DE69725859T2

DE69725859T2 - Messen von Effekten des Brechungsindex eines Gases mit unterschiedlicher Vielfach - Interferometrie ( superheterodyn )

Info

Publication number: DE69725859T2
Application number: DE69725859T
Authority: DE
Inventors: Allen Henry HILL; Peter De Groot
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-08-15
Also published as: KR100328007B1; JP3273501B2; US5764362A; JPH1090175A; DE69725859D1; KR20000067977A; DE19727404A1

Description

Querverweis auf eine verwandte Anmeldung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gegenstand jener Gattung, wie sie in der laufenden Patentanmeldung von P. de Groot und H. A. Hill beschrieben ist, deren Titel lautet: "Superheterodyne interferometer and method for compensating the refractive Index of air using electronic frequency multiplication". Diese Anmeldung wurde am 17.11.1998 als US-A-5 838 485 veröffentlicht.
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Instrumente zur Messung des Abstands und des Brechungsindex. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine interferometrische Abstandsmessung unabhängig von Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases im Meßpfad.
Hintergrund und Stand der Technik
Ein häufig in der Metrologie anzutreffendes Problem ist die Messung des Brechungsindex einer Luftsäule. Es gibt die verschiedensten Techniken zur Messung des Brechungsindex unter genau kontrollierten Umständen, wenn beispielsweise die Luftsäule in einer Probenzelle angeordnet und im Hinblick auf Temperatur, Druck und physikalische Abmessung überwacht wird. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf den Artikel "An air refractometer for interference length metrology" von J. Terrien in: Metrologia 1(3), 80–83 (1965), verwiesen.
Vielleicht die schwierigste Messung, die sich auf den Brechungsindex von Luft bezieht, ist die Messung von Indexfluktuationen über einem Meßpfad unbekannter oder variabler Länge, wo Temperatur und Druck nicht gesteuert sind. Derartige Umstände treten häufig in geophysikalischen und meteorologischen Überwachungsvorrichtungen auf, wo die Atmosphäre offensichtlich unkontrolliert ist und der Brechungsindex sich dramatisch infolge von Änderungen der Luftdichte und Luftzusammensetzung verändern kann. Dieses Problem ist in dem folgenden Artikel diskutiert: "Effects of the atmospheric phase fluctuation on longdistance measurement" von H. Matsumoto und K. Tsukahara in: Appl. Opt. 23(19), 3388–3394 (1984), sowie in dem Artikel "Optical path length fluctuation in the atmosphere" von G. N. Gibson et al. in: Appl. Opt. 23(23), 4383–4389 (1984).
Ein weiteres Beispiel ist die hochpräzise Abstandsmessungs-Interferometrie, wie diese für mikrolithographische Herstellung integrierter Schaltungen benutzt wird. In diesem Zusammenhang wird auf den folgenden Artikel Bezug genommen: "Residual errors in laser interferometry from air turbulence and non-linearity" von N. Bobroff in: Appl. Opt. 26(13), 2676–2682 (1987), sowie auf den Artikel "Recent advances in displacement measuring interferometry", von N. Bobroff in: Measurement science & tech. 4(9), 907–926 (1993). Im typischen Fall liegt die Korrektur für Indexfluktuationen in der Größenordnung von 0,1 ppm (parts per million) und muß eine Genauigkeit von 0,005 ppm haben. Diese hohen Präzisionserfordernisse benötigen frequenzstabilisierte Laserquellen und eine hochauflösende Phasendetektion.
Es gibt häufig Referenzen im Stande der Technik im Hinblick auf heterodyne Verfahren der Phasenabschätzung, bei denen die Phase sich zeitlich auf nicht kontrollierbare Weise ändert. Beispielsweise sendet bei einem bekannten Überlagerungs-Entfernungsmeß-Interferometer die Quelle zwei orthogonal polarisierte Strahlen aus, die etwas unterschiedliche optische Frequenzen (beispielsweise 2 MHz) aufweisen. Der interferometrische Empfänger besteht in diesem Fall aus einem linearen Polarisator und einem Photodetektor, um das sich zeitlich ändernde Interferenzsignal zu messen. Das Signal schwingt mit der Schwebungsfrequenz, und die Phase des Signals entspricht der relativen Phasendifferenz. Ein weiteres repräsentatives Beispiel des Standes der Technik bei der Überlagerungs-Distanzmeß-Interferometrie findet sich in der US-A-4 688 940. Diese bekannten Ausbildungen der interferometrischen Metrologie sind beschränkt auf Fluktuationen im Brechungsindex und in sich ungeeignet für die nächste Generation mikrolithographischer Instrumente.
Eine weitere bekannte Form eines Interferometers zur Abstandsmessung ist in der US-A-4 005 936 beschrieben. Das Verfahren besteht darin, Laserstrahlen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen zu benutzen, von denen jeder in zwei Teile aufgespalten wird. In den einen Teil der jeweiligen Strahlen wird eine Frequenzverschiebung eingeführt. Ein Teil eines jeden Strahls wird von einem Gegenstand reflektiert und mit dem anderen Teil auf einem Photodetektor wieder kombiniert, um ein Interferenzsignal zu erzeugen. Aus dem Interferenzsignal des Detektors wird eine Differenzfrequenz abgeleitet, deren Phase ein Maß für den Abstand nach der Oberfläche ist. Die äquivalente Wellenlänge der Phase, die der Differenzfrequenz zugeordnet ist, ist gleich dem Produkt von den beiden Laserwellenlängen geteilt durch die Differenz der beiden Wellenlängen. Diese Zwei-Wellenlängen-Technik vermindert Meßfehler, aber sie ist wenigstens ebenso empfindlich gegenüber störenden Effekten von Indexfluktuationen der Luft wie die Einzel-Wellenlängen-Technik.
Ein weiteres Beispiel eines bekannten Zwei-Wellenlängen-Interferometers gemäß der obengenannten US-PS 4 005 936 ist in der US-A-4 907 886 beschrieben. Dieses System ist auch in dem fol genden Artikel veröffentlicht: "Two-wavelength laser interferometry using superheterodyne detection" von R. Dändliker, R. Thalmann und D. Prongué in: Opt. Let. 13(5), 339–341 (1988), und weiter in dem Artikel "High-accuracy distance measurements with multiple-wavelength interferometry" von R. Dändliker, K. Hug, J. Politch und E. Zimmermann. Das System von Dändliker et al., wie dies in der US-A-4 907 886 beschrieben ist, benutzt Laserstrahlen mit zwei Wellenlängen, wobei jeder Strahl zwei Polarisationskomponenten aufweist, die in ihrer Frequenz durch eine akusto-optische Modulation getrennt sind. Nachdem diese Strahlen colinear durch ein Michelson-Interferometer hindurchgetreten sind, werden die Polarisationskomponenten gemischt, was zu einem Überlagerungssignal führt, wobei das Überlagerungssignal eine unterschiedliche Frequenz für jede der beiden Wellenlängen besitzt, und daraus resultiert ein sogenanntes Super-Heterodyne-Signal mit einer Frequenz gleich der Differenz der Überlagerungsfrequenzen und eine Phase, die einer äquivalenten Wellenlänge zugeordnet ist, die gleich ist dem Produkt der beiden Laserwellenlängen dividiert durch die Differenz der beiden Wellenlängen. Gemäß der US-A-4 907 886 wird angenommen, daß die Phase des super-heterodynen Signals nur von der Lage eines Meßobjektes und der äquivalenten Wellenlänge abhängt. Daher ist dieses System auch nicht geeignet zur Messung oder Kompensation von Fluktuationen im Brechungsindex der Luft.
