CN112902832B - 柱形光栅干涉仪及读数头总成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱形光栅干涉仪及读数头总成装置，其中，读数头总成装置包括：包括读数头总成以及升降机构，在零位状态下，所述旋转平台的转动轴线、所述柱形光栅尺的中心轴线、读数头总成的中心轴线同轴设置，所述升降机构设置在所述读数头总成的底部，用于在所述旋转平台开始转动之前，将所述读数头总成提升至所述柱形光栅尺对应的测量位置，以及在所述旋转平台完成转动之后，将所述读数头总成降低至低于所述柱形光栅尺的底面。本发明采用了柱形光栅尺和读数头总成可升降分离的架构，能够在工位交换转动的过程中，对旋转平台的转动角度进行精密测量，并且在非交换转动状态下，避免读数头总成撞到柱形光栅尺。

Description

柱形光栅干涉仪及读数头总成装置

技术领域

本发明涉及集成电路制造光刻设备技术领域，特别是涉及一种柱形光栅干涉仪及读数头总成装置。

背景技术

为了提高光刻处理的效率，在光刻机上对应于测量工位和曝光工位设置了两个工件台，每个工件台上分别放置硅片，同时进行硅片的测量和曝光工序。其中，对测量工位上的硅片进行坐标对准和调平等处理，对曝光工位上的硅片掩模版进行对准以及曝光等处理。然后，交换两个工件台的位置，经过测量工序处理后的硅片随着工件台被交换到曝光工位上，进行曝光处理，而之前经过曝光工序处理后的硅片可以替换为新的硅片，在测量工位上进行测量工序的处理。

现有技术中，工件台交换过程，通过设置在工件台角部用于对准等用途的位置传感器与工位进行对准，但是，由于该位置传感器只有当工件台基本到达工位对应区域时才能发挥作用，无法对工件台的交换过程进行位置检测，从而不利于对工件台的交换过程进行精准控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种柱形光栅干涉仪及读数头总成装置，以实现工件台转动交换过程中的角度测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种干涉仪的读数头总成装置，其中，所述柱形光栅干涉仪用于旋转平台的转动角度测量，所述旋转平台上设置有多个工件台，所述读数头总成装置设置在所述旋转平台上，在所述旋转平台上方的测量支架上设置有柱形光栅尺，

所述读数头总成装置包括读数头总成和升降机构，在零位状态下，所述旋转平台的转动轴线、所述柱形光栅尺的中心轴线、读数头总成的中心轴线同轴设置，

所述升降机构设置在所述读数头总成的底部，用于在所述旋转平台开始转动之前，将所述读数头总成提升至所述柱形光栅尺对应的测量位置，以及在所述旋转平台完成转动之后，将所述读数头总成降低至低于所述柱形光栅尺的底面。

进一步地，在所述柱形光栅尺的底部设置有平面干涉仪的平面反射镜，所述读数头总成包括：环绕所述柱形光栅尺设置的多个光栅尺读数头和位于底部的平面干涉仪的激光发射器和激光接收器。

进一步地，所述光栅尺读数头的数量为至少5个，形成对沿着X轴、Y轴、Z轴方向的平移运动和绕X轴、Y轴、Z轴的转动的测量系统。

进一步地，所述读数头总成整体上呈方形结构，所述旋转平台的转动轴线处设置用于容纳所述读数头总成的方形凹陷，所述读数头总成的外侧壁与所述方形凹陷的内侧壁之间设置有在竖直方向上的多条直线导轨机构，升降机构设置在所述方形凹陷的底部。

进一步地，所述升降机构降低到最低点时，所述读数头总成的最高点等于或者低于方形凹陷的上边缘。

进一步地，所述直线导轨机构设置在靠近所述读数头总成的垂直棱边的位置处。

进一步地，在所述直线导轨机构与所述方形凹陷的内侧壁之间还设置有导轨锁紧机构，用于向所述读数头总成施加侧向锁紧力。

进一步地，所述导轨锁紧机构包括U型扭杆支架和电磁锁舌。

进一步地，所述导轨锁紧机构在所述读数头总成上升和下降时，处于第一锁紧状态，在所述读数头总成静止或者随着所述旋转平台的转动时，处于第二锁紧状态，所述第一锁紧状态的锁紧程度小于所述第二锁紧状态的锁紧程度。

