DE3211928A1

DE3211928A1 - Anordnung zum detektieren der lage eines gegenstandes

Info

Publication number: DE3211928A1
Application number: DE19823211928
Authority: DE
Inventors: Theodorus Adolphus 5621 Eindhoven Fahner
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-04-03
Filing date: 1982-03-31
Publication date: 1983-01-20
Also published as: CA1194176A; FR2503416B1; FR2503416A1; DE3211928C2; JPS6355002B2; GB2096316B; GB2096316A; JPS57178103A; NL8101668A

Description

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"Anordnung zum Detektieren der Lage eines Gegenstands".

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Detektieren der Lage eines Gegenstandes, welche Anordnung eine Strahlungsquelle und ein strahlungsempfindliches Detektorsystem enthält, das zumindest zwei Detektoren enthält, die in einer Bewegungsrichtung des Gegenstands hintereinander angeordnet sind, wobei die Strahlungsverteilung auf das Detektorsystem ein Mass für eine Abweichung zwischen der reellen und der gewünschten Lage des Gegenstands ist.

In der US-PS 3 207 90k ist eine derartige Anordnung zum Positionieren der Kontaktstreifen eines Transistors beschrieben. Dabei werden die reflektierenden Streifen von einem Strahlungsbündel angestrahlt und mittels eines Mikroskopobjektivs an einem strahlungsempfindlichen Detektorsystem abgebildet. Dieses Detektorsystem besteht aus vier Teilen, von denen ein jeder aus einer Maske mit einem dahinter gestellten strahlungsempfindlichen Element besteht, z.B. einem Photoleiter oder einem strahlungsempfindlichen Halbleiterelement. Durch den Vergleich der Ausgangssignale dieser strahlungsempfindlichen Elemente kann die Lage der Kontaktstreifen in zwei zueinander senkrechten Richtungen gemessen als auch die Winkelstellung des Transistors detektiert werden.

Optische Positiondetektionsanordnungen können an vielen Stellen benutzt werden, u.a. in einem Gerät zum Projizieren eines Maskenmusters auf ein Substrat, welches Gerät bei der Herstellung integrierter Schaltungen benutzt wird. Dieses Gerät enthält einen drehbaren Maskentisch, auf dem mehreren Masken, die in den aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten abgebildet werden müssen, angebracht werden können. Veiter enthält das Gerät einen sogenannten Substratwechsler, mit dem ein belichtetes Substrat aus dem Gerät entfernt und ein noch zu belichtendes Substrat in das Gerät gebracht werden kann. Zum Positionieren sowohl des

Οβ COCO

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-fr.

Substratwechslera als auch des Maskentisches lässt sich eine optische Positiondetektüranordnung verwenden»

Bei diesem und anderen Anwendungen einer optischen Positionsdetektoranordnung, bei der sich schnell bewegende Gegenstände mit hoher Genauigkeit positioniert werden müssen, besteht zu einem frühen Zeitpunkt der Bedarf an einem Hinweis darauf,, dass der au positionierende Gegenstand sich ■ seiner gewünschte Position oder Winkelstellung nähert, so dass die Geschwindigkeit, .mit dar der Gegenstand bewegt

IQ wird, angepasst werden kann und dia gewünschte Lage oder _; Winkelstellung mit ausreichend reduzierter Geschwindigkeit erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde„ eine derartige Anordnung zu schaffen» Die Anordnung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch ein die Strahlungsverteilung auf das Detektorsystem in Abhängigkeit von der Lage des Gegenstands bestimmendes optisches Prisma mit zumindest einer brechenden Kante, die quer zur Bewegungsrichtung des Gegenstands steht 5 wobei der Winkel zwischen dem Prismenflächen, die dieser Kante einschliesssn, wesentlich grosser als 90° ist.

Durch den grosson Spitzenwickel ₉ der b©ispiels= i-/eise die Grdssenordnung von I65 hat₉ wird erreicht ₉ dass eine Verschiebung des Prismas und des Strahlungsbuadels gegeneinander eine wesentlich kleinere Verschiebung des· Bündels über das strahlungsempfindliche Detektorsystem sur Folge hat,.so dass auch bei grösseren Verschiebungen des Prismas in bezug auf das Strahlungsbündel noch genug Strahlung das Detektorsystem erreicht» Nachgewiesen werden kann» dass bei der Verwendung eines strahlungsdurchlässigen bzw, eines reflektierenden Prismas unter bestimmten Bedingungen eine Vorgrösserung des Einfangbereichs um den Faktor 2/ot. bzw. 2 (X ^ möglich ist, worin OC d©r Grundwinkel des Prismas ausgedrückt in Radialen ist.

Für die Ermittlung der Lage eines Gegenstands in einer Richtung werden ein Prisma mit zwei schräg hochstehenden Flächen und zwei strahlungsempfindlichen Detektoren benutzt. Soll die Position eines Gegenstands in zwei zu-

• ·

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einander senkrechten Richtungen bestimmt werden, so sind ein Prisma mit; vier schräg gerichteten Flächen und vier Detektoren zu benutzen.

