DE69524298T2

DE69524298T2 - Apparat und Verfahren zum Messen einer Verschiebung

Info

Publication number: DE69524298T2
Application number: DE69524298T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Matsumoto; Koichi Sentoku
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-06-20
Filing date: 1995-06-19
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2015-06-20
Also published as: EP0689030A3; JPH085314A; US5818588A; EP0689030A2; DE69524298D1; EP0689030B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG UND ZUM STAND DER TECHNIK

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Apparat und ein Verfahren zum Messen einer Verschiebung mit spezieller Eignung zur Anwendung in einem Meßgerät, das ein optisches Überlagerungsinterferenzverfahren auf der Grundlage eines optischen Überlagerungsinterferenzmeßverfahrens anwendet, wie beispielsweise ein Meßgerät für kleinste Verschiebungen, ein Ausrichtgerät, ein Bewertungsgerät für Abbildungsgenauigkeit, oder ein Entfernungsmeßgerät.
Zur hochpräzisen Messung einer Kleinstverschiebung ist in vielen Fällen ein Überlagerungsinterferenzverfahren angewandt worden, das in der Lage ist, eine Phaseninformation des Lichts durch Phasenfeststellung nachzuweisen, die in einer linearen Beziehung zu einer Verschiebung steht.
Bei einem optischen Überlagerungsinterferenzverfahren wird eine Interferenz zwischen Lichtarten erzeugt, die eine geringe Frequenzdifferenz aufweisen, die sich mit der Zeit ändert und photoelektrisch festgestellt wird, und die Phase von Interferenzstreifen wird in eine Phase eines elektrischen Signals transformiert.
Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel eines Kleinstverschiebungsmeßgerätes mit einer Lichtquelle eines Zeeman-Lasers 301, bei dem ein Interferometersystem vorgesehen ist durch Verwenden zweier linear polarisierter Lichtarten 302 und 303, die senkrecht aufeinander stehen und eine geringe Frequenzdifferenz aufweisen.
Die Lichtart 302 enthält P-polarisiertes Licht einer Frequenz f&sub1;, dessen elektrischer Vektor leicht innerhalb der Zeichnungsebene schwingt. Die Lichtart 303 enthält Spolarisiertes Licht einer Frequenz f&sub2;, dessen elektrischer Vektor leicht innerhalb einer Ebene schwingt, die normal auf der Zeichnungsebene steht. Die komplexen Amplitudenausdrücke E&sub1; und E&sub2; der Lichtarten 302 und 303, die der Zeeman-Laser 301 emittiert, können folgendermaßen geschrieben werden, wenn &sub1; und &sub2; jeweilige Anfangsphasen sind:
E&sub1; = Aexp{i(w&sub1;t + &sub1;)} ... (1)
E&sub2; = Bexp{i(w&sub2;t + &sub2;)} ... (2)
wobei A und B Amplituden und w1 und w2 Winkelfrequenzen sind, wobei w&sub1; = 2πf&sub1; und w&sub2; = 2πf&sub2; ist.
Jede der Lichtarten 302 und 303 wird von einem Strahlaufspalter 304 amplitudengeteilt, so daß einerseits Bezugslicht 306 (307) gemäß dem Licht 303 (302) erzeugt wird, und andererseits Signallicht 315 (316) gemäß dem Licht 303 (302) erzeugt wird, dessen Licht in das Interferometer gelangt.
Hier dient ein Polarisator 305, der wirksam ist zum Auslesen einer polarisierten Komponente, die um 45 Grad in Hinsicht auf die Richtung der Polarisation des Lichts geneigt ist, der Bereitstellung der Abbildungsgenauigkeit in Richtung der Polarisation zwischen den Bezugslichtarten 306 und 307. Ein photoelektrischer Detektor 317 stellt dann die Lichtarten 306 und 307 fest. Die beiden komplexen Amplitudenausdrücke EIR (Amplitude des Lichts 307) und E2R (Amplitude des Lichts 306) können folgendermaßen geschrieben werden, wenn die optische Weglänge von der Lichtquelle 301 zum Strahlaufspalter 304 LS beträgt und diejenige vom Strahlaufspalter 304 zum Detektor 317 L&sub0; ist, und wenn A&sub1; beziehungsweise B&sub2; Amplituden bedeuten:
E1R = A&sub1;exp[i{w&sub1;t + &sub1; - K&sub1;(LS +L&sub0;)}] ... (3)
E2R = B&sub1;exp[i{w&sub2;t + &sub2; - K&sub2;(LS + L&sub0;)}] ... (4)
Wobei K&sub1; und K&sub2; Wellenzahlen sind, wenn C die Lichtgeschwindigkeit, K&sub1; = 2πf&sub1;/C und K&sub2; = 2πf&sub2;/C, ist, und wobei w&sub1; und w&sub2; Winkelfrequenzen sind, wenn w&sub1; = 2πf&sub1; und w&sub2; = 2πf&sub2; ist.
Da die zwei Bezugslichtarten ihre Polarisationsrichtungen haben, die vom Polarisator 305 aufgezeichnet werden, interferieren sie miteinander. Das sich ergebende Interferenzlicht wird vom photoelektrischen Detektor 317 nachgewiesen. Dann kann ein Wechselstromkomponenten- Feststellsignal IR bereitgestellt werden:
IR = 2A&sub1;B&sub1;cos{(w&sub1; - w&sub2;)t + ( &sub1; - &sub2;) + (K&sub2; - K&sub1;)(LS + L&sub0;)} ... (5)
Andererseits trifft das Licht, das den Strahlaufspalter 304 durchläuft, auf einen Polarisationsstrahlaufspalter 308. Dieser reflektiert S-polarisiertes Licht, das dann von einem Spiegel 310 reflektiert wird, so daß es zurück zum Polarisationsstrahlaufspalter 308 gerichtet ist. Hier durchläuft das Licht zweimal eine Viertelwellenplatte 309, die auf dem Lichtweg plaziert ist, so daß die Richtung der Polarisation sich um π/2 dreht und das Licht zu P-polarisiertem Licht wird. Folglich durchläuft es den Polarisationsstrahlaufspalter 308.
Andererseits durchläuft das P-polarisierte Licht, das auf den Polarisationsstrahlaufspalter 308 auftrifft, selbigen und wird von einem Gegenstand 312 reflektiert, der zu messen ist, zurück zum Polarisationsstrahlaufspalter 308. Gleichermaßen durchläuft hier das Licht zweimal eine Viertelwellenplatte 311, die sich auf dem linken Weg befindet, so daß sich die Richtung der Polarisation um π/2 Drehung dreht, und das Licht wird zu S-polarisiertem Licht. Folglich wird das Licht vom Polarisationsstrahlaufspalter 308 reflektiert. Danach werden die Polarisationsrichtungen des S-polarisierten Signallichts und des P-polarisierten Signallichts mittels eines Polarisators 314 registriert und werden von einem photoelektrischen Detektor 318 nachgewiesen. Wenn A&sub2; und B&sub2; Amplituden dieser Lichtarten sind, L&sub1; die optische Weglänge für das Licht auf dem Strahlaufspalter 304, und nach Reflexion vom Spiegel 310 zum photoelektrischen Wandler 318, und L&sub1; + 2ΔL die optische Weglänge ist für das Licht aus dem Strahlaufspalter 304, und danach vom Gegenstand 312 reflektiert wird zum Detektor 318, dann können die komplexen Amplituden ausdrücke E1S und E2S der jeweiligen Lichtarten am photoelektrischen Detektor 318 folgendermaßen dargestellt werden (wobei ΔL der Betrag der Verschiebung des Gegenstands 312 ist):
E1S = A&sub2;exp[i{w&sub1;t + &sub1; - K&sub1;(LS + L&sub1; + 2ΔL)}] ... (6)
E2S = B&sub2;exp[i{W&sub2;t + &sub2; - K&sub2;(LS + L&sub1;)}] ... (7)
Vom Interferenzsignal dieser Lichtkomponenten wird die Wechselstromkomponente IS folgendermaßen dargestellt:
IS = 2A&sub2;B&sub2;cos{(w&sub1; - w&sub2;)t( &sub1; - &sub2;) + (K&sub2; - K&sub1;)(LS + L&sub1;) - 2K&sub1;ΔL} ... (8)
Die Differenz Δ = R - S in Phase zwischen den Überlagerungssignalen, wie sie durch die Gleichungen (5) und (8) dargestellt sind, werden nachgewiesen durch einen Verriegelungsverstärker (Synchrondetektor) 319. Da bezüglich der Phasendifferenz unter üblichen Interferenzbedingungen eine Änderung von (K&sub2; - K&sub1;)(LS + L&sub1;) außer Acht gelassen werden kann, ergibt sich Δ = 2K&sub1;ΔL. Somit ändert sich die Phasendifferenz linear mit der Änderung von ΔL. Folglich ist es möglich, eine Verschiebung ΔL des Gegenstands sehr genau durch Feststellen der Phasendifferenz Δ nachzuweisen.
