DE10316123A1

DE10316123A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Wellenfrontvermessung eines optischen Abbildungssystems durch phasenschiebende Interferometrie

Info

Publication number: DE10316123A1
Application number: DE10316123A
Authority: DE
Inventors: Helmut Haidner; Wolfgang Emer; Rainer Hoch; Ulrich Wegmann; Martin Schriever; Markus GÖPPERT
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-10-14
Also published as: US20050007602A1; US7417745B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wellenfrontvermessung eines optischen Abbildungssystems durch eine phasenschiebende Interferometrietechnik mit einer objektseitig anzuordnenden Maskenstruktur (6a) und/oder einer bildseitig anzuordnenden Gitterstruktur (7a). DOLLAR A Erfindungsgemäß besteht die objektseitige Maskenstruktur aus einer oder mehreren eindimensionalen Maskenstrukturmustern und die bildseitige Gitterstruktur aus einer oder mehreren zweidimensionalen Gitterstrukturmustern oder umgekehrt die Maskenstruktur aus einer oder mehreren zweidimensionalen Mustern und die Gitterstruktur aus einer oder mehreren eindimensionalen Mustern. Zusätzlich oder alternativ kann ein Pupillenlageversatz, verursacht durch eine laterale Relativbewegung von Maskenstruktur und Detektorelement, durch Rückrechnen des vom Detektorelement jeweils erfassten Interferogramms anhand einer zugehörigen Phasenschiebekennlinie oder durch eine rechnerische Korrektur von aus den erfassten Interferogrammen erhaltenen Wellenfrontableitungen in der Lateralbewegungsrichtung berücksichtigt werden. DOLLAR A Verwendung z. B. zur Aberrationsbestimmung bei hochauflösenden Projektionsobjektiven von Mikrolithographie-Belichtungsanlagen durch Scher- oder Beugungsinterferometrie.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wellenfrontvermessung eines optischen Abbildungssystems durch eine phasenschiebende Interferometrietechnik mit einer objektseitig anzuordnenden Maskenstruktur und einer bildseitig anzuordnenden Gitterstruktur und auf ein Verfahren zur Wellenfrontvermessung eines optischen Abbildungssystems durch eine phasenschiebende Interferometrietechnik, bei dem eine phasenschiebende Struktur und ein Detektorelement lateral relativ zum zu vermessenden optischen Abbildungssystem bewegt werden.

Vorrichtungen und Verfahren dieser Art dienen beispielsweise dazu, die Abbildungsqualität bzw. Bildfehler höchstauflösender optischer Abbildungssysteme interferometrisch mit hoher Präzision zu bestimmen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die entsprechende Vermessung von Projektionsobjektiven in Mikrolithographie-Belichtungsanlagen zur Halbleiterbauelementstrukturierung. Zu diesem Zweck gebräuchliche Interferometrietechniken sind die Scher- bzw. Shearinginterferometrie, mit der z.B. die in der Offenlegungsschrift DE 101 09 929 A1 offenbarte Wellenfrontvermessungsvorrichtung arbeitet, und die Punktbeugungsintertero metrie bzw. Point-Diffraction-Interferometrie. Dabei kann die Vorrichtung in das System integriert sein, in welchem das Abbildungssystem in seinem normalen Betrieb verwendet wird, und sie kann zur Vermessung die gleiche Strahlung einer im System vorhandenen Strahlungsquelle nutzen, wie sie im normalen Betrieb des Abbildungssystems verwendet wird. In diesem Fall wird das Interferometer als Betriebsinterferometer- bzw. BIF-Vorrichtung bezeichnet.

Bekanntermaßen wird bei diesen phasenschiebenden Interferometrietechniken zur Wellenfrontvermessung die phasenschiebende Struktur, z.B. ein bildseitig anzuordnendes Beugungsgitter mit ein- oder zweidimensionaler Beugungsgitterstruktur oder eine objektseitig anzuordnende, sogenannte Kohärenzmaske mit ein- oder zweidimensionaler Kohärenzmaskenstruktur, lateral relativ zum zu vermessenden optischen Abbildungssystem bewegt, um die Ortsableitung der gemessenen Wellenfront in der betreffenden Lateralrichtung zu ermitteln, woraus sich dann Bildfehlerinformationen über das Abbildungssystem, insbesondere ortsaufgelöste Aberrationsinformationen über die gesamte Pupille des Abbildungssystems hinweg gewinnen lassen, typischerweise in Form der sogenannten Zernike-Koeffizienten. Mit der Bezeichnung „ein- oder zweidimensional" sind hierbei vorliegend solche Strukturen gemeint, die in einer bzw. in zwei nicht-parallelen Richtungen periodisch sind und dementsprechend im Beugungsdiagramm zu Beugungsmustern in einer bzw. in zwei nicht-parallelen Richtungen führen.