Es sei bemerkt, dass es an sich aus der US-PS 2 702 505 bekannt ist, in einer Anordnung zum Positionieren eines Gegenstands ein reflektierendes Prisma zum Trennen eines Strahlungsbündels in zwei Teilbündel zu verwenden, die auf je einen Detektor reflektiert werden, und wobei die Strahlungsverteilung auf die Detektoren ein Mass für die Abweichung zwischen der reellen und der gewünschten Lage des Gegenstands ist. Die Aufgabe dieses Prismas ist jedoch nicht eine Vergrösserung des Einfangsbereichs. Die Detektoren, die z.B. Fotoröhren sind, besitzen eine verhältnismässig grosse strahlungsempfindliche Oberfläche. Der Spitzenwinkel des Prismas in der bekannten Richtung beträgt etwa 90 und der Grundwinkel dieses Prismas etwa 45 .

Eine Anordnung zum Detektieren der Winkelstellung eines sich drehenden Gegenstands ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Strahlungsquelle und dem Prisma eine Linse angeordnet ist, deren Brennpunktabstand gleich dem Abstand zwischen der Drehachse und der Linse ist. Die Linse sorgt nunmehr dafür, dass der Hauptstrahl des Bündels immer unter dem gleichen Winkel das Prisma erreicht. Diese Linsekann eine Zylinderlinse sein, deren optische a 25 Achse zur Drehachse des Gegenstands parallel verläuft.

Vorzugsweise ist das Prisma mit dem Gegenstand verbunden, dessen Position zu detektieren ist, und sind die übrigen Elemente der Detektoranordnung ortsfest angeordnet .

Zum Erhalten eines möglichst gedrängten Aufbaus der Detektoranordnung ist das Prisma vorzugsweise ein reflektierendes Prisma.

Ein maximaler Einfangbereich und ein möglichst gedrängter Aufbau werden bei einem reflektierenden Prisma dadurch erhalten, dass der Hauptstrahl des von der Strahlungsquelle ausgesandten Bündels einen von 90 abweichenden Winkel mit der brechenden Kante des Prismas bildet. Zum Konzentrieren der vom Prisma reflektierten

> Φ d Φ ca ο β

m ο ο ο « σο

OO OO OO

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Bündel können getrennte optische Elemente, ζ.Β» Lichtleitfasern, Linsen u.dgl. benutzt werden. Vorzugsweise ist die erfindungsgemässe Anordnung noch dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Beleuchtungslinsensystem, das einen Strahlungsfleck auf dem Prisma bildet, und dem Prisma Spiegel angeordnet sind, die die vom Prisma reflektierten Bündel zur Pupille des Linsensystems reflektieren» Dabei wii.'d das Beleuchtungslinsensystem ebenfalls sum Fokussieren der reflektierten Bündel auf den Detektoren benutzte Wenn ebenfalls zwischen der Strahlungsquelle und ■ dem Linsensystem Spiegel angeordnet sindj, werden Abbildungen der Strahlungsquelle nahe bei dieser Quelle selbst gebildet und können die Detektoren und die Quelle, die eine lichtemittierende Diode (LED) sein kann, auf einem einsigen Träger angebracht sein.

Die erfindungsgemässe Anordnung kann vorteilhaften/eise in einem Gerät zum Darstellen eines Maskensausters auf einem Substrat benutzt werden, welches Gerät eiaea Maskentisch und einen Substratwechslsr enthält«, die schnell und genau positioniert werden müsssn, Ein derartiges Gerät ist dadurch gekennzeichnet, dass Elemente einer ersten Positiondetektionsanordnung mit dem Maskentisch und Elemente einer zweiten Positionsdetektionsanordnung mit dem Substratwechsler verbunden sind»

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach.-

stehend an Hand der Zeichnung näher erläutert« Es ze±gen Fig. 1 eine bekannte Anordnung sum Detektieren der Lage eines Gegenstands₉

Fig. 2 das in dieser Anordnung benutzte strahlungsempfindliche Detektorsystem,

Fig. 3 den Verlauf des Positionssignals als Funktion der Ve !"Schiebung des Gegenstands in dieser Anordnung,

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Fig. k und 5 erfindungsgeinässe Anordnungen mit einem strahlungsdurchlässigen bzw. reflektierenden Prisma,

Fig. 6 ein reflektierendes Prisma mit schräg hochgestellten Flächen zur Verwendung in einer erfindungsgemässen Anordnung,

Fig. 7 und 8 die Bündelablenkung als Funktion der Verschiebung des Gegenstands für ein strahlungsdurchlässiges bzw. reflektierendes Prisma,

Fig. 9 den Verlauf des Pos d. tionssignals als Funktion der Verschiebung in einer erfindungsgemässen Anordnung,

Fig. 10a, 10b und 10c mehrere optische Elemente zum Konzentrieren der von einem Prisma reflektierten Strahlung auf die Detektoren,

Fig. 11 und 12 Ausführungsformen einer Anordnung zum Detektieren der Stellung eines drehbaren Gegenstands,

Fig. 13 ein Gerät zum Projizieren eines Maskenmusters auf ein Substrat,

Fig. 14a und 14b den Strahlengang bei einem reflektierenden Prisma, wenn der Hauptstrahl des Beleuchtungsbündels senkrecht bzw. unter einem von 90 abweichenden Winkel auf die brechende Kante einfällt,

Fig. 15 eine Ausführungsform einer Positionsdetektionsanordnung mit zusätzlichen Spiegeln für die reflektierten Bündel,

Fig. 16 die Ordnung der Detektoren in bezug auf die Strahlungsquelle in einer Ausführungsform der Positionsdetektionsanordnung und

Fig. 17 eine Ausführungsform der Positionsdetektionsanordnung, in der nur ein Element die Funktionen des Beleuchtungslinsensystems und der Spiegel erfüllt.

