专利名称：激光干涉仪测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光刻机中精确测量工件台的垂向位置的激光干涉仪位置测量装置
背景技术：
在光刻机系统中，激光干涉仪可以精确测量工件台或掩模台(统称工件台)的位置及旋转。对于光刻机工件台水平方向X向或Y向的测量(在此定义坐标系垂向为Z向，水平方向为X向和Y向)，可直接在工件台侧面安装垂直于水平方向入射光的长方形反射镜，测量X坐标和Y坐标。而工件台侧面无需载物，所以侧面安装和行程相当的长方形反射镜，可以在大行程内测量工件台的X坐标和Y坐标。
垂向的测量与以上有所区别。一般说来，工件台垂向行程不大，水平向行程却很大。工件台中间往往需要载物，不能在工件台垂向表面安装一面和水平向的行程相当的大镜子直接反射垂向测量光，因此，无法采用类似测量X和Y的方法测量Z。
为此，专利文献1-4都揭露了类似的技术方案，即在工件台侧面安装一面45度反射镜，或者安装一面或多面其它角度的反射镜，把激光干涉仪水平向的测量光反射到主框架的一面长方形平面镜上再经反射沿着原光路返回。参考光或另外一测量光则直接水平入射到工件台侧面长方形平面镜再经反射沿原光路返回。采用该方案，则不需要在工件台垂向安装大面积镜子，就可以实现垂向测量。然而，采用安装在干涉仪与工件台垂向上的反射镜之间的反射镜将测量光反射至所述工件台垂向上的反射镜，其反射角度较小，因此测量范围较小，降低了测量精度。
另外，专利文献5揭露了另外一种技术方案，通过电机控制主框架上反射镜的移动，反射激光干涉仪测量光，实现测量光动态跟踪工件台垂向长方形平面镜XY位置，最终实现垂向测量。该方法实现复杂，而且可能引入了较大的机械振动，严重影响了光刻精度。
此外，专利文献6揭露了干涉仪测量直线度的方法，该方法可用于通过工件台与垂向成小角度的镜子反射测量垂向距离，但精度低，光学元件复杂，装调不便。
考虑到现有各方案的局限，需要寻求新的测量方法，该方法保持或提高工件台垂向距离测量精度，并简单易行。
专利文献1Agilent公司于2007年1月2日公开的第7,158,236号美国专利 专利文献2Agilent公司于2008年4月8日公开的第7,355,719号美国专利 专利文献3ASML公司于2000年2月1日公开的第6,020,964号美国专利 专利文献4Nikon公司于2005年12月27日公开的第6,980,279号美国专利 专利文献5Canon公司于2001年9月4日公开的第6,285,457号美国专利 专利文献6Zygo公司于1988年11月29日公开的第4,787,747号美国专利
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种大测量范围的激光干涉仪测量装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于测量工件台位移的激光干涉仪测量装置，其包括设在所述工件台一侧的激光干涉仪，其出射水平的第一测量光及第二测量光；设在所述工件台上方的第一反射镜；设在所述工件台的与所述干涉仪相对的侧面上的第二反射镜；及设在所述工件台上方、位于所述第一反射镜与所述干涉仪之间的折射镜。所述第一测量光出射到所述折射镜，并由所述折射镜折射到所述第一反射镜，然后所述第一测量光由所述第一反射镜反射至所述折射镜，再经所述折射镜折射回所述干涉仪。所述第二测量光射到所述第二反射镜，并由所述第二反射镜反射至所述干涉仪。
较佳地，所述折射镜在垂直方向厚度渐变。
较佳地，所述折射镜的第一折射面与所述第一测量光垂直，所述折射镜的第二折射面与所述第一测量光成51.738度，从而折射出与所述第一测量光成30度的折射光。
较佳地，所述折射镜由折射率n＝1.5且透过率大于99％的玻璃制成。
较佳地，所述第一反射镜与所述第一测量光成60度角。
