DE10131918A1 - Sensor zur Strahlungsenergiebestimmung und Verwendung hierfür - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung der Energie von Strahlung eines Typs, der zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon fähig ist, und auf eine Verwendung eines solchen Sensors. DOLLAR A Erfindungsgemäß beinhaltet der Sensor eine von der Strahlung durchstrahlbare Messkammer (1) mit einem Gaseinlass (4) und einem Gasauslass (6), Mittel (8) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases (9) in die Messkammer über den Gaseinlass und zur Gasabführung über den Gasauslass, ein Ozonsensorelement (10) zur Messung des Ozongehaltes des in der Messkammer befindlichen oder des über den Gasauslass abgeführten Gases (9a) und Auswertemittel (12) zur Bestimmung der Strahlungsenergie aus dem gemessenen Ozongehalt. Der Sensor ist z. B. zur Strahlungsenergiebestimmung in einem mit der Strahlung arbeitenden optischen Abbildungssystem verwendbar. DOLLAR A Verwendung z. B. in Mikrolithographie-Projektionsbelichtungssystemen.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung der Energie von Strahlung eines Typs, der zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon fähig ist, sowie auf eine Verwendung eines derartigen Sensors.
• Strahlungsenergiesensoren sind in verschiedenen Ausführungen und zu verschiedenen Zwecken gebräuchlich, beispielsweise in Vorrichtungen zur Steuerung oder Regelung von Strahlungsquellen optischer Abbildungssysteme, um die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlungsenergie auf einen gewünschten, z. B. konstanten Wert einzustellen. Ein solches Anwendungsgebiet sind photolithographische Projektionsbelichtungsanlagen zur Abbildung von Maskenstrukturen auf resistbeschichtete Waferoberflächen in der Halbleitertechnologie, die mit UV-Strahlung arbeiten. UV-Strahlung gehört zu den Typen von Strahlung, die Sauerstoff in Ozon umwandeln, wenn die Strahlung auf ein sauerstoffhaltiges Gas trifft.
• Für den erwähnten Anwendungszweck in photolithographischen Projektionsbelichtungsanlagen ist es bekannt, mit Photodioden arbeitende photoelektrische Sensoren einzusetzen, um die Energie der zur Abbildung benutzten Strahlung zu bestimmen und basierend darauf die Strahlungsenergie auf einen z. B. konstanten Wert einstellen zu können, siehe beispielsweise die Patentschriften US 5.250.797, US 5.728.495 und US 6.141.081. Diese photoelektrischen Sensoren werden zur Energiebestimmung von UV-Strahlung mit Wellenlängen von z. B. 193 nm und 248 nm benutzt. Die aktive Fläche solcher Sensoren ist jedoch auf typischerweise 2 mm × 2 mm beschränkt und damit relativ klein. Ein weiterer bekannter Typ von Sensoren zur Energiebestimmung elektromagnetischer Strahlung speziell auch im UV-Bereich sind sogenannte Pyrosensoren. Bei diesen handelt es sich um thermische Sensoren mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht, die sich bei Einstrahlung erwärmt und dabei ausdehnt. Die Ausdehnung wirkt auf einen Piezokristall, der ein zur Wärmeausdehnung proportionales elektrisches Signal abgibt.
• Sowohl bei den mit Photodioden arbeitenden photoelektrischen Sensoren als auch bei den Pyrosensoren wird zur Messung üblicherweise ein Teil der von einer zugehörigen Strahlungsquelle erzeugten Strahlung als Messstrahlung z. B. mittels eines Strahlteilers ausgekoppelt und dem Sensor zugeführt. Dieser ausgekoppelte Strahlungsanteil steht dann für die eigentliche Strahlungsnutzfunktion nicht mehr zur Verfügung.
• Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Sensors der eingangs genannten Art und einer Verwendung desselben zugrunde, der eine zuverlässige Strahlungsenergiebestimmung mit vergleichsweise geringem Strahlungsverlust speziell auch für UV-Strahlung mit niedrigen Wellenlängen von z. B. 157 nm ermöglicht.
• Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Sensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Verwendung eines solchen gemäß Anspruch 6.
• Der erfindungsgemäße Sensor beinhaltet eine von der Strahlung durchstrahlbare Messkammer mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass, wobei Mittel zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases in die Messkammer über den Gaseinlass und zur Gasabführung über den Gasauslass vorgesehen sind. Des weiteren beinhaltet der Sensor ein oder mehrere Ozonsensorelemente zur Messung des Ozongehaltes des in der Messkammer befindlichen oder des über den Gasauslass abgeführten Gases. Durch zugeordnete Auswertemittel wird die Strahlungsenergie anhand des gemessenen Ozongehaltes bestimmt.
• Der so aufgebaute Sensor eignet sich zur Energiebestimmung von Strahlung, die bei Vorhandensein von Sauerstoff diesen wenigstens teilweise in Ozon umwandelt. Diese Ozonumsetzung ist in definierter, z. B. empirisch ermittelbarer Weise von der Strahlungsenergie abhängig, z. B. zu dieser proportional. Wenn folglich der Messkammer sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, wird der zugeführte Sauerstoff von solcher, in die Messkammer eingekoppelter Strahlung wenigstens teilweise in Ozon umgewandelt, wobei der Ozongehalt des noch in der Messkammer befindlichen oder des über den Gasauslass abgeführten Gases von der Strahlungsenergie abhängt. Durch die Messung des Ozongehaltes lässt sich folglich von den Auswertemitteln die gesuchte Strahlungsenergie bestimmen.
• Ein wesentlicher Vorteil dieses Sensors besteht darin, dass nicht die gesamte, in die Messkammer eingekoppelte Strahlung für die eigentliche Strahlungsnutzfunktion verloren geht, sondern lediglich derjenige Anteil, der zur Ozonumwandlung beigetragen hat. Der übrige Messstrahlungsanteil kann nach Auskopplung aus der Messkammer die vorgesehene Nutzfunktion erfüllen.
• In einer konstruktiv vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist gemäß Anspruch 2 die Messkammer von einem geradlinigen Messrohr gebildet, das von der Strahlung in Längsrichtung durchquerbar ist. Die Strahlung kann folglich die Messkammer geradlinig durchqueren, ohne dass Strahlungsumlenkmittel erforderlich sind. Zudem ergibt sich bei gegebenem Messkammervolumen eine relativ große Durchstrahlungslänge und damit ein hoher Ozonbildungsgrad, was zu einer hohen Messempfindlichkeit bei gegebener Sauerstoffmenge in der Messkammer beiträgt.
• In einer weiteren konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind gemäß Anspruch 3 der Gaseinlass und der Gasauslass an entgegengesetzten Endbereichen der Messkammer angeordnet. Dadurch ergibt sich ein entsprechend langer Gasströmungsweg durch die Messkammer hindurch, was wiederum zu einer intensiven Wechselwirkung der eingekoppelten Strahlung mit dem im zugeführten Gas enthaltenen Sauerstoff und folglich zu einer hohen Ozonbildungsrate und damit Messempfindlichkeit beiträgt.
• In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 befindet sich das Ozonsensorelement günstigerweise im Bereich des Gasauslasses oder einer von diesem abführenden Gasauslassleitung, so dass es die durch die Messkammer hindurchtretende Strahlung nicht stört und den Ozongehalt des Gases im gasaustrittsseitigen Bereich der Messkammer erfasst, welches sämtliches, von der Strahlung gebildetes Ozon enthält.
• In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 sind die Gaszufuhrmittel zur variablen Einstellung der Zufuhrrate und/oder Sauerstoffkonzentration des sauerstoffhaltigen Gases eingerichtet. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, die Messempfindlichkeit des Sensors zu verstellen und dadurch eine hohe Messbereichsdynamik für den Sensor zu realisieren.
• Eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors ist gemäß Anspruch 6 in einem mit der Strahlung arbeitenden optischen Abbildungssystem gegeben. Hierbei kann es sich insbesondere um eine photolithographische Projektionsbelichtungsanlage handeln. Der Strahlungsenergiesensor kann hier innerhalb einer Steuerung oder Regelung dazu dienen, die von einer entsprechenden Strahlungsquelle erzeugte Energie der verwendeten Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, zu erfassen, um die Strahlungsenergie durch die Steuerung bzw. Regelung auf einen gewünschten Wert einstellen, z. B. konstant halten zu können.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
• Die einzige Figur zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines Sensors zur Strahlungsenergiebestimmung beispielsweise für UV-Strahlung.
• Der gezeigte Strahlungsenergiesensor beinhaltet eine von einem geradlinigen Messrohr 1 gebildete Messkammer. Das Messrohr ist an beiden Stirnseiten durch je ein die Strahlung nicht absorbierendes, strahlungsdurchlässiges Fenster 2, 3 z. B. aus CaF2 abgeschlossen. Mit geringem Abstand von der einen Stirnseite ist in den Rohrmantel des Messrohrs 1 ein Gaseinlass 4 eingebracht, in den eine Gaseinlassleitung 5 mündet. Mit geringem Abstand von der anderen, gegenüberliegenden Stirnseite ist in den Rohrmantel des Messrohrs 1 entsprechend ein Gasauslass 6 eingebracht, von dem eine Gasauslassleitung 7 abführt.
• Der Gaseinlassseite 4, 5 des Messrohrs 1 sind herkömmliche, nur schematisch in Blockdiagrammform gezeigte Gaszufuhrmittel 8 zugeordnet, mit denen reiner Sauerstoff oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas 9 mit variabel einstellbarer Zufuhrrate und/oder Sauerstoffkonzentration in die Gaszufuhrleitung 5 eingespeist werden kann. Im Innern der Gasauslassleitung 7 ist ein herkömmliches Ozonsensorelement 10 positioniert, an dessen elektrischen Messsignalausgang ein Verstärker 11 angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal einem Auswerteteil 12 mit A/D-Wandler und auswertender Rechnereinheit zugeführt wird. Ozonsensorelemente sind z. B. in Form von sogenannten Halbleitersensoren gebräuchlich.
• Der gezeigte Sensor ermöglicht die Bestimmung der Energie von Strahlung eines Typs, der in der Lage ist, Sauerstoff in Ozon umzuwandeln, indem die zu messende Strahlung durch das Messrohr 1, in welchem sich zugeführtes sauerstoffhaltiges Gas befindet, hindurchgeleitet und der von der Strahlungsenergie abhängige Gehalt an gebildetem Ozon vom Ozonsensorelement 10 gemessen wird.
• Im Gebrauch wird eine zu messende Strahlung 12, z. B. UV- Strahlung einer Wellenlänge von 157 nm, in das Messrohr 1 über seine eine Stirnseite unter Durchtritt durch das dortige Abschlussfenster 2 eingekoppelt, um anschließend das geradlinige Messrohr 1 entlang seiner Längsrichtung zu durchqueren und auf der gegenüberliegenden Stirnseite unter Durchtritt durch das dortige Abschlussfenster 3 wieder aus dem Messrohr 1 auszutreten. Gleichzeitig wird durch die Gaszuführmittel 8 das sauerstoffhaltige Gas 9 mit gewünschter, steuerbarer Zufuhrrate und/oder Sauerstoffkonzentration über den Gaseinlass 4 dem Messrohr 1 zugeführt. Das zugeführte, sauerstoffhaltige Gas strömt im Messrohr 1 entlang von dessen Längsrichtung, bis es selbiges über den Gasauslass 6 wieder verlässt. Während ihrer Durchquerung des Messrohrs 1 ist die eingekoppelte Strahlung 12 folglich in Kontakt mit dem hindurchströmenden sauerstoffhaltigen Gas, wodurch ein von der Strahlungsenergie abhängiger Teil des im Gas enthaltenen Sauerstoffs in Ozon umgewandelt wird. Das über den Gasauslass 6 aus dem Messrohr 1 abgeführte Gas 9a weist folglich einen gegenüber dem zugeführten sauerstoffhaltigen Gasstrom 9 in Abhängigkeit von der Strahlungsenergie erhöhten Ozongehalt auf.
