CN101482395A - 位置测量装置和位置测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种位置测量装置，用以测量工件台的六自由度位置。该装置沿光路依次包括光源、分光镜组、光开关执行器系统、测量反射镜组和二维位置测量传感器。光源发射出入射光；分光镜组，将该入射光分为沿三个测量光路的光束；光开关执行器系统，电性连接至开关控制器，该开关控制器控制该光开关执行器系统依次开关三个测量光路；测量反射镜组；二维位置测量传感器，接收测量反射镜组反射的三个测量光路的光束。本发明提供的位置测量装置只包含一个二维位置测量传感器，可以显著降低成本。

Description

位置测量装置和位置测量方法

技术领域

本发明属于光刻机位置测量领域，涉及一种可测六自由度位置的装置和测量方法。

背景技术

光刻机系统中，大行程、高精密的运动是利用干涉仪进行测量，而小行程运动时，则大多数利用位置敏感探测器(PSD，Position Sensitive Device)、CCD、四象限传感器(Quadcell)等进行测量。

然而，利用这些传感器实现六自由度测量时，实现方法复杂。例如美国专利US6875992 B2、US6894261 B2展示了ASML公司利用三组二维PSD测量工件台相对于测量基板的六自由度位置的测量结构。该结构的特点是：a)传感器和光路安装在测量基板上面，而工件台上安装角锥镜；b)采用3组测量设备实现六自由度测量。这种结构有如下缺点：a)因为有三组设备，因此其造价高；b)安装在工件台上的三组角锥镜占用了较大的空间，对工件台的设计有较大约束；c)三组设备不能组合成一组，这样增加安装调试的复杂性。

发明内容

本发明提出一种位置测量装置和一种位置测量方法，能够解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明提出一种位置测量装置，用以测量工件台的六自由度位置，其特征是，沿光路依次包括：

光源，发射出入射光；

分光镜组，将该入射光分为沿三个测量光路的光束；

光开关执行器系统，电性连接至开关控制器，该开关控制器控制该光开关执行器系统依次开通三个测量光路；

测量反射镜组；以及

二维位置测量传感器，接收测量反射镜组反射的三个测量光路的光束。

可选的，该光开关执行器系统包括第一光开关、第二光开关和第三光开关，分别位于三个测量光路，当其中一个开启，另外两个关闭时，测量光路之一开关。

可选的，该反射镜组和该测量反射镜组之间还包括导向反射镜组，将沿三个测量光路的光束反射至该测量反射镜。

可选的，该光源和该分光镜组固定在一个参考物体上，该测量反射镜组和该二维位置测量传感器安装在该工件台上。

可选的，该二维位置测量传感器可以是位置敏感探测器、电荷耦合器件、四象限传感器或其它测量传感器。

本发明另提出一种位置测量方法，包括以下步骤：

获得测量光路对应的输出值到被测物体位置的转换矩阵C^-1；

依次开关三个测量光路，记录三个测量光路的输出矢量

M_s＝(h1 v1 h2 v2 h3 v3)^T；以及

按照公式M_p＝C^-1*M_s计算该工件台的六自由度位置。

可选的，获得该转换矩阵C^-1的步骤包括：

移动工件台，直至入射到二维位置敏感探测器的三个测量光路的输出量为零；

以距离x沿单一方向移动工件台；

记录三个测量光路的输出量h1，v1，h2，v2，h3，v3；

记录x_h1＝h1/x，x_v1＝v1/x，x_h2＝h2/x，x_v2＝v2/x，x_h3＝h3/x，x_v3＝v3/x；

分别沿其他单一方向移动工件台，记录其他数据，则矩阵

$C=\left(\begin{array}{cccccc}x\_h1& y\_h1& \mathrm{rz}\_h1& z\_h1& \mathrm{rx}\_h1& \mathrm{ry}\_h1\\ x\_v1& y\_v1& \mathrm{rz}\_v1& z\_v1& \mathrm{rx}\_v1& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h2& y\_h2& \mathrm{rz}\_h2& z\_h2& \mathrm{rx}\_h2& \mathrm{ry}\_h2\\ x\_v2& y\_v2& \mathrm{rz}\_v2& z\_v2& \mathrm{rx}\_v2& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h3& y\_h3& \mathrm{rz}\_h3& z\_h3& \mathrm{rx}\_h3& \mathrm{ry}\_h3\\ x\_v3& y\_v3& \mathrm{rz}\_v3& z\_v3& \mathrm{rx}\_v3& \mathrm{ry}\_v3\end{array}\right)$

