CN102841506B - 一种激光干涉仪测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种激光干涉仪测量系统及其测量方法，激光器发出激光；直角长条反射镜安装在载物台侧面，其两个反射面与载物台水平面成45°，激光沿水平方向入射直角长条反射镜，经过两个反射面反射后形成测量光；折射薄膜覆盖探测器，折射薄膜的上表面与水平面成45°，测量光的第一部分以45°入射角入射到折射薄膜表面形成第一相干光；测量光的第二部分通过镜组模块的至少一次反射后，以45°入射角入射到折射薄膜表面形成第二相干光，第一相干光与第二相干光在折射薄膜上位置相同，经过折射薄膜折射后发生干涉形成干涉条纹，被探测器探测；根据干涉条纹的频率计算载物台的垂向运动速率，获得垂向位移。本系统及方法布局简单，不挡住镜头的成像光线。

Description

一种激光干涉仪测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于激光干涉仪测量领域，特别涉及测量载物台垂向位移的激光干涉仪测量系统。

背景技术

在光刻机系统中，激光干涉仪可以精确测量工件台和掩模台(统称载物台)的位置及旋转。对于光刻机载物台水平方向X向或Y向的测量(在此定义坐标系垂向为Z向，水平方向为X向和Y向)，可直接在载物台侧面安装垂直于水平方向入射光的长方形反射镜，测量X坐标和Y坐标。而载物台侧面无需载物，所以侧面安装和行程相当的长方形反射镜，可以在大行程内测量载物台的X坐标或Y坐标。

垂向的测量与以上有所区别。一般说来，载物台垂向行程不大，水平向行程却很大。载物台中间往往需要载物，不能在载物台垂向表面安装一面和水平向的行程相当的大镜子直接反射垂向测量光，因此，无法采用类似测量X坐标和Y坐标的方法测量Z。

专利US7333174B2和专利US7355719提出的垂向测量方案都是在载物台一侧安装一45度反射镜，将光线反射至镜头下部，同时镜头底部安装一平行反射镜将光线原路返回，带回垂向位置信息。由于载物台水平向具有很大的行程，该方法要求镜头下部的反射镜足够长以覆盖载物台的全行程范围，反射镜还不能挡住镜头的成像光线，这给设计带来了很大的困难。

专利CN200910050529提出了一种折射方案，在载物台上面安装一折射镜，将测量光折射至镜头另一侧的反射镜，再沿原路返回，形成测量光，但载物台上方的空间有限，所装折射镜的大小又至少要覆盖垂向行程，该方法必然会拉大载物台和镜头之间的距离，影响曝光性能，同时该方法也未能完全避免镜头上的反射镜。

发明内容

本发明要解决的技术问题是载物台垂向位移测量中反射镜的布局难以覆盖载物台的全行程范围以及挡住镜头的成像光线。

本发明提供了一种激光干涉仪测量系统，包括：

激光器，发出激光；

由两个相互垂直的长条平面镜组成的直角长条反射镜，安装在载物台侧面，所述直角长条反射镜的两个反射面与载物台水平面成45°，所述激光沿水平方向入射到所述直角长条反射镜，经过所述两个反射面的反射后出射形成测量光；

接收器模块，包括探测器和折射薄膜，所述折射薄膜覆盖所述探测器，所述测量光的第一部分入射到所述折射薄膜的上表面，形成第一相干光；

镜组模块，包括至少一个平面反射镜，为第一平面反射镜，所述测量光的第二部分通过所述镜组模块的至少一次反射后，入射到所述折射薄膜的上表面，形成第二相干光，所述第一相干光与所述第二相干光在所述折射薄膜上的位置相同；

所述第一相干光和所述第二相干光经过所述折射薄膜折射后在所述折射薄膜底面发生干涉，形成干涉条纹，所述干涉条纹被所述探测器探测。

进一步，所述测量光被所述折射薄膜分为两部分，所述测量光的第二部分经过所述折射薄膜反射后再入射到所述镜组模块。

优选的，所述接收器模块还包括一个第二平面反射镜，所述测量光经过所述第二平面反射镜反射后，再入射到所述折射薄膜的上表面。

优选的，所述折射薄膜的上表面与所述水平面成45°，所述测量光的第一部分以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面，所述测量光的第二部分通过所述镜组模块的至少一次反射后沿原路返回后，以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面。

