CN101268337A - 用于检测主体运动的系统 - Google Patents

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CN101268337A CNA2006800345424A CN200680034542A CN101268337A CN 101268337 A CN101268337 A CN 101268337A CN A2006800345424 A CNA2006800345424 A CN A2006800345424A CN 200680034542 A CN200680034542 A CN 200680034542A CN 101268337 A CN101268337 A CN 101268337A
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R·G·克拉弗
T·A·M·鲁尔
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J·范埃克
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Abstract

本发明涉及一种用于检测主体(2)的运动的系统(1)，包括接合到所述主体的第一延伸光栅条带(4)和与所述第一延伸光栅条带交叉的单独的并且基本上固定的第二延伸光栅条带(5)。该系统还包括光学检测机构(6)，该光学检测机构(6)被设置成接收在所述第一延伸光栅条带和第二延伸光栅条带衍射的一个或多个光束来检测所述主体的运动。该发明还涉及一种用于检测主体(2)的运动的方法和一种主体处理或检查系统。

Description

用于检测主体运动的系统
技术领域
本发明涉及一种用于检测主体的运动的系统。更具体地说，本发明涉及一种用于光学检测主体(诸如，晶片或印刷电路板)的运动的系统。本发明还涉及一种主体处理和/或检查系统和一种检测主体的运动的方法。最后，本发明涉及一种用于对象运动检测目的的光栅。
背景技术
在各种技术应用中需要移动的主体的位置或位置变化的准确测量。举例说来，在半导体工业中采用的平版印刷投影工具和晶片检查工具需要关于半导体晶片的位置变化的准确信息。另一使用领域涉及印刷电路板(PCB)工业，其中在PCB上安装部件、在PCB上印刷图案或检查PCB期间需要关于PCB的位置的信息。
存在采用光栅来测量对象移位的各种光学测量系统。这些系统包括光学检测机构，该光学检测机构包括光源、光检测器和光栅。该光学检测机构定位于光栅上方一定距离处。该系统可测量的运动类型(平面内平移、平面内旋转、平面外平移、平面外旋转)取决于光学检测机构和光栅。
为了测量单个平面内平移，光栅具有在该平移方向中呈周期性的光栅图案。为了测量两种平面内平移，需要在这两种平移的方向中呈周期性的光栅图案。对于其中平移较大的应用，与光源的光斑大小相比较，光栅所覆盖的区域应较大以便检测在全部可能平移范围中的平移。对于其中应检测或测量两种平面内平移的情形，尤为如此。
对于特定应用，用于测量主体的平移的较大光栅可能在许多方面是不利的。由于难于在较大区域上实现光栅图案的高度准确的周期性，较大光栅可能(例如)难于制造。因此，这种光栅的成本相对较高。此外，较大光栅占据该应用系统中的宝贵空间。而且，在某些应用中，光栅经受较高加速并且需要具有由于温度变化所导致的可以忽略的尺寸变化特征(低热膨胀系数)。因此，较大和较重的光栅是不合需要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于检测主体运动的改进的系统和方法。
本发明的另一目的在于提供一种用于检测主体运动的系统和方法，其减小了或消除了在前面部分中所提到的现有技术的这些缺点中的至少一个缺点。
本发明的另一目的在于提供一种用于检测主体运动的系统和方法，其允许应用减小的大小的光栅。
