一種測量位移的外差幹涉測量系統及其測量方法

2023-05-09 05:49:56 1

專利名稱：：一種測量位移的外差幹涉測量系統及其測量方法
技術領域：
：本發明涉及一種測量位移的外差千涉測量系統及其測量方法。技術背景隨著光刻特徵尺寸的降低，焦深也變得越來越小。為使矽片能夠在焦深範圍內進行曝光，工件臺的z向(沿光軸方向)位置測量對保證光刻機優良的光刻性能不可或缺。利用雷射外差幹涉測量系統可對工件臺的z向位置進行精確的測量(參見在先技術1，ErikR.Loopstra,"Methodandapparatusforrepetitivelyprojectingamaskpatternonasubstrate,usingatime-savingheightmeasurement",美國專利申請號6208407)。圖l給出了在先技術l中提出的測量系統。矽片3放置在工件臺4上，工件臺4的側面安裝有與光軸10平行的反射鏡6以及與光軸成45度角的反射鏡5，在投影物鏡l的兩側安裝有兩面平面反射鏡2。雷射幹涉儀7發射的測量光束8與參考光束9分別入射到反射鏡5以及反射鏡6上，入射到反射鏡5上的測量光束8經過反射鏡5與反射鏡2的反射後重新回到幹涉儀7中，入射到反射鏡6上的參考光束9經過反射鏡6的反射後返回到幹涉7中與測量光束進行幹涉。當工件臺4沿z向有位移時，測量光束8與參考光束9的光程差發生變化，該變化由工件臺4在z方向上的位移決定。通過處理幹涉儀7中測量光束與參考光束的幹涉信號即可獲得工件臺4在z方向上的位置信息。在先技術1中提出的幹涉測量系統可以精確的測量工件臺4在z向的位移，但由於反射鏡2需要具有與工件臺4在x向行程一樣大小的尺寸，從而使投影物鏡系統在x方向上的尺寸變大，不利於安裝。此外，為達到更小的特徵尺寸，投影物鏡的尺寸在不斷變大，若其兩側再安裝有尺寸較大的平面反射鏡，這對於實現更小特徵尺寸的曝光增加了困難。
發明內容本發明提供的一種測量位移的外差幹涉測量系統及其測量方法，不必使用安裝在投影物鏡兩側的平面反射鏡，結構簡單，同時使投影物鏡在X方向不必增加額外的尺寸，由於減少了平面反射鏡的使用數量，從而降低了測量系統的成本。為了達到上述目的，本發明提供了一種測量位移的外差幹涉測量系統，包含工件臺反射鏡組和雷射外差幹涉儀；所述的測量位移的外差幹涉測量系統還包含雷射器和光電轉換元件；所述的工件臺反射鏡組包含安裝在工件臺側面上的與光軸平行的第一平面反射鏡，以及與光軸成一定角度的第二平面反射鏡；所述的雷射外差幹涉儀包含偏振分光稜鏡，角錐稜鏡，與光軸成一定角度的參考平面反射鏡以及兩個四分之一波片；所述的角錐稜鏡、偏振分光稜鏡、一個四分之一波片和參考平面反射鏡，在豎直方向上依次排列；所述的偏振分光稜鏡和另一個四分之一波片，在水平方向上依次排列；本發明提供的一種測量位移的外差幹涉測量系統的測量方法，其工作步驟如下步驟l、雷射器發射出一束雷射雷射束包含兩種頻率，兩種頻率的雷射均為線偏4展光，偏振方向相互垂直；步驟2、雷射束經過偏振分光稜鏡後分為參考光束與測量光束；步驟3、參考光束依次經過四分之一波片的四次透射，角錐稜鏡的一次反射，第一平面反射鏡的兩次反射後返回到偏振分光稜鏡；測量光束依次經過四分之一波片的四次透射，參考平面反射鏡的兩次反射，第二平面反射鏡的兩次反射，角錐稜鏡的一次反射後返回到偏振分光稜鏡；步驟4、返回到偏振分光稜鏡的參考光束與測量光束分別經過反射與透射進入到光電轉換元件內進行信號處理，得到參考光束與測量光束之間的光程差OPD。當所述的參考平面反射鏡與光軸方向的夾角為e(45°<6<卯°),所述的第二平面反射鏡與光軸的夾角為20-90°;當工件臺在z向(光軸方向)有位移Z時，參考光束的光程不發生改變，而測量光束的光程發生的變化為OPD:O屍D-4D-4.Z.sin(20—90。)；即可獲得工件臺在z方向上的位移Z:-4.sin(20-9O。)當工件臺在x方向上有位移X時，參考光束與測量光束的光程均發生改變，測量光束與參考光束之間的光程差OPD為formulaseeoriginaldocumentpage7;得到工件臺的z向位移為formulaseeoriginaldocumentpage7.