DE102012006420A1

DE102012006420A1 - Temperatursensor sowie Verfahren zum Messen einer Temperaturänderung

Info

Publication number: DE102012006420A1
Application number: DE102012006420A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schnier
Original assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-02
Also published as: US20130258342A1; US9255876B2

Abstract

Ein Temperatursensor (10) wird bereitgestellt, welcher eine Messlichtquelle (12) zum Erzeugen von Messlicht (14) sowie zwei Lichtwellenleiter (24, 26) umfasst. Die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) sind derart angeordnet, dass sie jeweils einen Messlichtanteil (20, 22) des Messlichts (14) aufnehmen und dass die Messlichtanteile (20, 22) nach Durchlaufen der Lichtwellenleiter (24, 26) überlagert werden. Weiterhin weisen die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) eine optische Eigenschaft mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit auf.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor, ein Verfahren zum Messen einer Temperaturänderung sowie eine Maskeninspektionseinrichtung zur Inspektion einer Lithographiemaske mit einem derartigen Temperatursensor.
Zur hochgenauen Bestimmung der Temperatur von Luft etwa mit Milli-Kelvin-Genauigkeit oder besser, werden im Stand der Technik Platin-Temperatursensoren eingesetzt. Derartige Platin-Temperatursensoren werden beispielsweise zur Stabilisierung der Temperatur im Bereich des Maskentisches einer Maskeninspektionseinrichtung, welcher zur Inspektion einer Lithographie-Maske dient, verwendet. Derartige Platin-Temperatursensoren driften jedoch mit mehreren Milli-Kelvin pro Jahr und reagieren zudem wegen ihrer Eigenerwärmung auf Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit der sie umgebenden Luft. Sensoren ohne nennenswerte Eigenerwärmung, z. B. kapazitive Längenmesssysteme, haben bisher noch keine Milli-Kelvin-Messgenauigkeit unter Beweis stellen können.
Zugrunde liegende Aufgabe
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Temperatursensor sowie ein Verfahren zum Messen einer Temperaturänderung bereitzustellen, womit die vorgenannten Probleme gelöst werden, und insbesondere eine hochgenaue und langfristig stabile Temperaturmessung ermöglicht wird, die unabhängig von Umgebungsbedingungen, wie Druck und Luftströmungen ist.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorgenannte Aufgabe kann erfindungsgemäß gelöst werden mit einem Temperatursensor welcher eine Messlichtquelle zum Erzeugen von Messlicht sowie zwei Lichtwellenleiter aufweist. Die Lichtwellenleiter sind derart angeordnet, dass sie jeweils einen Messlichtanteil aufnehmen und dass die Messlichtanteile nach Durchlaufen der Lichtwellenleiter überlagert werden. Die beiden Lichtwellenleiter weisen eine optische Eigenschaft mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit auf.
Mit anderen Worten weist dieselbe optische Eigenschaft für die beiden Lichtwellenleiter eine unterschiedliche Temperaturabhänigkeit auf, d. h. die Temperaturabhängkeit der optischen Eigenschaft des ersten Lichtwellenleiters ist von der Temperaturabhängigkeit derselben optischen Eigenschaft des zweiten Lichtwellenleiters verschieden. Inbesondere unterscheidet sich die Temperaturabhängigkeit der optischen Eigenschaft zwischen den beiden Lichtwellenleiter um mehr als 10%, insbesondere um mehr als 50%, um mehr als den Faktor 2 oder um mehr als den Faktor 5. Das Messlicht weist eine zur Interferenzmessung ausreichend lange Kohärenzlänge auf. Dazu kann der Temperatursensor eine geeignete Messlichtquelle, wie z. B. einen monochromatischen frequenzstabilisierten Laser, zur Erzeugung des Messlichts aufweisen.
Wie vorstehend erwähnt, sind die Lichtwellenleiter derart angeordnet, dass sie jeweils einen Messlichtanteil aufnehmen. Dazu kann beispielsweise ein Lichtaufspaltmodul in Gestalt eines Strahlteilers vorgesehen sein. Alternativ können aber auch die Lichtwellenleiter mit ihren Enden derart angeordnet sein, dass ein eingestrahlter Strahl mit dem Messlicht beide Enden beleuchtet, sodass das Messlicht in beide Lichtwellenleiter eindringt. Weiterhin sind die Lichtwellenleiter derart angeordnet, dass die Messlichtanteile nach Durchlaufen der Lichtwellenleiter überlagert werden. Dazu kann der Temperatursensor beispielsweise mit einem Lichtüberlagerungsmodul versehen sein. Ein derartiges Lichtüberlagerungsmodul kann mit einem Lichtaufspaltmodul der vorgenannten Art identisch sein oder als separates Modul ausgebildet sein. Alternativ kann die Überlagerung der Messlichtanteile auch erfolgen, indem die Enden der Lichtwellenleiter derart nebeneinander angeordnet sein, dass diese, insbesondere unter leicht unterschiedlichen Winkeln, eine Detektorfläche gemeinsam anstrahlen und die Überlagerung damit auf der Detektorfläche erfolgt.
Aufgrund der Verwendung von Lichtwellenleitern mit einer optischen Eigenschaft unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit ermöglicht der erfindungsgemäße Temperatursensor eine hochgenaue Temperaturmessung. Gleichzeitig treten in den Lichtwellenleitern keine nennenswerten Alterungseffekte auf, welche die Temperaturmessgenauigkeit beeinflussen würden. Druckschwankungen und Luftströmungen beeinflussen die Temperaturmessung ebenfalls nicht in nennenswertem Maße.
Gemäß einer Ausführungsform sind die beiden Lichtwellenleiter im selben räumlichen Messbereich angeordnet. Damit sind sie den gleichen Temperaturschwankungen ausgesetzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung umfasst der Temperatursensor mehr als zwei Lichtwellenleiter, inbesondere mehr als drei oder mehr als vier Lichtwellenleiter, deren optische Eigenschaft jeweils paarweise unterschiedliche Temperaturabhängigkeit aufweisen. Damit ist es möglich, die Genauigkeit der Temperaturmessung weiter zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die optische Eigenschaft mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit die jeweilige optische Weglänge der beiden Lichtwellenleiter. In diesem Fall sind damit die Lichtwellenleiter derart konfiguriert, dass ihre jeweiligen optischen Weglängen unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten aufweisen. Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Temperaturabhängigkeitsdifferenz der optischen Weglängen der beiden Lichtwellenleiter größer als 1 μm pro Grad Kelvin Temperaturveränderung, insbesondere größer als 5 μm oder 10 μm pro Grad Kelvin Temperaturveränderung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weisen die beiden Lichtwellenleiter jeweils einen lichfführenden Kern auf und die beiden lichtführenden Kerne sind aus unterschiedlichen Materialien gefertigt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform weisen die Lichtwellenleiter unterschiedliche Dicken auf. Mit anderen Worten umfasst der Temperatursensor einen ersten Lichtwellenleiter und einen zweiten Lichtwellenleiter mit jeweils einem lichtführenden Kern und das Material des lichfführenden Kerns des ersten Lichtwellenleiters unterscheidet sich von dem Material des lichtführenden Kerns des zweiten Lichtwellenleiters.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Temperatursensor weiterhin ein Lichtaufspaltmodul zum Aufspalten des eingehenden Messlichts in die Messlichtanteile auf und die Lichtwellenleiter sind jeweils an einem Ausgang des Lichtaufspaltmoduls angeordnet. Damit nehmen die Lichtwellenleiter jeweils einen Messlichtanteil des Messlichts auf. Gemäß einer Ausführungsvariante ist das Lichtaufspaltmodul ein von den Lichtwellenleitern separates Element. So wird etwa eine geschliffene Endfläche einer Glasfaser, die eine Teilreflexion des in der Glasfaser geführten Lichts bewirkt, in diesem Zusammenhang nicht als ein von den Lichtwellenleitern separates Lichtaufspaltmodul angesehen. Das Lichtaufspaltmodul kann bespielsweise als Strahlteiler, insbesondere als polarisierender Strahlteiler, an den die Lichtwellenleiter angeschlossen sind, ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Messlichtquelle dazu konfiguriert, das Messlicht in Gestalt eines gerichteten Strahls auf die beiden Lichtwellenleiter einzustrahlen, die Lichtwellenleiter weisen jeweilige eingangsseige Enden zum Aufnehmen der Messlichtanteile auf und die eingangsseitigen Enden der beiden Lichtwellenleiter sind derart nah zueinander angeordnet, dass beide eingangsseitigen Enden von dem Strahl des Messlichts erfasst werden. Als Messlichtquelle kommt insbesondere ein Laser in Frage.
Dieser erzeugt einen gerichteten Strahl in Gestalt eines Laserstrahls. Um sicherzustellen, dass beide eingangsseitigen Enden von dem Strahl des Messlichts erfasst werden, können die Enden parallel zueinander angeordnet werden. Insbesondere sind sie so angeordnet, dass die Enden unmittelbar aneinander angrenzen. In diesem Fall können die Enden mittels eines Steckers miteinander verbunden sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weisen die Lichtwellenleiter jeweilige ausgangsseitige Enden zum Austritt der Messlichtanteile nach Durchlaufen der Lichtwellenleiter auf und die ausgangsseitigen Enden sind derart nah zueinander angeordnet, dass die Messlichtanteile nach ihrem Austritt aus den Lichtwellenleitern miteinander interferieren.
Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung weist das Material eines der beiden lichtführenden Kerne einen Brechungsindex mit einer negativen Temperaturabhängigkeit auf. Mit anderen Worten ist der Parameter dn/dT dieses Materials negativ. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Material eines der beiden lichtführenden Kerne ZBLAN. Das Material des anderen der beiden lichtführenden Kerne kann z. B. Quarz umfassen. So kommt dafür etwa die Verwendung einer Quarz-Monomodenfaser in Betracht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weisen die Materialien der beiden lichtführenden Kerne jeweils einen temperaturabhängigen Brechungsindex sowie jeweils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Bei einer bestimmten Temperaturveränderung führt einerseits die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes und andererseits eine durch die Ausdehungskoeffizienten bestimmte Temperaturabhängigkeit einer Längenausdehnung der lichtführenden Kerne zu einer Änderung in einer optischen Weglängendifferenz zwischen den beiden Lichtwellenleitern. Die Materialien sind derart konfiguriert, dass die Summe aus der brechungsindexabhängigen Änderung in der optischen Weglänge und der ausdehnungsabhängigen Änderung in der optischen Weglänge für die beiden lichtführenden Kerne unterschiedliche Werte ergibt. Gemäß einer Ausführungsvariante sind die Materialien derart konfiguriert, dass die brechungsindexabhängige Änderung in der optischen Weglängendifferenz die ausdehnungsabhängige Änderung in der optischen Weglängendifferenz überwiegt. Mit anderen Worten ist die Änderung in der optischen Weglängendifferenz zwischen den Weglängen durch die beiden Lichtwellenleiter, die auf die temperaturbedingte Änderung des Brechungsindexes des jeweiligen lichtführenden Kerns zurückgeht, größer als die Änderung in der optischen Weglängendifferenz, die auf die temperaturbedingte Ausdehnung der lichtführenden Kerne der Lichtwellenleiter zurückgeht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weisen die beiden Lichtwellenleiter jeweils mindestens eine Länge von 50 cm auf. Gemäß weiteren Ausführungsvarianten weisen die beiden Lichtwellenleiter eine Länge von mindestens 1 m, mindestens 10 m oder mindestens 100 m auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung sind die beiden Lichtwellenleiter aus biegbaren Kabeln, insbesondere biegbaren Faserkabeln, gefertigt. Damit ist es möglich, die Lichtwellenleiter, etwa durch Wicklung der Kabel, in einem eng begrenzten Messvolumen anzuordnen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist mindestens einer der beiden Lichtwellenleiter, vorzugsweise beide Lichtwellenleiter, als Monomodenfaser, inbesondere mit Stufenindex, ausgeführt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist mindestens einer der beiden Lichtwellenleiter als Multimodenfaser ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung sind die jeweiligen Längen der beiden Lichtwellenleiter derart aufeinander abgestimmt, dass sich die optische Weglänge durch die beiden Lichtwellenleiter um weniger als 25%, insbesondere um weniger als 10%, weniger als 5%, weniger als 1%, oder weniger als 0,01% unterscheidet.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Maskeninspektionseinrichtung zur Inspektion einer Lithographie-Maske mit einem Temperatursensor in einer der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen bereitgestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist der Temperatursensor im Bereich eines Maskentisches der Maskeninspektionseinrichtung angeordnet.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Positionsermittlungseinrichtung zur Ermittlung der Positionierung von Strukturen auf einer Lithographie-Maske (auch „Registration-Messeinrichtung” bezeichnet) bereitgestellt, welche einen Temperatursensor in einer der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfasst.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Messen einer Temperaturänderung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Anordnen zweier Lichtwellenleiter derart, dass sie den gleichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, Aufspalten von eingehendem Messlicht in zwei Messlichtanteile und Einleiten der Messlichtanteile in jeweils einen der beiden Lichtwellenleiter, Überlagern der beiden Messlichtanteile nach Durchlaufen der Lichtwellenleiter, sowie Erfassen einer durch die Überlagerung erzeugten Lichtintensität. Die Lichtintensität kann je nach Ausführungsform örtlich und/oder zeitlich aufgelöst erfolgen. Eine örtlich aufgelöste Messung kann auch als Messung einer Lichtintensitätsverteilung bezeichnet werden. Gemäß einer Ausführungsvariante wird die erfasste Lichtintensität zur Ermittlung einer Temperaturänderung ausgewertet. Die ermittelte Temperaturänderung bezieht sich auf die Temperatur der die Lichtwellenleiter umgebenden Luft und/oder von Materialien, die an Lichtwellenleiter unmittelbar angrenzen.
Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung weisen die beiden Lichtwellenleiter jeweils einen lichtführenden Kern auf und die beiden lichtführenden Kerne sind aus unterschiedlichen Materialien gefertigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung werden die beiden Lichtwellenleiter derart angeordnet, dass sie jeweils mindestens eine Windung aufweisen. Die Windung kann derart ausgebildet sein, dass mindestens einer der Lichtwellenleiter serpentinenartige Form aufweist oder auch gewickelt ist. Eine derartige Wicklung kann eine kreisförmige Wicklung sein oder auch eine Wicklung mit einer andersartigen Geometrie, z. B. einer ellipsenförmigen oder viereckigen Geometrie.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung werden die beiden Lichtwellenleiter jeweils gewickelt angeordnet, wobei die Wicklungen der beiden Lichtwellenleiter eine gemeinsame Achse umlaufen. Mit anderen Worten sind die Wicklungen der Lichtwellenleiter derart ausgeführt, dass die Lichtwellenleiter sich um die gemeinsame Achse herum erstrecken. Das heißt aber nicht unbedingt, dass die Lichtwellenleiter konzentrisch bezüglich der gemeinsamen Achse angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsvariante weist mindestens einer der beiden Lichtwellenleiter mindestens zwei Wicklungen, insbesondere mindestens fünf Wicklungen, auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren nach der Erfindung unter Verwendung des Temperatursensors in einer der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ausgeführt.
Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale können entsprechend auf den erfindungsgemäßen Temperatursensor übertragen werden. Umgekehrt können die bezüglich der vorstehend ausgeführten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Temperatursensors angegebenen Merkmale entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden. Diese und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in den Ansprüchen und in der Figurenbeschreibung erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind und deren Schutz ggf. erst während oder nach Anhängigkeit der Anmeldung beansprucht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden, sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperatursensors mit zwei Lichtwellenleitern,
2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus der Lichtwellenleiter gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperatursensors mit zwei Lichtwellenleitern,
4 eine Veranschaulichung eines eingangsseitigen Bereichs der Lichtwellenleiter gemäß 3,
5 eine Veranschaulichung einer Strahlungsüberlagerung an einem ausgangsseitigen Bereich der Lichtwellenleiter gemäß 3, sowie
6 eine schematische Darstellung einer Maskeninspektionseinrichtung zur Inspektion einer Lithographie-Maske mit dem Temperatursensor gemäß 1 oder 3.
Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.
Zur Erleichterung der Beschreibung der Projektionsbelichtungsanlage ist in der Zeichnung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebeziehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. In 1 verläuft die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene aus dieser heraus, die x-Richtung nach rechts und die z-Richtung nach oben.
1 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Temperatursensors 10 zum Messen einer Temperaturänderung in einem Medium, z. B. in Luft. Der Temperatursensor 10 umfasst eine Messlichtquelle 12 zur Erzeugung von Messlicht 14 mit einer zur Durchführung einer Interferenzmessung ausreichenden Kohärenzlänge. Die Messlichtquelle 12 kann einen Laser, beispielsweise einen Helium-Neon-Laser umfassen. In diesem Fall liegt die Wellenlänge des Messlichts 14 bei etwa 633 nm und damit im sichtbaren Wellenlängenbereich. Auch andere Wellenlängen im sichtbaren Wellenlängenbereich oder auch Wellenlängen im UV-Wellenlängenbereich oder im infraroten Wellenlängenbereich sind denkbar.
Das Messlicht 14 wird in einen Zuführwellenleiter 16 in Gestalt eines Glasfaserkabels eingekoppelt. Der Zuführwellenleiter 16 ist mit seinem austrittseitigen Ende mit einem Eingang 19 eines Lichtaufspaltmoduls 18 in Gestalt eines polarisierenden Strahlteilers mit Faserkopplung angeschlossen. Das Messlicht 14 wird vom Lichtaufspaltmodul 18 in zwei senkrecht zueinander polarisierte Messlichtanteile, nämlich einen parallel zur Zeichenebene gemäß 1 polarisierten ersten Messlichtanteil 20 sowie einen senkrecht zur Zeichenebene polarisierten, zweiten Messlichtanteil 22 aufgespalten. Das Lichtaufspaltmodul 18 weist zwei Ausgänge 21 und 23 auf, an die zwei Lichtwellenleiter 24 und 26, jeweils in Gestalt eines Glasfaserkabels, angeschlossen sind, und zwar der Art, dass der erste Messlichtanteil 20 in den ersten Lichtwellenleiter 24 und der zweite Messlichtanteil 22 in den zweiten Lichtwellenleiter 26 eingekoppelt wird. Als Glasfaserkabel eignen sich insbesondere polarisationserhaltende Monomodefasern. Diese gewährleisten eine hervorragende Stabilität hinsichtlich Bewegungen und Erschütterungen.
Die beiden Lichtwellenleiter 24 und 26 weisen jeweils mehrere Wicklungen auf, in der Darstellung gemäß 1 sind dies jeweils zwei Wicklungen, wobei die Wicklungen beider Lichtwellenleiter 24 und 26 im Wesentlichen die gleiche Wicklungsachse, sowie im Wesentlichen den gleichen Wicklungsradius aufweisen. Damit bilden die Lichtwellenleiter 24 und 26 gemäß der gezeigten Ausführungsform kreisförmige, übereinander liegende Ringe. Diese sind in einem Messbereich 30 für die Temperaturmessung angeordnet.
Die Stabilität des Messsignals hängt im Wesentlichen von der mechanischen Stabilität der Lichtwellenleiterführung ab. Deshalb werden die Lichtwellenleiter 24 und 26 vorzugsweise alle stabil verlegt und mechanisch fixiert, etwa durch Festkleben oder Ähnlichem. Damit wird sichergestellt, dass während der Messung keine Veränderungen in den Krümmungsradien der Lichtwellenleiter 24, was zu Änderungen in der optischen Weglänge führen würde, auftreten. Der Messbereich 30 für die Temperaturmessung kann relativ kompakt gehalten werden. Die Größe des Messbereichs 30 ist durch den minimalen Wegeradius der als Lichtwellenleiter 24 und 26 fungierenden Glasfaserkabel bestimmt.
Die beiden Lichtwellenleiter 24 und 26 sind mit ihrem jeweiligen austrittsseitigen Ende mit einem Lichtüberlagerungsmodul 32 in Gestalt eines polarisierenden Strahlteilers mit Faserkopplung verbunden. In dem Lichtüberlagerungsmodul 32 werden die beiden Messlichtanteile 20 und 22 interferometrisch überlagert und in einen Detektionswellenleiter 34 in Gestalt eines polarisationserhaltenden Glasfaserkabels eingeleitet. Das überlagerte Licht im Detektorwellenleiter 34 wird nachfolgend als Interferenzlicht 36 bezeichnet. Das Interferenzlicht 36 wird von dem Detektorwellenleiter 34 in ein Detektionsmodul 40 eingeführt.
Im Detektionsmodul 40 wird die Intensität I₀ des Interferenzlichts 36 in zeitlicher Abfolge kontinuierlich gemessen. Eine Auswerteeinheit 50 des Detektionsmoduls 40 ermittelt aus einer Veränderung der Intensität I₀ eine zugrunde liegende Änderung der Weglängendifferenz zwischen den optischen Weglängen im ersten Lichtwellenleiter 24 und dem zweiten Lichtwellenleiter 26. Daraus wiederum wird, wie nachfolgend näher beschrieben, eine Temperaturveränderung am Ort des Messbereichs 30 ermittelt.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Detektionsmodul 40 zur homodynen laserinterferometrischen Messung konfiguriert. Dazu weist das Detektionsmodul 40 zwei teilreflektierende Strahlteiler 42, ein λ/4-Plättchen 44 und zwei Polarisatoren 46 auf. Ein Teil des eingehenden Interferenzlichts 36 wird von einem ersten Strahlteiler 42 auf einen ersten Intensitätsdetektor 48 zur Messung der Intensität I₀ gelenkt. Von dem den ersten Strahlteiler 42 durchlaufenden Interferenzlicht 46 wird ein Teil mittels des zweiten Strahlteilers 42 abgelenkt, durchläuft einen in 0°-Stellung ausgerichteten Polarisator 46 und trifft daraufhin auf einen Intensitätsdetektor 48, der die Intensität I_S0° des Interferenzlichtes 36 mit 0° Polarisationsrichtung aufzeichnet. Der den zweiten Strahlteiler 42 durchlaufende Teil des Interferenzlichtes durchläuft das λ/4-Plättchen 44 sowie einen in 90° Polarisationsrichtung ausgerichteten Polarisator, bevor es auf einen weiteren Intensitätsdetektor 48 trifft, von dem die Intensität I_S90° des Interferenzlichtes 36 mit 90° Polarisationsrichtung aufgezeichnet wird.
Die Auswerteeinheit 50 verarbeitet neben dem Signal I₀ auch die Signale I_S0° sowie I_S90°. Die Signale I_S0° und I_S90° ermöglichen es, zyklische Fehler, z. B. Leistungsschwankungen in den Lichtwellenleitern 24 und 26, Verkippungen im Lichtaufspaltmodul 18 und/oder im Lichtüberlagerungsmodul 32 herauszurechnen, wie z. B. in dem Dokument von P. L. M. Heydemann, „Determination and correction of quadrature fringe measurement errors in interferometers", Vol. 20, No. 19, Oktober 1981, Seiten 3382–3384, beschrieben.
Alternativ zum in 1 gezeigten homodynen Detektionsverfahren, ist auch die Verwendung eines dem Fachmann bekannten heterodynen Detektionsverfahrens möglich. In diesem Fall weist das von der Messlichtquelle 12 ausgehende Messlicht 14 zwei Komponenten mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen auf, die leicht unterschiedliche Frequenzen besitzen. Auch ein Aufbau ohne polarisationsselektive Komponenten ist möglich, wenn man einen eingeschränkten Messbereich mit einem Gangunterschied von +/–½ π verwendet oder in anderer Form ein Signal erzeugt, das eine eindeutige Bestimmung des Gangunterschied-Vorzeichens ermöglicht.
2 veranschaulicht schematisch den Aufbau der Lichtwellenleiter 24 und 26. Diese weisen ein Stufenindexprofil auf. Jeder der Lichtwellenleiter umfasst einen lichtführenden Kern 24a bzw. 26a, einen den lichtführenden Kern umgebenden Mantel 37, eine den Mantel 37 umgebende Schutzbeschichtung 38 sowie eine die Schutzbeschichtung 38 umgebende äußere Hülle 39. Gemäß einer Ausführungsform weist der Kern 24a bzw. 26a einen Durchmesser von 2 μm bis 10 μm auf. Der Kern 24a bzw. 26a und der jeweilige Mantel 37 sind typischerweise aus gleichem Glas mit unterschiedlicher Dotierung gefertigt, sodass die Brechzahl n_K des Kerns größer ist als die Brechzahl n_M des Mantels.
Das Material des lichtführenden Kerns 24a des ersten Lichtwellenleiters 24 unterscheidet sich vom Material des lichtführenden Kerns 26a des zweiten Lichtwellenleiters 26. Der erste Lichtwellenleiter 24 ist als Quarz-Monomoden-Faser ausgeführt. Der zweite Lichtwellenleiter 26 umfasst eine undotierte ZBLAN Monomoden-Faser. Der lichtführende Kern 24a des ersten Lichtwellenleiters 24 besteht damit aus Quarzglas, während der der lichtführende Kern 26a des zweiten Lichtwellenleiters 26 aus dem Fluorid-Glas ZBLAN besteht. Der Lichtwellenleiter 24 und/oder der Lichtwellenleiter 26 kann alternativ anstatt als Monomoden-Faser auch als Multimodenfaser ausgeführt sein.
ZBLAN steht für die Zusammensetzung ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF und besitzt im Gegensatz zu Quarz-Glas eine negative Temperaturabhängigkeit dn/dT des Brechungsindexes, wie in der nachstehenden Tabelle verdeutlicht:

Material Brechungsindex n dn/dT [10^–6/°C] Thermischer Ausdehnungskoeffizient α [10^–6/°C]

Quarz-Glas 1,455 12 0,55

ZBLAN 1,499 –15 17,2
Die Lichtwellenleiter 24 und 26 des in 1 dargestellten Temperatursensors 10 weisen gemäß einer Ausführungsform jeweils eine Länge von 1,0 m auf. Eine Temperaturänderung am Ort des Messbereichs 30 von +1 K führt zu folgenden Änderungen dL₁ bzw. dL₂ in der optischen Weglänge der beiden Lichtwellenleiter 24 und 26:

Lichtwellenleiter 24 (Quarz-Glas): dL₁ = (12 + 0,55)·10^–6 m = 12,55·10^–6 m

Lichtwellenleiter 26 (ZBLAN): dL₂ = (–15 + 17,2)·10^–6 m = 2,2 10^–6 m
Damit ergibt sich für die Änderung d(ΔL) der Weglängendifferenz zwischen den beiden Lichtwellenleitern 24 und 26 ein Wert von 10,35 μm pro Grad Kelvin Temperaturveränderung. Teilt man die Änderung d(ΔL) in der Weglängendifferenz in einen brechungsindexabhängigen Anteil d(ΔL_n) und einen ausdehungsabhängigen Anteil d(ΔL_α) auf, so ergeben sich folgende Werte: d(ΔL_n) = 27 μm/K und d(ΔL_α) = –16,65 μm/K. Der Betrag des brechungsindexabhängigen Anteils d(ΔL_n) ist größer als der Betrag des ausdehungsabhängigen Anteils d(ΔL_α), damit überwiegt die brechungsindexabhängige Änderung in der optischen Weglängendifferenz die ausdehnungsabhängige Änderung in der optischen Weglängendifferenz.
Wie vorstehend erwähnt, kommt es bei einer Lichtwellenleiterlänge von 1,0 m zu etwa 10 μm Weglängendifferenz, auch Gangunterschied bezeichnet, pro Grad Kelvin Temperaturveränderung. Mit dem vorstehend beschriebenen Detektionsmodul 40 lässt sich durchaus ein Tausendstel dieses Wertes detektieren. Damit können in der genannten Ausführungsform Messauflösungen von 1 mK oder besser erreicht werden. In weiteren Ausführungsformen werden die Lichtwellenleiter 24 und 26 länger dimensioniert, beispielsweise mit einer Länge von 10 m oder 100 m, wodurch sich die Temperaturauflösung entsprechend erhöht.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Temperatursensors 10. Dieser weist wie der Temperatursensor 10 gemäß 1 zwei Lichtwellenleiter 24 und 26 auf, die ausgeführt sind, wie bezüglich 1 beschrieben. Anders als beim Temperatursensor 10 gemäß 1 wird in der Ausführungsform gemäß 3 das von einer Messlichtquelle 12 in Gestalt eines Lasers, etwa eines Helium-Neon-Lasers, erzeugte Messlicht 14 nicht mittels eines Zuführwellenleiters 16 den Lichtwellenleitern 24 und 26 zugeführt. Vielmehr wird das Messlicht 14 als gerichteter Strahl 52 auf einen Eingangsstecker 54 des Temperatursensors 10 gemäß 3 eingestrahlt.
Der Eingangsstecker 54 verbindet die beiden Lichtwellenleiter 24 und 26. Der Aufbau des Eingangssteckers 54 ist in 2 gezeigt. Das der Messlichtquelle 12 zugewandte Ende des Eingangssteckers 54 ist in 4 schematisch in Draufsicht dargestellt. Wie aus der Darstellung ersichtlich, sind im Bereich des Eingangssteckers 54 jeweils die Schutzbeschichtung 38 und die äußere Hülle 39 der Lichtwellenleiter 24 und 26 entfernt. Das heißt, an ihren eintrittsseitigen Enden 74a bzw. 76a weisen die Lichtwellenleiter 24 und 26 lediglich ihren jeweiligen lichtführenden Kern 24a und 26a sowie ihren jeweiligen Mantel 37 auf. Die Lichtwellenleiter 24 und 26 sind im Eingangsstecker 54 unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet, sodass sich ihre Mantel 37 berühren.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die beiden Kerne 24a und 26a im Eingangsstecker 54 einen Abstand von 125 μm auf. Dieser Abstand ist derart gering, dass der eingestrahlte gerichtete Strahl 52 des Helium-Neon-Lasers, welcher typischerweise einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 1,0 mm aufweist, beide Kerne 24a mit derart hoher Lichtintensität beleuchtet, dass ausreichend Messlicht 52 in die beiden eintrittsseitigen Enden 74a und 76a der Lichtwellenleiter 24 und 26 eintritt. Das in den ersten Lichtwellenleiter 24 eingetretene Messlicht wird als erster Messlichtanteil 20 bezeichnet, während das in den zweiten Lichtwellenleiter 26 eingetretene Messlicht als zweiter Messlichtanteil 22 bezeichnet wird.
Die beiden Messlichtanteile 20 und 22 durchlaufen daraufhin die entsprechenden Lichtwellenleiter 24 und 26 und treten an austrittsseitigen Enden 74b bzw. 76b der Lichtwellenleiter 24 und 26 aus. Die austrittsseitigen Enden 74b und 76b sind analog zu den eintrittsseitigen Enden 74a und 76a in einem Stecker, einem sogenannten Ausgangsstecker 56, eingefasst. Auch im Bereich des Ausgangssteckers 56 sind jeweils die Schutzbeschichtung 38 und die äußere Hülle 39 der Lichtwellenleiter 24 und 26 entfernt und die Mäntel 37 der beiden Lichtwellenleiter 24 und 26 grenzen aneinander an, wie in 5 gezeigt.
Weiterhin umfasst der Temperatursensor 10 gemäß 3 einen zweidimensional auflösenden Detektor 58, wie etwa eine Diodenzeile oder einen CCD/CMOS-Sensor. Dieser weist einen gewissen Abstand, beispielsweise etwa 5 cm, von dem Ausgangsstecker 56 auf, sodass die aus den austrittsseitigen Enden 74b und 76b austretenden Messlichtanteile 20 und 22 sich auf der Detektionsfläche des Detektors 58 überlagern und damit miteinander interferieren. Durch die Interferenz entsteht ein Streifenmuster 60 auf der Detektionsfläche, welche vom Detektor 58 erfasst wird.
5 veranschaulicht das durch Überlagerung der Messlichtanteile 20 und 22 auf dem Detektor 58 entstehende Streifenmuster 60. Eine Temperaturveränderung am Ort des Messbereichs 30 führt zu einer seitlichen Verschiebung des Streifenmusters mit klar definiertem Vorzeichen. Eine Auswerteeinheit 50 ermittelt aus dem erfassten Streifenmuster 60 eine Temperaturveränderung am Ort des Messbereichs 30.
6 veranschaulicht eine Einsatzmöglichkeit des vorstehend beschriebenen Temperatursensors 10 gemäß 1 oder 3 in einer Maskeninspektionseinrichtung 100 zur Inspektion einer Lithographie-Maske 110. Eine derartige Maskeninspektionseinrichtung 100 dient dazu, das Luftbild der Lithographie-Maske 110 außerhalb einer Projektionsbelichtungsanlage zu vermessen, um Schreibfehler der Maske zu erkennen. Die Maskeninspektionseinrichtung 100 umfasst eine Inspektionslichtquelle 116 zur Erzeugung einer Inspektionsstrahlung 118. Die Wellenlänge der Inspektionsstrahlung 118 entspricht derjenigen Wellenlänge, für welche die Lithographie-Maske 110 zum Einsatz in einer Projektionsbelichtungsanlage konfiguriert ist. So kann die Wellenlänge der Inspektionsstrahlung 118 im DUV-Wellenlängenbereich, z. B. bei 248 nm oder 193 nm, oder auch im EUV-Wellenlängenbereich liegen. Die Inspektionsstrahlung 118 wird mittels eines Beleuchtungssystems 120 auf die Lithographie-Maske 110 eingestrahlt. Die Lithographie-Maske 110 wird daraufhin mittels einer Abbildungsoptik 122 auf einen Detektor 124 abgebildet. Dabei wird die Lithographie-Maske 110 von einem Maskenhalter in Gestalt eines Maskentisches 112 gehalten.
Der Maskentisch 112 wird während der Inspektion schrittweise quer zur optischen Achse der Abbildungsoptik 122 gegenüber einem Rahmen 114 der Maskeninspektionseinrichtung 100 verschoben. Das Luftvolumen im Bereich des Maskentisches 112 wird während des Betriebs der Maskeninspektionseinrichtung 100 temperaturstabilisiert. Dazu ist der Temperatursensor 10 in einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen oberhalb oder unterhalb des Maskentisches 112 angeordnet. Die Lufttemperatur kann mit dem erfindungsgemäßen Temperatursensor 10 trotz der dort wegen der Bewegung des Maskentisches 112 auftretenden Luftströmungen mit mK-Genauigkeit gemessen. Das Messergebnis wird zur Steuerung einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung im Bereich des Maskentisches 112 verwendet.
Der Temperatursensor 10 gemäß 1 oder 3 kann auch in einer Positionsermittlungseinrichtung in Gestalt eine sogenannten „Registration-Messeinrichtung” zum Einsatz kommen. Eine derartige Positionsermittlungseinrichtung ermittelt die genaue Positionierung von Lithographiestrukturen auf der Lithographie-Maske 100 in Bezug auf Sollpositionierungen. Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Positionsermittlungseinrichtung entspricht dem Aufbau der in 6 gezeigten Maskeninspektionseinrichtung 100. Gemäß einer Ausführungsform ist der Temperatursensor ebenfalls oberhalb oder unterhalb des Maskentisches 112 angeordnet.
Ein Temperatursensor gemäß einem Vergleichsbeispiel umfasst zwei identische Lichtwellenleiter. Damit weisen die beiden Lichtwellenleiter die gleiche Temperaturabhängigkeit auf. Ein derartiger Temperatursensor kann ebenfalls in einer Maskeninspektionseinrichtung oder einer Positionsermittlungseinrichtung eingesetzt werden. Dabei wird einer der Lichtwellenleiter an einem Messort, z. B. oberhalb oder unterhalb des Maskentisches, angeordnet. Der andere Lichtwellenleiter wird an einem anderen Ort angeordnet, dessen Temperatur bekannt und möglichst stabil ist. Dieser Ort dient als Referenzort und kann beispielsweise ein Reservoir mit Eiswasser umfassen. In dieser Anordnung nimmt der Temperatursensor eine Vergleichsmessung zwischen den Temperaturen am Messort und am Referenzort vor.
Bezugszeichenliste

10: Temperatursensor
12: Messlichtquelle
14: Messlicht
16: Zuführwellenleiter
18: Lichtaufspaltmodul
19: Eingang
20: erster Messlichtanteil
21: Ausgang
22: zweiter Messlichtanteil
23: Ausgang
24: erster Lichtwellenleiter
24a: lichtführender Kern
26: zweiter Lichtwellenleiter
26a: lichtführender Kern
28: Wicklungen
32: Lichtüberlagerungsmodul
34: Detektorwellenleiter
36: Interferenzlicht
37: Mantel
38: Schutzbeschichtung
39: äußere Hülle
40: Detektionsmodul
42: teilreflektierender Strahlteiler
44: λ/4-Plättchen
46: Polarisator
48: Intensitätsdetektor
50: Auswerteeinheit
52: gerichteter Strahl
54: Eingangsstecker
56: Ausgangsstecker
58: zweidimensional auflösender Detektor
60: Streifenmuster
74a: eingangsseitiges Ende des ersten Lichtwellenleiters
74b: ausgangsseitiges Ende des ersten Lichtwellenleiters
76a: eingangsseitiges Ende des zweiten Lichtwellenleiters
76b: ausgangsseitiges Ende des zweiten Lichtwellenleiters
100: Maskeninspektionseinrichtung
110: Lithographie-Maske
112: Maskentisch
114: Rahmen
116: Inspektionslichtquelle
118: Inspektionsstrahlung
120: Beleuchtungssystem
122: Abbildungsoptik
124: Detektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. L. M. Heydemann, „Determination and correction of quadrature fringe measurement errors in interferometers”, Vol. 20, No. 19, Oktober 1981, Seiten 3382–3384 [0046]

Claims

Temperatursensor (10) mit einer Messlichtquelle (12) zum Erzeugen von Messlicht (14) sowie zwei Lichtwellenleitern (24, 26), wobei die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) derart angeordnet sind, dass sie jeweils einen Messlichtanteil (20, 22) des Messlichts (14) aufnehmen und dass die Messlichtanteile (20, 22) nach Durchlaufen der Lichtwellenleiter (24, 26) überlagert werden, und die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) eine optische Eigenschaft mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit aufweisen.
Temperatursensor nach Anspruch 1, bei dem die optische Eigenschaft mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit die jeweilige optische Weglänge der beiden Lichtwellenleiter (24, 26) ist.
Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) jeweils einen lichtführenden Kern (24a, 26a) aufweisen und die beiden lichtführenden Kerne aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind.
Temperatursensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, welcher weiterhin ein Lichtaufspaltmodul (18) zum Aufspalten des eingehenden Messlichts (14) in die Messlichtanteile (20, 22) aufweist und bei dem die Lichtwellenleiter (24, 26) jeweils an einem Ausgang (21, 23) des Lichtaufspaltmoduls (18) angeordnet sind.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Messlichtquelle (12) dazu konfiguriert ist, das Messlicht (14) in Gestalt eines gerichteten Strahls (52) auf die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) einzustrahlen, die Lichtwellenleiter (24, 26) jeweilige eingangsseige Enden (74a, 76a) zum Aufnehmen der Messlichtanteile aufweisen und die eingangsseitigen Enden (74a, 76a) der beiden Lichtwellenleiter (24, 26) derart nah zueinander angeordnet sind, dass beide eingangsseitigen Enden (74a, 76a) von dem Strahl (52) des Messlichts (14) erfasst werden.
Temperatursensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Lichtwellenleiter (24, 26) jeweilige ausgangsseitige Enden (76a, 76b) zum Austritt der Messlichtanteile (20, 22) nach Durchlaufen der Lichtwellenleiter (24, 26) aufweisen und die ausgangsseitigen Enden (24, 26) derart nah zueinander angeordnet sind, dass die Messlichtanteile (20, 22) nach ihrem Austritt aus den Lichtwellenleitern (24, 26) miteinander interferieren.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das Material eines der beiden lichtführenden Kerne (24a, 26a) einen Brechungsindex mit einer negativen Temperaturabhängigkeit aufweist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem das Material eines der beiden lichtführenden Kerne (24a, 26a) ZBLAN umfasst.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem die Materialien der beiden lichtführenden Kerne (24a, 26a) jeweils einen temperaturabhängigen Brechungsindex sowie jeweils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, derart dass bei einer bestimmten Temperaturveränderung einerseits die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes und andererseits eine durch die Ausdehungskoeffizienten bestimmte Temperaturabhängigkeit einer Längenausdehnung der lichtführenden Kerne (24a, 26a) zu einer Änderung in einer optischen Weglängendifferenz zwischen den beiden Lichtwellenleitern (24, 26) führt, wobei die Materialien derart konfiguriert sind, dass die brechungsindexabhängige Änderung in der optischen Weglängendifferenz die ausdehnungsabhängige Änderung in der optischen Weglängendifferenz überwiegt.
Temperatursensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) jeweils mindestens eine Länge von 50 cm aufweisen.
Temperatursensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) aus biegbaren Kabeln gefertigt sind.
Temperatursensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem mindestens einer der beiden Lichtwellenleiter (24, 26) als Monomodenfaser ausgeführt ist.
Temperatursensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die jeweiligen Längen der beiden Lichtwellenleiter (24, 26) derart aufeinander abgestimmt sind, dass sich die optische Weglänge durch die beiden Lichtwellenleiter um weniger als 10% unterscheidet.
Maskeninspektionseinrichtung (100) zur Inspektion einer Lithographie-Maske (110) mit einem Temperatursensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Positionsermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Positionierung von Strukturen auf einer Lithographie-Maske (110) mit einem Temperatursensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verfahren zum Messen einer Temperaturänderung mit den Schritten: – Anordnen zweier Lichtwellenleiter (24, 26) derart, dass sie den gleichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, – Erzeugen von Messlicht (14) und Einleiten von jeweils einem Messlichtanteil (20, 22) des Messlichts (14) in jeder der beiden Lichtwellenleiter (24, 26), – Überlagern der beiden Messlichtanteile (20, 22) nach Durchlaufen der Lichtwellenleiter (24, 26), sowie – Erfassen einer durch die Überlagerung erzeugten Lichtintensität.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) jeweils eine optische Eigenschaft mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) derart angeordnet werden, dass sie jeweils mindestens eine Windung aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die beiden Lichtwellenleiter (24, 26) jeweils gewickelt angeordnet werden, wobei die Wicklungen der beiden Lichtwellenleiter (24, 26) eine gemeinsame Achse umlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, welches unter Verwendung des Temperatursensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgeführt wird.