DE102009015393B3

DE102009015393B3 - Messverfahren und Messsystem zur Messung der Doppelbrechung

Info

Publication number: DE102009015393B3
Application number: DE102009015393A
Authority: DE
Inventors: Damian Fiolka; Marc Rohe
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2029-03-21
Also published as: JP2012520993A; CN102439419B; US8542356B2; TW201413233A; CN102439419A; TWI480533B; JP5738370B2; JP2014041134A; KR20120000088A; US20120092669A1; WO2010105757A1; TWI444607B; KR101712406B1; TW201042249A; JP5521029B2

Abstract

Bei einem Messverfahren zur Messung der Doppelbrechung eines optischen Messobjekts wird ein auf das Messobjekt gerichteter Messstrahl mit einem definierten Eingangspolarisationszustand erzeugt und es werden Polarisationseigenschaften des Messstrahls nach Wechselwirkung mit dem Messobjekt erfasst, um Polarisationsmesswerte zu erzeugen, die einen Ausgangspolarisationszustand des Messstrahls nach Wechselwirkung mit dem Messobjekt repräsentieren. Der Eingangspolarisationszustand des Messstrahls wird in mindestens vier unterschiedliche Messzustände gemäß einer periodischen Modulationsfunktion eines Winkelparameters α moduliert, und die zu den mindestens vier Messzuständen gehörenden Polarisationsmesswerte werden zu einer vom Winkelparameter α abhängigen Messfunktion verarbeitet. Zur Auswertung der Polarisationsmesswerte wird ein zweiwelliger Anteil der Messfunktion ermittelt. Dieser zweiwellige Anteil wird zur Ableitung mindestens eines die Doppelbrechung beschreibenden Doppelbrechungsparameters analysiert. Hierzu wird vorzugsweise eine doppelte Fourier-Transformation der Messfunktion durchgeführt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Messverfahren zur Messung der Doppelbrechung eines optischen Messobjekts sowie auf ein zur Durchführung des Messverfahrens geeignetes Messsystem.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
In vielen Gasen, Flüssigkeiten und spannungsfreien amorphen Festkörpern, beispielsweise optischen Gläsern, ist die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Ausbreitungsrichtung und vom Polarisationszustand des Lichtes. Solche optischen Medien werden als optisch isotrop bezeichnet. Sind die optischen Eigenschaften eines Materials dagegen von der Ausbreitungsrichtung des Lichts abhängig, so wird das Material als optisch anisotrop bezeichnet. Viele transparente kristalline Materialien sind optisch anisotrop. Sie besitzen aufgrund der Symmetrie ihres Kris tallgitters mindestens eine ausgezeichnete Symmetrierichtung, die in der Regel als „optische Kristallachse” bezeichnet wird.
Viele optisch anisotrope Materialien zeigen Doppelbrechung (DB). Als Doppelbrechung (birefringence) wird die Eigenschaft von optisch anisotropen Materialien bezeichnet, einen einfallenden Lichtstrahl in zwei senkrecht zueinander linear polarisierte Teilstrahlen aufzuspalten, die sich auf unterschiedliche Weise im optisch anisotropen Material ausbreiten. Die unterschiedliche Ausbreitung von Licht in anisotropen Materialien wird im Wesentlichen durch die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Ausbreitungsrichtung und vom Polarisationszustand des Lichtes bestimmt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines der Teilstrahlen ist unabhängig von der Ausbreitungsrichtung. Dieser Teilstrahl wird als „ordentlicher Strahl” bezeichnet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des anderen Teilstrahls ist dagegen richtungsabhängig. Dieser Teilstrahl wird als außerordentlicher Strahl bezeichnet. Den unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten entsprechen unterschiedliche Brechzahlen des Materials für die unterschiedlichen Teilstrahlen, wobei n_o die Brechzahl für den ordentlichen Strahl und n_ao die Brechzahl für den außerordentlichen Strahl ist. Die auf der Kristallstruktur optischer Materialien beruhende Doppelbrechung wird als intrinsische Doppelbrechung bezeichnet.
Optisch isotrope Materialien können durch äußere Einflüsse doppelbrechend werden. So wird beispielsweise die durch elektrische Felder induzierte Doppelbrechung beim Kerr-Effekt benutzt. Bei intrinsich doppelbrechenden Materialien können sich die doppelbrechenden Eigenschaften aufgrund äußerer Einflüsse verändern. Insbesondere können mechanische Spannungen Doppelbrechung induzieren, die in der Regel als Spannungsdoppelbrechung (SDB, stress birefringence) bezeichnet wird. Die Spannungsdoppelbrechung kann durch interne Spannungen induziert werden, die beispielsweise aus dem Herstellungsprozess eines Kristallmaterials resultieren. Weiterhin kann Spannungsdoppelbrechung durch externe Kräfte erzeugt werden, die z. B. bei der Montage optischer Komponenten in den Fassungen entstehen.
Die Doppelbrechung wird als gewünschte Eigenschaft bei der Herstellung von Verzögerungselementen (Retardern), wie beispielsweise λ/4-Platten oder λ/2-Platten, oder bei der Herstellung von anderen polarisationsoptischen Komponenten benutzt, um den Polarisationszustand von Licht in definierter Weise zu verändern.
Andererseits wird die Doppelbrechung optischer Komponenten in vielen anspruchsvollen Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Mikrolithografie, der Laseroptik oder der Astronomie, als unerwünschte Fehlerursache behandelt und man ist bestrebt, den Einfluss von Doppelbrechung auf die optischen Eigenschaften optischer Komponenten oder optischer Systeme möglichst gering zu halten und/oder wenigstens so genau zu kennen, dass eine Kompensation möglich ist.
Eine genaue Kenntnis des Ausmaßes der Doppelbrechung, sowohl im Betrag als auch in der Orientierung der Doppelbrechung, ist für eine Kontrolle der Doppelbrechung unerlässlich. Daher besteht Bedarf an präzisen Messverfahren zur Quantifizierung der Doppelbrechung.
Besonders hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit und die Fähigkeit, auch relativ schwache doppelbrechende Effekte präzise zu bestimmen, bestehen im Bereich optischer Systeme für die Mikrolithografie, die insbesondere bei der Herstellung von hochintegrierten Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen eingesetzt wird. Um mit Hilfe der Mikrolithografie immer feinere Strukturen erzeugen zu können, werden die bildseitigen numerischen Aperturen von Projektionsobjektiven immer weiter vergrößert und es werden immer kürzere Wellenlängen verwendet, insbesondere aus dem tiefen ultravioletten Bereich (DUV). Bei Wellenlängen von weniger als 200 nm stehen nur noch relativ wenige ausreichend transparente Materialien zur Herstellung transparenter optischer Elemente zur Verfügung. Hierzu gehören vor allem synthetisches Quarzglas (fused silica), das bis hinunter zu 193 nm ausreichend transparent ist, sowie einige Fluoridkristallmaterialien, wie z. B. z. B. Kalziumfluorid oder Bariumfluorid, die auch bei Wellenlängen von 157 nm und darunter noch ausreichend absorptionsarm sind. Kalziumfluorid zeigt eine intrinsische, d. h. auf die Kristallstruktur des Materials zurückzuführende Doppelbrechung, die zusätzlich zu einer eventuell induzierten Spannungsdoppelbrechung das polarisationsoptische Verhalten optischer Komponenten aus diesem Material beeinflussen kann (vgl. z. B. US 6,697,199 B2 und darin angegebene Literaturzitate).
Jede einzelne mit Doppelbrechung behaftete optische Komponente kann komplexe Beiträge zum polarisationsoptischen Verhalten eines Systems beitragen. Besonders im Bereich der Mikrolithografie werden komplexe optische Systeme mit einer Vielzahl von Einzelkomponenten verwendet, die häufig zu optischen Modulen kombiniert werden, die innerhalb eines optischen Gesamtsystems bestimmte Funktionen übernehmen. Dabei ist es in der Regel erwünscht, sowohl die doppelbrechenden Eigenschaften des gesamten Systems, als auch die Beiträge einzelner Komponenten oder Module zum polarisationsoptischen Verhalten des Gesamtsystems genau zu kennen.
Zur Quantifizierung der Doppelbrechung werden Messverfahren und Messsysteme zur Messung der Doppelbrechung optischer Messobjekte eingesetzt, wobei es sich bei dem optischen Messobjekt um eine einzelne optische Komponente oder um ein System mit mehreren optischen Komponenten handeln kann.
Bei den hier betrachteten Messverfahren und Messsystemen zur Quantifizierung der Doppelbrechung wird ein auf ein Messobjekt gerichteter Messstrahl mit einem definierten Eingangspolarisationszustand erzeugt, wobei der Eingangspolarisationszustand der Polarisationszustand des Messstrahls unmittelbar vor Eintritt des Messstrahls in das Messobjekt ist. Nach Wechselwirkung des Messstrahls mit dem Messobjekt werden Polarisationseigenschaften des Messstrahles erfasst, um Polarisationsmesswerte zu erzeugen, die einen Ausgangspolarisationszustand des Messstrahls repräsentieren, wobei der Ausgangpolarisationszustand der Polarisationszustand des Messstrahls nach Wechselwirkung mit dem Messobjekt ist.
Die Polarisationsmesswerte werden zur Ermittlung wenigstens eines die Doppelbrechung des Messobjekts repräsentierenden Doppelbrechungsparameters ausgewertet. In der Regel werden der Betrag und die Orientierung der Doppelbrechung ermittelt. Der Betrag der Doppelbrechung repräsentiert dabei die vom Messobjekt verursachte Verzögerung zwischen den beiden Teilstrahlen des Messstrahls, die sich mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten im Material ausbreiten. Die Verzögerung zwischen den beiden Teilstahlen, die auch als optischer Gangunterschied bezeichnet wird, wird üblicherweise in Nanometer oder in Bruchteilen der Wellenlänge λ des Messstrahls angegeben. So erzeugt beispielsweise ein λ/4-Retarder bei einer Messwellenlänge von 193 nm einen Gangunterschied von 193/4 nm.
Die Orientierung der Doppelbrechung ist durch die Orientierung der optischen Kristallachse des doppelbrechenden Materials festgelegt. Handelt es sich um optisch isotrope Materialien, die durch äußeren Einfluss, wie z. B. Krafteinwirkung doppelbrechend werden, dann liegt die Orientierung der Doppelbrechung in Richtung der einwirkenden Kraft. Für die Zwecke einer Messung kann die Orientierung der Doppelbrechung durch Winkelangaben relativ zu einer festgelegten Referenzrichtung des Messsystems ausgedrückt werden.
Eine genaue Messung setzt voraus, dass der Eingangspolarisationszustand möglichst genau eingestellt und dass der Ausgangspolarisationszustand möglichst genau bestimmt wird. Fehler bei der Erzeugung des Eingangspolarisationszustandes und bei der Bestimmung des Ausgangspolarisationszustandes fließen als Messfehler in die Messung ein. Diese Messfehlerbeiträge sollten daher bekannt oder bestimmbar sein, um bei der Auswertung berücksichtigt werden zu können.
Erfolgt beispielsweise die Messung mit Hilfe eines Polarimeters oder Ellipsometers nach dem de Sérnarmont-Prinzip, so wird zunächst mit Hilfe eines Polarisators aus dem Licht einer unpolarisierten Lichtquelle ein linear polarisierter Messstrahl erzeugt, der in das Messobjekt eintritt. Eine Doppelbrechung innerhalb des Messobjekts führt im Allgemeinen zu einem elliptisch polarisierten Ausgangspolarisationszustand. Mit Hilfe einer Viertelwellenplatte wird aus dem elliptisch polarisierten Licht wieder linear polarisiertes Licht erzeugt, dessen Polarisationswinkel mit Hilfe eines vor einem lichtempfindlichen Detektor angeordneten drehbaren Analysators bestimmt werden kann.
US 6,697,157 B2 und US 6,473,181 B1 beschreiben Systeme zur Messung der Doppelbrechung, bei denen ein Photoelastischer Modulator (PEM) zur Modulation von polarisiertem Licht verwendet wird, das dann durch eine zu messende Probe gestrahlt wird.
Die EP 1 847 826 A1 beschreibt ein Messverfahren und ein Messsystem zur Messung der Doppelbrechung von optischen Messobjekten in Form von Filmen, die auf Flüssigkristallanzeigen zur Erhöhung des nutzbaren Blickwinkels oder als Schutzfilm aufgebracht werden können. Ein den Blickwinkel erhöhender Film benötigt ein vorbestimmtes Maß an Doppelbrechung, während ein Schutzfilm keine Doppelbrechung aufweisen sollte. Das Messsystem umfasst einen Projektor zum Erzeugen eines auf das Messobjekt gerichteten Messstrahls mit parallelem Licht und einen hinter dem Messobjekt angeordneten Lichtempfänger. Als Lichtquelle des Projektors wird eine Licht emittierende Diode (LED) verwendet. Zwischen dem Messobjekt und dem Lichtempfänger ist ein drehbar gelagerter Analysator in Form einer linear polarisierenden Platte angebracht.
Die Patentanmeldung GB 2 347 496 A beschreibt ein Verfahren zum Anzeigen oder Messen der optischen Anisotropie transparenter doppelbrechender Messobjekte. Der auf das Messobjekt gerichtete Messstrahl wird von einer Strahlerzeugungseinheit erzeugt, die in dieser Reihenfolge eine Lichtquelle, einen monochromatischen Filter und einen drehbaren Primärpolarisator umfasst. Auf der Detektorseite des Messobjekts sind in dieser Reihenfolge eine λ/4-Platte, ein Analysator und eine CCD-Videokamera angeordnet. Der drehbare Primärpolarisator wird mit Hilfe eines Schrittmotors in diskreten Schritten gedreht. Für mindestens zwei unterschiedliche Drehorientierungen der Polarisationsebene werden zweidimensionale Bilder des Messobjekts erfasst. Die aufgenommenen zweidimensionalen Bilder werden untersucht, um optische Anisotropien des Messobjekts anzuzeigen oder zu messen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren zur Messung der Doppelbrechung bereitzustellen, das eine hochpräzise Messung kleiner Werte der Doppelbrechung erlaubt. Insbesondere soll das Messverfahren für kleine Doppelbrechungswerte eine Messgenauigkeit von weniger als 0.5 nm haben.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren zur Messung der Doppelbrechung bereitzustellen, das relativ unempfindlich gegenüber Messfehler erzeugende Einflüsse bei der Erzeugung des Eingangspolarisationszustandes und bei der Auswertung des Ausgangspolarisationszustandes ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren zur Messung der Doppelbrechung bereitzustellen, das es auf einfache Weise ermöglicht, durch Messungen an einem optischen Messobjekt mit mehreren optischen Komponenten oder Komponentengruppen die Beiträge der einzelnen Komponenten oder Komponentengruppen zur Doppelbrechung des gesamten Messobjektes zu separieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren zur Messung der Doppelbrechung eines optischen Messobjekts bereitzustellen, das eine zuverlässige Trennung zwischen zu messenden Doppelbrechungsparametern des Messobjekts und den die Messung beeinträchtigenden Störgrößen aus Komponenten des Messsystems erlaubt.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Messverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Messsystem mit den Merkmalen von Anspruch 23 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei dem Messverfahren wird der Eingangspolarisationszustand des Messstrahles gemäß einer periodischen Modulationsfunktion eines Winkelparameters α derart moduliert, dass mindestens vier unterschiedliche Messzustände des Eingangspolarisationszustandes für die Messung vorliegen. Die zu den mindestens vier Messzuständen gehörenden Polarisationsmesswerte werden zu einer vom Winkelparameter α abhängi gen Messfunktion verarbeitet. Die Messfunktion kann beispielsweise aus einem elektrischen Messsignal abgeleitet werden, welches vom Detektor eines Polarimeters erzeugt wird und welches proportional zur Intensität der auf den Detektor des Polarimeters treffenden Strahlung ist.
Der zu der periodischen Modulationsfunktion des Eingangspolarisationszustandes gehörende Winkelparameter α kann zum Beispiel unmittelbar der Drehwinkel einer zwischen einer Lichtquelle des Messsystems und dem Messobjekt angeordneten Verzögerungsplatte sein bzw. aus diesem abgeleitet werden. Wird beispielsweise zur Messung ein linear polarisierter Eingangspolarisationszustand in unterschiedlichen Orientierungen der Polarisationsrichtung gewünscht, so können diese Eingangspolarisationszustände dadurch erzeugt werden, dass zwischen einer Messlichtquelle zur Erzeugung von linear polarisiertem Licht und dem Messobjekt ein Polarisationsrotator zur definiert steuerbaren Drehung der Polarisationsrichtung des Messstrahls angeordnet ist, beispielsweise in Form einer drehbaren Halbwellenlängenplatte. Wird bei einer solchen Anordnung anstelle einer drehbaren Halbwellenlängenplatte eine drehbare Viertelwellenlängenplatte verwendet, so kann je nach Drehwinkel der Viertelwellenlängenplatte der Eingangspolarisationszustand in vorgebbarer Weise zwischen linearer Polarisation und zirkularer Polarisation moduliert werden. Es ist auch möglich, den Eingangspolarisationszustand mit Hilfe einer Kombination einer Halbwellenlängenplatte und einer Viertelwellenlängenplatte einzustellen und einen entsprechenden Winkelparameter α zu definieren.
Bei der Auswertung der Polarisationsmesswerte wird ein zweiwelliger Anteil der Messfunktion ermittelt. Dieser zweiwellige Anteil wird zur Ableitung des mindestens einen Doppelbrechungsparameters analysiert.
Die Ermittlung eines zweiwelligen Anteils der Messfunktion sowie dessen Analyse zur Ableitung des mindestens einen Doppelbrechungspa rameters beruhen auf der Erkenntnis, dass unter den gegebenen Messbedingungen der auf die gesuchte Doppelbrechung zurückgehende Anteil des Messsignals eine signifikante zweiwellige Charakteristik haben muss, während Messsignalanteile, die auf Störgrößen im System zurückgehen, in der Regel keine signifikante Zweiwelligkeit aufweisen. Daher ist es möglich, anhand des zweiwelligen Anteils eines Messsignals zu erkennen, welcher Anteil des Messsignals ursächlich auf die gesuchte Doppelbrechung zurückgeht und welche Signalanteile auf zu Messfehlern führenden Störgrößen beruhen. Wird nun bei der Auswertung gezielt der zweiwellige Anteil der Messfunktion ermittelt und analysiert, so repräsentieren die aus der Analyse abgeleiteten Doppelbrechungsparameter im Wesentlichen ausschließlich die gesuchten optischen Eigenschaften des optischen Messobjekts und nur in vernachlässigbar kleinem Umfang eventuelle Störbeiträge des Messsystems.
Der Begriff „zweiwelliger Anteil” bezeichnet in dem Zusammenhang eine zweizählige Symmetrie in dem zum Winkelparameter α gehörenden Winkelraum, beispielsweise eine zweizählige Drehsymmetrie bezüglich eines Drehwinkels, der zwischen 0° und 360° definiert ist. Zum zweiwelligen Anteil tragen dementsprechend diejenigen Signalanteile bei, die bezogen auf den Winkelparameter α einen Winkelabstand von 180° haben.
Bei einer Beschreibung des Problems mittels Fourieranalyse bezeichnet die Zweiwelligkeit den Betrag bzw. die Amplitude desjenigen Fourierkoeffizienten, mit dem die Sinus-Anteile beziehungsweise Kosinus-Anteile, deren Werte sich nach einer Periode von 180° (also zweifache Frequenz) wiederholen, in einer Fourierreihe gewichtet werden. Die Signifikanz der „Zweiwelligkeit” bei der Bestimmung der Doppelbrechung kann beispielsweise aufgrund folgender Überlegungen verstanden werden.
Tritt in einem Material Doppelbrechung auf, so wird ein eintretender Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die jeweils linear polarisiert sind und deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in einem der Teilstrahlen (ordentlicher Strahl) ist richtungsunabhängig, während die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts des anderen Strahles von der Ausbreitungsrichtung abhängt (außerordentlicher Strahl). Die Ausbreitung des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls kann mit Hilfe des Huygenschen Prinzips erklärt werden. Das Huygensche Prinzip besagt: Jeder Punkt einer Wellenfläche ist Ausgangspunkt von neuen Elementarwellen, die sich überlagern. Eine neue Wellenfront ist die Einhüllende der sich überlagernden Elementarwellen. Die Phasenfronten der Elementarwellen beim ordentlichen Strahl sind Kugeln, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit in jede Raumrichtung die gleiche ist. Dagegen bilden die Phasenfronten der Elementarwellen des außerordentlichen Strahls Rotationsellipsoide, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit richtungsabhängig ist. In dem Rotationsellipsoid, welches bezogen auf die Richtung des Lichtstrahls eine zweizählige bzw. zweiwellige Drehsymmetrie hat, steckt für jede Einfallsrichtung eines Lichtstrahls die Information über Betrag und Orientierung der Doppelbrechung. Diese Information ist durch die Ermittlung und Analyse des zweiwelligen Anteils der Messfunktion direkt zur Quantifizierung der Doppelbrechung nutzbar.
Die zu den mindestens vier Messzuständen gehörenden Polarisationsmesswerte können als Stützwerte genutzt werden, die den Verlauf der Messfunktion bestimmen. Bei der Analyse der Messfunktion wird bei bevorzugten Varianten ausgenutzt, dass sich jede periodische Funktion aus periodischen, harmonischen Schwingungen, also Sinus- und/oder Kosinusfunktionen verschiedener Phase und Amplitude und genau definierter Frequenz zusammensetzt. Dies wird bei der Fourier-Analyse, also der Zerlegung einer solchen periodischen Funktion in eine Fourier-Reihe, ausgenutzt.
Bei dem beanspruchten Messverfahren umfasst die Ermittlung des zweiwelligen Anteils der Messfunktion eine doppelte Fouriertransformation der Messfunktion. Die bei der Messung aufgenommenen Messwerte der Messfunktion werden bei dieser Variante mit Hilfe einer zweifachen Fourier-Transformation bzw. mittels zweier hintereinander ausgeführter Fourier-Transformationen analysiert, wobei eine nachfolgende zweite Fourier-Transformation auf das Ergebnis einer vorangehenden ersten Fourier-Transformation angewendet wird. Dadurch werden die für die Doppelbrechung relevanten Doppelbrechungsparameter insbesondere unempfindlich gegenüber Verzögerungsfehlern bei der Einstellung der verschiedenen Eingangspolarisationszustände sowie unempfindlich gegenüber Verzögerungsfehlern, die auf der Ausgangsseite des Messobjekts bis zur Aufnahme des Messsignals eingeführt werden.
Bei einer Ausführungsform mit doppelter Fourier-Transformation umfasst die Ermittlung des zweiwelligen Anteils der Messfunktion eine erste Fouriertransformation der Messfunktion zur Ermittlung erster Fourierkoeffizienten A0(α) und A2(α), wobei A0(α) ein Offset-Term ist, der einem Mittelwert nicht periodischer Anteile der Messfunktion beschreibt, und wobei A2(α) ein erster Zweiwelligkeits-Koeffizient ist, der proportional zur Amplitude des zweiwelligen Anteils der Messfunktion ist, und weiterhin eine zweite Fouriertransformation der ersten Fourierkoeffizienten A0(α) und A2(α) nach dem Winkelparameter α zur Ermittlung zweiter Fourierkoeffizienten A0_A01(α), A2_A02(α) und B2_A02(α), wobei A0_A01(α) ein Offset-Term ist, der einem Mittelwert nicht periodischer Anteile der Offset-Terms A0(α) beschreibt, A2_A02(α) ein sinus-Anteil der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) und B2_A02(α) ein cosinus-Anteil der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) ist. Der nach der zweiten Fourier-Transformation vorliegende Offset-Term A0_A01(α) kann für eine Intensitätsnormierung des Messergebnisses genutzt werden, wodurch die Messung unemp findlicher gegen Intensitätsschwankungen der primären Lichtquelle gemacht werden kann. Aus der zweiten Fourier-Transformation des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) folgen die zweiwelligen Anteile A2_A02(α) und B2_A02(α), welche die Information über die gesuchte Doppelbrechung enthalten.
