TW201527711A - 將工具相對於工件而定位的裝置 - Google Patents

Abstract

將工具相對於工件而定位的系統，具有可運動平台(2)，用於容納工件(4)，該平台於該工件之處理期間在二主要運動方向(X,Y)中執行運動；及具有一或多個平面式測量基準(5)，其係以固定不動的方式繞著該工具(3)設置，且被延伸於該等主要運動方向(X,Y)之平面中；並具有掃描頭(1,1')，被安裝在該平台(2)的至少三個角落中，用以相對於該測量基準(5)偵測該平台(2)之位置，該平台(2)的位置係可藉由該掃描頭(1,1')於六個自由度(X,Y,Z,rX,rY,rZ)中決定。在該等角落之至少一者中，一或多個掃描頭(1,1')具有在三個獨立的空間方向(X,Y,Z)中被提供用於3-D位置偵測的總計至少三個測量軸。用於該3-D位置偵測之測量軸的靈敏度向量(v1,v2,v3,v4)位在既不平行於該X-Z平面也不平行於該Y-Z平面。以此方式，當該平台係在主要運動方向(X,Y)中運動時，所有測量軸供給周期性信號。

Description

將工具相對於工件而定位的裝置

本發明有關根據申請專利範圍第1項之序文將工具相對於工件而定位的系統，其允許可相對彼此運動的二物件之相對位置的高精確決定，並因此很正確地定位。

主要於製造具有遠小於一微米之圖案尺寸的積體電路之領域中，其係需要在諸如曝光設備之透鏡的工具之下很精確地定位該半導體基板(在此專利申請案的意義內亦被稱為晶圓或工件)，譬如，以其幫助，該等最細之圖案接著被轉印進入預先施加在該晶圓上的光敏抗蝕劑。

為該目的，其譬如在該美國專利7,483,120 B2中被敘述，以將該晶圓放置在可運動平台上，該平台能夠相對該曝光設備之透鏡被定位。四光柵板繞著該透鏡於X-Y平面中被設置當作測量基準，及係盡可能牢牢地接合至該透鏡。該透鏡的光學軸係垂直於該等光柵板之平面，且界定Z方向。該平台及晶圓處在平行於該等光柵板或測量基準。被設置在該平台的角落中者係定位測量裝置之掃描 頭，其以光之輔助來掃描該光柵板。當該平台相對該光柵板運動時，該掃描頭形成周期性信號，藉由計數該等周期及藉由個別周期的細分(內插)，非常正確之值係由該等周期性信號獲得，用於位置中之變化。如果絕對位置被一次確定，例如藉由偵測參考記號，既然該絕對位置可由該位置中的變化、從該參考位置開始而被計算，位置中的變化之決定係與絕對位置的決定同義。

在此，“該平台之角落”一詞意指彼此不同的平台之邊緣區域，且用於給定的平台尺寸被設定為儘量彼此隔開。為各種理由，以此等“角落”之掃描頭的配置係方便的。掃描頭可僅只被放置在藉由該工件所佔有之區域的外側(中心地設置在該平台上)。此外，在彼此之中盡可能大的掃描頭之間距允許來自該等角落所測量之線性移位的旋轉之更正確計算。再者，該平台的個別角落或邊緣區域可進入該工具之區域，以致位在此的掃描頭不再能夠掃描光柵板。為了以極度準確性不斷地決定位置，其聰明的是隨時確保掃描頭能夠由該平台之區域盡可能彼此遠離地掃描。用於此，其可為有利的是在數個角落區域中組合該等掃描頭，由此絕無超過一個角落區域係能夠進入該工具之區域。各種測量方向及在一個此角落中位於相鄰的掃描頭減少用於該等掃描板所需要之尺寸。理想上，該等措施亦可被整合在單一掃描頭中，如在下面被敘述的例子。

