DE19840523A1

DE19840523A1 - Verschiebungsmessungsinterferometer mit Totpfadfehlerkompensation

Info

Publication number: DE19840523A1
Application number: DE1998140523
Authority: DE
Inventors: Paul Zorabedian
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 1999-08-12
Also published as: JPH11257915A; GB2333834A; GB9901038D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Interferometrie. Insbe sondere bezieht sich diese Erfindung auf ein verbessertes Laserinterferometer, das eine Korrektur eines Totpfadfehlers liefert, der Verschiebungsmessungen zugeordnet ist.

Laserinterferometersysteme haben in vielen Herstellungstech nologien große Vorteile. Da sie bei der Messung von Abstän den ausgefeilt und genau sind, führten Laserinterferometer zu der Herstellung von integrierten Schaltungen mit höherer Dichte und zu mechanischen Präzisionskomponenten zur Her stellung von optischen Platten mit Magnetspeicherung und zur Maschinenwerkzeugkalibration. Da der Bedarf nach immer größerer Genauigkeit ansteigt, wird das Reduzieren von Feh lern in dem Lasersystem immer wichtiger.

Da Interferometer eine optische Weglänge messen, können Feh ler durch Faktoren eingeführt werden, die Variationen in der Umgebungsluft sowie weitere Fehlerquellen umfassen. Ein Totpfadfehler wird durch eine nicht-kompensierte Länge eines Laserstrahls zwischen dem Interferometer und dem Meßreflek tor oder Spiegel bewirkt, wenn die Interferometerstufe an einer Neueinstellungsposition ist. Die Neueinstellungsposi tion ist allgemein als der Nullpunkt oder Verriegelungspunkt ("Lockup Point") bekannt. Der Totpfadabstand ist die Diffe renz zwischen der optischen Länge der Referenz- und der Meß komponente des Laserstrahls an der Null-Position. Diese un gleichen Komponenten erzeugen einen Meßfehler.

Fig. 1 stellt die ungleichen Weglängen für ein herkömmliches Interferometer dar. Die Totpfadlänge ist mit "D_z" bezeich net, die Referenzkomponente ist mit f_v bezeichnet, und die Meßkomponente ist mit f_h bezeichnet.

Die Komponente f_h hat eine längere optische Weglänge als die Komponente f_v, und zwar um einen Abstand "D_z". Beim Durch führen einer Interferometriemessung kann der Meßreflektor um einen Abstand "L" (wie es in Fig. 1B gezeigt ist) zu einer neuen Position bewegt werden und derselbe kommt dort zur Ruhe. Da ein Laserinterferometer nur "Wellenlängen einer Bewegung" mißt, was nur den Abstand "L" betrifft, wird das System keine Wellenlängenänderung über "D_z" korrigieren. Dies wird in einer offensichtlichen Verschiebung der Null- Position des Meßgeräts resultieren. Diese Null-Verschiebung ist ein Totpfadfehler, wobei solch ein Fehler immer auf tritt, wenn sich die Umgebungsbedingungen während einer Mes sung ändern.

