CN106813578A - 一种二维光栅测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种二维光栅测量系统，利用四个角锥镜，采用垂直入射和倾斜入射两种方式相结合，垂直入射的+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，倾斜入射的+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，根据这两路干涉信号获取被测光栅的二维位移信号。当在运动台上合理布局多个测量探头时，即可获取运动台高精度、高稳定性六自由度数据。本发明公布的光栅读头，具有体积小，结构简单，可进行二维测量等特点。

Description

一种二维光栅测量系统

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，且特别涉及一种二维光栅测量系统。

背景技术

纳米测量技术是纳米加工、纳米操控、纳米材料等领域的基础。IC产业、精密机械、微机电系统等都需要高分辨率、高精度的位移传感器，以达到纳米精度定位。

随着集成电路朝大规模、高集成度的方向飞跃发展，光刻机的套刻精度要求也越来越高，与之相应地，获取工件台、掩模台的六自由度位置信息的精度也随之提高。

干涉仪有较高的测量精度，可达纳米量级，在光刻系统中，被运用于测量工件台、掩模台的位置。然而，目前干涉仪的测量精度几乎达到极限，同时干涉仪测量精度受周围环境影响较大，测量重复精度不高(即便环境很好，也会超过1nm)，传统干涉仪测量系统很难满足进一步提高套刻精度的要求。所以高精度、高稳定性的皮米测量方案迫切需要。

光栅尺测量系统在工作中受环境影响较小，有较好的重复精度，在新一代光刻系统中已开始逐渐取代干涉仪，承担高精度、高稳定性皮米精度测量任务。

专利CN102906545A公布了一种光栅尺测量系统，它实际上是采用干涉仪的结构，只是将被测对象由传统干涉仪被测反射镜替换成了被测光栅，通过偏振分光棱镜、角锥棱镜、波片等元器件构成的光栅尺读头，采用垂直入射的方式，利用+1级衍射光和参考光产生干涉，同时利用-1级衍射光和参考光产生干涉，根据这两路干涉信号可进行一维测量也可进行二维测量，但该结构由于采用了偏振分光棱镜进行分光和合光，导致体积相对比较大。专利US4970388公布了一种八倍光学细分的光栅读头，采用垂直入射的方式，利用+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，并通回射器使光束在光栅表面产生二次衍射，进而提高光学细分，不过该结构只能进行一维测量。专利US5120132的光栅读头结构和US4970388比较类似，进行了简化，也是利用+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，为四倍光学细分，它的不足之处也是只能进行一维测量。

发明内容

本发明提出一种二维光栅测量系统，具有体积小，结构简单，可进行二维测量等特点。

为了达到上述目的，本发明提出一种二维光栅测量系统，包括：

光源，用于发出测量光束；

参考光栅，设置于所述光源发出的测量光束路径上，所述测量光束经过参考光栅衍射成零级光、+1级衍射光和-1级衍射光；

被测光栅，与所述参考光栅平行设置，所述零级光垂直入射所述被测光栅并产生零级光衍射光束，所述+1级衍射光和-1级衍射光入射被测光栅分别产生衍射光束；

第一角锥棱镜和第二角锥棱镜，分别设置于所述零级光衍射光束路径上，其产生偏移光束后再次入射至被测光栅并产生零级光偏移衍射光；

第一探测器，设置于所述零级光偏移衍射光路径上；

第三角锥棱镜和第四角锥棱镜，分别设置于所述+1级衍射光和-1级衍射光入射被测光栅产生的衍射光束路径上，其产生偏移光束后垂直入射至所述被测光栅后再次产生衍射，所述衍射光束入射至参考光栅产生衍射，分别形成+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光；

第二探测器，设置于所述+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光路径上。

进一步的，所述第一探测器上两束零级光偏移衍射光产生干涉，所述干涉信号包含被测光栅沿X向的位移信息，所述第二探测器上的+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光产生干涉，其干涉信号包含被测光栅沿X向和Z向的位移信息。

