本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光刻領(lǐng)域，特別涉及一種掩膜臺光柵尺測量系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)：

納米測量技術(shù)是納米加工、納米操控、納米材料等領(lǐng)域的基礎(chǔ)。ic產(chǎn)業(yè)、精密機械、微機電系統(tǒng)等都需要高分辨率、高精度的位移傳感器，以達到納米精度定位。

隨著集成電路朝大規(guī)模、高集成度的方向飛躍發(fā)展，光刻機的套刻精度要求也越來越高，與之相應(yīng)地，獲取工件臺、掩膜臺的六自由度位置信息的精度也隨之提高。

干涉儀有較高的測量精度，可達納米量級，在光刻系統(tǒng)中，被運用于測量工件臺、掩膜臺的位置。然而，目前干涉儀的測量精度已達到極限，同時干涉儀測量精度受周圍環(huán)境影響較大，測量重復(fù)精度不高，即便不受測量環(huán)境的影響，每兩次測量之間的誤差也會超過1nm，因此傳統(tǒng)干涉儀測量系統(tǒng)很難滿足進一步提高套刻精度的要求。此時具有高精度、高穩(wěn)定性的皮米測量方案被迫切需要。在皮米測量方案中，使用光柵測量系統(tǒng)的測量方法在工作中受環(huán)境影響較小，且有較 好的重復(fù)精度，在新一代光刻系統(tǒng)中已開始逐漸取代干涉儀，承擔(dān)高精度、高穩(wěn)定性皮米精度測量任務(wù)。

在為掩膜臺配備光柵尺測量系統(tǒng)時，通常將光柵安裝在掩膜臺兩側(cè)作為測量基準(zhǔn)。為了避免產(chǎn)生阿貝誤差，光柵衍射面應(yīng)與掩膜臺的硅片面處于同一高度，也就是說光柵衍射面高于掩膜臺的下底面(即面對工件臺的一面)。而用于光柵尺測量的+/-1級衍射光會以一定角度衍射，當(dāng)光柵衍射面高于掩膜臺下底面時，部分朝向掩膜臺方向的衍射光會被掩膜臺遮擋而不能返回光柵讀頭，導(dǎo)致信號丟失。

現(xiàn)有技術(shù)中公布了一種光柵讀頭結(jié)構(gòu)，如圖1所示，激光器9提供入射光，入射光采用垂直入射的方式，即入射光垂直于光柵尺3，隨即產(chǎn)生了衍射，衍射光分別被第一回射器41和第二回射器42反射，反射的光回到光柵尺3，并互相干涉，干涉后產(chǎn)生的光信號依次通過分光系統(tǒng)6、成像系統(tǒng)2最后達到控制系統(tǒng)1，由控制系統(tǒng)1顯示出數(shù)據(jù)。該專利方案用于掩膜臺測量時，朝向掩膜臺的衍射光束會被遮擋，如圖2所示，以水平向右為x正向，以垂直向上為z正向，圖中光柵尺110被粘接于掩膜臺的承版臺100一側(cè)，一般地，承版臺100是高于用于放置掩膜的掩膜面101的，光柵尺110的刻線面111與掩膜面101齊平，因此刻線面111朝下，從下往上發(fā)射入射光束140至刻線面111上并產(chǎn)生衍射，衍射光束分別為被遮擋光束141和未被遮擋光束142，其中被遮擋光束141由于光路方向上遇到掩膜臺，從而被掩膜臺遮擋，從而無法被第一回射器121接收，未被遮擋光束142的光路上沒有掩膜臺的遮擋，可以被第二回射器122接收，這樣 導(dǎo)致其中一個回射器即第一回射器121無法接收光信號。

為了解決該專利中衍射光束被掩膜臺遮擋的問題，可以采用增大光柵尺的光柵面尺寸，將光柵面上工作光斑外移的方法，如圖3所示，圖中光柵尺210被粘接于掩膜臺的承版臺200一側(cè)，承版臺200是高于用于放置掩膜的掩膜面201的，光柵尺210的刻線面211與掩膜面201齊平，因此刻線面211朝下，從下往上發(fā)射入射光束240至刻線面211上并產(chǎn)生衍射光束241，衍射光束241被回射器220反射至刻線面211，圖中同樣以水平向右方向為x正向，垂直向上的方向為z正向，建立坐標(biāo)軸，由于y方向為垂直于紙面，因此并未標(biāo)出，一般地，x方向即為光刻時的掃描方向，也是帶動掩膜移動的掩膜臺的移動方向。

