CN1758014A - 用于测量位移的干涉仪***以及采用该干涉仪***的曝光*** - Google Patents

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Abstract

用于测量位移的干涉仪***包括位移干涉仪。该干涉仪包括响应测量光束的位移变换器。配置该位移变换器，以将其在垂直于测量光束的方向上的移动变换为位移变换器的反射面与测量光束之间的光程长度的变化。位移变换器可以包括透射光栅和位移反射镜或者反射光栅。

Description

用于测量位移的干涉仪*** 以及采用该干涉仪***的曝光***
参考优先权专利申请
该专利申请要求2004年10月7日提交的第2004-80081号韩国专利申请的优先权，在此引用该专利申请的内容供参考。
技术领域
本发明涉及一种光学设备，本发明特别地涉及一种用于测量位移的干涉仪***以及采用该干涉仪***的曝光***。
背景技术
从Michelson-Moley为了发现以太(ether)的存在，在1887年所作的实验中采用Michelson干涉仪开始，干涉仪广泛用于要求进行精确测量的各技术领域。在包括曝光操作工作、钻石加工、精确处理工作等的精细加工领域，广泛采用干涉仪，因为它们可以以1nm水平的精度测量目标。特别是，由于1960年开发了激光器，利用激光器作为其光源的激光干涉仪有助于提高各技术领域的测量精度。干涉仪是利用光干涉物理现象的光学器件，在通过目标物体的测量光束的光程长度与基准光束的固定光程长度不同时，产生光干涉现象。
图1上示出Michelson干涉仪的基本结构的原理图。如图1所示，光束***器BS将光源S发出的光束分离为基准光束RB和测量光束MB，它们分别传播到基准反射镜M1和移动反射镜M2。基准光束RB和测量光束MB分别被基准反射镜M1和移动反射镜M2反射，然后，全部返回光束***器BS。此后，利用光束***器BS，基准光束RB部分入射到检测器D，而在被光束***器BS反射后，测量光束MB部分入射到检测器D上。入射到检测器D上的基准光束RB和测量光束MB互相重叠，以形成干涉条纹。
众所周知，可以利用下面的等式1概括这种干涉作用。在等式1中，参数I、I1和I2分别表示干涉条纹、基准光束RB以及测量光束MB的光强，而参数δ表示基准光束RB与测量光束MB之间的相差。
I = I 1 + I 2 + 2 I 1 I 2 cos δ - - - ( 1 )
相差δ导致干涉条纹的光强产生偏差。因此，如果确定检测器D监测的干涉条纹的迁移数，则利用下面的等式2，可以获得移动反射镜的位置。
X = X 0 + N λ 2 - - - ( 2 )
在等式2中，参数X、X0、N和λ分别表示移动反射镜M2的位移、移动反射镜M2的初始位置、干涉条纹的数量以及所使用的光波的波长。
图2是示出典型X-Y级***和用于确定该级***的位置的位移干涉仪的透视图。如图2所示，所构造典型的X-Y级***10包括：固定级底座12；下部级14，位于级底座12上；以及上部级16，位于下部级14上。下部级14可以沿x方向移动到级底座12，而上部级16可以沿y方向移动到级底座12。因此，上部级16可以沿x方向和y方向以二维移动到级底座12。
在X-Y级***10附近，设置光干涉仪***以测量上部级16的x位置和y位置以及偏角(左、右摇摆)。光干涉仪***包括：光源50，用于发出预定波长的激光束；光束***器1-4，用于分离光源50发出的激光束；以及干涉仪20、30和36，利用光束***器1-4分离的激光束55，分别测量上部级16的x位置和y位置以及偏角。除了X-Y级***10的***设备外，还可以设置波长跟踪仪40，以测量空气的折射率，从而监测诸如温度和压力的环境变化。
X干涉仪20包括：x测量反射镜21、x光束***器22以及x检测器23，而y干涉仪30包括：y测量反射镜31、y光束***器32以及y检测器33。偏角干涉仪36包括y测量反射镜31、偏角光束***器34以及偏角检测器35。x测量反射镜21和y测量反射镜31粘合到上部级16的侧壁上，以根据上部级16的位置变化产生光程差，而且其取向与x方向和y方向平行。此外，x光束***器22、y光束***器32和偏角光束***器34分别包括基准反射镜，以产生其自己的基准光束。
除了x测量反射镜21和y测量反射镜31，光干涉***的其他部件也固定到级底座12上。因此，上部级16可以以二维移动到光源50。同时，为了测量上部级16的相对运动，需要以法线方向反射入射到x测量反射镜21和y测量反射镜31的激光束55。为此，应该以可以保证这种法线反射的尺寸，制造测量反射镜21和31。如果x测量反射镜21太小，则因为上部级16的y方向运动，x测量光束55偏离x测量反射镜22。为了防止该光束偏离，需要设计其尺寸比沿上部级16的y方向到x光束***器22的最大位移大的x测量反射镜21。对测量反射镜的尺寸的要求也适用y测量反射镜31。
制造级相当普通，级用于特别是诸如半导体制造处理过程的技术领域，从而以非常高的运动精度操作它。为了实现高精度控制装置，必须非常高的均匀性设计、制造用于确定位移的测量反射镜。具体地说，要求以几纳米水平的均匀性操纵曝光***，因为测量反射镜的表面均匀性直接影响转印到圆片上的各图形的失真和重叠。
然而，如上所述，尽管需要制造其尺寸可以防止测量光束偏离的测量反射镜(x测量反射镜或者y测量反射镜)，但是以几纳米水平这样高的均匀性制造测量反射镜非常困难，而且成本非常高。此外，由于测量反射镜的表面均匀性根据万有引力、温度变化和运动的加速度降低，所以为了使测量反射镜的均匀性保持在同样水平，需要持续维护。这样高水平的维护可能产生高维护费用。
发明内容
