CN104061864A - 一种基于平面光栅的硅片台大行程运动测量系统 - Google Patents

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张鸣
刘峰
成荣
杨开明
支凡
张利
赵彦坡
胡清平
田丽
徐登峰
尹文生
穆海华
张金
陈安林
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Abstract

一种基于平面光栅的硅片台大行程运动测量系统，属于超精密测量技术领域。该测量系统包含平面光栅与读数头阵列，平面光栅安装在硅片台动台下表面，读数头阵列安装在定台上。每个读数头能够测量动台两个方向位移，任一时刻平面光栅下方覆盖三个及三个以上的读数头；因此，当硅片台动台进行大行程平面运动时，通过读数头之间的切换，能够实现动台的位移测量。本发明采用二维高精度平面光栅作为测量元件，在硅片台运动区域内布置多个读数头，满足硅片台大行程运动的测量需求；读数头与平面光栅之间测量光路短，环境变化引起的误差较小，同时将平面光栅布置在动台上，避免了测量系统对硅片台运动产生线缆扰动。

Description

一种基于平面光栅的硅片台大行程运动测量系统
技术领域
本发明涉及硅片台六自由度大行程运动测量系统，尤其涉及一种大行程平面运动的高精密测量方案，主要应用于半导体加工制造和检测设备中，属于超精密测量技术领域。
背景技术
在光刻机系统中，硅片台用于承载硅片进行步进扫描运动。光刻机的产率和套刻精度决定了硅片台高速、高加速度、大行程与超精密的运动特点。目前硅片台平面运动的测量主要采用光学测量法、电感测量法和电容测量法等，光学测量法在超精密测量中相对较为成熟，是目前应用较为广泛的位移测量方法。
在光刻机硅片台运动测量中，往往采用基于激光干涉仪的测量方法。根据所需测量的自由度的数目，配置相应轴数的激光干涉仪测量系统，或者利用冗余测量的方法，采用多余自由度轴数的激光干涉仪，降低解算难度，并提高测量精度。为实现提高测量范围，满足硅片台大行程运动的应用需求，硅片台上需要安装长反射镜及45°反射镜(参见美国专利US7,355,719 B2)。这种布置方案将会大大增加硅片台体积与重量，进而导致硅片台动态性能降低、能耗增大、发热严重等一系列问题。同时，利用激光进行测量时，光路随着运动行程增大而增长，且激光易受环境影响。为保证高精度测量，需要进行严格的环境控制，给光刻机系统的设计、控制带来极大的挑战。
针对上述问题，世界上超精密测量领域的各大公司与研究机构展开了一系列研究，主要集中于基于衍射干涉原理的光栅测量系统。例如在美国专利US7,289,212 B2中，采用两块长条形光栅配合三个读数头实现对掩模台的运动测量，但是该方案中只能实现一个方向的大行程测量，并且当掩模台运动范围超出上述三个读数头布置区域后，该测量方案失效。美国专利US8,665,455 B2采用多个读数头按照一维阵列进行布置，并通过四个一维阵列正交布置实现对硅片台大行程平面运动的测量，方案中光栅布置在硅片台上表面，读数头以阵列形式布置在硅片台上方。但是该方案中的硅片台运动行程受限于读数头的布置方式，即当硅片台上的光栅处于正交布置的读数头阵列下方时，测量系统才能正常工作。
发明内容
本发明旨在提供一种基于平面光栅的硅片台大行程运动测量系统，用以实现硅片台大行程平面运动的高精密测量，具有测量光路短、受环境影响小等特点。
本发明的技术方案如下：
一种基于平面光栅的硅片台运动测量系统，含有硅片台定台、硅片台动台、平面光栅和读数头，其特征在于：所述的平面光栅安装在硅片台动台底面，测量面朝向硅片台定台；所述的读数头采用多个，多个读数头成二维阵列布置在硅片台定台上，并分布安装在硅片台动台的运动区域内，且靠近硅片台定台的上表面，读数头与平面光栅之间保留间隙；每个读数头同时测量硅片台动台两个方向上的位移，即x方向和z方向或者y方向和z方向；二维阵列的每行中的测量x方向和z方向的读数头与测量y方向和z方向的读数头间隔布置，相邻两行的读数头之间对齐布置或者错列布置；当所述的硅片台动台进行平面运动时，任意时刻下平面光栅覆盖至少三个读数头。
