CN1979086A - 低走离干涉仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种干涉仪，所述干涉仪采用第一测量通道和第二测量通道，对于沿垂直和水平方向的测量可以获得大的动态范围，其中第一测量通道对于一路径进行的包括分别与光学器件－物体间隔平行和垂直的分量的测量具有大的动态范围，第二测量通道只对垂直分量的测量提供了大的动态范围。此外，在物体周围的多个位置处采用相同的技术可以使物体自由度的测量具有大的动态范围。

Description

低走离干涉仪
相关申请的交叉引用
本专利文件是2004年2月20日提交的美国专利申请No.10/783,199的部分继续申请，其全部内容通过引用而结合于此。
技术领域
本发明涉及低走离(low walk-off)干涉仪。
背景技术
平面反射镜干涉仪可以测量物体(例如晶片处理系统中的精密工作台)的位置和/或方向。对于这些用途，通常将平面反射镜安装在待测工作台上，干涉仪对一个或多个测量光束进行导向以使之从平面反射镜反射。每个测量光束通常对应于单独的测量通道，并与相应的参考光束合并，用于进行产生测量结果的信号处理。为了减小测量光束与相应的参考光束之间的角度间隔，某些干涉仪(通常称为“二次通过型”干涉仪，doublepass interferometer)采用后向反射器将每个测量光束定向回去，用于在干涉仪将测量光束和参考光束合并之前从平面反射镜进行第二次反射。这些双程干涉仪实际上将测量光束的程长加倍，这样可能具有一些缺点。
对工作台或其他物体的位置和方向进行测量的干涉仪系统经常需要测量多个自由度。例如，刚性三维物体通常具有六个独立自由度，即表示相对于X轴、Y轴和Z轴位置的X、Y和Z坐标，以及与物体围绕X轴、Y轴和Z轴的转动相应的滚转角、偏转角和俯仰角。通常，测量轴中至少两个(例如Y轴和Z轴)限定了下述方向，该方向至少具有与干涉仪光学器件和测量反射镜之间的间隔相垂直的分量。因此，对物体的所有自由度进行测量的干涉仪系统经常在工作台附近的多个位置采用多个测量反射镜和干涉仪光学器件。
已经开发了对垂直于光学器件-反射镜间隔的位移进行测量的干涉仪系统，以防干涉仪光学器件与其他处理系统元件(例如投影镜头)发生干涉。例如，美国专利No.6,020,964和No.6,650,419描述了能够对工作台相对于投影镜头的高度进行测量的干涉仪系统。在这样的系统中，安装在工作台上的反射器将来自水平入射路径(例如沿X轴)的测量光束反射到垂直路径(例如沿Z轴)。安装在工作台上方的反射器将垂直方向的测量光束反射回工作台上的反射器，测量光束在该处重新定向到返回干涉仪光学器件的水平回程。因此，测量光束总的多普勒频移指示了沿着具有水平分量和垂直分量的路径的运动。单独的测量通道可以对运动的水平分量进行测量，从而可以求出垂直分量或高度的测量结果。
每个被测自由度的动态范围通常会受到反射镜转动(例如滚转、偏转和俯仰)的限制，这种转动可能使测量光束偏转，造成反射的测量光束“走离”与参考光束重新合并所需的路径。可接受的走离量(以及相应的测量动态范围)通常取决于光束半径w以及从干涉仪光学器件延伸到测量反射镜的光程长L。例如，在对沿着干涉仪光学器件与测量反射镜间隔的平动进行测量时，传统二次通过型干涉仪的动态范围通常约为w/4L弧度。因为需要测量并减去水平分量，所以美国专利No.6,020,964和No.6,650,419中描述的高度测量普遍要至少受到类似的动态范围限制。为了获得大的动态范围，传统干涉仪需要较宽的光束和/或光学器件与被测物体之间间距较短。大光束宽度和短间距经常难以符合包括晶片处理设备在内的许多系统的空间和功能要求。此外，容纳较大光束增大了干涉仪中光学元件的尺寸和成本。
考虑到现有干涉仪的这些局限，希望有一种系统和方法能够提高采用平面反射镜干涉仪进行测量的动态范围，而不需要大的光学元件或短的间距。
发明内容
根据本发明的一个方面，采用第一测量通道和第二测量通道，干涉仪对于沿垂直和水平方向的测量可以获得大的动态范围，其中第一测量通道对于包括分别与光学器件-物体间隔平行和垂直的分量的路径进行的测量具有大的动态范围，第二测量通道只对垂直分量的测量提供了大的动态范围。根据本发明的另一个方面，干涉仪系统可以对刚性物体(例如处理设备中采用的工作台)所有六个自由度的测量获得大的动态范围。
附图说明
图1示出了一种包括干涉仪的系统，所述干涉仪可以在水平和垂直方向进行测量，并允许物体方向有大的动态范围。
图2是一种包括干涉仪的系统的俯视图，所述干涉仪可以测量刚性物体的所有六个自由度。
图3A是另一种包括干涉仪的实施例的侧视图，所述干涉仪可以在水平和垂直方向进行测量，并允许物体方向有大的动态范围。
图3B示出了用于图3A的系统中所产生的光束的测量反射器和反射区域。
