DE102008002968A1 - Interferometrische Einrichtung zur Positionsmessung und Koordinaten-Messmaschine - Google Patents

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Abstract

Es ist eine interferometrische Einrichtung zur Positionsmessung eines in einer Ebene beweglichen Elements (20) offenbart. Eine Laserlichtquelle (24) misst die Position des beweglichen Elements (20) und sendet das erforderliche Messlicht (23) aus. Ein Strahlleiter (40) teilt das Messlicht (23) in einen ersten Teilstrahlengang (31) und einen zweiten Teilstrahlengang (32) auf, die jeweils über ein Interferometer (35) auf eine spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) treffen. Dabei ist mindestens dem Strahlleiter (40), der das Messlicht (23) in einen ersten Teilstrahlengang (31) und einen zweiten Teilstrahlengang (32) aufteilt, und dem Strahlleiter (43), der den dritten Teilstrahlengang (33) über ein Interferometer (35) auf ein Etalon (50) richtet, jeweils eine Strahlfalle (55) zugeordnet, die das von den jeweiligen Interferometern (35) zurückkommende Licht fängt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine interferometrische Einrichtung zur Positionsmessung. Im Besonderen betrifft die Erfindung eine interferometrische Einrichtung zur Positionsmessung eines in einer Ebene beweglichen Elements. Es ist eine Laserlichtquelle vorgesehen, die das für die Positionsmessung erforderliche Messlicht bereitstellt. Es ist mindestens ein Strahlteiler vorgesehen, der das Messlicht in einen ersten Teilstrahlengang und in einen zweiten Teilstrahlengang aufteilt. Der erste Teilstrahlengang und der zweite Teilstrahlengang werden jeweils über ein Interferometer auf eine spiegelnde Fläche des beweglichen Elements gerichtet. Ferner ist im ersten oder zweiten Teilstrahlengang ein weiterer Strahlteiler vorgesehen, der den dritten Teilstrahlengang über ein Interferometer auf ein Etalon zur Referenzmessung richtet.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Koordinaten-Messmaschine. Die Koordinaten-Messmaschine dient zur Bestimmung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat, das auf einen in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung beweglichen Messtisch gelegt ist. Der Messtisch besitzt jeweils zwei spiegelnde Flächen. Ebenso ist eine Laserlichtquelle vorgesehen, die das für die Positionsmessung erforderliche Messlicht bereitstellt. Ebenso ist mindestens ein Strahlteiler vorgesehen, der das Messlicht in einen ersten Teilstrahlengang und einen zweiten Teilstrahlengang aufteilt, die jeweils über ein Interferometer auf die spiegelnde Fläche des beweglichen Elements treffen. Ferner ist im ersten oder zweiten Teilstrahlengang ein weiterer Strahlteiler vorgesehen, der einen dritten Teilstrahlengang über ein Interferometer auf ein Etalon zur Referenzmessung richtet.
  • Da sich die Anforderung an die Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, bzw. Wiederholbarkeit der durch eine Koordinaten-Messmaschine bestimmten Größen (Position von Strukturen auf einem Substrat oder Breite von Strukturen auf einem Substrat) erhöht hat, gilt es nun die Messgenauigkeit der für Positionsmessungen eingesetzten Interferometer zu verbessern. Mit den Interferometern wird die Position des Messtisches vermessen, welcher sich in einer in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung ausgerichteten Ebene bewegt.
  • Die unveröffentlichte Deutsche Patentanmeldung DE 10 2007 030 390.6 offenbart eine Koordinaten-Messmaschine und ein Verfahren zur Kalibrierung der Koordinaten-Messmaschine. Die Koordinaten-Messmaschine dient zur Bestimmung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat. Dabei ist das Substrat auf einem in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung beweglichen Messtisch gelegt. Die zu vermessenden Strukturen werden mit dem Messtisch in die optische Achse eines Messobjektivs verfahren. Die Position des Messtisches wird dabei interferometrisch bestimmt. Anhand der Position des Messtisches wird letztendlich die Position der Struktur auf der Maske ermittelt. Für die interferometrische Bestimmung der Position des Messtisches ist mindestens ein Laser-Interferometer vorgesehen.
  • Die Deutsche Patentschrift DE 10 2005 040 661 offenbart eine Koordinaten-Messvorrichtung. Es ist ein Referenzstrahl-Interferometer zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches offenbart. In einem längeren der beiden Inteferometerarme ist ein evakuiertes Rohr eingebracht. Das Rohr ist mit Fenstern abgeschlossen, die einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen und eine Beschichtung zur Reflexion zur Wärmestrahlung besitzen. Im kürzeren Strahlengang sind des Weiteren thermische Kompensationsplatten eingebracht. Die Referenzstrahl-Interferometer werden für hochgenaue Abstands- und Positionsmessungen eingesetzt und sind beispielsweise wesentlicher Bestandteil von Masken- und Wafermessgeräten für die Halbleiterindustrie. Damit können die Strukturen aktueller, hoch integrierter Schaltkreise vermessen werden. Diese Geräte benötigen eine Genauigkeit im Bereich von wenigen Nanometern. Es gilt immer die Referenzwellenlänge zu messen, da Umwelteinflüsse sich auf die Wellenlänge des Messlichts auswirken und somit einen falschen Messwert liefern würden. Es ist bekannt, dass die Länge der Wellenlänge eines Lichtstrahls vom Brechungsindex des vom Lichtstrahl durchlaufenen Mediums abhängt. Dieser variiert durch langsame oder schnelle Änderungen von Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte, oder durch Änderungen der Luftzusammensetzung.
