DE69225915T2

DE69225915T2 - Abbildungseinrichtung mit einer Vorrichtung zur Detektion eines Fokussierfehlers und/oder einer Verkantung

Info

Publication number: DE69225915T2
Application number: DE69225915T
Authority: DE
Inventors: Johannes Marcus Maria Nl-5656 Aa Eindhoven Beltman; Henk Frederik Dirk Nl-5656 Aa Eindhoven Linders; Marinus Aart Nl-5656 Aa Eindhoven Van Den Brink; Jan Evert Nl-5656 Aa Eindhoven Van Der Werf
Original assignee: ASML Netherlands BV; Philips Electronics NV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 1991-03-07
Filing date: 1992-03-03
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2012-03-04
Also published as: JPH06188172A; EP0502583A1; KR100282098B1; DE69225915D1; JP2965097B2; US5191200A; EP0502583B1; KR920018502A; NL9100410A

Description

Die Erfindung betrifft ein Abbildungsgerät mit einem Abbildungssystem und einem optoelektronischen Fokusfehlerdetektionssystem zum Bestimmen einer Abweichung zwischen der Bildebene des Abbildungssystems und einer zweiten Ebene, auf der Abbilden erfolgen soll, wobei das genannte Fokusdetektionssystem eine Strahlungsquelle zum Liefern eines Fokusdetektionsstrahlenbündels umfaßt, einen an der gleichen Seite der zweiten Ebene wie die Strahlungsquelle angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor sowie optische Elemente zum Richten des Fokusdetektionsstrahlenbündels auf die zweite Ebene unter einem kleinen Winkel zu der genannten Ebene, um die Vergenz, d. h. Konvergenz oder Divergenz, des genannten Strahlenbündels und der des an der zweiten Ebene reflektierten Strahlenbündels zu ändern, und zum Richten des letztgenannten Strahlenbündels auf den Detektor.
Ein Abbildungsgerät dieser Art ist beispielsweise aus dem US-Patent 4.866.262 bekannt. Das in diesem früheren Patent beschriebene Gerät kann Teil eines sogenannten "Wafersteppers" sein, d. h. einer Anlage zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat, beispielsweise einem Siliciumsubstrat mit Hilfe optischer Strahlung, welche Anlage bei der Herstellung beispielsweise integrierter Schaltungen, kurz ICs genannt, verwendet wird. Das Muster wird mit einem Projektionslinsensystem auf ein erstes Teilgebiet, oder Feld, des Substrats abgebildet, und anschließend wird das Substrat um einen genau definierten Abstand bewegt, woraufhin das Muster auf ein zweites Substratfeld abgebildet wird, woraufhin das Substrat wieder bewegt wird und so weiter, bis das Muster auf alle Substratfelder abgebildet ist.
Wegen der Feinheit der abzubildenden Details sollte das Projektionslinsensystem eine große numerische Apertur haben. Ein solches Linsensystem hat jedoch eine kleine Tiefenschärfe, so daß eine Abweichung zwischen der Bildebene des Projektionslinsensystems und der Substratoberfläche genau gemessen werden und eventuell kor rigiert muß. Die genannte Messung wird im allgemeinen als Fokusdetektion bezeichnet. Ein anderes Problem ist, daß die Substratoberfläche wegen einer Verkantung des Substrats als Ganzes oder infolge von Dickenänderungen dieses Substrats schräg stehen kann. Außerdem kann die Substratoberfläche lokale Unebenheiten haben. Es ist daher notwendig, für jedes Substratfeld eine Fokusdetektion auszuführen.
In dem im US-Patent 4.866.262 beschriebenen Gerät wird die Fokusdetektion mit Hilfe eines Laserstrahlenbündels ausgeführt, das auf die Substratoberfläche unter einem großen Winkel einfällt, beispielsweise in der Größenordnung von 80º zur Normalen auf diese Oberfläche, wo es einen ersten Strahlungsfleck bildet. Das Strahlenbündel wird von der Substratoberfläche zu einem strahlungsempfindlichen Detektor reflektiert, der zwei Detektorzellen umfaßt, und bildet in der Ebene des Detektors einen zweiten Strahlungsfleck, der ein Bild des ersten Strahlungsflecks ist. Wenn die Substratoberfläche mit der Bildebene des Projektionslinsensystems zusammenfällt, liegt der zweite Strahlungsfleck in bezug auf die Detektorzellen symmetrisch und ist die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektorzellen gleich null. Wenn die Substratoberfläche nicht mit der genannten Bildebene zusammenfällt, liegt der zweite Strahlungsfleck in bezug auf die Detektorzellen nicht symmetrisch und ist das genannte Differenzsignal ungleich null. Die Größe und Richtung einer Abweichung zwischen der Substratoberfläche und der Bildebene des Projektionslinsensystems kann aus der Amplitude und dem Vorzeichen dieses Differenzsignals abgeleitet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Fokusdetektionseinrichtung zu verschaffen, die genauer und zuverlässiger ist als bestehende Einrichtungen, und eine erweiterte Einrichtung dieser Art zu verschaffen, mit der eine lokale Verkantung der Substratoberfläche detektiert werden kann. Diese Erfindung hat mehrere Aspekte, die an sich bereits neu sind und erhebliche Verbesserungen der Fokusdetektion verschaffen, aber, wenn sie kombiniert werden, auch eine neuartige Generation von Fokusdetektionseinrichtungen und Detektionseinrichtungen für lokale Verkantungen ergeben.
Die verschiedenen Aspekte der Erfindung, die in verschiedenen Klassen von Ausführungsformen ausgestaltet sind, sollen jetzt anhand der Probleme beschrieben werden, für die sie eine Lösung bieten.
Ein erster Aspekt betrifft das Fokusdetektionsstrahlenbündel. In bekannten Fokusdetektionseinrichtungen, wie denen, die im US-Patent 4.866.262 beschrieben werden, ist dies ein Laserstrahlenbündel, das monochromatisch ist und dessen Wellenlänge so gewählt ist, daß das Strahlenbündel die zu belichtende Substratoberfläche nicht beeinflußt. Dieses Substrat hat jedoch eine wechselnde Anzahl Schichten, in die das Fokusdetektionsstrahlenbündel eindringen kann, um anschließend wieder reflektiert zu werden. Wegen der von dem Substratschichtenpaket verursachten Interferenzen treten in dem Fokusdetektionsstrahlenbündel Veränderungen auf, die vom Abstand zwischen der Substratoberfläche und dem Bildfeld des Projektionslinsensystems unabhängig sind, so daß ein fehlerhaftes Fokusdetektionssignal erhalten wird. Obwohl dafür gesorgt wird, daß die Reflexion an der Substratoberfläche relativ groß und der Einfluß des Substratschichtenpakets auf das Fokusdetektionsstrahlenbündel relativ klein ist, indem man das Fokusdetektionsstrahlenbündel streifend, d. h. unter einem kleinen Winkel auf die Substratoberfläche einfallen läßt, spielt bei der heutzutage geforderten größeren Fokusdetektionsgenauigkeit der verbleibende Einfluß des Substratschichtenpakets auf das Fokusdetektionsstrahlenbündel weiterhin eine wichtige Rolle.
Um diesen Einfluß zu verringern, ist eine erste Klasse von Ausführungsformen des Abbildungsgeräts gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Fokusdetektionsstrahlenbündel ein breites Wellenlängenband hat und daß ein erstes und ein zweites Gitter vorgesehen sind, wobei das erste Gitter im Strahlungsweg zwischen der Strahlungsquelle und der zweiten Ebene und das zweite Gitter zwischen der genannten zweiten Ebene und dem Detektor angeordnet ist, wodurch die Gitterperiode des Bildes des in der Ebene des zweiten Gitters gebildeten ersten Gitters gleich der Periode des zweiten Gitters ist und die Gitterlinien des genannten Bildes in gleicher Richtung verlaufen wie die Gitterlinien des zweiten Bildes.
Da die Strahlung des Fokusdetektionsstrahlenbündels ein breites Spektrum aufweist und da die genannte Interferenzerscheinungen für jede Wellenlänge anders sind, werden die Interferenzen für das gesamte Strahlenbündel ausgemittelt, so daß das Fokusdetektionsstrahlenbündel nicht mehr von dem Substratschichtenpaket beeinflußt 1 wird. Da bei Verwendung von Strahlung mit einem breiten Spektrum die Abmessung des kleinsten Strahlungsflecks, der auf dem Substrat gebildet werden kann, größer ist als diese Abmessung bei Verwendung monochromatischer Strahlung, und da die Emp findlichkeit oder das Auflösungsvermögen der Fokusdetektionseinrichtung proportional der genannten Abmessung ist, würde ohne weitere Maßnahmen das Auflösungsvermögen abnehmen. Um das zu verhindern, wird, noch immer gemäß der Erfindung, von zwei Gittern Gebrauch gemacht, von denen eines auf das andere mittels Reflexion an dem Substrat abgebildet wird. Dadurch wird ein Gitterverlagerungssystem kreiert, dessen Empfindlichkeit proportional zur Periode der Gitter ist und mit dem sehr genaue Messungen ausgeführt werden können.
Es sei bemerkt, daß US-Patent 4.650.983 eine Ausführungsform einer Fokusdetektionseinrichtung für ein IC-Projektionsgerät beschreibt, in dem eine Gitterauf-Gitter-Abbildung verwendet wird. Diese Einrichtung umfaßt jedoch zwei unabhängig arbeitende Teile, die jeweils einzeln Fokusinformationen liefern. Der erste Teil arbeitet mit einem außerhalb des Projektionslinsensystems verlaufenden und schräg auf die Substratoberfläche einfallenden Strahlenbündel, das nicht als breitbandiges Strahlenbündel bezeichnet wird, und er umfaßt keine Gitter. Der zweite Teil der Fokusdetektionseinrichtung ist zur visuellen Beobachtung, mittels einer Fernsehkamera und eines Fernsehmonitors, des Fokuszustandes bestimmt und arbeitet mit einem Strahlenbündel, das über eine Maskengittermarke in das Projektionslinsensystem eintritt. Die Maskenmarke wird auf die Substratoberfläche abgebildet und anschließend über Reflexion an der Substratoberfläche wieder auf sich selbst abgebildet. Da das genannte Strahlenbündel die gleiche Wellenlänge hat wie das zum Projizieren des Maskenmusters auf dem Substrat verwendete Strahlenbündel und keine Veränderungen in der Substratoberfläche verursachen sollte, muß es eine geringe Intensität haben, so daß die Qualität der Fokusfehlerdetektion nachteilig beeinflußt wird.
Die Ausführungsform der ersten Klasse ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um das vom Detektor wahrgenommene Bild des ersten Gitters und des zweiten Gitters periodisch zueinander zu bewegen. Die Detektorsignale sind jetzt periodische Signale, und es wird ein dynamisches und daher zuverlässigeres Fokusfehlersignal erhalten.
Die genannte periodische Bewegung kann durch periodisches Verändern der Substrathöhe oder durch periodisches Bewegen eines der Gitter oder eines anderen optischen Elements realisiert werden. Eine Ausführungsform der ersten Klasse des Geräts ist jedoch vorzugsweise weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem periodischen elektrischen Signal gesteuertes optisches Element im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels angeordnet ist, wobei eine optische Eigenschaft des genannten Elements sich unter dem Einfluß des elektrische Signals periodisch verändert.
Es ist dann nicht notwendig, zusätzliche mechanische Bewegungen auszuführen, um ein dynamisches Fokusfehlersignal zu erhalten.
Es sei bemerkt, daß das US-Patent 4.614.864 eine Fokusdetektionseinrichtung für ein IC-Projektionsgerät beschreibt, in dem ein mit Hilfe des Projektionslinsensystems und Reflexion am Substrat gebildetes Bild eines Musters auf ein zweites, komplementäres Muster oszilliert wird, um ein dynamisches Fokusfehlersignal zu erhalten. In dieser Einrichtung durchquert das Fokusdetektionsstrahlenbündel das Projektionslinsensystem und fällt senkrecht auf das Substrat ein. Das erste und das zweite Muster sind jedoch keine gesonderten Gitter, sondern das Maskenmuster und ein dazu komplementäres Muster.
Die bevorzugte Ausführungsform der ersten Klasse kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß ein polarisationsempfindliches Element vor dem zweiten Gitter angeordnet ist zum Aufteilen des Fokusdetektionsstrahlenbündels in zwei Teilstrahlenbündel, die Bilder des ersten Gitters in der Ebene des zweiten Gitters bilden, wobei die genannten Bilder zueinander um einen Abstand verschoben sind, der gleich der halben Gitterperiode des zweiten Gitters ist, daß ein Polarisationsdrehglied zwischen dem zweiten Gitter und dem Detektor angeordnet ist, welches Drehglied von einem periodischen Signal zum periodischen Verändern der Polarisationsrichtung der Teilstrahlenbündel gesteuert wird, und daß ein Polarisationsanalysator zwischen dem Polarisationsdrehglied und dem Detektor angeordnet ist, wobei das periodische Signal auch einer elektronischen Schaltung zugeführt wird zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Detektors zu einem Fokussteuerungssignal.
Statt dieses elektrooptischen Modulators können auch andere optische Modulatoren wie z. B. ein magnetooptischer oder ein akustooptischer Modulator verwendet werden.
Eine spezielle Ausführungsform der ersten Klasse ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Retroreflektor im Weg des ein erstes Mal an der zweiten Ebene reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündels angeordnet ist, welcher Retroreflektor das genannte Strahlenbündel entlang sich selbst reflektiert, und daß ein Strahlenbündel trennendes Element zwischen der zweiten Ebene und der Strahlungsquelle im Weg des ein zweites Mal an der zweiten Ebene reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündels angeordnet ist, wobei das genannte Strahlenbündel trennende Element das zweifach reflektierte Strahlenbündel zum zweiten Gitter und dem dahinter angeordneten Detektor auskoppelt.
Wegen der zweifachen Reflexion des Fokusdetektionsstrahlenbündels an der gleichen Position der zweiten Ebene, oder des Substrats, wird erreicht, daß lokale Unterschiede in der Reflexion des Substrats keinen Einfluß auf das Fokusfehlersignal haben, während außerdem die Empfindlichkeit der Fokusdetektionseinichtung um einen Faktor zwei erhöht wird.
In den bekannten Abbildungsgeräten, unter anderem aus dem US-Patent 4.866.262 bekannt, wird die Position der Höhe der zweiten Ebene, oder Substratoberfläche, in bezug auf ein Montageteil bestimmt, in dem die Strahlungsquelle, der Detektor und andere Komponenten der Fokusdetektionseinrichtung befestigt sind. Dieses Montageteil ist mit dem Halter des Projektionslinsensystems verbunden. Indem der Halter relativ zum Montageteil bewegt wird oder optische Elemente in dem Montageteil bewegt werden, kann sich der von dem Fokusdetektionsstrahlenbündel gebildete Strahlungsfleck in bezug auf das Bildfeld des Projektionslinsensystems bewegen. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft das Verfahren, mit dem ein infolge der genannten Instabilitäten erzeugtes fehlerhaftes Fokusfehlersignal verhindert werden kann.
Eine zweite Klasse von Ausführungsformen des Bildprojektionsgeräts, die sich hierauf beziehen, hat das gemeinsame Merkmal, daß ein Bezugsstrahlenbündel vorgesehen ist, das auf eine gegenüber der zweiten Ebene liegende Oberfläche des Abbildungssystems gerichtet ist und unter einem kleinen Winkel zu der genannten Oberfläche verläuft, und ein im Weg des an der Oberfläche reflektierten Bezugsstrahlenbündels angeordneter zweiter Detektor, wobei ein erstes und ein zweites Gitter im Weg des Bezugsstrahlenbündels angeordnet sind und wobei die zwischen dem ersten Gitter und dem zweiten Gitter zum Richten und Ändern der Vergenz, d. h. Konvergenz oder Divergenz, angeordneten optischen Mittel den beiden Strahlenbündeln gemeinsam sind, wodurch die Gitterperiode des Bildes des in der Ebene des zweiten Gitters gebildeten ersten Gitters gleich der Periode des zweiten Gitters ist und die Gitterlinien des genannten Bildes in gleicher Richtung verlaufen wie die Gitterlinien des zweiten Bildes.
Durch Definition der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden Detektoren wird ein Signal erhalten, das nur vom Abstand zwischen der genannten Linsenoberfläche und der zweiten Ebene abhängt, wobei das Signal nicht durch Instabilitäten der Detektionseinrichtung beeinflußt wird, weil das Fokusdetektionsstrahlenbündel und das Bezugsstrahlenbündel die gleichen Elemente der Detektionseinrichtung durchlaufen.
Es sei bemerkt, daß der Artikel "Chip Levelling and Focusing with Laser Interferometry" in SPIE, Bd. 1264, Optical/Laser Microlithography III (1990), S. 244- 251, eine Einrichtung zur lokalen Fokusdetektion und Verkantungsdetektion eines Substrats beschreibt, in der zusätzlich zu einem am Substrat reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündel ein Bezugsstrahlenbündel verwendet wird. Das erstgenannte Strahlenbündel wird jedoch nicht an einer Oberfläche des Projektionslinsensystems reflektiert, so daß nicht der Abstand zwischen dieser Linsenoberfläche und dem Substrat gemessen wird.
Die zweite Klasse von Ausführungsformen ist vorzugsweise weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß für das Fokusdetektionsstrahlenbündel und das Bezugsstrahlenbündel Mittel vorgesehen sind, um das vom Detektor für das betreffende Strahlenbündel wahrgenommene Bild des ersten Gitters und des zweiten Gitters periodisch zueinander zu bewegen.
