CN113532324A - 一种纳米精度多维光学干涉测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米精度多维光学干涉测量系统及其测量方法，包括硅片台，硅片台用于安置硅片，硅片台的侧面有三轴集成干涉仪、四轴集成干涉仪和两轴集成干涉仪，两轴集成干涉仪到硅片台的距离与四轴集成干涉仪到硅片台的距离相等。本发明依据同向冗余布置思路，在传统的六轴激光干涉仪的Y方向上增加一个冗余轴，成为七轴方案，根据反向冗余布置思路，在现有的Y和Z方向的测量轴对于XZ平面镜像位置各布置一个冗余轴，得到九轴冗余测量系统，基于此种拓扑设计的位移解算算法封闭，只包含较少的加减乘除，不存在迭代及超越函数运算，其所耗计算资源很小，解算结果精度可达纳米级，也可用于测量环境保障与环境补偿问题中，在超精密应用场合进行位移测量。

Description

一种纳米精度多维光学干涉测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其是一种纳米精度多维光学干涉测量系统及其测量方法。

背景技术

目前集成电路的发展仍遵循“摩尔定律”，即集成电路性能每过18个月提高一倍，加工图形关键尺寸每三年缩小根号2倍，此处的“关键尺寸”指芯片中的最小线宽。从精度分解要求来看，光学干涉测量精度需达到数纳米，进而要求其测量单元的精度达到亚纳米甚至更高级别，此外，测量单元还应具备六自由度的测量及极快的解算能力，以满足工件台完成硅片与掩膜版的调平、对焦及高精度运动控制功能的需要，为此，对于光学干涉测量单元而言，需要在测量环境保障、传感器确定、测量单元设计、系统误差分离、随机误差补偿等多个方面开展针对性研究与分析工作，以保证测量总体精度能达到光学工程的要求，而如此高精度的测量必须选用高分辨率与精度的测量传感器，但目前能进行大行程高精度测量的传感器主要有双频激光干涉仪和平面光栅，前者以光波波长为基准并进行电子细分，具有分辨率高、信号信噪比大等优点，后者以栅距为基准，具有重复测量精度高、受环境影响小等优点，尽管平面光栅在光刻机工作台位移测量中具有广泛的应用前景，但对国内而言仍需解决大面积光栅制造等难题，所以，相比之下，目前国内在研的光刻机基本都采用双频激光干涉仪。

对于一般以平面运动为主的运动平台，其位移测量可采取六轴激光干涉仪，但如果想要实现纳米甚至亚纳米精度的位移测量，此种方案则无法满足高精度的测量要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于同向冗余拓扑设计的高精度多维光学干涉测量系统及应用其的测量方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种纳米精度多维光学干涉测量系统，包括硅片台，所述硅片台用于安置硅片，所述硅片台的侧面有三轴集成干涉仪、四轴集成干涉仪和两轴集成干涉仪，所述两轴集成干涉仪的两个轴为Y₄和Z₂，所述三轴集成干涉仪的三个轴为X₁、X₂和X₃，所述四轴集成干涉仪的四个轴分别为Y₁、Y₂、Y₃和Z₁，设置所述硅片台上的硅片的中心位置为原点，其水平方向为X轴和Y轴，竖直方向为Z轴，所述两轴集成干涉仪的两个轴与硅片的Z轴的反向延长线垂直并与Y轴平行，所述四轴集成干涉仪的Z₁和Y₃轴与硅片的Z轴的反向延长线垂直并与Y轴平行，所述三轴集成干涉仪的X₃轴垂直于硅片的Z轴并平行于X轴，所述三轴集成干涉仪的X₁和X₂轴组成的平面与硅片的XY平面平行，所述四轴集成干涉仪的Y₁和Y₂轴组成的平面与硅片的XY平面平行。

优选的，所述两轴集成干涉仪到硅片台的距离与所述四轴集成干涉仪到硅片台的距离相等。

优选的，所述两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪和四轴集成干涉仪的光栅在X和Y的方向上的结构特征相同，其工作面处于同一平面上。

优选的，所述两轴集成干涉仪与四轴集成干涉仪分别位于所述硅片台的两侧。

一种纳米精度多维光学干涉测量方法，包括以下步骤：

S1、在硅片台的行程范围内设置测量路径，并在测量路径上以一定间隔选取测量点；

S2、沿着S1步骤中规划的路径在选取的测量点处同时读取两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪及四轴集成干涉仪的计数值；

S3、分别计算两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪及四轴集成干涉仪的六自由度的位置；

S4、计算在每个规划的轨迹点处，两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪及四轴集成干涉仪的六自由度位置的差值；

