TWI476376B - 雙程干涉式編碼器系統 - Google Patents

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TWI476376B
TWI476376B TW101141505A TW101141505A TWI476376B TW I476376 B TWI476376 B TW I476376B TW 101141505 A TW101141505 A TW 101141505A TW 101141505 A TW101141505 A TW 101141505A TW I476376 B TWI476376 B TW I476376B
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Groot Peter De
Jan Liesener
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    • G—PHYSICS
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Description

雙程干涉式編碼器系統
本發明係有關於一種編碼器系統。
在一些例子中，干涉量測系統根據光學干涉訊號監測待測物相對位置的變化。舉例來說，干涉儀將自待測物反射回來的量測光束和第二光束(有時稱為參考訊號)作重疊和干涉來產生光學干涉訊號，其中量測光束和參考光束來自相同的光源。待測物相對位置的改變對應於所量到之光學干涉訊號的相位變化。
這種干涉量測系統的一個例子是干涉編碼器系統，其藉由追蹤量測刻度(稱為編碼器尺規)來計算物體的移動。通常來說，干涉編碼器系統包括編碼器尺規和編碼頭。編碼頭係包括干涉儀之組件。干涉儀引導量測光束至編碼器尺規，量測光束在編碼器尺規發生繞射。干涉儀結合繞射後的量測光束和參考光束以形成輸出光束，輸出光束包括與物體位置有關之相位。編碼器系統廣泛用於微影系統之中，用來監測微影工具中移動平台的移動。由於大氣擾動會影響其相對強度，所以在這種應用中使用編碼器系統是有助益的。
本揭露有關於雙程干涉式編碼器系統與方法，以及雙程干涉式編碼器系統與方法的應用。
本發明多種實施例摘要如下。
一般而言，在第一實施例中，本發明揭露一種編碼器系統，編碼器系統包括編碼頭，與繞射的編碼器尺規合併使用，其中編碼頭包括一個或多個光學元件，用於：i)引導第一入射光束以第一入射角入射至編碼器尺規，第一入射角係相對於編碼器尺規之法線；ii)接收以第一返回角自編碼器尺規返回之第一返回光束，第一返回角係相對於編碼器尺規之法線，第一返回角與第一入射角不同；iii)重新引導第一返回光束以第二入射角入射至編碼器尺規，第二入射角係相對於編碼器尺規之法線；以及iv)接收以第二返回角自編碼器尺規返回之第二返回光束，第二返回角係相對於編碼器尺規之法線，第二返回角與第二入射角不同，其中第一入射角和第二入射角的差小於第一入射角和第一返回角的差，且上述第二入射角和第二返回角的差。
上述系統包括一種或多種下述技術特徵及/或其他實施例之技術特徵。舉例來說，一個或多個光學元件用於結合第二返回光束和參考光述以形成輸出光束，且編碼器系統包括用於偵測輸出光束的偵測器。
編碼器系統更包括電子處理器，用於接收偵測器之干涉訊號，干涉訊號包括與參考光述和第二返回光束之光程差有關之相位；以及根據上述相位，決定與編碼器尺規之位置變化有關的資訊。相位包括外差相位。編碼器系統更包括繞射 的編碼器尺規。編碼器尺規包括一維光柵或二維光柵。
在一些實施例中，第一返回光束和第二返回光束均為繞射光束。上述繞射光束為第一階繞射光束。
在一些實施例中，第一入射光束和第一返回光束係不共線且不平行，且第二入射光束和第二返回光束係不共線且不平行。
在一些實施例中，一個或多個光學元件包括分光器，用於接收光源之光源光束，分光器自光源光束中擷取第一入射光束和參考光束。
在一些實施例中，編碼器系統更包括偵測器。
在一些實施例中，一個或多個光學元件包括第一光學元件，用於：接收第二返回光束；以及重新引導第二返回光束至分光器。一個或多個光學元件包括第二光學元件，第一光學元件重新引導第一返回光束至第二光學元件，第二光學元件用於：自第一光學元件接收第一返回光束；以及重新引導第一返回光束以第二入射角入射至編碼器尺規，作為第二入射光束。第一光學元件包括光柵，光柵將第一返回光束和第二返回光束繞射。
在一些實施例中，一個或多個光學元件包括：第一回反射器；以及第一光學元件，第一光學元件自編碼器尺規接收第一返回光束和第二返回光束，且重新引導第一返回光束和第二返回光束至第一回反射器，其中第一回反射器自第一光學元件接收第二返回光束，並重新引導第二返回光束至分光器。一個或多個光學元件包括第二光學元件，且第一回反射器 自第一光學元件接收第一返回光束，並重新引導第一返回光束至第二光學元件。第二光學元件自第一回反射器接收第一返回光束，且重新引導第一返回光束以第二入射角入射至待測物，作為第二入射光束。
在一些實施例中，一個或多個光學元件包括第一回反射器，分光器和第一回反射器用於：接收第一返回光束；以及重新引導第一返回光束至待測物，作為第二返回光束。第一回反射器用於：自分光器接收參考光束；以及重新引導參考光束至分光器。在一些實施例中，一個或多個光學元件包括在分光器和第一回反射器之間的複數稜鏡，稜鏡用於增加第一返回光束和參考光束之間的偏移。稜鏡設置於參考光束和第一返回光束的光路之中。稜鏡包括楔形稜鏡或雙折射稜鏡。
在一些實施例中，編碼器系統更包括參考反射器，用於在第一位置和第二位置自分光器接收參考光束。參考反射器包括反射鏡。參考反射器包括編碼器尺規之表面。編碼器系統更包括第一四分之一波片，第一四分之一波片設置於參考反射器和分光器之間。
在一些實施例中，碼器系統更包括第二四分之一波片，第二四分之一波片設置於編碼器尺規和分光器之間。
在一些實施例中，一個或多個光學元件包括光束結合器，用於：自編碼器尺規接收第二返回光束；自分光器接收參考光束；以及結合第二返回光束和參考光束以形成輸出光束。一個或多個光學元件包括稜鏡對和回反射器。稜鏡對和回反射器用於重新引導第一返回光束至待測物，作為第二入射光 束。
在一些實施例中，一個或多個光學元件包括單一光學元件。
在一些實施例中，編碼器系統耦接於照射系統，其中照射系統包括：輻射源，其中在微影系統操作期間，輻射源引導輻射至編碼器系統；偵測器，在微影系統操作期間，偵測器偵測編碼器系統的輸出光束；電子處理器，用於：自偵測器接收干涉訊號，干涉訊號包括與光程差有關之相位，並且根據相位決定與編碼器尺規之位置變化有關的資訊；以及定位系統，耦接於電子處理器，定位系統根據與編碼器尺規之位置變化有關的資訊調整可移動平台的位置。
在一些實施例中，本發明揭露一種系統，包括：一可移動平台；以及碼器系統。編碼器系統或待測物係附接於可移動平台。編碼器系統，包括：編碼頭，與繞射的編碼器尺規合併使用，其中編碼頭包括一個或多個光學元件，用於：i)引導第一入射光束以第一入射角入射至編碼器尺規，第一入射角係相對於編碼器尺規之法線；ii)接收以第一返回角自編碼器尺規返回之第一返回光束，第一返回角係相對於編碼器尺規之法線，第一返回角與第一入射角不同；iii)重新引導第一返回光束以第二入射角入射至編碼器尺規，第二入射角係相對於編碼器尺規之法線；以及iv)接收以第二返回角自編碼器尺規返回之第二返回光束，第二返回角係相對於編碼器尺規之法線，第二返回角與第二入射角不同，其中第一入射角和第二入射角的差小於第一入射角和第一返回角的差，且小於第二入射 角和第二返回角的差。