Dazu werden beispielsweise die Ortsableitungen in zwei zueinander orthogonalen Richtungen, wie der x- und y-Richtung eines xyz-Koordinatensystems mit in Richtung der optischen Achse des Systems weisender z-Achse, unter Verwendung einer objektseitig anzuordnenden, zweidimensionalen Kohärenzmaske und einer dazu korrespondierenden, zweidimensionalen Beugungsgitterstruktur bestimmt. Zusätzlich zu der stufenweisen, relativ langsamen Lateralverschiebung z.B. der Beu gungsgitterstruktur zwecks Bewirkung der Phasenschiebung in der Richtung, in der die Ortsableitung des Interferogramms bzw. der Wellenfront gemessen werden soll, z.B. in x-Richtung, ist bevorzugt eine dagegen viel schnellere Lateralbewegung der phasenschiebenden Struktur in der dazu senkrechten Richtung, wie der y-Richtung, vorgesehen, um Effekte durch Interferenzen zwischen unerwünschten Beugungsordnungen in dieser orthogonalen Richtung zu unterdrücken. Das vom Detektorelement auf der Detektionsebene während dieser schnellen Bewegung aufgenommene Interferogrammbild wird aufintegriert, so dass sich die unerwünschten Interferenzen weitestgehend herausmitteln.

Häufig wird synchron zur phasenschiebenden Struktur auch der nachgeordnete Detektionsteil und insbesondere das bildaufnehmende Detektorelement lateral verschoben, z.B. realisiert durch einen Aufbau mit bewegungsstarrer Kopplung von phasenschiebender Struktur und Detektorelement. Diese feste Kopplung ermöglicht eine vergleichsweise kompakte Ausführung des wellenfrontvermessenden Interferometerteils. Bei Verwendung der für diesen Zweck konventionellen Verfahren zur Auswertung der Wellenfront-Interferogramme wird jedoch insbesondere für diesen Systemtyp mit bewegungsstarrer Kopplung von phasenschiebender Struktur und Detektorelement eine Limitierung der für die Wellenfrontvermessung erzielbare Genauigkeit beobachtet, die darauf zurückgeführt wird, dass bei der synchronen Lateralbewegung von phasenschiebender Struktur und Detektorelement das Bild der Pupille des zu vermessenden Abbildungssystems während des Messvorgangs in der Detektionsebene des Detektorelements wandert. Dies ist speziell bei Systemen der Fall, die keine sinuskorrigierte Abbildungsoptik zwischen der phasenschiebenden Struktur und dem Detektorelement verwenden, und gilt sowohl für die erwähnte langsame Lateralbewegung in der zu messenden Richtung als auch für die schnelle Bewegung in der dazu orthogonalen Richtung zur Unterdrückung der unerwünschten Interferenzen. Die Pupillenwanderung tritt auch auf, wenn die objektseitige Maskenstruktur lateral verschoben wird, während das Detektorelement unverschoben bleibt, und führt mit den herkömmlichen Auswertemethoden zu einer räumlichen „Verwaschung" der gemessenen Wellenfronten und dadurch zu einem sogenannten „Übersprechen" zwischen verschiedenen Zernike-Koeffizienten, insbesondere werden Zernike-Koeftizienten mit großen radialen Potenzen untergewichtet.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, die eine vergleichsweise genaue Wellenfrontvermessung eines optischen Abbildungssystems speziell auch dann ermöglichen, wenn durch eine gekoppelte Lateralbewegung von phasenschiebender Struktur und Detektorelement oder eine Lateralbewegung einer objektseitigen Maske relativ zum Detektorelement das Pupillenbild des vermessenen Abbildungssystems auf der Detektionsebene des Detektorelements wandert.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 2.

Die Vorrichtung nach Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass für die objektseitig anzuordnende Maskenstruktur einerseits und die bildseitig anzuordnende Gitterstruktur andererseits jeweils ein oder mehrere Strukturmuster unterschiedlicher Dimensionalität gewählt sind, d.h. für die objektseitige Maskenstruktur ein oder mehrere eindimensionale Maskenstrukturmuster und für die bildseitige Gitterstruktur ein oder mehrere zweidimensionale Gitterstrukturmuster oder umgekehrt für die Maskenstruktur ein oder mehrere zweidimensionale Maskenstrukturmuster und für die Gitterstruktur ein oder mehrere eindimensionale Gitterstrukturmuster. Dies hat die Wirkung, dass unerwünschte Interferenzen in einer zur Messrichtung nicht-parallelen, z.B. orthogonalen Richtung, die meist den größten Anteil am Zernike-Übersprechen haben, aus Geomet riegründen durch die Beschränkung der Maskenstruktur oder der Gitterstruktur auf ein oder mehrere eindimensionale Strukturmuster weitestgehend unterdrückt werden. Diese Maßnahme kann folglich die herkömmliche schnelle Phasenschiebung in dieser nicht-parallelen Richtung ersetzen.

