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Dokumentenidentifikation DE102006023996A1 01.03.2007
Titel Interferometer zum Messen senkrechter Translationen
Anmelder Agilent Technologies, Inc. (n.d.Ges.d.Staates Delaware), Palo Alto, Calif., US
Erfinder Schluchter, William Clay, Los Altos, Calif., US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 22.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023996
Offenlegungstag 01.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2007
IPC-Hauptklasse G01B 9/02(2006.01)A, F, I, 20060522, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Interferometer liefert einen großen Dynamikbereich für senkrechte Verschiebungsmessungen. Beim Betrieb reflektiert ein Messreflektor auf einem Objekt einen Messstrahl zu einem darüberliegenden Porro-Prisma, und ein Referenzreflektor auf dem Objekt leitet einen Referenzstrahl zu dem Interferometer zurück. Ein zweites Porro-Prisma in dem Interferometer kann den Referenzstrahl für einen zweiten Durchlauf zu dem Referenzreflektor zurückleiten, während der Messstrahl nur einen Durchlauf abschließt. Reduktionen bei dem Strahlauseinanderlaufen ergeben sich von Retroreflektionen in den Porro-Prismen und den Anpassungseffekten, die einige Objektdrehungen auf Mess- und Referenzstrahlen haben. Eine senkrechte Bewegung des Objekts relativ zu dem ersten Porro-Prisma bewirkt eine Doppler-Verschiebung nur in dem Messstrahl. Folglich kann eine Schwebungsfrequenz, die gefunden wird, wenn der Mess- und Referenzstrahl kombiniert werden, eine restliche Doppler-Verschiebung anzeigen, die der Bewegung in der senkrechten Richtung zugeordnet ist.

Beschreibung[de]

Ein Planspiegel-Interferometer kann verwendet werden, um die Position, Ausrichtung oder Bewegung einer Präzisionsstufe in einem Waferverarbeitungssystem zu messen. Für eine solche Verwendung ist ein Planspiegel typischerweise auf der Stufe befestigt, die gemessen wird, und der Interferometer lenkt einen oder mehrere Messstrahlen für Reflektionen von dem Planspiegel. Jeder Messstrahl entspricht im Allgemeinen einem getrennten Interferometerkanal, aber einige Interferometer, die allgemein als Doppeldurchlaufinterferometer bezeichnet werden, lenken jeden Messstrahl für zwei Reflektionen von dem Planspiegel, bevor der Interferometer den Messstrahl mit einem Referenzstrahl kombiniert, für eine Signalverarbeitung, die Messungen erzeugt.

Mehrere Interferometerkanäle können den gleichen Planspiegel verwenden, um Abstände zu getrennten Punkten auf einer Ebene zu messen, und dadurch mehrere Freiheitsgrade einer Stufe zu messen. Insbesondere können die drei Interferometerkanäle, die Translationen bzw. Verschiebungen an drei getrennten Punkten auf dem gleichen Planspiegel messen, eine Translation der Stufe entlang einer X- oder Strahlachse, eine Steigungsdrehung der Stufe um eine Y-Achse senkrecht zu der X-Achse, und eine Gierdrehung der Stufe um eine Z-Achse senkrecht zu der X- und Y-Achse identifizieren. Stufendrehungen sind wichtig, um zu messen, wenn das System anfällig ist für Abbe-Fehler, d. h. Verschiebungsfehler aufgrund von Stufendrehungen.

Ein dynamischer Messbereich für jeden Kanal eines Planspiegel-Interferometers ist allgemein beschränkt, weil Spiegeldrehungen (z. B. Steigungsdrehungen) den Messstrahl ablenken können, was bewirkt, dass der reflektierte Messstrahl von dem Weg „auseinander läuft", der für die Rekombination mit einem Referenzstrahl erforderlich ist. Für einige Konfigurationen ist der Dynamikbereich für Messungen etwa gleich dem Messstrahlradius w geteilt durch die Länge des optischen Wegs für den Messstrahl, z. B. etwa vier Mal der Abstand L, der sich von dem Interferometer zu dem Planspiegel in einem Doppeldurchlaufinterferometer erstreckt. Folglich ist der Dynamikbereich für Drehmessungen typischerweise begrenzt auf etwa w/4L-Radian. Das Erhöhen der Strahlbreite w kann den dynamischen Messbereich erhöhen. Größere Strahlbreiten erfordern jedoch größere und daher aufwändigere Optik und komplexe Systeme, wie z. B. Waferverarbeitungsausrüstung haben nicht unbedingt ausreichend Platz für große Interferometer.

Ein getrennter Planspiegel-Interferometer kann auch verwendet werden, um die Position oder Bewegung einer Stufe entlang einer Z-Achse (d. h. der Fokusachse der Projektionslinse) zu messen. Falls der Interferometer jedoch auf der Projektionslinsenseite der Stufe ist, muss die Stufe größer gemacht werden, um einen Planspiegel außerhalb der Projektionsfläche aufzunehmen. Dies kann den Waferdurchsatz reduzieren. Falls der Interferometer auf einer Seite gegenüberliegend der Projektionslinse ist, wird alternativ eine Zwischenreferenz, wie z. B. ein Stein, unter der Stufe benötigt, was zusätzliche Messungen der relativen Position der Zwischenreferenz relativ zu der Projektionslinse erfordert.

