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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle für ein Heterodyninterferometer.
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Stand der Technik
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Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
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In für den EUV-Bereich ausgelegten Projektionsbelichtungsanlagen, d.h. bei Wellenlängen unterhalb von 15 nm (z.B. etwa 13 nm oder etwa 7 nm), werden mangels Verfügbarkeit geeigneter lichtdurchlässiger refraktiver Materialien Spiegel als optische Komponenten für den Abbildungsprozess verwendet.
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Im Betrieb solcher für EUV ausgelegten Projektionsobjektive, bei dem üblicherweise Maske und Wafer in einem Scan-Prozess relativ zueinander bewegt werden, müssen die Positionen der teilweise in allen sechs Freiheitsgraden beweglichen Spiegel sowohl zueinander wie auch zu Maske bzw. Wafer mit hoher Genauigkeit eingestellt sowie beibehalten werden, um Aberrationen und damit einhergehende Beeinträchtigungen des Abbildungsergebnisses zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren.
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Im Stand der Technik sind diverse Ansätze bekannt, um die Position des Wafers bzw. der Waferstage, der Retikelebene sowie der einzelnen Objektivspiegel interferometrisch zu vermessen. Diese Vermessung kann insbesondere unter Verwendung eines Heterodyninterferometers erfolgen, bei welchem die in zwei separaten Teilstrahlengängen verlaufenden Teilstrahlen voneinander unterschiedliche Frequenzen sowie zueinander orthogonale Polarisationszustände aufweisen.
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Dabei ist es z.B. bekannt, die vorstehend genannten, frequenzverschobenen Teilstrahlen unter Verwendung eines Zeeman-stabilisierten Helium-Neon-Lasers zu erzeugen, wobei die Frequenzaufspaltung über ein von außen angelegtes Magnetfeld bewirkt wird. In anderen Ansätzen werden akustooptische Modulatoren zur Frequenzaufspaltung verwendet.
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Allerdings weisen die vorstehend genannten Zeeman-stabilisierten Helium-Neon-Laser prinzipbedingt aufgrund der auf eine longitudinale Resonatormode zu begrenzenden Resonatorlänge nur eine sehr begrenzte Laserleistung (typischerweise weniger als 1 mW) auf. Ferner ist die mit einem Zeeman-stabilisierten Helium-Neon-Laser erzielbare Frequenztrennung auf vergleichsweise geringe Werte von z.B. 2-3 MHz limitiert, wobei eine Vergrößerung des angelegten Magnetfelds mit einem weiteren Leistungsverlust einherginge. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Linienbreite solcher Helium-Neon-Laser aufgrund interner Instabilitäten im Gasmedium bei vergleichsweise großen Werten von 100 kHz oder darüber liegt.
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Die vorstehend beschriebenen Probleme können im Ergebnis dazu führen, dass die mit dem entsprechend ausgestatteten Heterodyninterferometer erzielbaren Genauigkeiten für die in Mikrolithographie-Anwendungen bestehenden hohen Anforderungen (welche über eine Weglänge von 1 Meter Genauigkeiten bei der Längenmessung im Pikometer (pm)-Bereich erfordern) nicht mehr ausreichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtquelle für ein Heterodyninterferometer bereitzustellen, welche eine hochgenaue Längenmessung unter Erfüllung der in der Mikrolithographieanwendung bestehenden hohen Anforderungen und unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Lichtquelle gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Lichtquelle für ein Heterodyninterferometer weist auf:
- - einen ersten Laser zur Erzeugung eines ersten Teilstrahls mit einer ersten Frequenz; und
- - wenigstens einen zweiten Laser zur Erzeugung eines zweiten Teilstrahls mit einer zweiten Frequenz;
- - wobei durch wenigstens eine Regelung ein gewünschter Frequenzabstand zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz einstellbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Laser über einen ersten Regelkreis auf die erste Frequenz stabilisierbar. Der erste Laser kann insbesondere eine Pound-Drever-Hall-Stabilisierung aufweisen. Des Weiteren kann der erste Laser über den für die Regelung notwendigen Bereich hinaus durchstimmbar sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Laser über einen zweiten Regelkreis auf einen vorgegebenen Frequenzabstand zur ersten Frequenz regelbar. Des Weiteren kann der zweite Laser über den für die Regelung notwendigen Bereich hinaus durchstimmbar sein.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, anstelle einer Nutzung des Zeeman-Effektes zur Frequenzaufspaltung für die Erzeugung der im Heterodyninterferometer benötigten, frequenzverschobenen Teilstrahlen von vorneherein zwei separate Laser zu verwenden. Hierbei beinhaltet die Erfindung weiter das Konzept, den ersten dieser Laser (gewissermaßen als „Master-Lasermodul“) stabil auf eine erste Frequenz zu regeln, hingegen den zweiten Laser (gewissermaßen als „Slave-Lasermodul“) auf einen vorgegebenen bzw. gewünschten Frequenzabstand zum ersten Laser zu regeln.