Das Wellenfrontvermessungsverfahren nach Anspruch 2 beinhaltet eine rechnerische Berücksichtigung des Pupillenlageversatzes durch Rückrechnen des vom Detektorelement jeweils erfassten Interferogramms anhand einer zu der phasenschiebenden Lateralbewegung gehörigen Phasenschiebekennlinie oder durch eine rechnerische Korrektur von aus den erfassten Interferogrammen erhaltenen Wellenfrontableitungen in der Lateralbewegungsrichtung. Durch dieses Herausrechnen des durch den Pupillenlageversatz bedingten Messfehlers wird eine hohe Messgenauigkeit der Bildfehlerermittlung durch die Wellenfrontvermessung auch bei Wanderungsbewegungen der Pupillenlage auf der Detektionsebene erzielt.

In einer spezifischen Ausgestaltung dieser Vorgehensweise erfolgt die pupillenlageabhängige rechnerische Korrektur der Wellenfrontableitungen mittels eines relativ einfach anwendbaren Näherungsalgorithmus, mit dem der Einfluss des Pupillenlageversatzes jedenfalls für die langsame Phasenschiebebewegung in Messrichtung ausreichend berücksichtigt bzw. kompensiert werden kann.

Der Störeinfluss in nicht-paralleler Richtung kann z.B. in Ausgestaltung der Erfindung dadurch ausreichend unterdrückt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird. Die auf eine Dimension beschränkte Masken- oder phasenschiebende Gitterstruktur der Vorrichtung macht, wie oben erwähnt, eine schnelle Phasenschiebebewegung in nicht-paralleler Richtung überflüssig, so dass auch kein entsprechender Kompensationsbe darf eines Pupillenlageversatzes in dieser Richtung entsteht. Alternativ kann der Pupillenlageversatz für die schnelle Phasenschiebebewegung in nicht-paralleler Richtung durch das Rückrechnen des erfassten Interferogramms anhand der zugehörigen Phasenschiebekennlinie kompensiert werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Wellenfrontvermessung durch Scherinterferometrie,
2 eine Perspektivansicht eines Phasenschiebe- und Detektionsteils der Vorrichtung von 1,
3 schematische Draufsichten auf eine Detektionsebene des Phasenschiebe- und Detektionsteils von 2 während stufenweisen Phasenschiebebewegungen in zwei orthogonalen Richtungen,
4 eine schematische Darstellung der Pupillenbild-Wanderungsbewegung für die xy-Phasenschiebebewegungen von 3,
5 eine schematische Draufsicht auf ein in der Vorrichtung von
1 als phasenschiebende Struktur verwendbares Schachbrett-Beugungsgitter,
6 und 7 Draufsichten auf zwei in Verbindung mit dem Schachbrett-Beugungsgitter von 5 in der Vorrichtung von 1 verwendbare Liniengitter-Kohärenzmaskenstrukturen für die x- bzw. y-Richtung,
8 eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens des zweidimensionalen Schachbrett-Beugungsgitters von 5 mit dem eindimensionalen Kohärenzmasken-Liniengitter von 6,
9 eine schematische Draufsicht auf ein zweidimensionales Dreiecks-Beugungsgitter und auf drei lageentsprechend angeordnete, eindimensionale Kohärenzmasken-Liniengitter zur Verwendung in der Vorrichtung von 1,
10 eine schematische Darstellung entsprechend 8 für das zweidimensionale Dreiecks-Beugungsgitter und eines der drei zugehörigen Kohärenzmasken-Liniengitter von 9,
11 ein Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung des Einflusses des Pupillenlageversatzes auf Messvorgänge mit der Vorrichtung von 1 für den Zernike-Koeffizienten Z9 und
12 ein Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung einer rechnerischen Korrektur des Einflusses des Pupillenlageversatzes bei Messvorgängen mit der Vorrichtung von 1 für den Zernike-Koeffizienten Z25.
1 veranschaulicht einen typischen Aufbau einer Vorrichtung zur Wellenfrontvermessung durch Shearinginterferometrie zur Bildfehler- und insbesondere Aberrationsermittlung am Beispiel eines Projektionsobjektivs 1 einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage als zu vermessendes optisches Abbildungssystem. Das Objektiv 1 ist vereinfacht durch eine objektseitige Linse 1a, eine Objektivpupille 1b und eine bildseitige Linse 1c repräsentiert. Eine Kohärenzmaske 6 ist objektseitig, vorzugsweise in der Objektebene des Objektivs 1, angeordnet. Dazu korrespondierend ist bildseitig, vorzugsweise in der Bildebene des Objektivs 1, ein phasenschiebendes Beugungsgitter 7 lateral in der zur z-Richtung der optischen Achse des Systems orthogonalen xy-Ebene beweglich angeordnet. Die verzerrte Pupille des Objektes 1 wird auf ein Detektorelement 2 abgebildet, genauer gesagt auf eine Detektionsebene 5 desselben. An das Detektorelement 2, bei dem es sich z.B. um einen CCD-Detektor einer Bildaufnahmekamera handeln kann, ist eine Auswerteeinheit 3 angekoppelt, in der die Bildverarbeitungs- und Auswertealgorithmen implementiert sind, wie sie bekanntermaßen zur Bildfehlerermittlung durch Auswertung der vom Detektorelement 2 aufgenommenen Wellenfront-Interferogramme benötigt werden.
