DE10241351A1

DE10241351A1 - Kompaktes Teleobjektiv für ein Gitterskala-Positionsmeßsystem

Info

Publication number: DE10241351A1
Application number: DE10241351A
Authority: DE
Inventors: Hakchu Lee
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2003-06-05
Also published as: JP3692347B2; US6762889B2; US20030090814A1; JP2003194587A

Abstract

Ein Teleobjektiv für ein Gitterskala-Meßsystem umfaßt ein Paar von asphärischen Linsen, die bei finiten Konjugierten mit minimalen sphärischen Aberrationen zusammenarbeiten. Identische asphärische Linsen schaffen ein Teilsystem mit einer Vergrößerung von 1x, und ein Vergrößerungssystem, das typischerweise ein oder mehrere negative Linsen umfaßt, erhöht die Vergrößerung eines Intensitätsmusters, um die exakte Messung der Phase des Intensitätsmusters zu ermöglichen.

Description

Gitterskala-Positionsmeßsysteme messen exakt die Bewegung eines Objekts, indem das Licht beobachtet wird, das von einem Gitter, das an dem Objekt angebracht ist, gebeugt wird.
Fig. 1 stellt ein Beispiel eines Gitterskala- Positionsmeßsystems 100 dar, das die Position eines Objekts 110 mißt. Für die Messungen ist ein Reflexionsgitter 120 auf dem Objekt 110 angebracht und wird mit einem parallel gerichteten Lichtstrahl 130 von einem Laser oder einer anderen Strahlenquelle 140 beleuchtet.
Das Gitter 120 beugt den Lichtstrahl 140 in ein Maximum nullter Ordnung, das auf einem Strahl X0 zentriert ist, Maxima erster Ordnung, die auf den Strahlen X1 zentriert sind, Maxima zweiter Ordnung, die auf den Strahlen X2 zentriert sind, und Maxima höherer Ordnung (nicht gezeigt). Eine Linse 150 im System 100 empfängt das gebeugte Licht und fokussiert das Licht von den Maxima X1 erster Ordnung auf eine Bildebene 170. Ein Raumfilter 160 überträgt selektiv das Licht in der Maxima erster Ordnung und blockiert den Rest des Lichts, das vom Gitter 120 gebeugt wird.
Auf der Bildebene 170 bildet das Licht von dem Maximum erster Ordnung eine periodische Intensitätsverteilung 175 mit einer räumlichen Periode (oder Wellenlänge), die von der Linienbeabstandung des Gitters 120 und der Vergrößerung der Linse 150 abhängt. Die Position oder Phase der periodischen Intensitätsverteilung 175 hängt von der Position des Gitters 120 ab. Folglich, während bewegen sich ein Objekt 110 und das Gitter 120 senkrecht zu einem auffallenden Strahl 140 bewegen, verlagert sich die periodische Intensitätsverteilung 175 auf der Bildebene 170.
Die Detektoren 180 messen die Lichtintensität an den räumlich getrennten Positionen entlang der Bildebene 170. Unterschiede der gemessenen Intensitäten an den räumlich getrennten Punkten zeigen die Position oder Phase der periodischen Intensitätsverteilung 175 an. Folglich zeigt eine Bewegung oder eine Phasenveränderung der periodischen Intensitätsverteilung 175 eine Bewegung des Objekts 110 an. Die Detektoren 180 messen die Phasenveränderung der periodischen Intensitätsverteilung 175 und messen dadurch die Bewegung des Objekts 110.