进一步地，在所述第一锁紧状态下，所述直线导轨的滑动嵌合部分留出小于或等于0.02mm的可活动间隙。

进一步地，所述升降机构包括与所述读数头总成底部抵接的顶升机构、驱动所述顶升机构的升降的驱动电机、对所述顶升机构施加向下的回复力的拉簧。

此外，本发明还提供了一种升降式的柱形光栅干涉仪，包括前述的读数头总成装置以及设置在旋转平台上方的测量支架上设置有柱形光栅尺。

本发明的柱形光栅干涉仪采用了柱形光栅尺和读数头总成可升降分离的架构，一方面，能够在工件台进行转动交换的过程中，对旋转平台的转动角度进行精密测量，以确保转动精度，另一方面，在工件台转动交换完成后，可以通过使读数头总成下降的方式，让柱形光栅尺和读数头总成之间分离，从而避免在工件台进行扫描和步进过程中读数头总成撞到柱形光栅尺。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种光刻装置结构示意图。

图2是本发明一较佳实施例的一种水平双频干涉仪的布置示意图。

图3是本发明一较佳实施例的读数头总成的升降状态示意图。

图4是本发明一较佳实施例的读数头总成的基本结构示意图。

图5是本发明一较佳实施例的读数头总成升降机构的立体结构示意图。

图6是本发明一较佳实施例的读数头总成升降机构的平面结构示意图。

图7是本发明的工位交换状态示意图。

图8是本发明的光刻装置曝光方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参考图1，图1是本发明一较佳实施例的一种光刻装置结构示意图。如图1所示，本发明的一种光刻装置，采用双工件台11、15的构架设计，其中一个工件台11对应光刻装置中的测量工位，另一个工件台15对应光刻装置中的曝光工位。测量工位上设有光刻装置的测量机构，曝光工位上设有光刻装置的投影物镜。双工件台(短程工件台(Short Stroke Stage))11、15具体可包括：对应设于测量工位下方的第一工件台11，和对应设于曝光工位下方的第二工件台15。

其中，第一工件台11和第二工件台15可以同时进行针对2片不同晶圆(硅片)1、2的操作，并可在完成针对各自放置的晶圆1、2的操作后，通过作相对水平旋转，实现两个工件台在测量工位和曝光工位之间的位置交换，从而能够节省曝光之外的待机时间，提高产能。

请参考图1。第一工件台11和第二工件台15共同设置在一个旋转平台(长程工件台(Long stroke stage))17的两端上。旋转平台17可通过水平旋转，带动第一工件台11和第二工件台15在测量工位和曝光工位之间交换位置。

第一工件台11和第二工件台15的四角上可设有用于对准等用途的传感器12，例如透射图像传感器(Transmission Image Sensor，TIS)等。此外，柱面光栅的旁侧也可以设置用于对准用途的传感器，具体可以采用透射图像传感器，也可以采用能量传感器、像差传感器等其他类型传感器。

请参考图2。第一工件台11和第二工件台15可各自通过一套水平双频干涉仪进行位置测控，即对应第一工件台11和第二工件台15分别设置一套水平双频干涉仪进行位置测控。

较佳地，水平双频干涉仪可采用至少为6轴的水平双频干涉仪，以对应第一工件台11和第二工件台15在三维空间上相对于旋转平台17的6个自由度：即3个平移，3个倾转。图中x1、x2、x3、y1、y2、y3、z1和z2所指示的线条，分别表示水平双频干涉仪沿X轴、Y轴和Z轴向的测量光路。使用水平双频干涉仪测控时，每个轴需要拥有短程台绝对位置测量。

