雙通干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】編碼器頭包括被如下配置的一個(gè)或多個(gè)元件：i)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第一入射角將第一入射光束定向到所述衍射編碼器刻度；ii)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第一返回角從衍射編碼器刻度接收第一返回光束，第一返回角不同于第一入射角；iii)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第二入射角將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述衍射編碼器刻度；和iv)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第二返回角從所述衍射編碼器刻度接收回第二返回光束，第二返回角不同于第二入射角，其中第一入射角與第二入射角之間的差小于第一入射角與第一返回角之間的差并且小于第二入射角與第二返回角之間的差。
【專利說(shuō)明】雙通干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)
【背景技術(shù)】
[0001]在一些情況下，干涉測(cè)量系統(tǒng)基于光學(xué)干涉信號(hào)監(jiān)控測(cè)量對(duì)象的相對(duì)位置的改變。例如，干涉測(cè)量?jī)x通過(guò)利用第二光束(有時(shí)稱作“基準(zhǔn)光束”)疊加和干涉從測(cè)量對(duì)象反射的測(cè)量光束來(lái)生成光學(xué)干涉信號(hào)，其中測(cè)量光束和基準(zhǔn)光束源自于公共源。測(cè)量對(duì)象的相對(duì)位置的改變對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的光學(xué)干涉信號(hào)的相位的改變。
[0002]這種干涉測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)例子是通過(guò)跟蹤被稱作編碼器刻度(encoder scale)的測(cè)量分度(graduation)來(lái)評(píng)估對(duì)象的運(yùn)動(dòng)的干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)。典型地，干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)包括編碼器刻度和編碼器頭(encoder head)。編碼器頭是包括干涉儀的配件。干涉測(cè)量?jī)x將測(cè)量光束定向到它衍射到的編碼器刻度。干涉測(cè)量?jī)x將衍射的測(cè)量光束與基準(zhǔn)光束組合以形成包括與對(duì)象的位置相關(guān)的相位的輸出光束。編碼器系統(tǒng)被廣泛用于光刻應(yīng)用以監(jiān)控光刻工具中可移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。編碼器系統(tǒng)由于它們對(duì)大氣湍流的相對(duì)不敏感性而在這樣的應(yīng)用中是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本公開(kāi)涉及雙通干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)和方法，以及用于雙通干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)和方法的應(yīng)用。
[0004]本發(fā)明的各個(gè)方面概述如下。
[0005]一般說(shuō)來(lái)，在第一方面，本公開(kāi)的主題可以以一種編碼器系統(tǒng)具體體現(xiàn)，編碼器系統(tǒng)包括:編碼器頭，與衍射編碼器刻度一起使用，其中所述編碼器頭包括被如下配置的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件:i)將以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第一入射角第一入射光束定向到所述衍射編碼器刻度；ii)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第一返回角從衍射編碼器刻度接收第一返回光束，第一返回角不同于第一入射角；iii)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第二入射角將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述衍射編碼器刻度；和iv)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第二返回角從所述衍射編碼器刻度接收回第二返回光束，第二返回角不同于第二入射角，其中第一入射角與第二入射角之間的差小于第一入射角與第一返回角之間的差并且小于第二入射角與第二返回角之間的差。
[0006]所述系統(tǒng)的實(shí)施例可以包括其它方面的一個(gè)或多個(gè)以下特征和/或特征。例如，所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)兀件可以被布置為將第二返回光束與基準(zhǔn)光束組合以形成輸出光束，并且所述編碼器系統(tǒng)包括被定位用于檢測(cè)所述輸出光束的檢測(cè)器。
[0007]所述編碼器系統(tǒng)還可以包括電子處理器，被配置為:從所述檢測(cè)器接收干涉信號(hào)，所述干涉信號(hào)包括與所述基準(zhǔn)光束與第二返回光束之間的光程差相關(guān)的相位；以及基于所述相位確定關(guān)于所述編碼器刻度的自由度的信息。所述相位可以包括外差相位。所述編碼器系統(tǒng)還可以包括所述衍射編碼器刻度。所述編碼器刻度可以包括一維光柵或二維光柵。