进一步的，被测光栅X和Z向位移信息Δx和Δz计算公式如下：

其中，N1表示为第一探测器读取的干涉条纹数，N2表示为第二探测器读取的干涉条纹数，d表示为被测光栅的栅距，θ表示为+1级衍射光和-1级衍射光的衍射角。

进一步的，所述参考光栅和被测光栅具有相同的光栅结构，其具有相同的栅距和衍射角。

进一步的，所述二维光栅测量系统还包括第三探测器，用于获取所述被测光栅在Y和Z方向的位移信息。

进一步的，所述光源通过光纤连接于准直器，所述光源发出测量光束并通过光纤传输至准直器形成准直光束，所述准直光束入射至参考光栅。

进一步的，所述第一探测器通过光纤连接于第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将两束零级光偏移衍射光耦合进光纤并传输至第一探测器，所述第二探测器通过光纤连接于第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器将所述+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光耦合进光纤并传输至第二探测器。

进一步的，所述第一探测器和第二探测器为光电探测器。

本发明提出的二维光栅测量系统，利用四个角锥镜，采用垂直入射和倾斜入射两种方式相结合，垂直入射的+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，倾斜入射的+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，根据这两路干涉信号获取被测光栅的二维位移信号。当在运动台上合理布局多个测量探头时，即可获取运动台高精度、高稳定性6自由度(X、Y、Z、Rx、Ry、Rz)数据。本专利公布的光栅读头，具有体积小，结构简单，可进行二维测量等特点。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的二维光栅测量系统结构示意图。

图2所示为本发明较佳实施例的二维光栅测量系统的六自由度测量方案原理图。

图3所示为本发明较佳实施例的二维光栅测量系统的光纤远程传输原理图。

图4所示为本发明较佳实施例的二维光栅测量系统的三维测量结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的二维光栅测量系统结构示意图。本发明提出一种二维光栅测量系统，包括：

光源100，用于发出测量光束201；

参考光栅110，设置于所述光源100发出的测量光束201路径上，所述测量光束201经过参考光栅110衍射成零级光202、+1级衍射光241和-1级衍射光221；

被测光栅120，与所述参考光栅110平行设置，所述零级光202垂直入射所述被测光栅120并产生零级光衍射光束203和206，所述+1级衍射光241和-1级衍射光221入射被测光栅120分别产生衍射光束242和222；

第一角锥棱镜130和第二角锥棱镜140，分别设置于所述零级光衍射光束203和206的路径上，其产生偏移光束204和207后再次入射至被测光栅120并产生零级光偏移衍射光205和208；

第一探测器150，设置于所述零级光偏移衍射光205和208路径上；

第三角锥棱镜170和第四角锥棱镜160，分别设置于所述+1级衍射光241和-1级衍射光221入射被测光栅120产生的衍射光束242和222的路径上，其产生偏移光束243和223后垂直入射至所述被测光栅120后再次产生衍射，所述衍射光束244和224入射至参考光栅110产生衍射，分别形成+1级偏移衍射光245和-1级偏移衍射光225；

第二探测器180，设置于所述+1级偏移衍射光245和-1级偏移衍射光225路径上。

根据本发明较佳实施例，光源100发出的测量光束201经过参考光栅110衍射成三束光，零级光为202，+1级衍射光为241，-1级衍射光为221，衍射角为θ。其中零级光202垂直入射至被测光栅120，再次产生衍射，被测光栅120和参考光栅110具有相同的光栅结构，因此衍射角也为θ，+1级衍射光即零级光衍射光束203进入第一角锥棱镜130，并产生一定偏移后变为光束204，以θ角再次入射至被测光栅120，又一次衍射后+1级衍射光即零级光偏移衍射光205进入探测器150。而零级光202的-1级衍射光即零级光衍射光束206进入第二角锥棱镜140，同样也产生一定偏移变成光束207，以θ角再次入射至被测光栅120，又一次衍射后-1级衍射光即零级光偏移衍射光208进入第一探测器150。

