ein Belichtungsgerät zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen eingebaut ist. Gleiche Bezugszeichen wie diejenigen in Fig. 13 bezeichnen entsprechende Elemente. Während die hauptsächlichen Bestandteile die gleichen wie die bei dem in Fig. 13 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel sind, sind bei diesem Ausführungsbeispiel in dem Ausrichtungskopf 6 als Lichtquellenvorrichtung zwei Halbleiterlaser LD1 und LD2 angebracht, deren (mittlere) Emissionswellenlängen voneinander verschieden sind. Die Lichtwegeinstellung ist derart, daß die Hauptstrahlen der Lichtstrahlen aus den Halbleiterlasern LD1 und LD2 einander bei dem Austreten der Lichtstrahlen aus einem Halbspiegel 16a überlagert sind. Mit 600 ist ein XYZ-Objekttisch bezeichnet, der mittels eines Tischantriebs 601 in X-, Y- und Z-Richtung verstellbar ist. Mit 602 ist ein Plättchenspannfutter für das Festhalten eines Plättchens 2 durch Anziehungskraft bezeichnet.
Für die bezüglich der vorangehenden Ausführungsbeispiele beschriebene Wellenlängenänderung ist die Zentraleinheit (CPU) 102 zum selektiven oder abwechselnden Erregen der Halbleiterlaser LD1 und LD2 betreibbar. Im einzelnen können mit der Zentraleinheit diese Laser abwechselnd erregt werden, um dadurch die Wellenlänge des auf eine Markierung 134 auftreffenden Lichtes zu ändern (obgleich die Laser gleichzeitig erregt werden können). Alternativ kann jeweils vor den Halbleiterlasern LD1 und LD2 ein Verschluß angebracht werden und diese Verschlüsse können unter Steuerung durch die Zentraleinheit 102 abwechselnd geöffnet und geschlossen werden. Der Halbleiterlaser LD1 hat eine mittlere Wellenlänge von 830 nm und der Halbleiterlaser LD2 hat eine mittlere Wellenlänge von 780 nm. Hinsichtlich der Auslegungsgleichungen der Gittermuster der Markierungen 134 und 135 wurde die Parametereinstellung unter der Annahme vorgenommen, daß Licht mit einer Wellenlänge 805 nm verwendet wurde. In diesem Fall ist das Wellenlängenmodulationsverhältnis Δλ/λ = 6,2 x 10&supmin;².
Nimmt man nun an, daß die Gittermarkierung 135 der Maske 1 eine Brennweite f hat, daß wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel der Abstand zwischen der Maske und dem Plättchen gleich g ist und daß die Vergrößerung A des Gitterlinsensystems für die Abstandsermittlung 80,6 ist, dann ist das Ausmaß ΔA der Vergrößerungsänderung gleich 5,33.
Die Fig. 19 ist eine schematische Darstellung eines Abstandsmeßsystems gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in ein Belichtungsgerät zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen eingebaut ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Lichtquellenvorrichtung eine Weiß lichtquelle 703 verwendet und in dem Ausrichtungskopf 6 sind als Wellenlängenselektionsvorrichtung ein Beugungsgitter 13 und eine Blendenplatte 14 angebracht. Das Beugungsgitter 13 ist schräg in bezug auf das auftreffende Licht angeordnet und dazu geeignet, dessen Neigungswinkel zu ändern. Da die Beugungsstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen unterschiedliche Abstrahlwinkel haben, wenn sie aus dem Beugungsgitter 13 austreten, ist es durch Anordnen der Blendenplatte 14 mit einer Öffnung wie einem Schlitz oder einem Nadelloch einer vorbestimmten Größe an einer vorbestimmten Stelle zum Bestrahlen mit dem Beugungslicht und durch schwenkende Bewegung des Beugungsgitters 13 zum Andern des Neigungswinkels desselben möglich, die Wellenlänge des durch die Öffnung der Blendenplatte 14 wie durch einen Schlitz oder ein Nadelloch hindurchtretenden Lichtes zu ändern. Infolge dessen bewirkt bei der Wellenlängenänderung gemäß der Beschreibung unter Bezugnahme auf die vorangehenden Ausführungsbeispiele die Zentraleinheit (CPU) 102 eine Schwenkbewegung des Beugungsgitters 13 um einen vorbestimmten Winkel, um die Wellenlänge des die Markierungen 134 und 135 bestrahlenden Lichtes zu verschieben.