[0008]在一些實(shí)施例中，第一返回光束以及第二返回光束中的每一個(gè)包括衍射光束。每個(gè)衍射光束可以包括一階衍射光束。
[0009]在一些實(shí)施例中，第一入射光束和第一返回光束是非共線的并且非平行的，第二入射光束和第二返回光束是非共線的且非平行的。
[0010]在一些實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)兀件包括光束分離兀件,被布置為從光源接收源光束以及從所述源光束導(dǎo)出第一入射光束?？商鎿Q地，或者另外，所述光束分離元件被布置為從所述源光束導(dǎo)出基準(zhǔn)光束。
[0011 ] 在一些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還可以包括檢測(cè)器。
[0012]在一些實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)反射元件包括如下布置的第一反射元件:接收第二返回光束；以及重定向第二返回光束到所述光束分離元件。所述一個(gè)或多個(gè)反射元件還可以包括第二反射元件，所述第一反射元件被布置為重定向第一返回光束到第二反射元件，以及第二反射元件被布置為:從第一反射元件接收第一返回光束；以及以第二入射角重定向第一返回光束到所述編碼器刻度作為第二入射光束。第一反射元件可以包括光柵，其中所述光柵被配置為衍射第一返回光束和第二返回光束兩者。
[0013]在一些實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包括第一后向反射器和第一反射元件，第一反射元件被布置為:從所述編碼器刻度接收第一返回光束和第二返回光束兩者；和重定向第一返回光束和第二返回光束到第一后向反射器，第一后向反射器被布置為重定向第二返回光束到所述光束分離元件。所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件還可以包括第二反射元件，其中所述后向反射器被布置為將第一返回光束從第一反射元件重定向到第二反射元件。所述第二反射元件可以被布置為:從所述第一反射元件接收第一返回光束，以及以第二角度將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述測(cè)量對(duì)象。
[0014]在一些實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包括第一后向反射器，其中所述光束分離兀件和第一后向反射器被組合布置為:接收第一返回光束；和將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述測(cè)量對(duì)象。所述第一后向反射器可以被布置為:從所述光束分離元件接收所述基準(zhǔn)光束；和重定向所述基準(zhǔn)光束到所述光束分離元件。在一些實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包括在所述光束分離元件與第一后向反射器之間的多個(gè)棱鏡元件，其中所述多個(gè)棱鏡元件被配置為增加第一返回光束與所述基準(zhǔn)光束之間的偏差。所述多個(gè)棱鏡元件可以被布置在所述基準(zhǔn)光束的光束路徑和第一返回光束的光束路徑中。所述多個(gè)棱鏡元件可以包括楔形棱鏡或者雙折射棱鏡。
[0015]在一些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括基準(zhǔn)反射鏡，被布置為在第一位置和在第二位置從所述光束分離元件接收基準(zhǔn)光束。所述基準(zhǔn)反射鏡可以包括鏡子。所述基準(zhǔn)反射鏡可以包括所述編碼器光柵的表面。所述系統(tǒng)還可以包括第一四分之一波片，該第一四分之一波片被布置在所述基準(zhǔn)反射鏡與所述光束分離元件之間。
[0016]在一些實(shí)施例中，所述編碼器系統(tǒng)還包括第二四分之一波片，該第二四分之一波片被布置在所述編碼器光柵與所述光束分離元件之間。
[0017]在某些實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包括光束組合器，被布置為:從所述編碼器刻度接收第二返回光束；從所述光束分離元件接收所述基準(zhǔn)光束；以及將第二返回光束與所述基準(zhǔn)光束組合以形成所述輸出光束。所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件可以包括棱鏡對(duì)和后向反射器。所述棱鏡對(duì)以及所述后向反射器被組合布置以將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述測(cè)量對(duì)象。
[0018]在一些實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包括單個(gè)光學(xué)元件。
[0019]在一些實(shí)施例中，所述編碼器系統(tǒng)可以耦接到照明系統(tǒng)，其中所述照明系統(tǒng)包括:輻射源，其中在所述光刻系統(tǒng)的操作期間，所述源將輻射定向到所述編碼器系統(tǒng)；電子處理器，被配置為:從所述檢測(cè)器接收干涉信號(hào)，所述干涉信號(hào)包括與光程差相關(guān)的相位；以及基于所述相位確定關(guān)于所述編碼器刻度的位移的信息；以及定位系統(tǒng)，耦接到所述電子處理器并且被配置為基于關(guān)于所述編碼器刻度的位移的信息調(diào)整所述臺(tái)的位置。