本发明实施例包括位移变换器，用于将运动物体的x方向位移变换为沿y方向传播的测量光束的光程差。位移干涉仪包括：光源，用于产生光束；光束***器，用于将光束分离为基准光束和测量光束；基准反射镜，用于改变基准光束的传播方向；位移变换器，用于改变测量光束的传播方向；以及检测器，用于检测被改变了方向的基准光束和测量光束。位移变换器将垂直于测量光束的传播方向上的位移(ΔD)变换为测量光束的光程差(ΔP)。位移变换器可以与透射光栅或者衍射光栅一起使用。
在本发明的另一个实施例中，位移变换器包括：透射光栅；以及位移反射镜，离开透射光栅设置其，而且以预定倾角(β)对着透射光栅。设置透射光栅和位移反射镜，以在光程差(ΔP)、倾角(β)以及位移(ΔD)之间满足关系：ΔP＝2·ΔD·sinβ。优选垂直于测量光束的传播方向设置透射光栅。特别是，优选设置位移反射镜，以利用透射光栅反射测量光束的第一衍射光束。在透射光栅的光栅条纹的间距是d，测量光束的传播方向与透射光栅的法线所成的夹角是α以及光束的波长是λ时，对于透射光栅的法线，位移反射镜的倾角β优选是arcsin(λ/d-sinα)，它确定测量光束的第一衍射光束与透射光栅的法线所成的衍射角。
在有一个实施例中，位移变换器包括与测量光束的传播方向成预定倾角(β)设置的反射光栅。设置反射光栅，以在光程差(ΔP)、倾角(β)以及位移(ΔD)之间满足关系ΔP＝2·ΔD·tanβ。
将从反射光栅返回光束***器的光束称为第一衍射光束。在反射光栅的光栅条纹的间距是d，而光束的波长是λ时，对于测量光束的传播方向，反射光栅的倾角β优选是arcsin(λ/d)。
其他实施例可以用于在光束***器、检测器、基准反射镜以及位移变换器之间设置相对固定位置。根据这些实施例，光束***器、检测器、基准反射镜以及位移变换器可以相对于被固定的光源一起运动。根据这些实施例，利用检测器的检测结果，可以分别确定垂直于测量光束的传播方向运动的位移变换器的位移。
又一个实施例可以用于在光束***器、基准反射镜以及位移变换器之间设置相对固定的位置。根据这些实施例，光束***器、检测器、基准反射镜以及位移变换器可以相对于被固定的光源一起运动。根据这些实施例，利用检测器的检测结果，可以分别确定垂直于测量光束的传播方向运动的位移变换器的位移。
在本发明的又一个实施例中，光束***器、检测器以及基准反射镜之间的相对位置是固定的，而位移变换器的位置可以相对于光束***器、检测器以及基准反射镜的位置发生变化。根据这些实施例，检测器检测的位移是求相对于测量光束的传播方向的垂直位移和平行位移之和的结果。在该实施例中，在确定垂直位移时，独立测量与测量光束的传播方向平行的位移。
根据本发明其他实施例的***包括第二位移干涉仪，用于测量平行位移，以确定垂直于测量光束的传播方向的位移。该***可以包括与检测器相连的控制器，以确定测量光束传播方向上的平行位移和垂直位移。
根据又一个实施例，采用衍射光栅的位移干涉仪可以用于测量x-y级的z方向位移。在该实施例中，要求至少具有两个分别采用相应衍射光栅的位移干涉仪。
此外，位移干涉仪***可以包括采用一个衍射光栅的位移干涉仪和两个通用位移干涉仪，以确定x坐标和y坐标以及x-y级的偏角。这些位移干涉仪***可以用于曝光***的级位置测量***。例如，在扫描型曝光***中，可以利用根据本发明实施例的位移干涉仪***测量标线片载物台的位置。
附图说明
所包括的附图有助于进一步理解本发明，而且附图引入本说明书、构成本说明书的一部分。附图示出本发明的典型实施例，而且与说明一起用于解释本发明原理。附图包括：
图1是示出传统Michelson干涉仪的基本结构的原理图；
图2是示出传统X-Y级***和用于确定该级***的位置的位移干涉仪的透视图；
图3A至3C是示出根据本发明实施例采用透射光栅的位移干涉仪的原理图；
图4A至图4C是根据本发明另一个实施例采用反射光栅的位移干涉仪的原理图；
图5A至图5C是示出在衍射光栅产生的衍射作用的原理图；
图6A和图6B是示出将位移变换为光程差的特征的原理图；
图7至9是示出根据本发明实施例的位移干涉仪***的各种配置的原理图；
图10A和图10B是示出用于确定沿z方向的位移的位移干涉仪***的位移变换器的原理图；
图11是示出包括根据本发明的位移干涉仪的扫描型曝光***的结构图；以及
图12是示出因为分划板沿y方向的运动导致的沿x方向的位移的原理图。
具体实施方式
下面将参看附图更详细说明本发明的优选实施例。然而，可以以不同的方式实现本发明，而且不应该认为本发明局限于在此描述的实施例。相反，提供这些实施例，以使该说明彻底和完整，而且可以对本技术领域内的技术人员全面传达本发明范围。在所有附图中，同样的参考编号表示同样的元件。
图3A至3C以及图4A和4C是示出根据本发明实施例的位移干涉仪的配置的原理图。在图3A至3C中，所构造的位移干涉仪包括：光源100、光束***器111、基准反射镜141、检测器131以及位移变换器121。光源100产生预定波长的光束，在测量过程中使用该光束。可以由单频激光、双频激光、多频激光、Lamb激光、Zeeman激光或者倒相Lamb激光或者光谱光束产生该光束。光束***111将光源100发出的光束分离为基准光束211和测量光束201。光束***器111可以包括半透明反射镜，用于在其上部分反射入射光。基准反射镜141在其上将入射基准光束211反射到朝向光束***器111。如上所述，基准反射镜141反射的基准光束211的方向可以与入射到基准反射镜141的基准光束211的方向相反。为了实现这种结果，例如，基准反射镜141可以是平面反射镜、弯角光导管(comer tube)、角反射器或者回射器。
