Interferometric Encoder for Linear Displacement Metrology

Guan, Jun

Eine der anspruchsvollsten Anforderungen der linearen Verschiebungsmessungen liegt derzeit in der Positionierung von Wafertischen für Lithografiemaschinen, die Messbereiche von mehreren hundert Millimetern und Messunsicherheiten im Bereich von einigen Nanometern bis hin zu Sub-Nanometern erfordern. Momentan können nur Interferometer und interferometrische Encoder diese Anforderungen erfüllen. Im Vergleich zu Encodern benötigen Interferometer jedoch sehr genau definierte Umgebungsbedingungen, um diese Anforderungen zu erfüllen. Deswegen werden interferometrische Encoder immer populärer. In dieser Arbeit wurde ein dreikanaliger homodyner (3KH) Encoder, ein zweidimensionaler homodyner (2DH) Encoder sowie ein differentieller heterodyner (DH) Encoder entwickelt. Der 3KH Encoder hatte drei Kanäle, die verschiedene Beugungsordnungen verwenden, wobei die gleiche Position auf einem Gittermaßstab gemessen wurde. Das Design des 3KH Encoder war dahingehend konzipiert wurden, um mögliche unterschiedliche Messunsicherheiten, hervorgerufen durch die Korrelationen zwischen Unvollkommenheiten des Maßstabs und der verschiedenen Beugungsordnungen, zu untersuchen. Wenn zur Signalauswertung ein HEIDENHAIN EIB741 verwendet wurde, hatte der 3KH Encoder periodische Nichtlinearitäten (PN) von ±50 pm im Kanal 1, ±150 pm im Kanal 2 und ±70 pm im Kanal 3. Desweiteren wurde eine selbstentwickelte Auswerteelektronik und eine Heydemannkorrektur genutzt, wodurch ein PN von ±10 pm erzielt wurde. Der 2DH Encoder wurde prinzipiell ausgelegt, um Verschiebungen sowohl entlang des eindimensionalen Gittermaßstabes als auch der orthogonalen Richtung zu bestimmen. Das Prinzip wurde durch Experiment nachgewiesen. Der DH Encoder basierte auf einem differenziellen Messprinzip und war gezielt zur Vermeidung von Polarisationsmischung entwickelt worden. Es konnte ohne Korrektur ein PN von ±30 pm bestimmt werden. Zudem wurden eine Stabilität von 38 pm (?) über 30 Sekunden und 100 pm (?) über eine Stunde gemessen.

Currently one of the most challenging demands on linear displacement metrology comes from positioning of the wafer stages of the lithography machine tools, which requires measurement ranges of hundreds of millimeters and measurement uncertainties of several nanometers and even below. At present, only displacement interferometers and interferometric encoders can be managed to meet these requirements; but to do so, interferometers need very strict environmental controlling if not vacuum. Therefore more and more attentions are paid to interferometric encoders due to their lower sensitivities to the refraction-index fluctuations of ambient air and the wavelength deviations. In this work, a three-channel homodyne interferometric (TCHOI) encoder, a two-dimensional homodyne interferometric (2DHI) encoder and a differential heterodyne interferometric (DIHEI) encoder were developed: The TCHOI encoder had three channels which used different diffraction orders but measured the same position on the scale grating. The design of this TCHOI encoder provided an opportunity to study the suspected different measurement uncertainties caused by the correlations between the imperfections of the grating scale and different diffraction orders. The periodic nonlinearities of the TCHOI encoder were ± 50 pm in channel 1, ± 150 pm in channel 2 and ± 70 pm in channel 3, when HEIDENHAIN EIB 741 was employed. As a home-developed phase meter and off-line correction were used, its channel 1 had a periodic nonlinearity of ± 10 pm. The 2DHI encoder was designed to measure the displacements in X- and Z- directions with one dimensional grating scale. Its principle was proven by the proof-of-principle experiment. The DIHEI encoder was based on differential measurement principle and a polarization-mixing-avoiding strategy. It had a periodic nonlinearity of less than ± 30 pm (without correction) and system stabilities of 38 pm (?) and 100 pm (?) over 30 seconds and one hour respectively.

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Guan, Jun: Interferometric Encoder for Linear Displacement Metrology. 2013.

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