DE102024201474A1 - Measuring arrangement for determining the position of a movable component - Google Patents
Measuring arrangement for determining the position of a movable componentInfo
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Abstract
Eine Messanordnung (10) zur Positionsbestimmung einer bewegbaren Komponente (526) in einem System (500) umfasst einen optischen Resonator (26) mit zwei Resonatorspiegeln (28, 30), welche eine Resonatorkavität (32) umschließen, einen der Komponente zugeordneten bewegbaren Messspiegel (14), welcher innerhalb der Resonatorkavität zum Hin-und Herlenken einer Messstrahlung (18) zwischen den Resonatorspiegeln angeordnet ist und, ausgehend von einer Grundstellung, bewegbar ist, sowie eine fokussierende Linse (34). Dabei ist die Linse (34) unbeweglich derart innerhalb der Resonatorkavität (32) angeordnet, dass der Messspiegel in der Grundstellung in einer Katzenaugenposition der Linse angeordnet ist. A measuring arrangement (10) for determining the position of a movable component (526) in a system (500) comprises an optical resonator (26) with two resonator mirrors (28, 30) which enclose a resonator cavity (32), a movable measuring mirror (14) assigned to the component, which is arranged within the resonator cavity for deflecting a measuring radiation (18) back and forth between the resonator mirrors and is movable from a home position, and a focusing lens (34). The lens (34) is arranged immovably within the resonator cavity (32) such that the measuring mirror is arranged in a cat's eye position of the lens in the home position.
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Positionsbestimmung einer bewegbaren Komponente in einem System. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie, eine Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie, ein Projektionsobjektiv einer Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie, eine Inspektionsanlage sowie ein Koordinatenmessgerät, jeweils mit mindestens einer Messanordung der genannten Art.The invention relates to a measuring arrangement for determining the position of a movable component in a system. Furthermore, the invention relates to a projection exposure system for photolithography, an illumination optics system for a projection exposure system for photolithography, a projection lens system for a projection exposure system for photolithography, an inspection system, and a coordinate measuring machine, each comprising at least one measuring arrangement of the aforementioned type.
Photolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, genutzt. Unter dem Begriff „mikrostrukturierte Bauelemente“ werden in diesem Zusammenhang insbesondere Bauelemente mit Mikrostukturen und/oder Nanostrukturen verstanden. Photolithographie wird oft auch als „Mikrolithographie“ bezeichnet, wobei diese insbesondere auch zur Herstellung von Nanostrukturen genutzt werden kann. Die Herstellung der mikrostrukturierten Bauelemente erfolgt mittels einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage, welche eine Beleuchtungseinrichtung sowie ein Projektionsobjektiv umfasst. Das Bild einer sich auf einem Retikel befindlichen und mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.Photolithography is used to produce microstructured components, such as integrated circuits or LCDs. In this context, the term "microstructured components" refers in particular to components with microstructures and/or nanostructures. Photolithography is often also referred to as "microlithography," although this can also be used in particular to produce nanostructures. The microstructured components are produced using a so-called projection exposure system, which comprises an illumination device and a projection lens. The image of a mask located on a reticle and illuminated by the illumination device is projected by the projection lens onto a substrate (e.g., a silicon wafer) coated with a light-sensitive layer (photoresist) and arranged in the image plane of the projection lens in order to transfer the mask structure to the light-sensitive coating of the substrate.
Im Betrieb solcher Projektionsobjektive, bei dem üblicherweise Maske und Wafer in einem Scan-Prozess relativ zueinander bewegt werden, müssen die Positionen der teilweise in allen sechs Freiheitsgraden beweglichen Spiegel sowohl zueinander wie auch zu Maske bzw. Wafer mit hoher Genauigkeit eingestellt sowie beibehalten werden, um Aberrationen und damit einhergehende Beeinträchtigungen des Abbildungsergebnisses zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren. Bei dieser Positionsbestimmung können z.B. in der EUV-Lithographie über eine Weglänge von 1 Meter Genauigkeiten der Längenmessung im Pikometer (pm)-Bereich gefordert sein.When operating such projection lenses, where the mask and wafer are typically moved relative to each other during a scanning process, the positions of the mirrors, some of which are movable in all six degrees of freedom, must be adjusted and maintained with high precision, both relative to each other and relative to the mask or wafer, to avoid or at least reduce aberrations and the associated impairment of the imaging result. For this position determination, for example, in EUV lithography, length measurement accuracies in the picometer (pm) range may be required over a path length of 1 meter.
Im Stand der Technik sind diverse Ansätze bekannt, um die Position der einzelnen Objektivspiegel sowie auch des Wafers bzw. der Waferstage und der Retikelebene zu vermessen. Dabei ist neben interferometrischen Messanordnungen auch die frequenzbasierte Positionsmessung unter Verwendung eines optischen Resonators bekannt. Ein in
Wesentlich für die Funktionalität eines optischen Resonators bei der Distanzmessung ist zum einen, dass der Messstrahl innerhalb des optischen Resonators eine möglichst hohe Anzahl an Umläufen innerhalb des Resonators vollziehen kann (ohne dass er die durch den Resonator gebildete Kavität verlässt), damit sich Eigenmoden im Resonator ausbilden können. Wesentlich ist weiterhin auch die Ankoppelbarkeit des am Eingang der Resonator-Strecke anliegenden äußeren Strahlungsfeldes (=„Einkoppelfeld“) an das Modenfeld des optischen Resonators (=„Resonatorfeld“). Die für die besagte Ankopplung charakteristische Kopplungseffizienz ist hierbei durch das Überlappintegral zwischen Einkoppelfeld und Resonatorfeld definiert, so dass zur Erzielung einer hohen Kopplungseffizienz Einkoppelfeld und Resonatorfeld in allen relevanten Parametern möglichst gut übereinstimmen müssen.A key factor for the functionality of an optical resonator for distance measurement is, on the one hand, that the measuring beam can complete as many revolutions as possible within the optical resonator (without leaving the cavity formed by the resonator) so that eigenmodes can develop in the resonator. Another key factor is the ability to couple the external radiation field (= "coupling field") present at the entrance to the resonator path to the mode field of the optical resonator (= "resonator field"). The coupling efficiency characteristic of this coupling is defined by the overlap integral between the coupling field and the resonator field, so that to achieve high coupling efficiency, the coupling field and the resonator field must match as closely as possible in all relevant parameters.
In der Praxis können nun beim Einsatz eines optischen Resonators zur Distanzmessung bei der Vermessung der Lage einer Komponente bzw. eines Spiegels Probleme daraus resultieren, dass Bewegungen des am Spiegel angeordneten Messtargets nicht nur entlang der eigentlichen Messrichtung, sondern auch in anderen der insgesamt sechs Freiheitsgrade auftreten können. Solche nicht entlang der Messrichtung stattfindenden (Parasitär-) Bewegungen, z.B. beabsichtigte oder unbeabsichtigte Verkippungen oder laterale Verschiebungen des Messtargets, können dazu führen, dass ein „Auswandern“ des Hauptstrahls, auf dem die Moden des Resonators gleichsam „aufgefädelt“ sind, in Position und Winkel stattfindet mit der Folge, dass eine hinreichende Ankopplung des Resonatorfeldes an das Einkoppelfeld nicht mehr gegeben ist.In practice, when using an optical resonator for distance measurement when measuring the position of a component or a mirror, problems can arise from movements of the measuring element arranged on the mirror. Targets can occur not only along the actual measurement direction, but also in other of the six degrees of freedom. Such (parasitic) movements that do not occur along the measurement direction, e.g., intentional or unintentional tilting or lateral displacement of the measurement target, can lead to a "wandering" of the main beam, on which the resonator modes are "threaded," in position and angle, resulting in a loss of sufficient coupling of the resonator field to the coupling field.
Angesichts der hierbei an die Strahlrichtungsabweichung zu stellenden hohen Anforderungen (welche z.B. erfordern können, dass Winkelabweichungen beim Strahlvektor des Hauptstrahls weniger als 0,1 mrad betragen) ist die Sicherstellung, dass Verkippungen oder laterale Verschiebungen des Messtargets bei der Positionsbestimmung nicht wirksam werden, eine anspruchsvolle Herausforderung.Given the high demands placed on the beam direction deviation (which may, for example, require that angular deviations in the beam vector of the main beam be less than 0.1 mrad), ensuring that tilting or lateral displacements of the measuring target do not have an effect on the position determination is a demanding challenge.
