CN107024176A - 基于衍射光栅的位移测量***及方法 - Google Patents
基于衍射光栅的位移测量***及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于光栅的位移测量***和方法，通过设置光源、棱镜与衍射光栅以及光电探测器，并配置相应的控制***，由于棱镜固定在能够移动的工作台上，衍射光栅固定在整机框架上，当能够移动的工作台相对于光刻机的整机框架作位移时，光源发出的光通过衍射光栅衍射后产生的干涉条纹则发生变化，因此通过控制***对干涉条纹的变化计算可得出能够移动的工作台相对于光刻机的整体框架的位移量。这种测量***结构简单，安装方便，由于放置在密闭包装箱体中进行测量，在测量时受到外界的干扰较小，因此相对于传统的干涉仪测量精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光刻机领域，特别涉及一种基于衍射光栅的位移测量***及方法。
背景技术
随着集成电路要求器件尺寸不断减小，光刻机作为集成电路中，将掩膜版上的特征图形转移到基底上的设备，对其精度要求也在不断提高，尤其是需要不断提高对光刻机内可动元部件位置的测量精度。
光刻机内可动元部件主要是指承载掩膜版的掩膜台以及承载硅片的工件台，在光刻过程中，掩膜台或者工件台皆相对于光刻机的整体框架作位移，测量掩膜台或者工件台相对于光刻机的整体框架的位移量可以实时掌握光刻进度、速度，从而控制光刻过程。
现有技术中采用干涉仪测量***测量可动元部件的位移，将干涉仪测量***设置在掩膜台或者工件台的每一个侧边，当掩膜台或者工件台相对于整机框架作移动时，干涉仪通过发射的光信号产生的变化测得掩膜台或者工件台相对于整机框架的位移量。但是传统的干涉仪位移测量***的测量光与参考光暴露在空气中，受到空气扰动的影响较大，已逐渐不能满足日益提高的精度要求。
现有技术中描述了一种位移测量***，包含了两个部件在六个自由度上的相对位移测量功能，其结构包含至少两个衍射光栅、传感器、线偏振器、至少两个强度辐射检测器等，但由于其结构较复杂，占用空间大，因此安装费时费力。
因此有必要发明一种基于衍射光栅的位移测量***及方法，能够简化结构，并且提高位移测量***的测量精度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于衍射光栅的位移测量***及方法，通过设置光源、棱镜与衍射光栅以及光电探测器，并配置相应的控制***，由于棱镜固定在能够移动的工作台上，衍射光栅固定在整机框架上，当能够移动的工作台相对于光刻机的整机框架作位移时，光源发出的光通过衍射光栅衍射后产生的干涉条纹则发生变化，因此通过控制***对干涉条纹的变化计算可得出能够移动的工作台相对于光刻机的整体框架的位移量。
为达到上述目的，本发明提供一种基于衍射光栅的位移测量***，依次包括：
一光源，用于提供测量光；
一棱镜，固定在能够移动的工作台一侧，用于反射测量光；
一衍射光栅，固定在整机框架上，用于接收被棱镜反射后的测量光；
一光电探测器，用于接收测量光从衍射光栅衍射后的衍射光，衍射光在所述光电探测器上形成干涉条纹；
一密闭包装箱体，用于包裹所述光源、所述棱镜、所述衍射光栅、所述光电探测器；
一控制***，用于电路连接所述光电探测器，根据光电探测器接收的衍射光形成的干涉条纹的位置及相位的变化计算能够移动的工作台相对于整机框架的位移。
作为优选，所述密闭包装箱体内具有真空环境。
作为优选，所述棱镜为反射棱镜。
作为优选，测量光被所述反射棱镜反射后形成的光线与所述衍射光栅表面相交。
作为优选，测量光被所述反射棱镜反射后形成的光线与所述衍射光栅表面垂直。
作为优选，所述光电探测器位于测量光在所述衍射光栅上衍射的衍射光路上。
作为优选，所述光电探测器的平面与所述衍射光栅表面平行。
作为优选，所述光电探测器为线阵CCD。
作为优选，所述棱镜为分光棱镜。
作为优选，还包括耦合器***，接收测量光从衍射光栅衍射的衍射光和测量光被分光棱镜折射形成的参考光，并发送给所述光电探测器。
