DE3003533C2

DE3003533C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagebeziehung zwischen zwei Prüflingen

Info

Publication number: DE3003533C2
Application number: DE3003533A
Authority: DE
Inventors: Akira Tokio/Tokyo Ono
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1980-01-31
Publication date: 1984-08-23
Also published as: US4332473A; DE3003533A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagebeziehung zwischen zwei Prüflingen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung zur mit hoher Genauigkeit erfolgenden gegenseitigen Ausrichtung oder Ausfluchtung zweier Prüflinge, 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. 426-428 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. 984 985 beschrieben. Nach der ersten Veröffentlichung werden zwei Beugungsgitter 1 und 2 mit jeweils derselben Gitterkonstanteauf 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-tcrund — «-ter Ordnung werden von Lichtempfängern 4, 5 abgenommen, und die Intensitäten der empfangenden Strahlen werden jeweils an einem Anzeigegerät 6 angezeigt. Wenn zwischen den Gitter-Teilungen der Beugungsgitter 1, 2 eine Verschiebung Ax vorhanden ist, sind die von diesen gebeugten Lichtstrahlen zueinander phasenverschoben bzw. phasenversetzt, so daß die +η-ten und — /Ken Beugungsstrahlen zueinander verschieden gebeugt werden. Infolgedessen sind die auf die beiden Lichtempfänger 4, 5 auftreffenden Lichtstrahlen bezüglich ihrer Lichtstärke 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 Lichtstärken miteinander übereinstimmen, wird die genannte Verschiebung Δ χ beseitigt, so daß die gegenseitige Lagenübereinstimmung hergestellt werden kann.

Nach dem zweitgenannten Artikel wird auf die in Pig. 2 schematisch gezeigte Weise kohärentes Licht von einer Lichtquelle an der Seile des ersten Beugungsgitiers I in Richtung aiii' die beiden Beugungsgitter I und 2

ausgesandt. Die von den Beugungsgittern 1, 2 gebeugten Liehtslrahlen werden von den Liehtcmplängcrn bzw. Detektoren 4, 5 abgenommen, wobei die Lageübereinstimmung wie im vorstehend beschriebenen F.ill hergestellt werden kann.

Die vorstehend geschilderten Lageausrichttechniken bieten den Vorteil, daß auf diese Weise eine Lageausrichtung mit hoher Genauigkeit auf der Grundlage der Gitterkonstante der Beugungsgitter 1,2 und der Wellenlänge λ des kohärrnten 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. Infolgedessen variiert auch die Phase der gebeugten Strahlen sehr stark, so daß die Ermittlung einer Lagenverschiebung sehr schwierig wird. Bei praktischer Anwendung dieser Technik auf verschiedene Vorrichtungen ist es nahezu unmöglich, eine Ändeung des Abstands D zwischen den Gittern, z. B. infolge von Bodenschwingungen der bewegbaren Bauteile, zu verhindern. Wenn hierbei weiterhin andere Strahlen 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.

Aus der DE-OS 2819400 ist eine Vorrichtung zum Ausrichten zweier Körper zueinander bekannt, wobei zwei Ausrichtungsmuster benutzt werden und verschiedene Detektoren vorgesehen sind, um gebeugte Strahlen von einer Lichtquelle zu erfassen. Damit soll eine Vorrichtung für Ausrichtungsmarkierungen auf zwei oder mehr Platten geschaffen werden, die mit einfachen und leicht zu handhabenden Mitteln eine Ausrichtungsgenauigkeit unter der Mikrometergrenze ermöglicht und sich auf verschiedene Verfahren anwenden läßt.

Dagegen ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagebeziehung zwischen zwei Prüflingen zu schaffen, die äußerst genau arbeitet und bei der die beiden Prüflinge eng benachbart nebeneinander liegen können.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Patentansprüchen 2 bis 7.

Die Erfindung ermöglicht so eine praktisch anwendbare Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagebeziehung zwischen zwei Prüflingen, mit welcher mit hoher Genauigkeit eine Lagenübereinstimmung hergestellt werden kann und welche nicht von ungünstigen Einflüssen aufgrund einer Lageänderung zwischen den beiden Beugungsgittern sowie aufgrund von Störstrahlcn betroffen ist.

