DE2819400C2

DE2819400C2 -

Info

Publication number: DE2819400C2
Application number: DE2819400A
Authority: DE
Inventors: Henry Ignatous Sudbury Mass. Us Smith; Stewart Siegmund Morganville N.J. Us Austin; Dale Clifton Lexington Mass. Us Flanders
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1977-05-03
Filing date: 1978-05-03
Publication date: 1993-07-29
Also published as: CA1093297A; FR2389928A1; US4200395A; FR2389928B1; JPS6228576B2; DE2819400A1; GB1601409A; JPS53137673A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feinausrichten zweier Körper aufeinander.

In vielen mikrolithographischen Techniken wie Photolithographie und Röntgenlithographie (vgl. die Vorrichtung und das Verfahren zur Röntgenlithographie von Smith u. a. in US-PS 37 43 842 vom 3. Juli 1973) ist es häufig erwünscht, verschiedene getrennte Masken in genauer Überlagerung auf dem nämlichen Substrat zu bilden. Ein Verfahren, um dies zu erreichen, besteht darin, daß auf den verschiedenen Masken eines Satzes Ausrichtungsmarken mit räumlicher Zuordnung zu den Masken verwendet werden. Danach wird die genaue Überlagerung durch Ausrichtung der Markierungen auf den verschiedenen Masken als primäre Muster auf eine zugehörige Markierung auf dem Substrat herbeigeführt. In vielen Fällen ist es aber erforderlich, das Substrat einer intensiven Behandlung, z. B. durch Einbringen eines Zusatzmittels, durch Erhitzung oder andere Verfahrensstufen zu unterwerfen. Dabei besteht die Gefahr, daß die Ausrichtungsmarkierungen zerstört oder verändert werden. Das ist besonders kritisch, wenn die Muster auf dem Substrat in der Größenordnung von 2,5 Mikrometer (µm) liegen und eine Genauigkeit der Überlagerung in der Größenordnung von 0,5 µm angemessen ist. Man kann in solchen Fällen mit normalen optischen Abbildungstechniken arbeiten. Dabei wird die Ausrichtung vollzogen, indem man zwei oder mehr Ausrichtungsmarkierungen, vorzugsweise in L- oder T-Form, mit ähnlichen Markierungen auf dem Substrat zur Deckung bringt. Dabei erfolgt die Ausrichtung durch Rotation und Translation während der Beobachtung der beiden Ausrichtungsmarkierungen durch ein Mikroskop. Eine derartige Ausrichtung läßt sich aber sehr schwer mit hoher Genauigkeit durchführen, wenn zwischen den aufeinander auszurichtenden Markierungen ein Abstand besteht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Abbildungstiefe von Linsen hoher Genauigkeit und Auflösung stark begrenzt ist. Auch ist diese Technik ungeeignet für Überlagerungsgenauigkeiten von 100 Nanometer (nm) und darunter, wie sie bei neueren mikrolithographischen Techniken der Röntgenlithographie, konformer Photomaskenlithographie und fortgeschrittener UV-Lithographie gefordert wird (vgl. B. J. Lin, Deep UV Conformable-Contact Photolithography for Bubble Circuits, IBM Journal, page 213, May 1976). Diese Techniken erlauben die Exposition von Mustern minimaler Abmessungen unter 1 µm und erfordern infolgedessen eine höhere Übertragungsgenauigkeit als sie mit konventionalen optischen Abbildungstechniken der oben angegebenen Art erreichbar sind.

In US-PS 37 42 229 von Smith u. a. "Soft X-Ray Mark Alignment System" ist ein Röntgenmaskenausrichtungssystem beschrieben, das mit Beobachtung der durch zueinander passende Ausrichtungsmarkierungen gehenden Röntgenstrahlen arbeitet. Ein Nachteil dieses bekannten Systems besteht darin, daß es die Durchlässigkeit des Substrats für die Röntgenstrahlen im Gebiet hinter den Ausrichtungsmarkierungen auf dem Substrat erfordert, um die Röntgenstrahlen mit einem Zensor hinter dem Substrat beobachten zu können. Dies macht es erforderlich, das Substrat in diesem Gebiet entsprechend dünn auszubilden oder aber Bohrungen durch das Substrat anzubringen. Es ist ferner bekannt (vgl. H. I. Smith US-PS 39 84 680 "Soft X-Ray Mark Alignment System"), Röntgenstrahlen oder andere Strahlen zu beobachten, die von Fluoreszenzmaterial auf dem Substrat ausgehen. Diese Strahlen werden durch Detektoren beobachtet, die in Richtung der Maske entfernt vom Substrat angeordnet sind. Dabei ergibt sich ein sehr ungünstiges Nutz-Stör-Verhältnis und die Wahrscheinlichkeit von Verunreinigungen des Substrats durch die Ausrichtungsmarkierung.

