CN111197959B - 一种光栅测量系统及光刻机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光栅测量系统及光刻机，所述光栅测量系统包括测量装置、光栅尺及运动台，所述测量装置用于测量所述光栅尺的位置信息，所述光栅尺连接于所述运动台上，所述光栅尺所在的平面与所述运动台的测量平面之间的夹角为θ，且0°＜θ＜90°。使得所述测量装置在所述运动台运动相同距离时可以扫过更多的光栅周期数，从而提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率。本发明还提供了一种光刻机，提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率，从而提高了光刻机的测量精度。

Description

一种光栅测量系统及光刻机

技术领域

本发明属于光刻机设备领域，涉及一种光栅测量系统及光刻机。

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、掩模台的六个自由度位置信息的精度也随之提高。

图1，是现有技术中的一种光栅测量系统的结构示意图，请参考图1，现有技术中公开了一种光栅测量系统，该测量系统包括光栅测量探头1、光栅2及运动台，光栅2安装在运动台的侧面上，其中，光栅测量探头1包括光源3、信号输出单元4、测量单元5及回射单元6，光源3发出的光束入射至测量单元5，从测量单元5出射后以非利特罗角(Littrow)入射至所述光栅2上，经光栅2衍射后的光束入射至回射单元6，经回射单元6回射的光束沿入射光方向原路返回光栅2上，在光栅2上发生第二次衍射后原路返回至测量单元5，经测量单元5作用后入射至信号输出单元4，从信号输出单元4输出测量信号。但是光栅2的测量方向与运动台的XOY坐标平面的X轴方向平行，使得水平方向上光栅测量系统的位置测量的基准为光栅周期，使得光栅测量系统的位置测量分辨率取决于光栅周期本身，从而导致光栅测量系统的位置测量分辨率难以提升或改变。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种光栅测量系统及光刻机，以解决现有技术中的光栅尺的位置测量分辨率难以提升的问题。

本发明的另一目的在于，解决现有技术中的光栅尺的位置测量分辨率难以改变的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光栅测量系统，包括测量装置、光栅尺及运动台，所述测量装置用于测量所述光栅尺的位置信息，所述光栅尺连接于所述运动台的测量平面上，所述运动台能够带动所述光栅尺运动，所述光栅尺所在的平面与所述运动台的测量平面之间的夹角为θ，且0°＜θ＜90°。

优选地，所述光栅尺所在的平面包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向平行于所述光栅尺所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线；

所述测量平面的X轴或Y轴方向为所述光栅尺所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线方向。

优选地，所述光栅尺所在的平面包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向平行于所述光栅尺所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线；

所述第一方向与所述测量平面的X轴方向的夹角为α；

所述第二方向与所述测量平面的Y轴方向的夹角为β；

所述运动台能够沿平行于所述X轴或所述Y轴的方向作直线运动；

其中，0°＜α,β＜90°。

优选地，所述测量装置包括光栅尺读头和与所述光栅尺读头配套的光电器件，所述光栅尺读头发出的光束经所述光电器件入射至所述光栅尺的表面发生衍射，衍射光经所述光电器件返回所述光栅尺读头；

或者，所述测量装置包括光源、测量单元及回射单元，所述光源发出的光束入射至所述测量单元，从所述测量单元出射后入射至所述光栅尺上，经所述光栅尺衍射后的光束入射至所述回射单元，经所述回射单元回射的光束沿入射光方向原路返回至所述光栅尺上，在所述光栅尺上发生第二次衍射后原路返回至所述测量单元。

优选地，所述测量装置包括光栅尺读头、与所述光栅尺读头配套的光电器件所述测量装置、信号转换单元及信号输出单元，所述信号转换单元用于接收所述光栅尺读头输出的光信号，并将所述光信号转换为电信号输出至所述信号输出单元，所述信号输出单元输出测量信号；