Zugrunde liegende AufgabeUnderlying task
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung bereitzustellen, womit die vorgenannten Probleme gelöst werden, und insbesondere eine hochgenaue Positionsbestimmung mit vertretbarem Aufwand ermöglicht wird.It is an object of the invention to provide a measuring arrangement which solves the aforementioned problems and, in particular, enables highly accurate position determination with reasonable effort.
Erfindungsgemäße LösungInventive solution
Die vorgenannte Aufgabe kann gemäß einem ersten Aspekt nach der Erfindung beispielsweise gelöst werden mit einer Messanordnung zur Positionsbestimmung einer bewegbaren Komponente in einem System. Die Messanordung umfasst einen optischen Resonator mit zwei Resonatorspiegeln, welche eine Resonatorkavität umschließen, sowie einen der Komponente zugeordneten Messspiegel, welcher innerhalb der Resonatorkavität zum Hin-und Herlenken einer Messstrahlung zwischen den Resonatorspiegeln angeordnet ist und, ausgehend von einer Grundstellung, bewegbar ist. Weiterhin umfasst die Messanordung eine fokussierende Linse, welche unbeweglich derart innerhalb der Resonatorkavität angeordnet ist, dass der Messspiegel in der Grundstellung in einer Katzenaugenposition der Linse angeordnet ist. Das System, in dem die bewegbare Komponente enthalten ist, kann beispielsweise ein optisches System für die Photolithographie sein.The aforementioned object can be achieved according to a first aspect of the invention, for example, with a measuring arrangement for determining the position of a movable component in a system. The measuring arrangement comprises an optical resonator with two resonator mirrors enclosing a resonator cavity, as well as a measuring mirror assigned to the component, which is arranged within the resonator cavity for deflecting a measuring radiation back and forth between the resonator mirrors and is movable from a home position. Furthermore, the measuring arrangement comprises a focusing lens, which is immovably arranged within the resonator cavity such that the measuring mirror is arranged in a cat's eye position of the lens in the home position. The system in which the movable component is contained can be, for example, an optical system for photolithography.
Unter der Anordnung des Messspiegels in der Katzenaugenposition der Linse ist zu verstehen, dass in dieser Anordnung eine parallel zur optischen Achse der Linse auf die Linse eingestrahlte Strahlung derart auf den Messspiegel fokussiert wird, dass deren Fokuspunkt auf einer Spiegeloberfläche des Messspiegels liegt. Das heißt, alle parallel zur optischen Achse auf die Linse eingehenden Einzelstrahlen treffen sich auf der Spiegeloberfläche. Mit anderen Worten liegt der Brennpunkt der Linse auf der Spiegeloberfläche. Mit abermals anderen Worten stellt die Linse und der sich in der Grundstellung befindliche Messspiegel eine Katzenaugenanordnung dar. Die Linse kann auch als Fourierlinse und der Messspiegel als Messtarget bezeichnet werden. Der Messspiegel hat gemäß einer Ausführungsform die Funktion eines Faltspiegels zum Falten des Strahlengangs der Messstrahlung innerhalb der Resonatorkavität. Gemäß einer Ausführungsform ist die bewegbare Komponente eine optische Komponente, insbesondere eine Linse oder ein Spiegel, wie etwa ein EUV-Spiegel, ein Wafertisch oder ein Retikeltisch einer Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie.The arrangement of the measuring mirror in the cat's-eye position of the lens means that, in this arrangement, radiation irradiated onto the lens parallel to the optical axis of the lens is focused onto the measuring mirror such that its focal point lies on a mirror surface of the measuring mirror. This means that all individual rays entering the lens parallel to the optical axis meet on the mirror surface. In other words, the focal point of the lens lies on the mirror surface. In other words, the lens and the measuring mirror in the home position represent a cat's-eye arrangement. The lens can also be referred to as a Fourier lens, and the measuring mirror as a measurement target. According to one embodiment, the measuring mirror functions as a folding mirror for folding the beam path of the measuring radiation within the resonator cavity. According to one embodiment, the movable component is an optical component, in particular a lens or a mirror, such as an EUV mirror, a wafer stage, or a reticle stage of a projection exposure system for photolithography.
Die Anordnung des Messspiegels in der Katzenaugenposition der Linse hat zur Folge, dass der Brennpunkt der Linse die Ausgangs- und Bezugsposition für den Messspiegel derart definiert, dass der der Messstrahlung zugeordnete Hauptstrahl diesen in der Grundstellung durchstößt.The arrangement of the measuring mirror in the cat's eye position of the lens means that the focal point of the lens defines the starting and reference position for the measuring mirror in such a way that the main beam associated with the measuring radiation passes through it in the basic position.
Unter der Angabe, dass die Linse unbeweglich innerhalb der Resonatorkavität angeordnet ist, ist zu verstehen, dass diese im Gegensatz zum bewegbaren Messspiegel, an einer fixen Position innerhalb der Resonatorkavität, beispielsweise in einer festen Positionsbeziehung zum ersten und/oder zweiten Resonatorspiegel, angeordnet ist.The statement that the lens is arranged immovably within the resonator cavity means that, in contrast to the movable measuring mirror, it is arranged at a fixed position within the resonator cavity, for example in a fixed positional relationship to the first and/or second resonator mirror.
Gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt liegt der Erfindung vorzugsweise das Konzept zugrunde, durch Vorsehen der durch die Linse sowie den Messspiegel gebildeten Katzenaugenanordnung die von der Messstrahlung im optischen Resonator zurückzulegende Strecke wiederholt zu durchlaufen. Unter Ausnutzung des Prinzips der Umkehrbarkeit des Lichtweges wird auf diese Weise sichergestellt, dass laterale Verschiebungen oder Verkippungen seitens der anzumessenden Komponente, welche nicht allein in Messrichtung wirken, bei der Positionsbestimmung nicht bzw. kaum wirksam werden bzw. ohne nennenswerte Auswirkungen auf das Messergebnis bleiben.According to the first aspect of the invention, the concept underlying the invention is preferably to repeatedly traverse the distance to be covered by the measuring radiation in the optical resonator by providing the cat's eye arrangement formed by the lens and the measuring mirror. By utilizing the principle of the reversibility of the light path, this ensures that lateral displacements or tilts on the part of the component to be measured, which do not act solely in the measuring direction, have little or no effect on the position determination, or have no significant impact on the measurement result.
Mit anderen Worten wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Linsen/Messspiegel-Anordnung erreicht, dass ungeachtet lateraler Verschiebungen oder Verkippungen des der anzumessenden Komponente zugeordneten Messspiegels die Messstrahlung im Wesentlichen in sich zurückreflektiert wird. Die Messstrahlung läuft somit im Wesentlichen auf dem identischen Weg über den Messspiegel zurück mit der Folge, dass Variationen in den Freiheitsgraden, die nicht entlang der Richtung des Messarms (Messachse) wirken, vollständig bzw. beinahe vollständig in ihren Auswirkungen auf die Messung eliminiert werden.In other words, the inventive use of the lens/measuring mirror arrangement ensures that, regardless of lateral displacements or tilts of the measuring mirror assigned to the component to be measured, the measuring radiation is essentially reflected back into itself. The measuring radiation thus essentially travels back via the measuring mirror on the same path, with the result that variations in the degrees of freedom that are not along the direction tion of the measuring arm (measuring axis) are completely or almost completely eliminated in their effects on the measurement.
Im Vergleich etwa zur Nutzung eines Würfelecken-Retroreflektors bzw. einer kompletten Katzenaugenanordnung als Messtarget ermöglicht die erfindungsgemäße Messanordnung eine wesentlich kompaktere Ausführung des photolithographischen optischen Systems. Unter der Nutzung einer kompletten Katzenaugenanordnung als Messtarget ist eine Zuordnung einer zueinander fixen Anordnung von Linse und Spiegel der Katzenaugenanordnung zur bewegbaren Komponente zu verstehen.Compared to, for example, the use of a cube-corner retroreflector or a complete cat's-eye array as a measurement target, the measurement arrangement according to the invention enables a significantly more compact design of the photolithographic optical system. The use of a complete cat's-eye array as a measurement target is understood to mean the assignment of a fixed arrangement of the lens and mirror of the cat's-eye array to the movable component.
