CN101393009B - 大行程激光干涉仪垂向测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种大行程激光干涉仪垂向测量装置和方法，包括，固定放置于载物台的第一反射镜和第二反射镜；光路切换装置，放置于干涉仪和载物台之间；控制器，和干涉仪以及光路切换装置相连；干涉仪出射的测量光通过输入通道进入光路切换装置，其出射端设置有一排出射孔，由控制器控制所述第一、第二测量光中至少一束从特定的出射孔垂直入射到第二反射镜，并沿原路被反射回，干涉仪出射的第三测量光垂直入射到第一反射镜上并沿原路被反射回，本发明能以高分辨率测量载物台的垂向距离，有效的扩大了可测行程范围。

Description

大行程激光干涉仪垂向测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置，且特别涉及一种大行程激光干涉仪垂向测量装置和方法。

背景技术

在光刻机系统中，激光干涉仪可以精确测量载物台或掩模台(统称载物台)的位置及旋转。对于光刻机载物台水平方向X向或Y向的测量(在此定义坐标系垂向为Z向，水平方向为X向和Y向)，可直接在载物台侧面安装垂直于水平方向入射光的长方形反射镜，测量X坐标和Y坐标。一般说来，载物台垂向行程不大，水平向行程却很大，而载物台侧面无需载物，所以侧面安装和行程相当的长方形反射镜，可以在大行程内测量载物台的X坐标和Y坐标。进一步的，同一个方向上用二个以上的光轴可测量载物台的旋转。比如对X向和Y向同一个反射镜上的各三个不同点进行测量，可测得载物台沿水平向X轴或水平向Y轴的平移、载物台绕水平向X轴或水平向Y轴的旋转以及绕垂向Z轴的旋转(X，Y，Rx，Ry，Rz)。

垂向的测量与以上有所区别。载物台中间往往需要载物，不能在载物台垂向表面安装一面和水平向的行程相当的大镜子直接反射垂向测量光，因此，无法采用类似测量X和Y的方法测量Z。为此，Agilent公司美国专利US 7,355,719B2(公开日2008年4月8日)和Agilent公司美国专利US 7,158,236B2(公开日2007年1月2日)和ASML公司美国专利US 6,020,964(公开日2000年2月1日)和Nikon公司美国专利US 6,980,279B2(公开日2005年12月27日)中揭露了类似的一种技术方案，在载物台侧面安装45度(或其它角度)反射镜，把激光干涉仪水平向的测量光反射到主框架垂向的一面长方形平面镜上再经反射沿着原光路返回，参考光直接水平入射到载物台侧面长方形平面镜再经反射沿原光路返回。采用该方案，则不需要在载物台垂向安装大面积镜子，就可以实现垂向测量，同时，由于测量光和参考光都是水平入射，所以水平向的可测行程范围可满足要求。该方法简单易行，但是由于需要在载物台上安装45度镜，增大了载物台的厚度，而且在物镜下方额外安装长方形的反射镜，安装困难，由于不能阻挡物镜光线的原因，不能在物镜下方加长该长方形的反射镜，只能增大载物台长度来增大可测行程，给载物台制作增加了难度，此外，多一个反射镜，则算法复杂，多一个镜面面形误差使得精度降低。另外，Canon公司美国专利US 6,285,457B2(公开日2001年9月4日)揭露了另外一种技术方案，通过电机控制主框架上反射镜的移动，反射激光干涉仪测量光，实现测量光动态跟踪载物台垂向长方形平面镜XY位置，最终实现垂向测量，该方法实现复杂，而且引入了较大的机械振动，严重影响了光刻精度。此外，Zygo公司美国专利US4，787，747(公开日1988年11月29日)揭露了一种技术方案，提出了干涉仪测量直线度的方法，该方法可用于通过载物台与垂向成小角度的镜子反射测量垂向距离，水平向行程大，但精度低，光学元件复杂，装调不便。