Das Detektorelement 2 ist im Beispiel von 1 mit dem phasenschiebenden Beugungsgitter 7 bewegungsstarr in Form einer gemeinsamen Phasenschiebe- und Detektorbaueinheit 8 gekoppelt Die in 1 mit einem Bewegungspfeil B symbolisierte Lateralbewegung des Beugungsgitters 7 dient der stufenweisen Phasenschiebung für die Shearinginterferometriemessung, wodurch aus den sukzessiv aufgenommenen Interferogrammen die Ortsableitung der Wellenfront in der betreffenden Lateralrichtung und daraus die Bildfehler des vermessenen Objektivs 1 ermittelt werden können, wie dies an sich bekannt ist und hier keiner näheren Erläuterung bedarf. Durch das gekoppelte Mitverschieben des Detektorelements 2 mit dem phasenschiebenden Beugungsgitter 7 ergibt sich ein Versatz des Pupillenbildes, d.h. eine entsprechende laterale Wanderungsbewegung desselben, auf der Detektionsebene 5. Dies ist in den 2 bis 4 genauer dargestellt. 2 zeigt schematisch die Phasenschiebe- und Detektionsbaugruppe 8 mit einem zweidimensionalen Schachbrett-Beugungsgitter 7a während eines Messvorgangs. Vom zu vermessenden Objektiv kommende Messstrahlung 9 wird vom Schachbrett-Beugungsgitter 7a in x- und y-Richtung gebeugt, wobei das jeweilige Beugungsmaximum einem zugehörigen Pu pillenbildfleck 10 auf der Detektionsebene 5 entspricht. Der Einfachheit halber ist in 2 nur das nullte Beugungsmaximum dargestellt.
3 veranschaulicht in einer oberen Reihe aus vier Draufsichten auf die Detektionsebene 5 in unterschiedlichen y-Stellungen der Phasenschiebe- und Detektionsbaugruppe 8 und in einer unteren Reihe von vier solchen Einzelbildern bei verschiedenen x-Stellungen dieser Baugruppe 8 die Wanderungsbewegung des Pupillenbildflecks 10 auf der Detektionsfläche 5 aufgrund der phasenschiebenden Lateralbewegung des Beugungsgitters 7 und damit auch des mit ihm gekoppelten Detektorelements 2.
4 zeigt schematisch diesen Pupillenbildversatz zwischen einer Mittenstellung 10₀ des Pupillenbildflecks und je einer in die positive x-Richtung verschobenen Stellung 10_+dx und in die positive y-Richtung verschobenen Stellung 10_+dy.
Der Pupillenbildversatz in x-Richtung tritt z.B. auf, wenn das Beugungsgitter 7 schrittweise in diese Richtung verschoben wird, um die Phasenschiebung in diese Richtung zu bewirken und dadurch die Ortsableitung der Wellenfront in x-Richtung zu bestimmen. Dieser Bewegung wird oftmals, wie an sich bekannt, eine demgegenüber schnelle Bewegung des Beugungsgitters 7 und damit auch der Detektionsebene 5 in der dazu orthogonalen Richtung, d.h. in diesem Fall der y-Richtung, überlagert, mit der Beugungsordnungen herausgemittelt und damit unterdrückt werden, die auch in dieser Richtung bei einer angenommenen Zweidimensionalität von Beugungsgitter 7 und Kohärenzmaske 6 auftreten, bei der Ermittlung der Wellenfront-Ortsableitungen in x-Richtung aber unerwünscht sind. Umgekehrt wird bei Vermessung in y-Richtung die schrittweise, vergleichsweise langsame Bewegung in y-Richtung von einer schnellen Bewegung in x-Richtung überlagert, um die in diesem Fall störenden Beugungsordnungen in x-Richtung zu unterdrücken.
Der durch die erwähnten Lateralbewegungen von Beugungsgitter 7 und Detektorelement 5 relativ zum zu vermessenden Abbildungssystem 1 in der xy-Ebene auftretende Pupillenversatz liefert einen entsprechenden Fehlerbeitrag bei der Auswertung der aufgenommenen Shearing-Interterogramme für die Wellenfront- und damit Bildfehlerbestimmung. Gleiches gilt nicht nur für die hier beispielhaft gezeigte Shearinginterferometrietechnik, sondern auch für alle anderen herkömmlichen Interferometrietechniken, bei denen zur Wellenfrontvermessung eines Abbildungssystems eine Lateralbewegung einer phasenschiebenden Struktur, insbesondere einer Beugungsgitterstruktur, und einer damit gekoppelten Detektionsebene zur Phasenschiebung vorgenommen werden, wie z.B. bei der Punktbeugungsinterferometrie. Ein Pupillenversatz tritt auch in Systemen auf, bei denen die Phasenschiebung durch eine Lateralbewegung der objektseitigen Maskenstruktur, wie der Kohärenzmaskenstruktur 6 von 1, relativ zur Detektionsebene bewirkt wird. Solche Systeme und zugehörige Vermessungsverfahren, bei denen die objektseitige Maskenstruktur als phasenschiebende Struktur fungiert, sind folglich ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Nur der Einfachkeit halber wird im Folgenden die Erfindung weiter anhand des Beispiels mit dem bildseitigen Beugungsgitter 7 als phasenschiebender Struktur erläutert.
