TWI489081B - 使用編碼器系統的低同調干涉技術 - Google Patents

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Description

使用編碼器系統的低同調干涉技術
本發明一般係有關於一種使用編碼器系統的低同調干涉技術。
光學編碼器藉由光學地讀取刻度尺規來測量距離與移 動。不像光學距離測量干涉計(DMI,distance measuring interferometer)，尺規刻度界定了基本長度單位，而非光的波長。用於讀取尺規的干涉計(編碼器讀取頭)通常相當接近該尺規，以最小化擾動。讀取頭導引光到該尺規且恢復一或多個繞射階，以決定沿著尺規平面的移動。讀取頭對於該尺規的非常接近會導致非所欲繞射階被讀取頭截住，導致測量誤差。例如，2D尺規沿著4個方向產生繞射階。當使用同調光(例如雷射光)時，來自反射離開其他光學介面的這些額外光束或鬼影光束的反射會與測量光束相干涉，且導致測量誤差。雖然編碼器系統的幾何形狀可配置成阻擋這些非所欲光束的某些，但很難預料到所有鬼影光束，特別是如果光柵或讀取頭是在動態移動中，因為多重反射所產生的鬼影光束會仍然導致可測量誤差，且平台移動會動態地改變鬼影光束的方向。
本揭露之技術特徵係關於使用編碼器系統的低同調干涉技術。編碼器系統可用於透過低同調照射與耦接腔室結構的使用來最小化或消除非所欲鬼影光束。編碼器系統包含一低同調源與兩個串連耦接在一起的干涉計腔室。一個耦接的腔室編碼外差式調變且界定一系統光程差(OPD,optical path difference)。另一腔室包含讀取頭干涉計。此組合對於編碼器特別有用，因為垂直於編碼器尺規平面的移動範圍被限制。藉由選擇該源同調來剛好包含此範 圍，光學路徑超過此範圍的鬼影不再同調地與測試光束相干涉且被電性排除。
本發明之各種態樣係總結如下。
通常，在第一態樣中，本揭露之特徵在於用於決定關於一編碼器尺規之位置變化的資訊的方法，其中該方法包含：在一第一干涉計腔室中將一低同調光束分成沿著該第一干涉計腔室之一第一路徑行進的一第一光束以及沿著該第一干涉計腔室之一第二路徑行進的一第二光束；將該第一光束與該第二光束結合來形成一第一輸出光束；在一第二干涉計腔室中將該第一輸出光束分成沿著該第二干涉計腔室之一測量路徑行進的一測量光束以及沿著該第二干涉計腔室之一參考路徑行進的一參考光束；將該測量光束與該參考光束結合來形成一第二輸出光束；根據該第二輸出光束來偵測一干涉信號；以及根據來自該干涉信號的相位資訊來決定關於該編碼器尺規之位置變化的該資訊。
該等方法之實施可包含下述特徵之一或多者及/或其他態樣之特徵。例如，該等方法可包含調整與該第二干涉計腔室相關的一光程差(OPD)。調整與該第二干涉計腔室相關的該OPD可包含將與該第二干涉計腔室相關的該OPD設定成大約等於與該第一干涉計腔室相關的一OPD。與該第二干涉計腔室相關的該OPD以及與該第一干涉計腔室相關的該OPD之間的一差異可小於或等於該低同調光束的一同調長度。調整與該第二干涉計腔室相關的該OPD可包含調整該測量路徑或該參考路徑之至少一者的一光學路徑長 度(OPL,optical path length)。與該第一腔室相關的該OPD以及與該第二腔室相關的該OPD之每一者可大於該低同調光束的一同調長度。在一些實施例中，該第一腔室的該OPD係等於該第一路徑之一光學路徑長度(OPL)與該第二路徑之一OPL之間的一差異，該第二路徑之該OPL不同於該第一路徑之該OPL。
該等方法可包含在將該測量光束與該參考光束結合之前，導引該測量光束朝向該編碼器尺規，其中，該測量光束從該編碼器尺規繞射至少一次。該等方法可包含在該第一干涉計腔室中移動該第一光束或該第二光束之至少一者的一頻率。該第二輸出光束可包含一外差式頻率，在移動該第一光束或該第二光束之至少一者的該頻率之後，該外差式頻率等於該第一光束之該頻率與該第二光束之該頻率之間的一差異。
通常，在另一態樣中，本發明之特徵在於一種干涉式系統，包含一低同調照射源；一第一干涉計腔室，耦接至該低同調照射源，以接收該照射源的一輸出，該第一干涉計腔室相關於一第一光程差(OPD)；以及一第二干涉計腔室，耦接至該第一干涉計腔室，以接收該第一干涉計腔室的一輸出，該第二干涉計腔室相關於一第二OPD。
干涉式系統的實施例可包含下述特徵之一或多者及/或其他態樣之特徵。例如，該第一OPD可為固定。在一些實施例中，該第二OPD為可調整。
該第一OPD與該第二OPD之間的一差異可小於該低同 調照射源之一輸出之一同調長度(CL)。該第一OPD與該第二OPD之每一者係大於該照射源之該輸出之一同調長度(CL)。該第一OPD可大約等於該第二OPD。
該第一腔室可包含具有一第一光學路徑長度(OPL)的一第一段以及具有一第二不同OPL的一第二段，該第一腔室的該OPD等於該第一OPL與該第二OPL之間的該差異。
該第一腔室可包含在該第一段中的一頻率移動裝置，該頻率移動裝置配置成在該干涉式系統的操作期間移動在該第一段中的光的一頻率。該頻率移動裝置可包含一聲光調變器或一光電相位調變器。
該第二腔室包含具有一第一光學路徑長度(OPL)的一第一段以及具有一第二OPL的一第二段，該第二腔室的該OPD等於該第一OPL與該第二OPL之間的一差異。該第一OPL與該第二OPL之至少一者是可調整的。該第一段可對應於一測量路徑，且該第二段對應於一參考路徑。該第二腔室可包含一繞射編碼器尺規，該第一OPL與該第二OPL之每一者係相關於該編碼器尺規的一位置來界定。
該干涉式系統可包含一光偵測器與一電子處理器，該電子處理器配置成在該干涉式系統的操作期間從該光偵測器所偵測到的一信號取得外差式相位資訊。該第二腔室可包含一繞射編碼器尺規，且該電子處理器可配置成在該干涉式系統的操作期間根據該外差式相位資訊來獲得關於該編碼器尺規之一自由度的位置資訊。
某些實施可具有特定優點。例如，在一些實施中，該 干涉式系統透過低同調照射與一耦接腔室結構的使用可有助於非所欲鬼影光束的排除。一個耦接腔室(該外差式腔室)可編碼一外差式調變且界定一系統光程差(OPD)，而另一腔室(該測試腔室)可包含一讀取頭干涉計。此組合對於編碼器干涉式系統會特別有用，其中垂直於一編碼器尺規平面的該編碼器干涉式系統的移動範圍被限制。藉由選擇一照射源的該同調來包含此範圍，光學路徑超過此範圍的鬼影光束不會同調地與該測試光束相干涉且可因此被電性排除。此外，該讀取頭干涉計可包含多種不同光學幾何形狀，只要符合該腔室OPD限制就可。此外，該外差式腔室不需要定位成直接相鄰於該測試腔室。反而，該外差式腔室可定位於遠離該測試腔室的位置處。該外差式腔室可能為一過熱源，其可能負面地影響該測試腔室的該光學路徑長度(例如，藉由導致該測試腔室內之光學組件之折射率的改變)，且因此引致位置計算的誤差。藉由將該外差式腔室設置於遠離該測試腔室的一位置處，由於來自該調變器腔室的過熱所導致的誤差可在一些實施中被避免。
一或更多實施例之細節係提出於所附圖式與下面敘述中。其他特徵與優點將從敘述、圖式與該等申請專利範圍而明顯得知。
