DE3446181C2

DE3446181C2 -

Info

Publication number: DE3446181C2
Application number: DE3446181A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Tabata; Nobuo Yokohama Kanagawa Jp Shibuya
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-12-19
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1992-06-17
Also published as: GB2151778B; JPS60129604A; GB2151778A; DE3446181A1; GB8431533D0; US4642468A; JPH067043B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Relativlagen zwischen einer Markierung und einer Schwingblende nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein bekanntes Lagenbestimmungsverfahren des Schwingtyps wird bei einem photoelektrischen Mikroskop angewandt und bietet eine hohe Meßempfindlichkeit. Dieses Verfahren, das z. B. in Nikon Tech. J., No. 2,24, 1973, "About Photo-electric Microscope", Band I des Servo Technology Manual, New Technology Development Center, III-72, beschrieben ist, wird daher derzeit oft als Lagenbestimmungs- oder -meßverfahren für verschiedene Arten automatischer Positioniervorrichtungen, etwa bei Halbleiter-Herstellungsvorrichtungen u. dgl. angewandt.

Im folgenden ist das Arbeitsprinzip des Schwingtyp-Lagenmeßverfahrens kurz erläutert. Dabei wird ein Lichtstrahl von einer Strahlungs- oder Lichtquelle auf ein zu untersuchenden Objekt geworfen, auf dem eine Markierung ausgebildet ist, wobei das reflektierte Licht über einen schwingenden Schlitz durch einen Detektor erfaßt wird. Da hierbei der Schlitz schwingt, sind die Wellenformen des Meßsignals je nach der Relativstellung zwischen Schlitz und Markierung verschieden. Eine Änderung der Signalwellenform zur Markierungslage X ist in Fig. 12 veranschaulicht. Wie sich aus dieser Darstellung ergibt, wird dann, wenn die Markierungslage mit der Schwingungs-Mittelstellung des Schlitzes koinzidiert, nämlich am Punkt (e), das Meßsignal zu einem Signal mit einer Frequenz, die das Doppelte der Schwingfrequenz (Grundfrequenz) des Schlitzes beträgt, und die Grundfrequenzkomponente wird dabei zu Null. Demzufolge wird mittels Synchronmessung nur die Grundfrequenzkomponente des Meßsignals erhalten, während dabei die Komponente mit einer Frequenz entsprechend dem Doppelten der Grundfrequnez beseitigt oder unterdrückt wird.

Die Zustandsänderung der Grundfrequenzkomponente zur Markierungslage ist in diesem Fall als Ausgangskennlinie dargestellt. Letzteres eignet sich zur Verwendung bei der Lagenbestimmung oder -messung mittels eines Null-Messers und für die Ansteuerung eines Servosystems, weil das Ausgangssignal an dem Punkt, an welchem die Markierungslage mit dem Schwingungszentrum des Schlitzes koinzidiert, zu Null wird und die Vorzeichen vor und hinter diesem Punkt entgegengesetzt sind.

Andererseits variiert die Form der genannten Ausgangskennlinie in Abhängigkeit von den Lagenmeßbedingungen, wie Markierungsbreite, Schlitzbreite, Kontrast, Abtast-(Schwingungs-)Amplitude, Beleuchtungshelligkeit usw., so daß die Beziehung zwischen der Meßgröße und der Markierungslage nicht konstant ist. Um nun jederzeit eine genaue Lageinformation zu erhalten, ist jedesmal eine Neu-Eichung erforderlich. Wird eine solche Eichung nicht für jeden Meßvorgang durchgeführt, so wird die Lageneinstellung ungenau, und die Lagenbestimmung dauert sehr lange. Beispielsweise sei der Fall betrachtet, in welchem dieses Lagenmeßverfahren für die Lagenbestimmung vor der Belichtung mittels einer Belichtungsvorrichtung für ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitern benutzt wird. Da die Belichtung wiederholt vor und nach einer Anzahl verschiedener Arbeitsgänge beim Halbleiter-Herstellungsverfahren durchgeführt wird, ist der Kontrast der Lagenmeßmarkierung aufgrund der Unterschiede in den einzelnen Arbeitsgängen sowie in den Bedingungen oder Zuständen der Resistschichten jedesmal verschieden, so daß auch der Scheitel- oder Spitzenwert und der Gradient der Ausgangskennlinie des photoelektrischen Mikroskope des Schwingtyps jedesmal unterschiedlich sind. Im Hinblick hierauf ist auch ein Verfahren ins Auge gefaßt worden, bei dem die Information bezüglich des Kontrasts einer Markierung, der von den verschiedenen Arbeitsgängen abhängt, im voraus in einem elektronischen Rechner gespeichert und das Ausgangssignal auf der Grundlage dieser Information korrigiert wird. Bei diesem Verfahren ist jedoch eine Korrektur mit hoher Genauigkeit unmöglich, weil die Kontrastinformation einer Markierung auf der Vorausbestimmung beruht. Da dieses Ausgangssignal zudem auch als Folge einer Änderung der Beleuchtungsstärke instabil wird, sind der Scheitelwert und der Gradient der Ausgangskennlinie ebenfalls einer zeitabhängigen Änderung unterworfen, wenn eine ausreichende Stabilität der Beleuchtungsstärke nicht gewährleistet werden kann. Neuderdings ist es weiterhin möglich, die Ausrichtung nach dem Prinzip dieser Lagenbestimmung bei einem Elektronenstrahlübertragungs-Druckgerät durchzuführen, das für den Übertragungsdruck von feinen Mustern in der Größenordnung von unter einem Mikrometer als erfolgversprechend angesehen wird. In diesem Fall ergibt sich jedoch ein ähnliches Problem. Obgleich weiterhin in diesem Fall eine Markierung nicht mit einem Lichtstrahl, sondern mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, ist dabei eine photoelektrische Fläche im Spiel, die als Quelle für die Erzeugung dieses Elektronenstrahls dient und die sich im Zeitverlauf (in ihrer Güte) verschlechtert, so daß sich die Strahlungsmenge des Elektronenstrahls im Zeitverlauf ändert. Die zeitliche Änderung tritt daher auch im Ausgangssignal auf. Da solche zeitliche Änderungen schwierig vorherzubestimmen sind, ist es tatsächlich schwierig, das Ausgangssignal auf der Grundlage der erwähnten Vorausbestimmung mit hoher Genauigkeit zu korrigieren.

