專(zhuān)利名稱(chēng)：用于測(cè)量垂直移動(dòng)的干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量垂直移動(dòng)的干涉儀。
背景技術(shù)：
平面反射鏡干涉儀可以用于測(cè)量晶片處理系統(tǒng)中精密工作臺(tái)的位置、方向或運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這種用途，平面反射鏡通常安裝在被測(cè)量的工作臺(tái)上，干涉儀使一個(gè)或多個(gè)測(cè)量光束瞄準(zhǔn)，用于從平面反射鏡反射。每個(gè)測(cè)量光束一般對(duì)應(yīng)于一個(gè)單獨(dú)的干涉儀通道，但是通常稱(chēng)為雙程干涉儀的某些干涉儀在干涉儀將測(cè)量光束與參考光束合并用于得到測(cè)量結(jié)果的信號(hào)處理之前，使每個(gè)測(cè)量光束的瞄準(zhǔn)用于從平面反射鏡的兩次反射。
多個(gè)干涉儀通道可以使用同一個(gè)平面反射鏡測(cè)量到平面上不同點(diǎn)的距離，從而對(duì)工作臺(tái)的多個(gè)自由度進(jìn)行測(cè)量。具體地說(shuō)，對(duì)同一個(gè)平面反射鏡上三個(gè)不同點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的三個(gè)干涉儀通道可以時(shí)變工作臺(tái)沿X軸或光束軸線的平移、工作臺(tái)繞垂直于X軸的Y軸的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)以及工作臺(tái)繞垂直于X軸和Y軸的Z軸的擺轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)易受阿貝誤差即工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的位移誤差的影響時(shí)，工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)于測(cè)量是重要的。
平面反射鏡干涉儀每個(gè)通道的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍一般是受限制的，因?yàn)槠矫骁R轉(zhuǎn)動(dòng)(例如俯仰轉(zhuǎn)動(dòng))可以偏轉(zhuǎn)測(cè)量光束，使反射的測(cè)量光束“偏離”與參考光束重新合并所要求的路徑。對(duì)于某些結(jié)構(gòu)，測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大約等于測(cè)量光束的半徑w除以測(cè)量光束的光程長(zhǎng)度，例如在雙程干涉儀中所述光程長(zhǎng)度約為從干涉儀延伸到平面反射鏡的距離L的四倍。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍通常限制在約w/4L弧度。增大光束寬度w可以增大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。但是，更大的光束寬度通常需要更大并因此更加昂貴的光學(xué)器件，并且復(fù)雜的系統(tǒng)例如晶片處理設(shè)備可能沒(méi)有足夠的空間用于大的干涉儀。
也可以用單獨(dú)的平面反射鏡干涉儀測(cè)量工作臺(tái)沿Z軸(即聚光透鏡的聚焦軸線)的位置或運(yùn)動(dòng)。但是，如果這個(gè)干涉儀在工作臺(tái)的聚光透鏡一側(cè)，則必須制成更大的工作臺(tái)以將聚光區(qū)域以外的平面反射鏡包括在內(nèi)。這可能降低晶片生產(chǎn)能力。或者，如果干涉儀在聚光透鏡的反面一側(cè)，則通常需要中間參考物例如工作臺(tái)下方的碑石，這需要對(duì)中間參考物相對(duì)于聚光透鏡的相對(duì)位置進(jìn)行額外測(cè)量。
美國(guó)專(zhuān)利No.6,020,964和6,650,419描述了能夠測(cè)量工作臺(tái)高程的干涉儀系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，安裝在工作臺(tái)上的反射器將來(lái)自水平入射路徑的測(cè)量光束(沿X軸)反射向垂直反射路徑(沿Z軸)。安裝在工作臺(tái)上方的反射器將垂直方向的測(cè)量光束反射回工作臺(tái)上的反射器系統(tǒng)，測(cè)量光束在該處重定向到水平回程返回干涉儀光學(xué)器件。從而，測(cè)量光束的總的相位改變或多普勒頻移就表明沿具有水平和垂直分量的路徑的距離或運(yùn)動(dòng)。單獨(dú)的干涉儀通道可以測(cè)量路徑的水平分量，從而可以求得垂直分量或高程的測(cè)量值。這些高程測(cè)量通常都受到上述動(dòng)態(tài)范圍限制，至少是由于需要測(cè)量并減去水平分量。