本发明提供一种用于检测主体运动的系统，其包括接合到所述主体的第一延伸光栅条带和与所述第一延伸光栅条带交叉的单独的并且基本上固定的第二延伸光栅条带。该系统还包括光学检测机构，其被设置成接收在所述第一延伸光栅条带与所述第二延伸光栅条带衍射的一个或多个光束以检测所述主体的运动。
本发明还提供一种在一个系统中检测主体运动的方法，该系统包括接合到所述主体的第一延伸光栅条带和与所述第一延伸光栅条带交叉的单独的并且基本上固定的第二延伸光栅条带。用于应用该方法的系统包括光学检测机构。该方法包括以下步骤：
-向所述第一延伸光栅条带或第二延伸光栅条带提供入射光束；以及
-在所述光学检测机构接收从所述第一延伸光栅条带和第二延伸光栅条带衍射的一个或多个光束来检测所述对象的运动。
本申请人已发现通过使用构成彼此交叉的延伸条带的单独的第一光栅与第二光栅，可通过检测或测量第一光栅和第二光栅相对于彼此的移位来检测具有较大平面内平移范围的对象的运动。由于仅需要较小的条带，因此与现有技术的较大光栅相比，这些条带可能更易于制造并且因此这些光栅条带更为廉价。此外，该光栅条带所需要的空间较小。应了解光栅条带的长度优选地大约等于或大于该对象的平移范围，而宽度或横向尺寸优选地基本上等于该光束的光斑宽度。
如权利要求2和14中所限定的本发明的实施例提供能够使用较小光学检测机构的优点。
如权利要求3中所限定的本发明的实施例提供复杂性较低的系统的优点，这是由于光学检测机构是固定的，而光重定向机构可相对容易地容纳于该系统中。
如权利要求4中所限定的本发明的实施例具有最佳测量灵活性的优点。
如权利要求5中所限定的本发明的实施例允许检测或测量该对象的一个或两个平面内平移的运动。
如权利要求6和15中所限定的本发明的实施例允许确定该对象的运动方向和在确定光束的相位时对光束中的功率波动的减小的敏感性。
如权利要求7中所限定的本发明的实施例可能消除或减少在该系统中的光学部件的量，因为光栅条带的定向可能会影响光束的路径。
如权利要求8中所限定的本发明的实施例具有光学检测机构的较大旋转范围的优点。更具体说来，使用后向反射器的反射来干涉光束将在光学检测器上构成单个光斑，允许相位的容易检测，如在本申请中更具体地解释。
如权利要求9中所限定的本发明的实施例允许光束在被光学检测机构检测之前在两个延伸的光栅处衍射。更具体说来，透射性光栅和反射性光栅的使用允许光束通过这些光栅重叠的区域。
如权利要求10中所限定的本发明的实施例允许光栅条带的较小长度同时具有光学平面内平移检测范围。
如权利要求11中所限定的本发明的实施例是有利的，因为较小的光栅条带需要较小的空间并且可以(例如)被设置于或靠近将要被检测运动的该对象的边界处。条带的横向尺寸优选地在1至10mm的范围内，诸如5mm。
此外，本发明提供主体处理和/或检查系统，其包括处理和/或检查腔室，该处理和/或检查腔室容纳用于所述主体的主体定位平台，其中第一延伸光栅条带安装于所述主体定位平台上。与所述第一延伸光栅条带交叉的第二延伸光栅条带相对于所述腔室基本上固定地安装。第一延伸光栅条带和第二延伸光栅条带和所述光学检测机构被设置成使得能够检测所述主体定位平台的运动。优选地，该系统被设置用于通过前面所介绍的方法来检测运动。
该主体处理系统的示例包括平版印刷投影工具，其具有用于半导体晶片的晶片承载台。主体检查系统的示例包括晶片检查工具，诸如光学检查工具、电子显微镜、原子力显微镜等。一般而言，这些系统包括基于多轴激光干涉仪的位置测量系统。本发明能够使用成本效益替代系统代替这种基于多轴干涉仪的系统。其它主体处理和主体检查系统分别包括用于在印刷电路板上安装部件或印刷图案的工具和检查这些板的工具。这些应用的特征在于，与所采用光束的直径相比，该对象的较大平移。
本发明还提供一种延伸光栅条带，其包括在至少一个方向呈周期性的光栅图案，所述延伸光栅条带具有小于15mm优选地小于10或5mm的横向尺寸。
