CN102314092B - 位置传感器和光刻设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种位置传感器和光刻设备。所述位置传感器配置成测量目标的位置数据。位置传感器包括：辐射源，配置成提供辐射束；第一光栅，配置成将辐射束衍射成在第一衍射方向上的至少第一级衍射束；和第二光栅，布置在第一级衍射束的光学路径上，第二光栅配置成在基本上垂直于第一衍射方向的第二衍射方向上衍射在第一光栅处被衍射的第一级衍射束。第二光栅连接至目标。第一检测器配置成检测由第一光栅衍射的束的至少一部分，至少一个第二检测器配置成检测被第一光栅和第二光栅衍射的束的至少一部分。

Description

位置传感器和光刻设备
技术领域
本发明涉及一种位置传感器、包括这种位置传感器的光刻设备以及该位置传感器的应用。
背景技术
光刻设备是一种将所需图案应用到衬底上，通常是衬底的目标部分上的机器。例如，可以将光刻设备用在集成电路(ICs)的制造中。在这种情况下，可以将可选地称为掩模或掩模版的图案形成装置用于生成在所述IC的单层上待形成的电路图案。可以将该图案转移到衬底(例如，硅晶片)上的目标部分(例如，包括一部分管芯、一个或多个管芯)上。通常，图案的转移是通过把图案成像到提供到衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上进行的。通常，单个的衬底将包含被连续形成图案的相邻目标部分的网络。传统的光刻设备包括：所谓的步进机，在步进机中，通过将全部图案一次曝光到所述目标部分上来辐射每一个目标部分；和所谓的扫描器，在所述扫描器中，通过辐射束沿给定方向(“扫描”方向)扫描所述图案、同时沿与该方向平行或反向平行的方向同步地扫描所述衬底来辐射每一个目标部分。也可能通过将图案压印(imprinting)到衬底上的方式从图案形成装置将图案转移到衬底上。
光刻技术目前的趋势是提高产出(即提高单位时间内将要被加工的晶片数量)并提高图案的分辨率，即减小将提供至衬底上的图案的尺寸。这些要求转化成提高诸如支撑衬底的衬底台的扫描速度，以及提高诸如衬底台、图案形成装置等的定位精确度。这种速度的提高要求使用相对轻的台(例如衬底台或掩模台)。假定高的速度和相应的加速度，这种轻量的结构会引起共振，换句话说，不会表现为刚性体质量。为了能够处理这种非刚性体行为，已经提出多位置感测以便获得超定位置感测信息，由此能够感测诸如衬底台、图案形成装置支撑结构等部件的非刚性体性质。所获得的有关非刚性体行为的数据，例如有关共振、弯曲、膨胀等，可以应用于致动器控制系统以便补偿和/或抵消这些行为。
发明内容
本发明旨在提供一种位置传感器，其可以集成至紧凑的单元中并且能够提供在多个自由度上的位置测量值。
根据本发明的一个实施例，提供一种位置传感器，配置成测量目标的位置数据，所述位置传感器包括：
光源，配置成发射辐射束，辐射束具有传播方向，第一和第二衍射方向限定为垂直于辐射束的传播方向并且彼此垂直；
第一光栅，配置成将辐射束衍射成由于衍射在第一衍射方向具有传播方向分量的至少第一衍射束；
第二光栅，布置在第一衍射束的光学路径上，第二光栅配置成将在第一光栅处被衍射的第一衍射束衍射成由于衍射在垂直于第一衍射方向的第二衍射方向上具有传播方向分量的至少第二衍射束；
第二光栅连接至目标；
第一检测器，配置成检测已经被第一光栅衍射的第一衍射束的至少一部分；
至少一个第二检测器，用以检测已经被第一光栅和第二光栅衍射的第二衍射束的至少一部分。
在本发明的另一实施例中，提供一种光刻设备，布置成将图案从图案形成装置转移至衬底上，光刻设备包括台和如前述本发明的一方面所述的配置成测量台的位置的至少一个位置传感器。
在本发明的另一实施例中，提供一种位置传感器，配置成测量位置数据，位置传感器包括：
光源，配置成发射辐射束，辐射束具有传播方向，第一和第二衍射方向限定为垂直于辐射束的传播方向并且彼此垂直；
第一光栅，配置成在第一衍射方向上将辐射束衍射成由于衍射在第一衍射方向上具有传播方向分量的至少一衍射束；
第一回射器，用以将衍射束反射回至第一光栅以便被第一光栅再次衍射；和
至少一个检测器，配置成检测已经由第一光栅衍射的束的至少一部分，其中第一回射器配置成反射衍射束，以便再次入射到第一光栅上沿第一衍射方向看的基本上相同的位置处。
附图说明
现在参照随附的示意性附图，仅以举例的方式，描述本发明的实施例，其中，在附图中相应的附图标记表示相应的部件，且其中：
图1示出了可以实施本发明的光刻设备；
图2示出根据本发明的一个实施例的位置传感器的示意图；
图3示出根据本发明另一实施例的位置传感器的示意图；