Die mit Bezug auf die erste Klasse von Ausführungsformen erwähnten Vorteile können dann wiederum erhalten werden. Die genannten Mittel können in der in den Ansprüchen 8 und 9 beschriebenen Weise ausgeführt worden sein.
Eine erste Ausführungsform der zweiten Klasse ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine gesonderte Strahlungsquelle zum Liefern des Bezugsstrahlenbündels vorgesehen ist, daß ein erstes ein Strahlenbündel ablenkendes Element zwischen den Strahlungsquellen und der zweiten Ebene sowohl im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels als auch des Bezugsstrahlenbündels angeordnet ist zum Richten der genannten Strahlenbündel auf die zweite Ebene bzw. die Oberfläche des Abbildungssystems und daß ein zweites ein Strahlenbündel ablenkendes Element zwischen der zweiten Ebene und den beiden Detektoren sowohl im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels als auch des Bezugsstrahlenbündels angeordnet ist zum Richten der genannten Strahlenbündel auf den ersten bzw. den zweiten Detektor.
Der Einrichtung kann durch Verwendung der Ablenkelemente eine kompakte Form gegeben werden.
Eine zweite Ausführungsform der zweiten Klasse ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine gesonderte Strahlungsquelle zum Liefern des Bezugsstrahlenbündels vorgesehen ist, daß ein ein Strahlenbündel ablenkendes Element zwischen den Strahlungsquellen und der zweiten Ebene sowohl im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels als auch des Bezugsstrahlenbündels angeordnet ist, daß ein Retroreflektor im Weg des ein erstes Mal an der zweiten Ebene reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündels und des ein erstes Mal an der Oberfläche des Abbildungssystems reflektierten Bezugsstrahlenbündels angeordnet ist, und daß ein erstes Strahlenbündel trennendes Element zum Auskoppeln des Fokusdetektionsstrahlenbündels zum ersten Detektor im Weg des ein zweites Mal an der zweiten Ebene reflektierten genannten Strahlenbündels angeordnet ist, während ein zweites Strahlenbündel trennendes Element zum Auskoppeln des Bezugsstrahlenbündels zum zweiten Detektor im Weg des ein zweites Mal an der Oberfläche des Abbildungssystems reflektierten genannten Strahlenbündels angeordnet ist.
Wegen der zweifachen Reflexion an der zweiten Ebene und an der Oberfläche des Abbildungssystems wird die Fokusdetektionsgenauigkeit um einen Faktor zwei erhöht, unabhängig von lokalen Reflexionsunterschieden sowohl der zweiten Ebene als auch der Oberfläche des Abbildungssystems.
Die Detektionseinrichtung kann auch nur eine einzige Strahlungsquelle haben.
Eine dritte Ausführungsform der zweiten Klasse, in der dies der Fall ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes doppelbrechendes Element im Weg des von der Strahlungsquelle gelieferten Strahlenbündels angeordnet ist zum Aufteilen des genannten Strahlenbündels in ein Fokusdetektionsstrahlenbündel mit einer ersten Polarisationsrichtung und ein Bezugsstrahlenbündel mit einer zweiten Polarisationsrichtung und zum Richten der genannten Strahlenbündel auf die zweite Ebene bzw. die Oberfläche des Abbildungssystems und daß ein zweites doppelbrechendes Element in den Wegen der an der zweiten Ebene bzw. der Oberfläche des Abbildungssystems reflektierten Strahlenbündel zum Ablenken der beiden Strahlenbündel zueinander und zum Richten der Strahlenbündel auf den ersten Detektor bzw. den zweiten Detektor angeordnet ist.
Wenn zwei doppelbrechende Elemente verwendet werden, genügt es, nur eine einzige Strahlungsquelle zu verwenden und darüber hinaus kann der Einrichtung eine kompakte Form gegeben werden.
Eine vierte Ausführungsform der zweiten Klasse ist dadurch gekennzeichnet, daß ein zusammengesetzter Reflektor im Weg des an der zweiten Ebene reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündels angeordnet ist, daß das Bezugsstrahlenbündel von dem am Reflektor reflektierten und auf die Oberfläche des Abbildungssystems gerichteten Strahlenbündel gebildet wird und daß der erste und der zweite Detektor in einem einzigen Detektor kombiniert sind.
Da das auf diesen Detektor einfallende Strahlenbündel sowohl die zweite Ebene als auch die äußere Linsenoberfläche berührt hat, umfaßt dieses Strahlenbündel Informationen über den gegenseitigen Abstand dieser Ebenen. Anstelle einer elektronischen Differenzierung wie in den vorherigen Ausführungsformen wird jetzt eine optische Differenzierung ausgeführt. Außerdem haben lokale Brechzahlunterschiede infolge beispielsweise von Turbulenzen des Mediums, in dem das Strahlenbündel mit zweifacher Funktion sich fortpflanzt, keinen Einfluß auf das Meßsignal.
Die vierte Ausführungsform kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß ein ein Strahlenbündel ablenkendes Element in dem gemeinsamen Weg des von der Strahlungsquelle gelieferten Strahlenbündels und des an der Oberfläche des Abbildungssystems reflektierten Strahlenbündels angeordnet ist zum Ablenken des erstgenannten Strahlenbündels zur zweiten Ebene und zum Ablenken des letztgenannten Strahlenbündels zum Detektor.
Durch Verwendung des ein Strahlenbündel ablenkenden Elements kann der Einrichtung eine kompakte Form gegeben werden.
Eine fünfte Ausführungsform der zweiten Klasse ist dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes doppelbrechendes Element im Weg des von der Strahlungsquelle gelieferten Strahlenbündels angeordnet ist, welches Element das genannte Strahlenbündel als Fokusdetektionsstrahlenbündel zur zweiten Ebene durchläßt, daß ein zweites doppelbrechendes Element im Weg des an der genannten Ebene reflektierten Strahlenbündels angeordnet ist, welches Element das reflektierte Strahlenbündel durchläßt, daß ein das Strahlenbündel zum zweiten doppelbrechenden Element reflektierender Retroreflektor im Weg des durchgelassenen Strahlenbündels angeordnet ist, welches Element das Strahlenbündel als ein Bezugsstrahlenbündel zur Oberfläche des Abbildungssystems ablenkt, und daß das erste doppelbrechende Element das an der genannten Oberfläche reflektierte Strahlenbündel in Richtung des von der Strahlungsquelle gelieferten Strahlenbündels ablenkt.
Eine sehr interessante erfindungsgemäße Fokusdetektionseinrichtung wird erhalten, wenn kennzeichnende Merkmale der ersten Klasse von Ausführungsformen mit kennzeichnenden Merkmalen der zweiten Klasse kombiniert werden.
Eine derartige Einrichtung, die auf der zweiten Klasse von Ausführungsformen beruht, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Fokusdetektionsstrahlenbündel ein breites Wellenlängenband hat, daß im Strahlungsweg sowohl des Fokusdetektionsstrahlenbündels als auch des Bezugsstrahlenbündels ein erstes Gitter zwischen der das betreffende Strahlenbündel liefernden Quelle und der Ebene, an der das genannte Strahlenbündel das erste Mal reflektiert wird, angeordnet ist und daß ein zweites Gitter zwischen dem Detektor für das betreffende Strahlenbündel und einer das genannte Strahlenbündel zum Detektor reflektierenden Ebene angeordnet ist.
Es gibt verschiedene Ausführungsformen dieser Einrichtung, welche Ausführungsformen den fünf Ausführungsformen der zweiten Klasse analog sind, mit als zusätzlichen Elementen eine Vielzahl von Gittern bei unterschiedlichen Positionen, wie in den Ansprüchen 17 bis 21 beschrieben.
Die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fokusdetektionseinrichtung sind vorzugsweise weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbares optisches Element vor der zweiten Ebene im Strahlungsweg des Fokusdetektionsstrahlenbündels angeordnet ist zum Verlagern, unabhängig von einem Fokusfehler, des in der zweiten Ebene gebildeten Strahlungsflecks zum Ändern des Nullpunkts des generierten Fokusfehlersignals.
Das einstellbare Element, das beispielsweise eine kippbare planparallele Platte oder eine bewegbare Hilfslinse sein kann, kann eine sich aus der Veränderung eines Umgebungsparameters wie Luftdruck ergebende Verlagerung der Bildebene des Abbildungssystems kompensieren. Außerdem erhält die Bedienperson des Abbildungsgeräts die Möglichkeit, den Nullpunkt des Fokusfehlersignals anhand der Ergebnisse von Experimenten mit der Hand einzustellen. Die Verwendung des einstellbaren Elements ist an sich bekannt und wird im US-Patent 4.866.262 detailliert beschrieben.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verkantungs detektionseinrichtung zum Detektieren einer Verkantung der zweiten Ebene bezüglich der Bildebene des abbildenden Linsensystems, wobei in der Einrichtung die oben beschriebenen Aspekte der Erfindung genutzt werden.
Eine Verkantungsdetektionseinrichtung, die nur den ersten Aspekt der Erfindung nutzt, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine erste und eine zweite Detektionseinheit umfaßt, wobei jede Detektionseinheit eine Strahlungsquelle, ein erstes und ein zweites Gitter und einen Detektor umfaßt, wobei die optische Achse der ersten Einheit in der XZ-Ebene und die optische Achse der zweiten Einheit in der YZ-Ebene liegt, und daß in jeder Einheit ein erstes Linsensystem zwischen dem ersten Gitter und der zweiten Ebene angeordnet ist zum Umsetzen des vom Gitter kommenden Strahlenbündels in ein paralleles Strahlenbündel, während zwischen der zweiten Ebene und dem zweiten Gitter ein zweites Linsensystem zum Umsetzen des parallelen Strahlenbündels in ein konvergierendes Strahlenbündel angeordnet ist.
Da das Strahlenbündel am Ort der zweiten Ebene ein paralleles Strahlenbündel ist, ist eine Verlagerung der zweiten Ebene entlang der Z-Achse eine Verlagerung des reflektierten Strahlenbündels parallel zu sich selbst. Infolgedessen verschiebt sich das Bild des ersten Gitters bezüglich des zweiten Gitters, so daß das Detektorsignal sich ändert.
Diese Verkantungsdetektionseinrichtung ist vorzugsweise weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jede Detektionseinheit Mittel zum Bilden eines Bezugsstrahlenbündels umfaßt, das auf eine gegenüber der zweiten Ebene liegende Oberfläche des Abbildungssystems gerichtet ist und mit der genannten Oberfläche einen kleinen Winkel bildet, und einen zweiten Detektor, der im Weg des an der Oberfläche des Abbildungssystems reflektierten Bezugsstrahlenbündels angeordnet ist.
Die Verkantung der genannten Oberfläche des Abbildungssystems kann dann auch bestimmt werden. Die Mittel zum Bilden des Bezugsstrahlenbündels können wieder von einer gesonderten Strahlungsquelle oder einen Strahlteiler gebildet werden, analog wie anhand der zweiten Klasse von Ausführungsformen beschrieben.
Eine zweite Hauptausführungsform der Verkantungsdetektionseinrichtung, die mit auf die zweite Ebene fokussierten Strahlenbündeln arbeitet, ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Liefern von zumindest zwei zusätzlichen Fokusdetektionsstrahlenbündeln ähnlich dem genannten Fokusdetektionsstrahlenbündel vorgesehen sind, zum Detektieren von Verkantungen der zweiten Ebene um zwei zueinander senkrechte X- und Y-Achsen der Bildebene, daß jedes Fokusdetektionsstrahlenbündel auf einen gesonderten Punkt der zweiten Ebene gerichtet ist, wobei zumindest zwei Punkte verschiedene X-Positionen und zumindest zwei Punkte verschiedene Y-Positionen einnehmen.
Durch Verwendung einer Anzahl genauer Fokusdetektionseinrichtungen zum Messen bei verschiedenen Punkten der zweiten Ebene kann die Verkantungsdetektion sehr genau ausgeführt werden.
Es sei bemerkt, daß das US-Patent 4.504.144 ein Projektionsgerät zum wiederholten Abbilden von Maskenmustern auf einem Substrat beschreibt, in welchem die Verkantung des Substrats gemessen wird, indem eine Fokusfehlerdetektion an drei Punkten auf dem Substrat ausgeführt wird und die Ergebnisse der drei Messungen verglichen werden. Die Fokusdetektion des bekannten Gerätes an sich, mit Hilfe eines Bildes einer Maske über das Substrat auf einen Detektor mittels eines das Projektionslinsensystem durchlaufenden Strahlenbündels, unterscheidet sich jedoch von dem gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei der letztgenannten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes ist es möglich, drei gesonderte Fokusfehlerdetektionssysteme zum Definieren der Verkantung des Substrats, oder der zweiten Ebene, zu verwenden. Dieses Gerät ist jedoch vorzugsweise durch zwei gesonderte Fokusdetektionseinheiten mit jeweils zwei Fokusdetektionsstrahlenbündeln gekennzeichnet, wobei die Detektorsignale der beiden Fokusdetektionseinheiten zusammen Informationen über die Verkantung der zweiten Ebene um die X-Achse und die Y-Achse enthalten.
Im Hinblick auf die Anzahl Meßpunkte im Verhältnis zur Komplexität der Einrichtung kann dann ein optimaler Zustand erhalten werden.
Bei Verwendung breitbandiger Fokusdetektionsstrahlenbündel in Kombination mit Gittern wird der Bereich, in dem Fokusfehler detektiert werden können, durch die Perioden der Gitter definiert, wobei die Perioden vorzugsweise möglichst klein sein sollen, um den Fokusfehler mit großer Genauigkeit messen zu können.
Eine erste Möglichkeit den genannten Bereich zu vergrößern, wird in einer Ausführungsform realisiert, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes Gitter in zwei Teilgitter unterteilt ist, die unterschiedliche Gitterperioden haben.
Die Gitterperiode eines Teilgitters ist beispielsweise 10% größer als die des anderen Teilgitters. Wie in dem Artikel "Automatic Alignment System for Optical Projection Printing" in IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. ED-26, Nr. 4, 1979, S. 723-8 beschrieben, wird mit Hilfe der beiden Gitter ein Signal erhalten, das eine Periode hat, die beispielsweise zehnmal größer ist als die des mit einem einzelnen Gitter erhaltenen Signals.
Eine zweite Ausführungsform der Einrichtung, die einen größeren Meßbereich bietet und mit der auch Tests und Kalibrierungen ausgeführt werden können, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche helle Strahlungsquelle zum Liefern eines zusätzlichen, monochromatischen Fokusdetektionsstrahlenbündels zum Bilden eines zusätzlichen Strahlungsflecks in der zweiten Ebene vorgesehen ist. Der zusätzliche Strahlungsfleck liegt beispielsweise symmetrisch zwischen den anderen Strahlungsflecken. Mit dem monochromatischen Strahlenbündel kann ein kleiner Strahlungsfleck gebildet werden, mit dem die zum Testen erforderliche hohe Auflösung erhalten werden kann.
Die das helle, zusätzliche Strahlenbündel liefernde Einrichtung ist vorzugsweise gekennzeichnet durch ein zusätzliches, helles, monochromatisches Bezugsstrahlenbündel zum Bilden eines zusätzlichen Strahlungsflecks auf der Oberfläche des Abbildungssystems.
Der Abstand zwischen dem Abbildungssystem und der zweiten Ebene wird dann auch mit Hilfe der zusätzlichen Strahlenbündel gemessen, und der Einfluß von mit dem monochromatischen Strahlenbündel erzeugten Instabilitäten auf das Fokusfehlersignal wird minimiert.
Um die Zahl der optischen Elemente zwischen dem abbildenden Linsensystem und der zweiten Ebene zu begrenzen, ist diese Einrichtung dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Detektionseinheit die optischen Elemente in dem Strahlungsweg zwischen den Gittern allen Fokusdetektionsstrahlenbündeln und Bezugsstrahlenbündeln gemeinsam sind.
Wegen der breiten Wellenlängenbänder der Fokusdetektions- und Bezugsstrahlenbündel müssen diese Elemente hinsichtlich chromatischer Aberration korrigiert werden. Um die an diese Elemente zu stellenden Korrekturanforderungen zu beschränken, ist die Fokus- und Verkantungsdetektionseinrichtung weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des monochromatischen Fokusdetektionsstrahlenbündels und Bezugsstrahlenbündels im Wellenlängenband der anderen Fokusdetektionsstrahlenbündel und Bezugsstrahlenbündel liegt.
Die Fokus- und Verkantungsdetektionseinrichtung mit vier breitbandigen und einem monochromatischen Fokusdetektionsstrahlenbündel und Bezugsstrahlenbündel können eine Anzahl spezieller kennzeichnender Merkmale haben, wie in den Ansprüchen 32 und 33 beschrieben.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Projektionsgerät zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat, welches Gerät ein wie oben beschriebenes Abbildungsgerät umfaßt und in dem das abbildende Linsensystem von einem optischen Projektionslinsensystem gebildet wird, mit dem das Muster auf das Substrat projiziert wird, und die zweite Ebene von der Oberfläche einer zu belichtenden Substratschicht gebildet wird, wobei die Signale des Fokusdetektionssystems zum Einstellen des Abstandes zwischen dem Substrat und dem Projektionslinsensystem und/oder des Winkels zwischen der Bildebene des genannten Linsensystems und der genannten Oberfläche verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eine Geräts zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat und einschließlich einer Fokusdetektionseinrichtung,
