DE2930979A1

DE2930979A1 - Verfahren und vorrichtung zur zweidimensionalen positionierung eines werkstueckes

Info

Publication number: DE2930979A1
Application number: DE19792930979
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Johannsmeier; Edward H Phillips
Original assignee: Optimetrix Corp
Current assignee: Eaton Optimetrix Inc
Priority date: 1979-07-31
Filing date: 1979-07-31
Publication date: 1981-02-26

Description

Verfahren und Vorrichtung zur zweidimensionilen Positio-
nierung eines Werkstückes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zweidimensionalen Posit:onierung eines Werkstückes, insbesondere zur Ausrichtung einer optischen Maske mit einer ausgewählten Position einer Halbleiterscheibe in X- und Y-Richtung, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Eine solche Vorrichtung mit einer in X- und Y-Richtung adressierbaren Maske und schrittweisem Antrieb für eine als Werkstück dienende Halbleiterscheibe ist bereits vorgeschlagen worden. Bei dieser Vorrichtung wird eine Stri-#hplatte schrittweise mit verschiedenen X- und Y-Koordinaten der Maske verschoben, um nacheinander Teile der Maske auf das Muster der Strichplatte zu belichten.
Die nacheinander adressierten X- und Y-Koordinaten der Maske werden hier mit Hilfe von X- und Y-Marken in Form von zwei getrennten eindimensionalen Anordnungen von parallelen Reißlinien auf einer die Maske tragende und in X- und Y-Richtung bewegbare Bearbeitungsstation mit dem Strichplattenmuster ausgerichtet. Abfühler erkennen die X- und Y-Koordinaten einer adressierten Stelle durch Abfühlen dieser X- und Y-Reißlinien. Durch auf die abgefühlte Adresse ansprechende X- und Y-Servomotoren wird die Bearbeitungsstation in die Position gebracht, die von der Bedienungsperson als Bezugsadresse gewählt worden ist.
Die Bearbeitungsstation kann jedoch nicht gleichzeitig in beiden Koordinatenrichtungen an die ausgewählte Stelle geführt werden. Sie wird vielmehr dadurch positioniert, daß erst die Y-Koordinaten der Adresse abgefühlt werden und die Bearbeitungss#tation an die adressierte Y-Koordinate gebracht wird. Sodann sucht die Bearbeitungsstation nacheinander die X-Koordinaten in X-Richtung ab, bis die ausgewählte X-Koordinate gefunden ist.
Diese Vorrichtung hat also den Nachteil, daß die Bearbeitungsstation nicht auf dem kürzesten Weg von einer ersten zu einer zweiten adressierten Position gelangen kann, sondern vielmehr erst zu der Y-Koordinatenmarke am Rande der X-Koordinatenmarke zurückkehren muß, um die X-Koordinatenmarken nach der gesuchten X-Koordinate absuchen zu können.
Hinzu kommt, daß die Genauigkeit dieser Vorrichtung von dem Grad abhängt, mit dem die Führung der Bearbeitungsstation in Y-Richtung zur X-Achse an der ausgewählten Y-Koordinate im rechten Winkel steht. Derartige Winkeltoleranzen können zwar beherrscht werden, jedoch nur mit erheblichem Aufwand.
Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, bei einer solchen Vorrichtung einen an der Bearbeitungsstation befestigten und dadurch zusammen mit dem Werkstück bewegbaren Spiegel vorzusehen und auf diesen eiren Laser-Strahl zu richten.
Die hierbei auftretende stehende Welle gestattet es, die Interferenzringe des Laser-Strahls zu zählen und dadurch das Werkstück in beiden Koordinatenrichtungen genau zu positionieren.
Bei dieser Vorrichtung tritt die Schwierigkeit auf, daß als Maßstab für die Lage des Werkstückes in beiden Koordinatenrichtungen die Wellenlänge des Laser-Lichtes dient. Diese Wellenlänge ist jedoch eine Funktion der Temperatur, des Druckes und der Feuchtigkeit des benutzten optischen Weges. Daher muß bei dieser unter ferometer-Methode" de Bearbeitungsstation in einer Klimakammer untergeb-acht sein, in welcher Temperatur, Druck und Feuchtigkernt mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden können. Eine solche Klimakammer ist jedoch relativ kostspielig und verkompliziert die Maschine.
Der Erfindung liegt nun demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfacher und billiger zu realisieren sind und es doch ermöglichen, das Werkstück in einer Folge von wiederholbaren Adressenstellen mit einer Genauigkeit von weniger als einem Zehntel Mikrometer zu positionieren. Dabei soll die adressierbare Bearbeitungsstation zwischen zwei Adressenstellen auf einem mehr direkten Weg bewegt werden, um die Suchzeit zwischen des einzelnen Adressen klein zu halten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkstück auf einer Bearbeitungsstation befestigt wird, die in der Ebene, in welcher das Werkstück positioniert werden soll, in zwei Koordinatenrichtungen bewegbar ist, und die zur Positionierung des Werkstückes eine zweidimensionale Anordnung von Koordinatenpositioniermarken aufweist, daß ein vergrößertes Abbild mindestens eines Teiles der Positioniermarkenanordnung auf eine stationäre Abfühlstation projiziert, dort abgefühlt und in ein den abgefühlten Koordinaten entsprechendes Ausgangssignal umgesetzt wird, daß die abgefühlten Koordinaten mit den Koordinaten einer Bezugsadresse verglichen und in ein Fehlersignal umgesetzt werden,und daß das Werkstück und die Positioniermarkenanordnung in Abhängigkeit von dem Fehlersignal zu der Bezugsadresse bewegt werden.