图4示出根据本发明的还一实施例的位置传感器的示意图；
图5示出根据图4的位置传感器的一部分的详细视图；
图6A-C示出根据本发明又一实施例的位置传感器的示意图；
图7示出根据本发明另一实施例的位置传感器的示意图；以及
图8A-C示出根据本发明再一实施例的位置传感器的示意图。
具体实施方式
图1示意地示出了根据本发明的一个实施例的光刻设备。所述光刻设备包括：照射系统(照射器)IL，其配置用于调节辐射束B(例如，紫外(UV)辐射或任何其他合适的辐射)；图案形成装置支撑件或支撑结构(例如掩模台)MT，其构造用于支撑图案形成装置(例如掩模)MA，并与用于根据确定的参数精确地定位图案形成装置MA的第一定位装置PM相连。所述设备还包括衬底台(例如晶片台)WT或“衬底支撑结构”，其构造用于保持衬底(例如涂覆有抗蚀剂的晶片)W，并与配置用于根据确定的参数精确地定位衬底W的第二定位装置PW相连。所述设备还包括投影系统(例如折射式投影透镜系统)PS，其配置用于将由图案形成装置MA赋予辐射束B的图案投影到衬底W的目标部分C(例如包括一根或多根管芯)上。
照射系统IL可以包括各种类型的光学部件，例如折射型、反射型、磁性型、电磁型、静电型或其它类型的光学部件、或其任意组合，以引导、成形、或控制辐射。
所述图案形成装置支撑结构MT以依赖于图案形成装置MA的方向、光刻设备的设计以及诸如图案形成装置MA是否保持在真空环境中等其他条件的方式保持图案形成装置MA。所述图案形成装置支撑结构MT可以采用机械的、真空的、静电的或其它夹持技术来保持图案形成装置MA。图案形成装置支撑结构MT可以是框架或台，例如，其可以根据需要成为固定的或可移动的。图案形成装置支撑结构MT可以确保图案形成装置MA位于所需的位置上(例如相对于投影系统)。在这里任何使用的术语“掩模版”或“掩模”都可以认为与更上位的术语“图案形成装置”同义。
这里所使用的术语“图案形成装置”应该被广义地理解为表示可以用于将图案在辐射束的横截面上赋予辐射束B、以便在衬底W的目标部分C上形成图案的任何装置。应当注意，被赋予辐射束的图案可能不与在衬底的目标部分上的所需图案完全相符(例如如果该图案包括相移特征或所谓的辅助特征)。通常，被赋予辐射束的图案将与在目标部分上形成的器件中的特定的功能层相对应，例如集成电路。
图案形成装置MA可以是透射式的或反射式的。图案形成装置的示例包括掩模、可编程反射镜阵列以及可编程液晶显示(LCD)面板。掩模在光刻术中是公知的，并且包括诸如二元掩模类型、交替型相移掩模类型、衰减型相移掩模类型和各种混合掩模类型之类的掩模类型。可编程反射镜阵列的示例采用小反射镜的矩阵布置，每一个小反射镜可以独立地倾斜，以便沿不同方向反射入射的辐射束。所述已倾斜的反射镜将图案赋予由所述反射镜矩阵反射的辐射束。
这里使用的术语“投影系统”应该广义地解释为包括任意类型的投影系统，投影系统的类型可以包括折射型、反射型、反射折射型、磁性型、电磁型和静电型光学系统、或其任意组合，如对于所使用的曝光辐射所适合的、或对于诸如使用浸没液或使用真空之类的其他因素所适合的。这里使用的术语“投影透镜”可以认为是与更上位的术语“投影系统”同义。
如这里所示的，所述设备是透射型的(例如，采用透射式掩模)。替代地，所述设备可以是反射型的(例如，采用如上所述类型的可编程反射镜阵列，或采用反射式掩模)。
光刻设备可以是具有两个(双台)或更多衬底台或“衬底支撑结构”(和/或两个或更多的掩模台或“掩模支撑结构”)的类型。在这种“多台”机器中，可以并行地使用附加的台或支撑结构，或可以在一个或更多个台或支撑结构上执行预备步骤的同时，将一个或更多个其它台或支撑结构用于曝光。
光刻设备还可以是这种类型，其中衬底的至少一部分可以由具有相对高的折射率的液体(例如水)覆盖，以便填满投影系统和衬底之间的空间。浸没液体还可以施加到光刻设备的其他空间中，例如图案形成装置(例如掩模)和投影系统之间的空间。浸没技术用于提高投影系统的数值孔径。这里使用的术语“浸没”并不意味着必须将结构(例如衬底)浸入到液体中，而仅意味着在曝光过程中液体位于投影系统和该衬底之间。
参照图1，所述照射器IL接收从辐射源SO发出的辐射束。该源SO和所述光刻设备可以是分立的实体(例如当该源为准分子激光器时)。在这种情况下，不会将该源SO看成形成光刻设备的一部分，并且通过包括例如合适的定向反射镜和/或扩束器的束传递系统BD的帮助，将所述辐射束从所述源SO传到所述照射器IL。在其它情况下，所述源SO可以是所述光刻设备的组成部分(例如当所述源SO是汞灯时)。可以将所述源SO和所述照射器IL、以及如果需要时设置的所述束传递系统BD一起称作辐射系统。
