CN103197510A - 一种掩膜台垂直运动分量的测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种掩膜台垂直运动分量的测量装置与方法属于半导体制造装备技术领域，主要涉及一种掩膜台垂直运动分量的测量方法与装置；该装置将掩膜台配置在水平运动导轨上，并且在掩膜台的上方配置四个激光三角位移传感器；该方法通过四个激光三角位移传感器的位置坐标构成测量变换阵，利用该变换阵求解掩模台垂直运动分量；由于该装置采用了激光三角位移传感器，充分发挥了其测量位移的优势，因此装置结构简单，可根据被测面不同的表面特性选择不同类型的传感器，无需对被测表面进行镀膜等处理；该方法使用四组独立的位移信息，经过测量模型解算，能够精确地得到掩膜台的垂直运动分量，测量精度高、测量范围大、直观、易于实现。

Description

一种掩膜台垂直运动分量的测量装置与方法

技术领域

一种掩膜台垂直运动分量的测量装置与方法属于半导体制造装备技术领域，主要涉及一种掩膜台垂直运动分量的测量方法与装置。

背景技术

光刻机是半导体芯片制造中重要的超精密系统型工程设备，掩膜台则是其最为关键的部件之一。为了提高制造芯片的集成度和精度，对掩膜台的运动性能提出越来越高的要求。掩膜台是在高速条件下承载曝光过程中的原始图形(即掩膜板)的载体，与工件台配合完成扫描曝光动作，通过曝光过程将原始图形刻蚀到晶圆上。

掩膜台Z向位置测量技术对于提高光刻机分辨率、套刻精度等具有至关重要的作用。由于光刻过程中，为提高产能需使掩膜台具有较高的运动速度，以减少单片晶圆的加工时间，客观上要求掩膜台的位置测量系统具有较快的动态响应特性；此外，由于硅片刻蚀精度的不断提高，以及为提高产能，刻蚀的硅片尺寸越来越大，客观上要求掩膜台的位置测量精度和测量范围需进一步提高。由此可见，掩膜台的运动速度和运动加速度的提高，对微位移测量系统提出更大的挑战。因此为了对掩膜台实现精确扫描定位控制，必须能够对掩膜台六自由度位移进行精确的测量。

提高掩膜台六自由度位移测量精度和动态响应特性是目前光刻机掩膜台定位技术发展的目标之一。对于六自由度的测量，可以使用双频激光干涉仪进行测量。专利CN1362692A采用双频激光干涉仪为主要部件，同时包含了分光镜、二维位置灵敏器件等部件，通过光路的搭建，组成了激光扫描跟踪仪，能够实现六自由度测量的功能。但是由于使用部件较多，整个系统的结构非常复杂，不利于应用在掩膜台六自由度位移的测量。类似的利用干涉仪进行多自由度测量的方法，在国外也有很多研究，美国专利US6020964、US7158236、US6980279提出了几套由激光干涉仪组成的测量系统进行位置测量的技术方案。这些技术方案同样因为测量系统越庞大，补偿就越复杂，使得位置测量系统中的位置计算速度和测量效率大幅降低。电容传感器具有非接触、高频响、高精度等优势，专利CN102221323A提出了一种利用平面电容进行多自由度位移测量的方法，该方法由移动极板和固定极板组成，固定极板上分布有正方形的电容电极阵列，能够通过这些阵列在不同位置得到的测量信息，并经过解耦得到六自由度位移信息。但是该方法使用的电极共有八组，且测量模型复杂，难于实现快速高精度测量，不能满足掩膜台的多自由度测量需求。专利CN102768470A掩模台垂向测量装置，提出利用至少三个电容传感器，将电容传感器交错布置于掩模台下方。该方法存在的缺点是电容传感器本身测量范围小，工作距离短，且当将其布置于掩模台下方时，由于实际要检测的是承版台上表面的姿态，这时掩模台下表面的形貌误差必须从电容传感器的测量数据中剔除，增加了系统的复杂度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种掩膜台垂直运动分量的测量装置与方法，不仅结构简单、无需对被测表面进行镀膜等处理，而且测量精度高、测量范围大、直观、易于实现。

