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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Meßsystem und Meßverfahren
zum Bestimmen der Position eines entlang einer ersten Richtung verfahrbaren Tisches
für eine
Maske oder einen Wafer.
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Aufgrund
der immer kleiner werdenden Strukturbreite bei der Herstellung von
Halbleiterbauelementen ist es notwendig, daß die Maske bzw. der Wafer
hochgenau positioniert werden können.
Insbesondere bei der Inspektion von Lithographiemasken stößt die erforderliche
Positioniergenauigkeit an die Grenze des derzeit technisch Möglichen.
Bisher wird die Position des Tisches mittels Laserinterferometern gemessen
und geregelt, wie dies z. B. in der
DE 196 28 969 C1 beschrieben ist. Das Meßsignal
des Interferometers hängt
jedoch vom Brechungsindex der umgebenden Atmosphäre ab und ist sehr empfindlich
auf Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsschwankungen.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Meßsystem und ein Meßverfahren
zum Bestimmen der Position eines entlang einer ersten Richtung verfahrbaren
Tisches für
eine Maske oder einen Wafer bereitzustellen, mit denen eine hohe
Positioniergenauigkeit des Tisches erreicht und der Einfluß der umgebenden
Atmosphäre
klein gehalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
ein Meßsystem
mit einem entlang einer ersten Richtung verfahrbaren Tisch für eine Maske
oder einen Wafer, einer Positionseinheit, die einen sich in der
ersten Richtung erstreckenden Maßstab und einen Abtastkopf,
deren Relativlage in der ersten Richtung erfaßbar ist, aufweist, einem von
einer quer zur ersten Richtung verlaufenden ersten Seite des Tisches
beabstandeten Sensorkopf, der berührungslos den Abstand zur ersten
Seite mißt
und ein Abstandssignal ausgibt und der mit dem Abtastkopf oder dem Maßstab mechanisch
verbunden ist, um eine entlang der ersten Richtung bewegbare Meßeinheit
zu bilden, einem Antrieb zum Bewegen der Meßeinheit und einer Steuereinrichtung,
die den Antrieb bei einem Verfahren des Tisches entlang der ersten
Richtung so ansteuert, daß der
Sensorkopf von der ersten Seite beabstandet bleibt, und die basierend
auf der dadurch bedingten Änderung
der Relativlage von Maßstab
und Abtastkopf sowie auf dem Abstandssignal die Position des Tisches
in der ersten Richtung bestimmt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Meßsystem wird
der Vorteil erreicht, daß der
Abstand zwischen der ersten Seite und dem Sensorkopf sehr klein
gewählt
werden kann, da die Messung der Position des Tisches im wesentlichen über die
Positionseinheit erfolgt. Durch diesen geringen Abstand wird vorteilhaft erreicht,
daß der
Einfluß von Änderungen
der Atmosphäre
bei der Positionsmessung äußerst gering
ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Meßsystem muß somit
mittels der Steuereinrichtung lediglich sichergestellt werden, daß der Sensorkopf
von der ersten Seite beabstandet bleibt (also die erste Seite nicht
berührt).
Basierend auf dem gemessenen Abstand zwischen Sensorkopf und der
ersten Seite und somit basierend auf dem Abstandssignal und der Änderung
der Relativlage von Maßstab
und Abtastkopf ist eine sehr genaue Positionsbestimmung möglich. Bevorzugt
wird der Antrieb dabei so angesteuert, daß der Abstand zwischen dem
Sensorkopf und der ersten Seite nur innerhalb eines vorgegebenen
Abstandsbereiches variieren kann. Bevorzugt wird dieser Abstandsbereich
so gewählt,
daß ein
linearer Zusammenhang zwischen Abstandsänderung und Abstandssignal
vorhanden ist.
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Das
erfindungsgemäße Meßsystem
kann so weitergebildet sein, daß die
Steuereinrichtung in Abhängigkeit
des Abstandssignals den Antrieb bei einem Verfahren des Tisches
entlang der ersten Richtung so ansteuert, daß der Abstand zwischen dem Sensorkopf
und der ersten Seite konstant bleibt. In diesem Fall basiert die
Positionsbestimmung aus der ermittelten Änderung der Relativlage von
Maßstab und
Abtastkopf, da keine Änderung
des Abstands zwischen dem Sensorkopf und der ersten Seite beim Verfahren
des Tisches auftritt. Der Abstand zwischen dem Sensorkopf und der
ersten Seite wird somit geregelt konstant gehalten.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Meßsystem kann
der Abstand laufend oder auch in vorbestimmten Zeitabständen gemessen
und als Abstandssignal ausgegeben werden.