所述照射器IL可以包括用于调整所述辐射束的角强度分布的调整器AD。通常，可以对所述照射器IL的光瞳平面中的强度分布的至少所述外部和/或内部径向范围(一般分别称为σ-外部和σ-内部)进行调整。此外，所述照射器IL可以包括各种其它部件，例如积分器IN和聚光器CO。可以将所述照射器IL用于调节所述辐射束，以在其横截面中具有所需的均匀性和强度分布。
所述辐射束B入射到保持在图案形成装置支撑结构(例如，掩模台)MT上的所述图案形成装置(例如，掩模)MA上，并且通过所述图案形成装置MA来形成图案。已经穿过图案形成装置(例如，掩模)MA之后，所述辐射束B通过投影系统PS，所述投影系统PS将辐射束聚焦到所述衬底W的目标部分C上。通过第二定位装置PW和位置传感器IF(例如，干涉仪器件、线性编码器或电容传感器)的帮助，可以精确地移动所述衬底台WT，例如以便将不同的目标部分C定位于所述辐射束B的路径中。类似地，例如在从掩模库的机械获取之后，或在扫描期间，可以将所述第一定位装置PM和另一个位置传感器(图1中未明确示出)用于相对于所述辐射束B的路径精确地定位图案形成装置(例如，掩模)MA。通常，可以通过形成所述第一定位装置PM的一部分的长行程模块(粗定位)和短行程模块(精定位)的帮助来实现图案形成装置支撑结构(例如掩模台)MT的移动。类似地，可以采用形成所述第二定位装置PW的一部分的长行程模块和短行程模块来实现所述衬底台WT或“衬底支撑结构”的移动。在步进机的情况下(与扫描器相反)，图案形成装置支撑结构(例如掩模台)MT可以仅与短行程致动器相连，或可以是固定的。可以使用图案形成装置对准标记M1、M2和衬底对准标记P1、P2来对准图案形成装置(例如掩模)MA和衬底W。尽管所示的衬底对准标记占据了专用目标部分，但是它们可以位于目标部分C之间的空间(这些公知为划线对齐标记)中。类似地，在将多于一个的管芯设置在图案形成装置(例如掩模)MA上的情况下，所述掩模对准标记可以位于所述管芯之间。
可以将所示的设备用于以下模式中的至少一种中：
1.在步进模式中，在将图案形成装置支撑结构(例如掩模台)MT或“掩模支撑结构”和衬底台WT或“衬底支撑结构”保持为基本静止的同时，将赋予所述辐射束的整个图案一次投影到目标部分C上(即，单一的静态曝光)。然后将所述衬底台WT或“衬底支撑结构”沿X和/或Y方向移动，使得可以对不同目标部分C曝光。在步进模式中，曝光场的最大尺寸限制了在单一的静态曝光中成像的所述目标部分C的尺寸。
2.在扫描模式中，在对图案形成装置支撑结构(例如掩模台)MT或“掩模支撑结构”和衬底台WT或“衬底支撑结构”同步地进行扫描的同时，将赋予所述辐射束B的图案投影到目标部分C上(即，单一的动态曝光)。衬底台WT或“衬底支撑结构”相对于图案形成装置支撑结构(例如掩模台)MT或“掩模支撑结构”的速度和方向可以通过所述投影系统PS的(缩小)放大率和图像反转特征来确定。在扫描模式中，曝光场的最大尺寸限制了单一动态曝光中所述目标部分C的宽度(沿非扫描方向)，而所述扫描运动的长度确定了所述目标部分C的高度(沿所述扫描方向)。
3.在另一种模式中，将用于保持可编程图案形成装置的图案形成装置支撑结构(例如掩模台)MT或“掩模支撑结构”保持为基本静止，并且在对所述衬底台WT或“衬底支撑结构”进行移动或扫描的同时，将赋予所述辐射束的图案投影到目标部分C上。在这种模式中，通常采用脉冲辐射源，并且在所述衬底台WT或“衬底支撑结构”的每一次移动之后、或在扫描期间的连续辐射脉冲之间，根据需要更新所述可编程图案形成装置。这种操作模式可易于应用于利用可编程图案形成装置(例如，如上所述类型的可编程反射镜阵列)的无掩模光刻术中。
也可以采用上述使用模式的组合和/或变体或完全不同的使用模式。
图2示出位置传感器的侧视图，其布置成感测目标TA的倾斜TL。位置传感器包括光源或辐射源，也称为发射器TR，其发射诸如具有可见的、红外或紫外波长的单色束等辐射。发射器TR发射束至基本上垂直于束的方向定位的第一光栅。产生第一级和负的第一级衍射束(可以产生其他级，例如零级，但是在图中未示出，后面将进行讨论)。第一级和负的第一级衍射束在目标TA的表面上反射(通过反射和/或通过零级衍射效应)，从而再次到达第一光栅GR1并再次被其衍射。在本实施例中，第一级衍射入射到第一回射器RFL1上并(在该图的透视图中看)以相同的路线传回到第一检测器SE1，由此再次被第一光栅衍射两次。回射器可以由角隅棱镜形成，角隅棱镜可以提供反射回的束沿y方向的平移(即，在附图平面内)。在第一光栅GR1是二维(例如十字)光栅和反射平面的情形中提供另一回射器结构。也就是说，第一光栅GR1将沿Y方向偏转束，其依次碰到反射表面，并再次碰到将束弯曲朝向目标TA的第一光栅GR1。