DE69128164T2

DE69128164T2 - Verfahren und Apparat zur Detektion von Lageabweichungen

Info

Publication number: DE69128164T2
Application number: DE69128164T
Authority: DE
Inventors: Jun C/O Canon Kabushiki Kaisha Tokyo Hattori; Sakae C/O Canon Kabushiki Kaisha Tokyo Houryu; Masakazu C/O Canon Kabushiki Kaish Tokyo Matsugu; Kenji C/O Canon Kabushiki Kaisha Tokyo Saitoh
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-05-01
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2011-04-30
Also published as: EP0455443A3; EP0455443A2; US5481363A; EP0455443B1; DE69128164D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Positionsabweichung, das bei einer Belichtungsvorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung zur photolithographischen Übertragung eines feinen Musters, wie beispielsweise einer integrierten Halbleiterschaltung, verwendbar ist, um eine Positionsabweichung o.ä. zwischen einer Maske (Strichplatte) und einem Plättchen (Wafer) mit hoher Genauigkeit zu detektieren.
Bei Belichtungsvorrichtungen, die bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen Verwendung finden, stellt die relative Ausrichtung einer Maske und eines Plättchens einen wichtigen Faktor dar, um ein verbessertes Betriebsverhalten sicherzustellen. Insbesondere bei Ausrichtungssystemen, die in neueren Belichtungsvorrichtungen Verwendung finden, werden Ausrichtungsgenauigkeiten im Submikronbereich oder noch größere Genauigkeiten gefordert, um dem Bedarf nach einem höheren Integrationsgrad der Halbleitervorrichtungen gerecht zu werden.
Bei vielen Arten von Ausrichtungssystemen sind Merkmale, die als "Ausrichtungsmarken" bezeichnet werden, auf einer Maske und einem Plättchen vorgesehen. Durch die Nutzung von Positionsinformationen, die von diesen Marken erhältlich sind, werden die Maske und das Plättchen ausgerichtet. Zur Durchführung der Ausrichtung existiert ein beispielhaftes Verfahren, bei dem die Größe der relativen Abweichung von diesen Ausrichtungsmustern auf der Basis der Bildverarbeitung detektiert wird. Ein anderes Verfahren wird in der US- PS 4 037 969, der US-PS 4 513 858 und der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 56-157033 beschrieben, bei dem sogenannte Zonenplatten als Ausrichtungsmarken verwendet werden, auf die Licht projiziert wird, und bei dem die Positionen von Lichtpunkten, die durch das von den beleuchteten Zonenplatten abgegebene Licht auf einer vorgege benen Ebene ausgebildet werden, detektiert werden.
Allgemein ist ein Ausrichtungsverfahren unter Verwendung einer Zonenplatte relativ unempfindlich gegenüber einem Defekt einer Ausrichtungsmarke und stellt daher im Vergleich zu einem Ausrichtungsverfahren, bei dem in einfacher Weise eine traditionelle Ausrichtungsmarke Verwendung findet, relativ hohe Ausrichtungsgenauigkeiten sicher.
Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Ausrichtungssy stems eines bekannten Typs, bei dem Zonenplatten Verwendung finden. Beispielsweise ist diese Art von Positionsdetektionssystem in der europäischen Patentanmeldung 0 333 326 A2, eingereicht vom Inhaber des vorliegenden Patentes, beschrieben.
Eine Maske 1 wird an einer Membran 47 befestigt, die von einem Hauptrahmen 45 eines Ausrichters über ein Maskenfutter 46 gelagert wird. Ein Masken-Plättchen-Ausrichtungskopf 44 wird über dem Hauptrahmen 45 angeordnet. Zur Ausrichtung der Maske 1 und eines Plättchen 2 werden eine Maskenausrichtungsmarke 3M und eine Plättchenausrichtungsmarke 4W auf der Maske 1 und dem Plättchen 2 ausgebildet.
Von einer Lichtquelle 40 stammendes Licht wird über ein Lichtprojektionslinsensystem 41 in Parallellicht umgeformt, das von einem Halbspiegel 42 reflektiert wird und auf die Maskenausrichtungsmarke 3M trifft. Die Maskenausrichtungsmarke 3M wird von einer Zonenplatte vom Transmissionstyp gebildet, und positives Beugungslicht erster Ordnung hiervon wird über eine Konvexlinsenfunktion beeinflußt und an einem Punkt Q zusammengeführt. Die Plättchenausrichtungsmarke 4W wird von einer Zonenplatte vom Reflektionstyp gebildet und besitzt eine Konvexspiegelfunktion (divergierende Funktion) zur Abbildung des am Punkt Q zusammengeführten Lichtes auf eine Detektionsfläche 39.
Hier wird das Signallicht, das durch eine negative reflektive Beugung erster Ordnung der Plättchenausrichtungsmarke 4W beeinflußt worden ist, durch keine Linsenfunktion beeinflußt, wenn es die Maske M passiert. Das diese durchdringende Beugungslicht nullter Ordnung wird auf einer Detektionsfläche 39 eines Detektors 38 gesammelt. Der Begriff "Beugung nullter Ordnung" bedeutet hier einfache Transmission (Durchlassung) oder spiegelnde Reflektion.
In dieser Beschreibung wird das durch eine Beugung m-ter Ordnung von der Maske 1 und danach vom Plättchen 2 durch eine Beugung n-ter Ordnung sowie wiederum von der Maske durch eine Beugung l-ter Ordnung beeinflußte Licht als "Licht (m, n, l)-ter Ordnung" bezeichnet. Das vorstehend beschriebene Licht kann daher als "Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung" bezeichnet werden. Dieses Licht bildet das Signallicht.
Bei dieser Art von Positionsabweichungsdetektionssystem wird jede Positionsabweichung zwischen der Maske 1 und dem Plättchen 2 auf der Basis der Einfallposition des Signallichtes auf die Detektionsfläche 39 detektiert. Es gibt eine gewisse proportionale Beziehung zwischen der Positionsabweichung Δδw und der Verschiebung Δδw der Einfallposition des Signallichtes auf die Detektionsfläche 39. Die Proportionalitätskonstante hiervon entspricht der Vergrößerung der Abweichungsdetektion. Genauer gesagt, wenn sich bei einer derartigen Anordnung das Plättchen 2 in seitlicher Richtung um einen Betrag Δδw relativ zur Maske 1 verschiebt, verschiebt sich die Einfallposition des Lichtes auf die Detektionsfläche 39 um einen Betrag Δδw, was wie folgt ausgedrückt werden kann:
Somit wird die Positionsabweichung vergrößert durch:
Diese Größe "bw/aw - 1" stellt die Abweichungsdetektionsvergrößerung dar. aw bezeichnet die Distanz zum Plättchen vom Konvergenzpunkt Q des Signallichtes, das von der Maske ausgeht, und bw bezeichnet die Distanz vom Plättchen zur Detektionsfläche 39. Durch Detektion durch die Detektionsfläche 39 der Verschiebung der Einfaliposition des Siganllichtes gegenüber seiner Bezugsposition, die angenommen wird, wenn die Maske und das Plättchen keine relative Positionsabweichung haben (eine derartige Bezugsposition kann beispielsweise über einen Versuchsdruck nach Einstellen der Maske ermittelt werden) 7 und durch Berechnung des Wertes Δδw gemäß der vorstehend wiedergegebenen Gleichung, wobei die detektierte Verschiebung als Verschiebung Δδw verwendet wird, ist es möglich, die Positionsabweichung zwischen der Maske und dem Plättchen zu ermitteln.
Andererseits gibt es Fälle, bei denen zusätzlich zum vorstehend beschriebenen Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung, das sich in der Beugungsordnung unterscheidet, nahezu auf die Detektionsfläche 39 fokussiert wird. Genauer gesagt, dieses Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung ist Licht: das auf die Maskenausrichtungsmarke 3M geführt worden ist, das diese mit null-ter Ordnung durchdrungen hat, das mit negativer erster Ordnung von der Plättchenaus richtungsmarke 4W reflektiv gebeugt und von der Konkavfunktion (Diversion) beeinflußt worden ist, das mit positiver erster Ordnung von der Maskenausrichtungsmarke 3M transmissiv gebeugt und von der Konvexfunktion (Konvergenz) beeinflußt worden ist und das nahezu auf die Detektionsfläche 39 fokussiert wurde.
Figur 2 zeigt schematisch die Fortpflanzung des eingegebenen Lichtes AL, Lichtes L1 (1, -1, 0)-ter Ordnung und Lichtes L2 (0, 1, 1)-ter Ordnung sowie eine optische Anordnung.
Allgemein besteht zwischen dem Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung und dem Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung ein Unterschied in der Vergrößerung der Verschiebung der Einfallposition zur relativen Positionsabweichung der Maske und des Plättchens Wenn in der Detektionsfläche ein Positionsvektor eines jeden Punktes in der Detektionsfläche mit der Lichtintensität dieses Punktes multipliziert wird und die auf diese Weise erhaltenen Produkte über die gesamte Detektionsfläche integriert werden, besitzt der integrierte Wert einen "Nullvektor" (hiernach wird ein derartiger Punkt als "Schwerpunkt" des Lichtes bezeichnet). Wenn ein solcher Punkt als Einfallposition des Lichtes genommen wird, wird die Detektion der Positionsabweichung zusätzlich zum Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung, das das Signallicht bildet, vom Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung beeinflußt. Dies schließt eine größere Genauigkeit der Abweichungsdektion aus.
Wenn des weiteren ein Plättchenprozeßfaktor, wie beispiels weise eine Dickenänderung eines Resistfilmes vorhanden ist, oder eine Änderung in der Relativposition der auszurichtenden Gegenstände in einer Richtung senkrecht zu einer speziellen Richtung, in der die Positionsabweichung detektiert werden soll, vorliegt, ändert sich das Intensitätsverhältnis dieser Lichtarten mit einer derartigen Änderung. Dies führt zu einer Änderung der Gesamtabweichungsdetektionsvergrößerung des Lichtes (1, -1, 0)-ter Ordnung und des Lichtes (0, -1, 1)-ter Ordnung und führt daher zu einem Fehler in der Abweichungsdetektion.
Die EP-A-0 358 514 beschreibt ein Positionsdetektionsverfahren und eine Vorrichung zur Detektion einer Positionsbeziehung zwischen einem ersten und zweiten gegenüberliegenden Gegenstand, die jeweils mindestens ein Beugungsgitter besitzen. Eine Lichtquelle projiziert Licht auf das Beugungsgitter von einem des ersten und zweiten Gegenstandes. Ein erstes und ein zweites Detektionssystem detektieren das von den Beugungsgittern des ersten und zweiten Gegenstandes gebeugte Licht in bezug auf eine erste und zweite Ebene.
Die Einfalipositionen des auf die erste und zweite Ebene gebeugten Lichtes ändern sich in unterschiedlicher Weise mit einer Änderung der Relativpositiondes ersten und zweiten Gegenstandes in senkrechter Richtung.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein verbessertes Verfahren zum Detektieren einer Positionsabweichung zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Verbesserung der Detektionsgenauigkeit erreicht wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Detektieren einer relativen Positionsabweichung zwischen einem ersten Gegenstand mit einer ersten Gittermarke mit optischer Wirksamkeit und einem zweiten Gegenstand mit einer zweiten Gittermarke mit optischer Wirksam keit geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt:
Projizieren eines Strahles einer Strahlung auf den ersten Gegenstand, um durch eine transmissive Beugung m-ter Ordnung durch die erste Gittermarke, eine reflektive Beugung n-ter Ordnung durch die zweite Gittermarke und eine transmissive Beugung l-ter Ordnung durch die erste Gittermarke, wobei m, n und 1 ganze Zahlen sind, die Erzeugung eines Signalstrahles zu bewirken, der auf eine Detektionszone auf einer Lichtempfangsfläche zusammengeführt wird; und
Bestimmen einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes aus der Einfailposition des Signaistrahles auf die Lichtempfangsfläche; dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine der Zahlen 1 oder m nicht gleich Null ist und n nicht gleich Null ist; und
eine Kombination des Abstandes vom ersten und zweiten Ge genstand zur Lichtempfangsfläche, des Abstandes zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand, der Brennweiten der ersten und zweiten Gittermarke und deseinfallwinkels des projizierten Strahles auf den ersten Gegenstand ausgewählt wird, um im wesentlichen zu verhindern, daß ein vorgegebe ner Beugungsstrahl, der aus dem Strahl durch die transmissive Beugung m'-ter Ordnung der ersten Gittermarke&sub7; die reflektive Beugung n'-ter Ordnung der zweiten Gittermarke und die transmissive Beugung l'-ter Ordnung der ersten Gittermarke erzeugt wurde, wenn m ≠ m', n ≠ n' oder l ≠ l' ist, auf die Detektionszone zusammengeführt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Detektieren einer relativen Positionsabweichung zwischen einem ersten Gegenstand mit einer ersten Gittermarke mit optischer Wirksamkeit und einem zweiten Gegenstand mit einer zweiten Gittermarke mit optischer Wirksamkeit geschaffen, die umfaßt:
Einrichtungen zum Projizieren eines Strahles einer Strahlung auf den ersten Gegenstand, um durch eine transmissive Beugung m-ter Ordnung durch die erste Gittermarke, eine reflektive Beugung n-ter Ordnung durch die zweite Gittermarke und eine transmissive Beugung l-ter Ordnung durch die erste Gittermarke, wenn m, n und 1 ganze Zahlen sind, einen Signalstrahl zu erzeugen, der auf eine Detektionszone auf einer Lichtempfangsfläche zusammengeführt wird;
Detektionseinrichtungen zum Detektieren des Signaistrahles an der Detektionszone der Lichtempfangsfläche; und
Verarbeitungseinrichtungen zum Bestimmen einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes aus der detektierten Einfallsposition des Signalstrahles auf die Lichtempfangsfläche; dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine der Zahlen 1 oder m nicht gleich Null und n nicht gleich Null sind; und
Einrichtungen zum Auswählen einer Kombination aus dem Abstand vom ersten und zweiten Gegenstand zur Lichtempfangsfläche, dem Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand, den Brennweiten der ersten und zweiten Gittermarke und dem Einfallwinkel des projizierten Strahles auf den ersten Gegenstand vorgesehen sind, um im wesentlichen zu verhindern, daß ein vorgegebener Beugungsstrahl, der aus dem Strahl durch die transmissive Beugung m'-ter Ordnung durch die erste Gittermarke, die reflektive Beugung n'-ter Ordnung durch die zweite Gittermarke und die transmissive Beugung l'-ter Ordnung durch die erste Gittermarke erzeugt wurde, auf die Detektionszone zusammengeführt wird, wenn m ≠ m', n ≠ n' oder l ≠ l' ist.
Es werden nunmehr beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Hiervon zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer generellen Anordnung eines bekannten Positionsdetektionssystems;
Figur 2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels von optischen Wegen des Lichtes (1, -1, 0)-ter Ordnung und des Lichtes (0, -1, 1)-ter Ordnung;
Figur 3 eine schematische Ansicht des Prinzips eines Positionsdetektionssystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 eine schematische Ansicht eines Hauptteiles( eines Positionsdetektionssystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 5A eine schematische Ansicht eines peripheren Teiles einer Herstellvorrichtung für Halbleitervorrichtungen vom Näherungstyp, bei der ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren einer Positionsabweichung nach der vorliegenden Erfindung Anwendung finden; Figuren 5B und 5C Ablaufdiagramme, die Beispiele eines Ausrichtungsprozesses bei der Vorrichtung der Figur 5A zeigen;
Figuren 6 und 7 schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 8 eine schematische Darstellung einer modifizierten Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform;
Figuren 9, 10 und 11 schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figur 12 eine schematische Darstellung einer modifizierten Ausgestaltung der dritten Ausführungsform;
Figuren 13, 14 und 15 schematische Darstellungen einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 16 eine schematische Darstellung einer modifizierten Ausgestaltung der vierten Ausführungsform;
Figuren 17, 18, 19 und 20 schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 21 eine schematische Darstellung einer modifizierten Ausgestaltung der fünften Ausführungsform.
Ein Positionsdetektionssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die folgenden Merkmale: Eine erste Ausrichtungsmarke mit einer Lichtbeugungsfunktion ist an einem ersten Gegenstand vorgesehen, während eine zweite Ausrichtungsmarke mit einer Lichtbeugungsfunktion an einem zweiten Gegenstand vorgesehen ist. Diese Ausrichtungsmarken sind so ausgebildet, daß, wenn m, n und 1 ganze Zahlen sind, von Licht von einer Lichtprojektionseinrichtung die Konvergenzposition eines ersten Lichtes auf einer vorgegebenen Ebene, das durch die erste Ausrichtungsmarke eine Beugung n-ter Ordnung, durch die zweite Ausrichtungsmarke eine Beugung n-ter Ordnung und wieder durch die erste Ausrichtungsmarke eine Beugung l-ter Ordnung erfahren hat, in Abhängigkeit von einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes mit einer vorgegebenen Vergrößerung verschiebbar ist. Die relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes wird ermittelt, indem die Konvergenzposition des ersten Lichtes auf der vorgegebenen Ebene bestimmt wird, wobei dann, wenn m', n' und l' ganze Zahlen sind, die die Bedingungen m' ≠ m, n' ≠ n oder l' ≠ l erfüllen, die Konvergenzposition auf der vorgegebenen Ebene eines zweiten Lichtes, das durch die erste Ausrichtungsmarke eine Brechung m'-ter Ordnung, durch die zweite Ausrichtungsmarke eine Brechung n'-ter Ordnung und wieder durch die erste Ausrichtungsmarke eine Beugung l'-ter Ordnung erfahren hat, von der Konvergenzposition des ersten Lichtes um eine Distanz beabstandet ist, die mindestens doppelt so groß ist wie der Lichtpunkt durchmesser des ersten oder zweiten Lichtes (vorzugsweise des größeren hiervon). Dies stellt sicher, daß das zweite Licht im wesentlichen daran gehindert wird, auf eine vorgegebene Detektionszone der vorgegebenen Ebene zusammengeführt zu werden, auf der das erste Licht detektiert werden soll.
Genauer gesagt, bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, wenn eine Objektfläche A den ersten Gegenstand und eine Objektfläche B den zweiten Gegenstand bildet, eine erste und zweite (Signalerzeugungs-) Ausrichtungsmarke A1 und A2, die jeweils die Funktion eines physikalischen optischen Elementes besitzen, auf der Objektfläche A ausgebildet. Auf der anderen Objektfläche B werden eine erste und zweite (Signalerzeugungs-) Ausrichtungsmarke B1 und B2, die in entsprechender Weise jeweils die Funktion eines physikalischen optischen Elementes besitzen, ausgebildet. Licht wird auf die Ausrichtungsmarke Al abgegeben, und das hiervon erzeugte Beugungslicht wird auf die Ausrichtungsmarke B1 geführt. Das Beugungslicht von der Ausrichtungsmarke B1 trifft auf eine vorgegebene Ebene, und der Schwerpunkt des auf diese Ebene einfallenden Lichtes wird von einer auf dieser Ebene vorgesehenen ersten Detektionseinrichtung als Einfallposition des ersten Signallichtes detektiert.
Der hier verwendete Begriff "Schwerpunkt des Lichtes" bedeutet einen Punkt, bei dem bei Multiplikation eines Positionsvektors eines jeden Punktes auf einer Lichtempfangsfläche mit der Lichtintensität dieses Punktes und bei Inte gration der auf diese Weise erhaltenen Produkte über die gesamte Fläche der integrierte Wert einen "Nullvektor" besitzt. Als Alternative kann jedoch die Position eines Spitzenpunktes der Lichtintensität detektiert werden.
In entsprechender Weise wird Licht der Ausrichtungsmarke A2 zugeführt, und hierdurch erzeugtes Beugungslicht wird der Ausrichtungsmarke B2 zugeführt. Der Schwerpunkt des Beugungslichtes von der Ausrichtungsmarke B2 auf einer vorgegebenen Ebene wird von einer auf dieser Ebene vorgesehenen zweiten Detektionseinrichtung als Einfaliposition des zweiten Signallichtes detektiert. Unter Verwendung von zwei Daten von der ersten und zweiten Detektionseinrichtung wird die Positionierung der Gegenstände A und B durchgeführt. In bezug auf das erste und zweite Signallicht wird die Einfallposition des Lichtes (m', n', l')-ter Ordnung, das einen Detektionsfehlerfaktor in bezug auf das Licht (m, n, l)-ter Ordnung bewirkt, so eingestellt, daß die vorstehend beschriebene Positionsbeziehung eingehalten wird.
Bei dieser Ausgestaltung der vorliegenden Ausführungsform werden die Ausrichtungsmarken A1, A2, B1 und B2 so eingestellt, daß die Schwerpunktsposition des auf die erste Detektionseinrichtung treffenden Lichtes und die Schwerpunktsposition des auf die zweite Detektionsreinrichtung treffenden Lichtes in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung zwischen den Gegenständen A und B in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden.
Figur 3 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung des Prinzips eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung sowie zur Darstellung von baulichen Merkmalen hiervon. Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Hauptteiles einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Basis der in Figur 3 gezeigten Konstruktion.
In diesen Figuren ist mit 1 einer erster Gegenstand (Objektfläche A), bei dem es sich beispielsweise um eine Maske handelt, und mit 2 einer zweiter Gegenstand (Objektfläche B), bei dem es sich beispielsweise um ein Plättchen handelt, bezeichnet. Dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine relative Positionsabweichung zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand detektiert werden soll.
Da bei dieser Ausführungsform das den ersten Gegenstand 1 durchdringende und vom zweiten Gegenstand 2 reflektierte Licht wiederum den ersten Gegenstand 1 durchdringt, ist in Figur 3 der erste Gegenstand doppelt dargestellt. Mit 5 und 3 sind Ausrichtungsmarken bezeichnet, die am ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 vorgesehen sind, um ein erstes Signallicht zu erhalten. In entsprechender Weise sind mit 6 und 4 Ausrichtungsmarken bezeichnet, die am ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 vorgesehen sind, um ein zweites Signallicht zu erhalten. In Figur 3 sind die optischen Wege dargestellt, wobei die Ausrichtungsmarken 3 und 4 durch äquivalente Ausrichtungsmarken vom Transmissionstyp (Durchlaßtyp) ersetzt sind.
Jede der Ausrichtungsmarken 3-6 dient als physikalisches optisches Element, beispielsweise als Gitterlinse mit optischer Wirksamkeit (beispielsweise als eindimensionale oder zweidimensionale Linse oder als Spiegelfunktion) oder als Beugungsgitter ohne Linsenfunktion. Mit 9 ist eine Plätt chenanrißlinie bezeichnet, während mit 10 eine Maskenanrißlinie bezeichnet ist. Jede Ausrichtungsmarke ist auf der entsprechenden Anrißlinie äusgebildet. Mit 7 und 8 sind das erste und zweite (Ausrichtungs-) Signallicht bezeichnet, während mit 7' und 8' (unerwünschte) Beugungslichtanteile vorgegebener Ordnungen in Relation zum ersten und zweiten Signallicht 7 und 8 bezeichnet sind.
Bei dieser Ausführungsform wird das erste Signallicht 7 durch Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung gebildet, das zweite Signallicht 8 durch Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung, das Licht 7' durch Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung und das Licht 8' durch Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung.
Mit 11 und 12 sind eine erste und zweite Detektionseinrich tung zum Detektieren des ersten und zweiten Signallichtes 7 und 8 bezeichnet. Jede Detektionseinrichtung umfaßt einen eindimensionalen (linearen) CCD-Sensor, bei dem beispielsweise dessen Abtastelemente in Richtung der X-Achse angeordnet sind.
