DE2046332C3 - Fotoelektrische Vorrichtung zum gegenseitigen Ausrichten zweier Gegenstände - Google Patents

Fotoelektrische Vorrichtung zum gegenseitigen Ausrichten zweier Gegenstände

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DE2046332C3 DE2046332A DE2046332A DE2046332C3 DE 2046332 C3 DE2046332 C3 DE 2046332C3 DE 2046332 A DE2046332 A DE 2046332A DE 2046332 A DE2046332 A DE 2046332A DE 2046332 C3 DE2046332 C3 DE 2046332C3
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Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine fotoelektrische Vorrichtung zum gegenseitigen Ausrichten zweier Gegenstände, von denen jeder mit einem mindestens zwei Muster aus Streifen unterschiedlichen Transmis- «> sions- oder Reflexionsverhaltens aufweisenden Träger gekoppelt ist, bei der die Streifen der Muster senkrecht zur Verschiebungsrichtung beider Gegenstände verlaufen, wobei mindestens zwei Muster auf jedem Träger bezüglich der Verschiebungsrichtung nebeneinander < > liegen und beide Träger einander so gegenüberstehen, daß bei Beleuchtung aller Muster und zum Ausrichten bezüglich einer Dimension das erste Muster auf dem ersten Träger über das erste Muster auf dem zweiten Träger mittels eines ersten fotoelektrischen Wandlers und das zweite Muster auf dem ersten Träger über da!» zweite Muster auf dem zweiten Träger mittels eines zweiten fotoelektrischen Wandlers abtastbar sind und bei der die Sollausrichtung beider Gegenstände hinsichtlich einer Dimension allein aus dem Ausgangssignal des ersten fotoelektrischer. Wandlers ableitbar ist
Die Träger können gesonderte Platten sein, wobei jede der Platten starr mit einem der gegenseitig auszurichtenden Gegenstände verbunden ist Derartige Vorrichtungen sind von besonderer Bedeutung für die Positionierung von Werkzeugen, wie einer Drehbank, wobei eine der Platten mit dem Bett und die andere Platte mit dem Schlitten verbunden ist
Die Träger können aber auch einen Teil der Gegenstände selber bilden, wie die bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendeten Filme, die mit Mustern für Fotomasken versehen sind.Gleichzeitig mit den Mustern für die Fotomasken werden die Filme mit Bezugsmustern bedruckt, welche Bezugsmuster nachher zum Ausrichten der Filme benutzt werden.
In der britischen Patentschrift 10 14 405 ist eine Vorrichtung beschrieben, mit deren Hilfe geprüft werden kann, ob zwei Gegenstände in bezug aufeinander eine richtige Lage einnehmen. Eine Platte, mit abwechselnd iichtdurchlässigen und -undurchlässigen Spalten versehen, die sich in einer Richtung senkrecht zu der Richtung erstrecken, in der die gegenseitige Verschiebung der Gegenstände auftreten kann, ist starr mit einem der Gegenstände verbunden. Ein derartiges, jedoch komplementäres Muster ist auf einer zweiten Platte angebracht, die mit dem zweiten Gegenstand verbunden ist Wenn die beiden Gegenstände in bezug aufeinander die gewünschte Lage einnehmen, werden die Iichtdurchlässigen Spalten der einen Platte von den undurchlässigen Spalten der anderen Platte abgedeckt und umgekehrt. Das von einer Lichtquelle ausgesandte Licht kann nicht die Platten passieren und in einem hinter den Platten angeordneten Fotodetektor wird kein elektrisches Signal erzeugt. Wenn sich einer der Gegenstände aus dieser Nullage bewegt, fällt eine bestimmte Menge Licht durch die Platten hindurch und kann dem Fotodetektor ein elektrisches Signal entnommen werden. Die aufeinanderfolgende Spalte der Muster können verschiedene Breiten aufweisen.
Einer derartigen Vorrichtung haften einige Nachteile: an. Oft ist es erwünscht, unmittelbar feststellen zu können, in welcher Richtung die Abweichung von der richtigen gegenseitigen Lage der Gegenstände auftritt. Dies läßt sich mit der oben beschriebenen Vorrichtung nicht erzielen. Ferner ist zum Erhalten einer genügend großen Genauigkeit eine Vielzahl lichtdurchlässiger und -undurchlässiger Spalten erforderlich. Außerdem muß zum Erhalten einer großen Genauigkeit der schmälste Spalt eine sehr geringe Breite haben. Schließlich müssen die Spaltmuster mit großer Genauigkeit hergestellt werden.