位移变换器121在其上使入射基准光束211反射到朝向光束***器111。在此描述的位移变换器121是光学器件，配置该光学器件用于将垂直于传播方向(即，y方向)的位移ΔD变换为测量光束201的光程差ΔP。为了进行变换操作，位移变换器121可以包括衍射光栅。衍射光栅是互相分离开的距离与要使用的波长相同的反射物体或者透明物体的组合。特别是，衍射光栅可以包括形成在透明屏上的透明栅缝图形，或者是形成在衬底上的反射凹槽。因为衍射的作用。入射到衍射光栅上的电磁波的相位或者振幅被调整为预定图形。在本发明的某些实施例中，可以利用透明光栅(参考图3A至3C)或者反射光栅(RG)(参考图4A至4C)实现位移变换器121。
图5A至图5C是示出在衍射光栅产生的衍射作用的原理图。图5A和5B分别示出在预定光束入射到反射光栅和透射光栅上时产生的衍射特征。衍射光栅(RG)使入射光束和衍射光束位于同一侧(参考图5A)，而透射光栅(TG)使入射光束和衍射光束位于光束的两侧(参考图5B)。图5C解释基于布局的衍射作用。
参考图5A和5B，波长λ的光束以夹角α入射到间距为d的光栅，然后，以夹角βm衍射。通过设置光栅法线(在该图的中心垂直于光栅表面的虚线)，获得入射角α和衍射角βm。通过与入射光束相比，衍射光束是否位于同一侧，建立这些夹角的符号变换图形。例如，入射角α和衍射角β1全部为正，而衍射角β0和β-1全部为负。
如图5C所示，通过光栅上的相邻凹槽的光束的光程差被定义为d·sinα+d·sinβ。根据光干涉原理，在该光程差等于波长λ，或者其整数倍时，通过相邻凹槽的光束具有同样的相位，从而导致相长干涉。对于其他衍射角β，可能产生偏置干涉。在相长干涉条件下，在入射角α、衍射角βm、间距d以及波长λ之间存在下面等式。
mλ＝d(sinα+sinβ)                         (3)
在等式3中，参数m是表示衍射级(diffraction order)或者频普级。根据等式3，利用下面的等式4可以获得对应于预定衍射级m的衍射角β。
βm(λ)＝arcsin(mλ/d-sinα)                (4)
再参考图3A至3C，位移变换器121包括：透射光栅TG和位移反射镜DM。为了使测量光束201垂直入射到透射光栅TG上，透射光栅TG的法线优选平行于测量光束201的传播方向。相反，与透射光栅TG成预定角度设置位移反射镜DM。优选设置位移反射镜DM，以使从透射光栅TG接收的第一衍射光束反射回透射光栅TG。为了实现反向反射，位移反射镜DM表面的法线应该平行于第一衍射光束的传播方向，对于透射光栅TG的法线，利用下面的等式5确定的夹角β1布置第一衍射光束。
β1(λ)＝arcsin(λ/d)                     (5)
图6A和图6B是示出位移变换器121将位移ΔD变换为光程差(OPD)的特征的原理图，位移变换器121可以包括透射光栅TG或者反射光栅RG。参考图6A，假定第一测量光束L1和L2以同样的波长λ垂直入射到透射光栅TG，透射光栅TG互相分离开距离ΔDx。透射光栅TG的各凹槽之间的间距是d。在这种情况下，第一测量光束和第二测量光束的第一衍射光束LF1和LF2与透射光栅TG的法线成衍射角β1传播，利用等式5确定衍射角β1。
如上所述，在与透射光栅TG成某个角度设置位移反射镜DM时，传播到位移反射镜DM的第一测量光束和第二测量光束的第一衍射光束LF1和LF2存在光程长度差。如上所述，如果垂直于第一衍射光束LF1和LF2的传播方向设置位移反射镜DM，则等式6规定了在第一衍射光束LF1和LF2在透射光栅TG与位移反射镜DM之间传播时产生的光程差。
ΔP＝2·ΔDx·sinβ1                          (6)
利用等式5，可以将等式6重写为：
ΔP＝2·ΔDxλ/d                              (7)
参考图6B，具有凹槽、其间距为d的反射光栅RG可以用作位移变换器121。在这种情况下，如果与第一测量光束L1和第二测量光束L2成夹角β1设置反射光栅RG，如等式5所示，第一测量光束L1与第二测量光束L2分离开距离ΔDx，则反射光栅RG发出的第一衍射光束LF1和LF2以与测量光束L1和L2相反的反向传播。等式7规定了光程差ΔP，它还被称为OPD。
因此，图6A和6B所示的位移变换器接收测量光束，而且配置该位移变换器，以将位移变换器在垂直于测量光束方向上的运动变换为位移变换器的反射面与测量光束之间的光程长度的变化。如图6A所示，位移变换器包括：透射光栅(TG)，其正面位于测量光束的光路上；以及位移反射镜(DM)，对着透射光栅的背面。位移反射镜以夹角β对着透射光栅的背面，而且光程长度差是ΔP。位移变换器在垂直于测量光束方向上的运动ΔD与光程长度差ΔP具有下面的关系：ΔP＝2ΔDsinβ。在图6B中，位移变换器包括反射光栅(RG)，而且该反射光栅的主面对着与该主面的法线成夹角β的测量光束。在该实施例中，位移变换器在垂直于测量光束方向上的运动ΔD与光程长度差ΔP具有下面的关系：ΔP＝2ΔDtanβ。
再参考图3A至3C，通过光束***器111，分别被基准反射镜141和位移变换器121反射的基准光束211和测量光束201入射到检测器131。检测器131检测基准光束211与测量光束201重叠形成的干涉条纹。在此期间，要检测的干涉条纹根据等式6和7确定的光程差(OPD)发生变化。
根据图3A所示的实施例，光束***器111/基准反射镜141/位移变换器121以及检测器131固定安装在运动物体150上。因此，即使在运动物体150运动，从而改变其位置时，光束***器111与基准反射镜141之间的距离，或者光束***器111与位移变换器121之间的距离不发生变化。因此，在运动物体150沿测量光束201的传播方向(即，y方向)运动时，测量光束201和基准光束211的相位保持不变。相反，在运动物体150沿垂直于测量光束201的方向，即，沿x方向，运动时，位移变换器121反射的测量光束201的光程长度发生变化。因此，测量光束201与基准光束211之间的相位差根据测量光束201的光程长度的变化ΔP发生变化。利用检测器131检测的干涉条纹的变化，求得相位差的这种变化。等式1描述了干涉条纹根据光程长度的变化发生的变化。
