DE69704998T2

DE69704998T2 - Ausrichtungsvorrichtung und lithographischer apparat mit einer solchen vorrichtung

Info

Publication number: DE69704998T2
Application number: DE69704998T
Authority: DE
Inventors: Peter Dirksen; Gawein Tenner; Evert Van Der Werf
Original assignee: ASML Netherlands BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: TW385377B; JP4023695B2; EP0826165B1; WO1997035234A1; US5917604A; JPH11505673A; EP0826165A1; DE69704998D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausrichtvorrichtung zum Ausrichten eines mit mindestens einer ersten Ausrichtmarke versehenen ersten Objekts bezüglich eines mit mindestens einet zweiten Ausrichtmarke versehenen zweiten Objekts, wobei diese Vorrichtung eine Strahlungsquelle zur Lieferung mindestens eines Ausrichtstrahls, einen ersten Objekthalter, einen zweiten Objekthalter, ein Projektionssystem zum Abbilden einer ersten Ausrichtmarke und einer zweiten Ausrichtmarke übereinander und ein strahlungsempfindliches Detektorsystem, das im Weg ausgewählter Anteile des Ausrichtstrahls angeordnet ist, durch die diese Ausrichtmarken auf den jeweils anderen Ausrichtmarken abgebildet werden, aufweist und das Ausgangssignal des strahlungsempfindlichen Detektorsystems als Maß der gegenseitigen Lage dieser Ausrichtmarken herangezogen wird.
Außerdem betrifft die Erfindung einen lithographischen Apparat, in dem eines solche Ausrichtvorrichtung als Präzisions- oder als Vorausrichtvorrichtung verwendet wird. Die in einem solchen Apparat verwendete Maske ist mit mindestens einer Ausrichtmarke der Maske und die Trägerschicht ist mit mindestens einer Ausrichtmarke der Trägerschicht versehen.
Die gewählten Anteile des Ausrichtstrahls sind diejenigen Anteile des Ausrichtstrahls, die wirksam zum Abbilden der ersten Ausrichtmarke auf der zweiten Ausrichtmarke verwendet werden. Handelt es sich bei den Ausrichtmarken um Beugungsgitter, sind die ausgewählten Anteile des Ausrichtstrahls diejenigen Strahlanteile, die von den Ausrichtmarken in gegebenen Ordnungen gebeugt werden.
Ein optischer lithographischer Apparat für die wiederholte und verkleinerte Projektion einer Maskenstruktur, z. B. der Struktur einer integrierten Schaltung (integrated circuit - IC) auf ein und dieselbe Trägerschicht wird in der US-Patentschrift Nr. 4,778,275 beschrieben, bei der die Maskenstruktur und die Trägerschicht relativ zueinander zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungen z. B. in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einer Ebene parallel zur Ebene der Trägerschicht und der Ebene der Maske verschoben werden.
Integrierte Schaltungen werden mittels Diffusions- und Maskentechniken hergestellt. Eine Anzahl Masken mit verschiedenen Maskenstrukturen werden nacheinander auf ein und derselben Stelle eines Halbleitersubstrats abgebildet. Zwischen den aufeinanderfolgenden Abbildungsschritten an denselben Stellen muß das Substrat den gewünschten physikalischen und chemischen Veränderungen unterworfen werden. Zu diesem Zweck muß das Substrat nach der Belichtung mit der Maskenstruktur aus dem Apparat genommen und nach dem Durchlaufen der gewünschten Prozeßschritte in derselben Stellung wieder in den Apparat eingebracht werden, damit es mit einer zweiten Maskenstruktur belichtet werden kann usw., wobei sichergestellt werden muß, daß die Projektionen der zweiten Maskenstruktur und der nachfolgenden Maskenstrukturen bezüglich des Substrats genau positioniert werden.
Diffusions- und Maskierungstechniken können auch in der Herstellung anderer Strukturen mit Detailabmessungen in der Größenordnung von Mikrometern angewendet werden, z. B. bei Strukturen integrierter optischer Systeme oder bei Führungs- und Detektorstrukturen von Datenspeichern auf der Basis Weißscher Bezirke sowie Strukturen von Flüssigkristall-Anzeigetafeln. Auch bei der Herstellung dieser Strukturen müssen die Maskenstrukturen bezüglich eines Substrats sehr genau ausgerichtet werden.
In Anbetracht der großen Anzahl elektronischer Bausteine pro Oberflächeneinheit des Substrats und der sich ergebenden kleinen Abmessungen dieser Bausteine, werden die Anforderungen an die Genauigkeit, mit der integrierte Schaltungen herzustellen sind, immer strenger. Die Stelle, an der die aufeinanderfolgenden Masken auf das Substrat projiziert werde, muß deshalb mit immer höherer Genauigkeit festgelegt werden.
Um die gewünschte sehr präzise Positionierungsgenauigkeit der Projektion der Maskenstruktur relativ zum Substrat innerhalb einiger Zehntel eines Mikrometers bei dem Apparat gemäß der US-Patentschrift Nr. 4,778,275 zu verwirklichen, weist dieser Apparat eine Vorrichtung zum Ausrichten des Substrats relativ zur Maskenstruktur auf, mit der eine im Substrat vorgesehene Ausrichtmarke auf eine in der Maske vorgesehene Ausrichtmarke abgebildet wird. Fällt das Bild der Ausrichtmarke des Substrats mit der Ausrichtmarke der Maske zusammen, ist das Substrat bezüglich der Maskenstruktur korrekt ausgerichtet. Das Hauptelement zum Abbilden der Substratmarke auf der Maskenmarke wird vom Projektionslinsensystem oder Bildgebungssystem dargestellt, mit dem die Maskenstruktur auf das Substrat abgebildet wird.
Die in der US-Patentschrift Nr. 4,778,275 beschriebene Ausrichtvorrichtung arbeitet seither zur vollen Zufriedenheit, es ist jedoch damit zu rechnen, daß der Einsatz der Ausrichtvorrichtung unter Anwendung neuer Technologien in der IC-Herstellung und mit abnehmenden Detailgrößen oder Leiterbreiten der IC-Strukturen Probleme hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und Genauigkeit mit sich bringen kann.
Bei der Herstellung von IC's der neuen Generation mit kleineren Leiterbreiten müssen aufgrund der erforderlichen höheren numerischen Apertur (numerical aperture - NA)'des Projektionslinsensystems bei abnehmender Leiterbreite strengere Anforderungen an die Ebenheit des Substrats gestellt werden. Die Tiefenschärfe dieses Systems nimmt mit zunehmender NA ab. Da sich eine gewisse Krümmung des Bildfeldes im gewünschten relativ großen Bildfeld des Projektionslinsensystems einstellt, bleibt für eine Unebenheit des Substrat praktisch kein Raum mehr. Um diese gewünschte Ebenheit des Substrats zu erhalten, kann es zwischen zwei Belichtungen mittels des chemisch-mechanischen Polierverfahrens (CMP: chemical mechanical polishing) poliert werden. Bei diesem Verfahren hat sich gezeigt, daß es eine asymmetrische Verzerrung der als Gitter implementierten Ausrichtmarke des Substrats verursacht, so daß Ausrichtfehler auftreten können.
Der Fertigungsprozeß für IC's der neuen Generation wird immer komplizierter: die Anzahl der Prozeßschritte und die Anzahl der Prozeßschichten auf dem Substrat werden immer höher. Manche dieser Schichten bewirken Asymmetrien der gitterförmigen Ausrichtmarken und verursachen so Ausrichtfehler.
Weitere Ausrichtfehler können durch die Maske bzw. das Retikel verursacht werden. Aufgrund von Falschreflexionen durch die Maske und die optischen Elemente der Ausrichtvorrichtung werden unerwünschte Phasendifferenzen der Ausrichtstrahlung erzeugt. Ist diese Strahlung kohärent wie die herkömmliche HeNe- Laserstrahlung, wird nicht nur das gewünschte Bild der Ausrichtmarke des Substrats an der Stelle der Ausrichtmarke der Maske erzeugt, sondern auch ein zusätzliches oder "Geisterbild", während bei einer sich ändernden Dicke des Substrats der Ausrichtmarke der Maske die Lage dieses Geisterbildes relativ zum gewünschten Bild von der Stelle abhängt, an der die Ausrichtstrahlung auf dieses Substrat auftrifft. Dieser Effekt, der als RICO- (Reticle Induced Coherence Offset - retikelinduzierter Kohärenzversatz)-Effekt bezeichnet werden kann, kann Ausrichtfehler verursachen.
Wird in der Ausrichtvorrichtung ein polarisationsempfindliches optisches System verwendet wie in der in US-Patent Nr. 4,778,275 beschriebenen Vorrichtung, können weitere Ausrichtfehler entstehen, da das Substrat einer herkömmlichen IC-Maske aus Quarz besteht, das eine wenn auch geringe Doppelbrechung aufweist. Diese Doppelbrechung verursacht einen Versatz des Bildes der Ausrichtmarke des Substrats bezüglich der Ausrichtmarke. Diese Doppelbrechung ist nicht konstant über die gesamte Oberfläche des Maskensubstrats, sondern weist eine lageabhängige Abweichung auf. Breiten sich auf der Maskenoberfläche mehr Ausrichtmarken aus, wie z. B. im Fall der Step-and-Scan- Apparate, können diese Ausrichtfehler, beispielsweise durch eine genaue Korrektur des Polarisationszustandes der Ausrichtstrahlung, nicht mehr kompensiert werden.
Die EP-0,393,775-A offenbart eine Ausrichtvorrichtung, bei der ein reflektierender Doppelkeil zum Blockieren des von der ersten Ausrichtmarke gebeugten Substrahls 0-ter Ordnung und eine Membran zum Blockieren von Substrahlen zweiter und höherer Ordnung verwendet wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Ausrichtvorrichtung bereitzustellen, bei der der Einfluß der oben genannten Effekte auf das Ausrichtsignal deutlich verringert wird, so daß die Vorrichtung genauer und zuverlässiger sein wird als die bekannte Vorrichtung. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung gemäß der vorlegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Ordnungsmembran, die sich im Weg der Ausrichtstrahlung zwischen einer ersten Ausrichtmarke und einer zweiten Ausrichtmarke befindet, mit strahlungsdurchlässigen Abschnitten versehen ist, die nur diejenigen Anteile des Ausrichtstrahls zur zweiten Ausrichtmarke durchlassen, die von der ersten Ausrichtmarke in einer der geradzahligen Ordnungen gebeugt worden sind.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich diese Ausrichtfehler proportional zur Periode der Ausrichtmarken verhalten und deshalb durch Verkleinern dieser Periode verringert werden können, sowie auf der weiteren Erkenntnis, daß eine periodische Struktur mit einer Periode p von einer periodischen Struktur mit einer Periode 2n·p simuliert werden kann, indem zum Abbilden nur die Strahlungsanteile verwendet werden, die von dieser Struktur in der n-ten Ordnung gebeugt werden, wobei n eine ganze Zahl mindestens gleich 2 ist. Zu diesem Zweck wird eine Ordnungsmembran verwendet, die nur an denjenigen Stellen mit strahlungsdurchlässigen Abschnitten versehen ist, wo diese Strahlungsanteile n-ter Ordnung auf diese Membran auftreffen. Die durchlässigen Abschnitte können Aperturen oder Bereich aus strahlungsdurchlässigem Material in einer lichtundurchlässigen Platte sein. Da die Ausrichtmarken tatsächlich eine kleinere Periode haben, ist die erfindungsgemäße Ausrichtvorrichtung nicht nur zuverlässiger, sondern auch erheblich genauer als die bekannten Ausrichtvorrichtungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die Ordnungsmembran mit strahlungsdurchlässigen Abschnitten versehen ist, die von der ersten Ausrichtmarke in erster Ordnung gebeugte Ausrichtstrahlanteile durchlassen.
Wie in US-Patent Nr. 4,251,160 beschrieben, in dem das Ausrichtprinzip mit Hilfe von Gittermarken und einer Membran erster Ordnung offenbart wird, ergibt die Verwendung nur der in erster Ordnung von einer Gittermarke gebeugten Strahlung ein Bild dieser Marke mit einer Periode, die der halben Periode der Gittermarke selbst entspricht. Demzufolge ist die Ausrichtgenauigkeit doppelt so groß wie in dem Fall, in dem auch die Strahlung 0-ter Ordnung und die gebeugte Strahlung höherer Ordnung verwendet wird. Indem die Ordnungsmembran außerdem mit Aperturen für die in erster Ordnung gebeugte Strahlung in der Vorrichtung gemäß der Erfindung versehen wird, kann dieselbe Ausrichtvorrichtung sowohl zur Ausrichtung mit größerer Genauigkeit gemäß dem neuartigen Verfahren als auch zur Ausrichtung gemäß dem bekannten Verfahren eingesetzt werden. Die neuartige Ausrichtvorrichtung wird dadurch für die bekannten Ausrichtmarken kompatibel gemacht.
Um zu verhindern, daß Strahlung, die von einer ersten und zweiten Ausrichtmarke in einer anderen als den gewünschten Ordnungen gebeugt worden ist, das Detektorsystem erreicht, ist die Ausrichtvorrichtung des weiteren vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Ordnungsmembran, die mit strahlungsdurchlässigen Abschnitten versehen ist, im Weg der Strahlung des Ausrichtstrahls zwischen einer Ausrichtmarke und dem Detektorsystem angeordnet ist, wobei diese strahlungsdurchlässigen Abschnitte nur Anteile des Ausrichtstrahls an das Detektorsystem durchlassen, die von der ersten Ausrichtmarke in einer geradzahligen Ordnung und von der zweiten Ausrichtmarke in anderen Ordnungen kleiner als die geradzahlige Ordnung gebeugt wurden.