在一些實施例中，本發明揭露一種系統，包括：一可移動平台；以及碼器系統。編碼器系統或待測物係附接於可移動平台。微影系統更包括：照射系統，耦接於編碼器系統，照射系統包括輻射源，其中在微影系統操作期間，輻射源引導輻射至編碼器系統。微影系統更包括一偵測器，在微影系統操作期間，偵測器偵測編碼器系統的輸出光束，以及電子處理器，用於：自偵測器接收干涉訊號，干涉訊號包括與光程差有關之相位；以及根據相位決定與編碼器尺規之位置變化有關的資訊。微影系統更包括定位系統，耦接於電子處理器，定位系統根據與編碼器尺規之位置變化有關的資訊調整可移動平台的位置。
上述某些實施例具有特定優點。舉例而言，在一些實施例中，一個或多個實施例的細節將伴隨所附圖式和下述說明在以下作說明。基於以下說明、圖式和申請專利範圍，本發明其他技術特徵和優點將是顯而易見的
11‧‧‧第一入射光束
12‧‧‧第一返回光束
21‧‧‧第二入射光束
22‧‧‧第二返回光束
30‧‧‧參考光束
100‧‧‧干涉式編碼器系統
101‧‧‧測量物體(來源光束)
105‧‧‧編碼器尺規(測量物體)
110‧‧‧光學裝置
112、114‧‧‧測量光束
120‧‧‧光源模組
122‧‧‧輸入光束
130‧‧‧偵測器模組
132‧‧‧輸出光束
150‧‧‧電子處理器
200‧‧‧編碼器系統
202‧‧‧第一光束分離器
203‧‧‧參考光束
204‧‧‧第二光束分離器(光束結合器)
206‧‧‧回反射器
207‧‧‧輸出光束
208‧‧‧稜鏡對
210‧‧‧編碼頭
300‧‧‧雙程干涉式編碼器系統
301‧‧‧來源光束
302‧‧‧偏光光束分離器
303‧‧‧參考光束
304‧‧‧回反射器
306‧‧‧楔形稜鏡
307‧‧‧輸出光束
308‧‧‧參考反射器
310‧‧‧編碼頭
312‧‧‧第一四分之一波片
314‧‧‧第二四分之一波片
400‧‧‧雙程干涉式編碼器系統
410‧‧‧編碼頭
416‧‧‧第一雙折射稜鏡對
418‧‧‧第二雙折射稜鏡對
500‧‧‧雙程干涉式編碼器系統
502‧‧‧光束分離器
503、503a、503b‧‧‧參考光束
504‧‧‧回反射器
510‧‧‧編碼頭
600‧‧‧雙程干涉式編碼器系統
602‧‧‧光束分離器
604‧‧‧第一反射組件
605‧‧‧輸出光束
606‧‧‧第二反射組件
610‧‧‧編碼頭
700‧‧‧雙程干涉式編碼器系統
702‧‧‧光束分離器/光束結合器
704‧‧‧第一反射組件
706‧‧‧第二反射組件
708‧‧‧回反射器
710‧‧‧編碼頭
800‧‧‧雙程干涉式編碼器系統
802‧‧‧光束分離器/光束結合器
804‧‧‧第一繞射組件
810‧‧‧編碼頭
900‧‧‧雙程干涉式編碼器系統
902‧‧‧光束分離器
904‧‧‧傳送光柵
906‧‧‧回反射器
908‧‧‧反射組件
1000‧‧‧雙程干涉式編碼器系統
1004‧‧‧稜鏡組件
1006‧‧‧反射組件
1008‧‧‧回反射器
1110‧‧‧光學組件
1210‧‧‧光學組件
1302‧‧‧表面
1305‧‧‧測量光束
1310‧‧‧組件
1312‧‧‧組件
1500‧‧‧微影工具(掃描器)
1502‧‧‧框架
1504‧‧‧曝光基座
1506‧‧‧透鏡殼體
1508‧‧‧透鏡組合
1510‧‧‧輻射光束
1512‧‧‧光束成形光學裝置
1513‧‧‧支撐基座
1514‧‧‧反射鏡
1516‧‧‧光罩或遮罩平台
1517‧‧‧定位系統
1519‧‧‧定位系統
1520‧‧‧彈簧
1522‧‧‧平台
1526‧‧‧干涉式系統(光學裝置)
1528‧‧‧測量物體
1554‧‧‧測量光束
第1圖是範例干涉式編碼器系統的示意圖。
第2至10圖是範例雙程干涉式編碼器系統的示意圖。
第11A圖是編碼頭的範例光學組件的示意圖。
第11B圖是第11A圖所示之組件的三維示意圖。
第11C圖是第11A圖所示之光學組件的示意圖。
第11D圖是第11A圖所示之組件的三維示意圖。
第12圖是編碼頭的範例光學組件的三維示意圖。
第13A圖是編碼頭的測量光學組件的三維示意圖。
第13B圖是參考光學組件的三維示意圖，其與第13A圖所示之光學組件一起使用。
第13C圖是第13A圖所示之光學組件的三維示意圖，其光學地耦接至第13B圖所示之光學組件。
第14A與14B圖是二維示意圖，都顯示了第13A圖之光學組件之剖面。
第15圖為微影工具之實施例的示意圖，其包含雙程干涉式編碼器系統。
第16A圖與第16B圖是流程圖，描述製造積體電路的步驟。
各個圖式中的相似參考符號表示相似的元件。
參見第1圖，干涉式編碼器系統100包含光源模組120(例如包含雷射)、光學裝置110、測量物體101、偵測器模組130(例如包含偏光器與偵測器)、與電子處理器150。通常，光源模組120包含光源，且亦可包含其他組件，例如光束成形光學元件(例如光視準光學元件)、光導組件(例如光纖光學波導)及/或偏光管理光學元件(例如偏光器及/或波片)。光學裝置110之各種實施例敘述於下。在一些實施中，光學裝置亦稱為「編碼頭」。笛卡兒座標系統係顯示做為參考，其中Y軸(未示)係延伸進入頁中。
測量物體101沿著Z軸定位在離開光學裝置110某個標稱距離。在許多應用中，例如其中編碼器系統被用於監視微影工具中之晶圓平台或光罩平台的位置，測量物體101相對於光學裝置110移動於x及/或y方向中，同時相對於z軸維持離開光學裝置一標稱固定距離。此固定距離可為相當小(例如數公分或更小)。但是，在此種應用中，測量物體的位置通常將與標稱固定距離相差一小數量，且測量物體的相對定向在笛卡兒座標系統內也可改變一小數量。在操作期間，編碼器系統100監視測量物體101相對於光學裝置110的這些自由度的一或多個，包含測量物體101相對於x軸的位置，且在某些實施例中另包含測量物體101相對於y軸及/或z軸及/或相對於傾角與偏離角定向的位置。
為了監視測量物體101的位置，光源模組120導引輸入光束122至光學裝置110。光學裝置110從輸入光束122取得測量光束112，且導引測量光束112至測量物體101。光學裝置110亦從輸入光束122取得參考光束(未示)，且導引參考光束沿著不同於測量光束之路徑。例如，光學裝置110可包含光束分離器，光束分離器將輸入光束122分成測量光束112與參考光束。測量與參考光束可具有正交偏光(例如正交線性偏光)。
測量物體101包含編碼器尺規105，編碼器尺規105是測量刻度，其將來自編碼頭的測量光束繞射成一或多個繞射階(diffracted order)。通常，編碼器尺規可包含多種不同繞射結構，例如光柵或全像繞射結構。光柵的範例包含正弦 曲線、矩形、或鋸齒光柵。光柵之特徵在於具有固定間距之週期結構，但亦可為多個複合週期結構(例如漸變光柵)。通常，編碼器尺規可將測量光束繞射進入多於一個平面中。例如，編碼器尺規可為二維光柵，其將測量光束繞射成x-z與y-z平面中的繞射階。編碼器尺規在x-y平面中延伸了對應於測量物體101之移動範圍的距離。
在本實施例中，編碼器尺規105為具有多條光柵線的光柵，光柵線延伸正交於頁的平面，平行於第1圖中所示之笛卡兒座標系統的y軸。光柵線沿著x軸為週期性。編碼器尺規105具有對應於x-y平面的光柵平面，且編碼器尺規將測量光束112繞射成y-z平面中的一或多個繞射階。