在此專利申請案之意義內，當其間距相較於該平台之寬闊區域係小的時，用於不同測量方向的二掃描頭位在 “該平台之相同角落中”。如果二掃描頭具有趕得上該平台之尺寸的間距時，則它們位在不同角落或邊緣區域中。無論如何，當其間距係大於該平台之寬闊區域的十分之一時，二掃描頭位於該平台之不同角落中。用於圓的平台，其直徑可被考慮為寬闊區域，而用於長方形或正方形平台，可被考慮為其對角線。

為將該平台定位於該X-Y平面中，其自由度必需在此平面中被決定。它們係於該該X方向與Y方向中之線性移位、以及繞著該Z軸的旋轉rZ，其一起亦被表示為面內自由度，因為所有三個自由度位於該X-Y平面中。為決定這些三個自由度X,Y,rZ，譬如在該平台的二角落中測量X中之移位、及於另一角落中測量Y中之移位係足夠的。旋轉rZ可接著被輕易地計算。然而，既然於該平台的移位期間在該晶圓之曝光的過程中，個別角落可進入接近該透鏡之區域，其中無掃描板係能夠被再掃描，該平台的每一角落將具有一掃描頭。於美國7,483,120 B2中，其有利的是於該等角落之至少一者中不只測量該X方向中的移位、而且測量該Y方向中之移位亦被敘述。多餘的測量可被利用，以藉由平均、或譬如或許考慮該平台之熱膨脹或震動來增加該測量準確性。

美國7,483,120 B2進一步論及在該等角落中，於每一案例中，至該等光柵板的距離亦可被測量，如此，於該Z方向中測量該等平台角落之位置。以這些測量，該平台的剩餘三個自由度亦可被決定，如此，分別決定該Z方向中 之線性移位及繞著該X軸與Y軸的旋轉rX與rY。如此，此外，於盡可能接近該工具之作用地點(該工具中心點)的一角落區域中，在所有三個空間方向中之隨時測量係可用的。由於在一角落中之此一3-D位置偵測，該處理工具相對該工件之定位的準確性增加。

適合用於此等實際應用之光學位置測量裝置被敘述在該申請人的EP 1762828 A2中。其包括一測量基準(在此為該等光柵板之一)、以及用於掃描該測量基準的掃描頭，該掃描頭係坐落在該平台之角落中。

該掃描頭係以使其允許沿著該平台的橫側移位方向(如此，譬如，X)及沿著直立移位方向(Z)同時決定位置之方式被設計。該掃描頭如此具有二測量軸。為了決定該橫側及直立移位方向中之位置，第一及第二掃描光束路徑被形成(一掃描光束路徑用於每一測量軸)，其中在每一案例中，由二非鏡像對稱、局部干涉的光束，一群相移信號係能夠在該輸出側上產生，其互相干涉及於光偵測器中產生周期性信號。

於在此所討論之高度正確的位置測量裝置之型式中，既然接著僅只係可能在一信號周期內的位置之很細微的決定，其係需要使該掃描頭中所產生的周期性信號遭受一關於其振幅、其偏置、及其相位關係之補償。既然此補償於測量操作期間持續地進行，其亦被稱為線上補償。

於EP 1762828 A2的位置測量裝置中，因此甚至在該橫側移位方向中之純移位的案例中要小心，周期性信號係 在所有光偵測器中形成，即使在該直立移位方向中無運動。

於EP 1762828 A2中，這係藉由該掃描頭之測量軸的二靈敏度向量不會分別正好指向該橫側及直立方向中、但相對這些方向被設置在特定角度之事實所達成。測量軸的靈敏度向量指示該運動方向，其中該個別測量軸之位置信號行進每單位長度時最快速地增加。如此，其敘述該測量軸的特性。藉由偏置所取得之二周期性信號，在該想要的測量方向中之實際運動(橫側及直立)可被獲得。