在旋转平台17的上方可设有光刻装置的测量支架(图略)，可将Z轴水平双频干涉仪反射镜19固定在测量支架上。

请参考图3，为了测量旋转平台17在进行工件台旋转交换过程中的旋转角度，在测量支架上还设有柱形光栅尺14。相应地，在旋转平台17上设置有读数头总成装置，读数头总成装置包括读数头总成31和升降机构32(图5)，在零位状态下，所述旋转平台17的转动轴线、所述柱形光栅尺14的中心轴线、读数头总成31的中心轴线同轴设置。这里所说的零位状态是指旋转平台17未发生轴向偏移的状态。升降机构设置在所述读数头总成的底部，用于在所述旋转平台开始转动之前，将所述读数头总成提升至所述柱形光栅尺对应的测量位置，以及在所述旋转平台完成转动之后，将所述读数头总成31降低至低于所述柱形光栅尺的底面。如图3左侧的降下状态的图示，读数头总成31降低至图中内嵌方形34中，读数头总成31和内陷方形34不发生转动，如图3右侧所示的升起状态的图示，在读数头总成31升起状态下，读数头总成31的下部仍然处于内陷方形34中，因此，在升起状态下，读数头总成31和内陷方形34也不发生转动。当旋转平台转动时，读数头总成31和旋转平台一起同步转动。

请参考图3，其示出了读数头总成31在底部的升降机构32的驱动下升起和降下的状态，以及与柱形光栅尺14之间的相对位置关系，其中图3a为读数头总成31降下的状态，图3b为读数头总成31升起的状态。设置在旋转平台17上的读数头总成31和设置在测量支架上的柱形光栅尺14构成了可分离的柱形光栅干涉仪，图3b所示的状态下，读数头总成31和柱形光栅尺14就形成了完整的可检测状态的柱形光栅干涉仪，图3a所示的状态下，柱形光栅干涉仪处于分离的非检测状态。

进一步地，请参照图4，读数头总成31可以具体包括：环绕所述柱形光栅尺14设置的多个光栅尺读数头13和位于读数头总成31底部的平面干涉仪33的激光发射器和激光接收器，相应地，在所述柱形光栅尺14的底部设置有平面干涉仪的平面反射镜。柱形光栅尺14的底部平面反射镜和位于读数头总成31底部的激光发射器和激光接收器构成了平面干涉仪33。该平面干涉仪33用于测量柱形光栅尺14距离读数头总成31的底部的高度。

光栅尺读数头13的数量可以设置有5个或者5个以上，以形成对沿着X轴、Y轴、Z轴方向的平移运动和绕X轴、Y轴、Z轴的转动的测量系统。光栅尺读数头可以具体为水平编码器读数头(Encoder Reader)，水平编码器读数头13至少为5轴。通过在旋转平台17上设置多个水平编码器读数头(Encoder Reader)(柱形光栅尺读数头)13，来完成对旋转的测控，确保旋转平台17准确无误地做纯转动180度。需要说明的是，在本发明实施例中以旋转平台17上设置双工件台11、15的情形作为示例进行了说明，上述的柱形光栅干涉仪的架构也可以适用于在旋转平台17设置两个以上的工件台或者单个工件台的情况，具体切换工件台所需要的转动角度可以根据实际情况而定。

在本发明中，旋转平台17的读数头总成31上可以对应设有5个或者以上的光栅尺读数头13，结合上述的平面干涉仪33，总共能够实现6个自由度的测量，通过对6个自由度的监控，以保证旋转平台17能够做纯平面转动。例如图4中显示的5个光栅尺读数头13。第一工件台11和第二工件台15与旋转平台17之间也可以采用悬浮机构(例如采用常规洛伦茨电机形式的悬浮机构)10，实现第一工件台11和第二工件台15相对于旋转平台17的三个平移和三个倾转动作。

柱形光栅尺读数头13可通过一个设置在旋转平台17上的能够垂直伸缩的升降机构32进行升起或下降；升降机构32可带动将光栅尺读数头13升起至旋转平台17的上表面以上，或者缩回至旋转平台17的内部。其中，在旋转平台17转动之外的时刻，升降机构32可带动柱形光栅尺读数头13下降，使柱形光栅尺读数头13缩回至旋转平台17的内部(旋转平台17的上表面以下)，以避免在工件台11、15在进行测量、曝光或者其他调整处理的过程中撞到柱形光栅尺14，或者撞到投影物镜和测量机构的外壳。通过本发明的升降机构，当旋转平台17需要转动时，读数头总成31升起，与柱形光栅尺14形成完备的柱形光栅干涉仪，从而对旋转平台17的转动进行精准测量；当旋转平台17不转动时，柱形光栅尺14和读数头总成31是脱离的，没有处于同一水平面上，因此，无论工件台如何运动，柱形光栅尺14和读数头总成31之间都不会发生碰撞。

