DE3702203A1 - Verfahren zum messen von relativbewegungen - Google Patents
Verfahren zum messen von relativbewegungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von
Relativbewegungen.
An Hand von Fig. 1 wird nachfolgend ein herkömmliches
Verfahren zum Messen einer Relativverschiebung oder
-versetzung von wenigstens zwei Gegenständen oder Objekten
zueinander durch Einsatz von Beugungsgittern beschrieben.
Dieses herkömmliche Verfahren ist aus
dem Aufsatz von Flanders et al. in Applied Physics
Letters 31,426 (1977) bekannt. Beugungsgitter G 1 und G 2
mit jeweils denselben Gitterabständen bzw. derselben
Gitterkonstante d sind auf zwei Objekten 1 bzw. 2 ausgebildet
und liegen parallel zueinander, jedoch beabstandet
voneinander. Wenn die Welle I senkrecht auf das
Beugungsgitter G 1 auffällt, wird es um einen Winkel ϕ
(d sin ϕ = n λ, wobei n eine ganze Zahl ist, die die
Beugungsordnung angibt) gebeugt, wobei dieser Winkel ϕ
von der Gitterkonstanten d und der Wellenlänge λ der
Welle I abhängt. Die Intensität der gebeugten Wellen
ändert sich in Abhängigkeit der relativen Lage zwischen
den Beugungsgittern G 1 und G 2, so daß die Relativverschiebung
zwischen den Objekten 1 und 2 oder zwischen
den Beugungsgittern G 1 und G 2 durch Messen der Intensität
der gebeugten Wellen ermittelt werden kann.
Da die Intensitäten der gebeugten Wellen D+ in der +ϕ-
Richtung und D- in der -ϕ-Richtung sich in entgegengesetzten
Richtungen in Abhängigkeit der Relativverschiebung
oder -versetzung in der Richtung (X-Richtung) senkrecht
zum Gitter in der Oberfläche ändern, wird es im
Prinzip daher insbesondere möglich, die Relativverschiebung
in der X-Richtung durch Messen der Intensitätsdifferenz
zwischen zwei gebeugten Wellen I(d+)-I(D-) zu
ermitteln.
Das zuvor anhand von Fig. 1 beschriebene Verfahren weist
jedoch Nachteile auf, so daß es wegen der nachfolgend
beschriebenen Gründe in der Praxis nicht mit zufriedenstellendem
Erfolg angewendet werden kann. Zunächst einmal
bestehen die Wellen D+ und D- aus vielen gebeugten Wellen,
wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die Welle, die
in der i-ten Ordnung vom Beugungsgitter G 1, in der j-ten-
Ordnung vom Beugungsgitter G 2 und danach in der k-ten-
Ordnung vom Beugungsgitter G 1 gebeugt wird, wird mit
D(i,j,k) bezeichnet, und die Welle, die reflektiert und
in der i-ten Ordnung an der oberen Fläche des Beugungsgitters
G 1 gebeugt wird, wird mit R(i) bezeichnet.
Für die Beugung in der ersten Ordnung ist D+ dann eine
gemischte Welle von gebeugten Wellen R(1) und D(i,j,k),
(wobei i + j + k = 1), beispielsweise D(0,0,1), D(0,1,0),
D(1,0,0), D(0,-1,2), D(-1,0,2) usw. Der Einfachheit
halber ist in Fig. 1 nur R(1), D(-1,1,1, D(0,0,1),
D(1,-1,1) und D(1,0,0) gezeigt. Die Abhängigkeit dieser
gebeugten Wellen der Relativverschiebung in der
X-Richtung der Gitter und von dem Abstand S zwischen den
Beugungsgittern G 1 und G 2 ändert sich in Abhängigkeit
von ihren Beugungsordnungen. Die Intensität von D+
und D- sind daher komplizierte Funktionen der Relativverschiebung
in der X-Richtung und dem Abstand S, so daß
die Messung der Relativverschiebung in der X-Richtung
durch Messen des Unterschieds zwischen I(D+) und I(D-)
auf einen äußerst beschränkten Bereich des Abstands S
begrenzt ist.
Wenn darüber hinaus Unterschiede in den Kennlinien oder
Eigenschaften zwischen den Instrumenten zur Messung der
Intensitäten von D+ und D- vorhanden sind, enthält die
gemessene Relativverschiebung Fehler. Um also die Meßgenauigkeit
zu verbessern, müssen die Kennlinien und
Eigenschaften der Instrumente zum Messen der Intensitäten
von D+ und D- in vollständige Übereinstimmung miteinander
gebracht werden. Messungen mit hoher Genauigkeit
werden daher schwierig.
Fig. 2 zeigt ein Meßverfahren, mit dem die Relativverschiebung
ohne Abhängigkeit vom Abstand S gemessen
werden kann. Dieses Verfahren wurde vom Erfinder der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen und ist in der japanischen
Patentanmeldung No. 60-1 65 231 beschrieben. Gemäß
diesem Verfahren werden zwei Beugungsgitter G 1 und G 1′
auf dem Objekt 1 ausgebildet. Diese beiden Beugungsgitter
G 1 und G 1′ sind voneinander um einen geeigneten Abstand
beabstandet, so daß nur die gebeugten Wellen in den
spezifischen Beugungsordnungen auf das Beugungsgitter G 2
des Objekts 2 auffallen, so daß die starke Abhängigkeit
der Intensität der vom Beugungsgitter G 2 gebeugten Welle
D vom Abstand S zwischen den Beugungsgittern G 1 und G 2
eliminiert ist. Die Relativverschiebung in der X-Richtung
kann daher durch Messen der Intensität der gebeugten
Welle bzw. des gebeugten Lichts D mit einem Detektor 3
ermittelt werden, ohne daß der Bereich des Abstands S
beschränkt ist.
Das zuvor beschriebene Verfahren weist jedoch auch Nachteile
auf, so daß es nicht mit zufriedenstellendem Erfolg
in der Praxis angewendet werden kann. Zunächst einmal
hängt die Intensität I(D) der gebeugten Welle D von
der Verschiebung x in der X-Richtung proportional von
cos2 (2πx/d) (wobei d die Gitterkonstante von G 1 ist) ab.
Der Absolutwert von I(D) wird jedoch durch verschiedene
Faktoren beeinflußt, so daß es nicht möglich ist, diesen
Wert theoretisch abzuschätzen. Um x aus der Intensität
I(D) zu ermitteln, muß die Änderung von I(D) gemessen
werden, während X in der Praxis im Bereich von etwa d/4
geändert wird. Ein weiterer Nachteil des zuvor beschriebenen
Verfahrens besteht darin, daß das Meßergebnis sehr
oft durch Änderungen der Meßeigenschaften des Meßinstruments
nachteilig beeinflußt wird, da die Intensität der
gebeugten Welle als ein eine Verschiebung repräsentierendes
Signal (ein Verschiebungssignal) verwendet wird.
Darüber hinaus ändert sich die Intensität der gebeugten
Welle, die von den Beugungsgittern G 1 und G 1′ auf das
Beugungsgitter G 2 auffällt, in Abhängigkeit einer Änderung
von S, so daß das zuvor beschriebene Meßverfahren
weiterhin den Nachteil aufweist, daß eine Änderung von
S während des Meßvorgangs nicht zugelassen werden kann,
wenn x mit hoher Genauigkeit gemessen werden soll.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Messen von Relativbewegungen anzugeben, bei
dem die zuvor und auch weitere Nachteile nicht auftreten,
so daß eine Relativverschiebung oder eine Relativversetzung
mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1
angegebenen Maßnahmen gelöst.
Mit den in Anspruch 16 angegebenen Maßnahmen ist die
Lösung der gestellten Aufgabe ebenfalls möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist wenigstens eines von mehreren
Objekten mit einem Beugungsgitter ausgebildet oder versehen,
so daß die Relativversetzungen oder Relativverschiebungen
von mehreren Objekten oder Gegenständen zueinander
durch Messen der Phase der gebeugten Welle gemessen
werden kann, die durch Beugung am Beugungsgitter erhalten
wird.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem nachfolgend beschriebenen
Grundprinzip. Die Phase der Welle, die durch
das auf dem ersten Objekt ausgebildete Beugungsgitter gebeugt
wird und dann vom zweiten Objekt reflektiert oder
durch das auf dem zweiten Objekt ausgebildete Beugungsgitter
gebeugt wird, sowie die Phase der Welle, die vom
ersten Objekt reflektiert und dann vom auf dem zweiten
Objekt ausgebildeten Beugungsgitter gebeugt wird, ändern
sich in Abhängigkeit der Relativlage zwischen dem ersten
und zweiten Objekt. Daraus ergibt sich, daß die Relativverschiebung
zwischen den beiden Objekten durch Messen
der Phase der gebeugten Wellen erhalten werden kann.