Zur bequemen Erläuterung ist die optische Distanz vom zweiten Gegenstand 2 bis zur ersten Detektionseinrichtung 11 oder zur zweiten zweiten Detektionseinrichtung 12 mit L bezeichnet. Mit g ist die Distanz zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 bezeichnet, während mit fa1 und fa2 die Brennweiten der Ausrichtungsmarken 5 und 6 bezeichnet sind. Δδ bezeichnet die relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes 1 und 2, während S&sub1; und S&sub2; Verschiebungen der Schwerpunktspositionen des ersten und zweiten Signallichtes an der ersten und zweiten Detektionseinrichtung zu diesem Zeitpunkt gegenüber den Positionen, die bei korrekter Ausrichtung angenommen werden, bezeichnen. Zweckmäßigerweise wird das dem Gegenstand 1 zugeführte Ausrichtungslicht von einer ebenen Welle gebildet. Die Vorzeichen sind so wie dargestellt.
Jede der Verschiebungen S&sub1; und S&sub2; kann geometrisch als Schnittpunkt zwischen (i) der Lichtempfangsfläche der ersten (oder zweiten) Detektionseinrichtung 11 oder 12 und (ii) der Geraden ermittelt werden, die den Brennpunkt F, (F&sub2;) der Ausrichtungsmarke 5 (6) mit der Mitte der optischen Achse der Ausrichtungsmarke 3 (4) verbindet. Daher ist eine entgegengesetzte Richtung der Verschiebungen S&sub1; und S&sub2; der Schwerpunkte dieser Lichtanteile in Abhängigkeit von einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes 1 und 2 erreichbar, indem die Vorzeichen der optischen Abbildungsvergrößerungen der Ausrichtungsmarken 3 und 4 eine inverse Beziehung erhalten.
Bei dieser Ausführungsform können beispielsweise folgende Lichtquellen Verwendung finden: eine Lichtquelle, wie ein Halbleiterlaser, ein He-Ne-Laser, ein Ar-Laser o.ä., die kohärentes Licht abgeben kann, und eine Lichtquelle, wie eine Licht emittierende Diode o.ä., die inkohärentes Licht emittieren kann.
Wie in Figur 4 gezeigt, handelt es sich bei dem Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung, das vom Licht 7 gebildet wird, sowie bei dem Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung, das vom Licht 8 gebildet wird, um die Lichtanteile, die jeweils unter einem vorgegebenen Winkel auf die Ausrichtungsmarken 5 und 6 auf der Oberfläche der Maske 1 treffen, die dann von diesen Marken transmissiv gebeugt, dann von den Ausrichtungsmarken 3 und 4 auf der Oberfläche des Plättchens 2 reflektiv gebeugt werden und dann auf die Detektionseinrichtungen 11 und 12 treffen. Andererseits handelt es sich bei dem Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung, das durch das Licht 7' gebildet wird, sowie bei dem Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung, das durch das Licht 8' gebildet wird, um die Lichtanteile, die von den Ausrichtungsmarken 5 und 6 auf der Maske 1 mit nullter Ordnung durchgelassen, dann von den Ausrichtungsmarken 3 und 4 auf der Oberfläche des Plättchens 2 reflektiv gebeugt und dann von den Ausrichtungsmarken 5 und 6 auf der Oberfläche der Maske 1 transmissiv gebeugt werden sowie auf die Detektionseinrichtungen 11 und 12 treffen.
Die Schwerpunktspositionen des ersten und zweiten Ausrichtungslichtes, das auf die entsprechende Detektionseinrichtung trifft, werden detektiert. Unter Verwendung der Ausgangssignale der Detektionseinrichtungen 11 und 12 kann jede Positionsabweichung der Maske 1 und des Plättchens 2 detektiert werden. Zu diesem Zeitpunkt werden die den Lichtanteilen 7' und 8' entsprechenden Ausgangssignale für die Detektion nicht verwendet.
Es werden nunmehr die Ausrichtungsmarken 3-6 beschrieben.
Die Ausrichtungsmarken 3-6 werden von Fresnel-Zonenplatten (oder Gitterlinsen) mit unterschiedlichen Brennweiten gebildet. Die praktische Größe einer jeden Marke beträgt 50- 300 µm in Langsrichtung (X-Achsen-Richtung) der Rißlinien 9 oder 10 und 20-100 µm in Breitenrichtung (Y-Achsen-Richtung) der Rißlinie.
Bei dieser Ausführungsform treffen sämtliche Lichtanteile 7, 7', 8 und 8' auf die Maske 1 unter einem Einfallwinkel von etwa 17,5 Grad, wobei die Projektionskomponente auf die Oberfläche der Maske 1 senkrecht zur Rißlinienrichtung (X- Achsen-Richtung) verläuft.
Die Maske 1 und das Plättchen 2 sind voneinander durch einen Spalt von 30 jim getrennt. Das Licht 7 (1, -1, 0)-ter Ordnung erfährt eine transmissive Beugung erster Ordnung von der Ausrichtungsmarke 5 und wird durch die Konveximsenfunktion beeinflußt. Dann wird es, nachdem es eine reflektive Beugung negativer erster Ordnung erfahren hat und von der Konkavlinsenfunktion der Ausrichtungsmarke 3 auf der Oberfläche des Plättchens 2 beeinflußt worden ist, auf einen Punkt auf der ersten Detektionseinrichtung 11 fokussiert.
Andererseits erfährt das Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 7' handelt, eine Transmission (Beugung) nullter Ordnung durch die Oberfläche der Maske 11 dann eine reflektive Beugung erster Ordnung durch die Ausrichtungsmarke 3 auf der Oberfläche des Plättchens 2 sowie eine Beeinflussung durch die Konvexlinsenfunktion. Danach erfährt es eine transmissive Beugung erster Ordnung durch die Ausrichtungsmarke 5 auf der Oberfläche der Maske 1 und eine Beeinflussung durch die Konkavimsenfunktion. Schließlich trifft es auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung 11.
Auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung 11 entspricht die Verschiebung der Einfallposition dieses Lichtes 7 der Größe der Positionsabweichung zwischen den Ausrichtungsmarken 5 und 3 in X-Achsen-Richtung, nämlich der Größe der Fehlausrichtung dieser Achsen. Auch besitzt das eingegebene Licht eine vergrößerte Positionsabweichung. Als Folge hiervon kann die Verschiebung der Schwerpunktsposition des eingegebenen Lichtes von der Detektionseinrichtung 11 detektiert werden.
Die vorliegende Ausführungsform ist so eingestellt, daß dann, wenn die Maske 1 und das Plättchen 2 keine relative Positionsabweichung aufweisen (d.h. wenn die Ausrichtungsmarken 5 und 3 auf der Maske 1 und dem Plättchen 2 gerade ein koaxiales System bilden), der Hauptstrahl des vom Plättchen 2 emittierten Lichtes 7 einen Emissionswinkel von 13 Grad besitzt und die Projektion des emittierten Lichtes aufdie Oberfläche des Plättchens 2 senkrecht zur Breitenrichtung (Y-Achsen-Richtung) der Rißlinie verläuft sowie das Licht 7 auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung 11 fokussiert wird, die in einer vorgegebenen Position, beispielsweise mit einer Höhe von 18,657 mm von der Oberfläche des Plättchens 2, angeordnet ist.
Andererseits wird das Licht 8 von der Ausrichtungsmarke 6 transmissiv gebeugt und dann von der Ausrichtungsmarke 4 auf der Oberfläche des Plättchens 2 reflektiv gebeugt. Die Marke 4 ist so ausgebildet, daß die Position des Lichtpunktes des Lichtes 8, der hierdurch erzeugt wird, in einer Richtung verschoben ist, die sich von der des Lichtpunktes 35 des Lichtes 7 unterscheidet. Wenn die Marken 6 und 4 zu einem koaxialen System ausgerichtet sind und somit keine relative Positionsabweichung vorliegt, besitzt der Hauptstrahl des vom Plättchens 2 emittierten Lichtes 8 einen Emissionswinkel von 7 Grad, wobei die Projektion auf die Oberfläche des Plättchens 2 senkrecht zur Breitenrichtung der Rißlinie verläuft, und das Licht wird auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung 12 fokussiert, die mit einer Höhe angeordnet ist, die größer ist als die der ersten Detektionseinrichtung.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird mit der beschnebenen Linsenparametereinstellung der Ausrichtungsmarken die X-Achsen-Komponente des Intervalls, d.h. der Abstand in X- Achsen-Richtung, zwischen der Schwerpunktsposition des Lichtes 7 auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung 11 und der Schwerpunktsposition des Lichtes 8 auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung 12 detektiert. Wenn der Abstand zwischen der Maske und dem Plättchen g und der Abstand zwischen dem Plättchen und der Lichtempfangsfläche des Detektors L beträgt und das Plättchen eine Positionsabweichung Δδ relativ zur Maske bewirkt, können die Verschiebungen S&sub1; und S&sub2; der Schwerpunkte der Lichtanteile quantitativ wie folgt ausgedrückt werden:
Hieraus können die Abweichungsvergrößerungen als β&sub1; = S&sub1;/Δδ und β&sub2; = S&sub2;/Δδ definiert werden.
Da, wie vorstehend beschrieben, die Signallichtanteile 7 und 8 in Abhängigkeit von einer Positionsabweichaung Δδ entlang den Detektionseinrichtungen 11 und 12 in entgegengesetzten Richtungen verschiebbar sind, kann die Größe der Änderung (ΔD) im Abstand der Lichtanteile 7 und 8 auf den
Detektionseinrichtungen 11 und 12 in X-Richtung durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
Die Positionsabweichung kann wie folgt detektiert werden.
Der Abstand D zwischen den Schwerpunktspositionen, die angenommen werden, wenn die Maske und das Plättchen keine relative Positionsabweichung in X-Richtung aufweisen, kann vorher durch Berechnung oder durch Versuchsdrucke ermittelt werden. Dann kann während der tatsächlichen Detektion der relativen Positionsabweichung der Maske und des Plättchens in X-Richtung die Abweichung ΔD des Abstandes zwischen den Schwerpunktspositionen der Lichtanteile 7 und 8 in bezug auf die Größe D detektiert werden. Von der detektierten Abweichung ΔD kann die relative Positionsabweichung der Maske und des Plättchens in X-Richtung durch Berechnung bestimmt werden.
Als nächstes wird der Projektionswinkel des Lichtes auf eine Ausrichtungsmarke relativ zu einer Normalen auf die Ausrichtungsmarkenoberfläche (Figur 3) sowie die Einfallposition des Lichtes auf die Oberfläche der Detektionsein richtung in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung Δδ des ersten und zweiten Gegenstandes in X-Richtung beschrieben.
Wenn die Mittenposition (Position der optischen Achse) der ersten Ausrichtungsmarke 5 des ersten Gegenstandes mit (xM01, yM01, 0) und die Position des Bildpunktes des auf die Ausrichtungsmarke 5 unter einem Winkel e treffenden parallelen Lichtes mit (xM1, yM1, zM1 bezeichnet wird, dann folgt, daß zM1= -f&sub1; ist.
Ferner wird die Mittenposition (Position der optischen Achse) der Ausrichtungsmarke 3 des zweiten Gegenstandes, wenn keine relative Positionsabweichung vorhanden ist, mit (xW1, yW1, -g) bezeichnet. Die Ausrichtungsmarke 3 wird so ausgebildet, daß sie in der Position (xS1, yS1, zS1) ein Bild einer Punktlichtquelle (Punktbild) bildet, das sich in der Position (xM1, yM1, -f&sub1;) befindet, wenn keine Positionsabweichung vorhanden ist. In entsprechender Weise wird die Mittenposition (Position der optischen Achse) der Ausrichtungsmarke 6 des ersten Gegenstandes mit (xM02, yM02, 0) bezeichnet, und, wie bei der Ausrichtungsmarke 5, wird ihre Abbildungspunktposition mit (xM2, yM&sub2;, -f&sub3;) bezeichnet. Ferner wird die Mittenposition (Position der optischen Achse) der Ausrichtungsmarke 4, wenn keine Positionsabwei chung vorhanden ist, mit (xW2, yW2, -g) bezeichnet und die Marke 4 so ausgebildet, daß sie in der Position (xS2, yS2, zS2) ein Bild einer Punktlichtquelle (Punktbild) bildet, daß sich in der Position (xM2, yM2, -f&sub3;) befindet, wenn keine Positionsabweichung vorhanden ist. Der Abstand von der Maskenoberfläche zur Oberfläche der Detektionseinrichtung wird mit L' bezeichnet.
Wenn bei Einstellung der obigen Parameter die Verschiebung der Schwerpunktsposition des Lichtes (1, -1, 0)-ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 7 handelt, und die des Lichtes (0, -1, 1)-ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 7' handelt, die in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung Δδ des zweiten Gegenstandes relativ zum ersten Gegenstand auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung be wirkt werden, mit S&sub1;&sub1; und S&sub2;&sub1; bezeichnet werden, dann kann folgendes gelten:
Wenn die Verschiebung der Schwerpunktsposition des Lichtes (-1, 1, 0)-ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 8 handelt, und die des Lichtes (0, 1, -1)-ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 8' handelt, die auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung verursacht werden, mit S&sub1;&sub2; und S&sub2;&sub2; bezeichnet werden, dann gilt folgendes:
Aus der allgemeinen Beziehung der Linsenabbildungseigenschaften folgt:
xMi und xWi sind die Größen, die von den Ablenkungswinkeln in bezug auf den Hauptstrahl des einfallenden Lichtes der Ausrichtungsmarken des ersten und zweiten Gegenstandes sowie den Brennweiten dieser Marken festgelegt werden. Sie werden wie folgt ausgedrückt:
Hier bildets = θ - φj (j = 1,4) den Ablenkungswinkel einer jeden Ausrichtungsmarke bei einem Einfallwinkel θ.
Es wird nunmehr die Mitte der Ausrichtungsmarke des ersten Gegenstandes als Ausgangspunkt angesehen. Die X-Achse wird auf der Ausrichtungsmarkenoberfläche in eine Richtung gelegt, in der die Positionsabweichung detektiert werden soll. Die Y-Achse wird in einer Richtung senkrecht zur X- Achse gelegt. Die Z-Achse wird in einer Richtung einer Normalen auf die Ausrichtungsmarkenoberfläche gelegt.
Die Detektionseinrichtung besitzt eine Lichtempfangszone, deren Mitte mit ((xS, yS, zS) bezeichnet wird. Die Lichtempfangszone besitzt eine rechteckige Form einer Größe d&sub1; in X-Richtung und einer Größe d&sub2; in einer Richtung senkrecht hierzu.
Das Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung stellt das (unerwünschte) Licht 7' dar. Das Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung stellt das (unerwünschte) Licht 8' dar. Wenn Gleichung (5) in die Gleichungen (2) und (4) eingesetzt wird, gilt folgendes:
Hierbei werden die Parameter so eingestellt, daß in einem detektierbaren Bereich &epsi;&sub1; ≤ Δδ ≤ &epsi;&sub2; (&epsi;&sub1; und &epsi;2 sind eine obere und untere Grenze für die Positionsabweichung, die von der Detektionseinrichtung einer Länge d&sub1; detektiert werden kann) die Größen S&sub2;&sub1; und S&sub2;&sub2; die folgenden Bedingungen erfüllen:
Dann wird sichergestellt, daß das Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung, das das Licht 7 darstellt, oder das Licht (0, 1, -1)ter Ordnung, das das Licht 8 darstellt, daran gehindert wird, auf die Lichtempfangszone in dem Bereich &epsi;&sub1; ≤ Δδ ≤ &epsi;&sub2; aufzutreffen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Größen &epsi;&sub1; und &epsi;&sub2; so ausgewählt, daß sie die beschriebenen Werte besitzen. Hierdurch werden die vorstehend beschriebenen Probleme vermieden.
Bei dieser Ausführungsform wird xS = 0 gewählt. Der geeignete Winkel 8 zur Projektion des Lichtes auf jeder Ausrichtungsmarke sowie geeignete Lichtablenkungswinkel &sub1;, &sub2;, &sub3; und &sub4; (d.h. xM1, xM2 xW1 und xW2) der entsprechenden Ausrichtungsinarken werden so eingestellt, daß sie die Gleichung (7) erfüllen, ohne daß eine Änderung der Detektionsvergrößerung bewirkt wird.
Wenn der Abstand L von der Mitte der Ausrichtungsmarke des zweiten Gegenstandes (Plättchens) zur Mitte der Lichtempfangszone der Detektionseinrichtung 18,657 mm beträgt, der Abstand L' von der Mitte der Ausrichtungsmarke des ersten Gegenstandes (Maske) zur Mitte der Lichtempfangszone der Detektionseinrichtung 18,628 mm beträgt, der Abstand g zwi schen dem ersten und zweiten Gegenstand 30,0 µm beträgt und die Brennweiten f&sub1; und f&sub3; der Maskenausrichtungsmarken 5 und 6 so eingestellt werden, daß Abweichungsdetektionsempfindlichkeiten von β&sub1; + 200x und β&sub2; = - 200x für das Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung und das Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung, vorgegeben durch die Gleichungen (1) und (3), sichergestellt werden, dann folgt, daß f&sub1; = 122,8209 µm und f&sub3; = -63,7538 µm betragen.
Aus den Bedingungen zur Sicherstellung, daß das Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung und das Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung abgebildet wird, folgt:
Hieraus folgt, daß f&sub2; -92,361 µm und f&sub4; = 94,2273 µm betragen. Wenn diese Größen in die Gleichungen (2') und (4') eingesetzt werden, werden die folgenden Ergebnisse erhal ten:
Es wird davon ausgegangen, daß der Meßbereich (Bereicht von &epsi;&sub1;bis &epsi;&sub2;) für die Positionsabweichungsmessung -3,0 < Δδ < 3,0 (µm) beträgt und daß die Detektionseinrichtung eine Größe von d&sub1; = 40 mm und d&sub2; = 0,48 mm besitzt. Unter Berücksichtigung von Gleichung (7) finden bei dieser Ausführungsform die folgenden Bedingungen Anwendung:
S&sub1;&sub1; und S&sub1;&sub2; werden vorgegeben durch:
Als Bedingungen dafür, daß das Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung und das Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung von der Detektionseinrichtung in dem Bereich -3,0 ≤ Δδ ≤ empfangen werden, werden die Größen xM1, xM2, xW1 und xW2 so eingestellt, daß sie die folgenden Bedingungen erfüllen:
Um bei dieser Ausführungsform die Gleichungen (7'), (7") oder (8) zu erfüllen, werden folgende Werte ausgewählt: θ = 30 Grad, xW1 = 10,0 µm, xM1 = 5,0 µm, xW2 = 010 µm und xM2 = -5,0 µm. Bei diesem Beispiel sind S&sub2;&sub1; und S&sub2;&sub2;:
Somit wird Gleichung (7') erfüllt. S&sub1;&sub1; und S&sub1;&sub2; sind hierbei:
Somit wird Gleichung (8) erfüllt.
Die vorliegende Ausführungsform ist so angeordnet, daß das Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung oder das Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung daran gehindert wird, auf die Lichtdetektionszone einer jeden Detektionseinrichtung 11 oder 12 aufzutreffen. Durch geeignete Einstellung der Parameter θ, xW1, xM1 u.ä. ist es jedoch möglich, die Schwerpunktpositionen auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung des Lichtes (1, -1 -1, 0)-ter Ordnung und des Lichtes (0, -1, 1)-ter Ordnung oder des Lichtes (-1, 1, 0)-ter Ordnung und des Lichtes (0, 1, -1)-ter Ordnung um einen Abstand innerhalb des detektierbaren Abweichungsbereiches, der größer ist als eine vorgegebene Länge, voneinander zu trennen.
Genauer gesagt, für das erste Signallicht beträgt der rela tive Abstand 11 der Schwerpunkte des Lichtes (1, -1, 0)-ter Ordnung (Licht 7) und des Lichtes (0, -1 -1, 1)-ter Ordnung (Licht 7') auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung:
wobei gilt
Somit können die Parameter f&sub1;, f&sub2;, L, L', xM01, xM1 und θ so eingestellt werden, daß innerhalb des Meßbereiches &epsi;&sub1; ≤ Δδ ≤ &epsi;&sub2; der Abstand 11 immer die folgende Beziehung erfüllt:
worin ¹min die zulassige Minimalgröße für den relativen Schwerpunktsabstand der beiden Lichtanteile 7 und 7' ist, wenn diese auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung einen engen Abstand voneinander einnehmen. Wenn α&sub1; und α&sub2; die 1/e²-Lichtsysteme (Lichtpunktdurchmesser) dieser Licht anteile auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung bezeichnen, dann werden α&sub1; und α&sub2; durch L und die Markengröße in X-Richtung festgelegt, und die Bedingung für die Trennung der beiden Lichtanteile wird vorgegeben durch:
Worin γ eine Konstante ist, die die Bedingung γ > 1,0 erfüllt, wobei normalerweise γ ≥ 2,0 bevorzugt wird. Es wird bevorzugt, daß die Lichtanteile über einen Abstand vonein ander getrennt werden, der mindestens viermal so groß ist als der Lichtpunktdurchmesser, wenn α&sub1; ≈ α&sub2; ist. Eine entsprechende Einstellung sollte in bezug auf das zweite Signallicht vorgenommen werden.
Wenn die Einstellung in der beschriebenen Weise durchgeführt worden ist, ist es möglich, nur die Schwerpunktsposition der Lichtintensitätsverteilung des Lichtes (1, -1, 0)- ter Ordnung beispielsweise durch Auswahl der Ausgangssignale von der Detektionseinrichtung 11 zu detektieren. Genauer gesagt, beispielsweise durch Verwendung eines Sensors vom Ladungsspeichertyp; wie beispielsweise eines CCD o.ä., und durch.Einstellung eines Fensters bei einem derartigen Sensor kann eine Ausgangssignalselektion durchgeführt werden, um eine Detektion der Schwerpunktsposititon der Lichtintensitätsverteilung in einem Bereich von 1/e² der Spitzenintensität zu ermöglichen, beispielsweise um den Spitzenintentsitätspunkt des Lichtes (1, -1 -1, 0)-ter Ordnung.
Ein praktisches Beispiel einer derartigen Parametereinstellung kann wie folgt aussehen: Wenn nur die Schwerpunkte des Lichtes (1, -1 -1, 0)-ter Ordnung und des Lichtes (-1, 1, 0)ter Ordnung des ersten und zweiten Signallichtes detektiert und verarbeitet werden sollen, wird der relative Schwer punktsabstand 1 der beiden zu untersuchenden Lichtanteile auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung in Relation zur Posititonsabweichung Δδ vorgegeben durch:
Somit beträgt die gesamte Detektionsempfindlichkeit β in bezug auf die Positionsabweichung Δδ:
Daher wird, um eine gewünschte Gesamtdetektionsempfindlichkeit β&sub0; (d.h. 200x) zu erreichen, als erstes die Bedingung für die Parametereinstellung wie folgt festgelegt:
Dann werden unter der Bedingung (9-12) in bezug auf das erste Signallicht die Parameter so eingestellt, daß sie die Gleichungen (9-5) bis (9-12) erfüllen. Was das zweite Signallicht anbetrifft, so werden die Parameter so eingestellt, daß sie die durch die nachfolgenden Gleichungen (9- 13) bis (9-15) festgelegten Bedingungen erfüllen, die vom relativen Schwerpunktsabstand 12 auf der Oberfläche der De tektionseinrichtung des Lichtes (-1, 1, 0)-ter Ordnung 8 und des Lichtes (0, 1, -1 -1)-ter Ordnung 8' zu erfüllen sind:
Auf diese Weise werden die Parameter f&sub1;-f&sub4;, L, L', xM01, xM1, xM02, xM2 und e so eingestellt, daß insgesamt acht Gleichungen (9-5) bis (9-8) und (9-12) bis (9-15) erfüllt werden. Da acht Bedingungsgleichungen (einschließlich Ungleichungen) für unbekannte Größen einer Anzahl von elf (11) existieren, liegen keine bestimmten Lösungen vor. Es ist erforderlich, einen Prozeß durchzuführen, bei dem zuerst beispielsweise die Größen f&sub1;&sub7; f&sub3; und L' vorgegeben und dann die numerischen Lösungen ermittelt werden.
Figur 5A zeigt eine berührungslose Belichtungsvorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung (X-Strahlen-Belichtungsvorrichtung), in die die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Figur 4 gezeigt ist, eingearbeitet ist. Wie in der Zeichnung (jedoch nicht in Figur 4) gezeigt , ist die Vorrichtung mit einer Lichtquelle 13, einem Kollimatorlinsensystem (oder einer Strahldurchmesseränderungslinse) 14, einem Ablenkspiegel 15 für das projizierte Licht, einem Aufnahmegehäuse (Ausrichtungskopfgehäuse) 16, einem Plättchentisch 17, einer Pos itionsabweichungssignalverarbeitungseinrichtung 18, einer Plättchentischantriebssteuereinrichtung 19 u.ä. versehen. Mit E ist die Breite des Belichtungslichtes (X- Strahlen-Fluß) in X-Richtung bezeichnet.
Auch bei dieser Ausführungsform wird jede relative Positionsabweichung der Maske (erster Gegenstand) 1 und des Plättchens (zweiter Gegenstand) 2 in entsprechender Weise wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben detektiert.
Ein mit dieser Ausführungsform durchgeführter Ausrichtungs prozeß kann wie folgt ablaufen:

Erstes Beispiel:

Signale, die Verschiebungen Δδ von Schwerpunkten der Lichtanteile auf die Detektionsflächen lla und 12b der Detektionseinrichtungen 11 und 12 repräsentieren und der Positionsabweichung Δδ zwischen zwei Gegenständen entsprechen, werden detektiert. In der Signalverarbeitungseinrichtung 18 wird die Positionsabweichung Δδ zwischen diesen Gegenständen auf der Basis der die Verschiebungen der Schwerpunkte repräsentierenden Signale detektiert. Dann wird die Tischantriebssteuerung 19 betätigt, um den Plättchentisch 17 um einen Betrag zu bewegen, der der detektierten Positionsabweichung Δδ entspricht.

Zweites Beispiel:

Aus den von den Detektionseinrichtungen 11 und 12 abgegebenen Signalen detektiert die Signalverarbeitungseinrichtung 18 eine solche Richtung, daß die Positionsabweichung Δδ gelöscht wird. Die Tischantriebssteuerung 19 wird betätigt, um den Plättchentisch 17 in dieser Richtung zu bewegen. Die vorstehend beschriebenen Operationen werden wiederholt, bis die Positionsabweichung in einen tolerierbaren Bereich gelangt.
Die vorstehend beschriebenen Ausrichtungsvorgänge sind in den Ablaufdiagrammen der Figuren 5B und 5C wiedergegeben.
Aus Figur 5A wird deutlich, daß die Lichtquelle 13 Licht von außerhalb auf den Weg des Belichtungslichtes für die Ausrichtungsmarken 5 und 6 projiziert, und daß die Detektionseinrichtungen 11 und 12, die außerhalb des Belichtungslichtstromes vorgesehen sind, Beugungslichtanteile, die von den Ausrichtungsmarken 3 und 4 außerhalb des Belichtungslichtes ausgehen, zum Zwecke der Positionsdetektion empfangen.
Mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion ist es somit möglich, ein System zu schaffen, bei dem das Aufnahmegehäuse 16 zum Zeitpunkt der Belichtung nicht zurückgezogen werden muß.
Bei einer modifizierten Ausgestaltung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Gleichungen (1), (2'), (3) und (4'), die auf die Einfaliposition des Lichtes (1, -1 -1, 0)-ter Ordnung, des Lichtes (-1, 1, 0)-ter Ordnung, des Lichtes (0, -1, 1)-ter Ordnung und des Lichtes (0, 1, -1)-ter Ordnung auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung bezogen sind, Verwendung finden, um beispielsweise die Lage der Detektionseinrichtungen sowie deren Größe zu bestimmen, so daß die Lichtempfangszone der Detektionseinrichtungen das Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung oder das Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung als Ausrichtungssignallicht empfängt, während ein Empfang der anderen Lichtanteile verhindert wird. Da diese Modifikation eine Anordnung aufweist, die im Grunde der der ersten Ausführungsform entspricht, wird auf eine Erläuterung hiervon verzichtet.
Bei dieser Ausführungsform sind aus Einfachheitsgründen der Einfallwinkel θ des Lichtes auf die Ausrichtungsmarke in der X-Z-Ebene sowie die exzentrischen Parameter xM1 xM2, xW1, xW2 u.ä. die gleichen wie bei der ersten Ausfüh rungsform. Die Lage der Detektionseinrichtungen sowie deren Größe ist jedoch verschieden.
Aus den Gleichungen (9-1) bis (9-4) werden die Mittelpunktskoordinaten (xS, yS, zS) der Detektionseinrichtungen wie folgt eingestellt:
um sicherzustellen, daß nur das Licht (0, -1 -1, 1)-ter Ord nung oder das Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung empfangen wird. In bezug auf yS und zS entspricht diese Ausführungsform der ersten Ausführungsform
Die Größe der Lichtempfangszone der Detektionseinrichtungen wird so eingestellt, daß sie 1,88 mm in X-Richtung entspricht, im Hinblick auf mögliche Größen von S&sub2;&sub1; und S&sub2;&sub2; unter der Bedingung eines detektierbaren Positionsabweichungsbereiches von -3,0 < Δδ < 3,0 (µm).
Unter diesen Bedingungen können die Detektionseinrichtungen nur Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung oder Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung empfangen und die Detektion der Positionsabweichung durchführen, ohne durch das Licht (1, -11 0)-ter Ordnung oder das Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung beeinflußt zu werden.
Bei einer anderen modifizierten Ausgestaltung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine solche Anordnung getroffen werden, daß als Positionsabweichungssignallicht Licht verwendet wird, das eine transmissive Beugung m-ter Ordnung durch eine Ausrichtungsmarke einer Maske, dann eine reflektive Beugung n-ter Ordnung durch eine Ausrichtungsmarke eines Plättchens und dann eine transmissive Beugung l-ter Ordnung wieder durch die Maskenausrichtungsmarke erfahren hat, nämlich Licht (m, n, l)-ter Ordnung, wobei m ≠ 0, n ≠ 0 und 1 ≠ 0 sind.
Bei diesem Beispiel umfaßt jede Ausrichtungsmarke eine eindimensionale Gitterlinse mit zylindrischer Wirksamkeit. Die X-Achse verläuft in die Richtung, in der die optische Wirk samkeit der Linse erzeugt wird. Die Y-Achse verläuft entlang einer Achse, die den Mittelpunkt der Ausrichtungsmarke passiert und die X-Achse innerhalb der Ebene, in der die Ausrichtungsmarke ausgebildet ist, unter einem rechten Winkel schneidet. Die Z-Achse verläuft entlang einer Achse senkrecht zu den X- und Y-Achsen. Wenn einfallendes Licht unter einem Winkel e die X-Z-Ebene trifft und das Licht (m, n, 1)-ter Ordnung, wenn dieses schließlich von der Maskenfläche austritt, einen Winkel 1 besitzt, dann wird dieser Winkel wie folgt definiert:
wobei PM und PW die Abstände der Masken- und Plättchenausrichtungsmarken in der Y-Z-Ebene sind, die keine lichtkon vergierende oder divergierende Funktion (optische Wirksamkeit) besitzen, und λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtes wiedergibt
Aus Gleichung (10) wird deutlich, daß die zur gleichen Zeit auf die Lichtdetektionsfläche treffendetilichtanteile gemäß einem ersten Beispiel diejenigen Lichtanteile sein sollten, die einer solchen Kombination von Beugungsordnungen entsprechen, die die folgenden Bedingungen erfüllen:
d.h. Transmissionslichtanteile l-ter Ordnung, die von der Maskenausrichtungsmarke mit m-ter Ordnung durchgelasen worden sind und wieder eine "l" genügende Gleichung (10') besitzen. Was das Positionsabweichungssignallicht anbetrifft, so stellt es eine notwendige Bedingung für die vergrößerte Abweichungsdetektion unter Verwendung von Gitterlinsen dar, daß n 0 ist und daß mindestens einer der Faktoren m und 1 nicht gleich 0 ist.
Wenn man die Brennweite einer Maskenausrichtungsmarke entsprechend Beugungslicht i-ter Ordnung mit fim und die Brennweite einer Plättchenausrichtungsmarke 3 entsprechend Beugungslicht j-ter Ordnung mit fjw bezeichnet, ist aus der effektiven Schwerpunktsposition des Lichtes (m, n, l)-ter Ordnung die Positionsabweichungsdetektionsvergrößerung β auf der Detektionseinrichtung für das Licht (m, n, l)-ter Ordnung erhältlich durch:
wobei L&sub1; erhältlich ist aus:
und L&sub2; der Abstand von der Mitte der Maskenmarke bis zur Mitte der Detektionsfläche ist.
Die Einfallposition S des Lichtes (m, n, l)-ter Ordnung auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung wird wie bei der ersten Ausführungsform unter Verwendung des Einfallwinkels O des Lichtes in der X-Z-Ebene und der X-Achsen-Mittenpositionen xM0 und xW der Gitterlinsen (Ausrichtungsmarken) wie folgt ausgedrückt:
Wenn man davon ausgeht, daß das Licht (m, n, l)-ter Ordnung auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung abgebildet wird, dann wird L&sub2; erhalten durch:
Wenn die Brennweite der Maskenausrichtungsmarke entsprechend dem positiven Beugungslicht erster Ordnung mit f&sub1;M bezeichnet wird, dann kann allgemein f&sub1;M (fmm) ausgedrückt werden als:
Wenn die Abbildungsebenenposition des Lichtes (m', n', l')ter Ordnung, wobei m' ≠ m, n' ≠ n oder l' ≠ l ist, einen Abstand L&sub2;' von der Maskenoberfläche besitzt, wird bei dieser Ausführungsform die optische Anordnung einschließlich der Detektionseinrichtungen und anderen optischen Elementen so bestimmt, daß das Licht (m', n', l')-ter Ordnung, das die nachfolgende Gleichung (14) erfüllt, d.h. das Licht, das etwa die gleiche Intensität wie das Licht (m, n, l)-ter Ordnung auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung besitzt, daran gehindert, die Lichtempfangszone der Oberfläche der Detektionseinrichtung zu erreichen.
Gleichung (14) gibt wieder, daß für den Abstand L&sub2; zur Konvergenzpunktposition des Lichtes (m, n, l)-ter Ordnung der Abstand L&sub2;' zur Konvergenzpunktposition des Lichtes (m', n', l')-ter Ordnung die gleiche Größe wie L&sub2; besitzt und damit etwa die gleiche Intensitätskonzentration aufweist.
L&sub2;' kann erhalten werden durch:
Unter Verwendung von Gleichung (13) kann die obere Gleichung umgeschrieben werden als:
Dann wird auf der Basis von Gleichung (10') die Beugungsordnung (m', n', l'), mit der der Abstand L&sub2;1&sub7; ermittelt durch Gleichung (15-1'), und der Abstand L&sub2; des Lichtes (m, n, 1)-ter Ordnung von der Endfläche zur Abbildungsebene die Gleichung (14) erfüllen, ermittelt. Mit anderen Worten, durch Substitution von n' = n und m + l m' + l' in Gleichung (15-1') und durch Umschreiben der Gleichung in bezug auf m' wird nachfolgendes erhalten:
Andererseits gilt
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Berechnung der Einfallposition des Lichtes auf der Basis von Gleichung (11) in bezug auf einen solchen Satz von Beugungsordnungen m' n' und l' bewirkt, für den für die speziellen Werte f&sub1;M, f&sub1;W und g sowie die Beugungsordnungen m, n, l das Verhältnis der Abbildungsebenenposition L&sub2; des Lichtes (m, n, l)- ter Ordnung und der Abbildungsebenenposition L2' des Lichtes (m', n', l')-ter Ordnung, d.h. die Differenz L&sub2; - L2' hierzwischen, die Gleichung (14) erfüllt. Dann werden der Lichtprojektionswinkel (Einfallwinkel) O und die Brennweiten der Ausrichtungsmarken sowie die Lagen der Detektionseinrichtungen ermittelt, um sicherzustellen, daß der Abstand zwischen den Einfallpositionen dieser Lichtanteile auf die Oberfläche der Detektionseinrichtungen mindestens Gleichung (9-8) erfüllt, oder um alternativ sicherzustellen, daß die Bedingung erfüllt wird, daß das Licht (m', n', l')-ter Ordnung auf die Lichtempfangszone der Oberfläche der Detektionseinrichtung trifft, d.h. die nachfolgende Bedingung, erfüllt wird:
Genauer gesagt, aus Gleichung (1) ergibt sich, daß die Einfallposition 5 des Lichtes (m, n, l)-ter Ordnung auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung in X-Richtung beträgt:
In entsprechender Weise beträgt die Einfailposition S' des Lichtes (m', n', l')-ter Ordnung auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung:
worin bedeuten
Daher werden die Parameter so eingestellt, daß sichergestellt wird, daß der relative X-Achsen-Schwerpunktsabstand 1 = S - S' auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung des Lichtes (m, n, l)-ter Ordnung und des Lichtes (m', n', l')-ter Ordnung, wie durch die obigen Gleichungen festgelegt, die Gleichung (9-8) erfüllt und daß die Beziehung 1 ≥ 1min immer erfüllt wird. Der praktische Prozeß der Parametereinstellung entspricht im wesentlichen dem bei der ersten Ausführungsform
Durch Detektion der Schwerpunktsposition von nur einem Positionsabweichungssignallicht ist es somit möglich, die Größe der Positionsabweichung zu ermitteln. Daher ist es möglich, Fehlerfaktoren bei der Detektion zu vermeiden, wie beispielsweise eine Änderung in der effektiven Abweichungsdetektionsempfindlichkeit (Vergrößerung) aufgrund einer Änderung im Verhältnis der Größe von mehreren Lichtanteilen, die auf die Oberfläche der Detektionseinrichtungen treffen und dort zusammentreffen.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird das Phänomen, daß sich der Abstand der Schwerpunktspositionen in X-Richtung auf zwei Lichtdetektionseinrichtungen proportional zur relativen Positionsabweichung in X-Richtung einer Maske und eines Plättchens ändert, ausgenutzt, und es wird die Änderung des Abstandes detektiert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann die Erfindung auch bei einer Anordnung Anwendung finden, bei der eine einzige Detektionseinrichtung und ein einziger Lichtstrahl verwendet werden und die relative Positionsabweichung der Maske und des Plättchens auf der Basis einer proportionalen Beziehung zwischen (i) der Größe der Abweichung der Schwerpunktsposition des Beugungslichtes auf der einzigen Detektionseinrichtung gegenüber einer voreingestellten Bezugsposition hierauf und (ii) die Größe der relativen Positionsabweichung der Maske und des Plättchens detektiert werden. Des weiteren können zwei Lichtstrahlen, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, in eine einzige Detektionseinrichtung eingegeben werden.
Ein Positionsdetektionssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die folgenden Merkmale: Eine Ausrichtungsmarke mit einer Wellenfrontumwandlungs- oder. Lichtbeugungsfunktion ist an einem ersten Gegenstand vorgesehen, während eine andere Ausrichtungsmarke mit einer Wellenfrontumwandlungs- oder Lichtbeugungs funktion an einem zweiten Gegenstand vorgesehen ist. Licht von einer Lichtprojektionseinrichtung, das durch die Wellenfrontumwandlungsfunktionen dieser Ausrichtungsmarken des ersten und zweiten Gegenstandes beeinflußt worden ist, wird auf eine vorgegebene Ebene gerichtet. Durch Detektion der Einfallposition dieses Lichtes auf die vorgegebene Ebene über eine Detektionseinrichtung wird die relative Positionsabweichung zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand bestimmt. Die Ausrichtungsmarke des zweiten Gegenstandes ist außerhalb eines Bereiches ausgebildet, in dem das Licht, das eine Beugung nullter Ordnung durch die Ausrichtungsmarke des ersten Gegenstandes erfahren hat, auf den zweiten Gegenstand trifft.
Gemäß einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erste Gegenstand mit zwei Ausrichtungsmarken A1 und A2 versehen, die jeweils eine Wellenfrontumwandlungsfunktion besitzen, während der zweite Gegenstand mit zwei Ausrichtungsmarken B1 und B2 versehen ist, die jeweils eine Wellenfrontumwandlungsfunktion aufweisen. Von Licht von einer Lichtprojektionseinrichtung werden ein erstes Licht, das durch die Wellenfrontumwandlungsfunktionen der Ausrichtungsmarken A1 und B1 des ersten und zweiten Gegenstandes beeinflußt worden ist, und ein zweites Licht, das durch die Wellenfrontumwandlungsfunktionen der Ausrichtungsmarken A2 und B2 des ersten und zweiten Gegenstandes beeinflußt worden ist, auf eine vorgegebene Ebene gerichtet. Durch Detektion der Einfallpositionen dieser Lichtanteile auf die vorgegebene Ebene über eine Detektionseinrichtung wird die relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes ermittelt. Zwei Ausrichtungsmarken des ersten Gegenstandes oder des zweiten Gegenstandes sind in einem einzigen Bereich in einer sich überlappenden oder benachbarten Beziehung ausgebildet, und zwei Ausrichtungsmarken des zweiten Gegenstandes sind außerhalb eines Bereiches ausgebildet, in dem das Licht, das eine Beugung nullter Ordnung durch die beiden Ausrichtungsmarken des ersten Gegenstandes erfahren hat, auf den zweiten Gegenstand trifft.
Gemäß einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die beiden Ausrichtungsmarken A1 und A2 oder die beiden Ausrichtungsmarken B1 und B2 von einer einzigen und gemeinsamen Marke gebildet.
Genauer gesagt, wenn bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Gegenstandsfläche A den ersten Gegenstand und eine Gegenstandsfläche B den zweiten Gegenstand bildet, werden eine erste und eine zweite Signalerzeugungsausrichtungsmarke A1 und A2, die jeweils als physikalisches optisches Element mit Wellenfrontumwandlungsfunktion dienen, auf der Gegenstandsfläche A in getrennter Relation ausgebildet, um eine vorgegebene Bedingung zu erfüllen. Auch auf der anderen Gegenstandsfläche B werden eine erste und zweite Signalerzeugungsausrichtungsmarke B1 und B2, die ebenfalls jeweils als physikalisches optisches Element dienen, benachbart zueinander ausgebildet. Licht wird auf die Ausrichtungsmarke A1 geführt, und hierdurch erzeugtes Beugungslicht wird der Ausrichtungs marke B1 zugeführt. Beugungslicht von der Ausrichtungsmarke B1 trifft auf eine vorgegebene Ebene, und der Schwerpunkt des auf diese Ebene treffenden Lichtes wird von einer ersten Detektionseinrichtung detektiert als Einfallposition des ersten Signallichtes.
Der hier verwendete Begriff "Schwerpunkt des Lichtes" ist ein Punkt, bei dem, wenn auf einer Lichtempfangsfläche ein Positionsvektor eines jeden Punktes auf der Fläche mit der Lichtintensität dieses Punktes multipliziert wird und die auf diese Weise erhaltenen Produkte über die gesamte Fläche integriert werden, der integrierte Wert einen "Nullvektor" aufweist. Als Alternative kann jedoch auch die Position eines Spitzenpunktes der Lichtintensität detektiert werden.
In entsprechender Weise wird Licht der Ausrichtungsmarke A2 zugeführt, und hierdurch verursachtes Beugungslicht wird auf die Ausrichtungsmarke B2 gerichtet. Der Schwerpunkt des Beugungslichtes von der Ausrichtungsmarke B2 auf einer vorgegebenen Ebene wird von einer zweiten Detektionseinrichtung als Einfallposition des zweiten Signallichtes detektiert. Unter Verwendung der beiden Daten von der ersten und zweiten Detektionseinrichtung wird die Positionierung der Gegenstände A und B durchgeführt. Um die Auswirkungen des Lichtes (m', n', l')-ter Ordnung, die in bezug auf das Licht (m, n, l)-ter Ordnung einen Detektionsfehlerfaktor bewirkt, zu verhindern, werden die Faktoren, wie die Ausrichtungsmarkenposition, die Einfalirichtung des auftreffenden Lichtes o.ä., in der beschriebenen Weise eingestellt.
Bei dieser Ausgestaltung der vorliegenden Ausführungsform werden die Ausrichtungsmarken A1, A2, B1 und B2 so eingestellt, daß die Schwerpunktsposition des auf die erste Detektionseinrichtung treffenden Lichtes und die Schwerpunktsposition des auf die zweite Detektionseinrichtung treffenden Lichtes in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung zwischen den Gegenständen A und B in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden.
Figur 6 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung des Prinzips eines zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung sowie zur Darstellung von dessen strukturellen Merkmalen. Figur 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Haupteiles einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Basis der Konstruktion der Figur 6.
In diesen Figuren ist mit 1 ein erster Gegenstand (Gegenstandsfläche A) bezeichnet, bei dem es sich beispielsweise um eine Maske handelt, und mit 2 ist ein zweiter Gegenstand (Gegenstandsfläche B) bezeichnet, der beispielsweise ein Plättchen ist. Dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine relative Positionsabweichung zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand detektiert werden soll.
Da bei dieser Ausführungsform das den ersten Gegenstand 1 durchdringende und vom zweiten Gegenstand 2 reflektierte Licht wieder den ersten Gegenstand 1 durchdringt und hierdurch eine Beugung nullter Ordnung erfährt, ist in Figur 3 der erste Gegenstand doppelt dargestellt. Mit 5 und 3 sind Ausrichtungsmarken bezeichnet, die am ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 vorgesehen sind, um ein erstes Signallicht zu erhalten. In entsprechender Weise sind mit 6 und 4 Ausrichtungsmarken bezeichnet, die am ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 angeordnet sind, um ein zweites Signallicht zu gewinnen. In Figur 6 sind die optischen Wege dargestellt, wobei die Ausrichtungsmarken 3 und 4 durch äquivalente Ausrichtungsmarken vom Durchlaßtyp ersetzt sind.
Jede der Ausrichtungsmarken 3-6 umfaßt ein optisches Element mit Wellenfrontumwandlungsfunktion, das als physikalisches optisches Element dient, wie beispielsweise eine Gitterlinse mit optischer Wirksamkeit (wie beispielsweise einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Linsenfunk tion) oder ein Beugungsgitter ohne Linsenfunktion.
Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Ausrichtungsmarken 5 und 6, die am ersten Gegenstand 1 vorgesehen sind, voneinander in Ausrichtungsrichtung oder Positionsabwei chungsdetektionsrichtung (X-Richtung) um eine vorgegebene Distanz voneinander beabstandet. Dem gegenüber sind die beiden Ausrichtungsmarken 3 und 4, die am zweiten Gegenstand 2 vorgesehen sind, benachbart zueinander angeordnet. Hier ist die Ausrichtungsmarkeneinstellung derart, daß dann, wenn Licht von einer Lichtquelleneinrichtung (nicht gezeigt) auf die beiden Ausrichtungsmarken 5 und 6 des ersten Gegenstandes 1 trifft und eine Beugung nullter Ordnung durch die Ausrichtungsmarken 5 und 6 erfährt (einfach durchgelassen wird) sowie auf die Oberfläche des zweiten Gegenstandes 2 trifft, die beiden Ausrichtungsmarken 3 und 4 außerhalb des Bereiches positioniert werden, auf den das Licht trifft.
Es ist nicht erforderlich, daß die Ausrichtungsmarken 3 und 4 des zweiten Gegenstandes vollständig außerhalb des Einfallbereiches des Beugungslichtes nullter Ordnung angeordnet sind. Vielmehr können diese diesen Bereich teilweise überlappen. Wenn als Beispiel der Bereich des überlappten Abschnittes nicht größer ist als etwa 30 % der Fläche der Ausrichtungsmarke, kann der Gegenstand der vorliegenden Erfindung in ausreichender Weise erreicht werden. Hierdurch wird in wirksamer Weise die Intensität des unerwünschten Beugungslichtes gegenüber dem Signallicht bis auf ein Niveau reduziert, das nicht größer ist als ein Drittel des Signallichtes. Daher kann die Auswirkung des unerwünschten Beugungslichtes auf die Positionsabweichungsdetektion klein gehalten werden.