获得倾斜敏感性：首先，如图2所示，在本示例中，目标TA的倾斜TL将使被目标TA反射回的束在第一光栅上偏移一距离SH。从而，在这种倾斜期间，由于光栅GR1的周期性质，将发生朝向第一检测器SE1返回而被接收到的强度的(周期)改变。其次，对于这些路径中的其中目标由于倾斜而向上移动的一个路径，朝向回射器的总的路径长度增加，而对于这些路径中的其中目标由于倾斜而向下移动的另一路径，朝向回射器的总的路径长度减小。由此，沿两个路径的束的组合将导致相差，这导致检测器SE1接收的振幅的改变。因为在本实施例中第一回射器RFL1配置成反射第一级束，因此在本实施例中路径长度和光栅的影响彼此相加，使得提高敏感性。路径长度和相差的影响的结合使得增大了位置检测的敏感性。此外，可以仅需要强度检测，其允许使用光电二极管(即，稳定的、方便的且低成本零件)作为检测器。振幅的改变允许使用光电二极管代替位置敏感装置来用于检测，因而允许无线感测。回射器布置成将束反射回到第一光栅并且在到达回射器之前与束的衍射基本上相同的位置处，如沿通过第一光栅的衍射的衍射方向看到的。在本文中，通过第一光栅的衍射朝向一方向进行衍射，使得衍射束获得在该方向上的分量，其中该方向也称为第一衍射方向。束在其从发射器到回射器的路径上经受的相位影响和/或路径长度影响将在从回射器至检测器的光学路径中基本上再次发生，其可以正面地影响位置传感器的敏感性。
图3示出图2的透视图并示出图2中的实施例的变体。此处，与图2中所示的实施例的不同之处在于，第一级和负的第一级的两次衍射的束被回射器(在本示例中为角隅棱镜)反射，贡献的结合被第一检测器SE1接收。此处使用了上面提到的光栅的周期特性的影响，因为第一级衍射中的增大与负的第一级中的减小结合，并且反之亦然。由于仅应用了光栅GR1上的第一衍射的第一级和负的第一级衍射束中的一个，因此路径长度变化的影响被抵消了。
图4示出参照图2描述的相同的传感器，然而，附加地已经增加了干涉仪，干涉仪的束由位于来自发射器的束的第一衍射处的零级衍射束形成。为了实现倾斜不敏感性(以及提高沿z方向测量的敏感性)，干涉仪布置成两次反射干涉束至目标上。图4中示出的结构允许测量目标TA的倾斜和目标的竖直位置(即，在Z方向上)，因此提供平面外(即，水平XY平面外)的测量。图5中更详细地示出了干涉仪的一个实施例：来自第一光栅GR1的零级衍射束通过推迟器RET和第一分束器BS1。此处，束被分成参照束和传播通过第二分束器BS2至目标TA的发生反射的表面的束，参照束经由回射器IRFL(例如角隅棱镜)和四分之一λ板被引导至干涉仪检测器ISE。反射束被第二分束器BS2引导至另一回射器IRFL，其将束反射回至第二分束器BS2，但被平移，使得在被第二分束器反射之后，其再次被目标反射，但相对于其他反射平移。然后束通过第二分束器BS2并被第一分束器BS1反射至检测器ISE。如图所示设置四分之一λ和半λ板。在目标TA是光栅的情况下，其会影响束的偏振并且同样会对四分之一λ板所针对的影响作出贡献，由此得出其他的设置。
在公开如何增加其他自由度的感测之前，公开如图2和3所示的倾斜传感器的替换实施例。图6A示出传感器的一个实施例，其中使用(部分地)透射目标代替了反射目标。来自发射器TR的束首先通过目标的透射部分。然后，束在第一光栅GR1上反射(在本实施例中是反射性的并且配置成在已经通过目标的透射部分之后，将束以及第一级和负的第一级衍射束反射回至目标的透射部分)。然后第一级和负的第一级反射束被回射器RFL1反射，使得以类似的方式传播回至第一检测器SE1，从而再次被光栅GR1衍射。作为目标TA的透射部分的倾斜TL的结果，束入射在光栅GR1上的位置由于目标TA上的入射角和折射系数的改变而位移，这导致第一级和负的第一级衍射束的强度的改变，其随后被检测器SE1检测。
图6B中示出了另一替换的实施例。此处，可以再次应用连接至目标TA的透射部分或目标TA的透射部分。与图2和3中的实施例类似，但第一光栅GR1被定位在发射器TR和第一检测器SE侧。来自发射器的束被第一光栅GR1衍射，第一和负的第一级衍射束通过目标TA的透射部分并在反射表面RFS上反射。反射的束再次通过透射部分并再次被第一光栅GR1衍射。在图6B中，负的第一级衍射束被第一回射器RFL1反射回，并传播相同的路径回到第一检测器SE1，从而被第一光栅GR1衍射两次。然而，基于参照图2给出的相同理由，可以代替负的第一级衍射束应用第一级衍射束。获得倾斜敏感性，因为当倾斜目标TA(的透射部分或连接至目标TA的透射部分)时衍射束相对于第一光栅GR1被位移，由此通过包括如图6A示出的入射角和折射系数影响提高了分辨率。反射表面RFS可以变成目标TA的一部分，例如顶部表面。应该认识到，当在底部表面放置RFS时，获得图2中的结构，从而抵消入射角和折射系数的影响。此外，图3中示出的结构也可以应用。
