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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung der
Position und/oder Lage einer reflektiven optischen Komponente einer
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage, sowie eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
umfassend ein solches Messsystem.
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Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen,
die zur Produktion von mikroelektronischen Bauelementen verwendet
werden, weisen unter anderem eine Lichtquelle, ein Beleuchtungssystem
zur Ausleuchtung einer strukturtragenden Maske und eine Projektionsoptik
auf zur Abbildung der Maske auf ein Substrat, den Wafer. Sowohl
das Beleuchtungssystem als auch die Projektionsoptik umfassen eine
Mehrzahl von optischen Elementen, die hochpräzise angeordnet
sein müssen, um eine gute Abbildung der Maske auf den Wafer
zu ermöglichen. Wird eine solche Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
mit Strahlung betrieben, die eine Wellenlänge kleiner als
193 nm, insbesondere im Bereich 5 nm bis 15 nm, besitzt, so umfassen
Beleuchtungssystem und Projektionsoptik üblicherweise reflektive optische
Komponenten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es ein Messsystem zur Verfügung
zu stellen, mit dem die Position und/oder Lage einer solchen reflektiven optischen
Komponente bestimmt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Messsystem mit mindestens eine Lichtquelleneinheit,
die Messstrahlung bereitstellt, die auf die reflektive optische Komponente
gelenkt wird, und mindestens eine Detektoreinheit zur Aufnahme der
von der reflektiven optischen Komponente reflektierten Messstrahlung, wobei
die Detektoreinheit eine Polarisationseigenschaft der Messstrahlung
misst. Auf diese Weise kann ein Position- und/oder Lagemessung erfolgen, ohne
dass ein mechanischer Kontakt zwischen dem Messsystem und der reflektiven
optischen Komponente vorliegt.
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Weiterhin
kann das Messsystem derart ausgestaltet sein, dass es mit einer
ersten Messstrahlung und einer zweiten Messstrahlung betrieben werden
kann und die Wellenlänge der ersten Messstrahlung (1047)
sich von der Wellenlänge der zweiten Messstrahlung unterscheidet.
Dies hat den Vorteil, dass sich eine höhere Messgenauigkeit
erzielen lässt, wenn Messstrahlungen verschiedener Wellenlängen
zum Einsatz kommen.
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Umfasst
das Messsystem zusätzlich eine Auswerte- und Steuereinheit
zur Bestimmung des Reflektionswinkels der Strahlung an der reflektiven optischen
Komponente aus den Polarisationseigenschaften der von der reflektiven
optischen Komponente reflektierten Messstrahlung, so wird eine besonders
schnelle Auswertung der Position und/oder Lage der reflektiven optischen
Komponente erreicht.
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In
einer Weitergestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit mit Aktuatoren
verbunden ist, mit denen die Position und Lage der reflektiven optischen
Komponente verändert werden kann. Dies ermöglicht
eine direkte Ansteuerung der Aktuatoren beruhend auf dem Messsignal
der Messsystems. Hierdurch kann jederzeit schnell eine Kontrolle
und Korrektur der Lage und Position der reflektiven optischen Komponente
erreicht werden.
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Eine
Ausgestaltung der Detektoreinheit des Messsystems mit mindestens
einem Polarisationsfilters hat den Vorteil, dass die Polarisationseigenschaften
der reflektierten Messstrahlung auf besonders einfache Weise gemessen
werden können, da nur Strahlung mit einer bestimmten Polarisationseinstellung
den Polarisationsfilter passieren kann.
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Ist
der Polarisationsfilter zusätzlich drehbar ausgestaltet,
so kann auf einfache Weise variiert werden, welche Polarisationseigenschaft
die Strahlung hat, die den Polarisationsfilter passieren kann.
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Eine
Ausgestaltung der Detektoreinheit derart, dass sie Messstrahlung,
die an der reflektiven optischen Komponente reflektiert worden ist,
ortsaufgelöst detektiert, hat den Vorteil, dass gleichzeitig
oder zumindest in kurzen Zeitabständen die Polarisationseigenschaften
von Strahlung, die an unterschiedlichen Orten der reflektiven optischen
Komponente reflektiert worden ist, analysiert werden können.
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Ist
die reflektive optische Komponente ein Spiegel zur Reflektion von
Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 5–15
nm, so kann das erfindungsgemäße Messsystem in Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
eingesetzt werden, die mit Nutzstrahlung einer Wellenlänge
im Bereich von 5 nm bis 15 nm betrieben wird.
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Besonders
vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße
Messsystem auf eine reflektive optische Komponente anwenden, die
eine Mehrzahl von Spiegeln umfasst, da es die Bestimmung der Position und/oder
Lage von mehren der Mehrzahl der Spiegel gleichzeitig oder zumindest
in kurzen zeitlichen Abständen ermöglicht. Dies
ist insbesondere dann wichtig, wenn mindestens zwei Spiegel aus
der Mehrzahl von Spiegeln unterschiedliche Orientierungen aufweisen.
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Ein
Messsystem, in dem die bereitgestellte Messstrahlung unpolarisiert
ist, hat den zusätzlichen Vorteil, dass in der Detektoreinheit
nur der Polarisationsgrad bestimmt werden muss, was eine relativ
einfache Ausgestaltung der Detektoreinheit ermöglicht.
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Eine
Verwendung von Messstrahlung, die einen definierten Polarisationszustand
besitzt, hat den Vorteil, dass neben den Reflektionskoeffizienten
von s- und p-polarisierter Strahlung auch eine Bestimmung der Phasenverschiebung
ermöglicht wird.
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Ein
Messsystem, in dem die bereitgestellte Messstrahlung eine Wellenlänge
hat, die sich von der Wellenlänge einer Nutzstrahlung der
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage unterscheidet, kann
mit einer besonders kostengünstigen Lichtquelle betrieben
werden.
