專利名稱：一種測(cè)量工件臺(tái)垂向位置的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量運(yùn)動(dòng)臺(tái)的位置的測(cè)量裝置，尤其涉及用于測(cè)量光刻機(jī)中的工件臺(tái)的垂向位置的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)位置測(cè)量的技術(shù)被越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各種精加工設(shè)備中。相對(duì)于其它測(cè)量方法，光學(xué)測(cè)量有著非接觸、高精度等諸多優(yōu)點(diǎn)。作為精加工設(shè)備中的明珠的光刻機(jī)，更是把光學(xué)測(cè)量作為其所有位置測(cè)量的核心工具。用于承放硅片和掩模的工件臺(tái)，其水平向精度的要求要高于垂向精度的要求。隨著工藝要求的日益提升，近年來(lái)也逐步要求工件臺(tái)的垂向位置能夠快速而精確地得到測(cè)量。為此，美國(guó)專利US7, 355，719 B2、US7，158，236 B2、US6, 980，279 B2 中提出了幾
套采用激光干涉儀進(jìn)行位置測(cè)量的技術(shù)方案。他們大致是以不同方式在工件臺(tái)上安裝反射鏡，將水平入射的測(cè)量光束反射為豎直向上(如圖5、圖6所示)。安裝在工件臺(tái)上方的另一個(gè)反射鏡將該豎直向上的光束反射回工件臺(tái)上的反射鏡，經(jīng)過(guò)工件臺(tái)上的反射鏡后，光束再次由豎直光束變成水平出射光束，最后返回干涉儀。這種系統(tǒng)的測(cè)量光束其相位變化包含了工件臺(tái)的水平位置變化和垂向位置變化兩個(gè)信息。利用另一路單獨(dú)的水平位置洲量信息，可以從中提取出工件臺(tái)的垂向位置變化。這類方法可以利用激光干涉儀的高分辨率測(cè)量工件臺(tái)的垂向位置，然而它把水平向的光束變換成垂向光束的過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)多個(gè)鏡面的反射。光束經(jīng)過(guò)的鏡面越多，鏡面不平整度、鏡子安裝不到理想位置等因素會(huì)大大降低測(cè)量的精度。另外，當(dāng)工件臺(tái)存在傾斜時(shí)，安裝在工件臺(tái)上的平面反射鏡也會(huì)跟著傾斜，從而使光束長(zhǎng)度產(chǎn)生余弦誤差。這類方法的測(cè)量光線普遍都經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離的傳播，但是測(cè)量的目標(biāo)長(zhǎng)度只是這些長(zhǎng)度的一小部分。這樣勢(shì)必會(huì)大幅降低測(cè)量信息的信噪比。經(jīng)過(guò)如此長(zhǎng)距離的傳播，借助光波波長(zhǎng)進(jìn)行距離測(cè)量的干涉儀信號(hào)很容易受環(huán)境因素的影響。而且，這類方法由于基于光束的長(zhǎng)度來(lái)測(cè)量工件臺(tái)位置，很容易引入余弦誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能高精度地測(cè)量工件臺(tái)垂向位置的測(cè)量裝置。本發(fā)明提出了一種測(cè)量工件臺(tái)垂向位置的裝置，該裝置包括光源，發(fā)射出平行光束；調(diào)制光柵，對(duì)來(lái)自光源的光束進(jìn)行調(diào)制；第一顯微物鏡，對(duì)來(lái)自調(diào)制光柵的光束進(jìn)行縮束；第二顯微物鏡，對(duì)從工件臺(tái)反射回來(lái)的測(cè)量光束進(jìn)行擴(kuò)束；測(cè)量光柵，接收來(lái)自第二顯微物鏡的測(cè)量光束，其周期與調(diào)制光柵的周期相同；探測(cè)器，接收從測(cè)量光柵出射的光束，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，得到角反射鏡的高度，
