專利名稱：位置測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光機(jī)電設(shè)備，具體涉及一種位置測量裝置和方法。 H技術(shù)
光刻裝置是大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的重要設(shè)備之一。光刻機(jī)可將掩模板上的 圖形通過曝光裝置按一定比例轉(zhuǎn)移到要加工的對象上(如硅片等)。硅片在這里 泛指所有被曝光對象，包括襯底、鍍膜和光刻膠等。在曝光過程中，需要使加 工對象(如硅片等)的相應(yīng)表面保持在曝光裝置的焦深范圍之內(nèi)。為此，光刻 機(jī)采用了用于測量加工對象(如硅片等)的表面位置信息的調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)。 調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)可以和夾持加工對象(如硅片等)的工件臺(tái)一起使加工對象 (如硅片等)的被曝光區(qū)域一直處于光刻機(jī)曝光裝置的焦深之內(nèi)，從而使掩模 板上的圖形理想地轉(zhuǎn)移到加工對象(如硅片等)上。
上述調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)中，都要用到物體位置測量系統(tǒng)，物體位置測量系 統(tǒng)是測量某一平面的位移量或傾斜量，有多種不同的實(shí)現(xiàn)方案，其中以上所述 的光電式非接觸式測量由于其有多種優(yōu)點(diǎn)最為常用。隨著投影光刻機(jī)分辨率的 不斷提高和投影物鏡焦深的不斷減小，對光刻機(jī)內(nèi)調(diào)焦調(diào)平測量分系統(tǒng)的測量 精度和能夠?qū)崟r(shí)測量曝光區(qū)域等性能的要求也越來越高。因此目前步進(jìn)掃描中
所采用的調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)通常為光電測量系統(tǒng)，如基于光柵和四象限探測 器的光電測量方法(美國專利US5191200 )、基于狹縫和四象限探測器的光電探 測方法(美國專利US 6765647B1)、基于針孔和面陣CCD的光電探測方法(美 國專利US 6081614 )和基于PSD (位置敏感器件)的光電測量方法(中國專利 200610117401. 0和Focusing and leveling system using PSDs for the wafer steppers. Proc. SPIE， 1994， 2197: 997-1003.)。上述調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)都較 為復(fù)雜，而且除基于光柵和四象限探測器的光電測量方法(美國專利 US5191200 )以及基于PSD的光電測量方法(中國專利200610117401. 0 )之外， 上述調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)都是非差分測量系統(tǒng)，因此穩(wěn)定性較差。而除基于狹縫和四象限探測器的光電探測方法(美國專利US 6765647B1)夕卜，上述調(diào)焦調(diào)平 測量系統(tǒng)都會(huì)受凈皮測對象單點(diǎn)測量區(qū)域內(nèi)局部反射率不均的影響，因此其工藝 適應(yīng)性差。
局部反射率不均的現(xiàn)象產(chǎn)生于在IC制造過程中。IC制造過程中會(huì)有不同的 硅片基底、涂層、光刻膠、以及硅片上會(huì)有不同的已經(jīng)加工上去的圖形等工藝 相關(guān)的特性并最終引起整個(gè)硅片的局部和整體反射率等的變化。而這些局部和 整體的反射率的變化會(huì)引起調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的測量誤差，有人把這一類誤差 叫做"工藝相關(guān)性誤差"。根據(jù)現(xiàn)有的調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)(如美國專利US5191200 等)實(shí)際工作測量，這一 "工藝相關(guān)性誤差，，可達(dá)到微米量級，而一般100nm 節(jié)點(diǎn)的光刻機(jī)對調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的測量精度要求為IO訓(xùn)量級，所以這種誤差 的存在會(huì)使整個(gè)光刻機(jī)無法正常工作。為了消除這一誤差，現(xiàn)有的做法都是采 用在線矯正的辦法。在線矯正的辦法需要做大量工藝試驗(yàn)來確定各種不同工藝 下工藝相關(guān)性誤差的修正因子，然后再在實(shí)際工作中根據(jù)不同的工藝在線修正 調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的工藝相關(guān)性誤差。而且，為了安全和保證成品率，每更換 一次工藝還需要再進(jìn)行對調(diào)焦調(diào)平測量系統(tǒng)的測試。