假定入射光波長為622.8mm，光柵尺210中光柵的柵距為2μm，使用光柵公式d×sinθ＝mλ進行計算，其中d為光柵尺210中光柵的柵距，θ為衍射角，λ為入射光的波長，m為衍射光的級數(shù)，如+1或者-1，假定衍射角θ＝18.45°，假設(shè)光柵尺210距離掩膜臺的下底面高度h＝18mm，經(jīng)過計算，光柵尺210的光柵增加量δw＝h×tanθ＝6mm，即光柵尺增加部分212在x向上的長度為6mm，也就是說需要在光柵尺210原長度的基礎(chǔ)上，還要再增加6mm的長度，一般地光柵尺210的在x向上的原長度為14mm，因此需使用長度為20mm的光柵尺210，這樣導(dǎo)致光柵尺210面積增大，必然帶來光柵尺210體積和質(zhì)量的增加。由于光柵尺210是粘接在掩膜臺的承版臺200的側(cè)面，光柵尺210體積和質(zhì)量的增加會降低掩膜臺的機械穩(wěn)定性能。

因此有必要發(fā)明一種掩膜臺光柵尺測量系統(tǒng)及測量方法，既能避免衍射光束被掩膜臺遮擋，也不必增加光柵尺的體積和質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種掩膜臺光柵尺測量系統(tǒng)，其在將遮擋衍射光束的掩膜臺側(cè)面上固定一反射面，將原來被掩膜臺遮擋的衍射光束使用反射面反射出掩膜臺，因此避免了掩膜臺對光柵尺測量的影響，還提出了一種使用該光柵尺測量系統(tǒng)的測量方法，在衍射光束的光路上設(shè)置第一反射元件和第二反射元件并由兩者將光束再次反射回光柵尺，使光束重合并發(fā)生二次衍射從而可以測量掩膜臺在掃描方向的位移。

為達到上述目的，本發(fā)明提供一種掩膜臺光柵尺測量系統(tǒng)，包括

激光器，提供光束；

光柵尺，固定于所述掩膜臺的承版臺側(cè)面，垂直于所述承版臺；

反射面，固定在所述承版臺固定所述光柵尺的側(cè)面上，反射所述光柵尺衍射光束中的第一光束；

第一反射元件，將所述第一光束回射至所述反射面；

第二反射元件，將所述光柵尺衍射光束中的第二光束回射至所述光柵尺；

探測器，探測從所述反射面再回射至所述光柵后衍射的第一測量光束和所述第二光束回射至所述光柵后衍射的第二測量光束之間的干涉信號。

作為優(yōu)選，所述反射面的寬度大于或者等于所述承版臺側(cè)面的寬度。

作為優(yōu)選，所述反射面為鍍于所述承版臺側(cè)面上的反射膜或粘接于所述承版臺側(cè)面上的反射鏡。

作為優(yōu)選，所述光柵尺的刻線面與所述承版臺與掩膜的接觸面位于同一平面。

作為優(yōu)選，所述光柵尺中的光柵為一維光柵或者二維光柵。

作為優(yōu)選，所述第一反射元件和第二反射元件均為回射器。

作為優(yōu)選，所述回射器為角錐棱鏡或者平面反射鏡。

作為優(yōu)選，所述第一測量光束和第二測量光束分別為+1級衍射光和-1級衍射光束，或所述第一測量光束和第二測量光束分別為-1級衍射光和+1級衍射光束。

本發(fā)明還提供一種使用如上所述的掩膜臺光柵尺測量系統(tǒng)的光柵尺測量方法，包括以下步驟：

步驟一，激光器提供光束入射至光柵的同時將入射光束的發(fā)射至控制系統(tǒng)形成參考信號；

步驟二，光束經(jīng)所述光柵尺的刻線面衍射后形成第一光束和第二光束；

步驟三，掩膜臺相對于激光器發(fā)出的光束沿著掃描方向移動；

步驟四，所述第一光束被所述反射面反射至第一反射元件，經(jīng)第一反射元件回射至所述反射面，再經(jīng)反射面回射至光柵尺，再由光柵尺的刻線面衍射后形成第一測量光束，由探測器接收，同時第二光束 經(jīng)第二反射元件回射至光柵尺，再由光柵尺的刻線面衍射后形成第二測量光束，由探測器接收；

