CN101216286A - 一种测量位移的外差干涉测量系统及其测量方法 - Google Patents

一种测量位移的外差干涉测量系统及其测量方法 Download PDF

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一种测量位移的外差干涉测量系统和测量方法，测量系统包含工件台反射镜组和激光外差干涉仪；工件台反射镜组包含安装在工件台侧面上的与光轴平行的第一平面反射镜，与光轴成一定角度的第二平面反射镜；激光外差干涉仪包含偏振分光棱镜，角锥棱镜，与光轴成一定角度的参考平面反射镜，两个四分之一波片。测量方法是利用激光器通过偏振分光棱镜后产生的参考光束与测量光束分别经过多次反射与透射后进入到光电转换元件，处理得到光程差OPD，再得到工件台的z向位移Z。本发明不必使用安装在投影物镜两侧的平面反射镜，结构简单，同时使投影物镜在x方向不必增加额外的尺寸，由于减少了平面反射镜的使用数量，从而降低了测量系统的成本。

Description

一种测量位移的外差干涉测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量位移的外差干涉测量系统及其测量方法。
背景技术
随着光刻特征尺寸的降低，焦深也变得越来越小。为使硅片能够在焦深范围内进行曝光，工件台的Z向(沿光轴方向)位置测量对保证光刻机优良的光刻性能不可或缺。
利用激光外差干涉测量系统可对工件台的Z向位置进行精确的测量(参见在先技术1，Erik R.Loopstra，“Method and apparatus for repetitively projecting amask pattern on a substrate，using a time-saving height measurement”，美国专利申请号：6208407)。图1给出了在先技术1中提出的测量系统。硅片3放置在工件台4上，工件台4的侧面安装有与光轴10平行的反射镜6以及与光轴成45度角的反射镜5，在投影物镜1的两侧安装有两面平面反射镜2。激光干涉仪7发射的测量光束8与参考光束9分别入射到反射镜5以及反射镜6上，入射到反射镜5上的测量光束8经过反射镜5与反射镜2的反射后重新回到干涉仪7中，入射到反射镜6上的参考光束9经过反射镜6的反射后返回到干涉7中与测量光束进行干涉。当工件台4沿z向有位移时，测量光束8与参考光束9的光程差发生变化，该变化由工件台4在z方向上的位移决定。通过处理干涉仪7中测量光束与参考光束的干涉信号即可获得工件台4在z方向上的位置信息。
在先技术1中提出的干涉测量系统可以精确的测量工件台4在z向的位移，但由于反射镜2需要具有与工件台4在x向行程一样大小的尺寸，从而使投影物镜系统在x方向上的尺寸变大，不利于安装。此外，为达到更小的特征尺寸，投影物镜的尺寸在不断变大，若其两侧再安装有尺寸较大的平面反射镜，这对于实现更小特征尺寸的曝光增加了困难。
发明内容
本发明提供的一种测量位移的外差干涉测量系统及其测量方法，不必使用安装在投影物镜两侧的平面反射镜，结构简单，同时使投影物镜在x方向不必增加额外的尺寸，由于减少了平面反射镜的使用数量，从而降低了测量系统的成本。
为了达到上述目的，本发明提供了一种测量位移的外差干涉测量系统，包含工件台反射镜组和激光外差干涉仪；
所述的测量位移的外差干涉测量系统还包含激光器和光电转换元件；
所述的工件台反射镜组包含安装在工件台侧面上的与光轴平行的第一平面反射镜，以及与光轴成一定角度的第二平面反射镜；
所述的激光外差干涉仪包含偏振分光棱镜，角锥棱镜，与光轴成一定角度的参考平面反射镜以及两个四分之一波片；所述的角锥棱镜、偏振分光棱镜、一个四分之一波片和参考平面反射镜，在竖直方向上依次排列；所述的偏振分光棱镜和另一个四分之一波片，在水平方向上依次排列；
本发明提供的一种测量位移的外差干涉测量系统的测量方法，其工作步骤如下：
步骤1、激光器发射出一束激光：激光束包含两种频率，两种频率的激光均为线偏振光，偏振方向相互垂直；
步骤2、激光束经过偏振分光棱镜后分为参考光束与测量光束；
步骤3、参考光束依次经过四分之一波片的四次透射，角锥棱镜的一次反射，第一平面反射镜的两次反射后返回到偏振分光棱镜；测量光束依次经过四分之一波片的四次透射，参考平面反射镜的两次反射，第二平面反射镜的两次反射，角锥棱镜的一次反射后返回到偏振分光棱镜；