本揭露係關於使用編碼器系統的低同調干涉技術。下 面揭露係安排成三段。該揭露的第一段標題為「干涉式光學編碼器系統」，係關於干涉式光學編碼器系統可如何操作的一般敘述。該揭露的第二段標題為「低同調光學編碼器系統」，係關於範例光學編碼器系統以及它們根據低同調照射與耦接腔室結構的操作。該揭露的第三段標題為「微影工具應用」，係關於將光學編碼器系統整併於微影系統中。
干涉式光學編碼器系統
參見第1圖，干涉式光學編碼器系統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。光學裝置亦稱為「編碼頭」。笛卡兒座標系統係顯示做為參考。在第1圖的範例中，Y軸沿著垂直於該頁的方向延伸。
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。雖然第1圖中所繪示的編碼器尺規105是在一個方向中是週期性的結構，更一般地，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。
測量光束的這些繞射階的至少一者(標示為光束114)返回至光學裝置110，其中該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可為第一階的繞射光束。
輸出光束132包含關於測量光束與參考光束之間的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)」頻率或「參考」 頻率。關於測量物體之相對位置之改變的資訊通常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，且因此決定距離的相對改變。用於擷取此相位之示範技術的範例以及干涉式光學編碼器系統之進一步討論與操作可在美國專利No.8,300,233中找到，在此藉由參照將其整個內容併入。
第2圖是範例編碼器讀取頭200的示意圖，其可用於干涉式光學編碼器系統中。編碼器讀取頭200包含光束分離器202、參考回射器204(例如立方體角落反射器)、與測量回射器206(例如立方體角落反射器)。在其他實施中，編碼器讀取頭200可包含額外的光學組件，例如光學濾光器、透鏡或另外的光束分離器及/或回射器。照射源220導引輸入光束201朝向光束分離器202。光束分離器202之後從輸入光束201得到測量光束203與參考光束205，其中測量光束203被導引朝向目標物體210(例如編碼器尺規)、繞射、被回射器206重新導引朝向目標物體210，其中該光束被再次繞射。參考光束205行進朝向參考回射器204，其中該光束205被重新導引回到光束分離器202。二次繞射測量光束207也回到光束分離器202，其中測量光束207與回射的參考光束205相結合而形成輸出光束209，輸出光束209傳送至偵測器230。
但是，在一些實施中，從輸入光束201分離測量光束與參考光束分量可能是不完美的，例如部分的測量光束分量不行進於測量光束路徑及/或部分的參考光束分量不行 進於參考光束路徑，導致意外的光束「混合」。相似的，部分的回射光束與繞射測量光束可能行進於其他非所欲路徑，導致意外的光束混合。
通常，與行進於較佳路徑的其他光束相混合的假光束(spurious beam)被稱為「鬼影光束」。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，導致所偵測干涉信號頻率或相位的移動、或所偵測干涉信號振幅的改變，每一者都可能導致編碼器尺規之位置測量的誤差。
低同調光學編碼器系統
第3圖為光學干涉式系統300的範例光束路徑的示意圖，干涉式系統300可減低或消除與鬼影光束之存在相關的測量誤差。具體地，系統300配置成建立一定義的同調範圍，其中具有光束路徑在所定義範圍之外的鬼影光束不與測量光束同調地干涉，且因此可被系統300電性排除。
系統300包含低同調照射源320，其提供輸入光束301至耦接腔室模組。耦接腔室模組包含第一干涉計腔室306(「外差式」或「調變器」腔室)，其與第二干涉計腔室308(「測試」腔室)串聯耦接。來自耦接腔室模組的輸出被提供至偵測器330，偵測器330接著耦接至電子處理器350。沿著系統的不同位置被標示為節點(1)、(2)、(3)、與(4)。第一干涉計腔室306包含節點(1)與(2)。第二干涉計腔室308包含節點(3)與(4)。
低同調照射源320可包含任何合適的光源，其能夠產 生具有低同調的光束。針對此揭露的目的，低同調光束為具有寬光譜寬度(例如在光譜上寬於雷射)或低時間同調的光束，像是例如發光二極體(LED)或鹵素燈。
高斯光譜形狀(Gaussian spectral shape)的時間同調可用下面對比函數來表示
其中對比函數C(d ,λ,σ)的函數值是(正規化的)對比，d 是光學延遲，σ是高斯1/e寬度，且λ是光譜平均波長。所以給定λ與σ，讀者可計算該對比，其被觀測為延遲(光程差)的函數。例如，如果λ=1550nm且σ=0.5nm，則在半高寬(FWHM,full-width at half-maximum)的對比是大約1.1mm(二次繞射)。
外差式腔室306包含非相等路徑腔室，其中輸入光束301被分成兩不同光束(第一段306a與第二段306b)，兩不同光束行進於具有不同長度的不同路徑。腔室306之兩路徑之間的長度差異定義了兩光束之間的光程差(OPD)。例如，在一些實施中，第3圖所示之外差式腔室306之第一段306a之長度係長於外差式腔室306之第二段306b之長度，或反之亦然。腔室306之一或兩段亦可包含頻率移動裝置303，其給予該等光束已知的光學頻率差異(外差式頻率)或已知的相位改變率。
測試腔室308亦包含非相等路徑腔室，其中第二腔室308之OPD係名義上相同於第一腔室306之OPD。亦即，第 二腔室308之OPD大約等於第一腔室306之OPD。通常，第一腔室(外差式腔室)之OPD為固定，而第二腔室(測試腔室)OPD將因為測試表面的移動而改變。因此，第二腔室之OPD應該被精準設定，以確保在測試表面移動的全部範圍中有足夠的對比。相似於外差式腔室306，測試腔室308配置成將一輸入光束分成行進於不同路徑(測量路徑308a與參考路徑308b)的不同光束。測試腔室308之一路徑之長度可根據測試物體對於干涉計系統的相對位置來界定(例如測量路徑308a)，而腔室308之另一路徑(參考路徑308b)之長度為參考路徑長度。在某些實施中，從耦接腔室配置所產生的光在外差式頻率干涉，且干涉信號的相位係正比於外差式腔室306與測試腔室308之OPD之間的差異來調變。外差式載波的電子式去調變之後可用於擷取基本的相位改變，以及因此兩腔室之間的OPD改變。因此，如果外差式腔室306的OPD改變是已知，則可以決定測試腔室308的OPD改變，以及編碼器尺規的位置的對應改變。此外，具有光學路徑長度在照射源之同調長度之外的鬼影光束可被排除。腔室的配置順序是隨意的。亦即，測試腔室可被配置在外差式腔室之前或外差式腔室之後。