其中，工件臺(tái)的側(cè)面安裝有一個(gè)角反射鏡，該角反射鏡能將入射光束平行反射回去，測(cè)量光柵上的光柵條紋與入射到測(cè)量光柵上的光束條紋成一夾角，兩個(gè)光柵的周期為光源發(fā)出的光束的波長(zhǎng)的100倍以上，光束穿過(guò)測(cè)量光柵后形成莫爾條紋。其中，光源是激光器。其中，第一顯微物鏡對(duì)光束的直徑進(jìn)行縮小，第二顯微物鏡對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束。其中，光源和探測(cè)器均被安裝于基準(zhǔn)架上。其中，裝置對(duì)工件臺(tái)位置的測(cè)量精度滿足D = (AXsin θ )/2F其中D為裝置對(duì)工件臺(tái)位置的測(cè)量精度，A為探測(cè)器的探測(cè)精度，θ為測(cè)量光柵上的光柵條紋與入射到測(cè)量光柵上的光束條紋之間的夾角，F(xiàn)為第二顯微物鏡的放大倍率。本發(fā)明通過(guò)在工件臺(tái)側(cè)面安裝一個(gè)角反射鏡，一束明暗條紋的平行光束水平入射在角反射鏡上，并被反射回來(lái)，反射光經(jīng)過(guò)一與明暗條紋成一傾斜角度的光柵后產(chǎn)生莫爾條紋并被光敏元件探測(cè)。其中，為了產(chǎn)生明暗條紋的平行光束，采用平行光通過(guò)周期遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的光柵，這樣衍射基本可忽略，從而產(chǎn)生明暗條紋的平行光，進(jìn)一步的，為了減小該平行光的束徑，采用一顯微物鏡把該平行光束徑縮小并入射到工件臺(tái)的角反射鏡上，對(duì)應(yīng)的，在角反射鏡的反射光上放置另外一個(gè)顯微物鏡，把反射光的束徑擴(kuò)大。當(dāng)工件臺(tái)的高度發(fā)生變化時(shí)，由角反射鏡反射回來(lái)的光束水平高度相應(yīng)發(fā)生變化，探測(cè)光柵后的莫爾條紋在對(duì)應(yīng)方向上的位置也發(fā)生了變化，并且在另一方向上放大了該光束位置變化，并被光敏元件探知。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明利用光束位置實(shí)現(xiàn)對(duì)工件臺(tái)位置的測(cè)量。具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)該方法更加直接有效而地測(cè)量工件臺(tái)的高度，其對(duì)高度的測(cè)量不受工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)和傾斜的影響；該方法不使用激光波長(zhǎng)進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，可以有效減小測(cè)量信號(hào)對(duì)環(huán)境、對(duì)光束幾何位置的過(guò)度依賴；由于不需要在工件臺(tái)側(cè)面、工件臺(tái)的上方等多個(gè)地方額外地粘貼平面反射鏡，而是使用成套的角反射鏡，使得測(cè)量信號(hào)受鏡面形貌影響的因素減小，準(zhǔn)確率更高；利用顯微物鏡對(duì)光束位置的放大作用，莫爾條紋對(duì)光束移動(dòng)的放大作用，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量信號(hào)的光學(xué)放大；通過(guò)利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行位置測(cè)量，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件臺(tái)垂向位置的高精度測(cè)量。


通過(guò)本發(fā)明實(shí)施例并結(jié)合其附圖的描述，可以進(jìn)一步理解其發(fā)明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點(diǎn)。其中，附圖為圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)與光刻機(jī)中其它部件之間的相對(duì)位置關(guān)系；圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)中光束穿過(guò)調(diào)制光柵得到的條紋的示意圖；圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量光柵與入射到測(cè)量光柵上的條紋之間的角度關(guān)系示意圖；圖5、6所示為現(xiàn)有技術(shù)中的測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面，結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。