Grundsätzlich unterliegt das Messverfahren keinen Einschränkungen hinsichtlich der mindestens vier unterschiedlichen Messzustände für den Eingangspolarisationszustand. Die Messzustände können in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen zueinander liegen. Die Auswertung kann stark vereinfacht werden, wenn die zu den Messzuständen gehörenden Winkelparameter α der Messfunktion äquidistant zueinander liegen. In diesem Fall kann zur Berechnung der Fourier-Transformation der Messfunktion die sogenannte schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transformation, FFT) genutzt werden, also ein Algorithmus, bei dem die Anzahl der Auswertungsschritte zur Ermittlung der Fourier-Koeffizienten wesentlich kleiner ist als bei allgemeineren Fällen einer Fourier-Transformation.
Bei einer Variante des Messverfahrens wird ein auf das Messobjekt gerichteter, linear polarisierter Messstrahl mit einer parallel zum Schwingungsvektor des elektrischen Feldes orientierten Polarisationsrichtung erzeugt und die Polarisationsrichtung des Messstrahls wird in mindestens vier in vorgebbaren Drehwinkelabständen zueinander liegende Messorientierungen gedreht. Die Messorientierungen entsprechen hierbei den mindestens vier unterschiedlichen Messzuständen, während der Drehwinkel der Polarisationsrichtung dem Winkelparameter α entspricht.
Vorzugsweise liegen die mindestens vier Messorientierungen in äquidistanten Drehwinkelabständen zueinander, um eine Auswertung mittels schneller Fourier-Transformation zu ermöglichen. Insbesondere können 2^N mit N ≥ 2 in äquidistanten Drehwinkelabständen zueinander liegende Messorientierungen eingestellt werden, beispielsweise 4, 8, 16, 32 oder 64 oder mehr Messorientierungen. Da jede der unterschiedlichen Messzustände der Eingangspolarisation einer Stützstelle für die auszuwertende Messfunktion entspricht, kann durch Steigerung der Anzahl von Stützstellen die Genauigkeit bei der Ermittlung der Messfunktionen und damit auch die Messgenauigkeit erhöht werden. Andererseits steigt durch die Erhöhung der Anzahl unterschiedlicher Eingangspolarisationszustände der Zeitaufwand für Messung und Auswertung.
Im Rahmen des Messverfahrens ist eine sehr einfach durchzuführende Kalibrierung des Messsystems möglich. Die Analyse kann so durchgeführt werden, dass sich die für die Doppelbrechung relevanten zweiwelligen Anteile additiv und mit exakt gleichen Ausdrücken aus den zu messenden Doppelbrechungsparametern (insbesondere Betrag der Doppelbrechung und Orientierung der Doppelbrechung des Messobjekts) und den durch das Messsystem erzeugten Störgrößen zusammensetzen, zu denen insbesondere Doppelbrechungsbeiträge von Verzögerungselementen und Analysatoren des Messsystems zählen. Der einfache additive Zusammenhang zwischen den interessierenden Messgrößen und den Störgrößen erlaubt eine zuverlässige Trennung zwischen der zu messenden Doppelbrechung und den Störgrößen, da in diesem Fall die Bestimmung eines durch das Messsystem selbst erzeugten Doppelbrechungsanteils (Messsystem-Offset) durch Messung ohne Messobjekt bei ansonsten gleichem Messverfahren möglich ist.
Eine einfache Addition der relevanten zweiwelligen Anteile ist nach einer Linearisierung der die Zusammenhänge beschreibenden Formeln mittels Taylor-Entwicklung möglich. Daher eignet sich die einfache Auswertung besonders für die exakte Bestimmung kleiner Doppelbrechungswerte. Die Signalauswertung kann komplexer werden, wenn auch größere Doppelbrechungswerte mit hoher Genauigkeit bestimmt werden sollen.
Dementsprechend wird bei einer Verfahrensvariante eine Ermittlung eines auf Komponenten des Messsystems zurückgehenden Systemanteils der Doppelbrechungsparameter mit folgenden Schritten durchgeführt:
Durchführung einer Messung ohne Messobjekt im Messstrahlengang derart, dass der zu analysierende Ausgangspolarisationszustand dem Eingangspolarisationszustand entspricht;
Normierung des Sinus-Anteils A2_A02(α) der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) und des Kosinus-Anteils B2_ A02(α) der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) auf den Offset-Terms A0_A01(α) für die Messung mit dem Messobjekt im Messstrahlengang zur Ermittlung eines normierten Gesamt-Messsignals;
Normierung des Sinus-Anteils A2_A02(α) der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) und des Kosinus-Anteils B2_A02(α) der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) auf den Offset-Terms A0_A01(α) für die Messung ohne das Messobjekt im Messstrahlengang zur Ermittlung eines normierten Systemanteils des Gesamt-Messsignals;
Abziehen des normierten Systemanteils vom normierten Gesamt-Messsignal.
Das Messverfahren eignet sich für die Messung der Doppelbrechung von einzelnen optischen Komponenten oder anderen Einzelproben und für die Messung an optischen Systemen, die mindestens zwei optische Komponenten enthalten, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung des optischen Systems nacheinander durchstrahlt werden. Bei den optischen Komponenten kann es sich um einzelne optische Elemente, beispielsweise um eine Linse, eine transparente Platte, ein diffraktives optisches Elementen, eine diffraktive oder refraktive Rasteranordnung mit einer Vielzahl gleichzeitig zu durchstrahlender Einzelelemente oder anderes handeln. Auch Spiegel als Messobjekte sind möglich. Hier kann z. B. eine durch Verspannung von dielektischen Schichten induzierte Doppelbrechung gemessen werden. Ein entsprechender Messaufbau hat in der Regel eine geeignete Strahlumlenkung. Eine optische Komponente kann mehrere einzelne optische Elemente umfassen, die zu einer funktionellen Gruppe zusammengefasst sind und beispielsweise nach Art eines optischen Moduls gemeinsam in ein optisches System eingebaut oder ausgebaut werden können. Eine Variante des Messverfahrens erlaubt es, bei einem aus mehreren optischen Komponenten aufgebauten optischen System die Doppelbrechung im fertig montierten Zustand zu vermessen und dabei die Einzelbeiträge der einzelnen optischen Komponenten von einander zu trennen. Diese Verfahrensvariante umfasst folgende Schritte:
Durchführen einer ersten Messung, bei der der Messstrahl zunächst die erste optische Komponente und danach die zweite optische Komponente durchstrahlt; und
Durchführung einer zweiten Messung, bei der ein Polarisationszustand des Messstrahls nach Durchtritt durch die erste optische Komponente und vor Eintritt in die zweite optische Komponente gegenüber dem Polarisationszustand bei der ersten Messung um 90° gedreht wird.
Bei der ersten Messung dient in der Regel der Ausgangspolarisationszustand nach Durchtritt durch die erste Komponente unmittelbar als Eingangspolarisationszustand für die Durchstrahlung der zweiten optische Komponente, während bei der zweiten Messung der Ausgangspolarisationszustand nach Durchtritt durch die erste optische Komponente durch Erzeugung einer λ/2-Verzögerung vor Eintritt in die zweite optische Komponente verändert wird. Der Ausgangspolarisationszustand des Messstrahls nach Durchtritt durch die zweite optische Komponente wird in beiden Messungen in gleicher Weise analysiert und ausgewertet, um ein erstes Messergebnis (der ersten Messung) bzw. ein zweites Messergebnis (der zweiten Messung) zu erhalten. Der Beitrag der zuerst durchstrahlten ersten optischen Komponente findet sich in beiden Messergebnissen in identischer Weise wieder. Im Gegensatz dazu liefert die zweite optische Komponente unterschiedliche Beiträge zu den Messergebnissen, da die zweite optische Komponente mit zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen des Messstrahls durchstrahlt wird.
Da der Beitrag der ersten optische Komponente in beiden Messergebnissen der gleiche ist, kann durch die Bildung einer Differenz zwischen dem ersten Messergebnis und dem zweiten Messergebnis der Beitrag der ersten optische Komponente zu den Messergebnissen eliminiert werden, so dass eine Differenz der Messergebnisse nur die Doppelbrechungsanteile der zweiten optische Komponente und der Messvorrichtung enthält. Die Summe der Messergebnisse, d. h. die Summe der Zweiwelligkeiten der ersten Messung und der zweiten Messung, enthält dagegen nur die Information über die Doppelbrechung der zweiten optische Komponente, da sich aufgrund der zwischen den optischen Komponenten eingeführten 90°-Rotation des Polarisationszustandes die Beiträge der zweiten optische Komponente und auch der Systemanteil zumindest in erster Näherung gegeneinander aufheben.
Bei der mathematischen Beschreibung von doppelbrechenden Elementen oder von Manipulationen der Polarisation werden im Allgemeinen Matrizen (Jones-Matrizen oder Müller-Matrizen) verwendet, die multiplikativ zu behandeln sind. Durch die Linearisierung und geeignete Zusammenfassung der die Doppelbrechung beschreibenden mathematischen Ausdrücke kann die Weiterverarbeitung durch ein additives Verfahren ersetzt werden. Dieses erlaubt die Addition der Doppelbrechungsanteile der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente.
Da zur Durchführung der beiden unterschiedlichen Messungen lediglich ein geeigneter Polarisationsrotator zwischen die erste Komponente und die zweite Komponente eingeführt bzw. aus dieser Zwischenposition entfernt werden muss, ist eine Messung der Doppelbrechungsbeiträge der ersten und zweiten optischen Komponente auch möglich, wenn diese bereits fest in derjenigen relativen Konfiguration montiert sind, in der sie im Rahmen eines gesamten optischen Systems benutzt werden. Es ist somit keine Demontage eines komplexen optischen Systems zur Bestimmung der Doppelbrechungsanteile einzelner seiner optischen Komponenten erforderlich.
Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass der Doppelbrechungsbeitrag der ersten optischen Komponente nach Durchführung der beiden Messungen auch ohne vorherige Kalibration des Messgeräteanteils exakt bestimmt werden kann, da dieser bei der Differenzbildung in erster Näherung verschwindet.
In analoger Weise ist es auch möglich, exakte Messergebnisse zu erzielen, ohne vorher die Messvorrichtung zu kalibrieren. Wie bereits erläutert, führt die Ermittlung der Summe der Zweiwelligkeiten aus der ersten Messung und der zweiten Messung wegen der bei einer der Messungen eingeführten 90°-Drehung des Polarisationszustands relativ zur ersten Messung dazu, dass der Systemanteil aus dem Messsignal eliminiert werden kann. Dies ist anschaulich verständlich, da er bei der ersten Messung positiv und bei der zweiten Messung (mit um 90° gedrehten Polarisationszustand) mit umgekehrten Vorzeichen in das Messergebnis eingeht. Die Summenbildung führt somit zu einer Eliminierung des Systemanteils. Dieser Effekt kann für eine in erster Näherung „kalibrationsfreie” Messung der gesamten Messoptik genutzt werden. Eine entsprechende Verfahrensvariante umfasst folgende Schritte:
Durchführung einer ersten Messung, bei der der Messstrahl nach Durchtritt durch das Messobjekt ohne weitere Polarisationsveränderung in die Detektorseite des Messsystems eintritt;
Durchführung einer zweiten Messung, bei der nach Durchtritt des Messstrahls durch das Messobjekt und vor Eintritt des Messstrahls in einen detektorseitigen Teil des Messsystems der Polarisationszustand des Messstrahls um 90° gedreht wird;
gemeinsame Auswertung der ersten Messung und der zweiten Messung.
Im Allgemeinen können die Doppelbrechungsbeiträge unterschiedlicher Komponenten oder Baugruppen im Messstrahlengang bei manchen Verfahrensvarianten mit Hilfe folgender Verfahrensschritte voneinander separiert werden:
Durchführung einer ersten Messung zur Ermittlung erster Doppelbrechungsparameter;
Durchführung einer zweiten Messung zur Ermittlung zweiter Doppelbrechungsparameter, wobei bei der zweiten Messung der Polarisationszustand des Messstrahls relativ zum Polarisationszustand des Messstrahls der ersten Messung durch Einführung eines Polarisationsrotators in den Messstrahl oder durch Entfernen eines Polarisationsrotators aus dem Messstrahl in einen Polarisationsdrehabschnitt gegenüber dem entsprechenden Polarisationszustand des Messstrahls bei der ersten Messung um 90° gedreht wird;
gemeinsame Auswertung der ersten Doppelbrechungsparameter und der zweiten Doppelbrechungsparameter.
Die gemeinsame Auswertung kann die Ermittlung einer Summe zwischen den zweiwelligen Anteilen der Messfunktion der ersten Messung und zweiten Messung und/oder die Ermittlung einer Differenz zwischen den zweiwelligen Anteilen der Messfunktion der ersten und der zweiten Messung umfassen.
Im Ergebnis der Summenbildung sind jeweils nur die Doppelbrechungsbeiträge aller optischen Elemente im Messstrahlengang zwischen Messlichtquelle und dem Polarisationsdrehabschnitt enthalten, da sich die Beiträge aller optischen Komponenten, die sich in Durchstrahlungsrich tung hinter dem Polarisationsdrehabschnitt befinden, bei der Summenbildung in erster Näherung aufheben.
Das Resultat der Differenzbildung enthält dagegen in erster Näherung nur die Doppelbrechungsanteile derjenigen optischen Komponenten und Bauteile, die sich zwischen dem Polarisationsdrehabschnitt und der Detektorseite des Messsystems befinden, da der Anteil der zwischen Lichtquelle und Polarisationsdrehabschnitt liegenden Elemente und Komponenten bei beiden Messungen idealerweise gleich ist und daher durch die Differenzbildung verschwindet.
Wenn sich der Polarisationsdrehabschnitt zwischen dem Messobjekt und einem detektorseitigen Bauteil des Messsystems befindet, kann beispielsweise durch die Summenbildung der Systemanteil des Messergebnisses eliminiert werden, so dass eine gesonderte Kalibration der Messvorrichtung entfallen kann.
Wenn das Messobjekt mehrere in Durchstrahlungsrichtung hintereinander angeordnete optische Komponenten enthält und der Polarisationsdrehabschnitt zwischen einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente liegt, so können entsprechend die Doppelbrechungsbeiträge der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente von einander separiert werden.
Im Rahmen eines Messzyklus können an unterschiedlichen Stellen des Messstrahlenganges ein oder mehrere 90°-Polarisationsrotatoren optional in den Strahlengang eingebracht bzw. aus dem Messstrahlengang entfernt werden, um durch wenige Messungen mit optional eingeführten oder entfernten 90°-Polarisationsrotatoren exakte Messdaten zu den Einzelbeiträgen unterschiedlicher Komponenten oder Komponentengruppen des Messobjekts und auch zu den Beiträgen des Messsystems zu erhalten.
Ein 90°-Polarisationsrotator kann beispielsweise eine Platte aus optisch aktivem (zirkular doppelbrechendem) Material aufweisen, z. B. aus kristallinem Quarz (SiO₂). Mit solchen Elementen können auch bei großem optisch nutzbarem Durchmesser, beispielsweise optischen Durchmessern von 100 mm oder mehr, oder 150 mm oder mehr, oder 200 mm oder mehr, die gewünschten Polasisationsrotationen sehr exakt eingestellt werden, da die mechanischen Toleranzen zur Erzielung einer gewünschten 90°-Drehung des Polarisationszustandes im Mikrometerbereich liegen können, um Rotationsgenauigkeiten von weniger als 1° zu erreichen. Mechanisch stabile und auch für größere Durchmesser geeignete Polarisationsrotatoren können auch aus intrinsisch doppelbrechendem Kristallmaterial, beispielsweise Kalziumfluorid oder Bariumfluorid, hergestellt werden, bei denen eine kristallografische <110>-Richtung im Wesentlichen parallel zur Durchstrahlungsrichtung orientiert ist. Da die absoluten Werte der intrinsischen Doppelbrechung bei diesen Materialien relativ gering sind, können solche Elemente eine für die mechanische Stabilität und die Fertigungsgenauigkeit günstige, relativ große Dicke haben. Verzögerungselemente nullter Ordnung sind hier vorteilhaft, um eine möglichst große Winkeltoleranz zu erhalten. Es ist auch möglich, dass ein 90°-Polarisationsrotator zwei unter 45° relativ zueinander orientierte λ/2-Platten niedriger Ordnung aufweist. Die optischen Kristallachsen der gegeneinander verdrehten Verzögerungsplatten stehen dabei im Wesentlichen senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung beziehungsweise senkrecht zur optischen Achse des Messsystems.
Die Messgenauigkeit des Messverfahrens kann durch Intensitätsschwankungen des verwendeten Messlichts beeinträchtigt werden. Um den Einfluss von Intensitätsschwankungen der Messlichtquelle auf die Genauigkeit der Messung möglichst gering zu halten, erfolgt bei manchen Varianten des Verfahrens eine zeitabhängige Erfassung eines Referenz-Intensitätssignals, welches proportional zur Intensität des von ei ner Messlichtquelle abgegebenen Messlichtes ist, und eine Normierung des Polarisations-Messsignals auf das Referenz-Intensitätssignal zur Ermittlung von normierten Polarisations-Messsignalen. Der Begriff „Polarisations-Messsignal” bezeichnet hierbei das durch die Messung ermittelte Nutzsignal, aus dem sich die zu analysierende Messfunktion ableitet. In der Regel ist dies ein elektrisches Signal, welches proportional zur Intensität der auf einen optoelektronischen Wandler eintreffenden Messstrahlung ist.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise vorgesehen sein, den Messstrahl, dessen Polarisationseigenschaften bestimmt werden sollen, durch einen Polarisationsstrahlteiler oder ein anderes, weitgehend polarisationserhaltendes und polarisationsselektiv reflektierendes Element aufzuspalten, so dass ein durchgehender (nicht reflektierter) Anteil mit einer Polarisationsmessoptik und angeschlossenem Sensor gemessen werden kann. Der reflektierte Teil kann in einem Referenzzweig auf einen zweiten Sensor geleitet werden, der als Referenzsensor dient und ein Referenz-Intensitätssignal erzeugt, welches proportional zur Intensität des von der Messlichtquelle abgegebenen Messlichtes ist. Dieses Referenz-Intensitätssignal kann zur Energiereferenzierung dienen, um die auf Intensitätsschwankung der Messlichtquelle zurückgehenden Messfehler zu verkleinern. Durch die polarisationsselektive Teilung der Messstrahlung vor der Messung kann es zur Beeinflussung des Polarisationszustandes kommen, der eigentlich gemessen werden soll. Daher ist gegebenenfalls eine besondere Kalibrierung für diesen Effekt erforderlich. Weiterhin wird neben dem Messsensor ein weiterer Sensor zur Erfassung des Referenz-Intensitätssignals benötigt.
Eine besondere Variante des Verfahrens vermeidet diese Nachteile. Diese Verfahrensvariante umfasst folgende Schritte:
Aufteilen des Messstrahles in einen linear polarisierten ersten Teilstrahl mit einer ersten Intensität und einen senkrecht zum ersten Teilstrahl linear polarisierten zweiten Teilstrahl mit einer zweiten Intensität;
Führen des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls entlang von polarisationsoptisch im Wesentlichen gleichen Strahlwegen auf räumlich getrennte erste und zweite Sensorzonen einer Sensorfläche eines Intensitätssensors zur Erzeugung eines der ersten Intensität proportionalen ersten Intensitätssignals und eines der zweiten Intensität proportionalen zweiten Intensitätssignals; und
Verarbeiten des ersten Intensitätssignals und des zweiten Intensitätssignals zu einem Kombinationssignal.
Der Ausdruck „entlang von polarisationsoptisch im Wesentlichen gleichen Strahlwegen” bezieht sich hierbei auf die polarisationsoptische Äquivalenz der Strahlwege. Strahlwege sind in diesem Sinne „polarisationsoptisch im Wesentlichen gleich”, wenn die Teilstrahlen entlang ihrer jeweiligen Strahlwege jeweils keine oder jedenfalls annähernd die gleichen oder einander entsprechende Änderungen der Polarisation durch eventuelle polarisationsbeeinflussende Elemente im System erfahren. Die Strahlwege können geometrisch sehr nahe beieinander liegen, so dass Teilstrahlen z. B. im Wesentlichen die gleichen Materialvolumina durchtreten. Die Strahlwege können geometrisch auch unterschiedlich sein, wobei z. B. einer der Teilstrahlen ein- oder mehrfach an Spiegelflächen gefaltet sein kann. Ein Teilstrahl kann gegenüber dem anderen ggf. auch um genau eine Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge phasenverzögert sein.
Der in seiner Intensität gegebenenfalls schwankende Messstrahl kann also derart aufgeteilt werden, dass beide Teilstrahlen gleichzeitig auf verschiedene, räumlich voneinander getrennte Orte bzw. Zonen ein- und desselben Sensors treffen und während einer Polarisationsmessung dort hinsichtlich ihrer Intensität ausgewertet werden. Die beiden Teil strahlen können derart zwischen dem Aufteilungsort und der Sensorfläche geführt werden, dass sie keine oder jedenfalls annähernd die gleichen Änderungen der Polarisation durch eventuelle polarisationsbeeinflussende Elemente im System erfahren, so dass sie an der Detektorseite des Messsystems immer noch annähernd zueinander orthogonal polarisiert eintreffen. Unter diesen Bedingungen ist die Summe des ersten Intensitätssignals und des zweiten Intensitätssignals zu jedem Zeitpunkt proportional zur eingangsseitigen Intensität des von der Messlichtquelle emittierten Messstrahls und kann somit als Referenz-Intensitätssignal genutzt werden. Dementsprechend umfasst eine Verfahrensvariante die Bildung eines Intensitäts-Referenzsignales unter Verwendung der Summe des ersten Intensitätssignals und des zweiten Intensitätssignals.
Alternativ kann eine Bildung eines Kombinationssignals unter Verwendung eines Verhältnisses zwischen dem ersten Intensitätssignal und dem zweiten Intensitätssignal durchgeführt werden. Ist nämlich die Orientierung eines für die Messstrahlaufspaltung genutzten doppelbrechenden Elementes in Bezug auf ein Koordinatensystem des Messobjektes bekannt, so kann aus dem Verhältnis der beiden Intensitäten in den ersten und zweiten Sensorzonen auf die Polarisationsanteile in Richtung der Polarisation des ordentlichen Strahls und des außerordentlichen Strahls geschlossen werden.
Der Messstrahl kann beispielsweise mit einem doppelbrechenden Element in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen (ordentlicher Strahl und außerordentlicher Strahl) aufgeteilt werden. Es ist auch möglich, den Messstrahl mit Hilfe eines polarisationsselektiv wirkenden Polarisationsstrahlteilers in einen Teilstrahl mit p-Polarisation und einen Teilstrahl mit s-Polarisation aufzuteilen und beide Teilstrahlen dann auf unterschiedliche, nicht überlappende Bereiche der gleichen Sensorfläche zu lenken
Die Aufteilung des Messstrahls kann in Lichtlaufrichtung vor oder nach dem Messobjekt erfolgen. Es ist möglich, ein Strahlaufteilungselement (z. B. ein doppelbrechendes Element oder einen Polarisationsstrahlteiler) in unmittelbarer Nähe zur Sensorfläche einer Detektoreinheit innerhalb der Detektoreinheit unterzubringen.
Die hier beschriebenen und weiter unten im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen näher erläuterten Verfahren und Einrichtungen zur Energiereferenzierung können vorteilhaft bei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Messverfahren und Messsysteme genutzt werden. Sie sind jedoch auch unabhängig von diesen Messverfahren und Messsystemen bei anderen Messverfahren und Messsystemen nutzbar, beispielsweise bei anderen Polarisationsmessverfahren und Polarisationsmesssystemen, die nicht zwingend der Bestimmung der Doppelbrechung dienen müssen. Beispielsweise kann die Energiereferenzierung bei Polarisationsmessverfahren und -systemen eingesetzt werden, die für die Messung der polarisationsabhängigen Transmission (Diattenuation) ausgelegt sind.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei Ausführungsformen der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Ausführungsform eines Messsystems zur Messung der Doppelbrechung eines Messobjekts;
