DE3003533A1

DE3003533A1 - Vorrichtung zur bestimmung der gegenseitigen lagenbeziehung zwischen zwei prueflingen o.dgl. elementen

Info

Publication number: DE3003533A1
Application number: DE19803003533
Authority: DE
Inventors: Akira Ono
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1980-01-31
Publication date: 1980-08-07
Also published as: DE3003533C2; US4332473A

Description

Henket Kern, feuer &tün2s! Patentanwälte

Registered Representatives before the
- 5 - European Patent Office

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha DHBOOolKihen 80

Kawasaki-shi, Japan Tel, 089/982085-87

Telax: 0529802 hrtkld Telegramme: ellipsoid

MH-54P964-2
31. Januar 1980

Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagenbeziehung zwischen zwei Prüflingen o.dgl= Elementen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagenbeziehung zwischen zwei Elementen unter Verwendung zweier Beugungsgitter.

Ein Verfahren zur mit hoher Genauigkeit erfolgenden gegenseitigen Ausrichtung oder Ausfluchtung zweier Gegenstände bzw. Elemente, z.B. eines Halbleiterplättchens und einer
Maske, unter Verwendung zweier Beugungsgitter wird von
S. Austin, D.C. Flanders, H.I. Smith u.a. in einem Artikel "A new interferometrie alignment technique", Applied Physics Letters, Vol. 31, Nr. 7 (1977), S. 426, und in einem Artikel "Alignment of X-ray lithography masks using a new interferometrie technique - Experimental results", J. Vac. Sei. Technol. 15(3), Mai/Juni 1978, S. 984, beschrieben. Nach
der ersten Veröffentlichung werden zwei Beugungsgitter 1

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und 2 mit jeweils demselben Gitter-Teilungsabstand (pitch) auf die in Fig. 1 schematisch dargestellte Weise parallel zueinander angeordnet, wobei kohärentes Licht von einer Lichtquelle 3 von der Seite des zweiten Beugungsgitters 2 gegen die beiden Beugungsgitter gerichtet wird. Die von den Beugungsgittern gebeugten Strahlen +n-ter und -n-ter Ordnung werden von Lichtempfangsvorrichtungen 4, 5 abgenommen, und die Intensitäten der empfangenen Strahlen werden jeweils an einem Anzeigegerät 6 angezeigt. Wenn zwischen den Gitter-Teilungen der Beugungsgitter 1, 2 eine Verschiebung bzw. ein Versatz Δχ vorhanden ist, sind die von diesen gebeugten Lichtstrahlen zueinander außerphasig bzw. phasenversetzt, so daß die +η-ten und -η-ten Beugungsstrahlen zueinander verschiedene Beugungsarten oder -größen (modes) zeigen. Infolgedessen sind die auf die beiden Lichtempfänger 4, 5 auftreffenden Lichtstrahlen bezüglich ihrer Größe unterschiedlich, und sie werden entsprechend auf dem Anzeiger 6 wiedergegeben. Wenn hierbei die beiden Beugungsgitter 1 und 2 in waagerechter Richtung relativ zueinander verschoben werden, bis die auf die betreffenden Lichtempfänger 4 und 5 fallenden Lichtmengen miteinander koinzidieren, wird die genannte Verschiebung Δ x beseitigt, so daß die gegenseitige Lagenübereinstimmung hergestellt werden kann.

Nach dem zweitgenannten Artikel wird auf die in Fig. 2 schematisch gezeigte Weise kohärentes Licht von einer Lichtquelle an der Seite des ersten Beugungsgitters 1 in Richtung auf die beiden Beugungsgitter 1 und 2 ausgesandt. Die von den Beugungsgittern 1, 2 gebeugten Lichtstrahlen werden von Detektoren 4, 5 abgenommen, wobei die Lagenübereinstimmung (Ausfluchtung) wie im vorstehend beschriebenen Fall hergestellt werden kann.