Bei sehr herausfordernden Anwendungen, die eine größere Ge nauigkeit erfordern, ist es wünschenswert, so viele Fehler quellen als möglich zu eliminieren, wobei sich der Totpfad fehler unter denselben befindet. Ferner ist es sehr wün schenswert, die Einmischung eines Betreibers bei der Fehler korrektur zu beseitigen. In anderen Worten ist die automati sche Elimination einer Fehlerquelle, derart, daß sie für den Maschinenbetreiber transparent ist, wünschenswert, derart, daß auch eine zusätzliche Fehlerquelle (der Betreiberfehler beim Überwinden des Totpfadfehlers beispielsweise) vermieden wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Interferometer zu schaffen, bei dem möglichst viele Fehler quellen beseitigt sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Interferometer nach Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung liefert eine automatische Kompen sation des Totpfadfehlers in einem Heterodynlaser-Verschie bungsmeßgerät. Eine solche Kompensation wird durch eine Ver besserung gegenüber einem herkömmlichen Heterodynlasermeß gerät geliefert. Die Verbesserung betrifft eine Viertelwel lenplatte (QWB; QWB = Quarter Wave Plate) oder eine andere transmittierende optische Verzögerungseinrichtung, die eine Verzögerung von im wesentlichen einer Viertelwelle liefert, die in den Referenzstrahl eingeführt ist, derart, daß ein Abschnitt des Referenzstrahls nicht durch die QWP läuft. Die Verbesserung betrifft ferner eine zweite QWP oder eine ande re transmittierende optische Verzögerungseinrichtung mit ei ner Verzögerung von im wesentlichen einer Viertelwelle, die teilweise in den Meßstrahl eingeführt ist, und ein reflek tierendes Element (einen Spiegel), der in den Abschnitt des Meßstrahls eingeführt ist, der nicht durch die QWP unterbro chen ist. Ein Meßempfänger ist vorgesehen, der die Interfe renz zwischen den Abschnitten des Referenz- und des Meß strahls erfaßt, in die die QWPs eingeführt wurden. Ferner ist ein Referenzempfänger vorgesehen, der die Interferenz zwischen dem Abschnitt des Meßstrahls und des Referenz strahls erfaßt, die nicht durch die QWP oder eine andere transmittierende optische Verzögerungseinrichtung gelaufen sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A-D die Totpfadlänge;

Fig. 2 ein herkömmliches Heterodynlaserinterferometer;

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Gerät.

Bei einem herkömmlichen Heterodynlaser, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, emittiert eine Heterodynlaserquelle 20 zwei orthogonal polarisierte Strahlen bei gering unterschiedli chen optischen Frequenzen ωr und ωm. Ein Referenzempfänger 22 tastet die anfängliche Schwebungsfrequenz an der Quelle ab, nachdem die abgetasteten Abschnitte durch einen ersten Polarisationsanalysierer 21 kombiniert worden sind. Ein Meß empfänger 24 erfaßt die Doppler-verschobene Schwebungsfre quenz, nachdem der Referenzstrahl ωr und der Meßstrahl ωm durch jeweils den feststehenden Referenzspiegel 26 und dem bewegbaren Meßspiegel 28 ^0,1 reflektiert und durch einen zweiten Polarisationsanalysator 23 kombiniert worden sind. Die zurückkehrenden Strahlen werden von den hinlaufenden Strahlen durch den Polarisationsstrahlteiler 30 getrennt, nachdem Viertelwellenplatten 32 die Polarisationszustände der Reflexionen von dem Referenzspiegel 26 und dem Meßspie gel 28 gedreht haben. Eine Integration der Augenblicksfre quenzdifferenz zwischen dem Referenz- und dem Meßempfänger während der Bewegung des Meßspiegels 28 ^0,1 ergibt eine Net tophase, die die Totalverschiebung anzeigt.

Das erfindungsgemäße Gerät ist in Fig. 3 dargestellt. Die Verbesserung bezüglich des herkömmlichen Heterodynlaserin terferometers betrifft eine transmittierende optische Verzö gerungseinrichtung, die eine Verzögerung von im wesentlichen einer Viertelwelle hat, wie z. B. eine Viertelwellenplatte (QWP) in dem Referenzarm, die teilweise in den Referenz strahl 31 eingeführt ist. Ferner wird eine zweite transmit tierende optische Verzögerungseinrichtung mit einer Verzöge rung von im wesentlichen einer Viertelwelle vorgesehen, wie z. B. eine Viertelwellenplatte, die an einem bestimmten Ab schnitt ihrer Oberfläche 33 gespiegelt ist, und die an der Meßspiegel- "Neueinstellungs"-Position D positioniert ist.

Das Referenzsignal wird durch Interferenz der Nicht-Polari sations-gedrehten Abschnitte des Referenzstrahls ωr und der Reflexion von dem gespiegelten Abschnitt des Meßarms QWP 33 erzeugt. Das Meßsignal wird durch die Interferenz der Ab schnitte des Referenz- und des Meßstrahls erzeugt, die durch ihre jeweiligen QWPs 31, 33 laufen.

