CN101634545A - 位置测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种位置测量装置和方法，包括光源模块、照明模块、投影光阑、投影光栅、投影成像模块、探测成像模块、探测光栅和探测模块，所述光源模块发出的光经过所述照明模块、所述投影光阑和所述投影光栅后，由所述投影成像模块将所述投影光栅成像于被测对象上，以形成光栅像，所述探测成像模块将所述光栅像成像于所述探测光栅以形成探测像，所述探测像和所述探测光栅叠加形成莫尔条纹，所述莫尔条纹被所述探测模块探测，其中所述投影光栅为粗光栅。本发明结构简单，以直接的方式测量，灵敏度较高。

Description

位置测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种光机电设备，具体涉及一种位置测量装置和方法。

背景技术

光刻装置是大规模集成电路生产的重要设备之一。光刻机可将掩模板上的图形通过曝光装置按一定比例转移到要加工的对象上(如硅片等)。硅片在这里泛指所有被曝光对象，包括衬底、镀膜和光刻胶等。在曝光过程中，需要使加工对象(如硅片等)的相应表面保持在曝光装置的焦深范围之内。为此，光刻机采用了用于测量加工对象(如硅片等)的表面位置信息的调焦调平测量系统。调焦调平测量系统可以和夹持加工对象(如硅片等)的工件台一起使加工对象(如硅片等)的被曝光区域一直处于光刻机曝光装置的焦深之内，从而使掩模板上的图形理想地转移到加工对象(如硅片等)上。

上述调焦调平测量系统中，都要用到物体位置测量系统，物体位置测量系统是测量某一平面的位移量或倾斜量，有多种不同的实现方案，其中以上所述的光电式非接触式测量由于其有多种优点最为常用。随着投影光刻机分辨率的不断提高和投影物镜焦深的不断减小，对光刻机内调焦调平测量分系统的测量精度和能够实时测量曝光区域等性能的要求也越来越高。因此目前步进扫描中所采用的调焦调平测量系统通常为光电测量系统，如：基于光栅和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US5191200)、基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法(美国专利US 6765647B1)、基于针孔和面阵CCD的光电探测方法(美国专利US 6081614)和基于PSD(位置敏感器件)的光电测量方法(中国专利：200610117401.0和Focusing and leveling system using PSDs for the wafersteppers.Proc.SPIE，1994，2197：997-1003.)。上述调焦调平测量系统都较为复杂，而且除基于光栅和四象限探测器的光电测量方法(美国专利US5191200)以及基于PSD的光电测量方法(中国专利：200610117401.0)之外，上述调焦调平测量系统都是非差分测量系统，因此稳定性较差。而除基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法(美国专利US 6765647B1)外，上述调焦调平测量系统都会受被测对象单点测量区域内局部反射率不均的影响，因此其工艺适应性差。

局部反射率不均的现象产生于在IC制造过程中。IC制造过程中会有不同的硅片基底、涂层、光刻胶、以及硅片上会有不同的已经加工上去的图形等工艺相关的特性并最终引起整个硅片的局部和整体反射率等的变化。而这些局部和整体的反射率的变化会引起调焦调平测量系统的测量误差，有人把这一类误差叫做“工艺相关性误差”。根据现有的调焦调平测量系统(如美国专利US5191200等)实际工作测量，这一“工艺相关性误差”可达到微米量级，而一般100nm节点的光刻机对调焦调平测量系统的测量精度要求为10nm量级，所以这种误差的存在会使整个光刻机无法正常工作。为了消除这一误差，现有的做法都是采用在线矫正的办法。在线矫正的办法需要做大量工艺试验来确定各种不同工艺下工艺相关性误差的修正因子，然后再在实际工作中根据不同的工艺在线修正调焦调平测量系统的工艺相关性误差。而且，为了安全和保证成品率，每更换一次工艺还需要再进行对调焦调平测量系统的测试。

又比如在一公开的专利(专利号：CN20071017196.5)中的光刻机中的调焦调平测量系统就是物体位置测量系统应用的另一种情况，虽然该专利提供的方法相对于之前的方法在稳定性上有所提高，但是在该专利中，依旧存在以下缺点：投影与探测光栅采用的是编码光栅探测方案，导致整体构造复杂；另外由于该方法中没有采用相应的细分技术，因此该测量系统的测量灵敏度也不高。

发明内容

为了克服已有技术中存在的缺点，本发明提供一种位置测量装置，包括光源模块、照明模块、投影光阑、投影光栅、投影成像模块、探测成像模块、探测光栅和探测模块，所述光源模块发出的光经过所述照明模块、所述投影光阑和所述投影光栅后，由所述投影成像模块将所述投影光栅成像于被测对象上，以形成光栅像，所述探测成像模块将所述光栅像成像于所述探测光栅以形成探测像，所述探测像和所述探测光栅叠加形成莫尔条纹，所述莫尔条纹被所述探测模块探测，其中所述投影光栅为粗光栅。

