CN108731601A - 一种空间光路的光栅尺标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间光路的光栅尺标定装置，包括运动台和测量装置，所述测量装置设置于运动台上；测量装置包括一具有凹槽结构的承载台承载台，凹槽结构的底面上设置有4个平面光栅，在每个平面光栅的上方设置有一读头；承载台的相对的两侧面的外侧各设置有一个第二反射镜，由上区域边沿向所述第二平面延伸形成第四反射镜，承载台的另外两相对的侧面的其中一个侧面的外侧设置有第一反射镜；测量装置还包括第一干涉仪、第二干涉仪和第三干涉仪，第二干涉仪与第三干涉仪与第二反射镜同侧设置，第一干涉仪与第一反射镜同侧设置；测量装置还包括两第三反射镜，第二干涉仪与第三干涉仪发出的光线的一部分经第四反射镜反射进入到第三反射镜。

Description

一种空间光路的光栅尺标定装置及标定方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种空间光路的光栅尺标定装置及标定方法。

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，在光刻机中需要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需求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，已经不能满足28纳米至14纳米光刻机工件台的定位需求。

平面光栅尺测量系统是除激光干涉仪外另一种精密位移测量系统。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、亚纳米量级，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。而平面光栅尺在安装过程中会存在读头安装误差、光栅安装误差、光栅制造误差。

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空间光路的光栅尺标定装置及标定方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种空间光路的光栅尺标定装置，该标定装置包括运动台7和测量装置，所述运动台处于封闭的微环境区域10内，所述测量装置设置于运动台上，随运动台运动；

所述测量装置包括具有第一平面和第二平面的承载台913，所述第一平面与第二平面相互平行；所述第一平面向所述第二平面凹陷形成一凹槽结构，在所述凹槽结构的底面上设置有4个平面光栅908，每个所述平面光栅分别处于一四边形的顶点处；在每个所述平面光栅的上方设置有一读头；

所述承载台的相对的两侧面的外侧各设置有一个第二反射镜906，所述第二反射镜设置于该第二反射镜所在侧面的上区域，由所述上区域边沿向所述第二平面延伸形成第四反射镜905，所述第四反射镜与所述第二反射镜的夹角大于90°；

所述承载台的另外两相对的侧面的其中一个侧面的外侧设置有第一反射镜907；

所述测量装置还包括第一干涉仪901、第二干涉仪903和第三干涉仪902，所述第二干涉仪与第三干涉仪与第二反射镜同侧设置，所述第一干涉仪与第一反射镜同侧设置；

所述测量装置还包括两第三反射镜，第二干涉仪与第三干涉仪发出的光线的一部分经第四反射镜反射进入到第三反射镜。

优选地，该标定装置还包括框架8和平台3，所述框架设置于所述平台上，所述框架围绕所述检测装置设置；所述框架处于所述微环境区域10内，所述读头固定于所述框架上。

优选地，4个所述读头处于同一平面。

优选地，所述四边形为矩形或正方形。

优选地，两相邻的读头对称设置。

优选地，靠近第二干涉仪的两读头的连线与两所述第三反射镜的连线相互垂直。

优选地，靠近第二干涉仪的两读头的连线为两所述第三反射镜的连线的垂直平分线。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种标定装置的标定方法，包括以下步骤：

