DE3715864C2

DE3715864C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen/Einstellen einer Verschiebung

Info

Publication number: DE3715864C2
Application number: DE3715864A
Authority: DE
Inventors: Masanori Suzuki; Makoto Iki; Atsunobu Une
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-05-07
Filing date: 1987-05-07
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2007-05-08
Also published as: FR2598797B1; US5000573A; DE3715864A1; FR2598797A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen/Einstellen einer Verschiebung beispielsweise einer relativen Abweichung zwischen zwei Gegenständen unter Verwendung von Beugungsgitter, die z. B. für Belich tungsvorrichtungen, Vorrichtungen zum Auswerten eines Musters oder zum Herstellen von Halb leiterschaltungen verwendet werden.

In der europäischen Patentanmeldung 0 151 032 A2 ist ein Verfahren zum Einstellen einer Verschiebung eines Objekts unter Verwendung eines Beugungsgitters be schrieben, bei der Masken ausgerichtet oder ein Zwi schenraum mit großer Genauigkeit zwischen einer Maske und einem Wafer eingestellt wird. Nach diesem Verfahren wird ein Laserstrahlenbündel auf Beugungsgittermarken, die auf einem Wafer und einer Maske angeordnet sind, gesandt, wodurch gebeugte Strahlenbündel erzeugt wer den. Eine Ausrichtung und eine Einstellung eines Zwi schenraums wird in Abhängigkeit von Änderungen der In tensität der gebeugten Strahlenbündel durchgeführt. Bei diesem Verfahren wird ein Abstand der Beugungsgitter marken zur Erfassung der waferseitigen Abweichung als ein ganzes Vielfaches des Abstandes der Beugungsgitter marken zur Erfassung der maskenseitigen Abweichung ge setzt, so daß eine Änderung des Zwischenraumes weniger nachteilig die Signale beeinflußt.

Da allerdings ein Einfluß der Zwischenraumänderungen nicht vollständig ausgeschaltet werden kann, muß die Ausrichtung bei einem bestimmten Wert des Zwischenrau mes durchgeführt werden. Zusätzlich wird während der Belichtung die Beugungsgittermarke zur Erfassung der maskenseitigen Abweichung auf die Beugungsgittermarke zur Erfassung der waferseitigen Abweichung übertragen und dieselbe Marke kann nicht kontinuierlich in dem nächsten Prozeß verwendet werden. Daher ist in jedem Prozeß eine neue Beugungsgittermarke zur Erfassung der waferseitigen Abweichung nötig und ein größerer Ände rungs- oder Ergänzungsbereich wird auf dem Wafer ver langt, wodurch ein schmalerer LSI-Musterbereich zur Verfügung steht. Da weiterhin der Spitzenwert einer Interferenzwellen einhüllenden Welle aus dem Zwi schenraumerfassungssignal zur Einstellung des Zwischen raums gesucht wird, wird der Detektor daher sehr auf wendig und wenn eine Vielzahl von Spitzenwerten in der Hüllwelle aufgrund von zum Beispiel Mehrfachinterferen zen zwischen der Maske und dem Wafer auftauchen, wird eine lange Zeit zum Einstellen eines Zwischenraums be nötigt.

Aus der DE-AS 27 15 052 ist eine Längenmeßvorrichtung mit einer quasi-monochromatischen Lichtquelle und einem akusto-optischen Modulator bekannt, wobei der Modulator das auffallende Licht um einen vorgegebenen Winkel ab lenkt bzw. beugt. Dem Modulator ist ein Beugungsgitter nachgeschaltet, das mit dem Licht unterschiedlicher Frequenz bestrahlt wird und das die auftreffenden Strahlen beugt. Das resultierende Überlagerungssignal wird von optischen Empfängern erfaßt und die Phase des Überlagerungssignals wird mit einer Referenzphase ver glichen, die aus der Phase der Hochfrequenzenergiequelle für den Modulator gewonnen wird.

Weiterhin ist in der DE 37 02 203 A1 ein Verfahren zum Messen von Relativbewegungen offenbart, bei dem eine Welle oder ein Strahl auf Beugungsgitter gerichtet wird, die an mehreren Objekten angeordnet sind und zu einander ausgerichtet werden sollen. An den Beugungs gittern entstehen gebeugte Wellen, deren Phase gemessen wird. Die Phasendifferenz der gebeugten Wellen wird ermittelt und die Relativverschiebungen zwischen den Gegenständen aufgrund der ermittelten Phasendifferenz bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen/Einstellen einer relativen Abweichung zwi schen einem ersten und einem zweiten Gegenstand unter Verwendung von Beugungsgittern zu schaffen, mit denen eine relative Verschiebung von Gegenständen unabhängig von einem Positionsverhältnis entsprechend absoluter Koordinaten und auch eine zwei- oder dreidimensionale Ausrichtung zwischen zwei Gegenständen in einfacher und genauer Weise, ohne präzise die optische Weglänge eines einfallenden Strahls bestimmen zu müssen, möglich ist, wobei die Auflösung verbessert werden soll. Weiterhin soll ein Einstellen/Erfassen Mikroverschiebung mit großer Genauigkeit unabhängig von Leuchtdichteände rungen im gebeugten Strahl geschaffen werden. Weiterhin sollen zwei Gegenstände genau ausgerichtet werden, selbst wenn die Ebenheit der Gegenstände schlecht ist. Außerdem sollen dieselben Beugungsgittermuster in einer Vielzahl von Arbeitsschritten, zum Beispiel bei der Herstellung eines Halbleiterelementes, verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale des Hauptanspruchs und der Nebenansprü che gelöst.

Um die obige Aufgabe zu lösen, wird bei der vorliegen den Erfindung eine Technik verwendet, bei der ein mono chromatisches Strahlenbündel mit zwei Wellenlängen leicht unterschiedlicher Frequenzen zum Hervorrufen einer optischen Überlagerungsinterferenz zusammenge setzt wird, wobei mindestens zwei Überlagerungssignale erzeugt werden und eine Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen gemessen wird. Dabei wird erfin dungsgemäß ein monochromatisches Strahlenbündel auf ein auf einem Gegenstand angeordnetes Beugungsgitter ge sandt, um einen gebeugten Strahl zu erhalten, wodurch mindestens eines der Überlagerungssignale gebildet wird.

Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfah ren zum Einstellen/Erfassen einer relativen Verschie bung von Gegenständen unter Verwendung von Beugungsgit tern vorgesehen, bei dem wenigstens zwei Überlagerungs signale durch Zusammensetzen von zwei monochromatischen Strahlenbündeln mit jeweils leicht unterschiedlichen Frequenzen zum Hervorrufen einer optischen Überlage rungsinterferenz erzeugt werden, wobei ein erstes der Überlagerungssignale als Referenzsignal und ein zweites der Überlagerungssignale als erstes Interferenzsignal verwendet werden, die durch Bestrahlen eines ersten auf einem ersten Gegenstand angeordneten Beugungsgitters mit den zwei monochromatischen Strahlenbündeln und durch Zusammensetzen von zwei von dem ersten Beugungs gitter gebildeten gebeugten Strahlenbündeln erzeugt werden, und wobei eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem Interferenzssignal erfaßt und die relative Verschiebung der Gegenstände in Abhängigkeit von dieser Phasendifferenz gemessen und/ oder eingestellt wird.

Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Einstellen/Erfassen einer relativen Verschiebung von Gegenständen unter Verwendung von Beu gungsgittern vorgesehen, die ein erstes auf einem er sten Gegenstand angeordnetes Beugungsgitter, eine La serquelle zur Erzeugung von zwei monochromatischen Strahlenbündeln mit leicht unterschiedlichen Frequen zen, Mittel zum Erzeugen eines Referenzüberlagerungs signals durch Bildung einer optischen Überlagerungsin terferenz in Übereinstimmung mit den zwei monochromati schen Strahlenbündeln, Mittel zum Senden der zwei mono chromatischen Strahlenbündel auf das erste Beugungsgit ter, Mittel zum Zusammensetzen von mindestens zwei ge beugten Strahlenbündeln von dem ersten Beugungsgitter und zum Erzeugen eines ersten Interferenzsignals durch die optische Überlagerungsinterferenz und Mittel zum Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem Referenz überlagerungssignal und dem Interferenzsignal aufweist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht auf ein Ausführungsbei spiel der Vorrichtung zum Erfassen /Einstellen einer Verschiebung von Gegenständen gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Schnittansicht eines Hauptteils zur Beschreibung der Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm der Abweichungscharakteristiken, das die Beziehung zwischen einer relativen Verschiebung und einer Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen zeigt,

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Hauptteils zur Beschreibung der Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 5,

Fig. 7 eine schematische Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 und 10 vergrößerte Schnittdarstellungen eines Hauptteils zur Erläuterung der Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 8,

Fig. 11 ein Diagramm der Zwischenraumcharakteristiken, das die Beziehung zwischen einem Zwischenraum und einer Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen zeigt,

Fig. 12 eine schematische Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 13 eine schematische perspektivische Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 14 und 15 vergrößerte perspektivische Schnittdarstellungen eines Hauptteils zur Erklärung der Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 13.

Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Messen und Einstellen einer relativen Position von Gegenständen unter Verwendung von Beugungsgittern, zum Beispiel eine Röntgenstrahlenbelichtungsvorrichtung zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 20 eine "zweiwellige rechtwinklig polarisierte Laserquelle" (Lichtquelle) zum Aussenden eines Strahlenbündels, das zwei Wellenlängen mit Frequenzen, die leicht unterschiedlich zueinander sind, aufweist und dessen Polarisationsebenen senkrecht zueinander liegen. 21, 21′, 21″ und 21″′ bezeichnen Spiegel, wobei die Spiegelwinkel der Spiegel 21′ und 21″ einstellbar sind. Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Zylinderlinse, 23 einen Polarisationsstrahlenteiler, 24 einen Prismenspiegel, 25, 25′ Kondensorlinsen, 26, 26′ Photodetektoren (erste und zweite Abtastmittel), 27 eine Signalverarbeitungs- und Steuereinheit, 28 einen Maskenhalter, 29 einen Wafer-Halter, 30 eine Maske (erster Gegenstand), 31 einen Wafer (zweiter Gegenstand), 32 ein Reflexionsbeugungsgitter (erstes Beugungsgitter), 33 ein Fenster zum Durchlassen des einfallenden und des gebeugten Lichts, 34 ein Reflexionsbeugungsgitter (zweites Beugungsgitter) und 44, 44′ lineare Polarisationen. Das Fenster 33 ist als Öffnung in der Maske 30 ausgebildet, so daß ein einfallender Lichtstrahl direkt auf das Beugungsgitter 34 fällt und ein gebeugter Strahl direkt durch das Fenster 33 reflektiert wird. Der Maskenhalter 28 und der Wafer-Halter 29 bilden einen Bewegungsmechanismus zum Bewegen der Maske 30 und des Wafers 31 relativ zueinander. Ein derartiger Bewegungsmechanismus ist allgemein bekannt und wird hier nicht näher beschrieben.

Ein von der zweiwelligen senkrecht polarisierten Laserquelle 20 ausgesandtes Strahlenbündel wird über den Spiegel 21 und die Zylinderlinse 22 in ein elliptisches Lichtbündel umgewandelt. Das Strahlenbündel wird von dem Polarisationsstrahlenteiler 23 in ein linear polarisiertes Strahlenbündel mit nur horizontalen Komponenten und ein linear polarisiertes Strahlenbündel mit nur Vertikalkomponenten aufgespalten, wobei die Frequenzen der linear polarisierten Strahlenbündel einen kleinen Unterschied zueinander haben. Die aufgespaltenen Strahlenbündel werden über die Spiegel 21′, 21″ (Mittel zum Einstellen des Einfallswinkels) mit gewünschten Einfallswinkeln auf die Reflexionsbeugungsgitter 32, 34 gesandt. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Reflexionsbeugungsgitter 32, 34 in Richtung der Gitterlinien, in der die Gitter ausgerichtet sind, zueinander versetzt und liegen in demselben Pfad des einfallenden elliptischen Strahlenbündels. Die Gitterabstände der Beugungsgitter 32, 34 sind jeweils gleich. Die von dem Beugungsgitter 32 und dem Beugungsgitter 34 gebeugten Strahlen werden über das Fenster 33 und jeweils über den Spiegel 21‴ (Mittel zum Zusammensetzen der Strahlung), den Prismenspiegel 24 (Mittel zum Trennen der Strahlung), die Kondensorlinsen 25, 25′ und die linearen Polarisatoren 44, 44′ auf die Photodetektoren 26, 26′ geleitet und werden in der Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 27 als gebeugte Überlagerungssignale verarbeitet. Die Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 27 bestimmt eine Phasendifferenz zwischen den beiden Überlagerungssignalen, wobei eines der Überlagerungssignale der von den Reflexionsbeugungsgittern 32, 34 gebeugten Strahlenbündel als Referenzüberlagerungssignal verwendet wird, und erzeugt ein Steuersignal zum Bewegen des Maskenhalters 28 oder des Wafer-Halters 29 relativ zueinander, so daß die Phasendifferenz 0° wird. Daher wird eine genaue Ausrichtung zwischen der Maske und dem Wafer 31 durchgeführt, so daß ein Muster auf der Maske an einer vorbestimmten Stellung auf dem Wafer mit großer Genauigkeit belichtet wird.

Ein Verfahren zum Erfassen/Einstellen einer relativen Stellung, d. h. im Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Ausrichten durch die oben beschriebene Vorrichtung, wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 im folgenden näher erläutert. Das Bezugszeichen 35 bezeichnet ein Reflexionsbeugungsgitter (erstes Beugungsgitter), 36 ein Reflexionsbeugungsgitter (zweites Beugungsgitter), 37, 38 zwei einfallende Strahlen, deren Frequenzen leicht unterschiedlich sind, 39, 40 gebeugte Strahlen (gebeugte optische Überlagerungsinterferenzstrahlen), 41 eine dünne transparente, eine Maske bildende Schicht (erster Gegenstand), 42 ein Wafer und 43 eine dünne undurchsichtige Schicht. Die dünne undurchsichtige Schicht 43 und die dünne transparente Schicht 41, die direkt aufeinander angeordnet sind, bilden ein Gitter.