Fig. 2 schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fokusdetektionseinrichtung mit Gittern und breitbandigen Strahlenbündeln,
Fig. 3 diese Ausführungsform mehr im einzelnen, mit Mitteln zum Generieren eines dynamischen Fokusfehlersignals,
Fig. 4, 5a, 5b, 6a und 6b das Prinzip des in dieser Ausführungsform verwendeten Systems zum Generieren eines dynamischen Fokusfehlersignals,
Fig. 7 eine Ausführungsform der Fokusdetektionseinrichtung mit Gittern, in der ein Retroreflektor verwendet wird,
Fig. 8, 9, 9a, 10, 11, 12, 13 und 14 Ausführungsformen der Fokusdetektionseinrichtung mit einem Bezugsstrahlenbündel und mit oder ohne Gitter und Reflektoren,
Fig. 15 das Prinzip einer Verkantungsdetektionseinrichtung, die eine Abbildung Gitter auf Gitter verwendet,
Fig. 16a und 16b das Prinzip eines auf Mehrfach-Fokusfehlerdetektion beruhenden Verkantungsdetektionsverfahrens,
Fig. 17 das Prinzip einer Einrichtung zum Ausführen des genannten Verfahrens;
Fig. 18a, 18b, 19a, 19b, 20a und 20b kombiniert eine Ausführungsform einer solchen Verkantungsdetektionseinrichtung,
Fig. 21 eine Ausführungsform einer in dieser Einrichtung verwendeten Gitterplatte,
Fig. 22 eine Ausführungsform eines in dieser Einrichtung verwendeten strahlungsempfindlichen Detektors,
Fig. 23 die Kombination von aufeinander abgebildeten Öffnungen und den zugehörigen Detektor eines Laserdetektionssystems für größere Fokusfehler,
Fig. 24 den mechanischen Aufbau eines Teils eines Musterprojektionsgeräts mit einer Fokusfehler- und Verkantungsdetektionseinrichtung, und
Fig. 25 einen Teil dieses Geräts mit einem Luftstrom, um den Raum zwischen dem Projektionslinsensystem und dem Substrat zu klimatisieren.
Fig. 1 zeigt die optischen Elemente einer Ausführungsform eine Geräts zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat. Die Hauptkomponenten dieses Geräts sind eine Projektionssäule, in der ein abzubildendes Maskenmuster C vorgesehen ist und ein beweglicher Substrattisch WT, mit dem das Substrat bezüglich dem Maskenmuster C positioniert werden kann. Das Gerät hat weiterhin ein Beleuchtungssystem, das eine Strahlungsquelle LA, beispielsweise einen Krypton-Fluorid-Excimerlaser, ein Linsensystem LS, einen Spiegel RE und eine Kondensorlinse CO umfaßt. Das Projektionsstrahlenbündel beleuchtet das Maskenmuster C, das sich in der Maske MA befindet, wobei die Maske auf einem Maskentisch MT angeordnet ist.
Das durch das Maskenmuster C tretende Strahlenbündel PB durchläuft ein in der Projektionssäule angeordnetes und nur schematisch dargestelltes Projektionslinsensystem PL, das ein Bild des Musters C auf dem Substrat W bildet. Das Projektionslinsensystem hat eine Vergrößerung von beispielsweise M = 1/5, eine numerische Apertur NA = 0,48 und ein beugungsbegrenztes Bildfeld mit einem Durchmesser von 21,2 mm. Das Substrat wird von einem Substratträger WC festgehalten, der ein Teil eines Substrattisches WT ist, der nur schematisch dargestellt ist.
Das Gerät umfaßt weiterhin eine Vielzahl von Meßeinrichtungen, nämlich eine Einrichtung zum Justieren der Maske MA in bezug auf das Substrat W in der XY- Ebene, ein Interferometersystem zum Bestimmen der Position und Orientierung des Substrathalters und damit des Substrats und eine Fokusfehlerdetektionseinrichtung zum Bestimmen einer Abweichung zwischen der Fokus- oder Bildebene des Projektionslinsensystems PL und der Oberfläche des Substrats W. Diese Meßeinrichtungen sind Teile von Servosystemen, die elektronische Signalverarbeitungs- und Steuerschaltungen und Treiber oder Aktuatoren umfassen, mit denen die Position und Orientierung des Substrats und die Fokussierung anhand der von den Meßeinrichtungen gelieferten Signale korrigiert werden können.
Die Justiereinrichtung nutzt zwei Justiermarken M&sub1; und M&sub2; in der Maske MA, in der oberen rechten Ecke von Fig. 1 angedeutet. Diese Marken bestehen vorzugsweise aus Beugungsgittern, aber sie können auch von anderen Marken gebildet werden, wie z. B. Rechtecke oder Streifen, die sich optisch von ihrer Umgebung unterscheiden. Die Justiermarken sind vorzugsweise zweidimensional, d. h. sie erstrecken sich in zwei zueinander senkrechten Richtungen, in Fig. 1. die X- und Y-Richtung. Das Substrat W, beispielsweise ein Halbleitersubstrat, auf dem das Muster C mehrere Male nebeneinander abgebildet werden muß, weist eine Vielzahl von Justiermarken auf, vorzugsweise auch zweidimensionale Beugungsgitter, von denen zwei, P&sub1; und P&sub2;, in Fig. 1 gezeigt werden. Die Marken P&sub1; und P&sub2; liegen außerhalb der Gebiete auf dem Substrat W, wo die Bilder des Musters C gebildet werden müssen. Die Gittermarken P&sub1; und P&sub2; sind vorzugsweise Phasengitter und die Gittermarken M&sub1; und M&sub2; vorzugsweise Amplitudengitter.
Fig. 1 zeigt eine spezielle Ausführungsform einer Justiereinrichtung, nämlich eine Doppeljustiereinrichtung, in der zwei Justierstrahlenbündels b und b' zum Ausrichten der Substratjustiermarke P&sub2; auf der Maskenjustiermarke M&sub2; bzw. der Substratjustiermarke P&sub1; auf der Maskenjustiermarke M&sub1; verwendet werden. Das Strahlenbündel b wird von einem reflektierenden Element 30, beispielsweise einem Spiegel, zur reflektierenden Oberfläche 27 eines Prismas 26 reflektiert. Die Oberfläche 27 reflektiert das Strahlenbündel b zur Substratjustiermarke P&sub2;, die einen Teil der Strahlung als Strahlenbündel bl zu der zugehörigen Maskenjustiermarke M&sub2; durchläßt, wo ein Bild der Marke P&sub2; gebildet wird. Ein reflektierendes Element 11, beispielsweise ein Prisma, ist über der Marke M&sub2; angeordnet, welches Prisma die von der Marke M&sub2; durchgelassene Strahlung zu einem strahlungsempfindlichen Detektor 13 hin durchläßt.
Das zweite Justierstrahlenbündel b' wird von einem Spiegel 31 zu einem Reflektor 29 in dem Projektionslinsensystem PL reflektiert. Dieser Reflektor 29 läßt das Strahlenbündel b' zu einer zweiten reflektierenden Oberfläche 28 des Prismas 26 durch, die das Strahlenbündel b' auf die Substratjustiermarke P&sub1; richtet. Diese Marke reflektiert einen Teil der Strahlung des Strahlenbündels b' als Strahlenbündel b&sub1;' zur Maskenjustiermarke M&sub1;, wo ein Bild der Marke P&sub1; gebildet wird. Die durch die Marke M&sub1; tretende Strahlung des Strahlenbündels b&sub1;' wird von einem Reflektor 11' zu einem strahlungsempfindlichen Detektor 13' gelenkt.
Die Detektoren 13 und 13' sind beispielsweise zusammengesetzte Photodioden mit beispielsweise vier gesonderten strahlungsempfindlichen Gebieten entsprechend der Anzahl Gittergebiete der Marken P&sub1;, P&sub2;, M&sub1; und M&sub2;. Die Ausgangssignale dieser Detektoren sind ein Maß für die Übereinstimmung der Marken M&sub2; und M&sub1; mit dem Bild der Substratmarken P&sub2; bzw. P&sub1;. Diese Signale können elektronisch verarbeitet werden und zum Bewegen der Maske relativ zum Substrat mit Hilfe von Antriebssystemen (nicht abgebildet) verwendet werden, so daß das Bild der Marken P&sub2; und P&sub1; mit den Marken M&sub2; bzw. M&sub1; zusammenfällt. Somit wird ein automatisches Justiergerät erhalten.
Für Einzelheiten zu dem Justierverfahren mit Hilfe der Justiersysteme wird auf das US-Patent Nr. 4.778.275 verwiesen.
Die Ausführungsform der Justiereinrichtung gemäß Fig. 1, die in dem US-Patent Nr. 4.778.275 nicht beschrieben wird, ist besonders für ein Gerät geeignet, bei dem ein Beleuchtungsstrahlenbündel mit einer kurzen Wellenlänge, beispielsweise 248 nm und ein Justierstrahlenbündel mit einer erheblich größeren Wellenlänge, beispielsweise 633 nm, verwendet werden. Dies liegt an der Korrekturlinse 25, die beim Justieren dafür sorgt, daß mit dem Projektionslinsensystem, das für die Wellenlänge des Projektionsstrahlenbündels PB entworfen worden ist, die Justiermarken P&sub1;, P&sub2; und M&sub1;, M&sub2; von den Justierstrahlenbündeln ohne Fokusfehler oder Vergrößerungsfehler aufein ander abgebildet werden.
Zum genauen Bestimmen der X- und der Y-Position des Substrattisches WT umfassen bekannte Projektionsgeräte ein Mehrfach-Achseninterferometersystem. US-Patent 4.251.160 beschreibt ein Zweiachsensystem und US-Patent 4.737.283 ein Dreiachsensystem. In Fig. 1 wird ein derartiges Interferometersystem schematisch mit Hilfe der Elemente 50, 51, 52 und 53 veranschaulicht, wobei die Figur nur eine einzige Meßachse zeigt. Ein von der Strahlungsquelle 50 in Form eines Lasers emittiertes Strahlenbündel b&sub4; wird von einem Strahlteiler 51 in ein Meßstrahlenbündel b4,m und ein Bezugsstrahlenbündel b4,r aufgeteilt. Das Meßstrahlenbündel erreicht eine reflektierende Seitenfläche des Substratträgers WC, und das reflektierte Meßstrahlenbündel wird vom Strahlteiler mit dem von einem stationären Retroreflektor 52, beispielsweise einem "corner cube", reflektierten Bezugsstrahlenbündel kombiniert. Die Intensität des kombinierten Strahlenbündels wird mit Hilfe eines Detektors 53 gemessen, und aus dem Ausgangssignal dieses Detektors kann die Verlagerung des Substratträgers WC, in diesem Fall in X-Richtung, abgeleitet und auch eine momentane Position dieses Trägers festgestellt werden.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt wird, werden die Interferometersignale, hier der Einfachheit halber durch ein einziges Signal S&sub5;&sub3; dargestellt, und die Signale S&sub1;&sub3; und S&sub1;&sub3;, der Justierdetektionseinrichtung einer Signalverarbeitungseinheit SPU, beispielsweise einem Mikrocomputer zugeführt, der die genannten Signale zu Steuersignalen SAC für einen Aktuator AC verarbeitet, mit dem, über den Substrathalter WH, der Substratträger in der XY-Ebene bewegt wird.
Bei Verwendung eines XY-Interferometersystems können die Positionen der Justiermarken P&sub1; und P&sub2; und M&sub1; und M&sub2; und die Abstände dazwischen in einem von dem stationären Interferometersystem während des Justierverfahrens definierten Koordinatensystem festgelegt werden.
Vorzugsweise wird ein Interferometersystem mit fünf Meßachsen verwendet, wie in der niederländischen Patentanmeldung Nr. 9100215 (PHQ 91.001) beschrieben. Mit einem derartigen System ist es nicht nur möglich, die X- und Y-Positionen und die Drehung um die Z-Achse des Substrats zu messen, sondern auch Verkantungen des Substrats um die X- und die Y-Achse. Dieses Interferometersystem kann um eine Bezugsmeßachse erweitert werden, um Brechzahländerungen in dem Medium, in dem sich die Interferometerstrahlenbündel fortpflanzen, korrigieren zu können.
Das Projektionsgerät umfaßt weiterhin ein schematisch in Fig. 1 gezeigtes Fokusfehlerdetektionssystem FDS zum Bestimmen einer Abweichung zwischen der Bildebene des Projektionslinsensystems PL und der Oberfläche des Substrats W, so daß diese Abweichung durch Bewegen des Substrats relativ zum Projektionslinsensystem entlang der Z-Achse korrigiert werden kann. Das Ausgangssignal oder Fokusfehlersignal Sf des Systems FDS wird auch der Signalverarbeitungseinheit SPU zugeführt, so daß eines der Signale SAC ein Steuersignal ist, mit dem der Abstand zwischen dem Linsensystem PL und dem Substrat W über Höhenaktuatoren eingestellt werden kann.
Fig. 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fokusdetektionssystems zusammen mit dem unteren Teil des Projektionslinsensystems PL. Nur das letzte Linsenelement PLE dieses Systems ist dargestellt. Das Fokusdetektionssystem umfaßt eine Strahlungsquelle S. die ein Fokusdetektionsstrahlenbündel b&sub2; liefert. Dieses Strahlenbündel wird von einem schematisch mit Hilfe des Linsenelements L&sub1; dargestellten Linsensystem in einen Strahlungsfleck Sp auf dem Substrat W fokussiert. Der Einfallswinkel α1 des Strahlenbündels b&sub2; auf das Substrat ist relativ groß, beispielsweise in der Größenordnung von 80º. Das Substrat reflektiert das Strahlenbündel b&sub2;, und das reflektierte Strahlenbündel b'&sub2; wird von einem zweiten Linsensystem L&sub2; in ein konvergierendes Strahlenbündel umgesetzt, das von einem strahlungsempfindlichen Detektor DE aufgefangen wird, der ein elektrisches Signal Sf liefert.
Erfindungsgemäß hat das Strahlenbündel b&sub2; ein relativ breites Wellenlängenspektrum. Dadurch wird erreicht, daß Interferenzen, die durch mehrfache Reflexionen an den verschiedenen Schichten des Substrats auftreten können, ausgemittelt werden, so daß solche Interferenzen das Detektorsignal Sf nicht beeinflussen können. Die breitbandige Strahlungsquelle S ist beispielsweise eine Halogenlampe, ein andere Glühlampe oder eine Kombination aus einer Anzahl Leuchtdioden, die bei verschiedenen Wellenlängen emittieren. Solche Quellen sind jedoch weniger intensiv als die bisher verwendeten Laser. Daher würde das erhaltene Fokusfehlersignal einen geringeren Rauschabstand aufweisen. Außerdem ist die Abmessung des kleinsten Strahlungsflecks, der auf dem Substrat gebildet werden kann, bei Verwendung von Strahlung mit einem breiten Spektrum im Vergleich zur Verwendung eines Laserstrahlenbündels größer. Folglich würde die Empfindlichkeit der Fokusdetektionseinrichtung, die dem kleinsten noch detektierbaren Fokusfehler entspricht und die der Größe des Strahlungsflecks proportional ist, abnehmen. Um die gewünschte Empfindlichkeit und den erforderliche Rauschabstand mit der neuartigen Einrichtung zu erhalten, ist erfindungsgemäß ein Gitter in dem Strahlenbündel angeordnet, welches Gitter auf die Substratoberfläche WS abgebildet wird. Dieses Gitter, dessen Gitterlinien beispielsweise in Y-Richtung, d. h. senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 2 verlaufen, wird mit G&sub1; bezeichnet. Ein zweites Gitter G&sub2; mit der gleichen Gitterperiode wie die des Gitters G&sub1; ist an der Bildseite angeordnet. Das Gitter G&sub1; wird mit Hilfe des Linsensystems L&sub1; mittels Reflexion an der Substratoberfläche und mit Hilfe des Linsensystems L&sub2; auf das Gitter G&sub2; abgebildet. Es ist dafür gesorgt worden, daß die hellen und dunklen Streifen des Bildes des Gitters G&sub1; exakt mit denen des Gitters G&sub2; zusammenfallen, wenn die Substratoberfläche im richtigen Abstand vom Projektionslinsensystem PL liegt. Dann empfängt der Detektor DE eine maximale Strahlungsmenge und ist das Ausgangssignal des Detektors maximal. Bei einer Bewegung der Substratoberfläche relativ zu dem System PL in Z-Richtung werden die dunklen Streifen des abgebildeten Gitters immer mehr die hellen Streifen des anderen Gitters abdecken, und das Detektorsignal wird zunehmend kleiner werden. Somit kann die Größe des Fokusfehlers aus dem Detektorsignal abgeleitet werden.
Im Prinzip kann die Genauigkeit, mit der der Fokusfehler bestimmt werden kann, jetzt durch die Periode des Gitters bestimmt werden. Diese Periode beträgt beispielsweise 40 um, womit Fokusfehler der Größenordnung von 0,1 um noch gemessen werden können, wenn bei der Verarbeitung des Detektorsignals Interpolationstechniken verwendet werden. Da ein größeres Gebiet der Substratoberfläche für die Fokusdetektion verwendet wird, haben lokale Reflexionsunterschiede oder Unebenheiten dieser Oberfläche einen geringeren Einfluß auf das erhaltene Fokusfehlersignal.
Vorzugsweise wird ein dynamisches Fokusfehlersignal generiert, d. h. ein periodisch variierendes Signal, wobei der Fokusfehler eine Änderung in einen der Signalparameter einbringt, wie die Amplitude oder das Verhältnis zwischen den Periodenhälften. Ein solches Signal ist von eventuellen Offsets in der elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung unabhängig und ermöglicht eine genauere Detektion. Außerdem kann dann das Vorzeichen eines Fokusfehlers bestimmt werden.
Ein dynamisches Fokusfehlersignal kann durch periodisches Verlagern eines der Elemente in dem Strahlungsweg des Fokusdetektionsstrahlenbündels generiert werden. Beispielsweise kann das Substrat selbst periodisch über kleine Abstände in Z- Richtung bewegt werden. Aus praktischen Gründen wird jedoch vorgezogen, elektrooptische Mittel zum Generieren eines dynamischen Fokusfehlersignals zu verwenden. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der mit solchen Mitteln versehenen Detektionseinrichtung. Diese Figur zeigt auch das optische System mehr im einzelnen.