对矩阵C求逆，则得到测量光路对应的输出值到工件台位置的转换矩阵C^-1。

本发明提供一种位置测量装置，利用一个二维位置测量传感器，可以测量被测物的六自由度位置。三个测量光路分时利用同一个二维传感器，组合可测被测物体相对于参考支架的六自由度位置，只包含一个二维位置探测器，可以显著降低成本。位置测量装置的测量精度仅由所选择的传感器的精度决定。

另外，本发明提供的位置测量装置采用模块化的结构，可使安装、调试、使用方便。

附图说明

图1所示为本发明一较佳实施例的位置测量装置结构示意图。

图2所示为位置测量装置安装至光刻机工件台的框架结构图。

图3所示为位置测量装置安装至工件台上的结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图示说明如下。

图1所示为本发明一较佳实施例的位置测量装置结构示意图。

位置测量装置沿光路依次包括光源101、分光镜组105、光开关执行器系统111、导向反射镜组115和测量反射镜组，测量反射镜组包括第一测量反射镜119、第二测量反射镜120、第三测量反射镜121。

光源101发出的入射光在射入分光镜组105之前可以是通过准直器103，准直器103将光纤102传出的发散光变为平行光。

分光镜组105、导向反射镜组115固定在参考物体(如图2所示)上，第一测量反射镜119、第二测量反射镜120、第三测量反射镜121和二维位置敏感探测器(Position Sensitive Device，PSD)125安装在被测物体(例如是图2所示的工件台)上面。

分光镜组105包括三个分光镜：第一分光镜106、第二分光镜107和第三分光镜108。第一分光镜106、第二分光镜107和第三分光镜108将光源101发射的测量光束分别分为沿第一测量光路的第一测量光束、沿第二测量光路的第二测量光束和沿第三测量光路的第三测量光束。

导向反射镜组115包括三个导向反射镜：第一导向反射镜116、第二导向反射镜117和第三导向反射镜118。第一导向反射镜116、第二导向反射镜117和第三导向反射镜118分别将第一测量光束反射至第一测量反射镜119、第二测量光束反射至第二测量反射镜120、第三测量光束反射至第三测量反射镜121。

光开关执行器系统111包括第一光开关112、第二光开关113和第三光开关114。第一光开关112、第二光开关113和第三光开关114分别控制第一测量光路、第二测量光路和第三测量光路的通断。

位置测量装置还包括光开关控制器109，电性连接至光开关执行器系统111，光开关控制器109用来控制第一光开关112、第二光开关113和第三光开关114的开启和关闭，以进一步控制三个测量光路——第一测量光路、第二测量光路、第三测量光路各自的通断。

第一测量反射镜119、第二测量反射镜120和第三测量反射镜121分别将第一测量光路、第二测量光路和第三测量光路中入射到测量反射镜上的入射光反射至二维位置敏感探测器125的捕获区内形成第一光束122、第二光束123和第三光束124。第一光束122、第二光束123和第三光束124分别不重合且不平行。

二维位置敏感探测器125也可以用电荷耦合器件(CCD)、四象限传感器或其它测量传感器代替。

本实施例中，首先利用光开关控制器109关闭第二光开关113、第三光开关114，开启第一光开关112，仅使第一测量光路的第一光束122入射到二维位置敏感探测器125上面，得到上述第一测量光路的2自由度位置，可表示为M1(H1，V1)。然后利用光开关控制器109关闭第一光开关112，打开第二光开关113，此时仅有第二光束123入射到二维位置敏感探测器125上，根据二维位置敏感探测器125的输出值，得到上述第二测量光路的2自由度位置，表示为M2(H2，V2)，然后利用类似的方法得到上述第三测量光路的2自由度位置，表示为M3(H3，V3)。

假设，当三个测量光路均入射到二维位置敏感探测器125的中心点时，被测物体的绝对位置为0(即零位)，即(X，Y，Rz，Z，Rx，Ry)＝(0，0，0，0，0，0)，此时，M1(H1，V1)＝(0，0)，M2(H2，V2)＝(0，0)，M3(H3，V3)＝(0，0)。