考慮到現(xiàn)有干涉儀的局限，正在尋求這樣的系統(tǒng)和方法，它對(duì)于高程或垂直移動(dòng)的測(cè)量可以提供大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，而無(wú)需大的光學(xué)元件。

發(fā)明內(nèi)容
在根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例中，一種干涉儀對(duì)于測(cè)量物體的位移提供了大的動(dòng)態(tài)范圍，所述位移垂直于干涉儀與物體之間的間隔。干涉儀使用被測(cè)物體上的參考反射器和測(cè)量反射器。測(cè)量反射器將測(cè)量光束反射到安裝在物體上方的波羅棱鏡，參考反射器將參考光束直接返回干涉儀。干涉儀中的第二波羅棱鏡可以將參考光束返回用于第二次通過(guò)和從參考反射器的反射。波羅棱鏡可以減小工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引起的光束偏離。工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的其他不能由波羅棱鏡改善的影響對(duì)于測(cè)量光束和參考光束是類(lèi)似的，使偏離很小。因此，無(wú)需大的光束直徑即可獲得大的動(dòng)態(tài)范圍。
干涉儀系統(tǒng)的一種示例性實(shí)施例用于測(cè)量物體例如晶片工作臺(tái)，測(cè)量反射器和參考反射器安裝在所述物體上。這種干涉儀系統(tǒng)包括將X方向的測(cè)量光束和參考光束分別導(dǎo)向測(cè)量反射器和參考反射器的光學(xué)器件。測(cè)量反射器將測(cè)量光束重新導(dǎo)向Z方向，參考反射器將參考光束導(dǎo)向回干涉儀光學(xué)器件。反射器(例如波羅棱鏡)覆蓋在物體上并設(shè)置為將測(cè)量光束導(dǎo)向回測(cè)量反射器，然后測(cè)量反射器將測(cè)量光束導(dǎo)向回干涉儀光學(xué)器件。然后，干涉儀將參考光束重新導(dǎo)向到參考反射器用于第二次通過(guò)，參考反射器將光束反射回干涉儀。干涉儀光學(xué)器件將測(cè)量光束和參考光束合并，檢測(cè)器將合并的光束轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)所述電信號(hào)可以確定物體在Z方向的相對(duì)位移的測(cè)量結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的另一種示例性實(shí)施例是包括偏振分束器、測(cè)量反射器、第一波羅棱鏡、參考反射器和檢測(cè)器的干涉儀系統(tǒng)。偏振分束器將輸入光束分為測(cè)量光束和參考光束。測(cè)量反射器接收來(lái)自偏振分束器的測(cè)量光束并將測(cè)量光束從第一路徑反射到第二路徑。第一波羅棱鏡接收測(cè)量光束并沿第三路徑將測(cè)量光束返回測(cè)量反射器，所述第三路徑與第二路徑有偏移。第二和第三路徑通常垂直于第一路徑。參考反射器相對(duì)于測(cè)量反射器固定并定位為使參考反射器接收來(lái)自偏振分束器的參考光束并將參考光束反射回偏振分束器。偏振分束器將測(cè)量光束和參考光束重新合并，檢測(cè)器將得到的重新合并的光束轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)所述電信號(hào)可以確定位移的測(cè)量結(jié)果。
可以設(shè)置返回反射器例如第二波羅棱鏡以在參考光束在第一次通過(guò)期間從參考反射器反射之后接收來(lái)自偏振分束器的參考光束。返回反射器將參考光束導(dǎo)向回PBS用于從參考反射器的第二次反射，在所述第二次反射之后偏振分束器將測(cè)量光束和參考光束重新合并。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種方法，用于垂直于測(cè)量干涉儀與被測(cè)物體之間間隔的位移。所述方法先對(duì)測(cè)量光束進(jìn)行導(dǎo)向用于從安裝在物體上的第一反射器的反射，其中第一反射器對(duì)第一方向的測(cè)量光束進(jìn)行導(dǎo)向，所述第一方向垂直于干涉儀與物體之間的間隔。與第一反射器沿第一方向間隔開(kāi)來(lái)的第二反射器將測(cè)量光束反射回第一反射器。此方法還包括對(duì)參考光束進(jìn)行導(dǎo)向用于從安裝在物體上的第三反射器的兩次反射，以及將測(cè)量光束與參考光束合并形成合并光束。對(duì)合并光束拍頻進(jìn)行測(cè)量指示了測(cè)量光束或參考光束的殘余多普勒頻移，所述殘余多普勒頻移是未被另一光束的相等多普勒頻移消除的。殘余多普勒頻移取決于與干涉儀和物體之間的間隔垂直的運(yùn)動(dòng)。