Ist diese Ausrichtvorrichtung des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Ordnungsmembran ebenfalls mit strahlungsdurchlässigen Abschnitten versehen ist, die nur Anteile des Ausrichtstrahls durchlassen, die von der ersten Ausrichtmarke in der ersten Ordnung gebeugt wurden, eignet sie sich ebenfalls zur Verwendung in Kombination mit bekannten Ausrichtmarken.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Ausrichtvorrichtung gemäß der Erfindung ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß diese geradzahlige Ordnung die vierte Ordnung ist.
Es hat sich gezeigt, daß die neuartige Ausrichtvorrichtung ein optimales Ergebnis erzielt, wenn die in der vierten Ordnung von der ersten Ausrichtmarke gebeugten Anteile des Ausrichtstrahls zur Generierung des Ausrichtsignals gewählt werden.
Diese Ausführungsform kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, daß diese anderen Ordnungen die +2. und die -2. Ordnung sind.
Nachdem die von der ersten Ausrichtmarke in der vierten Ordnung gebeugten Strahlanteile die zweite Ausrichtmarke passiert haben, bilden sie ein Bündel, dessen Hauptstrahl senkrecht zur zweiten Ausrichtmarke verläuft.
Alternativ kann diese Ausführungsform des weiteren dadurch gekennzeichnet sein, daß es sich bei diesen anderen Ordnungen um die ersten und die dritte Ordnung handelt.
Nachdem die von der ersten Ausrichtmarke in der vierten Ordnung gebeugten Strahlanteile die zweite Ausrichtmarke passiert haben, bilden sie ebenfalls ein Bündel, wobei jedoch diesmal der Hauptstrahl dieses Bündels unter einem Winkel zur Senkrechten auf die zweite Ausrichtmarke verläuft.
Die Ausrichtvorrichtung, bei der die in der vierten Ordnung gebeugte Ausrichtstrahlung verwendet wird und bei der die erste Ausrichtmarke eine Gitterstruktur mit einer Gitterperiode p hat, kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß diese Ausrichtmarke pro Gitterperiode mindestens einen Gitterstreifen mit einer Breite von 1/8·p aufweist.
Dadurch ist sichergestellt, daß ein ausreichender Anteil der auf diese Marke auftreffenden Strahlung in der vierten Ordnung gebeugt wird.
Um diesen Anteil zu erhöhen und das erhaltene Ausrichtsignal zu verstärken, ist die Vorrichtung des weiteren vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ausrichtmarke vier Gitterstreifen pro Gitterperiode aufweist, wobei der gegenseitige Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gitterstreifen sowie der zwischen dem dritten und dem vierten Gitterstreifen gleich 1/8·p beträgt und der gegenseitige Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Gitterstreifen 1/4·p beträgt.
Alternativ kann die Ausrichtvorrichtung dadurch gekennzeichnet sein, daß die erste Ausrichtmarke zwei Gitterstreifen pro Gitterperiode aufweist, wobei die Streifen einen Abstand von 5/8·p haben.
Diese Ausrichtmarke beugt nicht nur die Ausrichtstrahlung in der vierten Ordnung, sondern auch in der ersten Ordnung, so daß sowohl die neuartige Präzisionsausrichtung als auch die bekannte globale Ausrichtung mit der Ausrichtvorrichtung verwirklicht werden kann.
Ist die Ausrichtvorrichtung des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausrichtmarke zwei Gitterabschnitte hat, in denen die Richtung der Gitterstreifen des ersten Abschnitts senkrecht zu der der Gitterstreifen des zweiten Abschnitts verläuft, ist es möglich, die Ausrichtung mit dieser Vorrichtung in zwei zueinander senkrechten Richtungen vorzunehmen.
Die Erfindung betrifft auch einen Apparat zum Projizieren einer in einer Maske vorhandenen Maskenstruktur auf ein Substrat, wobei dieser Apparat nacheinander eine Strahlungsquelleneinheit zur Lieferung eines Projektionsstrahls, einen Maskenhalter, ein Projektionssystem und einen Substrathalter aufweist und des weiteren mit einer Vorrichtung zum Ausrichten der Maske relativ zum Substrat ausgerüstet ist. Dieser Apparat ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtvorrichtung eine Vorrichtung ist, wie oben beschrieben, während das Substrat und die Maske die beiden Objekte für die Ausrichtvorrichtung darstellen.
Ein derartiger Apparat, der auch als lithographischer Projektionsapparat bezeichnet wird, kann in der Fertigung von IC's, aber auch von integrierten, planaren, optischen Systemen, Flüssigkristall-Bildanzeigetafeln, Datenspeichern auf Basis Weißscher Bezirke usw. eingesetzt werden.
Die gebräuchlichste Ausführungsform dieses Apparats ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß der Projektionsstrahl ein Strahl einer elektromagnetischen Strahlung und das Projektionssystem ein System aus optischen Linsen ist und daß das Abbildungssystem der Ausrichtvorrichtung durch das Projektionslinsensystem gebildet wird.
Der Projektionsstrahl kann jedoch auch ein Strahl aus geladenen Partikeln sein, beispielsweise ein Ionenstrahl, ein Elektronenstrahl oder ein Röntgenstrahl, wobei das Projektionssystem an den Strahlungstyp angepaßt wird. Ist der Projektionsstrahl beispielsweise ein Elektronenstrahl, wird das Projektionssystem ein Elektronenlinsensystem sein. Dieses Projektionssystem kann dann nicht mehr als Abbildungssystem für die Ausrichtvorrichtung verwendet werden.
Die Erfindung kann auch in einem lithograhischen Apparat verwendet werden, der nicht nur eine Präzisionsausrichtvorrichtung, sondern auch eine Vorausrichtstation zum Vorausrichten des Substrats aufweist und der mit Transporteinrichtungen versehen ist, um das Substrat unter das Projektionssystem und die Maske zu transportieren, während die vorgenommene Vorausrichtung beibehalten wird. Dieser Apparat ist dann dadurch gekennzeichnet, daß die Vorausrichtstation mit einer Ausrichtvorrichtung wie hierin oben beschrieben ausgestattet ist.
Auf diesem Anwendungsgebiet kann die Ausrichtvorrichtung als Kalibriereinrichtung verwendet werden. Zu diesem Zweck wird die Ausrichtvorrichtung auf eine solche Weise implementiert, daß ein von der in der ersten Ordnung gebeugten Ausrichtstrahlung kommendes Ausrichtsignal und ein z. B. von der in der vierten Ordnung gebeugten Ausrichtstrahlung kommendes Ausrichtsignal mit dieser Vorrichtung empfangen werden können. Diese Signale können miteinander verglichen werden, und mit dem Ergebnis dieses Vergleichs kann die Präzisionsausrichtvorrichtung, die mit der in der ersten Ordnung gebeugten Ausrichtstrahlung arbeitet, kalibriert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des optischen lithographischen Apparats gemäß der Erfindung ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß in den Wegen der von der Ordnungsmembran gewählten Anteilen des Ausrichtstrahls und im Projektionslinsensystem integrierte Korrekturelemente angeordnet sind, deren Abmessung erheblich kleiner ist als der Durchmesser des Projektionslinsensystems in der Ebene dieser Korrekturelemente, wobei jedes Korrekturelement nur den zugehörigen Anteil des Ausrichtstrahls ablenkt und bündelt.
Wird das für die Kurzwellen-Projektionsstrahlung, z. B. tiefe UV-Strahlung, optimierte Projektionslinsensystem zur Abbildung einer ersten Ausrichtmarke auf einer zweiten Ausrichtmarke verwendet, werden Abbildungsfehler erzeugt, nämlich ein Vergrößerungsfehler und ein Fokusfehler, da die Ausrichtstrahlung eine erheblich größere Wellenlänge, z. B. 633 nm hat. Diese Abbildungsfehler und der dadurch verursachte Ausrichtsignalfehler können durch diese Korrekturelemente in der Weise beseitigt werden, wie sie in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0 393 775 für ein Korrekturelement für die Strahlanteile erster Ordnung beschrieben werden.
Die Korrekturelemente sind in einer solchen Höhe im Projektionslinsensystem angeordnet, daß einerseits in der Ebene der Korrekturelemente die Anteile des Ausrichtstrahls mit den gewählten Ordnungen ausreichend geteilt werden, um diese Strahlanteile getrennt beeinflussen zu können, und andererseits diese Korrekturelemente einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Projektionsstrahl und das mit diesem Strahl gebildete Maskenbild haben. Unter Umständen können die Korrekturelemente für die Strahlung des Projektionsstrahls undurchlässig sein. Damit wird verhindert, daß diese Elemente Phasendifferenzen in den Projektionsstrahl einbringen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Apparats ist dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturelemente in der Fourier-Ebene des Projektionslinsensystems angeordnet sind.
Das Projektionslinsenssystem ist ein Verbundlinsensystem mit einer großen Anzahl Linsenelemente, die als in einer ersten und einer zweiten Linsengruppe angeordnet betrachtet werden können. Die Fourier-Ebene liegt zwischen diesen beiden Linsengruppen. Die erste Linsengruppe erstellt eine Fourier- Transformation eines Objekts, in diesem Fall eine Ausrichtmarke, während die zweite Linsengruppe diese Fourier-Transformation in ein Bild des Objekts wandelt. Die Anteile des Ausrichtstrahl mit den gewählten Beugungsordnungen werden gebündelt und in der Fourier-Ebene voneinander getrennt.
Der Apparat ist vorzugsweise des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die Ordnungsmembran eine dichroitische Schicht aufweist, die durchlässig für die Strahlung des Projektionsstrahls und mit Ausnahme der strahlungsdurchlässigen Abschnitte nicht durchlässig für die Strahlung des Ausrichtstrahls ist, und daß die Korrekturelemente in diesen Abschnitten angeordnet sind.
Die Korrekturelemente werden dann mit der weiteren Ordnungsmembran integriert, so daß eine robuste und kompakte Baueinheit erhalten wird.
Da jedes Korrekturelement die Richtung der es passierenden Strahlen beeinflußt und somit die Lage des Punktes, in dem diese Strahlen kombiniert werden, direkt verschiebt, sind diese Korrekturelemente an sich schon sehr wirksam. Da die Korrekturelemente außerdem in einem relativ großen Abstand von der zweiten Ausrichtmarke angeordnet sind, wird ihre Wirksamkeit noch deutlich erhöht. Die optische Festigkeit dieser Elemente kann also begrenzt bleiben, so daß sie relativ unempfindlich gegenüber mechanischen und thermischen Instabilitäten sind.
Die Korrekturelemente können Beugungselemente sein, werden jedoch vorzugsweise als lichtbrechende Elemente ausgebildet. Ein lichtbrechendes Korrekturelement kann verschiedene Formen haben und beispielsweise aus einem optischen Doppelkeil bestehen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Apparats ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturelemente Linsen sind. Mit Hilfe einer derartigen Korrekturlinse ist es nicht nur möglich, den Brennpunkt des zugehörigen Anteils des Ausrichtstrahls zu korrigieren, sondern auch die Vergrößerung, mit der eine Ausrichtmarke abgebildet wird, zu korrigieren.
Der Apparat gemäß der Erfindung kann auch in Bezug auf andere Ausrichtfehler korrigiert werden. Es wurde festgestellt, daß deshalb, weil beispielsweise in dem Fall, in dem eine Ausrichtmarke des Substrats auf eine Ausrichtmarke der Maske unter Verwendung z. B. von in der vierten Ordnung gebeugten Anteilen des Ausrichtstrahls projiziert wird, die Symmetrieachse dieser Anteile des Ausrichtstrahls nicht senkrecht zur Maskenplatte verläuft, zusätzliche Phasendifferenzen und somit zusätzliche Intensitätsschwankungen, die unabhängig von der Ausrichtung sind, in der auf das Detektorsystem auftreffenden Strahlung erzeugt werden können. Als Ergebnis kann ein falsches Ausrichtsignal erhalten werden. Diese zusätzlichen Intensitätsschwankungen entstehen, weil Anteile der Substrahlen zweifacher Ordnung, d. h. Substrahlen, die sowohl von der Ausrichtmarke des Substrats als auch von der Ausrichtmarke der Maske gebeugt werden, ein weiteres Mal von der Maskenplattenoberfläche in Richtung der Ausrichtmarke der Maske reflektiert und anschließend von dieser Marke reflektiert und in Richtung der Substrahlen zweifacher Ordnung gebeugt werden. Diese Anteile, die als Substrahlen dreifacher Ordnung bezeichnet werden können, wandern verschiedene Weglängen in der Maskenplatte und weisen an der Stelle des Detektorsystems eine gegenseitige Phasendifferenz auf, so daß sie das Ausgangssignal dieses Detektorsystems beeinflussen.