可选的，所述投影光栅和所述探测光栅的线空比均为1∶1。

可选的，所述投影光栅的栅距是所述探测光栅的栅距的整数倍。

可选的，所述投影光栅的栅距是所述探测光栅的栅距的1倍、2倍、3倍、4倍或者5倍。

可选的，所述探测光栅和所述探测像成一夹角放置。

可选的，所述探测模块的敏感方向和所述莫尔条纹的移动方向一致。

可选的，所述探测模块由光栅尺读数系统和物体位置数据处理系统构成。

可选的，所述投影成像模块为像方远心或双远心，所述探测成像模块为物方远心或双远心。

为了实现上述目的，本发明还提供一种位置测量方法，包括以下步骤：光源模块发出的光经照明模块、投影光阑和投影光栅后，由投影成像模块将投影光栅成像于被测对象以形成光栅像，所述投影光栅为粗光栅；探测成像模块将所述光栅像成像于探测光栅以形成探测像；所述探测像与所述探测光栅叠加形成莫尔条纹；所述莫尔条纹被探测模块探测。

可选的，所述投影光栅和所述探测光栅的线空比均为1∶1。

可选的，所述投影光栅的栅距是所述探测光栅的栅距的整数倍。

可选的，所述投影光栅的栅距是所述探测光栅的栅距的1倍、2倍、3倍、4倍或者5倍。

可选的，所述探测光栅和所述探测像成一夹角放置。

可选的，所述探测模块的敏感方向和所述莫尔条纹的移动方向一致。

可选的，所述探测模块由光栅尺读数系统和物体位置数据处理系统构成。

可选的，所述投影成像模块为像方远心或双远心，所述探测成像模块为物方远心或双远心。

本发明所述的一种位置测量装置和方法的有益效果主要表现在：因为细光栅对光学、机械部分的要求较严，因此安装调试的时候比较费时，而本发明投影光栅采用粗光栅，因此降低了对系统安装和调试的要求，另外，也提高了装置的灵敏度；因为本发明采用了莫尔条纹测量技术，其测量值是多个莫尔条纹的均化值，因此降低了被测对象局部变化对测量的影响；由于采用直接测量的方式测量被测物体，使得整个装置的结构较现有技术更加简单。

附图说明

图1为莫尔条纹的形成示意图；

图2为本发明位置测量装置和方法的装置示意图；

图3为Scheimpflug条件的基本原理图；

图4为本发明位置测量装置和方法的投影光阑和投影光栅的结构示意图；

图5为本发明位置测量装置和方法的投影标记模块经投影成像单元成像到被测对象上形成的测量标记；

图6为本发明位置测量装置和方法的探测光栅的示意图；

图7为本发明位置测量装置和方法的投影标记与探测标记形成莫尔条纹示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明作进一步的说明。

由于本发明位置测量装置和方法是基于莫尔条纹检测原理设计的，所以在介绍本发明位置测量装置和方法之前，下文将首先介绍莫尔条纹的形成及其特性。图1示出了莫尔条纹的形成示意图。其中，图1(a)示出了当两个周期为P的振幅光栅，图1(b)示出了图1(a)中的两个周期为P的振幅光栅以某一特定夹角(比如o)叠加在一起并被照明后形成的周期为S的莫尔条纹。当两个周期为P的振幅光栅之间的夹角o很小时，振幅光栅周期P与其形成的莫尔条纹的周期S之间满足以下关系：

S＝P/o    (1)

其中夹角o的单位为弧度。

根据莫尔条纹的形成原理可知莫尔条纹具有如下特性：由式(1)可知莫尔条纹具有放大性，这更有利于提高分辨率和测量精度以及探测器的布置；莫尔条纹的移动方向与两振幅光栅的相对移动方向垂直；莫尔条纹的移动与两振幅光栅的相对移动同步；莫尔条纹具有平均作用，也就是说，莫尔条文可以平均掉两振幅光栅的局部误差，如制造误差等。另外，图1所示为两个周期相同的振幅光栅形成横向莫尔条纹的过程。此外，两个不同周期的振幅光栅可以平行叠加并形成纵向莫尔条纹、斜向莫尔条纹等。下文只以横向莫尔条纹为例说明本发明，但本发明并不只限于应用横向莫尔条纹。

接着，请参考图2，图2是本发明位置测量装置和方法的装置示意图，本发明位置测量装置和方法属于多点测量系统，至少测量3个点，一般为保证精度，选择测量4个点，当然，测量点的数量越多，测量精度越高。在本发明中各个点的测量结构和原理等特性完全相同，因此下文只以一个测量点为例说明本发明。

