DE60118726T2

DE60118726T2 - In-situ spiegel-charakterisierung

Info

Publication number: DE60118726T2
Application number: DE60118726T
Authority: DE
Inventors: Allen Henry Tucson HILL
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: WO2001090686A1; EP1285221A1; JP2003534541A; US6867867B2; US6710884B2; EP1285221B1; EP1285221A4; DE60118726D1; US20040046965A1; US20010035959A1; JP4824248B2; TW503307B

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung befasst sich allgemein mit der Interferometrie, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein interferometrisches Gerät und Verfahren, durch welche örtliche Oberflächencharakteristiken von photolithographischen Kreuztischspiegeln oder dergleichen interferometrisch in situ gemessen werden können, um Korrektursignale für eine verbesserte Entfernungsmessgenauigkeit zu erzeugen.
Die Interferometrie ist eine anerkannte Metrologie, die extensiv bei Mikro-Fabrikationsprozessen benutzt wird, um eine Menge kritischer Dimensionen zu messen und zu steuern. Dies ist insbesondere wichtig bei der Herstellung von Halbleitern und dergleichen, wo die Erfordernisse für eine Präzision um 10 bis 40% höher sind als die kritischen Dimensionen von 0,1 μm oder weniger.
Integrierte Schaltungen, die aus Halbleitermaterialien bestehen, werden in der Weise konstruiert, dass sukzessive Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf einem Silikonwafer abgelagert und mit Muster versehen werden, wobei der Wafer im typischen Fall in einer flachen Belichtungsebene liegt, die kartesische Koordinaten x-y besitzt, zu denen senkrecht eine z-Richtung verläuft. Der Musterungsprozess besteht aus einer Kombination von Belichtung und Entwicklung eines Photoresist, gefolgt durch Ätzen und Dotieren der darunterliegenden Schichten und gefolgt durch die Ablagerung aufeinanderfolgender Schichten. Dieses Verfahren führt zu einer komplexen und im Maßstab von Mikrometern sehr unhomogenen Materialstruktur auf der Waferoberfläche.
Im typischen Fall enthält jeder Wafer Mehrfachkopien des gleichen Musters, die als "Felder" bezeichnet werden und auf dem Wafer in einer nominell rechteckigen Verteilung angeordnet sind, was als "Gitter" bezeichnet wird. Oft, aber nicht immer, entspricht jedes Feld einem einzigen "Chip".
Das Belichtungsverfahren besteht aus der Projektion des Bildes des nächsten Schichtmusters auf (und in) den Photoresist, der auf den Wafer aufgeformt wurde. Damit eine integrierte Schaltung ordnungsgemäß arbeiten kann, muss jedes folgende projizierte Bild genau dem Muster angepasst werden, das sich bereits auf dem Wafer befindet. Das Verfahren der Bestimmung der Position, Orientierung und Deformation des Musters bereits auf dem Wafer und dann die Plazierung der richtigen Beziehung des projizierten Bildes wird als "Ausrichtung" bezeichnet. Das Ergebnis, d.h. wie die Genauigkeit jeder folgenden Musterschicht an die vorherigen Schichten angepasst ist, wird mit "Überlagerung" bezeichnet.
Im Allgemeinen erfordert das Ausrichtverfahren sowohl eine translatorische als auch eine rotatorische Positionierung des Wafers und/oder des projizierten Bildes und ebenso eine gewisse Deformation des Bildes, um die tatsächliche Form des bereits vorhandenen Musters anzupassen. Die Tatsache, dass der Wafer und das Bild korrekt positioniert werden müssen, um ein Muster auf der Oberseite des anderen zu erhalten, ist selbstverständlich. Eine tatsächliche Deformation des Bildes wird außerdem oft erforderlich sein. Andere Effekte, beispielsweise thermische Effekte und Vibrationseffekte, können ebenfalls eine Kompensation erfordern.
Die Folge von all diesem besteht darin, dass die Form des ersten Schichtmusters, das auf den Wafer aufgedruckt ist, nicht ideal ist und alle folgenden Muster so weit wie möglich justiert werden müssen, damit eine Anpassung an die Gesamtform des zuerst aufgedruckten Musters erhalten wird. Verschiedene Belichtungsgeräte haben unterschiedliche Möglichkeiten, um diese Effekte zu berücksichtigen, aber im Allgemeinen kann die Deformation oder die Formänderung als eine x-Vergrößerung und eine y-Vergrößerung und eine Abschrägung angesehen werden. Diese Deformationen ergeben, wenn sie mit einer Verschiebung und Drehung kombiniert werden, eine komplette Gruppe linearer Transformationen in der Ebene.
Da das Problem darin besteht, aufeinanderfolgend das projizierte Bild auf das bereits auf dem Wafer befindliche Muster anzupassen und nicht einfach den Wafer selbst zu positionieren, muss das Belichtungsgerät in der Lage sein, die relative Position, Orientierung und Deformation sowohl vom Wafermuster selbst als auch dem projizierten Bild festzustellen.
Es ist schwierig, direkt die Schaltungsmuster selbst festzustellen, und deshalb wird die Ausrichtung dadurch bewirkt, dass Vergleichsmarkierungen oder "Ausrichtmarkierungen" auf den Schaltungsmustern angebracht werden. Diese Ausrichtmarkierungen können benutzt werden, um die Position, Orientierung und Deformation der Maske sowie die Position, Orientierung und Deformation des projizierten Bildes zu bestimmen. Die Markierungen können auch auf dem Wafer entlang des Schaltungsmusters aufgedruckt werden, und demgemäß können sie benutzt werden, um die Position, Orientierung und Deformation des Wafers zu bestimmen. Die Ausrichtmarkierungen bestehen im Allgemeinen aus einem oder mehreren hellen und undurchsichtigen Linien auf der Maske, die dann "Rillen" oder "Rippen" bilden, wenn ein Aufdrucken auf dem Wafer erfolgt. Es werden aber auch noch sehr viel komplexere Strukturen benutzt, beispielsweise Gitter, die einfach eine periodische Anordnung von Rillen und/oder Rippen darstellen, und es kann auch ein Schachbrettmuster benutzt werden. Die Ausrichtmarkierungen werden gewöhnlich entweder entlang der Ränder der "Kerbe" eines jeden Feldes angeordnet oder es werden wenige "Mastermarkierungen" über den Wafer verteilt. Obgleich die Ausrichtmarkierungen notwendig sind, so bilden sie keinen Teil der Chipschaltung und daher vergeuden sie, vom Standpunkt des Chip-Herstellers betrachtet, wertvolle Waferflächen oder wertvolle "Flächenbereiche". Dies führt dazu, dass die Ausrichtmarkierungen so klein als möglich gestaltet werden, und sie sind oft kleiner als wenige hundert Mikrometer auf einer Seite.
Im Belichtungsgerät sind Ausrichtsensoren angeordnet, um die Ausrichtmarkierungen zu erkennen. Im Allgemeinen sind es getrennte Sensoren für den Wafer, für die Maske und/oder das projizierte Bild selbst. In Abhängigkeit von der Gesamt-Ausrichtstrategie können diese Sensoren vollständig getrennte Systeme sein oder sie können wirksam in einem einzigen Sensor kombiniert sein. Beispielsweise ist ein Sensor, der das projizierte Bild direkt sieht, blind in Bezug auf Wafermarkierungen und demgemäß ist ein getrennter Wafersensor erforderlich. Jedoch ist ein Sensor erforderlich, der den Wafer durch die Masken-Ausrichtmarkierungen selbst betrachtet und gleichzeitig eine Masken- und Waferausrichtung durchführt. In diesem Fall werden die Positionen der Ausrichtmarkierungen in dem projizierten Bild von den Positionen der Masken-Ausrichtmarkierungen abgeleitet und es muss eine sorgfältige Eichung der Positionen von Maske und Bild vor dem Ausrichtschritt durchgeführt werden.
Außerdem benutzen, wie oben erwähnt, fast alle Belichtungsgeräte Sensoren, die die Wafer-Ausrichtmarkierungen optisch detektieren. Das heißt, die Sensoren projizieren Licht mit einer oder mehreren Wellenlängen auf den Wafer und detektieren die Streuung/Beugung von den Ausrichtmarkierungen als Funktion der Position in der Waferebene. Es sind zahlreiche Typen von Ausrichtsensoren allgemein in Benutzung und ihre optische Konfiguration umfasst das volle Spektrum von einem einfachen Mikroskop bis zu heterodynen Gitter-Interferometern. Da verschiedene Sensorkonfigurationen besser oder schlechter bei bestimmten Wafertypen arbeiten, besitzen die meisten Belichtungsgeräte mehr als eine Sensorkonfiguration, um eine gute Überlagerung bei einem größtmöglichen Variationsbereich von Wafertypen zu gewährleisten.
