TW469341B - Architecture for air-turbulence-compensated dual-wavelength heterodyne interferometer - Google Patents

Description

A7 469341 _______B7_ 五、發明說明（1 ) 發明的領域 f 本發明係有關於干涉計，更特殊地，係關於補價大氣 ( j擾動對干涉測量法之效應的距離測量干涉計。 發明的背景說明 基於雷射光束的干涉計用於做高度精確的位移測量， 諸如必須在控制用於積體電路（1C)製造過程中的晶圓步進 機時所需者。在距離測量雷射干涉計中，來自一個雷射光 源之光線被分成兩個光束。參考光束從一固定參考銳被反 射，而測量光束從一個移動測量銳被反射。該二光束於一 個檢測器處被重k。該等結合光束的光強度依參考與測量 路徑間之光學長度的不同而定a測量光學路徑至雷射光波 長的幾分之一的精確度的動作會例行地施行β 距離測量干涉計典型地被分成DC和AC干涉計*在一 ^ 個DC干涉計中，雷射放射出一道單一頻率光。唯有當測 量鏡移動時，干涉訊號是時變的。當測量鏡固定時，干涉 訊號是一常數值。遺憾地’諸如雷射功率漂移與電子雜訊 的擾動很容易被誤釋為動態訊號，尤其當測量鏡是固定時 ύ ν ' 在一個AC干涉計中’雷射放包出兩道有正交偏振頻 率的光。此兩道光頻率有微量的差異。該兩道光東的其中 之一是沿者參考路徑定向’而另一光束是沿著被測量的路 徑定向。這些頻率被一個偏振決定光束分離器所分離，讓 一個頻率朝向該參考鏡而且另一個朝向該測量鏡。當該等 光束重新結合時，在該等光頻率之差異的一！辞举被產生 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公《 ) III — — — — — — — - — — — III— « — — — — — — II ί <請先閱讀背面之沒意事項再填矿本頁> 經濟部智慧财產局員工消费合作社印製 4

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了。當該測量鏡移動，該拍頻會因為移動所造成的都卜勒 位移而平移。在此配置中，距離測量是藉由取當測量鏡移 動時所觀察到頻率與當兩個鏡子是固定時的頻率間之差異 而獲得β後者頻率是藉著使雷射之輸出的一部分朝向―個 適當檢測器以產生該拍頻而得到。因為只有於參考拍頻和 當該鏡移動時所觀察的拍頻間的頻帶内之雜訊成分會干擾 信號’雜訊的影響效應在AC干涉計中大艘上即減少β 因此，該檢測器於測量鏡固定.時與測量鏡移動時均產 生一個AC信號。一個時變信號比一個常數值信號較容易 去除雜訊。因此’由於有較好的去除雜訊的能力，所以AC 干涉計比DC干涉計更精確。 精由親察上述頻率差距、或在一個Dc干涉計的例子 中計算干涉紋所測量的該距離，係為干涉計的參考臂與包 含移動鏡的臂之間的光學路捏差距β在大部份狀況中，所 注意的參數疋實趙距離上的差距。實趙路徑長度是光學路 徑長度除以光束所越過路徑上的空氣之平均折射率。由此 ，干涉測量法必須針對沿著路徑之空氣的折射率加以校正 。實際上’順著測量路徑的空氣必定有擾動，特別是在步 進機之晶圊台周遭的區域中》折射率是依沿該路徑的局部 空氣密度而定。因此，除非測量當時在實際路徑上的折射 率是已知的，誤差將在從光學路徑長度至實體距離的轉換 時發生β當電路上之形貌尺寸縮減時，由空氣擾動引生之 誤差可導致嚴重的位置測量誤差。因而，伴隨著光學路徑 長度同時測量折射率的方法已經被提出了 β -------------裝--------tr---------線 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格<210 * 297公爱） 4 6 9 3 4] Α7 _____Β7五 '發明說明（3 ) 烴濟部智慧財產局員工消f合作社印製 一種同時判定空氣密度和實體路徑長度的方法是運用 空氣折射率、空氣密度和光學路徑長度間的測量關係。因 折射率隨著波長而變’故平均密度以及因此，包括折射率 均能藉由以兩段或多段波長測量光學路徑長度而推演出來 〇 根據以兩種廣泛分隔的頻率技巧測量光學路徑長度的 測量系統已是業界所熟知》舉例來說，里斯（美國專利第 V/ 5,404,222.號）描述一個系統利用兩個雷射去測量在不同的 頻率下之光學路徑長度。由里斯所教示指導產生的該系統 需要遠比在傳統AC干涉計中所用者更為複雜的光學系統 。