當所述的參考平面反射鏡與光軸方向的夾角為0(0°<9<45°)，所述的第二平面反射鏡與光軸的夾角為90°-29;當工件臺在z向(光軸方向)有位移Z時，參考光束的光程不發生改變，而測量光束的光程發生的變化為OPD:0屍D".D-4.Z.sin(900—20);即可獲得工件臺在z方向上的位移Z:z=O戶D—4.sin(9O。-20當工件臺在x方向上有位移X時，參考光束與測量光束的光程均發生改變，測量光束與參考光束之間的光程差OPD為formulaseeoriginaldocumentpage7;得到工件臺的z向位移為z—O屍D-4.[X.cos(9Q0-20)-.一4.sin(90。-2e)，本發明提供的一種測量位移的外差幹涉測量系統及其測量方法，不必使用安裝在投影物鏡兩側的平面反射鏡，結構筒單，同時使投影物鏡在X方向不必增加額外的尺寸，由於減少了平面反射鏡的使用數量，從而降低了測量系統的成本。圖l是
背景技術：
中的測量系統的結構示意圖；圖2是本發明提供的一種測量位移的外差幹涉測量系統的實施例1的結構示意圖；圖3是實施例1中，工件臺在x向沒有位移情況下，z向位移的測量示意圖；圖4是實施例1中，工件臺在x向有一定位移情況下，z向位移的測量示意圖；圖5是本發明提供的一種測量位移的外差幹涉測量系統的實施例2的結構示意圖；圖6是實施例2中，工件臺在x向沒有位移情況下，z向位移的測量示意圖；圖7是實施例2中，工件臺在x向有一定位移情況下，z向位移的測量示意圖。具體實施方式以下根據圖2~圖7，具體說明本發明的較佳實施方式如圖2所示，是本發明提供的一種測量位移的外差幹涉測量系統的一個具體測量實施例。幹涉儀18包括偏振分光稜鏡21、角錐稜鏡19，四分之一波片20與22，參考平面反射鏡23，參考平面反射鏡23與光軸方向的夾角為0(45°<9<90°)。雷射器16用於提供幹涉測量的雷射，光電轉換元件17用於接收測量的幹涉信號。在投影物鏡ll下方的工件臺13承載需要曝光的矽片12，在工件臺13的側面安裝有第一平面反射鏡14與第二平面反射鏡15，第二平面反射鏡15與光軸的夾角為26-卯°。該測量系統的工作原理和步驟如下雷射器16發射出一束雷射24，雷射束24包含兩種頻率，兩種頻率的雷射均為線偏振光，偏振方向相互垂直。雷射束24經過偏振分光稜鏡21後分為參考光束25與測量光束26。參考光束25經過四分之一波片20的四次透射，角錐稜鏡19的一次反射，第一平面反射鏡14的兩次反射後返回到偏振分光稜鏡21。測量光束經過四分之一波片22的四次透射，參考平面反射鏡23的兩次反射，第二平面反射鏡15的兩次反射，角錐稜鏡19的一次反射後返回到偏振分光稜鏡21。返回到偏振分光稜4竟21的參考光束與測量光束分別經過反射與透射進入到光電轉換元件17內進行信號處理。如圖3所示，當工件臺在z向(光軸方向)有位移Z時，參考光束25的光程不發生改變，而測量光束26的光程發生的變化為OPD。該光程變化OPD即測量光束相對於參考光束的光程差。測量光束26的光程變化OPD由工件臺在z方向上的位置Z決定。由圖3可知formulaseeoriginaldocumentpage9;(1)即可獲得工件臺在z方向上的位移Z:formulaseeoriginaldocumentpage9(2)4-sin(20-9O°)利用雷射外差幹涉測量系統18與光電轉換元件17即可獲得測量光束26相對於參考光束25的光程差OPD,之後利用式(1)即可獲得工件臺在z方向上的位移Z。由圖2與圖3可知，工件臺13沿y方向的運動不影響z方向的位移測量。工件臺在x方向上的運動將會同時改變參考光束與測量光束的光程，圖4給出了工件臺在x方向有一定位移X情況下，工件臺z向位移測量的簡圖。由圖4可知，當工件臺在x方向上有位移X時，參考光束與測量光束的光程均發生改變。其中，參考光束的光程變化量為4.X，測量光束的光程變化量為4.￡>，￡>=[J^.cos(2e-9Oo)+Z.sinformulaseeoriginaldocumentpage9(3)測量光束與參考光束之間的光程差OPD為formulaseeoriginaldocumentpage9(4)由式(4)可得到工件臺的z向位移為formulaseeoriginaldocumentpage9工件臺x向的位移X可通過XY平面內的幹涉測量系統給出，之後利用式(5)即可得到工件臺13在z向的位移Z。本實施例中工件臺13側面的平面反射鏡沿y方向，此外，該測量系統中工件臺13側面的平面反射鏡也可以沿x方向放置。