如权利要求18和19中所限定的本发明的实施例提供允许检测或测量主体的两种平面内平移的优点。
附图说明
参看附图进一步说明本发明，附图示意性地示出根据本发明的优选实施例。应了解本发明绝不受到这些具体和优选的实施例限制。
在附图中：
图1示出了根据本发明的第一实施例用于检测对象的运动的系统的示意图；
图2示出了根据本发明的第二实施例用于检测对象的运动的系统的示意图；
图3示出了根据本发明的第三实施例用于检测对象的运动的系统的示意图；
图4A至图4F示出了第一光栅条带和第二光栅条带的各种类型；
图5和图6示出了根据图1的实施例的系统的示意性示例，其分别用于检测对象在一个方向和两个方向中的运动。
图7至图11示出了根据图2的实施例的系统的示意性示例，其用于检测对象在一个方向中的运动；
图12示出了根据图2的实施例的系统的示意性示例，其用于检测对象在两个方向中的运动；以及
图13示出了主体处理系统，其包括根据本发明的实施例用于检测对象的运动的系统。
具体实施方式
图1至图3示出了用于检测主体2的运动的系统1的示意性实施例，该主体2包括表面3。方向x和y限定了在主体2的表面3的平面中的所有平移的正交分量。z方向限定了平面外平移的正交分量。
应注意的是在附图中，单个光束实际上可能表示一组光束。
系统1适于检测主体2的运动并且优选地适于检测或测量主体2在方向x、y中的一个方向或两个方向中的移位。箭头M限定能够检测或测量的主体2的移位的方向，如将在下文中参看图4A至图4F进一步介绍。为此，系统1包括接合到主体2的第一延伸光栅条带4和与所述第一延伸光栅条带交叉的单独的和基本上固定的第二延伸光栅条带5。第二光栅条带2可能在系统1内的适当位置固定地设置并且还可被称作参考光栅。应了解，虽然第一光栅条带4和第二光栅条带5垂直地交叉，但可采用条带之间的任何角度。此外，应了解在z方向在接合主体的光栅条带4与固定光栅条带5之间设有一定距离。
通过使用单独的光栅4、5，这些光栅可以是条带形状，即使在主体2具有较大平面内平移范围的情况下。作为在主体2的整个表面3上不得不使用在两个方向中具有较大横向伸展的光栅的替代，如同现有系统的情况，可使用相对较窄的光栅条带4、5。这些光栅条带4、5的长度可能大约等于在x、y方向的两个平面内平移范围并且它们的宽度大约等于用于运动检测的光束的光斑大小。
提供光学检测机构6来检测从第一光栅条带4和第二光栅条带5衍射的光束。从这些衍射束，例如，通过测量正第一(+1st)衍射级和负第一(-1st)衍射级，就有可能以已知方式来检测并优选地测量主体2的移位。
在图1中，可通过传输机构(未示出)沿着固定的第二光栅条带5并且相对于固定的第二光栅条带5来移动光学检测机构6(用箭头B表示)使得光学检测机构6保持在第一延伸光栅条带6与第二延伸光栅条带5的重叠区域O上方。因为重叠区域相对较大(例如，100mm2)，该传输机构可能移动光学检测机构6使得它保持在重叠区域O上方，即使在主体2在它的全部平面内范围以相当大的加速度平移的情况下，如(例如)在半导体晶片处理中发生的情形。只要光学检测机构6位于重叠区域O上方，光学检测机构6的实际位置便不影响主体2的移位的测量的准确性。
在图1的实施例中，第一光栅条带4是反射性的并且该第二光栅条带5是透射性的。因此，该光学检测机构6可能接收第一光栅条带4和第二光栅条带5的衍射光束。
在图2中，光学检测机构6相对于第二光栅条带5是固定的。一个或多个光束L从光学检测机构6导向到重定向机构7，诸如镜面或棱镜，在它的顶部安装第一光栅条带4。重定向机构7通过接合机构8而接合到主体2上。第一光栅条带4是透射性的，而第二光栅条带5是反射性的。离开光学检测机构6的光束被重定向机构7导向以到达第一光栅4和第二光栅5的重叠区域O并且在光学检测机构6接收从这些光栅衍射的光束以检测对象2的运动。图2的实施例是有利的，因为用于光学检测机构6的运动的装置可能被省略。
在图3中，显示了图1和图2的系统的组合。
