DE19601692C2 - Strahlzufuhrvorrichtung und zugehöriges Verfahren für die Interferometrie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Interferometer, und insbesondere eine optische Vorrichtung sowie Verfahren zum Zuführen eines Strahls zu einem Interferometer.

Interferometer sind optische Instrumente, die zur genauen Messung von Verschiebungen durch Reflexion eines Laserstrahls von einem Ziel und Analysieren der optischen Eigenschaften des zurückkehrendes Strahls verwendet werden. Bei einem normalerweise verwendeten Überlagerungs-Interferometer wird ein Laserstrahl verwendet, der orthogonal polarisierte Komponenten mit unterschiedlichen Frequenzen aufweist. Nach Aufteilen der Komponenten durch einen Polarisations- Strahlteiler wird eine Komponente von dem beweglichen Ziel zurückreflektiert, und die andere von einem ortsfesten Bezugskörper zurückreflektiert. Die Komponenten werden wieder miteinander vereinigt, und es wird die sich ergebende Schwebungsfrequenz analysiert. Da jede Komponente ein bestimmtes Signal trägt ist es wesentlich, ein "Übersprechen" zwischen den orthogonal polarisierten Komponenten zu vermeiden.

Bei derartigen, konventionellen Interferometern tritt ein gewissen Übersprechen auf, da die Strahlkomponenten nicht exakt orthogonal zueinander sind. Typische Werte für die Abweichung von der Orthogonalität reichen bis zu einigen Grad. Dies erzeugt Nichtlinearitätsfehler, welche Meßergebnisse verfälschen. Derartige Fehler waren ausreichend klein, um bei zahlreichen Anwendungen vernachlässigt werden zu können, sind jedoch bei kritischen Einsatzzwecken wie beispielsweise der Mikrolithographie problematisch.

Vorhandene Systeme verwenden zusätzliche optische Einrichtungen und Empfangselektronik zur Verringerung der Nichtorthogonalität, die für die meisten Systeme typisch ist, jedoch sind diese Systeme häufig voluminös und zeigen nur eine begrenzte Wirkung. Infolge der thermischen und der Turbulenzeffekte, welche die Meßgenauigkeit verringern, können vorhandene Strahlquellen außerhalb der Zielumgebung angeordnet sein, jedoch erfordert dies ein in bezug auf die optischen Eigenschaften exaktes Fenster, wodurch Fehler hervorgerufen werden können. Außerdem vergrößert dies die Maschinen-Aufstandsfläche.

Aus der US 5 206 924 ist bereits eine Strahlquelle für ein Michelson-Interferometer bekannt, bei welcher der von einer Laserlichtquelle ausgesandte Lichtstrahl durch eine Polarisationskontrollvorrichtung so beeinflußt wird, daß er nur genau eine Polarisationskomponente enthält; dieser Lichtstrahl mit genau einer Polarisationskomponente wird einem Polarisations-Strahlteiler zugeführt, und von dort über eine normale Lichtleitfaser an einen Interferometerkoppler eines Interferometers geschickt.

Aus der US 4759 627 ist ein Faseroptik-Mach-Zehnder- Interferometer bekannt, bei welchem von einer Laserlichtquelle ausgesandtes Licht einem mit Wellenleitern versehenem Strahlteiler zugeführt wird, der Licht auf zwei Lichtleitfasern aufteilt, nämlich eine Meßfaser und eine Bezugsfaser. An die Meßfaser ist ein Meßwandler angeschlossen, der die Länge der optischen Wegstrecke in Abhängigkeit von einer Einflußgröße ändert, beispielsweise der Länge oder der Temperatur. Die Phasenwinkel der Lichtstrahlen in der Meßfaser und der Bezugsfaser werden in einer Differenzschaltung verglichen, die ein entsprechendes Vergleichssignal ausgibt, welches über eine Steuerschaltung als Steuersignal auf den Stahlteiler zurückgekoppelt wird und dort den Brechungsindex des Wellenleiters ändert. Hierdurch wird die Phasendifferenz kompensiert, so daß das Steuersignal ein Maß für die Einflußgröße darstellt. Die größte Genauigkeit wird bei einem derartigen Interferometer erzielt, wenn mit linear polarisierten Lichtstrahlen gearbeitet wird, Lichtleitfasern eingesetzt werden, welche die Polarisation aufrecht erhalten, und ein Strahlteiler, der die Polarisation aufrecht erhält.