Das erste Beugungsgitter 35 weist in Fig. 2 fünf Gitterelemente auf. Das zweite Beugungsgitter 36 besteht aus Gitterelementen, die als fünf parallele in dem Wafer 42 vorgesehene Vertiefungen ausgebildet sind. B₁-B₁′ bezeichnet die Richtung der Gitterlinien des zweiten Beugungsgitters, B₂-B₂′ die Richtung der Gitterlinien des ersten Beugungsgitters, A₁-A₁′ die Richtung der Gitterabstände senkrecht auf B₁-B₁′; A₂-A₂′ die Richtung der Gitterabstände senkrecht zu B₂-B₂′; C₁-C₁′ eine Richtung senkrecht zur Gitteroberfläche des Beugungsgitters 36 und C₂-C₂′ eine Richtung senkrecht zu der Gitteroberfläche des Beugungsgitters 35. In Fig. 2 ist der Gitterabstand, d. h. der Gitterabstand der beiden Beugungsgitter 35, 36 P, das Beugungsgitter 35 ist in Richtung B₁-B₁′ (Richtung der Gitterlinien) versetzt, so daß es die Gitterfläche des Beugungsgitters 36 nicht überlappt und das Fenster 33 (nicht in Fig. 2 gezeigt) liegt senkrecht über dem Beugungsgitter 36. Die Einfallsrichtungen der einfallenden Strahlen 37, 38 werden durch Einstellen der Winkel der Spiegel 21′, 21″ so festgelegt, daß sie Winkel der reflektierten gebeugten Strahlung erster Ordnung der Beugungsgitter 35, 36 in bezug auf die Richtung C₁-C₁′ (oder C₂-C₂′) senkrecht zu den Beugungsgittern sind, d. h. R_-1 = sin^-1 (λ₁/P) und R₊₁ = sin^-1 (λ/P). Die einfallenden Strahlen 37, 38 weisen jeweils die Wellenlänge von λ₁ und λ₂ auf. Eine Frequenzdifferenz Δf beträgt einige kHz bis einige hundert MHz, Δf = C · |1/λ₁ - 1/λ₂| (C bedeutet Lichtgeschwindigkeit), und Δf « C, so daß R_-1 ≅ R₊₁ ist.

Daher werden die auf die Beugungsgitter 35, 36 fallenden Strahlen 37, 38 in erster Linie reflektierend gebeugt und optisch in Richtungen (Richtungen C₂-C₂′ und C₁-C₁′) senkrecht zu den Gitteroberflächen jeweils durch die Reflexionsgitter 35, 36 zusammengesetzt. Die zusammengesetzten Strahlen werden jeweils in optische Überlagerungsinterferenzstrahlen 39, 40 umgewandelt. Diese gebeugten Überlagerungsinterferenzstrahlen 39, 40 sind von den unterschiedlichen Beugungsgittern 35, 36 gebeugte Strahlen, aber die Einfallswinkel der einfallenden Strahlen 37, 38 sind symmetrisch in bezug auf die senkrechte Richtung der Beugungsoberflächen. Obwohl die Beugungsgitter 35, 36 längs der senkrechten Richtungen (Richtungen C₁-C₁′ und C₂-C₂′) und der Gitterlinienrichtungen (Richtungen B₁-B₁′ und B₂-B₂′) zueinander versetzt sind, werden daher Änderungen in der Länge des optischen Pfades der einfallenden Strahlen 37, 38 zu den Beugungsgittern 35, 36 jeweils gleichgesetzt und eine Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen, die durch die gebeugten Strahlen 39, 40 erhalten werden, wird nicht nachteilig durch eine Phasenverschiebung der Beugungsgitter 35, 36 in bezug auf Verschiebungen in die senkrechten und Gitterlinienrichtungen beeinflußt. Das heißt, daß die Phasendifferenz zwischen den aus gebeugten Strahlen 39, 40 erhaltenen Überlagerungssignale sich in Übereinstimmung mit nur einer besonderen Anordnung der Beugungsgitter 35, 36 in bezug auf die Abstandsrichtungen (Richtungen A₂-A₂′ und A₁-A₁′) ändert, d. h. eine relative Abweichung.

Wenn die Beugungsgitter 35, 36 längs der Gitterlinienrichtung (Richtung B₁-B₁′ oder B₂-B₂′) gerade ausgerichtet sind, wird die Phasendifferenz zwischen den von den gebeugten Strahlen 39, 40 erhaltenen Überlagerungssignalen zu 0° gesetzt, wodurch die Ausrichtung abgeschlossen wird. Wenn angenommen wird, daß die relative Verschiebung der Beugungsgitter 35, 36 in bezug auf die Richtung A₁-A₁′ oder A₂-A₂′ ΔX ist und die Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen ΔΦ wird die Phasendifferenz ΔΦ durch die folgende Gleichung (1) bestimmt:

ΔΦ = 2π · ΔX/(P/2) (1)

Daher ändert sich die Phasendifferenz ΔΦ in Übereinstimmung mit einer relativen Verschiebung eines halben Abstandes des Beugungsgitters. Fig. 3 zeigt ein Diagramm dieser Beziehung, wobei die Abszisse die relative Verschiebung ΔX und die Ordinate ein Abweichungssignal, d. h. die Phasendifferenz ΔΦ, darstellen. Daraus ist offensichtlich, daß ein Intervall zwischen der durchsichtigen Schicht 41 und dem Wafer 42 genau bestimmt werden kann.

Wie oben beschrieben wurde, sind in der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels das erste und zweite für den ersten und zweiten Gegenstand vorgesehene Beugungsgitter zueinander in bezug auf die Gitterlinienrichtungen versetzt, damit sie sich nicht überlappen, so daß die gebeugten optischen Überlappungsinterferenzstrahlen von ersten und zweiten Beugungsgitter vollständig unabhängig voneinander abgetastet werden können. Zusätzlich wird die Phasendifferenz zwischen den aus den gebeugten Strahlen erhaltenen Überlagerungssignalen, die der relativen Verschiebung bzw. Versetzung zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand entspricht, direkt und beständig abgetastet, wobei die Phasendifferenz zu 0° gesetzt wird, wodurch dauerhaft eine genaue Ausrichtung durchgeführt wird.

Die auf das Beugungsgitter fallenden monochromatischen Lichtbündel werden in einer Richtung des n-ten Beugungswinkels (n ist eine positive ganze Zahl) symmetrisch zu der Richtung senkrecht auf die Beugungsgitteroberfläche eingestellt und das erste und zweite Beugungsgitter werden innerhalb des gleichen Punktes der monochromatischen Lichtbündel angeordnet. Daher erscheint die Phasenverschiebung zwischen den gebeugten Strahlen aufgrund von Änderungen im optischen Pfad eines optischen Systems der monochromatischen Strahlen zu den Beugungsgittern als gleiche Phsenverschiebung zwischen den vom ersten und zweiten Beugungsgitter erhaltenen Überlagerungssignalen, so daß sie ausgelöscht werden und kein Einfluß der Phasendifferenz auftritt. Da daher die Länge des optischen Pfades der zwei Strahlen nicht mit großer Genauigkeit festgesetzt werden muß, kann das optische System leicht eingestellt werden und die Mechanik wird einfach. Zusätzlich wird eine durch Änderungen in der Länge des optischen Pfades bewirkte Phasenverschiebung aufgrund von Mikroschwingungen oder dergleichen ebenfalls aufgehoben, so daß Phasendifferenzsignale mit großer Stabilität gewonnen werden können.

Da weiterhin gemäß der vorliegenden Erfindung ein einziger gebeugter Strahl von jedem Beugungsgitter abgetastet wird, ist die Intensität der gewonnenen gebeugten Strahlen höher als die bei üblichen Verfahren, bei denen ein doppelt gebeugter Strahl abgetastet wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht nur bei einer Vorrichtung angewendet werden kann, die eine relative Ausrichtung von zwei Objekten durchführt, sondern auch auf eine Vorrichtung, die relative Kleinst- oder Mikroverschiebungen von Gegenständen mißt oder die eine Koordinatenstellung abtastet oder überwacht.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 45 eine zweiwellige senkrecht polarisierte Laserquelle, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52 ebene Spiegel, 53 einen Strahlenteiler, 54, 55 Polarisationsstrahlenteiler, 56, 56′ Kondensorlinsen, 57, 57′ lineare Polarisatoren, 58, 58′ Photodetektoren, 59, 59′ Vorverstärker, 60 eine Signalverarbeitungseinheit, 61 eine Stellungsanzeigeeinheit, 62 eine Antriebseinheit, 63 ein erstes Beugungsgitter, 64 ein zweites Beugungsgitter, 65 einen ersten Gegenstand, 66 einen zweiten Gegenstand und 67 einen bewegbaren Halter. Der erste Gegenstand 65 dieses Ausführungsbeispiels wird durch ein Grundteil 65a, ein sich von einem Ende des Grundteils 65a nach oben erstreckenden Teil 65b und einem sich von einem Ende des Teils 65b parallel in die gleiche Richtung wie der Grundteil 65a erstreckenden parallelen Teil 65c gebildet. Das erste Beugungsmuster 63 ist über den parallelen Teil 65c angeordnet und der bewegbare Halter 67 ist bewegbar auf dem Grundteil 65a angeordnet.

Bei dieser Vorrichtung werden einige Strahlen eines von der zweiwelligen senkrecht polarisierten Laserquelle 45 ausgesandten Laserstrahlbündels über den ebenen Spiegel 46 und den Strahlenteiler 53 zu dem Polarisationsstrahlteiler 54 geleitet und werden von diesem in ein P-polarisiertes monochromatisches und in ein S-polarisiertes monochromatisches Strahlenbündel aufgeteilt. Diese Strahlenbündel fallen auf das erste Beugungsmuster 63 über die ebenen Spiegel 47, 48 bei jeweils vorbestimmten Winkeln und die von dem Beugungsgitter 63 gebeugten zwei Strahlenbündel werden optisch zusammengesetzt. Das zusammengesetzte Strahlenbündel wird durch den Photodetektor 58 über den ebenen Spiegel 49, die Kondensorlinse 56 und den linearen Polarisator 57 empfangen und der Signalverarbeitungseinheit 60 über den Vorverstärker 59 als optisches Überlagerungsinterferenzreferenzsignal zugeführt.

Einige Strahlen des Laserstrahlenbündels, das durch den Strahlenteiler 53 aufgeteilt wurde, werden durch den Polarisationsstrahlenteiler 55 in ein P-polarisiertes monochromatisches Strahlenbündel und ein S-polarisiertes monochromatisches Strahlenbündel aufgespalten. Diese Strahlenbündel fallen jeweils über die ebenen Spiegel 50, 51 bei vorbestimmten Winkeln auf das zweite Beugungsgitter 64. Die zwei von dem Beugungsgitter 64 gebeugten Strahlenbündel werden optisch zusammengesetzt und dieses zusammengesetzte Strahlenbündel wird über den ebenen Spiegel 52, die Kondensorlinse 56′ und den linearen Polarisator 57′ dem Photodetektor 58′ zugesandt, von dem es über den Vorverstärker 59′ als optisches Überlagerungsinterferenzbeugungssignal der Signalverarbeitungseinheit 60 geliefert wird. Die Signalverarbeitungseinheit 60 bestimmt eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem gebeugten Überlagerungssignal und zeigt eine relative Verschiebung zwischen den Beugungsgittern 63, 64 entsprechend der Phasendifferenz auf der Stellungsanzeigeeinheit 61 an. Zusätzlich liefert die Signalverarbeitungseinheit 60 ein Steuersignal über die Antriebseinheit 62 an den bewegbaren Halter 67, um eine konstante Phasendifferenz zu erhalten und steuert den zweiten Gegenstand 66 in eine bestimmte Stellung, d. h. die Abweichung des zweiten Gegenstandes in bezug auf den ersten Gegenstand 65 wird von der Vorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der Basis der Stellung des ersten Gegenstandes 65 abgetastet und die Ausrichtung durchgeführt.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die als Meßvorrichtung für eine Kleinst- oder Mikroverschiebung ausgebildet ist. Danach werden einige Strahlen eines von einer zweiwelligen senkrecht polarisierten Laserquelle 117 ausgesandten Laserstrahlenbündels über einen Strahlenteiler 118 abgespalten. Das abgespaltete Laserstrahlenbündel wird durch eine Kondensorlinse 119a gesammelt und unter Verwendung eines linearen Polarisators 120a eine optische Überlagerungsinterferenz bewirkt, die Strahlung wird von einem Photodetektor 121a abgetastet und das Referenzüberlagerungssignal einer Signalverarbeitungseinheit 128 über einen Vorverstärker 122a zugeleitet.

Einige Strahlen des von der zweiwelligen senkrecht polarisierten Laserquelle 117 ausgesandten Laserstrahlbündels werden einem Polarisationsstrahlteiler 124 über dem Strahlenteiler 118 und einen ebenen Spiegel 123a zugesandt und dort in zwei monochromatische Strahlbündel aufgespalten, die jeweils senkrecht zueinander angeordnete Polarisationsebenen und leicht unterschiedliche Frequenzen aufweisen, d. h. es wird ein S-polarisierter einfallender Strahl 130 und ein P-polarisierter einfallender Strahl 131 gebildet. Über die ebenen Spiegel 123b, 123c (Mittel zum Einstellen der einfallenden Strahlung) werden die Strahlbündel 130, 131 auf ein Reflexionsbeugungsgitter 125 bei jeweils vorbestimmten Einfallswinkeln geleitet. Zwei von dem Beugungsgitter 125 reflektierte gebeugte Strahlenbündel werden optisch unter Verwendung eines ebenen Spiegels 123d, einer Kondensorlinse 119b und eines linearen Polarisators 120b zur Herstellung einer optischen Überlagerungsinterferenz in ein zusammengesetztes gebeugtes Lichtbündel 132 zusammengesetzt. Das zusammengesetzte gebeugte Lichtbündel 132 wird von einem Photodetektor 121b empfangen und über den Vorverstärker 122b als ein Überlagerungssignal des gebeugten Strahlenbündels der Signalverarbeitungseinheit 128 geliefert. Die Verarbeitungseinheit 128 bestimmt eine Phasendifferenz (d. h. eine Phasendifferenz entsprechend einer Verschiebung des Beugungsgitters 125) zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem gebeugten Überlagerungssignal, wandelt die Phasendifferenz in eine Verschiebung um und zeigt die Verschiebung des Beugungsgitters 125, d. h. die Verschiebung des bewegbaren Halters 126 auf der Stellungsanzeigeeinheit 129 an. Zusätzlich sieht die Signalverarbeitungseinheit 128 ein Steuersignal für die Antriebseinheit 127 vor, so daß die Phasendifferenz bei einem voreingestellten vorgegebenen Wert konstant wird und das Beugungsgitter 125 in eine vorgegebene Stellung steuert.