进一步地，参考图3至图5，读数头总成31整体上可以呈方形结构，在旋转平台的转动轴线处设置用于容纳所述读数头总成31的方形凹陷34，读数头总成31的外侧壁与所述方形凹陷34的内侧壁之间设置有在竖直方向上的多条直线导轨机构35，升降机构32设置在所述方形凹陷34的底部。参考图4所示，升降机构32降低到最低点时，读数头总成的最高点等于或者低于方形凹陷34的上边缘。另外，直线导轨机构35优选地设置在靠近所述读数头总成31的垂直棱边的位置处，以最大限度地防止读数头总成31绕Z轴的转动或者摆动，如图5中所示，可以在对角的位置总共设置4根直线导轨机构35。

此外，在所述直线导轨机构35与所述方形凹陷34的内侧壁之间还可以设置有导轨锁紧机构36，用于向所述读数头总成施加垂直于所述侧向锁紧力(如图5中箭头方向所示)。导轨锁紧机构36具体可以包括U型扭杆支架37和电磁锁舌38。导轨锁紧机构36可以只设置在部分直线导轨机构35上，如图5中所示，仅在4个直线导轨机构35中的两个上设置了U型扭杆支架37和电磁锁舌38。导轨锁紧机构36根据读数头总成31所处的状态，来执行锁紧程度不同的第一锁紧状态和第二锁紧状态，其中，所述第一锁紧状态的锁紧程度小于所述第二锁紧状态的锁紧程度。在所述读数头总成上升和下降时，导轨锁紧机构36处于第一锁紧状态，在所述读数头总成静止或者随着所述旋转平台的转动时，导轨锁紧机构36处于第二锁紧状态。优选地，在所述第一锁紧状态下，图5中的两个U型扭杆支架37上的电磁锁舌38可以从锁紧状态下略微放松，在4根直线导轨机构35的滑动嵌合部分总共留出不大于0.02mm的可活动间隙，可活动间隙是指直线导轨机构35与读数头总成31(图5中的方形框)之间的距离，通过留出该可活动间隙，来减少垂向运动的横向偏移，在第二锁紧状态下，两个U型扭杆支架37上的电磁锁舌38锁紧。

具体地，在准备将读数头总成31升起时，进入上述的第一锁紧状态。读数头总成31在升降机构32的驱动下向上升起，当读数头总成31到达柱形光栅尺14的测量位置后，进入上述第二锁紧状态。然后，将柱形光栅干涉仪上的5个光栅尺读数头13和1个平面干涉仪33的激光发射器和接收器位置数据清零，准备进行六个自由度测控。第一工件台11和第二工件台15的旋转平台17在柱形光栅干涉仪的测控下开始旋转，当转动到180°的位置到达后，再次进入上述的第一锁紧状态。然后，读数头总成31在升降机构32的作用下向下运动，当读数头总成31的最高点等于或者低于旋转平台17的最高点后，停止运动，再次进入上述第二锁紧状态，以防止读数头总成31在工件台进行扫描曝光等处理时产生晃动。

请参考图4、图5和图6，升降机构32可以具体包括与所述读数头总成31底部抵接的顶升机构39、驱动所述顶升机构的上升或下降的驱动电机40、对所述顶升机构施加向下的回复力的拉簧41。当读数头总成31需要升起时，读数头总成31可以在顶升机构39的推动下向上运动，使得所有六个读数头到达柱形光栅尺14的测量位置，然后，顶升机构39停止运动并且保持高度。当读数头总成31需要下降时，拉簧41的回复力将使得读数头总成31伴随所述顶升机构39的下降而一起向下运动，直到读数头总成31的最高点等于或者低于旋转平台17的最高点，之后，顶升机构39便停止且保持高度。作为一可选的实施方式，升降机构32可采用机械直线轴承形式，其中，驱动电机40可以是电磁式直线电机，也可以是带减速齿轮箱的转动电机。