Durch die erfindungsgemäße unbewegliche Anordnung der in der Katzehnaugenposition angeordneten fokussierenden Linse innerhalb der Resonatorkavität muss nur der Messspiegel der bewegbaren Komponente im photolithographischen optischen System zugeordnet werden. Der Messspiegel kann dabei etwa als Planspiegel ausgeführt werden, welcher etwa sehr platzsparend an einem EUV-Spiegel einer Projektionsbelichtungsanlage angeordnet werden kann. Die fokussierende Linse kann dann beispielsweise an mindestens einem der Resonatorspiegel befestigt werden, wozu kein weiterer Bauraum am EUV-Spiegel benötigt wird. Bei der Nutzung eines Würfelecken-Retroreflektors bzw. einer kompletten Katzenaugenanordnung als Messtarget würde hingegen wesentlich mehr Bauraum am EUV-Spiegel benötigt.Due to the inventive immobile arrangement of the focusing lens arranged in the cat's eye position within the resonator cavity, only the measuring mirror needs to be assigned to the movable component in the photolithographic optical system. The measuring mirror can be designed as a plane mirror, for example, which can be arranged very space-savingly on an EUV mirror of a projection exposure system. The focusing lens can then be attached, for example, to at least one of the resonator mirrors, which requires no additional installation space on the EUV mirror. Using a cube-corner retroreflector or a complete cat's eye arrangement as the measurement target, however, would require considerably more installation space on the EUV mirror.
Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Messanordnung verhindert, dass Temperaturschwankungen an der Komponente des photolithographischen optischen Systems, welche etwa bei EUV-Spiegel oft sehr groß sein können, die Messgenauigkeit der Messanordnung beeinträchtigen. Durch die unbewegliche Anordnung der fokussierenden Linse kann diese weit genug von der bewegbaren Komponente entfernt angeordnet werden, sodass hier kein nennenswerter Temperatureintrag stattfindet. Der Messspiegel hingegen kann, etwa durch seine Gestaltung als Planspiegel, in Bezug auf Temperaturschwankungen sehr insensitiv gestaltet werden.Furthermore, the measuring arrangement according to the invention prevents temperature fluctuations at the component of the photolithographic optical system, which can often be very large in the case of EUV mirrors, from impairing the measurement accuracy of the measuring arrangement. Due to the stationary arrangement of the focusing lens, it can be positioned far enough away from the movable component so that no significant temperature increase occurs. The measuring mirror, on the other hand, can be designed to be very insensitive to temperature fluctuations, for example, by designing it as a plane mirror.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Arbeitsabstand zwischen einem zumindest die Resonatorspiegel umfassenden Messkopf und dem Messspiegel mindestens 100 mm, insbesondere mindestens 200 mm oder mindestens 500 mm.According to one embodiment, a working distance between a measuring head comprising at least the resonator mirrors and the measuring mirror is at least 100 mm, in particular at least 200 mm or at least 500 mm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Linse weiterhin dazu konfiguriert oder eine weitere Linse ist dazu vorgesehen, die von dem zweiten Resonatorspiegel kommende Messstrahlung derart auf den Messspiegel abzulenken, dass der der Messstrahlung zugeordnete Hauptstrahl den Brennpunkt der Linse im unausgelenkten Zustand durchstößt.According to a further embodiment, the lens is further configured or a further lens is provided to deflect the measuring radiation coming from the second resonator mirror onto the measuring mirror in such a way that the main beam associated with the measuring radiation penetrates the focal point of the lens in the undeflected state.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Linse derart angeordnet, dass die von dem ersten Resonatorspiegel kommende Messstrahlung die Linse dezentral durchläuft. Damit wird der die Messstrahlung umfassende Strahl beim Durchtritt durch die Linse abgelenkt. Vorteilhafterweise durchläuft auch die von dem anderen Resonatorspiegel kommende Messstrahlung die Linse dezentral und zwar derart, dass der die Messstrahlung umfassende Strahl beim Durchtritt abgelenkt wird. Vorzugsweise ist hierbei die Richtung der Ablenkung zur Ablenkrichtung des vom ersten Resonatorspiegel kommenden Strahls entgegengesetzt.According to a further embodiment, the lens is arranged such that the measurement radiation coming from the first resonator mirror passes through the lens in a decentralized manner. Thus, the beam comprising the measurement radiation is deflected upon passing through the lens. Advantageously, the measurement radiation coming from the other resonator mirror also passes through the lens in a decentralized manner, specifically such that the beam comprising the measurement radiation is deflected upon passing through. Preferably, the direction of the deflection is opposite to the deflection direction of the beam coming from the first resonator mirror.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden zumindest einer der Resonatorspiegel und die Linse ein zusammenhängendes optisches Modul. Gemäß einer Ausführungsvariante bilden beide Resonatorspiegel und die Linse das zusammenhängende optische Modul. Insbesondere kann das zusammenhängende Modul einstückig bzw. monolithisch gestaltet sein.According to a further embodiment, at least one of the resonator mirrors and the lens form a coherent optical module. According to one embodiment, both resonator mirrors and the lens form the coherent optical module. In particular, the coherent module can be designed as a single piece or monolithic.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Abstand der Linse von mindestens einem der Resonatorspiegel um mindestens eine Größenordnung kleiner als die Brennweite der Linse.According to a further embodiment, a distance of the lens from at least one of the resonator mirrors is at least one order of magnitude smaller than the focal length of the lens.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt ein Arbeitsabstand zwischen dem einem der Resonatorspiegel und dem Messspiegel mindestens 100 mm, insbesondere mindestens 200 mm oder mindestens 500 mm.According to a further embodiment, a working distance between one of the resonator mirrors and the measuring mirror is at least 100 mm, in particular at least 200 mm or at least 500 mm.
Gemäß einem zweiten Aspekt nach der Erfindung wird eine Messanordnung zur Positionsbestimmung einer bewegbaren Komponente in einem optischen System für die Photolithographie bereitgestellt. Die Messanordnung umfasst einen optischen Resonator mit einem ersten Resonatorspiegel zum Einkoppeln von Messstrahlung in eine Resonatorkavität und einem zweiten Resonatorspiegel. Weiterhin umfasst die Messanordnung eine derart innerhalb der Resonatorkavität angeordnete Linse, dass eine Länge eines zwischen der Linse und dem zweiten Resonatorspiegel liegenden Abschnitts der Resonatorkavität zwischen dem 0,5 - fachen und dem 1,0 - fachen Wert einer Brennweite der Linse liegt.According to a second aspect of the invention, a measuring arrangement for determining the position of a movable component in an optical system for photolithography is provided. The measuring arrangement comprises an optical resonator with a first resonator mirror for coupling measurement radiation into a resonator cavity and a second resonator mirror. Furthermore, the measuring arrangement comprises a lens arranged within the resonator cavity such that a length of a section of the resonator cavity located between the lens and the second resonator mirror is between 0.5 and 1.0 times the value of a focal length of the lens.
Insbesondere kann die untere Grenze für die Länge des zwischen der Linse und dem zweiten Resonatorspiegel liegenden Abschnitts bei dem 0,7-fachen oder dem 0,9 fachen der Brennweite der Linse liegen. Weiterhin kann insbesondere die obere Grenze für die Länge des zwischen der Linse und dem zweiten Resonatorspiegel liegenden Abschnitts bei dem 0,8-fachen oder dem 0,6-fachen Wert der Brennweite der Linse liegen. Vorzugsweise umschließen der erste und der zweite Resonatorspiegel die Resonatorkavität. Gemäß einer Ausführungsform ist die bewegbare Komponente eine optische Komponente, insbesondere eine Linse oder ein Spiegel, wie etwa eine EUV-Spiegel, ein Wafertisch oder ein Retikeltisch einer Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie.In particular, the lower limit for the length of the section lying between the lens and the second resonator mirror can be 0.7 times or 0.9 times the focal length of the lens. Furthermore, the upper limit for the length of the section lying between the lens and the second resonator mirror can be 0.8 times or 0.6 times the value of the Focal length of the lens. Preferably, the first and second resonator mirrors enclose the resonator cavity. According to one embodiment, the movable component is an optical component, in particular a lens or a mirror, such as an EUV mirror, a wafer stage, or a reticle stage of a projection exposure system for photolithography.