Das U.S.-Patent Nr. 6,020,964 und 6,650,419 beschreibt Interferometersysteme, die in der Lage sind, eine Höhe einer Stufe zu messen. In solchen Systemen reflektiert ein Reflektor, der auf einer Stufe befestigt ist, einen Messstrahl von einem horizontalen Einfallsweg (entlang einer X-Achse) zu einem vertikal reflektierten Weg (entlang einer Z-Achse). Ein Reflektor, der über der Stufe befestigt ist, reflektiert den vertikal gelenkten Messstrahl zurück zu dem Reflektorsystem auf der Stufe, wo der Messstrahl umgelenkt wird zu einem horizontalen Rückleitungsweg zurück zu der Interferometeroptik. Die gesamte Phasenänderung oder Doppler-Verschiebung des Messstrahls zeigt somit einen Abstand oder eine Bewegung entlang eine Weg an, der horizontale und vertikale Komponenten aufweist. Ein getrennter Interferometerkanal kann die horizontale Komponente des Wegs messen, so dass die vertikale Komponente oder eine Höhenmessung extrahiert werden kann. Diese Höhenmessungen unterliegen allgemein den oben beschriebenen Dynamikbereichbegrenzungen, zumindest aufgrund des Bedarfs, die horizontale Komponente zu messen und zu subtrahieren.

Bezüglich der Beschränkungen bestehender Interferometer werden Systeme und Verfahren geschaffen, die einen großen dynamischen Messbereich für Messungen von Höhen oder vertikalen Translationen liefern können, ohne große optische Elemente zu erfordern.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Messen eines Objekts, ein Interferometersystem sowie ein Verfahren zum Messen einer Verschiebung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch Systeme gemäß Anspruch 1 und 13 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß den vorliegenden Lehren liefert ein Interferometer einen großen Dynamikbereich zum Messen von Verschiebungen eines Objekts, die senkrecht sind zu der Trennung zwischen dem Interferometer und dem Objekt. Der Interferometer verwendet einen Referenzreflektor und einen Messreflektor auf dem Objekt, das gemessen wird. Der Messreflektor reflektiert einen Messstrahl zu einem Porro-Prisma, das über dem Objekt befestigt ist, und der Referenzreflektor leitet den Referenzstrahl direkt zu dem Interferometer zurück. Ein zweites Porro-Prisma in dem Interferometer kann den Referenzstrahl für einen zweiten Durchlauf und eine Reflektion von dem Referenzreflektor zurückleiten. Die Porro-Prismen können Strahlauseinanderlaufen reduzieren, das auftritt, wenn die Stufe sich dreht. Andere Effekte der Stufendrehungen, die die Porro-Prismen nicht lindern, sind für Mess- und Referenzstrahlen ähnlich, so dass das Auseinanderlaufen gering ist. Folglich kann ein großer Dynamikbereich erreicht werden, ohne große Strahldurchmesser zu erfordern.

Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Interferometersystems dient zum Messen eines Objekts, wie z. B. einer Waferstufe, auf der ein Messreflektor und ein Referenzreflektor befestigt sind. Dieses Interferometersystem umfasst Optik, die einen Messstrahl und einen Referenzstrahl in einer X-Richtung jeweils zu dem Messreflektor und dem Referenzreflektor lenken. Der Messreflektor lenkt den Messstrahl erneut in eine Z-Richtung und der Referenzreflektor lenkt den Referenzstrahl zurück zu der Interferometeroptik. Ein Reflektor, wie z. B. ein Porro-Prisma überlagert das Objekt und ist positioniert, um den Messstrahl zurück zu dem Messreflektor zu lenken, der dann den Messstrahl umlenkt zurück zu der Interferometeroptik. Der Interferometer lenkt dann den Referenzstrahl für einen zweiten Durchlauf um zu dem Referenzreflektor, der den Strahl zurück zu dem Interferometer reflektiert. Die Interferometeroptik kombiniert den Mess- und den Referenzstrahl und ein Detektor wandelt den kombinierten Strahl in ein elektrisches Signal um, von dem eine Messung einer relativen Verschiebung des Objekts in der Z-Richtung bestimmt wird.

Ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel gemäß den vorliegenden Lehren ist ein Interferometersystem, das einen Polarisationsstrahlteiler, einen Messreflektor, ein erstes Porro-Prisma, einen Referenzreflektor und einen Detektor umfasst. Der Polarisationsstrahlteiler teilt einen Eingangsstrahl in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl. Der Messreflektor empfängt den Messstrahl von dem Polarisationsstrahlteiler und reflektiert den Messstrahl von einem ersten Weg zu einem zweiten Weg. Das erste Porro-Prisma empfängt den Messstrahl und leitet den Messstrahl zurück zu dem Messreflektor entlang einem dritten Weg, der von dem zweiten Weg versetzt ist. Der zweite und dritte Weg sind allgemein senkrecht zu dem ersten Weg. Der Referenzreflektor ist relativ zu dem Messreflektor fest und angeordnet, so dass der Referenzreflektor den Referenzstrahl von dem Polarisationsstrahlteiler empfängt und den Referenzstrahl zurück zu dem Polarisationsstrahlteiler reflektiert. Der Polarisationsstrahlteiler rekombiniert den Messstrahl und Referenzstrahl, und ein Detektor wandelt den resultierenden rekombinierten Strahl in ein elektrisches Signal um, von dem eine Messung einer Verschiebung bestimmt wird.

