CN106933053A - 一种掩膜台光栅尺测量系统和测量方法 - Google Patents

一种掩膜台光栅尺测量系统和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种掩膜台光栅尺测量系统和测量方法，这种结构包括一掩膜台的承版台、一固定于承版台侧面的光栅尺、光栅尺的刻线面垂直于承版台上固定光栅尺的侧面、承版台固定光栅尺的侧面上还固定有一反射面。本发明在入射光束入射光栅尺刻线面后发生衍射后，在被衍射光束发射到的掩膜台的侧面上设置反射面，使得原本被掩膜台遮挡的衍射光束被反射面反射出，这样所有的衍射光束皆可被机器接收，避免了掩膜台对光栅尺测量的影响，同时也不必增加光栅尺的质量和尺寸，节省了测量系统的空间，提高测量系统机械模态稳定性能。

Description

一种掩膜台光栅尺测量系统和测量方法
技术领域
本发明涉及半导体光刻领域，特别涉及一种掩膜台光栅尺测量系统及测量方法。
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、掩膜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、掩膜台的位置。然而，目前干涉仪的测量精度已达到极限，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，即便不受测量环境的影响，每两次测量之间的误差也会超过1nm，因此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。此时具有高精度、高稳定性的皮米测量方案被迫切需要。在皮米测量方案中，使用光栅测量系统的测量方法在工作中受环境影响较小，且有较好的重复精度，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。
在为掩膜台配备光栅尺测量系统时，通常将光栅安装在掩膜台两侧作为测量基准。为了避免产生阿贝误差，光栅衍射面应与掩膜台的硅片面处于同一高度，也就是说光栅衍射面高于掩膜台的下底面(即面对工件台的一面)。而用于光栅尺测量的+/-1级衍射光会以一定角度衍射，当光栅衍射面高于掩膜台下底面时，部分朝向掩膜台方向的衍射光会被掩膜台遮挡而不能返回光栅读头，导致信号丢失。
现有技术中公布了一种光栅读头结构，如图1所示，激光器9提供入射光，入射光采用垂直入射的方式，即入射光垂直于光栅尺3，随即产生了衍射，衍射光分别被第一回射器41和第二回射器42反射，反射的光回到光栅尺3，并互相干涉，干涉后产生的光信号依次通过分光系统6、成像系统2最后达到控制系统1，由控制系统1显示出数据。该专利方案用于掩膜台测量时，朝向掩膜台的衍射光束会被遮挡，如图2所示，以水平向右为X正向，以垂直向上为Z正向，图中光栅尺110被粘接于掩膜台的承版台100一侧，一般地，承版台100是高于用于放置掩膜的掩膜面101的，光栅尺110的刻线面111与掩膜面101齐平，因此刻线面111朝下，从下往上发射入射光束140至刻线面111上并产生衍射，衍射光束分别为被遮挡光束141和未被遮挡光束142，其中被遮挡光束141由于光路方向上遇到掩膜台，从而被掩膜台遮挡，从而无法被第一回射器121接收，未被遮挡光束142的光路上没有掩膜台的遮挡，可以被第二回射器122接收，这样导致其中一个回射器即第一回射器121无法接收光信号。
为了解决该专利中衍射光束被掩膜台遮挡的问题，可以采用增大光栅尺的光栅面尺寸，将光栅面上工作光斑外移的方法，如图3所示，图中光栅尺210被粘接于掩膜台的承版台200一侧，承版台200是高于用于放置掩膜的掩膜面201的，光栅尺210的刻线面211与掩膜面201齐平，因此刻线面211朝下，从下往上发射入射光束240至刻线面211上并产生衍射光束241，衍射光束241被回射器220反射至刻线面211，图中同样以水平向右方向为X正向，垂直向上的方向为Z正向，建立坐标轴，由于Y方向为垂直于纸面，因此并未标出，一般地，X方向即为光刻时的扫描方向，也是带动掩膜移动的掩膜台的移动方向。