為了便于描述和突出顯示本發(fā)明，附圖中省略了現(xiàn)有技術(shù)中已有的相關(guān)部件，并將省略對(duì)這些公知部件的描述。如圖1所示，本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)可用于光刻機(jī)中測(cè)量工件臺(tái)的光學(xué)位置。圖2所示為根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括激光器1，調(diào)制光柵2，第一顯微物鏡3，安裝于工件臺(tái)5 —側(cè)的角反射鏡4，第二顯微物鏡6，探測(cè)光柵7和探測(cè)器8。其中，調(diào)制光柵2和探測(cè)光柵7均為透射光柵。激光器1產(chǎn)生的光束經(jīng)過(guò)調(diào)制光柵2后，攜帶了光柵的明暗條紋信息。第一顯微物鏡3對(duì)光束起縮小光束直徑的作用?？s小了直徑的光束經(jīng)工件臺(tái)上的角反射鏡反射后，第二顯微物鏡6對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束。之后，攜帶了調(diào)制光柵2的光柵信息的測(cè)量光束照射在探測(cè)光柵7上，且光柵條紋與探測(cè)光柵7的條紋成一個(gè)夾角，從而在穿過(guò)探測(cè)光柵7之后形成莫爾條紋，以便于探測(cè)器8對(duì)該條紋進(jìn)行探測(cè)。該夾角較小時(shí)，達(dá)到的效果較好，例如小于5度時(shí)。圖2中的激光器1和探測(cè)器8均安裝在基準(zhǔn)框架上。當(dāng)工件臺(tái)5在Z向存在移動(dòng)時(shí)，由工件臺(tái)5上的角反射鏡4反射回來(lái)的光束便會(huì)在Z向相應(yīng)的產(chǎn)生移動(dòng)。如當(dāng)工件臺(tái)5往上移動(dòng)一個(gè)距離&，則經(jīng)過(guò)它反射回來(lái)的光束將會(huì)向上移動(dòng)距離2*4。當(dāng)工件臺(tái)5移動(dòng)一個(gè)距離-Ztl，則經(jīng)過(guò)它反射回來(lái)的光束將會(huì)移動(dòng)距離2*(-Ztl)。如此通過(guò)探測(cè)反射光束的位置，可測(cè)得工件臺(tái)5的Z向位置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，調(diào)制光柵2的周期為0. 3mm ；激光器1為氦氖激光器，經(jīng)過(guò)調(diào)制光柵2之后形成的光束為寬度為15mm的條紋光斑。即，經(jīng)過(guò)調(diào)制光柵2之后，光束中帶有50個(gè)周期的條紋。根據(jù)光柵衍射公式d · sin θ = η · λ其中，d為光柵的周期，λ為光的波長(zhǎng)，η為衍射的級(jí)次，θ為該衍射級(jí)次光的衍
射角度。此時(shí)光柵周期已經(jīng)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，根據(jù)該公式，產(chǎn)生的衍射效應(yīng)將會(huì)很小。經(jīng)過(guò)調(diào)制光柵后，將形成如圖3所示的條紋光束。第一顯微物鏡3的倍率取0. 1，因此照射在角反射鏡上的光柵寬度為1. 5mm,周期為 30umo第二顯微物鏡6的倍率取10，它將光束條紋放大成0. 3mm的周期。探測(cè)光柵7的周期與光束經(jīng)第二顯微物鏡6之后的條紋周期相同，均為0. 3mm，但其光柵條紋的方向與測(cè)量光條紋存在一個(gè)較小的夾角θ，以便形成莫爾條紋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的位置變化進(jìn)行有效放大。圖4為兩個(gè)光柵條紋交叉重疊時(shí)形成莫爾條紋的示意圖，莫爾條紋寬度同光柵周期的關(guān)系為
ΓΠrrrddW = -
