DE102005040661B3

DE102005040661B3 - Koordinatenmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102005040661B3
Application number: DE102005040661A
Authority: DE
Inventors: Michael Heiden; Hans-Artur Dr. Bösser
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH; Vistec Semiconductor Systems GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH; KLA Tencor MIE GmbH
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-08-27
Also published as: JP2007064972A; US20070046949A1; TW200708714A; CN1920475A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Referenzstrahl-Interferometer zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches, wobei in den längeren der beiden Interferometerarme ein evakuiertes Rohr eingebracht ist. Das Rohr ist mit Fenstern abgeschlossen, die einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen und eine Beschichtung zur Reflexion von Wärmestrahlung aufweisen können. In den kürzeren Strahlgang sind des weiteren thermische Kompensationsplatten eingebracht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Koordinatenmessvorrichtung zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches, wobei die Positionsbestimmung durch einen Interferometer vorgenommen wird und wobei unterschiedliche Weglängen von Mess- und Referenzstrahlengang im Interferometer durch einen lichtdurchlässigen geschlossenen, inkompressiblen Körper ausgeglichen sind.
Referenzstrahl-Interferometer werden für hochgenaue Abstands- und Positionsmessungen eingesetzt und sind beispielsweise wesentlicher Bestandteil von Masken und Wafer-Vermessungsgeräten für die Halbleiterindustrie. Um die Strukturen aktueller, hochintegrierter Schaltkreise zu vermessen, weisen diese Geräte eine Genauigkeit im Bereich von wenigen Nanometern auf.
Bei der hochgenauen interferometrischen Messung wird der relative Wegunterschied zwischen einem Messspiegel an dem verfahrbaren Messobjekt im Messstrahlengang und einem ortsfesten Referenzspiegel im Referenzstrahlengang gemessen. Dabei werden die an den Spiegeln zurücklaufenden Strahlen überlagert und durch Interferenz bestimmt, wie sich die Phase des Lichtes bei der Bewegung des Messobjektes ändert. Dabei ist die Wellenlänge des Lichtstrahls der Massstab der Messung, und der relative Weglängenunterschied wird in der Einheit „Wellenlänge" angegeben. Der Wert der Länge einer Wellenlänge eines Lichtstrahls hängt vom Brechungsindex des vom Lichtstrahl durchlaufenen Mediums ab. Dieser variiert durch langsame oder schnelle Änderung von Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte oder durch Änderung der Luftzusammensetzung.
Die Anforderung an die Reproduzierbarkeit von Messungen mit den gattungsgemäßen Messvorrichtungen liegt heute im Bereich 5 nm. Damit wirken sich bereits kleinste Änderungen der oben angegebenen Faktoren kritisch auf die Messgenauigkeit aus. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist daher die Reduktion der Einflussmöglichkeit der oben genannten Faktoren erforderlich. Für hochgenaue Entfernungsmessungen wird daher das Messgerät in einer Klimakammer betrieben in der die Temperatur und die Luftfeuchte konstant gehalten wird. Der Regelgenauigkeit von Temperatur und Luftfeuchte sind dabei technische Grenzen gesetzt. Auch lässt sich mit vertretbarem Aufwand keine hermetisch dichte, insbesondere druckdichte Kammer herstellen, insbesondere, weil einfaches und schnelles Wechseln der Messobjekte erforderlich ist.

In der US 5,469,260 wird das Prinzip der interferometrischen Positionsmessung dargestellt. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit sind dabei Mess- und Referenzstrahlengang mit an beiden Enden offenen Rohren umhüllt, in die definiert temperaturstabilisierte Luft eingeblasen wird. In der DE 196 28 969 C1 wird ein gattungsgemäßer Referenzstrahl-Interferometer zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches dargestellt. Bei diesem Zweistrahl-Interferometer wird der Einfluss von Wellenlängenänderung durch Umgebungsparameter dadurch verringert, dass in den längeren der beiden Interferometerstrahlengänge ein lichtdurchlässiger, geschlossener, inkompressibler Körper eingeführt ist, so dass die außerhalb des Körpers verlaufenden Anteile von Referenzstrahlengang und Messstrahlengang bei einer bestimmten Positionierung des verfahrbaren Messspiegels gleich lang sind. Damit wirken sich Änderungen der Umgebungsfaktoren im wesentlichen gleich auf Referez- und Messstrahlengang aus und heben sich dabei weitgehend auf.