其測量方法與工作原理與沿y方向放置的平面鏡結構的原理與方法相同，只是式(1)(5)中的X改為Y。圖5給出了本發明中雷射外差幹涉測量系統的第二個具體測量實施例。幹涉儀38包括偏振分光稜鏡41、角錐稜鏡39,四分之一波片40與42,平面反射鏡43,平面反射鏡43與光軸方向的夾角為e(0°<9<45°)。雷射器36用於提供幹涉測量的雷射，光電轉換元件37用於接收測量的幹涉信號。在投影物鏡31下方的工件臺33承載需要曝光的矽片32,在工件臺33的側面安裝有第一平面反射鏡34與第二平面反射鏡35,第二平面反射鏡35與光軸的夾角為卯°-20。該測量系統的工作原理和步驟與具體實施例1中的測量系統的工作原理和步驟相同雷射器36發射出一束雷射44,雷射束44包含兩種頻率，兩種頻率的雷射均為線偏振光，偏振方向相互垂直。雷射束44經過偏振分光稜鏡41後分為參考光束45與測量光束46。參考光束45經過四分之一波片40的四次透射，角錐稜鏡39的一次反射，第一平面反射鏡34的兩次反射後返回到偏振分光稜鏡41。測量光束經過四分之一波片42的四次透射，參考平面反射鏡43的兩次反射，第二平面反射鏡35的兩次反射，角錐稜鏡39的一次反射後返回到偏振分光稜鏡41。返回到偏振分光稜鏡41的參考光束與測量光束分別經過透射與反射進入到光電轉換元件37內進行信號處理。如圖6所示，當工件臺在z向(光軸方向)有位移Z時，參考光束45的光程不發生改變，而測量光束46的光程發生的變化為OPD。該光程變化OPD即測量光W目對於參考光束的光程差。測量光束46的光程變化OPD由工件臺在z方向上的位置Z決定。由圖6可知OPD=4.Z)=4.Z.sin(90。—26);(6)即可獲得工件臺在z方向上的位移Z:tableseeoriginaldocumentpage10利用雷射外差幹涉測量系統38與光電轉換元件37即可獲得測量光束46相對於參考光束45的光程差OPD,之後利用式(6)即可獲得工件臺在z方向上的位移Z。由圖5與圖6可知，工件臺13沿y方向的運動不影響z方向的位移測量。工件臺在x方向上的運動將會同時改變參考光束與測量光束的光程，圖7給出了工件臺在x方向有一定位移X情況下，工件臺z向位移測量的簡圖。由圖7可知，當工件臺在x方向上有位移X時，參考光束與測量光束的光程均發生改變。其中，參考光束的光程變化量為4.X,測量光束的光程變化量為4.Z),formulaseeoriginaldocumentpage11(8)測量光束與參考光束之間的光程差OPD為formulaseeoriginaldocumentpage11(9)由式(9)可得到工件臺的z向位移為formulaseeoriginaldocumentpage11工件臺x向的位移X可通過XY平面內的幹涉測量系統給出，之後利用式(10)即可得到工件臺33在z向的位移Z。權利要求1.一種測量位移的外差幹涉測量系統，其特徵在於，包含工件臺反射鏡組和雷射外差幹涉儀(18，38)；所述的工件臺反射鏡組包含安裝在工件臺(13，33)側面上的與光軸平行的第一平面反射鏡(14，34)，以及與光軸成一定角度的第二平面反射鏡(15，35)；所述的雷射外差幹涉儀(18，38)包含偏振分光稜鏡(21，41)，角錐稜鏡(19，39)，與光軸成一定角度的參考平面反射鏡(23，43)以及兩個四分之一波片(20，40)(22，42)；所述的角錐稜鏡(19，39)、偏振分光稜鏡(21，41)、一個四分之一波片(22，42)和參考平面反射鏡(23，43)，在豎直方向上依次排列；所述的偏振分光稜鏡(21，41)和另一個四分之一波片(20，40)，在水平方向上依次排列。2.如權利要求1所述的測量位移的外差千涉測量系統，其特徵在於，所述的測量位移的外差幹涉測量系統還包含雷射器(16，36)和光電轉換元件(17，37)。3.如權利要求2所述的測量位移的外差千涉測量系統，其特徵在於，所述的參考平面反射鏡(23)與光軸方向的夾角為e，45°<0<90°，所述的第二平面反射鏡(15)與光軸的夾角為26-90°。4.如權利要求2所述的測量位移的外差幹涉測量系統，其特徵在於，所述的參考平面反射鏡(43)與光軸方向的夾角為0，0°<9<45°,所述的第二平面反射鏡(35)與光軸的夾角為卯°-26。5.