考虑到现有各方案的局限，需要寻求一种新测量方法，该方法能以高分辨率测量载物台等载物台的垂向距离，并且提供大的可测行程范围。

发明内容

为了克服现有技术中垂向测量装置安装困难、行程小或精度低等问题，本发明提供一种能有效地扩大垂向测量行程且精度较高的测量装置和方法。

为了实现上述目的，本发明提出一种大行程激光干涉仪垂向测量装置，包括第一反射镜，固定放置于载物台的一侧边，所述第一反射镜所在平面和所述载物台水平面垂直；第二反射镜，固定放置于载物台，所述第二反射镜所在平面和所述载物台水平面平行或相交成锐角；干涉仪，出射至少三束测量光；光路切换装置，放置于所述干涉仪和所述载物台之间；控制器，和所述干涉仪以及所述光路切换装置相连；所述干涉仪出射的第一、第二测量光通过所述光路切换装置的第一、第二输入通道进入所述光路切换装置，其出射端设置有一排出射孔，由所述控制器控制所述第一、第二测量光中至少一束从特定的出射孔垂直入射所述第二反射镜，并沿原路被反射回；所述干涉仪出射的第三测量光垂直入射到所述第一反射镜上并沿原路被反射回。

可选的，所述光路切换装置包括两个光开关阵列。

可选的，所述光开关阵列为微光机电系统的二维光开关阵列。

可选的，所述光路切换装置包括机械开关和多个分光器。

可选的，所述所述机械开关的背面涂有吸光材料，通过电气控制所述分光器的出射光的出射。

可选的，所述干涉仪和所述第一反射镜之间，放置有第三反射镜，所述第三反射镜放置于所述第三测量光的光路上，使得所述第三测量光垂直入射所述第一反射镜，并沿原光路被反射回。

可选的，所述第三反射镜所在平面和所述第一反射镜所在平面相交成45°角。

为了实现上述目的，本发明还提出一种大行程激光干涉仪垂向测量方法，包括：干涉仪出射至少三束测量光；从干涉仪出射的第一、第二测量光由所述光路切换装置的第一、第二输入通道进入所述光路切换装置，由所述控制器控制所述第一、第二测量光中至少一束从出射端设置的特定的出射孔垂直入射到两端分别和所述第一反射镜的一端以及所述载物台的一端相连的第二反射镜，并沿原路被反射回；所述干涉仪出射的第三测量光垂直入射到固定放置于载物台的一侧边且和所述载物台垂直的第一反射镜上并沿原路被反射回来。

可选的，通过所述第一、第二测量光所测的载物台斜向位移和所述第三测量光所测的载物台水平向位移来计算载物台垂直向位移

可选的，通过所述第一、第二测量光所测的载物台斜向位移和所述第三测量光所测的载物台水平向位移来计算载物台垂直向位移。

可选的，所述光路切换装置包括两个光开关阵列。

可选的，所述光开关阵列为微光机电系统的二维光开关阵列。

可选的，所述光路切换装置包括多个分光器和机械开关。

可选的，所述机械开关的背面涂有吸光材料，通过电气控制所述分光器的出射光的出射。

可选的，在所述干涉仪和所述第一反射镜之间，放置有第三反射镜，所述第三反射镜放置于所述第三测量光的光路上，使得所述第三测量光垂直入射所述第一反射镜，并沿原光路被反射回。

可选的，所述第三反射镜所在平面和所述第一反射镜所在平面相交成45°角。

本发明所述的大行程激光干涉仪垂向测量装置和方法的有益效果主要表现在：载物台高度可由垂向测量光通过切换位置来测量，因此，该载物台垂向测量允许的水平行程范围可很大，只要有足够多的光路切换位置，载物台水平方向的可测行程范围就足够大；同时，只要水平向测量光的反射镜足够高，通过光路切换，则垂向的可测行程范围也被扩大，并且只需在载物台侧面安装长方形反射镜，无需在载物台上方安装大面积光学器件。

