CN108519053B - 一种用于测量运动台六自由度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量运动台六自由度的装置，包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，第一反射镜与第二反射镜分别设置于运动台相邻的两个侧面，第三反射镜设置于第二反射镜所在侧面的下部且第三反射镜的反射面与第二反射镜的反射面呈钝角设置；还包括设置于运动台上的三个二维光栅尺测量读头；其中一个二维光栅测量读头沿第二反射镜所在侧面的边沿设置，另外两个二维光栅测量读头沿与第二反射镜面所在侧面相对的侧面的边沿设置；每个二维光栅尺测量读头对应一个平面光栅，二维光栅尺测量读头用于测量运动台与平面光栅间的相对位移。本发明满足使用激光干涉仪与平面光栅尺两套测量系统同时测量运动台六自由度的需求。

Description

一种用于测量运动台六自由度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置，具体涉及一种满足激光干涉仪测量系统和平面光栅尺测量系统同时测量运动台六自由度的装置及方法。

背景技术

光刻技术是利用曝光的方法将掩模上的电路图案投射到涂覆于晶圆表面的光刻胶上，对光敏感的光刻胶经曝光后发生化学性变，然后经过显影、刻蚀、掺杂等工艺，最终在晶圆上形成硅基电路。光刻是集成电路制造的主要环节，光刻工艺的高低是决定芯片集成度和性能的关键。光刻机是生产半导体芯片的核心设备，在半导体芯片制造的过程中光刻机的掩膜台、工件台的定位精度直接影响半导体芯片加工的线宽。光刻分辨率、套刻精度以及产率是衡量光刻机性能的三个主要指标，这三个指标中，除光刻分辨率是与物镜系统相关外，其余两个均与工件台和掩模台直接相关。工件台是搭载晶圆的六自由度精密运动台，在步进扫描光刻机中，工件台要完成超精密定位以及超精密的姿态调整以满足对准系统和调平调焦系统的要求。因此，在光刻机中需设置高精度的位置测量系统以保证掩膜台和工件台的定位精度。

工件台位置测量系统是光刻机工件台的重要子系统之一，它为工件台伺服控制系统提供工件台位置反馈信息，由此形成闭环回路，所以测量精度也是影响套刻精度的重要因素。精确的位置信息是工件台运动定位、调平调焦以及对准等过程的先决条件，在光刻机工件台系统的研发中，工件台六自由度超精密测量系统是一项关键技术。目前，满足工件台六自由度位置测量的测量系统有激光干涉仪测量系统和平面光栅尺测量系统。

激光干涉仪是目前应用十分广泛的一种精密位移测量系统，可以分为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。激光干涉仪的测量分辨力可以达到纳米量级，测量范围可以达到数十米，是一种适合测量大行程、高精度位移的精密测量仪器，并在光刻机中得到了广泛的应用。激光干涉仪以激光波长作为位移测量基准，当激光源的波长和空气的折射率因环境中的温度、湿度等发生变化时，激光干涉仪的测量精度会受到严重的影响。因此，激光干涉仪在使用时对测量环境有着十分严格的要求。

平面光栅尺测量系统是除激光干涉仪外另一种应用十分广泛的精密位移测量系统。平面光栅尺测量系统以光栅的栅距作为位移量的测量基准，从原理上消除了光源波长变化对位移测量的影响。当采用零膨胀系数的材料制造光栅时，环境中的温度变化不会引起光栅栅距的变化，因此平面光栅尺测量系统对测量环境的要求相比激光干涉仪宽松很多。平面光栅尺测量系统的分辨力可以达到纳米量级，测量范围取决于光栅的大小，一般可以达到数十到上百毫米。相比于激光干涉仪，平面光栅尺测量系统结构简单、系统体积小，更适合应用在本身结构就比较复杂的制造装备或测量仪器中。

