DE19628969C1 - Koordinaten-Meßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koordinaten-Meßvorrichtung zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Referenzstrahl-Interferometer werden vielfältig für hochgenaue Abstands- und Positionsmessungen eingesetzt. So sind sie beispielsweise wesentlicher Bestandteil von Masken- und Wafervermessungsgeräten, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden. In der US 5 469 260 A wird zum Beispiel ein Gerät dieser Art beschrieben. Um die Strukturen aktueller hochintegrierter Schaltkreise vermessen zu können, bieten diese Geräte heute eine Genauigkeit im Bereich von wenigen Nanometern. Dies erfordert einen hohen Aufwand zur Fehlerminimierung an allen Komponenten.

Bei einer hochgenauen interferometrischen Messung wird in der Regel der relative Weglängenunterschied zwischen einem Meßspiegel an einem verfahrbaren Meßobjekt im Meßstrahlengang und einem Referenzspiegel im Referenzstrahlengang gemessen. Bei der Messung wird bestimmt, wie sich die Phase des Lichtes bei der Bewegung des Meßobjektes ändert. Dabei ist die Wellenlänge des Lichtstrahls der Maßstab der Messung. Der relative Weg­ längenunterschied wird also in der Einheit "Wellenlänge" angegeben. Der aktuelle Wert der Wellenlänge eines Lichtstrahls hängt vom Brechungsindex des von dem Lichtstrahl durchlaufenen Mediums ab. Der Brechungsindex variiert beispielsweise durch langsame Änderungen oder schnelle Schwankungen von Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte oder auch Änderungen der Luftzusammensetzung. Die Schwankungen in den Meßergebnissen aufgrund von Wellenlängenänderungen sind bei typischen Messungen zum Beispiel an Wafern und Masken mit ungefähr ±0,1 µm nicht mehr vernachlässigbar gegenüber den zu messenden Strukturen und sind daher für die geforderte Meßgenauigkeit nicht tragbar.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist eine Berücksichtigung der Wellen­ längenänderungen des Lichtstrahls in Form einer ständigen Wellenlängen­ korrektur erforderlich.

Für hochgenaue Entfernungsmessungen wird das Meßgerät in einer Klimakammer betrieben. In dieser wird mindestens die Temperatur, in einigen Klimakammern zusätzlich auch die Luftfeuchte konstant gehalten. Der Regelgenauigkeit von Temperatur und Luftfeuchte sind technische Grenzen gesetzt. Auch läßt sich mit vertretbarem Aufwand keine hermetisch dichte Kammer zur Konstanthaltung des Luftdrucks herstellen, insbesondere weil einfaches und schnelles Wechseln der Meßobjekte notwendig ist. So verursacht das Betätigen der Beladeöffnung selbst schnelle Luftdruck­ schwankungen.

In einer gesonderten Messung muß daher die Interferometerwellenlänge ständig erfaßt werden. Dies kann durch Vermessen einer Strecke mit kon­ stanter Länge (sogenannter "wavelength tracker") oder durch Messen der Einflußfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchte etc. und ständige Berechnung der aktuellen Wellenlänge geschehen. Diese Wellenlängenkorrektur ist aber grundsätzlich fehlerbehaftet, weil zum Beispiel die Präzision der ihr zugrundeliegenden Messungen nur endlich ist oder weil eine hoch präzise Messung nicht notwendig schnell genug ist, um rasche Änderungen der Meßgröße wiederzugeben. Damit liefert die Wellenlängenkorrektur auch einen Fehler zur korrigierten Wellenlänge.

