CN111964573A - 一种计算光栅干涉仪安装误差的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种计算光栅干涉仪安装误差的装置和方法，包括承载台9、框架10和测量装置，所述测量装置设置于承载台与框架之间；测量装置包括4组光栅干涉仪，承载台底面上设置有4个一维光栅(5‑8)，4个光栅的矢量方向沿逆时针方向旋转，在每个一维光栅的上方设置有一个二维读头(1‑4)。根据光栅干涉仪的安装布局，建立光栅干涉仪解算模型，光栅干涉仪解算模型中的自由度系数是由读头、光栅的定义位置和定义的安装误差计算得到，通过设置各个读头、光栅的安装误差表，计算误差表中满足光栅干涉仪测量精度的安装误差项，即可得到各个读头和光栅的安装误差范围。本发明可用于超精密光栅干涉仪的校准。

Description

一种计算光栅干涉仪安装误差的装置和方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种计算光栅干涉仪安装误差的装置及方法，可用于提供光栅干涉仪在应用过程中对安装误差的约束范围。属于精密位移测量领域。

(二)背景技术

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模台、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模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，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。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，其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。

光栅干涉仪测量系统是除激光干涉仪外另一种精密位移测量系统。光栅干涉仪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。

在光栅干涉仪装配的过程中，光栅以及读数头的安装误差是不可控因素，对光栅干涉仪的测量精度和行程范围有较大影响，因此提出了一种基于光栅干涉仪解算模型的光栅干涉仪安装误差范围的计算方式以及对应的测量系统结构布局。现有技术通过仿真的方式给出了光栅干涉仪几类安装误差的参考范围，没有具体考虑每个读头和光栅的安装误差允许范围。即现有的技术方式不能明确的给出光栅干涉仪中每个读数头或者每块光栅安装误差的阈值，因此提出一种方法用于计算光栅干涉仪每个读数头或者每块光栅安装误差的限定值。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种计算光栅干涉仪安装误差的装置和方法，能够有效的计算光栅干涉仪的读头和光栅的安装误差范围。

本发明的目的是这样实现的：

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种计算光栅干涉仪的安装误差的装置，该装置包括承载台9和4组光栅干涉仪，所述承载台可提供六自由度移动，所述测量装置设置于承载台与框架10之间，一维光栅5-8随承载台运动,二维读数头1-4固定在框架上。

所述光栅干涉仪中，两块对角放置的一维光栅的栅线方向相同且两个对角放置的二维读头的测量轴向相同。

所述4块一维光栅的几何中心的连线为矩形。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种计算光栅干涉仪的安装误差范围的方法，包括以下步骤：

步骤1，定义每个读头或光栅的安装误差表示方式，dhx1、dhy1分别表示读头1的X、Y方向平移误差，读头2、3、4的X、Y方向平移误差与读头1类似。dhrz1表示读头1绕Z轴的旋转误差，同理，dhrx1、dhry1分别表示读头1 绕X、Y轴的旋转误差。读头2、3、4的旋转倾斜误差与读头1类似。dgry1表示光栅1绕Y轴的倾斜误差，同理，dgrx1、dgrz1分别表示光栅1绕X、Z轴的旋转倾斜误差。光栅2、3、4的旋转倾斜误差与光栅1类似。

步骤2，建立光斑位移表达式，以读头出射光束入射至光栅的光斑为引导对象，根据光栅衍射、激光拍频等原理建立光斑位移和测量系统读数的关系，读头1的光斑位移的表达式如下所示，读头2、3、4的光斑位移表达式与读头1类似。

其中：n_z为光束的方向向量在Z向的分量；

为读头1中左路测量信号的相位数；

为读头1中右路测量信号的相位数；

p为二维光栅的光栅周期；

R为相位细分数。

步骤3，建立光栅干涉仪解算模型，依据测量系统布局推导光斑位移与运动台位移的关系表达式，最终得到运动台位移与测量系统读数的关系表达式，即光栅干涉仪解算模型。如下式所示。

