DE68929314T2

DE68929314T2 - Vorrichtung zur Detektion der Positionsrelation zwischen zwei Objekten

Info

Publication number: DE68929314T2
Application number: DE68929314T
Authority: DE
Inventors: Naoto Abe; Noriyuki Nose
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2009-09-08
Also published as: EP0358511A3; EP0358511A2; EP0358511B1; DE68929314D1; US5148038A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die in geeigneter Weise z. B. in einer Halbleiter-Mikroschaltkreisvorrichtung-Herstellungsbelichtungsvorrichtung zum lithographischen Übertragen eines feinen Elektronikschaltkreismusters, das auf der Oberfläche eines ersten Objekts (Original), wie z. B. eine Maske oder ein Retikel (nachstehend einfach "Maske"), ausgebildet ist, auf die Oberfläche eines zweiten Objekts (Werkstück), wie z. B. ein Wafer, zum Messen eines Abstands zwischen der Maske und dem Wafer, um die Steuerung desselben auf einen gewünschten Wert zu ermöglichen und auch zur Detektion einer Lageabweichung der Maske und des Wafers verwendet wird, wodurch die relative Positionierung oder Justierung der Maske und des Wafers ermöglicht wird.
In Belichtungsvorrichtungen zur Verwendung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen ist die relative Ausrichtung einer Maske und eines Wafers ein wichtiger Faktor in bezug auf die Sicherstellung eines höheren Leistungsvermögens. Insbesondere bei Justiersystemen, die in modernen Belichtungsvorrichtungen verwendet werden, sind Justiergenauigkeiten im Submikrometerbereich oder noch höhere Genauigkeiten unter Berücksichtigung der Forderung nach einem höheren Integrationsgrad von Halbleitervorrichtungen erforderlich.
In vielen Typen von Justiersystemen, sind als "Justierstrukturen" bezeichnete Merkmale auf einer Maske und einem Wafer angeordnet, und unter Ausnutzung der Positionsdaten, die durch diese Strukturen erhalten sind, werden die Maske und der Wafer justiert. Hinsichtlich der Art und Weise der Ausführung der Justierung ist ein Verfahren beispielhaft, wobei die Menge der Relativabweichung dieser Justierstrukturen auf der Grundlage der Bildverarbeitung detektiert wird. Ein anderes Verfahren ist in den USA-Patenten Nr. 4 037 969 und Nr. 4 514 858 und der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. Sho 56-157033 (JP-A-56-157033 und GB-A-2 073 950) vorgeschlagen, wobei sogenannte Zonenplatten als Justierstrukturen verwendet werden, auf welche Licht projiziert wird, und wobei die Positionen der Lichtflecken detektiert werden, die auf einer vorbestimmten Ebene durch Lichtstrahlen von den beleuchteten Zonenplatten erzeugt sind.
Die GB-A-2073950 beschreibt eine Vorrichtung und das entsprechende Verfahren zum Detektieren einer seitlichen Relativposition und eines Spalts zwischen einer Maske und einem Wafer, der in Gegenüberlage der Maske mit einem Spalt dazwischen angeordnet ist, wobei die Maske, die ein erstes physikalisch-optisches Element darauf aufweist, und der Wafer, der ein zweites physikalisch-optisches Element darauf aufweist, wobei jedes der optischen Elemente eine optische Brechkraft aufweist. Die Vorrichtung weist ferner eine Lichtquellenvorrichtung auf, die angeordnet ist, um Licht durch das erste optische Element auf das zweite optische Element zu projizieren, um in einer Detektionsebene mindestens zwei Lichtflecken zu erzeugen, welche entlang der Detektionsebene in Abhängigkeit von mindestens der seitlichen Relativposition der Maske und des Wafers verschiebbar sind. Die GB-A-2073950 beschreibt ferner eine Photodetektionsvorrichtung zum Detektieren der Lichtflecken und eine Bestimmungsvorrichtung, die angepaßt ist, den Abstand zwischen dem ersten Lichtfleck und dem zweiten Lichtfleck zur Bestimmung der seitlichen Relativposition zwischen der Maske und dem Wafer zu verwenden.
Im allgemeinen ist ein Justierverfahren, das eine Zonenplatte verwendet, relativ unempfindlich gegenüber einem Defekt einer Justierstruktur und gewährleistet daher relativ hohe Justiergenauigkeiten im Vergleich mit einem Justierverfahren, das einfach eine traditionelle Justierstruktur verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer bekannten Type des Justiersystems, das Zonenplatten verwendet.
In Fig. 1 tritt ein paralleles Licht, das von einer Lichtquelle 72 ausgeht, durch einen Halbspiegel 74 und wird durch eine Kondensorlinse 76 in einem Punkt 78 fokussiert. Daraufhin beleuchtet das Licht eine Maskenjustierstruktur 68a auf einer Maske 68 und eine Justierstruktur 60a auf einem Wafer 60, welcher auf einem Tragtisch 62 angeordnet ist. Jede dieser Justierstrukturen 68a und 60a wird durch eine Zonenplatte der Reflexionstype bereitgestellt und ist funktionswirksam, um einen Fleck fokussierten Lichts auf einer Ebene zu erzeugen, die senkrecht zu einer optischen Achse ist, welche den Punkt 78 aufweist. Die Menge der Relativabweichung der Positionen dieser Lichtflecken, die auf dieser Ebene erzeugt sind, wird detektiert, indem die fokussierten Strahlen mittels der Kondensorlinse 76 und einer anderen Linse 80 in eine Detektionsebene 82 gerichtet werden.
Gemäß einem Ausgangssignal von der Detektionsvorrichtung 82 steuert eine Steuerschaltung 84 eine Ansteuerschaltung 64 zum relativen Justieren der Maske 68 und des Wafers 60.
Fig. 2 zeigt ein Abbildungsverhältnis der Strahlen von der Maskenjustierstruktur 68a und der Waferjustierstruktur 60a, wie in Fig. 1 gezeigt.
In Fig. 2 wird ein Abschnitt des Lichts, das sich von dem Punkt 78 divergierend ausbreitet, durch die Maskenjustierstruktur 68a reflektierend gebeugt und erzeugt einen Fleck 78a des fokussierten Lichts an oder neben dem Punkt 78, wobei der Fleck die Maskenposition darstellt. Ein anderer Abschnitt des Lichts tritt durch die Maske 68 in der Form eines Übertragungslichts nullter Ordnung und wird auf die Waferjustierstruktur 60a auf der Oberfläche des Wafers 60 projiziert, wobei dessen Wellenfront unverändert ist. Das einfallende Licht wird durch die Waferjustierstruktur 60a reflektierend gebeugt und tritt dann wieder durch die Maske 68 in der Form eines Übertragungslichts nullter Ordnung und wird schließlich in die Nachbarschaft des Punkts 78 fokussiert, um einen Lichtfleck 78b des fokussierten Lichts auszubilden, welcher die Waferposition darstellt. Wenn in dem gezeigten Beispiel das durch den Wafer 60 gebeugte Licht einen Fleck ausbildet, wirkt die Maske 68 bloß als ein transparentes Element.
Die Position des Flecks 78b, der durch die Waferjustierstruktur 60a in der beschriebenen Weise erzeugt ist, stellt eine Abweichung Δσ' in der Ebene rechtwinklig zu der optischen Achse dar, welche den Punkt 78 aufweist, einer Menge entsprechend der Abweichungsmenge Δσ des Wafers 60 in bezug auf die Maske 68 in einer Richtung entlang der Masken- oder Waferoberfläche (in einer seitlichen Richtung in diesem Fall)
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Abstandsmeßvorrichtung der Type, wie sie in der Japanischen Offenlegungsschrift Sho JP-A-61-I11402 vorgeschlagen ist. In dieser Figur sind eine Maske (erstes Objekt) M und ein Wafer (zweites Objekt) W zueinander in Gegenüberlage angeordnet, und mittels einer Linse L1 wird Licht in einem Punkt Ps zwischen der Maske M und dem Wafer W fokussiert.
Hier wird ein Abschnitt des Lichts durch die Oberfläche der Maske M reflektiert, und der andere Abschnitt wird durch die Oberfläche des Wafers W reflektiert, wobei diese Strahlen projiziert und durch eine Linse L2 in Flecken PW und PM auf der Oberfläche eines Schirms S fokussiert werden. Der Abstand zwischen der Maske M und dem Wafer W wird durch Detektion des Abstands zwischen den Flecken PW und PM der fokussierten Strahlen auf der Oberfläche des Schirms S detektiert.
Die in Fig. 1 und 3 gezeigten Strukturen unterscheiden sich jedoch vollkommen, und wenn es erwünscht ist, sowohl eine seitliche, relative Lageverschiebung zwischen zwei Objekten als auch den Abstand dazwischen zu detektieren, ist es notwendig, daß eine Seitenpositionsrelation-Detektionsvorrichtung und eine Abstandsmeßvorrichtung getrennt angeordnet werden. Dies macht den gesamten Aufbau sperrig und kompliziert.
