DE3501283A1 - Fotoelektrische detektorvorrichtung und hiermit ausgestattetes ausrichtgeraet - Google Patents

Description

TiEDTKE - BüHLING - KlNNE -

S Dipl.-Ing. H.Tiedtke

TRUIF . Dipl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne -4- 3501283 Dipl.-Ing. R Grupe

Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 0 89-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: O 89-537377 cable: Germaniapatent München

16. Januar 1985 DE 4544

Canon Kabushiki Kaisha Tokio, Japan

Fotoelektrische Detektorvorrichtung und hiermit ausgestattetes

Ausrichtgerät

Die Erfindung bezieht sich auf eine fotolektrische Detektorvorrichtung, mit der ein auf einem Objekt ausgebildetes vorbestimmtes Muster auch dann auf genaue Weise erfaßbar ist, wenn das Objekt eine unebene Oberfläche hat und/oder an dem Objekt Staubteilchen oder Fremdkörper haften. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Ausrichtgerät, bei dem eine solche fotoelektrische Detektorvorrichtung für das Ausrichten eines Objekts mit einem Bezugssystem benutzt wird.

In der US-PS 4 165 149 ist ein Beispiel für eine derartige fotoelektrische Detektorvorrichtung beschrieben. Gemäß dieser Beschreibung dient ein Lichtabfangteil dazu, von einer ebenen Fläche eines Objekts spiegelnd reflektiertes Licht abzufangen. Die Abmessungen des Lichtabfangteils werden so gewählt, daß sie im wesentlichen gleich oder geringfügig größer als der Durchmesser des Spiegelreflexions-Lichtstroms sind, damit das spiegelnd reflektierte Licht vollständig abgefangen wird, während nur Streulicht aufgenommen wird, das von einem an dem Objekt ausgebildeten Muster gestreut ist.

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Falls jedoch die Oberfläche des Objekts nicht völlig flach

ist und Unebenheiten enthält oder falls an der Oberfläche des Objekts Staubteilchen oder Fremdteilchen haften, tritt eine Lichtstreuung auch in einem Bereich auf, der von dem Bereich des zu erfassenden Markenmusters verschieden ist. Solches Streulicht kann von dem Lichtabfangsteil nicht abgefangen werden. Infolgedessen wird bei dem erfaßten Licht der Kontrast verringert, was die Erfassungsgenauigkeit ver- ^Q schlechtert oder die Erfassung unmöglich macht.

In der US-PS 4 202 627 ist ein weiteres Beispiel füp.eine fotoelektrische Detektorvorrichtung beschrieben. Gemäß dieser Beschreibung wird ein Strahlenteiler dazu verwendet, Meßlichtstrahlen (reflektierte Strahlen) in zwei Teile aufzuteilen. Diese beiden Teillichtstrahlen werden selektiv durch jeweils voneinander verschiedene Raumfilter durchgelassen. Die durchgelassenen Lichtstrahlen werden jeweils mittels gesonderter Fotoempfänger aufgenommen und in elek-

„„ trische Signale umgesetzt. Diese elektrischen Signale werden derart verarbeitet, daß selektiv ein zusammengesetztes Mustersignal erfaßt wird.

Bei dieser Gestaltung werden jedoch die Meßlichtstrahlen „g zuerst zweigeteilt, so daß die von einem jeden Fotoempfänger erfaßte Lichtmenge auf einen Wert abnimmt, der die Hälfte der Lichtmenge der ungeteilten Strahlen ist. Daher kann ein Muster mit niedrigem Reflexionsfaktor oder ein durch einen Stufenbereich geringer Höhe gebildetes Muster _ nicht gut erfaßt werden. Falls ferner die Mittelachsen dieser Raumfrequenz- bzw. Raumfilter nicht jeweils genau mit den Mitten der Meßlichtstrahlen ausgefluchtet sind, nimmt bei der Lichtaufnahme der Kontrast ab, wodurch die Erfassungsgenauigkeit verschlechtert wird.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine von den vorstehend beschriebenen Mängeln freie fotoelektrische Detektorvorrichtung zu schaffen, mit der ein Erfassungssignal erzielbar ist, das ein verbessertes Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis und höheren Kontrast hat.

Ferner soll mit der Erfindung eine fotoelektrische Detektorvorrichtung geschaffen werden, bei der der komplizierte VorjQ gang des genannten Zentrierens bzw. Ausfluchtens der Raumfilter entfällt und die es ermöglicht, den Bereich der räumlichen Filterung derart zu verändern, daß ein erwünschtes Erfassungssignal erzielt werden kann.

. P- Ferner soll mit der Erfindung ein Ausrichtgerät geschaffen werden, mit dem unter Verwendung der vorangehend genannten fotoelektrischen Detektorvorrichtung ein Objekt auf genaue Weise mit einem vorbestimmten Bezugssystem ausgefluchtet werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine fotoelektrische Detektorvorrichtung mit einem fotoelektrischen Wandlerelement geschaffen, das einen Lichtempfangsbereich hat, der in eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten vorbe-

_ot_ stimmter Form aufgeteilt ist, die in einem vorbestimmten Ausrichtungszusammenhang angeordnet sind. Diese Lichtempfangsabschnitte werden selektiv derart eingesetzt, daß eine Verschlechterung des Nutzsignal/Störsignal-Verhältnisses verhindert wird, die durch unerwünschtes Streulicht hervorgerufen wird, das durch anhaftende Fremdteilchen und/oder durch Unebenheiten der Oberfläche eines Objekts verursacht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Signalaufnahmesystem in einem automatischen Ausrichtgerät für das Ausrichten einer Maske und eines Halbleiterplättchens zeigt, wobei in dem Gerät eine erfindungsgemäße fotoelektrische Detektorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet ist.

Fig. 2 veranschaulicht die Funktion eines telezentrischen ■j^q Objektivsystems in dem in Fig. 1 gezeigten automatischen Ausrichtgerät.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Draufsicht, die ein Beispiel für Richtmarken zeigt, welche bei dem in Fig. 1 gezeigten automatischen Ausrichtgerät benutzt werden können.

Fig. 4A ist eine vergrößerte Draufsicht, die die Ausrichtungscharakteristik eines Beugungsmusters zeigt, _nn das durch eine Richtmarke gemäß Fig. 3 hervorgerufen ist.

Fig. 4B ist eine vergrößerte Draufsicht, die ein Beispiel für ein Beugungsmuster zeigt, das durch ein an der Oberfläche eines Objekts haftendes Fremdteilchen hervorgerufen ist.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Draufsicht, die einen Fotodetektor in der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Detektorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 6 ist eine Ansicht, die das Prinzip der Signalverarbeitung bei dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.

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Fig. 7A ist eine vergrößerte Draufsicht, die der Fig. 4A gleichartig ist und die Ausrich'tungscharakteristik des Beugungsmusters zeigt, das durch die Richtmarken gemäß Fig. 3 hervorgerufen ist.

Fig. 7B bis 7D sind vergrößerte Draufsichten, die jeweils Beispiele von Verteilungen von Streulichtstrahlen von Oberflächenungleichmäßigkeiten eines Objekts _in her zeigen.

Fig. 8 ist eine vergrößerte Draufsicht, die einen Fotodetektor in einer erfindungsgemäßen fotoelektrischen Detektorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 9 ist ein Blockschaltbild einer Signalmischschaltung in der fotoelektrischen Detektorvorrichtung mit dem in Fig. 8 gezeigten Fotodetektor.

Fig. 10 ist eine Ansicht, die das Prinzip der Signalverarbeitung mittels der in Fig. 9 gezeigten Schaltung veranschaulicht.

Fig. 11A und 11B sind vergrößerte Draufsichten, die Bei-25

spiele von Beugungsmustern zeigen, welche durch Markenelemente mit unterschiedlichen Schräglagen erzeugt werden.

Fig. 11C bis 11F sind vergrößerte Draufsichten, die Beispiele von Verteilungen von Licht zeigen, welches an einem Fremdteilchen auf der Oberfläche eines Objekts oder an einer Unebenheit der Oberfläche des Objekts gestreut wird.

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Fig. 12 ist eine vergrößerte Draufsicht, die einen Fotodetektor in einer erfindungsgemäßen fotoelektrischen Detektorvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 13 ist ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung in der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Detektorvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungs- -,Q beispiel.

Fig. 14 ist eine Ansicht, die das Prinzip der Signalverarbeitung mittels der in Fig. 13 gezeigten Signalverarbeitungsschaltung veranschaulicht.

Es wird zuerst auf die Fig. 1 bezug genommen, die schematisch ein Signalaufnahmesystem in einem erfindungsgemäßen automatischen Ausrichtgerät für das Ausrichten einer Maske und eines Halbleiterplättchens zeigt, wobei das Gerät eine erfindungsgemäße fotoelektrische Detektorvorrichtung enthält.

