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Ein
Planspiegel-Interferometer kann verwendet werden, um die Position,
Ausrichtung oder Bewegung einer Präzisionsstufe in einem Waferverarbeitungssystem
zu messen. Für
eine solche Verwendung ist ein Planspiegel typischerweise auf der
Stufe befestigt, die gemessen wird, und der Interferometer lenkt
einen oder mehrere Messstrahlen für Reflektionen von dem Planspiegel.
Jeder Messstrahl entspricht im Allgemeinen einem getrennten Interferometerkanal,
aber einige Interferometer, die allgemein als Doppeldurchlaufinterferometer
bezeichnet werden, lenken jeden Messstrahl für zwei Reflektionen von dem
Planspiegel, bevor der Interferometer den Messstrahl mit einem Referenzstrahl
kombiniert, für eine
Signalverarbeitung, die Messungen erzeugt.
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Mehrere
Interferometerkanäle
können
den gleichen Planspiegel verwenden, um Abstände zu getrennten Punkten auf
einer Ebene zu messen, und dadurch mehrere Freiheitsgrade einer
Stufe zu messen. Insbesondere können
die drei Interferometerkanäle,
die Translationen bzw. Verschiebungen an drei getrennten Punkten
auf dem gleichen Planspiegel messen, eine Translation der Stufe
entlang einer X- oder Strahlachse, eine Steigungsdrehung der Stufe um
eine Y-Achse senkrecht zu der X-Achse, und eine Gierdrehung der
Stufe um eine Z-Achse senkrecht zu der X- und Y-Achse identifizieren.
Stufendrehungen sind wichtig, um zu messen, wenn das System anfällig ist
für Abbe-Fehler,
d. h. Verschiebungsfehler aufgrund von Stufendrehungen.
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Ein
dynamischer Messbereich für
jeden Kanal eines Planspiegel-Interferometers ist allgemein beschränkt, weil
Spiegeldrehungen (z. B. Steigungsdrehungen) den Messstrahl ablenken
können,
was bewirkt, dass der reflektierte Messstrahl von dem Weg „auseinander
läuft", der für die Rekombination mit
einem Referenzstrahl erforderlich ist. Für einige Konfigurationen ist
der Dynamikbereich für
Messungen etwa gleich dem Messstrahlradius w geteilt durch die Länge des
optischen Wegs für
den Messstrahl, z. B. etwa vier Mal der Abstand L, der sich von
dem Interferometer zu dem Planspiegel in einem Doppeldurchlaufinterferometer
erstreckt. Folglich ist der Dynamikbereich für Drehmessungen typischerweise begrenzt
auf etwa w/4L-Radian. Das Erhöhen
der Strahlbreite w kann den dynamischen Messbereich erhöhen. Größere Strahlbreiten
erfordern jedoch größere und
daher aufwändigere
Optik und komplexe Systeme, wie z. B. Waferverarbeitungsausrüstung haben
nicht unbedingt ausreichend Platz für große Interferometer.
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Ein
getrennter Planspiegel-Interferometer kann auch verwendet werden,
um die Position oder Bewegung einer Stufe entlang einer Z-Achse
(d. h. der Fokusachse der Projektionslinse) zu messen. Falls der
Interferometer jedoch auf der Projektionslinsenseite der Stufe ist,
muss die Stufe größer gemacht
werden, um einen Planspiegel außerhalb
der Projektionsfläche
aufzunehmen. Dies kann den Waferdurchsatz reduzieren. Falls der
Interferometer auf einer Seite gegenüberliegend der Projektionslinse ist,
wird alternativ eine Zwischenreferenz, wie z. B. ein Stein, unter
der Stufe benötigt,
was zusätzliche Messungen
der relativen Position der Zwischenreferenz relativ zu der Projektionslinse
erfordert.
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Das
U.S.-Patent Nr. 6,020,964 und 6,650,419 beschreibt Interferometersysteme,
die in der Lage sind, eine Höhe
einer Stufe zu messen. In solchen Systemen reflektiert ein Reflektor,
der auf einer Stufe befestigt ist, einen Messstrahl von einem horizontalen
Einfallsweg (entlang einer X-Achse)
zu einem vertikal reflektierten Weg (entlang einer Z-Achse). Ein
Reflektor, der über
der Stufe befestigt ist, reflektiert den vertikal gelenkten Messstrahl
zurück
zu dem Reflektorsystem auf der Stufe, wo der Messstrahl umgelenkt
wird zu einem horizontalen Rückleitungsweg
zurück
zu der Interferometeroptik. Die gesamte Phasenänderung oder Doppler-Verschiebung des
Messstrahls zeigt somit einen Abstand oder eine Bewegung entlang
eine Weg an, der horizontale und vertikale Komponenten aufweist.