M. C. King und D. H. Berry haben ein Ausrichtungssystem vorgeschlagen, das den konventionellen optischen Ausrichtungstechniken überlegen ist (vgl. US-PS 36 90 881). Die Ausrichtungsmarkierungen auf der Maske und dem Substrat bestehen aus konzentrischen Kreisen leicht unterschiedlichen Maßes. Die Ausrichtung wird dabei vollzogen, indem das Moir´muster beobachtet wird, das bei der Überlagerung entsteht. Bei Fehleinstellung entsteht ein zipfelförmiges Moir´muster, bei genauer Ausrichtung dagegen ein Moir´muster, das aus einer Gruppe konzentrischer Ringe über der Mitte der Ausrichtungsmarkierungen besteht. Von Kong und Berry wird eine Überlagerungsgenauigkeit von 200 nm angegeben (vgl. M. C. King und D. H. Berry in Applied Optics, Vol. 11, page 2455 ff, 1972). Dabei entsteht die Schwierigkeit, daß ein maximaler Moir´kontrast nur erreicht wird, wenn die Abbildung in einem optischen System von kleiner numerischer Apertur durchgeführt wird, ein Erfordernis, das sich mit der Notwendigkeit einer Abbildung der Gitter selbst nicht verträgt. Außerdem ist dieses Verfahren bei größeren Abständen zwischen Maske und Substrat nicht anwendbar. Ein zusätzliches Problem besteht darin, daß die bei diesem Verfahren erforderlichen konzentrischen Kreismarkierungen nur schwer und mit großem Aufwand herzustellen sind. Wegen der Komplexität des Moir´musters ist es ferner schwierig, die Ausrichtung mit einem solchen System zu automatisieren.

Weiter ist aus der DE-OS 21 00 507 ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum optischen Nachweis bzw. zur Messung der Bewegung eines Beugungsgitters bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird vorzugsweise die unebene Oberfläche eines Körpers abgetastet, indem ein Beugungsgitter normal zu dieser Oberfläche, den jeweiligen Tiefen und Höhen der Oberfläche folgend, bewegt wird. Dabei wird das Beugungsgitter mit einem parallelen Strahlenbündel mit vorzugsweise monochromatischer Wellenenergie bestrahlt, und es werden ausgewählte Beugungsstrahlen des Gitters mittels einer Optik ausgeblendet und einander danach überlagert. Diese Überlagerung führt zu einem Intensitäts- bzw. Inteferenzmuster, welches beobachtbar ist. Durch diese Beobachtung ist die Bewegung des Beugungsgitters auf der Oberfläche qualitativ und gewünschtenfalls auch quantitativ registrierbar. Für die Überlagerung der ausgeblendeten Strahlenbündel des Beugungsgitters wird bei einigen Ausführungsbeispielen der bekannten Vorrichtung ein zweites Beugungsgitter verwendet.

Bei der bekannten Vorrichtung bzw. dem bekannten Verfahren besteht das Problem, daß zwar eine relative Ausrichtung der beiden Beugungsgitter zueinander theoretisch möglich wäre, indem, von einer vorgegebenen Ausgangslage ausgehend, die Beugungsgitter zueinander bewegt und dabei diese Bewegung quantitativ registriert wird, aber mit der bekannten Vorrichtung ist es nicht möglich, allein durch die Beobachtung des Interferenzmusters, eine ganz bestimmte, ausgezeichnete, absolute Ausrichtung der beiden Beugungsgitter zueinander einzustellen.

Aus der CH-PS 5 42 430 ist ebenfalls eine Vorrichtung bekannt, mit der die Verschiebung zweier Körper zueinander mit Hilfe von zwei Beugungsgittern registrierbar ist. Dazu wird mittels des ersten Beugungsgitters ein Beugungsstreifenmuster erzeugt, dessen Beugungsstreifen mittels des zweiten Beugungsmusters vervielfacht werden, so daß sich eine Beugungsstreifenskala feiner Teilung ergibt. Wird eines der Beugungsgitter verschoben, so wandert diese Beugungsstreifenskala, so daß durch einfaches Abzählen der einen vorgegebenen Ort passierenden Streifen die Verschiebungsbewegung des Beugungsgitters quantitativ erfaßt werden kann. Die Ausrichtung der beiden Beugungsgitter in eine vorbestimmte, ausgezeichnete Lage zueinander allein durch die Beobachtung des Beugungsmusters ist aber auch mit der bekannten Vorrichtung gemäß dieser Druckschrift nicht möglich.

Ebenso wie auch die vorerörterte CH-PS 5 42 430 hat auch auch die US-PS 39 84 680 eine Interferenzstreifen-Zählung bzw. Beugungsmessung von Gitterreflexen verschiedener Ordnung zum Gegenstand, so daß auch bei dieser Druckschrift die zur CH-PS 5 42 430 genannte Problematik besteht.

Aus der US-PS 33 30 964 ist eine Vorrichtung bekannt, um zwei Körper präzise aufeinander auszurichten. Dort erfolgt der Einsatz unterschiedlich geteilter Gitter und eine Signalauswertung über Detektorpaare sowie eine Intensitätsstreifen-Zählung und -Auswertung zur Erkennung einer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der betrachteten Trägerplatten. Eine Feinausrichtung der beiden Körper in der Größenordnung einer Gitterkonstanten ist mit dieser Vorrichtung nicht möglich.