根据图3B所示的实施例，对于光源100，检测器131被设置在固定位置，而不设置在运动物体150上。对于该实施例，检测器131优选设置在位移变换器121和光束***器111的延长线上，以便检测器131接收测量光束201和基准光束211。如图3B所示，可以设置附加光束***器169，以将光源100发出的光束和传播到检测器131的光束分离。
根据图3C所示的实施例，光束***器111、基准反射镜141以及检测器131设置在相对于光源100固定的位置，而位移变换器121因为固定在运动物体150上而运动。因此，光束***器111与基准反射镜141之间的距离不根据运动物体150的运动发生变化。
然而，测量光束201的传播光程长度根据运动物体150的运动变化。换句话说，如果运动物体150沿测量光束201的传播方向(即，y方向)运动，则光束***器111与位移变换器121之间的距离发生变化。此外，如果运动物体151垂直于测量光束201的传播方向运动，则测量光束201到位移反射镜DM的光程长度也发生变化。
因此，运动物体150在y方向上的位置变化和x方向上的位置变化影响检测器131检测的干涉条纹的变化。因此，为了知道沿x方向的实际位移，必须利用根据测量的干涉条纹的变化求得的总位移减去y方向的位移。
图4A至4C示出将反射光栅RG用作位移变换器121，代替图3A至3C所示的透射光栅TG的本发明的变换实施例。优选设置反射光栅RG，与测量光束201的传播方向成夹角β1，等式5确定该夹角β1。因此，如果运动物体150在x方向上的位置相对于测量光束201发生变化，则利用等式6和7求得光程差(OPD)。利用检测器131检测的干涉条纹的变化求得该光程长度差。
图7示出可以确定x方向上的实际位移的位移干涉仪***。如图7所示，位移干涉仪***包括：光源100、运动物体150、第一位移干涉仪101、第二位移干涉仪102、控制器500以及光传递单元160。第一位移干涉仪101和第二位移干涉仪102分别测量运动物体150在第一方向和第二方向(即，x方向和y方向)的位移。为此，第一位移干涉仪101和第二位移干涉仪102采用光源100发出的光束。第一位移干涉仪101包括：第一光束***器111、第一基准反射镜141、第一位移变换器121以及第一检测器131。图3C或者4C所示的位移干涉仪优选用作第一位移干涉仪101。即，第一位移变换器121固定在运动物体150上，而第一光束***器111、第一基准反射镜141以及第一检测器131离开光源100固定距离。第一位移变换器121将垂直于第一测量光束201的传播方向(即，y方向)的位移ΔDx变换为第一测量光束201的光程长度的变化ΔP1。为此，包括图6A和6B所示所示衍射光束的光学器件可以用作第一位移变换器121。
第二位移干涉仪102包括：第二光束***器112、第二基准反射镜142、第二位移变换器122以及第二检测器132。第二光束***器112将光束分离为分别传播到第二基准反射镜142和第二位移变换器122的第二基准光束212和第二测量光束202。第二基准反射镜142和第二位移变换器122分别将第二基准光束212和第二测量光束202反射到第二光束***器112。第二位移变换器122将运动物体150在y方向上的位移ΔDy变换为第二测量光束202的光程长度变化ΔP2。优选设置第二基准反射镜142和第二位移变换器122，以在其上以与其入射方向相反的方向反射第二基准光束212和第二测量光束202。为此，第二基准反射镜142或者第二位移变换器122可以包括平面反射镜、弯角光导管(corner tube)、角反射器或者回射器。换句话说，第二位移干涉仪102可以是传统的位移干涉仪(例如，请参考图1)。
根据第一检测器131和第二检测器132检测的光学结果，控制器500计算运动物体150在各方向上的位移。在此，根据运动物体150的y方向位移ΔDy求得第二检测器132检测的干涉条纹的变化。与此相比，正如结合图3C和4C描述的那样，利用通过将运动物体150的y方向上的位移与x方向上的位移相加求得的总位移值ΔD_tot求得第一检测器131检测的干涉条纹的变化。因此，控制器500执行从由第一检测器131检测的结果获得的位移ΔD_tot减去由第二检测器132检测的结果获得的y方向上的位移ΔDy的运算，以获得运动物体150的x方向上的位移ΔDx。
光传递单元160插在第一位移干涉仪101和第二位移干涉仪102之间，使光束从光源100传递到干涉仪101和102。根据该实施例，光传递单元160包括：光束***器161，用于将光源100发出的光束分离为分别传播到第一光束***器111和第二光束***器112的第一光束和第二光束；以及反射反射镜162，用于将第一光束反射到第一光束***器111。
图8示出采用根据本发明的位移干涉仪的X-Y级***。参考图8，根据该实施例的位移干涉仪***包括：光源100/运动物体150、第一位移干涉仪101、第二位移干涉仪102以及光传递单元160。利用光源100发出的光束，第一位移干涉仪101和第二位移干涉仪102分别测量运动物体150的x方向位移和y方向位移。
第一位移干涉仪101包括：第一光束***器111、第一基准反射镜141、第一位移变换121以及第一检测器131。图3B或者4B所示的位移干涉仪用作第一位移干涉仪101。即，第一位移变换器121、第一光束***器111以及第一基准反射镜141固定在运动物体150上，而第一检测器121离开光源100固定距离。第一位移变换器121将垂直于第一测量光束201的传播方向(即，y方向)的位移ΔDx变换为第一测量光束201的光程长度的变化ΔPx。为此，包括图6A和6B所示衍射光束的光学器件可以用作第一位移变换器121。