Die herkömmlichen Meßverfahren messen die Relativverschiebung
zwischen zwei Objekten auf Grund der Tatsache, daß
sich die Intensität der gebeugten Welle in Abhängigkeit
zwischen der Relativverschiebung der beiden Objekte ändert.
Die Intensität der gebeugten Welle ist jedoch
sehr leicht nicht nur durch die zu messende Relativverschiebung
beeinflußbar, sondern auch durch andere verschiedene
Faktoren, beispielsweise die Art und der Zustand,
unter der bzw. unter dem die beiden Beugungsgitter
zueinander ausgerichtet oder zueinander angeordnet
sind, der Winkel zwischen den beiden Beugungsgittern,
der Winkel zwischen dem Detektor und dem Beugungsgitter,
der Intensität der einfallenden Welle usw. Dagegen ist
die Phase der gebeugten Welle eine Größe, die durch den
Abstand des Laufwegs der Welle grundsätzlich festgelegt
ist, so daß die Phase durch die zuvor beschriebenen Faktoren,
die die Intensität der gebeugten Welle beeinflussen,
kaum beeinflußbar ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann die Relativverschiebung daher in zuverlässiger,
stabiler Weise und hoher Genauigkeit gemessen
werden, ohne daß äußere Störungen die Messung beeinflussen
können. Aus denselben Gründen können die Bedingungen
und Voraussetzungen für die Messungen weniger strikt gehandhabt
werden und der Meßbereich kann vergrößert werden.
Wenn die Frequenz kleiner als 10 GHz oder unterhalb des
10er-GHz-Bereichs liegt, ist es darüber hinaus leicht,
die Phase der Welle mit einer Genauigkeit besser als 1°
zu messen, so daß die Phasenmessung mit einer höheren Genauigkeit
als die Intensitätsmessung durchgeführt werden
kann.
Wenn für die Messung jedoch Schwingungen mit Frequenzen
über 10 GHz bzw. über dem 10er-GHz-Bereich verwendet
werden, wird es schwierig, die Phase mit hoher Genauigkeit
zu messen. Um diese Schwierigkeit auszuräumen, ist eine
Welle vorgesehen, deren Frequenz etwas anders als die
für die Messung verwendete Welle ist, und die mit der
letztgenannten Meßwelle interferieren kann, und diese
beiden Wellen werden miteinander zur Interferenz gebracht,
so daß die Phase der sich ergebenden Schwebung gemessen
wird. Eine solche heterodyne bzw. Interferenzmessung,
bei der die Schwebung zwischen zwei unterschiedliche
Wellenlängen aufweisende Wellen verwendet wird,
ist insbesondere sehr vorteilhaft für die Messung von
Relativverschiebungen unter Verwendung von Beugungsgittern,
weil das Schwebungssignal, ohne daß zusätzliche
Komponententeile erforderlich sind, erhalten werden kann,
wenn das Verfahren, bei dem zwei Wellen auf das Beugungsgitter
auffallengelassen werden, geeignet gewählt
bzw. ausgebildet ist. Wenn das Meßinstrument in der
zuvor beschriebenen Weise ausgebildet und aufgebaut ist,
hängt die Phase des Schwebungssignals praktisch nicht
vom Abstand zwischen dem Beugungsgitter und dem Detektor
ab. Das Meßsystem kann daher sehr einfach eingestellt
oder justiert werden, und die Störanfälligkeit bezüglich
äußerer Störeinflüsse kann verringert werden.
Wenn zwei unterschiedliche Wellen für die Messung mit
unterschiedlichen Frequenzen elektromagnetische Wellen
sind, die in unterschiedlichen Richtungen polarisiert
sind, kann das Verfahren, gemäß dem die Wellen auffallen,
bzw. das Auffallverfahren durch Heranziehung der Tatsache
wesentlich vereinfacht werden, daß die durch das Beugungsgitter
erzielte Beugungswirkung und die Reflexion am Objekt
in unterschiedlicher Weise von der Polarisationsrichtung
der elektromagnetischen Welle abhängt. In diesem
Falle ist es nicht nötig, die beiden elektromagnetischen
Wellen voneinander zu trennen, sie können vielmehr
als ein einziger Strahl fokussiert werden, so daß das
für die Messung erforderliche Schwebungssignal erhalten
werden kann. Ein intensives, kräftiges Schwebungssignal
kann erzielt werden, wenn die Polarisation der auf den
Detektor auffallenden Welle durch einen geeigneten Polarisator
gesteuert wird. Bei diesem Verfahren laufen zwei
für die Interferenzmessung verwendete Wellen auf genau
demselben Strahlweg, so daß die Phase des Schwebungsignals
praktisch unabhängig vom Abstand zwischen der Wellenquelle
und dem Beugungsgitter sowie dem Abstand
zwischen dem Beugungsgitter und dem Detektor ist. Die
Einstellung und Justierung des Meßsystems kann daher
wesentlich vereinfacht und erleichtert werden, und die
Anfälligkeit gegen äußere Einflüsse kann wesentlich verringert
werden, so daß eine hohe Zuverlässigkeit bei der
Messung sichergestellt ist.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht
darin, daß das Verfahren zum Messen von Relativverschiebungen
folgende Verfahrensschritte aufweist:
Ausbilden eines Beugungsgitters auf wenigstens einem von
mehreren Gegenständen, Auffallenlassen einer Welle auf das
Beugungsgitter zur Erzeugung von gebeugten Wellen,
Messen einer Phase jeder der auf diese Weise erhaltenen
gebeugten Wellen, Ermitteln einer Phasendifferenz der
gebeugten Wellen, und Messen von Relativverschiebungen
zwischen mehreren Gegenständen entsprechend der auf diese
Weise ermittelten Phasendifferenz.
Hier können Beugungsgitter auf jedem der Objekte oder
Gegenstände ausgebildet oder angebracht sein.
Wenigstens eine der Wellen, die miteinander interferieren,
jedoch unterschiedliche Frequenzen aufweisen, können
auf das Beugungsgitter auffallengelassen werden, und
Phasen von Schwebungen, die sich durch die Interferenzen
der Wellen ergeben, können gemessen werden, wobei die
Relativbewegungen zwischen den Gegenständen oder Objekten
auf der Grundlage der Differenz der gemessenen Schwebungsphasen
ermittelt werden.
Die Wellen können elektromagnetische Wellen mit jeweils
unterschiedlichen Polarisationszuständen sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können
die elektromagnetischen Wellen in unterschiedlichen Richtungen
linearpolarisiert sein.
Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß
zwei der drei Beugungsgitter auf einem Objekt ausgebildet
sind, und eines der drei Beugungsgitter auf dem anderen
Objekt ausgebildet ist.
Die drei Beugungsgitter sind gemäß einer weiteren Ausführungsform
symmetrisch angeordnet.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin,
daß die Gitterkonstante des auf einem Objekt ausgebildeten
Beugungsgitters des j/2i-fache der Gitterkonstante
des auf dem anderen Objekt ausgebildeten Beugungsgitters
ist, wobei 2i und j positive ganze Zahlen sind.
Vorzugsweise ist die Gitterkonstante des auf einem Objekt
ausgebildeten Beugungsgitters das 1,5-fache der
Gitterkonstante des auf dem anderen Objekt ausgebildeten
Beugungsgitters.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen
Wellen in der Weise durch einen polarisierten Strahlenteiler
laufen und daß sie nach Durchgang durch eine Lambdaviertel-
Platte auf das Beugungsgitter auffallen, daß ein reflektierter
Lichtstrahl durch eine Lambdaviertel-Platte
und einen Reflektionsspiegel wieder auf den polarisierenden
Strahlleiter läuft, und daß der am Beugungsgitter
gebeugte Lichtstrahl und der zum polarisierenden
Strahlteiler zurückreflektierte Lichtstrahl kombiniert
und vom polarisierten Strahlteiler abgegeben werden, wobei
die Phasendifferenz detektiert wird.