作为优选，所述耦合器***与所述分光棱镜、所述光电探测器之间分别通过光纤连接。
作为优选，所述耦合器***分别包括接收测量光从衍射光栅衍射的衍射光的第一耦合器、接收测量光被分光棱镜折射形成的参考光的第二耦合器、接收第一耦合器与第二耦合器分别通过光纤传送的光信号的第三耦合器。
作为优选，所述光电探测器为面阵CCD。
作为优选，所述能够移动的工作台为承载掩膜版的掩膜台或者承载硅片的工件台。
作为优选，所述棱镜的长度与所述棱镜对应的能够移动的工作台的边长度相等。
作为优选，能够移动的工作台每一条边对应一个所述基于衍射光栅的位移测量***，并且所有的基于衍射光栅的位移测量***的排布关于能够移动的工作台的中心对称。
作为优选，还包括干涉仪测量***，位于能够移动的工作台一侧，且干涉仪测量***的最低端与能够移动的工作台的底面位于同一水平面。
作为优选，所述密闭包装箱体的材料为不透光材料。
作为优选，所述衍射光栅为透射式二元相位光栅。
本发明提供一种使用如上所述的基于衍射光栅的位移测量***的位移测量方法，通过光源向棱镜发射测量光，并被所述棱镜将测量光反射至衍射光栅形成了相互干涉的衍射光，光电探测器接收相互干涉的衍射光形成的干涉条纹，当能够移动的工作台相对于整机框架作位移时，干涉条纹发生相位变化，由控制***根据光电探测器上的干涉条纹相位的变化计算出能够移动的工作台相对于整机框架所作出的位移量。
作为优选，所述棱镜为反射棱镜。
作为优选，所述棱镜为分光棱镜，通过光源向分光棱镜发出光，并由分光棱镜将光分为测量光和参考光，分光棱镜将测量光反射至衍射光栅形成衍射光，将参考光折射，设置耦合器将衍射光与参考光收集并耦合后反馈至光电探测器，光电探测器上显示成衍射光形成的干涉条纹以及参考光形成的参考光条纹，当能够移动的工作台相对于整机框架作位移时，干涉条纹相对于参考光条纹发生相位变化，由控制***根据光电探测器上的干涉条纹相对于参考光条纹发生的相位的变化计算出能够移动的工作台相对于整机框架所作出的位移量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种基于衍射光栅的位移测量***，依次包括：
一光源，用于提供测量光；
一棱镜，固定在能够移动的工作台一侧，用于反射测量光；
一衍射光栅，固定在整机框架上，用于接收被棱镜反射后的测量光；
一光电探测器，用于接收测量光从衍射光栅衍射后的衍射光，衍射光在所述光电探测器上形成干涉条纹；
一密闭包装箱体，用于包裹所述光源、所述棱镜、所述衍射光栅、所述光电探测器；
一控制***，用于电路连接所述光电探测器，根据光电探测器接收的衍射光形成的干涉条纹的位置及相位的变化计算能够移动的工作台相对于整机框架的位移。
本发明提供一种使用如上所述的基于衍射光栅的位移测量***的位移测量方法，通过光源向棱镜发射测量光，并被所述棱镜将测量光反射至衍射光栅形成了相互干涉的衍射光，光电探测器接收相互干涉的衍射光形成的干涉条纹，当能够移动的工作台相对于整机框架作位移时，干涉条纹发生相位变化，由控制***根据光电探测器上的干涉条纹相位的变化计算出能够移动的工作台相对于整机框架所作出的位移量。
本发明通过设置光源、棱镜与衍射光栅以及光电探测器，并配置相应的控制***，由于棱镜固定在能够移动的工作台上，衍射光栅固定在整机框架上，当能够移动的工作台相对于光刻机的整机框架作位移时，光源发出的光通过衍射光栅衍射后产生的干涉条纹则发生变化，因此通过控制***对干涉条纹的变化计算可得出能够移动的工作台相对于光刻机的整体框架的位移量。这种测量***结构简单，安装方便，由于放置在密闭包装箱体中进行测量，在测量时受到外界的干扰较小，因此相对于传统的干涉仪测量精度更高。