Auch bei Ausrichtvorrichtungen, bei denen die in der Maskenplatte reflektierten Strahlanteile nicht wieder auf die Ausrichtmarke der Maske auftreffen, oder bei denen andere Marken als Beugungsgitter als Ausrichtmarken verwendet werden, kann die oben genannte Phasendifferenz und damit ein falsches Ausrichtsignal erzeugt werden.
Da die oben genannte Phasendifferenz von der Dicke der Maskenplatte abhängt, unterscheidet sich die Ausrichtung einer ersten Maskenplatte relativ zu einem Substrat von der Ausrichtung einer zweiten Maskenplatte relativ zum selben Substrat, wenn Maskenplatten verschiedener Dicke in ein und demselben Apparat verwendet werden. Das Ausmaß, in dem diese Phasendifferenz zu einem Ausrichtfehler führt, hängt vom Reflexionskoeffizienten der Maskenplatte ab, so daß die Verwendung von Maskenplatten mit verschiedenen Reflexionskoeffizienten in ein und demselben Apparat wiederum zu einer Differenz zwischen der Ausrichtung der ersten Maskenplatte und der der zweiten Maskenplatte bezogen auf dasselbe Substrat führt.
Schließlich hängt diese Phasendifferenz vom Winkel zwischen der Senkrechten auf die Maskenplatte und der Symmetrieachse der gewählten Anteile des Ausrichtstrahls ab, wobei dieser Winkel von Apparat zu Apparat verschieden sein kann. Werden mehrere Apparate für aufeinander folgende Prozeßschritte mit ein und demselben Substrat verwendet, kann die Ausrichtung des Substrats bezüglich der Maske selbst dann verschieden sein, wenn die verwendeten Maskenplatten die gleiche Dicke und den gleichen Reflexionskoeffizienten haben. Die Unterschiede im Ausmaß der Ausrichtung könnten dann in den Apparaten selbst korrigiert werden. Eine derartige Korrektur ist jedoch grundsätzlich unmöglich, wenn die verwendeten Maskenplatten verschiedene Dicken und/oder Reflexionskoeffizienten haben.
Die Symmetrieachse der gewählten Anteile des Ausrichtstrahls ist eine gedachte und nicht eine physikalische Achse. Werden die von der Ausrichtmarke des Substrats in der vierten Ordnung gebeugten Anteile des Ausrichtstrahls gewählt, verläuft die Symmetrieachse bezüglich der Hauptstrahlen der Strahlanteile symmetrisch und fällt beispielsweise mit dem Hauptstrahl des fiktiven Substrahl 0-ter Ordnung zusammen, der nicht an der Projektion beteiligt ist.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Apparats, bei dem diese unerwünschten Phasendifferenzen der Ausrichtstrahlung vermieden werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Element zur Strahlungsablenkung in der Nähe einer Ausrichtmarke der Maske angeordnet ist, um die Symmetrieachse der gewählten Anteile des Ausrichtstrahls im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Maskenplatte zu führen, wobei dieses Element zur Strahlungsablenkung erheblich kleiner ist als der Querschnitt des Projektionsstrahls in der Ebene dieser Platte.
Es trifft zu, daß Anteile der Substrahlen zweifacher Ordnung ein weiteres Mal in Richtung der zweiten Ausrichtmarke reflektiert werden können, so daß Substrahlen dreifacher Ordnung, die in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt sind, erzeugt werden. Das Ablenkungselement stellt jedoch sicher, daß die zuletzt genannten Substrahlen über die gleichen Weglängen in der Platte der zweiten Ausrichtmarke wandern, so daß zwischen diesen Substrahlen keine zusätzlichen Phasendifferenzen auftreten.
Die senkrechte Führung der Symmetrieachse ist so zu verstehen, daß die Strahlanteile selbst, z. B. die von der ersten Ausrichtmarke in der +4. und der -4. Ordnung gebeugten Strahlanteile auf eine solche Weise geführt werden, daß die Symmetrieachse dieser Anteile, die dem Hauptstrahl des fiktiven Substrahls 0-ter Ordnung entspricht, senkrecht zur zweiten Ausrichtmarke verläuft.
Das Ablenkungselement ist möglichst nahe an der Ausrichtmarke der Maske angeordnet, so daß sich die schmalen Strahlanteile an dieser Marke einwandfrei überlappen, und folglich kann die Oberfläche dieses Elements klein sein. Dieses Element beeinträchtigt den Projektionsstrahl nicht. Des weiteren braucht das Ablenkungselement nur eine relativ kleine Richtungskorrektur vorzunehmen, so daß es nur eine geringe Dicke zu haben braucht. Folglich ist es nicht erforderlich, strenge Anforderungen an die mechanische und thermische Stabilität dieses Elements zu stellen.
Gemäß einem weiteren charakteristischen Merkmal wird das Ablenkungselement durch einen keilförmigen Körper gebildet, dessen Material für den Ausrichtstrahl durchlässig ist. Andere Ablenkungselemente wie z. B. Spiegel können anstelle eines keilförmigen Elements verwendet werden. Die an einen solchen Spiegel zu stellenden Stabilitätsanforderungen müssen jedoch strenger sein als diejenigen, die an die Stabilität eines keilförmigen Elements gestellt werden.
Wie in der US-Patentschrift Nr. 4,778,275 beschrieben weist ein Apparat zur Abbildung einer Maskenstruktur auf einem Substrat zusätzlich zu der Vorrichtung zum Ausrichten einer ersten Ausrichtmarke der Maske bezüglich einer Ausrichtmarke des Substrats vorzugsweise eine zweite analoge Vorrichtung zum Ausrichten einer zweiten Ausrichtmarke der Maske bezüglich einer Ausrichtmarke des Substrats mittels eines zweiten Ausrichtstrahls auf. Die relative Winkelorientierung der Maskenstruktur und des Substrats können dann unmittelbar und optisch festgelegt werden, und die Vergrößerung, mit der das Projektionslinsensystem die Maskenstruktur auf dem Substrat abbildet, kann bestimmt werden. Ein solcher Apparat, bei dem die Erfindung verwendet wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturelemente für die erste Ausrichtvorrichtung auch die Korrekturelemente für die zweite Ausrichtvorrichtung sind.
Dieser Apparat kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß ein zweites Ablenkungselement im Weg des zweiten Ausrichtstrahls und in der Nähe einer zweiten Ausrichtmarke der Maske angeordnet ist.
Es gibt verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Apparats, die sich voneinander in der Art und Weise unterscheiden, wie die Ausrichtmarke des Substrats und die Ausrichtmarke der Maske aufeinander und evtl. auf einer Referenz- Ausrichtmarke abgebildet werden.
Eine erste Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ausrichtmarke eine Ausrichtmarke des Substrats und die zweite Ausrichtmarke eine Ausrichtmarke der Maske ist.
Eine zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ausrichtmarke eine Ausrichtmarke der Maske und die zweite Ausrichtmarke eine Ausrichtmarke des Substrats ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Apparats ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausrichtmarke des Substrats durch ein Phasenbeugungsgitter und eine Ausrichtmarke der Maske durch ein Amplitudenbeugungsgitter gebildet werden. Wie in der US-Patentschrift Nr. 4,251,160 beschrieben haben periodische Gitter im Vergleich mit anderen Ausrichtmarken den Vorteil, daß bei der Messung von Lagefehlern eine Mittelwertbildung über die Gitter erfolgt. Als Ergebnis ist eine genaue Ausrichtung möglich. Die Substratgitter sind für den gesamten Fertigungszyklus einer integrierten Schaltung nur einmal vorzusehen und brauchen nicht bei jeder neu eingeführten Schicht erneut vorgesehen zu werden. Im Vergleich mit Amplitudengittern haben Phasengitter auf dem Substrat den Vorteil, daß sie gut "sichtbar" bleiben.
Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Apparats kann des weiteren dadurch gekennzeichnet sein, daß von periodischen Signalen gesteuerte Einrichtungen im Strahlungsweg eines Ausrichtstrahls angeordnet sind, um eine zweite Ausrichtmarke und das Bild einer vom Detektorsystem erfaßten ersten Ausrichtmarke auf dieser Marke relativ zueinander periodisch zu verschieben. Im Falle von Gittermarken liegt die Verschiebung in der Größenordnung einer halben Periode der zweiten Ausrichtmarke.
Diese Einrichtungen können durch ein Treiberelement für die zweite Ausrichtmarke gebildet werden, so daß diese Ausrichtmarke periodisch bewegt wird, oder durch einen Polarisationsmodulator zusammen mit polarisationsempfindlichen Elementen, die sicherstellen, daß das Bild der ersten Ausrichtmarke wirksam über einer zweiten Ausrichtmarke schwingt. Durch periodisches Verschieben des vom Detektorsystem erfaßten Bildes der ersten Marke relativ zur zweiten Marke wird ein dynamisches Ausrichtsignal erhalten, und die Genauigkeit und Empfindlichkeit des Apparats werden erheblich verbessert. Letzteres ist von Bedeutung, wenn die Ausrichtmarken des Substrats nur schwach reflektieren.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich bzw. werden unter Bezugnahme auf die im folgenden hierin beschriebenen Ausführungsformen näher erläutert.
In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines Apparats zur wiederholten Abbildung einer Maskenstruktur auf einem Substrat;
Fig. 2 eine bekannte Ausführungsform einer Ausrichtmarke in Form eines zweidimensionalen Gitters;
Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Apparats mit zwei Ausrichtvorrichtungen;
Fig. 4 eine erste erfindungsgemäße Wahl von Anteilen des Ausrichtstrahls;
Fig. 5 eine ähnliche zweite Wahl;
Fig. 6 eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Ordnungsmembranen, mittels derer eines solche Wahl verwirklicht wird;
Fig. 7 eine zweite Ausführungsform einer solchen Ordnungsmembran;
Fig. 8 die Funktionsweise einer Korrekturlinse, die in der Vorrichtung verwendet werden kann;
Fig. 9 eine Ordnungsmembran, versehen mit Korrekturelementen;
Fig. 10, 11, 12 und 13 Teile verschiedener Ausführungsformen einer zugehörigen ersten Gittermarke;
Fig. 14 eine Ausführungsform eines nach der zweiten Ausrichtmarke angeordneten Strahlteilers zum Trennen der Substrahlen vierter Ordnung von den Substrahlen erster Ordnung;
Fig. 15 eine detaillierte Ausführungsform des Strahlungswegs zwischen der zweiten Ausrichtmarke und dem Detektorsystem;
Fig. 16 den Weg der Ausrichtstrahlung durch die Maskenplatte;
Fig. 17 diesen Weg, wenn Reflexionen an dieser Platte auftreten;
Fig. 18 den Weg der Ausrichtstrahlung durch die Maskenplatte in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Element zur Strahlungsablenkung;
Fig. 19 eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung; und
Fig. 20 eine zweite Ausführungsform einer Ausrichtvorrichtung gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Apparats zur wiederholten Abbildung einer Maskenstruktur auf einem Substrat. Die Hauptkomponenten dieses Apparats sind eine Projektionssäule, in der eine abzubildende Maskenstruktur C anzuordnen ist, und ein beweglicher Substrattisch WT, mit dem das Substrat bezüglich der Maskenstruktur C positioniert werden kann.
Der Apparat beinhaltet auch ein Beleuchtungssystem, das z. B. einen Laser LA, beispielsweise einen Krypton-Fluorid-Laser, aufweist, ein Linsensystem LS, einen Spiegel RE und eine Sammlerlinse C0. Der von der Beleuchtungseinheit gelieferte Projektionsstrahl PB belichtet die Maskenstruktur C in der Maske MA, die auf einem Maskentisch MT angeordnet ist.
Der die Maskenstruktur C passierende Strahl PB durchläuft ein in der Projektionssäule angeordnetes und nur schematisch dargestelltes Projektionslinsensystem PL, das ein Bild der Struktur C auf dem Substrat W bildet. Das Projektionslinsensystem hat beispielsweise eine Vergrößerung M = 1/5, eine numerische Apertur NA = 0,48 und ein beugungsbegrenztes Bildfeld mit einem Durchmesser von 21 mm. Diese Zahlenwerte sind beliebig und können sich mit jeder neuen Generation Projektionsapparate ändern.
Das Substrat W ist auf einem Substrattisch WT angeordnet, der beispielsweise in Luftlagern gelagert ist. Das Projektionslinsensystem PL und der Substrattisch WT sind in einem Gehäuse HO angeordnet, das an seiner Unterseite von einer Bodenplatte BP aus z. B. Granit und an seiner Oberseite durch den Maskentisch MT abgeschlossen ist.