同时，由于参考图7描述的第二位移干涉仪102和光传递单元160与图8所示实施例相同，所以下面说明它们之间的不同之处。在该实施例中，优选利用图3B或者4B所示的另一个光束***器169代替包括在光传递单元160内的反射反射镜162(参考图7)。
第一位移干涉仪101和第二位移干涉仪102分别单独测量运动物体150的x方向位移和y方向位移。x方向位移的第一位移干涉仪101采用衍射光栅，而且不需要装备其尺寸与沿y方向的最大位移对应的反射镜。
图9示出具有根据本发明实施例的位移干涉仪的级位置控制***。参考图9，根据该实施例的位移干涉仪***包括：光源100、运动物体150、第一位移干涉仪101、第二位移干涉仪102、第三位移干涉仪103、光传递单元160以及控制器500。在此，光源100和运动物体150与图3A所示的相同。第一位移干涉仪101可以与图3或者图4所示的位移干涉仪相同(还请参考图7所示的位移干涉仪)。因此，第一位移干涉仪101的第一位移变换器121固定到运动物体150上，而离开光源固定距离，设置第一光束***器111、第一基准反射镜141以及第一检测131。第一位移变换器121将垂直于第一测量光束201的传播方向(即，y方向)的位移ΔDx变换为第一测量光束201的光程长度的变化ΔP1。为此，包括图A和6B所示衍射光栅的光学器件可以用作第一位移变换器121。
图9所示的第二位移干涉仪可以与图7所示的第二位移干涉仪相同。因此，第二位移变换器122将y方向位移ΔDy变换为从第二光束***器112到第二位移变换器122传播的第二测量光束202的光程长度变化ΔP2。
第三位移干涉仪103包括：第三光束***器113、第三基准反射镜123以及第三检测器133。可以利用与图7所示第一位移干涉仪101相同的结构，配置第三位移干涉仪103。如图10A所示，如果第三位移变换器123由透射光栅TG和位移反射镜DM构成，则设置第三位移变换器123，以以x-y平面上、等式5确定的角度，从透射光栅TG传播第一衍射光束。然而，如图10B所示，如果利用反射光栅RG构造第三位移变换器123，则设置第三位移变换器123，以与第三测量光束203的传播方向相反的方向，从反射光栅RG衍射第一衍射光束。在图9所示的上述实施例中，第三位移变换器123将运动物体150的z方向位移ΔDz变换为第三测量光束的光程长度的变化ΔP3。利用第三测量光束203的光程变化ΔP3确定运动物体150的z方向位移。Z方向位移垂直于x和y方向。
另一方面，第一检测器131和第三检测器133检测的干涉条纹的变化含有干扰，因为运动物体150y方向位移。因此，在确定x方向位移和y方向位移时，与上面结合图7描述的相同，需要从第一检测器131和第三检测器135提供的位移值ΔDx_tot和ΔDy_tot减去由第二检测器132的测量结果获得的y方向位移ΔDy。在控制器500内执行减去y方向位移，以设置实际x方向位移和z方向位移的运算。
根据该实施例的另一个特征，可以以与图7所示第二位移干涉仪102相同的结构构造第三位移干涉仪103。根据该实施例，第二位移干涉仪102和第三位移干涉仪103测量运动物体150的y方向位移，以监测运动物体150的偏角。关于该运算，分析了测量结果后，用于调整运动物体150的运动的控制器500电连接到第二检测器132和第三检测器133。
光传递单元160包括光束***器161和163以及反射反射镜162和164，它使光束从光源100传递到第一至第三位移干涉仪101、102和103。本技术领域内的技术人员可以修改光传递单元160的配置和体系结构。每个位移干涉仪可以分别包括预定补偿面(未示出)，它位于光束***器与位移变换器之间，用于补偿测量光束对基准光束的光程差。
图11是示出包括根据本发明的位移干涉仪的扫描型曝光***的结构图。参考图11，利用从光照明单元340入射的曝光光线300，印制在标线片304上的电路图形转印成形成在圆片314上的光致抗蚀剂膜上。以缩小比例的方式在光致抗蚀剂膜上曝光电路图形。例如，转印到光致抗蚀剂膜上的电路图形的尺寸可以是印制在标线片304上的电路图形的尺寸的四分之一(1/4)。标线片304以速度v、以预定方向移动曝光光源300，而圆片314以速度v/m、以与标线片304的运动方向相反的方向(即，一y方向)移动。在此，参数m表示按比例缩小曝光的比例。
标线片304设置在上部标线片载物台303上，上部标线片载物台303安装在下部标线片载物台302上。下部标线片载物台302位于分划板支承301上。上部标线片载物台303和下部标线片载物台302构成标线片载物台***309.分划板支承301固定在该***上。下部标线片载物台302可以在y方向移动到分划板支承301，而且可以调整上部标线片载物台303，以便可以在下部标线片载物台302上移动微小距离。
在标线片载物台***309的一侧上，设置多个标线片位移干涉仪305，用于测量上部标线片载物台303的位置。将标线片位移干涉仪305确定的关于标线片304的位置信息送到控制器500。控制器500控制标线片载物台***309的操作，以控制标线片304，使它正确运动。根据该实施例，每个标线片位移干涉仪305分别包括光干涉单元306和位移变换器307。光干涉单元306包括：光束***器111、基准反射镜141以及检测器131，如图3A所示。位移变换器307可以是图7所示的第一位移变换器121或者第二位移变换器122。
扫描型曝光***需要标线片304，以便在其曝光过程中进行完全直线运动。然而，如图12所示，在标线片304在y方向运动时，可以根据y方向位置，改变标线片304的x方向位置。换句话说，标线片304的x方向位移ΔDx是分划板的y坐标的函数。在这种情况下，为了使标线片304完全直线运动，需要监测标线片304的x方向位移ΔDx，然后，对由监测结果产生的差值进行补偿。