Auch die DE-OS 24 51 994 und DE-OS 23 16 248 offenbaren nicht eigentlich Vorrichtungen zum Feinausrichten zweier Körper aufeinander, sondern sie zeigen in erster Linie Vorrichtungen, mit denen Positionsänderungen gemessen werden können. Mit derartigen bekannten Vorrichtungen können also Positionsänderungen kontrolliert und gemessen werden, ohne daß die Position der Körper zueinander vor oder nach der Positionsänderung bekannt sein müßte. Erfaßt wird nur die Positionsänderung selbst, also der Abstand zwischen zwei geänderten Positionen, die selbst, außer relativ zueinander, nicht weiter bestimmbar sind. Ein Ausrichten der Körper gegeneinander ist mit den bekannten Vorrichtungen daher nur insoweit möglich, als eine erfaßte Positionsänderung vergrößert oder verkleinert bzw. rückgängig gemacht werden kann, ohne daß die eigentliche Lage der Körper zueinander definiert werden könnte.

Ausgehend von dem vorgeschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der ein besonders präzises Ausrichten zweier Körper auf eine gewünschte (ausgezeichnete) Position möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die stellungsabhängige Differenz bzw. das stellungsabhängige Intensitätsverhältnis aus den Intensitäten zweier Lichtbündel gleicher Ordnung, jedoch entgegengesetzten Vorzeichens genutzt.

Insbesondere wird erfindungsgemäß der Umstand zur Ausrichtung genutzt, daß die Beugungsgitter elektromagnetische Strahlungen in positiven und negativen Richtungen beugen und zwar mit gleicher Intensität, d. h. bilateraler Symmetrie, wenn seitensymmetrische Gitter verwendet werden, derart, daß die Überlagerung solcher Beugungsgitter in zwei oder mehr Platten auch bilateral symmetrische Beugungsstrahlen erzeugt. Die positive und negative Richtung werden hierbei durch im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn von der Richtung der einfallenden Strahlen verdrehte Richtungen bestimmt. Infolgedessen kann die Überlagerung bzw. Ausrichtung durch Aufsuchen der Intensitätsbalance der symmetrisch durch zwei oder mehr einander gegenüberliegende Beugungsgitter angezeigt und automatisiert werden.

Die Erfindung unterscheidet sich somit sehr wesentlich von dem Verfahren mit Ausnutzung des Moir´effektes. Zunächst beinhaltet sie keine Bildtechnik, da Linsen und Abbildungsoptiken keine wesentlichen Bestandteile der Vorrichtung nach der Erfindung sind, durch welche die Überlagerung bestimmt wird. Zweitens interferieren die verschiedenen Strahlen, welche die Strahlengruppe ausmachen und bei der bevorzugten Ausführungsform Anwendung finden, miteinander, so daß in der Tat eine neue Art von Interferometer vorliegt. Drittens besteht ein wichtiges Merkmal der Erfindung darin, daß Gruppen von Beugungsstrahlen erster Ordnung (+1, -1), zweiter Ordnung (+2, -2) und so fort, benutzt werden können, wie es notwendig erscheint.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 veranschaulicht die Beugung durch ein periodisches Gitter,

Fig. 2 veranschaulicht die Doppelbeugung an zwei im Abstand voneinander angeordneten Gitterplatten,

Fig. 3A und 3B geben eine Darstellung der Einstellung zweier Platten mit Fluchtfehler und genauer Ausrichtung,

Fig. 4 veranschaulicht die Ausrichtung einer Platte relativ zu einem undurchsichtigen Substrat,

Fig. 5 zeigt eine Logikschaltung zur Gitterausrichtung der Vorrichtung,

Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung, bei welcher Spiegel und andere optische Reflexionsmittel in Verbindung mit einem einzigen Detektor verwendet werden,

Fig. 7 und 8 zeigen schematische Draufsichten auf Platten mit Beugungsgittern mit zueinander senkrechten Teilungen,

Fig. 9 und 10 zeigen eine andere Ausführungsform, bei welcher jede Platte mit zwei zueinander senkrechten Sätzen von Beugungsgittern versehen ist, um die automatische Ausrichtung zu erleichtern und

Fig. 11 und 12 zeigen Beugungsgitter und Substratplatten mit anderen Anordnungen der Beugungsgitter.

Fällt ein Bündel elektromagnetischer Strahlen 1 auf eine Gitterplatte 2 mit einem Gitter 3, dessen Linien senkrecht zur Zeichenebene verlaufen, so passieren einige der einfallenden Strahlen ohne Ablenkungen geradeaus und bilden zusammen das sogenannte Strahlenbündel 1′ nullter Ordnung. Ein anderer Anteil der Strahlung wird durch das Gitter gebeugt und bildet Paare von Strahlenbündeln 4, 4′, 5, 5′ usw. Gebeugte Strahlen treten auf in Richtung rückwärts, jedoch sind diese in Fig. 1 nicht dargestellt. Die Winkel der gebeugten Strahlen sind durch folgende Gleichung bestimmt

a.) nλ/d = sin R_n - sin R_i.