Als anderes Beispiel des Meßgerätes basierend auf dem optischen Überlagerungsinterferenzverfahren veranschaulicht Fig. 2 ein positionelles Abweichnachweissystem für ein Beugungsgitter (Japanische offengelegte Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 90006/1990, beispielsweise). In diesem System wird Laserlicht aus einem Zweikanal-Wellenlängen- Orthogonalpolarisationslaser (Zeeman-Laser) 140 in Lichtkomponenten zweier Wellenlängen mittels eines Polarisationsstrahlaufspalters 142 zweigeteilt, und die Lichtkomponenten werden auf eine oder mehrere Beugungsgitter projiziert (hier 171-173 in Fig. 3). Es entstehen Beugungslichtkomponenten aus durch Beugungsgitter erzeugte Lichtüberlagerungssignale. Durch Nachweis und Vergleich von Phasen der Überlagerungssignale wird die Lage dieser Beugungsgittern oder irgendeiner relativen Lageabweichung zwischen jenen Beugungsgittern sehr genau nachgewiesen. Somit wird ein System in Ausrichtsystemen vieler Halbleiterbelichtungsgeräte verwendet.
Aufgrund von Unvollständigkeit der Orthogonalität der Polarisation vom Laserlicht oder der Unvollständigkeit der optischen Teile wird jedoch die Polarisation generell gestört. Somit entsprechen polarisierte Lichtkomponenten und Frequenzen einander nicht vollständig. Als ein Ergebnis werden die gemessene Phase und der optische Wegunterschied, der zu messen ist, nicht zu einer einfachen linearen Beziehung, und dies führt zu einem Fehler bei der Interferenzmessung.
Dies wird genauer anhand Fig. 1 erläutert. Die Lichtkomponenten 315 (E2S) und 316 (E1S), gesendet durch oder reflektiert vom Polarisationsstrahlaufspalter 308, werden im genauen Sinne die folgenden:
E1S = Aexp[i{w&sub1;t + &sub1; - K&sub1;(LS + L&sub1; + 2ΔL)}] + αexp[i{w&sub2;t + &sub2; - K&sub2;(LS + L&sub1; + 2ΔL)}] ... (9)
E2S = Bexp[i{w&sub2;t + &sub2; - K&sub2;(LS + L&sub1;)}] + βexp[i{w&sub1;t + &sub1; - K&sub1;(LS + L&sub1;)}] ... (10)
wobei α und β Werte sind, die dem jeweiligen Übersprechen entsprechen, und dargestellt ist, daß Licht der Komponenten w&sub2; um α/A in den Weg des Lichts w&sub1; hinüberkommt (Licht der Komponente w&sub1; kommt um β/B in den Weg des Lichts w&sub2;). Wenn γ die Amplitude ist, kann das Signal IAC, das nachzuweisen ist, praktisch durch einen Phasenmesser folgendermaßen dargestellt werden:
IAC = γcos{(w&sub1; - w&sub2;)t + ( &sub1; - &sub2;) + Δ } ... (11)
tanΔ = sin(2K&sub2;ΔL)/{cos(2K&sub2;ΔL) + (α/B + β/A)} ... (12)
Für eine Änderung von ΔL ändert sich nämlich die gemessene Phase Δ zu einer Periode von π/K&sub2;.
Fig. 4 veranschaulicht Ergebnisse der Rechnung gemessener Werte, erzeugt aus einer Phasenänderung zur Verschiebung eines zu messenden Gegenstands in einem Beispiel des Übergreifens von 0,1% (Intensitätsverhältnis). Die gebrochene Linie entspricht dem Falle ohne Übergreifen. Die Differenz (Meßfehler) ist groß, in einer Größenordnung von mehreren zehn Nanometern.
Wenn ein He-Ne-Laser verwendet wird, um ein Interferometersystem zu bilden, darf das Pendelverhältnis des Polarisationsstrahlaufspalters nicht größer sein als 0,01%, um den Fehler nicht größer als 1 nm werden zu lassen. Es ist schwierig, einen Polarisationsstrahlaufspalter herzustellen, der einem derartigen Pendelverhältnis entspricht.
Im Falle, bei dem eine Vielzahl von Beugungsgittern verwendet wird für den Nachweis der Lageabweichung, wie in Fig. 2 gezeigt, ändert sich die Phase der Nichtlinearität auf eine Verschiebung eines Beugungsgitters aufgrund der Wirkung des übergreifenden Lichts am Polarisationsstrahlaufspalter. Dies führt zu einer Verschlechterung der Meßwiederholgenauigkeit.
In dem Versuch zum Reduzieren eines derartigen nichtlinearen Fehlers ist ein ausgeglichenes Nachweisverfahren in der japanischen offengelegten Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 259407/1990 oder in "Applied Physiscs", Band 58, Nr. 10 (1989), Seite 89, vorgeschlagen worden.
Anstelle des Polarisators 314 ist gemäß diesem Verfahren das Polarisationstrennelement 320 um π/4 rad geneigt um die Achse des Eingangslichtes, so wie in Fig. 5 dargestellt, um eine Summenkomponente und eine Differenzkomponente zweier Signale zu bilden, die dann den Detektoren 321 beziehungsweise 322 zugeführt werden. Ein Ausgangssignal eines Differenzverstärkers 323 wird dann an einen Phasendifferenzmesser 319 angelegt. Auf diese Weise wird die nichtlineare Komponente verringert. Aufgrund der Unvollständigkeit einer Lichtquelle und optischer Teile bezüglich der Polarisation ist es jedoch praktisch nicht leicht, die Polarisationsebene festzustellen und eine vollständige Ausrichtung des Polarisationstrennelements 320 über die optische Achse bereitzustellen. Es gibt des weiteren ein Übergreifen von Licht, das vom Polarisationstrennelement 320 selbst erzeugt wird. Somit ist es nicht möglich, den Nichtlinearitätsfehler vollständig zu beseitigen.
Das Dokument EP-A-0 536 655 beschreibt ein Verschiebungsmeßgerät, bei dem die Verschiebung eines Beugungsgitters bestimmt wird durch Feststellen der Phasendifferenz zwischen einem ersten und zweiten Überlagerungssignal, das erzeugt wird durch Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenzen, die vom Beugungsgitter gebeugt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hochpräzises Meßverfahren des Verschiebens zu schaffen und ein Gerät, das wenigstens eines der zuvor beschriebenen Probleme löst, insbesondere hinsichtlich eines optischen Überlagerungsinterferenz-Meßsystems.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen einer Verschiebung vorgesehen, um die Verschiebung eines Gegenstands zu messen, wobei das Verfahren im anliegenden Patentanspruch 1 angegeben ist.
In einem Ausführungsbeispiel werden der erste und der zweite Lichtstrahl über ein Beugungsgitter gerichtet, das auf dem Gegenstand vorgesehen ist, und der dritte und vierte Lichtstrahl wird über ein zweites Beugungsgitter geleitet, das auf dem Gegenstand vorgesehen ist und mit demselben Rastergrundmaß und derselben Anordnungsrichtung versehen ist wie das erste Beugungsgitter.
In einem Ausführungsbeispiel sind das erste und das zweite Beugungsgitter mit abwechselnder Abweichung in der Gitterphase längs der Anordnungsrichtung gebildet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Messen einer Verschiebung vorgesehen, um die Verschiebung eines Gegenstands zu messen, wobei das System im anliegenden Patentanspruch 4 angegeben ist.
In einem Ausführungsbeispiel werden der erste und der zweite Lichtstrahl über ein erstes Beugungsgitter gelenkt, das auf dem Gegenstand vorgesehen ist, und der dritte und der vierte Lichtstrahl werden über ein zweites Beugungsgitter geleitet, das auf dem Gegenstand vorgesehen ist und dasselbe Rastergrundmaß aufweist und dieselbe Anordnungsrichtung hat wie das erste Beugungsgitter.
In einem Ausführungsbeispiel sind das erste und das zweite Beugungsgitter mit einer wechselweisen Abweichung in der Gitterphase längs der Anordnungsrichtung versehen.
Diese und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele nach der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung deutlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer bekannten Art eines Gerätes zum Messen einer Verschiebung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer bekannten Art dese Gerätes zum präzisen abbildungsgenauen Messen.