In der US 5 469 260 A wird insbesondere auf den Einfluß von schnellen, zufälligen Luftbewegungungen eingegangen, wie sie beispielsweise nach Türenöffnen oder -schließen oder nach Bewegungen in der Umgebung des Meßgerätes auftreten. Die dadurch verursachten örtlich begrenzten Luftdruckschwankungen bewirken lokale Änderungen des Brechungsindexes und damit Wellenlängenänderungen im Lichtstrahl. Zur Lösung des Problems wird vorgeschlagen, den Meß- und den Referenzstrahlengang mit an beiden Enden offenen Rohren zu umhüllen. In die Rohre soll definiert temperaturstabilisierte Luft oder temperaturstabilisiertes Gas eingeblasen werden. Für den längenvariablen Meßstrahlengang sind Rohre mit teleskopartigem Verlängerungsmechanismus vorgesehen. Durch die weitgehende Umhüllung des Lichtstrahls wird der Einfluß schneller Luftdruckschwankungen weitgehend verhindert.

Nachteilig bei dieser Methode ist der erhebliche konstruktive Aufwand für die Rohrumhüllung bei ohnehin engen Platzverhältnissen im Meßaufbau. Darüberhinaus sind Versorgungsleitungen für die gezielte Luftbeströmung der umhüllenden Rohre erforderlich. Außerdem vermindert die vorgeschlagene Konstruktion nur den Einfluß von sehr schnellen, lokalen Luftdruck­ schwankungen. Klimatische Luftdruckänderungen und Luftfeuchteänderungen, auch nach Öffnen der Türen der Klimakammer, haben weiterhin Einfluß auf die Wellenlänge des Lichts und damit die Meßergebnisse.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Interferometer anzugeben, bei welchem durch minimalen konstruktiven Aufwand der Einfluß von Wellenlängenänderungen des Lichtstrahls infolge von sowohl langfristigen Klimaänderungen als auch schnellen Klimaschwankungen auf das Meßergebnis minimiert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Korrekturfehler der Abstandsbestimmung allein mit der Weglängendifferenz zwischen Referenzstrahlengang und Meßstrahlengang skaliert. Entsprechend der Anzahl der auf die Weglängendifferenz entfallenden Wellenlängen wird der Fehler aus der Korrektur jeder einzelnen Wellenlänge aufaddiert.

Um den Fehler bei der Abstandsbestimmung infolge der Korrektur der Wellenlänge zu minimieren, muß also die Weglängendifferenz zwischen Referenzstrahlengang und Meßstrahlengang möglichst klein gehalten werden. Daraus ergibt sich die Forderung, den Referenzstrahlengang und den Meßstrahlengang im Ausgangspunkt der Abstandsmessung gleich lang zu gestalten. Dies ist konstruktiv nicht oder nur unter Inkaufnahme anderer Nachteile zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die sich aus der Positionierung von Referenzspiegel und Meßspiegel ergebende statische Weglängendifferenz in den Strahlengängen durch einen Körper ausgefüllt, dessen Lichtübertragungsmedium durch äußere Einflüsse weitgehend unbeeinflußt bleibt. Auf diese Weise wird erreicht, daß gleiche Längenanteile von Referenzstrahlengang und Meßstrahlengang verbleiben, die den Klimaeinflüssen ausgesetzt sind. Der diesen Anteilen zuzuordnende Fehler der Wellenlängenkorrektur hebt sich bei der interferometrischen Differenzbildung auf. Das Teilstück des Strahlengangs innerhalb des eingefügten Körpers ist eine Strecke konstanter Wellenlänge und wird nicht mit Fehlern aus der Wellenlängenkorrektur behaftet.

Da der Meßspiegel mit dem Tisch innerhalb eines zu vermessenden Bereichs verfahren werden kann, ist die Länge des Meßstrahlengangs variabel. Es geht in die Wellenlängenkorrektur aber nur die aus der Verschiebung resultierende Weglängendifferenz ein. Bei fester Länge des in den Strahlengang eingefügten Körpers ist für eine bestimmte Position des Meßspiegels der Fehler der Abstandsbestimmung minimal. Beim Verfahren des Meßspiegels aus dieser bestimmten Position steigt der Fehler der Abstandsbestimmung leicht an, bleibt aber erheblich unter den Fehlerwerten zurück, die ohne Einfügen des Körpers erzielt werden. Es erweist sich daher als vorteilhaft, diese bestimmte Position kleinsten Fehlers in die Mitte des zu vermessenden Bereichs zu legen und die Länge des in den Strahlengang eingefügten Körpers dazu passend zu wählen.