Eine Beziehung zwischen der Verschiebung ΔX des Beugungsgitters 125 und der Phasendifferenz ΔΦ zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem gebeugten Überlagerungssignal wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 im folgenden beschrieben. In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 133 ein Reflexionsbeugungsgitter, 134a, 134b einfallende Strahlenbündel mit der Wellenlänge λ₁, 135a, 135b einfallende Strahlenbündel mit einer Wellenlänge λ₂ und 136a, 136b zusammengesetzte gebeugte Strahlenbündel. Es wird angenommen, daß die einfallenden Strahlen 134a, 135b jeweils mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen und leicht unterschiedlichen Frequenzen auf einen Punkt A des Beugungsgitters 133 jeweils bei einem m-ten Beugungswinkel R_m und einem n-ten Beugungswinkel R_n in bezug auf eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Beugungsgitters 133 einfallen. Ein m-ter gebeugter Strahl des einfallenden Strahles 134a und ein n-ter gebeugter Strahl eines einfallenden Strahlenbündels 135a werden jeweils durch den Punkt A in die Richtung senkrecht zu der Gitteroberfläche reflektiert und optisch in den zusammengesetzten gebeugten Strahl 136a in die Richtung senkrecht zu der Gitteroberfläche zusammengesetzt, so daß ein optisches Überlagerungsinterferenzsignal abgetastet werden kann. Unter der Annahme, daß das Beugungsgitter 133 zum ΔX verschoben wird und der Punkt A sich zu einem Punkt A′ verschiebt, dann werden der m-te und n-te Strahl der einfallenden Lichtbündel 134b, 135b durch den Punkt A′ reflektiert und optisch in den zusammengesetzten gebeugten Strahl 136b zusammengesetzt. In diesem Fall kann bei einem Gitterabstand des Beugungsgitters 133 von P eine Beziehung zwischen dem m-ten Beugungswinkel R_m und dem n-ten Beugungswinkel R_n und den Wellenlängen λ₁ und λ₂ wie folgt erhalten werden:

sin R_m = m · λ₁/P (m als positive ganze Zahl) (2)

sin R_n = n · λ₂/P (n als positive ganze Zahl) (3)

wobei die Verschiebung in der Z-Richtung konstant ist.

Wenn das Beugungsgitter 133 um ΔX verschoben wird, werden die Längendifferenzen des optischen Pfades ΔX · sin R_m und -ΔX · sin R_n zwischen den einfallenden Strahlenbündeln 134a, 134b und zwischen den einfallenden Strahlungsbündeln 135a, 135b erzeugt.

Daher wird eine Phasendifferenz ΔΦ′ zwischen den durch die zusammengesetzten gebeugten Strahlen 136a, 136b erhaltenen optischen Überlagerungssignale hervorgerufen. Die Phasendifferenz ΔΦ′ kann durch die folgende Gleichung (4) dargestellt werden:

ΔΦ′ = 2π · ΔX · sin R_m/λ₁ + 2π · ΔX · sin R_n/λ₂ (4)

Substitution der Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (4) ergibt die folgende Gleichung (5):

ΔΦ′ = 2π · m · ΔX/P+ 2π · n · ΔX/P = 2π · ΔX/{P/(m + n)} (5)

Die Phasendifferenz ΔΦ′ ändert sich daher als Funktion der Verschiebung ΔX des Beugungsgitters 133 mit einem Zyklus von P/(m + n).

Wenn insbesondere in Fig. 5 angenommen wird, daß das zusammengesetzte vom Beugungsgitter 125 reflektierte Strahlenbündel 132 ein von dem m-ten gebeugten Strahl des einfallenden Strahles 130 und dem n-ten gebeugten Strahl des einfallenden Strahlenbündels 131 zusammengesetztes Beugungssignal ist, variiert die Phasendifferenz ΔΦ zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem Überlagerungssignal des gebeugten Strahles, die von den Photodetektoren 121a, 121b empfangen werden, mit einem Verschiebungszyklus P/(m + n) des Beugungsgitters 125, wobei P der Gitterabstand des Beugungsgitters 125 ist. Die Phasendifferenz wird festgestellt und durch die Signalverarbeitungseinheit 128 in Gleichstromsignale (DC-Signale) umgewandelt, um Impulse aus den Gleichstromsignalen zu erzeugen, zum Beispiel zu jeder Phasendifferenz von 0°, und die Impulse werden gezählt, um die Verschiebung des Beugungsgitters 125 mit einer Auflösungsgenauigkeit von P/(m + n) zu messen. Wenn zusätzlich Änderungen in den Gleichstromsignalen mit Phasendifferenzen von 0° bis 360° zu zum Beispiel 1/360 interpoliert werden, um eine Abtastauflösung der Phasendifferenz zu 1° festzulegen und eine Phasendifferenz in der Verschiebung des Beugungsgitters zwischen den Impulsen abgetastet wird, dann kann die Verschiebung des Beugungsgitters 125 mit einer Auflösung von P/(m + n) 360 zur Erzielung einer hohen Auflösung abgetastet werden. Es ist festzustellen, daß die Richtung der Verschiebung des Beugungsgitters leicht durch die Unterscheidung nach positivem und negativem Vorzeichen einer Phasendifferenz zwischen dem Überlagerungssignal des gebeugten Strahls und dem Referenzüberlagerungssignal festgestellt wird.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erfassen/Einstellen einer Mikroverschiebung ist. Dabei sind die Einfalls- bzw. Reflexionsrichtungen der Laserstrahlbündel in bezug auf ein Beugungsgitter 145 umgekehrt zu denen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4. Ein senkrecht polarisierter monochromatischer Strahl von einer zweiwelligen orthogonal polarisierten monochromatischen Laserquelle 137 wird senkrecht über einen Strahlenteiler 138 und einen ebenen Spiegel (Mittel zum Einstellen des Einfallswinkels) 143a auf die Oberfläche eines Beugungsgitters 145 geleitet. Jedes der gebeugten Strahlenbündel 150, 151 besteht aus P- und S-polarisierten Strahlen mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen. Ein P-polarisierter monochromatischer Strahl wird aus dem gebeugten Strahlenbündel 150 über einen ebenen Spiegel 143b, einen linearen Polarisator 140d und einen Polarisationsstrahlenteiler 145 gebildet und ein S-polarisierter monochromatischer Strahl wird aus dem gebeugten Strahlenbündel 151 über einen ebenen Spiegel 143c, einem linearen Polarisator 140c und einem Polarisationsstrahlenteiler 144 gewonnen. Die P- und S-polarisierten monochromatischen Strahlen werden optisch zur Bildung einer optischen Überlagerungsinterferenz über einen ebenen Spiegel 143d, einen Kondensorlinse 139b und einen linearen Polarisator 140b zusammengesetzt, wodurch ein Überlagerungssignal des gebeugten Strahls durch einen Photoedetektor 141b empfangen wird. Andererseits werden einige Strahlen des Laserstrahlbündels von der zweiwelligen senkrecht polarisierten Laserquelle 137 durch den Strahlenteiler 138 abgeteilt zur Bildung der optischen Überlagerungsinterferenz über eine Kondensorlinse 139a und einen linearen Polarisator 140a und der Photodetektor 141a erfaßt ein Referenzüberlagerungssignal. Ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 werden die von den Photodetektoren 141a, 141b abgetasteten Referenzüberlagerungs- und Überlagerungssignale des gebeugten Strahls einer Signalverarbeitungseinheit 147 über entsprechende Vorverstärker 142a, 142b zugeleitet. Die Signalverarbeitungseinheit 147 stellt die Phasendifferenz der Signale fest, wandelt eine Phasendifferenz in eine Verschiebung des Beugungsgitters um und zeigt die Verschiebung auf einer Verschiebungsanzeigeeinheit 148 an. Zusätzlich liefert die Signalverarbeitungseinheit 147 ein Steuersignal zu einer Antriebseinheit 149, so daß eine konstante Phasendifferenz erzielt wird und steuert das Beugungsgitter 145 in eine vorgegebene Stellung.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei der die Vorrichtung als Erfassungs-/Einstellvorrichtung einer Mikroverschiebung ausgebildet ist. In Fig. 8 werden einige Strahlen eines von einer zweiwelligen senkrecht polarisierten Laserquelle 225 ausgesandten Strahlenbündels von einem Photodetektor über einen Strahlenteiler 226a, einen ebenen Spiegel 228a, eine Kondensorlinse 229a und einen linearen Polarisator 230a empfangen und als Referenzüberlagerungssignal einer optischen Überlagerungsfrequenz einer X-Verschiebungssignalverarbeitungseinheit 238 und einer Z-Verschiebungssignalverarbeitungseinheit 239 über einen Vorverstärker 232a geliefert. Andererseits wird das von der zweiwelligen senkrecht polarisierten Laserquelle 225 ausgesandte Laserstrahlenbündel über den Strahlenteiler 226a einem Polarisationsstrahlenteiler 227 zugeführt und in zwei Laserstrahlenbündel aufgespaltet, d. h. in ein P-polarisiertes und ein S-polarisiertes Strahlenbündel. Die P-polarisierte Strahlenkomponente fällt als einfallender Strahl 244 auf ein Reflexionsbeugungsgitter 235 in einem vorbestimmten Einfallswinkel über die ebenen Spiegel 233a, 234b. Die S-polarisierte Strahlenkomponente wird durch einen Strahlenteiler 226b (Mittel zum Aufspalten) aufgespalten und die aufgespaltenen Komponenten fallen jeweils als einfallender Strahl 245, 246 über die ebenen Spiegel 234c, 233b und 234a auf das Reflexionsbeugungsgitter 235. Ein aus den einfallenden Strahlenbündeln 244, 245 über das Beugungsgitter 235 erhaltener zusammengesetzter gebeugter Strahl 247 wird über einen ebenen Spiegel 228b, eine Kondensorlinse 229b und einen linearen Polarisator 230b auf einen Photodetektor 231b (zweite Mittel zum Synthetisieren/ Abtasten) gesandt und als ein erstes optisches Überlagerungsinterferenzsignal einer X-Verschiebungssignalverarbeitungseinheit 238 über einen Vorverstärker 232b zugeleitet. Ein über die einfallenden Strahlen 244, 246 über das Beugungsgitter 235 erhaltener zusammengesetzter gebeugter Strahl 248 wird über die ebenen Spiegel 234d, 228c, eine Kondensorlinse 229c und einen linearen Polarisator 230c von dem Photodetektor 231c (drittes Mittel zum Zusammensetzen/ Abtasten) empfangen und als zweites optisches Überlagerungsinterferenzsignal einer Z-Verschiebungssignalverarbeitungseinheit 239 über einen Vorverstärker 232c geliefert. Die Signalverarbeitungseinheit 238 für die X-Verschiebung stellt eine Phasendifferenz zwischen dem ersten optischen Überlagerungsinterferenzsignal und dem Referenzüberlagerungssignal fest entsprechend zur Verschiebung des Beugungsgitters 235 in eine Richtung (entsprechend Fig. 8 von links nach rechts, die als X-Richtung bezeichnet wird) senkrecht zur Richtung der Gitterlinien in eine Beugungsgitterfläche, wandelt die Phasendifferenz in eine Verschiebung um und zeigt die Verschiebung auf einer X-Verschiebung-Anzeigeeinheit 240 an.

Die Signalverarbeitungseinheit 239 für die Z-Verschiebung bestimmt eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem zweiten optischen Überlagerungsinterferenzsignal und erhält ein Phasendifferenzsignal (erstes Phasendifferenzsignal) zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem ersten optischen Überlagerungsinterferenzsignal von der Signalverarbeitungseinheit 238 für die X-Verschiebung, um eine Addition vorzunehmen. Dann erzeugt die Signalverarbeitungseinheit 239 für die Z-Verschiebung ein Phasendifferenzsignal (zweites Phasendifferenzsignal) entsprechend der Verschiebung des Beugungsgitters 235 in normaler Richtung (entsprechend der Richtung von oben nach unten in Fig. 8, die als Z-Richtung bezeichnet wird) zu der Oberfläche des Beugungsgitters, wandelt die Phasendifferenz in eine Z-Verschiebung um und zeigt die Verschiebung auf einer Z-Verschiebung-Anzeigeeinheit 241 an. Zusätzlich liefern die Verarbeitungseinheiten 238, 239 Steuersignale zu einer Z- und einer X-Y- Antriebseinheit 242, 243, so daß die Phasendifferenz bei einem vorgegebenen voreingestellten Wert konstant wird und bewegt einen Z-Halter 236 und einen darauf bewegbaren X-Y-Halter 237, um das Beugungsgitter 235 in eine vorgegebene Stellung zu steuern.