Eine vorteilhafte Weitergestaltung der Erfindung besteht darin, daß der das Abbild aufnehmende Teil der stationären Abfühlstation gegenüber dem auf ihn projizierten Abbild in mindestens eine der beiden Koordinatenrichtungen zur Interpolation der betreffenden Koordinate der abgefühlten Adresse derart bewegt wird, daß das in Abhängigkeit voa dem Fehlersignal bewegte Werkstück gegenüber einem 3ezugspunkt, der hinsichtlich der Koordinaten gegenüber der stationären Abfühlstation stationär ist, zu der interpolierten abgefühlten Adresse geführt wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein der Bezugsadresse entsprechender Teil des Werkstückes und ein mit diesem auszurichtendes stationäres Muster abgebildet werden, daß die Abbilder des Werkstückes und des stationären Musters einander überlagert werden, und daß der das Abbild aufnehmende Teil der stationären Abfühlstation in mindestens eine der beiden Koordiatenrichtungen gegenüber den auf ihn projizierten Positioniermarken derart bewegt wird, daß der der Bezugsadresse entsprechende Teil des Werkstückes zur genauen Ausrichtung der bei#en Abbilder in den jeweiligen Koordinatenrichtungen und zur Interpolierung der jeweiligen Koordinate der abgefühlten Adresse interpoliert wird derart, daß das in Abhängigkeit von dem abgefühlten Ausgangssignal bewegte Werkstück zu der interpolierten abgefühlten Adresse geführt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer für die Anwendung der Erfindung geeigneten im schrittweisen Reihenbetrieb arbeitenden Maskenausrichtvorrichtung, Fig. 2 eine teilweise in Blockform dargestellte schematische perspektivische Ansicht der Maskenausrichtungsvorrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnittes 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 den Verlauf der Ausgangsspannung der Abfühlvorrichtung bei einer Bewegung der Bearbeitungsstation in X-Richtung, Fig. 5 den Verlauf des aufgearbeiteten Ausgangssignales nach Fig. 4, Fig. 6 den Verlauf des Ausgangssignales der Abfühlstation im verriegelten Zustand, wenn die Abfühlstation die Bearbeitungsstation an der Bezugsadresse verriegelt, Fig. 7 den Verlauf der Signalintensität I der Grenzmarken-Abfühlvorrichtung in Abhängigkeit von dem Abstand d vom Rand und Fig. 8 ein Schaltbild der Grenzmarken-Abfühlvorrichtung für die Grenzmarken in X- und Y-Richtung.
In den Fig. 1 und 2 ist eine im schrittweisen Reihenbetrieb arbeitende Maskenausricht- und -belichtungsmaschine 20 dargestellt, welche die Merkmale der vorliegenden Erfindung enthält. Die Maschine 20 umfaßt eine Basis 22 und eine Präzisions-Bearbeitungsstation 24 auf der Basis 22, welche ein Werkstück 30 aufzunehmen und dieses in einer horizontalen Ebene #in zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen genau zu positionieren vermag. Auf der Basis 22 befindet sich weiterhin eine optische Einheit 26.
Für die Bewegung d!r Werkstücke 30, beispielsweise Halbleiterscheiben, zu Bearbeitungsstation 24 ist eine automatische Werkstück-Hantiervorrichtung 28 vorgesehen.
Die Basis 22 enthält einen großen Granitblock 10, dessen Oberseite als Bezugsfläche mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer bearbeitet worden ist und der eine senkrecht durchgehende zylindrische Bohrung für die Aufnahme einer optischen Abfühlvorrichtung 46 aufweist.
Beim Betrieb führt die Bedienungsperson ein Werkstück 30, beispielsweise eine Halbleiterscheibe, in die Maschine 20 ein, welche dann das Werkstück auf der Bearbeitungsstation 24 genau positioniert. Die Bedienungsperson bewegt ein Mikroskop 105 der optischen Einheit 26 in eine geeignete Lage zur Betrachtung einer Maske 98, die mit einer adressierten Stelle der Halbleiterscheibe 30 optisch genau ausgerichtet werden soll, um die Halbleiterscheibe 30 einer Belichtung mit dem Muster der Maske 98 auszuse-zen.
Die Bedienungsperson wählt dazu einen Bezugsadressenteil der Halbleiterscheibe 30 aus, der das durch die Maske 98 projizierte Belichtungsmuster aufnehmen soll. Mit der Bearbeitungsstation 24 ist je ein X- und Y-Servomotor 76, 77 verbunden, der die Bearbeitungsstation 24 so bewegt, daß eine Positioniermarkenanordnung 45 der Bearbeitungsstation über die stationäre optische Abfühlvorrichtung 46 innerhalb des Granitblocks 10 zur Ausrichtung gelangt. Die Bedienungsperson betrachtet dabei die Halbleiterstelle an der Bezugsadresse, die von der optischen Einheit 26 beleuchtet wird. Das Abbild der adressierten Stelle der Halbleiterscheibe wird auf die Rückseite der Maske 98 projiziert, um das Abbild der Maske und das Abbild der adressierten Stelle der Halbleiterscheibe zu überlagern.
Die Bedienungsperson betrachtet die überlagerten Abbilder durch das Mikroskop 105 und die Maske 98 und betätigt die Steuereinrichtungen so, daß die Lage der Abfühlvorrichtung 46 etwas verändert und damit die Lage der Bearbeitungsstation 24 geringfügig korrigiert wird, um das Muster auf der Halbleiterscheibe 30 mit dem Muster der Maske 98 genau auszurichten. Gleichzeitig wird auch die adressierte Stelle auf Null bezogen, indem ein interpolierter Wert für die X- und Y-Koordinaten der adressierten Stelle der Halbleiterscheibe 30 erzeugt wird.
