DE2624062A1

DE2624062A1 - Justiervorrichtung

Info

Publication number: DE2624062A1
Application number: DE19762624062
Authority: DE
Inventors: Susumu Aiuchi; Minoru Ikeda; Yoshio Matsumoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-05-30
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1976-12-16
Also published as: NL7605772A; US4170418A; DE2624062C3; JPS51140488A; DE2624062B2; JPS5547453B2; GB1546194A

Description

Die Erfindung betrifft eine Justiervorrichtung zum Justieren von zwei übereinander gelagerten Gegenständen und insbesondere zum Erfassen der Relativlage zwischen einer Maske und einer (Halbleiter-)Scheibe (wafer), um diese auszurichten, wenn eine Struktur bzw. ein Muster auf der Maske belichtet und auf eine Halbleitereinrichtung der Scheibe kopiert werden soll.

Eine bekannte Justiervorrichtung (JA-OS J5Ö 765/72) hat ein fotoelektrisches Mikroskop mit einer Trommel einschließlich einer Gruppe von Schlitzen in zwei Rei-

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hen, die sich in deren Breitenrichtung erstrecken, wobei jedes Schlitzpaar eine Gruppe von Schlitzen aufweist, die unter einem Winkel von 45° zur Abtastrichtung geneigt und quer zueinander angeordnet sind, und das Schlitzpaar abwechselnd in Abtastrichtung vorgesehen ist, mit einem fotoelektrischen Wandlerelement, das durch die Schlitze in jeder Reihe übertragene optische Bilder erfaßt und in ein Bildsignal umsetzt, wobei das Wandlerelement ortsfest in der Trommel vorgesehen ist, und mit einer Einrichtung zum Drehen der Trommel mit konstanter Drehzahl, so daß die Schlitze die optischen Bilder von den Struktur-Mustern der überlagerten Maske und der Scheibe mit der konstanten Drehzahl (Geschwindigkeit) abtasten, wodurch die Größe der Verschiebung zwischen dem Struktur-Muster auf der Maske und dem Struktur-Muster auf der Scheibe mittels eines Bildsignales vom fotoelektrischen Wandereäement erfaßt und die Scheibe zum Justieren so bewegt wird, daß die Größe der Verschiebung Null wird. Da jedoch die bei der herkömmlichen Justiervorrichtung in der Trommel vorgesehenen Schlitze auch eine Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Wandlerelements abtasten, schwankt der Ausgangspegel des lichtempfindlichen Bauelements zwischen einem Fall, in dem der Schlitz das fotoelektrische Wandlerelement abtastet, während ac vollständig in dessen Lichtempfangsfläche vorgesehen ist, und dem Fall, in dem der Schlitz abtastet, wäfebend er vollständig außerhalb der Lichtempfangsfläche ist. Weiterhin empfängt der Lichtfühler abwechselnd optische Bilder von beiden rechtwinklig gekreuzten Schlitzen. Daher muß bei der bekannten Justiervorrichtung ein wirksamer Verarbeitungsbereich für das vom Lichtfühler abgeleitete Bildsignal festgelegt werden, und für die optischen Bilder von den Schlitzen muß ermittelt werden,

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von welchem Schlitz sie ausgehen. Deshalb ist die Verarbeitung der Bildsignale vom Lichtfühler kompliziert, weshalb die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Erfassung groß ist. Da es darüber hinaus bei der bekannten Justiervorrichtung unmöglich ist, das fotoelektrische Wandlerelement mit einheitlicher Empfindlichkeit über seiner gesamten Lichtempfangsfläche auszustatten, ändert sich der Ausgangspegel des Bildsignales vom Lichtfühler mit der Stellung des Schlitzes, wenn dieser über der Lichtempfangsfläche des Lichtfühlers abtastet. Dies erhöht den Rauschpegel und verringert den Rauschabstand. Obwohl an sich die auf der -Trommel bei der herkömmlichen Justiervorrichtung vorgesehenen Schlitze mit konstanter Drehzahl umlaufen sollen, um das Struktur-Muster abzutasten, laufen tatsächlich die Schlitze nicht mit genau konstanter Drehzahl um. Da die oben beschriebene Justiervorrichtung die Stellung der Struktur zum Justieren mit der Zeit umwandelt, tritt die Änderung der Drehzahl der Schlitze direkt als Erfassungsfehler auf. Da zusätzlich bei der beschriebenen Justiervorrichtung die Trommel mit einer Anzahl von Schlitzen durch zwei Treibräder gedreht wird, ist die Trommel groß, und daher ist es im Betrieb sehr schwierig, eine neue Trommel mit Schlitzen auszutauschen, die an die Form des vorhandenen Struktur-Musters angepaßt sind. Es ist also schwierig, eine Trommel mit jedem gewünschten Struktur-Muster auszutauschen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Justiervorrichtung anzugeben, bei der der Lichtfühler auf einem Abtastglied mit einem Schlitz vorgesehen ist, um die Verarbeitung des vom Lichtfühler abgeleiteten Bildsignales zu vereinfachen, so daß die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Erfassung verringert und

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der Rauschabs ta nc³ für eine erhöhte Erfassungsgenauigkeit vergrößert wir-äj die Justiergenauigkeit eines überlagerten Gegen?ta"ie~ soll vergrößert- sein, obwohl keine konstant? Abtartge'sc-I'VJir.digl-ceit des Schlitzes erforderlich ist; der Lichtfühler soll nicht fehlerhaft arbeiten,, selbst; wsnn Rauschsignale im erfaßten BiId- ?igr.?l enthalten ·=·*~ά- so daß die C-röße einer Relativversehiebung zvrischsn. den Struktur-Mustern von zwei Gegenständen genau ermittelt werden kann.