在系統300的操作期間，來自照射源320的低同調光在節點(1)處進入外差式腔室。如同上述，輸入光束301被分成兩不同光束，兩不同光束行進於具有不同路徑長度x的不同路徑。外差式腔室306中的第一路徑306a具有路徑長度x0 ，而外差式腔室306中的第二路徑306b具有預定 的OPD xh ，所以第二路徑中的全部路徑長度是x0 +xh 。在本範例中，外差式腔室的第二路徑306b也包含頻率移動裝置303(例如由石英或TeO2 所形成的聲光調變器或光電調變器)，其給予行進於腔室306的兩段中的該等光之間的光學頻率差異。因此，外差式腔室306在節點(2)處的輸出包含具有頻率ω的光以及移動至第二不同頻率ω’的光，其中ω’=ω+ωh ，其中ωh 是外差式頻率。
然後來自外差式腔室306的光在從節點(3)處進入測試腔室308之前行進一段距離x1 ，其中x1 為兩腔室之間的距離。測試腔室308中的第一路徑308a具有光學路徑長度x2 ，而測試腔室308中的第二路徑308b具有光學路徑長度x2 +xS ，其中xS 是測試腔室的可調整OPD。例如，在一些實施中，x2 +xS 對應於光沿著測試腔室308中的參考路徑所行進的長度，其中xS 可藉由修改該光入射在其上的回射器的位置來加以調整。
在第3圖的範例配置中，兩腔室中每一段的路徑長度被設定，使得測試腔室OPD大約等於照射源之同調長度(CL,coherence length)內的外差式腔室OPD。換句話說，兩腔室之OPD之間的差異是由| xh -xS |<CL來給定。假設xh 與xS 也遠大於同調長度，則第3圖所指示的該等節點處的電場正比於(忽視正規化)：
(1)：e iωt
(2)：其中k =ω /c 且k `=ω `/c
(3)：
(4)： 其中
在節點(4)，偵測器330紀錄電場的平方係數(squared modulus)。平方係數的表達式可藉由分別分派未知項A、B、C、與D給在節點(4)的電場的四個指數項而獲得。平方係數之後導致16個未知項，其可表示為AA*+AB*+AC*+AD*+BA*+BB*+BC*+BD*+CA*+CB*+CC*+CD*+DA*+DB*+DC*+DD*。四個產生的未知常數包含「自干涉」項(亦即，AA*、BB*、CC*與DD*)。自干涉項對應於常數(亦即零頻率)背景信號，且因此不構成干涉信號。相似地，未知常數AB*、BA*、CD*、DC*也相關於常數背景信號，且可被忽略。
未知項AC*、CA*、BD*與DB*則相關於具有正確外差式頻率(k-k’)但光學路徑長度(OPL)等於| xh |的信號。如同上述，xh 遠大於照射源的CL。因此，此種信號亦構成部分的常數背景，且可被忽略。
相似地，項AD*與DA*相關於具有正確外差式頻率與光學路徑長度為| xh +xS |的信號。假設xh 與xS 都超出CL，則對應的信號亦構成背景，且可被忽略。
但是，項BC*與CB*具有正確的外差式信號頻率與光學路徑長度等於| xh -xS |，其非常接近零且在照射源的CL內。因此，相關於BC*與CB*的信號是想要的信號。未知常數BC*與CB*的總和可表示為：
其中ω h =ω -ω `且k =ω /c ，其中c為光速。最後項的自變數可被忽略為很小的常數(例如ω h 1MHz且x h 10mm時是30毫拉德(mrad)的大小)，使得
前面式子的第一項是載波項。第二、中間項是來自整體固定路徑長度的小常數相位貢獻。增加兩腔室之間的距離(x1 )會改變第二項的相位，但僅非常緩慢，因為它正比於外差式頻率而非照射源的光學頻率。外差式腔室與測試腔室之間的分隔距離x1 可以非常大，允許外差式腔室遠離測試腔室。前面式子的最後項是想要的相位，且正比於測試腔室與外差式腔室之間的OPD差異(亦即xS -xh )。為了單獨獲得測試腔室的相位，外差式腔室可配置成具有常數或固定OPD，使得相位變化只是單獨因為測試腔室之一段之路徑長度的改變。替代地，藉由將外差式腔室耦接於另一固定OPD的腔室，就可監視外差式腔室。
頻率移動裝置303可用多種方式來產生第一腔室的兩段中的外差式頻率差異。例如，頻率移動裝置303可包含聲光調變器(AOM,acousto-optical modulator)裝置，其被插置於外差式腔室的一或兩段中，其中在每一段中的調變器被不同頻率驅動。兩頻率之間(或是在一段中的單一調變器的頻率與在另一段中的照射的頻率之間)的差異對應於外差式頻率。在另一範例中，頻率移動裝置303可 包含光電相位調變器(EOM,electro-optic phase modulator)，其整併於外差式腔室的第一段中，且被具有產生2 π相位移動之振幅的波形(例如鋸齒波形)所驅動。該波形的頻率對應於外差式頻率。前述方法通常稱為調相轉發器(Serrodyne)方法。替代地，在一些實施中，使用兩個相位調變器，外差式腔室的每一段中有一個相位調變器，其中該等調變器以具有π之振幅但具有相反相位的調相轉發器方法同時被驅動，以產生相同的結果。在一些實施中，使用調相轉發器方法來產生常數外差式頻率，使得簡單的傅立葉轉換可被施用至所偵測到的干涉信號，以恢復該相位。
可利用干涉計系統300的各種實施例。例如，第4圖是範例編碼器系統400的示意圖，其使用編碼器讀取頭作為測試腔室408。至測試腔室408的輸入是由外差式腔室406提供，外差式腔室406包含具有不同光纖長度的兩不同光學路徑。在一範例中，外差式腔室406使用偏光維持(PM,polarization-maintaining)光纖來從低同調照射源420導引光。替代地，或額外地，腔室406的該等段中的光可使用光學組件(例如透鏡與反射鏡)來導引在自由空間中。外差式腔室406的第一段411相對於第二段413來說具有額外的長度來設定腔室OPD。此外，光電調變器403被整併於第一段411中作為頻率移動裝置。使用上述的調相轉發器方法，調變器403將外差式腔室406從那個段所輸出的光的頻率移動了外差式頻率fh 。源420的同調 長度係根據垂直於光柵平面的預期移動範圍來修改。為了最小化信號(干涉)損耗，同調長度必須長於垂直於光柵平面的預期移動。外差式腔室406的輸出然後被傳送至測試腔室408。
測試腔室408包含光束分離器422、測量回射器424、與參考回射器426(例如立方體角落反射器)。在一些實施中，回射器及/或光束分離器422可固定至可調整式底座，其允許回射器及/或光束分離器在一或多個方向中移動。光束分離器422將輸入光分離進入成測量路徑與參考路徑。沿著測量路徑行進的光被編碼器尺規405繞射且返回至光束分離器422，其中被繞射光與參考光相結合，參考光已經被參考回射器426反射。已結合的光之後傳送至光偵測器430。處理器450分析光偵測器430所接收的信號來決定相位資訊。