当被测物体有空间运动时，每个测量反射镜上的入射点位置和入射角度会发生变化，这引起入射到二维位置敏感探测器125上的入射点发生变化，使每个测量光路对应的二维位置敏感探测器125输出发生变化，因此得到三个测量光路的6个输出值h1、v1、h2、v2、h3、v3，通过转换，可以得到工件台相对于绝对位置的6自由度位置(X，Y，Rz，Z，Rx，Ry)＝(x1，y1，rz1，z1，rx1，ry1)。

通过二维位置敏感探测器125输出值转换至被测物体的6自由度位置的转换过程如下：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ \mathrm{rz}\\ z\\ \mathrm{rx}\\ \mathrm{ry}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cccccc}x\_h1& y\_h1& \mathrm{rz}\_h1& z\_h1& \mathrm{rx}\_h1& \mathrm{ry}\_h1\\ x\_v1& y\_v1& \mathrm{rz}\_v1& z\_v1& \mathrm{rx}\_v1& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h2& y\_h2& \mathrm{rz}\_h2& z\_h2& \mathrm{rx}\_h2& \mathrm{ry}\_h2\\ x\_v2& y\_v2& \mathrm{rz}\_v2& z\_v2& \mathrm{rx}\_v2& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h3& y\_h3& \mathrm{rz}\_h3& z\_h3& \mathrm{rx}\_h3& \mathrm{ry}\_h3\\ x\_v3& y\_v3& \mathrm{rz}\_v3& z\_v3& \mathrm{rx}\_v3& \mathrm{ry}\_v3\end{array}\right)}^{-1}*\left(\begin{array}{c}h1\\ v1\\ h2\\ v2\\ h3\\ v3\end{array}\right)$

$C^{-1}={\left(\begin{array}{cccccc}x\_h1& y\_h1& \mathrm{rz}\_h1& z\_h1& \mathrm{rx}\_h1& \mathrm{ry}\_h1\\ x\_v1& y\_v1& \mathrm{rz}\_v1& z\_v1& \mathrm{rx}\_v1& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h2& y\_h2& \mathrm{rz}\_h2& z\_h2& \mathrm{rx}\_h2& \mathrm{ry}\_h2\\ x\_v2& y\_v2& \mathrm{rz}\_v2& z\_v2& \mathrm{rx}\_v2& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h3& y\_h3& \mathrm{rz}\_h3& z\_h3& \mathrm{rx}\_h3& \mathrm{ry}\_h3\\ x\_v3& y\_v3& \mathrm{rz}\_v3& z\_v3& \mathrm{rx}\_v3& \mathrm{ry}\_v3\end{array}\right)}^{-1}$ 为测量光路对应的输出值到被测物体位置的转换矩阵。

M_s＝(h1 v1 h2 v2 h3 v3)^T为同一二维位置敏感探测器125三个测量光路的输出矢量，

M_p＝(x y rz z rx ry)^T为被测物体的六自由度位置。

这样，若C^-1可知，则被测物体的六自由度位置由公式M_p＝C^-1*M_s可以计算得知。

由于C^-1矩阵是由反射镜、二维位置敏感探测器、光路等的安装位置确定，可以通过理论计算的方式得到这个矩阵。但理论计算方法比较复杂，实际使用时可以利用测校的方法得到该矩阵。

由于被测物体的位置与测量轴的输出关系是可逆的，因此：

$\left(\begin{array}{c}h1\\ v1\\ h2\\ v2\\ h3\\ v3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}x\_h1& y\_h1& \mathrm{rz}\_h1& z\_h1& \mathrm{rx}\_h1& \mathrm{ry}\_h1\\ x\_v1& y\_v1& \mathrm{rz}\_v1& z\_v1& \mathrm{rx}\_v1& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h2& y\_h2& \mathrm{rz}\_h2& z\_h2& \mathrm{rx}\_h2& \mathrm{ry}\_h2\\ x\_v2& y\_v2& \mathrm{rz}\_v2& z\_v2& \mathrm{rx}\_v2& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h3& y\_h3& \mathrm{rz}\_h3& z\_h3& \mathrm{rx}\_h3& \mathrm{ry}\_h3\\ x\_v3& y\_v3& \mathrm{rz}\_v3& z\_v3& \mathrm{rx}\_v3& \mathrm{ry}\_v3\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ \mathrm{rz}\\ z\\ \mathrm{rx}\\ \mathrm{ry}\end{array}\right)$

