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DE102024201474A1 - Measuring arrangement for determining the position of a movable component - Google Patents

Measuring arrangement for determining the position of a movable component

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DE102024201474A1
DE102024201474A1 DE102024201474.5A DE102024201474A DE102024201474A1 DE 102024201474 A1 DE102024201474 A1 DE 102024201474A1 DE 102024201474 A DE102024201474 A DE 102024201474A DE 102024201474 A1 DE102024201474 A1 DE 102024201474A1
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DE
Germany
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resonator
measuring
mirror
lens
measuring arrangement
Prior art date
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Pending
Application number
DE102024201474.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Matthias Manger
Klaus Thurner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss SMT GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss SMT GmbH filed Critical Carl Zeiss SMT GmbH
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Priority to PCT/EP2025/053736 priority patent/WO2025176532A1/en
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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 DE 10 2012 212 663 A1 dazu verwendeter Aufbau umfasst einen Resonator in Form eines Fabry-Perot-Resonators mit zwei Resonatorspiegeln, von denen der erste Resonatorspiegel an einem Referenzelement in Form eines mit dem Gehäuse des Projektionsobjektivs der Projektionsbelichtungsanlage fest verbundenen Messrahmens und der zweite Resonatorspiegel (als sogenanntes „Messtarget“) an einem hinsichtlich seiner Position zu vermessenden EUV-Spiegel befestigt ist. Die eigentliche Abstandsmessvorrichtung umfasst eine bezüglich ihrer optischen Frequenz durchstimmbare Strahlungsquelle, welche eine Einkoppelstrahlung erzeugt, die einen Strahlteiler durchläuft und in den optischen Resonator eingekoppelt wird. Dabei wird die Strahlungsquelle von einer Kopplungseinrichtung so gesteuert, dass die optische Frequenz der Strahlungsquelle auf die Resonanzfrequenz des optischen Resonators abgestimmt und damit an diese Resonanzfrequenz gekoppelt wird. Über einen Strahlteiler ausgekoppelte Einkoppelstrahlung wird mit einer optischen Frequenzmesseinrichtung analysiert, welche z.B. einen Frequenzkammgenerator zur hochgenauen Bestimmung der absoluten Frequenz umfassen kann. Ändert sich die Position des EUV-Spiegels in der Erstreckungsrichtung des Resonators, so verändert sich mit dem Abstand zwischen den Resonatorspiegeln auch die Resonanzfrequenz des optischen Resonators und damit - infolge der Kopplung der Frequenz der durchstimmbaren Strahlungsquelle an die Resonanzfrequenz des Resonators - auch die optische Frequenz der Einkoppelstrahlung, was wiederum mit der Frequenzmesseinrichtung unmittelbar registriert wird.Various approaches are known in the state of the art for measuring the position of individual objective mirrors, as well as the wafer or wafer stage and the reticle plane. In addition to interferometric measurement setups, frequency-based position measurement using an optical resonator is also known. DE 10 2012 212 663 A1 The setup used for this purpose comprises a resonator in the form of a Fabry-Perot resonator with two resonator mirrors, of which the first resonator mirror is attached to a reference element in the form of a measuring frame firmly connected to the housing of the projection lens of the projection exposure system, and the second resonator mirror (as a so-called "measurement target") is attached to an EUV mirror whose position is to be measured. The actual distance measuring device comprises a radiation source whose optical frequency is tunable, which generates coupled radiation that passes through a beam splitter and is coupled into the optical resonator. The radiation source is controlled by a coupling device such that the optical frequency of the radiation source is tuned to the resonant frequency of the optical resonator and is thus coupled to this resonant frequency. Coupling radiation coupled out via a beam splitter is analyzed using an optical frequency measuring device, which may, for example, include a frequency comb generator for the highly precise determination of the absolute frequency. If the position of the EUV mirror changes in the extension direction of the resonator, the resonance frequency of the optical resonator also changes with the distance between the resonator mirrors and thus - due to the coupling of the frequency of the tunable radiation source to the resonance frequency of the resonator - also the optical frequency of the coupling radiation, which in turn is directly registered with the frequency measuring device.

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 DE 102012205181A1 bekannt, deren gesamter Inhalt per Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.The movable component can be a component in an optical system of the inspection system. An example of such an inspection system for mask or wafer inspection (without the measuring system according to the invention) is known from the publication DE 102012205181A1 known, the entire contents of which are incorporated into the present application by reference.

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 DE10 2019 213 794A1 bekannt, deren gesamter Inhalt per Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.The movable component can be a component in an optical system of the coordinate measuring machine. The coordinate measuring machine serves to determine a respective positional deviation of one or more measuring points on a test component from a respective target position. An example of such a coordinate measuring machine (without the measuring arrangement according to the invention) is known from the publication DE10 2019 213 794A1 known, the entire contents of which are incorporated into the present application by reference.

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 gemäß 1,
  • 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 der 1, 3 oder 4 bestimmbar ist,
  • 6 eine Ausführungsform der Projektionsbelichtungsanlage gemäß 5, sowie
  • 7 eine vergrößerte Detailansicht der Projektionsbelichtungsanlage gemäß 6 mit einer darin integrierten Messanordnung gemäß einer der 1, 3 oder 4.
The above and other advantageous features of the invention are illustrated in the following detailed description of exemplary embodiments of the invention with reference to the accompanying schematic drawings. They show:
  • 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 to 1 ,
  • 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 the 1 , 3 or 4 can be determined,
  • 6 an embodiment of the projection exposure system according to 5 , as well as
  • 7 an enlarged detailed view of the projection exposure system according to 6 with a measuring arrangement integrated therein in accordance with one of the 1 , 3 or 4 .

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 1 verläuft die x-Richtung senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein, die z-Richtung nach rechts und die y-Richtung nach oben.To facilitate the description, a Cartesian xyz coordinate system is shown in the drawing, from which the respective positional relationship of the components shown in the figures results. 1 the x-direction runs perpendicular to the drawing plane, the z-direction to the right and the y-direction upwards.