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 schc'natische Darstellung einer Vorrichtung gemäß twiner Ausführungsfonn der Erfindung.

Fig. 5 eine graphische Darstellt^ der Beziehung /wischen der Änderung der Intensität eines Meüsignals und einer Lagenversehiebung! von Beugungsgittern bei der Vorrichtung nach I-ig. 4.

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung und
Fi g. 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 tu 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 Transmissionsstrahl.

Gemäß Fig. 3 ist ein zweites Beugungs- oder Phasengitter 12 auf einem Gegenstand angeordnet, von welchem Lichtstrahlen reflektiert werden. Ein erstes Beugungsoder Phasengitter 11 ist parallel zum zweiten Beugungsgitter 12 in einem vorbestimmten Abstand D über ihm angeordnet. Die beiden Gitter 11 und 12 besitzen jeweils 2(i dieselbe Gitterkonstante P. Kohärentes Lichi, 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 sind beispielsweise folgende:

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

2. ein zweiter Beugungsstrahl 15, der vom zweiten Beugungsgitter 12 nach dem Durchgang durch das erste

Λ) 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 η-Modus vorausgesetzt wird).

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

Ea'

Die komplexe Amplitude des zweiten Bcugungsstrahls 15, Eh'", bestimmt sich wie folgt:

Eh " = Λα·χρ/ 2n .

worin bedeuten:

/ = die imaginäre Zahl [/ — 1
/. = Wellenlänge des Laserstrahls 13
(K = D) = optische Weglänge zwischen der Oberseite des ersten Beugungsgitters U und der Oberseite des zweiten Beugungsgitters 12.

Die komplexe Amplitude des dritten Beugungsstrahls, μ Ei·*', bestimmt sich nach folgenden Gleichungen:

N)

I + cos ■■„ 1 ti

worin bedeuten:

P = Gitterkonstante der Beugungsgitter 11 und 12
/Iv = Verschiebung bzw. Versatz zwischen den Beugungsgittern 11 und 12.

Demzufolge bilden die Strahlen + /i-ter Ordnung einen zusammengesetzten bzw. Mischstrahl (Interferenzslrahl) aus den drei genannten Beugungsstrahlen 15. 16 und 17. Die Intensität/⁺" des Mischstrahls bestimmt sich für den

sO und

cos ' = I wie folgt:

' = |Λ'«'"+ Eb'"+ /fr'"I
= ίί² + b¹ + c² + 2ab cos

And

And 2nn ■ Ax'' /. ⁺ /'

2Ar cos

(2πη-Λχ\
s ( _p )

Ebenso lassen sich die komplexen Amplituden Ea ". Eb'" und Ec~" der Beugungsstrahlen 17. 18 und 19 — Ji-ter Ordnung wie folgt ausdrücken:

Ea'" = a

Eb " = h ■ cxp i[2n~. J

- N)

Diese Beugungsstrahlen !7-19 stören sich gegenseitig: die Intensität des Strahls —n-tcr Ordnung ist nachstehend angegeben:

And
cos .
/.

And 2πη·Ax '/. ~ P

,, (2ηηΛχ

-r2/>_t-cos( - _p

In den beiden eingangs erwähnten Veröffentlichungen wird vorausgesetzt, daß dann, wenn bei einem Vergleich die Intensität /⁺" des Mischstrahls mit derjenigen des Strahls —n-ter Ordnung koinzidiert, eine Lagen verschiebung Δχ zwischen den beiden Beugungsgittern 11, 12 nicht mehr vorhanden ist. Auf diese Weise kann die Lagenübereinstimmung hergestellt bzw. bestimmt werden. Aus Gleichungen (4) und (8) geht hervor, daß die Intensitäten /"". /""der Strahlen eine Funktion der Verschiebung Iv sowie eine Funktion des Abstands d zwischen den Oberseilen 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.

Das genannte Problem kann nun dadurch gelöst werden, daß der Unterschied zwischen den Intensitäten /⁺" und /"" der Strahlen ermittelt wird und gleichzeitig die Phasen der Beugungsstrahlen 14 und 19 entsprechend (zweckmäßig) eingestellt werden. Der ggf. ermittelte Unterschied zwischen den Intensitäten /^f" und /"" der Strahlen entspricht folgender Gleichung:

And 2nn

+ cos

And 2nn■.