Vorzugsweise wird die erhaltene gebeugte Welle durch
einen Polarisator laufengelassen, so daß die Phasen der
Schwebungen des vom Polarisator abgegebenen Lichstrahls
gemessen wird.
Vorteilhafterweise kann ein optisches System zwischen
wenigstens zwei benachbarten Objekten oder Gegenständen
angeordnet sein.
Das optische System enthält vorzugsweise eine erste
Linse, eine zweite Linse und einen Spaltfilter, das in
der Brennebene der ersten Linse angeordnet ist.
Die Objekte sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist ein Verfahrensschritt zum Messen der Phasen
der Schwebungen der gebeugten Wellen vorgesehen, wobei
der Grad des vertikalen Einfalls der Welle bezüglich der
Oberfläche der Beugungsgitter bestimmt wird.
Die gestellte Aufgabe kann auch durch ein Verfahren gelöst
werden, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
Ausbilden eines Beugungsgitters auf einem von zwei Gegenständen,
die sich gegenseitig parallel überlappen, Auffallenlassen
von Wellen, die sich hinsichtlich der Frequenz
und des Polarisationszustandes unterscheiden,
auf das Beugungsgitter, so daß erste gebeugte Wellen
erhalten werden, Auffallenlassen der ersten gebeugten
Wellen nach Durchgang durch das Beugungsgitter auf
den anderen nicht mit einem Beugungsgitter ausgebildeten
Gegenstand, wodurch reflektierte Lichtstrahlen erhalten
werden, Beugen der reflektierten Lichtstrahlen
am Beugungsgitter, wodurch zweite reflektierte Wellen
erhalten werden, und Messen einer Schwebungsphasenkomponente
einer kombinierten Welle, die aus reflektiert
gebeugten Lichtstrahlen der auf das Beugungsgitter auffallenden
Welle, sowie der ersten und zweiten gebeugten
Welle besteht, so daß ein Abstand zwischen den zwei
Gegenständen auf der Grundlage dieser auf diese Weise gemessenen
Phase erhalten wird.
Hierbei kann die kombinierte Welle durch einen Polarisator
laufengelassen werden, so daß die Phase der Schwebung
des vom Polarisator abgegebenen Lichts erhalten wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung
von zwei herkömmlichen Verfahren,
Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen einer ersten
und einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
und
Fig. 4-11 schematische Darstellungn weiterer erfindungsgemäßer
Ausführungsformen.
Die Fig. 3A und 3B zeigen ein erstes bzw. zweites Ausführungsbeispiel,
bei dem das erfindungsgemäße Verfahren
auf das in Fig. 2 dargestellte Verfahren angewandt wird.
Bei dem in Fig. 3A gezeigten Verfahren überlappen sich
zwei Objekte 1 und 2 gegenseitig. Das Objekt 2 ist mit
einem Beugungsgitter G 2 ausgebildet, auf das eine Lichtwelle
I senkrecht auffällt. Das Objekt 1 ist mit zwei
Beugungsgittern G 1 und G 1′ an den Stellen versehen, an
denen die vom Beugungsgitter G 2 gebeugten Wellen auftreffen.
Die Beugungsgitter G 1 und G 1′ weisen dieselbe Gitterkonstante
bzw. denselben Spaltabstand d wie das Beugungsgitter
G 2 auf und sind zum Beugungsgitter G 2 parallel
angeordnet. Phasendetektoren 4 und 5 detektieren die
Phasendifferenz d zwischen der Welle D einerseits, die
durch das Beugungsgitter G 2 und dann durch das Beugungsgitter
G 1 gebeugt wird und in genau entgegengesetzter
Richtung zur senkrecht einfallenden Welle (zum senkrecht
einfallenden Licht) I läuft, und der Welle D′ einerseits,
die vom Beugungsgitter G 2 und danach vom Beugungsgitter G 1′
gebeugt wird und in entgegengesetzter Richtung zur Fortpflanzungsrichtung
der Welle I läuft. Die Phasendifferenz ϕ
ist vom Abstand S zwischen den Objekten 1 und 2 vollkommen
unabhängig, jedoch proportional abhängig von der
Relativverschiebung x zwischen den Objekten 1 und 2 in
der Richtung (X-Richtung), die parallel zu den Oberflächen
der Beugungsgitter G 1, G 1′ und G 2 und senkrecht zur
Richtung S verläuft. Die Phasendifferenz ist also ϕ = 4π
nx/d (Radian), wobei n die Beugungsordnung ist. Diese Beziehung
ist im Hinblick darauf sehr einfach, daß die
Intensitäten von D und D′ vom Abstand S und der Relativverschiebung
x abhängen.
Der Wert der Relativverschiebung x kann daher durch Messen
der Phasendifferenz ϕ unabhängig vom Abstand S ermittelt
werden. Da der Proportionalkoeffizient n/d weiterhin auf
einfache Weise mit hoher Genauigkeit bestimmt werden
kann, ist es möglich, die Relativverschiebung x im stationären
Zustand zu messen, ohne daß eine Verschiebung der
Objekte in der X-Richtung hervorgerufen wird. Wenn die
Wellenfrequenz kleiner als 10 GHz bzw. unterhalb des
10er GHz-Bereichs liegt, kann die Phasendifferenz zwischen
den Wellen auf einfache Weise mit einer Auflösung
kleiner als 1° bestimmt werden. Daher ist es möglich,
daß die Relativverschiebung x mit einer Auflösung kleiner
als d/720 gemessen werden kann, so daß die Meßgenauigkeit
im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Messung
der Intensität der Welle wesentlich verbessert werden
kann.
Bei dem in Fig. 3B dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
ist im Gegensatz zu dem in Fig. 3A dargestellten
Ausführungsbeispiel das Beugungsgitter G 2 auf dem Objekt
1 ausgebildet und die Beugungsgitter G 1 und G 1′ sind
auf dem Objekt 2 ausgebildet. Die Welle I wird auf das
Beugungsgitter G 2 auffallen gelassen und die Wellen D
und D′ vom Beugungsgitter G 1 bzw. G 1′ gelangen zum Detektor
4 bzw. 5, so daß die Messung der Relativverschiebung
x in im wesentlichen derselben Weise wie dies zuvor beschrieben
wurde, durchgeführt werden kann.
Wenn die für die Messung verwendete Welle eine Frequenz
über 10 GHz aufweist bzw. über dem 10er-GHz-Bereich liegt,
wird die direkte Messung der Phasendifferenz, wie dies
zuvor anhand der Fig. 3A und 3B beschrieben wurde, schwierig.
Daher sind, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, bei
dieser Ausführungsform zwei Strahlungs- bzw. Wellenquellen
6 und 7 vorgesehen. Die Wellenquelle 7 erzeugt die Welle
I 1 (mit einer Frequenz f 1), die auf das Beugungsgitter auffallengelassen
wird, und die Wellenquelle 6 erzeugt die
Welle I 2, die eine Frequenz f 2 aufweist und mit der Welle
I 1 interferieren kann. Die Wellen I 2 werden gleichzeitig
mit den Wellen D und D′ auf die Detektoren 4 und 5 auffallengelassen,
so daß die Phasendifferenz zwischen der
durch die Überlagerung der Welle D und der Welle I 2 erhaltene
Interferenz und der durch die Überlagerung der
Welle D′ und der Welle I 2 erhaltene Interferenz detektiert
wird. In diesem Falle erhält man die Phasendifferenz
aus der Beziehung ϕ = 4πn · x/d, wie auch bei
den zuvor anhand der Fig. 3A und 3B beschriebenen Ausführungsformen.
Wenn die Frequenz f 2 geeignet gewählt
ist, kann die Frequenz f 1-f 2 der Interferenz auf
einen geeigneten Wert gesenkt werden, so daß der Wert
der Relativverschiebung x mit hoher Genauigkeit gemessen
werden kann. Dieses Verfahren ist insbesondere für die
Messung einer extrem kleinen Verschiebung mit einer Genauigkeit
in der Größenordnung von Nanometern durch Verwendung
von Licht im sichtbaren Frequenzbereich besonders
vorteilhaft.