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Die vorstehend geschilderten Lagenausrichttechniken bieten den Vorteil, daß auf diese Weise eine Lagenausrichtung mit hoher Genauigkeit auf der Grundlage des Teilungsabstands der Beugungsgitter 1, 2 und der Wellenlänge λ des kohärenten Lichts bestimmt werden kann. Wenn jedoch bei der auf diese Weise erfolgenden Lagenausrichtung der Abstand D zwischen den Beugungsgittern bei der waagerechten Relativbewegung zwischen ihnen variiert, ändert sich auch die Länge des Strahlengangs (optical length). Infolgedessen variiert auch die Phase der gebeugten Strahlen sehr stark, so daß die Bestimmung oder Beurteilung einer Lagenverschiebung sehr schwierig wird. Bei praktischer Anwendung dieser Technik auf verschiedene Vorrichtungen ist es nahezu unmöglich, eine Änderung des Abstands D zwischen den Gittern, z.B. infolge von Bodenschwingung und Schwingung der bewegbaren Bauteile zu verhindern. Wenn hierbei weiterhin andere Strahlen (gestörte oder Störstrahlen) als die gebeugten Lichtstrahlen auf die Lichtempfänger 4, 5 auftreffen, wird eine genaue Bestimmung unmöglich, weshalb strengste Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung solcher Störstrahlen getroffen werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer praktisch anwendbaren Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagenbeziehung zwischen zwei Elementen, mit welcher mit hoher Genauigkeit eine Lagenübereinstimmung hergestellt werden kann und welche nicht von den ungünstigen Einflüssen aufgrund einer Lagenänderung zwischen zwei Beugungsgittern sowie aufgrund von Störstrahlen betroffen ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips verschiedener bisheriger Lagenausrichtvorrichtungen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Änderung der Intensität eines Meßsi gnals und einer Lagenverschiebung von Beugungsgittern bei der Vorrichtung nach Fig. 4,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform einer Einspannvorrichtung (jig) für die Vorrichtung nach Fig. 6.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Die von zwei Beugungsgittern gebeugten Lichtstrahlen werden im folgenden analytisch erläutert, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Obgleich sich diese Erläuterung auf einen Reflexionsstrahl richtet, gilt sie auch für einen Beugungsstrahl als Übertragungsstrahl.

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Gemäß Fig. 3 ist ein zweites Beugungs- oder Phasengitter 12 auf einem Gegenstand angeordnet, von welchem Lichtstrahlen reflektiert werden. Ein erstes Beugungs- oder Phasengitter 11 ist parallel zum zweiten Beugungsgitter 12 in einem vorbestimmten Abstand D über ihm angeordnet. Die beiden Gitter 11 und 12 besitzen jeweils denselben Gitter-Teilungsabstand P. Kohärentes Licht, z.B. von einer Laser-Lichtquelle, wird lotrecht auf die Beugungsgitter 11, 12 geworfen. Von den Gittern 11, 12 gebeugte Hauptstrahlen +n-ter und -n-ter Ordnung (main +η- and -η-order beams) sind beispielsweise folgende:

1. Ein erster,'reflektierter und vom ersten Beugungsgitter 11 gebeugter Strahl 14;

2. ein zweiter Beugungsstrahl 15, der vom zweiten Beugungsgitter 12 nach dem Durchgang durch das erste Beugungsgitter 11 reflektiert und zum ersten Beugungsgitter 11 übertragen und an diesem gebeugt wird;

3. ein dritter Beugungsstrahl 16, der nach dem Durchgang durch das erste Beugungsgitter 11 vom zweiten Beugungsgitter 12 reflektiert und gebeugt wird.

(Es ist darauf hinzuweisen, daß beispielhaft ein n-Modus (η-mode) vorausgesetzt wird).

Wenn die Amplituden der jeweiligen Beugungsstrahlen 14, 15 und 16 mit a, b bzw. c bezeichnet werden, läßt sich die komplexe Amplitude des ersten Beugungsstrahls, Ea , wie folgt ausdrücken:

Ea⁺ⁿ = a (1)

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Die komplexe Amplitude des zweiten BeugungsStrahls 15, Eb , bestimmt sich wie folgt:

Eb⁺ⁿ = b · exp i (2ff -^) (2)

worin bedeuten:

i = eine imaginäre Zahl

Λ = Wellenlänge des Laserstrahls 13

d(=D) = Strahlenganglänge (optical length) zwischen der Oberseite des ersten Beugungsgitters 11 und der Oberseite des zweiten Beugungsgitters 12.

Die komplexe Amplitude des dritten Beugungsstrahls, Ec ⁿ, bestimmt sich nach folgenden Gleichungen:

Ec⁺ⁿ = c · exp i (M + N)

(1 + cosf) d .₄

M = 2if y—£ , N = 2tf

worin bedeuten:

P = Teilungslänge der Beugungsgitter 11 und 12 Δχ = Verschiebung bzw. Versatz zwischen den Beugungsgittern 11 und 12

Demzufolge bilden die Strahlen +n-ter Ordnung einen zusammengesetzten bzw. Mischstrahl (Interferenzstrahl) aus den drei genannten Beugungsstrahlen 15, 16 und 17. Die Intensität I des Mischstrahls bestimmt sich für den Fall λ/Ρ * O und cos^ ~ 1 wie folgt:

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= \Ea⁺ⁿ + Eb⁺ⁿ + Ec⁺ⁿ 1 ²

= a² + b² + c² + 2ab

+ 2ac ^ Y)

+ 2bc cos() ....(4)