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Umfasst
das erfindungsgemäße Messsystem mehrere Detektoreinheiten,
so lässt sich eine höhere Genauigkeit bei der
Bestimmung der Lage und/oder Position erreichen.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung befindet sich die reflektive
optische Komponente, deren Position und/oder Lage mit dem erfindungsgemäßen Messsystem
bestimmt werden soll, in einer Umgebung mit einem Druck im Bereich
von 10–9 mbar bis 1 mbar. Dies
liegt insbesondere dann vor, wenn diese Komponente innerhalb einer
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage eingesetzt wird,
die mit Strahlung betrieben wird, die bei höheren Drücken absorbiert
würde, wie zum Beispiel Strahlung mit einer Wellenlänge
im Bereich von 5 nm bis 15 nm.
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Zusätzlich
kann das erfindungsgemäße Messsystem auch so ausgebildet
sein, dass der Abstand zwischen der reflektiven optischen Komponente
und der Detektoreinheit größer ist als 30 cm,
bevorzugt größer als 50 cm. Auch ein Abstand im
Bereich von einem bis mehreren Meter ist denkbar. Dies hat den Vorteil,
dass die optische Komponente und die Detektoreinheit in verschiedenen
Umgebungen befinden können. Dies können zum Beispiel
Umgebungen mit unterschiedlichen Druck oder auch verschiedener Temperatur
sein.
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Befinden
sich zumindest Teile des Messsystems außerhalb dieser Umgebung
mit reduziertem Druck, so kann das Messsystem auch Materialien enthalten,
die unter niedrigen Drücken ausgasen würden. Es
lässt sich daher besonders kostengünstig herstellen.
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Eine
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage umfassend ein erfindungsgemäßes Messsystem
hat die Vorteile, die vorstehend mit Bezug auf das Messsystem erläutert
wurden.
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Näher
erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnungen.
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1 zeigt
den Verlauf der Reflektivitäten an Silber bei einer Wellenlänge
587 nm als Funktion des Reflektionswinkels
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2 zeigt
den Verlauf des Ellipsometriewinkels δ als Funktion des
Reflektionswinkels
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3 zeigt
den Verlauf des Tangens des Ellipsometriewinkels ψ als
Funktion des Reflektionswinkels
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4 zeigt
Polarisationsgrad ρ als Funktion des Reflektionswinkels
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5 zeigt
anhand von drei Messkurven den Verlauf des Ellipsometriewinkels
als Funktion des Reflektionswinkels
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6a zeigt
schematisch das Messsystem mit einer Lichtquelleneinheit, die polarisiertes
Licht erzeugt
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6b zeigt
schematisch das Messsystem aus 5a mit
einem verkippten reflektiven optischen Element
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7 zeigt
schematisch das Messsystem mit einer Lichtquelleneinheit, die unpolarisiertes
Licht erzeugt und einem Detektorsystem, das eine ortsaufgelöste
Messung ermöglicht
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8 zeigt
schematisch ein Messsystem, dass zwei Detektoreinheiten umfasst
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9 zeigt
eine schematische Darstellung eines Spiegelarrays
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10 zeigt
den Einsatz eines erfindungsgemäßen Messsystems
bei einer reflektiven optischen Komponente, die sich in einer Umgebung
mit vermindertem Druck befindet
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Die
Bezugszeichen sind so gewählt, dass Objekte, die in 1 dargestellt
sind, mit einstelligen oder zweistelligen Zahlen versehen wurden.
Die in den weiteren Figuren dargestellten Objekte haben Bezugszeichen,
die drei- und mehrstellig sind, wobei die letzten beiden Ziffern
das Objekt angeben und die vorangestellten Ziffern die Nummer der
Figur, auf der das Objekt dargestellt ist. Damit stimmen die Bezugsziffern
von gleichen Objekten, die in mehreren Figuren dargestellt sind,
in den letzten beiden Ziffern überein. Zum Beispiel kennzeichnen
die Bezugszeichen 601, 701 und 801 das
Objekt 1 in den 6, 7 und 8.
In diesem Fall handelt es sich um die reflektive optische Komponente.
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Das
Verhalten von elektromagnetischer Strahlung bei der Reflektion an
Oberflächen wird durch die Fresnelschen Gleichungen bestimmt.
Eines der auftretenden Phänomene ist die Änderung des
Polarisationszustandes der Strahlung bei der Reflektion. Eine detaillierte
Darstellung hierzu findet sich zum Beispiel in „Handbook
of optical systems”, H. Gross, WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim.
Die 1–4 zeigen
für die Erfindung relevante physikalische Effekte am Beispiel
der Reflektion von Strahlung der Wellenlänge λ =
587 nm an einer Silberoberfläche in einer Umgebung aus
Luft. Der Brechungsindex von Silber ist komplex und beträgt
n' = 0.18·(1 + i·20.222).
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1 zeigt
die Abhängigkeit der Intensitätsreflektionskoeffizienten
RS und RP sowie
der Gesamtreflektivität R vom Einfallswinkel I. Unter dem
Einfallswinkel versteht man den Winkel zwischen einfallender Strahlung
und der Normalen zur Oberfläche am Auftreffpunkt. Die Richtung
der einfallenden und der reflektierten Strahlung definieren ferner
die sogenannte Reflektionsebene. In dieser Ebene liegen der Richtungsvektor
der einfallenden Strahlung, der Richtungsvektor der reflektierten
Strahlung und die Normale zur Oberfläche am Auftreffpunkt
der Strahlung. Bezüglich dieser Ebene wird die senkrechte
(s) und die parallele (p) Polarisation definiert und damit auch
der senkrechte und der parallele Intensitätsreflektionskoeffizient.