Die Ebene O ist die Ebene, an der der Meß- und der Referenz strahl wieder kombiniert werden. Die Ebene R ist die Posi tion der Referenzspiegeloberflächenebene. Der Punkt D stellt die Ebene des Meßspiegels bei einer Neueinstellung oder einem Rücksetzen dar. Die Ebene B ist die Position des Meß spiegels an der Endposition für eine Verschiebungsmessung.

An dem Punkt O, wo der Referenz- und der Meßstrahl aufge teilt sind und wieder kombiniert werden, ist die Amplitude der zurückkehrenden Referenzwelle bzw. des zurückkehrenden Referenzstrahls durch folgende Gleichung gegeben:

Die von der Meßspiegelposition X reflektierte Welle ist folgendermaßen gegeben:

Der Meßempfängerphotostrom ist J_M(t). Derselbe ist zu (E_R+E_M)² proportional. Somit gilt folgende Gleichung:

+ Basisbandausdrücke + Optikfrequenzausdrücke.

Dabei gilt:

Dieser Ausdruck drückt die physische Länge des Referenzwegs aus.

Dieser Ausdruck drückt den Brechungsindex gemittelt über dem Referenzweg aus.

Dieser Ausdruck drückt die physische Länge des Meßwegs aus.

Dieser Ausdruck drückt den Brechungsindex gemittelt über dem Meßweg aus.

Eine interferometrische Phase ist jedem Punkt entlang des Meßarms zugeordnet.

Da die Phasendifferenz die gemessene Größe ist, ist es mög lich, die Verschiebungen in der optischen Weglänge zu be stimmen. Die optische Weglänge zwischen den Punkten A und B ist beispielsweise durch folgende Gleichung gegeben:

Die optische Weglänge ist eine Funktion zweier unabhängiger Zeitvariablen t_a und t_b, die die Meßzeitpunkte an jedem End punkt des optischen Weges darstellen. Selbst wenn der Meß spiegel in Ruhe ist, kann die Weglänge aufgrund von Fluktua tionen des Brechungsindex der Umgebungsluft variieren.

(Φ_B(t_b)-Φ_A(t_a)) (10)

Gleichung 10 stellt die Größe dar, die durch Zählen von Ringen in der Meßempfängerausgabe erhalten wird, wenn der Meßspiegel von dem Punkt A zu dem Punkt B gebracht wird. Dieselbe kann Fehler aufgrund von Umgebungsschwankungen wäh rend des Meßintervalls umfassen.

Φ_D(t_b)-Φ_D(t_a)) (11)

Gleichung 11 stellt eine Änderung der optischen Phase über dem Totpfad dar. Das herkömmliche Interferometer (Fig. 2) hat keine Mittel, durch die diese Größe gemessen werden kann, und dasselbe ist dadurch gegenüber einem Totpfadfehler anfällig. Die in Fig. 3 gezeichnete Erfindung liefert die Änderung der optischen Phase über dem Totpfad direkt von dem Referenzempfängerausgangssignal. Somit liefert die Erfindung eine automatische Kompensation des Totpfadfehlers.

Claims

1. Interferometer zum Kompensieren eines Totpfadfehlers, mit folgenden Merkmalen:
einer Heterodynlaserquelle (20), die einen vertikal po larisierten Strahl und einen horizontal polarisierten Strahl erzeugt;
einer Einrichtung zum Aufteilen des Lichtstrahls in ei nen Referenzstrahl und in einen Meßstrahl;
einer Konfiguration, die für die optische Transmission des Referenzstrahls durch einen Referenzpfad sorgt, wo bei der Referenzpfad eine Transmission durch einen Pola risationsstrahlteiler (30), eine Reflexion an einem Re ferenzspiegel (26) und eine Transmission durch einen Po larisationsanalysator (21) und ein Auftreffen auf einen Referenzempfänger (22) umfaßt, und wobei die Konfigura tion ferner für die optische Transmission des Meßstrahls durch einen Meßpfad sorgt, wobei der Meßpfad eine Trans mission durch einen Polarisationsstrahlteiler (30), eine erste transmittierende optische Verzögerungseinrichtung (33) mit einer Verzögerung von im wesentlichen einer Viertelwelle, einen Meßspiegel (28 ^0,1), einen Polarisa tionsanalysator (23) und ein Auftreffen auf einen Meß empfänger (24) umfaßt;
einer zweiten transmittierenden optischen Verzögerungs einrichtung (31) mit einer Verzögerung von im wesentli chen einer Viertelwelle, die teilweise in den optischen Pfad zwischen dem Polarisationsstrahlteiler (30) und dem Referenzspiegel (26) eingebracht ist; und
einem Totpfadspiegel (33), der einen Abschnitt des Meß strahls in der Eintrittsebene der ersten transmittieren den optischen Verzögerungseinrichtung (33) abfängt, und der positioniert ist, um den Meßstrahl an einem Punkt abzufangen, der dem Neueinstellungspunkt D des Meßspie gels (28 ^0,1) entspricht.