较佳地，所述折射镜与所述第一反射镜之间还包括第三反射镜，其将所述折射镜所折射出的折射光反射至所述第一反射镜，并且所述第一反射镜与所述第一测量光平行。
较佳地，所述折射镜为直角三角形。
较佳地，所述折射镜为等腰三角形。
较佳地，所述第一反射镜安装在安装所述干涉仪的机械框架上。
由于本发明的测量装置使用折射镜来代替激光干涉仪与第一反射镜之间的反射镜，可以将光线折射到采用反射镜反射无法达到的地方，例如，工件台的X向的另外一侧，也就是说折射镜法能够折射到更大的角度(-90度＜C＜90度，C不等于0)。
参考下文较佳实施例的描述以及附图，可最佳地理解本发明及其目的与优点，其中 图1为本发明测量装置的示意图； 图2为本发明测量装置的测量方法的例示意图； 图3为现有的测量装置的示意图； 图4为本发明测量装置的测量角度的示意图； 图5为本发明测量装置的测量范围的示意图； 图6为本发明的另一实施例的示意图； 图7为本发明再一实施例的示意图。
具体实施例方式 参见本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。
与空间相关的表述，如“上”、“下”、“水平”、“垂直”等，在本文中的使用是为了容易地表述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。应理解，这些与空间相关的表述除图中所示方位之外，还意欲涵盖该设备在使用或工作中的不同方位。例如，若图中的该设备翻转，描述为“在其它元件或部件之下”或“在其它元件或部件下方”的元件则会确定为“在其它元件或部件上方”。由此，该示范性的表述“在...下方”可同时涵盖“在...上方”与“在...下方”两者。该设备可为另外的朝向(旋转90度或其它朝向)，并且本文中所使用的这些与空间相关的表述亦作相应的解释。
图1示出了根据本发明的激光干涉仪测量装置的实施例。如图1所示，激光干涉仪测量装置1包括设置在工件台2侧面的激光干涉仪3，其与工件台的一个侧面相对并隔开一定的距离。激光干涉仪3出射水平的两轴测量光，即第一测量光和第二测量光。所述测量装置还包括设置测量框架上的第一反射镜4，第一反射镜4就位于工件台2的斜上方并相对于图1中工件台的垂向所成的角度为30度，即，与水平的测量光成60度角。所述测量框架系指安装激光干涉仪的机械框架。第一反射镜4的Y向长度(垂直光线的横向长度)须大于等于所述第一测量光的光斑大小。第一反射镜4的高度(垂直光线的纵向长度)须大于等于工件台2的X向行程乘以Sin(30)的值。所述测量装置还包括设置在工件台的一个侧面上的第二反射镜5。第二反射镜5在垂直光线的水平方向为形状一致的长方形，Y向长度和工件台2的侧面长度一致，Z向高度和工件台2的侧面高度一致。上述反射镜为业界常见的材料，例如，表面镀银的金属或玻璃。
所述测量装置还包括设置在工件台上方的折射镜6，所述折射镜6位于激光干涉仪3与第一反射镜4之间。折射镜6的材料为折射率n＝1.5的透过率大于99％的玻璃。如图1所示，折射镜6的形状为一面垂直，一面和水平X向成角度A＝51.7380度，即其X向剖面为直角三角形。折射镜6在Y方向成不改变形状的长条状，其长度必须与工件台2的Y向宽度一致，折射镜6的入射光出射光所成角度相同为C＝30度。本实施例中，第一反射镜4的高度大于等于工件台2的X向行程乘以Sin(30)，当然第一反射镜4的高度并不限于此，只要其大于等于工件台2的X向行程乘以Sin(C)的值即可。当然，本技术领域的技术人员应理解，所述折射镜并不限于上述尺寸及材料，只要其为在垂直方向厚度渐变的均匀密度的玻璃或其它透射材料。
激光干涉仪3中，第一测量光和第二测量光在垂直方向上隔开一定的距离。由此，第一测量光出射至工件台上方从而被折射镜6折射。经折射的光然后出射至第一反射镜4上，并沿着原光路被反射回来。第二测量光出射至工件台的侧面，被安装在工件台2侧面的第二反射镜5沿着原光路反射返回。