Weitere Beispiele der Zwei-Wellenlängen-Überlagerungs-Technik finden sich in einem Artikel unter der Bezeichnung "Two-wavelength double heterodyne interferometry using a matched grating technique" von Z. Sodnik, E. Fischer, T. Ittner und H. J. Tiziani in: Appl. Opt. 30(22), 3139–3144 (1991), und in einem Artikel unter dem Titel "Diode laser and fiber optics for dual-wavelength heterodyne interferometry" von S. Manhart und R. Maurer in: SPIE 1319, 214–216 (1990). Keines dieser Beispiele ist jedoch auf das Problem der Indexfluktuationen gerichtet.
Aus dem vorstehenden kann geschlossen werden, daß der Stand der Technik auf dem Gebiet der heterodynen und superheterodynen Interferometrie kein Verfahren und keine Mittel zur Messung und Kompensation der Fluktuation des Brechungsindex der Luft aufzeigt. Dieser Mangel beim Stande der Technik führt zu einer beträchtlichen Meßungewißheit, wodurch die Präzision der Systeme schwerwiegend beeinträchtigt wird, die derartige Interferometer beispielsweise bei der mikrolithographischen Herstellung integrierter Schaltkreise benutzen. Infolgedessen werden zukünftige Interferometer notwendigerweise ein erfindungsgemäßes neues Verfahren und Mittel aufweisen müssen, um Fluktuationen des Brechungsindex zu messen und zu kompensieren.
Eine Möglichkeit, um Indexfluktuationen festzustellen, ist die Messung von Druckänderungen und Temperaturänderungen längs des Meßweges und die Berechnung ihrer Auswirkung auf den Brechungsindex des Pfades. Mathematische Gleichungen zur Durchführung dieser Berechnung sind allgemein bekannt in einem Artikel unter der Bezeichnung "The refractivity of air" von F . E. Jones in: J. Res. NBS 86(1), 27–32 (1981), beschrieben. Eine Weiterentwicklung der Technik ist in einem Artikel unter der Bezeichnung "High-accuracy displacement interferometry in air" von W. T. Estler in: Appl. Opt. 24(6), 808–815 (1985), beschrieben. Leider liefert diese Technik nur angenäherte Werte und ist mühsam in der Anwendung, und es werden nur langsame globale Fluktuationen in der Luftdichte korrigiert.
Eine weitere mehr direkte Möglichkeit zur Feststellung von Indexfluktuationen über einen Pfad ist die Mehrfach-Wellenlängen-Distanzmessung. Das Grundprinzip ist das folgende: Interferometer und Laser-Radarmessungen der optischen Pfadlänge zwischen einem Bezugspunkt und einem Gegenstand erfolgen oft in der offenen Luft. Die optische Pfadlänge ist das integrierte Produkt des Brechungsindex und des physikalischen Pfades, der vom Meßstrahl durchlaufen wird. Inso fern ändert sich der Brechungsindex mit der Wellenlänge, aber die physikalische Pfadlänge ist unabhängig von der Wellenlänge. Daher ist es allgemein möglich, die physikalische Pfadlänge von den Fluktuationen im Brechungsindex zu trennen, vorausgesetzt, daß das Instrument wenigstens zwei Wellenlängen benutzt. Die Änderung des Brechungsindex mit der Wellenlänge ist als Dispersion bekannt, und daher wird diese Technik im folgenden als Dispersionstechnik bezeichnet.
Die Dispersionstechnik zur Indexmessung hat eine lange Geschichte und liegt vor der Einführung des Laser. In einem Artikel "Long-path interferometry through an uncontrolled atmosphere" von K. E. Erickson in: J. Opt. Soc. Am. 52(7), 781–787 (1962), werden die Grundprinzipien beschrieben, und er liefert eine Analyse der Möglichkeit dieser Technik für geophysikalische Messungen. Weitere theoretische Vorschläge finden sich in einem Artikel "Correction of optical distance measurements for the fluctuating atmospheric index of refraction" von P. L. Bender und J. C. Owens in: J. Geo. Res. 70(10), 2461–2462 (1965).
Kommerzielle Distanzmeßvorrichtungen auf Laser-Radar-Basis mit Dispersionstechnik zur Indexkompensation erschienen in den siebziger Jahren. Ein Artikel "Two-laser optical distance-measuring instrument that corrects for the atmospheric index of refraction " von K. B. Earnshaw und E. N. Hernandez in: Appl. Opt. 11(4), 749–754 (1972), beschreibt ein Instrument, welches durch Mikrowellen modulierte HeNe- und HeCd-Laser verwendet, die über einen Meßpfad von 5 bis 10 km arbeiten. Weitere Einzelheiten dieses Instruments finden sich in einem Artikel "Field Tests of a two-laser (4416A and 6328A) optical distance-measuring instrument correcting for the atmospheric index of refraction " von E. N. Hernandez und K. B. Earnshaw in: J. Geo. Res. 77(35), 6994–6998 (1972). Weitere Beispiele von Anwendungen der Dispersionstechnik sind in einem Artikel diskutiert, der wie folgt lautet: "Distance corrections for single- and dual-color lasers by ray tracing" von E. Berg und J. A. Carter in: J. Geo. Res. 85(B11), 6513–6520 (1980), und in einem Artikel mit der Bezeichnung "A multi-wavelength distance-measuring instrument for geophysical experiments" von L. E. Slater und G. R. Huggett in: J. Geo. Res. 81(35), 6299–6306 (1976).
Obgleich die Instrumente für geophysikalische Messungen im typischen Fall ein intensitätsmoduliertes Laser-Radar benutzen, ist es klar, daß die optische Interferenzphasendetektion für kürzere Entfernungen zweckmäßiger ist. In der US-A-3 647 302 mit der Bezeichnung "Apparatus for and method of obtaining precision dimensional measurements" (1972) ist ein interferometrisches Versetzungsmeßsystem beschrieben, welches Mehrfach-Wellenlängen benutzt, um Änderungen der Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Druck zu kompensieren. Das Instrument ist speziell zur Arbeitsweise in Verbindung mit einem beweglichen Objekt ausgebildet, d. h. mit einer veränderlichen physikalischen Pfadlänge. Diese Phasendetektion ist jedoch unzulänglich genau für hochpräzise Messungen.
Ein moderneres und detailliertes Beispiel ist das System, das von Y. Zhu, H. Matsumoto und T. Ohshi in einem Artikel beschrieben wird unter dem Titel "Long-arm two-color interferometer for measuring the change of air refractive index" in: SPIE 1319. Optics in complex systems, 538–539 (1990). Das System benutzt einen 1064 nm-Wellenlängen-YAG-Laser und einen 632 nm-HeNe-Laser zusammen mit einer Gegenphasendetektion. Im wesentlichen das gesamte Instrument wurde in Japanisch in einem früheren Artikel von Zhu et al. beschrieben mit dem Titel "Measurement of atmospheric phase and intensity turbulence for long-path distance interferometer". Proc. 3^rd meeting on lightwave sensing technology, in: Appl. Phys. Soc. of Japan, 39 (1989). Jedoch besitzt das Interferometer von Zhu et al. eine unzureichende Auflösung für alle Anwendungen, d. h. eine Sub-Mikron-Interferometrie für Mikrolithographie.