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Der
Sensorkopf kann insbesondere als kapazitiver Sensorkopf ausgebildet
werden. Damit ist eine hochgenaue berührungslose Abstandsmessung möglich. Der
Sensorkopf kann jedoch auch jede andere Art der berührungslosen
Abstandsmessung verwirklichen.
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Insbesondere
ist der Sensorkopf mit dem Abtastkopf mechanisch verbunden.
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Ferner
kann der Antrieb zum Bewegen der Meßeinheit im Abtastkopf integriert
oder separat von diesem ausgebildet sein.
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Bei
dem Meßsystem
kann die Position des Tisches in der ersten Richtung innerhalb eines
vorbestimmten Längenbereiches
bestimmt werden, wobei der Abstand zwischen dem Sensorkopf und der
ersten Seite so gewählt
ist, daß er
nicht größer ist
als 10% des Längenbereiches,
insbesondere nicht größer als
1% des Längenbereiches.
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Die
Positionseinheit kann insbesondere als inkrementelles Meßgerät ausgebildet
sein. Dazu kann der Maßstab
in der ersten Richtung periodische Strukturen (Inkrementalteilung)
aufweisen, die mittels des Abtastkopfes abgetastet werden können, wobei
der Abtastkopf dann periodische Meßsignale erzeugt. Durch Zählen der
Meßsignale
kann dann die relative Position ermittelt werden.
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Bei
dem Meßsystem
können
die Positionseinheit, die Meßeinheit
und der Antrieb mehrfach vorgesehen sein. Insbesondere können sie
auf verschiedenen Seiten des Tisches vorgesehen sein, um Bewegungen
in verschiedene Richtungen und/oder Drehungen zu detektieren.
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Insbesondere
sind bei dem erfindungsgemäßen Meßsystem
die Positionseinheit, die Meßeinheit und
der Antrieb mechanisch nicht mit dem Tisch verbunden, was zu einer
hohen Meßgenauigkeit
führt.
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Die
Steuereinrichtung kann so ausgebildet sein, daß sie den Tisch hochgenau in
eine gewünschte
Position fährt
und dabei die durchgeführte
Positionsbestimmung nutzt. Mit der Steuereinrichtung kann somit
ein Steuerkreis zur hochgenauen Positionierung des Tisches realisiert
werden.
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Ferner
wird ein Meßverfahren
zur Bestimmung der Position eines entlang einer ersten Richtung
verfahrbaren Tisches für
eine Maske oder einen Wafer bereitgestellt, bei dem eine Positionseinheit, die
einen sich in der ersten Richtung erstreckenden Maßstab und
einen Abtastkopf, deren Relativlage in der ersten Richtung erfaßbar ist,
aufweist, und ein von einer quer zur ersten Richtung verlaufenden
ersten Seite des Tisches beabstandeter Sensorkopf, der mit dem Abtastkopf
oder dem Maßstab
mechanisch verbunden ist, um eine entlang der ersten Richtung bewegbare
Meßeinheit
zu bilden, vorgesehen werden, wobei mittels dem Sensorkopf berührungslos der
Abstand zur ersten Seite gemessen, ein Abstandssignal, das den gemessenen
Abstand angibt, ausgegeben und bei einem Verfahren des Tisches entlang
der ersten Richtung die Meßeinheit
so bewegt wird, daß der
Sensorkopf von der ersten Seite beabstandet bleibt, und wobei basierend
auf der dadurch bedingten Änderung
der Relativlage von Maßstab
und Abtastkopf sowie auf dem Abstandssignal die Position des Tisches
in der ersten Richtung bestimmt wird.
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Mit
diesem Meßverfahren
kann eine außerordentlich
hohe Positioniergenauigkeit erreicht werden, da der Einfluß von Schwankungen
der Atmosphäre,
in der die Messung durchgeführt
wird, verringert wird.
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Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Meßverfahrens
sind in den abhängigen
Verfahrensansprüchen
angegeben.
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen,
die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Meßsystems;
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2 eine
schematische Draufsicht auf eine zu vermessende Lithographiemaske,
und
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3 eine
schematische Draufsicht des Tisches 2 und des Meßmoduls 5 von 1.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße Meßsystem 1 einen Tisch 2 zur
Aufnahme einer zu vermessenden Lithographiemaske 3, wobei
der Tisch 2 mittels eines Stellmoduls 4 zumindest
in der x-Richtung sowie in der y-Richtung bewegt werden kann (bei 1 liegt die
Zeichenebene in der x-z-Ebene und die y-Richtung erstreckt sich
senkrecht zur Zeichenebene).
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Das
Meßsystem 1 umfaßt ferner
ein Meßmodul 5,
mit dem die Position des Tisches 2 in der x- und der y-Richtung
hochgenau bestimmt werden kann. Bevor das Meßmodul 5 im Detail
beschrieben wird, werden nachfolgend noch weitere Elemente des Meßsystems 1 kurz
erläutert.