较佳地，本发明还提供一种使用如上所述的基于衍射光栅的位移测量***的位移测量方法，其中的棱镜为分光棱镜，通过光源向分光棱镜发出光，并由分光棱镜将光分为测量光和参考光，分光棱镜将测量光反射至衍射光栅形成衍射光，将参考光折射，设置耦合器将衍射光与参考光收集并耦合后反馈至光电探测器，光电探测器上显示成衍射光形成的干涉条纹以及参考光形成的参考光条纹，当能够移动的工作台相对于整机框架作位移时，干涉条纹相对于参考光条纹发生相位变化，由控制***根据光电探测器上的干涉条纹相对于参考光条纹发生的相位的变化计算出能够移动的工作台相对于整机框架所作出的位移量。这种测量方法由于将测量光形成的干涉条纹与参考光条纹作为对比，因此在计算时，由于参考量的存在，计算精度更高。
附图说明
图1为本发明实施例一位移测量***结构示意图；
图2为本发明实施例一剪切干涉测量原理示意图；
图3为本发明实施例一光强随着相位发生变化的示意图；
图4为本发明实施例一光刻机整***移测量***分布示意图；
图5为本发明实施例二位移测量***结构示意图；
图6为本发明实施例二剪切干涉测量原理示意图；
图7为本发明实施例三位移测量***结构示意图；
图8为本发明实施例三迈克尔逊干涉测量原理示意图；
图9为本发明实施例四位移测量***结构示意图。
图中：1-光源、21-反射棱镜、22-分光棱镜、3-衍射光栅、4-光电探测器、41-光纤、51-第一耦合器、52-第二耦合器、53-第三耦合器、6-工件台、61-干涉仪测量***、7-硅片、8-密闭包装箱体、9-整机框架。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参照图1，本发明提供一种基于衍射光栅的位移测量***，放置在能够移动的工作台一侧，能够移动的工作台为用于承载掩膜版的掩膜台或者用于承载硅片7的工件台6，本实施例中能够移动的工作台为工件台6，位移测量***最低端与工件台6的底面位于同一水平面，位移测量***依次包括：
一光源1，用于提供测量光；
一棱镜，固定在工件台6一个侧边上，用于反射测量光，本实施例中棱镜为反射棱镜21，请参照图4，反射棱镜21的长度等于该反射棱镜21对应的工件台6的侧边的长度；
一衍射光栅3，固定在整机框架9上，用于接收测量光被反射棱镜21反射后的反射光，本实施例中衍射光栅3为透射式二元相位光栅，这种光栅用于对入射光束进行相位调制，并可控制各级次衍射光的衍射效率；
一光电探测器4，用于接收测量光从衍射光栅3衍射的衍射光，衍射光在光电探测器4上形成干涉条纹，光电探测器4是一种可以探测光强及光强分布的光电信号转换器，本实施例中采用线阵CCD，光电探测器4位于测量光在衍射光栅3上衍射的衍射光路上，并且在本实施例中光电探测器4的平面与衍射光栅3表面平行；
一密闭包装箱体8，用于包裹光源1、反射棱镜21、衍射光栅3、光电探测器4，密闭包装箱体8内具有真空环境，或者该密闭包装箱体8为一种固体的导光元件，光源1、反射棱镜21、衍射光栅3以及光电探测器4皆固定于该固体导光元件内部，上述两种实现方式都是为了使得测量时不会受到外界空气扰动的影响，提升测量精度；
一控制***(未图示)，用于电路连接光电探测器4，根据光电探测器4接收的衍射光形成的干涉条纹的位置及相位的变化计算工件台6相对于整机框架9的位移。
请参照图2，本实施例中测量光被反射棱镜21反射后形成的光线与衍射光栅3表面垂直，当测量光被反射棱镜21反射后形成的光线垂直入射衍射光栅3后产生了衍射，其中0级衍射光垂直入射光电探测器4，而-1级衍射光与+1级衍射光以与光电探测器4形成锐角的角度入射光电探测器4，-1级衍射光的出射角为A，+1级衍射光的出射角为B。
请参照图4，在整个光刻机上，一共安装四个位移测量***，分别对应工件台6的每一个侧边，这四个位移测量***关于工件台6的中心对称，当工件台6在任意一个方向上相对于整机框架9作相对移动时，移动方向所对应的侧边上的位移测量***则可以测得移动产生的位移。而中心对称的布置方式也可便于测量工件台6在垂直方向上发生旋转时产生的位移。
使用本发明提供的位移测量***测量时，应将其放置于黑暗环境中，或者可以将密闭包装箱体8使用不透光材料制作，使得测量时可以排除外界杂散光的干扰。
本发明还提供一种使用上述的基于衍射光栅的位移测量***的位移测量方法，具体为：