Ein neuerer Versuch einer hochpräzisen Interferometrie für die Mikrolithographie findet sich in der US-PS 4 948 254 von A. Ishida. (1990). Eine ähnliche Vorrichtung wird von Ishida in einem Artikel beschrieben "Two wavelength displacement-measuring interferometer using second-harmonic light to eliminate air-turbulence-induced errors" in: Jpn. J. Appl. Phys. 28(3), L473–475 (1989). In dem Artikel wird ein eine Versetzung messendes Interferometer beschrieben, welches die Fehler eliminiert, die durch Fluktuationen im Brechungsindex verursacht wurden, und zwar erfolgt dies durch eine Zwei-Wellenlängen-Dispersionsdetektion. Ein Ar⁺-Laser liefert beide Wellenlängen gleichzeitig über einen Frequenzverdopplerkristall, welcher allgemein als BBO bezeichnet wird. Die Benutzung eines BBO-Verdopplungskristalls resultiert in zwei Wellenlängen, die grundsätzlich phasenstarr sind. Dadurch wird die Stabilität und die Genauigkeit der Brechungsindexmessung beträchtlich verbessert. Die Phasendetektormittel, die einfache homodyne Gegenphasendetektion benutzen, sind jedoch unzureichend für hochauflösende Phasenmessungen. Außerdem sind die Mittel zur Phasendetektion und zur Signalverarbeitung nicht für dynamische Messungen geeignet, bei denen die Bewegung des Gegenstandes zu rapiden Veränderungen der Phase führt, die schwierig genau festzustellen sind.
In der US-PS 5 404 222 ist unter dem Titel "Interferometric measuring System with air turbulence compensation" ein weiterer bekannter Stand der Technik in Form eines Zwei-Wellenlängen-Interferometers beschrieben, das die Dispersionstechnik benutzt, um Indexfluktuationen festzustellen und zu kompensieren. Eine ähnliche Vorrichtung wird von S. A. Lis in einem Artikel beschrieben "An air turbulence compensated interferometer for IC manufacturing" in: SPIE 2440 (1995). Eine Verbesserung des US-Patents 5 404 222 findet sich in der US-PS 5 537 209 . Die prinzipielle Neuerung dieses Systems gegenüber jenem, das von Ishida in Jpn. J. Appl. Phys. (oben erwähnt) vorgeschlagen wurde, ist der Zusatz eines weiteren BBO-Verdopplungskristalls, um die Präzision des Phasendetektors zu verbessern. Das zusätzliche BBO-Kristall macht es möglich, optisch zwei Strahlen zur Interferenz zu bringen, deren Wellenlängen genau um einen Faktor von Zwei unterschieden sind. Die resultierende Interferenz besitzt eine Phase, die direkt abhängig ist vom Brechungsindex, die aber im wesentlichen unabhängig ist von der Bewegung. Das von Lis vorgeschlagene System hat jedoch den Nachteil, daß es kompliziert aufgebaut ist und ein zusätzliches BBO-Kristall für jeden Meßpfad erfordert. In der Mikrolithographie sind häufig sechs oder mehr Meßpfade erforderlich, und jenes BBO kann mehr als $ 12000 kosten, so daß die Benutzung zusätzlicher Kristalle einen bedeutenden zusätzlichen Kostenaufwand erfordert. Ein weiterer Nachteil des Lis-Systems besteht darin, daß es ein langsames (32 Hz) Phasendetektorsystem benutzt, das auf der physikalischen Versetzung eines PZT-Wandlers beruht.
Aus den obigen Ausführungen wird klar, daß im Stande der Technik kein praktikables Verfahren hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision mit entsprechenden Mitteln vorhanden ist, um Fluktuationen im Brechungsindex von Luft zu messen und zu kompensieren. Die Beschränkungen im Stande der Technik beruhen prinzipiell auf den folgenden ungelösten technischen Schwierigkeiten: (1) Bekannte heterodyne und superheterodyne Interferometer sind in ihrer Genauigkeit durch Fluktuationen im Brechungsindex von Luft begrenzt; (2) bekannte Dispersionstechniken zur Messung von Indexfluktuationen erfordern eine extrem hohe Genauigkeit in der Interferenzphasenmessung, die im typischen Fall eine Größenordnung der typischen Genauigkeit von hochpräzisen Entfernungsmeß-Interferometern übersteigt; (3) naheliegende Modifikationen bekannter Interferometer zum Zwecke der Verbesserung der Phasenmeßgenauigkeit würden die Meßzeit auf eine Dauer erhöhen, die nicht kompatibel ist mit der Schnelligkeit der Bewegung in einer modernen mikrolithographischen Ausrüstung; (4) die bekannte Dispersionstechnik erfordert wenigstens zwei extrem stabile Laserquellen, oder eine einzige Quelle, die mehrere phasenstarre Wellenlängen abstrahlt; (5) bekannte Dispersionstechniken in der Anwendung der Mikrolithographie sind empfindlich gegenüber einer Bewegung während der Messung, was zu Systemfehlern führt; (6) bekannte Dispersionstechniken, die Verdopplungskristalle (beispielsweise US-PS 5 404 222 ) als Teil des Detektorsystems benutzen, sind kostspielig und kompliziert.
Diese Schwierigkeiten im Stande der Technik haben zu einem Bedarf nach einem praktischen interferometrischen System geführt, das eine Versetzungsmessung für die Mikrolithographie in Gegenwart von Indexfluktuationen ermöglicht.
Die Erfindung ist charakterisiert durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 16. Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, um Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases in einem Meßpfad zu bestimmen, und die Vorrichtung umfaßt eine Quelle von wenigstens zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und einer im wesentlichen harmonischen Beziehung. Die Lichtstrahlen haben jeweils orthogonale Polarisationszustände, und es sind Mittel vorgesehen, um eine Frequenzdifferenz zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen eines jeden Lichtstrahls einzuführen. Es sind ferner Mittel vorgesehen, um die Lichtstrahlen so auszurichten, daß sie durch den gleichen Meßpfad hindurchlaufen, und es sind optische Mittel vorgesehen, um phasenverschobene Strahlen zu erzeugen, wobei die optischen Mittel Einrichtungen aufweisen, um Mehrfachdurchläufe über den Meßpfad für die Lichtstrahlen zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Durchläufe für die jeweiligen Lichtstrahlen harmonisch aufeinander bezogen ist, was im wesentlichen gleich ist wie eine im wesentlichen harmonische Beziehung zwischen den Wellenlängen. Die Phasenverschiebungen der optisch erzeugten Strahlen haben eine Größe proportional zu dem Produkt der Zahl der Durchläufe über dem Meßpfad, der physikalischen Länge des Meßpfades und der Brechungsindices des Gases im Meßpfad, und es sind Mittel vorgesehen, um die Polarisationskomponenten eines jeden phasenverschobenen Strahls zu vermischen, um vermischte Ausgangsstrahlen zu erzeugen. Es sind Mittel vorgesehen, um elektrische Überlagerungssignale aus den Intensitäten der gemischten Ausgangsstrahlen zu erzeugen, die aus Schwingungen mit Überlagerungsfrequenzen bestehen, die auf die Frequenzdifferenzen zwischen den Polarisationszuständen der Lichtstrahlen bezogen sind und Überlagerungsphasen aufweisen. Die Vorrichtung ist außerdem gekennzeichnet durch Mittel zur Vermischung von wenigstens zwei der elektrischen Überlagerungssignale, um wenigstens ein elektrisches Überlagerungssignal zu erzeugen, das einen amplitudenmodulierten Träger aufweist, der eine Überlagerungs-Modulationsfrequenz besitzt, die im wesentlichen gleich ist der halben Differenz der beiden entsprechenden Überlagerungsfrequenzen und eine Überlagerungs-Modulationsphase im wesentlichen gleich der Hälfte der Differenz zwischen den beiden entsprechenden Überlagerungsphasen, und es sind ferner Mittel vorgesehen, um die Überlagerungs-Modulationsphase zu analysieren und um die Fluktuationen im Brechungsindex über dem Meßpfad zu bestimmen. Diese Vorrichtung (und das weiter unten definierte Verfahren) sind zweckmäßig für eine Distanzmeß-Interferometrie, die unabhängig ist von den erwähnten Fluktuationen.