图4A至图4F描绘了第一光栅条带4和第二光栅条带5的各种类型。箭头M表示其中条带4、5的光栅图案P呈周期性的方向并且因此表示能够检测或测量的该第一光栅条带4所接合的对象的平面内平移的方向。因此，图4A与图4B的条带4、5的光栅图案P允许分别在仅一个平面内方向x、y中进行运动检测，而图4C至图4F中的条带4、5的光栅图案P允许在两个平面内方向x、y中的运动检测。在图4C中的条带4、5每个都具有两种不同定向的光栅图案P1、P2，而图4D至图4F的条带4、5中的至少一个条带具有在x和y方向中呈周期性的单个光栅图案P，在这种情况下为棋盘图案。
在条带4、5的延伸方向中的长度L优选地覆盖该对象2的全部平移范围并且可能在5至100cm的范围中，诸如30cm或50cm。延伸光栅条带4、5的宽度W优选地超过用于光学检测系统6的光束的直径，但应合理地保持尽可能较小，因为保持该光栅所覆盖的区域尽可能地小是有利的。举例说来，条带4、5的横向宽度W小于10mm，诸如5mm。光栅图案P的周期在100nm到50m的范围中，诸如2m。仅示出了光栅条带4、5的少数周期。该周期性图案可能(例如)通过在玻璃衬底中蚀刻该图案而获得。
图5和图6示出了根据图1的实施例的系统1的示意性示例，其用于检测对象2(未示出)分别在一个方向和两个方向x、y中的运动。相同的或类似的部件用相同的标号表示。
在图5中，进入光束L通过透射性第二光栅条带5衍射并且在反射性第一光栅条带4衍射。第二固定光栅条带5是单独的部件并且不是光学检测机构6的一部分。衍射光束之后被后向反射器9(例如，立体角反射器)重定向朝向第一光栅条带4返回。应了解还可使用角隅棱镜或者猫眼反射器。后向反射器9可能补偿该光栅4的平面内和平面外旋转以及光学检测机构6的旋转。这些光束衍射并且被反射回通过第二光栅条带5并被光学检测机构6接收。由于第一光栅条带4接合到该对象上并且因此该对象的运动将导致光束的位移，该光学检测机构被设置成可沿着第二光栅条带移动以便接收光束。
图6示出了能够检测两种平面内位移的移位检测或测量系统1的备选示例。使用两个光学检测机构6，其可沿着各自的第二光栅条带5移动。对于第一光栅条带4，使用棋盘光栅图案P使得该主体2的侧部的空间需要减小。应了解也可采用在图4C至图4F中所显示的光栅条带4、5和允许检测两种平面内平移的其它类型的光栅条带。
图7至图11示出了根据图2的实施例的系统1的示意性示例，其用于检测对象2在一个方向x或y的运动。图12示出了根据图2的实施例的系统1的示意性示例，其用于检测对象2在两个方向x、y中的运动。相同的或类似的部件用相同的标号表示。
在图7中，通过重定向机构7将光束L导向到第一延伸光栅条带4和第二延伸光栅条带5。两个光栅条带4、5都是反射性的。在光学检测机构6接收在条带4、5的重叠区域中衍射的光束并且对于沿着箭头M的移位，能够检测或测量第一光栅条带4所接合的主体2的移位。
图8示出了与图7的示例类似的示例1，除了第二光栅条带5具有四个光栅图案P1至P4，这些光栅图案P1至P4在沿着箭头M的相同方向呈周期性并且在所述图案之间存在相位差。光束L1至L4被朝向这些光栅图案P1至P4中的每一个导向，并且在光学检测机构处接收图案P1至P4中每一个的被多次衍射(multiply diffracted)的光束。这个实施例允许确定对象2的运动方向，即，沿着箭头M或-M，和对入射光束L的功率波动的减小的敏感性。
图9和图10示出了与图7和图8的系统1类似的系统1。然而，作为采用重定向机构7的替代，第一延伸和反射性光栅条带4以选定角度定位使得在图9中的光束L和在图10中的光束L1、L2、L3被适当地衍射朝向第二延伸光栅条带5。因此，不再需要单独的重定向机构7。在图10中，第一光栅条带4还包括三个光栅图案P1至P3，其在沿着箭头M的相同方向中呈周期性并且在所述图案之间存在相位差。因此，确定对象2的运动方向，即，沿着箭头M或-M，和对入射光束L的功率波动减小的敏感性。
