CN108508706B - 一种位移测量系统以及曝光设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位移测量系统以及曝光设备，该位移测量系统包括安装在运动台下表面的位移传感器、设在运动台下方的目标平面光栅以及信号处理单元，目标平面光栅为反射光栅，所述位移传感器发射光束至所述目标平面光栅，并接收经所述目标平面光栅反射的光束，所述信号处理单元接收位移传感器发送的信号后计算所述运动台相对所述目标平面光栅的位移，再结合所述主基板所在的目标物坐标系与所述目标平面光栅所在的运动台坐标系之间的位置关系计算所述运动台相对所述目标物的位移。本发明采用物镜、运动台、目标平面光栅的布局方式，目标平面光栅不会引入由拼接造成的测量误差，且易于制造；物镜与运动台之间的空间未被占用，可安装更多类型的传感器。

Description

一种位移测量系统以及曝光设备

技术领域

本发明涉及光刻设备领域，特别涉及一种基于光栅的位移测量系统、校准方法以及光刻机。

背景技术

光刻机作为集成电路中，将特征图形转移到基底上的设备，随着集成电路要求器件尺寸的不断减小，对光刻机的精度要求也在不断提高。这就需要不断提高对光刻机内可动部件位置的测量精度。但是传统的干涉仪位移测量系统的测量光与参考光暴露在空气中，受到空气扰动的影响较大，已逐渐不能满足日益提高的精度要求。

当前提出了一种位移测量系统，包含了可动部件与固定部件在六个自由度上的相对位移测量功能。其结构包含运动台，由光源、参考光栅以及光电探测器组成的位移传感器，以及主基板上的目标平面光栅结构，具体地，物镜发出的光束穿过由多个目标平面光栅结构拼接形成的空隙，然后照射至运动台承载的基底上，由运动台上表面固定安装的多个位移传感器检测运动台与目标平面光栅结构之间的位移变化，并最终根据光程变化测得运动台与主基板间的相对移动。但上述技术方案存在以下缺点：

1.目标平面光栅结构设置于物镜与运动台之间，因此，从物镜发出的光束经目标平面光栅结构后照射至基底表面，测量光程较长，受空气扰动小，测量重复性差；

2.目标平面光栅结构的布局受到物镜及物镜发出的光束的影响，且多个目标平面光栅结构拼接易造成测量误差。

发明内容

本发明提供一种位移测量系统以及曝光设备，以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种位移测量系统，用于测量一运动台相对一目标物的位移，所述目标物通过一主基板固定在所述运动台上方，包括安装在所述运动台下表面的位移传感器、设在所述运动台下方的目标平面光栅以及信号处理单元，所述目标平面光栅为反射光栅，所述位移传感器发射光束至所述目标平面光栅，并接收经所述目标平面光栅反射的光束，所述信号处理单元接收所述位移传感器发送的信号后计算所述运动台相对所述目标平面光栅的位移，再结合所述主基板所在的目标物坐标系与所述目标平面光栅所在的运动台坐标系之间的位置关系计算所述运动台相对所述目标物的位移。

较佳地，所述目标平面光栅包括沿X、Y方向布置的二维栅线。

较佳地，所述主基板上固定有一零位传感器，用于测量所述运动台移动至零位时与所述主基板的相对位置。

较佳地，所述主基板上固定有一位置传感器，用于测量所述主基板与所述目标平面光栅的相对位置。

较佳地，所述位置传感器为光学测量传感器。

较佳地，所述运动台下表面安装有至少三个所述位移传感器，用于测量所述运动台相对所述目标物的六自由度位移。

较佳地，所述至少3个位移传感器均匀分布于所述运动台下表面，其中三个位移传感器成三角形分布。

较佳地，每个所述位移传感器均包括至少一组一维位移传感器，所述一维位移传感器包括出射光、参考衍射光栅以及光电探测器，所述参考衍射光栅为透射光栅，所述出射光被所述参考衍射光栅分成不同级次的衍射光后入射至所述目标平面光栅，所述光电探测器用于接收被所述目标平面光栅反射的衍射光，测量所述位移传感器在所述一维位移传感器测量的方向上相对所述目标平面光栅的位移量。

较佳地，所述三个位移传感器中至少包含六组一维位移传感器，所述六组一维位移传感器分布在X、Y、Z三个方向上。

较佳地，一个位移传感器中包含三组一维位移传感器，其中两组一维位移传感器用于测量所述位移传感器相对所述目标平面光栅X、Z向的位移量，一组一维位移传感器用于测量所述位移传感器相对所述目标平面光栅Y向的位移量；另一个位移传感器中包含两组一维位移传感器，用于测量所述位移传感器相对所述目标平面光栅X/Y、Z向的位移量；另一个位移传感器中包含一组一维位移传感器，用于测量所述位移传感器相对所述目标平面光栅Z向的位移量。