"Journal of Vacuum Science and Technology", Teil B, Band B1, Nr. 4, Okt. - Dez. 1983, S. 1276-1279, beschreibt ein Dualgitterjustierverfahren, das in der Lage ist, sowohl die Seitenposition und den Spalt durch Summation der Intensitäten zwischen dem Beugungslicht +1. Ordnung und -1. Ordnung zu detektieren.
Das USA-Patent Nr. 4 360 273 beschreibt ein Justierverfahren und eine Justiervorrichtung, wobei eine Maske und ein Wafer, die jeweils ein darauf erzeugtes optisches Element aufweisen, und Licht, das auf das optische Element der Maske projiziert ist, übertragen wird, um auf das optische Element des Wafers aufzutreffen. Die Justierung wird durch einen Bediener erreicht, welcher eine auf einem Schirm ausgebildete Struktur beobachtet und die Relativpositionen der Maske und des Wafers justiert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren der Lagebeziehung zwischen zwei Objekten zu schaffen, durch welches jede seitliche Relativlageabweichung zwischen den Objekten als auch der Abstand dazwischen gleichzeitig detektiert werden können, wenn erwünscht, mit einem einfachen und kompakten Aufbau.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Detektieren einer seitlichen Relativposition und eines Spalts zwischen einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt, das in Gegenüberlage zu dem ersten Objekt mit einem Spalt (gm) dazwischen angeordnet ist, aufgezeigt, unter Verwendung eines ersten physikalisch-optischen Elements auf dem ersten Objekt und einem zweiten physikalisch-optischen Element auf dem zweiten Objekt, wobei jeweils das erste und das zweite physikalisch-optische Element eine optische Brechkraft aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- Projizieren von Licht durch das erste optische Element auf das zweite optische Element, um in einer Detektionsebene mindestens zwei Flecken gebeugten Lichts einer Beugungsordnung zu erzeugen, die nicht kleiner als die erste Beugungsordnung ist, welche entlang der Detektionsebene in Abhängigkeit von mindestens der seitlichen Relativposition des ersten und des zweiten Objekts verschiebbar sind,
- Erfassen der Lichtflecken, und
- Bestimmen der seitlichen Relativposition des ersten und des zweiten Objekts auf der Grundlage des Abstands zwischen mindestens zwei Lichtflecken und Bestimmen des Spalts zwischen den zwei Objekten auf der Grundlage der Größe von mindestens einem der Lichtflecke.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erfassen einer seitlichen Relativposition und eines Spalts zwischen einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt, das in Gegenüberlage des ersten Objekts mit einem Spalt (gm) dazwischen angeordnet ist, aufgezeigt, wobei das erste Objekt ein erstes physikalisch-optisches Element darauf aufweist und das zweite Objekt ein zweites physikalisch-optisches Element darauf aufweist, wobei jedes der optischen Elemente eine optische Brechkraft aufweist, und die Vorrichtung ferner aufweist:
- eine Lichtquellenvorrichtung, die eingerichtet ist, Licht durch das erste optische Element auf das zweite optische Element zu projizieren, um in einer Detektionsebene mindestens zwei Flecken gebeugten Lichts mit einer Beugungsordnung zu erzeugen, die nicht kleiner als die erste Beugungsordnung ist, welche entlang der Detektionsebene in Abhängigkeit von mindestens der seitlichen Relativposition des ersten und des zweiten Objekts verschiebbar sind,
- eine Photodetektionsvorrichtung zum Detektieren der Lichtflecke und
- eine Bestimmungsvorrichtung, die angepaßt ist, den Abstand zwischen dem ersten Lichtfleck und dem zweiten Lichtfleck zur Bestimmung der seitlichen Relativposition zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt zu verwenden, und der Größe von mindestens einem der Flecken, der erste und der zweite Lichtfleck, um den Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt zu bestimmen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 und 2 zeigen eine bekannte Type des Justiersystems,
Fig. 3 zeigt eine bekannte Type der Abstandsmeßvorrichtung,
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 und 6 zeigen jeweils schematische Ansichten, welche das Prinzip der Vorrichtung der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform darstellen, wobei die optischen Pfade jeweils in Entwicklungsansichten gezeigt sind,
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel von auf einer Maske und einem Wafer angeordneten Strukturen in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform,
Fig. 8 und 9 zeigen die Beziehung zwischen dem Maske-Wafer- Abstand und dem Fleckdurchmesser in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform,
Fig. 10A und 10B zeigen schematische Ansichten zur Darstellung des Prinzips der Fleckdetektion gemäß der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform,
Fig. 11 und 12 zeigen jeweils schematische Ansichten zur Darstellung des Prinzips einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die optischen Pfade in Entwicklungsansichten gezeigt sind,
Fig. 13 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung, welche gemäß der ersten oder der zweiten Ausführungsform aufgebaut sein kann,
Fig. 14 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 15 zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips der Vorrichtung der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform, wobei die optischen Pfade in Entwicklungsansichten gezeigt sind,
Fig. 16 zeigt die Beziehung zwischen dem Maske-Wafer-Abstand und dem Fleckdurchmesser in der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform,
Fig. 17 zeigt die Beziehung zwischen dem Maske-Wafer-Abstand und einem Fleckdurchmesser, die in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angenommen wird,
Fig. 18 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Strukturbereichs, welcher jeweils in der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform verwendbar ist,
Fig. 19 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 20 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 21 und 22 zeigen jeweils schematische Ansichten, welche abgewandelte Formen der ersten Ausführungsform darstellen, wobei die optischen Pfade in Entwicklungsansichten gezeigt sind,
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 und 6 zeigen schematische Ansichten des Hauptteils der Vorrichtung, wenn in eine Richtung gesehen, welche senkrecht zu der Justierdetektionsrichtung ist und welche parallel zu dem ersten und dem zweiten Objekt ist, wobei die optischen Pfade in einem Entwicklungszustand gezeigt sind. Fig. 5 und 6 sind im Hinblick auf den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt unterschiedlich.
In Fig. 4 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Lichtstrahl bezeichnet, der von einer Lichtquelle, wie z. B. ein He-Ne- Laser oder ein Halbleiterlaser, zugeführt wird. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein erstes Objekt bezeichnet, welches z. B. eine Maske ist, und mit dem Bezugszeichen 3 ist ein zweites Objekt bezeichnet, welches z. B. ein Wafer ist. Die Maske 2 und der Wafer 3 sind einander in Gegenüberlage mit einem Abstand gAF (Fig. 4 und 5) oder einem Abstand gAA (Fig. 6) angeordnet, der dazwischen erhalten wird.
Bezugszeichen 106&sub1;, 106&sub2; und 106&sub3; bezeichnen ein erstes, ein zweites und ein drittes physikalisch-optisches Element, das jeweils in einem Abschnitt einer Maske 2 angeordnet ist. Bezugszeichen 107&sub1;, 107&sub2; und 107&sub3; bezeichnen ein erstes, ein zweites und ein drittes physikalisch-optisches Element, das jeweils in einem Abschnitt eines Wafers 3 angeordnet ist. Jedes dieser physikalisch-optischen Elemente 106&sub1; - 106&sub3; und 107&sub1; - 107&sub3; wird z. B. durch ein Beugungsgitter oder eine Fresnelsche Zonenplatte ausgebildet (welche nachstehend einfach als "FZP" bezeichnet ist).
Fig. 7 zeigt Ausführungsbeispiele von Strukturen für die physikalisch-optischen Elemente 106&sub1; - 106&sub3; und 107&sub1; - 107&sub3;, die auf der Maske 2 und dem Wafer 3 angeordnet sind.
