位置测量方法、位置测量系统以及光刻设备与流程

本发明涉及光刻，特别涉及一种位置测量方法、位置测量系统以及光刻设备。

背景技术：

1、纳米测量技术是纳米加工、纳米操控、纳米材料等领域的基础。ic产业、精密机械、微机电系统等都需要高分辨率、高精度的位移传感器，以达到纳米精度定位。

2、随着集成电路朝大规模、高集成度的方向飞跃发展，光刻机的套刻精度要求也越来越高，与之相应地，获取工件台、掩模台的六自由度位置信息的精度也随之提高。

3、光栅尺测量系统的光程可以做到很小，通常为几毫米，其光程和测量范围无关，因此它的测量精度对环境影响不敏感，具有测量稳定性高，结构简单，易于小型化的特点，使其在纳米测量领域占据重要的一席之地。在新一代光刻系统中承担高精度、高稳定性皮米精度测量任务。

4、现有的二维高精度光栅尺位置测量系统，可通过相移信号，测量水平向(x/y)和垂向(z)的位移。该技术方案采用光栅作为光束折转元件，调整光束方向，使反射元件也集成在一起，结构紧凑，形状规则，稳定性高。但该方案中测量光束两次通过折转光栅，对光功率的损耗较大，杂散光较多，同时也会使得相应光源功率需求变大。该方案中，正负级次光束的光程差需要通过玻璃板方法补偿。

5、现有的一种光栅面内一维高精度光栅尺位置测量系统，同样采用光栅作为光束折转元件，实现紧凑稳定结构。但是同样光功率损耗较大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种位置测量方法、位置测量系统以及光刻设备，以解决位置测量系统中采用光栅作为光束折转元件，光功率损耗大、杂散光较多，同时也会使得相应光源功率需求变大的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种位置测量系统，包括被测目标、读头和光源，所述读头包括第一分光单元和反向回射元件，所述光源发射的光束经所述第一分光单元分成方向不同的第一光束和第二光束，所述第一光束和第二光束经所述被测目标衍射后形成第一衍射光束和第二衍射光束，所述第一衍射光束和第二衍射光束均包含正负级次衍射光束，通过调整所述反向回射元件与所述被测目标上的衍射点的物理距离或光程距离，以分别实现所述第一衍射光束对应的正负级次衍射光束的光程相等以及所述第二衍射光束对应的正负级次衍射光束的光程相等。

3、可选的，所述读头还包括相位延迟元件，所述第一衍射光束和第二衍射光束直接到达所述相位延迟元件和所述反向回射元件，并经所述反向回射元件反向回射后经所述相位延迟元件后直接再次到达所述被测目标。

4、可选的，所述第一衍射光束和所述第二衍射光束的正负级次衍射光束所对应的所述相位延迟元件和所述反向回射元件是相互分离的。

5、可选的，所述读头还包括光程补偿元件和相位延迟元件，所述第一衍射光束和第二衍射光束经所述光程补偿元件到达所述相位延迟元件和所述反向回射元件，并经所述反向回射元件反向回射后经所述相位延迟元件和所述光程补偿元件后再次到达所述被测目标。

6、可选的，所述光程补偿元件、相位延迟元件和所述反向回射元件是一体化结构，调整所述相位延迟元件的厚度和/或所述反向回射元件的厚度和/或者调整所述反向回射元件与所述被测目标上的衍射点的距离，以实现所述第一衍射光束对应的正负级次衍射光束的光程相等以及所述第二衍射光束对应的正负级次衍射光束的光程相等。

7、可选的，当第一光束和第二光束的入射角度相同时，所述反向回射元件的两条反射棱边到第一衍射光束的+m级次衍射光束和第二衍射光束的+m级次衍射光束反向延长线交点的物理距离相等，通过所述相位延迟元件的厚度补偿第一衍射光束的+m级次衍射光束和第二衍射光束的+m级次衍射光束的光程差，则第一衍射光束的+m级次衍射光束和第二衍射光束的+m级次衍射光束的经过所述相位延迟元件的厚度差为：