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So
umfaßt
das Meßsystem 1 eine
Meßplattform 6,
die das Meßmodul 5 trägt und an
der ein Meßobjektiv 7 befestigt
ist, das eine schematisch dargestellte Abbildungsoptik 8 sowie
einen Strahlteiler 9 enthält. An dem Meßobjektiv 7 ist
eine Aufnahmeeinrichtung bzw. ein Detektor 10 befestigt,
der beispielsweise in Form einer CCD-Kamera ausgebildet sein kann.
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Das
Meßsystem 1 umfaßt ferner
eine Beleuchtungsstrahlenquelle 11, deren Beleuchtungsstrahlung über den
Strahlteiler 9 in das Meßobjektiv 7 eingekoppelt
wird. Die Beleuchtungsstrahlenquelle 11 kann insbesondere
eine Laserquelle enthalten, die gepulste Laserstrahlung abgibt.
Die Wellenlänge der
Laserstrahlung kann 193 nm betragen. Bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform
wird eine Auflichtbeleuchtung realisiert. Natürlich ist es auch möglich, das
Meßsystem
mit einer Durchlichtbeleuchtung auszubilden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Meßsystem können einzelne
Punkte auf der Lithographiemaske hochgenau angefahren werden. Das
heißt,
diese Punkte auf der Lithographiemaske 3 werden in den Detektionsbereich
des Meßobjektives 7 positioniert.
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Die
Lithographiemaske 3 ist schematisch und nicht maßstabsgetreu
in Draufsicht in 2 dargestellt. Die Maske 3 weist
hier eine rechteckige Form auf, wobei die längere Seite ca. 150 mm und die
kürzere
Seite ca. 100 mm lang ist. Auf der Lithographiemaske 3 sind
eine Vielzahl von Marken 12 vorgesehen, die hier im wesentlichen
die Form eines Plus-Zeichens aufweisen. Die Marken sind in der Regel
2–10 μm groß und liegen
zwischen den zur Belichtung benötigten
Strukturen (nicht gezeigt) der Maske 3. Die Maske 3 kann
ungefähr
200 bis 300 solche Marken 12 aufweisen. In diesem Fall
beträgt
der mittlere Abstand zwischen zwei Marken 12 dann 5–8 mm.
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Um
die Maske 3 nun hochgenau positionieren zu können, weist
das Meßmodul 5 an
einer ersten Seite 13 des Tisches 2 ein erstes
Submodul 14 und an einer zweiten Seite 15 des Tisches 2 zwei
Submodule 16, 17 auf (3). Da die
Submodule 14, 16 und 17 alle den gleichen
Aufbau haben, wird nachfolgend lediglich das Submodul 14 im
Detail beschrieben.
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Das
Submodul 14 umfaßt
eine Positionseinheit 18, die einen sich in der x-Richtung
erstreckenden Maßstab 19 und
einen Abtastkopf 20, deren Relativlage in der x-Richtung
erfaßbar
ist, aufweist, sowie einen Sensorkopf 21, der über eine
mechanische Verbindung 22 am Abtastkopf 20 befestigt
ist.
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Der
Sensorkopf 21 ist als kapazitiver Sensorkopf ausgebildet
und in einem vorbestimmten Abstand d vor der ersten Seite 13 positioniert.
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Der
Abtastkopf 20 weist einen Motor auf und kann entlang der
x-Richtung bewegt werden, wobei eine Bewegung des Abtastkopfs 20 aufgrund
der mechanischen Verbindung 22 auch gleich eine Bewegung
des Sensorkopfes 21 ist. Somit bilden der Abtastkopf 20,
der Sensorkopf 21 zusammen mit der mechanischen Verbindung
eine bewegbare Meßeinheit 23.
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Der
Maßstab 19 ist über Stützen 25 (1) an
der Meßplattform 6 befestigt
und somit vom Tisch 2 mechanisch entkoppelt. Eine Bewegung
des Tisches 2 führt
daher zu keiner Bewegung des Maßstabes 19.
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Das
Meßsystem 1 umfaßt ferner
eine Steuereinheit 24, die mit dem Sensorkopf 21 und
dem Abtastkopf 20 verbunden ist. Die Steuereinheit 24 dient dazu,
in Abhängigkeit
des vom Sensorkopf 21 ausgegebenen Abstandssignals den
Antrieb des Abtastkopfs 20 so anzusteuern, daß der Abstand
des Sensorkopfes 21 von der ersten Seite 13 des
Tisches 2 stets konstant bleibt. Bei einer Bewegung des
Tisches 20 in der x-Richtung führt dies dann dazu, daß der Abtastkopf 20 relativ
zum Maßstab 19 bewegt wird.