进一步，所述镜组模块还包括分光镜、偏振分光镜和四分之一波片，所述接收器模块还包括第二平面反射镜，所述测量光通过所述分光镜分为两部分，所述测量光的第二部分经过所述偏振分光镜反射后通过所述四分之一波片入射到所述第一反射镜形成反射光，所述反射光经所述第一反射镜反射后沿原路返回，通过所述四分之一波片后入射到所述偏振分光镜，经所述偏振分光镜透射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。

进一步，所述激光是双频激光。

进一步，所述镜组模块还包括第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射镜，所述测量光经所述第一偏振分光镜分为两部分，所述测量光的第一部分为第二偏振光，所述测量光的第二部分为第一偏振光。

进一步，所述第一偏振光经所述第一平面反射镜反射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。

进一步，所述第二偏振光依次经过所述第二偏振分光镜、第一四分之一波片、第二平面反射镜后沿原路返回，再依次经过所述第二偏振分光镜和所述第二四分之一波片后入射到所述折射薄膜，形成所述第一相干光。

优选的，所述折射薄膜上表面涂有透射膜。

本发明还提供了一种激光干涉仪测量方法，包括：

激光器发出激光；

由两个相互垂直的长条平面镜组成的直角长条反射镜安装在载物台侧面，所述直角长条反射镜的两个反射面与载物台水平面成45°，所述激光沿水平方向入射到所述直角长条反射镜，经过所述两个反射面的反射后出射形成测量光；

包括探测器和折射薄膜的接收器模块，所述折射薄膜覆盖所述探测器，所述测量光的第一部分入射到所述折射薄膜的上表面，形成第一相干光；

包括至少第一平面反射镜的镜组模块，所述测量光的第二部分通过所述镜组模块的至少一次反射后，入射到所述折射薄膜的上表面，形成第二相干光，所述第一相干光与所述第二相干光在所述折射薄膜上的位置相同；

所述第一相干光和所述第二相干光经过所述折射薄膜折射后在所述折射薄膜底面发生干涉，形成干涉条纹，所述干涉条纹被所述探测器探测；

根据所述干涉条纹的频率计算所述载物台的垂向运动速率，获得载物台垂向位移。

进一步，所述测量光被所述折射薄膜分为两部分，所述测量光的第二部分经过所述折射薄膜反射后再入射到所述镜组模块。

进一步，所述接收器模块还包括一个第二平面反射镜，所述测量光经过所述第二平面反射镜反射后，再入射到所述折射薄膜的上表面。

优选的，所述折射薄膜的上表面与所述水平面成45°，所述测量光的第一部分以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面，所述测量光的第二部分通过所述镜组模块的至少一次反射后沿原路返回后，以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面。

进一步，所述镜组模块还包括分光镜、偏振分光镜和四分之一波片，所述接收器模块还包括第二平面反射镜，所述测量光通过所述分光镜分为两部分，所述测量光的第二部分经过所述偏振分光镜反射后通过所述四分之一波片入射到所述第一反射镜形成反射光，所述反射光经所述第一反射镜反射后沿原路返回，通过所述四分之一波片后入射到所述偏振分光镜，经所述偏振分光镜透射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。

进一步，所述激光是双频激光。

进一步，所述镜组模块还包括第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射镜，所述测量光经所述第一偏振分光镜分为两部分，所述测量光的第一部分为第二偏振光，所述测量光的第二部分为第一偏振光。

进一步，所述第一偏振光经所述第一平面反射镜反射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。

进一步，所述第二偏振光依次经过所述第二偏振分光镜、第一四分之一波片、第二平面反射镜后沿原路返回，再依次经过所述第二偏振分光镜和所述第二四分之一波片后入射到所述折射薄膜，形成所述第一相干光。

优选的，所述折射薄膜上表面涂有透射膜。

本发明激光干涉仪测量系统及其测量方法的优点在于在载物台测量布置直角长条反射镜，布局简单、可以减小载物台倾斜带来的测量误差，能覆盖载物台的全行程范围且不挡住镜头的成像光线。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1为本发明激光干涉仪测量系统一种实施方式示意图；