Aus diesem Grund ist es nötig, den Gradienten der Ausgangskennlinie mittels automatischer Verstärkungsregelung (AVR) des Signals stets konstant zu halten. Mittels der AVR ist es einfach, die Verstärkung so zu regeln, daß die Spitzenspannung der Ausgangskennlinie eine konstante Größe annimmt, indem eine Markierung für die Lagenbestimmung dem Strahl aus einer festen Richtung angenähert wird. Bei diesem Verfahren muß allerdings die Bestimmung vorgenommen werden, während die Markierung für eine bestimmte Zeitspanne abgetastet wird, so daß die Lagenbestimmung oder -messung eine lange Zeit in Anspruch nimmt und damit die Arbeitsleistung der Vorrichtung herabgesetzt wird. Mit diesem Verfahren kann jedoch nicht die zeitliche Änderung des Signals während der Zeitspanne des Abgreifens des Spitzenwerts der Ausgangskurve berücksichtigt werden, und eine genaue Positionierung innerhalb kurzer Zeit ist dabei schwierig.

Andererseits ist ein in Echtzeit durchführbares AVR-Verfahren ins Auge gefaßt worden, bei dem der Effektiv- oder Spitzenwert des Signals erfaßt und die Verstärkung so geregelt wird, daß dieser Wert stets konstant ist. Das bei Schwingtyp-Lagenbestimmungssystem erhaltene Meßsignal besitzt jedoch eine komplizierte Wellenform, weil es sowohl die Hochfrequenzkomponente als auch die Grundfrequenzkomponente enthält und deren Ausgangskomponenten in ihrer Abhängigkeit von der Markierungslage und dgl. stark voneinander verschieden sind. Bei diesem bisherigen Verfahren ist es mithin, schwierig, ohne Heranziehung von Lageninformationen die automatische Verstärkungsregelung mit hohem Genauigkeitsgrad durchzuführen.

In der DE-AS 14 48 854 ist eine Anordnung zur Bestimmung der Lage von Markierungen in bezug auf eine Festmarkierung beschrieben, wobei ein oszillierender Bauteil verwendet wird, welcher einen zur Abtastung vorgesehenen Lichtstrahl beeinflußt. Die Lichtabtastimpulse werden von einem photoelektrischen Empfänger mit einem nachgeschalteten Verstärker empfangen. Information über die Markierungslage wird dabei im zeitlichen Abstand der durch die Abtastung erzeugten Abtastimpulse enthalten. Um nun bei einer solchen Anordnung die aus einem Vergleichssignal stammenden Fehleranteile zu vermeiden, werden die Abtastimpulse nach ihrer Verstärkung einem Eingang einer bistabilen Kippstufe zugeführt, an deren zweiten Eingang Steuerimpulse in Abhängigkeit von der Schwingfrequenz liegen, wobei an die Kippstufe ein das Tastverhältnis ermittelndes Anzeigeinstrument angeschlossen ist.

Weiterhin ist aus der Zeitschrift "Feinwerktechnik", 71, Jahrgang, 1967, Heft 4, Seiten 160-166 das photoelektrische Einfangen von Strichmarken beschrieben, bei dem - ähnlich wie in der Anordnung der DE-AS 14 48 854, auf das oszillatorische Abtasten und eine Auswertung durch Vergleich aufeinanderfolgender Impulsabstände oder durch Oberwellenanalyse hingewiesen wird. Bei der Signalauswertung für die oszillatorische Strichabtastung werden Impulsformer und ein Differenzierglied eingesetzt, denen ein Flip-Flop und ein Integrierglied nachgeschaltet sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Relativlagen zwischen einer Markierung und einer Schwingblende zu schaffen, wobei der Ausgangspegel eines Lagenmeßsignales auch dann konstant sein soll, wenn sich die Lagenmeßbedingungen verändern, so daß unabhängig von diesen die Relativlage der Markierung und der Schwingblende ohne Verlängerung der Meßzeit oder Verringerung der Meßgenauigkeit eindeutig bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 8. Es wird also ein Strahl, der von einem ersten Markierungsabschnitt auf einem ersten Teil durch Bestrahlung mit einem Strahl von einer Strahlungsquelle erhalten wird, auf einen zweiten, einen zweiten Markierungsabschnitt aufweisenden Teil geworfen. Der vom zweiten Teil erhaltene Strahl wird von einem Strahlungsdetektor erfaßt. Gleichzeitig werden der genannte Strahl und der erste oder der zweite Teil relativ zueinander in Schwingung versetzt, und ein Meßausgangssignal des Srahlungsdetektors wird synchron mit dieser Schwingung abgegriffen. Bezüglich jedes Signals der Grundwellenkomponente a_f und der Harmonischen Komponente a_nf n-ter Ordnung (mit n = eine ganze Zahl entsprechend 2 oder höher) des durch synchronen Abgriff erhaltenen Ausgangssignals wird jedes Signal einer Funktionsumwandlung unter der Voraussetzung unterworfen, daß eine vorbestimmte entsprechende Beziehung zwischen diesen Signalen eingehalten wird. Die Relativlagen von erstem und zweitem Teil werden mittels der durch die Funktionsumwandlung erhaltenen Signale a_f* und a_nf* bestimmt. In diesem Fall kann der erste oder zweite Markierungsabschnitt ein Schlitz oder eine Markierung aus einer von der peripheren oder Umfangssubstanz verschiedenen Substanz sein.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lagenbestimmungsvorrichtng des Schwingtyps zur Verwendung bei einem Lagenbestimmungsverfahren gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung einer praktischen Anordnung eines Signalverarbeitungsteils als Hauptteil der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Signalwellenformdiagramm für Ausgangskennlinien der Grundfrequenzkomponente und der Komponente doppelter Frequenz an der Markierungslage,