Die Nachteile der oben beschriebenen Positionierungsvorrichtung, bei der die Träger gesonderte mit den Gegenständen verbundene Platten sind, treffen auch für den Fall zu, in dem die Träger einen Teil der auszurichtenden Gegenstände selber bilden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt daher in der Beseitigung der genannten Mangel. Dies geschieht dadurch, daß alle Muster derart regelmäßig sind, daß jeweils einer der beiden Musterpa·
rameter (ρ): Streifenbrei te. Streifenabstand, konstant ist, während der andere Parameter — von der Mitte des jeweiligen Musters ausgehend — nach einer arithmetischen Reihe variiert, daß die ersten und die zweiten Muster auf jeweils einem Träger einander gleichen, und daß die beiden Muster auf einem Träger bezüglich der Verschiebungsrichtung gegeneinander verschoben sind.
Es wird bemerkt, daß es aus der britischen Patentschrift 10 60 760 bekannt ist, bei Verschiebungsmessungen mittels optischer Raster oder Gitter zwei Teilraster eines Trägers gegeneinander zu versetzen, um den Richtungssinn der Bewegung zu detektieren. Dort ist die Rasterperiode konstant und die Raster weisen nicht die spezielle Verteilung der nach der Erfindung verwendeten Muster auf.
Mit einfachen Mitteln, wie einer lichtempfindlichen Zelle und einem Differenzverstärker, läßt sich beim Ausrichten eine große Genauigkeit erzielen. Die Vorrichtung nach der Erfindung gibt unmittelbar die Richtung an, in der die Gegenstände zum Erreichen der richtigen gegenseitigen Lage bewegt werden müssen. Die durchgelassene Lichtmenge ist in bezug auf die benutzte Oberfläche verhältnismäßig groß. Die beiden Träger können, nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit je zwei Mustern versehenen sein, deren Streifen in zueinander senkrechten Richtungen verlaufen. Dann kann auch zweidimensional ausgerichtet werden.
In der Vorrichtung nach der britischen Patentschrift 10 14 415 können die Träger je zwei Muster enthalten zur zwcidimensionalen Bestimmung der Verschiebung Die dort verwendeten Muster sind jedoch verschieden von den Mustern, die in der Vorrichtung nach der Erfindung verwendet werden.
Schließlich kann auf einem Träger eine Anzahl von Mustern hintereinander in der Verschiebungsrichtung der Träger angebracht sein. Mit dieser Maßnahme, die an sich, aber nicht im Zusammenhang mit den Mustern nach der Erfindung bekannt ist, können auch die richtigen Lagen von Gegenständen, die mehrere Lagen in bezug aufeinander einnehmen können, bestimmt werden.
Der Stand der Technik und die Erfindung werden nachstehend an Hand von Figuren noch näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine bekannte Vorrichtung zum Ausrichten von Gegenständen, bei der die Musterträger gesonderte Platten sind,
F i g. 2 und 3 aus lichtdurchlässigen und undurchlässigen Spalten,
F i g. 4 und 5 die zugehörigen Lichtintensitäten als Funktion der Verschiebung,
Fig.6 und 7 Muster die im Zusammenhang mit der Erfindung Verwendung finden,
F i g. 8 den Verlauf der Lichtintensitäten bei Verwendung des Teilmusters A\ nach F i g. 6 in Vereinigung mit einem Teilmuster B\ nach F i g. 7 bzw. bei Verwendung des Teilmusters M nach F i g. 6 in Vereinigung mit dem Teilmuster Bi nach F i g. 7, und
F i g. 9 den Unterschied zwischen den in den hinter den Kombinationen A\B\ bzw. AiBz angeordneten Fotodetektoren erzeugten Spannungen als Funktion der Verschiebung.