附图说明

图1为本发明大行程激光干涉仪垂向测量装置实施例的简单结构示意图；

图2为本发明大行程激光干涉仪垂向测量方法实施例的流程图；

图3为本发明大行程激光干涉仪垂向测量装置实施例的详细结构示意图；

图4为本发明光路切换装置的一实施例的结构示意图；

图5为本发明光路切换装置的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的描述。

请参考图1，图1为本发明大行程激光干涉仪垂向测量装置实施例的简单结构示意图，如图1所示，一种大行程激光干涉仪垂向测量装置和方法，包括干涉仪101、光路切换装置102以及连接所述干涉仪101和所述光路切换装置102的控制器103，第一反射镜109，固定放置于载物台107的一侧边，和所述载物台107垂直，第二反射镜108，其两端分别和所述第一反射镜109的一端以及所述载物台107的一端相连，所述干涉仪101出射至少三束测量光，其中第一测量光104和第二测量光105通过所述光路切换装置102垂直入射到所述第二反射镜108上并沿原路被反射回来，第三测量光106垂直入射到所述第一反射镜109上并沿原路被反射回来，三束测量光在同一平面，所述第二反射镜108所在平面和所述载物台107所在平面的夹角α111的范围是0≤α<90°，在所述干涉仪101和所述第一反射镜109之间，放置有第三反射镜110，所述第三反射镜110放置于所述第三测量光106的光路上，使得所述第三测量光106垂直入射所述第一反射镜109，所述第三反射镜110所在平面和所述第一反射镜109所在平面相交成45°角。

请参考图2，图2为本发明大行程激光干涉仪垂向测量方法实施例的流程图，从图中可以看出，本发明大行程激光干涉仪垂向测量方法包括步骤501：干涉仪出射至少三束测量光；步骤502：从干涉仪出射的第一、第二测量光由所述光路切换装置的第一、第二输入通道进入所述光路切换装置，步骤503：所述干涉仪出射的第三测量光垂直入射到固定放置于载物台的一侧边且和所述载物台垂直的第一反射镜上并沿原路被反射回来，步骤504：由所述控制器根据所述载物台的位置控制所述第一、第二测量光中至少一束从出射端设置的特定的出射孔垂直入射两端分别和所述第一反射镜的一端以及所述载物台的一端相连的第二反射镜，并沿原路被反射回，步骤505：通过公式 $\mathrm{\&Delta;z}=\frac{\mathrm{OPD}-\mathrm{\&Delta;}x\sin \mathrm{\&alpha;}}{\cos \mathrm{\&alpha;}},$ 计算垂向位移，其中所述第二反射镜所在平面和所述载物台所在平面的夹角α的范围是0≤α<90°，比如60°，OPD为所述干涉仪的第一测量光或第二测量光的光程读数，Δx所述干涉仪的第三测量光测量得到的所述载物台的水平移动的距离，所述微光机电系统二维的光开关阵列为8×8光开关阵列，在所述干涉仪和所述第一反射镜之间，放置有第三反射镜，所述第三反射镜放置于所述第三测量光的光路上，所述第三反射镜所在平面和所述第一反射镜所在平面相交成45°角，使得所述第三测量光垂直入射所述第一反射镜。

本发明的测量原理和测量过程如下所述。

首先定义垂向为Z向，设所述第三测量光106沿水平X向，测量Z向的第一测量光束104和第二测量光束105从干涉仪101出射后，被光路切换装置102被切换到指定的出射位置上，这样，当载物台处于允许的行程中任意位置，第一测量光束104和第二测量光束105分别从对应的出射孔ai、bj(i，j＝1，2，3，...n)出射，同时到达载物台平面反射镜108上并被反射回来，因此，都可测量到相应的光程变化，此时，只需取其中的一束测量光的测量值计算载物台坐标，另外一束测量光的测量值，只有在前一束测量光将不能到达平面反射镜108的时候被开始使用。其水平向位置预测可通过第三测量光106测量，同被控制器103分析；控制器103控制光路切换装置102，使得第一测量光束104和第二测量光束105始终能到达平面反射镜108上。