本发明的目的是这样实现的：

一种掩膜台垂直运动分量的测量装置，包括水平运动导轨，配置在水平运动导轨上方，且能够沿水平运动导轨方向运动的掩膜台，在掩膜台上方配置有测量框架，测量框架上固定安装有第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器、第三激光三角位移传感器和第四激光三角位移传感器，其中，第一激光三角位移传感器与第四激光三角位移传感器的连线与水平运动导轨方向垂直，第一激光三角位移传感器与第二激光三角位移传感器的连线与水平运动导轨方向平行；第三激光三角位移传感器与第四激光三角位移传感器的连线与水平运动导轨方向平行；第二激光三角位移传感器与第三激光三角位移传感器位于第一激光三角位移传感器与第四激光三角位移传感器连线的两端；所述的测量框架相对于水平运动导轨静止；掩膜台位于水平运动导轨中间位置时，第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器、第三激光三角位移传感器和第四激光三角位移传感器的测量光斑均能照射到掩膜台上，掩膜台在水平运动导轨上运动时，掩膜台的边缘不越过第一激光三角位移传感器与第四激光三角位移传感器的连线。

上述的一种掩膜台垂直运动分量的测量装置，第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器、第三激光三角位移传感器和第四激光三角位移传感器类型相同，为漫反射型或镜反射型。

上述的一种掩膜台垂直运动分量的测量装置，所述的测量光斑为点光斑、圆光斑、线光斑或椭圆光斑。

一种掩膜台垂直运动分量的测量方法，第一激光三角位移传感器、第二激光三角位移传感器、第三激光三角位移传感器和第四激光三角位移传感器的位置坐标分别为(x1，0)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，0)，其中：x1＝-x4＜0，x2＝-x3＜0，y3＝-y2＜0；其垂直方向Z的测量值组成矩阵Sens＝[Z1，Z2，Z3，Z4]，利用四个传感器坐标位置构成测量变换阵PrinvC，以及公式Dof＝PrinvC×Sens，得到掩模台垂直运动分量Dof＝[z Rx Ry]，其中z为掩模台Z向位置，Rx和Ry分别为掩模台绕x轴和y轴的旋转角。

上述的一种掩膜台垂直运动分量的测量方法，将掩膜台运动的y轴方向分成五个区域：第一区域对应y＜-L/2+y2；第二区域对应-L/2+y2＜y＜-L/2+y2+2R第三区域对应-L/2+y2+2R＜y＜L/2+y3-2R；第四区域对应L/2+y3-2R＜y＜L/2+y3；第五区域对应y＞L/2+y3；其中，L为掩膜台的长度，R为光斑y向半宽。

在第二区域和第四区域，采用插值函数求取矩阵Sens＝[Z1，Z2，Z3，Z4]的系数。

所述的插值函数为三次多项式函数。

由于本发明掩膜台垂直运动分量的测量装置与方法，该装置采用了激光三角位移传感器，充分发挥了其测量位移的优势，因此装置结构简单，可根据被测面不同的表面特性选择不同类型的传感器，无需对被测表面进行镀膜等处理；该方法使用四组独立的位移信息Z1，Z2，Z3，Z4经过测量模型解算，能够精确地得到掩膜台的垂直运动分量z、Rx、Ry，该方法测量精度高、测量范围大、直观、易于实现。

附图说明

图1是本发明掩膜台垂直运动分量的测量装置结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图中：101第一激光三角位移传感器、102第二激光三角位移传感器、103第三激光三角位移传感器、104第四激光三角位移传感器、105测量框架、106掩膜台、107水平运动导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例的掩膜台垂直运动分量的测量装置结构示意图如图1所示，图2是图1的俯视图。该测量装置包括水平运动导轨107，配置在水平运动导轨107上方，且能够沿水平运动导轨107方向运动的掩膜台106，在掩膜台106上方配置有测量框架105，测量框架105上固定安装有漫反射型的第一激光三角位移传感器101、第二激光三角位移传感器102、第三激光三角位移传感器103和第四激光三角位移传感器104，其中，第一激光三角位移传感器101与第四激光三角位移传感器104的连线与水平运动导轨107方向垂直，第一激光三角位移传感器101与第二激光三角位移传感器102的连线与水平运动导轨107方向平行；第三激光三角位移传感器103与第四激光三角位移传感器104的连线与水平运动导轨107方向平行；第二激光三角位移传感器102与第三激光三角位移传感器103位于第一激光三角位移传感器101与第四激光三角位移传感器104连线的两端；所述的测量框架105相对于水平运动导轨107静止；掩膜台106位于水平运动导轨107中间位置时，第一激光三角位移传感器101、第二激光三角位移传感器102、第三激光三角位移传感器103和第四激光三角位移传感器104的测量光斑均能照射到掩膜台106上，掩膜台106在水平运动导轨107上运动时，掩膜台106的边缘不越过第一激光三角位移传感器101与第四激光三角位移传感器104的连线。

