CN103293865B - 工件台位置误差测量及预先补偿的方法 - Google Patents

Abstract

一种对工件台的位置误差进行预先补偿的方法，包括：在多个位置进行测量，根据测量结构计算支撑台的起伏对工件台高度和倾斜的影响，计算工件台侧面反射镜面形对工件台倾斜角度的影响，以及根据工件台的位置，利用得到的误差数据对工件台进行补偿。

Description

工件台位置误差测量及预先补偿的方法

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及对工件台位置误差进行测量和预先补偿的方法。

背景技术

光刻机对放于工件台上的硅片进行曝光，曝光过程中要求硅片上表面与投影镜头保持固定的距离，以保证硅片上表面始终位于镜头的最佳焦面内。为此，如美国专利US6,172,757 B1描述，光刻机中一般设计有调焦调平传感器，该传感器与投影镜头位置固定，利用硅片上光学反射的探测方法实时监测硅片的高度，通过闭环控制，从而保证曝光硅片面不离焦。

由于测量功能的缺陷，在测量位置位于硅片边缘等情况下，由于可反射面积太小，调焦调平传感器的测量会产生较大误差。另外，调焦调平传感器需要花费一定时间用于测量硅片位置，因此上述通过实时测量硅片高度并进行闭环控制将影响曝光过程中的处理速度，从而影响光刻机的生产效率。在努力压缩生产工艺各个环节的处理时间以提高机器生成效率的前提下，若能在工件台运动到某个场之前事先知道该处的高度误差，将硅片的高度调到合适的位置，则会解决这个矛盾。

美国专利US5,790,253提出了一种测量方镜面形的方法，可以现场地测出镜面的形貌，从而对水平向的测量结果进行补偿，如图1所示。该方法能基于每个方向上有两轴测量光束的激光干涉仪进行方镜面形测量。对于每个方向上有三轴激光干涉仪的测量***，它可以同时测量工件台的水平位置、旋转和倾斜，如图4所示。对于该***，除了需要测出上方俩光束位置处的方镜面形之外，还需要事先测出下方第三轴处的方镜面形影响。

发明内容

本发明提出了一种对工件台的位置误差进行预先补偿的方法，包括下述步骤：

步骤一、将工件台的垂向位置保持不变，将工件台沿水平方向设置到测量位置；

步骤二、测量并记录工件台在所述测量位置的水平位置和倾斜角度，工件台移动至下一个测量位置；

步骤三、判断是否所有测量位置都测量完毕，若是，则进入步骤四，否则返回步骤一；

步骤四、根据支撑台起伏对工件台倾斜角度的影响，拟合得到支撑台起伏引入的高度误差的系数，计算由支撑台起伏引入的工件台的倾斜角度误差和高度误差；

步骤五、基于测量到的工件台的倾斜角度和支撑台起伏引入的工件台的倾斜角度误差，计算方镜面形引入的工件台的倾斜角度误差；

步骤六、保存所得的误差数据；

步骤七、根据工件台的位置，利用得到的误差数据对工件台的垂向位置和倾斜角度进行补偿。

其中，所述测量位置在支撑台上等间距均匀分布，在支撑台表面构成阵列。

其中，当工件台运动到所述测量位置处时，根据误差数据直接进行预先补偿。

其中，当工件台运动到所述测量位置之间时，利用线性插值求取各项误差值，然后根据这些误差值进行预先补偿。

根据本发明的方法，可以通过一次数据测量，获得工件台的两方面的位置误差：大理石高度起伏引起的工件台垂向高度误差和倾斜角度误差；第三个激光干涉仪光轴处的方镜面形引起的工件台倾斜误差。

本发明的方法借助测量工件台位置的干涉仪测量***，离线地测出大理石台的高度起伏以及方镜面形对工件台的姿态引入的误差。利用事先标定的误差数据，在光刻机正常工作中可以快速而且有效地对工件台位置进行前馈补偿。基于高度误差系数，可以求得工件台运动范围内任意位置的高度误差、倾斜角度误差。当工件台运动到某个位置时，通过将对应位置处的高度和倾斜进行补偿，可有效消除由于大理石表面的起伏引入的误差。当工件台移动到水平向的某个位置时，依据该位置处方镜的倾斜面形，可以对干涉仪的读数进行校正，去除方镜面形对干涉仪测量结果的影响。由于测量采用光刻机本身的测量***进行，因而无需额外使用外界的测量***；而且是直接对工件台的姿态进行测量，相比采用第三方测量***，测量所得结果更加真实、简单、高效；同时测试中所采用的算法巧妙地将方镜形貌、大理石起伏等影响因素引起的误差分离开，使得测量目的单一，所测的误差项分离；此外，对工件台的高度和倾斜误差进行事先标定，在正常工作中实时地进行前馈补偿，可以有效提高工件台的定位精度，同时提高了光刻机的曝光效率。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1所示为现有技术测量方法的示意图；