Wie in der oberen rechten Ecke in Fig. 1 dargestellt ist, hat die Maske MA zwei Ausrichtmarken M&sub1; und M&sub2;. Diese Marken bestehen vorzugsweise aus Beugungsgittern, sie können jedoch alternativ auch aus anderen periodischen Strukturen bestehen. Die Ausrichtmarken sind vorzugsweise zweidimensional, d. h. sie erstrecken sich in zwei zueinander senkrechten Richtungen, der X- und Y-Richtung in Fig. 1. Das Substrat W, z. B. ein Halbleitersubstrat, auf das die Struktur C einige Male nebeneinander projiziert werden muß, weist ein Vielzahl Ausrichtmarken auf, vorzugsweise ebenfalls zweidimensionale Beugungsgitter, von denen zwei P&sub1; und P&sub2; in Fig. 1 dargestellt sind. Die Marken P&sub1; und P&sub2; liegen außerhalb der Zonen auf dem Substrat W, in denen die Projektionen der Struktur C gebildet werden müssen. Vorzugsweise haben die Gittermarken P&sub1; und P&sub2; die Form von Phasengittern und die Gittermarken M&sub1; und M&sub2; die Form von Amplitudengittern.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines der beiden identischen Substrat-Phasengitter in größerem Maßstab. Ein solches Gitter kann vier Subgitter P&sub1;,a, P&sub1;,b, P&sub1;,c und P&sub1;,d aufweisen, von denen zwei P&sub1;,b und P&sub1;,d zur Ausrichtung in X-Richtung und die beiden anderen Subgitter P&sub1;,a und P&sub1;,c zur Ausrichtung in Y-Richtung dienen. Die beiden Subgitter P&sub1;,b und P&sub1;,c haben eine Gitterperiode von beispielsweise 16 um, und die Subgitter P&sub1;,a und P&sub1;,d haben eine Gitterperiode von beispielsweise 17,6 um. Jedes Subgitter kann eine Abmessung von beispielsweise 200 · 200 um haben. Mit diesen Gittern und einem geeigneten optischen System kann eine Ausrichtgenauigkeit erzielt werden, die prinzipiell unter 0,1 um liegt. Es sind verschiedene Gitterperioden gewählt worden, um den Erfassungsbereich der Ausrichtvorrichtung zu vergrößern.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Ausrichtvorrichtung, nämlich einer Doppelausrichtvorrichtung, in der zwei Ausrichtstrahlen, b und b', zum Ausrichten der Ausrichtmarke P&sub2; des Substrats auf der Ausrichtmarke M&sub2; der Maske und der Ausrichtmarke P&sub1; des Substrats auf der Ausrichtmarke M&sub1; der Maske verwendet werden. Der Strahl b wird von einem reflektierenden Element 30, z. B. einem Spiegel, zur reflektierenden Oberfläche 27 eines Prismas 26 reflektiert. Die Oberfläche 27 reflektiert den Strahl b zur Ausrichtmarke P&sub2; des Substrats, die einen Teil der Strahlung als Strahl b&sub1; zur zugehörigen Ausrichtmarke M&sub2; der Maske schickt, wo ein Bild der Marke P&sub2; gebildet wird. Ein reflektierendes Element 11, z. B. ein Prisma, das die von der Marke M&sub2; durchgelassene Strahlung zu einem strahlungsempfindlichen Detektor 13 richtet, ist oberhalb der Marke M&sub2; angeordnet.
Der zweite Ausrichtstrahl b' wird von einem Spiegel 31 zu einem Reflektor 29 im Projektionslinsensystem PL reflektiert. Dieser Reflektor 29 schickt den Strahl b' an eine zweite reflektierende Oberfläche 28 des Prismas 26, die den Strahl b' auf die Ausrichtmarke P&sub1; des Substrats lenkt. Diese Marke reflektiert einen Teil der Strahlung des Strahls b' als Strahl b&sub1;' zur Ausrichtmarke P&sub1; des Substrats, wo ein Bild der Marke P&sub1; gebildet wird. Die durch die Marke M&sub1; durchgelassene Strahlung des Strahls b&sub1;' wird von einem Reflektor 11' zu einem strahlungsempfindlichen Detektor 13' gelenkt.
Die Funktionsweise der Doppelausrichtvorrichtung wird unter Bezugnahme auf Fig. 3, die eine weitere Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung zeigt, noch näher beschrieben.
Der Projektionsapparat weist des weiteren ein Fokusfehler- Detektorsystem zur Bestimmung einer Abweichung zwischen der Brennebene des Projektionslinsensystems PL und der Oberfläche des Substrats W auf, damit diese Abweichung korrigiert werden kann, beispielsweise durch Verschieben des Projektionslinsensystems entlang seiner Achse. Dieses System kann aus den Elementen 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46 gebildet werden, die in einem Halter (nicht dargestellt) angeordnet sind, der fest mit dem Projektionslinsensystem verbunden ist. Bezugszeichen 40 kennzeichnet eine Strahlungsquelle, z. B. einen Diodenlaser, die einen Fokussierstrahl b&sub3; emittiert. Dieser Strahl wird von einem reflektierenden Prisma 42 unter einem sehr kleinen Winkel auf das Substrat gerichtet. Der vom Substrat reflektierte Strahl wird vom Prisma 43 zu einem Retroreflektor 44 gelenkt. Das Element 44 reflektiert den Strahl in sich selbst, so daß dieser Strahl (b&sub3;') denselben Weg durch Reflexionen am Prisma 43, dem Substrat W und dem Prisma 42 noch einmal durchläuft. Der Strahl b&sub3;' erreicht ein strahlungsempfindliches Detektorsystem 46 über ein teilweise reflektierendes Element 41 und ein reflektierendes Element 45. Dieses Detektorsystem weist beispielsweise einen positionsabhängigen Detektor oder zwei getrennte Detektoren auf. Die Position des vom Strahl b&sub3;' gebildeten Strahlungsflecks auf dem System hängt davon ab, wie weit die Brennebene des Projektionslinsensystems mit der Ebene des Substrats W zusammenfällt. Eine ausführliche Beschreibung des Fokusfehler-Detektorsystems findet sich in der USr-Patentschrift Nr. 4,356,392.
Um die X- und Y-Positionen des Substrattisches WT sehr genau bestimmen zu können, weist der Projektionsapparat ein mehrachsiges Interferometersystem auf, von dem nur ein einziges Achsen-Subsystem schematisch in Fig. 1 mittels einer Strahlungsquelle 50 in Form eines Lasers, einem Strahlteiler 51, einem fest angeordneten Reflexionselement 52 und einem Detektorsystem 53 dargestellt ist. Der von der Quelle 50 emittierte Strahl b&sub4; wird vom Strahlteiler in einen Meßstrahl b&sub4;,m und einen Referenzstrahl b&sub4;,r geteilt. Der Meßstrahl erreicht eine reflektierende Seitenfläche des Substrattisches und vorzugsweise eine ähnliche Fläche eines Substrathalters, der Teil des Tisches bildet und auf dem das Substrat starr befestigt ist. Der Strahlteiler 51 kombiniert den von dieser Fläche reflektierten Meßstrahl mit dem vom reflektierenden Element 52 reflektierten Referenzstrahl, um am Ort des Detektorsystems 53 ein Interferenzmuster zu bilden. Das zusammengesetzte Interferometersystem kann wie in der US-Patentschrift Nr. 4,251,160 beschrieben implementiert werden, d. h. es arbeitet mit zwei Strahlen. Anstelle des zweiachsigen Interferometersystems kann ein dreiachsiges System wie in der US-Patentschrift Nr. 4,737, 823 oder ein fünfachsiges Interferometersystem wie in der europäischen Patentanmeldung 0 498 499 beschrieben verwendet werden.
Durch Verwenden der Vorrichtung zur Positionserkennung des Substrattisches in Form eines Interferometersystems können die Positionen der und die gegenseitigen Abstände zwischen den Ausrichtmarken P&sub1; und P&sub2; sowie M&sub1; und M&sub2; während des Ausrichtens auf ein Koordinatensystem bezogen werden, das durch das Interferometersystem definiert wird. Es ist dann nicht mehr erforderlich, einen Bezug zum Gehäuse des Projektionsapparats oder zu einer Komponente dieses Gehäuses herzustellen, so daß Veränderungen dieses Gehäuse, z. B. bedingt durch Temperaturschwankungen, mechanisches Kriechen und dgl. keinerlei Einfluß auf die Messungen haben.
Fig. 3 zeigt das Prinzip der Doppelausrichtvorrichtung unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform, die sich von der nach Fig. 1 durch eine andere Art der Kopplung der Ausrichtstrahlen b und b' in das Projektionslinsensystem unterscheidet. Der Apparat weist zwei getrennte und identische Ausrichtsysteme AS&sub1; und AS&sub2; auf, die symmetrisch bezüglich der optischen Achse AA' des Projektionslinsensystems PL angeordnet sind. Das Ausrichtsystem AS&sub1; ist der Ausrichtmarke M&sub2; der Maske zugeordnet, und das Ausrichtsystem AS&sub2; ist der Ausrichtmarke M&sub1; der Maske zugeordnet. Die entsprechenden Elemente der beiden Ausrichtsysteme sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei sich diejenigen des Systems AS&sub2; von denen des Systems AS&sub1; durch die Schreibweise mit Hochkomma unterscheiden.
Die Struktur des Systems AS&sub1; sowie die Art und Weise, in der die gegenseitige Position der Maskenmarke M&sub2; und z. B. der Substratmarke P&sub2; bestimmt wird, wird nunmehr beschrieben.
Das Ausrichtsystem AS&sub1; weist eine Strahlungsquelle 1, z. B. einen Helium-Neon-Laser auf, die einen Ausrichtstrahl b emittiert. Dieser Strahl wird von einem Strahlteiler 2 zum Substrat W reflektiert. Der Strahlteiler kann ein teilweise durchsichtiger Spiegel oder ein teilweise durchsichtiges Prisma sein, ist jedoch vorzugsweise ein polarisationsempfindliches Teilerprisma, dem ein Lambda/4-Plättchen 3 nachgeschaltet ist. Das Projektionslinsensystem PL bündelt den Strahl b zu einem kleinen Strahlungsfleck V mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 mm auf dem Substrat W. Dieses Substrat reflektiert einen Teil des Strahls als Strahl b&sub1; in Richtung der Maske M. Der Strahl b&sub1; durchläuft das Projektionslinsensystem PL, das den Strahlungsfleck V auf der Maske abbildet. Bevor das Substrat im Beleuchtungsapparat angeordnet wird, ist es in einer mit dem Apparat gekoppelten Vorausrichtstation, z. B. der in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0,164, 165 beschriebenen Station, vorausgerichtet worden, so daß sich der Strahlungsfleck V auf der Substratmarke P&sub2; befindet. Diese Marke wird dann vom Strahl b&sub1; auf der Maskenmarke M&sub2; abgebildet. Unter Berücksichtigung der Vergrößerung M des Projektionslinsensystems wird die Abmessung der Maskenmarke M&sub2; der der Substratmarke P&sub2; angepaßt, so daß das Bild der Marke P&sub2; genau mit der Marke M&sub2; zusammenfällt, wenn die beiden Marken korrekt zueinander positioniert werden.
Auf ihrem Weg zu und vom Substrat W haben die Strahlen b und b&sub1; das Lambda/4-Plättchen 3 zwei mal durchlaufen, dessen optische Achse unter einem Winkel von 45º zur Polarisationsrichtung des linear polarisierten von der Quelle 1 kommenden Strahls b verläuft. Der durch das Plättchen 3 verlaufende Strahl b&sub1; hat dann die Polarisationsrichtung, die um 90º relativ zum Strahl b gedreht ist, so daß der Strahl b&sub1; vom Polarisations-Teilerprisma 2 durchgelassen wird. Die Verwendung des Polarisations-Teilerprismas in Kombination mit dem Lambda/4- Plättchen bietet den Vorteil eines minimalen Strahlungsverlustes, wenn der Ausrichtstrahl in den Strahlungsweg des Ausrichtsystems gekoppelt wird.
Der von der Ausrichtmarke M&sub2; durchgelassene Strahl b&sub1; wird von einem Prisma 11 reflektiert und z. B. durch ein weiteres reflektierendes Prisma 12 in Richtung des strahlungsempfindlichen Detektors 13 gelenkt. Der Detektor ist beispielsweise eine zusammengesetzte Photodiode mit z. B. vier getrennten strahlungsempfindlichen Bereichen entsprechend der Anzahl Subgitter nach Fig. 2. Die Ausgangssignale dieser Detektoren sind ein Maß der Übereinstimmung der Marke M&sub2; mit dem Bild der Substratmarke P&sub2;. Diese Signale können elektronisch verarbeitet und zur Verschiebung der Maske bezüglich des Substrats mittels eines Antriebssystems (nicht dargestellt) verwendet werden, so daß das Bild der Marke P&sub2; mit der Marke M&sub2; zusammenfällt. Auf diese Weise wird eine automatische Ausrichtvorrichtung erhalten.
Ein Strahlteiler 14 beispielsweise in Form eines durchlässigen Prismas kann zwischen dem Prisma 11 und dem Detektor 13 angeordnet werden, wobei dieser Strahlteiler einen Teil des Strahls b&sub1; als Strahl b&sub2; abteilt. Der geteilte Strahl b&sub2; trifft dann über z. B. zwei Linsen 15 und 16 auf einer Fernsehkamera 17 auf, die mit einem Monitor (nicht dargestellt) gekoppelt ist, auf dem die Ausrichtmarken P&sub2; und M&sub2; für einen Bediener des Beleuchtungsapparats sichtbar sind. Dieser Bediener kann sich dann vergewissern, ob die beiden Marken zusammenfallen und erforderlichenfalls das Substrat W mit Hilfe von Manipulatoren verschieben, um Deckungsgleichheit der Marken herbeizuführen.
Wie vorstehend hierin für die Marken M&sub2; und P&sub2; beschrieben können analog die Marken M&sub1; und P&sub2; bzw. die Marken M&sub2; und P&sub1; relativ zueinander ausgerichtet werden. Für die beiden letztgenannten Ausrichtoperationen wird das Ausrichtsystem AS&sub2; verwendet.
Wegen Einzelheiten hinsichtlich der Ausrichtprozedur mittels der Ausrichtsysteme sei auf die US-Patentschrift Nr. 4,778,275 verwiesen.