在图6C中示出了另一替换的实施例。在该实施例中，光栅GR1是反射性的并且设置在目标的透射部分的表面上。传播通过目标的透射部分的束被第一光栅GR1衍射并反射，并且传播至设置在目标TA的透射部分的相对表面处的辅助光栅GRA，然而也可以设置作为目标TA的对应物的一部分。此处，束再次被衍射并经过(可能再次经由回射器和光栅GRA)类似的路径回到检测器SE1。作为目标倾斜TL的结果，实现束在光栅GR1上的位移，这导致与上面描述的类似的影响。
应该理解，在根据图6A-6C的实施例中，透射部分可以形成目标的一部分，但是替换地，可以连接至目标。
参照图6A-6C描述并示出的实施例可以与参照图4和5描述并示出的相同或类似的干涉仪结构结合，以便将Z位置测量加到倾斜测量。此外，应该理解，目标的透射部分的折射系数与周围介质的折射系数不同，以便实现通过透射部分的衍射，如图所示。
要注意的是，在根据图2、3、6A-6C的代替加入干涉仪的实施例中的任一个实施例中，也可以通过在这些图中公开的传感器测量z位置，因为z方向上的平移导致束沿水平方向在光栅上的移动。使用多个所述的传感器，沿z方向的倾斜和位置可以与通过这些传感器提供的多个测量值分开。进一步，在所述的实施例中，可以通过诸如电容传感器、声学传感器或线性光学传感器等其他传感器测量z位置。
通过重复公开的垂直于所示结构的结构，可以应用参照图2、3、6A-6C描述并示出的示例、以测量关于X轴的倾斜以及关于Y轴的倾斜(即在光刻技术中称为测量“倾倒”和“倾斜”)。此外，可以应用二维第一光栅GR1以便朝向x方向(作为衍射方向)以及朝向y方向(作为衍射方向)衍射来自发射器的束。
光刻设备中的图6A到6C的实施例的应用示例可以包括：根据图6A的实施例可以用于测量相对于长行程模块的短行程模块位置；由此通过短行程模块设置目标，同时第一光栅、检测器以及回射器设置在长行程模块处。由此可以将第一光栅GR1设置在量测框架MF上或光刻设备的其他参照结构上。根据图6B的实施例可以用于测量相对于长行程模块的短行程模块位置(由此通过短行程模块设置目标，同时第一光栅、检测器以及回射器设置在长行程模块处)。由此，反射表面RFS可以设置在光刻设备的其他参照结构或量测框架MF上，或者也可以设置在短行程或长行程模块上。在这种应用中，根据图6A和6B的实施例都提供目标的测量，因此提供相对于诸如量测框架等参照结构或长行程模块的短行程模块。参照图6C示出并描述的实施例还可以应用于测量短行程模块位置，但是，其提供相对于长行程模块的短行程模块位置的测量的示例。此外，光栅GR1和透射部分设置在短行程模块上，同时检测器SE1设置在长行程模块上。
类似地，参照图2、3、6A-6C示出并描述的实施例可以应用于诸如短行程模块至长行程模块量测，短行程模块至量测框架(或其他参照结构)量测和/或长行程模块至量测框架(或其他参照结构)量测。在这些结构中，不同的量测部件(例如TR、SE1、GR1、TA)可以放置在不同的结构处。作为示例，对于短行程至量测框架量测：发射器TR和检测器SE1放置在平衡质量上，束控向光学元件和回射器RFL1放置在长行程模块上，光栅GR1放置在短行程模块上，以及反射表面RFS放置在量测框架上。
下面将参照图7描述六个自由度传感器的示例。图7示出位置传感器的实施例的俯视图。发射器TR、第一检测器SE1以及第一回射器RFL1与参照图2描述并示出的部件对应。第一光栅GR1上的衍射提供包括第一和负的第一级衍射的第一衍射束，其在x方向上获得方向分量。附加地，图2中示出并且在说明书中称为反射性的目标设置有第二光栅GR2(在本示例中是反射性的)。第二光栅GR2中的每一个的零级衍射沿着参照图2示出并描述的路径并且到达检测器SE1以提供平面外(即，x/y平面外)位置感测，例如倾斜或z位置。提供第二回射器RFL2，配置成反射来自第二光栅GR2的第一级和负的第一级衍射(也称为第二衍射束)经由第一光栅GR1(例如在图2中示出用于倾斜量测)。由于衍射，这些衍射已经获得y方向上的方向分量。源自与第一光栅GR1的第二次碰撞的Y方向上的第一衍射级中的一个被回射器反射。要注意的是，以ry随y量测的角度看，在第二次碰撞的位置处的第一光栅GR1的光栅结构彼此垂直。因而，可以应用两个垂直的光栅，也可以应用交叉光栅(即二维光栅)。这些回射器RFL2加入了沿x方向(即垂直于测量方向)的偏移，以在将束第三次返回至第一光栅GR1并返回至第二光栅以再次通过第二光栅衍射之前将入射束和返回束分开。衍射束每一个被第二检测器SE2检测。目标在y方向上的位移将导致图案GR2沿Y方向的位移，这将影响在第二光栅处的第一和负的第一级衍射，其通过第二检测器SE2以周期信号(由第二光栅GR2的图案的周期性确定的周期性)检测。应该理解，对于在y方向上的位置测量，仅一个第二检测器和一个第二光栅将是足够的。然而，在示出的实施例中，目标在附图的平面内的旋转，即关于z轴的旋转可以通过两个第二检测器SE2的测量值之间的差异得出。