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Man
sieht hier deutlich, dass bei einfallender unpolarisierter Strahlung
nach der Reflektion teilweise polarisierte Strahlung vorhanden ist,
da die Intensitätsreflektionskoeffizienten RS und
RP sich unterscheiden. Weiterhin zeigt 1,
dass der Anteil der s-polarisierten Strahlung nach der Reflektion
in diesem Fall für fast alle Einfallswinkel I größer
ist.
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Neben
der Reduzierung der Intensität erfolgt auch eine Phasenverschiebung
der Strahlung bei der Reflektion. Der Betrag der Phasenverschiebung hängt
wiederum Einfallswinkel I und von der Polarisationsrichtung in Bezug
auf die Reflektionsebene ab. Dies ist in 2 dargestellt.
Der Verlauf von δS zeigt die Abhängigkeit
der Phasenverschiebung der senkrecht zur Einfallsebene polarisierten
Strahlung als Funktion des Einfallswinkels I. Analog beschreibt
der Verlauf von δP die Abhängigkeit
der Phasenverschiebung der parallel zur Einfallsebene polarisierten Strahlung.
Hiervon ausgehend ist weiterhin der Verlauf von δ = δP – δS gezeigt,
der die relative Phasenverschiebung der beiden Polarisationsrichtungen nach
der Reflektion darstellt. Häufig wird der Winkel δ auch
als Ellipsometriewinkel bezeichnet.
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Ein
zweiter Ellipsometriewinkel ist der Winkel Ψ. Dieser Winkel
ist definiert als der Arcustangens des Verhältnisses der
Beträge der Amplitudenreflektionskoeffizienten:
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In 3 ist
die Abhängigkeit des Tangens des Ellipsometriewinkels Ψ vom
Einfallswinkel der Strahlung dargestellt.
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Betrachtet
man die Reflektion von unpolarisierter Strahlung, so ist es ferner
hilfreich als weitere Größe den Polarisationsgrad ρ einzuführen.
Dabei ist der Polarisationsgrad ρ reflektierter Strahlung
definiert durch
wobei I
P und
I
S die Intensität der p- bzw. s-polarisierten
Strahlung angibt. Bei vollständig unpolarisierter einfallender
Strahlung ergibt sich der Polarisationsgrad auch mit Hilfe der Intensitätsreflektionskoeffizienten:
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4 zeigt
den Verlauf des Polarisationsgrades für einfallende unpolarisierte
Strahlung als Funktion des Einfallswinkels I. Man erkennt deutlich, dass
sich je nach Reflektionswinkel eine unterschiedlich starke Polarisationsgrad
ergibt.
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In 6 ist beispielhaft der Verlauf von drei Messkurven
gezeigt. Dargestellt ist der Ellipsometriewinkel δ als
Funktion des Einfallswinkels I. Die reflektive optische Komponente,
an der die Messung durchgeführt wurde, bestand in diesem
Fall aus einen Silizizum Substrat mit einem Molybdän-Silizium Multilayer.
Auf dem Multilayer befand sich zudem eine Kohlenstoffschicht mit
unterschiedlicher Dicke. Die drei Messkurven beziehen sich auf drei
verschiedene Messungen mit unterschiedlich dicken Kohlenstoffschichten
an der Oberfläche. Die Messung wurden mit einer Messstrahlung
der Wellenlänge 400 nm vorgenommen. Neben der Variation
des Ellipsometriewinkels in Abhängigkeit der Kohlenstoffdicke,
die die Sensitivität einer solchen Messung gegenüber dem
Brechungsindex der Oberfläche verdeutlicht, kann man aus
den Kurven auch die Sensitivität des Ellipsometriewinkels
von Einfallswinkel entnehmen. Ändert sich der Einfallswinkel
nur um 0.1°, so führt dies bereits zu einer Änderung
des Ellipsometriewinkels um 0.2°. Eine solche Veränderung
des Ellipsometriewinkels kann mit dem im folgenden beschriebenen
Messsystem ohne Probleme bestimmt werden, so dass der Reflektionswinkel
auf 0.1° oder weniger ermittelt werden kann.
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Die
in Bezug auf die 1 bis 5 erläuterten
physikalischen Effekte ermöglichen es, die genaue Position
und Orientierung einer reflektiven optischen Komponente in einer
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zu bestimmen. Dies
ist in 6a gezeigt. Dargestellt ist
hier eine reflektive optische Komponente, die in einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
eingesetzt wird. Die reflektive optische Komponente hat dabei die Aufgabe
die Nutzstrahlung 602 der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
umzulenken und geeignet zu formen. Hierzu kann die reflektive optische
Komponente plan sein wie in der 6a dargestellt
oder eine sphärische oder asphärische reflektive
Oberfläche aufweisen. Die Ausbildung in Form eines Spiegelarrays,
wie in Bezug zu 9 erläutert, ist ebenfalls
möglich. Die Nutzstrahlung 602 der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
hat dabei zum Beispiel eine Wellenlänge, die 193 nm oder weniger,
insbesondere 5–15 nm, beträgt. Die reflektive
optische Komponente 601 besitzt ein Abtastbereich 603,
der mit polarisierter Messstrahlung einer Lichtquelleneinheit 605 bestrahlt
wird. Die polarisierte Messstrahlung der Quelleinheit hat dabei
eine Wellenlänge, die nicht notwendigerweise mit der Wellenlänge
der Nutzstrahlung 602 übereinstimmt. Die Wellenlänge
der polarisierten Messstrahlung kann im Bereich von 240 nm bis 1200
nm liegen. Es ist auch möglich Messstrahlung mit einer
gewissen Bandbreite zu verwenden. Eine höhere Genauigkeit kann
jedoch mit möglichst monochromatischer Messstrahlung erreicht
werden.