图4A和图4B分别是包括干涉仪的一种实施例的侧视图和俯视图，所述干涉仪可以对滚转角和水平运动进行测量，并允许物体方向有大的动态范围。
图4C示出了用于图4A和图4B的系统中所产生的光束的测量反射器和反射区域。
图5A和图5B分别是包括干涉仪的一种实施例的侧视图和俯视图，所述干涉仪可以对绕两个垂直轴的角度进行测量，并允许物体方向有大的动态范围。
图5C示出了用于图5A和图5B的系统中所产生的光束的测量反射器和反射区域。
不同的附图中，采用相同的标号来表示相同或相似的项。
具体实施方式
根据本发明的一个方面，采用第一测量通道和第二测量通道，干涉仪对于沿垂直和水平方向的测量可以获得大的动态范围，其中第一测量通道对于包括分别与光学器件-物体间隔平行和垂直的分量的路径进行的测量具有大的动态范围，第二测量通道只对垂直分量的测量提供了大的动态范围。根据本发明的另一个方面，干涉仪系统可以对刚性物体(例如处理设备中采用的工作台)所有六个自由度的测量获得大的动态范围。
图1图示了包括干涉仪光学器件110的系统100，用于对物体的水平和垂直平动进行测量。在图示的实施例中，系统100是光刻设备的一部分，被测物体是工作台120，该工作台用于将工件(例如半导体晶片125)相对于投影镜头130进行定位。干涉仪光学器件110优选地相对于投影镜头130具有固定位置。为了进行光刻，工作台120和/或用于投影镜头130的定位系统(未示出)必须能够将晶片125相对于投影镜头130的光轴进行精确定位，以使投影镜头130可以将期望的图样投影到晶片125的正确区域上。此外，工作台120或用于投影镜头130的聚焦系统可以控制或适应晶片125与投影镜头130之间的间隔，以便投影出聚焦清晰的图样。本领域技术人员明白，对晶片处理系统中工作台120的测量仅仅是干涉仪系统的一种示例性应用，与此处所述相似的干涉仪可以更普遍地测量各种系统中的各种物体。
干涉仪光学器件110接收来自光源112的输入光束IN并产生三个光束152、154和156，这些光束一开始沿X方向导向工作台120。如下面进一步说明的，光束152和154用于第一大动态范围测量通道，该测量通道对工作台120沿Z方向的平动进行测量，光束156用于第二大动态范围测量通道，该测量通道用于进行沿Z和X方向具有分量的测量。用来自第一测量通道的测量结果除掉用第二测量通道测得的X和Z组合运动中的Z分量，可以对X方向的平动得到大的动态范围。
图示的实施例中，干涉仪光学器件110包括分束光学器件113、偏振分束器(PBS)114、偏振态改变元件例如四分之一波片(QWP)115和116、旋转反射镜117以及参考反射器118。光源112将光束IN导向分束光学器件113中，后者产生两个分离的光束IN1和IN2，对应于系统100的两个测量通道。或者，可以用两个独立的光源直接产生输入光束IN1和IN2。
在一种干涉仪110实施例中，每个输入光束IN、IN1和IN2是外差光束，具有第一分量和第二分量，第一分量具有第一频率F1和第一线偏振态，第二分量具有第二频率F2和垂直于第一线偏振态的第二线偏振态。许多光源都能够产生具有期望特性的外差光束。例如，光源112可以是激光器，它通过塞曼分裂和/或利用声光调制器(AOM)在频率F1和F2之间产生期望的差别。已知的或可以开发出的其他外差光束源也可以适用。或者，光源112可以是长相干长度的单频激光器，其中，所需的相干长度取决于例如测量光束156和与之相联系的参考光束158的光程长之间的差。可以优选采用外差光束，因为使用单频光束的干涉仪通常需要对相位进行多次测量以消除光束功率波动的影响。
图示实施例中的分束光学器件113为干涉仪系统100的第一和第二测量通道分别产生通道输入光束IN1和IN2。对于分束光学器件113，优选为非偏振分束，以使通道输入光束IN1和IN2具有与来自光源112的输入光束IN一样的偏振和频率特性。特别是，输入光束IN以及通道光束IN1和IN2可以都是外差光束，并具有正交偏振的单独的频率分量。下面将对采用外差光束的一种示例性实施例进行说明以提供具体示例。但是，应当明白，这种说明意在举例而非限制。
PBS 114根据偏振态对输入光束IN1的分量进行分离以产生光束152和154，并类似地根据偏振态对输入光束IN2的分量进行分离以产生光束156和158。因此，光束152和154具有正交线偏振态，光束156和158也如此。当输入光束IN1和IN2是外差光束时，输入光束和PBS 114的偏振轴方向使得偏振分束将每个输入光束IN1和IN2的频率分量分开。因此，在示例性实施例中，光束152、154、156和158是单频光束。在图示的实施例中，PBS 114使得测量光束156具有PBS 114透射的线偏振态，而参考光束158一开始具有PBS 114反射的线偏振态。本领域技术人员可以理解，干涉仪光学器件110的可替换实施例可以采用一开始在PBS 114中被反射的光束作为测量光束，用一开始在PBS中透射的光束作为参考光束。另外，尽管图示的实施例示出了PBS 114具有夹在直角棱镜之间的薄偏振膜，但是PBS 114也可以采用其他结构来实现，例如可以进行PBS 114所需的分束和合并功能的双折射光学元件。此外，在采用单色输入光束的实施方式中，PBS 114可以由非偏振分束器取代。