在根据图7的实施例中，第一光栅可以包括二维光栅(例如交叉光栅)。因此，在第一光栅处的衍射不仅提供沿x方向延伸的束，而且提供沿y方向延伸的束。包括第一回射器RFL1、第一检测器SE1、第二光栅GR2以及应用90度旋转(在x-y平面内并且围绕发射器TR)的第二回射器RFL2的传感器结构的重复提供另一第一回射器RFL1、另一第一检测器SE1、另一第二光栅GR2以及另一第二回射RFL2，其可以提供rx(通过另一第一检测器SE1)的测量、通过另一检测器SE2的rz和x的测量。增加参照图4和5公开的干涉仪，或替换地在z方向的平移导致束在第一光栅GR1上的水平移动的情况下提供基于衍射的光学元件能够实现组合的六个自由度的位置测量。二维光栅在第二光栅GR2中的应用在周期结构可用性方面实现沿x和y方向的(理论上的)无限大的测量范围。回到光刻设备的应用，因此获得的单独一个传感器可以设置用于测量光刻设备内的诸如台等可移动部分的位置。然而，由于潜在的紧凑特性和低的部件数(因而潜在的相对低的成本)，也可以在台的不同部分处设置多个这样的传感器，由此使得获得有关弯曲、共振以及台的其他非刚性体行为的信息。
参照图5示出并描述的干涉仪的敏感性可以通过将束反射至目标上多次来加强。此外，可以设置多个分束器和反射镜，其可以提供重复结构，每一次重复将束反射至目标上。在图8A中示出的实施例中，除了分束器和回射器类似于图5的结构，由在两个分束器和两个反射镜上的重复替换邻近第二分束器BS2的回射器，每一次重复配置成将束两次反射到目标上。在这种一个、两个或更多个重复结构的链的末端，设置反射器，其布置用于经由重复结构传播回的束，由此再次被多次反射到目标上。在图8B中，代替分开的分束器和分开的反射镜，用第二和第三分束器BS2、BS3的组件代替第二分束器BS2，第二BS2和第三BS3分束器的分开的表面以V形结构相对于彼此基本上在90度以下的角度布置，并且配置成使得从目标反射到第二分束器的束可以被反射至第三分束器，并且从第三分束器再次反射至目标。类似地，提供包括相对于彼此基本上90度布置的反射镜的V形反射镜结构，其反射通过第二分束器至第三分束器的束，并且反之亦然。V形反射镜结构的中心轴线偏离V形分束器结构的中心轴线，使得束到目标上的连续反射被偏移。在图8C中示出另一结构。在图8C中示出的实施例中，除了与图5的结构类似的分束器和回射器，邻近第二分束器BS2的回射器被分束器和水平反射镜的重复结构替换，每个重复结构配置成将束反射到目标一次。在这种一个、两个或多个重复结构的链的末端，提供反射器，其布置用于经由重复结构传播回的束，由此再次将束多次反射到目标上。水平反射镜可以结合成单个反射镜以实现紧凑的且稳定的设置。如图8A-8C示出的结构可以围绕z轴(即围绕量测轴线)每个“分束器布置”单个地旋转，例如以便获得更为紧凑的方案或提供改进的倾倒/倾斜非敏感性。
在本文中，术语“位置”将被理解成包括在任一个自由度(即x、y、z、rx、ry、rz或其两个或多个的组合)上的位置。术语束将被理解成包括任何类型的辐射束，包括但不限于可见的、红外的、紫外辐射。在图2-8示出的实施例中，通常x方向可以理解为第一衍射方向的示例，而y方向可以理解为第二衍射方向的示例。来自源的辐射束的传播方向在这些实施例中沿z方向传播。如在这些实施例中描述的，第一和/或第二光栅基本上在xy平面内延伸，因此在第一和第二衍射方向的平面内延伸。可以应用任何其他布置。“沿衍射方向的衍射”或“朝向衍射方向的衍射”的表述将要被理解为衍射，由此束的方向由于衍射而改变以便获得衍射方向上的方向分量。在图2、3以及6A-6C示出的示例中，在来自发射器入射到光栅的竖直束提供获得具有水平方向分量(从左至右或反之亦然)的方向的第一(和/或负的第一)级衍射束时，衍射方向被理解成在附图的平面内从左至右的方向(反之亦然)。
在图2-7中，第一级衍射统称为+1，而负的第一级衍射统称为-1。
通常，第一衍射束和第二衍射束将被理解为第一级(和/或负的第一级)衍射束，但是也可以提供第二或更高级衍射。
术语衍射将被理解为包括反射衍射和/或透射衍射。
不同附图的各个部分可以结合，从而得出新的、自定义形成的测量设置。因此，获得对于每个结构测量单个或达到六个自由度的量测结构。