Die Ausrichtmarken P&sub1; und P&sub2; in Form von Gittern oder andere Beugungselemente teilen die auf sie auffallenden Ausrichtstrahlen in einen nicht abgelenkten Substrahl erster Ordnung und eine Vielzahl (abgelenkter) Substrahlen erster Ordnung sowie Substrahlen höherer Ordnung. Von diesen Substrahlen werden nur diejenigen gleicher Ordnungsnummer in der Ausrichtvorrichtung gewählt, um eine Ausrichtmarke des Substrats. auf eine Ausrichtmarke der Maske abzubilden. Zur Wahl der Substrahlen. wird eine Ordnungsmembran im Projektionslinsensystem an einer Position angeordnet, wo die in verschiedenenBeugungsordnungen gebeugten Substrahlen räumlich hinreichend weit voneinander getrennt sind, z. B. in der Fourier-Ebene des ·Projektionslinsensystems. Diese Ordnungsmembran ist schematisch mit Bezugszeichen 55 in Fig. 3 angedeutet und besteht aus einer Platte, die für die Ausrichtstrahlung nicht durchlässig ist und eine. Vielzahl strahlungsdurchlässiger Bereiche oder Aperturen hat.
Weist die Ausrichtmarke eine zweidimensionale Gitterstruktur auf, hat die Platte vier Aperturen für die in der entsprechenden Ordnung in ± X-Richtung und ± Y-Richtung gebeugten Substrahlen. Darüber hinaus ist eine zusätzliche Ordnungsmembran 56, die die Wahl der gewünschten Ordnung verbessert, vorzugsweise im Detektionszweig angeordnet, d. h. im Teil des Strahlungsweges von der Ausrichtmarke der Maske zum Detektor 13, 13'.
Bei den in den US-Patenten Nr. 4,251,160 und 4,778,275 beschriebenen Vorrichtungen werden die in erster Ordnung gebeugten Substrahlen gewählt. Die auf eine Maskenausrichtmarke auftreffenden Substrahlen werden von dieser Marke in verschiedene Beugungsordnungen geteilt, so daß eine Anzahl Substrahlen zweifacher Beugungsordnungen erzeugt werden, die zum zugehörigen strahlungsempfindlichen Detektorsystem 13 oder 13' gerichtet sind und sich gegenseitig überlagern. An der Stelle dieses Detektorsystems wird also ein Interferenzmuster erzeugt, das sich bei Auftreten von Ausrichtfehlern auf der Maske bezüglich des Substrats verschiebt.
Um Ausrichtfehler bei Verwendung eines CMP-behandelten Substrats oder Fehler aufgrund von Mängeln der Maske zu vermeiden und die Ausrichtgenauigkeit zu verbessern, wird die von der Ausrichtmarke des Substrats in der vierten Ordnung gebeugte Ausrichtstrahlung gemäß der Erfindung zur Detektion herangezogen. Das Prinzip des neuartigen Ausrichtverfahrens ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Der Strahl b von der Ausrichtstrahlungsguelle erreicht die Substrat-Gittermake P&sub2; über einen Reflektor 27. Dieses Gitter teilt den auftreffenden Strahl in eine Vielzahl Substrahlen verschiedener Beugungsordnungen, deren Substrahlen vierter Ordnung von einer Membran vierter Ordnung 55' zur Ausrichtmarke M&sub2; der Maske durchgelassen werden. Von den Substrahlen vierter Ordnung sind nur zwei, b(+4) und b(-4), in Form ihrer mit gestrichelten Linien ange- · deuteten Hauptstrahlen dargestellt. Die auf die Gittermarke M&sub2; auftreffende Strahlung wird erneut in eine Anzahl Beugungsordnungen geteilt. Abgesehen von der Vergrößerung des Projektionslinsensystems PL hat das Gitter M&sub2; eine Periode die der halben Periode des Gitters P&sub2; entspricht. Der Anteil des Substrahls b(+4), also des Substrahls mit der zweifachen Beugungsordnung b(+4, +2) gebeugt in der +2. Ordnung vom Gitter M&sub2;, und der Anteils des Substrahls b(-4), also des Substrahls mit der zweifachen Beugungsordnung b(-4, -2) gebeugt in der -2. Ordnung von diesem Gitter fallen zusammen und ihr Hauptstrahl verläuft senkrecht zur Marke M&sub2;. Ein Detektor 13 ist im Weg des doppelten Substrahls, dessen Hauptstrahl wieder mit gestrichelten Linien dargestellt ist, angeordnet.
Eine Ordnungsmembran 56, d. h. eine Nullordnungsmembran ist vorzugsweise zwischen der Maskenmarke M&sub2; und dem Detektor 13 angeordnet, so daß sichergestellt wird, daß nur die Substrahlen b(+4, +2) und b(-4, -2) den Detektor erreichen. Dadurch, daß nur die vom Substrat kommenden Substrahlen vierter Ordnung verwendet werden, wird die Verwendung einer Gittermarke simuliert, deren effektive Gitterperiode 1/8 der physikalischen Periode beträgt. Folglich wird die Auflösungsleistung des Gittermeßsystems oder, anders ausgedrückt, die Genauigkeit, mit der Ausrichtfehler erkannt werden können, im Vergleich zu einem Ausrichtsystem, bei dem die von der Ausrichtmarke des Substrats in der ersten Ordnung gebeugten Strahlanteile verwendet werden, um den Faktor vier erhöht. Aufgrund der niedrigeren effektiven Gitterperiode wird der Einfluß auf das Ausrichtsignal der oben genannten Fehler, die sich proportional zur Gitterperiode verhalten, erheblich verringert.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Auch hier ist wieder eine Membran vierter Ordnung im Projektionslinsensystem angeordnet. Die Ordnungsmembran 56" im Detektionszweig ist nun jedoch auf eine solche Weise implementiert, daß die Anteile der Substrahlen b(+4) und b(-4), die von der Ausrichtmarke M&sub2; der Maske in der +1. und der -1. Ordnung sowie in der +3. und der -3. Ordnung gebeugt wurden, durchgelassen werden. Die Substrahlen zweifacher Ordnung, die nun durchgelassen werden, sind das zusammenfallende Paar b(+4, +3) und b(-4, +1) sowie das zusammenfallende Paar b(-4, -3) und b(+4, -1). Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform wird ein größerer Anteil der in der vierten Ordnung von der Ausrichtmaske des Substrats gebeugten Ausrichtstrahlung verwendet als in der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform. Die Ordnungsmembran 56' und der nachfolgende Strahlungsweg in Fig. 4 sind jedoch etwas einfacher als in Fig. 5.
Anstatt der in der vierten Ordnung gebeugten Substrahlen können auch die in der zweiten Ordnung von der Ausrichtmarke des Substrats gebeugten Substrahlen b(+2), b(-2) gewählt werden, wobei in diesem Fall die Membran vierter Ordnung 55' von einer Membran zweiter Ordnung ersetzt werden sollte. Die Anteile der in der ersten Ordnung von der Ausrichtmarke M&sub2; der Maske gebeugten Substrahlen, also die Substrahlen zweifacher Ordnung b(+2, +1) und b(-2, -1), fallen dann erneut zusammen und können mit einer Nullordnungsmembran statt mit der Membran 56" gewählt werden. Alternativ ist es möglich, die Anteile der Substrahlen b(+2) und b(-2) zu wählen, die von der Ausrichtmarke der Maske in der zweiten Ordnung gebeugt wurden, also die Substrahlen b(+2, +2) und b(-2, -2). Wenn die von der Ausrichtmarke des Substrats in der zweiten Ordnung gebeugten Substrahlen verwendet werden, ist die Auflösungsleistung der Ausrichtvorrichtung kleiner als bei Verwendung der Substrahlen vierter Ordnung. Die Menge der Strahlungsenergie der Substrahlen zweiter Ordnung kann jedoch größer sein als die der Substrahlen vierter Ordnung.
Wie bereits in Fig. 4 und 5 angegeben, können die Vorteile des bekannten Ausrichtsystems im erfindungsgemäßen Ausrichtsystem beibehalten werden, indem die Möglichkeit vorgesehen wird, ein Ausrichtsignal mittels der von der Ausrichtmarke des Substrats in der ersten Ordnung gebeugten Substrahlen zu erzeugen. Das mit den Substrahlen erster Ordnung arbeitende System hat einen größeren Erfassungsbereich, z. B. 40 um, für die Gittermarken mit einer Periode von 16 um, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Die Ordnungsmembran 55' in Fig. 4 und S sollte dann mit zusätzlichen Aperturen oder strahlungsempfindlichen Bereichen versehen werden, die die Substrahlen erster Ordnung b(+1) und b(-1) durchlassen. Auch die zusätzliche Ordnungsmembran 56' in Fig. 4 und 56" in Fig. 5 sollte dann mit zusätzlichen Aperturen versehen werden, die z. B. die zusammenfallenden Substrahlen zweifacher Ordnung b(-1, 0) und b(+1, -1) und die zusammenfallenden Substrahlen zweifacher Ordnung b(+1, 0) und b(-1, +1), die von der Ausrichtmarke M&sub2; der Maske kommen, durchlassen.
Der linke Teil von Fig. 6 ist eine Draufsicht einer Ordnungsmembran 55", die in das Projektionslinsensystem einzubauen ist, um die Substrahlen sowohl vierter als auch erster Ordnung der Ausrichtmarke des Substrats zu wählen, und der rechte Teil zeigt eine erste Ausführungsform der zugehörigen zusätzlichen Membran 56a. Die Membran 56a entspricht der Membran 56' von Fig. 4, ist jedoch mit zusätzlichen Aperturen für die von der Substratmarke in der ersten Ordnung und von der Maskenmarke in der nullten und ersten Ordnung gebeugten Substrahlen versehen. In Fig. 6 sind die Aperturen als Kreise dargestellt, während die durchgelassenen Substrahlen einfacher Ordnung für die Membran 55" und die Substrahlen zweifacher Ordnung für die Membran 56a für die X-Richtung dargestellt sind. Für die Y- Richtung kann eine analoge Schreibweise verwendet werden.
Fig. 7 zeigt eine zusätzliche Membran 56b zur Verwendung in der Ausführungsform nach Fig. 5, bei der auch die in der ersten Ordnung von der Ausrichtmarke des Substrats gebeugten Strahlanteile verwendet werden. Die in das Projektionslinsensystem einzubauende zugehörige Membran ist identisch mit der Membren 55" in Fig. 6.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß z. B. (+4, +2) die Apertur kennzeichnet, die einen von der Ausrichtmarke des Substrats in der +4. Ordnung und anschließend von der Ausrichtmarke der Maske in der +2. Ordnung gebeugten Substrahl durchläßt.
In dem mit einer Ausrichtvorrichtung gemäß der Erfindung ausstatteten Projektionsapparat sind Korrekturelemente vorzugsweise in den Wegen der gewählten Anteile des Ausrichtstrahls angeordnet. Der Grund hierfür und die Funktionsweise dieser Elemente lassen sich am besten unter Bezugnahme auf die in Fig. 3 dargestellte Korrekturlinse verdeutlichen, die bereits im Weg der Substrahlen erster Ordnung der bekannten Vorrichtung vorhanden ist.
Da das Projektionslinsensystem PL für die Wellenlänge des Projektionstrahls PB ausgelegt ist, die in Zusammenhang mit der gewünschten hohen Auflösungsleistung so klein wie möglich sein sollte, können Abweichungen auftreten, wenn dieses System PL zur Abbildung der Ausrichtmarken P&sub1;, P&sub2;, und M&sub1;, M&sub2; aufeinander mittels des Ausrichtstrahls verwendet wird. So werden beispielsweise die Ausrichtmarken P&sub1;, P&sub2; nicht in der Ebene der Maskenstruktur, in der die Ausrichtmarken der Maske liegen, abgebildet, sondern in einem gegebenen Abstand davon, wobei dieser Abstand von der Differenz der Wellenlängen des Projektionsstrahls und des Ausrichtstrahls und von der Differenz zwischen den Brechungsindizes des Materials der Projektionslinsenelemente für die beiden Wellenlängen abhängt. Hat der Projektionsstrahl eine Wellenlänge von z. B. 248 nm und der Ausrichtstrahl eine Wellenlänge von 633 nm, kann dieser Abstand bis zu 2 m betragen. Des weiteren wird aufgrund dieser Wellenlängendifferenz eine Ausrichtmarke des Substrats auf eine Ausrichtmarke der Maske mit einer Vergrößerung projiziert, die von der gewünschten Vergrößerung abweicht, wobei die Abweichung mit zunehmender Wellenlängendifferenz zunimmt. Zur Korrektur dieser Abweichungen enthält das Projektionslinsensystem PL die Korrekturlinse 25 oder ein anderes Brechungs- oder Beugungselement. Die Korrekturlinse ist in einer solchen Höhe in der Projektionssäule angeordnet, daß einerseits sämtliche von der Ausrichtmärke des Substrats kommenden Substrahlen erster Ordnung mit dieser Linse beeinflußt werden können, und andererseits diese Linse einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Projektionsstrahl und das mit diesem gebildete Bild der Maskenstruktur hat.
Der Effekt der Korrekturlinse kann anhand von Fig. 8 näher erläutert werden, die den Teil des Strahlungsweges der Anteile des Ausrichtstrahls zwischen der Korrekturlinse und der Ausrichtmarke P&sub2; des Substrats darstellt. Der auf das Beugungsgitter P&sub2; auftreffende Ausrichtstrahl b wird in einen Substrahl nullter Ordnung b(0), der bei senkrechtem Einfall des Strahls b die gleiche Richtung wie der Strahl b hat, zwei Substrahlen b(+1) und b(-1) erster Ordnung und eine Anzahl Substrahlenpaare dritter, fünfter usw. Ordnung geteilt. Diese Substrahlen werden in Richtung des Projektionslinsensystems projiziert. Die Substrahlen erster Ordnung erreichen die in der Ebene 24 befindliche Korrekturlinse 25. Diese Linse hat eine solche Stärke, daß sie die Richtungen der Substrahlen erster Ordnung b(-1) und b(+1) so ändert, daß ihre Hauptstrahlen einander in der Ebene der Ausrichtmarke M&sub2; der Maske schneiden. Die Korrekturlinse hat einen so kleinen Durchmesser, daß die Substrahlen höherer Ordnung, die von der Marke P&sub2; um größere Winkel als die Substrahlen erster Ordnung gebeugt werden, diese Linse nicht passieren. Ein Element, das den Substrahl nullter Ordnung b(0) daran hindert, die Korrekturlinse zu passieren, ist in der Nähe der Korrekturlinse angeordnet. Bei der Ausführungsform von Fig. 8 wird dieses Element durch das reflektierende Prisma 26 gebildet, das zum Koppeln der Ausrichtstrahlen b und b' in das Projektionslinsensystem dient. Dieses Prisma reflektiert den Substrahl nullter Ordnung in Richtung des einfallenden Ausrichtstrahls b. Aufgrund dieser Maßnahmen wird erreicht, daß nur die Substrahlen erster Ordnung zur Abbildung des Ausrichtgitters P&sub2; auf dem Ausrichtgitter M&sub2; verwendet werden, so daß einige weitere Vorteile erzielt werden können.