系统100可以对工作台沿水平的X方向和垂直的Z方向的相对运动进行监视。对于垂直测量，第一测量通道使用测量反射器140，该反射器在工作台120上提供了反射刻面142和144，刻面142与工作台120的侧面形成的角度和刻面144与工作台120的该侧面形成的角度互补，工作台120的所述侧面名义上垂直于X轴。干涉仪光学器件110将光束152和154定向为穿过QWP 115分别由刻面142和144反射。刻面142和144将各光束152和154定向到相应的波罗棱镜146和148，所述波罗棱镜定向为使光束152和154返回反射器140。当工作台120没有倾斜时，光束152和154返回相应刻面142和144的路径与分别入射到波罗棱镜146和148上的路径平行，但在Y方向上有偏移。
返回光束152由刻面142再次反射，穿过QWP 115，由旋转反射镜117反射，并再次进入PBS 114。返回光束154由刻面144再次反射，穿过QWP 115，并直接重新进入PBS 114。两次穿过QWP 115实际上将每个光束152和154的线偏振态旋转了90°，使得PBS透射返回光束152并反射返回光束154，以形成进入检测器系统160的第一输出光束OUT1。
在图示结构中，沿X方向运动的工作台造成的多普勒频移对于两光束152和154的路径是一样的，但是工作台120在Z方向的运动在光束152中造成的多普勒频移与在光束154中造成的多普勒频移相反。因此，当光束152和154合并到光束OUT1中时，光束152和154的频率差造成的拍频取决于多普勒频移之差，从而指示了工作台120在Z方向的运动。应当明白，包括反射器140在内的干涉仪系统可以绕X轴转动，从而使用反射器140进行的测量不再是沿垂直的Z方向，而可以沿着是垂直于干涉仪110与工作台120之间间隔的任何方向。
检测器系统160对输出光束OUT1进行测量或分析，以确定工作台120在Z方向的位移。在一种示例性实施例中，检测器系统160测量光束152与154的频率之差，然后可以用这个差来确定多普勒频移的差，并从而确定工作台120沿Z方向的垂直速度或位移。在光束152和154一开始就具有频率F1和F2的外差干涉仪中，返回光束会具有取决于多普勒频移的频率F1’和F2’，产生所述多普勒频移可能是当工作台120运动时，从各刻面142和144的反射造成的。如上所述，刻面142和144的角度是使得工作台120的X方向或Y方向运动对于两光束152和154造成相同的多普勒频移，而Z方向运动在光束152和154中造成相反的多普勒频移。因此，工作台120的水平运动不改变返回光束152与154之间的频率差F1’-F2’，而垂直运动改变频率差F1’-F2’。检测器系统160中的传统广检测器和电子器件可以接收输出光束OUT1，并产生具有拍频F1’-F2’的电子信号。类似地，通过对部分输入光束IN或IN1的直接测量，可以产生具有拍频F1-F2的参考电子信号。
检测器系统160的一种示例性实施例还包括鉴相电路，鉴相电路测量具有频率F1’-F2’的拍信号相对于具有频率F1-F2的参考拍信号的相位。相对相位改变指示了拍频F1’-F2’与F1-F2不同，并允许对输出光束OUT1中指示了Z方向速度的净多普勒频移进行测量。对于所确定的速度分量进行积分就表示沿Z方向的平移。
用光束152和154对Z方向平移进行的测量可以容许工作台120的转动有大的动态范围。特别是，波罗棱镜146和148是用于工作台120绕Z轴转动的后向反射器。工作台120绕Y轴的转动对于光束152和154有相同的影响。工作台120绕X轴的转动造成的影响被波罗棱镜146和148抵消，通过选择反射器142与144之间的小角度也可以使之减至最小。第一测量通道还具有比传统二次通过型测量通道的光程长更短的光程长，使得第一测量通道比二次通过型干涉仪有更好的动态范围。题为“System andMethod of using a Side-Mounted Interferometer to Acquire PositionInformation”的美国专利申请公开NO.2005/0185193还说明了类似的和其他适合的系统，这些系统对于测量物体的垂直平动具有大动态范围。