Wenn bei dieser Vorrichtung die einfallenden Strahlen 244, 245 jeweils mit n-ten Beugungswinkeln in bezug auf die Z-Richtung einfallen, kann eine Beziehung zwischen einer Verschiebung ΔX des Beugungsgitters 235 und einer Phasendifferenz ΔΦx zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem ersten optischen Überlagerungsinterferenzsignal durch die folgende Gleichung (7) erhalten werden, wobei aus der obigen Gleichung (4) m = n ist:

ΔΦx = 2π · ΔX/{P/2n} (7)

P ist der Gitterabstand des Beugungsgitters 235. Die Phasendifferenz ändert sich nicht in bezug auf die Verschiebung ΔZ in Z-Richtung sondern bleibt konstant.

Andererseits besteht die folgende Beziehung zwischen den Verschiebungen ΔX und ΔZ des Beugungsgitters 235 und der Phasendifferenz ΔΦzx zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem zweiten optischen Überlagerungsinterferenzsignal. Die Beziehung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 näher erläutert. In Fig. 9 bezeichnet das Bezugszeichen 249 ein Reflexionsbeugungsgitter 250a und 250b einfallende Strahlen mit einer Wellenlänge λ₁, 251a, 251b einfallende Strahlen mit einer Wellenlänge λ₂ und 252a, 252b zusammengesetzte gebeugte Strahlen.

Wenn die einfallenden Strahlenbündel 250a, 251a mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ und mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen und leicht unterschiedlichen Frequenzen, zum Beispiel auf dem Punkt A des Beugungsgitters 249 jeweils mit einem n-ten Beugungswinkel Rn₁ und einem Winkel 3Rn₂ dreimal den n-ten Beugungswinkel Rn₁ in bezug auf die Z-Richtung, auffallen, werden ein +n-ter gebeugter Strahl des einfallenden Strahlenbündels 250a und ein -n-ter gebeugter Strahl des einfallenden Strahls 251a jeweils an dem Punkt A des Beugungsgitters 249 in Richtung eines Winkels 2Rn₁, der das Zweifache des n-ten Beugungswinkels in bezug auf die Z-Richtung ist, reflektiert. Der +n-te und der -n-te gebeugte Strahl der einfallenden Strahlenbündel 250a, 251a werden optisch in ein zusammengesetzes gebeugtes Strahlenbündel 252a zusammengesetzt, so daß ein optisches Überlagerungsinterferenzsignal festgestellt werden kann.

Wenn das Beugungsgitter 249 um den Verschiebungsweg ΔX bewegt wird und der Punkt A zu dem Punkt A′ versetzt wird, werden der +n-te und der -n-te gebeugte Strahl der einfallenden Strahlenbündel 250b und 251b optisch zu einem zusammengesetzten gebeugten Strahl 252b zusammengesetzt. Wenn das Beugungsgitter 249 um die Verschiebung ΔX versetzt wird, dann entsteht ein Gangunterschied ΔX · sin Rn₁ - sin 2Rn₁) zwischen den einfallenden Strahlen 250a und 250b, und zwischen den einfallenden Strahlenbündeln 251a und 251b entsteht ein optischer Gangunterschied von ΔX · (sin 3Rn₂ - sin 2Rn₂). Daher wird eine Phasendifferenz ΔΦ′zx in den optischen Überlagerungsinterferenzsignalen erzeugt, die aus den zusammengesetzten gebeugten Strahlen 252a, 252b erzielt wurden. Die Phasendifferenz ΔΦ′zx wird durch die folgende Gleichung (8) dargestellt:

ΔΦ′zx = 2π · ΔX · {sin Rn₁-sin 2Rn₁)/λ₁ - (sin 3Rn₂- sin 2Rn₂)/λ₂} (8)

Da Rn₁ ≒ Rn₂ ist, und sin 3Rn₂≒ 3 sin Rn₂ und λ₁ = λ₂, kann die Gleichung (8) auch wie folgt dargestellt werden:

ΔΦ′zx ≒ 2π · ΔX · (-2 sin Rn₁)/λ₁ = 2π · {- ΔX/(P/2n₁)} = -ΔΦx (9)

Die Richtung der Phasenverschiebung von der Phasendifferenz ΔΦ′zx zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem zweiten optischen Überlagerungsinterferenzsignal in bezug auf die Verschiebung ΔX ist entgegengesetzt zu der Phasendifferenz ΔΦx zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem ersten optischen Überlagerungsinterferenzsignal, die in Gleichung (7) dargestellt ist.

In Fig. 10 bezeichnet die Bezugsziffer 253 ein Reflexionsbeugungsgitter, 254a, 254b einfallende Lichtbündel mit der Wellenlänge λ₁, 255a, 255b einfallende Lichtbündel mit einer Wellenlänge λ₂ und 256a, 256b zusammengesetzte gebeugte Strahlen. Wenn die einfallenden Strahlen 254a, 255a mit den jeweiligen Wellenlängen λ₁ und λ₂ beispielsweise auf den Punkt B des Beugungsgitters 253 jeweils bei einem n-ten Beugungswinkel Rn₁ und einem Winkel 3 Rn₂, der das Dreifache des n-ten Beugungswinkels in bezug auf die Z-Richtung ist, dann werden der +n-te gebeugte Strahl des einfallenden Strahles 254a und ein -n-ter gebeugter Strahl des einfallenden Strahlenbündels 255a in Richtung eines Winkels 2 Rn₁, der das Zweifache des n-ten Beugungswinkels in bezug auf die Z-Richtung ist, als synthetisch gebeugter Strahl 256a reflektiert, so daß ein optisches Überlagerungsinterferenzsignal erfaßt werden kann. Wenn das Beugungsgitter 253 sich um die Verschiebung ΔZ vom Punkt B zu einem Punkt B′ bewegt, dann werden der +n-te und der -n-te gebeugte Strahl der einfallenden Strahlen 254b, 255b optisch zu einem zusammengesetzen gebeugten Strahl 256b zusammengesetzt. Wenn das Beugungsgitter 253 um die Verschiebung ΔZ verschoben wird, dann wird ein optischer Gangunterschied -ΔZ(cosRn₁ + cos 2Rn₁) zwischen den einfallenden Strahlen 254a, 254b und ein optischer Gangunterschied -ΔZ (cos 3Rn₂ + cos 2Rn₂) zwischen den einfallenden Strahlen 255a, 255b erzeugt. Daher entsteht eine Phasendifferenz ΔΦ″zx in den optischen Überlagerungsinterferenzsignalen, die aus den zusammengesetzten gebeugten Strahlen 256a, 256b erzielt wurden. Die Phasendifferenz ΔΦ″zx wird durch die folgende Gleichung (10) bestimmt:

ΔΦ″zx = 2π · ΔZ · {(cos 3Rn₂ + cos 2Rn₂)/λ₂ - (cos Rn₁+ cos 2Rn₁/λ₁} (10)

Da λ₁ ≒ λ₂ und Rn₁ = Rn₂ ist, kann die Gleichung (10) wie folgt dargestellt werden:

ΔΦ″zx = 2π · ΔZ· (cos 3Rn₁ - cos Rn₁)/λ₁ (11)

Somit wird gefunden, daß eine Phase um einen Zyklus von ΔZ = λ₁/(cos 3Rn₁ - cos Rn₁) verschoben wird.

Entsprechend den Gleichungen (9) und (11) kann eine Phasendifferenz ΔΦzx zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem zweiten optischen Überlagerungsinterferenzsignal durch die folgende Gleichung (12) im Hinblick auf die Mikroverschiebungen ΔX und ΔZ des Beugungsgitters 235 (Fig. 8) dargestellt werden:

ΔΦzx = ΔΦzx′ + ΔΦ″zx = -ΔΦx + 2π · ΔZ · (cos 3Rn₁ - cos Rn₁)/λ₁ (12)

Das bedeutet, daß die Signalverarbeitungseinheit der Z-Verschiebung 239 die Phasendifferenz ΔΦzx zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem zweiten optischen Überlagerungsinterferenzsignal feststellt und eine Addition der Phasendifferenz ΔΦzx und der Phasendifferenz ΔΦx zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem ersten optischen Überlagerungsinterferenzsignal vornimmt, die von der Signalverarbeitungseinheit der X- Verschiebung festgestellt wurde, wobei das Phasendifferenzsignal ΔΦz entsprechend der Mikroverschiebung ΔZ des Beugungsgitters 235 wie durch die folgende Gleichung (13) dargestellt, erfaßt wird:

ΔΦz = ΔΦzx + ΔΦz = 2 π · ΔZ · (cos 3Rn₁-cos Rn₁)/ λ₁ (13)

Die Beziehung zwischen der Verschiebung ΔZ und dem Verschiebungssignal ΔΦz wird in Fig. 11 gezeigt, in der die Abszisse die Verschiebung ΔZ und die Ordinate das Verschiebungssignal ΔΦz darstellt. ΔZ-Werte von M/2 bis 3 M/2 fallen in den möglichen Erfassungsbereich. Es ist zu bemerken, daß M ein durch den Gitterabstand (Gitterkonstante) bestimmter Spaltzyklus und 1/M = (cos 3Rn₁ - cos Rn₁)/ λ₁ sind.

Die Signalverarbeitungseinheiten 238, 239 erfassen jeweils die Phase und wandeln die Phasendifferenzsignale ΔΦx und ΔΦz in Gleichstromsignale zur Erzeugung von Pulssignalen, zum Beispiel bei jeder Phasendifferenz 0° um. Die Impulssignale werden jeweils gezählt, um Verschiebungen längs der X- und Z-Richtung des Beugungsgitters 235 mit Auflösungen von P/2 n und λ₁/(cos 3Rn₁-cos Rn₁) zu messen. Zusätzlich werden Änderungen in den Gleichstromsignalen der Phasendifferenzen von 0° bis 360° in beispielsweise 1/360 interpoliert, um eine Auflösung der Phasendifferenz von 1° festzulegen, und die Phasendifferenz in der Verschiebung des Beugungsgitters 235 wird zwischen den Pulsen erfaßt, wodurch die Verschiebung des Beugungsgitters 235 in X- und Z-Richtungen mit Auflösungen von P/(2 n · 360) und λ₁/{(cos 3Rn₁-cos Rn₁) · 360} bestimmt wird. Es ist zu bemerken, daß die Verschiebungsrichtungen in die X- und Z-Richtungen in einfacher Weise durch Unterscheidung des positiven/negativen Zeichens der Phasendifferenz des ersten oder zweiten optischen Überlagerungsinterferenzsignals in bezug auf das Referenzüberlagerungssystem festgelegt werden können.

Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine Vorrichtung zur Erfassung/Einstellung einer Mikroverschiebung betrifft. Die Einfallsrichtungen der Laserstrahlenbündel in bezug auf ein Beugungsgitter 266 sind teilweise entgegengesetzt zu denen der Vorrichtung nach der Fig. 8. Ein als senkrecht polarisierter Laserstrahl ausgebildeter einfallender Strahl 276a fällt in Z-Richtung über Strahlenteiler 258a, 258b auf das Beugungsgitter 266. Die n-ten gebeugten Strahlen 277a, 277b vom Beugungsgitter 266 bestehen aus P- und S-polarisierten Strahlen, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinander stehen. Ein S-polarisierter monochromatischer Strahl wird aus dem gebeugten Strahl 277a über die ebenen Spiegel 265b, 259c und einen Polarisationsstrahlteiler 275a gewonnen, und ein P-polarisierter monochromatischer Strahl wird von dem gebeugten Strahl 277b über den ebenen Spiegel 265c und die Polarisationsstrahlteiler 275b, 275a gewonnen. Beide polarisierten monochromatischen Strahlen werden zur Erzielung einer optischen Überlagerungsfrequenz über einen ebenen Spiegel 259b, eine Kondensorlinse 260b und einen linearen Polarisator 261b zusammengesetzt, wobei ein erstes optisches Überlagerungsinterferenzsignal durch einen Photodetektor 262b erfaßt wird.

Ein P-polarisierter monochromatischer Strahl wird aus einem durch einen Strahlenteiler 258b aufgespaltenen Laserstrahlenbündel über einen ebenen Spiegel 259d und einen linearen Polarisator 261d gewonnen. Nach Drehung der Polarisationsebene um 90° durch eine Halbwellenplatte 264 fällt der P-polarisierte monochromatische Strahl als Einfallsstrahl 276b auf das Beugungsgitter 266 bei einem Winkel, der das Zweifache des n-ten Beugungswinkels in bezug auf die Z-Richtung ist, über einen ebenen Spiegel 265a. Ein n-ter gebeugter Strahl des einfallenden Strahles 276b wird in der gleichen Richtung wie der gebeugte Strahl 277b gebeugt, wodurch eine optische Überlagerungsinterferenz mit einem S-polarisierten monochromatischen Strahl eines +n-ten gebeugten Strahls 277b des einfallenden Strahls 276a bewirkt wird. Ein zusammengesetzter gebeugter Strahl des -n-ten gebeugten Strahls des einfallenden Strahlenbündels 276b und der S-polarisierte Strahl des gebeugten Strahles 277b wird über den ebenen Spiegel 265c und den Polarisationsstrahlteiler 275b gewonnen, um eine optische heterodyne Interferenz über eine Kondensorlinse 260c und einen linearen Polarisator 261c zu bewirken, wobei ein zweites optisches Überlagerungsinterferenzsignal durch einen Photodetektor 262c erzeugt wird.