Die allgemeine Aufgabe eines Ausrichtsensors besteht darin, die Position einer jeden Ausrichtmarkierung einer gegebenen Untergruppe auf einem Wafer in einem Koordinatensystem zu bestimmen, das gegenüber dem Belichtungsgerät fixiert ist. Diese Positionsdaten werden dann benutzt in einem von zwei allgemein bekannten Verfahren, die als "global" und "feldweise" bezeichnet werden, um die Ausrichtung durchzuführen. Bei der globalen Ausrichtung werden die Markierungen nur in wenigen Feldern durch Ausrichtsensoren lokalisiert und die Daten werden in einem Sinne bester Übereinstimmung kombiniert, um die optimale Ausrichtung aller Felder auf dem Wafer zu bestimmen. Bei der feldweisen Ausrichtung werden die Daten, die von einem einzigen Feld gesammelt werden, benutzt, um nur jenes Feld auszurichten. Die globale Ausrichtung ist gewöhnlich schneller, weil nicht alle Felder auf dem Wafer angeordnet sind und das Verfahren ist weniger störungsanfällig, weil es alle Daten zusammen kombiniert, um die beste Gesamtübereinstimmung zu liefern. Da jedoch die Ergebnisse der besten Übereinstimmung in einer "vorwärts führenden" oder "toten" Berechnung durchgeführt werden, beruht dies auf der gesamten optomechanischen Stabilität des Belichtungsgerätes.
Die Ausrichtung wird im Allgemeinen als zweistufiges Verfahren durchgeführt; d.h. es wird eine Feinausrichtstufe mit einer Genauigkeit von Zehntel-Manometern durchgeführt, und diese Feineinstellung folgt einer anfänglichen Grobeinstellstufe mit einer Genauigkeit von Mikrometern, und die Ausrichtung erfordert die Positionierung des Wafers in sechs Freiheitsgraden, nämlich drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden. Die Einstellung des Wafers derart, dass er in der projizierten Bildebene liegt, d.h. eine Höheneinstellung und Fokussierung des Wafers, was eine Freiheit translatorischer Bewegung (Bewegung längs der optischen Achse, der z-Achse oder einer parallelen normal zur x-y-Waferorientierung) und die beiden Rotationsfreiheitsgrade (Orientierung der Ebene des Wafers, um diesen parallel zur projizierten Bildebene einzustellen) wird im Allgemeinen getrennt von der Ausrichtung betrachtet. Nur eine Verschiebung in der Ebene (zwei Freiheitsgrade) und die Rotation um die optische Projektionsachse (ein Freiheitsgrad) werden gewöhnlich verstanden, wenn von einer Ausrichtung die Rede ist. Der Grund für diese Trennung in der Nomenklatur ist der Unterschied in der erforderlichen Genauigkeit. Die Genauigkeit, die für die Verschiebung in der Ebene und die Rotation erforderlich ist, muss in der Größenordnung von einigen Zehntel Nanometern sein oder etwa 20 bis 30% der minimalen Merkmalsgröße oder kritischen Dimension (CD) sein, die auf dem Wafer aufgedruckt werden. Beim gegenwärtigen Stand der Technik liegen die CD-Werte in der Größenordnung von einigen Hundert Nanometern, und demgemäß beträgt die erforderliche Ausrichtgenauigkeit weniger als 100 nm. Andererseits bezieht sich die Genauigkeit, die erforderlich ist für eine aus der Ebene erfolgenden Verschiebung und Drehung auf die gesamte nutzbare Fokussierungstiefe des Belichtungsgerätes, die gewöhnlich dicht am CD-Wert liegt. Demgemäß erfordert die Fokussierung aus der Ebene und die Levelierung des Wafers eine geringere Genauigkeit als eine Ausrichtung in der Ebene. Auch sind die Sensoren zur Fokussierung und Levelierung gewöhnlich vollständig von den "Ausrichtsensoren" getrennt und die Fokussierung und Levelierung beruht gewöhnlich nicht auf Mustern auf dem Wafer. Nur die Waferoberfläche oder ihr Surrogat müssen abgetastet werden. Nichtsdestoweniger erfordert dies eine beträchtliche Erfahrung und unter anderem eine genaue Kenntnis über die vertikale Position (die Höhe) des optischen Projektionssystems über dem Wafer.
Um diese Ausrichtung durchzuführen, ist es bekannt, dynamische Interferometer zu benutzen, bei denen diese Abstandsmessungen durch Benutzung dynamischer Elemente verbessert werden, deren Winkelorientierung über Rückführungsanordnungen gesteuert wird, um zu gewährleisten, dass die Strahlen, die die Entfernungsinformation führen, genau ausgerichtet sind, um das optische Signal zu liefern. Derartige Interferometer sind beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung PCT/US00/12097 vom 5. Mai 2000 unter der Bezeichnung "Interferometry Systems Having a Dynamic Beam-Steering Assembly For Measuring Angle and Distance" von Henry A. Hill beschrieben (US-B-6888638). Jedoch selbst mit dynamischen Interferometern beeinträchtigt die Form verschiedener reflektierender Elemente die erreichbare Genauigkeit bei den Distanzmessungen und es wird die erreichbare Genauigkeit bei den Winkelmessungen beeinträchtigt, weil bei den letzteren örtliche Neigungsänderungen die Strahlrichtungen beeinflussen, wenn die Kreuztischspiegel ihren verschiedenen Bewegungen unterworfen werden. Im typischen Fall wird die Form derartiger reflektierender Elemente, beispielsweise von Spiegeln mit hohem Seitenverhältnis, außerhalb des Kreuztisches charakterisiert und sie werden dann, wenn eine ausreichende Konsistenz vorhanden ist, auf dem Kreuztisch montiert.
Dies ist jedoch oft unannehmbar, weil der Montageprozess selbst die Form des Elementes deformiert im Vergleich mit der inspizierten Form, und diese Änderung in der Form kann Messfehler einführen.
Interferometer mit einem Bezugsrahmen, einem Translationskreuztisch und einem Spiegel mit einer nominellen Bezugslinie sind beispielsweise in den US 5151749 , US 5790253 und US 5363196 beschrieben. Diese Interferometer sind in der Lage, die wirkliche Form des Spiegels zu messen, während dieser auf dem Kreuztisch montiert ist.
Demgemäß besteht ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung darin, ein interferometrisches Gerät und Verfahren zu schaffen, durch die die Formgestalt von auf einem Kreuztisch montierten reflektierenden Elementen, beispielsweise von dünnen Spiegeln mit hohem Aspektverhältnis, nach der Montage in situ gemessen werden können, um Korrektursignale abzuleiten, die Fehler in den optischen Pfadlängen und in den Strahlrichtungen kompensieren, welche durch die Formgestalt der reflektierenden Oberflächen verursacht sind.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein interferometrisches Gerät und Verfahren zu schaffen, durch die die Formgestalt von auf einem Kreuztisch montierten reflektierenden Elementen, beispielsweise von dünnen Spiegeln mit hohem Aspektverhältnis, nach der Montage in situ gemessen werden können, um Korrektursignale abzuleiten, die Fehler in den optischen Pfadlängen und in den Strahlrichtungen kompensieren, welche durch die Formgestalt der reflektierenden Oberflächen verursacht sind, die in orthogonalen Ebenen angeordnet sind.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Informationen zu liefern, die durch die Betriebseigenschaften dynamischer Interferometer erzeugt werden, durch die die Formgestalt von auf einem Kreuztisch montierten reflektierenden Elementen, beispielsweise von dünnen Spiegeln mit hohem Aspektverhältnis, nach der Montage in situ gemessen werden können, um Korrektursignale abzuleiten, die Fehler in den optischen Pfadlängen und in den Strahlrichtungen kompensieren, welche durch die Formgestalt der reflektierenden Oberflächen verursacht sind.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein interferometrisches Gerät und Verfahren zu schaffen, durch die die Formgestalt von nicht auf einem Kreuztisch montierten reflektierenden Elementen, beispielsweise von dünnen Spiegeln mit hohem Aspektverhältnis, nach der Montage in situ gemessen werden können, um Korrektursignale abzuleiten, die Fehler in den optischen Pfadlängen und in den Strahlrichtungen kompensieren, welche durch die Formgestalt der reflektierenden Oberflächen verursacht sind.