測試腔室408的OPD對應於編碼器讀取頭的測量與參考路徑之間的光學路徑長度差異。如果外差式腔室406與測試腔室408之間的OPD差異小於光源同調長度，則干涉發生於光偵測器430處。從光偵測器430所獲得的相位係正比於外差式與編碼器腔室之間的OPD差異。為了單獨獲得測試腔室408的相位，讀者可以減去對應於外差式腔室406之OPD的相位。用於獲得測試腔室408的相位的一個技術包含減去來自固定OPD腔室的相位，固定OPD腔室的OPD被限制成實質上相同於照射同調長度內的外差式腔室OPD，且理想地是等於外差式腔室OPD。例如，第4圖顯示 固定干涉計腔室440，其配置成具有與外差式腔室406相同的OPD。在將來自兩路徑的光重新結合之前，固定干涉計腔室440將入射至腔室440的光分離進入具有特定OPD的兩路徑。光偵測器460從固定干涉計腔室440接收一輸出信號。處理器450耦接至偵測器460。為了易於觀視，未顯示處理器至光偵測器460的耦接。處理器450從光偵測器460所接收的信號擷取相位資訊，且從從光偵測器430所獲得的相位資訊減去此相位而獲得測試腔室408獨自的相位，以及因此獲得了測試物體的位移資訊。注意到，針對系統400中的每一干涉計，OPD應該遠大於光源同調長度，以最小化可能因為鬼影光束之存在而發生的誤差。
在一些實施例中，編碼器讀取頭可配置成使得測試腔室OPD為可調整。例如，第5圖是編碼器系統的測試腔室508的示意範例，其中測試腔室包含可調整的編碼器讀取頭。具體地，編碼器讀取頭包含測量回射器524(例如立方體角落反射器)、1/4波片525、光束分離器522、與可調整式參考回射器526(例如附接至可調整式底座的立方體角落反射器)。光束分離器522包含非偏光光束分離器部523與偏光光束分離器部521。
在編碼器系統的操作期間，具有合適偏振的光(例如S偏振光)係提供自外差式腔室506，且入射至主要光束分離器立方體522的非偏光光束分離器部521。在一些實施中，外差式腔室506位於測試腔室之後，但在編碼器尺規505之前。假設編碼器尺規505對於想要的繞射階具有反 射係數RG ，光束分離器應配置成反射大約1/(1+RG 2 )的輸入光束成為測試光束(測試光束被重新導引朝向編碼器尺規505)，且傳送輸入光束的剩餘部份至參考光束，以平衡參考與測試強度。
參考光束通過1/4波片525、至可調整式參考回射器526、再次通過1/4波片525來改變偏光(例如從S偏振光到P偏振光)、通過主要光束分離器立方體522的偏光光束分離器部521、且與測試光束相結合。參考回射器526的位置在此範例中可沿著X方向來調整，以設定該測試腔室OPD名義上相同於外差式腔室506的OPD。替代地，在一些實施中，參考回射器526可固定至光束分離器立方體522，且光束分離器立方體522相對於編碼器尺規505的距離可被調整。
第6圖是範例編碼器讀取頭的示意圖，其中參考回射器626透過1/4波片625而固定至可調整式光束分離器立方體部分622，其中立方體622在結構上相似於第5圖所示的光束分離器立方體522。在第6圖的範例中，立方體622本身的位置可沿著Z方向來調整(例如藉由固定立方體622至可調整式底座)，以設定該測試腔室的OPD名義上相同於外差式腔室606的OPD。在一些實施中，可使用第5與6圖所示的編碼器讀取頭配置的組合，其中參考回射器與光束分離器立方體兩者都配置成具有可調整的位置(例如使用一或多個致動器，例如機電致動器)。
各種編碼器系統幾何形狀可被修改來利用第3圖所示 的相同普遍配置。例如，在一些實施例中，第3圖所示的配置可藉由下述來達成：1)利用低同調照射源與外差式腔室來取代編碼器系統照射源，2)耦接外差式腔室的輸出至事先存在的測試腔室，及3)確保兩腔室的OPD滿足能夠排除非所欲鬼影光束的限制(例如| xh -xS |<CL且OPD遠大於CL)。在一些實施例中，該等OPD要求可被滿足而不用對於測試腔室的配置有任何實質改變。而是，僅是為了設定測試路徑的光學路徑長度並限制該路徑中所允許的變化範圍，才修改該測試腔室。
第7圖是示意圖，顯示編碼頭的範例的剖面，其已經被修改來操作作為與低同調源及外差式腔室(像是例如第4圖所示的外差式腔室)相結合的測試腔室幾何形狀。修改之前被包含在編碼頭中的干涉計系統的操作與設計的敘述可在美國專利NO.7,440,113中找到，在此藉由參照將其整個內容併入。
如同第7圖所示，測試腔室708包含回射器726(例如立方體角落反射器)、光束分離器722、第一與第二偏光改變元件721a,721b、第三與第四偏光改變元件723a,723b、與混合偏光器725(例如薄片偏光器或立方體偏光器)。偏光改變元件的範例包含(但不限於)波片，例如1/4波片與1/2波片。第三與第四偏光改變元件723a與723b可包含反射性塗覆(例如反射性介電薄膜堆疊或包含金屬的反射鏡塗覆，例如鋁、銀或金)來將入射光反射回去朝向光束分離器722。
從外差式腔室提供包含兩正交偏光分量的光。在光束分離器722的介面750處，根據輸入光束的分量的偏光差異而將來自外差式腔室的輸入光分成測量光束與參考光束。例如，測量光束可具有第一偏光類型(例如p偏光)，其中測量光束橫越過光束分離器介面與第一偏光改變元件721a，以致於以利特羅(Littrow)角度709(亦即，其中入射角等於反射角)入射在編碼器尺規705上。出射測量光束的繞射橫越過第一偏光改變元件721a，導致該光束具有第二偏光類型(例如s偏光)。繞射測量光束在光束分離器介面750處反射、行進通過回射器726、再次在光束分離器介面750處反射、且橫越過第二偏光改變元件721b。第二通過出射測量光束以利特羅角度709入射在編碼器尺規705上。第二通過出射測量光束的繞射與入射光束在同一直線，且再次橫越過第二偏光改變元件721b而變成具有第一偏光類型(例如p偏光)的第二通過測量光束。p偏光的第二通過測量光束橫越過光束分離器介面750與混合偏光器725而到達偵測器730。
光束分離器之介面750處所形成的參考光束具有第二偏光(例如s偏光)，不同於在介面750處從輸入光束取得的測量光束的偏光。參考光束之後從第三偏光改變元件723a反射、行進回去通過介面750朝向回射器726，其中參考光束被重新導引回去再次通過介面750。在通過介面750第二次之後，參考光束從第四偏光改變元件723b反射，且之後從光束分離器介面750反射朝向偵測器730。 在到達偵測器730之前，參考光束通過混合偏光器725而與測量光束結合。
在第7圖所示的範例，藉由調整第一通過與第二通過測量光束從光束分離器722行進至編碼器尺規705的距離，可修改測試路徑光學路徑長度(以及因此腔室OPD)。例如，包含光束分離器722、回射器726與偏光改變元件的配置可沿著路徑760朝向編碼器尺規705轉移或轉移遠離編碼器尺規705，其中該路徑以利特羅角度與編碼器尺規705相交。替代地，或額外地，參考路徑光學路徑長度可被修改，例如藉由調整回射器726相對於光束分離器722的位置。
第8A圖為位置測量裝置之編碼頭之另一範例的方塊圖，其已經被修改來操作作為與低同調源及外差式腔室相結合的測試腔室。第8B圖為四光柵干涉計的實施例的前視圖，其根據第1圖所示的光束路徑。修改之前被包含在編碼頭中的四光柵干涉計系統的操作與設計的敘述可在美國專利NO.7,019,842中找到，在此藉由參照將其整個內容併入。位置測量裝置包含尺規與掃描單元，掃描單元相對於該尺規而在測量方向中移動。掃描單元包含掃描光柵、脊狀角柱與光電偵測器元件。脊狀角柱具有定向成平行於測量方向的脊部，脊狀角柱在第二方向中作動為回射器，第二方向對準於該尺規的平面而垂直於測量方向。第8A圖所示的光束路徑係顯示為展開圖。