[0020]在某些方面，本公開(kāi)的主題可以在包括可移動(dòng)臺(tái)和編碼器系統(tǒng)的系統(tǒng)中具體體現(xiàn)。衍射編碼器刻度和測(cè)量對(duì)象二者之一可以附于所述可移動(dòng)臺(tái)。所述編碼器系統(tǒng)可以包括:編碼器頭，用于衍射編碼器刻度，其中所述編碼器頭包括被如下配置的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件:i)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第一入射角將第一入射光束定向到所述衍射編碼器刻度；ii)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第一返回角從衍射編碼器刻度接收第一返回光束，第一返回角不同于第一入射角；iii)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第二入射角將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述衍射編碼器刻度；和iv)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第二返回角從所述衍射編碼器刻度接收回第二返回光束，第二返回角不同于第二入射角，其中第一入射角與第二入射角之間的差小于第一入射角與第一返回角之間的差或者小于第二入射角與第二返回角之間的差二者之一。
[0021]在某些方面，本公開(kāi)的主題可以以包括可移動(dòng)臺(tái)和編碼器系統(tǒng)的光刻系統(tǒng)中具體體現(xiàn)，在編碼器系統(tǒng)中衍射編碼器刻度或者測(cè)量對(duì)象二者之一可以附于所述可移動(dòng)臺(tái)。所述光刻系統(tǒng)還可以包括耦接到所述編碼器系統(tǒng)的照明系統(tǒng)，其中所述照明系統(tǒng)具有輻射源，以使得在所述光刻系統(tǒng)的操作期間，所述源將輻射定向所述編碼器系統(tǒng)。所述光刻系統(tǒng)還可以包括檢測(cè)器，用于在光刻系統(tǒng)的操作期間檢測(cè)來(lái)自所述編碼器系統(tǒng)的輸出光束；和電子處理器，被配置為:從所述光刻系統(tǒng)接收干涉信號(hào)，所述干涉信號(hào)包括與所述基準(zhǔn)光束與第二返回光束之間的光程差相關(guān)的相位；以及基于所述相位確定關(guān)于所述編碼器刻度的位置的變化的信息。所述光刻系統(tǒng)還可以包括定位系統(tǒng)，耦接到所述處理器并且被配置為基于關(guān)于所述編碼器刻度的位移的信息調(diào)整所述臺(tái)的位置。
[0022]某些實(shí)施例可以具有特定的優(yōu)點(diǎn)。例如，在一些實(shí)施例中。
[0023]一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)將在附圖和下面的描述中闡明。從描述和附圖以及從權(quán)利要求中其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是示范性干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)的示意圖。
[0025]圖2-圖10是示范性雙通干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)的示意圖。
[0026]圖1lA是編碼器頭的示范性光學(xué)元件的示意圖。
[0027]圖1lB是圖1lA中所示的元件的三維示意圖。
[0028]圖1lC是圖1lA中所示的光學(xué)元件的示意圖。
[0029]圖1lD是圖1lA中所示的元件的三維示意圖。
[0030]圖12是編碼器頭的示范性光學(xué)元件的三維示意圖。
[0031]圖13A是編碼器頭的測(cè)量光學(xué)元件的三維示意圖。
[0032]圖13B是與圖13A中所示的光學(xué)元件一起使用的基準(zhǔn)光學(xué)元件的三維示意圖。
[0033]圖13C是與圖13B中所示的光學(xué)元件光學(xué)耦接的、圖13A中所示的光學(xué)元件的三維示意圖。[0034]圖14A和圖14B是分別顯示圖13A的光學(xué)元件的橫截面的二維示意圖。
[0035]圖15是包括雙通干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)的光刻工具的實(shí)施例的示意圖。
[0036]圖16A和圖16B是描述用于制做集成電路的步驟的流程圖。
[0037]在各個(gè)附圖中同樣的參考標(biāo)記指示同樣的元素。
【具體實(shí)施方式】
[0038]參照?qǐng)D1，干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)100包括光源模塊120 (例如，包括激光器)、光學(xué)配件110、測(cè)量對(duì)象101、檢測(cè)器模塊130(例如，包括偏振器和檢測(cè)器)以及電子處理器150。通常，光源模塊120包括光源并且還可以包括其它元件，諸如光束成形光學(xué)器件(例如，光貓準(zhǔn)光學(xué)器件)、光導(dǎo)兀件(例如，光纖波導(dǎo))和/或偏振管理光學(xué)器件(例如，偏振器和/或波片)。光學(xué)配件110的各個(gè)實(shí)施例描述如下。在一些實(shí)施方式中,光學(xué)配件也可以稱為“編碼器頭”。顯示笛卡兒坐標(biāo)系以供參考，其中Y軸(未顯示)延伸到頁(yè)中。
