專利名稱：一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置與方法屬于半導(dǎo)體制造裝備技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量方法與裝置。
背景技術(shù)：
光刻機(jī)是半導(dǎo)體芯片制造中重要的超精密系統(tǒng)型工程設(shè)備，掩膜臺(tái)則是其最為關(guān)鍵的部件之一。為了提高制造芯片的集成度和精度，對(duì)掩膜臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能提出越來越高的要求。掩膜臺(tái)是在高速條件下承載曝光過程中的原始圖形(即掩膜板)的載體，與工件臺(tái)配合完成掃描曝光動(dòng)作，通過曝光過程將原始圖形刻蝕到晶圓上。掩膜臺(tái)Z向位置測(cè)量技術(shù)對(duì)于提高光刻機(jī)分辨率、套刻精度等具有至關(guān)重要的作用。由于光刻過程中，為提高產(chǎn)能需使掩膜臺(tái)具有較高的運(yùn)動(dòng)速度，以減少單片晶圓的加工時(shí)間，客觀上要求掩膜臺(tái)的位置測(cè)量系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；此外，由于硅片刻蝕精度的不斷提高，以及為提高產(chǎn)能，刻蝕的硅片尺寸越來越大，客觀上要求掩膜臺(tái)的位置測(cè)量精度和測(cè)量范圍需進(jìn)一步提高。由此可見，掩膜臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)加速度的提高，對(duì)微位移測(cè)量系統(tǒng)提出更大的挑戰(zhàn)。因此為了對(duì)掩膜臺(tái)實(shí)現(xiàn)精確掃描定位控制，必須能夠?qū)ρ谀づ_(tái)六自由度位移進(jìn)行精確的測(cè)量。提高掩膜臺(tái)六自由度位移測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是目前光刻機(jī)掩膜臺(tái)定位技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)之一。對(duì)于六自由度的測(cè)量，可以使用雙頻激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量。專利CN1362692A采用雙頻激光干涉儀為主要部件，同時(shí)包含了分光鏡、二維位置靈敏器件等部件，通過光路的搭建，組成了激光掃描跟蹤儀，能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度測(cè)量的功能。但是由于使用部件較多，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不利于應(yīng)用在掩膜臺(tái)六自由度位移的測(cè)量。類似的利用干涉儀進(jìn)行多自由度測(cè)量的方法，在國(guó)外也有很多研究，美國(guó)專利US6020964、US7158236、US6980279提出了幾套由激光干涉儀組成的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行位置測(cè)量的技術(shù)方案。這些技術(shù)方案同樣因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)越龐大，補(bǔ)償就越復(fù)雜，使得位置測(cè)量系統(tǒng)中的位置計(jì)算速度和測(cè)量效率大幅降低。電容傳感器具有非接觸、高頻響、高精度等優(yōu)勢(shì)，專利CN102221323A提出了一種利用平面電容進(jìn)行多自由度位移測(cè)量的方法，該方法由移動(dòng)極板和固定極板組成，固定極板上分布有正方形的電容電極陣列，能夠通過這些陣列在不同位置得到的測(cè)量信息，并經(jīng)過解耦得到六自由度位移信息。但是該方法使用的電極共有八組，且測(cè)量模型復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)快速高精度測(cè)量，不能滿足掩膜臺(tái)的多自由度測(cè)量需求。專利CN102768470A掩模臺(tái)垂向測(cè)量裝置，提出利用至少三個(gè)電容傳感器，將電容傳感器交錯(cuò)布置于掩模臺(tái)下方。該方法存在的缺點(diǎn)是電容傳感器本身測(cè)量范圍小，工作距離短，且當(dāng)將其布置于掩模臺(tái)下方時(shí)，由于實(shí)際要檢測(cè)的是承版臺(tái)上表面的姿態(tài)，這時(shí)掩模臺(tái)下表面的形貌誤差必須從電容傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)中剔除，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置與方法，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行鍍膜等處理，而且測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、直觀、易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:—種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置，包括水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，配置在水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上方，且能夠沿水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)的掩膜臺(tái)，在掩膜臺(tái)上方配置有測(cè)量框架，測(cè)量框架上固定安裝有第一激光三角位移傳感器、第二激光三