Mit 4 und 5 sind eine erste und eine zweite Lichtaufnahmevorrichtung (Sensoren) bezeichnet, die jeweils z. B. einen Zeilensensor oder eine Positionsdetektionsdiode (PSD) aufweisen und jeweils angepaßt sind, um z. B. die Position des Schwerpunkts jedes eingegebenen Lichtstrahls 108&sub1;, 108&sub2; oder 108&sub3; zu detektieren. Eine Signalverarbeitungsschaltung 9 ist angepaßt, die Signale von den Lichtaufnahmevorrichtungen 4 und 5 zu verarbeiten, um z. B. die Position des Schwerpunkts jedes Lichtstrahls 108&sub1;, 108&sub2; oder 108&sub3;, der auf die Lichtaufnahmevorrichtungen 4 oder 5 einfällt, zu detektieren. Die Signalverarbeitungsschaltung ist auch angepaßt, jeden Lagefehler δ und den Abstand d&sub0; zwischen der Maske 2 und dem Wafer 3 durch Berechnung zu bestimmen.
In dieser Ausführungsform fällt Licht 1 (dessen Wellenlänge λ = 830 nm z. B. beträgt) von einem Halbleiterlaser LD in einem Winkel θ auf die erste, zweite und dritte Fresnelsche Zonenplatte 106&sub1;, 106&sub2; und 106&sub3; auf der Maske 2. Beugungslichtstrahlen einer vorbestimmten Ordnung oder vorbestimmter Ordnungen, die von der Maske 2 senkrecht gebeugt sind, werden durch die FZP-Strukturen 107&sub1;, 107&sub2; und 107&sub3; auf der Oberfläche des Wafers 3 reflektorisch gebeugt. Jene der gebeugten Lichtstrahlen einer vorbestimmten Ordnung oder vorbestimmter Ordnungen, welche durch die FZP-Strukturen 107&sub1; - 107&sub3; auf dem Wafer 3 reflektorisch gebeugt sind, welche die Maske 2 passieren, ohne durch diese beeinflußt zu werden (ä. h. in der Form des Übertragungslichts nullter Ordnung), werden durch die Lichtaufnahmevorrichtungen 4 und 5 aufgenommen. Hier werden die Positionen des Schwerpunkts der eintretenden Lichtstrahlen 108&sub1;, 108&sub2; und 108&sub3;, die auf die Oberflächen der Lichtaufnahmevorrichtungen 4 und 5 einfallen, durch diese Lichtaufnahmevorrichtungen 4 und 5 detektiert. Unter Verwendung von Ausgangssignalen von den Lichtaufnahmevorrichtungen 4 und 5 berechnet die Signalverarbeitungsschaltung 9 die Lagefehlermenge zwischen der Maske 2 und dem Wafer 3 als auch den Abstand der Oberflächen zwischen diesen.
Die vorliegende Erfindung verwendet drei Detektionssysteme, d. h. ein Detektionssystem A, das die ersten physikalischoptischen Elemente 106&sub1; und 107&sub1; aufweist, ein Detektionssystem B, das die zweiten physikalisch-optischen Elemente 106&sub2; und 107&sub2; aufweist, und ein Detektionssystem C, das die dritten physikalisch-optischen Elemente 106&sub3; und 107&sub3; aufweist, die auf der Maske 2 und dem Wafer 3 angeordnet sind.
Von diesen Detektionssystemen arbeiten das Detektionssystem A und das Detektionssystem B zusammen, um ein Positionsabweichungs-Detektionssystem auszubilden. Das Detektionssystem B wird gemeinsam verwendet, und das Detektionssystem B und das Detektionssystem C arbeiten zusammen, um ein Oberflächenabstand-Detektionssystem auszubilden.
Im Hinblick auf die lichtkonvergierende oder lichtdivergierende Wirkung der Fresnelschen Zonenplatten, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, weist jede der FZP-Strukturen 106&sub1;, 107&sub2; und 107&sub3; eine konvergierende positive Brechkraft auf, während jede der FZP-Strukturen 106&sub2;, 106&sub3; und 107&sub1; eine divergierende negative Brechkraft aufweist. Die Fresnelsche Zonenplatte ist nicht auf eine begrenzt, welche eine brechende oder divergierende Funktion nur in bezug auf die Justierrichtung aufweist. In dieser Ausführungsform ist eine solche Fresnelsche Zonenplatte verwendbar, die eine zweidimensionale Brech- und Divergierfunktion aufweist.
In dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Maske 2 und der Wafer 3 nahe zueinander angeordnet (der Oberflächenabstand beträgt z. B. 5-100 um), so daß die Anordnung in geeigneter Weise in eine Vorrichtung integrierbar ist, welche als ein "Röntgenstrahl-Stepper" bezeichnet wird, wobei die Belichtung unter Verwendung von Röntgenstrahlen ausgeführt wird.
Gewöhnlich weist in einem Röntgenstrahl-Stepper ein Belichtungsbereich je Belichtung unter Verwendung von Röntgenstrahlen eine Größe von 10 bis mehrere zehn mm² Fläche auf, und während der Wafer 3 in der Position aussetzend verschoben wird, werden Belichtungen von zwanzig (20) bis mehrere zehn Belichtungsstempel ausgeführt.
Aus diesem Grund unterscheidet sich in vielen Fällen der Abstand zwischen einer Maske und einem Wafer zum Zeitpunkt der Relativbewegung zwischen diesen für jeden Belichtungsstempel von dem Abstand zwischen der Maske und dem Wafer wie gemessen, unmittelbar vor der Einleitung der Belichturigsoperation durch ein Positionsabweichung-Detektionssystem (Selbstjustiersystem).
Der in Fig. 6 gezeigte Oberflächenabstand ist einer, wie er zum Zeitpunkt der Selbstjustierung angenommen ist, und ist in der Größenordnung von 5-100 um, wie vorstehend beschrieben. Im Vergleich dazu ist der in Fig. 5 gezeigte Oberflächenabstand einer, der zum Zeitpunkt der Waferbewegung angenommen ist, und weist in der Größe einen Wert von 50- 200 um auf.
Wie beschrieben, wird der Oberflächenabstand zu dem Zeitpunkt der Waferbewegung groß eingestellt. Dies erfolgt, um den Kontakt des Wafers mit der Maskenoberfläche während der Bewegung des Wafers entlang der X-Y-Ebene infolge einer Oberflächenhöhenunregelmäßigkeit oder Neigung des Wafers zu verhindern.
Der Abstand gAF in Fig. 5 ist einer, für welchen die Maske und der Wafer zur Ausführung der Waferbewegung (Belichtungsstempelbewegung) eingestellt sind, und in diesem Zustand wird der tatsächliche Abstand zwischen der Maske und dem Wafer detektiert. Dies wird als "Selbstfokussierung" bezeichnet. Der in Fig. 6 gezeigte Abstand gAA ist einer, für welchen die Maske und der Wafer zur Ausführung der Detektion einer Lageabweichung dazwischen (Autofokussierung) eingestellt sind, wobei die Maske und der Wafer auf diesen Abstand auf der Grundlage der Messung des Oberflächenabstands eingestellt sind, wenn die Maske und der Wafer in dem Abstand gAF in Fig. 5 angeordnet werden.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung der Einfallsposition und des Fleckdurchmessers jedes eingestrahlten Lichts 108&sub1;, 108&sub2; oder 108&sub3; auf der Lichtaufnahmevorrichtung 4 oder 5.
Zur Vereinfachung wird nun angenommen, daß in Fig. 5 die Maske 2 und der Wafer 3 eine Relativlageabweichung einer Menge δ in bezug auf eine senkrechte Richtung, wenn auf das Zeichnungsblatt gesehen, aufweisen. Es wird auch angenommen, daß die Lichtflecken 108&sub1;, 108&sub2; und 108&sub3;, die auf den Sensoren 4 und 5 ausgebildet sind, jeweils in den Positionen der Abstände y&sub1;, y&sub2; und y&sub3; von den optischen Achsen (Strukturachsen) 111&sub1;, 111&sub2; und 111&sub3; jeweils der FZP-Strukturen 106&sub1;, 106&sub2; und 106&sub3; auf der Maske 2 sind. Die Bezugszeichen 112&sub1;, 112&sub2; und 112&sub3; bezeichnen jeweils die Achsen der FZP-Strukturen 107&sub1;, 107&sub2; und 107&sub3; auf dem Wafer. Im Hinblick auf die X- Koordinate sind die optischen Achsen 111&sub1;-111&sub3; jeweils mit den optischen Achsen 112&sub1;-112&sub3; justiert, wenn δ = 0 ist.
Die Brechkräfte der Fresnelschen Zonenplatten 106&sub1;, 107&sub1;, 106&sub2; und 107&sub2; der Maske und des Wafers werden so eingestellt, daß in dem Fall, wenn die Maske und der Wafer in dem Abstand gAA ist, die Flecken 108&sub1; und 108&sub2; des kleinsten Durchmessers auf dem Sensor 5 ausgebildet werden. Die Anordnung ist auch derart, daß dann, wenn die Maske und der Wafer in dem Abstand gAF ist, ein Fleck 108&sub3; des kleinsten Durchmessers auf dem Sensor 104 ausgebildet wird. Wenn demgemäß die Abweichung zwischen optischen Strukturachsen der Maske und des Wafers gleich einem Abstand δ' ist und der Abstand zwischen der Maske und dem Wafer gleich dem Abstand gAA ist, ein Beugungsfleck 108&sub1;' durch ein Detektionssystem A erzeugt wird, welches die Kombination der FZP-Strukturen 106&sub1; und 107&sub1; aufweist, einen kleinsten Durchmesser aufweist, ein Beugungsfleck 108&sub2;' durch ein Detektionssystem B erzeugt wird, welches die Kombination der FZP-Strukturen 106&sub2; und 107&sub2; aufweist, einen kleinsten Durchmesser aufweist, und ein Beugungsfleck 108&sub3;' durch ein Detektionssystem C erzeugt wird, welches die Kombination der FZP-Strukturen 106&sub3; und 107&sub3; aufweist, ausgedehnt wird und einen großen Durchmesser aufweist, in einem Punkt fokussierend, der weiter als der Sensor 4 beabstandet ist.