Zur Erzeugung der Welle I 2 können die verschiedensten
herkömmlichen Verfahren verwendet werden. Um die Wellen
bis zu einer Frequenz in der 100er GHz-Größenordnung zu
erzeugen, kann ein elektrischer Mischer verwendet werden.
Wenn Licht benutzt wird, kann darüber hinaus das Licht,
welches mit der Welle I 1 interferieren kann und eine andere
Frequenz aufweist, mittels elektrooptischer und/oder
akustooptischer Elemente, oszillierender Spiegel
und/oder Lambdaviertel-Plättchen (quaterwave plates)
erzeugt werden. Ein Zeeman-Laser, in dem ein Lasermedium
einem Magnetfeld ausgesetzt ist, erzeugt gleichzeitig
zwei Strahlkomponenten, die sich voneinander hinsichtlich
der Polarisation und Frequenz unterscheiden, jedoch miteinander
interferieren können, so daß ein solcher Zeeman-
Laser sehr vorteilhaft im Zusammenhang mit der in Fig. 4
dargestellten Methode eingesetzt werden kann.
Fig. 5 zeigt einen einfachen Aufbau des anhand von
Fig. 4 beschriebenen Ausführungsbeispiels, wenn Lichtstrahlen,
die miteinander interferieren können, unterschiedliche
Frequenz aufweisen und in zueinander senkrechten
Richtungen linearpolarisiert sind, in einem einzigen
Lichtstrom bzw. Lichtstrahl (wie dies bei einem
lateralen Zeeman-Laser der Fall ist) erhalten werden.
In Fig. 5 wird der Lichtstrahl I 1 mit einer Frequenz f 1
durch einen polarisierten Strahlenteiler 8 hindurchgelassen
und gelangt über eine Lamptaviertel-Platte 9 auf das
Beugungsgitter G 2. Der Lichtstrahl I 2 mit einer Frequenz
f 2 wird dagegen vom polarisierten Strahlenteiler 8
reflektiert, durchläuft eine Lamptavierte-Platte 10 und
fällt auf einen flachen Spiegel 11 auf. Die vom Beugungsgitter
G 2 gebeugten Wellen D und D′ werden vom polarisierten
Strahlenteiler 8 reflektiert und fallen zusammen mit
dem vom flachen Spiegel 11 zurückreflektierten Licht I 2
auf die Detektoren 4 und 5 auf. Die Justierung des optischen
Systems gemäß dem in Fig. 5 dargestellten dritten
Ausführungsbeispiel ist einfacher als bei dem in Fig. 4
dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Anordnung der Beugungsgitter G 1, G 1′ und G 2 im wesentlichen
dieselbe wie bei dem in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel. Die Welle I 1 mit einer Frequenz f 1
wird auf das Beugungsgitter G 2 und die Welle I 2 mit einer
Frequenz f 2 wird auf die Beugungsgitter G 1 und G 1′ auffallengelassen.
Es ist nicht erforderlich, daß die Beugungsgitter
G 1, G 1′ und G 2 dieselbe Gitterkonstante aufweisen,
es reicht vielmehr aus, daß der vom Beugungsgitter
G 2 (Gitterkonstante d 2) gebeugte Lichtstrahl I 1 Komponenten
enthält, deren Richtungen mit den Richtungen des
gebeugten Lichtstrahls I 2 übereinstimmen, der von den
Beugungsgitter G 1 und G 1′ (Gitterkonstanten d 1 bzw. d 1′)
gebeugt werden. Das heißt, es reicht aus, den Beziehungen
d 1/d 2 = m/n und d′/d 2 = l/n (wobei l, m und n ganze
Zahlen sind) zu genügen. Die Beugungen mit niedrigen Beugungsordnungen
haben jedoch eine höhere Beugungswirkung,
so daß es vorteilhaft ist, d 1 = d 2 = d 1′ in der Praxis
zu setzen.
Wenn die gebeugten Lichtstrahlen D und D′ gebeugte Wellen
sind, in denen der gebeugte Lichtstrahl I 1 und die vom
Beugungsgitter G 1 bzw. G 1′ gebeugten Lichtstrahlen I 2
sich einander überlagern, erzeugen die Intensitäten der
gebeugten Lichtstrahlen D und D′ die Interferenz bzw.
Schwebung mit einer Frequenz f 1-f 2 . Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden die gebeugten Lichtstrahlen D
und D′ also durch den Detektor 4 bzw. 5 detektiert, so
daß die Phasendifferenz die zwischen den Interferenzen
bzw. Schwebungen der gebeugten Lichtstrahlen D und D′
detektiert wird. Die Phasendifferenz ϕ und die Relativverschiebung
x in X-Richtung weist die folgende Beziehung
auf:
ϕ = 4πx/d 2,
so daß die Relativverschiebung x mit einer hohen Genauigkeit
durch Messen der Phasendifferenz ϕ unabhängig vom Abstand
S zwischen den Beugungsgittern G 1 und G 1′ und dem
Beugungsgitter G 2 gemessen werden kann.
Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform weist das Merkmal
auf, daß dann, wenn f 1-f 2 wesentlich kleiner als
f 1 oder f 2 gewählt wird, die Phasendifferenz ϕ völlig unabhängig
von Abstandsänderungen zwischen dem Beugungsgitter
G 1 und dem Detektor 4 und zwischen dem Beugungsgitter
G 1′ und dem Detektor 5 wird. Wenn die Differenz zwischen
dem Abstand zwischen dem Beugungsgitter G 1 und dem Detektor 4
und dem Abstand zwischen dem Beugungsgitter G 1′ und dem
Detektor 5 mit Δ L bezeichnet wird, wird die durch Δ L
hervorgerufene Phasendifferenz 2πΔ L f 1-f 2 /c- (wobei
c die Wellengeschwindigkeit ist), so daß es leicht ist,
den Wert vernachlässigbar klein zu machen, wenn f 1-f 2
geeignet gewählt ist. Die Einstellung oder Justierung
des Meßsystems bei diesem Verfahren kann daher im Vergleich
zu den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 wesentlich
vereinfacht werden und darüber hinaus ist dieses Verfahren
praktisch immun gegen äußere Störungen.
Wenn der Lichtstrahl I 2 über die gesamte Oberfläche in Fig. 6
hinweg einschließlich des Beugungsgitters G 2 gleichförmig
auffällt, kann die Relativverschiebung x in der X-
Richtung in im wesentlichen derselben Weise gemessen werden,
wie dies zuvor beschrieben wurde. Die Phasendifferenz ϕ
ist jedoch nur dann der Relativverschiebung x
proportional, wenn x wesentlich kleiner als d 2 ist. Da
das Beleuchtungs- oder Projektionssystem jedoch einen
einfachen Aufbau aufweisen kann, ist das zuvor beschriebene
Verfahren jedoch zum Zwecke der Detektion x = 0 vorteilhafter
als im Falle der Registration oder Ausrichtung
zwischen den Objekten 1 und 2. Um ein solches Beleuchtungs-
oder Lichtprojektionssystem aufzubauen,
wenn beispielsweise die linearpolarisierten Lichtstrahlen
I 1 und I 2 in unterschiedlicher Richtung polarisiert
sind, wird ein optisch anisotropes Material in ein Lichtstrahl-
Fokussierungssystem eingesetzt, so daß zwischen
den Lichtstrahlen I 1 und I 2 ein Unterschied in der optischen
Weglänge entsteht, so daß nur der Lichtstrahl I 1
auf dem Beugungsgitter G 2 fokussiert wird. Wenn die
Lichtstrahlen I 1 und I 2 wie im zuvor beschriebenen Falle
in unterschiedlichen Richtungen polarisierte elektromagnetische
Wellen sind, ergibt sich derselbe Effekt wie
bei der Ausführungsform, wenn nur die Beugungsgitter G 1
und G 1′ beleuchtet werden, auch dann, wenn der Lichtstrahl
I 2 gleichförmig über die gesamte Fläche einschließlich
des Beugungsgitters G 2 auffällt. Zu diesem Zwecke
werden eine Lamptaviertel-Platte und ein Polarisator vor
jedem Detektor 4 und 5 angeordnet, so daß die Lichtstrahlen
I 2 eliminiert werden und nicht auf die Detektoren
4 und 5 auftreffen. Der Polarisationszustand der
gebeugten Welle ändert sich in Abhängigkeit vom Polarisationszustand
der einfallenden Welle und des Beugungswegs,
so daß nur eine bestimmte gebeugte Komponente in
der zuvor beschriebenen Weise eliminiert werden kann.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die dieselbe Gitterkonstante d 1 aufweisenden Beugungsgitter
G 1 und G 1′ auf dem Objekt 1 vorgesehen, und die
Welle I 1 mit einer Frequenz f 1 fällt auf das Beugungsgitter
G 1 auf, wogegen die Welle I 1 mit der Frequenz f 1
auf das Beugungsgitter G 1′ auffällt. Das Beugungsgitter
G 2 ist parallel zu dem Beugungsgitter G 1 und G 1′ an einer
Stelle angeordnet, an der die gebeugten Lichtstrahlen
I 1 und I 2 in derselben Beugungsordnung von den Beugungsgittern
G 1 bzw. G 2 auffallen. Die Gitterkonstante d 2 des
Beugungsgitters G 2 ist so gewählt, daß d 2 = d 1 oder
d 2 = 1,5 d 1 ist, wobei die Welle, die zuerst vom Beugungsgitter
G 1 und dann vom Beugungsgitter G 2 gebeugt
wird, sowie die Welle, die zuerst vom Beugungsgitter G 1′
und dann vom Beugungsgitter G 2 gebeugt wird, sich in derselben
Richtung fortpflanzen. Aus diesem Grunde ist es
vorteilhaft, d 2/d 1 = j/2i zu wählen, wobei 2i und j
positive ganze Zahlen sind. Wenn d 2 = 1,5 d 1 ist, werden
die Welle, die vom Beugungsgitter G 1 in der ersten
Ordnung und dann vom Beugungsgitter G 2 in der minus ersten
Ordnung gebeugt werden, sowie die Welle, die vom Beugungsgitter
G 1′ in der minus ersten Ordnung und dann vom
Beugungsgitter G 2 in der zweiten Ordnung gebeugt werden,
die Wellen, die sich in derselben Richtung fortpflanzen.