较佳地，位于同一个位移传感器中的两组一维位移传感器在同一方向上成对角分布方式。

较佳地，所述目标平面光栅采用两种折射率的材料等周期分布形成，且所述目标平面光栅的上表面平滑。

本发明还提供了一种包括如上所述的位移测量系统的曝光设备，所述目标物为投影物镜，所述目标平面光栅下方设有驱动所述运动台的磁钢阵列，所述目标平面光栅与所述磁钢阵列成非接触设置。

较佳地，所述运动台底部设置有超导体。

较佳地，所述超导体为多个，多个超导体在所述运动台底部呈中心对称的结构分布。

较佳地，所述主基板和所述目标平面光栅均通过减震装置与外部相连。

较佳地，所述目标平面光栅固定于整机框架上，所述整机框架与所述主基板固定连接。

较佳地，所述整机框架的底部设有若干盲孔状的容置空间，所述磁钢阵列以矩阵形式均匀分布于所述容置空间内。

本发明还提供了另外一种包括如上所述的位移测量系统的曝光设备，所述目标物为投影物镜，所述目标平面光栅固定于与所述主基板一体相连的整机框架上；所述运动台架设于H型气浮导轨上，并能够沿所述H型气浮导轨移动。

较佳地，所述整机框架通过减震装置与外部相连。

与现有技术相比，本发明提供的位移测量系统以及曝光设备具有如下优点：

1.本发明采用物镜、运动台、目标平面光栅从上至下依次排列的布局方式，目标平面光栅不受物镜影响，可加工成规则的对称图形，易于制造，且不会引入由拼接造成的测量误差；

2.测量光程短，受空气扰动小，故测量重复性好；

3.物镜与运动台之间的空间未被占用，可安装测量基底上表面面形的调焦调平传感器，测量标记位置的基底对准传感器等。

附图说明

图1为本发明实施例一中位移测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一中位移传感器在运动台底部的布局结构示意图；

图3为本发明实施例一中单个位移传感器的结构示意图；

图4a和4b分别为本发明实施例一中位于同一个位移传感器中的两组出射光的对角分布示意图；

图5为本发明实施例一中超导体在运动台底部的分布示意图；

图6a和6b分别为现有的和本发明实施例一中的目标平面光栅的结构示意图；

图7为本发明实施例二中位移测量系统的结构示意图；

图8为本发明实施例三中位移测量系统的结构示意图；

图9为本发明实施例四中位移测量系统的结构示意图；

图10为本发明实施例四中磁钢阵列的分布形式俯视图；

图11为本发明实施例五中位移测量系统的结构示意图；

图12为本发明实施例五中H型气浮导轨与运动台位置关系的俯视图。

图中：10-运动台，11-超导体，20-目标平面光栅，21-整机框架，30-磁钢阵列，31-H型气浮导轨，40-物镜，50-主基板，60-位移传感器，61a、61b、61c-出射光，62a、62b、62c-参考衍射光栅，63a、63b、63c-光电探测器，70-零位传感器，80-减震装置，90-位置传感器。

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。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本实施例提供一种包括位移测量系统的曝光设备，如图1所示，包括从上至下依次间隔设置的运动台10、目标平面光栅20以及磁钢阵列30，

物镜40通过主基板50固定于所述运动台10上方，所述运动台10用于承载基底(未图示)并带动所述基底运动，所述物镜40将掩模上的图案转移到所述基底上；

所述运动台10的下表面安装有至少3个位移传感器60，用于测量所述运动台10与所述目标平面光栅20之间的位移；

所述目标平面光栅20为反射光栅，且沿X、Y方向布置有二维栅线；

所述磁钢阵列30与所述目标平面光栅20非接触式设置，所述磁钢阵列30为所述运动台10提供磁浮力使所述运动台10悬浮运动。

本发明采用物镜40、运动台10、目标平面光栅30从上至下依次排列的布局方式，使目标平面光栅30不受物镜40影响，可加工成规则的对称图形，易于制造，且不会引入由拼接造成的测量误差；位移传感器60相对目标平面光栅20的Z向距离较近，一般为运动台10磁浮的间隙，所以该位移传感器60的测量光程较短，测量结果受环境影响小；另外，磁钢阵列30位于目标平面光栅20下方，但与其没有直接接触，所以当运动台10在磁浮运动过程中，磁钢阵列30不会对测量基准(目标平面光栅20)的位置造成影响。