或者，所述测量装置包括光源、测量单元、回射单元及信号输出单元，所述测量单元处理第二次衍射后的衍射光并入射至所述信号输出单元，从所述信号输出单元输出测量信号。

优选地，所述光栅尺与所述运动台固定连接，或者，所述光栅尺与所述运动台可动连接。

优选地，还包括用于承载所述光栅尺的承载单元，所述光栅尺固定连接于所述承载单元上，所述承载单元连接于所述运动台上。

优选地，所述运动台上设置有一个、两个或四个所述光栅尺。

本发明还提供了一种光刻机，包括上述的一种光栅测量系统。

优选地，所述运动台为工件台或掩模台。

与现有技术相比，本发明提供了一种光栅测量系统，包括测量装置、光栅尺及运动台，所述测量装置用于测量所述光栅尺的位置信息，所述光栅尺连接于所述运动台的测量平面上，所述运动台能够带动所述光栅尺运动，所述光栅尺所在的平面与所述运动台的测量平面之间的夹角为θ，且0°＜θ＜90°。使得所述测量装置在所述运动台运动相同距离时可以扫过更多的光栅周期数，从而提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率。

进一步，所述光栅尺所在的平面包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向平行于所述光栅尺所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线，所述第一方向与所述测量平面的X轴方向的夹角为α，所述第二方向与所述测量平面的Y轴方向的夹角为β，使得所述测量装置在所述运动台运动相同距离时可以扫过更多的光栅周期数，进一步提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率。

本发明还提供了一种光刻机，提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率，从而提高了光刻机的测量精度。

附图说明

图1是现有技术中的一种光栅测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种光栅测量系统的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的另一种光栅测量系统的结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的一种光栅测量系统的结构示意图；

其中，1-光栅测量探头；2-光栅；3-光源；4-信号输出单元；5-测量单元；6-回射单元；100-光栅尺；101-运动台；102-光栅尺读头单元；103-承载单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种光栅测量系统及光刻机作进一步详细说明。根据权利要求书和下面说明，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例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

实施例一

图2，是本发明实施例一提供的一种光栅测量系统的结构示意图，请参考图2，一种光栅测量系统，包括测量装置、光栅尺100及运动台101，所述测量装置用于测量所述光栅尺100的位置信息，所述光栅尺100连接于所述运动台101的测量平面上，所述运动台101能够带动所述光栅尺100运动，所述光栅尺100所在的平面与所述运动台101的测量平面之间的夹角为θ，即为光栅尺100的安装角度，且0°＜θ＜90°。通过测量所述光栅尺100的位置信息从而得到当前运动台101的位置信息。使得所述测量装置在所述运动台101运动相同距离时可以扫过更多的光栅周期数，从而提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率。

进一步，所述光栅尺100的方向包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向平行于所述光栅尺100所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线；

所述测量平面的X轴方向为所述光栅尺100所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线方向。从而提高了所述光栅测量系统的Y轴方向的位置测量分辨率。

由于本实施例中所述光栅尺100的安装方式主要对Y轴方向位移的测量有影响，在X轴方向的影响基本没有，因此只对Y轴方向的测量原理进行描述，图2中水平向右方向为Y轴正向，X轴正向为所述光栅尺100所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线指向纸面外的方向，Z轴的方向垂直于XOY坐标平面，Z轴未标出，所述运动台101的测量平面即为所述运动台101的XOY坐标平面，光栅测量系统的X轴方向为所述测量平面的X轴方向，光栅测量系统的Y轴方向为所述测量平面的Y轴方向，本实施例的测量原理如下：

通过将所述光栅尺100所在的平面与所述运动台101的测量平面之间的夹角设置为θ，其中，0°＜θ＜90°使得所述运动台101在Y轴方向上发生相同位移时，所述测量装置能扫过更多的光栅周期数，从而提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率。