In 1 ist eine Ausführungsform einer Messanordnung 10 gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt veranschaulicht. Diese Messvorrichtung 10 ist zur Positionsbestimmung einer bewegbaren Komponente eines in einer beispielhaften Ausführungsform in 5 abschnittsweise veranschaulichten optischen Systems 500 für die Photolithographie konfiguriert. Die Messanordnung 10 gemäß 1 umfasst einen Messkopf 12 sowie einen Messspiegel 14, welcher auch als Messtarget bezeichnet werden kann und an der bewegbaren Komponente befestigt und damit dieser zugeordnet ist. Zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente wird mittels der Messanordnung der Abstand zwischen dem Messkopf 12 und dem Messspiegel 14 bestimmt, wie weiter unten ausführlich beschrieben.In 1 An embodiment of a measuring arrangement 10 according to a first aspect of the invention is illustrated. This measuring device 10 is used to determine the position of a movable component of a 5 The optical system 500 illustrated in sections is configured for photolithography. The measuring arrangement 10 according to 1 comprises a measuring head 12 and a measuring mirror 14, which can also be referred to as a measuring target and is attached to the movable component and thus associated with it. To determine the position of the movable component, the distance between the measuring head 12 and the measuring mirror 14 is determined using the measuring arrangement, as described in detail below.

6 zeigt in einer vereinfachten Darstellung das optische System 500 in Gestalt einer Projektionsbelichtungsanlage für die Photolithographie. 5 zeigt einen Abschnitt der Projektionsbelichtungsanlage gemäß 6 mit einem Spiegel 526, welcher hier als die vorstehend erwähnte bewegbare Komponente dient. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der bewegbaren Komponente mit dem Spiegel 526 um eine Komponente eines Projektionsobjektivs 516 der Projektionsbelichtungsanlage. Alternativ kann es sich bei der bewegbaren Komponente auch um eine Komponente des Beleuchtungssystems 515 der Projektionsbelichtungsanlage handeln. 6 shows a simplified representation of the optical system 500 in the form of a projection exposure system for photolithography. 5 shows a section of the projection exposure system according to 6 with a mirror 526, which here serves as the aforementioned movable component. In the illustrated embodiment, the movable component with the mirror 526 is a component of a projection lens 516 of the projection exposure system. Alternatively, the movable component can also be a component of the illumination system 515 of the projection exposure system.

Wie erwähnt, handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei der Komponente um den Spiegel 526, der an einer in 5 dargestellten Tragestruktur 502 oder an einem Gehäuse des optischen Systems 500 beweglich gelagert ist. Die Tragestruktur 502 bzw. das Gehäuse wird im Folgenden auch als Referenzrahmen bezeichnet. Um die Position und/oder die Ausrichtung der Komponente 526 in Bezug auf den Referenzrahmen im laufenden Betrieb, also in situ, zu überwachen, wird die Entfernung ausgewählter Messpunkte M zur Tragestruktur 502 ermittelt.As mentioned, in the present embodiment, the component is the mirror 526, which is mounted on a 5 The component 526 is movably mounted on the support structure 502 shown or on a housing of the optical system 500. The support structure 502 or the housing is also referred to below as the reference frame. In order to monitor the position and/or orientation of the component 526 with respect to the reference frame during operation, i.e., in situ, the distance of selected measuring points M from the support structure 502 is determined.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Position von sechs Messpunkten M1 bis M6, insbesondere in einer Hexapod-Konfiguration, wie sie in 5 beispielhaft dargestellt ist, jeweils in Bezug auf einen zugehörigen Referenzpunkt R1 bis R6 auf der Tragestruktur 502 bestimmt. Es werden somit sechs Hexapod-Längen L1 bis L6 ermittelt. Die Ermittlung der jeweiligen Position der sechs Messpunkte M1 bis M6 erfolgt durch Messung der Längen L1 bis L6, jeweils mittels eines Exemplars der vorstehend erwähnten Messanordnung 10 bzw. eines Exemplars der nachstehend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschriebenen Messanordnung 210.According to the present embodiment, the position of six measuring points M1 to M6, in particular in a hexapod configuration as shown in 5 shown as an example, in each case in relation to an associated reference point R1 to R6 on the support structure 502. Thus, six hexapod lengths L1 to L6 are determined. The determination of the respective position of the six measuring points M1 to M6 is carried out by measuring the lengths L1 to L6, in each case by means of an example of the above-mentioned measuring arrangement 10 or an example of the one described below with reference to the 3 and 4 described measuring arrangement 210.