[0039]測(cè)量對(duì)象101位于沿Z軸距光學(xué)配件110—定法線距離的位置。在許多應(yīng)用中，諸如編碼器系統(tǒng)用于監(jiān)控光刻工具中的晶圓臺(tái)(wafer stage)或者掩模臺(tái)(reticle stage)的位置之類的應(yīng)用，測(cè)量對(duì)象101相對(duì)于光學(xué)配件110沿X和/或y方向移動(dòng)，同時(shí)相對(duì)于z軸法線地保持距光學(xué)配件恒定距離。該恒定距離可以相對(duì)較小(例如，幾厘米或者更小)。然而，在諸如此類的應(yīng)用中，測(cè)量對(duì)象的位置通常將偏離法線恒定距離少量變化，并且笛卡兒坐標(biāo)系內(nèi)測(cè)量對(duì)象的相對(duì)方位也會(huì)少量變化。在操作期間，編碼器系統(tǒng)100監(jiān)控測(cè)量對(duì)象101相對(duì)于光學(xué)配件110的一個(gè)或多個(gè)這些自由度，包括測(cè)量對(duì)象101相對(duì)于X軸的位置，并且在某些實(shí)施例中，還包括測(cè)量對(duì)象101相對(duì)于y軸和/或Z軸和/或相對(duì)于俯仰角方位(pitch angular orientation)和偏轉(zhuǎn)角方位(yaw angular orientation)的位置。
[0040]為了監(jiān)控測(cè)量對(duì)象101的位置，源模塊120將輸入光束122定向到光學(xué)配件110。光學(xué)配件Iio從輸入光束122導(dǎo)出測(cè)量光束112并且將測(cè)量光束112定向到測(cè)量對(duì)象101。光學(xué)配件110還從輸入光束122導(dǎo)出基準(zhǔn)光束(未顯示)并且將基準(zhǔn)光束沿不同于測(cè)量光束的路徑定向。例如，光學(xué)配件110可以包括將輸入光束122分為測(cè)量光束112和基準(zhǔn)光束的分光器(beam splitter)。測(cè)量和基準(zhǔn)光束可以具有正交偏振(例如，正交線性偏振)。
[0041]測(cè)量對(duì)象101包括編碼器刻度105，其是將來(lái)自編碼器頭的測(cè)量光束衍射到一個(gè)或多個(gè)衍射階(order)。通常，編碼器刻度可以包括諸如光柵或者全息衍射結(jié)構(gòu)之類的各種不同的衍射結(jié)構(gòu)。光柵的例子包括正弦曲線的、矩形的或者鋸齒光柵。光柵的特征不僅可以是具有恒定節(jié)距(constant pitch)的周期性結(jié)構(gòu),而且可以是更復(fù)雜的周期性結(jié)構(gòu)(例如，啁啾光柵(chirped gratings))。通常，編碼器刻度可以將測(cè)量光束衍射到一個(gè)以上的平面。例如，編碼器刻度可以是將測(cè)量光束衍射到x-z平面和y_z平面中的衍射階的二維光柵。編碼器刻度在χ-y平面上延伸與測(cè)量對(duì)象110的運(yùn)動(dòng)范圍相應(yīng)的距離。
[0042]在本實(shí)施例中，編碼器刻度105是具有光柵線的光柵，該光柵線與頁(yè)所在的平面正交并且平行于圖1的笛卡兒坐標(biāo)系的y軸延伸。光柵線沿X軸方向是周期性的。編碼器刻度105具有與x-y平面相對(duì)應(yīng)的光柵平面，并且編碼器刻度將測(cè)量光束112衍射在y-z平面上的一個(gè)或多個(gè)衍射階。
[0043]測(cè)量光束的這些衍射階的至少一個(gè)(標(biāo)記的光束114)返回到光學(xué)配件110，在那里其與基準(zhǔn)光束組合以形成輸出光束132。例如，一次衍射的測(cè)量光束114可以是一階衍射光束。
[0044]輸出光束132包括與測(cè)量光束與基準(zhǔn)光束之間的光程長(zhǎng)度差相關(guān)的相位信息。光學(xué)配件110將輸出光束132定向到檢測(cè)輸出光束的檢測(cè)器模塊130，并且響應(yīng)于檢測(cè)后的輸出光束發(fā)送信號(hào)到電子處理器150。電子處理器150接收并且分析所述信號(hào)并且確定關(guān)于測(cè)量對(duì)象101相對(duì)于光學(xué)配件110的一個(gè)或多個(gè)自由度的信息。
[0045]在某些實(shí)施例中，測(cè)量光束和基準(zhǔn)光束在頻率上有較小差別(例如，千赫茲到兆赫范圍內(nèi)的差)，以便在基本相應(yīng)于該頻率差的頻率處產(chǎn)生感興趣的干涉信號(hào)。該頻率在下文中可交換地稱為“外差(heterodyne) ”頻率。關(guān)于測(cè)量對(duì)象的相對(duì)位置的改變的信息通常相應(yīng)于在該外差頻率上的干涉信號(hào)的相位。信號(hào)處理技術(shù)可用于提取該相位。通常，可移動(dòng)測(cè)量對(duì)象導(dǎo)致該相位項(xiàng)隨時(shí)間變化。在這點(diǎn)上，測(cè)量對(duì)象運(yùn)動(dòng)的一階時(shí)間導(dǎo)數(shù)導(dǎo)致干涉信號(hào)的頻率從外差頻率偏移一定量——這里稱為“多普勒”偏移。
[0046]測(cè)量光束和基準(zhǔn)光束的不同頻率可以例如，通過(guò)激光器塞曼分離(Zeemansplitting)、通過(guò)聲光調(diào)制利用兩種不同的激光器模式、或者在激光器內(nèi)部使用雙折射元件等等技術(shù)來(lái)產(chǎn)生。正交偏振使偏振分光器沿不同的路徑定向測(cè)量光束和基準(zhǔn)光束，并且將它們組合以形成隨后穿過(guò)偏振器的輸出光束，偏振器將正交偏振的分量混合以使得它們可以干涉。在目標(biāo)沒(méi)有移動(dòng)的情況下，干涉信號(hào)在外差頻率振動(dòng)，該外差頻率正是兩個(gè)分量的光頻率中的差。在目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，外差頻率通過(guò)眾所周知的多普勒關(guān)系引起與目標(biāo)的速度相關(guān)的改變。因此，監(jiān)控外差頻率的改變使得人員能夠監(jiān)控目標(biāo)相對(duì)于光學(xué)配件的運(yùn)動(dòng)。
[0047]在如下所述的實(shí)施例中，“輸入光束”通常指的是由源模塊發(fā)出的光束。對(duì)于外差檢測(cè)來(lái)說(shuō)，輸入光束的分量的頻率稍有不同，正如以上的討論。