Das Ausrichtgerät enthält eine Lichtquelle 1 zur Abgabe von Laserstrahlen, eine Kondensorlinse 2, einen drehbaren PoIygonalspiegel 3, eine Relaislinse 4, einen Strahlenteiler 5 zum Aufteilen der Laserstrahlen, um einem optischen Betrachtungssystem aus mit 22 bis 24 bezeichneten Elementen Lichtstrahlen zuzuführen, eine Feldlinse 6, einen weiteren Strahlenteiler 7 für das Aufteilen eines der Teillaserstrahlen,

_o_ um einem optischen fotoelektrischen Aufnahmesystem aus mit 14, 15 und 18 bezeichneten Elementen Laserstrahlen zuzuführen, eine weitere Relaislinse 8 und einen weiteren Strahlenteiler 9 für das Einleiten von Licht aus einem optischen System mit Elementen 19 bis 21 für die Ausleuchtung zur Betrachtung. Mit 10 ist eine Pupille eines Objektivs 11 bezeichnet. Unterhalb des Objektivs 11 sind eine Maske 12 und

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ein Halbleiterplättchen 13 angeordnet.

Die optischen Konjugationszusammenhänge in dem Ausrichtgeg rät sind folgende:

Die von der Lichtquelle 1 abgegebenen Laserstrahlen werden zunächst mittels der Kondensorlinse 2 an einer in Fig. 1 gezeigten Stelle 30 fokussiert. Der Leuchtpunktdurchmesser ,Q der Laserstrahlen an der Stelle 30 ist durch den Durchmesser D des von der Lichtquelle 1 abgegebenen Laserstrahlenbündels und die Brennweite f- der Kondensorlinse 2 bestimmt. Falls die Laserstrahlen innerhalb des Durchmessers D gleichmäßige Verteilung haben, ergibt sich ein Leuchtpunktdurch-

,,. messer d der Laserstrahlen an der Stelle 30 zu: Ib

d = 2,44 λ £₂/D.

Die von der Stelle 30 weg divergierenden Laserstrahlen wer_on den von dem Polygonalspiegel 3 zu der Relaislinse 4 hin reflektiert. Nach dem Durchlaufen der Relaislinse 4 werden die Laserstrahlen wieder an einer Stelle 32 fokussiert, die in der Nähe der Relaislinse 6 liegt. Darauffolgend durchlaufen die Laserstrahlen die Relaislinse 8 und das Objektiv p. 11 in der Weise, daß sie an einer Stelle 34 fokussiert werden, die sowohl der Maske als auch der Halbleiterplättchen-Oberfläche entspricht. Daher sind gemäß Fig. 1 die Stellen 30, 32 und 34 miteinander optisch konjugiert.

_n Der Durchmesser φ des Leuchtpunkts an der Stelle 34, der 30

die Maske und die Plättchenoberfläche tatsächlich abtastet bzw. überstreicht, ergibt sich zu:

φ - a χ d
wobei a die zwischen den Stellen 30 und 34 hervorgerufene

Abbildungsvergrößerung ist. Der Abtastleuchtpunktdurchmes-35

ser φ kann durch Ändern des Leuchtpunktdurchmessers d der

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Laserstrahlen an der Stelle 30 verändert werden, was durch das Ändern des Durchmessers D des von der Lichtquelle 1 abgegebenen Laserstrahlenbündels oder durch Ändern der Brennen weite f~ der Kondensorlinse 2 erreicht wird. Ferner kann eine einfache Vergrößerung des Abtastleuchtpunkts durch absichtliches Versetzen der Kondensorlinse 2 in der Weise erreicht werden, daß die Laserstrahlen nicht an der Stelle 30 fokussiert werden. Allgemein ist anzustreben, daß ein ge-,Q eigneter Durchmesser des Abtastleuchtpunkts entsprechend der Linienbreite eines Bildmusters wählbar ist, welches das Erfassungs- bzw. Meßobjekt ist. Bei dem System nach Fig. 1 kann der Leuchtpunktdurchmesser auf einfache Weise verändert werden. Durch die Drehung des Polygonalspiegels 3 überstrei-

, r- chen die an der Stelle 34 fokussierten Laserstrahlen die

Maske und die Plättchenoberfläche.

Genauso wie der Konjugationszusammenhang hinsichtlich der Strahlen für die tatsächliche Abtastung der Oberfläche des

„_n Objekts ist auch der Abbildungszusammenhang in bezug auf die Pupille des optischen Systems von Bedeutung. Die Pupille des Objektivs 11 ist mit 10 bezeichnet. Ein Punkt 33 auf der optischen Achse, die die Mittelachse der Pupille 10 ist, ist optisch mit einem Reflexionspunkt 31 an dem Polygonalspiegel 3 konjugiert. D.h., wenn man das System 1 im Hinblick auf das Einfallen der Laserstrahlen auf das Objektiv 11 betrachtet, ist die Gestaltung nach Fig. 1 einer Anordnung äquivalent, bei der der Polygonalspiegel genau an dem Ort der Pupille 10 angeordnet ist.

Bei dem Erfassen eines reflektierenden Objekts wie eines Halbleiterplättchens wird im allgemeinen ein telezentrisches Objektivsystem benutzt. Das Objektiv 11 nach Fig. 1 ist telezentrisch gestaltet. An dem Ort des ersten bzw. vorderen Brennpunkts des Objektivs 11 ist nämlich die Pupille 10 an-

geordnet, die den über das optische System gelangenden

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Lichtstrom bestimmt.

Dies ist in Fig. 2 ausführlich dargestellt. Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist der Mittelpunkt 33 der Pupille 10, der der vordere Brennpunkt des Objektivs 11 ist, optisch mit dem Reflexionspunkt 31 für die Reflexion der Laserstrahlen an dem Polygonalspiegel 3 konjugiert. Daher wirkt der Mittelpunkt 33 der Pupille 10 so als ob er der Reflexionspunkt des Polygonalspiegels wäre, mit dem die Laserstrahlen zur Abtastung abgelenkt werden. Da der Hauptstrahl, der der Mittelstrahl der Abtaststrahlenbündels ist, durch den Mittelpunkt 33, nämlich den vorderen Brennpunkt des Objektivs 11 hindurchläuft, wird er nach dem Hindurchtreten durch das Objektiv 11 parallel zu der optischen Achse, so daß er senkrecht auf die Maske und das Halbleiterplättchen trifft. Falls der Bereich, auf den die Abtaststrahlen treffen, flach bzw. eben ist, werden die einfallenden Abtaststrahlen an dem ebenen Bereich so reflektiert, daß sie zu dem Punkt 33 zurück verlaufen. Falls andererseits die Abtaststrahlen auf irgendein Muster treffen, werden die Abtaststrahlen durch den Rand des Musters gestreut, so daß sie nicht entlang ihrem Einfallweg zurückverlaufen. D.h., wenn das von dem Objektiv 11 '.aufgenommene gestreute bzw. Streulicht durch die Pupille 10 hindurchtritt, tritt es nicht durch den Mittelpunkt 33 der Pupille hindurch, sondern durch den Außenbereich der Pupille. Dies bedeutet, daß in der Pupillenebene das Streulicht und das ungestreute Licht räumlich voneinander getrennt sind. Diese räumliche Trennung ist in der Fig. 2 deutlich dargestellt.

Im einzelnen werden dann, wenn die Abtaststrahlen die Oberfläche des Objekts· von links nach rechts gemäß Fig. 2 überstreichen, die Abtaststrahlen in dem Fall, daß sie nicht

einen Bereich 35 überstreichen, an dem das Muster gebildet 35

ist, nicht streuend reflektiert, so daß sie spiegelnd zu

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dem Mittelpunkt 33 der Pupille 10 hin reflektiert werden.

Falls die Abtaststrahlen auf den Bereich 35 des Musters treffen, werden sie gemäß der Darstellung durch die gestrichelten Linien gestreut, so daß sie nicht zu ihrem Ursprungspunkt an der Pupille 10 zurückkehren. Die von dem ungestreuten Licht eingenommene Fläche an der Pupille 10 ist gleich der durch den wirksamen Durchmesser der Abtastlaserstrahlen bestimmten Fläche. Zur wirkungsvollen AufnahjQ me des Streulichts wird gewöhnlich der wirksame Durchmesser des ungestreuten Lichts im Vergleich zu dem Durchmesser der Pupille ausreichend klein gehalten. Das Verhältnis zwischen diesen Durchmessern liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,1 bis 0,7.