Die in 6 dargestellte, als optisches System 500 dienende, photolithographische Projektionsbelichtungsanlage ist zum Betrieb mit EUV-Belichtungsstrahlung ausgebildet. Unter EUV-Strahlung ist in diesem Text elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von kleiner als 100 nm, insbesondere einer Wellenlänge von etwa 13,5 nm oder etwa 6,8 nm, zu verstehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung in einer derartigen Anlage beschränkt, sondern auch bei der Vermessung von Projektionsbelichtungsanlagen mit anderen Arbeitswellenlängen, beispielsweise Arbeitswellenlängen im VUV- oder DUV-Bereich realisierbar. In weiteren Anwendungen kann die Erfindung auch in einem anderen optischen System für die Photolithographie, wie etwa einer Maskeninspektionsanlage oder einer Waferinspektionsanlage, realisiert werden.The 6 The photolithographic projection exposure system shown, serving as optical system 500, is designed for operation with EUV exposure radiation. In this text, EUV radiation is understood to mean electromagnetic radiation with a wavelength of less than 100 nm, in particular a wavelength of approximately 13.5 nm or approximately 6.8 nm. However, the present invention is not limited to use in such a system, but can also be implemented in the measurement of projection exposure systems with other operating wavelengths, for example, operating wavelengths in the VUV or DUV range. In further applications, the invention can also be implemented in another optical system for photolithography, such as a mask inspection system or a wafer inspection system.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 6 weist das optische System 500 in Gestalt einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage einen Feld-Facettenspiegel 503 und einen Pupillen-Facettenspiegel 504 auf. Auf dem Feld-Facettenspiegel 503 wird das Licht einer Lichtquelleneinheit, welche eine Plasmalichtquelle 506 und einen Kollektorspiegel 508 umfasst, gelenkt. Im Lichtweg nach dem Pupillen-Facettenspiegel 504 sind ein erster Teleskopspiegel 510 und ein zweiter Teleskopspiegel 512 angeordnet. Im Lichtweg nachfolgend ist ein Umlenkspiegel 514 angeordnet, der die auf ihn treffende Strahlung auf ein Objektfeld in der Objektebene des Projektionsobjektivs 516 lenkt, welches sechs Spiegel 518, 520, 522, 524, 526 und 528 umfasst. Der Kollektorspiegel 508, der Feld-Facettenspiegel 503, der Pupillen-Facettenspiegel 504, die beiden Teleskopspiegel 510 und 512 sowie der Umlenkspiegel 514 bilden zusammen das Beleuchtungssystem 515 der Projektionsbelichtungsanlage. Die Strahlung der Plasmalichtquelle 506 durchläuft das Beleuchtungssystem 515 und trifft daraufhin auf das Objektfeld in der Objektebene, d.h. das Beleuchtungssystem 515 beleuchtet das Objektfeld.According to the embodiment of 6 The optical system 500, in the form of an EUV projection exposure system, comprises a field facet mirror 503 and a pupil facet mirror 504. The light from a light source unit, which comprises a plasma light source 506 and a collector mirror 508, is directed onto the field facet mirror 503. A first telescope mirror 510 and a second telescope mirror 512 are arranged in the light path downstream of the pupil facet mirror 504. A deflection mirror 514 is arranged downstream in the light path, which deflects the radiation incident upon it onto an object field in the object plane of the projection lens 516, which comprises six mirrors 518, 520, 522, 524, 526, and 528. Collector mirror 508, field facet mirror 503, pupil facet mirror 504, the two telescope mirrors 510 and 512, and deflection mirror 514 together form illumination system 515 of the projection exposure system. The radiation from plasma light source 506 passes through illumination system 515 and then impinges on the object field in the object plane, i.e., illumination system 515 illuminates the object field.

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.

7 zeigt eine vergrößerte Detailansicht der als optisches System 500 dienenden Projektionsbelichtungsanlage aus 6 im Bereich des als bewegbare Komponente dienenden Spiegels 526 des Projektionsobjektivs 516. Dabei ist in 7 beispielhaft die Messanordnung 10 bzw. die in den 3 und 4 veranschaulichte Messanordnung 210 vereinfacht gezeigt. Der Spiegel 526 ist dabei beispielsweise durch die Tragestruktur 502 an dem Gehäuse oder an dem Wafertisch 536 beweglich gehalten und stellt in diesem Ausführungsbeispiel somit die bewegbare Komponente dar. Die Tragestruktur 502 ist aus Übersichtlichkeitsgründen vorliegend nicht im Detail gezeigt. Der Messkopf 12 der Messanordnung 10 bzw. der Messkopf 212 der Messanordnung 210 ist ortsfest an dem Gehäuse oder beispielsweise an dem Maskentisch angeordnet. Der Messspiegel 14 bzw. das entsprechende Messtarget der Messanordnung 210 ist an der Unterseite des Spiegels 526 befestigt. In Abhängigkeit des Ergebnisses der Positionsmessung durch die Messanordnung 10 bzw. 210 sowie insbesondere entsprechend der in 5 veranschaulichten Konfiguration vorgesehenen weiteren Messanordnungen 10bzw. 210 wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Spiegel 526 in seiner Position justiert. 7 shows an enlarged detailed view of the projection exposure system serving as optical system 500 from 6 in the area of the mirror 526 of the projection lens 516, which serves as a movable component. 7 For example, the measuring arrangement 10 or the one shown in the 3 and 4 The illustrated measuring arrangement 210 is shown in simplified form. The mirror 526 is movably held, for example, by the support structure 502 on the housing or on the wafer table 536 and thus represents the movable component in this embodiment. The support structure 502 is not shown in detail for reasons of clarity. The measuring head 12 of the measuring arrangement 10 or the measuring head 212 of the The measuring arrangement 210 is fixedly mounted on the housing or, for example, on the mask table. The measuring mirror 14 or the corresponding measuring target of the measuring arrangement 210 is attached to the underside of the mirror 526. Depending on the result of the position measurement by the measuring arrangement 10 or 210 and in particular according to the 5 According to an exemplary embodiment, the mirror 526 is adjusted in its position by means of the further measuring arrangements 10 and 210 provided in the illustrated configuration.

Die in 1 veranschaulichte Messanordnung 10 umfasst eine Strahlungserzeugungs- und Auswerteeinrichtung 16 zur Erzeugung sowie zum Auswerten von Messstrahlung 18, optional eine optische Faser 20, eine Strahlformungsoptik in Gestalt einer Einkoppellinse 22, ein optisches Modul in Gestalt eines Resonatormoduls 24 sowie den vorstehend bereits erwähnten Messspiegel 14. Der vorstehend ebenfalls bereits erwähnte Messkopf 12 umfasst zumindest das optische Resonatormodul 24 und die Einkoppellinse 22. Die Strahlerzeugungs- und Auswerteeinrichtung 16 kann ebenfalls Teil des Messkopfes 12 sein oder aber außerhalb desselben angeordnet sein, wie in 1 veranschaulicht.The 1 The illustrated measuring arrangement 10 comprises a radiation generation and evaluation device 16 for generating and evaluating measuring radiation 18, optionally an optical fiber 20, a beam-forming optic in the form of a coupling lens 22, an optical module in the form of a resonator module 24 and the measuring mirror 14 already mentioned above. The measuring head 12, also already mentioned above, comprises at least the optical resonator module 24 and the coupling lens 22. The beam generation and evaluation device 16 can also be part of the measuring head 12 or can be arranged outside of it, as in 1 illustrated.