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer Musteranordnung des Gerätes in Fig. 2.
Fig. 4 ist ein Graph zur Erläuterung eines nichtlinearen Fehlers in einem herkömmlichen System.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung, wie sich der nichtlineare Fehler beim herkömmlichen System verringern läßt.
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht eines Systems zum Messen einer Verschiebung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung des Grundkonzepts der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7A-7C sind Graphen zur Erläuterung einer Offset- Einstellung zum Verschieben der Phase und der Eigenschaft eines nichtlinearen Fehlers um 1/2 Periode.
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht eines Systems zum Messen einer Verschiebung eines Doppelweges nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist eine schematische Ansicht eines Ausrichtsystems in einem Halbleiterbelichtungsgerät, nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 ist eine schematische Ansicht zur teilweisen Darstellung einer Maske, eines Wafers und Ausrichtmarkierungen, die im dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 9 zu verwenden sind.
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung, wie Beugungslicht im dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 9 zu trennen ist.
Fig. 12A und 12B sind Graphen zur Erläuterung von Umständlichkeiten, die mit dem herkömmlichen Aufbau einhergehen, und wie diese gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel gelöst werden.
Fig. 13 ist eine schematische Ansicht eines abbildungsgenauen Präzisionsmeßsystems nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 14 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Bewertungsmusters, das im vierten Ausführungsbeispiel von Fig. 13 Verwendung findet.
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht, die ein anderes Beispiel einer Musteranordnung veranschaulicht.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das bei einem Kleinstverschiebungs-Meßsystem angewandt wird. Ein Zeeman-Laser 1 erzeugt Lichtkomponenten orthogonaler Polarisationszustände (P-polarisierte Lichtkomponente einer Frequenz f&sub1; und S-polarisierte Lichtkomponente einer Frequenz f&sub2;), die durch einen Strahlaufspalter 2 mit ihren Polarisationskomponenten zweigeteilt sind, ohne daß sie dadurch verändert werden. Das Licht wird des weiteren von einem anderen Strahlaufspalter 3 zweigeteilt.
Licht, das die beiden Strahlaufspalter 2 und 3 durchläuft, wird von einem Polarisator 4 aufgenommen, durch den die Polarisationsrichtungen der Komponenten registriert werden. Somit tritt Interferenz auf. Das Interferenzlicht wird von einem Sensor 5 in ein elektrisches Signal transformiert, wodurch ein Bezugsüberlagerungssignal erzeugt wird.
Vom Strahlaufspalter 2 reflektiertes Licht beaufschlagt einen Polarisationsstrahlaufspalter 9. Abhängig vom Zustand der Polarisation wird es zweigeteilt in Licht einer Frequenz f&sub1;, das den Strahlaufspalter durchläuft, und in Licht einer Frequenz f&sub2;, das vom Strahlaufspalter reflektiert wird. Das Licht der Frequenz f&sub1;, das den Strahlaufspalter 9 passiert hat, wird von einem Spiegel 13 (zu untersuchender Gegenstand) reflektiert und wird dann auf den Polarisationsstrahlaufspalter 9 projiziert. Hier durchläuft das Licht zweimal eine Viertelwellenplatte 10, die auf dem Lichtweg angeordnet ist, so daß mit Drehung der Polarisationsrichtung um 90 Grad das Licht in S-polarisiertes Licht transformiert wird. Folglich wird das auf den Polarisationsstrahlaufspalter 9 projizierte Licht dadurch reflektiert.
Andererseits wird Licht der Frequenz f&sub2;, das der Polarisationsstrahlaufspalter 9 reflektiert, von einem Festspiegel 12 erneut zurück zum Polarisationsstrahlaufspalter 9 reflektiert. Hier durchläuft gleichermaßen das Licht zweimal eine Viertelwellenplatte 11, die sich im Lichtweg befindet. Mit der Drehung der Richtung der Polarisation um 90 Grad wird somit das Licht in P-polarisiertes Licht transformiert, das nun den Polarisationsstrahlaufspalter 9 durchläuft.
In der zuvor beschriebenen Weise schreiten die Lichtkomponenten der Frequenzen f&sub1; und f&sub2; auf demselben Weg fort. Der Polarisator 14 registriert die Polarisationsrichtungen, und es tritt Interferenz auf. Ein Sensor 15 empfängt das Interferenzlicht, wodurch ein erstes Meßüberlagerungssignal erzeugt wird.
Vom Polarisationsstrahlaufspalter 3 reflektiertes Licht beaufschlagt den Polarisationsstrahlaufspalter 9. Abhängig vom Zustand der Polarisation erfolgt eine Zweiteilung in Licht einer Frequenz f&sub1;, das den Strahlaufspalter durchläuft, und in Licht einer Frequenz f&sub2;, das der Strahlaufspalter reflektiert. Das Licht der Frequenz f&sub1;, das den Polarisationsstrahlaufspalter 9 durchlaufen hat, wird vom Spiegel 13 (Gegenstand der Untersuchung) reflektiert und auf den Polarisationsstrahlaufspalter 9 projiziert. Das Licht durchläuft zweimal eine Viertelwellenplatte 10, die auf dem Lichtweg angeordnet ist, so daß hier mit der Drehung der Richtung der Polarisation um 90 Grad das Licht in S-polarisiertes Licht transformiert wird. Das auf den Polarisationsstrahlaufspalter 9 projizierte Licht wird dadurch folglich reflektiert.
Andererseits wird Licht der Frequenz f&sub2;, das der Polarisationsstrahlaufspalter 9 reflektiert, von einem Stufenabschnitt 6 des Festspiegels 9 erneut zum Polarisationsstrahlaufspalter 9 zurückreflektiert. Gleichermaßen durchläuft hier das Licht zweimal die Viertelwellenplatte 11, die sich im Lichtpfad befindet. Mit der Drehung der Richtung der Polarisation um 90 Grad wird somit das Licht transformiert in P-polarisiertes Licht, das nun den Polarisationsstrahlaufspalter 9 durchläuft.
In der zuvor beschriebenen Weise durchschreiten Lichtkomponenten der Frequenzen f&sub1; und f&sub2; denselben Weg. Der Polarisator 14 registriert dann die Polarisationsrichtungen, und es tritt Interferenz auf. Das Interferenzlicht empfängt der Sensor 15, wodurch ein zweites Meßüberlagerungssignal erzeugt wird.
Wenn sich hier der Schritt 6 ändert, ändern sich auch die Phasen des ersten und des zweiten Meßüberlagerungssignals. Wenn beispielsweise die Höhe h des Schrittes eingestellt ist, um der Bedingung h = λ/4 zu genügen, wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist, wird eine Phasendifferenz von π rad erzeugt zwischen den beiden Überlagerungssignalen. Im Falle, daß ein He-Ne-Laser verwendet wird, wird der Schritt ungefähr 158 nm ausfallen und kann leicht und genau gebildet werden durch ein bekanntes Verfahren, wie beispielsweise Dampfauftragung. Die Trennung zweier Meßüberlagerungssignale kann beispielsweise unter Verwendung eines Prismaspiegels 7 erfolgen.