Erfindungsgemäß hat eine Justiervorrichtung sum Justieren von Struktur-Mustern auf zwei übereinander gelagerten Gegenständen

eine Abbildungsoptik, die ein von den Struktur-Mustern erhaltenes optisches Bild erzeugt,

einen Schiitζträger, dessen Schlitze in einer Bildebene liegen, in der die Bilder durch die Abbildungs· opr-ΐκ: erzeugt werden, wobei der Schiit ζ träger das Bild in der Bildebene abtastet,

einen Lichtfühler am Schlitzträger zum Erfassen des durch den Schlitz des Schlitzträgers übertragenen optischen Bildes und zum Umwandeln des optischen Bildes in ein Bildsignal, und

eine Einrichtung zum Ermitteln der Größe einer Relatiwerschiebung zwischen den beiden Gegenständen aufgrund des vom Lichtfühler erhaltenen Bildsignales, wobei die beiden Gegenstände durch die durch diese Einrichtung ermittelte Verschiebung zueinander justiert oder ausgerichtet sind.

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In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Verschiebungs-Detektor vorgesehen, der die Abtastgröße durch den Schlitzträger ermittel... so daß die Größe einer Relativverschiebu:;.^ zwischen den beiden Gegenständen aufgrund eines Abtast-Versohiebungs.-Signales bestimmt wird, das durch äen Ver^chiebungs-Detektor und das Bildsignal vom Lichtfühler erfaßt wird.

Es ist vorteilhaft, -laß sich der Schlitzträger linear in horizontaler FLLontung zu;;; Abtasten hin- und herbewegt, und daß die .Schlitz paare i.. Schlitzt., "^ ir jeweils die Abbildungsoptik haben« die das optische Bild der überlagerten .:"-;/--;.ktur-Mustwr- tufspalten, u-i; die optischen Bilde: der Jeweiligen Αχί..·3!richtungen zu erzeugen; die Lishtfühl'.erpaare εϊ,ηά -auf dem SchZitzträger vorgesehen, urn axe opOiscxien Bilder in den jeweiligen Axialrichti-.-gt-'.i r_u erfi-r-;;::__;-. -ie durch lie Abbildungsoptik erzeugt v^TKrdejij --e■].-~::zIn sind eir. V^rschiebungs-Detektor .ran. Erfasser, der linear hin- und hergehenden Bewegung oec i.chlitzrar..ie:.:i u^d ein--- Einrichtung zum Ermitr-cln der- Größe der Rela'-ivversehiebung zwischen zwei Gegenständen abhängig vc.i den Signalen vom Lichtfühler und dem /ers^hiebur.gs-Lete-r.c:' vorgesehen, so daß zwei Gegenstinä- miteinander abr.Mr.^i.s vci. asr Größe der Relativverccnii^une jusi^r-^r sind, die durch die Einrichtung :utr· ^rrn.".';'.::elri ä^r- "3^ .jiiibang "'esti.nmt wird.

Eine erfincong ^B..Jil-ύ Justi£r*--r'ri^:;..eh-":ung, bei. der eine Maske einer So^v.aibf? überlagert i-"':; und bei der eine Re la ti wer Schiebung -swisahen der Scheibe imd einem Struktur-Muster auf der I-iaske zu deren Justierung erfaßt wird, hat also eine:- Schlitzrahmsn« ^rIor- im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Mask», hr"·.:.*- ντΔ herfäl".rt imd

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BADOFiK^NAl

einen Schlitz aufweist, eine Beleuchtungs-Optik zum Beleuchten des Struktur-Musters, eine Abbildungsoptik, die das Bild des Struktur-Musters auf dem Schlitz des Schlitzrahmens erzeugt, einen Lichtfühler auf dem Schlitzrahmen zum Erfassen des Struktur-Muster-Bildes, das durch die Abbildungsoptik über den Schlitz hergestellt ist, um das Bild in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und einen Verschiebungs-Detektor zum Erfassen der Größe der hin- und hergehenden Bewegung des Sehlitzrahmens, um die Größe der Verschiebung in ein Lagesignal umzuwandeln, das der Lichtfühier abtastet, wobei die Ausgangssignale vom Verschiebungs-Detektor und vom Lichtfühler zum Erfassen der Relativlage zwischen der Maske und dem Struktur-Muster auf der Seheibe dienen und die Maske relativ zur Scheibe so bewegt wird, daß der Betrag der HeiativverSchiebung Null wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Maske mit einem Justier-Struktur-Muster,

Fig. 2 eine Halbleiterscheibe mit einem Justiep-Struktur-Muster,

Fig. 3 eine schemetische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Justiervorrichtung,

Fig. 4 eine perspektivische, vergrößerte Darstellung eines Schlitzrahmens in Fig. 3 und eine Einrichtung-, die den Schlitzrahmen linear hin- und herbewegt,

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Fig. 5 X-Achsen- und Y-Achsen-Abtastschiitze relativ zur Lagebeziehung zwischen über lagerteil Struktur-Mustern und ein Bildsignal von einem Lichtfühler, wenn die Schlitze zum Abtasten angesteuert sind,

Fig..-6 ein Blockschaltbild einer Verattbeitungsschaltung für Verarbeitungssignale vom Lichtfühler und dem Verschiebungs-Detektor*

Fig. 7 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Binärmodierers in Fig. 6,

Fig. 8(a) die ^tastung der Struktur-Muster durch die Schlitze,

Fig. 8(b) - (j) Signale, die durch die Schaltung der Fig. β verarbeitet sind,

Fig. 9 ein durch den Binärcodierer der Fig. 7

differenziertes Signal in Binärdarstellung, und

Fig. 10 einen Fehler zwischen dem Struktur-Muster auf der Maske und dem Struktur-Muster auf der Scheibe,

Die Erfindung wird im folgenden anhand der dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt eine zu justierende Maske 3 und

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Struktur- oder Target-Muster 1 und 2, die seitlich in symmetrischer Lage au£ dar Maske 3 vorgesehen sind, wobei Jed-ss Stru^ta^-Muster vier L-förmige dunkle Linienseg^ente hat, die einander zugekehrt sind.