• Das Ozonsensorelement 10 erfasst diesen Ozongehalt, d. h. die gebildete Ozonmenge pro Zeiteinheit, und leitet diese Information als elektrisches Signal an den Verstärker 11 weiter. Das von diesem verstärkte Signal wird im Auswerteteil 12 vom A/D- Wandler digitalisiert und dann vom Auswerterechner verarbeitet. Der Auswerterechner bestimmt hierbei die gesuchte Strahlungsenergie abhängig vom gemessenen Ozongehalt anhand der ihm bekannten, z. B. empirisch ermittelbaren funktionellen Abhängigkeit dieses Ozongehaltes von der Energie der das Messrohr 1 durchquerenden Strahlung 12.
• Der oben anhand eines repräsentativen Beispiels beschriebene, erfindungsgemäße Strahlungsenergiesensor ist ersichtlich für die verschiedensten Anwendungsgebiete geeignet, in denen die Energie einer ozonbildenden Strahlung zu erfassen ist, und hat mehrere spezifische Vorteile. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist der Einsatz dieses Strahlungsenergiesensors in optischen Abbildungssystemen, um die Energie der abbildenden Strahlung zu erfassen und dadurch überwachen und auf einen jeweils gewünschten Wert einstellen zu können. Speziell kann der Strahlungsenergiesensor in photolithographischen, mit UV-Strahlung arbeitenden Projektionsbelichtungsanlagen, insbesondere in deren Beleuchtungssystem, verwendet werden. Dabei werden in jüngerer Zeit besonders Systeme mit UV-Strahlung kleiner Wellenlängen von z. B. 157 nm eingesetzt. Für diese Strahlung gibt es ansonsten wenig praxistaugliche Strahlungsenergiesensoren. Der erfindungsgemäße Strahlungsenergiesensor ermöglicht eine ausreichend genaue Strahlungsenergiebestimmung gerade auch für solche UV-Strahlung niedriger Wellenlänge, da diese Strahlung unter starker Ozonbildung von Sauerstoff absorbiert wird, wobei die Ozonbildungsrate proportional zur Strahlungsenergie ist.
• Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Strahlungsenergiesensors ist seine große Dynamik mit logarithmischem Signal/Rausch-Verhältnis. Denn seine Empfindlichkeit lässt sich über einen sehr großen Messbereich hinweg durch entsprechendes Variieren des Sauerstoffflusses im Messrohr 1 regulieren. Der Sauerstofffluss kann von den Gaszufuhrmitteln 8 variabel eingestellt werden, und zwar durch Variieren der Gaszufuhrrate und/oder der Sauerstoffkonzentration im zugeführten sauerstoffhaltigen Gas 9. Speziell kann der erfindungsgemäße Strahlungsenergiesensor auf verglichen mit fotoelektrischen Sensoren oder Pyrosensoren herkömmlicher Art hohe Empfindlichkeitswerte eingestellt werden. Dabei ist die Empfindlichkeit des Ozonsensorelementes 10 üblicherweise im wesentlichen konstant.
• Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Strahlungsenergiesensors besteht darin, dass er die Strahlungsenergiebestimmung im durchgehenden Strahl ermöglicht, d. h. die aus dem Sensor austretende Strahlung 12a steht dem System zur Erfüllung der eigentlichen Nutzfunktion zur Verfügung, wobei sie lediglich geringfügig in ihrer Intensität gegenüber der in den Sensor eingekoppelten Strahlung 12 um denjenigen Anteil abgeschwächt ist, der vom Sauerstoff im Sensor unter Ozonbildung absorbiert wurde. Dabei kann je nach Anwendungsfall die Messkammer 1 direkt in den Strahlengang der zu messenden Strahlung eingebracht werden, oder es kann ein Teil der Strahlung aus dem Hauptstrahlengang ausgekoppelt werden, der dann durch die Messkammer 1 geleitet und anschließend wieder in den Hauptstrahlengang eingekoppelt wird.