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Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung hat insbesondere den Vorteil, dass sich der betreffende Frequenzabstand regelungstechnisch mit hoher Genauigkeit - z.B. bei einem Frequenzabstand von 10-20 MHz auf wenige Hertz (Hz) genau - einstellen lässt.
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Im Ergebnis können somit erfindungsgemäß die im Heterodyninterferometer benötigten Teilstrahlen mit vergleichsweise hoher Frequenzgenauigkeit auf relativ zum Zeeman-stabilisierten Helium-Neon-Laser hohe Frequenzabstände (z.B. temporär Frequenzabstände von 100 GHz) eingestellt werden.
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Zugleich können die realisierbaren Laserleistungen wesentlich vergrößert werden (z.B. auf ca. 10 mW bis 100 mW oder mehr), und die erzielbaren Linienbreiten können wesentlich verringert werden (z.B. auf ca. 1 Hz). Aufgrund der wesentlich erhöhten Laserleistungen können insbesondere auch mehrere Heterodyninterferometer mit ein- und derselben Lichtquelle betrieben werden.
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In Ausführungsformen kann die Erfindung auch unter entsprechender „Nachrüstung“ eines auf Basis eines herkömmlichen Zeeman-stabilisierten Helium-Neon-Lasers ausgestalteten Heterodyninterferometers realisiert werden. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass die Frequenz des ersten Lasers (d.h. des „Master-Lasermoduls“) bei dessen Ausgestaltung als z.B. durchstimmbarer Diodenlaser auch auf die Wellenlänge des herkömmlichen Helium-Neon-Lasers (von ca. 630 nm) eingestellt werden kann. Dies hat zur Folge, dass ein bereits bestehendes, in Verbindung mit einem herkömmlichen Zeeman-stabilisierten Helium-Neon-Laser funktionierendes Heterodyninterferometer durch einfachen (nach dem „Plug & Play“-Prinzip erfolgenden) Austausch der Laser bzw. Lichtquelleneinheit erfindungsgemäß nachgerüstet werden kann mit der Folge, dass die bestehende Anlage bzw. das Heterodyninterferometer mit wesentlich höherer Genauigkeit und unter Vermeidung der eingangs beschriebenen, mit der herkömmlichen Lösung verbundenen Nachteilen betrieben werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Lichtquelle ferner einen dritten Laser zur Erzeugung eines dritten Teilstrahls mit einer dritten Frequenz auf. Des Weiteren ist gemäß einer Ausführungsform dieser dritte Laser über einen dritten Regelkreis auf einen vorgegebenen Frequenzabstand zur zweiten Frequenz regelbar.
