CN113758428A - 光刻机掩模台六自由度位移测量系统 - Google Patents

光刻机掩模台六自由度位移测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光刻机掩模台六自由度位移测量系统，包括：光栅安装板，固定在光刻机的掩模台上，第一平面光栅和第二平面光栅，相对固定在光栅安装板的两侧，第一平面光栅包括相互垂直的栅线，且栅线方向是在掩模台的平移平面的x轴和y轴方向上，第二平面光栅至少包括在掩模台的平移平面的x轴或y轴方向上的栅线；三个探测器，任一探测器都具有掩模台的平移平面内和垂直于掩模台的平移平面方向的二自由度测量功能。本发明解决了现有的掩模台六自由度位移测量系统存在传感器数量过多而导致的传感器位置布置难题，可以简化六自由度位移测量模型，且不采用二维光栅即可实现掩模台六自由度位移测测量，降低制造难度及生产成本。

Description

光刻机掩模台六自由度位移测量系统
技术领域
本发明涉及光栅测量领域，尤其是涉及一种光刻机掩模台六自由度位移测量系统。
背景技术
掩模台作为光刻机的重要核心分系统，是光刻机实现超微图形高效保真转移的关键分系统之一。其在高速、多自由度下的定位精度将直接影响到光刻机的套刻精度，掩模台的位移测量系统则在掩模台的精确定位与控制中发挥最为关键作用。传统的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，采用多个单激光干涉仪和电容传感器配合实现掩模台六自由度的位移测量。在这个测量过程中，激光干涉仪和电容传感器属于机制不同的两种位移测量传感器类型，需要进行信息融合从而实现掩模台六自由度的位移测量，难以避免的造成测量精度的损失。除此之外，光刻机在进行光刻工作时，掩模台需要进行面内大行程的步进运动以及五个小范围内的平移或转动，此时激光干涉仪由于其较长的光路而及其容易受到环境扰动的影响，造成较大的环境扰动误差；而平面光栅测量系统则可以凭借其极短的光路而获取极高的环境鲁棒性，从而相较于激光干涉仪在超精密测量领域中更具优势。
ASML在美国专利(专利号：US7651270)中提出了利用二维平面光栅来实现掩模台三自由度的位移测量。其将光栅干涉仪的两个读数头固定安装在掩模台上，它可以测得水平方向上的平移(X、Y)和旋转(RZ)三个自由度，而对垂向的三个自由度(Z、RX、RY)的测量是通过安装在Z轴方向上的多个差动传感器得到的。该方案获得六自由度需要利用较多传感器才能实现，结构复杂，且增大了传感器布置的难度；除此之外，该方案全部采用了大尺寸二维光栅，增加了制造难度且提高了生产成本。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种光刻机掩模台六自由度位移测量系统，包括：光栅安装板，固定在光刻机的掩模台上，第一平面光栅和第二平面光栅，相对固定在光栅安装板的两侧，使得平面光栅与光栅安装板的板面平行，其中，第一平面光栅包括相互垂直的栅线，且栅线方向是在所述掩模台的平移平面的x轴和y轴方向上，第二平面光栅至少包括在所述掩模台的平移平面的x轴或y轴方向上的栅线，其中x轴和y轴是直角坐标系的坐标轴；
三个探测器，任一探测器都具有掩模台的平移平面内和垂直于掩模台的平移平面方向的二自由度测量功能。
可选地，掩模台的平移平面内的测量功能是指平行于光栅平面且垂直于栅线的位移测量；
垂直于掩模台的平移平面方向的测量功能是指垂直于光栅平面的位移测量。
可选地，所述探测器包括探测器镜组，以及入光/回光信号接收器，所述探测器镜组与所述入光/回光信号接收器设置在所述掩模台的下方，所述探测器镜组用于产生激光干涉信号，所述入光/回光信号接收器用于提供输入信号及接收输出干涉信号。
可选地，任一探测器是光栅干涉仪或光栅编码器。
可选地，具有平移平面内的测量功能且测量位移方向一致的探测器，不在同一条直线上。
可选地，所述第一平面光栅和第二平面光栅是通过范德华力或者胶合的方式连接在所述光栅安装板的下表面。
可选地，所述第一平面光栅包括第一区域和第二区域，第一区域与第二区域的栅线相互垂直，第二平面光栅的栅线平行于第一区域或第二区域的栅线。
