DE69820856T2

DE69820856T2 - Interferometersystem und lithographisches gerät mit einem solchen system

Info

Publication number: DE69820856T2
Application number: DE69820856T
Authority: DE
Inventors: Roelof Erik LOOPSTRA; Alexander Straaijer
Original assignee: ASML Netherlands BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2018-11-28
Also published as: KR100542832B1; US6020964A; EP0956518B1; JP2001510577A; WO1999028790A1; TW380202B; EP0956518A1; EP1347336A1; JP4216348B2; DE69820856D1; KR20000070669A

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometersystem zum Messen der Position und der Verschiebung eines Objektes in einer Ebene, die parallel zu der XY-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems verläuft, mittels X- und Y-Meßspiegel, die an einem Halter für das Objekt angebracht sind, wobei das System mit Mitteln zum Erzeugen einer Vielzahl von Meßstrahlen und zum Richten der Meßstrahlen entlang einer Vielzahl von Meßachsen versehen ist, die parallel zu der XY-Ebene verlaufen und sich zu und von den Meßspiegeln erstrecken, und mit Strahlungs-sensitiven Detektoren zum Umwandeln der von den Meßspiegeln reflektierten Strahlen in elektrische Meßsignale, wobei die Anzahl von X- und Y-Meßachsen wenigstens gleich der Anzahl von Objektbewegungen ist, die interferometrisch zu messen sind.
Die Erfindung betrifft auch ein lithographisches Projektionsgerät mit einem solchen Interferometersystem. Dieses Gerät kann ein Schrittgerät oder ein Schritt- und Abtastgerät sein.
Eine Meßachse des Interferometersystems wird so verstanden, daß sie eine Achse bedeutet, entlang der die Position der Verschiebung in einer vorgegebenen Richtung (X oder Y) von einem vorgegebenen Punkt des Objektes gemessen wird. Diese Meßachse muß nicht mit dem Hauptstrahl des Meßstrahles zusammenfalten, der für diese Messung verwendet wird. Wenn der Meßstrahl zweimal durch das System geschickt und zweimal im wesentlichen an denselben Punkt durch das Objekt reflektiert wird, befindet sich die Meßachse zwischen dem Hauptstrahl des Meßstrahles auf dem ersten Durchgang und dem Hauptstrahl dieses Strahles auf dem zweiten Durchgang.
EP-A-0 498 499 beschreibt eine Ausführungsform eines solchen Interferometersystems und ein optisches lithographisches Projektionsgerät mit einem solchen System zum wiederholten und verkleinerten Abbilden eines Maskenmusters, beispielsweise das Muster einer integrierten Schaltung (IC) auf einem Substrat, das auf einer strahlungssensitiven Schicht vorgesehen ist. Zwischen zwei aufeinander folgenden Abbildungen des Maskenmusters auf dem Substrat werden dieses Substrat und die Maske zueinander bewegt, beispielsweise parallel zu der X- oder Y-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems, während die Substratebene und die Maskenebene parallel zu der XY-Ebene liegen.
Das Projektionsgerät wird in Kombination mit Masken- und Diffusionstechniken zum Herstellen integrierter Schaltungen verwendet. Bei diesem Verfahren wird ein ersten Maskenmuster in einer großen Anzahl, beispielsweise 100, IC-Bereichen des Substrats abgebildet. Das Substrat wird dann aus dem Projektionsgerät entfernt und den gewünschten physikalischen und/oder chemischen Prozeßschritten unterworfen. Danach wird das Substrat in demselben oder einem gleichen Projektionsgerät angeordnet, um ein Bild eines zweiten Maskenmusters in den anderen IC-Bereichen des Substrats auszubilden, usw. Es muß dann sichergestellt werden, daß die Bilder der Maskenmuster sehr genau bezüglich der Substratfelder positioniert sind.
Zu diesem Zweck enthalten Projektionsgeräte, die gegenwärtig benutzt werden:

– ein Interferometersystem für den Substrattisch, mit dem die Bewegungen dieses Tisches und damit diejenigen des Substrathalters und des Substrats genau verfolgt werden und die Position des Substrats genau bestimmt werden können,
– ein Ausrichtungssystem, mit dem die Maske bezüglich des Substrats ausgerichtet werden kann, wobei das Ausrichtungssystem eng mit dem Interferometersystem zusammenarbeitet,
– ein Fokusfehlererfassungssystem, mit dem sichergestellt werden kann, daß die Abbildungen des Maskenmusters, die in den IC-Bereichen des Substrats gebildet werden, stets scharf sind, und
– ein Neigungserfassungssystem zum Erfassen der gegenseitigen Neigung des Substrats und der Abbildung des Maskenmusters, wobei das Erfassungssystem mit dem Fokusfehlererfassungssystem kombiniert sein kann und dann als Fokus- und Nivelliererfassungssystem bezeichnet wird.

Das bekannte zusammengesetzte Interferometersystem kann drei Meßachsen haben, mit denen die Bewegungen des Substrats in der X-Richtung und der Y-Richtung und die Rotation φ des Substrats um die Z-Achse, die die optische Achse des Projektionssystems ist, gemessen werden können. Das besondere Merkmal des Interferometersystems gemäß EP-A-0 498 499 ist, daß es fünf Meßachsen hat und nicht nur die Verschiebung des Substrats entlang der X-Achse und der Y-Achse und die Drehung um die Z-Achse sehr genau gemessen werden können, sondern auch die Neigung φx um die X-Achse und die Neigung φy um die Y-Achse. Wenn dieses Interferometersystem verwendet wird, kann jedes Feld des Substrats sehr genau gegenüber dem Maskenmuster positioniert werden, ohne daß eine getrennte Ausrichtung pro Feld erforderlich ist. Infolgedessen kann die Zeit zum Belichten eines Substrats beträchtlich reduziert werden.
Bei den optischen lithographischen Projektionsgeräten, die nachfolgend als photolithographische Geräte bezeichnet werden, muß das Abbildungsfeld des Projektionssystems mit der Substratfläche zusammenfallen, d. h. es sollte eine vorgegebene Relation zwischen den Z-Positionen der Bildebene und denjenigen der Fläche des Substrathalters vorhanden sein. Bei den gegenwärtig benutzten photolithographischen Geräten, bei denen der Substrattisch immer unter dem Projektionslinsensystem angeordnet ist und über Strecken bewegt wird, die maximal in der Größenordnung der Substratgröße liegen, wird diese Relation mittels des Fokus- und Nivellierfassungssystems kontrolliert, dessen Elemente in einem Meßrahmen in der Form einer Platte angeordnet sind, die fest mit dem Projektionssystem verbunden ist. Mit der Hilfe der oben erwähnten Erfassungssysteme und der Servosysteme, von denen sie einen Teil bilden, können das Substrat und das Maskenmuster nicht nur global zueinander positioniert werden, sondern auch sehr genau pro Feld. Bei einer neuen Generation von photolithographischen Projektionsgeräten, die gegenwärtig entwickelt werden, mit deren Hilfe ICs mit einer größeren Anzahl von Komponenten hergestellt werden müssen, d. h. mit denen noch kleinere Details in den Substratfeldern abgebildet werden müssen und bei denen der Substrattisch über Strecken bewegt wird, die größer sind als die Substratgröße, treten neue Probleme auf. Andererseits gibt es das Problem, daß eine noch genauere Ausrichtung erforderlich ist, und daß die besagte Relation nicht länger auf die beschriebenen Weise gesteuert bzw. kontrolliert werden kann. Infolge dessen gibt es ein Bedürfnis nach einem anderen Meßmodus der Distanz in der Z-Richtung zwischen dem Projektionssystem und dem Substrathalter, der auch als Spannvorrichtung bezeichnet wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Interferometersystem anzugeben, mit dem die gewünschte Messung erfolgen kann und das sehr genaue und zuverlässige Messungen von Verschiebungen des Substrats in einem fotolithografischen Gerät ermöglicht, u. a. zum Zweck der gegenseitigen Ausrichtung eines Substrats und eines Maskenmusters. Dieses Interferometersystem, das durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß es auch in der Lage ist, eine Z-Position des Objektes mittels eines Z-Meßspiegels zu messen, der an dem Halter des Objektes in einem spitzen Winkel zu der XY-Ebene angeordnet ist, wobei das Interferometersystem zu diesem Zweck eine Z-Meßachse und Mittel zum Erzeugen eines Z-Meßstrahles und zum Richten des Meßstrahles auf den Z-Meßspiegel aufweist, und einen Z-Detektor zum Umwandeln des Z-Meßstrahls von dem Z-Meßspiegel in ein Signal, das Informationen über die Z-Position des Objektes enthält.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß für genaue und zuverlässigere Interferometermessungen in der X- und Y-Richtung Verlagerungen des Substrats in der Z-Richtung berücksichtigt und kompensiert werden müssen, und daß die Z-Verlagerung auf eine einfache Weise gemessen werden kann, in dem das bekannte Interferometersystem auf eine solche Weise erweitert wird, daß es einen Z-Meßstrahl abgibt, der von der Strahlungsquelle zu dem Z-Meßspiegel parallel zu der XY-Ebene verläuft und von dem Z-Meßspiegel zu einem reflektierenden Referenzelement reflektiert wird, wobei die Position des Substrats bezüglich dieses Elementes gemessen werden muß.
Durch Verwendung des Z-Meßspiegels wird die gewünschte Z-Positionsmessung in eine X- oder Y-Positionsmessung transformiert, die mit einem umfassenden XY-Interferometersystem durchgeführt werden kann. Dann ist es nicht mehr erforderlich, ein getrenntes optisches Neigungserfassungssystem unter dem Projektionslinsensystem für die Z-Positionsmessung und die Neigungspositions-messung des Substrats anzuordnen. Die Z-Position und die Neigungsposition könnten auch beispielsweise mittels kapazitiver oder induktiver Sensoren gemessen werden. Dann sollte je doch der gesamte zweidimensionale Flächenbereich des Objektes, dessen Position gemessen werden muß, den Erfordernissen der Ebenheit genügen, die in der Praxis nicht oder kaum zu realisieren sind. Wenn ein Interferometersystem mit einer Z-Meßachse verwendet wird, muß der Z-Meßspiegel nur eine Länge in einer Richtung in der Größenordnung der Distanz haben, über die sich der Objekthalter in dieser Richtung bewegt, während in der Richtung senkrecht zu dieser Richtung der Meßspiegel nur eine Breite in der Größenordnung des Z-Meßstrahlquerschnitts an der Stelle des Meßspiegels haben muß. Das ist ausreichend, um einen streifenförmigen Spiegel zu verwenden, so daß die Ebenheitsanforderungen leicht erfüllt werden können.
Es wird darauf hingewiesen, daß ein zusammengesetztes Interferometersystem zum Bestimmten der X-, Y- und Z-Positionen des Substrattisches in dem englischsprachigen Abstract der japanischen Patentanmeldung 4-179 115 beschrieben ist. Die Meßspiegel sind an den Seiten des Substrattisches statt an dem Substrathalter angeordnet, der ein Teil des Substrattisches ist. Diese Meßspiegel sind durch vier Elemente gebildet, die jeweils eine reflektierende Seitenfläche und Unterfläche haben, wobei die Unterflächen verwendet werden, um die Z-Position zu messen, während die Seitenflächen verwendet werden, um die X- und Y-Position zu messen. Das bekannte System enthält vier herkömmliche Michelson Interferometer, von denen ein erstes zum alleinigen Messen der X-Position, ein zweites zum alleinigen Messen der Y-Position und die beiden anderen zum alleinigen Messen der Z-Position verwendet werden. Die Z-Interferometer sind unter dem Substrattisch angeordnet, so daß dies zusätzlichen Raum erfordert. Bei dem bekannten System wird die Z-Position des Substrattisches gegenüber den Z-Interferometern gemessen, anstelle der Z-Position des Substrathalters gegenüber einem Z-Reflektor, der an einem Objekt angeordnet ist, gegenüber dem die Z-Position des Substrathalters gemessen werden muß.
Das Interferometersystem gemäß der Erfindung ist hauptsächlich, jedoch nicht ausschließlich anwendbar, wenn die Messung der Position eines Substrats zu einem erheblich anderen Zeitpunkt als die Beleuchtung des Substrats über das Maskenmuster stattfindet. Besonders in diesem Fall ist eine gut reproduzierbare Messung der Z-Position von erheblicher Bedeutung. Die Messung und Belichtung des Substrats zu verschiedenen Zeitpunkten kann in einem fotolithografischen Gerät mit einem einzigen Substrattisch durchgeführt werden, ist aber die geeignete Vorgehensweise in einem fotolithografischen Gerät, das mit einer Belichtungsstation und einer getrennten Ausrichtungsstation und mit zwei Substrattischen versehen ist. Während der Benutzung dieses Gerätes werden alle IC-Bereiche eines ersten Substrats, das sich an einem ersten Substrathalter befindet, in der Beleuchtungsstation mit dem Maskenmuster belichtet, während eine Ausrichtungsmarke eines zweiten Substrats in der Ausrichtungsstation gegenüber einer Ausrichtungsmarke an einem zweiten Substrattisch ausgerichtet wird. Nachdem das erste Substrat vollständig belichtet worden ist, wird der Substrattisch aus der Beleuchtungsstation entfernt, woraufhin das erste Substrat von dem Substrattisch entfernt wird und ein drittes Substrat auf dem ersten Substrattisch angeordnet wird, woraufhin dieses Substrat in der Ausrichtungsstation gegenüber dem ersten Substrattisch ausgerichtet wird. In der Zwischenzeit ist der zweite Substrattisch zu der Beleuchtungsstation bewegt und die Ausrichtungsmarke dieses Tisches gegenüber einer Maskenmarke ausgerichtet worden, so daß auch die Substratmarke gegenüber der Maskenmarke ausgerichtet ist, so daß das zweite Substrat während der Ausrichtung des dritten Substrats gegenüber dem ersten Substrattisch belichtet werden kann. Der größere Teil des Ausrichtungsvorgangs findet somit außerhalb der Beleuchtungsstation statt, und die Zeitspanne ist maximal in der diese Station zur tatsächlichen Belichtung oder Projektion geeignet ist, und die Anzahl der Substrate pro Zeiteinheit, die von dem Gerät belichtet werden können, ist maximal, was ein wichtiger Gesichtspunkt bei der fotolithografischen Herstellungstechnik für ICs ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Interferometersystems gemäß der Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Z-Meßspiegel an dem Halter des Objektes in einem Winkel von etwa 45° zu der XY-Ebene angeordnet ist.
Wenn der Referenzspiegel parallel zu der XY-Ebene ist, kann der Z-Meßspiegel eine minimale Breite haben, da der Z-Meßstrahl die gesamte Bahn zu und von dem Z-Reflektor durchläuft.
Eine Ausführungsform des Interferometersystems gemäß der Erfindung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, daß der Z-Meßspiegel durch ein abgeschrägtes Teil eines X- oder Y-Meßspiegels gebildet ist.
In der Z-Richtung gesehen ist eine Objekthalterseitenfläche, die für diesen Zweck geeignet ist, in einen geradlinigen Abschnitt und einen schrägen Abschnitt in einem Winkel von vorzugsweise 45° zu dem gradlinigen Abschnitt unterteilt, und beide Teile werden als Spiegel verwendet.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Interferometersystems ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Z-Meßspiegel durch einen abgeschrägten Stab gebildet ist, der an einer Seitenfläche des Objekthalters vorgesehen ist, an dem auch ein X- oder Y-Meßspiegel angeordnet ist, und daß sich der Stab in der Z-Richtung nur über einen kleinen Abschnitt der Seitenfläche und in der hierzu senkrechten Richtung über die Seitenfläche erstreckt.
Da der Referenzreflektor nicht gegen den Projektionslinsenhalter angeordnet ist, besteht in einem fotolithografischen Gerät ein vorgegebener Abstand beispielsweise in der Größenordnung von 70 mm zwischen einem Ende des Reflektors und der Achse der Projektionslinse. Damit der Meßstrahl, der von dem Z-Meßspiegel reflektiert wird, den Z-Reflektor auch in einer extremen X-Position des Substrathalters erreichen kann, muß der Abstand in dieser Position zwischen der Achse der Projektionslinse und der Mitte des Z-Meßspiegels mindestens gleich diesem Abstand sein. Dies bedeutet, daß der Substrathalter zum Zwecke der Z-Messung vergrößert werden müßte. Da dieser Halter eine vorgegebene Höhe haben muß, auch weil der X- oder Y-Meßspiegel an den Seitenflächen angeordnet sein muß, auf denen der Z-Meßspiegel vorgesehen sein muß, würde eine Erhöhung der Größe des Substrathalters für den Z-Meßspiegel dessen Gewicht beträchtlich erhöhen. Durch Anordnen des Z-Meßspiegels auf einem dünnen Stab, der fest mit dem Substrathalter verbunden ist, kann das Gewicht dieses Halters erheblich reduziert werden.