In l7ig. 1 sind die Platten 1 und 2 aus lichtdurchlässigem Material starr mit den Gegenständen 3 und 4 verbunden. Die Gegenstände können beide bewegbar sein. Auch kann einer der Gegenstände fest angeordnet sein, während der andere Gegenstand sich in bezug auf den ersteren bewegen kann. Die Bewegungsrichtung ist mit einem doppelten Pfeil angedeutet Die Platte 1 ist mit einem Muster 7 von Spalten aus undurchlässigem Material versehen. Ein derartiges Muster 8 ist auch auf der Platte 2 angebracht In Abhängigkeit von der gegenseitigen Lage der Platten kann ein Teil des von der Lichtquelle 5 ausgesandten Lichtes durch die beiden Muster hindurchtreten und anschließend auf die fotoempfindliche Zelle 6 fallen.
ίο Das Muster 8 der Platte 2 kann die Form A nach F i g. 2 aufweisea Dieses Muster A besteht aus einer Anzahl von Spalten aus undurchlässigem Material mit einer Breite p, die sich in gegenseitigen Abständen p, 2p, 2p, ρ erstrecken. Der Einfachheit halber sind in dieser Figur und in den folgenden Figuren nur fünf Spalte dargestellt, aber die Anzahl von Spalten kann selbstverständlich auf (2/7+1) Spalte in gegenseitigen Abständen p, 2p ... (n—\)p, np (n—\)p ... 2p, ρ erweitert werden. Auch können (2π+1) Spalte in gegenseitigen Abständen: p, 2p ... np, ... 2np angebracht werden. Bei einer symmetrischen Anordnung der Spalte ist die Menge an durchgelassenem Licht aber größer.
Auf der Platte 1 kann das Muster 7 auch die Form A oder die Form des komplementären Musters B nach F i g. 3 aufweisen. Unter dem Ausdruck »komplementär« ist hier zu verstehen, daß die lichtdurchlässigen und die undurchlässigen Gebiete von A und B verwechselt sind, wie aus einem Vergleich zwischen den F i g. 2 und 3 hervorgeht In den Figuren sind die undurchlässigen Gebiete schraffiert dargestellt.
Wenn zwei Träger mit dem gleichen Muster A in bezug aufeinander bewegt werden, hat das von den beiden Trägern durchgelassene Licht eine Intensität / als Funktion der Verschiebung X, wie in Fig.4 dargestellt ist. Bei einer richtigen gegenseitigen Lage der Träger und somit der Gegenstände liegen die lichtdurchlässigen Teile der Träger einander genau gegenüber, und die durchgelassene Lichtmenge ist 4i) maximal. Wenn eine der Platten sich über einen Abstand gleich '/2p nach links oder nach rechts verschoben hat, tritt für die Intensität des durchgelassenen Lichtes ein Minimum auf.
Fig.5 stellt die Intensität des durchgelassenen 4') Lichtes als Funktion der gegenseitigen Verschiebung der Träger dar, wenn letztere mit komplementären Mustern versehen sind. Bei einer richtigen gegenseitigen Lage der Gegenstände oder der Platten wird kein Licht durchgelassen.
"ι" Bei Verwendung der obenbeschriebenen Muster kann die richtige gegenseitige Lage der Gegenstände durch die Be-,timmung des Maximums bzw. des Minimums der Lichtintensität der F i g. 4 bzw. 5 bestimmt werden.
Bei der Verwendung derartiger Muster kann eine ">j direkte Abgabe über die Richtung einer etwaigen Abweichung von der richtigen gegenseitigen Lage der Träger oder der Gegenstände erhalten werden.
Nunmehr wird die Erfindung beschrieben.
Nach F i g. 6 werden auf dem Träger zwei Teilmuster '··· A\ und A2 untereinander in der Längsrichtung der Spalte, somit entsprechend F i g. 1 senkrecht zu der Zeichnungsebene, angebracht. Diese Muster sind über einen Abstand (1 — a)p in der Breitenrichtung der Spalte in bezug aufeinander verschoben. Die asymmetrischen Teilmuster A\ und Ai sind aus dem Mus!·..- A dadurch erhalten, daß das Gebiet rechts (A-,) bzw links (A2) von den Spalten undurchlässig gemacht wird. Auf dem Träger 1 sind zwei identische symmetrische Teiimuster
S1 und S? nach F i g. 7 angebracht. Diese Teilmuster sind nicht in bezug aufeinander verschoben.