本發明之目的係提供一將工具相對於工件而定位的系統，藉由該系統，該相對位置係能夠被甚至更精確地決定並因此被調整。

此目的係根據本發明藉由具有申請專利範圍第1項中所提出之特色的系統所達成。

根據本發明的光學位置測量裝置之有利的實施態樣係源自該等申請專利範圍附屬項中所描述之措施。

一系統被敘述用於將工具相對於工件而定位，其具有可運動平台，用於容納工件，該平台於該工件之處理期間在二主要運動方向中執行運動；及具有一或多個平面式測量基準，其係以固定不動的方式繞著該工具設置，且被延伸於該等主要運動方向之平面中；以及具有掃描頭，被安裝在該平台的至少三個角落中，用以相對該測量基準決定 該平台之位置，該平台的位置係可藉由該掃描頭於六個自由度中決定。在該等角落之至少一者中，一或多個掃描頭具有在三個獨立的空間方向中被提供用於3-D位置偵測的總計至少三個測量軸。用於該3-D位置偵測之這些至少三個測量軸的靈敏度向量位在既不平行於該X-Z平面也不平行於該Y-Z平面。

以此方式，當該平台係在主要運動方向(X,Y)中運動時，所有測量軸供給周期性信號。在該平台於該X方向或Y方向中之每一運動時，該等信號係因此可補償的。

使用所指示之發明，於該平台的一角落中在三個獨立空間方向中獲得所測量之位置值係可能的。於該機器作用期間，該測量之準確性不被該等測量軸的其中一者中之線上補償的故障所損壞。

1‧‧‧掃描頭

2‧‧‧平台

3‧‧‧工具

4‧‧‧工件

5‧‧‧測量基準

其中：圖1顯示極坐標系中之靈敏度向量的對齊；圖2顯示用於根據該相關技術領域之二測量方向的掃描頭；圖3顯示用於三個測量方向而當作第一示範實施態樣之掃描頭；圖4顯示用於總共四個測量方向而當作第二示範實施態樣且被設置在一角落的二掃描頭；圖5顯示一掃描頭，其涵蓋該第二示範實施態樣之四 個測量方向、當作第三示範實施態樣；圖6顯示將工具相對於工件而定位的系統之側視圖。

在下文說明本發明之光學位置測量裝置的實用示範實施態樣之前，首先，由EP 1 762 828 A2已知的位置測量裝置之概念將被簡短地說明。如在一開始所論及，其係適合用於沿著二移位方向偵測位置改變。於該對應掃描頭中，二掃描光束路徑被形成，以便相對彼此傾斜或不對稱。在這一點上，藉由光源所輸送之光束係經由呈單一模式纖維之形式的第一光纖供給至該掃描系統，且在被耦合輸出該光纖之後，係經由準直光學器件所準直。因此，經準直的光束抵達一分束光柵，該光束為二測量軸係在該分束光柵中分裂為二掃描光束路徑。該二測量軸在下文亦表示為該位置測量裝置的A軸及B軸。沿著橫側移位方向X及直立移位方向Z所真正感興趣之位置資訊係根據以下方程式1a及1b由位置信號A,B之加總及相減來產生：X=(A+B)/2 (方程式1a)

Z=(A-B)/2*SPz/SPx (方程式1b)

在這方面，SPz表示於該Z方向中之信號周期，且SPx表示在該X方向中的信號周期。

於這些方程式中，其被說明回應於該X方向中之純運動，該位置測量裝置的A軸及B軸供給周期性信號，由其信號的加總，X中之實際移位可被獲得，且由其差值， Z中之實際移位可被獲得。

該個別掃描光束路徑中之光束首先抵達呈反射光柵的形式之測量基準(光柵板)，藉此被分裂為+/-1階的繞射之局部光束，且被繞射回至該掃描系統。在此。局部光束的每一者係於該測量基準之方向中藉由繞射屋脊稜鏡所折疊起來。在每一案例中，該二局部光束在該測量基準干涉，該重疊的局部光束隨後被傳送至由聚焦透鏡及場透鏡所組成之耦合輸出光學器件，且因此被耦合輸出進入包括六個多模式光導纖維的第二光纖。