Ebenso lassen sich die komplexen Amplituden Ea ⁿ, Eb ⁿ

und Ec der Beugungsstrahlen 17, 18 und 19 -n-ter Ordnung wie folgt ausdrücken:

Ea~ⁿ = a (5)

Eb"ⁿ = b · exp i (21T^) (6)

Ec~ⁿ = c · exp i (M - N) (7)

Diese Beugungsstrahlen 17 - 19 stören sich gegenseitig; die Intensität des Strahls -n-ter Ordnung ist nachstehend angegeben:

-n 2^,2^2 _ , 44Td

I=a+b+c+ 2ab cos—^ζ—

ο /^ -· ~ 2ifn ·Δχ, 2ac cos (—£- - - ]

+■ 2bc cos() (8)

In den beiden eingangs erwähnten Veröffentlichungen wird vorausgesetzt, daß dann, wenn bei einem Vergleich die Intensität I ⁿ des Mischstrahls mit derjenigen des Strahls -n-ter Ordnung koinzidiert, eine Lagenverschiebung Δ χ zwischen den beiden Beugungsgittern 11, 12 nicht mehr vorhanden ist. Auf diese Weise kann die Lagenübereinstimmung

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hergestellt bzw. bestimmt werden. Aus Gleichungen (4) und (8) geht jedoch hervor, daß die Intensitäten I⁺ⁿ, i~ⁿ der Strahlen eine Funktion der Verschiebung Δ x sowie eine Funktion des Abstands (Strahlenganglänge) d zwischen den Oberseiten beider Beugungsgitter 11 und 12 sind. Da sich der genannte Abstand D bei der Herstellung der Lagenübereinstimmung ändern kann, war es bisher unmöglich, das Ergebnis des Vergleichs genau zu beurteilen.

Erfindungsgemäß kann das genannte Problem dadurch gelöst werden, daß der Unterschied zwischen den Intensitäten I ⁿ und I ⁿ der Strahlen ermittelt wird und gleichzeitig die Phasen der Beugungsstrahlen 14 bis 19 entsprechend (zweckmäßig) eingestellt werden. Der ggf. ermittelte Unterschied zwischen den Intensitäten I und I der Strahlen entspricht folgender Gleichung:

_-n _+n _ f ,41Fd 21t η· Δ χ. I - I = 2ac{ cos (—^- - —= -)

4^d 2If_n · Λ Ρ

= 4ac sin()sxn(—-^) (9)

Wie aus Gleichung (9) hervorgeht, ergibt sich dann, wenn die Verschiebung Δ χ zwischen den Beugungsgittern 11 und 12 eine vorbestimmte Größe besitzt:

,2 ITn · Δ χ _λ _ ,._..

sin ( ^ ) = O (10)

2n · Δχ

= m (ganze Zahl) .....(H)

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Für die Teilungslänge P der Beugungsgitter ist der genannte Unterschied unabhängig von Änderungen des Abstands d konstant (d.h. gleich Null). Auch wenn sich die Wellenlänge \ des Laserstrahls 13 ändert, bleibt der genannte Unterschied konstant (Null). Im Hinblick hierauf ist erfindungsgertiäß eine (erste) Einrichtung vorgesehen, um das Beugungsgitter 11 oder 12 in Richtung der Bestrahlung mit dem Laserstrahl 13 in Schwingung zu versetzen und ständig schwingend den Abstand zwischen den Beugungsgittern 11 und 12 zu variieren, so daß auf diese Weise die Phase des Beugungsstrahls moduliert werden kann. Durch Ableitung eines Mittelwertes (abgeglichener Wert) der Intensitäten der in den phasenmodulierten Beugungsstrahlen enthaltenen Interferenzstrahlen wird die Änderung des Abstands d aufgehoben, und es wird ein einzelner bzw. singulärer Punkt der Funktion herausgefunden, die nur von der Verschiebung zwischen den Beugungsgittern 11 und 12 abhängig ist. Weiterhin wird eine (zweite) Einrichtung zur Modulation der Wellenlänge λ des Laserstrahls 13 vorgesehen, um die Phase der Beugungsstrahlen zu modulieren und einen Intensitätsunterschied der Strahlen festzustellen, der lediglich von der Verschiebung zwischen den Beugungsgittern 11 und 12 abhängig ist. Wenn beispielsweise das Beugungsgitter 11 in Schwingung versetzt wird, entspricht ein Abstand bzw. eine Strecke d(t) zwischen den Gittern 11 und 12 zu einem Zeitpunkt t der Gleichung:

d(t) = d_Q + Ad sin 21f f t (12)

worin bedeuten:

Ad = Schwingungs amplitude

f = Schwingungsfrequenz

d_o = Mittenabstand (Neutralabstand)

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Infolgedessen läßt sich Gleichung (9) wie folgt umschreiben:

= 4ac

χ sin{-^-(d₀ + Ad sin 2 tf ft)} (13)

Dies bedeutet, daß der Intensitätsunterschied als einem Signal entsprechend angesehen werden kann, das stets mit einer Amplitude wie folgt schwingt:

I₀ + Ad sin 21^ft)}

Durch Glättung (smoothing out) dieses Signals ist es möglich, die Verschiebung bzw. den Versatz & χ zu beobachten bzw. zu ermitteln.