步骤1，在运动台的行程范围内设置测量路径，在路径上以一定间隔选取测量点；

步骤2，沿着规划的路径在选取的测量点处读取测量读头的计数值，获得每个测量读头的位移；

步骤3，由其中3个读头的位移运动台位置，

P＝K*S₃

其中，P为运动台位置，K为运动台位移的系数矩阵，S₃为3个读头的位移矩阵；

步骤4，由运动台位置P计算第4个读头的位移，

S_4calc＝K^-1*P

其中，S_4calc表示计算的第4个读头的位移；

步骤5，将计算的第4个读头的位移和实测位移作差，得到读头4的位移差值；

D_s4＝S_4calc-S_4act

其中，S_4act表示第第4个测量读头的实际位移；

步骤6，使用位移差值拟合与X、Y向位置相关系数

D_s4＝a*X+b*Y+C

步骤7，在行程范围内规划网格，计算网格点位置处的第4个读头的位移面型，

S_4new＝a*X_m+b*Y_m+C

其中，S_4new表示计算的第4个读头的位移面型，X_m、Y_m分别为选取网格点的X、Y坐标。

如上所述，本发明的一种空间光路的光栅尺标定装置，具有以下有益效果：

本发明能够直接用于工件台的位置测量，针对这种布局设计光栅尺测量系统的标定流程与标定方法应用到光刻机中更为方便快捷。

附图说明

图1为光栅尺标定装置示意图；

图2为光栅尺测量系统与干涉仪测量系统布局；

图3为光栅尺测量系统与干涉仪测量系统X向视图；

图4为光栅尺测量系统与干涉仪测量系统Y向视图；

图5为激光干涉仪测量原理；

图6为光栅沿X向移动时激光频率的变化示意图；

图7为光栅沿Z向移动时激光频率的变化示意图；

图8为测量路径设置示意图；

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

请参阅图1至图8。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在对本发明进行详细介绍先对激光干涉仪测量原理和平面光栅尺测量原理进行介绍。

激光干涉仪测量原理

如图5所示，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

如图6所示，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表示光栅周期。

当光栅沿Z向移动Δz后，如图7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。

如图1所示，本发明提供一种空间光路的光栅尺标定装置，用于对栅尺测量系统的读头安装误差、光栅安装误差、光栅制造误差的校准。

如图1所示，一种空间光路的光栅尺标定装置，该标定装置包括运动台7和测量装置，所述运动台处于封闭的微环境区域10内，所述测量装置设置于运动台上，随运动台运动；

所述测量装置包括具有第一平面和第二平面的承载台913，所述第一平面与第二平面相互平行；所述第一平面向所述第二平面凹陷形成一凹槽结构，在所述凹槽结构的底面上设置有4个平面光栅(即第一光栅912、第二光栅909、第三光栅910和第四光栅914)，每个所述平面光栅分别处于一四边形的顶点处；在每个所述平面光栅的上方设置有一读头908；

所述承载台的相对的两侧面的外侧各设置有一个第二反射镜906，所述第二反射镜(即Y向反射镜)设置于该第二反射镜所在侧面的上区域，由所述上区域边沿向所述第二平面延伸形成第四反射镜905，所述第四反射镜与所述第二反射镜的夹角大于90°。

于另一施例中，第四反射镜与所述第二反射镜的夹角为145°。因此，第四反射镜为Z向45°镜。

所述承载台的另外两相对的侧面的其中一个侧面的外侧设置有第一反射镜907(即X向反射镜)；

所述测量装置还包括第一干涉仪901(即X向干涉仪)、第二干涉仪903(即Y向干涉仪)和第三干涉仪902(即Z向干涉仪)，所述第二干涉仪与第三干涉仪与第二反射镜同侧设置，所述第一干涉仪与第一反射镜同侧设置；

所述测量装置还包括两第三反射镜(即Z向反射镜)，第二干涉仪与第三干涉仪发出的光线的一部分经第四反射镜反射进入到第三反射镜。

由于在本实施例中，4个读头设置于承载台上，因此，读头的体积和质量要尽量的小。

于另一实施例中，所述平台为大理石平台，大理石平台通过减震装置2设置于地基上1。所述运动台为六自由度运动台，测量装置中的承载台与六自由度运动台固连。

大理石框架放置在封闭的微环境区域内部，微环境区域由环境控制系统提供气浴或者真空环境。需要强调的是平面光栅，跟随承载台移动，其激光信号的输入和测量信号的输出均采用光纤6传输。干涉仪的输入信号由干涉仪激光器4提供，平面光栅的输入信号由光栅尺激光器提供5。