Mit 9 ist eine Plättchenrißlinie und mit 10 eine Maskenriß linie bezeichnet. Jede Ausrichtungsmarke wird auf der entsprechenden Rißlinie ausgebildet. Mit 7 und 8 sind das erste und zweite Ausrichtungssiguallicht bezeichnet, während mit 7' und 8' (unerwünschte) Beugungslichtanteile vorgegebener Ordnungen in bezug auf das erste und zweite Signallicht 7 und 8 bezeichnet sind, die einen Detektionsfehlerfaktor verursachen.
Bei dieser Ausführungsform wird das erste Signallicht 7 durch Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung gebildet, das zweite 30 Signallicht 8 durch Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung, das Licht 7' durch Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung und das Licht 8' durch Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung, wie bei der ersten Ausführungsform.
Mit 11 und 12 sind eine erste und zweite Detektionseinrichtung zum Detektieren des ersten und zweiten Signallichtes 7 und 8 bezeichnet. Jede der ersten und zweiten Detektionseinrichtung umfaßt beispielsweise einen eindimensionalen (linearen) CCD-Sensor, dessen Abtastelemente in X-Achsen- Richtung angeordnet sind.
Zur bequemen Erläuterung ist die optische Distanz vom zweiten Gegenstand 2 bis zur ersten Detektionseinrichtung 11 oder zur zweiten Detektionseinrichtung 12 mit L bezeichnet. Mit g ist die Distanz zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 bezeichnet. Mit f&sub1; und f&sub3; sind die Brennweiten der Ausrichtungsmarken 5 und 6 bezeichent. Δδ bezeichnet die relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes 1 und 2. Mit S&sub1; und S&sub2; sind die Verschiebungen der Schwerpunktspositionen des ersten und zweiten Signallichtes auf der ersten und zweiten Detektionseinrichtung gegenüber den Positionen bei korrekter Ausrichtung bezeichnet. Zeckmäßigerweise wird das von einer nicht ge zeigten Lichtquelle auf den Gegenstand 1 geführte Ausrichtungslicht von einer ebenen Welle gebildet. Die Vorzeichen sind so wie dargestellt.
Jede der Verschiebungen S&sub1; und S&sub2; kann geometrisch als Schnittpunkt zwischen (i) der Lichtempfangsfläche der ersten (oder zweiten) Detektionseinrichtung 11 oder 12 und (ii) der Geraden, die den Brennpunkt F&sub1; (F&sub2;) der Ausrichtungsmarke 5 (6) und die Mitte der optischen Achse der Ausrichtungsmarke 3 (4) miteinander verbindet, bestimmt wer den. Daher wird die entgegengesetzte Richtung der Verschiebungen S&sub1; und S&sub3; der Schwerpunkte dieser Lichtanteile in Abhängigkeit von einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes 1 und 2 durch eine inverse Beziehung der Vorzeichen der optischen
Abbildungsvergrößerungen der Ausrichtungsmarken 3 und 4 3 erzielt.
Bei dieser Ausführungsform können folgende beispielhafte Lichtquellen verwendet werden: eine Lichtquelle, wie ein Halbleiterlaser, ein He-Ne-Laser, ein Ar-Laser o.α., mit der kohärentes Licht emittiert werden kann, und eine Lichtquelle, wie eine lichtemittierende Diode o.ä., mit der inkohärentes Licht emittiert werden kann.
Wie in Figur 7 gezeigt, handelt es sich bei dieser Ausführungsform bei dem Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung, das das Licht 7 darstellt, sowie bei dem Licht (-1, 1, 0) -ter Ordnung, das das Licht 8 darstellt, um die Lichtanteile, die auf die Ausrichtungsmarken 5 und 6 auf der Oberfläche der Maske 1 jeweils unter einem vorgegebenen Winkel treffen, die dann von diesen Marken transmissiv gebeugt und dann von den Ausrichtungsmarken 3 und 4 auf der Oberfläche des Plättchens 2 reflektiv gebeugt werden und die dann auf die Detektionseinrichtungen 11 und 12 treffen. Andererseits handelt es sich bei dem Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung, das das Licht 7' bildet, sowie bei dem Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung, das das Licht 8' darstellt, um die Lichtanteile, die von Ausrichtungsmarken 5 und 6 einer Maske 1 mit nullter Ordnung durchgelassen werden, dann von den Ausrichtungsmarken 3 und 4 auf der Oberfläche des Plättchens 2 reflektiv gebeugt und dann von den Ausrichtungsmarken 5 und 6 auf der Oberfläche der Maske 1 transmissiv gebeugt werden und schließlich auf einen Bereich außerhalb der Detektions einrichtungen 11 und 12 treffen. Alternativ dazu beeinflussen diese Lichtanteile, wenn sie auf die Detektionseinrichtungen 11 und 12 treffen, die Detektion des ersten und zweiten Signallichtes nicht nachteilig, und die Ausrichtungsmarken 3-6 werden so eingestellt.
Die Schwerpunktspositionen des ersten und zweiten Ausrichtungslichtes 7 und 8, die auf die entsprechenden Detektionseinrichtungen 11 und 12 treffen, werden detektiert. Durch Verwendung der Ausgangssignale von den Detektionsein richtungen 11 und 12 kann jede Positionsabweichung der Maske 1 und des Plättchens 2 detektiert werden.
Als nächstes wird der Projektionswinkel des Lichtes auf eine Ausrichtungsmarke in bezug auf eine Normale auf die Ausrichtungsmarkenfläche (Figur 6) sowie die Einfallposition des Lichtes auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung Δδ des ersten und zweiten Gegenstandes beschrieben.
Wenn die Mittenposition (Position der optischen Achse) der ersten Ausrichtungsmarke 5 des ersten Gegenstandes mit (xm01, yM01, 0) und die Position des Abbildungspunktes von parallelem Licht, das auf die Ausrichtungsmarke mit einem Winkel O in der X-Z-Ebene trifft, mit (xM1, yM1, zM1) bezeichnet wird, dann folgt zM1 = -f&sub1;.
Die Mittenposition (Position der optischen. Achse) der Ausrichtungsmarke 3 des zweiten Gegenstandes, wenn keine relative Positionsabweichung vorhanden ist, wird mit (xW1, yW1, -g) bezeichnet und die Ausrichtungsmarke 3 wird so ausgebildet, daß sie in einer Position (xS&sub1;, yS&sub1;, zS&sub1;) ein Bild einer Punktlichtquelle (Punktbild) bildet, das sich in der Position (xM1, yM1, -f&sub1;) befindet, wenn keine Positionsabweichung vorhanden ist. In entsprechender Weise wird die Mittenposition (Position der optischen Achse) der Ausrichtungsmarke 6 des ersten Gegenstandes mit (xM02, yM02, 0) bezeichnet. Wie bei der Ausrichtungsmarke 5 wird die Abbildungspunktposition parallelen Lichtes, das auf die Ausrichtungsmarke 6 unter einem Winkel θ in der X-Z-Ebene trifft, mit (xM2, yM2, -f&sub3;) bezeichnet. Die Mittenposition (Position der optischen Achse) der Ausrichtungsmarke 4, wenn keine Positionsabweichung vorhanden ist, wird mit (xW2, yW2, -g) bezeichnet, und die Marke 4 wird so ausgebildet, daß sie in der Position (xS2, yS2, zS2) ein Bild einer Punktlichtquelle (Punktbild) erzeugt, das die Position (xM2, yM2, -f&sub3;) einnimmt, wenn keine Positionsabweichung vorhanden ist. Ferner wird die Distanz von der Maskenoberfläche 26 bis zur Oberfläche der Detektionseinrichtung mit L bezeichnet.
Wenn bei der vorstehenden Parametereinstellung die Verschiebung der Schwerpunktsposition des Lichtes (1, -1, 0)- ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 7 handelt, auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung Δδ des zweiten Gegenstandes relativ zum ersten Gegenstand mit S&sub1;&sub1; bezeichnet wird, dann gilt die folgende Gleichung:
Wenn die Verschiebung der Schwerpunktsposition des Lichtes (-1, 1, 0) -ter Ordnungw bei dem es sich um das Licht 8 handelt, auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung mit S&sub1;&sub2; bezeichnet wird, dann gilt die folgende Gleichung:
Aus den allgemeinen Beziehungen der Linsenabbildungseigenschaften folgt:
xMi und xWi sind die Größen, die von den Ablenkwinkeln in bezug auf den Hauptstrahl des einfallenden Lichtes der Ausrichtungsmarken des ersten und zweiten Gegenstandes sowie von den Brennweiten dieser Marken festgelegt werden. Sie können wie folgt ausgedrückt werden:
Der Mittelpunkt des Ausrichtungsmarkeneinstellbereiches des ersten Gegenstandes wird als Ursprung genommen. Die X-Achse wird auf der Ausrichtungsmarkenfläche in eine Richtung gelegt, in der die Positionsabweichung detektiert werden soll. Die Y-Achse wird in einer Richtung senkrecht zur X- Achse gelegt, während die Z-Achse in der Richtung einer Normalen auf die Ausrichtungsmarkenfläche gelegt wird.
Die Detektionseinrichtung besitzt eine Lichtempfangszone, deren Mitte mit (xS, yS, zS) bezeichnet wird. Diese Lichtempfangszone besitzt eine rechteckige Form einer Größe d&sub1; in X-Richtung und d&sub2; in einer Richtung senkrecht hierzu.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die relative Distanz d in X-Richtung der Einfailpositionen der beiden Lichtanteile 7 und 8 (Lichtmengenschwerpunktspositionen hiervon) auf die Detektionsfläche gemessen. Aus der Differenz der gemessenen relativen Distanz d gegenüber einer Bezugslänge d&sub0;, d.h. aus der Differenz s = d - d&sub0;, wird die Positionsabweichung Δδ ermittelt. Hierbei gelten:
worin gilt
Aus Gleichung (25) wird Differenz 5 erhalten durch:
Wenn
gilt, dann gibt α die Detektionsverzögerung in bezug auf eine Positionsabweichung Δδ wieder. Wenn daher α aus S/α bekannt ist, ist es möglich, die Positionsabweichung Δδ zu ermitteln.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, daß zusätzlich zu den Lagen der Ausrichtungs marken, wie in Figur 6 gezeigt, die Bahn des ersten Signallichtes 7 die Bahn des zweiten Signallichtes 8 im Verlauf der Konvergenz auf die Detektionsfläche schneidet.
Parallellicht mit Gauß'scher Verteilung mit einer Spitze der Intensitätsverteilung in der Nachbarschaft eines Mittelpunktes O der Ausrichtungsmarken 5 und 6 wird auf den ersten Gegenstand (Maske) 1 projiziert, wobei sich die Bahnen des ersten und zweiten Signallichtes 7 und 8 schneiden. Bei dieser Anordnung haben die Erfinder als Ergebnis einer Strahlensimulation festgestellt, daß sich der relative Schwerpunktsabstand d der beiden Lichtanteile auf der Detektionsfläche im wesentlichen nicht ändert, selbst wenn sich der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand (Maske und Plättchen) ändert.
Somit wird bei der vorliegenden Ausführungsform in wirksamer Weise das Auftreten eines Fehlers in der Positionsabweichungsmessung durch eine Änderung der relativen Lichtmenge des Lichtes (1, -1, 0)-ter Ordnung und des Lichtes (0, -1, 1)-ter Ordnung oder eine Änderung im Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand reduziert.
Selbstverständlich kann die vorliegende Ausführungsform auch bei einer Vorrichtung zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen vom Näherungstyp bzw. berührungslosen Typ Verwendung finden, wie sie in den Figuren 5A-5C gezeigt ist.
Figur 8 ist eine schematische Darstellung, die eine modifizierte Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform zeigt. Entsprechende Elemente weisen gleiche Bezugszeichen wie in Figur 6 auf.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Gegenstand 1 mit einer Ausrichtungsmarke 5 versehen, die von einer einzigen kontinuierlichen Zone gebildet wird, während der zweite Gegenstand 2 mit zwei Ausrichtungsmarken 3 und 4 versehen ist, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind. Die Ausrichtungsmarken 3 und 4 sind außerhalb eines solchen Bereiches angeordnet, in dem das auf die Ausrichtungsmarke 5 des ersten Gegenstandes 1 geführte und hieran mit nullter Ordnung gebeugte Licht auf den zweiten Gegenstand trifft.
Bei dieser Ausführungsform wird aus Beguemlichkeitsgründen das von der Wellenfrontumwandlungsfunktion an der Oberfläche des zweiten Gegenstandes 2 beeinflußte Licht so dargestellt, als würde es durch den zweiten Gegenstand 2 durchgelassen. Tatsächlich kann jedoch dieses Licht von der Oberfläche des zweiten Gegenstandes 2 reflektiert und dann von der Oberfläche des ersten Gegenstandes 1 mit nullter Ordnung transmissiv gebeugt werden.
10 Was die Lagen der Ausrichtungsmarken anbetrifft, so sind die Ausrichtungsmarken 3 und 4 getrennt voneinander angeordnet, um zu verhindern, daß die Ausrichtungsmarken 3 und 4 des zweiten Gegenstandes 2 unmittelbar unterhalb der Ausrichtungsmarke 5 des ersten Gegenstandes 1 angeordnet sind, wenn im wesentlichen keine Positionsabweichung vorliegt, oder die Größe und Lage einer jeden Ausrichtungsmarke werden so festgelegt, daß dann, wenn die Ausrichtungsmarke des zweiten Gegenstandes 2 teilweise unmittelbar unter der Ausrichtungsmarke 5 des ersten Gegenstandes 1 liegt, das Gebiet des Bereiches, in dem sich die Ausrichtungsmarke des ersten Gegenstandes 1, die auf die Oberfläche des zweiten Gegenstandes 2 projiziert wird, mit den.Ausrichtungsmarken 3 und 4 des zweiten Gegenstandes 2 überlappt, ausreichend klein gehalten wird, d.h. beispielsweise nicht größer als 30 % des Gesamtbereiches der Ausrichtungsmarken des zweiten Gegenstandes.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausrichtungsmarkeneinstellung ist bei der ersten Ausführungsform das erste Signal licht 7 Licht, das von der Ausrichtungsmarke (Gitterlinse) 5 der Maske 1 mit positiver erster Ordnung gebeugt und durch den ersten Gegenstand 1 in der Form von konvergentem Licht durchgelassen wird und dann mit erster Ordnung von der Ausrichtungsmarke 4 des zweiten Gegenstandes 2 gebeugt und von der Oberfläche des zweiten Gegenstandes 2 reflektiert und dann mit nullter Ordnung durch den ersten Gegenstand 1 durchgelassen wird und schließlich auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung 11 zusammengeführt wird.
Die Wellenfrontumwandlungswirkung der Gitterlinse (Ausrichtungsmarke) 4 des zweiten Gegenstandes 2 stellt eine Lichtdivergierungswirkung dar, und die Gitterlinse 4 dient als Konkavlinse.
Das zweite Signallicht 8 ist Licht, das durch eine negative Beugung erster Ordnung (Konkavlinsenwirkung) der Ausrichtungsmarke 5 des ersten Gegenstandes beeinflußt und dann in der Form von divergentem Licht durch den ersten Gegenstand 1 durchgelassen wird, dann durch eine reflektive Beugung erster Ordnung der Ausrichtungsmarke 3 des zweiten Gegenstandes (der als Konveximse dient) beeinflußt und dann nach dem Durchdringen der Maske 1 schließlich wie das erste Signallicht 7 auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung 12 zusammengeführt wird.
Wie vorstehend beschrieben, werden bei der vorliegenden Ausführungsform zwei Lichtanteile, die ein unterschiedliches Vorzeichen in bezug auf die Beugungsordnung (positiv und negativ) besitzen, von der Gitterlinse (Ausrichtungsmarke) 5 des ersten Gegenstandes (Maske) 1 erzeugt, und diese Lichtanteile werden über unterschiedliche Wellenfrontumwandlungswirkungen der Gitterlinsen (Ausrichtungsmarken) 3 und 4, die in unterschiedlichen Bereichen auf der Oberfläche des zweiten Gegenstandes (Plättchens) 2 angeordnet sind, beeinflußt. Dann wird aus den Schwerpunktspositionen der Lichtintensitätsverteilungen der beiden Lichtanteile auf der Detektionsfläche 26 der relative Schwerpunktsabstand dieser beiden Lichtanteile detektiert, und in einer Weise ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform wird die relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes bestimmt. Auch wird bei der vorliegenden Ausführungsform wie bei der zweiten Ausführungsform auf den Detektionseinrichtungen 11 und 12 das von der Kombination der Ausrichtungsmarken 4 und 5 gebeugte Licht, d.h. ein einziges Signallicht, nämlich das Licht 7 (1, -1, 0)-ter Ordnung fokussiert, und das von der Kombination der Ausrichtungsmarken 3 und 5 gebeugte einzige Signallicht, d.h. das Licht 8 (-1, 1, 0)-ter Ordnung wird fokussiert. Auf diese Weise kann als Signallicht ein einziges Licht mit einer Historie von vorgegebenen Beugungsordnungen empfangen werden. Daher kann das Auftreten eines Positionsabweichungsmeßfehlers durch Konvergenz von mehreren Lichtanteilen mit unterschiedlichen Historien von Beugungs ordnungen unterdrückt werden.
Bei diesen Ausführungsformen wird von dem pHänomen Gebrauch gemacht, daß sich der Abstand in X-Richtung der Schwerpunktpositionen auf zwei Lichtdetektionseinrichtungen proportional zur relativen Positionsabweichung in X-Richtung eines ersten Gegenstandes (Maske) und eines zweiten Gegenstandes (Wafer) verändert, und es wird die Änderung des Abstandes detektiert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt. Beispielsweise kann die Erfindung auch bei einer Anordnung Anwendung finden, bei der die relative Positionsabweichung der Maske und des Wafers auf der Basis der proportionalen Beziehung zwischen (i) der Größe der Abweichung der Schwerpunktsposition des Beugungslichtes einer einzigen Detektionseinrichtung gegen über einer daran eingestellten vorgegebenen Bezugsposition und (ii) der Größe der relativen Positionsabweichung der Maske und des Wafers detektiert wird.
Des weiteren kann wie bei der ersten Ausführungsform das Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung oder das Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung als Signallicht verwendet werden, während die Erzeugung oder die Reduzierung der Intensität des Lichtes (1, -1, 0)-ter Ordnung oder des Lichtes (-1, 1, 0)-ter Ordnung verhindert wird.
Ein Positionsdetektionssystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Merkmale auf: Wenn eine relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes, die einander gegenüberhe gen, detektiert werden soll, wird der erste Gegenstand mit zwei Ausrichtungsmarken A1 und A2 versehen, die jeweils eine Wellenfrontumformfunktion besitzen, und der zweite Gegenstand wird mit zwei Ausrichtungsmarken B1 und B2 ausgestattet, die jeweils eine Wellenfrontumformfunktion aufweisen. Licht von einer Lichtprojektionseinrichtung wird schief auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes projiziert, und zwar von einer von gegenüberliegenden Seiten einer Bezugsebene, die durch eine Normale auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes definiert ist, und in einer Richtung senkrecht zur Detektionsrichtung der Posititonsabweichung. Das Licht wird durch die Wellenfrontumformfunktionen der Ausrichtungsmarken A1 und B1 beeinflußt, so daß ein erstes (Signal) Licht erzeugt wird. Ferner wird Licht von der Lichtprojektionseinrichtung von der anderen Seite der Bezugsebene schief auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes projiziert, und dieses Licht wird von den Wellenfrontumformfunktionen der Ausrichtungsmarken A2 und B2 beeinflußt, so daß ein zweites (Signal) Licht erzeugt wird. Das erste und zweite Signallicht wird auf eine vorgegebene Ebene gerichtet, und die Einfallposition des ersten Lichtes und des zweiten Lichtes auf diese Ebene wird über eine Detektionseinrichtung detektiert. Die relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes wird durch Verwendung eines Ausgangssignales von der Detektionseinrichtung bestimmt.
Insbesondere sind gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung die beiden Ausrichtungsmarken A1 und A2, die am ersten Gegenstand vorgesehen sind, in der Positionsabweichungsdetektionsrichtung in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet. Die Einfallwinkel der von der Lichtprojektionseinrichtung auf die beiden Ausrichtungsmarken A1 und A2 abgegebenen Signallichtanteile sind so eingestellt, daß sich die Wege der regulär reflektierten Lichtanteile von den Oberflächen der Ausrichtungsmarken nicht schneiden.
Das erste und zweite (Signal) Licht wird durch die Abbildungswirkung der entsprechenden Ausrichtungsmarke beeinflußt, und der Weg des ersten Lichtes sowie der Weg des zweiten Lichtes, projiziert auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes, schneiden einander. Die Richtung und der Einfallwinkel der beiden Lichtanteile sowie die Form des Markenmusters, die Drehung u.a. einer jeden Ausrichtungsmarke werden auf diese Weise eingestellt.
Genauer gesagt, bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden, wenn eine Gegenstandsoberfläche A den ersten Gegenstand bildet, während eine Gegenstandsoberfläche B den zweiten Gegenstand bildet, eine erste und zweite Signalerzeugungsausrichtungsmarke A1 und A2, die jeweils die Funktion eines physikalischen optischen Elementes besitzen, auf der Gegenstandsoberfläche A ausgebildet. Auf der anderen Gegenstandsoberfläche B werden eine erste und zweite Signalerzeugungsausrichtungsmarke B1 und B2, die in entsprechender Weise die Funktion eines physikalischen optischen Elementes besitzen, ausgebildet. Licht wird auf die Ausrichtungsmarke A1 abgegeben, und dadurch erzeugtes Beugungslicht wird auf die Ausrichtungsmarke B1 abgegeben. Das Beugungslicht von der Ausrichtungsmarke B1 trifft auf eine vorgegebene Ebene, und der Schwerpunkt des auf diese Ebene einfallenden Lichtes wird über eine erste Detektionseinrichtung als Einfallposition des ersten Signallichtes detektiert.
Hier bedeutet der Begriff "Schwerpunkt des Lichtes" einen Punkt, bei dem, wenn auf einer Lichtempfangsfläche ein Positionsvektor eines jeden Punktes auf der Fläche mit der Lichtintensität dieses Punktes multipliziert wird und die auf diese Weise erhaltenen Produkte über die gesamte Fläche integriert werden, der integrierte Wert einen "Nullvektor" besitzt. Als Alternative kann jedoch auch die Position eines Spitzenpunktes der Lichtintensität detektiert werden.
In entsprechender Weise wird Licht auf die Ausrichtungsmarke A2 abgegeben, und das hierdurch erzeugte Beugungs licht wird auf die Ausrichtungsmarke B2 geführt. Der Schwerpunkt des Beugungslichtes der Ausrichtungsmarke B2 auf einer vorgegebenen Ebene wird über eine zweite Detektionseinrichtung, die auf dieser Ebene vorgesehen ist, als Einfallposition des zweiten Signallichtes detektiert.
