本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光刻機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路要求器件尺寸不斷減小，光刻機(jī)作為集成電路中，將掩膜版上的特征圖形轉(zhuǎn)移到基底上的設(shè)備，對其精度要求也在不斷提高，尤其是需要不斷提高對光刻機(jī)內(nèi)可動元部件位置的測量精度。
光刻機(jī)內(nèi)可動元部件主要是指承載掩膜版的掩膜臺以及承載硅片的工件臺，在光刻過程中，掩膜臺或者工件臺皆相對于光刻機(jī)的整體框架作位移，測量掩膜臺或者工件臺相對于光刻機(jī)的整體框架的位移量可以實(shí)時掌握光刻進(jìn)度、速度，從而控制光刻過程。
現(xiàn)有技術(shù)中采用干涉儀測量系統(tǒng)測量可動元部件的位移，將干涉儀測量系統(tǒng)設(shè)置在掩膜臺或者工件臺的每一個側(cè)邊，當(dāng)掩膜臺或者工件臺相對于整機(jī)框架作移動時，干涉儀通過發(fā)射的光信號產(chǎn)生的變化測得掩膜臺或者工件臺相對于整機(jī)框架的位移量。但是傳統(tǒng)的干涉儀位移測量系統(tǒng)的測量光與參考光暴露在空氣中，受到空氣擾動的影響較大，已逐漸不能滿足日益提高的精度要求。
現(xiàn)有技術(shù)中描述了一種位移測量系統(tǒng)，包含了兩個部件在六個自由度上的相對位移測量功能，其結(jié)構(gòu)包含至少兩個衍射光柵、傳感器、線偏振器、至少兩個強(qiáng)度輻射檢測器等，但由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占用空間大，因此安裝費(fèi)時費(fèi)力。
因此有必要發(fā)明一種基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)及方法，能夠簡化結(jié)構(gòu)，并且提高位移測量系統(tǒng)的測量精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)及方法，通過設(shè)置光源、棱鏡與衍射光柵以及光電探測器，并配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)，由于棱鏡固定在能夠移動的工作臺上，衍射光柵固定在整機(jī)框架上，當(dāng)能夠移動的工作臺相對于光刻機(jī)的整機(jī)框架作位移時，光源發(fā)出的光通過衍射光柵衍射后產(chǎn)生的干涉條紋則發(fā)生變化，因此通過控制系統(tǒng)對干涉條紋的變化計(jì)算可得出能夠移動的工作臺相對于光刻機(jī)的整體框架的位移量。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)，依次包括：
一光源，用于提供測量光；
一棱鏡，固定在能夠移動的工作臺一側(cè)，用于反射測量光；
一衍射光柵，固定在整機(jī)框架上，用于接收被棱鏡反射后的測量光；
一光電探測器，用于接收測量光從衍射光柵衍射后的衍射光，衍 射光在所述光電探測器上形成干涉條紋；
一密閉包裝箱體，用于包裹所述光源、所述棱鏡、所述衍射光柵、所述光電探測器；
一控制系統(tǒng)，用于電路連接所述光電探測器，根據(jù)光電探測器接收的衍射光形成的干涉條紋的位置及相位的變化計(jì)算能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架的位移。
作為優(yōu)選，所述密閉包裝箱體內(nèi)具有真空環(huán)境。
作為優(yōu)選，所述棱鏡為反射棱鏡。
作為優(yōu)選，測量光被所述反射棱鏡反射后形成的光線與所述衍射光柵表面相交。
作為優(yōu)選，測量光被所述反射棱鏡反射后形成的光線與所述衍射光柵表面垂直。
作為優(yōu)選，所述光電探測器位于測量光在所述衍射光柵上衍射的衍射光路上。
作為優(yōu)選，所述光電探測器的平面與所述衍射光柵表面平行。
作為優(yōu)選，所述光電探測器為線陣ccd。
作為優(yōu)選，所述棱鏡為分光棱鏡。
作為優(yōu)選，還包括耦合器系統(tǒng)，接收測量光從衍射光柵衍射的衍射光和測量光被分光棱鏡折射形成的參考光，并發(fā)送給所述光電探測器。
作為優(yōu)選，所述耦合器系統(tǒng)與所述分光棱鏡、所述光電探測器之間分別通過光纖連接。