上述技术方案中，所述的平面光栅采用一块，或者采用多块二维平面光栅拼接而成。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：该测量系统采用二维读数头阵列与平面光栅，通过在硅片台动台运动区域内布置多个读数头，实现对硅片台大行程运动的测量。二维读数头阵列减少了对动台运动区域的限制。同时，平面光栅安装在动台上，避免了线缆干扰。与采用激光干涉仪的测量方案相比，本发明提供的测量系统光路更短，环境变化引起的误差较小。
附图说明
图1为发明提供的一种基于平面光栅的硅片台大行程运动测量系统的示意图。
图2a、2b和2c分别表示出平面光栅的组成方式。
图3a、3b分别表示出读数头阵列的两种形式。
图中：1－硅片台定台；2－读数头；3－平面光栅；4－硅片台动台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式做进一步的说明。
图1给出了本发明提供的一种基于平面光栅的硅片台大行程运动测量系统的示意图。运动系统含有硅片台动台4与硅片台定台1。硅片台动台4利用无铁芯平面电机作为驱动元件，采用气浮或者磁浮实现大范围平面运动。平面光栅3安装在硅片台动台4下表面，测量面朝向硅片台定台1，可以采用螺钉连接、粘接的方式安装。平面光栅3与硅片台定台1之间也保留间隙，避免工作时损坏光栅。读数头2安装在硅片台定台1之上，且靠近定台上表面，缩短测量光路，降低环境变化对测量精度的影响。在硅片台运动范围内，布置多个读数头，多个读数头成阵列安装。每个读数头测量硅片台动台4两个方向的线性位移，即x方向和z向，或者y方向和z方向。为实现六自由度运动测量，任意时刻处于平面光栅3测量面下方的读数头2的数量至少为三个，进而解算出硅片台动台六自由度位移。硅片台动台4进行大行程运动时，在不同的位置上使用的传感器也不同。不同传感器根据位置进行切换，处于硅片台动台4下方的读数头反馈位置信息，处于硅片台动台之外的读数头不工作。
图2a、图2b和图2c表示出本发明中平面光栅的组成方式。由于每个读数头只能测量两个自由度的运动，因此在进行六自由度测量时，需要同时使用多个读数头。而读数头2成阵列布置，因此对平面光栅的尺寸有一定的要求，使其能够至少覆盖3个读数头。因此本发明中平面光栅3的第一种组成方式为由一大块平面光栅组成，如图2(a)所示。但是，考虑到大型光栅制作难度较大，且成本较高，因此可以采用多块小平面光栅拼接成一块大平面光栅进行测量。本发明中给出了两种拼接方式，第一种方式为紧密拼接方式，即每两个相邻光栅之间不存在间隙，如图2(b)所示；第二种方式为间隙拼接方式，此种拼接方式中，相邻平面光栅之间存在一定的间隙，如图2(c)所示，进一步减小了所需的单块平面光栅的尺寸，有利于降低成本。
图3a和图3b分别表示出本发明的测量系统中读数头阵列形式。硅片台动台4在硅片台定台1上方进行大范围平面运动，为保证在整个运动行程内都能实现运动测量，本发明在整个运动区域内布置了多个读数头2。多个读数头成二维阵列布置，二维阵列中每行中的测量x方向和z方向的读数头与测量y方向和z方向的读数头间隔布置。除此之外，相邻两行的读数头之间对齐布置，如图3(a)所示，或者错列布置，如图3(b)所示。

Claims (2)

1.一种基于平面光栅的硅片台运动测量系统，含有硅片台定台(1)、硅片台动台(4)、平面光栅(3)和读数头(2)，其特征在于：所述的平面光栅(3)安装在硅片台动台(4)底面，测量面朝向硅片台定台(1)；所述的读数头(2)采用多个，多个读数头(2)成二维阵列布置在硅片台定台(1)上，并分布安装在硅片台动台(4)的运动区域内，且靠近硅片台定台(1)的上表面，读数头(2)与平面光栅(3)之间保留间隙；每个读数头(2)同时测量硅片台动台(4)两个方向上的位移，即x方向和z方向或者y方向和z方向；二维阵列的每行中的测量x方向和z方向的读数头与测量y方向和z方向的读数头间隔布置，相邻两行的读数头之间对齐布置或者错列布置；当所述的硅片台动台(4)进行平面运动时，任意时刻下平面光栅(3)覆盖至少三个读数头(2)。
2.如权利要求1所述的一种基于平面光栅的硅片台运动测量系统，其特征在于：所述的平面光栅(3)采用一块，或者采用多块二维平面光栅拼接而成。
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