步驟五，探測器探測第一測量光束和第二測量光束的干涉信號形成測量信號；

步驟六，根據(jù)測量信號和參考信號計算得到掩膜臺在掃描方向的位移。

作為優(yōu)選，所述步驟五中的所述第一測量光束和第二測量光束分別為+1級衍射光和-1級衍射光束，或所述第一測量光束和第二測量光束分別為-1級衍射光和+1級衍射光束。

作為優(yōu)選，所述步驟一中的激光器為雙頻激光器，所述激光器提供的光束中的一束光束的頻率f1異于另一束光束的頻率f2。

作為優(yōu)選，所述步驟一中的參考信號的莫爾條紋數(shù)

n2＝f2t-f1t＝(f2-f1)t；

所述步驟五中的測量干涉信號的莫爾條紋數(shù)

n1＝(f2t+2δx/d)-(f1t-2δx/d)＝(f2-f1)t+4δx/d；

其中d為所述光柵尺中光柵的柵距，t為移動時間，δx為掩膜臺在掃描方向的移動位移；

計算得到δx＝d(n1-n2)/4。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供一種掩膜臺光柵尺測量系統(tǒng)，包括

激光器，提供光束；

光柵尺，固定于所述掩膜臺的承版臺側(cè)面，垂直于所述承版臺；

反射面，固定在所述承版臺固定所述光柵尺的側(cè)面上，反射所述光柵尺衍射光束中的第一光束；

第一反射元件，將所述第一光束回射至所述反射面；

第二反射元件，將所述光柵尺衍射光束中的第二光束回射至所述光柵尺；

探測器，探測從所述反射面再回射至所述光柵后衍射的第一測量光束和所述第二光束回射至所述光柵后衍射的第二測量光束之間的干涉信號。

本發(fā)明在入射光束入射光柵尺刻線面后發(fā)生衍射后，在被衍射光束發(fā)射到的掩膜臺的側(cè)面上設(shè)置反射面，使得原本被掩膜臺遮擋的衍射光束被反射面反射出，這樣所有的衍射光束皆可被機器接收，避免了掩膜臺對光柵尺測量的影響，同時也不必增加光柵尺的質(zhì)量和尺寸，節(jié)省了測量系統(tǒng)的空間，提高測量系統(tǒng)機械模態(tài)穩(wěn)定性能。

此外，在衍射方向與所述掩膜臺錯開的衍射光束的光路上設(shè)置第二反射元件，在被掩膜臺側(cè)面的反射面反射的衍射光束的反射光路上設(shè)置第一反射元件，即可通過入射光束經(jīng)過衍射再經(jīng)過反射元件反射回光柵尺后，通過光干涉產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)對掩膜臺在掃描方向上的位移進行計算，該系統(tǒng)可將反射面近距離布置在光柵尺一側(cè)，衍射光束通過反射面能全部被收集，因此結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，穩(wěn)定性能較高。

本發(fā)明還提供一種使用上述光柵尺測量系統(tǒng)的光測量方法，激光器提供入射光束入射至光柵的同時將入射光束的發(fā)射至控制系統(tǒng)形成參考信號，入射光束經(jīng)由光柵尺的刻線面衍射后，衍射方向與所述 掩膜臺錯開的衍射光束被第二反射元件反射回光柵尺的刻線面，被所述掩膜臺遮擋的衍射光束由反射面反射后被第一反射元件反射回反射面并由反射面再次反射回光柵尺的刻線面，上述兩種被反射回的衍射光束重合并發(fā)生二次衍射形成了測量干涉信號，探測器探測測量干涉信號和參考信號，根據(jù)接收到的參考信號與測量干涉信號計算得到掩膜臺在掃描方向上的位移，該方法解決了傳統(tǒng)測量方法中，衍射至掩膜臺的光束被遮擋的問題，增加了測量的精確性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中光柵尺測量結(jié)構(gòu)；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中衍射光束被掩膜臺遮擋的示意圖；