Eine nach dem obigen Prinzip arbeitende Vorrichtung gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand von Fig. 4 erläutert.

Gemäß Fig. 4 ist eine feste Basis 21 mit flacher Oberseite vorgesehen, auf welcher ein bewegbarer Tisch 22 so angeordnet ist, daß er auf der Basis 21 waagerecht verschiebbar ist. Ein erster Prüfling, etwa ein Halbleiterplättchen 24 ist auf der Oberseite eines piezoelektrischen Schwingelementes 23 angeordnet, das auf den bewegbaren Tisch 22 aufgesetzt ist. Eine Vorrichtung zur Bewegung des Tisches, etwa eine piezoelektrische Treiber- bzw. Antriebsvorrichtung 25, ist auf der Basis 21 angeordnet und ermöglicht eine Verschiebung des Tisches 2 2 mit hoher Genauigkeit in Richtung der Pfeile gemäß Fig. 4 . Eine Stromquelle 26 ist an das piezoelektrische Schwingelement 23 angeschlossen, und letzteres wird durch ein Signal von der Stromquelle mit vorbestimmter Periode in lotrechter Richtung in Schwingung versetzt, um den ersten Prüfling 24 in lotrechter Richtung, d.h. in

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Richtung seiner Dicke schwingen zu lassen. Ein erstes Beugungsgitter 27 ist auf die waagerechte Oberseite des Prüflings 24 aufgesetzt, während ein zweites Beugungsgitter 2 8 auf einem zweiten Prüfling 28a, etwa einer mit einem vorbestimmten Abstand d über dem ersten Beugungsgitter 27 angeordneten IC-Maske, ausgebildet ist. Der zweite Prüfling 2 8a ist fest an einem Träger 29 montiert, der seinerseits an der Basis 21 befestigt ist. Die beiden Beugungsgitter 27 und 2 8 besitzen jeweils dieselbe Teilungslänge P, und ihre Gitterelemente sind senkrecht zur Bewegungsrichtung des Tisches 22 angeordnet. Eine kohärentes Licht erzeugende Lichtquelle, etwa eine He-Ne-Gaslaservorrichtung 30, ist so über dem zweiten Beugungsgitter 28 angeordnet, daß sie einen Laserstrahl 30a mit vorbestimmter Wellenlänge lotrecht abwärts gegen das zweite Beugungsgitter 28 aussendet. Zwei Photosensoren 31 und 32, etwa Photodioden, sind unter jeweils gleichen Winkeln zur optischen Achse des Laserstrahls 30a der Lichtquelle 30 und in Bewegungsrichtung des Tisches 22 angeordnet. Diese Photosensoren 31 und 32 empfangen die von den beiden Beugungsgittern 2 7 und 28 gebeugten Strahlen +n-ter und -n-ter Ordnung, wobei sie elektrische Signale erzeugen, die jeweils der auf sie auftreffenden Lichtmenge entsprechen. Die Photosensoren 31 und 32 sind an Vorverstärker 33 bzw. 34 angeschlossen, deren Ausgänge mit einem Eingang eines Differentialverstärkers 35 verbunden sind. Die elektrischen Signale der Photosensoren 31 und 32 werden durch die Vorverstärker 33 und 34 verstärkt und dann zum Differentialverstärker 35 übertragen, in welchem der Unterschied zwischen diesen Signalen berechnet wird. Der Ausgang des Differentialverstärkers 35 ist über einen Filterkreis 36, einen Gleichrichterkreis 37 und einen Glättungskreis 38 an ein Anzeigegerät 39 angeschlossen. Der Filterkreis läßt nur zwei Signale durch, welche die Schwingfrequenz (f) und das Doppelte dieser Frequenz (2f)

