DE10126480A1 - Verfahren zur Messung der Winkellage und der Defokussierung eines optischen Referenzelements - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren dient zum Messen der Winkellage und der Defokussierung eines optischen Referenzelements (5) zur Passemessung an optischen Elementen (Prüfling 6) in einem interferometrischen Meßaufbau (1) mit wenigstens einer Punktlichtquelle (2) und wenigstens einem Strahlteiler (3). Über den Strahlteiler (3) wird ein Teil des Lichts von der Punktlichtquelle (2) ausgekoppelt. Das ausgekoppelte Licht wird in sich selbst reflektiert (Retroreflektor 9), so daß es mit dem von dem Referenzelement (5) reflektierten Licht interferieren kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Winkellage und der Defokussierung eines optischen Referenzelements zur Passemessung an optischen Elementen in einem interferometri­ schen Meßaufbau nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Die Vermessung von optischen Elementen mittels interferometri­ scher Meßeinrichtungen ist allgemein bekannt. Beispielsweise sei hierzu auf die WO 99/27342 verwiesen, welche einen inter­ ferometrischen Meßaufbau zeigt. Dieser interferometrische Meß­ aufbau dient dabei insbesondere zur Vermessung von planparalle­ len Platten hinsichtlich ihrer Oberfläche, Dicke und Homogeni­ tät.

Auf Basis von derartigen interferometrischen Meßaufbauten kennt der allgemeine Stand der Technik zahlreiche verschiedene Typen von Interferometern. Diese werden unter anderem eingesetzt, um langwellige Oberflächenfehler, die sogenannte Passe, bei opti­ schen Elementen, wie Linsen oder dergleichen, zu vermessen. Für den eigentlichen, an sich bekannten Meßvorgang wird häufig ein Fizeau-Aufbau verwendet, welcher sich eines Fizeau-Elements als Referenzplatte bedient. Bei der eigentlichen Messung erfolgt dann ein Vergleich der Referenzplatte mit dem zu messenden op­ tischen Element.

Problematisch ist bei derartigen Aufbauten, daß die Winkellage dieser Referenz- bzw. Fizeau-Platte exakt eingestellt werden muß, um eine entsprechende Qualität der Messung sicherzustel­ len.

Der Stand der Technik kennt hierzu die allgemeinen Möglichkeit den Winkel der Referenzplatte im interferometrischen Aufbau über die sogenannte Cateye-Position einzustellen, was jedoch nur möglich ist, falls man mit einem Prüfobjekt mit zugängli­ chem Fokus arbeitet. Andernfalls ist die Einstellung über ein Tripelprisma erforderlich, welches meist mit sehr kleinen Durchmessern und Fehlern behaftet ist.

Im allgemeinen verläßt man sich daher in der industriellen Meß­ technik bei dieser Einstellung des Winkels notgedrungen fast immer auf die Genauigkeit des Punktbilds, welche jedoch im all­ gemeinen unzureichend ist.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzu­ stellen, bei welchem die Winkellage bzw. die Kippung des Refe­ renzelements in einem derartigen interferometrischen Aufbau einfach und exakt erfaßt und gegebenenfalls nachjustiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Insbesondere dient ein derartiger erfindungsgemäßer Aufbau in besonders vorteilhafter Weise für eine Prüfturmkaskade bzw. ei­ nen Prüfturm, wie sie in der Halbleiter-Lithographie eingesetzt werden könnte, wobei hier ein exakt arbeitender interferometri­ scher Kippungssensor bereitgestellt wird, mit dessen Hilfe die Winkellage der Referenzplatte einfach und exakt erfaßt und ge­ gebenenfalls nachjustiert werden kann. Die Messung ist dabei sehr einfach und durch die vorhandenen Teile problemlos durch­ zuführen. Diese kann immer wieder während der eigentlichen Meß­ pausen erfolgen, so daß über sehr große und lange Meßzyklen si­ chergestellt werden kann, daß sich die Lage des Referenzele­ ments, im allgemeinen einer Fizeauplatte hinsichtlich ihres Winkels nicht verändert hat.

Gemäß der Erfindung wird das am Strahlteiler des interferome­ trischen Aufbaus herausreflektierte und im allgemeinen nicht mehr benötigte Licht der Punktlichtquelle in sich selbst re­ flektiert. Dazu kann in einer besonders günstigen Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Retroreflektor die­ nen, welcher die ausgekoppelte Strahlung in sich selbst reflek­ tiert.