Der Z-Meßspiegel ist bevorzugt an dem Teil des Objekthalters angeordnet, der entfernt von dem Objekt ist. Durch Anordnen des Z-Meßspiegels an der Unterseite des Halters und des X- oder Y-Meßspiegels darüber kann das Risiko des Auftretens von Abbe-Fehlern reduziert werden. Außerdem sind ein maximaler Teil der relevanten Seitenfläche des Objekthalters und ein maximaler Raum zwischen dem Z-Meßspiegel und dem Projektionssystem für andere Messungen verfügbar.
In dem Interferometersystem kann ein separater Referenzspiegel vorgesehen sein für den Referenzstrahl, der mit dem Z-Meßstrahl verbunden ist. Der Z-Detektor, der den Z-Meßstrahl und den Z-Referenzstrahl empfängt, liefert dann ein Signal, in dem die Information über die Z-Position mit Informationen über die X-Position gemischt ist, wenn der Z-Meßspiegel an derselben Seitenfläche des Objekthalters angeordnet ist wie die X-Meßposition, oder Informationen über die Y-Position, wenn der Z-Meßspiegel an derselben Seitenfläche wie der Y-Meßspiegel angeordnet ist. Eine elektronische Differenziation mit dem X-Positionssignal oder der Y-Position muß dann noch auf diesem Signal durchgeführt werden, d. h. dieses Signal muß kombiniert werden mit dem X-Positionssignal oder dem Y-Positionssignal, um die reine Z-Position zu erhalten.
Das Interferometersystem ist jedoch vorzugsweise ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzspiegel für den Referenzstrahl, der mit dem Z-Meßstrahl verbunden ist, durch einen X- oder einen Y-Meßspiegel gebildet ist, der an der Seitenfläche des Objekthalters angeordnet ist, an der auch der Z-Meßspiegel angeordnet ist.
Eine optische Differenziation wird dann durchgeführt, und das Ausgangssignal des Z-Detektors enthält die reine Z-Positionsinformation. Dann ist es nicht erforderlich, eine elektronische Differenziation durchzuführen. Die optische Differenziation hat den Vorteil, daß man nicht länger von der Verarbeitungsgeschwindigkeit der elektronischen Schaltkreise abhängig ist.
Für die Z-Meßachse muß ein Strahlteiler den Meßstrahl und den zugehörigen Referenzstrahl kombinieren, nach dem sie von dem Meßspiegel und dem Referenzspiegel reflektiert sind, so daß die Strahlungspunkte, die diese Strahlen in der Ebene des Z- Detektors bilden, soweit wie möglich zusammenfallen. Das von diesem Detektor gelieferte Signal hat dann eine maximale Amplitude. Diese Strahlungspunkte können gegenüber dem Detektor jedoch versetzt sein infolge einer unerwünschten Neigung der Meßspiegel, die mit diesen Strahlen verbunden sind, so daß die Richtungen dieser Strahlen variieren. Dieses Phänomen ist als Strahlauswandern bekannt. Da der Z-Meßstrahl von dem Z-Meßspiegel sowie von dem Referenzelement reflektiert wird, ist das Strahlauswandern für den Z-Meßstrahl größer als für den Z-Referenzstrahl. Wenn die obige optische Differenziations-methode verwendet wird, d. h. wenn der Z-Referenzstrahl zu einem X- oder Y-Meßspiegel geschickt wird, kann das Strahlauswandern reduziert werden. Tatsächlich läuft das Strahlauswandern für beide Strahlen in derselben Richtung. Die optische Differenziationsmethode hat somit einen zweiten Vorteil.
Um das Strahlauswandern weiter zu reduzieren, ist das Interferometersystem vorzugsweise ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn des Z-Meßstrahls einen Retroreflektor enthält, durch den der Z-Meßstrahl der von dem Meßspiegel reflektiert und zu dem Detektor gerichtet ist, zu dem Meßspiegel zur weiteren Reflektion an diesem Spiegel reflektiert wird.
Infolge dieser zusätzlichen Reflektion des Z-Meßstrahls an dem Meßspiegel wird die ursprüngliche Richtung des Meßstrahls beibehalten, unabhängig von einer möglichen Neigung der Spiegel in der Bahn dieses Strahls.
Die Anzahl der X- und Y-Meßachsen des Interferometersystems kann unterschiedlich sein in Abhängigkeit in der Anwendung des Systems. Bevorzugt ist jedoch dieses System dadurch gekennzeichnet, daß dieses System zusätzlich zu der Z-Meßachse wenigstens fünf weitere Meßachsen enthält.
In diesem System ist der Vorteil der maximalen Meßgenauigkeit in der X- und Y-Richtung kombiniert mit derjenigen einer zusätzlichen Meßmöglichkeit, nämlich die Z-Messung.
Um die Interferometermessungen unabhängig von Variationen bei dem Brechungsindex des Mediums zu machen, in dem die Meßstrahlen verlaufen, kann das Interferometersystem ferner dadurch gekennzeichnet sein, daß es eine Meßachse hat, entlang der sich zwei Meßstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen ausbreiten.
Da derselbe Abstand mit zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen gemessen wird und der Brechungsindex des Mediums abhängig von der Wellenlänge ist, kann eine mögliche Brechungsindexvariation gemessen werden, und das Meßergebnis des Interferometersystems kann dies kompensieren. Diese Meßachse kann eine getrennte Referenzmeßachse sein oder durch eine der anderen Meßachsen gebildet sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Projektionsgerät zum wiederholten Projizieren eines Maskenmusters auf ein Substrat, wobei das Gerät eine Beleuchtungseinheit zur Lieferung eines Projektionsstrahls, einen Maskentisch mit einem Maskenhalter, einen Substrattisch mit einem Substrathalter, ein Projektionssystem in der Bahn des Projektionsstrahles und ein optisches Meßsystem zum Messen von Positionen und Ausrichtungen eines Substrates, das in dem Substrathalter gehalten ist, enthält. Dieses Projektionsgerät ist dadurch gekennzeichnet, daß das optische Meßsystem ein Interferometersystem ist, wie dies oben beschrieben ist, wobei das Objekt und der Objekthalter das Substrat und der Substrathalter sind.
Die Genauigkeit dieses Gerätes ist durch Verwendung des Interferometersystems in dem Projektionsgerät erheblich verbessert, insbesondere dann, wenn dieses Gerät mit zwei Substrattischen für den oben erwähnten Zweck versehen ist.
Das Projektionsgerät ist vorzugsweise weiter dadurch gekennzeichnet, daß mit Ausnahme der Meßspiegel die Komponenten des Interferometersystems und der Z-Reflektor in einem starren Rahmen angeordnet sind, wobei auch das Projektionssystem starr befestigt ist, wobei der Rahmen von den anderen Komponenten des Gerätes dynamisch isoliert aufgehängt ist.
Diese Maßnahme trägt erheblich zur Realisierung der gewünschten Meßgenauigkeit bei. Die Interferometereinheiten sind nun frei von Störungen des Projektionssystems starr gekoppelt. Da der Rahmen, der auch als Metrologierahmen bezeichnet wird, in dem Gerät auf dynamisch isolierte Weise aufgehängt ist, frei von Vibrationen, sind die Positionen der Interferometereinheiten darin nicht länger durch äußere Kräfte wie Antriebskräfte des Substrattischs und des Maskentischs beeinflußt. Der Z-Reflektor ist der Reflektor, der an dem Projektionssystem befestigt ist und den Z-Meßstrahl von dem Z-Meßspiegel zu diesem Spiegel reflektiert.
Das Projektionsgerät kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, daß die Referenzspiegel für die Referenzstrahlen, die mit den X- und Y-Meßstrahlen verbunden sind, an dem Halter des Projektionssystems angeordnet sind.
Die X- und Y-Positionen des Substrats werden nicht mehr bezüglich der Interferometerelemente gemessen, sondern bezüglich des Projektionssystems. Mögliche Verformungen des Metrologierahmens haben dann einen vernachlässigbar kleinen Einfluß auf die Positionsmessungen.
Das Projektionsgerät kann ferner mit einem zweiten optischen Meßsystem versehen sein zum Messen von Positionen und Ausrichtungen der Maske und kann dann dadurch gekennzeichnet sein, daß das zweite optische Meßsystem ein Interferometersystem ist, wie es oben beschrieben ist, wobei das Objekt und der Objekthalter die Maske und der Maskenhalter sind. In einem solchen Gerät kann die Maske sehr genau positioniert werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von IC-Strukturen gemäß Patentanspruch 14.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung sind ersichtlich aus den Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben werden.
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematisch eine Ausführungsform eines fotolithografischen Gerätes zum repetitiven Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat;
2 ein bekanntes Interferometersystem mit drei Meßachsen zur Verwendung in diesem Gerät;
3 das Prinzip eines einachsigen Interferometersystems;
4 eine perspektivische Ansicht eine bekannten Interferometersystems mit fünf Meßachsen;
5 eine Ausführungsform eines lithographischen Gerätes, in dem eine Z-Messung durchgeführt wird;
6 und 7 eine erste und eine zweite Ausführungsform eines lithographischen Gerätes, in dem zwei Z-Messungen durchgeführt werden;
8 eine Ausführungsform eines lithographischen Gerätes mit einem verwendeten Z-Meßspiegel;
9 einen Substrathalter mit drei Z-Meßspiegeln und drei Z-Meßachsen;
10 einen ersten Teil einer ersten Ausführungsform einer Interferometereinheit mit einer Z-Meßachse;
11 eine zweite Ausführungsform einer solchen Interferometereinheit;
12 einen zweiten Teil der Interferometereinheit, von der 10 den ersten Teil zeigt;
13 ein Reflektorsystem, das in dieser Einheit verwendet wird;
14 die Positionen, an denen die Meßstrahlen und die Meßachsen der Interferometereinheit auf die Meßspiegel auftreffen, die an dem Substrathalter angeordnet sind;
15 eine weitere Ausführungsform einer Interferometereinheit mit zwei Z-Meßachsen;
16 ein lithographisches Gerät mit einem Metrologierahmen und einem Betätigungsrahmen;
17 ein lithographisches Gerät mit zwei Substrathaltern und einer getrennten Ausrichtungsstation;
18 einen Überblick der Interferometermessungen, die an einem Substrat in der Ausrichtungsstation und in der Beleuchtungsstation dieses Gerätes ausgeführt werden;
19 die Interferometermessungen, die an einer Maske in einem step-and-scanner durchgeführt werden, und
20 die Bewegungen, die von den zwei Substrathaltern in dem Gerät gemäß 17 ausgeführt werden.
1 zeigt schematisch die optischen Elemente einer Ausführungsform eines fotolithografischen Gerätes zum repetitiven Abbilden eines Maskenmusters auf einem Substrat. Der Hauptbestandteil dieses Gerätes ist eine Projektionssäule, die ein Projektionslinsensystem PL enthält. Ein Maskenhalter MH für eine Maske MA, die das Maskenmuster C enthält, das abzubilden ist, befindet sich oberhalb dieses Systems. Der Maskenhalter befindet sich in einem Maskentisch MT. Ein Substrattisch WT ist unter dem Projektionslinsensystem PL angeordnet. Dieser Tisch nimmt einen Substrathalter WH für ein Substrat W auf, das mit einer fotosensitiven Schicht versehen ist und auf dem das Maskenmuster mehrere Male abgebildet werden muß, jedesmal in einem verschiedenen IC-Bereich Wd. Der Substrattisch wird in den X- und Y-Richtungen bewegt, so daß nach dem Abbilden des Maskenmusters auf einem IC-Bereich ein nachfolgender IC-Bereich unter dem Maskenmuster positioniert werden kann.
Das Gerät hat ferner ein Beleuchtungssystem, das eine Strahlungsquelle LA enthält, beispielsweise einen Crypton-Fluorid-Excimer Laser oder eine Mercury-Lampe, ein Linsensystem LS, einen Reflektor RE und eine Kondensorlinse CO. Der Projektionsstrahl PB, der von dem Beleuchtungssystem geliefert wird, beleuchtet das Maskenmuster C. Dieses Muster wird durch das Projektionslinsensystem PL auf einem IC-Bereich des Substrats W abgebildet. Das Beleuchtungssystem kann alternativ eingebaut sein, wie in EP-A-0 658 810 beschrieben. Das Projektionslinsensystem hat eine Vergrößerung von beispielsweise M = 1/4, eine numerische Apertur NA = 0,6 und ein Diffraktions-begrenztes Abbildungsfeld mit einem Durchmesser von 22 mm.
Das Gerät enthält ferner eine Mehrzahl von Meßsystemen, nämlich ein System zum Ausrichten der Maske MA bezüglich des Substrats W in der XY-Ebene, in Interferometersystem zum Bestimmen der X- und Y-Positionen und der Ausrichtung des Substrathalters und damit des Substrats, und ein Fokusfehlererfassungssystem zum Bestimmen einer Abweichung zwischen der fokalen oder Bildebene des Projektionslinsensystems PL und der Oberfläche der fotosensitiven Schicht auf dem Substrat W. Diese Meßsysteme sind Teile von Servosystemen, die elektronische signalverarbeitende und Steuerkreise und Antriebe oder Aktuatoren haben, mit denen die Position und die Ausrichtung des Substrats und die Fokussierung mit Bezug auf die Signale korrigiert werden können, die von den Meßsystemen geliefert werden.
Das Ausrichtungssystem verwendet zwei Ausrichtungsmarken M₁ und M₂ in der Maske MA, die in der oberen rechten Ecke der 1 gezeigt ist. Diese Marken bestehen bevorzugt aus Beugungsgittern, sie können alternativ aber auch durch andere Marken wie Quadrate oder Streifen gebildet sein, die sich optisch von ihren Umgebungen abheben. Die Ausrichtungsmarken sind bevorzugt zweidimensional, d. h. die erstrecken sich in zwei zueinander senkrechten Richtungen, die X- und Y-Richtung in 1. Das Substrat W hat wenigstens zwei Ausrichtungsmarken, bevorzugt ebenfalls zweidimensionale Beugungsgitter, von denen zwei P₁ und P₂ in 1 gezeigt sind. Die Marken P₁ und P₂ befinden sich außerhalb des Bereichs des Substrats W, wo die Abbildungen des Musters C auszubilden sind. Die Gittermarken P₁ und P₂ sind bevorzugt Phasengitter, und die Gittermarken M₁ und M₂ sind bevorzugt Amplitudengitter.
1 zeigt eine spezielle Ausführungsform eines Ausrichtungssystems, nämlich ein Doppelausrichtungssystem, bei dem zwei Ausrichtungsstrahlen b und b' zur Ausrichtung der Substratausrichtungsmarke P₂ auf die Maskenausrichtungsmarke M₂ und der Substratausrichtungsmarke P₁ auf die Maskenausrichtungsmarke M₁ verwendet werden. Der Strahl b wird von einem reflektierenden Element 30, beispielsweise einem Spiegel, zu einer reflektierenden Flache 27 eines Prismas 27 reflektiert. Die Fläche 27 reflektiert den Strahl b zu der Substratausrichtungsmarke P₂, die einen Teil der Strahlung als Strahl b₁ zu der zugehörigen Maskenausrichtungsmarke M₂ passieren läßt, wo ein Bild der Marke P₂ gebildet wird. Ein reflektierendes Element 11, beispielsweise ein Prisma, ist oberhalb der Marke M₂ angeordnet, wobei das Prisma die Strahlung von der Marke M₂ zu einem strahlungssensitiven Detektor 13 richtet. Der zweite Ausrichtungsstrahl b' wird von einem Spiegel 31 zu einem Reflektor 29 in dem Projektionslinsensystem PL reflektiert. Der Reflektor 29 lenkt den Strahl b' zu einer zweiten reflektierenden Fläche 28 des Prismas 26, wobei die Fläche den Strahl b' auf die Substratausrichtungsmarke P₁ richtet. Diese Marke reflektiert einen Teil der Strahlung des Strahls b' als Strahl b'₁ zu der Maskenausrichtungsmarke M₁, wo ein Bild der Marke P₁ geformt wird. Die Strahlung des Strahls b', die durch die Marke M₁ verläuft, wird von einem Reflektor 11' zu einem strahlungssensitiven Detektor 13' gerichtet. Die Arbeitsweise des Doppelausrichtungssystems ist in dem US-Patent 4,778,275 beschrieben, auf die hinsichtlich weiterer Einzelheiten dieses Systems Bezug genommen wird.