圖1示出晶片處理系統(tǒng)，它包括能夠測(cè)量精密工作臺(tái)相對(duì)于聚光透鏡的高程的干涉儀。
圖2A、2B和2C分別示出適用于圖1中系統(tǒng)的干涉儀的光路的側(cè)視圖、俯視圖和正視圖。
圖3圖示了根據(jù)一種實(shí)施例的干涉儀系統(tǒng)，它使用空心五角棱鏡作為測(cè)量反射器。
不同的附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相似或相同的項(xiàng)目。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種能夠?qū)εc干涉儀水平隔開(kāi)的物體的垂直位移進(jìn)行測(cè)量的干涉儀可以采用被測(cè)物體上的測(cè)量反射器和參考反射器、被測(cè)物體上方的第一波羅棱鏡以及干涉儀光學(xué)器件中的第二波羅棱鏡。干涉儀中的偏振分束器將輸入光束分為測(cè)量光束和參考光束，它們都被導(dǎo)向所述物體。
測(cè)量光束水平行進(jìn)到測(cè)量反射器，垂直行進(jìn)到第一波羅棱鏡，垂直返回測(cè)量反射器，并水平返回干涉儀光學(xué)器件，在該處測(cè)量光束可以與參考光束重新合并并得到測(cè)量。因此，在從干涉儀光學(xué)器件到返回它的一次通過(guò)期間，測(cè)量光束從測(cè)量反射器反射兩次。
在第一次通過(guò)期間，參考光束從干涉儀行進(jìn)到參考反射器并直接返回干涉儀光學(xué)器件。然后，在第二次通過(guò)期間，參考光束從第二波羅棱鏡反射并從干涉儀行進(jìn)到參考反射器并直接返回干涉儀光學(xué)器件。在從干涉儀光學(xué)器件到物體的第二次通過(guò)完成之后，參考光束可以與測(cè)量光束重新合并，所述測(cè)量光束只從干涉儀光學(xué)器件到物體并返回進(jìn)行了一次通過(guò)。
在重新合并時(shí)，干涉儀系統(tǒng)在測(cè)量光束與參考光束之間實(shí)現(xiàn)了很低的偏離。這種低偏離的結(jié)果是因?yàn)闇y(cè)量光束與參考光束都從物體上的反射器反射了兩次，從而物體的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)給測(cè)量光束和參考光束帶來(lái)相同的角度偏轉(zhuǎn)。此外，波羅棱鏡提供了適當(dāng)平面內(nèi)的后向反射，消除了物體的擺轉(zhuǎn)和滾轉(zhuǎn)的至少某些效果。
圖1圖示了系統(tǒng)100，它包括能夠?qū)ξ矬w的垂直移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的干涉儀110。在圖示的實(shí)施例中，系統(tǒng)100是適于處理半導(dǎo)體晶片的光刻設(shè)備的一部分，測(cè)量的物體是工作臺(tái)120，在光刻處理期間，所述工作臺(tái)120用于將半導(dǎo)體晶片125相對(duì)于聚光透鏡130定位。對(duì)于這樣的處理，用于聚光透鏡130的工作臺(tái)120和/或定位系統(tǒng)(未示出)必須能夠?qū)⒕?25相對(duì)于聚光透鏡130的光軸精確定位，以使聚光透鏡130能夠?qū)⑵谕膱D樣投影到晶片125正確的區(qū)域上。而且，用于聚光透鏡130的工作臺(tái)120或聚焦系統(tǒng)必須能夠控制或調(diào)整晶片125與聚光透鏡130之間的間隔以便形成銳聚焦的圖樣。干涉儀110測(cè)量工作臺(tái)120的相對(duì)高程或Z向位移，其中Z方向基本垂直于干涉儀110與工作臺(tái)120之間的間隔。在對(duì)用于聚光透鏡130的工作臺(tái)120和/或聚焦系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，操作員或控制系統(tǒng)(未示出)可以使用高程測(cè)量結(jié)果。如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的，在晶片處理系統(tǒng)100中，對(duì)工作臺(tái)120相對(duì)于聚光透鏡130高程的測(cè)量?jī)H僅是干涉儀110的示例性應(yīng)用，干涉儀110可以更普遍地測(cè)量多種系統(tǒng)中的多種物體。