sin" θ其中d為光柵的周期，θ為形成莫爾條紋的兩個(gè)光柵之間的角度，W為所形成的莫爾條紋的周期。當(dāng)兩組條紋在橫向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，便會(huì)在條紋的縱向產(chǎn)生莫爾條紋移動(dòng)。取二者的夾角為1. 15度，后者的移動(dòng)速度將會(huì)是前者移動(dòng)速度的50倍。若探測(cè)器8使用探測(cè)精度為Ium的二維位置探測(cè)器(PSD)，則經(jīng)工件臺(tái)反射的光束只要移動(dòng)2nm，探測(cè)器探測(cè)到的莫爾條紋的移動(dòng)便為2nmX 10X50 = Ium此時(shí)，探測(cè)器8能夠探測(cè)到光斑的移動(dòng)。即，由于角反射鏡的作用，換算到工件臺(tái)，探測(cè)系統(tǒng)對(duì)工件臺(tái)移動(dòng)的探測(cè)精度為lnm。若選取第二顯微物鏡6的視場(chǎng)為3mm，則該系統(tǒng)對(duì)工件臺(tái)的探測(cè)量程可以達(dá)到1. 5mm0本說(shuō)明書中所述的只是本發(fā)明的幾種較佳具體實(shí)施例，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量工件臺(tái)垂向位置的裝置，該裝置包括光源，發(fā)射出平行光束；調(diào)制光柵，對(duì)來(lái)自光源的光束進(jìn)行調(diào)制；第一顯微物鏡，對(duì)來(lái)自調(diào)制光柵的光束進(jìn)行縮束；第二顯微物鏡，對(duì)從工件臺(tái)反射回來(lái)的測(cè)量光束進(jìn)行擴(kuò)束；測(cè)量光柵，接收來(lái)自第二顯微物鏡的測(cè)量光束；探測(cè)器，接收從測(cè)量光柵出射的光束，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，得到角反射鏡的高度，其特征在于，工件臺(tái)的側(cè)面安裝有一個(gè)角反射鏡，該角反射鏡能將入射光束平行反射回去，測(cè)量光柵上的光柵條紋與入射到測(cè)量光柵上的光束條紋成一夾角，兩個(gè)光柵的周期為光源發(fā)出的光束的波長(zhǎng)的100倍以上，光束穿過(guò)測(cè)量光柵后形成莫爾條紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，光源是激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第一顯微物鏡對(duì)光束的直徑進(jìn)行縮小，第二顯微物鏡對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3其中之一所述的裝置，其特征在于，光源和探測(cè)器均被安裝于基^C-In O
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，裝置對(duì)工件臺(tái)位置的測(cè)量精度滿足D = (AXsin θ )/2F其中D為裝置對(duì)工件臺(tái)位置的測(cè)量精度，A為探測(cè)器的探測(cè)精度，θ為測(cè)量光柵上的光柵條紋與入射到測(cè)量光柵上的光束條紋之間的夾角，F(xiàn)為第二顯微物鏡的放大倍率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5其中之一所述的裝置，其特征在于所述夾角小于5度。
全文摘要
一種測(cè)量工件臺(tái)垂向位置的裝置，該裝置包括光源，發(fā)射出平行光束；調(diào)制光柵，對(duì)來(lái)自光源的光束進(jìn)行調(diào)制；第一顯微物鏡，對(duì)來(lái)自調(diào)制光柵的光束進(jìn)行縮束；工件臺(tái)；第二顯微物鏡，對(duì)從工件臺(tái)反射回來(lái)的測(cè)量光束進(jìn)行擴(kuò)束；測(cè)量光柵，接收來(lái)自第二顯微物鏡的測(cè)量光束；探測(cè)器，接收從測(cè)量光柵出射的光束，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，得到角反射鏡的高度。其中，工件臺(tái)的側(cè)面安裝有一個(gè)角反射鏡，該角反射鏡能將入射光束平行反射回去，測(cè)量光柵上的光柵條紋與入射到測(cè)量光柵上的光束條紋成一夾角，兩個(gè)光柵的周期為光源發(fā)出的光束的波長(zhǎng)的100倍以上，光束穿過(guò)測(cè)量光柵后形成莫爾條紋。
文檔編號(hào)G03F7/20GK102374844SQ201010259190
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者張俊, 林彬 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司