Die vorliegende Erfindung überwindet die beim Stand der Technik vorhandenen Einschränkungen durch Erzeugung eines Strahls mit im wesentlichen orthogonal polarisierten Komponenten, Aufteilung des Strahls und Trennen der Komponenten auf getrennte Pfade, Projizieren jeder Komponente in eine jeweilige, die Polarisation aufrecht erhaltende Faseroptik (PPF), Rekombinieren der von den Fasern ausgegebenen Komponenten zu einem einzigen Strahl, und Übertragen des einzigen Strahls an ein Interferometer. Die PPFs können an ihren Ausgangsenden durch Drehen so eingestellt werden, daß eine exakte Orthogonalität bei dem sich ergebenden Strahl vorhanden ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Einsatz bei einem Interferometersystem;

Fig. 2 eine schematische, vergrößerte Ansicht des Beleuchtungssystems von Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 2; und

Fig. 4 eine schematische, vergrößerte Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung, und um zu zeigen, wie diese in die Praxis umgesetzt werden kann, wird nun beispielhaft auf die nachstehenden Zeichnungen bezug genommen, wobei Fig. 1 ein Interferometersystem 10 mit einer Lichtquelle 12 und einem neuen Strahlprozessor 14 zeigt, der nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 noch genauer erläutert wird. Das System 10 weist eine Kammer 18 auf, die eine X-Y-Stufe oder ein Ziel 20 aufweist, ein Paar von Planspiegel-Interferometern 22A und 22B, und einen Strahlteiler 24. Ein Paar von Empfängern 28A und 28B ist außerhalb der Kammer angeordnet, ebenso wie die Lichtquelle 12 und ein Hauptabschnitt des Strahlprozessors 14.

Das Interferometersystem 10 arbeitet so, daß ein Laserstrahl mit orthogonal polarisierten Komponenten mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen vom Ziel sowie von einem ortsfesten Bezugsspiegel zurückreflektiert wird, und bei der Bewegung des Ziels die reflektierten Lichtkomponenten analysiert werden, wodurch die Verschiebung des Ziels exakt ermittelt wird. Die Lichtquelle 12 erzeugt einen Anfangsstrahl 30, der annähernd orthogonal polarisiert ist. Der Strahlprozessor 14 empfängt den Anfangsstrahl außerhalb der Kammer, korrigiert die Orthogonalität des Anfangsstrahls, und überträgt ihn in die Kammer. Der sich ergebende Strahl 32 trifft auf den konventionellen Strahlteiler 24 auf, der einen Strahl 32A zum Interferometer 22A und einen Strahl 32B zum Interferometer 22B schickt.

Das Interferometer 22A sendet Strahlen 34A und 36A so aus, daß sie von einem Spiegel 38A reflektiert werden, der an dem Ziel 20 angebracht worden ist, wodurch Strahlen 40A und 42A zum Interferometer 22A zurückgeschickt werden. Nach einer internen optischen Zusammenführung und Verarbeitung schickt das Interferometer 22A einen optischen Signalstrahl 46A an einen Faseroptikkoppler 48A, der das Signal zum Prozessor 28A zum Zwecke der Berechnung und zur Anzeige von Verschiebungsinformation schickt. Während das Interferometer 22A die Verschiebung entlang der X-Achse mißt, mißt entsprechend das Interferometer 22B die Y-Achsen- Verschiebung.