Durch geeignete Auswahl der durchstrahlten Länge der Körpers kann daher das Minimum des Fehlers der Abstandsbestimmung infolge der Wellenlängen­ korrektur einer optimalen Position des Meßspiegels im Verfahrbereich zugeordnet werden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der schematischen Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Interferometer mit feststehender Strahlenganganpassung;

Fig. 2 ein Interferometer mit variabler Strahlenganganpassung.

In Fig. 1 ist ein Meßspiegel 1 an einem Tisch 2 montiert, der auf einem Unterteil 3 verfahren werden kann. Die Spiegelfläche des Meßspiegels 1 steht senkrecht zur Verfahrrichtung des Tisches 2. Entsprechend dem Verfahrbereich des Tisches 2 wird der Meßspiegel 1 über den gewünschten Meßbereich verfahren. Über der Mitte des Verfahrbereiches des Tisches 2 ist ein Objektiv 4 zur Betrachtung der Tischoberfläche angeordnet, an dem ein feststehender Referenzspiegel 5 montiert ist. Der Referenzspiegel 5 ist parallel zum Meßspiegel 1 ausgerichtet. Ein Referenzstrahl-Interferometer 6 vergleicht die Phasen kohärenter Lichtstrahlen, die einen Referenzstrahlengang 7 zu dem Referenzspiegel 3 und einen Meßstrahlengang 8 zu dem Meßspiegel 1 durchlaufen. Das Meßsignal des Interferometers wird einer Positions­ bestimmungseinheit 9 zugeführt, die daraus die Position des Tisches 2 bestimmt.

Im dargestellten Fall ist der Referenzstrahlengang 7 länger als der Meß­ strahlengang 8. Daher ist ein erfindungsgemäßer, lichtdurchlässiger, geschlossener, inkompressibler Körper 10 in den Referenzstrahlengang 7 eingefügt. Seine durchstrahlte Länge entspricht dem Weglängenunterschied zwischen dem dargestellten Referenzstrahlengang 7 und dem Meßstrahlengang 8.

In dem dargestellten Beispiel liegt die Startposition für die Messung am Anfang des Verfahrbereiches des Tisches. Damit liegt die Position des geringsten Fehlers der Abstands- beziehungsweise Positionsbestimmung in diesem Beispiel auch am Anfang des Verfahrbereiches des Tisches. Wenn diese Position des geringsten Fehlers in der Mitte des Meßbereiches liegen soll, muß der eingefügte Körper 10 um den Verfahrweg des Tisches 2 bis zu der Mitte des Meßbereiches länger gewählt werden. Auf diese Weise kann durch Wahl einer geeigneten Länge des eingefügten Körpers 10 die Position des geringsten Fehlers der Abstandsbestimmung je nach Anwendungsfall an eine gewünschte vorbestimmte Position des verfahrbaren Tisches 2 gelegt werden.

Der eingefügte Körper 10 ist vorteilhaft als metallisches Rohr 11 ausgeführt, dessen Enden beide durch links und rechts eingekittete Scheiben 12, 13, zum Beispiel aus Glas, verschlossen sind. Die Glasscheiben 12, 13 stehen dabei senkrecht zur Durchstrahlrichtung. Das im metallischen Rohr 11 befindliche Luftvolumen kann unter Normalbedingungen eingeschlossen worden sein. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn, wie bei der beschriebenen Luft­ füllung, der Brechungsindex innerhalb des Rohres möglichst gleich dem Brechungsindex der umgebenden Luft ist.

Die Wellenlänge des Lichts innerhalb dieses eingefügten Körpers 10 ist zwar temperaturabhängig. Da aber das Interferometer in einer Klimakammer betrieben wird, ist die Umgebungstemperatur konstant. Daher ist für die weiteren Messungen die Lichtwellenlänge innerhalb des eingefügten Körpers 10 nach einmaliger Berechnung ebenfalls konstant und unterliegt nicht der Wellenlängenkorrektur, die für die außerhalb des eingefügten Körpers 10 verlaufenden Strahlenganganteile durchgeführt wird.