Anhand der Fig. 1 wird nun das optische System zur fotoelektrischen Erfassung beschrieben, das auf dem Weg von dem Strahlenteiler 7 zu einem Fotodetektor 18 angeordnet ist. Das System enthält ein Linsenelement bzw. eine Abbildungs-

„_n linse 14 zum Abbilden der Pupille 10 des Objektivs 11 und ein Filter 15, welches das Licht mit der Wellenlänge für die fotoelektrische Erfassung durchläßt, aber im wesentlichen das Licht der übrigen Wellenlängen abfängt, wie beispielsweise das für das optische Betrachtungssystem benutzte

₂,- Licht. Der Fotodetektor 18 ist an einer Stelle angeordnet, an der durch die Abbildungslinse 14 das Bild der PupilleolO erzeugt wird. Daher sind die Pupille 10 und der Fotodetektor 18 optisch konjugiert. Bei diesem fotoelektrischen Erfassungssystem ist die Lichtempfangsfläche bzw. der Lichtempfangsbereich des Fotodetektors 18 so gestaltet, daß ein Er-

fassungssignal nur dann erzielt wird, wenn der Abtastleuchtpunkt auf den Rand des Musters fällt. Durch das Überwachen der Ausgangssignale des Fotodetektors im zeitlichen Verlauf ist es möglich, das Auftreten impulsförmiger Signale zu ermitteln, wenn die Abtaststrahlen auf die Ränder der Muster ob

fallen.

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Falls das fotoelektrische Erfassungs- bzw. Detektorsystem bei Richtmarken benutzt wird, die an einer Maske und einem Halbleiterplättchen für das Ausrichten zwischen der Maske und dem Halbleiterplättchen ausgebildet sind, kann aus den auf die vorstehend beschriebene Weise erzielten Signalen eine relative Lageversetzung zwischen der Maske und dem Halbleiterplättchen ermittelt werden. Zur Korrektur der ermittelten relativen Lageversetzung wird mittels eines nicht ,Q gezeigten Einstellsystems die Lagebeziehung zwischen der Maske und dem Halbleiterplättchen verändert, wodurch die automatische Ausrichtung .zwischen der Maske und dem Halbleiterplättchen erreicht wird.

, p. Nach Fig. 1 dienen das Ausleuchtsystem 19 bis 21 und das Betrachtungssystem 22 bis 24 zur Betrachtung mit dem bloßen Auge. Das Ausleuchtsystem enthält eine Lichtquelle 19 für die Beleuchtung, eine Kondensorlinse 20 zum Abbilden der Lichtquelle 19 an der Pupille 10 des Objektivs 11 und ein

_OA Filter 21 für das Abfangen von Licht eines Wellenlängenbereichs, in welchem ein auf die Halbleiterplättchen-Oberfläche aufgebrachtes Fotolackmaterial empfindlich ist. Das Betrachtungssystem enthält eine Umkehrlinse 22 für das Aufrichten des Bilds, ein Filter 23, das das Licht mit der Laserwellenlänge abfängt, jedoch das Licht mit der Wellenlänge für die Betrachtung mit dem unbewaffneten Auge durchläßt, und ein Okular 24.

Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für Richtmarken, die dazu dienen, durch lineares Abtasten mittels des Laserstrahlen-Leuchtpunkts relative Lageversetzungen zwischen der Maske und dem Halbleiterplättchen in zwei Richtungen, nämlich in Richtung einer X-Achse und in Richtung einer Y-Achse zu ermitteln. Der obere Teil (a) der Fig. 3 zeigt das auf der Maske (oder dem Halbleiterplättchen) gebildete Richtmarkenmuster, der mittlere Teil (b) der Fig. 3 zeigt das auf dem

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Halbleiterplättchen (oder der Maske) gebildete Richtmarkenmuster und der untere Teil (c) der Fig. 3 zeigt diese Richtmarkenmuster bei erreichter Ausrichtung der Maske und des Halbleiterplättchens. Die gestrichelte Linie in dem unteren Teil (c) der Fig. 3 stellt den geometrischen Ort der Abtastlaserstrahlen dar.

Eines der bei einer solchen fotoelektrischen Erfassung be-,Q stehenden Probleme ist die Auswirkung von Fremdteilchen.

Im einzelnen wird nach dem Meßprinzip bei dem beschriebenen fotoelektrischen Detektorsystem die Erfassung des Streulichts genutzt. Falls daher in dem Zielbereich der fotoelektrischen Erfassung irgendwelche Fremdteilchen wie Staub-_1P-teilchen vorhanden sind, die das Licht streuen, würde das von den Fremdteilchen gestreute Licht als Signal aufgenommen werden. In einem Fall kann das Staubteilchen an der Plättchenoberfläche haften, während es in einem anderen Fall an irgendeinem eingebauten Element des optischen Ab-

_on tastsystems haften kann. Insbesondere besteht die Neigung, Au

daß Fremdteilchen an der Plättchenoberfläche haften; daher sollen die Auswirkungen der Fremdteilchen an der Plättchenoberfläche sorgfältig in Betracht gezogen werden. Das erfaßte Streulicht von den vom Markenmuster verschiedenen j. Teilchen führt zu einem Falschsignal, das auf nachteilige Weise einen fehlerhaften Betriebsvorgang verursacht.

Die Erfindung hat zum Ziel, das Erfassen von unerwünschtem Streulicht zu verhindern, welches auf andere Weise als durch

das Markenmuster hervorgerufen ist. Zu diesem Zweck wird 3U

erfindungsgemäß die Lichtempfangsfläche bzw. der Lichtempfangsbereich des Fotodetektors in der fotoelektrischen Detektorvorrichtung in eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten aufgeteilt, wie es nachfolgend ausführlich beschrieben wird.
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Anhand der Fig. 4A und 4B wird nun die Lichtverteilung betrachtet, die an der Stelle des Fotodetektors 18 des in Fig. 1 gezeigten fotoelektrischen Detektorsystems zu beobachten ist. Während in der vorstehenden Beschreibung die Reflexion des Lichts an dem Rand des Markenmusters als eine Streuungserscheinung erläutert wurde, kann die Reflexion bekanntermaßen auch in anderen Worten als eine von Beugungserscheinungen betrachtet werden. Dies bedeutet, daß das ,Q reflektierte Licht in Richtungen gestreut wird, die von der Ausrichtung bzw. Orientierung des Markenmusters abhängen.

In der Fig. 4A ist die Richtcharakteristik bei der Verteilung des Streulichts, nämlich das Beugungsmuster gezeigt, ₁₍_ das von den in Fig. 3 gezeigten Richtmarken gemäß der Beobachtung an dem Ort des Fotodetektors 18 hervorgerufen wird.. Aus der Theorie gewöhnlicher Beugungserscheinung ist leicht zu erklären, daß sich das gestreute Licht in Richtungen ausbreitet, die senkrecht zu der Richtung stehen, längs der sich das Markenmuster erstreckt. Andererseits zeigt das von

einem Fremdteilchen mit unregelmäßiger Form gestreute Licht keinerlei bestimmte Ausrichtungs- bzw. Richtcharakteristik; in den meisten Fällen breitet sich das Licht gemäß Fig. 4B im wesentlichen gleichförmig aus. In den beiden Fig. 4A und

4B ist das nicht gestreute Licht durch die mittige, mit zu-Ao

einander senkrechten Linien strichlierte Kreisfläche dargestellt, während die übrige strichlierte Fläche das verteilte Streulicht darstellt. Der Außenkreis stellt den wirksamen Durchmesser des optischen Systems dar.

Das Erfassungsprinzip bei dem fotoelektrischen Detektorsystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel beruht auf den Unterschieden der Verteilungen des von dem Markenmuster gestreuten Lichts und des auf andere Weise als von dem Markenmuster gestreuten Lichts. D.h., es wird erfindungsgemäß

die Lichtempfangsfläche des Fotodetektors 18 aufgeteilt,

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um eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten zu bilden.

Die Fig. 5 zeigt ein Beispiel für einen solchen Fotodetektor in der erf indungstgemäßen fotoelektrischen Detektorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Fotodetektor 18 hat einen Lichtempfangsbereich, der in eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten 18a bis 18h aufgeteilt ist. Die Lichtempfangsabschnitte 18a bis 18h sind an der -^q gleichen Grundplatte angebracht und zur voneinander unabhängigen Abgabe von Ausgangssignalen ausgebildet. Von diesen Lichtempfangsabschnitten können die Abschnitte 18b und 18f sowie 18d und 18h das an den Rändern der Markenmuster mit den unterschiedlichen Schräglagen gebeugte Licht empfange gen. Bei dem Empfang erzeugt gleichzeitig eines der beiden Paare der Lichtempfangsabschnitte ein einzelnes Erfassungssignal, das nachstehend als Markensignal bezeichnet wird. Das Markensignal enthält eine Signalkomponente, die dem in Fig. 4A gezeigten, von dem Markenmuster gebeugten bzw. ge-„„ streuten Licht entspricht, und eine Signalkomponente, die dem von einem Fremdteilchen gestreuten Licht mit der in Fig. 4B gezeigten gleichförmigen Verteilung entspricht. Andererseits sind die Lichtempfangsabschnitte 18a, 18c, 18e und 18g so gestaltet, daß sie nur die von den Fremdteilchen „p. gestreuten Lichtstrahlen aufnehmen, welche gemäß Fig. 4B eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung haben. Diese Lichtempfangsabschnitte erzeugen jeweils bei dem Empfang von Licht ein einzelnes Erfassungssignal, das nachstehend als "Störsignal" bezeichnet wird.