Das Verfahren zur Messung von Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases in einem Meßpfad umfaßt den Schritt der Bereitstellung von Lichtquellenstrahlen mit Wellenlängen, die im wesentlichen harmonisch aufeinander bezogen sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen eine Kombination von mehreren Durchläufen eines Meßpfades umfassen, wobei Überlagerungs-Phasenverschiebungen, basierend auf den Lichtquellen-Wellenlängen vorgesehen wer den, und die Zahl der Durchläufe der Mehrfachdurchläufe in gleicher Weise harmonisch auf die harmonisch bezogenen Quellen-Wellenlängen bezogen ist, um eine Überlagerungs-Modulationsphase zu erzeugen, die im wesentlichen unempfindlich gegenüber einer Bewegung längs des Meßpfades ist.
Die Hauptvorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden: Wenn die Quellen-Wellenlängen im wesentlichen harmonisch aufeinander bezogen sind und die Phasenverschiebungen durch Mehrfachdurchläufe erzeugt, ebenfalls harmonisch aufeinander bezogen sind, schafft die vorliegende Erfindung eine Überlagerungs-Modulationsphase, die im wesentlichen unempfindlich gegenüber einer Stufenbewegung ist. Die Überlagerungs-Modulationsphase ist ein direktes Maß der Fluktuationen im Brechungsindex von Luft. Da die Überlagerungs-Modulationsfrequenz auf irgendeinen geeigneten Wert einstellbar ist, kann die Genauigkeit der Phasenmessung zur Kompensation von Indexfluktuationen entsprechend verbessert werden. Diese Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik werden zweckmäßigerweise erreicht ohne kostspielige optische Komponenten wie Verdoppler-Kristalle oder dergleichen, ohne daß sich irgendeine Beschränkung auf die Geschwindigkeit der Stufenbewegung ergibt.
Ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt die Möglichkeit der Kompensation von unerwarteten Fluktuationen in der Quellen-Wellenlänge unter Benutzung zusätzlicher Monitor-Interferometer und der gleichen elektronischen Verarbeitungsmittel, wie sie bei der primären Vorrichtung benutzt wurden. Das Monitor-Interferometer umfaßt vorzugsweise eine feste Monitor-Pfadlänge mit einem sorgfältig gesteuerten Brechungsindex, so daß alle gemessenen Veränderungen im Monitor zu einer Messung der Wellenlängenstabilität beitragen und eine Messung der Wellenlängenstabilität liefern.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
1 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 ist eine graphische Darstellung, die ein Überlagerungssignal darstellt,
3 zeigt ein Blockschaltbild der Verarbeitungselektronik,
4 ist ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.
Einzelbeschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases innerhalb eines Meßpfades 66, und eine derartige Vorrichtung ist zweckmäßig zur Messung der Versetzung eines Gegenstandes 67, unabhängig von derartigen Fluktuationen.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren nach der Erfindung durchläuft ein Lichtstrahl 11, der von einer Quelle 1 emittiert wird, einen Modulator 2, der durch einen Treiber 3 erregt wird. Die Quelle 1 ist vorzugsweise ein Laser oder eine ähnliche Quelle kohärenter Strahlung, die vorzugsweise polarisiert ist, und der Strahl besitzt eine Wellenlänge λ₁. Der Modulator 2 kann beispielsweise ein akusto-optischer Wandler sein, oder eine Kombination eines akusto-optischen Wandlers mit einer zusätzlichen Optik zur selektiven Modula tion der Polarisationskomponenten des Strahls 11. Der Modulator 2 verschiebt die Oszillationsfrequenz einer linearen Polarisationskomponente des Strahls 11 um einen Betrag f₁ gegenüber einer orthogonalen linearen Polarisationskomponente, wobei die Polarisationskomponenten hierbei mit x- bzw. y-Richtungskomponenten bezeichnet sind. Demgemäß besitzt nach Durchlaufen des Modulators 2 die x-Polarisationskomponente des Strahls 11 eine Oszillationsfrequenz, die um den Betrag f₁ gegenüber der y-Polarisationskomponente des Strahls 11 nach oben verschoben ist.
In einem nächsten Schritt durchläuft ein Strahl 12, der von einer Quelle 4 emittiert ist, einen Modulator 5, der durch einen Treiber 6 erregt wird, ähnlich dem Modulator 2 bzw. dem Treiber 3. Die Quelle 4 ist ebenso wie die Quelle 1 vorzugsweise ein Laser oder eine ähnliche Quelle polarisierter kohärenter Strahlung, aber vorzugsweise mit einer unterschiedlichen Wellenlänge λ₂, die eine bekannte annähernde harmonische Beziehung gegenüber der Wellenlänge λ₁ hat, das heißt: p1λ2 ≈ p2λ1 für p1, p2 ≈ 1, 2, 3 ..., p1 ≠ p2 (1)
Nach Durchlaufen des Modulators 5 besitzt die x-Polarisationskomponente des Strahls 12 eine Oszillationsfrequenz, die um einen Betrag f₂ gegenüber der y-Polarisationskomponente des Strahls 12 nach oben verschoben ist.
Für den Fachmann ist es klar, daß die Strahlen 11 und 12 alternativ von einer einzigen Laserquelle geliefert werden können, die mehr als eine Wellenlänge emittiert, oder durch einen einzigen Laser, der mit einer optischen Frequenzverdopplungsvorrichtung versehen ist, oder durch irgendeine äquivalente Strahlungskonfiguration, die in der Lage ist, Lichtstrahlen mit zwei oder mehr Wellenlängen zu erzeugen. Es ist außerdem für den Fachmann klar, daß eine oder beide Frequenzverschiebungen f₁, f₂ das Ergebnis einer Zeeman-Aufspaltung oder einer ähnlichen Phänomencharakteristik der Laserquellen selbst sein können.
In einem nächsten Schritt durchlaufen die Strahlen 11 und 12 ein Interferometer 60, welches aus optischen Mitteln besteht, um eine Phasenverschiebung φ₁ zwischen der x-Polarisationskomponente und der y-Polarisationskomponente des Strahls 11 entsprechend der Wellenlänge λ₁ und einer Phasenverschiebung φ₂ zwischen der x-Polarisationskomponente und der y-Polarisationskomponente des Strahls 12, entsprechend der Wellenlänge λ₂ einzuführen. Die Größe der Phasenverschiebungen φ₁, φ₂ sind auf eine runde physikalische Länge L des Meßpfades 66 gemäß der folgenden Formel bezogen: φ1 = (Lkjnj + ζj)pj für j = 1, 2, (2)wobei die Wellennummern k_j gegeben sind durch kj = 2π/λj (3)und die Brechungsindices n_j des Gasmeßpfades 66 den Wellenlängen λ_j entsprechen. Die Phasenversetzungen ζ_j enthalten alle Bestandteile der Phasenverschiebungen φ₁, die nicht auf den Meßpfad 66 bezogen sind. Es ist erwähnenswert, daß die Koeffizienten p₁, p₂ vorzugsweise identisch sind den gleich bezeichneten Koeffizienten p₁, p₂, die benutzt wurden, um die ungefähre harmonische Beziehung in der Gleichung (1) anzugeben. In 1 ist das Interferometer 60 so ausgebildet, daß p₁ = 1 und p₂ = 2, um so die einfachste Funktionsweise der Erfindung zu veranschaulichen.