Wenn die Träger 1 und 2 in bezug aufeinander bewegt werden, wird für die KnmDination der Muster A] und Si ein Verlauf der Lichtintensität als Funktion der Verschalung intoh <'c- Kurve R der Fig. 8 und für die Kombination der Muster A2 und S2 ein Verlauf nach der Kurve 5der Fig. 8 erhalten. Das durch die Muster A] und B] bzw. A2 und S2 hindurchtretende Licht wird von zwei gesonderten Fotozellen aufgefangen und in elektrische Signale umgewandelt. Diese Signale werden dann einem (nicht dargestellten) Differenzverstärker zugeführt Das Ausgangssignal dieses Differenzverstärkers als Funktion der gegenseitigen Verschiebung der beiden Träger ist in F i g. 9 dargestellt. Die Muster A\ und B\ bzw. Ai und S2 können von derselben Lichtquelle oder von zwei verschiedenen Lichtquellen beleuchtet werden.
Vergleiche der beiden Intensitätsverläufe (siehe F i g. 8) ergeben einen Schnittpunkt mit einer gleichen Lichtmenge an einer sehr genau bestimmten Stelle e. In der diesem Schnittpunkt entsprechenden Nullage der Träger liefern die beiden Fotozellen gleichgroße elektrische Signale und ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers gleich 0 V.
Wenn der Träger der Teilmuster B\ und S2 sich aus der Nullage in bezug auf den Träger der Teilmuster A ι und A2 nach links bewegt, läßt die Kombination A]B] eine größere Menge Licht durch als die Kombination A2B2, wie aus einem Vergleich der Kurven R und S hervorgeht. Die der Kombination A\B\ zugeordnete fotoempfindliche Zelle liefert ein größeres Signal als die der Kombination A2B2 zugeordnete fotoempfindliche Zelle, und die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ist positiv. Bei einer Bewegung nach rechts aus dieser Nullage erfolgt das Umgekehrte, wobei der Differenzverstärker dann eine negative Ausgangsspannung hat.
Der große Vorteil der Verwendung der beschriebenen Muster besteht darin, daß direkt abgelesen werden kann, in welcher Richtung die Gegenstände bewegt werden müssen, um den Gleichheitspunkt zu erreichen. Da die Genauigkeit durch die Steilheit der Intensitätskurven bestimmt wird und diese Steilheit der Intensitätskurven bei einer geringen Spaltbreite ihrerseits durch die Anzahl von Spalten der Muster bestimmt wird, läßt sich für eine genügend große Anzahl von Spalten eine große Genauigkeit erzielen. Dies ist insbesondere von Bedeutung beim automatischen Ausrichten von Filmen, die mit Maskenmustern bedruckt sind.
Die Lage des Schnittpunktes der Intensitätskurven ist von der Breite der Spalte unabhängig. Wenn die Spalte eines der Muster oder der beiden Muster asymmetrisch größer oder kleiner werden, ändert sich die Lage des Schnittpunktes nicht
Der Einfluß eines asymmetrischen Fehlers in einem der Spalte nimmt bei Verwendung einer größeren Anzahl von Spalten ab. So wird, w,enn nur ein einziger lichtdurchlässiger Spalt vorhanden ist, ein Staubteilchen auf dieiem Spalt weniger l.i.h: durchlassen. Dies hat zur Folge, daß sich die Lage des Nullpunktes ändert. Dadurch wird ein Fehler herbeigeführt. Wenn mehrere Spalte vorhanden sind, ist die Verschiebung des Nullpunktes um einen Faktor gleich der Anzahl von Spähe η geringer geworden.
In einem Ausführungsbeispiel bestanden die Teilmu-
iii sier .41, A2 und die Teilmuster B], B2 aus fünf Spalten mit je einer Breite von 20 [im. Die Gesamtlänge des Gebildes der Tcilmuster A\ und A2 mit den undurchlässigen Gebieten auf der rechten bzw. auf der linken Seite betrug 600 μίτι. Die Teilmuster A\ und Ai waren über
is einen Abstand von 5 μιτι in bezug aufeinander verschoben, was a = 3A entspricht. Die durchgelassene Menge Licht in bezug auf die benutzte Oberfläche ist verhältnismäßig groß.