较佳地，请继续参考图1，所述主基板50和所述目标平面光栅20分别通过减震装置80与外部相连，与所述目标平面光栅20相连的所述减震装置80用于隔绝外部世界对目标平面光栅20的高频干扰，以此为基准，得到运动台10相对于目标平面光栅20的准确位移；同样的，主基板50下方的减震装置80用以隔绝由外部世界导入以物镜40为基准的内部世界的影响。

较佳地，所述至少3个位移传感器60均匀分布于所述运动台10底部。具体地，请重点参考图2，本实施例中，运动台10下表面的位移传感器60共有3个，按三角形分布，互相间间距尽可能最大，以提高测量精度。

较佳地，每个所述位移传感器60包括至少一组一维位移传感器，所述一维位移传感器包括出射光、参考衍射光栅以及光电探测器，所述参考衍射光栅为透射光栅，所述出射光被所述参考衍射光栅分成不同级次的衍射光后入射至所述目标平面光栅20，所述光电探测器用于接收被所述目标平面光栅20反射的衍射光，测量所述位移传感器60在所述一维位移传感器测量的方向上相对所述目标平面光栅20的位移量。请重点参考图3，以其中一个位移传感器60为例，该位移传感器60中包含3个出射光61a、61b、61c，3个参考衍射光栅62a、62b、62c，以及3个光电探测器63a、63b、63c。其中，两个出射光61a、61b沿X方向对角分布，参考衍射光栅62a、62b用以将出射光61a、61b分为不同级次的衍射光，光电探测器63a、63b用以测量该位移传感器60在X方向与Z方向上相对目标平面光栅20的位移；Y方向分布的光电探测器63c、参考衍射光栅62c、出射光61c，用以测量该位移传感器60在Y方向的位移。故该位移传感器60的三组光电探测器63a、63b、63c可以测量X，Y，Z 3个自由度。由于需要测量6自由度相对目标平面光栅20的位移，所以另外一个位移传感器60中需包含两组一维位移传感器，分别测量X或Y、Z自由度，最后一个位移传感器60中，包含一组一维位移传感器，以测量Z自由度。也就是说，总共3个位移传感器60，包含至少6组一维位移传感器，即可完成运动台10的6自由度测量功能。当然，实际应用中，可通过增加一维位移传感器的个数提高精度，或用以相互间的校准。

较佳地，位于同一个位移传感器60中的两组出射光(如前段中描述的沿X方向对角分布的两个出射光61a、61b)采用对角分布方式，当然，对应的光电探测器63a、63b也为对角分布方式，图4a和4b给出了出射光61a、61b与光电探测器63a、63b的两种对角分布方式，一种是两组光电探测器63a、63b分布于两组出射光61a、61b之间，另一种是两组出射光61a、61b分布于两组光电探测器63a、63b之间。由于光电探测器63a、63b相对目标平面光栅20沿Z向运动时，对角分布的两组光电探测器63a、63b返回的光程差变化不同，故可用以测量光电探测器63a、63b相对目标平面光栅20的Z向位移变化。

较佳地，请重点参考图5，所述运动台10底部设置有超导体11，较佳地，所述超导体11为多个，多个超导体11在所述运动台10底部呈中心对称的结构分布，本实施例中，超导体11的数量为3个，按三角形分布。由于磁钢阵列30沿Z向上方存在与目标平面光栅20的间隙、目标平面光栅20自身厚度、运动台10下方的间隙，所以除采用传统的磁浮结构外，还可在运动台10底面布置超导体11，利用其抗磁性，实现运动台10的磁浮位移，具体地，超导体11在运动台10底面的分布呈以运动台10底面中心对称的结构，不局限于图5的形式，由于超导磁浮的磁浮间隙比传统磁浮大，功耗低，所以可以较好的解决该磁浮结构的散热问题，以及Z向间隙问题。

现有技术中的目标平面光栅20采用如图6a所示的结构，即上表面为等周期分布的凹凸不平结构，当紧急停机运动台10下降时可能会接触目标平面光栅20，对等周期分布的凹凸不平结构造成破坏。而本发明的目标平面光栅20采用两种折射率的材料等周期分布的结构，且所述目标平面光栅20的上表面平滑，如图6b所示，用以解决上述缺陷。另外，针对紧急停机，运动台10可能直接置于目标平面光栅20上的情况，还可以增加不间断电源UPS，如突然断电，运动台10仍然能够运动到无目标平面光栅20的位置再下降。还可以在运动台10底部安装柔性垫块，以减少冲击。