光源100发出的测量光束201，经过参考光栅110之后还有+1级衍射光束241和-1级衍射光束221。其中+1级衍射光束241以θ角入射至被测光束120产生+1级衍射光束242，光束242经过第三角锥棱镜170之后产生一定偏移变成光束243垂直入射至被测光栅120，又一次产生衍射，其+1级衍射光束244光束以θ入射至参考光栅110，并取其+1级衍射光即+1级偏移衍射光245进入第二探测器180；而-1级衍射光束221以θ入射至被测光栅120，产生衍射，其-1级衍射光束222进入第四角锥棱镜160之后产生一定偏移变成光束223垂直入射至被测光栅120，又一次产生衍射，其-1级衍射光束224光束以θ入射至参考光栅110，并取其-1级衍射光即-1级偏移衍射光225进入第二探测器180。

在第一探测器150上，两束零级光偏移衍射光205和208进行干涉，干涉信号中包含了被测光栅120沿X向的位移信息Δx，假设从第一探测器150读取的干涉条纹数为N1，被测光栅120的栅距为d，则N1和Δx的关系如下。

在第二探测器180里面+1级偏移衍射光245和-1级偏移衍射光225产生干涉，其干涉信号包含有被测光栅120的X和Z向位移信息Δx和Δz。假设从第二探测器180读取的干涉条纹数为N2，被测光栅120的栅距为d，则N1和Δx、Δz的关系如下。

由公式(1)和(2)即可计算出Δx和Δz。

本发明所述的二维光栅测量系统，其参考光栅110既可以和被测光栅120具有相同的光栅结构，也可以具有不同的光栅结构。本实施例采用的是相同的光栅结构，具有相同的栅距d，因此两个光栅的衍射角均为θ。如果采用不同的光栅结构，则栅距不相等，对应的衍射角也不相同，计算公式稍微复杂一些，但原理上仍然可行。

本发明所述的二维光栅测量系统，可以同时获取水平方向和垂直方向的二维位移数据。当合理布置3个二维光栅测量探头时，即可获得光栅相对与测量探头运动的6自由度位移数据。其原理图如图2所示，本发明所述的6自由度测量方案，包括二维光栅610和3个二维光栅测量探头620，630，640。测量探头610和620测量光栅610在X和Z方向的运动；测量探头640测量光栅610在Y和Z方向的运动；光栅610的Rx可以由测量探头620和630在Z方向数据运算得出；光栅610的Ry可以由三个测量探头在Z方向数据运算得出；光栅610的Rz可以由测量探头620和630在X方向数据运算得出。

请参考图3，图3所示为本发明较佳实施例的二维光栅测量系统的光纤远程传输原理图。本发明所述的二维光栅测量系统，光源可以通过光纤远程连接到测量探头，同时光信号也可以用光纤远程传输至探测器，其原理如图3所示。所述光源100通过光纤710连接于准直器720，所述光源100发出测量光束并通过光纤710传输至准直器720形成准直光束，所述准直光束入射至参考光栅110。所述第一探测器150通过光纤740连接于第一光纤耦合器730，所述第一光纤耦合器730将两束零级光偏移衍射光205和208耦合进光纤730并传输至第一探测器150，所述第二探测器180通过光纤760连接于第二光纤耦合器750，所述第二光纤耦合器750将所述+1级偏移衍射光245和-1级偏移衍射光225耦合进光纤760并传输至第二探测器180。

采用光纤远程传输的方式，可以减小光栅测量探头的体积，同时由于光源和探测器都是发热量较大的器件，将这两个部分放置在测量探头的外部，可以极大地减小测量探头的发热量，提高自校准光栅测量系统的温度稳定性。

请参考图4，图4所示为本发明较佳实施例的二维光栅测量系统的三维测量结构示意图。本发明所述的光栅测量系统，其被测光栅120如果是沿X方向刻划的一维光栅，则该测量系统可测量X和Z两个自由度，如果被测光栅是沿X方向和Y方向都有划线的二维光栅，则该测量系统可测量X、Y和Z三个自由度，具体结构如图4所示。