Die Ausführungsform des Ausrichtungssystems gemäß 1 ist insbesondere für ein Gerät geeignet, in dem das Projektionslinsensystem PL für einen Projektionsstrahl PD mit einer kurzen Wellenlänge, beispielsweise 248 nm bestimmt ist, während der Ausrichtungsstrahl eine beträchtlich längere Wellenlänge, beispielsweise 633 nm hat. Dieses System enthält eine zusätzliche Linse oder Korrekturlinse 25 in der Projektionssäule. Diese Linse gewährleistet, daß die Substratausrichtungsmarken in der Ebene der Maskenausrichtungsmarke abgebildet werden und mit der korrekten Vergrößerung trotz des Umstandes, daß das Projektionslinsensystem nicht optimiert ist für die Wellenlänge des Ausrichtungsstrahls. Die Korrekturlinse ist in einer solchen Höhe in der Projektionssäule angeordnet, daß einerseits die Substrahlen mit anderen Beugungsordnungen des Ausrichtungsstrahls, wobei die Substrahlen von einer Substratausrichtungsmarke erzeugt werden, ausreichend in der Ebene der Korrekturlinse getrennt sind, so daß diese Substrahlen getrennt beeinflußt werden, und daß andererseits die Korrekturlinse einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Projektionsstrahl und das Bild hat, der hiermit von dem Maskenmuster C gebildet wird. Die Korrekturlinse 25 ist bevorzugt in der Fourier-Ebene des Projektionslinsensystems angeordnet. Wenn die Korrekturlinse in einer Ebene angeordnet ist, in der sich die Hauptstrahlen der Ausrichtungsstrahlen b und b₁ miteinander schneiden, wie 1 zeigt, kann diese Linse verwendet werden, um die zwei Ausrichtungsstrahlen zu korrigieren. Für weitere Einzelheiten hinsichtlich der Aufgabe und Arbeitsweise des Korrekturlinse 25 wird auf das US-Patent 5,100,237 Bezug genommen.
Ein Keil oder ein anderes Ablenkelement wie ein Diffraktionselement ist bevorzugt in der Nähe einer Ausrichtungsmarke in der Bahn des Ausrichtungsstrahls angeordnet. Mit einem solchen Ablenkelement (in 1 nicht dargestellt) können Ausrichtungsfehler vermieden werden, die aus unbeabsichtigten Phasendifferenzen innerhalb der ausgewählten Ausrichtungsstrahlabschnitte resultieren, die von den Detektoren 13 oder 13' aufgenommen werden, wobei die Phasendifferenzen auftreten können, wenn die Symmetrieachsen der Ausrichtungsstrahlabschnitte, die von einer Substratausrichtungsmarke kommen, nicht senkrecht zu der Maskenplatte liegen, so daß falsche Reflektionen innerhalb dieser Platte auftreten können. Ein Ausrichtungssystem mit einem solchen Ablenkelement ist in dem US-Patent 5,481,362 beschrieben.
Zusätzlich zu den globalen Ausrichtungsmarken P₁ und P₂, die in 1 gezeigt sind, und die zur Ausrichtung des gesamten Substrats gegenüber der Maske verwendet werden, was als globale Ausrichtung bezeichnet wird, kann das Substrat mit weiteren Ausrichtungsmarken versehen sein, beispielsweise eine Marke pro IC-Bereich, um den relevanten Bereich gegenüber dem Maskenmuster für jeden IC-Bereich auszurichten. Die Maske kann mehr als zwei Ausrichtungsmarken haben, wobei die weiteren Ausrichtungsmarken beispielsweise verwendet werden können, um die Rotation der Maske um die Z-Achse zu messen und dies zu korrigieren.
Das Projektionsgerät kann ferner ein Fokusfehlererfassungssystem enthalten zum Bestimmen einer Abweichung zwischen der Fokalebene des Projektionslinsensystems PL und der Oberfläche des Substrats W, so daß diese Abweichung korrigiert werden kann, beispielsweise durch Steuerung der Höhe der Substratfläche mit Z-Aktuatoren, die in dem Substrattisch vorhanden sind. Das Fokusfehlererfassungssystem kann durch die Elemente 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46 gebildet sein, die in einem Halter (nicht dargestellt) angeordnet sind, der fest mit dem Projektionslinsensystem verbunden ist, oder in einem Metrologierahmen angeordnet sein, in dem auch das Projektionssystem angeordnet ist. Element 40 ist eine Strahlungsquelle, beispielsweise ein Diodenlaser, der einen Fokussierungsstrahl b₃ aussendet. Dieser Strahl wird in einem sehr kleinen Winkel auf das Substrat durch ein reflektierendes Prisma 42 gerichtet. Der von dieser Fläche reflektierte Strahl wird zu einem Retroreflektor 44 durch ein Prisma 43 gerichtet. Das Element 44 reflektiert den Strahl in sich selbst, so daß dieser Strahl b3' noch einmal die gesamte Bahn über Reflektionen an dem Prisma 43, der Substratfläche und dem Prisma 42 durchläuft. Der Strahl b'₃ erreicht das strahlungssensitive Erfassungssystem 46 über ein teilweise reflektierendes Element 41 und ein reflektierendes Element 45. Dieses System enthält beispielsweise einen positionsabhängigen Detektor oder zwei getrennte Detektoren. Die Position des Strahlungspunktes, der von dem Strahl b'₃ auf diesem System gebildet wird, ist abhängig von dem Ausmaß, in dem die Fokalebene des Projektionslinsensystems mit der Oberfläche des Substrats W zusammenfällt. Hinsichtlich einer ausführlichen Beschreibung des Fokusfehlererfassungsystems wird auf das US-Patent 4,356,392 Bezug genommen.
Um die X- und Y-Positionen des Substrattisches WT genau zu bestimmen, enthalten bekannte Projektionsgeräte ein Mehrachseninterferometersystem. Das US-Patent 4,251,160 beschreibt ein Zweiachsensystem, und das US-Patent 4,737,823 beschreibt ein Dreiachsensystem. In 1 ist ein solches Interferometersystem schematisch durch die Elemente 50, 51, 52 und 53 dargestellt, wobei die Figur nur eine Meßachse, die X-Achse, zeigt. Der Strahl b₄, der von einer Strahlungsquelle 50, beispielsweise einem Laser, abgegeben wird, wird in einen Meßstrahl b_4m und einen Referenzstrahl b_4,r durch einen Strahlteiler 51 geteilt. Der Meßstrahl erreicht eine reflektierende Seitenfläche 54 des Substrathalter WH, und der Meßstrahl, der von dieser Seitenfläche reflektiert wird, wird durch den Strahlteiler mit dem. Referenzstrahl kombiniert, der von einem stationären Reflektor 52, beispielsweise einem Eckkubusreflektor reflektiert wird. Die Intensität des kombinierten Strahles kann mit einem Detektor 53 gemessen werden, und die Verschiebung, in diesem Fall in der X-Richtung, des Substrathalters WH kann aus dem Ausgangssignal dieses Detektors abgeleitet werden, und außerdem kann eine augenblickliche Position dieses Halters aufgenommen werden.
Wie schematisch in 1 gezeigt, werden Interferometersignale, dargestellt durch ein Signal S₅₃ zum Zwecke der Vereinfachung, und Signale S₁₃ und S₁₃' des Ausrichtungssystems einer signalverarbeitenden Einheit SPU, beispielsweise einem Mikrocomputer zugeführt, der die Signale zu Steuersignalen SAC für einen Aktuator AC verarbeitet, mit dem der Substrathalter in der XY-Ebene über dem Substrattisch WT bewegt wird.
Bei einem Interferometersystem, das nicht nur die X-Meßachse gemäß 1 enthält, sondern auch eine Y-Meßachse und möglicherweise eine dritte Meßachse können die Positionen der gegenseitigen Abstände zwischen den Ausrichtungsmarken P₁, P₂ und M₁, M₂ in einem Koordinatensystem abgelegt werden, das von dem stationären Interferometersystem während der anfänglichen oder globalen Ausrichtung der Marke gegenüber dem Substrat definiert wird. Dieses Interferometersystem wird auch verwendet, damit der Substrattisch sehr genau fortschreiten kann, beispielsweise über vorbestimmte Strecken und Richtungen bewegt werden kann. Ein solcher Schritt wird durchgeführt, um ein nachfolgendes IC-Feld unter dem Maskenmuster zu positionieren, und das Projektionslinsensystem hinter dem Maskenmuster ist mit einem (oder mehreren) Blitzen in einem ersten IC-Bereich oder Feld abgebildet worden, so daß das Maskenmuster auch in diesem Feld abgebildet werden kann. Diese Schritt- und Abbildungsvorgänge setzen sich fort, bis alle IC-Felder mit einem Maskenmusterbild versehen sind. Ein lithographisches Gerät, das auf diese Weise arbeitet, wird als Schrittgerät bezeichnet.
Wegen des Bedarfs nach mehr elektronischen Komponenten pro Flächeneinheit eines IC-Feldes einerseits und nach größeren IC-Feldern andererseits ergeben sich zunehmend striktere Anforderungen an das Auflösungsvermögen und das Abbildungsfeld des Projektionslinsensystems. Um diese technologisch einander entgegenstehenden Anforderungen zu erfüllen, ist bereits ein Schritt- und Abtastgerät vorgeschlagen worden. In einem solchen Gerät werden dieselben Schrittbewegungen wie in einem Schrittgerät durchgeführt, aber zu jeder Zeit wird nur ein kleiner Teil des Maskenmusters auf einem zugehörigen Subfeld des IC-Feldes abgebildet, wenn das Maskenmuster auf einem IC-Feld abgebildet wird. Durch Abbilden von aufeinanderfol genden Teilen des Maskenmusters auf aufeinandenfolgenden Subfeldern des IC-Bereichs wird eine Abbildung des gesamten Maskenmusters auf einem IC-Feld erhalten. Zu diesem Zweck wird das Maskenmuster mit einem Projektionsstrahl beleuchtet, der einen kleinen, beispielsweise rechteckigen oder gewölbten Beleuchtungsfleck an der Stelle des Maskenmusters bildet, und der Substrattisch wird in einer vorgegebenen Richtung bewegt, der Abtastrichtung, gegenüber dem Projektionslinsensystem und dem Projektionsstrahl, und der Maskentisch wird in derselben oder entgegengesetzten Richtung bewegt, während die Geschwindigkeit des Substrattischs das M-fache von der des Maskentischs beträgt. M ist die Vergrößerung, mit der das Maskenmuster abgebildet wird. Es sollte sichergestellt sein, daß die Maske und das Substrat in jedem Augenblick die korrekte gegenseitige Position haben, was mit einer sehr genauen Synchronisation der Bewegungen der Maske und des Substrats realisiert werden kann, d. h. die Geschwindigkeit V_Sub des Substrats ist immer gleich dem M-fachen der Geschwindigkeit V_MA der Maske.
Um die Bedingung V_Sub = M.V_MA zu überprüfen, sollte der step-and-scanner nicht nur ein Substratinterferometersystem enthalten, sondern auch ein Maskeninterferometersystem, mit dem die Bewegung und die Position der Maske genau gemessen werden kann. Der Meßspiegel des zuletzt erwähnten Systems ist bevorzugt an dem Maskenhalter befestigt. Das Maskeninterferometersystem ist in 1 durch die Elemente 60, 61, 62, 63 und 64 bezeichnet und hat dieselbe Funktion wie die Elemente 50, 51, 52, 53 und 54 des Substratinterferometersystems. Die Maskeninterferometersystemsignale, in 1 zur Vereinfachung durch ein Signal S₆₃ dargestellt, werden der signalverarbeitenden Einheit SPU zugeführt, in der diese Signale mit den entsprechenden Signalen des Substratinterferometersystems verglichen werden. Es kann dann festgestellt werden, ob die Maske und das Substrat die korrekte gegenseitige Position haben und/oder sich synchron bewegen.
Wenn die gemessenen Positionen in der X- und Y-Richtung der Maske durch X_M, Y_M und diejenigen des Substrats durch X_W, Y_W und die Rotation der Z-Achse durch φz,r und φz,w dargestellt sind, sind die folgenden Bedingungen erfüllt, wenn die Maske und das Substrat korrekt zueinander positioniert sind: Xw – MXr = 0 (1) Yw – Myr = 0 (2) φz.m – φz.r = 0 (3)wobei M die Vergrößerung des Projektionslinsensystems ist. Es ist angenommen worden, daß die Maske und das Substrat sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Wenn diese Elemente sich in derselben Richtung bewegen, muß das Minuszeichen durch ein Pluszeichen in den oben erwähnten Bedingungen ersetzt werden.
Um zu überprüfen, ob diese Bedingungen erfüllt sind, ist es ausreichend, daß beide Interferometersysteme für das Substrat und die Maske drei Meßachsen haben. Jedoch hat das Substratinterferometersystem vorzugsweise fünf Meßachsen. Wie in EP-A-0 498 499 beschrieben, können nicht nur X, Y und φ_z,w, sondern auch φ_x,w und φ_y,w, d. h. die Neigungen des Substrats um die X-Achse und die Y-Achse gemessen werden. Hinsichtlich anderer Ausführungsformen der Interferometereinheiten des fünfachsigen Interferometersystems wird auf EP-A-0 498 499 Bezug genommen. Um die Neigungen um die X-Achse und die Y-Achse auch für die Maske messen zu können, kann ein fünfachsiges Maskeninterferometersystem verwendet werden. Es ist jedoch alternativ möglich, ein dreiachsiges Maskeninterferometersystem mit anderen Sensoren zu kombinieren, beispielsweise kapazitive Sensoren, um die Neigungen der Maske um die X-Achse und die Y-Achse zu messen.
Wenn X_w, Y_w, φ_xw, φ_yw, und X_r, Y_r, φ_x,r φ_y,r gemessen werden und, mit Hilfe des Fokuserfassungssystems Z_w und Z_r, d. h. die Positionen entlang der Z-Achse des Substrats und der Maske, kann überprüft werden, ob nicht nur die Bedingungen (1), (2), und (3), sondern auch die folgenden Bedingungen erfüllt sind: MzZw – Zr = 0 (4) M.φx,w – φx,r = 0 (5) M.φy,w – φy,r = 0 (6)
In anderen Worten, ob der gegenseitige Abstand in der Z-Richtung der Maske und der Substratfläche korrekt ist (4) und ob das Substrat und die Maske nicht gegeneinander um die X-Achse (5) und um die Y-Achse (6) gekippt sind.
Eine Ausführungsform eines Interferometersystems mit drei Meßachsen, bei dem die Bewegungen und die Positionen des Substrats oder der Maske entlang der X-Achse und der Y-Achse gemessen werden können, sowie eine Rotation des Substrats oder der Maske um die Z-Achse, ist in dem Artikel Linear/angular displacement interferometer for wafer stages metrology in SPIE, Band 1088: Optical/Laser Microlithography, Seiten 268–272, beschrieben. 2 zeigt das Diagramm eines solchen Interferometersystems zusammen mit dem Substrathalter WH. Das zusammengesetzte Interferometersystem enthält einen Laser 70, beispielsweise einem Helium-Neonlaser, zwei Strahlteiler 71 und 72 und drei Interferometer-einheiten 73, 74 und 75. Ein Teil des Strahls b₅ von dem Laser wird von dem Strahlteiler 71 als Strahl b₆ zu der Interferometereinheit 73 reflektiert, die mit dem Spiegel R₁ des Substrathalter WH zusammenarbeitet. Der Strahl b₇, der von dem Strahlteiler 71 kommt, wird von dem Strahlteiler 72 in einen Strahl b₈, der zu der Interferometereinheit 74 reflektiert wird, und einen Strahl b₉ geteilt, der zu der Interferometereinheit 75 gelangt. Die Interferometereinheit 74 arbeitet mit dem Meßspiegel R₁ zusammen, während die Interferometereinheit 75 mit dem Meßspiegel R₂ zusammenarbeitet.