虽然本申请详述了光刻设备在制造ICs中的应用，但是应该理解到，这里描述的光刻设备可以有其他应用，例如制造集成光学系统、磁畴存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCDs)、薄膜磁头等。本领域技术人员应该认识到，在这种替代应用的情况中，可以将这里使用的任何术语“晶片”或“管芯”分别认为是与更上位的术语“衬底”或“目标部分”同义。这里所指的衬底可以在曝光之前或之后进行处理，例如在轨道(一种典型地将抗蚀剂层涂到衬底上，并且对已曝光的抗蚀剂进行显影的工具)、量测工具和/或检验工具中。在可应用的情况下，可以将所述公开内容应用于这种和其他衬底处理工具中。另外，所述衬底可以处理一次以上，例如为产生多层IC，使得这里使用的所述术语“衬底”也可以表示已经包含多个已处理层的衬底。
虽然上面详述了本发明的实施例在光学光刻中的应用，应该注意到，本发明可以有其它的应用，例如压印光刻，并且只要情况允许，不局限于光学光刻。在压印光刻中，图案形成装置中的拓扑限定了在衬底上产生的图案。可以将所述图案形成装置的拓扑印刷到提供给所述衬底的抗蚀剂层中，在其上通过施加电磁辐射、热、压力或其组合来使所述抗蚀剂固化。在所述抗蚀剂固化之后，所述图案形成装置从所述抗蚀剂上移走，并在抗蚀剂中留下图案。
这里使用的术语“辐射”和“束”包含全部类型的电磁辐射，包括：紫外(UV)辐射(例如具有约365、248、193、157或126nm的波长)和极紫外(EUV)辐射(例如具有5-20nm范围的波长)，以及粒子束，例如离子束或电子束。
在允许的情况下，术语“透镜”可以表示不同类型的光学部件中的任何一种或其组合，包括折射式的、反射式的、磁性的、电磁的以及静电的光学构件。
尽管以上已经描述了本发明的具体实施例，但应该认识到，本发明可以以与上述不同的方式来实现。例如，本发明可以采用包含用于描述一种如上面公开的方法的一个或更多个机器可读指令序列的计算机程序的形式，或具有存储其中的这种计算机程序的数据存储介质(例如半导体存储器、磁盘或光盘)的形式。
以上的描述是说明性的，而不是限制性的。因此，本领域的技术人员应当理解，在不背离所附的权利要求的保护范围的条件下，可以对本发明进行修改。

Claims (30)

1.一种位置传感器，配置成测量目标的位置数据，所述位置传感器包括：
辐射源，配置成提供辐射束，辐射束具有传播方向；
第一光栅，配置成将辐射束衍射成在垂直于传播方向的第一衍射方向上具有传播方向分量的至少第一衍射束；
第二光栅，布置在第一衍射束的光学路径上，第二光栅配置成将在第一光栅处被衍射的第一衍射束衍射成在垂直于第一衍射方向和传播方向的第二衍射方向上具有传播方向分量的至少第二衍射束，第二光栅连接至目标；
第一检测器，配置成检测由第一光栅衍射的第一衍射束的至少一部分；和
第二检测器，配置成检测被第一光栅和第二光栅衍射的第二衍射束的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，还包括：
第一回射器；
从辐射源提供的向前光学路径，经由至少一个通过第一光栅的第一级衍射和通过第二光栅的零级衍射至第一回射器；和
从第一回射器提供的反向光学路径，其经由通过第二光栅的零级衍射和至少一个通过第一光栅的第一级衍射至第一检测器。
3.根据权利要求2所述的位置传感器，其中，所述第一回射器配置成反射入射的第一级衍射束，以便再次入射到第一光栅上沿第一衍射方向看时基本上相同的位置处。
4.根据权利要求2或3所述的位置传感器，还包括：
第二回射器；
从辐射源提供的第二向前光学路径，其经由至少一个通过第一光栅的第一级衍射和通过第二光栅的第一级衍射至第二回射器；和
从第二回射器提供的第二反向光学路径，其经由通过第二光栅的第一级衍射和至少一个通过第一光栅的第一级衍射至第二检测器。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的位置传感器，包括两个第二光栅和两个第二检测器。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的位置传感器，其中，所述第一光栅包括二维格栅，配置成将束衍射成在第一和第二衍射方向上分别具有传播方向分量的各个第一衍射束，所述位置传感器还包括：
另一第二光栅，布置在在第一光栅处衍射的第一级衍射束的光学路径中，以便获得在第二衍射方向上的传播方向分量，另一第二光栅配置成衍射在第一光栅处衍射的第一级衍射束，以便获得在第一衍射方向上的传播方向分量，另一第二光栅连接至目标，和