Die EP 0053199 A1 offenbart ein Messverfahren zur schrittweisen Messung von geometrischen Größen und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, wobei der Messstrahlengang einer Laser-Interferometermesseinrichtung in einem längenveränderlichen evakuiertem Hohlraum verläuft.

In dem U.S. Patent 5,585,922 werden durch Umgebungsturbulenzen oder Fluktuationen hervorgerufene Messfehler durch eine duale Interferometervorrichtung kompensiert.

Das U.S. Patent 4,813,783 A offenbart ebenfalls eine duales Interferometervorrichtung mit zwei evakuierbaren Kammern.

Eine vor Umgebungseinflüssen durch bewegliche Komponenten geschützte Präzisionsmessvorrichtung zeigt das U.S. Patent 4,377,036.

In der JP 5256611 A ist eine luftdichte Laserinterferenzvorrichtung zur präzisen Längenmessung vorgesehen.

Nachteilig ist beim vorliegenden Stand der Technik, dass er den weiter gestiegenen Anforderungen an die Genauigkeit der Messung nicht mehr ausreichend gerecht wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Referenzstrahl-Interferometer anzugeben, bei dem der Einfluss von Umgebungsparameter auf die Änderung der Wellenlänge des Lichtstrahls weiter minimiert ist.

Diese wird durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung, ebenso wie durch die in den Ansprüchen 12 und 13 bestimmten Vorrichtungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der verbleibende Korrekturfehler der Abstandsbestimmung weitgehend mit der über die Längendifferenz zwischen Referenzstrahlengang und Messstrahlengang durch die Änderung der Umgebungsparameter verursachten Wellenlängenänderung skaliert.

Um den Fehler bei der Abstandsbestimmung infolge der Änderung der Wellenlänge zu minimieren, muss also die Weglängendifferenz zwischen Referenzstrahlengang und Messstrahlengang möglichst klein gehalten werden.

Erfindungsgemäß wird die sich aus der Positionierung von Referenzspiegel und Messspiegel ergebende statische Weglängendifferenz in den Strahlengängen durch ein mit Fenstern versehenes Rohr ausgefüllt, wobei die Fenster einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen. Ein entsprechendes Fenster kann etwa aus Dämmmaterial N-LAK 21 bestehen. Die Fenster mit negativem Temperaturausdehnungskoeffizienten gleichen in ihrer Wirkung auf den Strahlengang die mögliche Ausdehnung des Rohres aus.

Bevorzugt ist das mit Fenstern versehene Rohr evakuiert. Auf diese Weise wird erreicht, dass der im Rohr verlaufende Strahl von Umgebungseinflüssen vollständig isoliert ist. Das Teilstück des Strahlengangs innerhalb des evakuierten Rohrs ist auch bei leichter Temperaturänderung eine Strecke konstanter Weglänge und wird nicht mit Fehlern aus der Wellenlängenkorrektur behaftet.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Innendruck des Rohrs mit einem Sensor überwacht ist und das Rohr mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, die vom Sensor angesteuert ist. Auf diese Weise kann die Qualität des Vakuums ständig überwacht werden und ggf. der Vakuumdruck nachgeregelt werden.

Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass das Rohr einen Ausdehnungskoeffizienten kleiner oder gleich Stahl, insbesondere kleiner oder gleich Glas aufweist. Damit ist sichergestellt, dass die Länge des Weges konstanter Wellenlänge innerhalb des Rohres von Temperaturänderung weitgehend unbeeinflusst bleibt.