现结合图2说明本发明的原理。激光干涉仪测量装置1一般通过出射光与经过反射及/或折射的入射光来判断所测工件台的位移。假设图2中折射镜中第一折射面(第一测量光首先到达的面)和第一测量光的入射光线垂直，则折射后方向没有改变，假设图2中折射镜中第二折射面和第一测量光的入射光线成角度A，设定折射率为n，则在此第二折射面所成的入射角度为 A1＝90°-A， (1) 设此第二折射面折射角度为A2，根据折射定律有 sin(A2)/sin(A1)＝n (2) 因此，根据公式(1)(2)，可求得出射光(第二折射光)与入射光线的角度为 C＝A2-A1＝arcsin(n*sin(A1))-A1＝arcsin(n*cos(A))-90°+A (3) 或者有 A＝arctg((n-cos(C))/sin(C)) (4) 设工件台2沿第一测量光入射光方向移动了x，则第二测量光直接测量得到的光程变化可为 OPD2＝x (5) 设工件台2水平向移动了x的同时，沿垂直方向移动了z，设初始时候光在折射镜的移动到折射点的距离为dx，则第一测量光在工件台2移动前相对光程为 OPD1_1＝n*dx+(x+z*ctg(A))*cos(C) ＝n*dx+x*cos(C)+z*ctg(A)*cos(C) (6) 其中OPD1_1＝OPD1_1-A+OPD1_1_B。
这样，第一测量光在工件台2移动后相对光程为 OPD1_2＝x+n*(dx+z*ctg(A)) ＝x+n*dx+n*z*ctg(A) (7) 因此根据公式(6)、(7)，第一测量光在工件台2移动前后的光程变化为 OPD1＝OPD1_2-OPD1_1 ＝x+n*dx+n*z*ctg(A)-n*dx-x*cos(C)-z*ctg(A)*cos(C) ＝x*(1-cos(C))+z*ctg(A)*(n-cos(C)) (8) 根据公式(5)、(8)，可求出工件台2垂向移动的距离 其中出射光和入射光的夹角C与第2折射面与入射光的夹角A的关系见公式(3)、(4)，因此公式(9)可表示为 使用本实施例的激光干涉仪测量装置1进行测量，按照公式(10)，得到
因此，只要读取激光干涉仪第一测量光和第二测量光的光程变化，适当结合面形校正和旋转倾斜角度修正，就可以求出工件台2垂向移动距离z。
此外，从公式(10)中可知，只要知道第一测量光OPD1和第二测量光的光程OPD2，以及折射光和入射光的夹角C，就可以求出工件台2垂向移动的距离z。由于折射镜和第二反射镜在y方向的形状一致，所以工件台2在y方向的移动不会影响垂向移动的距离z的测量。从公式(10)中可知，测量结果z和折射镜的折射率以及厚度无直接关系，只与出射光与入射光角度C相关。可以证明，该结果和采用反射镜反射相同角度C的测量效果相同。
下面结合图3，比较专利文献1所描述的反射镜测量装置和本发明作比较，以此说明本发明的测量效果。图3为专利文献1所揭露的测量装置的示意图。该装置采用两轴测量光同时出射到工件台上，其中一轴出射到工件台上的第三反射镜70上，并且第三反射镜70沿某角度反射到第一反射镜40上，然后沿原光路反射，另外一轴测量光直接出射到工件台20上侧面垂直放置的第二反射镜50上，并被第二反射镜50沿原光路反射回来。设工件台20沿第一测量光入射光方向移动了x则第二测量光直接测量得到的光程变化可为 OPD2＝x (112) 设工件台20水平向移动了x的同时，沿垂直方向移动了z，设初始时候光在折射镜的移动到折射点的距离为dx，设第三反射镜70反射光和入射光所成的角度为C，则第一测量光在工件台移动前相对光程为 OPD1_1＝(x+z*ctg(C/2))*cos(C) ＝x*cos(C)+z*ctg(C/2)*cos(C) (12) 则第一测量光在工件台移动后相对光程为 OPD1_2＝x+z*ctg(C/2) (13) 因此根据公式(12)(13)，第一测量光在工件台2移动前后的光程变化为 OPD1＝OPD1_2-OPD1_1 ＝(x+z*ctg(C/2))*(1-cos(C)) (14) 根据公式(14)，可求得工件台垂向移动距离为 可证明公式(15)和专利文献1的公式(3)等价。