為更好了解本發明，在此點，該靈敏度向量之概念被較大詳細地說明。

常態化靈敏度向量v可被分派至每一測量軸。該靈敏度向量指定該運動方向，其中該測量軸的位置信號行進每單位長度最快速地增加。如果該測量軸相對該測量基準之位置變化藉由位移向量△，則該測量軸的位置信號中之變化係藉由該純量積v．△所給與(在線性近似中)。測量軸的靈敏度向量v亦可藉由如下二角度θ、φ為其特徵，亦看圖1：

該極角度θ係相對於該Z軸之角度，且根據常規，位在0°與180°之間。用於θ=90°，該靈敏度向量位於該X-Y平面中。在v至該X-Y平面的垂直投影中，該方位角φ指示相對於該X軸之角度。

圖2顯示根據上面所引用之相關技術領域而用於二測量方向的掃描頭1(如此，具有被整合進入掃描頭1之二測量軸)。根據來自圖1的解釋，對應於該二測量軸A及B之靈敏度向量v1及v2被θ=90°+△θ、φ=45°、及θ=90°-△θ、φ=45°所給與，在此△θ係位於0°與90°間之角度。因為靈敏度向量v1、v2未正好位在該X-Y平面中，反之藉由減去該測量值而相對於此X-Y平面呈鏡像對稱性，位置值可於該Z方向中被確定。在另一方面，藉由增加，一位置值係沿著該X-Y平面中的一軸獲得。

為在所有三個空間方向中決定一角落區域中之位置(在此亦被稱為3-D位置偵測)，其現在被建議提供於該X方向、Y方向及Z方向中具有靈敏度向量的三個測量軸。然而，該等靈敏度向量之此選擇係不宜用於3-D位置偵測。典型地，一些無意中之擾動、諸如該信號振幅中的波動被適應地補償用於測量軸之評估電子元件。當該測量軸在該分度尺之上於一方向中連續地運動，且於如此做中含蓋數個信號周期時，此“線上補償”可僅只正確地操作。如果該機器現在係沿著其主要運動方向的其中一者、例如平行於該X軸運動，則該測量軸於該Y方向及Z方向中之位置值將不會變；沒有周期性信號將被形成。既然這將導致該線上補償的故障，測量誤差將在這些方向中增加。

在此所考慮之機器具有主要運動方向，該等運動方向係根據一開始所選擇的指示而藉由X及Y所表示。於晶 圓之曝光期間，該平台主要地僅只在該X方向中運動。偶而，在該平台再次於該X方向中運動之前，具有該Y方向中之運動的“跳行”發生。

為了於一運動期間在這些主要運動方向X、Y中允許該等偵測器信號之補償，所涉及的測量軸之無靈敏度向量可為垂直於該機器的運動方向。因此，用於其主要運動方向處在平行於該X軸及Y軸之機器中，該等靈敏度向量不可以垂直於該X軸或Y軸。

全然大致上，其順著此點，3-D位置偵測的靈敏度向量(其有關該平台之一角落)不可位於該X-Z平面中或於該Y-Z平面中。更正確言之，該靈敏度向量與該X-Z平面間之角度將為不少於大約1°。同樣地，該靈敏度向量及該Y-Z平面間之角度將總計至少大約1°。因此，參考圖1，在其他之中，於每一案例中，該角度範圍-1°<φ<1°、89°<φ<91°、-89°<φ<-91°、179°<φ<181°，以及0θ<1°及179°<θ180°被排除。特別地是，沒有靈敏度向量可為平行於該Z方向。

用於非常正確之位置測量，為了總是能夠執行線上補償，具有至少三個獨立的靈敏度向量之測量軸必需被適當地對齊供該3-D位置偵測。回應於沿著該機器之主要運動方向的運動，周期性信號必需在所有測量軸中被獲得。在上面為此所指示的一般規則現在將基於實用之示範實施態樣被較大詳細地說明。