8、

9、其中，ts是第一衍射光束的+m级次衍射光束经过的相位延迟元件的厚度，tl是第二衍射光束的+m级次衍射光束经过的相位延迟元件的厚度，l为被测目标上两入射光间距，α为第二衍射光束-m级次衍射光束经过被测目标衍射后的衍射角，β为第二衍射光束+m级次衍射光束经过被测目标衍射后的衍射角，n为相位延迟元件的基底材料折射率。

10、可选的，所述相位延迟元件、所述反向回射元件和所述光程补偿元件是一体化结构。

11、可选的，所述读头还包括折光元件、光程补偿元件和相位延迟元件，所述第一衍射光束和第二衍射光束经所述折光元件和光程补偿元件到达所述相位延迟元件和所述反向回射元件，并经所述反向回射元件反向回射后经所述相位延迟元件、光程补偿元件和折光元件后再次到达所述被测目标。

12、可选的，所述第一衍射光束和第二衍射光束的正负级次衍射光束分别对应分立的所述折光元件、所述光程补偿元件、所述相位延迟元件和所述反向回射元件。

13、可选的，所述折光元件为非光栅式折光元件。

14、可选的，所述非光栅式折光元件包括分束镜、偏转分束元件以及楔角棱镜中的一种或其任意组合。

15、可选的，所述第一光束和所述第二光束均以非垂直于所述被测目标的方向入射所述被测目标。

16、可选的，反向回射元件为多反射面棱镜结构。

17、可选的，反向回射元件的棱镜底部全部切割以形成底部为直角的反射棱镜的棱边。

18、可选的，反向回射元件的棱镜底部部分切割以使所述反向回射元件的棱镜底部保留部分平面。

19、基于同一发明构思，本发明还提供一种光刻设备，包括上述任一项所述的位置测量系统。

20、基于同一发明构思，本发明还提供一种位置测量方法，包括：

21、光源发出光束，所述光束经过第一分光单元分为方向不同的第一光束和第二光束；

22、所述第一光束经过所述被测目标衍射后形成第一衍射光束，所述第二光束经过所述被测目标衍射后形成第二衍射光束，所述第一衍射光束和第二衍射光束均包含正负级次衍射光束；

23、调整所述反向回射元件与所述被测目标上的衍射点的物理距离或光程距离，以分别实现所述第一衍射光束对应的正负级次衍射光束的光程相等和第二衍射光束对应的正负级次衍射光束的光程相等。

24、所述第一衍射光束的正负级次衍射光束被所述被测目标衍射后形成第一干涉光束，所述第一干涉光束含有所述被测目标的水平向位移信息；所述第二衍射光束的正负级次衍射光束再次被所述被测目标衍射后形成第二干涉光束，所述第二干涉光束含有所述被测目标的水平向位移信息和垂向位移信息；将所述第一干涉光束转换为第一干涉信号以及将所述第二干涉光束转换为第二干涉信号，并进行位移解算以获得所述被测目标的位置信息。

25、在本发明提供的一种位置测量方法、位置测量系统以及光刻设备中，通过调整所述反向回射元件与所述被测目标上的衍射点的物理距离或光程距离，以分别实现所述第一衍射光束对应的正负级次衍射光束的光程相等和第二衍射光束对应的正负级次衍射光束的光程相等，进一步的，可以不使用折光元件，直接通过反向回射元件回射光束，调整所述反向回射元件与所述被测目标上的衍射点的物理距离，或者采用非光栅式折光元件调整所述反向回射元件与所述被测目标上的衍射点的光程距离，避免了光栅式折光元件对光功率损耗，提高了系统光功率利用率，降低了杂散光水平，可以降低对光源功率需求。进一步的，反向回射元件、相位延迟元件和光程补偿元件可以组成一体化结构，保证其结构稳定性。