Wenn wie bei diesem Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle mit geringer Kohärenz verwendet wird, ist es möglich, unerwünschtes Licht wie Flecken an der Lichtempfangsfläche 8a des Photodetektors 8 zu unterdrücken, welches sich aus von der Oberfläche eines Resist an einem Plättchen 2 oder von Rändern der Markierungen 134 und 135 der Maske gestreutem Licht ergibt.
Das Element der Wellenlängenselektionsvorrichtung ist nicht auf ein Beugungsgitter beschränkt. Beispielsweise kann ein Prisma, ein Etalon, ein Farbfilter oder dergleichen verwendet werden. Ferner kann die Wellenlängenselektionsvorrichtung unmittelbar vor der Lichtempfangsfläche 8a des Photodetektors 8, nicht unmittelbar hinter der Lichtquelle 703 angeordnet werden, so daß auf die Gitterlinse weißes Licht projiziert wird, und es kann durch die Wellenlängenselektionsvorrichtung aus dem durch die Gitterlinse 134 oder 135 gebeugtem Licht allein eine Lichtkomponente mit einer zu erfassenden bestimmten Wellenlänge herausgegriffen und auf die Lichtempfangsfläche 8a gerichtet werden.
In diesem Fall kann die Größe der Öffnung der Blendenplatte 14 wie eines Schlitzes oder eines Loches derart gewählt werden, daß selbst dann, wenn der Abstrahlwinkel des Lichtes von der Markierung 135 weg sich mit einer Änderung des Abstandes zwischen der Maske und dem Plättchen ändert, das Licht mit einer zu erfassenden Wellenlänge nicht abgehalten wird, solange der Abstand zwischen der Maske und dem Plättchen in einem bestimmten Fehlerbereich liegt.
Bei dem ersten bis achten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der vorangehenden Beschreibung werden aufeinanderfolgend Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen auf eine Markierung projiziert, die durch ein Gittermuster oder ein Muster mit Linsenfunktion gebildet ist. Dies dient jedoch nur zur Erläuterung und es können gemäß der vorstehenden Beschreibung Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen gleichzeitig auf die Markierung projiziert werden und die Lichtstrahlen von der Markierung weg gleichzeitig durch einen Sensor wie einen Photodetektor erfaßt werden. In diesem Fall kann ein dichroitischer Spiegel auf geeignete Weise zum Trennen der Lichtstrahlen wie der Beugungslichtstrahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen von der Markierung weg in bezug auf die Wellenlänge derart eingesetzt werden, daß die Lichtstrahlen mit den unterschiedlichen Wellenlängen jeweils von gesonderten Photodetektoren aufgenommen werden können.
Ferner wurden die vorangehenden Ausführungsbeispiele bezüglich eines Lageermittlungssystems oder eines Abstandsmeßsystems für die Verwendung in einem Röntgenstrahl-Belichtungsgerät beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auch bei einem Belichtungsgerät anwendbar, bei dem Licht der G-Linie oder der I-Linie oder ein Laserstrahl verwendet wird.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die beschriebene Art von Lageermittlungssystem beschränkt und z.B. bei einem Lageermittlungssystem der unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschriebenen Art anwendbar.
Während die Erfindung bezüglich der hier offenbarten Gestaltungen beschrieben wurde, ist sie nicht auf die angeführten Einzelheiten beschränkt und diese Anmeldung soll derartige Abwandlungen oder Änderungen abdecken, die im Sinne der Verbesserungen liegen oder in den Rahmen der nachstehenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln der Relativlage eines ersten und eines zweiten Substrates (1, 2) in einer im wesentlichen zu deren Oberflächen parallelen Richtung, wobei die Substrate im wesentlichen parallel zueinander und einander gegenübergesetzt sind, jedes der Substrate mit einem jeweiligen ersten und zweiten Beugungsmuster (3a, 4a) versehen ist, die jeweils wellenlängenabhängige Brechkraft haben, das Verfahren Schritte umfaßt, bei denen