本实施例的掩膜台垂直运动分量的测量装置，第一激光三角位移传感器101、第二激光三角位移传感器102、第三激光三角位移传感器103和第四激光三角位移传感器104还可以选择为镜反射型。

本实施例的掩膜台垂直运动分量的测量装置，所述的测量光斑为圆光斑。

本实施例的掩膜台垂直运动分量的测量方法，第一激光三角位移传感器101、第二激光三角位移传感器102、第三激光三角位移传感器103和第四激光三角位移传感器104的位置坐标分别为(x1，0)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，0)，其中：x1＝-x4＜0，x2＝-x3＜0，y3＝-y2＜0；其垂直方向Z的测量值组成矩阵Sens＝[Z1，Z2，Z3，Z4]，利用四个传感器坐标位置构成测量变换阵PrinvC，以及公式Dof＝PrinvC×Sens，得到掩模台106垂直运动分量Dof＝[z Rx Ry]，其中z为掩模台106Z向位置，Rx和Ry分别为掩模台106绕x轴和y轴的旋转角。

这里规定SP1＝-L/2+y2，SP2＝-L/2+y2+2R，SP3＝L/2+y3-2R，SP4＝L/2+y3，其中，L为掩膜台106的长度，R为光斑y向半宽；将掩膜台106运动的y轴方向分成五个区域：第一区域对应y＜SP1；第二区域对应SP1＜y＜SP2；第三区域对应SP2＜y＜SP3；第四区域对应SP3＜y＜SP4；第五区域对应y＞SP4。

(一)当掩膜台106位于第一区域时，Z3对于z，Rx，Ry的变化不敏感，即Z3不再随着z，Rx，Ry的变化而变化。对于Z1和Z4，z的变化方向与其相同，所以系数为1；Z1和Z4中心位于x轴上，所以其值不受Rx影响；根据Ry的正向易知，Ry增大，Z1增大，Z4减小。由以上分析可得Z1，Z4的输出值与z，Rx，Ry具有如下的关系：

$\left\{\begin{array}{c}Z1=z+0\·\mathrm{Rx}+(-x1)\·\mathrm{Ry}\\ Z4=z+0\·\mathrm{Rx}+x1\·\mathrm{Ry}\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于Z2，类似Z1、Z4的分析过程：z的变化方向与其相同，所以系数为1；根据Rx的正向易知，Rx增大，Z2增大；根据Ry的正向易知，Ry增大，Z2增大。所以Z2输出值与z，Rx，Ry具有如下的关系：

Z2＝z+y2·Rx+(-x2)·Ry    (2)

将式(1)、(2)并包含Z3后写成矩阵的形式如下：

$\left[\begin{array}{c}Z1\\ Z2\\ Z3\\ Z4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -x1\\ 1& y2& -x2\\ 0& 0& 0\\ 1& 0& x1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}z\\ \mathrm{Rx}\\ \mathrm{Ry}\end{array}\right]---\left(3\right)$

(二)当掩膜台106位于第五区域时，Z2对于z，Rx，Ry的变化不敏感，即Z2不再随着z，Rx，Ry的变化而变化。Z1和Z4的分析与第(一)类相同。对于Z3：z的变化方向与其相同，所以系数为1；根据Rx的正向易知，Rx增大，Z3减小；根据Ry的正向易知，Ry增大，Z3减小。所以Z3输出值与z，Rx，Ry具有如下的关系：

Z3＝z+(-y2)·Rx+x2·Ry    (4)

将式(1)、(4)并包含Z2后写成矩阵的形式如下：

$\left[\begin{array}{c}Z1\\ Z2\\ Z3\\ Z4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -x1\\ 0& 0& 0\\ 1& -y2& x2\\ 1& 0& x1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}z\\ \mathrm{Rx}\\ \mathrm{Ry}\end{array}\right]---\left(5\right)$

(三)当掩膜台106位于第三区域时，Z1，Z2，Z3，Z4的输出值均受到z，Rx，Ry的影响，由式(1)、(2)、(4)，可得矩阵形式如下：

$\left[\begin{array}{c}Z1\\ Z2\\ Z3\\ Z4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -x1\\ 1& y2& -x2\\ 1& -y2& x2\\ 1& 0& x1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}z\\ \mathrm{Rx}\\ \mathrm{Ry}\end{array}\right]---\left(6\right)$

记Sens，Dof分别为：

$\mathrm{Sens}=\left[\begin{array}{c}Z1\\ Z2\\ Z3\\ Z4\end{array}\right],\mathrm{Dof}=\left[\begin{array}{c}z\\ \mathrm{Rx}\\ \mathrm{Ry}\end{array}\right]$