Die Strahlerzeugungs- und Auswerteeinrichtung 16 ist in 2 in einer beispielhaften Ausführungsform im Detail dargestellt. Diese beruht auf dem Prinzip, wonach ein hinsichtlich der optischen Frequenz durchstimmbarer Laser 42, über einen geeigneten Regelkreis (im dargestellten Beispiel nach dem Pound-Drever-Hall-Verfahren) einer Frequenz des optischen Resonators 26 folgt, so dass die letztlich zu messende Länge des Resonators 26 und damit der Abstand zwischen dem Messkopf 12 und dem Messspiegel 14 als Frequenz des durchstimmbaren Lasers 42 kodiert wird. Der Laser 42 dient als Strahlungsquelle für die Messstrahlung 18, welche beispielsweise im sichtbaren oder im infraroten Wellenlängenbereich liegt.The beam generation and evaluation device 16 is in 2 An exemplary embodiment is shown in detail. This is based on the principle that a laser 42, whose optical frequency is tunable, follows a frequency of the optical resonator 26 via a suitable control loop (in the example shown, according to the Pound-Drever-Hall method), so that the length of the resonator 26 ultimately to be measured, and thus the distance between the measuring head 12 and the measuring mirror 14, is encoded as the frequency of the tunable laser 42. The laser 42 serves as a radiation source for the measuring radiation 18, which lies, for example, in the visible or infrared wavelength range.

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 1 dargestellte optische Faser 20 in den Messkopf 12 ein. Wieder bezugnehmend auf 2, wird zur Frequenzmessung ein Teil der von dem durchstimmbaren Laser 42 ausgesandten Messstrahlung 18 über einen Strahlteiler 56 ausgekoppelt und einem Analysator 58 zur Frequenzmessung zugeführt. Die eigentliche Frequenzmessung im Analysator 58 kann beispielsweise über den Vergleich mit einer Frequenz-Referenz, z.B. einem fs-Frequenzkamm eines Femtosekundenlasers, erfolgen. Die das Resonatormodul gemäß 1 über den Messkopf 12 wieder verlassende Messstrahlung 18 tritt über die optische Faser 20 wieder in die Einrichtung 16 ein und wird vom Photodetektor 52 erfasst. Zu weiteren Einzelheiten bezüglich der Funktionsweise der Einrichtung 16 wird auf DE 10 2018 208 147 A1 verwiesen. Aus der im Analysator gemessenen Frequenz, welche sich bei einer Veränderung der Resonatorlänge entsprechend verändert, wird der aktuelle Abstand zwischen dem Messkopf 12 und dem Messspiegel 14 und damit die Position der bewegbaren Komponente bestimmt.The device 16 comprises a Faraday isolator 44, an electro-optical modulator 46, a polarization-optical beam splitter 48, a lambda/4 plate 50, a photodetector 52 and a low-pass filter 54. The part of the measuring radiation 18 passing through the lambda/-plate 50 exits via the 1 illustrated optical fiber 20 into the measuring head 12. Referring again to 2 , for frequency measurement, a portion of the measurement radiation 18 emitted by the tunable laser 42 is coupled out via a beam splitter 56 and fed to an analyzer 58 for frequency measurement. The actual frequency measurement in the analyzer 58 can be carried out, for example, by comparison with a frequency reference, e.g., an fs frequency comb of a femtosecond laser. The resonator module according to 1 The measuring radiation 18 leaving the measuring head 12 re-enters the device 16 via the optical fiber 20 and is detected by the photodetector 52. For further details regarding the operation of the device 16, DE 10 2018 208 147 A1 From the frequency measured in the analyzer, which changes accordingly when the resonator length changes, the current distance between the measuring head 12 and the measuring mirror 14, and thus the position of the movable component, is determined.

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 1 gezeigten Stellung, welche auch als Grundstellung bezeichnet wird, in einer Katzenaugenposition der Fokussierlinse 34 angeordnet. Unter der Anordnung des Messspiegels 14 in der Katzenaugenposition der Fokussierlinse 34 ist zu verstehen, dass in dieser Anordnung eine parallel zur optischen Achse der Fokussierlinse auf die Fokussierlinse eingestrahlte Strahlung derart auf den Messspiegel 14 fokussiert wird, dass deren Fokuspunkt auf einer Spiegeloberfläche des Messspiegels 14 liegt. Die Anordnung aus der Fokussierlinse 34 und dem Messspiegel 14 kann auch als Katzenaugenanordnung bezeichnet werden.In other words, the measuring mirror 14 is in the 1 shown position, which is also referred to as the basic position, in a cat's eye position of the focusing lens 34. The arrangement of the measuring mirror 14 in the cat's eye position of the focusing lens 34 is to be understood that in this arrangement, radiation irradiated onto the focusing lens parallel to the optical axis of the focusing lens is focused onto the measuring mirror 14 in such a way that its focal point lies on a mirror surface of the measuring mirror 14. The arrangement of the focusing lens 34 and the measuring mirror 14 can also be referred to as a cat's eye arrangement.

Der optische Resonator 26 ist in 1 mit einem strichlierten Rechteck umrandet. Der funktionelle Aufbau des optischen Resonators 26 ist unterhalb dargestellt und mit dem Bezugszeichen 26f bezeichnet. Die optischen Elemente des Resonatormoduls 24, nämlich die Resonatorspiegel 28 und 39 sowie die Fokussierlinse, können separate Elemente sein oder, wie in der konkreten Ausführungsform des optischen Resonators gemäß 1 dargestellt, zusammenhängend konfiguriert sein. Im letzteren Fall ist das Resonatormodul 24 ein zusammenhängendes optisches Modul, welches insbesondere einstückig bzw. monolithisch gestaltet sein kann.The optical resonator 26 is in 1 surrounded by a dashed rectangle. The functional structure of the optical resonator 26 is shown below and designated by the reference numeral 26f. The optical elements of the resonator module 24, namely the resonator mirrors 28 and 39 as well as the focusing lens, can be separate elements or, as in the specific embodiment of the optical resonator according to 1 shown, be configured coherently. In the latter case, the resonator module 24 is a coherent optical module, which can in particular be designed in one piece or monolithically.