ein erster und ein zweiter Strahl von Strahlung mit voneinander verschiedenen Wellenlängen entlang einer gemeinsamen Achse derart auf das erste Beugungsmuster (3a) projiziert wird, daß die von dem ersten Muster (3a) gebeugten jeweiligen Strahlen auf das zweite Beugungsmuster (4a) auftreffen und von diesem als jeweiliger erster und zweiter Beugungsstrahl unterschiedlicher Wellenlänge zu einem Strahlungssensor (8) hin gebeugt werden, und

die Einfallstelle des ersten und des zweiten Beugungsstrahls auf den Strahlungssensor (8) erfaßt wird, wobei das Verfahren durch einen Schritt gekennzeichnet ist, bei dem

die Relativlage des ersten und zweiten Substrates (1, 2) in einer zu deren Oberflächen im wesentlichen parallelen Richtung aufgrund der Differenz zwischen den Stellen des Einfallens der Strahlung des ersten und des zweiten Beugungsstrahls auf den Sensor (8) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Substrat eine Maske ist, auf der ein Bildmuster einer integrierten Schaltung ausgebildet ist, und bei dem das zweite Substrat ein Halbleiterplättchen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Substrat ein Halbleiterplättchen ist und das zweite Substrat eine Maske ist, auf der ein Bildmuster einer integrierten Schaltung ausgebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Beugungsmuster positive Brechkraft hat und das zweite Beugungsmuster negative Brechkraft hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Beugungsmuster negative Brechkraft hat und das zweite Beugungsmuster positive Brechkraft hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste und das zweite Beugungsmuster jeweils positive Brechkraft haben.

7. Verfahren zum Ermitteln der Relativlage eines ersten und eines zweiten Substrates (1, 2) in einer im wesentlichen zu deren Oberflächen senkrechten Richtung, wobei die Substrate im wesentlichen parallel zueinander und einander gegenübergesetzt sind und das erste Substrat (1) mit einem ersten Beugungsmuster (134) versehen ist, das Verfahren Schritte umfaßt, bei denen

ein erster und ein zweiter Strahl von Strahlung mit voneinander verschiedenen Wellenlängen entlang einer gemeinsamen Achse (131) derart auf das erste Beugungsmuster (134) projiziert wird, daß die jeweils von dem ersten Muster (134) gebeugten Strahlen schräg auf das zweite Substrat (2) auftreffen und von diesem weg als jeweiliger erster und zweiter reflektierter Strahl unterschiedlicher Wellenlänge zu einem Strahlungssensor (8) hin reflektiert werden, und

die Einfallstellen der Strahlung dem ersten und des zweiten reflektierten Strahls auf den Strahlungssensor (8) erfaßt werden,

und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß

das erste Beugungsmuster (134) ein erstes Beugungsgittermuster ist,

sowie durch einen Schritt, bei dem

die Relativlage des ersten und zweiten Substrates (1, 2) in einer zu deren Oberflächen im wesentlichen senkrechten Richtung aufgrund der Differenz zwischen den Stellen des Einfallens der Strahlung des ersten und des zweiten reflektierten Strahls auf den Sensor (8) bestimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das erste Substrat (1) ferner mit einem von dem ersten Beugungsgittermuster (134) verschiedenen zusätzlichen Beugungsmuster (135) versehen ist, damit der erste und der zweite reflektierte Strahl zuerst durch das zusätzliche Beugungsmuster (135) gebeugt und dann von diesem weg auf den Strahlungssensor (8) gerichtet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das zusätzliche Beugungsmuster Brechkraft hat.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das zusätzliche Beugungsmuster eine Fresnelzonenplatte aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das zweite Substrat mit einem zweiten Beugungsgittermuster versehen ist und bei dem die von dem ersten Beugungsgittermuster gebeugten Strahlen auf das zweite Beugungsgittermuster des zweiten Substrates gerichtet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 7, bei dem die Stelle des jeweiligen Einfallens des ersten und des zweiten Strahls auf den Sensor aufgrund der Stelle der Schwerpunktsmitte der Intensitätsverteilung des jeweiligen Strahls an der lichtempfindlichen Fläche des Sensors bestimmt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 7, bei dem die Stelle des jeweiligen Einfallens des ersten und des zweiten Strahls auf den Sensor aufgrund der Stelle des Spitzenwertes der Intensitätsverteilung des jeweiligen Strahls an der lichtempfindlichen Fläche des Sensors bestimmt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 7, bei dem der erste und der zweite Strahl in zeitlicher Aufeinanderfolge auf das erste Beugungsmuster projiziert werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 7, bei dem der erste und der zweite Strahl gleichzeitig auf das erste Beugungsmuster projiziert werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der erste und der zweite Strahl unabhängig voneinander von einem jeweiligen ersten bzw. zweiten gesonderten Sensor aufgenommen werden.

17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eines der Substrate eine Maske ist und das andere Substrat ein Halbleiterplättchen ist, das mit einem Bild der Maske zu belichten ist, und das einen Schritt zum Belichten des Plättchens mittels einer Strahlungsguelle umfaßt.