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Allerdings
kann es zusätzlich vorteilhaft sein, die Messung nacheinander
mit verschiedenen Messstrahlungen unterschiedlicher Wellenlängen
durchzuführen. Auf diese Weise lässt sich ein
größerer Satz von Messdaten erhalten, um hieraus
den Reflektionswinkel zu bestimmen. Damit kann die Messgenauigkeit
deutlich gesteigert werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die optischen
Eigenschaften der reflektierenden Fläche nicht genau bekannt
sind. Dieses Problem tritt zum Beispiel auf, wenn die reflektierende
Fläche mit der Zeit verschmutzt oder oxidiert. Dann ergibt
sich eine intrinsische Ungenauigkeit bei der Bestimmung des Reflektionswinkels,
da der Brechungsindex der Oberfläche nicht genau bekannt
ist. In diesem Fall führt man die Messung mehrfach mit Messstrahlung
unterschiedlicher Wellenlängen durch. Legt man dann weiterhin
theoretische Modelle für den Verlauf des Brechungsindex
als Funktion der Wellenlänge zugrunde, kann aus den Messdaten
sowohl der Reflektionswinkel als auch der Brechungsindex der reflektierenden
Fläche für die verschiedenen Wellenlängen
bestimmt werden. Man erhält somit zusätzlich noch
weitere Informationen über die Fläche wie zum
Beispiel den Verschmutzungs- oder Oxidationsgrad. Bei solchen Messverfahren
kommen üblicherweise Messstrahlungen mit Wellenlängen
im Bereich von 250 nm–550 nm zum Einsatz.
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Die
Lichtquelleneinheit besteht hier aus einer Lichtquelle 607 und
einem Polarisationsfilter 609 zur Einstellung eines genau
definierten Polarisationszustandes. Dieser Zustand ist in der vorliegenden
Ausführungsform eine lineare Polarisation. Der definierte Polarisationszustand
kann aber auch eine andere Polarisation, wie zum Beispiel eine elliptische
Polarisation mit bekannter Hauptpolarisationsrichtung, Polarisationsgrad
und Phasenwinkel sein. Die Lichtquelle 607 ist hier zum
Beispiel eine Bogenlampe. Andere Lichtquellen, wie zum Beispiel
Gasentladungslampen mit einem breiten Spektrum, sind ebenfalls möglich
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Die
Lichtquelleneinheit 605 ist so konfiguriert, dass sie Messstrahlung
mit einer geringen Divergenz erzeugt. Somit ist sichergestellt,
dass nur der Abtastbereich 603 ausgeleuchtet wird. Die vom Abtastbereich 603 reflektierte
Messstrahlung wird von der Detektoreinheit 611 aufgenommen.
Die Detektoreinheit besteht aus einem Polarisationsfilter 613,
der drehbar um die Richtung der einfallenden Messstrahlung ausgebildet
ist, und einem Detektor 615 zur Messung der Intensität
der der Messstrahlung, die den Polarisationsfilter 613 passiert.
Der Detektor kann zum Beispiel ein CCD-Sensor oder eine Photodiode
sein. Andere Detektortypen sind ebenfalls denkbar. Mit Hilfe des
Detektors 615 kann also die Intensität der, auf
den Detektor fallenden, Messstrahlung in Abhängigkeit von
der Einstellung des Polarisationsfilters 613 ermittelt
werden. Hieraus lässt sich dann der Polarisationszustand
der Messstrahlung nach der Reflektion an der reflektiven optischen Komponente
bestimmen. Der Polarisationsfilter 609 wirkt also als Polarisator,
wohingegen der Polarisationsfilter 613 als Analysator verwendet
wird. Durch den Vergleich des Polarisationszustandes der Messstrahlung
vor und nach der Reflektion wird dann zum Beispiel der Ellipsometrie-Winkel δ ermittelt.
Da die Oberflächeneigenschaften des optischen Elements im
Abtastbereich 603 bekannt sind, kann hieraus der Reflektionswinkel
I der Messstrahlung bestimmt werden. Dabei nutzt man aus, dass bei
bekannten Oberflächeneigenschaften wie zum Beispiel dem
komplexen Brechungsindex ein wohlbekannter Zusammenhang zwischen
Ellipsometrie-Winkel δ und Reflektionswinkel besteht, wie
bereits in Bezug auf 2 erläutert wurde.
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Zusätzlich
zu den in 6a dargestellten Komponenten
kann sowohl die Lichtquelleneinheit 605 als auch die Detektoreinheit 611 zusätzlich
einen weiteren Polarisationsfilter enthalten, der als Kompensator
wirkt. Dieser Polarisationsfilter ist derart gewählt, dass
die Polarisationswirkung der Reflektion zumindest teilweise kompensiert
wird. Dies kann ein einfacheres Messverfahren zur Folge haben, da
der drehbare Polarisationsfilter 613 nur noch in einem kleinen
Bereich verdreht werden muss.
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Die
Genauigkeit dieses Verfahrens kann auf verschiedenen Arten verbessert
werden. So ist es zum Beispiel vorteilhaft, die Lichtquelleeinheit
und die Detektoreinheit derart anzuordnen, dass der zu bestimmende
Reflektionswinkel in der Nähe des Brewsterwinkels liegt.