步骤4、返回到偏振分光棱镜的参考光束与测量光束分别经过反射与透射进入到光电转换元件内进行信号处理，得到参考光束与测量光束之间的光程差OPD。
当所述的参考平面反射镜与光轴方向的夹角为θ(45°＜θ＜90°)，所述的第二平面反射镜与光轴的夹角为2θ-90°；
当工件台在z向(光轴方向)有位移Z时，参考光束的光程不发生改变，而测量光束的光程发生的变化为OPD：
OPD＝4·D＝4·Z·sin(2θ-90°)；
即可获得工件台在z方向上的位移Z：
Figure S200710173149XD00031
当工件台在x方向上有位移X时，参考光束与测量光束的光程均发生改变，测量光束与参考光束之间的光程差OPD为：
OPD＝4·X·cos(2θ-90°)-X+Z·sin(2θ-90°)；
得到工件台的z向位移为
Figure S200710173149XD00032
当所述的参考平面反射镜与光轴方向的夹角为θ(0°＜θ＜45°)，所述的第二平面反射镜与光轴的夹角为90°-2θ；
当工件台在z向(光轴方向)有位移Z时，参考光束的光程不发生改变，而测量光束的光程发生的变化为OPD：
OPD＝4·D＝4·Z·sin(90°-2θ)；
即可获得工件台在z方向上的位移Z：
Figure S200710173149XD00033
当工件台在x方向上有位移X时，参考光束与测量光束的光程均发生改变，测量光束与参考光束之间的光程差OPD为：
OPD＝4·X·cos(90°-2θ)-X+Z·sin(90°-2θ)；
得到工件台的z向位移为
本发明提供的一种测量位移的外差干涉测量系统及其测量方法，不必使用安装在投影物镜两侧的平面反射镜，结构简单，同时使投影物镜在x方向不必增加额外的尺寸，由于减少了平面反射镜的使用数量，从而降低了测量系统的成本。
附图说明
图1是背景技术中的测量系统的结构示意图；
图2是本发明提供的一种测量位移的外差干涉测量系统的实施例1的结构示意图；
图3是实施例1中，工件台在x向没有位移情况下，z向位移的测量示意图；
图4是实施例1中，工件台在x向有一定位移情况下，z向位移的测量示意图；
图5是本发明提供的一种测量位移的外差干涉测量系统的实施例2的结构示意图；
图6是实施例2中，工件台在x向没有位移情况下，z向位移的测量示意图；
图7是实施例2中，工件台在x向有一定位移情况下，z向位移的测量示意图。
具体实施方式
以下根据图2～图7，具体说明本发明的较佳实施方式：
如图2所示，是本发明提供的一种测量位移的外差干涉测量系统的一个具体测量实施例。干涉仪18包括偏振分光棱镜21、角锥棱镜19，四分之一波片20与22，参考平面反射镜23，参考平面反射镜23与光轴方向的夹角为θ(45°＜θ＜90°)。激光器16用于提供干涉测量的激光，光电转换元件17用于接收测量的干涉信号。在投影物镜11下方的工件台13承载需要曝光的硅片12，在工件台13的侧面安装有第一平面反射镜14与第二平面反射镜15，第二平面反射镜15与光轴的夹角为2θ-90°。
该测量系统的工作原理和步骤如下：激光器16发射出一束激光24，激光束24包含两种频率，两种频率的激光均为线偏振光，偏振方向相互垂直。激光束24经过偏振分光棱镜21后分为参考光束25与测量光束26。参考光束25经过四分之一波片20的四次透射，角锥棱镜19的一次反射，第一平面反射镜14的两次反射后返回到偏振分光棱镜21。测量光束经过四分之一波片22的四次透射，参考平面反射镜23的两次反射，第二平面反射镜15的两次反射，角锥棱镜19的一次反射后返回到偏振分光棱镜21。返回到偏振分光棱镜21的参考光束与测量光束分别经过反射与透射进入到光电转换元件17内进行信号处理。
如图3所示，当工件台在z向(光轴方向)有位移Z时，参考光束25的光程不发生改变，而测量光束26的光程发生的变化为OPD。该光程变化OPD即测量光束相对于参考光束的光程差。测量光束26的光程变化OPD由工件台在z方向上的位置Z决定。由图3可知
OPD＝4·D＝4·Z·sin(2θ-90°)；                   (1)
即可获得工件台在z方向上的位移Z：
Figure S200710173149XD00051
利用激光外差干涉测量系统18与光电转换元件17即可获得测量光束26相对于参考光束25的光程差OPD，之后利用式(1)即可获得工件台在z方向上的位移Z。