Darin ist R_i der Winkel, den der einfallende Strahl 1 mit der Normalen zur Oberfläche der Platte 2 bildet, d die Gitterkonstante oder Teilung des Gitters, λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und n = 0, ±1, ±2 usw. Das erste Paar gebeugter Bündel 4 und 4′ entspricht n = +1 und n = -1. Diese Bündel nennt man die Plus- und Minusbeugungsstrahlen erster Ordnung. Das zweite Paar 5 und 5′ entspricht n = +2 und n = -2; es sind dies die Plus- und Minusbeugungsstrahlen zweiter Ordnung. Entsprechende Bezeichnungen gelten für |n| < 2. Für R_i = 0 gilt |R_+n| = |R_-n|. Paare gebeugter Strahlen bilden somit zueinander symmetrische Winkel, bezogen auf die Flächennormale. Es ist wohlbekannt, daß, wenn das Gitter 3 "non-blazed" ist, d. h. wenn die Struktur des Querschnitts zu Fig. 1 identisch mit dem Querschnitt in Fig. 1 ist, sofern man das Gitter in seiner Ebene um 180° dreht, die Intensitäten jedes Paares symmetrisch gebeugter Strahlen der Ordnung +n und -n einander gleich sind und daß dann die ganze Beugungserscheinung Symmetrie zu einer Mittelebene BP in Fig. 1 aufweist.

In Fig. 2 ist eine zweite Platte 6 dargestellt mit einem Gitter 7, das dem Gitter der Platte 2 gegenüberliebt. Dieses zweite Gitter führt zu einer sogenannten Doppelbeugung. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 2 veranschaulicht. Der Strahl nullter Ordnung 1′, der von der Platte 2 ausgeht, kann durch das Gitter 7 zum Teil in einen Strahl erster Ordnung 8 gebeugt werden. Ein Teil des +1-Beugungsstrahles des Gitters 3 kann das Gitter 7 ungebeugt als Strahl 9 durchqueren. Der -1-Strahl vom Gitter 3 kann teilweise durch Gitter 7 zu einem Beugungsstrahl 10 der Ordnung +2 gebeugt werden. Gleicherweise können eine Anzahl ähnlicher Beugungsstrahlen gebildet werden. Wenn die Gitter 3 und 7 gleiche Gitterweite bzw. Gitterteilung aufweisen und ihre Gitterlinien zueinander parallel verlaufen, so breiten sich die Strahlen 8, 9 und 10 in derselben Richtung aus und interferieren miteinander, wo sie sich überlappen. Zusätzlich zu diesen drei zusammengehörigen Strahlen 8, 9, 10 gemäß Fig. 2 ergeben sich auch mehrere andere doppelt gebeugte Strahlen in der gleichen Richtung, welche auf die oben angegebene Weise identifiziert werden können. Die Intensitäten der verschiedenen zusammengehörigen Strahlen, welche zu einer Gruppe gehören, nehmen im allgemeinen mit der Höhe ihrer Ordnungszahlen innerhalb der Strahlenformation ab. Die allgemeine Richtung der Strahlen 8, 9 und 10 ist durch die obige Gleichung 1 gegeben. Aus diesem Grunde bezeichnet man die Strahlengruppe mit gleicher oder annähernd gleicher Richtung, wie sie durch die Gleichung 1 für n = +1 vorausgesagt wird, als +1-Gruppe. Ebenso wird eine -1-Gruppe in ähnlicher Weise wie die +1-Gruppe gebildet. Aufgrund der Übersichtlichkeit ist diese -1-Gruppe in Fig. 1 weggelassen. Ebenso sind aus dem gleichen Grunde auch die Gruppen +2/-2, +3/-3 und die Folgegruppen sowie alle zurückgebeugten Gruppen weggelassen.

Die Intensität der +1-Gruppe oder irgendeiner anderen Gruppe im Gebiet, in welchem mehrere zusammengehörige Strahlen sich überlappen, hängen von der gegenseitigen Interferenz dieser verschiedenen Strahlen ab. Dies anderereseits ist von der ralativen Lateralstellung der Gitter 3 und 7 als auch der Parallelität der Gitter 3 und 7 und der Platten 2 und 6 abhängig. (Der Ausdruck Lateralstellung beinhaltet eine Richtung senkrecht zu den Gitterlinien und innerhalb der Gitterebene). Bei praktischen Anwendungen der Erfindungs wird man zunächst die Platten 2 und 6 parallel zueinander einstellen und dann während der folgenden Ausrichtung aufeinander parallel zueinander halten. Wenn die Platten 2 und 6 zueinander parallel liegen, aber die Gitterstreifen 3 und 7 leicht von der Parallelität abweichen, breiten sich die Strahlen 8, 9 und 10 und andere Strahlengruppen in leicht zueinander verschiedenen Richtungen aus und ihre gegenseitigen Interferenzen bilden Zonen mit abwechselnd hellen und dunklen Streifen über den Durchmesser der Gruppe. Dieses Phänomen ist von J. Guild in dem Buch "Diffraction Gratings as Measuring Scales, Oxford University London, 1960" beschrieben. In der Praxis können die Gitter 3 und 7 bis auf einen Winkel kleiner als d/n l Radiant, parallel ausgerichtet werden, wobei d die Gitterkonstante, n die Ordnung (der Gruppen) und l die Länge der Gitterstreifen sind, welche vom Strahl 1 beleuchtet werden, und zwar unter Beobachtung der Hell-Dunkel-Streifen für den n-ten Gruppendurchmesser und unter Drehung der Gitter 3 und/oder 7 bis zum Verschwinden der Hell-Dunkel-Streifen, d. h. bis deren Abstand größer wird als der Gruppendurchmesser. Diese Möglichkeit, den Winkel zwischen den Gittern 3 und 7 justieren zu können, ist ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung.

