DE102005035700A1

DE102005035700A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Relativpositionen eines in mindestens eine Richtung bewegbar angeordneten Positioniertischs

Info

Publication number: DE102005035700A1
Application number: DE102005035700A
Authority: DE
Inventors: Hans-Artur Dr. Bösser; Klaus-Dieter Adam
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH; Vistec Semiconductor Systems GmbH
Current assignee: KLA Tencor MIE GmbH
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2006-11-16
Also published as: US20060279743A1; JP2006317454A; US7450246B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Relativpositionen eines in mindestens eine Richtung (X, Y) um einen vorgebbaren maximalen Verfahrweg bewegbar angeordneten Positioniertischs (18). Die Messvorrichtung umfasst mindestens eine interferometrische Messeinrichtung (25, 27) und mindestens eine interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32). Mit einer interferometrischen Messeinrichtung (25, 27) sind Messergebnisse zur Bestimmung von Relativpositionen des Positioniertischs (18) für eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung (X, Y) erzeugbar. Eine interferometrische Messeinrichtung (25, 27) ist mit Laserlicht eines Lasers (22) mindestens einer Wellenlänge betreibbar. Mit der interferometrischen Korrektureinrichtung (29, 32) sind Korrekturergebnisse erzeugbar, mit welchen Rückschlüsse auf die tatsächlich vorliegende Wellenlänge des Laserlichts während einer Positionsbestimmung des Positioniertisches (18) möglich ist, um eine Veränderung der Wellenlänge des Laserlichts - insbesondere aufgrund von Umwelteinflüssen - für eine Auswertung der Messergebnisse zu berücksichtigen. Es soll eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung der Veränderung der Umwelteinflüsse erreicht werden. Hierzu ist erfindungsgemäßer Weise die interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32) in räumlicher Nähe zur interferometrischen Messeinrichtung (25, 27) angeordnet und die räumliche Nähe entspricht einem vorgebbaren Anteil des maximalen Verfahrwegs des ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Messvorrichtung zur Bestimmung von Relativpositionen eines in mindestens eine Richtung um einen vorgebbaren maximalen Verfahrweg bewegbar angeordneten Positioniertischs. Die Messvorrichtung umfasst mindestens eine interferometrische Messeinrichtung und mindestens eine interterometrische Korrektureinrichtung. Mit einer interferometrischen Messeinrichtung sind Messergebnisse zur Bestimmung von Relativpositionen des Positioniertischs für eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung erzeugbar. Eine interterometrische Messeinrichtung ist mit Laserlicht eines Lasers mindestens einer Wellenlänge betreibbar. Mit der interferometrischen Korrektureinrichtung sind Korrekturergebnisse erzeugbar, mit welchen Rückschlüsse auf die tatsächlich vorliegende Wellenlänge des Laserlichts während einer Positionsbestimmung des Positioniertischs möglich ist, um eine Veränderung der Wellenlänge des Laserlichts – insbesondere aufgrund von Umwelteinflüssen – für eine Auswertung der Messergebnisse zu berücksichtigen. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zur Bestimmung von Relativpositionen eines in mindestens eine Richtung bewegbar angeordneten Positioniertischs.

Interferometrische Messeinrichtungen werden vielfältig für hochgenaue Abstands- und Positionsmessungen eingesetzt. Bei einer hochgenauen interferometrischen Messung wird in der Regel mit dem Strahlengang einer interferometrischen Messeinrichtung der relative Weglängenunterschied zwischen einem Messstrahl und einem Referenzstrahl gemessen. Mit einem Strahlteiler der interferometrischen Messeinrichtung wird das von einem Laser erzeugte Licht in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl verläuft zwischen einem Strahlteiler der interferometrischen Messeinrichtung und einem Messspiegel, wobei der Messspiegel an einem bewegbaren Messobjekt – also z.B. an einem Positioniertisch – angeordnet ist. Der Referenzspiegel ist bezüglich des Strahlteilers der interferometrischen Messeinrichtung ortsfest angeordnet. Bei der Messung wird bestimmt, wie sich die Phase des Lichtes bei der Bewegung des Messobjekts ändert. Die Messgenauigkeit ist, abgesehen von der korrekten Einstellung der optischen Achsen bzw. der Optik selbst, der Signalverarbeitung (Elektronik, Software) und der Kalibrierung des Gesamtsystems, auch von den Umweltbedingungen abhängig, wie z.B. von der Luftzusammensetzung, Luftfeuchte, Temperatur und Druck. Dabei ist die Wellenlänge des Lichtstrahls der Maßstab der Messung. Der relative Weglängenunterschied wird also in der Einheit "Wellenlänge" angegeben. Der aktuelle Wert der Wellenlänge eines Lichtstrahls hängt vom Brechungsindex des von dem Lichtstrahl durchlaufenen Mediums ab. Der Brechungsindex variiert beispielsweise durch langsame Änderungen oder schnelle Schwankungen von Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte oder auch Änderungen der Luftzusammensetzung. Die Schwankungen in den Messergebnissen aufgrund von Wellenlängenänderungen sind bei typischen Messungen zum Beispiel mit einem Koordinaten-Messgerät an Wafern und Masken mit ungefähr ± 0,1 μm nicht mehr vernachlässigbar gegenüber den zu messenden Strukturen und sind daher für die geforderte Messgenauigkeit nicht tragbar. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist demgemäß eine Berücksichtigung der Wellenlängenänderung des Lichtstrahls in Form einer ständigen Wellenlängenkorrektur erforderlich.

Für hochgenaue Entfernungsmessungen könnte ein Koordinaten-Messgerät, wie es z.B. aus der DE 198 19 492 bekannt ist, in einer Klimakammer betrieben werden. In dieser wird zumindest die Temperatur, in einigen Klimakammern zusätzlich auch die Luftfeuchte konstant gehalten. Der Regelgenauigkeit von Temperatur und Luftfeuchte sind technische Grenzen gesetzt. Auch lässt sich mit vertretbarem Aufwand keine hermetisch dichte Kammer zur Konstanthaltung des Luftdrucks herstellen, insbesondere weil – beim Beispiel des Koordinaten-Messgeräts – ein einfaches und schnelles Wechseln der Messobjekte erforderlich ist. So verursacht das Betätigen einer Beladeöffnung selbst schnelle Luftdruckschwankungen. Die Umweltbedingungen werden von einer Klimakammer über die Rückkopplung von Temperatursensoren und Feuchtigkeitssensoren, sowie einer (Über)-Druckeinstellung definiert. Als Überdruck wird dabei ein positiver Differenzdruck von einigen Pascal gegenüber dem Umgebungsdruck der Klimakammer bezeichnet. Schwankungen des Luftdrucks innerhalb der Kammer sind durch den Messaufbau selbst hervorgerufenen und damit nicht in Gänze vermeidbar. Weiterhin ist die Kammer in Temperatur mit 1/100 Grad (zeitlich), 2/100 räumlich und in der Feuchte mit ± 1 % toleriert. Die Messsignale werden in X- und Y-Richtung mit einer nominellen Detektorgenauigkeit von Δλ/2048 ~ 0,3 nm (λ = Laserwellenlänge = 632,9 nm) detektiert.

In einer gesonderten Messung muss daher die Interferometerwellenlänge ständig erfasst werden. Dies kann durch Vermessen einer Wellenlängen-Kalibrierstrecke mit konstanter Länge – einem sogenannten "wavelength tracker" – oder durch Messen der Einflussfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchte etc. und ständige Berechnung der aktuellen Wellenlänge geschehen. Ein Beispiel einer solchen interferometrischen Korrektureinrichtung ist der kommerziell erhältliche Laser-Interferometer HP 10702 der Firma Agilent (vormals Hewlett Packard).

