DE3308191A1

DE3308191A1 - Automatische scharfstellvorrichtung

Info

Publication number: DE3308191A1
Application number: DE19833308191
Authority: DE
Inventors: Tomohide Yokohama Watanabe
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-03-08
Filing date: 1983-03-08
Publication date: 1983-09-22
Also published as: US4577095A; FR2523319A1; JPS58153327A; FR2523319B1

Description

Automatische ScharfStellvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine automatische Fokussier- bzw. Scharfstellvorrichtung insbesondere für die Prüfung von Mustern auf z.B. einem Halbleitersubstrat.

Aufgrund der Entwicklung auf dem Gebiet der Photolithographie sind verschiedene Arten von Mustern (patterns), beispielsweise auf einem Halbleitersubstrat ausgebildete Muster in Form einer Metallschicht, strengeren Anforderungen bezüglich der Genauigkeit unterworfen. Das gleiche gilt für die Musterprüfung dahingehend, ob das Muster Fehler aufweist, die Mustergröße richtig ist, der Abstand zwischen benachbarten Mustern einwandfrei ist, das Muster verzogen bzw. verformt ist, die Mustergüte zufriedenstellend ist, das Muster gegenüber seiner richtigen Stellung verschoben ist usw.

Eine bisher verwendete Prüfvorrichtung photographiert ein Muster und vergleicht die Photographie mit einem vorgegebenen Vergleichs- oder Bezugsmuster. Ein Problem besteht dabei jedoch darin, daß die Ebenheit einer ein Muster tragenden Substratoberfläche die Genauigkeit des Musterbilds stark beeinflußt. Wenn nämlich die Substratoberfläche wellig oder uneben bzw. rauh ist, variiert stellenweise der Abstand zwischen dem Muster und einem optischen System einer Abbildungsvorrichtung. Als Ergebnis verändert sich ein Abbildungspunkt des Musters

in der Abbildungsvorrichtung, so daß das Bild des Musters unscharf wird.

Zur Vermeidung dieser Mangel ist die bisherige Vorrichtung mit einer automatischen Scharfstell- oder sog. Autofokusvorrichtung versehen, die einen Unscharfezustand im optischen System feststellt und diesen auf der Grundlage dieser Messung korrigiert. Die automatische ScharfStellvorrichtung arbeitet mit einem sog.

Luftmikrometer-Meßfühler zur Peststellung eines nicht scharfgestellten Zustands (Unscharfezustands) des Musters. Ein solcher Meßfühl er besitzt aber eine geringe Meßgenauigkeit und ein langsames Meßansprechen. Zudem benötigt er einen Luftverdichter zur Beschickung mit Druckluft. Bei Verwendung eines solchen Meßfühlers erhält daher die Muster-Prüfvorrichtung große Abmessungen .

Außerdem benötigen die bisherige Muster-Abbildungsvorrichtung und die ScharfStellvorrichtung jeweils ein eigenes optisches System, so daß die Anordnung insgesamt sperrig, komplex und aufwendig wird.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer kleinen, leichten und einfach aufgebauten automatischen ScharfStellvorrichtung, die eine hohe Genauigkeit bei der Unschärfebestimmung und eine hohe Meßgeschwindigkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einer automatischen Scharfstellvorrichtung der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch ein Objektiv, das der ein Muster tragenden Fläche eines Substrats gegenübersteht, durch ein an einem ersten Brennpunkt der Brennweite des Objektivs angeordnetes und entsprechend der Menge des einfallenden Lichts anreg-

V-G-

bares oder erregbares erstes lichtempfindliches Element» durch ein zweites lichtempfindliches Element, das um eine vorgegebene Strecke näher an einem zweiten Brennpunkt der Brennweite des Objektivs angeordnet und entsprechend der Menge des einfallenden lichts erregbar ist» durch ein drittes lichtempfindliches Element» das um eine vorgegebene Strecke weiter von einem dritten Brennpunkt der Brennweite des Objektivs entfernt und entsprechend der Menge des einfallenden lichts erregbar ist» durch eine erste Meßeinheit zur Lieferung eines elektrischen Signals auf der Grundlage der Erregungsverteilung (excitation distribution) des ersten lichtempfindlichen Elements, durch eine zweite Meßeinheit zur Lieferung eines elektrischen Signals auf der Grundlage der Erregungsverteilung des zweiten lichtempfindlichen Elements, durch eine dritte Meßeinheit zur Lieferung eines elektrischen Signals auf der Grundlage der Erregungsverteilung des dritten lichtempfindlichen Elements, durch eine erste Differenzierschaltung zum Differenzieren eines Ausgangssignals der ersten Meßeinheit, durch eine zweite Differenzierschaltung zum Differenzieren eines Ausgangssignals der zweiten Meßeinheit, durch eine dritte Differenzierschaltung zum Differenzieren eines Ausgangssignals der dritten Meßeinheit, durch eine (Unscharfe-)Detektoreinheit zur Bestimmung einer Verschiebung oder Abweichung des Substrats von einem vorbestimmten, richtigen bzw. SoIl-Abstand zwischen Objektiv und Substrat auf der Grundlage der Ausgangssignale der drei Differenzierschaltungen und durch eine Korrigiereinheit zum Korrigieren der Abweichung auf der Grundlage eines Ausgangssignals der Detektoreinheit.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein eine schematische Darstellung enthaltendes