由于本实施例中所述光栅尺100的安装方式主要对Y轴方向位移的测量有影响，在X轴方向的影响基本没有，因此只对Y轴方向的测量原理进行描述，具体工作原理如下：

当所述运动台101在Y轴方向上发生的位移为Δy且在X轴方向上没有位移时，从所述测量装置发出的光束入射到光栅尺100上形成的光斑会在所述光栅尺100上扫过一定的距离，这个距离与所述光栅尺100的安装角度θ有关，由几何关系可知，所述运动台101发生的位移为Δy时所述光斑扫过的距离d为：

根据光栅尺100的测量原理可知，光栅测量位移的基准为光栅周期p，则光斑扫过的距离d所对应的相位变化量Δφ为：

对应的测量装置测得的数值变化量Δh为：

在现有技术中的光栅测量系统中，光栅尺100的安装角度为0°，则其对应的测量装置测得的数值变化量Δh₀为：

本实施例提供的一种光栅测量系统相比于现有技术中的光栅测量系统，在Y轴方向上发生相同的位移Δy时，本实施例的测量装置读取的光栅条纹的数量是现有技术中的光栅测量系统读取的光栅条纹的数量的1/cosθ倍。使得所述测量装置在所述运动台101运动相同距离时能扫过更多的光栅周期数，从而提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率。

进一步，所述测量装置包括光栅尺读头单元102和与所述光栅尺读头单元102配套的光电器件，所述光栅尺读头单元102发出的光束经所述光电器件入射至所述光栅尺100的表面发生衍射，衍射光经所述光电器件返回所述光栅尺读头单元102，所述光栅尺读头单元102会输出相应的读数，用于计算当前运动台101的位置信息。图2和图3中的A和B表示光栅尺100从位置A运动到位置B时光栅尺读头单元102与光栅尺100之间的相对位置关系示意。

或者，所述测量装置包括光源、测量单元及回射单元，所述光源发出的光束入射至所述测量单元，从所述测量单元出射后入射至所述光栅尺100上，经所述光栅尺100衍射后的光束入射至所述回射单元，经所述回射单元回射的光束沿入射光方向原路返回至所述光栅尺100上，在所述光栅尺100上发生第二次衍射后原路返回至所述测量单元。

进一步，所述测量装置包括光栅尺读头单元102、与所述光栅尺读头单元102配套的光电器件所述测量装置、信号转换单元及信号输出单元，所述信号转换单元用于接收所述光栅尺读头单元102输出的光信号，并将所述光信号转换为电信号输出至所述信号输出单元，所述信号输出单元输出测量信号，或者，所述测量装置包括光源、测量单元、回射单元及信号输出单元，所述测量单元处理第二次衍射后的衍射光并入射至所述信号输出单元，从所述信号输出单元输出测量信号。

在本实施例的实际应用中，由于光栅尺100的安装角度θ的存在，会导致测量装置发出的光束在运动台101的坐标系的Z轴方向的行程发生变化，因此信号输出单元接收到的光束的光强也会变化，而信号输出单元的光强检测的角度范围为(α'，β')，会对光栅尺100的安装角度产生反约束，设安装角度的范围为(0，θ')，其中，α'>0°，β'>0°，θ'>0°，β'>α'，且则光强检测的角度范围与光栅尺100的安装角度范围的关系如下：

同时，应该意识到光栅尺100的测量行程同样会对光栅尺100的安装角度产生反约束，设光栅尺100的测量行程为(-d，d)，其中d>0，则光栅尺100的测量行程与其安装角度的关系如下：

如果需要要求所述测量装置的入射光与光栅的衍射光重合，只需要满足利特罗角(Littrow)入射即可，也可以不要求衍射光必须原路返回，只要衍射光能被探测到，以上工作原理也同样适用。

进一步，所述光栅尺100与所述运动台101固定连接。

或者，所述光栅尺100与所述运动台101可动连接，使得所述光栅尺100所在的平面与所述运动台101的测量平面之间的夹角θ可以调节，从而使得所述光栅尺100的位置测量分辨率可调。