3 zeigt das Prinzip der Interferometereinheit 73. Diese Einheit enthält einen Strahlteiler 80, beispielsweise einen teilweise transparenten Spiegel, der den ankommenden Strahl b₆ in einen Meßstrahl b_6m und einen Referenzstrahl b_6r aufteilt. Der Meßstrahl verläuft zu dem Substrathalterspiegel R₁, der diesen Strahl zu dem Strahlteiler 80 reflektiert, der seinerseits einen Teil des Strahls b_6m zu einem Detektor 76 reflektiert. Der Referenzstrahl b_6r, der von dem Strahlteiler 80 reflektiert ist, wird durch einen fest angeordneten Referenzspiegel 81 zu dem Strahlteiler 80 reflektiert, der einen Teil dieses Strahls zu dem Detektor 76 leitet. Wenn der Substrathalterspiegel in der X-Richtung bewegt wird, treten konstruktive und destruktive Interferenzen abwechselnd zwischen den Strahlen b_6m und b_6r, die auf den Detektor 76 fallen, auf, so daß das Ausgangssignal dieses Detektors von einem Maximumwert und umgekehrt verläuft, wann immer der Substrathalter über eine Strecke von λ/4 verschoben wird, wobei λ die Wellenlänge des Strahls b₆ ist. Die gemessene Anzahl von Maxima und Minima des Detektorsignals S₇₆ ist eine Messung der Verschiebung des Substrathalters in der X-Richtung. Bewegungen des Spiegels R₁, die viel kleiner sind als λ/4, beispielsweise bis zu λ/128 oder sogar λ/512, können unter Verwendung elektronischer Interpolationsmethoden gemessen werden, die in der Interferometertechnik bekannt sind.
Die Interferometereinheiten 74 und 75 haben dieselbe Konstruktion und arbeiten auf dieselbe Weise wie die Interferometereinheit 73. Die Bewegung des Maskenhalters in der Y-Richtung wird mittels der Interferometereinheit 75 und dem zugehörigen Detektor 78 gemessen. Eine zweite Messung in der X-Richtung wird mit der Interferometereinheit 74 und dem zugehörigen Detektor 78 ausgeführt. Die Rotation des Halters um die Z-Achse wird aus den Signalen S₇₆ und S₇₇ berechnet. Diese Rotation ist gegeben durch:
wobei d der Abstand zwischen den Punkten ist, an denen die Hauptstrahlen der Meßstrahlen b_6m und b_6r auf den Spiegel R₁ auftreffen.
Es wird angemerkt, daß 3 nur das Prinzip einer Interferometereinheit zeigt. In der Praxis werden ein polarisationssensitiver Strahlteiler 80 und eine Anzahl von λ/4 Platten, durch die Elemente 82 und 83 in 3 dargestellt, für das Strahlteilen und die Kombination verwendet. Dann ist der Strahlungsverlust minimal, was insbesondere dann wichtig ist, wenn nur ein Laser 70 für die verschiedenen Interferometereinheiten verwendet werden soll. Ein Zeeman Laser wird bevorzugt als Strahlungsquelle verwendet, die einen Strahl mit zwei zueinander senkrecht polarisierten Komponenten und unterschiedlichen Frequenzen abgibt. Die Strahlkomponenten bilden dann den Meßstrahl und den Referenzstrahl, und die Messung basiert dann auf einer Phasenmessung. Außerdem können Retro-reflektoren, die in dem genannten Artikel in SPIE, Band 1088, Optical Laser Microlithography II, Seiten 268–272 beschrieben sind, in die Interferometereinheiten eingebaut sein, wobei die Retroreflektoren einen Meßstrahl nach Reflektion durch einen Meßspiegel zu diesem Meßspiegel wieder reflektieren, so daß die mit dem relevanten Interferometer durchgeführte Messung unabhängig von einer Neigung des relevanten Meßspiegels ist.
Damit die X-, Y- und φ_z-Messung an dem Substrat mit gewünschter Genauigkeit mittels eines dreiachsigen Interferometersystems durchgeführt werden kann, sollten die folgenden zwei Bedingungen erfüllt sein:

1. Die Hauptstrahlen der Interferometerstrahlen müssen in einer Ebene angeordnet sein, die mit der Oberfläche des Substrats übereinstimmt.
2. Während der Verschiebungen entlang der X-Achse und der Y-Achse und der möglichen Rotation um die Z-Achse muß der Substrathalter in den übrigen Freiheitsgraden φ_x,w und φ_y,w fixiert sein.

Wie in EP-A-0 498 499 beschrieben, können diese Bedingungen, die kaum oder nicht leicht in der Praxis zu erfüllen sind, durch Verwendung eines fünfachsigen Interferometersystems umgangen werden, mit dem mehr Bewegungen des Substrats gemessen werden können, so daß dies die Möglichkeit einer genaueren Messung der X- und Y-Bewegungen bietet.
4 zeigt das Prinzip eines solchen Systems zum Messen der fünf Freiheitsgrade: X, Y, φ_xw, φ_yw, und φ_zw, wobei der Substrathalter mit einem integrierten Spiegelblock versehen ist, der aus zwei Spiegeln R₁ und R₂ besteht. Das System enthält beispielsweise zwei Interferometereinheiten 100 und 150, zu denen die Strahlen b₂₀ und b₃₀ geschickt werden. Diese Strahlen werden von einem Laser 50 abgegeben, beispiels weise einem Helium-Neon-Laser, entweder von dem Zeeman-Typ oder nicht. Der Strahl b₁₀, der von diesem Laser kommt, passiert zuerst ein strahlerweiterndes optisches System, das schematisch durch die Linse 90 dargestellt ist, und wird anschließend von dem Strahlteiler 92 in zwei Strahlen b₂₀ und b₃₀ geteilt. Die Elemente 91, 93 und 94 sind Reflektoren, die sicherstellen, daß die Strahlen so abgelenkt werden, daß sie in den korrekten Winkeln in die Interferometereinheiten 100 und 150 einfallen. Die Interferometereinheit 100 kann so verwirklicht sein, daß sie drei Meßstrahlen entlang der Meßachsen MAX1, MAX2 und MAX3 in Richtung des Meßspiegels R₁ abgibt und diese drei Strahlen von diesem Spiegel empfängt. Mit diesen Strahlen kann die Verschiebung in der X-Richtung geliefert von dem Signal einer der Achsen MAX1 und MAX2, das Kippen um die y-Achse, aus der Differenz des Signals, das durch die Meßachse MAX3 und des Signals einer der Meßachsen MAX1 und MAX2 und die Drehung um die Z-Achse aus der Differenz der Signale der Meßachsen MAX1 und MAX2 gemessen werden. Die zweite Interferometereinheit sendet zwei Meßstrahlen entlang der Meßachsen MAX4 und MAX5 zu dem Meßspiegel R₂ aus und empfängt diese Strahlen von diesem. Mit diesen Strahlen kann die Verschiebung des Substrathalters und damit des Substrats in der Y-Richtung aus dem Signal einer der Meßachsen MAX4 und MAX5 und die Neigung um die X-Achse aus der Differenz der Signale diese Meßachsen gemessen werden. Die Meßachsen MAX 5 und MAX 3 sind gegenüber den Meßachsen MAX4 und den Meßachsen MAX1 und MAX2 in der Z-Richtung verschoben, während die Meßachse MAX1 gegenüber der Meßachse MAX2 in der X-Richtung verschoben ist. Es ist ferner sichergestellt, daß die Meßachsen MAX1, MAX2 und MAX4 so dicht wie möglich zu der Fläche des Substrathalters positioniert sind, so daß die Abbe-Fehler minimal sind und die gemessenen X- und Y-Verschiebungen optimal gleich den tatsächlichen Verschiebungen des Substrats sind.
Die Interferometereinheiten 100 und 150 können auf verschiedene Arten verwirklicht sein. Hinsichtlich Einzelheiten wird auf EP-A-0 498 499 hingewiesen. Gemäß der Erfindung hat das Substratinterferometersystem auch wenigstens eine Z-Meßachse, die mit einem Z-Meßspiegel zusammenarbeitet, der fest an dem Substrathalter angebracht ist. Die Z-Position des Substrats kann hierdurch auch mit dem Interferometersystem gemessen werden. Diese Z-Messung kann als Zusatz zu oder als Ersatz zu der oben beschriebenen Z-Messung mittels des Fokusfehler-erfassungssystems oder des Fokus-und-Nivelliererfassungssystems dienen.
Die Z-Meßachse des neuen Interferometersystems kann die Meßachse einer getrennten Interferometereinheit sein. Jedoch ist die Z-Meßachse bevorzugt eine zusätzliche Meßachse einer Interferometereinheit, die bereits vorhanden ist, beispielsweise Interferometereinheit 100, die schematisch in einer Vorderansicht in 5 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine Seitenfläche 159 des Substrathalters WH mit einem abgeschrägten und reflektierenden Abschnitt 160 versehen. Dieser Abschnitt bildet einen Z-Meßspiegel R₃. Der reflektierende aufrechte Abschnitt 161 der Seitenfläche hat dieselbe Funktion wie der aufrechte Spiegel R₁ in 4. Die Interferometereinheit 100 enthält nicht nur die Meßachsen MAX2 und MAX3, sondern auch eine Z-Meßachse MAX7, die so nah wie möglich zu der Oberseite des Substrathalters positioniert ist. Der Meßspiegel R₃ reflektiert den Meßstrahl von der Meßachse MAX7 zu einem weiteren Reflektor, dem Z-Reflektor 164, der an einer Platte 163 angebracht ist, die fest an dem Halter LH des Projektionssystems befestigt ist und einen Teil eines größeren Metrologierahmens bilden kann. Der Z-Reflektor reflektiert den Meßstrahl zu dem Meßspiegel R₃, der seinerseits den Meßstrahl zu der Interferometereinheit 100 reflektiert. Die Einheit enthält einen getrennten Detektor für den Z-Meßstrahl, dessen Ausgangssignal zusammen mit anderen Signalen verarbeitet wird, um ein Z-Meßsignal zu bilden.
Der Z-Meßspiegel 160 (R₃ in 5) ist in einem Winkel von 45° zu der XY-Ebene angeordnet, in der Ebene, in der sich die X- und Y-Meßstrahlen ausbreiten. Im Prinzip kann sich der Z-Meßspiegel auch in einem anderen spitzen Winkel zu der XY-Ebene erstrecken. Der Winkel von 45° ist jedoch bevorzugt, weil der Z-Meßstrahl dieselbe Bahn zu und von dem Z-Reflektor 164 durchläuft, und der Z-Meßspiegel kann dann eine minimale Breite haben.
Wenn die Signale, die von den Meßachsen MAX2, MAX3 und MAX7 kommen, mit X₂, X₃ und Z₁ bezeichnet werden, sind die X-Position und die Z-Position in einem System, in dem auch die Neigung φ_y um die Y-Achse gemessen wird, gegeben durch
Z = Z1 – X + c.φy (9)wobei
wobei
a der Abstand zwischen den zwei X-Meßachsen,
b der Abstand zwischen der Oberseite 162 des Substrathalters und der Mitte der zwei X-Meßachsen und
c der Abstand zwischen der Z-Meßachse und der Oberseite 162 sind.
Bei dieser Ausführungsform des Interferometersystems, bei der die Z-Meßstrahlen auf den Z-Meßspiegel an einer Position auftreffen, die nahe der Oberseite des Substrathalters und damit nahe dem Substrat ist, haben mögliche Neigungen des Substrats einen vernachlässigbaren Einfluß auf die gemessene Z-Position des Substrats.
Mit dem Z-Meßstrahl ist ein Referenzstrahl verbunden, der nach Reflektion durch einen Referenzspiegel an dem Z-Detektor mit dem Meßstrahl kombiniert wird, der von dem Z-Meßspiegel 160 und dem Z-Reflektor 160 reflektiert ist. Dieser Referenzspiegel kann ein stationärer Spiegel innerhalb der Interferometereinheit 100 sein. Das von dem Z-Detektor gelieferte Signal enthält dann nicht die reine Z-Positionsinformation, sondern die Z-Positionsinformation ist gemischt mit X-Positionsinformation in diesem Signal. Zum Erhalten eines reinen Z-Positionssignals muß die X-Positionsinformation aus dem Detektorsignal entfernt werden, d. h. von diesem Signal substrahiert werden oder in anderen Worten: Es muß eine elektronische Differenziation erfolgen.
Anstelle eines getrennten und stationären Z-Referenzspiegels wird der X-Meßspiegel 161 bevorzugt als Referenzspiegel für die Z-Messung verwendet, wie 5 zeigt. Der Referenzstrahl b_zr, der von diesem Spiegel reflektiert ist, enthält dann die X-Positionsinformation, so daß die Kombination an dem Z-Detektor dieses Referenzstrahls mit dem Z-Meßstrahl zu dem Ausgangssignal dieses Detektors führt, das ein reines Z-Positionssignal ist. Somit wird eine optische Differenziation ausgeführt, die im Vergleich zu einer elektronischen Differenziation den Vorteil hat, daß sie nicht durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit von elektronischen Schaltungen beschränkt ist. Die optische Differenziation, somit die Benutzung eines X- oder Y-Meßspiegels als Referenzspiegel für die Z-Messung, kann auch in den Ausführungsformen verwendet werden, die noch beschrieben werden.
6 zeigt eine Ausführungsform des Interferometersystems, mit dem zwei Z-Messungen ausgeführt werden. Zu diesem Zweck ist die Seitenfläche 165 des Substrathalters WH gegenüber dem ersten Z-Meßspiegel R₃ ebenfalls abgeschrägt und mit einem Z-Meßspiegel R₄ versehen. Dieser Spiegel arbeitet mit einem zweiten Z-Meßstrahl zusammen, der sich entlang der Z-Meßachse MAX8 erstreckt. Der zweite Z-Meßstrahl wird von dem Meßspiegel R₄ zu einem zweiten Z-Reflektor 168 reflektiert, der an der Unterseite der Platte 163 angeordnet ist. Der zweite Z-Meßstrahl wird von dem Z-Reflektor 168 zu dem Meßspiegel R₄ reflektiert, der seinerseits den Meßstrahl zu einem Detektor reflektiert, der mit der Meßachse MAX 8 verbunden ist. Durch Addieren der Signale, die von den Meßachsen MAX 7 und MAX8 geliefert werden, kann die durchschnittliche Z-Position des Substrats bestimmt werden. Der Wert für die Z-Position wird unabhängig von der X-Position des Substrathalters erhalten.
Mit der Ausführungsform gemäß 6 kann auch ein Signal erhalten werden, das eine Neigung des Substrats um die Y-Achse anzeigt. Dieses Signal ist proportional der Differenz der Signale, die von den MAX 7 und MAX8 Meßachsen geliefert werden.
Bei der Ausführungsform der 6 ist eine getrennte Interferometereinheit 180 erforderlich, die mit einer zusätzlichen Strahlungsquelle versehen ist und den zweiten Z-Detektor enthält. 7 zeigt eine Ausführungsform des Interferometersystems, bei dem keine zusätzliche Interferometereinheit erforderlich ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Meßstrahl für die MAX8-Meßachse von der Interferometer-einheit 100 geliefert, die auch den zweiten Z-Detektor enthält. Der Meßstrahl für die MAX8 Meßachse durchläuft den Raum zwischen dem Substrat und der Projektions-linse und wird von einem dachförmigen Reflektor 170 mit zwei reflektierenden Flächen 171 und 172 zu dem Meßspiegel R₄ reflektiert. Der Spiegel R₄ reflektiert den Meßstrahl zu dem Z-Reflektor 168, der seinerseits den Meßstrahl zu dem Meß-spiegel R₄ reflektiert, wobei dieser Strahl die umgekehrte Bahn zu der Detektoreinheit 100 durchläuft. In dieser Einheit wird der Meßstrahl von dem oben erwähnten zweiten Detektor empfangen.
Die Z-Meßspiegel R₃ und R₄ erstrecken sich in der Y-Richtung, die senkrechte Richtung zu der Ebene der Zeichnung der 5, 6 und 7, über die Länge des Substrathalters. Das lithographische Gerät ist ein step-und-scanner, die Y-Richtung ist die Scannerrichtung, so daß die Z-Messung über die Scannerlänge erfolgen kann.
Im Prinzip ist die Breite der Z-Meßspiegel gleich dem Durchmesser des Querschnitts des Z-Meßstrahls im Bereich dieses Spiegels oder etwas größer, wenn der Strahl die Bahn zu dem Z-Reflektor zweimal durchläuft. Dies bedeutet, daß diese Breite begrenzt werden und daß die Fläche des Z-Meßspiegel klein bleiben kann. Infolge ihrer kleinen Gesamtfläche können die Meßspiegel in der Praxis mit der gewünschten Oberflächengenauigkeit hergestellt werden.