Blockschaltbild einer automatischen Scharfstellvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Bildmuster auf einem Zeilenabtaster (line sensor) bei der Abtastung eines zu prüfenden Musters,

Fig. 3A bis 30 Wellenformdiagramme von Ausgangssignalen von Zeilenabtastern bei der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 4A bis 40 Vfellenformdiagramme der Signale nach Fig. 3A bis 30 nach ihrer Differenzierung,

Fig. 5A bis 50 Wellenformdiagramme von Ausgangs signal en der Zeilenabtaster bei der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 6A bis 60 Wellenformdiagramme der differenzierten Signale nach Fig. 5A bis 50,

Fig. 7 ein (Block-)Schaltbild eines Zeilenabtasters und einer Zeilenabtaster-Steuereinheit bei der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 8A bis 8G ZeitSteuerdiagramme von Signalen an den Hauptteilen der Steuervorrichtung nach Fig. 7»

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Detektor- oder Meßschaltung bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und

Fig.10 eine teilweise in Blockschaltbildform gehaltene schematische Darstellung einer Korrigiereinheit bei der Vorrichtung nach Fig. 1.

τ Z-

Pig. 1 veranschaulicht schematisch eine automatische Scharfstellvorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher ein Objektiv 2 in Gegenüberstellung zu einem Substrat, z.B. einem Halbleiter-Substrat 1 angeordnet ist, auf dessen dem Objektiv 2 zugewandter Fläche Metallmuster P1 - P4 ausgebildet sind. In den Strahlengang des Objektivs 2 sind zwei halbdurchlässige Spiegel 3 und 4 eingeschaltet, von denen der Spiegel 4 näher am Objektiv 2 angeordnet ist als der Spiegel 3.

Die halbdurchlässigen Spiegel 3 und 4 sind um 45° zum Objektiv 2 schräggestellt und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Durch diese Spiegel 3» 4 wird ein Teil des vom Objektiv 2 durchgelassenen, einfallenden lichts unmittelbar längs der (optischen) Achse des Objektivs 2 geleitet, während der restliche Idchtanteil um praktisch 90° zur optischen Achse des Objektivs 2, d.h. zum Strahlengang, abgelenkt wird. Die gerade optische Achse des Objektivs 2 ist im folgenden als "gerader Strahlengang" bezeichnet, während der Strahlengang des abgelenkten Lichts als "Ablenkstrahlengang¹¹ bezeichnet wird. Im Ablenkstrahlengang R3 des halbdurchlässigen Spiegels 3 ist ein erster Zeilenabtaster (line sensor) 5 angeordnet, dessen Einfallsflache sich an einem ersten Brennpunkt E™* im Ablenkstrahlengang befindet. Im Ablenkstrahlengang R4 des halbdurchlässigen Spiegels 4 ist ein zweiter Zeilenabtaster 6 vorgesehen, dessen Austrittsfläche sich an einem zweiten Brennpunkt Piro/ im Ablenkstrahlengang R4 des Spiegels befindet» Die Einfallsfläche des Zeilenabtasters 6 liegt in einem Abstand Af vom zweiten Brennpunkt P-pn/ · £b g©~ raden Strahlengang D des Objektivs 2 ist ein dritter Zeilenabtaster 7 angeordnet, dessen Einfallsfläche um eine Strecke Af weiter vom Objektiv 2 entfernt ist als ein dritter Brennpunkt P^ desselben. Die Zeilenabtaster 5-7 werden entsprechend der Menge des einfallenden

-3-

Lichts angeregt bzw. erregt» und sie erfassen die Ränder der Muster P1 - P4. An die Zeilenabtaster 5-7 sind erste bis dritte Abtaster-Steuerschaltungen 8, 9 bzw. 10 angeschlossen, die Signalimpulse entsprechend den Erregungsverteilungen in den Zeilenabtastern erzeugen und die mit Differenz!erschaltungen 11-13 zum Differenzieren der Signalimpulse verbunden sind. Die Differenzierschaltungen 11-13 sind ihrerseits mit einem Unscharfedetektor 14 zur Peststellung eines unscharf eingestellten Zustande des Objektivs 2 bzw. einer Abweichung des Musters von einem vorbestimmten Objektpunkt auf der Grundlage der von den Differenzierschaltungen 11-13 gelieferten Ausgangssignale verbunden. Die Ausgangsklemme der ersten Abtaster-Steuerschaltung 8 ist an die Differenzierschaltung 11 sowie an eine Musterprüfschaltung 15 angeschlossen. Letztere nimmt das Ausgangssignal von der ersten Steuerschaltung 8 ab und analysiert auf elektrischem Wege ein auf die Einfallsfläche des ersten Zeilenabtasters 5 auftreffendes optisches Signal» um festzustellen, ob im Musterbild Fehler enthalten sind, die Mustergröße richtig ist» der Abstand zwischen benachbarten Mustern einwandfrei ist» das Muster Verzerrungen oder Verwerfungen aufweist» die Mustergüte einwandfrei ist» das Muster gegenüber seiner vorgesehenen Lage verschoben ist usw.. Der Unscharf edetektor 14 ist mit einer Korrigiereinheit 16 verbunden, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Unscharfedetektors 14 die Höhe eines Auflagetisches 17» auf dem sich das Halbleitersubstrat 1 befindet» einstellt. Mittels dieser Einstellung wird ein einwandfreier Abstand zwischen dem Objektiv 2 und dem Substrat 1 hergestellt» so daß das Muster auf der Einfallsfläche des ersten Zeilenabtasters 5 abgebildet wird. Auf diese Weise wird die Höhe des Auflagetisches 17 so eingestellt, daß das Substrat 1 in einem bestimmten Ab-

