EP1405144A1 - Sensor zur strahlungsenergiebestimmung und verwendung hierfür - Google Patents

Sensor zur strahlungsenergiebestimmung und verwendung hierfür

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Publication number
EP1405144A1
EP1405144A1 EP02751097A EP02751097A EP1405144A1 EP 1405144 A1 EP1405144 A1 EP 1405144A1 EP 02751097 A EP02751097 A EP 02751097A EP 02751097 A EP02751097 A EP 02751097A EP 1405144 A1 EP1405144 A1 EP 1405144A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
gas
sensor
ozone
measuring chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02751097A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Damian Fiolka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss SMT GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss SMT GmbH filed Critical Carl Zeiss SMT GmbH
Publication of EP1405144A1 publication Critical patent/EP1405144A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483—Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
    • G03F7/7055—Exposure light control in all parts of the microlithographic apparatus, e.g. pulse length control or light interruption
    • G03F7/70558—Dose control, i.e. achievement of a desired dose
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/48—Photometry, e.g. photographic exposure meter using chemical effects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/20—Oxygen containing
    • Y10T436/206664—Ozone or peroxide

Definitions

  • the invention relates to a sensor for determining the energy of radiation of a type capable of converting oxygen to ozone, and to the use of such a sensor.
  • Radiation energy sensors are used in different designs and for different purposes, for example in devices for controlling or regulating radiation sources of optical imaging systems, in order to convert the radiation energy emitted by the radiation source to a desired, e.g. constant value.
  • One such field of application is photolithographic projection exposure systems for imaging mask structures on resist-coated wafer surfaces in semiconductor technology, which work with UV radiation.
  • UV radiation is one of the types of radiation that converts oxygen to ozone when the radiation hits an oxygen-containing gas.
  • photoelectric sensors working with photodiodes in order to determine the energy of the radiation used for imaging and to be able to set the radiation energy to an, for example, constant value based thereon, see for example the patents US Pat. No. 5,250,797 , US 5,728,495 and US 6,141,081.
  • These photoelectric sensors are used to determine the energy of UV radiation with wavelengths of 193nm and 248nm, for example.
  • the active area of such sensors is typically limited to 2mm ⁇ 2mm and therefore relatively small.
  • Another well-known type of sensors for energy determination Electromagnetic radiation, especially in the UV range, are so-called pyro sensors. These are thermal sensors with a radiation-absorbing layer that heats up and expands when exposed to radiation. The expansion acts on a piezo crystal, which emits an electrical signal proportional to the thermal expansion.
  • part of the radiation generated by an associated radiation source is usually used as measurement radiation, e.g. decoupled by means of a beam splitter and fed to the sensor. This decoupled radiation component is then no longer available for the actual radiation useful function.
  • the invention is based on the technical problem of providing a sensor of the type mentioned at the outset and the use of the same, which enables reliable determination of the radiation energy with comparatively little radiation loss, especially for UV radiation with low wavelengths of e.g. 157nm enables.
  • the invention solves this problem by providing a sensor with the features of claim 1 and using one according to claim 6.
  • the sensor according to the invention includes a measuring chamber which can be irradiated by the radiation and has a gas inlet and a gas outlet, means being provided for supplying an oxygen-containing gas into the measuring chamber via the gas inlet and for gas discharge via the gas outlet. Furthermore, the sensor contains one or more ozone sensor elements for measuring the ozone content of the one in the measuring chamber or the one via the gas outlet discharged gas. The radiation energy is determined by means of assigned evaluation means on the basis of the measured ozone content.
  • the sensor constructed in this way is suitable for determining the energy of radiation which, in the presence of oxygen, at least partially converts it into ozone.
  • This ozone conversion is defined in e.g. empirically determinable depending on the radiation energy, e.g. proportional to this. If, consequently, oxygen-containing gas is supplied to the measuring chamber, the supplied oxygen is at least partially converted into ozone by such radiation coupled into the measuring chamber, the ozone content of the gas still located in the measuring chamber or of the gas discharged via the gas outlet being dependent on the radiation energy. By measuring the ozone content, the radiation energy sought can thus be determined by the evaluation means.
  • a major advantage of this sensor is that it does not lose all of the radiation coupled into the measuring chamber for the actual radiation useful function, but only the portion that has contributed to the ozone conversion. The remaining portion of the measuring radiation can perform the intended useful function after being decoupled from the measuring chamber.
  • the measuring chamber is formed by a rectilinear measuring tube which can be traversed in the longitudinal direction by the radiation.
  • the radiation can consequently traverse the measuring chamber in a straight line without the need for radiation deflection means.
  • the gas inlet and the gas outlet are arranged at opposite end regions of the measuring chamber. This results in a correspondingly long gas flow path through the measuring chamber, which in turn contributes to an intensive interaction of the injected radiation with the oxygen contained in the supplied gas and consequently to a high ozone formation rate and thus measurement sensitivity.
  • the ozone sensor element is advantageously located in the area of the gas outlet or a gas outlet line leading away from it, so that it does not interfere with the radiation passing through the measuring chamber and detects the ozone content of the gas in the area of the gas outlet on the gas outlet, which detects all contains ozone formed by the radiation.
  • the gas supply means are set up for variable adjustment of the supply rate and / or oxygen concentration of the oxygen-containing gas. This can be used, for example, to adjust the measuring sensitivity of the sensor and thereby to realize a high measuring range dynamic for the sensor.
  • an advantageous use of the sensor according to the invention is given in an optical imaging system working with the radiation.
  • this can be a photolithographic projection exposure system.
  • the radiation energy sensor can be used here within a control or regulation to detect the energy of the radiation used, in particular UV radiation, generated by a corresponding radiation source in order to measure the radiation energy by the control or set the control to a desired value, eg to be able to keep it constant.
  • the single figure shows a schematic longitudinal sectional view of a sensor for determining radiation energy, for example for UV radiation.
  • the radiation energy sensor shown contains a measuring chamber formed by a straight measuring tube 1.
  • the measuring tube is closed at both ends by a radiation-permeable window 2, 3, which does not absorb the radiation, for example from CaF 2 .
  • a gas inlet 4, into which a gas inlet line 5 opens, is introduced into the tubular jacket of the measuring tube 1 at a short distance from one end face.
  • a gas outlet 6, from which a gas outlet line 7 leads away, is correspondingly introduced into the tubular jacket of the measuring tube 1 at a short distance from the other, opposite end face.
  • the gas inlet side 4, 5 of the measuring tube 1 are assigned conventional gas supply means 8, shown only schematically in block diagram form, with which pure oxygen or another oxygen-containing gas 9 can be fed into the gas supply line 5 with a variably adjustable supply rate and / or oxygen concentration.
  • a conventional ozone sensor element 10 is positioned in the interior of the gas outlet line 7, to the electrical measurement signal output of which an amplifier 11 is connected, the output signal of which is fed to an evaluation part 12 with an A / D converter and evaluating computer unit.
  • Ozone sensor elements are used, for example, in the form of so-called semiconductor sensors.
  • the sensor shown makes it possible to determine the energy of radiation of a type which is capable of converting oxygen into ozone by passing the radiation to be measured through the measuring tube 1, in which the supplied oxygen-containing gas is located, and the content dependent on the radiation energy is measured on ozone formed by the ozone sensor element 10.
  • radiation 12 to be measured e.g. UV radiation of a wavelength of 157 nm is coupled into the measuring tube 1 via its one end face while passing through the end window 2 there, in order then to cross the straight measuring tube 1 along its longitudinal direction and on the opposite end face while passing through the end window 3 there to exit the measuring tube 1.
  • the gas supply means 8 supplies the oxygen-containing gas 9 to the measuring tube 1 at the desired, controllable supply rate and / or oxygen concentration via the gas inlet 4.
  • the supplied, oxygen-containing gas flows in the measuring tube 1 along its longitudinal direction until it leaves it again via the gas outlet 6.
  • the injected radiation 12 is consequently in contact with the oxygen-containing gas flowing through it, as a result of which a portion of the oxygen contained in the gas which is dependent on the radiation energy is converted into ozone.
  • the gas 9a discharged from the measuring tube 1 via the gas outlet 6 consequently has an ozone content which is higher than the oxygen-containing gas stream 9 as a function of the radiation energy.
  • the ozone sensor element 10 detects this ozone content, ie the amount of ozone formed per unit of time, and forwards this information as an electrical signal to the amplifier 11.
  • the signal amplified by this is digitized in the evaluation part 12 by the A / D converter and then processed by the evaluation computer.
  • the evaluation computer determines the radiation energy sought depending on the measured ozone content on the basis of the known, for example empirically ascertainable, functional dependence of this ozone content on the energy of the radiation 12 passing through the measuring tube 1.
  • the radiation energy sensor according to the invention described above with the aid of a representative example is evidently suitable for the most varied fields of application in which the energy of an ozone-forming radiation is to be recorded, and has several specific advantages.
  • An important area of application is the use of this radiation energy sensor in optical imaging systems in order to be able to record the energy of the imaging radiation and thereby monitor it and adjust it to a desired value.
  • the radiation energy sensor can be used in photolithographic ones that work with UV radiation
  • Lighting system Systems with UV radiation of small wavelengths of e.g. 157nm used. There are otherwise little practical radiation energy sensors for this radiation.
  • the radiation energy sensor according to the invention enables a sufficiently precise determination of the radiation energy, especially for such UV radiation of low wavelength, since this radiation is absorbed by oxygen under strong ozone formation, the ozone formation rate being proportional to the radiation energy.
  • An advantage of the radiation energy sensor according to the invention is its great dynamics with a logarithmic signal / noise ratio. Because its sensitivity can be regulated over a very large measuring range by appropriately varying the oxygen flow in measuring tube 1.
  • the oxygen flow can vary from the Gas supply means 8 can be set variably, namely by varying the gas supply rate and / or the oxygen concentration in the supplied oxygen-containing gas 9.
  • the radiation energy sensor according to the invention can be set to high sensitivity values compared to conventional photoelectric sensors or pyro sensors.
  • the sensitivity of the ozone sensor element 10 is usually essentially constant.
  • Radiation energy determination in the continuous beam enables, i.e. the radiation 12a emerging from the sensor is available to the system
  • Fulfillment of the actual useful function is available, the intensity of which is only slightly weakened compared to the radiation 12 coupled into the sensor by the proportion that was absorbed by the oxygen in the sensor with ozone formation.
  • the measuring chamber 1 can be directly in the
  • Beam path of the radiation to be measured can be introduced, or a part of the radiation can be coupled out of the main beam path, which is then passed through the measuring chamber 1 and then coupled back into the main beam path.
  • the radiation energy sensor according to the invention is not subject to aging in continuous operation.
  • the response time of the sensor is primarily determined by that of the ozone sensor element.
  • a measuring chamber of any other shape can be used instead of the linear measuring tube, which is traversed at least in regions by the radiation whose energy is to be determined.
  • the position of the gas inlet and the gas outlet can be modified as required, and the coupling and uncoupling of the radiation, which in the example shown takes place via the measuring tube end faces, can also be provided at other measuring chamber locations.
  • the ozone sensor element can also be arranged in the measuring chamber itself, preferably in its area on the gas outlet side. Furthermore, several ozone sensor elements can be positioned at suitable locations if required.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung der Energie von Strahlung eines Typs, der zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon fähig ist, und auf eine Verwendung eines solchen Sensors. Erfindungsgemäss beinhaltet der Sensor eine von der Strahlung durchstrahlbare Messkammer (1) mit einem Gaseinlass (4) und einem Gasauslass (6), Mittel (8) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases (9) in die Messkammer über den Gaseinlass und zur Gasabführung über den Gasauslass, ein Ozonsensorelement (10) zur Messung des Ozongehaltes des in Messkammer befindlichen oder des über den Gasauslass abgeführten Gases (9a) und Auswertemittel (12) zur Bestimmung der Strahlungsenergie aus dem gemessenen Ozongehalt. Der Sensor ist z.B. zur Strahlungsenergiebestimmung in einem mit der Strahlung arbeitenden optischen Abbildungssystem verwendbar. Verwendung z.B. in Mikrolithographie-Projektionsbelichtungssystemen.

Description

Beschreibung
Sensor zur Strahlungsenergiebestimmung und Verwendung hierfür
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung der Energie von Strahlung eines Typs, der zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon fähig ist, sowie auf eine Verwendung eines derartigen Sensors.
Strahlungsenergiesensoren sind in verschiedenen Ausführungen und zu verschiedenen Zwecken gebräuchlich, beispielsweise in Vorrichtungen zur Steuerung oder Regelung von Strahlungsquellen optischer Abbildungssysteme, um die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlungsenergie auf einen gewünschten, z.B. konstanten Wert einzustellen. Ein solches Anwendungsgebiet sind photolithographische Projektionsbelichtungsanlagen zur Abbildung von Maskenstrukturen auf resistbeschichtete Waferoberflächen in der Halbleitertechnologie, die mit UV-Strahlung arbeiten. UV-Strahlung gehört zu den Typen von Strahlung, die Sauerstoff in Ozon umwandeln, wenn die Strahlung auf ein sauerstoffhaltiges Gas trifft.
Für den erwähnten Anwendungszweck in photolithographischen Projektionsbelichtungsanlagen ist es bekannt, mit Photodioden arbeitende photoelektrische Sensoren einzusetzen, um die Energie der zur Abbildung benutzten Strahlung zu bestimmen und basierend darauf die Strahlungsenergie auf einen z.B. konstanten Wert einstellen zu können, siehe beispielsweise die Patentschriften US 5.250.797, US 5.728.495 und US 6.141.081. Diese photoelektrischen Sensoren werden zur Energiebestimmung von UV-Strahlung mit Wellenlängen von z.B. 193nm und 248nm benutzt. Die aktive Fläche solcher Sensoren ist jedoch auf typischerweise 2mmχ2mm beschränkt und damit relativ klein. Ein weiterer bekannter Typ von Sensoren zur Energiebestimmung elektromagnetischer Strahlung speziell auch im UV-Bereich sind sogenannte Pyrosensoren. Bei diesen handelt es sich um thermische Sensoren mit einer Strahlungsabsorbierenden Schicht, die sich bei Einstrahlung erwärmt und dabei ausdehnt. Die Ausdehnung wirkt auf einen Piezokristall, der ein zur Wärmeausdehnung proportionales elektrisches Signal abgibt.
Sowohl bei den mit Photodioden arbeitenden photoelektrischen Sensoren als auch bei den Pyrosensoren wird zur Messung üblicherweise ein Teil der von einer zugehörigen Strahlungsquelle erzeugten Strahlung als Messstrahlung z.B. mittels eines Strahlteilers ausgekoppelt und dem Sensor zugeführt. Dieser ausgekoppelte Strahlungsanteil steht dann für die eigentliche Strahlungsnutzfunktion nicht mehr zur Verfügung.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Sensors der eingangs genannten Art und einer Verwendung desselben zugrunde, der eine zuverlässige Strahlungsenergiebestimmung mit vergleichsweise geringem Strahlungsverlust speziell auch für UV- Strahlung mit niedrigen Wellenlängen von z.B. 157nm ermöglicht.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Sensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Verwendung eines solchen gemäß Anspruch 6.
Der erfindungsgemäße Sensor beinhaltet eine von der Strahlung durchstrahlbare Messkammer mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass, wobei Mittel zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases in die Messkammer über den Gaseinlass und zur Gasabführung über den Gasauslass vorgesehen sind. Des weiteren beinhaltet der Sensor ein oder mehrere Ozonsensorelemente zur Messung des Ozongehaltes des in der Messkammer befindlichen oder des über den Gasauslass abgeführten Gases. Durch zugeordnete Auswertemittel wird die Strahlungsenergie anhand des gemessenen Ozongehaltes bestimmt.
Der so aufgebaute Sensor eignet sich zur Energiebestimmung von Strahlung, die bei Vorhandensein von Sauerstoff diesen wenigstens teilweise in Ozon umwandelt. Diese Ozonumsetzung ist in definierter, z.B. empirisch ermittelbarer Weise von der Strahlungsenergie abhängig, z.B. zu dieser proportional. Wenn folglich der Messkammer sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, wird der zugeführte Sauerstoff von solcher, in die Messkammer eingekoppelter Strahlung wenigstens teilweise in Ozon umgewandelt, wobei der Ozongehalt des noch in der Messkammer befindlichen oder des über den Gasauslass abgeführten Gases von der Strahlungsenergie abhängt. Durch die Messung des Ozongehaltes lässt sich folglich von den Auswertemitteln die gesuchte Strahlungsenergie bestimmen.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Sensors besteht darin, dass nicht die gesamte, in die Messkammer eingekoppelte Strahlung für die eigentliche Strahlungsnutzfunktion verloren geht, sondern lediglich derjenige Anteil, der zur Ozonumwandlung beigetragen hat. Der übrige Messstrahlungsanteil kann nach Auskopplung aus der Messkammer die vorgesehene Nutzfunktion erfüllen.
In einer konstruktiv vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist gemäß Anspruch 2 die Messkammer von einem geradlinigen Messrohr gebildet, das von der Strahlung in Längsrichtung durchquerbar ist. Die Strahlung kann folglich die Messkammer geradlinig durchqueren, ohne dass Strahlungsumlenkmittel erforderlich sind. Zudem ergibt sich bei gegebenem Messkammervolumen eine relativ große Durchstrahlungslänge und damit ein hoher Ozonbildungsgrad, was zu einer hohen Messempfindlichkeit bei gegebener Sauerstoffmenge in der Messkammer beiträgt. In einer weiteren konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind gemäß Anspruch 3 der Gaseinlass und der Gasauslass an entgegengesetzten Endbereichen der Messkammer angeordnet. Dadurch ergibt sich ein entsprechend langer Gasströmungsweg durch die Messkammer hindurch, was wiederum zu einer intensiven Wechselwirkung der eingekoppelten Strahlung mit dem im zugeführten Gas enthaltenen Sauerstoff und folglich zu einer hohen Ozonbildungsrate und damit Messempfindlichkeit beiträgt.
In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 befindet sich das Ozonsensorelement günstigerweise im Bereich des Gasauslasses oder einer von diesem abführenden Gasauslassleitung, so dass es die durch die Messkammer hindurchtretende Strahlung nicht stört und den Ozongehalt des Gases im gasaustrittsseitigen Bereich der Messkammer erfasst, welches sämtliches, von der Strahlung gebildetes Ozon enthält.
In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 sind die Gaszufuhrmittel zur variablen Einstellung der Zufuhrrate und/oder Saύerstoffkonzentration des sauerstoffhaltigen Gases eingerichtet. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, die Messempfindlichkeit des Sensors zu verstellen und dadurch eine hohe Messbereichsdynamik für den Sensor zu realisieren.
Eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors ist gemäß Anspruch 6 in einem mit der Strahlung arbeitenden optischen Abbildungssystem gegeben. Hierbei kann es sich insbesondere um eine photolithographische Projektionsbelichtungsanlage handeln. Der Strahlungsenergiesensor kann hier innerhalb einer Steuerung oder Regelung dazu dienen, die von einer entsprechenden Strahlungsquelle erzeugte Energie der verwendeten Strahlung, insbesondere UV- Strahlung, zu erfassen, um die Strahlungsenergie durch die Steuerung bzw. Regelung auf einen gewünschten Wert einstellen, z.B. konstant halten zu können.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines Sensors zur Strahlungsenergiebestimmung beispielsweise für UV- Strahlung.
Der gezeigte Strahlungsenergiesensor beinhaltet eine von einem geradlinigen Messrohr 1 gebildete Messkammer. Das Messrohr ist an beiden Stirnseiten durch je ein die Strahlung nicht absorbierendes, strahlungsdurchlässiges Fenster 2, 3 z.B. aus CaF2 abgeschlossen. Mit geringem Abstand von der einen Stirnseite ist in den Rohrmantel des Messrohrs 1 ein Gaseinlass 4 eingebracht, in den eine Gaseinlasslejtung 5 mündet. Mit geringem Abstand von der anderen, gegenüberliegenden Stirnseite ist in den Rohrmantel des Messrohrs 1 entsprechend ein Gasauslass 6 eingebracht, von dem eine Gasauslassleitung 7 abführt.
Der Gaseinlassseite 4, 5 des Messrohrs 1 sind herkömmliche, nur schematisch in Blockdiagrammform gezeigte Gaszufuhrmittel 8 zugeordnet, mit denen reiner Sauerstoff oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas 9 mit variabel einstellbarer Zufuhrrate und/oder Sauerstoffkonzentration in die Gaszufuhrleitung 5 eingespeist werden kann. Im Innern der Gasauslassleitung 7 ist ein herkömmliches Ozonsensorelement 10 positioniert, an dessen elektrischen Messsignalausgang ein Verstärker 11 angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal einem Auswerteteil 12 mit A/D-Wandler und auswertender Rechnereinheit zugeführt wird. Ozonsensorelemente sind z.B. in Form von sogenannten Halbleitersensoren gebräuchlich. Der gezeigte Sensor ermöglicht die Bestimmung der Energie von Strahlung eines Typs, der in der Lage ist, Sauerstoff in Ozon umzuwandeln, indem die zu messende Strahlung durch das Messrohr 1 , in welchem sich zugeführtes sauerstoffhaltiges Gas befindet, hindurchgeleitet und der von der Strahlungsenergie abhängige Gehalt an gebildetem Ozon vom Ozonsensorelement 10 gemessen wird.
Im Gebrauch wird eine zu messende Strahlung 12, z.B. UV-Strahlung einer Wellenlänge von 157nm, in das Messrohr 1 über seine eine Stirnseite unter Durchtritt durch das dortige Abschlussfenster 2 eingekoppelt, um anschließend das geradlinige Messrohr 1 entlang seiner Längsrichtung zu durchqueren und auf der gegenüberliegenden Stirnseite unter Durchtritt durch das dortige Abschlussfenster 3 wieder aus dem Messrohr 1 auszutreten. Gleichzeitig wird durch die Gaszufuhrmittel 8 das sauerstoffhaltige Gas 9 mit gewünschter, steuerbarer Zufuhrrate und/oder Sauerstoffkonzentration über den Gaseinlass 4 dem Messrohr 1 zugeführt. Das zugeführte, sauerstoffhaltige Gas strömt im Messrohr 1 entlang von dessen Längsrichtung, bis es selbiges über den Gasauslass 6 wieder verlässt. Während ihrer Durchquerung des Messrohrs 1 ist die eingekoppelte Strahlung 12 folglich in Kontakt mit dem hindurchströmenden sauerstoffhaltigen Gas, wodurch ein von der Strahlungsenergie abhängiger Teil des im Gas enthaltenen Sauerstoffs in Ozon umgewandelt wird. Das über den Gasauslass 6 aus dem Messrohr 1 abgeführte Gas 9a weist folglich einen gegenüber dem zugeführten sauerstoffhaltigen Gasstrom 9 in Abhängigkeit von der Strahlungsenergie erhöhten Ozongehalt auf.
Das Ozonsensorelement 10 erfasst diesen Ozongehalt, d.h. die gebildete Ozonmenge pro Zeiteinheit, und leitet diese Information als elektrisches Signal an den Verstärker 11 weiter. Das von diesem verstärkte Signal wird im Auswerteteil 12 vom A/D-Wandler digitalisiert und dann vom Auswerterechner verarbeitet. Der Auswerterechner bestimmt hierbei die gesuchte Strahlungsenergie abhängig vom gemessenen Ozongehalt anhand der ihm bekannten, z.B. empirisch ermittelbaren funktionellen Abhängigkeit dieses Ozongehaltes von der Energie der das Messrohr 1 durchquerenden Strahlung 12.
Der oben anhand eines repräsentativen Beispiels beschriebene, erfindungsgemäße Strahlungsenergiesensor ist ersichtlich für die verschiedensten Anwendungsgebiete geeignet, in denen die Energie einer ozonbildenden Strahlung zu erfassen ist, und hat mehrere spezifische Vorteile. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist der Einsatz dieses Strahlungsenergiesensors in optischen Abbildungssystemen, um die Energie der abbildenden Strahlung zu erfassen und dadurch überwachen und auf einen jeweils gewünschten Wert einstellen zu können. Speziell kann der Strahlungsenergiesensor in photolithographischen, mit UV-Strahlung arbeitenden
Projektionsbelichtungsanlagen, insbesondere in deren
Beleuchtungssystem, verwendet werden. Dabei werden in jüngerer Zeit besonders Systeme mit UV-Strahlung kleiner Wellenlängen von z.B. 157nm eingesetzt. Für diese Strahlung gibt es ansonsten wenig praxistaugliche Strahlungsenergiesensoren. Der erfindungsgemäße Strahlungsenergiesensor ermöglicht eine ausreichend genaue Strahlungsenergiebestimmung gerade auch für solche UV-Strahlung niedriger Wellenlänge, da diese Strahlung unter starker Ozonbildung von Sauerstoff absorbiert wird, wobei die Ozonbildungsrate proportional zur Strahlungsenergie ist.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Strahlungsenergiesensors ist seine große Dynamik mit logarithmischem Signal/Rausch-Verhältnis. Denn seine Empfindlichkeit lässt sich über einen sehr großen Messbereich hinweg durch entsprechendes Variieren des Sauerstoffflusses im Messrohr 1 regulieren. Der Sauerstofffluss kann von den Gaszufuhrmitteln 8 variabel eingestellt werden, und zwar durch Variieren der Gaszufuhrrate und/oder der Sauerstoffkonzentration im zugeführten sauerstoffhaltigen Gas 9. Speziell kann der erfindungsgemäße Strahlungsenergiesensor auf verglichen mit fotoelektrischen Sensoren oder Pyrosensoren herkömmlicher Art hohe Empfindlichkeitswerte eingestellt werden. Dabei ist die Empfindlichkeit des Ozonsensorelementes 10 üblicherweise im wesentlichen konstant.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Strahlungsenergiesensors besteht darin, dass er die
Strahlungsenergiebestimmung im durchgehenden Strahl ermöglicht, d.h. die aus dem Sensor austretende Strahlung 12a steht dem System zur
Erfüllung der eigentlichen Nutzfunktion zur Verfügung, wobei sie lediglich geringfügig in ihrer Intensität gegenüber der in den Sensor eingekoppelten Strahlung 12 um denjenigen Anteil abgeschwächt ist, der vom Sauerstoff im Sensor unter Ozonbildung absorbiert wurde.
Dabei kann je nach Anwendungsfall die Messkammer 1 direkt in den
Strahlengang der zu messenden Strahlung eingebracht werden, oder es kann ein Teil der Strahlung aus dem Hauptstrahlengang ausgekoppelt werden, der dann durch die Messkammer 1 geleitet und anschließend wieder in den Hauptstrahlengang eingekoppelt wird.
Indem die Sensormesskammer stets von frisch zugeführtem sauerstoffhaltigem Gas durchströmt wird, ist der erfindungsgemäße Strahlungsenergiesensor keiner Alterung im kontinuierlichen Betrieb unterworfen. Die Reaktionszeit des Sensors ist primär durch diejenige des Ozonsensorelementes bestimmt. Als Alternative zu dieser ständigen Gasdurchspülung der Messkammer kommt für gewisse Anwendungsfälle auch in Betracht, während eines jeweiligen Messvorgangs das sauerstoffhaltige Gas nur von Zeit zu Zeit pulsierend zuzuführen oder aber während der Messung keine Zufuhr an frischem sauerstoffhaltigem Gas vorzunehmen, sondern die Messkammer anfangs mit sauerstoffhaltigem Gas zu befüllen, dann die Strahlung durch die Messkammer hindurchzuleiten und danach den Ozongehalt des Gases in der Messkammer zu messen oder die Messkammer zu spülen und den Ozongehalt des aus der Messkammer ausgetriebenen Gases zu messen.
Es versteht sich, dass verschiedene Modifikationen des gezeigten Strahlungsenergiesensors im Rahmen der Erfindung möglich sind. So kann je nach Anwendungsfall statt dem geradlinigen Messrohr eine beliebig anders geformte Messkammer verwendet werden, die wenigstens bereichsweise von der Strahlung durchquert wird, deren Energie bestimmt werden soll. Des weiteren kann die Lage des Gaseinlasses und des Gasauslasses je nach Bedarf modifiziert werden, und ebenso kann das Ein- und Auskoppeln der Strahlung, was im gezeigten Beispiel über die Messrohrstirnseiten erfolgt, an anderen Messkammerstellen vorgesehen sein. Vorteilhaft ist dabei im allgemeinen ein bezogen auf das Messkammervolumen langer Gasdurchstrahlungsweg, entlang dem die Strählung mit dem sauerstoffhaltigen Gas in Kontakt ist. Das Ozonsensorelement kann statt in der Gasauslassleitung auch in der Messkammer selbst angeordnet sein, vorzugsweise in deren gasaustrittsseitigem Bereich. Des weiteren können bei Bedarf mehrere Ozonsensorelemente an geeigneten Stellen positioniert sein.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor zur Bestimmung der Energie von Strahlung eines Typs, der zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon fähig ist, gekennzeichnet durch eine von der Strahlung (12) durchstrahlbare Messkammer (1) mit einem Gaseinlass (4) und einem Gasauslass (6), Mittel (8) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases (9) in die Messkammer über den Gaseinlass und zur
Gasabführung über den Gasauslass, mindestens ein Ozonsensorelement (10) zur Messung des Ozongehaltes des in der Messkammer befindlichen oder des über den Gasauslass abgeführten Gases (9a) und - Auswertemittel (12) zur Bestimmung der Strahlungsenergie aus dem gemessenen Ozongehalt.
2. Sensor nach Anspruch 1 , weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer von einem geradlinigen Messrohr (1) gebildet ist, das von der Strahlung (12) in Längsrichtung durchquerbar ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass sich der Gaseinlass (4) und der Gasauslass (6) an entgegengesetzten Endbereichen der Messkammer (1) befinden.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Ozonsensorelement (10) im Bereich des Gasauslasses (6) oder einer von diesem abführenden Gasauslassleitung (7) angeordnet ist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhrmittel (8) zur variablen Einstellung der Zufuhrrate und/oder der Sauerstoffkonzentration des sauerstoffhaltigen Gases eingerichtet sind.
6. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Strahlungsenergiebestimmung in einem mit der Strahlung (12) arbeitenden optischen Abbildungssystem.
EP02751097A 2001-07-02 2002-07-02 Sensor zur strahlungsenergiebestimmung und verwendung hierfür Withdrawn EP1405144A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

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DE10131918 2001-07-02
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