图11示出了系统1，其中第一延伸光栅条带4应用到棱镜7的顶部上并且靠近固定的光学检测机构6应用后向反射器9。入射光束L被棱镜7反射朝向第二光栅条带5而不被第一光栅条带4衍射。只是在光栅条带5处衍射之后，在第一光栅条带4处衍射该衍射光束。
图12示出了系统1，其能够进行沿着箭头M的两种平面内平移的移位检测或测量。同样，相同的或类似的部件用相同的标号来表示并且可采用在图4A至图4C中所示的光栅类型和设置或者允许进行两个平面内方向中的检测的其它光栅。
图13示出了主体处理或主体检查系统10，其中该主体2定位于腔室12中的平台11上。第一光栅条带4被接合到主体2上。举例说来，主体2是置于晶片夹11上的晶片，晶片夹11被设置成在x-y平面中平移用于处理或检查目的。第二光栅条带5相对于腔室12固定地安装，而腔室12允许处理机构或检查机构(未示出)接近主体2。
应注意的是，在原则上，第二光栅条带5和相应检测器6可能接合到移动的腔室12，而第一光栅条带4接合到稳定的平台1上。
显然，用于检测或测量主体2的移位的系统1是冗余的，其对于某些应用可能是有利的。举例说来，在主体2不是刚性主体的情况下，这种冗余性可能是有利的。如果该主体由于温度变化而膨胀，并且在该主体的两侧都测量主体移位，那么可能确定该主体的膨胀以及它的移位。或者，如果该主体在促动下由于有限的刚度而变形，那么可在冗余测量的帮助下来确定变形。所测量的变形还可用于校正所测量的位置，这些数据可用于控制促动器(未示出)，促动器可在主体上施加力以便消除变形。
应了解其它实施例也已被本申请人想象到，包括只使用透射性光栅条带或只使用反射性光栅条带的实施例。此外，应了解图8和图10的相移光栅模式可包括三个或多于四个图案P。如果要确定具有未知偏移和振幅的正弦信号的相位，那么需要至少三次测量。正弦信号的三个样本可用于确定该信号的相位、振幅和偏移。使用三个或多个样本允许在不知道振幅的情况下确定相位并且获得对功率波动减小的敏感性。此外，可能使用已知干涉测量法来测量或检测第一光栅条带4与第二光栅条带5之间的距离。
在权利要求书中，置于括号之间的任何标号不应被认为限制该权利要求。措词“包括”并不排除在权利要求中所列出的之外的元件或步骤的存在。在元件前面的措词“一”并不排除多个这样的元件存在。在相互不同的独立权利要求中引用特定措施的事实并不表示不可以使用这些措施的组合来取得更好的效果。

Claims (18)

1.一种用于检测主体(2)的运动的系统，包括接合到所述主体的第一延伸光栅条带(4)和与所述第一延伸光栅条带交叉的单独的并且基本上固定的第二延伸光栅条带(5)，其中所述系统还包括光学检测机构(6)，所述光学检测机构(6)被设置成接收在所述第一延伸光栅条带和第二延伸光栅条带处被衍射的一个或多个光束来检测所述主体的运动。
2.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述系统包括传输机构，所述传输机构被设置以相对于所述固定的第二延伸光栅条带(5)来移动所述光学检测机构。
3.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述光学检测机构(6)在所述系统内基本上固定地设置，所述系统还包括光重定向机构(7)，所述光重定向机构(7)使得所述光学检测机构能够接收所述光束。
4.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述光学检测机构(6)包括第一固定检测机构和第二可移动的检测机构。
5.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述第一延伸光栅条带和第二延伸光栅条带(4、5)包括在一个或多个优选地正交的方向中呈周期性的光栅图案(P)。