Mit einem Strahlteiler der interferometrischen Korrektureinrichtung wird das von einem Laser erzeugte Licht in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Beide Teilstrahlen verlaufen jeweils zwischen dem Strahlteiler der interferometrischen Korrektureinrichtung und einem bezüglich des Strahlteilers der interterometrischen Korrektureinrichtung ortsfest angeordneten Referenzspiegel. Die beiden Teilstrahlen, im Folgenden auch als Referenzstrahlen bezeichnet, weisen optische Wege unterschiedlicher Länge auf. Üblicherweise ist also für ein Koordinaten-Messgerät ein wavelength tracker vorgesehen, der an einer Stelle des Koordinaten-Messgeräts angeordnet ist, wo er zum Detektieren von Veränderungen von Umwelteinflüssen geeignet zu sein scheint und wo letztendlich Bauraum hierfür zur Verfügung steht. Dennoch ist es erforderlich, stets Möglichkeiten aufzuzeigen, mit welchen die Messgenauigkeit eines Koordinaten-Messgeräts bzw. einer Messanlage erhöht werden kann. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass die Genauigkeit der Bestimmung der Veränderung der Umwelteinflüsse erhöht wird.

Bei einem Koordinaten-Messgerät wird das zu vermessende Objekt mit Hilfe eines Positioniertischs relativ zur Detektionsoptik positioniert bzw. bewegt; um damit jeweils einen mit der Optik abbildbaren Bereich der meist eben ausgebildeten Oberfläche des zu vermessenden Objekts optisch zu detektieren. Hierbei weist die Oberfläche meist quadratischer oder kreisrunder Form des Objekts eine Größe auf, die zwischen ca. 10 cm x 10 cm und ca. 30 cm x 30 cm bzw. einen Durchmesser von ca. 10 cm bis ca. 30 cm betragen kann. Damit mit dem Koordinaten-Messgerät die gesamte Oberfläche des Objekts untersucht werden kann, sollte das Objekt mit dem Positioniertisch um einen Verfahrweg positioniert werden können, der im Wesentlichen der Größe bzw. der Ausmaße der Oberfläche des Objekts entspricht. Somit hängt üblicherweise der maximale Verfahrweg des bewegbar angeordneten Positioniertischs von der Größe der Oberfläche des üblicherweise mit dem Koordinaten-Messgerät zu untersuchenden Objekts ab. Ähnliche Überlegungen treffen ganz allgemein für Messanordnungen zu, bei welchen hohe oder höchste Anforderungen an die Messgenauigkeit gestellt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Relativpositionen eines in mindestens eine Richtung bewegbar angeordneten Positioniertischs der eingangs genannten Art anzugeben und weiterzubilden, durch welche die vorgenannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung der Veränderung der Umwelteinflüsse erzielbar sein.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung der eingangs genannten Art löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist eine solche Messvorrichtung zur Bestimmung von Relativpositionen eines in mindestens eine Richtung bewegbar angeordneten Positioniertischs dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Korrektureinrichtung in räumlicher Nähe zur interferometrischen Messeinrichtung angeordnet ist und dass die räumliche Nähe einem vorgebbaren Anteil des maximalen Verfahrwegs des Positioniertischs entspricht.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass die auf die interferometrische Messeinrichtung wirkenden – sich auch nur geringfügig verändernden – Umwelteinflüsse dann mit einer ganz besonders hohen Genauigkeit korrigiert werden können, wenn die interferometrische Korrektureinrichtung in räumlicher Nähe zur interferometrischen Messeinrichtung angeordnet ist. So reicht es für die meisten Anwendungen aus, wenn die interferometrische Korrektureinrichtung nicht weiter als ca. 20 cm bis 30 cm von der interferometrischen Messeinrichtung entfernt angeordnet ist. In diesem Fall können nämlich lokal vorliegende Veränderungen der äußeren Umwelteinflüsse unmittelbar dort detektiert werden, wo sie auftreten bzw. entstehen und damit Einfluss auf die entsprechenden Messungen haben. Grundsätzlich wird die Entfernung zwischen interterometrischer Korrektureinrichtung und interferometrischer Messeinrichtung derart gewählt werden, dass – in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung, der gesamten Messanordnung und den Umgebungsbedingungen der Messanordnung – eine vorgebbare Genauigkeit bei der Erfassung der Wellenlängenveränderung erzielbar ist. Ein Anhaltspunkt hierfür könnte beispielsweise eine Abschätzung mit Hilfe der Formel nach Edlen sein, welche die Abhängigkeit des Brechungsindexes der Luft n_L von Temperatur und Druck beschreibt: nL = 1 + 2,87755 10-7 p * Func(p,T) - 2,6 10-9 e -0,0057627 T FR. mit

Func(p,T): = (1 + p (0,612 - 0,010 10^-6 T))/(1 + 0,0036610 T)
T: = Temperatur in Grad Celsius
p: = Druck in hPa
F: _R relative Luftfeuchte in %.

Bei einem Koordinaten-Messgerät hängt dies insbesondere von der Beschaffenheit der Klimakammer, dem Strömungsverhalten und der Position von Wärmequellen ab.

Als Wert für den Anteil des maximalen Verfahrwegs des Positioniertischs kommen grundsätzlich alle Werte in Frage, die in einem Bereich zwischen 1 und 0 liegen. Vorzugsweise wird ein geringer Wert für den Anteil des maximalen Verfahrwegs des Positioniertischs angestrebt, das heißt die interferometrische Korrektureinrichtung wird möglichst nahe an die interferometrische Messeinrichtung angeordnet, um nämlich eine hohe Korrekturgüte erreichen zu können. Somit können die in erfindungsgemäßer Weise gemessenen Korrekturdaten in die Auswertung der Messergebnisse einfließen, so dass insgesamt ein Messergebnis erhöhter Genauigkeit erreicht werden kann. Es ist also im Gegensatz zum Stand der Technik die interferometrische Korrektureinrichtung nicht an einem Ort einer Messanlage oder an einem Koordinaten-Messgerät angeordnet, der räumlich von dem Ort der interferometrischen Messeinrichtung relativ weit beabstandet ist. In einem solchen – aus dem Stand der Technik bekannten – Fall werden nämlich die Veränderungen der Umwelteinflüsse lediglich bezogen auf diesen Ort gemessen und in die Messergebnisse einer oder mehrerer interferometrischer Messeinrichtungen einbezogen, obwohl unter Umständen an dem Ort (bzw. an den Orten) der interferometrischen Messeinrichtungen) zumindest temporär völlig andere Umwelteinflüsse vorgelegen haben können. Da nunmehr die gegebenenfalls temporär vorliegenden sich veränderbaren Umwelteinflüsse an dem Ort der interferometrischen Messeinrichtung mit Hilfe der interferometrischen Korrektureinrichtung unmittelbar detektiert werden und in die Messergebnisse der interferometrischen Messeinrichtung im Sinne einer Messkorrektur eingehen, ist eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung der Veränderung der Umwelteinflüsse erzielbar. Hierdurch kann in ganz besonders vorteilhafter Weise die Korrekturgüte und somit die Messgenauigkeit der gesamten Messanlage bzw. des Koordinaten-Messgeräts erhöht werden, und zwar umso mehr, je mehr Klimaänderungen, die auf der Korrekturstrecke auftreten, auch die Messstrecke betreffen bzw. auch auf der Messstrecke auftreten. Idealerweise sollten daher die Korrekturstrecke und die Messstrecke sich zumindest größtenteils räumlich überlappen.

Nun könnte eine interferometrische Korrektureinrichtung in einem Bereich angeordnet sein, welcher von dem Positioniertisch überfahren bzw. überstrichen wird und welcher über oder unter dem Positioniertisch liegt. Eine solche Anordnung der interferometrischen Korrektureinrichtung ist insbesondere bei einem Positioniertisch zweckmäßig, der in zwei Richtungen (x- und y-Richtung) bewegbar angeordnet ist. So ist es denkbar, jeweils eine interferometrische Korrektureinrichtung im Wesentlichen an der Position jeweils einer interferometrischen Messeinrichtung, jedoch bezogen zum Positioniertisch oberhalb oder unterhalb der jeweiligen interferometrischen Messeinrichtung anzuordnen. Es ist auch denkbar, oberhalb und/oder unterhalb des Positioniertischs mindestens eine interferometrische Korrektureinrichtung vorzusehen, die in ihrer Messrichtung bzw. in dem Verlauf ihrer Teilstrahlen im Wesentlichen in diagonaler Richtung bezüglich des meist rechteckförmig ausgebildeten Positioniertischs angeordnet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine interferometrische Korrektureinrichtung unmittelbar benachbart zu einer interferometrischen Messeinrichtung angeordnet. Falls die Messanlage drei interferometrische Messeinrichtungen zur Detektion von einer Objektbewegung in drei unterschiedliche Raumrichtungen aufweist, ist jeder interferometrischen Messeinrichtung dieser Messanlage eine interferometrische Korrektureinrichtung unmittelbar benachbart dazu angeordnet.