測量光束的這些被繞射階的至少一者(標示為光束114)返回至光學裝置110，其中繞射測量光束與參考光束相結合而形成輸出光束132。例如，一次繞射測量光束114可為第一階繞射光束。
輸出光束132包含關於測量光束與參考光束之間之光學路徑長度差異的相位資訊。光學裝置110導引輸出光束132至偵測器模組130，偵測器模組130偵測輸出光束且回應於偵測到之輸出光束而傳送信號至電子處理器150。電子處理器150接收且分析該信號，並且決定關於測量物體101相對於光學裝置110的一或多個自由度的資訊。
在某些實施例中，測量光束與參考光束具有小的頻率差異(例如是kHz到MHz範圍的差異)，以在大概對應於此頻率差異的頻率處產生想要的干涉信號。此頻率在此之後 可互換地稱為「外差式(heterodyne)」頻率。關於測量物體之相對位置之改變的資訊大概對應於在此外差式頻率之干涉信號的相位。信號處理技術可用於擷取此相位。通常，可移動測量物體會導致此相位項隨時間而改變。就這一點而言，該測量物體移動之第一階時間微分會導致干涉信號之頻率從外差式頻率偏移一個量，在此稱為「都卜勒」頻移。
測量光束與參考光束之不同頻率可例如藉由雷射塞曼分裂(Zeeman splitting)、藉由聲光調制、使用兩個不同雷射模式、或雷射內部使用雙折射元件、以及其他技術來產生。正交偏光允許偏光光束分離器將測量光束與參考光束沿著不同路徑導引，且將它們結合來形成輸出光束，輸出光束之後通過偏光器，偏光器將正交偏光的分量混合，所以它們可以干涉。在目標沒有移動時，干涉信號於外差式頻率振盪，外差式頻率只是兩分量之光學頻率的差異。當目標有移動時，外差式頻率透過所謂的都卜勒相關而發生相關於目標之速度的改變。因此，監視外差式頻率的改變允許人可以監視目標相對於光學裝置的移動。
在下述實施例中，「輸入光束」通常指的是光源模組所發出的光束。針對外差式偵測，輸入光束包含具有些微不同頻率的分量，如同上述。
在某些實施例中，設計干涉式系統，所以它們不操作在利特羅(Littrow)。例如，通常，測量光束以一入射角入射於測量物體101上，使得一次繞射測量光束不滿足利特羅條件。利特羅條件指的是繞射結構(例如光柵)相對於入射光 束的定向，其中繞射結構導引被繞射光束朝向光源返回。換句話說，在編碼器系統100中，一次繞射測量光束不滿足利特羅條件，因為一次繞射測量光束與入射在編碼器尺規上的測量光束並非在同一直線上。
雖然編碼器尺規105在第1圖中繪示為在一方向中是週期性的結構，更一般性地，測量物體可包含多種不同繞射結構，其適當地繞射該測量光束。在一些實施例中，測量物體可包含一繞射結構(例如編碼器尺規)，其在兩方向中(例如沿著x與y軸)是週期性，將測量光束繞射成兩正交平面中的光束。通常，在系統的幾何限制之內，選擇光源模組與編碼器尺規之繞射結構，使得編碼器系統提供具有足夠強度的一或多個繞射測量光束，以在與對應的參考光束相結合時建立一或多個可偵測干涉信號。在一些實施例中，光源模組提供具有波長範圍400 nm至1500 nm的輸入光束。例如，輸入光束可具有波長大約633 nm或大約980 nm。注意到，通常，外差式光源的頻率分離會導致輸入光束之兩分量之波長之間僅僅非常小的差異，所以即使輸入光束嚴格說來並非單色的，用單一波長來特徵化輸入光束仍舊是可行的。在一些實施例中，光源模組可包含氣體雷射(例如HeNe雷射)、雷射二極體或其他固態雷射光源、發光二極體、或熱光源(例如具有或不具有濾鏡來修改光譜頻寬的鹵素光)。
通常，繞射結構(例如光柵間距)可根據輸入光束之波長及用於測量之繞射階與光學裝置之配置而改變。在一些實施例中，繞射結構為具有間距範圍大約1λ至大約20λ的 光柵，其中λ是光源的波長。光柵可具有間距範圍大約1 μm至大約10 μm。
在一些實例中，透過一般稱為光束混合的程序可能將光學誤差引進至干涉式編碼器系統中，其中「鬼影」光束會與測量及/或參考光束相干涉。這些鬼影光束可能具有與它們所結合之光束不同的振幅、不同的相位偏移、及/或不同的頻率，導致干涉信號之所偵測相位的移動。因此，編碼器尺規之相對位置測量可能脫離了編碼器尺規之確實位置，因此限制了干涉計所測量之位移改變的準確性。
此種鬼影光束可能由於干涉式編碼器系統中的各種不完美所導致。例如，如果測量及參考光束具有不同的頻率，那些光束之不同頻率分量之橢圓偏光可能通過干涉式編碼器系統中的一或多個光學組件而導致參考及/或測量光束的非所欲漏損。參考及/或測量光束的非所欲漏損也可能是由於光學組件本身的不完美所導致。例如，干涉式編碼器系統可能包含偏光光束分離器，其中光束分離器具有低消光比(extinction ratio)，使得非所欲光束分量被光束分離器傳送而非反射，且反之亦然。鬼影光束亦可能由於從干涉式編碼器系統的其他組件的非所欲反射而產生。例如，在一些實施中，入射在編碼器尺規上的部分光束沿著入射方向被繞射回去，而非沿著與輸入光束不同直線之路徑被繞射。
因為發生光束切變(beam shearing)，其他光學誤差也可能發生在干涉式編碼器系統中。當編碼器光柵相對於編碼頭的相對位置增加或減少時會產生光束切變(例如，由於 第1圖中編碼器尺規及/或編碼頭沿著z方向的移動所導致)。在一些實例中，此移動可能導致測量光束及參考光束的光束路徑偏離，導致編碼器尺規位置的進一步測量誤差。類似的誤差可能因為編碼器尺規相對於編碼頭的定向的小改變而產生，例如編碼器尺規的偏角、傾角與偏離角的改變。
為了改善前述誤差的容忍度，干涉式編碼器系統可以配置成使得測量光束兩次通過編碼器尺規，使得測量光束從編碼器尺規二次繞射。藉由配置該系統來產生入射光束與對應的繞射光束之間的大角度差異，來自鬼影光束與其他假光束的干涉可被減少。在一些實施中，干涉式編碼器系統的雙程(double pass)配置也可補償當編碼器尺規與編碼頭之間的相對距離改變時可能發生的光束切變。此外，雙程配置在一些實施中具有優點：對第一階補償物體定向的小改變，例如偏角、傾角與偏離角。
第2圖是雙程干涉式編碼器系統200之編碼頭210的範例的示意圖，用於監視測量物體105的位置，其中編碼頭210配置成使得測量光束兩次通過測量物體105，且從測量物體105返回的單一繞射光束係用於與參考光束相結合，以決定測量物體105的位置。在此範例中，測量物體105為編碼器尺規，例如一維光柵。編碼器尺規105可附接至其他物體，包含例如可移動平台。
編碼器系統200配置成偵測沿著z座標與沿著x座標的位移，其中z正交於光柵表面，且x是在光柵表面的平面中並且正交於所示光柵溝槽。編碼頭210包含第一光束分離 器202、第二光束分離器(光束結合器)204、回反射器206、與稜鏡對208。在編碼器系統200的操作期間，編碼頭210接收來自光源120的來源光束101。第一光束分離器202將來源光束101分成測量光束與參考光束30，測量光束與參考光束30之後被沿著不同路徑導引。如同第2圖所示，測量光束包含四個不同部分：第一入射光束11、第一返回光束12、第二入射光束21、與第二返回光束22。因為測量物體105為編碼器尺規，第一返回光束12對應於第一入射光束11的一繞射階(例如第一階或第二階)。