Ein Rückleitungsreflektor, wie z. B. ein zweites Porro-Prisma, kann positioniert sein, um den Referenzstrahl von dem Polarisationsstrahlteiler zu empfangen, nachdem der Referenzstrahl während eines ersten Durchlaufs von dem Referenzreflektor reflektiert wurde. Der Rückleitungsreflektor lenkt den Referenzstrahl zurück zu dem PBS für eine zweite Reflektion von dem Referenzreflektor, wonach der Polarisationsstrahlteiler den Messungs- und Referenzstrahl rekombiniert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß den vorliegenden Lehren ist ein Verfahren zum Messen einer Verschiebung, die senkrecht ist zu einer Trennung zwischen einem Interferometer und einem Objekt, das gemessen wird. Das Verfahren beginnt mit dem Lenken eines Messstrahls für eine Reflektion von einem ersten Reflektor, der auf dem Objekt befestigt ist, wobei der erste Reflektor den Messstrahl in einer ersten Richtung senkrecht zu der Trennung zwischen dem Interferometer und dem Objekt lenkt. Ein zweiter Reflektor, wie z. B. ein Porro-Prisma, das von dem ersten Reflektor entlang der ersten Richtung getrennt ist, reflektiert den Messstrahl zurück zu dem ersten Reflektor. Das Verfahren umfasst ferner das Lenken eines Referenzstrahls für zwei Reflektionen von einem dritten Spiegel, der auf dem Objekt befestigt ist, und das Kombinieren des Messstrahls und des Referenzstrahls, um einen kombinierten Strahl zu bilden. Das Messen einer Schwebungsfrequenz des kombinierten Strahls zeigt eine restliche Doppler-Verschiebung des Mess- oder Referenzstrahls an, die nicht aufgehoben wird durch eine passende Doppler-Verschiebung des anderen Strahls. Die restliche Doppler-Verschiebung hängt von der Bewegung senkrecht zu der Trennung zwischen dem Interferometer und dem Objekt ab.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Waferverarbeitungssystem, das einen Interferometer umfasst, der in der Lage ist, eine Höhe einer Präzisionsstufe relativ zu einer Projektionslinse zu messen;

2A, 2B u. 2C jeweils Seiten-, Drauf- und Vorderansichten von Strahlwegen in einem Interferometer, der für das System von 1 geeignet ist; und

3 ein Interferometersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein hohles Penta-Prisma als einen Messreflektor verwendet.

Die Verwendung der gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren zeigt ähnliche oder identische Elemente an.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lehren kann ein Interferometer, der in der Lage ist, eine vertikale Verschiebung eines Objekts zu messen, das horizontal von dem Interferometer beabstandet ist, Mess- und Referenzreflektoren auf dem Objekt, das gemessen wird, ein erstes Porro-Prisma über dem Objekt, das gemessen wird, und ein zweites Porro-Prisma in der Interferometeroptik verwenden. Ein Polarisationsstrahlteiler in dem Interferometer teilt einen Eingangsstrahl in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl, die beide zu dem Objekt gelenkt werden.

Der Messstrahl verläuft horizontal zu dem Messreflektor, vertikal zu dem ersten Porro-Prisma, vertikal zurück zu dem Messreflektor und horizontal zurück zu der Interferometeroptik, wobei der Messstrahl rekombiniert werden kann mit dem Referenzstrahl und gemessen werden kann. Folglich reflektiert der Messstrahl zweimal von dem Messreflektor während eines einzelnen Durchlaufs der Interferometeroptik und zurück.

Der Referenzstrahl verläuft von dem Interferometer zu dem Referenzreflektor und kehrt während eines ersten Durchlaufs direkt zu der Interferometeroptik zurück. Der Referenzstrahl reflektiert dann von dem zweiten Porro-Prisma und verläuft von dem Interferometer zu dem Referenzreflektor und kehrt während eines zweiten Durchlaufs direkt zu der Interferometeroptik zurück. Die Referenzstrahlen können nach dem Abschließen eines zweiten Durchlaufs von der Interferometeroptik zu dem Objekt rekombiniert werden mit dem Messstrahl, der nur einen Durchlauf von der Interferometeroptik zu dem Objekt und zurück durchführt.

Das Interferometersystem erreicht sehr geringes Auseinanderlaufen zwischen den Mess- und Referenzstrahlen, wenn dieselben rekombiniert werden. Das geringe Auseinanderlaufen ergibt sich, weil sowohl der Messstrahl als auch der Referenzstrahl zweimal von Reflektoren auf dem Objekt reflektieren, so dass die Steigungsdrehungen des Objekts passende Winkelablenkungen des Mess- und Referenzstrahls bewirken. Außerdem liefern die Porro-Prismen Retroreflektionen in entsprechenden Ebenen, um zumindest einige der Effekte von Gier- und Rolldrehungen des Objekts aufzuheben.