光源1向反射棱镜21发射测量光，并被反射棱镜21反射至衍射光栅3形成衍射光，请参照图2，光栅方程为d(sinα+sinβ)＝mλ，其中α为向衍射光栅3入射的入射角，β为从衍射光栅3出射的出射角，d为衍射光栅3周期，m为衍射级次，λ为光束的波长，由于被反射棱镜21反射的测量光垂直入射衍射光栅3，因此入射角α为0°，则光栅方程简化为d sinβ＝mλ。
光电探测器4接收相互干涉的衍射光形成的干涉条纹，请继续参照图2，假设光电探测器4的入射面与衍射光栅3的间距为h，利用三角函数公式可计算出两个级次衍射光在光电探测器4上显示出的间距由于+1级衍射光的出射角为A、-1级衍射光的出射角为B，当间距h为1mm，入射衍射光栅3的光波长为632.8nm，衍射光栅3周期为3um，则可计算得到间距D约为0.215mm。如将入射衍射光栅3的入射光束扩束为具有3mm光斑直径的平行光束，则产生干涉的区域有2.784mm，足够现有技术中常见的CCD识别。
当工件台6相对于整机框架9作位移时，干涉条纹发生相位变化，由控制***根据光电探测器4上的干涉条纹相位的变化计算出工件台6相对于整机框架9所作出的位移量。
如图3所示为当光线入射到衍射光栅3时光线的位置变化时，干涉条纹的相位变化示意图。其中I为光强，b为光强峰值，为相位变化，a为相位变化时对应的光强变化。假设x为入射光束在衍射光栅3上的位移变化量，则有：
当x选取为1nm时，光强变化量a约为0.03‰；如选取动态范围为16位的线阵CCD，则可分辨光强的变化为0.015‰；所以该测量方法可满足当工件台6的位移量程为nm级时的测量需求。
实施例二
请参照图5，本实施例与实施例一的区别在于测量光被反射棱镜21反射后形成的光线与衍射光栅3表面相交，且光电探测器4的入射面与衍射光栅3的表面也相交。
请参照图6，其中光源1发出的测量光经过反射棱镜21反射后，形成的反射光在入射衍射光栅3时的入射角为C，在入射衍射光栅3后发生了衍射，因此产生的衍射光束的出射角也发生了变化，其中+1级衍射光的出射角为D，-1级衍射光的出射角为D’，对于+1级衍射光，光栅方程为d(sin C+sin D)＝mλ，对于-1级衍射光，光栅方程为d(sin C+sin D')＝mλ，d为衍射光栅3的周期，m为衍射级次，λ为入射衍射光栅3时光线的波长。
利用三角函数公式可计算出，光电探测器4与衍射光栅3表面形成的锐角为E，上述两个级次的衍射光在光电探测器4上形成的条纹之间的距离其中x为入射光束在衍射光栅3上的位移变化量。
设衍射光栅3周期d为2um，入射衍射光栅3时光线的波长λ为632.8nm，x为200mm，光电探测器4与衍射光栅3之间夹角为0.001弧度，可以计算出两级次衍射光的光斑间距D为1.6mm。如将光源1出射的测量光扩束成具有光斑直径为3mm的平行光束，就可以满足现有CCD识别技术。
上述参数是一种可行的实现方式，但本实施例中实际可以使任意2个级次的衍射光之间产生干涉，例如采用+2级与+1级，则计算得到该两个级次的衍射光的光斑间距为0.6mm。
两级次衍射光的光程差可用下式描述：
通过上述公式即可算出干涉条纹之间的相位差，在上述参数条件下，当x为1mm，相位变化为0.00291985，呈线性变化。
实施例三
请参照图7，本实施例与实施例一的区别在于棱镜为分光棱镜22，以及整个位移测量***还包括耦合器***。
分光棱镜22将光源1发出的光分为向衍射光栅3入射的测量光和向耦合器***传输的参考光。
请参照图8，耦合器***分别包括接收测量光从衍射光栅3衍射的衍射光的第一耦合器51、接收测量光被分光棱镜22折射形成的参考光的第二耦合器52、接收第一耦合器51与第二耦合器52分别通过光纤41传送的光信号的第三耦合器53，整个耦合器***与分光棱镜22、光电探测器4之间也分别通过光纤41连接。
较佳地，由于使用了耦合器***，因此光电探测器4的可以直接接收来自耦合器的光信号，而不需要如实施例一与实施例二中使用长度较大的线阵CCD来接收自衍射光栅3上衍射出的光线，因此本实施例中光电探测器4使用面阵CCD即可。