為了簡化該等位置信號之偏置，其有利的是(但非絕 對需要)用於該第一組二靈敏度向量設定至該等角度(φ=φ₁、θ=90°+△θ)及(φ=φ₁、θ=90°-△θ)，使φ₁及△θ被選擇在該等範圍1°<φ₁<89°、1°<△θ<89°中，以致相對於該X-Z平面的角度及相對於該Y-Z平面之角度總計至少1°。用於φ₁，該選擇φ₁=45°係再次特別清除，但非絕對需要。藉由自該第一組二測量軸減去該等測量值，除了比例因數以外，吾人現在馬上獲得該Z位置。藉由加入該等測量值，吾人於該X-Y平面中在該φ₁方向中測量。具有二個此靈敏度向量的位置測量裝置譬如被敘述於EP 1762828 A2中。

類似於圖2，圖3現在顯示能夠確定總共三個運動方向之掃描頭1，其如此具有三個整合之測量軸，並具有三個靈敏度向量v1、v2、v3，且其產生用於這些方向的每一者之周期性信號，其必需被補償。此掃描頭係如此適合用於3-D位置偵測。待監視的機器之主要運動方向係X及Y；此外，該用意係偵測該Z方向中之位置。掃描頭1係位於該邊緣區域中、亦即根據上面所給與之定義而在平台角落中。除了具有業已由圖2得知的靈敏度向量v1及v2之測量軸以外，掃描頭1具有第三測量軸，其具有第三個靈敏度向量v3，為此θ=90°，應用φ=90°+φ₁。如此，已整合三個測量軸之掃描頭1係在具有該申請人之編號DE 102013220184.2的專利申請案中詳細地敘述。

用於該等靈敏度向量之對齊，用於堅持上面所給與之界限條件的進一步可能性係根據該相關技術領域(對應於 圖2)將二掃描頭1,1'設置成在該相同角落中相鄰，及繞著該Z軸旋轉達90度，如在圖4中所示，且用於該3-D位置偵測相對彼此偏置其總共四個周期性信號。在此案例中，同樣於主要運動方向X及Y中之運動期間必需要小心所有信號係可補償的。除了靈敏度向量v1及v2之對齊業已在圖2中敘述以外，這是藉由據此選擇該二額外之靈敏度向量v3與v4的對齊所達成(φ=90°+φ₁、θ=90°+△θ)及(φ=90°+φ₁、θ=90°-△θ)。在此例子中，四個測量軸之其中二者被整合在每一掃描頭中，被利用於該3-D位置偵測。

當作一最後的示範實施態樣，圖5顯示單一掃描頭1，其將業已為圖3[sic]所敘述之四個靈敏度向量v1、v2、v3及v4組合於具有總共四個測量軸的單一掃描頭中。如此，具有四個整合之測量軸的掃描頭1同樣地被敘述在具有該申請人之編號DE 102013220184.2的專利申請案中。

自然地，在每一案例中，所有示範實施態樣之靈敏度向量v1、v2、v3、v4可於該XY平面中旋轉達90°、180°或270°而被使用於一變型中。亦，共同用於所有靈敏度向量中之符號改變相對於該功能原理沒有任何改變。這些修改係僅只在一角落內的旋轉或倒轉坐標系之表達，且不是於靈敏度向量v1、v2、v3、v4之方向的選擇中之真實變更。

最後，圖6顯示平台2，於其角落中，在每一案例 中，根據該第一或第三個示範實施態樣的掃描頭1被設置，以致在此，3-D位置偵測可在該平台的每一角落中被進行。位於平台2上者係呈晶圓之形式的工件4，其以工具3(透鏡)之輔助而被曝光。掃描頭1掃描測量基準5，其被固定地接合至工具3。以此方式，工件4相對該工具的位置被確定及調整。