stand vom Objektiv 2 gehalten und damit eine einwandfreie Musterprüfung ermöglicht wird.

Die automatische Schärfstellvorrichtung nach Pig. 1 arbeitet wie folgt:

Zur Musterprüfung wird das Substrat 1 durch die drei Zeilenabtaster 5-7 auf die nachstehend erläuterte Weise abgebildet.

Das vom Substrat ausgehende licht fällt über das Objektiv 2 auf die halbdurchlässigen Spiegel 3 und 4. Ein !Peil dieses lichts wird von den Spiegeln 3 und 4 längs des Strahlengangs des Objektivs 2 durchgelassen und auf den Zeilenabtaster 7 geworfen. Der restliche Anteil des lichts wird um praktisch 90° abgelenkt. Das vom Spiegel 3 abgelenkte Licht fällt auf den Zeilenabtaster 5> während das vom Spiegel 4 abgelenkte Licht auf den zweiten Zeilenabtaster 6 trifft. Die drei Zeilenabtaster 5-7 werden entsprechend der auf ihre Einfallsflächen auftreffenden Lichtmenge erregt bzw. angeregt. Die drei Abtaster-Steuerschaltungen 8-10 erzeugen Signalimpulse» die von den Erregungsverteilungen der drei Zeilenabtaster 5f 6 bzw. 7 abhängen. Die Ausgangssignalimpulse der drei Steuerschaltungen 8-10 werden den Differenzierschaltungen 11» 12 bzw. 13 eingegeben und in diesen differenziert und sodann dem Unscharfedetektor 14 eingespeist. Letzterer stellt die Größe des Unscharfezustands bzw. des unscharf eingestellten Zustands auf der Grundlage der differenzierten Signale von den Differenzierschaltungen 11-13 fest. Das Ausgangssignal der ersten Abtaster-Steuerschaltung 8 entspricht einem Signal vom ersten Zeilenabtaster 5» dessen Einfallsfläche sich am ersten Brennpunkt des Objektivs 2 befindet. Das Ausgangssignal

der ersten Steuerschaltung 8 wird auch der Musterprüfschaltung 15 eingespeist» die auf elektrischem Wege ein durch das Signal dargestelltes Muster erkennt und dieses Signal mit einem Bezugssignal entsprechend einem Soll-Muster zur Musterprüfung vergleicht. Auf diese Weise wird entschieden, ob das Muster Fehler aufweist bzw. die vorher erwähnten Eigenschaften besitzt oder nicht.

Es sei nunmehr angenommen, daß ein das Muster P1 tragender Teil des Halbleiter-Substrats 1 flach bzw. eben und das Muster P1 so angeordnet ist, daß es auf der Einfallsfläche des ersten Zeilenabtasters 5 abgebildet wird. Auf letztere wird daher der das Muster P1 aufweisende Teil des Substrats 1 abgebildet. In diesem Fall entspricht die Erregungsverteilung (excitation distribution) auf dem ersten Zeilenabtaster ^r> derj ar»} £0ii iiar-li tfiff« e!, Ui !Mg, Ί RU Ι·ο μ ν j ν hl ein weißer Fleck bzw. Abschnitt L dem Muster P1, während ein schraffierter Abschnitt der Substratfläche entspricht. Die das Muster P1 aufweisende Substratfläche wird nicht auf den Einfallsflächen der Zeilenabtaster 6 und 7 abgebildet, weil sich diese Einfallsflächen nicht an den Brennpunkten Pp₁₁₄ bzw. P-^ befinden. Die Erregungsver-

teilungen auf den Zeilenabtastern 6 und 7 sind von derjenigen des Zeilenabtasters 5 (Fig. 2) verschieden und im Grenzbereich zwischen dem Muster P1 und der Substratfläche nicht scharf. Die drei Steuerschaltungen 8-10 erzeugen somit Signalimpulse A03» A01 bzw. A02 gemäß Fig. 3A, 3B bzw. 30. In den Fig. 3A- 30, in denen auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Spannung aufgetragen ist, stehen die gestrichelten Wellenformen bzw. Kurven für differenzierte Wellenformen. In den Fig. 4A - 40, 5A- 50 und 6A - 60 sind ebenfalls auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate

die Spannung aufgetragen. Da beim Zeilenabtaster 5 ein Abbild des Musters P1 auf der Einfallsfläche vorliegt ι zeigt der Pegel eines Ausgangssignals AO1 gemäß Pig. 3B einen steilen Anstieg und Abfall. Da an den Einfallsflächen der Zeilenabtaster 6 und 7 kein Bild vorliegt, zeigen die Pegel der Ausgangssignale AO2 bzw. AO3 einen sanften Anstieg und Abfall. Die Abstände der Einfallsflächen der Zeilenabtaster 6 und 7 von den Brennpunkten Ijrg/ und P^ des Objektivs 2 sind gleich groß, d.h. sie entsprechen Af. Die Wellenformen der Signale A02 und A03 sind daher im wesentlichen identisch. Die Ausgangssignalimpulse A01 - A03 der Steuerschaltungen 8-10 (Pig. 3B, JC bzw. 3A) werden den Differenzierschaltungen 11-13 eingespeist und in diesen zu Signalen A11 - A13 mit den Wellenformen gemäß Pig. 4B, 40 bzw. 4A differenziert. In den letztgenannten Piguren sind mit H..... - H..._ die Spitzenbzw. Scheitelwerte der Signale A11 - A13 bezeichnet. Die differenzierten Ausgangssignale werden dem Unschärfedetektor 14 eingespeist, welcher die Scheitelwerte H^₁₁ - H^₁, der Signale A11 - A13 zur Peststellung der Größe des Unscharfezustands vergleicht. Genauergesagt: wenn die auf die Zeilenabtaster 6 und 7, die im Abstand Af in entgegengesetzten Richtungen von den Brennpunkten Pp_R/ uacl P^ entfernt sind, auf treffenden Lichtmengen gleich groß sind, ist der Scheitelwert H.ig ^^es Signals A12 dem Scheitelwert H.,- des Signals A13 gleich. Diese Scheitelwerte bzw. Signale werden daher miteinander verglichen. Wenn kein unscharf eingestellter Zustand des Objektivs 2 festgestellt wird, ist der Scheitelwert H^₁ des Signals A11 größer als die Scheitelwerte H.^ ^²¹^- ^ai^ ^^er Signale A12 bzw. A13. In diesem Pail werden die beiden Scheitelwerte H^₁₂ und H..j, mit dem Scheitelwert H^₁₁ verglichen, um die folgenden Beziehungen zu prüfen:

^HA12 ^{Ä H}A13' ^HA11 ^>
HA12 ™^ά ^HA11 " ^EA13· ^{Sodann wird} ( ) (

3 3

ein für Vs = (Η_Δ15 - H_A11) - (H_A12 - H_A11) stehendes Signal geliefert. Wenn die obige Bedingung erfüllt ist, entspricht, das Ausgangssignal Vs des Unscharfedetektors 14 Vs - O, d.h. der Detektor 14 liefert kein Ausgangssignal. Da das Muster P1 auf einem flachen bzw. ebenen Flächenabschnitt des Halbleiter-Substrats 1 ausgebildet ist» sind die Scheitelwerte H...ρ und EL.., der Signale A12 bzw. A13 gemäß Pig. 4C bzw. 4A einander gleich. Da das Muster auf der Einfallsfläche des ersten Zeilenabtasters 5 abgebildet ist, ist der Scheitelwert Η·11 des Signals A11 größer als die Scheitelwerte H^₁₂ U·¹¹¹³· ^HA13 ^der SiS¹¹³^⁶ ^12 bzw. A13· Da die obigen Bedingungen erfüllt sind, gilt Vs = 0. Der Unscharfedetektor 14 liefert somit kein Signal, so daß die Korrigiereinheit 16 nicht arbeitet. Die Höhenlage des Substrats 1 wird daher nicht verändert.

Wenn sich das Muster P1 nicht auf dem flachen Flächenabschnitt, sondern auf einem konvexen bzw. gewölbten Abschnitt des Substrats 1 befindet, wird es nicht auf der Einfallsfläche des Zeilenabtasters 5 abgebildet. Die Zeilenabtaster 6 und 7, deren Einfallsflächen über die Strecke Af von den Brennpunkten ϊρ^/ bzw. P^ des Objektivs 2 beabstandet sind, werden (in diesem Fall) stärker erregt bzw. angeregt als der Zeilenabtaster 5. Beispielsweise wird in diesem Pail der Zeilenabtaster 7, dessen Einfallsfläche um Af vom Brennpunkt T^ entfernt ist, am stärksten erregt. In diesem Pall besitzen die Ausgangssignale A01 - A03 der Steuerschaltungen 8-10 die in den Pig. 5B, 5C bzw. 5A dargestellten Wellenformen. In den letzteren Figuren stehen die gestrichelten Linien für die Wellenformen der differenzierten Signale A01 - A03. Der Pegel des Signals A03 der dem Zeilenabtaster 7 zugeordneten Steuerschal-