[0048]在某些實(shí)施例中，設(shè)計(jì)干涉測(cè)量?jī)x系統(tǒng)使得它們不在利特羅(Littrow)中操作。例如，通常，測(cè)量光束以某一入射角入射到測(cè)量對(duì)象101上，因此一次衍射的測(cè)量光束不滿足利特羅條件。利特羅條件指的是諸如光柵之類的衍射結(jié)構(gòu)相對(duì)于入射光束的方位，其中衍射結(jié)構(gòu)將衍射光束定向回到源。換句話說(shuō)，在編碼器系統(tǒng)100中，一次衍射的測(cè)量光束不滿足利特羅條件，因?yàn)橐淮窝苌涞臏y(cè)量光束與入射到編碼器刻度上的測(cè)量光束是非共線的。
[0049]雖然在圖1中描繪編碼器刻度105為在一個(gè)方向上是周期性的，但是更一般地，測(cè)量對(duì)象可以包括適當(dāng)?shù)匮苌錅y(cè)量光束的各種不同的衍射結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，測(cè)量對(duì)象可以包括在兩個(gè)方向上(例如，沿X軸和Y軸)是周期性的衍射結(jié)構(gòu)，其將測(cè)量光束在兩個(gè)正交平面上衍射為光束。通常，編碼器刻度的衍射結(jié)構(gòu)和源模塊被選擇，以使得編碼器系統(tǒng)提供一個(gè)或多個(gè)具有足夠強(qiáng)度的衍射的測(cè)量光束以便當(dāng)在系統(tǒng)的幾何約束內(nèi)與相應(yīng)基準(zhǔn)光束組合時(shí)建立一個(gè)或多個(gè)可檢波的干涉信號(hào)。在一些實(shí)施例中，源模塊提供具有波長(zhǎng)從400nm到1，500nm范圍的波長(zhǎng)的輸入光束。例如，輸入光束可以具有大約633nm或者大約980nm的波長(zhǎng)。注意的是，通常，外差源的分頻僅僅導(dǎo)致輸入光束的兩個(gè)分量的波長(zhǎng)之間非常小的差別，因此即使輸入光束不是嚴(yán)格單頻的，以單個(gè)波長(zhǎng)作為輸入光束也仍然是實(shí)際的。在一些實(shí)施例中，源模塊可以包括氣體激光器(例如，氦氖激光器)、激光二極管或者其它固態(tài)激光器源、發(fā)光二極管、或者熱源，諸如帶有更改光譜帶寬的濾光器或者不帶有濾光器的鹵素?zé)簟?br> [0050]通常，衍射結(jié)構(gòu)(例如，光柵節(jié)距)可以依賴于輸入光束的波長(zhǎng)以及用于測(cè)量的光學(xué)配件和衍射階的布置而變化。在一些實(shí)施例中，衍射結(jié)構(gòu)是具有范圍從大約I λ到大約20 λ的節(jié)距的光柵，其中λ是源的波長(zhǎng)。光柵可以具有范圍從大約I μ m到大約10 μL?的節(jié)距。
[0051]在一些情況下，光學(xué)誤差可能通過(guò)典型被稱為光束混合的過(guò)程而引入干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)，其中“重影(ghost)”光束與測(cè)量光束和/或基準(zhǔn)光束干涉。與重影光束與之組合的光束相比，這些重影光束可以具有不同的振幅、不同的相位偏移和/或差分頻率，這導(dǎo)致檢測(cè)到的干涉信號(hào)的相位中的偏移。因此，編碼器刻度的相對(duì)位置的測(cè)量可以偏離編碼器刻度的實(shí)際位置，從而限制由干涉測(cè)量?jī)x測(cè)量的位移改變的準(zhǔn)確性。
[0052]這樣的重影光束可能由干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)中的各種缺陷所引起。例如，如果測(cè)量光束和基準(zhǔn)光束有不同頻率，則那些光束的不同頻率分量的偏振中的橢圓率可能通過(guò)干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件導(dǎo)致基準(zhǔn)光束和/或測(cè)量光束的不想要的漏失?；鶞?zhǔn)光束和/或測(cè)量光束的不想要的漏失還可能由于光學(xué)元件本身引起。例如，干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)可以包括偏振分光器，其中分光器具有較低消光比(extinct1n rat1),因此不想要的分量被透射而不是被分光器反射，反之亦然。重影光束也可能由于來(lái)自干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)的其它元件的不想要的反射而產(chǎn)生。例如，在一些實(shí)施例中，入射到編碼器刻度上的一部分光束被沿入射方向衍射回，而非沿與輸入光束非共線的路徑被衍射。
[0053]由于光束剪切(shearing)的發(fā)生，其它光學(xué)誤差也可能存在于干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)中。光束剪切在編碼器光柵相對(duì)于編碼器頭的相對(duì)位置升高或者降低(例如，由于圖1中沿z方向編碼器刻度和/或編碼器的運(yùn)動(dòng))時(shí)發(fā)生。在一些情況下，該運(yùn)動(dòng)可能引起測(cè)量光束和基準(zhǔn)光束的光路發(fā)散，導(dǎo)致編碼器刻度位置的更進(jìn)一步的測(cè)量誤差。類似的誤差可能由于編碼器刻度相對(duì)于編碼器頭的方向上的小變化而產(chǎn)生，包括例如編碼器刻度的傾倒、傾斜和偏轉(zhuǎn)的改變。