測試腔室808包含光柵干涉計，用以測量光柵之間的 移動。在此干涉計中，測量方向為X方向。如同先前的範例，Y軸沿著垂直於該頁表面的方向延伸。
例如，測試腔室808的光柵干涉計為四光柵(801、803、805、807)傳送光柵，其中該等光柵具有相同的光柵常數或刻度週期。「測試」或「測量」物體包含光柵801與807。因此，光柵801與807的移動是此實施中所要偵測的目標。尺規光柵801被來自外差式腔室806(例如第4圖所示的外差式腔室)的入射光垂直照射。在本範例中，光柵801的刻度週期沿著X方向延伸。由尺規光柵801處的繞射所產生的光束行進至第一掃描光柵803，其配置在離尺規光柵801一距離D處(例如大約150mm)。兩光束藉由在第一掃描光柵803處被繞射而變直，且行進至第二掃描光柵805。在此過程中，兩光束之每一者通過附接至該等掃描光柵的兩偏光光學延遲元件820、822或824、826(例如1/8波片)，以產生左圓形偏光與右圓形偏光光束。替代地，可利用一個四分之一波片來代替兩個1/8波片。
在第二掃描光柵805處，該等光束被折射成+/-第一繞射階，且行進至尺規光柵807，尺規光柵807配置在離掃描光柵805一距離D處。在尺規光柵807處，兩個圓形偏光光束被繞射，使得該等光束重疊且沿著通過光柵807之後的相同路徑行進。線性偏光光束(其偏光方向為在測量方向(X方向)中的該尺規位移的函數)藉由將兩個圓形偏光光束疊加而產生。線性偏光光束的相位移動是沿著X方向的光柵801、807位移的函數。
光柵809之後將線性偏光光束分成三個部分光束。三個偏光器840、842、844配置來分別接收該等三個不同光束，且被定向成使得該等入射光束相對於彼此相位移動大約120°。該等三個相位移動的光束之每一者接著入射在不同光偵測器上(例如光偵測器830、832或834)。每一光偵測器接著輪流產生對應於因此被偵測到之光束的偵測信號。所產生的信號亦相對於彼此相位移動大約120°。所產生的信號之後傳送至電子處理器(例如處理器150、350或450)，電子處理器之後可用於計算該測試腔室808的OPD(例如藉由使用已知的相位移動干涉式演算法)。在本實施中，耦接至可調整式底座的回射器802(例如立方體角落反射器)係插設於一光束的路徑中。回射器的位置之後可被調整來修改該測試腔室808的一段中的光束路徑長度，且相似地調整該測試腔室OPD，使得測試腔室OPD名義上等於外差式腔室806的OPD(例如，測試與外差式腔室之間的OPD差異是在光源同調長度內)。
關於第8B圖所示的測試腔室，照射係從外差式腔室10提供(例如像是第4圖所示的外差式腔室406)。第8B圖所示的裝置的操作的另外細節可在美國專利NO.7,019,842中找到，在此藉由參照將其整個內容併入。但是，對於那個系統的修改為：掃描光柵(30)、1/8波片(40)、與脊狀角柱(50)之至少一者的位置是做成可調整的。例如，光柵30、1/8波片40、與脊狀角柱50可固定至可調整式底座(未示)，使得包含光柵30、波片40、 與脊狀角柱50的第三光束路徑的光學路徑長度(以及所以測試腔室的OPD)可被改變。
第9圖是編碼頭/測試腔室幾何形狀的另一範例的示意圖，其已經被修改來與低同調源及外差式腔室相結合操作。具體地，測試腔室908包含干涉計幾何形狀，其配置成透過雙繞射來最小化光柵製造本質內的光學路徑誤差。修改之前被包含在第9圖之編碼頭中的干涉計系統的操作與設計的敘述可在美國專利NO.4,979,826中找到，在此藉由參照將其整個內容併入。
在第9圖中，從外差式腔室(例如像是第4圖所示的外差式腔室406)發射的光束藉由光束分離器901而被分成兩光束(光束(a)與光束(b))。光束(a)通過光束分離器901且被反射鏡903反射而以相對於編碼器尺規表面之垂直線的入射角θ1 朝向編碼器尺規905上的點0。另一方面，光束(b)被光束分離器901反射且被反射鏡907反射朝向回射器902(例如立方體角落反射器)。回射器902之後也以入射角θ1 重新導引光束(b)朝向點0。光束(a)被編碼器尺規905繞射成不同繞射階(例如+1繞射階光束、0繞射階光束、與-1繞射階光束)。在那些繞射階當中，-1繞射階光束-1(a)以角度θ2 從編碼器尺規905出射，且被反射鏡911與909反射回編碼器尺規905上的點0。光束(b)也被編碼器尺規905繞射成不同繞射階。在光束(b)之繞射所產生的該等繞射階光束當中，+1繞射階光束+1(b)以角度θ2 從編碼器尺規905出射，且被 反射鏡909與911反射回編碼器尺規905上的點0。包含反射鏡909與911的反射光學系統被設置，使得兩光束-1(a)與+1(b)各行進在共同光學路徑上的相反方向中，且以角度θ2 再次進入點0。
光束-1(a)再次被繞射成多個不同的再繞射階。在那些再繞射光束當中，-1階、-1x2(a)從編碼器尺規905上的點0垂直於尺規905的光柵表面出射。相似地，光束+1(b)再次被繞射成多個不同的再繞射階。在那些再繞射光束當中，+1階、+1x2(b)從編碼器尺規905上的點0垂直於尺規905的光柵表面出射。光束-1x2(a)與光束+1x2(b)從共同點0以相同方向出射，且它們的光學路徑彼此重疊，使得光束-1x2(a)與+1x2(b)彼此干涉且在被光偵測器913偵測時提供干涉光信號。光束-1x2(a)對應於已經遭受編碼器尺規905的-1階繞射兩次的光束。光束-1x2(a)的相位因此對於編碼器尺規905在箭頭920的任一方向中的每個相對移動量x延遲了φa 。相似地，光束+1x2(b)的相位對於繞射尺規905在箭頭920的任一方向中的每個相對移動量x提早了φb 。兩光束在光偵測器913處的干涉所產生的干涉信號被傳送至電子處理器(例如像是電子處理器150、350、或450)，電子處理器可以擷取干涉信號的相位。藉由使用來自外差式腔室的輸出且併入反射鏡907與回射器902，可改變兩光束之一者的光學路徑長度，以產生名義上匹配於在照射源的同調長度內之外差式腔室OPD的腔室OPD。
上面第3圖所示的光束路徑配置亦可應用至距離測量干涉計、以及像是例如平面反射鏡干涉計(PMI,plane mirror interferometer)、高穩定度PMI、差動式PMI。例如，第10圖是示意圖，顯示具有共同參考路徑的多通道距離測量干涉計的範例的剖面視圖，其已經被修改來與低同調源及外差式腔室相結合操作。在第10圖所示的修改之前的多通道距離測量干涉計的操作與設計的敘述可在美國專利NO.7,224,466中找到，在此藉由參照將其整個內容併入。