其中：Sx1、Sx3为两个读头分别对应的X向位移；

Sy2、Sy4为两个读头分别对应的Y向位移；

f_msx为计算X时由安装误差等参数组成的系数，下标m表示Y、Z、Rx、Ry、 Rz；

f_nsy为计算Y时由安装误差等参数组成的系数，下标n表示X、Z、Rx、Ry、 Rz。

步骤4，设置各个光栅、读头安装误差的计算区间，在此区间内通过产生随机数的方式获得多组各个光栅、读头安装误差数值。

一般平移类安装误差区间设定为-300μm至300μm，旋转倾斜类误差区间设定为-200μrad至200μrad。

步骤5，将生成的安装误差数值组成误差表依次带入光栅干涉仪解算模型中，判断光栅干涉仪解算模型误差是否超限，以此筛选符合光栅干涉仪精度需求的安装误差表E_j。

E_j,j＝1,2,...,m

步骤6，挑选出E_j中，各个安装误差项的极大值和极小值，得到E_max和 E_min，即可获得光栅干涉仪安装误差的限定值范围。

如上所述，本发明一种计算光栅干涉仪的安装误差的装置和方法，具有以下有益效果：

本发明能够直接用于光刻机工件台中光栅干涉仪安装误差限定值的设定，针对这种布局设计的安装误差限定值的计算方法应用到光刻机中更为方便快捷。

(四)附图说明

图1是光栅干涉仪测量系统结构布局。

图2是光栅干涉仪测量系统X向视图

图3是光栅沿X向移动时激光频率的变化示意图。

图4是光栅沿Z向移动时激光频率的变化示意图。

图5是读头1平移误差示意图。

图6是读头1旋转误差示意图。

图7是光栅1倾斜误差示意图。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

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7。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前先对光栅干涉仪测量原理进行介绍。

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，如图3所示。

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4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。

然后对本发明一种计算光栅干涉仪的安装误差的装置和方法进行详细介绍。

光栅干涉仪测量系统结构布局如图1所示，包括4个读头、4块1维反射式光栅以及承载台和其他辅助装置。

以承载台上表面几何中心建立坐标系，如图1所示，X、Y坐标轴分别平行于承载台的两个侧边，Z轴符合右手定则。光栅尺测量读头安装在主框架上，分布在4个象限，4块1维光栅安装在承载台上表面与读头对应且其测量矢量沿顺时针方向旋转。每个读头对应一块一维维光栅，测量运动台与光栅之间的相对位移。每个测量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，图2所示为光栅干涉仪测量系统X向视图。

定义光栅干涉仪安装误差为每个读头或者每块光栅的实际安装位置与设计安装位置之间的偏差。

光栅干涉仪安装误差从类型上可以分为平移误差和旋转倾斜误差。按照设备实体分类，包括读头安装误差、读头光学元件安装误差和光栅安装误差。其中读头光学元件粘接误差相比于其它两种误差对光栅干涉仪测量精度的影响较小，另外光栅的平移误差和读头与光栅之间的工作距离偏差主要影响光栅干涉仪测量行程，不影响光栅干涉仪测量精度，所以主要针对的是每个读头X、Y方向平移误差、每个读头旋转倾斜误差、光栅旋转倾斜误差以及。

读头X、Y方向平移误差如图5所示，dhx1、dhy1分别表示读头1的X、 Y方向平移误差，读头2、3、4的X、Y方向平移误差与读头1类似。

读头旋转倾斜误差如图6所示，dhrz1表示读头1绕Z轴的旋转误差，同理，dhrx1、dhry1分别表示读头1绕X、Y轴的旋转误差。读头2、3、4的旋转倾斜误差与读头1类似。

光栅旋转倾斜误差如图7所示，dgry1表示光栅1绕Y轴的倾斜误差，同理，dgrx1、dgrz1分别表示光栅1绕X、Z轴的旋转倾斜误差。光栅2、3、4的旋转倾斜误差与光栅1类似。

建立光栅干涉仪解算模型，以读头出射光束入射至光栅的光斑为引导对象，根据光栅衍射、激光拍频等原理建立光斑位移和测量系统读数的关系，然后依据测量系统布局推导光斑位移与运动台位移的关系表达式，最终得到运动台位移与测量系统读数的关系表达式，即光栅干涉仪解算模型。

由激光多普勒原理和光栅衍射方程可以得到读头1光斑位移的表达式，读头2、3、4的光斑位移表达式与读头1类似。

其中：

n_z为光束的方向向量在Z向的分量；

为读头1中左路测量信号的相位数；

为读头1中右路测量信号的相位数；

p为二维光栅的光栅周期；

R为相位细分数。

通过分析光栅干涉仪的布局，建立相应的数学模型，推导光斑位移与运动台位移的关系表达式，如下式所示。

其中：

Sx1、Sx3为两个读头分别对应的X向位移；

Sy2、Sy4为两个读头分别对应的Y向位移；

f_msx为计算X时由安装误差等参数组成的系数，下标m表示其它自由度；

f_nsy为计算Y时由安装误差等参数组成的系数，下标n表示其它自由度。

光栅干涉仪解算模型中，f_msx、f_nsy等系数是由读头、光栅的定义位置和定义的安装误差计算得到。因此可仪通过设置各个读头、光栅的安装误差表，计算误差表中满足光栅干涉仪测量精度的安装误差项，分类汇总后即可得到各个读头、光栅安装误差限定值范围。