In diesem Bereich führt bereits eine kleine Änderung
des Reflektionswinkels zu einer signifikanten Änderung
des Ellipsometrie-Winkels δ. In 2 ist dies
zum Beispiel der Bereich um 80°. Daher lässt sich
in diesem Bereich eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung
des Reflektionswinkels erreichen. Alternativ oder ergänzend
kann die Bestimmung auch mit Messstrahlung verschiedener Wellenlängen
durchgeführt werden. Da die in den 1–4 dargestellten
Verläufe für verschiedene Wellenlängen
bekannt sich, ermöglicht die Messung der Abhängigkeit
des Ellipsometrie-Winkels von der Wellenlänge der Messstrahlung
eine genauere Bestimmung des Reflektionswinkels.
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Alternativ
zu der in 6a dargestellten Ausführungsform
kann auch eine Lichtquelleneinheit 605 verwendet werden,
die unpolarisierte Messstrahlung zu Verfügung stellt. In
diesem Fall wird mit Hilfe der Detektoreinheit 611 der
Polarisationsgrad der Messstrahlung nach der Reflektion bestimmt.
Dies kann ebenfalls durch Messung der Strahlungsintensität
am Detektor in Abhängigkeit des Drehwinkels des Polarisationsfilters 613 geschehen.
Wie anhand von 4 dargelegt, besteht bei bekannten
optischen Eigenschaften der reflektiven Oberfläche im Abtastbereich
ein wohlbekannter Zusammenhang zwischen Polarisationsgrad und Reflektionswinkel
I. Daher ist auch in diesem Fall möglich, den Reflektionswinkel
I zu bestimmen.
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Diese
Information über den Reflektionswinkel der Messstrahlung
lässt sich auf verschiedene Weisen benutzten, um die Position
und die Orientierung des reflektiven optischen Elementes zu bestimmen.
Dies ist in 6b dargestellt.
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6b zeigt
beispielhaft zwei Strahlverläufe 617 und 617a zwischen
Lichtquelleneinheit und Detektoreinheit. In beiden Fällen
ist die Position und Orientierung der Lichtquelleneinheit und die
Position der Detektoreinheit identisch. Aufgrund einer unterschiedlichen
Position und Orientierung der reflektiven optischen Komponente 601 bzw. 601a ergeben sich
jedoch unterschiedliche Strahlverläufe mit einem unterschiedlichen
Reflektionswinkel I bzw. I'. Um ein besser graphische Darstellung
zu ermöglichen, ist der Unterschied der beiden Positionen
und damit der beiden Reflektionswinkel übertrieben dargestellt
worden. Das erfindungsgemäße Messsystem ist in
der Lage Orientierungsänderungen im Bereich von 1 mrad
zu ermitteln.
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Bestimmt
man nun aus der Messung der Polarisationseigenschaften der reflektierten
Messstrahlung den Reflektionswinkel, so kann man mit Hilfe diese
Winkels entscheiden, in welcher der beispielhaften Positionen sich
die reflektive optische Komponente befindet. Es lässt sich
also aus der Detektorposition und der Position und Orientierung
der Lichtquelle die Position der reflektiven optischen Komponente
genau bestimmen. Dabei ist jedoch erforderlich, dass die Messstrahlung
im Wesentlichen an der gleichen Stelle der reflektiven optischen
Komponente reflektiert wird. Um dies zu gewährleisten wird
der Abtastbereich 607 benutzt. Dieser Bereich kann zum Beispiel
mit einer Markierung wie einem Fadenkreuz versehen sein, um zu kontrollieren,
ob die von der Lichtquelleeinheit ausgehende Messstrahlung an der gewünschten
Stelle der reflektiven optischen Komponente reflektiert wird. Damit
die von der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage verwendete
Nutzstrahlung nicht durch eine solche Markierung gestört wird,
ist der Abtastbereich vorteilhaft außerhalb der optischen
Nutzfläche 619 angeordnet. Unter optischer Nutzfläche
versteht man in diesem Zusammenhang den Bereich der reflektiven
optischen Komponente, der im Betrieb der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
mit Nutzstrahlung 602 beaufschlagt wird.
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6c zeigt
eine reflektive optische Komponente 601, die mit zwei Aktuatoren 620 verbunden ist.
Bei den Aktuatoren 620 kann es sich zum Piezostellelemente
oder Lorentzaktuatoren handeln. Mit Hilfe der Aktuatoren 620 kann
die Position und Lage der reflektiven optischen Komponente 601 in
einem gewissen Bereich eingestellt werden. Weiterhin sind die Aktuatoren 620 mit
einer Auswerte- und Steuereinheit 622 verbunden. Bei der
Auswerte- und Steuereinheit kann es sich zum Beispiel um einen Computer
handeln. Diese Auswerte- und Steuereinheit 622, die ebenfalls
mit der Lichtquelleneinheit 605 und der Dektektoreinheit 611 verbunden
ist, ermittelt aus den Messdaten des Messsystems die Position und Lage
der reflektiven optischen Komponente 601. Dieses Ergebnis
wird intern mit einer Soll-Position und einer Soll-Lage der reflektiven
optischen Komponente 601 verglichen, die zum Beispiel in
einer Speichereinheit (nicht dargestellt) hinterlegt sein kann.
Aus dem Ergebnis dieses Vergleichs wird ein Steuersignal generiert,
mit dem die Aktuatoren 620 angesteuert werden, was zu einer
Veränderung der Position und Lage der reflektiven optischen
Komponente führt. Dieser Mess-Steuer-Zyklus wird gegebenenfalls
mehrfach durchgeführt bis die Position und Lage der reflektiven
optischen Komponente 601 von der Soll-Position und Soll-Lage
nur noch innerhalb einer gewissen Toleranz, die im ebenfalls in
der Speichereinheit hinterlegt sein kann, abweicht.