比如，当载物台处于图1中实线所示位置时，第一测量光束104和第二测量光束105所对应的出射孔为a1、b1，此时，a1、b1出射的测量光束都能到达载物台平面反射镜108上并被反射回来，只需取出射孔a1的出射光，即第一测量光束104测量光的测量值计算载物台坐标。设出射角度与水平方向成α角，第一测量光束104干涉仪光程差变化为OPD，并且载物台沿水平X向运动与Z向运动都会引起该光程差的变化，因此该光程差可视为载物台水平X向运动与垂向运动的叠加，即：

OPD＝Δxsinα+Δzcosα

于是：

$\mathrm{\&Delta;z}=\frac{\mathrm{OPD}-\mathrm{\&Delta;}x\sin \mathrm{\&alpha;}}{\cos \mathrm{\&alpha;}}$

其中Δx表示载物台107沿X向移动的距离，Δz表示载物台107沿Z向移动的距离，这就是第一测量光束104测量光束通过出射孔a1的测量得到的垂向位移量，在对应的干涉仪算法模型中，出射孔b1第二测量光束105测量光束的测量结果暂时被忽略。

当α角为0°时，sinα＝0，cosα＝1，Vz＝OPD；

当α角为30°时，sinα＝0.5， $\cos \mathrm{\&alpha;}=\frac{\sqrt{3}}{2},$ $\mathrm{Vz}=\frac{2*\mathrm{OPD}-\mathrm{Vx}}{\sqrt{3}};$

当α角为89°时，

所述第二反射镜所在平面和所述载物台所在平面的夹角α的范围是0≤α<90°，夹角α不能取90度，即第二反射镜不能和第一反射镜所在的平面为同一平面。

当载物台从实线位置移往至虚线位置时候，出射孔a1出射光接近反射镜的边缘时，此时，开始切换采用第二测量光束105测量光的测量值计算载物台坐标，并且控制器103控制光路切换装置102把第一测量光束104从出射孔a1切换到出射孔a2。其具体切换步骤是，首先，计算测量光束相对于反射镜的移动变化量 $\mathrm{\&Delta;s}=\sqrt{\mathrm{\&Delta;}{x}^2+\mathrm{\&Delta;}{z}^2}$ 达到某一设定阈值，根据载物台运动方向，判断将有垂向测量光无法到达反射镜；然后，在对应的干涉仪算法中，把出射孔a1的ZB105光的测量值，设定为当前的出射孔b1的测量值初始偏移值，改用b1的测量值计算载物台坐标；接着，控制器103，适时控制光束切换装置102，阻断第一测量光束104光从出射孔a1出射，并适时切换至出射孔a2。此时，出射孔b1、a2出射的第一测量光束104和第二测量光束105测量光束都能到达载物台平面反射镜108上并被反射回来，第一测量光束104和第二测量光束105都有测量结果，但在对应的干涉仪算法中，出射孔a2的第一测量光束104光测量值暂被忽略，仍以出射孔b1的第二测量光束105的Δz测量值作为载物台高度，直到出射孔b1的出射光接近平面反射镜108的边缘。

当载物台107继续移动，移动至虚线所示位置，即出射孔b1出射的第二测量光束105光接近反射镜的边缘时，切换到用出射孔a2的第一测量光束104光的测量值计算载物台107坐标，方法同上。然后，通过控制器103，控制光束切换装置102阻断ZB105光从出射孔b1出射，并适时切换至出射孔b2，此时，a2和b2出射的测量光束都能到达平面反射镜108，只使用第一测量光束104测量值计算载物台坐标，第二测量光束105测量值暂被忽略。

当载物台107继续移动，至双点划线所示位置时，出射孔a2的第一测量光束104光接近反射镜的边缘时，切换使用出射孔b2的第二测量光束105光测量值计算载物台坐标，并适时把第一测量光束104光从出射孔a2切换至出射孔a3。