Anschließend schiebt die Bedienungsperson das Mikroskop 105 zur Seite und eine Projektionslichtquelle 29 in die richtige Lage in der optischen Einheit 26. Die Halbleiterscheibe 30 wird mit dem Abbild der Maske 98 durch eine Projektionslinse belichtet und dann an die nächste Belichtungsadresse bewegt. Hierzu führt die Bedienungsperson die nächste Adresse in eine Programmiervorrichtung 73 ein, welche die Bearbeitungsstation 24 an die nächste Bezugsadresse führt, die in dem vorausgegangenen Ausrichtungsschritt auf Null bezogen worden war. Die Halbleiterscheibe wird nacheinander in diesem schrittweisen Reihenbetrieb belichtet, bis die Bedienungsperson oder die Programmiervorrichtung 73 die Hantiervorrichtung 28 betätigt, um die belichtete Halbleiterscheibe zu entfernen und eine neue Halbleiterscheibe in die richtige Lage auf der Bearbeitungsstation 24 zu bringen.
In Fig. 2 ist die adressierbare Werkstuck-Positioniervorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung genauer dargestellt. Die Halbleiterscheibe 30 ist an der in der X-Y-Ebene bewegbaren Bearbeitungsstation 24 befestigt, die eine mit ihr bewegbare Positioniermarkenanordnung 45 trägt. Unterhalb der Positioniermarkenanordnung 45 ist die stationäre Abfühlvorrichtung 46 innerhalb der zylindrischen Bohrung des Granitblockes 10 angeordnet. Das Licht einer Lampe 47 wird durch eine Linse 48 auf einen Strahlenteiler 49 gerichtet, der es durch eine Vergrößerungslinse 51 auf einen relativ kleinen Bereich der X-Y-Positioniermarken lenkt.
Das Abbild der Positioniermarkenanordnung 45 wird über die Vergrößerungslinse 51 durch den Spiegel des Strahlenteilers 49 projiziert und auf eine Abfühlfensterplatte 52 fokussier-», welche eine Anzahl Mustererkennungsfenster 53 für die Wiedererkennung der X- und Y-Positioniermarken aufweist. Die Linse 51 vergrößert beispielsweise dreizehnfach, so daß das auf die Fensterplatte 52 projizierte Abbild der Positioniermarken dreizehnmal so groß ist wie in Wirklichkeit. Die Fensterplatte 52 enthält eine Anzahl verschiedener Mustererkennungsfenster 53, die das Licht auf mit ihnen ausgerichtete Stecklinsen 54 gelangen lassen. Die Stecklinsen 54 fokussieren das Licht auf eine entsprechende Anzahl von PIN-Dioden 55, die auf einer Diodenplatte 56 der Abfühlvorrichtung 46 angeordnet sind.
Für das Abfühlen der X-Koordinaten der Positioniermarkenanordnung 45 sind zwei Paare 57 der Dioden 55 vorgesehen und in gleicher Weise zwei Paare 58 von Dioden 55 für das Abfühlen der Y-Koordinaten. Die beiden Dioden jedes Diodenpaares 57, 58 sind mit entgegengesetzter Polarität parallel geschaltet, um ein Ausgangssignal mit dem Wert Null zu erreichen, wenn beide Dioden eines Diodenpaares gleich stark beleuchtet werden.
In Fig. 3 ist eine Anordnung von X- und Y-Positioniermarken 59 dargestellt, die im vorliegenden Fall aus quadratischen Punkten einer Chromschicht auf einer gebrannten Silikaplatte 61 bestehen. Eine Grenzmarke 62 aus der Chromschicht umrandet die Anordnung der X- und Y-Positioniermarken 59. Die Marken 59 sind in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei die X-Koordinaten den Spalten und die Y-Koordinaten den Zeilen entsprechen.
Auf diese Weise ist jede adressierbare Stelle der Bearbeitungsstation 24 durch eine bestimmte Markierung 59 festgelegt, deren Spaltennummer der X-Koordinate und deren Zeilennummer der Y-Koordinate entspricht. In dem Ausführungsbeispiel sind die Marken 59 quadratische Punkte mit zehn Mikrometer Kantenlänge und 20 Mikrometer Mittenabstand sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung.
Die Spalten- und Zeilen-Mustererkennungsfenster 53 in der Fensterplatte 52 bestehen aus zwei Arten. Die erste Fensterart ist ein durchsichtiges Rechteck mit 100 x 120 Mikron Kantenlänge und entspricht einer Unteranordnung von 5 x 6 Marken 59. Sie tritt paarweise mit einer zweiten Fensterart auf, die aus einer Anordnung von acht langgestreckten, parallelen schlitzartigen Fenstern besteht, die eine Breite von 10 Mikrometer und einen Mittenabstand von 20 Mikrometer aufweisen und von denen sechs eine Länge von 160 Mikrometer und zwei eine Länge von 120 Mikrometer besitzen, so daß jeweils acht bzw.
sechs Marken 59 durch jeden Fensterschlitz der Anordnung betrachtet werden können. Auf diese Weise können durch die Fenster mit der Schlitzanordnung 60 Marken 59 beobachtet werden und durch die normalen rechteckigen Fenster 30 Marken 59. Die transparenten Bereiche beider Fensterarten haben jedoch die gleiche. Größe.
Die Ausgangssignale der gegeneinander geschalteten Diodenpaare 57, 58 sind Null, wenn die parallel zu den schlitzartigen Fenstern der Mustererkennungsfenster 53 ausgerichteten Marken 59 zur Hälfte von dem undurchsichtigen Abstand zwischen zwei schlitzartigen Fenstern abgedeckt sind und der eine Rand jedes schlitzartigen Fensters mit der Mittellinie der jeweils betrachteten Punktspalte bzw.
Reihe zusammenfällt. Die Längsrichtung der schlitzartigen Fenster liegt dabei senkrecht zu der Abfühlrichtung.