In Fig. 5, in welcher fM1", fM2" und fM3" die Brennweiten jeweils der Fresnelschen Zonenplatten 106&sub1;, 106&sub2; und 106&sub3; in bezug auf das Beugungslicht erster Ordnung bezeichnen, und L&sub0; den Oberflächenabstand zwischen der Maske 2 und den Zeilensensoren 4 und 5 bezeichnet, können die Abstände Y&sub1;, y&sub2; und y&sub3; in Fig. 5 wie folgt ausgedrückt werden:
y&sub1; = (L&sub0; + 2gAF - fM1")/(fM1 - gAF)·δ ...(''')
y&sub2; = (L&sub0; + 2gAF + fM2")/(fM2" + gAF)·δ ... (''')
y&sub3; = (L&sub0; + 2gAF + fM3")/(fM3" + gAF)·δ ... (3''')
Wenn in Fig. 6 die Maske 2 und der Wafer 3 eine Relativlageabweichung einer Menge δ' aufweist, können die Abstände y&sub1;', Y&sub2;' und y&sub3;' der Positionen der Schwerpunkte jeweils der Lichtflecken 108&sub1;', 108&sub2;' und 108&sub3;' wie folgt ausgedrückt werden:
Y&sub1;' = (L&sub0; + 2gAA - fM1")/(fM1" - gAA)·δ' ... (4''')
y&sub2;' = (L&sub0; + 2gAA + fM2")/(fM2" + gAA)·δ' ... (5''')
y&sub3;' = (L&sub0; + 2gAA + fM3")/(fM3" + gAA)·δ' ...(6''')
Hier weist jede FZP auf der Maske oder dem Wafer z. B. eine Struktur auf, wie in Fig. 7 gezeigt ist, und jede Struktur auf dem Wafer ist in einem Ritzgraben angeordnet. Infolge der Brechungswirkung jeder der Fresnelschen Zonenplatten 106&sub1; und 107&sub1;, 106&sub2; und 107&sub2; sowie 106&sub3; und 107&sub3; bewirkt eine Änderung des Spalts zwischen der Maske 102 und dem Wafer 103 eine Änderung des Durchmessers jedes Flecks auf der Oberfläche des Sensors 4 oder 5, da das Abbildungsverhältnis durch die Brennweiten der Fresnelschen Zonenplatten auf der Maske und dem Wafer bestimmt wird. Die Art und Weise einer solchen Änderung ist in Fig. 8 beispielhaft gezeigt. Fig. 8 zeigt diese Änderung als Ausdruck einer Halbwertsbreite jedes Lichtflecks auf dem Sensor 4 oder 5. Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen einer Halbwertsbreite ΦAA, und einer Änderung im Durchmesser eines Beugungsflecks, der z. B. durch das Detektionssystem A erzeugt ist, welcher die Kombination der FZP- Strukturen 106&sub1; und 107 aufweist. Die Einstellung wird so ausgeführt, daß dann, wenn der Abstand gleich dem für die Selbstjustierung (siehe Fig. 6, Teil (A)) ist, der Fleckdurchmesser am kleinsten ist. Für einen größeren Abstand gb oder einen größeren Abstand gAF wird die Halbwertsbreite Φ&sub1; oder ΦAF allmählich größer. Die Halbwertsbreite auf dem Sensor 5 eines Flecks des Lichts, das durch das Detektionssystem B gebeugt ist, das eine Kombination der FZP-Strukturen 106&sub2; und 107&sub2; aufweist, als auch die Halbwertsbreite auf dem Sensor 4 eines Flecks des Lichts, das durch das Detektionssystem C gebeugt ist, das eine Kombination der FZP- Strukturen 106&sub3; und 107&sub3; aufweist, werden wie in Fig. 8 gezeigt eingestellt.
Hier ist der Zustand der Flecke auf dem Sensor 5 und 4, wenn die Maske und der Wafer in dem Abstand gAF sind, wie in Fig. 5, in Fig. 10A gezeigt. Von den erzeugten Flecken 108&sub2;, 108&sub2; und 108&sub3; stellt der Abstand zwischen den Flecken 108&sub1; und 108&sub2; in der Justierdetektionsrichtung (z. B. der Abstand zwischen den Positionen der Schwerpunkte) die Informationen in bezug auf eine Abweichung zwischen der Maske und dem Wafer in einer Ebene (Justierfehler) bereit, während die Größe von jedem der Flecken 108&sub2; und 108&sub3; (z. B. eine Breite, die einer Hälfte eines Spitzenwerts entspricht), die Informationen in bezug auf den Abstand der Oberflächen zwischen der Maske und dem Wafer bereitstellt. Ein besonderes Zahlenbeispiel dieser Ausführungsform wird weiter nachstehend erläutert.
Es wird nun angenommen, daß L&sub0; = 18345,94 um, gAF = 71,5 um, gAA = 30 um sind, die Beugung durch die Kombination der FZP- Strukturen 106&sub1; und 107&sub1; wirkungsvoll ist, einen kleinsten Fleck auf dem Sensor auszubilden, wenn der Abstand gleich gAA ist, und die Verschiebung y&sub1;' eines Flecks auf der Sensoroberfläche einen Betrag aufweist, der einhundert (100) Mal größer als die Abweichung δ' zwischen der Maske und dem Wafer ist.
Die Beugung durch die Kombination von FZP-Strukturen 106&sub2; und 107&sub2; wird so eingestellt, daß der Fleck auf der Sensoroberfläche am kleinsten ist, wenn der Abstand gleich gAA ist. Die Verschiebung des Flecks auf dem Sensor ist einer Menge, die einhundert (100) Mal größer als die Lageabweichung zwischen der Maske und dem Wafer ist.
Die Beugung durch das Detektionssystem C, das die Kombination von FZP-Strukturen 106&sub3; und 107&sub3; aufweist, wird so eingestellt, daß der Fleck auf der Sensoroberfläche am kleinsten ist, wenn der Abstand gleich gAF ist. Hier gilt:
y&sub1;'/δ' = (L&sub0; + 2gAA - fM1")/(fM1" - gAA) = (18345,94 + 60 - fM1")/(fM1" - 30) = 100.
Daraus folgt, daß:
fM1" = 211,94 um.
Es gilt auch:
Y&sub2;'/δ' = (L&sub0; + 2gAA - fM2")/(fM2" - gAA) = (18345,94 + 60 + fM2")/(fM2" + 30) = 100.
Daraus folgt, daß:
fM2" = 155,62 um.
Ferner:
Y&sub3;'/δ = (L&sub0; + 2gAA + fM3")/(fM2" + gAA) = (18345,94 + 143 + fM2")/(fM3" + 71,5) = 100.
Daraus folgt, daß:
fM3" = 114,53 um.
Wenn die Abweichung δ = δ' = 2 um beträgt, ist die Beziehung zwischen dem Abstand und den Strecken y&sub1;, y&sub2;, y3, y&sub1;, y&sub2; und y&sub3; wie folgt:
(Einheit: um)
Aus der Änderung des Abstands zwischen den Flecken 108&sub1;' und 108&sub2;' ist die Lageabweichung (Justierfehler) zwischen der Maske und dem Wafer detektierbar. Wie in dem Zahlenbeispiel dargestellt, verursacht eine Abweichung zwischen der Maske und dem Wafer einer Größe von 2 um eine Änderung des Abstands zwischen den Lichtflecken 108&sub1;' und 108&sub2;' auf der Sensoroberfläche von 400 um. (Insbesondere sollten die Werte der Abstände y&sub1;' und y&sub2;' beachtet werden.) Der Abstand zwischen der Maske und dem Wafer wird gemessen, nicht durch Messen des Abstands zwischen den Flecken 108&sub2; und 108&sub3; auf der Oberfläche des Sensors, sondern durch Messen der Größe jedes der Flecke 108&sub2; und 108&sub3; in der unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschriebenen Art und Weise.
Wie in Fig. 10B gezeigt, werden tatsächlich auf den Zeilensensoren 4 und 5 Ausgangssignale von Bildelementen jedes Sensors in Bit-Einheit erhalten. Wenn daher eine Ausgabe des i-ten Bits mit Ii bezeichnet ist und die Bitgröße des Zeilensensors mit 1 bezeichnet ist, kann die Position M des Schwerpunkts, wenn sie verwendet wird, um die Position des Flecks darzustellen, wie folgt geschrieben werden:
wobei
iI : Nummer einer kleinsten Adresse der Bits, welche die Fleckverteilung bereitstellen, und
if : Nummer einer größten Adresse der Bits, welche die Fleckverteilung bereitstellen.
Die Positionen der Schwerpunkte der Flecken 108&sub1;, 108&sub2; und 108&sub3;, die auf diese Weise bestimmt werden, sind bei M&sub1;, M&sub2; und M&sub3; in Fig. 10B beispielhaft gezeigt.
Nachstehend wird die Berechnung der Halbwertsbreite des Flecks 108&sub2; erläutert. Da ein Fleck gewöhnlich eine Intensitätsverteilung aufweist, wie auf dem Gebiet der Linsen eine Airy-Struktur, wird in diesem Beispiel davon ausgegangen, daß der Fleck eines solche Intensitätsverteilung wie diese aufweist. Wenn z. B. eine Form der Polynomfunktion auf einige Bits um das Maximalausgabebit eines Zeilensensors angewendet wird, ist ein Maximalwert in einer räumlich kontinuierlichen Ausgangsverteilung auf der Oberfläche des Sensors aus tatsächlich gemessenen Werten der Ausgaben dieser Bits erzielbar. Wenn der Maximalwert durch Imax ausgedrückt wird, kann die Detektion ausgeführt werden, um einen räumlichen Wert auf dem Sensor aus unterbrochen sich ändernden Ausgaben zu erhalten, der "Imax/2" entspricht. Wenn auch in einem solchen Fall die Form der Fleckverteilung durch Polynomfunktionsapproximation gegeben ist und Berechnungen ausgeführt werden, um den Wert auf dem Sensor zu detektieren, der "I- max/2" entspricht, kann die Halbwertsbreite des Lichtflecks 108&sub2; mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1/10- 1/30 der Sensorbitgröße bestimmt werden.