Ein Beispiel des Signalverarbeitungsverfahrens ist nachstehend erläutert. Durch Nachweis der Phasendifferenz ( &sub1; - &sub2;) zwischen dem Meßüberlagerungssignal 1 und einem Bezugsüberlagerungssignal durch einen Phasendifferenzmesser 16 ändert sich die Verschiebung des Spiegels 13 in der Weise, wie sie in Fig. 7A dargestellt ist. Auch durch das Feststellen der Phasendifferenz ( &sub2; - &sub1;) zwischen einem Meßsignal 2 und dem Bezugsüberlagerungssignal durch einen Phasendifferenzmesser 17 wird ein Signal erzeugt, dessen Phase um π verschoben ist, wie in Fig. 7B dargestellt. Beim Vergleich der Fig. 7A und 7B ist ersichtlich, daß es auch eine Verschiebung π der Phase der nichtlinearen Fehlerkomponente gibt. Ausgangssignale der Phasendifferenzmesser 16 und 17 werden an eine Betriebseinrichtung 18 angelegt. In dieser Betriebseinrichtung 18 wird zunächst eine Offset-Einstellung um -π rad ausgeführt zum Ausgangspegel des Phasendifferenzmessers 17, so daß sich die Phasendifferenz mit der Verschiebung des Spiegels 13 ändert, wie in Fig. 7C dargestellt. Nach dieser Umsetzung errechnet die Betriebseinrichtung die Summe mit der vom Phasendifferenzmesser 16 ausgegebenen Phasendifferenz. Hier ist die nichtlineare Komponente reduziert worden. Wenn der Betrag der Verschiebung vom Spiegel ΔL beträgt und die Wellennummer des Lasers, die verwendet wird, K ist, wird = 4KΔL. Durch Ausführen der Operation /(4K) mit der Betriebseinrichtung 18 ist somit der Betrag der Spiegelverschiebung nachweisbar. Das Ergebnis der Operation wird einer Anzeige 19 zugeführt, und der Betrag der Verschiebung wird angezeigt.
Das zuvor beschriebene Überlagerungssignal- Verarbeitungsverfahren ist lediglich ein Beispiel. Was wichtig ist, das ist die Tatsache, daß bei der vorliegenden Erfindung eine spezielle Aufmerksamkeit dem Phänomen gezollt wird, daß der nichtlineare Fehler eine periodische Wiederholeigenschaft besitzt, und basierend auf dieser Erkenntnis wird ein zusätzliches Phasendifferenz-Ausgangssignal mit einer nichtlinearen Fehlerkomponente um die Hälfte der erzeugten Periode verschoben. Die Phasendifferenzfeststellung kann mit geeigneten zwei oder drei Überlagerungssignalen erfolgen. Das Rechenverarbeitungsverfahren, das zuvor beschrieben wurde, ist ein Beispiel, und andere Verfahren sind einsetzbar.
Hinsichtlich des auf dem Spiegel 12 zu bildenden Schrittes h ist dies nicht auf λ/4 beschränkt. Eine N-fache Höhe λ/4 (N ist eine ungradzahlige Zahl) ist anwendbar, einschließlich eines Falles, bei dem die Stufe konkav verläuft. Auch kann der Schritt auf der Spiegelmeßseite erfolgen.
Die vorliegende Erfindung ist weitgehend anwendbar bei Überlagerungsinterferenz-messenden Geräten. Das erste Ausführungsbeispiel ist speziell beschrieben worden unter Bezug auf ein Interferometer, das für eines dieser repräsentativ ist. Als nächstes wird die Art und Weise des Anwendens einer Differenz der 1/2-Periode zur nichtlinearen Fehlereigenschaft zwischen zwei Phasendifferenz-Ausgangssignalen sowie die Anwendbarkeit bei anderen Geräten beschrieben.
Fig. 8 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das bei einem Meßgerät zum Messen der Verschiebung eines Gegenstands Anwendung findet, wie im ersten Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 6 sind denselben Elementen von Fig. 8 zugeordnet, mit entsprechenden oder gleichen Funktionen. In Fig. 6 werden Planspiegel verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel werden jedoch Eckraumprismen (23, 24, 25) verwendet. Da das Prinzip im wesentlichen dasselbe ist wie dasjenige beim ersten Ausführungsbeispiel, wird hier eine detaillierte Beschreibung fortgelassen. Wegen der Verwendung eines Eckraumprismas wird die Empfindlichkeit zur Verschiebung eines Gegenstands, auf dem das Eckraumprisma montiert ist, höher; doppelt so hoch wie diejenige des Beispiels von Fig. 6. Während im Ausführungsbeispiel von Fig. 6 eine Neigung des Spiegels (zu untersuchender Gegenstand) zu einem Fehler führt, verursacht im Ausführungsbeispiel von Fig. 8 eine Neigung des Eckraumprismas 25 (zu untersuchender Gegenstand) keinen Fehler.
In diesem Ausführungsbeispiel wird eine planparallele Platte 26 verwendet, um eine Verschiebung von 1/2 Periode in der nichtlinearen Fehlerkennlinie zu schaffen. Wenn dieses Interferometer in einer Umgebung plaziert ist, wird hinsichtlich der Stärke t der planparallelen Platte der Brechungsindex der Luft zur verwendeten Wellenlänge λ gleich 1, und der Brechungsindex der parallelen Platte 26 ist dann n, so daß die nachstehende Beziehung gilt:
t = m·λ/{4(n - 1)} (13)
(m ist eine ungradzahlige Zahl)
Die Verarbeitung des Überlagerungssignals kann im wesentlichen in derselben Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden. Da jedoch die Empfindlichkeit für eine Verschiebung ΔL die doppelte ist, wird die letzte Operation, die in der Betriebseinrichtung 18 zu erfolgen hat, /8K (K ist eine Wellennummer).
Fig. 9 veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das bei einem Ausrichtsystem in einem Halbleiterbelichtungsgerät vom Nahbelichtungstyp Verwendung findet, und Verwendung beispielsweise von tiefultraviolettem Licht oder von Röntgenstrahlen. Die Ausrichtoperation für eine Maske 35 und einen Wafer 32 wird ausgeführt unter Verwendung einer Ausrichtmarkierung 36 von der Maske 35 mit einem Beugungsgitter oder mit Beugungsgittern, und einer Ausrichtmarkierung 37 des Wafers 36, die ein oder mehrere Beugungsgitter enthält. Der Zeeman-Laser 1 erzeugt Licht mit sich orthogonal kreuzenden Polarisationszuständen. Das Licht durchläuft eine Kollimatorlinse 26 und wird von einem Spiegel 27 abgelenkt. Dann wird es zweigeteilt von einem Polarisationsstrahlaufspalter 9 in eine Komponente der Frequenz f&sub1; (S-polarisiertes Licht) und in eine Komponente der Frequenz f&sub2; (P-polarisiertes Licht). Das Licht der Frequenz f&sub1; wird von einem Spiegel 30 abgelenkt und auf die Ausrichtmarkierungen 36 und 37 unter einem vorbestimmten Winkel projiziert. Auch wird das Licht der Frequenz f&sub2; von einem Spiegel 31 abgelenkt und wird gleichermaßen auf die Ausrichtmarkierungen 36 und 37 projiziert. Hier sind die Spiegel 30 und 31 vorgesehen, um den Einfallswinkel θin einzustellen, so daß das Beugungslicht senkrecht und nach oben vom Wafer (Maske) gebeugt ist. Wo das Rastergrundmaß des Beugungsgitters von der Ausrichtmarkierung 36 (37) gleich P ist, die verwendete Wellenlänge gleich λ und die Ordnung der Beugung die erste Ordnung ist, kann der Einfallswinkel folgendermaßen bestimmt werden:
sinθin = λ/P (14)
Wenn beispielsweise das mit P bezeichnete Rastergrundmaß 2 um beträgt und ein He-Ne-Laser (633 nm) verwendet wird, beträgt der Einfallswinkel etwa 18,5 Grad.
Wie man am besten aus Fig. 10 erkennen kann, enthalten die Ausrichtmarkierungen 36 und 37 jeweils zwei Sätze von Beugungsgittern 36a (37a) mit einer wechselweisen Verschiebung von 1/4 des Grundrastermaßes. Auch gibt es eine kleine Verschiebung in Y-Richtung. Des weiteren haben die Markierungen 36 und 37 eine Verschiebung in Y-Richtung. Der Abschnitt der Maske 35 gemäß der Maske 37 ist ausgestattet mit einem Durchlässigkeitsbereich. Der andere Bereich, der mit Ausrichtlicht zu bestrahlen ist, hat eine solche Maskenstruktur, die wirksam ist, das Ausrichtlicht zu blockieren, um dadurch das Erzeugen unerwünschten Lichts zu verhindern. In Fig. 10 wird die Marke auf der Maske, die mit 38 bezeichnet ist, eine Markierung, die zum Drucken auf den Wafer gelangt, so daß die gedruckte Marke im nachfolgenden Belichtungsprozeß verwendet wird. Eine Zone, die mit 32 bezeichnet ist, entspricht einer Reißlinie, und eine mit 33 bezeichnete Zone entspricht einem Schaltungsmusterbereich, eine Zone, die mit 34 bezeichnet ist, entspricht einem Bereich, der mit Belichtungslicht zu bestrahlen ist.