Ein getrennter Interferometerkanal kann die horizontale Komponente des
Wegs messen, so dass die vertikale Komponente oder eine Höhenmessung
extrahiert werden kann. Diese Höhenmessungen
unterliegen allgemein den oben beschriebenen Dynamikbereichbegrenzungen, zumindest
aufgrund des Bedarfs, die horizontale Komponente zu messen und zu
subtrahieren.
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Bezüglich der
Beschränkungen
bestehender Interferometer werden Systeme und Verfahren geschaffen,
die einen großen
dynamischen Messbereich für
Messungen von Höhen
oder vertikalen Translationen liefern können, ohne große optische Elemente
zu erfordern.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Messen
eines Objekts, ein Interferometersystem sowie ein Verfahren zum
Messen einer Verschiebung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch Systeme gemäß Anspruch
1 und 13 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch
17 gelöst.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
gemäß den vorliegenden
Lehren liefert ein Interferometer einen großen Dynamikbereich zum Messen
von Verschiebungen eines Objekts, die senkrecht sind zu der Trennung
zwischen dem Interferometer und dem Objekt. Der Interferometer verwendet
einen Referenzreflektor und einen Messreflektor auf dem Objekt,
das gemessen wird. Der Messreflektor reflektiert einen Messstrahl
zu einem Porro-Prisma,
das über
dem Objekt befestigt ist, und der Referenzreflektor leitet den Referenzstrahl
direkt zu dem Interferometer zurück.
Ein zweites Porro-Prisma in dem Interferometer kann den Referenzstrahl
für einen
zweiten Durchlauf und eine Reflektion von dem Referenzreflektor
zurückleiten.
Die Porro-Prismen können
Strahlauseinander laufen reduzieren, das auftritt, wenn die Stufe sich
dreht. Andere Effekte der Stufendrehungen, die die Porro-Prismen
nicht lindern, sind für
Mess- und Referenzstrahlen ähnlich,
so dass das Auseinanderlaufen gering ist. Folglich kann ein großer Dynamikbereich
erreicht werden, ohne große
Strahldurchmesser zu erfordern.
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Ein
beispielhaftes Ausführungsbeispiel
eines Interferometersystems dient zum Messen eines Objekts, wie
z. B. einer Waferstufe, auf der ein Messreflektor und ein Referenzreflektor
befestigt sind. Dieses Interferometersystem umfasst Optik, die einen Messstrahl
und einen Referenzstrahl in einer X-Richtung jeweils zu dem Messreflektor
und dem Referenzreflektor lenken. Der Messreflektor lenkt den Messstrahl
erneut in eine Z-Richtung und der Referenzreflektor lenkt den Referenzstrahl
zurück
zu der Interferometeroptik. Ein Reflektor, wie z. B. ein Porro-Prisma überlagert
das Objekt und ist positioniert, um den Messstrahl zurück zu dem
Messreflektor zu lenken, der dann den Messstrahl umlenkt zurück zu der
Interferometeroptik. Der Interferometer lenkt dann den Referenzstrahl
für einen
zweiten Durchlauf um zu dem Referenzreflektor, der den Strahl zurück zu dem
Interferometer reflektiert. Die Interferometeroptik kombiniert den
Mess- und den Referenzstrahl und ein Detektor wandelt den kombinierten
Strahl in ein elektrisches Signal um, von dem eine Messung einer
relativen Verschiebung des Objekts in der Z-Richtung bestimmt wird.
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Ein
weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel
gemäß den vorliegenden
Lehren ist ein Interferometersystem, das einen Polarisationsstrahlteiler, einen
Messreflektor, ein erstes Porro-Prisma, einen Referenzreflektor
und einen Detektor umfasst. Der Polarisationsstrahlteiler teilt
einen Eingangsstrahl in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl.