In einem jeden Markensignal hat die dem Streulicht von dem Fremdteilchen entsprechende Signalkomponente einen Pegel, der im wesentlichen gleich demjenigen des Störsignals ist, und ist mit dem Störsignal synchron. Daher kann durch das Subtrahieren des Störsignals von dem Markensignal die dem durch das Markenmuster genau gebeugten Licht entsprechende

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Signalkomponente allein erfaßt werden, wobei die Auswirkungen des Streulichts von den Fremdteilchen ausgeschieden sind. Der Fotodetektor wie der Fotodetektor 18 kann unter Verwendung einer Solarzelle oder dergleichen hergestellt werden.

Anhand der Fig. 6 wird nun ein Signalverarbeitungssystem in der fotoelektrischen Detektorvorrichtung gemäß dem er-

-^q sten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird die Summe aus den Ausgangssignalen der Lichtempfangsabschnitte 18b und 18f (oder 18d und 18h), nämlich das Markensignal nunmehr als "Kanal A" bezeichnet, während die Summe aus den Ausgangssignalen der Lichtempfangsabschnitte 18a, 18c, 18e und 18g, nämlich das Störsignal numehr als "Kanal B" bezeichnet wird. Der oberste Teil (a) der Fig. 6 zeigt die Lagezusammenhänge zwischen den Markenelementen auf der Maske und dem Halbleiterplättchen bei dem Überstreichen durch die Laserstrahlen.

_on Eine strichpunktierte Linie stellt den geometrischen Ort der Abtastungs-Laserstrahlen dar. Die Lagebeziehung zwischen den Markenelementen ist im wesentlichen die gleiche wie die in dem Teil (c) der Fig. 3 gezeigte. Auf der Halbleiterplättchen-Oberflache oder irgendeinem eingebauten Element des

₂p. optischen Abtastsystems kann sich eine Anzahl von Fremdteilchen befinden. Diese Fremdteilchen verursachen Störsignale mit bestimmten Pegeln. Mit 42 ist ein großes Fremdteilchen bezeichnet, das ein Störsignal hohen Pegels verursacht. Der Teil (b) der Fig. 6 zeigt eine Folge von Ausgangssignalen

__ des Kanals A, während der Teil (c) der Fig. 6 eine Folge von Ausgangssignalen des Kanals B zeigt. Gemäß der Beschreibung ist der Kanal A ein Erfassungskanal für das Aufnehmen von "Muster + Fremdteilchen", so daß die Kurvenform an diesem Kanal der in dem Teil (b) der Fig. 6 gezeigten ent-

_o_ spricht. Andererseits ist der Kanal B ein Erfassungskanal ob

für das Aufnehmen allein von "Fremdteilchen", so daß die

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Kurvenform an diesem Kanal der in dem Teil (c) der Fig. 6 gezeigten entspricht. Die unteren Teile (d), (e) und (£) der Fig. 6 zeigen die Ergebnisse eines mittels eines Differs renzverstärkers erreichten Rechenvorgangs "Kanal A - Kanal B". Der Teil (d) der Fig. 6 zeigt die Kurvenform in dem Fall, daß die in der über den Kanal A gelieferten Kurvenform enthaltene, den Fremdteilchen entsprechende Signalkomponente im wesentlichen den gleichen Pegel wie die über den Kanal

₁₍~) B gelieferte Störsignal-Kurvenform hat, so daß die Signale einander aufheben. Der Teil (e) der Fig. 6 zeigt die Kurvenform in dem Fall, daß die über den Kanal B gelieferte Störsignal-Kurvenform einen Pegel hat, der höher ist als die in der Kurvenform an dem Kanal A enthaltene, den Fremdteilchen entsprechende Signalkomponente. Der Teil Cf) der Fig. 6 zeigt die Kurvenform in dem Fall, daß die in der Kurvenform an dem Kanal A enthaltene, den Fremdteilchen entsprechende Signalkomponente einen größeren Pegel im Vergleich zu der über den Kanal B gelieferten Störsignal-Kurvenform hat, so daß die den Fremdteilchen entsprechende Signalkomponente der Kurvenform an dem Kanal A nicht vollständig unterdrückt wird. In Abhängigkeit von den Gegebenheiten ist eine dieser drei Arten von Kurvenformen erzielbar. D.h., das Ergebnis des Rechenvorgangs "Kanal A - Kanal B" ist in Ab-

__ hängigkeit von den Streuungseigenschaften der Fremdteilchen, in Abhängigkeit davon, ob bei der Differenzverstärkung eines der Signale oder beide Signale aus den Kanälen A und B verstärkt werden oder nicht, oder in Abhängigkeit davon veränderbar, ob zwischen den Lichtempfangsabschnitten des Fotodetektors ein Empfindlichkeitsunterschied besteht oder nicht.

Es ist jedoch offensichtlich, daß im Vergleich zu den in dem Teil (b) der Fig. 6 gezeigten Erfassungssignalen, bei denen nur das ungestreute Licht abgefangen ist, bei jedem der Signale mit den in den Teilen (d), (e) und (f) der Fig. 6 gezeigten Kurvenformen durch die Aufbereitung mittels des Differenzverstärkers die Störsignale unterdrückt sind und

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das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis bzw. der Störabstand verbessert ist.

Anstelle des vorstehend beschriebenen Fotodetektors mit den auf der gleichen Grundplatte angeordneten aufgeteilten Lichtempfangsabschnitten kann eine Vielzahl von Spiegeln, die an den Lichtempfangsabschnitten bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils entsprechenden Stellen angeord-

,Q net werden, um die Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen abzulenken, in Verbindung mit einer Vielzahl von gesonderten Detektoren für die Aufnahme der jeweiligen abgelenkten Lichtstrahlen eingesetzt werden, wobei das Beugungsbzw. Streuungslicht auf einer im wesentlichen gleichen Ebe-

p. ne aufgenommen wird. Als weitere Alternative können von den in Fig. 5 gezeigten Lichtempfangsabschnitten des Fotodetektors die Abschnitte außer den Abschnitten 18b, 18d, 18f und 18h weggelassen werden. Wenn in diesem Fall das von einem einzelnen Markenmuster gebeugte Licht auf das Paar aus den Abschnitten 18b und 18f fällt, wird das andere Paar aus den

Abschnitten 18d und 18h dafür verwendet, allein das Störsignal zu erfassen. Wenn andererseits das von einem anderen Markenmuster gebeugte Licht auf die Abschnitte 18d und 18h fällt, wird das Paar aus den Abschnitten 18b und 18f dafür verwendet, allein das Störsignal zu erfassen. In diesem Fall werden die Lichtempfangsabschnitte 18b, 18d, 18f und 18h selektiv eingesetzt.

Es ist bekannt, daß dann, wenn das Markenmuster durch eine

auf der Plättchenoberfläche ausgebildete Vertiefung oder 30

Aufwölbung gebildet ist und auf die Plättchenoberfläche eine Fotolackschicht aufgebracht wird, das von dem nahe dem Markenmuster gelegenen ebenen Bereich der Plättchenoberfläche spiegelnd reflektierte Licht durch die Fotolackschicht

gebrochen werden kann, so daß es sich mit dem Streulicht 35

von dem Rand des Markenmusters vermischt. Auch in einem

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solchen Fall gewährleistet jedoch die erfindungsgemäße Detektorvorrichtung eine genaue Erfassung des Markenmusters. D.h., die Schräglage der Fotolackschicht ist bekannt, so daß die Richtung der Brechung ermittelt werden kann. Falls beispielsweise das von dem Markenmuster gebeugte bzw. gestreute Licht auf das Paar aus den Abschnitten 18h und 18d fällt, wird das durch die Fotolackschicht gebrochene Licht in eines der auf die Abschnitte 18h und 18d gerichteten gebeugten bzw. gestreuten Lichtstrahlenbündel eingemischt. Daher wird derjenige der beiden Lichtempfangsabschnitte, auf den das eingemischte Brechungslicht gerichtet ist, elektrisch abgeschaltet, wodurch die Auswirkungen des unerwünschten Lichts unterdrückt werden können.

Die Erfindung wurde zwar bisher unter Bezugnahme auf die Ausrichtung zwischen der Maske und dem Halbleiterplättchen beschrieben, jedoch besteht keine Einschränkung hierauf; vielmehr ist die Erfindung bei irgendeiner Signalverarbeitung wie beispielsweise einer solchen für die Prüfung eines Maskenmusters nach Fehlern anwendbar, solange das Beugungsbzw. Streuungsmuster im voraus bestimmt werden kann.