Hier ist der Fall betrachtet, in dem sich komplementä-
2(i re Muster übereinander bewegen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Träger 2 mit zwei asymmetrischen und gegenseitig verschobenen Teilmustern B\ und B2 zu versehen, die auf entsprechende Weise wie A] und A2 aus A aus dem Muster B erhalten sind; das Licht muß dann identische etwas gegeneinander verschobene Muster passieren.
Mit der beschriebenen Vorrichtung kann auch zweidimensional ausgerichtet werden. Zu diesem Zweck werden die beiden Träger mit je zwei Mustern
3d versehen, deren Spalte in zueinander senkrechten Richtungen verlaufen.
Wenn die Gegenstände in bezug aufeinander mehrere Lagen einnehmen können, können mit dieser Vorrichtung auch die richtigen Positionen in den verschiedenen
i' Lagen bestimmt werden. Zu diesem Zweck werden entweder die Muster des Trägers 1 oder die Muster des Trägers 2 mehrere Male in der Längsrichtung des betreffenden Trägers angebracht. Nach dem Wiederholungsabstand werden dann stets Intensitätskurven nach
"' F i g. 8 erhalten.
Wie bereits bemerkt wurde, läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Herstellung integrierter Schaltungen dazu benutzen, Filme in bezug aufeinander z. B. einen Film mit Leitungsmustern in bezug auf einen
4"· Film mit Maskenmustern, auszurichten. Sie kann aber auch zum Ausrichten von Fotomasken in bezug auf eine Halbleitermaterialplatte verwendet werden. Dabei muß dann aber statt eines Durchlichtverfahrens ein Reflexionsverfahren durchgeführt werden. Die Muster auf dem Film bestehen wieder aus Gebieten, die abwechselnd lichtdurchlässig und lichtabsorbierend sind, während die Muster auf der Halbleitermaterialplatte aus lichtreflektierenden und lichtabsorbierenden Gebieten aufgebaut sind. Selbstverständlich kann auch in diesem
" Falle zweidimensional ausgerichtet werden, wenn ein zweiter Satz von Mustern verwendet wird, bei denen die Längsrichtung der Streifen quer zu der des ersten Mustersatzes steht
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Fotoelektrische Vorrichtung zum gegenseitigen Ausrichten zweier Gegenstände, von denen jeder mit einem mindestens zwei Muster aus Streifen unterschiedlichen Transmissions- oder Reflexionsverhaltens aufweisenden Träger gekoppelt ist, bei der die Streifen der Muster senkrecht zur Verschiebungsrichtung beider Gegenstände verlaufen, wobei mindestens zwei Muster auf jedem Träger bezüglich der Verschiebungsrichtung nebeneinander liegen und beide Träger einander so gegenüberstehen, daß bei Beleuchtung aller Muster und zum Ausrichten bezüglich einer Dimension das erste Muster auf dem ersten Träger über das erste Muster auf dem zweiten Träger mittels eines ersten fotoelektrischen Wandlers und das zweite Muster auf dem ersten Träger über das zweite Muster auf dem zweiten Träger mittels eines zweiten fotoelektrischen Wandlers abtastbar sind und bei der die Sollausrichtung beider Gegenstände hinsichtlich einer Dimension allein aus dem Ausgangssignal des ersten fotoelektrischen Wandlers ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß alle Muster (Au A2, Bu B2) derart regelmäßig sind, daß jeweils einer der beiden Musterparameter (ρ}. Streifenbreite, Streifenabstand, konstant ist, während der andere Parameter — von der Mitte des jeweiligen Musters ausgehend — nach einer arithmetischen Reihe variiert, daß die ersten und die zweiten Muster auf jeweils einem Träger (1 bzw. 2) einander gleichen, und daß die beiden Muster (Ai, A2 bzw. Bu B2) auf einem Träger bezüglich der Verschiebungsrichtung gegeneinander verschoben sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Muster (Au A2) auf einem Träger an je einer Musterseite durch je ein lichtabsorbierendes Band ergänzt sind, und daß sich die so gebildeten Bänder bezüglich der Verschiebungsrichtung unterschiedlichen Musterseiten anschließen.
3. Vorrichtung zum zweidimensionalen gegenseitigen Ausrichten zweier Gegenstände nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Träger je mit Mustern versehen sind, deren Streifen in zueinander senkrechten Richtungen verlaufen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Träger eine Anzahl v> von Mustern hintereinander in der Verschiebungsrichtung der Träger angebracht ist.
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