Beugungslichtkomponenten aus den Ausrichtmarken 36 und 37 gehen denselben Weg entlang und werden von einem Spiegel 21 reflektiert. Dann durchlaufen die Lichtkomponenten eine Linse 39 und einen Polarisator 40, und die Marken 36 und 37 werden an den Stellen eines Kantenspiegels 41 abgebildet, wie in Fig. 11 dargestellt. Hier durchläuft das Beugungslicht aus der Ausrichtmarke 36 den Kantenspiegel und, wie in Fig. 9 gezeigt, es wird erneut an der Kantenspiegelposition vom Kantenspiegel 44 rückabgebildet. Somit wird das Beugungslicht eingeteilt in Beugungslicht aus dem Beugungsgitter 36a und in Beugungslicht aus dem Beugungsgitter 36b. Das geteilte Beugungslicht geht durch eine Sammellinse 49 oder 48 und wird photoelektrisch von einem Sensor 58 oder 57 nachgewiesen. Andererseits wird das Beugungslicht aus der Ausrichtmarke 37 vom Kantenspiegel 41 gleichermaßen reflektiert und eingeteilt in Beugungslicht aus dem Beugungsgitter 37b und in Beugungslicht aus dem Beugungsgitter 37a. Danach werden sie von Sensoren 56 beziehungsweise 57 nachgewiesen.
In Hinsicht auf die Linse 39 sind der Wafer 52 (Maske 36) und der Kantenspiegel 41 in einer optisch einander zugeordneten Beziehung plaziert. Zusätzlich ist der Kantenspiegel 41 optisch den Sensoren 55-58 zugeordnet. Der Wafer (Maske) steht nämlich in einer optisch zugeordneten Beziehung zu den Sensoren. Somit ist das System starr gegenüber einer Neigung des Wafers und der Maske.
Das Überlagerungssignal IMa, das photoelektrisch vom Sensor 55 nachgewiesen wird, wenn α und β Amplituden von übergreifenden Lichtkomponenten auf die Amplituden A und B regulären Reflexionslichts und regulär übertragenes Licht vom Polarisationsstrahlaufspalter 9 sind, und wenn AM die Amplitude ist, folgt:
IMa = AMcOs{(w&sub1; - w&sub2;)t + Δ W} ... (15)
tan(Δ M) = sin(4πΔXM/P)/{cos(4πXM/P) + (α/B + β/A)} ... (16)
Wobei ΔXM der Betrag der Abweichung der Ausrichtmarke 36a von der Bezugslinie ist und wobei P das Rastermaß der Ausrichtmarke 36 ist.
Auch wird das Signal IMb photoelektrisch vom Sensor 58 nachgewiesen, so daß gilt:
IMb = AMcos{(w&sub1; - w&sub2;)t + Δ M'} ... (17)
tan(Δ M') = sin(4πΔXM/P + π)/{cos(4πΔXM/P + π) + (α/B + β/A)} ... (18)
Andererseits wird das Überlagerungssignal IWa photoelektrisch vom Sensor 57 nachgewiesen, wenn α und β Amplituden übergreifenden Lichts zu den Amplituden A und B des regulär reflektierten Lichts und reguläres Übertragungslicht vom Polarisationsstrahlaufspalter 9 sind, und wenn AW die Amplitude ist, dann folgt:
IWa = AWcos{(w&sub1; - w&sub2;)t + Δ W} ... (19)
tan(Δ W) = sin(4πΔXW/P)/{cos(4πΔXW/P) + (α/B + β/A)} (20)
Wobei ΔXW der Betrag der Abweichung der Ausrichtmarke 37a von einer Bezugslinie ist, und wobei P das Rastermaß der Ausrichtmarke 37 ist.
Auch wird das Überlagerungssignal IWb photoelektrisch vom Sensor 56 nachgewiesen, so daß gilt:
IWb = AWcos{(w&sub1; - w&sub2;)t + Δ W'} ... (21)
tan(Δ W') = sin(4πΔXW/P + π)/{cos(4πΔXW/P + π) + (α/B + β/A)} ... (22)
Die Differenz der Überlagerungssignale, die hier durch die Gleichungen (15) und (19) dargestellt werden, das heißt Δ M - Δ W wird festgestellt durch einen zweikanaligen Phasendifferenzmesser 59. Selbst wenn die relative Positionsabweichung zwischen den Ausrichtmarken 36 und 37 konstant ist, wie in Fig. 12A dargestellt, ändert sich diese Phasendifferenz entlang einer Sinuskurve mit einer Periode P/2 mit einer Positionsabweichung zwischen der Bezugslinie vom optischen Ausrichtsystem und den Ausrichtmarken 36 und 37 in der Ausrichtrichtung (mit anderen Worten, eine Abweichung zwischen dem Strahlfleck und der Ausrichtmarke). In Belichtungsgeräten sollten Ausrichtmarken sequentiell erneuert werden, und das optische Ausrichtsystem muß sequentiell mit der Erneuerung bewegt werden. Es gibt keine herkömmliche geeignete Einrichtung zum Positionieren des Strahlflecks und der Ausrichtmarke mit einer solchen Präzision (das heißt, nicht größer als P/5). Im Ergebnis tritt ein Ausrichtfehler gemäß der Amplitude auf, die in Fig. 12A gezeigt ist. Andere Faktoren zum Herbeiführen eines solchen Fehlers kann beispielsweise ein Positionierungsfehler in Hinsicht auf die Maskenansaugposition sein.
Nimmt man die Phasendifferenz Δ M' - Δ W' zwischen den Überlagerungssignalen vom Phasendifferenzmeßgerät 59, die durch die Gleichungen (17) und (21) dargestellt werden, wird ein Signal mit einer Eigenschaft eines nichtlinearen Fehlers bereitgestellt, der um 1/2 Periode verschoben ist, wie in Fig. 12B gezeigt. Somit wird es durch Feststellen eines Durchschnitts dieser beiden Phasendifferenzsignale bei Anwenden der Operationseinrichtung 18 möglich, den nichtlinearen Fehler zu beseitigen. Die relative Lageabweichung ΔX von der Maske und dem Wafer können hier bestimmt werden durch ΔX = ·(4π).
Nach Feststellen der Lageabweichung wird ein Ansteuersignal gemäß der Abweichung von einem nicht dargestellten Treiber an ein Stellglied 60M angelegt, um die Maske 35 zu verschieben, und/oder an ein Stellglied 60W, um die Waferbühne 61 zu verschieben, um sowohl eine oder beide der Masken als auch den Wafer zu bewegen, so daß der Positionsfehler in einen tolerierbaren Bereich gelangt.
Während die vorstehende Beschreibung in Hinsicht auf eine Achse (X-Richtung) erfolgte, so ist dies im Falle der Y-Richtung möglich. Das heißt, zusätzliche Sätze von Ausrichtmarken (nicht dargestellt) sind auf der Maske und auf dem Wafer vorgesehen in der Richtung senkrecht zu den Ausrichtmarken in X-Richtung, und ein zusätzlicher Satz des optischen Systems (ebenfalls nicht dargestellt) ist in Hinsicht auf die Richtung senkrecht zur Feststellrichtung zur X-Achse vorgesehen. Die Feststellung selbst kann im wesentlichen in derselben Weise wie diejenige in X-Richtung erfolgen. Ein Beugungsgitter in Würfelmuster kann als Ausrichtmarke verwendet werden, und bei dieser Gelegenheit ist die Positionsabweichungsfeststellung sowohl in Hinsicht auf die X- als auch in Hinsicht auf die Y-Achse möglich. Optische Ausrichtsysteme und Ausrichtmarken, jeweils wie zuvor beschrieben, können des weiteren auf wenigstens drei Seiten der vier Seiten einer jeden Belichtungszone vorgesehen sein, und bei dieser Gelegenheit werden die Feststellung der Positionsabweichung in der X- und in der Y-Richtung als auch die Feststellung einer Lageabweichung in einer Drehrichtung ermöglicht.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden P-polarisiertes Licht und S-polarisiertes Licht auf ein Beugungsgitter projiziert und, nachdem die Beugung dadurch erfolgt ist, werden die Polarisationsrichtungen mittels eines Polarisators dargestellt. Eine Halbwellenplatte kann jedoch auf dem Weg des Lichts, übertragen durch den Polarisationsstrahlaufspalter 9, oder auf dem Weg des Lichts, das von diesem Strahlaufspalter reflektiert wird, disponiert sein zum Darstellen der Polarisationsrichtung, und danach können diese Lichtkomponenten auf die Ausrichtmarke projiziert werden. Bei dieser Gelegenheit ist der Polarisator 40 nicht erforderlich.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezug auf ein Beispiel beschrieben worden ist, beidem positive und negative Beugungslichtkomponenten erster Ordnung verwendet werden, können Beugungslichtkomponenten beliebiger anderer Ordnung verwendet werden. Wo positive und negative Beugungslichtkomponenten n-ter Ordnung zu verwenden sind, können zwei Beugungsgitter einer Ausrichtmarke eine Lageabweichung gemäß 1/4n des Rastermaßes aufweisen, um so eine Verschiebung der nichtlinearen Fehlerkennlinie von 1/2 Periode sicherzustellen.