第一返回光束12被回反射器206與稜鏡對208的組合重新導引，返回至編碼器尺規105作為第二入射光束21，其中測量光束被再次繞射，以產生第二返回光束22。第二返回光束22對應於第二入射光束21的一繞射階(例如第一階或第二階)。光束分離器204之後重新結合參考光束30與第二返回光束22，以形成輸出光束207，輸出光束207被導引朝向偵測器。形成於偵測器130處的干涉信號之後傳送至電子處理器，其根據干涉信號而決定關於編碼器尺規105的位置資訊。
來源光束可產生自外差式來源，例如外差式雷射，其中來源光束包含兩不同光束，其以正交偏光所編碼之些微不同頻率行進。光束分離器202可為偏光光束分離器，其根據它們的不同偏光而分離該等兩頻率。參考光束203與第二返回光束22在光束結合器204重新結合時，輸出光束207行進至偵測器模組130。從所偵測輸出光束207之差頻獲得正弦信號，其中信號的相位是，其中是參考相位，假設固定 或已知，且是測量相位。
假設第一與第二入射光束之入射平面包含x座標且界定了相對於所示z座標的角度，光束11,12,21,22相對於編碼器尺規105之法線行進的角度分別是θ11 ,θ12 ,θ21 ,θ22 。第二返回光束22的角度θ22 係顯示在第2圖中作為範例。因為測量物體105繞射該等入射光束，適用下面熟知的光柵關係式：sin(θ11 )+sin(θ12 )=mλ /D (1)
sin(θ21 )+sin(θ22 )=mλ /D (2)，其中m 是已知為繞射階的整數，且D 是光柵間距或編碼器尺規105之該等線或重複部分之間的間隔。從圖式可清楚看出，適用下面的額外不等式。第一返回光束12不與第一入射光束11在同一直線或平行：θ12 ≠θ11 (3)第二返回光束22也不與第二入射光束21在同一直線或平行：θ22 ≠θ21 (4)第2圖所示之配置之另外基本特徵在於第一入射光束11之行進角度與第二入射光束21之行進角度之間的差異係小於第一入射光束11與第一返回光束12之行進角度之間的差異：|θ11 -θ21 |<|θ11 -θ12 | (5)且第一入射光束11之行進角度與第二入射光束21之行進角度之間的差異係小於第二入射光束21之行進角度與第二返回光束22之行進角度之間的差異|θ11 -θ21 |<|θ21 -θ22 | (6) 相似的，第一返回光束12之行進角度與第二返回光束22之行進角度之間的差異係小於第一入射光束11與第一返回光束12之行進角度之間的差異|θ12 -θ22 |<|θ11 -θ12 | (7)第一返回光束12之行進角度與第二返回光束22之行進角度之間的差異係小於第二入射光束21與第二返回光束22之行進角度之間的差異|θ12 -θ22 |<|θ21 -θ22 | (8)式子(3)至(8)之不相等大小係足夠大而使得該等光束不被光學組件阻擋。例如，第2圖所示之光束11不被回射稜鏡206阻擋。在此範例中，兩入射光束11與21大約平行，而兩反射光束12與22大約平行：
相反的，針對此範例，入射光束皆不平行於對應的反射光束，如同式子(3)與(4)所示。
在一些實施中，入射與返回光束之間的角度差異係足夠大，來減少最終干涉信號中來自鬼影反射與其他假光束之干擾所導致的測量誤差。例如，在一些實施中，編碼頭210之光學組件係配置成使得式子(5)至(8)之不相等大於大約每1mm光束直徑1mrd。在一些實例中，成比例較大的角度可用於較小的光束直徑。
雙程干涉式編碼器系統可感測編碼器尺規105沿 著兩正交方向的位移。例如，編碼器尺規105沿著x座標的平面內位移會以一種比率改變測量光束在從編碼頭兩次反射之後(例如第二返回光束22)的相位，其可表示為： 其中△x 是編碼器尺規105沿著x方向的位移。相似地，編碼器尺規105沿著z座標的平面外位移可由下式給定： 其中△z 是編碼器尺規105沿著z方向的位移。式子(11)與(12)亦可適用於編碼頭210相對於編碼器尺規105的移動。因此，一旦電子處理器已經評估來自所偵測干涉信號的相位資訊，式子(11)與(12)可用於決定編碼頭210或編碼器尺規105在x或z方向中的移動。例如，本領域中熟習技藝者將可了解，電子處理器藉由從所偵測信號的相位資訊減去已知的參考相位就可計算測量相位，且之後使用式子(11)與(12)來計算在x或z方向中的位移。
針對其中編碼器尺規及/或編碼頭沿著兩正交方向(例如沿著x與z方向)移動的應用，編碼頭210可被修改成分別擷取沿著每一不同正交方向之移動的位置資訊。例如，在一些實施中，編碼頭210擴大成包含第2圖所示之第二組光學組件(例如光束分離器202、光束分離器204、回反射器206、與稜鏡對208)。第二組光學組件係配置成從來源光束獲得第二測量光束，使得第二測量光束另外地兩次通過編碼器尺規的表面。但是，不同於第一測量光束，第二測量光束最初入射在 編碼器尺規105上的角度係不同於光束11的入射角度，例如，第二測量光束最初可入射在相對於編碼器尺規之法線的對應於-θ11 的角度處。為了區分x方向與y方向，使用兩不同角度處的至少兩次測量。不同角度可包含(但不限於)大小相等但方向相反的角度。在式子(11)中第二測量光束對於△x 的相位相依性因此相反，但在式子(12)中對於△x 的相位相依性則維持相同。因此，針對第一與第二測量光束，式子(11)所提供之兩結果之間的差異可用於擷取x 位移，而無關於z 。替代地或額外地，針對第一與第二測量光束，式子(12)所提供之兩結果之加總可用於擷取z 位移，而無關於x 。
在關於第2圖之系統的上述式子中所參照的不等式也適用於下面所述之另外實施例。具體地，干涉式編碼器系統係配置成防止兩返回光束角12與22真正位於利特羅條件(Littrow condition)。因此，該等光束之間要有至少一些角度分隔，這可有助於減少鬼影反射之干涉所導致的測量誤差。在一些實施例中，編碼頭可配置成增加在光學組件中之參考光束路徑與測量光束路徑之間的分隔。增加該等光束路徑之間的分隔可以減少假光束顯著構成干涉信號的可能性。
例如，第3圖是包含編碼頭310之雙程干涉式編碼器系統300的示意圖，用於監視測量物體105的位置，其中編碼頭310配置成增加參考光束路徑與測量光束路徑之間的分隔。編碼頭310包含偏光光束分離器302、回反射器304、一對楔形稜鏡306、與參考反射器308。編碼頭310亦可包含第一四分之一波片312位於參考反射器308與光束分離器302之 間，以及第二四分之一波片314位於測量物體105(例如編碼器尺規)與光束分離器302之間。楔形稜鏡306引進根據式子(3)至(8)的不等性至系統300中。在某些實施中，編碼頭310之配置具有優點：高度熱穩定性與容易用於管理大光束。
如同第3圖的範例所示，編碼頭310接收來自光源120的來源光束301。光束分離器302從來源光束301取得參考光束303與測量光束(例如根據來源光束之不同頻率分量之偏光差異)。測量光束包含四個不同部分：第一入射光束11、第一返回光束12、第二入射光束21、與第二返回光束22。光束分離器302導引第一入射光束11通過第二四分之一波片314到達編碼器尺規105，其中第一入射光束11被繞射而產生第一返回光束12。第一返回光束12被回反射器304與光束分離器302的組合重新導引，返回至編碼器尺規105作為第二入射光束21，其中第二入射光束21之後被繞射，以產生第二返回光束22。