Damit mit einer einer interferometrischen Messeinrichtung zugeordneten interferometrischen Korrektureinrichtung die Veränderungen der Umwelteinflüsse möglichst mit hoher Genauigkeit detektiert werden können, ist bevorzugt vorgesehen, zumindest einen Teil eines Strahlengangs der interferometrischen Messeinrichtung im Wesentlichen parallel zu zumindest einem Teil des Strahlengangs der interferometrischen Korrektureinrichtung auszurichten. Bei den parallelen Teilen der Strahlengänge wird es sich zweckmäßigerweise um den Teil der interferometrischen Messeinrichtung handeln, welcher auch zur Messung eingesetzt wird. Somit unterliegen beide parallel ausgerichtete Teile der Strahlengänge nahezu den gleichen lokalen Veränderungen der Umwelteinflüsse.

Im Konkreten könnte die interferometrische Korrektureinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 der DE 101 31 898 A1 ausgebildet sein. Zur näheren Beschreibung einer solchen interterometrischen Korrektureinrichtung wird auf den gesamten Offenbarungsgehalt der Offenlegungsschrift DE 101 31 898 A1 verwiesen, wobei der gesamte Offenbarungsgehalt vollumfänglich hier einbezogen wird.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine interferometrische Korrektureinrichtung in eine interferometrische Messeinrichtung integriert. Somit bildete also die interferometrische Messeinrichtung mit der interterometrischen Korrektureinrichtung eine gemeinsame Baugruppe. Hierdurch können, verglichen zu dem Lösungsansatz eine interferometrische Korrektureinrichtung für jede interferometrische Messeinrichtung vorzusehen, in vorteilhafter Weise optischer Komponenten eingespart und somit die Herstellungskosten reduziert werden. Weiterhin ist eine gemeinsame Justage der gemeinsamen Baugruppe erforderlich, es müssen also nicht sowohl die interterometrische Messeinrichtung als auch die interferometrische Korrektureinrichtung jeweils einzeln justiert werden. Hierdurch können Montage- und Herstellungszeiten und somit die Herstellungskosten reduziert werden. Es ist nahezu unmöglich, die interferometrische Korrektureinrichtung noch näher bei der interferometrischen Messeinrichtung anzuordnen, so dass die hierdurch erzielbare Genauigkeit bei dieser Ausführungsform optimiert sein sollte. Auch in diesem Fall könnten die Strahlengänge oder zumindest ein großer Teil der Strahlengänge der interferometrischen Messeinrichtung und der interferometrischen Korrektureinrichtung im Wesentlichen parallel ausgerichtet sein. Hierdurch liegen letztendlich vergleichbare Messbedingungen für die Strahlengänge sowohl der interferometrischen Messeinrichtung als auch der interferometrischen Korrektureinrichtung vor.

Grundsätzlich kann als interferometrische Messeinrichtung ein Interferometer dienen, der auf einer Wirkungsweise nach einem Homodyn- oder Heterodyn-Prinzip basiert. Gleiches gilt für die interferometrische Korrektureinrichtung. Bei einem Homody-Interterometersystem wird das Laserlicht von einen Homodynlaser erzeugt, der nur Licht einer Frequenzkomponente enthält. Homodyn-Interferometer sind kommerziell erhältlich, z.B. von der Firma Renishaw plc. Das vom Homodynlaser erzeugte Licht wird an einem Strahlteiler in einem festen Verhältnis (bevorzugt 50:50) in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Einer der Strahlen wird bei der Reflexion an einem Spiegel am Messobjekt in der Frequenz aufgrund des Dopplereffekts verschoben, wenn der Spiegel und somit der Positioniertisch sich bewegt. Aus der Frequenzverschiebung wird die Messgröße abgeleitet. Für die interferometrische Korrektureinrichtung erhält man eine Frequenzverschiebung des Lichts der beiden Teilstrahlen durch die klimaabhängigen Wellenlängenänderungen auf einer Strecke vorgebbarer konstanter Länge, die nur einer der beiden Teilstrahlen durchläuft.

So könnte eine interferometrische Korrektureinrichtung in Form eines Heterodyn- oder Homodyn-Systems ausgebildet sein und einen entsprechend geeigneten Laser und eine entsprechende Auswerteelektronik aufweisen. Gleiches gilt für eine interferometrische Messeinrichtung. Es könnten auch beide Systeme gemischt eingesetzt werden, d.h. ein Messwert könnte mit einem Homodyn-System und ein anderer Messwert wird mit einem Heterodyn-System bestimmt werden.

Im Folgenden wird eine auf einem Heterodyn-System basierende interferometrische Messeinrichtung und gegebenenfalls die hierin integrierte interferometrischen Korrektureinrichtung näher beschrieben. Sie wird mit Laserlicht eines Heterodynlasers betrieben wird, das Licht eines solchen Lasers weist zwei Komponenten linear polarisierten Lichts auf.

Die zwei Komponenten linear polarisierten Lichts sind im Wesentlichen senkrecht zueinander orientiert. Das Laserlicht könnte eine Wellenlänge von 632,9 nm bzw. eine Frequenz von 4,7 10¹⁴ Hz aufweisen. Die zwei Komponenten unterscheiden sich in ihren Wellenlängen bzw. Frequenzen zumindest geringfügig. So liegt der Frequenzunterschied der beiden Komponenten beispielsweise im MHz-Bereich, insbesondere unterscheiden sich die Frequenzen der Lichtkomponenten um ca. 2 MHz. Das Laserlicht wird an einer Strahlteilerfläche in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Hierbei könnte die Strahlteilerfläche beispielsweise von einem Polarisationsstrahlteiler bzw. Strahlteilerwürfel zur Verfügung gestellt werden. Einer der zwei Teilstrahlen könnte an mindestens einem Strahlumlenkmittel in eine Richtung umgelenkt werden, so dass die beiden Teilstrahlen im Wesentlichen parallel verlaufen, beispielsweise in Bewegungsrichtung des Positioniertischs bzw. in Messrichtung der interferometrischen Messeinrichtung. Als Strahlumlenkmittel könnte beispielsweise ein Spiegel oder ein Glasbaustein eingesetzt werden, in welchem das Licht total intern reflektiert wird.

Die soeben beschriebenen Funktionen der Strahlteilerfläche und des Strahlumlenkmittels könnte unter Verwendung möglichst wenig optischer Bauteile durch zwei benachbart zueinander angeordnete Prismenkeile zur Verfügung gestellt werden. Die beiden Prismenkeile sind benachbart zueinander angeordnet und mindestens eine Oberfläche der beiden benachbart zueinander angeordneten Oberflächen der Prismenkeile stellt bei geeigneter Einkopplung des Lichts die Strahlteilerfläche dar. Mindestens eine der beiden benachbart zueinander angeordneten Oberflächen der Prismenkeile stellt für die zurücklaufenden Lichtstrahlen eine Strahlvereinigungsfläche dar. Eine der als Strahlteiler wirkenden Oberfläche eines Prismenkeils gegenüber liegende weitere Oberfläche des Prismenkeils bildet das Strahlumlenkmittel. Im Konkreten weist einer der Prismenkeile eine parallelogrammförmige Grundfläche auf. Der andere Prismenkeil weist eine viereckige Grundfläche auf, bei welcher an einer ersten Seite rechtwinklig zwei weitere Seiten angrenzen und bei welcher der ersten Seite eine vierte Seite gegenüberliegend nicht parallel hierzu ausgerichtet angeordnet ist.

Der Messstrahl verläuft von der Strahlteilerfläche zu einem am Positioniertisch angeordneten Reflexionsmittel. Der Referenzstrahl verläuft von der Strahlteilerfläche zu einem ortsfest angeordneten Referenz-Reflexionsmittel. Das am Positioniertisch angeordnete Reflexionsmittel umfasst insbesondere einen verspiegelten Bereich des Positioniertischs oder einen am Positioniertisch fixierten Spiegel.