进一步，还包括用于承载所述光栅尺100的承载单元103，所述光栅尺100固定连接于所述承载单元103上，所述承载单元103连接于所述运动台101上。

进一步，所述运动台101上设置有一个所述光栅尺100。一个光栅尺100能够实现所述运动台101的测量平面中的X、Y位置信息的测量，即三个自由度的测量，图3，是本发明实施例一提供的另一种光栅测量系统的结构示意图，请参考图3，所述运动台101上设置有两个所述光栅尺100，通过设置两个光栅尺100能够实现所述运动台101的测量平面中的X、Y、Z位置信息的测量，即六个自由度的测量，并且所述两个光栅尺100关于垂直于所述运动台101的表面的对称面对称设置，可以提高位置信息的测量精度，应该意识到这样的限定仅用于举例说明所述运动台101上设置的所述光栅尺100的数量，其数量也可以设置为四个或者根据测量需求来进行设置。

实施例二

与实施例一的区别在于：所述光栅尺100所在的平面包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向平行于所述光栅尺100所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线；

所述测量平面的Y轴方向为所述光栅尺100所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线方向。本实施例中所述光栅尺100的安装方式主要对X轴方向位移的测量有影响，在Y轴方向的影响基本没有。使得所述测量装置在所述运动台101运动相同距离时可以扫过更多的光栅周期数，从而提高了所述光栅测量系统X轴方向的位置测量分辨率。

实施例三

图4，是本发明实施例三提供的一种光栅测量系统的结构示意图，请参考图4，本实施例为实施例一与实施例二的结合：所述光栅尺100所在的平面包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向平行于所述光栅尺100所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线；

所述第一方向与所述测量平面的X轴方向的夹角为α，即光栅尺100与X轴方向的安装角度为α，后面简称为光栅尺100的安装角度α；

所述第二方向与所述测量平面的Y轴方向的夹角为β，即光栅尺100与Y轴方向的安装角度为β，后面简称为光栅尺100的安装角度β；

所述运动台101能够沿平行于所述X轴或所述Y轴的方向作直线运动；

其中，0°＜α,β＜90°。

使得所述测量装置可以扫过更多的光栅周期数，从而提高了所述光栅测量系统的X轴方向和Y轴方向的位置测量分辨率。

本实施例的测量原理如下：

本实施例中所述光栅尺100的安装方式同时对X轴方向和Y轴方向位移的测量有影响，具体工作原理如下：

当所述运动台101在X轴方向发生的位移为Δx或在Y轴方向上发生的位移为Δy时，从所述测量装置发出的光束入射到光栅上形成的光斑会在所述光栅尺100上扫过一定的距离，这个距离与光栅尺100的安装角度α和β有关，由几何关系可知，所述运动台101在X轴方向发生的位移为Δx时所述光斑扫过的距离dx为：

所述运动台101在Y轴方向上发生的位移为Δy时所述光斑扫过的距离dy为：

根据光栅尺100的测量原理可知，光栅测量位移的基准为光栅周期，设X轴方向和Y轴方向的光栅周期分别为px和py，则光斑扫过的距离dx所对应的相位变化量

为：

光斑扫过的距离dy所对应的相位变化量

为：

对应的测量装置测得的X轴方向的数值变化量Δhx为：

对应的测量装置测得的Y轴方向的数值变化量Δhy为：

在现有技术中的光栅测量系统中，光栅尺100的安装角度为0°，则其对应的X轴方向的测量装置测得的数值变化量Δh_x0和对应的X轴方向的测量装置测得的数值变化量Δh_y0分别为：

本实施例提供的一种光栅测量系统相比于现有技术中的光栅测量系统，在X轴方向上发生相同的位移Δx时，本实施例的测量装置读取的光栅条纹的数量是现有技术中的光栅测量系统读取的光栅条纹的数量的1/cosα倍，在Y轴方向上发生相同的位移Δy时，本实施例的测量装置读取的光栅条纹的数量是现有技术中的光栅测量系统读取的光栅条纹的数量的1/cosβ倍。使得所述测量装置能扫过更多的光栅周期数，从而提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率。