S5、计算每个规划的轨迹点的位移补偿参数，得到干涉图组的面形信息。

优选的，干涉图组的检测流程包括：

先判断干涉图像是否符合质量要求，若是，则通过解相算法处理干涉图组的像素数据，然后输出干涉图组的面形信息，若否，则进一步判断轨迹点的位移补偿参数的正常范围，若正确，则输出干涉图组的面形信息，若有误，则返回重新计算位移补偿参数步骤。

优选的，干涉图组的获取流程包括：

先获取一组干涉图像，将每N帧分为一个分组，由每N帧临近图计算出所有像素点的移相量，统计出最多的移相量作为当前分组的移相量，分析所有分组的移相量数值的波动情况，求得整组干涉图像的移相稳定性和移相准确性，判断每组干涉图像的移相稳定性和移相准确性是否达标，如是，则对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值；如否，过滤该组干涉图组，对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值后，统计出最多的移相量作为整组干涉图像的移相量，分析移相量直方图宽度，评价整体移相质量，判断整体移相质量是否达标，如是，则保存该组干涉图组，得到该组干涉图组的面形图及计算结果；如否，过滤该组干涉图组，显示错误码及未达标原因。

本发明的优点和积极效果是：

本发明依据同向冗余布置思路，在传统的六轴激光干涉仪的Y方向上增加一个冗余轴，成为七轴方案，根据反向冗余布置思路，在现有的Y和Z方向的测量轴对于XZ平面镜像位置各布置一个冗余轴，得到九轴冗余测量系统，基于此种拓扑设计的位移解算算法封闭，只包含较少的加减乘除，不存在迭代及超越函数运算，其所耗计算资源很小，解算结果精度可达纳米级，也可用于测量环境保障与环境补偿问题中，在超精密应用场合进行位移测量。

附图说明

图1是本发明的测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

如图1所示，本发明所述的一种纳米精度多维光学干涉测量系统，包括硅片台，硅片台用于安置硅片，硅片台的侧面有三轴集成干涉仪、四轴集成干涉仪和两轴集成干涉仪，两轴集成干涉仪与四轴集成干涉仪分别位于硅片台的两侧，两轴集成干涉仪到硅片台的距离与四轴集成干涉仪到硅片台的距离相等，两轴集成干涉仪的两个轴为Y₄和Z₂，三轴集成干涉仪的三个轴为X₁、X₂和X₃，四轴集成干涉仪的四个轴分别为Y₁、Y₂、Y₃和Z₁，设置硅片台上的硅片的中心位置为原点，其水平方向为X轴和Y轴，竖直方向为Z轴，两轴集成干涉仪的两个轴与硅片的Z轴的反向延长线垂直并与Y轴平行，四轴集成干涉仪的Z₁和Y₃轴与硅片的Z轴的反向延长线垂直并与Y轴平行，三轴集成干涉仪的X₃轴垂直于硅片的Z轴并平行于X轴，三轴集成干涉仪的X₁和X₂轴组成的平面与硅片的XY平面平行，四轴集成干涉仪的Y₁和Y₂轴组成的平面与硅片的XY平面平行，两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪和四轴集成干涉仪的光栅在X和Y的方向上的结构特征相同，其工作面处于同一平面上，此在传统的六轴激光干涉仪的基础上增加了三个轴成为九轴干涉仪，之所以在同向只冗余布置三轴，是因为三点决定一个平面，一个方向上的有效信息只需要不共线三轴即可提取，再多对解算无益，且之所以在反向只冗余布置两轴，则是因为对于某一方向来讲，反向冗余布置一轴即可实现有用信息的提取，再多冗余布置，效果重复无意义，且会增加额外成本，再者，之所以不在X轴方向进行反向冗余布置，是因为现代光刻机普遍采用双台交换结构，X轴方向若布置反向冗余轴会被另一硅片台遮挡造成物理上无法实现，此种冗余设置一方面可实现非线性方程组的线性化，极大提高精度，另一方面还能大大降低运算量。

一种纳米精度多维光学干涉测量系统的测量方法，包括上述干涉测量系统，其测量步骤如下：

S1、在硅片台的行程范围内设置测量路径，并在测量路径上以一定间隔选取测量点；

S2、沿着S1步骤中规划的路径在选取的测量点处同时读取两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪及四轴集成干涉仪的计数值；

S3、分别计算两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪及四轴集成干涉仪的六自由度的位置；

S4、计算在每个规划的轨迹点处，两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪及四轴集成干涉仪的六自由度位置的差值；

S5、计算每个规划的轨迹点的位移补偿参数，得到干涉图组的面形信息，干涉图组的获取流程如下：

先获取一组干涉图像，将每N帧分为一个分组，由每N帧临近图计算出所有像素点的移相量，统计出最多的移相量作为当前分组的移相量，分析所有分组的移相量数值的波动情况，求得整组干涉图像的移相稳定性和移相准确性，判断每组干涉图像的移相稳定性和移相准确性是否达标，如是，则对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值；如否，过滤该组干涉图组，对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值后，统计出最多的移相量作为整组干涉图像的移相量，分析移相量直方图宽度，评价整体移相质量，判断整体移相质量是否达标，如是，则保存该组干涉图组，得到该组干涉图组的面形图及计算结果；如否，过滤该组干涉图组，显示错误码及未达标原因。