In Fig. 1 ist das Prinzip einer bekannten Anordnung zum Detektieren der Position eines Gegenstands in bezug auf eine Referenzposition angegeben. Diese Anordnung enthält eine Quelle B, die ein Bündel b aussendet. Ein Linsensystem L konzentriert die Strahlung der Quelle in der Ebene eines Detektorsys terns D. Das Linsensystem L kann eine scharfe Abbildung B¹ der Quelle B bilden, jedoch ist dies

is og mm

φ OD O

σ« mw® OQ ο, ο

Q> 0 φ © Gt

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nicht notwendig. Wenn nur die Position in einer Richtung, der Richtung χ in Fig„ 1„ des Gegenstands bestimmt werden soll, besteht das Detektorsystem D aus zwei Detektpren D₁ und D₀ beispielsweise Fotodioden, deren Trennlinie quer zur Richtung χ verläuft. Die Ausgangssignale dieser Detektoren gelangen -an die Eingänge eines Differenzverstärkers A_s dessen Ausgangssignal ein Mass für die Abweichung Zt ischen der gewünschten und der reellen Position des Gegenstands ist, der in Figo 1 mit V bezeichnet ist. Dieser Gegenstand ist mit einem oder mehreren Elementen der Positionsdetektionsanordnung, beispielsweise wie in Figo 1 angegeben, mit dem Linsensystem L verbunden» Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers A gelangt an eine in Fig. 1 schematisch mit dem Block C bezeichnete Steueranordnung für den Gegenstand.

Wenn sich der Gegenstand in der richtigen Position befindet, liegt die Abbildung B' der Quelle B symmetrisch in bezug auf die Detektoren D₁ und D₂ und sind die Ausgangssignale dieser Detektoren gleich« Hat sich der Gegenstand nach links oder nach rechts in bezug auf die gewünschte Lage verschoben, sind die Ausgangssignale der Detektoren D₁ und D₂ ungleich. Die Folge davon ist, dass die Steueranordnung den Gegenstand nach rechts oder nach links bewegen wird, bis die Detektorsignalθ einander gleich sind.

Wenn die Position des Gegenstands in zwei zueinander senkrechten Richtungen bestimmt werden soll, muss das Detektorsystem D aus vier Detektoren D₁, Dp, D„ und D^ gemäss Fig. 2 bestehen= Die Detektoren D_ und Dl sind mit einem zweiten, nicht dargestellten Differenzverstärker verbunden, dessen Ausgangssignal einer zweiten, nicht dargestellten Steueranordnung zum Bewegen des Gegenstands quer zur Richtung χ zugeführt wird.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Ausgangssignals E des Differenzverstärkers A abhängig von der Position S dargestellt. Die Position S ist die gewünschte Position des Gegenstands. Befindet sich der Gegenstand in der Position S oder S₀, befindet sich die Abbildung B« vo&lständig über einem der Detektoren. Die Grosse des Positionierung®-

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-9.

bereichs ρ 1st etwa gleich. M.e, worin M die Vergrösserung des Linsensystems L und e der Durchmesser der Strahlungsquelle B ist. Nimmt der Gegenstand die Position S oder S. ein, so fällt der Hauptstrahl des Bündels b auf den Rand eines Detektors. Bewegt sich der Gegenstand weiter nach aussen, so fällt das Bündel b vollständig neben die Detektoren und ist keine Positionsdetektion mehr möglich. Das Gebiet zwischen S_ und Si ist der Einfangbereich.

In einigen Anwendungen, im allgemeinen in solchen,

ig bei denen sich schnell bewegende Gegenstände oder Gegen^ stände mit einer grossen Masse mit hoher Genauigkeit positioniert werden müssen, möchte man zur Verwirklichung einer stabilen Regelung und zur Vermeidung einer zu grossen Bewegung des Gegenstands frühzeitig feststellen können, ob sich der Gegenstand dem Positionierungsgebiet nähert. Dann können Massnahmen getroffen werden, rechtzeitig die Geschwindigkeit des Gegenstands derart anzupassen, dass das Positionierungsgebiet mit der gewünschten, verhältnismässig geringen Geschwindigkeit erreicht wird. Dabei wird detek-s tiert, ob eine der Begrenzungen des Einfangbereichs, also eine der Flanken um die Punkte S und S^ herum, in Fig. 3 der Kurve Tür E , passiert wird. In den erwähnten Fällen wird also ein möglichst grosser Einfangbereich I benötigt. Der Einfangbereich der bekannten Anordnung wird durch die Breite d der Detektoren oder durch die Vignettierung bestimmt, die bei grösseren Verschiebungen auftreten kann. In den Fällen, in denen die Quelle B oder das Detektorsystem D mit dem beweglichen Gegenstand verbunden ist, ist der Einfangbereich I gleich 2d. Sind die Detektoren D₁ und D₉ fotodioden, ist d verhältnismässig klein, beispielsweise 2 mm, und fällt das Bündel b schon rasch neben das Detektorsystem D. ¥enn das Linsensystem L mit dem Gegenstand verbunden ist, ist der Einfangbereich I (vorausgesetzt, es tritt keine Vignettierung auf) gegeben durch: I = 2d/M, worin M die Vergrösserung des Linsensystems ist. In diesem Fall könnte der Einfangbereich durch die Wahl eines kleineren Werts für M vergrössert werden. Jedoch hat die Verkleinerung von M ihre Grenzen, insbesondere wenn die Anord-