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besitzen. Dies bedeutet, daß im Differential-Ausgangssignal des Differential-Verstärkers 35 die unerwünschten Frequenzkomponenten durch den Filterkreis 36 ausgefiltert worden sind. Das Ausgangssignal des Filterkreises 36 wird durch den Gleichrichterkreis 37 gleichgerichtet, und dessen Ausgangssignal wird wiederum zur Wiedergabe am Anzeigegerät 39 geglättet. Das Ausgangssignal des Glättungskreises 38 wird auch an den Tischantrieb 25 angelegt. Durch das Ausgangssignal des Glättungskreises 38 wird die Antriebskraft des Tischantriebs 25 zur Verschiebung des Tisches 22 gesteuert bzw. geregelt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Interferenzstrahlen aufgrund der von den Beugungsgittern 27 und 28 gebeugten Strahlen +n-ter und -n-ter Ordnung von den Photosensoren 31 bzw. 32 als Lichtsignal einer Intensität empfangen, welche der Verschiebung zwischen den Beugungsgittern 27 und 28 entspricht, wobei der Unterschied zwischen diesen Strahlen durch den Differentialverstärker 35 festgestellt wird. Dabei werden die auf die Photosensoren 31 und 32 auftreffenden gestörten bzw. Störstrahlen durch die Differentialoperation des Differentialverstärkers 35 unterdrückt und dadurch beseitigt. Auf diese Weise kann jeder ungünstige Einfluß der Störstrahlen ausgeschaltet werden. Wenn die Schwingfrequenz des Oszillators 23 mit f bezeichnet wird, besitzt der Filterkreis 36 eine solche Charakteristik bzw. Kennlinie, daß er die Signale mit den Frequenzen f und 2f durchläßt. Durch den Filterkreis 36 werden die bei Verschiebung des Tisches 22 erzeugten und/oder von Störstrahlung herrührenden Schwingungskomponenten beseitigt, so daß ungünstige Einflüsse aufgrund von Bodenschwingung usw. vermieden werden. Das Ausgangssignal des Filterkreises wird gleichgerichtet und sodann geglättet, so daß ein Gleichspannungspegelsignal entsprechend einer Amplitude von

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I₀ + Ad sin 2f ft) J

gemäß Gleichung (13) erhalten wird. Die Größe dieses Signals wird durch das Anzeigegerät 39 dargestellt, welches die Lagenbeziehung zwischen den Beugungsgittern 27 und 28 wiedergibt. Entsprechend der Größe des Gleichspannungspegelsignals läßt der Tischantrieb 25 den Tisch 22 sich unter Steuerung in Richtung der Pfeile gemäß Fig. 4 verschieben. Die Bewegung des Tisches 22 wird beendet, wenn das Gleichspannungspegelsignal die Größe Null erreicht. Auf diese Weise kann eine einwandfreie Lagenausrichtung bzw. Ausfluchtung bewirkt werden. Hierdurch wird eine einwandfreie Ausfluchtung zwischen den beiden Beugungsgittern 2 8 und 27 und somit zwischen den beiden Prüflingen 24 und 28a erreicht.

Fig. 5 veranschaulicht graphisch die Beziehung zwischen der Änderung des Ausgangspegels des Glättungskreises 38 und einer Lagenverschiebung, wenn zwei Photosensoren vorgesehen sind, welche die Interferenzstrahlen aufgrund der Beugungsstrahlen (1) + erster Ordnung und die Interferenzstrahlen aufgrund der Beugungsstrahlen (2) + dritter Ordnung empfangen. Auf der Abszisse der graphischen Darstellung ist die Lagenverschiebung (in pm) zwischen den Beugungsgittern aufgetragen, während die Ordinate die Ausgangsspannung (mV) des Glättungskreises zeigt. Die gestrichelte Kurve A entspricht dabei der Kurve der Beugungsstrahlen + erster Ordnung, während die ausgezogene Kennlinie bzw. Kurve B für die Beugungsstrahlen + dritter Ordnung gilt.

Wie aus Gleichung (5) und den obigen theoretischen Erläuterungen hervorgeht, wird ein Null betragendes Ausgangssignal dann erhalten, wenn keine Verschiebung zwischen den Beugungsgittern vorhanden ist, oder wenn die Verschiebung (P/2) der halben Teilungslänge des betreffenden Beugungsgitters entspricht. Im zuletzt genannten Fall wird ein Null betragendes