Eine Evakuierung des metallischen Rohres 11 ist ebenfalls möglich, aber nicht erforderlich. Sie bietet den Vorteil einer für jede Temperatur konstanten Wellenlänge des Lichts innerhalb des eingefügten Körpers 10.

Für häufig wechselnde Meßbereiche ist die Verwendung eines eingefügten Körpers mit variabler Durchstrahllänge vorteilhaft.

Dies kann durch einen in sich selbst längenvariablen Körper realisiert werden. Allerdings bringt die konstruktive Ausführung Schwierigkeiten mit sich. Wenn beispielsweise der eingefügte Körper mit einem längenvariablen Element ausgestattet wird, erfordert die Konstanthaltung des Luftdrucks in diesem variablen Volumen einen hohen Regelaufwand. Daher ist zum Beispiel eine längenvariable Ausführung des eingefügten Körpers aus dicht ineinander geschachtelten Rohren mit teleskopartigem Verlängerungsmechanismus auch nicht ohne weiteres verwendbar.

Eine weitere Variante eines längenvariablen Körpers besteht in der Reihenanordnung mehrerer kürzerer in den Strahlengang eingefügter Körper anstelle eines längeren Körpers. Diese kürzeren eingefügten Körper können je nach Bedarf einzeln oder zu mehreren in den Strahlengang eingeschoben oder aus ihm entfernt werden. Wenn wieder die Konstruktion des beidseitig durch Glasscheiben abgeschlossenen Metallrohres zum Einsatz kommt, wird jedoch beim Ein- oder Ausschwenken eines dieser Rohre der Lichtstrahl unterbrochen. Dies stört die Messung, weil kommerzielle Interferometer einen ununterbroche­ nen Lichtstrahl erfordern. Nur wenn die Rohrwandstärke deutlich geringer als der Lichtstrahldurchmesser gewählt wird, kann diese Störung verhindert werden. Dann würde beim Schwenken der Rohrwand durch den Lichtstrahl dieser nicht vollständig unterbrochen, sondern nur teilweise abschattiert.

Günstiger als die bisher beschriebenen Lösungen ist aber der Einsatz eines eingefügten Körpers 10′ mit variabler Durchstrahllänge, wie er in Fig. 2 in dem bereits bekannten Meßaufbau dargestellt ist. Dieser eingefügte Körper 10′ weist bei konstanten Außenabmessungen parallel zu seiner Durchstrahlrichtung verschiedene Durchstrahllängen auf.

Durch Verschieben des eingefügten Körpers 10′ senkrecht zum Strahlengang kann seine durchstrahlte Länge passend zum Anwendungsfall mit variierenden Weglängendifferenzen zwischen Referenzstrahlengang 7 und Meßstrahlengang 8 gewählt werden. Die Verschiebung dieses Körpers 10′ kann durch eine elektronische Ansteuerung vorteilhaft mit dem aktuellen Verfahrweg des Tisches 2 gekoppelt werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform eines solchen eingefügten Körpers 10′ mit variabler Durchstrahllänge besteht aus einem metallischen Rohr 11 mit großem Durchmesser, welches beidseitig mit eingekitteten planparallelen Scheiben 12, 13 abgeschlossen ist. Die Besonderheit besteht in der Ausrichtung der Scheiben 12, 13. Die eine, hier die linke Glasscheibe 12, steht senkrecht zum Strahlengang, die andere, hier die rechte Glasscheibe 13, ist jedoch gegen den Strahlengang geneigt. Beim Passieren der geneigten Glasscheibe 13 erfährt der Lichtstrahl lediglich einen kleinen Parallelversatz, der beim Zurückkehren des Strahls nach der Reflexion am Referenzspiegel 5 durch den entsprechend entgegengesetzten zweiten Parallelversatz an der geneigten Scheibe 13 wieder aufgehoben wird. Dadurch bleibt die übrige optische Gesamtanordnung von der geneigten Anordnung der einen Scheibe unberührt. Durch den geneigten Einbau beider Glasscheiben würde eine noch größere Variation der durchstrahlten Länge des eingefügten Körpers ermöglicht.