Die gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt vorgenommene Parameterwahl (Länge des zwischen der Linse und dem zweiten Resonatorspiegel liegenden Abschnitts der Resonatorkavität liegt zwischen dem 0,5-fachen und dem 1,0-fachen Wert der Brennweite der Linse) führt dazu, dass eine Einkopplungseffizienz für die Einkopplung einer Messstrahlung in die Resonatorkavität optimiert ist. Das heißt, die Kopplungsverluste bei der Einkopplung sind minimiert. Dieser Zusammenhang kann anhand einer in der weiteren Beschreibung dargelegten Modellierung nachvollzogen werden. Aufgrund der Optimierung der Einkopplungseffizienz wird eine hochgenaue Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente mit vertretbarem Aufwand ermöglicht.The parameter selection made according to the second aspect of the invention (the length of the section of the resonator cavity located between the lens and the second resonator mirror is between 0.5 and 1.0 times the focal length of the lens) results in an optimized coupling efficiency for coupling a measurement radiation into the resonator cavity. This means that the coupling losses during coupling are minimized. This relationship can be understood using a model presented in the further description. Due to the optimization of the coupling efficiency, highly accurate position determination of the movable component is possible with reasonable effort.
Gemäß einer Ausführungsform nach dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt entspricht die Länge des zwischen der Linse und dem zweiten Resonatorspiegel liegenden Abschnitts der Resonatorkavität dem Abstand zwischen der Linse und dem zweiten Resonatorspiegel. Das heißt, in dieser Ausführungsform ist die Resonatorkavität zwischen der Linse und dem zweiten Resonatorspiegel nicht gefaltet.According to an embodiment according to the second aspect of the invention, the length of the section of the resonator cavity located between the lens and the second resonator mirror corresponds to the distance between the lens and the second resonator mirror. That is, in this embodiment, the resonator cavity between the lens and the second resonator mirror is not folded.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt ist ein Abstand der Linse von dem ersten Resonatorspiegel kleiner als die Brennweite der Linse.According to a further embodiment according to the second aspect of the invention, a distance of the lens from the first resonator mirror is smaller than the focal length of the lens.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt bilden der erste Resonatorspiegel und die Linse ein zusammenhängendes optisches Modul. Gemäß einer Ausführungsvariante ist das zusammenhängende Modul einstückig bzw. monolithisch.According to a further embodiment according to the second aspect of the invention, the first resonator mirror and the lens form a continuous optical module. According to one embodiment, the continuous module is integral or monolithic.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt beträgt ein Arbeitsabstand zwischen der Linse und dem zweiten Resonatorspiegel, mit anderen Worten der Arbeitsabstand der Messanordung, höchstens 150 mm, insbesondere höchstens 100 mm oder höchstens 10 mm.According to a further embodiment according to the second aspect of the invention, a working distance between the lens and the second resonator mirror, in other words the working distance of the measuring arrangement, is at most 150 mm, in particular at most 100 mm or at most 10 mm.
Gemäß einer Ausführungsform nach dem ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Aspekt ist die Messanordnung zur frequenzbasierten Längenmessung ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsvariante ist das zusammenhängende optische Modul einstückig bzw. monolithisch gestaltet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Messanordnung weiterhin eine dem ersten Resonatorspiegel zugeordnete Strahlformungsoptik zum Einkoppeln einer Messstrahlung in den optischen Resonator, wobei das zusammenhängende optische Modul weiterhin die Strahlformungsoptik umfasst. Die Strahlformungsoptik kann die Funktion einer fokussierenden Linse aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Messanordnung weiterhin einen auf eine Resonatormode des Resonators stabilisierten, durchstimmbaren Laser auf. Unter einem durchstimmbaren Laser ist ein Laser zu verstehen, dessen optische Frequenz veränderbar ist.According to one embodiment according to the first or second aspect of the invention, the measuring arrangement is designed for frequency-based length measurement. According to one embodiment variant, the connected optical module is designed as a single piece or monolithic. According to a further embodiment, the measuring arrangement further comprises beam-shaping optics assigned to the first resonator mirror for coupling a measuring radiation into the optical resonator, wherein the connected optical module further comprises the beam-shaping optics. The beam-shaping optics can have the function of a focusing lens. According to a further embodiment, the measuring arrangement further comprises a tunable laser stabilized to a resonator mode of the resonator. A tunable laser is understood to be a laser whose optical frequency is variable.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach dem ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Aspekt ist das System ein optisches System für die Photolithographie.According to a further embodiment according to the first or second aspect of the invention, the system is an optical system for photolithography.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach dem ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Aspekt ist das System eine Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie.According to a further embodiment according to the first or second aspect of the invention, the system is a projection exposure apparatus for photolithography.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie bereitgestellt, welche mindestens eine bewegbare Komponente und mindestens eine Messanordnung in einer Ausführungsform nach dem ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Aspekt zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente umfasst. Die Projektionsbelichtungsanlage kann insbesondere eine Betriebswellenlänge im EUV-Wellenlängenbereich aufweisen, d.h. sie ist eine sogenannte EUV-Projektionsbelichtungsanlage. Gemäß einer Ausführungsform ist die bewegbare Komponente eine optische Komponente, insbesondere eine Linse oder ein Spiegel, wie etwa ein EUV-Spiegel, eine Waferstage oder eine Retikelstage.Furthermore, the invention provides a projection exposure system for photolithography, which comprises at least one movable component and at least one measuring arrangement, in an embodiment according to the first or second aspect of the invention, for determining the position of the movable component. The projection exposure system can, in particular, have an operating wavelength in the EUV wavelength range, i.e., it is a so-called EUV projection exposure system. According to one embodiment, the movable component is an optical component, in particular a lens or a mirror, such as an EUV mirror, a wafer stage, or a reticle stage.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Beleuchtungssystem einer Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie bereitgestellt, welches mindestens eine bewegbare Komponente und mindestens eine Messanordung in einer Ausführungsform nach dem ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Aspekt zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente umfasst.Furthermore, according to the invention, an illumination system of a projection exposure apparatus for photolithography is provided, which comprises at least one movable component and at least one measuring arrangement in an embodiment according to the first or second aspect of the invention for determining the position of the movable component.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Projektionsobjektiv einer Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie bereitgestellt, welches mindesten eine bewegbare Komponente und mindestens eine Messanordung in einer Ausführungsform nach dem ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Aspekt zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente umfasst.Furthermore, according to the invention, a projection lens of a projection exposure apparatus for photolithography is provided, which comprises at least one movable component and at least one measuring arrangement in an embodiment according to the first or second aspect of the invention for determining the position of the movable component.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Inspektionsanlage zur Inspektion einer Oberfläche eines Substrats bereitgestellt, welche mindestens eine bewegbare Komponente und mindestens eine Messanordnung in einer Ausführungsform nach dem ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Aspekt zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente umfasst. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um eine Maske oder um einen Wafer handeln.Furthermore, the invention provides an inspection system for inspecting a surface of a substrate, which comprises at least one movable component and at least one measuring arrangement in an embodiment according to the first or second aspect of the invention for determining the position of the movable component. The substrate can be, for example, a mask or a wafer.
Die bewegbare Komponente kann eine Komponente in einem optischen System der Inspektionsanlage sein. Ein Beispiel einer derartigen Inspektionsanlage zur Masken- oder Waferinspektion (ohne der erfindungsgemäßen Messordnung) ist aus der Druckschrift
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Koordinatenmessgerät bereitgestellt, welches mindestens eine bewegbare Komponente und mindestens eine Messanordung in einer Ausführungsform nach dem ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Aspekt zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente umfasst.Furthermore, according to the invention, a coordinate measuring machine is provided which comprises at least one movable component and at least one measuring arrangement in an embodiment according to the first or second aspect of the invention for determining the position of the movable component.