這樣的系統需要三個波長，和多段的距離測量以校正空 氣的擾動。除此之外，該系統有一個不良的信號雜訊比， 因為該系統依靠非共振二階諧波產生法來提供多段波長β 該系統也需要昂贵的光學技術來產生校正信號。 廣泛的來說，本發明的目的是提供一個改良式AC干 涉計。 / 本項發明更進一步的目的是提供一個自動補償沿著測 (量光學路徑之擾動做的干涉計 1 本項發明還有更進一步的目的是提供一個比先前業界 所知的補償擾動干涉計更不複雜的干涉計。 本項發明這些及其他的目的將可從下列詳細發明的描 述和伴附的圖式而為熟於此技者明顯地看出β 發明概要說明 本發明是一種用於當級台鏡在第一和第二位置間移動

請先閱讀背面之注意事項再· ί本買) 裝 N· 線· 經濟部智慧財產局貝工消f合作社印^ Α7 Β7 五、發明說明（4 ) 時參考一參考鏡測量一級台鏡的位置改變的裝置β該裝置 包括用以產生第一和第二相符合光束的一個光源，該第一 光束具一個波長杰而第二光束具一個波長毛，且Λ=Λ//ΐ2。 該第一光束包括頻率相差一個第一拍頻厂^(4)的兩正交偏 振成分，而第二光束包括頻率相差一個第二拍頻^_(七）的 兩正交偏振成分’且(七，並且Μ是一個大於1 的整數。一個取決於偏振I象光束分離器使各光東的兩個 ^正交偏振成分其中之一朝向該參考罈’且各光束的兩個正 交偏振成分中的另一個朝向該級台鏡。在該等正交偏振成 分於參考鏡或級台鏡反射後，該取決於偏振現象的光束分 離器亦會再結合此等正交偏振成分。—個第一檢測器在該 第一光束的正交偏振成分被該取決於偏振現象之光束分離 器再結合之後測量該第一光束的光強度’用來產生大小與 該第一檢測器處之光強度相同的一個第一檢測信號，該第 檢測器號以一個瞬間頻率6⑴振盈。一個第二檢測器 在第二光束之該正交偏振成分已被該取決於偏振現象的光 一束分離器再結合後測量第二光束中之光強度》該第二檢測 器產生與該第二檢測器處之光強度相同大小的一個第二檢 測器信號，該第二檢測器信號以瞬間頻率巧(〇振盪· 一個 參考信號產生器生成一個以/一认）振盪的參考信號。一個 光學路徑測量電路在級台銳由該第一位置移動到該第二位 置的期間測出該第二檢測器信號與該參考信號產生器之間 振蓋數的差異。一個校正項電路在級台鏡由該第一位置移 動到該第二位置的期間測量具有一等於九巧⑺一巧⑺的瞬間 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公1 ) 丨！-----裝！—訂·！ ---線 (锖先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 '5 93 41_ 五、發明說明（5 ) 頻率之一信號中的振盪。于本發明的較佳實施例中，M = 2 ° 圊式簡介 第1圖是一個依據本發明之雷射干涉計的方塊圖β 發明的詳細說明 現在參考第1圖’其是一個依據本發明用來測量一個 參考鏡21與一個可動鏡子22間的距離差距之雷射干涉計1〇 的方塊圖。光源11產生兩波長為七和々=々/2的兩個正交 偏振分離頻率波。此等波是顯示為兩個分離的光束以簡化 該圖’不過應知，在空間中兩個光束是相符合的》該&光 束被顯示在12且該毛光東被顯示在π »每一個光束由頻率 差異5至10MHz的兩個正交偏振成分所組成《最理想的頻 率差是由級台行進時的最大速度所決定。一個具有必要特 性的雷射已描述於美國專利第5732095號中，故此專利併 供本文參考=* 每一個光束被偏振光束分離器Π分離，使得其一個成 分是被射向參考鏡21，而另一成分被射向級台鏡22。一個 四分之一相位波偏振板14提供一個從參考銳反射的該成分 偏振90°旋轉。因此，在回到光束分離器17時，這些成分 通過該光東分離器且經由偏振分析器25到達檢測器23和24 。分析器25由來自該參考與測量銳的正交偏振光束產生一 拍頻信號。該等光束的偏振方向是朝向45β »同樣地，一 個四分之_相位波偏振板15提供一個通過光東分離器17且 從級台鏡22反射之成分的偏振光旋轉90° 。因此，在回到 表紙張尺度適用中國囯家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） I-------------•裝 i I (請先閲讀背面之注意事項再填k本茛) 訂· -線 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 A7 A7 經濟部智慧財產局員Η消费合作私印製 B7____ 五、發明說明（6 ) 光束分離器17時，這些成分亦被反射至檢測器23與24。