Um die Nichtlinearitätsfehler zu vermeiden, die infolge einer nicht vollständigen Trennung der Strahlkomponenten auftreten, korrigiert der Strahlprozessor 14 die Nicht-Orthogonalität oder Orthogonalitätsabweichung des Anfangsstrahls 30 auf innerhalb von 10 Bogensekunden von 90°. Dies verringert den Nichtlinearitätsfehler um mehrere Größenordnungen, verglichen mit einem unkorrigierten Strahl, der eine typische Orthogonalitätstoleranz von ±1° aufweist. Konventionelle Systeme weisen Nichtlinearitätsfehler infolge der Nicht- Orthogonalität von etwa 1,0 bis 2,0 Nanometer (nm) auf, wogegen die vorliegende Erfindung diesen Fehler auf etwa 0,001 nm verringert.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist der von dem Laser 12 ausgesandte Anfangsstrahl 30 ungefähr orthogonal polarisiert, wie durch einen Pfeil 52 angedeutet ist, welcher die Polarisation in der Seitenebene zeigt, und durch einen Punkt 54, der die Polarisation senkrecht zur Seitenebene andeutet.

Der Strahlprozessor 14 weist ein doppelbrechendes Strahlteilerprisma 58 auf, eine Anordnung 60 mit einer die Polarisation aufrecht erhaltenden Faser (PPF), und eine Strahlvereinigungsvorrichtung 62. Das Prisma 58 weist unterschiedliche Brechungsindizes in unterschiedlichen Achsen auf, so daß der Strahl in eine erste und zweite Komponente 64 bzw. 66 mit annähernd orthogonaler Polarisation aufgetrennt wird. Die Strahlkomponenten 64, 66 gelangen zu einem jeweiligen Faseroptikkoppler 68 bzw. 70, welche die Strahlkomponenten in jeweilige, die Polarisation aufrecht erhaltende Fasern 74 und 76 leiten. Jede PPF endet an einer jeweiligen, drehbaren Aufspannvorrichtung 80, 82. Die Drehung einer oder beider Aufspannvorrichtungen gestattet eine exakte Einstellung der Orthogonalität. Die PPFs können flexibel ausgebildet sein und eine solche Länge aufweisen, daß sie in verschiedenen, unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt werden können. Die PPF-Anordnung 60 kann Einrichtungen zum Isolieren und für eine Wärmeregelung aufweisen, um die Fasern auf konstanter Temperatur zu halten, um so die Entstehung von Langzeitfehlern infolge von Änderungen des Brechungsindex zu vermeiden.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weist jede PPF einen Kern 86 auf, der von einem Mantel 88 umgeben ist. In einer die Polarisation aufrecht erhaltenden Faser (PPF) ist der Kern linear doppelbrechend. Daher sind seine Brechungsindexverteilungen in den beiden Hauptrichtungen unterschiedlich. Die Doppelbrechung wird im allgemeinen über eine asymmetrische Form erzielt, also dadurch, daß der Kern nicht kreisförmig ausgebildet ist, oder durch eine induzierte, asymmetrische mechanische Belastung über den Kern. In beiden Fällen ist die Doppelbrechung ausreichend groß, um zu erreichen, daß polarisiertes Licht, welches mit seinem E-Vektor parallel zu einer der Hauptrichtungen ankommt, sich in diesem Zustand mit minimalen Verlusten weiter ausbreitet, und der Ausgangsvektor diese Richtung beibehält.