Bei einer interferometrischen Korrektureinrichtung verlaufen zwei Referenzstrahlen von der Strahlteilerfläche zu jeweils einem ortsfest angeordneten Referenz-Reflexionsmittel. Die Länge der optischen Wege der beiden Referenzstrahlen unterscheiden sich.

In dem Messstrahl und dem Referenzstrahl ist jeweils eine Lambda/4-Platte vorgesehen, um die Anzahl der Durchläufe der Lichtstrahlen in der interferometrischen Messeinrichtung bzw. in der interferometrischen Korrektureinrichtung zu begrenzen bzw. vorzugeben.

Besonders bevorzugt ist mindestens ein einen parallelen Strahlenversatz erzeugendes weiteres Strahlumlenkmittel vorgesehen sein, mit welchem ein aus einem Prismenkeil austretender Lichtstrahl ein weiteres mal in die interferometrische Korrektureinrichtung und/oder in die interferometrische Messeinrichtung leitbar ist. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass ein Lichtstrahl ein weiteres mal in die interferometrische Korrektureinrichtung und/oder in die interferometrische Messeinrichtung bzw. in einen Prismenkeil leitbar ist, welcher zumindest zwei wiedervereinigte Teilstrahlen umfasst. Dieses Strahlumlenkmittel könnte beispielsweise zwei senkrecht zueinander angeordnete Spiegel oder ein Prisma mit einer Grundfläche aufweisen, die ein rechtwinkliges Dreieck ist. Hierdurch kann mit einfachen Mitteln einerseits ein Strahlversatz erzeugt und andererseits der Lichtstrahl erneut in das Interferometer geleitet werden, so dass die wirksame Mess- bzw. Referenzstrecke verdoppelt werden kann.

Die interferometrische Korrektureinrichtung und die interferometrische Messeinrichtung sind in einer bevorzugten Ausführungsform in Form eines Mehrachsen-Interferometers – vorzugsweise in Form eines Zweiachsen- Interferometers – ausgebildet. Bei einem Mehrachsen-Interferometer wird der in den Interferometer einfallende Lichtstrahl mit Hilfe eines optischen Bauteils vervielfacht. Dies kann beispielsweise mit einem Glasquader oder Prisma paralellogrammförmiger Grundfläche, und der darin auftretenden Mehrfachreflexionen, erfolgen.

Des Weiteren ist eine Detektionseinrichtung vorgesehen, mit welcher die Intensität der überlagerten Teilstrahlen detektierbar ist. Die Teilstrahlen könnten beispielsweise mit Hilfe eines Polarisationsfilters überlagert bzw. hinter einem Polarisationsfilter nachgewiesen werden.

Im Konkreten könnte anhand der so detektierten Intensität ein Messsignal extrahiert werden, wobei eine Bewegung des Positioniertischs zumindest bei einem der beiden Teilstrahlen – in der Regel dem Messstrahl – aufgrund des Doppler-Effekts eine von der Bewegungsgeschwindigkeit des Positioniertischs abhängige Wellenlängenverschiebung bewirkt. Bei Geschwindigkeiten des Positioniertischs in einer Größenordnung von einigen mm/s, liegt die Frequenzverschiebung im kHz-Bereich. Die Intensität der sich überlagerten Teilstrahlen ist mit einer von der Wellenlängenverschiebung abhängigen Schwebungsfrequenz moduliert und kann mit einer Detektionseinrichtung mit einer entsprechend ausgelegten Elektronik detektiert und verarbeitet werden.

Ganz besonders bevorzugt ist vorgesehen, die Referenzstrahlen mindestens zweier Interferometerachsen bzw. Referenzstrahlen zur Überlagerung zu bringen und mit einem Detektor zu detektieren, um eine unmittelbare Auswertung einer Veränderung der Wellenlänge des Laserlichts zu ermöglichen, die beispielsweise durch eine Veränderung der Umwelteinflüsse bewirkt wurde.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann nun grundsätzlich bei unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Bevorzugt ist vorgesehen, mit einer interferometrischen Messeinrichtung Relativpositionen des Positioniertischs für Bewegungen lediglich entlang einer Bewegungsrichtung zu bestimmen. Ist beispielsweise der Positioniertisch in zwei senkrecht zueinander angeordnete Richtungen beweglich angeordnet, so werden die Bewegungen des Positioniertischs mit zwei interferometrischen Messeinrichtungen detektiert, deren zur Messung dienende Teilstrahlengänge ebenfalls senkrecht zueinander angeordnet sind. Eine solche Anwendung liegt üblicherweise bei Koordinaten-Messgeräten vor, mit welchen hochgenaue Messungen der Koordinaten von Strukturen auf Substraten durchgeführt werden, z.B. an Masken, Wafern, Flachbildschirmen, Aufdampfstrukturen, Halbleitersubstraten, Beleuchtungsmasken oder optischen Datenträgern, insbesondere aber für transparente Substrate. Die Koordinaten werden relativ zu einem Bezugspunkt auf wenige Nanometer genau bestimmt. Dementsprechend ist die interferometrische Messeinrichtung bezüglich des Positioniertischs derart anzuordnen und auszurichten, dass ein großer Teil des Strahlengangs der interferometrischen Messeinrichtung – nämlich der Teil des Strahlengangs, der zur Messung dient – im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Positioniertischs verläuft. Bei einem in drei Richtungen bewegbar angeordneten Positioniertisch wäre daher für jede Raumrichtung, in welcher der Positioniertisch bewegt wird, jeweils eine interferometrische Messeinrichtung vorzusehen.

Es ist auch denkbar, Relativpositionen eines lediglich in einer Bewegungsrichtung beweglich angeordneten Positioniertischs (Linearverschiebetisch) zu bestimmen. In diesem Fall ist es ausreichend, lediglich eine interferometrische Messeinrichtung vorzusehen, mit welcher die Relativpositionen des Positioniertischs bestimmbar sind. Die interferometrische Messeinrichtung könnte relativ zum Positioniertisch derart angeordnet sein, dass ein großer Teil des Strahlengangs der interterometrischen Messeinrichtung im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Positioniertischs ausgerichtet ist.

Hinsichtlich eines Verfahrens zur Bestimmung von Relativpositionen eines in mindestens eine Richtung um einen vorgebbaren Verfahrweg bewegbar angeordneten Positioniertischs wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 21 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mit mindestens einer interferometrischen Messeinrichtung Messergebnisse zur Bestimmung von Relativpositionen des Positioniertischs für eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung erzeugt. Eine interferometrische Messeinrichtung wird mit Laserlicht eines Lasers mindestens einer Wellenlänge betrieben. Mit einer interferometrischen Korrektureinrichtung werden Korrekturergebnisse erzeugt, mit welchen Rückschlüsse auf die tatsächlich vorliegende Wellenlänge des Laserlichts während einer Positionsbestimmung des Positioniertischs möglich ist, um eine Veränderung der Wellenlänge des Laserlichts – insbesondere aufgrund von Umwelteinflüssen – für eine Auswertung der Messergebnisse zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß ist die interferometrische Korrektureinrichtung in räumlicher Nähe zur interferometrischen Messeinrichtung angeordnet und die räumliche Nähe entspricht einem vorgebbaren Anteil des maximalen Verfahrwegs des Positioniertischs.