Erfindungsgemäß kann gemäß der vorangehenden Beschreibung _OR allein die dem Maskenmuster entsprechende Signalkomponente gesondert erfaßt werden, ohne daß die Erfassungsstrahlen (das Reflexionslicht) wie bei dem Stand der Technik zweigeteilt werden. Infolgedessen wird die aufgenommene Lichtmenge nicht verringert, so daß ein Erfassungssignal mit ausreichen_o dem Pegel gewährleistet ist. Ferner kann die Gestaltung der

fotoelektrischen Detektorvorrichtung vereinfacht werden, da sie nur ein einziges optisches System zur Signalaufnahme enthält. Darüberhinaus sind erfindungsgemäß keine komplizierten Justiervorgänge wie das Ausfluchten der Raumfilter mit den optischen Achsen mehr erforderlich, so daß die Justierung der Vorrichtung sehr einfach ist.

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Ein weiteres Problem bei der fotoelektrischen Erfassung ist die Ebenheit der Oberfläche des Objekts. Im einzelnen beruht das beschriebene fotoelektrische Detektorsystem auf der Erfassung von Streulicht. Falls daher die Oberfläche des Bereichs, der das Objekt der fotoelektrischen Erfassung ist, Unebenheiten oder Ungleichmäßigkeiten enthält, wird das durch die Ungleichmäßigkeiten verursachte Streulicht als ein Signal aufgenommen. Dieses auf andere Weise als durch iQ das Markenmuster gestreute Licht verschlechtert den Kontrast und den Störabstands des Markensignals, was zu einer Verminderung der Erfassungsgenauigkeit und der Signalaufnahmefähigkeit führt.

■,p- Mit der Erfindung wird auch angestrebt, das Erfassen von unerwünschtem Licht wie dem Streulicht zu verhindern, das durch Oberflächenungleichmäßigkeiten an dem Meßobjekt hervorgerufen wird. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die Lichtempfangsfläche eines Fotodetektors in eine Vielzahl

^₀ von Lichtempfangsabschnitten aufgeteilt, von denen zur Signalaufnahme mindestens ein geeigneter Abschnitt gewählt wird.

Die Fig. 7A zeigt die Richtcharakteristik der Verteilung des Streulichts, nämlich des Beugungsmusters, das durch die in Fig. 3 gezeigten Richtmarken hervorgerufen und an dem Ort des Fotodetektors 18 beobachtet werden kann. Gemäß der vorangehenden Beschreibung ist es mit der Theorie gewöhnlicher Beugungserscheinungen leicht erklärbar, daß sich das Streulicht in Richtungen ausbreitet, die zu der Ausrichtung des Musters senkrecht stehen. Im Vergleich hiermit zeigt das Streulicht von unebenen Oberflächenteilen des zu erfassenden Objekts keinerlei besondere Richtcharakteristik auf der Detektorfläche und breitet sich in den meisten Fällen

im wesentlichen gleichförmig aus, wie es in den Fig. 7B bis ο ο

7D gezeigt ist. Die Fig. 7B zeigt die Verteilung bei einem

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Fall, bei dem die Oberfläche des Objekts eine kleine Ungleichmäßigkeit enthält, die Fig. 7C zeigt die Verteilung in dem Fall, daß die Oberfläche des Objekts eine etwas größere Ungleichmäßigkeit enthält, und die Fig. 7D zeigt die Verteilung in dem Fall, daß die Oberflächen des Objekts eine große Ungleichmäßigkeit enthält. In diesem Fall ändert sich das Ausmaß der Verbreiterung des Streulichts in Abhängigkeit von der Größe der Oberflächen-Ungleichmäßigkeit des

-^q zu erfassenden Objekts. In den Fig. 7A bis 70 ist mit der durch zueinander senkrechte Linien gestrichelten mittigen Kreisfläche das nicht gestreute Licht dargestellt, während der übrige gestrichelte Bereich die verteilten bzw. gestreuten Lichtstrahlen darstellt. Der äußerste Kreis stellt den

-,C wirksamen Durchmesser des optischen Systems dar.

Das Prinzip der Erfassung bei dem erfindungsgemäßen fotoelektrischen Detektorsystem beruht darin, daß derartige Unterschiede der Lichtverteilung an dem Ort des Fotodetektors genutzt wird. D.h., es wird erfindungsgemäß die Lichtempfangsfläche bzw. der Lichtempfangsbereich des Fotodetektors in eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten aufgeteilt, von denen einer oder mehrere entsprechend dem Zustand der Verteilung des auf andere Weise als durch das

„ρ- Markenmuster gestreuten Lichts gewählt wird bzw. werden, wodurch die Auswirkungen des auf andere Weise als durch das Markenmuster gestreuten unerwünschten Lichts unterdrückt werden.

__. Die Fig. 8 zeigt einen Fotodetektor in einer fotoelektrisehen Detektorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Fotodetektor 18 hat eine Lichtempfangsfläche, die in fünf Lichtempfangsabschnitte 18a bis 18e aufgeteilt ist, welche durch strichlierte Flächen dargestellt sind. Diese Lichtempfangsabschnitte 18a bis 18e sind konzentrisch angeordnet. Die Ausgangssignale dieser

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Lichtempfangsabschnitte werden entsprechend der Größe eines jeweiligen Markensignals und dem Ausmaß der Verteilung des Streulichts von der Oberfläche des zu erfassenden Ob-

g jekts selektiv kombiniert, wodurch an eine Signalverarbeitungsschaltung ein Signal mit optimalem Kontrast und optimalem Störabstand abgegeben wird.

Die Signalzusammensetzung erfolgt mittels einer Signalmischschaltung, die als Blockschaltbild in Fig. 9 gezeigt ist. Die Lichtempfangsabschnitte 18a bis 18e des Fotodetektors 18 sind jeweils mit Wählschaltern 41a bis 41e verbunden. Durch Befehlssignale aus einer Rechenverarbeitungseinheit 43 werden gewählte Abschnitte der Lichtempfangsabschnitte

,,- 18a bis 18e mit einer Signalmischschaltung 40 verbunden.

Nach dem Zusammensetzen der Ausgangssignale der mittels der Wählschalter 41a bis 41e entsprechend den Befehlssignalen aus der Rechenverarbeitungseinheit 43 gewählten Lichtempfangsabschnitte gibt die Signalmischschaltung 40 ein Aus-

P₀ gangssignal sowohl an eine (nicht gezeigte) Signalverarbeitungsschaltung als auch an einen Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler 42 ab. Der A/D-Wandler 42 setzt das in der Form eines analogen Signals vorliegende Ausgangssignal der Signalmischschaltung 40 in eine digitales Signal um und führt

„j- dieses der Rechenverarbeitungseinheit 43 zu.

Auf diese Weise empfängt die Rechenverarbeitungseinheit 43 eine Folge von Ausgangssignalen der Signalmischschaltung 40, die in dem mittleren Teil (b) der Fig. 10 gezeigt sind, _n und speichert diese in eine enthaltene Speichereinheit ein.

Danach berechnet die Rechenverarbeitungseinheit 43 die Grossen bzw. Pegel eines Sockelsignals P1 und von Markensignalen S1 bis S6. Falls ein Markensignal mit einem Pegel vorliegt, der höher als ein vorbestimmter Wert ist, oder falls das Sockelsignal einen Pegel hat, der höher als ein vorbestimmter Wert ist, gibt die Rechenverarbeitungsschaltung 43 ein

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Ausschaltsignal an den Wählschalter 41a ab, um die Abgabe des aus dem innersten Lichtempfangsabschnitt 18a des Detektors zugeführten Ausgangssignals zu unterbrechen, so daß dieses nicht mit den übrigen Ausgangssignalen der Abschnitte 18b bis 18e in der Signalmischschaltung 40 zusammengesetzt wird. Die sich ergebende Folge von Ausgangssignalen der Signalmischschaltung 40 ist in dem unteren Teil (c) der Fig. 10 gezeigt. Gemäß der Darstellung in diesem Teil der

-^q fig. 10 verursacht das Abschalten des innersten Lichtempfangsabschnitts 18a des Fotodetektors 18 eine beträchtliche Verringerung des Pegels des dort mit P2 bezeichneten Sockelsignals bei einer geringfügigen Verringerung der Pegel der Markensignale, die mit S7 bis SI 2 bezeichnet sind. Da jedoch die Pegelverringerung des Sockelsignals im Vergleich zu derjenigen des Markensignals groß ist, wird der Kontrast des Erfassungssignals verbessert. Auf diese Weise gibt die Rechenverarbeitungseinheit 43 aufeinanderfolgend Befehlssignale ab, um aufeinanderfolgend die Lichtempfangsabschnitte

«_n des Fotodetektors abzuschalten, wodurch eine Kombination der Lichtempfangsabschnitte festgelegt wird, die am wirkungsvollsten ist, einen optimalen Kontrast zu ergeben, wobei ein jedes Markensignal einen Pegel hat, der nicht niedriger als der vorbestimmte Wert ist.