Der in sich selbst reflektierte Anteil an Strahlung wird über den Strahlteiler wiederum aufgesplittet. Ein Teil der Strahlung geht zur Lichtquelle zurück, der weitere, für die Erfindung in­ teressantere, Teil durchdringt jedoch den Strahlteiler prak­ tisch ungehindert.

Über den üblichen, an sich bekannten Lichtweg des Interferome­ ters gelangt ein anderer Teil der Strahlung zu dem Referenzele­ ment bzw. der Fizeau-Platte. Der Lichtanteil wird von der Fize­ au-Platte bzw. dem Referenzelement, reflektiert und gelangt wieder zurück zum Strahlteiler, wobei hier ein Teil des zurück­ reflektierten Strahls in Richtung des bereits von dem Retrore­ flektor stammenden Lichtanteils ausgekoppelt wird.

Die beiden Lichtanteile können dann in diesem Bereich nach dem Strahlteiler miteinander interferieren. Eine Kippung des Refe­ renzelements erzeugt damit das an sich bekannte streifenförmige Interferenzmuster, welches eine Messung bzw. Ausrichtung des Winkels des Referenzelements gegenüber dem in sich selbst re­ flektierten Strahl, dessen Winkellage als exakt angenommen wer­ den kann, ermöglicht. Eine Defokussierung in dem Aufbau erzeugt dabei das an sich bekannte ringförmige Interferenzmuster.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung, weist der Aufbau darüber hinaus optische Systeme auf, welche die Lichtstrahlen in einem Brennpunkt sammeln, beispielsweise Kol­ limator-Linsen.

Damit wird erreicht, daß sich bei dem sich selbst reflektierten Lichtstrahl auf der der Retroreflexion abgewandten Seite des Strahlteilers ein Brennpunkt ausbildet. Aufgrund des in sich selbst reflektierten Strahlengangs ist die Lage dieses Brenn­ punkts jeweils absolut exakt definiert. In dem Bereich dieses Brennpunkts entsteht nun ein zweiter Brennpunkt, welcher sich aufgrund der Reflexion des Lichts von dem Referenzelement er­ gibt. Der von dem Retroreflektor stammende Lichtanteil kann mit dem von der Referenzplatte reflektierten Lichtanteil interfe­ rieren. Über eine entsprechende Einstellung bzw. die Auswertung der Interferenzen, beispielsweise über eine CCD-Kamera, kann nun eine exakte Ausrichtung dieser beiden Brennpunkte zueinan­ der, durch eine Veränderung der Winkellage und des Fokus des Referenzelements erfolgen. Eine exakte Ausrichtung des Referen­ zelements wird dadurch ermöglicht.

Dadurch, daß dieser Vorgang und das entsprechende Verfahren zum Messen der Winkellage keinerlei zusätzlichen Elemente benötigt, welche erst während des Meßaufbaus aktiviert werden können, ist die Messung und Ausrichtung unmittelbar vor der Messung an dem eigentlichen Prüfling möglich, ebenso kann unmittelbar nach der Messung an dem eigentlichen Prüfling wiederum die Messung der exakten Lage des Referenzelements erfolgen, so daß sicherge­ stellt werden kann, daß sich die Lage, insbesondere die Winkel­ lage des Referenzelements während der Messung nicht verändert hat.

Während der eigentlichen Passemessung eines Prüflings kann dann lediglich der Strahlengang des Retroreflektors in einer beson­ ders günstigen Ausgestaltung der Erfindung über einen Shutter oder dergleichen blockiert werden, so daß das vom Retroreflek­ tor reflektierte Licht nicht störend auf die eigentliche Mes­ sung einwirkt.

Wie oben bereits erwähnt, kann dann unmittelbar nach der Mes­ sung durch das Entfernen des Shutters sofort wieder die Lage des Referenzelements kontrolliert werden, so daß mit ver­ gleichsweise geringem zusätzlichen Aufwand ein Winkel- und Fo­ kussensor hoher Auflösung in dem interferometrischen Meßaufbau erreicht werden kann.

Es zeigt:

Fig. 1 einen interferometrischen Meßaufbau mit einem Retrore­ flektor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens; und

Fig. 2 einen alternativen interferometrischen Meßaufbau mit einem Retroreflektor zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens.