Hierbei ist ein erfindungsgemäßes Verfahren insbesondere zum Betreiben einer Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 geeignet, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf den vorangegangenen Teil der Beschreibung verwiesen wird.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung
1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Koordinaten-Messgerät,
2 den optischen Strahlengang zweier interferometrischer Messeinrichtungen und einer interferometrischen Korrektureinrichtung, wie sie beispielsweise zur Positionsbestimmung eines Positioniertischs bei einem aus dem Stand der Technik bekannt im Koordinaten-Messgerät eingesetzt werden kann,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung und
5 den Strahlengang einer interferometrischen Messeinrichtung, in welche die interferometrische Korrektureinrichtung integriert ist.
In den Figuren gezeigte gleiche oder ähnliche Bauteile sind mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet. 1 zeigt ein Koordinaten-Messgerät 1, mit welchem Objekte 2 optisch inspiziert werden können. Bei dem in 1 gezeigten Objekt 2 handelt es sich um eine Maske, welche beispielsweise aus Quarzglas besteht. Auf der Maske sind Strukturen 3 aufgebracht, welche mit dem Koordinaten-Messgerät 1 inspiziert werden. Das Koordinaten-Messgerät 1 umfasst zwei Beleuchtungsstrahlengänge 4 und 5, wobei der Beleuchtungsstrahlengang 4 für den Durchlichtmodus und der Beleuchtungsstrahlengang 5 für den Auflichtmodus des Koordinaten-Messgeräts 1 vorgesehen ist. Für den Durchlichtmodus ist eine Lichtquelle 6 vorgesehen, welche Licht im nahen UV emittiert und welches von dem Spiegel 7 in Richtung der in Form eines Kondensors 8 ausgebildeten Beleuchtungsoptik reflektiert wird. Das Licht des Beleuchtungsstrahlengangs 4 tritt durch das Objekt 2 und wird zumindest größtenteils von der Abbildungsoptik 9 aufgesammelt und auf den Detektor 10 abgebildet. Der Detektionsstrahlengang 11 erstreckt sich somit vom Objekt 2 zum Detektor 10, wobei das vom Objekt 2 kommende Licht nahezu vollständig von dem Strahlteiler 12 in Richtung des Detektors 10 reflektiert wird. Die Abbildungsoptik 9 kann mit einer in der Fig. nicht gezeigten Fokussierungseinrichtung entlang der mit dem Doppelpfeil gekennzeichneten z-Richtung bewegt werden, wodurch das Objekt 2 beziehungsweise die Strukturen 3 fokussiert werden können. In gleicher Weise kann der Kondensor 8 entlang der z-Richtung bewegt werden.
Das Koordinaten-Messgerät 1 weist auch einen Auflichtmodus auf. In diesem Modus erfolgt die Beleuchtung des Objekts 2 mit Licht der Lichtquelle 13, welches anteilig den Strahlteiler 12 (z.B. einen sogenannten 50-50-Teiler) passiert und über die Abbildungsoptik 9 das Objekt 2 beleuchtet. Das am Objekt 2 beziehungsweise an den Strukturen 3 reflektierte Beleuchtungslicht durchläuft in diesem Modus in umgekehrter Richtung die Abbildungsoptik 9 und wird ebenfalls am Strahlteiler 12 in Richtung des Detektors 10 reflektiert. Dementsprechend erstreckt sich der Beleuchtungsstrahlengang 5 von der Lichtquelle 13 zum Objekt 2. Der Beleuchtungsstrahlengang 4 erstreckt sich von der Lichtquelle 6 zum Objekt 2.
Bei der Abbildungsoptik 9 handelt es sich um eine hochauflösende, apochromatisch korrigierte Mikroskopoptik, welche für Licht im nahen UV-Bereich ausgelegt ist. Der Detektor 10 ist in Form einer hochauflösenden CCD-Kamera ausgebildet und wird von einem in der 1 nicht gezeigten Computer-Auswerte- und Analysesystem angesteuert und ausgelesen. Mit dem Bezugszeichen 16 und 17 sind die optischen Achsen der Beleuchtungsstrahlengänge 4, 5 eingezeichnet.
Das Objekt 2 ist auf einem Positioniertisch 18 gelagert und entlang den mit den zwei Doppelpfeilen gekennzeichneten unterschiedlichen x- und y-Richtungen bewegbar gelagert. Der Positioniertisch 18 weist einen Rahmen auf, in welchen das Objekt 2 eingelegt ist. Lediglich schematisch ist die interferometrische Messeinrichtung 14 angedeutet, mit welcher über die Lichtstrahlen 15 die Position des Positioniertischs 18 interferometrisch vermessen werden kann. Der Rahmen des Positioniertischs 18 ist hierbei auf einem Luftkissen 19 gelagert und kann quasi reibungsfrei auf dem Granitblock 20 bewegt werden. Der Granitblock 20 selbst steht schwingungsgedämpft gelagert auf den Füßen 21.
2 zeigt in einer schematischen Draufsicht den Positioniertisch 18 sowie den optischen Strahlengang zur Bestimmung der anfahrbaren Positionen des Positioniertischs 18. Lediglich schematisch und beispielhaft ist der Verfahrweg VX des Positioniertischs 18 in X-Richtung sowie der der Verfahrweg VY des Positioniertischs 18 in Y-Richtung eingezeichnet und hängt im Wesentlichen von der jeweiligen Anwendung bzw. Applikation, dem Maß des Positioniertisch 18 und/oder dem Maß des zu vermessenden Objekts ab. Der Laser 22 emittiert Laserlicht, wobei das Laserlicht zwei Komponenten linear polarisierten Lichts aufweist, die senkrecht zueinander orientiert sind. Das Laserlicht wird vom Strahlteiler 23 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, wobei ein Teilstrahl zum Spiegel 24 und zur interferometrischen Messeinrichtung 25 und der andere Teilstrahl über den Spiegel 26 zur interferometrischen Messeinrichtung 27 geleitet wird. Die interferometrische Messeinrichtung 25 dient zur Bestimmung von Relativpositionen des Positioniertischs 18 in X-Richtung (siehe Pfeil). Mit der interferometrischen Messeinrichtung 27 werden Relativpositionen des Positioniertischs 18 in Y-Richtung (siehe Pfeil) bestimmt. Zwischen dem Strahlteiler 23 und dem Spiegel 26 ist ein Strahlteiler 28 angeordnet, mit welchem ein Teil des Laserlichts in eine interferometrische Korrektureinrichtung 29 geleitet werden kann. Die mit der interferometrischen Korrektureinrichtung 29 gemessenen Messergebnisse dienen zur Korrektur hinsichtlich der Veränderung der Umwelteinflüsse der mit den interferometrischen Messeinrichtungen 25, 27 gemessenen Ergebnisse.
In den interferometrischen Messeinrichtungen 25, 27 wird jeweils das Laserlicht in zwei Teilstrahlen 25a, 25b bzw. 27a, 27b aufgeteilt. Der eine Teilstrahl 25b bzw. 27b (d.h. jeweils der Referenzstrahl) wird 2 mal von einem ortsfest angeordneten Referenzspiegel 60 bzw. 61 reflektiert und wieder mit dem zweiten Teilstrahl 25a bzw. 27a zur Überlagerung gebracht. Der zweite Teilstrahl 25a bzw. 27a (d.h. jeweils der Messstrahl) wird ebenfalls 2 mal an dem in Form eines verspiegelten Bereichs 37 bzw. 38 ausgebildeten Reflexionsmittels des Positioniertischs 18 reflektiert. In 2 ist jeweils nur eine Reflektion gezeigt. Die zweimalige Reflexion der Teilstrahlen 25a, 27a, 25b, 27b wird anhand der Beschreibung zu 5 näher erläutert.
In der interferometrischen Korrektureinrichtung 29 wird das Laserlicht in zwei Teilstrahlen 29a, 29b aufgeteilt. Der eine Teilstrahl 29a (d.h. der erste Referenzstrahl) wird 2 mal von einem ortsfest angeordneten Referenzspiegel 62 reflektiert und wieder mit dem zweiten Teilstrahl 29b (d.h. dem zweiten Referenzstrahl) zur Überlagerung gebracht. Der zweite Teilstrahl 29b wird ebenfalls 2 mal von dem ortsfest angeordneten Referenzspiegel 63 reflektiert.
Die beiden Referenzspiegel 62, 63 sind in vorteilhafter Weise fest miteinander verbunden und sind in unterschiedliche Entfernungen zum (in 2 nicht gezeigten) Strahlteiler angeordnet. Die Teilstrahlen 29a, 29b weisen also unterschiedliche optische Weglängen in der interferometrischen Korrektureinrichtung 29 auf. Die Genauigkeit der Konekturmessung mit der interferometrischen Korrektureinrichtung 29 ist von dem Weglängenunterschied der beiden reflektierten Teilstrahlen 29a, 29b abhängig. Darüber hinaus ist die Korrekturgüte umso höher, je mehr die Klimaänderungen auf der Korrekturstrecke denen auf der Messstrecke entsprechen.
3 zeigt in einer schematischen Draufsicht einen Positioniertisch 18 sowie den optischen Strahlengang zur Bestimmung der anfahrbaren Positionen des Positioniertischs 18. Der optische Strahlengang aus 3 ist grundsätzlich zu dem optischen Strahlengang aus 2 vergleichbar ausgebildet, In erfindungsgemäßer Weise ist jedoch nahe zur interferometrischen Messeinrichtung 25 eine interferometrische Korrektureinrichtung 29 angeordnet, nämlich unmittelbar daneben bzw. benachbart hierzu angeordnet. Zwischen dem Spiegel 24 und den Strahlteiler 23 ist ein Strahlteiler 30 angeordnet, mit welchem ein Teil des Lichts des Lasers 22 der interferometrischen Korrektureinrichtung 29 zuführbar ist. In gleicher Weise ist nahe der interferometrischen Messeinrichtung 27 eine zweite interferometrische Korrektureinrichtung 32 ebenfalls unmittelbar daneben angeordnet. Zwischen dem Spiegel 26 und dem Strahlteiler 23 ist ein Strahlteiler 33 vorgesehen, mit welchem ein Teil des Lichts des Lasers 22 über den Strahlteiler 33 der zweiten interferometrischen Korrektureinrichtung 32 zugeleitet wird. Die beiden Referenzstrahlen dieser interferometrischen Korrektureinrichtung 32 sind – analog zu denen der interferometrischen Korrektureinrichtung 29 – mit den Bezugszeichen 32a, 32b gekennzeichnet. 3 ist lediglich schematisch zu entnehmen, dass die zur Messung dienenden Teile der Strahlengänge 35 – im Konkreten die Messstrahlen 25a, 27a bzw. die Referenzstrahlen 25b, 27b – der interferometrischen Messeinrichtungen 25, 27 parallel zu den für die Detektion der Veränderung von Umwelteinflüssen relevanten Teile der Strahlengänge 36 – das heißt der Referenzstrahlen 29a, 29b, 32a, 32b – der interferometrischen Korrektureinrichtungen 29, 32 angeordnet bzw. ausgerichtet sind. Die zur Messung dienenden Teilstrahlen 25a, 27a der Strahlengänge 35 der interferometrischen Messeinrichtungen 25, 27 verlaufen von dem Laser kommend zu den verspiegelten Bereichen 37, 38 des Positioniertischs 18, von denen sie reflektiert werden. In 3 ist wie auch in 2 jeweils nur eine Reflektion dargestellt.