= Aac sin

2ffH ■ /1.v\ (Anti
-.--)s.n _T

Wie aus Gleichung (9) hervorgeht, ergibt sich dann, wenn die Verschiebung /Iv zwischen den Beugungsgittern Il und 12 eine vorbcslimmtc Größe besitzt:

sin

d.h.

2»· ,Iv

= 0

= m (ganze Zahl)

l-i'ir die (iitlerkonstanlc /^J 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 eine (erste) Einrichtung vorgesehen, um das Beugungsgitter Il oder 12 in Richtung der Bestrahlung mit

^:5 dem Laserstrahl 13 in Schwingung zu versetzen und ständig schwingend den Abstand zwischen den Beugungsgittern Il und 12 zu variieren, so daß auf diese Weise die Phase des Beugungsstrahls moduliert werden kann. Durch Ableitung eines Mittelwertes (abgeglichener

¹⁽¹ 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 /. des Laserstrahls 13 vorgesehen, um die Phase der Bcugungsstrahlen 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 </(/) zwischen den Gittern 11 und 12 zu einem Zeitpunkt ι der Gleichung:

d(i) = d„+ Ad sin 2nft (12)

worin bedeuten:

so Ai/= Schwingungsamplitude
/= Schwingungsfrequenz
i/„ = Mittenabstand (Neutralabstand).

Infolgedessen läßt sich Gleichung (9) wie folgt umschreibcn:

(2πη-,

χ sin < -r- (d„ + Ad sin 2 π//))

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

sin <-^- (d₀ + Adsin 2πΛ)1

Durch Glättung dieses Signals ist es möglich, die Verschiebung bzw. den Versatz Ax zu beobachten bzw. zu ermitteln.

Eine nach dem obigen Prinzip arbeitende Vorrichtung wird im folgenden anhand von Fig. 4 erläutert.

Gemäß Fig. 4 ist eine feste Basis 21 mit flacher Oberseite vorgesehen, aufweicher ein bewegbarer Tisch 22 so angeordnet ist, daß er auf der Basis 21 waagerecht verschiebbar ist. Ein erster Prüfling, etwa ein Halbleitcrplüttchen 24 ist auf der Oberseite eines piezoelektrischen Schwingclementes 23 angeordnet, das auf den bewegbaren Tisch 22 aufgesetzt ist. Eine Vorrichtung zur Bewegung des Tisches, etwa eine piezoelektrische Treiberbzw. Antriebsvorrichtung 25, ist auf der Basis 21 angeordnet und ermöglicht eine Verschiebung des Tisches 22 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 Richtung seiner Dicke schwingen zu lassen. Ein erstes Beugungsgitter 27 ist auf die waagerechte Oberseite des Prüflings 24 aufgesetzt, während ein zweites Beugungsgitter 28 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 28a ist fest an einem Träger 29 montiert, der seinerseits an der Basis 21 befestigt ist. Die beiden Beugungsgitter 27 und 28 besitzen jeweils dieselbe Gitterkonstante P, und ihre Gittcrelementc 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 27 und 28 gebeugten Strahlen +w-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 Differenzverstärkers 35 verbunden sind. Die elektrischen Signale der Photosensoren 31 und 32 werden durch die Vorverstärker 33 und 34 verstärkt und dann zum Differenzverstärker 35 übertragen, in welchem der Unterschied /wischen diesen Signalen berechnet wird. Der Ausgang des Differcnzvcrstärkcrs 35 ist über einen Filterkreis 36, einen Gleichrichtcrkrcis 37 und einen Cilältungskreis 38 an ein Anzeigegerät 39 angeschlossen. Der Filterkreis läßt nur zwei Signale durch, welche die Schwingfrequenz (/) und das Doppelte dieser Frequenz (2/) besitzen. Dies bedeutet, daß im Ausgangssignal des Differenzverstärkers 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.