Fig. 4 ein Signalwellenformdiagramm für Ausgangskennlinien der Grundfrequenzkomponente und der Komponente doppelter Frequenz an der Markierungslage nach den Funktionsumwandlungen,

Fig. 5 eine zur Erläuterung eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende schematische Darstellung eines Elektronenstrahlübertragungs-Druckgeräts des Typs mit photoelektrischer Flächenmaskierung sowie eines Lagenbestimmungsmechanismus,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Schaltung für Signalverarbeitung mittels digitaler arithmetischer oder Rechenoperation zur Erläuterung noch eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 7 eine Aufsicht auf eine Musterform einer Ausrichtmarkierung in Form eines Musters aus einer Anzahl von Linien und Zwischenräumen,

Fig. 8 ein Signalwellenformdiagramm von Ausgangskennlinien der Grundfrequenzkomponente und der Komponente doppelter Frequenz an der Markierungslage bei Verwendung der Markierung nach Fig. 7,

Fig. 9 ein Signalwellenformdiagramm von Ausgangskennlinien der Grundfrequenzkomponente und der Komponente doppelter Frequenz an der Markierungslage bei Verwendung der Markierung nach Fig. 7 nach der Funktionswandlung,

Fig. 10 eine zur Erläuterung einer Abwandlung des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dienende schematische Darstellung einer Lagenbestimmungsvorrichtung des Schwingtyps mit einem an der Lichteinfallsseite angeordneten Schlitz,

Fig. 11 eine zur Erläuterung einer weiteren Abwandlung des Verfahrens gemäß der ersten Ausführungsform dienende schematische Darstellung einer Lagenbestimmungsvorrichtung des Schwingtyps zur Erfassung eines übertragenen Strahls und

Fig. 12 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Grundprinzips des Schwingtyp-Lagenbestimmungsverfahrens, welche die Änderung der Meßsignalwellenform an der Markierungslage X verdeutlicht.

Vor der Erläuterung der Ausführungsbeispiele der Erfindung sei zunächst das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip beschrieben.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, daß beim Schwingtyp-Lagenbestimmungs- oder -meßverfahren die Grundwellenkomponente a_f und die Harmonische Komponente a_nf n-ter Ordnung (mit n = eine ganze Zahl entsprechend 2 oder höher), z. B. die zweite Harmonische Komponente a_2f, die durch synchrones Abgreifen des Strahl-Meßausgnagssignals erhalten werden, nicht unmittelbar als Lagenmeßsignale benutzt, sondern vielmehr die Komponenten a_f und a_2f einer speziellen Funktionsumwandlung zur Gewinnung von Signalen a_f* und a_2f*, die durch eine Änderung in den Lagenbestimmungsbedingungen nicht beeinflußt sind oder werden, unterworfen werden. Diese Signale a_f* und a_2f* werden als Lagenmeßsignale benutzt.

Die Beziehung zwischen den Ausgangskennlinien der Signale a_f und a_2f, die durch das erwähnte synchrone Abgreifen erhalten werden, ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei entspricht das Signal a_f Null an dem Punkt, an welchem die Markierungslage Null ist (mit dem Schwingungszentrum koinzidiert); a_2f besitzt den Scheitel- oder Spitzenwert, und a_2f den Spitzenwert besitzt. Diese Beziehungen sind für die Lagenbestimmung dieser Art charakteristisch. Wenn die Kombination der Ausgangskennlinien a_f* und a_2f*, die durch eine gewisse Umwandlung der Signale a_f und a_2f gewonnen werden, ähnlichen Beziehungen genügt, können die Kennlinien a_f* und a_2f* ebenfalls als Lagenmeßsignale benutzt werden.