Wie beschrieben und in 1 dargestellt, besteht das Interferometer 60 aus einem Bezugsspiegel 65, einer Viertelwellenlängenplatte 81, einer Viertelwellenlängenplatte 83, einem Polarisations-Strahlteiler 23 und dem Gegenstand 67, der in einem Bewegungszustand 68 oder dergleichen gehalten wird, durch den der Gegenstand 67 bewegt werden kann, um den Meßpfad 66 zu ändern. Diese Konfiguration ist im Stand der Technik bekannt als polarisiertes Michelson-Interferometer und ist als einfache Illustration dargestellt. Ein Winkelkompensations-Interferometer oder eine ähnliche Vorrichtung, wie diese in einem Artikel "Differential Interferometer arrangements for distance and angle measurements: Principles, advantages and applications" von C. Zanoni in: VDI Berichte Nr. 749, S. 93, 1989, beschrieben ist, wird vorzugsweise in die Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut, wenn mit Entwicklungsabschnitten gearbeitet wird, die in der mikrolithographischen Fabrikation integrierter Schaltungen anzutreffen sind. Andere Formen von Interferometern, wie sie in dem obengenannten Artikel "Differential Interferometer arrangements for distance and angle measurements: Principles, advantages and applications " von C. Zanoni in: VDI Berichte Nr. 749, S. 93, 1989, beschrieben sind, können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 eingebaut werden, ohne wesentlich von der Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Eine ungewöhnliche und erfinderische Charakteristik des Interferometers 60 besteht darin, daß der Strahl 11 der Wellenlänge λ₁ eine Phasenverschiebung φ₁ erleidet, proportional zu der physikalischen Umlauflänge L des Meßpfades 66, multipliziert mit dem Brechungsindex n₁, wobei der Strahl 12 der Wellenlänge λ₂ eine Phasenverschiebung φ₂ erleidet, proportional zu der zweifachen physikalischen Umlauflänge L des Meßpfades 66 mal dem Brechungsindex n₂. Der Strahl 12 erfährt daher einen doppelten Durchlauf durch den Meßpfad 66. Doppeldurchlauf-Interferometer sind im Stande der Technik als Mittel bekannt, um eine verbesserte Meßauflösung zu erhalten, wie dies beispielsweise in einem Artikel mit der Bezeichnung "Double-passed two-beam Interferometers" von P. Hariharan und D. Sen J. Opt. Soc. Am. 50, 357–361 (1960) beschrieben ist. Jedoch ist die erfinderische Kombination von Einzeldurchlauf- und Doppeldurchlauf-Interferometer im gleichen System zum Zweck der Kompensation der Luftturbulenz den Anmeldern nicht bekannt, und es wird angenommen, daß dies hier erstmalig beschrieben wird. Eine Vorrichtung zur Erlangung einer derartigen erfindungsgemäßen Kombination wird in den folgenden Paragraphen beschrieben.
Gemäß 1 trennt der Polarisations-Strahlteiler 23 des Interferometers 60 die x-Polarisationskomponente und die y-Polarisationskomponete der Strahlen 11 und 12. Der Polarisations-Strahlteiler 23 reflektiert vorzugsweise die x-Polarisationskomponente, während die y-Polarisationskomponente durchläuft. Deshalb wird die x-Polarisationskomponente des Strahls 11 als Strahl 211 durch eine Viertelwellenplatte 83 geschickt, die den Polarisationszustand des Strahls 211 in eine zirkulare Polarisation umwandelt. Nach Reflexion vom Bezugsspiegel 65 wandelt die Viertelwellenplatte 83 den Polarisationszustand des Strahls 211 in eine lineare Polarisation zurück, aber die Richtung der Polarisation verläuft nunmehr längs der y-Richtung. Im wesentlichen gleichzeitig wird die y-Polarisationskomponente des Strahles 11 als Strahl 111 durch die Viertelwellenlängenplatte 81 geschickt, die den Polarisationszustand des Strahls 111 in eine zirkulare Polarisation umwandelt. Nach Durchlaufen des Meßpfades 66 und nach Reflexion vom Gegenstand 67 wandelt die Viertelwellenplatte 81 den Polarisationszustand des Strahls 111 zurück in eine lineare Polarisation, aber die Richtung der Polarisation verläuft nunmehr längs der x-Richtung. Da der Strahl 111 mit der x-Polarisationskomponente reflektiert wird und der Strahl 211 mit der y-Polarisationskomponente durch den Strahl 23 übertragen wird, kombinieren die beiden Strahlen 111 und 211 sich und bilden einen phasenverschobenen Strahl 15, der das Interferometer 60, wie in 1 dargestellt, verläßt.
Weiter ist aus 1 ersichtlich, daß die x-Polarisationskomponente des Strahls 12 als Strahl 212 durch die Viertel wellenplatte 83 geschickt wird, die den Polarisationszustand des Strahls 212 in eine zirkulare Polarisation umwandelt. Nach Reflexion vom Bezugsspiegel 65 wandelt die Viertelwellenplatte 83 den Polarisationszustand des Strahls 212 zurück in einen linearen Polarisationszustand, aber die Richtung der Polarisation verläuft nunmehr in y-Richtung. Im wesentlichen gleichzeitig wird die y-Polarisationskomponente des Strahls 12 als Strahl 112 durch eine Viertelwellenplatte 81 geschickt, die den Polarisationszustand des Strahls 112 in eine zirkulare Polarisation umwandelt. Nach Durchlaufen des Meßpfades 66 und Reflexion vom Gegenstand 67 wandelt die Viertelwellenplatte 81 den Polarisationszustand des Strahls 112 in einen linearen Polarisationszustand zurück, aber die Richtung der Polarisation verläuft nunmehr längs der x-Richtung. Da der Strahl 112 mit der x-Polarisationskomponente reflektiert wird und der Strahl 212 mit der y-Polarisationskomponente durch den Strahlteiler 23 übertragen wird, kombinieren sich die beiden Strahlen 112 und 212 und bilden einen Strahl 115, der nach dem Faltprisma 82 fortschreitet, das den Strahl 115 zurück auf den polarisierenden Strahlteiler 23 zurück richtet. Der polarisierende Strahlteiler 23 trennt wiederum die Polarisationskomponenten des Strahles 115 und erzeugt diesmal einen Strahl 113, der einen x-Polarisationszustand hat und einen Strahl 213, der einen y-Polarisationszustand besitzt. Nachdem der Strahl 213 zweimal durch die Viertelwellenplatte 83 gelaufen und von dem Bezugsspiegel 65 reflektiert ist, wird er zu einer x-Polarisation zurückverwandelt. In gleicher Weise wird der Strahl 113 nach zweimaligem Durchlaufen der Viertel-Wellenplatte 81 und Reflexion vom Gegenstand 67 zurück in den y-Polarisationszustand überführt. Da der Strahl 213 mit der x-Polarisationskomponente reflektiert und der Strahl 113 mit der y-Polarisationskomponente durch den Strahlteiler 23 übertragen wird, kombinieren sich die beiden Strahlen 213 und 113 und bilden einen phasenverschobenen Strahl 16, der aus dem Interferometer 60, wie aus 1 ersichtlich, austritt, nachdem er vom Faltspiegel 84 reflektiert wurde.
In einem nächsten Schritt durchlaufen die phasenverschobenen Strahlen 15 und 16 gemäß 1 einen Polarisator 44, der vorzugsweise so orientiert ist, daß er die x- und y-Polarisationskomponenten von jedem der Strahlen 15 und 16 mischt. Die Strahlen 15, 16 treffen dann auf einen Photodetektor 46 bzw. einen Photodetektor 45 auf, und dies führt zu zwei Überlagerungs-Interferenzsignalen s₁, s₂ entsprechend den beiden Wellenlängen λ₁, λ₂ mit der folgenden Form: sj = cos[αj(t)] für j = 1, 2 (4)
Dabei sind die zeitabhängigen Argumente α₁(t), α₂(t) der heterodynen Interferenzsignale s₁, s₂ gegeben durch: αj(t) = 2πfjt + φ1 (5)und die Signalamplitude hat sich zu Eins normalisiert, und alle konstanten Versetzungswerte wurden durch elektronische Vorbehandlungsmittel (nicht dargestellt) ausgefiltert. Die Überlagerungs-Interferenzsignale s₁, s₂ werden der elektronischen Verarbeitungsvorrichtung 98 zur Analyse zugeführt.