Der Messreflektor empfängt
den Messstrahl von dem Polarisationsstrahlteiler und reflektiert
den Messstrahl von einem ersten Weg zu einem zweiten Weg. Das erste
Porro-Prisma empfängt
den Messstrahl und leitet den Messstrahl zurück zu dem Messreflektor entlang
einem dritten Weg, der von dem zweiten Weg versetzt ist. Der zweite
und dritte Weg sind allgemein senkrecht zu dem ersten Weg. Der Referenzreflektor ist
relativ zu dem Messreflektor fest und angeordnet, so dass der Referenzreflektor
den Referenzstrahl von dem Polarisationsstrahlteiler empfängt und
den Referenzstrahl zurück
zu dem Polarisationsstrahlteiler reflektiert. Der Polarisationsstrahlteiler
rekombiniert den Messstrahl und Referenzstrahl, und ein Detektor
wandelt den resultierenden rekombinierten Strahl in ein elektrisches
Signal um, von dem eine Messung einer Verschiebung bestimmt wird.
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Ein
Rückleitungsreflektor,
wie z. B. ein zweites Porro-Prisma,
kann positioniert sein, um den Referenzstrahl von dem Polarisationsstrahlteiler
zu empfangen, nachdem der Referenzstrahl während eines ersten Durchlaufs
von dem Referenzreflektor reflektiert wurde. Der Rückleitungsreflektor
lenkt den Referenzstrahl zurück
zu dem PBS für
eine zweite Reflektion von dem Referenzreflektor, wonach der Polarisationsstrahlteiler
den Messungs- und Referenzstrahl rekombiniert.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
gemäß den vorliegenden
Lehren ist ein Verfahren zum Messen einer Verschiebung, die senkrecht
ist zu einer Trennung zwischen einem Interferometer und einem Objekt,
das gemessen wird. Das Verfahren beginnt mit dem Lenken eines Messstrahls
für eine
Reflektion von einem ersten Reflektor, der auf dem Objekt befestigt
ist, wobei der erste Reflektor den Messstrahl in einer ersten Richtung
senkrecht zu der Trennung zwischen dem Interferometer und dem Objekt
lenkt. Ein zweiter Reflektor, wie z. B. ein Porro-Prisma, das von
dem ersten Reflektor entlang der ersten Richtung getrennt ist, reflektiert
den Messstrahl zurück
zu dem ersten Reflektor. Das Verfahren umfasst ferner das Lenken
eines Referenzstrahls für
zwei Reflektionen von einem dritten Spiegel, der auf dem Objekt
befestigt ist, und das Kombinieren des Messstrahls und des Referenzstrahls,
um einen kombinierten Strahl zu bilden. Das Messen einer Schwebungsfrequenz des
kombinierten Strahls zeigt eine restliche Doppler-Verschiebung des
Mess- oder Referenzstrahls an,
die nicht aufgehoben wird durch eine passende Doppler-Verschiebung
des anderen Strahls. Die restliche Doppler-Verschiebung hängt von
der Bewegung senkrecht zu der Trennung zwischen dem Interferometer
und dem Objekt ab.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
beiliegende Zeichnungen näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Waferverarbeitungssystem, das einen Interferometer umfasst, der
in der Lage ist, eine Höhe
einer Präzisionsstufe
relativ zu einer Projektionslinse zu messen;
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2A, 2B u. 2C jeweils
Seiten-, Drauf- und Vorderansichten von Strahlwegen in einem Interferometer,
der für
das System von 1 geeignet ist; und
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3 ein
Interferometersystem gemäß einem
Ausführungsbeispiel,
das ein hohles Penta-Prisma als einen Messreflektor verwendet.
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Die
Verwendung der gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren
zeigt ähnliche
oder identische Elemente an.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Lehren kann ein Interferometer, der in der
Lage ist, eine vertikale Verschiebung eines Objekts zu messen, das
horizontal von dem Interferometer beabstandet ist, Mess- und Referenzreflektoren
auf dem Objekt, das gemessen wird, ein erstes Porro-Prisma über dem
Objekt, das gemessen wird, und ein zweites Porro-Prisma in der Interferometeroptik
verwenden. Ein Polarisationsstrahlteiler in dem Interferometer teilt
einen Eingangs strahl in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl,
die beide zu dem Objekt gelenkt werden.
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Der
Messstrahl verläuft
horizontal zu dem Messreflektor, vertikal zu dem ersten Porro-Prisma, vertikal
zurück
zu dem Messreflektor und horizontal zurück zu der Interferometeroptik,
wobei der Messstrahl rekombiniert werden kann mit dem Referenzstrahl
und gemessen werden kann. Folglich reflektiert der Messstrahl zweimal
von dem Messreflektor während
eines einzelnen Durchlaufs der Interferometeroptik und zurück.