Ausgedehnte, diesbezüglich durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, daß solche Umwandlungsfunktionen vorliegen, so daß selbst bei einer Änderung der Lagenbestimmungsbedingungen die der oben genannten Beziehung genügenden Kennlinien a_f* und a_2f* durch diese Änderungen nicht nachteilig beeinflußt werden. Die Umwandlungsfunktionen sind folgende:

darin bedeuten α₁, β₁, α₂, β₂, K₁ und K₂ beliebige Konstanten. Die Verwendung dieser umgewandelten Signale a_f* und a_2f* als Lagenmeßsignale erlaubt die Einhaltung der genannten Beziehungen für die Kennlinien und ermöglicht die Durchführung der Lagenbestimmung; dies hat die Wirkung einer automatischen Verstärkungsregelung für die Änderung im Eingangssignalpegel.

Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen erläutert.

Fig. 1 veranschaulicht schematisch eine bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Schwingtyp-Lagenbestimmungsvorrichtung. Ein von einer Strahlungsquelle aus einer Lichtquelle 101 und einer Fokussierlinie 102 u. dgl. ausgestrahlter Lichtstrahl 103 wird über einen halbdurchlässigen Spiegel 104 und eine Objektivlinse 105 auf ein Untersuchungsobjekt (erster Teil) 106 geworfen. Beispielsweise ist auf dem Untersuchungsobjekt 106 eine geradlinige Positionier-Markierung (erster Markierungsabschnitt) 107 ausgebildet, und der Lichtstrahl 103 wird nahe der Markierung 107 aufgestrahlt. Die Markierung 107 besteht aus einem Element mit einer größeren Reflexionsfähigkeit als der des Untersuchungsobjekts. Das infolge der Bestrahlung mit dem Lichtstrahl von der Markierung 107 reflektierte Licht 108 pflanzt sich aufwärts durch die Objektivlinse 105 und den halbdurchlässigen oder Halbspiegel 104 fort und tritt durch einen Schlitz (zweiter Markierungsabschnitt) 110 einer Schlitzplatte oder -blende (zweiter Teil) 109 hindurch und wird einem photoelektrischen Wandler (Strahlungsdetektor) 111 empfangen. Ein vom Wandler 111 ausgegebenes Meßsignal P wird über einen Vorverstärker 112 einer noch näher zu beschreibenden Signalverarbeitungseinheit 113 zugeführt.

Die Schlitzplatte 109 ist mit einem Vibrator 114 verbunden, durch den der Schlitz 110, wie durch den Pfeil S angedeutet, in einer Richtung senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung des reflektierten Lichts 108 in Schwingung versetzbar ist. Der Vibrator 114 schwingt in Übereinstimmung mit einem Schwingausgangssignal Q eines Oszillators 115, so daß die durch den Schlitz 110 der Schlitzplatte 109 hindurchtretende Lichtmenge entsprechend der Schwingung verändert wird. Der Vibrator 114 besteht z. B. aus einem piezoelektrischen Element, das sich nach Maßgabe der angelegten Spannung ausdehnt und zusammenzieht. Das Schwingausgangssignal Q des Oszillators 115 wird außer dem Vibrator 114 auch der Signalverarbeitungseinheit 113 zugeführt, die ihrerseits das eingespeiste Meßsignal P auf noch zu beschreibende Weise synchron mit dem Schwingausgangssignal Q des Oszillators 115 abgreift und eine vorgesehene, noch zu beschreibende Signalumwandlung durchführt und das umgewandelte Ausgangssignal zu einer Anzeigeeinheit 116 liefert.

Gemäß Fig. 2 umfaßt die Signalverarbeitungseinheit 113 Abstimmverstärker 201, 202, Synchron-Detektor 203, 204, Verstärker 205, 206, eine Addierstufe 207, einen Begrenzer 208, Teiler (Dividierstufen) 209, 210 sowie einen Frequenzvervielfacher 211. Das über den Vorverstärker 112 eingespeiste Meßsignal P wird dabei jeweils den beiden Abstimmverstärkern 201 und 202 mit unterschiedlichen Abstimmfrequenzen f und 2f eingespeist. Die verstärkten Ausgangssignale dieser Verstärker 201, 202 werden den Synchrondetektoren 203 bzw. 204 zugeführt. Das Schwingausgangssignal Q (Frequenz f) vom Oszillator 115 wird dem Synchron-Detektor 203 eingespeist, während ein Ausgangssignal Q′ (Frequenz 2f) aus dem durch den Frequenzvervielfacher 211 verdoppelten Ausgangssignal Q dem Synchron-Detektor 204 aufgeprägt wird. Jedes verstärkte Signal wird durch die Synchron-Detektoren 203 und 204 synchron mit den Schwingausgangssignalen Q und Q′ einer Synchronisationserfassung unterworfen. Dabei wird die Grundwellenkomponente a_f des Meßausgangssignals vom Synchron-Detektor 203 ausgegeben, während der Synchron-Detektor 204 die zweite Harmonische (Komponente) a_2f ausgibt. Diese beiden Meßausgangssignale a_f und a_2f werden durch die Verstärker 205 bzw. 206 zu α | a_f | bzw. β | a_2f | verstärkt und der Addierstufe 207 eingespeist. Das von der Addierstufe 207 gelieferte Ausgangssignal α | a_f | + β | a_2f | wird über den Begrenzer 208 den Teilern 209 und 210 zugeführt, die daraufhin

R₁ = α · a_f/(α | a_f | + β | a_2f |)

bzw.

R₂ = β · a_f/(α | a_f | + β | a_2f |)

liefern. Diese Ausgangssignale werden als die neuen Lagenmeßsignale R₁ und R₂ der Anzeigeeinheit 116 zugeführt. In obigen Gleichungen bedeuten α und β jeweils beliebige Konstanten.