3is I^rig. 2 ze^g.z exne Halbleiterscheibe 6 und Struktur-Muster 4 und 5? die seitlich in symmetrischen Lagen auf der Halbleiterscheibe 6 durch Ätzen vorgesehen sind, viohi.^. Jedes S^ruktur-Mustcr' icre unförmige dunkle linlenseg?3nte hit. Wenn die Kitten der kreuzförmigen Struictur-i'-aster 4 und 5 auf der Scheibe β genau auf die Mitten der Struktur-Muster 1 und 2 der Maske 3 justisrt £ind, können zwei Pui'iicti auf der Ebene bestimmt werden, und die -Justierung zwischen der Halbleiterscheibe 6 und der Maske 5 ist in X-Achsen-Richtung, Y-Achsen-Richtung und Drehrichtung vollständig.

Anhand der Pig. 3 und 4 wird nun eine Masken-Justiervorrichtung zum Justieren der Halbleiterscheibe ri__tiv zur Maske 3 erläutert. Die Halbleiterscheibe ist auf einem X-Achsen-Tisch 7 befestigt, der in der X-Aohsen-Richtung durch sine Antriebskraft von einer (nioht dargestellten) Antriebseinrichtung, wie z. B. einem Motor, bewegt werden kann. Der X-Achsen-Tisch ist seinerseits auf einem Y-Achsen-Tisch 8 befestigt, der in der Y-Achsen-Richtung quer zur X-Achsen-Richtung durch eine Antriebskraft von einer (nicht dargestellten) Antriebseinrichtung, wie z. B. einem Motor, bewegt werden kann, und der X-Achsen-Tisch 7 kann auf dem Y-Achsen-Tisch in der X-Achsen-Richtung verschoben werden. Der Y-Achsen-Tisch ist seinerseits auf einem Drehtisch 9 befestigt, der in einer Saane parallel

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zu der die X-Aohse und die Y-Aehss einschließenden Ebene zu einem Lager oder einer unterlage 10 durch eine Antriebskraft von einer (ni-;-ht dargestellten) Antriebseinrichtung, vrie i». B. siL^m Motor, gedreht werden kann, unc der Y-Aensen-Tisci" kann auf dem Drehtisch 9 in Y-Acnsen-I-ichcung verscuioben werden. Andererseits ist die Maske ~j an einem Lager 11 befestigt, das an der Unterlass IC r.iige.orach t is-.:., .--c daß die Maske jj derart j^äöiirt κ-51'deu kann, da& si die Halbleitersene:<-oe 6 ".ioerlager;, Die Maske 3 ■--■-£ dem Muster einer integ:*iar:en Haloid·--r-ib-Jhaltu..^ a Belichten und Kopieren wird so juc; vier=-;, daß si? di Halbleiterscheibe 6 üie: -agerc, atC. ·&.',*.;. LagefehJ,?:-» zwischen den Strukv/.-:^:u?:;arD i .!-r" 2 der Maske und den Struktur-Mu^te^ri ·': u-vi 3 ^ ^f ^^: I*iblii wird durch ein fouoox-_;L;,a^!t.scnes zwei Kanäle nⁿif. ·>6"^;, :w λL--- ^a-O^ Abbildungsoptik^n l;-t -r-·;; '.Ji.,
Struktur-Mustern un: 1
Abtasteinrichtüig Γ. ■ ε,
12a und 12b haben ^^ve
eine Sammellinse ic, e
und eine Objekt?.vlJL: ^e
und 13b haben jeweils
halbdurchlässigeii Z^e
Spiegel 20_y 21 -,ad '■':,
und ein Y-Achse'' -"51 Ό
Spiegel 21 und Z? d." ;n
des Lichfcweges, i.u -Aß

i^'aske

2a mu. ISv un:": -ce ~- Kanr i. d.^r ht^ sowie eina

■.■ ist·. Γ-jv ?>>j"' .■■tGhtungs--Opti-:.ⁱ?n eine B>:·Icu^htunsislampe 15» , haibdure'^liissigsn Spiegel 17, , Die A>;Lii:;^!. ■ ^Böp'ciken 1^a Objektiv"..*nc- η ;8, dio

e^sl YJ xnä ".^, i-oflcktierande , -y-.n X-Achi?-".-'>-iJ:-lä-DrohgIled 2ß

: '.glied 2-v. T''-- r?flektlaren-isn n?r. i.um Ausjcl-^f ./.'■■ > -.er Läii^e ß 3λ& optisoht; Bild, das durcli den halbdurchläsnigeii Spiegel 19 varlS'uft, auf äzr Oberfläche des gleichen. Pegels wie das durch den halbdurchlässigen Spiegel 19 reflektierte optische Bild erzeugt wird. Die Abtasteinrichtung 1·'!· hat einen Siüilitz-

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rahmen 25 mit X-Achsen-Erfassungs-Sehlitzen 26 und 29 und Y-Achsen-Erfassungs-Schlitzen 27 und 28, die in Y-Achsen-Richtung angeordnet sind (vgl. Fig. 3), fotoelektrische Lichtwandler-Fühler 30, 31, 32 und 33, die am Schlitzrahmen 25 entsprechend den Schlitzen 26 bis 29 angebracht sind, parallele metallische Blattfedern 3^-j die den Schlitzrahmen 25 so an der unterlage 10 befestigen, daß der Schlitzrahmen 25 in Y-Achsen-Richtung verschoben werden kann, eine Exzenter- oder Kurvenscheibe 30. die in eine am einen Ende des Schlitzrahmens 25 angebracht» Exzenterroile 35 eingreift, um auf den Schiitsrahmen 25 eine linear hin- und hergehende Bewegung su übertragen^ eine Welle 39* an der die Exzenterscheibs Jo befestigt ist und die drehbar durch die Unterlage 10 und ein Lager 38 gelagert ist, das an einem Träger oder Arm 37 befestigt ist, der an der unterlage 10 angebracht ist, einen Motor 43, der eine an der Welle 39 befestigte Riemenscheibe 40 mit einer an einer Ausgangsweils befestigten Riemenscheibe 4l über einen Riemen 42 verbindet, um die Exzenterscheibe 36 in Drehung zu versetzen, einen Verschiebungs-Detektor 44 am anderen Ende des Schlitzrahmens 25 zum Erfassen

25 der Größe der Verschiebung des Schiitzrahmens/und eine Feder 46 zwischen dem anderen Ende des Schlitzrahmens und einem Träger oder Arm 45, der an der Unterlage 10 befestigt ist, lie sins Zwangskraft zu übertragen, so daß die Exzenterwelle 35 in die Lauffläche der Exzenterscheibe 36 eingreift.