干涉仪光学器件110还为第二测量通道产生测量光束156。在图示的实施例中，测量光束156是输入光束IN2穿过PBS 114的分量。测量光束156一开始沿X方向穿过QWP 115行进到安装在工作台120上的反射器170。反射器170优选为恒偏向棱镜(例如五角棱镜)，并将光束156导向安装结构134上的反射器132，该安装结构134可以相对于投影镜头130固定。在一种示例性实施例中，反射器170是五角棱镜，它具有沿图1中Y方向延伸的顶边、与垂直方向标称夹角22.5°的反射表面172以及与水平方向标称夹角22.5°的反射表面174；反射器132是具有沿X方向延伸的顶边的模压波罗棱镜。或者，也可以使用将光束156弯折90度的任何恒偏向棱镜或反射器。反射器132的定向和定位使得对于工作台120的任何可能位置，都可以将测量光束156反射回反射器170。然后，反射器170使测量光束156穿过QWP 115返回PBS 114。测量光束156从工作台120的反射造成的多普勒频移具有工作台120在X方向和Z方向的运动引起的分量，两次穿过QWP 115改变了光束156的偏振态，使返回光束156从PBS 114反射并形成第二测量通道所用的输出光束OUT2的一部分。
参考光束158也用于第二测量通道，它的光路一直留在干涉仪光学器件110中，直到参考光束158与测量光束156在输出光束OUT2中合并。特别是，参考光束158一开始在PBS 114中反射到下述路径，即，穿过QWP 116通向参考反射器118。参考反射器118可以是波罗棱镜或其他反射器，所述其他反射器产生的反射光束具有与反射器132造成的偏移相匹配的偏移，参考反射器118使参考光束158穿过QWP 116返回PBS 114，之后，参考光束158穿过PBS 114形成输出光束OUT2的一部分。
当测量光束156与参考光束158合并时，造成的拍频改变指示了由测量光束156从工作台120反射所造成的总的多普勒频移。检测器系统160可以采用与获得对于第一测量通道的净多普勒频移相同的方式，确定第二测量通道的总的多普勒频移。如上所述，总的多普勒频移是与工作台120在X方向的运动相关的多普勒频移和与工作台120在Z方向的运动相关的多普勒频移之和。使光束156与158之间的相位差最大的工作台120运动方向平行于下述矢量，该矢量在X正方向和Z负方向上的分量相等。但是，由于第一测量通道产生了对于Z方向运动的测量结果，所以可以将来自两个测量通道的信息合并以测量X方向的运动。
第二测量通道可以进行大动态的测量，因为对于工作台120绕Y轴的大范围俯仰运动，反射器170(例如五角棱镜)可以为光束158提供比较恒定的垂直路径，类似地，波罗棱镜170用作后向反射器对工作台120绕X轴的偏转运动进行补偿。另外，波罗棱镜132对于工作台120绕X轴和Z轴的转动都进行补偿。此外，第二测量通道的光程长通常短于传统二次通过型干涉仪的光程长，给系统100的第二测量通道带来了更好的动态范围。在美国专利No.6,650,419中，可以找到对适用于系统100第二测量通道的某些干涉仪系统的操作以及可替换实施例的进一步说明。通过对来自第一和第二测量通道的测量结果进行合并所得的沿X轴的水平运动测量结果对于工作台120的转动具有大的动态范围，因为两个测量通道都容许工作台120的转动。
根据本发明的另一个方面，干涉仪系统可以对物体(例如晶片工作台)的六个自由度的测量提供大动态范围。通常，通过从被测物体附近的不同位置进行测量来使六自由度测量简化。例如，图2示出的系统200在被测的工作台220周围四个位置处具有干涉仪系统300、300’、400和500。这种实施例是一种光刻系统，干涉仪系统300、300’、400和500相对于投影镜头230具有固定位置。工作台220根据需要而运动，以将晶片225相对于投影镜头230进行定位和定向。反射器330、330’和430可以安装在工作台220上方或下方，并用于测量工作台220的垂直运动。
处理器250可以是一般意义上执行适当软件的计算机，处理器250可以综合来自一个或多个干涉仪系统300、300’、400或500不同通道的测量结果来确定具体的测量结果，例如，如上所述根据与X-Z测量结果和Z测量结果分别对应的信号来确定X测量结果。处理器250还可以对来自各个干涉仪系统300、300’、400和500的测量信号进行综合，从而精确地确定转动测量结果，下文中会进一步说明。
系统200的一种示例性实施例中，干涉仪系统300用于测量沿图2中X方向的水平运动和沿Z方向的垂直运动。如上所述，图1的干涉仪系统100可以对水平和垂直运动都进行测量，并可以用于系统300。但是，图3A示出了干涉仪系统300的一种可替换实施例，它类似于系统100，但是其第一测量通道采用了不同的技术来测量Z方向的位移。
干涉仪系统300的第一测量通道采用光源312、PBS 340、旋转反射镜352、第一测量反射器322、垂直移位反射器330、偏振态改变元件(例如QWP)354、参考反射器324、后向反射器355和检测器系统362。光源312产生输入光束IN1，在一种示例性实施例中，输入光束IN1是如上所述的外差光束。PBS 340将输入光束IN1分为测量光束372和参考光束374。图示实施例中的测量光束372由PBS 340反射，然后由旋转反射器352反射并沿X方向朝测量反射器322前进。