  • In dem US-Patent 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 Deutschen Patentschrift DE 196 28 969 C1 wird ein gattungsgemäßes Referenzstrahl-Interferometer zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches dargestellt. Bei diesem Zweistrahl-Interferometer wird der Einfluss von Wellenlängen änderungen durch die Umgebungstemperatur dadurch verringert, dass in dem 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 Referenz- und Messstrahlengang aus und heben sich dabei weitgehend auf.
  • Die Europäische Patentanmeldung 0 053 199 A1 offenbart ein Messverfahren zur schrittweisen Messung von geometrischen Größen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Der Messstrahlengang einer Laser-Interferometereinrichtung verläuft in einem längenveränderlichen evakuierten Hohlraum.
  • In dem US-Patent 5,585,992 werden durch Umgebungsturbulenzen oder Fluktuationen hervorgerufene Messfehler durch eine duale Interferometervorrichtung kompensiert.
  • Die Umwelteinflüsse auf die möglichen Wellenlängenänderungen hat man relativ gut im Griff. Dennoch spielt auch die optische Rückkopplung des Messlichts in den Laser eine erhebliche Rolle. Diese optische Rückkopplung bewirkt Instabilitäten der Laserfrequenz. Die Laserfrequenz ist für die Messung das Normmaß. Ändert sich dieses Maß oder ist die Frequenz vom Laser von der am Messort verschieden, hat der ermittelte Messwert einen Fehler.
  • Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist, die Messwiederholbarkeit und die Messgenauigkeit von Positionsmessungen mit Interferometern und Interferometer-Komponenten zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine interferometrische Einrichtung zur Positionsmessung, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
  • Ferner ist es Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, eine Koordinaten-Messmaschine zu schaffen, mit der die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit bezüglich von Positionsmessungen eines Messtisches erhöht werden.
  • Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Koordinaten-Messmaschine, die die Merkmale des Anspruchs 9 umfasst.
  • Es ist von Vorteil, wenn mindestens dem Strahlenteiler der interferometrischen Einrichtung, der das Messlicht in einen ersten Strahlengang und einen zweiten Strahlengang aufteilt und den Strahlteiler, der den dritten Strahlengang über ein Interferometer auf ein Etalon richtet, jeweils ein Strahlteiler nachgeordnet ist. Dieser Strahlteiler richtet das Messlicht im ersten Teilstrahlengang und zweiten Teilstrahlengang jeweils auf die spiegelnde Fläche des beweglichen Elements. Eine weitere Ausführungsform ist, dass dem Strahlteiler, der das Messlicht in den ersten Teilstrahlengang und den zweiten Teilstrahlengang aufteilt, ein Strahlteiler vorgeordnet ist. Bei dieser Ausführung sind im ersten Teilstrahlengang und zweiten Teilstrahlengang jeweils spiegelnde Elemente vorgesehen, die das Messlicht auf die spiegelnde Fläche des beweglichen Elements (20) richten. Den Strahlteilern kann jeweils eine Strahlfalle zugeordnet sein, die das von den jeweiligen Interferometern zurückkommende Licht fängt. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gilt es zu verhindern, dass Licht zurück in den Laser oder die Interferometer gelangt. Um dieses zu minimieren, sollten die Teilungsverhältnisse der in der interferometrischen Einrichtung vorhandenen Strahlteiler derart auszugestalten sein, dass Rückreflexe in den Laser und/oder die Interferometer minimiert sind, wobei aber gleichzeitig ausreichend Licht für die interferometrische Bestimmung der Position des Messtisches vorhanden ist.
  • In den ersten Teilstrahlengang und/oder in dem zweiten Strahlengang ist ein weiterer Strahlteiler vorgesehen, der über das Interferometer den ersten Teilstrahlengang auf die spiegelnde Fläche des beweglichen Elements richtet. Diesem weiteren Strahlteiler ist ebenfalls eine Strahlfalle zugeordnet, die das vom Interferometer zurückkommende Licht fängt. Ebenso ist dem weiteren Strahlteiler ein Detektor zugeordnet, der das durch den weiteren Strahlteiler hindurch tretende Licht misst.
  • Es hat sich als Vorteil herausgestellt, wenn die weiteren Strahlteiler als 50/50-Teiler ausgebildet sind. Ebenso handelt es sich bei dem beweglichen Element um einen Messtisch, der in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung beweglich angeordnet ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der interferometrischen Einrichtung ist, wenn im Messlicht der Laserlichtquelle ein Strahlteiler vorgesehen ist. Dieser Strahlteiler lenkt das Messlicht auf den Strahlteiler um, der das Messlicht in einem ersten Strahlengang und in einen zweiten Strahlteiler aufspaltet. Dem Strahlteiler ist ein Detektor zugeordnet, der das von der Laser-Lichtquelle kommende Licht und das vom Strahlteiler durchgelassene Licht empfängt.