较佳地，由于物镜40在隔绝外部震动的内部世界，运动台10的测量基准(目标平面光栅20)位于外部世界，本实施例通过增加零位传感器的方式建立物镜坐标系LCS与目标平面光栅20所在的运动台零位坐标系WZCS间的位置关系。请继续参考图1，在支撑物镜40的主基板50上，添加能测量运动台10相对主基板50在6自由度位置的零位传感器70，以建立两个坐标系间的位置关系。建立两坐标系间位置关系的清零动作包含：在整机集成阶段，当运动台10移动到零位时，零位传感器70获取6自由度位置数据，以该数据为基准，更改运动台自身的零位，在该步骤后，物镜坐标系LCS与运动台零位坐标系WZCS间6自由度位置可保持一致。物镜40与目标平面光栅20虽然各自有减震设备，但因温度等影响，不可避免存在缓慢的基准漂移，所以在线工作时，每张基底或一批基底曝光前，也需要执行清零动作，类似动作在当前现有的曝光设备量产过程中已包含，故不会影响产率。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：本实施例通过增加位置传感器的方式建立物镜坐标系LCS与目标平面光栅20所在的运动台零位坐标系WZCS间的位置关系。请重点参考图7，所述主基板10上固定有一位置传感器90，位置传感器90实时测量所述主基板50与所述目标平面光栅20的相对位置，实时获得物镜坐标系LCS与目标平面光栅20所在的运动台零位坐标系WZCS间6自由度位置关系，并以该数据为基准，更改运动台10相对目标平面光栅20的位置，得到运动台10相对物镜40的位置。

较佳地，所述位置传感器90为光学测量传感器，保证主基板50与目标平面光栅20不接触。

实施例三

请重点参考图8，本实施例与实施例一和二的区别在于：所述目标平面光栅20固定于整机框架21上，所述整机框架21与所述主基板50固定连接。也就是说，本实施例中利用整机框架21使主基板50与目标平面光栅20的相对位置固定，所以可直接得到运动台10相对物镜40的位移。磁钢阵列30位于整机框架21下方的外部世界，不与整机框架21接触，所以运动台10在运动过程中对磁钢阵列30产生的反作用力对内部世界稳定性不会造成影响。

较佳地，所述整机框架21通过减震装置80与外部相连，以隔绝由外部世界导入以整机框架21为基准的内部世界的影响。

但由于目标平面光栅20安装基准与物镜40的安装基准主基板50的距离较远，可能存在位置漂移，因此同样可以运用实施例一所述的零位传感器70或实施例二所述的位置传感器90进行物镜坐标系LCS与运动台零位坐标系WZCS之间位置关系的更新来解决。

实施例四

请重点参考图9和图10，本实施例与实施例三的区别在于：所述整机框架21的底部设有若干盲孔状的容置空间，所述磁钢阵列30以矩阵形式均匀分布于所述容置空间内，仍然不与目标平面光栅20接触。本实施例的特点是：磁钢阵列30与运动台10底部距离较近，对磁浮间隙要求较小。

实施例五

请重点参考图11和图12，本实施例与实施例三和四的区别在于：所述运动台10架设于H型气浮导轨31上，并能够沿所述H型气浮导轨31移动，换句话说，本实施例利用H型气浮导轨31代替磁钢阵列30为运动台10提供驱动力。具体地，运动台10基于气浮结构，并使用所述H型气浮导轨31上的电机执行位移，同样的，H型气浮导轨31在外部世界与主基板50之间没有直接接触，不会对内部世界稳定性造成影响。

综上所述，本发明提供了一种位移测量系统，用于测量一运动台相对一目标物的位移，所述目标物通过一主基板固定在所述运动台上方，所述位移测量系统包括安装在所述运动台下表面的位移传感器、设在所述运动台下方的目标平面光栅以及信号处理单元，所述目标平面光栅为反射光栅，所述位移传感器发射光束至所述目标平面光栅，并接收经所述目标平面光栅反射的光束，所述信号处理单元接收所述位移传感器发送的信号后计算所述运动台相对所述目标平面光栅的位移，再结合所述主基板所在的目标物坐标系与所述目标平面光栅所在的运动台坐标系之间的位置关系计算所述运动台相对所述目标物的位移。本发明还提供了采用上述位移测量系统的曝光设备。本发明采用将目标平面光栅设于目标物下方的布局方式，在保证不干扰运动台承载面的同时，不受目标物限制，进而不会引入由拼接造成的测量误差，且易于制造；而且目标物与运动台之间的空间未被占用，可安装更多类型的传感器。