不断重复以上步骤，就实现了在大的水平行程范围内实现Z向测量。

接着，请参考图3和图4，图3为本发明大行程激光干涉仪垂向测量装置实施例的详细结构示意图，图4为本发明大行程激光干涉仪垂向测量装置和方法实施例光路切换装置的结构示意图，在图3和图4中，系统的组成部分以及各装置的连接关系都和图1相同，图3和图4突出了光路转换装置的工作原理，比如在图3中，光路切换装置202包括光开关阵列204和光输出器205，光束切换装置202根据控制器204的信号，将来自干涉仪201的垂向测量光束切换至对应的传输通道205，经由传输通道205传至光输出器206对应的出射孔。垂向测量光束各自被反射后沿原入射光路返回干涉仪201，由干涉仪201内部的接收装置收集干涉信号并转换成测量结果。传输通道205为一种能够将经过光束切换器202所输出的光在不改变偏振态的情况下将其传输至光输出器206的器件。

光路切换装置202有很多种实施方法，在本实施例中，采用一种微光机电系统(Micro Optical Electronic Mechanical System，简称MOEMS)光开关阵列204，它通过静电力作用，使微反射镜或光闸产生机械运动，从而改变从输入通道入射的光束的传播方向，实现开关功能。如图4，光开关阵列为两个二维MOEMS的8×8光的第一开关阵列301和第二开关阵列302，它在芯片上集成了8×8的微反射镜阵列，通过施加静电力控制其旋转。入射光从第一输入通道303和第二输入通道304入射后，通过控制旋转不同位置的第一微反射镜305和第二微反射镜306，将入射光引导到不同的第一出口307和第二出口308，光输出器为309。根据具体情况，出口有多种选择，可根据出口位置选择旋转哪些微反射镜。微反射镜的偏转由芯片上的微电极上的数字信号加以控制，通过控制器203，可向芯片发送的控制信号，使芯片对应电极上的数字信号改变。MOEMS光开关阵列，其内部的微反射镜的定位精度可达到纳米，响应速度可达到几十微秒以内，并且与偏振无关，二维阵列可达到64×64，并有更大规模的其它三维MOEMS阵列。

如图5是光路切换装置202的另外一种实施方法，当来自干涉仪的所述第一测量光或第二测量光401入射时，被分光器分成透射光403和反射光404，其中反射光404可经过开关405后从位置406处出射。机械开关405是由所述控制器103通过电气控制的机械开关，其背面涂有吸光材料，机械开关合上时候，则位置406前的出射光被挡住被被开关上的吸光材料吸收，机械开关打开时候，则位置406前出射光通过开关405出射。另外，所述透射光403被另外一个分光器分为透射光407和反射光408，反射光408可经过开关409后从位置410处出射。同理，透射光407被反射后可经过开关411可从位置412处出射，其余类推。所述光路开关405，409，411等被控制器203根据被测物体的位置控制是否打开。

在本发明中，载物台高度可始终由第一测量光束104或第二测量光束105来测量，该载物台可测行程范围很大。只要有足够多的光路切换位置，载物台水平方向的可测行程范围就足够大；同时，只要水平向测量光的反射镜足够高，通过光路切换，则垂向的可测行程范围也被扩大。

由于说明的需要，本实施例的采用比较简单形象的MOEMS光开关阵列作为光路切换装置的主要部分进行说明，实际光路切换装置的选择有多种。比如，波导调制型光开关阵列，只要结合激光干涉仪出射光偏振方向进行布局，就可以充分利用此开关响应速度更快，振动更小的优点；此外，还有光栅开关、喷墨气泡光开关、液晶光开关等多种光开关可供选择。

需要指出的是，当反射镜和水平方向的角度为0，测量精度最高，但是需要更长的光路切换装置。

另外，本垂向测量方案可进一步改进为三维大行程测量，只需要把上述方案中，取消水平X向的单轴测量光，水平X向和水平Y向测量光都改为和垂向一样由光路切换装置动态改变出射位置的两路测量光，同时对应方向的反射镜角度都为0即可。这样，更进一步扩大了载物台的各个方向量程，从而实现三维大行程测量。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种大行程激光干涉仪垂向测量装置，包括：