Fig. 13 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches angewandt wird bei einem Präzisionsbewertungssystem der Druckabbildung zum Feststellen und Bewerten der Lageabweichung mit hoher Genauigkeit zwischen zwei Druckabbildungs-Bewertungsmustern, die durch zwei Belichtungsprozesse gedruckt worden sind. In Fig. 13 sind gleiche Bezugszeichen wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen den zugehörigen Elementen zugeordnet.
Der Wafer 52 hat, wie man es am besten in Fig. 14 sieht, zwei Bewertungsmuster 70 und 71, die jeweils über Beugungsgitter verfügen. Diese Muster werden durch separate Druckprozesse gebildet und sie werden nebeneinander mit einem Abstand ΔY angeordnet. Licht aus einem Zeeman-Laser 1 mit orthogonalen Polarisationszuständen wird von einem Polarisationsstrahlaufspalter 9 zweigeteilt in Licht einer Frequenz f&sub1; (S-polarisiertes Licht) und in Licht einer Frequenz f&sub2; (P-polarisiertes Licht). Die Lichtkomponente der Frequenz f&sub1; geht über einen Spiegel 30 und bestrahlt die Bewertungsmuster 70 und 71. Die Lichtkomponente der Frequenz f&sub2; wird abgelenkt von einem Spiegel 31 und strahlt gleichermaßen auf die Beugungsgitter. Hier sind die Spiegel 30 und 31 eingerichtet, den Einfallswinkel θin so einzustellen, daß das Beugungslicht nach oben und senkrecht vom Wafer gebeugt wird. Der Einfallswinkel kann bestimmt werden gemäß der obigen Gleichung (14), wenn das Rastergrundmaß des Beugungsmusters vom Bewertungsmuster 70 (71) gleich P ist.
Wie sich am besten aus Fig. 14 ersehen läßt, enthalten die Bewertungsmuster 70 und 71 jeweils zwei Sätze von Beugungsgittern mit einer abwechselnden Verschiebung von 1/4 des Rastergrundmaßes. Auch gibt es eine kleine Verschiebung in Y-Richtung. Das Symbol ΔX in der Figur entspricht dem Registrierfehler zwischen zwei Prozessen.
Beugungslichtkomponenten aus den Bewertungsmustern 70 und 71 gehen im wesentlichen denselben Weg entlang. Im wesentlichen in derselben Weise werden die Beugungslichtkomponente aus dem Beugungsgitter 70a und die Beugungslichtkomponente aus dem Beugungsgitter 70b von Kondensorlinsen 49 beziehungsweise 48 gesammelt und dann photoelektrisch von Sensoren 58 beziehungsweise 57 nachgewiesen. Andererseits wird das Beugungslicht aus dem Bewertungsmuster 71, wie vom Kantenspiegel 41 reflektiert, in eine Beugungslichtkomponente aus dem Beugungsgitter 71b und in eine Beugungslichtkomponente aus dem Beugungsgitter 71a geteilt. Diese werden dann von den Sensoren 56 beziehungsweise 55 nachgewiesen.
Überlagerungssignal I1a wird photoelektrisch vom Sensor 55 nachgewiesen, wenn α und β Amplituden übergreifenden Lichts zu den Amplituden A und B der regulär reflektierten Lichtkomponente und dem regulär übertragenen Licht des Polarisationsstrahlaufspalters 9 sind, und wenn A&sub1; die Amplitude ist, gilt:
I1a = A&sub1;cos{(w&sub1; - w&sub2;)t + Δ&sub1;} ... (23)
tan(Δ&sub1;) = sin(4nΔX&sub1;/P)/{cos(4πΔX&sub1;/P) + (α/B + β/A)} ... (24)
wobei ΔX&sub1; der Betrag der Abweichung des Beugungsgitters 70a von einer Bezugslinie ist, und P ist das Rastergrundmaß des Beugungsgitters 70.
Auch das Überlagerungssignal I1b wird photoelektrisch vom Sensor 58 nachgewiesen:
I1b = A&sub1;cos{(w&sub1; - w&sub2;)t + Δ&sub1;'} ... (25)
tan(Δ&sub1;') = sin(4πΔX&sub1;/P + π)/cos(4πΔX&sub1;/P + π) + (α/B + β/A)} ... (26)
Andererseits wird das Überlagerungssignal I2a photoelektrisch vom Sensor 57 nachgewiesen, wenn α und β Amplituden vom übergreifenden Licht zu den Amplituden A und B der regulär reflektierten Lichtkomponente und der regulär durchgelassenen Lichtkomponente des Polarisationsstrahlaufspalters 9 sind, und wenn A&sub2; die Amplitude ist, gilt:
I2a = A&sub2;cos{(w&sub1; - w&sub2;)t + Δ&sub2;} ... (27)
tan(Δ&sub2;) = sin(4πΔX&sub2;/P)/{cos(4πΔX&sub2;/P) + (α/B + β/A) ... (28)
wobei ΔX&sub2; der Betrag der Abweichung des Beugungsgitters 71a von der Bezugslinie ist und wobei P das Rastergrundmaß des Beugungsgitters 71 ist.
Auch das Überlagerungssignal I2b wird photoelektrisch nachgewiesen vom Sensor 56, so daß gilt:
I2b = A&sub2;cos{(w&sub1; - w&sub2;)t + Δ 2'} ... (29)
tan(Δ&sub2;') = sin(4πΔX&sub2;/P + π)/{cos(4πΔX&sub2;/P + π) + (α/B + β/A)} ... (30)
Hier wird die Differenz der Überlagerungssignale durch Gleichungen (23) und (27) dargestellt, das heißt, Δ&sub1; - A &sub2; wird vom zweikanaligen Phasendifferenzmeßgerät 59 festgestellt. Selbst wenn die relative Lageabweichung zwischen den Bewertungsmustern 70 und 71 konstant ist (nämlich derselbe Fehler der Abbildungsgenauigkeit), wie in Fig. 12A dargestellt, ändert sich das Phasendifferenzsignal entlang einer Sinuskurve mit einer Periode P/2 mit einer Lageabweichung zwischen der Bezugslinie des optischen Systems und den Bewertungsmustern 70 und 71 (mit anderen Worten, eine Abweichung zwischen dem Strahlfleck und dem Bewertungsmuster). Im Meßsystem der Abbildungsgenauigkeit ist es notwendig, die Messung des Fehlers der Abbildungsgenauigkeit an verschiedenen Orten in einer Aufnahme eines Wafers auszuführen. Auch ist es erforderlich, die Messung in Hinsicht auf verschiedene Aufnahmen auf einem Wafer auszuführen. Somit muß der Wafer zu jedem Bewertungsmuster an die Meßstelle bewegt werden. Herkömmlicherweise gab es keine geeignete Einrichtung zum Positionieren des Strahlflecks und des Bewertungsmusters mit einer derartigen Präzision (das heißt, nicht größer als P/5). Im Ergebnis tritt ein Fehler der Meßwiederholbarkeit gemäß der Amplitude auf, wie in Fig. 12A gezeigt.
Nimmt man die Phasendifferenz Δ&sub1;' - Δ&sub2;' zwischen den Überlagerungssignalen vom Phasendifferenzmeßgerät 59, die durch die Gleichungen (25) und (29) ausgedrückt werden, wird ein Signal mit einer Kennlinie bereitgestellt, die einen nichtlinearen Fehler aufweist, der um 1/2 Periode verschoben ist, so wie in Fig. 12B dargestellt. Somit ist es möglich, den nichtlinearen Fehler durch Nachweisen eines Durchschnitts dieser beiden Phasendifferenzsignale unter Verwendung der Recheneinrichtung 18 zu beseitigen. Hier kann die relative Lageabweichung ΔX der Maske und des Wafers bestimmt werden durch:
ΔX = ·P(4π) (31)
Es können andere als die Musteranordnungen des dritten und vierten Ausführungsbeispiels einer in Fig. 15 gezeigten Anordnung verwendet werden, wobei Beugungsgitter 90a und 90b und Beugungegitter 91a und 91b der Marken 90 und 91 eine wechselweise Verschiebung X&sub0; in der X-Richtung haben. Jedoch gibt es die Notwendigkeit des Verschiebens vom nichtlinearen Fehler um 1/2 Periode, wenn das Rastergrundmaß des Beugungsgitters P beträgt und n eine ganze Zahl ist, wobei der Betrag der Verschiebung auswählbar ist in einem Bereich von
X&sub0; = (2n + 1)·P/4.
Während die vorstehende Beschreibung der Erfindung anhand der Beispiele erfolgte, bei der ein Zeeman-Laser als Lichtquelle verwendet wurde, kann tatsächlich auch ein mono-frequenter Laser verwendet werden: Laserlicht aus einem derartigen Laser kann durch einen Polarisationsstrahlaufspalter geteilt werden, danach kann ein akusto-optisches Element verwendet werden, um die Frequenzmodulation auszuführen, wodurch zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenzen mit orthogonalen Polarisationszuständen bereitgestellt werden.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Verschiebung eines Gegenstands, mit den Verfahrensschritten:

Trennen von Licht, das erste und zweite Frequenzkomponenten enthält, mit einer geringen Differenz in der Frequenz, in Licht der ersten Frequenz und Licht der zweiten Frequenz;

Lenken eines ersten Lichtstrahls der ersten Frequenz entweder entlang einem ersten Weg über den Gegenstand oder entlang einem zweiten Bezugsweg, und Lenken eines zweiten Lichtstrahls der zweiten Frequenz entlang dem anderen der Wege, zu denen der erste und zweite Weg gehört, und dann Herbeiführen einer Interferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtstrahl, um ein erstes Überlagerungssignal zu erzeugen;

Lenken eines dritten Lichtstrahls der ersten Frequenz entweder entlang einem ersten Weg über den Gegenstand oder entlang einem zweiten Bezugsweg, und Lenken eines vierten Lichtstrahls der zweiten Frequenz entlang dem anderen der Wege, zu denen der erste und zweite Weg gehört, und dann Herbeiführen einer Interferenz zwischen dem dritten und dem vierten Lichtstrahl, um ein zweites Überlagerungssignal zu erzeugen; und

Bestimmen der Verschiebung vom Gegenstand unter Verwendung des ersten und zweiten Überlagerungssignals, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: Veranlassen, daß der dritte und vierte Lichtstrahl mit dem ersten und dem zweiten Lichtstrahl außer Phase ist, so daß eine Phasendifferenz gemäß Radian π zwischen dem ersten Überlagerungssignal und dem zweiten Überlagerungssignal aufkommt, Ausführen des Verfahrensschrittes des Bestimmens durch Bestimmen des Durchschnitts der Phase vom ersten Überlagerungssignal und der Phase vom zweiten Überlagerungssignal nach Einstellen der relativen Phasen vom ersten und zweiten Überlagerungssignal um einen Betrag gemäß Radian π.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste und zweite Lichtstrahl über ein erstes Beugungsgitter auf den Gegenstand geleitet wird und sich erstreckt entlang einer gegebenen Richtung, und wobei der dritte und vierte Lichtstrahl über ein zweites Beugungsgitter geleitet wird, das auf dem Gegenstand vorgesehen ist und dasselbe Grundmaß und dieselbe Anordnungsrichtung wie das erste Beugungsgitter hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das erste und das zweite Beugungsgitter mit einer wechselweisen Differenz in der Gitterphase in der Anordnungsrichtung gebildet sind.