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 (20)

1.一种位移测量系统，用于测量一运动台相对一目标物的位移，所述目标物通过一主基板固定在所述运动台上方，其特征在于，包括安装在所述运动台下表面的位移传感器、设在所述运动台下方的目标平面光栅以及信号处理单元，所述目标平面光栅为反射光栅，所述位移传感器发射光束至所述目标平面光栅，并接收经所述目标平面光栅反射的光束，所述信号处理单元接收所述位移传感器发送的信号后计算所述运动台相对所述目标平面光栅的位移，再结合所述主基板所在的目标物坐标系与所述目标平面光栅所在的运动台坐标系之间的位置关系计算所述运动台相对所述目标物的位移。

2.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，所述目标平面光栅包括沿X、Y方向布置的二维栅线。

3.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，所述主基板上固定有一零位传感器，用于测量所述运动台移动至零位时与所述主基板的相对位置。

4.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，所述主基板上固定有一位置传感器，用于测量所述主基板与所述目标平面光栅的相对位置。

5.如权利要求4所述的位移测量系统，其特征在于，所述位置传感器为光学测量传感器。

6.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，所述运动台下表面安装有至少三个所述位移传感器，用于测量所述运动台相对所述目标物的六自由度位移。

7.如权利要求6所述的位移测量系统，其特征在于，所述至少3个位移传感器均匀分布于所述运动台下表面，其中三个位移传感器成三角形分布。

8.如权利要求7所述的位移测量系统，其特征在于，每个所述位移传感器均包括至少一组一维位移传感器，所述一维位移传感器包括出射光、参考衍射光栅以及光电探测器，所述参考衍射光栅为透射光栅，所述出射光被所述参考衍射光栅分成不同级次的衍射光后入射至所述目标平面光栅，所述光电探测器用于接收被所述目标平面光栅反射的衍射光，测量所述位移传感器在所述一维位移传感器测量的方向上相对所述目标平面光栅的位移量。

9.如权利要求8所述的位移测量系统，其特征在于，所述三个位移传感器中至少包含六组一维位移传感器，所述六组一维位移传感器分布在X、Y、Z三个方向上。

10.如权利要求9所述的位移测量系统，其特征在于，一个位移传感器中包含三组一维位移传感器，其中两组一维位移传感器用于测量所述位移传感器相对所述目标平面光栅X、Z向的位移量，一组一维位移传感器用于测量所述位移传感器相对所述目标平面光栅Y向的位移量；另一个位移传感器中包含两组一维位移传感器，用于测量所述位移传感器相对所述目标平面光栅X/Y、Z向的位移量；另一个位移传感器中包含一组一维位移传感器，用于测量所述位移传感器相对所述目标平面光栅Z向的位移量。

11.如权利要求10所述的位移测量系统，其特征在于，位于同一个位移传感器中的两组一维位移传感器在同一方向上成对角分布方式。

12.如权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，所述目标平面光栅采用两种折射率的材料等周期分布形成，且所述目标平面光栅的上表面平滑。

13.一种包括如权利要求1至12中任一所述的位移测量系统的曝光设备，其特征在于，所述目标物为投影物镜，所述目标平面光栅下方设有驱动所述运动台的磁钢阵列，所述目标平面光栅与所述磁钢阵列成非接触设置。

14.如权利要求13所述的曝光设备，其特征在于，所述运动台底部设置有超导体。

15.如权利要求14所述的曝光设备，其特征在于，所述超导体为多个，多个超导体在所述运动台底部呈中心对称的结构分布。

16.如权利要求13所述的曝光设备，其特征在于，所述主基板和所述目标平面光栅均通过减震装置与外部相连。

17.如权利要求13所述的曝光设备，其特征在于，所述目标平面光栅固定于整机框架上，所述整机框架与所述主基板固定连接。

18.如权利要求17所述的曝光设备，其特征在于，所述整机框架的底部设有若干盲孔状的容置空间，所述磁钢阵列以矩阵形式均匀分布于所述容置空间内。

19.一种包括如权利要求1至12中任一所述的位移测量系统的曝光设备，其特征在于，所述目标物为投影物镜，所述目标平面光栅固定于与所述主基板一体相连的整机框架上；所述运动台架设于H型气浮导轨上，并能够沿所述H型气浮导轨移动。

20.如权利要求19所述的曝光设备，其特征在于，所述整机框架通过减震装置与外部相连。

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