CN102374844A - 一种测量工件台垂向位置的装置 - Google Patents

Abstract

一种测量工件台垂向位置的装置，该装置包括：光源，发射出平行光束；调制光栅，对来自光源的光束进行调制；第一显微物镜，对来自调制光栅的光束进行缩束；工件台；第二显微物镜，对从工件台反射回来的测量光束进行扩束；测量光栅，接收来自第二显微物镜的测量光束；探测器，接收从测量光栅出射的光束，并对其进行测量，得到角反射镜的高度。其中，工件台的侧面安装有一个角反射镜，该角反射镜能将入射光束平行反射回去，测量光栅上的光栅条纹与入射到测量光栅上的光束条纹成一夹角，两个光栅的周期为光源发出的光束的波长的100倍以上，光束穿过测量光栅后形成莫尔条纹。

Description

一种测量工件台垂向位置的装置

技术领域

本发明涉及一种测量运动台的位置的测量装置，尤其涉及用于测量光刻机中的工件台的垂向位置的测量装置。

背景技术

光学位置测量的技术被越来越广泛应用于各种精加工设备中。相对于其它测量方法，光学测量有着非接触、高精度等诸多优点。作为精加工设备中的明珠的光刻机，更是把光学测量作为其所有位置测量的核心工具。

用于承放硅片和掩模的工件台，其水平向精度的要求要高于垂向精度的要求。随着工艺要求的日益提升，近年来也逐步要求工件台的垂向位置能够快速而精确地得到测量。

为此，美国专利US7,355,719 B2、US7,158,236 B2、US6,980,279 B2中提出了几套采用激光干涉仪进行位置测量的技术方案。他们大致是以不同方式在工件台上安装反射镜，将水平入射的测量光束反射为竖直向上(如图5、图6所示)。安装在工件台上方的另一个反射镜将该竖直向上的光束反射回工件台上的反射镜，经过工件台上的反射镜后，光束再次由竖直光束变成水平出射光束，最后返回干涉仪。这种系统的测量光束其相位变化包含了工件台的水平位置变化和垂向位置变化两个信息。利用另一路单独的水平位置洲量信息，可以从中提取出工件台的垂向位置变化。

这类方法可以利用激光干涉仪的高分辨率测量工件台的垂向位置，然而它把水平向的光束变换成垂向光束的过程中需要经过多个镜面的反射。光束经过的镜面越多，镜面不平整度、镜子安装不到理想位置等因素会大大降低测量的精度。另外，当工件台存在倾斜时，安装在工件台上的平面反射镜也会跟着倾斜，从而使光束长度产生余弦误差。

这类方法的测量光线普遍都经过较长距离的传播，但是测量的目标长度只是这些长度的一小部分。这样势必会大幅降低测量信息的信噪比。经过如此长距离的传播，借助光波波长进行距离测量的干涉仪信号很容易受环境因素的影响。而且，这类方法由于基于光束的长度来测量工件台位置，很容易引入余弦误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能高精度地测量工件台垂向位置的测量装置。

本发明提出了一种测量工件台垂向位置的装置，该装置包括：

光源，发射出平行光束；

调制光栅，对来自光源的光束进行调制；

第一显微物镜，对来自调制光栅的光束进行缩束；

第二显微物镜，对从工件台反射回来的测量光束进行扩束；

测量光栅，接收来自第二显微物镜的测量光束，其周期与调制光栅的周期相同；

探测器，接收从测量光栅出射的光束，并对其进行测量，得到角反射镜的高度，

其中，工件台的侧面安装有一个角反射镜，该角反射镜能将入射光束平行反射回去，测量光栅上的光栅条纹与入射到测量光栅上的光束条纹成一夹角，两个光栅的周期为光源发出的光束的波长的100倍以上，光束穿过测量光栅后形成莫尔条纹。

其中，光源是激光器。

其中，第一显微物镜对光束的直径进行缩小，第二显微物镜对光束进行扩束。

其中，光源和探测器均被安装于基准架上。

其中，装置对工件台位置的测量精度满足：

D＝(A×sinθ)/2F

其中D为装置对工件台位置的测量精度，A为探测器的探测精度，θ为测量光栅上的光栅条纹与入射到测量光栅上的光束条纹之间的夹角，F为第二显微物镜的放大倍率。

本发明通过在工件台侧面安装一个角反射镜，一束明暗条纹的平行光束水平入射在角反射镜上，并被反射回来，反射光经过一与明暗条纹成一倾斜角度的光栅后产生莫尔条纹并被光敏元件探测。其中，为了产生明暗条纹的平行光束，采用平行光通过周期远大于波长的光栅，这样衍射基本可忽略，从而产生明暗条纹的平行光，进一步的，为了减小该平行光的束径，采用一显微物镜把该平行光束径缩小并入射到工件台的角反射镜上，对应的，在角反射镜的反射光上放置另外一个显微物镜，把反射光的束径扩大。

当工件台的高度发生变化时，由角反射镜反射回来的光束水平高度相应发生变化，探测光栅后的莫尔条纹在对应方向上的位置也发生了变化，并且在另一方向上放大了该光束位置变化，并被光敏元件探知。