1 stellt ein System 100 dar, das einen Interferometer 110 umfasst, der in der Lage ist, die vertikale Tranlsation eines Objekts zu messen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das System 100 Teil einer Photolithographieausrüstung, die geeignet ist zum Verarbeiten von Halbleiterwafern, und das gemessene Objekt ist eine Stufe 120 zum Positionieren eines Halbleiterwafers 125 relativ zu einer Projektionslinse 130 während eines Photolithographieprozesses. Für solche Prozesse müssen die Stufe 120 und/oder ein Positioniersystem (nicht gezeigt) für die Projektionslinse 130 in der Lage sein, den Wafer 125 genau relativ zu einer optischen Achse der Projektionslinse 130 zu positionieren, so dass die Projektionslinse 130 das gewünschte Muster auf den korrekten Bereich des Wafers 125 projizieren kann. Ferner müssen die Stufe 120 oder ein Fokussierungssystem für die Projektionslinse 130 in der Lage sein, die Trennung zwischen dem Wafer 125 und der Projektionslinse 130 zu steuern oder anzupassen, um eine scharf fokussierte Struktur zu bilden. Der Interferometer 110 misst eine relative Höhe oder Z-Verschiebung der Stufe 120, wobei die Z-Richtung im Wesentlichen senkrecht ist zu der Trennung zwischen Interferometer 110 und Stufe 120. Ein Betreiber oder ein Steuersystem (nicht gezeigt) kann die Höhenmessung verwenden, wenn eine Stufe 120 und/oder das Fokussierungssystem für die Projektionslinse 130 gesteuert wird. Wie es für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich ist, ist die Messung der Höhe der Stufe 120 relativ zu der Projektionslinse 130 in der Waferverarbeitungsausrüstung 100 lediglich eine darstellende Anwendung des Interferometers 110, und allgemeiner kann der Interferometer 110 eine Vielzahl von Objekten in einer Vielzahl von Systemen messen.

Für eine Höhenmessung lenkt der Interferometer 110 einen Messstrahl 112 und einen Referenzstrahl 114 an jeweiligen planaren Reflektoren 122 und 124 auf die Stufe 120. Außerdem kann ein zweiter Messstrahl 116 zu einem planaren Reflektor 124 gelenkt werden, für eine herkömmliche Messung der Verschiebung des Objekts entlang der X-Richtung.

Der planare Reflektor 122 in einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist ein Planspiegel, der bei 45° zur Horizontalen ausgerichtet ist und den Messstrahl 112 von einem horizontalen Weg zu einem vertikalen Weg reflektiert. Der vertikale Weg führt den Messstrahl 112 zu einem Reflektor 132 auf einer Befestigungsstruktur 134, die an der Projektionslinse 130 befestigt sein kann. Der Reflektor 132 ist bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ein extradiertes Porro-Prisma mit einer Länge entlang der X-Richtung, und ausgerichtet und positioniert, um den Messstrahl 112 zurück zu dem Reflektor 122 zu reflektieren, für jede Position der Stufe 120 in ihrem Bewegungsbereich. Der Reflektor 122 lenkt dann den Messstrahl 112 zurück zu dem Interferometer 110. Der planare Reflektor 124 reflektiert den Referenzstrahl 114 direkt zurück zu dem Interferometer 110, so dass der Weg des Referenzstrahls 114 zu und von der Stufe 120 nominal horizontal ist.

Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Interferometer 110 ein Michelson-Interferometer, bei dem sowohl der Messstrahl 112 als auch der Referenzstrahl 114 zweimal reflektieren von jeweiligen Reflektoren 122 und 124, bevor dieselben für die Analyse rekombiniert werden. Die beiden Reflektionen des Messstrahls von der Stufe 120 treten während eines einzelnen Durchlaufs von dem Interferometer 110 zu dem Porro-Prisma 132 und zurück auf. Die beiden Reflektionen des Referenzstrahls von der Stufe 120 treten während zwei getrennten Durchläufen von dem Interferometer 110 zu der Stufe 120 auf.

Ein Ausführungsbeispiel des Interferometers 110, der in 2A, 2B und 2C gezeigt ist, umfasst eine Strahlquelle 210, einen Polarisationsstrahlteiler (PBS) 220, eine Viertelwellenplatte (QWP) 230, ein Porro-Prisma 240, ein Detektorsystem 250 und einen Drehspiegel 260. Die Strahlquelle 210 ist eine Quelle eines Eingangsstrahls IN, von dem der PBS 220 den Messstrahl 112 und den Referenzstrahl 114 extrahiert. Bei einem Ausführungsbeispiel eines Interferometers 110 ist der Strahl IN ein Überlagerungsstrahl, der eine erste Komponente mit einer ersten Frequenz F1 und einer ersten linearen Polarisation, und eine zweite Komponente aufweist, die eine zweite Frequenz F2 und eine zweite lineare Polarisation aufweist, die senkrecht zu der ersten linearen Polarisation ist. Viele Strahlquellen sind in der Lage, einen Überlagerungsstrahl mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Die Strahlquelle 210 kann beispielsweise ein Laser sein, der die gewünschte Differenz in den Frequenzen F1 und F2 durch Zeeman-Aufspaltung und/oder mit einem akusto-optischen Modulator (AOM) erzeugt. Andere Quellen von Überlagerungsstrahlen, die bekannt oder entwickelt werden können, können ebenfalls geeignet sein. Alternativ könnte die Strahlquelle 210 ein Einzelfrequenzlaser mit langer Kohärenzlänge sein, wo die erforderliche Kohärenzlänge von der Differenz zwischen den Längen des optischen Wegs des Messstrahls 112 und des Referenzstrahls 114 abhängt. Die Verwendung eines Überlagerungsstrahls kann bevorzugt werden, weil Interferometer, die einen einzigen Frequenzstrahl verwenden, typischerweise mehrere Phasenmessungen erfordern, um die Effekte von Strahlleistungsfluktuationen zu eliminieren.