Wenn d 2 jedoch ein ganzzahliges Vielfaches von d 1 ist,
wird die vom Beugungsgitter G 1 gebeugte Welle am Beugungsgitter
G 2 gebeugt und dann wieder zum Beugungsgitter
G 1 zurückgeworfen, so daß die gegenseitige Abhängigkeit
der relativen Verschiebung, die durch die Messung
erhalten wird, kompliziert wird. Daher ist es vorteilhaft,
daß d 2 kein ganzzahliges Vielfaches von d 1 ist.
Bei dieser in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform erzeugen
wenigstens drei gebeugte Wellen D 1, D 2 und Dt3 eine
Interferenz bzw. Schwebung mit einer Frequenz f 1-f 2 ,
und die Phasendifferenz zwischen den Interferenzen bzw.
Schwebungen ist gegeben durch
wobei ϕ(D i ) die Phase der Interferenz bzw. Schwebung von
D i ; n die Beugungsordnung an den Beugungsgitter G 1 und
G 1′ und x die Relativverschiebung in der X-Richtung ist.
Der Wert für die Relativverschiebung x kann daher durch
Messen von ϕ(D 1) durch die Detektoren 3 und 5 erhalten
werden. In diesem Falle detektieren die Detektoren 3, 4
und 5 die gebeugten Wellen D 1, D 2 bzw. D 3.
Bei dem Ausführungsbeispiel 5 ist der Aufbau des Beleuchtungs-
oder Projektionssystems einfacher als der des
Ausführungsbeispiels 4. Es sei insbesondere darauf hingewiesen,
daß dann, wenn die Lichtstrahlen I 1 und I 2 in
unterschiedlichen Richtungen linear polarisierte Lichtstrahlen
sind, der für das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel 5
erforderliche doppelte Lichtstrom nur
dadurch erreicht werden kann, daß die Lichtstrahlen durch
eine geeignete doppelte Refraktionsplatte hindurchgeleitet
werden.
Wenn die beiden Wellen I 1 und I 2 (mit einer Frequenz f 1 bzw.
f 2), die bei der Messung benutzt werden, in unterschiedlichen
Richtungen polarisisierte elektromagnetische Wellen
sind, kann das Beleuchtungs- oder Lichtprojektionsmeßsystem,
das für die Messung der relativen Verschiebung
erforderlich ist, durch Ausnutzung der Tatsache
konstruktionsmäßig sehr einfach gehalten werden, daß
die Beugungswirkung eines Beugungsgitters vom Polarisationszustand
des Lichts abhängt. Ein Beispiel eines
solchen Systems ist in Fig. 8 dargestellt. Der Aufbau
und die Anordnung der Beugungsgitter G 1, G 1′ und G 2
sind im wesentlichen denen, wie sie in Fig. 7 dargestellt
sind, gleich. Die Gitterkonstante d 2 des Beugungsgitters
G 2 ist kein ganzzahliges Vielfaches von
d 1 und beispielsweise 1,5 d 1. Wenn die elektromagnetischen
Welle I 1 und I 2, die unterschiedliche Polarisation
und Frequenz aufweisen, kombiniert werden, und eine kombinierte
Welle I bilden, die dann auf das Meßsystem
auffällt, erhält man die kombinierte Welle Da durch
Kombination der Welle, die in der minus ersten Ordnung
durch das Beugungsgitter G 1 und dann in der zweiten Ordnung
durch das Beugungsgitter G 2 gebeugt wird, mit der
Welle, die in der ersten Ordnung durch das Beugungsgitter
G 1′ und dann in der minus ersten Ordnung des Beugungsgitters
G 2 gebeugt wird. Die kombinierte Welle Db
erhält man durch Beugung in den Ordnungen mit in Bezug
zur kombinierte Welle Da entgegengesetztem Vorzeichen.
Die auf diese Weise erhaltenen kombinierten Wellen Da
und Db durchlaufen vor Auftreffen auf die Detektoren 4
bzw. 5 Polarisationen 21 bzw. 22, die die Richtstrahlen
in geeignete Richtungen polarisieren. Als nächste wird
die Phasendifferenz zwischen den Schwebungen in den kombinierten
Wellen Da und Db gemessen, so daß die Relativverschiebung
in der x-Richtung zwischen den Objekten 1
und 2 gemessen wird. Zwischen den Beugungsgitters G 1 und
G 1′ ist kein Beugungsgitter vorhanden, so daß die Hauptkomponenten
der vom Beugungsgitter G 2 gebeugten Welle I
nicht auf die Beugungsgitter G 1 und G 1′ fällt. Das in
Fig. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel kann so abgewandelt
werden, daß die Beugungsgitter G 1 und G 1′ auf
dem Objekt 2 und das Beugungsgitter G 2 auf dem Objekt 1
ausgebildet ist, so daß der Lichtstrahl I zuerst auf
das Beugungsgitter G 2 auffällt.
Nachfolgend soll der Grund, weshalb derWert x durch das
zuvor beschriebene Verfahren ermittelt werden kann, erläutert
werden. Wenn der komplexe Amplitudenbeugungsgrad
des Lichtstrahls I 1 an G 1′ → Da und der Beugungsgrad
an G 1′ → Da des Lichtstrahls I 1, die in der durch
den Polarisator 21 festgelegten Richtung gemessen werden,
mit q 1 bzw. γ 1 α und die Amplitudenbeugungsgrade des
Lichtstrahls I 2, der in derselben zuvor beschriebenen
Weise gemessen wird, mit γ 2 bzw. γ 2 β bezeichnet werden,
ist die Amplitude A(Da) von Da durch die Gleichung
A(Da) = γ 1(e -i δ +
α e i w )A 1 + γ 2
(e -i δ + β e i w )A 2
gegeben, wobei A 1 und A 2 die Amplituden von I 1 bzw. I 2
an den Beugungsgittern G 1 und G 1′ und α = 2πx/d 1 ist.
Allgemein ändert sich der Beugungsgrad in Abhängigkeit
von dem Polarisationszustand, so daß α β ist, mit Ausnahme
allerdings des Falles eines hohen Grads an Symmetrie,
beispielsweise wenn sowohl I 1 als auch I 2 zirkular
polarisiertes Licht ist. Die Amplitude von Db ist gleich
einem Wert, der erhalten wird, wenn δ → -w in A(Da).