Im folgenden ist das Stellungs- oder Lagenbestimmungsverfahren mittels der beschriebenen Vorrichtung erläutert.

Das Grundprinzip des Schwingtyp-Lagenbestimmungsverfahrens ist ähnlich wie beim bisherigen Verfahren. Zunächst wird durch Einschalten der Lichtquelle 101 ein Lichtstrahl auf die Markierung 107 auf dem Untersuchungs-Objekt 106 geworfen. Das von der Markierung 107 reflektierte Licht wird über die Schlitzplatte 109 durch den photoelektrischen Wandler 111 abgenommen. Gleichzeitig wird die Schlitzplatte 109 in Schwingung versetzt, so daß sich die Menge des von der Markierung 107 reflektierten, vom Wandler 111 empfangenen Lichts 108 entsprechend der Schwingung verändert. Durch synchrones Abgreifen des Meßausgangssignals P werden die Grundwellenkomponenten a_f und die zweite Harmonische a_2f erhalten.

Die beschriebenen Verfahrensschritte sind ähnlich wie beim bisherigen Verfahren; beim erfindungsgemäßen Verfahren werden dagegen diese Komponenten durch die Signalverarbeitungseinheit 113 den im folgenden beschriebenen Umwandlungen unterworfen. Insbesondere wird dabei die Tatsache berücksichtigt, daß die Ausgangssignale a_f und a_2f nach der synchronen Erfassung bestimmte charakteristische Beziehungen bezüglich der Position oder Lage besitzen, wie dies noch näher erläutert werden wird. Unter Verwendung dieser beiden Ausgangssignale, wie sie sind, werden die folgenden Umwandlungen durchgeführt:

Die Ausgangssignale a_f* und a_2f* nach diesen Umwandlungen werden als die neuen Lagenmeßsignale R₁ und R₂ benutzt.

Im folgenden sind die Beziehungen bezüglich der Positionen der Signale a_f, a_2f und a_f*, a_2f* beschrieben.

Fig. 3 zeigt typische Ausgangskennlinien von a_f und a_2f, deren Beziehungen derart sind, daß das Signal a_f gleich Null ist und a_2f einen Spitzenwert P₂ besitzt, wenn die Lagenabweichungsgröße zwischen der Markierung 107 und dem Schlitz 110 gleich Null ist, während a_2f gleich Null an dem Punkt ist, an dem a_f die Spitzengröße (Scheitelwert) P₁ besitzt. Selbst wenn sich der Eingangssignalpegel aufgrund einer Kontraständerung der Markierung ändert, werden - wie noch zu beschreiben sein wird - die obigen Beziehungen stets eingehalten, und das Verhältnis zwischen a_f und a_2f an derselben Markierungsposition ist stets konstant.

Üblicherweise erfolgt die Positionierung in der Weise, daß die Lage oder Stellung korrigiert wird und das Lagenmeßausgangssignal a_f zu Null wird. Die Lagenmeßkurve (oder -kennlinie) ist jedoch nicht immer auf die Kurve von a_f, wie sie vorliegt, beschränkt, vielmehr ist es möglich, als Lagenmeßkurve eine solche Kurve zu verwenden, daß das Ausgangssignal gleich Null an dem Punkt ist, an welchem die Lagenabweichungsgröße gleich Null ist, und die in dem Bereich B monoton wird, in welchem die Lagenkoordinaten der Markierung 107 zwischen X₂ und X₃ liegen. Unter Berücksichtigung der genannten Beziehungen von a_f und a_2f werden daher die Größen von α und β so gewählt, daß sie einer konstanten Beziehung von z. B. α : ×β = |P₂ | : | P₁ | genügen. Dabei ist | P₂ / | P₁ | konstant und eine bekannte Größe, wenn die Breite der Markierung und die Abtastamplitude dieselben sind. Die Ausgangskennlinien von a_f* und a_2f*, durch Umwandlung nach den obigen Gleichungen (1) unter Heranziehung der auf diese Weise bestimmten Größen α und β erhalten, sind in Fig. 4 dargestellt. Für a_f* ist die Kurve oder Kennlinie derart, daß das Ausgangssignal an dem Punkt an dem die Lagenabweichung gleich Null ist, zu Null und in dem Bereich B monoton wird, wo die Lagenkoordinaten zwischen X₂ und X₃ liegen. Dies bedeutet, daß die Positionierung unter Verwendung von a_f* als Lagenmeßkurve durchgeführt werden kann. Zudem können auch die Lagen in den Bereichen A und C, die außerhalb des Bereichs B liegen, unter Verwendung von sowohl a_f* als auch a_2f* erfaßt oder bestimmt werden.

Im folgenden ist erläutert, weshalb sich die Größen a_f* und a_2f* in keinem Fall in bezug auf die Änderung der Eingangssignalgröße ändern (AVR-Funktion). Da vorausgesetzt werden kann, daß sich die Ausgangssignale a_f und a_2f proportional zur Änderung des Eingangssignalpegels ändern, wird bei vorläufiger Betrachtung eines Falls, in welchen die folgenden Änderungen

a_f → K · a_f

a_2f → K · a_2f (K<0)

auftreten, anhand von Gleichungen (1) folgendes erhalten:

Es ist somit ersichtlich, daß sich a_f* und a_2f* nicht in Abhängigkeit von K ändern. Unter Heranziehung der Ausgangskennlinie von a_f* für die Lagenbestimmung ist es daher möglich, ein stabiles Lagenmeßsignal mit einer AVR-Wirkung für die Änderung im Eingangssignalpegel zu erhalten.