4. System zum Messen einer Verschiebung eines Gegenstands, mit:

einem Bereitstellmittel (1, 2, 3) zum Bereitstellen von Licht mit einer ersten und einer zweiten Frequenzkomponente, die eine geringe Frequenzdifferenz haben,

einem Trennmittel (9), das das erste Licht in erste und zweite Frequenzkomponenten trennt;

einem ersten Lenkungsmittel, das den ersten Lichtstrahl der ersten Frequenz längs eines ersten Weges über den Gegenstand lenkt und einen zweiten Bezugsweg und ein zweiter Lichtstrahl der zweiten Frequenz längs des anderen Weges, zu denen der erste und der zweite Weg gehört, um so eine Interferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtstrahl zu verursachen, um ein erstes Überlagerungssignal zu erzeugen;

einem zweiten Lenkungsmittel zum Lenken eines dritten Lichtstrahls der ersten Frequenz entlang des ersten Weges über den Gegenstand und einen zweiten Bezugsweg, und Lenken eines vierten Lichtstrahls der zweiten Frequenz längs des anderen Weges, zu denen der erste und der zweite Weg gehört, um so eine Interferenz zwischen dem ersten und dem vierten Lichtstrahl herbeizuführen, um ein zweites Überlagerungssignal zu erzeugen; und

einem Bestimmungsmittel (16, 17, 18, 19), das die Verschiebung des Gegenstands unter Verwendung des ersten und zweiten Überlagerungssignals bestimmt, dadurch

gekennzeichnet, daß das Meßsystem ausgestattet ist mit einem Mittel (6, 26), das den dritten und den vierten Lichtstrahl veranlaßt, mit dem ersten und dem zweiten Lichtstrahl außer Phase zu sein, so daß es eine Phasendifferenz gemäß Radian π zwischen dem ersten und zweiten Überlagerungssignal gibt, wobei das Bestimmungsmittel (16, 17, 18, 19) eingerichtet ist zum Bestimmen des Durchschnitts der Phase vom ersten Überlagerungssignal und der Phase vom zweiten Überlagerungssignal nach Einstellen der relativen Phasen vom ersten und zweiten Überlagerungssignal um den Betrag gemäß Radian π

5. System nach Anspruch 4, das des weiteren über ein erstes und zweites Gitter gleichen Grundmaßes verfügt und eingerichtet ist, auf dem Gegenstand vorgesehen zu sein und sich in derselben Richtung zu erstrecken, wobei das erste Lenkungsmittel so eingerichtet ist, daß in Verwendung der erste und der zweite Lichtstrahl über das erste Beugungsgitter gelenkt werden, und das zweite Lenkungsmittel so eingerichtet ist, daß es den dritten und vierten Lichtstrahl über das zweite Beugungsgitter lenkt.

6. System nach Anspruch 5. bei dem das erste und zweite Beugungsgitter gebildet ist mit einer wechselweisen-Abweichung in der Gitterphase längs der Anordnungsrichtung.

7. Belichtungsgerät für ein Halbleiterwafer mit einem Ausrichtsystem, das über ein Verschiebungsmeßsystem gemäß Anspruch 5 oder 6 verfügt.

8. Bewertungssystem für eine Druckregistrierung, mit einem Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 5 oder 6.