tung 10 zeigt dabei den steilsten Anstieg und Abfall. Der Pegel des Signals AO1 der dem Zeilenabtaster 5 zugeordneten Steuerschaltung 8 zeigt einen sanfteren Anstieg und Abfall als das Signal AO3. Das von der Steuerschaltung 9 für den Zeilenabtaster 6 gelieferte Signal AO2 besitzt den sanftesten Anstieg und Abfall. Nach der Differenzierung in den Differenzierschaltungen 11-13 entsprechen somit die Wellenformen der Signale AO1 - AO3 den Wellenformen der Signale A11 A13 gemäß Fig. 6B, 6C bzw. 6A. Diese Signale werden sodann zur Bestimmung der Größe des Unschärfezustands dem Unscharfedetektor 14 eingespeist. In diesem Pail sind die Spitzen- oder Scheitelwerte H. ₁₂ ^un<^· H.λ ■* der Signale A12 bzw. A13 nicht einander gleich. Der Scheitelwert H^₁^ des Signals A11 ist größer als der Scheitelwert Η·₁₂ ^-^es Signals A12, aber kleiner als der Scheitelwert H..., des Signals A13. Die obige Bedingung ist daher nicht erfüllt. Der Unscharfedetektor 14- liefert demzufolge ein Signal entsprechend Vs = (H_A13 -H₄₁₁) - (H₁₁₂ - H₁₁₁). Dieses Signal zeigt an, daß sich das Muster P1 auf dem konvexen Plächenteil des Substrats 1 befindet. Außerdem zeigt dieses Signal, daß das Muster P1 gegenüber dem Brennpunkt des Objektivs 2 verschoben ist, d.h. sich nicht in der vorbestimmten, richtigen Lage befindet. Größe und Richtung der Unscharfeinstellung des Objektivs bzw. der Verschiebung des Musters gegenüber der vorbestimmten Lage werden anhand einer absoluten Größe und eines positiven oder negativen Vorzeichens des Ausgangssignals erkannt. Insbesondere wird die Größe der Unscharfeinstellung durch eine Absolutgröße des Ausgangssignals angegeben. Bezüglich der Abweichungsrichtung des Musters läßt sich sagen, daß das Muster P1 weiter vom Objektiv 2 entfernt ist, wenn das Ausgangssignal Vs positiv ist. Im Pail eines negativen Signals

Vs "befindet sich das Muster P1 näher zum Objektiv 2 hin. Die Korrigiereinheit 16 nimmt das Signal Vs vom Unscharf edetekt or 14 ab und bewegt den Auflagetisch 17 über eine entsprechende Strecke entgegengesetzt zur Richtung der Unscharfeinstellung. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen dem Muster P1 und dem Objektiv auf die richtige Größe korrigiert» und das Muster P1 wird auf der Einfallsfläche des ersten Zeilenabtasters abgebildet, der sich am Brennpunkt P-ma·* des Objektivs 2 befindet.

Pig. 7 veranschaulicht im einzelnen die Anordnung des ersten Zeilenabtasters 5 "und der Abtaster-Steuerschaltung 8 bei der ScharfStellvorrichtung gemäß Fig. 1. Die anderen Zeilenabtaster 6 und 7 sowie die anderen Steuerschaltungen 9 und 10 besitzen jeweils denselben Aufbau wie der Zeilenabtaster 5 bzw. die Steuerschaltung 8.

Der Zeilenabtaster 5 kann eine Ladungsverschiebevorrichtung (CCD) sein; er umfaßt eine lichtempfindliche Fläche 2I₁, Schiebetorelemente (shift gates) 21₂ und 21» zur Steuerung der Übertragung der in der lichtempfindlichen Fläche 21.. gespeicherten Ladung, analoge Schieberegister 21- und 21,- zur Speicherung der über die Schiebetorelemente 21p und 21, übertragenen Ladung, einen Verstärker 22 zur Verstärkung des Ausgangssignals der analogen Schieberegister 21 . und 21,- sowie eine Kompensier schaltung 23 zum Korrigieren des Ausgangssignals des Verstärkers 22.

Die Steuerschaltung 8 besteht aus einem Oszillator 24 mit z.B. einem Kristallresonator bzw. -schwinger zur stabilen Lieferung schwingender laktimpulse, drei Frequenzteilern 25» 25 und 27 zur Frequenzteilung des Ausgangsimpulses des Oszillators 24» einem vierten

Frequenzteiler 28 zur Frequenzteilung des Ausgangssignals des Frequenzteilers 25» einem Differentialverstärker 29 zur Abnahme der Ausgangssignale vom Verstärker 22 und von der Kompensierschaltung 23 als erstes und zweites Eingangssignal sowie einerGlättungsschaltung 30 zur Glättung des Ausgangssignals des Verstärkers 29.