Das auf die Ausrichtungsmarke A1 abzugebende Licht und das auf die Ausrichtungsmarke A2 abzugebende Licht werden in unterschiedlichen Richtungen in bezug auf eine Differenzebene, definiert über eine Normale auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes und eine Richtung senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung, schief projiziert.
Unter Verwendung von zwei Daten von der ersten und zweiten Ausrichtungseinrichtung wird die Positionierung der Gegenstände A und B durchgeführt. Das System ist so angeordnet, daß der Effekt des Lichtes (m', n', l')-ter Ordnung oder des Randstreulichtes, das in bezug auf das Licht (m, n, l)- ter Ordnung einen Detektionsfehlerfaktor bildet, reduziert wird.
Bei dieser Form der vorliegenden Ausführungsform sind die Ausrichtungsmarken A1, A2, B1 und B2 so eingestellt, daß die Schwerpunktsposition des auf die erste Detektionseinrichtung treffenden Lichtes und die Schwerpunktspositon des auf die zweite Detektionseinrichtung treffenden Lichtes in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung zwischen den Gegenständen A und B in entgegengesetzte Richtungen verschoben sind.
Figur 9 ist eine perspektivische Ansicht, die den Hauptteil einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Figur 10 ist eine Schnittansicht entlang der Ebene X-Z in Figur 9, und Figur 11 ist eine Schnittansicht entlang der Ebene X-Y in Figur 9.
In diesen Figuren ist mit 1 ein erster Gegenstand (Gegenstandsfläche A) bezeichnet, bei dem es sich beispielsweise um eine Maske handelt, während mit 2 ein zweiter Gegenstand (Gegenstandsfläche B) bezeichnet ist, bei dem es sich beispielsweise um ein Wafer handelt. Dargestellt ist ein Beispiel, bei dem die relative Positionsabweichung zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand detektiert werden soll. Mit 5 und 3 sind Ausrichtungsmarken bezeichnet, die am ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 vorgesehen sind, um ein erstes Signallicht zu erhalten. In entsprechender Weise sind mit 6 und 4 Ausrichtungsmarken bezeichnet, die am ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 vorgesehen sind, um ein zweites Signallicht zu erhalten. Bei diesem Beispiel sind die Ausrichtungsmarken 5 und 6 des ersten Gegenstandes 1 in der Abweichungsdetektionsrichtung (X-Richtung) in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet.
Jede der Ausrichtungsmarken 3-6 besitzt ein optisches Ele ment mit Wellenfrontumformfunktion, das als physikalisches optisches Element wirkt, wie beispielsweise eine Gitterlinse mit eindimensionaler oder zweidimensionaler Linsenfunktion oder ein Beugungsgitter ohne Linsenfunktion. Mit 9 ist eine Waferrißlinie und mit 10 eine Maskenrißlinie bezeichnet. Jede Ausrichtungsmarke ist auf der entsprechenden Rißlinie ausgebildet. Mit 7 und 8 sind das erste und zweite (Ausrichtungs-) Signallicht bezeichnet.
Das erste und zweite Signallicht 7 und 8 werden von unterschiedlichen Seiten einer Bezugsebene T, definert durch eine Normale auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes und eine Richtung (Y-Richtung) senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung (X-Richtung), schief projiziert. In diesen Figuren werden das erste und zweite Signallicht in Richtungen, die im wesentlichen symmetrisch zur Bezugsebene T verlaufen, schief projiziert.
Mit 7' und 8' sind (unerwünschte) Beugungslichtanteile vorgegebener Ordnungen in bezug auf das erste und zweite Signallicht 7 und 8 bezeichnet.
Bei dieser Ausführungsform wird das erste Signallicht 7 durch Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung, das zweite Signallicht 8 durch Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung, das Licht 7' durch Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung und das Licht 8' durch Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung gebildet.
Mit 11 und 12 sind eine erste und zweite Detektionseinrichtung zum Detektieren des ersten und zweiten Signallichtes 7 und 8 bezeichnet. Sowohl die erste als auch die zweite Detektionseinrichtung umfaßt einen eindimensionalen (linearen) CCD-Sensor, dessen Fühlerelemente beispielsweise in Richtung der X-Achse angeordnet sind.
Um die Erklärung zu vereinfachen, ist die optische Distanz vom zweiten Gegenstand 2 zur ersten Detektionseinrichtung 11 oder zur zweiten Detektionseinrichtung 12 mit L bezeichnet. Mit g ist die Distanz zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 bezeichnet. fa1 und fa2 bezeichnen die Brennweiten der Ausrichtungsmarken 5 und 6. Mit Δδ ist die relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes 1 und 2 bezeichnet. S&sub1; und S&sub2; bezeichnen Verschiebungen der Schwerpunktspositionen des ersten und zweiten Signallichtes auf der ersten und zweiten Detektionseinrichtung gegenüber den Positionen, die bei einer korrekten Ausrichtung erreicht werden. Zweckmäßigerweise stellt das auf den Gegenstand 1 abgegebene Ausrichtungslicht eine ebene Welle dar. Die Vorzeichen sind so wie dargestellt.
Jede der Verschiebungen S&sub1; und S&sub2; kann geometrisch als Schnittpunkt zwischen (i) der Lichtempfangsfläche der ersten (oder zweiten) Detektionseinrichtung 11 oder 12 und (ii) einer Geraden, die den Brennpunkt F&sub1; (F&sub2;) der Ausrichtungsmarke 5 (6) und das Zentrum der optischen Achse der Ausrichtungsmarke 3 (4) verbindet, bestimmt werden. Daher wird die entgegengesetzte Richtung der Verschiebungen S&sub1; und S&sub2; der Schwerpunkte dieser Lichtanteile in Abhängigkeit von einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweitengegenstandes 1 und 2 erreicht, indem die Vorzeichen der Vergrößerungen der optischen Abbildung der Ausrichtungsmarken 3 und 4 eine inverse Beziehung erhalten.
Bei dieser Ausführungsform können folgende beispielhafte Lichtquellen verwendet werden: eine Lichtquelle, wie ein Halbleiterlaser, ein He-Ne-Laser, eine Ar-Laser o.ä., die kohärentes Licht abgeben kann, und eine Lichtquelle, wie eine lichtemittierende Diode o.ä., die nicht-kohärentes Licht emittieren kann.
Wie in Figur 10 gezeigt, sind bei dieser Ausführungsform das Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung, das das Licht 7 bildet, sowie das Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung, das das Licht 8 bildet, diejenigen Lichtanteile: die auf die Ausrichtungs marken 5 und 6 auf der Oberfläche der Maske 1 jeweils unter einem vorgegebenen Winkel treffen, die dann von diesen Marken transmissiv gebeugt und dann von den Ausrichtugnsmarken 3 und 4 reflektiv auf die Oberfläche des Wafers 2 gebeugt werden und die dann auf die Detektionseinrichtungen 11 und 12 treffen.
In Verbindung mit Figur 11 wird nunmehr ein optisches Lichtprojektionssystem zum Projizieren von Lichtanteilen auf die Ausrichtungsmarken 5 und 6 des ersten Gegenstandes in unterschiedlichen Richtungen beschrieben.
Figur 11 ist eine generelle und schematische Ansicht von oben eines Ausrichtungsaufnahmekopfes 36, der in einem einzigen Gehäuse Lichtquellen 38 und 39, optische Lichtprojektionssysteme 30 und 31, Spiegel 34 und 35 und optische Lichtempfangssysteme 32 und 33 sowie die Ausrichtungsmarken 3-6 und das ersten und zweite Licht 7 und 8 aufnimmt.
Das erste Signallicht 7 geht von der Lichtquelle 38 aus. Nachdem es das optische Lichtprojektionssystem 39 und den Spiegel 34 passiert hat, wird es unter einem vorgegebenen Winkel auf die Ausrichtungsmarke 5 des ersten Gegenstandes (Maske) 1 projiziert. In entsprechender Weise geht das zweite Signallicht 8 von der Lichtquelle 39 aus. Nachdem es das optische Lichtprojektionssystem 31 und den Spiegel 35 passiert hat, wird es unter einem vorgegebenen Winkel auf die Ausrichtungsmarke 6 des ersten Gegenstandes 1 projiziert. Hierbei sind die Einfallwinkel des ersten und zweiten Lichtes 7 und 8 auf den ersten Gegenstand so eingestellt, daß sich die auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes 1 zu projizierenden Lichtanteile schneiden, um zu verhindern, daß sich die regulär reflektierten Lichtanteile von der Oberfläche des ersten Gegenstandes 1, so wie sie abgestrahlt werden, schneiden.
Dies erleichtert die Einstellung der Lage, Größe u.ä. einer jeden Ausrichtungsmarke, die erforderlich ist, um eine Herabsetzung der Positionsabweichungsmeßgenauigkeit zu verhindem, die sonst durch ein Auftreffen von einer Vielzahl von Positionsabweichungssignallichtanteilen auf die Oberfläche der ersten Detektionseinrichtung 11 verursacht wird, wie beispielsweise des Beugungslichtes (1- -1, 0)-ter Ordnung, das das Licht 7 bildet, und des Beugungslichtes (0, -1, 1)- ter Ordnung, das das Licht 7' bildet. Auch ist es möglich, ein Auftreffen von Randstreulicht vom Rand eines Schaltungsmusters, das sich in X-Richtung erstreckt, auf die Oberfläche der ersten oder zweiten Detektionseinrichtung 11 oder 12 zu vermeiden.
In Verbindung mit Figur 10 werden nunmehr die Bedingungen, um dies zu vermeiden, erläutert.
Was die gleichzeitige Erzeugung eines Signallichtes, d.h. des Lichtes 7 (1, -1, 0)-ter Ordnung, und eines unerwünschten Lichtes, d.h. des Lichtes 7' (0, -1, 1)-ter Ordnung, anbetrifft, ist die vorliegende Ausführungsform so angeordnet, daß nur das Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung als Signallicht empfangen wird. Was den Einfaliwinkel des ersten und zweiten Signallichtes 7 und 8 auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes 1 und die Lage der Ausrichtungsmarken 3-6 in X-Richtung anbetrifft, gilt die folgende Bedingung:
worin g der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand in Z-Richtung, φ der Einfallwinkel in der X-Z-Ebene des Signallichtes 7 oder 8 relativ zu einer Normalen auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes 1 und l der Abstand in X-Richtung zwischen der Grenze einer jeden Ausrichtungsmarke in -X-Richtung (+X-Richtung) auf dem ersten Gegenstand und der Grenze in +X-Richtung (-X-Richtung) auf den zweiten Gegenstand (die Klammerausdrücke beziehen sich auf die Ausrichtungsmarke für das erste Signallicht 7) in Figur 10 bedeuten.
Um das Auftreffen von Randstreulicht von einem Muster auf die Detektionseinrichtung 11 oder 12 zu vermeiden, gelten die folgenden Bedingungen:
und
worin φ&sub1; und φ&sub2; einen Winkel in der X-Z-Ebene zwischen dem Hauptstrahl des einfallenden Lichtes und einer Normalen auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes 1, ZS der Abstand von der Oberfläche des ersten Gegenstandes 1 zur Detektionseinrichtung 11 oder 12 in Z-Richtung, xs&sub1; und xs&sub2; die Mittenpositionen der Ausrichtungsmarken 5 und 6 auf der Oberfläche des ersten Gegenstandes 1 relativ zur x-Richtung und ±xsm die Positionen der gegenüberliegenden Enden der Lichtempfangszone einer jeden Detektionseinrichtung in X- Richtung bedeuten.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden gemäß den Gleichungen (31), (32) und (33) die Bedingungen für das Auftreffen des ersten und zweiten Ausrichtungssignallichtes auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes, für die Lage und Größe einer jeden Ausrichtungsmarke, die Abbildungsbedingungen für das erste und zweite Licht 7 und 8 u.ä. in geeigneter Weise festgelegt, um auf diese Weise sicherzustellen, daß unerwünschtes Beugungslicht 7' und 8' oder Randstreulicht nicht auf die Detektionseinrichtung 11 oder 12 trifft.
Des weiteren werden bei der vorliegenden Ausführungsform das erste und zweite Licht 7 und 8 auf den ersten Gegenstand unter Winkeln relativ zur Bezugsebene T projiziert, die im wesentlichen symmetrisch zueinander sind, und die Struktur des Gesamtsystems ist nahezu symmetrisch relativ zur Bezugsebene T. Mit dieser Anordnung kann jede Änderung in der Einfallposition des Lichtes auf die Detektionseinrichtung infolge einer relativen Neigung des ersten und zweiten Gegenstandes, jede Änderung des Abstandes dazwischen oder in bezug auf das Licht zwischen dem ersten und zweiten Signallicht 7 und 8 beseitigt werden.
Des weiteren kann der Abstand zwischen den Ausrichtungsmarken 3 und 4 des zweiten Gegenstandes (gemessen in X-Richtung) im Vergleich zu dem Abstand zwischen den Ausrichtungsmarken 5 und 6 des ersten Gegenstandes (gemessen in X- Richtung) klein gehalten werden. Dadurch wird die Detektion durch irgendeine lokale Welligkeit oder Verformung der Oberfläche des zweiten Gegenstandes nicht beeinflußt.
Als nächstes wird der Projektionswinkel des Lichtes auf eine Ausrichtungsmarke relativ zu einer Normalen auf die Oberfläche der Ausrichtungsmarke sowie die Einfallposition des Lichtes auf die Oberfläche der Detektionseinrichtung in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes in x-Richtung beschrieben. Die Ausrichtungsmarken 3, 4, 5 und 6 werden durch Gitterlinsen gebildet. Diese Gitterlinsen 5, 3, 6 und 4 besitzen entsprechende Brennweiten, die mit f&sub1;, f&sub2;, f&sub3; und f&sub4; bezeichnet sind.
Wenn die Mittenposition (Position der optischen Achse) der Ausrichtungsmarke 5 des ersten Gegenstandes mit (xM01, yM01, 0) und die Position des Abbildungspunktes eines auf die Ausrichtungsmarke 5 unter einem Winkel θ fallenden parallelen Lichtes mit (xM1, yM1, zM1) bezeichnet wird, dann folgt, daß zM1 = -f&sub1; ist.
Die Mittenposition (Position der optischen Achse) der Ausrichtungsmarke 3 des zweiten Gegenstandes wird, wenn keine relative Positionsabweichung vorhanden ist, mit (xW1, yW1, -g) bezeichnet. Die Ausrichtungsmarke 3 ist so ausgebildet, daß sie an einer Position (xS1, yS1, zS1) ein Bild einer Punktlichtquelle (Punktbild) erzeugt, das sich in der Position (xM1, yM1, -f&sub1;) befindet, wenn keine Positionsabweichung vorhanden ist. In entsprechender Weise wird die Mittenposition (Position der optischen Achse) der Ausrichtungsmarke 6 des ersten Gegenstandes mit (XM02, yM02, 0) bezeichnet, während die Abbildungspunktposition des parallelen Lichtes der Ausrichtungsmarke 6 mit (xM2, yW2, -f&sub3;) bezeichnet wird. Ferner wird die Mittenposition (Position der optischen Achse) der Ausrichtungsmarke 4, wenn keine Positionsabweichuang vorhanden ist, mit (xW2, yW2, -g) bezeichnet. Die Marke 4 ist so ausgebildet, daß sie in der Position (xS2, yS2, zS2) ein Bild einer Punktlichtquelle (Punktbild) erzeugt, das sich in der Position (xM2, yM2, -f&sub3;) befindet, wenn keine Positionsabweichung vorhanden ist.
Wenn bei der obigen Einstellung der Parameter die Verschiebung der Schwerpunktsposition des Lichtes (1, -1, 0)-ter Ordnung, das das Licht 7 bildet, die in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung Δδ des zweiten Gegenstandes relativ zum ersten Gegenstand auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung verursacht werden soll, mit S&sub1;&sub1; bezeichnet wird, dann ergibt sich folgende Beziehung:
Wenn die Verschiebung der Schwerpunktsposition des Lichtes (-1, 1, 0)-ter Ordnung, das das Licht 8 bildet, die auf der Oberfläche der Detektionseinrichtung erzeugt werden soll, mit S&sub1;&sub2; bezeichnet wird, gilt die folgende Beziehung:
Aus der allgemeinen Beziehung der Linsenabbildungseigenschaften folgt:
xMi und xWi bilden die Größen, die von den Ablenkungswinkeln in bezug auf den Hauptstrahl des einfallenden Lichtes der Ausrichtungsmarken des ersten und zweiten Gegenstandes sowie den Brennweiten dieser Marken festgelegt werden. Sie können wie folgt ausgedrückt werden:
j =n θ - φj (j = 1, 4) bildet den Ablenkungswinkel einer jeden Ausrichtungsmarke in bezug auf den Einfallwinkel θ.
Die Mitte der Ausrichtungsmarke des ersten Gegenstandes wird als Ausgangspunkt genommen. Die X-Achse wird auf die Oberfläche der Ausrichtungsmarke in einer Richtung, in bezug auf die die Positionsabweichung detektiert werden soll, gelegt. Die Y-Achse wird in einer Richtung senkrecht zur X- Achse gelegt, und die Z-Achse wird in einer Richtung normal auf die Ausrichtungsmarkenoberfläche gelegt. Es gilt 81 = 82, und die Lichtanteile werden symmetrisch projiziert.
Die Detektionseinrichtung besitzt eine Lichtempfangszone, wobei deren Mitte mit (0, xS, zS) im orthogonalen X-Y-Koordinatensystem bezeichnet wird. Die Lichtempfangszone besitzt eine rechteckige Form einer Größe d&sub1; in X-Richtung und einer Größe d&sub2; in einer Richtung senkrecht hierzu.
Wenn man das Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung betrachtet und Gleichung (36) in die Gleichungen (34) und (35) eingesetzt wird, dann werden die Verschiebungen S&sub1;&sub1; und S&sub1;&sub2; der Lichtgrößenschwerpunktspositionen des ersten und zweiten (Signal) Lichtes 7 und 8 wie folgt ausgedrückt:
Der Koordinatenursprung auf der X-Achse wird hierbei auf den Mittelpunkt zwischen den Ausrichtungsmarken 5 und 6 am ersten Gegenstand (die Mitte des die Mittelpunkte dieser Ausrichtungsmarken verbindenden Segmente 5) gelegt.
Figur 12 ist eine schematische Darstellung einer modifizierten Form der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform sind zwei Ausrichtungsmarken 3 und 4, die an einem zweiten Gegenstand (Wafer) 2 vorgesehen sind, mit Überlappung in einem einzigen und gemeinsamen Bereich ausgebildet. Hierdurch wird eine Veränderung des relativen Abstandes in x-Richtung des ersten und zweiten Lichtes 7 und 8 auf der ersten und zweiten Detektionseinrichtung 11 und 12 gegenüber einem konzipierten Wert verhindert, die sonst durch eine lokale Neigung oder Welligkeit der Oberfläche des zweiten Gegenstandes (Wafers) 2 verursacht werden kann.
Die vorteilhaften Effekte der dritten Ausführungsform können auch bei der vorliegenden Ausführungsform erreicht werden, indem der optische Weg des ersten und zweiten Lichtes 7 und 8 gemäß den Gleichungen (31), (32) und (33) festgelegt wird.
Diese Ausführungsform ist so angeordnet, daß das erste und zweite Licht 7 und 8, die von der Oberfläche des zweiten Gegenstandes (Wafers) 2 ausgehen, schief auf die Bereiche der Ausrichtungsmarken 5 und 6 des ersten Gegenstandes (Maske) 1 abgelenkt und projiziert werden.
Mit den sich schneidenden Lichtbahnen für das einfallende Licht wurde als Ergebnis der von den Erfindern durchgeführ ten Strahlabtastungssimulation bestätigt, daß eine Änderung im relativen Abstand zwischen dem ersten und zweiten Licht 7 und 8 auf der ersten und zweiten Detektionseinrichtung 11 und 12, d.h. ein Positiqnsabweichungsmeßfehler, der sonst durch eine Änderung des Abstandes zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand oder durch eine Änderung der Mittenposition des Strahlungsbereiches, wenn das Licht auf den ersten Gegenstand projiziert wird, verursacht wird, auf zufriedenstellende Weise verhindert werden kann.
Selbstverständlich kann die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch bei einer Herstellvorrichtung für eine Halbleitervorrichtung vom Näherungstyp Anwendung finden, wie sie in den Figuren 5A-5C dargestellt ist.
Gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zur Detektion einer relativen Positionsabweichung eines ersten und zweiten Gegenstandes der Einfallwinkel oder die Einfallrichtung eines jeden der beiden auf den ersten Gegenstand treffenden Lichtanteile sowie die Lage oder Größe einer jeden Ausrichtungsmarke so eingestellt, daß die von den Gleichungen (31), (32) und (33) vorgegebenen Bedingungen erfüllt werden. Hierdurch werden die folgenden vorteilhaften Effekte erreicht:
(a) Es ist möglich, ein Auftreffen und eine Konvergenz von anderem Beugungslicht als dem gewünschten Beugungslicht (Signallicht) der vorgegebenen Ordnung oder von vorgegebenen Ordnungen auf die bzw. der Lichtempfangszone der Detektionseinrichtung zu vermeiden.
(b) Es ist möglich, ein Auftreffen von Randstreulicht von einem Schaltungsmuster, das beispielsweise auf der Gegenstandsoberfläche ausgebildet ist, auf die Lichtempfangszone der Detektionseinrichtung zu verhindern.
(c) Es ist möglich, einen Position.sabweichungsmeßfehler zu unterdrücken, der sonst durch eine Änderung des Abstandes zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand, eine relative Oberflächenneigung derselben oder eine Änderung in der Relativposition hiervon in einer Richtung senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung auftreten würde.
Ein Positionsdetektionssystem gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die folgenden Merkmale: Zur Detektion einer relativen Positionsabweichung zwischen einem ersten und einem zweiten Gegenstand, die gegenüberliegend angeordnet sind, ist der erste Gegenstand mit einer Ausrichtungsmarke A1 mit einer Wellenfrontumformfunktion versehen, während der zweite Gegenstand mit einer Ausrichtungsmarke B1 mit einer Wellenfrontumformfunktion versehen ist. Die Ausrichtungsmarke B1 ist in einem Bereich ausgebildet, der von einem Bereich der Ausrichtungsmarke A1 des ersten Gegenstandes, projiziert auf den zweiten Gegenstand, in bezug auf eine Richtung im wesentlichen senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung beabstandet ist. Licht wird von einer Lichtprojektionseinrichtung auf den ersten Gegenstand in einer schie fen Richtung projiziert. Das von den Wellenfrontumformfunktionen der Ausrichtungsmarken A1 und B1 des ersten und zweiten Gegenstandes beeinflußte Licht wird auf eine vorgegebene Ebene gerichtet. Die Einfalipositionen dieser Lichtanteile auf diese Ebene werden über eine Detektionseinrich tung detektiert. Durch Verwendung eines Ausgangssignales von der Detektionseinrichtung wird die Positionsabweichung detektiert.