Für präzise Messungen erfassen die Detektoren 180 ein scharfes Bild auf der Bildebene 170. Speziell bewirkt die Verwendung einer kugelförmigen Linse für die Linse 150 sphärische Aberrationen, die die Intensitätsverteilung 175 unscharf machen, was es für die Detektoren 180 erschwert, die Phase der Intensitätsverteilung 175 zu messen. Eine asphärische Linse kann die sphärischen Aberrationen verringern, jedoch reduziert eine serienmäßig gefertigte asphärische Standardlinse die sphärischen Aberrationen, wenn sich das Objekt in der Unendlichkeit befindet. Bei dem System 100 divergiert das Licht von den Strahlen X1 erster Ordnung vom Gitter 120, so daß die Annäherung eines Objekts an die Unendlichkeit ungenau ist. Folglich können Aberrationen sogar bei einer asphärischen Linse Genauigkeitsprobleme bewirken.
Das System 100 weist auch dahingehend einen Nachteil auf, daß die meisten Anwendungen des Systems 100 eine relativ große Distanz zwischen der Linse 150 und der Bildebene 170 erfordern. Zum Beispiel, wenn das Objekt 110 eine Stufe für einen Wafer in einem Fertigungsgerät für integrierte Schaltungen ist, muß der Zwischenraum zwischen dem Objekt 100 und der Linse 150 etwa 19 mm oder mehr betragen, was zu einer Objektdistanz von etwa 19 mm oder mehr führt. Zusätzlich erfordern die Detektoren 180 bei einem Gitter angemessener Größe (z. B. 10 µm Teilung) eine Vergrößerung von 9 × oder mehr des Gitterabstands, um die Messung der Phase der periodischen Intensitätsverteilung 175 zu ermöglichen. Der Zwischenraum und die Vergrößerungsanforderungen führen zu einer Gesamtlänge des optischen Wegs von etwa 200 mm zwischen dem Objekt und dem Bild. Ein 200 mm langes Meßgerät ist bei raumkritischen Systemen wie vielen Fertigungsgeräten für integrierte Schaltungen häufig zu groß.
Knickspiegel können die optische Länge innerhalb eines relativ kompakten Gehäuses knicken. Ein exemplarisches System verwendet sieben Knickspiegel, um die Größe des Meßgerätes zu reduzieren. Die Knickspiegel erfordern jedoch eine Ausrichtung, die die Herstellungskosten erhöht. Zusätzlich unterliegen die Positionen der Knickspiegel einer Drift während der Verwendung des Meßsystems, und die periodische Rekalibrierung des Meßsystems kann unpraktisch oder bei manchen Anwendungen unzulässig sein.
Angesichts des Nachteils der existierenden Gitterskala- Positionsmeßsystemen ist ein System wünschenswert, das eine kompakte Vorrichtung vorsieht, die keine komplizierte Spiegelausrichtung erfordert und keiner Meßdrift unterliegt und eine Lichtintensitätsverteilung bei einer Vergrößerung und Klarheit liefert, die eine präzises Phasenmessung ermöglicht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfaches und kompaktes Gitterskala-Meßsysteme und ein eben solches Teleobjektiv zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Gitterskala-Meßsystem gemäß Anspruch 1 und ein Teleobjektiv gemäß Anspruch 9 gelöst.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung verwendet ein Gitterskala- Positionsmeßsystem ein Teleobjektiv, das ein Paar von asphärischen Linsen umfaßt, die für finite Konjugierte positioniert sind. Ein zusätzliches Vergrößerungssystem in dem Teleobjektiv kann eine periodische Intensitätsverteilung (d. h. das Bild) in der Bildebene auf die Größe vergrößern, die für exakte Phasenmessungen erforderlich ist. Das Vergrößerungssystem kann sphärische Linsen verwenden, weil die asphärischen Linsen das Licht bis auf eine kleine Öffnung in dem Vergrößerungssystem fokussieren, und die Strahlen durch die Öffnung ausreichend paraxial sind, um ein Einbringen beträchtlicher sphärischer Aberrationen zu verhindern.

Ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Teleobjektiv, die eine erste asphärische Linse und eine zweite asphärische Linse umfaßt, die positioniert sind, um ein Teilsystem zu bilden, das bei finiten Konjugierten arbeitet. Bei einer speziellen Konfiguration ist die erste asphärische Linse so positioniert, daß ein Objekt auf einem Brennpunkt der ersten asphärischen Linse ist, und die zweite asphärische Linse ist so positioniert, daß ein Bild der ersten asphärischen Linse ein Objekt der zweiten asphärischen Linse ist. Die asphärischen Linsen können im wesentlichen identisch und so positioniert sein, daß das Teilsystem ein echtes Bild mit einer Einheitsvergrößerung liefert. Ein Vergrößerungssystem das ein oder mehrere negative Linsen umfassen kann, kann das Bild von dem Teilsystem vergrößern.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gitterskala-Meßsystem, das ein Teleobjektiv und einen Detektor umfaßt. Das Teleobjektiv bildet ein Bild eines Gitters, und der Detektor mißt die Bewegung einer Intensitätsverteilung, die das Teleobjektiv in einer Bildebene bildet. Das Teleobjektiv umfaßt allgemein mehrere asphärische Linsen mit Konfigurationen wie bei dem vorstehend beschriebenen Teleobjektiv.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein bekanntes Gitterskala-Positionsmeßsystem.
Fig. 2 ein Gitterskalapositionsmeßsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 einen Vergleich von sphärischen Aberrationen in einem Einzellinsensystem und ein System gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Verwendung von gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren weist auf ähnliche oder identische Elemente hin.
Ein Teleobjektiv für ein Gitterskala-Positionsmeßsystem umfaßt ein Paar von asphärischen Linsen, die angeordnet sind, um bei finiten Konjugierten ohne ein Einführen sphärischer Aberrationen, die sphärischen Linsen oder einer asphärischen Linse zugeordnet sind (die für infinite Konjugierte gefertigt worden sind), die dafür sorgen, daß sich das Objekt und das Bild auf finiten Distanzen befinden, zu arbeiten. Ein zusätzliches Vergrößerungssystem, das das Bild- /Intensitätsmuster für die Phasenmessung vergrößert, kann so positioniert sein, daß nur ein kleiner, auf der Achse befindlicher Abschnitt des Vergrößerungssystems das Bild- /Intensitätsmuster bildet. Folglich kann das Vergrößerungssystem sphärische Linsen verwenden, ohne unzulässige sphärische Aberrationen einzuführen. Zusätzlich können die Teleobjektive die erforderliche Bildqualität und Vergrößerung für präzise Messungen der Phase des periodischen Intensitätsmusters erreichen und eine optische Weglänge liefern, die wesentlich kürzer ist als die optische Weglänge eines Einzellinsensystems. Ein kompaktes Meßgerät kann daher hergestellt werden, das keine große Anzahl von Knickspiegeln aufweist.
Fig. 4 stellt ein Gitterskala-Positionsmeßsystem 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Das System 200 mißt die Bewegung eines Gitters 120, das an einem Objekt 110 angebracht ist, und mißt speziell die Bewegung entlang einer Achse, die sich entlang der Oberfläche des Gitters 120 und senkrecht zu den reflektiven Linien erstreckt, die das Gitter 120 bilden. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt das Gitter 120 eine Serie von rechteckigen Chromstreifen, wobei jeder Streifen etwa 9 bis 10 µm breit ist und von dem nächsten benachbarten Streifen um etwa 5 µm getrennt ist (für eine Teilung oder Linienbeabstandung von 15 µm).
Das Objekt 110 kann eine Stufe sein, die ein Wafer für einen Herstellungsprozeß hält und positioniert, jedoch kann das System 200 allgemeiner die Meßbewegung eines beliebigen Objekts entlang des Gitters messen. Da eine Stufe oder ein anderes Objekt eine Bewegungsfreiheit in mehrere Richtungen aufweist, ist die Bewegung typischerweise auf eine Achse zu einem Zeitpunkt begrenzt, und ein separates Meßsystem wie das System 200 kann verwendet werden, um die Bewegung entlang anderer Bewegungsachsen zu messen.
Das System 200 umfaßt eine Strahlenquelle 240, ein Teleobjektiv 250, ein Raumfilter 260 und Detektoren 180. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Strahlenquelle 240 eine Laserdiode 242, die einen auffallenden Strahl 130 über eine optische Faser 244, eine Kollimatorlinse 246 und einen Spiegel 248 liefert. Der resultierende parallel gerichtete Strahl 130 weist vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,15 mm auf. Die Laserdiode 242 wird außerhalb eines Gehäuses 280 des Systems 200 gehalten, um Störungen der thermischen Umgebung der Meßoptik zu verringern. Die optische Faser 244, die Kollimatorlinse 246 und der Spiegel 248 werden während der Herstellung des Systems 200 am Gehäuse 280 angebracht und ausgerichtet.
Das Teleobjektiv 250 umfaßt ein Paar von asphärischen Linsen 252 und 254 und ein Vergrößerungssystem 255. Allgemein sind die Linsen 252 und 254 asphärische Standardlinsen wie sie im Handel von Lieferanten wie Geltech, Inc. erhältlich sind. Die asphärischen Standardlinsen minimieren sie sphärischen Aberrationen, wenn ein Objekt bei Unendlichkeit abgebildet wird.