作為優(yōu)選，所述耦合器系統(tǒng)分別包括接收測量光從衍射光柵衍射的衍射光的第一耦合器、接收測量光被分光棱鏡折射形成的參考光的第二耦合器、接收第一耦合器與第二耦合器分別通過光纖傳送的光信號的第三耦合器。
作為優(yōu)選，所述光電探測器為面陣ccd。
作為優(yōu)選，所述能夠移動的工作臺為承載掩膜版的掩膜臺或者承載硅片的工件臺。
作為優(yōu)選，所述棱鏡的長度與所述棱鏡對應(yīng)的能夠移動的工作臺的邊長度相等。
作為優(yōu)選，能夠移動的工作臺每一條邊對應(yīng)一個所述基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)，并且所有的基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)的排布關(guān)于能夠移動的工作臺的中心對稱。
作為優(yōu)選，還包括干涉儀測量系統(tǒng)，位于能夠移動的工作臺一側(cè)，且干涉儀測量系統(tǒng)的最低端與能夠移動的工作臺的底面位于同一水平面。
作為優(yōu)選，所述密閉包裝箱體的材料為不透光材料。
作為優(yōu)選，所述衍射光柵為透射式二元相位光柵。
本發(fā)明提供一種使用如上所述的基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)的位移測量方法，通過光源向棱鏡發(fā)射測量光，并被所述棱鏡將測量光反射至衍射光柵形成了相互干涉的衍射光，光電探測器接收相互干涉的衍射光形成的干涉條紋，當(dāng)能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架作位移時，干涉條紋發(fā)生相位變化，由控制系統(tǒng)根據(jù)光電探測器上的干 涉條紋相位的變化計(jì)算出能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架所作出的位移量。
作為優(yōu)選，所述棱鏡為反射棱鏡。
作為優(yōu)選，所述棱鏡為分光棱鏡，通過光源向分光棱鏡發(fā)出光，并由分光棱鏡將光分為測量光和參考光，分光棱鏡將測量光反射至衍射光柵形成衍射光，將參考光折射，設(shè)置耦合器將衍射光與參考光收集并耦合后反饋至光電探測器，光電探測器上顯示成衍射光形成的干涉條紋以及參考光形成的參考光條紋，當(dāng)能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架作位移時，干涉條紋相對于參考光條紋發(fā)生相位變化，由控制系統(tǒng)根據(jù)光電探測器上的干涉條紋相對于參考光條紋發(fā)生的相位的變化計(jì)算出能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架所作出的位移量。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供一種基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)，依次包括：
一光源，用于提供測量光；
一棱鏡，固定在能夠移動的工作臺一側(cè)，用于反射測量光；
一衍射光柵，固定在整機(jī)框架上，用于接收被棱鏡反射后的測量光；
一光電探測器，用于接收測量光從衍射光柵衍射后的衍射光，衍射光在所述光電探測器上形成干涉條紋；
一密閉包裝箱體，用于包裹所述光源、所述棱鏡、所述衍射光柵、所述光電探測器；
一控制系統(tǒng)，用于電路連接所述光電探測器，根據(jù)光電探測器接 收的衍射光形成的干涉條紋的位置及相位的變化計(jì)算能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架的位移。
本發(fā)明提供一種使用如上所述的基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)的位移測量方法，通過光源向棱鏡發(fā)射測量光，并被所述棱鏡將測量光反射至衍射光柵形成了相互干涉的衍射光，光電探測器接收相互干涉的衍射光形成的干涉條紋，當(dāng)能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架作位移時，干涉條紋發(fā)生相位變化，由控制系統(tǒng)根據(jù)光電探測器上的干涉條紋相位的變化計(jì)算出能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架所作出的位移量。