2 zeigt in 2A schematische Darstellungen von Polarisationszuständen innerhalb der Detektoreinheit und in 2B den relativen Intensitätsverlauf als Funktion der Drehstellung der λ/4-Platte der Detektoreinheit bei einer vollen Drehung der λ/4-Platte bei zirkular polarisiertem Eingangspolarisationszustand;
3 zeigt in 3A schematische Darstellungen von Polarisationszuständen innerhalb der Detektoreinheit und in 2B den relativen Intensitätsverlauf als Funktion der Drehstellung der λ/4-Platte der Detektoreinheit bei einer vollen Drehung der λ/4-Platte bei linear polarisiertem Eingangspolarisationszustand;
4 zeigt in 4A bis 4C schematische Darstellungen der Abhängigkeit des Ausgangspolarisationszustandes von einem Eingangspolarisationszustand, wenn sich ein doppelbrechendes Messobjekt im Messstrahlengang befindet, in 4D schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausgangspolarisationszustände bei gleichem Eingangspolarisationszustand in Abhängigkeit von der Drehstellung der λ/4-Platte, und in 4E eine schematische Darstellung von Polarisationszuständen innerhalb des Messsystems bei verschiedenen Drehstellungen einer nicht-idealen λ/2-Platte zur Einstellung des Eingangspolarisationszustandes;
5 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit der mittleren erwarteten Abweichung ΔBR der Doppelbrechung von einem Sollwert als Funktion des Absolutwertes BR der Doppelbrechung bei 0°-Orientierung der Doppelbrechung;
6 zeigt ein Diagramm der mittleren erwarteten Messfehler ΔORI für die Orientierung der Doppelbrechung bei einem Absolutwert der Doppelbrechung von 4 nm als Funktion einer vorgegebenen Orientierung der Doppelbrechung;
7 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit einer mittleren erwarteten Abweichung ΔBR der Doppelbrechung von einem Sollwert von der Orientierung ORI der Doppelbrechung der Probe;
8 zeigt schematisch zwei Messkonfigurationen eines Messverfahrens zur Messung von Messobjekten mit zwei hintereinander geschalteten optischen Komponenten, wobei bei einer der Messungen zwischen den optischen Komponenten eine Drehung des Polarisationszustandes um 90° gegenüber der anderen Messung vorgenommen wird;
9 bis 11 zeigen unterschiedliche Messkonfigurationen einer Messprozedur für eine im Wesentlichen nicht von Fehlern des Messsystems abhängige Messung kleiner Doppelbrechungsbeiträge eines mehrkomponentigen Messobjektes unter Verwendung von optional in den Messstrahlengang einfügbaren 90°-Polarisationsrotatoren;
12 zeigt eine Ausführungsform einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit Komponenten eines integrierten Messsystems zur Messung der Doppelbrechung;
13 zeigt verschiedene Baugruppen des Beleuchtungssystems der Projektionsbelichtungsanlage aus 12;
14 zeigt schematisch die Abhängigkeit der relativen Intensität I in der Pupillenfläche eines Beleuchtungssystems vom Ort X zu unterschiedlichen Zeitpunkten;
15 zeigt in 15A schematisch den Aufbau und die Funktion einiger Komponenten des Messsystems zur Überwachung von Intensi tätsschwankungen der primären Lichtquelle zum Zwecke der Energiereferenzierung, in 15B die zeitliche Schwankung der Intensität der primären Lichtquelle, und in 15C die zeitlichen Schwankungen der Intensitäten für zwei nebeneinander liegende Beleuchtungsflecke, die durch orthogonal zueinander polarisierte Teilstrahlen erzeugt werden;
16 zeigt einen Ausschnitt der in 13A schematisch gezeigten Pupillenformungseinheit eines Beleuchtungssystems mit einem doppelbrechenden Strahlaufteilungselement zur Erzeugung paarweise orthogonal polarisierter Teilstrahlen aus Teilstrahlen eines Strahlbündels;
17 zeigt in 17A schematischen Aufbau einer Detektoreinheit eines Polarisationsmesssystems mit einem integrierten Strahlaufteilungselement zur Erzeugung zweier orthogonal zueinander polarisierter Teilstrahlen für eine Energiereferenzierung sowie in 17B und 17C verschiedene Anordnungen unmittelbar nebeneinander liegender Beleuchtungsflecke von senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen; und
18 zeigt schematisch einige Komponenten einer Detektoreinheit mit einem integrierten Strahlaufteilungselement zur Erzeugung senkrecht zueinander polarisierter Teilstrahlen für eine Energiereferenzierung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Ausführungsform eines Messsystems MS zur Messung der Doppelbrechung eines Messobjekts MO, das im Beispielsfall mehrteilig aufgebaut ist und eine erste Komponente CO1 sowie eine in Durchstrahlungsrichtung dahinter angeordnete zweite Komponente CO2 umfasst, die gemeinsam in einer Messobjekt-Halteeinrichtung MH in der Weise gehalten sind, wie sie auch beim bestimmungsgemäßen Gebrauch eines die beiden Komponenten enthaltenden optischen Systems relativ zueinander angeordnet sind. Das Messsystem umfasst eine Strahlerzeugungseinheit BG zum Erzeugen eines auf das Messobjekt gerichteten Messstrahls, der bei Eintritt in das Messobjekt einen definierten Eingangspolarisationszustand haben soll, sowie eine Detektoreinheit DET zum Erfassen von Polarisationseigenschaften des Messstrahls nach Durchtritt durch das Messobjekt bzw. bei Eintritt in die Detektoreinheit. Wenn sich ein Messobjekt im Messstrahlengang befindet, erzeugt die Detektoreinheit bei der Messung Polarisationsmesswerte, die den Ausgangspolarisationszustand des Messstrahls nach Durchtritt durch das Messobjekt repräsentieren. Eine an die Detektoreinheit angeschlossene Auswerteeinheit EU dient zum Auswerten der Polarisationsmesswerte und zur Ermittlung mindestens eines die Doppelbrechung des Messobjekts repräsentierenden Doppelbrechungsparameters. Im Beispielsfall erlauben die ermittelten Doppelbrechungsparameter eine exakte Bestimmung des Ausmaßes bzw. des Betrages der vom Messobjekt erzeugten Doppelbrechung sowie der Orientierung dieser Doppelbrechung relativ zu einem Referenzkoordinatensystem. Die Auswerteeinheit EU kann in die Steuereinheit CU des Messsystems integriert sein.
Die Strahlerzeugungseinheit BG umfasst eine Messlichtquelle LS in Form eines ArF-Excimer-Lasers, der einen linear polarisierten Laserstrahl mit einer nominalen Wellenlänge von ca. λ = 193 nm emittiert, sowie einen ersten Polarisationsrotator R1 in Form einer Halbwellenlängeplatte (λ/2-Platte), die mittels einer ersten Steuereinrichtung CR1 in definierten Drehwinkelschritten um die optische Achse OA des Messsystems gedreht werden kann. Mit Hilfe der Kombination aus Messlichtquelle LS und erstem Polarisationsrotator R1 kann ein linear polarisierter Messstrahl mit einer parallel zum Schwingungsvektor des elektrischen Feldes orientierten Polarisationsrichtung erzeugt werden, deren Orientierung durch Drehung des Polarisationsrotators R1 mit hoher Genauigkeit in jede beliebige Drehwinkelstellung gebracht werden kann. Der Begriff „Polarisationsrotator” im Zusammenhang mit der Halbwellenlängenplatte R1 bezeichnet allgemein ein die Polarisationsrichtung drehendes optisches Element.
Weiterhin umfasst das Messsystem der Ausführungsform einen zweiten Polarisationsrotator R3, der als 90°-Polarisationsrotator dazu ausgelegt ist, den Polarisationszustand des hindurchtretenden Lichts um 90° zu drehen. Der 90°-Polarisationsrotator R3 weist eine 90°-Rotatorplatte aus optisch aktivem Material auf, die mit Hilfe einer zugeordneten Steuereinrichtung CR3 wahlweise in den Messstrahlengang eingeführt oder aus dem Messstrahlengang entfernt werden kann. Dieser 90°-Polarisationsrotator ist im Bereich der Messobjekt-Halteeinrichtung angeordnet und kann insbesondere zwischen zwei Komponenten CO1 und CO2 eines Messobjekts geschoben werden, um Messungen der Doppelbrechung mit unterschiedlichen Messkonfigurationen zu ermöglichen. Details werden weiter unten noch näher erläutert.
Weiterhin umfasst das Messsystem der Ausführungsform einen dritten Polarisationsrotator R4 in Form einer 90°-Rotatorplatte aus optisch aktivem Material, die mit Hilfe einer zugeordneten Steuereinheit CR4 wahlweise unmittelbar vor der Detektoreinheit in den Messstrahlengang eingebracht oder aus dem Messstrahlengang entfernt werden kann. Dieser 90°-Polarisationsrotator kann insbesondere bei der Kalibrierung des Messsystems benutzt werden, was später noch näher erläutert wird.
Die Detektoreinheit DET hat eine lichtundurchlässige Maske M mit einem kleinen, für das Messlicht transparenten Bereich in Form eines „pinholes” PH, dessen Durchmesser deutlich größer ist als die Arbeitswellenlänge und beispielsweise im Bereich von 100 μm bis 300 μm lie gen kann. Das Pinhole PH bildet die Eintrittsöffnung der Detektoreinheit. Die Maske M ist in der vorderen Brennebene einer Positivlinse L angebracht, die aus einer oder mehreren Einzelllinsen bestehen kann. In der hinteren Brennebene dieser Linse befindet sich ein ortsauflösender Sensor SENS in Form eines CCD-Sensors, der in der Lage ist, Sensorsignale zu erzeugen, die der Intensität des auf den jeweiligen Ort der Sensorfläche auftreffenden Strahlung proportional sind. Zwischen der Linse L und dem Sensor ist ein drehbares Verzögerungselement R2 in Form einer Viertellängsplatte (λ/4-Platte) angeordnet, die mittels einer Steuereinheit CR2 für das Verzögerungselement um die optische Achse des Messsystems gedreht und dabei in definierte Drehwinkelstellungen gebracht werden kann. Zwischen dem λ/4-Verzögerungselement R2 und dem Sensor befindet sich ein Polarisationsstrahlteiler BS mit einer unter 45° zur optischen Achse liegenden polarisationsselektiven Strahlteilerfläche BSS. Der Polarisationsstrahlteiler fungiert in dieser Anordnung als Analysator. Dieser lässt von der durch die Linse L kollimierten und durch das Verzögerungselement R2 veränderten polarisierten Strahlung nur diejenigen Anteile zum Sensor SENS durch, die in Bezug auf eine durch die Einfallsrichtung und eine Flächennormale zur Strahlteilerfläche aufgespannten Einfallsebene p-polarisiert sind, d. h. deren elektrischer Feldvektor parallel zu dieser Einfallsebene schwingt. Die Anteile mit s-Polarisation (Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors senkrecht zur Einfallsebene) werden dagegen zur Seite reflektiert.
Die Detektoreinheit DET kann als Ganzes in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse OA des Messobjektes an vorgegebene Positionen verschoben werden, so dass das Pinhole PH an unterschiedlichen Orten relativ zur optischen Achse des Messobjekts angeordnet werden kann, um auf diese Weise eine ortsauflösende Messung des Polarisationszustandes zu ermöglichen. Die Detektoreinheit erlaubt darüber hinaus eine winkelauflösende Messung des Polarisationszustandes mit hoher Winkelauflösung von 1 mrad oder besser für alle Messpunkte, die durch Platzierung des pinholes festgelegt werden können. Alternativ können als Detektoren auch pyroelektrische Sensoren oder Fotodioden verwendet werden.
Für ein besseres Verständnis wichtiger Aspekte der Erfindung wird im Folgenden die Funktionsweise einer Polarisationsmessung mit Hilfe einer solchen Detektoranordnung näher erläutert werden. Die Polarisation des durch das einhole hindurch tretenden und durch die Linse L kollimierten Lichts wird durch die drehbare λ/4-Platte gezielt geändert. Der Analysator, der hier als Polarisationsstrahlteiler ausgeführt ist, lässt nur p-Polarisation zum Sensor durch. In Abhängigkeit von der Drehstellung der λ/4-Platte ergibt sich auf dem Sensor ein Intensitätssignal, aus dem der Polarisationszustand des in die Detektoreinheit einfallenden Lichtbündels eindeutig bestimmt werden kann.
Für zirkular polarisiertes Eingangslicht registriert der Sensor den in 2B gezeigten relativen Intensitätsverlauf als Funktion der Drehstellung der λ/4-Platte nach einer 360°-Drehung. Unter der Voraussetzung einer idealen λ/4-Verzögerung ergibt sich eine reine Zweiwelligkeit des Messsignals, d. h. ein Messsignal mit einer Drehwinkelperiodizität von 180°. Man kann diese Symmetrie auch als zweiwellige oder zweizählige Azimuthalsymmetrie bezeichnen. Dies wird mit Blick auf 2A verständlich. 2A zeigt in den vier nebeneinander liegenden Teilbildern jeweils oben den zirkular polarisierten Eingangspolarisationszustand, darunter die Drehstellung der λ/4-Platte, symbolisiert durch die Orientierung der optischen Kristallachse, darunter die Polarisation des Strahls nach Durchtritt durch die λ/4-Platte und darunter diejenigen Polarisationskomponenten, die der Analysator (Strahlteilerwürfel) zum Sensor durchlässt. Dabei sind Tp und Ts die jeweiligen Transmissionen des Analysators für p-Polarisation bzw. s-Polarisation.
Das λ/4-Verzögerungselement wandelt zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht um. Die Orientierung des linear polarisierten Lichts ist von der Orientierung der optischen Kristallachse des Verzögerungselementes abhängig. Bei der 45°-Stellung des Verzögerungselementes liegt am Austritt des Verzögerungselementes nur p-Polarisation vor, was am Sensor ein maximales Signal erzeugt. Bei der um 90° winkelversetzten 135°-Stellung wird dagegen vom Verzögerungselement nur s-Polarisation durchgelassen, die vom Analysator vollständig reflektiert wird, so dass sich am Sensor kein Intensitätssignal ergibt. Entsprechende Verhältnisse ergeben sich bei den um 180° verschobenen Winkelstellungen, so dass sich bei einer vollen Drehung des Verzögerungselementes eine reine Zweiwelligkeit des Messsignals ergibt.
Anhand 3 werden die entsprechenden Fälle für linear polarisiertes Eingangslicht dargestellt. Dabei zeigt 3A in den vier nebeneinander liegenden Teilbildern jeweils oben den linear polarisierten Eingangspolarisationszustand, darunter die Drehstellung der λ/4-Platte, darunter die Polarisation des Strahls nach Durchtritt durch die λ/4-Platte und darunter diejenigen Polarisationskomponenten, die der Analysator (Polasirationsstrahlteiler) zum Sensor durchlässt. Es ist erkennbar, dass sich die Intensitätsverteilung für linear polarisiertes Licht bereits nach einer 90°-Drehung des λ/4-Verzögerungselementes wiederholt, so dass sich die in 3B schematisch gezeigte Vierwelligkeit des Signals ergibt.
Anhand von 4 werden nun weiterführende Überlegungen erläutert, welche verschiedene Situationen zeigen, in denen sich ein doppelbrechendes Messobjekt MO im Messstrahlengang befindet. Dabei erläutern die Figuren schematisch die Entstehung und Änderung eines zweiwelligen Anteils in dem vom Detektor erzeugten Messsignal in Abhängigkeit von der Eingangspolarisation des in das Messobjekt eintretenden Messstrahls. Hierzu zeigt 4A einen idealisierten Fall, bei dem die Eingangspolarisation IN perfekt linear ist. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines Kristallpolarisators (z. B. Rochon-Prisma) erreicht werden. Die Doppelbrechung des Messobjekts MO führt zu einem leicht elliptischen Ausgangspolarisationszustand OUT. Entsprechend dem Umstand, dass vollständig zirkular polarisiertes Licht ein rein zweiwelliges Messsignal ergibt, während vollständig linear polarisiertes Licht ein rein vierwelliges Messsignal ergibt, ergibt sich für den Fall einer leicht elliptischen Ausgangspolarisation ein Messsignal, welches einen relativ starken vierwelligen Anteil (resultierend aus der linearen Eingangspolarisation) und einen relativ dazu schwachen zweiwelligen Anteil (resultierend aus der leichten Elliptizität des Polarisationszustandes aufgrund der Doppelbrechung des Messobjektes) hat.
Ist die Eingangsstrahlung nicht vollständig linear polarisiert (4B, 4C), weil beispielsweise der Polarisationsrotator R1 keine perfekte λ/2-Verzögerung erzeugt, ergibt sich bei der Ausgangspolarisation OUT nach Durchtritt durch das doppelbrechende Messobjekt ein starker elliptisch polarisierter Polarisationszustand als im Fall von 4A, so dass das Messsignal wiederum aus einem starken vierwelligen Anteil und einem relativ dazu schwachen zweiwelligen Anteil besteht, welcher jedoch stärker ist als im Fall ideal linearer Eingangspolarisation (4A).
Unter diesen Umständen folgt bei einer ersten Stellung der λ/2-Platte (z. B. +45° relativ zu einer x-Achse eines Koordinatensystems des Messsystems) bei Eingangspolarisation in dieser x-Richtung nach der λ/2-Platte und vor dem Messobjekt z. B. leicht rechts elliptisch polarisiertes Licht. Dreht man dagegen die λ/2-Platte auf –45°, dann wird wiederum elliptisch polarisiertes Licht erzeugt, welches aber in diesem Fall links zirkular polarisiert ist (vgl. 4D, wo die elliptisch polarisierten Zustände mit OUT bezeichnet sind).
Im erstgenannten Fall sollen sich die Elliptizitäten der λ/2-Platte und des doppelbrechenden Messobjekts gegenseitig verstärken zu stärker ellip tisch polarisiertem Licht (4B), während sie sich im anderen Fall (andere Drehstellung der λ/2-Platte) zumindest teilweise gegenseitig kompensieren, so dass der Ausgangspolarisationszustand näher bei einem ideal linear polarisierten Zustand liegt (4C).
Damit ist der mit der Detektoreinheit erfasste zweiwellige Anteil im Messsignal im Fall ideal linear polarisierter Eingangspolarisation (4A) stärker als im Fall leicht elliptischer Eingangspolarisation (4B, C), woraus ersichtlich ist, dass der Betrag bzw. der Wert der Zweiwelligkeit als Funktion der Drehstellung der λ/2-Platte der Strahlerzeugungseinheit sich nach 180° wiederholt. Daraus wiederum folgt, dass die eigentlich gesuchte Information über die Doppelbrechung des Messobjekts in der Zweiwelligkeit der Zweiwelligkeit des Messsignals liegt.
Um dies noch weiter zu erläutern, zeigt 4E eine Darstellung, die veranschaulicht, dass eine eventuelle Fehlverzögerungen (Verzögerungsfehler) der zur Einstellung der Eingangspolarisation verwendeten, drehbaren λ/2-Platte keine Zweiwelligkeit im A2-Signal erzeugt, sondern eine Einwelligkeit, so dass anhand der Analyse der Zweiwelligkeit unterschieden werden kann, ob ein Beitrag vom Messobjekt oder von der zum Messsystem gehörenden λ/2-Platte herrührt. Die Darstellung in 4E stellt die Verhältnisse bei einem Messsystem ohne Messobjekt dar, bei dem die lineare Polarisation (Bezeichnung IN) der Lichtquelle durch Drehung einer realen (d. h. mit Fehlern behafteten) λ/2-Platte verändert wird, um einen Ausgangspolarisationszustand (OUT) zu erzeugen. Die Drehstellung der λ/2-Platte ist durch Linien unterschiedlicher Orientierung symbolisiert. Die Teilfiguren zeigen von links nach rechts unterschiedliche Drehstellungen und zugehörige nominelle Ausgangspolarisationszustände zwischen 0° und 360°. Der Ausgangspolarisationszustand für 0° ergibt sich gemäß der linken Teilfigur dadurch, dass die Polarisationsrichtung des einfallenden Strahles parallel zur optischen Kristallachse OA der λ/2-Platte verläuft, so dass keine Verzögerungswirkung entsteht. Bei zunehmender Schrägstellung der optischen Kristallachse ist der Ausgangspolarisationszustand aufgrund der Fehlverzögerung der λ/2-Platte nicht exakt linear, sondern leicht elliptisch, was bei den Ausgangspolarisationszuständen bei 45° und 90° ersichtlich ist. Bei der 90°-Stellung der λ/2-Platte liegt wieder ein linear polarisierter Ausgangspolarisationszustand vor, der gegenüber der links gezeigten ersten Stellung um 180° gedreht ist. Bei weiterer Drehung der λ/2-Platte treten nun symmetrisch zur 180°-Situation wieder elliptisch polarisierte Ausgangspolarisationszustände auf, die jedoch gegenüber den Polarisationszustand zwischen 0° und 180° eine entgegengesetzte Händigkeit (chirality) haben Bei der in dieser Anmeldung eingeführten Notation drückt sich eine Umkehr der Händigkeit der Polarisation als Vorzeichenwechsel beim Zweiwelligkeitssignal A2 aus. Aufgrund des Wechsels der Händigkeit bei 180° (d. h. Wechsel zwischen rechts elliptisch polarisiert und links elliptisch polarisiert) ergibt sich im unten dargestellten A2-Signal (welches die Zweiwelligkeit repräsentiert) eine Einwelligkeit, also eine Wiederholung der gleichen Werte von A2 mit einer Periode von 360°. Die Doppelbrechung eines nachgeschalteten Messobjekts erzeugt dagegen eine Zweiwelligkeit in der Zweiwelligkeit, weil das Messobjekt nach einer 180°-Drehung in sich übergeht (180°-Symmetrie)
Im Folgenden wird beispielhaft dargestellt, auf welche Weise diese Erkenntnis zur präzisen Messung insbesondere kleiner Beträge von Doppelbrechung bei Ausführungsformen der Erfindung genutzt werden kann.
Das Messsystem ist dazu eingerichtet, den Eingangspolarisationszustand des Messstrahles in mindestens vier unterschiedliche Messzustände gemäß einer periodischen Modulationsfunktion eines Winkelparameters α zu modulieren, die zu den mindestens vier Messzuständen gehörenden Polarisationsmesswerte zu einer vom Winkelparameter α abhängigen Messfunktion zu verarbeiten, einen zweiwelligen Anteil die ser Messfunktion zu ermitteln und diesen dann zur Ableitung des mindestens eines Doppelbrechungsparameters zu analysieren.
Der Eingangspolarisationszustand wird im Beispielsfall dadurch erzeugt, dass die Messlichtquelle LS einen linear polarisierten Messstrahl erzeugt und die Polarisationsrichtung des Messstrahls mit Hilfe des ersten Polarisationsrotators R1 durch Drehen des Polarisationsrotators zwischen den Messungen verändert wird, so dass für die Messungen unterschiedliche Messorientierungen der linearen Eingangspolarisation vorliegen. Der Winkelparameter α entspricht in diesem Fall dem Drehwinkel des ersten Polarisationsrotators R1 in Bezug auf eine Referenzrichtung. Die Messfunktion wird aus dem elektrischen Ausgangssignal des Sensors SENS abgeleitet und ist daher bei der Konfiguration der Detektoreinheit DET der Intensität der auf den Sensor auftreffenden Messstrahlung proportional, kann also als Intensitätssignal bezeichnet werden.
Das Messverfahren und das Messsystem sind dafür eingerichtet, aus einer Fourier-Transformation des zweiwelligen Anteils des Messsignals des Sensors, welches sich in Abhängigkeit vom Drehwinkel des ersten Polarisationsrotators R1 ändert, die Werte für die Doppelbrechung des Messobjekts zu ermitteln. Dabei wird der zweiwellige Anteil A2(α), B2(α) als Funktion der eingestellten Orientierung α der Polarisation vor dem Messobjekt gemessen und anschließend mit Hilfe einer schnellen Fourier-Transformation (fast Fourier transformation, FFT) in α Fouriertransformiert.
Um die im Hinblick auf die Rechenzeit günstige schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwenden zu können, werden vor dem Messobjekt 2^N (mit N ≥ 2) linear polarisierte Messzustände in äquidistanten Drehwinkelabständen (360°/2^N) eingestellt und die Polarisation des Ausgangszustandes wird mit Hilfe der Detektoreinheit gemessen.
Im Folgenden wird erläutert, auf welche Weise die doppelbrechenden Eigenschaften des Messobjektes, insbesondere der Betrag der Doppelbrechung und die Orientierung der Doppelbrechung, aus dem Messsignal der Detektoreinheit ermittelt werden können. Folgende Parameter werden bei den nachfolgenden Darstellungen durchgängig verwendet:
Die Konfiguration des Messsystems für einzelne Messungen wird über folgende Parameter parameterisiert:

pL4:: Drehwinkel der λ/4-Verzögerungsplatte in der Detektoreinheit
α:: Messorientierung der Linearpolarisation des Messstrahls vor Eintritt in das Messobjekt (eingestellt über den ersten Polarisationsrotator R1).

Die gesuchten Größen sind:

PRdb:: Betrag der Doppelbrechung des Messobjekts
PRa:: Orientierung der Doppelbrechung des Messobjekts (wobei der Analysator der Detektoreinheit (z. B. Polarisationsstrahlteiler) das Koordinatensystem für die Referenzrichtung definiert.

Die Störungen im Messsystem werden durch folgende Parameter beschrieben:

LIdb:: Betrag der Doppelbrechung in der Linsengruppe L vor der λ/4-Platte der Detektoreinheit
LIa:: Orientierung der Doppelbrechung in der Linsengruppe L vor der λ/4-Platte der Detektoreinheit
PTdb:: Betrag der Doppelbrechung im Analysator der Detektor einheit (Polarisationsstrahlteiler)
PTa:: Orientierung der Doppelbrechung im Analysator der Detektoreinheit
Tsp:: Auslöschungsverhältnis des Analysators der Detektoreinheit, d. h. das Verhältnis der Transmissionen Ts und Tp für s- bzw. p-Polarisation an der Strahlteilerfläche des Polarisationsstrahlteilers. Je kleiner der Wert von Tsp ist, desto wirksamer ist der Analysator).
L4z:: Fehlverzögerung der λ/4-Platte in der Detektoreinheit

Weiterhin können Störungen bei der Einstellung der Eingangspolarisation auftreten, diese werden parametrisiert durch:

L2z:: Fehlverzögerung des ersten Polarisationsrotators (λ/2-Platte) zur Einstellung unterschiedlich orientierter linearer Polarisationszustände vor Eintritt in das Messobjekt, entsprechend Fehler bei der Orientierung der linearen Polarisation vor dem Messobjekt, parametrisiert durch Drehwinkel α