图2所示为典型的光刻机的结构示意图；

图3所示为工件台的高度误差示意图；

图4所示为测量工件台位置的干涉仪测量***结构示意图；

图5所示为工件台方镜不平整对倾斜角度测量结果的影响示意图；

图6所示为工件台的测量位置在工件台行程范围内的分布示意图。

图7所示为本发明位置误差预先补偿的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图2所示为典型的光刻机的结构示意图。光刻机通常包括掩模台101、镜头102、工件台103和调焦调平传感器104，通常采用大理石台作为工件台和掩模台的支撑台，这种情况下，由于大理石台的表面很难做到绝对平滑，当工件台和掩模台在上面移动时高度可能会发生改变，进而引入误差。图3所示为工件台的高度误差示意图。假设光刻机中的工件台103在大理石之上运动，大理石表面的起伏将会影响工件台的高度和倾斜。同时由于工件台由多个气足支撑，工件台的高度变化反映的并不是大理石单个点的高度变化，而是多个气足作用在大理石之上后对工件台的整体高度的影响。

本发明是利用测量工件台姿态的激光干涉仪进行的。图4所示为工件台的干涉仪位置测量方式示意图，从测量工件台姿态的激光干涉仪出射的测量光束照向工件台侧面的方镜，通过测量光束的变化从而获得工件台的姿态。因为当大理石有高度起伏时，会引起工件台的倾斜姿态变化。通过测量工件台的姿态，可以有效测定工件台在大理石之上运动时引入的高度误差。X向和Y向总共6个激光干涉仪测量光束，它们组成了一个测量***，6个光束同时工作，可以测量出工件台的姿态。由于支撑工件台的大理石有起伏，因此工件台在大理石之上运动时，它的姿态会受到大理石影响，这就是大理石引起的工件台姿态的误差；另一方面，如图5所示，方镜存在不平时，会使干涉仪对工件台的位置测量结果产生误差。以上两个误差是本发明的测量目标，最终要对其进行补偿。

测试中，不对工件台的高度和倾斜进行额外设置，让工件台的上表面平行于气足下的大理石表面。如图6所示，依次将工件台设置到多个位置处，这些位置在工件台的行程范围内等距离均匀分布。当工件台位于这些位置时，由激光干涉仪测量工件台的姿态，包括水平位置x、y和倾斜角度Rx_meas、Ry_meas。

上述情况下，激光干涉仪测得的工件台倾斜角度Rx_meas、Ry_meas由以下三部分组成

Rx_meas＝Rx_stone+Rx_mirror

Ry_meas＝Ry_stone+Ry_mirror

其中，Rx_meas、Ry_meas代表激光干涉仪测得的工件台的倾斜角度，Rx_stone、Ry_stone代表由于大理石的高度误差引入的工件台的倾斜角度，Rx_mirror、Ry_mirror代表由方镜面形的不平引起的倾斜角度。

由于大理石的加工工艺，以及工件台气足的平滑作用，决定了它对工件台高度产生的影响应已接近圆弧面，而不会产生突变。因此可以采用低阶的二元方程描述高度误差：

$z(x,y)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_m{x}^n{y}^m$

其中，a₀b₀所在的项为常量，这里不予详述，a_nb_m代表该多项式中xⁿy^m这项的系数，z为大理石的起伏引起的高度变化，x和y分别为工件台的水平位置坐标。a₁b₀和a₀b₁所在的项描述的是大理石的一阶倾斜角度，这两个量均可在焦面校正中进行校正，因此在本发明中也不考虑该项。本发明只对高度误差中高于二阶的误差项进行测试和补偿。

根据满足右手定则的坐标系，倾斜角度Rx_stone、Ry_stone与高度z存在如下式的关系：

$\mathrm{Rx}=\frac{\∂z}{\∂y}=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_m{\mathrm{mx}}^n{y}^{m-1}$

$\mathrm{Ry}=-\frac{\∂z}{\∂x}=-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_m{\mathrm{nx}}^{n-1}{y}^m$