  • Der im Messlicht nach der Lichtquelle vorgesehene Strahlteiler ist als 50/50-Teiler oder als 33/67-Teiler ausgebildet. Falls bei der Ausführungsform, bei der nach der Laserlichtquelle ein Strahlteiler eingesetzt wird, die weiteren Strahlteiler der interferometrischen Einrichtung als Spiegel ausgebildet sind, die das Licht im ersten Teilstrahlengang und im zweiten Teilstrahlengang auf die spiegelnden Flächen des beweglichen Elements richten.
  • Den Strahlfallen und/oder den Spiegeln sind ebenfalls Justage-Elemente zugeordnet, über die eine Verkippung in Bezug auf die spiegelnde Fläche des beweglichen Elements derart einstellbar ist, dass ein auf die spiegelnde Fläche hinlaufender Lichtstrahl in einem von der spiegelnden Fläche reflektierenden Lichtstrahl zumindest teilweise überlappt. Ebenso kann auch der Grad der Überlappung bestimmt werden. Dies ist wichtig, da nur sich überlagernde oder überlappende Strahlen für die Messung die erforderlichen Ergebnisse liefern können.
  • Die interferometrische Einrichtung findet im Besonderen bei einer Koordinaten-Messmaschine Anwendung. Die Koordinaten-Messmaschine dient zur Bestimmung von Positionen von Strukturen auf einem Substrat. Die Koordinaten-Messmaschine umfasst einen in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung beweglichen Messtisch. Auf diesem Messtisch ist das Substrat gelegt. Der Messtisch selbst besitzt zwei spiegelnde Flächen, auf das eine Laserlichtquelle gerichtet ist, so dass damit die Positionsmessung des Messtisches möglich ist. Für die Positionsmessung ist mindestens ein Strahlteiler vorgesehen, der das Messlicht der Laserlichtquelle in einen ersten Strahlengang und einen zweiten Strahlengang aufteilt. Diese Teilstrahlengänge werden jeweils über ein Interferometer auf die spiegelnde Fläche des beweglichen Elements gerichtet. Ebenso ist im ersten Strahlengang oder im zweiten Strahlengang ein weiterer Strahlteiler vorgesehen, der einen dritten Teilstrahlengang über ein Interferometer auf ein Etalon zur Referenzmessung richtet. Ferner ist es denkbar, dass mit der interferometrischen Einrichtung ebenfalls die Position des Messobjektivs in Bezug auf die in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung ausgerichtete Ebene des Messtisches bestimmt werden kann. Hierzu sind ebenfalls am Messobjektiv entsprechende reflektierende Flächen angeordnet. Dem Messobjektiv kann eine eigene interferometrische Einrichtung zugeordnet werden. Ebenso ist es denkbar, dass aus dem von der Laserlichtquelle ausgehenden Messlichtstrahl ein weiterer Teilstrahl abgespalten wird, der für die Positionsbestimmung des Messobjektivs in analoger Weise wie bei der Positionsbestimmung des Messtisches verwendet wird.
  • Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Koordinaten-Messmaschine, wie diese hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • 2 zeigt eine schematische Anordnung einer interferometrischen Einrichtung gemäß dem Stand der Technik, bei der die Positionsmessung des Messtisches der Koordinaten-Messmaschine aus 1 Verwendung findet.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs der Lichtstrahlen im Interferometer.
  • 4 zeigt schematisch die Anordnung von reflektierenden Flächen in einem Interferometer, wie dies bei der gegenwärtigen Erfindung Verwendung findet.
  • 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Strahlteilers und den am Strahlteiler verlaufenden Strahlen.
  • 6 zeigt eine Ansicht der erfindungsgemäßen interferometrischen Einrichtung, mit der die Position eines Messtisches, bzw. eines beweglichen Elements bestimmt wird.
  • 7 zeigt eine schematische Anordnung einer weiteren Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung, womit der ebenfalls die Position eines Messtisches, bzw. eines beweglichen Elements interferometrisch gemessen wird.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung der beiden Laserstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation, die sich im Ausgang des Interferometers je nach Verkippung der Strahlen überlagern.
  • Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestaltet sein kann, und stellen keine abschließende Beschränkung dar.
  • Eine Koordinaten-Messmaschine 1 der in 1 dargestellten Art ist bereits mehrfach aus dem Stand der Technik bekannt und ebenfalls dort beschrieben. Der Vollständigkeit halber wird jedoch auf die Funktionsweise und die Anordnung der einzelnen Elemente der Koordinaten-Messmaschine eingegangen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass mit der Koordinaten-Messmaschine 1 Positionen von Strukturen 3 auf der Oberfläche 2a eines Substrats 2 (Maske für die Herstellung von Halbleitern) vermessen werden können. Diese Vermessung wird optisch durchgeführt. Dabei wird der Messtisch 20, der als Spiegelkörper ausgebildet ist, innerhalb einer Ebene 25a in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung verfahren, damit eine zu vermessende Struktur 3 auf der Oberfläche 2a des Substrats in die optische Achse 5 des Messobjektivs 9 gelangt. Die Position der jeweils zu vermessenden Struktur wird dabei in Bezug auf das Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine 1 bestimmt.