Gemäß 3 weisen die elektronischen Verarbeitungsmittel 98 vorzugsweise Mittel 982 auf, um elektronisch die beiden Überlagerungssignale s₁, s₂ zu addieren, um ein Überlagerungssignal S zu erhalten, das die folgende mathematische Form besitzt: S = s1 + s2 (6)
Dies kann geschrieben werden als S = 2MC (7)wobei C = cos(2πvt + θ) (8) M = cos(2πFt + Φ) (9)und v = ½(f1 + f2) (10) θ = ½(φ1 + φ2) F = ½(f1 – f2) (11) Φ = ½(φ1 – φ2)
Das superheterodyne Signal S ist deshalb ein Trägersignal C der Frequenz v, moduliert durch ein Umhüllungssignal M der Frequenz F. Für den Fachmann ist es klar, daß dann, wenn die heterodynen Signale s₁, s₂ eine unterschiedliche Amplitude haben, der resultierende mathematische Ausdruck komplizierter wird, aber nichtsdestoweniger in Ausdrücken eines Trägersignals geschrieben werden kann, das durch ein Umhüllungssignal moduliert ist. Zur Vereinfachung der vorliegenden Offenbarung wird angenommen, daß die modifizierten heterodynen Signale s₁, s₂ die gleiche Amplitude besitzen.
Nunmehr wird weiter auf 3 Bezug genommen. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 98 weist vorzugsweise Mittel 983 auf, um das Umhüllungssignal M vom Trägersignal C zu trennen, und zwar unter Benutzung einer Gleichrichtung und Filterung, einer Signalquadrierung oder irgendeiner gleichartigen Technik, um eine Amplitudenmodulation zu extrahieren und einen Träger zu demodulieren. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 98 umfaßt außerdem Mittel 985, um die Modulationsphase Φ zu bestimmen, und zwar unter Benutzung einer auf der Zeit basierenden Phasendetektion oder dergleichen. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 98 umfaßt außerdem Mittel 986 und Mittel 987, um die Phasen φ₁ bzw. φ₂ zu bestimmen.
Im nächsten Schritt überträgt die Verarbeitungsvorrichtung 98 die Werte der Modulationsphase Φ und Phasenverschiebungen φ₁, φ₂ entweder in digitaler oder analoger Form einem Computer 99. Der Computer 99 berechnet die Trägerphase
und berechnet den Brechungsindex unter Benutzung der folgenden Formel:
Die oben definierte Konstante T ist ein Maß der Dispersion des Brechungsindex der Luft. Wenn beispielsweise λ₁ = 0,63 μm und λ₂ = 0,33 μm ist, dann wird Γ = 24. Der Versetzungsfaktor Q wird definiert als: Q = Kξ – χZ (17)wobei ξ = ½(p1ζ1 + p2ζ2) (18) Z = ½(p1ζ1 – p2ζ2) (19)
Für das gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Q als konstant betrachtet, oder wird durch rein elektronische Mittel (nicht dargestellt) überwacht.
Die Größen K und χ, die in die Gleichungen (14) bzw. (15) eingeführt wurden, werden als vakuum-superheterodyne Wellennummern bzw. als Vakuumträgerwellennummern bezeichnet. Diese Terminologie folgt logisch aus den folgenden Zwei-Phasen-Gleichungen, die gültig sind, wenn n₁ = n₂ = 1:
Φ = KL + Z (21)
Aus dem gleichen Grunde werden die Größen f und Z, die in die Gleichungen (18), (19) eingeführt wurden, als Vakuumträgerphasenversetzung bzw. Vakuum-Superheterodyn-Phasenversetzung bezeichnet.
In einer Endstufe für solche Anwendungen, die sich auf Distanzmeß-Interferometrie beziehen, kann der berechnete Wert des Brechungsindex n₁ zusammen mit der Phasenverschiebung φ₁ benutzt werden, um den Abstand L unabhängig von Fluktuationen des Brechungsindex n₁ zu bestimmen, und zwar unter Benutzung der folgenden Formel:
Für den Fachmann ist es ebenfalls klar, daß ähnliche Berechnungen in bezug auf n₂ durchgeführt werden können anstelle von n₁ oder zusätzlich zu n₁.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde in den vorherigen Abschnitten beschrieben. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Vorteile werden deutlicher aus der folgenden Diskussion. Aus der Berechnung des Brechungsindex n₁ unter Benutzung der obigen Gleichung wird evident, daß die erforderlichen Genauigkeiten der Trägerphase θ und der superheterodynen Phase Φ auf den Wert der Trägerwellenzahl χ und der superheterodynen Wellenzahl K bezogen sind. Da die Frequenz F des Modulationssignals M sehr viel kleiner sein kann als die Frequenz v des Trägersignals C, und da es allgemein einfacher ist, die Phase mit hoher Auflösung eines elektronischen Signals kleinerer Frequenz zu berechnen, ist es allgemein vorteilhafter, sich auf eine hochgenaue Messung der superheterodynen Modulationsphase Φ zu verlassen. Dies kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht geschehen, wenn die Wellenlängen λ₁, λ₂ annähernd harmonisch bezogen sind, wie dies oben in der Gleichung (1) angegeben ist. Für den Grenzfall, wo λ₁, λ₂ ganzzahlige Vielfache voneinander sind, d. h. für den Grenzfall, wo p1λ2 = p2λ1 für p1, p2 = 1, 2, 3 p1 = p2 (23)ist, wird die vakuum-superheterodyne Wellennummer K gleich Null, und die Brechungsindexberechnung braucht die Trägerphase
nicht mit einzubeziehen:
Weiter ist für den Fall, wo K = 0, die superheterodyne Modulationsphase Φ auch nur schwach abhängig vom Abstand L im Gegensatz zu der sehr strengen Abhängigkeit der Trägerphase
und der Phasenverschiebungen φ₁, φ₂. Hierdurch wird die Phasendetektionsgenauigkeit zur Bewegung der Gegenstände in hohem Maße verbessert, wie dies allgemein bei einer mikrolithographischen Einrichtung erforderlich ist.
Eine wichtige Betrachtung im Hinblick auf die Interferometrie allgemein und die Dispersionstechnik insbesondere ist die Wellen längeninstabilität der Quelle. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schafft eine zweckmäßige Möglichkeit der Kompensation der Wellenlängeninstabilität wie folgt. Durch mathematische Manipulation der Gleichung (12) ist es möglich zu zeigen, daß ein Fehler δn₁ im Brechungsindex, der zur Quellwellenlängeninstabilität beiträgt, gegeben ist durch: δn1 ≈ χAδK (25)
Dabei ist δK die Instabilität der vakuum-superheterodynen Wellenzahl K. Diese Formel zeigt, daß die Größe des Fehlers im wesentlichen unabhängig ist von dem Objektabstand L und daß sämtliche anderen Variablen, wie die Phasenverschiebungen φ₁, φ₂ direkt von der Gegenstandsentfernung L abhängen. Es ist daher möglich, die Wirkungen der Wellenlängenstabilität durch Messung des Brechungsindex längs des Monitorpfades zu kompensieren, der völlig frei ist von wirklichen Fluktuationen im Brechungsindex. Alle gemessenen Veränderungen sind das Ergebnis der Wellenlängeninstabilität.