In den Beleuchtungs-Optiken 12a und 12b wird das von der Beleuchtungslampe 15 ausgestrahlte Licht durch die Sammellinse ΐβ gesammelt und am halMurchlässigen

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Spiegel 17 reflektiert; das Licht verläuft sodann durch die Objektivlinse 18 und beleuchtet die Probenebene, in der die Struktur-Muster 1 und έ und die Struktur-Muster 4 und 5 überlagert sind. Beispielsweise verläuft das optische Bild von den linken Struktur-Mustern 1 und durch die Objektivlinse 18 und den nalbdurchlassigen Spiegel 17 und wird durch den nalbdurchlassigen Spiegel 19 in zwei Teile aufgespalten. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel 19 reflektierte optische Bild wird nach oben durch den reflektierenden Spiegel 20 abgelenkt, um in das X-Achsen-Bild-Drehglied 25 einzutreten, wo das optische Bild um einen kleinen Korrekturwinkel in der Ebene senkrecht zur optischen Achse gedreht und auf dem oahlitz 2β erzeugt wird. Andererseits wird das durch den halbdurchlässigen Spiegel verlaufende optische Bild durch die Reflexionsspiegel 21 und 22 parallel verschoben, um in das Y-Achsen-Bild-Drehglied 24 einzutreten, wo das optische Bild um 90° entgegengesetzt in ähnlicher Weise wie im X-Achsen-Bild-Drehglied 25 gedreht und auf dem Schlitz 27 erzeugt wird. Die Abtastrichtung der Schlitze 26 und 27 verläuft in der Y-Achsen-Richtung, und die Struktur-Muster 4 und 5 sowie die Struktur-Muster 1 und 2 werden jeweils durch biaxiale Liniensegmente gebildet, wobei die Ausgangsbilder vom X-Achsen-Bild-Drehglied 23 und vom Y-Achsen-Bild-Drehglied 24 jeweils um 90° zu den dort eintretenden optischen Bildern gedreht werden. Der optische Weg wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 19 aufgespaltet, um die Lagefehler der überlagerten Struktur-Huster in der X-Achsen- und der Y-Achsen-Richtung zu erfassen, die quer zueinander verlaufen. Da das Y-Achsen-Bild-Drehglied das optische Bild um 90° dreht, muß das X-Achsen-Bild-

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Drehglied 23 nicht vorgesehen sein. Das X-Achsen-Bild-Drehglied 23 dreht jedoch das optische Bild um einen kleinen Korrekturwinkel, um genau die Abtastrichtung des Schlitzes 26 mit der Bewegungsrichtung des X-Achsen-Tisches 7 zu justieren. Für die Struktur-Muster 2 und auf der rechten Seite wird eine ähnliche, symmetrisch angeordnete Optik verwendet, um die optischen Bilder auf dem die X-Achse erfassenden Schlitz 29 und dem die Y-Achse erfassenden Schlitz 28 zu erzeugen, die im gleichen abgetasteten Schlitzrahmen 14 vorgesehen sind. Der Schlitzrahmen 25 einschließlich der Schlitze 26 bis

29 mit den dort erzeugten optischen Bildern wird durch Deformieren der parallelen Blattfedern 34 in Richtung von deren Dicke durch eine lineare hin- und hergehende Bewegung der Exzenterrolle 35 abgetastet, die in die Lauffläche der Exzenterscheibe 36 eingreift, indem Kraft auf die Feder 46 einwirkt, wobei die Exzenterscheibe 36 durch den Motor 43 angetrieben wird. Die Lichtfühler

30 bis 33, die am Schlitzrahmen 25 hinter den Schlitzen 26 bis 29 angebracht sind, empfangen die durch die Schlitze 26 bis 29 abgetasteten optischen Glieder, um Bildsignale zu erzeugen. Der Verschiebungs-Detektor 44 mit einem linearen Verschiebungs-Detektor, der ein Verschiebungs-Erfassungs-Gitter oder -Netz verwendet, erfaßt die Größe der Verschiebung des Schlitzrahmens 25. Der Vergrößerungsfaktor eines durch die Objektivlinse erzeugten Bildes beträgt ungefähr 10, und der Schlitzrahmen 14 wird so angetrieben, daß er über einen Bereich oder eine Fläche von ungefähr 10 mm hin- und herfährt, in der die Bilder der Struktur-Muster auf der Maske 3 und der Scheibe 6 erzeugt werden, so daß die Schlitze bis 29 über dem Bereich von 10 mm abtasten, um so die Bilder der Struktur-Muster zu erfassen. Die Größe der Struktur-Muster beträgt ungefähr 0,5 mm · 0,5 mm, inner-

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halb der kein Muster außer der Struktur gebildet wird. Die Schlitze sind so angeordnet, daß sie den gesamten Bereich abtasten, in dem die optischen Bilder der Struktur-Muster möglicherweise liegen, um so die Struktur-Muster zu erfassen.

Im folgenden wird das Erfassen eines Lagefehlers zwischen der Maske 3 und der Halbleiterscheibe 6 näher erläutert. Die Fig. 5 zeigt die X-Achsen-Abtast-Schlitze 26 und 29, die Y-Achsen-Abtast-Schlitze 27 und 28, die Lagebeziehung zwischen den Struktur-Mustern 4 und 5 der Scheibe 6 und den Struktur-Mustern 1 und 2 der Maske 3> ein Rechtecksignal 47, das durch Binärcodieren des Bildsignales erhalten wird, das durch die Lichtfühler 30 und 33 erfaßt wird, wenn die Schlitze 2β und 29 in Y-Achsen-Richtung abgetastet werden, und ein Rechtecksignal 48, das durch Binärcodieren des Bildsignales erhalten wird, das durch Lichtfühler 31 und 32 erfaßt wird, wenn die Schlitze 27 und 28 zum Abtasten in der Y-Achsen-Richtung angetrieben sind. Während die Schlitze tatsächlich abtasten, indem sie lediglich in der Y-Achsen-Richtung hin- und herfahren (vgl. oben), tasten die Schlitze 27 und 28 die Probenebene in der X-Achsen-Richtung ab, da das Bild-Drehglied vorgesehen ist.

