<Desc/Clms Page number 1>
Stralingsbron-eenheid voor het opwekken van een bundel met twee polarisatierichtingen en twee frequenties.
EMI1.1
De uitvinding heeft betrekking op een stralingsbron-eenheid voor het leveren van een stralingsbundel met twee onderling loodrecht gepolariseerde componenten die verschillende frequenties hebben, welke eenheid bevat een coherente stralingsbron, een bundelsplitser, een acousto-optische modulatiesysteem voor het aanbrengen van een frequentieverschil tussen de twee door de bundelsplitser gevormde deelbundels en een bundelvereniger voor het samenbrengen van de twee uit het modulatiesysteem tredende deelbundels in één bundel.
De uitvinding heeft ook betrekking op een interferometer en op een inrichting voor het detecteren van de onderlinge positie van twee voorwerpen, beide voorzien van een dergelijke stralingsbron-eenheid. Verder heeft de uitvinding betrekking op een apparaat voor het projecteren van een masker op een substraat voorzien van een dergelijke interferometer en/of een dergelijke posidedetecde-imichdng.
In het artikel measurement with a laser interferometer" "Philips'Technical Review", Vol. 30 (1969), pp. 160-166, is een interferometrische verplaatsingsmeednrichdng beschreven, waarin een zogenaamde Zeeman laser als stralingsbron-eenheid wordt gebruikt. Een dergelijke laser bestaat bijvoorbeeld uit een enkelmodige He-Ne laser, waarover een magnetisch veld in de lengterichting wordt aangelegd. Daardoor worden in de laser, in plaats van een enkele lineair gepolariseerde mode, twee tegengestelde circulair gepolariseerde modes opgewekt, die verschillende optische frequenties hebben.
Een Zeeman laser kan echter maar een beperkt vermogen leveren, hetgeen vooral nadelig is in nieuwere toepassingen waarin de laserbundel in meer dan twee bundels opgesplitst moeten worden. Verder is een Zeeman laser relatief duur en erg gevoelig voor optische terugkoppeling, dat wil zeggen dat straling vanuit het optische meetsysteem naar de laser gereflecteerd wordt, variaties in de amplitude en frequentie van de uitgezonden laserbundel kan veroorzaken die het meetresultaat kunnen
<Desc/Clms Page number 2>
"Displacementbeinvloeden. Bovendien is het frequentieverschil tussen de twee onderling loodrecht gepolariseerde componenten hoogstens 2 MHz is waardoor de Zeeman laser slechts inzetbaar is voor het meten van beperkte afstanden of beperkte snelheden.
In het U. S. octrooischrift 5, 191, 465 is een stralingsbron-eenheid speciaal voor het uitrichten van een masker ten opzichte van een substraat in een opto-lithografisch apparaat voor het afbeelden van het masker op het substraat beschreven.
Deze stralingsbron-eenheid bevat een laser, een neutrale bundelsplitser, in elk van de wegen van de door de bundelsplitser gevormde deelbundels een afzonderlijke acoustooptische modulator en een polarisatiegevoelige bundelvereniger. De stuursignalen voor de twee modulatoren hebben verschillende frequenties, zodat de deelbundels verschillende frequenties opgedrukt krijgen. In de weg van één van deze deelbundels is een X/2 plaat aangebracht, zodat de twee deelbundels onderling loodrechte polarisatierichtingen hebben. Omdat zowel de bundelsplitser als de bundelvereniger gedeeltelijk doorlatende reflectoren zijn en er nog twee reflectoren aanwezig zijn, is de stralingsbron-eenheid volgens het U. S. octrooi 5, 191, 465 zeer gevoelig voor uitrichtfouten, en laat de stabiliteit te wensen over.
De onderhavige uitvinding heeft ten doel een stralingsbron-eenheid van de in de aanhef vermelde soort te verschaffen, die niet de bezwaren van de bekende eenheden vertoont, een relatief hoog vermogen levert, ongevoelig is voor positieafwijkingen van de componenten en de mogelijkheid biedt om het frequentieverschil over een groot gebied in te stellen.
De stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, dat de bundelsplitser een polarisatiegevoelige bundelsplitser is die twee lineair gepolariseerde deelbundels vormt met onderlinge loodrechte polarisatierichtingen dat de bunderdeier en de bundelvereniger in transmissie werken en dat hun verbindingslijn door het centrum van het modulatiesysteem loopt.
Deze stralingsbron-eenheid is symmetrisch van opzet en kan compact uitgevoerd worden. Bovendien wordt de bronstraling optimaal benut en de stralings- eff : ciëntie van de eenheid wordt voornamelijk bepaald door de transmissie-efficiëntie van de modulator. Omdat voor het splitsen van de stralingsbron-bundel en het verenigen van de deelbundels geen reflecterende elementen meer gebruikt worden, behoeven er geen strenge eisen aan de uitrichting van de componenten gesteld te worden. Onder de
<Desc/Clms Page number 3>
verbindingslijn wordt verstaan de lijn die de centra van die delen van de bundeldeier en de bundelvereniger waar de bundeldeling respectievelijk de bundelvereniging optreedt verbindt. De stralingsbron kan coherent zijn of slechts gedeeltelijk coherent.
De vereiste coherentiegraad hangt af van de toepassing van de stralingsbron-eenheid.
Een eerste uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, het acousto-optisch modulatiesysteem voor elke deelbundel een afzonderlijke acousto-optische modulator bevat en dat het stuursignaal voor de ene modulator een andere frequentie heeft dan het stuursignaal voor de andere modulator.
Het verschil tussen de frequenties van de componenten van de uit de eenheid tredende bundel wordt bepaald door het frequentieverschil van de stuursignalen.
Er is nu een grote mate van vrijheid in het kiezen van zowel de grootte van, als de positie in, het frequentiegebied van dit frequentieverschil.
Een voorkeursuitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, dat het modulatiesysteem één acousto-optische modulator bevat en dat de hoofdstralen van de deelbundels langs gescheiden wegen deze modulator doorlopen.
Deze uitvoeringsvorm heeft als voordelen dat het aantal componenten klein is en dat zij erg compact is, vooral indien een diodelaser als stralingsbron gebruikt wordt. Het verschil tussen de frequenties van de componenten van de uit de eenheid tredende bundel is nu gelijk aan twee maal de frequentie van het stuursignaal voor de optische modulator, ofwel het acoustisch signaal.
Een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid, die speciaal geschikt is voor het leveren van een bundel waarvan de onderling loodrecht gepolariseerde componenten een kleiner frequentieverschil vertonen, heeft als kenmerk, dat tussen de genoemde acousto-optische modulator en de bundelvereniger een tweede acoustooptische modulator is aangebracht en dat het stuursignaal voor de tweede acoustooptische modulator een andere frequentie heeft dan het stuursignaal voor de eerste, genoemde, acousto-optische modulator.
De tweede modulator compenseert gedeeltelijk het door de eerste modulator gemtroduceerde frequentieverschil en het frequentieverschil van de uitgaande bundelcomponenten is gelijk aan tweemaal het frequentieverschil van de stuursignalen
<Desc/Clms Page number 4>
voor de modulatoren. Door het aldus verkregen kleinere frequentieverschil kan het toepassingsgebied van de stralingsbron-eenheid uitgebreid worden tot bijvoorbeeld uitrichtsystemen in opto-lithografische apparaten.
De stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding kan ook gecombineerd worden met elementen van bekende stralingsbron-eenheden. Een eerste uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid waarin dat het geval is, vertoont als kenmerk, dat de stralingsbron een Zeeman laser is. In bekend interferometersystemen, zoals het systeem beschreven in het reeds genoemde artikel in "Philips' Technical Review", Vol. 30 (1969), pp. 160-166, vormt de Zeeman laser op zieh een stralingsbron-eenheid, zoals dit begrip in deze octrooiaanvrage gehanteerd wordt. Het frequentieverschil van de componenten van de Zeeman laserbundel is relatief laag, bijvoorbeeld in de orde van 300 kHz tot 1, 5 MHZ hetgeen voor bepaalde meetsystemen te laag is, omdat dit frequentieverschil een te laag oplossend vermogen in de tijd en een te lage meetsnelheid voor het betreffende systeem oplevert.
Door de Zeeman laser te combineren met de bundelsplitser, het acousto-optische modulatiesysteem en de bundelvereniger van de stralingsbron-eenheid kan het frequentieverschil worden vergroot.
Een tweede uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding, die gecombineerd is met een element van een bekende stralingsbron-eenheid, vertoont als kenmerk, dat de stralingsbron een in golflengte gestabiliseerde laser is die twee lineair gepolariseerde bundels met onderling loodrechte polarisatierichtingen en met verschillende frequenties levert.
Een dergelijke twee-modi laser wordt bijvoorbeeld gebruikt in het meetsysteem beschreven in"Technisches Messen"5ss, 1991, p. 253. Behalve het voordeel van de grote golflengte-stabiliteit heeft deze laser echter als nadeel dat het frequentieverschil tussen de twee modi ongeveer 640 MHz is, waardoor de elektronica voor het verwerken van de detectorsignalen moeilijk te realiseren is en duur is en het vergroten van de resolutie van het meetsysteem waarin de laser opgenomen is via interpolatietechnieken, moeilijk en duur is.
Zoals in het Europese octrooischrift 0 194-
941 beschreven is, kan aan dit bezwaar tegemoet gekomen worden door in de weg van de twee-modi laserbundel achtereenvolgens te plaatsen : een polarisator die slechts een van de modi doorlaat ; een acousto-optische modulator die een-modi bundel splits in twee, onder verschillende richtingen afgebogen, deelbundels die een frequentieverschil
<Desc/Clms Page number 5>
van bijvoorbeeld 20 MHz vertonen ; een wig van dubbelbrekend materiaal die twee deelbundels naar elkaar toebuigt ; en een diafragma dat deze twee deelbundels doorlaat en twee andere door de wig gevormde deelbundels blokkeert.
In de stralingsbroneenheid volgens het Europese octrooischrift 0 194 941 wordt echter slechts een vierde deel van de door de laser geleverde stralingsenergie door het diafragma doorgelaten.
Door in de weg van de gestabiliseerde laserbundel, waarvan de modi een frequentieverschil van 640 MHz hebben, achtereenvolgens een bundelsplitser, een acousto-optische modulator en een bundelvereniger te plaatsen, kan het frequentieverschil aanzienlijk gereduceerd worden. Indien het stuursignaal van de acousto-optische modulator bijvoorbeeld 310 MHz is, wordt het frequentieverschil van de laserbundelcomponenten met 620 MHz verlaagd en is het frequentieverschil van de uitgangsbundelcomponenten 20 MHz. Door een geschikte keuze van de frequentie van het modulatorstuursignaal kan dit frequentieverschil op een willekeurige waarde ingesteld worden, zodat de stralingsbron-eenheid ruim toepasbaar is.
De bundelsplitser en de bundelvereniger kunnen op diverse wijzen uitgevoerd zijn, zoals in de conclusies 7 t/m 11 aangegeven is. In het algemeen zijn de splitser en vereniger gelijksoortig, zodat een symmetrische eenheid verkregen wordt, waarvan de componenten een ruime positie- en oriëntatietolerantie hebben.
Een bijzondere compacte en stabiele uitvoeringsvorm van de inrichting vertoont als kenmerk, dat de bundelsplitser, de acousto-optische modulator en de bundelvereniger zijn geintegreerd in een driedelig en symmetrisch prisma van Wollaston, waarvan de buitenste delen de bundelsplitser, respectievelijk de bundelvereniger, vormen en het binnenste deel voorzien is van een elektro-acoustische omzetter en aldus de acousto-optische modulator vormt.
In deze uitvoeringsvorm wordt met veel voordeel gebruik gemaakt van het feit dat het materiaal waarvan de acousto-optische modulator vervaardigd is, bijvoorbeeld Toc02, een uniaxiaal dubbelbrekend kristal is, zodat dit materiaal ook geschikt is om er een prisma van Wollaston van te maken. Door van dit materiaal een driedelig prisma te maken waarvan de buitenste delen dezelfde vorm en dezelfde oriëntatie van de acoustische as hebben en het binnenste deel een optische as heeft die loodrecht staat op die van de buitenste delen en door het binnenste deel te voorzien van een elektroacoustische omzetter, wordt een component verkregen waaraan alleen nog een straling-
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
bron behoeft te worden toegevoegd om een volledige stralingsbron-eenheid te verkrijgen. De stralingsbron dan bij voorkeur een diodelaser.
De keuze van de stralingsbron wordt onder andere bepaald door de gewenste coherentielengte van de stralingsbundel. Omdat de genoemde component, die ook aangeduid kan worden met acoustisch Wollaston prisma, opgebouwd is uit prismadelen kan het ook de functie van bundelomvormer (beamshaper) vervullen. Een dergelijke omvormer kan gewenst zijn bij een diodelaser als stralingsbron. Deze diodelaser levert een bundel waarvan de doorsnede in het verre veld elliptisch is. De bundelomvormer wordt gebruikt om de bundel met een elliptische doorsnede om te zetten in een bundel met een ronde doorsnede, zoals gewenst in het systeem waarin de diodelaser wordt toegepast. Het gebruik van een prismastelsel als bundelomvormer is bekend uit onder andere het U. octrooischrift 4904068.
Ook de laatstgenoemde uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid kent een variant die bijzonder geschikt is voor het leveren van twee bundelcomponenten die een relatief klein frequentieverschil vertonen. Deze vertoont als kenmerk, dat achter het driedelige en symmetrische prisma van Wollaston een tweede soortgelijk driedelig en symmetrisch prisma van Wollaston geplaatst is en dat de frequentie van het stuursignaal voor de acousto-optische modulator van het eerste prisma van Wollaston verschillend is van de frequentie van het stuursignaal voor de acousto-optische modulator van het tweede prisma van Wollaston.
Het verschil tussen de frequenties van de uitgangsbundelcomponenten wordt nu weer bepaald door het frequentieverschil van de stuursignalen voor de modulatoren van het eerste en tweede driedelige prisma van Wollaston.
Een verder geintegreerde versie van deze variant vertoont de kenmerk dat het binnenste deel van het prisma van Wollaston is voorzien van een tweede electroacoustische omzetter en dat, in bedrijf, aan de twee omzetters stuursignalen met verschillende frequenties zijn aangelegd.
De uitvinding heeft ook betrekking op een interferometer, die voorzien is van een stralingsbron-eenheid, een bundelsplitser voor het splitsen van de door de strdingsbron-eenheid geleverde bundel in een meetbundel en een referentiebundel, een door de meetbundel doorlopen meettak, een door de referentiebundel doorlopen referentietak en een stralingsgevoelige detector in de weg van de, na het doorlopen van
<Desc/Clms Page number 7>
hun takken weer verenigde, meetbundel en referentiebundel. Deze interferometer vertoont als kenmerk, dat de stralingsbron-eenheid is uitgevoerd zoals hierboven is beschreven.
Verder heeft de uitvinding betrekking op een inrichting voor het detecteren van de positie van een eerste voorwerp ten opzichte van een tweede voorwerp, welke voorwerpen zijn voorzien van kenmerken en welke inrichting voorzien is van een verlichtingsstelsel voor het leveren van twee bundels waarvan de componenten met dezelfde polarisatierichting samen een interferentiepatroon vormen op zowel het kenmerk van het eerste voorwerp als het kenmerk van het tweede voorwerp en verder voorzien is van een eerste en tweede stralingsgevoelige detector voor het omzetten van straling afkomstig van, respectievelijk, het kenmerk van het eerste voorwerp en het kenmerk van het tweede voorwerp in, respectievelijk, een eerste elektrisch signaal en een tweede elektrisch signaal, waarbij het faseverschil tussen de twee signalen indicatief is voor de onderlinge positionering van de twee voorwerpen.
Deze inrichting vertoont als kenmerk, dat het verlichtingsstelsel een stralingsbron-eenheid, zoals hierboven beschreven, bevat.
Tenslotte heeft de uitvinding betrekking op een apparaat voor het projecteren van een masker op een substraat, welk apparaat achtereenvolgens bevat : een, een actinische belichtingsbundel leverend, belichtingsstelsel, een maskerhouder ; een projectielenzenstelsel en een substraathouder en verder voorzien is van een uitrichtstelsel voor het uitrichten van het masker ten opzichte van het substraat. Dit apparaat heeft als kenmerk, dat het uitrichtstelsel de hierboven beschreven positiedetectie-inrichting bevat, waarbij het eerste voorwerp het masker en het tweede voorwerp het substraat is.
Een actinische belichtingsbundel is een bundel die een chemische verandering tot stand brengt in een op het substraat aangebrachte fotolak.
Het fotolithografisch projectie apparaat kan ook voorzien zijn van een interferometersysteem voor het detecteren van de positie en verplaatsingen van de substraathouder. Een dergelijk apparaat volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, dat het interferometersysteem een stralingsbron-eenheid, als hierboven beschreven, bevat.
Dit apparaat kan daarnaast ook nog voorzien zijn van het uitrichtstelsel volgens de uitvinding.
De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de tekeningen.
<Desc/Clms Page number 8>
Daarin tonen :
Figuur 1 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid met in elk van de deelbundels een afzonderlijke acousto-optische modulator.
Figuur 2 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid met een gemeenschappelijke acousto-optische modulator voor beide deelbundels.
Figuur 3 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid waarin de bundelsplitser de acousto-optische modulator en de bundelvereniger geintegreerd zijn in een component.
Figuur 4 een dergelijke uitvoeringsvorm waarin een diodelaser als stralingsbron gebruikt wordt,
De Figuren 5 en 6 twee uitvoeringsvormen van de stralingsbron eenheid waarin twee acousto-optische modulatoren achter elkaar geplaatst zijn.
Figuur 7 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid waarin de twee achter elkaar geplaatste modulatoren gemtegreerd zijn in een component.
Figuur 8 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid met een golflengte-gestabiliseerde laser als stralingsbron.
Figuur 9 een variant van deze uitvoeringsvorm met geintegreerde bundeldeler, modulator en bundelvereniger.
Figuur 10 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid met een raster als bundelsplitser.
Figuur 11 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid waarin de bundelsplitser en de bundelvereniger worden gevormd door optische wiggen.
Figuur 12 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid waarin de bundelsplitser en de bundelvereniger worden gevormd door Köster prisma's.
Figuur 13 een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid waarin de bundelsplitser en bundelvereniger worden gevormd in Rochon prisma's.
Figuur 14 een interferometer voorzien van een stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding.
Figuur 15 een fotolithografisch projectie-apparaat waarin de stralingsbron-
EMI8.1
eenheid volgens de uitvinding wordt toegepast.
9 0 Figuur 16 een uitrichtkenmerk van het uitrichtstelsel van dit apparaat, en Figuur 17 een uitvoeringsvorm van het uitrichtstelsel.
<Desc/Clms Page number 9>
De stralingsbron-eenheid van Figuur 1 bevat een stralingsbron 1, die een stralingsbundel 2 levert. Afhankelijk van de toepassingen van de eenheid moet de bundel een grotere of kleinere coherentie lengte hebben zodat de bron 1 meestal een laser is, zoals een He-Ne laser of een halfgeleider-diodelaser. In de weg van de bundel 2 is een bundelsplitser in de vorm van een prisma van Wollaston 4 geplaatst. In de gebruikelijke uitvoering bestaat dit prisma uit twee prismadelen 5 en 6 van hetzelfde dubbelbrekende uniaxiale materiaal, bijvoorbeeld kwarts met bijvoorbeeld een gewone brekingsindex no = 1, 5443 en een buitengewone brekingsindex n, = 1, 5534. De optische assen 7 en 8 van de prismadelen staan loodrecht op elkaar.
Het prisma van Wollaston splitst de bundel 2, waarvan de polarisatierichting bijvoorbeeld een hoek van 450 maakt met de optische assen 7 en 8, in twee deelbundels 9 en 10, waarvan de polarisatierichtingen 11 en 12 loodrecht op elkaar staan.
In de weg van de deelbundel 9 is een acousto-optische modulator 13 aangebracht. Een dergelijke modulator bestaat uit een blok 14 van uniaxiaal dubbelbrekend materiaal, bijvoorbeeld T. O met een gewone brekingsindex nO = 2,2585 en een buitengewone brekingsindex n. = 2, 4112, bij gebruik van een He-Ne laser met een golflengte van 633 nm. De optische as van de modulator is aangegeven met 15. Op het blok 14 is een elektro-acoustische omzetter 16 aangebracht, waaraan een elektrisch stuursignaal Si (fez wordt toegevoerd. Dit signaal wordt omgezet in een geluidsgolf die zieh door het materiaal 14 voortplant in de richting van de optische as 15.
De geluidsgolf creeert in het materiaal een drie-dimensionaal patroon van gebiedjes met afwisselend een hogere en lagere brekingsindex, dat zieh gedraagt als een drie-dimensionaal buigingsraster 17. Dit raster, dat bekend staat als een Bragg-raster, buigt een, de modulator doorlopende, bundel in principe in een aantal buigingsordes af. Om, zoals hier gewenst is, zoveel mogelijk straling in één orde, bijvoorbeeld een eerste orde, te concentreren, moet voldaan worden aan de Bragg-voorwaarde :
EMI9.1
waarin et de hoek is die de hoofdstraat van de binnentredende bundel maakt met de rasterlijnen van het raster 17, X de golflengte van de optische straling en A de golflengte van de acoustische golf.
De acoustische golflengte kan ook uitgedrukt worden in de acoustische snelheid V, en de acoustische frequentie f, :
<Desc/Clms Page number 10>
EMI10.1
zodat de Bragg-voorwaarde ook geschreven kan worden als :
EMI10.2
Behalve een afbuiging ondervindt de optische golf ook een Doppler-frequentieverschui- ving ten gevolge van de acoustische golf. Indien de acoustische golf de optische golf nadert, wordt de frequentie van de laatste verhoogd met de acoustische frequentie, zodat :
EMI10.3
waarin fdiff de frequentie van de uit de modulator tredende afgebogen optische golf en e de frequentie van de binnentredende optische golf zijn.
Als de acoustische golf zieh verwijdert van de optische golf, wordt de frequentie van de optische golf verlaagd met de acoustische frequentie :
EMI10.4
Het materiaal van de modulatoren is zodanig gekozen dat de modulatoren over een ruim golflengtegebied gebruikt kunnen worden. Zo zijn modulatoren met T. O inzetbaar in het golflengtegebied van 400 nm tot 1200 nm.
In de weg van de deelbundel 10 is ook een acousto-optische modulator 18 aangebracht soortgelijk aan de modulator 4, dus bestaande uit een blok 19 van dubbelbrekend uniaxiaal materiaal met een optische as 20 en een daarop aangebrachte elektro-
EMI10.5
acoustische omzetter 21. Aan de omzetter wordt een stuursignaal S2(2) 2) oe waardoor er in het blok 19 een Bragg-raster 22 wordt gevormd. De deelbundel 10 wordt afgebogen en ondergaat een frequentieverschuiving f !.
Na het doorlopen van hun modulatoren vallen de deelbundels 9 en 10 in op een tweede prisma van Wollaston 25, soortgelijk aan het prisma 4. Het prisma 25 buigt de deelbundels zodanig af dat zij colineair zijn en samenvallen. De invalshoeken van de deelbundels op de modulatoren en de aansturingen van de modulatoren zijn zodanig dat van één van de bundels, bijvoorbeeld de bundel 9, de optische frequentie verhoogd wordt met fl, terwijl van de andere bundel, de bundel 10, de optische frequentie verlaagd wordt met . De uit het prisma van Wollaston tredende bundel 30 heeft dan twee componenten die een optisch frequentieverschil Af = -f : hebben, welke
<Desc/Clms Page number 11>
componenten lineair gepolariseerd zijn en onderling loodrechte polarisatierichtingen hebben.
De grootte van het frequentieverschil Af kan op zeer verschillende waardes ingesteld worden door keuze van de frequenties f1 en f2 van de stuursignalen SI en S2. Verder kunnen de acousto-optische modulatoren voor een groot gebied van golflengten ontworpen worden.
Een voorkeursuitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid, waarin een optimaal gebruik gemaakt wordt van het feit dat een prisma van Wollaston de deelbundels over relatief kleine hoeken kan afbuigen, is weergegeven in Figuur 2. Omdat de scheidingshoek ss tussen de uit het prisma van Wollaston tredende deelbundels 9 en 10 klein is, kunnen deze deelbundels door dezelfde acousto-optische modulator 40 met een optische as 42 en voorzien van een elektro-acoustische omzetter 43, gestuurd worden.
De deelbundels 9 en 10 worden door de modulator 40 onder tegengestelde hoeken afgebogen. De optische frequentie van een der bundels, bijvoorbeeld bundel 9, wordt verhoogd met de acoustische frequentie fs van het stuursignaal S (fizz dat een Braggraster 44 in het materiaal 41 van de modulator 40 opwekt, terwijl de optische frequentie van de andere deelbundel met t : wordt verlaagd. De uit de modulator 40 tredende deelbundels worden door het prisma van Wollaston 25 verenigd in een uitgangsbundel 30. De onderling loodrecht gepolariseerde componenten van deze bundel vertonen een frequentie-verschil van 2f,.
Zoals in Figuur 2 is aangegeven is de sub-eenheid, bestaande uit de componenten 4,40 en 25, symmetrisch. De afstand tussen het midden van het prisma 4 en het midden van de modulator 40 is gelijk aan de helft van de afstand L tussen de middens van de prisma's 4 en 25.
Voor de stralingsbron-eenheid van Figuur 2 geldt dat de scheidingshoek ss gelijk is aan de helft van de Bragg-hoek Od. Zoals bekend geldt voor de hoek ss :
EMI11.1
waarin An het verschil tussen de gewone en de buitengewone brekingsindex en y de zogenaamde Wollaston-hoek voorstellen.
Voor de Wollaston-hoek'Y geldt dus :
EMI11.2
en met de voorwaarde :
<Desc/Clms Page number 12>
EMI12.1
waarbij ss en ed kleine hoeken zijn, wordt :
EMI12.2
Voor een prisma van Wollaston vervaardigd uit kwarts en een modulator vervaardigd uit Tex2, die aangestuurd wordt met een acoustische frequentie fs - 80 MHz, is de Wollaston-hoek, y ongeveer 30'. Bij een dergelijke hoek kan volstaan worden met een prisma dat uit slechts twee delen, 5 en 6 of 26 en 27, bestaat. De scheidingshoek B tussen de uit het prisma van Wollaston 4 tredende bundels is, in een eerste orde benadering, onafhankelijk van de oriëntatie of positie van het prisma 4, zodat de stralingsbron-eenheid geen nauwkeurige uitrichting van componenten vereist en zeer stabiel is.
De hoofdstralen van de binnenkomende bundel 2 en de uitgaande bundel vallen samen met de optische as van de eenheid. De efficientie van de eenheid, dat wil zeggen het percentage van de door de bron geleverde straling dat in de uittredende bundel 30 terecht komt, is gelijk aan de efficiëntie van de modulator 40 en is bijvoorbeeld 80%.
Een bijzonder aantrekkelijke uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid waarin prisma's van Wollaston als bundelsplitser en bundelvereniger gebruikt worden, is in Figuur 3 weergegeven. Daarbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat de voor een acousto-optische modulator gebruikte materialen, zoals T. O dubbelbrekend zijn, zodat van deze materialen ook een prisma van Wollaston gemaakt kan worden. Verder verdient het in vele gevallen de voorkeur om, in plaats van een tweedelig prisma van Wollaston, zoals in de Figuren 1 en 2 getoond, een driedelig en symmetrisch prisma van Wollaston te gebruiken. Een dergelijk prisma, dat nog minder gevoelig is voor kantelingen en verplaatsingen dan een tweedelig prisma, is in Figuur 3 weergegeven.
Het bestaat uit een centraal prismadeel 52 en twee randprismadelen 51 en 53, waarbij alle delen uit hetzelfde dubbelbrekend en uniaxiaal materiaal bestaan, en de randdelen dezelfde optische as 54 hebben die loodrecht staat op de optische as 55 van het centrale deel. De bundelsplitsing en bundelvereniging vinden plaats op, respectievelijk, het grensvlak 58 van de prismadelen 51 en 52 en het grensvlak 59 van de prismadelen 52
<Desc/Clms Page number 13>
en 53.
Volgens de uitvinding is op het centrale deel 52 een elektro-acoustische omzetter 57 aangebracht waaraan een stuursignaal S (fa wordt toegevoerd, welk signaal weer een acoustische golf in de richting van de optische as 55 teweeg brengt en daardoor een Bragg-raster 60 in het centrale deel 52 creëert waardoor de deelbundels 9 en 10 onder tegengestelde hoeken worden afgebogen. Vanwege de verschillende richtingen waarin de uit het prismadeel 51 tredende deelbundels 9 en 10 het, als acousto-optische modulator functionerend, centrale prismadeel 52 doorlopen, wordt de optische frequentie van één der deelbundels met de acoustische frequentie f, verhoogd, terwijl de optische frequentie van de andere deelbundel met f. wordt verlaagd.
Het frequentieverschil van de componenten van de uit het driedelige prisma 50, hierna
EMI13.1
aangeduid met acoustisch prisma van Wollaston, tredende bundel 30 is gelijk aan 2. Voor de Wollaston-hoek geldt ook weer de voorwaarde (4). Voor een modulator die vervaardigd is van T. O is de hoek y ongeveer 20. De lengte van het acoustische prisma van Wollaston is bijvoorbeeld 1 cm.
Indien, zoals in Figuur 4 is aangegeven, het acoustische prisma van Wollaston 50 wordt gecombineerd met een diodelaser 61 als stralingsbron, wordt een bijzonder compacte stralingsbron-eenheid verkregen. Tussen de diodelaser 61 en het acoustisch prisma van Wollaston 50 kan nog een collimatorlens 62 aangebracht zijn. De totale lengte van de eenheid volgens Figuur 4 is bijvoorbeeld 5 cm en de diameter bijvoorbeeld 2, 5 cm. De coherentielengte van de diodelaserstraling is bijvoorbeeld 5 cm, waardoor deze eenheid goed geschikt is voor toepassing in bijvoorbeeld een optische profielmeter. Een diodelaser levert een stralingsbundel die in het verre veld een elliptisch-doorsnede heeft. Voor vele toepassingen is een bundel met een ronde doorsnede gewenst.
Zoals bekend kan met een prismastelsel, dat in twee onderling loodrechte richtingen een verschillende verbreding of versmalling van een bundel bewerkstelligt, gebruikt worden om de bundel met een elliptische doorsnede om te vormen in een bundel met een ronde doorsnede. Het acoustische Wollaston prisma 50 in de figuren 3 en 4 biedt het additionele voordeel dat het de bundelomvormende (beamshaping) functie kan vervullen.
Figuur 5 toont een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid waarmee een uitgangsbundel 30 kan worden verkregen waarvan de onderling loodrecht gepolari-
<Desc/Clms Page number 14>
EMI14.1
seerde componenten een frequentieverschil hebben dat aanzienlijk lager is dan twee maal de acoustische frequentie. Deze eenheid onderscheidt zieh van die volgens Figuur 2 daarin, dat op de positie van het tweede prisma van Wollaston 25 in Figuur 2 een tweede acousto-optische modulator 70 is aangebracht en dat de uit deze modulator tredende deelbundels 9 en 10 door het tweede prisma van Wollaston worden verenigd.
De modulator 70 is soortgelijk aan de modulator 40 en de verwijzingscijfers 71, 72, 73 en 74 duiden elementen van de modulator 70 aan, die overeenstemmen met de elementen 41, 42, 43 en 44 van de modulator 40. De modulatoren worden aangestuurd door de signalen S en S het verschil tussen de frequenties f, en f, kleiner is dan elk van die frequenties, zodanig dat de tweede modulator 70 het frequentieverschil 2f,l van de uit de modulator 40 tredende deelbundels 9'en compenseert. Het frequentieverschil Af van de uit de modulator 70 tredende deelbundels 9" nu gegeven door
EMI14.2
EMI14.3
De stralingsbron-eenheid volgens Figuur vertoont een symmetrische opbouw. De afstand L tussen de middens van de prisma's van Wollaston 4 en 25 is verdeeld in vier gelijke delen 1/4L. Voor de Wollastonhoek van de prisma's 4 en 25 geldt ook nu weer de voorwaarde (4).
Het frequentieverschil van de uitgaande bundelcomponenten kan door keuze van de frequenties fsl en f. ingesteld worden op elke waarde tussen 0 en 10 MHz zonder dat de prisma's van Wollaston 4 en 25 aangepast behoeven te worden. De efficiëntie van de eenheid is gelijk aan het produkt van de efficiënties van de modulatoren 40 en 70 en is bijvoorbeeld 60%. gebruik van standaardcomponenten is L bijvoorbeeld 15 cm.
De gedachte om twee modulatoren, die met verschillende frequenties aangestuurd worden, achter elkaar te plaatsen om een uitgangsbundel te verkrijgen waarvan de componenten een frequentieverschil hebben dat aanzienlijk kleiner is dan elk van die aansturingsfrequenties, kan ook worden gerealiseerd met acoustische prisma's van Wollaston. Een uitvoeringsvorm waarin dat het geval is, is in Figuur 6 weergegeven. Deze uitvoeringsvorm onderscheidt zieh van die volgens Figuur 4 door het gebruik van een tweede van Wollaston 50'dat eenzelfde constructie heeft en op dezelfde wijze functioneert als het acoustische prisma van Wollaston 50. Het tweede prisma 50'wordt echter aangestuurd door een signaal S de frequentie fs2
<Desc/Clms Page number 15>
EMI15.1
verschülend is van de frequentie f verschillend het signaal S waarmee het eerste prisma 50 wordt aangestuurd.
Op analoge manier als beschreven aan de hand van Figuur 5 wordt daardoor een uitgangsbundel 30 verkre,daardoor waarvan de componenten een frequentiever- schil Af = 2 (fsl-f. : z) vertonen.
De stralingsbron-eenheid die gebaseerd is op het principe van Figuur 6 kan nog verder gemtegreerd worden, zoals in Figuur 7 getoond wordt. Daarbij zijn de modulatiedelen 52 en 52'van de acoustische prisma's van Wollaston 50 en 50'
EMI15.2
vervangen door één modulatiedeel 83 en zijn de bundelsplitsende delen 51 en 51' vervangen door één bundelsplitsende deel 81 en de bundelverenigende delen 53 en 53' door één bundelverenigend deel 85, hetgeen resulteert in een acoustisch prisma van Wollaston 80.
Op het midden deel daarvan zijn twee electro-acoustische 87 en 88 aangebracht waaraan stuursignalen Sl ( ) en S2 (fa) worden toegevoerd, zodat er twee acoustische golven in de richting van de optische 84 lopen waardoor er twee Braggrasters 60, 60'gevormd worden die elk der deelbundels 9 en 10 onder tegengestelde hoeken afbuigen. Het middendeel 83 is z6 ingericht dat de hoofdstralen van de deelbundels 9 en 10 na het doorlopen van het eerste Bragg raster elkaar snijden op een positie midden tussen de rasters 60,60'.
Het eerste Bragg raster 60 introduceert een frequentieverschil 2fsl tussen de deelbundels 9 en 10 en het tweede Bragg raster 60'compenseert dit frequentieverschil weer gedeeltelijk, zodat het frequentieverschil tussen de onderling loodrecht gepolariseerde componenten van de uit het acoustisch prisma van Wollaston 80 tredende bundel gelijk is aan 2 (i, i-f, ).
Het is bekend om in interferometersystemen een golflengte gestabiliseerde HeNe laser als stralingsbron te gebruiken om een zeer stabiel meetsysteem te verkrijgen.
Deze laser emitteert in twee modes met onderling loodrechte polarisatierichtingen, welke modes een frequentieverschil van bijvoorbeeld 640 MHz vertonen, waardoor de electronische circuits voor het verwerken van de detectorsignalen moeilijk te realiseren en duur zijn en het vergroten van de resolutie van het meetsysteem, waarin de laser opgenomen is, via interpolatietechnieken moeilijk te realiseren is. Om deze problemen te vermijden kan men slechts één van de modes gebruiken en de bundel achtereenvolgens door een acousto-optische modulator, een dubbelbrekende wig en een diafragma sturen, zoals beschreven is in het Europese octrooischrift 0 194 941, om een bundel te verkrijgen met twee componenten waarvan het frequentieverschil bijvoorbeeld 20 MHz
<Desc/Clms Page number 16>
EMI16.1
is.
Daarbij komt echter slechts 25 van de oorspronkelijke laserenergie in de uitgaande bundel terecht.
Volgens een verder aspect van de onderhavige uitvinding kan het frequentieverschil van de componenten van een golflengte gestabiliseerde laser aanzienlijk verlaagd worden zonder dat met veel stralingsverlies gepaard gaat. Figuur 8 toont een uitvoeringsvorm waarin dit het geval is. De golflengte gestabiliseerde laser 90 zendt twee onderling loodrecht gepolariseerde bundelcomponenten uit, waarvan het frequentieverschil bijvoorbeeld 640 MHz is. Het prisma van Wollaston 4 splitst de bundel in twee deelbundels 92 en 93 met onderling loodrechte polarisatierichtingen, die onder verschillende richtingen door een acousto-optische modulator 40 gaan.
Deze modulator wordt aangestuurd door een signaal S waarvan de frequentie f, bijvoorbeeld 310 MHz Daardoor wordt de optische frequentie van één der deelbundels in dit voorbeeld met 310 MHz verlaagd en die van de andere deelbundel met 310 MHz verhoogd, zodat het frequentieverschil tussen de uit de modulator tredende deelbundels en dus ook tussen de bundelcomponenten van de uitgaande bundel 30, gelijk is aan 20 MHz. Het frequentieverschil kan op willekeurige waarden worden ingesteld keuze van de acoustische frequentie fs, de stralingsbron-eenheid met de golflengte gestabiliseerde laser ruim toegepast kan worden.
Op dezelfde wijze kan het toepassingsgebied van de, in interferometrische opstellingen veel gebruikt, Zeeman laser die twee bundelcomponenten met een relatief klein frequentieverschil, bijvoorbeeld 500 kHz, levert, vergroot worden. Een stralingbron-eenheid dat het geval is, wordt verkregen door in de uitvoeringsvorm van Figuur 8 de golflengte gestabiliseerde laser 90 te vervangen door een Zeeman laser. cp Ook in de uitvoeringsvormen volgens de Figuren 1, 2, 3, 4, 5 of 6 kan een golflengte gestabiliseerde laser of een Zeeman laser als stralingsbron gebruikt worden.
De uitvoeringsvorm van Figuur 8 kan nog vereenvoudigd worden, zoals in Figuur 9 getoond is. De acousto-optische modulator 94 is nu gekanteld ten opzichte van de hoofdstraal van de bundel 91 afkomstig van de golflengte-gestabiliseerde laser 90 zodat de optische as 95 een van 900 maakt met die hoofdstraal.
Ver maakt het uitreevlak 96 van de modulator een van W hoek 8 met de hcofstraal van de bundel 91. Op analogwijze als beschreven in het Europese octrooi-
<Desc/Clms Page number 17>
EMI17.1
schrift 0. fungeert dit vlak de bundelsplitser, zodat geen aparte bundelsplitser meer nodig is. Het uittreevlak 97 van de modulator is evenwijdig met het intreevlak 96 en uit dit vlak treden tussen twee onderling loodrecht gepolariseerde componenten die onderling evenwijdig zijn en samen de uitgaande bundel 30 vormen. Er is geen aparte bundelvereniger meer nodig. Op analoge manier als beschreven aan de hand van Figuur 8 wordt het grote frequentieverschil, bijvoorbeel 640 MHz, tussen de bundelcomponenten van de gestabiliseerde laser 90 omgezet in aanzienlijk kleiner frequentieverschil, bijvoorbeeld 20 MHz.
In het algemeen zal voor deze en andere uitvoeringsvormen het gekozen frequentieverschil tussen de uitgangsbundelcomponenten een optimum zijn tussen enerzijds zo eenvoudig en goedkoop mogelijk detectorsignaal-verwerkingscircuits en anderzijds zo groot mogelijke meetsnelheid in het systeem waarin de stralingsbroneenheid is opgenomen.
De stralingsbron-eenheid volgens Figuur 9 heeft ten opzichte van de uitvoeringsvorm met een in golflengte gestabiliseerde laser in het Europese octrooischrift 0. het voordeel dat de electro-acoustische omzetter 43 niet op het uittreevlak 97 aangebracht is, zodat dit hele vlak voor de uittredende bundel 30 beschikbaar is. Verder worden in de eenheid van Figuur 9 beide polarisatiecomponenten van de laserbundel 91 gebruikt en in de genoemde uitvoeringsvorm in het Europese octrooischrift 0. een van deze componenten.
Terwijl in alle uitvoeringsvormen van de stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding acousto-optische modulatoren worden gebruikt, kunnen voor de bundelsplitser en bundelvereniger verschillende soorten elementen gebruikt worden, waarbij voor een stralingsbron-eenheid de bundelsplitser en de bundelvereniger steeds van dezelfde soort zullen zijn. Deze elementen kunnen gevormd worden door - dubbelbrekende platen en wiggen - prisma's van Wollaston in diverse uitvoeringsvormen, zoals die volgens Nomarski, Girard of Franco - Fresnel prisma's Köster prisma's en Rochon prisma's - polarisatiegevoelige deelspiegels - diffractierasters, zoals faserasters.
Figuur 10 toont een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid waarin een diffractieraster 100 als bundelsplitser wordt gebruikt. Dit raster is zo uitgevoerd dat
<Desc/Clms Page number 18>
EMI18.1
de daarop invallende straling hoofdzakelijk in de + orde en-l orde wordt afgebogen.
In een van de eerste orde deelbundels, bijvoorbeeld deelbundel is een \/2-plaat 104 aangebracht, die de polarisatierichting van deze bundel zodat de deelbundels 103 en 104 onderling loodrechte polarisatierichtingen hebben. De deelbundels doorlopen, op analoge wijze als in de inrichting volgens Figuur 1, de acoustooptische modulatoren 13 en 18. De uit de modulatoren tredende deelbundels vallen in op een tweede diffractieraster 101, dat weer zo uitgevoerd is dat het voornamelijk in de eerste ordes afbuigt, zodat de deelbundels weer in een bundel 30 verenigd worden. Het frequentieverschil van de componenten van deze bundel wordt weer bepaald door het frequentieverschil van de modulatorstuursignalen S en S De hoek tussen de deelbundels 102 en 103 wordt bepaald door de periode van het raster 100.
Door deze periode voldoende groot te kiezen, kan de hoek tussen de deelbundels zo klein gemaakt worden dat slechts één acousto-optische modulator gebruikt behoeft te worden, zoals in de uitvoeringsvorm volgens Figuur 2. Er kunnen ook weer twee acousto-optische modulatoren achter elkaar geplaatst worden op analoge wijze als in Figuur 5.
Een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid, waarin een dubbelbrekende wig 110 als bundelsplitser gebruikt wordt, is in Figuur 11 weergegeven. Deze wig splitst de van de bron 1 afkomstige bundel 2 in twee deelbundels 112 en 113, met met onderling loodrechte polaristierichtingen. De scheidingshoek ssl is zo klein dat de deelbundels door één acousto-optische modulator 40 gestuurd kunnen worden. De uit de modulator tredende deelbundels doorlopen een tweede dubbelbrekende wig 115 die de deelbundels verenigt. Bij een grotere splitsingshoek ssl aparte modulatoren in de deelbundels 112, 113 geplaatst worden. Verder kunnen ook weer twee modulatoren achter elkaar geplaatst worden op analoge wijze als in Figuur 5.
Figuur 12 toont een uitvoeringsvorm van de stralingsbron-eenheid, waarin een Kösters prisma 120 als bundelsplitser wordt gebruikt. De door het vlak 121 het prisma binnentredende bundel wordt aan het, in dit geval polarisatiegevoelig, scheidingsvlak 122 in twee deelbundels 9 en 10 gesplitst, die in dit geval onderling loodrechte polarisatierichtingen hebben. De deelbundels 9 en 10 ondervinden totale interne reflectie aan de vlakken en 123 van het prisma en verlaten dan het prisma via het vlak 124. Nadat de deelbundels afzonderlijke mcdulatoren 13 en 16 doorlopen hebben en een onderling frequentieverschil Af = fi-2 hebben, vallen zij via
<Desc/Clms Page number 19>
het vlak 134 een tweede Kösters prisma binnen.
Zij ondervinden daarin totale interne reflecties aan de vlakken 131 en 132, waarna één der deelbundels door het polarisatiegevoelige scheidingsvlak 132 wordt gereflecteerd en de andere deelbundel wordt doorgelaten, waarbij de deelbundels worden verenigd in één uitgaande bundel 30.
Als de deelbundels 9 en 10 door het Köster prisma 120 voldoende naar elkaar worden toegebogen, kan weer volstaan worden met één acousto-optische modulator op analoge wijze, als in Figuur 9. Dan kunnen ook weer twee modulatoren achter elkaar geplaatst worden, zoals in Figuur 5.
In plaats van een prisma van Wollaston kan ook een Rochon prisma als bundelsplitser gebruikt worden, zoals in Figuur 11 getoond wordt. Dit prisma 140, dat weer uit twee prismadelen met onderling loodrechte assen kan bestaan, onderscheidt zieh van het Wollaston prisma, doordat slechts één van de deelbundels, bijvoorbeeld bundel 9, wordt afgebogen. De deelbundels doorlopen één gemeenschappelijke acoustooptische modulator 40, of bij een grotere splitsingshoek ss afzonderlijke modulatoren, waardoor zij een frequentieverschil verkrijgen. De uit de modulator tredende bundels worden weer verenigd door een tweede Rochon prisma. Er kunnen ook weer twee acousto-optische modulatoren achter elkaar geplaatst worden, als een kleiner frequentieverschil tussen de uitgaande bundelcomponenten gewenst is.
In alle uitvoeringsvormen van de stralingsbron-eenheid volgens de onderhavige uitvinding kan op het vlak via hetwelk de bundel 30 uittreedt, bijvoorbeeld het uittreevlak van de bundelvereniger of het uittreevlak van het acoustisch prisma van Wollaston, een optische fiber aangebracht zijn voor het verder geleiden van de bundel 30 in het meetsysteem.
In de getoonde uitvoeringsvormen worden discrete optische componenten gebruikt. Het is echter ook mogelijk de stralingsbron-eenheid als zogenaamde planaire gemtegreerde optische component uit te voeren, waarbij de bundeldeler, de acoustooptische modulator en de bundelvereniger in een stralingsgeleider op een substraat aangebracht zijn, op welk substraat ook een diodelaser aangebracht kan zijn.
Zoals reeds opgemerkt kan de stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding met veel voordeel toegepast worden in een interferometer, bijvoorbeeld voor het meten van een lineaire verplaatsing van een voorwerp. Een dergelijke interferometer is weergegeven in Figuur 14. De constructie en werking van een dergelijke interferometer
<Desc/Clms Page number 20>
zijn beschreven in het artikel"Displacement measurement with a laser interferometer" in "Philips Technical Review", 30,1969, No. 6,7, pp. 160-165. Terwijl in de bekende interferometer een Zeeman laser als stralingsbron-eenheid wordt gebruikt, bevat de nieuwe interferometer een stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding, die uitgevoerd kan zijn zoals aan de hand van de voorgaande Figuren beschreven is.
De uit de stralingsbron-eenheid 150 tredende bundel b, met twee onderling loodrecht gepolariseer-
EMI20.1
de componenten die verschillende frequenties, "en fb, hebben, wordt door een neutrale f, en fb, hebben, wordt door een neutralebundeldeler 151 gesplitst in een meetbundel bm en een referentiebundel br. De meetbundel bm wordt door een met een voorwerp verbonden, in de Z-richting beweegbare, reflector 152 naar de bundeldeler 151 gereflecteerd. De referentiebundel b, wordt door een referentiereflector 153 naar de bundeldeler 151 gereflecteerd, waarbij de referentiebundel twee maal een X/4-plaat, die tussen de bundeldeler en de referentiereflector is aangebracht, doorloopt, zodat de polarisatierichting van de bundel br over 90 wordt gedraaid.
De meetbundel en de referentiebundel worden door de bundeldeler 151 weer verenigd in één bundel die twee paren componenten bevat. Het eerste paar, in Figuur
EMI20.2
14 aangegeven met heeft een polarisatierichting loodrecht op het vlak van 14 aangegeven met f. (, tekening en het tweede paar, aangegeven met fa en f,, , heeft een polarisatierichting evenwijdig aan het vlak van tekening. Het eerste en tweede paar van componenten worden van elkaar gescheiden door een polarisatiegevoelige bundeldeler 155 en vallen vervolgens in op een eerste meetdetector 156, respectievelijk een tweede meetdetector 157.
Zoals beschreven in het laatstgenoemde artikel bij Figuur 5 daarvan levert de eerste detector 156 een signaal Sen6, dat evenredig is met :
EMI20.3
en de tweede detector 157 een signaal Sl57 dat evenredig is met :
EMI20.4
waarin AZ de verplaatsing van de meetreflector is. Door vergelijken van de fasen van de signalen S156 en Si kan AZ worden bepaald.
Het is ook mogelijk om de neutrale bundeldeler 151 te vervangen door een polarisatiegevoelige bundeldeler, waarbij dan slechts één meetdetector gebruikt wordt, zoals in het laatstgenoemde artikel aan de hand van Figuur 4 beschreven is. Het
<Desc/Clms Page number 21>
door deze detector geleverde signaal wordt dan vergeleken met een referentiesignaal, dat bijvoorbeeld verkregen is met behulp van een neutrale bundeldeler tussen de stralingsbron-eenheid 150 en de polarisatiegevoelige bundeldeler en een detector geplaatst in de weg van het door de neutrale bundeldeler afgesplitste deel van de stralingsbronbundel. Voor verdere bijzonderheden over de constructie en werking van de interferometer wordt verwezen naar het laatstgenoemde artikel.
De stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding kan op twee wijzen worden toegepast in een apparaat voor het repeterend afbeelden van een maskerpatroon op een substraat. Een dergelijk apparaat, dat in het US octrooischrift 5, 100, 237 is beschreven, is in Figuur 15 schematisch weergegeven. De hoofdonderdelen van dit apparaat zijn een projectiekolom, waarin een af te beelden maskerpatroon C is aangebracht en een beweegbare substraattafel WT, waarmee het substraat ten opzichte van het maskerpatroon C gepositioneerd kan worden.
In de projectiekolom is opgenomen een verlichtingsstelsel, dat bijvoorbeeld bestaat uit een laser LA, een bundelverbreder Ex, een element IN, ook wel aangeduid met integrator, dat een homogene stralingsverdeling binnen de projectiebun- del PB bewerkstelligt en een condensorlens CO. De projectiebundel PB verlicht het in het masker M aanwezige maskerpatroon C, welk masker is aangebracht op een maskertafel MT.
De door het maskerpatroon C tredende bundel PB doorloopt een in de projectiekolom aangebracht en slechts schematisch aangegeven, projectielenzenstelsel PL dat een afbeelding van het patroon C op het substraat W vormt. Het projectielenzenstelsel heeft bijvoorbeeld een vergroting M = 1/5, een numerieke apertuur N. A. = 0, 48 en een buigingsbegrensd beeldveld met een diameter van 22 mm.
Het substraat W is aangebracht op een bijvoorbeeld luchtgelagerde substraattafel WT. Het projectielenzenstelsel PL en de substraattafel WT zijn aangebracht in een behuizing HO die aan de onderkant afgesloten wordt door een, bijvoorbeeld granieten, grondplaat BP en aan de bovenkant door de maskertafel MT.
Voor het bepalen van de positie en de verplaatsingen van het substraat ten opzichte van de projectielen is het apparaat voorzien van een interferometersysteem, dat in Figuur 13 schematisch met IF is aangeduid. Dit interferometersysteem is voorzien van een stralingsbron-eenheid 150 volgens de uitvinding en kan uitgevoerd zijn zoals
<Desc/Clms Page number 22>
aan de hand van Figuur 14 beschreven is.
Het apparaat is verder voorzien van een uitrichtsysteem voor het uitrichten van het substraat ten opzichte van het maskerpatroon met behulp van uitrichtkenmerken op het substraat en in het masker MA.
Zoals in Figuur 15 is aangegeven bevat het masker MA twee uitrichtkenmerken Mi en M2. Deze kenmerken bestaan bij voorkeur uit diffractierasters, maar kunnen ook gevormd worden door andere kenmerken, zoals vierkanten of stroken die zieh optisch van hun omgeving onderscheiden. De uitrichtkenmerken zijn bij voorkeur tweedimensionaal, dat wil zeggen dat zij zieh in twee onderling loodrechte richtingen, de X- en Y-richting in Figuur 15, uitstrekken. Het substraat W, bijvoorbeeld een
EMI22.1
halfgeleidersubstraat, waarop het patroon C een aantal malen naast elkaar afgebeeld , ee moet worden, bevat een aantal uitrichtkenmerken, bij voorkeur ook weer tweedimensionale diffractierasters, waarvan er twee, PI en P2, in Figuur 15 zijn aangegeven.
De kenmerken ? i en P2 zijn gelegen buiten de gebieden op het substraat W waar de afbeeldingen van het patroon C gevormd moeten worden. Bij voorkeur zijn de rasterkenmerken Pi en P2 uitgevoerd als faserasters en de rasterkenmerken Mt en M2 als amplituderasters.
In Figuur 16 is een uitvoeringsvorm van één van de twee identieke substraatfaserasters vergroot weergegeven. Een dergelijk raster kan bestaan uit vier deelrasters Pt,., Pb, P en Pi , waarvan er twee, Pl, b en Pt, d dienen voor het uitrichten in de X-richting en de twee overige, Pl,. en Pi. voor het uitrichten in de Y-richting. De twee deelrasters Pt, en Pi. hebben een rasterperiode van bijvoorbeeld 16 pm en de deelrasters Pi, en PI, d een rasterperiode van bijvoorbeeld 17,6 cm. Elk van de deelrasters kan een afmeting van bijvoorbeeld 200x200 pm hebben.
Met deze rasters en een geschikt optisch stelsel kan een uitrichtnauwkeurigheid van in principe kleiner dan 0, 1 m bereikt worden. Er is voor verschillende rasterperiodes gekozen om het invangbereik van de uitrichtinrichting te vergroten.
Figuur 17 toont schematisch een mogelijkheid van indirect uitrichten van een maskeruitrichtkenmerk en een substraatuitrichtkenmerk ten opzichte van elkaar, waarbij een, kunstmatig, uitrichtkenmerk als derde kenmerk wordt gebruikt. Dit derde kenmerk bestaat uit een interferentiepatroon IP dat wordt gevormd door twee bundels b, en bb die met elkaar interfereren in het vlak van het maskeruitrichtkenmerk M2. De
<Desc/Clms Page number 23>
bovenste inzet in Figuur 17 toont het interferentiepatroon IP dat gesuperponeerd is op het maskeruitrichtkenmerk M2, dat uitgevoerd is als een reflecterend raster. Dit raster buigt de invallende straling af in verschillende diffractie ordes in de richting van een eerste detector 161. Voor deze detector is een filter 162 aangebracht dat alleen de eerste ordes deelbundels doorlaat.
Het uitgangssignaal van de detector 161 representeert de positie van het kenmerk M2 ten opzichte van het interferentiepatroon IP.
In het masker MA bevindt zieh, naast het kenmerk M2, een venster 164, dat straling van de interfererende bundels b en bb doorlaat naar het projectielenzenstelsel PL. Dit stelsel vormt een herafbeelding van het interferentiepatroon IP op het substraatuitrichtkenmerk P2, zoals in de onderste inzet in Figuur 17 getoond is. Het kenmerk P2, dat uitgevoerd is als een reflecterend raster, buigt de opvallende straling af in een aantal gereflecteerde buigingsordes. De gereflecteerde straling bereikt via het projectielenzenstelsel en een gedeeltelijk doorlatend prisma 165 een tweede detector 167.
In het projectielenzenstelsel PL is een correctie-element 168 opgenomen, dat ervoor zorgt dat het interferentiepatroon scherp op het kenmerk P2 wordt afgebeeld, ondanks het feit dat het projectielenzenstelsel alleen voor de golflengte van de projectiebundel goed gecorrigeerd is. Tussen de detector 167 en het prisma 165 kan nog een filter 166 aanwezig zijn voor het selecteren van de eerste ordes deelbundels.
Het is ook mogelijk om onder het correctie-element 168 een reflector 169 aan te brengen, die de eerste ordes deelbundels naar rechts reflecteert, zodat deze bundels via een venster in de wand van de projectielenshouder de projectielen kunnen verlaten, zoals met de gestreepte straal is aangegeven.
Indien de bundels b, en bb worden gevormd door de bundelcomponenten van een stralingsbron 150 volgens de uitvinding en in de weg van deze componenten een analysator 170 is aangebracht, die ervoor zorgt dat de doorgelaten deelbundels dezelfde polarisatierichting hebben, varieert het gevormde interferentiepatroon in de tijd, waardoor wordt gesimuleerd dat het interferentiepatroon over het maskeruitrichtkenmerk en over het substraatuitrichtkenmerk beweegt, waardoor periodiek varierende uitrichtsignalen verkregen worden. Het verschil tussen de fasen van de uitgangssignalen van de detectoren 161 en 167 is dan representatief voor de mate van onderlinge uitrichting van de kenmerken M2 en P2.
Behalve de hierboven genoemde toepassingen in interferometers voor het
<Desc/Clms Page number 24>
meten van lineaire verplaatsingen en rotaties en in uitrichtsystemen voor een lithografisch projectie-apparaat, kent de stralingsbron-eenheid volgens de uitvinding tal van andere toepassingen. Zo kan deze eenheid worden gebruikt in : - shearing interferometers voor het meten van lensaberraties ; - fiber-optische interferometrische sensoren voor het meten van temperatuur, druk, stroming, rotaties, magnetische velden en spanning in materialen of voorwerpen ; - een atomaire aftastende krachtmicroscoop voor het meten van tipverplaatsingen ; - oppervlakteprofielmeters ; - apparaten voor het meten van de dubbele breking, of brekingsindex van materialen of van polarisatiedraaiing in materialen.