测量反射器322是平面反射镜，它相对于X轴倾斜(优选为45°)安装在工作台220上。测量反射器322将测量光束372从水平的X方向反射到垂直的Z方向。在垂直路径上，测量光束372遇到反射器330，在这种示例性实施例中反射器330是波罗棱镜，具有与镜头130的中心对准的顶边。反射器330使测量光束372沿着垂直并在Y方向有偏移的路径返回测量反射器322。然后，测量光束372由测量反射器322、旋转反射镜352和PBS 340反射，并形成去往检测器系统362的输出光束的一部分。
来自PBS 340的参考光束374穿过QWP 354并由反射器324反射。在这种示例性实施例中，反射器324是安装在工作台220上的平面反射镜，与X轴标称垂直。当工作台220没有倾斜时，参考光束374沿同样路径从参考反射镜324返回，穿过QWP 354并进入PBS 340。开始的两次经过QWP 354改变了参考光束374的偏振态，使参考光束374此后由PBS 340朝后向反射器355反射。后向反射器355优选为波罗棱镜，它给反射的参考光束374带来的偏移与波罗棱镜330带给测量光束372的偏移相同。来自后向反射器355的参考光束374在PBS 340中反射，穿过QWP 354，第二次由反射器324反射，穿过QWP 354返回，然后穿过PBS 340，与测量光束372在去往检测器362的输出光束中结合。
图3B示出了反射器322和324的区域，光束372和374在这些区域从工作台220反射。测量光束372由测量反射器322反射两次，每次反射都发生多普勒频移，多普勒频移具有与工作台220在X方向的运动和工作台220在Z方向的运动相对应的分量。参考光束374类似地由工作台220上的反射器324反射两次，每次反射都发生多普勒频移，多普勒频移取决于工作台220在X方向的速度。如果工作台220沿Z方向运动，则只有光束372会产生多普勒频移。工作台220在X方向的运动在光束374中产生的多普勒频移是光束372的两倍，使光束372与374之间相位差最大的工作台220运动方向是与下述矢量平行的方向，该矢量在X方向和Z方向具有相等的分量。测得的频率是光束372与374之间相位差的改变率，并指示了沿着具有相等X和Z分量的矢量的速度。因为波罗棱镜330用作对工作台220的偏转转动进行补偿的后向反射器，而工作台220的其他转动对测量光束372和参考光束374都有影响，所以第一测量通道可以进行大动态范围的测量。通常，滚转运动对光束372和374的影响大小不同，但是会由反射器330和355分别补偿。题为“Interferometer for MeasuringPerpendicular Translations”的美国专利申请No.11/205,368还对测量垂直位移的测量通道的类似的、可适用的可替换实施例进行了说明。
图3A中干涉仪系统300的第二测量通道包括产生输入光束IN2的光源314，但是其他的操作是以与图1中系统100的第二测量通道基本相同的方式进行的。特别是，对于干涉仪系统300的第二测量通道，PBS340、QWP 354、反射器326和328、波罗棱镜330、QWP 356、波罗棱镜357以及检测器系统364可以具有与PBS 114、QWP 115、反射器172和174、波罗棱镜132、QWP 116、参考反射器118和检测器系统160相同的结构并执行相同的作用。对这些元件和功能的说明见上文。因为干涉仪系统300的第一测量通道对于X+Z方向的工作台运动产生最大的相位差，干涉仪系统300的第二测量通道对于X-Z方向的工作台运动产生最大的相位差，所以这些通道测量了XZ平面内的两个正交方向。因此，可以根据系统300中两个通道的测量结果，以最大分辨率来计算X和Z方向的工作台运动。
图2的干涉仪系统300’是一种示例性实施例，它还测量工作台220的水平和垂直运动。但是，干涉仪系统300’的定位使得系统300与工作台220之间的间隔沿着Y方向。与系统300一样，系统300’可以采用例如图1或图3A所示类型的干涉仪系统来实现。
干涉仪系统300和300’一起对工作台进行X、Y和Z方向的测量。系统300和300’对工作台220上的不同点进行测量，因此提供了与工作台220的转动有关的某些信息。例如，工作台220的非零偏转角或俯仰角会造成系统300的Z方向测量结果与系统300’的Z方向测量结果不同。还可以用附加的干涉仪系统来测量工作台220的转动，附加的干涉仪系统可以在与系统300和/或300’相同的位置，也可以在与干涉仪系统400和/或500的位置处。