实施例四

本发明还提供了一种光刻机，包括上述的一种光栅测量系统。提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率，从而提高了光刻机的测量精度。

进一步，所述运动台101为工件台或掩模台。

综上所述，本发明提供了一种光栅测量系统，包括测量装置、光栅尺及运动台，所述测量装置用于测量所述光栅尺的位置信息，所述光栅尺连接于所述运动台的测量平面上，所述运动台能够带动所述光栅尺运动，所述光栅尺所在的平面与所述运动台的测量平面之间的夹角为θ，且0°＜θ＜90°。使得所述测量装置在所述运动台运动相同距离时可以扫过更多的光栅周期数，从而提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率。

进一步，所述光栅尺的方向包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向平行于所述光栅尺所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线，所述第一方向与所述测量平面的X轴方向的夹角为α，所述第二方向与所述测量平面的Y轴方向的夹角为β，使得所述测量装置在所述运动台运动相同距离时可以扫过更多的光栅周期数，进一步提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率。

本发明还提供了一种光刻机，提高了所述光栅测量系统的位置测量分辨率，从而提高了光刻机的测量精度。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种光栅测量系统，其特征在于，包括测量装置、光栅尺及运动台，所述测量装置用于测量所述光栅尺的位置信息，所述光栅尺连接于所述运动台的测量平面上，所述运动台能够带动所述光栅尺运动，所述光栅尺所在的平面与所述运动台的测量平面之间的夹角为θ，且0°<θ<90°，以增加所述测量装置在所述运动台运动一段距离时扫过的光栅周期数。

2.如权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述光栅尺所在的平面包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向平行于所述光栅尺所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线；

所述测量平面的X轴或Y轴方向为所述光栅尺所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线方向。

3.如权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述光栅尺所在的平面包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第一方向平行于所述光栅尺所在的平面与所述测量平面的交线所在的直线；

所述第一方向与所述测量平面的X轴方向的夹角为α；

所述第二方向与所述测量平面的Y轴方向的夹角为β；

所述运动台能够沿平行于所述X轴或所述Y轴的方向作直线运动；

其中，0°<α,β<90°。

4.如权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述测量装置包括光栅尺读头和与所述光栅尺读头配套的光电器件，所述光栅尺读头发出的光束经所述光电器件入射至所述光栅尺的表面发生衍射，衍射光经所述光电器件返回所述光栅尺读头；

或者，所述测量装置包括光源、测量单元及回射单元，所述光源发出的光束入射至所述测量单元，从所述测量单元出射后入射至所述光栅尺上，经所述光栅尺衍射后的光束入射至所述回射单元，经所述回射单元回射的光束沿入射光方向原路返回至所述光栅尺上，在所述光栅尺上发生第二次衍射后原路返回至所述测量单元。

5.如权利要求4所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述测量装置包括光栅尺读头、与所述光栅尺读头配套的光电器件、信号转换单元及信号输出单元，所述信号转换单元用于接收所述光栅尺读头输出的光信号，并将所述光信号转换为电信号输出至所述信号输出单元，所述信号输出单元输出测量信号；

或者，所述测量装置包括光源、测量单元、回射单元及信号输出单元，所述测量单元处理第二次衍射后的衍射光并入射至所述信号输出单元，从所述信号输出单元输出测量信号。

6.如权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述光栅尺与所述运动台固定连接，或者，所述光栅尺与所述运动台可动连接。

7.如权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，还包括用于承载所述光栅尺的承载单元，所述光栅尺固定连接于所述承载单元上，所述承载单元连接于所述运动台上。

8.如权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述运动台上设置有一个、两个或四个所述光栅尺。

9.一种光刻机，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的一种光栅测量系统。

10.如权利要求9所述的一种光刻机，其特征在于，所述运动台为工件台或掩模台。

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