Liegt keine Parallelität der Platten 2 und 6 vor, kann Asymmetrie von Richtung und Intensität der Plus- und Minus- Gruppen verursacht werden. Nicht-Parallelität wird in der Praxis sogleich beobachtet, da in solchem Fall der Strahlendurchgang 1 durch die Platte 2 und 6 und alle mehrfachen Reflexionen zwischen diesen Platten zu Interferenzmustern führen, die entweder in der Vorwärtsrichtung oder in der Rückwärtsrichtung sogleich beobachtbar sind. Man braucht nur die Winkel zwischen den Platten zu justieren, bis sich die Interferenzmuster genügend lösen.

Fig. 3A veranschaulicht die Plattenanordnung bei einem Fluchtfehler der Gitter 3 und 7 mit einer Nullabweichung von ΔX, Fig. 3B die beiden Platten bei genauer Ausrichtung mit ΔX = 0. Ein Gesichtspunkt der Erfindung ist, daß die relativen Phasen der verschiedenen Strahlen einer bestimmten Plusgruppe (z. B. +1, +2 usw.) und folglich auch die Intensität dieser Gruppe nur dann mit den relativen Phasen der zur entsprechenden Minusgruppe gehörigen Strahlen identisch sind, wenn das Gitter 7 exakt auf das Gitter 3, mit ΔX = 0, ausgerichtet ist. Einfacher ausgedrückt, die Intensitäten der Beugungsgruppen werden nur dann symmetrisch zur Mittellinie nach Fig. 2 sein, wenn das Gitter 7 genau auf das Gitter 3 ausgerichtet ist und wenn die Gitter "non-blazed" sind. Die Intensitäten der Beugungsgruppe ändern sich bei gegenseitiger Verschiebung der Gitter in Seitenrichtung, und dieser Intensitätswechsel wiederholt sich zyklisch mit Verschiebung gleich einem Vielfachen der Gitterkonstanten entsprechend |ΔX| = nd, worin n eine ganze Zahl ist. In Fällen, in denen es erwünscht ist, einen bestimmten Teil einer Ausrichtungsmarke über einen bestimmten Teil einer anderen Ausrichtungsmarke zu bringen, macht man von einer vorausgehenden Ausrichtung auf weniger als d/2 Gebrauch. Beispielsweise können herkömmliche optische Bildtechniken zur einleitenden oder vorbereiteten Ausrichtung benutzt werden. Nach einer solchen einleitenden Ausrichtung wird die Vorrichtung nach der Erfindung angewandt, um die Symmetrie der Intensitäten der Beugungsgruppen durch exakte Überlagerung zu vollenden.

Auch eine Erweiterung des oben diskutierten Ausrichtungsprinzips, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, auf den Fall von mehr als zwei Platten oder den Fall, in welchem die Beugungsstrahlen nach rückwärts benutzt werden, ist möglich. Der Gebrauch für rückwärts gebeugte Strahlenrichtung ist in Fig. 4 veranschaulicht.

Der Trennungsspalt zwischen den auszurichtenden Platten kann vielfach größer sein als die Gitterkonstante d. Beispielsweise wurde bei einem He : Ne-Laser mit einer Arbeitswellenlänge von 6328Å und einem Deckungsmuster mit Gittern von 25 µm Raumperiode eine Überlagerung durch die Genauigkeit von weniger als 200 nm demonstriert für Abstände der zur Deckung zu bringenden Muster von etwa 100 µm. Für eine bestimmte Strahlungswellenlänge und Deckungsstruktur jedoch, kann es gewisse Gitterabstände geben, bei denen die Intensität symmetrisch gebeugter Gruppen unempfindlich oder nahezu unempfindlich ist für Seitenverschiebungen der Gitter zueinander. Diese Tatsache kann ausgenutzt werden, den Abstand oder Spalt zwischen den Platten zu justieren oder als Mittel zur Steuerung bzw. Konstanthaltung dieses Abstandes oder zur Veränderung. In der Praxis wird man eine geeignete Kombination von Strahlungswellenlänge, Deckungsstruktur und Spalt wählen, derart, daß die Empfindlichkeit der gebeugten Gruppenintensitäten auf Seitenverschiebungen (Deckungsfehler) entweder ein Optimum oder für den betreffenden Anwendungsfall annehmbar ist.