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In
der 6c ist die Auswerte- und Steuereinheit mit Detektoreinheit
und Lichtquelleneinheit verbunden. Dies hat den Vorteil, dass nicht
nur das, von der Detektoreinheit generierte Messsignal, an die Auswerte-
und Steuereinheit übermittelt wird, sondern zum Beispiel
auch weitere Informationen über die Konfiguration der Lichtquelleneinheit,
wie zum Beispiel die verwendete Wellenlänge der Messstrahlung.
In einer einfacheren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Messsystems ist es auch denkbar, dass nur die Detektoreinheit mit
der Auswerte- und Steuereinheit verbunden ist.
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Zur
Verbesserung der Genauigkeit ist es vorteilhaft, wenn die Position
und Orientierung der reflektiven optischen Komponente mit Hilfe
von mehren Abtastbereichen 603, die an verschiedenen Stellen der
reflektiven optischen Komponente 601 vorgesehen sind, bestimmt
wird. Daher können auch mehrere Messsysteme aus jeweils
einer Lichtquelleneinheit 605 und einer Detektoreinheit 611 vorgesehen
sein, um die Position und Lage der reflektiven optischen Komponente
zu bestimmen.
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7 zeigt
einen schematischen Aufbau einer alternativen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messsystems. Als Lichtquelleneinheit
dient ein Projektionsschirm 721, der rückseitig
von einer Lichtquelle beleuchtet wird (nicht gezeigt) und daraufhin
eine diffuse unpolarisierte Messstrahlung abgibt. Diese Messstrahlung
beleuchtet einen größeren Bereich der reflektiven
optischen Komponente 701. Mit Hilfe der Detektoreinheit 711,
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem drehbaren
Polarisationsfilter 713 und einer CCD-Kamera besteht, wird der
Polarisationsgrad der reflektierten Messstrahlung gleichzeitig über
eine größeren Bereich der reflektiven optischen
Komponente bestimmt. Dies liegt daran, dass eine CCD-Kamera eine
ortsaufgelöste Messung der Intensität der reflektierten
Strahlung ermöglicht. Wie im Folgenden beschrieben, kann
anhand der Intensitätsverteilung über die Pixel
des CCD-Chips auf die Polarisationsverteilung über einen
größeren Bereich der reflektiven optischen Komponente
zurückgeschlossen werden. Andere Detektortypen wie zum
Beispiel ein CMOS-Chip oder eine andere Art von Detektorarray zur
ortsaufgelösten Messung sind ebenfalls möglich.
Die Kameraoptik ist in der 7 nicht
dargestellt, sondern durch eine einfache Lochkamera bestehend aus
der Lochblende 723 und einem angedeuteten CCD-Chip 725,
ersetzt worden. Der CCD-Chip ist zur besseren zeichnerischen Darstellung
nur durch vier Pixel 727 angedeutet. In einer realen Umsetzung
besitzt ein CCD-Chip eine Vielzahl von Pixeln, deren Anzahl um mehrere Größenordnungen
größer ist. Jedem Pixel 727 des CCD-Chips 725 ist
ein kleines Gebiet auf dem reflektiven optischen Element zugeordnet.
In der 7 ist die Zuordnung durch die Strahlen 729 angedeutet. Bestimmt
man nun für jedes Pixel 729 die Intensität der
einfallenden Messstrahlung als Funktion der Winkeleinstellung des
Polarisationsfilters 713, so kann für jeden, einem
CCD-Pixel zugeordneten, Bereich auf dem beleuchteten Teil der reflektiven
optischen Komponente 701 angegeben werden, welchen Polarisationsgrad
die Messstrahlung hat, die in diesem Bereich reflektiert wird. Dabei
ist die Ortsauflösung auf dem optischen Element umso größer
je mehr Pixel der CCD-Chip besitzt. Durch eine vorherige Kalbrationsmessung
kann des Messsignal des CCD-Chips in eine Strahlungsintensität
am CCD-Chip umgerechnet werden. Aus der Strahlungsintensität an
jedem Pixel des CCD-Chips kann dann in Abhängigkeit der
Winkeleinstellung des Polarisationsfilters wie im vorangegangen
Ausführungsbeispiel wiederum der Reflektionswinkel an der
dem Pixel zugeordneten Bereich des reflektiven optischen Element
ermittelt werden. Hierzu kann die in 4 dargestellte
Abhängigkeit des Polarisationsgrades vom Reflektionswinkel
verwendet werden. Da die reflektive optische Komponente in diesem
Ausführungsbeispiel durch eine ausgedehnte Lichtquelle beleuchtet
wird und somit der Ausgangsort in der Lichtquelleneinheit nicht
für jeden der Strahlen 729 feststeht, reicht diese
Information noch nicht aus, um die Orientierung der optischen Fläche
an dem, dem Pixel zugeordneten Bereich, zu bestimmen. Dies liegt
daran, dass es nur mit dem Reflektionswinkel nicht möglich
ist die Reflektionsebene, die gebildet wird aus einfallendem und
reflektierten Strahl, zu ermitteln. Eine weitere Auswertung der
Strahlungsintensität am Pixel des CCD-Detektors in Abhängigkeit der
Einstellung des Polarisationsfilters 713 ermöglicht
es jedoch, diese Ebene zu bestimmen. Hierbei macht man sich zu Nutze,
dass die Reflektivität der reflektiven optischen Komponente
für Messstrahlung, deren lineare Polarisationsrichtung
parallel zur Reflektionsebene liegt, am geringsten ist. Die Einstellung
des Polarisationsfilters 713, bei der am CCD-Detektor die
geringste Strahlungsintensität anliegt, gibt daher einen
Vektor an, der in der Reflektionsebene liegt. Zusammen mit der Strahlrichtung
eines Strahls 729, die sich aus Position und Orientierung
der CCD-Kamera ergibt, wird die Reflektionsebene eindeutig festgelegt.