Darauffolgend gibt die Rechenverarbeitungseinheit 43 aufeinanderfolgend Befehlssignale ab, mit denen aufeinanderfolgend die Lichtempfangsabschnitte in der Reihenfolge von dem äußersten Abschnitt 18e an abgeschaltet werden, während aufein_n anderfolgend festgestellt wird, daß ein Kontrast aufrechterhalten wird, der nicht geringer als ein vorbestimmter Kontrast ist. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis der Kontrast unter den vorbestimmten Wert absinkt. Das Abschalten in der Aufeinanderfolge von dem äußersten Lichtempfangsabschnitt 18e hat folgenden Grund: in manchen Fällen fallen keine nutzbaren Lichtstrahlen auf den äußersten Abschnitt oder die

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äußeren Lichtempfangsabschnitte. In diesem Fall entsteht jedoch ein Dunkelstrom. Dieser Dunkelstrom führt zu einem Störsignal, durch das der Störabstand beträchtlich verschlechtert wird.

Auf die vorstehend beschriebene We.ise werden die Lichtempfangsabschnitte des Fotodetektors selektiv und geeignet kombiniert, wodurch ein optimaler Kontrast und ein optimaler , _Ω Störabstand und daher ein optimales Markensignal erhalten werden. Dies gewährleistet eine Signalerfassung mit verbesserter Aufnahmefähigkeit und verbesserter Genauigkeit. Der Teil (a) der Fig. 10 zeigt gleichartig wie die Figuren 3 und 6 die Lagezusammenhänge zwischen den Richtmarkenmustern p. auf der Maske und dem Halbleiterplättchen bei der Abtastung mittels des Laserstrahl-Leuchtpunkts, dessen geometrischer Ort mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Der Teil (b) der Fig. 10 zeigt die Kurvenform einer Folge von Erfassungssignalen in dem Fall, daß alle Lichtempfangsabschnitte 18a bis 18e des Fotodetektors 18 eingesetzt sind, während der untere Teil (c) der Fig. 10 die Kurvenform einer Folge von Erfassungssignalen zeigt, welche sich durch die optimale Kombination der gewählten Lichtempfangsabschnitte ergeben.

Anhand der Fig. 11A bis 11F und 12 bis 14 wird nun eine erfindungsgemäße fotoelektrische Detektorvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird angestrebt, das Aufneh-30

men von unerwünschtem Licht zu verhindern, welches durch Fremdteilchen und/oder Oberflächenunregelmäßigkeiten an dem Objekt verursacht wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält das fotoelektrische Detektorsystem einen _o_ Fotodetektor mit einer Lichtempfangsfläche, die sowohl in diametraler bzw. radialer Richtung als auch in Umfangsrich-

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tung in eine Vielzahl von Abschnitte aufgeteilt ist.

In den Fig. HA bis 11F sind Beispiele für die Verteilung von Streulicht gezeigt. Von diesen Figuren zeigen die Fig. 11A und 11B die Beugungsmuster, die durch ein in Fig. 3 gezeigtes Richtmarkenelement hervorgerufen und an dem Ort des Fotodetektors 18 beobachtet werden (Fig. 1). Gemäß der vorangehenden Beschreibung breitet sich das Streulicht in

.Q den Richtungen aus, die zu der Ausrichtung des Markenmusters senkrecht stehen. D.h., das Beugungsmuster nach Fig. 11A ergibt sich aus dem Licht, das durch ein in dem obersten Teil (a) der Fig. 14 gezeigtes Richtmarkenelement 12a, 13a oder 12b gestreut wird, während die Fig. 11B ein Beugungs-

, c muster zeigt, das durch das Licht gebildet wird, welches durch ein im gleichen Teil der Fig. 14 gezeigtes Richtmarkenelement 12c, 13b oder 12d gestreut wird. Gemäß der vorangehenden Beschreibung zeigt das durch ein Teilchen mit unregelmäßiger Form wie ein Staubteilchen gestreute Licht

_on keinerlei besondere Richtcharakteristik, so daß es gemäß Fig. 11C im wesentlichen gleichförmig verteilt ist. Ferner zeigt gemäß der vorangehenden Beschreibung das Licht, daß durch eine Oberflächenungleichmäßigkeit in einem Bereich gestreut wird, der das Objekt der Erfassung ist, keinerlei

_O1= bestimmte Richtcharakteristik an dem Ort des Fotodetektors 18, so daß es gleichartig zur Verteilung des durch das Fremdteilchen gestreute Licht im wesentlichen gleichförmig verteilt ist. Das Ausmaß der Ausbreitung des durch die Oberflächenungleichmäßigkeit gestreuten Lichts ändert sich je-

_ doch gemäß der Darstellung in den Fig. 11D bis 11F in Abhängigkeit von der Größe der Oberflächenungleichmäßigkeit. In den jeweiligen Figuren 11A bis 11F ist das nicht gestreute Licht durch die mittige, mit rechtwinklig zueinander stehenden Linien strichlierte Kreisfläche dargestellt, während die übrige strichlierte Fläche das verteilte Streulicht darstellt. Der äußerste Kreis stellt den wirksamen Durchmesser

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des optischen Systems dar.

Im Hinblick auf die Unterschiede der Verteilungen des von dem Richtmarkenelement gestreuten Lichts und des von dem Fremdteilchen oder der Oberflächenungleichmäßigkeit gestreuten Lichts am Ort des Fotodetektors 18 ist der Fotodetektor der fotoelektrischen Detektorvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Lichtempfangs-,Q fläche versehen, die gemäß Fig. 12 in eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten aufgeteilt ist.

Gemäß Fig. 12 enthält die Lichtempfangsfläche des Fotodetektors 18 eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten 18a, 18b. bis 18b₄, 18C₁ bis 18c₄, 1Sd₁ bis 18d₄ und 1Se₁ bis 18e₄. Mit Ausnahme des mittigen Abschnitts 18a sind die Lichtempfangsabschnitte in zwei diametralen Richtungen bzw. vier Radialrichtungen aufgereiht. In den vier Radialrichtungen sind die jeweils vier entsprechenden Lichtempfangsabschnitte kon- _n zentrisch angeordnet, nämlich unter jeweils gleichem Abstand von der Mitte des Fotodetektors 18.

Der mittige Lichtempfangsabschnitt 18a ist für die Aufnahme der spiegelnd reflektierten Komponente der Abtastlaserstrahlen angeordnet. Die Aufnahme des spiegelnd reflektierten Lichts dient zur Unterscheidung, ob die Erfassungsfläche tatsächlich mittels der Abtastlaserstrahlen abgestastet wird oder nicht, zur Erzeugung eines Synchronisiersignals in einer Verarbeitungseinheit sowie zum Messen des Reflexionsfaktors des Objekts.

Falls die Abtastlaserstrahlen auf das Markenmuster 12a, 13a oder 12b fallen, wird das hierdurch gestreute Licht von den Lichtempfangsabschnitten 1Sb₁, 18C₁, 1Sd₁ , 18e.., 18b.,, 18c,,. 18d~ und 18e-, aufgenommen. Die Ausgangssignale dieser Lichtempfangsabschnitte werden zu einem einzelnen Signal zusammen-

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gefaßt, welches in diesem Fall ein Markensignal ist. Andererseits werden aus den Lichtempfangsabschnitten 18b-, 18C₂, 18d₂, 18e_, 18b₄, 18c., 1 8d. und 18e₄ die Ausgangssignale, die dem Streulicht entsprechen, das durch irgendein Fremdteilchen in nächster Nähe zum Markenelement 12a, 13a oder 12b verursacht wird, zu einem einzelnen Signal zusammengesetzt, welches in diesem Fall ein Störsignal ist.

Wenn die Richtmarkenmuster 12c, 13b und 12d erfaßt werden, erzeugen die Lichtempfangsabschnitte 18b₂, 18c₂, ¹^d-, ¹8^e?> 18b-, 1Sc₄, 18d. und 18e. Signale, die zu einem einzelnen Signal, nämlich einem Markensignal zusammengesetzt werden. Andererseits werden die aus den Lichtempfangsabschnitten 1Sb₁, 18C₁, 18d.j, 1Se₁, 18b,, 18c₃, 18d₃ und 18e₃ abgegebenen Signale, die dem störenden Streulicht entsprechen, zu einem Einzelsignal zusammengesetzt, welches in diesem Fall ein Störsignal ist. Auf diese Weise werden entsprechend der Ausrichtung des Markenmusters die Lichtempfangsabschnit-P₀ te selektiv und abwechselnd derart betrieben, daß das Markensignal und das Störsignal aufgenommen werden.