角位移傳感器、第三激光三角位移傳感器和第四激光三角位移傳感器，其中，第一激光三角位移傳感器與第四激光三角位移傳感器的連線與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌方向垂直，第一激光三角位移傳感器與第二激光三角位移傳感器的連線與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌方向平行；第三激光三角位移傳感器與第四激光三角位移傳感器的連線與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌方向平行；第二激光三角位移傳感器與第三激光三角位移傳感器位于第一激光三角位移傳感器與第四激光三角位移傳感器連線的兩端；所述的測(cè)量框架相對(duì)于水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌靜止；掩膜臺(tái)位于水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌中間位置時(shí)，第一激光三角位移傳感器、第二激光三角位移傳感器、第三激光三角位移傳感器和第四激光三角位移傳感器的測(cè)量光斑均能照射到掩膜臺(tái)上，掩膜臺(tái)在水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)，掩膜臺(tái)的邊緣不越過第一激光三角位移傳感器與第四激光三角位移傳感器的連線。上述的一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置，第一激光三角位移傳感器、第二激光三角位移傳感器、第三激光三角位移傳感器和第四激光三角位移傳感器類型相同，為漫反射型或鏡反射型。上述的一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置，所述的測(cè)量光斑為點(diǎn)光斑、圓光斑、線光斑或橢圓光斑。一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量方法，第一激光三角位移傳感器、第二激光三角位移傳感器、第三激光三角位移傳感器和第四激光三角位移傳感器的位置坐標(biāo)分別為(XI，
O), (x2, y2), (x3, y3), (x4,0),其中:xl = _x4 < 0, x2 = _x3 < 0, y3 = -y2 < 0 ;其垂直方向Z的測(cè)量值組成矩陣Sens = [Z1，Z2，Z3，Z4]，利用四個(gè)傳感器坐標(biāo)位置構(gòu)成測(cè)量變換陣PrinvC,以及公式Dof = PrinvCX Sens,得到掩模臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量Dof = [z Rx Ry],其中z為掩模臺(tái)Z向位置，Rx和Ry分別為掩模臺(tái)繞X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)角。上述的一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量方法，將掩膜臺(tái)運(yùn)動(dòng)的y軸方向分成五個(gè)區(qū)域:第一區(qū)域?qū)?yīng)I < -L/2+y2 ;第二區(qū)域?qū)?yīng)_L/2+y2 < y < _L/2+y2+2R第三區(qū)域?qū)?yīng)-L/2+y2+2R < y < L/2+y3_2R ;第四區(qū)域?qū)?yīng) L/2+y3_2R < y < L/2+y3 ;第五區(qū)域?qū)?yīng)
I> L/2+y3 ;其中，L為掩膜臺(tái)的長(zhǎng)度，R為光斑y向半寬。在第二區(qū)域和第四區(qū)域，采用插值函數(shù)求取矩陣Sens = [Zl，Z2，Z3，Z4]的系數(shù)。所述的插值函數(shù)為三次多項(xiàng)式函數(shù)。由于本發(fā)明掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置與方法，該裝置采用了激光三角位移傳感器，充分發(fā)揮了其測(cè)量位移的優(yōu)勢(shì)，因此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可根據(jù)被測(cè)面不同的表面特性選擇不同類型的傳感器，無(wú)需對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行鍍膜等處理；該方法使用四組獨(dú)立的位移信息Z1，12, Z3，Z4經(jīng)過測(cè)量模型解算，能夠精確地得到掩膜臺(tái)的垂直運(yùn)動(dòng)分量z、Rx, Ry，該方法測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、直觀、易于實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視圖。圖中:101第一激光三角位移傳感器、102第二激光三角位移傳感器、103第三激光三角位移傳感器、104第四激光三角位移傳感器、105測(cè)量框架、106掩膜臺(tái)、107水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本實(shí)施例的掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖2是圖1的俯視圖。