對(duì)于高程測(cè)量，干涉儀110將測(cè)量光束112和參考光束114導(dǎo)向工作臺(tái)120上的各個(gè)平面反射器122和124。此外，可以將第二測(cè)量光束116導(dǎo)向平面反射器124用于對(duì)物體沿X方向位移的普通測(cè)量。
在示例性實(shí)施例中，平面反射器122是與水平方向成45度的平面反射鏡，它將測(cè)量光束112從水平路徑反射到垂直路徑。垂直路徑使測(cè)量光束112到達(dá)安裝結(jié)構(gòu)134上的反射器132，所述安裝結(jié)構(gòu)134可以固定到聚光透鏡130。示例性實(shí)施例中的反射器132是長(zhǎng)度沿X方向的擠壓成形的波羅棱鏡，它的定向和定位使得對(duì)于工作臺(tái)120運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任何位置都可以將測(cè)量光束112反射回反射器122。然后，反射器122將測(cè)量光束112導(dǎo)向回干涉儀110。平面反射器124將參考光束114直接反射回干涉儀110，使參考光束114到工作臺(tái)120來(lái)往的路徑名義上是水平的。
在示例性實(shí)施例中干涉儀110是邁克爾遜干涉儀，其中，每個(gè)測(cè)量光束112和參考光束114在重新合并用于分析之前，從各反射器122和124反射兩次。測(cè)量光束從工作臺(tái)120的兩次反射發(fā)生在從干涉儀110到波羅棱鏡132并返回的一次通過(guò)期間。參考光束從工作臺(tái)120的兩次反射發(fā)生在從干涉儀110到工作臺(tái)120的兩次單獨(dú)通過(guò)期間。
圖2A、2B和2C所示的干涉儀110的實(shí)施例包括光源210、偏振分束器(PBS)220、四分之一波片(QWP)230、波羅棱鏡240、檢測(cè)器系統(tǒng)250和旋轉(zhuǎn)反射鏡260。光源210是輸入光束IN的來(lái)源，PBS 220從所述輸入光束IN分解出測(cè)量光束112和參考光束114。在干涉儀110的一種實(shí)施例中，光束IN是外差光束，它包括具有第一頻率F1和第一線偏振態(tài)的第一分量和具有第二頻率F2和第二線偏振態(tài)的第二分量，所述第二線偏振態(tài)垂直于第一線偏振態(tài)。許多光源都可以產(chǎn)生具有期望特性的外差光束。例如，光源210可以是通過(guò)塞曼分裂和/或聲光調(diào)制器(AOM)產(chǎn)生期望的頻率F1與F2之差的激光器。其他已知的或者可能開(kāi)發(fā)的外差光束來(lái)源也是合適的?；蛘?，光源210可以是具有長(zhǎng)相干長(zhǎng)度的單頻激光器，其中所需的相干長(zhǎng)度取決于測(cè)量光束112與參考光束114的光程長(zhǎng)度之間的差?？梢?xún)?yōu)選使用外差光束，因?yàn)槭褂脝晤l光束的干涉儀通常需要多次相位測(cè)量以消除光束功率波動(dòng)的影響。
PBS 220將輸入光束IN的偏振分量分開(kāi)，使測(cè)量光束112與參考光束114具有正交的線偏振態(tài)。當(dāng)輸入光束IN是外差光束時(shí)，輸入光束IN與PBS 220的偏振軸方向使偏振態(tài)分離可以將輸入光束IN的各個(gè)頻率分量分開(kāi)。因此，測(cè)量光束112和參考光束114是具有正交偏振態(tài)的單頻光束。在圖2A所圖示的實(shí)施例中，PBS 220使測(cè)量光束112具有由PBS 220中的薄膜反射的線偏振態(tài)，參考光束114開(kāi)始具有PBS 220透射的線偏振態(tài)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的，干涉儀110的可替換的實(shí)施例可以用開(kāi)始在PBS 220中透射的光束作為測(cè)量光束并用開(kāi)始在PBS 220中反射的光束作為參考光束。此外，盡管圖2A圖示的實(shí)施例中PBS 220是用夾在直角棱鏡之間的偏振薄膜實(shí)現(xiàn)的，但PBS 220可以用其他的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，例如履行PBS 220所需的分束和合并功能的雙折射光學(xué)元件。
QWP 230位于參考光束114從PBS 220到工作臺(tái)120的光路中。QWP230可以膠合到PBS 230或用其他方式安裝到光束114的光路中的固定位置，它改變傳播光束的偏振態(tài)。例如，具有水平偏振態(tài)的光束傳播經(jīng)過(guò)QWP 230變成圓偏振的，具有垂直線偏振態(tài)的傳播光束變成圓偏振光束，它具有正交的圓偏振態(tài)。