另一第二检测器，配置成检测被另一第二光栅和第一光栅衍射的束的至少一部分。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的位置传感器，还包括干涉仪，通过第一光栅的零级衍射束提供干涉仪的输入束。
8.根据权利要求7所述的位置传感器，其中，所述干涉仪包括双分束器和双干涉仪回射器，并且配置成将干涉束两次反射到目标上。
9.根据权利要求7所述的位置传感器，其中，所述干涉仪包括用以将束反射到目标上至少三次的多个分束器。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的位置传感器，其中，所述第二光栅是反射性的，以将在第一光栅处衍射的第一衍射束的至少一部分从第一光栅反射回至第一光栅，第一回射器定位成用以反射由被第二光栅反射且在第一光栅处衍射的第一级衍射束衍射得到的衍射束。
11.根据权利要求10所述的位置传感器，其中，所述第一回射器配置成反射第一级和负的第一级衍射束。
12.根据权利要求10所述的位置传感器，还包括另一第一回射器，其中第二光栅是反射性的、以将来自第一光栅的第一级和负的第一级衍射束的至少一部分反射回至第一光栅，第一回射器定位成用以反射由被第二光栅反射回至第一光栅且从第一光栅衍射的第一级衍射束衍射得到的第一级衍射束，另一第一回射器定位成用以反射由被第二光栅反射回至第一光栅且从第一光栅衍射的负的第一级衍射束衍射得到的第一级衍射束。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的位置传感器，布置成在利用第一光栅衍射通过目标的透射部分时透射第一级衍射束。
14.一种光刻设备，布置成将图案从图案形成装置转移至衬底上，所述光刻设备包括台和至少一个如前述任一权利要求所述的位置传感器，配置成测量台的位置。
15.根据权利要求14所述的光刻设备，包括至少2个如前述权利要求1-13中任一项所述的位置传感器，每一个位置传感器配置成测量台的位置。
16.根据权利要求15所述的光刻设备，包括至少4个如前述权利要求1-13中任一项所述的位置传感器。
17.根据权利要求15所述的光刻设备，包括至少6个如权利要求1-13中任一项所述的位置传感器。
18.一种位置传感器，配置成测量位置数据，所述位置传感器包括：
辐射源，配置成提供辐射束，辐射束具有传播方向；
设置在目标表面上的反射表面或连接至目标的透射部分；
第一光栅，配置成至少在第一衍射方向上将来自反射表面或透射部分的辐射束衍射成在垂直于传播方向的第一衍射方向上具有传播方向分量的衍射束；
第一回射器，用以将衍射束反射回至第一光栅、以便被第一光栅再次衍射；和
检测器，配置成检测由第一光栅衍射的束的至少一部分，
其中第一回射器配置成反射衍射束、以便再次入射到第一光栅上沿第一衍射方向看时相同的位置处。
19.根据权利要求18所述的位置传感器，其中，所述辐射源、检测器和第一回射器连接至参照结构。
20.根据权利要求19所述的位置传感器，配置成测量目标的位置数据，位置传感器包括反射表面，反射表面设置在目标的表面处并且配置成反射衍射束至第一光栅，第一光栅连接至参照结构。
21.根据权利要求18所述的位置传感器，其中，所述第一回射器配置成当被反射的衍射束被第一光栅衍射时反射被反射的衍射束的另一衍射的第一级和负的第一级衍射束。
22.根据权利要求20所述的位置传感器，包括两个第一回射器，回射器中的一个配置成当被反射的衍射束在第一光栅处被衍射时反射被反射的衍射束的的另一衍射的第一级衍射束，回射器中的另一个配置成当被反射的负的第一级衍射束在第一光栅处被衍射时反射被反射的负的第一级衍射束的另一衍射的第一级衍射束。
23.根据权利要求19所述的位置传感器，配置成测量目标的位置数据并且包括连接至目标且具有与周围介质的折射系数不同的折射系数的透射部分，透射部分定位在第一级衍射束的光学路径中。
24.根据权利要求23所述的位置传感器，其中，所述第一光栅设置在参照结构处。
25.根据权利要求23所述的位置传感器，其中，所述第一光栅设置在透射部分处。
26.根据权利要求18-23中任一项所述的位置传感器，其中，所述检测器包括光电二极管并且配置成提供表示检测的束的强度的输出信号。
27.根据权利要求18-25中任一项所述的位置传感器，配置成检测光学路径长度改变和/或衍射束的相差。
28.一种根据权利要求18-25中任一项所述的位置传感器的测量目标的倾斜的应用。
29.一种根据权利要求26所述的位置传感器作为倾斜传感器的应用。
30.一种根据权利要求27所述的位置传感器作为倾斜传感器的应用。
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