扼要地，由於該等靈敏度向量之對齊，本發明之將工具相對於工件而定位的系統使其可能在平台之一角落中測量位置，可於彼此獨立的三個方向中相對一工具運動(在此被稱為3D位置偵測)，以致回應於該個別處理機器之主要運動方向中的運動，可補償之周期性信號總是被獲得。除了所論及的曝光機器以外，在定位準確性上具有高要求之其他應用譬如亦可由本發明獲益，諸如顯微鏡、電子束微影術系統或雷射印字機。

1‧‧‧掃描頭

v1、v2、v3‧‧‧靈敏度向量

Claims (10)

1. 一種將工具相對於工件而定位的系統，包括：可運動平台(2)，用於容納工件(4)，該平台(2)於該工件之處理期間在二主要運動方向(X,Y)中執行運動；一或多個平面式測量基準(5)，其係以固定不動的方式繞著該工具(3)設置，且被延伸於該等主要運動方向(X,Y)之平面中；掃描頭(1,1')，被安裝在該平台(2)的至少三個角落中，以相對於該測量基準(5)偵測該平台(2)之位置，該平台(2)的位置係可藉由該掃描頭(1,1')於六個自由度(X,Y,Z,rX,rY,rZ)中決定；在該等角落之至少一者中，一或多個掃描頭(1,1')具有在三個獨立的空間方向(X,Y,Z)中被提供用於3-D位置偵測的總計至少三個測量軸；其中用於該3-D位置偵測之測量軸的靈敏度向量(v1,v2,v3,v4)位在既不平行於該X-Z平面也不平行於該Y-Z平面。
2. 如申請專利範圍第1項將工具相對於工件而定位的系統，其中用於該3-D位置偵測之測量軸的靈敏度向量(v1,v2,v3,v4)分別與該X-Z平面及該Y-Z平面形成至少1°之角度。
3. 如申請專利範圍第1或2項將工具相對於工件而 定位的系統，其中用於該3-D位置偵測之第一及第二測量軸的第一及第二靈敏度向量(v1,v2)相對於該X-Y平面位在鏡像對稱中。
4. 如申請專利範圍第3項將工具相對於工件而定位的系統，其中相對於該X-Y平面呈鏡像對稱之第一及第二靈敏度向量(v1,v2)至該X-Y平面上的投影供給二完全相同之向量，其相對於該X方向在該X-Y平面中被旋轉達45、135、225或315度。
5. 如申請專利範圍第3項將工具相對於工件而定位的系統，其中第三測量軸之第三靈敏度向量(v3)位在該X-Y平面中，且係與相對於該X-Y平面呈鏡像對稱的二靈敏度向量(v1,v2)為線性地獨立。
6. 如申請專利範圍第5項將工具相對於工件而定位的系統，其中該第三靈敏度向量(v3)係垂直於相對於該X-Y平面呈鏡像對稱的靈敏度向量(v1,v2)。
7. 如申請專利範圍第3項將工具相對於工件而定位的系統，其中用於3-D位置偵測，第三及第四測量軸被提供，並具有第三及第四靈敏度向量(v3,v4)，在每一案例中，該靈敏度向量係藉由繞著該第一及第二測量軸之第一或第二靈敏度向量(v1,v2)的Z方向旋轉90度所獲得。
8. 如申請專利範圍第7項將工具相對於工件而定位的系統，其中該第一及第二測量軸被整合在第一掃描頭(1)中，且該第三及第四測量軸被整合於第二掃描頭 (1')中。
9. 如申請專利範圍第1項將工具相對於工件而定位的系統，其中用於該3-D位置偵測之所有測量軸被整合在單一掃描頭(1)中。
10. 如申請專利範圍第1項將工具相對於工件而定位的系統，其中用於3-D位置偵測之測量軸係存在於該平台(2)的至少三個角落中。