从光源700发出的光束经过参考光束710之后分成三束，零级光垂直入射至被测光栅720，其沿X方向和Y方向均会产生+1级和-1级衍射光，沿X方向的衍射光分别进入第一角锥棱镜750和第二角锥棱镜760，之后以衍射角再次反射至被测光栅720进行二次衍射，两束光汇合后进入探测器791进行干涉并转换为电信号；而沿Y方向的衍射光分别进入第三角锥棱镜730和第四角锥棱镜740，之后以衍射角再次反射至被测光栅720进行二次衍射，两束光汇合后进入探测器792进行干涉并转换为电信号。而在参考光栅710上产生的+1和-1级衍射光，分别以衍射角入射至被测光栅720，然后分别进入第五角锥棱镜770和第六角锥棱镜780，然后以衍射角再次入射至被测光栅720产生二次衍射，两束二次衍射光汇合后进入探测器793,进行干涉并转化为电信号。根据探测器791、792和793的信号，可以分别求出被测光栅720的X、Y和Z向位移。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种二维光栅测量系统，其特征在于，包括：

光源，用于发出测量光束；

参考光栅，设置于所述光源发出的测量光束路径上，所述测量光束经过参考光栅衍射成零级光、+1级衍射光和-1级衍射光；

被测光栅，与所述参考光栅平行设置，所述零级光垂直入射所述被测光栅并产生零级光衍射光束，所述+1级衍射光和-1级衍射光入射被测光栅分别产生衍射光束；

第一角锥棱镜和第二角锥棱镜，分别设置于所述零级光衍射光束路径上，其产生偏移光束后再次入射至被测光栅并产生零级光偏移衍射光；

第一探测器，设置于所述零级光偏移衍射光路径上；

第三角锥棱镜和第四角锥棱镜，分别设置于所述+1级衍射光和-1级衍射光入射被测光栅产生的衍射光束路径上，其产生偏移光束后垂直入射至所述被测光栅后再次产生衍射，所述衍射光束入射至参考光栅产生衍射，分别形成+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光；

第二探测器，设置于所述+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光路径上。

2.根据权利要求1所述的二维光栅测量系统，其特征在于，所述第一探测器上两束零级光偏移衍射光产生干涉，所述干涉信号包含被测光栅沿X向的位移信息，所述第二探测器上的+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光产生干涉，其干涉信号包含被测光栅沿X向和Z向的位移信息。

3.根据权利要求2所述的二维光栅测量系统，其特征在于，被测光栅X和Z向位移信息Δx和Δz计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}x=\frac{N1\·d}{4},$

$\mathrm{\Δ}z=\frac{d\·sin\mathrm{\θ}\·(N2-N1)}{4(1+\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}})},$

其中，N1表示为第一探测器读取的干涉条纹数，N2表示为第二探测器读取的干涉条纹数，d表示为被测光栅的栅距，θ表示为+1级衍射光和-1级衍射光的衍射角。

4.根据权利要求1所述的二维光栅测量系统，其特征在于，所述参考光栅和被测光栅具有相同的光栅结构，其具有相同的栅距和衍射角。

5.根据权利要求1所述的二维光栅测量系统，其特征在于，所述二维光栅测量系统还包括第三探测器，用于获取所述被测光栅在Y和Z方向的位移信息。

6.根据权利要求1所述的二维光栅测量系统，其特征在于，所述光源通过光纤连接于准直器，所述光源发出测量光束并通过光纤传输至准直器形成准直光束，所述准直光束入射至参考光栅。

7.根据权利要求1所述的二维光栅测量系统，其特征在于，所述第一探测器通过光纤连接于第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将两束零级光偏移衍射光耦合进光纤并传输至第一探测器，所述第二探测器通过光纤连接于第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器将所述+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光耦合进光纤并传输至第二探测器。

8.根据权利要求1所述的二维光栅测量系统，其特征在于，所述第一探测器和第二探测器为光电探测器。