于另一实施例中，该标定装置还包括框架8和平台3，所述框架设置于所述平台上，所述框架围绕所述检测装置设置；所述框架处于所述微环境区域10内，所述平面光栅固定于所述框架上。所述框架为大理石框架，读头固定在大理石框架上。

在本发明中，由于平面光栅是固定在承载台上，读头是固定在大理石框架上，因此，对于读头来说，对其体积和重量没有要求，只要框架能承受其重量即可。

于另一实施例中，4个所述读头处于同一平面。

于另一实施例中，所述四边形为矩形或正方形。

于另一实施例中，两相邻的读头对称设置。

于另一实施例中，靠近第二干涉仪的两读头的连线与两所述第三反射镜的连线相互垂直。

于另一实施例中，靠近第二干涉仪的两读头的连线为两所述第三反射镜的连线的垂直平分线。

光栅尺测量系统与干涉仪测量系统的布局如图2所示，X向视角如图3所示，Y向视角如图4所示。

其中，由承载台指向X向干涉仪的方向定义为X轴，X向干涉仪处于X轴的正方向；由承载台指向Y向干涉仪的方向定义为Y轴，Y向干涉仪处于Y轴的负方向，Z向干涉仪处于Y轴的正方向；由读头指向平面光栅的方向定义为Z轴，平面光栅处于Z轴的正方向。

光栅尺的布局如图2所示，在运动台上安装4个平面光栅，在X、Y方向上对称排列，其中第一光栅、第二光栅安装在X轴正向，第三光栅与第四光栅安装在X轴负向。每个光栅对应一个读头。

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Y1、Y2、Y3、Z1，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。在Y轴正向布置2个测量轴，Z2、Z2r，测量运动台Z向。另外，在这种布局下，对运动台的旋转Rz和倾斜Rx的测量是冗余的，由X向干涉仪测量的运动台的旋转Rz表示为Rzx，由Y向干涉仪测量的运动台的旋转Rz表示为Rzy，由Y向干涉仪测量的运动台的旋转Rx表示为Rxy，由Z向干涉仪测量的运动台的旋转Rx表示为Rxz。

每个读头都提供一个被测光栅的水平向位移和垂向位移，即任意3个读头组合即可计算运动台的六自由度。

在气浴或真空环境下，干涉仪测量系统利用冗余测量轴进行自标定之后，可以提供精准运动台的六自由位置，用于标定光栅尺测量系统的测量误差。

本发明用于校准读头测量值的不一致性.

理想情况下，任意读头组合计算的运动台六自由度位置应该相同的，但是由于光栅、读头的安装误差和光栅面型的存在，读头的测量值与实际位移存在偏差，导致3读头组合和4读头组合计算的运动台位置不一致，本发明目的是利用4读头组合计算的运动台位置校准读头测量值的不一致性。具体包括以下步骤：

步骤1，如图8所示，在运动台的行程范围内设置测量路径，在路径上以一定间隔选取测量点。

步骤2，沿着规划的路径在选取的测量点处读取测量读头的计数值，获得每个测量读头的位移；

步骤3，由其中3个读头的位移运动台位置

P＝K*S₃

其中，P为运动台位置，K为运动台位移的系数矩阵，S₃为3个读头的位移矩阵。

步骤4，由运动台位置P计算第4个读头的位移

S_4calc＝K^-1*P

其中，S_4calc表示计算的第4个读头的位移。

步骤5，将计算的第4个读头的位移和实测位移作差，得到读头4的位移差值。

D_s4＝S_4calc-S_4act

其中，S_4act表示第第4个测量读头的实际位移。

步骤6，使用位移差值拟合与X、Y向位置相关系数

D_s4＝a*X+b*Y+C

步骤7，在行程范围内规划网格，计算网格点位置处的第4个读头的位移面型，

S_4new＝a*X_m+b*Y_m+C

其中，S_4new表示计算的第4个读头的位移面型，X_m、Y_m分别为选取网格点的X、Y坐标。

第4个读头的位移面型S_4new即可用来补偿第4个读头的位移，实现校准4个读头测量值不一致的目的。

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 (8)