參考光束114沿著開(kāi)始向外的路徑R1A從PBS 220經(jīng)過(guò)QWP 230，從工作臺(tái)120上的平面反射器124反射，并沿著回程R1B經(jīng)過(guò)QWP 230返回PBS 220。當(dāng)如圖2A所示反射器124垂直于X軸時(shí)，路徑R1A和R1B是共線的，但是如果工作臺(tái)120具有非零的俯仰角或擺轉(zhuǎn)角時(shí)，它們將不共線。在第一次通過(guò)期間(即路徑R1A和R1B上)兩次穿過(guò)QWP230使參考光束114的偏振態(tài)改變?yōu)镻BS 220反射的線偏振態(tài)。因此，PBS 220將返回的參考光束114導(dǎo)向波羅棱鏡240。
波羅棱鏡240定向?yàn)閷?duì)YZ平面內(nèi)的光束進(jìn)行后向反射并將來(lái)自路徑R1B的參考光束114反射到路徑R2A，所述路徑R2A在Y方向上與入射路徑R1A有偏移。路徑R1B與R2A之間在Y方向的偏移使參考光束114在一個(gè)有偏移的點(diǎn)處從PBS 220反射，所述的點(diǎn)在圖2A中是向紙面內(nèi)偏移的，或者說(shuō)，在圖2B是朝向紙面頂部偏移的。圖2C示出參考光束114第二次通過(guò)期間的向外路徑R2A相對(duì)于參考光束114第一次通過(guò)期間的向外路徑R1A在Y方向的偏移。
光路R2A上的參考光束114經(jīng)過(guò)QWP 230并第二次從反射器124反射。然后，參考光束114沿回程R2B返回，經(jīng)過(guò)QWP 230到PBS 220。第二對(duì)經(jīng)過(guò)QWP 230的兩次通過(guò)將參考光束114的偏振態(tài)改變回PBS 220透射的線偏振態(tài)，使得在第二次通過(guò)后，參考光束114通過(guò)PBS 220并變成重新合并的光束OUT的一部分，檢測(cè)器系統(tǒng)250對(duì)所述重新合并的光束OUT進(jìn)行分析。
測(cè)量光束112在PBS 220中第一次反射之后經(jīng)過(guò)向外路徑M1A到達(dá)波羅棱鏡132。向外路徑M1A包括從旋轉(zhuǎn)反射鏡260到名義上水平的路徑M1Ax的反射，所述名義上水平的路徑M1Ax是到工作臺(tái)120上的平面反射器122的。從反射器122的反射將測(cè)量光束112導(dǎo)向通往波羅棱鏡132的名義上垂直的路徑M1Az。
波羅棱鏡132定向?yàn)閷?duì)YZ平面內(nèi)的光束進(jìn)行后向反射并將測(cè)量光束112導(dǎo)向名義上垂直的返回路徑M1Bz，所述返回路徑M1Bz平行于(或反平行于)垂直路徑M1Az并與其在Y方向有偏移。(包括垂直路徑M1Bz在內(nèi)的一些測(cè)量光束112路徑沿Y軸移位，是圖2A的側(cè)視圖中所示的后面的光路。圖2B和2C分別示出了俯視圖和正視圖，其中可以看到圖2A中未示出的某些路徑)。測(cè)量光束112的完整的返回路徑M1B包括垂直返回路徑M1Bz、從工作臺(tái)120上的反射器122的反射、到旋轉(zhuǎn)反射鏡260的水平返回路徑M1Bx以及在測(cè)量光束重新進(jìn)入PBS 220之前從旋轉(zhuǎn)反射鏡260的反射。
波羅棱鏡132和240的定位使波羅棱鏡132對(duì)測(cè)量光束112在Y方向的偏移與波羅棱鏡240對(duì)參考光束114的偏移距離相同。這樣，PBS 220可以在參考光束114第二次通過(guò)之后將返回的測(cè)量光束112與參考光束114合并以形成輸出光束OUT。
檢測(cè)器250測(cè)量輸出光束OUT用于進(jìn)行分析確定工作臺(tái)120相對(duì)于波羅棱鏡132的垂直位移。在示例性實(shí)施例中，檢測(cè)器250測(cè)量輸出光束OUT以確定殘余多普勒頻移，然后可以用殘余多普勒頻移確定工作臺(tái)120的垂直速度或位移。在測(cè)量光束112和參考光束114開(kāi)始具有頻率F1和F2的外差干涉儀中，返回的參考光束和測(cè)量光束112和114將具有取決于多普勒頻移的頻率F1’和F2’，所述多普勒頻移是工作臺(tái)120和/或波羅棱鏡132移動(dòng)時(shí)因?yàn)閺墓ぷ髋_(tái)120或波羅棱鏡132的反射而可能產(chǎn)生的。檢測(cè)器系統(tǒng)250中的光電二極管接收輸出光束OUT并產(chǎn)生具有拍頻F1’-F2’的電信號(hào)。類(lèi)似地，通過(guò)對(duì)部分輸入光束IN的直接測(cè)量可以產(chǎn)生具有拍頻F1-F2的的參考電信號(hào)。