Die Linse 252 weist ihr Objekt (d. h. das Gitter 120) in der Fokalebene der asphärischen Linse 252 auf, und ein Raumfilter 260 leitet nur das reflektierte Licht entsprechend der Maxima erster Ordnung des Gitters 120 weiter. Das Objekt für die asphärische Linse 254 ist das Bild, das die asphärische Linse 252 bei Unendlichkeit unter Verwendung des Lichts der Maxima erster Ordnung bildet. Entsprechend weisen die asphärischen Linsen 252 und 254 als ein Teilsystem ein Bild in der Fokalebene der asphärischen Linse 254 auf und liefern minimale sphärische Aberrationen in diesem Bild.
Die Linsen 252 und 254 können, müssen jedoch aber nicht identisch sein. Wenn sie identisch sind, bilden die asphärischen Linsen 252 und 254 ein Teilsystem bei einer Vergrößerung von 1x. Die Brennweiten der asphärischen Linsen 252 und 254 können jedoch zum Liefern der Vergrößerung unterschiedlich sein.
Das System 200 verwendet eine einfache Konfiguration mit einem Knickspiegel 270, der das Licht von der asphärischen Linse 254 in das Vergrößerungssystem 255 reflektiert. Der Spiegel 270 ist ein optisches Element, das ein noch kompakteres Gehäuse 280 für das System 200 ermöglicht. Die Klammern (nicht gezeigt) können den Spiegel 270 direkt mit dem Gehäuse 280 in Kontakt halten, um die Verwendung von Haftmitteln zu verhindern, die im Laufe der Zeit schrumpfen und eine Drift bei der Kalibrierung der Messungen bewirken könnten.
Bei einem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Vergrößerungssystem 255 zwei Linsen 256 und 258, die negative Brennweiten aufweisen. Die zwei Linsen 256 und 258 können in einer Halterung unter Verwendung einer Röhre gehalten werden, um die Linsen 255 und 256 in Ausrichtung zueinander zu halten. Alternative Ausführungsbeispiele des Vergrößerungssystems 255 könnten eine einzelne negative Linse oder drei oder mehr negative Linsen mit oder ohne zusätzliche optische Elemente umfassen. Allgemeiner könnte ein beliebiger Typ von Vergrößerungssystem, das Vergrößerungselemente wie Spiegel oder Linsen umfaßt, verwendet werden. Wie weiter unten beschrieben ist, kann die Konfiguration von Fig. 2 die erforderliche Bildqualität und Vergrößerung bei einer Objekt-zu-Bild-Distanz liefern, die erheblich geringer ist als es ein Einzellinsenkonzept erreichen kann.
Die Detektoren 180 umfassen drei Photodetektoren, die die Lichtintensität an drei getrennten Punkten in der Bildebene der Photolinse 250 messen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel liefert das Teleobjektiv 250 eine Intensitätsverteilung mit einer räumlichen Periode von etwa 45 µm, und die Detektoren 180 messen die Lichtintensität an den Punkten, die etwa 15 µm oder 120° voneinander getrennt sind. Die Detektoren liefern drei Intensitätsmessungen, die ein Verarbeitungssystem (nicht gezeigt) verwendet, um die Phase der Intensitätsverteilung zu bestimmen. Die Phasenveränderungen zeigen eine Bewegung der Intensitätsverteilung und eine entsprechende Bewegung des Objekts 110 an.
Die Tabelle 1 enthält eine optische Auflistung des Teleobjektivs 250 in einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Tabelle 1 entspricht jede Reihe einer optischen Oberfläche. Die Spalte mit dem Titel "Element" zeigt das Bezugszeichen in Fig. 2 des Elements an, das die optische Oberfläche, die in der Reihe beschrieben ist, vorsieht. Die Koordinate Zvx zeigt die Scheitelpunktposition in Millimetern der optischen Oberfläche an. Der Index zeigt den Brechungsindex an, der der optischen Oberfläche vorausgeht. Eine Krümmung zeigt den Krümmungsradius der optischen Oberfläche an. Für asphärische Oberflächen sind A4 und A6 Koeffizienten der asphärischen Potenzreihe und S ist der Formfaktor der optischen Oberfläche. Tabelle 1 Optische Auflistung des exemplarischen Ausführungsbeispiels
Bei dem Ausführungsbeispiel von Tabelle 1 existiert eine Symmetrie zwischen den zwei asphärischen Linsen 252 und 254, die als ein Teilsystem ein reales Bild einer einheitlichen Vergrößerung bilden. Dieses Konzeptmerkmal ist wichtig, da die meisten asphärischen Standardlinsen für infinite Konjugierte gefertigt sind (d. h. gefertigt sind, um sphärische Aberrationen zu korrigieren, wenn sich das Objekt in der Unendlichkeit befindet). Durch Kombinieren der zwei asphärischen Linsen in einer symmetrischen Anordnung arbeitet das System bei finiten Konjugierten und weist immer noch minimale sphärische Aberrationen auf.
Obwohl das asphärische Linsenpaar eine minimale sphärische Aberration einführt, führt das Vergrößerungssystem 255, das bei dem Ausführungsbeispiel von Tabelle 1 zwei negative Linsen 256 und 258 umfaßt, sphärische Aberrationen ein. Das Vergrößerungssystem 255 weist jedoch einen relativ kleinen Effekt auf die sphärischen Aberrationen auf, weil nach dem Treffen auf die erste Oberfläche der ersten negativen Linse, die sich ausbreitenden Strahlen nahezu paraxial sind.
Fig. 3 stellt dar, wie die sphärischen Aberrationen 310eines Teleobjektivs, das das Konzept von Tabelle 1 aufweist, geringer sind als die sphärischen Aberrationen 320 in einem System, das eine einzelne asphärische Linse verwendet.
Ein weiterer Vorteil des Teleobjektivs von Tabelle 1 ist die totale Objekt-zu-Bild-Distanz, die weniger als 55 mm ist, was etwas mehr als ein Viertel der Objekt-zu-Bild- Distanz von etwa 200 mm beträgt, was eine vergleichbare einzelne Linse erfordert. Die Verringerung der optischen Weglänge ermöglicht ein kompaktes Meßsystem, ohne eine große Anzahl von Knickspiegeln zu erfordern.