2. Interferometer zur Abstandsmessung, mit folgenden Merk malen:
einer Lichtquelle (20);
einer Einrichtung zum Aufteilen des Lichtstrahls in ei nen Referenzstrahl und in einen Meßstrahl;
einer optischen Anordnung, bei der ein Polarisations strahlteiler (30) zwischen einem Referenzspiegel (26) und einem Meßspiegel (28 ^0,1) optisch angeordnet ist, und bei der ein Polarisationsanalysator (23) zwischen einem nicht-polarisierenden Strahlteiler und einem Referenz empfänger (22) optisch angeordnet ist, und bei der ein Polarisationsanalysator (23) zwischen dem Polarisations strahlteiler (30) und dem Meßempfänger (24) optisch an geordnet ist; und
einer zweiten transmittierenden optischen Verzögerungs einrichtung (31) mit einer Verzögerung von im wesent lichen einer Viertelwelle, die teilweise zwischen dem Polarisationsstrahlteiler (30) und dem Referenzspiegel (26) optisch angeordnet ist, derart, daß ein Abschnitt des Referenzstrahls durch die transmittierende optische Verzögerungseinrichtung (31) mit einer Verzögerung von im wesentlichen einer Viertelwelle läuft.

3. Interferometer nach Anspruch 2, das ferner folgendes Merkmal aufweist:
eine erste transmittierende optische Verzögerungsein richtung (33) mit einer Verzögerung von im wesentlichen einer Viertelwelle, die zwischen dem Polarisations strahlteiler (30) und dem Meßspiegel (28 ^0,1) optisch angeordnet ist und die es ermöglicht, daß ein Abschnitt des Meßstrahls durch das Polarisations-drehende trans missive Element (33) läuft.

4. Interferometer nach Anspruch 3, bei dem die erste opti sche Verzögerungseinrichtung (33) mit einer Verzögerung von im wesentlichen einer Viertelwelle im wesentlichen an dem Neueinstellungspunkt (D) angeordnet ist.

5. Interferometer nach Anspruch 3 oder 4, das ferner fol gendes Merkmal aufweist:
einen Totpfadspiegel (33), der optisch zwischen dem Po larisationsstrahlteiler und dem Meßspiegel (28 ^0,1) ein gebracht ist, derart, daß ein Abschnitt des Meßstrahls durch den Totpfadspiegel (33) reflektiert wird, während der Rest des Strahls durch die erste transmittierende optische Verzögerungseinrichtung (33) mit einer Verzöge rung von im wesentlichen einer Viertelwelle laufen kann.

6. Interferometer nach Anspruch 5, bei dem der Totpfadspie gel (33) im wesentlichen an dem Neueinstellungspunkt (D) angeordnet ist.

7. Interferometer nach Anspruch 5 oder 6, bei dem ein opti scher Empfänger (22, 24) die Interferenz zwischen einem Abschnitt der Strahlen erfaßt, die von dem Referenzspie gel (26) und dem Meßspiegel (28 ^0,1) reflektiert werden.

8. Interferometer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, das ferner folgendes Merkmal aufweist:
einen optischen Empfänger (22, 24), der wirksam ist, um eine Interferenz zwischen einem Abschnitt des Strahls, der von dem Referenzspiegel (26) reflektiert wird, und einem Abschnitt des Strahls, der von dem Totpfadspiegel (33) reflektiert wird, zu erfassen, wenn der Totpfad spiegel (33) an der Neueinstellungsposition (D) ist.