本發(fā)明通過設(shè)置光源、棱鏡與衍射光柵以及光電探測器，并配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)，由于棱鏡固定在能夠移動的工作臺上，衍射光柵固定在整機(jī)框架上，當(dāng)能夠移動的工作臺相對于光刻機(jī)的整機(jī)框架作位移時，光源發(fā)出的光通過衍射光柵衍射后產(chǎn)生的干涉條紋則發(fā)生變化，因此通過控制系統(tǒng)對干涉條紋的變化計(jì)算可得出能夠移動的工作臺相對于光刻機(jī)的整體框架的位移量。這種測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，由于放置在密閉包裝箱體中進(jìn)行測量，在測量時受到外界的干擾較小，因此相對于傳統(tǒng)的干涉儀測量精度更高。
較佳地，本發(fā)明還提供一種使用如上所述的基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)的位移測量方法，其中的棱鏡為分光棱鏡，通過光源向分光棱鏡發(fā)出光，并由分光棱鏡將光分為測量光和參考光，分光棱鏡將測量光反射至衍射光柵形成衍射光，將參考光折射，設(shè)置耦合器將衍射光與參考光收集并耦合后反饋至光電探測器，光電探測器上顯示成衍 射光形成的干涉條紋以及參考光形成的參考光條紋，當(dāng)能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架作位移時，干涉條紋相對于參考光條紋發(fā)生相位變化，由控制系統(tǒng)根據(jù)光電探測器上的干涉條紋相對于參考光條紋發(fā)生的相位的變化計(jì)算出能夠移動的工作臺相對于整機(jī)框架所作出的位移量。這種測量方法由于將測量光形成的干涉條紋與參考光條紋作為對比，因此在計(jì)算時，由于參考量的存在，計(jì)算精度更高。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例一位移測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例一剪切干涉測量原理示意圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例一光強(qiáng)隨著相位發(fā)生變化的示意圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例一光刻機(jī)整體位移測量系統(tǒng)分布示意圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例二位移測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例二剪切干涉測量原理示意圖；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例三位移測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8為本發(fā)明實(shí)施例三邁克爾遜干涉測量原理示意圖；
圖9為本發(fā)明實(shí)施例四位移測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1-光源、21-反射棱鏡、22-分光棱鏡、3-衍射光柵、4-光電探測器、41-光纖、51-第一耦合器、52-第二耦合器、53-第三耦合器、6-工件臺、61-干涉儀測量系統(tǒng)、7-硅片、8-密閉包裝箱體、9-整機(jī)框架。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。
實(shí)施例一
請參照圖1，本發(fā)明提供一種基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)，放置在能夠移動的工作臺一側(cè)，能夠移動的工作臺為用于承載掩膜版的掩膜臺或者用于承載硅片7的工件臺6，本實(shí)施例中能夠移動的工作臺為工件臺6，位移測量系統(tǒng)最低端與工件臺6的底面位于同一水平面，位移測量系統(tǒng)依次包括：
一光源1，用于提供測量光；
一棱鏡，固定在工件臺6一個側(cè)邊上，用于反射測量光，本實(shí)施例中棱鏡為反射棱鏡21，請參照圖4，反射棱鏡21的長度等于該反射棱鏡21對應(yīng)的工件臺6的側(cè)邊的長度；