Auf diese Weise kann ein Störsignal aufgenommen werden, das im wesentlichen den gleichen Pegel wie die dem Streu-

₂p- licht von dem Fremdteilchen entsprechende Signalkomponente im Markensignal hat und das mit dieser Signalkomponente synchron ist. Daher kann durch das Subtrahieren der Störsignale von den Markensignalen eine durch die Auswirkungen der Fremdteilchen fehlerhafte Erfassung verhindert werden.

Die Kombination der Lichtempfangsabschnitte, die das Markensignal ergibt, wird als "Kanal A" bezeichnet, während die Kombination der Lichtempfangsabschnitte, die das Störsignal ergibt, als "Kanal B" bezeichnet wird. Da die Ausrichtung der jeweiligen in Fig. 3 gezeigten Markenmuster bekannt ist, ist es leicht zu ermitteln, welcher der beiden Sätze von Lichtempfangsabschnitten den Kanal A oder den Kanal B bildet.

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Die Signalverarbeitung für die Erfassung der Richtmarken ohne Beeinträchtigung durch das durch die Fremdteilchen verursachte Streulicht ist im wesentlichen die gleiche wie die anhand der Fig. 6 beschriebene. Zur Vereinfachung wird daher hier eine doppelte Beschreibung weggelassen.

Falls andererseits in dem Erfassungsbereich irgendeine Oberflächen-Ungleichmäßigkeit vorliegt, werden die Abtastlaserstrahlen durch die Ungleichmäßigkeit so gestreut, daß eine Lichtverteilung gemäß Fig. ITD, 11E oder TIF hervorgerufen wird. Dieses Streulicht verschlechtert des Kontrast und den Störabstand, so daß die Erfassungsgenauigkeit und die Signalaufnahmefähigkeit herabgesetzt werden.

Diese Mangel können mit der erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung ausgeschaltet, werden. D.h., die Lichtempfangsabschnitte werden gemäß Fig. 12 in vier radialen Richtungen aufgereiht. In diesen vier Radialrichtungen sind die jeweils entsprechenden vier Abschnitte konzentrisch in bezug auf die Mitte des Fotodetektors 18 angeordnet. Entsprechend dem Signalpegel, der sich in Abhängigkeit von dem Markenmuster und dem Ausmaß der Verbreiterung des Streulichts von der Oberfläche des Objekts ändert, wird bei dem Fotodetektor der erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung ein bestimmter Satz aus den konzentrisch angeordneten Lichtempfangsabschnitten gewählt oder es werden bestimmte Sätze aus denselben gewählt. Die Ausgangssignale der gewählten Lichtempfangsabschnitte werden zu einem einzelnen Signal zusammen-

gesetzt, das dann einer Signalverarbeitungseinheit als ein 30

Eingangssignal mit optimalem Kontrast und optimalem Störabstand zugeführt wird.

Diese Signalverarbeitungseinheit ist in Blockdarstellung in

der Fig. 13 gezeigt. Wenn der mittige Lichtempfangsabschnitt 35

1 8a die Abtas.tung des Erfassungsbereichs mit den Abtastlaser-

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strahlen erfaßt, gibt der Abschnitt ein Erfassungssignal ab, das einem Verstärker 51 zugeführt wird. Das Erfassungssignal wird von dem Verstärker 51 verstärkt, wonach das ver-

g stärkte Signal einem Spannungsvergleicher 58 sowie einem A/D-Wandler 54 zugeführt wird. In dem A/D-Wandler 54 wird das Erfassungssignal des Lichtempfangsabschnitts 18a in ein digitales Signal umgesetzt, das einer Rechenverarbeitungseinheit 57 zugeführt wird. Die Rechenverarbeitungseinheit

Q 57 weist einen Prozessor, einen Speicher und eine Schnittstelle für die Aufbereitung von Eingangs- und Ausgangssignalen auf. Durch die Rechenverarbeitungseinheit wird die Größe des aus dem A/D-Wandler 54 zugeführten ersten Abtaststrahlsignals ermittelt, wodurch ein Schwellenwert berech-

p. net wird. Der Schwellenwert wird dann einem Digital/Analogbzw. D/A-Wandler 53 zugeführt. Der D/A-Wandler 53 gibt eine Schwellenwertspannung ab, die als Bezugsspannung für den Spannungsvergleicher 58 eingesetzt wird. Der Spannungsvergleicher 58 vergleicht die Bezugsspannung mit dem Ausgangs-

_n signal des Verstärkers 51, das durch die zweite Abtastung mit den Laserstrahlen erzeugt wird, und gibt ein Ausgangssignal ab, das bis zum Abschluß der Abtastung mit den Laserstrahlen fortdauert. Dieses Ausgangssignal ist in dem untersten Teil (d) der Fig. 14 gezeigt. Dieses Ausgangssignal

_f- wird als Synchronisiersignal für die Messung der Zeitabstände zwischen den Markensignalen herangezogen.

Die Lichtempfangsabschnitte 18b., 18C₁, 1Sd₁ und 1Se₁ sind jeweils über Wählschalter 5Ob₁, 5Oc₁, 5Od₁ bzw. 5Oe₁ mit _ri einer Signalmischschaltung 52 verbunden. Gleichermaßen sind die übrigen Lichtempfangsabschnitte über entsprechende Wählschalter mit der Signalmischschaltung 52 verbunden.

Durch ein Ausgangssignal der Rechenverarbeitungseinheit 57 werden die jeweiligen Wählschalter ein- oder ausgeschaltet, wodurch die Lichtempfangsabschnitte selektiv in Betrieb gesetzt werden können.

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Die Signalmischschaltung 52 enthält jeweils einen Verstärker für jeden Lichtempfangsabschnitt sowie einen Addierer und einen Subtrahierer für das unabhängige Ausführen von

g Additions- und Subtraktionsvorgängen an den aus den Lichtempfangsabschnitten zugeführten Signalen. Nach dem Zusammensetzen führt die Signalmischschaltung 52 ein Signal einem Spannungsvergleicher 59 und einem A/D-Wandler 56 zu.

Zuerst führt die Rechenverarbeitungseinheit 57 allen Wähl- ' schaltern ein Einschaltsignal zu, so daß an die Signalmischschaltung 52 alle Signale aus den Lichtempfangsabschnitten angelegt werden.

Darauffolgend führt die Rechenverarbeitungseinheit 57 der ι ο

Signalmischschaltung 52 Befehle zu, durch die die Signale aus den Lichtempfangsabschnitten 18b.., 18C₁, 1Sd₁, 18e., 18b,, 18c,, 18d, und 18e, addiert werden und von den zusammengefaßten Signalen die Signale aus den Lichtempfangsabschnitten 18b₂, 18c₂, 18d₂, 18e₂, 18b₄, 18c₄, 18d₄ und 18e₄ subtrahiert werden. Das Ergebnis der Rechenvorgänge der Signalmischschaltung 52 wird an den A/D-Wandler 56 und den Spannungsvergleicher 59 angelegt. Durch die Verarbeitungseinheit 57 wird über den A/D-Wandler 56 die Größe dieses Signals erfaßt und durch Berechnung ein Schwellenwert bestimmt. Der auf diese Weise erzielte Schwellenwert wird einem D/A-Wandler 55 zugeführt. Der Spannungsvergleicher 59 vergleicht ein aus der Signalmischschaltung 52 zugeführtes Eingangssignal mit der aus dem D/A-Wandler 55 zugeführten Schwellenwert-

spannung und erzeugt ein Impulssignal, das dem Markensignal 30

entspricht.

Darauffolgend beginnt nach dem Erzeugen des Synchronisiersignals durch den Spannungsvergleicher 58 die Verarbeitungseinheit 57 die Zählung der Anzahl der von dem Spannungsver-35

gleicher 59 erzeugten Markensignale. Die Verarbeitungsein-

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heit 57 setzt die Zählung bis zum Zählen von drei Markensignalen und bis zum Durchlaufen des dritten Markensignals fort. Zu diesem Zeitpunkt legt die Verarbeitungseinheit 57

g an die Signalmischschaltung 52 ein Befehlssignal für das Ausführen der Addier/Subtrahier-Vorgänge an.

Gemäß diesem Befehlssignal werden die Signale aus den Lichtempfangsabschnitten 18b₂, 18c₂, 18d₂, 18e₂, 18b₄, 18C₄, 18d^

, ₀ und 18e. miteinander addiert, während von dem addierten Signal die Signale aus den Lichtempfangsabschnitten 18b,, 18c., 18d.., 1Se₁ , 18b.,, 18c,, 18d^ und 18e, subtrahiert werden. Die Folge der sich ergebenden Ausgangssignale der Signalmischschaltung 52 ist in dem Teil (b) der Fig. 14 gezeigt.