Alternativ können Polarisationsfasern statt der PPFs in dem Strahlprozessor 14 verwendet werden. In einer Polarisationsfaser wird eine der orthogonalen Moden so ausgebildet, daß sie starke Verluste aufweist. Licht, welches in die verlustarme Mode eintritt, breitet sich daher in dieser Mode bis zum Ende der Faser hin aus. Jedes Licht, welches in die orthogonale oder verlustreiche Mode eingekoppelt wird, wird schnell abgeschwächt, wodurch der Ausgang linear polarisiert gehalten wird. Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung können PPFs so definiert werden, daß sie Polarisationsfasern umfassen.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Strahlvereinigungsvorrichtung 62 ein Prisma, welches einen Spiegel 94 und einen Polarisations-Strahlteiler 96 aufweist. Die Strahlkomponente 66 wird von dem Strahlteiler durchgelassen, und die orthogonal polarisierte Komponente 64 wird in Querrichtung durch den Spiegel 94 in Richtung auf den Strahlteiler reflektiert, der hauptsächlich die Komponente 64 reflektiert. Die vereinigten Strahlkomponenten folgen einem gemeinsamen Pfad als ein sich ergebender Strahl 32, der sich zum Interferometer 22B und zu anderen Bauteilen hin ausbreitet, wie aus Fig. 1 hervorgeht. Zur Vereinfachung sind einige Systembauteile, die in Fig. 1 gezeigt sind, in Fig. 2 weggelassen.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, wird ein kleiner Anteil des Strahls 32 durch einen Strahlteiler 97 zu einem Bezugsdetektor 98 geschickt. Der Bezugsdetektor überwacht jeden Pfadlängenfehler, der in dem Strahlprozessor infolge von Temperaturschwankungen auftreten könnte. Die Ausgangswerte der Prozessoren 28A und 28B werden zusammen mit dem Ausgangswert des Bezugsdetektors verwendet, um die Verschiebung des Ziels genau zu bestimmen.

Fig. 4 zeigt eine alternative Strahlvereinigungsvorrichtung 62', welche das "Fliegenaugenprinzip" verwendet. Zwei kleine Linsen 100 mit kurzer Brennweite fangen jeweils eine der Strahlkomponenten 64 bzw. 66 ein und weiten sie auf, um eine Kondensorlinse 102 auszuleuchten, welche die Strahlen sammelt. Eine Lichtblende 104, welche eine Öffnung 106 festlegt, läßt einen sich ergebenden Strahl 32' durch.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle ein Zweifrequenz-Helium-Neonlaser, der Licht mit einer Wellenlänge von 632,8 nm aussendet und um 2 bis 20 MHz frequenzverschoben ist. Der Strahlteiler 58 ist ein doppelbrechendes Calzitprisma wie beispielsweise 03 PPD 001/301, welches von Melles Griot, Irvine, Californien, USA erhältlich ist. Die PPF-Anordnung 60 ist das Modell F-SPV von Newport Klinger, Irvine, Californien, USA. Die Aufspannvorrichtungen 82 sind das Model 561-FH/GON von Newport Klinger, Irvine, Californien, USA. Die Interferometer 22A und 22B stammen aus der Reihe HP 10700 von der Hewlett- Packard Company, Palo Alto, Californien, USA. Die Empfänger 28A und 28B sind das Modell HP 10780C/F.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform so dargestellt ist, daß sie zwei drehbare PPFs aufweist, kann eine alternative Ausführungsform, welche auf der Grundlage des selben Prinzips arbeitet, nur eine einzige PPF aufweisen, wobei eine Strahlkomponente einen Polarisations-Bezugswert zur Verfügung stellt, und die andere Komponente drehbar ist, um eine exakte Orthogonalität zur Verfügung zu stellen. Weiterhin kann das ursprüngliche doppelbrechende Prisma durch eine Einheit aus einem Polarisations-Strahlteiler und einem Spiegel ersetzt werden, ähnlich wie die Strahlvereinigungs-Vorrichtung 62. Darüber hinaus kann die Strahlkombinations-Vorrichtung 62 bei Einsatzzwecken weggelassen werden, bei welchen ein Interferometer verwendet wird, welches getrennte Strahlen annimmt, oder welches eine Strahlvereinigungsvorrichtung aufweist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bereitstellung einer Beleuchtung für ein Interferometer, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erzeugung eines Anfangsstrahls (30), der eine erste Strahlkomponente (52) und eine zweite Strahlkomponente (54) aufweist;
Aufteilen des Anfangsstrahls zum Trennen der ersten und zweiten Komponente in räumlich getrennte erste (64) und zweite Pfade (66);
Anordnen einer ersten flexiblen, die Polarisation aufrecht erhaltenden Faser (74), welche ein Einlaßende und ein Auslaßende (80) aufweist, in dem ersten Pfad;
Anordnen einer zweiten flexiblen, die Polarisation aufrecht erhaltenden Faser (76), die ein Einlaßende und ein Auslaßende (82) aufweist, in dem zweiten Pfad;
Projizieren der ersten Strahlkomponente in das Einlaßende der ersten Faser;
Übertragen der ersten Strahlkomponente durch die erste Faser;
Projizieren der zweiten Strahlkomponente in das Einlaßende der zweiten Faser;
Übertragen der zweiten Strahlkomponente durch die zweite Faser;
Aussenden der ersten Strahlkomponente vom Auslaßende der ersten Faser, wobei die ausgesandte erste Strahlkomponente eine erste Polarisation aufweist;
Aussenden der zweiten Strahlkomponente vom Auslaßende der zweiten Faser, wobei die ausgesandte zweite Strahlkomponente eine zweite Polarisation orthogonal zur ersten Polarisation aufweist; und
Rekombinieren der ersten und zweiten Komponente zu einem einzigen, sich ergebenden Strahl (32) zur Übertragung an ein Interferometer (22B).