Zusätzlich werden einige Strahlen des Laserstrahlenbündels durch den Strahlenteiler 258a zur Bewirkung einer optischen Überlagerungsinterferenz über den ebenen Spiegel 259a, die Kondensorlinse 260a und den linearen Polarisator 261a geschickt, wobei ein Referenzüberlagerungssignal durch einen Photodetektor 262a erhalten wird. Das Referenzüberlagerungssignal und das erste und zweite optische Überlagerungsinterferenzsignal werden jeweils den Vorverstärkern 263a, 263b, 263c zugeführt. Das Referenzüberlagerungssignal und das erste optische Überlagerungsinterferenzsignal werden an eine Signalverarbeitungseinheit 271 für die X-Verschiebung und das Referenzüberlagerungssignal und das zweite optische Überlagerungsinterferenzsignal werden an eine Signalverarbeitungseinheit 272 für eine Z-Verschiebung geliefert. Ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel bestimmen die Signalverarbeitungseinheiten 271, 272 die Phasen, wandeln die Phasendifferenzen ΔΦx und ΔΦz in Verschiebungen ΔX und ΔZ um und zeigen sie auf Anzeigeeinheiten 273, 274 für die Verschiebung an. Zusätzlich liefern die Signalverarbeitungseinheiten 271, 272 Steuersignale an die Antriebseinheiten 270, 269, um konstante Phasendifferenzen zu erhalten, und bewegen einen Z-Halter 267 und einen X-Y-Halter 268, wodurch das Beugungsgitter in eine vorbestimmte Stellung gesteuert wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es offensichtlich, daß die folgenden Gleichungen (14) und (15) zwischen den Verschiebungen ΔX und ΔZ des Beugungsgitters 266 und den Phasendifferenzsignalen ΔΦx und ΔΦz aufgestellt werden können, die in der Weise wie oben beschrieben bestimmt werden:

ΔΦx = 2π · ΔX/(P/2n) (14)

wobei P eine Gitterkonstante des Beugungsgitters 266 ist.

ΔΦz = 2π · ΔZ (cos 2Rn₁- 1)/λ₁ (15)

wobei Rn₁ der n-te Beugungswinkel ist.

Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine Röntgen strahlenbelichtungsvorrichtung betrifft. Ein von einer zweiwelligen senkrecht polarisierten Laserquelle 301 ausgesandtes Laserstrahlenbündel wird in ein elliptisches Strahlenbündel über eine Zylinderlinse 302 umgewandelt. Das elliptische Strahlenbündel wird in einen linear polarisierten Strahl mit horizontalen Komponenten (P-polarisierte Strahlenkomponenten) und einen linear polarisierten Strahl mit vertikalen Komponenten (S-polarisierten Komponenten) mit einer zu den P-polarisierten Strahlkomponenten leicht unterschiedlichen Frequenz durch einen Polarisationsstrahlteiler 303 aufgeteilt. Die P-polarisierten Strahlkomponenten fallen als Einfallslichtbündel 305 auf die Reflexionsgitter 306, 307 in einem vorbestimmten Einfallswinkel (wird später beschrieben) über die ebenen Spiegel 304a, 304b. Dabei fällt das Einfallsstrahlenbündel 305 auf das auf einem Wafer 308 vorgesehene Beugungsgitter 307 über ein in der Maske 309 angeordnetes Fenster 310. Die S-polarisierten Strahlenkomponenten werden von einem Strahlenteiler 311 aufgespalten. Einige Strahlen der aufgespaltenen S-polarisierten Strahlenkomponenten fallen als Einfallsstrahlen 312 auf die Reflexionsbeugungsgitter 306, 307 bei vorbestimmten Einfallswinkeln (wird später beschrieben) über einen ebenen Spiegel 304c und die ebenen Spiegel 304d, 304e. Ähnlich zu dem Einfallsstrahlbündel 305 gelangen die Strahlen über das Fenster 310 auf das Beugungsgitter 307.

Die Reflexionsbeugungsgitter 306, 307 sind in die Richtung der Gitterlinien (Y-Richtung) zueinander versetzt und im selben elliptischen Strahlbereich der jeweiligen zwei Einfallsstrahlenbündel angeordnet. Zusätzlich sind die Gitterkonstanten der Beugungsgitter 306, 307 jeweils gleich.

Ein zusammengesetzter gebeugter Strahl der einfallenden Strahlenbündel 305, 312, der vom ersten Beugungsgitter erhalten wird, d. h. ein zusammengesetzter gebeugter Strahl 314a eines gebeugten Strahles des einfallenden Strahlenbündels 305 und ein gebeugter Strahl (erster gebeugter Strahl) des einfallenden Strahlenbündels 312 und ein zusammengesetzter gebeugter Strahl vom zweiten Beugungsgitter 307, der durch das Fenster 310 gelangt, d. h. ein zusammengesetzer gebeugter Strahl 314b eines gebeugten Strahles des einfallenden Strahlenbündels 305 und ein gebeugter Strahl (dritter gebeugter Strahl) des einfallenden Strahlenbündels 312, der durch das zweite Beugungsgitter 307 erhalten wurde, werden an einem ebenen Spiegel 304f in eine gegebene Richtung reflektiert und dann durch einen Prismenspiegel 315a aufgeteilt. Der zusammengesetzte gebeugte Strahl 314a wird über einen linearen Polarisator 316a und eine Kondensorlinse 317a von einem Photodetektor 318a erfaßt und als erstes optisches Überlagerungsinterferenzsignal einer Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 319 zugeführt. Das zusammengesetzte gebeugte Lichtbündel 314 wird über einen linearen Polarisator 316b und eine Kondensorlinse 317b durch einen Photodetektor 318b erfaßt und als drittes optisches Überlagerungsinterferenzsignal der Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 319 zugeführt.

Ein am ersten Beugungsgitter 306 gebeugtes zusammengesetztes Lichtbündel der einfallenden Strahlen 305, 313, d. h. ein synthetisch zusammengesetzter Strahl 320a eines am ersten Beugungsgitter 306 gebeugten Strahles des einfallenden Lichtbündels 305 und eines am ersten Beugungsgitter 306 gebeugten Strahles (zweiter gebeugter Strahl) des einfallenden Lichtbündels 313 und ein zusammengesetztes gebeugtes Lichtbündel vom zweiten Beugungsgitter 307, das durch das Fenster 310 geführt ist, d. h., ein zusammengesetztes Strahlenbündel 320b eines am zweiten Beugungsgitter gebeugten Strahls des einfallenden Lichtbündels 305 und eines an dem zweiten Beugungsgitter 307 gebeugten Strahles (vierter gebeugter Strahl) des einfallenden Lichtbündels 316 werden von einem ebenen Spiegel 304g in eine vorgegebene Richtung reflektiert und dann durch einen Prismenspiegel 315b aufgespalten. Der eine wird über einen linearen Polarisator 316c und eine Kondensorlinse 317c von einem Photodetektor 318c erfaßt und der andere wird über einen linearen Polarisator 316d und eine Kondensorlinse 317d von einem Photodetektor 318d empfangen, wobei beide als zweites und drittes Überlagerungsinterferenzsignal der Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 319 zugeführt werden.

Die Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 319 bestimmt eine Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem dritten optischen Überlagerungsinterferenzsignal. In diesem Falle wird eines der Überlagerungssignale als Referenzsignal verwendet. Diese Phasendifferenz entspricht einer relativen Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Beugungsgitter 306, 307 in bezug auf eine Richtung (X-Richtung) senkrecht zu der Gitterlinienrichtung (Y-Richtung) in der Gitteroberfläche des Beugungsgitters. Daher kann durch Bewegen eines Maskenhalters 321 mit einer darauf angeordneten Maske 309 oder eines Wafer-Halters 322 mit einem darauf angeordneten Wafer 308 in X-Richtung, so daß die Phasendifferenz zu 0 gesetzt wird, ein Muster auf der Maskenoberfläche mit großer Genauigkeit zu einer vorbestimmten Stellung auf der Wafer-Oberfläche ausgerichtet werden.

Die Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 319 bestimmt eine Phasendifferenz zwischen dem zweiten und vierten optischen Überlagerungsinterferenzsignal, wobei eines der Signale als Referenzsignal verwendet wird, und addiert diese Phasendifferenz zu der obigen Phasendifferenz zwischen dem ersten und dritten optischen Überlagerungsinterferenzsignal. Ein die Summe des ersten und dritten Überlagerungssignal darstellendes Signal und ein die Summe des zweiten und vierten Überlagerungssignals darstellendes Signal entspricht einem Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Beugungsgitter 306, 307 in senkrechter Richtung (Z-Richtung) zu der Gitteroberfläche. Durch Bewegen des Maskenhalters 321 oder des Wafer- Halters 322 in die Z-Richtung, so daß Signale zu 0 gesetzt werden, kann der Zwischenraum mit großer Genauigkeit auf einen vorbestimmten Wert festgelegt werden.

Ein Verfahren zum Erfassen der Abweichung in X-Richtung bzw. eine Ausrichtung in der X-Richtung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 14 näher erläutert.

In Fig. 14 bezeichnet das Bezugszeichen 331 ein Reflexionsbeugungsgitter (erstes Beugungsgitter), 332 ein Reflexionsbeugungsgitter (zweites Reflexionsbeugungsgitter), 333, 334 zwei einfallende Lichtbündel, deren Frequenzen leicht unterschiedlich sind, 335, 336 gebeugte Strahlen (optische Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlen), 337 eine Maske (erster Gegenstand) (genauer gesagt, eine dünne transparente Schicht, die eine Maske und das Beugungsgitter 331 bildet), 338 einen Wafer, und 339 eine dünne undurchsichtige Schicht. B₁-B₁′ gibt die Gitterlinienrichtung des zweiten Beugungsgitters wieder, B₂-B₂′ die Gitterlinienrichtung des ersten Beugungsgitters A₁-A₁′ die Richtung des Gitterabstandes senkrecht zur Richtung B₁-B₁′, A₂-A₂′ eine Gitterabstandsrichtung senkrecht zu der Richtung B₂-B₂′, C₁-C₁′ eine Richtung (senkrechte Richtung) senkrecht zu der Gitteroberfläche des Beugungsgitters 332 und C₂-C₂′ eine Richtung (senkrechte Richtung) senkrecht auf die Gitteroberfläche des Beugungsgitters 331. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 17 sind die Gitterkonstanten des ersten und zweiten Beugungsgitters 331, 332 gleich zu P gesetzt, das Beugungsgitter 331 ist zu dem Beugungsgitter 332 in Richtung B₂-B₂′ (Gitterlinienrichtung) versetzt, damit die Gitteroberfläche des Beugungsgitters 332 nicht überdeckt wird und das Durchlaßfenster 310 (nicht in Fig. 14 gezeigt) ist oberhalb des Beugungsgitters 332 in senkrechter Richtung vorgesehen. Die Einfallswinkel der einfallenden Strahlenbündel 333, 334 werden durch Einstellen der Winkel der Spiegel 304b, 304c als ± erste Beugungswinkel R_-1 = sin^-1 (λ₁/P) und R₊₁= sin^-1 (λ₂/P) der Beugungsgitter 331, 332 in bezug auf die senkrechte Richtung C₁-C₁′ (oder C₂-C₂′) festgesetzt.

Die Wellenlängen der einfallenden Strahlen 333, 334 sind λ₁, λ₂, eine Frequenzdifferenz Δf liegt bei einigen kHz bis einigen hundert MHz und f = C · |1/λ₁ - 1/λ₂| (C gleich Lichtgeschwindigkeit), so daß R_-1 = R₊₁ ist, da Δf « C ist.

Mit dieser Anordnung werden die auf die Beugungsgitter 331, 332 einfallenden Lichtbündel 333, 334 von den Reflexionsbeugungsgittern 331, 332 in erster Ordnung reflektierend gebeugt in die senkrechten Richtungen (Richtungen C₂-C₂′ und C₁-C₁′) der Gitteroberfläche und optisch zu den optischen Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlen 335, 336 zusammengesetzt. Die optischen Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlbündel 335, 336 sind Strahlen, die von den verschiedenen Beugungsgittern 331, 332 gebeugt worden sind, aber die Einfallswinkel der einfallenden Strahlenbündel 333, 334 sind symmetrisch zur Normalen auf die Gitteroberfläche. Da die Beugungsgitter 331, 332 zueinander in normaler Richtung (Richtungen C₁-C₁′ und C₂-C₂′) und in Gitterlinienrichtung (Richtungen B₁-B₁′ und B₂-B₂′) versetzt sind, sind die Änderungen in den optischen Weglängen der einfallenden Strahlenbündel 333, 334 zu den Beugungsgittern 331, 332 jeweils gleichzusetzen. Als Ergebnis wird eine Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen, die aus den gebeugten Strahlenbündeln 335, 336 gewonnen wurden, nicht nachteilig durch die Phasenverschiebung aufgrund von Verschiebungen in einer Richtung senkrecht zur Gitteroberfläche und in Richtung der Gitterlinien der Beugungsgitter 331, 332 beeinflußt.

Genauer gesagt, ändert sich die Phasendifferenz zwischen den von den gebeugten Strahlenbündeln 335, 336 erhaltenen Überlagerungssignalen nur in Abhängigkeit von der räumlichen Aufstellung in bezug auf die Abstandsrichtungen (Richtungen A₂-A₂′ und A₁-A₁′), d. h. einer relativen Verschiebung der Beugungsgitter 331, 332. Wenn die jeweiligen Gitterlinien der Beugungsgitter 331, 332 gerade in die Gitterlinienrichtungen (Richtungen B₁-B₁′ und B₂-B₂′) ausgerichtet sind, oder um ΔP/2 oder seinem ganzen Vielfachen ersetzt sind, wird die Phasendifferenz zwischen den aus den gebeugten Lichtstrahlen 335, 336 gewonnenen Überlagerungssignalen 0°, wodurch die Ausrichtung vorgenommen wird. Unter der Annahme, daß die relative Verschiebung zwischen den Beugungsgittern 331, 332 in Richtung A₁-A₁′ oder A₂-A₂′ ΔX ist und die Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen ΔΦ (°) ist, dann kann die Phasendifferenz mit der folgenden Gleichung (16) bestimmt werden:

ΔΦ = 2π · ΔX/(P/2) (16)

Die Phasendifferenz ΔΦ variiert in Übereinstimmung mit 1/2 der relativen Abweichung des Beugungsgitterabstandes.

Ein Verfahren zum Erfassen einer relativen Stellung oder eines Zwischenraumes und einer Ausrichtung, d. h. ein Verfahren zum Festlegen eines Zwischenraumes in der Z-Richtung, wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 15 näher erläutert.