图4A和图4B分别图示了干涉仪系统400的侧面图和俯视图，干涉仪系统400可以如图2所示位于干涉仪系统300对面。在这种实施例中，干涉仪系统400具有对X+Z平动进行测量的第一测量通道和对工作台绕Z轴的滚转角进行测量的第二测量通道。干涉仪系统400对X+Z平动进行测量，由此，可以用工作台220上与干涉仪系统300的测量点相对的点处的Z方向平动、以及由系统300和400确定的Z测量结果来确定工作台220的俯仰转动。此外，对干涉仪系统300’的Z方向测量结果以及系统300和400的Z方向测量结果进行综合，可以确定绕X轴的偏转角，其中干涉仪300’测量的是与系统300和400所测量的点在Y方向有偏移的点。因此，系统300、300’和400足以测量工作台220的六个自由度(例如X、Y、Z、俯仰、滚转和偏转)。
干涉仪系统400的第一测量通道使用光源412、PBS 442、旋转反射镜456、测量反射器422、波罗棱镜430、偏振态改变元件(即QWP)452、参考反射器454和检测器系统462，它们可以与图3A的光源312、PBS340、旋转反射镜353、测量反射器322、波罗棱镜330、QWP 354、参考反射器355和检测器系统362分别有相同的结构和操作。或者，干涉仪系统400可以用图1中系统100的第一测量通道所用的上述结构和技术来测量Z方向的运动。两种实施例中的任一种都给Z方向测量带来了大动态范围，因为采用由系统300和400进行的Z方向测量来进行俯仰转动的测量对于工作台220的倾斜有高的容限。另外，系统300和400在工作台220的相对端进行Z方向测量使俯仰转动对Z方向测量结果之差影响最大，从而提高了测量的精确度。
图4B最佳地图示了干涉仪系统4B的第二测量通道。如图所示，第二测量通道是角度干涉仪，它使用了光源414、PBS 444、偏振态改变元件452、旋转反射镜458、平面反射器424和检测器系统464。PBS 444将来自光源414的输入光束分开，产生一对光束YAWM和YAWR。在图示的实施例中，光束YAWM一开始由PBS 444反射并穿过QWP 452去往平面反射器424。然后，光束YAWM由反射器424反射，穿过QWP 452返回，并具有能穿过PBS 444的偏振态，从而形成去往检测器464的输出光束的一部分。光束YAWR一开始穿过PBS 444，由旋转反射镜458反射，并穿过QWP 452去往平面反射器424。光束YAWR由反射器424反射，穿过QWP 452返回，因此具有在PBS 444中反射的偏振态，从而形成去往检测器464的输出光束的一部分。
在由反射器424反射时，光束YAWM和YAWR都发生多普勒频移，这种频移指示了工作台220在X方向的速度。因此，在检测器464处，光束YAWM和YAWR之间频差的任何改变都指示了工作台220上沿Y方向隔开的点之间的X方向速度差，因此指示了工作台220绕Z轴的转动。如图4C所示，反射器上光束YAWM和YAWR的反射区域之间的间隔优选为较大，以增大由滚转造成的速度差。相反，反射器424上参考光束474的反射区域间隔和反射器422上测量光束472的反射区域间隔较小，以使工作台转动的影响最小。
图2的示例性实施例中系统200的干涉仪系统300、300’和400共同使X、Y、Z方向的运动和俯仰、滚转、偏转转动的测量获得了大动态范围。但是，图2的干涉仪系统200视情况还可包括干涉仪系统500，以提供冗余测量和/或提高测量的精确度。在一种实施例中，干涉仪系统500在工作台220上与干涉仪系统300对Z方向运动进行测量时相对的点处，对Z方向运动进行大动态范围的测量。这种Z方向运动的测量可以用例如上面结合图1或图3A所说明的类型的结构和过程来进行。Z速度测量中沿Y方向大的间隔可以增大测量信号，以便对偏转进行精确测量。
或者，也可以用与图4B中干涉仪系统400的第二测量通道类似的角度干涉仪来对偏转角进行测量，但是所述角度干涉仪的定向使得在垂直于Y轴的平面反射器上的反射区域之间提供沿Z方向的间隔。图5A和图5B示出了干涉仪系统500的一种实施例，它对工作台220的偏转和滚转都进行测量。
图5A最佳地图示了干涉仪系统500的第一测量通道。在这种实施例中，第一测量通道是角度干涉仪，它与形成图4B中干涉仪系统400的第二测量通道的角度干涉仪在几何结构上略有不同。干涉仪系统500中的偏转角度干涉仪采用光源512、PBS 542、偏振态改变元件(例如QWP)552、平面反射器520、旋转反射镜554和检测器系统562。PBS 542将来自光源512的输入光束分开，产生一对光束ROLLM和ROLLR。在图示的实施例中，光束ROLLM一开始穿过PBS 542和QWP 552去往平面反射器520、光束ROLLM由反射器520反射，穿过QWP 552返回，然后具有在PBS 542中反射的偏振态，从而形成去往检测器562的输出光束的一部分。光束ROLLR一开始在PBS 542中反射，由旋转反射镜554反射，并穿过QWP 552去往平面反射器520。然后，光束ROLLR由反射器520反射，穿过QWP 552返回，因此具有能穿过PBS 542的偏振态，从而形成去往检测器562的输出光束的一部分。