[0054]為了提高上述誤差的容限，干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)可以被設(shè)置為使得測(cè)量光束相對(duì)于編碼器刻度雙通(double pass)，以使得測(cè)量光束從編碼器刻度衍射兩次。通過(guò)將系統(tǒng)配置為產(chǎn)生入射光束與相應(yīng)衍射光束之間大角度差，可以降低來(lái)自重影光束及其他偽光束(spur1us beam)的干涉。在一些實(shí)施例中，用于干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)的雙通布置也可以補(bǔ)償當(dāng)編碼器刻度與編碼器頭之間的相對(duì)距離變化時(shí)可能發(fā)生的光束剪切。另外，在一些實(shí)施例中，對(duì)于一階來(lái)說(shuō)，雙通結(jié)構(gòu)具有補(bǔ)償對(duì)象的方向的小變化(諸如傾倒、傾斜和偏轉(zhuǎn))的優(yōu)點(diǎn)。
[0055]圖2是用于監(jiān)控測(cè)量對(duì)象105的位置的雙通干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)200的編碼器頭210的示例的示意圖，其中編碼器頭210被設(shè)置為使得測(cè)量光束對(duì)兩次通過(guò)測(cè)量對(duì)象105通并且從測(cè)量對(duì)象105返回的單個(gè)衍射光束用于與基準(zhǔn)光束組合以確定測(cè)量對(duì)象105的位置。在本示例中，測(cè)量對(duì)象105是諸如一維光柵之類的編碼器刻度。編碼器刻度105可以附著于其它物體，包括可移動(dòng)臺(tái)。
[0056]編碼器系統(tǒng)200被配置為檢測(cè)沿z坐標(biāo)和沿X坐標(biāo)的位移，其中z坐標(biāo)與光柵表面正交，而且X坐標(biāo)位于光柵表面的平面中并且正交于所示的光柵槽(gratinggrooves)。編碼器頭210包括第一分光器202、第二分光器(光束組合器)204、后向反射器(retro-reflector) 206和棱鏡對(duì)208。在編碼器系統(tǒng)200的操作期間，編碼器頭210從光源120接收源光束101。第一分光器202將源光束劃分為測(cè)量光束和基準(zhǔn)光束30，然后它們被沿不同的路徑定向。如圖2所示，測(cè)量光束包括四個(gè)不同的部分:第一入射光束11、第一返回光束12、第二入射光束21和第二返回光束22。因?yàn)闇y(cè)量對(duì)象105是編碼器刻度，所以第一返回光束12相應(yīng)于第一入射光束11的衍射階(例如，一階或者第二階)。
[0057]第一返回光束12被后向反射器206和棱鏡對(duì)208的組合重定向以作為第二入射光束21返回到編碼器刻度105，其中測(cè)量光束被再次衍射以產(chǎn)生第二返回光束22。第二返回光束22相應(yīng)于第二入射光束12的衍射階(例如，一階或第二階)。然后，分光器204再組合基準(zhǔn)光束30和第二返回光束22以形成被定向到檢測(cè)器的輸出光束207。然后，在檢測(cè)器130處形成的干涉信號(hào)被遞送到電子處理器，其基于干涉信號(hào)確定關(guān)于編碼器刻度105的位置信息。
[0058]源光束可以從諸如外差激光器之類的外差源生成，其中源光束包括由正交偏振編碼的、以稍有不同的頻率傳播的兩個(gè)分離的光束。分光器202可以是偏振分光器，其基于兩個(gè)頻率的不同偏振將兩個(gè)頻率分離。在光束組合器204中重組合基準(zhǔn)光束203和第二返回光束22之后，輸出光束207傳播到檢測(cè)器模塊130。正弦信號(hào)是從檢測(cè)到的輸出光束207的拍頻(beat frequency)獲得,其中信號(hào)的相位是其中是假定穩(wěn)定或者已知的基準(zhǔn)相位，并且Φπ是測(cè)量相位。
[0059]假定第一入射光束和第二入射光束的入射面包含X坐標(biāo)并且相對(duì)于所不的ζ坐標(biāo)定義角度，光束11、12、21、22傳播相對(duì)于編碼器刻度105的法線的角度分別是θ Π, θ 12, Θ 21, 0 22。圖2中示出第二返回光束22的角度θ22作為示例。因?yàn)闇y(cè)量對(duì)象105將入射光束衍射，所以以下眾所周知的光柵關(guān)系得以應(yīng)用:
[0060]sin ( Θ n) +sin ( θ 12) = m λ /D (I)
[0061]sin ( θ 21)+sin ( θ 22) = m λ /D (2)
[0062]其中m是整數(shù)，稱作衍射階，D是光柵節(jié)距或者線或編碼器刻度105的重復(fù)特征之間的間隔。如圖中明顯可見(jiàn)的是，下列附加不等式得以應(yīng)用。第一返回光束12即不與第一入射光束11共線也不平行于第一入射光束11:
[0063]Θ 12 關(guān) θ n (3)
[0064]第二返回光束22即不與第二入射光束21共線也不平行于第二入射光束21:
[0065]Θ 22 關(guān) Θ 21 (4)
[0066]圖2中所示的結(jié)構(gòu)的更多基本特性是第一入射光束11的傳播角度與第二入射光束21的傳播角度之間的差小于第一入射光束11與第一返回光束12的傳播角度之間的差:
[0067]I θ η- Θ 211〈 I θ η- θ 121 (5)
[0068]并且第一入射光束21的傳播角度與第二入射光束21的傳播角度之間的差小于第二入射光束21的傳播角度與第二返回光束22的傳播角度之間的差:
[0069]I θ η- Θ 21〈 I θ 21- Θ 221 (6)
[0070]類似地，第一入射光束12的傳播角度與第二返回光束22的傳播角度之間的差小于第一入射光束11的傳播角度與第一返回光束12的傳播角度之間的差:
[0071]I θ 12- Θ 221〈 I θ η- Θ 121 (7)
[0072]第一返回光束12的傳播角度與第二返回光束22的傳播角度之間的差小于第二入射光束21與第二返回光束22的傳播角度之間的差:
[0073]I θ 12- Θ 221 < I θ 21- Θ 221 (8)[0074]等式(3)至(8)中的不等性的幅值足夠大，以使得光束不被光學(xué)元件阻擋。例如，圖2中所示的光束11不被后向反射棱鏡206阻擋。在本示例中，兩個(gè)入射光束11和21大致平行，而兩個(gè)反射束12與22大致平行:
[0075]Θ n ^ Θ 21 (9)
[0076]θ 12 ~Θ 22 (10)
[0077]相反，對(duì)于本示例來(lái)說(shuō)，兩個(gè)入射光束都不平行于相應(yīng)反射光束，如公式(3)和
(4)中所示。
[0078]在一些實(shí)施例中，入射光束與返回光束之間的角度差足夠大,從而減少由來(lái)自重影反射及其它偽光束的最終干涉信號(hào)的干涉所引起的測(cè)量誤差。例如，在一些實(shí)施例中，編碼器頭210的光學(xué)元件被布置為使得公式(5)至(8)中的不等性對(duì)于Imm光束直徑，大于大約ImracK毫拉德)。在一些情況下，較大的角度可以按比例地用于較小的光束直徑。
[0079]雙通干涉測(cè)量編碼器系統(tǒng)可以對(duì)于編碼器刻度105的沿兩個(gè)正交方向的位移靈敏。例如，編碼器刻度105沿X坐標(biāo)在平面內(nèi)的位移在以某一速率從編碼器兩次反射之后改變了測(cè)量光束的相位Φπ，該相位可以表達(dá)為
[0080]Φ m = (4 π m/D) Δ χ, (11)
[0081]其中，ΛΧ是編碼器刻度105沿χ方向的位移。類似地，編碼器刻度105
[0082]
【權(quán)利要求】
1.一種編碼器系統(tǒng)，包括: 編碼器頭，用于與衍射編碼器刻度一起使用，其中所述編碼器頭包括被如下布置的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)兀件:1)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第一入射角將第一入射光束定向到所述衍射編碼器刻度； ?)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第一返回角從衍射編碼器刻度接收第一返回光束，第一返回角不同于第一入射角； iii)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第二入射角將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述衍射編碼器刻度；和 iv)以相對(duì)于編碼器刻度的法線的第二返回角從所述衍射編碼器刻度接收回第二返回光束，第二返回角不同于第二入射角， 其中第一入射角與第二入射角之間的差小于第一入射角和第一返回角之間的差并且小于第二入射角與第二返回角之間的差。
2.如權(quán)利要求1所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件被布置為將第二返回光束與基準(zhǔn)光束組合以形成輸出光束，并且所述編碼器系統(tǒng)包括被定位用于檢測(cè)所述輸出光束的檢測(cè)器。
3.如權(quán)利要求 2所述的編碼器系統(tǒng)，還包括電子處理器，被配置為: 從所述檢測(cè)器接收干涉信號(hào)，所述干涉信號(hào)包括與所述基準(zhǔn)光束與第二返回光束之間的光程差相關(guān)的相位；以及 基于所述相位確定關(guān)于所述編碼器刻度的位置的變化的信息。
4.如權(quán)利要求3所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述相位是外差相位。
5.如權(quán)利要求1所述的編碼器系統(tǒng)，還包括衍射編碼器刻度。
6.如權(quán)利要求5所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述編碼器刻度包括一維光柵或二維光柵。
7.如權(quán)利要求1所述的編碼器系統(tǒng)，其中第一返回光束和第二返回光束中的每一個(gè)是衍射光束。
8.如權(quán)利要求7所述的編碼器系統(tǒng)，其中每個(gè)衍射光束是一階衍射光束。
9.如權(quán)利要求1所述的編碼器系統(tǒng)，其中第一入射光束和第一返回光束是非共線的并且非平行的，而且第二入射光束和第二返回光束是非共線的且非平行的。
10.如權(quán)利要求3所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包含被布置為從光源接收源光束的光束分離元件，所述光束分離元件可操作用于從所述源光束導(dǎo)出第一入射光束和所述基準(zhǔn)光束。
11.如權(quán)利要求10所述的編碼器系統(tǒng)，還包括檢測(cè)器。
12.如權(quán)利要求10所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包含如下布置的第一光學(xué)元件: 接收第二返回光束；以及 重定向第二返回光束到所述光束分離元件。
13.如權(quán)利要求12所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包含第二光學(xué)元件，所述第一光學(xué)元件被布置為重定向第一返回光束到第二光學(xué)元件，以及第二光學(xué)元件被布置為:從第一光學(xué)元件接收第一返回光束；以及 以第二入射角將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述編碼器刻度。
14.如權(quán)利要求12所述的編碼器系統(tǒng)，其中第一光學(xué)元件包括光柵，所述光柵可操作用于衍射第一返回光束以及第二返回光束兩者。
15.如權(quán)利要求10所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包含: 第一后向反射器；以及 第一光學(xué)元件，所述第一光學(xué)元件被布置為從所述編碼器刻度接收第一返回光束和第二返回光束兩者；以及重定向第一返回光束和第二返回光束到第一后向反射器， 其中第一后向反射器被布置為從第一光學(xué)元件接收第二返回光束，以及重定向第二返回光束到所述光束分離元件。