Wie in Fig. 4 dargestellt, erzeugt jedes Diodenpaar 57, 58 einen dreieckförmigen Ausgangsstrom 50, 60, wenn die Bearbeitungsstation 24 bewegt wird. Weiterhin sind die den Diodenpaaren 57, 58 entsprechenden Fensterpaare in der Fensterplatte 52 in der jeweiligen X- oder Y-Richtung gegenüber den anderen Fensterpaaren um ein Viertel der Periode der auf die Fensterplatte 52 projizierten vergrößerten Marken 59 versetzt, d.h. um 5 Mikrometer. Diese Versetzung um 258 verursacht eine Phasenverschiebung der elektrischen Signale 50 und 60 um 900. Wenn dabei die Bearbeitungsstation 24 in der positiven X-Richtung bewegt wird, eilt das Ausgangssignal 50 des ersten Diodenpaars 57 dem Ausgangssignal 60 des zweiten Diodenpaars 57 voraus, während das Ausgangssignal 60 dem Ausgangssignal 50 vorauseilt, wenn die Bearbeitungsstation 24 in der negativen X-Richtung bewegt wird. Jeder Zyklus der Ausgangssignale 50, 60 entspricht dabei dem Zählen einer bestimmten Spalte bzw. Zeile.
In ähnlicher Weise sind die beiden Diodenpaare 58 und die zugehörigen Mustererkennungsfenster 53 auf der Diodenplatte 56 bzw. der Fensterplatte 52 um 1/4 des vergrößerten Abstandes der auf die Fensterplatte 52 projizierten Marken in der Y-Richtung versetzt, um eine 900 Phasenverschiebung der Ausgangssignale ähnlich der in Fig. 4 dargestellten zu erzielen.
Die Ausgangssignale der Diodenpaare 57, 58 werden über Verstärker und Entzerrer 55, 56 geführt, welche das dreieckförmige Ausgangssignal 50, 60 in das Rechtecksignal 50', 60' gemäß Fig. 5 umwandeln. Auf diese Weise wird für jede auf der Fensterplatte 52 abgefühlte Zeile bzw. Spalte von Positioniermarken ein Rechteckimpuls erzeugt. Wenn die Ausgangssignale 50', 6#' der Verstärker und Entzerrer 65, 66 von einem ersten Diodenpaar denjenigen eines zweiten Diodenpaares vorauseilen, was einer Bewegung in positiver X- oder Y-Richtung entspricht, werden zwei Zähler 68, 69 für die X- bzw. Y-Koordinaten so umgeschaltet, daß sie die Ausgangssigna e der Verstärker 65, 66 für die Spalten bzw. Zeilen in positiver Richtung zählen, wohingegen die Zähler 68, 69 in die negative Zählrichtung umgeschaltet werden, wenn die Ausgangssignale 50' des ersten Diodenpaars den Ausgangssignalen 60' des zweiten Diodenpaars nacheilen.
Die Ausgangssignale der X- und Y-Zähler 68, 69 werden an Fehlerschaltungen 71, 72 für den Vergleich mit den X-und Y-Koordinaten einer Bezugsadresse von der Programmiervorrichtung 73 weitergeleitet, die von der Bedienungsperson programmiert worden ist, um vorbestimmte Adressen von Werkstückstellen auszuwählen. Das Fehlerausgangssignal von den Fehlerschaltungen 71, 72 wird an entsprechende Servoverstärker 74, 75 weitergeleitet, deren Ausgang an entsprechende X- bzw. Y-Servomotoren 76, 77 angeschlossen ist, mit denen die Bearbeitungsstation 24 so verschoben werden kann, daß das Fehlersignal am Ausgang der Fehlerschaltungen 71, 72 auf Null zurückgeht.
Die Programmiervorrichtung 73 verfolgt jeweils die gezählte Anzahl von Zeilen und Spalten sowie die verbleibende Anzahl von Zeilen und Spalten, um die adressierten X- und Y-Koordinaten zu erreichen, und steuert auch die Drehzahl der Servomotoren 76, 77 für die Bewegung der Bearbeitungsstation 24, um sicherzustellen, daß vorbestimmte Grenzen für die Beschleunigung und Abgrenzung nicht überschritten werden. Im Ausführungsbeispiel steuert die Programmiervorrichtung 73 die Beschleunigung und Abbremsung auf ein Zehntel der Erdbeschleunigung. Wenn weiterhin die Fehlerzählung eine Zeile bzw.
Spalte vor der jeweiligen ausgewählten Koordinate der adressierten Stelle angelangt ist, betätigt die Programmiervorrichtung 73 die Schalter Sx bzw. Sy, , um mit den Servomotoren 75, 76 den Anhaltepunkt für die entsprechenden X- und Y-Positionen auf einen Kreuzungspunkt 83 des Ausgangssignals 50 der Diodenpaare 57, 58 zu verriegeln, wie er bei 83 in den Fig. 4 und Fig. 6 dargestellt ist.
Die Ausgangssignale zweier dann angeschlossener Servoverstärker 81, 82 gelangen an den Eingang der Servoverstärker 74, 75, so daß die Servomotoren 76, 77 am Kreuzungspunkt 83 verriegelt werden. Der Kreuzungspunkt 83 entspricht dem Mittelpunkt eines 10 Mikrometer breiten Bereiches auf dem Werkstück sowohl in X- als auch in Y-Richtung. Er ist genau festgelegt mit einer Wiederholgenauigkeit von 1/10 Mikrometer. Auf diese Weise kann die Bearbeitungsstation 24 so prograilimiert werden, daß sie zu einer Anzahl adressierbarer Stellen auf der Oberfläche des Werkstückes 30 bewegt werden kann, die sowohl in X- als auch in Y-Richtung mit einem Abstand von 20 Mikrometer angeordnet sind. Weiterhin können diese adressierten Stellen wiederholt mit einer Genauigkeit von einem Zehntel Mikrometer erreicht werden.