Weitere Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Zeichnung in Verbindung mit der Einzelbeschreibung dieser Zeichnung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein interferometrisches Gerät und Verfahren, durch die örtliche Oberflächencharakteristiken photolithographischer Spiegel oder dergleichen interferometrisch in situ gemessen werden können, um Korrektursignale zu erzeugen, die eine verbesserte Distanzmessgenauigkeit und eine verbesserte Winkelmessgenauigkeit ergeben. Die Oberflächencharakteristiken längs einer oder mehrerer Bezugslinien in einer oder mehreren Richtungen können durchgeführt werden, indem die Winkeländerungen in Strahlen gemessen werden, die von den Oberflächen während der Abtastoperationen reflektiert werden, um örtliche Neigungen zu bestimmen, und dann wird die Neigung integriert, um eine Oberflächentopologie zu erreichen. Die Spiegel können entweder auf photolithographischen Kreuztischen oder auf einem Bezugsrahmen außerhalb des photolithographischen Kreuztisches angeordnet werden. Im einfachsten Fall wird ein dynamischer Strahlsteueraufbau oder ein Interferometer-Untersystem für diesen Zweck benutzt. Zur Spiegelcharakterisierung in zwei orthogonalen Richtungen werden wenigstens zwei dynamische Strahlsteueraufbauten benutzt. Der eine erzeugt ein Signal, das eine Information über die Neigungsänderung der Spiegeloberfläche längs der Bezugslinie und orthogonal hierzu enthält, und der andere erzeugt ein Signal, das eine Information über die Winkelorientierung des Kreuztisches enthält, auf dem der Spiegel montiert ist. Diese beiden Signale werden kombiniert, um eine Information über die Neigung des Spiegels längs der Bezugslinie und orthogonal hierzu zu erzeugen. Dann wird die Neigung integriert, um eine Topographie als Funktion der Versetzung zu erhalten. Einstrahl-Interferometer sind zu bevorzugen, weil sie Neigungswinkel, Gierwinkel und Versetzung mit nur einem auf den Spiegel treffenden Strahl messen können. Die Messungen können bei mehreren Spiegeln durchgeführt werden, die auf orthogonale Richtungen weisen, indem aufeinanderfolgend ein Spiegel oder mehrere Spiegel fest relativ zu ihren langgestreckten Oberflächen montiert bleiben, während der dritte Spiegel entlang seiner langgestreckten Dimension verschoben wird und indem das Verfahren wiederholt wird. Stattdessen können alle Spiegel zusammen bewegt werden, um eine relative Spiegeltopographie zu erzeugen. Es können drei Strahlsteueraufbauten benutzt werden, um voll drei entsprechende gegenseitig orthogonal angeordnete Spiegel zu charakterisieren, und die Strahlsteuer- oder Interferometer-Untersysteme können auf dem Translationskreuztisch montiert oder unabhängig von diesem fixiert werden.
Nachdem die Spiegeltopographie in situ erreicht ist, wird sie in einer Nachschlagtabelle (LUT) oder dergleichen gespeichert, um Echtzeit-Fehlerkorrektursignale zu erzeugen und die Präzision während des Normalbetriebes zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Struktur, Arbeitsweise und Methodologie der Erfindung kann zusammen mit anderen Zielen und Vorteilen derselben am besten durch Lesen der detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verstanden werden, in denen jedem Teil eine Nummer zugeordnet ist, die den Teil identifiziert, wenn er in den verschiedenen Zeichnungen auftritt. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines interferometrischen Gerätes, das zwei orthogonal angeordnete dynamische Interferometer benutzt, durch die die Form eines auf einem Kreuztisch montierten langgestreckten Objektspiegels in situ längs einer Bezugslinie charakterisiert werden kann, wenn der Kreuztisch in einer Richtung verschoben wird;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines interferometrischen Gerätes, das zwei orthogonal angeordnete dynamische Interferometer benutzt, durch die die Formen von auf dem Kreuztisch orthogonal montierten langgestreckten Objektspiegeln in situ längs Bezugslinien charakterisiert werden können, die jedem Spiegel zugeordnet sind, wenn der Kreuztisch vorzugsweise zuerst in der einen Richtung und dann in einer orthogonal hierzu verlaufenden Richtung verschoben wird oder wodurch die relativen Formen der Spiegel durch gleichzeitige Bewegung des Kreuztisches längs der orthogonal zueinander stehenden Richtungen erhalten werden können;
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines interferometrischen Gerätes, das drei orthogonal angeordnete dynamische Interferometer benutzt, durch welche die Formen von orthogonal auf einem Kreuztisch fixierten langgestreckten Objektspiegeln in situ längs mehrerer orthogonaler Bezugslinien charakterisiert werden können, die jedem Spiegel zugeordnet sind, wobei die Charakterisierung erfolgt, während der Kreuztisch längs dreier orthogonaler Richtungen verschoben wird;
4a und 4b zeigen schematisch eine Ansicht und einen Grundriss eines Interferometers zur Benutzung in dem Gerät nach 3;
5 ist ein Ablaufdiagramm gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren; und
6 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines interferometrischen Gerätes, das drei auf einem Kreuztisch montierte orthogonal angeordnete dynamische Interferometer benutzt, durch die die Formen von entsprechenden außerhalb des Kreuztisches orthogonal montierten langgestreckten Objektspiegeln in situ längs mehrerer orthogonaler Bezugslinien charakterisiert werden können, die jedem Spiegel zugeordnet sind, wobei die Charakterisierung erfolgt, während der Kreuztisch längs dreier orthogonaler Richtungen verschoben wird.
EINZELBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Im Folgenden wird auf 1 Bezug genommen, in der schematisch in perspektivischer Ansicht ein interferometrisches System 15 dargestellt ist, das zwei orthogonal zueinander angeordnete dynamische Interferometer oder Interferometer-Untersysteme aufweist, durch die die Form eines auf einem Kreuztisch montierten langgestreckten Objektspiegels in situ längs einer Bezugslinie charakterisiert werden kann. Wie aus 1 ersichtlich, weist das System 15 einen Kreuztisch 16 auf, der vorzugsweise einen Teil eines photolithographischen Gerätes bildet, um Halbleiterprodukte, wie integrierte Schaltungen oder Chips, herzustellen. Auf dem Kreuztisch 16 ist ein dünner Planspiegel 50 mit hohem Aspektverhältnis angeordnet, der eine in einer y-z-Ebene liegende reflektierende Oberfläche 51 aufweist und der in y-Richtung langgestreckt ist. Außerdem ist auf dem Kreuztisch 16 ein weiterer dünner Planspiegel 60 mit hohem Aspektverhältnis montiert, der eine in einer x-z-Ebene liegende reflektierende Oberfläche 61 aufweist und der in x-Richtung langgestreckt ist. Die Spiegel 50 und 60 sind auf dem Kreuztisch 16 derart montiert, dass ihre reflektierenden Oberflächen 51 bzw. 61 nominell orthogonal aufeinander stehen. Der Kreuztisch 16 ist im Übrigen in bekannter Weise so montiert, dass er nominell in der Ebene verschoben werden kann, jedoch kann er auch geringe Winkelbewegungen um die x-, y- und z-Achsen infolge von Lagertoleranzen und Antriebsmechanismus-Toleranzen durchführen. Im Normalbetrieb ist das System 15 so eingerichtet, dass eine Versetzung nur in y-Richtung möglich ist.
Außerhalb des Kreuztisches ist fest ein dynamisches Einstrahl-Interferometer (oder ein Interferometer-Untersystem) 10 montiert, um die Winkelbewegung des Kreuztisches 16 und demgemäß die Planspiegel-Reflexionsoberfläche 51 um die y-Achse und die z-Achse festzustellen, wenn der Kreuztisch 16 in y-Richtung verschoben wird. Um dies zu bewerkstelligen, ist das dynamische Interferometer 10 so ausgebildet und angeordnet, wie es in der oben erwähnten PCT-Patentanmeldung vom 05. Mai 2000 beschrieben ist, die den Titel trägt "Interferometry Systems Having a Dynamic Beam-Steering Assembly for Measuring Angle and Distance", von Henry A. Hill (US-B-6888638). Wie in jener Anmeldung beschrieben, sind Spiegel mit einer Strahlsteuerfähigkeit vorgesehen, durch die Kreuztisch-Verschwenkungen gemessen werden, um Rückführungssignale zu liefern, die benutzt werden, um die Strahlen auf Pfaden zu halten, die normal zu den Spiegeln liegen. Hierbei wird die Strahlrückkehrkomponente des Strahls 12 überwacht und der Winkel wird über ein interferometrisches Gerät gemessen, beispielsweise ein solches, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 60/201,457 vom 03. Mai 200 beschrieben ist. Anmelder ist Henry Allen Hill, und der Titel lautet: "Apparatus And Method(s) For Measuring And/Or Controlling Differential Paths Of Light Beams".