Alternativ kann auch die Einstellung des Polarisationsfilters ermittelt
werden, bei der die maximale Strahlungsintensität vorliegt, um
die Reflektionsebene festzulegen, da die Reflektivität
der reflektiven optischen Komponente für Messstrahlung,
deren lineare Polarisationsrichtung senkrecht zur Reflektionsebene
liegt, am größten ist.
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Vorteilhaft
bestimmt man den Polarisationsgrad durch Drehung des Polarisationsfilters
um eine Mehrzahl von Winkeln ϕi aus
einer Ausgangstellung, wobei ϕi = i·180°N mit N ganzzahlig und
i = 0...N–1 ganzzahlig
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Für
jeden Winkel ϕ
i bestimmt man die
Strahlungsintensität B
i an jedem
Pixel gegebenenfalls durch Zuhilfenahme der zuvor durchgeführten
Kalibrationsmessung. Der Polarisationsgrad ist dann gegeben durch
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Je
mehr Messschritte N durchgeführt werden, desto genauer
ist die Bestimmung des Polarisationsgrades. Aus der gleichen Messung
kann auch die Reflektionsebene bestimmt werden. Da der Intensitätsreflektionskoeffizient
für p-polarisiertes Licht immer kleiner ist als der für
s-polarisiertes Licht, gibt die Winkelstellung ϕp bei der die Strahlungsintensität
am geringsten ist, einen Richtungsvektor vor, der in Reflektionsebene
liegt. Die Bestimmung des Polarisationsgrades und der Reflektionsebene
kann zum Beispiel durch eine Auswerte- und Steuereinheit erfolgen.
Diese Auswerte- und Steuereinheit kann zum Beispiel ein Computer
sein. Die Auswerte- und Steuereinheit kann in die Detektoreinheit
integriert sein oder als ein separates Modul ausgeführt
sein.
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Dieses
Verfahren zur Bestimmung der Reflektionsebene weist jedoch eine
gewisse Messunsicherheit auf. Daher ist es vorteilhaft zur genauen Winkelbestimmung
eine zweite Detektoreinheit einzusetzen. Dies ist 8 dargestellt.
Zur besseren Sichtbarkeit sind nur die Strahlen nach der Reflektion an
der reflektiven optischen Komponente 801 dargestellt. Die
beiden Detektoreinheiten 831 und 833 haben in
etwa den gleichen Elevationswinkel, da sie etwa in der gleichen
Entfernung oberhalb der reflektiven optischen Komponente angeordnet
sind. Allerdings unterscheidet sich der Azimuth der Detektoren um
den Winkel α, der in 8 ca. 100° beträgt.
Das heißt, dass die beiden Reflektionsebenen unter einem
Winkel von etwa 100° zueinander stehen. Die zur Detektoreinheit 831 gehörige
Reflektionsebene wird gebildet durch die Normale 835 und
den Strahl, der den Detektor 831 erreicht. Entsprechendes
gilt für die zur Detektoreinheit 833 gehörige
Reflektionsebene. Mit der Detektoreinheit 831 wird der
Winkel I1 zur Normalen 835 bestimmt
und mit der Detektoreinheit 833 der Winkel I2.
Beide Detektoreinheiten 831 und 833 können
zum Beispiel wie in 7 ausgebildet sein und ermöglichen
somit eine Bestimmung des Reflektionswinkels über einen
größeren Bereich der reflektiven optischen Komponente.
Es stehen somit ortsaufgelöste Datensätze der
Detektoreinheit 831 und der Detektoreinheit 833 zur
Verfügung. Diese beiden Datensätze müssen
zueinander mit Hilfe einer Auswerte- und Steuereinheit in Verbindung
gebracht werden. Hierzu sind auf der reflektiven optischen Komponente
die Markierungen 837 angebracht. Mit Hilfe der Markierungen 837,
die in beiden Datensätzen erscheinen, können die
ortsaufgelösten Daten der beiden Detektoreinheiten zueinander
in Verbindung gebracht werden. Man spricht in diesem Fall vom Matching
der Datensätze zueinander. Das Matching von Kamerabildern
mit Hilfe von Markierungen ist ein bekanntes Verfahren, das zum
Beispiel verwendet wird um die 3-Dimensionale Struktur eines Körpers
in einen Computer zu übertragen. Hierbei können
sogar die Bildfehler der Kameras wie zum Beispiel Verzeichnung berücksichtigt
werden. Siehe zum Beispiel R. Y. Tsai, An Efficient and
Accurate Camera Calibration Technique for 3D Machine Vision. Proceedings
of IEEE Conference an Computer Vision and Pattern Recognition, Miami
Beach, FL, pp. 364–374, 1986 oder O. Faugeras,
Three-Dimensional Computer Vision. MIT Press, 1993.
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Diese
Verfahren ermöglichen es, die beiden Datensätze
miteinander in Verbindung zu setzen und somit für jeden
Ort auf der reflektiven optischen Komponente den Polarisationsgrad
der Messstrahlung zu bestimmen, die in Richtung der Detektoreinheit 831 bzw.
in Richtung der Detektoreinheit 833 reflektiert wird. Der
Winkel α, der ebenfalls vom Reflektionsort abhängig
ist, kann ebenfalls aus den gematchten Kameradatensätzen
ermittelt werden. Damit liegt für jeden Ort auf der reflektiven
optischen Komponente der Winkel α zwischen Detektoreinheiten
und die Reflektionswinkel I1 und I2 der in Richtung der Detektoreinheiten reflektierten
Strahlen fest. Aus diesen Größen kann man durch
geometrische Überlegungen die Richtung der Normalen 835 auf
der Oberfläche der reflektiven optischen Komponente 801 und
damit die Orientierung der Komponente in Bezug auf die Detektoreinheiten
bestimmen.