該測(cè)量裝置包括水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌107，配置在水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌107上方，且能夠沿水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌107方向運(yùn)動(dòng)的掩膜臺(tái)106，在掩膜臺(tái)106上方配置有測(cè)量框架105，測(cè)量框架105上固定安裝有漫反射型的第一激光三角位移傳感器101、第二激光三角位移傳感器102、第三激光三角位移傳感器103和第四激光三角位移傳感器104，其中，第一激光三角位移傳感器101與第四激光三角位移傳感器104的連線與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌107方向垂直，第一激光三角位移傳感器101與第二激光三角位移傳感器102的連線與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌107方向平行；第三激光三角位移傳感器103與第四激光三角位移傳感器104的連線與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌107方向平行；第二激光三角位移傳感器102與第三激光三角位移傳感器103位于第一激光三角位移傳感器101與第四激光三角位移傳感器104連線的兩端；所述的測(cè)量框架105相對(duì)于水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌107靜止；掩膜臺(tái)106位于水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌107中間位置時(shí)，第一激光三角位移傳感器101、第二激光三角位移傳感器102、第三激光三角位移傳感器103和第四激光三角位移傳感器104的測(cè)量光斑均能照射到掩膜臺(tái)106上，掩膜臺(tái)106在水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌107上運(yùn)動(dòng)時(shí)，掩膜臺(tái)106的邊緣不越過第一激光三角位移傳感器101與第四激光三角位移傳感器104的連線。本實(shí)施例的掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置，第一激光三角位移傳感器101、第二激光三角位移傳感器102、第三激光三角位移傳感器103和第四激光三角位移傳感器104還可以選擇為鏡反射型。本實(shí)施例的掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置，所述的測(cè)量光斑為圓光斑。本實(shí)施例的掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量方法，第一激光三角位移傳感器101、第二激光三角位移傳感器102、第三激光三角位移傳感器103和第四激光三角位移傳感器104的位置坐標(biāo)分別為(xl，0), (x2, y2), (x3, y3), (x4,0),其中:xl = _x4 < 0, x2 = _x3 < 0,y3 = -y2 < 0 ;其垂直方向Z的測(cè)量值組成矩陣Sens = [Zl, 12, Z3，Z4]，利用四個(gè)傳感器坐標(biāo)位置構(gòu)成測(cè)量變換陣PrinvC,以及公式Dof = PrinvCX Sens,得到掩模臺(tái)106垂直運(yùn)動(dòng)分量Dof = [z Rx Ry]，其中z為掩模臺(tái)106Z向位置，Rx和Ry分別為掩模臺(tái)106繞x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)角。這里規(guī)定SPl = -L/2+y2, SP2 = -L/2+y2+2R, SP3 = L/2+y3_2R，SP4 = L/2+y3,其中，L為掩膜臺(tái)106的長(zhǎng)度，R為光斑y向半寬；將掩膜臺(tái)106運(yùn)動(dòng)的y軸方向分成五個(gè)區(qū)域:第一區(qū)域?qū)?yīng)y < SPl ;第二區(qū)域?qū)?yīng)SPl < y < SP2 ;第三區(qū)域?qū)?yīng)SP2 < y < SP3 ；第四區(qū)域?qū)?yīng)SP3 < y < SP4 ;第五區(qū)域?qū)?yīng)y > SP4。(一 )當(dāng)掩膜臺(tái)106位于第一區(qū)域時(shí)，Z3對(duì)于z, Rx, Ry的變化不敏感，即Z3不再隨著z，Rx，Ry的變化而變化。對(duì)于Zl和Z4，Z的變化方向與其相同，所以系數(shù)為1 ;Z1和Z4中心位于X軸上，所以其值不受Rx影響；根據(jù)Ry的正向易知，Ry增大，Zl增大，Z4減小。由以上分析可得Z1，TA的輸出值與z，Rx, Ry具有如下的關(guān)系:
權(quán)利要求
1.一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置，其特征在于:包括水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(107)，配置在水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(107)上方，且能夠沿水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(107)方向運(yùn)動(dòng)的掩膜臺(tái)(106)，在掩膜臺(tái)(106)上方配置有測(cè)量框架(105)，測(cè)量框架(105)上固定安裝有第一激光三角位移傳感器(101)、第二激光三角位移傳感器(102)、第三激光三角位移傳感器(103)和第四激光三角位移傳感器(104)，其中，第一激光三角位移傳感器(101)與第四激光三角位移傳感器(104)的連線與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(107)方向垂直，第一激光三角位移傳感器(101)與第二激光三角位移傳感器(102)的連線與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(107)方向平行；第三激光三角位移傳感器(103)與第四激光三角位移傳感器(104)的連線與水