$C=\left(\begin{array}{cccccc}x\_h1& y\_h1& \mathrm{rz}\_h1& z\_h1& \mathrm{rx}\_h1& \mathrm{ry}\_h1\\ x\_v1& y\_v1& \mathrm{rz}\_v1& z\_v1& \mathrm{rx}\_v1& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h2& y\_h2& \mathrm{rz}\_h2& z\_h2& \mathrm{rx}\_h2& \mathrm{ry}\_h2\\ x\_v2& y\_v2& \mathrm{rz}\_v2& z\_v2& \mathrm{rx}\_v2& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h3& y\_h3& \mathrm{rz}\_h3& z\_h3& \mathrm{rx}\_h3& \mathrm{ry}\_h3\\ x\_v3& y\_v3& \mathrm{rz}\_v3& z\_v3& \mathrm{rx}\_v3& \mathrm{ry}\_v3\end{array}\right)$

为被测物体位置到测量光路对应的输出值的转换矩阵，是测量光路对应的输出值到被测位置的转换矩阵的逆矩阵。

以下详细描述利用测校获得C^-1矩阵的方法：

首先反复移动被测物体，直至搜索零位，此时，各测量光路的所有输出量均为0。

然后，单独X方向移动被测物体，假设移动距离为x，记录各个测量光路的输出量h1，v1，h2，v2，h3，v3，则x_h1＝h1/x，x_v1＝v1/x，x_h2＝h2/x，x_v2＝v2/x，x_h3＝h3/x，x_v3＝v3/x。用同样的方法可以得到矩阵C的其它元素。

最后，对矩阵C求逆，则得到测量光路对应的输出值到被测物体位置的转换矩阵C^-1。

图2所示为位置测量装置安装至光刻机工件台的框架结构图。

如图2所示，激光干涉仪135、位置测量装置133的光源和投影物镜130均安装在参考基板131上，激光干涉仪135能够测量光刻机工件台137相对于参考基板的六自由度位置。激光干涉仪135为相对测量系统，需要提供一个绝对的参考位置，供激光干涉仪135初始化。由于这种初始化只是在系统启动的时候进行，正常曝光过程中不需执行该过程，因此可以利用位置测量装置133，而不影响光刻机的产率。

图3所示为位置测量装置安装至工件台上的结构示意图。

请结合参考图1～图3，图3中的标号128为干涉仪X方向测量反射镜，标号129为干涉仪Y方向测量反射镜。二维位置敏感探测器125放置在工件台137上，其工作过程如下：

1.标定转换矩阵C^-1

a)在其它测量设备的控制下，驱动装置驱动工件台到激光干涉仪135可以工作的位置，初始化激光干涉仪135，并选择用激光干涉仪135测量系统控制工件台137运动。

b)利用激光干涉仪135控制工件台137运动到二维位置敏感探测器125可以工作的区域，即三个测量光路第一测量光路、第二测量光路、第三测量光路能够顺利工作的区域。

c)立体方向(X、Y、Z)搜索零位，找到三个测量光路输出都接近于零的位置，将当前位置为工件台零位，当前所有测量光路的输出作为传感器的偏置。

d)在工件台零位移动X轴，测量X轴对应的转换矩阵C的系数。

e)在工件台零位移动Y轴，测量Y轴对应的转换矩阵C的系数。

f)在工件台零位移动Rz轴，测量Rz轴对应的转换矩阵C的系数。

g)在工件台零位移动Z轴，测量Z轴对应的转换矩阵C的系数。

h)在工件台零位移动Rx轴，测量Rx轴对应的转换矩阵C的系数。

i)在工件台零位移动Ry轴，测量Ry轴对应的转换矩阵C的系数。

j)对转换矩阵C求逆，得到转换矩阵C^-1。

2.为激光干涉仪提供参考位置

a)用其它测量系统(或其它方法)推动工件台到激光干涉仪可以工作的位置。

b)初始化激光干涉仪的偏置，利用激光干涉仪作为工件台的测量系统，使工件台闭环控制。

c)在激光干涉仪的控制下移动工件台到传感器的工作位置(所有的测量光路都可以工作)。

d)依次读取每个测量光路的输出。

e)把测量光路的输出减去每个输出对应的偏置，再利用转换矩阵C^-1计算当前工件台的绝对位置。

f)根据当前工件台的绝对位置反算激光干涉仪新的偏置，并使之生效，作为激光干涉仪的测量偏置。

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 (8)