Ein an sich bekannter interferometrischer Meßaufbau 1 gemäß Fig. 1 besteht aus einer punktförmigen Lichtquelle 2, beispiels­ weise einer Laser-Punktlichtquelle 2. Das von dieser Punkt­ lichtquelle 2 ausgehende Licht wird in dem an sich bekannten Aufbau durch einen Strahlteiler 3 hindurch zu einem Kollimator 4 geführt. Von dem Kollimator 4 kann das Licht als paralleles Strahlenbündel zu einem Referenzelement 5, beispielsweise einer Fizeau-Platte oder zur Fizeau-Fläche eines Prüfobjektivs, ge­ langen. Aus dem Bereich dieses Referenzelements 5 bzw. dem da­ hinter angeordneten Prüfling bzw. Prüfobjektiv 6 gelangt das Licht über den Kollimator 4 zurück zu dem Strahlteiler 3. Ein Teil des Lichts gelangt hier durch den Strahlteiler 3 hindurch zurück zur Punktlichtquelle 2, dieser Anteil ist für die inter­ ferometrische Messung jedoch nicht interessant. Ein anderer Teil des Lichts wird über den Strahlteiler 3 ausgekoppelt und gelangt über einen weiteren Kollimator 7 zu einer interferome­ trischen Auswerteeinrichtung 8, beispielsweise einer CCD-Kamera 8. Im Bereich dieser CCD-Kamera 8 können dann in an sich be­ kannter Weise die Interferenzen, welche sich zwischen den Strahlen, welche von der Fizeau-Platte 5 und von dem Prüfling 6 reflektiert werden, entsprechend ausgewertet werden, so daß ein messendes Vergleichen zwischen dem Referenzelement 5 und dem Prüfling 6 möglich ist.

Besonders wichtig bei einem derartigen Aufbau ist es nun, daß die Winkellage des Referenzelements 5 während des gesamten Mes­ sens exakt bekannt ist sowie eingehalten und nicht verändert wird. Um diese Winkellage immer unmittelbar vor und nach den eigentlichen Meßvorgängen an dem Prüfling 6 kontrollieren zu können, weist der hier dargestellte Meßaufbau 1 zusätzlich zu den bereits beschriebenen Elementen einen Retroreflektor 9 auf. Von der Punktlichtquelle 2 stammendes Licht wird an dem Strahl­ teiler 3 ausgekoppelt und gelangt zu diesem Retroreflektor 9, welcher sich beispielsweise aus zwei Linsen bzw. Objektiven 10 und einem Spiegel 11 zusammensetzt.

Das von der Punktlichtquelle 2 in Richtung des Retroreflektors 9 ausgekoppelte Licht wird durch den Retroreflektor 9, welcher in alternativen Ausführungen, welche hier nicht dargestellt sind, als Tripelprisma ausgebildet sein kann, in sich selbst reflektiert. Auf dem vergleichbaren Rückweg des Lichts gelangt wiederum ein Teil zurück zur Punktlichtquelle 2, welcher nicht weiter interessant ist. Der für den Meßaufbau 1 interessante Teil durchdringt den Strahlteiler 3 und bildet hinter dem Strahlteiler 3 einen Brennpunkt 12. Dieser Brennpunkt 12 kann beispielsweise von dem Kollimator 7 und der CCD-Kamera 8 für weitere Meßschritte erfaßt werden.

Aufgrund der Reflexion des Lichts in sich selbst im Bereich des Retroreflektors 9 ist die Lage dieses Brennpunkts 12 hinsicht­ lich Winkel und Fokus immer exakt definiert.