Mit der Vorrichtung werden Interferenzstrahlen aufgrund der von den Beugungsgittern 27 und 28 gebeugten Strahlen +«-terund -M-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 Differenzverstärker 35 festgestellt wird. Dabei werden die auf die Photosensoren 31 und 32 auftretenden gestörten bzw. Slörstrahlen

κι durch die Wirkung des Differenzvrstürkcrs 35 unterdrückt und dadurch beseitigt. Auf diese Weise kann jeder ungünstige Einfluß der Störslrahlen ausgeschaltet werden. Wenn die Schwingfrequenz des Oszillators 23 mit / bezeichnet wird, besitzt der Filterkreis 36 eine solche

is Charakteristik bzw. Kennlinie, daß er die Signale mit den Frequenzen /und 2/ durchläßt. Durch den Filterkreis 36 werden die bei Verschiebung des Tisches 22 erzeugten und/oder von Störstrahlung herrührenden Schwingungskomponenten beseitigt, so daß ungünstige Einflüsse auf- grund von Bodenschwingung usw. vermieden werden. Das Ausgangssignal des Filterkreises wird gleichgerichtet und sodann geglättet, so daß ein Gleichspannungspegelsignal entsprechend einer Amplitude von

in I -. (</„ + /Ii/ sin 2nfi) >

sin

gemäß Gleichung (13) erhalten wird. Die Größe dieses

in Signals wird durch das Anzeigegerät 39 dargestellt, welches die Lagenbezichung zwischen den Beugungsgittern 27 und 28 wiedergibt. Entsprechend der Größe des Glcichspannungspcgclsignals 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

-to zwischen den beiden Beugungsgittern 28 und 27 und somit zwischen den beiden Prüflingen 24 und 28a erreicht.

Fig. 5 veranschaulicht graphisch die Beziehung zwischen der Änderung des Ausgangspegcls 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 Beugungsstrahlcn (2) ± dritter Ordnung empfangen. Auf der Abszisse

so der graphischen Darstellung ist die Lagen verschiebung (in μηι) zwischen den Beugungsgittern aufgetragen, während die Ordinate die Ausgangsspannung (mV) des Glätlungskrcises zeigt. Die gestrichelte Kurve A entspricht dabei der Kurve der Beugungs.strahlcn ± erster Ordnung, während die ausgezogene Kennlinie bzw. Kurve B für die Beugungsstrahlen ± dritter Ordnung gilt.

Wie aus Gleichung (5) und den obigen theoretischen Erläuterungen hervorgehl, wird ein Null betragendes Ausgangssignal dann erhalten, wenn keine Verschiebung

Mi zwischen den Beugungsgittern vorhanden ist, oder wenn die Verschiebung (Pll) der halben Gitterkonstante des betreffenden Beugungsgitters entspricht. Im zuletzt genannten Fall wird ein Null betragendes 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 + Α-Ordnung empfangen, welche sich von den Bcugungsstrahlen der +«-Ordnung unterscheiden, und wenn die Photosensoren 31«, 32« 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 Beugungsstrahlcn der + ersten Ordnung, und sodann eine Feineinstellung mittels Bcugungsstrahlen höherer Ordnung durchgeführt werden. Um das /weile Beugungsgitter in Kinfallsrichtung der kohärenten Lichtstrahlung schwingen zu lassen, kann nicht nur beispielsweise das piezoelektrische Schwingclcment, sondern ggf. auch der Schalldruck beispielsweise eines Lautsprechers angewandt werden. Während die Photosensoren bei der beschriebenen Ausführungsform so angeordnet sind, daß sie die reflektierten Beugungsstrahlen abnehmen, können sie auch für die Abnahme der durchgehenden Beugungsstrahlen angeordnet sein.

Wenn bei der beschriebenen Ausführungslbrm 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 rf zwischen den beiden Beugungsgittern. Der Einfallswinkel der Laserstrahlung muß daher genau 90° relativ zu den Beugungsgittern betragen. Wenn der Lasersirah! beispielsweise so auf das betreffende Beugungsgitter auftrifft, daß er um AO gegenüber der 90°-Stellung relativ zum Beugungsgitter versetzt ist, beträgt die Lagcnmißausrichtung r. zwischen den beiden Gegenständen bzw. Prüflingen

i: = i/sin AO.