Günstigerweise ist vorgesehen, dass das Rohr eine Wanddicke größer 10%, insbesondere größer 20%, insbesondere größer 50%, insbesondere größer 100%, insbesondere größer 200%, insbesondere größer 500%, insbesondere größer 1000% des Innendurchmessers aufweist. Durch eine solche Konstruktion ist zum Einen sichergestellt, dass Änderungen des Umgebungsdrucks wie auch Änderungen der Umgebungstemperatur in ihrem Einfluss auf das Rohrinnere weitgehend abgehalten werden. Zum Anderen ist das Rohr an sich aufgrund seiner erhöhten Wärmekapazität weniger anfällig auf kurzfristige Temperaturschwankungen. Dies betrifft auch die mögliche Längenausdehnung des Rohres.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Rohr nach außen eine Wärmeisolierung aufweist. Dies hat den Vorteil, dass Einflüsse der Temperaturänderung noch stärker in ihren Auswirkungen auf das Rohrinnere abgehalten werden.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass das Rohr aus einem Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich Aluminium (160 W/mK), insbesondere kleiner oder gleich Stahl (50 W/mK), insbesondere kleiner oder gleich Glas (1 W/mK) besteht. Dadurch ist sichergestellt, dass Änderungen der Umgebungstemperatur noch stärker vom Rohrinneren abgehalten werden.

Erfindungsgemäß ist darüber hinaus die ursprünglich genannte Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Referenzstrahl-Interferometer dadurch gelöst, dass die Fenster eine Beschichtung zur Reflexion von Wärmestrahlung aufweisen. Dadurch wird verhindert, dass Wärmestrahlung in das Rohrinnere eindringt und dem Einfluss von Temperaturschwankungen aussetzt, die zur Wellenlängenänderung führen können.

Erfindungsgemäß ist des weiteren die ursprünglich genannte Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Referenzstrahl-Interferometer dadurch gelöst, dass in den kürzeren Strahlengang eine oder mehrere thermische Kompensationsplatten eingebracht sind, mit insgesamt vergleichbarer Abhängigkeit von Temperatur und optischem Weg, wie die Fenster des Rohrs. Durch diese Anordnung wird die Temperaturabhängigkeit der Weglängenänderung zwischen den beiden Interferometerstrahlen durch die Rohrfenster kompensiert.

Günstigerweise bestehen die eine oder mehrere Kompensationsplatten aus dem gleichen Material wie die Fenster und weisen insgesamt eine vergleichbare Dicke wie die beiden Fenster zusammen auf. Durch die identische Ausführung und die gleiche Anzahl der Kompensationsplatten wie die Rohrfenster wird der Effekt der Rohrfenster auf temperaturinduzierte Weglängenänderungen nahezu vollständig minimiert.