Der PBS 220 trennt die Polarisationskomponenten des Eingangsstrahls IN, so dass der Messstrahl 112 und der Referenzstrahl 114 orthogonale lineare Polarisationen aufweisen. Wenn der Eingangsstrahl IN ein Überlagerungsstrahl ist, sind die Ausrichtung der Polarisationsachsen des Eingangsstrahls IN und PBS 220 derart, dass die Polarisationstrennung die Frequenzkomponenten des Eingangsstrahls IN trennt. Messstrahlen 112 und der Referenzstrahl 114 sind somit Einzelfrequenzstrahlen mit orthogonalen Polarisationen. Bei dem in 2A dargestellten Ausführungsbeispiel ist der PBS 220 derart, dass der Messstrahl 112 die lineare Polarisation aufweist, die ein dünner Film in dem PBS 220 reflektiert, und der Referenzstrahl 114 anfangs eine lineare Polarisation aufweist, die der PBS 220 überträgt. Wie es für Fachleute auf diesem Gebiet klar ist, könnten alternative Ausführungsbeispiele des Interferometers 110 den Strahl, der anfangs in dem PBS 220 übertragen wird, als den Messstrahl, und den Strahl, der anfangs in dem PBS 220 reflektiert wird, als den Referenzstrahl verwenden. Außerdem, obwohl 2A ein Ausführungsbeispiel darstellt, bei dem der PBS 220 unter Verwendung eines dünnen Polarisationsfilms implementiert wird, der zwischen rechtwinkligen Prismen angeordnet ist, könnte der PBS 220 unter Verwendung unterschiedlicher Strukturen implementiert werden, wie z. B. doppelbrechende optische Elemente, die die Strahlteilungs- und Kombinierfunktionen durchführen, die von dem PBS 220 erforderlich sind.

Die QWP 230 ist in einem optischen Weg des Referenzstrahls 114 von dem PBS 220 zu der Stufe 120. Die QWP 230, die an dem PBS 230 kleben kann oder anderweitig in einer festen Position in dem optischen Weg des Strahls 114 befestigt sein kann, ändert die Polarisation von durchlaufenden Strahlen. Beispielsweise wird ein Strahl mit horizontaler Polarisation, der QWP 230 durchläuft, kreisförmig polarisiert, und ein durchlaufender Strahl mit einer vertikalen linearen Polarisation wird kreisförmig polarisiert mit einer orthogonalen kreisförmigen Polarisation.

Der Referenzstrahl 114 folgt einem anfänglichen Ausgangsweg R1A von dem PBS 220 durch die QWP 230, reflektiert von dem planaren Reflektor 124 auf der Stufe 120 und kehrt entlang einem Rückleitungsweg R1B durch QWP 230 zu dem PBS 220 zurück. Die Wege RlA und R1B sind kollinear, wenn der Reflektor 124 senkrecht ist zu den X-Achsen, wie es in 2A gezeigt ist, sind aber nicht kollinear, falls die Stufe 120 einen Nicht-Null-Abstand oder Gierwinkel aufweist. Das zweimalige Durchlaufen von QWP 230 während des ersten Durchlaufs (d. h. auf den Wegen R1A und R1B) ändert die Polarisation des Referenzstrahls 114 zu der linearen Polarisation, die der PBS 220 reflektiert. Der PBS 220 lenkt somit den zurückgelenkten Referenzstrahl 114 zu dem Porro-Prisma 240.

Das Porro-Prisma 240 ist ausgerichtet, um Strahlen in einer YZ-Ebene zu retroreflektieren und reflektiert den Referenzstrahl 114 von dem Weg R1B zu einem Weg R2A, der in der Y-Richtung von dem Einfallsweg R1A versetzt ist. Der Versatz in der Y-Richtung zwischen den Wegen R1B und R2A bewirkt, dass der Referenzstrahl 114 von dem PBS 220 in einem Punkt reflektiert, der in die Seite in 2A oder zu der Oberseite der Seite in 2B versetzt ist. 2C zeigt den Versatz in der Y-Richtung des Ausgangswegs R2A des Referenzstrahls 114 während des zweiten Durchlaufs relativ zu dem Ausgangsweg RlA des Referenzstrahls 114 während des ersten Durchlaufs.

Der Referenzstrahl 114 auf dem optischen Weg R2A verläuft durch QWP 230 und reflektiert ein zweites Mal von dem Reflektor 124. Der Referenzstrahl 114 kehrt dann entlang einem Rückkehrweg R2B durch QWP 230 zurück zu PBS 220. Das zweite Paar von zwei Durchläufen durch QWP 230 ändert die Polarisation des Referenzstrahls 114 zurück zu der linearen Polarisation, die der PBS 220 überträgt, so dass der Referenzstrahl 114 nach dem zweiten Durchlauf durch den PBS 220 verläuft und Teil eines neu kombinierten Strahls OUT wird, den das Detektorsystem 250 analysiert.

Nachdem der Messstrahl 112 anfangs in dem PBS 220 reflektiert wird, durchläuft er einen Ausgangsweg M1A zu dem Porro-Prisma 132. Der Ausgangsweg M1A umfasst eine Reflektion von dem Drehspiegel 260 zu einem nominal horizontalen Weg M1Ax zu dem planaren Reflektor 122 auf der Stufe 120. Die Reflektion von dem Reflektor 122 lenkt den Messstrahl 112 zu einem nominal vertikalen Weg M1Az zu dem Porro-Prisma 132.