  • Der Messtisch 20 ist dabei in einer Ebene 25a verfahrbar, die auf dem Element 25 gebildet ist. Das Element 25 ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Granitblock. Es ist jedoch für einen Fachmann selbstverständlich, dass das Element 25 auch aus einem anderen Material ausgebildet sein kann, welches eine exakte Ebene 25a für die Verschiebung des Messtisches 20 gewährleistet. Die Position des Messtisches wird mittels mindestens eines Laser-Interferometers 24 gemessen, welches zur Messung einen Lichtstrahl 23 aussendet. Das Element 25 selbst ist auf Schwingungsdämpfern gelagert, um somit Gebäudeschwingungen von der Koordinaten-Messmaschine 1 fernzuhalten. Der Messtisch 20 selbst ist auf Lagern 21 in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung verfahrbar. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lager 21 als Luftlager ausgebildet.
  • Auf dem Messtisch 20, welcher z. B. ein Spiegelkörper ist, ist das Substrat 2 aufgelegt, welches die zu vermessenden Strukturen 3 trägt. Das Substrat 2 kann mit einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 und/oder mit einer Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 beleuchtet werden. Das Licht der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 6 gelangt über einen Umlenkspiegel 7 und einen Kondensor 8 auf das Substrat 2. Ebenso gelangt das Licht der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 14 über ein Messobjektiv 9 auf das Substrat 2. Das Messobjektiv 9 ist mit einer Verstelleinrichtung 15 versehen, die es erlaubt das Messobjektiv 9 in Z-Koordinatenrichtung zu verstellen. Das Messobjektiv 9 sammelt das vom Substrat ausgehende Licht und lenkt es aus der Auflichtbeleuchtungsachse, bzw. optischen Achse 5 mittels eines teildurchlässigen Umlenkspiegels 12 heraus. Das Licht wird auf eine Kamera 10 gerichtet, die mit einem Detektor versehen ist. Der Detektor 11 ist mit einem Rechnersystem 16 verbunden, dass aus den vom Detektor 11 ermittelten Messwerten die entsprechenden Positionsdaten der jeweils vermessenen Struktur auf dem Substrat 2 berechnet. Parallel dazu wird mit dem Rechnersystem 16 ebenfalls die erforderliche Korrektur des durch den Umgebungsluftdruck bedingten Skalenfehlers durchgeführt.
  • In 2 zeigt eine schematische Ansicht einer interferometrischen Einrichtung gemäß dem Stand der Technik. Mit der interferometrischen Einrichtung wird die Bewegung eines beweglichen Elements 20 in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung bestimmt. Die Position des beweglichen Elements wird in Bezug auf das Koordinatensystem der Koordinaten-Messmaschine 1 ermittelt. Es ist eine Laserlichtquelle 24 vorgesehen, die das für die Positionsmessung erforderliche Messlicht 23 aussendet. Das Messlicht 23 trifft auf einen Spiegel 30, der das Messlicht um 90° umlenkt. Das so umgelenkte Messlicht trifft auf einen Strahlteiler 40, der aus dem einlaufenden Messlicht einen ersten Teilstrahlengang 31 und einen zweiten Teilstrahlengang 32 aufspaltet. Der erste Teilstrahlengang 31 trifft auf einen weiteren Spiegel 30, der das Messlicht in Richtung auf eine spiegelnde Fläche 34 des Messtisches 20 umlenkt. Ebenso ist im zweiten Teilstrahlengang ein Spiegel 30 angeordnet, der ebenfalls das Messlicht auf eine andere spiegelnde Fläche 34 des Messtisches 20 umlenkt. Die spiegelnden Flächen 34 sind im Wesentlichen parallel zu den Koordinatenachsen des Y-Koordinatensystems und X-Koordinatensystems ausgerichtet. Die Messstrahlengänge werden jeweils über ein Interferometer 35 auf die spiegelnde Fläche 34 des beweglichen Elements 20 gerichtet. Zur Bestimmung der Referenzwellenlänge kann im ersten Teilstrahlengang 31 oder im zweiten Teilstrahlengang 32 ein weiterer Strahlteiler 42 vorgesehen sein, der einen dritten Teilstrahlengang 33 über ein Interferometer 35 auf ein Etalon 50 richtet.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs des Laserlichts zwischen Interferometer, sowie Messspiegel 34 und Referenzspiegel 64. Das von der Laserlichtquelle 24 kommende Messlicht 23 umfasst zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen. Nach Reflexion beider Strahlen am Messobjekt, bzw. an der spiegelnden Fläche 34 des beweglichen Elements 20 und einem parallel Versatz im Interferometer 35 überlagern sich diese beiden Teilstrahlen wieder und werden über eine Auskoppeloptik 60 einem Messsignalempfänger (nicht dargestellt) zugeleitet. Theoretisch zeigen solche Systeme die größten Genauigkeiten, wenn die Strahlen genau um 90° bzw. 180° abgelenkt werden. Dies bedeutet, dass nicht linear polarisiertes Licht wieder in seinen Ausgangspunkt zurückkehren würde, soweit es im Teiler in diese Richtung abgelenkt wird. Dabei sind die Interferometer von solcher Bauart, dass der Laserstrahl senkrecht auf die von dem Interferometer-Glaskörper definierten Grenzflächen 62 trifft. Ebenso sind im Strahlengang