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Signal bei scharfer Abweichung der Intensität erhalten.
Aus Fig. 5 geht hervor, daß die Änderung der Kennlinie um so deutlicher ist, je höher die Ordnung der Beugungsstrahlen ist. Wenn gemäß Fig. 4 zusätzliche Photosensoren 31a, 32a vorgesehen werden, welche die Interferenzstrahlen aufgrund der Beugungsstrahlen der +k-Ordnung empfangen, welche sich von den Beugungsstrahlen der +η-Ordnung unterscheiden, und wenn die Photosensoren 31a, 32a sowie 31, 32 selektiv benutzt werden, läßt sich ohne weiteres eine höchst genaue
Lagenübereinstimmung erreichen. Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit, mit welcher die Lagenausrichtung bewirkt wird, können weitere Photosensoren in einem oder mehreren Paaren angeordnet werden, um zusätzliche Beugungsstrahlen anderer Ordnung festzustellen. Zu diesem Zweck können die Photosensoren 31a, 32a und 31, 32 sowie die weiteren Photosensoren entsprechend selektiv umgeschaltet werden. Wenn
nämlich die zusätzlichen Photosensoren in einem oder
mehreren Paaren angeordnet werden, kann zuerst eine Grobeinstellung mittels z.B. der Beugungsstrahlen der + ersten Ordnung und sodann eine Feineinstellung mittels Beugungsstrahlen niedrigerer Ordnung durchgeführt werden. Um das
zweite Beugungsgitter in Einfallsrichtung der kohärenten
Lichtstrahlung schwingen zu lassen, kann nicht nur beispielsweise das piezoelektrische Schwingelement sondern
ggf. auch der Schalldruck beispielsweise eines Lautsprechers angewandt werden. Während die Photosensoren bei der beschriebenen Ausfuhrungsform so angeordnet sind, daß sie die reflektierten Beugungsstrahlen abnehmen, können sie
auch für die Abnahme der durchgelassenen Beugungsstrahlen angeordnet sein.

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Wenn bei der beschriebenen Ausführungsform der von der Laserlichtquelle ausgesandte Laserstrahl nicht genau senkrecht auf das betreffende Beugungsgitter gerichtet ist, verschlechtert sich die Genauigkeit der Lagenausrichtung zwischen zwei Gegenständen mit zunehmendem Abstand d zwischen den beiden Beugungsgittern. Der Einfallswinkel der Laserstrahlung muß daher genau 90 relativ zu den Beugungsgittern betragen. Wenn der Laserstrahl beispielsweise so auf das betreffende Beugungsgitter auftrifft, daß er um ΔΘ gegenüber der 9O°-Stellung relativ zum Beugungsgitter versetzt ist, beträgt die Lagenmißausrichtung £ zwischen den beiden Gegenständen bzw. Prüflingen

6 = d sin Δθ

Bei den derzeit gebräuchlichen Laservorrichtungen variiert die Emissionsrichtung des Laserstrahls zeitabhängig in

-4
der Größenordnung von 10 Radian. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Lagenausrichtung bzw. Ausfluchtung muß in diesem Fall der Abstand d zwischen den Beugungsgittern verkleinert werden, woraus sich das Problem einer Einschränkung des Anwendungsbereichs ergibt.

Wenn eine besonders genaue Lagenausrichtung oder -ausfluchtung z.B. zwischen einem Halbleiterplättchen und einer IC-Maske vorgenommen werden soll, muß stets der Abstand d zwischen den Gittern gemessen werden, um diesen Abstand d auf einer vorbestimmten Größe zu halten. Der Abstand d läßt sich anhand der Amplitudengröße der Schwingung eines ersten Prüflings berechnen, wenn eine Amplitudenenergie einer vorbestimmten Größe dem piezoelektrischen Schwingelement 23 bzw. dem Lautsprecher eingespeist wird. Bei kleiner werdendem Abstand d wirkt nämlich die zwischen den Beugungsgittern eingeschlossene Luft als Dämpfelement, wodurch die Schwingung des ersten Prüflings erschwert und infolgedessen die

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Schwingungsamplitude kleiner wird. Für die Schwingungsmessung kann ein Verfahren unter Verwendung eines berührungsfreien Verschiebungsmeßelements, eines Wirbelstrom-Verschiebungsmeßelernents usw. oder aber ein Lichtinterferenzverfahren angewandt werden. Das zuletzt genannte Verfahren ist besonders wirksam, weil hierbei das optische System gemäß Fig. 4 unmittelbar benutzt werden kann.

Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 6 kann das vorstehend geschilderte Problem eines großen Abstands d gelöst werden. In Fig. 6 sind die den Teilen von Fig. 4 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht näher erläutert. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 6 sind zwei Beugungsgitter 27 und 28, die in einem vorbestimmten Abstand d angeordnet sind, mittels entsprechender Antriebe 25 über zugeordnete Spannfutter 25a in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung verschiebbar. Zwischen den Beugungsgittern 27 und 28 ist eine Einspannvorrichtung 40 mit glatten, zueinander parallelen Ober- und Unterseiten angeordnet. An der Unterseite der Einspannvorrichtung 40 ist eine drittes Beugungsgitter 41, dem Beugungsgitter 27 zugewandt, vorgesehen, während auf der Oberseite der Einspannvorrichtung 40 ein viertes Beugungsgitter 42 angeordnet ist, welches dem zweiten Beugungsgitter 28 zugewandt ist. Erstes und drittes Beugungsgitter 27 bzw. 41 sowie zweites und viertes Beugungsgitter 28 und 42 besitzen jeweils denselben Gitter-Teilungsabstand. Weiterhin sind erstes und drittes Beugungsgitter 27 bzw. 41 und zweites und viertes Beugungsgitter 28 bzw. 42 jeweils in einem kleinen Abstand Δά voneinander angeordnet. Die Einspannvorrichtung 40 wird von einem piezoelektrischen Schwingelement 23 getragen, so daß sie durch dieses lotrecht (aufwärts und abwärts) in Schwingung versetzbar ist. Der Laserstrahl 30a einer Laservorrichtung 30 wird lotrecht abwärts auf erstes und drittes Beugungsgitter 27 bzw. 41 gerichtet, wobei die