Zunächst wird anhand der Fig. β eine Verarbeitungsschaltung für das durch die Lichtfühler 30 bis 33 erfaßte Bildsignal näher erläutert. Das Ausgangs-Bildsignal von den auf der Oberfläche des Schlitzrahmens entgegengesetzt von dessen Lichtempfangsfläche entsprechend den Schlitzen 26 bis 29 angebrachten Lichtfühlern 30 bis 33 wird jeweils zu einem VersEärker 49, dann zu einem Differenzierer 50, zu einem Binärcodierer 5I mit Hysterese-Vergleichsfunktion und schließlich zu einem Rechenwerk 52 gespeist, um die Größe der Verschiebung zwischen den Struktur-Mustern zu berechnen.

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Die Verarbeitung des von den Lichtfühlern 30 bis 33 erzeugten Bildsignales wird nun anhand der Fig. 8 näher erläutert, wobei auf die Yerarbeitungsschaltung der Fig. 6 Bezug genommen wird. Wie in der Fig. 8(a) dargestellt ist, werden die optischen Bilder der Justier-Struktur-Muster 1 und 2 und der Struktur-Muster 4 und 5 einander überlagert und auf dem Schlitzrahmen 25 erzeugt. Da die Schlitze 26 bis 29 so angetrieben sind, daß sie in der Pfeilrichtung abtasten, wird ein Bildsignal 53 mit dem in Fig. 8(b) dargestellten Verlauf durch die Lichtfühler 30 bis 33 erfaßt. Das Bildsignal 53 wird zum Verstärker 49 gespeist, dort verstärkt und dann an den Differenzierer 50 abgegeben, wo es in ein differenziertes Signal 54 mit dem in Fig. 8(c) dargestellten Verlauf umgewandelt wird. Der Differenzierer hat ein Hochpaßfilter, so daß eine niederfrequente Komponente des Bildsignales gesperrt wird, um so Welligkeiten des Bildsignales auszuschließen. Der Binärcodierer 51 hat einen Operationsverstärker 55, wobei das differenzierte Signal 54 über einen Widerstand R, an einen (-)Minus-Eingangsanschluß hiervon gekoppelt ist, während eine Summe aus einem vom Ausgangsanschluß über einen Widerstand R, rückgekoppelten Hysteresesignales und aus einem von einer Mittelanzapfung eines zwischen -Vgg und +Vqq über einen Widerstand Rj, erzeugten Bezugs-Schwellenspannung-Signales V„ mit einem (+)Plus-Eingangsanschluß gekoppelt ist, und es wird ein binärcodiertes Signal 56 über einen Widerstand R„ am Ausgangsanschluß erzeugt. Wenn das differenzierte Signal 54 im Vergleicher mit der Hysterese-Kennlinie verglichen wird, wird es in gleicher Weise mit dem in Fig. 8(e) dargestellten Signal verglichen, was zu dem in Fig. 8(d) dargestellten binärcodierten Signal 56 führt. Zur Erläuterung sind die

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Anstiegs- und Abfallzeiten des in Fig. 8(d) dargestellten binärcodierten Signales 56 mit t., t_p, t_, th, tp. und tg bezeichnet. Das Rechenwerk 52 hat fünf Gatter a, b, c, d und e, die zeitlich synchron mit dem binärcodierten Signal 56 arbeiten, um in den Fig. 8(e) bis 8(i) dargestellte Gattersignale 58, 59, 60 und 6l zu bilden. Insbesondere ist das Gatter a während einer Zeitdauer von t. bis t„ geöffnet, das Gatter b während einer Zeitdauer von t^ bis tu geöffnet, das Gatter c während einer Zeitdauer von t,-

bis tg geöffnet, das Gatter d während einer Zeitdauer von tp bis t^ geöffnet und das Gatter e während einer Zeitdauer von t^, bis t,- geöffnet. Andererseits erzeugt während der Abtastperiode der Schlitze 26 bis 29 der Verschiebungs-Detektor 44 einen Impuls für jede Bewegung einer Einheitslänge, was zu einem Impulssignal 6j5 mit dem in Fig. 8(j) dargestellten Verlauf führt. Das Impulssignal 65 wird zum Rechenwerk 52 und von dort zu den Gattern a, b, c, d und e gespeist, so daß die Impulse bei geöffneten Gattern durch einen Zähler gezählt werden. Es sei angenommen, daß die Zähleranzeigen jeweils N. N, , N , N, und N sind; dann ist der

el D C CL 6

Betrag der Verschiebung zwischen den Strukturen, d. h. die Impuls-Zähleranzeigen N.'und N.' zwischen den Strukturen, durch die folgenden Gleichungen (1) gegeben:

2 ^+Nd I

(D

V ~ ^+Nd

^Nb ^{+ N}c

_S 2— + _N

ο e

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Die sich ergebenden Zähleranzeigen haben jedoch Fehler aufgrund eines Unterschiedes in der Phasenvoreilung zwischen den Struktur-Mustern I₃ 2 und den Struktur-Mustern 4, 5, da das differenzierte Signal verwendet wird. Der Differenzierer neigt im allgemeinen zu einer Verstärkung des Rauschens im Eingangssignal. Tatsächlich zeigt das vergrößerte differenzierte Signal die überlagerung des HP-Rauschens (vgl. Fig. 9)· Wenn esudaher mit einem Signal mit festem Pegel zum Binärcodieren verglichen wird, kann eine genaue Binärdarstellung aufgrund des Rauscheinflusses nicht erhalten werden. Dieser Nachteil kann durch den Vergleicher mit Hysterese ausgeschlossen werden (vgl. Fig.7)· Insbesondere wird für den Anstieg des differenzierten Signales 54 (vgl. Fig. 9) der Bezugsspannungspegel auf V_& eingestellt, und die Vergleichszeit wird auf einen Punkt A eingestellt. Danach wird die Bezugsspannung um Δν auf V, verringert. Demgemäß liegt für das differenzierte Signal 54 die Vergleichszeit in einem Punkt C. Indem die Höhe A.V größer als der Rauschpegel gemacht wird, kann eine wirksame Binärdarstellung erzielt werden. Um jedoch die Verschiebung zwischen den Strukturen zu messen, sollte die Vergleichszeit für den Abfall des differenzierten Signales 54 im Punkt B sein. Daher liegt ein Fehler J zwischen den Zeiten im Punkt B und im Punkt C, was zu einem Meßfehler für die Verschiebung zwischen den Strukturen führt. In Fig. 6 kann der Phasenvoreilfehler aufgrund des Differenzierers 50 und der Meßfehler aufgrund des Hysterese-Vergleichers ausgeschlossen werden, indem die Ergebnisse der hin- und herlaufenden Abtastung durch den Schlitzrahmen 25 gemittelt werden. Indem so der Mittelwert der Zähleran-

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zeigen N,' und N₂' für die Ausgangsimpulse des Verschiebungs-Detektors zwischen den Strukturen während der Vorwärts-Abtastperiode und der Zähleranzeigen N." und N₂" während der Rückwärts-Abtastperiode mit den folgenden Gleichungen (2) berechnet werden, können die wahren Verschiebungen N, und Np bestimmt werden:

N/ + N₁"

(2) N ' + N " ■

N = — —

Demgemäß kann ein durch die Y-Achsen-Abtastung des Schlitzes 26 mit dem dahinter vorgesehenen Lichtfühler 2β (vgl. Fig. 5) erfaßter Y-Achsen-Fehler Δν, zwischen der Mitte R₁ des Struktur-Musters 1 der Maske 3 und der Mitte des Struktur-Musters 4 der Scheibe β aus N, und N₂ der Gleichungen (2) entsprechend der folgenden Gleichung gebildet werden:

- k (N₂ - N₁)

mit k =» ein in eine Länge umgewandelter Faktor je Impuls, erfaßt durch den Verschiebungs-Detektor 44. Auf ähnliche Weise kann ein X-Achsen-Fehefeer Δχ für die linke Struktur bestimmt werden. Für das rechte Struktur Muster können auch der X-Achsen-Fehler ,ΔΧρ und der Y-Achsen-Fehler Ay₂ bestimmt werden.

Die jeweiligen Abstände zwischen den Strukturen auf der Maske und zwischen denjenigen auf der Scheibe stimmen nicht immer überein, so daß, wenn die linken

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Strukturen genau justiert sind, die rechten Strukturen nicht genau justiert sein können. Daher wird der Fehler zwischen dem Abstand zwischen den Struktur-Musfeern 4 und 5 der Scheibe 6 und dem Abstand zwischen den Struktur-Mustern 1 und 2 der Maske 3 in gleicher Weise auf jeder Seite geteilt, so daß der Lagefehler zwischen der Scheibe 6 und den Struktur-Mustern 4 und 5 über der gesamten Fläche der Seheibe β-'Jmögllchst klein gemacht wird.

Dies wird im folgenden anhand der Fig. 10 naher erläutert.

Mit R₁ , R₂ und H_Q sind jeweils die Mitten der linken Struktur I, der rechten Struktur 2 der Maske j5 und die Mitte zwischen der linken und der rechten Struktur 1 bzw. 2 bezeichnet. Mit P., Pp und P_Q sind jeweils die Mitten der linken Struktur 4, der rechten Struktur 5 der Scheibe 6 und die Mitte zwischen der linken und der rechten Struktur 4 bzw. 5 bezeichnet. Wenn die X-Achsen und die Y-Achsen-Fehler (Lagefehler) zwischen der Scheibe und der Maske hinsichtlich der linken Struktur Ax, und Ay₁ und hinsichtlich des rechten Struktur Ax₂ und Ay₂ betragen, dann sind die X-Achsen- und Y-Achsen-Fehler (Lagefehler) Δχ und Ay zwischen den Mitten FU und P~ zwischen der Maske 3 und der Scheibe 6 durch die folgende Gleichung (4) gegeben :

Λ χ

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Ein Neigungsfehler A^ zwischen der Maske 3 und der Scheibe 6 kann aus der folgenden Gleichung mit hinreichend großer Näherung ermittelt werden:

Ay -Ay- -.

£ |_Winkelgrad] (5)

mit 1 = Abstand zwischen den Strukturen.

Demgemäß werden durch manuelle oder automatische Bewegung des X-Achsen-Tisah.es 7» des Y-Achsen-Tisches 8 und des Drehtisches 9 (vgl. Fig. 3) um die oben bestimmten Fehlerbeträge Δχ, Äy und Λ-θ die Maske 3 und die Halbleiterscheibe 6 zueinander justiert. Nach dem Bewegen der Tische zum Justieren wird der Lagefehler zwischen der Maske 3 und der Scheibe 6 wieder durch Abtasten des Schlitzes erfaßt, um zu ermitteln, ob der Fehler innerhalb eines erlaubten Bereiches liegt. Wenn der Fehler nicht innerhalb- des erlaubten Bereiches ist, wird die Korrektur wiederholt, bis der Fehler in den erlaubten Bereich kommt.

Wie oben erläutert wurde, kann bei der Erfindung das Verarbeiten des vom Lichtfühler erzeugten Bildsignales vereinfacht, die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Erfassung verringert und der Rauschabstand des vom Lichtfühler erzeugten Bildsignales vergrößert werden.

Da weiterhin die Abtastgeschwindigkeit beliebig einstellbar ist, ist keine Steuerschaltung für die Geschwindigkeit erforderlich, so daß die Abtasteinrichtung einfach aufgebaut ist. Da eine Hin- und Her-Abtastung erfolgt, können die Erfassungsergebnisse sofort gemittelt werden, wodurch die Erfassungsgenauigkeit steigt.