• Indem die Sensormesskammer stets von frisch zugeführtem sauerstoffhaltigem Gas durchströmt wird, ist der erfindungsgemäße Strahlungsenergiesensor keiner Alterung im kontinuierlichen Betrieb unterworfen. Die Reaktionszeit des Sensors ist primär durch diejenige des Ozonsensorelementes bestimmt. Als Alternative zu dieser ständigen Gasdurchspülung der Messkammer kommt für gewisse Anwendungsfälle auch in Betracht, während eines jeweiligen Messvorgangs das sauerstoffhaltige Gas nur von Zeit zu Zeit pulsierend zuzuführen oder aber während der Messung keine Zufuhr an frischem sauerstoffhaltigem Gas vorzunehmen, sondern die Messkammer anfangs mit sauerstoffhaltigem Gas zu befüllen, dann die Strahlung durch die Messkammer hindurchzuleiten und danach den Ozongehalt des Gases in der Messkammer zu messen oder die Messkammer zu spülen und den Ozongehalt des aus der Messkammer ausgetriebenen Gases zu messen.
• Es versteht sich, dass verschiedene Modifikationen des gezeigten Strahlungsenergiesensors im Rahmen der Erfindung möglich sind. So kann je nach Anwendungsfall statt dem geradlinigen Messrohr eine beliebig anders geformte Messkammer verwendet werden, die wenigstens bereichsweise von der Strahlung durchquert wird, deren Energie bestimmt werden soll. Des weiteren kann die Lage des Gaseinlasses und des Gasauslasses je nach Bedarf modifiziert werden, und ebenso kann das Ein- und Auskoppeln der Strahlung, was im gezeigten Beispiel über die Messrohrstirnseiten erfolgt, an anderen Messkammerstellen vorgesehen sein. Vorteilhaft ist dabei im allgemeinen ein bezogen auf das Messkammervolumen langer Gasdurchstrahlungsweg, entlang dem die Strahlung mit dem sauerstoffhaltigen Gas in Kontakt ist. Das Ozonsensorelement kann statt in der Gasauslassleitung auch in der Messkammer selbst angeordnet sein, vorzugsweise in deren gasaustrittsseitigem Bereich. Des weiteren können bei Bedarf mehrere Ozonsensorelemente an geeigneten Stellen positioniert sein.

Claims (6)

1. Sensor zur Bestimmung der Energie von Strahlung eines Typs, der zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon fähig ist, gekennzeichnet durch
eine von der Strahlung (12) durchstrahlbare Messkammer (1) mit einem Gaseinlass (4) und einem Gasauslass (6), Mittel (8) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases (9) in die Messkammer über den Gaseinlass und zur Gasabführung über den Gasauslass,
mindestens ein Ozonsensorelement (10) zur Messung des Ozongehaltes des in der Messkammer befindlichen oder des über den Gasauslass abgeführten Gases (9a) und
Auswertemittel (12) zur Bestimmung der Strahlungsenergie aus dem gemessenen Ozongehalt.

2. Sensor nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer von einem geradlinigen Messrohr (1) gebildet ist, das von der Strahlung (12) in Längsrichtung durchquerbar ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass sich der Gaseinlass (4) und der Gasauslass (6) an entgegengesetzten Endbereichen der Messkammer (1) befinden.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Ozonsensorelement (10) im Bereich des Gasauslasses (6) oder einer von diesem abführenden Gasauslassleitung (7) angeordnet ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhrmittel (8) zur variablen Einstellung der Zufuhrrate und/oder der Sauerstoffkonzentration des sauerstoffhaltigen Gases eingerichtet sind.

6. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Strahlungsenergiebestimmung in einem mit der Strahlung (12) arbeitenden optischen Abbildungssystem.