Lambda/Viertel-Plättchen 63 vorgesehen, in denen die Strahlen im Interferometer umpolarisiert werden. Bei allen, in 3 dargestellten Reflexionen, entstehen an allen optischen Übergängen Reflexe, bzw. ein Überkoppeln der polarisierten Strahlen in den falschen Pfad. Da die Strahlablenkung nur wenig von 90° bzw. 180° abweichen, laufen die Strahlen auf dem Eingangsweg zurück in Richtung Laserlichtquelle 24. Dieses zurücklaufende Licht bewirkt Instabilität in der Laserfrequenz. Wie bereits erwähnt, ist die Laserfrequenz ein Normaß für die Messung. Ändert sich dieses Normmaß oder ist die Frequenz im Laser von der am Messort verschieden (data age), hat der ermittelte Messwert einen Fehler. Dabei ist bekannt, dass die Rückkopplung des Strahls (vom Interferometer) auf die Laser-Lichtquelle selbst dadurch minimiert werden kann, dass die Intensität nach Verlassen der Laser-Lichtquelle minimiert wird (z. B. durch einen Teiler, der direkt hinter der Laser-Lichtquelle, bzw. vor dem Strahlteiler oder Umlenkspiegel 30 sitzt, der das Messlicht in einen ersten Strahlengang 31 und einen zweiten Strahlengang 32 aufspaltet). Weiterhin ist bekannt, dass durch Verkippen des Interferometers oder des Strahls über einen Einkoppelspiegel die sog. nichtlinearen Interferometerfehler ebenfalls minimiert werden. Diese entstehen durch Reflexe, bzw. durch vom Design her nicht gewolltes Übersprechen der Strahlen mit unterschiedlicher Polarisation. Durch das Verkippen läuft der reflektierte Anteil nicht in sich selbst zurück. Die Reflexe vom Interferometer zurück in Richtung Teiler konnten jedoch mit den Anordnungen gemäß dem Stand der Technik nicht beobachtet werden. Das Minimieren der Interferometerfehler wurde durch Kippen der Einkoppelspiegel zu den Interferometern vorgenommen. Welcher Zustand durch das Verkoppeln erzielt wurde, konnte erst durch länger dauernde Messungen bestimmt werden. Kurzfristige Analysen der Amplitude des Interferometer-Messstrahls nach Durchlaufen der Anordnung zeigten keine hinreichende Sensitivität.
  • 4 zeigt eine schematische Ansicht der Grenzflächen des Interferometers und der Auskoppeloptik. Die Grenzflächen 70 in der in 4 gezeigten Darstellung sind mit gestrichelt gepunkteter Linie gekennzeichnet. Wie bereits erwähnt, läuft ein gewisser Anteil 23R des auf den Glaskörper 61 des Interferometers treffenden Messlichtstrahls 23 der Laserlichtquelle 24. Dieser Anteil 23R führt wie bereits erwähnt zu der negativen Beeinflussung der Laser-Lichtquelle.
  • In 5 ist eine schematische Darstellung eines Strahlteilers 40, 42, 43 dargestellt, wie er bei der gegenwärtigen Erfindung Verwendung findet. Das von der Laserlichtquelle kommende Messlicht 23 ist durch einen dicken Pfeil dargestellt. Die durch die Teilerschicht 73 des Teilers 40, 42 und 43 aufgeteilten ersten Teilstrahlengangs 31, bzw. zweiten Teilstrahlengangs 32 sind ebenfalls hier mit durchgezogenen Linien dargestellt. Das von den Interferometern (nicht dargestellt) zurücklaufende Licht 31R , bzw. 32R ist gestrichelt gepunktet, bzw. gestrichelt gekennzeichnet. Das zurücklaufende Licht 32R wird an der Reflexionsschicht 73 des Strahlteilers 40, 42, 43 einmal reflektiert und tritt einmal durch die Schicht 73 hindurch. Ebenso wird das Licht 31R , welches vom Interferometer zurückläuft, an der Reflexionsschicht 73 des Strahlteilers 40, 42, 43 reflektiert und tritt hindurch. Wie aus der 5 eindeutig hervorgeht, gelangt somit Licht 31R und 32R , welches von den Interferometern reflektiert wird zurück zu der Laserlichtquelle 24 (hier nicht dargestellt). Der Strahlteiler 40, 42, 43 ist dabei in einer Halterung 75 vorgesehen. In der Halterung 75 des Strahlteilers 40, 42, 43 ist eine Bohrung 76 vorgesehen, durch die die vom Interferometer zurücklaufenden Strahlen 31R und 32R austreten können. Somit vermeidet man innerhalb der Halterung 75 des Strahlteilers 40, 42, 43 Reflexionen, die abermals wieder in Richtung des Lasers oder der Interferometer gelangen können. Das in den Laser zurücklaufende Licht 31R und 32R bewirkt ebenfalls eine Störung der Gesamtmessung. Das zurücklaufende Licht kann die Stabilität des Lasers selbst stören (freebling, s. Artikel D. Musinsky, Cygo). Weiterhin wird vom Laser selbst ein Referenzsignal erzeugt. Dieses Referenzsignal stellt letztendlich die Längeneinheit dar, mit der die von den Interferometern erzeugte Information normiert wird. Das zurücklaufende Licht bewirkt Fluktuationen dieses Referenzsignals. Diese werden bis zu einer gewissen Schwelle durch eine Kontrolleinheit im Laser reguliert, aber die Regulierung hat eine Latenzzeit, bzw. unterschiedliche Lauflängen des Lichts müssen berechnet werden. Fallen die Schwankungen unter die Schwelle der Kontrolleinheit, so führt dies zu Ungenauigkeiten des Messwertes. Reduziert man das reflektierte Licht gegenüber dem Ausgangssignal, so bewirkt dies eine Minimierung der Fluktuationen.