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Somit kann in Ausführungsformen der Erfindung zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen zweiten Laser (dessen Frequenz auf einen gewünschten Frequenzabstand zum ersten Laser bzw. dem Master-Lasermodul geregelt wird) wenigstens ein weiterer Laser (als weiteres „Slave-Lasermodul“) vorgesehen sein, wobei dieser weitere, dritte Laser wiederum auf einen vorgegebenen Frequenzabstand zum zweiten Laser eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann in Summe ein noch größerer Frequenzabstand erzielt werden, wodurch dem Umstand Rechnung getragen werden kann, dass auch bei Nutzung des erfindungsgemäßen Konzepts anhand zweier separater Laser (d.h. einem Master-Lasermodul und einem Slave-Lasermodul) die realisierbaren Frequenzabstände auf größenordnungsmäßig 100 GHz limitiert sind. Mit anderen Worten können unter Nutzung von mehr als nur einem Slave-Lasermodul auch Frequenzabstände von mehr als 100 GHz realisiert werden.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines Heterodyninterferometers, wobei über eine Lichtquelle, welche einen ersten Laser und wenigstens einen zweiten Laser aufweist, wenigstens zwei Teilstrahlen mit voneinander verschiedener Frequenz erzeugt werden, wobei durch wenigstens eine Regelung ein gewünschter Frequenzabstand zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz eingestellt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird zur Erzeugung der Teilstrahlen eine Lichtquelle mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen verwendet.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine erste Frequenz des von dem ersten Laser erzeugten ersten Teilstrahls auf einen vorgegebenen Frequenzwert geregelt, und eine zweite Frequenz des von dem zweiten Laser erzeugten zweiten Teilstrahls wird auf einen vorgegebenen Frequenzabstand zur ersten Frequenz geregelt.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Lichtquelle ferner einen dritten Laser auf, wobei eine dritte Frequenz des von dem dritten Laser erzeugten dritten Teilstrahls auf einen vorgegebenen Frequenzabstand zur zweiten Frequenz geregelt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren zur Abstandsvermessung in einem optischen System für die Mikrolithographie, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, angewendet.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Lichtquelle in einer beispielhaften Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtquelle;
- 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus eines Heterodyninterferometers; und
- 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Lichtquelle in einer Ausführungsform.
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Gemäß 1 unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lichtquelle von der eingangs beschriebenen Ausgestaltung eines Zeeman-stabilisierten Helium-Neon-Lasers prinzipiell insbesondere dadurch, dass zur Erzeugung von zwei frequenzverschobenen Teilstrahlen zwei separate Laser, d.h. ein erster Laser (als „Master-Lasermodul“) und ein zweiter Laser (als „Slave-Lasermodul“) verwendet werden.
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Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem ersten Lasermodul - ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre - um einen durchstimmbaren Diodenlaser, welcher durch eine geeignete Stabilisierungsschaltung auf eine Referenzkavität 117 bzw. eine gewünschte und vorgebbare erste Frequenz f1 geregelt wird. In weiteren Ausführungsformen kann der erste Laser 110 auch als Helium-Neon-Laser mit Iod-Referenz, als frequenzverdoppelter Nd:YAG/Nd:IVO-Laser oder als Faserlaser beliebiger geeigneter Dotierung realisiert werden. Ferner kann die Referenzkavität 117 in weiteren Ausführungsformen auch durch eine Iod-Zelle oder einen anderen geeigneten Frequenzstandard ersetzt werden.
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Die Stabilisierungsschaltung für den ersten Laser 110 ist im Ausführungsbeispiel (jedoch wiederum ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) als eine als solche bekannte Pound-Drever-Hall-Stabilisierungsschaltung realisiert und umfasst gemäß 1 einen Faraday-Isolator 113 und eine nachgelagerte Regelschaltung mit einem elektrooptischen Modulator 114, einer elektrischen Mischeinheit 119 und einem Tiefpassfilter 120. Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 120 wird als Fehlersignal der Laserfrequenzregelung verwendet. Mit „118“ ist in 1 eine Photodiode, mit „115“ ein polarisationsabhängiger Strahlteiler und mit „116“ eine Lambda/4-Platte bezeichnet.