Der Substrahl nullter Ordnung enthält keine Information bezüglich der Position des Ausrichtgitters P&sub2;. In Abhängigkeit von der Geometrie des Gitters, vor allem der Tiefe der Gitterrillen und dem Verhältnis zwischen der Breite dieser Rillen und der Breite der Gitterzwischenstreifen, kann dieser Strahl eine beachtliche Intensität im Vergleich zur Intensität der Substrahlen erster Ordnung haben. Durch die Unterdrückung des Substrahls nullter Ordnung kann der Kontrast des Bildes von P&sub2; deutlich verbessert werden. Werden nur die Substrahlen erster Ordnung verwendet, wird die zweite Harmonische des Gitters P&sub2; gewissermaßen abgebildet, mit anderen Worten, abgesehen von der Vergrößerung M des Projektionslinsensystems PL hat das Bild von P&sub2; eine Periode, die der halben Periode des Gitters P&sub2; entspricht. Ist sichergestellt, daß die Gitterperiode des Gitters M&sub2; gleich ist der des Bildes von P&sub2;, d. h.. gleich M/2 mal Gitterperiode des Gitters P&sub2;, ist die Genauigkeit, mit der die Gitter M und P ausgerichtet werden, doppelt so groß wie in dem Fall, in dem der volle Strahl b für die Projektion verwendet wird.
Unter Umständen, vor allem bei einer kleineren Differenz zwischen den Wellenlängen des Projektionsstrahls PB und einem Ausrichtstrahl b, b', und bei Verwendung achromatischer Linsenelemente im Projektionslinsensystem kann es vorkommen, daß Substrahlen mit Beugungsordnungen größer als eins immer noch die Ausrichtmarke M&sub2; der Maske über das Projektionslinsensystem erreichen. Um dies zu verhindern, ist die Membranplatte 55 erster Ordnung in der Ebene der oder in der Nähe der Korrekturlinse 25 angeordnet. Das Material dieser Platte kann dichroitisch und durchlässig für den Projektionsstrahl, jedoch undurchlässig für die Ausrichtstrahlung sein. Dann sind Bereiche, die die Ausrichtstrahlung blockieren, an den Positionen vorhanden, wo Anteile des Ausrichtstrahls mit Beugungsordnungen größer eins die Platte erreichen. Diese Bereiche sind klein und bedecken in ihrer Gesamtheit nur 5 bis 10% des Pupillenoberflächenbereichs des Projektionslinsensystems, so daß sie einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Projektionsstrahl haben.
Die Korrekturlinse 25 stellt nicht nur sicher, daß ein Ausricht-Substrahl scharf auf der Maskenebene gebündelt wird, sondern kann auch einen Vergrößerungsfehler korrigieren, mit dem eine Ausrichtmarke des Substrats auf einer Ausrichtmarke der Maske abgebildet wird, wobei dieser Vergrößerungsfehler aus der Tatsache resultiert, daß das Projektionslinsensystem für die Wellenlänge des Projektionsstrahls anstatt für die des Ausrichtstrahls ausgelegt ist. Diese Korrektur des Vergrößerungsfehlers wird in vielen Fällen ausreichen. Bei einem Apparat, bei dem ein tiefer Ultraviolettstrahl mit einer Wellenlänge von beispielsweise 248 nm als Projektionsstrahl verwendet wird, kann es vorkommen, daß die Korrekturlinse 25 den Vergrößerungsfehler nicht vollständig korrigieren kann. In diesem Fall kann eine zusätzliche Linse 9 (Fig. 3) im Weg des Ausrichtstrahls zwischen dem Projektionslinsensystem PL und der Ausrichtmarke der Maske angeordnet werden, um den restlichen Vergrößerungsfehler zu beseitigen.
Bei der Ausrichtvorrichtung gemäß der Erfindung, bei der Substrahlen verwendet werden, die von der Ausrichtmarke des Substrats in einer der geradzahligen Ordnungen gebeugt werden, können diese Substrahlen nicht mehr mit einem Korrekturelement korrigiert werden, da aufgrund der Tatsache, daß der Ablenkwinkel mit ansteigender Nummer der Beugungsordnung größer wird, die verschiedenen Substrahlen der gewählten Ordnung so weit auseinander liegen, daß eine alle diese Strahlen aufnehmende Linse einen zu großen Teil des Projektionsstrahls abdeckt. Aus diesem Grund wird eine Anzahl Korrekturelemente gleich der Anzahl Substrahlen der gewählten Ordnung in der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet, d. h. vier Korrekturelemente im Falle zweidimensionaler Ausrichtmarken. Diese Korrekturelemente können in der Nähe der strahlungsdurchlässigen Bereiche der Ordnungsmembran oder in den Aperturen dieser Membran angeordnet werden.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der Membranplatte 110 mit solchen Korrekturelementen zur Verwendung in einer Ausrichtvorrichtung, in der die Substrahlen vierter Ordnung gewählt werden. Diese Korrekturelemente in Form kleiner Linsen 111 - 114 für die Substrahlen b (+4) X, b (-4) X, b (+4) Y und b (-4) Y für die Strahlanteile, die in der 4. Plus- und Minusordnung in X- und Y-Richtung gebeugt werden, decken die Aperturen in der Membranplatte 110 ab. Wie aus Fig. 9 ebenfalls ersichtlich ist, kann die Platte 110 auch eine zentrale Linse 115 aufweisen, die größer ist als die Linsen 111-114, wobei diese Linse die gleiche Funktion wie die Linse 25 in Fig. 3 hat, wenn auch die in der ersten Ordnung gebeugten Substrahlen verwendet werden. Wie im Falle der Korrekturlinse 25 können die Korrekturlinsen 111-115 durch andere Brechungselemente, z. B. Doppelkeile, oder durch Beugungselemente ersetzt werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausrichtmarke des Substrats ist nicht zur Erzeugung von Substrahlen vierter Ordnung optimiert. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft deshalb die Optimierung der Gittergeometrie. Fig. 11, 12 und 13 zeigen kleine Teile verschiedener geeigneter Gittergeometrien, während Fig. 10 zum Vergleich einen Teil der Gitterstruktur gemäß Fig. 2 darstellt. Bei der letztgenannten Struktur 120 sind die Gitterrillen 121 so breit wie die Zwischenstreifen 122, also beide messen 8 um, wenn die Struktur eine Periode p = 16 um hat.
Fig. 11 zeigt eine spezielle Gitterstruktur 125 zum Erzeugen von Substrahlen vierter Ordnung. Die Gitterrillen 126 haben eine Breite, die gleich ist 1/4 der Rillen 121 in Fig. 10, d. h. 2 um im vorliegenden Beispiel und damit nur 1/8 der Gitterperiode p.
Um das mittels der Substrahlen vierter Ordnung generierte Ausrichtsignal zu verstärken, wird vorzugsweise die Gitterstruktur 130 von Fig. 12 verwendet. Hier sind vier Gitterrillen 131 pro Gitterperiode vorhanden, wobei jede im relevanten Beispiel 2 um breit ist. Ein Zwischenstreifen 132 mit einer Breite, die dem Doppelten der Gitterrillen entspricht, ist zwischen der zweiten und dritten Rille jeder Periode vorhanden, während die Breite der Zwischenstreifen 133 zwischen der ersten und zweiten sowie zwischen der dritten und vierten Gitterrille gleich ist der Breite der Gitterrille.
Ist eine gegebene Strahlungsmenge der ersten Ordnungen zusätzlich zu einer gegebenen Strahlungsmenge der vierten Ordnungen wünschenswert, ist es möglich, die Gitterstruktur 135 von Fig. 13 zu wählen, bei der zwei Gitterrillen 136 pro Gitterperiode vorhanden sind und die Breite des Zwischenstreifens 137 gleich ist der fünffachen Breite dieser Rillen.
Sämtliche in Fig. 11, 12 und 13 dargestellten Substratmarken werden auf eine Ausrichtmarke der Maske projiziert, die abgesehen von der Vergrößerung des Projektionslinsensystems eine Periode hat, die gleich ist der Hälfte der der Marke gemäß Fig. 10, jedoch eine Geometrie, die gleich ist der dieser Marke.
Es ist zu beachten, daß die Werte für die Gitterperiode und die Rillenbreite nur beispielhaft sind. Diese Periode und Breite kann wahlweise größer oder kleiner sein, wobei dieses Verhältnis zwischen Rillenbreite und Periode und Anzahl der Rillen pro Periode beibehalten wird.
Fig. 14 zeigt, wie die von der Ausrichtmarke des Substrats in der vierten Ordnung gebeugten Substrahlen im Detektorzweig von den von dieser Marke in der ersten Ordnung gebeugten Substrahlen getrennt werden können. Zu diesem Zweck beinhaltet beispielsweise der kombinierte Weg dieser Substrahlen einen Reflektor 150, der mit einer zentralen Apertur 151 versehen ist. Die Substrahlen erster Ordnung b(+1, 0), b(-1, +1) und b(-1, 0), b(+1, -1) werden durch diese Apertur zu ihrem eigenen Detektor 155 durchgelassen. Die Substrahlen vierter Ordnung b(-4, -3), b(+4, -1) und b(+4, +3), b(-4, +1) werden vom Reflektor 150 reflektiert und erreichen ihren Detektor 156 über ein reflektierendes Prisma 152. Der Pfeil 157 symbolisiert die von der Ordnungsmembran 56" blockierten Ordnungen.
Fig. 15 zeigt eine detailliertere Ausführungsform des Detektorzweigs eines Projektionsapparates, der mit einer Doppelausrichtvorrichtung versehen ist. Die Bezugszeichen M&sub1; und M&sub2; kennzeichnen Ausrichtmarken der Maske. Die linke und rechte Ausrichtvorrichtung sind von identischer Struktur, so daß die Beschreibung nur des linken Teils von Fig. 15 ausreicht. Die von der Maskenmarke M&sub2; kommende Strahlung wird mittels eines Prismensystems 160 in den Detektorzweig gekoppelt und dann nacheinander von den Prismen 161 und 164 zu einem Strahlteiler 167 reflektiert. Eine Linse 162 und eine Korrekturplatte 163 sind zwischen den Prismen 161 und 164 angeordnet. Ein optischer Modulator 165 und ein Polarisationsanalysator 166 sind vor dem Strahlteiler angeordnet. Die vom Strahlteiler 167 reflektierte Strahlung trifft auf einen Reflektor 168 auf, der analog zum Reflektor 150 in Fig. 14 eine zentrale Apertur hat. Der Reflektor 168 überträgt die Substrahlen erster Ordnung zu einem Detektor 171, wobei die Strahlen die Linsen 169 und 170 passieren. Die Substrahlen vierter Ordnung werden vom Reflektor 168 reflektiert und erreichen den Detektor 176 über weitere Reflexionen an den Prismen 173 und 175. Eine weitere Linse 174 ist zwischen den Prismen 173 und 175 angeordnet. Die vom Strahlteiler 167 durchgelassene Strahlung kann über ein Prisma 180 und eine Linse 182 zu einer Kamera 183 geführt werden, so daß die Ausrichtung auch für den Bedienungsmann des Apparats sichtbar gemacht wird.
Wie in Fig. 1 und 3 dargestellt ist, durchlaufen die Hauptstrahlen der Strahlen b&sub1; und b&sub1;', die als Symmetrieachsen der von den Ausrichtmarken P&sub2; und P&sub1; gebildeten Substrahlen betrachtet werden können, die Maskenplatte MA in schräger Richtung. Ein Teil dieser Maskenplatte an der Stelle der Ausrichtmarke M&sub1; in Form eines Gitters ist in einem größeren Maßstab in Fig. 16 dargestellt. Diese Figur zeigt auch die Hauptstrahlen b&sub1;'(+1) und b&sub1;' (-1), die durch die Ausrichtmarke des Substrats (nicht dargestellt) gebildet werden. Das Bezugszeichen SA kennzeichnet die Symmetrieachse der Substrahlen b&sub1;' (+1) und b&sub1;' (-1), und die Richtung dieser Achse stimmt, beispielsweise mit der des Substrahls nullter Ordner b&sub1;' (0) überein, der blockiert ist und die Marke. M&sub1; nicht erreicht. Die von der Gittermarke M&sub1; vom Substrahl b&sub1;' (+1) gebildeten Substrahlen b&sub1;' (+1, 0) und b&sub1;' (+1, -1) sowie die vom Substrahl b&sub1;', (-1) gebildeten Substrahlen b&sub1;' (-1, 0) und b&sub1;' (-1, +1) werden vom Detektorsystem (nicht dargestellt) erfaßt. Die Substrahlen mit anderen Doppelbrechungsordnungen können entweder blockiert oder unter einem solchen Winkel gebeugt werden, daß sie das Detektorsystem nicht erreichen.
So lang nur die in Fig. 16 dargestellten Substrahlen b'(-1, 0), b&sub1;'(+1, -1), b&sub1;'(+1, 0) und b&sub1;'(-1, +1) einander an der Stelle des Detektorsystems überlagern, resultiert die schräge Lage der Symmetrieachse nicht in einem Ausrichtfehler. Wie jedoch der Anmelder erkannt hat und wie in Fig. 17 dargestellt ist, kann ein Anteil des Substrahls b&sub1;' (+1, 0) zweifacher Ordnung von der Oberseite der Maskenplatte MA reflektiert werden, so daß er noch ein mal auf die Gittermarke M&sub1; auftrifft. Der Substrahl b&sub1;' (+1, 0, -1) dreifacher Ordnung wird dann von diesem Gitter gebildet, wobei der Substrahl die gleiche Richtung hat wie die Substrahlen b&sub1;' (-1, 0) und b&sub1;' (+1, -1) zweifacher Ordnung. Ein Anteil des Substrahls b&sub1;'(-1, 0) zweifacher Ordnung kann auch von der Oberseite der Maskenplatte reflektiert werden, so daß er noch ein mal auf die Gittermarke M&sub1; auftrifft. Dies erzeugt einen Substrahl b&sub1;' (-1, 0, +1) dreifacher Ordnung, der die gleiche Richtung hat wie die Substrahlen b&sub1;' (+1, 0) und b&sub1;' (-1, +1) zweifacher Ordnung.