Der Eingangsstrahl 12 umfasst vorzugsweise zwei orthogonal polarisierte Komponenten mit einer Frequenzdifferenz f₁. Die Quelle des Eingangsstrahls 12, beispielsweise ein Laser, kann irgendein Frequenzmodulationsgerät und/oder irgendein Laser sein. Beispielsweise kann der Laser ein Gaslaser sein, z.B. ein HeNe-Laser, der auf irgendeine bekannte Art und Weise stabilisiert ist, wie dies beispielsweise beschrieben ist von T. Bear et al. unter "Frequency Stabilization of a 0.633 μm He-Ne-longitudinal Zeeman Laser", Applied Optics, 19, 3173–3177 (1980); Burgwald et al., US-Patentschrift Nr. 3,889,207 vom 10. Juni 1975 und Sandstrom et al., US-Patentschrift Nr. 3,662,279 vom 09. Mai 1972. Stattdessen kann der Laser ein Diodenlaser sein, der in herkömmlicher Weise stabilisiert ist, wie dies beispielsweise von T. Okoshi und K. Kikuchi beschrieben ist in "Frequency Stabilization of Semiconductor Lasers for Heterodyne-type Optical Communication Systems", Electronic Letters, 16, 179–181 (1980) und S. Yamaqguchi und M. Suzuki, "Simultaneous Stabilization of the Frequency and Power of an AlGaAs Semiconductor Laser by Use of the Optogalvanic Effect of Krypton", IEEE J. Quantum Electronics, QE-19, 1514–1519 (1983).
Zwei optische Frequenzen können durch eine der folgenden Techniken erzeugt werden: (1) Benutzung eines Zeeman-Spaltlasers, wie beispielsweise von Bagley et al. in der US-Patentschrift Nr. 3,458,259 vom 29. Juli 1969 beschrieben ist oder von G. Bouwhuis "Interferometrie Mit Gaslasers", Ned. T. Natuurk, 34, 225–232 (August 1968) oder von Bagley et al. in der US-Patentschrift Nr. 3,656,853 vom 18. April 1972 und H. Matsumoto "Recent interferometric measurements using stabilized lasers", Precision Engineering 6(2), 87–94; (1984); (2) Benutzung eines Paares von akusto-optischen Bragg-Zellen, vergleiche beispielsweise Y. Ohtsuka und K. Itoh "Two-frequency Laser Interferometer for Small Displacement Measurements in a Low Frequency Range", Applied Optics, 18(2), 219–224 (1979); N. Massie et al. "Measuring Laser Flow Fields With a 64-Channel Heterodyne Interferometer", Applied Optics, 22(14), 2141–2151 (1983); Y. Ohtsuka und M. Tsubokawa, "Dynamic Two-frequency Interferometry for Small Displacement Measurements", Optics and Laser Technology, 16, 25–29 (1984); H. Matsumoto, ibid.; P. Dirksen et al. in der US-Patentschrift Nr. 5,485,272 vom 16. Januar 1996; N. A. Riza und M.M.K. Howlader "Acousto-optic system for the generation and control of tunable low-frequency signals", Opt. Eng., 35(4), 920–925 (1996); (3) Benutzung einer einzigen akusto-optischen Bragg-Zelle, vergleiche beispielsweise G.E. Sommargren US-Patentschrift Nr. 4,684,828 vom 04. August 1987; G.E. Sommargren US-Patentschrift Nr. 4,687,958 vom 18. August 1987; P. Dirksen et al., ibid.; (4) Benutzung von zwei Longitudinal-Moden eines zufällig polarisierten HeNe-Lasers, vergleiche beispielsweise J. B. Ferguson und R. H. Morris "Single Mode Collapse in 6328 Å HeNe Lasers", Applied Optics, 17(18), 2924–2929 (1978); (5) Benutzung von doppelt brechenden Elementen oder dergleichen innerhalb des Lasers, vergleiche beispielsweise V. Evtuhov und A. E. Siegman "A "Twisted-Mode" Technique for Obtaining Uniform Energy Density in a Laser Cavity", Applied Optics, (4(1), 142–143 (1965); oder die Benutzung von Systemen, wie sie beschrieben sind in der US-Patentanmeldung Nr. 09/061,928 vom 4/17/98 unter der Bezeichnung "Apparatus to Transform Two Non-Parallel Propagating Optical Beam Components into Two Orthogonally Polarized Beam Components" von H. A. Hill (US-B-6236507).
Die jeweilige als Quelle des Strahls 12 benutzte Vorrichtung bestimmt Durchmesser und Divergenz des Strahls 12. Bei einigen Quellen, beispielsweise einem Diodenlaser, wird es wahrscheinlich notwendig sein, übliche Strahlformoptiken, beispielsweise ein übliches Mikroskopobjektiv, vorzusehen, um den Strahl 12 mit einem Durchmesser und einer Divergenz zu erzeugen, die geeignet sind für die nachfolgenden Elemente. Wenn die Quelle beispielsweise ein He-Ne-Laser ist, können Strahlformoptiken überflüssig sein.
Ein weiteres dynamisches Interferometer 20, das vorzugsweise die gleiche Konstruktion wie das Interferometer 10 hat, ist fest außerhalb des Kreuztisches montiert, um die Winkelbewegung des Kreuztisches 16 um die x-Achse und die z-Achse zu messen. Um dies zu erreichen, projiziert das Interferometer 20 einen Strahl 22 auf die Spiegeloberfläche 61. Eine rückkehrende Komponente des Strahls 22 wird einem Winkelmess-Interferometer zugeführt, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Der Strahl 22 wird in gleicher Weise erzeugt wie der Strahl 12.
Das System 15 wird normalerweise so betrieben, dass eine Translationsbewegung in y-Richtung gemessen wird. Jedoch wird es hierbei in einem speziellen Spiegelcharakterisierungs-Modus betrieben, um die Form der Spiegeloberfläche 51 in situ längs einer Bezugslinie hiervon zu messen. Im Spiegelcharakterisierungs-Modus wird der Kreuztisch 16 in y-Richtung derart verschoben, dass der Eingangsstrahl 12 die Spiegeloberfläche 51 längs einer Bezugslinie abtastet und ein Signal erzeugt, das eine Information enthält, die die Winkelorientierung und die Oberflächenabweichung in x-Richtung und in z-Richtung zusammen mit irgendwelchen Beiträgen angibt, die eine Folge von Veränderungen im Translationsmechanismus zur Bewegung des Kreuztisches 16 sind. Gleichzeitig mit der Translation des Kreuztisches 16 in der y-Richtung überwacht das Interferometer 20 einen einzigen Punkt am Spiegel 61 entsprechend dem Auftreffpunkt des Strahles 22 auf der reflektierenden Oberfläche 61. Dieser Schritt erlaubt eine Messung der Verschwenkung des Kreuztisches 16 infolge mechanischer Ungenauigkeiten des Translationsmechanismus wie Lager, Antriebsmechanismus und dergleichen. In Verbindung mit dieser Information werden zwei Signale erzeugt. Das erste Signal vom Interferometer 10, das eine Information über die Änderung in der Neigung der Spiegeloberfläche 51 längs der Bezugslinie und orthogonal zur Bezugslinie angibt und das zweite Signal vom Interferometer 20, das eine Information über die Winkelorientierung des Kreuztisches 16 angibt. Diese beiden Signale werden kombiniert, um eine Information nur bezüglich der Neigung des Spiegels 51 längs der Bezugslinie und orthogonal zur Bezugslinie zu extrahieren, d.h. dx/dy und dx/dz. dx/dy wird dann integriert, um x als Funktion von y zu erhalten. So kann durch Messung der Richtung der Änderung des Ausgangsstrahls 12 in der x-y-Ebene und der y-z-Ebene und durch Messung der Anteile jener Messungen, die durch Änderungen der Verschwenkung des Kreuztisches erhalten werden, die Form der Spiegeloberfläche 51 längs einer Bezugslinie bestimmt werden und die Neigung dx/dz kann längs der Bezugslinie bestimmt werden, während das Gerät im Betrieb befindlich ist.
Für diese Anwendung sind Einstrahl-Interferometer zu bevorzugen, weil sie Neigungswinkel, Gierwinkel und Abstand (P, Y und D) mit nur einem nach dem Spiegel 50 des Kreuztisches gerichteten Strahl messen können. Ohne die normale Arbeitsweise zu ändern, kann man in situ Information über die Spiegelform ohne zusätzliche Hardware-Änderungen ableiten.
Jedoch ist die zweite Messung in einer zweiten Richtung erforderlich, weil bei einer Translation in der y-Richtung Kreuztischlager und dergleichen bewirken, dass der Kreuztisch einer Wobbelbewegung ausgesetzt ist, wodurch große Orientierungsfehler eingeführt werden. Daher wird von der Spiegeloberfläche 61 Gebrauch gemacht, um die Abweichung oder Änderung in der Orientierung des Kreuztisches zu messen, indem auf den rückkehrenden Teil des Strahles 22 geschaut wird, was ebenfalls mit einem vorzugsweise dynamischen Interferometer geschieht.
Ein wichtiges Merkmal der Benutzung von Einstrahl-Interferometern für diese Anwendung besteht darin, dass dies alle räumlichen Frequenzen bis herauf zur Grenzfrequenz enthält, die durch 1/d gegeben ist, wobei d der Strahldurchmesser ist, während bei der Benutzung eines Doppelstrahl-Interferometers, beispielsweise eines HSPMI, der Verlust aller räumlichen Frequenzen verursacht würde, deren Wellenlänge gleich ist dem Strahlabstand der beiden Doppelstrahlen oder von Harmonischen hiervon, so dass die Form nicht wiedergewonnen werden könnte.
Für den Fachmann ist es klar, dass das zweite Interferometer 20 eine andere Ausführungsform eines Winkelmess-Interferometers sein könnte einschließlich einem Mehrstrahl-Interferometer (nicht dargestellt), aber dieses Mehrstrahl-Interferometer müsste eine Ausbildung haben, wie sie beispielsweise in dem Artikel "Differential Interferometer Arrangements for Distance and Angle Measurements: Principles, Advantages, and Applications" von C. Zanoni, VDI Berichte Nr. 749 (1989) beschrieben ist.
Im Folgenden wird auf 2 Bezug genommen, die schematisch eine perspektivische Ansicht eines interferometrischen Gerätes zeigt, das als System 115 gekennzeichnet ist. Das System 115 benutzt zwei orthogonal zueinander angeordnete dynamische Interferometer, durch die die Form von zwei auf dem Kreuztisch orthogonal zueinander angeordneten langgestreckten Objektspiegeln in situ längs Bezugslinien charakterisiert werden kann, die jedem Spiegel zugeordnet werden, wenn der Kreuztisch in einer Richtung und dann in einer orthogonal hierzu verlaufenden Richtung verschoben wird oder bei denen die relativen Formen der Spiegel bei einer gleichzeitigen Bewegung des Kreuztisches längs der orthogonal aufeinander stehenden Richtungen erhalten werden.
Wie aus 2 ersichtlich, umfasst das System 115 einen Kreuztisch, der wiederum mit 16 bezeichnet ist und für eine ebene Verschiebung angeordnet ist, der aber nunmehr normalerweise betätigt wird, um sowohl eine Bewegung in x-Richtung als auch eine solche in y-Richtung zu messen. Ein dünner Spiegel 150 mit großem Aspektverhältnis und einer Spiegeloberfläche 151, die in y-Richtung langgestreckt ist, befindet sich fest auf dem Kreuztisch 16 und ein dünner Spiegel 160 mit einem hohen Aspektverhältnis und einer in x-Richtung langgestreckten Reflexionsoberfläche ist ebenfalls fest auf dem Kreuztisch 16 und nominell orthogonal zum Spiegel 150 angeordnet.
Das System 115 kann auch in einer von zwei Spiegelcharakterisierungs-Moden betätigt werden, um die Oberflächen 151 und 161 in situ zu messen. Bei dem ersten Spiegelcharakterisierungs-Modus wird das System 115 nach Art des Spiegelcharakterisierungs-Modus des Systems 15 gemäß 1 betrieben, um die Form der Oberfläche 151 herzustellen. Dann wird der Kreuztisch 16 in x-Richtung bewegt, wobei die y-Verschiebung festgelegt bleibt, um die Form des Spiegels 161 in einer Weise zu prüfen, die analog ist zur Feststellung der Form des Spiegels 151, d.h. dies ist eine zweistufige Arbeitsweise.
Bei einem zweiten Spiegelcharakterisierungs-Modus kann der Kreuztisch 16 zugleich in x-Richtung und in y-Richtung bewegt werden. Jedoch wird dann nur die Beziehung zwischen den Formen der Spiegeloberflächen erhalten. Nur eine beschränkte Information würde unter Benutzung dieses Modus erhalten werden, aber wenn diese Information für die beabsichtigte Benutzung ausreichend ist, so wird hierdurch ein Schritt des obigen Verfahrens eingespart.
In Verbindung mit der normalen Arbeitsweise beider Ausführungsbeispiele nach 1 und 2 besteht das Ziel darin, eine Information über die Form der Spiegel zu erlangen, damit diese Information benutzt werden kann, um den Einfluss der Spiegelform auf die Präzision zu korrigieren, mit der der Abstand gemessen werden kann. In diesem Zusammenhang kann ein Entfernungs-Korrekturalgorithmus benutzt werden, der in einer Nachschlagtabelle (LUT) aufgefunden werden kann oder es kann eine polynominale Reihe oder eine Fourier-Reihe geschlossener Form in der Annäherung benutzt werden, um die Entfernungsmessungen einzustellen. Korrekturen in der Größenordnung von 1/10 eines Nanometers sind dabei möglich.
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines interferometrischen Gerätes, das drei orthogonal zueinander angeordnete dynamische Interferometer benutzt, durch die die Formen von auf dem Kreuztisch orthogonal zueinander angeordneten langgestreckten Objektspiegeln in situ längs mehrerer orthogonaler Bezugslinien charakterisiert werden können (in der x-z-Ebene, der x-y-Ebene und der y-z-Ebene), die jedem Spiegel zugeordnet sind, wenn der Kreuztisch längs dreier orthogonaler Richtungen x, y und z verschoben wird.
Gemäß 3 ist das Gerät bei diesem Ausführungsbeispiel als ein System 202 dargestellt, das einen Kreuztisch 16 aufweist, auf dem fest ein Planspiegel 270 und ein Planspiegel 260 angeordnet sind. Der Planspiegel 260 besitzt eine Reflexionsoberfläche 261, die in der x-z-Ebene orientiert und in x-Richtung langgestreckt ist. Der Planspiegel 270 besitzt eine Reflexionsoberfläche 271, die in der y-z-Ebene orientiert und in y-Richtung langgestreckt ist. Der Spiegel 270 besitzt außerdem eine obere Reflexionsoberfläche 272, die in der x-y-Ebene orientiert und in der y-Richtung langgestreckt ist.
In einem nicht dargestellten Bezugskörper ist ein langgestreckter Planspiegel 280 fest montiert, der eine untere Reflexionsoberfläche aufweist, die nach unten nach dem Kreuztisch 16 hin gerichtet ist. Fest gegenüber einem Abschnitt des Kreuztisches 16 ist ein Einstrahl-Interferometer 231 angeordnet, das Translationsbewegungen nur in x-Richtung durchführt und dazu dient, den Abstand oder die Höhe zwischen der Spiegeloberfläche 272 und der Unterseite des Spiegels 280 zu messen.
Das Einstrahl-Interferometer 210, das Ausgangs- und Rückführstrahlkomponenten in dem Strahl 212 aufweist, misst x und den Neigungswinkel und den Gierwinkel um die y-Achse und die x-Achse wie oben erwähnt. Das Einstrahl-Interferometer 220 besitzt Ausgangs- und Rückführstrahlkomponenten im Strahl 222, wodurch y und der Neigungswinkel und der Gierwinkel um die x-Achse und die z-Achse wie oben erwähnt gemessen werden.
In jeder Höhenlage kann das x-Profil und das y-Profil der Spiegel 272 und 260 unter Benutzung der vorbeschriebenen Verfahren gemessen werden. Außerdem ermöglicht es jedoch dieses Ausführungsbeispiel, die x-Form und die y-Form der Spiegel 260 und 270 bei unterschiedlichen Höhe zu messen. Beispielsweise kann die x-Form und die y-Form in einer ersten Höhe des Kreuztisches 16 bestimmt werden, und dann kann die Bestimmung in einer anderen Höhe erfolgen, die vertikal, beispielsweise um 4 bis 5 mm, versetzt über oder unter der ersten Höhenlage befindlich ist. Um dies zu bewirken, müssen Winkeländerungen im Kreuztisch 16, die durch Bewegung in z-Richtung eingeführt wurden, für eine optimale Präzision berücksichtigt werden.
Das Interferometer 231 ist in der beschriebenen Weise so angeordnet, dass es empfindlich ist gegenüber Änderungen in der Orientierung des Kreuztisches 16, da es ein Einstrahl-Interferometer ist, das einen einzigen Durchlauf der Oberflächen 280 und 272 hat und ansonsten so ausgebildet ist, dass Neigungswinkel und Gierwinkel für den Strahl 233 gemessen werden. Der Quellen/Detektor 230 speist das Interferometer 231 (vergleiche 4a und 4b). Wenn daher der Kreuztisch 16 um die x-Achse oder die y-Achse bei Translation in z-Richtung verschwenkt wird, dann korrigiert dies das Interferometer 231. Wenn der Strahl 233 um die x-Achse für den Strahl 212 verschwenkt wird und sich um die y-Achse für den Strahl 222 verschwenkt, ist ebenfalls eine Korrektur vorhanden. Mit jener Information für die Bewegung in z-Richtung kann die Drehung des Kreuztisches 16 bestimmt werden, wobei die Bewegung in z-Richtung derart kompensiert wird, dass die Oberflächen 271 und 261 sowohl in der z-Richtung als auch in der y-Richtung und der x-Richtung abgebildet werden können.
Für den Fachmann ist es auch klar, dass die Form der Oberfläche 272 ebenfalls bei dem Verfahren der Bestimmung der Formen der Oberflächen 261 und 271 erhalten werden kann.
Die 4a bzw. 4b sind schematische Aufriss- und Grundrissansichten eines Interferometers 231 zur Benutzung bei dem System 202 nach 3. Wie dort gezeigt, weist das Interferometer 231 einen ersten Polarisationsstrahlteiler 300 (PBS) auf, der eine Polarisationsstrahlteilerschicht 302 aufweist, die senkrecht auf der Zeichenebene steht. Dem PBS 300 folgt ein PBS 312 mit einer PBS-Schicht 324, die rechtwinklig zur PBS-Schicht 302 verläuft. Dem PBS 312 folgt eine Viertelwellenplatte 314 und ein Porro-Prisma 316.
Der PBS 300 weist auf einer Seite eine Viertelwellenplatte 304 auf, auf der eine Spiegelreflexionsoberfläche 306 angeordnet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des PBS 300 ist eine Viertelwellenplatte 308 angeordnet, die eine Reflexionsoberfläche 310 aufweist.
Der PBS 312 besitzt eine Viertelwellenplatte 326 auf seiner Oberseite und eine weitere Viertelwellenplatte 330 auf der Unterseite. Spiegel 280 und 270 liegen über bzw. unter den Viertelwellenplatten 326 bzw. 330.
Ein dritter PBS 318 ist am Ausgangsende des PBS 300 angeordnet und umfasst eine PBS-Schicht 319. Eine Rückführkomponente des Strahls 232 wird vom PBS 318 in zwei Strahlen 343 und 345 aufgeteilt, die auf Photodetektoren 322 bzw. 320 gerichtet werden, damit sie in elektrische Signale für eine weitere Analyse umgewandelt werden.
Wenn sich das Interferometer 231 bei dieser Anordnung dreht, ändert es nicht die Orientierung des Ausgangsstrahls. Wenn sich jedoch entweder der Spiegel 270 oder der Spiegel 280 dreht, dann werden die entsprechenden Winkel gemessen.
Die Ansicht des Interferometers gemäß 4a zeigt den Pfad, den der Bezugsstrahl annimmt, wenn er das Interferometer 231 durchläuft, und die Grundrissansicht gemäß 4b zeigt den Pfad, den der Messstrahl annimmt, wenn er das Interferometer 231 durchläuft.
Nachdem vorstehend das Gerät beschrieben wurde, durch das ein Kreuztischspiegel in situ charakterisiert werden kann, wird nunmehr auf 5 Bezug genommen, die ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Charakterisierung einer Kreuztischspiegel-Topographie in situ zeigt. Wie hier dargestellt, wird das Verfahren zunächst im Block 400 gestartet, wobei vorzugsweise der Kreuztisch 16 in Parkposition befindlich ist. Der nächste Schritt besteht darin, einen langgestreckten ebenen Objektspiegel auf einem translatorisch bewegten Kreuztisch zum Zwecke einer ebenen Bewegung zu montieren, wie dies im Block 402 dargestellt ist. Darauf folgt der Schritt, mit dem ein Einzelstrahl von einem Interferometer auf den Objektspiegel gerichtet wird. Als Nächstes wird der Kreuztisch längs der Längserstreckung des Spiegels bewegt, während der Strahl darauf gerichtet wird, so dass der Strahl den Spiegel längs einer Bezugslinie abtastet, wie dies im Block 406 dargestellt ist. Danach wird der vom Spiegel reflektierte Strahl überwacht und die Änderung im Winkel des reflektierten Strahls wird gemessen, während der Spiegel abgetastet wird, um ein Signal zu erzeugen, das eine Information über die örtliche Neigung der Spiegeloberfläche entlang der Bezugslinie besitzt, wie dies im Block 408 dargestellt ist. Dann wird die Winkelorientierung des Kreuztisches gemessen, indem ein Einzelstrahl von einem weiteren orthogonal positionierten Interferometer auf einen Punkt des Kreuztisches gerichtet wird, der sich nicht verschiebt, wenn sich der Kreuztisch in Richtung der Längserstreckung des Spiegels bewegt, wie dies im Block 410 dargestellt ist. Darauf wird das Signal vom ersten Interferometer mit der gemessenen Kreuztisch-Orientierungsinformation kombiniert, um die örtliche Neigung der Spiegeloberfläche als Funktion einer Kreuztischversetzung zu bestimmen. Dann wird im Block 414 die Neigungsinformation integriert, um die Spiegeltopographie längs der Bezugslinie zu erhalten. Schließlich kann das Verfahren wiederholt werden, wie im Block 416 dargestellt, um entweder einen weiteren orthogonal positionierten Kreuztischspiegel abzubilden oder eine Abtastung längs der Bezugslinien auf dem gleichen Spiegel vorzunehmen, der von den ursprünglichen Bezugslinien in z-Richtung versetzt wurde.
Es ist klar, dass das vorstehende Verfahren durch einen geeignet programmierten Allzweck-Computer oder über fest verschaltete Mikroprozessoren durchgeführt werden kann, die zusätzlich benutzt werden können, um eine Gesamtkontrolle der System-Hardware-Elemente durchzuführen und ein Benutzer-Interface für die Systemsteuerung und einen menschlichen Eingriff liefern und außerdem allgemeine Haushaltsfunktionen durchführen.
Nach Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele ist es für den Fachmann klar, wie zusätzliche Änderungen, basierend auf den Lehren der Erfindung, durchgeführt werden können, und all diese Änderungen sollen in den Rahmen der Erfindung fallen.
Beispielsweise ist es in der Metrologie der Lithograhpie-Werkzeug-Wafer-Kreuztische bekannt, ein Interferometer auf dem Wafer-Kreuztisch anzuordnen und einen zugeordneten langgestreckten Spiegel außerhalb des Wafer-Kreuztisches auf einem Bezugsrahmen des Lithograhpie-Werkzeuges anzuordnen. Vergleiche hierzu die US-PS Nr. 5,724,136 mit dem Titel "Interferometric Apparatus For Measuring Motions Of A Stage Relative to Fixed Reflectors" vom März 1998, von Carl. A. Zanoni und die US-PS Nr. 5,757,160 mit dem Titel "Moving Interferometer Wafer Stage" vom Mai 1998, von Justin Kreuzer.
Die Verfahren und die Geräte, die vorstehend beschrieben wurden, können auch benutzt werden, um in situ die Ausbildung eines langgestreckten Spiegels zu charakterisieren, der außerhalb eines Wafer-Kreuztisches angeordnet ist, in dem ein dynamisches Interferometer als das dem Wafer-Kreuztisch angeordnete Interferometer benutzt wird. Demgemäß entspricht für jedes der vorstehenden Ausführungsbeispiele, die sich auf die Charakterisierung der Ausbildung von langgestreckten Spiegeln mit Messoberflächen erstrecken, die orthogonal zur Ebene des Wafers auf dem Wafer-Kreuztisch angeordnet sind, einer Gruppe von Ausführungsbeispielen mit langgestreckten Spiegeln, die außerhalb des Wafer-Kreuztisches auf einem Bezugsrahmen eines Lithograhpie-Werkzeuges angeordnet sind, wobei ein oder mehrere dynamische Interferometer auf dem Wafer-Kreuztisch angeordnet werden. Ein Beispiel einer solchen Ausführung ist aus 6 ersichtlich, auf die nunmehr Bezug genommen wird.
6 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines interferometrischen Gerätes 602, das drei auf einem Kreuztisch orthogonal angeordnete dynamische Interferometer oder Interferometer-Untersysteme aufweist, durch die die Formen der außerhalb des Kreuztisches orthogonal montierten dünnen, langgestreckten Objektspiegel und eines auf dem Kreuztisch montierten dünnen, langgestreckten Spiegels in situ längs mehrerer Bezugslinien charakterisiert werden können (vorzugsweise in der x-z-Ebene, der x-y-Ebene und der x-z-Ebene), die jedem Spiegel zugeordnet sind, wenn ein Translations-Kreuztisch 616 längs der drei orthogonalen Richtungen x, y und z verschoben wird. Jedes Interferometer-Untersystem ist in Kombination mit einem zugeordneten Spiegel oder mit zugeordneten Spiegeln ein Interferometer, das prinzipiell zur Messung der Versetzung des Translations-Kreuztisches 616 benutzt wird, so dass ein Wafer 604, der in seiner Position auf dem Kreuztisch 616 durch einen Waferhalter 603 gehaltert ist, präzise in einem Belichtungsstrahl 606 positioniert werden kann, der durch eine bekannte Belichtungseinheit 601 geliefert wird, die auf einem (teilweise dargestellten) Bezugsrahmen 600 montiert ist. Die Interferometer-Untersysteme sind vorzugsweise Einstrahl-Interferometer mit Planspiegel, obgleich dies nicht wichtig für die Arbeitsweise der Erfindung ist.
Aus 6 ist ersichtlich, dass das System 602 einen Translations-Kreuztisch 616 aufweist, auf dem fest ein Interferometer-Untersystem 610 und ein Interferometer-Untersystem 620 fest montiert sind. Am Bezugsrahmen 600 sind Planspiegel 650 und 670 fest montiert. Der Planspiegel 650 besitzt eine Reflexionsoberfläche 661, die im Wesentlichen in der x-z-Ebene orientiert und im Wesentlichen in der x-Richtung langgestreckt ist. Der Planspiegel 670 besitzt eine Reflexionsoberfläche 671, die im Wesentlichen in der y-z-Ebene orientiert und im Wesentlichen in y-Richtung langgestreckt ist.
Ein Spiegel 680 ist fest auf der Oberseite des Translations-Kreuztisches 616 montiert, und dieser besitzt eine obere Reflexionsoberfläche 682, die im Wesentlichen in der x-y-Ebene orientiert und im Wesentlichen in y-Richtung langgestreckt ist.
An dem, wiederum nur teilweise dargestellten, Bezugsrahmen 600 ist ein langgestreckter Planspiegel 690 fest montiert, der eine untere Reflexionsoberfläche besitzt, die nach unten nach dem Kreuztisch 616 hin gerichtet ist. Fest montiert ist ein Einstrahl-Interferometer 631 auf einem Teil des Kreuztisches 616, der Verschiebungen im Wesentlichen nur in x-Richtung durchführt, und dieses Interferometer 631 misst den vertikalen Abstand oder die Höhe zwischen der Spiegeloberfläche 682 und der Unterseite des Spiegels 690.
Ein Einstrahl-Interferometer 610 das im Strahl 612 Ausgangsstrahl-Komponenten und Rückführstrahl-Komponenten aufweist, misst die Versetzung im Wesentlichen in x-Richtung und die Neigungswinkel und die Gierwinkel im Wesentlichen um die y-Achse bzw. die z-Achse, wie oben erwähnt. Das Einstrahl-Interferometer 620, das im Strahl 622 Ausgangsstrahl-Komponenten und Rückführstrahl-Komponenten aufweist, misst die Versetzung im Wesentlichen in y-Richtung und den Neigungswinkel und den Gierwinkel um die x-Achse bzw. z-Achse, wie oben erwähnt.
In jeder Höhe können x- und y-Profile der Spiegel 650 und 670 unter Benutzung des oben beschriebenen Verfahrens gemessen werden. Außerdem ermöglicht jedoch dieses Ausführungsbeispiel die Messung der x-Form und der y-Form der Spiegel 650 und 670 in verschiedenen Höhen und als eine Funktion der Höhe. Beispielsweise kann die x-Form und die y-Form in einer ersten Höhe des Kreuztisches 616 und dann in einer anderen Höhe gemessen werden, die vertikal um beispielsweise 4 bis 5 mm über der ersten Höhenlage liegt. Um dies zu bewerkstelligen, müssen Winkeländerungen im Kreuztisch 616, die durch Bewegung in z-Richtung eingeführt wurden, für eine optische Präzision berücksichtigt werden.
Das Interferometer-Untersystem 631 ist in der beschriebenen Weise angeordnet und empfindlich gegenüber Änderungen der Orientierung des Kreuztisches 616, weil es ein Einstrahl-Interferometer ist, das einen einzigen Durchlauf nach der Unterseite des Spiegels 690 und nach der Oberfläche 682 durchführt und im Übrigen so ausgebildet ist, um Neigungswinkel und Gierwinkel für den Strahl 633 relativ zum Neigungswinkel und Gierwinkel des Strahls 634 zu messen. Wenn daher der Kreuztisch 616 um die x-Achse oder die y-Achse während der Verschiebung in z-Richtung verschwenkt wird, korrigiert dies das Interferometer 631. Mit dieser Information zur Bewegung in der z-Richtung kann eine Verschwenkung des Kreuztisches 616 bestimmt werden, wobei die Bewegung in z, die für jene Oberflächen 671 und 661 kompensiert ist, sowohl in z-Richtung als auch in y-Richtung und in x-Richtung aufgezeichnet wird. Ein Quellen/Detektor 630 speist das Interferometer-Untersystem 631 in der Weise, wie dies unter Bezugnahme auf das Gerät gemäß 4a und 4b beschrieben wurde, in analoger Weise.
Es ist für den Fachmann klar, dass die Form der Oberfläche 682 und die Form der Unterseite des Spiegels 690 auch durch das Verfahren zur Bestimmung der Form der Oberflächen 661 und 671 erhalten werden kann.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass dünne, langgestreckte Spiegel zur Benutzung bei photolithographischen Anwendungen und Einrichtungen in situ charakterisiert werden können, indem interferometrische Untersysteme benutzt werden, die den Spiegeln zugeordnet sind, wobei eine relative Bewegung über eine gesteuerte Bewegung des Translations-Kreuztisches eingeführt wird, der während des Spiegelcharakterisierungs-Modus arbeitet. Die relative Bewegung kann das Ergebnis der Lagerung der Interferometer-Untersysteme auf den Translations-Kreuztisch sein und gewiss auch eine Folge der Bewegung der dünnen, langgestreckten Spiegel, die außerhalb des Kreuztisches angeordnet und fest an einem Bezugsrahmen montiert sind oder umgekehrt. Nachdem die Spiegel einmal charakterisiert sind, können Fehlerkorrektursignale benutzt werden, wenn das Gerät in einem Messmodus benutzt wird, um präzise einen Wafer in Bezug auf einen Bezugsrahmen anzuordnen und wiederum gegenüber der Maske, die benutzt wird, um den Wafer zu belichten.
Die Speisung des Laserstrahls nach dem dynamischen Interferometer auf dem Kreuztisch gemäß 6 kann über einen Quellen/Detektor 630 oder optische Fasern erfolgen, wie dies beispielsweise von Zonani, op. cit., beschrieben wurde oder durch einen freien Raumtransport, wie dies beispielsweise von Kreuzer, op. cit., beschrieben wurde oder durch Kombinationen hiervon.

Claims

Interferometrisches Gerät mit den folgenden Teilen: mit Mitteln zur Definition eines Bezugsrahmens; mit einem Translationskreuztisch; mit einer elektromechanischen Anordnung zur selektiven Verschiebung des Translationskreuztisches in wenigstens einer von wenigstens zwei orthogonalen Richtungen gegenüber dem Bezugsrahmen; mit wenigstens einem dünnen, langgestreckten Spiegel, der in vorbestimmter Weise gegenüber dem Bezugsrahmen festgelegt ist, wobei der wenigstens eine dünne, langgestreckte Spiegel eine Reflexionsoberfläche und eine nominelle Bezugslinie aufweist, die längs seiner Längsabmessung verlaufen; mit wenigstens einem Interferometer-Untersystem, das in vorbestimmter Weise gegenüber dem wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegel montiert ist, um mit dem wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegel zusammenzuwirken und die Versetzung des Translationskreuztisches in wenigstens einer Azimuthstellung zu messen und um die örtliche Neigung des wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegels längs und orthogonal zu seiner Bezugslinie und seine örtliche Versetzung normal zur Reflexionsoberfläche zu messen; mit Steuermitteln, die einen Operationsmodus besitzen, um selektiv den Translationskreuztisch zu verschieben, wobei der wenigstens eine dünne, langgestreckte Spiegel und das wenigstens eine Interferometer-Untersystem während dieses Operationsmodus sich derart relativ zueinander bewegen, dass das wenigstens eine Interferometer-Untersystem den wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegel längs seiner entsprechenden Bezugslinie abtastet, um ein Signal zu erzeugen, das eine Information enthält, welche die Winkeländerung und die Oberflächenabweichung der Reflexionsoberfläche längs irgendwelcher Beträge anzeigt, die eine Folge von Veränderungen sind, die von der elektromechanischen Anordnung selbst ausgehen; und mit Signal- und Analysemitteln zur Extraktion der in dem Signal enthaltenen Information und zur Bestimmung der örtlichen Form des wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegels, während die Steuermittel in dem Operationsmodus befindlich sind.
Interferometrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: (a) der wenigstens eine dünne, langgestreckte Spiegel auf dem Translationskreuztisch mit diesem beweglich fixiert ist und das wenigstens eine Interferometer-Untersystem fest an einer Stelle außerhalb des Translationskreuztisches montiert ist; (b) das wenigstens eine Interferometer-Untersystem auf dem Translationskreuztisch zur Bewegung mit diesem fest montiert ist und der wenigstens eine dünne, langgestreckte Spiegel außerhalb des Translationskreuztisches fest montiert ist; oder (c) die Steuermittel so konstruiert und ausgebildet sind, dass sie einen anderen Operationsmodus besitzen, in dem die Bewegung des Translationskreuztisches in wenigstens einer Azimuthrichtung gegenüber dem Bezugsrahmen gemessen wird.
Interferometrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei dünne, langgestreckte Spiegel, die orthogonal zueinander angeordnete Reflexionsoberflächen besitzen und jeweils eine nominelle Bezugslinie aufweisen, die sich über ihre Längsabmessung erstreckt und ferner gekennzeichnet durch wenigstens zwei Interferometer-Untersysteme, die wenigstens zum Teil außerhalb des Translationskreuztisches angeordnet sind, wobei jedes Interferometer-Untersystem einen entsprechenden dünnen, langgestreckten Spiegel abtastet und so ausgebildet ist, dass die örtliche Neigung des abgetasteten Spiegels längs seiner Bezugslinie und orthogonal hierzu und seine örtliche Versetzung normal zur Reflexionsoberfläche abgetastet wird, wobei die Steuermittel außerdem so ausgebildet sind, dass im Betriebsmodus selektiv der Translationskreuztisch in einer Bewegungsrichtung oder allen seiner möglichen Bewegungsrichtungen derart verschoben wird, dass wenigstens eines der Interferometer-Untersysteme einen entsprechenden der dünnen, langgestreckten Spiegel längs seiner entsprechenden Bezugslinie abtastet, um ein Signal zu erzeugen, welches eine Information enthält, die die Winkeländerung und die Oberflächenabweichung seiner entsprechenden Reflexionsoberfläche anzeigt, und zwar zusammen mit Anteilen, die eine Folge von Veränderungen sind, die in der elektromechanischen Anordnung selbst enthalten sind, wobei das andere der Interferometer-Untersysteme ein Signal erzeugt, das wenigstens eine Information über die Winkeländerung des Translationskreuztisches enthält, wobei die Signalkombination- und Analysemittel eine Information extrahieren, die in den Signalen enthalten ist und die örtliche Form der wenigstens zwei dünnen, langgestreckten Spiegel bestimmen.
Interferometrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Interferometer-Untersystem ein Einstrahl-Planspiegel-Interferometer-Untersystem ist.
Interferometrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch drei orthogonal zueinander angeordnete dünne, langgestreckte Spiegel und drei entsprechende Interferometer-Untersysteme, die zum Zwecke einer relativen Bewegung zueinander montiert sind, wobei die Steuermittel in dem Betriebsmodus die örtliche Form der Spiegel in drei Dimensionen messen.
Interferometrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen photolithographischen Wafer, der auf dem Translationskreuztisch mit diesem beweglich fixiert ist.
Interferometrisches Gerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine photolithographische Belichtungseinheit, die fest gegenüber dem Bezugsrahmen montiert ist, um ein Maskenmuster auf den Wafern zu erzeugen, die auf dem Translationskreuztisch angeordnet sind.
Interferometrisches Verfahren mit den folgenden Schritten: es wird ein Bezugsrahmen definiert; es wird ein Translationskreuztisch zur Bewegung gegenüber dem Bezugsrahmen vorgesehen; es wird selektiv der Translationskreuztisch in wenigstens einer von zwei orthogonal aufeinander stehenden Richtungen gegenüber dem Bezugsrahmen verschoben; es wird wenigstens ein dünner, langgestreckter Spiegel in vorbestimmter Weise gegenüber dem Bezugsrahmen montiert, wobei der wenigstens eine dünne, langgestreckte Spiegel eine Reflexionsoberfläche und eine nominelle Bezugslinie besitzt, die sich über seine Längsabmessung erstrecken; es wird das wenigstens eine Interferometer-Untersystem in vorbestimmter Weise gegenüber dem wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegel montiert, wobei das wenigstens eine Interferometer-Untersystem so angeordnet ist, dass es mit dem wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegel zusammenwirkt, um die Verschiebung des Translationskreuztisches in wenigstens einer Azimuthrichtung zu messen und wobei das eine Interferometer-Untersystem außerdem derart angeordnet ist, um die örtliche Neigung des wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegels längs der Bezugslinie und orthogonal hierzu und seine örtliche Verschiebung normal zur Reflexionsoberfläche zu messen; es wird selektiv der Translationskreuztisch in einem Betriebsmodus verschoben, in dem der wenigstens eine dünne, langgestreckte Spiegel und das wenigstens eine Interferometer-Untersystem sich relativ zueinander in dem Betriebsmodus derart bewegen, dass das wenigstens eine Interferometer-Untersystem den wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegel längs seiner entsprechenden Bezugslinie abtastet, um ein Signal zu erzeugen, welches eine Information enthält, die die Winkeländerung und die Oberflächenabweichung hiervon anzeigt, und zwar zusammen mit irgendwelchen Anteilen, die eine Folge von Veränderungen sind, die während der selektiven Verschiebung des Translationskreuztisches auftreten; und es wird die Information extrahiert, die in dem Signal enthalten ist und es wird die örtliche Form des wenigstens einen dünnen, langgestreckten Spiegels bestimmt, während die Steuermittel sich in dem Betriebsmodus befinden.
Interferometrisches Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass: (a) der wenigstens eine dünne, langgestreckte Spiegel auf dem Translationskreuztisch zur Bewegung mit diesem montiert wird und das wenigstens eine Interferometer-Untersystem fest außerhalb des Translationskreuztisches montiert wird; (b) das wenigstens eine Interferometer-Untersystem fest auf dem Translationskreuztisch zur Bewegung mit diesem montiert wird und der wenigstens eine dünne, langgestreckte Spiegel fest außerhalb des Translationskreuztisches montiert wird; oder (c) die Steuermittel so konstruiert oder angeordnet werden, dass sie einen weiteren Betriebsmodus besitzen, bei dem die Bewegung des Translationskreuztisches in wenigstens einer Azimuthrichtung gegenüber dem Bezugsrahmen gemessen wird.
Interferometrisches Verfahren nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei dünne, langgestreckte Spiegel vorgesehen werden, deren Reflexionsoberflächen orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei jede Reflexionsoberfläche eine nominelle Bezugslinie aufweist, die sich über die Längsabmessung erstreckt, wobei wenigstens zwei Interferometer-Untersysteme vorgesehen werden, die wenigstens teilweise außerhalb des Translationskreuztisches angeordnet sind und jedes Interferometer-Untersystem so angeordnet ist, dass ein entsprechender dünner, langgestreckter Spiegel abgetastet und eine Messung der örtlichen Neigung des abgetasteten Spiegels längs seiner Bezugslinie und orthogonal hierzu sowie die örtliche Versetzung normal zur Reflexionsoberfläche festgestellt wird, wobei das Verfahren weiter derart durchgeführt wird, dass in dem Betriebsmodus selektiv der Translationskreuztisch in einer oder sämtlichen möglichen Bewegungsrichtungen derart verschoben wird, dass wenigstens eines der Interferometer-Untersysteme einen entsprechenden dünnen, langgestreckten Spiegel längs einer entsprechenden Bezugslinie abtastet, um ein Signal zu erzeugen, das eine Information enthält, die die Winkeländerung und die Oberflächenabweichung der entsprechenden Reflexionsoberfläche anzeigt, und zwar zusammen mit Anteilen hiervon, die eine Folge von Veränderungen anderer Anteile sind, die während der selektiven Verschiebung des Translationskreuztisches wirksam sind, während das andere Interferometer-Untersystem ein Signal erzeugt, das wenigstens eine Information über die Winkeländerung des Translationskreuztisches enthält, wobei der Schritt zur Extraktion der Information, die in den Signalen enthalten ist, die örtliche Form von den wenigstens zwei dünnen, langgestreckten Spiegeln bestimmt.
Interferometrisches Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Interferometer-Untersystem ein Einstrahl-Planspiegel-Interferometer-Untersystem ist.
Interferometrisches Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch Anordnung von drei orthogonal zueinander angeordneten dünnen, langgestreckten Spiegeln und drei entsprechenden Interferometer-Untersystemen, die zum Zwecke einer Bewegung relativ zueinander angeordnet werden, während der Betriebsmodus wirksam ist, um die örtliche Form der Spiegel in drei Dimensionen zu messen.
Interferometrisches Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch die Montage eines photolithographischen Wafers auf dem Translationskreuztisch zum Zwecke der Bewegung mit diesem.
Interferometrisches Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch photolithographische Belichtung des Wafers mit einem maskierten Beleuchtungsmuster vom Bezugsrahmen aus.