In Fig. 15 bezeichnet das Bezugszeichen 341 einen durch einen Strahlenteiler 311 geteilten einfallenden Strahl, wobei der Einfallswinkel des Strahls durch den ebenen Spiegel 304e eingestellt ist, und 342, 343 optische Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlen. Der Einfallswinkel der einfallenden Strahlenbündel wird durch den ebenen Spiegel 304b auf einen Winkel R₁ des ersten reflektierend gebeugten Strahles in bezug auf die Normalrichtung C₁-C₁′ (oder C₂-C₂′) auf die Gitteroberfläche des Beugungsgitters festgesetzt. Wenn die Einfallsrichtung des einfallenden Strahles 341 durch den ebenen Spiegel 304e zu einem Winkel R₃ des dritten reflektierend gebeugten Strahles in bezug auf die Richtung C₁-C₁′ (oder C₂-C₂′) festgesetzt wird, werden ein +erster gebeugter Strahl des einfallenden Strahlbündels 334 und ein -erster gebeugter Strahl des einfallenden Strahles 341 in die Richtung (Winkel R₂) des zweiten reflektierend gebeugten Strahls in bezug auf die Richtung C₁-C₁′ (oder C₂-C₂′) zur Bildung der optischen Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlen 342, 343 zusammengesetzt.

Da die Einfallswinkel der einfallenden Strahlenbündel 343, 341 nicht symmetrisch in bezug auf die Richtung senkrecht auf die Gitteroberfläche sind, sind Änderungen in den optischen Weglängen der auf die Beugungsgitter 331, 332 fallenden Strahlenbündel 334, 341 nicht zue 18880 00070 552 001000280000000200012000285911876900040 0002003715864 00004 18761inander gleich in bezug auf die relative Verschiebung des Beugungsgitters in Richtung des Abstandes A₁-A₁′ (oder A₂-A₂′) und die relative Verschiebung der Gitteroberfläche in normaler Richtung C₁-C₁′ (oder C₂-C₂′).

Genauer gesagt, wenn angenommen wird, daß die relative Abweichung zwischen den Beugungsgittern 331, 332 in Richtung A₁-A₁′ (oder A₂-A₂′) ΔX ist und ein Zwischenraum der Gitteroberfläche in normaler Richtung C₁-C₁′ (oder C₂-C₂′) ΔZ ist, dann ist die Phasendifferenz ΔΦxz zwischen den aus den gebeugten Strahlenbündeln 342, 343 erhaltenen Überlagerungssignalen durch die folgende Gleichung (17) darstellbar:

ΔΦxz = 2π · (-ΔX)/(P/2) + 2π · ΔZ · (cos R₃ - cos R₁)/λ₁ (17)

Wenn daher die Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 319 eine Addition von ΔΦx und ΔΦxz durchführt, wird die folgende Gleichung (18) erhalten:

ΔΦx + ΔΦzx = 2π · ΔZ· (cos R₃ - cos R₁)/λ₁ (18)

Somit kann ein Phasendifferenzsignal, das eine Periode von λ₁/(cos R₃ - cos R₁) hat und dem Zwischenraum ΔZ entspricht, erhalten werden. Wenn daher der Maskenhalter 321 oder der Waferhalter 322 in Richtung C₁-C₁′ (oder C₂-C₂′) bewegt wird, um so das Phasendifferenzsignal auf einen vorbestimmten Wert zu bringen, kann die Phasendifferenz entsprechend zu dem vorbestimmten ΔZ festgesetzt werden.

Da gemäß diesem Ausführungsbeispiel das für den ersten und zweiten Gegenstand vorgesehene erste und zweite Bewegungsgitter zueinander in Richtung der Gitterlinien versetzt sind, so daß sie sich nicht überdecken, können die vom ersten Beugungsgitter erhaltenen ersten und zweiten optischen Überlagerungsinterferenz beugungslichtbündel und die vom zweiten Beugungsgitter erhaltenen dritten und vierten optischen Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlenbündel vollständig unabhängig erfaßt werden. Weiterhin können durch Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen der ersten und dritten optischen Überlagerungs interferenzbeugungsstrahlenbündel und einer Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen der zweiten und vierten optischen Überlagerunginterferenzbeugungsstrahlenbündel die relative Abweichung zwischen dem ersten und zweiten Objekt und eine Phasendifferenz entsprechend dem Zwischenraum direkt und genau und wiederholbar erfaßt werden. Somit kann eine genaue Ausrichtung durch Festsetzen der Phasendifferenz auf 0° genau und sicher durchgeführt werden und der Zwischenraum kann genau eingestellt werden, indem die Phasendifferenz auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.

Daher muß eines der zwei Gegenstände nicht vor der Ausrichtung oder der Einstellung des Zwischenraumes in eine Referenzstellung gebracht werden, so daß eine Herabsetzung der Ausrichtungsgenauigkeit und der Genauigkeit des Einstellens des Zwischenraumes, die durch Einstellfehler hervorgerufen werden kann, verhindert wird. Da weiterhin ein unabhängiges optisches System für den oben beschriebenen Einstellvorgang nicht nötig ist, kann die Vorrichtung einfach angeordnet werden.

Wenn insbesondere beide Beugungsgitter in demselben Strahlpunktbereich der einfallenden Strahlenbündel und die gleichen Strahlen auf sie fallen, dann müssen die optischen Weglängen der auf das jeweilige Bewegungsgitter auffallenden Strahlen nicht notwendigerweise zueinander gleichgesetzt werden, wodurch die Durchführung der Ausrichtung und der Zwischenraumeinstellung stark vereinfacht wird.

Da das Beugungsgitter nahe dem Bereich, in dem der Zwischenraum erfaßt werden soll, angeordnet wird, zum Beispiel ein Belichtungsbereich eines LSI Musters oder dergleichen, und selbst wenn die Ebenheit eines Wafers oder einer Maske (erster und zweiter Gegenstand) schlecht ist, kann insbesondere ein Zwischenraum zwischen der Maske und dem Wafer in dem Belichtungsbereich genau bestimmt und eingestellt werden.

Es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist, sondern unterschiedliche Änderungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise werden in den beschriebenen Ausführungsbeispielen zwei Beugungsgitter verwendet. Es können auch ähnliche Beugungsgitter an zwei oder mehreren Stellen auf der Maske und dem Wafer angeordnet werden, Überlagerungssignale der gebeugten Strahlen können mit einem Verfahren ähnlich zu dem aus Fig. 11 bestimmt werden und ein Maskenhalter und ein Wafer-Halter können in der Weise gesteuert werden, daß die Phasendifferenz aufgehoben wird, so daß die Maske und der Wafer in bezug auf drei Achsen, d. h. der X- und Y-Achse der Ebenen parallel zur Beugungsgitteroberfläche und in Richtungen jeweils parallel und senkrecht zu den Beugungsgittern und eine Drehachse R der X-Y-Ebene um die Z-Achse senkrecht zur X-Y- Ebene, ausgerichtet werden können. Zusätzlich kann die Ausrichtung in bezug auf sechs Achsen, d. h. Drehachsen α und β jeweils der Y-Z- und der X-Z-Ebenen um die X- und Y-Achsen zusätzlich zu den obigen drei Achsen durchgeführt werden.

Das erste und zweite Beugungsgitter können absorbierende oder phasenbeugende Gitter umfassen und sind nicht auf binäre Beugungsgitter wie in den obigen Ausführungsbeispielen begrenzt. Unterschiedliche Kombinationen, wie sinusoidale Beugungsgitter und Glanzbeugungsgitter, können ebenfalls verwendet werden.

In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 13 ist eine Öffnung in einem Maskensubstrat zur Bildung eines Fensters für den Durchtritt des einfallenden monochromatischen Strahles und des gebeugten Strahles vorgesehen. Es kann auch ein transparentes Fenster anstelle der Öffnung zur Erzielung der gleichen Wirkung vorgesehen sein, das den einfallenden und den gebeugten Strahl transmittiert. Weiterhin ist in jedem der zwei Ausführungsbeispiele ein Prismenspiegel für die Aufspaltung der zwei Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlen verwendet, aber die Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlenbündel können auch direkt von einem zweigeteilten Detektor empfangen werden, um den gleichen Effekt zu erzielen.

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 13 sind das erste und zweite Beugungsgitter in Richtung der Gitterlinien zueinander versetzt. Es kann allerdings auch die gleiche Wirkung erzielt werden, wenn das erste und zweite Beugungsgitter zueinander in einer Richtung (Gitterabstandsrichtung) senkrecht zu der Gitterlinienrichtung oder sowohl in die Gitterlinienrichtung als auch in die Gitterabstandsrichtung versetzt sein.

Weiterhin sind in den genannten Ausführungsbeispielen das erste und zweite Beugungsgitter in dem gleichen elliptischen Strahlpunktbereich des einfallenden Strahlenbündels angeordnet. Wenn allerdings die zwei monochromatischen Strahlenbündel unabhängig auf das erste und zweite Beugungsgitter fallen, kann die gleiche Wirkung erzielt werden, wenn eine Phasendifferenz, die durch eine optische Weglängendifferenz zwischen den jeweiligen zwei monochromatischen Strahlenbündeln, die auf das erste und zweite Beugungsgitter auffallen, bewirkt wird, in Betracht gezogen wird.

In den genannten Ausführungsbeispielen sind die Gitterkonstanten des ersten und zweiten Beugungsgitters gleichgesetzt und optische Überlagerungsinterferenzstrahlenbündel der gebeugten Strahlen erster Ordnung werden verwendet. Die gleiche Wirkung kann im allgemeinen durch die Verwendung von optischen Überlagerungsinterferenzstrahlenbündeln des n-ten gebeugten Strahls (n ist eine positive ganze Zahl) erzielt werden. Auch können die Gitterkonstanten des ersten und zweiten Beugungsgitters unterschiedlich festgelegt werden, so daß der n-te Beugungswinkel des ersten Beugungsgitters gleich dem m-ten Beugungswinkel (m ist eine positive ganze Zahl) des zweiten Beugungsgitters gesetzt ist und ein optischer Überlagerungsinterferenzstrahl des n-ten gebeugten Strahls von dem ersten Beugungsgitter und ein optischer Überlagerungsinterferenzstrahl von dem m-ten Beugungsstrahl von dem zweiten Beugungsgitter können zur Erzielung des gleichen Effekts verwendet werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß in den obigen Ausführungsbeispielen eine zweiwellige orthonal polarisierte Laserquelle als eine zweiwellige monochromatische Strahlquelle verwendet wird, aber es kann zur Erzielung derselben Wirkung auch ein Strahl als monochromatischer Strahl verwendet werden, der durch ein optoakustisches Element, wie eine Braggzelle erzeugt werden.

Auch können in den obigen Ausführungsbeispielen lineare Polarisatoren weggelassen werden und eine Halbwellenplatte in den optischen Pfad eines der zwei monochromatischen Strahlenbündel angeordnet werden, so daß die Richtungen der Polarisationsebenen der zwei monochromatischen Strahlenbündel auf der Beugungsgitterfläche zusammentreffen, wodurch optische Überlagerungsinterferenzsignale mit guter Kohärenz und dergleichen Wirkung wie in den obigen Ausführungsbeispielen erhalten werden.

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 13, 4 und 5 ist die Richtung eines vom Beugungsmuster gebeugten Strahles senkrecht zu der Beugungsgitterfläche und in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist die Richtung eines einfallenden Strahles zum Beugungsgitter senkrecht zur Beugungsgitterfläche. Ein monochromatischer Strahl kann allerdings auch schräg auf ein Beugungsgitter auftreffen und ein schräg reflektierter gebeugter Strahl kann optisch zusammengesetzt werden, um ein optisches Überlagerungsinterferenzsignal zu gewinnen.

In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 8 und 12 sind eine Richtung eines einfallenden Strahles zu einem Beugungsgitter und eine Richtung eines vom Beugungsgitter gebeugten Strahles in einer Ebene vorhanden, in der die Z-Richtung senkrecht zu der Beugungsgitteroberfläche und eine Gitterlinienrichtung angeschlossen sind.

Allerdings kann ein monochromatischer Strahl in eine Richtung einfallen, die einen vorbestimmten Winkel zu einer Ebene einschließlich der Z-Richtung und senkrecht zu der Gitterlinienrichtung und ein gebeugter Strahl kann in einer Richtung mit einem vorbestimmten Winkel erfaßt und optisch zusammengesetzt werden, um ein optisches Überlagerungsinterferenzsignal zu erzeugen und dabei die gleiche Wirkung wie in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 8 und 12 zu erzielen.

Zusätzlich zu den Reflexionsbeugungsgittern der vorhergehenden Ausführungsbeispiele können Transmissionsbeugungsgitter verwendet werden.

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 8 und 12 werden die ersten gebeugten Strahlenbündel der zwei Laserstrahlenbündel unterschiedlicher Frequenzen in zusammengesetzte gebeugte Strahlen in zwei Richtungen umgewandelt. Allerdings kann ein zusammengesetzter gebeugter Strahl von gebeugten Strahlen höherer Ordnung oder gebeugte Strahlen unterschiedlicher Ordnung zur Erzielung von zwei zusammengesetzten gebeugten Strahlenbündeln verwendet werden. In diesem Fall wird nur die Periode des Phasendifferenzsignals geändert und die Verschiebungen in X- und Z- Richtungen können durch die Durchführung einer Signalverarbeitung entsprechend einem Phasendifferenzsignal erfaßt werden, wodurch die gleiche Wirkung wie in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 8 und 12 erzielt wird.