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riung gedrängt und also der Brennpunk tab st and des Linsensystems klein sein soll»

Wenn in einer derartigen Anordrung, in der das Linsensystem L eine Abbildung der Quelle in dar Ebene des

S Detektionssystem bildet, bei gleichbleibender Gesamtlänge der Anordnung M verkleinert wird, muss die Linse einen kleineren Brennpunktabstand besitzen und gleichseitig muss dia sich bewegende Linse das Bündel im ganzen Fangbereich nach wie vor auffangen können» In diesem Pail wird ein Linsensystem mit verhältnismässig kleinem Brennpunktabstand und verhältnismässig grossem Durchmesser oder siimindest gleich dem Fangbereich benötigt, also ein System mit unmöglich grosser numerischer Apertur» Dadurch ist diese Lösung für die Praxis kaum brauchbar.

Nach der Erfindung kann bei gleichbleibendem Positionsbereich der Einfangbereich dadurch vergrössert werden, dass in den Strahlungsweg ein Prisma P mit spitzem Grundwinkel ot und grossem Spitzenwickel ^9 aufgenommen wird« Fig» k und 5 zeigen schematised Ausführungsformen einer erfindungsgemässen Anordnung mit einem strahlungsdurcblässigen bzw. einem strahlungsreflektierenden Prisma« Dabei bietet ein reflektierendes Prisma in bezug auf ein. stralilungsdurchlässiges Prisma den Vorteil, dass die Detektoranordnung kleiner bleiben kann und dass an den Gegenstand keine optischen Bedingungen gestellt zu werden brauchen« Die Aufteilung des vom Linsensystem gebildeten Strahlungsflecks wird in den Anordnungen nach Fig« k und vom' Prisma P versorgt. Die gebildeten Teilbündel h*₉ und b,_} werdon von don. 'Fotodioden D₁ und D„ oingefangen. Die

Stelle, an der die Teilbündel die Fotodioden treffen, ist jetzt nicht mehr wichtig, wenn nur der Hauptstrahl dieser Bündel von den Fotodioden eingefangen wird«

Wenn die Position eines Gegenstands in awei zueinander senkrecht stehenden Richtungen zu bestimmen ist_s ^ muss ein Prisma nach Fig. S₉ also ein Prisma mit vier schräg hochstehenden Flächen, benutzt werden» Eine jede dieser Flächen reflektiert ein Teilbündel (b „ b««, b_ und

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b^) auf einen zugeordneten Detektor (D₁, D₀, D„ und D.).

Vorzugsweise ist das Prisma P mit dem beweglichen Gegenstand verbunden und sind die Quelle B, das Linsensystem L und das Detektorsystem D ortsfest angeordnet. Je-

g doch ist es auch möglich} dass das Prisma P ortsfest angeordnet ist und die übrigen Elemente B, L und D mit dem beweglichen Gegenstand verbunden sind.

In der erfindungsgemässen Anordnung wird die Tatsache ausgenutzt, dass bei einer bestimmten Linearver-Schiebung des Prismas P in bezug auf das Bündel b, wobei der Winkel, unter dem die Teilbündel abgelenkt werden, konstant bleibt, die Teilbündel eine viel geringere seitliche Verschiebung erfahren. Dadurch werden auch bei grösseren Abweichungen zwischen der reellen und der gewünschten Lage des Gegenstands die Teilbündel nach wie vor die Detektoren erreichen. Da die Verschiebung der Teilbündel kleiner als die Verschiebung des Prismas in bezug auf das Beleuchtungsbündel b ist, entstehen weniger rasch Probleme mit der Vigenttierung, mit dem Einfangen der Bündel durch die Detektoren oder mit dem Neuabbilden auf diesen Detektoren.

In Fig. 7 ist angegeben, wieviel sich bei einem strahlungsdurchlässigen Prisma ein Teilbündel verschiebt bei der Verschiebung des Prismas über einen Abstand s. Die Ablenkung .? oder der Winkelunterschied zwischen dem das Prisma P erreichenden Bündel und dem vorn Prisma abgelenkten Bündel ist durch das bekannte Brechungsgesetz gegeben:

n. sin Λ. = η .sin ^X..

worin >X der Einfallswinkel des Bündels auf eine schräge Fläche des Prismas, CbC₁ der Winkel zwischen dem abgelenkten Bündel und der Normalen auf dieser Fläche ist, während η bzw. n₁ der Brechungsindex des Prismenmaterials bzw. der Luft ist. Für spitze Winkel ^ und OC gilt dabei:

n.-X = ^X. (für η = 1).
Die Ablenkung 3 = (¹^i -**-) ist dabei ο = (n-i)oC.