Fig. 4 veranschaulicht im einzelnen die Ausrichtung einer Platte relativ zu einem undurchsichtigen Substrat, und zwar zur Überdeckung des Musters 14 von Platte 15 und Muster 16 des Substrats 17, das wie angegeben undurchlässig ist. Von einer Quelle 18 wird Licht der Wellenlänge 6328Å mit einem He : Ne-Laser ausgestrahlt in Form eines Strahlenbündels 19, welches senkrecht auf die Platte 15 fällt. Abweichend hiervon kann irgendeine ausreichend gebündelte Strahlung Verwendung finden; insbesondere sind infrarote, sichtbare und ultraviolette Laser-Strahler, Synchrotron- Strahler im UV und Röntgenstrahlenbereich anwendbar. Das Strahlenbündel 19 geht durch das Ausrichtungsmuster (Ausrichtungsmarke) 14 der Platte 15. Das Ausrichtungsmuster 14 enthält ein periodisches Gitter (non-blazed). Die Platte 15 ist eine lithographische Röntgenmaske und besteht aus einer dünnen Membran 20, die von einem dicken ringförmigen Träger 21 getragen wird. Die Platte könnte auch aus einer Photomaske, einem Fadenkreuz oder irgendeiner anderen gemusterten Platte bestehen. Die Strahlen nullter Ordnung und andere Strahlen, die in Vorwärtsrichtung durch das Gitter 14 gebeugt werden, fallen auf das Gitter oder die Ausrichtungsmarkierung 16, wo sie nach rückwärts gebeugt werden. Wenn diese Strahlen zurück auf das Gitter 14 fallen, werden sie teilweise zum dritten Mal gebeugt und erzeugen de angezeigten Plus- und Minusgruppen. Die +1-Gruppe und -1-Gruppe sind durch 22 und 22′ gekennzeichnet, die +2- und -2-Gruppe durch 23 und 23′. Die +1-Gruppe und -1-Gruppe fallen auf Detektoren 24 und 24′, die +2- und -2-Gruppe auf Detektoren 25 und 25′. Diese Detektoren messen die Intensität der auf sie kommende Strahlung.

Eine Möglichkeit zur Überlagerung besteht darin, die Outputs der Detektoren 24 und 24′ auf einen Differenzverstärker 27 zu geben, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, während die Outputs der Detektoren 25 und 25′ einem Differenzverstärker 28 zugeführt werden. Die Differenzverstärker erzeugen elektrische Signale als Eingänge 29 und 29′ für eine Steuereinheit 30. Durch diese Steuereinheit wird bestimmt, ob alle Eingänge den Nullwert erreichen. Wenn nicht alle Eingänge Null sind, liefert die Steuereinheit 30 ein elektrisches Signal für einen mechanischen Stelltrieb 31, beispielsweise einen piezoelektrischen Trieb zur Bewegung bzw. Justierung der Trägerplatte 26 nach Fig. 4. Diese Bewegung wird fortgesetzt, bis alle Eingänge der Steuereinheit den Nullwert erreicht haben, was der Bedingung ΔX = 0 für die Extrakte Überlagerung entspricht. Auf diese Stellung wird der mechanische Antrieb 31 gehalten. Die Mittel zur Durchführung dieser Funktionen sind aus der Steuertechnik wohlbekannt und werden im einzelnen nicht beschrieben. Insbesondere könnte anstell einer Steuereinheit auch eine Einrichtung zur manuellen Justierung vorgesehen sein, indem die Ausgänge der Differenzverstärker 27 und 28 solange durch Verschiebung der Platte 26 verändert werden, bis sie ihren Nullwert erreicht haben, wodurch dann die richtige Überlagerung der Ausrichtungsmarkierung angezeigt ist.

Statt für jede Plus- und Minusgruppe einen besonderen Detektor zu verwenden, könnte man auch für jedes Gruppenpaar einen solchen Detektor vorsehen. Anstelle der Detektoren 24, 24′, 25, 25′ könnten auch Spiegel oder andere optischen Elemente, wie Prismen, verwendet werden (vgl. Fig. 6). Die Plusgruppe 32 wird nach Fig. 6 durch einen Spiegel 33 reflektiert, geht durch ein veränderliches Dämpfungsglied 34 und durch einen Zerhacker 35 zu einem Photodetektor 36. Gleicherweise geht der Anteil 32′ der Minusgruppe nach Reflexion durch einen Spiegel 33′ durch ein veränderbares Dämpfungsglied 34′ und den Zerhacker 35 zum Photodetektor 36. Der Output des Photodetektors kann, wie dargestellt, durch ein Oszilloskop 37 angezeigt werden. Bei Verwendung eines einzigen Detektors können Probleme aus nicht identischer Ansprechweise vermieden werden. Die gleichen Dämpfungsglieder 34 und 34′ lassen sich ausnutzen, um Unausgeglichenheiten der Apparatur, beispielsweise Differenzen der Reflexionseigenschaften der Spiegel, zu kompensieren.