由图2与图3可知，工件台13沿y方向的运动不影响z方向的位移测量。工件台在x方向上的运动将会同时改变参考光束与测量光束的光程，图4给出了工件台在x方向有一定位移X情况下，工件台z向位移测量的简图。由图4可知，当工件台在x方向上有位移X时，参考光束与测量光束的光程均发生改变。其中，参考光束的光程变化量为4·X，测量光束的光程变化量为4·D，
D＝X·cos(2θ-90°)+Z·sin(2θ-90°)           (3)
测量光束与参考光束之间的光程差OPD为
OPD＝4·X·cos(2θ-90°)-X+Z·sin(2θ-90°)    (4)
由式(4)可得到工件台的z向位移为
Figure S200710173149XD00052
工件台x向的位移X可通过XY平面内的干涉测量系统给出，之后利用式(5)即可得到工件台13在z向的位移Z。
本实施例中工件台13侧面的平面反射镜沿y方向，此外，该测量系统中工件台13侧面的平面反射镜也可以沿x方向放置。其测量方法与工作原理与沿y方向放置的平面镜结构的原理与方法相同，只是式(1)～(5)中的X改为Y。
图5给出了本发明中激光外差干涉测量系统的第二个具体测量实施例。干涉仪38包括偏振分光棱镜41、角锥棱镜39，四分之一波片40与42，平面反射镜43，平面反射镜43与光轴方向的夹角为θ(0°＜θ＜45°)。激光器36用于提供干涉测量的激光，光电转换元件37用于接收测量的干涉信号。在投影物镜31下方的工件台33承载需要曝光的硅片32，在工件台33的侧面安装有第一平面反射镜34与第二平面反射镜35，第二平面反射镜35与光轴的夹角为90°-2θ。
该测量系统的工作原理和步骤与具体实施例1中的测量系统的工作原理和步骤相同：激光器36发射出一束激光44，激光束44包含两种频率，两种频率的激光均为线偏振光，偏振方向相互垂直。激光束44经过偏振分光棱镜41后分为参考光束45与测量光束46。参考光束45经过四分之一波片40的四次透射，角锥棱镜39的一次反射，第一平面反射镜34的两次反射后返回到偏振分光棱镜41。测量光束经过四分之一波片42的四次透射，参考平面反射镜43的两次反射，第二平面反射镜35的两次反射，角锥棱镜39的一次反射后返回到偏振分光棱镜41。返回到偏振分光棱镜41的参考光束与测量光束分别经过透射与反射进入到光电转换元件37内进行信号处理。
如图6所示，当工件台在z向(光轴方向)有位移Z时，参考光束45的光程不发生改变，而测量光束46的光程发生的变化为OPD。该光程变化OPD即测量光束相对于参考光束的光程差。测量光束46的光程变化OPD由工件台在z方向上的位置Z决定。由图6可知
OPD＝4·D＝4·Z·sin(90°-2θ)；    (6)
即可获得工件台在z方向上的位移Z：
Figure S200710173149XD00061
利用激光外差干涉测量系统38与光电转换元件37即可获得测量光束46相对于参考光束45的光程差OPD，之后利用式(6)即可获得工件台在z方向上的位移Z。
由图5与图6可知，工件台13沿y方向的运动不影响z方向的位移测量。工件台在x方向上的运动将会同时改变参考光束与测量光束的光程，图7给出了工件台在x方向有一定位移X情况下，工件台z向位移测量的简图。由图7可知，当工件台在x方向上有位移X时，参考光束与测量光束的光程均发生改变。其中，参考光束的光程变化量为4·X，测量光束的光程变化量为4·D，
D＝X·cos(90°-2θ)+Z·sin(90°-2θ)           (8)
测量光束与参考光束之间的光程差OPD为
OPD＝4·X·cos(90°-2θ)-X+Z·sin(90°-2θ)    (9)
由式(9)可得到工件台的z向位移为
Figure S200710173149XD00071
工件台x向的位移X可通过XY平面内的干涉测量系统给出，之后利用式(10)即可得到工件台33在z向的位移Z。

Claims (7)

1.一种测量位移的外差干涉测量系统，其特征在于，包含工件台反射镜组和激光外差干涉仪(18，38)；
所述的工件台反射镜组包含安装在工件台(13，33)侧面上的与光轴平行的第一平面反射镜(14，34)，以及与光轴成一定角度的第二平面反射镜(15，35)；
所述的激光外差干涉仪(18，38)包含偏振分光棱镜(21，41)，角锥棱镜(19，39)，与光轴成一定角度的参考平面反射镜(23，43)以及两个四分之一波片(20，40)(22，42)；