Dieses System umfaßt fünf Linsen L&sub3;-L&sub7; an der Objektseite und vier Linsen L&sub8;-L&sub1;&sub1; an der Bildseite. Fig. 3 zeigt zwei Strahlenbündel. Die Strahlungsquelle S wird mit Hilfe des Glühfadens einer Lampe veranschaulicht. Diese Lampe liefert ein mit ausgezogenen Linien und einfachen Pfeilen dargestelltes Strahlenbündel b&sub5;, das durch die zwischen den Linsen L&sub4; und L&sub5; liegende Pupille ST&sub2; tritt. Diese Pupille wird zwischen den Linsen L&sub6; und L&sub7; erneut abgebildet, und das Strahlenbündel b&sub5; fällt als paralleles Strahlenbündel auf die Substratoberfläche ein. Das reflektierte Strahlenbündel b'&sub5; bildet ein Bild der Pupille zwischen den Linsen L&sub8; und L&sub9; und ein zweites Bild zwischen den Linsen L&sub1;&sub0; und L&sub1;&sub1;. Am Ort der Gitter G&sub1; und G&sub2; ist das Strahlenbündel b&sub5; bzw. das Strahlenbündel b'&sub5; ein paralleles Strahlenbündel.
Das mit gestrichelten Linien und Doppelpfeilen dargestellte Strahlenbündel b&sub6; veranschaulicht, wie die Quelle S auf das erste Gitter G&sub1; abgebildet wird und wie dieses Gitter auf das Substrat abgebildet wird. Die Figur zeigt weiterhin, wie das reflektierte Strahlenbündel b'&sub6; ein Bild des ersten Gitters auf dem zweiten Gitter bildet und wie dieses Bild und das Gitter Gr auf den Detektor DE abgebildet werden.
Die Mittel zum Generieren eines dynamischen Fokusdetektionssignals werden von einem Polarisator 60, einem doppelbrechenden Element 61, einem elektrooptischen Modulator 66 und einem Analysator 67 gebildet. Die Funktionsweise dieser Mittel soll anhand der Fig. 4, 5 und 6 ausführlicher beschrieben werden. Fig. 4 zeigt die genannten Elemente in perspektivischer Ansicht sowie einige Strahlen des entgegenkommenden Strahlenbündels b'&sub5;, das von der Gitterstruktur G&sub1; moduliert wird, wie mit gestrichelten Linien angedeutet. Das doppelbrechende Element 61 kann eine Savart- Platte sein. Diese Platte ist aus zwei gleich dicken planparallelen Quarzplatten 62 und 63 zusammengesetzt, deren optische Achsen 64 und 65 mit den planparallelen Flächen einen Winkel von 45º bilden und zueinander gekreuzt sind. Der Polarisator 60 sorgt dafür, daß von dem entgegenkommenden Strahlenbündel b'&sub5; nur die Strahlung mit einer Polarisationsrichtung unter einem Winkel von 45º zu den optischen Achsen der Savart- Platte zu dieser Platte durchgelassen wird. Das senkrecht auf die planparallelen Flächen der Savart-Platte einfallende Strahlenbündel b'&sub5; wird in der ersten Quarzplatte 62 in ein ordentliches Strahlenbündel und ein außerordentliches Strahlenbündel aufgespalten, die an der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Quarzplatte in ein außerordentliches Strahlenbündel bzw. ein ordentliches Strahlenbündel umgesetzt werden. Die optischen Achsen der beiden Platten stehen nämlich senkrecht zueinander. Aus der Savart-Platte 26 treten zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlenbündel aus, die zueinander verschoben sind, wie schematisch in Fig. 4 gezeigt.
Ein Polarisationsmodulator 66 und ein Analysator 67 sind vor dem strahlungsempfindlichen Detektor DE angeordnet. Der Modulator wird von einer Spannung Vb gesteuert, die von einem Generator 68 geliefert wird. Die Polarisationsrichtung eines den Modulator durchlaufenden Strahlenbündels wird dadurch abwechselnd umgeschaltet. Die Durchlaßrichtung des Analysators ist parallel zu einer der Polarisationsrichtungen des aus der Savart-Platte tretenden ordentlichen und außerordentlichen Strahlenbündels. Daher wird zu jedem Zeitpunkt entweder das ordentliche oder das außerordentliche Strahlenbündel zum Detektor durchgelassen. Dieser Detektor "sieht" zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder ein von dem ordentlichen Strahlenbündel gebildetes ordentliches Bild des Gitters G&sub1; oder ein von dem außerordentlichen Strahlenbündel gebildetes außerordentliches Bild dieses Gitters, wobei das ordentliche und das außerordentliche Bild mit dem Gitter G&sub2; überlagert sind. Die Brechzahlen der Savart-Platte und die Dicken der zusammengesetzten planparallelen Platten sind so gewählt worden, daß das ordentliche und das außerordentliche Bild um eine halbe Gitterperiode zueinander verschoben sind. Wenn das Gitter G&sub2; exakt zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Bild des Gitters G&sub1; angeordnet ist, wird die Intensität der von dem Detektor DE eingefangenen Strahlung zeitlich konstant sein.
Fig. 5a zeigt diese Situation. Die Streifen des Gitters G&sub2;, des ordentlichen Bildes G'1,o und des außerordentlichen Bildes G'1,e des Gitters G&sub1; liegen senkrecht zu der Zeichenebene. Während eines Zeitintervalls t&sub1; empfängt der Detektor die von G'1,o und G&sub2; durchgelassene Strahlungsintensität (siehe Fig. 5b) und während eines darauf folgenden Zeitintervalls t&sub2; die von G'1,e und G&sub2; durchgelassene Strahlungsintensität. Diese Intensitäten sind gleich, so daß das Detektorsignal Sd zeitlich konstant bleibt.
Wenn das Gitter G&sub2; nicht exakt zwischen G'1,o und G'1,e liegt, siehe Fig. 6a, ist das Detektorsignal nicht zeitlich konstant, wie in Fig. 6b gezeigt. Die Unterschiede im Signal Sd können sehr genau detektiert werden. Dies ermöglicht es, die von einem Fokusfehler verursachte Verlagerung des Gitterbildes G'&sub1; in bezug auf das Gitter G&sub2; sehr genau zu messen. Wenn bei der Signalverarbeitung Interpolationstechniken verwendet werden, können Fokusfehler der Größenordnung von 1/200 der Gitterperiode noch gemessen werden.
Im Fall von Fig. 6b, in dem das Gitterbild G'&sub1; in bezug auf das Gitter G&sub2; nach links bewegt worden ist, ist das Detektorsignal in dem Zeitintervall t&sub1; größer als das Detektorsignal in dem Zeitintervall t&sub2;. Wenn das Gitterbild G'&sub1; in bezug auf das Gitter G&sub2; nach rechts bewegt worden ist, wird das Detektorsignal in dem Zeitintervall t&sub1; kleiner sein als in dem Zeitintervall t&sub2;.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wird das Signal des Detektors DE der elektronischen Verarbeitungschaltung 70 zugeführt. Das Signal des Generators 68 wird auch der Schaltung 70 zugeführt. Durch Vergleich, in welchem der Zeitintervalle t&sub1; und t&sub2; das Detektorsignal am größten ist, kann die Richtung eines möglichen Fokusfehlers detektiert werden. Das erhaltene Fokusfehlersignal wird über einen Hochspannungsverstärker einem Aktuator 73 zugeführt, beispielsweise einem oder mehr piezoelektrischen Elementen, die den Substratträger und damit das Substrat um den gewünschten Abstand und in der gewünschten Richtung entlang der Z-Achse verlagern, so daß kein Fokusfehler mehr auftritt.
Anstelle einer Savart-Platte kann auch ein Wollaston-Prisma verwendet werden, wie mit 61 in Fig. 3 angegeben. Ein solches Prisma umfaßt zwei kongruente Teilprismen aus einachsigen doppelbrechenden Kristallen, die zu einer einzigen planparallelen Platte zusammengesetzt sind. Die optischen Achsen der Teilprismen stehen zueinander senkrecht. Ein auf eine der planparallelen großen Flächen des Prismas 61 einfallendes Strahlenbündel wird in dem Prisma in zwei Teilstrahlenbündel mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen aufgespalten. Durch geeignete Wahl der Parameter des Prismas 61 kann dafür gesorgt werden, daß die von den Teilstrahlenbündeln gebildeten Bilder des Gitters G&sub1; am Ort des Gitters G&sub2; um eine halbe Gitterperiode verschoben sind.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Fokusdetektionseinrichtung, bei der ein Retroreflektor RR im Weg des einmal an der Substratoberfläche reflektierten Fokus detektionsstrahlenbündels angeordnet ist. Dieser Reflektor kann ein Hohlspiegel, ein "corner cube"-Prisma oder, wie in Fig. 7 gezeigt, eine Kombination aus einer Linse L&sub1;&sub2; und einem Reflektor RE in der Brennebene dieser Linse sein. Dieser Retroreflektor reflektiert das Strahlenbündel entlang sich selbst, d. h. die Hauptachse des auf den Reflektor einfallenden Strahlenbündels fällt mit der des reflektierten Strahlenbündels b&sub2;" zusammen. Die Strahlenbündelhälften der Strahlenbündel werden dann vertauscht. Wie im US-Patent 4.356.392 beschrieben, hat dies den Vorteil, daß lokale Reflexionsunterschiede des Substrats die Intensitätsverteilung in dem Strahlungsfleck, der schließlich auf dem Detektor DE gebildet wird, nicht beeinflussen können. Das Strahlenbündel b&sub2;"', das ein zweites Mal an der Substratoberfläche reflektiert worden ist, wird von einem Strahlenbündel trennenden Element BS zum zweiten Gitter G&sub2; und dem dahinter angeordneten Detektor DE ausgekoppelt. Wegen der zweifachen Reflexion an der Substratoberfläche wird die Empfindlichkeit der Fokusdetektionseinrichtung um einen Faktor zwei erhöht. Auch in der Ausführungsform von Fig. 7 kann ein dynamisches Fokusfehlersignal in den anhand von Fig. 3 beschriebenen Weisen generiert werden. Dies gilt auch für die im weiteren zu beschreibenden Ausführungsformen.
In den Ausführungsformen von Fig. 2, 3 und 7 werden Fokusfehler in indirekter Weise gemessen, d. h. es wird nur die Z-Position des Substrat gemessen, wobei angenommen wird, daß das Substrat das einzige bewegende Element ist, so daß auch der Abstand zwischen dem Substrat und dem Projektionslinsensystem bekannt ist. Um die geforderte Stabilität in der Fokusdetektionseinrichtung und die Stabilität dieser Einrichtung in bezug auf das Projektionslinsensystem bis zu einem gewissen Grad zu erreichen, können die optischen Elemente in dem Strahlungsweg des Fokusdetektionsstrahlenbündels, von der Strahlungsquelle zum Detektor, in einem Halter befestigt sein, analog wie in dem US-Patent 4.356.392, oder in einer Montageplatte, wobei der Halter oder die Platte mit dem Projektionslinsensystem verbunden ist. Insbesondere wenn kleinere Details abgebildet werden müssen und wenn somit die Fokussierung genauer detektiert und eingestellt werden muß, kann das zu erreichende Ausmaß an Stabilität zu klein sein. Die verbleibenden Instabilitäten werden durch verbleibendes Spiel der optischen Elemente in ihren Fassungen und dieser Fassungen im Halter oder der Montageplatte und durch Spiel in der Verbindung des Halters oder der Montageplatte mit dem Halter des Projektionslinsensystems verursacht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das obengenannte Problem durch Verwendung eines Bezugsstrahlenbündels verhindert werden, das auf eine Ebene an der Unterseite des Projektionslinsensystems gerichtet wird, die parallel zum Substrat liegt, beispielsweise die Außenfläche einer transparenten Bezugsplatte, die speziell zum Reflektieren des Bezugsstrahlenbündels in dem Projektionslinsensystem angeordnet ist. Die genannte Ebene reflektiert das Bezugsstrahlenbündel zu einem zweiten Detektor. Der tatsächliche Abstand zwischen dem Substrat und dem Projektionslinsensystem kann dann aus der Differenz der Signale dieses zweiten Detektors und des ersten Detektors, der das Fokusdetektionsstrahlenbündel empfängt, gemessen werden. Die Verwendung des Bezugsstrahlenbündels beschränkt sich nicht auf die Ausführungsformen mit Gittern im Fokusdetektionsstrahlenbündel. Die Verwendung des Bezugsstrahlenbündels kann auch in eher herkömmlichen Fokusdetektionseinrichtungen ohne Gitter erhebliche Vorteile bieten.
Fig. 8 zeigt eine erste Ausführungsform einer Fokusdetektionseinrichtung mit einem Bezugsstrahlenbündel br. Unter dem letzten Linsenelement PLE des Projektionslinsensystems ist jetzt eine Bezugsplatte RP angeordnet. Das Bezugsstrahlenbündel streift diese Platte, d. h. der Einfallswinkel β&sub1; ist groß, beispielsweise ebenso groß wie der Einfallswinkel α&sub1; auf das Substrat W. Das Bezugsstrahlenbündel wird an der Platte RP reflektiert, und das reflektierte Strahlenbündel b'r wird von einem Detektor DE&sub2;, beispielsweise einer Photodiode eingefangen. Eine zweite Photodiode DE&sub1;, die das am Substrat reflektierte Fokusdetektionsstrahlenbündel b'f einfängt, kann mit dieser Photodiode in Reihe geschaltet sein. Wie mit dem Meßgerät ME symbolisch angedeutet wird, wird die Differenz der Ausgangssignale der Photodioden gemessen. Dieses Differenzsignal ist ein Maß für den Abstand zwischen der Platte RP und dem Substrat W. Tatsächlich wird das Differenzsignal in einer elektronischen Signalverarbeitungsschaltung mit einem Bezugssignal verglichen und wird ein Steuersignal für einen Aktuator generiert, mit dem beispielsweise das Substrat in Z-Richtung bewegt wird. Die Strahlungsquelle S umfaßt zwei strahlungemittierende Elemente, beispielsweise LEDs S&sub1; und S&sub2;.
Vorzugsweise wird im Strahlungsweg sowohl des Fokusdetektionsstrahlenbündels als auch des Bezugsstrahlenbündelsan ein erstes Gitter an der Objektseite und ein zweites Gitter an der Bildseite angeordnet, wobei die Gitter mit Hilfe der Linsensysteme L&sub1; und L&sub2; und Reflexionen am Substrat bzw. an der Bezugsplatte aufein ander abgebildet werden. Die von den Gittern an der Bildseite durchgelassene Strahlung wird von den Detektoren DE&sub1; und DE&sub2; eingefangen. Die Gitter in dem Fokusdetektionsstrahlenbündel und dem Bezugsstrahlenbündel können gesonderte Elemente sein, ebenso wie die Elemente der Linsensysteme L&sub1; und L&sub2;. Das Gitter G&sub1; an der Objektseite und das Gitter G&sub2; an der Bildseite und die Linsensysteme sind jedoch vorzugsweise den beiden Strahlenbündeln gemeinsam.
In der Ausführungsform von Fig. 8 ist es auch möglich, durch Anordnen eines Polarisators und eines doppelbrechenden Elements vor dem Gitter G&sub2; und eines Polarisationsmodulators hinter diesem Gitter ein dynamisches Fokusfehlersignal zu generieren, wie anhand der Fig. 3, 4, 5 und 6 beschrieben.
Fig. 9 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Fokusdetektionseinrichtung, die dank der Verwendung spezieller optischer Systeme, - der Einfachheit halber durch einzelne keilförmige Elemente WO&sub1; und WO&sub2; dargestellt -, auf denen Linsenelemente angeordnet sind, kompakt ist. Das System WO&sub1; lenkt das Fokusdetektionsstrahlenbündel bf und das Bezugsstrahlenbündel br so ab, daß diese Strahlenbündel das Substrat bzw. die Bezugsplatte streifen und setzt auch die divergierenden Strahlenbündel in konvergierende Strahlenbündel um. Das optische System WO&sub2; setzt die divergierenden reflektierten Strahlenbündel bf und br, in konvergierende Strahlenbündel um und lenkt diese Strahlenbündel zum Detektor DE&sub1; bzw. Detektor DE&sub2; ab. Die Einrichtung von Fig. 9 kann mit oder ohne Gitter G&sub1;, G&sub2; ausgeführt sein.
Die Ausführungsform von Fig. 9a beruht auf dem Prinzip der Ausführungsform von Fig. 9. Jetzt wird nur ein einziges spezielles optisches System WO mit einem Keil und Linsen verwendet. Ein Retroreflektor RE, beispielsweise in Form eines Hohlspiegels, ist in den Wegen des Fokusdetektionsstrahlenbündels b'f und des am Substrat W bzw. der Bezugsplatte RP reflektierten Bezugsstrahlenbündels b'r angeordnet. Dieser Spiegel reflektiert die Strahlenbündel entlang sich selbst, so daß sie ein zweites Mal am Substrat bzw. an der Bezugsplatte reflektiert werden. Das Fokusdetektionsstrahlenbündel fällt auf einen Strahlteiler 77 ein, der das Strahlenbündel zu einem ersten Detektionsgitter G2,1 und einem dahinter angeordneten Detektor DE&sub1; reflektiert. Das Bezugsstrahlenbündel fällt auf einen Strahlteiler 78 ein, der das Strahlenbündel zu einem zweiten Detektionsgitter G2,2 und einem dahinter angeordneten Detektor DE&sub2; reflektiert.
Fig. 10 und 11 zeigen Ausführungsformen der Fokusdetektionseinrichtung, in der Strahlenbündel mit verschiedenen Polarisationsrichtungen verwendet werden. In Fig. 10 bezeichnet das Bezugszeichen 80 ein zusammengesetztes Prisma mit einer polarisationsempfindlichen Grenzfläche 81. Diese Fläche reflektiert eine Strahlenbündelkomponente mit einer ersten Polarisationsrichtung beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene als Fokusdetektionsstrahlenbündel zum Substrat W. Die zweite Strahlenbündelkomponente, deren Polarisationsrichtung parallel zur Zeichenebene liegt, wird von der Grenzfläche 81 durchgelassen und anschließende als Bezugsstrahlenbündel br an der hinteren Fläche 82 des Prismas zur Bezugsplatte RP des Projektionslinsensystems PL reflektiert. Da das Strahlenbündel br unter einem anderen Winkel auf die Grenzfläche 81 einfällt, wird dieses Strahlenbündel durchgelassen. Ein zweites zusammengesetztes Prisma 85, das analog dem Prisma 80 ist, ist im Weg der reflektierten Strahlenbündel b'f und b'r angeordnet. Die polarisationsempfindliche Fläche 86 des Prismas 85 reflektiert das Strahlenbündel b'f als Strahlenbündel b"f zum Detektor DE&sub1;, während die hintere Fläche 87 dieses Prismas das Strahlenbündel b'r als Strahlenbündel b"r zum Detektor DE&sub2; reflektiert. Die Geometrie des Prismas 85 unterscheidet sich geringfügig von der des Prismas 80, so daß die Strahlenbündel b"f und b"r räumlich getrennt sind.