圖3為現(xiàn)有技術(shù)中增加光柵面積的測量結(jié)構(gòu)；

圖4為本發(fā)明提供的光柵尺測量結(jié)構(gòu)。

圖1中：1-控制系統(tǒng)、2-成像系統(tǒng)、3-光柵尺、41-第一回射器、42-第二回射器、6-分光系統(tǒng)、9-激光器；

圖2中：100-承版臺、101-掩膜面、110-光柵尺、111-刻線面、121-第一回射器、122-第二回射器、140-入射光束、141-被遮擋光束、142-未被遮擋光束；

圖3中：200-承版臺、201-掩膜面、210-光柵尺、211-刻線面、212-光柵尺增加部分、220-回射器、240-入射光束、241-衍射光束、θ-衍射角；

本發(fā)明圖示：300-承版臺、301-掩膜面、310-光柵尺、311-刻線 面、321-第一回射器、322-第二回射器、330-反射面、340-入射光束、341-第一光束、342-第二光束、343-第一光束的反射光束、350-第一側(cè)面。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細的說明。

請參照圖4，為達到上述目的，本發(fā)明提供一種掩膜臺光柵尺結(jié)構(gòu)，包括光刻機中掩膜臺的承版臺300、粘接在承版臺300側(cè)面的光柵尺310，該側(cè)面稱為第一側(cè)面350，在第一側(cè)面350上還固定有一反射面330，光柵尺310的刻線面311垂直于第一側(cè)面350。

光柵尺310在粘接在第一側(cè)面350時，保證刻線面311垂直于第一側(cè)面350，較佳地，保證刻線面311與掩膜面301齊平，掩膜面301是指掩膜臺上與掩膜接觸的一面，這樣就保證測量器件的軸線與待測工件的軸線在同一直線上，避免了阿貝誤差的產(chǎn)生。

反射面330由其背面固定于第一側(cè)面350上，且位于光柵尺310的刻線面311面對的一側(cè)，該反射面330垂直于刻線面311，反射面330所在的位置必須保證位于從刻線面311衍射出的光束中向第一側(cè)面350發(fā)射的光所到達的位置，從刻線面311上衍射出的光束中射向第一側(cè)面350的光束為第一光束341，較佳地，反射面330與第一側(cè)面350的側(cè)邊齊平或者略有超出，該側(cè)邊也為刻線面311面對的側(cè)邊，反射面330的寬度也大于或者等于第一側(cè)面350的寬度，保證使所有 第一光束341皆能夠照射至反射面330上，這樣保證了光束收集的完整性，提高了測量的精確性。

較佳地，反射面330為鍍于第一側(cè)面350上的反射膜，或者為粘接于第一側(cè)面350上的反射鏡。

光柵尺310的刻線面311相對于掩膜臺面對工件臺的底面的高度為18mm，也就是刻線面311相對于掩膜臺的下底面的高度為18mm。

較佳地，所述光柵尺310中的光柵為一維光柵或者二維光柵。

請參照圖4，圖中水平向右方向為x正向，垂直向上的方向為z正向，建立坐標(biāo)軸，由于y方向為垂直于紙面，因此并未標(biāo)出，一般地，x方向即為光刻時的掃描方向，也是帶動掩膜移動的掩膜臺的移動方向。

本發(fā)明使用的光柵尺310在x方向上的測量行程為±2mm，入射至光柵尺310的入射光光斑直徑為6mm，考慮到刻線面311形成的光柵尺310上需要留有鍍膜余量，該鍍膜余量在x向上的長度為±2mm，用于掩膜臺行程測量的光柵尺310在x向上的長度僅需14mm，因此無需另外增加光柵尺310的長度和面積，節(jié)省測量空間，提高測量系統(tǒng)機械模態(tài)穩(wěn)定性能。