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 1 ist das Resonatormodul 24 aus einem Linsenmaterial gefertigt und weist an seiner ins Innere der Resonatorkavität 32 gerichteten Seite eine gekrümmte Oberfläche 38 auf, um dem Resonatormodul 24 die Funktion der Fokussierlinse 34 zu verleihen. An der von der Resonatorkavität 32 wegweisenden Seite, d.h. an einer äußeren Oberfläche 40, weist das Resonatormodul 24 jeweilige spiegelnde Beschichtungen zur Bereitstellung der Funktion der Resonatorspiegel 28 und 30 auf.In the specific embodiment according to 1 The resonator module 24 is made of a lens material and has a curved surface 38 on its side facing into the interior of the resonator cavity 32 to provide the resonator module 24 with the function of a focusing lens 34. On the side facing away from the resonator cavity 32, i.e., on an outer surface 40, the resonator module 24 has respective reflective coatings to provide the function of the resonator mirrors 28 and 30.

Die Brennweite der Fokussierlinse 34, welche unter Berücksichtigung der optischen Theorie zu dicken Linsen, in der konkreten Ausgestaltung des Resonatormoduls 24 gemäß 1 den Abstand zwischen einer der gekrümmten Oberfläche 38 zugeordneten zweiten Hauptebene H' und der Fokusebene angibt, wird mit F bezeichnet. Der nominelle Abstand zwischen der Fokussierlinse 34, konkret der Hauptebene H', und dem Messspiegel 14 wird mit B0 (Bezugszeichen 33) bezeichnet. Der Abstand B0 stellt einen Arbeitsabstand der Messanordnung 10 dar, welcher den Abstand zwischen dem Messkopf 12 und dem als Messtarget dienenden Messspiegel 14 während des Messbetriebs der Messanordnung 10 bezeichnet. Wegen der vorstehend beschriebenen Katzenaugenfunktionalität gilt: B0 = F. In der funktionalen Darstellung 26f wird die Fokussierlinse 34 als unendlich dünn approximierte Linse dargestellt, d.h. die beiden Hauptebenen H und H' fallen zusammen.The focal length of the focusing lens 34, which, taking into account the optical theory, leads to thick lenses, in the concrete design of the resonator module 24 according to 1 which indicates the distance between a second principal plane H' assigned to the curved surface 38 and the focal plane, is denoted by F. The nominal distance between the focusing lens 34, specifically the principal plane H', and the measuring mirror 14 is denoted by B 0 (reference number 33). The distance B 0 represents a working distance of the measuring arrangement 10, which represents the distance between the measuring head 12 and the measuring mirror 14 serving as the measuring target during the measuring operation of the measuring arrangement 10. Due to the cat's eye functionality described above, the following applies: B 0 = F. In the functional representation 26f, the focusing lens 34 is represented as an infinitely thin approximated lens, ie the two principal planes H and H' coincide.

Im Messbetrieb ist eine Verschiebung des Messspiegels 14, ausgehend von der in 1 dargestellten Stellung des Messspiegels, welche in diesem Text auch als Grundstellung bezeichnet wird, in z-Richtung um ±d zugelassen, wobei |d| mindestens um den Faktor 5, insbesondere um mindestens den Faktor 10 kleiner als F ist (|d|«F). Der reale Abstand B zwischen der Fokussierlinse 34 und dem Messspiegel 14 beträgt damit B0±d, es gilt damit: B ≈ F. Der jeweilige Abstand des ersten Resonatorspiegels 28 und zweiten Resonatorspiegels 30 von der Fokussierlinse 34 wird im allgemeinen Fall mit G' (Bezugszeichen 37') bzw. G'' (Bezugszeichen 37'') bezeichnet. In der konkreten Ausführungsform gemäß 1, in der die beiden Resonatorspiegel 28 und 30 gleich weit von der Fokussierlinse 34 entfernt angeordnet sind, wird der gemeinsame Abstand mit G (Bezugszeichen 37) bezeichnet. Der Abstand G, bzw. die Abstände G' und G'', ist bzw. sind um mindestens den Faktor 10, insbesondere um mindestens den Faktor 50 kleiner als F (G «F). Das Verhältnis zwischen dem Abstand G und der Brennweite F wird durch einen Auslegungsparameter γ definiert (G=y F). Die Länge des optischen Resonators 26 beträgt 2F + G' + G'' bzw. 2F+2G. Der Krümmungsradius des Resonatorspiegels 28 wird mit R (Bezugszeichen 27) bezeichnet.During measuring operation, a displacement of the measuring mirror 14, starting from the 1 shown position of the measuring mirror, which is also referred to in this text as the basic position, is permitted in the z-direction by ±d, where |d| is at least a factor of 5, in particular at least a factor of 10 smaller than F (|d|«F). The real distance B between the focusing lens 34 and the measuring mirror 14 is thus B0±d, thus: B ≈ F. The respective distance of the first resonator mirror 28 and second resonator mirror 30 from the focusing lens 34 is generally designated by G' (reference symbol 37') or G'' (reference symbol 37''). In the specific embodiment according to 1 , in which the two resonator mirrors 28 and 30 are arranged at the same distance from the focusing lens 34, the common distance is designated by G (reference numeral 37). The distance G, or the distances G' and G'', is or are smaller than F by at least a factor of 10, in particular by at least a factor of 50 (G «F). The relationship between the distance G and the focal length F is defined by a design parameter γ (G = y F). The length of the optical resonator 26 is 2F + G' + G'' or 2F + 2G. The radius of curvature of the resonator mirror 28 is designated by R (reference numeral 27).

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: κ m a x 1 exp ( S p o s , m a x 2 S s i z e , m a x 2 ) S p o s , m a x 2 + S s i z e , m a x 2 . As a result of the modeling, the maximum coupling losses k max can be represented as follows: κ m a x 1 exp ( S p o s , m a x 2 S s i z e , m a x 2 ) S p o s , m a x 2 + S s i z e , m a x 2 .