可以安装标线片位移干涉仪305之一，用于监测x方向位移ΔDx。在这种情况下，位移变换器307优选是第一位移变换器121，用于将标线片304的x方向位移变换为沿y方向传播的测量光束的光程长度差ΔP。
在传统技术中，为了构造用于监测x方向位移ΔDx的干涉仪，要求测量反射镜大于标线片304的运动方向上的最大位移Ly。然而，利用根据垂直于标线片304运动方向的最大位移确定其大小的衍射光栅(以及位移反射镜)，本发明实施例可以监测x方向位移ΔDx。由于垂直位移ΔDx比运动方向上的最大位移Ly大得多，所以可以以较低成本制造适用于本发明的衍射光栅。
利用扫描型曝光***实现的按比例缩小曝光方法，标线片304的移动距离比圆片314的移动距离长按比例缩小比m倍。因此，要求标线片载物台***309的测量反射镜比圆片晶圆载物台***319的测量反射镜大m倍。考虑到到这种情况，如上所述，标线片位移干涉仪305优选至少采用第一位移变换器121。位移变换器121可以包括透射光栅TG和反射光栅RG，如图6A和6B所示。此外，第二位移干涉仪102采用如图7至9所示的第二位移变换器122。它可以用于监测y方向位移ΔDy。
在真空中，将圆片314固定到圆片晶圆载物台***319上，圆片晶圆载物台***319包括顺序层叠在一起的第一圆片晶圆载物台311、第二圆片晶圆载物台312以及第三圆片晶圆载物台313。第一圆片晶圆载物台311可以相对于圆片支承310沿y方向运动，而第二圆片晶圆载物台312可以相对于圆片支承310沿x方向运动。第三圆片晶圆载物台313可以相对于圆片支承310沿z方向移动和旋转。
在圆片晶圆载物台***319的一侧上，将多个圆片晶圆载物台干涉仪315设置在第三圆片晶圆载物台313的位置。每个圆片晶圆载物台干涉仪315分别包括光干涉单元316和位移变换器317。光干涉单元316由光束***器111、基准反射镜141以及检测器131构成，如图3A所示。位移变换器317可以是第一位移变换器121或者第二位移变换器122，如图7所示。根据该实施例，位移变换器317优选是第二位移变换器122。
将圆片晶圆载物台干涉仪315确定的关于圆片314的位置信息送到控制器500。此外，圆片晶圆载物台***319连接到圆片驱动器320。控制器500控制圆片驱动器320。此外，在标线片载物台***309与圆片晶圆载物台***319之间，设置透镜***330，以使含有印制在标线片304上的电路图形信息的曝光光线300传送到圆片314。
根据这些实施例，提供了一种具有采用衍射光栅的位移变换器的位移干涉仪。利用衍射光栅，位移变换器将垂直于测量光束的传播方向(即，y方向)的位移ΔDx变换为测量光束的光程差ΔP。在此，适于根据x方向上目标物体的最大位移，确定衍射光栅的尺寸。因此，可以测量目标物体的位移，而无需大反射镜，但是在现有技术中通常要求大反射镜。
此外，因为不需要大尺寸的衍射反射镜，所以更容易保持均匀光学特性。因此，可以防止因为测量反射镜的表面均匀性降低而导致测量精度降低。具体地说，要求扫描型曝光***的标线片载物台可以精细微弧运动(fine linear rounding motion)，如果在标线片载物台的位置控制***内采用衍射光栅作为位移变换器的位移干涉仪，则应该实现提高测量精度，而降低制造、维护以及维修扫描型曝光***的成本。
在附图和说明书中，公开了本发明的典型优选实施例，而且尽管采用了特定术语，但是仅以一般意义和说明性意义使用它们，而无限制性意义，下面的权利要求限定本发明的范围。

Claims (52)

1.一种位移干涉仪，包括：
位移变换器，响应测量光束，而且配置其，以将其在垂直于测量光束的方向上的运动变换为所述位移变换器的反射面与测量光束之间的光程长度的变化。
2.根据权利要求1所述的干涉仪，进一步包括：
光束***器，配置其，以将输入光束分离为基准光束和测量光束。
3.根据权利要求2所述的干涉仪，进一步包括：
基准反射镜，配置其，以使基准光束重返所述光束***器作为重返基准光束。
4.根据权利要求3所述的干涉仪，其中配置所述位移变换器，以使测量光束重返所述光束***器作为重返测量光束。
5.根据权利要求4所述的干涉仪，进一步包括检测器，配置其，以接收重返基准光束和重返测量光束。
6.根据权利要求1所述的干涉仪，其中所述位移变换器包括：
透射光栅，具有设置在测量光束的光路上的正面；以及
位移反射镜，对着所述透射光栅的背面。
7.根据权利要求6所述的干涉仪，其中所述位移反射镜以夹角β对着所述透射光栅的背面；其中光程长度的变化是ΔP；以及其中所述位移变换器在垂直于测量光束的方向上的运动ΔD与光程长度的变化ΔP具有下面的关系：
ΔP＝2ΔDsinβ
8.根据权利要求1所述的干涉仪，其中所述位移变换器包括反射光栅；其中所述反射光栅的主面对着与该主面的法线成夹角β的测量光束；其中光程长度的变化是ΔP；以及其中所述位移变换器在垂直于测量光束的方向上的运动ΔD与光程长度的变化ΔP具有下面的关系：
ΔP＝2ΔDtanβ
9.根据权利要求8所述的干涉仪，进一步包括：
光束***器，配置其，以将输入光束分离为基准光束和测量光束。
10.根据权利要求9所述的干涉仪，进一步包括：
基准反射镜，配置其，以使基准光束重返所述光束***器，作为重返基准光束。
11.一种位移干涉仪***，包括：
光源，用于产生光束；
运动物体，可以相对于光源运动；
第一位移干涉仪，利用光束测量运动物体的第一方向位移；以及
第二位移干涉仪，利用光束测量运动物体的第二方向位移；
其中第一位移干涉仪包括：第一位移变换器，用于将运动物体的第一方向位移变换为沿第二方向入射到第一位移干涉仪的光束的光程差。
12.根据权利要求11所述的位移干涉仪***，其中第一位移干涉仪包括：
第一光束***器，用于将光束分离为第一基准光束和以第二方向传播的第一测量光束；