Wie 7 zeigt, gibt es einen vorbestimmten Abstand f zwischen der Hauptachse AA' des Projektionslinsensystems PL und dem Ende des Z-Reflektors 168. Dieser Abstand liegt beispielsweise in der Größenordnung von 70 mm. Damit eine Z-Messung auch in einer extremen X-Position des Substrathalters WH ausgeführt werden kann, in der der äußerste rechte Abschnitt des Substrats beleuchtet wird, wie 8 zeigt, sollte der Abstand h zwischen der Achse AA' und dem Meßspiegel R₄ wenigstens gleich dem Abstand f für diese Position sein. Dies kann bedeuten, daß zum Zwecke der Z-Messung die Breite des Substrathalters in der X-Richtung um einen vorgegebenen Wert erhöht werden sollte. Wenn zusätzlich zu einer Z-Messung über die MAX8-Meßachse auch eine Z-Messung über die MAX7-Meßachse durchgeführt wird, sollte die Breite des Substrathalters um das zweifache dieses Wertes erhöht werden. Da der Substrathalter auch eine vorgegebene Höhe haben sollte, damit sowohl der Z-Meßspiegel und die X- und Y-Meßspiegel an seinen Seitenflächen angeordnet werden können, wird eine größere Abmessung in der X-Richtung das Gewicht des Halters beträchtlich erhöhen. Dies ist weniger wünschenswert wegen der erforderlichen Antriebskräfte für den Halter und wegen den Stabilitätsanforderungen. Ein Z-Meßspiegel ist deshalb vorzugsweise an einem stabförmigen Element angeordnet, das eine abgeschrägte Seitenfläche hat, wobei das Element starr mit dem Substrathalter verbunden ist.
8 zeigt eine Ausführungsform des Interferometersystems, bei dem zwei Z-Meßspiegel R₃ und R₄ an stabförmigen Elementen 191, 192 angeordnet sind. Nun ist die erforderliche Breite für einen Meßspiegel ebenfalls gleich oder etwas größer als der Durchmesser des Querschnitts des Meßstrahls im Bereich dieses Spiegels, so daß die Abmessung in der Z-Richtung des stabförmigen Elementes beschränkt werden kann. Das zusätzliche Gewicht für den Substrathalter, um diesen geeignet zur Durchführung der beschriebenen Z-Messung zu machen, ist hierdurch begrenzt. Wie 8 zeigt, sind zwei Z-Meßspiegel an dem unteren Teil des Substrathalters angeordnet. Infolgedessen können die X-Meßachsen, die mit der Interfero-metereinheit 100 verbunden sind, nahe der Oberseite des Substrathalters positioniert werden, so daß die Gefahr von Abbe-Fehlern für diese Meßachse reduziert werden kann. Außerdem ist dann ein maximaler Abschnitt der Seitenflächen des Substrathalters und ein maximaler Raum zwischen dem Projektionssystem und dem Substrathalter verfügbar, um Messungen außer den beschriebenen Messungen, die irrelevant für die vorliegende Erfindung sind, durchzuführen. Die Punkte an dem Substrathalter WH, die in 8 mit MAX4 und MAX5 markiert sind, sind die Positionen, an denen die Meßstrahlen der Interferometereinheit 150 (4), zu der die Meßachsen MAX4 und MAX5 gehören, auf den X-Meßspiegel auftreffen, der an dieser Seitenfläche des Substrathalters angeordnet ist.
In 8 sind die Referenzstrahlen, die zu den Meßachsen MAX7 und MAX8 gehören und zu den X-Meßspiegel 190 und 193 führen, mit b_z1r b_z2r bezeichnet. Wie oben beschrieben, werden diese Referenzstrahlen verwendet, um die optische Differenziation durchzuführen. Diese optische Differenziation ist insbesondere wichtig, wenn – wie in der Praxis gewünscht – der Substrathalter mit großen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bewegt wird. Dann ändern sich die Detektorsignale sehr schnell. Um ausreichend genaue und zuverlässige Messungen zu erhalten, müßte das Interferometersystem mit sehr schnellen signalver-arbeitenden Schaltungen versehen sein, wenn Z-Referenzstrahlen verwendet werden, die nicht zu X- oder Y-Meßspiegeln führen. Dies ist nicht nötig, wenn die optische Differenziation angewandt wird.
8 zeigt den Projektionsstrahl PB. Im Falle eines step-and-scanning lithographischen Gerätes hat dieser Strahl einen länglichen, beispielsweise einen rechtwinkligen Querschnitt im Bereich des Substrats, dessen Längsrichtung parallel zu der X-Richtung ist. Bei jeder Abbildung des Maskenmusters auf einem IC-Feld des Substrats wird dieser Strahl in der Y-Richtung über das Substrat bewegt, in dem die Maske und das Substrat in der Y-Richtung bezüglich des Projektionsstrahls und des Projektionslinsensystems bewegt werden.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Interferometersystem drei Z-Meßachsen und der Substrathalter ist mit drei Z-Meßspiegeln versehen.
9 ist eine sehr schematische Aufsicht des Substrathalters mit drei Z-Meßspiegeln R₃, R₄ und R₅ und den zugehörigen Z-Meßachsen MAX7, MAX8 und MAX10. Da die Z-Position des Substrats an drei Punkten bezüglich ein und derselben Referenz, der reflektierenden Unterseite der Platte 163, gemessen wird, können die vereinigten Z-Meßachsen nicht nur Informationen über die Z-Position, sondern auch über mögliche Neigungen um die X-Achse und die X-Achse des Substrats liefern. Diese Neigungsmessungen können diese Messungen mit der Hilfe der Meßachsen MAX3 und MAX5 ersetzen, so daß die gesamte Anzahl von Meßachsen auf sechs reduziert werden kann. Es ist jedoch alternativ auch möglich, die Neigungsmessungen mittels der Z-Meßachsen als zusätzliche Messungen zu verwenden, beispielsweise zum überprüfen der Neigungsmessungen mittels der MAX3 und MAX4 Meßachsen.
10 zeigt eine Ausführungsform einer Interferometereinheit, beispielsweise die Einheit 100 der 4, die mit einer Z-Meßachse versehen ist. Diese Einheit enthält einen polarisationssensitiven Strahlteiler 201, zwei λ/4-Platten 203, 204, einen Referenzreflektor 205, zwei Retroreflektoren 206, 207, ein zusammengesetztes Prisma 208 und zwei Detektoren 213, 215. Die zwei Detektoren können auf der Ebene 95 der Interferometereinheit 100 gemäß 4 angeordnet werden. Die Interferometereinheit ist von dem Überlagerungstyp. Der Strahl b₂₀ kommt von einem Helium-Neon-Laser, der als ein Zeeman-Laser verwirklicht ist. Ein solcher Laser liefert einen Strahl mit zwei zueinander senkrecht polarisierten Komponenten, die eine optische Frequenzdifferenz von beispielsweise 6 MHz haben. Diese zwei Komponenten sind in 10 in durchgezogenen und gestrichelten Linien dargestellt. Diese Strahlungskomponenten können auch mit der Kombination eines normalen Lasers, Strahlteiler und akusto-optischen Modulatoren erhalten werden, wie in US-A-5,485,272 beschrieben.
Der Strahl b₂₀, der in das Prisma 201 eintritt, wird in einen Meßstrahl b_20M und einen Referenzstrahl b_20r durch das polarisationssensitive Interface 202 geteilt. Der Strahl b_20m verläuft zu dem Meßspiegel R₁ des Substrathalters und wird an der Position P_x1 durch diesen Spiegel reflektiert. Eine λ/4-Platte 203 gewährleistet, daß die Polarisationsrichtung des reflektierten Meßstrahls, der die λ/4-Platte zweimal durchlaufen hat, um 90° gegenüber der Polarisationsrichtung des ankommenden Strahls b₂₀ gedreht wird, und ist zwischen dem Prisma 201 und dem Spiegel R₁ angeordnet. Der reflektierte Meßstrahl wird dann von der Grenzfläche 202 zu einem Retroreflektor 206 beispielsweise in der Form eines dreidimensionalen Eckkubus-prisma reflektiert. Der von diesem Prisma reflektierte Strahl wird danach von der Grenzfläche 202 reflektiert und als Meßstrahl b'_20m wieder zu dem Meßspiegel R₄ geschickt und von diesem Spiegel an der Position P_x2 wiederum zu dem Prisma 201 reflektiert. Dieser Strahl hat dann wieder die λ/4-Platte 203 wieder zweimal durchquert, so daß seine Polarisationsrichtung wieder um 90° gedreht ist, und der Strahl verläuft durch die Grenzfläche 202. Der Strahl b'20m erreicht danach das Prismensystem 208 und wird von dessen Fläche 209 reflektiert und erreicht schließlich einen strahlungssensitiven Detektor 213 über einen Polarisations-analysator 212.
Der von der Grenzfläche 202 reflektierte Referenzstrahl b_20r durchläuft die λ/4-Platte 204, wird von dem Referenzreflektor 205 reflektiert und durchläuft die λ/4-Platte ein zweites Mal. Die Polarisationsrichtung des Strahls b_20r, der auf die Grenzfläche 202 fällt, wird um 90° gedreht, so daß dieser. Strahl zu dem Retroreflektor 206 verläuft. Dieser Strahl b'_20r, der von diesem Element reflektiert wird, wird wieder als Referenzstrahl zu dem Referenzreflektor 205 geschickt und von diesem Reflektor zu der Grenzfläche 202 reflektiert, wobei die Polarisationsrichtung wieder um 90° gedreht wird. Die Grenzfläche reflektiert danach den Strahl zu dem Prismensystem 208, dessen Fläche 209 den Strahl b'_20r zu dem Detektor 213 reflektiert. Die Polarisationsrichtung des Analysators 212 erstreckt sich über einen Winkel von 45° zu den zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen der Strahlen b'_20m und b'_20r. Die Komponenten dieser Strahlen haben dieselbe Polarisationsrichtung und interferieren miteinander. Das Ausgangssignal S₂₁₃ des Detektors 213 hat eine Intensitätsmodulation bei einer Frequenz, die gleich ist der Zeemann-Frequenzdifferenz plus oder minus einer Frequenzverlagerung, die abhängig ist von der Verschiebung des Meßspiegels R₁ in der X-Richtung.
Im Prinzip kann der Retroreflektor 206 auch weggelassen werden, so daß der Meßstrahl und der Referenzstrahl, die auf den Detektor 213 fallen, nur einmal von dem Substratmeßspiegel R₁ reflektiert würden. Die spezielle Ausführungsform der Interferometereinheit 100 in 10, bei der ein Retroreflektor 206 verwendet wird, um den Meßstrahl zweimal als Strahlen b_20m und b'_20m, auf den Meßspiegel zu reflektieren, hat den großen Vorteil, daß die Richtung des Meßstrahls b'_20m, der schließlich auf den Detektor 213 fällt, unabhängig von einer möglichen Rotation des Spiegels R₁ um eine Achse senkrecht zu der X-Achse ist. Das Signal S₂₁₃ enthält dann nur die rei ne X-Verschiebungsinformation. Aus demselben Grund hat eine mögliche Rotation des Referenzreflektors 205 keinen Einfluß auf das Signal S₂₁₃.
Die Rotation des Substrathalters um die Z-Achse, die senkrecht zu der Ebene der Zeichnung in 10 verläuft, kann auch mit Hilfe der Interferometereinheit der 10 gemessen werden. Dies wird durch eine zweite X-Messung an einer Position P_x3(P_x4) in einem maximalen Abstand von der Position P_x1(P_x2) realisiert, wo die erste X-Messung ausgeführt wird. Zu diesem Zweck wird die Fläche 210 des Prismensystems 208 als ein teilweise transparenter Spiegel ausgeführt, der einen Teil des Meßstrahls b'_20m und des Referenzstrahls b'_20r als neuen Referenzstrahl b_21r und neuen Meßstrahl b_21m zu dem strahlteilenden Prisma 201 sendet. Die Polarisationsrichtung der zwei Strahlen wird zuerst um 90° von einer λ/2-Platte gedreht, so daß die Funktionen dieser Strahlen ausgetauscht werden. Der Meßstrahl b_21m, verläuft zu dem Substratmeßspiegel R₁ durch die polarisations-sensitive Grenzfläche 202, während der Referenzstrahl b_21r zu dem Referenzreflektor 205 reflektiert wird. Die Bahnen, die von den Strahlen b_21m und b_21r durchlaufen werden, sind gleich denjenigen, die von den Strahlen b20m und 20m durchlaufen werden. Bevorzugt ist ein zweiter Retroreflektor 207 vorgesehen, der sicherstellt, daß der Meßstrahl und der Referenzstrahl ein zweites Mal zu dem Substratmeßspiegel R₁ und dem Referenzreflektor 205 als Strahlen b'_21m, und b'_21r geschickt werden. Über das Prismensystem 208 und einen zweiten Polarisationsanalysator 214 erreichen der Meßstrahl b'_21m und der Referenzstrahl b'_21r, ein zweites Mal reflektiert, einen zweiten Detektor 215, der diese Strahlen miteinander überlagert.
Das Ausgangssignal S215 dieses Detektors hat eine Intensitätsmodulation bei einer Frequenz, die gleich der Zeeman-Frequenzdifferenz plus oder minus einer Frequenzverlagerung ist, die jedoch nun abhängig ist von einer möglichen Rotation des Meßspiegels R₁ um die Z-Achse. Wenn eine solche Rotation auftritt, ist die Frequenzumwandlung zwischen dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl bei ihrem ersten Durchgang durch das System, bei dem Reflektionen an den Positionen P_x1 und P_x2 auftreten, verschieden von der Frequenzumwandlung bei dem zweiten Durchgang durch das System, bei dem Reflektionen an den Positionen P_x3 und P_x4 auftreten. Die Frequenzdifferenz, die mittels des Detektors 215 gemessen wird, ist die Differenz zwischen den Frequenzumwandlungen. Wenn der Substratmeßspiegel R₁ keine Rotation um die Z-Achse aufweist, ist die resultierende Frequenzdifferenz gleich null.
Zu der Art, in der die Signale S₂₁₃ und S₂₁₅ elektronisch verarbeitet werden können, um die X-Verschiebung und die Rotation φ um die Z-Achse des Substrathalters aus den Frequenzumwandlungen abzuleiten, wird beispielsweise auf den Artikel in SPIE, Band 1088 „Optical/Laser Microlithography", II, 1989, Seiten 268–272, hingewiesen.
Anstelle eines Strahls b20 mit zwei Frequenzkomponenten kann ein Strahl mit nur einer Frequenz verwendet werden, wobei die Verschiebung oder Rotation des Meßspiegels R₁ dann gemessen wird, indem die Phasendifferenz zwischen dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl bestimmt wird.
Gemäß der Erfindung kann die Interferometereinheit 100 so ausgedehnt werden, daß sie eine Z-Messung durchführen kann. 11 zeigt eine Ausführungsform in einem Querschnitt entlang einer XZ-Interferometereinheit 101, die mit einer Z-Meßachse versehen ist. Diese Einheit enthält beispielsweise eine erste Strahlungsquelle 225, die den Strahl b₂₀ für die X-Meßachsen MAX1 und MAX2 liefert und eine zweite Strahlungsquelle 229, die den Strahl b₂₅ für die Z-Meßachse MAX7 liefert.
Der Strahl b₂₅ wird von dem polarisationssensitiven teilenden Prisma 201 in einen Meßstrahl b_25m und einen Referenzstrahl b_25r geteilt. Der Meßstrahl b_25m wird von der Grenzfläche zu dem Z-Meßspiegel R₃ gelenkt. Dieser Spiegel reflektiert den Meßstrahl zu dem Z-Reflektor 164, der den Strahl zurück zu dem Meßspiegel R₃ schickt. Dieser Spiegel reflektiert den Strahl b_25m wieder zu der Grenzfläche 202. Seit dem zweiten Auftreffen auf die Grenzfläche hat der Strahl b_25m die λ/4Platte 203 zweimal durchlaufen, und somit ist die Polarisationsrichtung um 90° gegenüber der ursprünglichen Polarisationsrichtung des Strahls gedreht, und der Strahl b_25m wird von der Grenzfläche zu einem Z-Detektor 235 reflektiert.
Der Referenzstrahl b_25r wird von der Grenzfläche 202 zu dem Referenzreflektor 205 reflektiert und von diesem Reflektor zu der Grenzfläche reflektiert, an der dieser Strahl die λ/4Platte 204 zweimal durchläuft. Beim Auftreffen auf die Grenzfläche 202 ist die Polarisationsrichtung des Strahls b_25r um 90° gegenüber der ursprünglichen Polarisationsrichtung dieses Strahls gedreht, so daß der Strahl b_25r von der Grenzfläche zu dem Detektor 235 gelenkt wird. Ein Polarisationsanalysator 234 geht diesem Detektor voraus, so daß Komponenten der Strahlen b_25m und b_25r miteinander in dem Bereich des Detektors 235 interferieren können. Das Ausgangssignal S235 dieses Detektors hat eine Intensitätsmodulation bei einer Frequenz, die gleich der Zeemann-Frequenz plus oder minus einer Frequenzkomponente ist, die von der Verschiebung in der der Z-Richtung des Z-Meßspiegels gegenüber dem Z-Reflektor 164 abhängt. Zum Erhalten eines reinen Z-Positionssignals muß das X-Positionssignal des Detektors 213 oder 215 oder eine Kombination dieser Signale von dem Ausgangssignal des Detektors 235 abgezogen werden.