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Interferenzstrahlen aufgrund der an den Beugungsgittern und 41 reflektierten und gebeugten Strahlen +n-ter Ordnung durch zwei Photosensoren 31 und 32 in ein der Strahlungsintensität entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt werden. Ein Laserstrahl 30a einer weiteren Laservorrichtung wird lotrecht abwärts auf zweites und viertes Beugungsgitter 28 bzw. 42 gerichtet, wobei die Interferenzstrahle die in den an den Beugungsgittern 28 und 42 gebeugten Strahlen +n-ter Ordnung enthalten sind, durch zwei Photosensoren 31, 32 in ein elektrisches Signal umgesetzt werden. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird das elektrische Signal durch einen Differentialverstärker 35, einen Filterkreis 36, einen Gleichrichterkreis 37 und einen Glättungskreis 38 verarbeitet und auf einem Anzeigegerät 39 wiedergegeben. Durch dasselbe elektrische Signal wird ein Tischantrieb 25 regelbar angesteuert.

Wenn bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 eine Lagenausrichtung bzw. -ausfluchtung zwischen ersten und dritten Beugungsgitter einerseits sowie zwischen zweitem und vierten Beugungsgitter andererseits herbeigeführt wird, läßt sich eine (entsprechende) Lagenausrichtung zwischen erstem und zweitem Beugungsgitter und somit zwischen den (paarweise zugeordneten) Gegenständen oder Prüflingen auf diesen Beugungsgittern erzielen. Wenn bei der Lagenausrichtung oder Ausfluchtung der Abstand Λα zwischen den Beugungsgittern aufgrund der Verwendung einer dickeren Einspannvorrichtung kleiner wird, ergibt sich keine wesentliche Verringerung der Ausrichtgenauigkeit, und zwar auch dann, wenn der Einfallswinkel des Laserstrahls etwas von der 90 -Richtung relativ zum Beugungsgitter verschoben ist. Dies bedeutet, daß ein Fehler £ = Ad sin Δθ aufgrund einer Abweichung des Einfallswinkels des Laserstrahls durch Verkleinerung des Abstands Δα verkleinert werden kann. Gemäß Fig.

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kann eine zwischen erstem und zweitem Beugungsgitter 27 bzw. 28 angeordnete Einspannvorrichtung 40 parallele obere und untere Schenkel 40a, 40b aufweisen, wobei der untere Schenkel 40b an der Unterseite seines vorderen Abschnitts ein drittes Beugungsgitter 41 trägt, während der obere Schenkel 40a im vorderen Bereich seiner Oberseite ein viertes Beugungsgitter 42 aufweist. Mittels einer solchen Einspannvorrichtung kann der Abstand Δ d zwischen den Beugungsgittern verkleinert werden.

Obgleich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 zwei Laservorrichtungen verwendet werden, kann auch nur eine einzige Laservorrichtung vorgesehen sein. In diesem Fall wird der Laserstrahl der Laservorrichtung durch ein Lichtteilerelement, etwa einen halbdurchlässigen Spiegel, in zwei Strahlen aufgeteilt, die dann auf die betreffenden Beugungsgitter geworfen werden können. Während bei der beschriebenen Ausführungsform der Abstand zwischen den Beugungsgittern periodisch variiert wird, kann auch die Wellenlänge Λ des einfallenden kohärenten Lichts periodisch geändert werden, d.h. die Phase der am zweiten Beugungsgitter gebeugten Strahlen kann relativ zu derjenigen der am ersten Beugungsgitter gebeugten Strahlen moduliert werden.