可选地，所述第一平面光栅包括第一区域和第二区域，第一区域与第二区域的栅线相互垂直，所述第二平面光栅的栅线为栅格。
可选地，所述第一平面光栅、所述第二平面光栅的栅线均为栅格。
可选地，所述第一平面光栅的栅线为栅格，所述第二平面光栅的栅线在所述掩模台的平移平面的x轴或y轴方向上。
本发明完全用平面光栅即可测量光刻机掩模台六自由度位移，有效解决了现有的光刻机掩模台六自由度位移测量系统存在传感器数量过多而导致的传感器位置布置难题，可以简化六自由度位移测量模型，满足更高的测量需求，且本发明平面光栅不采用二维光栅即可实现掩模台六自由度位移测测量，在很大程度上可以降低制造难度及生产成本。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1为本发明实施例的位移测量系统的总装示意图；
图2为本发明实施例的第二平面光栅采用二维平面光栅的示意图；
图3为本发明实施例的第二区域与第二平面光栅的栅线平行的示意图；
图4为本发明实施例的第一平面光栅采用二维平面光栅的示意图；
图5为本发明实施例的第一平面光栅、第二平面光栅采用二维平面光栅的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
本发明提供的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，如图1至3所示，包括光栅安装板1以及两块平面光栅，优选为矩形平面光栅。所述光栅安装板1固定在光刻机的掩模台(未示出)上，驱动机构与所述掩模台连接，用于驱动所述掩模台和平面光栅在六自由度范围内移动或者转动。所述光栅安装板1为平面光栅提供安装基准，所述平面光栅为光刻机掩模台六自由度位移测量系统提供测量基准。两块平面光栅即第一平面光栅5和第二平面光栅6，其中第一平面光栅5固定在光栅安装板1的一侧，第二平面光栅6相对的固定在光栅安装板1的另一侧，使得第一平面光栅5和第二平面光栅6与光栅安装板1的板面平行。所述第一平面光栅5和第二平面光栅6可以是通过范德华力或者胶合的方式连接在所述光栅安装板的下表面，也可以是通过例如插接的方式插入安装在光栅安装板1的侧面。
其中，第一平面光栅5为1.5维的平面光栅，所述1.5维是指该平面光栅包括第一区域51和第二区域52，第一区域51与第二区域52的栅线方向是相互垂直的，且栅线方向是在所述掩模台的平移x轴和y轴方向上的。其中x轴和y轴是直角坐标系的坐标轴。如图1中，第一平面光栅5包括第一区域51和第二区域52，第一区域51的栅线是朝向x轴方向的，第二区域52的栅线是朝向y轴方向的。其中第二平面光栅6为1维的平面光栅，所述1维平面光栅，是指在该平面光栅的所有区域内栅线方向一致，且其栅线方向是在所述掩模台的平移x轴或y轴方向上。
在所述掩模台下方设置有探测器，包括第一探测器2、第二探测器3、第三探测器4，如图2所示，第一探测器2位于第二区域52的下方，第二探测器3位于第一区域51的下方，第三探测器4位于第二平面光栅6的下方。所述探测器与所述平面光栅配合，用于提供所述位移测量系统的测量基准。所述探测器是具有面内(掩模台的平移平面内)和面外(掩模台的平移平面外)二自由度测量功能的光栅干涉仪或光栅编码器。所述面内测量功能(第一测量方向)是指在平行于光栅平面内垂直于栅线的位移测量，所述面外测量功能(第二测量方向)指的是垂直于光栅平面的位移测量。例如三个探测器都是二自由度探测器，分别具有x、y、z中任两个自由度的测量功能。以图2为例，第一探测器2具有垂直于栅线的x轴方向和z轴方向的位移测量功能，第二探测器3具有垂直于栅线的y轴方向和z轴方向的位移测量功能，第三探测器4具有垂直于栅线的x轴方向和和z轴方向的位移测量功能。
当然，也可以如图2所示，第一区域的栅线为朝向y轴方向，第二区域的栅线方向朝向x轴方向。只要随着平面光栅的改变，其相对应的探测器也跟随改变即可。例如图2、图3中，第一区域和第二区域的栅线方向是调换了的，则其探测器也相应的调换了。当然，也可以如图4所示，所述第一平面光栅可以用2维平面光栅代替，而第二平面光栅采用1维平面光栅。也可以如图5所示，第一平面光栅、第二平面光栅都采用2维平面光栅，对于二维平面光栅，只要将探测器测量方向垂直于所需要的栅线方向即可。所述探测器包括探测器镜组，以及入光/回光信号接收器和安装座组件，所述探测器镜组与所述入光/回光信号接收器通过所述安装座组件固定在所述掩模台的下方。所述探测器镜组用于产生激光干涉信号，所述入光/回光信号接收器用于提供输入信号及接收输出干涉信号。