比较由图3得到的公式(15)和由图2得到的公式(10)发现，图3的垂向测量结果和图2的垂向测量结果完全一样，这就说明本发明中第一测量光的入射光和出射光所成角度为C时候的测量精度，和专利文献1中第一测量光的入射光和第一次反射光所成角度也为相同角度C时的测量精度相同。这样的结果是光学的费马原理(光程最短原理)的必然结果，无论是折射光还是反射光，总是走最短光程，可推断，无论本发明中折射镜采用什么形状，只要总的折射角度总为C，最后都可以得到公式(10)，即公式(15)。因此，本发明的测量精度与专利文献1中的测量装置相当。
另外专利文献5所揭露的技术方案比较，本发明只需要干涉仪和折射镜及反射镜，不需要引入电机引导反射镜做相应的移动，因此本发明更简便。另外，一般情况下，专利文献6中方案的垂向测量精度比专利文献1中方案的垂向测量精度低许多，光学元件更复杂，根据上文和专利文献1中方案的测量结果的比较，一般情况下，本发明的垂向测量精度也比专利文献6中方案的垂向测量精度好，同时也更简单易行。
需要说明的是，无论是以上哪种垂向测量方法，都可能需要进行面形校正和旋转倾斜角度影响修正。关于面形，比如对于专利文献1中的测量装置，需要对如图3的第一反射镜和第二反射镜和第三反射镜进行面形测校，对于本发明，需要对如图2或如图1的第一反射镜第二反射镜和折射镜进行面形测校。另外，旋转倾斜角度会对垂向测量结果略有影响，因此实际使用时候必须对公式(10)进行关于旋转倾斜角度影响修正，此情况和其它发明等相关技术的实际情况一样，具体不赘述。
由于本发明采用折射镜来代替将测量光反射至反射镜的反射镜，因此测量角度要比专利文献1的测量装置大很多。如图4所示，采用折射镜可以将光线折射到采用反射镜反射无法达到的地方，例如，工件台的X向的另外一侧，也就是说折射镜法能够折射到0度以下的角度范围(-90度＜C＜90度，C不等于0)。
现结合图5描述根据本发明的激光干涉仪测量装置的工作范围。
本发明的采用折射镜的测量装置比专利文献1中采用反射镜测量所要求的工件台20的旋转范围(Ry)大，这有利于提高工件台Ry的旋转范围。具体地，若采用反射镜40，当工件台20产生Ry旋转的时候，采用第三反射镜70将第二测量光反射到第一反射镜40(第一反射光)，再反射到第三反射镜70(第二反射光)，再反射回干涉仪30(第三反射光)，此时的第三反射光和第一入射光在第一反射镜40处产生了2倍Ry的倾斜。而第三反射点和第一入射点之间产生了位移，造成第三反射光在干涉仪20的光斑和第一出射光出射点距离比较远，甚至可能超出干涉仪的光斑收集半径的范围301。以3mm光斑半径为例子，干涉仪20的光斑收集孔径略大，半径则约为5mm，以500mm的光的行程为例子，则第三反射光在干涉仪的光斑和第一出射光出射点之间的Ry＜(5-3)mm/500mm＝4mrad，也就是说采用反射镜70在很小的测量范围就会有较大误差。若像发明那样采用折射镜6将第二测量光折射到第一反射镜4(第一折射光)，再反射到折射镜6(第二反射光)，再折射回干涉仪3(第二折射光)时，在第一实施例中具体数值约1mrad。一般的，干涉仪3出射光束的半径不大(3mm)，而干涉仪3出射光线处为一装有玻璃的半径较大(5mm)的孔，如果Ry＝0，所有镜子的安装误差可忽略的情况下，第一测量光沿着原来的光路，也就是干涉仪3光出射位置就为返回光的位置，两者重合，无误差，如果Ry不为0，当第一反射镜角度C恒定时候，则采用第二反射镜50返回光的位置和干涉仪第一测量光出射位置偏移较大，而采用折射镜6则偏移较小。
本发明的上述实施例具有如下优点 (1)由于本发明的测量装置使用折射镜来代替激光干涉仪与第一反射镜之间的反射镜，可以将光线折射到采用反射镜反射无法达到的地方，例如，工件台的X向的另外一侧，也就是说折射镜法能够折射到0度以下的角度范围(-90度＜C＜90度，C不等于0)。