Die ausgewählten Adressenstellen können auch interpoliert werden, d.h. um plus oder minus 20 Mikrometer sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung gegenüber einem festen Punkt auf dem Granitblock 10 verschoben werden, indem eine relativ geringe Verlagerung der Abfühlvorrichtung 46 gegenüber dem Granitblock 10 durchgeführt wird. Hierzu ist die Abfühlvorrichtung 46 zusammen mit der Fensterplatte 52 sowohl in X- als auch in Y-Richtung mit Hilfe von Servomotoren 84, 85 verschiebbar, welche von den Ausgangssignalen zweier Fehlerschaltungen 86, 87 gesteuert werden. Die Ausgangssignale zweier linear veränderbarer Differentialtransformatoren 88, 89 für eine Verschiebung in X- bzw. Y-Richtung, die zum Feststellen von Verschiebungen der Abfühlvorrichtung 46 in X- und Y-Richtung fest auf den Granitblock 10 zurückbezogen sind, werden an die Fehlerschaltungen 86, 87 weitergeleitet, um einen Vergleich mit Bezugssignalen durchzuführen, die unter der Steuerung der Bedienungsperson von X- bzw. Y-Bezugspotentiometern 91, 92 abgenommen werden. Die Fehlersignale der Fehlerschaltungen 86, 87 werden über Servoverstärker 93, 94 den Servomotoren 84, 85 zugeführt.
Auf diese Weise ermöglichen die Potentiometer 91, 92 eine Interpolation der ausgewählten Adressenkoordinaten X und Y auf weniger als 1/10 Mikrometer.
In dem anhand Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Bedienungsperson über die Potentiometer 91, 92 Einfluß auf die Interpolation nehmen. In einem vollautomatisierten Werkstückspositioniersystem wird jedoch vorteilhafterweise das Bezugssignal für die Interpolation der Adressenstelle zum Vergleich mit den Ausgangssignalen der Differenztransformatoren &8, 89 durch die Programmiervorrichtung 73 ausgewählt.
Die von der Bedienungsperson gesteuerte Interpolation der X- und Y-Koordinaten der adressierten Stelle der Halbleiterscheibe 30, wie sie durch die Potentiometer 91 und 92 ermöglicht wird, ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung in einer im schrittweisen Reihenbetrieb arbeitenden Halbleiterscheiben-Belichtungsmaschine zum Ausrichten der photographischen Maske 98 mit dem Muster an einer ausgewählten Adressenstelle 99 auf der Halbleiterscheibe 30. Hierzu wird die adressierte Stelle auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe 30 durch eine Lampe 101 beleuchtet, deren Licht über eine Linse 102, einen Strahlenteilerspiegel 103 und eine Linse 104 auf die adressierte Stelle 99 der Halbleiterscheibe 30 gelangt.
Das Abbild der adressierten Stelle 99 auf der Oberflächer der Halbleiterscheibe 30 wird über die Linse 104 auf die Unterseite der Maske 98 geworfen. Es kann dort durch die Maske 98 hindurch mit Hilfe des Mikroskops 105 beobachtet werden. Auf diese Weise kann die Bedienungsperson durch das Mikroskop 105 einen kleinen Teil 106 der Maske 98 zusammen mit einem kleinen überlagerten Teil 99 der Halbleiterscheibe 30 betrachten.
Wenn die Halbleiterscheibe 30 bereits einige Bearbeitungsschritte hinter sich hat, kann an der Stelle 99 der Halbleiterscheibe 30 bereits ein Schaltungsmuster zusammen mit dem entsprechenden Maskenmuster in dem Mikroskop 105 betrachtet werden. Diese überlagerten Abbildungsmuster können durch d-ie Bedienungsperson durch Einstellen der Potentiometer 91 und 92 in genaue Übereinstimmung gebracht werden, wobei der Fehler geringer ist als 1/10 Mikrometer. Dies wird dadurch erreicht, daß die Maske 98 hinsichtlich der X- und Y-Koordinaten gegenüber dem stationären Granitblock 10 stationär ist, und die beleuchtete Stelle 99 auf der Halbleiterscheibe 30 relativ zur Maske 98 und dem Granitblock 10 bewegt wird, wobei die Bewegung der Halbleiterscheibe 30 durch die Servomotoren 76, 77 und die zugehörigen Servoschleifen mit der Bewegung der Abfühlvorrichtung 46 verriegelt wird.
Die interpolierte und adressierte Halbleiterscheibe 30 wird dann durch Projektion des Maskenabbildes über die Linse 104 mit dem Muster der Maske 98 belichtet. Die interpolierte oder auf Null bezogene Adresse ist dann ein Bezugspunkt, von welchem die Programm:#ervorrichtung 73 die Bearbeitungsstation 24 automatisch schrittweise auf andere vorbestimmte Adressenstellen positioniert, die auf der Halbleiterscheibe einen von der Größe des Abbildes der Maske auf der Halbleiterscheibe abhängigen Abstand aufweisen. Dieses im schrittwe:#sen Reihenbetrieb arb#eitende Belichtungssystem ermöglicht es, geringfügige Anpassungen bei den Adressenstellen vorzunehmen, um kleine Positionierfehler der Halbleiterscheibe 30 auf der Bearbeitungsstation 24 durch die automatische Bantiervorrichtung 28 beim Zuführen der Halbleiterscheibe 30 zu kompensieren.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird das Abbild der Positioniermarkenanordnung 45 in einer solchen Weise auf die Fensterplatte 52 projiziert, daß die Y-Bezugslinie, die in Fig. 2 bei der Positioniermarkenanordnung 45 vorne liegt, bei der Fensterplatte 52 hinten zu liegen kommt. In ähnlicher Weise wird die X-Bezugslinie, die bei der Markenanordnung 45 auf der linken Seite liegt, bei der Fensterplatte 52 auf die rechte Seite projiziert. Zum Abfühlen der Y- und X-Grenzmarken 62 sind Grenzmarkenfenster 114, 115 und entsprechende Dioden 116, 117 vorgesehen. Dabei fühlt das Fenster 114 die Y-Grenzmarke und das Fenster 115 die X-Grenzmarke ab.