Bei einer Variante des Messverfahrens wird dann nach folgender Messvorschrift vorgegangen:
Für eine Serie von Messungen werden vor dem Messobjekt 2^N linear polarisierte Zustände (Messorientierungen) in äquidistanten Drehwinkelabständen (360°/2^N) eingestellt. Beispielsweise können acht lineare Polarisationszustände entsprechend folgender Orientierungen eingestellt werden: –135°, –90°, –45°, 0°, 45°, 90°, 135°, 180°.
Die zu diesen einzelnen Eingangspolarisationszuständen gehörenden Messsignale an dem Detektor ergeben eine vom Drehwinkel α abhängige Messfunktion, die in der Auswerteeinheit verarbeitet wird, um einen zweiwelligen Anteil der Messfunktion zu ermitteln und diesen dann zu analy sieren. Hierzu wird eine erste Fourier-Transformation der Messfunktion durchgeführt, um erste Fourier-Koeffizienten A0(α) und A2(α) zu ermitteln. Dabei sind die mit „A” bezeichneten A-Koeffizienten Sinusanteile der Messfunktion und die mit „B” bezeichneten B-Koeffizienten Cosinusanteile der Messfunktion. Der Koeffizient A0(α) beschreibt dabei einen Offset-Term, der einem Mittelwert nicht periodischer Anteile der Messfunktion entspricht, während der Koeffizient A2(α) ein erster Zweiwelligkeits-Koeffizient ist, der proportional zur Amplitude des zweiwelligen Anteils der Messfunktion ist.
Danach werden die Datensätze A0(α) und A2(α) bezüglich des Drehwinkelparameters α nochmals Fourier-transformiert. Es findet also eine zweifache Fourier-Transformation der periodischen Messfunktion statt. Aus der Fourier-Transformation von A0(α) wird ein zweiter Fourier-Koeffizient A0_A01(α) berechnet. Aus der Fourier-Transformation von A2(α) werden zweite Fourier-Koeffizienten A2_A02(α) und B2_A02(α) berechnet. In dieser Beschreibung bezeichnet A0_A01(α) einen Offset-Term, der einem Mittelwert nicht periodischer Anteile der Offset-Terms A0(α) beschreibt, A2_A02(α) einen sinus-Anteil der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) und B2_A02(α) ein cosinus-Anteil der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α).
Im Allgemeinen wird auch der B2(α)-Koeffizient erneut Fouriertransformiert, nämlich wenn die λ/4-Platte in der Detektoreinheit einen anderen Startwert hat. B2 ist nur dann = 0, wenn die optische Kristallachse der λ/4-Platte parallel oder senkrecht zur Durchlassrichtung des Polarisators in der Startstellung liegt.
Zur Klarstellung sei Folgendes noch erwähnt: Die erste Fourier-Transformation bezieht sich bei dieser Ausführungsform auf den Parameter pL4, der den Drehwinkel bzw. die Drehstellung der λ/4- Verzögerungsplatte in der Detektoreinheit beschreibt. Diese erste Fourier-Transformation wird für jede betrachtete Messorientierung (parametrisiert durch Winkelparameter α, eingestellt durch Drehung der λ/2-Platte (erster Polarisationsrotator)) ausgeführt. Die zweite Fourier-Transformation wird nur über die Resultate der ersten Fourier-Transformation als Funktion von α durchgeführt, also für den zweiwelligen Anteil von α. Die Fourierkoeffizienten A0(α) etc. sind die Resultate der ersten Fourier-Transformation an der jeweiligen Stelle α. Bei der Ausführungsform findet die erste Fourier-Transformation somit in der Detektoreinheit statt, die zweite Fourier-Transformation dagegen außerhalb davon.
Wird noch eine Taylorentwicklung bis zur ersten Ordnung vorgenommen, so ergibt diese Form der zweimaligen Fourier-Transformation der Messfunktion folgendes Resultat (Gleichungen (1) bis (3): A0_A01 = 12 + 12 TSP A2_A02 = –PRdbcos(PRa)2 + 12 PRdb – LIdbcos(LIa)2 + 12 LIdb B2_A02 = cos(PTa)sin(PTa)PTdb + PRdbcos(PRa)sin(PRa) + LIdbcos(LIa)sin(LIa)
Aus der zweiten Fourier-Transformation des Offset-Terms A0(α) folgt der Offset-Term A0_A01, der für eine Intensitätsnormierung des Messergebnisses verwendet werden kann. Aus der zweiten Fourier-Transformation des zweiwelligen Koeffizienten A2(α) folgt der zweiwellige Anteil A2_A02 und B2_A02, der die gesuchte Information über die Doppelbrechung des Messobjektes enthält.
Aus den Gleichungen (1) bis (3) ist ersichtlich, dass bei einer derartigen Durchführungen und Auswertung der Messung die Ergebnisse für die zweiten Fourierkoeffizienten nicht von den Fehlverzögerungen der zur Einstellung der Eingangspolarisation verwendeten λ/2-Platte (erster Polarisationsrotator) und der λ/4-Platte der Detektoreinheit abhängen. Dies zeigt, dass das Messverfahren gegen diese Fehler des Messsystems in erster Ordnung unempfindlich ist, wodurch die Genauigkeit für die eigentlich gesuchten Messwerte (Doppelbrechung des Messobjektes) erhöht wird.
Weiterhin ist ersichtlich, dass sich die zweiwelligen Anteile jeweils additiv und mit exakt gleichen Ausdrücken aus den zu messenden Größen (PRdb und PRa) und den im Messsystem vorhandenen Störgrößen (LIdb, LIa, PTdb, PTa) zusammensetzen. Speziell der letztgenannte Aspekt vereinfacht bei der Analyse eine Trennung zwischen den gesuchten Doppelbrechungsparametern (PTdb und PTa), die den Betrag und die Orientierung der Doppelbrechung des Messobjektes beschreiben, und den Störgrößen, die sich durch eventuelle polarisationsverändernde Eigenschaften von optischen Elementen der Detektoreinheit ergeben, speziell durch die Doppelbrechung der Linsengruppe L und des Polarisationsstrahlteilers BS, weil in diesem Fall die Bestimmung des Beitrags des Messsystems zum Messergebnis, der sogenannte Messsystemanteil oder Messgeräte-Offset, durch Messungen ohne Messobjekt und damit mit exakten dem gleichen Messverfahren möglich ist. Mit anderen Worten: Aus einer Durchführung einer Messserie nach der oben angegebenen Messvorschrift für die Doppelbrechung des Messobjektes, jedoch ohne Messobjekt im Messstrahlengang, können die störenden Doppelbrechungsbeiträge des Messsystems bestimmt und dadurch bei der Analyse berücksichtigt werden. Dies ist möglich, indem die zweiwelligen Koeffizienten A2_A20 und B2_B20 auf den Offset-Term A0_A01 normiert werden und die zuvor bestimmten und analog normierten Geräteanteile davon abgezogen werden. In diesem Fall folgt (Gleichungen (4) und (5)): (A2Mn – A2Gn)(12 + 12 Tsp) = –PRdbcos(PRa)2 + 12 PRdb (B2Mn – B2Gn)(12 + 12 Tsp) = PRdbcos(PRa)sin(PRa)
Dabei bezeichnet A2Mn = A2_A02/A0_A01 den normierten Messwert aus der Kombination von Messsystemen und Messobjekt, und A2Gn = A2_A02/A0_A01 bezeichnet die normierten Messwerte aus der Messung ohne Messobjekt, d. h. die normierten Messwerte des Messsystems allein, also mit PRdb = 0.
Bezeichnet man weiter die linke Seite der obigen Gleichung (4) mit „A” und die linke Seite der unteren Gleichung (5) mit „B”, dann folgt für die gesuchten Doppelbrechungsparameter PRdb und PRa Folgendes (Gleichungen (6) und (7):
Der zweifache Betrag der Zweiwelligkeit liefert somit direkt die gesuchte Doppelbrechung des Messobjektes. Aus dem Arkustangens des B/A-Verhältnisses folgt die Orientierung der Doppelbrechung.
Das neuartige Messverfahren hat eine extrem hohe Messgenauigkeit, insbesondere für relativ kleine Doppelbrechungen, die beispielsweise im Bereich von 10 nm oder weniger, oder 5 nm oder weniger liegen können. Es können Messgenauigkeiten von 0.5 nm oder weniger erreicht werden, insbesondere von 0,4 nm oder weniger oder 0,3 nm oder weniger.
Messobjekte mit größerer Doppelbrechung, z. B. mit Werten im Bereich von deutlich mehr als 10 nm oder mehr als 20 nm oder mehr als 50 nm oder mehr, können mit hoher Präzision gemessen werden, indem ein Doppelbrechungs-Offset vorgehalten wird, z. B. durch Einführen eine Planplatte oder einer gekrümmten Platte mit bekannter Doppelbrechung in den Messstrahlengang. Die Doppelbrechung der Planplatte oder der gekrümmten Platte wird dabei so gewählt, dass eine globale Verzögerung für den gesamten Messstrahl bewirkt wird, so dass nur relativ kleine und damit gut messbare residuale Doppelbrechungswerte verbleiben, die dann bestimmt werden.
Folgende Abschätzungen der Messgenauigkeit belegen die hohe Präzision der Messungen. Zur Abschätzung der erwartenden Messgenauigkeit des Messverfahrens wurden Messungen simuliert und die Abweichung zwischen gemessenen und vorgegebenen Doppelbrechungswerten eines Messobjektes ausgewertet. Für das Messsystem wurden folgende typische Werte angenommen:
Einstellung der linearen Polarisation vor dem Messobjekt mit Hilfe einer λ/2-Platte mit einem Verzögerungsfehler von 3 nm. Bezüglich der Exaktheit der Fehlwinkelpositionierung des Polarisationsrotators wurde ein normal verteilter Fehler der Positionierung von ±0.5° angenommen. Es wurde von einer Messserie mit 8 im Drehwinkelraum α äquidistanten Messorientierungen der Eingangspolarisation ausgegangen. Ein Verzögerungsfehler der λ/4-Platte der Detektoreinheit wurde mit 3 nm angesetzt, ein Doppelbrechungsbeitrag der Linsengruppe L vor der λ/4-Platte mit 0.5 nm, ein Doppelbrechungsbeitrag des Analysators (Polarisationsstrahlteiler) mit 1 nm und das Auslöschungsverhältnis des Analysators mit 0,3%. Auf der Strahlerzeugungsseite wurde ein normal verteiltes Rauschen des Lasersignals mit einem σ-Wert von 0.5% angenommen, die Anzahl der Stützstellen pro Polarisationsmessung betrug 64 bei einer 360°-Drehung.
In einem ersten Schritt einer simulierten Messung wurde der Systemanteil (Messgeräte-Offset) aus fünf Messungen zu einem Mittelwert bestimmt. Danach wurde in einem zweiten Schritt die zu messende Doppelbrechung vorgegeben, bevor in einem dritten Schritt eine Simulation von 20 Einzelmessungen und deren statistische Auswertung durchgeführt wurden. Anhand der 5 bis 7 werden die Resultate erläutert. 5 zeigt ein Maß für einen mittleren Messfehler (d. h. für die Güte der Messverfahren) für den Betrag der Doppelbrechung bei 0° Orientierung, wobei auf der x-Achse die vorgegebene Doppelbrechung BR des Messobjekts in Nanometer und auf der y-Achse die mittlere gemessene beziehungsweise erwartete Abweichung ΔBR vom Sollwert in Nanometern angegeben ist. Der Offset der Abweichung wächst in erster Näherung quadratisch mit steigendem Doppelbrechungswert an. Die Schwankung des Messwertes (1σ) ist unabhängig von der vorgegebenen Doppelbrechung relativ konstant und beträgt etwa 0.05 nm. Das quadratische Anwachsen des Offsets ist nicht prinzipbedingt, sondern resultiert im Wesentlichen aus der Tatsache, dass bei der oben erläuterten Auswertung nur bis zur ersten Ordnung entwickelt wurde. Bei verfeinerter Analyse kann der Offset entsprechend reduziert werden.
6 zeigt die mittleren erwarteten Messfehler (d. h. die Güte des Messverfahrens) für die Orientierung der Doppelbrechung bei einem Absolutwert der Doppelbrechung von 4 nm. Auf der x-Achse ist die vorgegebene Orientierung ORI der Doppelbrechung in Grad angegeben, die y-Achse zeigt die mittlere gemessene Abweichung ΔORI vom Sollwert in Grad. Die Grafik zeigt eindrucksvoll, dass im Mittel die Orientierung richtig bestimmt wird, wobei der Orientierungsfehler (1σ) bei ca. 0.6° liegt.
7 zeigt im Wesentlichen, dass das Ergebnis der Bestimmung des Betrages der Doppelbrechung nicht von der Orientierung abhängt. In 7 ist die mittlere gemessene beziehungsweise simulierte Abweichung ΔBR von einem Sollwert in Nanometern gegen die vorgegebene Orientierung ORI der Doppelbrechung der Probe in Grad aufgetragen, wobei für den Betrag der Doppelbrechung 4 nm angenommen wurde.
Die Simulation zeigen, dass bei typischen Fehlern innerhalb einer Detektoreinheit und bei der Einstellung der Eingangspolarisation eine Messgenauigkeit von ca. 0,1 nm (1σ) für den Betrag der Doppelbrechung (bei Absolutwerten der Doppelbrechung von weniger als 5 nm) und ein Orientierungsfehler von ±0.6° für die Orientierung der Doppelbrechung erzielbar sind.
Ein wesentlicher Vorteil des Messverfahrens besteht darin, dass dieses Messverfahren in erster Näherung nicht auf Fehler reagiert, die durch das Verzögerungselement zur Einstellung der Eingangspolarisation vor dem Messobjekt resultieren, so dass kein hinsichtlich der erzielten Verzögerung perfektes Verzögerungselement benötigt wird, um dennoch hochpräzise Messergebnisse mit kleinem Fehler zu erhalten. Außerdem ist das Messverfahren unempfindlich gegenüber Fehlern, die durch eventuelle Doppelbrechungsbeiträge der Linse oder Linsengruppe L der Detektoreinheit eingeführt werden. Andere Messverfahren, bei denen solche Doppelbrechungsbeiträge in eventuelle Messfehler einfließen, erfordern demgegenüber in der Regel eine starke richtungsabhängige Korrektur der Messfehler, wenn Messlichtbündel mit relativ großem Strahlwinkelbereich für die Messung benutzt werden.
Eine anhand von 8 erläuterte Ausführungsform des Messverfahrens erlaubt es, bei Messobjekten, die aus mehreren hintereinander geschalteten optischen Komponenten aufgebaut sind, eine getrennte Messung der Doppelbrechung der einzelnen Komponenten in wenigen Messzyklen durchzuführen, ohne dass hierfür gesonderte Messungen an den einzelnen Komponenten durchgeführt werden müssen. Vielmehr können die Komponenten in einer betriebsfertig montierten Anordnung verbleiben.
Bei dieser Verfahrensvariante werden nacheinander zwei Messzyklen durchgeführt, bei denen das Messsystem in unterschiedlichen Messkonfigurationen verwendet wird. In einer ersten Messung, die im Folgenden mit dem Kürzel „M1” bei den entsprechenden Parametern und in 8 gekennzeichnet ist, wird der Messstrahl, wie bereits oben beschrieben, durch die erste optische Komponente und danach durch die zweite optische Komponente geführt, wobei zwischen den optischen Komponenten der Polarisationszustände des Messstrahls nicht verändert wird. Die erste Messung entspricht somit der oben beschriebenen Messung des Messobjekts MO in 1.
Für eine zweite Messung (8B) wird zwischen die optischen Komponenten CO1, CO2 ein 90°-Polarisationsrotator ROT in den Messstrahlengang eingeführt. Bei dem Messsystem in 1 wird hierzu der 90°-Polarisationsrotator R3 mittels der zugeordneten Steuereinrichtung CR3 zwischen die Komponenten CO1 und CO2 eingeführt. Bei der zweiten Messung wird dadurch der Polarisationszustand des Messstrahls nach Durchtritt durch die erste optische Komponente und vor Eintritt in die zweite optische Komponente um 90° gedreht. Die Reihenfolge der ersten und der zweiten Messung kann wie beschrieben oder umgekehrt sein. Die Parameter für die zweite Messung werden im Folgenden mit dem Kürzel „M2” gekennzeichnet.
Nach Abschluss der beiden Messungen werden die dadurch erhaltenen Messfunktionen gemeinsam ausgewertet. Jede der Messungen kann im Prinzip nach der gleichen Messvorschrift durchgeführt werden, die bereits oben beschrieben wurde. Insbesondere können für jede der Messungen jeweils 2^N linear polarisierte Eingangspolarisationszustände in äquidistanten Drehwinkelabständen eingestellt werden, beispielsweise 8 lineare Polarisationszustände. Daraus werden die ersten Fourierkoeffizienten A0- M1(α), A0_M2(α), A2-M1(α), A2_M2(α) analog wie oben beschrieben ermittelt.
Für die erste Messung geltenden dann folgende Gleichungen (8) bis (10): A0_A01_M1 = 12 + 12 Tsp A2_A02_M1 = –FIdbcos(FIa)2 + 12 FIdb – FLGdbcos(FLGa)2 + 12 FLGdb – LIdbcos(LIa)2 + 12 LIdb B2_A02_M1 = FIdbcos(FIa)sin(FIa) + PTdbsin(PTa)cos(PTa) + FLGdbcos(FLGa)sin(FLGa) + LIdbcos(LIa)sin(LIa)
Für die zweite Messung gelten demgegenüber folgende Gleichungen (11) bis (13): A0_A01_M2 = 12 + 12 Tsp A2_A02_M2 = –FIdbcos(FIa )2 + 12 FIdb + FLGdbcos(FLGa)2 – 12 FLGdb + LIdbcos(LIa)2 – 12 LIdb B2_A02_M2 = FIdbcos(FIa)sin(FIa) – PTdbsin(PTa)cos(PTa) – FLGdbcos(FLGa)sin(FLGa) – LIdbcos(LIa)sin(LIa)
Die in den Gleichungen verwendeten Parameter entsprechen den bereits im Zusammenhang mit Gleichungen (1) bis (7) verwendeten Parametern.
Bezeichnet man nun mit: A2M1n = A2_A02_M1/A0_A01_M1, die normierte Sin-Zweiwelligkeit der Messung 1 A2M2n = A2_A02_M2/A0_A01_M2,die normierte Sin-Zweiwelligkeit der Messung 2 B2M1n = B2_A02_M1/A0_A01_M1,die normierte Cos-Zweiwelligkeit der Messung 1 B2M2n = B2_A02_M2/A0_A01_M2,die normierte Cos-Zweiwelligkeit der Messung 2
so folgt aus einer Summenbildung beziehungsweise aus einer Differenzbildung der obigen Gleichungen der folgenden Satz von Gleichungen (14) bis (17): (12 A2M1n + 12 A2M2n)(12 + 12 Tsp) = –12 FIdb(2cos(FIa)2 – 1) (12 B2M1n + 12 B2M2n)(12 + 12 Tsp) = FIdbcos(FIa)sin(FIa) (12 A2M1n – 12 A2M2n)(12 + 12 Tsp) = –FLGdbcos(FLGa)2 + 12 FLGdb – LIdbcos(LIa)2 + LIdb (12 B2M1n – 12 B2M2n)(12 + 12 Tsp) = PTdbsin(PTa)cos(PTa) + FLGdbcos(FLGa)sin(FLGa) + LIdbcos(LIa)sin(LIa)
Aus diesen Gleichungen ist Folgendes ersichtlich. Die Summe der Zweiwelligkeiten der ersten Messung und der zweiten Messung enthält nur die Information über die Doppelbrechung der ersten optischen Komponente CO1. Der Anteil der zweiten optischen Komponenten und auch der vom Messsystem herrührenden Systemanteil verschwinden in erster Nähe rung. Das ist anschaulich verständlich, da bei der ersten Messung die Doppelbrechungsbeiträge der zweiten Komponente CO2 und der Systemanteil mit bestimmten Vorzeichen zum Messergebnis beitragen, während sie bei der zweiten Messung, die die 90°-Rotation des Polarisationszustandes zwischen erster und zweiter optischer Komponente umfasst, mit umgekehrten Vorzeichen in das Messergebnis eingehen, so dass sie bei der Summenbildung in erster Näherung verschwinden.
Die Differenz der Zweiwelligkeiten der ersten Messung und der zweiten Messung enthält dagegen nur die Doppelbrechungsanteile der ersten Komponente CO1 und des Messsystems. Auch das ist anschaulich klar, weil durch die Einführung des 90°-Polarisationsrotators R3 bei der zweiten Messung der Beitrag sowohl der ersten Komponente CO1, als auch des Gesamtsystems zum Messergebnis nicht geändert wird und damit bei der Differenzbildung verschwindet.
Da die Formeln und Gleichungen (14) bis (17) die gleiche Struktur haben wie die entsprechenden Gleichungen (4) bis (7), und die beiden optischen Komponenten CO1 und CO2 ein separiertes Paar von Gleichungen ergeben, kann die Lösung für die Doppelbrechungsparameter (Betrag und Orientierung der Doppelbrechung) auf analoge Weise, wie bereits beschrieben, gefunden werden.
Als besonderer Vorteil ist hier zu erwähnen, dass der Anteil der ersten optischen Komponente CO1 ohne vorherige Kalibrierung des Systemanteils bestimmt werden kann, da bei der Summenbildung der Systemanteil verschwindet (bis auf den Beitrag des Auslöschungsverhältnisses Tsp des Analysators, welcher wiederum durch eine gesonderte Messung gut und präzise bestimmt werden kann).
Unter Anwendung dieses Prinzips ist nun auch ersichtlich, dass es möglich ist, eine (bis auf den Beitrag des Auslöschungsverhältnisses Tsp des Analysators) kalibrationsfreie Messung des Gesamtsystems (erste optische Komponente CO1 und zweite optische Komponente CO2) durchzuführen, indem zwischen zwei Messungen eine 90°-Drehung des Polarisationszustandes unmittelbar vor der Detektoreinheit durchgeführt wird. Auf diese Weise kann eine indirekte Kalibration direkt am Messsystem ohne zusätzliche Aufbauten durchgeführt werden.
In der Praxis kann dies dadurch erreicht werden, dass für die Detektoreinheit DET eine Vorsatzoptik bereitgestellt wird, die die Einführung eines weiteren 90°-Polarisationsrotators für die Messstrahlung vor Eintritt in die Detektoreinheit ermöglicht. In 1 ist aus Vereinfachungsgründen nur der 90°-Polarisationsrotator R4 (dritter Polarisationsrotator) dargestellt, der mittels der zugeordneten Steuereinrichtung CR4 optional zwischen dem Messobjekt und der Detektoreinheit in den Messstrahlengang eingeführt beziehungsweise aus dem Messstrahlengang herausgenommen werden kann. Sofern der dritte Polarisationsrotator einwechselbar bzw. auswechselbar in eine Voroptik für die Detektoreinheit integriert ist, kann entweder durchgehend mit dieser Voroptik gemessen werden oder es ist möglich, diese nur zur Kalibrierung des Messsystemanteils in den Messstrahlengang einzuführen.
Im Folgenden wird anhand der 9 bis 11 eine Messprozedur für eine messsystemunabhängige, d. h. in erster Ordnung nicht von Fehlern des Messsystems abhängige Messung kleiner Doppelbrechungsbeiträge eines mehrkomponentigen Messobjektes beschrieben. Die 9 bis 11 zeigen hierzu schematisch das Messobjekt MO, das zwei in Durchstrahlungsrichtung (Pfeil) mit Abstand hintereinander angeordnete optische Komponenten beziehungsweise Module CO1 und CO2 umfasst, sowie hier besonders interessierende Teile des Messsystems, nämlich die Detektoreinheit DET, die zwischen Messobjekt und Detektoreinheit angebrachte Vorsatzoptik OP mit den wahlweise in den Messstrahlengang einführbaren beziehungsweise daraus entnehmbaren 90°- Polarisationsrotator R4, sowie den wahlweise zwischen die Komponenten CO1 und CO2 einführbaren beziehungsweise von dort entnehmbaren zweiten Polarisationsrotator R3.