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Der
Referenzstrahl verläuft
von dem Interferometer zu dem Referenzreflektor und kehrt während eines
ersten Durchlaufs direkt zu der Interferometeroptik zurück. Der
Referenzstrahl reflektiert dann von dem zweiten Porro-Prisma und
verläuft
von dem Interferometer zu dem Referenzreflektor und kehrt während eines
zweiten Durchlaufs direkt zu der Interferometeroptik zurück. Die
Referenzstrahlen können nach
dem Abschließen
eines zweiten Durchlaufs von der Interferometeroptik zu dem Objekt
rekombiniert werden mit dem Messstrahl, der nur einen Durchlauf von
der Interferometeroptik zu dem Objekt und zurück durchführt.
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Das
Interferometersystem erreicht sehr geringes Auseinanderlaufen zwischen
den Mess- und Referenzstrahlen, wenn dieselben rekombiniert werden.
Das geringe Auseinanderlaufen ergibt sich, weil sowohl der Messstrahl
als auch der Referenzstrahl zweimal von Reflektoren auf dem Objekt
reflektieren, so dass die Steigungsdrehungen des Objekts passende
Winkelablenkungen des Mess- und Referenzstrahls bewirken. Außerdem liefern
die Porro-Prismen Retroreflektionen in entsprechenden Ebenen, um
zumindest einige der Effekte von Gier- und Rolldrehungen des Objekts
aufzuheben.
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1 stellt
ein System 100 dar, das einen Interferometer 110 umfasst,
der in der Lage ist, die vertikale Tranlsation eines Objekts zu
messen. Bei dem dargestellten Ausführungs beispiel ist das System 100 Teil
einer Photolithographieausrüstung,
die geeignet ist zum Verarbeiten von Halbleiterwafern, und das gemessene
Objekt ist eine Stufe 120 zum Positionieren eines Halbleiterwafers 125 relativ
zu einer Projektionslinse 130 während eines Photolithographieprozesses.
Für solche
Prozesse müssen
die Stufe 120 und/oder ein Positioniersystem (nicht gezeigt) für die Projektionslinse 130 in
der Lage sein, den Wafer 125 genau relativ zu einer optischen
Achse der Projektionslinse 130 zu positionieren, so dass
die Projektionslinse 130 das gewünschte Muster auf den korrekten
Bereich des Wafers 125 projizieren kann. Ferner müssen die
Stufe 120 oder ein Fokussierungssystem für die Projektionslinse 130 in
der Lage sein, die Trennung zwischen dem Wafer 125 und
der Projektionslinse 130 zu steuern oder anzupassen, um
eine scharf fokussierte Struktur zu bilden. Der Interferometer 110 misst
eine relative Höhe
oder Z-Verschiebung der Stufe 120, wobei die Z-Richtung im Wesentlichen
senkrecht ist zu der Trennung zwischen Interferometer 110 und
Stufe 120. Ein Betreiber oder ein Steuersystem (nicht gezeigt)
kann die Höhenmessung
verwenden, wenn eine Stufe 120 und/oder das Fokussierungssystem
für die
Projektionslinse 130 gesteuert wird. Wie es für Fachleute
auf diesem Gebiet offensichtlich ist, ist die Messung der Höhe der Stufe 120 relativ
zu der Projektionslinse 130 in der Waferverarbeitungsausrüstung 100 lediglich
eine darstellende Anwendung des Interferometers 110, und
allgemeiner kann der Interferometer 110 eine Vielzahl von
Objekten in einer Vielzahl von Systemen messen.
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Für eine Höhenmessung
lenkt der Interferometer 110 einen Messstrahl 112 und
einen Referenzstrahl 114 an jeweiligen planaren Reflektoren 122 und 124 auf
die Stufe 120. Außerdem
kann ein zweiter Messstrahl 116 zu einem planaren Reflektor 124 gelenkt
werden, für
eine herkömmliche
Messung der Verschiebung des Objekts entlang der X-Richtung.
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Der
planare Reflektor 122 in einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
ist ein Planspiegel, der bei 45° zur
Horizon talen ausgerichtet ist und den Messstrahl 112 von
einem horizontalen Weg zu einem vertikalen Weg reflektiert. Der
vertikale Weg führt
den Messstrahl 112 zu einem Reflektor 132 auf einer
Befestigungsstruktur 134, die an der Projektionslinse 130 befestigt
sein kann. Der Reflektor 132 ist bei einem beispielhaften
Ausführungsbeispiel
ein extradiertes Porro-Prisma mit einer Länge entlang der X-Richtung,
und ausgerichtet und positioniert, um den Messstrahl 112 zurück zu dem
Reflektor 122 zu reflektieren, für jede Position der Stufe 120 in
ihrem Bewegungsbereich. Der Reflektor 122 lenkt dann den
Messstrahl 112 zurück
zu dem Interferometer 110. Der planare Reflektor 124 reflektiert
den Referenzstrahl 114 direkt zurück zu dem Interferometer 110,
so dass der Weg des Referenzstrahls 114 zu und von der
Stufe 120 nominal horizontal ist.