Der Fehlerbeitrag äußert sich typischerweise im sogenannten Übersprechen von Zernike-Koeffizienten. Eine durch bestimmte Zernike-Koeffizienten beschriebene Wellenfront koppelt durch den Pupillenbildversatz mit anderen, zumeist niedrigeren Zernike-Koeffizienten.
Die Erfindung berücksichtigt diesen Fehlerbeitrag bei der Bildfehlerbestimmung, indem sie ihn durch geschickte Wahl der objektseitig anzuordnenden Maskenstruktur und der bildseitig anzuordnenden Gitterstruktur weitestgehend vermeidet und/oder rechnerisch weitestgehend kom pensiert. Auf diese den Pupillenversatzfehler weitestgehend vermeidenden bzw. rechnerisch kompensierenden Maßnahmen wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 bis 12 näher eingegangen.
Eine erste Abhilfemaßnahme besteht darin, für die objektseitig anzuordnende Maskenstruktur, im Beispiel von 1 die Kohärenzmaskenstruktur 6, einerseits und die bildseitige Gitterstruktur, in der Vorrichtung von 1 die Beugungsgitterstruktur 7, andererseits unterschiedliche Dimensionalität zu wählen, d.h. für das eine Element eine eindimensionale periodische Struktur und für das andere Element eine zweidimensionale periodische Struktur, statt wie herkömmlich eine zweidimensionale Struktur für beide Elemente. Die 5 bis 8 zeigen hierzu ein Beispiel, bei dem als Beugungsgitter 7 das zweidimensionale Schachbrett-Beugungsgitter 7a gemäß 2 gewählt ist, wie in 5 veranschaulicht, während für die Kohärenzmaske 6 wahlweise je eine eindimensionale Liniengitter-Maskenstruktur 6a, 6b eingesetzt wird, wie in den 6 und 7 dargestellt. Die beiden Liniengitter-Maskenstrukturen 6a, 6b werden hierbei, wie in den 6 und 7 bezogen auf die Beugungsgitterdarstellung von 5 lagerichtig wiedergegeben, mit zueinander orthogonalen Periodizitätsrichtungen eingesetzt, die jeweils parallel zu einer der beiden orthogonalen Schachbrett-Periodizitätsrichtungen des Schachbrett-Beugungsgitters 7a sind. Speziell sind die Liniengittermaske 6a von 6 mit Periodizitätsrichtung in x-Richtung und die Liniengittermaske 6b von 7 mit Periodizitätsrichtung in y-Richtung objektseitig in der Vorrichtung von 1 anzuordnen.
8 zeigt die Wirkung dieser Maßnahme unterschiedlicher Dimensionalität von phasenschiebender Struktur und wellenfronterzeugender Kohärenzmaskenstruktur am Beispiel des Schachbrett-Beugungsgitters 7a von 5 in Kombination mit dem Kohärenzmasken-Liniengitter 6a von 6. Letzteres führt, wie in 8 diagrammatisch veranschaulicht, zu einer in x-Richtung modulierten Intensitäts-Kohärenzfunktion, während das Schachbrett-Beugungsgitter 7a, wie ebenfalls in 8 diagrammatisch veranschaulicht, Beugungsmaxima sowohl entlang der x-Achse als auch entlang der y-Achse des Beugungsdiagramms liefert. In Kombination beider periodischer Strukturen mit ein- bzw. zweidimensionaler Periodizität ergeben sich verbleibende interferenzfähige Beugungsordnungen in der x-Richtung, wie im untersten Teilbild von 8 veranschaulicht. Die Beugungsordnungen in y-Richtung sind unterdrückt.
Die Anordnung von 8 eignet sich folglich zur interferometrischen Vermessung mit Phasenschiebung entlang der x-Richtung, die in diesem Fall eventuell störenden Beugungsordnungen des Schachbrett-Beugungsgitters 7a in y-Richtung sind unterdrückt. Eine schnelle, ausmittelnde Bewegung des Schachbrett-Beugungsgitters 7a in y-Richtung ist daher nicht erforderlich. In gleicher Weise kann die Wellenfrontvermessung durch Phasenschiebung in y-Richtung unter Einsatz des Kohärenzmasken-Liniengitters 6b von 7 statt des Liniengitters 6a von 6 erfolgen, wobei dann störende Beugungsordnungen in x-Richtung unterdrückt werden.