_lf- Die Kombination der Addier/Subtrahier-Vorgänge der Signalmischschaltung 52 unter Wahl der Lichtempfangsabschnitte wird zum Zeitpunkt des Anstiegs des Synchronisiersignals sowie zum Abschluß des Zählens der drei Markensignale gewechselt.

Das in dem Teil (b) der Fig. 14 gezeigte Signal enthält eine Signalkomponente, die dem an der Oberflächen-Unebenheit des Objekts gestreuten Lichts entspricht. Die Verarbeitungseinheit 57 empfängt über den A/D-Wandler 56 aus der Signalmischschaltung eine Folge von Signalen gemäß der Darstellung in dem Teil (b) der Fig. 14 und speichert diese in den eigenen Speicher ein. Danach berechnet die Verarbeitungseinheit 57 die Größen eines Sockelsignals P1 und von Markensignalen Si bis S6. Falls ein Markensignal mit einem Pegel vorliegt, der größer als ein vorbestimmter Wert ist, oder falls

das Sockelsignal einen Pegel hat, der größer als ein vorbe- - stimmter Wert ist, gibt die Verarbeitungseinheit 57 an die Wählschalter 5Ob₁ bis 50b. ein Ausschaltsignal ab, um die aus den inneren Lichtempfangsabschnitten 18b- bis 18b- des Fotodetektors zugeführten Ausgangssignale zu sperren, so daß diese nicht mittels der Signalmischschaltung 52 mit den

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übrigen Ausgangssignalen der Abschnitte zusammengesetzt werden. Die sich ergebende Folge der Ausgangssignale der Signalmischschaltung 52 ist in dem unteren Teil (c) der Fig. g 14 dargestellt. Gemäß der Darstellung in diesem Teil der Fig. 14 bewirkt das Abschalten der inneren Lichtempfangsabschnitte des Fotodetektors 18 eine wesentliche Verringerung des Pegels des dort mit P2 bezeichneten Sockelsignals unter geringfügiger Verringerung des Pegels der jeweiligen , p. Markensignale, die mit S7 bis S12 bezeichnet sind. Da jedoch die Verringerung des Pegels des Sockelsignals im Vergleich zur Pegelverringerung des Markensignals sehr groß ist, wird der Kontrast des Erfassungssignals verbessert. Auf diese Weise gibt die Verarbeitungseinheit 57 aufeinan- _ derfolgend Befehlssignale aus, um aufeinanderfolgend die Lichtempfangsabschnitte des Fotodetektors abzuschalten, und ermittelt die Kombination der Lichtempfangsabschnitte, die für einen optimalen Kontrast am wirkungsvollsten ist, wobei jedes Markensignal einen Pegel hat, der nicht unter dem vorbestimmten Wert liegt. Gleichzeitig hiermit ändert die Verarbeitungseinheit 57 die Schwellenwertspannung für den Vergleicher 59 entsprechend der Verminderung des Pegels des Mustersignals.

Danach gibt die Verarbeitungseinheit 57 aufeinanderfolgend Befehlssignale für das aufeinanderfolgende Abschalten der Lichtempfangsabschnitte in der Reihenfolge von den äußersten Abschnitten 1Se₁ bis 18e. weg aus, während sie aufeinanderfolgend feststellt, ob ein Kontrast aufrecht erhalten ist, der nicht geringer als ein vorbestimmter Kontrast ist. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis der Kontrast geringer als der vorbestimmte Kontrast wird. Das Abschalten in der Reihenfolge von den äußersten Lichtempfangsabschnitten 18e an erfolgt aus folgendem Grund: in manchen Fällen fallen auf

den äußersten Lichtempfangsabschnitt oder die äußeren Ab-35

schnitte keine nutzvollen Lichtstrahlen. In diesem Fall ent-

Claims (12)

1. IEDTKE - OUHLING - IVlNNE - UlRÜPE Vertreter beim EPA If* <

   T\ f* Ο Dipl.-Ing. H. Tiedtke I "

   ReLLMANN - URAMS - OTRUIF - Dipl.-Chem. G. Bühling

   3501283 DiP«-«ng· R-Kinne Dipl.-Ing. R Grupe

   Dipl.-Ing. B. Pellmann '

   Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

   Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

   Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: O 89-537377 cable: Germaniapatent München

   16. Januar 1985 DE 4544

   Patentansprüche

   1 . Fotoelektrische Detektorvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Lichtempfangselement (18), das für die jeweilige Aufnahme von an einem Objekt (12, 13) reflektierten Lichtstrahlen eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten (Fig. 5, Fig. 8, Fig. 12) hat, die in einer vorbestimmten Ausrichtung derart angeordnet sind, daß auf den Empfang der Λ Lichtstrahlen hin ein gewählter Lichtempfangsabschnitt ein * Ausgangssignal erzeugt.
2. 2. Detektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Lichtempfangsabschnitte (Fig. 5) entsprechend der Richtcharakteristik von Lichtstrahlen angeordnet ist, die durch ein zu erfassendes Muster an dem Objekt (12, 13) abgelenkt sind.
3. 3. Detektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einem der Lichtempfangsabschnitte (Fig. 5) aus den an dem Objekt (12, 13) reflektierten Lichtstrahlen abgelenkte Lichtstrahlen unterscheidbar sind, die von gesuchten Lichtstrahlen verschieden sind.
4. 4. Detektorvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Signalverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten der von den Lichtempfangsabschnitten (Fig. 5) abgegebenen

   r Bank iMunrhen) Kto 3939844 Deutscht- B;ink (München) Kto 28610(SO Postscheckamt (München) Kto. 670-43 - 804

   -2- DE 4544

   Signale in der Weise, daß ein dem Muster entsprechendes gesuchtes Signal gesondert erfaßt wird.
5. 5. Detektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsabschnitte (Fig. 8) konzentrisch angeordnet sind.
6. 6. Detektorvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Wählvorrichtung (41, 43) zum selektiven Einschalten der Lichtempfangsabschnitte (Fig. 8) in der We",ise, daß für ein Muster an dem Objekt (12, 13) eine optimale Signalerfassung gewährleistet ist.
7. p. 7. Detektorvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Mischvorrichtung (40) zum Zusammensetzen der von den gewählten Lichtempfangsabschnitten (Fig. 8) erzeugten Signale.
8. 8. Detektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsabschnitte (Fig. 12) entsprechend der Richtcharakteristik von durch ein zu erfassendes Muster an dem Objekt (12, 13) abgelenktem Licht angeordnet und längs der Ausrichtung des abgelenkten Lichts aufgereiht ^Sind·
9. 9. Detektorvorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Wählvorrichtung (50, 57) zum selektiven Einschalten der Lichtempfangsabschnitte (Fig. 12) in der Weise, daß

   für das Muster an dem Objekt (12, 13)eine optimale Signal-30

   erfassung gewährleistet ist.
10. 10. Detektorvorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Mischvorrichtung (52) zum Zusammensetzen der von

    den gewählten Lichtempfangsabschnitten (Fig. 12) erzeugten 35

    Signale.

    -3- DE 4544
11. 11. Fotoelektrische Detektorvorrichtung, gekennzeichnet

    durch ein Lichtempfangselement (18) für den Empfang von an einem Objekt (12, 13) reflektierten Lichtstrahlen, wobei das Lichtempfangselement eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten hat, die in einem vorbestimmten Ausrichtungszusammenhang derart angeordnet sind, daß ein gewählter der Lichtempfangsabschnitte das von dem Objekt reflektierte Licht empfängt, eine Signalverarbeitungseinrichtung (43; 57)

    -^q zum Verarbeiten der von den Lichtempfangsabschnitten erzeugten Signale in der Weise, daß gesondert ein gesuchtes Signal erfaßt wird, welches einem an dem Objekt gebildeten Muster entspricht, und eine Wähleinrichtung (41; 50) zum selektiven Einschalten der Lichtempfangsabschnitte in der Weise, daß für das Muster an dem Objekt eine optimale Signalerfassung gewährleistet ist.
12. 12. Ausrichtgerät zum Ausrichten eines Objekts, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (1) zum Bestrahlen des Ob_on jekts (12, 13) mit Laserstrahlen, eine Vorrichtung (3) für eine Relativversetzung zwischen dem Objekt und den Laserstrahlen in der Weise, daß die Laserstrahlen die Oberfläche des Objekt überstreichen, und ein Lichtempfangselement (18) zum Empfangen der von dem Objekt reflektierten Strahlen, wobei das Lichtempfangselement eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten hat, die in einem vorbestimmten Ausrichtungszusammenhang derart angeordnet sind, daß ein gewählter der Lichtempfangsabschnitte die von dem Objekt reflektierten Strahlen empfängt.