Die bewegbare Komponente kann eine Komponente in einem optischen System des Koordinatenmessgeräts sein. Das Koordinatenmessgerät dient dazu, eine jeweilige Positionsabweichung eines oder mehrerer Messpunkte an einem Testbauteil von einer jeweiligen Sollposition zu bestimmen. Ein Beispiel eines derartigen Koordinatenmessgeräts (ohne der erfindungsgemäßen Messanordnung) ist aus der Druckschrift
Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen, Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsvarianten, etc. der erfindungsgemäßen Messanordnung angegebenen Merkmale werden in der Figurenbeschreibung und den Ansprüchen erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind und deren Schutz ggf. erst während oder nach Anhängigkeit der Anmeldung beansprucht wird.The features specified with regard to the above-mentioned embodiments, exemplary embodiments, or variant embodiments, etc. of the measuring arrangement according to the invention are explained in the description of the figures and the claims. The individual features can be implemented either separately or in combination as embodiments of the invention. Furthermore, they can describe advantageous embodiments that are independently protectable and whose protection may be claimed only during or after the application has been filed.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorstehenden, sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen:
-
1 eine Ausführungsform einer Messanordnung gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt, welche zur Positionsbestimmung einer bewegbaren Komponente konfiguriert ist, -
2 eine Strahlerzeugungs- und Auswerteeinrichtung der Messanordnung gemäß1 , -
3 eine Ausführungsform einer Messanordnung gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt, welche zur Positionsbestimmung einer bewegbaren Komponente konfiguriert ist, -
4 eine weitere Ausführungsform der Messanordnung gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt, -
5 einen Abschnitt einer Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie mit einer bewegbaren Komponente, deren Position mittels einer Messanordnung gemäß einer der1 ,3 oder4 bestimmbar ist, -
6 eine Ausführungsform der Projektionsbelichtungsanlage gemäß5 , sowie -
7 eine vergrößerte Detailansicht der Projektionsbelichtungsanlage gemäß6 mit einer darin integrierten Messanordnung gemäß einer der1 ,3 oder4 .
-
1 an embodiment of a measuring arrangement according to a first aspect of the invention, which is configured for determining the position of a movable component, -
2 a beam generation and evaluation device of the measuring arrangement according to1 , -
3 an embodiment of a measuring arrangement according to a second aspect of the invention, which is configured for determining the position of a movable component, -
4 a further embodiment of the measuring arrangement according to the second aspect of the invention, -
5 a section of a projection exposure apparatus for photolithography with a movable component, the position of which is determined by means of a measuring arrangement according to one of the1 ,3 or4 can be determined, -
6 an embodiment of the projection exposure system according to5 , as well as -
7 an enlarged detailed view of the projection exposure system according to6 with a measuring arrangement integrated therein in accordance with one of the1 ,3 or4 .
Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer AusführungsbeispieleDetailed description of embodiments according to the invention
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen oder Ausführungsvarianten sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.In the exemplary embodiments or embodiments or variants described below, functionally or structurally similar elements are provided with the same or similar reference numerals wherever possible. Therefore, to understand the features of the individual elements of a specific embodiment, reference should be made to the description of other exemplary embodiments or the general description of the invention.
Zur Erleichterung der Beschreibung ist in der Zeichnung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebeziehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. In
In
Wie erwähnt, handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei der Komponente um den Spiegel 526, der an einer in
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Position von sechs Messpunkten M1 bis M6, insbesondere in einer Hexapod-Konfiguration, wie sie in
Die in
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von
Am Ort des Objektträgers ist eine reflektive strukturtragende Maske 530 auf einem Maskentisch 532 angeordnet, die mithilfe des Projektionsobjektivs 516 in eine Bildebene abgebildet wird, in welcher sich ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes Substrat 534 auf einem Wafertisch 536 befindet.At the location of the object carrier, a reflective structure-bearing mask 530 is arranged on a mask table 532, which is imaged by means of the projection lens 516 into an image plane in which a substrate 534 coated with a light-sensitive layer (photoresist) is located on a wafer table 536.
Die in
Die Strahlerzeugungs- und Auswerteeinrichtung 16 ist in
Die Einrichtung 16 umfasst einen Faraday-Isolator 44, einen elektrooptischen Modulator 46, einen polarisationsoptischen Strahlteiler 48, eine Lambda/4-Platte 50, einen Photodetektor 52 und einen Tiefpassfilter 54. Der die Lambda/-Platte 50 durchlaufende Teil der Messstrahlung 18 tritt über die in
Das Resonatormodul 24 bildet in Verbindung mit dem als Messtarget dienenden Messspiegel 14 einen optischen Resonator 26. Dabei umfasst das Resonatormodul 24 einen ersten Resonatorspiegel 28 sowie einen zweiten Resonatorspiegel 30 des Resonators 26, welche eine Resonatorkavität 32 umschließen. In der gezeigten Ausführungsform weist der erste Resonatorspiegel 28 eine gekrümmte Spiegeloberfläche und der zweite Resonatorspiegel 30 eine ebene Spiegeloberfläche auf. Der Messspiegel 14 ist dazu angeordnet, die Messstrahlung 18 zwischen den beiden Resonatorspiegeln 28 und 30 hin- und herzulenken, welche beide in die positive z-Richtung und damit die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Mit anderen Worten hat der Messspiegel 14 die Funktion eines Faltspiegels zum Falten des Strahlengangs der Messstrahlung 18 innerhalb der Resonatorkavität 32.The resonator module 24, in conjunction with the measuring mirror 14 serving as the measurement target, forms an optical resonator 26. The resonator module 24 comprises a first resonator mirror 28 and a second resonator mirror 30 of the resonator 26, which enclose a resonator cavity 32. In the embodiment shown, the first resonator mirror 28 has a curved mirror surface, and the second resonator mirror 30 has a flat mirror surface. The measuring mirror 14 is arranged to deflect the measuring radiation 18 back and forth between the two resonator mirrors 28 and 30, which are both aligned in the positive z-direction and thus in the same direction. In other words, the measuring mirror 14 functions as a folding mirror for folding the beam path of the measuring radiation 18 within the resonator cavity 32.
Weiterhin umfasst der optische Resonator 26 eine Fokussierlinse 34, deren Durchmesser ausreichend groß ist, dass sowohl der Strahlengang der Messstrahlung 28 im Bereich des ersten Resonatorspiegels 28 als auch der Strahlengang der Messstrahlung 18 im Bereich des zweiten Resonatorspiegels 30 von der Fokussierlinse 34 umfasst werden. Mit anderen Worten ist die Fokussierlinse 34 derart konfiguriert, dass die am ersten Resonatorspiegel 28 reflektierte Messstrahlung 18 sowie die am zweiten Resonatorspiegel 30 reflektierte Messstrahlung 18 durch die Fokussierlinse 34 laufen. Dabei durchläuft sowohl die von dem ersten Resonatorspiegel 28 kommende Messstrahlung 18 als auch die vom zweiten Resonatorspiegel 30 kommende Messstrahlung 18 die Fokussierlinse 34 dezentral.Furthermore, the optical resonator 26 comprises a focusing lens 34 whose diameter is sufficiently large that both the beam path of the measuring radiation 28 in the region of the first resonator mirror 28 and the beam path of the measuring radiation 18 in the region of the second resonator mirror 30 are encompassed by the focusing lens 34. In other words, the focusing lens 34 is configured such that the measuring radiation 18 reflected by the first resonator mirror 28 and the measuring radiation 18 reflected by the second resonator mirror 30 pass through the focusing lens 34. Both the measuring radiation 18 coming from the first resonator mirror 28 and the measuring radiation 18 coming from the second resonator mirror 30 pass through the focusing lens 34 in a decentralized manner.