Bei den derzeit gebräuchlichen Laservorrichtungen variiert die Emissionsrichtung des Laserstrahls zeitabhängig in der Größenordnung von 10~⁴ Radian. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Lagenausrichtung bzw. Ausfluchtung muß in diesem Fall der Abstand rfzwischen 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 rf zwischen den Gittern gemessen werden, um diesen Abstand rf auf einer vorbestimmten Größe zu halten. Der Abstand rf 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 rf wirkt nämlich die zwischen den Beugungsgittern eingeschlossene Luft als Dämplelement, wodurch die Schwingung des ersten Prüflings erschwert und infolgedessen die Schwingungsamplitude kleiner wird. Für die Schwingungsmessung kann ein Verfahren unter Verwendung eines bcrührungsfreien Vcrschiebungsmeßelements, eines Wirbelstrom-Verschiebungsmeßelemenls usw. oder aber ein Lichlinlcrlerenzverfahren angewandt werden. Das /ulelzt 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 ti gelöst werden. In Fig. 6 sind die den Teilen von Fig. 4 entsprechenden Teiie mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht näher erläutert. Bei

κι der Vorrichtung gemäß Fig. 6 sind zwei Beugungsgitter 27 und 28, die in einem vorbestimmten Abstand rf angeordnet sind, mittels entsprechender Antriebe 25 über zugeordnete Spannfutter 25a in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung verschiebbar. Zwischen den Beugungsgittcrn 27 und 28 ist eine Einspannvorrichtung 40 mil glatten, zueinander paraiieien Ober- und Unterseiten angeordnet. An der Unterseite der Einspannvorrichtung

40 ist ein drittes Beugungsgitter 41, dem Beugungsgitter 27 zugewandt, vorgesehen, während auf der Oberseite

:» der Einspannvorriehtung40ein viertes Beugungsgitter42 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-Teilungsabsland. Wciterhin sind erstes und drittes Beugungsgitter 27 bzw. 41 und zweites und viertes Beugungsgitter 28 bzw. 42 jeweils in einem kleinen Abstand Ad voneinander angeordnet. Die Einspannvorrichtung 40 wird von einem piezoelektrischen Schwingelement 23 getragen, so daß sie durch

.W 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 Interferenzstrahlen aufgrund der an den Beugungsgittern 27 und 41

.15 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

•m viertes Beugungsgitter 28 bzw. 42 gerichtet, wobei die Inlerfcrcnzstrahlcn. die in den an den Beugungsgittern 28 und 42 gebeugten Strahlen ±/i-lcr Ordnung enthalten sind, durch zwei Photosensoren 31,32 in ein elektrisches Signal umgesetzt werden. Wie bei der Ausführungslbrm gemäß Fig. 4 wird das elektrische Signal durch einen Differenzverstärker 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

so 25 regelbar angesteuert.

Wenn bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 eine Lagenausrichtung bzw. -ausfiuchtung zwischen ersiem und drittem Beugungsgitter einerseits sowie zwischen zweitem und viertem 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 Ausfluch-

«) tung der Abstand A d 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°-

fi5 Richtung relativ zum Beugungsgitter verschoben ist. Dies bedeutet, daß ein Fehler c, = Ad sin AO aufgrund einer Abweichung des Einfallswinkels des Laserstrahls durch Verkleinerung des Abstands Ad verkleinert werden

11

kann. Gemäß Fig. 7 kann eine zwischen erstem und zweitem Beugungsgitter 27 bzw. 28 angeordnete Einspannvorrichtung 40 parallele obere und untere Schenkel 40α, 40Λ aufweisen, wobei der untere Schenkel 40Λ an der Unterseite seines vorderen Abschnitts ein drittes Beugungsgitter 41 trügt, während der obere Schenkel 40a im vorderen Bereich seiner Oberseite ein viertes Beugungsgitter 42 aufweist. Mittels einer solchen Einspannvorrichtung kann der Abstand Ja¹ zwischen den Beugungsgittern verkleinert werden.