因此对应地，若能测得高度误差引起的倾斜角度Rx_stone、Ry_stone，则通过积分计算可以得到高度误差。

激光干涉仪测得的工件台倾斜角度包含两个分量。需要分离出由大理石的高度误差引入的工件台的倾斜角度Rx_stone、Ry_stone。激光干涉仪本身的误差Rx_mirror、Ry_mirror主要由干涉仪测量***的方镜面形引起，这个量的特点就是当工件台的x坐标不变时，倾斜角度Rx误差不变，当工件台的y坐标不变时，倾斜角度Ry误差不变。

因此，如下式所示的倾斜角度的变化量可以消除方镜面形所引入误差的影响，通过对该变化量进行拟合，得到高度误差的系数a_nb_m。

${\mathrm{\ΔR}}_x(x,y)={\mathrm{Rx}}_{\mathrm{meas}}(x,y+\mathrm{dy})-{\mathrm{Rx}}_{\mathrm{meas}}(x,y)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_m{\mathrm{mx}}^n({(y+\mathrm{dy})}^{m-1}-y^{m-1})$

${\mathrm{\ΔR}}_y(x,y)={\mathrm{Ry}}_{\mathrm{meas}}(x+\mathrm{dx},y)-{\mathrm{Ry}}_{\mathrm{meas}}(x,y)=\underset{n=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_{m}n(x^{n-1}-{(x+\mathrm{dx})}^{n-1})y^m$

基于所求的高度误差系数，可以求得工件台运动范围内任意位置的高度误差、倾斜角度Rx_stone、Ry_stone误差。当工件台运动到某个位置时，通过将对应位置处的高度和倾斜进行补偿，可有效消除由于大理石表面的起伏引入的误差。

如上所述，干涉仪测量得到的工件台倾斜角度除了包含大理石的起伏形貌误差之外，还包含了用于测量工件台倾斜角度的第三根光束处的方镜面形信息。根据方镜面形对倾斜角度的影响规律，即对于相同的x坐标，方镜的倾斜角度误差Rx不变，对于相同的y坐标，方镜的倾斜角度误差Ry不变。因此方镜面形引起的倾斜角度误差可以通过对同一位置的倾斜角度求平均计算。基于各测量位置处的倾斜角度测量结果Rx_meas(x_i,y_j)、Ry_meas(x_i,y_j)和大理石的倾斜角度误差Rx_stone(x_i,y_j)、Ry_stone(x_i,y_j)，可以算得方镜面形的倾斜角度误差：

${\mathrm{Rx}}_{\mathrm{mirror}}\left(x_i\right)=\frac{1}{N_y}\underset{j=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{Rx}}_{\mathrm{meas}}(x_i,y_j)-{\mathrm{Rx}}_{\mathrm{stone}}(x_i,y_j))$

${\mathrm{Ry}}_{\mathrm{mirror}}\left(y_j\right)=\frac{1}{N_x}\underset{i=1}{\overset{N_x}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{Ry}}_{\mathrm{meas}}(x_i,y_j)-{\mathrm{Ry}}_{\mathrm{stone}}(x_i,x_j))$

在测得了大理石台高度起伏以及方镜面形对工件台的位置引起的误差之后，将这些误差保存。当工件台移动到水平向的某个位置时，依据系数计算出在该位置处大理石台的高度和倾斜对工件台的姿态进行调整，可去除大理石对工件台姿态的影响。当工件台移动到水平向的某个位置时，依据该位置处方镜的倾斜面形，从而对干涉仪的读数进行校正，可去除方镜面形对干涉仪测量结果的影响。由于上述过程中所求得的大理石起伏形貌以及方镜倾斜面形只有在特定位置处才有值，对于在其间隔间的值，需要基于邻近测量点的结果进行插值。如某个x位置处的X向倾斜面形，基于其相邻位置的面形进行线性插值公式如下

Rx_mirror(x)＝α·Rx_mirror(x_i)+(1-α)·Rx_mirror(x_i+1)

其中，x是位于x_i和x_i+1之间的一个位置，其中

综上所述，请参见图7所示，根据本发明的对工件台进行预先补偿的典型方法，包括以下步骤：

步骤一、将工件台的垂向控制机构设置成0，使得工件台的垂向位置保持不变，将工件台沿水平方向设置到指定的测量位置，这些测量位置在支撑台(如大理石台)上等间距均匀分布，在大理石台表面构成阵列；