请参照图8，本发明还提供一种使用上述的基于衍射光栅的位移测量***的位移测量方法，具体为光源1发出的光经过分光棱镜22分光后分别形成测量光和参考光，测量光入射至衍射光栅3后形成衍射光并被第一耦合器51收集，通过光线41传输至第三耦合器53，参考光从分光棱镜22出射后被第二耦合器52收集并通过光纤41传输至第三耦合器53，第三耦合器53将测量光与参考光耦合，在该第三耦合器53的截面上产生干涉，并将干涉信息传输至光电探测器4上，从而控制***可根据光电探测器4接收的信息计算出工件台6相对于整机框架9的位移变化，且由于本实施例中提供了参考光作为变化的参考对象，因此能够提高测量的精度。
实施例四
请参照图9，本实施例与实施例一的区别在于，位移测量***中还包括干涉仪测量***61，干涉仪测量***61的最低端与工件台6的底面位于同一水平面上。
由于本发明提供的位移测量***，当入射衍射光栅3的入射光束在移动了整个衍射光栅的周期后，相干光强也是按照周期发生变化。所以当工件台6相对于整机框架作大尺度位移时，仅靠位移测量***不能解耦这种位移变化，因此增加干涉仪测量***61，可以确定在位移变化为μm级以上的级别时，由干涉仪测量***61配合本发明提供的位移测量***来计算得到工件台6的位移。本实施例中的干涉仪测量***61采用现有技术中常用的双频激光干涉仪即可。
本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例。显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (24)
1.一种基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，依次包括：
一光源，用于提供测量光；
一棱镜，固定在能够移动的工作台一侧，用于反射所述测量光；
一衍射光栅，固定在整机框架上，用于接收被所述棱镜反射后的测量光；
一光电探测器，用于接收所述测量光从所述衍射光栅衍射后的衍射光，所述衍射光在所述光电探测器上形成干涉条纹；
一非空气传播光路结构，设置在所述衍射光栅和所述光电探测器之间，用于在非空气传播光路中，传播所述衍射光；
一控制***，用于电路连接所述光电探测器，根据光电探测器接收的所述干涉条纹的位置及相位的变化计算所述工作台相对于整机框架的位移。
2.如权利要求1所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述非空气传播光路结构为密闭包装箱体，用于包裹或者部分包裹所述衍射光栅和所述光电探测器。
3.如权利要求2所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述密闭包装箱体内具有真空环境。
4.如权利要求2所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述密闭包装箱体内设置有透明光学元件。
5.如权利要求1或2或3或4所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述棱镜为反射棱镜。
6.如权利要求5所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述测量光被所述反射棱镜反射后形成的光线与所述衍射光栅表面相交。
7.如权利要求6所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述测量光被所述反射棱镜反射后形成的光线与所述衍射光栅表面垂直。
8.如权利要求5所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述光电探测器位于测量光在所述衍射光栅上衍射的衍射光路上。
9.如权利要求8所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述光电探测器的平面与所述衍射光栅表面平行。
10.如权利要求5所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述光电探测器为线阵CCD。