16.如權(quán)利要求15所述的編碼器系統(tǒng),其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)兀件包含第二光學(xué)兀件，而且后向反射器被布置為從第一光學(xué)兀件接收第一返回光束和重定向第一返回光束到第二光學(xué)兀件。
17.如權(quán)利要求16所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述第二光學(xué)元件被布置為從所述后向反射器接收第一返回光束，而且以第二角度將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述測(cè)量對(duì)象。
18.如權(quán)利要求10所述的編碼器系統(tǒng),其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)兀件包含第一后向反射器，所述光束分離元件和第一后向反射器被組合布置為: 接收第一返回光束；和 將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述測(cè)量對(duì)象。
19.如權(quán)利要求18所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述第一后向反射器被布置為: 從所述光束分離元件接收所述基準(zhǔn)光束；和 重定向所述基準(zhǔn)光束到所述光束分離元件。
20.如權(quán)利要求19所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包含在所述光束分離元件與第一后向反射器之間的多個(gè)棱鏡元件，所述多個(gè)棱鏡元件可操作用于增加第一返回光束與所述基準(zhǔn)光束之間的偏差。
21.如權(quán)利要求20所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述多個(gè)棱鏡元件被布置在所述基準(zhǔn)光束的光束路徑和第一返回光束的光束路徑中。
22.如權(quán)利要求20所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述多個(gè)棱鏡元件包括楔形棱鏡或者雙折射棱鏡。
23.如權(quán)利要求18所述的編碼器系統(tǒng)，還包括基準(zhǔn)反射鏡，被布置為在第一位置和在第二位置從所述光束分離元件接收基準(zhǔn)光束。
24.如權(quán)利要求23所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述基準(zhǔn)反射鏡包括鏡子。
25.如權(quán)利要求23所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述基準(zhǔn)反射鏡包括所述編碼器光柵的表面。
26.如權(quán)利要求23所述的編碼器系統(tǒng),還包括第一四分之一波片，該第一四分之一波片被布置在所述基準(zhǔn)反射鏡與所述光束分離元件之間。
27.如權(quán)利要求16所述的編碼器系統(tǒng)，還包括第二四分之一波片，該第二四分之一波片被布置在所述編碼器光柵與所述光束分離元件之間。
28.如權(quán)利要求11所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包含光束組合器，被布置為: 從所述編碼器刻度接收第二返回光束； 從所述光束分離元件接收所述基準(zhǔn)光束；以及 將第二返回光束與所述基準(zhǔn)光束組合以形成所述輸出光束。
29.如權(quán)利要求28所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件包含棱鏡對(duì)以及后向反射器。
30.如權(quán)利要求29所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述棱鏡對(duì)以及所述后向反射器被組合布置以將第一返回光束作為第二入射光束重定向到所述測(cè)量對(duì)象。
31.如權(quán)利要求3所述的編碼器系統(tǒng),其中所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)兀件包含單個(gè)光學(xué)兀件。
32.—種系統(tǒng),包括: 可移動(dòng)臺(tái)；以及 權(quán)利要求1所述的編碼器系統(tǒng)，其中所述編碼器系統(tǒng)或所述測(cè)量物體附于所述可移動(dòng)臺(tái)。
33.一種光刻系統(tǒng),包括: 權(quán)利要求1所述的編碼器系統(tǒng)； 可移動(dòng)臺(tái)，其中所述編碼器系統(tǒng)或所述測(cè)量物體附于所述可移動(dòng)臺(tái)； 照明系統(tǒng)，耦接到所述編碼器系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)包括輻射源，其中在所述光刻系統(tǒng)的操作期間，所述源將輻射定向到所述編碼器系統(tǒng)； 檢測(cè)器，用于在光刻系統(tǒng)的操作期間檢測(cè)來(lái)自所述編碼器系統(tǒng)的輸出光束； 電子處理器，被配置為: 從所述檢測(cè)器接收干涉信號(hào)，所述干涉信號(hào)包括與光程差相關(guān)的相位；以及 基于所述相位確定關(guān)于所述編碼器刻度的位移的信息；以及 定位系統(tǒng)，耦接到所述電子處理器并且被配置為基于關(guān)于所述編碼器刻度的位移的信息調(diào)整所述臺(tái)的位置。
【文檔編號(hào)】G01D5/38GK104040296SQ201280066526
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月9日
【發(fā)明者】P.德格魯特, J.萊森納 申請(qǐng)人:齊戈股份有限公司