光束分離器302也重新導引參考光束303朝向參考反射器308。參考反射器308可包含任何合適的反射表面，例如像是反射鏡。在一些實施中，反射器308的位置為可調整。例如，在一些實例中，反射器308可附接至可移動平台。參考反射器308將參考光束303反射回到光束分離器302，其中光束303被回反射器304與光束分離器302的組合重新導引，再次返回至參考反射器308。參考反射器308將參考光束303第二次反射到光束分離器302。代替了通過光束分離器302，二次反射參考光束303之後與第二返回光束22結合，以形成輸 出光束307。輸出光束307被偵測器模組130紀錄，偵測器模組130包含偵測器(例如光偵測器)與混合偏光器。根據入射光束之不同偏光而完成光束分離。例如，光束301具有s偏光分量(其反射朝向參考反射鏡308)與p偏光分量(其作為測量光束傳送朝向光柵105)。在兩次通過四分之一波片314之後，偏光被反向，使得參考光束被傳送，且測量光束被反射。
第4圖是包含編碼頭410之另一範例雙程干涉式編碼器系統400的示意圖。編碼頭410之配置相似於第3圖所示的編碼頭310，除了在楔形稜鏡的位置處，編碼頭410包含第一雙折射稜鏡對416與第二雙折射稜鏡對418。加入雙折射稜鏡對會導致通過編碼頭410之測量與參考光束路徑之間的額外脫離/分隔。
在一些實施例中，編碼頭可設計成測量第一方向的移動而無關於第二正交方向的移動。例如，第5圖顯示雙程干涉式編碼器系統500的示意圖，其包含編碼頭510被配置來測量編碼器尺規105在x方向中的位移而無關於z方向。編碼頭510之配置相似於第3圖所示的範例。但是，不同於第3圖的範例，編碼頭510配置成使得參考光束503入射在編碼器尺規表面的部分上，而非參考反射器。亦即，光束分離器502相對於編碼器尺規來定位，使得離開光束分離器502的入射參考光束503a沿著光束路徑行進朝向編碼器尺規105。入射參考光束503之後被編碼器尺規繞射而產生具有繞射階(例如第一階或第二階)的繞射參考光束，繞射參考光束行進至光束分離器502。回反射器504與光束分離器502的組合重新導引一次 繞射光束朝向編碼器尺規105返回，其中一次繞射光束被再次繞射。二次繞射參考光束503b之後返回至光束分離器502，且與二次繞射測量光束結合，以產生輸出光束。
當參考光束503入射在相對於編碼器尺規之法線的對應於-θ11 (入射測量光束11入射編碼器尺規的負角度)的角度處時，第5圖的範例所示的配置可用於決定編碼器尺規105沿著x方向的位移而無關於z方向。例如，式子(11)可用於計算二次繞射參考光束與二次繞射測量光束兩者對於△x 的相位相依性。針對該等參考與測量光束，式子(11)所提供之兩結果之間的差異之後可用於擷取x 位移，而無關於z 對於y軸沒有傾角。
通常，第二至五圖所示之實施例中之入射光束與對應的繞射光束之間的角度差異可包含(但不限於)大約1與大約10度之間的角度範圍。在一些實施中，角度差異可能更小。例如，參見第3圖，角度差異可為大約1 mrad與大約10 mrad之間。在一些實施例中，編碼頭可配置來產生入射光束與繞射光束之間的大角度差異。例如，第6圖是範例雙程干涉式編碼器系統600的示意圖，其中入射測量光束與對應的繞射光束之間的角度可為大約10度至大約80度的大小。
編碼頭610包含光束分離器602，用以從來源光束601取得參考光束與第一入射測量光束11。第一入射光束11行進朝向編碼器尺規105，且被繞射而產生第一繞射返回光束12。返回光束12被第一反射組件604反射朝向第二反射組件606。第二反射組件606之後重新導引第一返回光束12朝向編 碼器尺規105作為第二入射光束21。第二入射光束21被編碼器尺規105繞射而產生第二返回光束22，其中第二返回光束22對應於二次繞射測量光束。第二返回光束22之後被第一反射組件604重新導引朝向光束分離器/結合器602，且與參考光束結合而產生輸出光束605，輸出光束605被傳送至偵測器模組130(例如包含偏光器與偵測器)。第一反射組件604與第二反射組件606可包含任何合適的高反射性組件，例如像是反射鏡。
為了說明的目的，入射光束的繞射係顯示在第6圖中僅在圖式的平面內。但是，系統600可配置成亦重新導引為了全3D回射而沿著射入或射出圖式平面之方向繞射的光束，且因此進一步減低系統對於物體傾斜的敏感度。相似於第二至五圖所揭露之實施例，系統600可用於補償偵測器處的橫向光束切變，其中光束切變是因為編碼頭610或編碼器尺規105沿著平行於z方向之方向的相對位置改變而導致。
第7圖是範例雙程干涉式編碼器系統700的示意圖，其為第6圖所示之配置的變化。具體地，系統700的編碼頭710包含回反射器708，還有第一反射組件704、第二反射組件706、與光束分離器/光束結合器702。回反射器708可操作來從第一反射組件704接收第一返回光束12，且重新導引光束12至第二反射組件706，第二反射組件706接著可操作來導引光束12朝向編碼器尺規105。回反射器708也可操作來重新導引第二返回光束22朝向光束分離器702，其中第二返回光束22在光束分離器/光束結合器702處與參考光束結合而形成 輸出光束705。
第8圖是範例雙程干涉式編碼器系統800的示意圖，其為第6圖所示之配置的另一變化。具體地，第一繞射組件804包含繞射組件，例如像是繞射光柵。因此，在光束分離器/光束結合器802處與參考光束結合的測量光束係對應於已經被繞射四個不同次的光束，包含兩次被編碼器尺規105繞射以及兩次被繞射組件804繞射。在某些實施中，第8圖所示之編碼頭配置可以改善對於光柵傾斜的補償，相較於第6圖所示之系統600的編碼頭配置來說。具體地，編碼頭810補償了編碼器尺規105的非線性繞射角反應。熟習技藝者將了解，如果入射光束11的角度有小變化，從式子(1)所計算之反射光束12的角度變化將不會相同於入射光束11的角度變化。但是，藉由設置繞射組件804如同所示，此種角度變化的差異可被補償，且光束21維持平行於光束11，如同式子(9)中。
第9圖是範例雙程干涉式編碼器系統900的示意圖，其為第6圖所示之配置的另一變化。編碼器系統900利用傳送光柵904來傳送來自編碼器尺規105的第一返回光束12與第二返回光束22。系統900包含回反射器906，用以重新導引第一返回光束12作為第二入射光束21到達編碼器尺規105，且包含反射組件908，用以重新導引已經通過傳送光柵904的第二返回光束22朝向光束分離器902。在一些實施中，第9圖所示之配置藉由補償編碼器尺規105在不同傾斜角的非線性繞射反應而改善了對於編碼器尺規105之傾斜的容忍度。
第10圖是範例雙程干涉式編碼器系統1000的示 意圖，其為第6圖所示之配置的另一變化。編碼器系統1000利用了稜鏡組件1004(例如玻璃稜鏡)、反射組件1006(例如反射鏡)、與回反射器1008。在一些實施中，第10圖所示之配置藉由補償編碼器尺規105在不同傾斜角的非線性繞射反應而改善了對於編碼器尺規105之傾斜的容忍度。
在一些實施中，單一單件式光學組件可用於使測量光束兩次通過編碼器尺規。使用單一單件式光學組件可以有更密接的編碼器系統設計以及減少對準需求。第11A圖是單一單件式光學組件1110的示意圖，用以使用組件1110之本體內的內部反射來重新導引測量光束1101朝向編碼器尺規105。第11B圖是第11A圖所示之組件1110的三維示意圖。第11C圖是第11A圖所示之光學組件1110的另一視圖。第11D圖是組件1110的另一個三維視圖。為了說明的目的，沒有顯示編碼器系統的其他光學組件與參考光束。組件1110可由合適的光學透光材料來形成，包含例如玻璃。第11A至11D圖所示之組件1110包含固有的玻璃脊部，其中來自編碼器尺規105的繞射光束以相對於編碼器尺規105之法線與相對於組件1110之表面法線而測量的不同角度來進入與離開組件1110。光學組件1110的表面角度被最佳化，使得該固有脊部之折射角度的非線性反應可以補償關於編碼器尺規之光柵傾斜的繞射角非線性繞射反應。在與編碼器尺規105的第一及第二反應之間，測量光束歷經光學組件1110中的三次內部反射，相似於回反射器內的光束路徑。