Für ein Glasprisma mit η = 1,5 beträgt O = 0,5 '-^-· Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass für die Bündelverschiebung Λ gilt:

-i = h.sin^ worin

*· ωβββ ο # Qq • · · » α ν α it« οο «

• IB ββ

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U= S . tan ό ,
so dass für spitze Winkel *-. und ·3 gilts

Δ = s.Ä.J, s 0,5-^~^sj also s s ^rTo

In dem Fall einer 1-zu-1-Abbildung der Quelle darf die Verg Schiebung ά maximal gleich der Breite d einer Fotodiode sein, so dass die maximale Verschiebung s des Gegenstands nach links oder nach rechts, die noch gut detekttierbar iet, gleich?

^smax ™ " ^2
,« ist. In einer Positionsdetektionsanordnung ohne Prisma war die maximale Verschiebung, die noch gemessen werden konnte, gleich d. Die Vergrösserung des Einfangbereichs ist daher

ο
etwa 2/:O, worin ¹X in Radialen ausgedrückt ist. Weil für

ein dünnes Prisma, z.B. einen Keil, die Ablenkung'"· praktisch ^g konstant ist, unabhängig von der Stellung des Prismas, gilt Obiges auch für die Situation, in der das Bündel b erst die schrägen Flächen des Prismas erreicht.

In Fig. 8 ist angegeben, wieviel bei einem reflektierenden Prisma ein Teilbündel sich verscliiebt bei Verschiebung des Prismas in bezug auf das Beleuchtungsbiiadel Über einen Abstand s. Für die Verschiebung Δ gilt nunmehr: Λ s h'.sin 2 '.ve, worin
h¹ = s.tan (X
so dass für einen kleinen Winkel <X gilts

η Α

^Δ = ^s·²«- ^{und s s} _J_

Die Vergrösserung des Einfangbereichs ist etxira _o 2 bei einer 1-zu-1-Abbildung der Quelle.

In Fig„ 9 ist die Vergrösserung des Einfangbereichs schematisch angegeben. I.. ist der Einfangbereicli

2Q einer Anordnung ohne Prisma und L der einer Anordnung mit einem Prisma. In einer Ausführungsform mit einem reflektierenden Prisma, dessen Basiswinkel (X, etwa 6₅5 ist, kann grundsätzlich I„ etwa 37 x I₁ sein»

In Fig. 7 und 8 sind nur die Hauptstrahlen der Bündel dargestellt. Das einfallende Bündel ist ein konvergierendes Bündel, das an der Stelle des Prismas einen Strahlungsfleck bildet. Das Prisma bildet aus diesem Bündel zwei oder vier divergierende Bündel. Zur Vermeidung eines

• ·

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zu grossen Bündeldurchmessern an der Stelle der Detektoren wodurch grosse Detektorflächen erforderlich werden, können mehrere Massnahmen getroffen werden. Vorzugsweise sind, wie in Fig. 10a angegeben, zwei Zusatzlinsen L und L„ zwischen dem Prisma und den Fotodioden angebracht, welche Linsen den gebildeten Strahlungsfleck an den Fotodioden abbilden.

Es ist weiter möglich, die Teilbündel b.. und b„ in zwei nahe beim Prisma angeordneten Lichtleitfasern F₁ und F„ aufzufangen, die beispielsweise an der Stelle des Prismas eine grosse Öffnung und an der Stelle der Fotodioden eine kleine Öffnung besitzen. Eine Ausführungsform mit Lichtleitfasern ist in Fig. 10b dargestellt.

Weiter können, wie aus Fig. 10c ersichtlich, hinter dem Prisma zwei Lichtstreuer H₁ und H„ angebracht sein, die dafür sorgen, dass, solange sie von einem Teilbündel getroffen werden, einige. Strahlung den zugeordneten Detektor erreicht. Zur Vergrösserung der Strahlungsmenge an den Detektoren D und D_? können zwischen den Strahlungs-Streuern N und N_ und den Detektoren D und D₂ Linsen L„ und L. angeordnet sein. Es kann dafür gesorgt werden, dass in den Anordnungen nach Fig. 10a, 10b und 10c die Teilbündel die Pupillen nicht vollständig ausfüllen, so dass bei einer Verschiebung des Prismas keine Vignettierung auftritt, weil die Verschiebung der Teilbündel dabei nur einen Bruchteil des Pupillendurchmessers beträgt.

Bisher wurde angenommen, dass der zu positionierende Gegenstand sich entlang einer Linie verschiebt. Die Anordnung kann jedoch auch zum Detektieren der Winkelstellung eines sich drehenden Gegenstands benutzt werden. Es muss dabei eine Sondermassnahme getroffen werden, um zu gewährleisten, dass das Beleuchtungsbündel immer unter dem gleichen Winkel in das Prisma einfällt. Dazu ist in der Nähe des Prismas eine Linse angeordnet, die dafür sorgt, dass der Hauptstrahl des Beleuchtungsbündels immer parallel zu der gedachten Verbindungslinie zwischen der Achse, um die das Prisma sich dreht, und der brechenden Kante des Prismas verläuft. Weil nur eine Linsenwirkung in einer

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Richtung erforderlich ist j kann die Linse eine Zylinderlinse sein.