图2为本发明激光干涉仪测量系统另一种实施方式示意图；

图3为载物台安装直角长条反射镜的示意图；

图4为接收器中折射薄膜的干涉原理图；

图5为本发明激光干涉仪测量系统采用双频激光干涉仪的实施方式示意图；

图6为图5中实施方式载物台静止时光程计算示意图；

图7为图5中实施方式载物台运动时光程计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

实施例1

本实施例提供了一种六自由度载物台干涉仪测量系统，用以测量载物台的垂向位置。如图1所示，本测量系统由激光器1，直角长条反射镜3，平面镜组，接收器6组成，平面镜组包括平面反射镜4和平面反射镜5。直角长条反射镜3由两个相互垂直的长条平面镜组成，安装在载物台2的侧面，其直角边所在平面与载物台所在的水平面成45°，如图3所示。激光器1发出的激光沿水平方向入射到直角长条反射镜3，经过直角长条反射镜3的两个反射面后沿水平方向入射到接收器6，一部分光经接收器反射后入射到平面反射镜5，再沿原路返回到接收器6。直角长条反射镜3和接收器6之间还可以有平面反射镜4，使入射光以45°入射角入射到接收器6，接收器接收面与水平方向成45°放置。这里的45°放置方式只是一种较优方式，实质上可以采用其他角度放置，只要接收器6接收面和平面反射镜5能够配合使用。

实施例1提供一种单频激光干涉仪测量光路的具体方案。激光器1发出单频率的激光，经过载物台侧面的直角长条反射镜后，带回了载物台的垂向位置信息，该位置信息通过反射光的位置变化来体现。从载物台返回的光直接照射到接收器上，或者通过平面反射镜4反射后照射到接收器6上，作为第一相干光；同时，接收器中折射薄膜反射一部分光至平面反射镜5，经平面反射镜5反射后沿原路返回，入射到接收器6，经平面反射镜6返回的光作为第二相关光，第二相关光与第一相干光照射到折射薄膜的同一个位置，经折射薄膜折射后，在薄膜的另一侧形成干涉。

图4图示了第一相干光603和第二相干光604在接收器上的折反射情况，接收器由探测器601和折射薄膜602组成，折射薄膜位于探测器601表面。接收器中的折射薄膜越薄，折射率越大，第一相干光603和第二相干光604分别折射后在薄膜后侧的探测器601上的相交区域越大，这时形成干涉条纹605。同时，折射薄膜的折射率大还可以减小两束相干光之间的夹角，使干涉效果更明显。

载物台向上移动时，图4中的第一相干光603向右移动，折射薄膜反射位置和平面反射镜5之间的距离变短，第二相干光604的光程变短；同理，载物台向下移动时，图4中的第一相干光603向左移动，折射薄膜反射位置和平面反射镜5之间的距离变长，第二相干光604的光程变长。随着载物台上下移动，探测器601上将产生上下移动的明暗变化的干涉条纹，该条纹的明暗变化频率反应了载物台的垂向运动速度。载物台水平向移动对干涉条纹没有影响。

图2给出了一种光路经过调整的实现方式。该实现方式在图1光路中增加了分光镜201，偏振分光镜202和1/4波片203，通过直角长条反射镜3两个长条反射面后入射到分光镜201，分成透射光204和反射光205，透射光直接入射到或者通过平面镜4入射到接收器6的折射薄膜表面形成第一相干光，反射光经过偏振分光镜202后改变传播方向90°垂直入射到1/4波片203后，再经平面镜5反射后沿原路返回后再经过1/4波片203，此时反射光经过偏振分光镜202时为透射光，不改变传播方向，入射到第一相干光在接收器折射薄膜反射位置处，形成第二相干光。

光程计算：设载物台垂向移动距离Z；由平面几何知识可得两束相干光的光程差为：2*Z+Δ；其中Δ项为机械安装引起的恒定光程差。

该实施例的激光也可以使用双频激光。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上加以改进，作为本测量系统采用双频激光干涉仪的典型光路，实施例中的长条直角反射镜、接收器放置等没有改变，但接收器材料的参数需根据具体情况进行调整。

如图5所示，激光器发出两偏振方向垂直、频率分别为f1，f2的线偏振光，两个频率的偏振光经位于载物台侧面的直角长条反射镜反射后到达偏振分光镜301。频率为f1的线偏振光L1经偏振分光镜301反射向下，再经平面反射镜5反射至接收器6，频率为f2的线偏振光L2经偏振分光镜301透射。透射后的L2经过偏振分光镜302透射，经过1/4波片303旋转偏振方向，经过平面反射镜304反射，再沿原路返回到1/4波片303，经过1/4波片303旋转偏振方向后，经过偏振分光镜302反射，再经过1/4波片305投射到接收器上，形成第一相干光。反射后的L1经过平面反射镜5的反射后，投射到接收器6，形成第二相干光。第一相干光和第二相干光在接收器上的接收位置相同，通过折射薄膜折射后在折射薄膜底面发生干涉，形成干涉条纹。