Dies hat zur Folge, dass der von der Messstrahlung 18 innerhalb des optischen Resonators 26 gebildete Messstrahl 19 jeweils beim Durchlaufen der Fokussierlinse 34 abgelenkt wird, und zwar so, dass der dem Messstrahl 19 zugeordnete Hauptstrahl 25 einen Brennpunkt 36 der Fokussierlinse 34 durchläuft. Dies gilt sowohl für den Hauptstrahl 25 der von dem ersten Resonatorspiegel 28 ausgehenden Messstrahlung 18 als auch für den Hauptstrahl 25 der von dem zweiten Resonatorspiegels 30 ausgehenden Messstrahlung 18. Unter dem Brennpunkt 36 der Fokussierlinse 34 wird der Fokuspunkt aller parallel zur optischen Achse der Fokussierlinse 34 auf die Fokussierlinse 34 eingestrahlten Einzelstrahlen verstanden.This results in the measuring beam 19 formed by the measuring radiation 18 within the optical resonator 26 being deflected as it passes through the focusing lens 34, in such a way that the main beam 25 associated with the measuring beam 19 passes through a focal point 36 of the focusing lens 34. This applies both to the main beam 25 of the measuring radiation 18 emanating from the first resonator mirror 28 and to the main beam 25 of the measuring radiation 18 emanating from the second resonator mirror 30. The focus is below the focal point 36 of the focusing lens 34. point of all individual rays irradiated onto the focusing lens 34 parallel to the optical axis of the focusing lens 34.
Mit anderen Worten ist der Messspiegel 14 in der in
Der optische Resonator 26 ist in
Der Verlauf des durch den Messspiegel 14 gefalteten Strahlengangs der Messstrahlung 28 innerhalb des optischen Resonators 26 entspricht dem eines Gauß-strahls, dessen Taille sich am zweiten Resonatorspiegel 30 befindet, wobei der Gaußstrahl durch den Einfluss der Fokussierlinse 34 dahingehend modifiziert wird, dass der Strahl beim jeweiligen Durchtritt durch die Fokussierlinse 34 abgelenkt wird.The course of the beam path of the measuring radiation 28 folded by the measuring mirror 14 within the optical resonator 26 corresponds to that of a Gaussian beam whose waist is located at the second resonator mirror 30, wherein the Gaussian beam is modified by the influence of the focusing lens 34 in such a way that the beam is deflected as it passes through the focusing lens 34.
Aufgrund der beim Durchlaufen der Fokussierlinse 34 erfolgenden Ablenkung der von dem ersten Resonatorspiegel 28 kommenden Messstrahlung 18 ist der Brennpunkt 36 der Fokussierlinse 34 auf dem Messspiegel 14 gegenüber der optischen Achse 29 des ersten Resonatorspiegels 28 um den Abstand u versetzt, analog gilt dies auch in Bezug auf die optische Achse des zweiten Resonatorspiegels 30. Der Abstand u beträgt mindestens den halben Strahldurchmesser der auf die Fokusssierlinse 34 vom ersten Resonatorspiegel 30 her einstrahlenden Messstrahlung 18.Due to the deflection of the measuring radiation 18 coming from the first resonator mirror 28 when passing through the focusing lens 34, the focal point 36 of the focusing lens 34 on the measuring mirror 14 is offset by the distance u from the optical axis 29 of the first resonator mirror 28; this also applies analogously to the optical axis of the second resonator mirror 30. The distance u is at least half the beam diameter of the measuring radiation 18 radiating onto the focusing lens 34 from the first resonator mirror 30.
In der konkreten Ausführungsform gemäß
Die Brennweite der Fokussierlinse 34, welche unter Berücksichtigung der optischen Theorie zu dicken Linsen, in der konkreten Ausgestaltung des Resonatormoduls 24 gemäß
Im Messbetrieb ist eine Verschiebung des Messspiegels 14, ausgehend von der in
Die entscheidende optische Eigenschaft, die zur Funktionsweise einer, wie der optische Resonator 26, für die Distanzmessung geeigneten optischen Kavität unverzichtbar ist, besteht darin, dass ein Strahl innerhalb der in der Größe ihrer Spiegel begrenzten Kavität eine hohe, im Grenzfall unendliche Anzahl an Umläufen vollziehen kann, ohne dass er die Kavität verlässt, ungeachtet davon, welche Parasitär-Auslenkungen das Messtarget in Gestalt des Messspiegels 14 einnimmt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, darf der Hauptstrahl, auf dem die Moden des Resonators gleichsam aufgefädelt sind, nicht zusätzlich derart in seiner Position und seinem Winkel infolge der zu den Parasitär-Auslenkungen führenden Parasitär-Bewegungen auswandern, dass eine hinreichende Ankopplung an das eingestrahlte Messstrahlungsfeld nicht mehr gegeben ist bzw. die vorstehend genannte Kopplungseffizienz zu gering wird.The decisive optical property that determines the functioning of an optical resonator suitable for distance measurement, such as the optical resonator 26. Cavity is indispensable is that a beam can complete a high, in the limiting case infinite, number of revolutions within the cavity, which is limited by the size of its mirrors, without leaving the cavity, regardless of which parasitic deflections the measuring target in the form of the measuring mirror 14 takes on. If this condition is met, the main beam, on which the modes of the resonator are, as it were, threaded, must not additionally migrate in its position and angle as a result of the parasitic movements leading to the parasitic deflections, such that sufficient coupling to the irradiated measuring radiation field is no longer given or the aforementioned coupling efficiency becomes too low.
Damit eine hohe Kopplungseffizienz erreicht werden kann, muss also das in den optischen Resonator 26 eingekoppelte Messstrahlungsfeld am Eingang der Resonatorstrecke, also am ersten Resonatorspiegel 30 möglichst gut mit dem Modenfeld des Resonators 26 übereinstimmen, wobei letzteres aufgrund von Parasitär-Bewegungen möglichst wenig in seinem Hauptstrahl variieren bzw. auswandern sollte. Die Parasitär-Bewegungen werden zum Zweck der Modellierung mit den beiden Kippwinkeln θx und θy, d.h. der Verkippung des als Messtarget dienenden Messspiegels 14 bezüglich quer zur Flächennormalen des Messspiegels 14 ausgerichteten Kippachsen, konkret der x-Achse und der y-Achse, bezeichnet. In der nachstehend erläuterten Modellierung werden maximale Verkippungen von ±θmax in θx und θy angesetzt.In order to achieve high coupling efficiency, the measuring radiation field coupled into the optical resonator 26 at the entrance of the resonator path, i.e., at the first resonator mirror 30, must match the mode field of the resonator 26 as closely as possible, whereby the latter should vary or migrate as little as possible in its main beam due to parasitic movements. For modeling purposes, the parasitic movements are designated by the two tilt angles θx and θy, i.e., the tilt of the measuring mirror 14 serving as the measurement target with respect to tilt axes oriented perpendicular to the surface normal of the measuring mirror 14, specifically the x-axis and the y-axis. In the modeling explained below, maximum tilts of ±θmax are assumed in θx and θy.
Weiterhin wird die Kopplungseffizienz durch die beim Messvorgang erfolgende Verschiebung ±d des Messspiegels 14 in Richtung der Flächennormalen des Messspiegels 14 beeinflusst. Für die Modellierung wird daher für die Verschiebung d ein maximal zulässiger Wert dmax angesetzt.Furthermore, the coupling efficiency is influenced by the displacement ±d of the measuring mirror 14 in the direction of the surface normal of the measuring mirror 14 during the measurement process. Therefore, a maximum permissible value d max is used for the displacement d for modeling purposes.
Die Modellierung erfolgt gemäß einer Ausführungsform auf Basis des bekannten Formalismus der Matrizenoptik. Dabei werden die wesentlichen Bedingungen an optische Resonatoren, welche für die frequenzbasierte Distanzmessung geeignet sind, im Matrizen-Formalismus der paraxialen Optik hergeleitet.According to one embodiment, the modeling is based on the well-known formalism of matrix optics. The essential conditions for optical resonators suitable for frequency-based distance measurement are derived from the matrix formalism of paraxial optics.