在研究更高精度的平面光栅尺测量系统过程中，需要一种能够满足激光干涉仪测量系统和平面光栅尺测量系统同时测量运动台六自由度的装置。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于测量运动台六自由度的装置，以解决现有技术中使用激光干涉仪测量系统和平面光栅尺测量系统不能同时测量运动台六自由度位置的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于测量运动台六自由度的装置，该装置包括第一反射镜5、第二反射镜6和第三反射镜7，所述第一反射镜与第二反射镜分别设置于运动台相邻的两个侧面，所述第三反射镜设置于第二反射镜所在侧面的下部且第三反射镜的反射面与第二反射镜的反射面呈钝角设置；

该装置还包括设置于运动台8上表面的三个二维光栅尺测量读头2；其中一个二维光栅测量读头沿第二反射镜所在侧面的边沿设置，另外两个二维光栅测量读头沿与第二反射镜面所在侧面相对的侧面的边沿设置；

该装置还包括三个平面光栅1，每个二维光栅尺测量读头对应一个平面光栅，所述二维光栅尺测量读头用于测量运动台与平面光栅间的相对位移。

优选地，所述的其中一个二维光栅测量读头设置于第二反射镜所在侧面的边沿的中部。

优选地，所述的另外两个二维光栅测量读头对称的沿与与第二反射镜面所在侧面相对的侧面的边沿设置且所述的另外两个二维光栅测量读头关于所述的其中一个二维光栅测量读头的垂直于第二反镜所在侧面的对称轴对称。

优选地，所述的三个平面光栅处于同一平面。

优选地，所述的另外两个二维光栅测量读头分别设置于运动台的顶角处。

优选地，所述的二维光栅测量读头为方形结构。

优选地，所述平面光栅为方形结构。

优选地，所述的另外两个二维光栅测量读头间的距离大于所述其中一个二维光栅测量读头的最长边。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于测量运动台六自由度的方法，以运动台的中心为坐标原点建立XYZ坐标系，在方形的运动台的相邻两个侧面分别设置X向反射镜和Y向反射镜，在Y向反射镜所在侧面的下部设置Z向45°反射镜使得Z向45°反射镜的反射面与Y向反射镜的反射面呈135°；

定义垂直于运动台上表面为Z向，指向且垂直于X向反射镜为X轴的正向，垂直于Y向反射镜为Y轴且指向Y向反射镜的方向为Y轴的负向；

在运动台上设置3个读头，使得读头I位于Y轴上并处于Y轴负向；读头II与读头III平行于X轴且以Y轴为中心对称排列，同时读头II与读头III处于Y坐标轴正向；每个读头对应一块平面光栅，测量运动台与平面光栅之间的相对位移，读头I测量X向和Z向位移，读头II 和读头III都测量Y向和Z向位移；

每个读头均有两路测量光束，测量光束以一定的角度出射到平面光栅的光学面，发生衍射，光束的+1级衍射光沿原路返回至读头，再经由读头内部反射，作为二次出射光束在平面光栅的光学面发生二次衍射，并同样沿原路返回至读头，此信号即作为读头的输出信号，经过光纤传输给信号处理卡，进行倍频和计数，即可获得测量信号的计数值。

如上所述，本发明的一种用于测量运动台六自由度的装置，具有以下有益效果：

本发明使用平面光栅替代干涉仪的Z向反射镜，在满足使用激光干涉仪与平面光栅尺两套测量系统同时测量运动台六自由度的需求下，简化了干涉仪的结构，降低了干涉仪测量系统成本。

附图说明

为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。在附图中：

图1为本发明所述装置的示意图；

图2为对比试验平台X向视图；

图3为激光干涉仪测量原理；

图4为光栅沿X向移动时激光频率的变化示意图；

图5为光栅沿Z向移动时激光频率的变化示意图；

图6为光栅尺测量系统布局图；

图7为干涉仪测量系统布局。

1、平面光栅，2、二维光栅尺测量读头，3、第一干涉仪，4、第二干涉仪，5、第一反射镜，6、第二反射镜，7、第三反射镜，8、运动台，9、第四反射镜。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在对本发明介结前先对激光干涉仪的测量原理和平面光栅尺的测量原理进行简单说明。