在具体的设备实现方面，以12英寸设备为例，可在旋转平台17下表面上设置直径至少为350mm的槽孔，同时，在作为平衡质量体的永磁平面电机定子16的中央，也对应设有直径至少为350mm的槽孔，以容纳用于连接第一工件台11和第二工件台15，旋转平台17，外部控制和支持系统，如冷却设备，电气设备等的线缆，冷却水管，气管/真空管等。线缆等可通过通道18及固定于旋转平台17上的中央平台连接到第一工件台11和第二工件台15。

本发明装置如果用于带有液体浸没式的光刻机，如193nm水浸没式光刻机，浸没头在第一工件台11和第二工件台15转动的过程中，需要使用圆形闷盘来确保浸没头的水不漏下。在第一工件台11和第二工件台15完成转动的时候，再放下闷盘。

请参考图7和图8，其中图7a和图8a显示第一工件台11和第二工件台15处于工位交换前状态，图7b和图8b显示第一工件台11和第二工件台15处于工位交换过程中状态，图7c和图8c显示第一工件台11和第二工件台15处于工位交换后状态。在将一个硅片1装入位于测量工位上的第一工件台(短程工件台/短程台)11前，先做预对准和温控。完成后，将硅片1装入第一工件台11，并相对于第一工件台11上的TIS传感器12，开始进行硅片1上坐标对准和调平。此时，位于曝光工位上的第二工件台15正在进行硅片2的曝光，掩模版采用第二工件台15上的TIS传感器12进行硅片2上坐标对准和调平。

硅片1、2上，对准记号的放置和调平位置的选择由曝光位置决定。其中一半对准记号可放置于切割道，而调平位置可位于曝光区内，与曝光扫描位置相同。

第二工件台15上的对准方式可采用离轴对准方式，即完成硅片2内对准记号相对于工件台上的格栅式掩模版对准传感器(Reticle Alignment Sensor)12的相对位置测量。当工件台转动到曝光一侧，此格栅掩模版对准传感器12通过物镜对准掩模版对准记号(Reticle Alignment Mark)完成对准，然后硅片1曝光开始。

第一工件台11和第二工件台15共享一个旋转平台17(长程工件台/长程台)，在完成针对各自放置的晶圆(硅片)1、2的操作后，通过旋转平台17的水平旋转，实现在测量工位和曝光工位之间的位置交换。第一工件台11进行测量时，柱形光栅尺读数头13降下；当旋转平台17进行旋转时，柱形光栅尺读数头13升起，旋转平台17作整体旋转，此时，以柱形光栅尺14作为旋转位置参考；当工件台交换完成后，柱形光栅尺读数头13再次降下以便于测量。

需要注意的是，经过整体旋转后，第一工件台11和第二工件台15及其上放置的硅片1、2的前后方位也发生了180度转变。

本发明中，每个短程台11、15可具有6个自由度，长程台17可拥有至少3个自由度，即水平移动和垂直悬浮。其中，长程台17的移动定位精度可约为在-4～+4μm之间的范围内，而短程台11、15的最大移动范围可约为±5μm。短程台11、15可由干涉仪，或者编码器实时定位和闭环控制，使得其定位精度可在在-1～+1纳米之间的范围内。

本发明双工件台11、15整体的转动交换位置精度可在在-4～+4μm之间的范围内以内，或者不亚于长程台17的移动定位精度，和不大于对准记号的捕捉范围，如±4.4μm。

本发明光栅尺读数头13连接的垂直升降机构，可由机械直线轴承构成，其精度要求在-0.4～+0.4μm之间的范围内，或者造成转动180度后，工件台的位置偏差在-4～+4μm之间的范围内。

测量支架上固定的柱形光栅尺14相对于工件台中央的垂直度，由校准决定，其标准可为：造成转动180度后，工件台的位置偏差在-4～+4μm之间。

两个短程工件台11、15分别在旋转前后两个工位，即测量和曝光工位处的位置，需要进行校准，如扫描-旋转(Scan Rotation Matrix)，扫描-倾斜矩阵(Scan Tilt Matrix)，镜面的平整度(Mirror Map)，和绝对位置校准等。