其中：

dhry1：读头1绕Ry轴的安装误差；

dgrx1：光栅1绕Rx轴的安装误差；

dgrz1：光栅1绕Rz轴的安装误差；

dhry3：读头3绕Ry轴的安装误差；

dgrz3：光栅3绕Rz轴的安装误差；

dgrx3：光栅3绕Rx轴的安装误差。

计算光栅干涉仪安装误差-的具体步骤：

设置各个光栅、读头安装误差的计算区间，在此区间内通过产生随机数的方式获得多组各个光栅、读头安装误差数值。

一般平移类安装误差区间设定为-300μm至300μm，旋转倾斜类误差区间设定为-200μrad至200μrad。

将生成的安装误差数值组成误差表依次带入光栅干涉仪解算模型中，通过筛选符合光栅干涉仪精度需求的安装误差数值，

E_j,j＝1,2,...,m

挑选出E_j中，各个安装误差项的极大值和极小值，得到E_max和E_min，即可获得光栅干涉仪安装误差的限定值范围。

Claims (5)

1.一种计算光栅干涉仪安装误差的装置和方法，其特征在于，该装置包括承载台9和4组光栅干涉仪，所述承载台可提供六自由度移动，所述测量装置设置于承载台与框架10之间，一维光栅5-8随承载台运动,二维读数头1-4固定在框架上。

2.根据权利要求1所述的一种计算光栅干涉仪的安装误差的装置，其特征在于，两块对角放置的一维光栅的栅线方向相同。

3.根据权利要求1所述的一种计算光栅干涉仪的安装误差的装置，其特征在于，两个对角放置的二维读头的测量轴向相同。

4.根据权利要求1所述的一种计算光栅干涉仪的安装误差的装置，其特征在于，所述4块一维光栅的几何中心的连线为矩形。

5.一种计算光栅干涉仪的安装误差的装置及方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，定义每个读头或光栅的安装误差表示方式，dhx1、dhy1分别表示读头1的X、Y方向平移误差，读头2、3、4的X、Y方向平移误差与读头1类似。dhrz1表示读头1绕Z轴的旋转误差，同理，dhrx1、dhry1分别表示读头1绕X、Y轴的旋转误差。读头2、3、4的旋转倾斜误差与读头1类似。dgry1表示光栅1绕Y轴的倾斜误差，同理，dgrx1、dgrz1分别表示光栅1绕X、Z轴的旋转倾斜误差。光栅2、3、4的旋转倾斜误差与光栅1类似。

步骤2，建立光斑位移表达式，以读头出射光束入射至光栅的光斑为引导对象，根据光栅衍射、激光拍频等原理建立光斑位移和测量系统读数的关系，读头1的光斑位移的表达式如下所示，读头2、3、4的光斑位移表达式与读头1类似。

其中：n_z为光束的方向向量在Z向的分量；

为读头1中左路测量信号的相位数；

为读头1中右路测量信号的相位数；

p为二维光栅的光栅周期；

R为相位细分数。

步骤3，建立光栅干涉仪解算模型，依据测量系统布局推导光斑位移与运动台位移的关系表达式，最终得到运动台位移与测量系统读数的关系表达式，即光栅干涉仪解算模型。如下式所示。

其中：Sx1、Sx3为两个读头分别对应的X向位移；

Sy2、Sy4为两个读头分别对应的Y向位移；

f_msx为计算X时由安装误差等参数组成的系数，下标m表示Y、Z、Rx、Ry、Rz；

f_nsy为计算Y时由安装误差等参数组成的系数，下标n表示X、Z、Rx、Ry、Rz。

步骤4，设置各个光栅、读头安装误差的计算区间，在此区间内通过产生随机数的方式获得多组各个光栅、读头安装误差数值。

一般平移类安装误差区间设定为-300μm至300μm，旋转倾斜类误差区间设定为-200μrad至200μrad。

步骤5，将生成的安装误差数值组成误差表依次带入光栅干涉仪解算模型中，判断光栅干涉仪解算模型误差是否超限，以此筛选符合光栅干涉仪精度需求的安装误差表E_j。

E_j,j＝1,2,...,m

步骤6，挑选出E_j中，各个安装误差项的极大值和极小值，得到E_max和E_min，即可获得光栅干涉仪安装误差的范围。

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