4 zeigt in einer schematischen Draufsicht einen Positioniertisch 18 sowie den optischen Strahlengang zur Bestimmung der anfahrbaren Positionen des Positioniertischs 18. Der optische Strahlengang aus 4 ist grundsätzlich zu dem optischen Strahlengang aus 3 vergleichbar ausgebildet, jedoch sind in 4 die interferometrischen Korrektureinrichtungen 29, 32 in die interferometrischen Messeinrichtungen 25, 27 integriert. Hierbei handelt es sich jeweils um einen Zweiachsen-Interferometer. Hierdurch können in vorteilhafter Weise die in 3 vorgesehenen Strahlteiler 30, 33 und die beiden einzelnen Interferometer 29, 32 aus 3 entfallen. Insoweit erübrigt es sich, diese Komponenten bei der Herstellung des Koordinaten-Messgeräts zu justieren.
5 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 39, welche eine interferometrische Messeinrichtung und eine interferometrische Korrektureinrichtung aufweist. Somit ist die interferometrische Korrektureinrichtung in die interferometrische Messeinrichtung integriert, und zwar in Form eines Zweiachsen-Interferometers. Das in die Messvorrichtung 39 eintretende und von der in 5 nicht gezeigten Lichtquelle kommende Laserlicht 40 durchläuft das Prisma 41, mit welchem der einfallende Lichtstrahl 40 aufgrund einer ersten teilweisen internen Reflexion und einer zweiten internen totalen Reflexion in zwei Teilstrahlen 42, 43 aufgeteilt wird. Das von der Lichtquelle kommende Laserlicht 40 ist linear polarisiertes Licht der Wellenlänge 632,9 nm bzw. weist eine Frequenz 4,7 10¹⁴Hz auf. Es weist zwei Komponenten senkrecht aufeinander stehende Lichtwellen auf. Die eine Lichtwelle hat eine sehr kleiner Frequenzverschiebung – ungefähr 2 MHz – gegenüber der anderen Lichtwelle.
Im Folgenden wird zunächst der Strahlengang des Teilstrahls 43 beschrieben, der für die Positionsmessung benutzt wird. Der Teilstrahl 43 tritt in einen ersten Prismenkeil 44 ein. Der erste Prismenkeil 44 hat eine parallelogrammförmige Grundfläche. Aufgrund der Ausrichtung der Polarisationsrichtungen der zwei senkrecht aufeinander stehenden Lichtwellen des Teilstrahls 43 – nämlich in Zeichenebene bzw. senkrecht zur Zeichenebene – wird der Teilstrahl 43 in zwei weitere Teilstrahlen aufgeteilt. Die Aufteilung in zwei weitere Teilstrahlen erfolgt an der Grenzschicht der Flächen 45 des Prismenkeils 44 zu der Fläche 50 des zweiten Prismenkeils 46. Dabei werden die beiden senkrecht zueinander orientierten, linear polarisierten Strahlen entsprechend ihrer Polarisationsrichtung und damit Frequenz getrennt. Die an der Grenzschicht 45 reflektierten Lichtstrahlen werden an der Fläche 47 des Prismenkeils 44 intern reflektiert, so dass einer der zwei Teilstrahlen in Richtung des Referenzspiegels 48b verläuft. Der Referenzspiegel 48b ist ortsfest angeordnet.
Der an der Grenzschicht 45 nicht reflektierte Anteil des Teilstrahls 43 verläuft in gleicher Richtung durch den Prismenkeil 46 in Richtung des Messspiegels 49b. Der Messspiegel 49b ist an dem bewegbar angeordneten Positioniertisch 18 fixiert und folgt unmittelbar den Bewegungen des in 5 nicht gezeigten Positioniertischs 18. Sowohl die zwischen dem Prismenkeil 44 und dem Referenzspiegel 48b als auch zwischen dem Prismenkeil 46 und dem Messspiegel 49b verlaufenden Teilstrahlen durchtreten jeweils das λ/4-Plättchen 51 bzw. 52, welches aus den linear polarisierten Lichtkomponenten der Teilstrahlen jeweils zirkular polarisiertes und in der Phase um 45 Grad gedrehtes Licht macht.
An dem Referenzspiegel 48b bzw. Messspiegel 49b werden die Teilstrahlen reflektiert und durchlaufen die λ/4-Plättchen 51, 52 erneut und erzeugen aus dem zirkular polarisierten Licht wieder linear polarisiertes Licht mit einer in der Phase um weitere 45 Grad gedrehtes Licht, welches nunmehr bezogen auf die ursprüngliche Ausrichtung um 90 Grad gedreht ist. Das vom Referenzspiegel 48b kommende Licht trifft nunmehr nach der internen Reflexion an der Fläche 47 auf die Grenzschicht 45, 50 der Prismenkeile 44 und 46, wo es aufgrund seiner nunmehr um 90 Grad gedrehten Orientierung nicht abgelenkt wird, sondern geradlinig durch den Prismenkeil 46 verläuft. Das vom Messspiegel 49b kommende Licht wird aufgrund der ebenfalls um 90 Grad gedrehten Orientierung an der Grenzschicht 50, 45 der Prismenkeile 44 und 46 nun reflektiert. Diese Teilstrahlen verlaufen nun durch den Prismenkeil 46 zu dem in Form eines Prismas 55 ausgebildeten Strahlumlenkmittels, welches die Teilstrahlen nach zweimaliger interner Reflexion mit einem parallelen Strahlversatz in Richtung der Fläche 50 des Prismenkeils 46 lenkt. Da sich die Polarisationsrichtungen am Strahlumlenkmittel bzw. Prisma 55 nicht ändern, werden Teilstrahlen an der Grenzfläche 50, 45 der Prismenkeile 46, 44 in gleicher Weise wie zuvor transmittiert oder reflektiert, so dass sie wieder in die gleiche Richtung auf die Spiegel 48b, 49b zulaufen, aus der sie gekommen waren. Nach dem erneuten Durchlaufen der beiden λ/4-Plättchen 51, 52 sind die in die Prismenkeile 44, 46 eintretenden Teilstrahlen in ihrer Polarisationsrichtung erneut um 90 Grad gedreht. Die an der Fläche 47 intern reflektierten und in dem Prismenkeil 44 verlaufenden Teilstrahlen werden an der Grenzschicht 45 in Richtung einer ersten Detektionseinrichtung 56 reflektiert bzw. transmittiert. Die vom Messspiegel 49b kommenden und in den Prismenkeil 46 eintretenden Lichtstrahlen treten unreflektiert durch den Prismenkeil 44 ebenfalls in Richtung der Detektionseinrichtung 56 hindurch. Mit der Detektionseinrichtung 56 kann mit Hilfe eines nicht gezeigten Polarisationsfilters die interferometrische Überlagerung der beiden aufgeteilten und wiedervereinigten Teilstrahlen detektiert werden, die ursprünglich mit dem Teilstrahl 43 in den Prismenkeil 44 ein erstes Mal eingetreten sind.
In vergleichbarer Weise durchläuft der vom Prisma 41 in Richtung des Prismenkeils 44 verlaufende Teilstrahl 42 die Prismenkeile 44, 46, die λ/4-Plättchen 51, 52 zu dem Referenzspiegel 48a bzw. zu dem Referenzspiegel 49a. Der Referenzspiegel 49a ist nicht beweglich angeordnet, sondern vorteilhaft mit dem ebenfalls ortsfest angeordneten Referenzspiegel 48a fest verbunden. Nach Reflexion an dem Referenzspiegel 48a bzw. Referenzspiegel 49a verlaufen die Teilstrahlen zu dem in Form eines Prismas 53 ausgebildeten Strahlumlenkmittel, das die Teilstrahlen ebenfalls mit einem Strahlversatz zurück in die Prismenkeile 46, 44 umlenkt. Nach einer weiteren Reflexion an dem Referenzspiegel 48a bzw. Referenzspiegel 49a werden die Teilstrahlen an der Fläche 45 bzw. 50 in Richtung der weiteren Detektionseinrichtung 54 reflektiert. Mit der Detektionseinrichtung 54 kann die interferometrische Überlagerung mit Hilfe eines nicht gezeigten Polarisationsfilters der beiden aufgeteilten und wiedervereinigten Teilstrahlen detektiert werden, die ursprünglich mit dem Teilstrahl 42 in den Prismenkeil 44 ein erstes Mal eingetreten sind.
Die aufgrund der Überlagerung resultierende Lichtwelle hat nach wie vor die Eingangsfrequenz, die jedoch mit der Schwebungsfrequenz, die von dem Frequenzunterschied abhängig ist, moduliert ist. Die beiden Frequenzkomponenten werden dabei durch die Umweltbedingungen und die als Messstrahl bezeichnete Komponente zusätzlich durch den sich bewegenden Messtisch Doppler-verschoben. Wenn der Positioniertisch 18 und somit der Messspiegel 49b bewegt wird, erfolgt eine Dopplerverschiebung der Frequenz des an dem Messspiegel 49b reflektierten Teilstrahls. Bei dem überlagerten Licht entsteht daraus das Schwebungssignal (~2 MHz), das von der Detektionseinrichtung 56 und nachfolgender Elektronik aufgelöst und zu einem Positionssignal verarbeitet werden kann. Die Schwebungsfrequenz der an den beiden fest angeordneten Spiegeln 48a, 49a reflektierten und überlagerten Lichtstrahlen, die mit der Detektionseinrichtung 54 detektiert werden, ist proportional zu der Änderung der Wellenlänge, und kann aufgrund der unterschiedlichen optischen Wege bzw. unterschiedlich langen Wege zu den Spiegeln 48a und 49a detektiert werden.
Die ortsfest angeordneten Spiegel 48a, 48b, 49a sind in diesem Ausführungsbeispiel bezüglich der Normalen der Spiegeloberflächen allesamt an einer anderen Position angeordnet. Die Spiegel 48a, 48b, 49a könnten jeweils separat an einem Koordinaten-Messgerät befestigt werden oder – was bevorzugt wird – an einer gemeinsamen Halterung angeordnet an dem Koordinaten-Messgerät befestigt sein.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