假定入射光波长为622.8mm，光栅尺210中光栅的栅距为2μm，使用光栅公式d×sinθ＝mλ进行计算，其中d为光栅尺210中光栅的栅距，θ为衍射角，λ为入射光的波长，m为衍射光的级数，如+1或者-1，假定衍射角θ＝18.45°，假设光栅尺210距离掩膜台的下底面高度H＝18mm，经过计算，光栅尺210的光栅增加量ΔW＝H×tanθ＝6mm，即光栅尺增加部分212在X向上的长度为6mm，也就是说需要在光栅尺210原长度的基础上，还要再增加6mm的长度，一般地光栅尺210的在X向上的原长度为14mm，因此需使用长度为20mm的光栅尺210，这样导致光栅尺210面积增大，必然带来光栅尺210体积和质量的增加。由于光栅尺210是粘接在掩膜台的承版台200的侧面，光栅尺210体积和质量的增加会降低掩膜台的机械稳定性能。
因此有必要发明一种掩膜台光栅尺测量系统及测量方法，既能避免衍射光束被掩膜台遮挡，也不必增加光栅尺的体积和质量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种掩膜台光栅尺测量系统，其在将遮挡衍射光束的掩膜台侧面上固定一反射面，将原来被掩膜台遮挡的衍射光束使用反射面反射出掩膜台，因此避免了掩膜台对光栅尺测量的影响，还提出了一种使用该光栅尺测量系统的测量方法，在衍射光束的光路上设置第一反射元件和第二反射元件并由两者将光束再次反射回光栅尺，使光束重合并发生二次衍射从而可以测量掩膜台在扫描方向的位移。
为达到上述目的，本发明提供一种掩膜台光栅尺测量系统，包括
激光器，提供光束；
光栅尺，固定于所述掩膜台的承版台侧面，垂直于所述承版台；
反射面，固定在所述承版台固定所述光栅尺的侧面上，反射所述光栅尺衍射光束中的第一光束；
第一反射元件，将所述第一光束回射至所述反射面；
第二反射元件，将所述光栅尺衍射光束中的第二光束回射至所述光栅尺；
探测器，探测从所述反射面再回射至所述光栅后衍射的第一测量光束和所述第二光束回射至所述光栅后衍射的第二测量光束之间的干涉信号。
作为优选，所述反射面的宽度大于或者等于所述承版台侧面的宽度。
作为优选，所述反射面为镀于所述承版台侧面上的反射膜或粘接于所述承版台侧面上的反射镜。
作为优选，所述光栅尺的刻线面与所述承版台与掩膜的接触面位于同一平面。
作为优选，所述光栅尺中的光栅为一维光栅或者二维光栅。
作为优选，所述第一反射元件和第二反射元件均为回射器。
作为优选，所述回射器为角锥棱镜或者平面反射镜。
作为优选，所述第一测量光束和第二测量光束分别为+1级衍射光和-1级衍射光束，或所述第一测量光束和第二测量光束分别为-1级衍射光和+1级衍射光束。
本发明还提供一种使用如上所述的掩膜台光栅尺测量系统的光栅尺测量方法，包括以下步骤：
步骤一，激光器提供光束入射至光栅的同时将入射光束的发射至控制系统形成参考信号；
步骤二，光束经所述光栅尺的刻线面衍射后形成第一光束和第二光束；
步骤三，掩膜台相对于激光器发出的光束沿着扫描方向移动；
步骤四，所述第一光束被所述反射面反射至第一反射元件，经第一反射元件回射至所述反射面，再经反射面回射至光栅尺，再由光栅尺的刻线面衍射后形成第一测量光束，由探测器接收，同时第二光束经第二反射元件回射至光栅尺，再由光栅尺的刻线面衍射后形成第二测量光束，由探测器接收；
步骤五，探测器探测第一测量光束和第二测量光束的干涉信号形成测量信号；
步骤六，根据测量信号和参考信号计算得到掩膜台在扫描方向的位移。
作为优选，所述步骤五中的所述第一测量光束和第二测量光束分别为+1级衍射光和-1级衍射光束，或所述第一测量光束和第二测量光束分别为-1级衍射光和+1级衍射光束。
作为优选，所述步骤一中的激光器为双频激光器，所述激光器提供的光束中的一束光束的频率f1异于另一束光束的频率f2。
作为优选，所述步骤一中的参考信号的莫尔条纹数
N2＝f2T-f1T＝(f2-f1)T；
所述步骤五中的测量干涉信号的莫尔条纹数
N1＝(f2T+2ΔX/d)-(f1T-2ΔX/d)＝(f2-f1)T+4ΔX/d；
其中d为所述光栅尺中光栅的栅距，T为移动时间，ΔX为掩膜台在扫描方向的移动位移；