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In 9 ist
eine Ausführungsform der reflektiven optischen Komponente 901 dargestellt.
In diesem Fall ist die reflektive optische Komponente 901 ein
Array aus einer Vielzahl von Spiegeln 939. Hierbei kann
es sich zum Beispiel um Mikrospiegel mit einer Größe
von 0,25 mm2 handeln. Es sind aber auch größere
Spiegel z. B. mit 4 mm2 oder kleinere Spiegel möglich.
Die Spiegel 939 haben typischerweise unterschiedliche Orientierungen.
Dies ist durch die Normalen 935 auf den Spiegeln angedeutet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Spiegel mit einer Aktuatorik
zum Beispiel mit Piezostellelementen versehen. Diese Aktuatorik
dient dazu, die Orientierung der Spiegel zu verändern und
damit Normale zu verkippen. Bei einem Einsatz in einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
kann hierdurch die Nutzstrahlung gezielt beeinflusst werden. Insbesondere
in diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße
Messsystem verwendet werden, um auf einfache Weise die Orientierung
aller Spiegel des Arrays einzustellen oder zu kontrollieren. Hierzu kann
insbesondere das mit Bezug auf 6c erläuterte
Steuer- und Kontrollverfahren verwendet werden, um alle Aktuatoren
derart anzusteuern, dass die Position und Lage aller Spiegel von
der Soll-Position und Soll-Lage nur noch geringfügig abweichen.
In diesem speziellen Fall kann sogar auf die im Zusammenhang mit 8 beschriebenen
Markierungen 837 verzichtet werden, da bereits die Anordnung
der Spiegel innerhalb des Arrays genug Informationen liefert, um
die Datensätze der Detektoreinheiten zu matchen.
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10 zeigt
den Einsatz eines erfindungsgemäßen Messsystems
in einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage. Während
die reflektive optische Komponente
1001 sich in diesem Fall
innerhalb einer bestimmten Umgebung
1041 befindet, sind
zumindest Teile des Messsystems außerhalb der Umgebung
angeordnet. Dies sind in der
10 die
Lichtquelleneinheit
1005 und die Detektoreinheit
1011.
In diesem Fall beträgt der Abstand zwischen der Detektoreinheit
1011 und
der reflektiven optischen Komponente
1001 mehr als 50 cm. Der
Abstand kann jedoch auch deutlich mehr als 50 cm betragen. Dies
kann vorteilhaft sein, um eine einfache konstruktive Gestaltung
der Projektionsbelichtungsanlage zu ermöglichen. Die Umgebung
1041 ist durch
die Trennwände
1043 vom Außenbereich
1045 abgeteilt.
Beispiele für eine solche Umgebung
1041 sind in
der
WO 2008/034582
A2 gezeigt. Die Messstrahlung
1047 passiert die
Trennwände
1043 durch geeignete Fenster
1049.
Wird die Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zum Beispiel
mit einer Nutzstrahlung einer Wellenlänge im Bereich von
5–15 nm, sogenannter EUV-Strahlung, betrieben, dann ist
es vorteilhaft, wenn die Umgebung
1041 der reflektiven
optischen Komponente
1001 einen möglichst niedrigen
Druck aufweist. Dies liegt daran, dass diese Strahlung sehr schnell
von Luft absorbiert wird. üblich sind hier Drücke
in der Umgebung
1045 von 10
–9 mbar
bis 1 mbar. Es ist vorteilhaft, wenn sich innerhalb der Umgebung
1045 so
wenige Komponenten wie möglich befinden, da viele Materialien
dazu neigen, auzugasen und so eine Kontamination verursachen und
gleichzeitig die Aufrechterhaltung des niedrigen Druckes erschweren. Zum
Beispiel sollten keine Materialien verwendet werden, die Kohlenwasserstoffe
freisetzen, da Kohlenwasserstoffe in der Umgebung von optischen Komponenten
unter Bestrahlung im EUV-Bereich zur Ablagerung von Kohlenstoff
auf den optischen Komponenten ihren. Dies vermindert jedoch die
Reflektivität und ist daher zu vermeiden. Aus diesem Grund ist
es schwierig, konventionelle Positions- und Orientierungssensoren
an den optischen Elementen anzubringen, da hier häufig
mit Ausgasungen gerechnet werden muss. Die Verwendung des erfindungsgemäßen
Messsystems ermöglicht es, die erforderlichen Teile, wie
die Lichtquelleneinheit
1005 und die Detektoreinheit
1011,
außerhalb der Umgebung
1045 mit reduziertem Druck
zu positionieren. Die Messstrahlung
1047 wird in einem
solchen Fall durch die Fenster
1049 in den druckreduzierten
Bereich hinein und heraus geleitet. Solche Fenster können
zum Beispiel aus Quarzglas, Saphir aber auch aus dünnen
Metallfolien bestehen. Beim Passieren der Fenster
1049 kann
je nach Fenstermaterial eine Veränderung des Polarisationszustandes
erfolgen. Diese Änderung beeinflusst die Position- und
Orientierungsmessung der reflektiven optischen Komponente und muss
mit Hilfe einer Kalibrationsmessung berücksichtigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2008/034582
A2 [0064]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - R. Y. Tsai,
An Efficient and Accurate Camera Calibration Technique for 3D Machine
Vision. Proceedings of IEEE Conference an Computer Vision and Pattern
Recognition, Miami Beach, FL, pp. 364–374, 1986 [0061]
- - O. Faugeras, Three-Dimensional Computer Vision. MIT Press,
1993 [0061]