Wie vorstehend beschrieben, ist es bei diesem Ausführungsbeispiel möglich, die Schwingtyp-Lagenbestimmung mit AVR-Wirkung für die Änderung des Eingangssignalpegels ohne Verlust der Meßgenauigkeit durchzuführen. Da zudem die AVR-Wirkung mittels der Verarbeitung des Ausgangssignals mit einer Rechenoperation nach der synchronen Erfassung erzielt werden kann, ermöglicht dies die Durchführung der automatischen Verstärkungsregelung (AVR) mit hoher Genauigkeit und mit geringer Beeinflussung durch die Rausch- oder Störsignalkomponente des Eingangssignals. Die Lagenbestimmung mit AVR-Wirkung kann somit auch für eine Änderung im Eingangssignalpegel aufgrund der Kontraständerung der Markierung auf einem insbesondere in einer Halbleiter-Herstellungsvorrichtung verwendeten Plättchen und aufgrund der zeitlichen Änderung einer Quelle zur Erzeugung eines Markierungssignals erfolgen, so daß die Lagenbestimmung und Positionierung mit hohem Genauigkeitsgrad möglich wird. Da es außerdem nicht nötig ist, eine zusätzliche Erfassung zur Messung der Änderung im Eingengssignalpegel durchzuführen, kann die für die Positionierung nötige Zeit verkürzt werden, so daß sich auch ein Vorteil bezüglich einer Verbesserung der Bearbeitungsleistung ergibt.

Fig. 5 veranschaulicht schematisch ein Elektronenstrahlübertragungs-Druckgerät der photoelektrischen Oberflächenmaskentyps und einen Meßmechanismus für die Lagenbestimmung zur Verdeutlichung eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und nicht mehr im einzelnen erläutert.

Der Aufbau dieses Druckgeräts entspricht einem herkömmlichen Gerät, so daß es nur kurz beschrieben wird. Dabei sind eine photoelektrische Maske (erster Teil) 502 und eine Probe (zweiter Teil) 503 einander lotrecht gegenüberstehend in einem Vakuumbehälter 501 angeordnet. Die Maske 502 umfaßt ein Ultraviolettstrahlung durchlassendes Glas-Substrat 5044, ein Maskenmuster 505 aus einem Element (z. B. Chrom), das Ultraviolettstrahlung abfängt, und eine photoelektrische Oberfläche 506 aus einem Element (z. B. CsI), das bei Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung einen Elektronenstrahl emittiert. Außerdem ist auf der Maske 502 eine Positionier-Markierung (erster Markierungsabschnitt) 507 zur Positionierung mit der Probe 503 ausgebildet. Die Probe 503 ist auf einem Tisch 513 angeordnet und in der Zeichnungsebene nach rechts und links sowie senkrecht zur Zeichnungsebene bewegbar. Auf der Probe 503 ist eine Positionier-Markierung (zweiter Markierungsabschnitt) 508 in der Lage entsprechend der Markierung 507 auf der photoelektrischen Maske 502 ausgebildet. Aufgrund der Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl wird die Markierung 508 mit Röntgenstrahlung bestrahlt. Die von der Markierung 508 emittierte Röntgenstrahlung wird durch einen Röntgendetektor (Strahlungsdetektor) 509 erfaßt.

Über dem Vakuumbehälter oder -gefäß 501 ist eine Lichtquelle 510 zur Erzeugung der Ultraviolettstrahlung angeordnet. Letztere wird über eine Blende 511 und ein UV-Strahlung durchlassendes Fenster 512 auf die photoelektrische Maske 502 geworfen. Zusätzlich ist außerhalb des Behälters 501 eine Fokussierspule 521 vorgesehen, die das fokussierte Magnetfeld in der Richtung (lotrechte Richtung gemäß Fig. 5) richtet, in welcher Maske 502 und Probe 503 einander zugewandt sind bzw. gegenüberstehen. Zwischen die Maske 502 und die Probe 503 ist eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung 522 geschaltet, durch die ein elektrisches Feld zwischen Maske und Probe in derselben Richtung wie das angelegte Magnetfeld angelegt wird. Weiterhin ist an der Außenseite des Behälters 501 eine Strahlablenk-Spule 523 angeordnet. Der von der photoelektrischen Maske 502 abgestrahlte Elektronenstrahl wird durch die Spule 523 gemäß Fig. 5 nach rechts und links und senkrecht zu dieser Richtung abgelenkt.

Die Anordnung nach Fig. 5 enthält ferner eine Vakuumpumpe 531 für das Evakuieren des Vakuumbehälters 501, eine Beleuchtungs-Stromversorgung 532 für die Lichtquelle 510, eine Erregungsstromversorgung 533 zur Speisung der Fokussierspule 521 und eine Erregungsstromversorgung 534 zur Speisung der Ablenkspule 523.

Bei dieser Anordnung sind der vorher erwähnte Vorverstärker 112, die Signalverarbeitungseinheit 113, der Oszillator 115, die Anzeigeeinheit 116 usw. an das Druckgerät mit dem beschriebenen Aufbau angeschlossen. Das Meßausgangssignal des Röntgendetektors 509 wird dabei dem Vorverstärker 112 zugeliefert, und dessen Ausgangssignal wird der Signalverarbeitungseinheit 113 eingespeist. Zusätzlich wird das Schwingausgangssignal des Oszillators 115 der Signalverarbeitungseinheit 113 und der Stromversorgung 534 zugeführt. Infolgedessen ist oder wird der der Ablenkspule 523 zugeführte Strom moduliert, und der von der photoelektrischen Maske 504 emittierte Elektronenstrahl wird abgelenkt.