一衍射光柵3，固定在整機(jī)框架9上，用于接收測量光被反射棱鏡21反射后的反射光，本實(shí)施例中衍射光柵3為透射式二元相位光柵，這種光柵用于對入射光束進(jìn)行相位調(diào)制，并可控制各級次衍射光的衍射效率；
一光電探測器4，用于接收測量光從衍射光柵3衍射的衍射光，衍射光在光電探測器4上形成干涉條紋，光電探測器4是一種可以探測光強(qiáng)及光強(qiáng)分布的光電信號轉(zhuǎn)換器，本實(shí)施例中采用線陣ccd，光電探測器4位于測量光在衍射光柵3上衍射的衍射光路上，并且在本實(shí)施例中光電探測器4的平面與衍射光柵3表面平行；
一密閉包裝箱體8，用于包裹光源1、反射棱鏡21、衍射光柵3、光電探測器4，密閉包裝箱體8內(nèi)具有真空環(huán)境，或者該密閉包裝箱體8為一種固體的導(dǎo)光元件，光源1、反射棱鏡21、衍射光柵3以及光電探測器4皆固定于該固體導(dǎo)光元件內(nèi)部，上述兩種實(shí)現(xiàn)方式都是為了使得測量時不會受到外界空氣擾動的影響，提升測量精度；
一控制系統(tǒng)(未圖示)，用于電路連接光電探測器4，根據(jù)光電探測器4接收的衍射光形成的干涉條紋的位置及相位的變化計(jì)算工件臺6相對于整機(jī)框架9的位移。
請參照圖2，本實(shí)施例中測量光被反射棱鏡21反射后形成的光線與衍射光柵3表面垂直，當(dāng)測量光被反射棱鏡21反射后形成的光線垂直入射衍射光柵3后產(chǎn)生了衍射，其中0級衍射光垂直入射光電探測器4，而-1級衍射光與+1級衍射光以與光電探測器4形成銳角的角度入射光電探測器4，-1級衍射光的出射角為a，+1級衍射光的出射角為b。
請參照圖4，在整個光刻機(jī)上，一共安裝四個位移測量系統(tǒng)，分別對應(yīng)工件臺6的每一個側(cè)邊，這四個位移測量系統(tǒng)關(guān)于工件臺6的中心對稱，當(dāng)工件臺6在任意一個方向上相對于整機(jī)框架9作相對移動時，移動方向所對應(yīng)的側(cè)邊上的位移測量系統(tǒng)則可以測得移動產(chǎn)生的位移。而中心對稱的布置方式也可便于測量工件臺6在垂直方向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的位移。
使用本發(fā)明提供的位移測量系統(tǒng)測量時，應(yīng)將其放置于黑暗環(huán)境中，或者可以將密閉包裝箱體8使用不透光材料制作，使得測量時可 以排除外界雜散光的干擾。
本發(fā)明還提供一種使用上述的基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)的位移測量方法，具體為：
光源1向反射棱鏡21發(fā)射測量光，并被反射棱鏡21反射至衍射光柵3形成衍射光，請參照圖2，光柵方程為d(sinα+sinβ)＝mλ，其中α為向衍射光柵3入射的入射角，β為從衍射光柵3出射的出射角，d為衍射光柵3周期，m為衍射級次，λ為光束的波長，由于被反射棱鏡21反射的測量光垂直入射衍射光柵3，因此入射角α為0°，則光柵方程簡化為dsinβ＝mλ。
光電探測器4接收相互干涉的衍射光形成的干涉條紋，請繼續(xù)參照圖2，假設(shè)光電探測器4的入射面與衍射光柵3的間距為h，利用三角函數(shù)公式可計(jì)算出兩個級次衍射光在光電探測器4上顯示出的間距
當(dāng)工件臺6相對于整機(jī)框架9作位移時，干涉條紋發(fā)生相位變化，由控制系統(tǒng)根據(jù)光電探測器4上的干涉條紋相位的變化計(jì)算出工件臺6相對于整機(jī)框架9所作出的位移量。
如圖3所示為當(dāng)光線入射到衍射光柵3時光線的位置變化時，干涉條紋的相位變化示意圖。其中i為光強(qiáng)，b為光強(qiáng)峰值，
當(dāng)x選取為1nm時，光強(qiáng)變化量a約為0.03‰；如選取動態(tài)范圍為16位的線陣ccd，則可分辨光強(qiáng)的變化為0.015‰；所以該測量方法可滿足當(dāng)工件臺6的位移量程為nm級時的測量需求。
實(shí)施例二
請參照圖5，本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于測量光被反射棱鏡21反射后形成的光線與衍射光柵3表面相交，且光電探測器4的入射面與衍射光柵3的表面也相交。