步骤二、当工件台位于每个测量位置时，测量并记录工件台在所述测量位置的水平位置和倾斜角度，将工件台移动至下一个测量位置；

步骤三、判断是否所有测量位置都测量完毕，若是，则进入步骤四，否则返回步骤一；

步骤四、根据大理石台的起伏对工件台倾斜角度的影响，拟合以下公式，得到公式中的系数a_nb_m：

${\mathrm{\ΔR}}_x(x,y)={\mathrm{Rx}}_{\mathrm{meas}}(x,y+\mathrm{dy})-{\mathrm{Rx}}_{\mathrm{meas}}(x,y)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_m{\mathrm{mx}}^n({(y+\mathrm{dy})}^{m-1}-y^{m-1})$

${\mathrm{\ΔR}}_y(x,y)={\mathrm{Ry}}_{\mathrm{meas}}(x+\mathrm{dx},y)-{\mathrm{Ry}}_{\mathrm{meas}}(x,y)=\underset{n=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_{m}n(x^{n-1}-{(x+\mathrm{dx})}^{n-1})y^m$

由拟合所得系数，可以计算工件台位于任意水平位置时，大理石台的起伏形貌对工件台的倾斜角度和高度引入的误差：

$\mathrm{Rx}=\frac{\∂z}{\∂y}=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_m{\mathrm{mx}}^n{y}^{m-1}$

$\mathrm{Ry}=-\frac{\∂z}{\∂x}=-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_m{\mathrm{nx}}^{n-1}{y}^m$

$z(x,y)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{b}_m{x}^n{y}^m;$

步骤五、基于上述测得的工件台的倾斜角度和大理石台起伏引入的工件台的倾斜角度误差，计算方镜面形引入的工件台的倾斜角度误差：

${\mathrm{Rx}}_{\mathrm{mirror}}\left(x_i\right)=\frac{1}{N_y}\underset{j=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{Rx}}_{\mathrm{meas}}(x_i,y_j)-{\mathrm{Rx}}_{\mathrm{stone}}(x_i,y_j))$

${\mathrm{Ry}}_{\mathrm{mirror}}\left(y_j\right)=\frac{1}{N_x}\underset{i=1}{\overset{N_x}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{Ry}}_{\mathrm{meas}}(x_i,y_j)-{\mathrm{Ry}}_{\mathrm{stone}}(x_i,x_j));$

步骤六、保存所得的误差数据；

步骤七、判断工件台的位置，当工件台处于测量位置处时，根据误差数据直接进行预先补偿；当工件台处于测量位置之间时，利用线性插值求取各项误差值，然后根据这些误差值进行预先补偿。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种对工件台的位置误差进行预先补偿的方法，包括下述步骤：

步骤一、将工件台的垂向位置保持不变，将工件台沿水平方向设置到测量位置；

步骤二、测量并记录工件台在所述测量位置的水平位置和倾斜角度，工件台移动至下一个测量位置；

步骤三、判断是否所有测量位置都测量完毕，若是，则进入步骤四，否则返回步骤一；

步骤四、根据支撑台起伏对工件台倾斜角度的影响，根据拟合公式：

得到支撑台起伏引入的高度误差的系数其中分别为工件台X向和Y向倾斜角度的变化量，分别为工件台X向和Y向倾斜角度，为X向和Y向位置；

然后利用求得的高度误差的系数根据公式：和 

计算由支撑台起伏引入的工件台的倾斜角度误差和高度误差，其中分别表示由支撑台起伏引入的工件台的X向和Y向倾斜角度误差，Z(x，y)为工件台的高度误差，为X向和Y向位置；

步骤五、基于测量到的工件台的倾斜角度和支撑台起伏引入的工件台的倾斜角度误差，根据公式：和

计算方镜面形引入的工件台的倾斜角度误差，其中分别为方镜面形引入的工件台的X向和Y向倾斜角度误差，分别为由支撑台起 伏引入的工件台的X向和Y向倾斜角度误差；

步骤六、保存所得的误差数据；

步骤七、根据工件台的位置，利用得到的误差数据对工件台的垂向位置和倾斜角度进行补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量位置在支撑台上等间距均匀分布，在支撑台表面构成阵列。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，当工件台运动到所述测量位置处时，根据误差数据直接进行预先补偿。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，当工件台运动到所述测量位置之间时，利用线性插值求取各项误差值，然后根据这些误差值进行预先补偿。