Das Ausgangssignal der Dioden 116, 117 wird gemäß#der Fig. 7 und 8 über einen Verstärker 118 an eine Schwellwertschaltung 119 gegeben, wo es mit einem von einem Bezugspotentiometer 120 gelieferten Bezugssignal verglichen wird und zum Feststellen eines Grenzüberganges ein entsprechendes Ausgangssignal an die Programmiervorrichtung 73 liefert, welcher ein 16 Bit-Mikroprozessor vom Typ 9900 sein kann.
In Fig. 7 ist der Ausgangssignalpegel I der Dioden 116, 117 als Funktion der Lage des betreffenden Fensters gegenüber dem daraufprojizierten Markenabbild dargestellt. Wenn das Grenzmarkenfenster sich vollständig innerhalb des Felces mit der zweidimensionalen Punktanordnung befindet, liefern die Punkte einen Reflexionsgrad von ungefähr 25%, so daß der Signalpegel I 25% des Maximalwertes besitzt. Wenn jedoch das Abbild so verschoben wird, daß ein Teil der Grenzmarke auf das Fenster projiziert wird, weist die Grenzmarke einen Reflexionsgrad von 100% auf und der Signalpegel I steigt, wie in Fig. 7 gezeigt, auf seinen Maximalwert an. Wenn die Grenzmarke das Grenzmarkenfenster vollständig überdeckt, befindet sich der Signalpegel I bei 100%. Die Schwellwertschaltung 119 ist so eingestellt, daß ein Signalpegel von 5/8 des Maximalwertes ein den Grenzübergang anzeigendes Ausgangssignal auslöst.
Wenn die Maschine eingeschaltet wird, bewirkt die Programmiervorrichtung 73, daß die Bearbeitungsstation 24 in einer solchen Weise verlagert wird, daß die Grenzmarken abgefühlt werden und daß die Spalten- und Zeilen-Zählung in den entsprechenden X- Und Y-Zählern auf die Grenzmarken zurückbezogen werden. Das Erreichen der X-Grenzmarke wird von der Programmiervorrichtung 73 dadurch festgestellt, daß die Bearbeitungsstation 24 unter Beibehaltung einer anfänglichen Y-Zeilenadresse in der negativen X-Richtung verschoben wird, bis durch das Grenzmarken fenster 115 und die Diode 117 ein Grenzmarkenabbild festgestellt wird. Das Schwellwertausgangssignal wird an die Programmiervorrichtung 73 weitergeleitet, um den Ausgang des Spaltenzählers auf die entsprechende X-Grenzmarke zurückzubeziehen. Die Programmiervorrichtung 73 verschiebt jetzt die Bearbeitungsstation 24 unter Beibehaltung der anfänglichen Y-Zeilenadresse in der positiven X-Richtung, bis der Zähler bis zum Mittelpunkt der Bearbeitungsstation 24 gezählt hat. Dann veranlaßt die Programmiervorrichtung 73 die Bearbeitungsstation 24 unter Beibehaltung der mittleren X-Spaltenadresse in der negativen Y-Richturg weiterzugehen, bis das Grenzmarkenfenster 114 und die Diode 116 die Y-Grenzmarke erfaßt. Das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung wird wieder zu der Programmiervorrichtung zurückgegeben und setzt die Zeilenzählung an der Y-Grenzmarke auf Null.
Wenn das Diodenpaar 57, wie zuvor anhand der Fig. 4 und 6 beschrieben, mit Hilfe des analogen Kreuzungspunkts 83 die Vorrichtung auf die X-adressierten Marken verriegelt, verwendet es dasjenige Diodenpaar, das am weitesten von der entsprechenden Abfühidiode 116 für die Y-Grenzmarke entfernt ist, um ein Abfühlen der Grenzmarke und ein Anhalten der Bewegung der Bearbeitungsstation zu ermöglichen, während diese an der gewünschten adressierten Spalte verriegelt wird. In ähnlicher Weise ist das für die Verriegelung der adressierten Zeilenmarken verwendete Diodenpaar 58 aus den gleichen Gründen dasjenige, das am weitesten von der Abfühldiode 117 für die X-Grenzmarke entfernt ist.
Die beschriebene in der X- und Y-Richtung adressierbare Werkstück-Positioniervorrichtung hat insbesondere in einer Maskenausricht- und Belichtungsmaschine den Vorteil, daß das Werkstück schrittweise an verschiedene adressierbare Stellen bewegt werden kann, die bis auf einen Zehntel-Mikrometer genau bestimmt werden können. Das schrittweise Weiterbewegen des Werkstückes von einer adressierbaren Stelle zur nächsten erfolgt auf dem kürzesten Weg zwischen den beiden adressierten Stellen und wird durch eine gemeinsame zweidimensionale Anordnung von Positioniermarken genau bestimmt, wodurch die Suchzeit verringert und der Durchsatz der Maschine erhöht wird, während die Genauigkeit der adressierten Stellen durch das genaue Positionieren von X- und Y-Koordinatenmarken genau bestimmt wird, ohne daß die Genauigkeit von dem Grad der Orthogonalität kostspieliger Lagervorrichtungen abhängt und ohne daß genau konstantzuhaltende Klimakammern für Laser-Vorrichtungen erforderlich wären.