Es sei bemerkt, daß in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 8 und 12 Mikroverschiebungen mit großer Genauigkeit hinsichtlich der X-, Y- und Z-Achsen, die senkrecht zueinander liegen, gemessen werden können, wenn die zwei Beugungsgitter auf den Gegenständen in der Weise angeordnet sind, daß ihre Gitterlinienrichtungen rechtwinklig zueinander sind. Zusätzlich können Mikroverschiebungen in zwei Richtungen des Beugungsgitters, d. h. Mikroverschiebungen in einer Richtung senkrecht zu der Gitterlinie und in einer Normalrichtung auf das Beugungsgitter jeweils als Phasenverschiebungen des ersten und zweiten optischen Überlagerungsinterferenzsignals gemessen werden. Wenn weiterhin die Intensität eines gebeugten Strahls aufgrund von Veränderungen in der Intensität der Laserquelle oder Änderungen in der Beugungsgüte des Beugungsgitters sich ändert, dann verändert sich lediglich die Amplitude eines Überlagerungssignals des gebeugten Strahles, aber die Phasenverschiebungen werden nicht nachteilig beeinflußt, so daß die Phasendifferenz mit großer Genauigkeit und Stabilität erfaßt werden kann. Daher können Mikroverschiebungen in zwei Richtungen der Gegenstände mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Die Vorrichtung zum Erfassen/Einstellen von Mikroverschiebungen entsprechend der vorliegenden Erfindung kann kompakt und einfach ausgebildet sein durch integrale Anordnung von optischen Erfassungssystemen und kann daher effektiv zur Ausführung des vorbeschriebenen Verfahrens verwendet werden.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 wird die Einfallsrichtung des monochromatischen Strahles auf das Beugungsgitter in der Weise festgelegt, daß sie der Richtung entsprechend den ± ersten gebeugten Strahlen symmetrisch zur Normalrichtung auf die Gitteroberfläche entspricht. Die Einfallsrichtung kann auch so festgelegt sein, daß sie eine Richtung (Winkel R_±n) entsprechend der ±n-ten gebeugten Strahlen (n ist eine natürliche Zahl) darstellt. In diesem Fall kann die Gleichung (1) durch die folgende Gleichung (19) dargestellt werden:

ΔΦx = 2π · ΔX/{P/(2n)} (19)

Ähnlich zu dem oben erwähnten Fall erscheint durch die Anordnung des ersten und zweiten Beugungsgitters in dem gleichen Strahlbereich eines monochromatischen Strahls eine Phasenverschiebung eines gebeugten Strahles, die durch Änderungen in der optischen Weglänge des optischen Systems des monochromatischen Strahls zum Beugungsgitter hervorgerufen wird, als gleiche Phasenverschiebung in den durch das erste und zweite Beugungsgitter erhaltenen Überlagerungssignalen. Daher löschen sich die Phasenverschiebungen gegeneinander aus, so daß kein Einfluß auf die Phasenverschiebung vorhanden ist. Daher müssen die optischen Weglängen der zwei Strahlenbündel nicht mit hoher Genauigkeit festgesetzt werden, so daß ein optisches System leicht eingestellt werden kann und ein einfaches mechanisches System verwendet werden kann. Zusätzlich kann eine Phasenverschiebung, die durch Änderungen in der optischen Weglänge aufgrund von Mikrovibrationen und dergleichen der zum Beispiel optischen Komponenten bewirkt wird, aufgehoben werden, so daß ein Phasendifferenzsignal mit großer Genauigkeit erzielt werden kann.

In diesem Fall ist eine der Einfallsrichtungen der jeweiligen auf die Beugungsgitter fallenden monochromatischen Strahlenbündel so festgesetzt, daß sie eine Richtung (Winkel R_3n) entsprechend dem dritten gebeugten Strahl darstellt, und die andere ist so festgesetzt, daß sie eine Richtung (Winkel R_n) entsprechend dem n-ten gebeugten Strahl in bezug auf die normale Richtung der Gitteroberfläche darstellt. Die durch die optische Überlagerungsinterferenz erhaltenen gebeugten Strahlenbündel werden dann erfaßt und ein Phasendifferenzsignal der Überlagerungssignale wird erzeugt. Dabei kann die Phasendifferenz zwischen den Überlagerungssignalen durch die folgende Gleichung (20) dargestellt werden:

ΔΦxz = 2π · (-ΔX)/{P/2n)} + 2π · ΔZ · {(cos R_3n - cos R_n)/λ₁} (20)

Daher kann ähnlich zu dem oben erwähnten Fall durch die Durchführung einer Addition in bezug auf die Phasendifferenz-Signale für die durch Gleichung (19) bestimmten Abweichungen ein Zwischenraumerfassungssignal unabhängig von dem Abweichungserfassungssignal gewonnen werden.

Wenn zur Erfassung einer Abweichung ein optisches Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlenbündel verwendet wird, das durch die Zusammensetzung des m₁-ten gebeugten Strahls und des n₁-ten gebeugten Strahls erzielt wird, können die Gleichungen (16) und (19) durch die folgende Gleichung (21) dargestellt werden. Dabei ist zu bemerken, daß die Entnahmerichtung des zusammengesetzten Strahlenbündels nicht eine obere Richtung sein muß:

ΔΦx = 2π · ΔX/{P/ (m₁ + n₁)} (21)

Wenn zur Erfassung eines Zwischenraums ein optisches Überlagerungsinterferenzbeugungsstrahlenbündel verwendet wird, das durch die Zusammensetzung des m₂-ten gebeugten Strahls und des n₂-ten gebeugten Strahls erzielt wird, können die Gleichungen (17) und (20) durch die folgende Gleichung (22) dargestellt werden, wenn angenommen wird, daß die Richtungen der einfallenden Strahlenbündel jeweils R_M und R_N sind. In diesem Fall muß die Extraktionsrichtung des zusammengesetzen Strahles nicht die obere Richtung sein:

ΔΦxz = -2π · ΔX/{P/(m₂ + n₂)} + 2π · ΔZ · (cos R_M - cos R_N)/λ₁} (22)

Durch Addieren von ΔΦx und ΔΦxz nach einer vorbestimmten Wichtung kann das Erfassungssignal für den Zwischenraum unabhängig von dem Abweichungserfassungssignal gewonnen werden.

Um zwei monochromatische Strahlenbündel mit jeweils leicht unterschiedlichen Frequenzen zu erhalten, wird eine zweiwellige orthogonal polarisierte Laserquelle verwendet und ein Laserstrahlenbündel wird durch einen Polarisationsstrahlenteiler 3 in die jeweiligen monochromatischen Komponenten aufgeteilt. Es ist selbstverständlich, daß auch zwei unabhängige Laserquellen verwendet werden können, die jeweils eines der zwei monochromatischen Strahlenbündel erzeugt.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen/Einstellen einer relativen Verschiebung zwischen einem ersten und einem zweiten Gegenstand unter Verwendung von Beugungsgittern, die mit zwei Strahlenbündeln unterschiedlicher Frequenz bestrahlt werden, wobei ein Signal zum Erfassen/Einstellen aus dem Vergleich einer Refe renzphase und der Phase eines Überlagerungssignals der am Beugungsgitter gebeugten Strahlung erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, das mindestens zwei Überlagerungssignale durch Zusammensetzen von zwei monochromatischen Strah lenbündeln zur Bewirkung einer optischen Überlage rungsinterferenz erzeugt werden, wobei ein Über lagerungssignal ein erstes Interferenzsignal bil det, das erzeugt wird, indem die zwei monochroma tischen Strahlenbündel auf ein erstes Beugungsgit ter gestrahlt werden, das auf dem ersten, die Re ferenz bildenden Gegenstand angeordnet ist und in dem die zwei direkt von dem ersten Beugungsgitter gebeugten Strahlenbündel zusammengesetzt werden und wobei das andere Überlagerungssignal ein zwei tes Interferenzsignal bildet, das erzeugt wird, indem die zwei monochromatischen Strahlenbündel auf ein zweites Beugungsgitter gestrahlt werden, das auf dem zweiten, die relative Stellung erfas senden Gegenstand angeordnet ist und in dem die zwei direkt von dem zweiten Beugungsgitter unab hängig vom ersten Beugungsgitter gebeugten Strah lenbündel zusammengesetzt werden, daß die relativen Stellungen des ersten und zweiten Gegenstandes aus einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Interferenzsignal unter Verwendung des ersten Interferenzsignals als Referenzüberlage rungssignal bestimmt werden und daß die relativen Stellungen auf vorbestimmte Werte gesetzt/gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Beugungsgitter auf dem errsten und zweiten Gegenstand beide im selben Leuchtfleck der auf die zwei Beugungsgitter strah lenden monochromatischen Strahlenbündel angeordnet werden (Fig. 1, Fig. 13).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen monochromatischen Strahlenbün del zur Erzeugung des ersten und zweiten Interfe renzsignals von einer einzigen Strahlungsquelle geliefert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Interferenzsignal durch Aufspalten der monochromatischen Strahlenbündel erzeugt werden und daß das erste und zweite Beu gungsgitter jeweils in unterschiedlichen Leucht flecken der zwei monochromatischen Strahlenbündel angeordnet sind (Fig. 4).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die zwei auf das erste und zweite auf dem ersten und zweiten Gegenstand angeordneten Beugungsgitter fallenden monochroma tischen Strahlenbündel jeweils von zwei Richtungen einfallen, die symmetrisch zu einer Normalen sind und zur Erzeugung von Interferenzstrahlenbündeln durch Beugung der monochromatischen Strahlenbündel in die normale Richtung senkrecht zu den Oberflä chen des ersten und zweiten Beugungsgitters die nen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungssignale vier Überlagerungs signale umfassen einschließlich einem dritten und einem vierten Interferenzsignal, die jeweils mit tels des ersten und zweiten Beugungsgitters zu sätzlich zu dem ersten und zweiten Interferenzsi gnal erhalten werden, daß das dritte und vierte Interferenzsignal durch Aufspalten von zwei mono chromatischen Strahlenbündeln, die jeweils auf das erste und zweite Beugungsgitter in Richtungen ein strahlen, die unterschiedlich zu denen der zwei monochromatischen Strahlenbündel sind, die zur Erzeugung des ersten und zweiten Interferenzsi gnals auf das erste und zweite Beugungsgitter fal len und durch Zusammensetzen der gebeugten Strah lenbündel erhalten werden, daß ein Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand in Übereinstimmung mit einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Interferenzsignal und einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und vierten Interferenzsignal gemessen wird und daß der gemes sene Zwischenraum auf einen vorbestimmten Wert gesteuert/eingestellt wird (Fig. 13).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Systeme, mit denen ein Paar von monochromatischen, jeweils auf das erste und zweite Beugungsgitter fallenden Strahlenbündeln der vier monochromatischen Strahlenbündel gebildet werden, in einem einzigen optischen System inte griert werden, und daß drei monochromatische Strahlenbündel auf das erste und zweite Beugungs gitter fallen, wobei vier von dem ersten und zwei ten Beugungsgitter erzeugten Interferenzsignale erfaßt werden(Fig. 13).

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abweichung zwischen dem ersten und zwei ten Gegenstand in Übereinstimmung mit einer Pha sendifferenz zwischen dem ersten und zweiten In terferenzsignal oder einer Phasendifferenz zwi schen dem dritten und vierten Interferenzsignal gemessen wird und die gemessene Abweichung auf einen vorgegebenen Wert gesteuert/eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzüberlagerungssignal durch Zusam mensetzen der zwei monochromatischen Strahlenbün del zur Bewirkung einer optischen Überlagerungs interferenz erzeugt wird, daß Verschiebungen des ersten Gegenstandes in zwei Richtungen in Überein stimmung mit einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem ersten Inter ferenzsignal und einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem dritten Interferenzsignal gemessen werden, daß die gemes senen Verschiebungen auf vorbestimmte Werte ge steuert/eingestellt werden, daß Verschiebungen des zweiten Gegenstandes in zwei Richtungen in Über einstimmung mit einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem zweiten Inter ferenzsignal und einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem vierten Interferenzsignal gemessen werden und die gemesse nen Verschiebungen auf vorbestimmte Werte gesteuert/ eingestellt werden (Fig. 8 und Fig. 13).

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter als Reflexionsbeugungsgitter ausgebildet werden.

11. Verfahren zum Erfassen/Einstellen einer Verschie bung eines Gegenstandes unter Verwendung eines Beugungsgitters, daß mit zwei Strahlenbündeln un terschiedlicher Frequenz bestrahlt wird, wobei ein Signal zum Erfassen/Einstellen aus dem Vergleich einer Referenzphase und der Phase eines Überlage rungssignals der am Beugungsgitter gebeugten Strahlung erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Überlagerungssignale durch Zusammensetzen von zwei monochromatischen Strah lenbündeln mit leicht unterschiedlichen Frequenzen erzeugt werden, wobei das erste Überlagerungssi gnal als Referenzüberlagerungssignal verwendet wird, das durch Bewirken einer optischen Überlage rungsinterferenz einer von einem Teil des zusam mengesetzten Strahlenbündels aufgespaltenen Kom ponente erzeugt wird und wobei das zweite Überla gerungssignal als erstes Interferenzsignal verwen det wird, das erzeugt wird, indem die andere von dem zusammengesetzten Strahlenbündel abgespaltene Komponente in einem vorbestimmten Winkel auf das auf dem Gegenstand angeordneten Beugungsgitter gestrahlt wird, daß zwei gebeugte Strahlenbündel mit leicht unterschiedlichen Frequenzen aus den durch das Beugungsgitter nach seiner Bestrahlung mit den zusammengesetzten Strahlenbündeln erzeug ten gebeugten Strahlenbündel ausgeblendet werden und zum Bewirken einer optischen Überlagerungsin terferenz zusammengesetzt werden, daß die Ver schiebung des Gegenstandes durch Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlage rungssignal und dem ersten Interferenzsignal fest gestellt wird und daß die festgestellte Verschie bung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt/ge steuert wird (Fig. 7).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß das zusammengesetzte Strahlenbündel aus einer normalen Richtung senkrecht zur Fläche des ersten auf dem ersten Gegenstand angeordneten Beu gungsgitters einfällt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die optische Überlagerungsinter ferenz unter Verwendung von gebeugten Strahlenbün deln ±n-ter Ordnung bewirkt wird (n ist eine na türliche Zahl), die in Richtungen symmetrisch zu dem zusammengesetzten, aus der normalen Richtung (Normale) des ersten Beugungsgitters einfallenden Strahlenbündel gebeugt werden (Fig. 7).