Die Punkte P_X1 und P_X3 in 11 sind die Punkte, an denen die X-Meßachsen den X-Meßspiegel schneiden. Da bei dieser Ausführungsform keine Retroreflektoren verwendet werden und die X-Meßstrahlen nur einmal von dem Meßspiegel R1 reflektiert werden, fallen die Meßachsen MAX1 und MAX2 mit den Hauptachsen dieser Meßstrahlen zusammen. Diese Meßstrahlen werden durch die Grenzfläche 202 zu den Detektoren 213 und 215 reflektiert, wo auch die zugehörigen Referenzstrahlen ankommen, nachdem sie von dem Referenzreflektor 205 reflektiert worden sind. Auch der Z-Meßstrahl durchläuft nur einmal die Bahn zu dem Z-Reflektor 164 und zurück über den Z-Meßspiegel, so daß auch die Meßachse MAX7 mit der Hauptachse des Z-Meßstrahls zusammenfällt.
Anstelle von zwei getrennten Strahlungsquellen kann die Kombination einer Strahlungsquelle und eines polarisationsneutralen Strahlteilers alternativ in der Interferometereinheit mit einer Z-Meßachse zur Lieferung der Strahlen b₂₀ und b₂₅ verwendet werden. Anstelle eines Strahls mit zwei Frequenzkomponenten kann ein Strahl mit nur einer Frequenz für jeden der Strahlen b₂₀ und b₂₅ verwendet werden. Die Ver schiebung des relevanten Meßspiegels wird dann gemessen durch Bestimmung der Phasendifferenz des zugehörigen Meßstrahls und des Referenzstrahls.
Wie schematisch mittels des Blocks 220 in 10 gezeigt ist, kann ein Meßstrahl b'_26m, der von dem Spiegel R1 reflektiert wird, ebenfalls als ein Z-Meßstrahl verwendet werden. Zu diesem Zweck ist die Fläche 209 des Prismensystems 208 als ein teilweise transparenter Reflektor verwirklicht, der einen Teil der Strahlen b'_26m und b'_26r hindurchläßt. Ein Reflektorsystem 220 ist in der Bahn der durchgelassenen Strahlkomponenten angeordnet, die als Z-Meßstrahl und Referenzstrahl b_26m und b_26m verwendet werden. Dieses System reflektiert die Strahlen b_26m und b_26r zu dem Strahlteiler 201 und verschiebt die Strahlen parallel zu sich selbst in der Z-Richtung, so daß die Strahlen in einer zweiten XY-Ebene verlaufen, die vor der Ebene der Zeichnung in 10 angeordnet ist, so daß der Z-Meßstrahl den Z-Meßspiegel R₃ erreichen kann. Diese zweite XY-Ebene ist in 12 gezeigt, zusammen mit dem Z-Meßstrahl b_26m und dem Z-Referenzstrahl b_26r.
Die Bahn der Strahlen b_26m und b_26r enthält vor dem Strahlteiler 201 eine λ/2Platte 224, die die Polarisationsrichtung dieser Strahlen um 90° dreht, so daß die Funktionen des Referenzstrahls und des Meßstrahls ausgetauscht sind. Bevorzugt ist ein Retroreflektor 228 für den Z-Meßstrahl vorgesehen, so daß dieser Strahl zweimal als Strahlen b_26m und b'_26m an den Positionen P und P durch den Z-Meßspiegel zu dem Z-Reflektor 164 reflektiert wird, und der Referenzstrahl ist zweimal als Strahlen b_26r und b'_26r von dem Referenzspiegel 205 reflektiert. Die Bahnen, die von den Z-Meßstrahlen und Z-Referenzstrahlen durch die Interferometereinheit durchlaufen werden, sind analog zu denjenigen, die von den X-Meßstrahlen und X-Referenzstrahlen durchlaufen werden.
Die Strahlen b'_26m und b'_26r erreichen schließlich einen Polarisationsanalysator 226, der die Komponenten, die dieselbe Polarisationsrichtung dieser Strahlen haben und die miteinander interferieren, zu einem Detektor 227 durchläßt. Das Ausgangssignal S₂₂₇ dieses Detektors hat eine Intensitätsmodulation bei einer Frequenz, die gleich der Zeemann-Differenzfrequenz plus oder minus einer Frequenzkomponente ist, die von der Verschiebung des Z-Meßspiegels in der Z-Richtung abhängt. Tatsächlich ist, wenn eine solche Verschiebung auftritt, die Frequenzumwandlung zwischen dem Meßstrahl b'_26m, und dem Referenzstrahl b'_26r verschieden von der Frequenzumwandlung zwischen dem Meßstrahl b'_20m und dem Referenzstrahl b'_20r. Die Frequenzdifferenz, die von dem Detektor 227 gemessen wird, ist die Differenz zwischen diesen Frequenzumwandlungen. Wenn keine Verlagerung in der Z-Richtung stattfindet, ist die resultierende Frequenzdifferenz gleich 0.
13 zeigt eine Ausführungsform des Reflektorsystems 220 im Detail. Dieses System enthält einen ersten Reflektor 221, der die Strahlen b'_20m und b'_20r reflektiert, die sich parallel zu der X-Achse in der Richtung der Z-Achse erstrecken, und einen zweiten Reflektor 222, der diese Strahlen wieder in eine Richtung parallel zu der X-Achse reflektiert. Das Reflektorpaar 221, 222 verschiebt somit die Strahlen parallel zu sich selbst entlang der Z-Achse.
In der beschriebenen Ausführungsform verlaufen der Meßstrahl und der zugehörige Referenzstrahl bevorzugt parallel zueinander für jede Meßachse, um so ein Interferenzmuster anstelle eines einzigen Strahlungspunktes an der Stelle des zugehörigen Detektors zu vermeiden. Diese Parallelität, die bestimmt ist durch die Ebenheit der Flächen des Strahlteilers 201, des Prismensystems 208 und des Reflektorsystems 220, und durch die Winkel zwischen den Flächen 209 und 210 des Prismensystems 208 und den Winkel zwischen den Flächen 221 und 222 des Reflektorsystems kann zufriedenstellend in der Praxis realisiert werden, da diese Flächen innerhalb von drei Winkelsekunden genau geglättet werden können und weil die Winkel genau gleich 90° gemacht werden können. Das Reflektorsystem 220 ist vorzugsweise in das Prismensystem 208 integriert, um Ausrichtungsprobleme während der Montage zu vermeiden und die Stabilität mit der Zeit zu gewährleisten.
Die Interferometereinheiten gemäß den 10, 11 und 12 haben den Vorteil, daß der Meßstrahl und der Referenzstrahl, die zu einer Meßachse gehören, symmetrisch gegenüber dem Strahlteiler 201 sind und dieselbe Bahnlängen durch diesen Strahlteiler haben. Dies eliminiert im wesentlichen das Risiko von Instabilitäten.
In der Vorrichtung gemäß den 10 und 12 werden die Differenzen zwischen den Signalen, die zu den Meßachsen MAX1, MAX2 und MAX7 gehören und die zum Messen der Rotation um die Z-Achse und der Z-Position erforderlich sind, optisch bestimmt. Wenn die Information, die über diese Meßachsen erhalten wird, dargestellt ist durch I_MAX1, I_MAX2 und I_MAX3, sind die Detektorsignale S₂₁₃, S₂₁₅ und S₂₂₇ in der Ausführungsform der 10 und 12 gegeben durch: S213 = IMAX1 (11) S215 = IMAX1 – IMAX2 (12) S227 = IMAX1 – IMAX7 (13)
Die Signale S(X), S(Z) und S(φ2), die Informationen über die Größe und Richtung der Verschiebung entlang der X-Achse und der Z-Achse und über die Rotation um die Z-Achse enthalten, sind dann
Die Parameter g und h sind in 14 angegeben. In dieser Figur sind die Punkte, an denen die Hauptstrahlen der Meßstrahlen b_20m, b'_20m, b_21m, b'_21m, b_26m und b'_26m, auf die Spiegel R₁ und R₃ fallen, mit den Kreisen P_X1, P_X2, P_X3, P_X4, P_X7 und P_X8 bezeichnet. Eine Meßachse, die durch MAX1, MAX2 und MAX7 in der vorigen Figur bezeichnet ist, gehört zu jedem Paar Meßstrahlen. Diese Punkte, an denen diese Me ßachsen auf die Spiegel R₁ und R₂ fallen, sind mit Q₁, Q₂ und Q₃ in 14 bezeichnet. Mit Hilfe dieser Signale und unter Berücksichtigung von Kalibrierungsparametern in Verbindung mit dem Abbe-Fehler, kann die X-Position die Z-Position und die Rotation um die Z-Achse bestimmt werden.
Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugt, daß die Differenz zwischen den Signalen, die zu verschiedenen Meßachsen gehören, optisch bestimmt werden, d. h. die optische Differenziation zu verwenden, die mit Bezug auf die 10, 12 und 13 beschrieben ist. Unter Umständen kann eine elektronische Differenziation als eine Alternative verwendet werden. Dann sollten drei getrennte Strahlen zu dem Strahlteiler geschickt werden, wie 15 zeigt.
Die Bahn des Strahls b₂₀ enthält vor dem polarisationssensitiven Strahlteiler 201 einen polarisationsneutralen Strahlteiler 230, der den Strahl b₂₀ in einen ersten und einen zweiten Strahl b₄₁ und b₄₂ teilt, deren Hauptachsen in einer ersten XY-Ebene liegen, der Ebene der Zeichnung in 14, und in einen dritten Strahl b₄₃, dessen Hauptachse in einer zweiten XY-Ebene vor der Ebene der Zeichnung in 14 liegt. Der Strahlteiler 230 enthält eine Kombination von teilweise oder nicht teilweise transparenten Reflektoren und kann auf verschiedene Arten verwirklicht sein. Beispielsweise können die Reflektoren Flächen von planparallelen Platten sein, so daß die Strahlen b₄₁, b₄₂ und b₄₃ ausreichend parallel sind. Jeder dieser Strahlen wird von der Grenzfläche 202 in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl b_41m und b_41r, b_42m, und b_42r und b_43m und b_43r geteilt. Zum Zwecke der Klarheit ist nur ein Teil der Strahlungsbahn für den Referenzstrahl b_41r gezeigt.
Bevorzugt sind Retroreflektoren 206, 207 und 228 in den Bahnen der Strahlen b₄₁, b₄₂ und b₄₃ angeordnet, so daß die Meßstrahlen b'_41m, b'_42m und b'_43m, die schließlich den Strahlteiler 201 verlassen, zweimal von dem zugehörigen Meßspiegel R₁ oder R₃ reflektiert werden. Jeder Meßstrahl fällt zusammen mit dem zugehörigen Referenzstrahl auf einen getrennten Detektor 213, 215 oder 227 über einen Analysator 212, 214 und 226.
In der Ausführungsform der 15 ist das Verhältnis zwischen den Detektorsignalen S₂₁₃, S₂₁₅ und S₂₂₇ und den Informationen, die über die Meßachsen erhalten werden: S213 = IMAX1 (17) S215 = IMAX2 (18) S227 = IMAX7 (19)
Die Meßsignale S(X,), S(φ₂) und S(Z) können nun sein:
Die Wahl zwischen einer Vorrichtung mit drei unabhängigen Meßachsen und einer Vorrichtung mit drei gekoppelten Meßachsen kann bestimmt werden durch die Geschwindigkeit der Bewegung des Substrathalters, damit der Geschwindigkeit, mit der sich die Informationen der Meßachsen ändern, auf der einen Seite, und andererseits durch die Geschwindigkeit der signalverarbeitenden elektronischen Einheiten. Bei großen Geschwindigkeiten des Substrathalters wird eine Vorrichtung mit gekoppelten Meßachsen gewählt. Die Wahl ist ferner bestimmt durch das Ausmaß, in dem eine Interferometereinheit die Meßsignale S(X), S(φ2) und S(Z) beeinflußt. Der Interferometerfehler ist der Fehler, der von dem Interferometer selbst in den Erfassungssignalen S213, S215 und S227 verursacht wird. Wenn solch ein Fehler Δ auftritt, bei jedem Erfassungssignal, beträgt der Fehler bei den Meßsignalen in dem Fall von drei unabhängigen Meßachsen:
und in dem Fall von drei gekoppelten Meßachsen:
Wie in EP-A-0 498 499 beschrieben, kann die Interferometereinheit 100 mit einer zusätzlichen X-Meßachse versehen sein. Ein Signal, das die Neigung _φij des Substrats um die Y-Achse darstellt, kann von der Information dieser Meßachse MAX3 in Kombination mit der von der MAX1 Meßachse gelieferten Information erhalten werden. In
14 bezeichnen die Bezüge P_x9 und P_X10 die Punkte, an denen der Meßstrahl, der zu der MAX3 Meßachse gehört, nacheinander auf den X-Meßspiegel R₁ auftrifft, wenn dieser Meßstrahl zweimal zu dem Spiegel R₁ über einen Retroreflektor verläuft.
Der Meßstrahl für die MAX3 Meßachse kann von einer getrennten Strahlungsquelle erzeugt werden. Dieser Meßstrahl kann aber alternativ auch auf eine Weise erhalten werden, die analog zu derjenigen ist, die mit Bezug auf die 10, 12 und 13 zum Erhalten des Z-Meßstrahls beschrieben ist. Die Bahn des Meßstrahls b'_20m, der von dem Meßspiegel R₁ und dem Prismensystem 208 kommt, enthält dann ein Reflektorsystem, das analog zu dem System 220 ist. Dieses System reflektiert den Meßstrahl und den zugehörigen Referenzstrahl zu dem Meßspiegel R₁ und gewährleistet, daß die Strahlen sich in einer XY-Ebene erstrecken, die verschieden von derjenigen in 10 ist. In dieser XY-Ebene durchlaufen die Strahlen Bahnen, die analog zu denjenigen in 12 für den Z-Meßstrahl und den zugehörigen Referenzstrahl sind. Jedoch ist die XY-Ebene, in der sich der Meßstrahl der Meßachse MAX3 erstreckt, nun hinter anstatt vor der Ebene der Zeichnung angeordnet. Die Interferometereinheit enthält einen getrennten Detektor für die MAX3 Meßachse.
Für die Art, in der ein Signal mittels der MAX3 Meßachse erhalten werden kann, wird auf EP-A-0 489 499 Bezug genommen, in der eine Interferometereinheit mit drei X-Meßachsen beschrieben ist. Um die Erfindung in einer solchen Einheit zu verwirklichen, kann ein neutraler Strahlteiler zwischen dem Prismensystem 208 und dem Reflektorsystem 220 angeordnet werden, und ein Reflektorsystem wie in 13 gezeigt, kann in der Strahlungsbahn jedes Meßstrahls angeordnet werden, der von diesem Strahlteiler gebildet wird.
Um die Verschiebung des Substrathalters in der Y-Richtung und eine möglich Neigung des Halters um die X-Achse zu messen, enthält das zusammengesetzte Interferometersystem eine zweite Interferometereinheit, die in 4 mit 150 bezeichnet ist. Im Prinzip hat diese Interferometereinheit zwei Meßachsen MAX4 und MAX5. Hinsichtlich einer Beschreibung der Konstruktion und Arbeitsweise dieser Interferometereinheit, die nach demselben Prinzip wie die Interferometereinheit 100 konstruiert ist, wird Bezug genommen auf EP-A-0 489 499. Anstatt der Interferometereinheit 100 oder ähnlich zu dieser kann diese Interferometereinheit auch mit einer Z-Meßachse und einem zugehörigen Detektor in derselben Art erweitert werden, die mit Bezug auf die 10, 11, 12, 13 und 15 beschrieben ist.
In den Interferometereinheiten 100 und 150 müssen die Detektoren 213, 215 und 227 in der Einheit 100 nicht direkt hinter den Analysatoren 212, 214 und 225 in der Einheit 100 angeordnet sein, sondern, falls gewünscht, können diese Detektoren in größeren Abständen und möglichst nahe beieinander angeordnet sein. Optische Fasern können dann verwendet werden, um die Strahlen zu den Detektoren zu leiten. Linsen zum Fokusieren der Strahlen auf die Eintrittsebenen der Fasern können zwischen den Analysatoren und den Fasern angeordnet sein.