第一基准反射镜，用于改变第一基准光束的传播方向；
第一位移变换器，用于改变第一测量光束的传播方向；以及
第一检测器，用于检测被改变了方向的第一基准光束和第一测量光束，
其中第一位移变换器将运动物体的第一方向位移(ΔD1)变换为第一测量光束的光程差(ΔP1)。
13.根据权利要求12所述的位移干涉仪***，其中第二位移干涉仪包括：
第二光束***器，用于将光束分离为第二基准光束和以第二方向传播的第二测量光束；
第二基准反射镜，用于改变第二基准光束的传播方向；
第二位移变换器，用于改变第二测量光束的传播方向；以及
第二检测器，用于检测被改变了方向的第二基准光束和第二测量光束，
其中运动物体的第二方向位移是第二测量光束的光程长度的变化的一半。
14.根据权利要求12所述的位移干涉仪***，其中第一光束***器、第一基准反射镜以及第一位移变换器固定到运动物体上，与运动物体一起运动。
15.根据权利要求12所述的位移干涉仪***，其中第一光束***器、第一检测器以及第一基准反射镜位于离开光源固定距离的位置，而第一位移变换器固定在运动物体上，以便与运动物体一起运动。
16.根据权利要求13所述的位移干涉仪***，其中第二光束***器、第二检测器以及第二基准反射镜位于离开光源固定距离的位置，而第二位移变换器固定在运动物体上，以便与运动物体一起运动。
17.根据权利要求12所述的位移干涉仪***，其中第一位移变换器包括：
透射光栅；以及
位移反射镜，离开透射光栅设置其，以第一倾角(β1)对着透射光栅，
其中设置透射光栅和位移反射镜，以在第一测量光束的光程差(ΔP1)、第一倾角(β1)以及第一方向位移(ΔD1)之间满足关系ΔP1＝2·ΔD1·sinβ1。
18.根据权利要求18所述的位移干涉仪***，其中垂直于第一测量光束的传播方向设置透射光栅。
19.根据权利要求17所述的位移干涉仪***，其中在构成透射光栅的光栅条纹的间距是d，测量光束的传播方向与透射光栅的法线所成的夹角是α，以及光束的波长是λ时，对于透射光栅的法线，位移反射镜的第一倾角β1是arcsin(λ/d-sinα)。
20.根据权利要求12所述的位移干涉仪***，其中第一位移变换器包括与第一测量光束的传播方向成第一倾角(β1)设置的反射光栅，
其中设置反射光栅，以在第一测量光束的光程差(ΔP1)、第一倾角(β1)以及第一方向位移(ΔD1)之间满足关系ΔP1＝2·ΔD1·tanβ1。
21.根据权利要求20所述的位移干涉仪***，其中在构成反射光栅的光栅条纹的间距是d，而光束的波长是λ时，对于测量光束的传播方向，反射光栅的倾角β是arcsin(λ/d)。
22.根据权利要求11所述的位移干涉仪***，其中光束是单频激光、双频激光、多频激光、Lamb激光、Zeeman激光、倒相Lamb激光以及频谱光束之一。
23.根据权利要求11所述的位移干涉仪***，其中第一方向垂直于第二方向。
24.根据权利要求11所述的位移干涉仪***，进一步包括第三位移干涉仪，使用所述光束测量运动物体的第三方向位移，
其中第一位移干涉仪包括：
第三光束***器，用于将光束分离为第三基准光束和以第二方向传播的第三测量光束；
第三基准反射镜，用于改变第三基准光束的传播方向；
第三位移变换器，用于改变第三测量光束的传播方向；以及
第三检测器，用于检测被改变了方向的第三基准光束和第三测量光束，
其中第三位移变换器将运动物体的第三方向位移(ΔD3)变换为第三测量光束的光程长度(ΔP3)。
25.根据权利要求24所述的位移干涉仪***，其中第三光束***器、第三基准反射镜以及第三位移变换器固定在运动物体上，以便与运动物体一起运动。
26.根据权利要求24所述的位移干涉仪***，其中第三光束***器、第三检测器以及第三基准反射镜位于离开光源固定距离的位置，而第三位移变换器固定在运动物体上，以便与运动物体一起运动。
27.根据权利要求24所述的位移干涉仪***，其中第三位移变换器包括：
透射光栅；以及
位移反射镜，离开透射光栅设置其，以第二倾角(β2)对着透射光栅，
其中设置透射光栅和位移反射镜，以在第三测量光束的光程差(ΔP3)、第二倾角(β2)以及第三方向位移(ΔD3)之间满足关系ΔP3＝2·ΔD3·sinβ2。
28.根据权利要求27所述的位移干涉仪***，其中在构成透射光栅的光栅条纹的间距是d时，测量光束的传播方向与透射光栅的法线所成的夹角是α，光束的波长是λ，对于透射光栅的法线，位移反射镜的第二倾角β2是arcsin(λ/d-sinα)。
29.根据权利要求27所述的位移干涉仪***，其中垂直于第三测量光束的传播方向设置透射光栅。
30.根据权利要求24所述的位移干涉仪***，其中第三位移变换器包括与第三测量光束的传播方向成第二倾角(β2)设置的反射光栅，
其中设置反射光栅，以在第三测量光束的光程差(ΔP3)、第二倾角(β2)以及第三方向位移(ΔD3)之间满足关系ΔP3＝2·ΔD3·tanβ2。
31.根据权利要求30所述的位移干涉仪***，其中在构成反射光栅的光栅条纹的间距是d，而光束的波长是λ时，对于测量光束的传播方向，反射光栅的第二倾角β2是arcsin(λ/d)。
32.一种扫描型曝光***，包括：
光源，用于产生光束；
标线片载物台，可以沿y方向移动到光源；
第一位移干涉仪，利用光束测量标线片载物台的x方向位移；以及
第二位移干涉仪，利用光束测量标线片载物台的y方向位移；
其中第一位移干涉仪包括：第一位移变换器，用于将标线片载物台的x方向位移变换为沿y方向入射到第一位移干涉仪的光束的光程差。
33.根据权利要求32所述的扫描型曝光***，其中第一位移干涉仪包括：
第一光束***器，用于将光束分离为沿x方向传播的第一测量光束和沿y方向传播的第一基准光束；
第一基准反射镜，用于改变第一基准光束的传播方向；