檢 測器23具有一個恰當的濾波器以限制於檢測符合光束12的 頻率範圍内之光，並且檢測器24有一個濾波器以限制於檢 測符合光束13的頻率範圍内之光。 第三檢測器27和第二分析器28自該光源11的輸出產生 在；波長的一個參考信號"一個非偏振光束分離器16用於 轉向部分的雷射光輸出至檢測器27，此檢測器擁有一個阻 ^ /止波長々的光之濾波器。 為討論上的方便，將假定該波長士之光束的兩個成分 相差1 ΟΜΗζ，且Μ = 2 ’換言之’ \ = 24。因此，該檢測 器27的輸出將有一個10MHz的拍頻，且只由雷射光線中之 分離狀況來判定。由檢測器24產生的該拍頻將相對於這個 參考頻率發生由該級台行進的速度決定之都卜勒平移效應 〇 在；12之光束的成分間之頻率差異係由&下的差異決定 β因此，在本實例中，該檢測器23的輸出將有一拍頻2〇mHz ""’且發生數量由級台行進的速度決定的都卜勒偏移效應， v 本發明係基於對應於由位置A移至位置B之鏡子的光 學路徑長度’係和該鏡移動之距離與空氣在量測 波長之折射率依下述公式相關： 户仙(又)=+ ί:[”(义)- (1) 其中’ n(；l)是在；I時空氣折射率。在該兩個頻率條件 下應用方程式（1)解i ， 本紙張尺度適用中困國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） ---------- illtt—ι 訂------ ——線 (ft先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 1 9 ^6 93 4 Γ Α7 Β7 五、發明說明（ [Αβ = Pas (又2) 一 ^[ΡΜ)-ΡΛΜ\ (2) αχ~^ι 其中 at η(又;）一1 (3) 於此i=l、2。此處，ρ為該空氣密度β應知方程式 (2)不受ρ影響；因此，由方程式（2)計算出之距離對任何 擾動有校正。 由於AC干涉測量，光學路徑長度係和在發生了時間 上之瞬間級台速度的都卜勒位移之拍頻的兩個偏振狀態之 頻率差異有關》詳言之， ⑷ 其中，&(〇是在時間t時由被調諧來檢測波長；I之檢測 器所測量的拍頻，且Fre/(A)是波長為Λ時的參考拍頻，亦 即為級台未移動時的拍頻。根據上述，；^=2又2和 弋）=2心⑷。 (5) ----------:丨！-裝 *-- <請先闓11背面之注意事項再填本頁) 訂· -線 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 應知，該積分只是由輸入為級台從位置Α移至位置Β 的期間在兩倍較低拍頻和較高拍頻之間的差異之一個計數 器所累積之計數值。本發明的較佳實例中，這項差異是使 用一個倍頻電路34使來自檢測器23的該拍頻加倍和用一個 混合器32以形成該雙倍拍頻和由檢測器24測得的拍頻間的 差異而產生°所生成的差異信號由校正產生器33予以積分 私紙張尺度適用中困囷家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 五、發明說明（8 ) A7 B7 _______ ’其亦將校正項乘上 Γ- ^ 'α,-α2 (6) 在波長毛之光學路徑是由電路31產生，此電路累積在 級〇由位置Α移至位置β的期間來自檢測器24的拍頻和來 自檢測器27的參考頻率間的差異。所累積差異受乘上 々/知以產生光學路；量測項，匕(')。減法器靖由計算 严該光學路徑測量項和該校正項之間的差異而提供已校正的 距離測量結果。 本發明上述的實施例曾利用兩個頻率相差一個因子2 的光束β然而，熟於此技者由前文之討論將可明顯看出， 本發明亦可用頻率上相差任一整數因子的兩個光束來實施 〇 本發明上述的實施例亦曾利用特定電路計算拍頻間的 差異。然而，熟於此技者由前文的討論將可明顯看出，其 他電路亦可在不違反本發明教示的原則下被運用。舉例來 —說’個別的拍頻可在級台移動期間被分開積分，且校正項 可由累積的該差異來決定。 本發明的各種修改將可由熟於此技者自前文的詳述和 附圖顯而易見。因此，本發明只欲由下列的申請專利範圍 來限定》 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） IIIII1IH--I I · ---I I I I ^*1 mm <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作IL·印製 Η 11 93 4 1 A7 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 __ B7_ 五、發明說明（9 ) 元件標號對照 10.. .