Mit besonderem Vorteil sind die eine oder mehreren Kompensationsplatten insgesamt geringfügig dünner als die beiden Fenster zusammen. Insbesondere sind diese um bis zu 1/1000, insbesondere um bis zu 1/500, insbesondere um bis zu 1/250 der Länge des Rohres dünner als die beiden Fenster zusammen. Durch eine solche Ausführung wird die Temperaturabhängigkeit der Länge des Rohrs in etwa mit kompensiert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Darstellungen zu einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche Elemente. Es zeigen:
1 ein Interferometer mit Strahlganganpassung,
2 ein erfindungsgemäßes Rohr zur Strahlganganpassung.
1 zeigt eine Koordinaten-Messvorrichtung mit einem Referenzstrahl-Interferometer 10 mit seinem Referenzstrahlengang 33 und seinem Messstrahlengang 23. Der Messstrahl 23 trifft auf den Messspiegel 22, der an dem verfahrbaren Tisch 20 befestigt ist. Der Tisch 20 ist gegenüber dem ortsfesten Unterteil 21 verfahrbar und trägt das hier nicht dargestellte Messobjekt. Der Referenzstrahl 33 trifft auf den Referenzspiegel 32, der an dem ortsfesten Objektiv 30 befestigt ist. Das Objektiv 30 fokussiert auf einen Messpunkt auf dem auf dem verfahrbaren Tisch aufliegenden Messobjekt. Bei der Messung wird das Messobjekt auf dem verfahrbaren Tisch durch diesen soweit bewegt, bis das Objektiv einen weiteren Messpunkt erfasst. Der Abstand zwischen den beiden Messpunkten wird vom Referenzstrahl-Interferometer als Abstandsänderung des verfahrbaren Tischs bezüglich des Objektivs gemessen. Das Referenzstrahl-Interferometer 10 ist mit einer Positionsbestimmungseinrichtung 11 verbunden, die die Signale des Interferometers auswertet.
Im dargestellten Fall ist der Referenzstrahl 33 länger als der Messstrahl 23. Änderungen der Wellenlänge beträfen also den Referenzstrahl in stärkerem Maße als den Messstrahl. Um diese stärkere Abhängigkeit zu kompensieren, ist mit dem Rohr 40 eine Strahlganganpassung in den Referenzstrahl 33 eingefügt. Dadurch sind die außerhalb des Rohres 40 verlaufenden Anteile des Referenzstrahls 33 in etwa gleich lang dem Messtrahl 23 für eine angenommene Mittelposition des verfahrbaren Tischs 20. Das Rohr 40 ist mit strahldurchlässigen Fenstern verschlossen und ist evakuiert. Über einen Drucksensor 50 innerhalb des Rohres einer Steuereinheit 51 und einer Vakuumpumpe 52 wird das Vakuum im Rohr konstant gehalten. Im Messstrahl 23 sind Kompensationsplatten 60 eingefügt, die im wesentlichen identisch zu den das Rohr abschließenden Fenstern sind. Dadurch wird der Temperatureinfluss der Rohrfenster auf Weglängenänderung im Referenzstrahl kompensiert.
2 zeigt einen Schnitt durch das Rohr 40. Das Rohr besteht aus einer Rohrwand 42 und aus Fenstern 43, die das Vakuum 41 einschließen. Die Fenster sind auf ihrer Außenfläche mit einer Wärmestrahlung isolierenden Beschichtung 44 versehen. Sie können zusätzlich mit einer hier nicht dargestellter Antireflexschicht auf der Innen- und Außenseite für den Messstrahl versehen sein. Das Rohr 42 ist von einer Wärmeisolierung 45 umgeben.

10: Referenzstrahl-Interferometer
11: Positionsbestimmungseinrichtung
20: verfahrbarer Tisch
21: Unterteil
22: Messspiegel
23: Messstrahl
30: Objektiv
32: Referenzspiegel
33: Referenzstrahl
40: Rohr
41: Vakuum
42: Rohrwand
43: Fenster
44: Beschichtung
45: Wärmeisolierung
50: Drucksensor
51: Steuereinheit
52: Vakuumpumpe
60: Kompensationsplatten