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Claims

Henkel, Kern, Feuer &HSnz@1 Patentanwälte Q Π Π "3 ζ ^ ^ Registered Representatives ^UU OO O <3 before the European Patent Office MöhistraBe 37 Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha B-80QO München 8Ö Kawasaki-shi JaDan TeL: 089/982085-B7 Kawasaki shx, Japan Telex: 0529802 hnk!d Telegramme: ellipsoid MH-54P964-2 31. Januar 1980 Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagenbeziehung zwischen zwei Prüflingen o.dgl. Elementen Patentansprüche

1.] Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagenbezie-/ hung zwischen zwei Prüflingen o.dgl. Elementen, mit zwei Beugungsgittern, die derart parallel zueinander angeordnet sind, daß sie jeweils einem betreffenden der einer Lagenausrichtung oder Ausfluchtung zu unterwerfenden Prüflinge zugewandt sind, und die jeweils denselben Gitter-Teilungsabstand (pitch) besitzen, und mit einer Lichtquelle, die kohärentes Licht lotrecht abwärts auf die beiden Beugungsgitter richtet, gekennzeichnet durch eine Modulationseinrichtung (23) zum Modulieren der Phase der am zweiten Beugungsgitter (28) gebeugten Strahlen gegenüber der Phase der am ersten Beugungsgitter (27) gebeugten Strahlen und durch Detektorelemente (31 - 39) zur Abnahme eines ersten Interferenzstrahls aufgrund der in den

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gebeugten Strahlen enthaltenen Beugungsstrahlen +n-ter Ordnung und eines zweiten Interferenzstrahls aufgrund der in den gebeugten Strahlen enthaltenen Beugungsstrahlen -n-ter Ordnung und zur Berechnung des Intensitätsunterschieds zwischen erstem und zweitem Interferenzstrahl oder -licht zwecks Bestimmung der gegenseitigen Lagenverschiebung zwischen erstem und zweitem Beugungsgitter.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung einen Antriebsmechanismus zur periodischen Änderung des Relativabstands zwischen erstem und zweitem Beugungsgitter aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmechanismus ein piezoelektrisches Schwingelement aufweist, welches einen der Prüflinge trägt und diesen in Schwingung versetzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Richtung des Gitter-Teilungsabstands der Beugungsgitter verschiebbarer Tisch vorgesehen ist und daß das piezoelektrische Schwingelement so am bewegbaren Tisch montiert ist, daß es zusammen mit dem einen Prüfling in derselben Richtung bewegbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente zwei photoelektrische Wandler zur Abnahme des ersten und des zweiten InterferenzStrahls zwecks Erzeugung eines elektrischen Signals entsprechend der Intensität des empfangenen Lichts, eine Rechenschaltung zur Berechnung eines Unterschieds zwischen den Ausgangssignalen der photoelektrischen Wandler und eine

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Anzeigeeinheit zur Anzeige eines Differenzsignals von der Rechenschaltung umfassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch .5/ dadurch gekennzeichnet, daß Antriebsmittel zur Bewegung eines der beiden Prüflinge in Richtung des Gitter-Teilungsabstands des Beugungsgitters, wenn das der Anzeigeeinheit gelieferte Differenzsignal von Null abweicht, vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Abnahme eines Interferenzstrahls aufgrund von Beugungsstrahlen niedriger Ordnung, die von den Beugungsstrahlen der +η-ten Ordnung (+n-order) verschieden sind, sowie eines InterferenzStrahls aufgrund von Beugungsstrahlen niedriger Ordnung, die von den Beugungsstrahlen der -η-ten Ordnung (-η-order) verschieden sind, vorgesehen sind, um anhand des Unterschieds zwischen diesen beiden Interferenzstrahlen eine gegenseitige Lagenverschiebung zwischen den beiden Beugungsgittern zu ermitteln.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modülationseinrichtung die Wellenlänge des auf die Beugungsgitter fallenden kohärenten Lichts zu modulieren vermag.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein dem einen Prüfling zugeordnetes drittes Beugungsgitter, durch ein dem dritten Beugungsgitter gegenüberliegend und parallel dazu angeordnetes viertes Beugungsgitter mit demselben Gitter-Teilungsabstand wie beim dritten Beugungsgitter, durch eine Lichtquelle, die

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kohärentes Licht lotrecht abwärts gegen drittes und viertes Beugungsgitter ausstrahlt, durch eine weitere Modulationseinrichtung zum Modulieren der Phase der am vierten Beugungsgitter gebeugten Strahlen gegenüber der Phase der am dritten Beugungsgitter gebeugten Strahlen und durch weitere Detektorelemente zur Abnahme eines dritten InterferenzStrahls aufgrund der Beugungsstrahlen +n-ter Ordnung in den an drittem und viertem Beugungsgitter gebeugten Strahlen sowie eines vierten Interferenzstrahls aufgrund der Beugungsstrahlen -n-ter Ordnung in den an drittem und viertem Beugungsgitter gebeugten Strahlen zwecks Bestimmung oder Feststellung einer gegenseitigen Lagenverschiebung zwischen drittem und viertem Beugungsgitter anhand eines Unterschieds zwischen drittem und viertem Interferenzstrahl.

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