图2的坐标系为xyz组成的右手直角坐标系，从图2上可以看到，本发明包括光源模块40、照明模块41、投影光阑42、投影光栅43、投影成像模块44、探测成像模块45、探测光栅46和探测模块47，所述光源模块40发出的光经过所述照明模块41、所述投影光阑42和所述投影光栅43后，由所述投影成像模块44将所述投影光栅43成像于被测对象2上，以形成光栅像，所述探测成像模块45将所述光栅像成像于所述探测光栅46以形成探测像，所述探测像和所述探测光栅46叠加形成莫尔条纹，所述莫尔条纹被所述探测模块47探测，其中所述投影光栅43为粗光栅，所述投影光栅43和所述探测光栅46的线空比均为1∶1，所述探测光栅46的栅距是所述投影光栅43的栅距的整数倍，倍数可以为1倍、2倍、3倍、4倍或者5倍，其中探测光栅46的栅距，本实施例中取的为0.635mm，选择所述探测光栅46的栅距和所述投影光栅43的栅距相同，即所述投影光栅43的栅距也为0.635mm，所述探测光栅46和所述探测像成一夹角放置，所述探测模块的敏感方向和所述莫尔条纹的移动方向一致，所述探测模块由光栅尺读数系统和物体位置数据处理系统构成，所述投影成像模块为像方远心或双远心，所述探测成像模块为物方远心或双远心。

当探测光栅46与探测像成某一特定夹角放置时便形成了莫尔条纹，莫尔条纹进一步被沿M轴探测的探测模块47探测。由于在两次成像过程中，打到被测对象2上的光束被被测对象2反射后携带了被测对象2上相应位置的Z向信息，即投影光栅43在探测光栅46上的探测像相对于探测光栅46(46位置固定)的位置关系代表了被测对象2上相应位置的Z向信息。根据莫尔条纹的特点可知，莫尔条纹的位置和移动信息包含了被测对象2上相应位置的的Z向位置信息。通过探测模块47探测和处理莫尔条纹的位置和移动信息，位置测量模块可最终得到被测对象2上相应位置的的Z向位置信息。

光源模块40经照明模块41后形成准直光束照明到投影光栅43上，投影光栅43与被测对象2为物象共轭关系，它们相对于投影成像模块44构成了Scheimpflug(沙伊姆弗勒)成像条件，可使投影标记清晰成像在被测对象2上，同理被测对象2与探测光栅46相对于投影成像模块44构成了Scheimpflug成像条件。其中投影成像单元与探测成像单元的光轴与z向的夹角为θ，θ角在图上已经标出。关于Scheimpflug成像条件的原理会在一下段进行说明。

图3是Scheimpflug条件的基本原理图，Scheimpflug定理为只要影像平面、镜头平面和被摄体平面的延伸面相交于一线，肯定会在影像平面上获得清晰的被摄体影。图中b为物面，c为像面，P0为透镜L0的主平面位置，b与光轴夹角为θ，像面c与光轴的夹角为θ′，假设放大倍率为m0，则其物象关系满足条件为：

tanθ＝m0*tanθ′，此即为Scheimpflug条件。

图4为投影光阑和投影光栅的结构示意图。投影光栅43光栅栅距为ω1，线控比为1∶1的黑白光栅，其面积与被测对象相匹配，其栅线沿y方向布局。投影光阑42前可放置一开有多个透光孔的不透光基板，图四种所示为开有四个透光孔的示意图，当然也可用多个透光孔以形成多点测量。投影光阑42紧贴在投影光栅43前，以在被测面2上形成所需的多个探测光斑，图中为四个。

图5为投影标记模块经投影成像单元成像到被测对象上形成的测量标记。

图6为探测光栅的示意图，其栅距为ω2，线空比为1∶1的黑白光栅。探测光栅46与投影标记的二次像的栅线方向成一个微小的夹角σ，形成测量用得莫尔条纹，图7为投影标记与探测标记形成莫尔条纹示意图，如图7所示，由于夹角σ很小，从而导致莫尔条纹宽度很大，因此便于放置光电探测模块对条纹进行测量。

对于该测量系统，由于采用了Scheimpflug成像条件，当被测对象2沿z轴的偏移量为Δz时，由于探测成像模块的倍率为-1，则在探测光栅面上的偏移量为Δy，有：

Δy＝2*Δz*tanθ

其中，由于投影光栅栅距ω1为探测光栅栅距ω2的整数倍，既有

γ＝ω1/ω2

即对于上述光栅付构成的莫尔条纹当投影光栅变化一个栅距ω1，则莫尔条纹变化γ次，即相比于传统光栅付的一个栅距对应一次莫尔条纹的变化，其灵敏度提高了γ倍。

当被测对象2沿z轴的偏移量为Δz时，设光电探测模块的一个莫尔条纹的电子细分数为M，其莫尔条纹的变化数为N，有：

N/M＝2*Δz*tanθ/(ω2)