Daher ergibt sich, daß die Phasen der Schwebungen von Da
und Db sich in Abhängigkeit des Wertes δ ändern, und die
Phasendifferenz ist gegeben durch:
und der Wert x kann mit dieser Maßnahme bestimmt werden.
Im praktischen Falle ist es höchst vorteilhaft, wenn die
Polarisationsrichtungen von I 1 und I 2 aufeinander senkrecht
stehen. In diesem Falle liegt die Polarisationsrichtung
von I 1 in der Richtung des Beugungsgitters,
während I 2 in Richtung senkrecht zur Polarisationsrichtung
von I 2 polarisiert ist. Dann wird die Phasendifferenz
ϕ(Db) - d(Da) von den Richtungen der Polarisatoren 21
und 22, die vor den Detektoren 4 und 5 angeordnet sind,
unabhängig. Es ist weiterhin leicht, die Richtung auszuwühlen,
in der die höchste Meßgenauigkeit erreicht
wird, und zwar durch Drehen der Polarisationsrichtungen
von I 1 und I 2.
Der Wert x kann mit hoher Genauigkeit unabhängig vom
Abstand S zwischen den Objekten 1 und 2 mittels des in
Fig. 8 dargestellten Verfahrens ermittelt werden. Gemäß
diesem Verfahren ist das Beleuchtungs- oder Lichtprojektionssystem
einfach aufgebaut, so daß die Justierung und
Einstellung sehr vereinfacht werden kann. Infolgedessen
werden die Messungen nicht nachteilig durch äußere
Störungen beeinträchtigt, und es kann eine hohe Stabilität
sichergestellt werden. Darüber hinaus ist dieses Verfahren
dadurch vorteilhaft, daß die Justierungen und
Einstellungen, die für die Messung erforderlich sind,
durch die Messungen der Phasen der Schwebungen der
gebeugten Wellen D und D′ vorgenommen werden können.
Die Phasen der Schwebungen von D und D′ sind vom Wert x
unabhängig, ändert sich jedoch in Abhängigkeit davon,
ob und wie weit die Beugungsgitter G 1 und G 1′ einerseits
und das Beugungsgitter G 2 andererseits parallel sind,
sowie in Abhängigkeit davon, ob und wie weit I senkrecht
auf die Oberfläche des Beugungsgitters fällt. Daraus ergibt
sich also, daß dann, wenn die Beugungsgitter G 1 und
G 1′ einerseits und das Beugungsgitter G 2 andererseits
parallel zueinander und die Einfallsrichtung von I eingestellt
werden, die für die Messung von x erforderlichen
Justierungen auf diese Weise vorgenommen werden können.
Diese Justierungen sind höchst wirksam, um die Meßgenauigkeit
zu verbessern.
Die Tatsache, daß die Messung in der Praxis mit hoher
Genauigkeit durchgeführt werden kann, wird anhand des
folgenden Beispiels deutlich. Dünne Au-Schichten oder
Filme werden auf einem Gitter auf dem aus SiO2 bestehenden
Objekt 1 gebildet, so daß die Beugungsgitter G 1 und
G 1′ entstehen und es werden Nuten mit einer Breite von
0,4 µm durch die Oberfläche des aus Si bestehenden Objekts
2 geschnitten, so daß sich auf diese Weise das Beugungsgitter
G 2 ergibt. Die Gitterkonstante der Beugungsgitter
G 1 und G 1′ ist 0,8 µm und die Beugungsgitter G 1
und G 1′ sind voneinander um 75 µm beabstandet. Die Gitterkonstante
des Beugungsgitters G 2 ist 1,2 µm. Der Laserstrahl
mit einer Wellenlänge von 632,8 nm wird von einem
He-Ne-Lateral-Zeeman-Laser in der Weise emittiert, daß
der Laserstrahl senkrecht auf die Beugungsgitter auffällt.
Die Schwebungsfrequenz ist etwa 300 KHz. Die Polarisationsrichtung
eines der beiden linearpolarisierten Lichtstrahlen
ist so gewählt, daß sie mit der Richtung des
Beugungsgitters übereinstimmt, und der Polarisator wird
vor dem Detektor in einer Richtung von 45° bezüglich der
Richtung des Beugungsgitters angeordnet. Auf diese Weise
werden die Werte α und β etwa gleich 0,5 bzw. 0,6, so
daß die Phasendifferenz zwischen den Schwebungen von Da
und Db mit einer Genauigkeit gemessen werden kann, die
höher als 1° ist. Das bedeutet, daß der Wert x in der
Größenordnung von 0,01 µm genau ermittelt werden kann.
Diese Eigenschaft oder Wirkung kann unabhängig von
Änderungen im Abstand zwischen den Objekten 1 und 2 in
einem Bereich von 20 µm bis 70 µm erreicht werden.
Fig. 9 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf das in Fig. 1 dargestellte herkömmliche System. Wenn
angenommen wird, daß D+ und D- vom Beugungsgitter G 2 nur
in der ersten Ordnung gebeugt werden, und wenn die Amplitude
der auffallenden Welle mit A 0 bezeichnet wird, so sind
die Amplituden A+ und A- von D+ und D- gegeben durch
A+ = γ(1 + α e -i w +
β e i δ )A 0
und
A- = γ(1 + a e i δ +
β e i δ )A 0,
wobei q, α und β die komplexen Amplitudenbeugungsgrade
eines Doppelbeugungsgitter sind, und ihre Phasen sind
komplizierte Funktionen des Abstands S zwischen den Beugungsgittern
G 1 und G 2. Darüber hinaus gilt δ = (2πx)/d,
wobei d die Gitterkonstante ist. Auf diese Weise ergibt
sich die Diferenz der Intensität zwischen zwei gebeugten
Wellen zu:
I(D+) - I(D-) = 4 γ 2 Im{(a-β-)sin δ
+ αβsin 2δ} A 0 2,
wobei Im eine Imaginärwert darstellt. Daraus folgt, daß
die Abhängigkeit von I(D+) - I(D-) von δ oder x durch den
Wert der Imaginärteile α und β bestimmt wird. Die Imaginärteile
von α und β ändern sich jedoch stark in Abhängigkeit
des Abstands D zwischen den Objekten 1 und 2, so
daß das herkömmliche, in Fig. 1 dargestellte Verfahren
stark von Änderungen des Abstands S beeinflußt wird.
Wenn dagegen das erfindungsgemäße Verfahren bei dem in
Fig. 9 dargestellten System angewandt wird, können die
Eigenschaften wegen der zuvor beschriebenen Gründe wesentlich
verbessert werden. Wenn die auffallende Welle I
die Summe zweier elektromagnetischer Wellen I 1 und I 2
ist, deren Frequenz und Polarisationszustand unterschiedlich
sind, ergeben die Intensitäten von D+ und D- Schwebungen.
Wenn dabei Polarisatoren 21 und 22 vor die Detektoren
4 bzw. 5 angeordnet werden, können die höheren
Schwebungsintensitäten erhalten werden.
Wenn die komplexen Amplituden Beugungsgrade von I 1 und I 2
mit γ 1, α 1 und β 1 bzw. q 2, α 2 und b 2 bezeichnet werden,
wird die Phasendifferenz zwischen den Schwebungen in D+
und D- fast proportional zu α 1 - α 2* + β 1 - β 2*, wenn δ
ausreichend kleiner als 1 ist. Im Vergleich zu den Imaginärteilen
von α und β ist die Abhängigkeit dieses Wertes
von Abstand S recht klein. Daraus ergibt sich, daß die
messung von x über einen weiten Bereich des Abstands S
durch Messung der Phasendifferenz zwischen den Schwebungskomponenten
von D+ und D- durchgeführt werden kann.
Im Vergleich zur Intensitätsmessung ist die Phasenmessung
darüber hinaus weniger durch Änderungen externer
Faktoren beeinflußbar, so daß eine höhe Meßgenauigkeit
sichergestellt werden kann.
Im praktischen Falle ergeben sich mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren die nachfolgenden bemerkenswerten Eigenschaftsverbesserungen.