Obgleich bei der Ausführungslbrm 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 Sirahlen aufgeteilt, die dann auf die betreffenden Beugungsgitter geworfen werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Lagebeziehung zwischen zwei Prüflingen, mit einem s ersten und einem zweiten, mit je einem Prüfling verbundenen Beugungsgitter, die jeweils dieselbe Gitterkonstante besitzen, mit einer Lichtquelle, die kohärentes Licht senkrecht auf das erste und das im Strahlengang direkt dahinter liegende zweite Beugungsgit- in ter richtet, und mit einer Detektoreinrichtung zur Abnahme eines ersten Interferenzbündels, bestehend aus im gebeugten Licht enthaltenen Strahlen -t-n-ter Ordnung und eines zweiten Intcrferenzbündels, bestehend aus im gebeugten Licht enthaltenen Strahlen is —«-ter Ordnung und zur Ermittlung des Intensitätsunterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Intcrfercnzbündel, um die gegenseitige Lageverschiebung zwischen dem ersten und dem /weilen Prüfling zu bestimmen, sowie mil einer Modulalionseinrich- Jo tung, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung zur periodischen Änderung des Relativabstands der beiden Beugungsgitter ausgelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsmechanismus für die Modulationseinrichlung ein piezoelektrisches Schwingelement (23) aufweist, welches einen der beiden Prüflinge (24) trägt und diesen in Schwingung versetzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet .w durch einen in Richtung des Gitter-Teilungsabstands des Beugungsgitters (27, 28) mittels eines Antriebs (25) verschiebbaren Tisch (22), an dem das piezoelektrische Schwingelement (23) so montiert ist, daß es zusammen mit dem einen Prüfling (24) in derselben Richtung bewegbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorciprichtung (31-39) zwei photoelektrischc Wandler (31, 32) zur Abnahme des ersten und des zweiten Intcrferenzbündels zwecks Er- 4» zcugung eines elektrischen Signals entsprechend der Intensität des empfangenen Lichts, eine Rechenschaltung (33-38) zur Berechnung des Unterschieds zwischen den Ausgangssignalen der photoclcktrischen Wandler (31, 32) und eine Anzeigeeinheit (39) zur Anzeige des zugehörigen Differenzsignals von der Rechenschaltung (33-38) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (25) einen der beiden Prüflinge (24) in Richtung des Gitter-Teilungsabstands w des Beugungsgitters (27, 28) bewegt, wenn das von der Anzeigeeinheit (39) gelieferte Differenzsignal von Null abweicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch photoelektrische Wandler (31«, 32a) zur Abnähme eines Interferenzbündcls aus Beugungsstrahlen niedriger Ordnung, die von den Beugungsstrahlen der + «-ten Ordnung verschieden sind, sowie eines Interferenzbündels aufgrund von Beugungsstrahlen niedriger Ordnung, die von den Beugungsstrahlen der wi — »-ten Ordnung verschieden sind, um auch anhand des Unterschieds zwischen diesen beiden Interferenzbündcln eine gegenseitige Lageverschiebung zwischen den beiden Beugungsgittern (27, 28) zu ermitteln. (1?

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein dem einen Prüfling (24) zugeordnetes drittes Beugungsgitter (41), durch ein dem drillen Beugungsgitter (41) gegenüberliegend und parallel dazu angeordnetes viertes Beugungsgitter (42) mit derselben Giiierkonstanlc wie das dritte Beugungsgitter, durch eine weitere Lichtquelle (30), die kohärentes Licht senkrecht gegen das dritte und das vierte Beugungsgitter (41, 42) ausstrahlt, durch eine weitere Modulationseinrichtung (23) zum Modulieren der Phase des am vierten Beugungsgitter (42) gebeugten Lichts gegenüber der Phase des am dritten Beugungsgitter (41) gebeugten Lichts und durch eine weitere Detektoreinrichtung (31-39) zur Abnahme eines dritten Interferenzbündels aus Beugungsstrahlen +n-ter Ordnung aus den am dritten und am vierten Beugungsgitter (41, 42) gebeugten Strahlen sowie eines vierten Interferenzbündels aus Beugungsstrahlen — «-ter Ordnung aus den am dritten und am vierten Beugungsgitter (41, 42) gebeugten Strahlen, um die gegcnscilige Lageverschiebung zwischen dem dritten und dem vierten Beugungsgitter (41. 42) anhand des Unterschieds zwischen dem dritten und dem vierten Inlerfcrcnzbündel zu bestimmen.