根据上式可知，由莫尔条纹的变化数就可得出被测对象的位移量，同样通过多个测量点的位置信息就可以计算出其倾斜量，本案例中测量点为四个。

由上式可以看出投影光栅只起传递信息的作用，与系统的灵敏度无关，因此可以降低由于采用Scheimpflug条件导致分辨率下降而对投影光栅栅距的要求。

通用的电子细分技术的细分数在20至100之间，假设M为50，θ为80°，ω2为0.01mm，则系统的可分辨Δz的量为18nm，如进一步改变以上各量其分辨率可达到几个纳米。而对于非采用以上技术的莫尔条纹测量技术，其投影光栅与探测光栅都采用相同的栅距，都为细光栅，且在采用相同的电子细分数和栅距情况下分辨本领为降至108nm。就测量精度上比较，本系统具有更高的测量精度。

由于细光栅对光学、机械部分的要求较严，因此安装调试的时候比较费时，而本系统只有探测光栅部分采用细光栅，降低了对系统安装和调试的要求。

由于采用了莫尔条纹测量技术，其测量值是多个莫尔条纹的均化值，因此降低了被测对象局部变化对测量的影响。

由于采用直接测量技术，其结构上也更为简单。

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 (16)

1.一种位置测量装置，其特征在于包括光源模块、照明模块、投影光阑、投影光栅、投影成像模块、探测成像模块、探测光栅和探测模块，所述光源模块发出的光经过所述照明模块、所述投影光阑和所述投影光栅后，由所述投影成像模块将所述投影光栅成像于被测对象上，以形成光栅像，所述探测成像模块将所述光栅像成像于所述探测光栅以形成探测像，所述探测像和所述探测光栅叠加形成莫尔条纹，所述莫尔条纹被所述探测模块探测，其中所述投影光栅为粗光栅。

2.根据权利要求1所述的一种位置测量装置，其特征在于所述投影光栅和所述探测光栅的线空比均为1∶1。

3.根据权利要求1或2所述的一种位置测量装置，其特征在于所述投影光栅的栅距是所述探测光栅的栅距的整数倍。

4.根据权利要求3所述的一种位置测量装置，其特征在于所述投影光栅的栅距是所述探测光栅的栅距的1倍、2倍、3倍、4倍或者5倍。

5.根据权利要求1所述的一种位置测量装置，其特征在于所述探测光栅和所述探测像成一夹角放置。

6.根据权利要求1所述的一种位置测量装置，其特征在于所述探测模块的敏感方向和所述莫尔条纹的移动方向一致。

7.根据权利要求1所述的一种位置测量装置，其特征在于所述探测模块由光栅尺读数系统和物体位置数据处理系统构成。

8、根据权利要求1所述的一种位置测量装置，其特征在于所述投影成像模块为像方远心或双远心，所述探测成像模块为物方远心或双远心。

9.一种位置测量方法，其特征在于包括以下步骤：

光源模块发出的光经照明模块、投影光阑和投影光栅后，由投影成像模块将投影光栅成像于被测对象以形成光栅像，所述投影光栅为粗光栅；

探测成像模块将所述光栅像成像于探测光栅以形成探测像；

所述探测像与所述探测光栅叠加形成莫尔条纹；

所述莫尔条纹被探测模块探测。

10.根据权利要求9所述的一种位置测量方法，其特征在于所述投影光栅和所述探测光栅的线空比均为1∶1。

11.根据权利要求9或10所述的一种位置测量方法，其特征在于所述投影光栅的栅距是所述探测光栅的栅距的整数倍。

12.根据权利要求11所述的一种位置测量方法，其特征在于所述投影光栅的栅距是所述探测光栅的栅距的1倍、2倍、3倍、4倍或者5倍。

13.根据权利要求9所述的一种位置测量方法，其特征在于所述探测光栅和所述探测像成一夹角放置。

14.根据权利要求9所述的一种位置测量方法，其特征在于所述探测模块的敏感方向和所述莫尔条纹的移动方向一致。

15.根据权利要求9所述的一种位置测量方法，其特征在于所述探测模块由光栅尺读数系统和物体位置数据处理系统构成。

16、根据权利要求9所述的一种位置测量方法，其特征在于所述投影成像模块为像方远心或双远心，所述探测成像模块为物方远心或双远心。

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