计算得到ΔX＝d(N1-N2)/4。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种掩膜台光栅尺测量系统，包括
激光器，提供光束；
光栅尺，固定于所述掩膜台的承版台侧面，垂直于所述承版台；
反射面，固定在所述承版台固定所述光栅尺的侧面上，反射所述光栅尺衍射光束中的第一光束；
第一反射元件，将所述第一光束回射至所述反射面；
第二反射元件，将所述光栅尺衍射光束中的第二光束回射至所述光栅尺；
探测器，探测从所述反射面再回射至所述光栅后衍射的第一测量光束和所述第二光束回射至所述光栅后衍射的第二测量光束之间的干涉信号。
本发明在入射光束入射光栅尺刻线面后发生衍射后，在被衍射光束发射到的掩膜台的侧面上设置反射面，使得原本被掩膜台遮挡的衍射光束被反射面反射出，这样所有的衍射光束皆可被机器接收，避免了掩膜台对光栅尺测量的影响，同时也不必增加光栅尺的质量和尺寸，节省了测量系统的空间，提高测量系统机械模态稳定性能。
此外，在衍射方向与所述掩膜台错开的衍射光束的光路上设置第二反射元件，在被掩膜台侧面的反射面反射的衍射光束的反射光路上设置第一反射元件，即可通过入射光束经过衍射再经过反射元件反射回光栅尺后，通过光干涉产生的信号数据对掩膜台在扫描方向上的位移进行计算，该系统可将反射面近距离布置在光栅尺一侧，衍射光束通过反射面能全部被收集，因此结构简单，布局紧凑，稳定性能较高。
本发明还提供一种使用上述光栅尺测量系统的光测量方法，激光器提供入射光束入射至光栅的同时将入射光束的发射至控制系统形成参考信号，入射光束经由光栅尺的刻线面衍射后，衍射方向与所述掩膜台错开的衍射光束被第二反射元件反射回光栅尺的刻线面，被所述掩膜台遮挡的衍射光束由反射面反射后被第一反射元件反射回反射面并由反射面再次反射回光栅尺的刻线面，上述两种被反射回的衍射光束重合并发生二次衍射形成了测量干涉信号，探测器探测测量干涉信号和参考信号，根据接收到的参考信号与测量干涉信号计算得到掩膜台在扫描方向上的位移，该方法解决了传统测量方法中，衍射至掩膜台的光束被遮挡的问题，增加了测量的精确性。
附图说明
图1为现有技术中光栅尺测量结构；
图2为现有技术中衍射光束被掩膜台遮挡的示意图；
图3为现有技术中增加光栅面积的测量结构；
图4为本发明提供的光栅尺测量结构。
图1中：1-控制系统、2-成像系统、3-光栅尺、41-第一回射器、42-第二回射器、6-分光系统、9-激光器；
图2中：100-承版台、101-掩膜面、110-光栅尺、111-刻线面、121-第一回射器、122-第二回射器、140-入射光束、141-被遮挡光束、142-未被遮挡光束；
图3中：200-承版台、201-掩膜面、210-光栅尺、211-刻线面、212-光栅尺增加部分、220-回射器、240-入射光束、241-衍射光束、θ-衍射角；
本发明图示：300-承版台、301-掩膜面、310-光栅尺、311-刻线面、321-第一回射器、322-第二回射器、330-反射面、340-入射光束、341-第一光束、342-第二光束、343-第一光束的反射光束、350-第一侧面。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
请参照图4，为达到上述目的，本发明提供一种掩膜台光栅尺结构，包括光刻机中掩膜台的承版台300、粘接在承版台300侧面的光栅尺310，该侧面称为第一侧面350，在第一侧面350上还固定有一反射面330，光栅尺310的刻线面311垂直于第一侧面350。
光栅尺310在粘接在第一侧面350时，保证刻线面311垂直于第一侧面350，较佳地，保证刻线面311与掩膜面301齐平，掩膜面301是指掩膜台上与掩膜接触的一面，这样就保证测量器件的轴线与待测工件的轴线在同一直线上，避免了阿贝误差的产生。