Bei einer bevorzugten Form dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die beiden Ausrichtungsmarken A1 und A2, die jeweils eine Wellenfrontumformfunktion besitzen, auf dem ersten Gegenstand entlang der Positionsabweichungsdetektionsrichtung vorgesehen, während die beiden Ausrichtungsmarken B1 und B2, die jeweils eine Wellenfront umformfunktion besitzen, auf dem zweiten Gegenstand entlang der Positionsabweichungsdetektionsrichtung und in einem Bereich vorgesehen sind, der von einem Bereich der Ausrichtungsmarken A1 und A2 des ersten Gegenstandes, projiziert auf den zweiten Gegenstand, in bezug auf eine Richtung im wesentlichen senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung beabstandet ist. Von dem von einer Lichtprojektionseinrichtung ausgehenden Licht wird erstes Licht, das von den Wellenfrontumformfunktionen der Ausrichtungsmarken A1 und B1 des ersten und zweiten Gegenstandes beeinflußt ist, sowie zweites Licht, das von den Wellenfrontumformfunktionen der Ausrichtungsmarken A2 und B2 des ersten und zweiten Gegenstandes beeinflußt ist, auf eine vorgegebene Ebene gerichtet. Die Einfallpositionen des ersten und zweiten Lichtes auf diese Ebene werden von einer Detektionseinrichtung detektiert. Durch Verwendung des Ausgangssignales dieser Detektionseinrichtung wird die Positionsabweichung detektiert.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt jede der Ausrichtungsmarken A1, A2, B1 und B2 ein physikalisches optisches Element mit einer Abbildungsfunktion in der Positionsabweichungsdetektionsrichtung.
Genauer gesagt, wenn bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Gegenstandsoberfläche A den ersten Gegenstand bildet, während eine Gegenstandsoberfläche B den zweiten Gegenstand bildet, sind eine erste und eine zweite (Signalerzeugungs-) Ausrichtungsmarke A1 und A2, die jeweils die Funktion eines physikalischen optischen Elementes besitzen, auf der Gegenstandsoberfläche A ausgebildet. Auf der anderen Gegenstandsoberfläche B sind eine erste und zweite (Signalerzeugungs-) Ausrichtungsmarke B1 und B2 ausgebildet, die in entsprechender Weise jeweils die Funktion eines physikalischen optischen Elementes besitzen.
Der Bereich auf dem zweiten Gegenstand, in dem die beiden Ausrichtungsmarken B1 und B2 ausgebildet sind, ist in einem vorgegebenen Abstand von einem Bereich der beiden Ausrichtungsmarken A1 und A2 des ersten Gegenstandes, projiziert auf den zweiten Gegenstand, in bezug auf eine Richtung im wesentlichen senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung vorgesehen. Die Ausrichtungsmarken B1 und B2 sind in diesem Bereich entlang der Positionsabweichungsdetektionsrichtung ausgebildet.
Licht wird auf die Ausrichtungsmarke Al gerichtet, und hierdurch erzeugtes Beugungslicht wird auf die Ausrichtungsmarke B1 geführt. Beugungslicht von der Ausrichtungs marke B1 trifft auf eine vorgegebene Ebene, und der Schwerpunkt des auf diese Ebene fallenden Lichtes wird von einer ersten Detektionseinrichtung als Einfallposition des ersten Signallichtes detektiert
Der hier verwendete Begriff "Schwerpunkt des Lichtes" bedeutet einen Punkt, bei dem, wenn auf einer Lichtempfangsfläche ein Positionsvektor eines jeden Punktes auf der Fläche mit der Lichtintensität dieses Punktes multipliziert wird und die auf diese Weise erhaltenen Produkte über die gesamte Fläche integriert werden, der integrierte Wert einen "Nulivektor" besitzt. Als Alternative kann jedoch auch die Position eines Spitzenpunktes der Lichtintensität detektiert werden.
In entsprechender Weise wird Licht auf die Ausrichtungsmarke A2 geführt, und hierdurch erzeugtes Beugungslicht wird der Ausrichtungsmarke B2 zugeführt. Der Schwerpunkt des Beugungslichtes von der Ausrichtungsmarke B2 auf einer vorgegebenen Ebene wird von einer zweiten Detektionsein richtung als Einfallposition des zweiten Signallichtes detektiert. Unter Verwendung von zwei Daten von der ersten und zweiten Detektionseinrichtung wird die Positionierung der Gegenstände A und B durchgeführt. Hierbei werden diverse Faktoren so eingestellt, daß das Licht (m', n', l')- ter Ordnung, das einen Detektionsfehlerfaktor in bezug auf das Licht (m, n, l)-ter Ordnung erzeugt, von der Detektionseinrichtung nicht empfangen wird.
Bei dieser Ausgestaltung der vorliegenden Ausführungsform sind die Ausrichtungsmarken A1, A2, B1 und B2 so eingestellt, daß die Schwerpunktsposition des auf die erste Detektionseinrichtung auftreffenden Lichtes und die Schwerpunktsposition des auf die zweite Detektionseinrichtung auftreffenden Lichtes in Abhängigkeit von einer Positions abweichung zwischen den Gegenständen A und B in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden.
Figur 13 ist eine perspektivische Ansicht eines Hauptteiles einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 14 zeigt in einer vergrößerten Ansicht einen Abschnitt der Ausführungsform der Figur 13. Figur 15 ist eine Schnittansicht der Ausführungsform der Figur 13 in X-Richtung gesehen.
In diesen Figuren ist mit 1 ein erster Gegenstand (Gegenstandsoberfläche A) bezeichnet, bei dem es sich beispielsweise um eine Maske handelt, während mit 2 ein zweiter Gegenstand (Gegenstandsoberfläche B) bezeichnet ist, der beispielsweise ein Wafer ist. Dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine relative Positionsabweichung zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand detektiert werden soll.
Da bei dieser Ausführungsform das den ersten Gegenstand 1 durchdringende und vom zweiten Gegenstand 2 reflektierte Licht wieder den ersten Gege?1stand 1 durchdringt, ist in Figur 14 der erste Gegenstand doppelt dargestellt. Mit 5 und 3 sind Ausrichtungsmarken bezeichnet, die am ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 vorgesehen sind, um ein erstes Signallicht zu erhalten. In entsprechender Weise sind mit 6 und 4 Ausrichtungsmarken bezeichnet, die am ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 vorgesehen sind, um ein zweites Signallicht zu erhalten. In Figur 14 sind die optischen Wege so dargestellt, daß die Ausrichtungsmarken 3 und 4 durch äquivalente durchlässige Ausrichtungsmarken ersetzt sind.
Jede der Ausrichtungsmarken 3-6 umfaßt ein optisches Ele ment mit Wellenfrontumformfunktion, das als physikalisches optisches Element dient, beispielsweise eine Gitterlinse mit einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Linsenfunktion oder ein Beugungsgitter, das keine Linsenfunktion besitzt.
Die Ausrichtungsmarken 5 und 6 des ersten Gegenstandes (Maske) 1 sind entlang der Positionsabweichungsdetektionsrichtung (X-Richtung) angeordnet. Die Ausrichtungsmarken 3 und 4 des zweiten Gegenstandes (Wafers) 2 sind in einem Be reich angeordnet, der in einem vorgegebenen Abstand von einem Bereich der Ausrichtungsmarken 5 und 6 des ersten Gegenstandes, projiziert auf die Oberfläche des zweiten Gegenstandes 2, in bezug auf eine Richtung (Y-Richtung) senkrecht zur Pos it ionsabwei chungsdetektions richtung angeordnet ist. Die Marken sind entlang dieser Positionsabweichungsdetektionsrichtung angeordnet.
Jede der Ausrichtungsmarken 3-6 umfaßt eine Gitterlinse mit beispielsweise zylindrischer Aktivität, die eine Abbildungsfunktion in bezug auf die Positionsabweichungsdetektionsrichtung (X-Richtung) besitzt. In bezug auf die Y-Richtung kann jede Marke eine Abbildungsfunktion besitzen oder auch nicht.
Mit 9 ist eine Waferrißlinie und mit 10 eine Maskenrißlinie bezeichnet. Jede Ausrichtungsmarke ist auf der entsprechenden Rißlinie ausgebildet. Mit 7 und 8 sind das erste und zweite (Ausrichtungs-) Signallicht bezeichnet, während mit 7' und 8' (unerwünschte) Beugungslichtanteile vorgegebener Ordnungen in bezug auf das erste und zweite Signallicht 7 und 8 bezeichnet sind.
Bei dieser Ausführungsform wird das erste Signallicht 7 durch Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung, das zweite Signallicht durch Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung, das Licht 7' durch Licht (01 -1, 1)-ter Ordnung und das Licht 8' durch Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung gebildet.
Mit 11 und 12 sind eine erste und zweite Detektionseinrichtung zum Detektieren des ersten und zweiten Signallichtes 7 und 8 bezeichnet. Jede der ersten und zweiten Detektionseinrichtung umfaßt einen eindimensionalen (linearen) CCD- Sensor, dessen Fühlerelemente beispielsweise in X-Achsen Richtung angeordnet sind.
Um die Erläuterung zu vereinfachen, wird der optische Abstand vom zweiten Gegenstand 2 bis zur ersten Detektionseinrichtung 11 oder der zweiten Detektionseinrichtung 12 mit L bezeichnet. Mit g ist der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 bezeichnet. fa1 und fa2 bezeichnen die Brennweiten der Ausrichtungsmarken 5 und 6. Δδ bezeichnet die relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes 1 und 2. Mit S&sub1; und S&sub2; sind die Verschiebungen der Schwerpunktspositionen des ersten und zweiten Signallichtes auf der ersten und zweiten Detektionseinrichtung gegenüber den unter korrekter Ausrichtung angenommenen Positionen bezeichnet. Das dem Gegenstand 1 zugeführte Ausrichtunslicht ist zweckmäßigerweise eine ebene Welle. Die Vorzeichen sind wie dargestellt.
Jede der Verschiebungen S&sub1; und S&sub2; kann geometrisch als Schnittpunkt zwischen (i) der Lichtempfangsfläche der ersten (oder zweiten) Detektionseinrichtung 11 oder 12 und (ii) der Geraden, die den Brennpunkt F&sub1; (F&sub2;) der Ausrichtungsmarke 5 (6) und die Mitte der optischen Achse der Ausrichtungsmarke 3 (4) verbindet, bestimmt werden. Die entgegengesetzte Richtung der Verschiebungen S&sub1; und S&sub2; der Schwerpunkte dieser Lichtanteile in Abhängigkeit von einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes 1 und 2 ist daher dadurch erreichbar, daß die Vorzeichen der optischen Abbildungsgrößen der Ausrichtungsmarken 3 und 4 eine inverse Beziehung erhalten.
Bei dieser Ausführungsform können als Lichtquelle folgende Beispiele Verwendung finden: eine Lichtquelle, wie ein Halbleiterlaser, ein He-Ne-Laser, ein Ar-Laser o.ä., die kohärentes Licht abgeben kann, und eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine lichtemittierende Diode o.ä., die inkohärentes Licht emittieren kann.
Wie in Figur 13 gezeigt, sind bei dieser Ausführungsform das Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 7 handelt, sowie das Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 8 handelt, diejenigen Lichtanteile: die auf die Ausrichtungsmarken 5 und 6 auf der Oberfläche der Maske 1 jeweils mit einem vorgegebenen Winkel treffen, die dann von diesen Marken transmissiv gebeugt und dann von den Ausrichtungsmarken 3 und 4 auf die Oberfläche des Wafers 2 reflektiv gebeugt werden und die dann auf die Detektionseinrichtung 11 und 12 treffen. Das Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 7' handelt, sowie das Licht (0, 1, -1)-ter Ordnung, bei dem es sich um das Licht 8' handelt, sind diejenigen Lichtanteile: die von den Ausrichtungsmarken 5 und 6 auf der Maske 1 mit nullter Ordnung durchgelassen werden, die dann von den Ausrichtungsmarken 3 und 4 auf der Oberfläche des Wafers 2 reflektiv gebeugt werden und die dann von den Marken 5 und 6 auf der Oberfläche der Maske 1 transmissiv gebeugt werden und auf die Detektionseinrichtungen 11 und 12 treffen.
Die Schwerpunktspositionen des ersten und zweiten Ausrichtungslichtes, die auf die entsprechende Detektionseinrichtung treffen, werden detektiert. Unter Verwendung der Ausgangssignale der Detektionseinrichtungen 11 und 12 kann jede Positionsabweichung der Maske 1 und des Wafers 2 detektiert werden. In einem orthogonalen Koordinatensystem, bei dem die X-Achse in die Positionsabweichungsdetektionsrichtung gelegt wird, die Z-Achse in eine Normale auf den ersten Gegenstand gelegt wird und die Y-Achse in einer Richtung senkrecht zu den X- und Z-Achsen gelegt wird, wird hierbei der Einfallwinkel des Lichtes (Ausrichtungssignallicht) auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes 1 in der Y-Z-Ebene mit θ bezeichnet.
Die Anordnung der Ausrichtungsmarke in Y-Richtung senkrecht zur Pos itionsabweichungsdetekt ionsrichtung (X -Richtung) wird so eingestellt, daß innerhalb des Positionsabweichungsmeßbereiches nach dem Vorausrichtungsvorgang, wie in Figur 15 gezeigt, die zentrale Position der Ausrichtungsmarken 3 und 4 des zweiten Gegenstandes 2 immer um eine vorgegebene Distanz dy von den Ausrichtungsmarken 5 und 6 des ersten Gegenstandes in einer Richtung (Y-Richtung) senkrecht zur Pos itionsabweichungsdetektionsri chtung abweicht. Dies wird verwirklicht, um ein Auftreffen von Licht nullter Ordnung, das durch die Ausrichtungsmarken 5 und 6 des ersten Gegenstandes 1 durchgelassen wird, auf die Ausrichtungsmarken 3 und 4 des zweiten Gegenstandes 2 zu verhindern. Der Abstand dy ist ein Parameter, der in Abhängigkeit von der Breite einer jeden Ausrichtungsmarke in Y- Richtung und dem Einfallwinkel θ zu bestimmen ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Abstand dy so festgelegt, daß eine Erzeugung des Beugungslichtes 7' (0, -1, 1)-ter Ordnung und des Beugungslichtes 8' (0, 1, -1)-ter Ordnung vermieden und nur das Auftreffen des Lichtes 7 (1, -1, 0)-ter Ordnung und des Lichtes 8 (-1, 1, 0)-ter Ordnung auf die Detektionseinrichtungen 11 und 12 zugelassen wird.
Genauer gesagt, gemäß Figur 15 kann der Abstand dy aus der Bedingung ermittelt werden, daß das durch den ersten Gegenstand 1 durchgelassene Licht nullter Ordnung und das durch eine Seitenkante e in positiver Y-Richtung in der Y-Z-Sektion der Ausrichtungsmarken 3 und 4 des zweiten Gegenstandes 2 gebeugte Licht negativer erster Ordnung nicht auf den Bereich der Ausrichtungsmarken 5 und 6 auf der Oberfläche des ersten Gegenstandes 1 treffen.
Wenn die Breiten der Ausrichtungsmarken 5 und 3 des ersten und zweiten Gegenstandes in Y-Richtung mit WyM und WyW be zeichnet werden, die Mittenpositionen der Ausrichtungsmarken 5 und 3 des ersten und zweiten Gegenstandes in Y-Richtung mit y0M und y0W bezeichnet werden und die Abstände (konstant) der Ausrichtungsmarken des ersten und zweiten Gegenstandes in Y-Richtung mit PM und PW bezeichnet werden, dann kann die Position e des Randes der Ausrichtungsmarke ausgedrückt werden als:
Der zu detektierende Zustand ist somit:
worin φ der Emissionsinkel in der Y-Z-Ebene des Beugungs lichtes negativer erster Ordnung in bezug auf eine Normale auf die Oberfläche des zweiten Gegenstandes 2 ist. Dieser Winkel kann gemäß einem Beugungszustand wie folgt ermittelt werden:
Da die Definition des Abstandes dy lautet dy = y0M - y0M, ergibt sich aus den Gleichungen (41) und (42) die folgende Bedingung für den Abstand dy:
Wenn der Meßbereich für eine Positionsabweichung Δδ in X- und Y-Richtung beträgt:
dann ist der Abstand dy in der folgenden Weise veränderbar:
wobei dy0 eine angenommene Größe ist, wenn Δδ = 0 und dy0 ≠ 0 sind.
Hieraus geht hervor, daß der im Positionsabweichungsmeßbereich zu erfüllende Zustand ist:
Bei dieser Ausführungsform wird die Ausrichtungsmarkenanordnung so festgelegt, daß sie die durch die Gleichungen (42') und (43) festgelegten Bedingungen erfüllt. Hiermit kann nur das Licht (1, -1, 0)-ter Ordnung und das Licht (-1, 1, 0)-ter Ordnung von der Detektionseinrichtung empfan gen werden, und es können unerwünschte Kreuzkopplungen mit dem Licht (0, -1, 1)-ter Ordnung oder dem Licht (0, 1, -1)- ter Ordnung vermieden werden.
Die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bei einer Belichtungsvorrichtung zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen vom Näherungstyp gemäß den Figuren 5A-5C anwendbar.
Figur 16 ist eine schematische Ansicht, die eine modifizierte Form der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird für die Detektion einer Positionsabweichung in X-Richtung nur das Licht (0, -1, 1)- ter Ordnung durch die Detektionseinrichtung 11 als Ausrichtungslicht 7 detektiert, während nur das Licht (0, 1, -1)- ter Ordnung durch die Detektionseinrichtung 12 als Ausrichtungslicht 8 detektiert wird. Der Einfallwinkel des Lichtes von einer nicht gezeigten Lichtquelle sowie die Anordnung der Ausrichtungsmarken 3-6 in der Y-Z-Ebene werden entsprechend eingestellt.
Jede der Ausrichtungsmarken 3-6 besitzt eine Abbildungsfunktion in X-Richtung.
Bei dieser Ausführungsform wird das Ausrichtungslicht 7 (8) von einer Lichtprojektionseinrichtung (nicht gezeigt) nur auf die Oberfläche der Maske 1 schief unter einem vorgegebenen Winkel in der Y-Z-Ebene projiziert. In der Figur wird das Licht auf einen Bereich auf der Oberfläche der Maske 1 projiziert, in dem die Ausrichtungsmarke 5 (6) nicht vorhanden ist. Das durch die Maske 1 dringende (mit nullter Ordnung durchgelassene) Licht wird von der Ausrichtungsmarke 3 (4) auf der Oberfläche des Wafers 2 reflektiv gebeugt und dann von der Ausrichtungsmarke 5 (6) auf der Oberfläche der Maske 1 gebeugt. Das auf diese Weise gebeugte Licht 7 (8) wird von der Detektionseinrichtung 11 (12) detektiert.
Unter Verwendung von entsprechenden Parametern wie bei der vierten Ausführungsform kann der Zustand bei der vorliegenden Ausführungsform durch die folgenden gleichzeitigen Gleichungen wiedergegeben werden:
Aus den Gleichungen (36) und (37) ergibt sich folgende Bedingung, die durch dy = y0M - y0W bei keiner Positionsab weichung zu erfüllen ist:
Wenn der Positionsabweichungsmeßbereich gemäß Gleichung (34) definiert wird, wie bei der vierten Ausführungsform, dann ist folgende Bedingung vom Abstand dy innerhalb des Bereiches von Gleichung (34) zu erfüllen:
Durch vorheriges Einstellen der Lagen der Ausrichtungsmarken des ersten und zweiten Gegenstandes gemäß Gleichung (39) ist es möglich, sicherzustellen, daß nur Beugungslicht (0, -1, 1)-ter Ordnung und Beugungslicht (0, 1, -1)-ter Ordnung von der Detektionseinrichtung als Positionsabweichungssignallichter detektiert werden.
Bei diesen Ausführungsformen wird von dem pHänomen Gebrauch gemacht, daß sich der Abstand in X-Richtung der Schwer punktspositionen auf den beiden Lichtdetektionseinrichtungen proportional zur relativen Positionsabweichung in X- Richtung eines ersten Gegenstandes (Maske) und eines zweiten Gegenstandes (Wafer) ändert, wobei die Änderung dieses Abstandes detektiert wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann die Erfindung auch bei einer Anordnung Verwendung finden, bei der die relative Positionsabweichung der Maske und des Wafers auf der Basis der proportionalen Beziehung zwischen (i) der Größe der Abweichung der Schwerpunktsposition des Beugungslichtes auf einer einzigen Detektionseinrichtung gegenüber einer hierauf voreingestellten Bezugsposition und (ii) der Größe der relativen Positionsabweichung der Maske und des Wafers detektiert wird.
Des weiteren kann das System so modifiziert werden, daß die beiden Signallichtanteile von einer gemeinsamen Detektionseinrichtung empfangen werden.
Ein Positionsdetektionssystem gemäß einer fünften Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die folgenden Merkmale: Zur Detektion einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes, die gegenüberliegend angeordnet sind, ist der erste Gegenstand mit zwei Ausrichtungsmarken A1 und A1' versehen, die jeweils eine Wellenfrontumformfunktion besitzen. Die Marken sind in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung vorgesehen. Der zweite Gegenstand ist mit einer Ausrichtungsmarke B1 mit Wellenfrontumformfunktion ausgestattet. Von dem Licht einer Lichtprojekti onseinrichtung wird das von der Wellenfrontumformfunktion vom transmissiven Typ der Ausrichtungsmarke A1 des ersten Gegenstandes, das von der Wellenfrontumformfunktion vom reflektiven Typ der Ausrichtungsmarke B1 des zweiten Gegenstandes und dann von der Wellenfrontumformfunktion vom Transmissionstyp der Ausrichtungsmarke A1' des ersten Gegenstandes beeinflußte Licht auf eine vorgegebene Ebene gerichtet. Die Einfallposition des Lichtes auf dieser Ebene wird über eine Detektionseinrichtung detektiert. Unter Verwendung eines Ausgangssignales der Detektionseinrichtung wird die Positionsabweichung detektiert.
Gemäß einem Aspekt ist diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie folgt gekennzeichnet: Diverse Merkmale sind so eingestellt, daß die Ausrichtungsmarke B1 in einem Bereich außerhalb eines Bereiches, in dem das Licht von der Lichtprojektionseinrichtung, wie es der Ausrichtungsmarke A1' des ersten Gegenstandes zugeführt und von der Wellenfrontumformfunktion vom Transmissionstyp derselben beeinflußt wurde, dem zweiten Gegenstand zugeführt wird, angeordnet ist. Oder der Bereich, in dem das Licht von der Lichtprojektionseinrichtung, das der Ausrichtungsmarke A1' des ersten Gegenstandes zugeführt und von der Wellenfrontumformfunktion vom Transmissionstyp derselben beeinflußt wurde, auf den zweiten Gegenstand trifft, überlappt den Be reich des zweiten Gegenstandes überlappt, in dem die Ausrichtungsmarke B1 ausgebildet ist, wobei der Bereich einer derartigen Überlappung nicht größer ist als 30 % des Bereiches, in dem die Ausrichtungsmarke El ausgebildet ist. Diverse Faktoren sind so eingestellt.
Genauer gesagt, bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind, wenn eine Gegenstandsoberfläche k den ersten Gegenstand und eine Gegenstandsoberfläche B den zweiten Gegenstand bildet, erste und zweite Signalerzeugungsausrichtungsmarken A1, A1' und A2, A2', die jeweils die Funktion eines physikalischen optischen Elementes besitzen, auf der Gegenstandsoberfläche A ausgebildet. Auf der anderen Gegenstandsoberfläche B sind eine erste und eine zweite Signalerzeugungsausrichtungsmarke B1 und B2, die in entsprechender Weise jeweils die Funktion eines physikalischen optischen Elementes besitzen, ausgebildet.
Die ersten Signalerzeugungsausrichtungsmarken A1 und A1' sind entlang einer Richtung vorgesehen, die im wesentlichen senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung verläuft. In entsprechender Weise sind die zweiten Signalerzeugungsausrichtungsmarken A2 und A2' entlang einer Richtung vorgesehen, die im wesentlichen senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung verläuft.