  • 6 zeigt eine schematische Ausgestaltung einer Ausführungsform der gegenwärtigen erfinderischen interferometrischen Einrichtung. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform gelangt das von der Laserlichtquelle 24 ausgehende Messlicht 23 zunächst auf einen Umlenkspiegel 30. Von dem Umlenkspiegel 30 gelangt das Messlicht zu einem Strahlteiler 40, der das Messlicht 23 in einen ersten Teilstrahlengang 31 und in einen zweiten Teilstrahlengang 32 aufspaltet. Ebenso kann im ersten Teilstrahlengang 31 oder im zweiten Teilstrahlengang 32 ein weiterer Strahlteiler 42 vorgesehen sein, der einen Teil des Messlichts über ein Interferometer 35 auf ein Etalon 50 richtet. Es sind weitere Strahlteiler 43 im ersten Teilstrahlengang 31 und im zweiten Teilstrahlengang 32 vorgesehen, die ebenfalls das Messlicht über ein Interferometer 35 auf die spiegelnde Fläche 34 des beweglichen Elements 20 (Messtisch) richten. Wie bereits in der Beschreibung zu 5 erwähnt, ist der Halter 75 für den jeweiligen Strahlteiler 43, der direkt das vom Interferometer 35 zurückkommende Licht empfängt, mit einer Bohrung 76 versehen. Hinter der Bohrung 76 ist eine Strahlfalle 55 angeordnet, durch die das aus dem Strahlteiler 40, 42, 43 austretende Licht vernichtet wird. Durch diese Vernichtung des Lichts wird das Referenzsignal der Laserlichtquelle 24 wesentlich weniger gestört. Die in 6 gezeigte Anordnung hat z. B. den Vorteil, dass hier die beiden Umlenkspiegel 30, welche das Messlicht auf die spiegelnden Flächen 34 des beweglichen Elements richten, gegen Strahlteiler 43 vor den Interferometern 35 versetzt worden sind. Diese Strahlteiler 43 sind als 50/50-Teiler ausgebildet. Das ursprünglich auf den Strahlteiler 43 treffende Licht wird dadurch um 50% abgeschwächt. Das von dem Interferometer zurückkommende Licht wird nochmals um 50% abgeschwächt. Somit erreicht man eine deutliche Abschwächung des Lichts, was zu einer geringen Störung des Referenzsignals der Laserlichtquelle 24 führt. In der in 6 gezeigten Anordnung kann das Überkoppeln und die Minimierung des in den Laser zurücklaufenden Lichts erreicht werden, welches zusätzlich durch die bereits erwähnten Lichtfallen 55 unterstützt wird.