系統1008包含光束分離器1001，光束分離器1001相對於測試物體上之測量反射器1003的位置可被修改。換句話說，測試腔室對應於測量反射器1003(例如反射鏡)與四分之一波片1005之間的區域，其中反射器1003與波片1005之間的距離為可調整的。因此，行進於系統1008中的光束的光學路徑長度可被改變，使得測試腔室1008的OPD名義上相同於外差式腔室1006的OPD。
除了光束分離器1001、反射器1003、與四分之一波片1005之外，系統1008也包含四分之一波片1007、參考反射器1009(例如反射鏡)、回射器1011與1013(例如立方體角落反射器)、與光束分離光學元件1015。來自外差式腔室1006的外差式輸出係對應於輸入光束IN，其包含具有正交線性偏光的兩分量(虛與實線)。雖然參考反射器1009顯示在第10圖中是固定至四分之一波片1007，且因此亦固定至光束分離器1001，反射器1009亦可個別設 置在例如可調整式底座上。
偏光光束分離器1001根據線性偏光而分離輸入光束IN的該等分量，以產生共用測量光束與共用參考光束。測量光束與參考光束被稱為「共用」，因為使用第10圖所示的配置來產生兩個不同輸出通道，其中亦可測量偏斜。共用測量光束為輸入光束IN中該偏光光束分離器1001一開始朝向四分之一波片1005傳送的偏光分量，且共用參考光束為輸入光束IN中該偏光光束分離器1001一開始朝向四分之一波片1007反射的偏光分量。共用測量光束行進於路徑MS通過四分之一波片1005到達測量反射鏡1003、從測量反射鏡1003反射、且行進於路徑MS’回去通過四分之一波片1005進入偏光光束分離器1001。共用測量光束係入射垂直於測量反射鏡1003，且共用測量光束的路徑MS與MS’為同直線。
共用測量光束兩次通過四分之一波片1005會有將共用測量光束的偏光旋轉90°的效果，導致共用測量光束之後從偏光光束分離器1001中的光束分離介面1050反射朝向光束分離光學元件1015。共用測量光束因此從偏光光束分離器1001通過，且進入光束分離光學元件1015。
偏光光束分離器1001亦在介面1050處反射輸入光束IN的一分量，以產生共用參考光束，共用參考光束沿著路徑RS行進通過四分之一波片1007到達參考反射鏡1009。共用參考光束沿著路徑RS’反射回去、通過四分之一波片1007而回到偏光光束分離器1001。共用參考光束之後具有 偏光光束分離器1001會傳送的線性偏光，且共用參考光束通過偏光光束分離器1001而進入光束分離光學元件1015(實質上與共用測量光束在相同直線)。
光束分離光學元件1015將共用測量光束與共用參考光束分成對應於測量軸的個別光束。因為光束分離器1015上的光束分離介面1060處存在有非偏光塗覆，共用測量光束的一半能量與共用參考光束的一半能量因此通過光束分離器塗覆，且進入與第一測量軸相關的回射器1011。共用測量與共用參考光束的另一半從光束分離器塗覆反射，且之後進入與第二測量軸相關的回射器1013。
回射器1011將對應於第一測量軸的個別光束反射及偏移。此第一個別光束回到偏光光束分離器1001，偏光光束分離器1001在介面1050處將第一個別光束分成與第一測量軸相關的第一測量光束與第一參考光束。第一測量光束從偏光光束分離器1001中的偏光光束分離器介面1050反射，且行進通過四分之一波片1005沿著路徑M1到達測量反射器1003。第一測量光束之後從測量反射鏡1003反射，且沿著路徑M1’返回至偏光光束分離器1001。
第一測量光束從測量反射鏡1003的反射會引致相同但相反的角度誤差，該角度誤差可抵消第一測量與參考光束之間的變化。在橫越路徑R1與R1’而往返參考反射鏡1009且從偏光光束分離器1001中的光束分離器介面1050反射之後，第一參考光束因此是平行於第一測量路徑M1’，且第一測量與參考光束出射而形成用於第一測量軸 的輸出光束OUT1，其中輸出光束OUT1被第一偵測器1040(例如光偵測器)偵測。
第二個別光束從回射器1013反射，且進入偏光光束分離器1001，其中偏光光束分離器1001將第二個別光束分成第二測量光束與第二參考光束。在第二測量與參考光束出射而形成對應於第二測量軸的第二輸出光束OUT2之前，第二測量光束行進於路徑M2與M2’而往返測量反射器1003，且第二參考光束行進於路徑R2與R2’而往返參考反射器1009，其中輸出光束OUT2被第二偵測器1042(例如光偵測器)偵測。
測量電子器1030(例如電子處理器)耦接至偵測器1040且接收偵測器1040在偵測輸出光束OUT1時所產生的輸出信號，測量電子器1030測量第一測量光束與第一參考光束之間的頻率差異，且計算從測量反射鏡1003反射而導致在第一測量光束中的任何都卜勒頻移(Doppler shift)。此經測量的都卜勒頻移包含共用測量光束的反射(亦即，從路徑MS至路徑MS’的反射)所引致的一分量以及第一測量光束的反射(亦即，從路徑M1至路徑M1’的反射)所引致的一分量。測量電子器1030因此有效地測量了測量反射鏡1003在兩個點的移動平均，其應該等於測量反射鏡1003上的兩個反射之間的中間點的移動。
測量電子器1032(例如電子處理器)耦接至偵測器1042且接收偵測器1042在偵測輸出光束OUT2時所產生的輸出信號，測量電子器1032測量第二測量光束與第二參考 光束之間的頻率差異，以測量從測量反射鏡1003反射而導致在第二測量光束中的任何都卜勒頻移。此經測量的都卜勒頻移包含共用測量光束的反射(亦即，從路徑MS至路徑MS’的反射)所引致的該分量以及第二測量光束的反射(亦即，從路徑M2至路徑M2’的反射)所引致的一分量。測量電子器1032因此有效地測量了測量反射鏡1003在兩個點的移動平均，其應該等於來自測量反射鏡1003的兩個反射之間的中間點的移動。
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、350、450、1030、及/或1032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價值是可觀的。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,inMicrolithography：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1826的微影工具1800的範例係顯示 在第11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1822用於相對於曝光站來定位及支撐晶圓。掃描器1800包含框架1802，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1804在其頂部安裝了透鏡殼體1806，透鏡殼體1806頂部安裝了光罩或遮罩平台1816，平台1816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1817示意地指出。定位系統1817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 SmithMicrolithography：Science and Technology )。