接收器6的结构与实施例1中的接收器类似，但这里产生干涉的是两束光的折射分量，可以给折射薄膜上表面涂上透射膜，使其主要能量折射至探测器上。两个频率相近的光将在探测器上产生拍频干涉现象。

光程计算过程如下：

参考图5、图6所示，L1，L2为从载物台反射过来的光，由平面几何知识可知，在进入接收器前，L2比L1多经过的光程为h；随着载物台的上下移动，L2的光路将会上下移动，参考图7，L2比L1多经过的光程将会在h1至h2之间变化；该光程差的变化正好反应了载物台垂向的运动，由干涉条纹测试出光程差就可以测出载物台垂向姿态。

当载物台移动时，设载物台水平向移动速度为V_h，垂向移动速度为V_v，接收器处两束光的频率将发生变化，设为f₁′f₂′。频率变化量分别为：Δf₁，Δf₂；则由多普勒效应得：

f₁′＝f₁+Δf₁  (1)

f₂′＝f₂+Δf₂  (2)

$\mathrm{\Δ}{f}_1=\frac{(2V_h+V_v)}{c}*f_1---\left(3\right)$

$\mathrm{\Δ}{f}_2=\frac{(2V_h-V_v)}{c}*f_2---\left(4\right)$

${f_2}^{\′}-{f_1}^{\′}=f_2-f_1+\frac{2V_h}{c}(f_2-f_1)-\frac{V_v}{c}(f_2+f_1)---\left(5\right)$

对于市场上现有的激光干涉仪，其频率约为4.74e14Hz，输出频率f2和f1的差Δf₁≈2e6Hz

从公式(5)可以看出，载物台水平向的移动V_h对测量结果几乎没有影响，接收器检测到的干涉条纹的频率，即两束光的频率差只跟垂向运动速度V_v有关，根据频率计算出垂向运动速度，速度积分即为垂向位移。

应当指出，实施例2只是提出了一种针对本发明的典型的双频干涉仪测量光路，在此基础上对光路中的1/4波片、平面镜、偏振分光镜的布置均可以根据实际需要进行更改，应属于本发明保护范围。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，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 (20)

1.一种激光干涉仪测量系统，其特征在于，包括： 

激光器，发出激光； 

由两个相互垂直的长条平面镜组成的直角长条反射镜，安装在载物台侧面，所述直角长条反射镜的两个反射面与载物台水平面成45°，所述激光沿水平方向入射到所述直角长条反射镜，经过所述两个反射面的反射后出射形成测量光； 

接收器模块，包括探测器和折射薄膜，所述折射薄膜覆盖所述探测器，所述测量光的第一部分入射到所述折射薄膜的上表面，形成第一相干光； 

镜组模块，包括至少一个平面反射镜，为第一平面反射镜，所述测量光的第二部分通过所述镜组模块的至少一次反射后，入射到所述折射薄膜的上表面，形成第二相干光，所述第一相干光与所述第二相干光在所述折射薄膜上的位置相同； 

所述第一相干光和所述第二相干光经过所述折射薄膜折射后在所述折射薄膜底面发生干涉，形成干涉条纹，所述干涉条纹被所述探测器探测。 

2.根据权利要求1所述的激光干涉仪测量系统，其特征在于，所述测量光被所述折射薄膜分为两部分，所述测量光的第二部分经过所述折射薄膜反射后再入射到所述镜组模块。 

3.根据权利要求2所述的激光干涉仪测量系统，其特征在于，所述接收器模块还包括一个第二平面反射镜，所述测量光经过所述第二平面反射镜反射后，再入射到所述折射薄膜的上表面。 

4.根据权利要求1所述的激光干涉仪测量系统，其特征在于，所述折射薄膜的上表面与所述水平面成45°，所述测量光的第一部分以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面，所述测量光的第二部分通过所述镜组模块的至少一次反射后沿原路返回后，以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面。 

5.根据权利要求1所述的激光干涉仪测量系统，其特征在于，所述镜组模块还包括分光镜、偏振分光镜和四分之一波片，所述接收器模块还包括第二平面反射镜，所述测量光通过所述分光镜分为两部分，所述测量光的第二部分经过所述偏振分光镜反射后通过所述四分之一波片入射到所述第一平面反射镜形成反射光，所述反射光经所述第一平面反射镜反射后沿原路返回，通过所述四分之一波片后入射到所述偏振分光镜，经所述偏振分光镜透射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。 