Hierbei gilt für die zusammengefassten Verlustbeiträge S p o s , m a x 2 und S s i z e , m a x 2 : S p o s , m a x 2 q θ m a x d m a x + u d m a x F a m ( q , γ ) λ F , S s i z e , m a x 2 q q ( 2 q + 5 γ 5 ) 4 ( 2 γ + q 2 ) d m a x F . The following applies to the combined loss contributions S p o s , m a x 2 and S s i z e , m a x 2 : S p o s , m a x 2 q θ m a x d m a x + u d m a x F a m ( q , γ ) λ F , S s i z e , m a x 2 q q ( 2 q + 5 γ 5 ) 4 ( 2 γ + q 2 ) d m a x F .

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 1 erläuterte Verhältnis zwischen dem Abstand G und der Brennweite F. Der Parameter u bezeichnet den ebenfalls vorstehend mit Bezug auf 1 erläuterten Abstand, um den der Brennpunkt 36 auf dem Messspiegel 15 gegenüber der optischen Achse 29 des Resonatorspiegels versetzt ist, d.h. der Parameter quantifiziert eine entsprechende Dezentrierung. Die Wellenlänge der Messstrahlung 18 wird mit λ bezeichnet. Der Parameter am stellt eine dimensionslose Hilfsgröße dar und ist wie folgt definiert: a m ( q , γ ) = 2 1 4 π q 1 γ 2 γ + q 2 . In expressions (2), the parameter γ denotes the value defined above with reference to 1 explained relationship between the distance G and the focal length F. The parameter u denotes the also previously mentioned with reference to 1 explained distance by which the focal point 36 on the measuring mirror 15 is offset from the optical axis 29 of the resonator mirror, i.e., the parameter quantifies a corresponding decentration. The wavelength of the measuring radiation 18 is denoted by λ. The parameter a m represents a dimensionless auxiliary quantity and is defined as follows: a m ( q , γ ) = 2 1 4 π q 1 γ 2 γ + q 2 .

In 3 ist eine Ausführungsform einer Messanordnung 210 gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt veranschaulicht. Diese Messanordnung unterscheidet sich von der Messanordnung 10 gemäß 1 lediglich in der Konfiguration des optischen Resonators, welcher in der Ausführungsform gemäß 3 mit dem Bezugszeichen 226 bezeichnet ist. Der funktionelle Aufbau des optischen Resonators 226 ist unterhalb dargestellt und mit dem Bezugszeichen 226f bezeichnet. Der optische Resonator 226 umfasst einen als Resonatorspiegel 228 ausgebildeten Eingangsspiegel. Dieser unterscheidet sich von dem gekrümmten Resonatorspiegel 28 gemäß 1 dahingehend, dass er als Planspiegel ausgebildet ist. Analog zur Ausführungsform gemäß 1 umfasst der optische Resonator 226 gemäß 3 einen zweiten planen Resonatorspiegel 230. Zwischen dem ersten Resonatorspiegel 228 und dem zweiten Resonatorspiegel 230 ist eine Resonatorkavität 232 ausgebildet.In 3 An embodiment of a measuring arrangement 210 according to a second aspect of the invention is illustrated. This measuring arrangement differs from the measuring arrangement 10 according to 1 only in the configuration of the optical resonator, which in the embodiment according to 3 designated by the reference numeral 226. The functional structure of the optical resonator 226 is shown below and designated by the reference numeral 226f. The optical resonator 226 comprises a resonator mirror 228. This differs from the curved resonator mirror 28 according to 1 in that it is designed as a plane mirror. Analogous to the embodiment according to 1 The optical resonator 226 comprises 3 a second planar resonator mirror 230. A resonator cavity 232 is formed between the first resonator mirror 228 and the second resonator mirror 230.

Anders als in der Ausführungsform gemäß 1 weisen die Resonatorspiegel 228 und 230 nicht in die gleiche Richtung, sondern sind einander zugewandt, ein Faltspiegel ist nicht vorhanden. Vielmehr stellt der zweite Resonatorspiegel 230 das Messtarget dar. Der Abstand zwischen den beiden Resonatorspiegeln 228 und 230 entspricht der Länge L des Resonators 226 bzw. der Resonatorkavität 232.Unlike the embodiment according to 1 The resonator mirrors 228 and 230 do not point in the same direction, but rather face each other; a folding mirror is not present. Rather, the second resonator mirror 230 represents the measurement target. The distance between the two resonator mirrors 228 and 230 corresponds to the length L of the resonator 226 or the resonator cavity 232.

In der Messanordnung 210 gemäß 3 ist zusätzlich eine Fokussierlinse 229 im Abstand G (Bezugszeichen 237) vor dem Resonatorspiegel 228 innerhalb der Resonatorkavität 232 angeordnet. Die Fokussierlinse 229, welche die Brennweite F (Bezugszeichen 235) aufweist, übernimmt die durch die Krümmung des Resonatorspiegels 228 bereitgestellte Funktion zur Ausbildung des Gauß-Strahls innerhalb der Resonatorkavität 232 zwischen dem ersten Resonatorspiegel 228 und dem zweiten, das Messtarget darstellenden, Resonatorspiegel 230. Der Abstand G zwischen dem ersten Resonatorspiegel 228 und der als unendlich dünn approximierten Fokussierlinse 229 ist um mindestens den Faktor 2, insbesondere um mindestens den Faktor 5 kleiner als F (G < F).In the measuring arrangement 210 according to 3 Additionally, a focusing lens 229 is arranged at a distance G (reference numeral 237) in front of the resonator mirror 228 within the resonator cavity 232. The focusing lens 229, which has the focal length F (reference numeral 235), assumes the function provided by the curvature of the resonator mirror 228 for forming the Gaussian beam within the resonator cavity 232 between the first resonator mirror 228 and the second resonator mirror 230, which represents the measurement target. The distance G between the first resonator mirror 228 and the focusing lens 229, which is approximated as infinitely thin, is smaller than F by at least a factor of 2, in particular by at least a factor of 5 (G < F).