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Claims

Patentansprüche

\ly Justiervorrichtung zum Justieren von zwei übereinander gelagerten Gegenständen,

gekennzeichnet durch

eine erste Einrichtung (7, 8, 9), um einen ersten und einen zweiten Gegenstand (3; 6) übereinander zu justieren, deren jeder ein Justier-Struktur-Muster (l, 2; 4, 5) hat,

eine Abbildungsoptik (13a, 13b), um ein optisches Bild von den durch die erste Einrichtung (7, 8, 9) überlagerten Struktur-Mustern (l, 2; 4, 5) zu erzeugen,

eine Abtasteinrichtung (l4) mit einem Lichtfühler (30, 31, 32, 33) ^auf einem Schlitzträger einschließlich eines Schlitzes (26, 27, 28, 29), der das durch die Abbildungsoptik (13a, 13t>) erzeugte optische Bild durch einen schmalen Bereich von sich zum Lichtfühler (30, 31, 32, 33) durchläßt, der das optische Bild in ein Bildsignal umwandelt, wobei die Abtasteinrichtung (14) das Abtasten des Schlitzträgers bewirkt,

eine zweite Einrichtung zum Ermitteln der Größe der Relativverschiebung zwischen dem ersten Gegenstand (6) und 'dem zweiten Gegenstand (3) aus dem durch den Lichtfühler (30, 31, 32, 33) der Abtasteinrichtung (14) erzeugten Bildsignal, und

eine dritte Einrichtung zum Relativbewegen des ersten und des zweiten Gegenstandes (6 bzw. 3), um abhängig

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von der Größe der durch die zweite Einrichtung ermittelten Relativverschiebung zu justieren bzw. auszurichten (Fig. 5, 4).
2. Justiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Struktur-Muster (4, 5) auf dem ersten Gegenstand (6) aus wenigstens zwei Liniensegmenten besteht, die zueinander unter einem vorgegebenen Winkel geneigt sind, und daß das Struktur-Muster (l, 2) auf dem zweiten Gegenstand (3) aus wenigstens zwei Liniensegmenten besteht, die zueinander im wesentlichen unter dem gleichen vorgegebenen Winkel geneigt und im wesentlichen parallel zu den Liniensegmenten des Struktur-Musters (4, 5) des ersten Gegenstandes (6) angeordnet sind.
3. Justiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (14) linear den Schlitzträger (25) hin- und herbewegt, so daß der Schlitz (26, 27, 28, 29) und der Lichtfühler (30, 31, 52, 35) abtasten.
4. Justiervorrichtung nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß das Struktur-Muster (4, 5) auf dem ersten Gegenstand (6) aus wenigstens zwei Liniensggmenten besteht, die zueinander unter einem vorgegebenen Winkel geneigt sind, und daß das Struktur-Muster (1, 2) auf dem zweiten Gegenstand (5) aus wenigstens zwei Liniensegmenten besteht, fldie ?zueinander im wesentlichen unter dem gleichen vorgegebenen Winkel geneigt und im wesentlichen parallel zu den Liniensegmenten des Struktur-Musters (4, 5) des ersten Gegenstandes (6) angeordnet sind.

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5. Justiervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Gegenstand (6 bzw. 5) jeweils mindestens zwei Struktur-Muster (4, 5; I* 2) in symmetrischen Lagen haben.
6. Justiervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (l^a, 15b) das optische Bild von den überlagerten Struktur-Mustern in optische Muster für jedes Liniensegment aufspaltet und die optischen Muster an verschiedenen Stellen bildet, und daß die Abtasteinrichtung (l4) wenigstens zwei Schlitze (26, 27, 28, 29), die in der Richtung des optischen Bildes der Liniensegmente ausgerichtet und an verschiedenen Stellen auf dem Schlitzträger vorgesehen sind, und Lichtfühler (50, 51, 52, 53) hat, die jeweils einem Schlitz (26, 27, 28, 29) entsprechen.
7. Justiervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (13a, 15b) ein Bild-Drehglied (25, 24) zum Drehen des optischen Bildes wenigstens eines Liniensegments mit einem vorbestimmten Winkel um eine optische Achse aufweist.
8. Justiervorrichtung zum äustieren von zwei übereinander gelagerten Gegenständen,

gekennzeichnet durch

eine erste Einrichtung (7, 8, 9), um einen ersten und einen zweiten Gegenstand (5; 6) übereinander zu justieren, deren jeder ein Justier-Btrüktur-Muster (1, 2; 4, 5) hat,

eine Abbildungsoptik (15a, 15b), um ein optisches Bild

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von den durch die erste Einrichtung (7, 8, 9) überlagerten Struktur-Mustern (l, 2; 4, 5) zu erzeugen,

eine Abtasteinrichtung (14) mit einem Lichtfühler (30, 31, 32, 33) auf einem Träger einschließlich eines Schlitzes (26, 27, 28, 29), der das durch die Abbildungsoptik (13a, 13t») erzeugte optische Bild durch einen schmalen Bereich von sich zum Lichtfühler (30, 31, 32, 33) durchläßt, der das optische Bild in ein Bildsignal umwandelt, wobei die Abtasteinrichtung (14) das Abtasten des Schlitzträgers bewirkt und einen Verschiebungs-Detektcr (44) hat, um die Größe der Abtastung des Schlitzträgers zu ermitteln,

eine zweite Einrichtung zum Ermitteln der Größe der Relativverschiebung zwischen dem ersten Gegenstand (6) und dem zweiten Gegenstand (3) aus dem durch den Lichtfühler (30, 31, 32, 33) der Abtasteinrichtung (14) erfaßten Bildsignal und aus dem durch den Verschiebungs-Detektor (44) erfaßten Abtast-Verschiebungssignal, und

eine dritte Einrichtung zum Relativbewegen des ersten und des zweiten Gegenstandes (6 bzw. 3), um abhängig von der Größe der durch die zweite Einrichtung ermittelten Relativverschiebung zu justieren bzw. auszurichten.
9. Justiervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (14) linear den Schlitzträger hin- und herbewegt, so daß der Schlitz (26, 27, 28, 29) und der Liehtfühler (30, 31, 32, 33) abtasten.