懸掛在曝光基座1804底下的是支撐基座1813，其承載晶圓平台1822。平台1822包含測量物體1828，用於繞射被光學裝置1826導向至該平台的測量光束1854。用於相對於光學裝置1826來定位平台1822的定位系統係由元件1819示意地指出。定位系統1819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1804上。編碼器系統可為任何前述實施例。
在操作期間，輻射光束1810(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1812，且從反射鏡1814反射之後，朝下行進。之後，輻射光束通 過遮罩平台1816所承載之遮罩(未示)。遮罩(未示)透過透鏡殼體1806中所承載之透鏡組合1808而成像至晶圓平台1822上的晶圓(未示)上。基座1804與其所支撐的各種組件藉由彈簧1820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，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1826可被定位來測量光罩(或遮罩)平台1816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12A及12B圖敘述於下。第12A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1951是設計程序，用於設計半導體裝置的電路。步驟1952是程序，用於根據電路圖案設計來製造遮罩。步驟1953是程序，用於藉由使用例如矽的材料來製造晶圓。
步驟1954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1955是組合程序，稱為後續程序，其中步驟1954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1956是檢查程序，其中步驟1955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1957)。
第12B圖是流程圖，顯示晶圓程序的細節。步驟1961是氧化程序，用於氧化晶圓的表面。步驟1962是CVD程序，用於形成絕緣膜於晶圓表面上。步驟1963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1964是離子佈植程序，用於佈植離子至晶圓。步驟1965是光阻程序，用於施加光阻(感光材料)至晶圓。步驟1966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1967是顯影程序，用於顯影被曝光的晶圓。步驟1968是蝕刻程序，用於移除並非被顯影之光阻影像的部分。步驟1969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。
0‧‧‧點
10‧‧‧外差式腔室
30‧‧‧光柵
40‧‧‧1/8波片
50‧‧‧脊狀角柱
100‧‧‧干涉式編碼器系統
101‧‧‧測量物體
105‧‧‧編碼器尺規
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‧‧‧編碼器讀取頭
201‧‧‧輸入光束
202‧‧‧光束分離器
203‧‧‧測量光束
204‧‧‧參考回射器
205‧‧‧參考光束
206‧‧‧測量回射器
207‧‧‧二次繞射測量光束
209‧‧‧輸出光束
210‧‧‧目標物體
220‧‧‧照射源
230‧‧‧偵測器
300‧‧‧干涉式系統
301‧‧‧輸入光束
303‧‧‧頻率移動裝置
306‧‧‧第一干涉計(外差式)腔室
306a‧‧‧第一段
306b‧‧‧第二段
308‧‧‧第二干涉計(測試)腔室
308a‧‧‧測量路徑
308b‧‧‧參考路徑
320‧‧‧低同調照射源
330‧‧‧偵測器
350‧‧‧電子處理器
400‧‧‧編碼器系統
403‧‧‧光電調變器
405‧‧‧編碼器尺規
406‧‧‧外差式腔室
408‧‧‧測試腔室
411‧‧‧第一段
413‧‧‧第二段
422‧‧‧光束分離器
424‧‧‧測量回射器
426‧‧‧參考回射器
430‧‧‧光偵測器
440‧‧‧固定干涉計腔室
450‧‧‧處理器
460‧‧‧光偵測器
505‧‧‧編碼器尺規
506‧‧‧外差式腔室
508‧‧‧測試腔室
521‧‧‧偏光光束分離器部
522‧‧‧光束分離器
523‧‧‧非偏光光束分離器部
524‧‧‧測量回射器
525‧‧‧1/4波片
526‧‧‧可調整式參考回射器
606‧‧‧外差式腔室
622‧‧‧光束分離器立方體
625‧‧‧1/4波片
626‧‧‧參考回射器
708‧‧‧測試腔室
709‧‧‧利特羅角度
721a‧‧‧第一偏光改變元件
721b‧‧‧第二偏光改變元件
722‧‧‧光束分離器
723a‧‧‧第三偏光改變元件
723b‧‧‧第四偏光改變元件
725‧‧‧混合偏光器
726‧‧‧回射器
730‧‧‧偵測器
750‧‧‧介面
801、803、805、807‧‧‧光柵
806‧‧‧外差式腔室
808‧‧‧測試腔室
820、822、824、826‧‧‧偏光光學延遲元件
830、832、834‧‧‧光偵測器
840、842、844‧‧‧偏光器
901‧‧‧光束分離器
902‧‧‧回射器
903‧‧‧反射鏡
905‧‧‧編碼器尺規
907‧‧‧反射鏡
908‧‧‧測試腔室
909、911‧‧‧反射鏡
913‧‧‧光偵測器
920‧‧‧箭頭
1001‧‧‧光束分離器
1003‧‧‧測量反射器(鏡)
1005‧‧‧四分之一波片
1006‧‧‧外差式腔室
1007‧‧‧四分之一波片
1008‧‧‧系統
1009‧‧‧參考反射器
1011、1013‧‧‧回射器
1015‧‧‧光束分離光學元件
1030、1032‧‧‧測量電子器
1040‧‧‧第一偵測器
1042‧‧‧第二偵測器
1050‧‧‧光束分離介面
1060‧‧‧光束分離介面
1800‧‧‧微影工具(掃描器)
1802‧‧‧框架
1804‧‧‧曝光基座
1806‧‧‧透鏡殼體
1808‧‧‧透鏡組合
1810‧‧‧輻射光束
1812‧‧‧光束成形光學裝置
1813‧‧‧支撐基座
1814‧‧‧反射鏡
1816‧‧‧光罩或遮罩平台
1817‧‧‧定位系統
1819‧‧‧定位系統
1820‧‧‧彈簧
1822‧‧‧平台
1826‧‧‧干涉式系統(光學裝置)
1828‧‧‧測量物體
1854‧‧‧測量光束
D‧‧‧距離
IN‧‧‧輸入光束
M1、M1’‧‧‧路徑
M2、M2’‧‧‧路徑
MS、MS’‧‧‧路徑
OUT1‧‧‧輸出光束
OUT2‧‧‧第二輸出光束
R1、R1’‧‧‧路徑