(2)由于本发明的测量装置使用折射镜来代替激光干涉仪与第一反射镜之间的反射镜，第三反射光在干涉仪的光斑和第一出射光出射点之间的Ry较小。因此，即使工件台的Ry较大，也能使用本发明的测量装置进行测量。
(3)本发明的测量装置使用折射镜来代替激光干涉仪与第一反射镜之间的反射镜，其测量精度与采用反射镜的测量装置相当，其丰富了精密位置测量的手段。
下面结合图5描述本发明的另一实施例。本实施例与第一实施例的结构基本相同，不同之处在于工件台上多了一个第三反射镜7，其和折射镜6一起组成折反射镜组。如图4所示，第一测量光被n＝1.5的折射镜(A＝51.7380度的直角三角形)折射后，第三反射镜7把30度出射的折射光折射为垂直方向的出射光(出射光与入射光成角度C＝90度)，然后再被平行放置的第一反射镜4沿着原光路反射回来。第二测量光直接被第二反射镜5反射回来。经过推导，所得到的垂向距离变化和光程变化的关系和公式(10)类似，因此，对于本实施例有
此外，另一实施例中，可使用一或多块第二折射镜来代替第三反射镜7。
本发明的上述实施例除具有前述优点外，还具有如下优点 (4)采用折射镜组或者折反射镜组就可以折反射到任何方向，即， -180度＜C＜180度，C不等于0。
下面结合图6描述本发明的再一实施例。本实施例与第一实施例的结构基本相同，不同之处在于工件台上的折射镜的X向剖面形状由直角三角形改为等腰三角形状，其底角为A＝60度。第一测量光被n＝1.5的折射镜第一次折射中，入射角为A1＝90度-A＝30度，折射角度可求得为A2＝asin(sin(A1)/n)＝19.4712度，则在第二次折射的入射角为A3＝60度-A2＝40.5288度，折射角可求得为A4＝asin(sin(A3)*n)＝77.0958度，则第二次折射光(出射光)和入射光的夹角为C＝A4-30度＝47.0958度，折射镜把入射光折射到与水平方向成为C＝47.0958度的方向上，然后与水平方向成90度-C＝42.9042度放置的第一反射镜把出射光沿着原光路反射回来。第二测量光直接被第二反射镜沿着原光路反射回来。经过推导，所得到的垂向距离变化和光程变化的关系和公式(10)类似，因此，对于本实施例有
从以上实施例中可以看出，无论折射镜的形状是否被改变，是否在工件台上增加反射镜，采用本发明都可以根据第一测量光和第二测量光的光程变化准确测量工件台的垂向位置。需要补充的是，无论是以上哪种垂向测量方法，都可能需要进行面形校正和旋转倾斜角度影响修正。此为传统技术范畴，因此此处不赘述。
本发明的上述实施例除具有前述优点外，还具有如下优点 (5)本实施例中折射镜采用等腰三角形，第一测量光经过折射镜的第一及第二折射面的两次折射，因此和直角三角折射法相比，使得第一测量光折射到更大的角度。
本技术领域的技术人员应理解，本实用新型可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神与范围。
具体地，比较公式(168)、公式(17)及公式(17)，可发现其形式都和公式(15)或公式(10)结构一致，这说明垂向测量结果和工件台上的折反射镜的形状和组合无关，只和光程变化以及第一测量光的相对与工件台折反射镜组的入射光和出射光(第一反射镜的入射光)所成角度为C有关。这样的结果是光学的费马原理(光程最短原理)的必然结果，无论是折射光还是反射光，被折射或反射几次，总是走最短光程，可推断，无论本发明中工件台中折射镜或反射镜采用什么形状，被折射或反射几次，只要相对于工件台的折反射系统的出射光和入射光成的角度总为C，并沿着原来的光路被反射返回，就都可以得到公式(10)的垂向测量结果。