Da durch diese geometrische Strukturmaßnahme die schnelle, ausmittelnde Lateralbewegung der phasenschiebenden Struktur in der zur Messrichtung nicht-parallelen Richtung entfällt, tritt auch kein dadurch verursachter Pupillenbildversatz in diese Richtung und damit kein entsprechender Fehlerbeitrag auf. Der sich durch die schrittweise Phasenschiebebewegung in Messrichtung ergebende Pupillenbildversatz-Fehlerbeitrag kann bei Bedarf rechnerisch korrigiert werden, worauf weiter unten näher eingegangen wird.
Statt des zweizähligen Schachbrettgitters 7a kann je nach Bedarf eine andere zweidimensionale Gitterstruktur mit n-zähliger Geometrie verwendet werden, wobei durch Benutzung einer eindimensionalen Kohärenzmaske jeweils Interferenzen unerwünschter Beugungsordnungen unterdrückt werden können. Die 9 und 10 zeigen als weiteres solches Beispiel ein Dreiecks-Beugungsgitter 7b als phasenschiebende Gitterstruktur, was z.B. bei einer hexagonalen Parzellierung der Pupille des zu vermessenden Objektivs bei der Bestimmung der Ortsableitungen in den drei Scherrichtungen dieser dreizähligen Dreiecksgitterstruktur 7b zu einer Genauigkeitssteigerung der Wellenfrontvermessung führen kann.
Wie in 9 weiter gezeigt, wird das Dreiecks-Beugungsgitter 7b wahlweise mit je einem eindimensionalen Kohärenzmasken-Liniengitter 6c, 6d, 6e kombiniert, die so orientiert sind, dass ihre Periodizitätsrichtung mit je einer der drei um 120° gegeneinander geneigten Periodizitätsrichtungen des Dreiecksgitters 7b zusammenfällt. Durch den Einsatz je eines der drei Liniengitter 6c, 6d, 6e als Kohärenzmaske werden folglich die Beugungsordnungen des phasenschiebenden Dreiecksgitters 7b in der betreffenden Periodizitätsrichtung herausgefiltert, während die Beugungsordnungen in den beiden anderen Periodizitätsrichtungen unterdrückt werden. In der gezeigten Orientierung von 9 liegt eine der drei Dreiecksgitter-Periodizitätsrichtungen in der y-Richtung, und dies entspricht der Periodizitätsrichtung eines ersten Kohärenzmasken-Liniengitters 6c, während die Periodizitätsrichtungen der beiden anderen Kohärenzmasken-Liniengitter 6d, 6e dazu in einem Winkel von +120° bzw. -120° liegen.
10 veranschaulicht den Einsatz eines der Liniengitter 6d als Kohärenzmaske in Kombination mit dem Dreiecksgitter 7b als phasenschiebende Struktur. Analog zum oben beschriebenen Beispiel von 8 veranschaulicht 10 die Selektion der interferenzfähigen Beugungsordnungen durch das betreffende Liniengitter 6d mit seiner in der zugehörigen Periodizitätsrichtung intensitätsmodulierten Kohärenzfunktion aus den in den drei Periodizitätsrichtungen liegenden Beugungsordnungen des Dreiecksgitters 7b. Damit lassen sich wiederum die Wellen frontableitungen in der betreffenden Messrichtung bestimmen und gleichzeitig störende Interferenzen von Beugungsordnungen der beiden anderen Periodizitätsrichtungen des Dreiecksgitters 7b unterdrücken, ohne dass dazu eine rasche, ausmittelnde Lateralbewegung des Dreiecksgitters 7b in diesen Richtungen zusätzlich zur schrittweisen Phasenschiebebewegung in der Messrichtung erforderlich ist.
Wie oben erläutert, kann somit durch die Kombination einer zweidimensionalen, bildseitig anzuordnenden Gitterstruktur mit einer eindimensionalen, objektseitig anzuordnenden, wellenfronterzeugenden Struktur auf die ausmittelnde, schnelle Verschiebebewegung verzichtet werden, die ansonsten den größten Anteil zum Zernike-Übersprechen beiträgt. Es versteht sich, dass der gleiche Effekt in alternativen Ausführungsformen der Erfindung dadurch erzielt werden kann, dass eine zweidimensionale, objektseitige, wellenfronterzeugende Maskenstruktur mit einer eindimensionalen bildseitigen Gitterstruktur kombiniert wird. Weiter versteht sich, dass in an sich herkömmlicher Art die Kohärenzmaske und/oder die bildseitige Gitterstruktur jeweils mehrere, z.B. nebeneinander oder sich überlagernd angeordnete, ein- oder zweidimensionale Muster beinhalten können.