Eine dünne Au-Schicht bzw.
ein dünner Au-Film wird in Form eines Gitters auf dem aus
SiO2 bestehenden Objekt 1 ausgebildet, so daß sich das
Beugungsgitter G 1 ergibt, während Nuten in einer Breite
von 0,4 µm in die Oberfläche des aus Si bestehenden Objekts
2 geschnitten wird, so daß dadurch das Beugungsgitter
G 2 entsteht. Die Gitterkonstanten beider Beugungsgitter
G 1 und G 2 ist 1 µm. Wie beim Ausführungsbeispiel 6
ist die auffallende Welle I der von einem He-Ne-Lateral-
Zeeman-Laser abgegebene Laserstrahl, und die Richtstrahlkomponenten
werden in die Richtung des Beugungsgitters
und senkrecht zu dieser Richtung polarisiert. Um
die relative Verschiebung in der X-Richtung mit der herkömmlichen,
in Fig. 1 dargestellten Methode zu messen,
muß der Abstand S zwischen den Beugungsgittern G 1 und G 2
auf einen bestimmten Wert (beispielsweise 22,23 µm) festgelegt
bzw. bestimmt werden, der seinerseits durch die
Wellenlänge des auffallenden Lichts I und die Gitterkonstante
der Beugungsgitter G 1 und G 2 festgelegt ist, wobei
eine Fehlertoleranz von weniger als 10 nm eingehalten werden
muß. Daher hat es sich als praktisch unmöglich herausgestellt,
dieses herkömmliche Verfahren einzusetzen.
Mit dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel 7 wird
die Begrenzung des Abstands S im wesentlichen ausgeschaltet
und es wird möglich, die relative Verschiebung
in der X-Richtung mit einer Genauigkeit zu messen, die
über einen weiten Bereich des Abstands S zwischen 10 bis
100 µm mit Ausnahme einiger bestimmter Werte höher als
0,05 µm ist. Die Ausnahme besteht lediglich in einer
Genauigkeit von ±0,1 µm in der Nähe eines Wertes
S (ϕ = 39° ist ein Beugungswinkel), bei der S (sec d - 1)
ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge ist.
Fig. 10 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei der Messung der relativen Verschiebung in
einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Beugungsgitters.
Wie in Fig. 10 dargestellt ist, ist ein Objekt 1
von zwei parallel zueinander angeordneten Objekten mit
dem Beugungsgitter G ausgerüstet und die elektromagnetische
Welle I fällt senkrecht auf die Oberfläche des
Beugungsgitters G ein. Hierbei ist die gebeugte Welle D
die Kombination der an der oberen Oberfläche des Beugungsgitters
G beugungsreflektierten Welle, der von Beugungsgitter
G gebeugten und dann am Objekt 2 reflektierten
Welle, sowie der am Objekt 2 reflektierten und dann
am Beugungsgitter G gebeugten Welle.
Bei den herkömmlichen Verfahren wird die Intensität D
gemessen und dadurch der Abstand S zwischen dem Objekt 1
und dem Objekt 2 ermittelt, so daß es zur Spezifizierung
des Abstands S auf einen vorgegebenen Wert erforderlich
ist, S und damit auch die Intensität D zu ändern. Darüber
hinaus kann die Messung leicht durch Änderungen der Intensität
der einfallenden Welle beeinflußt werden, so daß die
Meßgenauigkeit auf λ/20 begrenzt ist, wobei λ die Wellenlänge
von I ist.
Die Meßgenauigkeit kann auf einfache Weise durch Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens auf das in Fig. 10
dargestellte Ausführungsbeispiel verbessert werden.
Dabei ist die einfallende Welle I eine elektromagnetische
Welle mit zwei Komponenten I 1 und I 2, die unterschiedliche
Frequenz und Polarisationszustände aufweisen.
Das heißt, I = I 1 + I 2. Die gebeugte Welle D wird
vom Detektor 4 detektiert, so daß die Phase der Schwebungskomponenten
gemessen werden kann. Wenn der Polarisator
21 vor dem Detektor 4 angeordnet und in irgendeiner
geeigneten Richtung ausgerichtet ist, ist es möglich,
eine hohe, starke Schwebung zu erreichen.
Der Grund, weshalb der Abstand S in der zuvor beschriebenen
Weise gemessen wird, wird nachfolgend erläutert.
D ist eine kombinierte gebeugte Welle, bestehend aus
D(0,1), D(1,0), D(-1,2) usw., wobei jeweils unterschiedliche
optische Wege vorhanden sind. Die Beugungskomponenten
sind jeweils unterschiedlich abhängig von den Amplitudenbeugungsgraden
bezüglich des Polarisationszustands.
Die elektromagnetische Welle, die am Objekt 2 reflektiert,
und dann im Gitter G gebeugt wird, weist eine Phasenverzögerung
auf, die vom Abstand S abhängt, und jede
gebeugte Komponente hat eine andere Phasenverzögerung
bzw. -nacheilung. Infolgedessen ist die Phasenverzögerung
oder -nacheilung vom Abstand S jeder der I 1- und
I 2-Komponenten, die die gebeugte Welle D bilden, unterschiedlich,
so daß sich die Schwebungsphase in Abhängigkeit
des Abstands S ändert.
Wenn die Strahlphase mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1°
gemessen wird, kann der Abstand S leicht mit einer Genauigkeit
besser als λ/100 gemessen werden.
Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel 6 kann
zwischen die beiden Objekte ein optisches System, beispielsweise
in Form von Linsen vorgesehen sein. Wie in
Fig. 11 dargestellt ist, wird das Bild des Beugungsgitters
G 1 (mit einer Gitterkonstante d 1) auf dem Objekt 1
mittels des Linsensystems L 1 und L 2 auf das Beugungsgitter
G 2 (mit einer Gitterkonstante d 2) auf dem Objekt 2
fokussiert. Beispielsweise ist die Gitterkonstante d 1′
des auf das Objekt 2 fokussierten Bilds des Beugungsgitters
G 1 so gewählt, daß d 2/d 1′ = 1,5 ist. Die kombinierte
Welle I, die auf den unterschiedliche Frequenz und
Polarisationszustände aufweisenden Lichtstrahlen I 1 und
I 2 besteht, fällt senkrecht auf die Oberfläche des Beugungsgitters
G 1 auf. Ein geeigneter Zwischenraum oder
Spaltenfilter 30 (space filter) ist in der Brennebene des
Linsensystems L 1 angeordnet, so daß die Wellen, die in
geeigneten Brechungsordnungen (beispielsweise der ±ersten
Brechungsordnung) gebrochen werden, nur durch das Filter 30
gelangen können und auf das Objekt 2 fokussiert werden.
Bei diesem System, das auf demselben Prinzip beruht, wie
es im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel 6 beschrieben
wurde, wird die Phasendifferenz zwischen den
Schwebungen in den vom Beugungsgitter G 2 gebeugten Wellen
Da und Db in den Detektoren 4 und 5 gemessen, so
daß die Relativverschiebung in Richtung der Oberflächen
der Beugungsgitter auf den Objekten 1 und 2 ( in der in
Fig. 11 eingezeichneten X-Richtung) gemessen werden kann.
Die Messung der Relativbewegung in der zuvor beschriebenen
Weise kann ohne nachteilige Beeinflussung der Meßgenauigkeit
sogar auch dann durchgeführt werden, wenn das
Bild des Beugungsgitters G 1 nicht scharf auf das Beugungsgitter
G 2 fokussiert ist, d. h. vor oder hinter dem Beugungsgitter
G 2 fokussiert ist. Auch wenn ein optisches
Projektionssystem, beispielsweise ein konkaver Spiegel
anstelle der Linsen verwendet wird, kann die Relativverschiebung
in einer im wesentlichen gleichen Weise, wie
dies zuvor beschrieben wurde, gemessen werden.
Das bereits beschriebene Ausführungsbeispiel 9 ist sehr
vorteilhaft und wirkungsvoll mit hoher Genauigkeit eine
Ausrichtung oder Anpassung zwischen einer Strichplatte
oder Zielmarke (reticle) und einem Halbleiterwafer in
den Verkleinerungsprojektions-Belichtungsgeräten zu erreichen,
die in großem Maße bei der Produktion von
VLSI's (very large scale integration) benutzt wird. Auch
wenn die Beugungsgitter G 1 und G 2 zueinander nicht parallel
sind, kann das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache
Weise durch Verwendung geeigneter optischer Systeme
eingesetzt werden. Wenn optische Fasern zur Festhaltung
der Polarisationsrichtung in einem optischen Projektionssystem
verwendet werden, wird es weiterhin möglich, die
Beugungsgitter G 1 und G 2 in irgendeinem geeigneten Abstand
voneinander beabstandet anzuordnen. Wie bereits
erwähnt, kann man mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel 9
die Relativverschiebung mit hoher Genauigkeit
auch dann messen, wenn die Objekte in verschiedenster
Weise angeordnet sind.