In Fig₀ 11 und 12 sind zwei Ausführungsf orinen einer Anordnung mit einem reflektierenden Prisma zum Detek—

κ tieren der Winkelstellung eines sich, drehenden Gegenstands gegeben. In diesen Figuren ist die Drehachse des Gegenstands V mit RA bezeichnet, R ist die Verbindungslinie zvisclien dieser Drehachse und der Spitze des Prismas P und Cl ist eine Zylinderlinse«, Die optische Achse CA dieser

^O Linse muss zu RA parallel verlaufen. Der Brennpunktabstand f_nr dieser Linse muss dem Abstand r zwischen der Mitte der Zylinderlinse und der Achse RA gleich sein» w Wenn, wie in Fig. 11 angegeben^ das Prisma auf

dem Gegenstand V angebracht ist und der Rest des optischen

^5 Systems, also die Strahlungsquelle, das Linsensystem und die Detektoren, in einem ortsfest angeordneten Gehäuse H ■angebracht sind, ist die Zylinderlinse eine Negativlinse ^ für die f__T = - r. Wenn das Prisma P ortsfest angeordnet ist und der Rest des optischen. Systems sich mit dem Gegen« stand bewegt, wie in Fig„ 12_? ist die Zylinderlinse eine Positivlinse, deren Brennpunk tab st and £__ = + r ist.

Die Ausführungsform nach Fig. 11 kann in einem Gerät zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat für die Herstellung integrierter Schaltungen

2[j btMtut.·/: ι. werden. Dnb«H. wird dna Substrat viel© Mal© über """* das Maskenmuster belichtet, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungen das Substrat in bezug auf das Projektionssystem über einen gewünschten Abstand verschoben wird. Nachdem das ganze Substrat mit dem Maskenmuster belichtet ist_s wird das Substrat aus dem Gerät entfernt, um weitere Bearbeitungen daran durchsufukreia. Darauf kaszn ein neues Substrat im Gerät angeordnet werden, das mit dem gleichen oder mit einem anderen Maskenmuster belichtet werden kann. Zum Entfernen eines beschriebenen Substrats aus dem Gerät und zum Anbringen eines unbeschriebenen Substrats darin wird ein sogenannter Substratwechsler benutzt.

Eine integrierte Schaltung wird in einer Anzahl von Verfahrensschritten aufgebaut, wobei nacheinander ver-

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schiedene Maskenmuster auf einem Substrat abgebildet werden. Zum Anbringen der verschiedenen Maskenmuster im Gerät wird ein sogenannter Maskentisch, benutzt, in dem eine Anzahl, beispielsweise zwei, Maskenmuster angebracht werden können.

Sowohl der Substratwechsler als auch der Maskentisch können mit Hilfe der erfindungsgemässen Anordnung positioniert werden.

In Fig. 13 ist eine Ausführungsform eines Geräts zum wiederholten Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat dargestellt. Ein Beleuchtungssystem, beispielsweise bestehend aus einer Quecksilberlampe LA, einem elliptischen Spiegel EM, einem Element In, das eine homogene Strahlungsverteilung innerhalb des Projektionsbündels bewirkt, und einer Kondensorlinse C , beleuchtet ein Masken— muster M₁, das auf einem Maskentisch MT angebracht ist. Auf diesem Tisch kann ein weiteres zweites Maskenmuster M_ angebracht sein. Durch die Drehung des Tisches um die Achse MA kann das zweite Maskenmuster in das Projektionsbündel eingeführt werden. Das durch das Maskenmuster M₁ hindurchfallende Bündel durchläuft ein schematisch angebenes Projektionslinsensystem PL, das eine Abbildung des Maskenmusters auf dem· Substrat bildet. Das Substrat W ruht auf einem luftgelagerten Substrattisch WT. Das Projektionslinsensystem PL und der Substrattisch sind in einem Gehäuse HO angebracht, das an der Unterseite von einer beispielsweise Granitgrundplatte BP und an der Oberseite vom Maskentisch abgeschlossen wird. Das Gerät enthält weiter noch einen Substratwechsler WC, der um die Achse WA drehbar und ausserdem in der Höhe einstellbar ist. Für weitere Einzelheiten hinsichtlich des Aufbaus und der Wirkung des Projektionsgeräts sei auf die Veröffentlichung "Step-and-Repeat Wafe.r Imaging" in "Solid State Technology", Juni I98O, S. 80 ... 84 verwiesen.

Zum Positionieren des Maskentisches beim Anbringen einer Maske im Projektionsbündel sind erfindungsgemäss auf dem Maskeiitisch ein reflektierendes Prisma P₁ und eine Negativlinse L_ angebracht. Das Prisma reflektiert ein von einer Strahlungsquellendetektoreinheit H₁ ausgesandtes

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Bündel nach dieser Einheit, in der das Bündel von einem Detektorsystem aufgefangen wird, das aus zwei Detektoren besteht, wie oben bereits beschrieben wurde» Das Differenzsignal der zwei Detektoren xvird dazu benutzt, mit an sich

ι- bekannten und hier nicht beschriebenen Mitteln den Maskentisch in die richtige Stellung zu bringen. Durch, die Verwendung; des beschriebenen Positionsdetektorsystems (P₁ , L„ in d Ii₁) wird zu einem frühen Zeitpunkt signalisiert, dass der Maskentisch sich der gewünschten Position nähert, so dass die Drehgeschwindigkeit des Tisches verringert werden kann und die gewünschte Position mit ausreichend reduzierter Geschwindigkeit erreicht wird» Diametral in bezug auf das erste Prismalinsenpaar (P₁₅ L) kann ein zweites Prismalinsenpaar (Pp, L^) zum Positionieren des zweiten Maskenmusters M~ angebracht sein«