Claims

1. Gitterskala-Meßsystem, das folgende Merkmale aufweist:
ein Teleobjektiv (250), das positioniert ist, um ein Bild eines Gitters (120) zu bilden, wobei das Teleobjektiv eine Mehrzahl von asphärischen Linsen (252, 254) aufweist; und
einen Detektor (180), der positioniert ist, um eine Bewegung einer Intensitätsverteilung (175) in einer Bildebene des Teleobjektivs zu messen.

2. System gemäß Anspruch 1, bei dem das Teleobjektiv folgende Merkmale aufweist:
eine erste asphärische Linse (252) und eine zweite asphärische Linse (254), die positioniert sind, um ein Teilsystem zu bilden, das mit finiten Konjugierten arbeitet; und
ein Vergrößerungssystem (255), das positioniert ist, um ein Bild des Teilsystems zu vergrößern.

3. System gemäß Anspruch 2, bei dem das Vergrößerungssystem (255) eine erste negative Linse (256) aufweist, die eine negative Brennweite aufweist.

4. System gemäß Anspruch 3 bei dem das Vergrößerungssystem (255) ferner eine zweite negative Linse (258) aufweist, die eine negative Brennweite aufweist.

5. System gemäß einem der Anspruch 2 bis 3, bei dem die erste und die zweite asphärische Linse (252, 254) im wesentlichen identisch sind.

6. System gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem:
die erste asphärische Linse (252) so positioniert ist, daß ein Objekt (120) an einem Brennpunkt der ersten asphärischen Linse ist; und
die zweite asphärische Linse (254) so positioniert ist, daß ein Bild der ersten asphärischen Linse ein Objekt der zweiten asphärischen Linse ist.

7. System gemäß Anspruch 6, bei dem die erste und die zweite asphärische Linse (252, 254) im wesentlichen identisch sind.

8. System gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Teilsystem, das die erste und die zweite asphärische Linse (252, 254) umfaßt, eine Einheitsvergrößerung liefert.

9. Teleobjektiv, das folgende Merkmale aufweist:
eine erste asphärische Linse (252) und eine zweite asphärische Linse (254), die positioniert sind, um ein Teilsystem zu bilden, das bei finiten Konjugierten arbeitet; und
ein Vergrößerungssystem (255), das positioniert ist, um ein Bild des Teilsystems zu vergrößern.

10. Linse gemäß Anspruch 9, bei dem das Vergrößerungssystem (255) ein erste negative Linse aufweist, die eine negative Brennweite aufweist.

11. Linse gemäß Anspruch 10, bei der das Vergrößerungssystem (255) ferner eine zweite negative Linse (258) aufweist, die eine negative Brennweite aufweist.

12. Linse gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die erste und die zweite asphärische Linse (252, 254) im wesentlichen identisch sind.

13. Linse gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der:
die erste asphärische Linse (252) so positioniert ist, daß ein Objekt an einem Brennpunkt der ersten asphärischen Linse ist; und
die zweite asphärische Linse (254) so positioniert ist, daß ein Bild der ersten asphärischen Linse (252) ein Objekt der zweiten asphärischen Linse (254) ist.

14. Linse gemäß Anspruch 13, bei der die erste und die zweite asphärische Linse (252, 254) im wesentlichen identisch sind.

15. Linse gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der die erste und die zweite asphärische Linse (252, 254) für ein Teilsystem einer Einheitsvergrößerung vorhanden sind.