Die Prismenretroreflektoren oder dreidimensionalen „Eckkuben", die die 10, 12 und 15 zeigen, können auch durch Katzenaugenretroreflektoren ersetzt werden. Solch ein Retroreflektor ist durch eine Linse mit einem Spiegel in deren Fokalebene gebildet und gewährleistet, daß nicht nur die Hauptachse des reflektierten Strahls parallel zu derjenigen des ankommenden Strahls liegt, sondern stellt auch sicher, daß diese Hauptachsen zusammenfallen.
Im Hinblick auf die erforderliche Genauigkeit des zusammengesetzten Interferometersystems spielen Änderungen der Umgebungsparameter wie Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit eine Rolle. Diese Änderungen bewirken eine Variation des Brechungsindexes des Mediums, in dem sich die Interferometerstrahlen ausbreiten. Solch eine Variation kann durch Turbulenzen in dem Medium verursacht werden. Um diese Variationen zu bestimmen, so daß sie korrigiert werden können, schlägt EP-A-0 498 499 das darin beschriebene Interfero-metersystem mit einer zusätzlichen, beispielsweise sechsten Meßachse vor, die als eine Referenzachse verwendet wird, in der sich ein Strahl erstreckt, der mit einem stationären Referenzreflektor zusammenwirkt. In 4 ist dieser Reflektor durch das Bezugszeichen 170 bezeichnet, und der Meßstrahl der Referenzmeßachse ist durch b_50m bezeichnet. Dieser Strahl wird bevorzugt von der Interferometereinheit geliefert, die die kleinste Anzahl von Me ßachsen hat, d. h. Einheit 150 in den beschriebenen Ausführungsformen, und der Strahl, der von dieser Einheit kommt, wird zu dem Reflektor 170 durch einen Reflektor 171 geschickt. Die Interferometereinheit enthält dann einen zusätzlichen Detektor zum Empfangen des Strahls b_50m, der von dem Referenzreflektor reflektiert ist, und des zugehörigen Referenzstrahls, um diese in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Der Meßstrahl b_50m durchläuft eine konstante geometrische Bahnlänge. Die optische Bahnlänge, die das Produkt der geometrischen Bahnlänge und des Brechungsindexes des durchlaufenden Mediums ist, wird jedoch durch eine Variation des Brechungsindex beeinflußt. Diese Variation beeinflußt demnach die Bahnlängen-differenz zwischen dem Meßstrahl b_50m und dem zugehörigen Referenzstrahl. Die Variation der Bahnlängendifferenz wird durch den zusätzlichen Detektor gemessen, und dessen Ausgangssignal kann verwendet werden, um die Informationen zu korrigieren, die über andere Meßachsen erhalten werden, für Brechungs-indexvariationen infolge von Turbulenzen oder Variationen der Umgebungs-parameter.
Wie 4 zeigt, ist der Referenzreflektor 170 mit der Interferometereinheit 150 über eine Platte 190 verbunden, vorzugsweise aus einem sehr stabilen Material wie „Zerodure" oder „Invar". Damit wird eine sehr stabile Konstruktion für die Referenzmeßachse erhalten.
Die Informationen der Referenzmeßachse können auch verwendet werden zum Korrigieren der Meßinformationen von anderen optischen Meßsystemen wie einem Fokusfehlererfassungssystem und/oder einem Fokus- und/oder Nivelliererfassungssystem, wenn die Strahlen dieser Meßsysteme diesen Raum durchlaufen, wie die Interferometerstrahlen.
Zum Messen der Brechungsindexvariationen ist es ausreichend, einen Meßstrahl zu verwenden. Falls gewünscht, können jedoch ein doppelter Meßstrahl und ein doppelter Referenzstrahl für die Referenzmeßachse realisiert werden, in derselben Art, die oben für andere Meßachsen beschrieben wurde.
Brechungsindexvariationen können auch gemessen werden mit Hilfe von zwei Meßstrahlen, die beträchtlich unterschiedliche Wellenlängen haben, beispielsweise in einem Faktor 2, und dieselbe Bahn in dem Medium durchlaufen, in dem sich die Interferometerstrahlen ausbreiten. Da der Brechungsindex für einen Strahl abhängig ist von der Wellenlänge dieses Strahls, sind die optischen Bahnlängen für diese Strahlen unterschiedlich ungeachtet der gleichen geometrischen Bahnlängen für die Strahlen, so daß diese Strahlen eine Phasendifferenz bei der Ankunft an dem Detektor haben. In dem Fall von Brechungsindexvariationen gibt es auch Variationen dieser Phasendifferenz, so daß ein Signal erhalten wird, das eine Anzeige der Brechungsindexvariation ist. Diese Messung der Brechungsindexvariation, die an sich bekannt ist und beispielsweise in der US-A-5 404 222 beschrieben ist, kann entlang der Referenzmeßachse durchgeführt werden, die durch b_50m in 4 bezeichnet ist, jedoch auch entlang jeder der oben erwähnten Meßachsen einschließlich der Z-Meßachse.
Eine noch größere Genauigkeit des zusammengesetzten Interferometersystems kann erhalten werden, wenn gewährleistet ist, daß dieselben Umstände in dem gesamten Raum herrschen, in dem sich die Strahlen ausbreiten. Dies kann realisiert werden, indem ein konstanter bevorzugt laminarer Strom klimatisierter Luft durch diesen Raum geschickt wird. Eine Ausführungsform des Luftstroms, der hier angeführt wird, ist in EP-A-0 498 499 beschrieben, auf die hinsichtlich konstruktiver Daten Bezug genommen wird.
Die Erfindung kann nicht nur in den oben beschriebenen Ausführungsformen eines 5- oder 6-achsigen Interferometersystems verwendet werden, sondern auch in anderen Ausführungsformen eines solchen Interferometersystems, von denen einige in EP-A-0 489 499 beschrieben sind und auf die hinsichtlich Einzelheiten der Konstruktion Bezug genommen wird. Zusätzlich zu einem fünf- oder sechsachsigen Interferometersystems kann die Erfindung in Interferometersystemen verwendet werden, die eine kleinere Anzahl von Meßachsen haben, beispielsweise ein dreiachsiges Interferometersystem mit zwei Interferometereinheiten, von denen eine Ausführungsform 2 zeigt.
In einem Step-und-Scan fotolithografischen Gerät sollte der Maskenhalter mit großer Genauigkeit bewegt werden. Um diese Bewegung zu überprüfen, kann ein mehrachsiges Interferometersystem verwendet werden. Auch dieses Interferometersystem kann ein System gemäß der vorliegenden Erfindung sein, somit ein Interferometersystem mit wenigstens einer Z-Meßachse, so daß sehr genaue und zuverlässige Meßresultate erhalten werden können.
Um zu gewährleisten, daß die Maske und das Substrat auf extrem genaue Weise während der Belichtung der IC-Bereiche positioniert sind, sollte in einem lithographischen Gerät mit einer hohen Durchgangsrate der Substrate verhindert werden, daß Kräfte der Aktuatoren für den Substrathalter und den Maskenhalter auf Komponenten des Interferometersystems für den Substrathalter und – im Falle eines Step-und-Scanner – auf das Interferometersystem für den Maskenhalter übertragen werden. Zu diesem Zweck können die Komponenten des Interferometersystems, mit Ausnahme der Meßspiegel, in einem starren Rahmen angeordnet werden, in dem das Projektionssystem starr befestigt ist, wobei der Rahmen dynamisch isoliert von den anderen Komponenten des Gerätes aufgehängt ist. Die Interferometer-komponenten sind nun frei von Störungen fest mit dem Projektionssystem gekoppelt. Da der Rahmen, auch als Metrologierahmen bezeichnet, dynamisch isoliert oder frei von Vibrationen in dem Gerät aufgehängt ist, werden die Positionen der Interferometerkomponenten, die sich darin befinden, nicht länger durch äußere Kräfte wie Antriebskräfte für den Substrattisch und den Maskentisch beeinträchtigt.
16 zeigt schematisch in optisches lithographische Gerät des Schritt-und-Abtast-Typs, das mit einem Metrologierahmen versehen ist. Ein solches Gerät enthält nicht nur ein Interferometersystem IS_W, für das Substrat, sondern auch ein Interferometersystem IS_I zum Messen der X- und Y-Verschiebungen der Maske. Da diese Interferometersysteme und das Projektionssystem PL in einem Metrologierahmen MF angeordnet sind, sind diese Systeme fest aneinander befestigt, und das Bild des Maskenmusters, das von dem Projektionssystem erzeugt wird, ist mit den Interferometersystemen gekoppelt.
Wenn des Gerät mit einem Fokusfehlererfassungssystem versehen ist, das eingangs erwähnt ist, und mit kapazitiven oder anderen Sensoren zum Messen der Höhe der Maske, sind diese Erfassungssysteme ebenfalls in den Metrologierahmen eingebaut. Da die Meßspiegel R_1w und R_3w des Substratinterferometersystems und die Meßspiegel R_r1 des Maskeninterferometersystems Teil des Substrathalters WH und des Maskenhalters WH sind, an denen das Substrat und die Maske starr fixiert sind, werden die Bewegungen des Substrats und der Maske direkt mit diesen Systemen gemessen. Infolgedessen werden diese Bewegungen und das ausgebildete Maskenmusterbild nicht von Bewegungen von anderen Komponenten des Gerätes beeinträchtigt wie Aktuatoren zum Einstellen der gegenseitigen Position des Substrats und der Maske entlang der Z-Achse.
Die Aktuatoren zum Verschieben der Maske und des Substrats in der X- und Y-Richtung, von denen nur die X-Aktuatoren XA_w und XA_r als Stäbe in 16 gezeigt sind, bilden einen Teil eines Aktuatorrahmens AF.
Der Metrologierahmen ist in dem Aktuatorrahmen mittels schematisch dargestellter dynamischer Isolatoren SU₁, SU₂, SU₃ und SU₄ aufgehängt, so daß dieser Rahmen dynamisch von dem Rest des Gerätes entkoppelt ist. Der Maskentisch MT und der Substrattisch WT sind in dem Aktuatorrahmen angeordnet. Der Substrattisch hat drei Z-Aktuatoren, von denen zwei, ZA_w1 und Za_w2 gezeigt sind, mit denen die Z-Position des Substrats durch gleiche Erregung der drei Aktuatoren eingestellt werden kann oder mit denen eine Schrägstellung des Substrats durch ungleiche Erregung der drei Aktuatoren realisiert werden kann. Diese Bewegungen können auch für die Maske auf analoge Weise realisiert werden, wenn der Maskentisch ebenfalls mit drei Z-Aktuatoren versehen ist, von denen zwei ZA_r1 und ZA_r2, gezeigt sind.
Die vertikale Position des Substrats bezüglich des Projektionslinsensystems kann gemäß der Erfindung mit dem zusammengesetzten Substratinterferometersystem ISw gemessen werden, das mit einer Z-Meßachse versehen ist. Außerdem kann das Gerät mit einem Fokusfehlererfassungssystem versehen sein, das durch die Elemente 40 bis 46 in 1 dargestellt ist. Mit den Informationen, die von der Z-Meßachse des Systems IS_w und dem Fokusfehlererfassungssystem geliefert werden, können die Z-Aktuatoren in dem Substrattisch so gesteuert werden, daß das Substrat auf die korrekte Höhe oder Z-Position eingestellt wird.
Außerdem ist eine Platte 163 vorgesehen, die starr an dem unteren Teil des Projektionslinsenhalters befestigt ist. Wie bereits beschrieben, bildet die reflektierende untere Seite 164 dieser Platte den Z-Reflektor für die Z-Meßachse des Interferometersystems IS_w. Elemente des Fokusfehlererfassungssystems oder eines Fokus- und Nivelliererfassungssystems können in oder an dieser Platte angeordnet sein.
Die Konstruktion gemäß 16 mit einem Metrologierahmen und einem Aktuatorrahmen kann auch in einem lithographischen Gerät des Schrittyps verwendet werden, in dem eine Z-Messung gemäß der Erfindung durchgeführt wird. Ein solches Gerät enthält kein Maskeninterferometersystem.
Strikte Anforderungen hinsichtlich Starrheit und Stabilität müssen an den Metrologierahmen gestellt werden, und das Material dieses Rahmens muß einen sehr kleinen Temperaturausdehnungskoeeffizienten haben. Diese Anforderungen können aber abgeschwächt werden, wenn die Referenzspiegel für die X- und Y-Meßachsen des Substratinterferometersystems und gegebenenfalls des Maskeninterferometersystems an dem Halter des Projektionslinsensystems PL oder an der Metrologieplatte 163 befestigt sind. Die Interferometersysteme und das Projektionslinsensystem sind dann optisch gekoppelt, und gegenseitige Bewegungen können die Messungen nicht mehr beeinflussen. Diese Möglichkeit ist schematisch in 16 mit den zwei Referenzspiegeln 180 und 181 unter der Platte 163 dargestellt. Die Referenzstrahlen können von dem Substratinterferometersystem zu diesen Referenzspiegeln über Reflektoren geführt werden. Auch bei dem Maskeninterferometersystem können die Referenzspiegel an dem Halter des Projektionslinsensystems befestigt sein.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß auch in einem lithographischen Projektionsgerät ohne einen Metrologierahmen die X- und Y-Referenzspiegel des Substra tinterferometersystems und möglicherweise des Maskeninterferometer-systems an dem Halter des Projektionslinsensystem befestigt sein können, um dieselben Vorteile zu erhalten. Ein photolithografisches Projektionsgerät mit mehrachsigen Interferometersystemen, bei dem die Referenzspiegel an dem Halter des Projektionssystems befestigt sind, ist an sich bekannt und in PCT/WO97/33205 beschrieben.
Wie bereits eingangs erwähnt, kann die Erfindung mit großem Vorteil insbesondere mit einem lithographischen Gerät verwendet werden, das mit zwei oder mehreren Substrattischen versehen ist, die zwischen dem Beleuchtungssystem bewegt werden, wie in den 1 und 16 gezeigt, wo sich die Maske und das Projektionssystem befinden, wobei das Gerät eine oder mehrere getrennte Ausrichtungsstationen hat, an denen ein Substrat gegenüber einem Substrattisch ausgerichtet wird. Da die Substrathalter über relativ große Strecken in solch einem Gerät bewegt werden, ist es nicht länger ausreichend, ein Fokusfehlererfassungssystem oder ein Fokus- und Nivelliererfassungssystem zu verwenden, und eine getrennte Messung der Z-Position des Substrats ist erforderlich.
17 zeigt schematisch die mechanischen Elemente eines Gerätes mit zwei Substrathaltern. Dieses Gerät enthält einen Rahmen 301, der, gesehen in einer vertikalen Z-Richtung, nach einander eine Positionierungsvorrichtung 303, einen Maskenhalter 307 und eine Beleuchtungseinheit 308 enthält, die mit einer Strahlungsquelle 309 versehen ist. Die Positionierungsvorrichtung 303 enthält einen ersten Substrathalter 311 und einen zweiten, identischen Substrathalter 313. Ein Projektionslinsenhalter 305 befindet sich zwischen dem Maskenhalter und dem Substrathalter. Die Substrathalter 311 und 313 enthalten eine erste und eine zweite Haltefläche 317 und 319, die sich senkrecht zu der Z-Richtung erstrecken und auf denen ein erstes Substrat 320 und ein zweites Substrat 321 angeordnet werden können. Der erste und der zweite Substrathalter 311 und 313 sind gegenüber dem Rahmen 301 in einer ersten Richtung, parallel zu einer X-Richtung, die senkrecht zu der Z-Richtung verläuft, und in einer zweiten Richtung, parallel zu einer Y-Richtung, die senkrecht zu der Z-Richtung und der X-Richtung verläuft, mittels einer ersten Verschiebeeinheit 323 und einer zweiten Verschiebeeinheit 325 der Positioniervorrichtung 303 bewegbar. Der Maskenhalter 307 hat eine Tragfläche 327, die sich senkrecht zu der Z-Richtung erstreckt und auf der eine Maske 329 angeordnet werden kann.