Der Oszillator 24 liefert für den Zeilenabtaster 5 und die Abtaster-Steüerschaltung 8 mit dem beschriebenen Aufbau stabile Taktimpulse. Die Taktimpulse des Oszillators 24 werden dem Frequenzteiler 26 eingespeist und einer Frequenzteilung in einem bestimmten Verhältnis unterworfen, um ein Signal SH gemäß Fig. 8A zu liefern. Der Ausgangs- bzw. Taktimpuls des Oszillators wird auch dem Frequenzteiler 27 eingespeist und einer Frequenzteilung in einem bestimmten Verhältnis unterzogen, um einen Taktimpuls j>2. gemäß Fig. 8C zu erzeugen. Weiterhin wird der Taktimpuls des Oszillators 24 dem Frequenzteiler 25 zugeführt und in diesem in einem bestimmten Verhältnis einer Frequenzteilung unterworfen, um einen Signalimpuls ES gemäß Fig. 8D zu erzeugen. Das pulsierende Ausgangssignal bzw. der Ausgangsimpuls des Frequenzteilers 25 wird dem Frequenzteiler 28 zugeführt und in diesem einer Frequenzteilung zur Bildung eines Taktimpulses φΛ gemäß Fig. 8B unterworfen. Das Signal SH wird an die Schieb et or elemente 21,. und 21.2 angelegt, um die Übertragung der in der lichtempfindlichen Fläche 21^ gespeicherten Ladung zu den analogen Schieberegistern 21. und 21,- zu steuern. Die Taktimpulse φ\ und φ2 werden beide den analogen Schieberegistern 21. und 21 (. eingespeist, um die darin gespeicherten Ladungsdaten sequentiell in Reihe zu verschieben. Der Signalimpuls ES wird als Rücksetzsignal an den Verstärker 22 und die Kompensier-

schaltung 23 angelegt. Wenn die Signale SH» φΛ» ji2 und ES von der Abtaster-Steuerschaltung 8 an den Zeilenabtaster 5 angelegt werden» liefert dessen Verstärker 22 einen Signalimpuls ^S gemäß Fig. 8F, und die Zorrigier-"bzw. Kompensierschaltung 23 erzeugt einen Signalimpuls DjiS gemäß Pig. 8E. Beim Signalimpuls ^S entspricht der schraffierte Bereich dem Bereich der lichtempfindli-K chen Fläche 2I₁, auf welche^ Licht auftrifft. Die Signalimpulse ^S und D^S werden dem Differentialverstärker 29 eingespeist» dessen Differenzkomponente verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 29 wird der Glättungsschaltung 30 eingegeben und zur Lieferung eines Signals Vout gemäß Fig. 8G geglättet. Das Ausgangssignal Vout wird der Differenzierschaltung 11 der automatischen Schärfstellvorrichtung gemäß Fig.1 eingespeist.

Fig. 9 ist ein Blockschaltbild des Unscharfedetektors 14. Dieser umfaßt einen Scheitelwertdetektor 41 zur Abnahme des Ausgangssignals A11 von der Differenzierschaltung 11, einen Scheitelwertdetektor 42 zur Abnahme des Ausgangssignals A12 von der Differenzierschaltung 12, einen Scheitelwertdetektor 43 zur Abnahme des Ausgangssignals A13 von der Differenzierschaltung 13» einen Differentialverstärker 44 zur Abnahme der Ausgangssignale Ha₁₁ und H^₁ ρ von den Scheitelwertdetektoren 41 bzw. 42 sowie einen zweiten Differentialverstärker 45 zur Abnahme der Ausgangssignale H^₁₁ und Ha₁, von den Scheitelwertdetektoren 41 und 43 und weiterhin einen dritten Differentialverstärker 46 zur Abnahme der Ausgangssignale ( ) ^A13 ~ ^⁵A11 ^ ^von ^^en "⁰^fe^B**^^¹⁸"^^⁶¹¹¹ 44 "und

Beim Unscharfedetektor 14 mit dem beschriebenen Aufbau nehmen die Scheitelwertdetektoren 41 - 43 die betreffen-

den Ausgangssignale A11 - A13 von den Differenzierschaltungen 11 - 13 ab, um die Spitzen- bzw. Scheitelwerte H^₁, ^HA12 ^t)ZW· ^HA13 ^zu ^^es-fcinmien· ^{Die vcm} den Detektoren 4-1 und 42 bestimmten Scheitelwerte H^₁₁ und Eft.12 werden dem Differentialverstärker 44 eingespeist, welcher dann die Operation (H^₂ ~ ^HA11 ^ durchführt. Auf ähnliche Weise werden die von den Detektoren 41 und 43 bestimmten Scheitelwerte H..... bzw. Hy,.., dem Differentialverstärker 45 eingegeben, welcher daraufhin die Operation (H/V13 " ^A11^ ausführt. Die Ergebnisse der von den Differentialverstärkern 44 und 45 ausgeführten Operationen werden dem Differentialverstärker 46 eingespeist, der seinerseits die Operation ^*A13 ~ ^HA11^ ~" ^^HA12 "" ^ΞΑ11 ^ ausführt. Das Operationsergebnis wird als Meßsignal Ys vom Unscharfedetektor ausgegeben. Wenn sich bei der automatischen Scharfstellvorrichtung gemäß Fig. 1 das Muster P1 auf dem flachen bzw. ebenen Abschnitt des Halbleiter-Substrats 1 und in der vorbestimmten, richtigen Lage befindet, wird es auf der Einfallsfläche des ersten Zeilenabtasters 5 abgebildet. Sodann gelten: H...ρ = H..,^, ^HA11 ^> ^HA12 ¹^ ^SA11 ^>
HA13 ^{sowie Vs} = °· Das Unscharf e-Meßsignal Vs beträgt (somit) Null. Wenn sich das Muster P1 auf dem konvexen Abschnitt des Halbleiter-Substrats 1 und außerhalb der vorbestimmten, richtigen Lage befindet, gibt das Ausgangssignal Ts die Größe und Richtung der Abweichung des Musters P1 von der vorbestimmten Lage an. Das Ausgangssignal Vs wird dann der Korrigiereinheit 16 eingegeben.