Alternativ oder zusätzlich zu dieser geometrischen Strukturmaßnahme kann eine rechnerische Korrektur des Fehlerbeitrags vorgesehen sein, der aus dem Versatz der Pupillenlage in der Detektionsebene durch die gekoppelte Lateralbewegung von phasenschiebender Struktur und Detektionsebene oder der lateralen Relativbewegung von objektseitiger Maske und Detektionsebene resultiert.
Für die rechnerische Korrektur dieses Fehlerbeitrags kommen vor allem folgende zwei Verfahren in Betracht. In einer ersten Variante wird die vom Pupillenbildversatz bedingte Verschiebung der einzelnen, vom Detektorelement erfassten Interferogramme zurückgerechnet, d.h. es wird die Pupille des vermessenen Abbildungssystems zurückgerechnet. Dies ist durch einen geeigneten herkömmlichen Korrekturalgorithmus ohne weiteres möglich, wenn ihm als Eingangsinformation die zugehörige Phasenschiebekennlinie zugeführt wird. Letztere ist aber zur Bewirkung der schrittweisen phasenschiebenden Lateralbewegungen vorgegeben und damit bekannt. Mit diesem rechnerischen Korrekturverfahren kann sowohl der Fehlerbeitrag aufgrund der schrittweisen, langsamen Lateralbewegung zur Phasenverschiebung in der Messrichtung als auch jeglicher Fehlerbeitrag aufgrund einer ausmittelnden, schnellen Lateralbewegung in einer zur Messrichtung nicht-parallelen Richtung kompensiert werden. Voraussetzung für die Anwendung dieses Korrekturverfahrens ist die Verwendung eines Detektorelements mit sehr hoher Auflösung oder eine Interpolation der einzelnen aufgenommenen Interferogramme, da die Lateralverschiebung nicht notwendigerweise ein ganzzahliges Vielfaches eines Detektionsebenen-Pixels des Detektorelements beträgt.
Als weitere Variante ist speziell zur Kompensation des Fehlerbeitrags aufgrund der langsamen, schrittweisen Phasenschiebebewegung ein rechnerisches Korrekturverfahren einsetzbar, bei dem die gemessenen Ortsableitungen der Wellenfront in der jeweiligen Messrichtung pixelweise unter Verwendung eines relativ einfach auszuführenden Algorithmus korrigiert werden, bei dem es sich um einen für den gewünschten Zweck vollkommen ausreichenden Näherungsalgorithmus handelt.
Zunächst veranschaulicht 11 die Notwendigkeit bzw. Zweckmäßigkeit einer Korrektur des durch die langsame Phasenschiebebewegung verursachten Fehlerbeitrags diagrammatisch am Beispiel des Einflusses auf die Ableitung der Wellenfront für den Zernike-Koeffizienten Z9. Die mit den Kreuzsymbolen markierte Kennlinie „Original" bezeichnet die ohne Mitbewegung der Detektionsebene mit der phasenschiebenden Struktur gemessene Wellenfrontableitung des Zernike-Koeffizienten Z9 (als Schnitt durch Z9), während im Vergleich dazu die mit den Kreissymbolen markierte Kennlinie „Ergebnis der Phasenschiebung" die durch die Mitbewegung erhaltene Wellenfrontableitung bezeichnet. Letztere eilt der „Original"-Kennlinie ersichtlich voraus. Es resultiert ein Übersprechen des Zernike-Koeffizienten Z9 in die Zernike-Koeffizienten Z5 und Z6 sowie Z2 und Z3 für die aus der x- bzw. y-Ableitung rekonstruierte Wellenfront.
Das speziell zur Kompensation des Fehlerbeitrags aus der langsamen Phasenschiebebewegung nützliche rechnerische Korrekturverfahren geht von folgender Beziehung (I) der Intensitätsmodulation I⁽¹⁾ als Funktion der n-ten Phasenschiebung, d.h. der zugehörigen „langsamen" Phasenkurve, für ein jeweiliges Pixel unter Berücksichtigung der Mitbewegung der Detektionsebene mit der phasenschiebenden Struktur relativ zum zu vermessenden Abbildungssystem aus:
wobei N die Gesamtzahl der Phasenschritte bezeichnet, eine Phasenschiebung über 2π erfolgt und S_x die Ableitung der Wellenfront in x-Richtung bezeichnet, die an einem Punkt der Detektionsebene gemessen wird, wenn keine Mitbewegung der Detektionsebene erfolgt. Die x-Richtung ist hierbei ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Messrichtung angenommen. Δx bezeichnet die Lateralverschiebung der Detektionsebene während der Phasenschiebung in x-Richtung. Durch Auswertung der Intensitätswerte I⁽¹⁾ der einzelnen Pixel über die gesamte Pupille z.B. mittels Fourier-Transformation lässt sich die Wellenfrontableitung S_x ⁽¹⁾ bestimmen, die den Fehlerbeitrag aufgrund der Detektormitbewegung enthält, der auf den Fehlerterm (δS_x/δx)(Δx(n – 1)/N) zurückgeht. Eine weitestgehende Kompensation dieses Fehlerbeitrags wird anhand der folgenden Beziehung (11) erreicht:
wobei I⁽²⁾ den korrigierten Intensitätswert des einzelnen Pixels als Funktion der n-ten Phasenschiebung und S_x ⁽¹⁾ die wie oben erläutert durch Auswertung der fehlerbehafteten Intensitätswerte I⁽¹⁾ erhaltene Wellenfrontableitung darstellt. Aus diesen Intensitätswerten I⁽²⁾ wird dann die zugehörige korrigierte Wellenfrontableitung S_x ⁽² ⁾ wiederum z.B. mittels Fourier-Transformation berechnet. Mit anderen Worten wird bei diesem Korrekturalgorithmus die Information, die in der Ableitung von S_x ⁽¹⁾ steckt, zur Korrektur von S_x ⁽¹⁾ genutzt, um die pupillenversatzkorrigierte Wellenfrontableitung S_x ⁽²⁾ zu ermitteln.