Als Ergebnis der Modellierung lassen sich die maximalen Kopplungsverluste kmax wie folgt darstellen:
Hierbei gilt für die zusammengefassten Verlustbeiträge
Hierbei sind Spos sowie Ssize Gütemaße hinsichtlich der jeweiligen Empfindlichkeit des optischen Resonators 26 auf die durch Veränderung der Kippwinkel θx und θy bewirkten parasitären Störbewegungen. Spos gibt hier die Empfindlichkeit der Strahleinkopplung am als Einkoppelspiegel fungierenden Resonatorspiegel 28 infolge von durch die parasitären Störbewegungen bewirkten Positionsvariationen des Modenfeldes des optischen Resonators 26 am Ort des Resonatorspiegels 28 an. Stilt bezeichnet die Empfindlichkeit der Strahleinkopplung am Resonatorspiegel 28 infolge von durch die parasitären Störbewegungen bewirkten Neigungsvariationen des Modenfeldes des optischen Resonators 26 am Ort des Resonatorspiegel 28. Ssize gibt schließlich die Empfindlichkeit der Strahleinkopplung am Resonatorspiegel 28 infolge von durch die parasitären Störbewegungen bewirkten Strahlgrößenvariationen des Modenfeldes des optischen Resonators 26 am Ort des Resonatorspiegel 28 an. Die Gütemaße Spos sowie Ssize geben die genannten Empfindlichkeiten jeweils als Funktion des Auslegungsparameters q an.Here, Spos and Ssize are quality measures with regard to the respective sensitivity of the optical resonator 26 to the parasitic interference movements caused by changes in the tilt angles θx and θy. Spos indicates the sensitivity of the beam coupling at the resonator mirror 28 acting as the coupling mirror as a result of position variations of the mode field of the optical resonator 26 at the location of the resonator mirror 28 caused by the parasitic interference movements. Stilt denotes the sensitivity of the beam coupling at the resonator mirror 28 as a result of inclination variations of the mode field of the optical resonator 26 at the location of the resonator mirror 28 caused by the parasitic interference movements. Finally, Ssize indicates the sensitivity of the beam coupling at the resonator mirror 28 as a result of beam size variations of the mode field of the optical resonator 26 at the location of the resonator mirror 28 caused by the parasitic interference movements. The quality measures Spos and Ssize indicate the mentioned sensitivities as a function of the design parameter q.
In den Ausdrücken (2) bezeichnet der Parameter γ das vorstehend mit Bezug auf
In
Anders als in der Ausführungsform gemäß
In der Messanordnung 210 gemäß
Der funktionelle Aufbau des optischen Resonators 226 ist unterhalb dargestellt und mit dem Bezugszeichen 226f bezeichnet. Der Abstand zwischen der als unendlich dünn approximierten Fokussierlinse und dem zweiten Resonatorspiegel 230 wird mit B bezeichnet, wobei B0 (Bezugszeichen 233) der nominelle Abstand ist. Da im Messbetrieb eine Verschiebung des zweiten Resonatorspiegels 230 in z-Richtung um ±d zugelassen ist, beträgt der reale Abstand zwischen der Fokussierlinse 229 und dem zweiten Resonatorspiegel 230 B=B0±d.The functional structure of the optical resonator 226 is shown below and designated by reference numeral 226f. The distance between the focusing lens, approximated as infinitely thin, and the second resonator mirror 230 is denoted by B, where B0 (reference numeral 233) is the nominal distance. Since a displacement of the second resonator mirror 230 in the z-direction by ±d is permitted during measurement operation, the actual distance between the focusing lens 229 and the second resonator mirror 230 is B=B0±d.
Die Einkoppellinse 22 bildet zusammen mit dem ersten Resonatorspiegel 228 und der Fokussierlinse 229 einen Messkopf 212. Der Abstand B0 zwischen der Fokussierlinse 229 und dem Resonatorspiegel 230 stellt einen Arbeitsabstand der Messanordnung 210 dar, welcher den Abstand zwischen dem Messkopf 212 und dem als Messtarget dienenden Resonatorspiegel 230 während des Messbetriebs der Messanordnung 210 bezeichnet. Der Arbeitsabstand der Messanordnung 210 wird in diesem Text auch als Arbeitsabstand zwischen der Fokussierlinse 229 und dem Resonatorspiegel 230 bezeichnet.The coupling lens 22, together with the first resonator mirror 228 and the focusing lens 229, forms a measuring head 212. The distance B 0 between the focusing lens 229 and the resonator mirror 230 represents a working distance of the measuring arrangement 210, which refers to the distance between the measuring head 212 and the resonator mirror 230 serving as the measurement target during the measurement operation of the measuring arrangement 210. The working distance of the measuring arrangement 210 is also referred to in this text as the working distance between the focusing lens 229 and the resonator mirror 230.
Eine weitere, in
Der Abstand B, insbesondere dessen nominale Länge B0, beträgt gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Messanordnung 210 gemäß
Bei der Wahl des Auslegungsparameters β im gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgegebenen Wertebereich von 0,5 bis 1,0 ergibt sich ein Arbeitspunkt für den optischen Resonator 226, bei dem sich die Kopplungseffizienz für die Einkopplung der Messstrahlung 18 in den optischen Resonator 226 in einem optimalen Bereich befindet. Das heißt, die Kopplungsverluste bei der Einkopplung der Messstrahlung 18 sind minimiert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform gilt 0,6 < β < 0,9. Die Vorteilhaftigkeit des genannten Wertebereichs für den Auslegungsparameter β lässt sich anhand der nachstehend dargelegten Modellierung der Kopplungsverluste nachvollziehen.When selecting the design parameter β within the value range of 0.5 to 1.0 specified according to the embodiment of the invention, an operating point for the optical resonator 226 results at which the coupling efficiency for coupling the measurement radiation 18 into the optical resonator 226 is in an optimal range. This means that the coupling losses during the coupling of the measurement radiation 18 are minimized. According to a further embodiment, 0.6 < β < 0.9 applies. The advantageous nature of the specified value range for the design parameter β can be understood from the modeling of the coupling losses presented below.
Die entscheidende optische Eigenschaft, die zur Funktionsweise einer, wie der optische Resonator 226, für die Distanzmessung geeigneten optischen Kavität unverzichtbar ist, besteht darin, dass ein Strahl innerhalb der in der Größe ihrer Spiegel begrenzten Kavität eine hohe, im Grenzfall unendliche Anzahl an Umläufen vollziehen kann, ohne dass er die Kavität verlässt, ungeachtet welche Parasitär-Auslenkungen das Messtarget in Gestalt des Resonatorspiegels 230 einnimmt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, darf der Hauptstrahl, auf dem die Moden des Resonators gleichsam aufgefädelt sind, nicht zusätzlich derart in seiner Position und seinem Winkel infolge der zu den Parasitär-Auslenkungen führenden Parasitär-Bewegungen auswandern, dass eine hinreichende Ankopplung an das eingestrahlte Messstrahlungsfeld nicht mehr gegeben ist bzw. die vorstehend genannte Kopplungseffizienz zu gering wird.The decisive optical property that is indispensable for the functioning of an optical cavity suitable for distance measurement, such as the optical resonator 226, is that a beam can complete a high, in the limiting case infinite, number of revolutions within the cavity, which is limited by the size of its mirrors, without it leaves the cavity, regardless of the parasitic deflections of the measurement target in the form of the resonator mirror 230. If this condition is met, the main beam, on which the modes of the resonator are threaded, must not additionally migrate in its position and angle as a result of the parasitic movements leading to the parasitic deflections to such an extent that sufficient coupling to the irradiated measurement radiation field is no longer provided or the aforementioned coupling efficiency becomes too low.
Damit eine hohe Kopplungseffizienz erreicht werden kann, muss also das in den optischen Resonator 226 eingekoppelte Messstrahlungsfeld am Eingang der Resonatorstrecke, also am ersten Resonatorspiegel 228 möglichst gut mit dem Modenfeld des Resonators 226 übereinstimmen, wobei letzteres aufgrund von Parasitär-Bewegungen möglichst wenig in seinem Hauptstrahl variieren bzw. auswandern darf. Die Parasitär-Bewegungen werden zum Zweck der Modellierung mit den beiden Kippwinkeln θx und θy, d.h. der Verkippung des als Messtarget dienenden Resonatorspiegels 230 bezüglich quer zur Flächennormalen des Resonatorspiegels 230 ausgerichteten Kippachsen, konkret der x-Achse und der y-Achse, bezeichnet. In der nachstehend erläuterten Modellierung werden maximale Verkippungen von ±θmax in θx und θy angesetzt.In order to achieve high coupling efficiency, the measurement radiation field coupled into the optical resonator 226 at the entrance to the resonator path, i.e., at the first resonator mirror 228, must match the mode field of the resonator 226 as closely as possible, whereby the latter's main beam must vary or migrate as little as possible due to parasitic movements. For modeling purposes, the parasitic movements are designated by the two tilt angles θ x and θ y , i.e., the tilt of the resonator mirror 230 serving as the measurement target with respect to tilt axes oriented perpendicular to the surface normal of the resonator mirror 230, specifically the x-axis and the y-axis. In the modeling explained below, maximum tilts of ±θmax are assumed in θx and θy.