檢測(cè)器系統(tǒng)250的示例性實(shí)施例還包括相位檢測(cè)電路，它對(duì)頻率為F1’-F2’的拍信號(hào)相對(duì)于頻率為F1-F2的參考拍信號(hào)的相位進(jìn)行測(cè)量。相對(duì)相位的改變表示拍頻F1’-F2’與F1-F2不同，并可以對(duì)測(cè)量光束112中的殘余多普勒頻移進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于干涉儀110，工作臺(tái)120在X方向的運(yùn)動(dòng)在參考光束114中造成的多普勒頻移是測(cè)量光束112中多普勒頻移的兩倍。工作臺(tái)120或波羅棱鏡132在Z方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量光束112的頻率造成多普勒頻移而不對(duì)參考光束114的頻率造成多普勒頻移。因此，拍頻F1’-F2’中的殘余多普勒頻移是沿Z軸的運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移與沿X軸的運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移之間的差。對(duì)頻率為F1’-F2’和F1-F2的電拍信號(hào)之間相位差的測(cè)量指示了沿與X和Z方向成45度角的方向上的速度，對(duì)確定的速度分量的積分指示了沿同一方向的位移。根據(jù)對(duì)沿著與X和Z方向成45度角的方向上的位移的測(cè)量以及對(duì)沿X方向的位移的單獨(dú)的普通測(cè)量，可以得到沿Z方向的位移。
用干涉儀110進(jìn)行的測(cè)量可以提供大的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)楫?dāng)工作臺(tái)120轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，波羅棱鏡132和240的后向反射使測(cè)量光束112相對(duì)于參考光束114的偏離最小。對(duì)于工作臺(tái)120繞X軸的滾轉(zhuǎn)，波羅棱鏡132的后向反射補(bǔ)償了使測(cè)量光束沿平行于入射路徑的反射路徑返回而導(dǎo)致的垂直路徑(例如路徑M1Az)離開(kāi)Z方向的差。波羅棱鏡240的后向反射類(lèi)似地減小了參考光束114相對(duì)于測(cè)量光束112的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于工作臺(tái)120的俯仰，測(cè)量光束112和參考光束114都受到從工作臺(tái)120的兩次反射引起的ZX平面內(nèi)的角度偏轉(zhuǎn)，所以經(jīng)受的偏轉(zhuǎn)取決于測(cè)量光束112與參考光束114的光程長(zhǎng)度之差。從而，與偏離取決于整個(gè)程長(zhǎng)的系統(tǒng)相比，光束112與114之間的偏離得到了改善。對(duì)于工作臺(tái)120的擺轉(zhuǎn)，測(cè)量光束112和參考光束114的偏轉(zhuǎn)同樣是類(lèi)似的，使偏離很小。
圖3示出了根據(jù)用于測(cè)量垂直位移的可替換實(shí)施例的系統(tǒng)300。由于使用了工作臺(tái)320，系統(tǒng)300與圖2A的系統(tǒng)200不同，所述工作臺(tái)320包括帶有兩個(gè)反射表面326和328的測(cè)量反射器322。反射表面326與X軸成112.5度角，反射表面328與X軸成157.5度角。其結(jié)果是，測(cè)量反射器322相當(dāng)于空心五角棱鏡，工作臺(tái)320的俯仰角不引起測(cè)量光束112的角度偏轉(zhuǎn)。系統(tǒng)300與圖2A的系統(tǒng)200的不同還在于干涉儀310可以使用后向反射器340例如角隅或貓眼，它通過(guò)PBS 220的反射使參考光束返回。其結(jié)果是，工作臺(tái)繞Y軸或Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)在參考光束114從工作臺(tái)第二次反射之后引起其角度偏轉(zhuǎn)。因此重新合并的光束OUT將再次由兩個(gè)基本共線的光束分量組成。另外，系統(tǒng)300包含基本與上面對(duì)圖2A、2B和2C的說(shuō)明一樣進(jìn)行操作的元件。