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(107)方向平行；第二激光三角位移傳感器(102)與第三激光三角位移傳感器(103)位于第一激光三角位移傳感器(101)與第四激光三角位移傳感器(104)連線的兩端；所述的測(cè)量框架(105)相對(duì)于水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(107)靜止；掩膜臺(tái)(106)位于水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(107)中間位置時(shí)，第一激光三角位移傳感器(101)、第二激光三角位移傳感器(102)、第三激光三角位移傳感器(103)和第四激光三角位移傳感器(104)的測(cè)量光斑均能照射到掩膜臺(tái)(106)上，掩膜臺(tái)(106)在水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(107)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，掩膜臺(tái)(106)的邊緣不越過第一激光三角位移傳感器(101)與第四激光三角位移傳感器(104)的連線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置，其特征在于:第一激光三角位移傳感器(101)、第二激光三角位移傳感器(102)、第三激光三角位移傳感器(103)和第四激光三角位移傳感器(104)類型相同，為漫反射型或鏡反射型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置，其特征在于:所述的測(cè)量光斑為點(diǎn)光斑、圓光斑、線光斑或橢圓光斑。
4.一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量方法，其特征在于:第一激光三角位移傳感器(101)、第二激光三角位移傳感器(102)、第三激光三角位移傳感器(103)和第四激光三角位移傳感器(104)的位置坐標(biāo)分別為(xl,0), (x2, y2), (x3, y3), (x4,0),其中:xl=-x4<0,x2=-x3<0,y3=-y2<0 ;其垂直方向Z的測(cè)量值組成矩陣Sens= [Zl，Z2, Z3, Z4]，利用四個(gè)傳感器坐標(biāo)位置構(gòu)成測(cè)量變換陣PrinvC,以及公式Dof=PrinvCX Sens,得到掩模臺(tái)(106)垂直運(yùn)動(dòng)分量Dof=[z Rx Ry]，其中z為掩模臺(tái)(106)Z向位置，Rx和Ry分別為掩模臺(tái)(106)繞X軸和y軸的旋轉(zhuǎn)角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量方法，其特征在于:將掩膜臺(tái)(106)運(yùn)動(dòng)的y軸方向分成五個(gè)區(qū)域:第一區(qū)域?qū)?yīng)y〈_L/2+y2 ;第二區(qū)域?qū)?yīng)-L/2+y2〈y〈-L/2+y2+2R ;第三區(qū)域?qū)?yīng) _L/2+y2+2R <y< L/2+y3_2R ;第四區(qū)域?qū)?yīng)L/2+y3-2R〈y〈 L/2+y3 ;第五區(qū)域?qū)?yīng)y> L/2+y3 ;其中，L為掩膜臺(tái)(106)的長(zhǎng)度，R為光斑y向半寬。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量方法，其特征在于:在第二區(qū)域和第四區(qū)域，采用插值函數(shù)求取矩陣Sens= [Zl，Z2, Z3, Z4]的系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量方法，其特征在于:所述的插值函數(shù)為三次多項(xiàng)式函數(shù)。
全文摘要
一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量裝置與方法屬于半導(dǎo)體制造裝備技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種掩膜臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量的測(cè)量方法與裝置；該裝置將掩膜臺(tái)配置在水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，并且在掩膜臺(tái)的上方配置四個(gè)激光三角位移傳感器；該方法通過四個(gè)激光三角位移傳感器的位置坐標(biāo)構(gòu)成測(cè)量變換陣，利用該變換陣求解掩模臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)分量；由于該裝置采用了激光三角位移傳感器，充分發(fā)揮了其測(cè)量位移的優(yōu)勢(shì)，因此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可根據(jù)被測(cè)面不同的表面特性選擇不同類型的傳感器，無(wú)需對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行鍍膜等處理；該方法使用四組獨(dú)立的位移信息，經(jīng)過測(cè)量模型解算，能夠精確地得到掩膜臺(tái)的垂直運(yùn)動(dòng)分量，測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、直觀、易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G03F7/20GK103197510SQ20131008493
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者黃向東, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)