CN102721369B - 一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置，该测量装置包括：激光器、平面镜干涉仪、接收器、读数单元、偏振装置、平面反射镜以及安装于硅片台上的反射透射棱镜，反射透射棱镜具有偏振镜面和反射镜面。平面镜干涉仪沿水平方向至少出射两束光，其中一束经偏振装置与反射透射棱镜的偏振镜面，传播方向由水平方向变为垂直方向，用于测量垂向位移；其余未经偏振装置的测量光，用于测量水平等方向位移。本发明在满足硅片台测量需求的基础上，极大地降低了硅片台体积和质量，提高了硅片台系统动态性能、功耗等性能指标。

Description

一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置

技术领域

本发明涉及一种激光干涉仪测量装置，特别涉及一种利用干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置。

背景技术

在光刻机系统中，硅片台是用于承载硅片做步进扫描运动的运动平台，光刻机的产率和套刻精度决定了硅片台高速、高加速、大行程、超精密的运动特点。硅片台六自由度位移的测量通常采用激光干涉仪测量系统。

定义坐标系水平方向为x向和y向，垂向为z向，绕x、y、z向的转动分别为Rx、Ry、Rz。硅片台六自由度位移中，x向和y向线性位移很大，z向线性位移和转角位移却很小。硅片台六自由度位移测量方案配置：在x向和y向共布置不少于六轴的激光干涉仪；硅片台侧面安装与行程相当的长反射镜配合激光干涉仪，实现x向和y向大行程线性位移的测量；z向线性位移的测量是利用在硅片台侧面x向或y向长反射镜上集成45°反射镜将激光干涉仪出射的水平测量光转化为垂直测量光的方法实现；转角位移的测量则是采用在x向或y向上布置两束及以上的测量光通过差动方法实现。比如在x向不同位置布置四束测量光、在y向不同位置布置两束测量光，即可测得硅片台x向、y向、z向线性位移与Rx向、Ry向、Rz向转角位移。

硅片台六自由度位移测量系统及方案在诸多专利中均有揭露。荷兰ASML公司美国专利US 6,020,964B2（公开日2000年2月1日）、日本Nikon公司美国专利US 6,980,279B2（公开日2005年12月27日）、美国Agilent公司美国专利US 7,158,236B2（公开日2007年1月2日）、美国Agilent公司美国专利US 7,355,719B2（公开日2008年4月8日）中均揭露了类似的硅片台的相应测量系统及方案，即在水平方向布置六轴以上的激光干涉仪，在硅片台侧面安装长反射镜、45°反射镜，在z向安装反射镜，实现硅片台六自由度位移的测量。上述专利中所述测量系统及方案容易实施，经精密装调后可满足硅片台六自由度位移测量行程、测量精度等的需求，但在硅片台的侧面安装长反射镜及45°反射镜将大大增加硅片台厚度，继而加重硅片台的体积和质量，带来硅片台系统动态性能降低、能耗增大、发热严重等一系列问题，这将给硅片台的设计、制造、控制带来极大的挑战。

考虑到上述技术方案的局限，寻求一种配置有反射透射棱镜的激光干涉仪测量装置，该装置能够在保证硅片台多自由位移测量需求的基础上，大大降低硅片台的厚度、质量，进而降低硅片台的设计、制造、控制难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置，使其在满足硅片台多自由度位移测量需求的基础上，能够有效降低长反射镜及硅片台质量，提高系统的动态性能。

本发明的技术方案如下：

一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置，包括激光器、第一平面镜干涉仪、长反射镜、平面反射镜，接收器和读数单元，测量多自由度位移的装置还包括偏振装置；长反射镜安装于硅片台上，平面反射镜安装于测量机架上；其特征在于：所述的长反射镜采用反射透射棱镜，反射透射棱镜含有偏振镜面和反射镜面，反射镜面与硅片台的一个侧面平行或重合，偏振镜面与反射镜面呈锐角，该锐角通常为45°；所述偏振镜面能够使振动方向相互垂直的两束线偏振测量光中的一束透射，另一束反射；偏振装置位于第一平面镜干涉仪与反射透射棱镜之间的一条光路上；所述的第一平面镜干涉仪至少出射两束测量光。

激光器发出的光经第一平面镜干涉仪后，至少出射两束沿x向测量光，其中一束测量光经偏振装置后，光矢量振动方向改变90°，该束测量光入射至反射透射棱镜的偏振镜面后发生反射，反射的光束沿z向入射至平面反射镜后再发生反射，继而沿原光路返回至第一平面镜干涉仪；其余测量光入射至偏振镜面后发生透射，透射光束入射至反射镜面后发生反射，反射光束沿原光路返回第一平面镜干涉仪；当硅片台在多个自由度方向上运动时，第一平面镜干涉仪处将形成包含多个自由度位移信息的光信号，光信号经光纤传播由接收器接收后转化为电信号，电信号经读数单元进行计数、解算，最终输出硅片台的多自由度位移测量值。