Obwohl die Marke M&sub1; auch Strahlen 3., 5. und höherer Ordnung erzeugen kann und auch Reflexionen höherer Ordnung in der Maskenplatte auftreten können, ist es ausreichend und zum Zwecke des Verständnisses besser, nur die zweifach und dreifach gebeugten Substrahlen erster Ordnung zu diskutieren.
Der Substrahl b&sub1;' (+1, 0, -1) hat den Weg A, B, C, D in der Maskenplatte MA zurückgelegt, und der Substrahl und b&sub1;' (-1, 0, +1) hat den Weg A, E, F, G zurückgelegt, der kürzer ist als der Weg A, B, C, D. Folglich besteht eine Phasendifferenz zwischen den Substrahlen b&sub1;' (+1, 0, -1) und b&sub1;' (-1, 0, +1) dreifacher Ordnung und zwischen diesen Substrahlen und den entsprechenden Substrahlen zweifacher Ordnung. Als Ergebnis dieser Phasendifferenz, die hauptsächlich von der Dicke der Maskenplatte und dem Winkel φ zwischen der Symmetrieachse SA und der Normalen n auf die Maskenplatte abhängt; wird das Interferenzmuster relativ zum Detektorsystem verschoben, wobei diese Verschiebung unabhängig von Ausrichtfehlern ist. Als Ergebnis dieser Verschiebung tritt im Ausrichtsignal und in der tatsächlichen Ausrichtung der Maske bezüglich des Substrats ein Versatz auf, und die Größe dieses Versatzes hängt vom Reflexionskoeffizienten und der Dicke der Maskenplatte ab. Bei einem Projektionsapparat, in dem verschiedene Masken verwendet werden, kann dieser Versatz für die verschiedenen Masken unterschiedlich sein, während bei einer einzigen Maske, die nacheinander in verschiedenen Projektionsapparaten verwendet wird, der Versatz in den verschiedenen Apparaten unterschiedlich sein kann, da der Winkel φ verschieden sein kann.
Dieser Versatz ist relativ groß, wenn eine kohärente Ausrichtstrahlung verwendet wird wie im Falle eines Gaslasers, er kann aber auch in geringerem Umfang auftreten, wenn weniger kohärente oder nicht kohärente Strahlung verwendet wird, wie sie von Excimer-Lasern, Halbleiteriasern und Quecksilberlampen geliefert wird.
Zur Beseitigung dieses Ausrichtfehlers kann ein Strahlablenkungselement zwischen dem Projektionslinsensystem PL und der Maskenplatte MA angeordnet werden, wobei dieses Element sicherstellt, daß die Symmetrieachse der verwendeten Substrahlen senkrecht zur Maskenplatte verläuft, oder anders ausgedrückt, daß die Hauptstrahlen dieser Substrahlen gleicher aber entgegengesetzter Beugungsordnungen auf der Maskenplatte unter gleichen aber entgegengesetzten Winkeln auftreffen.
Fig. 18 zeigt die Situation, in der die Substrahlen erster Ordnung b&sub1;' (-1) und b&sub1;' (+1), die von der Ausrichtmarke P&sub1; des Substrats ausgehen, symmetrisch auf die Ausrichtmarke ML det Maske auftreffen. Der Anteil der Substrahlen b&sub1;' (-1, 0), der von der Oberseite der Maskenplatte reflektiert und als Substrahl dreifacher Ordnung b&sub1;' (-1, 0, +1) vom Gitter M&sub1; reflektiert wird, durchläuft den Weg HIK durch die Maskenplatte, der gleich lang ist wie der Weg HI'K', der vom Substrahl dreifacher Ordnung b&sub1;' (+1, 0, -1) zurückgelegt wird, wobei dieser Substrahl aus dem Anteil des von der Oberseite der Maskenplatte reflektierten Substrahls b&sub1;' (+1, 0) gebildet wird. Danach gibt es zwischen den Substrahlen dreifacher Ordnung und den entsprechenden Substrahlen zweifacher Ordnung keine Phasendifferenz mehr, womit die Ursache des oben beschriebenen Ausrichtfehlers beseitigt ist.
Fig. 19 zeigt eine Ausführungsform einer Doppelausrichtvorrichtung, bei der die zusätzlichen Ablenkungselemente verwendet werden. Keilförmige Elemente WE&sub1; und WE&sub2; sind unter den Ausrichtmarken M&sub1; und M&sub2; der Maske angeordnet, die die Hauptstrahlen der Ausrichtstrahlbündel b&sub1;' und b&sub1; von den Ausrichtmarken P&sub1; und P&sub2; des Substrats auf eine solche Weise ablenken, daß diese Hauptstrahlen senkrecht zur Maskenplatte MA verlaufen. Die Ausrichtstrahlen durchlaufen die Marken M&sub1; und M&sub2; in bekannter Weise und werden anschließend, von den Reflektoren 11' und 11 zu den Detektorsystemen 13' und 13 gerichtet. Die Maske und das Substrat können relativ zueinander mittels der Ausgangssignale dieser Systeme ausgerichtet werden, indem beispielsweise der Maskentisch MT verschoben wird, wie symbolisch mittels des in der US-Patentschrift Nr. 4,698,575 beschriebenen Doppelspitzenpfeils 70 und der Parallelogramm-Konstruktion 71 angedeutet wird.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 19 kommen die Ausrichtstrahlen b und b' von zwei getrennten Beleuchtungssystemen IS&sub1; und IS&sub2;, von denen ein jedes eine Strahlungsquelle 1 (1'), zwei Linsen 60, 62 (60', 62') und eine verstellbare planparallele Platte 61 (61') aufweist, mit denen eine Präzisionseinstellung der Richtung des Strahls b (b') verwirklicht werden kann. Die Linsen 60 und 62 stellen sicher, daß die Qualität des Bildes der Quelle 1 (1') aufrechterhalten wird. Die Strahlen b und b' werden von einem reflektierenden Prisma 26, das im Projektionslinsensystem vorgesehen ist, in Richtung der Ausrichtmarken P&sub1; und P&sub2; des Substrats reflektiert. Der Einfachheit halber wird nur eine Linsengruppe unter der Fourier-Ebene mittels eines Linsenelements PL&sub1; in diesem Projektionslinsensystem schematisch dargestellt.
Das Strahlkopplungsprisma 26 ist vorzugsweise in Höhe der Fourier-Ebene des Projektionslinsensystems vorgesehen. Der mittels des Keils zu korrigierende Winkel φ ist definiert zu:
wobei M&sub1; - M&sub2; der Abstand zwischen den Maskenmarken M&sub1; und M&sub2; und EP der Abstand zwischen der Maskenplatte MA und der Ausgangspupille UP des Projektionslinsensystems an der Seite der Maske ist. Bei einer Ausführungsform des Projektionsapparats, bei der der Abstand zwischen den Marken M&sub1; und M&sub2; 96 mm und der Abstand EP 400 mm beträgt, ist der zu korrigierende Winkel φ 120 mrad. Dies macht einen Keil mit einem Keilwinkel φWE von nur 240 mrad erforderlich. Ein solcher Keil kann aus einem kleinen Glasstück mit einer Dicke vnn nur 2 mm bestehen. Es ist nicht erforderlich, an die mechanische und thermische Stabilität eines solchen Keils strenge Anforderungen zu stellen.
In axialer Richtung muß der Keil hinsichtlich der Maskenplatte stabil mit einer Genauigkeit von
positioniert werden. M bedeutet hier die Vergrößerung des Projektionslinsensystems und Δa ist der noch zulässige Ausrichtfehler an der Substratfläche. Bei einer Ausführungsform mit M = 5, Δa = nm und φ = 120 mrad, ist der Wert von
Es hat sich gezeigt, daß mit einem solchen Keil die Messung; und Kontrolle des Ausrichtfehlers, die wie in US-Patent 4,778,275 beschrieben mit Hilfe der Substratmarken P&sub1; und P&sub2; und der Maskenmarken M&sub1; und M&sub2; erfolgen kann, immer noch zufriedenstellend funktioniert, vorausgesetzt, der Abstand zwischen den Maskenmarken M&sub1; und M&sub2; ist deutlich kleiner als der Abstand EP in Fig. 19. Anstatt eines Keils kann ein anderes Element, beispielsweise ein Spiegel oder eine Linse, verwendet werden, um die Richtungen der gewählten Substrahlen zu korrigieren.
Die Erfindung kann nicht nur in einem Apparat mit einer Doppelausrichtvorrichtung und einem Beugungskorrekturelement 25, sondern auch in einer Doppelausrichtvorrichtung ohne dieses Element angewendet werden, wie beispielsweise in der in US- Patent 4,778,275 beschriebenen. Die Erfindung kann des weiteren in einer Einfach-Ausrichtvorrichtung mit einem Korrekturelement 25 oder ohne ein solches angewendet werden, wie beispielsweise in der in US-Patent 4,251,160 beschriebenen.
Fig. 20 zeigt eine Ausführungsform der Ausrichtvorrichtung, in der eine Ausrichtmarke M&sub1; oder M&sub2; der Maske oder eine Ausrichtmarke P&sub1; oder P&sub2; des Substrats vom Projektionslinsensystem und mit Hilfe von Substrahlen gebeugter Ordnung abgebildet wird, die von der Ausrichtmarke der Maske aus dem Eintrittsstrahl b gebildet werden. Wie bei den anderen Ausführungsformen durchlaufen diese Substrahlen die Projektionslinse schräg. Um den Strahl b unter dieser Bedingung senkrecht über das Prisma 100 auf die Maskenplatte MA auftreffen zu lassen, so daß zusätzliche Reflexionen auf dieser Platte keinen Einfluß auf das erhaltene Ausrichtsignal haben, wird ein keilförmiges oder ein anderes Ablenkungselement WE unter der Maskenplatte angeordnet. Die Anteile der Substrahlen, die von der Ausrichtmarke P&sub1; des Substrats reflektiert und gebeugt werden, d. h. die Substrahlen zweifacher Ordnung, die Informationen über die gegenseitige Position der Marken M&sub1; und P&sub1; enthalten, werden vom Reflektor 26 zum Detektorsystem 101 reflektiert.
Die Ausrichtvorrichtung nach Fig. 20 kann wahlweise in doppelter Ausführung vorgesehen werden.
Im allgemeinen wird ein Doppelausrichtsystem bevorzugt, da die relative Winkelorientierung des Maskenstruktur und des Substrats direkt optisch niedergelegt werden, während Vergrößerungsfehler des Projektionslinsensystems sowie Verformungen des Substrats und der Maske gemessen werden können.
Die Genauigkeit, mit der die Ausrichtmarken des Substrats bezüglich der Ausrichtmarken der Maske ausgerichtet werden können, wird durch Modulieren des Ausgangssignals der Detektoren, z. B. 13 und 13' in Fig. 1, 3 und 19 mit einer festen Frequenz erheblich verbessert. Zu diesem Zweck kann die Maske M und damit die Maskenmarke M&sub2; periodisch bewegt werden, wie in dem Artikel "SPIE", Jhrg. 470, "Optical Microlithography" III "Technology for the next Decade", 1984, S. 62-69, beschrieben. Eine bessere Alternative, mit der sich ein dynamisches Ausrichtsignal erhalten läßt und die in US-Patent Nr. 4, 251,160 beschrieben ist, mit dem die Genauigkeit der Ausrichtvorrichtung gemäß der Erfindung ebenfalls verbessert werden kann, ist in Fig. 3 dargestellt.
Vor dem Erreichen der Marke M&sub2; hat der Strahl b&sub1; das polarisationsempfindliche Teilerprisma 2 durchlaufen, so daß dieser Strahl linear polarisiert ist und eine gegebene Polarisationsrichtung hat. Anschließend durchläuft der Strahl b&sub1; eine Platte 8 aus doppelbrechendem Material z. B. Quarz, dessen optische Achse unter einem Winkel von 45º zur Polarisationsrichtung des das Prisma 2 verlassenden Strahls verläuft. Das Element 8 kann auch ein Savart-Plättchen oder ein Wollaston-Prisma sein. Zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen verlassen die Platte 8, wobei die Strahlen relativ zueinander an der Stelle der Maskenmarke M&sub2; entlang eines gegebenen Wegs verschoben werden, der durch die Geometrie der Marke M&sub2; bestimmt wird. Bei der Verwendung von Gittern als Ausrichtmarken ist dieser Abstand gleich der Hälfte der Gitterperiode des Gitters M&sub2;. Vor dem Detektor 13 sind ein Polarisationsmodulator 18 und ein Polarisationsanalysator 19 angeordnet. Der Modulator 18, z. B. ein elasto-optischer Modulator, wird von einer Spannung VB gesteuert, die von einem Generator 20 geliefert wird. Die Polarisationsrichtung des den Modulator passierenden Strahls wird dadurch abwechselnd um 90º umgeschaltet. Der Analysator 19 hat die gleiche Haupt- oder Durchlaßrichtung wie das polarisationsempfindliche Teilerprisma 2, so daß abwechselnd ein erster Strahlungsstrahl mit einer ersten Polarisationsrichtung, wobei dieser Strahl z. B. ein nicht versetztes Bild von P&sub2; auf M&sub2; gebildet hat, und ein zweiter Strahlungsstrahl mit einer zweiten Polarisationsrichtung, wobei dieser Strahl z. B. ein Bild von P&sub2; auf M&sub2; gebildet hat, das um die Hälfte einer Gitterperiode versetzt ist, den Detektor 13 passieren. Das Signal des Detektors 13 wird verstärkt und einer phasenempfindlichen Detektorschaltung 21 verarbeitet, an den auch das Signal VB angelegt wird. Das Ausgangssignal SA ist das gewünschte dynamische Ausrichtsignal.
Der Modulator 18 und der Analysator 19 können wahlweise im Strahlungsweg vor der Ausrichtmarke der Maske angeordnet werden.
Bei der Ausrichtvorrichtung, in der z. B. sowohl die Substrahlen vierter als auch erster Ordnung verwendet werden, muß die Dicke der Platte optimiert werden, so daß sie für beide Ord-