Wie zuvor im einzelnen beschrieben wurde, kann die vorliegende
Erfindung bei verschiedensten Verfahren zur Messung
von Relativversetzungen oder -Bewegungen unter Ausnützung
der Beugungseffekte von Wellen an Beugungsgittern
eingesetzt werden und die Eigenschaften der Meßverfahren
wesentlich verbessern. Die vorliegende Erfindung
wurde bei den hier erläuterten Ausführungsbeispielen
im Zusammenhang mit der Relativverschiebung oder -versetzung
von zwei Objekten oder Gegenständen zueinander
erläutert. Die erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch
in geeigneter Weise auch so eingesetzt werden, daß die
Relativverschiebungen von drei oder mehr Gegenständen
relativ zueinander leicht gemessen werden kann, ohne daß
dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Die vorliegende
Erfindung hat daher weite industrielle Anwendungsmöglichkeiten
auf Gebieten, bei denen die Messung
von Relativversetzungen oder -verschiebungen mit hoher
Genauigkeit erforderlich ist. Insbesondere ist die vorliegende
Erfindung sehr vorteilhaft für Messungen von
Relativversetzungen oder -verschiebungen zwischen einer
Belichtungsmaske und einem Halbleiterwafer in lithographischen
Verfahren anwendbar, die breite Verwendung bei
der Herstellung elektronischer Elemente Anwendung finden.
Claims (17)
1. Verfahren zum Messen von Relativbewegungen,
gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte:
Ausbilden eines Beugungsgitters auf wenigstens einem von mehreren Gegenständen;
Auffallenlassen einer Welle auf das Beugungsgitter zur Erzeugung von gebeugten Wellen;
Messen einer Phase jeder der auf diese Weise erhaltenen gebeugten Wellen;
Ermitteln einer Phasendifferenz der gebeugten Wellen; und
Messen von Relativverschiebungen zwischen mehreren Gegenständen entsprechend der auf diese Weise ermittelten Phasendifferenz.
Ausbilden eines Beugungsgitters auf wenigstens einem von mehreren Gegenständen;
Auffallenlassen einer Welle auf das Beugungsgitter zur Erzeugung von gebeugten Wellen;
Messen einer Phase jeder der auf diese Weise erhaltenen gebeugten Wellen;
Ermitteln einer Phasendifferenz der gebeugten Wellen; und
Messen von Relativverschiebungen zwischen mehreren Gegenständen entsprechend der auf diese Weise ermittelten Phasendifferenz.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Beugungsgitter auf jedem der Gegenstände ausgebildet
sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine von mehreren Wellen,
die miteinander interferieren können, sich jedoch
in der Frequenz unterscheiden, auf die Beugungsgitter
auffallengelassen wird, und
Phasen von Schwebungen, die sich durch die Interferenzen zwischen den Wellen ergeben, gemessen werden, wobei die Relativverschiebungen zwischen den Gegenständen auf Grund der Unterschiede in den auf diese Weise gemessenen Schwebungsphasen ermittelt werden.
Phasen von Schwebungen, die sich durch die Interferenzen zwischen den Wellen ergeben, gemessen werden, wobei die Relativverschiebungen zwischen den Gegenständen auf Grund der Unterschiede in den auf diese Weise gemessenen Schwebungsphasen ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wellen elektromagnetische
Wellen sind, die sich in den Polarisationszuständen
unterscheiden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektromagnetischen Wellen jeweils in unterschiedlichen
Richtungen linearpolarisiert sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei von drei Beugungsgittern
auf einem Gegenstand und eins von drei Beugungsgittern
auf dem anderen Gegenstand ausgebildet sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichent,
daß die drei Beugungsgitter symmetrisch angeordnet
sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Gitterkonstante des auf
einem Gegenstand ausgebildeten Beugungsgitters den
j/2i-fachen Wert der Gitterkonstante des auf dem
anderen Gegenstand ausgebildeten Beugungsgitters
aufweist, wobei 2i und j positive ganze Zahlen
sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante des auf
einem Gegenstand ausgebildeten Beugungsgitters das
1,5-fache der Gitterkonstante des auf dem anderen
Gegenstand ausgebildeten Beugungsgitters ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen
in der Weise durch einen polarisierten Strahlenteiler
laufen, daß sie nach Durchgang durch eine Lambdaviertel-
Platte auf das Beugungsgitter auffallen,
daß ein reflektierter Lichtstrahl durch eine Lambdaviertel-
Platte und einen Reflektionsspiegel wieder
zu dem polarisierenden Strahlteiler läuft, und
daß der am Beugungsgitter gebeugte Lichtstrahl und
der zum polarisierenden Strahlteiler zurückreflektierte
Lichtstrahl kombiniert und vom polarisierten
Strahlteiler abgegeben werden, wobei die Phasendifferenz
detektiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die erhaltene gebeugte
Welle durch einen Polarisator läuft, wobei die
Phasen der Schwebungen des vom Polarisator abgegebenen
Lichtstrahls gemessen werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen wenigstens zwei
benachbarten Gegenständen ein optisches System angeordnet
ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische System eine erste Linse, eine zweite
Linse und ein in der Brennebene der ersten Linse angeordnetes
Spaltenfilter umfaßt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gegenstände zueinander
parallel angeordnet sind.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Phasen der Schwebungen
der gebeugten Wellen gemessen und der Grad des
senkrechten Auffalls der auf die Oberfläche der
Beugungsgitter auffallenden Wellen ermittelt wird.
16. Verfahren zum Messen von Relativbewegungen,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Ausbilden eines Beugungsgitters auf einem von zwei Gegenständen, die sich gegenseitig parallel überlappen,
Auffallenlassen von Wellen, die sich hinsichtlich der Frequenz und des Polarisationszustandes unterscheiden, auf das Beugungsgitter, so daß erste gebeugte Wellen erhalten werden,
Auffallenlassen der ersten gebeugten Wellen und/oder Wellen nach Durchgang durch das Beugungsgitter auf den anderen nicht mit einem Beugungsgitter ausgebildeten Gegenstand, wodurch reflektierte Lichtstrahlen erhalten werden,
Beugen der reflektierten Lichtstrahlen am Beugungsgitter, wodurch zweite reflektierte Wellen erhalten werden, und
Messen einer Schwebungsphasenkomponente einer kombinierten Welle, die aus reflektiert gebeugten Lichtstrahlen der auf das Beugungsgitter auffallenden Welle, sowie der ersten und zweiten gebeugten Welle besteht, so daß ein Abstand zwischen den zwei Gegenständen auf der Grundlage dieser auf diese Weise gemessenen Phase erhalten wird.
Ausbilden eines Beugungsgitters auf einem von zwei Gegenständen, die sich gegenseitig parallel überlappen,
Auffallenlassen von Wellen, die sich hinsichtlich der Frequenz und des Polarisationszustandes unterscheiden, auf das Beugungsgitter, so daß erste gebeugte Wellen erhalten werden,
Auffallenlassen der ersten gebeugten Wellen und/oder Wellen nach Durchgang durch das Beugungsgitter auf den anderen nicht mit einem Beugungsgitter ausgebildeten Gegenstand, wodurch reflektierte Lichtstrahlen erhalten werden,
Beugen der reflektierten Lichtstrahlen am Beugungsgitter, wodurch zweite reflektierte Wellen erhalten werden, und
Messen einer Schwebungsphasenkomponente einer kombinierten Welle, die aus reflektiert gebeugten Lichtstrahlen der auf das Beugungsgitter auffallenden Welle, sowie der ersten und zweiten gebeugten Welle besteht, so daß ein Abstand zwischen den zwei Gegenständen auf der Grundlage dieser auf diese Weise gemessenen Phase erhalten wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die kombinierte Welle durch einen Polarisator
geleitet wird, so daß die Phase der Schwebung des
aus dem Polarisator tretenden Lichtstrahls erhalten
wird.
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