Die Substrate, die belichtet werden müssen, sind in einem Magazin angeordnet, das in das Gerät eingegeben wird. Aus diesem Magazin werden die Substrate nacheinander in eine Ausrichtungsstation mittels eines Transportmechanismus eingeführt. Das Magazin und der Transportmechanismus, der in 17 nicht dargestellt ist, sind an sich bekannt. Die Ausrichtungsstation ist schematisch in 17 durch eine Meßeinheit 313 dargestellt, die auch an dem Rahmen 301 befestigt ist. In der Situation des Gerätes gemäß 17 befindet sich der erste Substrathalter 311 in der Belichtungsstation, und das erste Substrat 320 wird über die Maske 329 mit Strahlung beleuchtet, die von der Beleuchtungseinheit 308 abgegeben wird und von dem Projektionssystem fokusiert wird, das sich in dem Halter 305 befindet. Nur die optische Achse 331 dieses Projektionssystems ist dargestellt. Der zweite Substrathalter 313 befindet sich in der Ausrichtungsstation. In dieser Station wird die Position einer oder mehrere Ausrichtungsmarken für das zweite Substrat 321, das sich auf dem Substrathalter befindet, gegenüber einer oder mehrerer entsprechender Ausrichtungsmarken an dem Substrathalter mit Hilfe der Einheit 333 bestimmt, und diese Position wird mit Hilfe mechanischer Mittel (nicht dargestellt) korrigiert.
Nachdem die Belichtung des Substrats 319 beendet ist, wird der erste Substrathalter 311 durch die Positionierungsvorrichtung von der Beleuchtungsstation zu der Ausrichtungsstation verschoben. Aus dieser Station wird das erste Substrat 320 von dem Transportmechanismus zu dem Magazin bewegt. Gleichzeitig wird der zweite Substrathalter von der Ausrichtungsstation zu dem Beleuchtungssystem durch die Positionierungsvorrichtung 303 bewegt. Da das zweite Substrat 321 in der Ausrichtungsstation bereits korrekt gegenüber dem zweiten Substrathalter positioniert ist, muß nur die Position einer oder mehrerer Ausrichtungsmarkierungen des Substrathalters gemessen und gegenüber entsprechenden Markierungen in der Maske in der Beleuchtungsstation korrigiert werden. Diese Messung und Korrektur ist ein relativ einfacher Prozeß, der schnell ausgeführt werden kann. Da die schwierigere und mehr Zeit erfordernde Ausrichtung des zweiten Substrats gegenüber den Substrathalter in der Ausrichtungsstation ausgeführt ist und zeitlich parallel zu der Belichtung des ersten Substrats, kann die Belichtungsstation für die Belichtung selbst über eine maximale Zeitspanne verwendet werden, so daß eine große Anzahl von Substraten pro Zeiteinheit belichtet werden kann.
Das Prinzip und die Vorteile eines photolithografischen Gerätes mit zwei Substrattischen sind u. a. in EP-A-0 687 957 und dem englischsprachigen Abstract von JP-A-57-183031 beschrieben, in denen auch Ausführungsformen eines solchen Gerätes gezeigt sind.
Wie vorher erwähnt, sind die Positionen der Ausrichtungsmarkierungen während der Ausrichtung des Substrats in einem Koordinatensystem, das durch das Interferometersystem bestimmt ist, fixiert. In einem lithographischen Gerät, das zusätzlich zu einer Belichtungsstation eine Ausrichtungsstation enthält, sollten beide Stationen mit einem Interferometersystem versehen sein. 18 ist eine Übersicht der Interferometermessungen, die in einer vorgegebenen Ausführungsform des Gerätes an dem Substrat in der Belichtungsstation und der Ausrichtungsstation durchgeführt werden. Diese Figur zeigt die zwei Substrathalter 311 und 313 mit den X-Meßspiegeln R₁, R'₁, Y-Meßspiegeln R₂ und R'₂ und Z-Meßspiegeln, R₃₁, R₃₂, R'₃₁, R'₃₂. Der mittlere Teil der 18 ist ein Querschnitt entlang der XY-Ebene, der obere Teil ist ein Querschnitt entlang der XZ-Ebene, und der linke Teil ist ein Querschnitt entlang der YZ-Ebene. Die Bezugszeichen 350 und 360 bezeichnen den Meßbereich der Belichtungsstation und der Ausrichtungsstation. Jede Meßachse ist durch zwei Buchstaben und eine Zahl bezeichnet. Der erste Buchstabe zeigt die Richtung an (X, Y oder Z), in der die Messung mit der relevanten Meßachse durchgeführt wird, die Zahl zeigt die Anzahl der Meßachsen in dieser Richtung, und der zweite Buchstabe zeigt an, ob die Messung in der Ausrichtungsstation (M) oder der Belichtungsstation (E) stattfindet. In der Ausführungsform der 18 werden die Messungen entlang dreier Meßachsen sowohl in der X-Richtung als auch in der Y-Richtung durchgeführt, und zwei Z-Messungen werden durchgeführt. Dieselben Messungen werden in beiden Stationen ausgeführt. Jedoch ist es alternativ möglich, eine andere Anzahl und andere Arten von Messungen in den zwei Stationen durchzuführen. Die Anzahl und Arten der Messungen, die in jeder Station durchgeführt werden, hängen von der gewünschten Genauigkeit und der gewünschten Positionsinformation ab.
Im Fall eines lithographischen Geräts des Schritt-und-Abtast-Typs, bei dem die Maske synchron mit dem Substrat bewegt wird sollten die Verschiebungen bei Berücksichtigung der Vergrößerung, mit der die Maske abgebildet wird, genau gemessen werden, um diese mit den Verschiebungen des Substrats zu vergleichen. Der Vollständigkeit wegen zeigt 19 eine Übersicht der Interferometermessungen, die an der Maske in der Belichtungsstation ausgeführt werden. 19 zeigt drei verschiedene Querschnitte, analog wie in 18. Die Maske ist wieder durch MA bezeichnet, der Maskenhalter mit MH und der Maskentisch mit MT. Das Bezugszeichen PB bezeichnet den rechteckigen Querschnitt des Beleuchtungsstrahls in dem Bereich der Maske. Dieser Strahl wird in der Y-Richtung gegenüber der Maske und dem Substrat während der Belichtung eines IC-Bereichs bewegt. Eine Interferometereinheit 370 enthält zwei Meßachsen X₁, X₂, so daß nicht nur die X-Position, sondern auch die Rotation um die Z-Achse der Maske gemessen werden kann. Das Interferometersystem enthält zwei Y-Meßachsen Y₁, Y₂, die, wie 19 zeigt, mit zwei getrennten Interferometer-einheiten 381, 382 verbunden sein können oder mit einer Interferometereinheit. Nicht nur die Y-Position, sondern auch die Rotation um die Z-Achse kann mit diesen zwei Meßachsen gemessen werden. Da die Maske nur eine kurze Bewegung in der X-Richtung ausführen muß, ist es nicht erforderlich, einen Reflektor über die Seitenfläche 390 des Maskenhalters anzuordnen, und es ist ausreichend, zwei kleine Reflektoren 391, 392 in dem Bereich der Meßachsen zu verwenden. Wie die Figur zeigt, sind diese Reflektoren bevorzugt Eckkubusreflektoren.
Damit die zwei Substrattische und zugehörigen Substrathalter in einem lithographischen Gerät, in dem die vorliegende Erfindung mit großem Vorteil benutzt werden kann, von der Ausrichtungsstation zu der Beleuchtungsstation bewegt werden und zurück, können die zwei Substrattische an einem gemeinsamen drehbaren Arm während dieser Bewegung befestigt sein, so daß die Substrate über eine gemeinsame Drehung zu der ersten Station oder der zweiten Station gebracht werden können. Zum Durchführen dieser Bewegungen sind die Substrattische jedoch bevorzugt sepa rat auf eine solche Weise angetrieben, daß sie geradlinige Bewegungen in der XY-Ebene ausführen. 20 zeigt, wie die Substrathalter 311 und 313 und die zugehörigen Tische (nicht dargestellt) sich gegenüber der Belichtungsstation 350 und der Ausrichtungsstation 360 in diesem Fall bewegen. In dieser Figur sind vier verschiedene Situationen durch SIT1 bis SIT4 von links nach rechts bezeichnet. In SIT1 befindet sich der Substrathalter 311 in der Belichtungsstation, und das auf diesem Halter befindliche Substrat wird belichtet, während sich der Substrathalter 313 in der Ausrichtungsstation befindet und das Substrat in diesem Halter gegenüber diesem Substrathalter ausgerichtet wird. In SIT2 sind der Belichtungsprozeß und der Ausrichtungsprozeß beendet, und die Substrathalter haben links die relevante Station. In SIT3 haben sich die zwei Substrathalter gegenseitig passiert, und der Substrathalter 311 ist auf seinem Weg zu der Ausrichtungsstation 360, während der Substrathalter 313 auf seinem Weg zu der Belichtungsstation 350 ist. In SIT 4 ist der Substrathalter 313 in der Belichtungsstation positioniert, so daß das auf diesem Halter befindliche Substrat belichtet werden kann, während der Substrathalter 311 nach Entfernen seines Substrats und Versehen mit einem neuen Substrat, in der Ausrichtungsstation positioniert wird, so daß das neue Substrat gegenüber dem Halter ausgerichtet werden kann.
Das neue Interferometersystem ist vorstehend mit Bezug auf seine Verwendung in einem photolithographischen Reduktionsgerät zur Herstellung von IC-Strukturen beschrieben worden. Die Erfindung kann jedoch auch in photolithographischen Geräten zur Herstellung anderer Strukturen wie Strukturen für integrierte optische Systeme und Führen und Erfassen von Mustern von magnetischen Domainspeichern oder Strukturen von Flüssigkristallanzeigefeldern verwendet werden. Die Probleme, für die die Erfindung eine Lösung bietet, können auch in anderen lithographischen Geräten auftreten, in denen eine andere Strahlung als eine optische Strahlung, wie eine Ionenstrahlung, elektronische Strahlung oder Röntgenstrahlung verwendet wird, um ein Maskenmuster abzubilden, entweder mit oder ohne Reduktion, so daß die Erfindung in diesen lithographischen Geräten verwendbar ist. Die Abbildung kann eine Projektionsabbildung oder eine Annäherungsabbildung sein. Die Erfindung kann auch in anderen Geräten als lithographischen Geräten verwendet werden, wie einem Gerät zur sehr genauen X-, Y- und Z-Positionsmessung, beispielsweise zum Untersuchen von Markierungen.

Claims

Ein Interferrometersystem zum Messen der Position und der Verschiebungen eines Objekts (W) in einer Ebene parallel zur XY-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems mittels erster und zweiter Messspiegel (R₁, R₂) zur Messung der X- und Y-Position des Objekts, die angebracht sind auf einem Halter (WH) für das Objekt, wobei besagtes System ausgestattet ist mit Mitteln, um eine Vielzahl von ersten Messstrahlen (b_6,m, b_8,m, b_9,m) zu erzeugen und um die genannten ersten Messstrahlen entlang einer Vielzahl von Messachsen (MAX,1–MAX,5) zu lenken, die parallel zur XY-Ebene sind, wobei sich die Messachsen bis zu und von dem ersten und zweiten Messspiegel (R₁, R₂) erstrecken, und strahlungsempfindlichen Detektoren (76, 77, 78) zur Umwandlung der genannten Messstrahlen, die von dem ersten und zweiten Messspiegel reflektiert werden, in elektrische Messsignale, wobei die Anzahl der Messachsen parallel zur XY-Ebene zumindest gleich groß der Anzahl der Freiheitsgrade des mit dem Interferrometer zu messenden Objekts sind, dadurch ausgezeichnet, dass das System auch angepasst ist, um die Z-Position des Objektes mittels eines dritten Messspiegels (R₃) zu messen, der auf dem Objekthalter in einem spitzen Winkel zur XY-Ebene angeordnet ist, zu deren Ende das Interferrometersystem eine Z-Messachse (MAX,7) aufweist, und ausgestattet ist mit Mitteln, um einen Z-Messstrahl zu generieren und um den genannten Z-Messstrahl auf den Z-Messspiegel zu lenken, und einen Z-Detektor zur Umwandlung des Z-Messstrahls vom Z-Messspiegel in ein Signal, das Informationen über die Z-Position des Objektes (W) enthält.
Ein Interferrometersystem gemäß Anspruch 1, dadurch ausgezeichnet, dass der Z-Messstrahl (R₃) auf dem Objekthalter (WH) in einem Winkel von im Wesentlichen 45° zur XY-Ebene angeordnet ist.
Ein Interferrometersystem gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ausgezeichnet, dass der Z-Messspiegel (R₃) durch ein abgeschrägtes Teil (160) eines der ersten und zweiten Messspiegel festgelegt ist.
Ein Interferrometersystem gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ausgezeichnet, dass der Z-Messspiegel (R₃) durch eine abgeschrägte Schiene (191) festgelegt ist, die auf der Seitenfläche des Objekthalters (WH) angeordnet ist, auf derer auch einer der ersten und zweiten Messspiegel angeordnet ist, wobei sich die genannte Schiene (191) in der Z-Richtung nur durch einen kleinen Teil der genannten Seitenfläche und in der Richtung senkrecht dazu durch die Seitenfläche erstreckt.
Ein Interferrometersystem gemäß dem Anspruch 4, dadurch ausgezeichnet, dass der Z-Messspiegel (R₃) auf dem vom Objekt entfernt liegenden Teil des Objekthalters angeordnet ist.
Ein Interferrometersystem gemäß den Ansprüchen 3, 4 oder 5, dadurch ausgezeichnet, dass einer der ersten und zweiten Messspiegel, der auf der genannten Seitenfläche des Objekthalters, auf welchem auch der Z-Messspiegel angeordnet ist, angeordnet ist, auch als ein Referenzspiegel für den dem Z-Messstrahl zugehörigen Referenzstrahl dient.
Ein Interferrometersystem gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ausgezeichnet, dass ein Weg des Z-Messstrahls einen Reflektor (220) einbezieht, mit dem der Z-Messstrahl, der vom Z-Messspiegel reflektiert und in Richtung des Detektors gelenkt wird, reflektiert wird auf einen Z-Messspiegel zur weiteren Reflexion durch die beiden genannten Messspiegel.
Ein Interferrometersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ausgezeichnet, dass das System zusätzlich zur Z-Messsachse wenigstens fünf weitere Messachsen aufweist.
Ein Interferrometersystem gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ausgezeichnet, dass das System eine Messachse hat, entlang derer zwei Messstrahlen verschiedener Wellenlängen sich fortpflanzen.
Eine Projektionsvorrichtung, um repetitiv ein Maskenmuster auf ein Substrat zu projizieren, welche eine Beleuchtungseinheit (LA, LS, RE) zur Bereitstellung eines Projektionsstrahls (PB), einen Maskentisch (MT) mit einem Maskenhalter (MH), einem Substrattische (WT) mit einem Substrathalter (WH), ein Projektionssystem (PL), das im Lichtweg des Projektionsstrahls angeordnet ist, und ein optisches Messsystem zur Messung der Positionen und Orientierungen eines Substrats, das im Substrathalter gehalten wird, aufweist, dadurch ausgezeichnet, dass das optische Messsystem ein Interferometersystem gemäß einem der vorherigen Ansprüche ist, wobei das Objekt und der Objekthalter jeweils das Substrat (W) und der Substrathalter (WH) sind.
Eine Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch ausgezeichnet, dass, mit Ausnahme der Messspiegel, die Komponenten des Interferometersystems als auch der Z-Reflektor in einem starren Rahmen angeordnet sind, in dem auch das Projektionssystem (PL) starr gesichert ist, wobei der Rahmen dynamisch abgefedert und isoliert von den anderen Komponenten der Vorrichtung ist.
Eine Projektionsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch ausgezeichnet, dass die Referenzspiegel für die den ersten Messstrahlen zugehörigen Referenzstahlen auf dem Rahmen des Projektionssystems angeordnet sind.
Eine Projektionsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 10, 11 oder 12, die ein zweites optisches Messsystem zur Messung der Positionen und Orientierungen der Maske (MA) aufweist, dadurch ausgezeichnet, dass das zweite optische Messsystem ein Interferometersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ist, wobei das Objekt und der Objekthalter jeweils die Maske (MA) und der Maskenhalter (MH) sind.
Eine Methode zur Herstellung integrierter Schaltungen, die folgenden Schritte aufweisend: das Bereitstellen eines Projektionsstrahls (PB), um das Maskenmuster (C) zu beleuchten, und das Abbilden des genannten Maskenmusters (C) auf eine Fläche des Substrats (W), das durch den folgenden Schritt weiterhin ausgezeichnet ist: Messung, mittels eines Interferrometersystems gemäß Anspruch 1, der Z-Position des genannten Maskenmusters oder des genannten Substrats, die im Halter festgehalten werden, indem ein Messstrahl auf den Z-Messspiegel geführt wird, der auf dem genannten Halter in einem scharfen Winkel zur XY-Ebene angeordnet ist, zu welcher das genannte Maskenmuster oder das genannte Substrat im Wesentlichen parallel ist und welche den Messstrahl in ein Signal umwandelt, das Informationen über die Z-Position des Objektes enthält.