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10. Justiervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (14) den Schlitzträger wenigstens über einen Bereich von maximal 10-facher Größe des optischen Bildes des Justier-Struktur-Musters hin- und herbewegt, das durch die Abbildungsoptik (13a, 13b) erzeugt ist.
11. Justiervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (14) den Schlitzträger linear hin- und herbewegt, indem diese auf einer Unterlage (10) mit parallel ausgerichteten metallischen Blattfedern (34) gelagert ist, um auf den Schiitζtrgger eine Seitenkraft auszuüben.
12. Justiervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Struktur-Muster (4, 5) auf dem ersten Gegenstand (6) aus wenigstens zwei Liniensegmenten besteht, die zueinander unter einem vorgegebenen Winkel geneigt sind,und daß das Struktur-Muster (1, 2) auf dem zweiten Gegenstand (3) aus einer Gruppe paralleler Liniensegmentpaare besteht, die zueinander im wesentlichen unter dem gleichen vorgegebenen Winkel geneigt und im wesentlichen parallel zu den Liniensegmenten des Struktur-Musters (4, 5) des ersten Gegenstandes (6) angeordnet sind.
13· Justiervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (l4) den Schlitzträger linear hin- und herbewegt, so daß der Schlitz (26, 27, 28, 29) und der Lichtfühler (30, 31, 32, 33) abtasten, daß das Struktur-Muster (4, 5) auf dem ersten Gegenstand (6) aus wenigstens zwei Liniensegmenten besteht, die zueinander unter einem vorgegebenen Winkel geneigt sind, und daß das Struktur-Muster (1, 2) auf dem zweiten Gegenstand (3) aus einer Gruppe paralleler Li-

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niensegmentpaare besteht, die zueinander im wesentlichen unter dem gleichen vorgegebenen Winkel geneigt und im wesentlichen parallel zu den liniensegmenten des Struktur-Musters (4, 5) des ersten Gegenstandes (6) angeordnet sind.
14. Justiervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Gegenstand (6 bzw. 3) jeweils mindestens zwei Struktur-Muster (4, 5j 1, 2) in symmetrischen Lagen haben.

15· Justiervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (13a, 13b) das optische Bild von den überlagerten Struktur-Mustern (4, 5; 1, 2) in optische Muster für jedes Liniensegment aufspaltet und die optischen Muster an verschiedenen Stellen fokussiert, und daß die Abtasteinrichtung (14) wenigstens zwei Schlitze (26, 27, 28, 29), die in der Richtung des optischen Bildes der Liniensegmente ausgerichtet und an verschiedenen Stellen auf dem Schlitzträger vorgesehen sind, und Lichtfühler (30, 31, 32, 33) hat, die jewails einem Schlitz (26, 27, 28, 29) entsprechen.

l6. Justiervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (13a, 13b) ein Bild-Drehglied (23, 24) zum Drehen des optischen Bildes wenigstens eines Liniensegmentes mit einem vorbestimmten Winkel um eine optische Achse aufweist.

17· Justiervorrichtung zum Justieren von zwei übereinander gelagerten Gegenständen,

gekennzeichnet durch

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eine erste Einrichtung (J, 8, 9), um einen ersten und einen zweiten Gegenstand (3; 6) übereinander zu justieren, deren jeder ein JustierSStruktur-Muster (4, 5; 1, 2) hat,

eine Abbildungsoptik (13a, 13b), um ein optisches Bild von den durch die erste Einrichtung überlagerten Struktur-Mustern (4, 5ί 1* 2) zu erzeugen,

eine Abtasteinrichtung (l4) mit einem Lichtfühler (30, 31, 32, 33) auf einem Schlitzträger einschließlich eines Schlitzes (26, 27, 28, 29), der das durch die Abbildungsoptik (13aj 13b) erzeugte optische Bild durch einen schmalen Bereich von sich zum Lichtfühler (3G, 3J, 32, 33) durchläßt, der das optische Bild in ein Bildsignal umwandelt, wobei die Abtasteinrichtung (14) das Abtasten des Schiitζträgers bewirkt und einen Verschiebungs-Detektor (44) hat, um die Größe der Abtastung des Schiitzträgers zu ermitteln,

eine zweite Einrichtung zum Ermitteln der Größe der Relativverschiebung zwischen dem ersten Gegenstand (6) und dem zweiten Gegenstand (3) aus dem durch den Lichtfühler der Abtasteinrichtung (14) erfaßten Bildsignal und aus dem durch den Verschiebungs-Detektor (44) erfaßten Abtast-Verschiebungssignal, und

eine dritte Einrichtung zum Relativbewegen des ersten und des zweiten Gegenstandes (6 bzw. 3)> abhängig von der Größe der durch die zweite Einrichtung ermittelten Relativverrschiebung zu justieren bzw. auszurichten,

wobei die Abtasteinrichtung (14) linear den Schlitzfcräger hin- und herbewegt, so daß der Schlitz (26, 27,

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28, 29) den Lichtfühler (30, 31, 32, 33) abtastet,

wobei die zweite Einrichtung einen Differenzierer (50) zum Differenzieren des durch den Lichtfühler (30, 31, 32, 33) erfaßten Bildsignales und einen Binärcodierer (51) zum Binärcodieren des durch einen Schwellenwert mit einer Hysterese-Vergleichsfunktion differenzierten Signales hat, und

wobei die zweite Einrichtung die Größe der Relativverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Gegenstand (6 bzw. 3) abhängig von dem durch den Binärcodierer (5I) erzeugten binärcodierfeen Signal und dem durch den Verschiebungs-Detektor (44) erzeugten Abtast-Verschiebungsgröße-Signal ermittelt.

l8. Justiervorrichtung nach Anspruch YJ, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebungs-Detektor (44) ein linearer Verschiebungs-Detektor mit einem Verschiebungs-Erfassungs-Gitter ist, um ein Impuls-Ausgangssignal für jede Einheitsgröße seiner Verschiebung zu erzeugen.

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