激光干涉仪测量原理：双频激光干涉仪的光源处于轴向磁场中，根据塞曼效应，会产生方向相反的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，其振幅相等，但频率不同，频率分别为f1和f2。偏振光经过分光镜I后在a点分离为两束，其中一束经过检偏器I拍频，变为频率为f2-f1的光，作为参考光被光电检测单元接收。另一束光继续前行，在偏振分光镜II的b处又分离为两束，其中一束经偏振镜反射后变为频率为f1的光，该束光经固定棱镜I的全反射，回到偏振分光镜II的c处；另一束通过偏振分光镜II的光频率变为f2，射入与运动台固联的移动棱镜II，当运动台发生移动时，根据多普勒效应，由棱镜反射回的光频率变为f2±Δf，该光束与频率为f1的另一束光在分光镜的c处汇合，汇合后的光经过检偏器II的拍频，变为频率为 f2-f1±Δf的测量光。参考光和测量光经过光电转换单元和激光干涉仪计数卡的处理，即可以计算出由运动台的速度v引起的Δf，按照激光干涉仪原理公式可以求出运动速度v和位移ΔL。

激光干涉仪的基本公式为：

其中，λ是激光波长，N是与Δf相关的计数值。

平面光栅尺测量原理：频率为f的激光束以θ_i角度入射至二维光栅，其+1级衍射光的衍射角为θ₊₁，当光栅沿X向移动Δx后，激光频率变为f+Δf。

由多普勒频原理及光栅衍射方程可知，+1级衍射光的频率变化量可以表示为：

其相位变化与X向位移的关系可如下表示：

其中：v_x表示光栅X向的移动速度；p示光栅周期。

当光栅沿Z向移动Δz后，如图6所示：

由多普勒频原理可知，+1级衍射光的频率变化量可以表示为：

其相位变化与Z向位移的关系可如下表示：

其中：λ为激光波长；v_z表示光栅Z向的移动速度。

由于使用激光干涉仪测量系统和平面光栅尺测量系统不能同时测量运动台六自由度位置 (X,Y,Rz,Z,Rx,Ry)，激光干涉仪的Z向反射镜与平面光栅尺的安放位置冲突，在平面光栅尺可以测量运动台六自由度的情况下，激光干涉仪不能测量运动台Z向的位置。因此，本发明提供一种用于测量运动台六自由度的装置，能够使激光干涉仪测量系统与平面光栅尺测量系统同时测量运动台六自由度，该装置示意图如下所示，X向视角如图2所示。

该装置包括第一反射镜5、第二反射镜6和第三反射镜7，所述第一反射镜与第二反射镜分别设置于运动台相邻的两个侧面，所述第三反射镜设置于第二反射镜所在侧面的下部且与第三反射镜的反射面与第二反射镜的反射面呈钝角设置；该钝角优选为145°。

该装置还包括设置于运动台8上表面的三个二维光栅尺测量读头2；其中一个二维光栅测量读头沿第二反射镜所在侧面的边沿设置，另外两个二维光栅测量读头沿与第二反射镜面所在侧面相对的侧面的边沿设置；

该装置还包括三个平面光栅1，每个二维光栅尺测量读头2对应一个平面光栅，所述二维光栅尺测量读头用于测量运动台与平面光栅间的相对位移。

下面分别以第一反射镜为X向反射镜，第二反射镜为Y向反射镜，第三反射镜为Z向45°反射镜，三个二维光栅尺测量读头分别为读头I、读头II、读头III进行说明。进一步，以运动台的中心为坐标原点建立XYZ坐标系，垂直于运动台上表面为Z向，指向且垂直于X向反射镜为X轴的正向，垂直于Y向反射镜为Y轴且指向Y向反射镜的方向为Y轴的负向。

在运动台上安装的3个读头，成“品”字形状排列，如图7所示，其中读头I安装在Y轴上，并处于Y轴负向，读头II与读头III平行于X轴，以Y轴为中心对称排列，并处于Y坐标轴正向。每个读头对应一块二维光栅，测量运动台与光栅之间的相对位移，读头I测量X向和 Z向位移，读头II和读头III都测量Y向和Z向位移。