1.一种空间光路的光栅尺标定装置，其特征在于，该标定装置包括运动台(7)和测量装置，所述运动台处于封闭的微环境区域(10)内，所述测量装置设置于运动台上，随运动台运动；所述测量装置包括具有第一平面和第二平面的承载台(913)，所述第一平面与第二平面相互平行；所述第一平面向所述第二平面凹陷形成一凹槽结构，在所述凹槽结构的底面上设置有4个平面光栅(908)，每个所述平面光栅分别处于一四边形的顶点处；在每个所述平面光栅的上方设置有一读头；

所述承载台的相对的两侧面的外侧各设置有一个第二反射镜(906)，所述第二反射镜设置于该第二反射镜所在侧面的上区域，由所述上区域边沿向所述第二平面延伸形成第四反射镜(905)，所述第四反射镜与所述第二反射镜的夹角大于90°；

所述承载台的另外两相对的侧面的其中一个侧面的外侧设置有第一反射镜(907)；

所述测量装置还包括第一干涉仪(901)、第二干涉仪(903)和第三干涉仪(902)，所述第二干涉仪与第三干涉仪与第二反射镜同侧设置，所述第一干涉仪与第一反射镜同侧设置；

所述测量装置还包括两第三反射镜，第二干涉仪与第三干涉仪发出的光线的一部分经第四反射镜反射进入到第三反射镜。

2.根据权利要求1所述的一种空间光路的光栅尺标定装置，其特征在于，该标定装置还包括框架(8)和平台(3)，所述框架设置于所述平台上，所述框架围绕所述检测装置设置；所述框架处于所述微环境区域(10)内，所述读头固定于所述框架上。

3.根据权利要求1所述的一种空间光路的光栅尺标定装置，其特征在于，4个所述读头处于同一平面。

4.根据权利要求3所述的一种空间光路的光栅尺标定装置，其特征在于，所述四边形为矩形或正方形。

5.根据权利要求4所述的一种空间光路的光栅尺标定装置，其特征在于，两相邻的读头对称设置。

6.根据权利要求4所述的一种空间光路的光栅尺标定装置，其特征在于，靠近第二干涉仪的两读头的连线与两所述第三反射镜的连线相互垂直。

7.根据权利要求4所述的一种空间光路的光栅尺标定装置，其特征在于，靠近第二干涉仪的两读头的连线为两所述第三反射镜的连线的垂直平分线。

8.一种如权利要求1～7所述的标定装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在运动台的行程范围内设置测量路径，在路径上以一定间隔选取测量点；

步骤2，沿着规划的路径在选取的测量点处读取测量读头的计数值，获得每个测量读头的位移；

步骤3，由其中3个读头的位移运动台位置，

P＝K*S₃

其中，P为运动台位置，K为运动台位移的系数矩阵，S₃为3个读头的位移矩阵；

步骤4，由运动台位置P计算第4个读头的位移，

S_4calc＝K^-1*P

其中，S_4calc表示计算的第4个读头的位移；

步骤5，将计算的第4个读头的位移和实测位移作差，得到读头4的位移差值；

D_s4＝S_4calc-S_4act

其中，S_4act表示第第4个测量读头的实际位移；

步骤6，使用位移差值拟合与X、Y向位置相关系数

D_s4＝a*X+b*Y+C

步骤7，在行程范围内规划网格，计算网格点位置处的第4个读头的位移面型，

S_4new＝a*X_m+b*Y_m+C

其中，S_4new表示计算的第4个读头的位移面型，X_m、Y_m分别为选取网格点的X、Y坐标。