由平面反射器520反射引起的光束ROLLM与ROLLR的多普勒频移之差指示了在Z方向隔开的点之间Y方向速度的差，因此指示了绕X轴的偏转。因此，检测器系统562可以对光束ROLLM与ROLLR之间频率差的改变进行测量，并确定工作台220的偏转。如图5C所示，反射器520上光束ROLLM与ROLLR的反射区域之间的间隔应当尽可能大，以提高测量的精确度。
图5B图示了干涉仪系统500还可以包括第二测量通道来进行可替换的或冗余的滚转测量。在图示的实施例中，第二测量通道是角度干涉仪，它与干涉仪系统400的第二测量通道具有不同的定向，但结构相同。特别是，干涉仪系统500的第二测量通道使用光源514、PBS 544、QWP 552、测量反射器520、旋转反射镜556和检测器电子器件564，这些可以与图4B中的光源414、PBS 444、QWP 452、旋转反射镜458、反射器424和检测器电子器件564具有基本相同的构造和操作。
因此，通过在不同的子系统300、300’、400和500中进行不同的测量，图2的示例性实施例的干涉仪系统200可以对工作台220的六个自由度进行测量。但是，子系统可以以各种方式重新布置以便在不同系统中进行不同测量，和/或完全取消子系统300、300’、400和500中的某些。
尽管这里公开的内容对系统和处理的具体实施例进行了说明，但是说明书只提供了根据本发明的系统和处理的一些示例，这些不应认为是对权利要求的限制。例如，尽管上述公开内容集中在对多普勒频移进行测量以识别物体速度的干涉仪上，但是根据可替换的实施例，干涉仪可以测量相位差来直接测量距离。受益于本发明，本领域普通技术人员可以对所公开实施例的特征进行各种其他改变和组合，这些都在权利要求的范围之内。

Claims (17)

1.一种干涉仪系统，包括：
第一测量通道，所述第一测量通道提供第一信号，所述第一信号指示了沿一路径的具有第一分量和第二分量的测量结果，所述第一分量沿着对于被测物体而言的第一方向，所述第二分量沿着对于所述被测物体而言的第二方向，所述第二方向与所述第一方向垂直；
第二测量通道，所述第二测量通道提供第二信号，所述第二信号指示的测量结果至少具有沿所述第二方向的分量；以及
处理系统，所述处理系统利用所述第一信号和所述第二信号来确定沿所述第一方向的测量结果。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一测量通道包括：
安装在所述物体上的第一反射器；
与所述物体在所述第二方向上分开的第二反射器；
干涉仪光学器件，所述干涉仪光学器件将沿所述第一方向的测量光束导向所述第一反射器，所述测量光束由所述第一反射器反射到所述第二反射器，并从所述第二反射器返回所述第一反射器；
检测器系统，所述检测器系统根据所述测量光束以及与所述测量光束有关的参考光束来产生所述第一信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一反射器和所述第二反射器各包括恒偏向棱镜。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一反射器包括五角棱镜。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二反射器包括波罗棱镜，所述波罗棱镜具有沿所述第一方向的顶边。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二测量通道包括：
安装在所述物体上的第一反射刻面和第二反射刻面，所述第一反射刻面与所述第二反射刻面成角度，所述第一反射刻面和所述第二反射刻面不平行于所述第一方向和所述第二方向中任一方向；
干涉仪光学器件，所述干涉仪光学器件包括合束器，所述干涉仪光学器件定位成能够对沿所述第一方向的第一光束进行导向使之照射到所述第一反射刻面，以及对沿所述第一方向的第二光束进行导向使之照射到所述第二反射刻面；
检测器系统，所述检测器系统根据分别由所述第一和第二反射刻面反射后的所述第一和第二光束产生所述第二信号；以及
光束控制元件，所述光束控制元件相对于所述第一和第二反射刻面定位，以操纵所述第一和第二光束到达所述检测系统。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二测量通道包括：
测量反射器，所述测量反射器安装在所述物体上，其方向使得将沿所述第一方向行进的测量光束重定向到沿所述第二方向行进；
参考反射器，所述参考反射器安装在所述物体上，其方向使得将沿所述第一方向行进的参考光束重定向到以相反方向返回；