Bei manchen Anwendungen der Erfindung wird es erwünscht sein, das Muster einer Platte relativ zum Muster einer anderen Platte in zwei zueinander orthogonale Richtungen X und Y auszurichten, was sich nach den Prinzipien gemäß Fig. 2 bis 6 durch zweidimensionale Anwendung durchführen läßt. Zur Ausrichtung in der X-Richtung wird wenigstens ein Gitter mit Linien vorgesehen, welche im wesentlichen senkrecht zur X-Richtung verlaufen. Zur Ausrichtung in der X-Richtung wird wenigstens ein Gitter mit Linien vorgesehen, die im wesentlichen senkrecht zur Y-Richtung auf jeder der zugehörigen Platten verlaufen. Zur gleichen Ausrichtung in der X- und Y-Richtung sind wenigstens zwei Gitter mit Linien erforderlich, die senkrecht zueinander verlaufen. Diese zwei Gitter können eine einzige Ausrichtungsmarkierung bilden. Dabei wäre eine Winkelausrichtung nur für Winkel kleiner als d/n l vorzusehen, worin l die durch das auffallende Strahlenbündel ausgeleuchtete Länge der Gitterstreifen darstellt und n die Gruppennummer sowie d die Gitterperiode bedeuten.

Um sowohl eine verbesserte Winkelausrichtung als auch eine Ausrichtung in der X- und Y-Richtung zu bewirken, können die folgenden Angaben beachtet werden. Fig. 7 und 8 zeigen eine graphische Darstellung einer ersten Platte 38 und einer zweiten Platte 39 mit Ausrichtungsmarkierungen 40 und 41, deren Gitterlinien im wesentlichen senkrecht zu zwei weiteren Ausrichtungsmarkierungen 42 und 43 verlaufen (die T-Zeichen in den Markierungen zeigen an, daß die Ausrichtungsmarkierungen nicht unveränderlich sind für Translationen von d). Durch Strichlinien sind bei 44 und 45 Gebiete für weitere Muster angegeben, welche zusätzliche Ausrichtungsmarkierungen einschließen können.

Diese Gebiete 44 und 45 können als primäre Ausrichtungsmarkierungen dienen. Durch gleichzeitige Überlagerung der Markierung 40 mit der Markierung 41 und der Markierung 42 mit der Markierung 43 läßt sich eine Ausrichtung nach der X-Richtung, der Y-Richtung und eine Winkelausrichtung erzielen.

In Fig. 9 und 10 ist eine andere Ausführung dargestellt, die sich leichter zur Automatisierung eignet. Dabei sind Platten 46 und 47 mit Ausrichtungsmarkierungen 48 und 52 versehen. Die Markierung 48 läuft parallel zur Markierung 50 und senkrecht zur Markierung 52. Ebenso läuft auf der Platte 47 die Markierung 49 parallel zur Markierung 51 und senkrecht zur Markierung 53. Der Vorgang zweidimensionaler Ausrichtung vollzieht sich derart, daß zunächst die Markierung 48 mit der Markierung 49 und die Markierung 50 mit der Markierung 51 ausgerichtet werden. Dadurch wird die X-Ausrichtung und die Winkelausrichtung auf einen Fehlerwinkel von weniger als δ/L herbeigeführt, worin δ den Fehler der X-Ausrichtung und L den Abstand zwischen den Markierungen 48 und 50 (identisch zum Abstand zwischen den Markierungen 49 und 51) darstellen. Als nächstes wird die Markierung 52 zur Markierung 53 ausgerichtet und dadurch die Y-Ausrichtung vollzogen.

In einigen Fällen treten seitliche Verformungen in einer oder beiden zu überlagernden Platten auf. die Ausrichtung von nur zwei oder drei Ausrichtungsmarkierungen nahe dem Umfang der Platten gewährleistet alsdann keine exakte Überlagerung primärer Gitter oder Muster im inneren Bereich der Platten. Solche Probleme treten insbesondere in Verbindung mit Siliziumplatten auf. Um diese Schwierigkeiten zu beheben, können zusätzliche Ausrichtungsmarkierungen an verschiedenen Stellen über den Bereich der Platten angebracht werden. Fig. 11 zeigt eine Markierungsplatte 56 mit Ausrichtungsmarkierungen 57, 58 und 59 und einem primären Muster 60 bzw. primärer Ausrichtungsmarkierung. Die Markierung 59 enthält ein Gittermuster zur Ausrichtung sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung. Fig. 12 schließlich zeigt eine Substratplatte 61 mit Ausrichtungsmarkierungen 62 und 63 am Umfang, einer Gruppe von Ausrichtungsmarkierungen 64, die über den inneren Bereich des Substrats verteilt sind und einen Bereich 65, der für primäre Muster bzw. Ausrichtungsmarkierungen vorgesehen ist. Bei der Ausrichtung dieser Muster wird zunächst die Markierung 57 auf die Markierung 62 zur Deckung gebracht, alsdann die Markierung 56 in der Y-Richtung verschoben und die Fehleinstellung der Ausrichtungsmarkierung 58 zur Markierung 63 oder stattdessen die Fehleinstellung der Ausrichtungsmarkierung 57 zur Ausrichtungsmarkierung 63 bestimmt. Die Platte 61 oder Markierungsplatte 56 oder beide können alsdann in ihrer Ebene verdreht werden, um den Winkelfehler auszugleichen. Diese Prozedur würde wiederholt werden, bis die Winkelorientierung in Verbindung mit gegenseitiger Parallelität der Gittermarken 57, 58, 62 und 63 vollzogen ist. Alsdann wird die Markierung 56 in X- und Y-Richtung verschoben, derart, daß die Markierung 59 zur Ausrichtung mit einer der Markierungen 64 kommt. Ein einziger, die übereinanderliegenden Gitter beleuchtender Strahl wird in zwei Gruppensätze gebeugt. Einer dieser Gruppeneinsätze ist eingeschlossen durch die von der X- und Y-Achse gebildete Ebene, der andere Gruppensatz durch die YZ-Ebene. Nach Belichtung des Primärmusters wird die Maske wiederum bewegt, um die Markierung 59 über eine andere Markierung 64 zu bringen, und so fort, bis alle Bereiche 65 belichtet worden sind. In der obigen Diskussion wurde angenommen, daß nur eine einzige Winkeljustierung erforderlich sei. Trifft dies nicht zu, so ist die obige Prozedur wiederholter Ausrichtung leicht entsprechend zu modifizieren, um die Winkeljustierung vor jeder Belichtung zu vollziehen.