Nunmehr wird auf 4 Bezug genommen, wo ein abwandeltes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, wobei ein Monitorsystem 60b dem Ausführungsbeispiel nach 1 hinzugefügt wurde, um einen Fehler δn₁ in der Brechungsindexmessung zu kompensieren, der von der Wellenlängeninstabilität der Quelle abhängt. Ein Strahlteiler 70 und ein Spiegel 71 reflektieren einen Teil des Strahls 11 und 12 nach dem Monitorsystem 60b. Das Monitorsystem 60b umfaßt eine Zahl von Elementen, die analoge Operationen durchführen, die das Interferometer 60, und zwar mit Elementen, die die gleichen Operationen wie die Elemente des Interferometers 60 durchführen, wobei der Zusatz "b" verwendet wird, wenn sich auf Ele mente des Monitorsystems 60b bezogen wird. Ein elektronisches Monitorverarbeitungssystem 98b führt in gleicher Weise Operationen wie das elektronische Verarbeitungssystem 98 durch. Der Unterschied zwischen dem Interferometer 60 und dem Monitorsystem 60b besteht darin, daß der Monitorpfad 66b des Monitorsystems 60b vorzugsweise eine feste Länge besitzt, und zwar mit einem sorgfältig gesteuerten Brechungsindex, wie dieser erlangt werden kann, indem der Monitorpfad 66b eingeschlossen und Temperatur und Druck des eingeschlossenen Volumens kontrolliert werden. Da der Brechungsindex längs des Monitorpfades 86b im wesentlichen konstant ist, tragen alle gemessenen Änderungen δn_M im Monitorsystem zur Wellenlängeninstabilität der Quelle bei. Bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berechnet der Computer 99 vorzugsweise den Brechungsindex n₁ nach der folgenden Formel:
Diese erfindungsgemäße Kompensationstechnik vermindert in hohem Maße die Erfordernisse der Wellenlängenstabilität für die Quelle. Es ist insbesondere festzustellen, daß die vorliegende Erfindung keine absolute Wellenlängenstabilität erfordert und ein Monitorpfad 66b nicht eine außerordentlich stabile physikalische Länge L erfordert.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die folgenden: (1) Die vorliegende Erfindung bewirkt eine genaue Messung und eine Kompensation von Fluktuationen im Brechungsindex von Luft, so wie es zweckmäßig ist für eine Distanzmeß-Interferometrie; (2) die vorliegende Erfindung ist kompatibel mit der schnellen Stufenbewegung, die modernen mikrolithographischen Einrichtungen eigen sind; (3) die vorliegende Erfindung umfaßt außerdem leicht einzubauende Monitormittel und ein Verfahren, durch das die Stabilitätserfordernisse der Quelle wesentlich herabgesetzt werden; und (4) die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist beträchtlich weniger kompliziert und kostspielig gegenüber vergleichbaren bekannten Anordnungen.
Es ist für den Fachmann klar, daß alternative zusätzliche optische Elemente und elektronische Verarbeitungsschritte bei einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gerätes benutzt werden können. Beispielsweise können zusätzliche Detektoren und zugeordnete Elemente den Ausführungsbeispielen hinzugefügt werden, um die verschiedenen Phasenversetzungen, die bei der Datenverarbeitung auftreten, zu messen und zu kompensieren.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Einflusses des Brechungsindexes eines Gases in einer Meßstrecke, mit: einer Lichtquelle (1, 4) für mindestens zwei Lichtstrahlen (11, 12) unterschiedlicher Wellenlängen; einem Interferometer (60) aufweisend erste (64) und zweite (66) Meßschenkel, deren Lichtwege derart verlaufen, dass mindestens ein Schenkel (66) eine geometrisch variable Länge aufweist und mindestens ein Schenkel (66) mindestens teilweise vom Gas umgeben ist, während ein Schenkel (64) mindestens teilweise von einem vorbestimmten Medium umgeben sein kann, wobei der Lichtweg-Längenunterschied zwischen dem ersten (64) und dem zweiten (66) Meßschenkel in Abhängigkeit des physischen Längenunterschieds zwischen den Lichtwegen sowie der Eigenschaften des Gases und des vorbestimmten Mediums variiert; Einfügemitteln zum Einblenden erster und zweiter vorgegebener Anteile jedes der Lichtstrahlen (11, 12) in den ersten (64) bzw. zweiten (66) Meßschenkel, so dass die vorgegebenen ersten und zweiten Anteile unter Beinhaltung von Informationen über die jeweiligen Lichtweglängen durch den ersten (64) bzw. zweiten (66) Meßschenkel mit den Wellenlängen der ursprünglichen Strahlen (11, 12) als Ausgangsstrahlen (15, 16) aus dem Interferometer (60) austreten; Mischmitteln (44) zum Kombinieren der Ausgangsstrahlen (15, 16) zur Erzeugung optischer Mischsignale mit den der Phasendifferenz zwischen den Ausgangsstrahlen (15, 16} entsprechenden Informationen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich der relativen zeitlichen Änderung der geometrischen Lichtwege der ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel Strahlen einer der Wellenlängen der ersten und zweiten vorgegebenen Anteile vorbestimmten Lichtwegen entlang durch mindestens einen der ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel mit einer sich von den Durchgängen der Strahlen der jeweils anderen Wellenlängen der ersten und zweiten vorgegebenen Anteile unterscheidenden Anzahl von Durchgängen geführt werden, dass Erfassungsmittel (45, 46) vorgesehen sind zur Erkennung der optischen Mischsignale und Erzeugung elektrischer Interferenzsignale (s₁, s₂) mit Informationen über den Einfluss der Brechungsindizen des Gases und des vorbestimmten Mediums bei den verschiedenen Wellenlängen und relativen Streckenlängen der ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel sowie deren relativen zeitlichen Änderung; und und dass elektronische Mittel (98) zur Auswertung der elektrischen Interferenzsignale (s₁, s₂) und Bestimmung des Einflusses des Gases in den Meßschenkeln (64, 66) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen (11, 12) Wellenlängen wesentlicher harmonischer Beziehung und diese Strahlen (11, 12) jeweils orthogonale Polarisationszustände aufweisen, dass die Anzahl der Durchgänge der jeweiligen Lichtstrahlen (11, 12, 111, 112) in einem weitgehend der wesentlichen harmonischen Beziehung zwischen den Wellenlängen der Strahlen (11, 12) entsprechenden wesentlichen harmonischen Verhältnis steht, und dass die Einfügemittel Mittel (2, 5) zur Erzeugung einer Frequenzdifferenz zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen der einzelnen Lichtstrahlen (11, 12), Mittel zum Bündeln der Lichtstrahlen (11, 12) in einen gemeinsamen Meßschenkel (66) sowie optische Mittel zur Erzeugung mehrfacher Durchgänge der Lichtstrahlen (11, 12, 111, 112) durch den mindestens teilweise vom Gas umgebenen Meßschenkel (66) umschließen, wobei die Phasenänderungen der Ausgangsstrahlen (15, 16) größenmäßig proportional der Anzahl der Durchgänge durch den besagten Meßschenkel (66), der geometrischen Länge dieses Meßschenkels (66) und den Brechungsindizen des Gases in diesem Meßschenkel (66) entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischmittel (44} durch Mischen der Polarisationskomponenten jedes der Ausgangsstrahlen (15, 16) zur Erzeugung gemischter Ausgangsstrahlen dienen, und dass die Erfassungsmittel (45, 46) aus den Intensitäten der gemischten Ausgangsstrahlen elektrische Überlagerungssignale (s₁, s₂) erzeugen, die den Frequenzdifferenzen zwischen den Polarisationszuständen der Lichtstrahlen entsprechende, überlagerte Phasen aufweisende Schwingungen überlagerter Frequenzen enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel (982) zum Mischen von mindestens zwei der überlagerten elektrischen Signale (s₁, s₂) zur Erzeugung mindestens eines elektrischen Überlagerungssignals (S) mit einem amplitudenmodulierten Trägersignal (C) einer Überlagerungs-Modulationsfrequenz (F), die im wesentlichen der halben Differenz der betreffenden beiden Überlagerungsfrequenzen entspricht, sowie mit einer Überlagerungs-Modulationsphase, die im wesentlichen der halben Differenz zwischen den beiden Überlagerungsphasen gleich ist; sowie Mittel (983, 985, 986, 987) zur Auswertung der Überlagerungs-Modulationsphase und Bestimmung der Schwankungen des Brechungsindexes entlang des Meßschenkels (66).