In der Ausführungsform von Fig. 11 wird ein zusammengesetztes doppelbrechendes Element 90, wie ein Wollaston-Prisma oder ein Rochon-Prisma zum räumlichen Trennen der senkrecht zueinander polarisierten Komponenten des Strahlenbündels b verwendet. Diese Strahlenbündelkomponenten werden von einem Prisma 92 als Strahlenbündel bf und br zum Substrat W und die Bezugsplatte reflektiert. Ein Prisma 93 analog dem Prisma 92 und ein doppelbrechendes Element 91 analog dem Element 90 sind im Weg der reflektierten Strahlenbündel b'f und b'r angeordnet. Hier unterscheiden sich die Elemente wiederum in solchem Maße, daß die aus dem Element 91 tretenden Strahlenbündel b"f und b"r räumlich getrennt sind.
Die Einrichtungen gemäß Fig. 10 und 11 können auch eine breitbandige Strahlungsquelle und Gitter umfassen und können auch mit Mitteln zum Generieren eines dynamischen Fokusfehlersignals versehen sein.
Fig. 12 zeigt eine weitere Alternative der Ausführungsform, in der anders polarisierte Strahlenbündel als Fokusfehlerdetektionsstrahlenbündel und Bezugsstrahlenbündel verwendet werden. Ein zusammengesetztes Prisma 100 mit zwei Teilprismen aus doppelbrechendem Material, die durch eine Grenzfläche 101 getrennt sind, ist im Weg des von der Quelle S emittierten Strahlenbündels angeordnet. Die Strahlenbündelkomponente mit einer ersten Polarisationsrichtung durchläuft die Grenzfläche 101 ungehindert und fällt schräg auf das Substrat W als Fokusdetektionsstrahlenbündel bf ein. Die Strahlenbündelkomponente mit der zweiten Polarisationsrichtung wird an der Grenzfläche 101 zwischen dem ersten Teilprisma und dem zweiten Teilprisma abgelenkt und fällt schräg auf die Bezugsplatte des Projektionslinsensystems als Bezugsstrahlenbündel br ein. Nach Reflexion am Substrat und der Bezugsplatte werden die Strahlenbündel b'f und b'r durch ein zweites, auch zwei doppelbrechende Teilprismen und eine Grenzfläche 103 umfassendes, zusammengesetztes Prisma 102 kombiniert, das in umgekehrter Weise arbeitet wie das Prisma 100. Das Prisma 102 hat eine etwas andere Geometrie als das Prisma 100, so daß die Strahlenbündel b"f und b"r in genügendem Maße räumlich getrennt sind, um auf die gesonderten Detektoren DE&sub1; und DE&sub2; einzufallen. Die Verwendung einer breitbandigen Quelle S und von Gittern G&sub1; und G&sub2; ist wieder wahlfrei, ebenso wie die Generierung eines dynamischen Fokusfehlersignals.
Das Konzept einer Fokusdetektionseinrichtung mit einem Fokusdetektionsstrahlenbündel und einem Bezugsstrahlenbündel kann auch mit einem einzelnen Strahlenbündel statt mit zwei gesonderten Strahlenbündeln realisiert werden, wobei das einzelne Strahlenbündel hintereinander am Substrat und an der Bezugsplatte reflektiert wird. Ausführungsformen werden in Fig. 13 und 14 gezeigt.
In der Einrichtung von Fig. 13 wird das aus der Quelle S kommende Strahlenbündel bf von einem mit einem optischen Keil und Linsen angedeuteten optischen System 110 konvergiert und so abgelenkt, daß es das Substrat W streift. Das reflektierte Strahlenbündel b'f erreicht einen Reflektor 112 und wird hintereinander von den Grenzflächen 113 und 114 reflektiert. Dieses Strahlenbündel fungiert nun als Bezugsstrahlenbündel br, das die Bezugsplatte des Projektionslinsensystems PL streift. Das reflektierte Bezugsstrahlenbündel wird vom optischen System 110 zum Detektor DE abgelenkt und darauf konvergiert. Wenn der Abstand zwischen der Bezugsplatte und dem Substrat korrekt ist, ist der von dem Strahlenbündel, mit dem die Quelle auf den Detektor abgebildet wird, zurückgelegte optische Weg derart, daß dieses Bild in bezug auf den Detektor DE richtig positioniert ist. Bei einer Änderung des Abstandes zwischen der Platte RP und dem Substrat ändert sich die genannte optische Weglänge und wird das genannte Bild in bezug auf den Detektor verschoben.
In der Ausführungsform von Fig. 14 wird ein Prisma 120 verwendet, das zwei Teilprismen aus unterschiedlichem doppelbrechendem Material umfaßt. Das von der Quelle S emittierte Strahlenbündel bf hat eine solche Polarisationsrichtung und fällt auf die Grenzfläche 121 unter einem solchen Winkel ein, daß dieses Strahlenbündel zum Substrat W durchgelassen wird. Ein zweites Prisma 122 analog dem Prisma 120 ist im Weg des reflektierten Strahlenbündels b'f angeordnet, wobei das Prisma dieses Strahlenbündel zu einem Retroreflektor 125 durchläßt, der beispielsweise eine Linse 127 und einen Spiegel 128 in deren Brennebene umfaßt. Das Strahlenbündel wird jetzt entlang sich selbst reflektiert und fällt auf das zweite Prisma in einer dem ersten Durchlaufen entgegengesetzten Richtung ein. Dann wird das Strahlenbündel zur Bezugsplatte RP abgelenkt und fungiert als Bezugsstrahlenbündel br. Das an der Platte RP reflektierte Strahlenbündel b'r wird dann von dem Prisma 120 so abgelenkt, daß es mit dem ursprünglichen Strahlenbündel bf zusammenfällt. Im Weg der zusammenfallenden Strahlenbündel ist ein Strahlenbündel trennendes Element 126 angebracht, das einen Teil des Strahlenbündels b'r zum Detektor DE auskoppelt.
In den Ausführungsformen können wieder Gitter G&sub1; und G&sub2; in Kombination mit einem Strahlenbündel mit einem großen Wellenlängenband verwendet werden. Dann müssen die Elemente 110 und 112 von Fig. 13 und die Elemente L&sub1;, 120, 122 und L&sub2; von Fig. 14 hinsichtlich der verschiedenen Wellenlängen ausreichend korrigiert werden. In der anhand der Fig. 3, 4 und 5 beschriebenen Weise kann wieder ein dynamischer Fokusfehler generiert werden.
Für jedes Feld des Substrats, auf dem ein Maskenmuster projiziert werden muß, kann ein Fokusfehler an einem einzigen Punkt dieses Feldes mit Hilfe der bisher beschriebenen Einrichtungen gemessen werden. Das Substrat als Ganzes kann keilförmig sein oder es kann schräg angeordnet sein oder das Substrat kann lokale Unebenheiten aufweisen, so daß Punkte des Feldes außerhalb des Punktes, wo der Fokusfehler gemessen wird, defokussiert bleiben können, was zu einem ungenauen Bild bei diesen Punkten führt. Es ist daher wünschenswert, daß in einem Gerät zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat die lokale Verkantung, oder die Verkantung pro Feld bestimmt werden kann und diese Verkantung beispielsweise mit einer Anzahl Höhenaktuatoren für das Substrat korrigiert werden kann.
Zum Realisieren der Verkantung kann das Gitterkonzept verwendet werden. Dessen Prinzip wird in Fig. 15 gezeigt. Das von der Strahlungsquelle S¹ gelieferte und durch das Gitter G&sub1; tretende, divergierende Strahlenbündel bs wird von einem Linsensystem L&sub1;&sub5; in ein paralleles Strahlenbündel umgesetzt. Dieses Strahlenbündel wird am Substrat W reflektiert und anschließend von einem zweiten Linsensystem L&sub1;&sub6; konvergiert. Die Linsensysteme L&sub1;&sub5; und L&sub1;&sub6; formen zusammen ein Bild des Gitters G&sub1; auf dem Gitter G&sub2;. Es ist dafür gesorgt worden, daß bei einer horizontalen Substratoberfläche die Gitterlinien des abgebildeten Gitters mit denen des Gitters G&sub2; zusammenfallen. Da das auf das Substrat W einfallende Strahlenbündel ein paralleles Strahlenbündel ist, wird das reflektierte Strahlenbündel b's eine andere Richtung annehmen, wenn das Substrat verkantet wird, so daß das Bild von G&sub1; sich in bezug auf G&sub2; verschiebt und der Detektor mehr oder weniger Strahlung empfängt.
Wie in Fig. 15 gezeigt, wird vorzugsweise ein Bezugsstrahlenbündel br verwendet. Mit diesem Strahlenbündel wird mittels Reflexion an der Bezugsplatte RP ein Gitter G&sub1; auf ein Gitter G&sub2; abgebildet, woraufhin das Strahlenbündel RP auf einen zweiten Detektor DE&sub2; einfällt. Die Position des Bildes des Gitters G&sub1; auf dem Gitter G&sub2; und damit das Ausgangssignal des Detektors DE&sub2; wird durch die Stellung der Bezugsplatte RP bestimmt. Die Verkantung dieser Platte kann somit auch gemessen werden.
Es sei bemerkt, daß es viele Abwandlungen der Ausführungsform von Fig. 15 geben kann. Beispielsweise können die beiden gesonderten Strahlungsquellen durch eine einzige Strahlungsquelle in Kombination mit Strahlteilermitteln ersetzt werden.
Durch Ausführen einer Fokusfehlermessung bei drei Punkten des Feldes, wie schematisch in Fig. 16a gezeigt, kann eine lokale Verkantungsdetektion ausgeführt werden. Diese Figur zeigt ein Substrat W mit einem Substratfeld Wv, in dem die Punkte, bei denen die Fokusdetektion ausgeführt wird, mit a, b und c bezeichnet werden. Für jede Fokusmessung kann eine gesonderte Fokusdetektionseinrichtung in einer der oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. Durch Vergleichen der Fokusmeßsignale Sfa und Sfb der Punkte a und b kann die Verkantung θx um die X- Achse bestimmt werden und durch Vergleichen des Fokusmeßsignals Sfc des Punktes c mit Sfa und/oder Sfb kann die Verkantung θy um die Y-Achse bestimmt werden. Die Signale der drei Meßpunkte und möglicher weiterer Meßpunkte können auch auf ver schiedene Weise kombiniert werden, und die Meßpunkte können auch eine unterschiedliche gegenseitige Positionierung haben.
Erfindungsgemäß können zwei Fokusdetektionseinrichtungen gemäß den oben beschriebenen Prinzipien zum Messen der lokalen Verkantung verwendet werden, wobei die Einrichtungen jeweils zwei Fokusdetektionsstrahlenbündel liefern. Mit diesen Strahlenbündeln ist es möglich, bei einer großen Zahl von Punkten zu messen, nämlich vier Punkten, während die Verkantungsdetektionseinrichtung nicht zu komplex ist. Fig. 16b zeigt den Ort der Meßpunkte a, b, c und d in dem Substratfeld Wv. Die Quadrate Sp1, Sp2, Sp3 und Sp4 sind die von den vier Fokusdetektionsstrahlenbündeln gebildeten Strahlungsflecke. Diese Flecke haben eine Oberfläche von beispielsweise 2 · 2 mm². Die Strahlungsflecke liegen nahe den Rändern des Substratfeldes, um die Verkantung so genau wie möglich zu messen. Die Winkel γ1 und γ2 sind beispielsweise 20º und 25º.
Wenn die Fokusdetektionseinrichtungen mit breitbandigen Strahlenbündeln und Gittern arbeiten, sind die Strahlungsflecke Sp1, Sp2, Sp3 und Sp4 größer als in Fig. 16a und 16b gezeigt. Bei Verwendung einer breitbandigen, weniger intensiven Strahlungsquelle muß der Querschnitt des Strahlenbündels und damit die belichtete Substratoberfläche größer sein, um genügend Strahlungsenergie auf dem Detektor zu erhalten, so daß die Einrichtung genügende Empfindlichkeit aufweist. Wegen dieser Empfindlichkeit werden auch Gitter verwendet. Um die Wahrscheinlichkeit von Reflexionseffekten zu verringern, sollten die Gitter eine große Zahl von Gitterlinien haben, was bedeutet, daß der Strahlungsfleck auf dem Substrat groß sein muß.
Fig. 17 zeigt das Prinzip der Verkantungsdetektionseinrichtung, die zwei doppelte Fokusdetektionseinrichtungen umfaßt. Die Hauptstrahlen h&sub1; und h&sub2; der ersten Fokusdetektionseinrichtung werden mit ausgezogenen Linien angedeutet und die Hauptstrahlen h&sub3;, h&sub4; der zweiten Fokusdetektionseinrichtung mit gestrichelten Linien. Die Bezugszeichen a, b, c und d sind die Punkte, wo diese Hauptstrahlen auf das Substrat W treffen. Die Figur zeigt nur einen kleinen Teil dieses Substrats. Die Elemente, die dafür sorgen, daß die Fokusdetektionsstrahlenbündel das Substrat streifen, werden der Einfachheit halber durch die Spiegel M&sub1; und M&sub2; dargestellt. Jede doppelte Fokusdetektionseinrichtung wird in drei Blöcke unterteilt: ein Beleuchtungsblock B&sub1;, ein Abbildungsblock B&sub2; und ein Detektionsblock B&sub3;, wobei die Blöcke anhand der folgenden Ausführungsform beschrieben werden sollen. Obwohl dies der Einfachheit halber in Fig. 17 nicht gezeigt worden ist, umfaßt die Verkantungsdetektionseinrichtung Gitter und/oder Bezugsstrahlenbündel, die an der Bezugsplatte des Projektionslinsensystems reflektiert werden, wie in weiteren beschrieben werden soll.
Eine Ausführungsform der in Fig. 17 schematisch gezeigten Verkantungsdetektionseinrichtung wird in Fig. 18, 19 und 20 gezeigt, wobei die Figuren in dieser Reihenfolge die Blöcke B&sub1;, B&sub2; und B&sub3; zeigen, die tatsächlich hintereinander angeordnet sind. Die Figuren mit dem Index a sind vertikale Querschnitte und die mit dem Index b horizontale Querschnitte.
In Fig. 18a und 18b gibt das Bezugszeichen 130 die Strahlungsquelle an, vorzugsweise den Glühfaden einer Halogenlampe, der ein kontinuierliches Spektrum im Wellenlängenbereich von 725 nm bis 1050 nm aussendet. Der Glühfaden hat Abmessungen von beispielsweise 3,6 · 1,8 mm². Das von der Lampe emittierte Strahlenbündel b wird von einer Kondensorlinse 131 aufgefangen, die beispielsweise eine asphärische Linse ist und wird in ein paralleles Strahlenbündel umgesetzt. Anschließend wird das Strahlenbündel von einer zweiten Kondensorlinse 133 konvergiert, die beispielsweise eine asphärische Linse ist. Die Linsen 131 und 133 formen zusammen ein Bild des Glühfadens.
Zwischen den Linsen 131 und 133 kann ein Blaufilter angeordnet sein, um zu verhindern, daß von der Halogenlampe emittierte blaue Strahlung das Substrat erreicht und um zu verhindern, daß solche Strahlung andere Meßsysteme des Projektionsgeräts erreicht, die mit dieser kurzwelligen Strahlung arbeiten.
Vorzugsweise wird eine optische Faser 134 verwendet. Die Lampe kann dann auf größerem Abstand, beispielsweise 1,5 m von der Detektionseinrichtung, aufgestellt werden, so daß diese Einrichtung durch die Wärmestrahlung der Lampe nicht aufgeheizt werden kann. Außerdem kann mit der Faser das Breite/Höhen-Verhältnis des Glühfadens an die Gitterabmessungen angepaßt werden. Die Eintrittsfläche der Faser 134 fällt mit dem von dem Linsensystem 131, 133 gebildeten Bild des Glühfadens zusammen. Angesichts der in weiteren an das System zu stellenden Anforderungen hat die Faser eine relativ kleine numerische Apertur, beispielsweise 0,22.
Die Faser verzweigt sich in zwei Faserenden 135, 136, wobei das erste Ende ein Beleuchtungsstrahlenbündel bi,m und das zweite Ende ein Beleuchtungsstrahlenbündel bi,r liefert, die zum Beleuchten eines Meßgitters 157 bzw. eines Bezugsgitters 158 bestimmt sind. Diese Gitter sind an der flachen Rückseite einer transparenten Trägerplatte 150 angeordnet. Um die Austrittsfläche der Faser 135 auf das Gitter 157 abzubilden, wird ein Linsensystem verwendet, das beispielsweise telezentrisch ist und eine Kondensorlinse 137 und ein plankonvexe Linse 139 umfaßt. Um eine gleichmäßige Beleuchtung des Gitters 157 zu erhalten, wird das Bild der Faseraustrittsfläche etwas außerhalb der Ebene des Gitters gebildet. Die Austrittsfläche der Faser 136 wird auf das Gitter 158 mit Hilfe eines Linsensystems 138, 140 abgebildet, das mit dem System 137, 139 identisch ist.
Im Zusammenhang mit dem verfügbaren Raum kann es notwendig sein, die optische Achse des Beleuchtungssystems abzubiegen, wobei dafür gesorgt wird, daß die Achse senkrecht zur Ebene der Gitter steht. Diese Abbiegung kann mit Hilfe des schematisch dargestellten Spiegels 160 realisiert werden.
In der vertikalen Ebene muß das Beleuchtungsstrahlenbündel bi,m mit der optischen Achse einen kleinen Winkel von beispielsweise -6,5º bilden, während das Beleuchtungsstrahlenbündel bi,r mit dieser Achse einen entgegengesetzten Winkel von beispielsweise +6,5º bilden muß. Hierzu hat die Vorderseite der Platte 150 zwei schräge Enden 152 und 153, wodurch die Plattenenden keilförmig werden und die Strahlenbündel unter dem richtigen Winkel abgelenkt werden. In der horizontalen Ebene sind die Beleuchtungsstrahlenbündel bi,m und bi,r parallel zur optischen Achse.
Fig. 19a und 19b zeigen, wie die Gitter 157 und 158 mit Hilfe eines telezentrischen Systems 170 auf das Substrat W bzw. die Bezugsplatte des Projektionslinsensystems abgebildet werden. Dieses System, das schematisch durch die Linsenelemente 171, 172 dargestellt wird, formt nicht nur die Gitterbilder mit Hilfe des Fokusdetektionsstrahlenbündels bf und des Bezugsstrahlenbündels br, sondern lenkt auch dieses Strahlenbündel in bezug auf die optische Achse unter Winkeln ab, die ebenso groß, aber entgegengesetzt sind wie die Winkel, unter denen die keilförmigen Enden der Gitterplatte 150 ablenken. Die am Substrat W und der Bezugsplatte RP reflektierten Strahlenbündel durchlaufen ein zweites telezentrisches System 175, das dem System 170 analog ist. Das System 175 sorgt für eine erneute Abbildung des auf dem Substrat bzw. der Bezugsplatte gebildeten Bildes des Meßgitters und des Bezugsgitters. Diese erneuten Abbildungen werden auf einem Detektionsmeßgitter 187 und einem Detektionsbezugsgitter 188 gebildet. Diese Gitter sind auf der flachen Vorderseite 186 eines transparen ten Trägers 180 angeordnet und im Fall einer Eins-zu-Eins-Abbildung haben sie die gleiche Geometrie wie die Gitter 157 und 158. Die Gitterplatte 180 hat die gleiche Form wie die Platte 150, aber sie ist um 180º um eine Achse in der Zeichenebene und senkrecht zur optischen Achse gedreht, so daß die Keile die Strahlenbündel von der optischen Achse weg lenken.