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 4 veranschaulichte, Ausführungsform der Messvorrichtung 210 gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt unterscheidet sich dahingehend von der Ausführungsform gemäß 3, dass der Resonatorspiegel 228 und die Fokussierlinse 229 ein zusammenhängendes Spiegelmodul 239 bilden. Dieses besteht aus einem die Messstrahlung 18 transmittierenden Linsenmaterial und weist eine der Einkoppellinse 22 gegenüberliegende, nach außen weisende Oberfläche 241 sowie eine nach innen (in die Resonatorkavität 232 hinein) weisende Oberfläche 243 auf. Die nach außen weisende Oberfläche 241 weist eine reflektive Beschichtung zur Bereitstellung der Funktion des ersten Resonatorspiegels 228 auf. Die nach innen weisende Oberfläche 241 ist konvex gekrümmt zur Bereitstellung der Funktion der Fokussierlinse 229. Die Brennweite F sowie der Abstand B0 bemessen sich, ausgehend von der zweiten Hauptebene H' des Spiegelmoduls 239, welcher der nach innen weisenden Oberfläche 243 zugeordnet ist. Der Abstand G hingegen bemisst sich zwischen der nach außen weisenden Oberfläche 241 und der ersten Hauptebene H des Spiegelmoduls 239.Another, in 4 illustrated embodiment of the measuring device 210 according to the second aspect of the invention differs from the embodiment according to 3 that the resonator mirror 228 and the focusing lens 229 form a coherent mirror module 239. This consists of a lens material that transmits the measuring radiation 18 and has an outward-facing surface 241 opposite the coupling lens 22 and an inward-facing surface 243 (into the resonator cavity 232). The outward-facing surface 241 has a reflective coating to provide the function of the first resonator mirror 228. The inward-facing surface 241 is convexly curved to provide the function of the focusing lens 229. The focal length F and the distance B0 are measured starting from the second principal plane H' of the mirror module 239, which is assigned to the inward-facing surface 243. The distance G, on the other hand, is measured between the outward-facing surface 241 and the first principal plane H of the mirror module 239.

Der Abstand B, insbesondere dessen nominale Länge B0, beträgt gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Messanordnung 210 gemäß 3 bzw. 4 zwischen dem 0,5-fachen und dem 1,0 fachen der Brennweite F der Fokussierlinse 229, d.h. es gilt unter Verwendung eines Auslegungsparameters β der folgende Zusammenhang: B 0 = β   F  mit 0 ,5 < β < 1,0. The distance B, in particular its nominal length B0, is according to an embodiment of the measuring arrangement 210 according to the invention 3 or 4 between 0.5 times and 1.0 times the focal length F of the focusing lens 229, ie using a design parameter β, the following relationship applies: B 0 = β   F  mit 0 ,5 < β < 1,0.

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: κ m a x 1 exp ( S p o s , m a x 2 S s i z e , m a x 2 ) S p o s , m a x 2 + S s i z e , m a x 2 . wobei Spos sowie Ssize Gütemaße als Funktion des Auslegungsparameters β, der Brennweite F der Wellenlänge λ der Messstrahlung 18 sowie eines weiteren Auslegungsparameters γ, definiert durch G = γ F, sind, für die folgendes gilt: S p o s , m a x θ m a x a m ( γ , β ) F λ , S s i z e , m a x d m a x 4 F 1 ( 1 β ) ( γ + β β γ ) . As a result of the modeling, the maximum coupling losses k max can be represented as follows: κ m a x 1 exp ( S p o s , m a x 2 S s i z e , m a x 2 ) S p o s , m a x 2 + S s i z e , m a x 2 . where Spos and Ssize are quality measures as a function of the design parameter β, the focal length F of the wavelength λ of the measuring radiation 18 and a further design parameter γ, defined by G = γ F, for which the following applies: S p o s , m a x θ m a x a m ( γ , β ) F λ , S s i z e , m a x d m a x 4 F 1 ( 1 β ) ( γ + β β γ ) .

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: w m = λ   F π ( ( 1 γ ) ( β + γ β γ ) 1 β ) 1 4 = λ   F  a m ( γ , β ) . In the expressions (7), wm denotes the self-consistent beam size, which is as follows: w m = λ   F π ( ( 1 γ ) ( β + γ β γ ) 1 β ) 1 4 = λ   F  a m ( γ , β ) .

Damit ist am als dimensionslose Hilfsgröße wie folgt definiert: a m ( γ , β ) = 1 π ( ( 1 γ ) ( β + γ β γ ) 1 β ) 1 4 . Thus, a m is defined as a dimensionless auxiliary quantity as follows: a m ( γ , β ) = 1 π ( ( 1 γ ) ( β + γ β γ ) 1 β ) 1 4 .

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)