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Lichtstrahlen (11, 12) zwei orthogonale Polarisationszustände aufweist, wobei die die Frequenzdifferenz erzeugenden Mittel (2, 5) weitere Mittel zum Einfügen der Frequenzdifferenz zwischen die beiden orthogonalen Polarisationszustände jedes der Lichtstrahlen enthalten und diese Frequenzdifferenz für die mindestens zwei Strahlen unterschiedlich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Ausrichten der Lichtstrahlen optische Mittel zum Bündeln aller Lichtstrahlen zum Durchgang durch den gemeinsamen Messweg (66) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel zur Erzeugung der Ausgangsstrahlen (15, 16) weitere optische Mittel zur Phasenänderung zwischen den Polarisationszuständen jedes der Lichtstrahlen umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (982) zum Mischen von mindestens zwei der überlagerten elektrischen Signale (s₁, s₂) weitere Mittel zum Mischen jeglicher zwei der besagten überlagerten elektrischen Signale (s₁, s₂) zur Erzeugung des besagten mindestens einen elektrischen Überlagerungssignals (S) mit dem amplituden-modulierten Träger (C) der überlagerten Modulationsfrequenz (F) umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1, 4) eine Quelle kohärenter Strahlung enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (982) zum Mischen der überlagerten Signale elektronischer Art sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel zur Erzeugung der Ausgangsstrahlen (15, 16) ein Mehrfachdurchgangs-Interferometer umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7 sowie 10, gekennzeichnet durch Mittel (60b) zum Ausgleich von auf Wellenlängenschwankungen der Lichtquelle (1, 4) beruhenden Fehlern der Überlagerungs-Modulationsphase.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmittel (60b) ein Interferometer umfassen, dessen Meßstrecke einen Kontrollpfad (66b) fester Länge und ein Gas geregelten Brechungsindexes einbeschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmittel (60b) weitere Mittel (45b, 46b) zur Erzeugung überlagerter Kontrollsignale umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmittel (60b) weitere Mittel (98b) zum Mischen jeglicher zwei elektrischer Überlagerungskontrollsignale zur Erzeugung mindestens eines elektrischen, einen amplitudenmodulierten Träger mit einer Überlagerungsmodulations-Kontrollfrequenz aufweisenden Überlagerungskontrollsignals umfassen.
Verfahren zum Messen des Einflusses des Brechungsindexes eines Gases in einer Meßtrecke, unter: Bereitstellung von Lichtstrahlen (11, 12) unterschiedlicher Wellenlängen; Bereitstellung eines Interferometers (60) aufweisend erste (64) und zweite (66) Meßschenkel, deren Lichtwege derart verlaufen, dass mindestens ein Schenkel (66) eine geometrisch variable Länge aufweist und mindestens ein Schenkel (66) mindestens teilweise vom Gas umgeben ist und der andere Schenkel (64) mindestens teilweise von einem vorbestimmten Medium umgeben sein kann, wobei der Lichtweg-Längenunterschied zwischen dem ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel in Abhängigkeit vom physischen Längenunterschied zwischen den Lichtwegen sowie der Eigenschaften des Gases und des vorbestimmten Mediums variiert; Einfügen erster und zweiter vorgegebener Anteile jedes der Lichtstrahlen (11, 12) in den ersten (64) bzw. zweiten (66) Meßschenkel, so dass die ersten und zweiten vorgegebenen Anteile unter Beinhaltung von Informationen über die jeweiligen Lichtweglängen durch den ersten (64) bzw. zweiten (66) Meßschenkel mit den Wellenlängen der ursprünglichen Strahlen (11, 12) als Ausgangsstrahlen (15, 16) aus dem Interferometer (60) austreten; Zusammenlegung der Ausgangsstrahlen (15, 16) zur Erzeugung optischer Mischsignale mit den der Phasendifferenz zwischen den Ausgangsstrahlen (15, 16) entsprechenden Informationen, gekennzeichnet durch Strahlen einer der Wellenlängen der ersten und zweiten vorgegebenen Anteile, die zum Ausgleich der relativen zeitlichen Änderung der geometrischen Lichtwege der ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel vorbestimmten Lichtwegen entlang durch mindestens einen der ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel mit einer sich von den Durchgängen der Strahlen der jeweils anderen Wellenlängen der ersten und zweiten vorgegebenen Anteile unterscheidenden Anzahl von Durchgängen geführt werden, Erfassung der optischen Mischsignale und Erzeugung elektrischer Interferenzsignale (s₁, s₂) mit Informationen über den Einfluss der Brechungsindizen des Gases und des vorbestimmten Mediums bei den verschiedenen Wellenlängen und relativen Streckenlängen der ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel sowie deren relativen zeitlichen Änderung; und elektronischer Auswertung der elektrischen Interferenzsignale (s₁, s₂) zur Ermittlung des Gaseinflusses in den Meßschenkeln (64, 66).
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Lichtstrahlen (11, 12), deren Wellenlängen eine im wesentlichen harmonische Beziehung aufweisen, sowie durch die Erzeugung überlagerter Phasenänderungen auf Grundlage der Lichtquellenwellenlängen, wobei die Anzahl der Strahlendurchgänge bei jedem Mehrfachdurchgang jeweils in einem ähnlichen Oberwellenverhältnis zu den harmonisch bezogenen Wellenlängen steht, um eine weitgehend auf Bewegungen im mindestens teilweise vom Gas umgebenen Meßschenkel (66) unempfindliche überlagerte Modulationsphase zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens teilweise vom Gas umgebene Meßschenkel (66) eine Meßstrecke in einem Mehrfachdurchgangs-Interferometer (60) mit einer entlang dem Meßschenkel (66) verfahrbaren Bühne (67) umfasst, wobei aufgrund einer die überlagerte Modulationsphase erzeugenden Maßnahme die Überlagerungsmodulationsphase im wesentlichen gegen eine Bewegung der Bühne (67) im Messweg (66) unempfindlich ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch die Bestimmung einer Weglänge L entlang dem Meßschenkel (66) unabhängig von Schwankungen des Brechungsindexes n.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Weglänge L gemäß der Gleichung L = (φ1 – p1ζ1)/p1n1 erfolgt, wobei φ₁ für die Größe der Phasenänderung, k₁ für die Wellenzahl der Phasenänderung, n₁ für den Brechungsindex und ζ₁ für die Phasenverschiebung steht und die Phasenverschiebung alle nicht messwegbezogenen Beiträge zur Phasenänderung φ₁ einbeschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Lichtstrahlen (11, 12) einen orthogonalen Zustand aufweist, dass der Vorgang der Erzeugung überlagerter Phasenänderungen optisch phasenverschobene Strahlen (15, 16) einbeschließt, indem Phasenänderungen zwischen den Polarisationszuständen jedes der Lichtstrahlen vorgenommen werden, deren Phasenänderungsgröße sich proportional zur Anzahl der Strahlendurchgänge durch den Meßschenkel (66), umgekehrt proportional zur Wellenlänge des Lichtstrahls, proportional zur geometrischen Länge des Meßschenkels (66) und proportional zu den Brechungsindizen des Gases im Meßschenkel (66) verhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, gekennzeichnet durch den Ausgleich von durch Schwankungen der Quellwellenlängen in der Überlagerungsmodulationsphase verursachten Fehlern.