本發(fā)明還提供一種掩膜臺光柵尺測量系統(tǒng)，包括

如上所述的掩膜臺光柵尺結(jié)構(gòu)；

與所述光柵尺光信號連接的探測器(未圖示)；

提供光束的激光器(未圖示)；

與所述激光器與所述探測器電路連接的控制系統(tǒng)(未圖示)；

若干個回射器，包括設(shè)置在入射光從刻線面311衍射的衍射光路上的第二回射器322和入射光從刻線面311衍射并經(jīng)過反射面330反射的反射光路上的第一回射器321。

較佳地，回射器為角錐棱鏡或者平面反射鏡，或者其它結(jié)構(gòu)形式的反射單元。

在回射器上設(shè)置能選取某種頻率光的波片或者偏振片，使得從某一回射器反射回光柵尺310上的光只有一種頻率。

上述系統(tǒng)由于可將回射器近距離布置在光柵尺310一側(cè)，衍射光束通過反射面330能全部被收集，結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，穩(wěn)定性能較高。

本發(fā)明還提供一種使用上述掩膜臺光柵尺測量系統(tǒng)的光柵尺測量方法，在掩膜臺沿著掃描方向即x向作移動的同時進行測量，具體包括以下步驟：

步驟一：激光器提供具有頻率分別為f1、f2的雙頻光束作為入射光束340，f1≠f2，該入射光束340以入射角為0°的入射方向入射至光柵尺310的刻線面311并產(chǎn)生衍射，同時激光器將入射光束340的參考信號發(fā)射給控制系統(tǒng)。

步驟二：當(dāng)入射光束340入射至刻線面311衍射后，產(chǎn)生了衍射光束，其中發(fā)射向反射面330的衍射光束為第一光束341，第一光束341也為雙頻光束，頻率為f1和f2，第一光束341經(jīng)由反射面330反射后形成第一光束的反射光束343，第一光束的反射光束343到達設(shè)置在反射光路上的第一回射器321，由于在第一回射器321上設(shè)置了 偏振片或者波片，那么第一光束的反射光束343被第一回射器321上的偏振片或者波片過濾后，頻率只剩一種，例如為f1，該光束被第一回射器321反射回刻線面311上；衍射方向與掩膜臺錯開的衍射光束中與第一光束341關(guān)于入射的入射光束340對稱的光束為第二光束342，第二光束342衍射至設(shè)置在第二光束342衍射光路上的第二回射器322上，同樣，由于在第二回射器322上具有偏振片或者波片，將衍射至第二回射器322上的光束過濾稱為頻率僅為f2的光束，該光束被第二回射器322反射回刻線面311上。

步驟三：由于是在掩膜臺沿著x向作移動的同時進行測量，在掩膜臺相對于入射的入射光束340沿著x向移動了時間t后，激光器提供的入射光束340的參考信號發(fā)射至控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)顯示t時間段內(nèi)，入射光束340的莫爾條紋數(shù)n2＝f2t-f1t＝(f2-f1)t。

步驟四：在掩膜臺相對于入射的入射光束340沿著x向移動了時間t后，其移動的位移在x向上的長度為δx，步驟二中被第一回射器321反射回刻線面311的頻率僅為f1的光束與被第二回射器322反射回刻線面311的頻率僅為f2的光束重合從而產(chǎn)生二次衍射，探測器將探測得的二次衍射的測量干涉信號發(fā)射至控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)顯示的測量干涉信號中，二次衍射產(chǎn)生的莫爾條紋數(shù)

n1＝(f2t+2δx/d)-(f1t-2δx/d)＝(f2-f1)t+4δx/d，其中d為所述光柵尺310中光柵的柵距，因此可得到掩膜臺相對于入射光束340沿著掃描方向移動位移δx＝d(n1-n2)/4。

上述方法解決了傳統(tǒng)測量方法中，衍射至掩膜臺的光束被遮擋的 問題，增加了測量的精確性。

本發(fā)明對上述實施例進行了描述，但本發(fā)明不僅限于上述實施例，顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進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)。