Wenn in dieser Ausführungsform beispielsweise die Größe jeder der FZP-Strukturen 106&sub1;-106&sub3; und 107&sub2;-107&sub3; etwa 50 um · 90 um beträgt, ist der Fleckdurchmesser etwa 200-800 um. Wenn die Sensorbitgröße etwa 500 um · 15 um (Abstand) beträgt, kann die Genauigkeit der Detektion der Halbwertsbreite des Flecks 1 um sein. Demgemäß ist es durch Nutzung der Eigenschaft, daß sich die Halbwertsbreite des Flecks so ändert, wie in Fig. 8 gezeigt, möglich, den Abstand zwischen der Maske und dem Wafer auf der Grundlage der Detektion der Halbwertsbreite des Flecks 108&sub2; und der Halbwertsbreite des Flecks 108&sub3; zu detektieren. Während die Beziehung zwischen dem Maske-Wafer-Abstand und diesen Halbwertsbreiten gemäß Entwurfswerten vorbestimmt werden kann, ist eine solche Beziehung durch Experimente erfaßbar.
In der vorliegenden Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, wird das Detektionssystem B, welches eine Kombination von Fresnelschen Zonenplatten 106&sub2; und 107&sub2; aufweist, sowohl für die Selbstjustierung als auch für die Autofokussierung verwendet. Dies gestattet mit einer verhältnismäßig kleinen Strukturbereichsfläche, wie in Fig. 7 gezeigt, die zwei Funktionen der Selbstjustierung und der Autofokussierung vorzunehmen. Ferner erfolgt in dieser Ausführungsform die Ausnutzung der Tatsache, daß nur der Abstand zwischen den Flecken 108&sub1;' und 108&sub2;' die Informationen in bezug auf die Lageabweichung zwischen der Maske und dem Wafer bereitstellt, selbst wenn z. B. der Wafer geneigt ist oder sich die Relativlagebeziehung des Justierdetektionssystems (Sensoren 4 und 5 sowie der Detektionsverarbeitungsabschnitt 9 in Fig. 4 mit der Maske und dem Wafer) geringfügig ändert, ändern sich die Flecken 108&sub1;' und 108&sub2;' auf dem Sensor 5 um dieselbe Menge, und der Abstand selbst zwischen diesen Flecken wird nicht durch die Waferneigung oder einen Fehler in der Relativlage des Detektionssystems in bezug auf die Maske und den Wafer beeinflußt. Daher wird eine stabile Detektion erreicht.
In der in Fig. 4 gezeigten ersten Ausführungsform ist es nicht immer notwendig, daß die Sensoren 4 und 5 direkt angeordnet werden. Stattdessen kann der Aufbau so sein, daß ein virtuelles Bild des Lichtflecks, das in der Position des Sensors 4 oder 5 erzeugt ist, durch ein Linsensystem übertragen wird, und das Licht davon kann auf einen Zeilensensor oder einen Flächensensor projiziert werden.
In der in Fig. 4 gezeigten ersten Ausführungsform wird die Justierung (Selbstjustierung) der Maske und des Wafers unter Verwendung jener Fresnelschen Zonenplatten auf der Maske und dem Wafer ausgeführt, welche Linsenfunktionen wie ein Konvex-Konkav-System und ein Konkav-Konvex-System aufweisen, während die Detektion des Oberflächenabstands zwischen der Maske und dem Wafer (Autofokussierung) unter Verwendung eines Konkav-Konvex-Systems und eines Konkav-Konvex-Systems ausgeführt wird. Die Brechkraftanordnung kann jedoch wunschgemäß erfolgen.
Beispielsweise kann die Autofokussierung unter Verwendung eines Konkav-Konvex-Systems und eines Konvex-Konkav-Systems ausgeführt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist jede Kombination verwendbar, es sei denn, die Brennweiten der Maskenstrukturen und der Waferstrukturen werden justiert und so eingestellt, daß sich die Größe jedes der Flecke entsprechend den Flecken 108&sub2; und 108&sub3; mit dem Abstand zwischen der Maske und dem Wafer ändert.
Anstelle der Zeilensensoren kann ein zweidimensionaler Flächensensor für die Sensoren 4 und 5 der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden. Ferner kann die Sensoranordnung so ausgebildet werden, daß drei Lichtflecken auf einen einzelnen Zeilensensor projiziert werden.
Fig. 11 und 12 zeigen jeweils schematische Ansichten eines Hauptteils einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie die Fig. 5 und 6, zeigen die Fig. 11 und 12 die optischen Pfade in einer Entwicklungsansicht, da sich der Abstand zwischen einem ersten Objekt (Maske) 2 und einem zweiten Objekt (Wafer) 3 verändert, und diese Figuren zeigen die Vorrichtung, wenn in eine Richtung senkrecht zu der Justierdetektionsrichtung gesehen.
In den in Fig. 11 und 12 jeweils gezeigten Zuständen ist die Justierung der Maske 2 zu dem Wafer abgeschlossen worden, so daß keine Lageabweichung zwischen diesen vorliegt.
In dieser Ausführungsform wird die Selbstjustierung unter Verwendung eines Konkav-Konvex-Systems (Detektionssystem A) und eines Konvex-Konkav-Systems (Detektionssystem B) ausgeführt und erfolgt durch Detektion der Änderung des Abstands auf der Sensoroberfläche zwischen zwei Flecken, die von diesen zwei Detektionssystemen erhalten wird. Auch die Autofokussierung wird unter Verwendung des Konvex-Konkav-Systems (Detektionssystem B) und eines Konvex-Konkav-Systems (Detektionssystem C) ausgeführt und erfolgt durch Detektion der Größe jedes der Flecke, die von diesen zwei Detektionssystemen erhalten werden.
In Fig. 11 und 12 wird zur Selbstjustierung die Messung des Abstands zwischen einem Fleck 116&sub1;', erzeugt als ein Ergebnis der Brechung an den Fresnelschen Zonenplatten 113&sub1; und 114&sub2;, und einem Fleck 116&sub2;', erzeugt als ein Ergebnis der Brechung an den Fresnelschen Zonenplatten 113&sub2; und 114&sub2;, ausgeführt, und anschließend wird jede Lageabweichung zwischen der Maske und dem Wafer in einer Ebene detektiert, im wesentlichen nach demselben Prinzip, wie es unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben ist. Hinsichtlich des Abstands wird dieser in derselben Weise detektiert, wie unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben ist, das heißt durch Messen der Größe eines Flecks 116&sub2;', der als ein Ergebnis der Brechung an den Fresnelschen Zonenplatten 113&sub2; und 114&sub2; erzeugt ist, und der Größe eines Flecks 116&sub3;', der als ein Ergebnis der Brechung an den Fresnelschen Zonenplatten 113&sub3; und 114&sub3; erzeugt ist.
Im Hinblick auf die erste und die zweite Ausführungsform erfolgte die Beschreibung zu Ausführungsbeispielen, wobei nur die eindimensionale Detektion für einen Justierfehler (Lageabweichung) vorgenommen wurde. Zur tatsächlichen Justierung einer Maske und eines Wafers in einer Ebene ist es jedoch notwendig, drei Parameter in der X-, Y- und θ-Richtung zu detektieren. Wenn dies erwünscht ist, wie in Fig. 13 gezeigt, können die Strukturen, die in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet sind (z. B. jene in Fig. 16 gezeigten) außerhalb eines Halbleiterschaltungsbereichs 20 und in Positionen in einem Ritzgraben angeordnet werden, welcher für die Schneidoperation verwendet wird, wenn er auf einem Wafer ist.
In Fig. 13 bezeichnen die Bezugszeichen 118&sub1;, 118&sub2;, 118&sub3; und 118&sub4; jeweils eine FZP. Das in Fig. 13 gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine Proximitytype, wobei eine Maske und ein Wafer nah zueinander angeordnet sind. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen 119&sub1;, 119&sub2;, 119&sub3; und 119&sub4; jeweils ein Detektionssystem zum Ausführen der Selbstjustierung oder der Autofokussierung. Die Bezugszeichen 121&sub1;, 121&sub2;, 121&sub3; und 121&sub4; bezeichnen jeweils ein Licht, das auf eine Struktur projiziert wird. Ebenso bezeichnen die Bezugszeichen 122&sub1;, 122&sub2;, 122&sub3; und 122&sub4; jeweils ein Signallicht, welches als ein Ergebnis der Brechung durch eine Kombination entsprechender Fresnelscher Zonenplatten der Maske und des Wafers erhalten werden kann. Das Signallicht weist mehrere Flecken auf. Das Detektionssystem 119&sub3; weist eine Fähigkeit zum Detektieren einer eindimensionalen, seitlichen Abweichung in der X-Richtung auf. Ähnlich weisen das Detektionssystem 119&sub2;, das Detektionssystem 119&sub3; und das Detektionssystem 119&sub4; Fähigkeiten zum Erfassen von Lageabweichungen jeweils in der Y-Richtung, der X-Richtung und der Y-Richtung auf.
Wenn die detektierten Abweichungswerte, die durch diese vier Detektionssysteme erhalten werden können, mit Δx&sub1;, Δy&sub1;, Δx&sub2; und Δy&sub2; bezeichnet werden, ist es für die Detektion der Lageabweichung zwischen der Maske und dem Wafer ausreichend, Verschiebungsfehler ΔX und ΔY und einen Drehfehler Δθ zu detektieren. Diese Fehler können auf leichte Weise für die vier Werte (Δx&sub1;, Δx&sub2;, Δy&sub1; und Δy&sub2;) bestimmt werden.