Claims

Referenzstrahl-Interferometer zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches mit einem verfahrbaren Tisch und einem am Tisch montierten Messspiegel, dessen Spiegelfläche senkrecht zur Verfahrrichtung des Tisches steht und einem dazu parallel ausgerichteten, ortsfesten Referenzspiegel mit einem auf den Messspiegel ausgerichteten Messstrahlengang und einem auf den Referenzspiegel ausgerichteten Referenzstrahlengang, sowie einer Einrichtung zur Bestimmung der Position des Tisches aus den vom Referenzstrahl-Interferometer erzeugten Messsignalen, einem lichtdurchlässigen, geschlossenen inkompressiblen Rohr mit lichtdurchlässigen Fenstern an dessen Enden, das so in den jeweils längeren der beiden Strahlengänge eingefügt ist, dass die außerhalb des Rohrs verlaufenden Anteile der Strahlengänge bei einer vorbestimmten Position des verfahrbaren Tisches gleich lang sind dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr evakuiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendruck des Rohres mit einem Sensor überwacht ist und das Rohr mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, die vom Sensor angesteuert ist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr einen Ausdehnungskoeffizienten kleiner gleich Stahl, insbesondere kleiner gleich Glas aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr eine Wanddicke von größer 10%, insbesondere größer 20%, insbesondere größer 50%, insbesondere größer 100%, insbesondere größer 200%, insbesondere größer 500%, insbesondere größer 1000% des Innendurchmessers aufweist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr nach außen eine Wärmeisolierung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr aus einem Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit kleiner gleich 160 W/mK (Aluminium), insbesondere kleiner gleich 50 W/mK (Stahl), insbesondere kleiner gleich 1 W/mK (Glas) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster eine Beschichtung zur Reflexion von Wärmestrahlung aufweisen
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den kürzeren Strahlgang eine oder mehrere thermische Kompensationsplatten eingebracht sind mit insgesamt vergleichbarer Abhängigkeit von Temperatur und optischem Weg wie die Fenster.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Kompensationsplatten aus dem gleichen Material wie die Fenster bestehen und insgesamt eine vergleichbare Dicke wie beide Fenster zusammen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Kompensationsplatten insgesamt geringfügig dünner als die beiden Fenster zusammen sind, insbesondere um bis zu 1/1000 der Länge des Rohres, insbesondere um bis zu 1/500 der Länge des Rohres, insbesondere um bis zu 1/250 der Länge des Rohres.
Referenzstrahl-Interferometer zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches mit einem verfahrbaren Tisch und einem am Tisch montierten Messspiegel, dessen Spiegelfläche senkrecht zur Verfahrrichtung des Tisches steht und einem dazu parallel ausgerichteten, ortsfesten Referenzspiegel mit einem auf den Messspiegel ausgerichteten Messstrahlengang und einem auf den Referenzspiegel ausgerichteten Referenzstrahlengang, sowie einer Einrichtung zur Bestimmung der Position des Tisches aus den vom Referenzstrahl-Interferometer erzeugten Messsignalen, einem lichtdurchlässigen, geschlossenen inkompressiblen Rohr mit lichtdurchlässigen Fenstern an dessen Enden, das so in den jeweils längeren der beiden Strahlengänge eingefügt ist, dass die außerhalb des Rohrs verlaufenden Anteile der Strahlengänge bei einer vorbestimmten Position des verfahrbaren Tisches gleich lang sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster eine Beschichtung zur Reflexion von Wärmestrahlung aufweisen
Referenzstrahl-Interferometer zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches mit einem verfahrbaren Tisch und einem am Tisch montierter Messspiegel, dessen Spiegelfläche senkrecht zur Verfahrrichtung des Tisches steht und einem dazu parallel ausgerichteten, ortsfesten Referenzspiegel mit einem auf den Messspiegel ausgerichteten Messstrahlengang und einem auf den Referenzspiegel ausgerichteten Referenzstrahlengang, sowie einer Einrichtung zur Bestimmung der Position des Tisches aus den vom Referenzstrahl-Interferometer erzeugten Messsignalen, einer lichtdurchlässigen, geschlossenen inkompressiblen Rohr mit lichtdurchlässigen Fenstern an dessen Enden, das so in den jeweils längeren der beiden Strahlengänge eingefügt ist, dass die außerhalb des Rohrs verlaufenden Anteile der Strahlengänge bei einer vorbestimmten Position des verfahrbaren Tisches gleich lang sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den kürzeren Strahlgang eine oder mehrere thermische Kompensationsplatten eingebracht ist mit insgesamt vergleichbarer Abhängigkeit von Temperatur und optischem Weg wie die Fenster.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Kompensationsplatten aus dem gleichen Material wie die Fenster bestehen und insgesamt eine vergleichbare Dicke wie beide Fenster zusammen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Kompensationsplatten insgesamt geringfügig dünner als die beiden Fenster zusammen sind, insbesondere um bis zu 1/1000 der Länge des Rohres, insbesondere um bis zu 1/500 der Länge des Rohres, insbesondere um bis zu 1/250 der Länge des Rohres.