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Bei
einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
ist der Interferometer 110 ein Michelson-Interferometer,
bei dem sowohl der Messstrahl 112 als auch der Referenzstrahl 114 zweimal
reflektieren von jeweiligen Reflektoren 122 und 124,
bevor dieselben für
die Analyse rekombiniert werden. Die beiden Reflektionen des Messstrahls
von der Stufe 120 treten während eines einzelnen Durchlaufs
von dem Interferometer 110 zu dem Porro-Prisma 132 und
zurück auf.
Die beiden Reflektionen des Referenzstrahls von der Stufe 120 treten
während
zwei getrennten Durchläufen
von dem Interferometer 110 zu der Stufe 120 auf.
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Ein
Ausführungsbeispiel
des Interferometers 110, der in 2A, 2B und 2C gezeigt
ist, umfasst eine Strahlquelle 210, einen Polarisationsstrahlteiler
(PBS) 220, eine Viertelwellenplatte (QWP) 230,
ein Porro-Prisma 240, ein Detektorsystem 250 und
einen Drehspiegel 260. Die Strahlquelle 210 ist
eine Quelle eines Eingangsstrahls IN, von dem der PBS 220 den
Messstrahl 112 und den Referenzstrahl 114 extrahiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel
eines Interferometers 110 ist der Strahl IN ein Überlagerungsstrahl,
der eine erste Komponente mit einer ersten Frequenz F1 und einer
ersten linearen Polarisation, und eine zweite Komponente aufweist, die
eine zweite Frequenz F2 und eine zweite lineare Polarisation aufweist,
die senkrecht zu der ersten linearen Polarisation ist. Viele Strahlquellen
sind in der Lage, einen Überlagerungsstrahl
mit den gewünschten
Eigenschaften zu erzeugen. Die Strahlquelle 210 kann beispielsweise
ein Laser sein, der die gewünschte
Differenz in den Frequenzen F1 und F2 durch Zeeman-Aufspaltung und/oder
mit einem akusto-optischen Modulator (AOM) erzeugt. Andere Quellen
von Überlagerungsstrahlen,
die bekannt oder entwickelt werden können, können ebenfalls geeignet sein.
Alternativ könnte
die Strahlquelle 210 ein Einzelfrequenzlaser mit langer
Kohärenzlänge sein, wo
die erforderliche Kohärenzlänge von
der Differenz zwischen den Längen
des optischen Wegs des Messstrahls 112 und des Referenzstrahls 114 abhängt. Die
Verwendung eines Überlagerungsstrahls kann
bevorzugt werden, weil Interferometer, die einen einzigen Frequenzstrahl
verwenden, typischerweise mehrere Phasenmessungen erfordern, um
die Effekte von Strahlleistungsfluktuationen zu eliminieren.
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Der
PBS 220 trennt die Polarisationskomponenten des Eingangsstrahls
IN, so dass der Messstrahl 112 und der Referenzstrahl 114 orthogonale
lineare Polarisationen aufweisen. Wenn der Eingangsstrahl IN ein Überlagerungsstrahl
ist, sind die Ausrichtung der Polarisationsachsen des Eingangsstrahls
IN und PBS 220 derart, dass die Polarisationstrennung die
Frequenzkomponenten des Eingangsstrahls IN trennt. Messstrahlen 112 und
der Referenzstrahl 114 sind somit Einzelfrequenzstrahlen mit
orthogonalen Polarisationen. Bei dem in 2A dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der PBS 220 derart, dass der Messstrahl 112 die
lineare Polarisation aufweist, die ein dünner Film in dem PBS 220 reflektiert,
und der Referenzstrahl 114 anfangs eine lineare Polarisation
aufweist, die der PBS 220 überträgt. Wie es für Fachleute
auf diesem Gebiet klar ist, könnten
alternative Ausführungsbeispiele
des Interferometers 110 den Strahl, der anfangs in dem
PBS 220 übertragen
wird, als den Messstrahl, und den Strahl, der anfangs in dem PBS 220 reflektiert
wird, als den Referenzstrahl verwenden. Außerdem, obwohl 2A ein
Ausführungsbeispiel
darstellt, bei dem der PBS 220 unter Verwendung eines dünnen Polarisationsfilms
implementiert wird, der zwischen rechtwinkligen Prismen angeordnet
ist, könnte
der PBS 220 unter Verwendung unterschiedlicher Strukturen
implementiert werden, wie z. B. doppelbrechende optische Elemente,
die die Strahlteilungs- und Kombinierfunktionen durchführen, die
von dem PBS 220 erforderlich sind.