Pig. 10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für die Eorrigiereinheit 16. Diese umfaßt einen Leistungsverstärker 51 zur Verstärkung des Ausgangssignals Vs des Unscharfedetektors 14, einen durch das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 51 angesteuerten Motor

52, ein Untersetzungs-Getriebe 53 zur Herabsetzung der Drehzahl des Motors 52 und ein durch das Untersetzungs-Getriebe 53 mit verringerter Drehzahl angetriebene Schraubspindel 54 zum Hoch- und Herabfahren des Halbleiter-Substrats 1 bzw. des Auflagetisches 17. Das Ausgangssignal Ys des Unscharfedetektors 14 wird dem Leistungsverstärker 51 eingespeist und auf einen gewünschten bzw. Soll-Pegel verstärkt. Das verstärkte Signal wird dem Motor 52 eingespeist, um diesen in Drehung zu versetzen. Größe und Richtung der Drehung des Motors 52 werden durch das Ausgangssignal des Unschärfedetektors 14 bestimmt. Die Drehung des Motors 52 wird auf das Getriebe 53 übertragen, welches die Drehzahl verringert. Über das Getriebe 53 wird die Schraubspindel 54 in Drehung versetzt. Die Schraubspindel 54 ist in ein Innengewindeelement 17A am Auflagetisch 17 für die Halterung des Halbleiter-Substrats 1 eingeschraubt. Bei der Drehung der Schraubspindel 54 unter dem Antrieb des Motors 52 wird der Auflagetisch 17 hoch- oder herabgefahren. Drehrichtung und -größe der Schraubspindel 54 werden somit durch das Ausgangssignal des . Unschärfedetektors 14 bestimmt. Wie erwähnt, bestimmt somit das Ausgangssignal Ys des Unschärfedetektors 14 Größe und Richtung der Drehung des Motors 52, so daß der Auflagetisch 17 um den Betrag der Verschiebung des Musters P1 und entgegengesetzt zur Richtung dieser Verschiebung bzw. Abweichung bewegt wird. Der Abstand zwischen dem Objektiv 2 und dem Substrat 1 wird somit auf die vorbestimmte, richtige Größe eingestellt. Dies bedeutet, daß das Muster P1 im richtigen vorbestimmten Abstand vom Objektiv 2 gehalten wird, so daß das Muster P1 auf der am Brennpunkt Pjrj^ befindlichen Einfallsfläche des ersten Zeilenabtasters 5 abgebildet wird. Der Motor 52 als Antriebseinrichtung für den Auflagetisch 17 kann durch ein piezoelektrisches EIe-

ment oder eine elektromagnetische Kräfte ausnutzende Einrichtung ersetzt werden.

Wie vorstehend "beschrieben! wird bei der Erfindung somit im Gegensatz zur bisherigen Vorrichtung unter Verwendung des Luftmikrcineter-Meßfühlers eine elektrische Einrichtung oder Anordnung zur Peststellung des Unschärfezustands verwendet. Diese Anordnung bietet u.a. die Vorteile, daß die Scharfstellvorrichtung niedriges Gewicht und insgesamt verkleinerte Abmessungen besitzt. Die Genauigkeit bei der Messung des Unschärfezustands ist dabei groß und das Meßansprechen erfolgt schnell. Weiterhin wird ein einziges optisches System sowohl für die Erfassung des ünschärfezustands als auch für die Prüfung eines Musters auf dem Halbleiter-Substrat eingesetzt. Dieses Merkmal gewährleistet eine Vereinfachung des Aufbaus sowie eine Verkleinerung der Abmessungen der Schärfsteilvorrichtung und mithin eine Senkung der Fertigungskosten.