Ebenfalls wird der Abstand zwischen der Maske und dem Wafer an den vier Flecken nahe den Fresnelschen Zonenplatten 118&sub1;, 118&sub2;, 118&sub3; und 118&sub4; detektiert.
Gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, können die Detektion eines dreidimensionalen Lagefehlers zwischen einer Maske und einem Wafer als auch die Positionssteuerung für diese auf der Grundlage der Detektion mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden.
Fig. 14 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform verwendet einer der Sätze der Beugungsstrukturen von einer Maske und einem Wafer, die jeweils zwei Flecken zur Detektion des Abstands zwischen der Maske und dem Wafer erzeugen, die regelmäßige Reflexion nullter Ordnung durch den Wafer. Das heißt, die vorliegende Ausführungsform ist ein Ausführungsbeispiel, wobei die Waferoberfläche keine Struktur aufweisen kann.
In Fig. 14 bezeichnen die Bezugszeichen 123&sub1;, 123&sub2; und 123&sub3; jeweils eine FZP auf der Maske. Fig. 15 zeigt Einzelheiten der Beugung, wenn in eine Richtung senkrecht zu der Justierdetektionsrichtung gesehen (Fig. 14) und parallel zu der Maske und dem Wafer, wobei die reflektorische Beugung durch den Wafer als eine gleichwertige Übertragungsbeugungswelle dargestellt ist.
In dieser Ausführungsform ist eine Struktur einer FZP 124&sub3; auf der Maske angeordnet, und durch Detektion des Abstands zwischen (i) einem Fleck, der durch Beugung an einem Detektionssystem A erhalten ist, welches eine Kombination von FZP-Strukturen 123&sub2; und 124&sub1; aufweist, und (ii) einem Fleck 127&sub2;, der durch Beugung an einem Detektionssystem B erhalten wird, welches eine Kombination von FZP-Strukturen 123&sub2; und 124&sub2; aufweist, wird die Maske-Wafer-Abweichung (Justierfehler) detektiert. Andererseits wird der Abstand der Oberflächen (Spalt) zwischen der Maske und dem Wafer detektiert, indem die Größe eines Flecks 127&sub2; auf einer Oberfläche eines Sensors 5 detektiert wird, der durch die Beugung an dem Detektionssystem B erhalten wird, das die Kombination von FZP- Strukturen 123&sub2; und 124&sub2; aufweist, und die Größe eines Flecks 127&sub3; auf einer Oberfläche des Sensors 4, der durch Beugung an einem Detektionssystem C erhalten wird, das eine Kombination von FZP-Strukturen 123&sub3; und 124&sub3; aufweist.
Die optische Funktion des restlichen Abschnitts ist dieselbe wie jene der ersten Ausführungsform.
Unter Verwendung der Fresnelschen Zonenplatten 123&sub3; und 124&sub3;, die auf der Maske angeordnet sind, ist es möglich, die Größe der Strukturfläche auf dem Wafer zu verringern. Dies ist ein signifikantes Merkmal der vorliegenden Ausführungsform.
Wie im Teil (c) der Fig. 15 gezeigt, ist der Oberflächenabstand zwischen den Fresnelschen Zonenplatten 123&sub3; und 124&sub3; gleich 2 · gAF, und die Brennweiten sowie das Abbildungsverhältnis der Strukturen dieser Zonenplatten werden unter Berücksichtigung dieses Sachverhalts eingestellt.
Es wird in Fig. 15 angenommen, daß die Maske und der Wafer eine Relativlageabweichung einer Menge Δ aufweisen, und in diesem Fall sind die Mittelpunkte der Lichtflecken (genauer ausgedrückt, deren Hauptstrahlen) jeweils in den Positionen der Abstände &sub1;, &sub2; und &sub3; von den optischen Achsen jeweils der FZP-Strukturen 123&sub1;, 123&sub2; und 123&sub3; der Maske. Dann sind die folgenden Beziehungen erfüllt:
Gemäß den Beziehungen der Gleichungen (8), (9) und (10) wird der Abstand zwischen (1) einem Fleck 127&sub1;, der durch die Kombination von FZP-Strukturen 123&sub1; und 124&sub1; (kombinierte Brechkraft eines Konkav-Konvex-Systems) erzeugt ist, und (ii) einem Fleck 127&sub2;, der durch eine Kombination von FZP-Strukturen 123&sub2; und 124&sub2; (kombinierte Brechkraft eines Konvex-Konkav- Systems erzeugt ist, berechnet. Dann wird aus dem detektierten Abstand die Lageabweichung (Justierfehler) zwischen der Maske und dem Wafer detektiert.
Jede der FZP-Strukturen 123&sub1;-123&sub3; und 124&sub1;-124&sub3; weist eine Linsenfunktion nur in bezug auf die Justierdetektionsrichtung auf. Sie kann jedoch eine Linsenfunktion in bezug auf zweidimensionale Richtungen aufweisen, und zusätzlich kann ein Flächensensor anstelle des Zeilensensors verwendet werden, um die Bewegung jedes Lichtflecks zu detektieren. Im Hinblick auf die Änderung der Halbwertsbreite jedes Flecks, der auf einer Sensoroberfläche durch eine Kombination entsprechender Strukturen erzeugt wird, ist die Einstellung so, daß jeweils ein Fleck, der durch eine Kombination von FZP- Strukturen 123&sub1; und 124&sub1; erzeugt ist, und ein Fleck, der durch FZP-Strukturen 123&sub2; und 124&sub2; erzeugt ist, die alle für die Selbstjustierung verwendet werden, am kleinsten ist, wenn der Abstand gAA vorliegt, während ein Fleck, der durch FZP-Strukturen 123&sub3; und 124&sub3; erzeugt ist, am kleinsten ist, wenn der Spalt gAF vorliegt.
In bezug auf die Art und Weise der Änderung des Durchmessers des Beugungslichtflecks auf dem Sensor 4 oder 5 mit dem Abstand zwischen der Maske und dem Wafer sind viele Änderungen möglich. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 16 gezeigt. Wenn zum Beispiel eine Maske und ein Wafer mit Kombinationen von Strukturen ausgestattet sind, die drei Detektionssysteme A, B und C erzeugen, und wenn die Selbstjustierung durch die Detektionssysteme A und B ausgeführt wird, während die Autofokussierung (Spaltmessung) durch die Detektionssysteme B und C ausgeführt wird, wie in Fig. 16 gezeigt ist, kann das Detektionssystem A eine kombinierte Brechkraft eines Konvex- Konkav-Systems oder eines Konkav-Konvex-Systems aufweisen, wobei ein minimaler Fleck durch einen Abstand gAA - α erzeugt wird, kann das Detektionssystem B eine kombinierte Brechkraft eines Konkav-Konvex-Systems oder eines Konvex-Konkav- Systems aufweisen, wobei ein minimaler Fleck durch einen Abstand gAA + α erzeugt wird, und kann das Detektionssystem C eines der Systeme, ein Konvex-Konkav-System und ein Konkav- Konvex-System, sein, wobei ein minimaler Fleck durch einen Abstand gAF erzeugt wird. Hier wird die Selbstjustierung bei einem eingestellten Spalt gAA ausgeführt. Der Wert α kann ein solcher sein, durch welchen der Fleck zu dem Zeitpunkt der Selbstjustierung nicht wesentlich defokussiert wird.
Abhängig von dem Wert des Abstands ist es möglich, den Abstand auf der Grundlage der Größe der Defokussierung jedes der drei Flecken (das heißt die Fleckgröße), die durch die drei Strukturkombinationen der Detektionssysteme A, B und C erzeugt sind, zu messen. Daher ist es möglich, den Abstand zwischen der Maske und dem Wafer mit höherer Genauigkeit zu messen.
Wenn als eine Alternative eine Maske und ein Wafer mit zwei Struktursätzen ausgestattet sind, welche verwendet werden, um die Detektionssysteme A und B zu schaffen, kann die Einstellung so ausgeführt werden, daß sich der Fleckdurchmesser eines Sensors mit dem Abstand zwischen der Maske und dem Wafer in einer in Fig. 17 gezeigten Weise verändert: wobei das Detektionssystem A eine kombinierte Brechkraft eines konvexkonkaven Systems oder eines konkav-konvexen Systems aufweisen kann, wobei ein minimaler Fleck durch einen Abstand nahe "2gAA - 2gAF" erzeugt wird, und das Detektionssystem B eine kombinierte Brechkraft eines konkav-konvexen Systems oder eines konvexkonkaven Systems aufweisen kann, wobei ein minimaler Fleck durch einen Abstand gAF erzeugt wird. Jede Lageabweichung (Justierfehler) zwischen der Maske und dem Wafer kann auf der Grundlage des Abstands zwischen einem Fleck auf einem Sensor detektiert werden, der durch die Strukturkombination des Detektionssystems A erzeugt wird, und einem Fleck auf einem Sensor, der durch die Strukturkombination des Detektionssystems B ausgebildet wird. Andererseits kann der Abstand zwischen der Maske und dem Wafer auf der Grundlage der Größe des Flecks auf dem Sensor detektiert werden, der durch die Strukturkombination des Detektionssystems A erzeugt ist, als auch der Größe des Flecks auf dem Sensor, der durch die Strukturkombination des Detektionssystems B ausgebildet wird. Wie beschrieben, ist es in dieser Ausführungsform möglich, sowohl die Lageabweichung als auch den Abstand unter Verwendung von zwei Lichtstrahlen zu detektieren.