Aufgrund des Kollimators 4 ergeben auch die von der Referenz­ platte 5 rückreflektierten Lichtstrahlen einen Brennpunkt 12', welcher in der einzigen beigefügten Figur bildlich in demselben Bereich wie der Brennpunkt 12 dargestellt ist. Die Lage dieses Brennpunkts 12' hinsichtlich seines Fokus und seiner Position ist jedoch von dem Fokus und der exakten Winkellage des die Strahlung reflektierenden Referenzelements 5 abhängig. Über den in sich selbst reflektierten Lichtstrahl, der vom Retroreflek­ tor 9 zu dem Brennpunkt 12 gelangt, ist jedoch ein in seiner Lage und seinem Fokus exakt bekannter Brennpunkt 12 vorhanden. Nun lassen sich diese beiden Brennpunkte 12, 12' hinsichtlich Fokus und Position aufeinander ausrichten. Dazu kann wieder die Auswerteeinrichtung aus CCD-Kamera 8 und Kollimator 7 zur Ver­ wendung kommen. Durch eine entsprechende Änderung der Winkella­ ge des Referenzelements 5 sowie ein Verstellen ihres Abstandes zur Lichtquelle bzw. dem Strahlteiler 3 kann so die Position des Referenzelements 5 einjustiert werden, nämlich so, daß die beiden Brennpunkte 12, 12' exakt aufeinander fallen oder eine definierte Lage zueinander haben.

Nach diesem Einjustieren des Referenzelements 5 kann über einen Shutter 13 der Strahlengang des in sich selbst reflektierten Lichtstrahls unterbrochen werden, so daß dieses Licht die ei­ gentliche, an sich bekannte interferometrische Messung der Pas­ se des Prüflings 6, welcher auch ein gesamtes zu prüfendes Ob­ jektiv sein kann, nicht stört. Bei weiterhin betriebener Punkt­ lichtquelle 2 kann die Messung in an sich bekannter Weise durchgeführt werden. Unmittelbar nach der Messung kann durch ein Entfernen bzw. ein Öffnen des Shutters 13 wieder der zuvor beschriebene Zustand hergestellt werden, so daß die Winkellage und die exakte Position des Referenzelements 5 wiederum vermes­ sen werden kann.

Das Verfahren bietet mit dem oben beschriebenen Meßaufbau 1 zu­ sammen die Sicherheit, daß die Winkellage und der Fokus des Re­ ferenzelements 5 unmittelbar vor und nach den einzelnen Messun­ gen der Passe des Prüflings 6 erfaßt und gegebenenfalls nachju­ stiert werden kann. Die Sicherheit der Messungen läßt sich da­ mit erheblich steigern, da man sich nicht mehr auf die angenom­ mene perfekte Lage des Referenzelements 5 verlassen muß. Dar­ über hinaus ist der Aufbau sehr einfach und kann praktisch in jeden bestehenden Meßaufbau 1 integriert werden, ohne daß hier große Umbauten, das Einbringen von weiteren Bauelementen - mit Ausnahme des Retroreflektors - oder dergleichen erforderlich wäre.

Fig. 2 zeigt einen alternativen Meßaufbau 1, bei welchem der Strahlteiler 3 in einem Bereich angeordnet ist, in dem der Strahlengang über die entsprechende Optik 14 bereits parallel verläuft. Ansonsten ist der Meßaufbau 1 gemäß Fig. 2, welcher hier nur teilweise dargestellt wurde, vergleichbar zu dem Meß­ aufbau, welcher im Rahmen der Fig. 1 bereits eingehend erläu­ tert wurde, wobei hier anstelle des Kollimators 4 eine Relais­ optik 4', welche hier nur prinzipmäßig angedeutet ist, tritt. Der Strahlteiler 3 selbst ist dabei als Doppelprisma in an sich bekannter Weise ausgeführt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung der Winkellage und der Defokussierung eines optischen Referenzelementes zur Passemessung an opti­ schen Elementen in einem interferometrischen Meßaufbau mit wenigstens einer Punktlichtquelle und wenigstens einem Strahlteiler, über welchen ein Teil des Lichts der Punkt­ lichtquelle ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgekoppelte Licht in sich selbst reflektiert (Retroreflektor 9) wird, so daß es mit dem von dem Referen­ zelement (5) reflektierten Licht interferieren kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennpunkt (12') des von dem Referenzelement (5) reflek­ tierten Lichts als Maß für Fokus und Winkellage des Refe­ renzelements (5) zu einem Brennpunkt (12) des in sich selbst reflektierten Lichts (Retroreflektor 9) ausgerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgekoppelte Licht mittels eines Retroreflektors (9) in sich selbst reflektiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Retroreflektor (9) ein Cateye-Aufbau verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Retroreflektor (9) ein Tripelprisma verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die interferometrische Auswertung mittels ei­ ner CCD-Kamera (6) als Auswerteeinrichtung erfolgt.