R2、R2’‧‧‧路徑
RS、RS’‧‧‧路徑
x0 ‧‧‧路徑長度
x1 ‧‧‧距離
x2 ‧‧‧光學路徑長度
xh ‧‧‧OPD
xS ‧‧‧測試腔室的可調整OPD
ω、ω’‧‧‧頻率
ωh ‧‧‧外差式頻率
θ1 ‧‧‧入射角
θ2 ‧‧‧角度
(1)、(2)、(3)、(4)‧‧‧節點
(a)、(b)‧‧‧光束
-1(a)‧‧‧光束
+1(b)‧‧‧光束
-1、-1x2‧‧‧再繞射光束
+1、+1x2(b)‧‧‧再繞射光束
第1圖為干涉式光學編碼器系統的範例的示意圖。
第2圖為編碼器讀取頭的範例的示意圖。
第3圖為光學干涉式系統之光束路徑的範例的示意圖。
第4圖為干涉式光學編碼器系統的範例的示意圖。
第5圖是測試腔室的範例的示意圖。
第6圖為編碼器讀取頭的範例的示意圖。
第7圖是示意圖，顯示部分干涉計的範例，其被修改來與低同調源及外差式腔室操作。
第8A圖為部分干涉計的方塊圖，其被修改來與低同調源及外差式腔室操作。
第8B圖是示意圖，顯示部分干涉計的範例，其被修改來與低同調源及外差式腔室操作。
第9圖是示意圖，顯示部分干涉計的範例，其被修改來與低同調源及外差式腔室操作。
第10圖是示意圖，顯示部分的多通道距離測量干涉計的範例，其被修改來與低同調源及外差式腔室操作。
第11圖是微影工具的實施例的示意圖，其包含一干涉計。
第12A圖與第12B圖是流程圖，描述了製造積體電路的程序。
100‧‧‧干涉式編碼器系統
101‧‧‧測量物體
105‧‧‧編碼器尺規
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

Claims (23)

  1. 一種決定一編碼器尺規之位置變化資訊的方法，包含：在一第一干涉計腔室中將一低同調光束分成沿著該第一干涉計腔室之一第一路徑行進的一第一光束以及沿著該第一干涉計腔室之一第二路徑行進的一第二光束；將該第一光束與該第二光束結合來形成一第一輸出光束；在一第二干涉計腔室中將該第一輸出光束分成沿著該第二干涉計腔室之一測量路徑行進的一測量光束以及沿著該第二干涉計腔室之一參考路徑行進的一參考光束；調整與該第二干涉計腔室相關的一光程差(OPD)；將與該第二干涉計腔室相關的該OPD設定成大約等於與該第一干涉計腔室相關的一OPD；將該測量光束與該參考光束結合來形成一第二輸出光束；根據該第二輸出光束來偵測一干涉信號；以及根據來自該干涉信號的相位資訊來決定關於該編碼器尺規之位置變化的該資訊。
  2. 根據申請專利範圍第1項之決定一編碼器尺規之位置變化資訊的方法，其中，與該第二干涉計腔室相關的該OPD以及與該第一干涉計腔室相關的該OPD之間的一差異係小於或等於該低同調光束的一同調長度。
  3. 根據申請專利範圍第1項之決定一編碼器尺規之位 置變化資訊的方法，其中，調整與該第二干涉計腔室相關的該OPD包含調整該測量路徑或該參考路徑之至少一者的一光學路徑長度(OPL)。
  4. 根據申請專利範圍第2項之決定一編碼器尺規之位置變化資訊的方法，其中，與該第一腔室相關的該OPD以及與該第二腔室相關的該OPD之每一者係大於該低同調光束的一同調長度。
  5. 根據申請專利範圍第1項之決定一編碼器尺規之位置變化資訊的方法，其中，該第一腔室的該OPD係等於該第一路徑之一光學路徑長度(OPL)與該第二路徑之一OPL之間的一差異，該第二路徑之該OPL不同於該第一路徑之該OPL。
  6. 根據申請專利範圍第1項之決定一編碼器尺規之位置變化資訊的方法，另包含在將該測量光束與該參考光束結合之前，導引該測量光束朝向該編碼器尺規，其中，該測量光束從該編碼器尺規繞射至少一次。
  7. 根據申請專利範圍第1項之決定一編碼器尺規之位置變化資訊的方法，另包含在該第一干涉計腔室中移動該第一光束或該第二光束之至少一者的一頻率。
  8. 根據申請專利範圍第7項之決定一編碼器尺規之位置變化資訊的方法，其中，該第二輸出光束包含一外差式頻率，在移動該第一光束或該第二光束之至少一者的該頻率之後，該外差式頻率等於該第一光束之該頻率與該第二光束之該頻率之間的一差異。
  9. 一種干涉式系統，包含：一低同調照射源；一第一干涉計腔室，耦接至該低同調照射源，以接收該照射源的一輸出，該第一干涉計腔室相關於一第一光程差(OPD)；以及一第二干涉計腔室，耦接至該第一干涉計腔室，以接收該第一干涉計腔室的一輸出，該第二干涉計腔室相關於一第二OPD，其中該第一OPD或該第二OPD之至少一者可被調整以使得該第一OPD和該第二OPD之間的一差異小於該低同調照射源之一輸出之一同調長度(CL)。
  10. 根據申請專利範圍第9項之干涉式系統，其中，該第一OPD為固定。
  11. 根據申請專利範圍第9項之干涉式系統，其中，該第二OPD為可調整。
  12. 根據申請專利範圍第9項之干涉式系統，其中，該第一OPD與該第二OPD之間的一差異係小於該低同調照射源之一輸出之該同調長度(CL)。
  13. 根據申請專利範圍第9項之干涉式系統，其中，該第一OPD與該第二OPD之每一者係大於該照射源之該輸出之該同調長度(CL)。
  14. 根據申請專利範圍第9項之干涉式系統，其中，該第一OPD大約等於該第二OPD。
  15. 根據申請專利範圍第9項之干涉式系統，其中，該第一腔室包含具有一第一光學路徑長度(OPL)的一第一段 以及具有一第二不同OPL的一第二段，該第一腔室的該OPD等於該第一OPL與該第二OPL之間的該差異。
  16. 根據申請專利範圍第9項之干涉式系統，其中，該第一腔室包含在該第一段中的一頻率移動裝置，該頻率移動裝置配置成在該干涉式系統的操作期間移動在該第一段中的光的一頻率。
  17. 根據申請專利範圍第16項之干涉式系統，其中，該頻率移動裝置包含一聲光調變器或一光電相位調變器。
  18. 根據申請專利範圍第9項之干涉式系統，其中，該第二腔室包含具有一第一光學路徑長度(OPL)的一第一段以及具有一第二OPL的一第二段，該第二腔室的該OPD等於該第一OPL與該第二OPL之間的一差異。
  19. 根據申請專利範圍第18項之干涉式系統，其中，該第一OPL與該第二OPL之至少一者是可調整的。
  20. 根據申請專利範圍第18項之干涉式系統，其中，該第一段對應於一測量路徑，且該第二段對應於一參考路徑。
  21. 根據申請專利範圍第18項之干涉式系統，其中，該第二腔室包含一繞射編碼器尺規，該第一OPL與該第二OPL之每一者係相關於該編碼器尺規的一位置來界定。
  22. 根據申請專利範圍第9項之干涉式系統，另包含一光偵測器與一電子處理器，該電子處理器配置成在該干涉式系統的操作期間從該光偵測器所偵測到的一信號取得外差式相位資訊。
  23. 根據申請專利範圍第22項之干涉式系統，其中，該第二腔室包含一繞射編碼器尺規，且其中，該電子處理器配置成在該干涉式系統的操作期間根據該外差式相位資訊來獲得關於該編碼器尺規之一自由度的位置資訊。
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