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß die Überlagerungssignale drei Überlage rungssignale umfassen einschließlich einem zweiten Interferenzsignal zusätzlich zu dem Referenzüber lagerungssignal und dem ersten Interferenzsignal, daß das zweite Interferenzsignal durch Aufspalten des zusammengesetzten Strahlenbündels in Komponen ten, durch Bestrahlen des ersten Beugungsgitters mit den aufgespaltenen Komponenten als zusammen gesetzte Strahlenbündel in zu den Richtungen der zwei zusammengesetzten Strahlenbündel, die auf das erste Beugungsgitter zur Erzeugung des ersten In terferenzsignals strahlen, unterschiedlichen Rich tungen durch Ausblenden von zwei gebeugten Strah lenbündeln mit leicht unterschiedlichen Frequenzen aus den gebeugten Strahlenbündeln aus den durch Bestrahlung mit den zwei zusammengesetzten Strah lenbündeln erhaltenen gebeugten Strahlenbündeln und durch Zusammensetzung der erhaltenen gebeugten Strahlenbündel zur Bewirkung der optischen Über lagerungsinterferenz erzeugt wird, daß Verschie bungen des ersten Gegenstandes in zwei Richtungen in Übereinstimmung mit einer Phasendifferenz zwi schen dem Referenzüberlagerungssignal und dem er sten Interferenzsignal und einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem zweiten Interferenzsignal gemessen werden und daß die gemessenen Verschiebungen auf vorgegebene Werte eingestellt/gesteuert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß die Einfallsrichtungen der zwei auf das erste Beugungsgitter fallenden zusammengesetzten Strahlenbündel derart festgelegt werden, daß die Komponenten der durch die zwei zusammengesetzten Strahlenbündel erhaltenen gebeugten Strahlenbündel in dieselbe Richtung gebeugt werden (Fig. 12).

16. Vorrichtung zum Erfassen/Einstellen einer Abwei chung zwischen einem ersten und einem zweiten Ge genstand unter Verwendung von Beugungsgittern, die mit zwei Strahlenbündeln unterschiedlicher Fre quenz bestrahlt werden, mit Mitteln zur Erfassung einer Phasendifferenz zwischen einer Referenzphase und der Phase eines Überlagerungssignals der am Beugungsgitter gebeugten Strahlung, gekennzeichnet durch ein auf dem ersten Gegenstand (65) angeordnetes erstes Beugungsgitter (63), ein auf dem zweiten Gegenstand (66) angeordnetes zweites Beugungsgit ter (64), eine Strahlungsquelle (45) zur Erzeugung von zwei monochromatischen Strahlenbündeln mit leicht un terschiedlichen Frequenzen,
erste Bestrahlungsmittel (53, 54, 47, 48) zum Be strahlen des ersten Beugungsgitters (63) mit einer Komponente der zwei monochromatischen Strahlenbün del, die durch Abspalten und Ausblenden eines Teils der zwei monochromatischen Strahlenbündel erhalten wurde,
zweite Bestrahlungsmittel (53, 55, 50, 51) zum Be strahlen des zweiten Beugungsgitters (64) mit einer anderen Komponente der zwei monochromatischen Strahlenbündel, die durch Abspalten und Ausblenden eines Teils der zwei monochromatischen Strahlen bündel erhalten wurde,
Mittel (49) zur Erzeugung eines ersten Interfe renzsignals durch Zusammensetzen von mindestens zwei von dem ersten Beugungsgitter (63) erhaltenen gebeugten Strahlenbündel zur Bewirkung einer op tischen Überlagerungsinterferenz,
Mittel (52) zur Erzeugung eines zweiten Interfe renzsignals durch Zusammensetzen von mindestens zwei von dem zweiten Beugungsgitter gebeugten Strahlenbündeln zur Bewirkung einer optischen Überlagerungsinterferenz, wobei die Mittel (58, 58′, 60) zur Erfassung einer Phasendifferenz die Phasendifferenz zwischen dem ersten und zwei ten Interferenzsignal bestimmen und die erfaßte Phasendifferenz auf einen vorbestimmten Wert ein stellen/steuern (Fig. 4).

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß die ersten und zweiten Bestrahlungsmittel (23, 21′, 21′′) in einem einzigen optischen System integriert sind, daß das erste und zweite jeweils auf dem ersten und zweiten Gegenstand (30, 31) an geordnete Beugungsgitter (32, 34) innerhalb eines gemeinsamen Strahlungsflecks jedes einfallenden Strahlenbündels liegen und daß die gebeugten Strahlenbündel aufgespalten und erfaßt werden, um die relative Verschiebung zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand zu bestimmen (Fig. 1).

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Fenster (33, 310) im ersten Gegenstand (30, 309) vorgesehen ist, durch das die Strahlenbündel hindurchgeleitet werden und auf den zweiten Gegenstand (31, 308) treffen (Fig. 1, 13).

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß das erste und zweite Beugungsgitter (32, 34; 306, 307) die gleichen Beugungsgittermuster aufweisen und derart angeordnet sind, daß sie sich von oben gesehen nicht überdecken.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter (32, 34; 306, 307) als Reflexionsbeugungsgitter aus gebildet sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung des ersten und zweiten Interferenzsignals verwendeten monochromatischen Strahlenbündel dieselben sind, die von der Strahlungsquelle (20, 45; 301) abgegeben werden.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Bestrahlungsmittel zum Leiten der monochromati schen Strahlenbündel auf das erste und zweite Beu gungsgitter (32, 34, 63, 64) jeweils Mittel (23, 54, 55) zum Aufspalten der zwei monochromati schen Strahlenbündel in unterschiedliche Richtun gen in Übereinstimmung mit einem Unterschied in der Wellenlänge zwischen den zwei monochromati schen Strahlenbündeln und Mittel (21′, 21′′, 47 bis 51) zum Richten der zwei aufgespaltenen Strahlen bündel mit unterschiedlichen Wellenlängen in zwei Richtungen symmetrisch zu den gebeugten Strahlen bündeln, wobei die gebeugten Strahlenbündel in normaler Richtung senkrecht zu einer Oberfläche des entsprechenden ersten und zweiten Beugungsgit ters (32, 34, 63, 64) gebeugt werden, aufweisen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 16, weiterhin gekenn zeichnet durch
Mittel (303) zum Aufspalten der zwei monochromati schen Strahlenbündel, dritte Bestrahlungsmittel (304a, 304b, 311, 304d, 304e) zum Lenken der zwei auf gespaltenen monochromatischen Strahlenbündel auf das erste Beugungsgitter (306) zusätzlich zu den ersten und zweiten Bestrahlungsmitteln (304a, 304b, 311, 304c), vierte Bestrahlungsmittel (304a, 304b, 311, 304d, 304e) zum Lenken der zwei auf gespaltenen Strahlenbündel auf das zweite Beu gungsgitter (307), Mittel (304g, 315b) zum Erzeugen eines dritten Interferenzsignals durch Zusammen setzen mindestens zweier von dem ersten Beugungs gitter (306) durch die dritten und vierten Be strahlungsmittel erhaltenen gebeugten Strahlenbün del zum Bewirken einer optischen Überlagerungsin terferenz,
Mittel (304g, 315b) zum Erzeugen eines vierten In terferenzsignals durch Zusammensetzen mindestens zweier von dem zweiten Beugungsgitter (307) erhal tenen gebeugten Strahlenbündel zur Bewirkung einer optischen Überlagerungsinterferenz,
Mittel (304, 315b) zum Erzeugen eines vierten In terferenzsignals durch Zusammensetzen mindestens zweier von dem zweiten Beugungsgitter erhaltenen gebeugten Strahlenbündel zur Bewirkung einer opti schen Überlagerungsinterferenz,
Mittel (319) zum Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Interferenzsignal und einer Phasendifferenz zwischen dem dritten und vierten Interferenzsignal und zum Steuern/Einstel len der erfaßten Phasendifferenz auf vorbestimmte Werte, wobei ein Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand gemessen wird (Fig. 13).

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich net, daß die ersten und zweiten Bestrahlungsmittel in einem einzigen optischen System integriert sind,
daß die dritten und vierten Bestrahlungsmittel in einem einzigen optischen System integriert sind, daß das erste und zweite auf dem ersten und zwei ten Gegenstand angeordneten Beugungsgitter im Be reich des Leuchtflecks der einfallenden Strahlen bündel liegen, und
daß die von den Beugungsgittern gebeugten Strah lenbündel aufgespalten und abgetastet werden (Fig. 13).

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, weiterhin gekenn zeichnet durch
Mittel zum Erzeugen eines Referenzüberlagerungs signals durch Zusammensetzen der zwei monochroma tischen Strahlenbündel zum Hervorrufen einer opti schen Überlagerungsinterferenz,
Mittel zum Messen einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem ersten Interferenzsignal und einer Phasendifferenz zwi schen dem Referenzüberlagerungssignal und dem dritten Interferenzsignal,
Mittel zum Messen einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem zweiten Interferenzsignal oder einer Phasendifferenz zwi schen dem Referenzüberlagerungssignal und dem vierten Interferenzsignal, und
Mittel zum Steuern/Einstellen der gemessenen Phasen differenzen auf vorbestimmte Werte, wobei Ver schiebungen des ersten und zweiten Gegenstandes in zwei Richtungen gemessen und die gemessenen Ver schiebungen auf vorbestimmte Werte gesteuert/ein gestellt werden (Fig. 8 und 12).

26. Vorrichtung zum Erfassen/Einstellen einer Ver schiebung eines Gegenstandes unter Verwendung eines Beugungsgitters, das mit zwei Strahlenbündeln unterschiedlicher Frequenz bestrahlt wird, mit Mitteln zum Erfassen einer Phasendifferenz zwi schen einer Referenzphase und der Phase eines Überlagerungssignals der am Beugungsgitter gebeug ten Strahlung,
gekennzeichnet durch ein auf dem Gegenstand angeordnetes Beugungsgitter (145), einer Strahlungsquelle (137) zur Erzeugung eines zusammengesetzten Strahlenbündels von zwei monochromatischen Strahlenbündeln mit leicht unter schiedlichen Frequenzen,
Mittel zum Aufspalten (138) des zusammengesetzten Strahlenbündels in Komponenten und zur Erzeugung eines Referenzüberlagerungssignals durch Bewirken einer optischen Überlagerungsinterferenz einer aufgespaltenen Komponente,
Mittel (143a) zum Bestrahlen des Beugungsgitters (145) auf dem Gegenstand (146) mit der anderen aufgespaltenen Komponente,
Mittel (143b, 143c, 144) zum Erzeugen eines ersten Interferenzsignals durch Ausblenden von zwei ge beugten Strahlenbündeln mit leicht unterschiedli chen Frequenzen aus den gebeugten Strahlenbündeln der zwei zusammengesetzten Strahlenbündel, die durch Bestrahlen des Beugungsgitters mit der ande ren Komponente erzeugt wurden, und durch Zusammen setzen der zwei gebeugten Strahlenbündel zur Be wirkung der optischen Überlagerungsinterferenz, wobei die Mittel (147) zum Erlassen einer Phasen differenz diejenige zwischen dem Referenzüberlage rungssignal und dem ersten Interferenzsignal er fassen und die erfaßte Phasendifferenz auf einen vorgegebenen Wert eingestellt/gesteuert wird (Fig. 7).

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeich net, daß weiterhin die Mittel zum Richten des zu sammengesetzten Strahlenbündels derart ausgebildet sind, daß sie das zusammengesetzte Strahlenbündel aus einer normalen Richtung senkrecht zur Fläche des auf dem ersten Gegenstand angeordneten Beu gungsgitters richten (Fig. 7).

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeich net, daß die Mittel zur Erzeugung eines ersten Interferenzsignals durch Bewirken einer optischen Überlagerungsinterferenz des zusammengesetzten Strahlenbündels, das aus einer normalen Richtung zum ersten Beugungsgitter einfällt, gebeugte Strahlenbündel ±n-ter Ordnung (n ist eine natür liche Zahl) verwenden, die in Richtungen symme trisch zum zusammengesetzten Strahlenbündel ge beugt werden (Fig. 7).

29. Vorrichtung nach Anspruch 26, weiterhin gekenn zeichnet durch
Mittel (258b) zur weiteren Aufspaltung des zusam mengesetzten Strahlenbündels und zum Ausblenden von zwei zusammengesetzten Strahlenbündeln,
Mittel zum Richten der ausgeblendeten zwei zusam mengesetzten Strahlenbündel auf das erste auf dem ersten Gegenstand angeordnete Beugungsgitter aus Richtungen, die unterschiedlich zu denen der Strahlenbündel sind, die durch die Mittel zur Er zeugung des ersten Interferenzsignals abgestrahlt werden,
Mittel zur Erzeugung eines zweiten Interferenzsi gnals durch Ausblenden von zwei gebeugten Strah lenbündeln mit leicht unterschiedlichen Frequenzen aus den gebeugten Strahlenbündeln der zwei zusam mengesetzten Strahlenbündel und Zusammensetzen der zwei gebeugten Strahlenbündel zur Bewirkung einer optischen Überlagerungsinterferenz, und
Mittel zur Erfassung einer Phasendifferenz zwi schen dem Referenzüberlagerungssignal und dem er sten Interferenzsignal und einer Phasendifferenz zwischen dem Referenzüberlagerungssignal und dem zweiten Interferenzsignal und zum Steuern/Einstel len der erfaßten Phasendifferenzen auf vorbestimmte Werte, wobei Verschiebungen des ersten Gegen standes in zwei Richtungen gemessen werden und die gemessenen Verschiebungen auf vorbestimmte Werte gesteuert/eingestellt werden (Fig. 12).

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeich net, daß die Mittel zum Richten derart ausgebildet sind, daß die Einfallsrichtungen der zwei auf das erste Beugungsgitter fallenden zusammengesetzten Strahlenbündel so festgelegt werden, daß Komponen ten der von den zusammengesetzten Strahlenbündeln erhaltenen gebeugten Strahlenbündel in dieselbe Richtung gebeugt werden.