Zum Positionieren des Substratwechslers WC ist ein analoges Positionsdetektorsystem, bestehend aus einem Prisma P„, einer Linse L_ und einer Strahlungsquelle!!-» detektoreinheit EL·, vorgesehen», Das Prisma P„ und die Linse

2Q L₇ sind standfest angeordnet, während die Strahlungsquellendetektoreinheit aui* dem beweglichen Wechsler befestigt ist, ura Raum zu sparen« Die Linse ist ein Positivlinse=

In einer Positions-Detektoranordnung mit einem reflektierenden Prisma, in dem der Hauptstrahl des Beleucb.— tungsbündels senkrecht zur brechenden Kante des Prismas einfällt, liegen, wie aus Fig. 14a ersichtlich;, die Hauptstrahlen der reflektierten Bündel b₁ und b„ an beiden Seiten des hingehenden Bündels b, während ausserdem die Hauptstrahlen aller Bündel in einer· Ebene liegen. Es ist dafür zu sorgen, dass die reflektierten Bündel die Beleuch.-tungsbündel nicht überlappen. Müssen die Bündel getrennt seih, Muss der Basiswinkel oc des reflektierenden. Prismas folgenden Bedingungen entsprechen? sin<\.> sin <X. , worin (X₁ der an der Seite des Prismas befindliche Aperturwinkel des Beleuchtungssystems ist. Für einen grossen Einfangbereich. muss ·Λ- möglichst klein sein, so dass in der Praxis "X. etwa ftlaich ¹X . sein wird.

Zur Ermöglichung eines gedrängteren Aufbaus und

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eines grösseren Einfangbereichs der Positionsde tektionsanordnung wird vorzugsweise das Prisma P in bezug auf den Hauptstrahl des Bei i ohtungsbündels b etwas gekippt. Wie aus Fig. Τ4'ο ersichtlich, liegen dabei die Hauptstrahlen der reflektierten Bündel in einer anderen Ebene als der Hauptstrahl des Beleuchtungsbündels b. Dabei dürfen die reflektierten Bündel b₁ und b_? viel näher beieinander liegen und darf der Basiswinkel χ¹ kleiner sein als der Basiswinkel »X in Fig. 10a.

Die ref.'lelviorten Bündel b. und b„ können von Linsen aul' die Fotodioden fokussiert werden, wobei eine Linse und die zugeordnete Fotodiode eine Einheit bilden können.

In einer verwirklichten Ausführungsform einer An-Ordnung nach Fig. 14b betrug der Einfangbereich etwa 10 mm, der von den Abmessungen des Prismas P bestimmt wird.

In einer Positions—Detektoranordnung mit einem reflektierenden Prisma kann das Beleuchtungslinsensystem L ebenfalls zum Fokussieren der vom Prisma P reflektierten Bündel auf die Detektoren benutzt werden. Dazu muss für jedes reflektierte Bündel ein zusätzlicher Spiegel AM zwischen dem Prisma P und dem Linsensystem L angebracht werden, wie aus Fig. 15 ersichtlich. Der Deutlichkeit halber ist in dieser Figur nur der Strahlengang des Bündels b.. dargestellt, das vom oberen Teil des Prismas P reflektiert und anschliessend vom Spiegel AM auf dan Detektor D₁ gerichtet wird. Die Hauptstrahlen der Bündel b und b.. sind mit gestrichelten Linien dargestellt,

Die Strahlungsflecke, die mit Hilfe des Prismas P und der Spiegel AM gebildet werden, sind von der Quelle B getrennt, so dass die Detektoren um diese Quelle herum montiert werden können. Bei einem Prisma mit vier schräg hochgestellten Flächen und vier Hilfsspiegeln AM sind die vier Detektoren D₁, D₂, D„ und Dj, in der Ebene der Strahlungsquelle B positioniert, wie aus Fig. 16 ersichtlich.

Die Trennung zwischen der Quelle und den Bildern dieser Quelle wird durch den Winkel ·© bestimmt. Der Winkel / , unter dem die Spiegel AM angeordnet werden müssen,

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wird vom bildseitigen Aperturwinkel des Linsensystems L nach

if = V --^- bestimmt, für den FaIl₅ dass die Bündel sich, gleich nach der Reflektion gerade nicht Überlappen. Der Basiswinkel des reflektierenden Prismas muss dabei gleich V sein» An der Stelle des Linsensystems L ist in diesem Fall der Abstand zwischen (lon Spiegeln ΛΜ und der optischen Achse gleich L, wobei L der maximale Pupillendurchmeaser des Systems L ist.