Parallel zum Strahlengang weist der eingefügte Körper 10′ unterschiedliche Durchstrahllängen auf. Die Neigung der einen Glasscheibe 13 darf nur kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion gewählt werden. Dadurch ist die kürzeste und die längste Durchstrahllänge nur noch durch die Wahl eines passend großen Rohrdurchmessers festgelegt. Je größer der Rohrdurchmesser gewählt wird, um so größer ist der Variationsbereich der Durchstrahllänge des Rohres. Durch Verschieben des eingefügten Körpers 10′ senkrecht zur Strahlrichtung und in Richtung größerer oder kleinerer Durchstrahllänge wird die geeignete Durchstrahllänge für den jeweiligen Anwendungsfall eingestellt. Besonders vorteilhaft ist eine Verschiebung des eingefügten Körpers 10′ synchron mit der Verfahrbewegung des Tisches 2. Dadurch wird die Durchstrahllänge des eingefügten Körpers 10′ in geeigneter Weise zur variierenden Länge des Meßstrahlenganges mitgeführt.

Bezugszeichenliste

1 am Tisch montierter Meßspiegel
2 verfahrbarer Tisch
3 Unterteil des Tisches
4 Objektiv
5 feststehender Referenzspiegel
6 Interferenzstrahl-Interferometer
7 Referenzstrahlengang
8 Meßstrahlengang
9 Positionsbestimmungseinheit
10 eingefügter Körper
11 metallisches Rohr
12 links eingekittete Scheibe
13 rechts eingekittete Scheibe

Claims (6)

1. Koordinaten-Meßvorrichtung zur Bestimmung der Position eines verfahrbaren Tisches (2) mit einem am Tisch montierten Meßspiegel (1), dessen Spiegelfläche senkrecht zur Verfahrrichtung des Tisches (2) steht und einem dazu parallel ausgerichteten, ortsfesten Referenzspiegel (5) als Teile eines Referenzstrahl-Interferometers (6) mit einem auf den Meßspiegel (1) ausgerichteten Meßstrahlengang (8) und einem auf den Referenzspiegel (5) ausgerichteten Referenzstrahlengang (7), sowie einer Einrichtung (9) zur Bestimmung der Position des Tisches (2) aus den vom Referenzstrahl- Interferometer (6) erzeugten Meßsignalen, gekennzeichnet durch einen lichtdurchlässigen, geschlossenen, inkompressiblen Körper (10), der so in den jeweils längeren der beiden Interferometer-Strahlengänge (7, 8) eingefügt ist, daß die außerhalb des Körpers (10) verlaufenden Anteile der Interferometer-Strahlengänge (7, 8) bei einer vorbestimmten Position des verfahrbaren Tisches (2) gleich lang sind.

2. Koordinaten-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Position des Tisches (2) symmetrisch innerhalb seines Verfahrbereiches liegt.

3. Koordinaten-Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) als metallisches Rohr (11) mit einem unter üblichen Raumbedingungen eingefüllten und durch beidseitig ein­ gekittete planparallele Scheiben (12, 13) abgeschlossenem Luftvolumen besteht, bei welchem die Scheiben (12, 13) senkrecht zur Durchstrahlrichtung ausgerichtet sind.

4. Koordinaten-Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durchstrahlte Länge des Körpers (10) einstellbar ist.

5. Koordinaten-Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10′) als metallisches Rohr (11) mit einem unter üblichen Raumbedingungen eingefüllten und durch beidseitig ein­ gekittete planparallele Scheiben (12, 13) abgeschlossenem Luftvolumen besteht, mindestens eine der beiden planparallelen Scheiben (12, 13) eine Neigung gegenüber dem Strahlengang besitzt und der Körper (10′) in Richtung sowohl kleinerer als auch größerer Durchstrahllängen verschiebbar ist.

6. Koordinaten-Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Körpers (10′) synchron zur Verfahrbewegung des Tisches (2) erfolgt.