Der Röntgendetektor 509 entspricht dem Untersuchungsobjekt 106; die Probe 103 entspricht dem Schlitz 109; und Stromversorgung 534 und Spule 523 entsprechen dem Vibrator 114.

Im folgenden ist das Verfahren der Positionierung zwischen der photoelektrischen Maske 502 und der Probe 503 erläutert.

Wenn zunächst die Lichtquelle 510 angesteuert wird, werden die von ihr emittierten Ultraviolettstrahlen 541 über die Blende 511 auf die photoelektrische Maske 502 geworfen. Aufgrund der Blende 511 bestrahlen die Ultraviolettstrahlen 541 dabei nur den nahe der Markierung 507 auf der Maske 502 befindlichen Bereich. Infolge der Bestrahlung mit den Ultraviolettstrahlen 541 emittiert die Markierung 507 auf der photoelektrischen Maske 502 Photoelektronen bzw. einen Elektronenstrahl 542. Der Elektronenstrahl 542 pflanzt sich aufgrund des fokussierten Magnetfelds und des elektrischen Felds abwärts fort und trifft auf die Probe 503 auf. Gleichzeitig wird die Spule 523 nach Maßgabe eines vom Oszillator 115 abgegebenen Signals so angesteuert, daß der Elektronenstrahl 542 abgelenkt bzw. in Schwingung versetzt wird. Dabei schwingen der Elektronenstrahl 542 und der Strahldetektor 509 auf ähnliche Weise, wie die Schlitzplatte 109 in Schwingung versetzt wird, relativ zueinander, so daß die Markierung 508 durch den Elektronenstrahl 542 abgetastet werden kann.

Das Meßsignal vom Röntgendetektor 509 wird über den Vorverstärker 112 der Signalverarbeitungseinheit 113 eingespeist. In letzterer wird das vom Röntgendetektors 509 abgegebene Meßsignal, ähnlich wie beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel, synchron mit einem Schwingsignal vom Oszillator 115 erfaßt. Das Meßsignal vom Röntgendetektor 509 wird nämlich syncrhon erfaßt.

Die aufgrund der Synchronerfassung erhaltene Grundwellenkomponente a_f und die zweite Harmonische (Komponente) a_2f werden auf ähnliche Weise, wie vorher beschrieben, einer Funktionsumwandlung auf der Grundlage von obigen Gleichungen (1) unterworfen. Die relative Lagenabweichung zwischen der photoelektrischen Maske 502 und der Probe 503 wird durch die bzw. mittels der Signale a_f* und a_2f*, die durch die Funktionsumwandlung erhalten werden, erfaßt bzw. bestimmt. Die relative Lageneinstellung von Maske 502 und Probe 503 erfolgt beispielsweise durch geringfügiges Verschieben der Probe 503 nach Maßgabe dieser Lagenabweichung. Für diese Positionierung kann die Ablenkstellung des Strahls durch die Ablenkspule 523 durch Verschieben der Lage der Probe 503 konstant an ihrem Ort gehalten werden.

Auf diese Weise kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Lagenbestimmung nach dem Schwingtyp mit AVR-Wirkung für die Änderung des Eingangssignalpegels ohne Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit erfolgen. Es wird mithin eine ähnliche Wirkung erzielt wie beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 veranschaulicht für ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Schaltung zur Durchführung der erwähnten Signalverarbeitung mittels digitaler Rechenoperation. Dabei sind den Teilen Fig. 2 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuerst beschriebenen dadurch, daß die automatische Verstärkungsregelung (AVR) mittels der Rechenoperationsverarbeitung durch einen Digitalrechner anstelle der AVR-Verarbeitung des Analogsignals erfolgt. In der Signalverarbeitungseinheit 113 werden nämlich die jeweiligen Meßausgangssignale a_f und a_2f der Syncrhon-Detektoren 203 bzw. 204 einem Digitalrechner 601 zugeführt, in welchem durch Ausführung der Operationen

a_f* und a_2f* erhalten werden. Unter Heranziehung der Ausgangskennlinie von a_f* für die Lagenbestimmung ist es daher möglich, die Lagenbestimmung mit einer ähnlichen AVR-Wirkung wie beim ersten Ausführungsbeispiel durchzuführen. Durch die digitale Verarbeitung werden im Vergleich zur Analogverarbeitung Vorteile, wie geringere Belastung oder geringerer Aufwand an Hardware des Prozessors, erzielt, während der wesentliche Grundgedanke bezüglich der automatischen Verstärkungsregelung derselbe ist.