Das Porro-Prisma 132 ist ausgerichtet, um Strahlen, die in der YZ-Ebene sind, zu retroreflektieren, und lenkt den Messstrahl 11 zu einem nominal vertikalen Rückstellweg M1Bz der parallel (oder antiparallel) zu dem vertikalen Weg M1Az ist und in der Y-Richtung von demselben versetzt ist.

(Mehrere der Wege des Messstrahls 112, einschließlich des vertikalen Wegs M1Bz, sind entlang der Y-Achse verschoben und sind hinter Strahlwegen, die in der Seitenansicht von 2A gezeigt sind. 2B und 2C zeigen jeweils eine Drauf- und Vorderansicht, bei der einige Wege, die in 2A nicht gezeigt sind, sichtbar sind). Ein vollständiger Rückleitungsweg M1B des Messstrahls 112 umfasst einen vertikalen Rückleitungsweg M1Bz, Reflektion von dem Reflektor 122 auf der Stufe 120, einen horizontalen Rückleitungsweg M1Bx zu dem Drehspiegel 260, und eine Reflektion von dem Drehspiegel 260, bevor der Messstrahl 112 wieder in dem PBS 220 eintritt.

Die Positionierung der Porro-Prismen 132 und 240 ist derart, dass das Porro-Prisma 132 den Messstrahl 112 in der Y-Richtung um den gleichen Abstand versetzt, wie das Porro-Prisma 240 den Referenzstrahl 114 versetzt. Der PBS 220 kann somit den zurückkehrenden Messstrahl 112 nach dem zweiten Durchlauf des Referenzstrahls 114 mit dem Referenzstrahl 114 kombinieren, um einen Ausgangsstrahl OUT zu bilden.

Ein Detektor 250 misst den Ausgangsstrahl OUT für die Analyse, die eine vertikale Verschiebung der Stufe 120 relativ zu dem Porro-Prisma 132 bestimmen. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel misst der Detektor 250 den Ausgangsstrahl OUT, um eine restliche Doppler-Verschiebung zu bestimmen, und die restliche Doppler-Verschiebung kann dann verwendet werden, um die vertikale Geschwindigkeit oder Verschiebung der Stufe 120 zu bestimmen. Bei einem Überlagerungs-Interferometer, wo der Messstrahl 112 und der Referenzstrahl 114 anfangs die Frequenzen F1 und F2 aufweisen, haben die zurückgeleiteten Referenz- und Messstrahlen 112 und 114 Frequenzen F1' und F2', die von Doppler-Verschiebungen abhängen, die als Ergebnis von Reflektionen von der Stufe 120 aufgetreten sein können, oder des Porro-Prismas 132, wenn sich die Stufe 120 und/oder das Porro-Prisma 132 bewegen. Eine Photodiode in dem Detektorsystem 250 empfängt den Ausgangsstrahl OUT und erzeugt ein elektronisches Signal mit der Schwebungsfrequenz F1'-F2'. Gleichartig dazu kann ein elektronisches Referenzsignal mit der Schwebungsfrequenz F1-F2 erzeugt werden durch eine direkte Messung eines Abschnitts des Eingangsstrahls IN.

Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel des Detektorsystems 250 umfasst ferner eine Phasenerfassungsschaltung, die die Phase des Schwebungssignals mit der Frequenz F1'-F2' relativ zu dem Referenzschwebungssignal mit der Frequenz F1-F2 misst. Eine Änderung bei der relativen Phase zeigt an, dass sich die Schwebungsfrequenzen F1' und F2' und F1-F2 unterscheiden und ermöglicht die Messung einer restlichen Doppler-Verschiebung in dem Messstrahl 112. Für den Interferometer 110 bewirkt die Bewegung der Stufe 120 in der X-Richtung eine Doppler-Verschiebung in dem Referenzstrahl 114, die zweimal die Doppler-Verschiebung in den Messstrahlen 112 ist. Die Bewegung der Stufe 120 oder des Porro-Prismas 132 in der Z-Richtung bewirkt eine Doppler-Verschiebung in der Frequenz des Messstrahls 112, ohne eine Doppler-Verschiebung bei der Frequenz des Referenzstrahls 114 zu bewirken. Folglich ist die restliche Doppler-Verschiebung in den Schwebungsfrequenzen F1'-F2' eine Differenz zwischen der Doppler-Verschiebung, die durch die Bewegung entlang der Z-Achse bewirkt wird, und die Doppler-Verschiebung, die durch die Bewegung entlang der X-Achse verursacht wird. Die Messung der Phasendifferenz zwischen den elektronischen Schwebungssignalen mit Frequenzen F1'-F2' und Fl-F2 zeigt die Geschwindigkeit entlang einer Richtung bei 45° zu der X- und Z-Richtung an, und die Integration der bestimmten Geschwindigkeitskomponente zeigt Verschiebungen entlang der gleichen Richtung an. Die Verschiebung entlang der Z-Richtung kann von dieser Messung der Verschiebung entlang der Richtung bei 45° zu der X- und Z-Richtung und eine getrennte herkömmliche Messung der Verschiebung entlang der X-Richtung gefunden werden.