  • 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen interferometrischen Einrichtung, mit der ebenfalls Rückreflexe in die Laserlichtquelle 24 minimiert werden können. 7 unterscheidet sich von der Darstellung des Standes der Technik aus 2 dadurch, dass der unmittelbar der Laserlichtquelle 24 nachgeordnete Umlenkspiegel 30 gegen einen Strahlteiler 44 ersetzt ist. Der Einsatz von Neutral-Filtern, soweit sie die Polarisation des Lichts nicht stören, ist ebenfalls eine Alternative zur Minimierung von Freebling und Übersprechen. Wie aus der Darstellung der 6 und 7 zu erkennen ist, ist hinter den Strahlteilern 43 in 6 und dem Strahlteiler 44 in 7 jeweils ein Detektor 56 vorgesehen. Diese Strahlteiler 43, bzw. 44 sind ebenfalls aus 50/50-Teiler ausgebildet und bieten die Möglichkeit, diese Detektoren 56 anzuschließen. Man kann sowohl eine externe Strahlfrequenz (Referenzfrequenz des ungestörten Laserstrahls), als auch ein zusätzliches Etalon betreiben. Die Analyse der von den Interferometern reflektierten Lichtanteile ist zumindest dem Betrag nach durch weitere Detektoren möglich, die zu Justagezwecken anstatt der Strahlfallen 55 angebracht werden können. Über diese Detektoren 56, welche anstelle der Strahlfallen 55 angebracht werden, kann die Verkippung beobachtet und dokumentiert werden. Bei der in 7 gezeigten Variante wird das von den Interferometern 35 reflektierte Licht nur im Teilungsverhältnis des Strahlteilers 40 in Richtung des Strahlteilers 44 gelenkt, der unmittelbar der Laserlichtquelle 24 nachgeschaltet ist. Der andere Teil wird durch die Strahlfalle 55 absorbiert, bzw. kann zu Justagezwecken benutzt werden, falls ein Detektor 56 verwendet wird. Das von der Laserlichtquelle 24 kommende Messlicht 23, welches nicht abgelenkt wird, gelangt ebenfalls auf einen Detektor 56, welches zur Erzeugung von Referenzsignalen genutzt werden kann.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung der beiden Laserstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation, die sich im Interferometerausgang je nach Verkippung der strahlführenden und reflektierenden Elemente überlagern lassen. Wie bereits erwähnt, kann durch Verkippen der Interferometer 35 selbst, bzw. der Spiegel 30 oder der Strahlteiler 42, 43, welche direkt vor den Interferometern 35 angeordnet sind, der nicht lineare Interferometerfehler minimiert werden. Es hat sich gezeigt, dass ein Verkippen der Spiegel 30 oder der Teiler 42, 43 einfacher mechanisch umzusetzen ist, da die Halter für die Teiler 42, 43, bzw. für die Spiegel 30 bereits ein Justageelement (nicht dargestellt) besitzen. Dem Verkippen sind natürlich enge Grenzen gesetzt, da die beiden Strahlen im Interferometerausgang 80 noch hinreichend überlappen müssen. Das Anbringen von Justageelementen (nicht dargestellt) im Falle der Verwendung von Strahlteilern 42, 43 ist sinnvoll, da darüber sofort das Ausmaß des Verkippens kontrolliert werden kann. Letztendlich erhält man über den Detektor 56 eine Darstellung, welche das Maß der Überlappung des einlaufenden Strahls 82 in Bezug auf den reflektierten Strahl 84 zeigt. So lange der einlaufende Strahl 82 und der auslaufende Strahl 84 einen Überlappungsbereich 83 aufweisen, liegt die Verkippung in dem erforderlichen Maß, um dadurch auch die Rückreflexion in die Laserlichtquelle 24 zu reduzieren. Der Überlappungsbereich ist mit dem Umriss 81 dargestellt. Die Auswirkung der Verkippung kann durch die Anbringung von Detektoren 56 an den Teilern 42, bzw. 43 sofort eine Aussage über die Auswirkung der Verkippung liefern.
  • Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Artikel D. Musinsky, Cygo [0038]

Claims (16)

  1. Interferometrische Einrichtung zur Positionsmessung eines in einer Ebene beweglichen Elements (20), einer Laserlichtquelle (24), die das für die Positionsmessung erforderliche Messlicht (23) bereitstellt, mindestens ein Strahlteiler (40), der das Messlicht (23) in einen ersten Teilstrahlengang (31) und einen zweiten Teilstrahlengang (32) aufteilt, die jeweils über ein Interferometer (35) auf eine spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) treffen, einem im ersten oder zweiten Teilstrahlengang (31, 32) vorgesehenen weiteren Strahlteiler (42), der einen dritten Teilstrahlengang (33) über ein Interferometer auf ein Etalon (50) zur Referenzmessung richtet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens dem Strahlteiler (40), der das Messlicht (23) in einen ersten Teilstrahlengang (31) und einen zweiten Teilstrahlengang (32) aufteilt und dem Strahlteiler (42), der den dritten Teilstrahlengang (33) über ein Interferometer (35) auf ein Etalon (50) richtet, jeweils ein Strahlteiler (43) nachgeordnet ist, der das Messlicht (23) im ersten Teilstrahlengang (31) und zweiten Teilstrahlengang (32) jeweils auf die spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) richtet, oder dass dem Strahlteiler (40) ein Strahlteiler (44) vorgeordnet ist, und im ersten Teilstrahlengang (31) und zweiten Teilstrahlengang (32) jeweils spiegelnde Elemente (30) vorgesehen sind, die das Messlicht (23) auf die spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) richten.
  2. Interferometrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Strahlteilern (40, 42, 43) jeweils eine Strahlfalle (55) zugeordnet ist, die das von den jeweiligen Interferometern (35) zurückkommende Licht fängt.
  3. Interferometrische Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem weiteren Strahlteiler (43), der über das Interferometer (35) den ersten Teilstrahlengang (31) und den zweiten Teilstrahlengang (32) auf die spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) richtet, zusätzlich zu der Strahlfalle (55), die das vom Interferometer (35) zurückkommende Licht fängt, jeweils ein Detektor (56) zugeordnet ist, der das im durch den weiteren Strahlteiler (43) hindurchtretende Licht misst.
  4. Interferometrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Strahlteiler (43) als 50/50-Teiler ausgebildet sind.
  5. Interferometrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem der Laserlichtquelle (24) nachgeordneten und dem dem Strahlteiler (40) vorgeordneten Strahlteiler (44) ein Detektor (56) zugeordnet ist, der das von der Laserlichtquelle (24) kommende Licht und vom Strahlteiler (44) durchgelassene Licht empfängt.