盡管參考特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，本說(shuō)明書(shū)指示本發(fā)明應(yīng)用的示例而不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是限制。所公開(kāi)的實(shí)施例的特征的各種改變和組合都在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括測(cè)量反射器，所述測(cè)量反射器安裝在所述物體上，并定向?yàn)閷y(cè)量光束從沿X方向傳播重定向?yàn)檠豘方向傳播；參考反射器，所述參考反射器安裝在所述物體上，并定向?yàn)閷⒀厮鯴方向傳播的參考光束重定向回沿著相反的方向；光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)將所述X方向的所述測(cè)量光束導(dǎo)向到所述測(cè)量反射器用于一次通過(guò)，并且將所述X方向的所述參考光束導(dǎo)向到所述參考反射器用于第一次通過(guò)然后導(dǎo)向到所述參考反射器用于第二次通過(guò)；上覆反射器，所述上覆反射器覆蓋在所述物體上方并定位為將所述測(cè)量光束導(dǎo)向回所述測(cè)量反射器，然后所述測(cè)量反射器將所述測(cè)量光束導(dǎo)向回所述光學(xué)系統(tǒng)；以及檢測(cè)器，在所述參考光束完成所述第二次通過(guò)并且所述測(cè)量光束僅完成所述一次通過(guò)之后，所述檢測(cè)器對(duì)所述測(cè)量光束與所述參考光束之間的差進(jìn)行測(cè)量，其中所述的差指示所述物體在所述Z方向的相對(duì)位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)系統(tǒng)包括偏振分束器，所述偏振分束器設(shè)置為對(duì)輸入光束進(jìn)行分光以形成所述測(cè)量光束和所述參考光束；旋轉(zhuǎn)反射鏡，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡將所述測(cè)量光束與所述參考光束中的一個(gè)轉(zhuǎn)向所述X方向；四分之一波片，所述四分之一波片位于所述參考光束的路徑中；以及后向反射器，所述后向反射器設(shè)置為在所述測(cè)量光束和所述參考光束分別從所述上覆反射器和所述參考反射器反射之后，從所述偏振分束器對(duì)它們進(jìn)行接收，其中所述后向反射器將所述參考光束導(dǎo)向這樣的路徑，所述路徑是所述第二次通過(guò)經(jīng)過(guò)所述偏振分束器返回所述參考反射器的路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述上覆反射器包括第一波羅棱鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述第一波羅棱鏡定向?yàn)閷?duì)YZ平面內(nèi)的光束進(jìn)行后向反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述后向反射器包括第二波羅棱鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述第二波羅棱鏡定向?yàn)閷?duì)YZ平面內(nèi)的光束進(jìn)行后向反射。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述后向反射器從由角隅和貓眼構(gòu)成的組中選擇。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述測(cè)量反射器包括五角棱鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述上覆反射器包括第一波羅棱鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述第一波羅棱鏡定向?yàn)閷?duì)YZ平面內(nèi)的光束進(jìn)行后向反射。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述檢測(cè)器包括光電二極管和相位檢測(cè)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，每個(gè)所述測(cè)量反射器和所述參考反射器包括平面反射鏡。