Weiterhin wird die Kopplungseffizienz durch die beim Messvorgang erfolgende Verschiebung ±d des Resonatorspiegels 230 in Richtung der Flächennormalen des Resonatorspiegels 230 beeinflusst. Für die Modellierung wird daher für die Verschiebung d ein maximal zulässiger Wert dmax angesetzt.Furthermore, the coupling efficiency is influenced by the displacement ±d of the resonator mirror 230 in the direction of the surface normal of the resonator mirror 230 during the measurement process. Therefore, a maximum permissible value dmax is used for the displacement d for modeling purposes.
Die Modellierung erfolgt gemäß einer Ausführungsform auf Basis des bekannten Formalismus der Matrizenoptik. Dabei werden die wesentlichen Bedingungen an optische Resonatoren, welche für die frequenzbasierte Distanzmessung geeignet sind, im Matrizen-Formalismus der paraxialen Optik hergeleitet.According to one embodiment, the modeling is based on the well-known formalism of matrix optics. The essential conditions for optical resonators suitable for frequency-based distance measurement are derived from the matrix formalism of paraxial optics.
Als Ergebnis der Modellierung lassen sich die maximalen Kopplungsverluste kmax wie folgt darstellen:
Die Gütemaße Spos sowie Ssize bezeichnen die jeweilige Empfindlichkeit des optischen Resonators 226 auf die durch Veränderung der Kippwinkel θx und θy bewirkten parasitären Störbewegungen. Spos gibt hier die Empfindlichkeit der Strahleinkopplung am als Einkoppelspiegel fungierenden Resonatorspiegel 228 infolge von durch die parasitären Störbewegungen bewirkten Positionsvariationen des Modenfeldes des optischen Resonators 226 am Ort des Resonatorspiegels 228 an. Ssize gibt die Empfindlichkeit der Strahleinkopplung am Resonatorspiegel 228 infolge von durch die parasitären Störbewegungen bewirkten Strahlgrößenvariationen des Modenfeldes des optischen Resonators 226 am Ort des Resonatorspiegels 228 an.The quality measures Spos and Ssize indicate the respective sensitivity of the optical resonator 226 to the parasitic interference movements caused by changes in the tilt angles θx and θy. Spos indicates the sensitivity of the beam coupling at the resonator mirror 228, which acts as a coupling mirror, due to position variations of the mode field of the optical resonator 226 at the location of the resonator mirror 228 caused by the parasitic interference movements. Ssize indicates the sensitivity of the beam coupling at the resonator mirror 228 due to beam size variations of the mode field of the optical resonator 226 at the location of the resonator mirror 228 caused by the parasitic interference movements.
In den Ausdrücken (7) bezeichnet wm die sich selbstkonsistent einstellende Strahlgröße, welche wie folgt lautet:
Damit ist am als dimensionslose Hilfsgröße wie folgt definiert:
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele, Ausführungsformen bzw. Ausführungsvarianten ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen, insoweit sie in den Rahmen der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen fallen, sowie Äquivalente vom Schutz der Ansprüche abgedeckt sein.The above description of exemplary embodiments, embodiments, and variants is to be understood as exemplary. The disclosure thus made enables those skilled in the art, on the one hand, to understand the present invention and the associated advantages, and, on the other hand, also encompasses obvious variations and modifications of the described structures and methods within the understanding of those skilled in the art. Therefore, all such variations and modifications, insofar as they fall within the scope of the invention as defined in the appended claims, as well as equivalents, are intended to be covered by the claims.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- MessanordnungMeasuring arrangement
- 1212
- Messkopfmeasuring head
- 1414
- Messspiegelmeasuring mirror
- 1616
- Strahlungserzeugungs- und AuswerteeinrichtungRadiation generation and evaluation device
- 1818
- MessstrahlungMeasuring radiation
- 1919
- Messstrahlmeasuring beam
- 2020
- optische Faseroptical fiber
- 2222
- EinkoppellinseCoupling lens
- 2424
- ResonatormodulResonator module
- 2525
- HauptstrahlMain beam
- 2626
- optischer Resonatoroptical resonator
- 26f26f
- funktionale Darstellung des optischen Resonatorsfunctional representation of the optical resonator
- 2727
- Krümmungsradius RRadius of curvature R
- 2828
- ResonatorspiegelResonator mirror
- 2929
- optische Achse des Resonatorspiegelsoptical axis of the resonator mirror
- 3030
- ResonatorspiegelResonator mirror
- 3232
- ResonatorkavitätResonator cavity
- 3333
- Arbeitsabstand B0 Working distance B 0
- 3434
- FokussierlinseFocusing lens
- 3535
- Brennweite FFocal length F
- 3636
- BrennpunktFocus
- 37, 37', 37''37, 37', 37''
- Abstand G, G' bzw. G''Distance G, G' or G''
- 3838
- gekrümmte Oberflächecurved surface
- 4040
- äußere Oberflächeouter surface
- 4242
- LaserLaser
- 4444
- Faraday-IsolatorFaraday insulator
- 4646
- elektrooptischer Modulatorelectro-optical modulator
- 4848
- polarisationsoptischer Strahlteilerpolarization-optical beam splitter
- 5050
- Lambda/4-PlatteLambda/4 plate
- 5252
- PhotodetektorPhotodetector
- 5454
- TiefpassfilterLow-pass filter
- 5656
- Strahlteilerbeam splitter
- 5858
- AnalysatorAnalyzer
- 210210
- MessanordnungMeasuring arrangement
- 212212
- Messkopfmeasuring head
- 226226
- optischer Resonatoroptical resonator
- 226f226f
- funktionale Darstellung des optischen Resonatorsfunctional representation of the optical resonator
- 228228
- ResonatorspiegelResonator mirror
- 229229
- FokussierlinseFocusing lens
- 230230
- ResonatorspiegelResonator mirror
- 232232
- ResonatorkavitätResonator cavity
- 233233
- Abstand B0 Distance B 0
- 235235
- Brennweite FFocal length F
- 237237
- Abstand GDistance G
- 239239
- SpiegelmodulMirror module
- 241241
- nach außen weisende Oberflächeoutward-facing surface
- 243243
- nach innen weisende Oberflächeinward-facing surface
- 500500
- optisches Systemoptical system
- 502502
- TragestrukturSupport structure
- 503503
- Feld-FacettenspiegelField facet mirror
- 504504
- Pupillen-FacettenspiegelPupillary facet mirror
- 506506
- PlasmalichtquellePlasma light source
- 508508
- KollektorspiegelCollector mirror
- 510510
- erster Teleskopspiegelfirst telescope mirror
- 512512
- zweiter Teleskopspiegelsecond telescope mirror
- 514514
- UmlenkspiegelDeflecting mirror
- 515515
- Beleuchtungssystemlighting system
- 516516
- ProjektionsobjektivProjection lens
- 518, 520, 522, 524, 526, 528518, 520, 522, 524, 526, 528
- Spiegel des ProjektionsobjektivsMirror of the projection lens
- 530530
- Maskemask
- 532532
- MaskentischMask table
- 534534
- SubstratSubstrat
- 536536
- WafertischWafer table
- 526526
- bewegbare Komponentemovable component
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10 2012 212 663 A1 [0004]DE 10 2012 212 663 A1 [0004]
- DE 102012205181A1 [0038]DE 102012205181A1 [0038]
- DE 10 2019 213 794A1 [0040]DE 10 2019 213 794A1 [0040]
- DE 10 2018 208 147 A1 [0055]DE 10 2018 208 147 A1 [0055]
Claims (20)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2025176532A1 (en) | 2024-02-19 | 2025-08-28 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Measurement arrangement for determining the position of a movable component |
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|---|---|---|---|
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