Ersichtlicherweise ist die Erfindung keineswegs auf die vorstehend beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt. Zur Durchführung des Scharfstellvorgangs wird bei der beschriebenen Ausführungsform das Muster so verschoben, daß es am Brennpunkt des optischen Systems abgebildet wird. Mit anderen Worten: das Halbleiter-Substrat 1 wird relativ zum Objektiv 2 bewegt. Wahlweise kann jedoch das Scharfstellen auch durch lotrechte Bewegung des optischen Systems anstatt des Substrats 1 erfolgen. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird ein Zeilenabtaster verwendet, dessen Einfallsfläche sich am Brennpunkt des Objektivs befindet, während zwei weitere Zeilenabtaster vorgesehen sind, deren Einfallsflächen weiter von (anderen) Brennpunkten des Objektivs entfernt bzw. näher an die-

Ben angeordnet sind. Ein auf das zu prüfende Substrat unscharf eingestellter Zustand wird auf der Grundlage der Ausgangssignale dieser drei Zeilenabtaster festgestellt. Pur die Prüfung der Lage des Musters reicht jedoch ein einziger Zeilenabtaster aus.

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rseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Automatische ScharfStellvorrichtung» gekennzeichnet durch ein Objektiv (2), das der ein Muster (P1 - P4) tragenden Fläche eines Substrats (1) gegenübersteht» durch ein an einem ersten Brennpunkt der Brennweite des Objektivs (2) angeordnetes und entsprechend der Menge des einfallenden Lichts anregbares oder erregbares erstes lichtempfindliches Element (5)» durch ein zweites lichtempfindliches Element (6)» das um eine vorgegebene Strecke näher an einem zweiten Brennpunkt der Brennweite des Objektivs (2) angeordnet und entsprechend der Menge des einfallenden Lichts erregbar ist» durch ein drittes lichtempfindliches Element (7)» das um eine vorgegebene Strecke weiter von einem dritten Brennpunkt der Brennweite des Objektivs (2) entfernt und entsprechend der Menge des einfallenden Lichts erregbar ist, durch eine erste Meßeinheit

(8) zur Lieferung eines elektrischen Signals auf der Grundlage der Erregungsverteilung (excitation distribution) des ersten lichtempfindlichen Elements (5)» durch eine zweite Meßeinheit (9) zur Lieferung eines elektrischen Signals auf der Grundlage der Erregungsverteilung des zweiten lichtempfindlichen Elements (6)» durch eine dritte Meßeinheit (10) zur Lieferung eines elektrischen Signals auf der Grundlage der Erregungsverteilung des dritten lichtempfindlichen Elements (7)_t durch eine erste Differenzierschaltung (11) zum Differenzieren

eines Ausgangssignals der ersten Meßeinheit (8), durch eine zweite Differenz.!erschaltung (12) zum Differenzieren eines Ausgangssignals der zweiten Meßeinheit (9)» durch eine dritte Differenzierschaltung (13) zum Differenzieren eines Ausgangssignals der dritten Meßeinheit (10), durch eine (Unscharfe-) Detektoreinheit (14) zur Bestimmung einer Verschiebung oder Abweichung des Substrats (1) von einem vorbestimmten, richtigen bzw. Soll-Abstand zwischen Objektiv (2) und Substrat (1) auf der Grundlage der Ausgangssignale der drei Differenzierschaltungen (11 - 13) und durch eine Korrigiereinheit (16) zum Korrigieren der Abweichung auf der Grundlage eines Ausgangssignals der Detektoreinheit (14).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (15) zur elektrischen Erkennung des Musters nach Maßgabe eines Ausgangssignals der ersten Meßeinheit (8) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit (14) eine erste Scheitelwertdetektorschaltung (41) zur Erfassung eines Scheitelwerts eines Ausgangssignals der ersten Differenzierschaltung (11), eine zweite Scheitelwertdetektorschaltung (42) zur Erfassung eines Scheitelwerts eines Ausgangssignals der zweiten Differenzierschaltung (12), eine dritte Scheitelwertdetektorschaltung (43) zur Erfassung eines Scheitelwerts eines Ausgangssignals der dritten Differenzierschaltung (13)> eine erste Schaltungseinheit (44) zur Bestimmung eines Unterschieds zwischen von erster und zweiter Scheitelwertdetektorschaltung (41 bzw. 42) gelieferten Scheitelwerten, eine zweite Schaltungseinheit (45) zur Bestimmung

eines Unterschieds zwischen von erster und dritter Scheitelwertdetektorschaltung (41 bzw. 43) gelieferten Scheitelwerten und eine dritte Schaltungseinheit (46) zur Bestimmung eines Unterschieds zwi- sehen der Scheitelwertdifferenz von der ersten

Scheitelwertdetektorschaltung (41) und der Scheitelwertdifferenz von der zweiten Scheitelwertdetektorschaltung (42) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet! daß die Korrigiereinheit (16) einen Verstärker (51) zum Verstärken eines Ausgangssignals der Detektoreinheit (14) und Einrichtungen (52, 53» 54) zum Einstellen "bzw. Korrigieren der Abweichung nach Maßgabe des Ausgangssignals des Verstärkers (51)
aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet» daß die drei lichtempfindlichen Elemente

(5-7) Zeilenabtaster (line sensors) sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß die drei Meßeinheiten (8 - 10) Abtaster-Steuereinheiten sind.