本发明的另一技术特征是：所述装置还包括第二平面镜干涉仪、分光镜和反射镜，第二平面镜干涉仪出光方向与y向平行，激光器出射的光经分光镜分光后，一束入射至第一平面镜干涉仪，另一束入射至第二平面镜干涉仪，反射镜安装于硅片台的一个侧面上，且与反射透射棱镜的安装面相邻；所述的反射镜通常采用平面长反射镜。本技术方案可实现更多自由度位移的测量。

本发明具有以下优点及突出性效果：在满足硅片台多自由位移测量需求的基础上，显著降低了长反射镜及硅片台体积和质量，使硅片台系统的动态性能、功耗、散热等方面性能得到了提升，最终降低了硅片台的设计、制造和控制难度。

附图说明

图1为本发明利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置实施例的简单示意图。

图2为第一平面镜干涉仪两测量轴的侧视图。

图3为反射透射棱镜安装在硅片台上的结构示意图，其中有两束光通过反射透射棱镜。

图4为第一平面镜干涉仪三测量轴的侧视图。

图5为反射透射棱镜安装在硅片台上的结构示意图，其中有三束光通过反射透射棱镜。

图6为第一平面镜干涉仪四测量轴的侧视图。

图7为反射透射棱镜安装在硅片台上的结构示意图，其中有四束光通过反射透射棱镜。

图8为采用两个平面镜干涉仪测量硅片台六自由度位移的实施例的简单示意图。

图9为第二平面镜干涉仪两测量轴的侧视图。

其中：1—激光器；2—第一平面镜干涉仪，2a—第一平面镜干涉仪z向测量轴，2b—第一平面镜干涉仪x向测量轴；3—偏振装置；4—反射透射棱镜；4a—偏振镜面；4b—反射镜面；5—硅片台；6—平面反射镜；7—测量机架；8—接收器；9—读数单元；10—反射镜；11—第二平面镜干涉仪；11a—第二平面镜干涉仪y向测量轴；12—分光镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

请参考图1，图1为本发明利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置实施例的简单示意图，如图1所示，一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置，包括激光器1、第一平面镜干涉仪2、长反射镜、平面反射镜6，接收器8和读数单元9，测量多自由度位移的装置还包括偏振装置3；长反射镜安装于硅片台5上，平面反射镜6安装于测量机架7上；所述的长反射镜采用反射透射棱镜4，反射透射棱镜4含有偏振镜面4a和反射镜面4b，反射镜面4b与硅片台5的一个侧面平行或重合，偏振镜面4a与反射镜面4b呈锐角，该锐角通常为45°；所述偏振镜面4a能够使振动方向相互垂直的两束线偏振测量光中的一束透射，另一束反射；偏振装置3位于第一平面镜干涉仪2与反射透射棱镜4之间的一条光路上；所述的第一平面镜干涉仪2至少出射两束测量光。

激光器1发出的光经第一平面镜干涉仪2后，至少出射两束沿x向的测量光，其中一束测量光经偏振装置3后，光矢量振动方向改变90°，该束测量光入射至反射透射棱镜4的偏振镜面4a后发生反射，反射的光束沿z方向入射至平面反射镜6后再发生反射，继而沿原光路返回至第一平面镜干涉仪2；其余测量光入射至偏振镜面4a后发生透射，透射光束入射至反射镜面4b后发生反射，反射光束沿原光路返回第一平面镜干涉仪2；当硅片台5在多个自由度方向上运动时，第一平面镜干涉仪2处将形成包含多个自由度位移信息的光信号，光信号经光纤传播由接收器8接收后转化为电信号，电信号经读数单元9进行计数、解算，最终输出硅片台5的多自由度位移测量值。

请参考图2和图3，图2为第一平面镜干涉仪两测量轴的侧视图；图3为反射透射棱镜安装在硅片台上的结构示意图，其中有两束光通过反射透射棱镜。所述第一平面镜干涉仪z向测量轴2a用于测量z向位移，硅片台5沿z向运动时，所述测量装置输出z向位移测量值。所述的第一平面镜干涉仪x向测量轴2b用于测量x向位移，硅片台5沿x向运动时，所述测量装置输出x向位移测量值。

随着位移测量需求的提高，需配置更多测量轴的平面镜干涉仪。请参考图4、图5、图6和图7。图4为第一平面镜干涉仪三测量轴的侧视图；图5为反射透射棱镜安装在硅片台上的结构示意图，其中有三束光通过反射透射棱镜。所述的第一平面镜干涉仪z向测量轴2a用于测量z向位移，硅片台5沿z向运动时，所述测量装置输出z向位移测量值。所述的第一平面镜干涉仪x向测量轴2b用于测量x向位移和绕z向转角，硅片台5沿x向运动和绕z向转动时，所述装置的x向测量值分别为x1、x2，所述测量装置输出的x向位移和绕z向转角Rz通过解算x1和x2得出。