在一些實施中，第8圖與第11圖所示之編碼頭配 置具有額外益處：1)以z移動來補償偵測器處的光束切變，及2)展現較少或沒有光束縮短(foreshortening)，相反於第2圖與第3圖所示之實施例之編碼頭配置，其展現光束切變與縮短的部分補償。
在一些實施例中，第11圖所示之編碼頭可被修改來改善效率。例如，第12圖是單件式光學組件1210的三維示意圖，其配置成在測量光束的最初繞射之後接收兩繞射階，相反於擷取單一繞射階。例如，光學組件1210可配置成接收來自編碼器尺規的+1與-1繞射光束兩者，且重新導引+1與-1繞射光束之每一者返回編碼器尺規105。因此，兩不同二次繞射測量光束被組件1210輸出。兩測量光束之每一者可與參考光束相結合而產生兩輸出光束，兩輸出光束之後可用於計算編碼器尺規105在兩維度中的位置。為了說明的目的，沒有顯示編碼器系統的其他光學組件與參考光束。再次，組件1210可由合適的光學透光材料來形成，包含例如玻璃。
在一些實施例中，單件式光學組件面向編碼器尺規105的該等表面可被結合成單一連續平坦表面。例如，第13A圖是單件式光學組件1310的三維示意圖，其中測量光束通過組件1310的單一平坦表面1302而離開且進入光學組件1310。第13B圖是單件式光學組件1312的三維示意圖，用於與光學組件1310一起使用，其中光學組件1312配置成接收參考光束。光學組件1310與組件1312配置成使得測量光束1305通過組件1310的光學路徑長度等於參考光束的光學路徑長度。第13C圖是光學組件1310的三維示意圖，其光學地耦接至光 學組件1312，以產生輸出光束，輸出光束為二次繞射測量光束與參考光束的組合。在一些實施中，光學組件1310與組件1312可被結合成單一單件式光學組件。在一些實施中，第13C圖所示之配置具有較密封的優點。此外，第13C圖所示之編碼頭配置可確保相似的輸出光束反應，相關於因為傾斜與光束切變所導致的輸入光束對準誤差。
第14A圖是第13A圖之光學組件1310之剖面的二維示意圖，顯示了第一返回光束12係對應於入射測量光束11的第一階繞射光束，且第二返回光束22係對應於第二入射測量光束21的第一階繞射光束。不同地，第14B圖是第14A圖中之相同剖面的二維示意圖，顯示了假光束(例如第零階繞射光束)行進於一光束路徑，其不會被光學組件重新導引而與所欲測量光束在同一直線上。因此，假光束與測量光束的干涉所導致的測量誤差可以減低。
通常，上述任何分析方法(包含從所偵測干涉信號與編碼器尺規之自由度資訊來決定相位資訊)可用電腦硬體或軟體或兩者之結合來實施。例如，在一些實施例中，電子處理器150可被安裝在電腦中且連接至一或多個編碼器系統，且配置來執行分析來自編碼器系統的信號。採用在此所述之方法，可用使用標準程式技術的電腦程式來實施分析。程式碼應用至輸入資料(例如干涉相位資訊)來執行在此所述之功能且產生輸出資訊(例如自由度資訊)。輸出資訊應用至一或多個輸出裝置，例如顯示器。各個程式可用高階程序或物件導向程式語言來實施，以與電腦系統通訊。但是，如果需要的話，程 式可用組合或機器語言來實施。在任何實例中，語言可為編譯或解譯語言。此外，程式可運作於針對此目的而預先編程的專屬積體電路上。
各個此種電腦程式較佳地儲存在可被一般或特殊目的可編程電腦讀取的儲存媒體或裝置上(例如ROM或磁碟)，用於當儲存媒體或裝置被電腦讀取來執行在此所述之程序時將電腦加以設置與操作。電腦程式在程式執行期間亦可留存於快取或主要記憶體中。分析方法亦可實施為電腦可讀取儲存媒體，其用電腦程式配置，其中儲存媒體如此配置而導致電腦操作於特定且預定的方式來執行在此所述之功能。
微影工具應用
微影工具在用於製造大型積體電路(例如電腦晶片與類似者)的微影應用中特別有用。微影是半導體製造工業的關鍵技術驅動器。覆蓋改善(Overlay improvement)是降至22 nm線寬及22 nm線寬以下的五個最困難挑戰的其中之一(設計規則)，例如參見the International Technology Roadmap for Semiconductors,pp.58-59(2009)。
覆蓋直接取決於用於定位晶圓與光罩(或遮罩)平台的測量系統的性能(亦即，準確度與精準度)。因為微影工具可生產每年5千萬至1億美元的產品，來自改進之測量系統的經濟值是可觀的。微影工具每1%的良率增加會導致大約每年1百萬美元對於積體電路製造廠的經濟利益，且對於微影工具供應商有很大的競爭優勢。
微影工具的功能是導引空間上圖案化的輻射到塗 覆有光阻的晶圓上。該程序牽涉到決定晶圓的哪個位置要接收輻射(對準)，以及應用輻射到那個位置處的光阻(曝光)。
在曝光期間，輻射源照射圖案化的光罩，其散射該輻射來產生空間上圖案化的輻射。光罩亦稱為遮罩，且這些術語在下面可交換使用。在縮小倍率微影(reduction lithography)的情況中，縮小倍率透鏡收集散射的輻射且形成光罩圖案的縮小影像。替代地，在近接式曝光(proximity printing)的情況中，散射的輻射在接觸晶圓之前行進一小段距離(通常是微米的大小)，以產生光罩圖案的1：1影像。該輻射初始化光阻中的光化學程序，其將輻射圖案轉換成光阻內的潛在影像。
為了正確地定位晶圓，晶圓包含在晶圓上的對準標記，其可被專屬感測器測量。對準標記之經測量位置界定了工具內的晶圓的位置。此資訊以及晶圓表面之所欲圖案化之規格可導引晶圓相對於空間上圖案化輻射的對準。根據此種資訊，支撐已塗覆光阻之晶圓的可轉移平台將晶圓移動，使得輻射將會曝光晶圓的正確位置。在某些微影工具中(例如微影掃描器)，遮罩亦定位在可轉移平台上，其在曝光期間與晶圓一致地移動。
編碼器系統(例如那些先前討論的)是控制晶圓與光罩之位置的定位機構的重要組件，且將光罩影像暫存於晶圓上。如果此種編碼器系統包含上述特徵，系統所測量之距離的準確度可以增加及/或維持較長時期而不用下線維護，由於增加的良率與較少工具的停工期而導致較高產率。
通常，微影工具(亦稱為曝光系統)通常包含照射系統與晶圓定位系統。照射系統包含輻射源，用於提供輻射(例如紫外光、可見光、x射線、電子或離子輻射)，以及包含光罩或遮罩，用於將圖案分給輻射，藉此產生空間上圖案化的輻射。此外，針對縮小倍率微影的情況，照射系統可包含透鏡組合，用於將空間上圖案化輻射成像至晶圓上。經成像的輻射將晶圓上塗覆的光阻曝光。照射系統亦包含用於支撐遮罩的遮罩平台，與用於調整遮罩平台相對於被導引通過遮罩之輻射的位置的定位系統。晶圓定位系統包含用於支撐晶圓的晶圓平台，與用於調整晶圓平台相對於經成像之輻射的位置的定位系統。積體電路的製造可包含多個曝光步驟。針對微影的一般參照，可參見例如J.R.Sheats and B.W.Smith,in Microlithography：Science and Technology(Marcel Dekker,Inc.,New York,1998)，其內容在此藉由參照而併入。