Die Spiegel. AM müssen gross genug sein, um die reflektierten Bündel auffangen zu können, auch dann, wenn diese Bündel sich parallel zu sich selbst verschieben bei einer Verschiebung des Prismas. Dabei können sich die Teilbündel b₁ und b auch über die Pupille des Beleuchtungssystems L verschieben» Da diese Pupille vollständig von den Teilbündeln ausgefüllt wird, wenn das Prisma seine Mittelstellung einnimmt, kann diese Verschiebung Strahlungsverlust zur Folge haben« Um einem derartigen Verlust zu begegnen, kann zwischen den Spiegeln AM und dem Prisma P eine Feldlinse FL, in Fig„ 15 mit gestrichelten Linien angegeben , angebracht sein. Der Brennpuritabstand der Linse FL ist gleich dem Abstand dieser Linse zur Pupille des Beleuchtungssystems L. Die reflektierten Bündel gehen dabei immer durch das Zentrum der Pupille von L, Indem auch zwischen der Quelle B und dem Linsensystem L Hilfsspiegel AM' in Fig» 15<i angebracht werden, kann damit erreicht werden, dass die Bilder der Quelle sehr nahe bei der Quelle selbst Liegen. Dabei können die Strahlungsquelle B, in Form einer Ixchtemxttxerenden Diode, und die Fotodioden auf einem Träger angebracht werden. Die Spiegel AM' stehen unter einem Winkel mit der optischen Achse, die gleich oder ungefähr gleich dem Winkel Jf ist.

Die Spiegel AM können durch einen Block aus einem Werkstoff beispielsweise Glas, gebildet werden, der einen viereckigen Querschnitt aufweisen kann. Die zwei oder vier reflektierten Teilbündel werden von den Seitenflächen dieses Blocks reflektiert, wobei, wenn die Teilbündel unter ^rossen Winkeln auf diese Flächen einfallen, Totalreflek— t i on benutzt worden kann. Die Seitenflächen können innen

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oder ausseii verspiegelt sein. Am einen Ende des Blocks befindet sich das Beleuchtungssystem L und am anderen Ende die Feldlinse FL.

Vorzugsweise sind, wie aus Fig. 17 ersichtlich,

5 die Endflächen LS und LS₀ des Blocks ML gekrümmt, so dass diese Flächen eine Linsenwirkung haben. Die Oberfläche LS₁ arbeitet als Beleuchtungslinse L und die Oberfläche LS₀ als Feldlinse (FL). Das Linsenelement LS₀ het eine positive Stärke und sein Brennpunktabstand ist gleich der Länge des

10 Blocks.

. Leerseit

Claims

PHN 9996 4&" 10-11-1981

PATENTANSPRÜCHE:

1.j Anordnung zum Detektieren der Lage eines Gegenstands, welche Anordnung eine Strahlungsquelle und ein strahlungsempfindliches Detektorsystem enthält, das zumindest zwei Detektoren enthält, die in einer Bewegungsrichtung des Gegenstands hintereinander angeordnet sind, wobei die Strahlungsverteilung auf das Detektorsystem ein Mass für eine Abweichung zwischen der reellen und der gewünschten Lage des Gegenstands ist, gekennzeichnet durch ein die Strahlungsverteilung auf das Detektorsystem (D ,

'" D_) in Abhängigkeit von der Lage des Gegenstands bestimmendes optisches Prisma (p) mit zumindest einer brechenden Kante, die quer zur Bewegungsrichtung des Gegenstands steht wobei der Winkel zwischen den Prismaflächen, die diese Kante einschliessen, wesentlich grosser als 90 ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 für die Bestimmung der Winkelstellung eines drehbaren Gegenstands, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Strahlungsquelle (β) und dem Prisma (ρ) eine Linse (l) angeordnet ist, deren Brennpunktabstand gleich dem Abstand zwischen der Drehachse und der /""> ²⁰ Linse ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma mit dem Gegenstand verbunden ist.
k. Anordnung nach Anspruch 1., 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma ein reflektierendes Prisma ist.

5. Anordnung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstrahl des von der Strahlungsquelle ausgesandten Bündels einen von 90 abweichenden Winkel der

^⁰ brechenden Kante des Prismas bildet.

6. Anordnung nach Anspruch h oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Beleuchtungslinsensystem, das einen 8trahlungsfleck auf dem Prisma bildet, und dem

ίο veo( σο ο ο

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Prisma Spiegel angeordnet sind,, die die vom Prisma reflektierten Bündel zur Pupille des Liasensystems reflektieren«

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Strahlungsquelle und dem Beleuchtungslinsensystem Spiegel angeordnet sindj, die die durch das Linsensystem hindurchfallenden_P reflektierten Bündel zur Umgebung· der Strahlungsquelle reflektieren_s wobei die strahlungsempfindlichen Detektoren um diese Quelle herum gruppiert sind.

8. Anordnung nach Anspruch S₉ dadurch gekennzeichnet ₉ dass zwischen der Strahlungsquelle und dem Prisma ein reflektierenden Hohlkörper mit einem viereckigen Querschnitt angebracht ist, dessen Stirnflächen als Linsen wirken.

9· Gerät zur Darstellung eines Maskenmusters auf einem Substrat, welches Gerät einen Maskentisch_p ein Beleuchtungssystem,, ein Projektionsliiisensystenip einen Substrattisch und einen Substratweclisler enthält und "*7©it@r mit Positionsdetektoranordnungen nach einem der -voraJigehenden Ansprüche versehen ist₉ dadurch gekennzeichnet, dass Elemente einer ersten Positionsdetsktoranordauag mit dem Maskentisch und Elemente einer zweiten Positionsdetektoranordnung mit dem Substratwechsler verbunden sind»