13.一種干涉儀系統(tǒng)，包括偏振分束器，所述偏振分束器設(shè)置為將輸入光束分光成為測(cè)量光束和參考光束；測(cè)量反射器，所述測(cè)量反射器設(shè)置為將所述測(cè)量光束從第一測(cè)量路徑反射到第二測(cè)量路徑，所述第二測(cè)量路徑沿著要對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量的方向；第一波羅棱鏡，所述第一波羅棱鏡沿著所述第二測(cè)量路徑，其中所述第一波羅棱鏡沿著第三測(cè)量路徑將所述測(cè)量光束返回所述測(cè)量反射器，所述第三測(cè)量路徑與所述第二測(cè)量路徑有偏移；參考反射器，所述參考反射器相對(duì)于所述測(cè)量反射器固定，其中所述參考反射器接收來(lái)自所述偏振分束器的所述參考光束并將所述參考光束反射回所述偏振分束器；以及檢測(cè)器，所述檢測(cè)器對(duì)所述測(cè)量光束與所述參考光束之間的差進(jìn)行測(cè)量，其中所述的差指示所述位移。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括返回反射器，所述返回反射器設(shè)置為在所述參考光束在第一次通過(guò)的過(guò)程中從所述參考反射器反射之后，接收來(lái)自所述偏振分束器的所述參考光束，其中所述返回反射器將所述參考光束定向回所述偏振分束器用于到所述參考反射器的第二次通過(guò)，在所述第二次通過(guò)之后，所述檢測(cè)器對(duì)所述參考光束與所述測(cè)量光束之間的差進(jìn)行測(cè)量，所述測(cè)量光束只從所述偏振分束器完成了一次通過(guò)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述返回反射器包括第二波羅棱鏡。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述第一波羅棱鏡的頂部平行于所述第二波羅棱鏡的頂部。
17.一種對(duì)垂直于干涉儀與被測(cè)物體之間間隔的位移進(jìn)行測(cè)量的方法，所述方法包括a)對(duì)測(cè)量光束進(jìn)行導(dǎo)向，用于從安裝在所述物體上的第一反射器的反射，其中，所述第一反射器對(duì)第一方向的所述測(cè)量光束進(jìn)行導(dǎo)向，所述第一方向垂直于所述干涉儀與所述物體之間的間隔；b)用第二反射器將所述測(cè)量光束反射回所述第一反射器，所述第二反射器與所述第一反射器沿所述第一方向間隔開(kāi)來(lái)；c)對(duì)參考光束進(jìn)行導(dǎo)向，用于從安裝在所述物體上的第三反射器的反射；以及d)對(duì)所述參考光束與所述測(cè)量光束之間的差進(jìn)行測(cè)量，所述的差指示所述位移。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，對(duì)所述的差進(jìn)行測(cè)量包括將所述測(cè)量光束與所述參考光束混合形成混合光束；以及對(duì)所述混合光束的拍頻進(jìn)行測(cè)量以鑒別出所述測(cè)量光束的殘余多普勒頻移，所述殘余多普勒頻移指示了垂直于所述干涉儀與所述物體之間間隔的所述位移。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第二反射器包括波羅棱鏡。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在執(zhí)行步驟d)之前重復(fù)進(jìn)行步驟c)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種干涉儀，它對(duì)于垂直位移測(cè)量提供了大的動(dòng)態(tài)范圍。在操作中，物體上的測(cè)量反射器將測(cè)量光束反射到上覆的波羅棱鏡，物體上的參考反射器將參考光束返回干涉儀。干涉儀中的第二波羅棱鏡可以將用于第二次通過(guò)的參考光束返回到參考反射器，而測(cè)量光束只完成一次通過(guò)。波羅棱鏡的后向反射以及物體的某些轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)測(cè)量光束和參考光束具有相同的影響，所以光束偏離減小了。物體相對(duì)于第一波羅棱鏡的垂直運(yùn)動(dòng)只在測(cè)量光束中引起多普勒頻移。因此，在將測(cè)量光束與參考光束合并時(shí)得到的拍頻可以指示與垂直方向運(yùn)動(dòng)相關(guān)的殘余多普勒頻移。
文檔編號(hào)H01L21/66GK1916561SQ200610072039
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月16日
發(fā)明者威廉·克萊·施盧赫特爾 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司