1.一种位置测量装置，用以测量工件台的六自由度位置，其特征是，沿光路依次包括：

光源，发射出入射光；

分光镜组，将上述入射光分为沿三个测量光路的光束；

光开关执行器系统，电性连接至开关控制器，上述开关控制器控制上述光开关执行器系统依次开关三个测量光路；

测量反射镜组；以及

二维位置测量传感器，接收测量反射镜组反射的三个测量光路的光束。

2.根据权利要求1所述的位置测量装置，其特征是，上述光开关执行器系统包括：

第一光开关、第二光开关和第三光开关，分别位于上述三个测量光路，当其中一个开启，另外两个关闭时，测量光路之一开通。

3.根据权利要求1所述的位置测量装置，其特征是，上述测量反射镜组包括第一测量反射镜、第二测量反射镜和第三测量反射镜，分别将沿三个测量光路的光束反射至上述二维位置测量传感器。

4.根据权利要求1所述的位置测量装置，其特征是，上述光开关执行器系统和上述测量反射镜组之间还包括导向反射镜组，将沿三个测量光路的光束反射至上述测量反射镜组。

5.根据权利要求1所述的位置测量装置，其特征是，上述光源和上述分光镜组固定在一个参考物体上，上述测量反射镜组和上述二维位置测量传感器安装在工件台上。

6.根据权利要求1所述的位置测量装置，其特征是，上述二维位置测量传感器是位置敏感探测器、电荷耦合器件、四象限传感器或其它测量传感器。

7.一种位置测量方法，利用一位置测量装置测试工件台的六自由度位置，上述位置测量装置包括光源，发射出入射光；

分光镜组，将上述入射光分为沿三个测量光路的光束；

光开关执行器系统，电性连接至开关控制器，上述开关控制器控制上述光开关执行器系统依次开关三个测量光路；

测量反射镜组；以及

二维位置测量传感器，接收测量反射镜组反射的三个测量光路的光束，

其特征是，包括以下步骤：

获得测量光路对应的输出值到被测物体位置的转换矩阵C^-1；

依次开关三个测量光路，记录三个测量光路的输出矢量

M_s＝(h1 v1 h2 v2 h3 v3)^T；以及

按照公式M_p＝C^-1*M_s计算上述工件台的六自由度位置。

8.根据权利要求7所述的位置测量方法，其特征是，获得上述转换矩阵C^-1的步骤包括：

移动工件台，直至入射到二维位置测量传感器的三个测量光路的输出量为零；

以距离x沿单一方向移动工件台；

记录三个测量光路的输出量h1，v1，h2，v2，h3，v3；

记录x_h1＝h1/x，x_v1＝v1/x，x_h2＝h2/x，x_v2＝v2/x，x_h3＝h3/x，x_v3＝v3/x；

分别沿其他单一方向移动工件台，记录其他数据，则矩阵

$C=\left(\begin{array}{cccccc}x\_h1& y\_h1& \mathrm{rz}\_h1& z\_h1& \mathrm{rx}\_h1& \mathrm{ry}\_h1\\ x\_v1& y\_v1& \mathrm{rz}\_v1& z\_v1& \mathrm{rx}\_v1& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h2& y\_h2& \mathrm{rz}\_h2& z\_h2& \mathrm{rx}\_h2& \mathrm{ry}\_h2\\ x\_v2& y\_v2& \mathrm{rz}\_v2& z\_v2& \mathrm{rx}\_v2& \mathrm{ry}\_v2\\ x\_h3& y\_h3& \mathrm{rz}\_h3& z\_h3& \mathrm{rx}\_h3& \mathrm{ry}\_h3\\ x\_v3& y\_v3& \mathrm{rz}\_v3& z\_v3& \mathrm{ry}\_v3& \mathrm{ry}\_v3\end{array}\right)$

对矩阵C求逆，则得到测量光路对应的输出值到工件台位置的转换矩阵C^-1。

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