雷射干涉計 23…第一檢測器 11.. .光源 24.. .第二檢測器 12.. .第一光束 25.，，分析器 . 13.. .第二光束 27.. .參考信號產生器 14.. .偏振板 28.. .分析器 15.. .偏振板 31…光學路徑計算器 16…光束分離器 32…混合器 17.. .偏振光束分離器 33…校正產生器 21.. .參考鏡 34.. .減法器/倍頻電路 22.. .級台鏡/可動鏡 (諳先Μ讀背面之注意事項再填Γ .Τ頁) 訂： 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公茇） 12

Claims (1)

1. 46 93 4 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1· 一種用以測量級台鏡（22)之位置變化的裝置（1〇)，其係 在該級台鏡（22)在第一和第二位置間移動時參考—個 參考鏡（22)而量測該級台鏡（21)的位曼，該裝置（1〇)包 含* 一個光源（11)用以產生第一和第二相符合光東， 該第一光束（12)有一波長；^，而該第二光東（13)有一波 長毛，其中4 = ，該第一光束（12)包含頻率上相差 一第一拍頻/V (士）之兩正交偏振成分，而該第二光束（13) 包含頻率上相差一第二心孓兩正交偏振成分，其 中~(义2)=灿VA)，Μ是一個大於1的鼙數；—個偏振 決定光束分離器（17)，用以使每一個光束該等正交偏 振成分的其中之一指向該參考鏡（21)，和使該每一個 光束該等正交偏振成分的_另外一個指向該級台鏡（22) ’且用以在該等正交偏振成分已經被該參考銳（21)或 該級台鏡（22)反射後重組該等正交偏振成分：一個第 一檢測器（23)用以於該第一光束（12)的該等正交偏振成 分已被該偏振決定光束分離器（17)重組之律_檢測該第 一光東（12)的光強度，該第一檢測器（23)產生具有與該 第一檢測器（23)處的光強度相同大小之一個第一檢測 (23) 信號，該第一檢測器（23)信號振盪於一瞬間頻率 Α⑴；一個第二檢測器（24)用以於該第二光束（Π)的該 等正交偏振成分已被該偏振決定光束分離器（17)重組 之後檢測該第二光束（Π)中的光強度，該第二檢測器 (24) 產生具有與該第二檢測器（24)處的光強度相同大小 之一個第二檢測器（24)信號，該第二檢測器（24)信號振 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 訂 . ___· 本紙張X及通用中國國家標準（CNS ) A4規格（2Ι0Χ297公釐） 13 經濟部智慧財產局員工消黄合作社.印製 A8 BS C8 _ D8々、申請專利範圍 盪於一瞬間頻率F2(i); —個參考信號產生器（27)用以產 生振盪於該第二拍頻之一個參考信號；一個光學路徑 測量電路（3 1)用以測量該第二檢測器（24)信號與該參考 信號產生器（27)之間在該級台鏡（22)從該第一位置移動 至該第二位置的期間的振盪量差異，且用於產生表示 該差異的一個光學路徑信號；以及一個校正項電路（33) 用以測量包含的一信號中在該級台銳（22)由 广 該第一位置移至該第二位置的辨間之振盪量，且用以 產生表示該測得振盪量的一個校正訊號。 2—如申請專利範圍第丨項之裝置（10)，其更包含用以形成 一個該光學路徑信號與該校正信號間的線性加權差之 一個電路（34)。 3.如申請專利範圍第丨項之裝置（1〇)，其中該校正項電路 (33)包含用以產生具有該第一檢測器（23)信號μ倍頻率 的一個信號之頻率倍增電路（34)，和用以自該第二檢 測器（24)信號減去所產生信號之—個混合器（32)。 —4.如申請專利範圍第1項之裝置（1〇)，其中μ=2* 5·如申請專利範圍第1項之裝置（10)，其中在該參考信號 產生器（27)包含用以使該第二光束（13)的一部份指向一 個光檢測器（27)之一個光束分離器（16)，該光檢測器（27) 產生該參考信號* ^ V 裝------訂------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張纽ϋ财11Β家橾率（CNS) A4^ (臟297公着） 14