Falls angesichts des verfügbaren Raumes notwendig, können im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels bf ein erster und ein zweiter Spiegel 190 und 191 zum Ablenken der Strahlenbündel hin zum Substrat und der Bezugsplatte und ein dritter und ein vierter Spiegel 192 und 193 zum Rückablenken der Strahlenbündel weg vom Substrat und der Bezugsplatte angeordnet sein.
Eine doppelbrechende Platte 200, beispielsweise aus Quarz, ist vor der Gitterplatte 180 angeordnet, wobei die Platte dafür sorgt, wie anhand der Fig. 3 und 4 erläutert worden ist, daß "ordentliche" und "außerordentliche" Bilder der Gitter 157 und 158 auf den Gittern 187 und 188 gebildet werden, wobei die außerordentlichen Bilder um eine halbe Gitterperiode bezüglich der Gitter 187 und 188 verschoben sind. Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt muß der doppelbrechenden Platte ein Polarisator vorangehen. Dieser Polarisator kann mit Hilfe einer zwischen zwei planparallelen Platten, die zusammen eine einzige Platte 205 bilden, angebrachten Polarisationsfolie gebildet werden. Die Platten 200 und 205 müssen senkrecht zu den Strahlenbündeln b'f und b'r stehen, so daß jede Platte in zwei Teile 201 und 202 bzw. 206 und 207 unterteilt ist, die senkrecht zu den zugehörigen Strahlenbündeln stehen.
Fig. 20a und 20b zeigen den Detektionsblock der doppelten Fokusdetektionseinrichtung in vertikalem und horizontalem Querschnitt. Dieser Block umfaßt eine Linse 210 und eine Linse 211, die zusammen ein telezentrisches System bilden, das die Gitter 187 und 188 auf unterschiedliche Teile eines Detektors 215 abbildet. Auf Wunsch kann ein Spiegel 212 vorgesehen sein, der die Strahlenbündel nach oben (Z-Richtung) ablenkt und somit eine Funktion hat, die umgekehrt zu der des Spiegels 160 (Fig. 18) ist.
Ein Polarisationsmodulator 220, der die Polarisationsrichtung der Strahlenbündel um 90º umschaltet, und ein Analysator 225, der nur Strahlung einer bestimmten Polarisationsrichtung zum Detektor 215 durchläßt, sind zwischen den Linsen 210 und 211 angeordnet. Der Modulator kann von einem Quarzkristall 221 mit darauf auf beiden Seiten einem λ/4-Plättchen 222, 223 gebildet Werden. Dieser Modulator liegt vorzugsweise in der Pupille des Linsensystems 210, 211.
In Fig. 18, 19 und 20 ist es so dargestellt, als ob das Fokusdetektionsstrahlenbündel und das Bezugsstrahlenbündel auf verschiedene Gitter 157, 158 bzw. 187, 188 einfallen. Die Gitter 157 und 158 sowie 187 und 188 sind vorzugsweise zwei gesonderte Teile eines ersten zusammengesetzten Gitters bzw. eines zweiten zusammengesetzten Gitters. Ein solches auf der Platte 150 angeordnetes zusammengesetztes Gitter 230 wird in Fig. 21 gezeigt. Das Gitter auf der Platte 180 hat die gleiche Geometrie. Wie in Fig. 21 gezeigt können die Gitterteile 157 und 158 ihrerseits in einen linken Teil und einen rechten Teil unterteilt sein, so daß es insgesamt vier Gitterteile gibt. Die Gitterteile 231 und 232 arbeiten mit dem Fokusdetektionsstrahlenbündel und die Gitterteile 233 und 234 mit dem Bezugsstrahlenbündel zusammen. Die Länge 1 des zusammengesetzten Gitters 230 ist so, daß die Länge des Bildes davon auf dem Substrat etwas kleiner ist als die Länge eines Substratfeldes, so daß die Gitterteile so viel wie möglich an den Rändern dieses Substratfeldes abgebildet werden.
Der Detektor 215, auf dem die Gitterteile des ersten Gitters (157, 158) und des zweite Gitters (187, 188) abgebildet werden, ist dann in vier Quadranten 240, 241, 242, 243 unterteilt, wie in Fig. 22 gezeigt. Die Verkantung des Substrats um die X-Achse von Fig. 1 kann durch Vergleich der Signale der Detektorteile 240 und 241 bestimmt werden, während die Verkantung der Bezugsplatte RP um die X-Achse durch Vergleich der Signale der Detektorteile 242 und 243 bestimmt werden kann. Um die Verkantungen des Substrats und der Bezugsplatte um die Y-Achse zu bestimmen, muß eine zweite doppelte Fokusdetektionseinrichtung analog der in Fig. 18, 19 und 20 gezeigten verwendet werden. Diese zweite Einrichtung ist vorzugsweise unter einem Winkel von 90º zur ersten Einrichtung aufgestellt. Insgesamt werden dann zwei Fokusdetektionsstrahlenbündel und zwei Bezugsstrahlenbündel verwendet statt der vier in Fig. 17 gezeigten Fokusdetektionsstrahlenbündel. Diese Fig. 17 zeigt keine Bezugsstrahlenbündel.
Infolge von Änderungen der Umgebungsparameter wie Luftdruck, Temperatur und Feuchte kann sich die Brechzahl des Mediums, in dem sich die Elemente des Projektionslinsensystems befinden, ändern. Daher können die Abbildungseigenschaften und die Position der Bildebene variieren. Um diese Veränderungen auszugleichen und der Bedienperson des Geräts die Möglichkeit zu geben, die genannte Position einzustellen, beispielsweise anhand ausgeführter Experimente, kann die Fokusdetektionseinrichtung mit einer einstellbaren Kompensationsplatte 250 (Fig. 19) versehen sein. Diese Platte ist in dem Fokusdetektionsstrahlenbündel direkt hinter der ersten Gitterplatte 150 angeordnet. Die Platte 250 ist beispielsweise eine Glasplatte und ihre Dicke wird auch von der der Platten 200 und 205 bestimmt. Durch Drehen der Platte um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 19a, können die Positionen der Bilder der linken und rechten Teile des Gitters 157 in bezug auf die Detektorteile verschoben werden, unabhängig von der Z-Position des Substrats. Der Nullpunkt des aus den Detektorsignalen abgeleiteten Fokusfehlersignals kann somit eingestellt werden.
Für das Gittermeßsystem wird der Bereich, in dem Fokusfehler detektiert werden können, durch die Periode des Gitters bestimmt. Für eine Gitterperiode von beispielsweise 40 um erstreckt sich der Einfangbereich beispielsweise von -20 um bis +20 um.
Um den Einfangbereich zu erhöhen, kann jedes Gitter der Fokusdetektionseinrichtung oder der Verkantungsdetektionseinrichtung, beispielsweise jedes der Gitter 231-234 von Fig. 21, in zwei Teilgitter unterteilt werden, deren Gitterperioden sich beispielsweise um 10% unterscheiden. In analoger Weise wie für ein Justiersystem in dem Artikel "Automatic Alignment System für Optical Projection Printing" in IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. ED-26, Nr. 4, 1979, S. 723-728 beschrieben, können dann für eine Fokusdetektionseinrichtung und eine Verkantungsdetektionseinrichtung Signale mit beispielsweise einer zehnmal größeren Periode erhalten werden, wobei die Signale es ermöglichen, Fehler zu detektieren, die zehnmal größer sind.
Die vorliegende Erfindung verschafft eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Einfangbereiches, bei der es auch möglich ist, zu testen und/oder zu kalibrieren. Hierzu ist die erfindungsgemäße Einrichtung mit einem zweiten Fokusdetektionssystem versehen, das ohne Gitter und mit einem zusätzlichen Strahlenbündel arbeitet, beispielsweise einem Laserstrahlenbündel. Mit diesem Strahlenbündel wird auf dem Substrat ein zusätzlicher Strahlungsfleck gebildet, der klein und daher gut zum Testen geeignet ist. Dieses System soll im weiteren als Hilfsdetektionssystem bezeichnet werden. Dieses System ist vorzugsweise auch wieder doppelt ausgeführt, mit einem ersten Strahlenbündel, das am Substrat reflektiert wird und einem zweiten Strahlenbündel, das von der Bezugsplatte des Projektionslinsensystems projiziert wird. Die Elemente des Hilfsdetektionssystems werden in Fig. 18, 19 und 20 gezeigt, wobei Fig. 20b der Deutlichkeit halber nur die Hauptstrahlen der beiden Hilfsstrahlenbündel b&sub1;, b1,1 als Strich- Punkt-Linien zeigt.
Der erste Teil des Hilfsdetektionssystems umfaßt eine Strahlungsquelle 260, vorzugsweise einen mit einer Kollimatorlinse kombinierten Diodenlaser. Das Hilfsstrahlenbündel b&sub1; wird durch ein Teleskoplinsensystem 261, 262 eingeschnürt und von einem Keil 263 zur Gitterplatte 150 hin abgelenkt. Diese Platte hat eine spaltförmige Öffnung für dieses Strahlenbündel, wobei die Öffnung in Fig. 21 mit 264 bezeichnet wird. Die Öffnung 264 ist kleiner als der Querschnitt des Strahlenbündels dort, so daß die Öffnung als neue Strahlungsquelle fungiert. Das Breiten/Höhen-Verhältnis der spaltförmigen Öffnung wird beispielsweise so gewählt, daß das Bild dieser Öffnung auf dem Substrat quadratisch ist, was auch für die Gitter 157, 158 und deren Bilder auf dem Substrat gilt.
Auf der Gitterplatte kann ein zusätzlicher Keil 154 angebracht sein, um dafür zu sorgen, daß das aus der Öffnung 264 tretende Strahlenbündel unter einem speziellen Winkel auf das Substrat W einfällt. Auf seinem Weg zum Substrat trifft das Strahlenbündel b&sub1; auf die gleichen Elemente 250, 170, 190, 191 wie das Fokusdetektionsstrahlenbündel bf. Vom Substrat zur zweiten Gitterplatte 180 trifft das Strahlenbündel b'&sub1; auf die gleichen Elemente 193, 192, 175, 205, 200 wie das reflektierte Fokusdetektionsstrahlenbündel b'f. Das Hilfsstrahlenbündel b'&sub1; tritt durch eine spezielle Öffnungsstruktur aus der Gitterplatte aus und wird von einem Linsensystem 271, 272 auf einem Detektor 273 abgebildet. Ein optischer Keil 270, der dem Strahlenbündel die richtige Richtung gibt, ist vor diesem Linsensystem angeordnet. Ein weiterer Keil 184, der dem Keil 154 auf der Gitterplatte 150 vergleichbar ist, kann auf der Gitterplatte angeordnet sein.
Die spezielle Öffnungsstruktur für das Strahlenbündel b'&sub1; auf der Gitterplatte 180 wird von zwei rechteckigen Öffnungen 300 und 301 gebildet, wie in Fig. 23 gezeigt. Das darauf gebildete Bild der Öffnung 264 wird mit 302 bezeichnet. Die durch jede Öffnung durchgelassene Strahlung wird von einem gesonderten Detektorteil des Detektors 273 aufgefangen. Diese Detektorteile 274 und 275 werden in Fig. 23 mit gestrichelten Linien dargestellt. Durch Vergleich der Signale der Detektorteile 274 und 275 wird ein Fokusfehlersignal erhalten: Der gewöhnlich als Bizellendetektor bezeichnete Detektor 273 ist dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindlichen Gebiete 274 und 275 relativ groß sind, während der Abstand zwischen den Streifen relativ klein ist. Das Hilfsdetektionssystem mit der genannten Öffnungsstruktur auf der Gitterplatte 180 und mit dem Bizellendetektor hat den Vorteil, daß es nicht notwendig ist, strenge Anforderungen an die Toleranz oder die Stabilität der Elemente zu stellen.
Der zweite Teil des Hilfsdetektionssystems, der mit einem an der Bezugsplatte des Projektionslinsensystems reflektierten Strahlenbündel b1,r arbeitet, umfaßt die Elemente 280, 281, 282, 283, 155, 170, 175, 207, 202, 185, 290, 291, 292 und 293, die mit den Elementen 260, 261, 262, 263, 154, 170, 175, 206, 201, 270, 271, 272 und 273 des ersten Teils dieses Systems identisch sind und die gleichen Funktionen wie diese haben.
Der Abstand zwischen dem Substrat und dem Projektionslinsensystem kann durch Vergleichen der Ausgangssignale der beiden Hilfsdetektionssysteme bestimmt werden.
Der mittlere Fokusfehler pro Substratfeld kann in der Verkantungsdetektionseinrichtung der Fig. 18-20 durch Mittelung der bei den Punkten a, b, c und d gemessenen Fokusfehler bestimmt werden.
Zur Ergänzung der schematischen Darstellung eines Geräts zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat von Fig. 1 zeigt Fig. 24 Einzelheiten des mechanischen Aufbaus der Fokus- und Verkantungsdetektionseinrichtung und der Weise, in der diese Einrichtung mit dem Projektionslinsensystem PL verbunden ist. Dieses System ist in einer Platte PT befestigt, in der rechts und links Halter H&sub1; und H&sub2; für den Beleuchtungsteil bzw. den Detektionsteil angeordnet sind. Der Beleuchtungsteil beherbergt die Faserenden 135, 136 für die Zuführung der breitbandigen Strahlenbündel, die Linsen 137, 138, 139 und 140 für diese Strahlenbündel, die Diodenlaser 260, 280, die Linsen 261, 262, 281, 282 und die Keile 263, 283 für die Diodenlaserstrahlenbündel. Das telezentrische Linsensystem 170 (nicht abgebildet), die Gitterplatte 150, der Faltungsspiegel 160 und die Spiegel 190 und 191 befinden sich in einem Halter H&sub3;, der an einer Montageplatte MP befestigt ist, die ihrerseits mit der Platte PT verbunden ist.
Ein gleichartiger Halter H&sub4; ist links angeordnet und beherbergt die Spiegel 192 und 193, das telezentrische Linsensystem 175 (nicht abgebildet), die Gitterplatte 180 und den Faltungsspiegel 212. Der Halter H&sub4;, der in der Platte PT befestigt ist, beherbergt den Modulator 221, den Analysator 225 und den Detektor für das breitbandige Strahlenbündel. Für die Laserstrahlenbündel sind die Keile 270, 290, die Linsen 271, 272, 291 und 292 und die Detektoren 273, 293 vorhanden.
Das Gerät umfaßt eine zweite Fokusfehler- und Verkantungsdetektionseinrichtung mit einem zweiten Satz von vier Haltern, die vor und hinter der Zeichenebene in Fig. 24 angeordnet sind, vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene. Mit der zweiten Einrichtung braucht nur eine Verkantung des Substrats um die Y-Achse gemessen zu werden. Die Halter der zweiten Einrichtung brauchen nur diejenigen optischen Elemente von Fig. 24 aufzunehmen, die sich im Weg der breitbandigen Strahlenbündel befinden.
In einem Gerät zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat kann dafür gesorgt werden, daß in dem Raum zwischen dem Projektionslinsensystem und dem Substrat konstante Bedingungen herrschen. Dies kann realisiert werden, indem ein konstanter, vorzugsweise laminarer Luftstrom durch diesen Raum geleitet wird. Dies wird in Fig. 25 veranschaulicht. Diese Figur zeigt schematisch einen Teil des Projektionslinsensystems PL und den Substratträger WC. Der Substratträger ist Teil eines Substrattisches WT, der sich unter der Steuerung eines Aktuatorsystems in einer H-Konfiguration, wie beispielsweise in dem US-Patent 4.665.594 beschrieben, dessen Komponenten in Fig. 25 mit MO&sub1; und MO&sub2; bezeichnet werden, mittels eines Luftkissens AB über eine Grundplatte BP bewegen kann. Fig. 25 zeigt wieder die Halter H&sub1; und H&sub2;, die an der Montageplatte MP befestigt sind, auf welcher Platte vorzugsweise auch das in Fig. 1 gezeigte und in Fig. 25 nur schematisch mit IFS angedeutete Interferometersystem befestigt ist. Der genannte Luftstrom wird durch die Pfeile AF bezeichnet. Dieser Luftstrom wird durch eine Luftstromleitungsplatte FGP geführt. Diese Platte kann so dimensioniert sein, daß der Raum über dem zu beleuchtenden Substrat abgedeckt ist, so daß die Strahlenbündel der Fokusfehler- und Verkantungsdetektionseinrichtung, aber auch das Substrat sich in einem wohlklimatisierten Raum befinden.
Sowohl die Reinheit als auch die Temperatur der zugeführten Luft können geregelt werden. Diese Luft gehört beispielsweise zur Reinheitsklasse 1 und ihre Tem peratur ist beispielsweise innerhalb von 0,1ºC stabil. Letzteres kann erreicht werden, indem ein Wärmetauscher in der Nähe des Substratträgers angeordnet wird.
Die Erfindung ist mit Bezug auf ihre Verwendung in einem Gerät zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat beschrieben worden, zur Herstellung beispielsweise von integrierten Schaltungen (ICs), integrierten optischen Systemen oder planaren optischen Systemen, Führungs- und Detektionsmuster für Speicher mit magnetischen Domänen oder einer Struktur aus Flüssigkristallanzeigefeldern. Obwohl die Erfindung in erster Linie für diese Anwendungen gedacht ist, beschränkt sie sich nicht darauf. Sie kann allgemein bei optischen Meß- und Prüfgeräten verwendet werden, bei denen die Position eines abbildenden Linsensystems oder eines anderen Bezugs und/oder die Verkantung dieser Oberfläche sehr genau bestimmt werden muß. Dies können Geräte sein zum Herstellen von Strukturen wie IC-Strukturen, LCD-Strukturen usw., die mit einem Laserstrahlenbündel oder einem Elektronenstrahlenbündel arbeiten, Musterprojektionsgeräte, die mit Röntgenstrahlung arbeiten, oder genaue Meßgeräte, beispielsweise solche, die für Meßmasken oder Substrate verwendet werden.