6.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述第一延伸光栅条带和第二延伸光栅条带(4、5)中的至少一个包括在一个或多个优选地正交的方向中呈周期性的光栅图案(P)并且所述条带中的一个具有至少两个光栅图案(P1至P4；P1至P3)，所述至少两个光栅图案(P1至P4；P1至P3)在相同的方向中呈周期性并且在所述图案之间存在相位差。
7.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，包括所述第一延伸光栅条带(4)的平面的第一法线与包括所述第二延伸光栅条带(5)的平面的第二法线成一定角度。
8.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述系统还包括反向反射机构(9)，用于将入射光束重定向成基本上相反的方向。
9.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述第一光栅条带(4)和第二光栅条带(5)包括透射性和/或反射性光栅。
10.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述第一光栅条带(4)和所述第二光栅条带(5)分别在第一方向和第二方向中延伸，所述第一方向和所述第二方向彼此垂直。
11.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述第一光栅条带和第二光栅条带具有小于10mm的横向尺寸(W)。
12.一种主体处理和/或检查系统(10)，包括处理和/或检查腔室(12)，所述处理和/或检查腔室(12)容纳用于所述主体的主体定位平台(11)，其中第一延伸光栅条带(4)安装于所述主体定位平台上，且与所述第一延伸光栅条带交叉的第二延伸光栅条带(5)相对于所述腔室基本上固定地安装，所述第一延伸光栅条带和第二延伸光栅条带和所述光学检测机构被设置成使得能够检测所述主体定位平台的运动。
13.一种用于在系统(1)中检测主体(2)的运动的方法，所述系统(1)包括接合到所述主体的第一延伸光栅条带(4)和与所述第一延伸光栅条带交叉的单独的并且基本上固定的第二延伸光栅条带(5)和光学检测机构(6)，所述方法包括：
-向所述第一延伸光栅条带或第二延伸光栅条带提供入射光束(L)，以及
-在所述光学检测机构处接收从所述第一延伸光栅条带和第二延伸光栅条带衍射的一个或多个光束以检测所述对象的运动。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括沿着所述固定的第二延伸光栅条带(5)移动所述光学机构(6)的步骤。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一延伸光栅条带和第二延伸光栅条带(4、5)中的至少一个包括在一个或多个优选地正交的方向中呈周期性的光栅图案(P)，并且所述条带中的一个具有至少两个光栅图案(P1至P4；P1至P3)，所述光栅图案(P1至P4；P1至P3)在相同的方向呈周期性并且在所述图案之间存在相位差，所述方法还包括向所述光栅图案中的每一个提供入射光束(L1至L4；L1至L3)并且在所述光学检测机构(6)处接收从所述光栅图案衍射的相应光束的步骤。
16.一种延伸光栅条带(4、5)，包括在至少一个方向中呈周期性的光栅图案，所述延伸光栅条带具有小于15mm的横向尺寸(W)。
17.根据权利要求17所述的延伸光栅条带(4、5)，其特征在于，所述光栅条带包括在所述延伸的方向呈周期性的第一光栅图案(P2)和在所述横向尺寸方向呈周期性的第二光栅图案(P1)。
18.根据权利要求17所述的延伸光栅条带(4、5)，其特征在于，所述光栅条带具有在所述延伸方向和所述横向尺寸方向中呈周期性的单个光栅图案(P)。
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