第一反射镜，固定放置于载物台的一侧边，所述第一反射镜所在平面和所述载物台水平面垂直；

第二反射镜，固定放置于载物台，所述第二反射镜所在平面和所述载物台水平面平行或相交成锐角；

干涉仪，出射至少三束测量光；

该测量装置的特征在于：

光路切换装置，放置于所述干涉仪和所述载物台之间；

控制器，和所述干涉仪以及所述光路切换装置相连；

所述干涉仪出射的第一、第二测量光通过所述光路切换装置的第一、第二输入通道进入所述光路切换装置，所述光路切换装置出射端设置有一排出射孔，由所述控制器控制所述第一、第二测量光中至少一束从特定的所述出射孔垂直入射所述第二反射镜，并沿原路被反射回；

所述干涉仪出射的第三测量光垂直入射到所述第一反射镜上并沿原路被反射回；

所述干涉仪和所述第一反射镜之间，放置有第三反射镜，所述第三反射镜放置于所述第三测量光的光路上，使得所述第三测量光垂直入射所述第一反射镜，并沿原光路被反射回。

2.根据权利要求1所述的大行程激光干涉仪垂向测量装置，其特征在于所述光路切换装置包括两个光开关阵列。

3.根据权利要求2所述的大行程激光干涉仪垂向测量装置，其特征在于所述光开关阵列为微光机电系统的二维光开关阵列。

4.根据权利要求1所述的大行程激光干涉仪垂向测量装置，其特征在于所述光路切换装置包括机械开关和多个分光器。

5.根据权利要求4所述的大行程激光干涉仪垂向测量装置，其特征在于所述机械开关的背面涂有吸光材料，通过电气控制所述分光器的出射光的出射。

6.根据权利要求1所述的大行程激光干涉仪垂向测量装置，其特征在于所述第三反射镜所在平面和所述第一反射镜所在平面相交成45°角。

7.一种使用权利要求1的大行程激光干涉仪垂向测量装置的大行程激光干涉仪垂向测量方法，包括：

干涉仪出射至少三束测量光；

该测量方法的特征在于：

从干涉仪出射的第一、第二测量光由所述光路切换装置的第一、第二输入通道进入所述光路切换装置，由所述控制器控制所述第一、第二测量光中至少一束从所述光路切换装置出射端设置的特定的所述出射孔垂直入射到两端分别和所述第一反射镜的一端以及所述载物台的一端相连的第二反射镜，并沿原路被反射回；

所述干涉仪和所述第一反射镜之间，放置有第三反射镜，所述第三反射镜放置于所述第三测量光的光路上，使得所述第三测量光垂直入射所述第一反射镜，并沿原光路被反射回；

所述干涉仪出射的第三测量光垂直入射到第一反射镜上并沿原路被反射回来，所述第一反射镜固定放置于载物台的一侧边且和所述载物台垂直。

8.根据权利要求7所述的大行程激光干涉仪垂向测量方法，其特征在于通过所述第一、第二测量光所测的载物台斜向位移和所述第三测量光所测的载物台水平向位移来计算载物台垂直向位移。

9.根据权利要求7所述的大行程激光干涉仪垂向测量方法，其特征在于所述光路切换装置包括两个光开关阵列。

10.根据权利要求9所述的大行程激光干涉仪垂向测量方法，其特征在于所述光开关阵列为微光机电系统的二维光开关阵列。

11.根据权利要求7所述的大行程激光干涉仪垂向测量方法，其特征在于所述光路切换装置包括多个分光器和机械开关。

12.根据权利要求11所述的大行程激光干涉仪垂向测量方法，其特征在于所述机械开关的背面涂有吸光材料，通过电气控制所述分光器的出射光的出射。

13.根据权利要求7所述的大行程激光干涉仪垂向测量方法，其特征在于所述第三反射镜所在平面和所述第一反射镜所在平面相交成45°角。

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