—種測量位移的外差幹涉測量方法，其特徵在於，包含以下步驟步驟1、雷射器(16,36)發射出一束雷射雷射束包含兩種頻率，兩種頻率的雷射均為線偏振光，偏振方向相互垂直；步驟2、雷射束經過偏振分光稜鏡後(21，41)分為參考光束(25，45)與測量光束(26，46);步驟3、參考光束(25，45)依次經過四分之一波片(20，40)的四次透射，角錐稜鏡(19,39)的一次反射，第一平面反射鏡(14,34)的兩次反射後返回到偏振分光稜鏡(21，41);測量光束(26,46)依次經過四分之一波片(22，42)的四次透射，參考平面反射鏡(23，43)的兩次反射，第二平面反射鏡(15，35)的兩次反射，角錐稜鏡(19，39)的一次反射後返回到偏振分光稜鏡(21,41);步驟4、返回到偏振分光稜鏡(21，41)的參考光束(25，45)與測量光束(26，46)分別經過反射與透射進入到光電轉換元件(17,37)內進行信號處理，得到參考光束(25，45)與測量光束(26，46)之間的光程差OPD，從而得到工件臺(13，33)的z向位移Z。6.如權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，所述的參考平面反射鏡(23)與光軸方向的夾角為0，45°<0<90°,所述的第二平面反射鏡(15)與光軸的夾角為20-90°，此時，當工件臺(13)在光軸z方向有位移Z時，參考光束(25)的光程不發生改變，而測量光束(26)的光程發生的變化為OPD:即可獲得工件臺(13)在z方向上的位移Z:formulaseeoriginaldocumentpage3當工件臺(13)在x方向上有位移X時，參考光束(25)與測量光束(26)的光程均發生改變。其中，參考光束(25)的光程變化量為4.X,測量光束(26)的光程變化量為4.D:formulaseeoriginaldocumentpage3測量光束(26)與參考光束(25)之間的光程差OPD為formulaseeoriginaldocumentpage3可得到工件臺(13)的z向位移為formulaseeoriginaldocumentpage3-X]_4.sin(2P-卯"°7.如權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，所述的參考平面反射鏡(43)與光軸方向的夾角為e，o°<e<45°，所述的第二平面反射鏡(35)與光軸的夾角為90°-20，此時，當工件臺(33)在光軸z方向有位移Z時，參考光束(45)的光程不發生改變，而測量光束(46)的光程發生的變化為OPD:formulaseeoriginaldocumentpage4即可獲得工件臺(33)在z方向上的位移Z:formulaseeoriginaldocumentpage4當工件臺(33)在x方向上有位移X時，參考光束(45)與測量光束(46)的光程均發生改變。其中，參考光束(45)的光程變化量為4.X，測量光束(46)的光程變化量為4.￡>:formulaseeoriginaldocumentpage4測量光束(46)與參考光束(45)之間的光程差OPD為formulaseeoriginaldocumentpage4可得到工件臺(33)的z向位移為formulaseeoriginaldocumentpage4。全文摘要一種測量位移的外差幹涉測量系統和測量方法，測量系統包含工件臺反射鏡組和雷射外差幹涉儀；工件臺反射鏡組包含安裝在工件臺側面上的與光軸平行的第一平面反射鏡，與光軸成一定角度的第二平面反射鏡；雷射外差幹涉儀包含偏振分光稜鏡，角錐稜鏡，與光軸成一定角度的參考平面反射鏡，兩個四分之一波片。測量方法是利用雷射器通過偏振分光稜鏡後產生的參考光束與測量光束分別經過多次反射與透射後進入到光電轉換元件，處理得到光程差OPD，再得到工件臺的z向位移Z。本發明不必使用安裝在投影物鏡兩側的平面反射鏡，結構簡單，同時使投影物鏡在x方向不必增加額外的尺寸，由於減少了平面反射鏡的使用數量，從而降低了測量系統的成本。文檔編號G01B9/02GK101216286SQ200710173149公開日2008年7月9日申請日期2007年12月26日優先權日2007年12月26日發明者段立峰,馬明英申請人:上海微電子裝備有限公司