每个读头均有两路测量光束，测量光束以一定的角度(相对光栅面)出射到光栅光学面，发生衍射，光束的+1级衍射光沿原路返回至读头，再经由读头内部反射，作为二次出射光束在光栅光学面发生二次衍射，并同样沿原路返回至读头，此信号即作为读头的输出信号，经过光纤传输给信号处理卡，进行倍频(电学细分)和计数，即可获得测量信号的计数值。以读头内一路光束的测量信号相位数为

另一路光束的测量信号相位数为

可得到读头I水平向及垂直向的位移表达式为：

其中：n_z为光束的方向向量在Z向的分量；

为读头I中一测量信号的相位数；

为读头I中另外一测量信号的相位数；

p为二维光栅的光栅周期；

R为电子分辨率。

读头II水平向及垂直向的位移表达式为：

其中：

为读头II中一测量信号的相位数；

为读头II另外一测量信号的相位数；

读头III水平向及垂直向的位移表达式为：

其中：

为读头III中一测量信号的相位数；

为读头III另外一测量信号的相位数；

则运动台的六自由度位置可由各读头对应的位移表示：

X＝Sx1+f_x1*Rx+f_x2*Ry+f_x3*Rz+f_x4*Rx²+f_x5*Ry²+f_x6*Rz²+f_x7*Rx*Ry+f_x8*Rx*Rz +f_x9*Rx*X+f_x10*Rx*Y+f_x11*Ry*X+f_x12*Ry*Y+f_x13*Ry*Z+f_x14*Rz*X

其中：Sx1、Sy1、Sy2为三个读头分别对应的水平向位移；

Sz1、Sz2、Sz3、Sz4为三个读头分别对应的Z向位移；

dx为读头II与读头III在X向安装位置的距离；

dy为读头I与读头II和读头II在Y向安装位置的距离；

f_xi,i＝1,2...为计算X时由安装误差等参数组成的系数；

f_yi,i＝1,2...为计算Y时由安装误差等参数组成的系数；

f_rzi,i＝1,2...为计算Rz时由安装误差等参数组成的系数；

f_zi,i＝1,2...为计算Z时由安装误差等参数组成的系数；

f_rxi,i＝1,2...为计算Rx时由安装误差等参数组成的系数；

f_ryi,i＝1,2...为计算Ry时由安装误差等参数组成的系数。

六自由度的表达式中都包含有非待求自由度的表达式，自由度的系数(f_xi,i＝1,2...等)与测量读头、二维光栅的安装位置及安装误差有关。

干涉仪测量系统布局如图7所示，在X轴正向布置3个测量轴X1、X2、X3，用于测量运动台的3个自由度X、Rz、Ry，在Y轴负向布置4个测量轴用于测量运动台4个自由度Y、Rz、Z、Rx，每个测量轴都可看做一个独立工作的激光干涉仪，能够测量该轴向的位移量，两个测量轴的组合可以测量相关的角位移。另外，对运动台的旋转Rz的测量时冗余的，由X向干涉仪-第一干涉仪3测量的运动台的旋转Rz表示为Rzx，由Y向干涉仪－第二干涉仪4测量的运动台的旋转Rz表示为Rzy。

由干涉仪的测量原理可知，每个干涉仪测量轴可以输出其对应轴向的位移，X向干涉仪 X1、X2、X3测量轴输出的位移分别是lx1、lx2、lx3，Y向干涉仪Y1、Y2、Y3测量轴输出的位移分别是ly1、ly2、ly3，Z向干涉仪Z1测量轴输出的位移为lz1。则运动台的六自由度位置表达式为：

Z＝lz1-lx3+f_z1*X+f_z2*Y+f_z3*Rx+f_z4*Ry+f_z5*Rz+f_z6*Rx*X+f_z7*Ry*X +f_z8*Rz*X+f_z9*Ry*Y+f_z10*Rx*Rx++f_z11*Ry*Ry+f_z12*Rz*Rz