Claims

1. Abbildungsgerät mit einem Abbildungssystem (PL) und einem optoelektronischen Fokusfehlerdetektionssystem (FDS) zum Bestimmen einer Abweichung zwischen der Bildebene des Abbildungssystems und einer zweiten Ebene (WS), auf der Abbilden erfolgen soll, wobei das genannte Fokusdetektionssystem eine Strahlungsquelle (S) zum Liefern eines Fokusdetektionsstrahlenbündels (b&sub2;; b&sub5;) umfaßt, einen an der gleichen Seite der zweiten Ebene (WS) wie die Strahlungsquelle angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor (DE&sub1;) sowie optische Elemente (L&sub1;, L&sub2;) zum Richten des Fokusdetektionsstrahlenbündels auf die zweite Ebene (WS) unter einem kleinen Winkel zu der genannten Ebene, um die Vergenz, d. h. Konvergenz oder Divergenz, des genannten Strahlenbündels und der des an der zweiten Ebene reflektierten Strahlenbündels (b&sub2;') zu ändern, und zum Richten des letztgenannten Strahlenbündels (b&sub2;') auf den Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokusdetektionsstrahlenbündel (b&sub2;'; b&sub5;) ein breites Wellenlängenband hat und daß ein erstes (G&sub1;) und ein zweites Gitter (G&sub2;) vorgesehen sind, wobei das erste Gitter im Strahlungsweg zwischen der Strahlungsquelle (S) und der zweiten Ebene (WS) und das zweite Gitter (G&sub2;) zwischen der genannten zweiten Ebene und dem Detektor DE angeordnet ist, wodurch die Gitterperiode des Bildes des in der Ebene des zweiten Gitters (G&sub2;) gebildeten ersten Gitters (G&sub1;) gleich der Periode des zweiten Gitters ist und die Gitterlinien des genannten Bildes in gleicher Richtung verlaufen wie die Gitterlinien des zweiten Bildes.

2. Abbildungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (61, 62, 67) vorgesehen sind, um das vom Detektor DE wahrgenommene Bild (G&sub1;') des ersten Gitters (G&sub1;) und des zweiten Gitters (G&sub2;') periodisch zueinander zu bewegen.

3. Abbildungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem periodischen elektrischen Signal (Vb) gesteuertes optisches Element (66) im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels (b&sub5;') angeordnet ist, wobei eine optische Eigenschaft des genannten Elements sich unter dem Einfluß des elektrische Signals periodisch verändert.

4. Abbildungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisationsempfindliches Element (61) vor dem zweiten Gitter (G&sub2;) angeordnet ist zum Aufteilen des Fokusdetektionsstrahlenbündels (b&sub5;') in zwei Teilstrahlenbündel, die Bilder des ersten Gitters in der Ebene des zweiten Gitters bilden, wobei die genannten Bilder zueinander um einen Abstand verschoben sind, der gleich der halben Gitterperiode des zweiten Gitters ist, daß ein Polarisationsdrehglied (66) zwischen dem zweiten Gitter (G&sub2;) und dem Detektor (DE) angeordnet ist, welches Drehglied von einem periodischen Signal (Vb) zum periodischen Verändern der Polarisationsrichtung der Teilstrahlenbündel gesteuert wird, und daß ein Polarisationsanalysator (67) zwischen dem Polarisationsdrehglied und dem Detektor angeordnet ist, wobei das periodische Signal auch einer elektronischen Schaltung (70) zugeführt wird zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Detektors (SDE1) zu einem Fokussteuerungssignal.

5. Abbildungsgerät nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Retroreflektor (RE) im Weg des ein erstes Mal an der zweiten Ebene (WS) reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündels (b&sub2;') angeordnet ist, welcher Retroreflektor das genannte Strahlenbündel entlang sich selbst reflektiert, und daß ein Strahlenbündel trennendes Element (BS) zwischen der zweiten Ebene (WS) und der Strahlungsquelle im Weg des ein zweites Mal an der zweiten Ebene reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündels (b&sub2;"') angeordnet ist, wobei das genannte Strahlenbündel trennende Element das zweifach reflektierte Strahlenbündel (b&sub2;"') zum zweiten Gitter (G&sub2;) und dem dahinter angeordneten Detektor (DE) auskoppelt.

6. Abbildungsgerät mit einem Abbildungssystem (PL) und einem optoelektronischen Fokusfehlerdetektionssystem (FDS) zum Bestimmen einer Abweichung zwischen der Bildebene des Abbildungssystems und einer zweiten Ebene (WS), auf der Abbilden erfolgen soll, wobei das genannte Fokusfehlerdetektionssystem eine Strahlungsquelle (S) zum Liefern eines Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) umfaßt, einen an der gleichen Seite der zweiten Ebene (WS) wie die Strahlungsquelle angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor (DE&sub1;) sowie optische Elemente (L&sub1;, L&sub2;) zum Richten des Fokusdetektionsstrahlenbündels auf die zweite Ebene unter einem kleinen Winkel zu der genannten Ebene, um die Vergenz, d. h. Konvergenz oder Divergenz, des genannten Strahlenbündels und der des an der zweiten Ebene reflektierten Strahlenbündels zu ändern, und zum Richten des letztgenannten Strahlenbündels auf den Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bezugsstrahlenbündel (br) vorgesehen ist, das auf eine gegenüber der zweiten Ebene (WS) liegende Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems (PL) gerichtet ist und unter einem kleinen Winkel zu der genannten Oberfläche verläuft, und ein im Weg des an der Oberfläche (Rp) reflektierten Bezugsstrahlenbündels (b&sub2;') angeordneter zweiter Detektor (DE&sub2;), wobei ein erstes (G&sub1;) und ein zweites Gitter (G&sub2;) im Weg des Bezugsstrahlenbündels (br) angeordnet sind und wobei die zwischen dem ersten Gitter und dem zweiten Gitter zum Richten und Ändern der Vergenz angeordneten optischen Mittel (L&sub1;, L&sub2;) den beiden Strahlenbündeln (bf, br) gemeinsam sind, wodurch die Gitterperiode des Bildes des in der Ebene des zweiten Gitters (G&sub2;) gebildeten ersten Gitters (G&sub1;) gleich der Periode des zweiten Gitters ist und die Gitterlinien des genannten Bildes in gleicher Richtung verlaufen wie die Gitterlinien des zweiten Bildes.

7. Abbildungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für das Fokusdetektionsstrahlenbündel (bf) und das Bezugsstrahlenbündel (br) Mittel (61, 66, 67) vorgesehen sind, um das vom Detektor (DE&sub1;, DE&sub2;) für das betreffende Strahlenbündel wahrgenommene Bild (G&sub1;') des ersten Gitters (G&sub1;) und des zweiten Gitters (G&sub2;) periodisch zueinander zu bewegen.

8. Abbildungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem periodischen elektrischen Signal (Vb) gesteuertes optisches Element (66) im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) und des Bezugsstrahlenbündels (br) angeordnet ist, wobei eine optische Eigenschaft des genannten Elements (66) sich unter dem Einfluß des elektrischen Signals (Vb) periodisch verändert.

9. Abbildungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisationsempfindliches Element (61) vor dem zweiten Gitter (G&sub2;) in den Wegen des Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) und des Bezugsstrahlenbündels (br) angeordnet ist zum Aufteilen jedes (bf) Fokusdetektionsstrahlenbündels und Bezugsstrahlenbündels in zwei Teilstrahlenbündel, die Bilder des ersten Gitters (G&sub1;) in der Ebene des zweiten Gitters (G&sub2;) bilden, wobei die genannten Bilder zueinander um einen Abstand verschoben sind, der gleich der halben Gitterperiode des zweiten Gitters ist, daß ein Polarisationsdrehglied (66) zwischen dem zweiten Gitter (G&sub2;) und einem Detektor (DE&sub1;, DE&sub2;) zum periodischen Verändern der Polarisationsrichtung der Teilstrahlenbündel angeordnet ist, und daß ein Polarisationsanalysator (67) zwischen dem Polarisationsdrehglied (66) und dem Detektor (DE&sub1;, DE&sub2;) angeordnet ist, wobei das periodische Signal auch einer elektronischen Schaltung (70) zugeführt wird zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Detektors zu einem Fokusfehlersignal.

10. Abbildungsgerät nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesonderte Strahlungsquelle (S&sub2;) zum Liefern des Bezugsstrahlenbündels (br) vorgesehen ist, daß ein erstes ein Strahlenbündel ablenkendes Element (WO&sub1;) zwischen den Strahlungsquellen (S&sub1;, S&sub2;) und der zweiten Ebene (WS) sowohl im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) als auch des Bezugsstrahlenbündels (br) angeordnet ist zum Richten der genannten Strahlenbündel auf die zweite Ebene bzw. die Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems (PL) und daß ein zweites ein Strahlenbündel ablenkendes Element (WO&sub2;) zwischen der zweiten Ebene (WS) und den beiden Detektoren (DE&sub1;, DE&sub2;) sowohl im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels als auch des Bezugsstrahlenbündels angeordnet ist zum Richten der genannten Strahlenbündel auf den ersten bzw. den zweiten Detektor.

11. Abbildungsgerät nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesonderte Strahlungsquelle zum Liefern des Bezugsstrahlenbündels (br) vorgesehen ist, daß ein ein Strahlenbündel ablenkendes Element (WO) zwischen den Strahlungsquellen (S&sub1;, S&sub2;) und der zweiten Ebene (WS) sowohl im Weg des Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) als auch des Bezugsstrahlenbündels (br) angeordnet ist, daß ein Retroreflektor (RE) im Weg des ein erstes Mal an der zweiten Ebene (WS) reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) und des ein erstes Mal an der Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems (PL) reflektierten Bezugsstrahlenbündels (br) angeordnet ist, und daß ein erstes Strahlenbündel trennendes Element (77) zum Auskoppeln des Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) zum ersten Detektor (DE&sub1;) im Weg des ein zweites Mal an der zweiten Ebene (WS) reflektierten genannten Strahlenbündels angeordnet ist, während ein zweites Strahlenbündel trennendes Element (78) zum Auskoppeln des Bezugsstrahlenbündels (br) zum zweiten Detektor (DE&sub2;) im Weg des ein zweites Mal an der Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems (PL) reflektierten genannten Strahlenbündels angeordnet ist.

12. Abbildungsgerät nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes doppelbrechendes Element (80; 90; 100) im Weg des von der Strahlungsquelle (S) gelieferten Strahlenbündels (b&sub1;) angeordnet ist zum Aufteilen des genannten Strahlenbündels in ein Fokusdetektionsstrahlenbündel (bf) mit einer ersten Polarisations richtung und ein Bezugsstrahlenbündel (br) mit einer zweiten Polarisationsrichtung und zum Richten der genannten Strahlenbündel auf die zweite Ebene (WS) bzw. die Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems (PL) und daß ein zweites doppelbrechendes Element (85; 91; 102) in den Wegen der an der zweiten Ebene (WS) bzw. der Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems reflektierten Strahlenbündel (b'f, b'r) zum Ablenken der beiden Strahlenbündel zueinander und zum Richten der Strahlenbündel auf den ersten Detektor (DE&sub1;) bzw. den zweiten Detektor (DE&sub2;) angeordnet ist (Fig. 10, 11, 12).

13. Abbildungsgerät nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusammengesetzter Reflektor (112) im Weg des an der zweiten Ebene (WS) reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf') angeordnet ist, daß das Bezugsstrahlenbündel (bf) von dem am Reflektor reflektierten und auf die Oberfläche des Abbildungssystems gerichteten Strahlenbündel gebildet wird und daß der erste und der zweite Detektor in einem einzigen Detektor (DE) kombiniert sind (Fig. 13).

14. Abbildungsgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein ein Strahlenbündel ablenkendes Element (110) in dem gemeinsamen Weg des von der Strahlungsquelle gelieferten Strahlenbündels (bf) und des an der Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems reflektierten Strahlenbündels (br) angeordnet ist zum Ablenken des erstgenannten Strahlenbündels (bf) zur zweiten Ebene (WS) und zum Ablenken des letztgenannten Strahlenbündels (br) zum Detektor (DE).

15. Abbildungsgerät nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes doppelbrechendes Element (120) im Weg des von der Strahlungsquelle (S) gelieferten Strahlenbündels angeordnet ist, welches Element das genannte Strahlenbündel als Fokusdetektionsstrahlenbündel zur zweiten Ebene (WS) durchläßt, daß ein zweites doppelbrechendes Element (122) im Weg des an der genannten Ebene reflektierten Strahlenbündels (b'f) angeordnet ist, welches Element das reflektierte Strahlenbündel durchläßt, daß ein das Strahlenbündel zum zweiten doppelbrechenden Element (122) reflektierender Retroreflektor (125) im Weg des durchgelassenen Strahlenbündels angeordnet ist, welches Element (122) das Strahlenbündel als ein Bezugsstrahlenbündel (bf) zur Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems (PL) ablenkt, und daß das erste doppelbrechende Element (120) das an der genannten Oberfläche (Rp) reflektierte Strahlenbündel (b'f) in Richtung des von der Strahlungsquelle gelieferten Strahlenbündels ablenkt (Fig. 14).

16. Abbildungsgerät nach Anspruch 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokusdetektionsstrahlenbündel (bf) ein breites Wellenlängenband hat, daß im Strahlungsweg sowohl des Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) als auch des Bezugsstrahlenbündels (br) ein erstes Gitter (G&sub1;) zwischen der das betreffende Strahlenbündel liefernden Quelle (S&sub1;, S&sub2;) und der Ebene (WS, Rp), an der das genannte Strahlenbündel das erste Mal reflektiert wird, angeordnet ist und daß ein zweites Gitter (G&sub2;) zwischen dem Detektor (DE&sub1;, DE&sub2;) für das betreffende Strahlenbündel und einer das genannte Strahlenbündel zum Detektor reflektierenden Ebene angeordnet ist.

17. Abbildungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S&sub1;, S&sub2;) ein Strahlenbündel mit einem breiten Wellenlängenband liefert und daß ein erstes Gitter (G&sub1;) zwischen der genannten Quelle (S&sub1;, S&sub2;) und dem ersten Ablenkelement (WD&sub1;) und ein zweites Gitter (G&sub2;) zwischen dem zweiten Ablenkelement (WD&sub2;) und dem Detektor (DE&sub1;, DE&sub2;) angeordnet ist.

18. Abbildungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokusdetektionsstrahlenbündel (bf) ein breites Wellenlängenband hat, daß ein erstes Gitter (G&sub1;) zwischen den Strahlungsquellen (S&sub1;, S&sub2;) und dem Ablenkelement (WO) angeordnet ist, daß ein zweites Gitter (G2,1) im Strahlungsweg des reflektierten Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) zwischen dem ein Strahlenbündel ablenkenden Element (WO&sub1;) und dem ersten Detektor (DE&sub1;) angeordnet ist und daß ein drittes Gitter (G2,2) im Strahlungsweg des reflektierten Bezugsstrahlenbündels (br) zwischen dem ein Strahlenbündel ablenkenden Element und dem zweiten Detektor (DE&sub2;) angeordnet ist.

19. Abbildungsgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S) ein Strahlenbündel (b&sub1;) mit einem breiten Wellenlängenband liefert, und daß ein erstes Gitter (G&sub1;) zwischen der Strahlungsquelle (S) und dem ersten doppelbrechenden Element (80; 90; 100) angeordnet ist und ein zweites Gitter (G&sub2;) zwischen dem zweiten doppelbrechenden Element (85; 91; 102) und dem Detektor (DE&sub1;, DE&sub2;) angeordnet ist.

20. Abbildungsgerät nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S) ein Strahlenbündel mit einem breiten Wellenlängenband liefert und daß ein erstes Gitter (G&sub1;) in dem Strahlungsweg des genannten Strahlenbündels zwischen der Strahlungsquelle und der zweiten Ebene (WS) und ein zweites Gitter (G&sub2;) zwischen der Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems (PL) und dem Detektor (DE) angeordnet ist.

21. Abbildungsgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S) ein Strahlenbündel mit einem breiten Wellenlängenband liefert und daß ein erstes Gitter (G&sub1;) in dem Strahlungsweg des genannten Strahlenbündels zwischen der Quelle (S) und dem ersten doppelbrechenden Element (120) und ein zweites Gitter (G&sub2;) zwischen dem genannten Element (120) und dem Detektor (DE) angeordnet ist.

22. Abbildungsgerät nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbares optisches Element (250) vor der zweiten Ebene (WS) im Strahlungsweg des Fokusdetektionsstrahlenbündels (bf) angeordnet ist zum Verlagern, unabhängig von einem Fokusfehler, des in der zweiten Ebene gebildeten Strahlungsflecks (Sp) zum Ändern des Nullpunkts des generierten Fokusfehlersignals.

23. Abbildungsgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine erste und eine zweite Detektionseinheit umfaßt zum Bestimmen von Verkantungen der zweiten Ebene um zwei zueinander senkrechte X- und Y-Achsen, wobei jede Detektionseinheit eine Strahlungsquelle (S&sub1;), ein erstes und ein zweites Gitter (G&sub1;, G&sub2;) und einen Detektor (DE&sub1;) umfaßt, wobei die optische Achse der ersten Einheit in der XZ-Ebene und die optische Achse der zweiten Einheit in der YZ-Ebene liegt, und daß in jeder Einheit ein erstes Linsensystem (L&sub1;&sub5;) zwischen dem ersten Gitter (G&sub1;) und der zweiten Ebene (WS) angeordnet ist zum Umsetzen des vom Gitter kommenden Strahlenbündels (b&sub5;) in ein paralleles Strahlenbündel, während zwischen der zweiten Ebene (WS) und dem zweiten Gitter (G&sub2;) ein zweites Linsensystem (L&sub1;&sub6;) zum Umsetzen des parallelen Strahlenbündels in ein konvergierendes Strahlenbündel (b&sub5;') angeordnet ist.

24. Abbildungsgerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß jede Detektionseinheit Mittel (S&sub2;) zum Bilden eines Bezugsstrahlenbündels (br) umfaßt, das auf eine gegenüber der zweiten Ebene (WS) liegende Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems (PL) gerichtet ist und mit der genannten Oberfläche einen kleinen Winkel bildet, und einen zweiten Detektor (DE&sub2;), der im Weg des an der Oberfläche des Abbildungssystems reflektierten Bezugsstrahlenbündels (br&sub1;) angeordnet ist.

25. Abbildungsgerät nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (B&sub1;, B&sub1;') zum Liefern von zumindest zwei zusätzlichen Fokusdetektionsstrahlenbündeln (h&sub2;, h&sub3;, h&sub4;) ähnlich dem genannten Fokusdetektionsstrahlenbündel (h&sub1;, bf) vorgesehen sind, zum Detektieren von Verkantungen der zweiten Ebene (WS) um zwei zueinander senkrechte X- und Y-Achsen der Bildebene, daß jedes Fokusdetektionsstrahlenbündel auf einen gesonderten Punkt (a, b, c, d) der zweiten Ebene gerichtet ist, wobei zumindest zwei Punkte verschiedene X-Positionen und zumindest zwei Punkte verschiedene Y-Positionen einnehmen.

26. Abbildungsgerät nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch zwei gesonderte Fokusdetektionseinheiten (B&sub1;, B&sub3;, B&sub1;', B&sub3;') mit jeweils zwei Fokusdetektionsstrahlenbündeln (h&sub1;, h&sub2;, h&sub3;, h&sub4;), wobei die Detektorsignale der beiden Fokusdetektionseinheiten zusammen Informationen über die Verkantung der zweiten Ebene um die X-Achse und die Y-Achse enthalten.

27. Abbildungsgerät nach Anspruch 1, 6, 23, 24, 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gitter (G&sub1;, G&sub2;; 157, 158, 187, 188) in zwei Teilgitter unterteilt ist, die unterschiedliche Gitterperioden haben.

28. Abbildungsgerät nach Anspruch 1, 6, 23, 24, 25 oder 26, in dem die Fokusdetektionsstrahlenbündel breitbandig sind und Gitter durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche helle Strahlungsquelle (260) zum Liefern eines zusätzlichen, monochromatischen Fokusdetektionsstrahlenbündels (b&sub1;) zum Bilden eines zusätzlichen Strahlungsflecks in der zweiten Ebene (WS) vorgesehen ist.

29. Abbildungsgerät nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch ein zusätzliches, helles, monochromatisches Bezugsstrahlenbündel (B1,r) zum Bilden eines zusätzlichen Strahlungsflecks auf der Oberfläche (Rp) des Abbildungssystems (PL).

30. Abbildungsgerät nach Anspruch 23, 24, 25, 26, 27, 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Detektionseinheit die optischen Elemente (250 1270, 190, 191, 193, 192, 75, 205, 200) in dem Strahlungsweg zwischen den Gittern (157, 158; 187, 188) allen Fokusdetektionsstrahlenbündeln (bi,m, b&sub1;) und Bezugsstrahlenbündeln (bi,r, b1,r) gemeinsam sind.

31. Abbildungsgerät nach Anspruch 28, 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des monochromatischen Fokusdetektionsstrahlenbündels (b&sub1;) und Bezugsstrahlenbündels (b1,r) im Wellenlängenband der anderen Fokusdetektionsstrahlenbündel (bi,m) und Bezugsstrahlenbündel (bi,r) liegt.

32. Abbildungsgerät nach Anspruch 25, 26, 27, 28, 29, 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Fokusdetektionseinheit von einem einzigen Strah lenbündel (bi,m), von dem zwei Teile auf zwei verschiedene Gitterteile (231, 232) einfallen, zwei Fokussierungsstrahlenbündel gebildet werden.

33. Abbildungsgerät nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gitterteile (231, 232) des ersten Gitters (157) und des zweiten Gitters (187) auf einer ersten Gitterplatte (150) bzw. auf einer zweiten Gitterplatte (180) angeordnet sind und daß die erste Gitterplatte eine einzige erste Öffnung (264) für das monochromatische Strahlenbündel (b&sub1;) und die zweite Gitterplatte zwei zweite Öffnungen (300, 301) für das genannte Strahlenbündel hat, wobei die genannten zweiten Öffnungen in bezug auf die erste Öffnung (264) symmetrisch liegen.

34. Projektionsgerät zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat (W), mit einem Abbildungsgerät nach Anspruch 1, 6, 23, 25, 27 oder 28, in dem das abbildende Linsensystem von einem optischen Projektionslinsensystem (PL) gebildet wird, mit dem das Muster auf das Substrat projiziert wird, und die zweite Ebene von der Oberfläche (WS) einer zu belichtenden Substratschicht gebildet wird, wobei die Signale des Fokusdetektionssystems (FDS) zum Einstellen des Abstandes zwischen dem Substrat (W) und dem Projektionslinsensystem (PL) und/oder des Winkels zwischen der Bildebene des genannten Linsensystems und der genannten Oberfläche verwendet werden.