上述編碼器系統可用於準確地測量晶圓平台與遮罩平台之每一者相對於曝光系統之其他組件(例如透鏡組合、輻射源、或支撐結構)的位置。在此種實例中，編碼器系統的光學裝置可附接至固定結構，且編碼器尺規可附接至可移動元件(例如遮罩與晶圓平台之一者)。替代地，可反轉該狀況，把光學裝置附接至可移動物件且編碼器尺規附接至固定物件。
更一般來說，此種編碼器系統可用於測量曝光系統之任一組件相對於曝光系統之任何其他組件的位置，其中光學裝置可附接至一個組件或被它支撐，且編碼器尺規可附接至另一個組件或被它支撐。
使用干涉式系統1526的微影工具1500的範例係顯示在第15圖中。編碼器系統可用於準確地測量曝光系統內晶圓(未示)的位置。在此，平台1522用於相對於曝光站來定位及支撐晶圓。掃描器1500包含框架1502，其承載其他支撐結構與承載在那些結構上的各種組件。曝光基座1504在其頂部安裝了透鏡殼體1506，透鏡殼體1506頂部安裝了光罩或遮罩平台1516，平台1516用於支撐光罩或遮罩。用於相對於曝光站來定位遮罩的定位系統係由元件1517示意地指出。定位系統1517可包含例如壓電換能器元件與對應的控制電子系統。雖然它未包含在這個所述實施例中，上述的一或多個編碼器系統亦可用於準確地測量遮罩平台以及其他可移動元件的位置，它們的位置必須在製造微影結構的程序中被準確地監視(參見supra Sheats and Smith Microlithography：Science and Technology)。
懸掛在曝光基座1504底下的是支撐基座1513，其承載晶圓平台1522。平台1522包含測量物體1528，用於繞射被光學裝置1526導向至該平台的測量光束1554。用於相對於光學裝置1526來定位平台1522的定位系統係由元件1519示意地指出。定位系統1519可包含例如壓電換能器元件與對應的控制電子系統。測量物體繞射該測量光束反射回到光學裝置，光學裝置安裝在曝光基座1504上。編碼器系統可為任何前述實施例。
在操作期間，輻射光束1510(例如來自紫外光(UV)雷射(未示)之紫外光束)通過光束成形光學裝置1512， 且從反射鏡1514反射之後，朝下行進。之後，輻射光束通過遮罩平台1516所承載之遮罩(未示)。遮罩(未示)透過透鏡殼體1506中所承載之透鏡組合1508而成像至晶圓平台1522上的晶圓(未示)上。基座1504與其所支撐的各種組件藉由彈簧1520所繪示之阻尼系統而與周遭振動隔離。
在一些實施例中，前述的一或多個編碼器系統可用於測量沿著多個軸的位移以及例如(但不限於)與晶圓及光罩(或遮罩)平台相關的角度。此外，除了UV雷射光束之外，可使用其他光束來曝光晶圓，包含例如x射線光束、電子束、離子束、與可見光束。
在某些實施例中，光學裝置1526可被定位來測量光罩(或遮罩)平台1516或掃描器系統之其他可移動組件的位置變化。最後，除了掃描器之外或並非掃描器，編碼器系統可以相似的方式與含有步進器的微影系統使用。
如同本領域中熟知的，微影是用於製造半導體裝置的製造方法的關鍵部分。例如，美國專利號5,483,343概述了此種製造方法的步驟。這些步驟參照第16A及16B圖敘述於下。第16A圖是製造半導體裝置的程序的流程圖，例如半導體晶片(例如IC或LSI)、液晶面板或CCD。步驟1651是設計程序，用於設計半導體裝置的電路。步驟1652是程序，用於根據電路圖案設計來製造遮罩。步驟1653是程序，用於藉由使用例如矽的材料來製造晶圓。
步驟1654是晶圓程序，稱為預先程序，其中藉由使用如此預備的遮罩與晶圓而透過微影將電路形成於晶圓 上。為了形成電路於晶圓上是對應於遮罩上的那些圖案具有的足夠空間解析度，微影工具相對於晶圓的干涉式定位是需要的。在此所述之干涉式方法與系統會特別有用處來改善晶圓程序中所用的微影的效用。
步驟1655是組合程序，稱為後續程序，其中步驟1654所處理的晶圓被形成為半導體晶片。此步驟包含組合(切割與接線)與封裝(晶片密封)。步驟1656是檢查程序，其中步驟1655所產生的半導體裝置的可操作性檢查、耐用度檢查..等等被施行。利用這些程序，完成半導體裝置且裝運它們(步驟1657)。
第16B圖是流程圖，顯示晶圓程序的細節。步驟1661是氧化程序，用於氧化晶圓的表面。步驟1662是CVD程序，用於形成絕緣膜於晶圓表面上。步驟1663是電極形成程序，用於藉由氣相沉積來形成電極於晶圓上。步驟1664是離子佈植程序，用於佈植離子至晶圓。步驟1665是光阻程序，用於施加光阻(感光材料)至晶圓。步驟1666是曝光程序，用於藉由曝光(例如微影)且透過上述之曝光設備而將遮罩的電路圖案印刷在晶圓上。再次，如同上述，在此所述之干涉式系統與方法的使用會改善此種微影步驟的準確度與解析度。
步驟1667是顯影程序，用於顯影被曝光的晶圓。步驟1668是蝕刻程序，用於移除並非被顯影之光阻影像的部分。步驟1669是光阻分離程序，用於在施行完蝕刻程序之後將殘留在晶圓上的光阻材料加以分離。藉由重覆這些程序，電路圖案可形成且疊加於晶圓上。
上述編碼器系統亦可用於其他應用中，其中一物體的相關位置需要被準確地測量。例如，在當基板或光束移動時一寫入光束(例如雷射、x射線、離子、或電子束)標示一圖案於基板上的應用中，編碼器系統可用於測量基板與寫入光束之間的相對移動。
已經敘述許多實施例。然而，將了解到可做出各種修改而未偏離本發明之範圍與精神。其他實施例係在下述申請專利範圍的範圍內。
200‧‧‧編碼器系統
210‧‧‧編碼頭
202‧‧‧第一光束分離器
204‧‧‧第二光束分離器(光束結合器)
206‧‧‧回反射器
208‧‧‧稜鏡對
11‧‧‧第一入射光束
12‧‧‧第一返回光束
21‧‧‧第二入射光束
22‧‧‧第二返回光束
30‧‧‧參考光束
105‧‧‧編碼器尺規(測量物體)
120‧‧‧光源模組
101‧‧‧測量物體(來源光束)
207‧‧‧輸出光束
130‧‧‧偵測器模組

Claims (33)

  1. 一種編碼器系統，包括：一編碼頭，與繞射的一編碼器尺規合併使用，其中上述編碼頭包括一個或多個光學元件，用於：i)引導一第一入射光束以一第一入射角入射至上述編碼器尺規，上述第一入射角係相對於上述編碼器尺規之法線；ii)接收以一第一返回角自上述編碼器尺規返回之一第一返回光束，上述第一返回角係相對於上述編碼器尺規之法線，上述第一返回角與上述第一入射角不同；iii)重新引導上述第一返回光束以一第二入射角入射至上述編碼器尺規，上述第二入射角係相對於上述編碼器尺規之法線；以及iv)接收以一第二返回角自上述編碼器尺規返回之一第二返回光束，上述第二返回角係相對於上述編碼器尺規之法線，上述第二返回角與上述第二入射角不同，其中上述第一入射角和上述第二入射角的差小於上述第一入射角和上述第一返回角的差，且小於上述第二入射角和上述第二返回角的差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件結合上述第二返回光束和一參考光束以形成一輸出光束，且上述編碼器系統包括用於偵測上述輸出光束之一偵測器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之編碼器系統，更包括一電子處理器，用於： 接收上述偵測器之一干涉訊號，上述干涉訊號包括與上述參考光述和上述第二返回光束之光程差有關之一相位；以及根據上述相位，決定與上述編碼器尺規之位置變化有關的資訊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之編碼器系統，其中上述相位係一外差相位。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器系統，更包括繞射的上述編碼器尺規。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之編碼器系統，其中上述編碼器尺規包括一一維光柵或一二維光柵。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器系統，其中上述第一返回光束和上述第二返回光束均為一繞射光束。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之編碼器系統，其中上述繞射光束為一第一階繞射光束。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器系統，其中上述第一入射光束和上述第一返回光束係不共線且不平行，且上述第二入射光束和上述第二返回光束係不共線且不平行。