Paralleles Licht mit einer Gauß'schen Intensitätsverteilung wird der Ausrichtungsmarke A1 zugeführt, und hierdurch erzeugtes Beugungslicht wird der Ausrichtungsmarke B1 zugeführt. Beugungslicht von der Ausrichtungsmarke B1 wird der Ausrichtungsmarke A' zugeführt, und Beugungslicht hiervon trifft auf eine vorgegebene Ebene. Der Schwerpunkt des auf diese Ebene fallenden Lichtes wird von einer ersten Detektionseinrichtung als Einfallposition des ersten Signallichtes detektiert.
Der hier verwendete Begriff "Schwerpunkt des Lichtes" bedeutet einen Punkt, bei dem, wenn auf einer Lichtempfangsfläche ein Positionsvektor eines jeden Punktes auf der Fläche mit der Lichtintensität dieses Punktes multipliziert wird und die auf diese Weise erhaltenen Produkte über die gesamte Fläche integriert werden, der integrierte Wert einen "Nullvektor" besitzt. Als Alternative kann jedoch auch die Position eines Spitzenpunktes der Lichtintensität detektiert werden.
In entsprechender Weise wird Licht einer Ausrichtungsmarke A2 zugeführt, und das hierdurch erzeugte Beugungslicht wird der Ausrichtungsmarke B2 zugeführt. Dann wird reflektives Beugungslicht von der Marke B2 der Ausrichtungsmarke A2' zugeführt. Der Schwerpunkt des Beugungslichtes von der Ausrichtungsmarke A2' auf einer vorgegebenen Ebene wird von einer zweiten Detektionseinrichtung als Einfaliposition des zweiten Signallichtes detektiert. Unter Verwendung von zwei Daten von der ersten und zweiten Detektionseinrichtung wird
die Positionierung der Gegenstände A und B ausgeführt. Hierbei werden verschiedene Parameter so eingestellt, daß das Licht (m', n', l')-ter Ordnung, das einen Detektionsfehlerfaktor in bezug auf das Licht (m, n, l)-ter Ordnung verursacht, von der Detektionseinrichtung nicht empfangen wird.
Bei dieser Ausgestaltung der vorliegenden Ausführungsform werden die Ausrichtungsmarken A1, A1', A2, A2', B1 und B2 so eingestellt, daß die Schwerpunktsposition des auf die erste Detektionseinrichtung fallenden Lichtes und die Schwerpunktsposition des auf die zweite Detektioneinrichtung fallenden Lichtes in Abhängigkeit von einer Positionsabweichung zwischen den Gegenständen A und B in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden.
Figur 17 ist eine perspektivische Ansicht eines Hauptteiles der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 18 zeigt in einer vergrößerten Ansicht einen Abschnitt der Ausführungsform in Figur 17. Figur 19 ist eine schematische Ansicht eines Hauptteiles der Ausführungsform der Figur 17 in X-Richtung gesehen.
In diesen Figuren ist mit 1 ein erster gegen stand (Gegenstandsfläche A), der beispielsweise eine Maske ist, und mit 2 einer zweiter Gegenstand (Gegenstandsfläche B) der beispielsweie ein Wafer ist, bezeichnet. Dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine relative Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes detektiert werden soll.
Da bei dieser Ausführungsform das durch den ersten Gegenstand 1 dringende und vom zweiten Gegenstand 2 reflektierte Licht wiederum durch den ersten Gegenstand 1 dringt, ist in Figur 18 der erste Gegenstand doppelt dargestellt. Mit 5, 5' und 3 sind Ausrichtungsmarken bezeichnet, die auf dem ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 vorgesehen sind, um ein erstes Signallicht zu erhalten. In entsprechender Weise sind mit 6, 6' und 4 Ausrichtungsmarken bezeichnet, die am ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 vorgesehen sind, um ein zweites Signallicht zu erhalten. In Figur 18 sind die optischen Wege so dargestellt, daß die Ausrichtunsmarken 3 und 4 durch äquivalente durchlässige Ausrichtungsmarken ersetzt sind.
Jede der Ausrichtungsmarken 3-6' umfaßt ein optisches Element mit Wellenfrontumformfunktion, das als physikalisches optisches Element dient, beispielsweise eine Gitterlinse mit einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Linsenfunktion oder ein Beugungsgitter ohne Linsenfunktion.
Die Ausrichtungsmarken 5 und 5' sind entlang einer Richtung (Y-Richtung) im wesentlichen senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung (X-Richtung) angeordnet. In ent sprechender Weise sind die Ausrichtungsmarken 6 und 6' entlang einer Richtung (Y-Richtung) im wesentlichen senkrecht zur Positionsabweichungsdetektionsrichtung (X-Richtung) angeordnet. Hier fällt die X-Richtung mit einer Waferrißlinienrichtung zusammen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform besitzt jede Ausrichtungsmarke des ersten und zweiten Gegenstandes eine Abbildungsfunktion in X-Richtung. In bezug auf eine Richtung senkrecht hierzu kann sie eine Abbildungsfunktion besitzen oder auch nicht.
Mit 9 ist eine Waferrißlinie und mit 10 eine Maskenrißlinie bezeichnet. Jede Ausrichtungsmarke ist auf der entsprechenden Rißlinie ausgebildet. Mit 7 und 8 sind ein erstes und zweites (Ausrichtungs-) Signallicht bezeichnet, während mit 7' und 8' (unerwünschte) Beugungslichtanteile vorgegebener Ordnungen in bezug auf das erste und zweite Signallicht 7 und 8 bezeichnet sind.
Mit 11 und 12 sind eine erste und zweite Detektionseinrichtung zum Detektieren des ersten und zweiten Signallichtes 7 und 8 bezeichnet. Jede der ersten und zweiten Detektionseinrichtung umfaßt einen eindimensionalen (linearen) CCD- Sensor, dessen Fühlerelemente beispielsweise in X-Achsen Richtung angeordnet sind.
Da die optischen Wirkungen des ersten und zweiten Signallichtes 7 und 8 im wesentlichen gleich sind und sie im wesentlichen in der gleichen Weise gehandhabt werden, wird nur das erste Signallicht 7 beschrieben.
In Figur 18 ist der Abstand zwischen dem ersten Gegenstand (der hiernach als "Maske" bezeichnet wird) 1 und dem zweiten Gegenstand (der hiernach als "Wafer" bezeichnet wird) 2 mit g bezeichnet, der Abstand vom zweiten Gegenstand 2 bis zum Konvergenzpunkt P2, definert durch die Ausrichtungsmarke 3 des zweiten Gegenstandes 2, mit L&sub1; bezeichnet und der Abstand vom ersten Gegenstand 1 bis zur ersten Detektionseinrichtung 11 mit L&sub2;.
Unter der Annahme, daß die Brennweite einer Maskenausrichtungsmarke entsprechend Beugungslicht i-ter Ordnung fim und die Brennweite einer Waferausrichtungsmarke 3 entsprechend Beugungslicht j-ter Ordnung fjW bedeutet, dann erhält man aus der effektiven Schwerpunktsposition des Lichtes (m, n, l)-ter Ordnung die Positionsabweichungsdetektionsvergrößerung β auf der Detektionsfläche 11a der Detektionseinrichtung 11 für das Licht (m, n, l)-ter Ordnung durch:
wobei L&sub1; erhalten wird durch:
Die Einfallposition S des Lichtes (m, n, l)-ter Ordnung auf der Oberfl;che lla der Detektionseinrichtung wird unter Verwendung des Einfallwinkels O des Lichtes in der X-Z- Ebene und der X-Achsen-Mittenpositionen xM0, xM0' und xW der Ausrichtungsmarken 5, 3 und 5' wie folgt ausgedrückt:
Wenn das Licht (m, n, l)-ter Ordnung auf der Detektionseinrichtungsfläche 11a abgebildet wird, wird L&sub2; erhalten aus:
Wenn die Brennweite der Maskenausrichtungsmarke entsprechend dem Beugungslicht positiver erster Ordnung mit f&sub1;M bezeichnet wird, dann kann die Brennweite flM (fmM) ausgedrückt werden als:
Wenn xM0 - xW = gilt und wenn die Gleichung (52) in Gleichung (53) eingesetzt wird, gilt:
Wenn Gleichung (52) in Gleichung (51) für die Positionsabweichungsempfindlichkeit β eingesetzt wird, gilt:
Wenn der Abstand L&sub1; entsprechend den Gleichungen (54) und (52) in den Abstand L&sub2; eingesetzt wird, dann gilt:
Die Positionsabweichungsempfindlichkeit ß, erhältlich durch Substitution von Gleichung (56) in Gleichung (51'), wird bestimmt über fmM, fnW, flM und g.
Wenn jedoch die Detektionsfläche 11a nicht auf der Abbildungsebene angeordnet werden kann, wird sie aus Gleichung (51') durch fmM, fnW, g und L&sub2; ermittelt.
Als nächstes wird die optische Bahn des ersten Signallichtes 7 für die Positionsabweichungsdetektion bei dieser Ausführungsform beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Licht 71 das von zwei Ausrichtungsmarken 5 und 5' des ersten Gegenstan des 1 und einer Ausrichtungsmarke 3 des zweiten Gegenstandes 2 dreimal gebeugt oder wellenfrontumgeformt worden ist, als Positionsabweichungsdetektionslicht verwendet. Allgemein treten bei einem Beugungssystem, bei dem Licht dreimal gebeugt wird, schließlich zwei Lichtanteile mit unterschiedlichen Beugungsgeschichten in der gleichen Richtung aus.
Genauer gesagt, wie in Figur 20 gezeigt, sind die Ausrichtungsmarken 5 und 5' auf dem ersten Gegenstand 1 ausgebil det, während eine Ausrichtungsmarke 3 auf dem zweiten Gegenstand 2 ausgebildet ist. Beispielsweise wird als erstes Signallicht 7 das Licht (m, n, l)-ter Ordnung verwendet, das auf den ersten Gegenstand 1 unter einem Winkel α projiziert, von der Ausrichtungsmarke 5 mit m-ter Ordnung gebeugt, von der Ausrichtungsmarke 3 mit n-ter Ordnung gebeugt und von der Ausrichtungsmarke 5' mit l-ter Ordnung gebeugt wird.
In Abhängigkeit hiervon tritt das Licht 7' (1, n, m)-ter Ordnung, das von der Ausrichtungsmarke 5' des ersten Gegenstandes 1 mit l-ter Ordnung, von der Ausrichtungsmarke 3 des zweiten Gegenstandes 2 mit n-ter Ordnung und von der Ausrichtungsmarke 5 des ersten Gegenstandes 1 mit m-ter Ordnung gebeugt wurde, vom ersten Gegenstand 1 in der gleichen Richtung wie das erste Signallicht 7 aus.
Um bei der vorliegenden Ausführungsform eine Erniedrigung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Signallichtes 7 durch Auftreffen des Beugungslichtes 7' auf die Detektionsfläche zu verhindern oder die Erzeugung einer Kreuzkopplung aus Interferenz o.ä. der Lichtanteile 7 und 7' zu unterdrücken, wird eine Optimierung in bezug auf die Lage einer jeden Ausrichtungsmarke und deren Beugungswinkel durchgeführt, wie in Figur 18 gezeigt.
Genauer gesagt, das Paar der Ausrichtungsmarken 5 und 5' des ersten Gegenstandes 1 und das Paar der Ausrichtungsmarken 6 und 6' werden entlang einer Richtung (Y-Richtung) senkrecht zur Positionsabweichungsrichtung (X-Richtung) angeordnet, und jede Ausrichtunsmarke wird von einer zylindrischen Gitterlinse gebildet, die eine Abbildungsfunktion nur in X-Richtung besitzt.
Des weiteren haben die Ausrichtungsmarken 5, 3, 6 und 4 jeweils ein Markenmuster, das so ausgebildet ist, daß es als Gitterelement mit konstantem Abstand in Y-Richtung dient.
Die Ausrichtungsmarken 5' und 6' sind jeweils von einer Gitterlinse vom Linearzonenplattentyp gebildet, die keine Lichtablenkfunktion in der Y-Z-Sektion besitzt. Wenn der Gitterabstand der Ausrichtungsmarke in der Y-Z-Sektion, d.h. der Sektion, in der sie keine Abbildungsfunktion besitzt, mit P&sub1;und P&sub2; für die Ausrichtungsmarken 5 und 3 und mit P&sub3; und P&sub4; für die Ausrichtungsmarken 6 und 4 bezeichnet wird, wenn das Signallicht durch Licht (-1, 1, -1)-ter Ordnung, das durch Auftreffen von Licht auf die Oberfläche des ersten Gegenstandes unter einem Winkel und durch Beugung durch diese Ausrichtungsmarken mit negativer erster Ordnung durch die Ausrichtungsmarke 5 (6), mit positiver erster Ordnung durch die Ausrichtungsmarke 3 (4) und negativer erster Ordnung durch die Ausrichtungsmarke 5' (6') in dieser Reihenfolge erzeugt wurde, vorgesehen wird und wenn die Winkel der Lichtanteile in der Y-Z-Ebene ausgehend von den Ausrichtungsmarken 5, 3, 6 und 4 mit β(P&sub1;), β(P&sub3;), γ(P&sub2;) und γ(P&sub4;) in bezug auf eine Normale auf den ersten Gegenstand bezeichnet werden, dann werden die folgenden Beziehungen erhalten:
wobei d&sub0; der Abstand in Y-Richtung zwischen den Mitten der Ausrichtungsinarken 5 und 5' (6 und 6') und d&sub1; der Abstand (gemessen in Y-Richtung) zwischen gegenüberliegenden Rändem der Ausrichtungsmarken 3 und 5' (4 und 6') ist
Um die in Figur 19 gezeigte Anordnung zu verwirklichen, ist es wünschenswert, daß der Winkel β klein gehalten wird, während der Winkel γ größer als der Einfallwinkel α gemacht wird. Wenn beispielsweise bei der vorliegenden Ausführungs form α = 5º ist, das erste Signallicht einen Winkel β = 30º besitzt, das zweite Signallicht einen Winkel β = 36º aufweist und der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand 30 µm entspricht, gilt:
Der Abstand d&sub1;&sub1; in Y-Richtung zwischen den Mitten der Ausrichtungsmarken 3 und 5 zur Erzeugung des ersten Signallichtes wird aus Gleichung (58) wie folgt erhalten:
In entsprechender Weise beträgt der Abstand d&sub1;&sub2; in Y-Richtung zwischen den Mitten der das zweite Signallicht erzeugenden Ausrichtungsmarken 4 und 6:
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird für das erste und zweite Signallicht 7 und 8 der Winkel β = 0º realisiert.
Gleichung (57) stellt eine Bedingung zur Vermeidung des Auftreffens des Lichtes 7' auf die Detektionsfläche dar, wenn in Figur 20 das Licht 7 als erstes Signallicht verwen det wird. Gleichung (58) ist eine Bedingung in bezug auf die Größe und Lage einer jeden Ausrichtungsmarke zur Sicherung eines effizienten Auftreffens des ersten Signallichtes 7 auf die Detektionsfläche.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann durch Einstellung von verschiedenen Faktoren, wie sie beispielsweise vorstehend beschrieben wurden, die Einfallposition des ersten Signallichtes 7 (zweiten Signallichtes 8) ohne Beeinflussung durch das Licht 7' (Licht 8') detektiert werden.
Die vorliegende Ausführungsform ist auch bei einer Belichtungsvorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung vom Näherungstyp anwendbar, wie es in den Figuren 5A- 5C dargestellt ist.
Figur 21 ist eine schematische Ansicht eines Hauptteiles einer modifizierten Ausgestaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind wie bei der fünften Ausführungsform zum Erhalt eines ersten Signallichtes 7 zwei Ausrichtungsmarken 5 und 51, die jeweil ein physikalisches optisches Element umfassen, am ersten Gegenstand (Maske) 1 vorgesehen, während eine Ausrichtungsmarke 31 die ein physikalisches optisches Element umfaßt, am zweiten Gegenstand (Wafer) 2 vorgesehen ist.
In entsprechender Weise sind zum Erhalt eines zweiten Si gnallichtes 8 zwei Ausrichtungsmarken 6 und 6' (nicht gezeigt), die jeweils ein physikalisches optisches Element umfassen, am ersten Gegenstand 1 vorgesehen, während eine Ausrichtungsmarke 4 (nicht gezeigt), die ein physikalisches optisches Element aufweist, am zweiten Gegenstand 2 vorge sehen ist. Jede der Ausrichtungsmarken besitzt eine Abbildungsfunktion in X-Richtung und wird durch ein Linsenelement vom zylindrischen Typ mit Lichtablenkfunktion in Y- Richtung gebildet.
Die Erzeugung des Lichtes 7', das ein unerwünschtes Beugungslicht in bezug auf das erste Signallicht 7 darstellt, wird reduziert. Beispielsweise werden die Lage und Größe einer jeden Ausrichtungsmarke in der Y-Z-Ebene sowie die Lichtwege, insbesondere der Beugungswinkel einer jeden Ausrichtungsmarke, so eingestellt, daß die Größe des Lichtes 7' nicht größer wird als 1/20 der Größe des ersten Signallichtes 7.
Mit dieser Anordnung wird der Effekt des Lichtes 7', das unerwünschtes Beugungslicht in bezug auf das erste Signallicht 7 darstellt, auf die Positionsabweichungsdetektion reduziert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden diverse Faktoren wie folgt eingestellt: Es wird davon ausgegangen, daß die Positionsabweichungsdetektionsrichtung in X-Richtung liegt, daß in der Y-Z-Ebene Licht auf den ersten Gegenstand unter einem Winkel α in bezug auf eine Normale hierzu auftrifft und daß das erste Signallicht 7, das eine in Figur 21 gezeigte Bahn verfolgt, auf die Detektionseinrichtung 11 trifft, bei der es sich um ein CCD-Element oder ein photoelektrisches Wandlerelement vom Akkumulationstyp handeln kann. Die Ordnungen der Beugung durch die Ausrichtungsmarken sind hierbei so, daß das Licht von der Ausrichtungs marke 5 einer Beugung m-ter Ordnung, von der Ausrichtungsmarke 3 einer Beugung n-ter Ordnung und von der Ausrichtungsmarke 5' einer Beugung l-ter Ordnung unterzogen wird. Es handelt sich hierbei um das Licht (m, n, l)-ter Ordnung. In entsprechender Weise wird das Licht 7', das uner wünschtes Beugungslicht ist, als Licht (m', n', l')-ter Ordnung bezeichnet, das von der Ausrichtungsmarke 5' einer Beugung m'-ter Ordnung, von der Ausrichtungsmarke 3 einer Beugung n'-ter Ordnung und von der Ausrichtungsmarke 5 einer Beugung l'-ter Ordnung unterzogen wird.
Hierbei sind die Faktoren so eingestellt, daß die Fläche des Überlappungsbereiches zwischen dem Bereich, in dem das Licht 7' (m', n', l')-ter Ordnung auf die Oberfläche des zweiten Gegenstandes 2 trifft, und dem Bereich, in dem die Ausrichtungsmarke 3' ausgebildet ist, nicht größer wird als 30 % der Fläche des Bereiches der Ausrichtungsmarke 3'. Dies stellt sicher, daß die Intensität des Lichtes 7' auf ein Drittel oder weniger der Intensität des Lichtes 7 reduziert wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Licht (1, 1, -1)-ter Ordnung als das erste Signallicht 7 verwendet. In Anbetracht der gegenüber der Achse versetzten Abbildungseigenschaften, wie durch Gleichung (51') der Wellenfrontum formeigenschaften der Gitterlinsenmuster der Ausrichtungsmarken 5, 5' und 3 vorgegeben, ist das optische System so angeordnet, daß die vorgegebene Abbildungsebene die Detektionsfläche bildet.
Aus der Beziehung in bezug auf die Lage und Größe einer jeden Ausrichtungsmarke wird nunmehr davon ausgegangen, daß nur ein schwaches Licht 7' erzeugt wird. Wenn dies der Fall ist, ist das Licht 7', das auf die Lichtempfangszone der Detektionsfläche in Abhängigkeit vom Licht (1, 1, -1)-ter Ordnung, das das erste Signallicht ist, auftreffen und dort konvergieren kann, das Licht (-1, 1, 1)-ter Ordnung. Somit trifft normalerweise in Abhängigkeit vom Licht (m, n, l)- ter Ordnung das Licht (l, n, m)-ter Ordnung auf die Detektionsfläche und konvergiert dort.
Jede Ausrichtungsmarke besitzt eine Abbildungseigenschaft in x-Richtung, hat jedoch keine Abbildungsfunktion in Y- Richtung. Insgesamt besitzt sie eine Lichtablenkfunktion zur Änderung des Emissionswinkels des Lichtes zu einer vorgegebenen Richtung.
Es werden nunmehr die Gitterabstände (regelmäßig) der Ausrichtungsmarken 5, 5' und 3 in Y-Richtung mit P&sub1;, P&sub1;' und der Emissionswinkel in der Y-Z-Ebene des Lichtes 7 von der Ausrichtungsmarke 5 mit ß, wie in Figur 21 gezeigt, der Emissionswinkel von der Ausrichtungsmarke 3 mit γ und der Emissionswinkel von der Ausrichtungsmarke 5' mit δ bezeichnet. Ferner werden die Mittenkoordinatenpositionen der Ausrichtungsmarken 5, 5' und 3 in Y-Richtung mit y1,0, y2,0 und y3,0 bezeichnet, und die Grenzpositionen hiervon in Y- Richtung mit e&sub1;, e&sub2;, ... und e&sub5; bezeichnet, wie dargestellt.
e&sub2; ist die Kontaktgrenzposition der Ausrichtungsmarken 5 und 5'. Wenn der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand 1 und 2 in Z-Richtung g ist, dann wird der Emissionswinkel γ' des Lichtes 7 von der Ausrichtungsmarke 5' wie folgt ausgedrückt:
Die Bedingung, um ein Auftreffen eines Teiles des Lichtes 7', das vom Grenzabschnitt e&sub1; der Ausrichtungsmarke 5' ausgeht, auf den die Ausrichtungsmarke 3 bildenden Bereich am zweiten Gegenstand zu verhindern, ist:
Wenn die obige Ungleichung erfüllt wird, trifft das gesamte Beugungslicht 7' negativer erster Ordnung, das von dem Bereich ausgeht, in dem die Ausrichtungsmarke 5' vorhanden ist, nicht auf den Bereich am zweiten Gegenstand, in dem die Ausrichtungsmarke 3 vorhanden ist, wie in Figur 21 gezeigt. Somit stellt Gleichung (60) die Bedingung zum Unterdrücken der Erzeugung von Licht 7' dar.
Die Bedingung zur Sicherstellung eines wirksamen Auftreffens des Lichtes 7 ausgehend von der Ausrichtungsmarke 5 auf die Ausrichtungsmarke 3 ist wie folgt:
Die Bedingung zur Sicherstellung eines wirksamen Auftreffens des Lichtes 7 ausgehend von der Ausrichtungsmarke 3 auf die Ausrichtungsmarke 5' ist wie folgt:
Die Gleichungen (61) und (62) sind die Bedingungen, bei denen, wenn das System so strukturiert ist, daß das Licht 7 von den Gegenstandsoberflächen vollständig wellenfrontumgewandelt wird, wobei der Einfallsbereich des Lichtes auf jede Ausrichtungsmarke um eine Achse der Mitte einer jeden Ausrichtungsmarke definiert ist, alles Licht, das außerhalb eines derartigen Ausrichtungsmarkenbereiches gerichtet ist, minimiert wird. Diese Gleichungen stellen die Bedingungen in bezug auf die Lage und Größe einer jeden Ausrichtungsmarke sowie für die Festlegung der optischen Bahn dar, die erforderlich sind, um eine wirksame Übertragung der Wellenfront sicherzustellen und somit die Menge des auf die Detektionsfläche auftreffenden Lichtes zu vergrößern.
Bei diesen Ausführungsformen wird von dem pHänomen Gebrauch gemacht, daß sich der Abstand in X-Richtung der Schwerpunktspositionen auf den beiden Lichtdetektionseinrichtungen proportional zur relativen Positionsabweichung in X- Richtung eines ersten Gegenstandes (Maske) und eines zweiten Gegenstandes (Wafers) ändert. Diese Änderung des Abstandes wird detektiert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise kann die Erfindung auch bei einer Anordnung Anwendung finden, bei der die relative Positionsabweichung der Maske und des Wafers auf der Basis einer proportionalen Beziehung zwischen (1) der Größe der Abweichung der Schwerpunktsposition des Beu gungslichtes auf einer einzigen Detektionseinrichtung gegenüber einer vorgegebenen Bezugsposition darauf und (ii) der Größe der relativen Positionsabweichung der Maske und des Wafers detektiert wird.