第一位移变换器，用于改变第一测量光束的传播方向；以及
第一检测器，用于检测被改变了方向的第一基准光束和第一测量光束，
其中第一位移变换器将标线片载物台的x方向位移(ΔDx)变换为第一测量光束的光程差(ΔP)。
34.根据权利要求33所述的扫描型曝光***，其中第二位移干涉仪包括：
第二光束***器，用于将光束分离为沿x方向传播的第二测量光束和沿y方向传播的第二基准光束；
第二基准反射镜，用于改变第二基准光束的传播方向；
第二测量反射镜，用于改变第二测量光束的传播方向；以及
第二检测器，用于检测被改变了方向的第二基准光束和第二测量光束，
其中标线片载物台的第二方向位移是第二测量光束的光程长度变化的一半。
35.根据权利要求33所述的扫描型曝光***，其中第一光束***器、第一基准反射镜以及第一位移变换器固定到标线片载物台上，与标线片载物台一起运动。
36.根据权利要求33所述的扫描型曝光***，其中第一光束***器、第一检测器以及第一基准反射镜位于离开光源固定距离的位置，而第一位移变换器固定在标线片载物台上，以便与标线片载物台一起运动。
37.根据权利要求34所述的扫描型曝光***，其中第二光束***器、第二检测器以及第二基准反射镜位于离开光源固定距离的位置，而第二位移变换器固定在标线片载物台上，以便与标线片载物台一起运动。
38.根据权利要求33所述的扫描型曝光***，其中第一位移变换器包括：
透射光栅；以及
位移反射镜，离开透射光栅设置其，以倾角(β)对着透射光栅，
其中设置透射光栅和位移反射镜，以在第一测量光束的光程差(ΔP)、倾角(β)以及x方向位移(ΔDx)之间满足关系ΔP＝2·ΔDx·sinβ。
39.根据权利要求38所述的扫描型曝光***，其中在构成透射光栅的光栅条纹的间距是d，测量光束的传播方向与透射光栅的法线所成的夹角是α以及光束的波长是λ时，对于透射光栅的法线，位移反射镜的倾角β是arcsin(λ/d-sinα)。
40.根据权利要求38所述的扫描型曝光***，其中垂直于第一测量光束的传播方向，设置透射光栅。
41.根据权利要求33所述的扫描型曝光***，其中第一位移变换器包括与第一测量光束的传播方向成倾角(β)设置的反射光栅，
其中设置反射光栅，以在第一测量光束的光程差(ΔP)、倾角(β)以及x方向位移(ΔDx)之间满足关系ΔP＝2·ΔDx·tanβ。
42.根据权利要求41所述的扫描型曝光***，其中在构成反射光栅的光栅条纹的间距是d，而光束的波长是λ时，对于测量光束的传播方向，反射光栅的倾角β是arcsin(λ/d)。
43.根据权利要求32所述的扫描型曝光***，其中光束是单频激光、双频激光、多频激光、Lamb激光、Zeeman激光、倒相Lamb激光以及频谱光束之一。
44.根据权利要求32所述的扫描型曝光***，进一步包括：
透镜***，设置在标线片载物台之下；
圆片晶圆载物台，设置在透镜级之下；以及
光源，用于产生透射标线片载物台和透镜***的曝光光线。
45.一种位移干涉仪***，包括：
光源，用于产生光束；
运动物体，可以相对于光源运动；
第一位移干涉仪，包括：第一光束***器，用于将光束分离为第一基准光束和沿第二方向传播的第一测量光束；第一基准反射镜，用于改变第一基准光束的传播方向；第一位移变换器，用于改变第一测量光束的传播方向，并将运动物体的第一方向位移(ΔD1)变换为第一测量光束的光程差(ΔP1)；以及第一检测器，用于检测被改变了方向的第一基准光束和第一测量光束；
第二位移干涉仪，包括：第二光束***器，用于将光束分离为第二基准光束和以第二方向传播的第二测量光束；第二基准反射镜，用于改变第二基准光束的传播方向；第二位移变换器，用于改变第二测量光束的传播方向；以及第二检测器，用于检测被改变了方向的第二基准光束和第二测量光束；以及
控制器，用于根据第一位移干涉仪和第二位移干涉仪的结果，求得运动物体的第一方向位移和第二方向位移，
其中第一光束***器、第一检测器以及第一基准反射镜位于离开光源固定距离的位置，而第一位移变换器固定在运动物体上；而且
其中通过从根据第一位移干涉仪的结果计算的位移减去根据第二位移干涉仪的结果计算的位移，控制器确定第一方向位移的实际值。
46.根据权利要求45所述的位移干涉仪***，其中第二光束***器、第二检测器以及第二基准反射镜位于离开光源固定距离的位置，而第二位移变换器固定在运动物体上，以便与运动物体一起运动。
47.根据权利要求45所述的位移干涉仪***，其中第一位移变换器包括：
透射光栅；以及
位移反射镜，离开透射光栅设置其，以倾角(β)对着透射光栅，
其中设置透射光栅和位移反射镜，以在第一测量光束的光程差(ΔP)、倾角(β)以及第一方向位移(ΔD1)之间满足关系ΔP＝2·ΔD1·sinβ。
48.根据权利要求47所述的位移干涉仪***，其中垂直于第一测量光束的传播方向设置透射光栅。
49.根据权利要求47所述的位移干涉仪***，其中在构成透射光栅的光栅条纹的间距是d，测量光束的传播方向与透射光栅的法线所成的夹角是α以及光束的波长是λ时，对于透射光栅的法线，位移反射镜的倾角β是arcsin(λ/d-sinα)。
50.根据权利要求45所述的位移干涉仪***，其中第一位移变换器包括与第一测量光束的传播方向成倾角(β1)设置的反射光栅，
其中设置反射光栅，以在第一测量光束的光程差(ΔP)、倾角(β)以及第一方向位移(ΔD1)之间满足关系ΔP＝2·ΔD1·tanβ。
51.根据权利要求50所述的位移干涉仪***，其中在构成反射光栅的光栅条纹的间距是d，而光束的波长是λ时，对于测量光束的传播方向，反射光栅的倾角β是arcsin(λ/d)。
52.根据权利要求45所述的位移干涉仪***，其中第一方向垂直于第二方向。
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