11.如权利要求1或2或3或4所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述棱镜为分光棱镜。
12.如权利要求11所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，还包括耦合器***，接收所述测量光从所述衍射光栅衍射的衍射光，和所述测量光被所述分光棱镜折射形成的参考光，并发送给所述光电探测器。
13.如权利要求12所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述耦合器***与所述分光棱镜、所述光电探测器之间分别通过光纤连接。
14.如权利要求13所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述耦合器***分别包括接收所述测量光从所述衍射光栅衍射的衍射光的第一耦合器、接收所述测量光被所述分光棱镜折射形成的参考光的第二耦合器、接收第一耦合器与第二耦合器分别通过光纤传送的光信号的第三耦合器。
15.如权利要求11所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述光电探测器为面阵CCD。
16.如权利要求1所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述工作台为承载掩膜版的掩膜台或者承载硅片的工件台。
17.如权利要求1所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述棱镜的长度与所述棱镜对应的所述工作台的边长度相等。
18.如权利要求1所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述工作台每一条边对应一个所述基于衍射光栅的位移测量***，并且所有的基于衍射光栅的位移测量***的排布关于所述工作台的中心对称。
19.如权利要求1所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，还包括干涉仪测量***，位于所述工作台一侧，且所述干涉仪测量***的最低端与所述工作台的底面位于同一水平面。
20.如权利要求2或3或4所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述密闭包装箱体的材料为不透光材料。
21.如权利要求1所述的基于衍射光栅的位移测量***，其特征在于，所述衍射光栅为透射式二元相位光栅。
22.一种使用如权利要求1～21中任意一项所述的基于衍射光栅的位移测量***的位移测量方法，其特征在于，通过光源向棱镜发射测量光，并被所述棱镜将测量光反射至衍射光栅形成了相互干涉的衍射光，所述衍射光通过非空气传播光路，由光电探测器接收相互干涉的衍射光形成的干涉条纹，当能够移动的工作台相对于整机框架作位移时，干涉条纹发生相位变化，由控制***根据光电探测器上的干涉条纹相位的变化计算出能够移动的工作台相对于整机框架所做出的位移量。
23.如权利要求22所述的基于衍射光栅的位移测量***的位移测量方法，其特征在于，所述棱镜为反射棱镜。
24.如权利要求22所述的基于衍射光栅的位移测量***的位移测量方法，其特征在于，所述棱镜为分光棱镜，通过素数光源向所述分光棱镜发出光，并由所述分光棱镜将光分为测量光和参考光，所述分光棱镜将所述测量光反射至所述衍射光栅形成衍射光，将所述参考光折射，设置耦合器将所述衍射光与所述参考光收集并耦合后反馈至所述光电探测器，所述光电探测器上显示成衍射光形成的干涉条纹以及参考光形成的参考光条纹，当所述工作台相对于整机框架作位移时，所述干涉条纹相对于所述参考光条纹发生相位变化，由所述控制***根据所述光电探测器上的干涉条纹相对于参考光条纹发生的相位的变化，计算出所述工作台相对于整机框架所作出的位移量。
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