此外，上述实施例中，只考虑如何实现Z向位移的测量。从原理上说，如果Z向干涉仪的第一入射光为X方向，其垂直于Y向的反射镜，则只需要X向的位移测量，不需要测量Y向位移，同理，如果Z向干涉仪的第一入射光为Y方向，其垂直于X向的反射镜，则只需要Y向的位移测量，不需要测量X向位移。
本文中实施例所描述的各种具体参数仅是说明性的，而绝非用于限制本发明。本技术领域的技术人员应理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，例如改变折射镜的形状，增加折反射镜的数量，替换折射镜为其它类型的镜，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种用于测量工件台位移的激光干涉仪测量装置，其特征在于，包括
设在所述工件台一侧的激光干涉仪，其出射水平的第一测量光及第二测量光；
设在所述工件台上方的第一反射镜；
设在所述工件台的与所述干涉仪相对的侧面上的第二反射镜；及
设在所述工件台上方、位于所述第一反射镜与所述干涉仪之间的折射镜；
其中，所述第一测量光出射到所述折射镜，并由所述折射镜折射到所述第一反射镜，然后所述第一测量光由所述第一反射镜反射至所述折射镜，再经所述折射镜折射回所述干涉仪；并且
所述第二测量光射到所述第二反射镜，并由所述第二反射镜反射至所述干涉仪。
2.如权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述折射镜在垂直方向厚度渐变。
3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述折射镜的第一折射面与所述第一测量光垂直，所述折射镜的第二折射面与所述第一测量光成51.738度，从而折射出与所述第一测量光成30度的折射光。
4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述折射镜由折射率n＝1.5且透过率大于99％的玻璃制成。
5.如权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述第一反射镜与所述第一测量光成60度角。
6.如权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述折射镜与所述第一反射镜之间还包括第三反射镜，其将所述折射镜所折射出的折射光反射至所述第一反射镜，并且所述第一反射镜与所述第一测量光平行。
7.如权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述折射镜为直角三角形。
8.如权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述折射镜为等腰三角形。
9.如权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述第一反射镜安装在安装所述干涉仪的机械框架上。
全文摘要
一种用于测量工件台位移的激光干涉仪测量装置，其包括设在所述工件台一侧的激光干涉仪，其出射水平的第一测量光及第二测量光；设在所述工件台上方的第一反射镜；设在所述工件台的与所述干涉仪相对的侧面上的第二反射镜；及设在所述工件台上方、位于所述第一反射镜与所述干涉仪之间的折射镜。所述第一测量光出射到所述折射镜，并由所述折射镜折射到所述第一反射镜，然后所述第一测量光由所述第一反射镜反射至所述折射镜，再经所述折射镜折射回所述干涉仪。所述第二测量光射到所述第二反射镜，并由所述第二反射镜反射至所述干涉仪。由于本发明的测量装置使用折射镜来代替激光干涉仪与第一反射镜之间的反射镜，测量角度较大。
文档编号G03F7/20GK101551235SQ200910050529
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月4日 优先权日2009年5月4日
发明者俊 张 申请人:上海微电子装备有限公司