9 zeigt die Messkonfiguration für eine erste Messung ohne 90°-Polarisationsrotator im Bereich zwischen den Komponenten CO1, CO2 und ohne 90°-Polarisationsrotator in der Vorsatzoptik. Mit Hilfe der λ/2-Platte zwischen Messlichtquelle und Messobjekt werden 2^N verschiedene Eingangspolarisationszustände der linearen Eingangspolarisation eingestellt, die in äquidistanten Drehwinkelabständen (beispielsweise 45°) zueinander liegen.
Bei der in 10 gezeigten zweiten Messung befindet sich der 90°-Polarisationsrotator R3 im Messstrahlengang zwischen der ersten Komponente CO1 und der zweiten Komponente CO2, während der 90°-Polarisationsrotator der Vorsatzoptik weiterhin aus dem Messstrahlengang zurückgezogen ist. Auch hier wird eine der ersten Messung entsprechenden Anzahl von Eingangspolarisationszuständen eingestellt und für jeden Polarisationszustand das Messsignal ermittelt.
Bei der in 10 dargestellten dritten Messung, die im vorliegenden Fall nur zur Gerätekalibration, also zur Kalibrierung des Messsystems genutzt wird, ist der zweite Polarisationsrotator R3 außerhalb des Messstrahlenganges, während der dritte 90°-Polarisationsrotator R4 innerhalb der Vorsatzoptik im Messstrahlengang angeordnet ist.
Aus der ersten Messung und der zweiten Messung erhält man durch Summenbildung die Doppelbrechungsverteilung (CO1db, CO1a) in der ersten Komponente CO1. Hierfür gelten folgen Gleichungen (18) und (19): (12 A2M1n + 12 A2M2n)(12 + 12 Tsp) = –12 CO1db(2cos(CO1a)2 – 1) (12 B2M1n + 12 B2M2n)(12 + 12 Tsp) = CO1dbcos(CO1a)sin(CO1a)
Bezeichnet man die linke Seite der oberen Gleichung (18) mit A12 und linke Seite der unteren Gleichung (19) mit B12, dann kann die Lösung direkt aus den Gleichungen (6) bis (7) (siehe oben) abgeleitet werden, indem man dort PRdb = CO1db, Prr = CO1a, A = A12 und B = B12 gleichsetzen.
Aus der ersten Messung M1 und der dritten Messung M3 bekommt man durch Differenzbildung den Messsystemanteil, d. h. den Anteil des Messgerätes, wobei folgende Gleichungen (20) bis (21) bzw. Definitionen (22) und (23) gelten: (12 A2M1n – 12 A2M2n)(12 + 12 Tsp) = –12 LIdb(2cos(LIa)2 – 1) (12 B2M1n – 12 B2M2n)(12 + 12 Tsp) = PTdbsin(PTa)cos(PTa) + LIdbcos(LIa)sin(LIa) A23nG = (12 A2M1n – 12 A2M3n)(12 Tsp + 12 ) B23nG = (12 B2M1n – 12 B2M3n)(12 Tsp + 12 )
Weiterhin bekommt man aus der Differenzbildung der ersten Messung M1 und der zweiten Messung M2 nach Abzug des soeben ermittelten Anteils des Messgerätes die Doppelbrechungsverteilung in der zweiten optischen Komponente CO2 gemäß folgenden Gleichungen (24), (25): (12 A2M1n – 12 A2M2n)(12 + 12 Tsp) = –CO2dbcos(CO2a)2 + 12 CO2db – LIdbcos(LIa)2 + 12 LIdb (12 B2M1n – 12 B2M2n)(12 + 12 Tsp) = PTdbsin(PTa)cos(PTa) + CO2dbcos(CO2a)sin(CO2) + LIdbcos(LIa)sin(LIa)
Nach Abzug des Geräteanteils A23mG und B23mG folgt (Gln. (26) und (27): (12 A2M1n – 12 A2M2n)(12 + 12 Tsp) – A23nG = –CO2dbcos(CO2a)2 + 12 CO2db (12 B2M1n – 12 B2M2n)(12 + 12 Tsp) – B23nG = CO2dbcos(CO2a)sin(CO2a)
Diese Gleichungen (26) bis (27) zeigen die analoge Form wie oben und können daher nach CO2db, CO2a aufgelöst werden.
Bezeichnet man wiederum die linke Seite der ersten Gleichung (26) mit A12_ und die linke Seite der zweiten Gleichung (27) B13_, dann kann die Lösung direkt aus den Gleichungen (6) und (7) abgeleitet werden, indem man dort A = 13_ und B = B13_ gleichsetzt.
Da sowohl die erste optische Komponente CO1 als auch die Detektoreinheit nur einen Offset der Doppelbrechungsparameter verursachen, benötigt man lediglich in der Mitte des Messfeldes alle drei Messungen.
Für alle anderen Feldpunkte innerhalb eines zu vermessenden Feldes erfolgt die Bestimmung der Doppelbrechungsverteilung der zweiten Komponente CO2 aus der zweiten Messung M2, zusammen mit den Ergebnissen der ersten Messung M1 und der dritten Messung M3 aus der Feldmitte.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele und Anwendungen im Zusammenhang mit der Messung der Doppelbrechung in Komponen ten und Teilsystemen einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie erläutert.
In 12 ist ein Beispiel einer Mikrolithografie-Projektionsbelichtungsanlage WSC gezeigt, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen einsetzbar ist und zur Erzielung von Auflösungen bis zu Bruchteilen von Mikrometern mit Licht bzw. elektromagnetischer Strahlung aus dem tiefen Ultraviolettbereich (DUV) arbeitet. Als primäre Lichtquelle LS dient ein ArF-Excimer-Laser mit einer Arbeitswellenlänge von ca. 193 nm, dessen linear polarisierter Laserstrahl koaxial zur optischen Achse AX des Beleuchtungssystems 190 in das Beleuchtungssystem eingekoppelt wird. Andere UV-Laserstrahlungsquellen, beispielsweise F₂-Laser mit 157 nm Arbeitswellenlänge oder ArF-Excimer-Laser mit 248 nm Arbeitswellenlänge sind ebenfalls möglich.
Das polarisierte Licht der Lichtquelle LS tritt zunächst in einen Strahlaufweiter EXP ein, der beispielsweise zur Kohärenzreduktion und Vergrößerung des Strahlquerschnitts dient. Der aufgeweitete Laserstrahl tritt in eine Pupillenformungseinheit PF ein, die eine Vielzahl optischer Komponenten und Gruppen enthält und dazu ausgelegt ist, in einer nachfolgenden Pupillenformungsfläche PFS des Beleuchtungssystems ILL eine definierte, örtliche (zweidimensionale) Beleuchtungsintensitätsverteilung zu erzeugen, die manchmal auch als sekundäre Lichtquelle oder als „Beleuchtungspupille” bezeichnet wird. Die Pupillenformungsfläche PFS ist eine Pupillenfläche des Beleuchtungssystems.
Die Pupillenformungseinheit PF ist variabel einstellbar, so dass in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Pupillenformungseinheit unterschiedliche lokale Beleuchtungsintensitätsverteilungen (d. h. unterschiedlich strukturierte sekundäre Lichtquellen) eingestellt werden können. In 12 sind verschiedene Ausleuchtungen der kreisförmigen Beleuch tungspupille beispielhaft schematisch gezeigt, nämlich ein konventionelles Setting CON mit zentriertem, kreisförmigem Beleuchtungsfleck, eine Dipolbeleuchtung DIP oder eine Quadrupolbeleuchtung QUAD.
In unmittelbarer Nähe der Pupillenformungsfläche PFS ist ein optisches Rasterelement FDE angeordnet. Eine dahinter angeordnete Einkoppeloptik INC überträgt das Licht auf eine Zwischenfeldebene IFS in der ein Retikel/Masking-System MA angeordnet ist, welches als verstellbare Feldblende dient. Das optische Rasterelement FDE, das auch als Felddefinierendes Element bezeichnet wird, hat eine zweidimensionale Anordnung diffraktiver oder refraktiver optischer Elemente und formt die eintretende Strahlung so, dass sie nach Durchtritt durch die nachfolgende Einkoppeloptik INC im Bereich der Zwischenfeldebene IFS ein rechteckförmiges Beleuchtungsfeld ausleuchtet. Die Strahlung wird außerdem durch Überlagerung von Teilstrahlbündeln homogenisiert, so dass das FDE als Feldformungs- und Homogenisierungselement dient.
Das nachfolgende Abbildungsobjektiv OBJ (auch REMA-Objektiv genannt) bildet die Zwischenfeldebene IFS mit der Feldblende MA auf das Retikel M (Maske, Lithografievorlage) in einem Maßstab ab, der z. B. zwischen 2:1 und 1:5 liegen kann und bei der Ausführungsform etwa bei 1:1 liegt.
Diejenigen optischen Komponenten, die das Licht des Lasers LS empfangen und aus dem Licht Beleuchtungsstrahlung formen, die auf das Retikel M gerichtet ist, gehören zum Beleuchtungssystem ILL der Projektionsbelichtungsanlage.
Hinter dem Beleuchtungssystem ist eine Einrichtung RS zum Halten und Manipulieren des Retikels M so angeordnet, dass das am Retikel angeordnete Muster in der Objektebene OS des Projektionsobjektives PO liegt und in dieser Ebene zum Scannerbetrieb in einer Scan-Richtung (y-Richtung) senkrecht zur optischen Achse AX (z-Richtung) mit Hilfe eines Scanantriebs bewegbar ist.
Hinter der Retikelebene OS folgt das Projektionsobjektiv PO, das als Reduktionsobjektiv wirkt und ein Bild des an der Maske M angeordneten Musters in reduziertem Maßstab, beispielsweise im Maßstab 1:4 oder 1:5, auf einen mit einer Fotoresistschicht bzw. Fotolackschicht belegten Wafer W abbildet, dessen lichtempfindliche Oberfläche in der Bildebene IS des Projektionsobjektivs PO liegt. Es sind refraktive, katadioptrische oder katoptrische Projektionsobjektive möglich. Andere Reduktionsmaßstäbe, beispielsweise stärkere Verkleinerungen bis 1:20 oder 1:200, sind möglich.
Das zu belichtende Substrat, bei dem es sich im Beispielsfall um einen Halbleiterwafer W handelt, wird durch eine Einrichtung WS gehalten, die einen Scannerantrieb umfasst, um den Wafer synchron mit dem Retikel R senkrecht zur optischen Achse zu bewegen. Je nach Auslegung des Projektionsobjektivs PO (z. B. refraktiv katadioptrisch oder katoptrisch, ohne Zwischenbild oder mit Zwischenbild, gefaltet oder ungefaltet) können diese Bewegungen zueinander parallel oder gegenparallel erfolgen. Die Einrichtung WS, die auch als „Waferstage” bezeichnet wird, sowie die Einrichtung RS, die auch als „Retikelstage” bezeichnet wird, sind Bestandteil einer Scannereinrichtung, die über eine Scan-Steuereinrichtung gesteuert wird.
Die Pupillenformungsfläche PFS liegt an oder nahe einer Position, die optisch konjugiert zur nächsten nachfolgenden Pupillenfläche P' sowie zur bildseitigen Pupillenfläche PS des Projektionsobjektivs PO ist. Somit wird die räumliche (örtliche) Lichtverteilung in der Pupille PS des Projektionsobjektivs durch die räumliche Lichtverteilung (Ortsverteilung) in der Pupillenformungsfläche PFS des Beleuchtungssystems bestimmt. Zwischen den Pupillenflächen PFS, P', PS liegen jeweils Feldflächen im op tischen Strahlengang, die Fourier-transformierte Flächen zu den jeweiligen Pupillenflächen sind. Dies bedeutet insbesondere, dass eine definierte Ortsverteilung von Beleuchtungsintensität in der Pupillenformungsfläche PFS eine bestimmte Winkelverteilung der Beleuchtungsstrahlung im Bereich der nachfolgenden Feldfläche IFS ergibt, die wiederum einer bestimmten Winkelverteilung der auf das Retikel M fallenden Beleuchtungsstrahlung entspricht.
In 13A, B und C sind schematisch Komponenten einer Ausführungsform einer Pupillenformungseinheit PF gezeigt. Das eintretende, aufgeweitete Laserstrahlungsbündel LB wird durch eine planen Umlenkspiegel M1 in Richtung auf einen Wabenkondensor (fly eyes lens) FEL umgelenkt, der das eintreffende Strahlungsbündel in Teil-Beleuchtungsstrahlbündel zerlegt, die nachfolgend durch ein Fourieroptiksystem FOS auf ein Linsenarray LA d. h. auf eine zweidimensionale Feldanordnung von Linsensystemen übertragen werden. Das Linsenarray LA konzentriert die Teil-Beleuchtungsstrahlbündel PB auf individuell ansteuerbare Spiegelelemente einer Mehrfachspiegelanordnung LMD (multi-mirror-array, MMA), welche auch in 13B und 13C gezeigt ist. Die Mehrfachspiegelanordnung wird hier als reflektive Lichtmodulationseinrichtung zur steuerbaren Veränderung der Winkelverteilung des auf die Lichtmodulationseinrichtung einfallenden Strahlungsbündels betrieben und sorgt durch die Ausrichtung seiner Einzelspiegel MM für eine mit Hilfe der Mehrfachspiegelanordnung definierbare Beleuchtungswinkelverteilung, die sich in der Pupillenformungsfläche PFS zu einer Intensitätsverteilung in dieser Pupillenfläche überlagert. Die einzelnen Spiegel MM der Mehrfachspiegelanordnung, welche an einem gemeinsamen Trägerelement SUP angebracht sind, sind um eine oder mehrere Achsen zur Veränderung des Ausbreitungswinkels der auftreffenden Teil-Beleuchtungsstrahlbündel PB verkippbar. Die von den Einzelspiegeln MM ausgehenden Teil-Beleuchtungsstrahlbündel werden durch eine Streuscheibe ST hindurchgeführt und mittels einer nachfolgenden Kon densoroptik COND in die Pupillenformungsfläche PFS abgebildet. Das Linsenarray LA und/oder die Mikrospiegelanordnung LMD können im Wesentlichen so konstruiert sein, wie es in der US 2007/0165202 A1 der Anmelderin beschrieben ist. Die diesbezügliche Offenbarung dieser Patentanmeldung wird durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Auch transmittierende Lichtmodulationseinrichtungen sind möglich.
Eine Aufgabe bei der Herstellung von Komponenten einer solchen Projektionsbelichtungsanlage kann beispielsweise darin bestehen, die Doppelbrechung der zur Formung der Beleuchtungspupille vorgesehenen Baugruppen PF und FDE sowie die Doppelbrechung der nachgeschalteten Einkoppelgruppe INC getrennt zu bestimmen, um beispielsweise durch Austausch oder Justierung einzelner Elemente erreichen zu können, dass die Doppelbrechungsbeiträge der Gesamtanordnung eine vorgegebene Toleranz nicht übersteigen. Hierzu werden die zu vermessenden optischen Komponenten in derjenigen Anordnung, in der sie auch im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage genutzt werden, in einen Messobjekthalter eines Doppelbrechungs-Messsystems eingebaut und in dieser Konfiguration vermessen. Dabei bildet die Kombination aus Pupillenformungseinheit PF und felddefinierendem Element FDE eine erste optische Komponente CO1, und die mit Abstand dahinter angeordnete Einkoppelgruppe eine zweite optische Komponente CO2 (vergleiche 1). Als Lichtquelle des Messsystems dient die Lichtquelle LS des Testaufbaus. Das Messsystem umfasst ferner einen ersten Polarisationsrotator R1 in Form einer Halbwellenlängenplatte, der zwischen dem Strahlaufweiter EXP und der Pupillenformungseinheit PF in den Strahlengang eingeführt wird und der um die optische Achse des Beleuchtungssystems drehbar gelagert ist. Weiterhin ist ein zweiter 90°-Polarisationsrotator R3 vorgesehen, der mit Hilfe einer Wechseleinrichtung optional in den Strahlengang zwischen der ersten optischen Komponente CO1 und der zweiten optischen Komponente CO2 eingebracht oder aus dieser Position heraus bewegt werden kann. Die Detektoreinheit DET des Messsystems wird bei der Messanordnung so angeordnet, dass sich das Pinhole PH, d. h. die Eintrittsöffnung der Detektoreinheit, in der der Einkoppelgruppe folgenden Zwischenfeldebene IFS befindet. Für die weiter oben beschriebene Kalibrierung kann noch ein dritter 90°-Polarisationsrotator R4 vorgesehen sein, der optional in dem Bereich zwischen der zweiten optischen Komponente CO2 und dem Eintritt der Detektoreinheit DET in den Messstrahlengang eingeführt oder aus diesen entfernt werden kann. Der Messaufbau kann im Wesentlichen so sein, wie es im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist, wobei die erste optische Komponente CO1 durch die Kombination von Pupillenformungseinheit und felddefiniertem Element und die zweite optische Komponente CO2 durch die Einkoppelgruppe gebildet wird.
Wie schon erwähnt, ermöglicht die Detektoreinheit eine winkelauflösende Polarisationsmessung mit hoher Winkelauflösung. Weiterhin wird die Ortsverteilung der Intensität in der Pupillenformungsfläche über die als Fourierlinsengruppe wirkende Einkoppelgruppe in eine korrespondierende Winkelverteilung in der Zwischenfeldebene übersetzt, in der das Pinhole PH der Detektoreinheit sitzt. Dadurch kann mit Hilfe des Messaufbaus eine pupillenaufgelöste Doppelbrechungsmessung durchgeführt werden. Auf die oben angegebene Beschreibung verschiedener Messverfahren wird hierzu verwiesen.
Es ist auch möglich, die Detektoreinheit hinter dem Abbildungsobjektiv OBJ anzuordnen, so dass die Eintrittsfläche der Detektoreinheit in der Retikelebene OS sitzt. In diesem Fall gehen auch Doppelbrechungsbeiträge des Abbildungsobjektivs OBJ in die Messung ein und können durch entsprechende Platzierung von optional einfügbaren 90°-Polarisationsrotatoren getrennt von den Beiträgen der übrigen Komponenten bestimmt werden.
Ausführungsformen des Messsystems können auch zur Doppelbrechungsmessung an einer betriebsfertig montierten Projektionsbelichtungsanlage genutzt werden. Bei einer Ausführungsform ist ein Messsystem in eine Projektionsbelichtungsanlage integriert. Das ebenfalls anhand von 12 erläuterte Ausführungsbeispiel hat eine Detektoreinheit DET, die anstelle eines zu belichtenden Wafers derart im Bereich der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnet werden kann, dass sich die Eintrittsebene der Detektoreinheit mit dem Pinhole in der Bildebene des Projektionsobjektivs befindet und senkrecht zur optischen Achse des Projektionsobjektivs zur Vermessung unterschiedlicher Feldpunkte innerhalb dieser Ebene verschiebbar ist. Mit Hilfe dieses integrierten Messsystems ist es nun beispielsweise möglich, die Doppelbrechung eines Retikels (Maske M) beim Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage messtechnisch zu erfassen. Eine entsprechende Messung kann beispielsweise jeweils nach einem Retikelwechsel stattfinden um sicherzustellen, dass die Doppelbrechung des Retikels eine für den Prozess vorgegebene Obergrenze nicht überschreitet und/oder um eine Datenbasis für die Doppelbrechungsverteilung zu erhalten, um den Einfluss der Doppelbrechung des Retikels durch entsprechende Kompensationsmechanismen zu kompensieren.
Grundsätzlich kann die Messung der Doppelbrechung des in die Projektionsbelichtungsanlage eingebauten Retikels analog zu der Vorgehensweise durchgeführt werden, die im Zusammenhang mit den 8 bis 11 beschrieben ist. Das bezüglich seiner Doppelbrechung zu vermessende Retikel entspricht dabei der zweiten Komponente CO2. Die Projektionsbelichtungsanlage hat für dieses Verfahren zwei Wechseleinrichtungen zur wahlweisen (optionalen) Einfügung oder Entnahme von 90°-Polarisationsrotatoren aus dem Strahlengang. Eine erste Wechseleinrichtung ist dafür eingerichtet, einen ersten 90°-Polarisationsrotator in den Raum A zwischen dem Ausgang des Beleuchtungssystems und dem Retikel einzufügen. Eine zweite Wechseleinrichtung ist dafür ausgelegt, ei nen zweiten 90°-Polarisationsrotator wahlweise in den Raum B zwischen dem Retikel und dem Projektionsobjektiv einzufügen. Außerdem enthält das Beleuchtungssystem eine optional in den Beleuchtungsstrahlengang einfügbare λ/2-Platte, die in der eingefügten Position um die optische Achse des Beleuchtungssystems drehbar ist, um die Eingangspolarisationszustände für die Messung einzustellen (entsprechend der drehbaren λ/2-Platte R1 aus 1).
Die Detektoreinheit kann für die Messung der Doppelbrechung des Retikels auch so modifiziert werden, dass sie nicht die Pupille, sondern das Feld direkt misst. Dazu kann sie so angeordnet sein, dass die Lichtverteilung des Retikelfeldes auf die Sensorfläche (z. B. CCD-Chip) fällt. Die Sensorfläche kann hierzu z. B. in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnet sein, die optisch konjugiert zur Objektebene des Projektionsobjektivs ist, in welcher das zu vermessende Retikel angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein Retikel mit großen Flächen abgescannt werden, wodurch die Messzeit gegenüber einer Messung mit Scannen einzelner Feldpunkte verkürzt werden kann.
Für die Doppelbrechungsmessung am Retikel wird zunächst die Pupillenformungseinheit PF des Beleuchtungssystems so eingestellt, dass ein konventionelles Beleuchtungssetting mit ultrakleinem Kohärenzgrad vorliegt, so dass in der Pupillenformungsfläche PFS praktisch nur in unmittelbarer Nähe der optischen Achse Beleuchtungsintensität vorliegt. Der Kohärenzgrad σ ist hier definiert als Verhältnis der ausgangsseitigen numerischen Apertur des Beleuchtungssystems zur eingangsseitigen numerischen Apertur des nachfolgenden Projektionsobjektves. Der σ-Wert kann z. B. weniger als 0.2 oder weniger als 0.15 oder 0.1 oder weniger als 0.1 betragen. Gegebenenfalls kann noch eine Lochblende eingefügt werden, um eine einzige, quasi punktförmige, auf der optschen Achse liegende sekundäre Lichtquelle in der Pupullenformungsfläche PFS zu erhalten. Auf diese Weise wird ein auf das Retikel gerichteter Messstrahl aus weitestgehend kollimiertem Messlicht erzeugt. Ein kollimierter Strahlengang mit weitgehend senkrechtem Lichteinfall auf das Retikels erlaubt eine präzise Einstellung des Eingangspolarisationszustandes am Retikel, da die zur Einstellung benutzten polarisationsoptischen Komponenten praktisch ausschließlich parallel zur optischen Achse durchstrahlt werden und somit nur sehr geringe Winkelbelastung und damit verbundene Verzögerungsfehler vorliegen.
Für jede der nachfolgend beschriebenen Messungen werden durch Drehung der λ/2-Platte im Beleuchtungssystem mindestens vier unterschiedliche Eingangspolarisationszustände erzeugt, die unterschiedlichen Ausrichtungen der linearen Polarisation entsprechen.
Eine erste Messung wird ohne 90°-Polarisator im Bereich A zwischen Beleuchtungssystem und Retikel und auch ohne 90°-Polarisationsrotator zwischen Retikel und Projektionsobjektiv (Bereich B) durchgeführt. Mit Hilfe der λ/2-Platte im Beleuchtungssystem werden 2^N verschiedene lineare Eingangspolarisationszustände eingestellt.