反射面330由其背面固定于第一侧面350上，且位于光栅尺310的刻线面311面对的一侧，该反射面330垂直于刻线面311，反射面330所在的位置必须保证位于从刻线面311衍射出的光束中向第一侧面350发射的光所到达的位置，从刻线面311上衍射出的光束中射向第一侧面350的光束为第一光束341，较佳地，反射面330与第一侧面350的侧边齐平或者略有超出，该侧边也为刻线面311面对的侧边，反射面330的宽度也大于或者等于第一侧面350的宽度，保证使所有第一光束341皆能够照射至反射面330上，这样保证了光束收集的完整性，提高了测量的精确性。
较佳地，反射面330为镀于第一侧面350上的反射膜，或者为粘接于第一侧面350上的反射镜。
光栅尺310的刻线面311相对于掩膜台面对工件台的底面的高度为18mm，也就是刻线面311相对于掩膜台的下底面的高度为18mm。
较佳地，所述光栅尺310中的光栅为一维光栅或者二维光栅。
请参照图4，图中水平向右方向为X正向，垂直向上的方向为Z正向，建立坐标轴，由于Y方向为垂直于纸面，因此并未标出，一般地，X方向即为光刻时的扫描方向，也是带动掩膜移动的掩膜台的移动方向。
本发明使用的光栅尺310在X方向上的测量行程为±2mm，入射至光栅尺310的入射光光斑直径为6mm，考虑到刻线面311形成的光栅尺310上需要留有镀膜余量，该镀膜余量在X向上的长度为±2mm，用于掩膜台行程测量的光栅尺310在X向上的长度仅需14mm，因此无需另外增加光栅尺310的长度和面积，节省测量空间，提高测量系统机械模态稳定性能。
本发明还提供一种掩膜台光栅尺测量系统，包括
如上所述的掩膜台光栅尺结构；
与所述光栅尺光信号连接的探测器(未图示)；
提供光束的激光器(未图示)；
与所述激光器与所述探测器电路连接的控制系统(未图示)；
若干个回射器，包括设置在入射光从刻线面311衍射的衍射光路上的第二回射器322和入射光从刻线面311衍射并经过反射面330反射的反射光路上的第一回射器321。
较佳地，回射器为角锥棱镜或者平面反射镜，或者其它结构形式的反射单元。
在回射器上设置能选取某种频率光的波片或者偏振片，使得从某一回射器反射回光栅尺310上的光只有一种频率。
上述系统由于可将回射器近距离布置在光栅尺310一侧，衍射光束通过反射面330能全部被收集，结构简单，布局紧凑，稳定性能较高。
本发明还提供一种使用上述掩膜台光栅尺测量系统的光栅尺测量方法，在掩膜台沿着扫描方向即X向作移动的同时进行测量，具体包括以下步骤：
步骤一：激光器提供具有频率分别为f1、f2的双频光束作为入射光束340，f1≠f2，该入射光束340以入射角为0°的入射方向入射至光栅尺310的刻线面311并产生衍射，同时激光器将入射光束340的参考信号发射给控制系统。
步骤二：当入射光束340入射至刻线面311衍射后，产生了衍射光束，其中发射向反射面330的衍射光束为第一光束341，第一光束341也为双频光束，频率为f1和f2，第一光束341经由反射面330反射后形成第一光束的反射光束343，第一光束的反射光束343到达设置在反射光路上的第一回射器321，由于在第一回射器321上设置了偏振片或者波片，那么第一光束的反射光束343被第一回射器321上的偏振片或者波片过滤后，频率只剩一种，例如为f1，该光束被第一回射器321反射回刻线面311上；衍射方向与掩膜台错开的衍射光束中与第一光束341关于入射的入射光束340对称的光束为第二光束342，第二光束342衍射至设置在第二光束342衍射光路上的第二回射器322上，同样，由于在第二回射器322上具有偏振片或者波片，将衍射至第二回射器322上的光束过滤称为频率仅为f2的光束，该光束被第二回射器322反射回刻线面311上。
步骤三：由于是在掩膜台沿着X向作移动的同时进行测量，在掩膜台相对于入射的入射光束340沿着X向移动了时间T后，激光器提供的入射光束340的参考信号发射至控制系统后，控制系统显示T时间段内，入射光束340的莫尔条纹数N2＝f2T-f1T＝(f2-f1)T。
步骤四：在掩膜台相对于入射的入射光束340沿着X向移动了时间T后，其移动的位移在X向上的长度为ΔX，步骤二中被第一回射器321反射回刻线面311的频率仅为f1的光束与被第二回射器322反射回刻线面311的频率仅为f2的光束重合从而产生二次衍射，探测器将探测得的二次衍射的测量干涉信号发射至控制系统，在控制系统显示的测量干涉信号中，二次衍射产生的莫尔条纹数