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Die
QWP 230 ist in einem optischen Weg des Referenzstrahls 114 von
dem PBS 220 zu der Stufe 120. Die QWP 230,
die an dem PBS 230 kleben kann oder anderweitig in einer
festen Position in dem optischen Weg des Strahls 114 befestigt
sein kann, ändert
die Polarisation von durchlaufenden Strahlen. Beispielsweise wird
ein Strahl mit horizontaler Polarisation, der QWP 230 durchläuft, kreisförmig polarisiert,
und ein durchlaufender Strahl mit einer vertikalen linearen Polarisation
wird kreisförmig
polarisiert mit einer orthogonalen kreisförmigen Polarisation.
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Der
Referenzstrahl 114 folgt einem anfänglichen Ausgangsweg R1A von
dem PBS 220 durch die QWP 230, reflektiert von
dem planaren Reflektor 124 auf der Stufe 120 und
kehrt entlang einem Rückleitungsweg
R1B durch QWP 230 zu dem PBS 220 zurück. Die
Wege RlA und R1B sind kollinear, wenn der Reflektor 124 senkrecht
ist zu den X-Achsen, wie es in 2A gezeigt
ist, sind aber nicht kollinear, falls die Stufe 120 einen
Nicht-Null-Abstand oder Gierwinkel aufweist. Das zweimalige Durchlaufen
von QWP 230 während
des ersten Durchlaufs (d. h. auf den Wegen R1A und R1B) ändert die
Polarisation des Referenzstrahls 114 zu der linearen Polarisation,
die der PBS 220 reflektiert. Der PBS 220 lenkt
somit den zurückgelenkten
Referenzstrahl 114 zu dem Porro-Prisma 240.
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Das
Porro-Prisma 240 ist ausgerichtet, um Strahlen in einer
YZ-Ebene zu retroreflektieren und reflektiert den Referenzstrahl 114 von
dem Weg R1B zu einem Weg R2A, der in der Y-Richtung von dem Einfallsweg R1A versetzt
ist. Der Versatz in der Y-Richtung zwischen den Wegen R1B und R2A
bewirkt, dass der Referenzstrahl 114 von dem PBS 220 in
einem Punkt reflektiert, der in die Seite in 2A oder
zu der Oberseite der Seite in 2B versetzt ist. 2C zeigt
den Versatz in der Y-Richtung des Ausgangswegs R2A des Referenzstrahls 114 während des
zweiten Durchlaufs relativ zu dem Ausgangsweg RlA des Referenzstrahls 114 während des ersten
Durchlaufs.
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Der
Referenzstrahl 114 auf dem optischen Weg R2A verläuft durch
QWP 230 und reflektiert ein zweites Mal von dem Reflektor 124.
Der Referenzstrahl 114 kehrt dann entlang einem Rückkehrweg R2B
durch QWP 230 zurück
zu PBS 220. Das zweite Paar von zwei Durchläufen durch
QWP 230 ändert die
Polarisation des Referenzstrahls 114 zurück zu der
linearen Polarisation, die der PBS 220 überträgt, so dass der Referenzstrahl 114 nach
dem zweiten Durchlauf durch den PBS 220 verläuft und
Teil eines neu kombinierten Strahls OUT wird, den das Detektorsystem 250 analysiert.
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Nachdem
der Messstrahl 112 anfangs in dem PBS 220 reflektiert
wird, durchläuft
er einen Ausgangsweg M1A zu dem Porro-Prisma 132. Der Ausgangsweg
M1A umfasst eine Reflektion von dem Drehspiegel 260 zu
einem nominal horizontalen Weg M1Ax zu dem
planaren Reflektor 122 auf der Stufe 120. Die
Reflektion von dem Reflektor 122 lenkt den Messstrahl 112 zu
einem nominal vertikalen Weg M1Az zu dem
Porro-Prisma 132.