1: Koordinaten-Messgerät
2: Objekt
3: Strukturen des Objekts
4: Beleuchtungsstrahlengang Durchlicht
5: Beleuchtungsstrahlengang Auflicht
6: Lichtquelle Durchlicht
7: Spiegel
8: Kondensor
9: Abbildungsoptik
10: Detektor
11: Detektionsstrahlengang
12: Strahlteiler
13: Lichtquelle Auflicht
14: Interferometrische Messeinrichtung
15: Lichtstrahl der interferometrischen Messeinrichtung
16: Optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs Durchlicht
17: Optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs Auflicht
18: Positioniertisch
19: Luftkissen für (18)
20: Granitblock
21: Füße für (20)
22: Laser
23: Strahlteiler
24: Spiegel
25: interferometrische Messeinrichtung für x-Richtung
25a: Messstrahl von (25)
25b: Referenzstrahl von (25)
26: Spiegel
27: interferometrische Messeinrichtung für y-Richtung
27a: Messstrahl von (27)
27b: Referenzstrahl von (27)
28: Strahlteiler
29: Interferometrische Korrektureinrichtung
29a: erster Referenzstrahl von (29)
29b: zweiter Referenzstrahl von (29)
30: Strahlteiler
32: zweite Interferometrische Korrektureinrichtung
32a: erster Referenzstrahl von (32)
32b: zweiter Referenzstrahl von (32)
33: Strahlteiler
35: Teil des Strahlengangs von (25, 27), der zur Positionsmessung dient
36: Teil des Strahlengangs von (29, 32), der zur Detektion der Veränderungen
: von Umwelteinflüssen dient
37: verspiegelt ausgebildeter Bereich von (18) zur Reflexion des
: Teilstrahls (25a) von (25)
38: verspiegelt ausgebildeter Bereich von (18) zur Reflexion des
: Teilstrahls (27a) von (27)
39: Messvorrichtung
40: in (39) eintretendes Laserlicht
41: Prisma
42: Teilstrahl
43: Teilstrahl
44: erster Prismenkeil
45: Trennfläche von (44)
46: zweiter Prismenkeil
47: Fläche von (44)
48a: Referenzspiegel
48b: Referenzspiegel
49a: Referenzspiegel
49b: Messspiegel
50: Fläche von (46)
51: λ/4-Plättchen
52: λ/4-Plättchen
53: Prisma
54: Detektionseinrichtung
55: Prisma
56: Detektionseinrichtung
60: ortsfest angeordneter Referenzspiegel, an welchem (25b) reflektiert wird
61: ortsfest angeordneter Referenzspiegel, an welchem (27b) reflektiert wird
62: ortsfest angeordneter Referenzspiegel, an welchem (29a) reflektiert wird
63: ortsfest angeordneter Referenzspiegel, an welchem (29b) reflektiert wird
VX: Verfahrweg von (18) in X-Richtung
VY: Verfahrweg von (18) in Y-Richtung