2. Verfahren zur Bereitstellung einer Beleuchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung eines Anfangsstrahls mit ersten und zweiten Komponenten die Erzeugung einer ersten Komponente mit einer ersten Polarisation und die Erzeugung einer zweiten Strahlkomponente mit einer im wesentlichen orthogonalen zweiten Polarisation umfaßt, so daß die Strahlkomponenten polarisiert sind, bevor sie in die die Polarisation aufrecht erhaltenden Fasern (74, 76) eintreten.

3. Verfahren zur Bereitstellung einer Beleuchtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Schritt der Kalibrierung der Orthogonalität des sich ergebenden Strahls durch Drehen des Auslaßendes (80) zumindest einer der Fasern.

4. Verfahren zur Bereitstellung einer Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Festhalten der Einlaßenden der Fasern in einer festen Position, während das Auslaßende zumindest einer der Fasern gedreht wird.

5. Verfahren zur Bereitstellung einer Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Schritt der Kalibrierung der Polarisation und der Orthogonalität des sich ergebenden Strahls durch Drehen der Auslaßenden (80, 82) beider Fasern.

6. Bezüglich der Orthogonalität korrigierte Strahlquelle für ein Interferometer, gekennzeichnet durch:
eine Lichtquelle (12), die einen Anfangsstrahl (30) erzeugt;
einen Strahlteiler (58), der so angeordnet ist, daß er den Anfangsstrahl abfängt und ein Paar getrennter erster (64) und zweiter Strahlen (66) ausgibt;
ein Paar von die Polarisation aufrecht erhaltenden Faseroptiken (74, 76), die jeweils ein Einlaßende aufweisen, das zum Abfangen des jeweiligen ersten bzw. zweiten Strahls angeordnet ist, sowie ein Auslaßende (80, 82), welches den jeweiligen Strahl aussendet, wobei das Auslaßende zumindest einer der Fasern durch Drehung einstellbar ist, so daß von den Fasern ausgegebene, polarisierte Strahlen in bezug aufeinander orthogonal polarisiert sind; und
eine Strahlvereinigungsvorrichtung (62), die so angeordnet ist, daß sie die ersten und zweiten Strahlen abfängt, die von den Fasern ausgesandt werden, und einen einzigen Strahl an das Interferometer ausgibt.

7. Strahlquellenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (74, 76) doppelbrechende Fasern sind.

8. Strahlquellenvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) ein Laser ist, der einen Strahl erzeugt, der im wesentlichen orthogonal polarisierte erste und zweite Strahlkomponenten aufweist.

9. Strahlquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlkomponenten unterschiedliche Frequenzen aufweisen.

10. Strahlquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Fasern eine einstellbare Einspannvorrichtung (80) an ihrem Ausgangsende aufweist, wobei die Einspannvorrichtung auf exakte Winkelverschiebungen durch Drehung einstellbar ist.