Für eine zweite Messung wird der erste 90°-Polarisationsrotator in den Messstrahlengang zwischen Beleuchtungssystem und Retikel (Bereich A) eingefügt, während der zweite 90°-Polarisationsrotator, der für den Bereich B zwischen Retikel und Projektionsobjektiv vorgesehen ist, weiterhin aus dem Messstrahlengang zurückgezogen ist. Auch in dieser Konfiguration wird eine der ersten Messung entsprechende Anzahl von Eingangspolarisationszuständen eingestellt und für jeden Polarisationszustand das Messsignal ermittelt.
Für eine dritte Messung wird der erste Polarisationsrotator aus dem Raum A zwischen Beleuchtungssystem und Retikel herausgenommen und der zweite 90°-Polarisationsrotator in den Raum B zwischen Retikel und Projektionsobjektiv eingefügt. Auch in dieser Konfiguration wird wieder eine der ersten Messung entsprechende Anzahl von Eingangspolarisationszuständen eingestellt und für jeden Polarisationszustand das Messsignal ermittelt.
Analog den Erläuterungen im Zusammenhang mit den 8 bis 11 erhält man aus der ersten Messung und der zweiten Messung durch Summenbildung die Doppelbrechungsverteilung in den hinter der λ/2-Platte liegenden Komponenten des Beleuchtungssystems (entsprechend der dortigen ersten Komponente CO1). Aus der ersten Messung und der dritten Messung erhält man durch Differenzbildung den Messsystemanteil, d. h. Anteil des Messsystems, welches im vorliegenden Fall auch das Projektionsobjektiv PO umfasst.
Schließlich erhält man aus der Differenzbildung der ersten Messung und der zweiten Messung nach Abzug des soeben ermittelten Systemanteils (Messgerät und Projektionsobjektiv) die Doppelbrechungsverteilung im Retikel.
Die Messgenauigkeit des Messverfahrens kann durch Intensitätsschwankungen des verwendeten Messlichts beeinträchtig werden. Im Folgenden wird eine im Rahmen des Messsystems mit überschaubarem technologischen Aufwand realisierbare Möglichkeit zur Erfassung einer Energiereferenz und damit zu einer Korrektur solcher Intensitätsschwankungseffekte erläutert. Das Beispiel einer pupillenaufgelösten Polarisationsmessung von Komponenten des Beleuchtungssystems einer Projektionsbelichtungsanlage ist hierfür besonders instruktiv. In einem Beleuchtungssystem der im Zusammenhang mit den 12 und 13 beschriebenen Art fällt das Laserlicht der primären Lichtquelle auf ein Multi-Mirror-Array (MMA), dessen Einzelspiegel jeweils in einem kleinen Winkelbereich unabhängig von andern Einzelspiegeln beweglich sind, so dass durch Kombination von Winkelstellung der Einzelspiegel eine gewünschte Winkelverteilung der reflektierten Strahlung und damit eine gewünschte Ortsverteilung in der Pupillenebene des Beleuchtungssystems eingestellt werden kann.
Ein Problem bei dieser Messung besteht darin, dass die Intensitätsverteilung auf den Spiegeln des Multi-Mirror-Arrays auf einer Zeitskala von einzelnen Laserpulsen und auf einen Längenskala von wenigen Mikrospiegeln schwanken kann. Die Schwankungen können z. B. im Bereich von ±10% liegen. Da in einer solchen ortsauflösenden Lichtmodulationseinrichtung ein Einzelelement (Mikrospiegel) nur einen kleinen Teil der Pupille ausleuchtet, wird die Intensitätsschwankung am Multi-Mirror-Array direkt in eine ortsabhängige Intensitätsschwankung in der Pupillenebene übersetzt.
Die Intensitätsschwankung resultiert im Wesentlichen aus Schwankung des Laserprofils und der Laserwinkel in Kombination mit Durchmischungseffekten in der Strahlzuführung und geht im Kern auf Selbstinterferenz der kohärenten Laserstrahlung zurück. 14 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der relativen Intensität I in der Pupillenfläche vom Ort X anhand zweier unterschiedlicher örtlicher Intensitätsverteilungen I1 und I2, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten t1 bzw. t2 vorliegen.
Für eine pupillenaufgelöste Polarisationsmessung ergibt sich dadurch folgendes Problem. Die Messung der winkelabhängigen Polarisationseigenschaften (bzw. der Verteilung der Polarisation über die Pupille) eines Beleuchtungssystems ist eine Intensitätsmessung der Strahlung in einer Feldebene (beispielsweise Retikelebene oder Zwischenfeldebene) mittels eines winkelauflösenden Detektors. Wenn sich nun während der ortsauflösenden Messung in der Pupille die Intensitätsverteilung über die Pupille ändert, so bedeutet dies eine Störung der Messung, die zu einer Abnahme der Messgenauigkeit führt, wenn die Intensitätsschwankung nicht geeignet überwacht und bei der Auswertung der Polarisationsmessung berücksichtigt wird.
Eine Energiereferenz kann dadurch geschaffen werden, dass eine zeitabhängige Erfassung eines Referenz-Intensitätssignals durchgeführt wird, welche proportional zur Intensität des von einer Messlichtquelle abgegebenen Messlichtes ist, und dass eine Normierung des Polarisations-Messsignals auf das Referenz-Intensitätssignal zur Ermittlung von normierten Polarisations-Messsignalen benutzt wird.
Anhand von 15 wird das verallgemeinerte Prinzip einer Variante einer Energiereferenzierung erläutert. Ein wesentlicher Aspekt dieser Variante besteht darin, das in der Intensität schwankende Licht der Lichtquelle mit Hilfe eines doppelbrechenden Elementes oder einer anderen Einrichtung zur Strahlaufspaltung in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen so aufzuteilen, dass beide Teilstrahlen gleichzeitig den gleichen lichtempfindlichen Sensor (z. B. CCD-Chip) an verschiedenen Orten treffen und während einer Polarisationsmessung gemeinsam aufgenommen werden. Die Messanordnung ist vorzugsweise so aufzubauen, dass die beiden orthogonal polarisierten Teilstrahlen poilarisationsoptisch und/oder geometrisch ähnliche Wege zwischen dem Aufteilungsort und dem Auftreffort am Sensor durch das dazwischen liegende System zurücklegen. Unter diesen Bedingungen erfahren die Teilstrahlen annähernd gleiche Änderung der Polarisation durch eventuelle polarisationsbeeinflussende Elemente im System, so dass sie in der Detektoreinheit immer noch annähernd zueinander orthogonal polarisiert eintreffen. Unter diesen Voraussetzungen ist die Summe der beiden Signale auf der Sensorfläche proportional zur Gesamtenergie der Lichtquelle zu jedem Zeitpunkt und kann daher als Referenzenergiesignal genutzt werden.
15A zeigt hierzu eine Lichtquelle LS, die im Verlauf der Zeit t eine Intensitätsschwankung, d. h. eine Schwankung der relativen Intensität I gemäß 15B habe. Im Strahlengang hinter der Lichtquelle folgt ein Retarder RET, beispielsweise ein Verzögerungsplättchen oder ein Polarisa tor oder Depolarisator, um vor einem nachfolgenden doppelbrechenden Element SP die Polarisation der Strahlung so einzustellen, dass nach dem doppelbrechenden Element SP sowohl der ordentliche Teilstrahl O als auch der außerordentliche Teilstrahl AO eine für die Auswertung geeignete Menge an Lichtenergie tragen. Die auf diese Weise aufgespaltene Messstrahlung durchläuft danach das Messobjekt MO, welches eine Polarisationsänderung herbeiführen kann. Da die Wege der beiden Teilstrahlen durch das Messobjekt ähnlich sind, erfahren beide im Wesentlichen die gleiche relative Polarisationsänderung. Bei dem Messobjekt kann es sich beispielsweise um ein Beleuchtungssystem einer Projektionsbelichtungsanlage oder um ein einzelnes Modul eines solchen Beleuchtungssystems oder um ein einzelnes Element eines Beleuchtungssystems oder eines anderen optischen Systems handeln. Nach Durchtritt durch das Messobjekt treffen die beiden Teilstrahlen in die Detektoreinheit DET, die mit einer drehbaren λ/4-Verzögerungsplatte R2 und einem als Strahlteilerwürfel ausgebildeten Polarisationsstrahlteiler BS sowie einem Flächensensor SENS so aufgebaut sein kann, wie es im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde.
Die Teilstrahlen treffen unmittelbar nebeneinander auf die Sensorfläche auf und bilden dabei einen ersten Beleuchtungsfleck bzw. Spot SP1 (z. B. für den ordentlichen Teilstrahl) und einen zweiten Beleuchtungsfleck bzw. Spot SP2 (z. B. für den außerordentlichen Teilstrahl). 15C zeigt die relativen Intensitäten innerhalb der Spots für verschiedene Zeitpunkte innerhalb der Messzeit. Die Summe der Intensitäten des ersten Spots und des zweiten Spotts, wie sie in 15C schematisch dargestellt ist, ist dabei im Wesentlichen proportional zur Laserenergieschwankung gemäß 15B. Das Summensignal kann somit als Energiereferenz für eine Normierung des Polarisations-Messsignals genutzt werden.
Das Funktionsprinzip dieser besonderen Art der Energiereferenzierung kann anschaulich wie folgt erläutert werden. Die beiden zueinander or thogonalen Polarisationszustände der durch die Teilung erzeugten Teilstrahlen ergeben aufsummiert unpolarisiertes Licht. Da die Detektoreinheit auf unpolarisiertes Licht unabhängig von der Drehstellung der Verzögerungsplatte ein konstantes und der Laserenergie proportionales Signal liefert, ergibt die Summe der beiden Teilstrahlintensitäten aufgrund einer inkohärenten Summenbildung im Bereich der Auswertungssoftware ein Signal, welches der (eventuell schwankenden) Intensität der Lichtquelle im Wesentlichen proportional ist.
Kennt man die Orientierung des doppelbrechenden Elementes SP in Bezug auf das Koordinatensystem des Messobjektes, dann kann man zusätzlich aus dem Verhältnis der beiden Intensitäten das ersten Spots SP1 und des zweiten Spots SP2 auf die Polarisationsanteile in Richtung der Polarisation des ordentlichen bzw. des außerordentlichen Strahls schließen. Wird diese Information zusätzlich an die Drehstellung der Verzögerungsplatte R2 gekoppelt, so kann man aus dem Verhältnis der Intensitäten bei verschiedenen Drehstellungen auch auf unpolarisierte bzw. polarisierte Anteile der Strahlung schließen.
Im Prinzip ist die Kombination aus dem zwischen Lichtquelle und doppelbrechendem Element angeordneten Verzögerungselement RET (z. B. λ/4-Platte) und dem zur Strahlaufteilung dienenden doppelbrechenden Elemente SP wieder ein Polarisationsmesssystem, mit dem die Polarisationsverteilung der von der Lichtquelle kommenden Strahlung gemessen werden kann. In Kombination mit einer Ortszuordnung ist eine bedingte ortsaufgelöste Messung der Polarisationsverteilung möglich. Man könnte mit einem solchen System z. B. die polarisationsoptischen Eigenschaften eines Beam Delivery Systems erfassen, das zwischen der Laserlichtquelle und dem Beleuchtungssystem einer Projektionsbelichtungsanlage angeordnet ist.
Anhand von 16 in Kombination mit 12 und 13 wird eine mögliche Implementierung einer solchen Energiereferenzierung bei der Vermessung von Komponenten eines Beleuchtungssystems erläutert, das in seiner Pupillenformungseinheit ein Multi-Mirror-Array MMA hat. Die 16 zeigt hierzu einen Ausschnitt der in 13A schematisch gezeigten Pupillenformungseinheit. Dieser Teil des Systems umfasst das Multi-Mirror-Array MMA und ein vorgeschaltetes Linsen-Array FOC, das als Fokussierarray dazu dient, den aufgeweiteten Laserstrahl in Teilstrahlen PB zu zerlegen, die dann auf einzelne Spiegel der Spiegelanordnung MMA treffen. In den Strahlengang zwischen Fokussierarray und Spiegelarray wird ein doppelbrechendes Element SP eingebracht. Die Polarisation des auf das Fokussierarray auftreffenden Strahls wird durch ein Verzögerungselement RET derart eingestellt, dass sich unter Berücksichtung der Orientierung der optischen Kristallachse CA des doppelbrechenden Elementes SP eine Aufteilung der vom Fokussierarray erzeugten Teilstrahlen in jeweils senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen PB1 und PB2 ergibt. Für die Messung werden nun jeweils zwei benachbarte Einzelspiegel MM1, MM2 so eingestellt, dass je zwei Teilstrahlen PB1, PB2 orthogonaler Polarisation unmittelbar nebeneinander in der Pupillenformungsfläche PFS abgebildet werden. Paarweise summiert ergeben die Intensitäten dieser Teilstrahlen die gesuchte Information über die Intensitätsschwankung des Lasers LS. Dabei wird die Auswertung vorteilhafter Weise so durchgeführt, dass jeweils die Summe von unmittelbar benachbart auftreffenden Teilstrahlen mit orthogonaler Polarisation gebildet wird, da diese im Wesentlichen die gleichen optischen Wege zurücklegen und auch im Wesentlichen die gleiche Schwankung der Intensität erfahren.
Da die Anzahl der einzelnen Linsen bzw. einzelnen optischen Kanäle des Fokussierarrays FCC normalerweise der Anzahl der Einzelspiegel des Multi-Mirror-Arrays MMA entspricht, um jeweils die Strahlung eines optischen Kanals auf einen einzelnen Spiegel zu konzentrieren, ist für die Messung vorgesehen, dass vor dem Fokussierarray eine Rasterblende eingesetzt wird, die den eintreffenden Strahl derart aufteilt, dass nur jede zweite Mikrolinse für die Polarisationsmessung genutzt wird.
Die Messung kann an einem bereits betriebsfertig montierten Beleuchtungssystem durchgeführt werden, indem die Detektoreinheit DET des Messsystems mit ihrer Eintrittsebene in die Retikelebene (Austrittsebene des Beleuchtungssystems, im Betrieb identisch mit der Objektebene des Projektionsobjektivs) angeordnet wird. Die Messung kann dann in der schon beschriebenen Weise durchgeführt werden.
Die für die Energiereferenzierung vorgesehene Aufteilung des Messstrahls in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen kann mit Hilfe unterschiedlicher Strahlaufteilungseinrichtungen durchgeführt werden. So kann beispielsweise anstelle eines doppelbrechenden Elementes auch ein Polarisationsstrahlteiler verwendet werden. Es ist auch nicht zwingend, dass die Aufteilung in Teilstrahlen im Lichtweg vor dem Messobjekt oder innerhalb des Messobjektes stattfindet. Vielmehr kann die Aufteilung in orthogonal polarisierte Teilstrahlen auch nach Durchtritt durch das Messobjekt vorgenommen werden, insbesondere auch innerhalb der Detektoreinheit. Einige Beispiele hierzu werden im Zusammenhang mit den 17 und 18 im Folgenden erläutert.
17A zeigt eine schematische Darstellung einer Detektoreinheit DET für ein Polarisationsmesssystem, mit dem die Doppelbrechung optischer Elemente, Komponenten oder Systeme gemessen werden kann. Die Grundkomponenten der Detektoreinheit, insbesondere die Maske M mit der Eintrittsöffnung (einhole PH), die Linse L, das drehbare Verzögerungselement R2, der Polarisationsstrahlteiler BS (Analysator) und der Sensor (SENS) entsprechen den entsprechend bezeichneten Komponenten der Ausführungsform aus 1, weshalb auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
Zusätzlich sind an derjenigen Seite des Strahlteilers BS, an der die von der Strahlteilerfläche reflektierte Strahlung zunächst austritt, eine λ/4-Platte R6 und ein hochreflektierender Planspiegel PM1 angeordnet, dessen Spiegelfläche senkrecht zu der an der Strahlteilerfläche BSS gefalteten optischen Achse der Detektoreinheit liegt. An der gegenüberliegenden Seite des Strahlteilers ist eine weitere λ/4-Verzögerungsplatte R7 vorgesehen sowie ein weiterer hochreflektierender Planspiegel PM2, dessen ebene Spiegelfläche gegenüber der ebenen Spiegelfläche des anderen Planspiegels PM1 bzw. gegenüber der optischen Achse leicht in Richtung des Sensors verkippt ist.
Bei dieser Anordnung wirkt der Polarisationsstrahlteiler BS als strahlaufteilendes Element, welches zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen erzeugt, die unmittelbar nebeneinander auf die Sensorfläche des Sensors SENS treffen. Die Funktion ist dabei wie folgt. Zunächst tritt der durch die Linse L kollimierte Messstrahl in den Strahlteiler BS ein und wird durch die Strahlteilerfläche BSS aufgeteilt in einen zum Sensor SENS durchgehenden Teilstrahl mit p-Polarisation (Polarisationsrichtung parallel zur Einfallsebene auf die Strahlteilerfläche) und in einen von der Strahlteilerfläche reflektierten s-polarisierten Teilstrahl. Der reflektierte Teilstrahl tritt in Richtung des ersten Planspiegels PM1 aus dem Polarisationsstrahlteiler aus, erhält durch die λ/4-Platte zirkulare Polarisation, wird dann an Planspiegel reflektiert und hat nach wiederholtem Durchtritt durch die λ/4-Platte und somit einer Gesamtverzögerung von λ/2 eine um 90° verdrehte Polarisationsrichtung, so dass er nun in Bezug auf die Strahlteilerfläche p-polarisiert ist. Der wieder in den Strahlteiler eintretende p-polarisierte Strahl wird nun von der Strahlteilerfläche zur gegenüberliegenden Seite transmittiert und tritt auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Strahlteiler aus. Nach Durchtritt durch die λ/4-Platte R7 wird der nun zirkular polarisierte Strahl am schräg gestellten Planspiegel PM2 derart reflektiert, dass der reflektierte Strahl gegenüber dem eintreffenden Strahl geringfügig in die Richtung des Sensors geneigt ist. Nach wieder holtem Durchtritt durch die λ/4-Platte R7 liegt dann s-Polarisation vor, so dass der Strahl nun von der Strahlteilerfläche in Richtung Sensorfläche reflektiert wird. Der Kippwinkel des Planspiegels PM2 gegenüber der Einfallsrichtung des auf ihn gerichteten Strahls ist nun so bemessen, dass der durch mehrfache Reflektion zum Sensor geleitete Teilstrahl lateral versetzt zum direkt durchgelassenen Teilstrahl neben diesem auf die Sensorfläche auftrifft.
Bei dieser Anordnung legen die Teilstrahlen nach der polarisationsselektiven Strahlteilung zwar unterschiedliche geometrische Wege zurück (ein Teilstrahl wird direkt zum Sensor transmittiert, der andere wird mehrfach an planen Spiegelflächen reflektiert), die Strahlwege sind aber insoweit gleich bzw. polarisationsoptisch äquivalent, als der mehrfach reflektierte Teilstrahl als Ganzes gegenüber dem direkt transmittierten Teilstrahl nur eine Phasenverzögerung von genau einer Wellenlänge erfährt.
Abweichend von der schematischen Darstellung in 17A kann der Strahldurchmesser des Messstrahles durch das Beleuchtungssystem so eingestellt werden, dass die lateral zueinander versetzt auf den Sensor SENS auftreffenden Teilstrahlen sich nicht überlappen, sondern ohne Überlappung nebeneinander versetzt auftreffen. Hierzu kann z. B. durch das Beleuchtungssystem eine stark unterfüllte Beleuchtungspupille mit nur einem exzentrisch zur optischen Achse liegenden Pol erzeugt werden. Dann kann sich an der Sensorfläche des Sensors SENS eine Situation einstellen, wie es schematisch in 17B gezeigt ist. Diese Figur zeigt links den durch den direkt durchgehenden Teilstrahl gebildeten ersten Spot SP1 und rechts den durch den mehrfach reflektierten Teilstrahl gebildeten zweiten Spot SP2.
In entsprechender Weise kann bei der Vermessung eines Beleuchtungssystems der Messstrahl mit Hilfe des Multi-Mirror-Arrays MMA in eine größere Anzahl von Teilstrahlen gemäß einer feineren Rasterung der Be leuchtungpupille zerlegt werden, die dann in die Detektoreinheit eintreten und auf dem Sensor SENS ein feineres Raster von unmittelbar nebeneinander liegenden Spots SP1, SP2 bilden, wobei jeweils einer der Spots vom Teilstrahl mit s-Polarisation und der andere Spot SP2 vom Teilstrahl mit dem gegenüber orthogonaler Polarisation resultiert. Bei der Auswertung werden dann vorzugsweise die Intensitäten jeweils unmittelbar nebeneinander liegender Spots SP1, SP2 für die Energiereferenzierung ausgewertet.
18 zeigt einen Teil einer Detektoreinheit DET, bei der ein doppelbrechendes Strahlaufteilungselement SP vor der Sensorfäche SENS angeordnet ist. Das doppelbrechende Element SP teilt die auf den Sensor gerichtete Strahlung bei entsprechender Orientierung seiner optischen Kristallachse in senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen auf, wie es links schematisch gezeigt ist. Zwischen dem doppelbrechenden Element und dem Sensor ist ein Mikrolinsenarray ML angebracht, das den hindurchtretenden Strahl in eine der Anzahl beleuchteter Mikrolinsen entsprechende Anzahl von Teilstrahlen aufteilt, und auf der Sensorfläche für jeden der Teilstrahlen Spots für die beiden senkrecht zueinander polarisierten Teile der Teilstrahlen bildet. Bei dieser Ausführungsform kann das Mikrolinsenarray ML die Funktion der Rasterung der Pupille übernehmen, so dass eine Messung auch ohne einen Multi-Mirror-Array im zu vermessenden Messobjekt möglich ist.
Anhand weniger Ausführungsbeispiele wurde hier somit ein Verfahren zur ortsaufgelösten Messung der Änderung der Polarisationsverteilung durch ein optisches System beschrieben, bei dem eine Strahlteilung des Messstrahls in zwei orthogonal zueinander polarisierte Teilstrahlen derart erfolgt, dass beide Teilstrahlen den ortsauflösend wirkenden Sensor des Messsystems an benachbarten Orten treffen.