干涉图组的检测流程为：先判断干涉图像是否符合质量要求，若是，则通过解相算法处理干涉图组的像素数据，然后输出干涉图组的面形信息，若否，则进一步判断轨迹点的位移补偿参数的正常范围，若正确，则输出干涉图组的面形信息，若有误，则返回重新计算位移补偿参数步骤。

本发明依据同向冗余布置思路，在传统的六轴激光干涉仪的Y方向上增加一个冗余轴，成为七轴方案，根据反向冗余布置思路，在现有的Y和Z方向的测量轴对于XZ平面镜像位置各布置一个冗余轴，得到九轴冗余测量系统，基于此种拓扑设计的位移解算算法封闭，只包含较少的加减乘除，不存在迭代及超越函数运算，其所耗计算资源很小，解算结果精度可达纳米级，也可用于测量环境保障与环境补偿问题中，在超精密应用场合进行位移测量。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种纳米精度多维光学干涉测量系统，其特征在于：包括硅片台，所述硅片台用于安置硅片，所述硅片台的侧面有三轴集成干涉仪、四轴集成干涉仪和两轴集成干涉仪，所述两轴集成干涉仪的两个轴为Y₄和Z₂，所述三轴集成干涉仪的三个轴为X₁、X₂和X₃，所述四轴集成干涉仪的四个轴分别为Y₁、Y₂、Y₃和Z₁，设置所述硅片台上的硅片的中心位置为原点，其水平方向为X轴和Y轴，竖直方向为Z轴，所述两轴集成干涉仪的两个轴与硅片的Z轴的反向延长线垂直并与Y轴平行，所述四轴集成干涉仪的Z₁和Y₃轴与硅片的Z轴的反向延长线垂直并与Y轴平行，所述三轴集成干涉仪的X₃轴垂直于硅片的Z轴并平行于X轴，所述三轴集成干涉仪的X₁和X₂轴组成的平面与硅片的XY平面平行，所述四轴集成干涉仪的Y₁和Y₂轴组成的平面与硅片的XY平面平行。

2.根据权利要求1所述的一种纳米精度多维光学干涉测量系统及其测量方法，其特征在于：所述两轴集成干涉仪到硅片台的距离与所述四轴集成干涉仪到硅片台的距离相等。

3.根据权利要求1所述的一种纳米精度多维光学干涉测量系统及其测量方法，其特征在于：所述两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪和四轴集成干涉仪的光栅在X和Y的方向上的结构特征相同，其工作面处于同一平面上。

4.根据权利要求1所述的一种纳米精度多维光学干涉测量系统及其测量方法，其特征在于：所述两轴集成干涉仪与四轴集成干涉仪分别位于所述硅片台的两侧。

5.一种纳米精度多维光学干涉测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、在硅片台的行程范围内设置测量路径，并在测量路径上以一定间隔选取测量点；

S2、沿着S1步骤中规划的路径在选取的测量点处同时读取两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪及四轴集成干涉仪的计数值；

S3、分别计算两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪及四轴集成干涉仪的六自由度的位置；

S4、计算在每个规划的轨迹点处，两轴集成干涉仪、三轴集成干涉仪及四轴集成干涉仪的六自由度位置的差值；

S5、计算每个规划的轨迹点的位移补偿参数，得到干涉图组的面形信息。

6.根据权利要求5所述的一种纳米精度多维光学干涉测量方法，其特征在于：干涉图组的检测流程包括：

先判断干涉图像是否符合质量要求，若是，则通过解相算法处理干涉图组的像素数据，然后输出干涉图组的面形信息，若否，则进一步判断轨迹点的位移补偿参数的正常范围，若正确，则输出干涉图组的面形信息，若有误，则返回重新计算位移补偿参数步骤。

7.根据权利要求5所述的一种纳米精度多维光学干涉测量方法，其特征在于：干涉图组的获取流程包括：

先获取一组干涉图像，将每N帧分为一个分组，由每N帧临近图计算出所有像素点的移相量，统计出最多的移相量作为当前分组的移相量，分析所有分组的移相量数值的波动情况，求得整组干涉图像的移相稳定性和移相准确性，判断每组干涉图像的移相稳定性和移相准确性是否达标，如是，则对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值；如否，过滤该组干涉图组，对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值后，统计出最多的移相量作为整组干涉图像的移相量，分析移相量直方图宽度，评价整体移相质量，判断整体移相质量是否达标，如是，则保存该组干涉图组，得到该组干涉图组的面形图及计算结果；如否，过滤该组干涉图组，显示错误码及未达标原因。

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