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Das
Porro-Prisma 132 ist ausgerichtet, um Strahlen, die in
der YZ-Ebene sind, zu retroreflektieren, und lenkt den Messstrahl 11 zu
einem nominal vertikalen Rückstellweg
M1Bz der parallel (oder antiparallel) zu
dem vertikalen Weg M1Az ist und in der Y-Richtung
von demselben versetzt ist.
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(Mehrere
der Wege des Messstrahls 112, einschließlich des vertikalen Wegs M1Bz, sind entlang der Y-Achse verschoben und
sind hinter Strahlwegen, die in der Seitenansicht von 2A gezeigt sind. 2B und 2C zeigen
jeweils eine Drauf- und Vorderansicht, bei der einige Wege, die
in 2A nicht gezeigt sind, sichtbar sind). Ein vollständiger Rückleitungsweg
M1B des Messstrahls 112 umfasst einen vertikalen Rückleitungsweg
M1Bz, Reflektion von dem Reflektor 122 auf
der Stufe 120, einen horizontalen Rückleitungsweg M1Bx zu
dem Drehspiegel 260, und eine Reflektion von dem Drehspiegel 260,
bevor der Messstrahl 112 wieder in dem PBS 220 eintritt.
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Die
Positionierung der Porro-Prismen 132 und 240 ist
derart, dass das Porro-Prisma 132 den Messstrahl 112 in
der Y-Richtung um
den gleichen Abstand versetzt, wie das Porro-Prisma 240 den Referenzstrahl 114 versetzt.
Der PBS 220 kann somit den zurückkehrenden Messstrahl 112 nach
dem zweiten Durchlauf des Referenzstrahls 114 mit dem Referenzstrahl 114 kombinieren,
um einen Ausgangsstrahl OUT zu bilden.
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Ein
Detektor 250 misst den Ausgangsstrahl OUT für die Analyse,
die eine vertikale Verschiebung der Stufe 120 relativ zu
dem Porro-Prisma 132 bestimmen. Bei einem beispielhaften
Ausführungsbeispiel
misst der Detektor 250 den Ausgangsstrahl OUT, um eine
restliche Doppler-Verschiebung zu bestimmen, und die restliche Doppler-Verschiebung kann
dann verwendet werden, um die vertikale Geschwindigkeit oder Verschiebung
der Stufe 120 zu bestimmen. Bei einem Überlagerungs-Interferometer,
wo der Messstrahl 112 und der Referenzstrahl 114 anfangs
die Frequenzen F1 und F2 aufweisen, haben die zurückgeleiteten
Referenz- und Messstrahlen 112 und 114 Frequenzen
F1' und F2', die von Doppler-Verschiebungen abhängen, die
als Ergebnis von Reflektionen von der Stufe 120 aufgetreten
sein können,
oder des Porro-Prismas 132,
wenn sich die Stufe 120 und/oder das Porro-Prisma 132 bewegen.
Eine Photodiode in dem Detektorsystem 250 empfängt den
Ausgangsstrahl OUT und erzeugt ein elektronisches Signal mit der
Schwebungsfrequenz F1'-F2'. Gleichartig dazu
kann ein elektronisches Referenzsignal mit der Schwebungsfrequenz F1-F2
erzeugt werden durch eine direkte Messung eines Abschnitts des Eingangsstrahls
IN.
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Ein
beispielhaftes Ausführungsbeispiel
des Detektorsystems 250 umfasst ferner eine Phasenerfassungsschaltung,
die die Phase des Schwebungssignals mit der Frequenz F1'-F2' relativ zu dem Referenzschwebungssignal
mit der Frequenz F1-F2 misst. Eine Änderung bei der relativen Phase
zeigt an, dass sich die Schwebungsfrequenzen F1' und F2' und F1-F2 unterscheiden und ermöglicht die
Messung einer restlichen Doppler-Verschiebung in dem Messstrahl 112.