在工件台沿着X轴和Y轴做扫描的时候，也就是双短程工件台11、15在各自分别处于测量工位和曝光工位工作时，在旋转电机线圈内不通入电流，旋转电机(第一磁悬浮平面电机24)不起作用。当一轮测量和曝光完成后，双短程工件台11、15需要进行旋转交换时，长程工件台17的悬浮由旋转电机启动决定，位置测控职能则由水平双频干涉仪转交给柱形光栅干涉仪(柱形光栅尺14和光栅尺读数头13)，水平电机(第二磁悬浮平面电机25)则断电。然后，长程工件台17由柱形光栅尺14定位，并且由旋转电机在柱形光栅干涉仪的测控下，沿着测量支架上柱形光栅尺14的中心位置作旋转180°，完成两个装在长程工件台17上的短程工件台11、15的位置交换。

本发明的光刻装置可应用于深紫外光刻装置，深紫外浸没式光刻装置或极紫外光刻装置。

以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种升降式的柱形光栅干涉仪，其特征在于，包括读数头总成装置以及设置在旋转平台上方的测量支架上的柱形光栅尺，所述柱形光栅干涉仪用于旋转平台的转动角度测量，所述旋转平台用于水平旋转，所述旋转平台上设置有多个工件台，所述读数头总成装置设置在所述旋转平台上，

所述读数头总成装置包括读数头总成和升降机构，所述读数头总成包括环绕所述柱形光栅尺设置的多个光栅尺读数头，在零位状态下，所述旋转平台的转动轴线、所述柱形光栅尺的中心轴线、读数头总成的中心轴线同轴设置，

所述升降机构设置在所述读数头总成的底部，用于在所述旋转平台开始转动之前，将所述读数头总成提升至所述柱形光栅尺对应的测量位置，以及在所述旋转平台完成转动之后，将所述读数头总成降低至低于所述柱形光栅尺的底面，

所述读数头总成整体上呈方形结构，所述旋转平台的转动轴线处设置用于容纳所述读数头总成的方形凹陷，所述读数头总成的外侧壁与所述方形凹陷的内侧壁之间设置有在竖直方向上的多条直线导轨机构，升降机构设置在所述方形凹陷的底部，在所述直线导轨机构与所述方形凹陷的内侧壁之间还设置有导轨锁紧机构，用于向所述读数头总成施加侧向锁紧力；

所述导轨锁紧机构在所述读数头总成上升和下降时，处于第一锁紧状态，在所述读数头总成静止或者随着所述旋转平台的转动时，处于第二锁紧状态，所述第一锁紧状态的锁紧程度小于所述第二锁紧状态的锁紧程度；

所述直线导轨机构设置在靠近所述读数头总成的垂直棱边的位置处；

所述升降机构包括与所述读数头总成底部抵接的顶升机构、驱动所述顶升机构的升降的驱动电机、对所述顶升机构施加向下的回复力的拉簧。

2.根据权利要求1所述的升降式的柱形光栅干涉仪，其特征在于，在所述柱形光栅尺的底部设置有平面干涉仪的平面反射镜，所述读数头总成还包括：位于底部的平面干涉仪的激光发射器和激光接收器。

3.根据权利要求2所述的升降式的柱形光栅干涉仪，其特征在于，所述光栅尺读数头的数量为至少5个，结合所述平面干涉仪，形成对沿着 X轴、Y轴、Z轴方向的平移运动和绕X轴、Y轴、Z轴的转动的测量系统。

4.根据权利要求1所述的升降式的柱形光栅干涉仪，其特征在于，所述升降机构降低到最低点时，所述读数头总成的最高点等于或者低于方形凹陷的上边缘。

5.根据权利要求1所述的升降式的柱形光栅干涉仪，其特征在于，所述导轨锁紧机构包括U型扭杆支架和电磁锁舌。

6.根据权利要求1所述的升降式的柱形光栅干涉仪，其特征在于，在所述第一锁紧状态下，所述直线导轨的滑动嵌合部分留出小于或等于0.02mm的可活动间隙。