請參照圖6，其中光源1發(fā)出的測量光經(jīng)過反射棱鏡21反射后，形成的反射光在入射衍射光柵3時的入射角為c，在入射衍射光柵3后發(fā)生了衍射，因此產(chǎn)生的衍射光束的出射角也發(fā)生了變化，其中+1級衍射光的出射角為d，-1級衍射光的出射角為d’，對于+1級衍射光，光柵方程為d(sinc+sind)＝mλ，對于-1級衍射光，光柵方程為d(sinc+sind')＝mλ，d為衍射光柵3的周期，m為衍射級次，λ為入射衍射光柵3時光線的波長。
利用三角函數(shù)公式可計(jì)算出，
設(shè)衍射光柵3周期d為2um，入射衍射光柵3時光線的波長λ為632.8nm，x為200mm，光電探測器4與衍射光柵3之間夾角為0.001弧度，可以計(jì)算出兩級次衍射光的光斑間距d為1.6mm。如將光源1出射的測量光擴(kuò)束成具有光斑直徑為3mm的平行光束，就可以滿足現(xiàn)有ccd識別技術(shù)。
上述參數(shù)是一種可行的實(shí)現(xiàn)方式，但本實(shí)施例中實(shí)際可以使任意2個級次的衍射光之間產(chǎn)生干涉，例如采用+2級與+1級，則計(jì)算得到該兩個級次的衍射光的光斑間距為0.6mm。
兩級次衍射光的光程差可用下式描述：
通過上述公式即可算出干涉條紋之間的相位差，在上述參數(shù)條件下，當(dāng)x為1mm，相位變化為0.00291985，呈線性變化。
實(shí)施例三
請參照圖7，本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于棱鏡為分光棱鏡22，以及整個位移測量系統(tǒng)還包括耦合器系統(tǒng)。
分光棱鏡22將光源1發(fā)出的光分為向衍射光柵3入射的測量光和向耦合器系統(tǒng)傳輸?shù)膮⒖脊狻?/p>
請參照圖8，耦合器系統(tǒng)分別包括接收測量光從衍射光柵3衍射的衍射光的第一耦合器51、接收測量光被分光棱鏡22折射形成的參考光的第二耦合器52、接收第一耦合器51與第二耦合器52分別通過光纖41傳送的光信號的第三耦合器53，整個耦合器系統(tǒng)與分光棱 鏡22、光電探測器4之間也分別通過光纖41連接。
較佳地，由于使用了耦合器系統(tǒng)，因此光電探測器4的可以直接接收來自耦合器的光信號，而不需要如實(shí)施例一與實(shí)施例二中使用長度較大的線陣ccd來接收自衍射光柵3上衍射出的光線，因此本實(shí)施例中光電探測器4使用面陣ccd即可。
請參照圖8，本發(fā)明還提供一種使用上述的基于衍射光柵的位移測量系統(tǒng)的位移測量方法，具體為光源1發(fā)出的光經(jīng)過分光棱鏡22分光后分別形成測量光和參考光，測量光入射至衍射光柵3后形成衍射光并被第一耦合器51收集，通過光線41傳輸至第三耦合器53，參考光從分光棱鏡22出射后被第二耦合器52收集并通過光纖41傳輸至第三耦合器53，第三耦合器53將測量光與參考光耦合，在該第三耦合器53的截面上產(chǎn)生干涉，并將干涉信息傳輸至光電探測器4上，從而控制系統(tǒng)可根據(jù)光電探測器4接收的信息計(jì)算出工件臺6相對于整機(jī)框架9的位移變化，且由于本實(shí)施例中提供了參考光作為變化的參考對象，因此能夠提高測量的精度。
實(shí)施例四
請參照圖9，本實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別在于，位移測量系統(tǒng)中還包括干涉儀測量系統(tǒng)61，干涉儀測量系統(tǒng)61的最低端與工件臺6的底面位于同一水平面上。
由于本發(fā)明提供的位移測量系統(tǒng)，當(dāng)入射衍射光柵3的入射光束在移動了整個衍射光柵的周期后，相干光強(qiáng)也是按照周期發(fā)生變化。所以當(dāng)工件臺6相對于整機(jī)框架作大尺度位移時，僅靠位移測量系統(tǒng) 不能解耦這種位移變化，因此增加干涉儀測量系統(tǒng)61，可以確定在位移變化為μm級以上的級別時，由干涉儀測量系統(tǒng)61配合本發(fā)明提供的位移測量系統(tǒng)來計(jì)算得到工件臺6的位移。本實(shí)施例中的干涉儀測量系統(tǒng)61采用現(xiàn)有技術(shù)中常用的雙頻激光干涉儀即可。
本發(fā)明對上述實(shí)施例進(jìn)行了描述，但本發(fā)明不僅限于上述實(shí)施例。顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。