所述的角锥棱镜(19，39)、偏振分光棱镜(21，41)、一个四分之一波片(22，42)和参考平面反射镜(23，43)，在竖直方向上依次排列；
所述的偏振分光棱镜(21，41)和另一个四分之一波片(20，40)，在水平方向上依次排列。
2.如权利要求1所述的测量位移的外差干涉测量系统，其特征在于，所述的测量位移的外差干涉测量系统还包含激光器(16，36)和光电转换元件(17，37)。
3.如权利要求2所述的测量位移的外差干涉测量系统，其特征在于，所述的参考平面反射镜(23)与光轴方向的夹角为θ，45°＜θ＜90°，所述的第二平面反射镜(15)与光轴的夹角为2θ-90°。
4.如权利要求2所述的测量位移的外差干涉测量系统，其特征在于，所述的参考平面反射镜(43)与光轴方向的夹角为θ，0°＜θ＜45°，所述的第二平面反射镜(35)与光轴的夹角为90°-2θ。
5.一种测量位移的外差干涉测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、激光器(16，36)发射出一束激光：激光束包含两种频率，两种频率的激光均为线偏振光，偏振方向相互垂直；
步骤2、激光束经过偏振分光棱镜后(21，41)分为参考光束(25，45)与测量光束(26，46)；
步骤3、参考光束(25，45)依次经过四分之一波片(20，40)的四次透射，角锥棱镜(19，39)的一次反射，第一平面反射镜(14，34)的两次反射后返回到偏振分光棱镜(21，41)；测量光束(26，46)依次经过四分之一波片(22，42)的四次透射，参考平面反射镜(23，43)的两次反射，第二平面反射镜(15，35)的两次反射，角锥棱镜(19，39)的一次反射后返回到偏振分光棱镜(21，41)；
步骤4、返回到偏振分光棱镜(21，41)的参考光束(25，45)与测量光束(26，46)分别经过反射与透射进入到光电转换元件(17，37)内进行信号处理，得到参考光束(25，45)与测量光束(26，46)之间的光程差OPD，从而得到工件台(13，33)的z向位移Z。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述的参考平面反射镜(23)与光轴方向的夹角为θ，45°＜θ＜90°，所述的第二平面反射镜(15)与光轴的夹角为2θ-90°，此时，
当工件台(13)在光轴z方向有位移Z时，参考光束(25)的光程不发生改变，而测量光束(26)的光程发生的变化为OPD：
OPD＝4·D＝4·Z·sin(2θ-90°)
即可获得工件台(13)在z方向上的位移Z：
Figure S200710173149XC00021
当工件台(13)在x方向上有位移X时，参考光束(25)与测量光束(26)的光程均发生改变。其中，参考光束(25)的光程变化量为4·X，测量光束(26)的光程变化量为4·D：
D＝X·cos(2θ-90°)+Z·sin(2θ-90°)
测量光束(26)与参考光束(25)之间的光程差OPD为：
OPD＝4·X·cos(2θ-90°)-X+Z·sin(2θ-90°)
可得到工件台(13)的z向位移为：
Figure S200710173149XC00022
7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述的参考平面反射镜(43)与光轴方向的夹角为θ，0°＜θ＜45°，所述的第二平面反射镜(35)与光轴的夹角为90°-2θ，此时，
当工件台(33)在光轴z方向有位移Z时，参考光束(45)的光程不发生改变，而测量光束(46)的光程发生的变化为OPD：
OPD＝4·D＝4·Z·sin(90°-2θ)
即可获得工件台(33)在z方向上的位移Z：
Figure S200710173149XC00031
当工件台(33)在x方向上有位移X时，参考光束(45)与测量光束(46)的光程均发生改变。其中，参考光束(45)的光程变化量为4·X，测量光束(46)的光程变化量为4·D：
D＝X·cos(90°-2θ)+Z·sin(90°-2θ)
测量光束(46)与参考光束(45)之间的光程差OPD为：
OPD＝4·X·cos(90°-2θ)-X+Z·sin(90°-2θ)
可得到工件台(33)的z向位移为：
Figure S200710173149XC00032
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