Die Ausrichtungsmarkierungen der Strahlenbeugung erfordert nur eine periodische Änderung von Phase oder Amplitude. Deshalb können die Ausrichtungsmarkierungen verschiedene Formen haben. Sie können z. B. aus einfachen Reliefstrukturen in der Substratoberfläche bestehen oder aus Streifen transparenten Materials oder aus Streifen reflektierenden oder absorbierenden Materials. Bei der wirtschaftlich bedeutungsvollen Verwendung von Siliziumplättchen können die Ausrichtungsmarkierungen aus einfachen Reliefstrukturen oder Riffelgittern im Silizium oder in einem Belag von Siliziumdioxyd oder anderem Material (auf dem Plättchen gewachsenen Materials) bestehen. Die Freizügigkeit in der Wahl der Art und Form der Ausrichtungsmarkierungen stellt einen wichtigen Vorzug der vorliegenden Erfindung dar. Für den Fall von Siliziumplättchen beispielsweise bedeutet dies, daß sich mit der Anbringung von Ausrichtungsmarkierungen keine Verunreinigungen der Plättchen oder der darauf angebrachten Einrichtungen ergibt. Auch macht die Anbringung der Ausrichtungsmarkierungen keine Abweichungen von normalen Herstellungsverfahren solcher Plättchen notwendig.

Claims

1. Vorrichtung zum Feinausrichten zweier Körper aufeinander umfassend:
eine mit dem ersten Körper verbundene erste und eine mit dem zweiten Körper verbundene zweite Platte (2, 6; 17, 20), die parallel zueinander beweglich und mit Beugungsgittern (3, 7; 14, 16) versehen sind,
eine Strahlenquelle (18), die im wesentlichen monochromatische Wellenenergie abgibt,
eine Anordnung zur Bestrahlung des zweiten Beugungsgitters (7; 16) der zweiten Platte (6; 17) durch das erste Beugungsgitter (3; 14) der ersten Platte (2; 20) hindurch
eine dem zweiten Beugungsgitter (7; 16) optisch nachgeordnete Detektoranordnung (24, 24′, 25, 25′; 36′) zur Erfassung der Intensität der gebeugten Strahlenbündel
und eine Stelleinrichtung zur relativen Bewegung der Körper zueinander,
wobei die Beugungsgitter gleiche Gitterkonstanten aufweisen und zur Erzeugung wenigstens eines Paares von gebeugten Strahlenbündeln mit einer Ordnung ungleich Null angeordnet sind
und die Detektoranordnung (24, 24′, 25′; 36) für einen Ausrichtweg (Δx) in der Größenordnung der Gitterkonstanten (d) quer zur Gitterstellung und zur Einstellung einer vorbestimmten Ausrichtungsposition zur getrennten Erfassung der Intensitäten der das Paar bildenden zwei Strahlenbündel gleicher Ordnung, aber umgekehrten Vorzeichens und zur Bildung der Intensitätsdifferenz oder des Intensitätsverhältnisses aus den beiden getrennt erfaßten Intensitäten ausgelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch getrennte Detektoren (24, 24′, 25, 25′) für die beiden Strahlenbündel des Paares.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Detektor (36) für die beiden Strahlenbündel des Paares und einen optischen Umschalter zur zeitlich getrennten Zuführung der beiden Strahlenbündel.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als optischer Umschalter ein die beiden Strahlenbündel wechselweise blockierender Zerhacker vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Eichelemente vorgesehen sind, durch die die Intensitätsgleichheit der beiden Strahlenbündel bei Erreichen der vorbestimmten Ausrichtung der Beugungsgitter (3, 7; 14, 16) einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Eichelemente einstellbare Dämpfungsglieder (34) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Stelleinrichtung Differenzverstärker vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils beide Körper mit jeweils zueinander um 90° gedrehten Beugungsgittern versehen sind, so daß die Gitterlinien dieser jeweils zwei Beugungsgitter senkrecht zueinander verlaufen.