其中：ax为X1、X2测量轴在Y向的距离；

ay为X1、X2连线与X3轴在Z向的距离；

bx为Y1、Y2测量轴在X向的距离；

by为Y1、Y2连线与Y3轴在Z向的距离；

f_xi,i＝1,2...为计算X时由安装误差等参数组成的系数；

f_rzxi,i＝1,2...为计算X时由安装误差等参数组成的系数；

f_yi,i＝1,2...为计算Y时由安装误差等参数组成的系数；

f_rzyi,i＝1,2...为计算Rz时由安装误差等参数组成的系数；

f_zi,i＝1,2...为计算Z时由安装误差等参数组成的系数。

本发明将原布局中Z向干涉仪的平面反射镜－第四反射镜9替换为光栅尺测量系统的二维光栅，利用光栅的0级衍射光沿入射光束方向返回的性质，达到测量运动台的Z向位置的目的。将平面镜替换为二维光栅后，由于干涉仪的布局不变，运动台的自由度表达式不需要重新设计。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种用于测量运动台六自由度的装置，其特征在于，该装置包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第一反射镜与第二反射镜分别设置于运动台相邻的两个侧面，所述第三反射镜设置于第二反射镜所在侧面的下部且第三反射镜的反射面与第二反射镜的反射面呈钝角设置；

该装置还包括设置于运动台上表面的三个二维光栅尺测量读头；其中一个二维光栅测量读头沿第二反射镜所在侧面的边沿设置，另外两个二维光栅测量读头沿与第二反射镜面所在侧面相对的侧面的边沿设置；

该装置还包括三个平面光栅(1)，每个二维光栅尺测量读头对应一个平面光栅，所述二维光栅尺测量读头用于测量运动台与平面光栅间的相对位移。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量运动台六自由度的装置，其特征在于，所述的其中一个二维光栅测量读头设置于第二反射镜所在侧面的边沿的中部。

3.根据权利要求2所述的一种用于测量运动台六自由度的装置，其特征在于，所述的另外两个二维光栅测量读头对称的沿与第二反射镜面所在侧面相对的侧面的边沿设置且所述的另外两个二维光栅测量读头关于所述的其中一个二维光栅测量读头的垂直于第二反镜所在侧面的对称轴对称。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量运动台六自由度的装置，其特征在于，所述的三个平面光栅处于同一平面。

5.根据权利要求3所述的一种用于测量运动台六自由度的装置，其特征在于，所述的另外两个二维光栅测量读头分别设置于运动台的顶角处。

6.根据权利要求3所述的一种用于测量运动台六自由度的装置，其特征在于，所述的二维光栅测量读头为方形结构。

7.根据权利要求6所述的一种用于测量运动台六自由度的装置，其特征在于，所述平面光栅为方形结构。

8.根据权利要求6所述的一种用于测量运动台六自由度的装置，其特征在于，所述的另外两个二维光栅测量读头间的距离大于所述其中一个二维光栅测量读头的最长边。

9.一种测量运动台六自由度的装置的方法，其特征在于，以运动台的中心为坐标原点建立XYZ坐标系，在方形的运动台的相邻两个侧面分别设置X向反射镜和Y向反射镜，在Y向反射镜所在侧面的下部设置Z向45°反射镜使得Z向45°反射镜的反射面与Y向反射镜的反射面呈135°；

定义垂直于运动台上表面为Z向，指向且垂直于X向反射镜为X轴的正向，垂直于Y向反射镜为Y轴且指向Y向反射镜的方向为Y轴的负向；

在运动台上设置3个读头，使得读头I位于Y轴上并处于Y轴负向；读头II与读头III平行于X轴且以Y轴为中心对称排列，同时读头II与读头III处于Y坐标轴正向；每个读头对应一块平面光栅，测量运动台与平面光栅之间的相对位移，读头I测量X向和Z向位移，读头II和读头III都测量Y向和Z向位移；

每个读头均有两路测量光束，测量光束以一定的角度出射到平面光栅的光学面，发生衍射，光束的+1级衍射光沿原路返回至读头，再经由读头内部反射，作为二次出射光束在平面光栅的光学面发生二次衍射，并同样沿原路返回至读头，此信号即作为读头的输出信号，经过光纤传输给信号处理卡，进行倍频和计数，即可获得测量信号的计数值。

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