Claims

1. Ausrichtvorrichtung zum Ausrichten eines mit mindestens einer ersten Ausrichtmarke (P&sub1;, P&sub2;) versehenen ersten Objekts (W) bezüglich eines mit mindestens einer zweiten Ausrichtmarke (M&sub1;, M&sub2;) versehenen zweiten Objekts (M), wobei diese Vorrichtung eine Strahlungsquelle (1) zur Lieferung mindestens eines Ausrichtstrahls, einen ersten Objekthalter (WT), einen zweiten Objekthalter (MT), ein Projektionssystem (PL) zum Projizieren eines Bildes der ersten Ausrichtmarke auf die zweite Ausrichtmarke, ein strahlungsempfindliches Detektorsystem (13, 13'), das im Weg ausgewählter Anteile des Ausrichtstrahls von der ersten Ausrichtmarke und der zweiten Ausrichtmarke, auf die ein Bild der ersten Ausrichtmarke projiziert worden ist, angeordnet ist, wobei das Ausgangssignal dieses strahlungsempfindlichen Detektorsystems ein Maß für die gegenseitige Lage der Ausrichtmarken ist, und einer Ordnungsmembran (55), die im Weg der Ausrichtstrahlung zwischen der ersten Ausrichtmarke (P&sub1;, P&sub2;) und der zweiten Ausrichtmarke (M&sub1;; M&sub2;) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

diese Ordnungsmembran mit strahlungsdurchlässigen Abschnitten versehen ist, die nur diejenigen Anteile des Ausrichtstrahls zur zweiten Ausrichtmarke durchlassen, die von der ersten Ausrichtmarke in einer geradzahligen Ordnung gebrochen werden.

2. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ordnungsmembran (55) außerdem mit strahlungsdurchlässigen Abschnitten versehen ist, die von der ersten Ausrichtmarke in erster Ordnung gebeugte Ausrichtstrahlanteile durchlassen.

3. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die des weiteren eine zweite Ordnungsmembran (56) aufweist, die im Weg der Strahlung des Ausrichtstrahls zwischen der zweiten Ausrichtmarke (M&sub1;) und dem Detektorsystem (13) angeordnet ist, wobei die zweite Ordnungsmembren mit strahlungsdurchlässigen Abschnitten versehen ist, die nur Anteile des Ausrichtstrahls an das Detektorsystem durchlassen, die von der Ausrichtmarke (P&sub1;) in einer der geradzahligen Ordnungen und von der zweiten Ausrichtmarke (M&sub1;) in anderen Ordnungen kleiner als diese geradzahlige Ordnungen gebeugt worden sind.

4. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die zweite Ordnungsmembran ebenfalls mit strahlungsdurchlässigen Abschnitten versehen ist, die nur Anteile des Ausrichtstrahls durchlassen, die von ersten Ausrichtmarke (P&sub1;) in der ersten Ordnung gebeugt werden.

5. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der diese anderen Ordnungen die +2. und die -2. Ordnung sind.

6. Ausrichtvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der diese anderen Ordnungen eine erste und eine dritte Ordnung sind.

7. Ausrichtvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der diese geradzahlige Ordnung die vierte Ordnung ist.

8. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, bei der die erste Ausrichtmarke eine Gitterstruktur mit einer Gitterperiode p hat, und die Ausrichtmarke in jeder Gitterperiode mindestens einen Gitterstreifen mit einer Breite von 1/8·p aufweist.

9. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die erste Ausrichtmarke erste bis vierte Gitterstreifen in jeder Gitterperiode aufweist, wobei der gegenseitige Abstand zwischen dem ersten und zweiten Gitterstreifen sowie der zwischen dem dritten und dem vierten Gitterstreifen gleich 1/8·p beträgt und der gegenseitige Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Gitterstreifen 1/4·p beträgt.

10. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die erste Ausrichtmarke (P&sub1;) zwei Gitterstreifen pro Gitterperiode aufweist, wobei die Streifen einen Abstand von 5/8·p haben.

11. Ausrichtvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der jede Ausrichtmarke (M&sub1;, M&sub2;; P&sub1;, P&sub2;) zwei solche Gitterabschnitte hat, daß die Richtung der Gitterstreifen des ersten Abschnitts senkrecht zu der der Gitterstreifen des zweiten Abschnitts verläuft.

12. Apparat zum Projizieren einer Maskenstruktur, die sich in einer Maske (M) befindet, auf ein Substrat (W), wobei dieser Apparat nacheinander eine Strahlungsquelleneinheit (LA, LS, RE) zur Lieferung eines Projektionsstrahls (PB), einen Maskenhalter (MT), ein Projektionslinsensystem (PL) und einen Substrathalter (WT) aufweist und des weiteren mit einer Vorrichtung (AS&sub1;, AS&sub2;) zum Ausrichten der Maske relativ zum Substrat ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtvorrichtung eine Ausrichtvorrichtung ist, wie in einem der obigen Ansprüche beansprucht, während das Substrat und die Maske das erste und zweite Objekt für die Ausrichtvorrichtung darstellen.

13. Apparat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektionsstrahl (PB) ein Strahl einer elektromagnetischen Strahlung und das Projektionslinsensystem ein System aus optischen Linsen ist und daß das Projektionssystem der Ausrichtvorrichtung durch das Projektionslinsensystem gebildet wird.

14. Apparat nach Anspruch 12 oder 13, der des weiteren Korrekturelemente (25) aufweist, die in den Wegen der von der Ordnungsmembran (ST) gewählten Anteilen des Ausrichtstrahls und im Projektionslinsensystem (PL) angeordnet sind, deren Abmessung erheblich kleiner ist als der Durchmesser des Projektionslinsensystems (PL) in der Ebene dieser Korrekturelemente, wobei jedes Korrekturelement (25) nur den zugehörigen Anteil des Ausrichtstrahls ablenkt und bündelt.

15. Apparat nach Anspruch 14, bei dem die Korrekturelemente (25) in einer Fourier-Ebene des Projektionslinsensystems (PL) angeordnet sind.

16. Apparat nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Ordnungsmembran (55) eine dichroitische Schicht aufweist, die durchlässig für die Strahlung des Projektionsstrahls und mit Ausnahme der strahlungsdurchlässigen Abschnitte nicht durchlässig für die Strahlung des Ausrichtstrahls ist, und daß die Korrekturelemente in diesen Abschnitten angeordnet sind.

17. Apparat nach Anspruch 14, 15 oder 16, bei dem die Korrekturelemente (25) Linsen sind.

18. Apparat nach einem der Ansprüche 14 bis 17, der des weiteren eine zweite Vorrichtung zum Ausrichten einer zweiten Ausrichtmarke der Maske bezüglich einer Ausrichtmarke des Substrats mittels eines zweiten Ausrichtstrahls aufweist, bei der die Korrekturelemente für die erste Ausrichtvorrichtung auch die Korrekturelemente (25) für die zweite Ausrichtvorrichtung sind.

19. Apparat nach Anspruch 18, der des weiteren ein zweites Element zur Strahlungsablenkung aufweist, das im Weg des zweiten Ausrichtstrahls und in der Nähe der zweiten Ausrichtmarke (M&sub1;) der Maske angeordnet ist.

20. Apparat zum Projizieren einer Maskenstruktur, die sich in einer Maske (M) befindet, auf ein Substrat (W), wobei dieser Apparat nacheinander eine Strahlungsquelleneinheit (LA, LS, RE) zur Lieferung eines Projektionsstrahls (PB), einen Maskenhalter (MT), ein Projektionslinsensystem (PL) und einen Substrathalter (WT) aufweist und des weiteren mit einer Präzisionsausrichtvorrichtung zum Ausrichten der Maske relativ zum Substrat ausgerüstet ist, wobei der Apparat des weiteren mit einer Vorausrichtstation zum Vorausrichten des Substrats sowie mit Transporteinrichtungen versehen ist, um das Substrat unter das Projektionssystem und die Maske zu transportieren, während die vorgenommene Vorausrichtung beibehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorausrichtstation mit einer Ausrichtvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 versehen ist.

21. Apparat gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20, der des weiteren ein Element zur Strahlungsablenkung (WE&sub1;, WE&sub2;) aufweist, das in der Nähe einer Ausrichtmarke der Maske angeordnet ist, um die Symmetrieachse der gewählten Anteile des Ausrichtstrahls im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Maske zu führen, wobei dieses Element zur Strahlungsablenkung erheblich kleiner ist als der Querschnitt des Projektionsstrahls in der Ebene dieser Maske.

22. Apparat nach Anspruch 21, bei dem das Element zur Strahlungsablenkung (WE&sub1;, WE&sub2;) von einem keilförmigen Körper gebildet wird, der für den Ausrichtstrahl durchlässig ist.

23. Apparat nach einem der Ansprüche 12 bis 22, bei dem die erste Ausrichtmarke eine Ausrichtmarke des Substrats und die zweite Ausrichtmarke eine Ausrichtmarke der Maske ist.

24. Apparat nach einem der Ansprüche 12 bis 22, bei dem die erste Ausrichtmarke eine Ausrichtmarke der Maske und die zweite Ausrichtmarke eine Ausrichtmarke des Substrats ist.

25. Apparat nach einem der Ansprüche 23 oder 24, bei dem die Ausrichtmarke des Substrats durch ein Phasenbeugungsgitter und die Ausrichtmarke der Maske durch ein Amplitudenbeugungsgitter gebildet werden.

26. Apparat nach einem der Ansprüche 12 bis 25, der des weiteren von periodischen Signalen (V3) gesteuerte Einrichtungen aufweist, die im Strahlungsweg eines Ausrichtstrahl angeordnet sind, um eine zweite Ausrichtmarke und das vom Detektorsystem erfaßte Bild dieser Marke auf einer ersten Ausrichtmarke relativ zueinander periodisch zu verschieben.

27. Herstellungsverfahren für Bauelemente, das folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen einer Maske (MA) mit einer Maskenstruktur auf einem Maskenhalter (MT),

Bereitstellen eines Substrats (W) mit einer strahlungsempfindlichen Schicht auf einem Substrathalter; und

Ausrichten der Maske und des Substrats unter Verwendung einer Ausrichtvorrichtung, die folgendes aufweist: eine Strahlungsquelle (1) zur Lieferung mindestens eines Ausrichtstrahls, ein Projektionssystem (PL) zum Projizieren eines Bildes einer ersten Ausrichtmarke, die auf der Maske bzw. dem Substrat vorgesehen ist, auf eine zweite Ausrichtmarke, die auf dem jeweils anderen von Substrat bzw. Maske vorgesehen ist, ein strahlungsempfindliches Detektorsystem (13, 13') zum Erfassen von Strahlanteilen, die vom den ersten und zweiten Ausrichtmarken ausgehen, und eine Ordnungsmembran, die zwischen der ersten und zweiten Ausrichtmarke angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

28. Verfahren nach Anspruch 27, das nach dem Ausrichtschritt des weiteren folgende Schritte aufweist:

Belichten der in der Maske (MA) vorhandenen Maskenstruktur; und

Projizieren eines Abbildes dieser Maskenstruktur auf das Substrat (W).

29. Verfahren nach Anspruch 28, das vor dem Ausrichtschritt des weiteren folgende Schritte aufweist:

Durchführen einer Vorausrichtung des Substrats in einer Vorausrichtstation; und

Transportieren des Substrats unter das Projektionssystem und die Maske, während die vorgenommene Vorausrichtung beibehalten wird.