Hinsichtlich der Einstellung der Strukturflächen auf einer Maske und einem Wafer, zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 7 gezeigt ist, bestehen viele mögliche Variationen der Art und Weise der Teilung..
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 18 gezeigt. In dieser Figur bilden jeweils ein Satz FZP-Strukturen 128&sub1; und 129&sub1;, ein Satz FZP-Strukturen 128&sub2; und 129&sub2; und ein Satz FZP- Strukturen 128&sub3; und 129&sub3; Detektionssysteme aus, welche die jeweiligen Flecken erzeugen.
In bezug auf einige vorstehend beschriebene Ausführungsformen erfolgte die Beschreibung zu Ausführungsbeispielen, wobei eine Maske und ein Wafer zueinander in Justierung gebracht wurden, während sie in einer Nähebeziehung erhalten wurden, wie z. B. in dem Fall eines Röntgenstrahlensteppers. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt, und sie ist auch auf einen Stepper anwendbar, welcher ultraviolettes Licht oder einen Excimerlaser oder eine Abbildungsverkleinerungsbelichtungsvorrichtung verwendet, die z. B. Spiegel nutzt.
Fig. 19 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, wobei die Erfindung auf einen Stepper angewendet ist, der ultraviolettes Licht oder einen Excimerlaser verwendet. In dieser Figur ist mit dem Bezugszeichen 150 ein Strukturbeleuchtungslicht bezeichnet. Die Bezugszeichen 135&sub1;, 135&sub2; und 135&sub3; bezeichnen Strukturen, die auf einem Retikel 151 zum Zwecke der Justierung und Autofokussierung angeordnet sind. Das Bezugszeichen 130 bezeichnet eine Abbildungslinse, durch welche das Retikel 151 und ein Wafer 131 in eine optisch konjugierte Beziehung gebracht werden. In dieser Ausführungsform treten Beugungslichtstrahlen 136&sub1;, 136&sub2; und 136&sub3; von Justierstrukturen 132&sub1;, 132&sub2; und 132&sub3; auf dem Wafer 131 durch die Abbildungslinse 130 und werden durch einen Sensor 137 aufgenommen. Die Abstände der auf diese Weise erzeugten Flecken 133&sub1;, 133&sub2; und 133&sub3; als auch deren Fleckgröße werden durch ein Verarbeitungssystem 134 detektiert. Dadurch ist jede Lageabweichung (Justierfehler) zwischen dem Retikel und dem Wafer in einer Ebene als auch jede Relativabweichung dazwischen in der Richtung der optischen Achse der Abbildungslinse 130 detektierbar. Wenn in diesem Fall die Abbildungslinse 130 eine chromatische Aberration in bezug auf das verwendete Licht 150 zeigt, werden die Strukturen der Fresnelschen Zonenplatten 135&sub1;, 135&sub2; und 135&sub3; sowie die Strukturen der Fresnelschen Zonenplatten 132&sub1;, 132&sub2; und 132 auf dem Wafer dies berücksichtigend eingestellt.
Fig. 20 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, wobei die Erfindung auf einen Abbildungsverkleinerungsstepper unter Verwendung von Spiegeln angewendet ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden eine Struktur 143 auf der Oberfläche eines Retikels 138 und eine Struktur 144 auf der Oberfläche eines Wafers 142 in der unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschriebenen Art und Weise verwendet, um den Abstand und die Größe von Flecken 149&sub1;, 149&sub2; und 149&sub3; auf einem Zeilensensor oder einem Flächensensor 146 zu detektieren, um jede Lageabweichung zwischen dem Retikel 138 und dem Wafer 142, als auch jede Relativabweichung dazwischen in der Richtung einer optischen Achse des optischen Aufbaus zu bestimmen, der durch Spiegel 139, 140 und 141 ausgebildet ist.
Auch in den in Fig. 19 und 20 gezeigten Ausführungsformen braucht der Sensor nicht in der gezeigten Ebene angeordnet zu werden, sondern stattdessen kann eine Übertragungslinse in dieser Position angeordnet werden, und der Sensor kann in der Abbildungsebene der Linse angeordnet werden.
Fig. 21 zeigt eine abgewandelte Form der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Kombination der Strukturen 106&sub1; und 107&sub1;, 106&sub2; und 107&sub2;, im Teil (A) und (B) der Fig. 2 gezeigt, verwendet wie sie ist, und der Justierfehler wird im wesentlichen nach demselben Prinzip wie in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform detektiert. Andererseits wird der Abstand zwischen der Maske und dem Wafer nur unter Verwendung des Durchmessers eines Flecks 108&sub2; lediglich auf einem Sensor 4 detektiert. Die Beziehung zwischen dem Maske-Wafer-Abstand und dem Fleckdurchmesser auf dem Sensor auf der Grundlage der Kombination der Strukturen 106&sub2; und 107&sub2; ist derart, wie in Fig. 8 gezeigt. Durch Detektieren dieser Beziehung im voraus ist es möglich, den Maske-Wafer-Abstand aus dem Fleckdurchmesser zu detektieren.
Fig. 22 zeigt eine andere abgewandelte Form der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Kombination der Strukturen 106&sub2; und 107&sub2;, 106&sub3; und 107&sub3;, wie in den Teilen (B) und (C) der Fig. 4 gezeigt, verwendet wie sie ist, und der Maske-Wafer-Abstand wird im wesentlichen nach demselben Prinzip wie in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform detektiert. Im Gegensatz dazu wird der Justierfehler zwischen der Maske und dem Wafer in diesem Ausführungsbeispiel auf der Grundlage der Position eines Flecks 108&sub2; auf einem Sensor 4 detektiert. Dies wird nachstehend erläutert.
Wenn eine Maske zu Beginn in einer Vorrichtung angeordnet ist, wird eine Bezugsposition des Flecks 108&sub2; (das heißt dessen Position, wenn angenommen wird, daß die Maske und der Wafer keine Relativlageabweichung aufweisen und sie in einem sachgemäßen Abstand gAA angeordnet sind) bestimmt. Dies kann zum Beispiel durch Versuchsbelichtung erfolgen. In der tatsächlichen Positionsdetektionsoperation wird zuerst der Abstand zwischen der Maske und dem Wafer gemäß dem vorstehend beschriebenen Prinzip gemessen, und daraufhin wird jeder Abstandsfehler korrigiert, um die Maske und den Wafer auf den korrekten Abstand einzustellen. Dann wird jede Abweichung des Flecks 108&sub2; zu dem Zeitpunkt von dessen Bezugsposition gemessen, um y&sub2; zu erhalten. Da die Werte L&sub0; und fM2" vordetektiert sind, ist es möglich, aus Gleichung (5''') die Abweichung δ' zu erzielen.
Gemäß diesen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zur Detektion der Relativlageabweichung und des Oberflächenabstands zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt ist eine Vielzahl von physikalisch-optischen Elementen auf dem ersten und dem zweiten Objekt in einer Art und Weise angeordnet, daß ein Teil dieser gemeinsam verwendet wird und zusätzlich Beugungslichtstrahlen einer vorbestimmten Ordnung oder vorbestimmter Ordnungen, nicht kleiner als der ersten oder der zweiten Ordnung, von diesen physikalisch-optischen Elementen verwendet werden. Dies erbringt die folgenden vorteilhaften Wirkungen:
(a) Da ein Teil der physikalisch-optischen Elemente für die Detektion der Lageabweichung und der Detektion des Oberflächenabstands gemeinsam verwendet wird, ist nur eine kleine Fläche für die Strukturanordnung erforderlich.
(b) Da die Lageabweichung und der Oberflächenabstand mit einem Lichtstrahl detektierbar sind, kann eine Vorrichtung als ein Ganzes kompakt ausgebildet werden.
(c) Es resultiert kein Fehler aus einer Neigung des zweiten Objekts (Wafer) oder aus einem Fehler bei der Einrichtung des Detektionssystems. Daher ist die Detektion mit hoher Genauigkeit erreichbar.
(d) Die Lageabweichung und der Oberflächenabstand können gleichzeitig detektiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Detektion einer seitlichen Positionsrelation und eines Spalts zwischen einem ersten Objekt (2) und einem zweiten Objekt (3), das in Gegenüberlage des ersten Objekts (2) mit einem Spalt (gm) dazwischen angeordnet ist, unter Verwendung eines ersten physikalisch-optischen Elements (6) auf dem ersten Objekt (2) und eines zweiten physikalisch-optischen Elements (7) auf dem zweiten Objekt (3), wobei jeweils das erste physikalisch-optische Element (6) und das zweite physikalisch-optische Element (7) eine optische Brechkraft aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