Diese Positionsänderung
kann über
den Abtastkopf 20 hochgenau ermittelt und an die Steuereinheit 24 ausgegeben
werden, so daß daraus
die Position des Tisches 2 in der x-Richtung hochgenau
bestimmt werden kann.
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Man
kann das Meßmodul 5 daher
dazu benutzen, den Tisch 2 mittels des Stellmoduls 4 hochgenau
(in geregelter Weise) in der x-Richtung zu positionieren. Gleiches
gilt natürlich
für die
y-Richtung. Hierzu kann zumindest eines der beiden Module 16 und 17 verwendet
werden.
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Durch
die beschriebene Ausbildung der Submodule 14, 16 und 17 wird
der Vorteil erreicht, daß der
Bereich zwischen den Sensorköpfen 21 und
der entsprechenden Seite 13, 15 des Tisches 2 unabhängig von
der Position des Tisches 2 immer gleich groß bleibt.
Daher kann dieser Abstand äußerst gering
gewählt
werden, beispielsweise 1 mm oder 0,5 mm und im wesentlichen nur
in diesem geringen Bereich müssen
die äußeren Bedingungen
(wie z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Atmosphäre ...) hochgenau während der
Messung konstant gehalten werden. Dieser Bereich ist sehr klein
im Bereich zu den maximalen Verfahrwegen des Tisches in x- und y-Richtung,
die hier ungefähr
20 cm betragen. Bei einer herkömmlichen interferometrischen
Messung der Tischposition durchlaufen die Meßstrahlen diesen Bereich zumindest
zweimal und sind daher empfindlicher auf Änderungen in der Atmosphäre in dem
Meßsystem 1.
Um die gewünschte
Atmosphäre
im Meßsystem 1 zu
gewährleisten,
kann dieses, wie in 1 angedeutet ist, in einem Gehäuse 30 angeordnet
sein. Die Meßplattform 6 kann
dann auf Stützen 31 innerhalb
des Gehäuses 30 angeordnet
sein. In diesem Fall kann noch ein nicht gezeigtes Steuersystem
vorgesehen sein, mit dem die Atmosphäre im Gehäuse eingestellt und konstant
gehalten werden kann.
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Das
Vorsehen von zwei Submodulen 16, 17 auf einer
Seite 15 des Tisches 2 kann zur Erhöhung der
Genauigkeit und/oder zur Erfassung einer Drehung des Tisches 2 (hier
um die z-Achse)
genutzt werden.
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Ein
wesentlicher Punkt bei den Sensorköpfen 21 besteht darin,
daß eine
berührungslose
Abstandsmessung möglich
ist, so daß keinerlei
negativer Einfluß auf
die Positioniergenauigkeit des Tisches 2 durch die Abstandsmessung
erfolgt. Neben der beschriebenen kapazitiven berührungslosen Abstandsmessung
ist auch jede andere berührungslose Abstandsmessung
möglich,
wie z. B. eine interferometrische Abstandsmessung.
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Der
Maßstab 19 kann
in der x-Richtung periodische Strukturen (Inkrementalteilung) aufweisen, die
mittels dem Abtastkopf 20 abgetastet werden können. Dabei
werden periodische Meßsignale
erzeugt, so daß man
durch Zählen
der Perioden ein Maß für die Verschiebung
erhält.
Insbesondere weist der Maßstab
noch zumindest eine Referenzmarke auf, von der aus durch Zählung der
Perioden eine absolute Position in Einheiten einer Periodenlänge ermittelt
werden kann. Die Positionseinheit 18 ist somit als inkrementelles
Längenmeßsystem
ausgebildet.
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Das
Meßmodul 5 kann
insbesondere so ausgebildet werden, daß die Lage des Tisches 2 in
allen sechs voneinander unabhängigen
Freiheitsgraden gemessen wird. Dabei handelt es sich z. B. um drei unabhängige translatorische
und drei unabhängige rotatorische
Freiheitsgrade.
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Bei
der bisher beschriebenen Ausführungsform
wird der Abstand zwischen dem Sensorkopf 21 und der zugeordneten
Seite 13, 15 beim Verschieben entlang der entsprechenden
Richtung konstant gehalten. Es ist natürlich auch möglich, daß die Steuereinheit
bzw. Steuereinrichtung 24 den Abtastkopf 20 so
ansteuert, daß der
Abstand zwischen Sensorkopf 21 und der entsprechenden Seite 13, 15 zwar
nicht konstant bleibt, aber sichergestellt ist, daß keine
Berührung
stattfindet. Der Abstand zwischen dem Sensorkopf 21 und
der entsprechenden Seite 13, 15 variiert somit.
In diesem Fall kann die Position aufgrund der Änderung des Abstandssignals
sowie der Positionsänderung
des Abtastkopfs 20 hochgenau ermittelt werden.