C为转移矩阵，则式(3)、(5)、(6)可以统一表示为：

Sens＝C·Dof    (7)

对式(7)进行运算：

Sens＝C·Dof

C^TSens＝(C^TC)·Dof    (8)

∴Dof＝[(C^TC)^-1·C^T]Sens

式(8)中PrinvC＝(C^TC)^-1·C^T为矩阵C的伪逆矩阵(Pseudo Inverse of C)。

利用矩阵运算，可以得到对应于第(一)、(二)、(三)类(C^TC)^-1·C^T分别为：

$\mathrm{PrinvC}=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& 0& 0& \frac{1}{2}\\ -\frac{1}{2}\·\frac{x1+x2}{y2\·x1}& \frac{1}{y2}& 0& \frac{1}{2}\·\frac{-x1+x2}{y2\·x1}\\ -\frac{1}{2}\·\frac{1}{x1}& 0& 0& \frac{1}{2}\·\frac{1}{x1}\end{array}\right]---\left(9\right)$

$\mathrm{PrinvC}=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& 0& 0& \frac{1}{2}\\ -\frac{1}{2}\·\frac{-x1+x2}{y2\·x1}& 0& -\frac{1}{y2}& \frac{1}{2}\·\frac{-x1+x2}{y2\·x1}\\ -\frac{1}{2}\·\frac{1}{x1}& 0& 0& \frac{1}{2}\·\frac{1}{x1}\end{array}\right]---\left(10\right)$

$\mathrm{PrinvC}=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}& \frac{1}{4}\\ -\frac{1}{2}\·\frac{x2}{y2\·x1}& \frac{1}{2}\·\frac{1}{y2}& -\frac{1}{2}\·\frac{1}{y2}& \frac{1}{2}\·\frac{x2}{y2\·x1}\\ -\frac{1}{2}\·\frac{1}{x1}& 0& 0& \frac{1}{2}\·\frac{1}{x1}\end{array}\right]---\left(11\right)$

由式(8)、(9)、(10)、(11)即可得到Z传感器的测量公式：

Dof＝PrinvC·Sens    (12)

以上给出了沿着y轴的三个范围内，Z传感器测量公式，通过观察，可以得到以下结论：

对于z，在三个范围内，Z1和Z4的系数总是相同的，Z2和Z3的系数总是相同的；

对于Rx，在三个范围内，Z1，Z2，Z3，Z4的系数总是不相同的；

对于Ry，在三个范围内，Z2和Z3的系数总是为零；Z1和Z4的系数总是异号的并且与y的位置无关。

由上述结论，式(12)展开后，可以写成如下的形式：

z＝W_14z(Z1+Z4)+W_23z(Z2+Z3)

Rx＝W_1Rx·Z1+W_2Rx·Z2+W_3Rx·Z3+W_4Rx·Z4    (13)

Ry＝W_14Ry(Z1+Z4)

式中W_14z，W_23z，W_1Rx，W_2Rx，W_3Rx，W_4Rx，W_14Ry是对应的Z1，Z2，Z3，Z4的系数。

(四)当掩膜台106位于第二区间时，第二激光三角位移传感器102从半个光斑照射掩模台106，到整个光斑照射到掩模台106的过程中，其测量值也逐渐变得准确，将其加入与测量矩阵的运算其权值逐渐增大，为使测量数据更准确，这个区域中对系数进行插值函数逼近处理，要求满足光滑过渡条件。本实施例中采用三次多项式函数进行插值逼近，对于W_14z，W_23z，W_1Rx，W_2Rx，W_3Rx，W_4Rx，W_14Ry分别存在不同的逼近函数，计算原理相同，下面以以W_14z插值函数的为例说明在过渡区处如何获得。

在本过渡区内，将y值进行归一化处理如下：

$\mathrm{qy}1=\frac{y-\mathrm{SP}1}{\mathrm{SP}2-\mathrm{Sp}1}$

这里计算SP1和SP2之间W_14z的三次插值函数，W_14z＝c0+c1·qyl+c2·qyl²+c3·qyl³，当y＝SP1时，W_14z＝1/2；当y＝SP2时，W_14z＝1/4，即在第(4)类情况下，需要满足下列条件：

$W_{14z}\left(0\right)=\frac{1}{2},W_{14z}\left(1\right)=\frac{1}{4},\frac{{\mathrm{dW}}_{14z}}{\mathrm{dqyl}}{|}_{\mathrm{qyl}=0}=0,\frac{{\mathrm{dW}}_{14z}}{\mathrm{dqyl}}{|}_{\mathrm{qyl}=1}=0---\left(14\right)$