Messungen mit dem Interferometer 110 können einen großen Dynamikbereich liefern, weil Retroreflektionen durch Porro-Prismen 132 und 240 das Auseinanderlaufen der Messstrahlen 112 relativ zu dem Referenzstrahl 114 minimieren, wenn sich die Stufe 120 dreht. Für eine Roll-Drehung der Stufe 120 um die X-Achse kompensiert die Retroreflektion durch das Porro-Prisma 132 die resultierende Schwankung der vertikalen Wege (z. B. Weg M1Az) von der Z-Richtung durch Zurückleiten des Messstrahls entlang einem reflektierten Weg, der parallel zu dem Einfallsweg ist. Retroreflektionen in dem Porro-Prisma 240 reduzierten auf ähnliche Weise die Bewegung des Referenzstrahls 114 relativ zu dem Messstrahl 112. Für die Steigung der Stufe 120 empfangen sowohl der Messstrahl 112 als auch der Referenzstrahl 114 Winkelablenkungen in der ZX-Ebene als Folge von zwei Reflektionen von der Stufe 120 und erfahren dadurch Ablenkungen, die von der Differenz bei den Längen des optischen Wegs des Messstrahls 112 und des Referenzstrahls 114 abhängen. Das Auseinanderlaufen zwischen den Strahlen 112 und 114 ist somit verbessert im Vergleich zu Systemen, wo das Auseinanderlaufen von der vollen Weglänge abhängt. Für Gier-Drehungen der Stufe 120 sind Ablenkungen des Messstrahls 112 und des Referenzstrahls 114 ebenfalls ähnlich, so dass das Auseinanderlaufen klein ist.

3 zeigt ein System 300 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel zum Messen vertikaler Verschiebungen. Das System 300 unterscheidet sich von dem System 200 von 2A durch die Verwendung einer Stufe 320, die einen Messreflektor 322 mit zwei reflektierenden Oberflächen 326 und 328 umfasst. Die reflektierende Oberfläche 326 ist bei einem Winkel von 112,5° mit der X-Achse, und die reflektierende Oberfläche 328 ist bei einem Winkel von 157,5° mit der X-Achse. Als Folge wirkt der Messreflektor 322 als ein hohles Penta-Prisma, und der Steigungswinkel der Stufe 320 führt keine Winkelablenkung des Messstrahls 112 ein. Das System 300 unterscheidet sich auch von dem System 200 von 2A dadurch, dass der Interferometer 310 einen Retroreflektor 340 verwenden kann, wie z. B. eine Würfelkante oder ein Katzenauge, die den Referenzstrahl durch die Reflektion an dem PBS 220 zurück zu der Stufe 320 leitet. Als Folge führen Stufendrehungen um die Y-Achse oder Z-Achse nach der zweiten Reflektion von der Stufe keine Winkelablenkungen in dem Referenzstrahl 114 ein. Somit besteht der rekombinierte Strahl OUT erneut aus zwei im Wesentlichen kollinearen Komponentenstrahlen. Ansonsten enthält das System 300 Elemente, die im Wesentlichen wie oben in Bezug auf 2A, 2B und 2C beschrieben arbeiten.

Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben ist, ist die Beschreibung nur ein Beispiel der Anwendung der Erfindung und sollte nicht als Begrenzung gesehen werden. Verschiedene Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen der Ausführung der offenbarten Ausführungsbeispiele liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist.


Anspruch[de]
System zum Messen eines Objekts, wobei das System folgende Merkmale umfasst:

einen Messreflektor (122), der auf dem Objekt (120) befestigt ist und ausgerichtet ist, um einen Messstrahl (112) von einem Verlauf in einer X-Richtung zu einem Verlauf in einer Z-Richtung umzulenken;

einen Referenzreflektor, der auf dem Objekt (120) befestigt ist, und ausgerichtet ist, um einen Referenzstrahl (114) von dem Verlauf in der X-Richtung zurück zu einer entgegengesetzten Richtung umzulenken;

ein optisches System (110), das den Messstrahl (112) in der X-Richtung für einen einzigen Durchlauf zu dem Messreflektor (122) lenkt, und den Referenzstrahl (114) in der X-Richtung für einen ersten Durchlauf zu dem Referenzreflektor (124) und dann für einen zweiten Durchlauf zu dem Referenzreflektor (124) lenkt;

einen Überlagerungsreflektor (132), der das Objekt (120) überlagert und positioniert ist, um den Messstrahl (112) zurück zu dem Messreflektor (122) zu lenken, der dann den Messstrahl (112) zu dem optischen System umlenkt; und

einen Detektor (250), der eine Differenz in dem Messstrahl (112) und dem Referenzstrahl (114) misst, nachdem der Referenzstrahl (114) den zweiten Durchlauf abgeschlossen hat und der Messstrahl (112) nur den einzelnen Durchlauf abgeschlossen hat, wobei die Differenz eine relative Verschiebung des Objekts (120) in der Z-Richtung anzeigt.
System gemäß Anspruch 1, wobei das optische System folgende Merkmale umfasst:

einen Polarisationsstrahlteiler (220), der positioniert ist, um einen Eingangsstrahl zu teilen, um den Messstrahl (112) und den Referenzstrahl (114) zu bilden;

einen Drehspiegel (260), der entweder den Messstrahl (112) oder den Referenzstrahl (114) zu der X-Richtung dreht;