光学系统，所述光学系统对沿所述第一方向的所述测量光束定向，使之仅仅通过所述测量反射器一次，所述光学系统还对沿所述第一方向的所述参考光束定向，使之第一次通过所述参考反射器，然后第二次通过所述参考反射器；
上方反射器，所述上方反射器与所述物体在所述第二方向上分开，其位置能够使所述测量光束定向回所述测量反射器，然后所述测量反射器将所述测量光束重定向回所述光学系统；以及
检测器系统，所述检测器系统根据所述测量光束和所述参考光束产生所述第二信号。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，与所述物体沿所述第一方向分开的第一光学系统对所述第一测量通道和所述第二测量通道采用的光束进行操纵，以分别产生所述第一信号和所述第二信号。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括：
第三测量通道，所述第三测量通道提供第三信号，所述第三信号指示了沿一路径的具有第一分量和第二分量的测量结果，所述第一分量沿着第三方向，所述第二分量沿着所述第二方向，其中，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向垂直；以及
第四测量通道，所述第四测量通道提供第四信号，所述第四信号指示的测量结果至少具有沿所述第二方向的分量，其中：
所述处理系统采用所述第三测量信号和所述第四测量信号来确定沿所述第三方向的测量结果；
与所述物体沿所述第三方向分开的第二光学系统对所述第三测量通道和所述第四测量通道采用的光束进行操纵，以分别产生所述第一信号和所述第二信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，沿所述第一、第二和第三方向的所述测量结果提供了所述物体的X、Z和Y方向测量结果。
11.根据权利要求9所述的系统，还包括第五测量通道，所述第五测量通道提供第五信号，所述第五信号指示的测量结果至少具有沿所述第二方向的分量，其中，所述第五测量通道和所述第一测量通道使用位于所述物体相对侧的测量反射器。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括第六测量通道，所述第六测量通道测量所述物体绕所述第二方向的转动。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述物体包括工作台，所述工作台用于将工件在光刻系统中定位。
14.一种用于对物体进行测量的方法，包括：
操作干涉仪系统中的第一测量通道，以确定沿一路径的具有第一分量和第二分量的第一测量结果，所述第一路径沿着对于被测物体而言的第一方向，所述第二路径沿着与所述第一方向垂直的第二方向；
操作所述干涉仪系统的第二测量通道，以确定第二测量结果，所述第二测量结果至少具有沿所述第二方向的分量；
根据所述第一测量结果和所述第二测量结果确定沿所述第一方向的第三测量结果。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，操作所述第一测量通道的步骤包括：
在安装在所述物体上并定向为对沿所述第一方向的测量光束进行反射的第一反射器处，将沿着所述第一方向的测量光束导向与所述物体在所述第二方向上分开的第二反射器；
用从所述第一和第二反射器反射之后的所述测量光束与参考光束形成合并光束；
对所述合并光束进行测量，用于对所述第一测量结果进行确定的处理。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，操作所述第二测量通道的步骤包括：
将沿所述第一方向的第一光束导向为照射到所述物体上的第一反射刻面；
将沿所述第一方向的第二光束导向为照射到第二反射刻面，其中，所述第二反射刻面与所述第一反射刻面成角度，所述第一反射刻面和所述第二反射刻面不平行于所述第一方向或所述第二方向中任一方向；
对分别由所述第一和第二刻面反射后的所述第一和第二光束的组合进行测量。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，操作所述第二测量通道的步骤包括：
对沿所述第一方向的测量光束定向，使之仅仅通过所述测量反射器一次，其中，所述仅仅通过一次包括从所述物体上的第一反射器反射以及从与所述物体在所述第二方向上隔开的第二反射器反射；
对沿所述第一方向的参考光束定向，使之第一次来回通过所述物体上的第三反射器；
对所述参考光束定向，使之第二次来回通过所述第三反射器；
当所述测量光束完成所述仅仅通过一次、且所述参考光束完成所述第一次和第二次通过时，对所述测量光束与所述参考光束的组合进行测量。
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