Claims

1 Verfahren zum Detektieren einer relativen Positionsabweichung zwischen einem ersten Gegenstand (1) mit einer ersten Gittermarke (5, 6) mit optischer Wirksamkeit und einem zweiten Gegenstand (2) mit einer zweiten Gittermarke (3, 4) mit optischer Wirksaitikeit, mit den folgenden Schritten:

Projizieren eines Strahles (7, 8) einer Strahlung auf den ersten Gegenstand (1), um durch eine transmissive Beugung m-ter Ordnung durch die erste Gittermarke (5, 6), eine reflektive Beugung n-ter Ordnung durch die Zweite Gittermarke (3, 4) und eine transmissive Beugung l-ter Ordnung durch die erste Gittermarke (5, 6), wobei m, n und l ganze Zahlen sind, die Erzeugung eines Signaistrahles zu bewirken, der auf eine Detektionszone auf einer Lichtempfangsfläche (11, 12) zusammengeführt wird, und

Bestimmen aus der Einfaliposition des Signalstrahles auf die Lichtempfangsfläche (11, 12) einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes (1 und 2);

dadurch gekennzeichnet, daß

mindestenseine der Zahlen 1 oder m nicht gleich Null ist und n nicht gleich Null ist; und

eine Kombination des Abstandes vom ersten und zweiten Gegenstand (1 und 2) zur Lichtempfangsfläche (11, 12) des Abstandes zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand (1 und 2), der Brennweiten der ersten und zweiten Gitterutarke (3, 4 und 5, 6) und des Einfallwinkels des projizierten Strahles (7; 8) auf den ersten Gegenstand (1) ausgewählt wird, um im wesentlichen zu verhindern, daß ein vorgegebener Beugungsstrahl (7', 8'), der aus dem Strahl (7, 8) durch die transmissive Beugung m'-ter Ordnung der ersten Gitterinarke (5, 6), die reflektive Beugung n'-ter Ordnung der zweiten Gittermarke (3, 4) und die transmissive Beugung l'-ter Ordnung der ersten Gittermarke (5, 6) erzeugt wurde, auf die Detektionszone zusammengefuhrt wird, wenn m ≠ m', n ≠ n' oder l ≠ l' ist.

2 Verfahren nach Anspruch 11 bei dem eine Kotribination ausgewählt wird, um zu verhindern, daß der vorgegebene Beugungsstrahl (7', 8') auf die Detektionszone zusammengeführt wird, wenn m = l', n = n' und l = m' ist.

3 Verfahren nach Anspruch 2, bei dein der Signalstrahl durch einen 5;trahl vorgesehen wird, der an der ersten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung erfahren hat, und bei dem der vorgegebene Beugungsstranl durch einen Strahl vorgesehen wird, der an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung erfahren hat.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Signalstrahl durch einen Strahl vorgesehen wird, der an der ersten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung erfahren hat, und bei dem der vorgege bene Beugungsstrahl durch einen Strahl vorgesehen wird, der an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung, an der zweiten Gittermarke ein positive Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung erfahren hat.

5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Signalstrahl durch einen Strahl vorgesehen wird, der an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung erfahren hat, und bei dem der vorgegebene Beugungsstrahl durch einen Strahl vorgesehen wird, der an der ersten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung erfahren hat.

6. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Signalstrahl durch einen Strahl vorgesehen wird, der an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung erfahren hat, und bei dem der vorgegebene Beugungsstrahl durch einen Strahl.vorgesehen wird, der an der ersten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung erfahren hat.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der vorgegebene Beugungsstrahl einen Abschnitt mit einer relativ geringen Intensität aufweist, der auf die Detektionszone trifft, und bei dem ein unerwünschter Strahl einen Abschnitt mit einer relativ hohen Intensität besitzt, der auf einen anderen Bereich als die Detektionszone trifft.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der vorgegebene Beugungsstrahl nicht auf die Lichtempfangsfläche trifft.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Erzeugung des vorgegebenen Beugungsstrahles verhindert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der vorgegebene Beugungsstrahl in einem defokussierten Zustand auf einen relativ großen Bereich einschließlich der Detektionszone trifft.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die erste und zweite Gittermarke (5, 6 und 3, 4) auf dem ersten und zweiten Gegenstand (1 und 2) vorgesehen und so angeordnet werden, daß weniger als oder 30 % Überlappung zwischen der ersten und zweiten Gittermarke vorhanden ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die erste und zweite Gittermarke (5, 6 und 3, 4) auf dem ersten und zweiten Gegenstand (1 und 2) vorgesehen und so angeordnet werden, daß sie vollständig versetzt zueinander angeordnet sind.

13. Hersteilverfahren für eine Halbleitervorrichtung einsetzbar mit einer Maske mit einer ersten mit optischer Wirksamkeit und einem Plättchen mit einer zweiten Gittermarke mit optischer Wirksamkeit, mit den folgenden Schritten:

Detektieren einer relativen Positionsabweichung zwischen der Maske und dem Plättchen unter Anwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12;

nach der Korrektur von irgendeiner relativen Positi onsabweichung Drucken eines Schaltungsmusters der Maske auf das Plättchen; und

Ausbilden einer Haibleitervorrichtung aus dem bedruckten Plättchen.

14. Vorrichtung zum Detektieren einer relativen Positionsabweichung zwischen einem ersten Gegenstand (1) mit einer ersten Gittermarke (5, 6) mit optischer Wirksamkeit und einem zweiten Gegenstand (2) mit einer zweiten Gittermarke (3, 4) mit optischer Wirksamkeit, mit

Einrichtungen zum Projizieren eines Strahles (7, 8) einer Strahlung auf den ersten Gegenstand (1), um durch eine transmissive Beugung m-ter Ordnuyig durch die erste Gittermarke (5, 6), eine reflektive Beugung n-ter Ordnung durch die zweite Gittermarke (3, 4) und eine transmissive Beugung l-ter Ordnung durch die erste Gittermarke (5, 6), wenn m, n und l ganze Zahlen sind, einen Signalstrahl zu erzeugen, der auf eine Detektionszone auf einer Lichtempfangsfläche (11, 12) zusammengefuhrt wird;

Detektionseinrichtungen zum Detektieren des Signalstrahles an der Detektionszone der Lichtempfangsfläche; und

Verarbeitungseinrichtungen zum Bestimmen einer relativen Positionsabweichung des ersten und zweiten Gegenstandes (1 und 2) aus der detektierten Eintallsposition des Signalstrahles auf die Lichtempfangsfläche (11, 12);

dadurch gekennzeichnet, daß

mindestens eine der Zahlen 1 oder in nicht gleich Null und n nicht gleich Null sind; und

daß Einrichtungen zum Auswählen einer Kombination aus dein Abstand vom ersten und zweiten Gegenstand (1 und 2) zur Lichtempfangsfläche (11, 12), dem Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand (1 und 2), den Brennweiten der ersten und zweiten Gittermarke (3, 4 und 5, 6) und dem Einfaliwinkel des projizierten Strahles (7, 8) auf den ersten Gegenstand (1) vorgesehen sind, um im wesentlichen zu verhindern, daß ein vorgegebener Beugungsstrahl (7', 8'), der aus dem Strahl (7, 8) durch die transmissive Beugung m'-ter Ordnung durch die erste Gittermarke (5, 6), die reflektive Beugung n'-ter Ordnung durch die zweite Gittermarke (3, 4) und die transmissive Beugung l'-ter Ordnung durch die erste Gittermarke (5, 6) erzeugt wurde, auf die Detzektionszone zusammengefünrt wird, wenn in m ≠ m', n ≠ n' oder l ≠ l' ist

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Einrichtungen zum Auswählen der Kombination so angeordnet sind, daß sie verhindern, daß der vorgegebene Beugungsstrahl (7', 8') auf die Detektionszone zusammengeführt wird, wenn m = l', n = n' und l = m' sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Detektionseinrichtungen so angeordnet sind, daß sie einen Signalstrahl detektieren, der durch einen Strahl erzeugt wurde, der an der ersten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung erfahren hat, und bei der die Einrichtungen zum Auswählen der Kombination so angeordnet sind, daß sie verhindern, daß der vorgegebene Beugungsstrahl (7', 8') auf die Detektionszone zusammengeführt wird, wenn dieser durch einen Strahl gebildet wurde, der an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung erfahren hat.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Detektions einrichtungen so angeordnet sind, daß sie einen einzigen Strahl detektieren, der durch einen Strahl erzeugt wurde, welcher an der ersten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung erfahren hat, und bei der die Einrichtungen zum Auswählen einer Kombination so angeordnet sind, daß sie verhindern, daß der vorgegebene Beugungsstrahl (8') auf die Detektionszone zusammengeführt wird, wenn dieser durch einen Strahl gebildet wurde, welcher an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung erfahren hat.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Detektionseinrichtungen so angeordnet sind, daß sie einen Signalstrahl detektieren, der durch einen Strahl erzeugt wurde, welcher an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung erfahren hat, und daß die Einrichtungen zum Auswählen einer Kombination so angeordnet sind, daß sie verhindern, daß der vorgegebene Beugungsstrahl (7', 8') auf die Detektionszone zusammengeführt wird, wenn dieser durch einen Strahl gebildet wurde, der an der ersten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine negative Beugung erster Ord nung und an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung erfahren hat.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Detektionseinrichtungen so angeordnet sind, daß sie einen Signalstrahl detektieren, der von einem Strahl gebildet wurde, welcher an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine negative Beugung erster Ordnung erfahren hat, und bei der die Einrichtungen zum Auswählen einer Kombination so angeordnet sind, daß sie verhindern, daß der vorgegebene Beugungsstrahl (7', 8') auf die Detektionszone zusammengeführt wird, wenn dieser von einem Strahl gebildet wurde, welcher an der ersten Gittermarke einen negative Beugung erster Ordnung, an der zweiten Gittermarke eine positive Beugung erster Ordnung und an der ersten Gittermarke eine Beugung nullter Ordnung erfahren hat.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüch 14 bis 19, bei der der vorgegebene Beugungsstrahl einen Abschnitt mit einer relativ geringen Intensität aufweist und ein unerwünschter Strahl einen Abschnitt mit einer relativ hohen Intensität besitzt und bei der die Detektionseinrichtungen so angeordnet sind, daß der Abschnitt des vorgegebenen Beugungsstahles mit relativ niedriger Intensität auf die Detektionszone trifft und der Abschnitt des unerwünschten Strahles mit einer relativ hohen Intensität auf einen anderen Bereich als die Detektionszone trifft.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei der die Detektionseinrichtungen so angeordnet sind, daß der vorgegebene Beugungsstrahl nicht auf die Lichtempfangsfläche trifft.

22. Vdrrichtung nach A?1spruch 21 mit Einrichtungen zum Verhindern der Erzeugung des vorgegebenen Beugungsstrahles.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei der die Detektionseinrichtungen so angeordnet sind, daß der vorgegebene Beugungsstrahl in einem defokussierten Zustand auf einen relativ großen Bereich ein schließlich der Detektionszone trifft.