eine Viertelwellenplatte (230) in einem Weg des Referenzstrahls (114); und

einen Retroreflektor (240), der positioniert ist, um den Messstrahl (112) und den Referenzstrahl (114) von dem Polarisationsstrahlteiler (220) zu empfangen, nach entsprechenden Reflektionen von dem Überlagerungsreflektor und dem Referenzreflektor, wobei der Retroreflektor den Referenzstrahl (114) zu einem Weg zurück durch den Polarisationsstrahlteiler (220) in dem zweiten Durchlauf zu dem Referenzreflektor lenkt.
System gemäß Anspruch 2, bei dem der Überlagerungsreflektor (132) ein erstes Porro-Prisma umfasst. System gemäß Anspruch 3, bei dem das erste Porro-Prisma ausgerichtet ist, um Strahlen, die in einer YZ-Ebene sind, zu retroreflektieren. System gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem der Retroreflektor ein zweites Porro-Prisma umfasst. System gemäß Anspruch 5, bei dem das zweite Porro-Prisma ausgerichtet ist, um Strahlen zu retroreflektieren, die in einer YZ-Ebene sind. System gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der Retroreflektor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Würfelkante und einem Katzenauge besteht. System gemäß Anspruch 7, bei dem der Messreflektor (122) ein Penta-Prisma (322) umfasst. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Überlagerungsreflektor ein erstes Porro-Prisma umfasst. System gemäß Anspruch 9, bei dem das erste Porro-Prisma ausgerichtet ist, um Strahlen zu retroreflektieren, die in einer YZ-Ebene sind. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Detektor eine Photodiode und einen Phasendetektor umfasst. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem sowohl der Messreflektor (122) als auch der Referenzreflektor (124) einen Planspiegel umfassen. Interferometersystem, das folgende Merkmale umfasst:

einen Polarisationsstrahlteiler (220), der positioniert ist, um einen Eingangsstrahl in einen Messstrahl (112) und einen Referenzstrahl (114) zu teilen;

einen Messreflektor (122), der positioniert ist, um den Messstrahl (112) von einem ersten Messweg zu einem zweiten Messweg zu reflektieren, der entlang einer Richtung ist, für die eine Verschiebung gemessen wird;

ein erstes Porro-Prisma entlang dem zweiten Messweg, wobei das erste Porro-Prisma den Messstrahl (112) entlang einem dritten Messweg, der von dem zweiten Messweg versetzt ist, zu dem Messreflektor (122) zurückleitet;

einen Referenzreflektor, der relativ zu dem Messreflektor (122) fest ist, wobei der Referenzreflektor den Referenzstrahl (114) von dem Polarisationsstrahlteiler (220) empfängt und den Referenzstrahl (114) zurück zu dem Polarisationsstrahlteiler (220) reflektiert; und

einen Detektor, der eine Differenz zwischen dem Messstrahl (112) und dem Referenzstrahl (114) misst, wobei die Differenz die Verschiebung anzeigt.
System gemäß Anspruch 13, das ferner einen Rückleitungsreflektor umfasst, der positioniert ist, um den Referenzstrahl (114) von dem Polarisationsstrahlteiler (220) zu empfangen, nachdem der Referenzstrahl (114) während eines ersten Durchlaufs von dem Referenzreflektor (124) reflektiert wurde, wobei der Rückleitungsreflektor den Referenzstrahl (114) zurück zu dem Polarisationsstrahlteiler (220) lenkt, für einen zweiten Durchlauf zu dem Referenzreflektor, nach dem der Detektor die Differenz zwischen dem Referenzstrahl (114) und dem Messstrahl (112) misst, der nur einen einzigen Durchlauf von dem Polarisationsstrahlteiler (220) abgeschlossen hat. System gemäß Anspruch 14, bei dem der Rückleitungsreflektor ein zweites Porro-Prisma umfasst. System gemäß Anspruch 15, bei dem ein Scheitelpunkt des ersten Porro-Prismas parallel zu einem Scheitelpunkt des zweiten Porro-Prismas ist. Verfahren zum Messen einer Verschiebung, die senkrecht zu einer Trennung zwischen einem Interferometer und einem Objekt (120) ist, das gemessen wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

(a) Lenken eines Messstrahls (112) für eine Reflektion von einem ersten Reflektor, der auf dem Objekt (120) befestigt ist, wobei der erste Reflektor den Messstrahl (112) in einer ersten Richtung senkrecht zu der Trennung zwischen dem Interferometer und dem Objekt (120) lenkt;

(b) Reflektieren des Messstrahls (112) zurück zu dem ersten Reflektor unter Verwendung eines zweiten Reflektors, der von dem ersten Reflektor entlang der ersten Richtung getrennt ist;

(c) Lenken eines Referenzstrahls (114) für die Reflektion von einem dritten Reflektor, der auf dem Objekt (120) befestigt ist; und

(d) Messen einer Differenz zwischen dem Referenzstrahl (114) und dem Messstrahl (112), die die Verschiebung anzeigt.
Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Messen der Differenz folgende Schritte umfasst:

Kombinieren des Messstrahls (112) und des Referenzstrahls (114), um einen kombinierten Strahl zu bilden; und

Messen einer Schwebungsfrequenz des kombinierten Strahls, um eine restliche Doppler-Verschiebung des Messstrahls (112) zu identifizieren, wobei die restliche Doppler-Verschiebung die Verschiebung anzeigt, die senkrecht zu der Trennung zwischen dem Interferometer und dem Objekt (120) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem der zweite Reflektor ein Porro-Prisma umfasst. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, das ferner das Wiederholen von Schritt (c) umfasst, bevor Schritt (d) ausgeführt wird.






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