- Projizieren von Licht (1) durch das erste optische Element (6) auf das zweite optische Element (7), um in einer Detektionsebene mindestens zwei Flecken des gebeugten Lichts (8, 16, 21, 28, 33, 43, 108, 116, 127) einer Beugungsordnung nicht kleiner als die Beugung erster Ordnung zu erzeugen, welche entlang der Detektionsebene in Abhängigkeit von mindestens der seitlichen Positionsrelation des ersten Objekts (2) und des zweiten Objekts (3) verschiebbar sind,

- Detektieren der Flecken des Lichts (8, 16, 21, 28, 33, 43, 108, 116, 127), und

- Bestimmen der seitlichen Positionsrelation des ersten Objekts (2) und des zweiten Objekts (3) auf der Grundlage des Abstands zwischen den mindestens zwei Flecken des Lichts und

- Bestimmen des Spalts zwischen den zwei Objekten (2, 3) auf der Grundlage der Größe mindestens von einem der Flecken des Lichts.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das erste optische Element (6) und das zweite optische Element (7) jeweils ein konvergentes und ein divergentes optisches Element für einen jeweils erzeugten Fleck des Lichts oder jeweils ein divergentes und ein konvergentes optisches Element für einen jeweils erzeugten Fleck des Lichts aufweisen und das auf das erste optische Element (6) und das zweite optische Element (7) projizierte Licht dadurch in die jeweiligen Brennpunkte gerichtet wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein dritter Fleck des Lichts in der Detektionsebene erzeugt wird, wobei der Spalt zwischen dem ersten Objekt (2) und dem zweiten Objekt (3) aus der Größe mindestens von einem des ersten, zweiten oder dritten Flecks des Lichts bestimmt wird.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste optische Element (6) und das zweite optische Element (7) Zonenplattenstrukturen aufweisen.

5. Verfahren zum Justieren eines ersten Objekts (2) zu einem zweiten Objekt (3), das die Schritte aufweist:

- Bestimmen der seitlichen Positionsrelation und des Spalts zwischen dem ersten Objekt (2) und dem zweiten Objekt (3) unter Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und

- Justieren des ersten Objekts (2) und des zweiten Objekts (3) in Abhängigkeit von der bestimmten seitlichen Positionsrelation und des Spalts zwischen dem ersten Objekt (2) und dem zweiten Objekt (3).

6. Vorrichtungsherstellungsverfahren, das die Schritte aufweist:

- Justieren des ersten Objekts (2) und des zweiten Objekts (3) unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 5, wobei das erste Objekt (2) eine Maske ist und das zweite Objekt (3) ein Halbleiterwafer ist, und nach dem Justieren der Maske (2) und des Wafers (3)

- Projizieren einer Vorrichtungsstruktur der Maske (2) auf den Halbleiterwafer (3), um die Vorrichtungsstruktur auf den Halbleiterwafer (3) zu kopieren, und

- Herstellen einer Halbleitervorrichtung aus dem belichteten Wafer (3).

7. Vorrichtung zur Detektion einer seitlichen Positionsrelation und eines Spalts zwischen einem ersten Objekt (2) und einem zweiten Objekt (3), das in Gegenüberlage des ersten Objekts (2) mit einem Spalt (gm) dazwischen angeordnet ist, wobei das erste Objekt (2), das ein erstes physikalischoptisches Element (6) darauf aufweist, und das zweite Objekt (3), das ein zweites physikalisch-optisches Element (7) darauf aufweist, und jedes der optischen Elemente eine optische Brechkraft aufweist, wobei die Vorrichtung ferner aufweist:

- eine Lichtquellenvorrichtung, die eingerichtet ist, Licht durch das erste optische Element (6) auf das zweite optische Element (7) zu projizieren, um in einer Detektionsebene mindestens zwei Flecken von Beugungslicht (8, 16, 21, 28, 33, 43, 108, 116, 127) mit einer Beugungsordnung nicht kleiner als die erste Beugungsordnung zu erzeugen, welche entlang der Detektionsebene in Abhängigkeit von mindestens der seitlichen Positionsrelation des ersten Objekts (2) und des zweiten Objekts (3) verschiebbar sind,

- eine Photodetektionsvorrichtung (4, 5) zum Detektieren der Flecken des Lichts (8, 16, 21, 28, 33, 43, 108, 116, 127) und

- eine Bestimmungsvorrichtung (9, 134, 147), die angepaßt ist, den Abstand zwischen dem ersten Fleck des Lichts (8, 16, 21, 28, 33, 43, 108, 116, 127) und dem zweiten Fleck des Lichts (8, 16, 21, 28, 33, 43, 108, 116, 127) zum Bestimmen der seitlichen Positionsrelation zwischen dem ersten Objekt (2) und dem zweiten Objekt (3) und der Größe von mindestens einem der Flecken des Lichts, des ersten und des zweiten Flecks des Lichts, zum Bestimmen des Spalts zwischen dem ersten Objekt (2) und dem zweiten Objekt (3) zu verwenden.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei ein dritter Lichtfleck in der Detektionsebene erzeugt wird und die Bestimmungsvorrichtung (9, 134, 147) angepaßt ist, den Spalt zwischen dem ersten Objekt (2) und dem zweiten Objekt (3) auf der Grundlage der Größe mindestens von einem des ersten, zweiten oder dritten Lichtflecks zu bestimmen.

9. Justiervorrichtung zum Justieren eines ersten Objekts (2) zu einem zweiten Objekt (3), welche die Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8 aufweist, und

- eine Justiervorrichtung (101) zum Justieren der Positionsrelation und des Spalts zwischen dem ersten Objekt (2) und dem zweiten Objekt (3) zum Justieren des ersten Objekts (2) und des zweiten Objekts (3).

10. Vorrichtungsherstellungsvorrichtung, welche aufweist: die Justiervorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das erste Objekt (2) eine Maske ist und das zweite Objekt (3) ein Halbleiterwafer ist, und eine Belichtungsvorrichtung zum Projizieren einer Vorrichtungsstruktur der Maske (2) auf den Halbleiterwafer (3) nach dem Justieren der Maske (2) und des Halbleiterwafers (3) zum Kopieren der Vorrichtungsstruktur auf den Halbleiterwafer (3).