CN113074641A - 一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置和方法 - Google Patents

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CN113074641A CN202110298319.7A CN202110298319A CN113074641A CN 113074641 A CN113074641 A CN 113074641A CN 202110298319 A CN202110298319 A CN 202110298319A CN 113074641 A CN113074641 A CN 113074641A
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杜浩
熊显名
曾启林
朱保华
张玉婷
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Abstract

本发明提供一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置和方法，包括运动台119、外差式光栅干涉仪和外差式激光干涉仪。所述外差式光栅干涉仪包括读数头(115‑118)、二维光栅(111‑114)，4块二维光栅放置在运动台(119)上，每块二维光栅对应一个读数头，读数头出射激光束至二维光栅，并收集二维光栅的衍射光束。所述外差式激光干涉仪包括干涉仪镜组(101‑103)、干涉仪反射镜(104‑110)，水平向反射镜(116‑110)分别放置于运动台的3个侧面，垂向反射镜(104、105)放置在运动台上方。外差式光栅干涉仪和外差式激光干涉仪能够同时测量运动台的位移，根据上述布局建立外差式光栅干涉仪和外差式激光干涉仪的测量模型；设定运动台的轨迹，在不同轨迹下获取外差式光栅干涉仪和外差式激光干涉仪分别测量的运动台位移，以外差式激光干涉仪的测量数据为参考，计算外差式光栅干涉仪测量模型中的位移补偿参数。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位移补偿参数的装置和方法
(一)技术领域
本发明涉及的是一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置及方法，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。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置和方法，能够有效的计算光栅干涉仪补偿参数，降低测量误差。
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位移补偿参数的装置，该装置包括运动台119、外差式光栅干涉仪和外差式激光干涉仪。所述外差式光栅干涉仪包括读数头(115-118)、二维光栅(111-114)，4块二维光栅放置在运动台(119)上，每块二维光栅对应一个读数头，读数头出射激光束至二维光栅，并收集二维光栅的衍射光束。所述外差式激光干涉仪包括干涉仪镜组(101-103)、干涉仪反射镜(104-110)，水平向反射镜(116-110)分别放置于运动台的3个侧面，垂向反射镜(104、105)放置在运动台上方，干涉仪(101)与反射镜(108)同侧，干涉仪(102)与反射镜(109,110)同侧，干涉仪(103)与反射镜(106,107)同侧。
所述一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置，其特征在于，四块二维光栅在X、Y方向的结构特征相同，四块二维光栅的工作面处于同一平面。
所述一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置，其特征在于，四个读数头的矢量方向沿逆时针方向旋转，四个读数头的出光面处于同一平面。
所述一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置，其特征在于，干涉仪第一出射光束的中心轴与二维光栅的工作面处于同一平面。
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同时读取读数头和干涉仪的计数值。
步骤3，分别计算外差式光栅干涉仪和外差激光干涉仪测量的运动台6自由度位置。
步骤4，计算在每个轨迹点处，计算外差式光栅干涉仪和外差激光干涉仪测量的运动台6自由度位置的差值。
步骤5，计算每个轨迹点的位移补偿参数，
Figure BDA0002985139980000031
其中，mxn为n个由光栅干涉仪测量值计算的运动台位移，Yn、Zn、Xn、Rxn、Ryn、Rzn是有光栅干涉仪测量值计算的运动台位置，fx、fytx、fztx、fxrytx、fyrytx、frxtx、frytx、frzx、fryrytx、frzrztx是待求位移补偿参数。Xmn是n个由激光干涉仪计算的运动台X向位置。
步骤6，通过最小二乘法等数据拟合方法拟合待求参数。
(四)附图说明
图1是光栅干涉仪和激光干涉仪的结构布局。
图2是激光干涉仪系统组成
图3是光栅沿X向移动时的光路示意图。
图4是光栅沿Z向移动时的光路示意图。
图5是运动台轨迹点示意图。
(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5。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θi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：
Figure BDA0002985139980000041
其相位变化与X向位移的关系可如下表示：
Figure BDA0002985139980000042
其中：
vx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：
Figure BDA0002985139980000043
其相位变化与Z向位移的关系可如下表示：
Figure BDA0002985139980000044
其中：
λ为激光波长；
vz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2维光栅安装在承载台上表面与读头对应。每个读头对应一块2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。
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。
Figure BDA0002985139980000051
Figure BDA0002985139980000052
其中：
nz为光束的方向向量在Z向的分量；
Figure BDA0002985139980000053
为读头1中左路测量信号的相位数；
Figure BDA0002985139980000054
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。
Figure BDA0002985139980000061
Figure BDA0002985139980000062
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；
fmsx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；
fnsy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，fmsx、fnsy等系数的初值是由读头、光栅的定义位置和定义的安装误差计算得到。
Figure BDA0002985139980000063
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。
计算光栅干涉仪位移补偿参数的具体步骤：
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同时读取读数头和干涉仪的计数值。
步骤3，分别计算外差式光栅干涉仪和外差激光干涉仪测量的运动台6自由度位置。
步骤4，计算在每个轨迹点处，计算外差式光栅干涉仪和外差激光干涉仪测量的运动台6自由度位置的差值。
步骤5，计算每个轨迹点的位移补偿参数，
Figure BDA0002985139980000071
其中，mxn为n个由光栅干涉仪测量值计算的运动台位移，Yn、Zn、Xn、Rxn、Ryn、Rzn是有光栅干涉仪测量值计算的运动台位置，fx、fytx、fztx、fxrytx、fyrytx、frxtx、frytx、frzx、fryrytx、frzrztx是待求位移补偿参数。Xmn是n个由激光干涉仪计算的运动台X向位置。
步骤6，通过最小二乘法等数据拟合方法拟合待求参数。