Unter einer zweidimensionalen Anordnung" von Koordinaten-Positioniermarken soll jede Anordnung von Marken in zwei Richtungen verstanden werden. Während also eine Reihe paralleler Linien eine eindimensionale Anordnung ist, wäre eine Reihe von Punkten, die wie in Fig. 3 in zwei Richtungen hantereinander angeordnet sind, genauso eine zweidimensionale Anordnung, wie eine Reihe konzentrischer Ringe mit einer Reihe radialer Speichen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Verfahren zur zweidimensionalen Positionierung eines Werkstückes, insbesondere zur Ausrichtung einer optischen Maske mit einer ausgewählten Position einer Halbleiterscheibe in X- und Y-Richtung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Werkstück auf einer Bearbeitungsstation befestigt wird, die in der Ebene, in welcher das Werkstück positioniert werden soll, in zwei Koordinatenrichtungen bewegbar ist, und # zur Positionierung des Werkstückes eine zweidimensionale Anordnung von Koordinatenpositioniermarken aufweist, daß ein vergrößertes Abbild mindestens eines Teiles der Positioniermarkenanordnung auf eine stationäre Abfühlstation projiziert, dort abgefühlt und in ein den abgefühlten Koordinaten entsprechendes Ausgangssignal umgesetzt wird, daß die abgefühlten Koordinaten mit den Koordinaten einer Bezugsadresse verglichen und in ein Fehlersignal umgesetzt werden, und daß das Werkstück und die Positioniermarkenanordnung in Abhängigkeit von dem Fehlersignal zu der Bezugsadresse bewegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der das Abbild aufnehmende Teil der stationären Abfühlstation gegenüber dem auf ihn projizierten Abbild in mindestens einer der beiden Koordinatenrichtungen zur Interpolation der betreffenden Koordinate der abgefühlten Adresse derart bewegt wird, daß das in Abhängigkeit von dem Fehlersignal bewegte Werkstück gegenüber einem Bezugspunkt, der hinsichtlich der Koordinaten gegenüber der stationären Abfühlstation stationär ist, zu der interpolierten abgefühlten Adresse geführt wird.
3. Vorrichtung nach Ansrpuch : oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Positioniermarkenanordnung eine zweidimensionale Anordnung von Punkten umfaßt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein der Bezugsadresse entsprechender Teil des Werkstückes und ein mit diesem auszurichtendes stationäres Muster abgebildet werden, daß die Abbilder des Werkstückes und des stationären Musters einander überlagert werden, und daß der das Abbild aufnehmende Teil der stationären Abfühlstation in mindestens eine der beiden Koordinatenrichtungen gegenüber den auf ihn projizierten Positioniermarken derart bewegt wird, daß der der Bezugsadresse entsprechende Teil des Werkstückes zur genauen Ausrichtung der beiden Abbilder in den jeweiligen Koordinatenrichtungen und zur Interpolierung der jeweiligen Koordinate der abgefühlten Adresse interpoliert wird derart, daß das in Abhängigkeit von dem abgefühlten Ausgangssignal bewegte Werkstück zu der interpolierten abgefühlten Adresse geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Werkstück eine Halbleiterscheibe und das mit dieser auszurichtende Muster dasjenige einer Maske ist, welcher der adressierte Teil der Halbleiterscheibe ausgesetzt werden soll.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Bezugsadresse schrittweise um vorbestimmte, der Größe des auf der Halbleiterscheibe abzubildenden Musters entsprechende Beträge verändert wird, derart, daß die Halbleiterscheibe nacheinander an verschiedenen Stellen dem Maskenmuster ausgesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e-k e n n z e i c h n e t , daß das Abbild der Positioniermarkenanordnung durch zwei Paare von Mustererkennungsfenstern unabhängig voneinande für die beiden Koordinatenrichtungen abgefühlt wird, daß das Abbild jedes Fensters eines Paares von Mustererkennungsfenstern getrennt. abgefühlt wird, und daß zur Aufhebung des Hintergrundrauschens durch Streulicht das abgefühlte Ausgangssignal für ein Fenster jedes Paares von dem abgefühlten Ausgangssignal für das jeweilige andere Fenster abgezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die transparenten Bereiche der beiden Fenster eines Paares von Mustererkennungsfenstern ungefähr gleich groß sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Fenster jedes Paares von Mustererkennungsfenstern aus einer Anzahl paralleler, langgestreckter, transparenter Bereiche besteht, deren Längsachse senkrecht zu der Abfühlrichtung der Koordinatenpositioniermarken steht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Bearbeitungsstation nacheinander an Grenzmarken für die beiden Koordinatenrichtungen herangeführt wird und die Grenzmarken als Bezugsmarken für die abgefühlten Koordinatenpositioniermarken ab fühlt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß bei unterschiedlichem optischen Transmissions- bzw. Reflexionsgrad der Koordinatenpositioniermarken und der Grenzmarken jeweils zur Bestimmung des Bezugspunktes festgestellt wird, wann das Ausgangssignal einen vorgegebenen Zwischenwert zwischen den beim A.bfühlen einer Koordinatenpositioniermarke und beim Ab fühlen: einer Grenzmarke auftretenden Ausgangssignalen erreicht.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Abbild der Grenzmarken für jede Koordinatenrichtung durch ein Grenzmarkenfenster abgefühlt wird, das in der stationären Abfühlstation näher am Bildrand liegt als der Mittelpunkt des entsprechenden Paares von Mustererkennungsfenstern, derart, daß die Mustererkennungsfenster zum Abfühlen von Koordinatenpositioniermarken verwendet werden können, während die Grenzmarkenfenster zum Abfühlen der Grenzmarken eingesetzt sind.
13. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, g e k e n n -z e i c h n e t durch eine zweidimensionale Anordnung (45) von Koordinatenpositioniermarken, die mit der Bearbeitungsstation (24) verbunden und mit dieser zur Positionierung des Werkstückes (30) bewegbar ist, durch eine stationäre Abfühlstation (46), mit welcher die Koordinatenpositioniermarken abfühlbar sind, durch eine Projektionsvorrichtung zur Erzeugung eines vergrößerten Abbildes mindestens eines Teiles der Positioniermarkenanordnung (45) auf die stationäre Abfühlstation (46), welches in ein den abgefühlten Koordinaten entsprechendes Ausgangssignal umsetzbar ist, durch einen Vergleicher (65, 68, 71; 66, 69, 72), mit dessen Hilfe die abgefühlten Koordinaten mit den Koordinaten einer Bezugsadresse vergleichbar und in ein Fehlersignal umsetzbar sind, und durch eine Transportvorrichtung (76, 77) zum Bewegen der Bearbeitungsstation (24) und der Positioniermarkenanordnung (45) in Abhängigkeit von dem Fehlersignal zu der Bezugsadresse.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, g e k e n n z e i c h -n e t durch eine zweite Transportvorrichtung (84,85) zum Bewegen der sti.tionären Abfühlstation (46) gegenüber einem Bezugspunkt, der hinsichtlich der Koordinaten gegenüber der stationären Abfühlstation (46) stationär ist, in mindestens einer der beiden Koordinatenrichtungen zum Interpolieren der betreffenden Koordinate der abgefühlten Adresse, derart, daß die Bearbeitungsstation (24) zusammen mit dem in Abhängigkeit von dem Fehlersignal bewegten Werkstück (30) zu der interpolierten abgefühlten Adresse geführt wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die zweidimensionale Anordnung (45) von Koordinatenpositioniermarken eine zweidimensionale Anordnung von Punkten umfaßt, die sich vorzugsweise in X- und Y-Richtung erstrecken.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, g e k e n n z e i c h n e t durch eine erste Abbildungsvorrichtung (47, 48, 49, 51), mit welcher ein der Bezugsadresse entsprechender Teil (99) des auf der beweglichen Bearbeitungsstation (24) befestigten Werkstückes (30) abbildbar ist, durch eine zweite Abbildungsvorrichtung (101, 102, 103, 104), mit welcher ein mit diesem Werkstücksteil (99) auszurichtendes stationäres Muster abbildbar ist, durch eine Überlagerungsvorrichtung (49, 103) mit welcher die Abbilder des Werkstücksteils (99) und des stationären Musters einander überlagerbar sind und eine zweite Transportvorrichtung (84, 85) mit welcher der das Abbild aufnehmende Teil der stationären Abfühlstation (46) in mindestens einer der beiden Koordinatenrichtungen gegenüber dem stationären Muster derart bewegbar ist, daß der der Bezugsadresse entsprechende Teil des Werkstückes zur genauen Ausrichtung der beiden Abbilder interpoliert wird, derart, daß das in Abhängigkeit von dem abgefühlten Ausgangssignal be; wegte Werkstück zu der interpolierten abgefühlten Adresse geführt wird.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Werkstück eine Halbleiterscheibe (30) und das mit dieser auszurichtende stationäre Muster dasjenige einer Maske ist, welche der adressierte Teil (99) der Halbleiterscheibe (30) ausgesetzt werden soll.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, g e k e n n z e i c h -n e t durch eine Porgrammvorrichtung (73) mit welcher-die Bezugsadresse schrittweise um vorbestimmte, der Größe des auf der Halbleiterscheibe(30) abzubildenden Musters entsprechende Beträge veränderbar ist, derart, daß die Halbleiterscheibe (30) nacheinander an verschiedenen Stellen dem Maskenmuster ausgesetzt wird.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die stationäre Abfühlstation (46) mindestens zwei Paare von Mustererkennungsfenstern (53) aufweist, durch welche das Abbild der Positioniermarkenanordnung (45) unabhängig voneinander für die beiden Koordinatenrichtungen abfühlbar sind, daß Abfühlvorrichtungen t57, 58) für die getrennte Abfühlung des Abbildes jedes Fensters eines Paares von Mustererkennungsfenstern vorgesehen sind, und daß zur Aufhebung des Hintergrundrauschens durch Streulicht in einer Subtrahiervorrichtung (57, 58) das abgefühlte Ausgangssignal für ein Fenster jedes Paares von dem abgefühlten Ausgangssignal für das jeweilige andere Paar abziehbar ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die transparenten Bereiche der beiden Fenster eines Paares von Mustererkennungsfenstern (53) der stationären Abfühlstation (46) ungefähr gleich groß sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Fenster jedes Paares von Mustererkennungsfenstern (53) aus einer Anzahl paralleler, langgestreckter, transparenter Bereiche besteht, deren Längsachse senkrecht zu der Abfühlrichtung der durch das betreffende Fenster abgefühlten Koordinatenpositioniermarken steht.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Positioniermarkenanordnung (45) weiterhin Grenzmarken (62) als Bezugsmarken für die Koordinatenpositioniermarken aufweist, daß eine Transportvorrichtung (76, 77) vorgesehen ist, mit welcher die Bearbeitungsstation (24) nacheinander an die Grenzmarken (62) für die beiden Koordinatenrichtungen heranführbar ist sowie eine Grenzabfühlvorrichtung (116 bis 120), mit welcher die Grenzmarken (62) als Bezugsmarken für die abgeführten Koordinatenpositioniermarken (59) abfühlbar sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Positioniermarkenanordnung ein Feld umfaßt, das eine zweidimensionale Anordnung von Punkten (5 3) mit einem ersten optischen Transmissions--bzw. Relexionsgrad aufweist und die Grenzmarken (62) einen zweiten optischen Transmissions- bzw. Reflexionsgrad besitzen, und daß die Grenzabfühlvorrichtung (116 bis 120) zur Abfühlung der Grenzmarken festzustellen vermag, wann das Ausgangssignal einen vorgegebenen Zwischenwert zwischen den beim Abfühlen der beiden Transmissions-bzw. Reflexionsgrade auftretenden Ausgangssignale erreicht.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die stationäre Abfühlstation (46) für jede Koordinatenrichtung ein Grenzmarkenfenster (114,115) aufweist, mit denen die Teile des auf die stationäre Abfühlstation (46) projizierten Abbildes mit den Grenzmarken (62) abfühlbar sind, und daß die Grenzmarkenfenster (114, 115) näher an den Teil des projizierten Abbildes mit den Grenzmarken (62) angeordnet sind als die entsprechenden beiden Mustererkennungsfenster (53), derart, daß die Koordinatenpositioniermarken (59) gleichzeitig mit den Grenzmarken (62) abfühlbar sind.