所述探测器是与平面光栅呈一定位姿布置，所述三个探测器在平行于光栅平面方向上的布置，还具有一定的约束，具体的，第一平面光栅的第一区域51或者第二区域52的光栅栅线方向必有其一与第二平面光栅栅线一致，即或者第一区域51的光栅栅线方向与第二平面光栅6的栅线一致，或者第二区域52的光栅栅线方向与第二平面光栅6的栅线一致。并且两个光栅栅线方向一致的区域所对应的探测器，不应布置在同一条直线上，否则将有一个转动自由度无法实现测量。
综上，在布置好探测器的位置后，所述探测器镜组产生激光干涉信号，所述入光/回光信号接收器用于提供输入信号及接收输出干涉信，从而可得到平面光栅的六组位移测量值，即可建立方程组解算出六自由度位移。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，包括：
光栅安装板，固定在光刻机的掩模台上，
第一平面光栅和第二平面光栅，相对固定在光栅安装板的两侧，使得平面光栅与光栅安装板的板面平行，其中，第一平面光栅包括相互垂直的栅线，且栅线方向是在所述掩模台的平移平面的x轴和y轴方向上，第二平面光栅至少包括在所述掩模台的平移平面的x轴或y轴方向上的栅线，其中x轴和y轴是直角坐标系的坐标轴；
三个探测器，任一探测器都具有掩模台的平移平面内和垂直于掩模台的平移平面方向的二自由度测量功能。
2.根据权利要求1所述的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，
掩模台的平移平面内的测量功能是指平行于光栅平面且垂直于栅线的位移测量；
垂直于掩模台的平移平面方向的测量功能是指垂直于光栅平面的位移测量。
3.根据权利要求1所述的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，
所述探测器包括探测器镜组，以及入光/回光信号接收器，所述探测器镜组与所述入光/回光信号接收器设置在所述掩模台的下方，所述探测器镜组用于产生激光干涉信号，所述入光/回光信号接收器用于提供输入信号及接收输出干涉信号。
4.根据权利要求1所述的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，
任一探测器是光栅干涉仪或光栅编码器。
5.根据权利要求1所述的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，
具有平移平面内的测量功能且测量位移方向一致的探测器，不在同一条直线上。
6.根据权利要求1所述的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，
所述第一平面光栅和第二平面光栅是通过范德华力或者胶合的方式连接在所述光栅安装板的下表面。
7.根据权利要求1所述的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，所述第一平面光栅包括第一区域和第二区域，第一区域与第二区域的栅线相互垂直，第二平面光栅的栅线平行于第一区域或第二区域的栅线。
8.根据权利要求1所述的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，
所述第一平面光栅包括第一区域和第二区域，第一区域与第二区域的栅线相互垂直，所述第二平面光栅的栅线为栅格。
9.根据权利要求1所述的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，
所述第一平面光栅、所述第二平面光栅的栅线均为栅格。
10.根据权利要求1所述的光刻机掩模台六自由度位移测量系统，其特征在于，
所述第一平面光栅的栅线为栅格，所述第二平面光栅的栅线在所述掩模台的平移平面的x轴或y轴方向上。
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