由式(14)可以确定四个方程，而W_14z的三次插值函数共含有四个参数，因此可以唯一确定一组参数为：

c1＝0，

由此得到W_14z在SP1和SP2之间的三次插值函数为：

$W_{14z}=\frac{1}{2}-\frac{3}{4}{\mathrm{qyl}}^2+\frac{1}{2}{\mathrm{qyl}}^3---\left(15\right)$

用上述公式可在SP1和SP2区间内找到相应y位置的W_14z值。同理也可得到其余系数W_23z，W_1Rx，W_2Rx，W_3Rx，W_4Rx，W_14Ry。

(五)当掩膜台106位于第四区间时，第三激光三角位移传感器103从半个光斑照射掩模台，到整个光斑照射到掩模台的过程中，将其加入与测量矩阵的计算时，其相应位置的测量系数W_14z，W_23z，W_1Rx，W_2Rx，W_3Rx，W_4Rx，W_14Ry的求取同上。

Claims (7)

1.一种掩膜台垂直运动分量的测量装置，其特征在于：包括水平运动导轨（107），配置在水平运动导轨（107）上方，且能够沿水平运动导轨（107）方向运动的掩膜台（106），在掩膜台（106）上方配置有测量框架（105），测量框架（105）上固定安装有第一激光三角位移传感器（101）、第二激光三角位移传感器（102）、第三激光三角位移传感器（103）和第四激光三角位移传感器（104），其中，第一激光三角位移传感器（101）与第四激光三角位移传感器（104）的连线与水平运动导轨（107）方向垂直，第一激光三角位移传感器（101）与第二激光三角位移传感器（102）的连线与水平运动导轨（107）方向平行；第三激光三角位移传感器（103）与第四激光三角位移传感器（104）的连线与水平运动导轨（107）方向平行；第二激光三角位移传感器（102）与第三激光三角位移传感器（103）位于第一激光三角位移传感器（101）与第四激光三角位移传感器（104）连线的两端；所述的测量框架（105）相对于水平运动导轨（107）静止；掩膜台（106）位于水平运动导轨（107）中间位置时，第一激光三角位移传感器（101）、第二激光三角位移传感器（102）、第三激光三角位移传感器（103）和第四激光三角位移传感器（104）的测量光斑均能照射到掩膜台（106）上，掩膜台（106）在水平运动导轨（107）上运动时，掩膜台（106）的边缘不越过第一激光三角位移传感器（101）与第四激光三角位移传感器（104）的连线。

2.根据权利要求1所述的一种掩膜台垂直运动分量的测量装置，其特征在于：第一激光三角位移传感器（101）、第二激光三角位移传感器（102）、第三激光三角位移传感器（103）和第四激光三角位移传感器（104）类型相同，为漫反射型或镜反射型。

3.根据权利要求1所述的一种掩膜台垂直运动分量的测量装置，其特征在于：所述的测量光斑为点光斑、圆光斑、线光斑或椭圆光斑。

4.一种掩膜台垂直运动分量的测量方法，其特征在于：第一激光三角位移传感器（101）、第二激光三角位移传感器（102）、第三激光三角位移传感器（103）和第四激光三角位移传感器（104）的位置坐标分别为（x1，0），（x2，y2），（x3，y3），（x4，0），其中：x1=-x4<0，x2=-x3<0，y3=-y2<0；其垂直方向Z的测量值组成矩阵Sens=[Z1,Z2,Z3,Z4]，利用四个传感器坐标位置构成测量变换阵PrinvC，以及公式Dof=PrinvC×Sens，得到掩模台（106）垂直运动分量Dof=[z Rx Ry]，其中z为掩模台（106）Z向位置，Rx和Ry分别为掩模台（106）绕x轴和y轴的旋转角。

5.根据权利要求4所述的一种掩膜台垂直运动分量的测量方法，其特征在于：将掩膜台（106）运动的y轴方向分成五个区域：第一区域对应y<-L/2+y2；第二区域对应-L/2+y2<y<-L/2+y2+2R；第三区域对应-L/2+y2+2R <y< L/2+y3-2R；第四区域对应L/2+y3-2R<y< L/2+y3；第五区域对应y> L/2+y3；其中，L为掩膜台（106）的长度，R为光斑y向半宽。

6.根据权利要求5所述的一种掩膜台垂直运动分量的测量方法，其特征在于：在第二区域和第四区域，采用插值函数求取矩阵Sens=[Z1,Z2,Z3,Z4]的系数。

7.根据权利要求6所述的一种掩膜台垂直运动分量的测量方法，其特征在于：所述的插值函数为三次多项式函数。

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