Für den
Interferometer 110 bewirkt die Bewegung der Stufe 120 in
der X-Richtung eine Doppler-Verschiebung
in dem Referenzstrahl 114, die zweimal die Doppler-Verschiebung
in den Messstrahlen 112 ist. Die Bewegung der Stufe 120 oder des
Porro-Prismas 132 in
der Z-Richtung bewirkt eine Doppler-Verschiebung in der Frequenz des Messstrahls 112,
ohne eine Doppler-Verschiebung bei der Frequenz des Referenzstrahls 114 zu
bewirken. Folglich ist die restliche Doppler-Verschiebung in den Schwebungsfrequenzen
F1'-F2' eine Differenz zwischen
der Doppler-Verschiebung, die durch die Bewegung entlang der Z-Achse
bewirkt wird, und die Doppler-Verschiebung,
die durch die Bewegung entlang der X-Achse verursacht wird. Die
Messung der Phasendifferenz zwischen den elektronischen Schwebungssignalen
mit Frequenzen F1'-F2' und Fl-F2 zeigt
die Geschwindigkeit entlang einer Richtung bei 45° zu der X-
und Z-Richtung an, und die Integration der bestimmten Geschwindigkeitskomponente
zeigt Verschiebungen entlang der gleichen Richtung an. Die Verschiebung
entlang der Z-Richtung kann von dieser Messung der Verschiebung
entlang der Richtung bei 45° zu
der X- und Z-Richtung und eine getrennte herkömmliche Messung der Verschiebung
entlang der X-Richtung gefunden werden.
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Messungen
mit dem Interferometer 110 können einen großen Dynamikbereich
liefern, weil Retroreflektionen durch Porro-Prismen 132 und 240 das Auseinanderlaufen
der Messstrahlen 112 relativ zu dem Referenzstrahl 114 minimieren,
wenn sich die Stufe 120 dreht. Für eine Roll-Drehung der Stufe 120 um
die X-Achse kompensiert die Retroreflektion durch das Porro-Prisma 132 die
resultierende Schwankung der vertikalen Wege (z. B. Weg M1Az) von der Z-Richtung durch Zurückleiten
des Messstrahls entlang einem reflektierten Weg, der parallel zu
dem Einfallsweg ist. Retroreflektionen in dem Porro-Prisma 240 reduzierten
auf ähnliche
Weise die Bewegung des Referenzstrahls 114 relativ zu dem Messstrahl 112.
Für die
Steigung der Stufe 120 empfangen sowohl der Messstrahl 112 als
auch der Referenzstrahl 114 Winkelablenkungen in der ZX-Ebene als
Folge von zwei Reflektionen von der Stufe 120 und erfahren
dadurch Ablenkungen, die von der Differenz bei den Längen des
optischen Wegs des Messstrahls 112 und des Referenzstrahls 114 abhängen. Das
Auseinanderlaufen zwischen den Strahlen 112 und 114 ist
somit verbessert im Vergleich zu Systemen, wo das Auseinanderlaufen
von der vollen Weglänge
abhängt.
Für Gier-Drehungen
der Stufe 120 sind Ablenkungen des Messstrahls 112 und
des Referenzstrahls 114 ebenfalls ähnlich, so dass das Auseinanderlaufen
klein ist.
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3 zeigt
ein System 300 gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
zum Messen vertikaler Verschiebungen. Das System 300 unterscheidet sich
von dem System 200 von 2A durch
die Verwendung einer Stufe 320, die einen Messreflektor 322 mit
zwei reflektierenden Oberflächen 326 und 328 umfasst.
Die reflektierende Oberfläche 326 ist bei
einem Winkel von 112,5° mit
der X-Achse, und die reflektierende Oberfläche 328 ist bei einem
Winkel von 157,5° mit
der X-Achse. Als Folge wirkt der Messreflektor 322 als
ein hohles Penta-Prisma, und der Steigungswinkel der Stufe 320 führt keine
Winkelablenkung des Messstrahls 112 ein. Das System 300 unterscheidet
sich auch von dem System 200 von 2A dadurch,
dass der Interferometer 310 einen Retro reflektor 340 verwenden
kann, wie z. B. eine Würfelkante
oder ein Katzenauge, die den Referenzstrahl durch die Reflektion
an dem PBS 220 zurück
zu der Stufe 320 leitet. Als Folge führen Stufendrehungen um die
Y-Achse oder Z-Achse
nach der zweiten Reflektion von der Stufe keine Winkelablenkungen
in dem Referenzstrahl 114 ein. Somit besteht der rekombinierte
Strahl OUT erneut aus zwei im Wesentlichen kollinearen Komponentenstrahlen.
Ansonsten enthält
das System 300 Elemente, die im Wesentlichen wie oben in
Bezug auf 2A, 2B und 2C beschrieben
arbeiten.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben
ist, ist die Beschreibung nur ein Beispiel der Anwendung der Erfindung
und sollte nicht als Begrenzung gesehen werden. Verschiedene Anpassungen
und Kombinationen von Merkmalen der Ausführung der offenbarten Ausführungsbeispiele
liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie er durch
die folgenden Ansprüche
definiert ist.