Claims (5)

1.一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置和方法，其特征在于，该装置包括运动台119、外差式光栅干涉仪和外差式激光干涉仪。所述外差式光栅干涉仪包括读数头(115-118)、二维光栅(111-114)，4块二维光栅放置在运动台(119)上，每块二维光栅对应一个读数头，读数头出射激光束至二维光栅，并收集二维光栅的衍射光束。所述外差式激光干涉仪包括干涉仪镜组(101-103)、干涉仪反射镜(104-110)，水平向反射镜(116-110)分别放置于运动台的3个侧面，垂向反射镜(104、105)放置在运动台上方，干涉仪(101)与反射镜(108)同侧，干涉仪(102)与反射镜(109,110)同侧，干涉仪(103)与反射镜(106,107)同侧。
2.根据权利要求1所述的一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置，其特征在于，四块二维光栅在X、Y方向的结构特征相同，四块二维光栅的工作面处于同一平面。
3.根据权利要求1所述的一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置，其特征在于，四个读数头的矢量方向沿逆时针方向旋转，四个读数头的出光面处于同一平面。
4.根据权利要求1所述的一种计算光栅干涉仪位移补偿参数的装置，其特征在于，干涉仪第一出射光束的中心轴与二维光栅的工作面处于同一平面。
5.一种如权利要求1～4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同时读取读数头和干涉仪的计数值。
步骤3，分别计算外差式光栅干涉仪和外差激光干涉仪测量的运动台6自由度位置。
步骤4，计算在每个轨迹点处，计算外差式光栅干涉仪和外差激光干涉仪测量的运动台6自由度位置的差值。
步骤5，计算每个轨迹点的位移补偿参数，
Figure FDA0002985139970000021
其中，mxn为n个由光栅干涉仪测量值计算的运动台位移，Yn、Zn、Xn、Rxn、Ryn、Rzn是有光栅干涉仪测量值计算的运动台位置，fx、fytx、fztx、fxrytx、fyrytx、frxtx、frytx、frzx、fryrytx、frzrztx是待求位移补偿参数。Xmn是n个由激光干涉仪计算的运动台X向位置。
步骤6，通过最小二乘法等数据拟合方法拟合待求参数。
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