  6. Interferometrische Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der im Messlicht (23) nach der Laserlichtquelle (24) vorgesehene Strahlteiler (44) als 50/50-Teiler oder als 33/67-Teiler ausgebildet ist.
  7. Interferometrische Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Strahlteiler (43) gegen Spiegel (53) ersetzt sind, die das Licht im ersten Teilstrahlengang (31) und im zweiten Teilstrahlengang (32) auf die spiegelnden Flächen (34) des beweglichen Elements (20) richten.
  8. Interferometrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlfallen (55) und/oder die Spiegel (53) ebenfalls ein Justageelement umfassen, über das eine Verkippung in Bezug auf die spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) derart einstellbar ist, dass eine Überlappung eines auf die spiegelnde Fläche (34) hinlaufenden Lichtstrahls mit einem von der spiegelnden Fläche (34) reflektierten Lichtstrahls ermittelbar ist.
  9. Koordinaten-Messmaschine (1) zur Bestimmung von Positionen von Strukturen (3) auf einem Substrat (2), das auf einem in X-Koordinatenrichtung und in Y-Koordinatenrichtung beweglichen Messtisch (20) gelegt ist, der jeweils zwei spiegelnde Flächen (34) umfasst, dass eine Laserlichtquelle (24) vorgesehen ist, die das für die Positionsmessung erforderliche Messlicht (23) bereitstellt, dass mindestens ein Strahlteiler (40) vorgesehen ist, der das Messlicht (23) in einen ersten Teilstrahlengang (31) und einen zweiten Teilstrahlengang (32) aufteilt, die jeweils über ein Interferometer (35) auf eine spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) treffen, einem im ersten oder zweiten Teilstrahlengang (31, 32) vorgesehenen weiteren Strahlteiler (42), der einen dritten Teilstrahlengang (33) über ein Interferometer auf ein Etalon (50) zur Referenzmessung richtet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens dem Strahlteiler (40), der das Messlicht (23) in einen ersten Teilstrahlengang (31) und einen zweiten Teilstrahlengang (32) aufteilt und dem Strahlteiler (43), der den dritten Teilstrahlengang (33) über ein Interferometer (35) auf ein Etalon (50) richtet, jeweils mindestens dem Strahlteiler (40), der das Messlicht (23) in einen ersten Teilstrahlengang (31) und einen zweiten Teilstrahlengang (32) aufteilt, und dem Strahlteiler (42), der den dritten Teilstrahlengang (33) über ein Interferometer (35) auf ein Etalon (50) richtet, jeweils ein Strahlteiler (43) nachgeordnet ist, der das Messlicht (23) im ersten Teilstrahlengang (31) und zweiten Teilstrahlengang (32) jeweils auf die spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) richtet, oder dass dem Strahlteiler (40) ein Strahlteiler (44) vorgeordnet ist, und im ersten Teilstrahlengang (31) und zweiten Teilstrahlengang (32) jeweils spiegelnde Elemente (30) vorgesehen sind, die das Messlicht (23) auf die spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) richten.
  10. Koordinaten-Messmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Strahlteilern (40, 42, 43) eine Strahlfalle (55) zugeordnet ist, die das von den jeweiligen Interferometern (35) zurückkommende Licht fängt.
  11. Koordinaten-Messmaschine (1) nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem weiteren Strahlteiler (43), der über das Interferometer (35) den ersten Teilstrahlengang (31) und den zweiten Teilstrahlengang (32) auf die spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) richtet zusätzlich zu der Strahlfalle (55), die das vom Interferometer (35) zurückkommende Licht fängt, jeweils ein Detektor (56) zugeordnet ist, der das im durch den weiteren Strahlteiler (43) hindurchtretende Licht misst.
  12. Koordinaten-Messmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Strahlteiler (43) als 50/50-Teiler ausgebildet sind.
  13. Koordinaten-Messmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem der Laserlichtquelle (24) nachgeordneten und dem dem Strahlteiler (40) vorgeordneten Strahlteiler (44) ein Detektor (56) zugeordnet ist, der das von der Laserlichtquelle (24) kommende Licht und vom Strahlteiler (44) durchgelassene Licht empfängt.
  14. Koordinaten-Messmaschine (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der im Messlicht (23) nach der Laserlichtquelle (24) vorgesehene Strahlteiler (44) als 50/50-Teiler oder als 33/67-Teiler ausgebildet ist.
  15. Koordinaten-Messmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Strahlteiler (43) gegen Spiegel (53) ersetzt sind, die das Licht im ersten Teilstrahlengang (31) und im zweiten Teilstrahlengang (32) auf die spiegelnden Flächen (34) des beweglichen Elements (20) richten.
  16. Koordinaten-Messmaschine (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlfallen (55) und/oder die Spiegel (53) ebenfalls ein Justageelement umfassen, über das eine Verkippung in Bezug auf die spiegelnde Fläche (34) des beweglichen Elements (20) derart einstellbar ist, dass eine Überlappung eines auf die spiegelnde Fläche (34) hinlaufenden Lichtstrahls mit einem von der spiegelnden Fläche (34) reflektierten Lichtstrahls ermittelbar ist.
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