Claims

Messverfahren zur Messung der Doppelbrechung eines optischen Messobjekts mit: Erzeugen eines auf das Messobjekt gerichteten Messstrahls mit einem definierten Eingangspolarisationszustand, wobei der Eingangspolarisationszustand der Polarisationszustand des Messstrahls unmittelbar vor Eintritt des Messstrahls in das Messobjekt ist; Erfassen von Polarisationseigenschaften des Messstrahls nach Wechselwirkung mit dem Messobjekt zur Erzeugung von Polarisationsmesswerten, die einen Ausgangspolarisationszustand des Messstrahls nach Wechselwirkung mit dem Messobjekt repräsentieren; Auswerten der Polarisationsmesswerte zur Ermittlung mindestens eines die Doppelbrechung des Messobjektes repräsentierenden Doppelbrechungsparameters, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Modulieren des Eingangspolarisationszustandes des Messstrahls in mindestens vier unterschiedliche Messzustände gemäß einer periodischen Modulationsfunktion eines Winkelparameters α; Verarbeiten der zu den mindestens vier Messzuständen gehörenden Polarisationsmesswerte zu einer vom Winkelparameter α abhängigen Messfunktion; Ermitteln eines zweiwelligen Anteils der Messfunktion, wobei die Ermittlung des zweiwelligen Anteils der Messfunktion eine doppelte Fouriertransformation der Messfunktion umfaßt; Analysieren des zweiwelligen Anteils zur Ableitung des mindestens einen Doppelbrechungsparameters.
Messverfahren nach Anspruch 1, worin die Ermittlung des zweiwelligen Anteils der Messfunktion eine erste Fouriertransformation der Messfunktion zur Ermittlung erster Fourierkoeffizienten A0(α) und A2(α) umfasst, wobei A0(α) ein Offset-Term ist, der einem Mittelwert nicht periodischer Anteile der Messfunktion beschreibt, und wobei A2(α) ein erster Zweiwelligkeits-Koeffizient ist, der proportional zur Amplitude des zweiwelligen Anteils der Messfunktion ist, und worin die Ermittlung des zweiwelligen Anteils der Messfunktion weiterhin eine zweite Fouriertransformation der ersten Fourierkoeffizienten A0(α) und A2(α) nach dem Winkelparameter α zur Ermittlung zweiter Fourierkoeffizienten A0_A01(α), A2_A02(α) und B2_A02(α) umfasst, wobei A0_A01(α) ein Offset-Term ist, der einen Mittelwert nicht periodischer Anteile des Offset-Terms A0(α) beschreibt, A2_A02(α) ein sinus-Anteil der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) und B2_A02(α) ein cosinus-Anteil der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) ist.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin die zu den Messzuständen gehörenden Eingangsparameter α der Messfunktion äquidistant zueinander liegen.
Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Modulieren des Eingangspolarisationszustandes folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines auf das Messobjekt gerichteten, linear polarisierten Messstrahls mit einer parallel zum Schwingungsvektor des elektrischen Feldes orientierten Polarisationsrichtung; Erzeugen der mindestens vier Messzustände durch Drehen der Polarisationsrichtung des Messstrahls in mindestens vier in vorgebbaren Drehwinkelabständen zueinander liegenden Messorientierungen, wobei jede der Messorientierungen einem Messzustand entspricht.
Messverfahren nach Anspruch 4, worin 2^N mit N ≥ 2 in äquidistanten Drehwinkelabständen zueinander liegende Messorientierungen eingestellt werden, worin vorzugsweise 4, 8, 16, 32 oder 64 Messorientierungen eingestellt werden.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, worin eine Ermittlung eines auf Komponenten des Messsystems zurückgehenden Systemanteils der Doppelbrechungsparameter mit folgenden Schritten durchgeführt wird: Durchführung einer Messung ohne Messobjekt im Messstrahlengang derart, dass der zu analysierende Ausgangspolarisationszustand dem Eingangspolarisationszustand entspricht; Normierung des Sinus-Anteils A2_A02(α) der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) und des Kosinus-Anteils B2_A02(α) der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) auf den Offset-Term A0_A01(α) für die Messung mit dem Messobjekt im Messstrahlengang zur Ermittlung eines normierten Gesamt-Messsignals; Normierung des Sinus-Anteils A2_A02(α) der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) und des Kosinus-Anteils B2_ A02(α) der Zweiwelligkeit des ersten Zweiwelligkeits-Koeffizienten A2(α) auf den Offset-Term A0_A01(α) für die Messung ohne das Messobjekt im Messstrahlengang zur Ermittlung eines normierten Systemanteils des Gesamt-Messsignals; Abziehen des normierten Systemanteils vom normierten Gesamt-Messsignal.
Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: Durchführung einer ersten Messung zur Ermittlung erster Doppelbrechungsparameter; Durchführung einer zweiten Messung zur Ermittlung zweiter Doppelbrechungsparameter, wobei bei der zweiten Messung der Polarisationszustand des Messstrahls relativ zum Polarisationszustand des Messstrahls der ersten Messung durch Einführung eines Polarisationsrotators in den Messstrahl oder durch Entfernen eines Polarisationsrotators aus dem Messstrahl in einem Polarisationsdrehabschnitt gegenüber dem entsprechenden Polarisationszustand des Messstrahls bei der ersten Messung um 90° gedreht wird; gemeinsame Auswertung der ersten Doppelbrechungsparameter und der zweiten Doppelbrechungsparameter.
Messverfahren nach Anspruch 7, worin die gemeinsame Auswertung eine Ermittlung einer Summe zwischen den zweiwelligen Anteilen der Messfunktion der ersten Messung und zweiten Messung umfasst.
Messverfahren nach Anspruch 7 oder 8, worin die gemeinsame Auswertung eine Ermittlung einer Differenz zwischen den zweiwelligen Anteilen der Messfunktion der ersten und der zweiten Messung umfasst.
Messverfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, worin sich der Polarisationsdrehabschnitt zwischen dem Messobjekt und einem detektorseitigen Bauteil des Messsystems befindet.
Messverfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, worin das Messobjekt mehrere in Durchstrahlungsrichtung hintereinander angeordnete optische Komponenten enthält und der Polarisationsdrehabschnitt zwischen einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente des Messobjektes liegt.
Messverfahren nach Anspruch 11, worin die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente in derjenigen relativen Konfiguration angeordnet sind, in der sie im Rahmen eines die optischen Komponenten enthaltenden optischen Systems genutzt werden.
Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur Drehung des Polarisatioszustandes des Messlichts um 90° ein 90°-Polarisationsrotator verwendet wird, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die folgende Komponenten aufweist: eine Platte aus optisch aktivem Material; eine Platte aus intrinsisch doppelbrechendem Kristallmaterial, das eine kristallografische <110>-Richtung hat, die im Wesentlichen parallel zur Durchstrahlungsrichtung orientiert ist; zwei unter 45° relativ zueinander orientierte Halbwellenlängenplatten niedriger Ordnung, wobei optische Kristallachsen der gegeneinander verdrehten Halbwellenlängenplatten im Wesentlichen senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung stehen.
Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: zeitabhängige Erfassung eines Referenz-Intensitätssignals, welches proportional zur Intensität des von einer Messlichtquelle abgegebenen Messlichtes ist, und Normierung von Polarisations-Messsignalen auf das Referenz-Intensitätssignal zur Ermittlung von normierten Polarisations-Messsignalen.
Messverfahren nach Anspruch 14, weiterhin mit folgenden Schritten: Aufteilen des Messstrahles in einen linear polarisierten ersten Teilstrahl mit einer ersten Intensität und einen senkrecht zum ersten Teilstrahl linear polarisierten zweiten Teilstrahl mit einer zweiten Intensität; Führen des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls entlang von polarisationsoptisch im Wesentlichen gleichen Strahlwegen auf räumlich getrennte erste und zweite Sensorzonen einer Sensorfläche eines Intensitätssensors zur Erzeugung eines der ersten Intensität proportionalen ersten Intensitätssignals und eines der zweiten Intensität proportionalen zweiten Intensitätssignals; und Verarbeiten des ersten Intensitätssignals und des zweiten Intensitätssignals zu einem Kombinationssignal.
Messverfahren nach Anspruch 15, worin ein Intensitäts-Referenzsignal unter Verwendung der Summe des ersten Intensitätssignals und des zweiten Intensitätssignals gebildet wird.
Messverfahren nach Anspruch 15 oder 16, worin die Bildung des Kombinationssignals unter Verwendung eines Verhältnisses zwischen dem ersten Intensitätssignal und dem zweiten Intensitätssignal durchgeführt wird.
Messverfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, worin der Messstrahl mit einem doppelbrechenden Element in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, worin der Messstrahl mit Hilfe eines polarisationsselektiv wirkenden Polarisationsstrahlteilers in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, worin die Aufteilung des Messstrahls in Lichtlaufrichtung vor dem Messobjekt erfolgt.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, worin die Aufteilung des Messstrahls in Lichtlaufrichtung hinter dem Messobjekt erfolgt.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, worin die Aufteilung des Messstrahls innerhalb einer Detektoreinheit zwischen einer Eintrittsfläche der Detektoreinheit und einer Sensorfläche der Detektoreinheit erfolgt.
Messsystem zur Messung der Doppelbrechung eines optischen Messobjekts (MO) mit: einer Strahlerzeugungseinheit (BG) zum Erzeugen eines auf das Messobjekt gerichteten Messstrahls mit einem definierten Eingangspolarisationszustand; einer Detektoreinheit (DET) zum Erfassen von Polarisationseigenschaften des Messstrahls nach Wechselwirkung mit dem Messobjekt (MO) zur Erzeugung von Polarisationsmesswerten, die einen Ausgangspolarisationszustand des Messstrahls repräsentieren; und einer Auswerteeinheit (EU) zum Auswerten der Polarisationsmesswerte zur Ermittlung mindestens eines die Doppelbrechung des Messobjektes repräsentierenden Doppelbrechungsparameters, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerzeugungseinheit (BG) zum Modulieren des Eingangspolarisationszustandes des Messstrahls in mindestens vier unterschiedliche Messzustände gemäß einer periodischen Modulationsfunktion eines Winkelparameters α eingerichtet ist; und die Auswerteeinheit (EU) zum Verarbeiten der zu den mindestens vier Messzuständen gehörenden Polarisationsmesswerte zu einer vom Winkelparameter α abhängigen Messfunktion, zum Ermitteln eines zweiwelligen Anteils der Messfunktion und zum Analysieren des zweiwelligen Anteils zur Ableitung des mindestens einen Doppelbrechungsparameters konfiguriert ist, wobei die Ermittlung des zweiwelligen Anteils der Messfunktion eine doppelte Fouriertransformation der Messfunktion umfasst.
Messsystem nach Anspruch 23, worin die Strahlerzeugungseinheit (BG) zwischen einer Lichtquelle (LS) zur Erzeugung von linear polarisiertem Licht und dem Messobjekt (MO) einen ersten Polarisationsrotator (R1) zur steuerbaren Drehung der Polarisationsrichtung des Messstrahls aufweist.
Messsystem nach Anspruch 24, worin der erste Polarisationsrotator (R1) eine Halbwellenlängenplatte aufweist, die mit Hilfe einer ersten Steuereinrichtung (CR1) um eine optische Achse des Messsystems drehbar ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 25, mit einem zweiten Polarisationsrotator (R3), der als 90°-Polarisationsrotator zur Drehung des Polarisatioszustandes des Messlichts um 90° ausgelegt ist und der mit Hilfe einer zweiten Steuereinrichtung (R3) wahlweise in den Messstrahlengang einführbar oder aus dem Messstrahlengang entfernbar ist.
Messsystem nach Anspruch 26, worin der zweite Polarisationsrotator (R3) im Bereich einer Messobjekt-Halteeinrichtung (MH) derart angeordnet ist, dass er wahlweise zwischen eine erste optische Komponente (CO1) und eine zweite optische Komponente (CO2) eines mehrere optische Komponenten aufweisenden Messobjekts (MO) einführbar oder aus dem Bereich zwischen den optischen Komponenten entfernbar ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 27, mit einem dritten Polarisationsrotator (R4), der als 90°-Polarisationsrotator zur Drehung des Polarisatioszustandes des Messlichts um 90° ausgelegt ist und der mit Hilfe einer zugeordneten dritten Steuereinrichtung (CR4) wahlweise in den Messstrahlengang zwischen dem Messobjekt (MO) und der Detektoreinheit (DET) einführbar oder aus diesem Bereich entfernbar ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 26 bis 28, worin der 90°-Polarisationsrotator aus einer Gruppe ausgewählt ist, die folgende Komponenten aufweist: eine Platte aus optisch aktivem Material; eine Platte aus intrinsisch doppelbrechendem Kristallmaterial, das eine kristallografische <110>-Richtung hat, die im Wesentlichen parallel zur Durchstrahlungsrichtung orientiert ist; zwei unter 45° relativ zueinander orientierte Halbwellenlängenplatten niedriger Ordnung, wobei optische Kristallachsen der gegeneinander verdrehten Halbwellenlängenplatten im Wesentlichen senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung stehen.
Messsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 29, worin die Detektoreinheit (DET) eine Eintrittsöffnung (PH) hat, die in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Messsystems an vorgegebene Positionen verschiebbar ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 30, worin die Detektoreinheit (DET) für eine winkelauflösende Messung des Polarisationszustandes eingerichtet ist.
Projektionsbelichtungsanlage zur Belichtung eines im Bereich einer Bildfläche eines Projektionsobjektivs angeordneten, strahlungsempfindlichen Substrats mit mindestens einem Bild eines im Bereich einer Objektfläche des Projektionsobjektivs angeordneten Musters einer Maske mit: einer primären Lichtquelle (LS) zur Abgabe von Primärlicht; einem Beleuchtungssystem (ILL) zum Empfang des Primärlichts und zur Erzeugung eines auf die Maske (R) gerichteten Beleuchtungsstrahls; einem Projektionsobjektiv (PO) zur Erzeugung eines Bildes des Musters im Bereich der Bildfläche (IS) des Projektionsobjektivs; und einem Messsystem zur Messung der Doppelbrechung eines zwischen der primären Lichtquelle (LS) und der Bildfläche (IS) des Projektionsobjektivs (PO) angeordneten optischen Messobjekts, wobei das Messsystem folgendes aufweist: eine Strahlerzeugungseinheit zum Erzeugen eines auf das Messobjekt gerichteten Messstrahls mit einem definierten Eingangspolarisationszustand; eine Detektoreinheit (DET) zum Erfassen von Polarisationseigenschaften des Messstrahls nach Wechselwirkung mit dem Messobjekt zur Erzeugung von Polarisationsmesswerten, die einen Ausgangspolarisationszustand des Messstrahl repräsentieren; und eine Auswerteeinheit zum Auswerten der Polarisationsmesswerte zur Ermittlung mindestens eines die Doppelbrechung des Messobjektes repräsentierenden Doppelbrechungsparameters.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 32, worin die primäre Lichtquelle (LS) der Projektionsbelichtungsanlage ein Teil der Strahlerzeugungseinheit zum Erzeugen eines auf das Messobjekt gerichteten Messstrahls ist.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 32 oder 33, worin die Detektoreinheit (DET) anstelle eines zu belichtenden Substrats (W) derart im Bereich der Bildebene des Projektionsobjektivs (PO) positionierbar ist, dass sich eine Eintrittsebene der Detektoreinheit mit einer Eintrittsöffnung (PH) in der Bildfläche (IS) des Projektionsobjektivs oder in einer dazu optisch konjugierten Fläche befindet.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 34, worin die Eintrittsöffnung senkrecht zur optischen Achse des Projektionsobjektivs zur Vermessung unterschiedlicher Feldpunkte innerhalb der Bildfläche verschiebbar ist.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der Ansprüche 32 bis 35, worin die Detektoreinheit anstelle einer Maske derart im Bereich der Objektfläche des Projektionsobjektivs positionierbar ist, dass sich eine Eintrittsebene der Detektoreinheit mit einer Eintrittsöffnung in der Objektfläche des Projektionsobjektivs oder in einer dazu optisch konjugierten Fläche befindet.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der Ansprüche 32 bis 36, worin das Messsystem zur Durchführung des Messverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22 konfiguriert ist.
Messverfahren zur Messung der Doppelbrechung eines Retikels mit folgenden Schritten: Anordnen des Retikels in einer Einbauposition zwischen einem Beleuchtungssystem und einem Projektionsobjektiv einer Projektionsbelichtungsanlage im Bereich einer Objektfläche des Projektionsobjektivs; Messen der Doppelbrechung eines Retikels in der Einbauposition mittels eines in die Projektionsanlage integrierten Messsystem zur Messung der Doppelbrechung eines optischen Messobjekts.
Messverfahren nach Anspruch 38, worin die Messung nach einem Retikelwechsel vor einer unter Nutzung des eingewechselten Retikels durchgeführen Belichtung durchgeführt wird.
Messverfahren nach Anspruch 38 oder 39, worin das Messverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 durchgeführt wird, wobei das Retikel als Messobjekt dient.
Messverfahren zur Messung mindestens einer Polarisationseigenschaft eines optischen Messobjekts mit: Erzeugen eines auf das Messobjekt gerichteten Messstrahls mit einem definierten Eingangspolarisationszustand mit Hilfe einer Messlichtquelle; Erfassen von Polarisationseigenschaften des Messstrahls nach Wechselwirkung mit dem Messobjekt zur Erzeugung von Polarisationsmesswerten, die einen Ausgangspolarisationszustand des Messstrahl nach Wechselwirkung mit dem Messobjekt repräsentieren; Auswerten der Polarisationsmesswerte zur Ermittlung mindestens eines Polarisationsparameters, der eine Polarisationseigenschaft des optischen Messobjekts repräsentiert; zeitabhängige Erfassung eines Referenz-Intensitätssignals, welches proportional zur Intensität des von einer Messlichtquelle abgegebenen Messlichtes ist, und Normierung von Polarisations-Messsignalen auf das Referenz-Intensitätssignal zur Ermittlung von normierten Polarisations-Messsignalen; gekennzeichnet durch folgende Schritte: Aufteilen des Messstrahles in einen linear polarisierten ersten Teilstrahl mit einer ersten Intensität und einen senkrecht zum ersten Teilstrahl linear polarisierten zweiten Teilstrahl mit einer zweiten Intensität; Führen des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls entlang von polarisationsoptisch im Wesentlichen gleichen Strahlwegen auf räumlich getrennte erste und zweite Sensorzonen einer Sensorfläche eines Intensitätssensors zur Erzeugung eines der ersten Intensität proportionalen ersten Intensitätssignals und eines der zweiten Intensität proportionalen zweiten Intensitätssignals; und Verarbeiten des ersten Intensitätssignals und des zweiten Intensitätssignals zu einem Kombinationssignal.
Messverfahren nach Anspruch 41, worin ein Intensitäts-Referenzsignal unter Verwendung der Summe des ersten Intensitätssignals und des zweiten Intensitätssignals gebildet wird.