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Während in der erfindungsgemäßen Lichtquelle die vorstehend beschriebenen Komponenten dazu dienen, die von der ersten Lasereinheit bzw. dem „Master-Lasermodul“ erzeugte Frequenz stabil auf dem Wert f1 zu halten, wird der zweite Laser 130 als „Slave-Lasermodul“ auf einen über ein Hochfrequenzsignal 133 vorgegebenen bzw. gewünschten Frequenzabstand Δf1 von der Frequenz f1 des ersten Lasers 110 geregelt. Dies erfolgt, indem die von dem zweiten Laser 130 erzeugte Laserstrahlung mit der vom ersten Laser 110 erzeugten Laserstrahlung (d.h. der Laserstrahlung des Master-Lasermoduls) auf einer Photodiode zur Schwebung gebracht wird und die Laserfrequenz über einen Frequenzdiskriminator 134 geregelt wird. Mit „132“ ist eine elektrische Mischeinheit bezeichnet.
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Während die von dem ersten Laser 110 erzeugte Laserstrahlung mit der Frequenz f1 in eine erste polarisationserhaltende Single-Mode-Faser 123 (gemäß 1 nach Einstellung eines gewünschten ersten Polarisationszustandes über einen Polarisator 121) eingekoppelt wird, wird die von dem zweiten Laser 130 erzeugte Laserstrahlung mit der Frequenz f2 = f1 + Δf1 in eine zweite polarisationserhaltende Single-Mode-Faser 137 eingekoppelt, wobei gemäß 1 diese Laserstrahlung des zweiten Lasers 130 vor Einkopplung in die polarisationserhaltende Single-Mode-Faser 137 über einen Polarisator 135 auf einen gewünschten, zum Polarisationszustand der Laserstrahlung des ersten Lasers 110 orthogonalen Polarisationszustand gebracht wird. In weiteren Ausführungsformen können die Polarisatoren 121 und 135 gegebenenfalls auch entfallen, sofern vom ersten Laser 110 bzw. vom zweiten Laser 130 von vorneherein polarisiertes Licht erzeugt wird. Hierbei kann die Polarisationsrichtung auch über die Orientierung der jeweiligen Single-Mode-Faser 123 bzw. 137 eingestellt werden.
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Der Frequenzabstand Δf1, um welchen sich die Frequenz f2 des vom zweiten Laser 130 erzeugten Teilstrahls von der Frequenz f1 des vom ersten Laser 110 erzeugten Teilstrahls unterscheidet, ist grundsätzlich frei wählbar und kann in Ausführungsformen auch im Betrieb der Lichtquelle bzw. des Heterodyninterferometers dynamisch eingestellt bzw. nach Wunsch angepasst werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen zweiten Laser (in 2 mit „230“ bezeichnet), dessen Frequenz f2 auf einen gewünschten bzw. vorgebbaren Frequenzabstand Δf1 zum ersten Laser (in 2 mit „210“ bezeichnet) bzw. dem Master-Lasermodul geregelt wird, ein weiterer Laser 240 (als weiteres „Slave-Lasermodul“) vorgesehen. Dieser weitere, dritte Laser 240 bzw. die Frequenz f3 des von diesem erzeugten Teilstrahls kann wiederum auf einen gewünschten bzw. vorgebbaren Frequenzabstand Δf2 zum zweiten Laser 230 (d.h. dem ersten Slave-Lasermodul) eingestellt werden. Auf diese Weise kann in Summe ein noch größerer Frequenzabstand Δf1 + Δf2 zweier Teilstrahlen erzielt werden, wodurch dem Umstand Rechnung getragen werden kann, dass auch bei Nutzung des erfindungsgemäßen Konzepts anhand zweier separater Laser (d.h. einem Master-Lasermodul und einem Slave-Lasermodul) die realisierbaren Frequenzabstände auf größenordnungsmäßig 100 GHz limitiert sind. Auf diese Weise (d.h. unter Nutzung von mehr als nur einem Slave-Lasermodul) können auch beispielsweise Frequenzabstände Δf1 + Δf2 von 100 GHz oder mehr realisiert werden.