N1＝(f2T+2ΔX/d)-(f1T-2ΔX/d)＝(f2-f1)T+4ΔX/d，其中d为所述光栅尺310中光栅的栅距，因此可得到掩膜台相对于入射光束340沿着扫描方向移动位移ΔX＝d(N1-N2)/4。
上述方法解决了传统测量方法中，衍射至掩膜台的光束被遮挡的问题，增加了测量的精确性。
本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例，显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种掩膜台光栅尺测量系统，其特征在于，包括
激光器，提供光束；
光栅尺，固定于所述掩膜台的承版台侧面，垂直于所述承版台；
反射面，固定在所述承版台固定所述光栅尺的侧面上，反射所述光栅尺衍射光束中的第一光束；
第一反射元件，将所述第一光束回射至所述反射面；
第二反射元件，将所述光栅尺衍射光束中的第二光束回射至所述光栅尺；
探测器，探测从所述反射面再回射至所述光栅后衍射的第一测量光束和所述第二光束回射至所述光栅后衍射的第二测量光束之间的干涉信号。
2.如权利要求1所述的掩膜台光栅尺测量系统，其特征在于，所述反射面的宽度大于或者等于所述承版台侧面的宽度。
3.如权利要求1所述的掩膜台光栅尺测量系统，其特征在于，所述反射面为镀于所述承版台侧面上的反射膜或粘接于所述承版台侧面上的反射镜。
4.如权利要求1所述的掩膜台光栅尺测量系统，其特征在于，所述光栅尺的刻线面与所述承版台与掩膜的接触面位于同一平面。
5.如权利要求1所述的掩膜台光栅尺测量系统，其特征在于，所述光栅尺中的光栅为一维光栅或者二维光栅。
6.如权利要求1所述的掩膜台光栅尺测量系统，其特征在于，所述第一反射元件和第二反射元件均为回射器。
7.如权利要求6所述的掩膜台光栅尺测量系统，其特征在于，所述回射器为角锥棱镜或者平面反射镜。
8.如权利要求1所述的掩膜台光栅尺测量系统，其特征在于，所述第一测量光束和第二测量光束分别为+1级衍射光和-1级衍射光束，或所述第一测量光束和第二测量光束分别为-1级衍射光和+1级衍射光束。
9.一种使用如权利要求1所述的掩膜台光栅尺测量系统的光栅尺测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，激光器提供光束入射至光栅的同时将入射光束的发射至控制系统形成参考信号；
步骤二，光束经所述光栅尺的刻线面衍射后形成第一光束和第二光束；
步骤三，掩膜台相对于激光器发出的光束沿着扫描方向移动；
步骤四，所述第一光束被所述反射面反射至第一反射元件，经第一反射元件回射至所述反射面，再经反射面回射至光栅尺，再由光栅尺的刻线面衍射后形成第一测量光束，由探测器接收，同时第二光束经第二反射元件回射至光栅尺，再由光栅尺的刻线面衍射后形成第二测量光束，由探测器接收；
步骤五，探测器探测第一测量光束和第二测量光束的干涉信号形成测量信号；
步骤六，根据测量信号和参考信号计算得到掩膜台在扫描方向的位移。
10.如权利要求9所述的光栅尺测量方法，其特征在于，所述步骤五中的所述第一测量光束和第二测量光束分别为+1级衍射光和-1级衍射光束，或所述第一测量光束和第二测量光束分别为-1级衍射光和+1级衍射光束。
11.如权利要求10所述的光栅尺测量方法，其特征在于，所述步骤一中的激光器为双频激光器，所述激光器提供的光束中的一束光束的频率f1异于另一束光束的频率f2。
12.如权利要求11所述的光栅尺测量方法，其特征在于，
所述步骤一中的参考信号的莫尔条纹数N2＝f2T-f1T＝(f2-f1)T；
所述步骤五中的测量干涉信号的莫尔条纹数
N1＝(f2T+2ΔX/d)-(f1T-2ΔX/d)＝(f2-f1)T+4ΔX/d；
其中d为所述光栅尺中光栅的栅距，T为移动时间，ΔX为掩膜台在扫描方向的移动位移；
计算得到ΔX＝d(N1-N2)/4。
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