相对于现有技术，本发明利用光束位置实现对工件台位置的测量。具有以下几个优点：

该方法更加直接有效而地测量工件台的高度，其对高度的测量不受工件台旋转和倾斜的影响；

该方法不使用激光波长进行长度测量，可以有效减小测量信号对环境、对光束几何位置的过度依赖；

由于不需要在工件台侧面、工件台的上方等多个地方额外地粘贴平面反射镜，而是使用成套的角反射镜，使得测量信号受镜面形貌影响的因素减小，准确率更高；

利用显微物镜对光束位置的放大作用，莫尔条纹对光束移动的放大作用，有效地实现了对测量信号的光学放大；

通过利用光栅的莫尔条纹进行位置测量，本发明可以实现对工件台垂向位置的高精度测量。

附图说明

通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1所示为根据本发明的测量系统与光刻机中其它部件之间的相对位置关系；

图2所示为根据本发明的测量系统的结构示意图；

图3所示为根据本发明的测量系统中光束穿过调制光栅得到的条纹的示意图；

图4所示为根据本发明的测量系统中测量光栅与入射到测量光栅上的条纹之间的角度关系示意图；

图5、6所示为现有技术中的测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

如图1所示，本发明的测量系统可用于光刻机中测量工件台的光学位置。图2所示为根据本发明所构成的测量系统。该系统包括激光器1，调制光栅2，第一显微物镜3，安装于工件台5一侧的角反射镜4，第二显微物镜6，探测光栅7和探测器8。其中，调制光栅2和探测光栅7均为透射光栅。

激光器1产生的光束经过调制光栅2后，携带了光栅的明暗条纹信息。第一显微物镜3对光束起缩小光束直径的作用。缩小了直径的光束经工件台上的角反射镜反射后，第二显微物镜6对光束进行扩束。之后，携带了调制光栅2的光栅信息的测量光束照射在探测光栅7上，且光栅条纹与探测光栅7的条纹成一个夹角，从而在穿过探测光栅7之后形成莫尔条纹，以便于探测器8对该条纹进行探测。该夹角较小时，达到的效果较好，例如小于5度时。

图2中的激光器1和探测器8均安装在基准框架上。当工件台5在Z向存在移动时，由工件台5上的角反射镜4反射回来的光束便会在Z向相应的产生移动。如当工件台5往上移动一个距离Z₀，则经过它反射回来的光束将会向上移动距离2*Z₀。当工件台5移动一个距离-Z₀，则经过它反射回来的光束将会移动距离2*(-Z₀)。如此通过探测反射光束的位置，可测得工件台5的Z向位置。

根据本发明的一个实施例，调制光栅2的周期为0.3mm；激光器1为氦氖激光器，经过调制光栅2之后形成的光束为宽度为15mm的条纹光斑。即，经过调制光栅2之后，光束中带有50个周期的条纹。根据光栅衍射公式

d·sinθ＝n·λ

其中，d为光栅的周期，λ为光的波长，n为衍射的级次，θ为该衍射级次光的衍射角度。

此时光栅周期已经远大于波长，根据该公式，产生的衍射效应将会很小。经过调制光栅后，将形成如图3所示的条纹光束。

第一显微物镜3的倍率取0.1，因此照射在角反射镜上的光栅宽度为1.5mm，周期为30um。

第二显微物镜6的倍率取10，它将光束条纹放大成0.3mm的周期。

探测光栅7的周期与光束经第二显微物镜6之后的条纹周期相同，均为0.3mm，但其光栅条纹的方向与测量光条纹存在一个较小的夹角θ，以便形成莫尔条纹，从而实现对光束的位置变化进行有效放大。图4为两个光栅条纹交叉重叠时形成莫尔条纹的示意图，莫尔条纹宽度同光栅周期的关系为

$W=\frac{d}{\sin \mathrm{\θ}}\≈\frac{d}{\mathrm{\θ}}$

其中d为光栅的周期，θ为形成莫尔条纹的两个光栅之间的角度，W为所形成的莫尔条纹的周期。

当两组条纹在横向相对移动时，便会在条纹的纵向产生莫尔条纹移动。取二者的夹角为1.15度，后者的移动速度将会是前者移动速度的50倍。

若探测器8使用探测精度为1um的二维位置探测器(PSD)，则经工件台反射的光束只要移动2nm，探测器探测到的莫尔条纹的移动便为

2nm×10×50＝1um

此时，探测器8能够探测到光斑的移动。即，由于角反射镜的作用，换算到工件台，探测系统对工件台移动的探测精度为1nm。

若选取第二显微物镜6的视场为3mm，则该系统对工件台的探测量程可以达到1.5mm。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种测量工件台垂向位置的装置，该装置包括：

光源，发射出平行光束；

调制光栅，对来自光源的光束进行调制；

第一显微物镜，对来自调制光栅的光束进行缩束；

第二显微物镜，对从工件台反射回来的测量光束进行扩束；

测量光栅，接收来自第二显微物镜的测量光束；

探测器，接收从测量光栅出射的光束，并对其进行测量，得到角反射镜的高度，

其特征在于，工件台的侧面安装有一个角反射镜，该角反射镜能将入射光束平行反射回去，测量光栅上的光栅条纹与入射到测量光栅上的光束条纹成一夹角，两个光栅的周期为光源发出的光束的波长的100倍以上，光束穿过测量光栅后形成莫尔条纹。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，光源是激光器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一显微物镜对光束的直径进行缩小，第二显微物镜对光束进行扩束。

4.根据权利要求1至3其中之一所述的装置，其特征在于，光源和探测器均被安装于基准架上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，装置对工件台位置的测量精度满足：

D＝(A×sinθ)/2F

其中D为装置对工件台位置的测量精度，A为探测器的探测精度，θ为测量光栅上的光栅条纹与入射到测量光栅上的光束条纹之间的夹角，F为第二显微物镜的放大倍率。

6.根据权利要求1至5其中之一所述的装置，其特征在于所述夹角小于5度。

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