Messanordnung (10) zur Positionsbestimmung einer bewegbaren Komponente (526) in einem System (500), umfassend: - einen optischen Resonator (26) mit zwei Resonatorspiegeln (28, 30), welche eine Resonatorkavität (32) umschließen, - einen der Komponente zugeordneten 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), welche unbeweglich derart innerhalb der Resonatorkavität (32) angeordnet ist, 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), comprising: - an optical resonator (26) with two resonator mirrors (28, 30) which enclose a resonator cavity (32), - a 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) which 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. Messanordnung nach Anspruch 1, bei der ein Arbeitsabstand zwischen einem zumindest die Resonatorspiegel (28, 30) umfassenden Messkopf (12) und dem Messspiegel (14) mindestens 100 mm beträgt.Measuring arrangement according to Claim 1 , in which a working distance between a measuring head (12) comprising at least the resonator mirrors (28, 30) and the measuring mirror (14) is at least 100 mm. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Linse (34) weiterhin dazu konfiguriert ist oder eine weitere Linse dazu vorgesehen ist, die von dem zweiten Resonatorspiegel (30) kommende Messstrahlung derart auf den Messspiegel (14) abzulenken, dass der der Messstrahlung zugeordnete Hauptstrahl den Brennpunkt (36) der Linse im unausgelenkten Zustand durchstößt.Measuring arrangement according to Claim 1 or 2 , in which the lens (34) is further configured or a further lens is provided to deflect the measuring radiation coming from the second resonator mirror (30) onto the measuring mirror (14) in such a way that the main beam associated with the measuring radiation pierces the focal point (36) of the lens in the undeflected state. Messanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der die Linse (34) derart angeordnet ist, dass die von dem ersten Resonatorspiegel (28) kommende Messstrahlung (18) die Linse (34) dezentral durchläuft.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, in which the lens (34) is arranged such that the measuring radiation (18) coming from the first resonator mirror (28) passes through the lens (34) in a decentralized manner. Messanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der zumindest einer der Resonatorspiegel (28, 30) und die Linse ein zusammenhängendes optisches Modul (24) bilden.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, in which at least one of the resonator mirrors (28, 30) and the lens form a continuous optical module (24). Messanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei welcher ein Abstand (37, 37', 37") der Linse (34) von mindestens einem der Resonatorspiegel (28, 30) um mindestens eine Größenordnung kleiner als die Brennweite (35) der Linse ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, in which a distance (37, 37', 37") of the lens (34) from at least one of the resonator mirrors (28, 30) is at least one order of magnitude smaller than the focal length (35) of the lens. Messanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der ein Arbeitsabstand (33) zwischen dem einem der Resonatorspiegel (28, 30) und dem Messspiegel (14) mindestens 100 mm beträgt.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, in which a working distance (33) between one of the resonator mirrors (28, 30) and the measuring mirror (14) is at least 100 mm. Messanordnung (210) zur Positionsbestimmung einer bewegbaren Komponente (526) in einem System (500) für die Photolithographie, umfassend: - einen optischen Resonator (226) mit einem ersten Resonatorspiegel (228) zum Einkoppeln von Messstrahlung in eine Resonatorkavität (232) und einem zweiten Resonatorspiegel (230), sowie - eine derart innerhalb der Resonatorkavität angeordnete Linse (229), dass eine Länge (233) 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 (235) der Linse liegt.A measuring arrangement (210) for determining the position of a movable component (526) in a system (500) for photolithography, comprising: - an optical resonator (226) with a first resonator mirror (228) for coupling measuring radiation into a resonator cavity (232) and a second resonator mirror (230), and - a lens (229) arranged within the resonator cavity such that a length (233) of a section of the resonator cavity lying between the lens and the second resonator mirror is between 0.5 times and 1.0 times the value of a focal length (235) of the lens. Messanordnung nach Anspruch 8, bei welcher die Länge des zwischen der Linse (229) und dem zweiten Resonatorspiegel (230) liegenden Abschnitts der Resonatorkavität (132) dem Abstand (233) zwischen der Linse und dem zweiten Resonatorspiegel entspricht.Measuring arrangement according to Claim 8 , wherein the length of the section of the resonator cavity (132) lying between the lens (229) and the second resonator mirror (230) corresponds to the distance (233) between the lens and the second resonator mirror. Messanordnung nach Anspruch 8 oder 9, bei welcher ein Abstand (237) der Linse (229) von dem ersten Resonatorspiegel (228) kleiner als die Brennweite (235) der Linse ist.Measuring arrangement according to Claim 8 or 9 , in which a distance (237) of the lens (229) from the first resonator mirror (228) is smaller than the focal length (235) of the lens. Messanordnung nach Anspruch 9, bei welcher der erste Resonatorspiegel (228) und die Linse (229) ein zusammenhängendes optisches Modul (239) bilden.Measuring arrangement according to Claim 9 , in which the first resonator mirror (228) and the lens (229) form a continuous optical module (239). Messanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11. bei der ein Arbeitsabstand (233) zwischen der Linse (229) und dem zweiten Resonatorspiegel (230) höchstens 150 mm beträgt.Measuring arrangement according to one of the Claims 8 until 11 . wherein a working distance (233) between the lens (229) and the second resonator mirror (230) is at most 150 mm. Messanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, welche zur frequenzbasierten Längenmessung ausgebildet ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, which is designed for frequency-based length measurement. Messanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der das System ein optisches System für die Photolithographie ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, in which the system is an optical system for photolithography. Messanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das System eine Projektionsbelichtungsanlage (500) für die Photolithographie ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, in which the system is a projection exposure system (500) for photolithography. Projektionsbelichtungsanlage (500) für die Photolithographie mit mindestens einer bewegbaren Komponente (526) und mindestens einer Messanordnung (10; 210) nach einem der vorausgehenden Ansprüche zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente.Projection exposure system (500) for photolithography with at least one movable component (526) and at least one measuring arrangement (10; 210) according to one of the preceding claims for determining the position of the movable component. Beleuchtungssystem (515) einer Projektionsbelichtungsanlage (500) für die Photolithographie mit mindestens einer bewegbaren Komponente und mindestens einer Messanordung (10; 210) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente.Illumination system (515) of a projection exposure system (500) for photolithography with at least one movable component and at least one measuring arrangement (10; 210) after one of the Claims 1 until 15 to determine the position of the movable component. Projektionsobjektiv (516) einer Projektionsbelichtungsanlage (500) für die Photolithographie mit mindestens einer bewegbaren Komponente und mindestens einer Messanordung (10; 210) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente.Projection lens (516) of a projection exposure system (500) for photolithography with at least one movable component and at least one measuring arrangement (10; 210) according to one of the Claims 1 until 15 to determine the position of the movable component. Inspektionsanlage zur Inspektion einer Oberfläche eines Substrats, insbesondere einer Maske oder eines Wafers, mit mindestens einer bewegbaren Komponente und mindestens einer Messanordnung (10; 210) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente.Inspection system for inspecting a surface of a substrate, in particular a mask or a wafer, with at least one movable component and at least one measuring arrangement (10; 210) according to one of the Claims 1 until 13 to determine the position of the movable component. Koordinatenmessgerät mit mindestens einer bewegbaren Komponente und mindestens einer Messanordung (10; 210) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Positionsbestimmung der bewegbaren Komponente.Coordinate measuring machine with at least one movable component and at least one measuring arrangement (10; 210) according to one of the Claims 1 until 13 to determine the position of the movable component.
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