Höhere Ableitungen von S_x sind in diesem Näherungsalgorithmus vernachlässigt, was ohne Genauigkeitseinbuße gerechtfertigt ist, solange die Verschiebung Δx ein gewisses Maß nicht überschreitet. Für die meisten praktisch wichtigen Fälle ist diese Bedingung erfüllt. Wie erwähnt, eignet sich dieses rechnerische Korrekturverfahren speziell zur Kompensation des Pupillenversatz-Fehlerbeitrags der „langsamen" Phasenschiebung in Messrichtung. Der oben für die x-Richtung als Messrichtung angegebene Korrekturalgorithmus ist selbstverständlich in gleicher Weise für alle anderen Messrichtungen anwendbar.
12 veranschaulicht die genauigkeitssteigernde Wirkung dieses rechnerischen Korrekturverfahrens am Beispiel der Ableitung des Zernike-Koeffizienten Z25 in x-Richtung. Die Mitbewegung der Detektionsebene mit der phasenschiebenden Struktur hat ein Übersprechen auf andere Zernike-Koeffizienten zur Folge, so dass analog zur 11 die Kennlinie „Ergebnis der Phasenschiebung" mit mitbewegter Detektionsebene von der Kennlinie „Original" ohne mitbewegte Detektionsebene abweicht. Die mit Dreieckssymbolen markierte Kennlinie „Korrektur" gibt das Ergebnis der rechnerischen Korrektur gemäß dem oben erläuterten Korrekturalgorithmus wieder. Ersichtlich ist das Korrekturverfahren in der Lage, den pupillenversatzbedingten Fehlerbeitrag weitestgehend zu kompensieren.

Claims

Vorrichtung zur Wellenfrontvermessung eines optischen Abbildungssystems durch eine phasenschiebende Interferometrietechnik, mit – einer objektseitig anzuordnenden Maskenstruktur (6) und – einer bildseitig anzuordnenden Gitterstruktur (7), dadurch gekennzeichnet, dass – die objektseitig anzuordnende Maskenstruktur (6) aus einer oder mehreren eindimensionalen Maskenstrukturmustern (6a bis 6e) und die bildseitig anzuordnende Gitterstruktur aus einer oder mehreren zweidimensionalen Gitterstrukturmustern (7a, 7b) besteht oder die Maskenstruktur aus einer oder mehreren zweidimensionalen Maskenstrukturmustern und die Gitterstruktur aus einer oder mehreren eindimensionalen Gitterstrukturmustern besteht.
Verfahren zur Wellenfrontvermessung eines optischen Abbildungssystems durch eine phasenschiebende Interferometrietechnik, bei dem – eine phasenschiebende Struktur (7) und ein Detektorelement (2) lateral relativ zum zu vermessenden optischen Abbildungssystem (1) bewegt werden und/oder eine objektseitige Maskenstruktur (6) lateral relativ zum Detektorelement (2) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein durch die relative Lateralbewegung auftretender Pupillenbildversatz durch pupillenlagekorrigierendes Rückrechnen des vom Detektorelement jeweils erfassten Interferogramms anhand einer zu der Lateralbewegung gehörigen Phasenschiebekennlinie oder durch eine rechnerische Korrektur von aus den erfassten Interferogrammen erhaltenen Wellenfrontableitungen in der Lateralbewegungsrichtung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die rechnerische Korrektur von Wellenfrontableitungen in der Lateralbewegungsrichtung unter Verwendung der Beziehung
erfolgt, welche die Intensitätswerte I⁽²⁾ einzelner Detektorelement-Bildpunkte als Funktion der n-ten lateralen Phasenschiebung mit S_x ⁽¹⁾ als fehlerbehafteter Wellenfrontableitung in der Phasenschieberichtung angibt, aus denen dann eine fehlerkorrigierte Wellenfrontableitung (S_x ⁽²⁾) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 durchgeführt wird.