  10. 如申請專利範圍第3項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件包括一分光器，用於接收一光源之一光源光束，上述分光器自上述光源光束中擷取上述第一入射光束和上述參考光束。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之編碼器系統，更包括一偵測器。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件包括一第一光學元件，用於：接收上述第二返回光束；以及重新引導上述第二返回光束至上述分光器。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件包括一第二光學元件，上述第一光學元件重新引導上述第一返回光束至上述第二光學元件，上述第二光學元件用於：自上述第一光學元件接收上述第一返回光束；以及重新引導上述第一返回光束以上述第二入射角入射至上述編碼器尺規，作為上述第二入射光束。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之編碼器系統，其中上述第一光學元件包括一光柵，上述光柵將上述第一返回光束和上述第二返回光束繞射。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件包括：一第一回反射器；以及一第一光學元件，上述第一光學元件自上述編碼器尺規接收上述第一返回光束和上述第二返回光束，且重新引導上述第一返回光束和上述第二返回光束至上述第一回反射器，其中上述第一回反射器自上述第一光學元件接收上述第二返回光束，並重新引導上述第二返回光束至上述分光器。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之編碼器系統，其中上述一個 或多個光學元件包括一第二光學元件，且上述第一回反射器自上述第一光學元件接收上述第一返回光束，並重新引導上述第一返回光束至上述第二光學元件。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之編碼器系統，其中上述第二光學元件自上述第一回反射器接收上述第一返回光束，且重新引導上述第一返回光束以上述第二入射角入射至待測物，作為上述第二入射光束。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件包括一第一回反射器，上述分光器和上述第一回反射器用於：接收上述第一返回光束；以及重新引導上述第一返回光束至待測物，作為上述第二返回光束。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之編碼器系統，其中上述第一回反射器用於：自上述分光器接收上述參考光束；以及重新引導上述參考光束至上述分光器。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件包括在上述分光器和上述第一回反射器之間的複數稜鏡，上述稜鏡用於增加上述第一返回光束和上述參考光束之間的偏移。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之編碼器系統，其中上述稜鏡設置於上述參考光束和上述第一返回光束的光路之中。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之編碼器系統，其中上述稜鏡 包括楔形稜鏡或雙折射稜鏡。
  23. 如申請專利範圍第18項所述之編碼器系統，更包括一參考反射器，用於在一第一位置和一第二位置自上述分光器接收上述參考光束。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之編碼器系統，其中上述參考反射器包括一反射鏡。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之編碼器系統，其中上述參考反射器包括上述編碼器光柵之表面。
  26. 如申請專利範圍第23項所述之編碼器系統，更包括一第一四分之一波片，上述第一四分之一波片設置於上述參考反射器和上述分光器之間。
  27. 如申請專利範圍第16項所述之編碼器系統，更包括一第二四分之一波片，上述第二四分之一波片設置於上述編碼器光柵和上述分光器之間。
  28. 如申請專利範圍第11項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件包括一光束結合器，用於：自上述編碼器尺規接收上述第二返回光束；自上述分光器接收上述參考光束；以及結合上述第二返回光束和上述參考光束以形成上述輸出光束。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件包括一稜鏡對和一回反射器。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之編碼器系統，其中上述稜鏡對和上述回反射器用於重新引導上述第一返回光束至待測 物，作為上述第二入射光束。
  31. 如申請專利範圍第3項所述之編碼器系統，其中上述一個或多個光學元件包括一單一光學元件。
  32. 一種系統，包括：一可移動平台；以及如申請專利範圍第1項所述之編碼器系統，其中上述編碼器系統或上述待測物係附接於上述可移動平台。
  33. 一種微影系統，包括：如申請專利範圍第1項所述之編碼器系統；一可移動平台，其中上述編碼器系統或上述待測物係附接於上述可移動平台；一照射系統，耦接於上述編碼器系統，上述照射系統包括一輻射源，其中在上述微影系統操作期間，上述輻射源引導輻射至上述編碼器系統；一偵測器，在上述微影系統操作期間，上述偵測器偵測上述編碼器系統的輸出光束；一電子處理器，用於：自上述偵測器接收一干涉訊號，上述干涉訊號包括與一光程差有關之一相位；根據上述相位決定與上述編碼器尺規之位置變化有關的資訊；以及一定位系統，耦接於上述電子處理器，上述定位系統根據上述與上述編碼器尺規之位置變化有關的上述資訊調整上述可移動平台的位置。
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