6.根据权利要求1所述的激光干涉仪测量系统，其特征在于，所述激光是双频激光。 

7.根据权利要求6所述的激光干涉仪测量系统，其特征在于，所述镜组模块还包括第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射镜，所述测量光经所述第一偏振分光镜分为两部分，所述测量光的第一部分为第二偏振光，所述测量光的第二部分为第一偏振光。 

8.根据权利要求7所述的激光干涉仪测量系统，其特征在于，所述第一偏振光经所述第一平面反射镜反射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。 

9.根据权利要求7所述的激光干涉仪测量系统，其特征在于，所述第二偏振光依次经过所述第二偏振分光镜、第一四分之一波片、第二平面反射镜后沿原路返回，再依次经过所述第二偏振分光镜和所述第二四分之一波片后入射到所述折射薄膜，形成所述第一相干光。 

10.根据权利要求5或6所述的激光干涉仪测量系统，其特征在于，所述折射薄膜上表面涂有透射膜。 

11.一种激光干涉仪测量方法，其特征在于，包括： 

激光器发出激光； 

由两个相互垂直的长条平面镜组成的直角长条反射镜安装在载物台侧面，所述直角长条反射镜的两个反射面与载物台水平面成45°，所述激光沿水平方向入射到所述直角长条反射镜，经过所述两个反射面的反射后出射形成测量光； 

包括探测器和折射薄膜的接收器模块，所述折射薄膜覆盖所述探测器，所述测量光的第一部分入射到所述折射薄膜的上表面，形成第一相干光； 

包括至少第一平面反射镜的镜组模块，所述测量光的第二部分通过所述镜组模块的至少一次反射后，入射到所述折射薄膜的上表面，形成第二相干光，所述第一相干光与所述第二相干光在所述折射薄膜上的位置相同； 

所述第一相干光和所述第二相干光经过所述折射薄膜折射后在所述折射薄膜底面发生干涉，形成干涉条纹，所述干涉条纹被所述探测器探测； 

根据所述干涉条纹的频率计算所述载物台的垂向运动速率，获得载物台垂向位移。 

12.根据权利要求11所述的激光干涉仪测量方法，其特征在于，所述测量光被所述折射薄膜分为两部分，所述测量光的第二部分经过所述折射薄膜反射后再入射到所述镜组模块。 

13.根据权利要求12所述的激光干涉仪测量方法，其特征在于，所述接收器模块还包括一个第二平面反射镜，所述测量光经过所述第二平面反射镜反射后，再入射到所述折射薄膜的上表面。 

14.根据权利要求11所述的激光干涉仪测量方法，其特征在于，所述折射薄膜的上表面 与所述水平面成45°，所述测量光的第一部分以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面，所述测量光的第二部分通过所述镜组模块的至少一次反射后沿原路返回后，以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面。 

15.根据权利要求11所述的激光干涉仪测量方法，其特征在于，所述镜组模块还包括分光镜、偏振分光镜和四分之一波片，所述接收器模块还包括第二平面反射镜，所述测量光通过所述分光镜分为两部分，所述测量光的第二部分经过所述偏振分光镜反射后通过所述四分之一波片入射到所述第一平面反射镜形成反射光，所述反射光经所述第一平面反射镜反射后沿原路返回，通过所述四分之一波片后入射到所述偏振分光镜，经所述偏振分光镜透射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。 

16.根据权利要求11所述的激光干涉仪测量方法，其特征在于，所述激光是双频激光。 

17.根据权利要求16所述的激光干涉仪测量方法，其特征在于，所述镜组模块还包括第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射镜，所述测量光经所述第一偏振分光镜分为两部分，所述测量光的第一部分为第二偏振光，所述测量光的第二部分为第一偏振光。 

18.根据权利要求17所述的激光干涉仪测量方法，其特征在于，所述第一偏振光经所述第一平面反射镜反射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。 

19.根据权利要求17所述的激光干涉仪测量方法，其特征在于，所述第二偏振光依次经过所述第二偏振分光镜、第一四分之一波片、第二平面反射镜后沿原路返回，再依次经过所述第二偏振分光镜和所述第二四分之一波片后入射到所述折射薄膜，形成所述第一相干光。 

20.根据权利要求15或16所述的激光干涉仪测量方法，其特征在于，所述折射薄膜上表面涂有透射膜。