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In weiteren Ausführungsformen können auch noch mehr Slave-Lasermodule in zu 2 analoger Weise vorgesehen sein, wobei insbesondere die Erzeugung einer vierten Frequenz f4 mit einem vierten Laser zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs vorteilhaft sein kann.
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3 zeigt in schematischer Darstellung einen prinzipiellen möglichen Aufbau eines Heterodyninterferometers.
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Gemäß 3 erzeugt eine Lichtquelle 301 zwei Lichtstrahlen bzw. Lichtstrahlkomponenten mit voneinander verschiedenen Frequenzen f1 und f2, wobei diese Komponenten zueinander orthogonale Polarisationszustände aufweisen, so dass über einen Polarisationsstrahlteiler 310 eine Aufspaltung auf unterschiedliche Strahlwege erfolgt. Die sich abhängig vom Polarisationszustand in voneinander verschiedenen Richtungen ausbreitenden Teilstrahlen werden nach Durchlaufen einer ersten Verzögerungsplatte (Lambda/4-Platte) 325 und Reflexion an einem ersten Spiegel 320 bzw. Durchlaufen einer zweiten Verzögerungsplatte (Lambda/4-Platte) 335 und Reflexion an einem zweiten Spiegel 330 über den Polarisationsstrahlteiler 310 rekombiniert. Die rekombinierten Strahlen werden durch gedrehte Polarisatoren 302, 306 (45°-Stellung zwischen den beiden orthogonal polarisierten Strahlen) zur Interferenz gebracht, wobei die Frequenz der Interferenz der Schwebungsfrequenz entspricht. Ein Detektor 340 dient zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen dem aus entsprechender Überlagerung resultierenden Signal S2 und einem Referenzsignal S1.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage. Das erfindungsgemäße Heterodyninterferometer kann in dieser Projektionsbelichtungsanlage zur Abstandsvermessung des Wafers bzw. der Waferstage, der Retikelebene sowie der einzelnen Spiegel im Projektionsobjektiv oder in der Beleuchtungseinrichtung verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung in für den Betrieb im EUV ausgelegten Systemen beschränkt, sondern auch bei der Vermessung optischer Systeme für andere Arbeitswellenlängen (z.B. im VUV-Bereich bzw. bei Wellenlängen kleiner als 250nm) sowie auch zur Anwendung in anderen (nicht für die Mikrolithographie bestimmten) optischen Systemen realisierbar.
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Gemäß 4 weist eine Beleuchtungseinrichtung in einer für EUV ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage 400 einen Feldfacettenspiegel 403 und einen Pupillenfacettenspiegel 404 auf. Auf den Feldfacettenspiegel 403 wird das Licht einer Lichtquelleneinheit, welche eine Plasmalichtquelle 401 und einen Kollektorspiegel 402 umfasst, gelenkt. Im Lichtweg nach dem Pupillenfacettenspiegel 404 sind ein erster Teleskopspiegel 405 und ein zweiter Teleskopspiegel 406 angeordnet. Im Lichtweg nachfolgend ist ein Umlenkspiegel 407 angeordnet, der die auf ihn treffende Strahlung auf ein Objektfeld in der Objektebene eines sechs Spiegel 451-456 umfassenden Projektionsobjektivs lenkt. Am Ort des Objektfeldes ist eine reflektive strukturtragende Maske 421 auf einem Maskentisch 420 angeordnet, die mit Hilfe des Projektionsobjektivs in eine Bildebene abgebildet wird, in welcher sich ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes Substrat 461 auf einem Wafertisch 460 befindet.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.