图6为第一平面镜干涉仪四测量轴的侧视图，图7为反射透射棱镜安装在硅片台上的结构示意图，其中有四束光通过反射透射棱镜。所述的第一平面镜干涉仪z向测量轴2a用于测量z向位移，所述的第一平面镜干涉仪x向测量轴2b用于测量x向位移、绕z向转角、绕y向转角。所述测量装置输出z向位移为测量值z，所述装置的x向测量值分别为x1、x2、x3，所述测量装置输出的x向位移、绕z向转角Rz和绕y向转角Ry通过解算测量值x1、x2、x3得出。通过配置多轴平面镜干涉仪可增加测量自由度和提高测量精度。

硅片台通常需六自由度超精密位移测量，需对一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置进行扩展，即在y向增加平面镜干涉仪及相应测量部件。所述测量装置还包括第二平面镜干涉仪11、分光镜12和反射镜10，第二平面镜干涉仪11出光方向与y向平行，激光器1出射的光经分光镜12分光后，一束入射至第一平面镜干涉仪2，另一束入射至第二平面镜干涉仪11，反射镜10安装在硅片台5的一个侧面上，且与反射透射棱镜4的安装面相邻，反射镜10常采用平面长反射镜。

图8为采用两个平面镜干涉仪测量硅片台六自由度位移实施例的简单示意图。请参考图8，激光器1出射激光至分光镜12，一束入射至沿x向布置的第一平面镜干涉仪2，侧视图请参考图6；另一束入射至沿y向布置的平面镜干涉仪11，侧视图请参考图9。所述的第一平面镜干涉仪z向测量轴2a用于测量z向位移，所述的第一平面镜干涉仪x向测量轴2b用于测量x向位移、绕z向转角、绕y向转角。所述测量装置输出z向位移为测量值z，所述装置的x向测量值分别为x1、x2、x3，所述测量装置输出的x向位移、绕z向转角Rz和绕y向转角Ry通过解算测量值x1、x2、x3得出。第二平面镜干涉仪y向测量轴11a出射测量光入射到反射镜10后反射，反射光沿原光路返回，用于测量y向位移和绕x向转角。所述装置的y向测量值分别为y1、y2，所述测量装置输出的y向位移和绕x方向转角通过解算测量值y1、y2得出。为了提高六自由度位移测量精度，大于六轴的测量配置方案常被采用。图8中仅描述了利用本发明测量装置测量硅片台六自由度位移的一种实施例。

上述的测量装置、测量配置方案，在保证硅片台测量需求的基础上，能够较大的降低硅片台体积和质量，使硅片台的动态性能、能耗等指标得到提升，降低硅片台的设计、制造、控制难度。

Claims (3)

1.一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置，包括激光器(1)、第一平面镜干涉仪(2)、长反射镜、平面反射镜(6)，接收器(8)和读数单元(9)，测量多自由度位移的装置还包括偏振装置(3)；长反射镜安装于硅片台(5)上，平面反射镜(6)安装于测量机架(7)上；其特征在于：所述装置还包括第二平面镜干涉仪(11)、分光镜(12)和反射镜(10)，第二平面镜干涉仪(11)出光方向与y向平行，激光器(1)出射的光经分光镜(12)分光后，一束入射至第一平面镜干涉仪(2)，另一束入射至第二平面镜干涉仪(11)，反射镜(10)安装在硅片台(5)的一个侧面上，且与反射透射棱镜(4)的安装面相邻；所述的长反射镜采用反射透射棱镜(4)，反射透射棱镜(4)含有偏振镜面(4a)和反射镜面(4b)，反射镜面(4b)与硅片台(5)的一个侧面平行或重合，偏振镜面(4a)与反射镜面(4b)呈锐角；所述偏振镜面(4a)能够使振动方向相互垂直的两束线偏振测量光中的一束透射，另一束反射；偏振装置(3)位于第一平面镜干涉仪(2)与反射透射棱镜(4)之间的一条光路上；所述的第一平面镜干涉仪(2)至少出射两束测量光；

激光器(1)发出的光经第一平面镜干涉仪(2)后，至少出射两束沿x向的测量光，其中一束测量光经偏振装置(3)后，光矢量振动方向改变90°，该束测量光入射至反射透射棱镜(4)的偏振镜面(4a)后发生反射，反射的光束沿z向入射至平面反射镜(6)后再发生反射，继而沿原光路返回至第一平面镜干涉仪(2)；其余测量光入射至偏振镜面(4a)后发生透射，透射光束入射至反射镜面(4b)后发生反射，反射光束沿原光路返回第一平面镜干涉仪(2)；当硅片台(5)在多个自由度方向上运动时，第一平面镜干涉仪(2)处将形成包含多个自由度位移信息的光信号，光信号经光纤传播由接收器(8)接收后转化为电信号，电信号经读数单元(9)进行计数、解算，最终输出硅片台(5)的多自由度位移测量值。

2.根据权利要求1所述的一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置，其特征在于：偏振镜面(4a)与反射镜面(4b)呈45°。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用激光干涉仪测量硅片台多自由度位移的装置，其特征在于：反射镜(10)采用平面长反射镜。