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung von Relativpositionen eines in mindestens eine Richtung (X, Y) um einen vorgebbaren maximalen Verfahrweg bewegbar angeordneten Positioniertischs (18), mit mindestens einer interferometrischen Messeinrichtung (25, 27) und mindestens einer interferometrischen Korrektureinrichtung (29, 32), wobei mit einer interferometrischen Messeinrichtung (25, 27) Messergebnisse zur Bestimmung von Relativpositionen des Positioniertischs (18) für eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung (X, Y) erzeugbar sind, wobei eine interferometrische Messeinrichtung (25, 27) mit Laserlicht eines Lasers (22) mindestens einer Wellenlänge betreibbar ist, wobei mit der interferometrischen Korrektureinrichtung (29, 32) Korrekturergebnisse erzeugbar sind, mit welchen Rückschlüsse auf die tatsächlich vorliegende Wellenlänge des Laserlichts während einer Positionsbestimmung des Positioniertischs (18) möglich ist, um eine Veränderung der Wellenlänge des Laserlichts – insbesondere aufgrund von Umwelteinflüssen – für eine Auswertung der Messergebnisse zu berücksichtigen, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32) in räumlicher Nähe zur interferometrischen Messeinrichtung (25, 27) angeordnet ist und dass die räumliche Nähe einem vorgebbaren Anteil des maximalen Verfahrwegs des Positioniertischs entspricht.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine interferometrische Korrektureinrichtung (29) in einem Bereich angeordnet ist, welcher von dem Positioniertisch überfahrbar ist und welcher über oder unter dem Positioniertisch liegt.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32) unmittelbar benachbart zu einer interferometrischen Messeinrichtung (25, 27) angeordnet ist, und dass zumindest ein Teil eines Strahlengangs (35) der interferometrischen Messeinrichtung (25, 27) im Wesentlichen parallel zu zumindest einem Teil des Strahlengangs (36) der interferometrischen Korrektureinrichtung (29, 32) ausgerichtet sein kann.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 der DE 101 31 898 A1 ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32) in eine interferometrische Messeinrichtung (25, 27) integriert ist, und dass die Strahlengänge der interferometrischen Messeinrichtung und der interferometrischen Korrektureinrichtung im Wesentlichen parallel ausgerichtet sein können.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32) oder eine interferometrische Messeinrichtung (25, 27) in Form eines Homodyn-Interferometers oder eines Heterodyn-Interferometers ausgebildet ist und dass Laserlicht dementsprechend von einem Heterodynlaser oder von einem Homodynlaser erzeugbar ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht zwei Komponenten linear polarisierten Lichts aufweist, dass die zwei Komponenten im Wesentlichen senkrecht zueinander orientiert sind, dass die zwei Komponenten sich in ihrer Wellenlänge zumindest geringfügig unterscheiden.
Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht an einer Strahlteilerfläche (45, 50) in zwei Teilstrahlen aufteilbar ist, dass vorzugsweise einer der zwei Teilstrahlen an mindestens einem Strahlumlenkmittel (47) in eine Richtung umlenkbar ist, so dass die beiden Teilstrahlen im Wesentlichen parallel verlaufen.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Prismenkeile (44, 46) benachbart zueinander angeordnet sind, dass mindestens eine Oberfläche (45) der beiden benachbart zueinander angeordneten Oberflächen (45, 50) der Prismenkeile (44, 46) die Strahlteilerfläche bildet, dass mindestens eine der beiden benachbart zueinander angeordneten Oberflächen (50, 45) der Prismenkeile (44, 46) eine Strahlvereinigungsfläche bildet und dass eine der als Strahlteiler wirkenden Oberfläche (45) eines Prismenkeils (44) gegenüber liegende weitere Oberfläche (47) des Prismenkeils (44) das Strahlumlenkmittel bildet.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer interferometrischen Messeinrichtung ein Messstrahl von der Strahlteilerfläche (45, 50) zu einem am Positioniertisch (18) angeordneten Reflexionsmittel (37, 38, 49b) verläuft, dass ein Referenzstrahl von der Strahlteilerfläche (45, 50) zu einem ortsfest angeordneten Reflexionsmittel (48b) verläuft, und dass das am Positioniertisch (18) angeordnete Reflexionsmittel (49b) insbesondere einen verspiegelten Bereich (37, 38) des Positioniertischs (18) oder einen am Positioniertisch (18) fixierten Spiegel (49b) aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer interferometrischen Korrektureinrichtung (29, 32) zwei Referenzstrahlen von der Strahlteilerfläche (45, 50) zu jeweils einem ortsfest angeordneten Reflexionsmittel (48a, 49a) verlaufen, und dass die Länge der optischen Wege der beiden Referenzstrahlen sich unterscheiden.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Messstrahl und dem Referenzstrahl jeweils eine Lambda/4-Platte (51, 52) vorgesehen ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein – vorzugsweise zwei – einen parallelen Strahlenversatz erzeugendes weiteres Strahlumlenkmittel (53, 55) vorgesehen ist, mit welchem ein aus einem Prismenkeil (46) austretender Lichtstrahl ein weiteres mal in die interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32) und in die interferometrische Messeinrichtung (25, 27) leitbar ist, und dass vorzugsweise das Strahlumlenkmittel (53, 55) zwei senkrecht zueinander angeordnete Spiegel oder ein Prisma (53, 55) mit einer Grundfläche aufweist, die ein rechtwinkliges Dreieck ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32) und die interferometrische Messeinrichtung (25, 27) in Form eines Mehrachsen-Interferometers - vorzugsweise in Form eines Zweiachsen-Interferometers – ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionseinrichtung (54, 56) vorgesehen ist, mit welcher die Intensität der - insbesondere mit Hilfe eines Polarisationsfilters – überlagerten Teilstrahlen detektierbar ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der detektierten Intensität ein Signal extrahierbar ist, dass eine Bewegung des Positioniertischs (18) zumindest bei dem Messstrahl aufgrund des Doppler-Effekts eine von der Bewegungsgeschwindigkeit des Positioniertischs (18) abhängige Wellenlängenverschiebung bewirkt, so dass die Intensität der sich überlagerten Teilstrahlen mit einer von der Wellenlängenverschiebung abhängigen Schwebungsfrequenz moduliert ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstrahlen mindestens zweier Interferometerachsen zur Überlagerung bringbar sind, um eine unmittelbare Auswertung einer Veränderung der Wellenlänge des Laserlichts zu ermöglichen, die beispielsweise durch eine Veränderung der Umwelteinflüsse bewirkt wurde.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer interferometrischen Messeinrichtung (25; 27) Relativpositionen des Positioniertischs (18) für Bewegungen lediglich entlang einer Bewegungsrichtung (X; Y) bestimmbar sind und dass insbesondere ein großer Teil des Strahlengangs (35) einer interferometrischen Messeinrichtung (25; 27) im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung (X; Y) des Positioniertischs (18) ausgerichtet ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Positioniertisch lediglich in einer Bewegungsrichtung bewegbar angeordnet ist und dass die Relativpositionen des Positioniertischs mit lediglich einer interferometrischen Messeinrichtung erfolgt.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Positioniertisch (18) in zwei Bewegungsrichtungen (X; Y) bewegbar angeordnet ist und dass die Relativpositionen des Positioniertischs (18) mit jeweils einer interferometrischen Messeinrichtung (25; 27) für jede Bewegungsrichtung (X; Y) erfolgt.
Verfahren zur Bestimmung von Relativpositionen eines in mindestens eine Richtung (X, Y) um einen vorgebbaren maximalen Verfahrweg bewegbar angeordneten Positioniertischs (18), insbesondere zum Betreiben einer Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei mit mindestens einer interferometrischen Messeinrichtung (25, 27) Messergebnisse zur Bestimmung von Relativpositionen des Positioniertischs (18) für eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung (X, Y) erzeugt werden, wobei eine interferometrische Messeinrichtung (25, 27) mit Laserlicht eines Lasers (22) mindestens einer Wellenlänge betrieben wird, wobei mit einer interferometrischen Korrektureinrichtung (29, 32) Korrekturergebnisse erzeugt werden, mit welchen Rückschlüsse auf die tatsächlich vorliegende Wellenlänge des Laserlichts während einer Positionsbestimmung des Positioniertischs (18) möglich ist, um eine Veränderung der Wellenlänge des Laserlichts – insbesondere aufgrund von Umwelteinflüssen – für eine Auswertung der Messergebnisse zu berücksichtigen, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Korrektureinrichtung (29, 32) in räumlicher Nähe zur interferometrischen Messeinrichtung (25, 27) angeordnet ist und dass die räumliche Nähe einem vorgebbaren Anteil des maximalen Verfahrwegs des Positioniertischs entspricht.