Die vorstehende Beschreibung richtete sich auf die Verwendung einer Linie, die üblicherweise als Musterform der Markierung benutzt wird. Diese Markierungs-Musterform kann jedoch gemäß Fig. 7 auch aus einer Anzahl von Linien und Zwischenräumen bestehen und als Positioniermarkierung beim Elektronenstrahlübertraungsdrucken benutzt werden. Die Ausgangskennlinien für a_f und a_2f in diesem Fall sind in Fig. 8 dargestellt. Die nach Umwandlung erhaltenen Ausgangskennlinien für a_f* und a_2f* sind in Fig. 9 gezeigt. Wie aus diesen graphischen Darstellungen hervorgeht, werden bei diesem Beispiel ebenfalls die Ausgangskennlinien für a_f* und a_2f* mit denselben Tendenzen wie bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen erhalten, so daß ersichtlicherweise eine Lagenbestimmung mit einer ähnlichen Wirkung wie bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden kann. Das Lagenbestimmungsverfahren gemäß der Erfindung ist nämlich auf beliebige Markierungs-Musterformen anwendbar, wie sie für die übliche Lagenbestimmung benutzt werden. Obgleich bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen weiterhin die Funktionsumwandlungen unter Benutzung der Grundfrequenzkomponente a_f und der zweiten Harmonischen (Komponente) a_2f durchgeführt werden, wird deshalb, weil die ungeradzahlige Harmonische 1_(2n+1)f und die geradzahlige Harmonische a_2nf ähnliche Charakterisika besitzen wie a_f bzw. a_2f, auch dann eine ähnliche Wirkung erzielt, wenn die Funktionsumwandlungen unter Verwendung von a_(2n+1)f und a_2nf anstelle von a_f und a_2f durchgeführt werden.

Bei dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel kann andererseits gemäß Fig. 10 die zum Modulieren des Lichtstrahls 103 schwingende Schlitzplatte 109 an der Lichteinfallseite, d. h. zwischen der Strahlungsquelle 101 und der Markierung 107 angeordnet sein. Dabei entsprechen die Schlitzplatte 109 dem ersten Teil und das Untersuchungsobjekt 106 dem zweiten Teil. Weiterhin kann gemäß Fig. 11 das einfallende Licht auf die Rückseite des Untersuchungsobjekts 106 geworfen werden, und das durchgelassene Licht oder ein vorbestimmtes, durch die Bestrahlung erzeugter Strahl kann abgegriffen werden. Bei Verwendung der Markierung, die den Elektronenstrahl aufgrund der Bestrahlung an der Markierung 107 abstrahlt, kann der Detektor zum Abgreifen des Elektronenstrahls als Strahldetektor 111 benutzt werden. Die Strahlungsquelle kann weiterhin eine solche sein, die anstelle eines Lichtstrahls den Elektronenstrahl emittiert. In diesem Fall kann die Einrichtung zum Schwingenlassen des Strahls durch die Einrichtung zum Ablenken des Lichtstrahls ersetzt werden. Als Abgreifstrahl können weiterhin reflektierte Elektronen, Sekundärelektronen oder Röntgenstrahlen usw. benutzt werden.

Darüber hinaus ist es auch möglich, die tatsächlich benutzten Umwandlungskonstanten willkürlich oder beliebig zu ändern und sie auf leicht verwendbare Größen zu setzen oder einzustellen.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Relativlagen zwischen einer Markierung und einer Schwingblende, bei dem von einer Strahlungsquelle Strahlung auf die Markierung geworfen und die durchgelassene oder reflektierte Strahlung von einem Detektor erfaßt wird, wobei die Schwingblende zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsdetektor angeordnet ist und am Strahlungsdetektor synchron zur Schwingung der Schwingblende ein Signal mit einer Grundwellenkomponente a_f und harmonische Komponenten a_nf abgegriffen und zur Lagebestimmung der Markierung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Normierung der Grundwellenkompoennte und einer harmonischen Kompoennte a_nf (mit n = eine ganze Zahl entsprechend 2 oder höher) die Signale nach folgenden Formeln umgewandelt werden: in denen a₁, a₂, β₁, β₂, K₁ und K₂ beliebige Konstanten bedeuten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenwerte P₁ und P₂ der Grundwellenkomponente a_f und der zweiten harmonischen Komponente a_af in folgender Beziehung stehen:

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Strahlungsquelle zur Beleuchtung einer Markierung, einer Schwingblende zwischen Strahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor und einer Auswerteschaltung, die das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors synchron mit der Schwingung der Schwingblende auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zwei Synchron-Detektoren (203, 204) zur Gewinnung der Grundwellenkomponente a_f und der harmischen Komponente a_nf n-ter Ordnung umfaßt, von denen der erste Synchron-Detektor (111; 509) syncrhon erfaßt, indem er als Bezugssignal ein Signal derselben Frequenz wie die Schwingungsfrequenz f der Schwingblende benutzt, und von denen der zweite Synchron-Detektor (204) das Ausgangssignal synchron erfaßt, indem er als Bezugssignal ein Signal mit einer Frequenz, die das n-fache der Schwingungsfrequenz f beträgt, benutzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen ersten Abstimmverstärker (201) zum Verstärken des Ausgangssignals des Strahlungsdetektors (111; 509) vor dem synchronen Erfassen durch den ersten Synchron-Detektor (203) mit der Abstimmfrequenz f und durch einen zweiten Abstimmverstärker (202) zum Verstärken des mit der Abstimmfrequenz f verstärkten Ausgangssignals vor dem synchronen Erfassen durch den zweiten Synchron-Detektor (204) mit der Abstimmfrequenz nf.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (101) Licht emittiert.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingblende (109) im Beleuchtungsstrahlengang der Markierung (107) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingblende (109) unmittelbar vor dem Strahlungsdetektor (111) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung ein Elektronenstrahl verwendet wird und die periodische Abtastung der Markierung durch elektromagnetische Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt.