DE102017210637A1

DE102017210637A1 - Messvorrichtung zur interferometrischen Messung einer Positionsveränderung

Info

Publication number: DE102017210637A1
Application number: DE102017210637.9A
Authority: DE
Inventors: Eric S. Buice
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (40; 80; 120) zur interferometrischen Messung einer Positionsveränderung eines Messobjekts mit einem Einstrahlmodul (65; 82; 122) zum Einstrahlen zweier Messstrahlen (42, 44; 84, 86, 88, 90) unterschiedlicher optischer Frequenz auf das Messobjekt, wobei die eingestrahlten Messstrahlen unterschiedliche Richtungen aufweisen sowie in unterschiedlichen Ebenen verlaufen. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung ein Reflexionsmodul (60) zur Anordnung am Messobjekt, welches die zwei Messstrahlen in das Einstrahlmodul zurück reflektiert, und ein Detektionsmodul (67, 100, 140), welches die zwei Messstrahlen nach zumindest teilweise Durchlaufen des Einstrahlmoduls zur Ausbildung eines Überlagerungsmusters überlagert. Ein Auswertemodul (69) bestimmt mittels des Überlagerungsmusters eine Positionsveränderung des Messobjekts in zumindest einer Raumrichtung.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur interferometrischen Messung einer Positionsveränderung eines Messobjekts. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithograhie mit einem Projektionsobjektiv zum Abbilden von Maskenstrukturen auf einen Wafer sowie ein Verfahren zum interferometrischen Messen einer Positionsveränderung.
Zur hochgenauen Bestimmung der Position bzw. Positionsänderung eines Objekts können heterodyne Interferometer als Messvorrichtung verwendet werden. Bei diesen Interferometern weisen ein Referenzstrahl und ein Messstrahl eine unterschiedliche Frequenz auf. Bei einer Überlagerung dieser Strahlen bildet sich eine Schwebung aus, deren Phase sehr empfindlich von einem Weglängenunterschied zwischen den beiden Strahlen abhängt. Der Frequenzunterschied wird üblicherweise so gewählt, dass sich die Schwebung elektronisch gut detektieren lässt, und beträgt beispielsweise 500 MHz bis 1000 MHz bei einer Verwendung eines Helium-Neon-Lasers.
Eine Erzeugung von Referenz- und Messstrahlen mit unterschiedlicher Frequenz erfolgt bei bekannten heterodynen Messvorrichtungen beispielsweise mittels akusto-optischer Modulatoren. Zusätzlich werden die Strahlen mit einem unterschiedlichen Polarisationszustand ausgebildet. Anschließend werden diese Strahlen zusammengeführt und zur Interferometrie an einem Ort und mit gleicher Ausbreitungsrichtung bereitgestellt. Eine Auftrennung von Referenz- und Messstrahl für unterschiedliche Strahlengänge in der interferometrischen Messvorrichtung erfolgt mittels ihrer unterschiedlichen Polarisation. Hierfür werden beispielsweise polarisierende Strahlenteiler verwendet, welche Strahlen einer bestimmten Polarisation ohne Richtungsänderung passieren lassen, während Strahlen anderer Polarisation abgelenkt werden.
Ein Problem bei heterodynen Messvorrichtungen sind periodische Nichtlinearitätsfehler (PNL-Fehler) im Nanometerbereich. Solche Messfehler treten zum Beispiel durch Geister- bzw. Doppelbildern bei einer Reflexion oder eine Vermischung von Polarisationszuständen bei einer Trennung von Referenzstrahlen und Messstrahlen mit gleichem Strahlengang auf. PNL-Fehler verhindern oft eine ausreichende Genauigkeit bei einer hochgenauen Messung einer Positionsänderung eines Messobjekts mit bekannten heterodynen Messvorrichtungen. Eine sehr präzise Bestimmung einer Position oder Positionsänderung eines Messobjekts im Bereich von wenigen Nanometern wird jedoch in verschiedenen Bereichen, wie beispielsweise bei Koordinatenmessgeräten, Maschinenwerkzeugen oder in der Mikrolithographie mit extrem ultravioletter Strahlung (EUV) immer wichtiger. Bei der EUV-Mikrolithographie liegt die erwünschte Messgenauigkeit bei einer Positionsbestimmung von optischen Elementen teilweise bereits im Bereich von unterhalb 250 Pikometern. Für eine solche Auflösung sind herkömmliche heterodyne Interferometer nicht ausgelegt.
Ein weiteres Problem folgt aus dem Umstand, dass bei bekannten interferometrischen Messvorrichtungen für jeden zu vermessenden Freiheitsgrad eines Messobjekts ein separater Strahlengang mit entsprechenden Reflektoren am Messobjekt vorgesehen ist. Oft ist eine Messung der Abweichung eines Messobjekts von einer Sollposition in allen sechs Freiheitsgraden, also Verschiebung und Verkippung um drei Raumachsen, erforderlich. Da mit einem herkömmlichen heterodynen Interferometer lediglich eine einzelne Weglängendifferenz bestimmt wird, ist für eine ausreichende Vermessung ein erheblicher Aufwand mit mehreren Interferometern für verschiedene Messstrecken und Messpunkte notwendig. Jeder Messpunkt am Messobjekt erfordert eine Anordnung und Ausrichtung eines geeigneten Reflektors zur Rückreflektion eines Messstrahls in Richtung der Messvorrichtung. Dieser Umstand ist kostenintensiv und führt nachteilig zu einem hohen Justage- und Platzaufwand.
Zugrunde liegende Aufgabe
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, womit die vorgenannten Probleme gelöst werden und insbesondere die Messgenauigkeit bei einer Bestimmung einer Positionsänderung eines Messobjekts erhöht wird.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorgenannte Aufgabe kann erfindungsgemäß beispielsweise gelöst werden mit einer nachfolgend beschriebenen Messvorrichtung zur interferometrischen Messung einer Positionsveränderung eines Messobjekts. Die Messvorrichtung umfasst ein Einstrahlmodul, welches dazu konfiguriert ist, zwei Messstrahlen unterschiedlicher optischer Frequenz derart auf das Messobjekt einzustrahlen, dass die eingestrahlten Messstrahlen unterschiedliche Richtungen aufweisen sowie in unterschiedlichen Ebenen verlaufen. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung ein Reflexionsmodul zur Anordnung am Messobjekt, welches dazu konfiguriert ist, die zwei Messstrahlen in das Einstrahlmodul zurück zu reflektieren. Ein Detektionsmodul der Messvorrichtung ist dazu konfiguriert, die zwei Messstrahlen nach zumindest teilweisem Durchlaufen des Einstrahlmoduls zur Ausbildung eines Überlagerungsmusters zu überlagern. Die Messvorrichtung umfasst ferner ein Auswertemodul, welches dazu konfiguriert ist, durch Auswertung des Überlagerungsmusters eine Positionsveränderung des Messobjekts in zumindest einer Raumrichtung zu bestimmen.
Die optischen Frequenzen der zwei von dem Einstrahlmodul bereitgestellten Messstrahlen unterscheiden sich vorzugsweise nur geringfügig, jedoch ausreichend, um bei Überlagerung eine Schwebung zu erzeugen, wie es bei einem heterodynen Interferometer üblich ist. Beispielsweise unterscheiden sich bei Verwendung eines Helium-Neon-Lasers als Messlichtquelle die optischen Frequenzen um 500 bis 1000 MHz. Ein Weglängenunterschied zwischen den Strahlengängen der beiden Messstrahlen lässt sich sehr präzise mittels der Phase der Schwebung bestimmen.
Die Einstrahlung der Messstrahlen in unterschiedlichen Strahlengängen kann durch eine Querverschiebung oder durch eine Verkippung der Strahlengänge zueinander oder durch beides erfolgen. Aufgrund des Verlaufs der Messstrahlen in unterschiedlichen Richtungen sowie in unterschiedlichen Ebenen ist sichergestellt, dass sich die Messstrahlen nicht vor dem Auftreffen auf das Messobjekt kreuzen bzw. am Messobjekt auf den gleichen Ort auftreffen. Durch diese räumliche Trennung der Strahlengänge werden Geister- bzw. Doppelbilder und eine Vermischung von Polarisationszuständen vermieden. Somit werden periodische Nichtlinearitäten im Messsignal bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung weitestgehend verhindert.
Das Reflexionsmodul ist nach einer Ausführungsform der Erfindung dazu konfiguriert, die Messstrahlen jeweils in sich zurück zu reflektieren. Hierfür weist das Reflexionsmodul beispielweise Prismen oder ein Littrowgitter auf. Zum Erfassen des Überlagerungsmusters von am Reflexionsmodul reflektierten Messstrahlen enthält das Detektionsmodul vorzugsweise mindestens einen Detektor. Der oder die Detektoren sind beispielsweise elektronische Strahlungsdetektoren, z. B. Photodetektoren, und ermöglichen zusammen mit dem Auswertemodul ein Erfassen und Auswerten des Überlagerungsmusters der Messstrahlen. Vorzugsweise wird dabei eine Phase bzw. ein Intensitätsverlauf der Schwebung detektiert. Auf Grundlage der erfassten Überlagerung lassen sich sehr genau Weglängenunterschiede zwischen den Strahlengängen und eine Verschiebung des Reflexionsmoduls bestimmen.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung eignet sich beispielsweise zur sehr präzisen und schnellen Bestimmung einer Position bzw. Positionsänderung eines optischen Elements in einem optischen System, wie einem Projektionsobjektiv für eine Projektionsbelichtungsanlage der Mikrolithographie. Alternativ kann die Messvorrichtung zum Beispiel auch in Maschinenwerkzeugen oder Koordinatenmessgeräten zum Einsatz kommen.
Eine Ausführungsform der Messvorrichtung nach der Erfindung umfasst ein Bereitstellungsmodul zum räumlich getrennten Bereitstellen zweier Strahlenbündel mit unterschiedlicher Frequenz für das Einstrahlmodul. Das Einstrahlmodul bildet aus den beiden Strahlenbündeln die jeweiligen Messstrahlen. Bei einer Ausführungsform weisen die Strahlenbündel zueinander orthogonale Strahlengänge in unterschiedlichen Ebenen auf, welche auf unterschiedliche Seiten eines Strahlenteilers des Einstrahlmoduls treffen. In einer anderen Ausführungsform liegen die Strahlengänge der Strahlenbündel parallel zueinander in verschiedenen Ebenen und passieren die gleiche Seite eines Strahlenteilers des Einstrahlmoduls.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung treffen die Strahlengänge der zwei Messstrahlen an unterschiedlichen Reflexionsbereichen auf das Reflexionsmodul auf, wobei die Reflexionsbereiche quer zu einer Kippachse des Messobjekts zueinander versetzt sind. Insbesondere kann das Einstrahlmodul so ausgebildet und angeordnet sein, das die Reflexionsbereiche in einer Geraden auf dem Reflexionsmodul liegen, welche im Wesentlichen senkrecht zu der zu vermessenden Kippachse des Messobjekts ist. Die Reflexionsbereiche der zwei Messstrahlen sind vorzugsweise unmittelbar nebeneinander angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung ist das Einstrahlmodul der Messvorrichtung dazu konfiguriert, weitere zwei Messstrahlen unterschiedlicher optischer Frequenz in Strahlengängen auf das Reflexionsmodul einzustrahlen, welche sich bei dem Reflexionsmodul voneinander sowie von den Strahlengängen der ersten zwei Messstrahlen unterscheiden, und das Detektionsmodul ist dazu konfiguriert, die weiteren zwei Messstrahlen nach einer Reflexion am Reflexionsmodul zur Ausbildung eines Überlagerungsmusters zu überlagern, welches von dem durch die Überlagerung der ersten zwei Messstrahlen gebildeten Überlagerungsmuster örtlich getrennt ist. Insbesondere entsprechen die unterschiedlichen optischen Frequenzen der zwei weiteren Messstrahlen den optischen Frequenzen der ersten zwei Messstrahlen. Mit diesen Maßnahmen wird die Genauigkeit der Messvorrichtung erhöht und weitere Freiheitsgrade des zu vermessenden optischen Moduls werden bei einer Messung erfasst.
Dabei ist bei einer Ausführungsform der Erfindung das Einstrahlmodul dazu konfiguriert, zwei Messstrahlen einer ersten optischen Frequenz mit unterschiedlichen Strahlengängen in einer ersten Ebene und zwei Messstrahlen einer zweiten Frequenz mit unterschiedlichen Strahlengängen in einer zweiten, zur ersten Ebene parallelen Ebene auf das Reflexionsmodul einzustrahlen. Das Detektionsmodul ist beispielsweise derart konfiguriert, dass eine Überlagerung von reflektierten Messstrahlen erst mittels des letzten optischen Elements im Strahlengang vor einem Detektor erfolgt. Dieses letzte optische Element des Detektionsmoduls kann ein polarisierender Strahlenteiler sein.
Weiterhin ist das Einstrahlmodul der Messvorrichtung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform so konfiguriert, dass die Reflexionsbereiche der Messstrahlen auf dem Reflexionsmodul symmetrisch zu einer optischen Achse der Messvorrichtung angeordnet sind. Insbesondere sind die Reflexionsbereiche bei vier Messstrahlen in einem Quadrat oder einem anderen Viereck um die optische Achse angeordnet.
Nach einer Ausführungsform der erfinderischen Messvorrichtung sind die Einstrahlrichtungen von mindestens zwei Messstrahlen in Bezug auf eine optische Achse der Messvorrichtung zueinander symmetrisch ausgerichtet. Bei einer Ausführungsform schließen die Einstrahlrichtungen der zwei Messstrahlen bei dem Reflexionsmodul einen Raumwinkel von mindestens 2° ein. Insbesondere schließen die Einstrahlrichtungen der zwei Messstrahlen einen Raumwinkel von mindestens 5° oder mindestens 10° ein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weicht der für den jeweiligen Messstrahl vor der Reflexion am Reflexionsmodul liegende Strahlengang von dem nach der Reflexion am Reflexionsmodul liegenden Strahlengang ab. Vorzugsweise ist die Abweichung derart ausgebildet, dass der nach der Reflexion am Reflexionsmodul liegende Strahlengang nicht zum Einstrahlmodul sondern zu einem räumlich davon getrennten Detektionsmodul führt. Das Einstrahlmodul kann somit separat vom Detektionsmodul ausgeführt werden, d. h. das Detektionsmodul ist nicht in das Einstrahlmodul integriert. Bei einer solchen Ausführungsform handelt es sich bei dem Einstrahlmodul und dem Detektionsmodul um eigenständige Module, welche jedes für sich in der Messvorrichtung angeordnet, ausgetauscht und justiert werden können.
Vorzugsweise ist das Detektionsmodul unmittelbar neben dem Einstrahlmodul angeordnet, wodurch nur eine geringfügige Abweichung zwischen den Strahlengängen vor und nach der Reflexion zur räumlichen Trennung der Module notwendig ist. Insbesondere beträgt der bei der Zurückreflexion auftretende Raumwinkel zwischen Einfallsrichtung und Ausfallsrichtung für jeden der Messstrahlen mindestens 0,1° und maximal 2°, insbesondere maximal 1°. Mit anderen Worten ist der Raumwinkel so gewählt, dass einfallende und reflektierte Messstrahlen jeweils in etwa gleiche oder unmittelbar benachbarte Bereiche im zu vermessenden optischen Modul durchlaufen und gleichzeitig eine ausreichende räumliche Trennung der Strahlengänge der einstrahlenden und reflektierten Messstrahlen erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Reflexionsmodul zur genauen In-Sich-Zurückreflexion von Messstrahlen bei einer senkrecht zur Einfallsebene ausgerichteten Reflexionsfläche ausgebildet und das Reflexionsmodul so aus einer Senkrechten zur Einfallsebene gekippt, dass die oben beschriebene Abweichung von der genauen In-Sich-Zurückreflexion erfolgt. Zur Rückreflexion der Messstrahlen weist das Reflexionsmodul zum Beispiel Prismen, ein Littrowgitter oder ein anders geeignetes Gitter auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung umfassen die Messstrahlen polarisierte Strahlung mit gleichem Polarisationszustand. Zum Beispiel weisen die Messstrahlen bezüglich einer Einfallsebene des Einstrahlmoduls oder des Reflexionsmoduls eine p-Polarisation auf. Als p-Polarisation wird eine Polarisation parallel zur Einfallsebene bezeichnet. Mit einer solchen gleichartigen Polarisation für alle Messstrahlen lässt sich eine erfindungsgemäße Messvorrichtung mit nur wenigen optischen Elementen realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Einstrahlmodul dazu konfiguriert ist, einen Anteil mindestens eines Messstrahls als Referenzstrahl ohne Einstrahlung auf das Reflexionsmodul für das Detektionsmodul bereitzustellen. Zusätzlich ist das Detektionsmodul dazu konfiguriert, den Referenzstrahl mit mindestens einem vom Reflexionsmodul reflektierten Messstrahl anderer optischer Frequenz zu überlagern. Weiterhin kann das Auswertemodul zur Auswertung der weiteren Überlagerungen für eine Bestimmung einer Verschiebung oder Rotation des Messobjekts in einem oder mehreren Freiheitsgraden ausgebildet sein. Vorzugsweise sind alle im Detektionsmodul erzeugten Überlagerungsmusters räumlich voneinander getrennt. Für eine Erfassung der räumlich getrennten Überlagerungsmuster kann das Detektionsmodul jeweils einen Detektor für eine Überlagerung enthalten. Alternativ kann eine Erfassung von mehreren Überlagerungsmustern durch einen Detektor mit einer die Überlagerungsmuster umfassenden Erfassungsfläche erfolgen.
Ferner ist bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Messvorrichtung das Einstrahlmodul dazu konfiguriert, zwei Referenzstrahlen mit unterschiedlicher optischer Frequenz in räumlich getrennten, parallelen Strahlengängen für das Detektionsmodul bereitzustellen. Zusätzlich ist das Detektionsmodul dazu konfiguriert, jeden Referenzstrahl mit einem vom Reflexionsmodul reflektierten Messstrahl anderer optischer Frequenz zu überlagern. Vorzugsweise werden alle von dem Reflexionsmodul reflektierten Messstrahlen mit jeweils einem Referenzstrahl anderer optischer Frequenz an unterschiedlichen Orten überlagert. Dabei kann das Detektionsmodul für jede Überlagerung jeweils einen Detektor enthalten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls gelöst durch eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem Projektionsobjektiv zum Abbilden von Maskenstrukturen auf einen Wafer sowie einer Messvorrichtung nach der vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen zur Überwachung der Position mindestens eines optischen Elements der Projektionsbelichtungsanlage. Dabei kann die Messvorrichtung zur Messung einer Positionsveränderung eines optischen Elements der Projektionsbelichtungsanlage, insbesondere des Projektionsobjektivs, konfiguriert sein. Vorzugsweise sind die Messvorrichtung und insbesondere die Strahlengänge der Messstrahlen so in die Projektionsbelichtungsanlage integriert, dass auch während eines Betriebs der Projektionsbelichtungsanlage zum Belichten von Wafern eine Messung einer Position oder einer Positionsänderung eines optischen Elements der Projektionsbelichtungsanlage durchführbar ist.
Das Einstrahlmodul und das Detektionsmodul sind gemäß einer Ausführungsform in einem Sensorkopf angeordnet, welcher mittels einer Halterung der Projektionsbelichtungsanlage justierbar fixiert wird. Ferner ist das Reflexionsmodul justierbar bei einem zu vermessenden optischen Element montiert. In einer weiteren Ausführungsform sind die Umlenkelemente des Einstrahlmoduls separat vom Sensorkopf in der Projektionsbelichtungsanlage angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform der Projektionsbelichtungsanlage nach der Erfindung ist die Projektionsbelichtungsanlage zur Belichtung im EUV-Wellenlängenbereich konfiguriert. Beispielsweise ist die Projektionsbelichtungsanlage für die EUV-Mikrolithographie unter Verwendung einer EUV-Strahlung mit einer Wellenlänge von kleiner als 100 nm, insbesondere einer Wellenlänge von etwa 13,5 nm oder etwa 6,8 nm konfiguriert. Das Projektionsobjektiv enthält dazu beispielsweise Spiegel mit einer für EUV-Strahlung geeignet ausgebildeten reflektiven Beschichtung.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum interferometrischen Messen einer Positionsveränderung eines Messobjekts mit den Schritten:
Einstrahlen von zwei Messstrahlen unterschiedlicher optischer Frequenz auf das Messobjekt mittels eines Einstrahlmoduls, wobei die eingestrahlten Messstrahlen unterschiedliche Einstrahlrichtungen aufweisen und in unterschiedlichen Ebenen verlaufen; Reflektieren der Messstrahlen mittels eines am Messobjekt angeordneten Reflexionsmoduls in das Einstrahlmodul zurück; Überlagern der zwei reflektierten Messstrahlen nach zumindest teilweise Durchlaufen des Einstrahlmoduls zur Ausbildung eines Überlagerungsmusters an einem Detektor; sowie Auswerten des vom Detektor erfassten Überlagerungsmusters zur Bestimmung einer Positionsveränderung des Messobjekts in zumindest einer Raumrichtung.
Analog zur erfindungsgemäßen Messvorrichtung weisen bei dem Verfahren die Messstrahlen räumlich getrennte Strahlengänge auf. Insbesondere ist bei einer Ausführungsform des Verfahrens hierfür eine unterschiedliche Einstrahlrichtung für die zwei Messstrahlen vorgesehen. Die räumliche Trennung der Strahlengänge ermöglicht eine Vermeidung von Geister- bzw. Doppelbildern und eine Vermischung von Polarisationszuständen. Periodische Nichtlinearitäten im Messsignal werden effektiv verhindert. Aus der detektierten Überlagerung lässt sich eine Position eines Messobjekts sehr genau bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist ein Einstrahlen von zwei weiteren Messstrahlen unterschiedlicher optischer Frequenz auf das Reflexionsmodul in Strahlengängen, welche sich voneinander sowie von den Strahlengängen der ersten zwei Messstrahlen unterscheiden, und ein Überlagern der zwei weiteren Messstrahlen nach einer Reflexion am Reflexionsmodul örtlich getrennt von der Überlagerung der ersten zwei Messstrahlen vorgesehen. Hierdurch ist neben einer Bestimmung mindestens eines Freiheitsgrads einer Verschiebung gleichzeitig auch eine Bestimmung mindestens eines Freiheitsgrads einer Rotation des Messobjekts möglich.
Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen, Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsvarianten, etc. der erfindungsgemäßen Messvorrichtung angegebenen Merkmale können entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden. Diese und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in der Figurenbeschreibung und den Ansprüchen 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 herkömmliche Vorrichtung zur Bereitstellung von Messstrahlen bei einer heterodynen Messvorrichtung nach dem Stand der Technik in einer schematischen Veranschaulichung,
2 eine heterodyne Messvorrichtung zur interferometrischen Messung von Positionsänderungen gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Veranschaulichung,
3 ein Diagramm einer Auflösung des niederwertigsten Bits (LSB) bei verschiedenen Analog-Digital-Wandlern als Funktion der numerischen Apertur bei der herkömmlichen Messvorrichtung nach 2,
4 ein Bereitstellungsmodul für Messstrahlen nach einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer schematischen Veranschaulichung,
5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer schematischen Veranschaulichung,
6 ein Reflexionsmodul des ersten Ausführungsbeispiels nach 5 schematisch in zwei verschiedenen Seitenansichten,
7 ein Einstrahlmodul und ein Reflexionsmodul eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer schematischen Veranschaulichung,
8 das Reflexionsmodul und ein Detektionsmodul des zweiten Ausführungsbeispiels nach 7 in einer schematischen Veranschaulichung,
9 das Reflexionsmodul und das Detektionsmodul gemäß 8 mit Strahlengängen für einen ersten Detektor in einer schematischen Veranschaulichung,
10 das Reflexionsmodul und das Detektionsmodul gemäß 8 mit Strahlengängen für einen zweiten Detektor in einer schematischen Veranschaulichung,
11 ein Diagramm einer Auflösung des niederwertigsten Bits (LSB) als Funktion der numerischen Apertur bei dem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung nach 7 und 8,
12 ein Diagramm einer Winkelauflösung des zweiten Ausführungsbeispiels nach 7 und 8 als Funktion eines Abstands der Messstrahlen von einander beim Reflexionselement,
13 einen Ausschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einem Einstrahlmodul und einem Reflexionsmodul in einer schematischen Veranschaulichung,
14a, 14b, 14c das Reflexionsmodul des dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung nach 13 schematisch in verschiedenen Ansichten,
15 einen Ausschnitt des dritten Ausführungsbeispiels einer Messvorrichtung gemäß 13 mit einem Reflexionsmodul und einem Detektionsmodul in einer schematischen Veranschaulichung,
16 das Detektionsmodul des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 15 mit Strahlengängen für einen dritten und fünften Detektor in einer schematischen Veranschaulichung,
17 das Detektionsmodul des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 15 mit Strahlengängen für einen vierten und sechsten Detektor in einer schematischen Veranschaulichung,
18 ein Diagramm einer Auflösung des niederwertigsten Bits (LSB) als Funktion der numerischen Apertur bei dem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung nach 13 und 15,
19 ein Diagramm einer Winkelauflösung des dritten Ausführungsbeispiels nach 13 und 15 als Funktion eines Abstands der Messstrahlen von einander beim Reflexionselement,
20 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einem Projektionsobjektiv zum Abbilden von Maskenstrukturen auf einen Wafer und einer Messvorrichtung zur interferometrischen Messung einer Positionsveränderung eines Messobjekts in einer schematischen Veranschaulichung.
Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen oder Ausführungsvarianten 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 ist in einigen Zeichnungen ein rechtshändiges kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebeziehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. Beispielsweise verläuft in 2 die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein, die x-Richtung nach rechts und die z-Richtung nach oben.
1 zeigt eine herkömmliche Bereitstellungsvorrichtung 410 zum Bereitstellen von zwei Strahlenbündel 412, 414 mit unterschiedlichen Frequenzen bei einer heterodynen interferometrischen Messvorrichtung nach dem Stand der Technik. Die Bereitstellungsvorrichtung 410 enthält eine Strahlenquelle 416 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls 418 mit einer Frequenz f₀ und ausreichenden Kohärenz für interferometrische Messungen. Als Strahlenquelle 416 wird beispielsweise ein Laser für Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich verwendet. Der Strahl 418 tritt von der Strahlenquelle 416 kommend in einen ersten Strahlenteiler 420 ein. Ein Anteil des Strahls 418 passiert den ersten Strahlenteiler 420 ohne Richtungsänderung und trifft auf einen ersten akusto-optischen Modulator 422. Der erste akusto-optische Modulator 422 ist derart konfiguriert, dass ein Anteil des Strahls 418 diesen als ein erstes Strahlenbündel 412 mit einer Frequenz f_R = f₀ + f₁ verlässt. Ein weiterer Anteil des Strahls 418 wird von dem ersten Strahlenteiler 420 in Richtung eines Reflexionselements 424 reflektiert, welches diesen Anteil auf einen zweiten akustooptischen Modulator 426 richtet. Der zweite akusto-optischen Modulator 426 ist so konfiguriert, dass ein zweites Strahlenbündel 414 mit einer zur Frequenz f_R des ersten Strahlenbündels 412 höheren Frequenz f_B = f₀ + f₂ erzeugt wird.
Anschließend trifft das erste Strahlenbündel 412 auf einen zweiten Strahlenteiler 428, welcher einen Anteil des Strahlenbündels 412 ohne Richtungsänderung zu einem Eingangselement 430 eines optischen Faserelements 432 passieren lässt, während ein anderer Anteil des ersten Strahlenbündels 412 in Richtung eines Referenzdetektors 434 reflektiert wird. Über ein zweites Reflexionselement 436 wird das vom zweiten akusto-optischen Modulator 426 kommende zweite Strahlenbündel 414 ebenfalls auf den zweiten Strahlenteiler 428 gerichtet. Dieses erfolgt derart, dass ein Anteil des zweiten Strahlenbündels 414 den zweiten Strahlenteiler 428 ohne Richtungsänderung zum Referenzdetektor 434 passiert, während ein anderer Anteil des zweiten Strahlenbündels 414 zum Eingangselement 430 des optischen Faserelements 432 reflektiert wird.
Vom zweiten Strahlenteiler 428 kommend weisen beide Strahlenbündel 412, 414 sowohl zum optischen Faserelement 432, als auch zum Referenzdetektor 434 den gleichen Strahlengang auf. Beim Referenzdetektor 434 lässt sich durch die Überlagerung der beiden Strahlenbündel 412, 414 eine Referenzphase und Intensität einer Schwebung detektieren. Das optische Faserelement 432 stellt beide Strahlenbündel 412, 414 für eine heterodyne interferometrische Messvorrichtung an einem Ort und mit gleicher Ausbreitungsrichtung bereit. Dabei weisen die Strahlenbündel 412, 414 neben unterschiedlichen Frequenzen f_R und f_B auch zueinander orthogonale Polarisationszustände auf. Dieses wird beispielsweise dadurch erzielt, dass der zweite Strahlenteiler 428 als polarisierender Strahlenteiler Strahlung einer bestimmten Polarisation ohne Richtungsänderung passieren lässt, während dazu senkrecht polarisierte Strahlung umgelenkt wird. Das optische Faserelement 432 ist dann als die Polarität erhaltendes Faserelement ausgebildet.
In 2 wird eine herkömmliche heterodyne Messvorrichtung 440 zur interferometrischen Messung von Positionsänderungen eines Messobjekts 455 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Messvorrichtung 440 verwendet das von der Bereitstellungsvorrichtung 410 gemäß 1 bereitgestellte erste Strahlenbündel 412 als einen ersten Messstrahl 442 und das zweite Strahlenbündel 414 als einen zweiten Messstrahl 444. Im Folgenden wird der erste Messstrahl 442 mit der niedrigeren Frequenz f_R auch als roter Messstrahl 442 und der zweite Messstrahl 444 mit der höheren Frequenz f_B als blauer Messstrahl 444 bezeichnet. Diese Bezeichnungen charakterisieren lediglich den Frequenzunterschied und stellen keine Beschreibung der Farbe der Messstrahlen 442, 444 dar. Der rote Messstrahl 442 weist eine s-Polarisation auf, d. h. eine Polarisation senkrecht zur Einfallsebene. Der blaue Messstrahl 444 ist p-polarisiert. Als p-polarisiert wird eine Polarisation parallel zur Einfallsebene bezeichnet. Die Einfallsebene wird durch beide Messstrahlen 442, 444 festgelegt und liegt in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Zeichnungsebene.
Beide Messstrahlen 442, 444 treten am gleichen Ort und mit gleicher Ausbreitungsrichtung aus einem Ausgangselement 446 des optischen Faserelements 432 aus. In einem gemeinsamen Strahlengang treffen beide Messstrahlen 442, 444 auf einen polarisierenden Strahlenteiler 448 und werden entsprechend ihrer Polarisation abgelenkt oder durchlaufen den Strahlenteiler 448 ohne Richtungsänderung. Der rote Messstrahl 442 mit s-Polarisation wird von dem polarisierenden Strahlenteiler 448 abgelenkt, passiert eine erste λ/4-Platte 450 und wird mit einem ersten Umlenkelement 452 auf ein Reflexionselement 454 an dem zu vermessenden Messobjekt 455 gerichtet. Das Reflexionselement 454 ist an dem Messobjekt 455 befestigt und umfasst ein Gitter mit einer Littrow-Konfiguration. Das Littrow-Gitter reflektiert den roten Messstrahl 442 in einer Beugungsordnung in sich zurück zum ersten Umlenkelement 452. Dieses richtet den reflektierten roten Messstrahl 442 auf die erste λ/4-Platte 450 und den polarisierenden Strahlenteiler 448. Nach einem erneuten Durchlaufen der ersten λ/4-Platte 460 weist der rote Messstrahl 442 eine p-Polarisation auf und durchläuft den Strahlenteiler 448 nunmehr ohne Richtungsänderung in Richtung eines Detektors 456. Das elektrische Feld ER des roten Messstrahls 442 beim Detektor 456 kann beschrieben werden als
Hierbei ist k = 2πN/λ, N = 2 die Interferometerkonstante, λ die Wellenlänge, l_r die Weglänge, und Θ_G die durch das Gitter erzeugte Phase
Hier ist N_G = 1 die Gitterkonstante, Δx die durch das Gitter beobachtete Verschiebung des Reflexionselements 454 in x-Richtung und d der Gitterabstand.
Der blaue Messstrahl 444 mit p-Polarisation und der Frequenz f_B durchläuft den polarisierenden Strahlenteiler 448 vom Ausgangselement 446 kommend ohne Richtungsänderung und passiert anschließend eine zweite λ/4-Platte 458. Ein zweites Umlenkelement 460 richtet den zweiten Messstrahl 444 auf das Reflexionselement 454, von dem es in einer Beugungsordnung in sich zurück zum zweiten Umlenkelement 460 reflektiert wird. Nach erneutem Durchqueren der zweiten ¼-Platte 458 ist der blaue Messstrahl 444 s-polarisiert und wird anschließend von dem polarisierenden Strahlenteiler 448 in Richtung des Detektors 456 reflektiert. Beim Detektor 456 interferiert der erste Messstrahl 442 mit dem zweiten Messstrahl 444. Dabei kann das elektrische Feld E_B des blauen Messstrahls 444 beim Detektor 456 mit entsprechenden Parametern wie beim roten Messstrahl 442 beschrieben werden als
Die elektrischen Felder beider Messstrahlen 442, 444 überlagern sich beim Detektor 456 und erzeugen eine Interferenz, für deren Intensität aus den detektierbaren Realteilen der elektrischen Felder gilt: I_PD = |E_B + E_R| = |E_b|² + |Er|² + 2E_bE_r = 2 + 2cos(2πf_bt + kl_b + θ_G)cos(2πf_rt + kl_r – θ_G) = 2 + cos[2π(f_b – f_r)t + k(l_b – l_r) + 2θ_G] = 2 + cos[2πΔft + k(l_b – l_r) + 2θ_G]
Hieraus lässt sich die Phaseninformation beschreiben als φ_PD = k(l_b+ – l_r–) + θ_G = 4π / λ(l_b – l_r) + 4πΔx / d = 4π / λΔl + 4πΔx / d
Bei gleichen Weglängen für beide Messtrahlen 442, 444 und somit Δl = 0 gilt φ_PD = 4πΔx / d
Die Phaseninformation ist in diesem Fall lediglich von einer Verschiebung des Reflexionselements 454 in x-Richtung abhängig. Bei anderen üblichen heterodynen Interferometern mit nur einem am Messobjekt reflektierten Messstrahl und einem mit dem Messstrahl bei einem Detektor überlagerten Referenzstrahl gilt bekanntlich φ_PD1 = 2πΔx/d. Somit erzielt die Messvorrichtung 440 gegenüber diesen Messvorrichtungen eine um den Faktor zwei höhere Auflösung.
3 zeigt in einem Diagramm die Auflösung des niederwertigsten Bits (LSB) von verschiedenen Analog-Digital-Wandlern als Funktion der numerischen Apertur bei der herkömmlichen Messvorrichtung 440 nach 2. Die numerische Apertur legt zusammen mit der verwendeten Wellenlänge den Gitterabstand und somit die erreichbare Auflösung fest. Die LSB-Auflösung als Funktion der numerischen Apertur lässt sich aus den oben dargestellten Zusammenhängen bestimmen und wird in 3 für drei verschiedene Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) dargestellt. Von oben nach unten weist der jeweilige A/D-Wandler eine Umwandlung in digitale Werte mit 16, 18 oder 20 Bits auf. Eine mögliche Auflösung der Messvorrichtung 440 liegt deutlich im Subnanometerbereich.
Die effektive Auflösung der Messvorrichtung 440 nach 2 wird insbesondere durch nicht lineare periodische Störungen reduziert, welche aus einer Vermischung von Strahlen mit unterschiedlichem Polarisationszustand oder aus Doppel- oder Geisterbildern resultieren. Durch periodische Nichtlinearitäten (PNL) verursachte Messfehler liegen im Bereich einiger Nanometer und verhindern zuverlässige Messungen im Subnanometerbereich. Mit bekannten numerischen Methoden lassen sich durch PNL verursachte Fehler zumindest teilweise eliminieren. Diese zeitaufwendige Vorgehensweise ist aber bei einer Positionsbestimmung für eine schnelle Positionierung oder Nachjustierung des Messobjekts 455 nur mit Einschränkungen oder gar nicht anwendbar. Eine hochgenaue und schnelle Bestimmung einer Positionsänderung wird beispielsweise zum Nachjustieren von optischen Elementen eines Projektionsobjektives für die Mikrolithographie während eines Betriebs benötigt.
4 zeigt schematisch ein Bereitstellungsmodul 10 für Strahlenbündel 12, 14 unterschiedlicher Frequenz eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Das Bereitstellungsmodul 10 umfasst eine Strahlenquelle 16, einen Strahlenteiler 18, einen ersten akusto-optischen Modulator 20, einen zweiten akusto-optischen Modulator 22, ein erstes Eingangselement 24 für ein erstes optisches Faserelement 26 und ein zweites Eingangselement 28 für ein zweites optisches Faserelement 30. Die Strahlenquelle 16 ist zur Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls 32 mit einer Frequenz f₀ und ausreichender Kohärenz für interferometrische Messungen konfiguriert. Hierfür enthält die Strahlenquelle 16 beispielsweise einen Laser für Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich.
Der von der Strahlenquelle 16 kommende Strahl 32 durchläuft den Strahlenteiler 18 und wird von diesem in zwei Anteile mit unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung aufgeteilt. Ein erster Anteil des Strahls 32 wird vom Strahlenteiler 18 auf den ersten akusto-optischen Modulator 20 gerichtet. Der erste akusto-optische Modulator 20 ist derart konfiguriert, dass ein Anteil des Strahls 32 diesen als ein erstes Strahlenbündel 12 mit einer Frequenz f_R = f₀ + f₁ verlässt und über das erste Eingangselement 24 in das erste optische Faserelement 26 eingespeist wird. Ein weiterer Anteil des Strahls 32 passiert den Strahlenteiler 18 in Richtung des zweiten akusto-optischen Modulators 22. Der zweite akusto-optische Modulator 22 ist so konfiguriert, dass ein zweites Strahlenbündel 14 mit einer zur Frequenz f_R des ersten Strahlenbündels 12 größeren Frequenz f_B = f₀ + f₂ erzeugt wird. Das zweite Strahlenbündel 14 trifft anschließend auf das zweite Eingangselement 28 und wird von diesem in das zweite optische Faserelement 30 eingeleitet.
Das Bereitstellungsmodul 10 ist ferner so konfiguriert, dass die Strahlenbündel 12, 14 neben unterschiedlichen Frequenzen f_R und f_B auch zueinander orthogonale Polarisationszustände aufweisen. Dieses kann beispielsweise durch eine polarisierende Eigenschaft des Strahlenteilers 18 realisiert werden. Weiterhin sind die optischen Faserelemente 26, 30 als die Polarisation erhaltende Faserelemente ausgebildet. Die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Strahlenbündeln 12, 14 ist so ausgebildet, dass insbesondere eine elektronisch detektierbare Schwebung bei einer Überlagerung der Messstrahlen 12, 14 erzielt wird. Bei einer Verwendung eines Helium-Neon-Lasers beträgt die Frequenzdifferenz beispielsweise ungefähr 500 MHz bis 1000 MHz.
In alternativen Ausführungsbeispielen sind zur Bereitstellung von Strahlenbündeln unterschiedlicher Frequenz anstelle oder zusätzlich zu akusto-optischen Modulatoren zwei Laser mit unterschiedlicher Strahlungsfrequenz, eine Frequenzverschiebung eines Anteils von Strahlen einer Strahlenquelle mittels des Zeeman-Effekts oder eine andere dem Fachmann für heterodyne Interferometer bekannte Vorrichtung vorgesehen. Weiterhin können alternativ oder zusätzlich zu optischen Faserelementen auch Spiegel oder andere geeignet ausgebildete optische Elemente zur Bereitstellung der Strahlenbündel an verschiedenen Orten verwendet werden.
Im Gegensatz zur oben beschriebenen herkömmlichen Bereitstellungsvorrichtung werden die zwei Strahlenbündel 12, 14 mit unterschiedlicher Frequenz von dem Bereitstellungsmodul 10 räumlich separat bereitgestellt. Die Strahlenbündel 12, 14 unterscheiden sich neben ihrer Frequenz auch in ihrem Strahlengang. Mit der räumlich getrennten Bereitstellung der Strahlenbündel 12, 14 mit unterschiedlicher Frequenz lassen sich nichtlineare periodische Störungen reduzieren und somit die Messgenauigkeit erhöhen. Eine Vermischung von Strahlen unterschiedlicher Polarisation wird effektiv vermieden.
In 5 wird ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 40 zur interferometrischen Messung einer Positionsveränderung eines Messobjekts 55 veranschaulicht. Die Messvorrichtung 40 umfasst ein Bereitstellungsmodul zum Bereitstellen von zwei Messstrahlen 42, 44 mit unterschiedlicher Frequenz an jeweils verschiedenen Orten, z. B. das Bereitstellungsmodul 10 nach 4 mit einem ersten Strahlenbündel 12 als erster Messstrahl 42 und einem zweiten Strahlenbündel 14 als zweiter Messstrahl 44. In 5 sind lediglich ein erstes Ausgangselement 46 eines ersten optischen Faserelements 26 und ein zweites Ausgangselement 48 eines zweiten optischen Faserelements 28 des Bereitstellungsmoduls dargestellt. Das erste und zweite Ausgangselement 46, 48 sind nebeneinander derart angeordnet, dass beide Messstrahlen 42, 44 sich parallel und räumlich getrennt zueinander von den Ausgangselementen 46, 48 ausbreiten. In 5 verläuft der Strahlengang des ersten Messstrahls 42 mit kleinerer Frequenz f_R oberhalb der Zeichnungsebene und wird zum besseren Verständnis als durchgezogene Linie dargestellt. Der zweite Messstrahl 44 mit höherer Frequenz f_B breitet sich in der Zeichnungsebene aus und ist als gestrichelte Linie veranschaulicht.
Weiterhin ist das Bereitstellungsmodul so konfiguriert, dass der erste Messstrahl 42 s-polarisiert und der zweite Messstrahl 44 p-polarisiert ist. Als s-Polarisation wird ein Polarisationszustand senkrecht zur Ausbreitungs- bzw. Einfallsebene bezeichnet. Entsprechend bezeichnet eine p-Polarisation einen Polarisationszustand parallel zur Einfalls- bzw. Ausbreitungsebene. In 5 weist der erste Messstrahl 42 somit einen Polarisationszustand orthogonal und der zweite Messstrahl 44 parallel zur Zeichenebene auf.
Die Messvorrichtung 40 umfasst weiterhin einen ersten polarisierenden Strahlenteiler 50, eine erste λ/4-Platte 52, eine zweite λ/4-Platte 54, ein erstes Umlenkelement 56, ein zweites Umlenkelement 58, ein Reflexionsmodul 60, einen zweiten Strahlenteiler 62 und einen Detektor 64. Von dem ersten Ausgangselement 46 kommend, tritt der erste Messstrahl 42 in den ersten polarisierenden Strahlenteiler 50 ein und wird vom diesem wegen seiner s-Polarisation in Richtung des ersten Umlenkelements 56 reflektiert. Auf dem Weg zum ersten Umlenkelement 56 passiert der erste Messstrahl 42 die erste λ/4-Platte 52. Das erste Umlenkelement 56, welches beispielsweise als Spiegel ausgebildet ist, richtet den ersten Messstrahl 42 mit einem Einfallswinkel kleiner als 90° auf das Reflexionsmodul 60. Der erste polarisierenden Strahlenteiler 50, die erste λ/4-Platte 52, die zweite λ/4-Platte 54, das erste Umlenkelement 56 und das zweites Umlenkelement 58 bilden zusammen ein Einstrahlmodul 65.
Das Reflexionsmodul 60 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Littrow-Gitter und ist an dem zu vermessenden dargestellten Messobjekt 55 befestigt. Das Littrow-Gitter ist so konfiguriert, dass der erste Messstrahl 42 zum ersten Umlenkelement 56 zurück reflektiert wird. Dazu kann beispielsweise eine bestimmte Beugungsordnung des Gitters verwendet werden, etwa die erste positive Ordnung oder die erste negative Ordnung. Das erste Umlenkelement 56 lenkt den reflektierten ersten Messstrahl 42 in Richtung der ersten λ/4-Platte 52 und den dahinterliegenden polarisierenden Strahlenteiler 50 um. Nach erneutem Durchlaufen der ersten λ/4-Platte 52 ist der erste Messstrahl 42 p-polarisiert und passiert den ersten Strahlenteiler 50 ohne wesentliche Richtungsänderung in Richtung des Detektors 64.
Vor dem Detektor 64 trifft der erste Messstrahl 42 auf den zweiten Strahlenteiler 62. Dieser ist so angeordnet, dass ein Anteil des ersten Messstrahls 42 in die Ausbreitungsebene des zweiten Messstrahls 44 abgelenkt wird, während sich ein anderer Anteil weiterhin in der Ausbreitungsebene des ersten Messstrahls 42 oberhalb der Zeichnungsebene fortpflanzt und auf den Detektor 64 trifft. Die beiden Anteile des ersten Messstrahls 42 breiten sich nach dem zweiten Strahlenteiler 62 parallel aber räumlich getrennt aus. Zur Verdeutlichung dieser Anordnung ist der zweite Strahlenteiler 62 in 5 zusätzlich in einer Seitenansicht 66 dargestellt. Der zweite Strahlenteiler 62 und der Detektor bilden in diesem Ausführungsbeispiel ein Detektionsmodul 67.
Der zweite Messstrahl 44 mit der größeren Frequenz f_B wird von dem zweiten Ausgangselement 48 des zweiten optischen Faserelements 30 im Zustand einer p-Polarisation ausgestrahlt. Mit p-Polarisation passiert der zweite Messstrahl 44 den ersten polarisierenden Strahlenteiler 50 im Wesentlichen ohne Richtungsänderung, durchläuft dann die zweite λ/4-Platte 54 und wird von dem zweiten, beispielweise als Spiegel ausgebildeten Umlenkelement 58 auf das Reflexionsmodul 60 gerichtet. Das erste und zweite Umlenkelement 56, 58 legen die numerische Apertur der Messvorrichtung 40 fest. Dabei sind die Umlenkelemente 56, 58 derart angeordnet, dass ein Raumwinkel 68 zwischen den Einstrahlrichtungen des ersten und zweiten Messstrahls 42, 44 beim Reflexionsmodul 60 mindestens 10° beträgt. Bei anderen Ausführungen kann auch ein Raumwinkel von 2° bis 10° vorgesehen sein. Insbesondere verlaufen die Messstrahlen 42, 44 vor dem Reflexionsmodul 60 symmetrisch zu einer optischen Achse 70 der Messvorrichtung 40.
Entsprechend zum ersten Messstrahl 42 wird der zweite Messstrahl 44 von dem Littrow-Gitter des Reflexionsmoduls 60 zum zweiten Umlenkelement 58 zurück reflektiert. Das zweite Umlenkelement 58 lenkt den reflektierten zweiten Messstrahl 44 zum ersten Strahlenteiler 50 um. Nach erneutem Durchlaufen der zweiten λ/4-Platte 54 weist der zweite Messstrahl 44 einen Zustand der s-Polarisation auf. Der zweite Messstrahl 44 wird daher von dem polarisierenden Strahlenteiler 50 in Richtung des Detektors 64 reflektiert und tritt in den zweiten Strahlenteiler 62 ein. Analog zum ersten Messstrahl 42 wird auch der zweite Messstrahl 44 in zwei Anteile aufgeteilt, welche sich in gleicher Richtung, aber räumlich getrennt, ausbreiten. Dabei weisen jeweils ein Anteil des ersten und zweiten Messstrahls 42, 44 einen gemeinsamen Strahlengang auf und interferieren mit einander am Detektor 64.
Der Detektor 64 ist beispielsweise als Photodetektor zur Erfassung einer zeitabhängigen Strahlungsintensität ausgebildet und detektiert einen Phasenverlauf einer durch die interferierenden Messstrahlen 42, 44 erzeugten Überlagerungsmusters in Gestalt einer von den interferierenden Messstrahlen 42, 44 gebildeten Schwebung. Das vom Detektor 64 erfasste Interferenzsignal entspricht dem mit der weiter oben mit Bezug auf 2 beschriebenen herkömmlichen Messvorrichtung 440 erfassten Interferenzsignal und erreicht somit dieselbe LSB-Auflösung. Im Gegensatz zu dieser findet eine Überlagerung der beiden Messstrahlen 42, 44 aber erst zwischen dem Detektor 64 und dem zweiten Strahlenteiler 62 als letzem optischen Element im Strahlengang vor dem Detektor 64 statt. Durch die räumlich getrennten Strahlengänge wird vorteilhaft eine Vermischung von Strahlen mit unterschiedlicher Polarisation und somit periodische Nichtlinearitäten vermieden. Die Messvorrichtung 40 weist somit gegenüber herkömmlichen Messvorrichtungen eine deutliche Reduktion von Messfehlern und damit eine verbesserte effektive Auflösung auf. Aus dem vom Detektor 42 erfassten zeitabhängigen Interferenzsignal wird in einem Auswertemodul 69 eine Positionsveränderung des Reflexionsmoduls 60 und damit des Messobjekts 55 in x-Richtung bestimmt.
6 zeigt das Reflexionsmodul 60 des ersten Ausführungsbeispiels nach 5. Die Ansicht entspricht derjenigen in 5 und zeigt die Reflexion des ersten Messstrahls 42 und des zweiten Messstrahls 44 am Reflexionsmodul 60. Das Reflexionsmodul 60 enthält auf einem Träger 72 ein Littrow-Gitter 74. Alternativ können auch Prismastrukturen zur Rückreflexion der Messstrahlen 42, 44 vorgesehen sein. Das Littrow-Gitter 74 ist so konfiguriert, dass eine In-sich-Rückreflexion bei paralleler Anordnung zur xy-Ebene erfolgt würde. Das Reflexionsmodul 60 ist aber um einen kleinen Winkel aus der Senkrechten um die x-Achse gekippt angeordnet. Auf die xz-Ebene projiziert läuft der reflektierte erste Messstrahl 42 entlang des einfallenden Messstrahls 42 zurück zum ersten Umlenkelement 56. Entsprechendes gilt für die Rückreflexion des zweiten Messstrahls 44 zum zweiten Umlenkelement 58.
Die Reflexionsorte der beiden Messstrahlen 42, 44 am Reflexionsmodul liegen vorzugsweise ohne Überlappung nebeneinander. Alternativ können die Reflexionsorte auch in einem festgelegten Abstand zueinander auf dem Reflexionsmodul 60 liegen. Durch die getrennten Strahlengänge der einfallenden und ausfallenden Messstrahlen 42, 44 werden Doppel- und Geisterreflexionen vermieden und somit ebenfalls Messfehler reduziert.
In den 7 bis 10 wird ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 80 zur interferometrischen Messung einer Positionsveränderung eines Messobjekts 55 veranschaulicht. 7 zeigt ein Einstrahlmodul 82 und ein Reflexionsmodul 60 der Messvorrichtung 80. Das Einstrahlmodul 82 ist zum Einstrahlen von insgesamt vier Messstrahlen 84, 86, 88, 90 auf das Reflexionsmodul 60 ausgebildet, welches am zu vermessenden Messobjekt 55 befestigt ist. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung 80 ein Bereitstellungsmodul zum Bereitstellen von zwei Strahlenbündel 12, 14 mit unterschiedlicher Frequenz an jeweils verschiedenen Orten, z. B. ein Bereitstellungsmodul 10 gemäß 4. In 7 sind lediglich ein erstes Ausgangselement 46 eines ersten optischen Faserelements 26 und ein zweites Ausgangselement 48 eines zweiten optischen Faserelements 30 des Bereitstellungsmoduls dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind die Ausgangselemente 46, 48 derart räumlich getrennt angeordnet, dass sich die Strahlenbündel 12, 14 im Wesentlichen orthogonal zueinander von diesen ausbreiten und jeweils auf eine andere Seite eines Strahlenteilers 92 treffen. Weiterhin ist das Bereitstellungsmodul so konfiguriert, dass beide Strahlenbündel 12, 14 im Zustand der p-Polarisation (parallel zur Zeichnungsebene) sind. Der Strahlengang des ersten Strahlenbündels 12 mit kleinerer Frequenz f_R verläuft in einer Ebene oberhalb der Zeichnungsebene und wird wiederum als durchgezogene Linie dargestellt. Das zweite Strahlenbündel 14 mit höherer Frequenz f_B breitet sich in der Zeichnungsebene aus und ist als gestrichelte Linie veranschaulicht.
Der Strahlenteiler 92 lenkt einen Anteil des ersten Strahlenbündels 12 als einen ersten Messstrahl 84 mit der Frequenz f_R in Richtung eines ersten Umlenkelements 56 ab. Ein anderer Anteil des ersten Strahlenbündels 12 passiert den Strahlenteiler 92 ohne Ablenkung als zweiten Messstrahl 86 mit der Frequenz f_R in Richtung eines zweiten Umlenkelements 58. Entsprechend wird das zweite Strahlenbündel 14 aufgeteilt. Ein Anteil des zweiten Strahlenbündels 14 wird vom Strahlenteiler 92 als ein dritter Messstrahl 88 mit der Frequenz f_B in Richtung des zweiten Umlenkelements 58 abgelenkt. Ein anderer Anteil des zweiten Strahlenbündels 14 durchläuft den Strahlenteiler 92 ohne Ablenkung als vierter Messstrahl 90 mit der Frequenz f_B in Richtung des ersten Umlenkelements 56. Wegen der nicht-polarisierenden Eigenschaft des Strahlenteilers 92 weisen alle vier Messstrahlen 84, 86, 88, 90 den gleichen Polarisationszustand der p-Polarisation auf, welcher auf ein weiter unten beschriebenes Detektionsmodul abgestimmt ist.
Das erste Umlenkelement 56 richtet den ersten und vierten Messstrahl 84, 90 auf das Reflexionsmodul 60. Entsprechend richtet das zweite Umlenkelement 58 den zweiten und dritten Messstrahl 86, 88 auf das Reflexionsmodul 60. Dabei sind das Einstrahlmodul 82 und insbesondere die Umlenkelemente 56, 58 so konfiguriert und angeordnet, dass ein Raumwinkel 68 zwischen den Einstrahlrichtungen des ersten und zweiten Messstrahls 84, 86 beziehungsweise des dritten und vierten Messstrahls 88, 90 mindestens 10° beträgt. Bei anderen Ausführungen kann auch ein Raumwinkel von 2° bis 10° vorgesehen sein. Die Umlenkelemente 56, 58 legen die numerische Apertur NA der Messvorrichtung 80 fest. Weiterhin sind in diesem Ausführungsbeispiel die Strahlengänge des ersten und vierten Messstrahls 84, 90 symmetrisch zu den Strahlengängen des zweiten und dritten Messstrahls 86, 88 bezüglich einer optischen Achse 70 der Messvorrichtung 80 ausgebildet.
Das Reflexionsmodul 60 ist entsprechend zum ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet und umfasst z. B. ein Littrow-Gitter. Das Littrow-Gitter reflektiert jeden von einem Umlenkelement 56, 58 kommenden Messstrahl 84, 86, 88, 90 wieder zu diesem zurück. Durch eine kleine Kippung des Littrow-Gitters um die x-Achse werden die Messstrahlen 84, 86, 88, 90 nicht exakt in sich zum Einstrahlmodul 82 zurückreflektiert, sondern zu einem daneben angeordneten Detektionsmodul 100 (s. 8). Zwischen dem jeweiligen einfallenden und reflektierten Messstrahl 84, 86, 88 bzw. 90 tritt ein Raumwinkel auf, welcher mindestens 0,1° und maximal 2°, insbesondere maximal 1° beträgt. Der Strahlengang jedes einfallenden Messstrahls 84, 86, 88, 90 beim Reflexionsmodul 60 weicht somit von dem jeweiligen Strahlengang des reflektierten Messstrahls ab. Die Reflexionsorte der vier Messstrahlen 84, 86, 88, 90 auf dem Reflexionsmodul 60 spannen in diesem Ausführungsbeispiel ein Quadrat auf. In alternativen Ausführungen können die Reflexionsorte auch ein Rechteck oder ein anderes geeignetes Viereck aufspannen. Durch die Ausbreitung in verschiedenen Ebenen weisen die Reflexionsorte des ersten und zweiten Messstrahls 84, 86 insbesondere einen Abstand zu den Reflexionsorten des dritten und vierten Messstrahls 88, 90 quer zur x-Achse auf.
8 stellt ein Detektionsmodul 100 der Messvorrichtung 80 zusammen mit dem Reflexionsmodul 60 schematisch dar. Das Detektionsmodul 100 umfasst einen polarisierenden Strahlenteiler 102, einen Retroreflektor 104, eine verspiegelte λ/4-Platte 106, einen ersten Detektor 108 und einen zweiten Detektor 110. Der erste und dritte Messstrahl 84, 88 werden vom Reflexionsmodul 60 kommend mittels des ersten Umlenkelements 56 auf das Detektionsmodul 100 gerichtet. Entsprechend werden der zweite und vierte Messstrahl 86, 90 von dem zweiten Umlenkelement 58 in Richtung des Detektionsmoduls 100 umgelenkt. In 8 sind der erste und zweite Messstrahl 84, 86 mit der Frequenz f_R wiederum als durchgehende Linien dargestellt, wodurch verdeutlicht wird, dass sich diese Messstrahlen 84, 86 in einer Ebene oberhalb der Darstellungsebene ausbreiten. Der jeweils gestrichelt dargestellte dritte und vierte Messstrahl 88, 90 mit der Frequenz f_B breiten sich dagegen in der Darstellungsebene aus.
Das Detektionsmodul 100 ist so konfiguriert, dass am ersten Detektor 108 der erste Messstrahl 84 der Frequenz f_R mit dem vierten Messstrahl 90 der Frequenz f_B überlagert wird. Dazu wird unter anderem der vierte Messstrahl 90 am Retroreflektor 104 in die Ausbreitungsebene des ersten Messstrahls 84 reflektiert. Weiterhin wird mittels des Detektionsmoduls 100 am zweiten Detektor 110 der zweite Messstrahl 86 der Frequenz f_R mit dem dritten Messstrahl 88 der Frequenz f_B überlagert. Durch den Retroreflektor 104 erfolgt hierfür eine Umlenkung des zweiten Messstrahls 86 in die Ausbreitungsebene des dritten Messstrahls 88. Die Strahlengänge der Messstrahlen 84, 86, 88, 90 in dem Detektionsmodul 100 werden weiter unten mit Bezug auf 9 und 10 näher beschrieben.
An beiden Detektoren 108, 110 entsteht durch die Interferenz der Messstrahlen 84 und 90 bzw. der Messstrahlen 86 und 88 unterschiedlicher Frequenz ein jeweiliges Überlagerungsmuster in Gestalt einer jeweiligen Schwebung. Die Phase der jeweiligen Schwebung ist sehr empfindlich von einem Weglängenunterschied zwischen den sich überlagernden Messstrahlen 84 und 90 bzw. 86 und 88 und damit von einer Verschiebung des Reflexionsmoduls 60 in x-Richtung abhängig, wie weiter unten näher dargestellt wird. Die Detektoren 108, 110 erfassen aus dem jeweiligen Überlagerungsmuster ein jeweiliges zeitabhängiges Interferenzsignal. In einem Auswertemodul 69 erfolgt eine Differenzbildung der gemessenen zeitabhängigen Interferenzsignale des ersten und zweiten Detektors 108, 110. Aus dem Differenzsignal wird vom Auswertemodul 69 eine Positionsveränderung des Reflexionsmoduls 69 und damit des Messobjekts 55 in x-Richtung bestimmt. Durch die Differenzbildung der gemessenen Interferenzsignale des ersten und zweiten Detektors 108, 110 wird gegenüber der Ausführungsform gemäß 5 eine weitere Steigerung der Auflösung erzielt.
9 stellt zum besseren Verständnis das Reflexionsmodul 60 und das Detektionsmodul 100 der Messvorrichtung 80 nur mit Strahlengängen zum ersten Detektor 108 schematisch dar. Der von dem Gitter des Reflexionsmoduls 60 in der negativen ersten Ordnung reflektierte erste Messstrahl 84 trifft auf das erste Umlenkelement 56 und wird von diesem auf das Detektionsmodul 100 gerichtet. Dabei weist der erste Messstrahl 84 eine p-Polarisation auf, d. h. eine Polarisation parallel zur Ein- und Ausfallsebene beim ersten Umlenkelement 56. Der polarisierende Strahlenteiler 102 des Detektionsmoduls 100 ist so konfiguriert und angeordnet, dass eine Strahlung mit s-Polarisation vom ursprünglichen Strahlengang abgelenkt wird, während eine Strahlung mit dazu senkrechter p-Polarisation den Strahlenteiler 102 ohne Richtungsänderung passiert. Vom ersten Umlenkelement 56 kommend durchläuft der erste Messstrahl 84 den Strahlenteiler 102 somit ohne Ablenkung zum ersten Detektor 108.
Der vom Gitter des Reflexionsmoduls 60 in positiver erster Ordnung reflektierte vierte Messstrahl 90 wird von dem zweiten Umlenkelement 58 in Richtung des Detektionsmoduls 100 umgelenkt und ist ebenfalls p-polarisiert. Er durchläuft den Strahlenteiler 102 ebenfalls ohne Richtungsänderung. Hinter dem Strahlenteiler 102 trifft der vierte Messstrahl 90 auf den Retroreflektor 104 und wird von diesem zurück zum Strahlenteiler 102 reflektiert. Dabei wird der vierte Messstrahl 90 vom Retroreflektor 104 so reflektiert, dass er sich anschließend in der Ebene des ersten Messstrahls 84 ausbreitet. Dieser Umstand wird durch den nun als durchgezogene Linie dargestellten vierten Messstrahl 90 veranschaulicht.
Der vom Retroreflektor 102 reflektierte vierte Messstrahl 90 ist immer noch p-polarisiert und durchläuft den Strahlenteiler 102 erneut ohne Richtungsänderung, um dann auf die λ/4-Platte 106 mit verspiegelter Grenzfläche zu treffen. Durch eine Rückreflektion an der verspiegelten Grenzfläche durchläuft der vierte Messstrahl 90 die λ/4-Platte 106 zweimal und weist danach eine s-Polarisation auf. Der vierte Messstrahl 90 mit s-Polarisation wird nun vom Strahlenteiler 102 in Richtung des ersten Detektors 108 umgelenkt und überlagert sich auf der Strecke zum und am ersten Detektor 108 mit dem ersten Messstrahl 84.
Im Folgenden wird der erste Messstrahl 84 mit der niedrigeren Frequenz f_R auch als „roter” Messstrahl 84 und der vierte Messstrahl 90 mit der höheren Frequenz f_B als „blauer” Messstrahl 90 bezeichnet. Das elektrische Feld des roten und des blauen Messstrahls 84, 90 kann beschrieben werden als
wobei die Indizes b und r jeweils Größen des roten bzw. blauen Messstrahl 84, 90 indizieren und „+” und „–” angeben, ob der Messstrahl in der negativen ersten Ordnung oder der positiven ersten Ordnung des Gitters beim Reflexionsmodul 60 reflektiert werden. Ferner ist k = 2πN/λ, λ die Wellenlänge, l_b+ und l_r– die jeweiligen Weglängen, und Θ_G die bereits weiter oben beschriebene, durch das Gitter erzeugte Phase. Der rote und der blaue Messstrahl 84, 90 erzeugen am ersten Detektor 108 eine Interferenz, dessen vom Detektor 108 erfasste Intensität I_PD1 beschrieben werden kann als I_PD1 = |E_B+ + E_R–| = |E_b+|² + |E_r–|² + 2E_b+E_r– = 2 + 2cos(2πf_bt + kl_b+ + θ_G)cos(2πf_rt + kl_r– – θ_G) = 2 + cos[2π(f_b – f_r)t + k(l_b+ – l_r–) + 2θ_G] = 2 + cos[2πΔft + k(l_b+ – l_r–) + 2θ_G
Die Phase φ_PD1 ist
10 zeigt schematisch das Detektionsmodul 100 mit Strahlengängen für den zweiten Detektor 110. Der vom Reflexionsmodul 60 reflektierte dritte Messstrahl 88 mit p-Polarisation wird vom ersten Umlenkelement 56 auf den Strahlenteiler 102 des Detektionsmoduls 100 gerichtet. Somit durchtritt der dritte Messstrahl 88 den polarisierenden Strahlenteiler 102 ohne Richtungsänderung zum zweiten Detektor 110.
Der vom Reflexionsmodul 60 reflektierte zweite Messstrahl 86 mit p-Polarisation wird entsprechend vom zweiten Umlenkelement 58 auf den polarisierenden Strahlenteiler 102 umgelenkt und durchläuft diesen ohne Richtungsänderung zum Retroreflektor 104. Beim Retroreflektor 104 wird der zweite Messstrahl 86 zum Strahlenteiler 102 zurückreflektiert und dabei in die Ausbreitungsebene des dritten Messstrahls 88 transferiert. In 10 wird dieses durch die nun gestrichelte Darstellung des zweiten Messstrahls 86 verdeutlicht. Wegen seiner p-Polarisation durchläuft der zweite Messstrahl 86 den Strahlenteiler 102 wiederum ohne Richtungsänderung und tritt in die λ/4-Platte 106 mit verspiegelter Grenzfläche ein. Nach der Rückreflexion durch die λ/4-Platte 106 ist der zweite Messstrahl 86 s-polarisiert. Dadurch wird der zweite Messstrahl 86 vom Strahlenteiler 102 zum zweiten Detektor 110 umgelenkt. Auf der Strecke zum und am zweiten Detektor 110 überlagert sich der zweite Messstrahl 86 mit dem dritten Messstrahl 88. Die 9 ergibt zusammengenommen mit der 10 die 8.
Zur Beschreibung der elektrischen Felder, der Interferenz und der Phase am zweiten Detektor 110 können die bereits für den ersten Detektor 108 benutzten Zusammenhänge verwendet werden. Dabei werden nun entsprechend für den zweiten Messstrahl 86 die Bezeichnung „roter” Messstrahl und für den dritten Messstrahl 88 „blauer” Messstrahl verwendet. Der rote Messstrahl 86 wird hier aber in der positiven ersten Ordnung und der blaue Messstrahl 88 in der negativen ersten Ordnung beim Reflexionsmodul 60 reflektiert. Die elektrischen Felder, die Intensität I_PD2 der Interferenz und die Phase φ_PD2 am zweiten Detektor 110 kann wiederum beschrieben werden als:
Aus den Gleichungen für die Phase am ersten und am zweiten Detektor 108, 110 geht hervor, dass eine gemessene Phase sowohl von einer Änderung der optischen Weglänge (Δl = l_b – l_r) als auch von einer Verschiebung Δx des Gitters am Reflexionsmodul 60 entlang der x-Richtung abhängt. Durch eine Substraktion der an beiden Detektoren 108, 110 gemessenen Phasen kann die Abhängigkeit von der optischen Weglänge mit der Annahme von l_r+ = l_r– = l_r und l_b+ = l_b– = l_b beseitigt werden und es gilt für die Phasendifferenz: φ₁ = φ_PD1 – φ_PD2 = 4π / λ(l_b+ – l_r–) + 4πΔx / d – 4π / λ(l_b– – l_r+) + 4πΔx / d = 4π / λ(l_b – l_r) + 8πΔx / d – 4π / λ(l_b – l_r) = 8πΔx / d
Aus dieser Gleichung geht hervor, dass die Auflösung für eine Verschiebung in x-Richtung gegenüber der herkömmlichen Messvorrichtung 40 nach 2 um einen Faktor zwei größer ist.
Bei einem Addieren der von den Detektoren 108, 110 gemessenen Phasen lässt sich die Abhängigkeit der Phasen von einer Verschiebung des Gitters entlang der x-Achse ellimineren, wie sich folgendermaßen zeigen lässt: φ₂ = φ_PD1 + φ_PD2 = 4π / λ(l_b+ – l_r–) + 4πΔx / d + 4π / λ(l_b– – l_r+) – 4πΔx / d = 4π / λ(l_b – l_r) + 4π / λ(l_b – l_r) = 8π / λ(l_b – l_r) = 8π / λΔl
Die Phase hängt nun nur von der Weglängenänderung Δl = l_b – I_r ab. Die Reflexionsorte der roten Messtrahlen 84, 86 und blauen Messtrahlen 88, 90 weisen durch die Ausbreitung in unterschiedlichen Ebenen einen Abstand quer zur x-Achse auf. Eine Weglängenänderung Δl wird somit durch eine Rotation des Reflexionsmoduls 60 bzw. des Messobjekts um die x-Achse erzeugt. Mit der Messvorrichtung 80 lässt sich daher neben einer Verschiebung in x-Richtung gleichzeitig auch eine Rotation um die x-Achse messen. Es lassen sich also mit der Messvorrichtung 80 gleichzeitig Änderungen in zwei Freiheitsgraden des Messobjekts bestimmen. Dabei wird mittels der Phaseninformation eine Auflösung erzielt, welche derjenigen eines Doppel-Pass-Interferometers entspricht, obwohl die optische Konfiguration der Messvorrichtung 80 eine Einzel-Pass-Konfiguration darstellt.
In 11 wird in einem Diagramm die Auflösung des niederwertigsten Bits (LSB) für verschieden A/D-Wandler als Funktion der numerischen Apertur bei der Messvorrichtung 80 nach 7 und 8 dargestellt. Die numerische Apertur legt zusammen mit der verwendeten Wellenlänge den Gitterabstand und somit die die erreichbare Auflösung fest. Die LSB-Auflösung als Funktion der numerischen Apertur lässt sich aus den oben dargestellten Zusammenhängen bestimmen und wird in 11 für drei verschiedene Analog-Digital-Wandler dargestellt. Von oben nach unten weist der jeweils verwendete A/D-Wandler eine Umwandlung in digitale Werte mit 16, 18 oder 20 Bits auf. Deutlich wird aus 11 die gegenüber der herkömmlichen Messvorrichtung nach 1 und 2 um einen Faktor zwei höhere Auflösungen der Messvorrichtung nach 7 und 8 für eine Verschiebung in x-Richtung. Weiterhin wird durch die optische Konfiguration mit räumlich getrennten Strahlengängen für die Messstrahlen 84, 86, 88, 90 eine deutliche Reduzierung von periodischen Nichtlinearitäten erreicht.
In 12 wird in einem Diagramm die Winkelauflösung der Messvorrichtung 80 nach 7 und 8 als Funktion des Abstands der blauen und roten Messstrahlen 84, 86, 88, 90 von einander am Reflexionsmodul 60 aufgezeigt. Die Winkelauflösung bezieht sich auf eine Rotation des Messobjekts um die x-Achse, welche, wie oben beschrieben, mittels einer Addition der am ersten und zweiten Detektor 108, 110 bestimmten Phasen ermittelt wird. Die Winkelauflösung hängt von der linearen Auflösung der optischen Weglängenänderung und dem Abstand der jeweils interferierenden Messstrahlen 84, 86, 88, 90 am Gitter des Reflexionsmoduls 60 quer zur x-Achse ab. Die LSB-Auflösung der linearen optischen Weglänge beträgt 4,8 pm, 1,2 pm und 0,3 pm jeweils für einen AD-Wandler mit 16, 18 und 20 Bit.
13 stellt einen schematischen Ausschnitt eines dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Messvorrichtung 120 zur interferometrischen Messung einer Positionsänderung eines Messobjekts 55 dar. In dieser Figur werden ein Einstrahlmodul 122 und ein Reflexionsmodul 60 der Messvorrichtung 120 gezeigt. Ein nicht dargestelltes Bereitstellungsmodul der Messvorrichtung 120, z. B. ein Bereitstellungsmodul 10 gemäß 4, stellt mittels eines ersten Ausgangselements 46 eines ersten optischen Faserelements 26 und eines zweiten Ausgangselements 48 eines zweiten optischen Faserelements 30 zwei Strahlenbündel 12, 14 mit unterschiedlicher Frequenz an verschiedenen Orten bereit. Der Strahlengang des ersten Strahlenbündels 12 mit kleinerer Frequenz f_R verläuft in einer Ebene oberhalb der Zeichnungsebene und wird wiederum als durchgezogene Linie dargestellt. Das zweite Strahlenbündel 14 mit höherer Frequenz f_B breitet sich in der Zeichnungsebene aus und ist als gestrichelte Linie veranschaulicht. Ferner ist das Bereitstellungsmodul so konfiguriert, dass beide Strahlenbündel 12, 14 die Ausgangselemente 46, 48 im Zustand der p-Polarisation (parallel zur Zeichnungsebene) verlassen.
Das Einstrahlmodul 122 enthält einen ersten Strahlenteiler 92, ein erstes Umlenkelement 56 und ein zweites Umlenkelement 58. Die Anordnung und Funktion dieser Komponenten entspricht derjenigen des Einstrahlmoduls 82 des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 7. Der Strahlenteiler 92 erzeugt aus dem ersten Strahlenbündel 12 einen ersten und einen zweiten Messstrahl 84, 86 und aus dem zweiten Strahlenbündel 14 einen dritten und vierten Messstrahl 88, 90. Es werden wiederum insgesamt vier Messstrahlen 84, 86, 88, 90 auf das Reflexionsmodul 60 eingestrahlt. Dabei breiten sich die Messstrahlen 84, 86 mit kleinerer Frequenz f_R in einer gemeinsamen Ebene aus und treffen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Reflexionsmodul 60. Auch die Messstrahlen 88, 90 mit höherer Frequenz f_B verlaufen in einer gemeinsamen Ebene und weisen unterschiedliche Einfallswinkel am Reflexionsmodul 60 auf. Die Strahlengänge der Messstrahlen 84, 86, 88, 90 mit gleicher Frequenz verlaufen vor dem Reflexionsmodul 60 vorzugweise symmetrisch zu einer optischen Achse 70 der Messvorrichtung 120 und mit einem Raumwinkel 68 zueinander, welcher in diesem Ausführungsbeispiel mindestens 10° beträgt. Bei anderen Ausführungen kann auch ein Raumwinkel von 2° bis 10° vorgesehen sein. Das Reflexionsmodul 60 entspricht demjenigen des ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels. Zur Beschreibung der Komponenten des Einstrahlmoduls 120 und des Reflexionsmoduls 60 wird daher insbesondere auch auf die Beschreibung bezüglich der 6 und 7 verwiesen.
Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel sind die Ausgangselemente 46, 48 so angeordnet, dass sich die Strahlenbündel 12, 14 parallel zueinander ausbreiten und beide auf die gleiche Seite des ersten Strahlenteilers 92 treffen. Ferner ist in den Strahlengängen der Strahlenbündel 12, 14 zwischen den Ausgangselementen 46, 48 und dem ersten Strahlenteiler 92 ein zweiter Strahlenteiler 124 angeordnet. Der zweite Strahlenteiler 124 lenkt einen Anteil des ersten Strahlenbündels 12 als einen ersten Referenzstrahl 126 ab. Der erste Referenzstrahl 126 weist die Frequenz f_R auf und breitet sich zunächst in der Zeichnungsebene aus. Aus dem zweiten Strahlenbündel 14 koppelt der zweite Strahlenteiler 124 ebenfalls einen Anteil als einen zweiten Referenzstrahl 128 aus. Der zweite Referenzstrahl 128 mit der Frequenz f_B verläuft zunächst in einer Ebene oberhalb der Zeichnungsebene. Beide Referenzstrahlen 126, 128 sind p-polarisiert und werden über eine nicht dargestellte optische Anordnung für ein Detektionsmodul (s. 15) bereitgestellt.
In den 14a bis 14c wird das Reflexionsmodul 60 in verschiedenen Ansichten schematisch dargestellt. Die Ansicht in 14a entspricht derjenigen in 13 und zeigt die Reflexion des ersten Messstrahls 84 und des zweiten Messstrahls 86 am Reflexionsmodul 60. Das Reflexionsmodul 60 enthält ein auf einem Träger 72 angeordnetes Littrow-Gitter 74 zur Rückreflexion der vier Messstrahlen 84, 86, 88, 90 jeweils zu dem Umlenkelement 56 bzw. 58 zurück, von dem sie einfallen. Alternativ können auch Prismen oder ein anderes geeignetes Gitter vorgesehen sein. Das Littrow-Gitter 74 ist so konfiguriert, dass eine In-sich-Rückreflexion bei senkrechter Anordnung zur xz-Ebene erfolgt würde. Das Reflexionsmodul 60 ist aber um einen kleinen Winkel aus der Senkrechten um die x-Achse gekippt angeordnet. Auf die xz-Ebene projiziert laufen der reflektierte erste und zweite Messstrahl 84, 86 entlang den einfallenden Messstrahlen zurück. Entsprechendes gilt für den dritten und vierten Messstrahl 88, 90, welche in 14a nicht dargestellt sind und hinter dem ersten und zweiten Messstrahl 84, 86 auf das Reflexionsmodul 60 treffen.
14b zeigt das Reflexionsmodul 60 in einer Seitenansicht. In dieser Ansicht wird deutlich, dass der erste und dritte Messstrahl 84, 88 durch die Kippung des Reflexionsmoduls 60 nicht exakt in sich zurückreflektiert werden. Vielmehr tritt zwischen jedem einfallenden und reflektierten Messstrahl 84, 88 ein Raumwinkel 76 auf. Dieses gilt auch für die in dieser Ansicht nicht dargestellten und hinter dem ersten und dritten Messstrahl 84, 88 verlaufenden zweiten und vierten Messstrahlen 86, 90. Der Raumwinkel 76 beträgt mindestens 0,1° und maximal 2°, insbesondere maximal 1°. Der Strahlengang jedes Messstrahls 84, 86, 88, 90 nach dem Reflexionsmodul 60 weicht somit von dem jeweiligen Strahlengang vor dem Reflexionsmodul 60 ab. Die vier reflektieren Messstrahlen 84, 86, 88, 90 laufen nicht zum ersten Strahlenteiler 92 des Einstrahlmoduls 122 zurück. Wie weiter unten mit Bezug auf 15 bis 17 beschrieben wird, treffen sie stattdessen auf ein Detektionsmodul der Messvorrichtung 120.
14c zeigt das Reflexionsmodul 60 in Aufsicht und veranschaulicht Reflexionsbereiche 130 der vier Messstrahlen 84, 86, 88, 90 am Reflexionsmodul 60. Zum besseren Verständnis ist in jedem Reflexionsbereich 130 die Nummerierung des jeweiligen Messstrahls 84, 86, 88, 90 angeben. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Reflexionsbereiche 130 durch eine entsprechende Konfiguration des Einstrahlmoduls 122 unmittelbar benachbart zueinander in einem Quadrat angeordnet. In alternativen Ausführungen können die Reflexionsorte auch ein Rechteck oder ein anderes geeignetes Viereck aufspannen. Ferner kann ein Abstand zwischen den Reflexionsbereichen 130 so gewählt sein, dass diese nicht mehr direkt nebeneinander liegen. Die Reflexionsbereiche 130 des ersten und vierten Messstrahls 84, 90 und die Reflexionsbereiche 130 des zweiten und dritten Messstrahls 86, 88 sind quer zur x-Achse angeordnet.
15 stellt ein Detektionsmodul 140 der Messvorrichtung 120 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zusammen mit dem Reflexionsmodul 60 schematisch dar. Das Detektionsmodul 140 kann zusammen mit dem Einstrahlmodul 122 als ein Sensorkopf ausgebildet sein und enthält sechs Detektoren 108, 110, 142, 144, 146, 148. Das Detektionsmodul 140 ist so aufgebaut und konfiguriert, dass an zwei Detektoren 108, 110 eine Überlagerung eines vom Reflexionsmodul 60 reflektierten Messstrahls 84, 86 der Frequenz f_R mit einem Messstrahl 88, 90 der Frequenz f_B stattfindet. An den anderen vier anderen Detektoren 142, 144, 146, 148 wird jeweils eine Überlagerung eines vom Reflexionsmodul 60 reflektierten Messstrahls 84, 86, 88, 90 mit einem Referenzstrahl 126, 128 anderer Frequenz erfasst. Mit dem Detektionsmodul 140 lassen sich auf diese Weise zwei Freiheitsgrade einer Verschiebung und drei Freiheitsgrade einer Rotation, also insgesamt fünf Freiheitsgrade des Messobjekts gleichzeitig bestimmen. Dieses wird im Folgenden näher beschrieben.
Entsprechend zum in den 7 bis 10 veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiel erfasst ein erster Detektor 108 eine Überlagerung des reflektierten ersten Messstrahls 84 mit dem reflektierten vierten Messstrahl 90 und ein zweiter Detektor 110 eine Überlagerung des reflektierten zweiten Messstrahls 86 mit dem reflektierten dritten Messstrahl 88. Mittels dieser Überlagerungen lässt sich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel jeweils eine Verschiebung in x-Richtung und eine Rotation um die x-Achse bestimmen.
Im Folgenden wird wiederum der erste Messstrahl 84 mit der niedrigeren Frequenz f_R auch als „roter” Messstrahl 84 und der vierte Messstrahl 90 mit der höheren Frequenz f_B als „blauer” Messstrahl 90 bezeichnet. Das elektrische Feld des roten und des blauen Messstrahls 84, 90 am ersten Detektor 108 kann beschrieben werden als
Die Indizes b und r bezeichnen jeweils Größen des roten bzw. blauen Messstrahl 84, 90 und „+” und „–” geben an, ob der Messstrahl in der negativen ersten Ordnung oder der positiven ersten Ordnung des Gitters 74 am Reflexionsmodul 60 reflektiert wird. Weiterhin ist k = 2πN/λ, λ die Wellenlänge, l_b_ und l_r+ die jeweiligen Weglängen, und Θ_G die bereits weiter oben beschriebene, durch das Gitter 74 erzeugte Phase. Der rote und der blaue Messstrahl 84, 90 erzeugen beim ersten Detektor 108 eine Interferenz, dessen vom Detektor 108 erfasste Intensität I_PD1 und Phase φ_PD1 beschrieben werden kann als
In entsprechender Weise lassen sich die am zweiten Detektor 110 erfassten elektrischen Felder sowie die Intensität I_PD2 und die Phase φ_PD2 der Überlagerung des zweiten und dritten Messstrahls 86, 88 beschreiben:
Hieraus wird ersichtlich, dass die Phasen bei beiden Detektoren 108, 110 sowohl von einer x-Verschiebung des Gitters 74 als auch von einer optischen Weglängendifferenz zwischen den überlagerten Messstrahlen 84, 86, 88, 90 abhängt. Durch eine Subtraktion der beiden gemessenen Phasen der Schwebung von einander mittels eines Auswertemoduls 69 lässt sich die Abhängigkeit von der Weglängendifferenz eliminieren: φ₁ = φ_PD2 – φ_PD1 = 4π / λ(l_b+ – l_r–) + 4πΔx / d – 4π / λ(l_b– – l_r+) + 4πΔx / d = 4π / λ(l_b – l_r) + 8πΔx / d – 4π / λ(l_b – l_r) = 8πΔx / d
Zusätzlich wird eine gegenüber der herkömmlichen heterodynen Messvorrichtung 440 doppelt so große Auflösung bezüglich der Verschiebung in x-Richtung erzielt.
Durch eine Addition der beiden gemessenen Phasen lässt sich andererseits die Abhängigkeit von der Verschiebung des Gitters 74 in x-Richtung beseitigen. Der resultierende Phasenwert φ₂ ist nur von der Weglängendifferenz abhängig: φ₂ = φ_PD2 + φ_PD1 = 4π / λ(l_b+ – l_r–) + 4πΔx / d + 4π / λ(l_b– – l_r+) – 4πΔx / d = 4π / λ(l_b – l_r) + 4π / λ(l_b – l_r) = 8π / λ(l_b – l_r) = 8π / λΔl
Die Weglängendifferenz Δl ist der Unterschied zwischen der Weglänge l_b der blauen Messstrahlen 88, 90 und der Weglänge l_r der roten Messstrahlen 84, 86. Eine Änderung dieser Differenz tritt insbesondere durch eine Rotation des Reflexionsmoduls um die x-Achse auf. Mittels einer Subtraktion des Mittelwerts φ₂/2 von φ_PD1 und von φ_PD2 lässt sich zudem aus einer Differenz der sich ergebenden Werte eine Rotation um die z-Achse bestimmen.
Ein dritter Detektor 142 erfasst eine Überlagerung des reflektierten zweiten Messstrahls 86 mit dem zweiten Referenzstrahl 128, während ein vierter Detektor 144 eine Überlagerung des reflektierten ersten Messstrahls 84 mit dem zweiten Referenzstrahl 128 detektiert. Schließlich erfasst ein fünfter Detektor 146 eine Überlagerung des reflektierten vierten Messstrahls 90 mit dem ersten Referenzstrahl 126 und ein sechster Detektor 148 eine Überlagerung des reflektierten dritten Messstrahls 88 mit dem ersten Referenzstrahl 126. Aus diesen erfassten Überlagerungen lässt sich jeweils eine Weglängenänderung der Messstrahlen 84, 86, 88, 90 und somit eine Verschiebung des jeweiligen Reflexionsbereichs 130 auf dem Reflexionsmodul 60 in Richtung der z-Achse bestimmen. Mit dem entsprechend ausgebildeten Auswertemodul 69 lässt sich durch einen Vergleich dieser Werte neben einer Verschiebung in z-Richtung auch eine Rotation um die x-Achse und die y-Achse ermitteln.
Die elektrischen Felder, die Interferenz und die Phase am dritten Detektor 142 lassen sich beschreiben als:
Die Phase der Schwebung φ_PD3 hängt wiederum von einer Verschiebung des Gitters 74 in x-Richtung Δx und der Weglänge l_r+ des ersten Messstrahls 84 ab. Die Verschiebung des Gitters lässt sich durch Addition eines Viertel von φ₁ zu φ_PD3 mittels des Auswertemoduls eliminieren.
Hieraus folgt, dass die Messung einer Verschiebung in Richtung der z-Achse mit einer 8-fach höheren Auflösung als bei einer herkömmlichen Messvorrichtung 440 nach 2 erfolgt. Die elektrischen Felder, Interferenzen und Phasen beim vierten, fünften und sechsten Detektor 144, 146, 148 lassen sich analog angeben.
Aus den Gleichungen geht hervor, dass die Auflösung durch Addieren oder Subtrahieren der gemessenen Phaseninformation der einzelnen Detektoren gegenüber der herkömmlichen Messvorrichtung 440 für eine Verschiebung in Richtung der x-Achse 2-fach und für Verschiebung in z-Richtung 8-fach größer ist. Der wesentliche Vorteil dieser Messvorrichtung ist die gleichzeitige Messbarkeit von maximal fünf Freiheitsgraden mit einem Detektionsmodul 140. Auch werden periodische Nichtlinearitäten und somit Messfehler effektiv reduziert.
Das Detektionsmodul 140 umfasst für die oben beschriebenen Überlagerungen von Messstrahlen 84, 86, 88, 90 und Referenzstrahlen 126, 128 an den Detektoren einen ersten Strahlenteiler 150 zum Aufteilen des zweiten und vierten Messstrahls 86, 90. Ein Anteil des reflektierten zweiten und des reflektierten vierten Messstrahls 86, 90 passiert den ersten Strahlenteiler 150 vom zweiten Umlenkelement 58 kommend ohne Ablenkung für eine Erfassung am ersten und zweiten Detektor 108, 110. Ein anderer Anteil des zweiten und des vierten Messstrahls 86, 90 wird für eine Überlagerung mit einem Referenzstrahl 126, 128 am dritten und fünften Detektor 142, 146 abgelenkt. Entsprechend wird mit einem zweiten Strahlenteiler 152 des Detektionsmoduls 140 der reflektierte und vom ersten Umlenkelement 56 kommende erste und dritte Messstrahl 84, 86 für eine Erfassung am ersten und zweiten Detektor 108, 110 und eine Überlagerung mit Referenzstrahlen 126, 128 am vierten und sechsten Detektor 144, 148 aufgeteilt.
Weiterhin umfasst das Detektionsmodul 140 einen ersten polarisierenden Strahlenteiler 102, eine verspiegelte λ/4-Platte 106 und einen ersten Retroreflektor 104 zum Überlagern des ersten und vierten Messstrahls 84, 90 am ersten Detektor 108 und des zweiten und dritten Messstrahls 86, 88 am zweiten Detektor 110. Dazu wird unter anderem der vierte Messstrahl 90 am ersten Retroreflektor 104 in die Ausbreitungsebene des ersten Messstrahls 84 reflektiert. Ebenso erfolgt durch den ersten Retroreflektor 104 eine Umlenkung des zweiten Messstrahls 86 in die Ausbreitungsebene des dritten Messstrahls 88.
Die Strahlengänge der Messstrahlen 84, 86, 88, 90 zum ersten und zweiten Detektor 108, 110 sowie die Funktion und Anordnung der dazu verwendeten Komponenten entsprechen denen der Messvorrichtung 80 des zweiten Ausführungsbeispiels. Es wird daher insbesondere auf die weiter oben ausgeführte Beschreibung der Strahlengänge bei der Messvorrichtung 80 mit Bezug auf 9 und 10 verwiesen.
Zur Überlagerung des zweiten Messstrahls 86 mit dem zweiten Referenzstrahl 128 am dritten Detektor 142 und des vierten Messstrahls 90 mit dem ersten Referenzstrahl 126 am fünften Detektor 146 enthält das Detektionsmodul 140 einen zweiten polarisierenden Strahlenteiler 154, eine erste λ/4-Platte 156 und einen zweiten Retroreflektor 158. Mit Hilfe des zweiten Retroreflektors 158 erfolgt insbesondere eine Umlenkung des zweiten Messstrahls 86 in die Ausbreitungsebene des zweiten Referenzstrahls 128 und des vierten Messstrahls 90 in die Ausbreitungsebene des ersten Referenzstrahls 126.
Weiterhin enthält das Detektionsmodul 140 einen dritten polarisierenden Strahlenteiler 160, eine zweite λ/4-Platte 162 und einen dritten Retroreflektor 164 zum Überlagern des ersten Messstrahls 84 mit dem zweiten Referenzstrahl 128 beim vierten Detektor 144 und des dritten Messstrahls 88 mit dem ersten Referenzstrahl 126 beim sechsten Detektor 148. Der dritte Retroreflektor 164 reflektiert den ersten Messstrahl 84 unter anderem in die Ausbreitungsebene des zweiten Referenzstrahls 128 und den dritten Messstrahl 88 in die Ausbreitungsebene des ersten Referenzstrahls 126. Die Strahlengänge der Messstrahlen 84, 86, 88, 90 und der Referenzstrahlen 126, 128 zum dritten bis sechsten Detektor 142, 144, 146, 148 in dem Detektionsmodul 140 werden weiter unten mit Bezug auf 16 und 17 näher beschrieben.
An den Detektoren 108, 110, 142, 144, 146, 148 entsteht durch die Überlagerung von Messstrahlen 84, 86, 88, 90 und Referenzstrahlen 126, 128 unterschiedlicher Frequenz eine Schwebung. Die Phase dieser Schwebung ist, wie oben beschrieben, sehr empfindlich von einem Weglängenunterschied zwischen den sich überlagernden Messstrahlen und Referenzstrahlen sowie von einer Verschiebung des Gitters 74 abhängig. Die Detektoren 108, 110, 142, 144, 146, 148 sind vorzugsweise zum elektronischen Erfassen einer Schwebung bzw. der dabei auftretenden Intensitätsschwankungen ausgebildet und umfassen beispielsweise jeweils einen Photodetektor.
In 16 wird das Detektionsmodul 140 gemäß 15 zum besseren Verständnis lediglich mit Strahlengängen für den dritten und vierten Detektor 142, 144 schematisch dargestellt. Ein Anteil des vom zweiten Umlenkelement 58 kommenden und eine p-Polarisation aufweisenden zweiten Messstrahls 86 wird von dem ersten Strahlenteiler 150 in Richtung des zweiten polarisierenden Strahlenteilers 154 reflektiert. Auf Grund der p-Polarisation passiert der zweite Messstrahl 86 den zweiten polarisierenden Strahlenteiler 154 und die dahinter angeordnete erste λ/4-Platte 156 ohne Richtungsänderung. Anschließend wird der zweite Messstrahl 86 von dem zweiten Retroreflektor 158 zum zweiten polarisierenden Strahlenteiler 154 zurückreflektiert und dabei in die Ausbreitungsebene des zweiten Referenzstrahls 128 transferiert. Diese wird durch den nun als gestrichelte Linie dargestellten zweiten Messstrahl 86 verdeutlicht. Nach erneutem Durchlaufen der ersten λ/4-Platte 156 weist der zweite Messstrahl 86 eine s-Polarisation auf und wird vom zweiten polarisierenden Strahlenteiler 154 in Richtung des dritten Detektors 142 reflektiert. Der zweite Referenzstrahl 128 ist vom Einstrahlmodul 122 kommend im Zustand der p-Polarisation und durchquert den zweiten polarisierenden Strahlenteiler 154 ohne Ablenkung in Richtung des dritten Detektors 142. Am dritten Detektor 142 überlagert sich der zweite Referenzstrahl 128 mit dem zweiten Messstrahl 86.
Entsprechend wird der erste Messstrahl 84 mit dem zweiten Referenzstrahl 128 überlagert. Ein Anteil des vom ersten Umlenkelement 56 kommenden und eine p-Polarisation aufweisenden ersten Messstrahls 84 wird von dem zweiten Strahlenteiler 152 in Richtung des dritten polarisierenden Strahlenteilers 160 reflektiert. Der erste Messstrahl 84 passiert den dritten polarisierenden Strahlenteiler 160 und die dahinter angeordnete zweite λ/4-Platte 162 ohne Richtungsänderung und wird vom dritten Retroreflektor 164 zum dritten polarisierenden Strahlenteiler 160 zurück und in die Ausbreitungsebene des zweiten Referenzstrahls 128 reflektiert. Dieser Umstand wird durch den nun als gestrichelte Linie dargestellten ersten Messstrahl 84 veranschaulicht. Nach erneutem Durchlaufen der zweiten λ/4-Platte 162 weist der erste Messstrahl 84 eine s-Polarisation auf und wird von dem dritten Strahlenteiler 160 in Richtung des vierten Detektors 144 reflektiert. Der zweite Referenzstrahl 128 durchläuft von dem Einstrahlmodul 122 kommend den dritten polarisierenden Strahlenteiler 160 ohne Ablenkung in Richtung des vierten Detektors 144, da er p-polarisiert ist. Am vierten Detektor 144 überlagert sich der zweite Referenzstrahl 128 mit dem ersten Messstrahl 84.
17 stellt das Detektionsmodul 140 gemäß 15 schematisch mit Strahlengängen für den fünften und sechsten Detektor 146, 148 dar. Der vom zweiten Umlenkelement 58 kommende vierte Messstrahl 90 tritt zunächst in den ersten Strahlenteiler 150 ein. Ein Anteil des vierten Messstrahls 90 wird von dem ersten Strahlenteiler 150 in Richtung des zweiten polarisierenden Strahlenteilers 154 reflektiert. Der vierte Messstrahl 90 ist p-polarisiert und durchläuft den zweiten polarisierenden Strahlenteiler 154 ohne Umlenkung. Anschließend passiert der vierte Messstrahl 90 die erste λ/4-Platte 156, um schließlich auf den zweiten Retroreflektor 158 zu treffen. Von dem zweiten Retroreflektor 158 wird der vierte Messstrahl 90 zum zweiten polarisierenden Strahlenteiler 154 zurück und in die Ausbreitungsebene des ersten Referenzstrahls 126 reflektiert. Die Darstellung als durchgezogene Linie verdeutlicht diesen Umstand. Nach erneutem Durchqueren der ersten λ/4-Platte 156 weist der vierte Messstrahl 90 eine s-Polarisation auf und wird von dem zweiten polarisierenden Strahlenteiler 154 in Richtung des fünften Detektors 146 reflektiert. Der vom Einstrahlmodul 122 bereitgestellte erste Referenzstrahl 126 weist einen Zustand der p-Polarisation auf und passiert den zweiten polarisierenden Strahlenteiler 154 ohne Ablenkung in Richtung des fünften Detektors 146. Am fünften Detektor 146 überlagert sich der erste Referenzstrahl 126 mit dem vierten Messstrahl 90.
Analog erfolgt eine Überlagerung des dritten Messstrahls 88 mit dem ersten Referenzstrahl 126 < m sechsten Detektor 148. Der vom ersten Umlenkelement 56 kommende dritte Messstrahl 88 befindet sich im Zustand der p-Polarisation. Am zweiten Strahlenteiler 152 wird ein Anteil des dritten Messstrahls 88 in Richtung des dritten polarisierenden Strahlenteiler 160 reflektiert und passiert diesen ohne Richtungsänderung. Anschließend durchläuft der dritte Messstrahl 88 die zweite λ/4-Platte 162 und wird vom dritten Retroreflektor 164 zum dritten Strahlenteiler 160 zurück und in die Ausbreitungsebene des ersten Referenzstrahls 126 reflektiert. Der dritte Messstrahl 88 wird nunmehr als durchgezogene Linie dargestellt. Nach erneutem Durchqueren der zweiten λ/4-Platte 162 weist der dritte Messstrahl 88 eine s-Polarisation auf und wird von dem dritten polarisierenden Strahlenteiler 160 in Richtung des sechsten Detektors 148 reflektiert. Der vom Einstrahlmodul 122 bereitgestellte erste Referenzstrahl 126 weist eine p-Polarisation auf und passiert den dritten polarisierenden Strahlenteiler 160 ohne Ablenkung in Richtung des sechsten Detektors 148. Am sechsten Detektor 148 überlagert sich der erste Referenzstrahl 126 mit dem dritten Messstrahl 88.
18 zeigt in einem Diagramm die Auflösung des niederwertigsten Bits (LSB) für die x-Achsen-Verschiebung als Funktion der numerischen Apertur der Messvorrichtung 120. Zusammen mit der verwendeten Wellenlänge gibt die numerische Apertur den Gitterabstand und somit die erreichbare Auflösung vor. Die LSB-Auflösung als Funktion der numerischen Apertur lässt sich aus den oben dargestellten Gleichungen bestimmen und wird in 18 für drei verschiedene Analog-Digital-Wandler dargestellt. Von oben nach unten weist der jeweils verwendete A/D-Wandler eine Umwandlung von analogen Werten in digitale Werte mit 16, 18 oder 20 Bits auf. Mittels einer Addition oder Subtraktion von erfassten Phaseninformationen verschiedener Detektoren lässt sich gegenüber der herkömmlichen Messvorrichtung 440 eine doppelt so große Auflösung bezüglich einer Verschiebung in x-Richtung erzielen. Ferner wird durch die räumlich getrennten Strahlengänge für die Messstrahlen 84, 86, 88, 90 eine deutliche Reduzierung von periodischen Nichtlinearitäten und somit von Messfehlern erreicht.
19 stellt in einem Diagramm die Winkelauflösung der Messvorrichtung 140 als Funktion des Abstands zwischen einem roten Messstrahl 84, 86 und einem mit diesem überlagerten blauen Messstrahl 86, 90 am Reflexionsmodul 60 dar. Aus den oben dargestellten Zusammenhängen kann eine Auflösung des niederwertigsten Bits (LSB) für eine Verschiebung in Richtung der z-Achse bestimmt werden. Die Auflösung in z-Richtung ist gegenüber der herkömmlichen Messvorrichtung 440 um einen Faktor 8 größer. Für einen A/D-Wandler mit 16, 18 oder 20 Bit beträgt diese LSB-Auflösung jeweils 2,4 pm, 0,6 pm und 0,2 pm. Mit der linearen Auflösung für Verschiebungen in Richtung der z-Achse lässt sich die in 19 für verschiedene A/D-Wandler dargestellte Winkelauflösung des niederwertigsten Bits bei einer Rotation des Messobjekts in Abhängigkeit vom Strahlabstand beim Reflexionsmodul 60 ermitteln. Von oben nach unten weist der jeweils verwendete A/D-Wandler eine Umwandlung in digitale Werte mit 16, 18 oder 20 Bits auf.
In 20 wird in starker Vereinfachung eine Projektionsbelichtungsanlage 300 für die Mikrolithograhie im EUV-Wellenlängenbereich dargestellt. Ein nicht dargestelltes Beleuchtungssystem der Projektionsbelichtungsanlage 300 stellt eine EUV-Strahlung 302 mit einer Wellenlänge von kleiner als 100 nm, insbesondere einer Wellenlänge von etwa 13,5 nm oder etwa 6,8 nm bereit. Die EUV-Strahlung 302 beleuchtet Maskenstrukturen eines in Reflexion betrieben Retikels 304. Die vom Retikel 304 reflektierte EUV-Strahlung 302 durchläuft ein Projektionsobjektiv 306 der Projektionsbelichtungsanlage 300 und triff anschließend auf einen Wafer 308. Dabei bildet das Projektionsobjektiv 306 die Maskenstrukturen des Retikels 304 zur Belichtung einer fotosensitiven Schicht auf den Wafer 308 ab. Für diesen Zweck enthält das Projektionsobjektiv 306 mehrere Spiegel, von denen in 14 ein erster Spiegel 310 und ein zweiter Spiegel 312 dargestellt werden.
Weiterhin enthält die Projektionsbelichtungsanlage 300 eine Messvorrichtung 314, welche einer der Messvorrichtung in einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele entspricht. Mit der Messvorrichtung 314 wird beispielhaft eine Positionsänderung des ersten Spiegels 310 in fünf Freiheitsgraden hochgenau erfasst. Die Messvorrichtung 314 enthält einen Sensorkopf 316 mit einem Einstrahlmodul zum Bereitstellen von Messstrahlen 318 und einem Detektionsmodul. Umlenkelemente 320 des Einstrahlmoduls sind außerhalb des Sensorkopfs 316 angeordnet. Ferner umfasst die Messvorrichtung 314 ein an dem ersten Spiegel 310 angeordnetes Reflexionsmodul 60.
Mit einer solchen in die Projektionsbelichtungsanlage 300 beziehungsweise das Projektionsobjektiv 306 integrierten Messvorrichtung 314 lässt sich insbesondere während des Betriebs eine Überwachung der Position des ersten Spiegel 310 durchführen und eine Positionsänderung in fünf Freiheitsgraden gleichzeitig sehr genau bestimmen. Die beschriebenen Messvorrichtungen 40, 80, 120 eignen sich auch bei einer Vielzahl anderer optischer oder mechanischer Systeme, wie beispielsweise Maschinenwerkzeugen oder Koordinatenmessgeräten, zur schnellen und sehr präzisen Bestimmung einer Position oder Positionsänderung.
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen, insoweit sie in den Rahmen der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen fallen, sowie Äquivalente vom Schutz der Ansprüche abgedeckt sein.
Bezugszeichenliste

10: Bereitstellungsmodul
12: erstes Strahlenbündel mit erster Frequenz
14: zweites Strahlenbündel mit zweiter Frequenz
16: Strahlenquelle
18: Strahlenteiler
20: erster akusto-optischer Modulator
22: zweiter akusto-optischer Modulator
24: erstes Eingangselement
26: erstes optisches Faserelement
28: zweites Eingangselement
30: zweites optisches Faserelement
32: Strahl
40: Messvorrichtung
42: erster Messstrahl mit erster Frequenz
44: zweiter Messstrahl mit zweiter Frequenz
46: erstes Ausgangselement
48: zweites Ausgangselement
50: polarisierender Strahlenteiler
52: erste λ/4-Platte
54: zweite λ/4-Platte
55: Messobjekt
56, 58: erstes, zweites Umlenkelement
60: Reflexionsmodul
62: zweiter Strahlenteiler
64: Detektor
65: Einstrahlmodul
66: Seitenansicht zweiter Strahlenteiler
67: Detektionsmodul
68: Raumwinkel
69: Auswertemodul
70: optische Achse
72: Träger
74: Gitter
76: Raumwinkel
80: Messvorrichtung
82: Einstrahlmodul
84, 86: erster, zweiter Messstrahl mit erster Frequenz
88, 90: dritter, vierter Messstrahl mit zweiter Frequenz
92: Strahlenteiler
100: Detektionsmodul
102: polarisierender Strahlenteiler
104: Retroreflektor
106: verspiegelte λ/4-Platte
108, 110: erster, zweiter Detektor
120: Messvorrichtung
122: Einstrahlmodul
124: zweiter Strahlenteiler
126: erster Referenzstrahl mit erster Frequenz
128: zweiter Referenzstrahl mit zweiter Frequenz
130: Reflexionsbereiche
140: Detektionsmodul
142, 144: dritter, vierter Detektor
146, 148: fünfter, sechster Detektor
150, 152: erster, zweiter Strahlenteiler
154: zweiter polarisierender Strahlenteiler
156: erste λ/4-Platte
158: zweiter Retroreflektor
160: dritter polarisierender Strahlenteiler
162: zweite λ/4-Platte
164: dritter Retroreflektor
300: Projektionsbelichtungsanlage
302: EUV-Strahlung
304: Retikel
306: Projektionsobjektiv
308: Wafer
310, 312: erster, zweiter Spiegel
314: Messvorrichtung
316: Sensorkopf
318: Messstrahlen
320: Umlenkelemente
410: Bereitstellungsvorrichtung Strahlenbündel
412: erstes Strahlenbündel mit erster Frequenz
414: zweites Strahlenbündel mit zweiter Frequenz
416: Strahlenquelle
418: Strahl
420: erster Strahlenteiler
422: erster akusto-optischer Modulator
424: Reflexionselement
426: zweiter akusto-optischer Modulator
428: zweiter Strahlenteiler
430: Eingangselement
432: Faserelement
434: Referenzdetektor
436: zweites Reflexionselement
440: herkömmliche Messvorrichtung
442: erster Messstrahl mit erster Frequenz
444: zweiter Messstrahl mit zweiter Frequenz
446: Ausgangselement
448: polarisierender Strahlenteiler
450: erste λ/4-Platte
452: erstes Umlenkelement
454: Reflexionselement
455: Messobjekt
456: Detektor
458: zweite λ/4-Platte
460: zweites Umlenkelement

Claims

Messvorrichtung (40; 80; 120) zur interferometrischen Messung einer Positionsveränderung eines Messobjekts (55; 310) mit: –einem Einstrahlmodul (65; 82; 122), welches dazu konfiguriert ist, zwei Messstrahlen (42, 44; 84, 86, 88, 90) unterschiedlicher optischer Frequenz derart auf das Messobjekt einzustrahlen, dass die eingestrahlten Messstrahlen unterschiedliche Richtungen aufweisen sowie in unterschiedlichen Ebenen verlaufen, – einem Reflexionsmodul (60) zur Anordnung am Messobjekt, welches dazu konfiguriert ist, die zwei Messstrahlen in das Einstrahlmodul zurück zu reflektieren, – einem Detektionsmodul (67; 100; 140), welches dazu konfiguriert ist, die zwei Messstrahlen nach zumindest teilweisem Durchlaufen des Einstrahlmoduls zur Ausbildung eines Überlagerungsmusters zu überlagern, sowie – einem Auswertemodul (69), welches dazu konfiguriert ist, durch Auswertung des Überlagerungsmusters eine Positionsveränderung des Messobjekts (55; 310) in zumindest einer Raumrichtung zu bestimmen.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, welche ein Bereitstellungsmodul (10) zum räumlich getrennten Bereitstellen zweier Strahlenbündel (12; 14) mit unterschiedlicher Frequenz für das Einstrahlmodul (65; 82; 122) umfasst.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Strahlengänge der zwei Messstrahlen (42, 44; 84, 90) an unterschiedlichen Reflexionsbereichen (130) auf das Reflexionsmodul (60) auftreffen, wobei die Reflexionsbereiche (130) quer zu einer Kippachse des Messobjekts (55) zueinander versetzt sind.
Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der das Einstrahlmodul (82; 122) dazu konfiguriert ist, weitere zwei Messstrahlen (86, 88) unterschiedlicher optischer Frequenz in Strahlengängen auf das Reflexionsmodul (60) einzustrahlen, welche sich bei dem Reflexionsmodul (60) voneinander sowie von den Strahlengängen der ersten zwei Messstrahlen (84, 90) unterscheiden, und das Detektionsmodul (100, 140) dazu konfiguriert ist, die weiteren zwei Messstrahlen (86, 88) nach einer Reflexion am Reflexionsmodul (60) zur Ausbildung eines Überlagerungsmusters zu überlagern, welches von dem durch die Überlagerung der ersten zwei Messstrahlen (84, 90) gebildeten Überlagerungsmuster örtlich getrennt ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Einstrahlmodul (82; 122) dazu konfiguriert ist, zwei Messstrahlen (84, 86) einer ersten optischen Frequenz mit unterschiedlichen Strahlengängen in einer ersten Ebene und zwei Messstrahlen (88, 90) einer zweiten Frequenz mit unterschiedlichen Strahlengängen in einer zweiten, zur ersten Ebene parallelen Ebene auf das Reflexionsmodul (60) einzustrahlen.
Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Einstrahlmodul (65; 82; 122) so konfiguriert ist, dass die Reflexionsbereiche (130) der Messstrahlen (42, 44; 84, 86, 88, 90) auf dem Reflexionsmodul (60) symmetrisch zu einer optischen Achse (70) der Messvorrichtung (40; 80; 120) angeordnet sind.
Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Einstrahlrichtungen von mindestens zwei Messstrahlen (42, 44; 84, 86, 88, 90) in Bezug auf eine optische Achse (70) der Messvorrichtung (40, 80, 120) zueinander symmetrisch ausgerichtet sind.
Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei welcher der für den jeweiligen Messstrahl (42, 44, 84, 86, 88, 90) vor der Reflexion am Reflexionsmodul (60) liegende Strahlengang von dem nach der Reflexion am Reflexionsmodul (60) liegenden Strahlengang abweicht.
Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Messstrahlen (84, 86, 88, 90) polarisierte Strahlung mit gleichem Polarisationszustand umfassen.
Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Einstrahlmodul (122) dazu konfiguriert ist, einen Anteil mindestens eines Messstrahls (84, 86, 88, 90) als Referenzstrahl (126, 128) ohne Einstrahlung auf das Reflexionsmodul (60) für das Detektionsmodul (140) bereitzustellen, und das Detektionsmodul (140) dazu konfiguriert ist, den Referenzstrahl (126, 128) mit mindestens einem vom Reflexionsmodul (60) reflektierten Messstrahl (84, 86, 88, 90) anderer optischer Frequenz zu überlagern.
Messvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Einstrahlmodul (122) dazu konfiguriert ist, zwei Referenzstrahlen (126, 128) mit unterschiedlicher optischer Frequenz in räumlich getrennten, parallelen Strahlengängen für das Detektionsmodul (140) bereitzustellen, und das Detektionsmodul (140) dazu konfiguriert ist, jeden Referenzstrahl (126, 128) mit mindestens einem vom Reflexionsmodul (60) reflektierten Messstrahl (84, 86, 88, 90) anderer optischer Frequenz zu überlagern.
Projektionsbelichtungsanlage (300) für die Mikrolithographie mit einem Projektionsobjektiv (306) zum Abbilden von Maskenstrukturen eines Retikels (304) auf einen Wafer (308) sowie einer Messvorrichtung (40; 80; 120) nach einem der vorausgehenden Ansprüche zur Überwachung der Position mindestens eines optischen Elements (310, 312) der Projektionsbelichtungsanlage (300).
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 11, welche zur Belichtung im EUV-Wellenlängenbereich konfiguriert ist.
Verfahren zum interferometrischen Messen einer Positionsveränderung eines Messobjekts (55; 310) mit den Schritten: – Einstrahlen von zwei Messstrahlen (42, 44; 84, 86, 66, 90) unterschiedlicher optischer Frequenz auf das Messobjekt mittels eines Einstrahlmoduls (65; 82; 122), wobei die eingestrahlten Messstrahlen unterschiedliche Einstrahlrichtungen aufweisen und in unterschiedlichen Ebenen verlaufen, – Reflektieren der Messstrahlen mittels eines am Messobjekt angeordneten Reflexionsmoduls (60) in das Einstrahlmodul zurück, – Überlagern der zwei reflektierten Messstrahlen nach zumindest teilweise Durchlaufen des Einstrahlmoduls zur Ausbildung eines Überlagerungsmusters an einem Detektor, – Auswerten des vom Detektor erfassten Überlagerungsmusters zur Bestimmung einer Positionsveränderung des Messobjekts in zumindest einer Raumrichtung.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Einstrahlen von zwei weiteren Messstrahlen (84, 90) unterschiedlicher optischer Frequenz auf das Reflexionsmodul in Strahlengängen erfolgt, welche sich voneinander sowie von den Strahlengängen der ersten zwei Messstrahlen (86, 88) unterscheiden, und ein Überlagern der zwei weiteren Messstrahlen nach einer Reflexion am Reflexionsmodul örtlich getrennt von der Überlagerung der ersten zwei Messstrahlen erfolgt.