又比如在一公開的專利(專利號(hào):CN20071017196. 5 )中的光刻才幾中的調(diào)焦 調(diào)平測量系統(tǒng)就是物體位置測量系統(tǒng)應(yīng)用的另一種情況，雖然該專利提供的方 法相對于之前的方法在穩(wěn)定性上有所提高，但是在該專利中，依舊存在以下缺 點(diǎn)投影與探測光柵采用的是編碼光柵探測方案，導(dǎo)致整體構(gòu)造復(fù)雜；另外由 于該方法中沒有采用相應(yīng)的細(xì)分技術(shù)，因此該測量系統(tǒng)的測量靈敏度也不高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種位置測量裝置，包括光 源模塊、照明模塊、投影光闌、投影光柵、投影成像模塊、探測成像模塊、探 測光柵和探測模塊，所述光源模塊發(fā)出的光經(jīng)過所述照明模塊、所述投影光闌 和所述投影光柵后，由所述投影成像模塊將所述投影光柵成像于被測對象上， 以形成光柵像，所述探測成像模塊將所述光柵像成像于所述探測光柵以形成探 測像，所述探測像和所述探測光柵疊加形成莫爾條紋，所述莫爾條紋被所述探 測模塊探測，其中所述投影光柵為粗光柵。
可選的，所述投影光柵和所述探測光柵的線空比均為1: 1?？蛇x的，所述投影光柵的柵距是所述探測光柵的柵距的整數(shù)倍。
可選的，所述投影光柵的柵距是所述探測光柵的柵距的1倍、2倍、3倍、
4倍或者5倍。
可選的，所述4笨測光4冊和所述探測像成一夾角方丈置。 可選的，所述探測模塊的敏感方向和所述莫爾條紋的移動(dòng)方向一致。 可選的，所述探測模塊由光柵尺讀數(shù)系統(tǒng)和物體位置數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。 可選的，所述投影成像模塊為像方遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心，所述探測成傳^莫塊為物方
遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種位置測量方法，包括以下步驟光 源模塊發(fā)出的光經(jīng)照明模塊、投影光闌和投影光柵后，由投影成像模塊將投影 光柵成像于被測對象以形成光柵像，所述投影光柵為粗光柵；探測成像模塊將 所述光柵像成像于探測光柵以形成探測像；所述探測像與所述探測光柵疊加形 成莫爾條紋；所述莫爾條玟被探測模塊探測。
可選的，所述投影光柵和所述探測光柵的線空比均為1: 1。 可選的，所述投影光柵的柵距是所述探測光柵的柵距的整數(shù)倍。 可選的，所述投影光柵的柵距是所述探測光柵的柵距的1倍、2倍、3倍、 4倍或者5倍。
可選的，所述探測光柵和所述探測像成一夾角放置。 可選的，所述探測模塊的敏感方向和所述莫爾條紋的移動(dòng)方向一致。 可選的，所述探測模塊由光柵尺讀數(shù)系統(tǒng)和物體位置數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。 可選的，所述投影成像模塊為像方遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心，所述探測成像模塊為物方 遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心。
本發(fā)明所述的一種位置測量裝置和方法的有益效果主要表現(xiàn)在因?yàn)榧?xì)光柵 對光學(xué)、機(jī)械部分的要求較嚴(yán)，因此安裝調(diào)試的時(shí)候比較費(fèi)時(shí)，而本發(fā)明投影 光柵采用粗光柵，因此降低了對系統(tǒng)安裝和調(diào)試的要求，另外，也提高了裝置 的靈敏度；因?yàn)楸景l(fā)明采用了莫爾條紋測量技術(shù)，其測量值是多個(gè)莫爾條紋的 均化值，因此降低了被測對象局部變化對測量的影響；由于采用直接測量的方 式測量被測物體，使得整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)較現(xiàn)有技術(shù)更加簡單。


圖1為莫爾條紋的形成示意圖2為本發(fā)明位置測量裝置和方法的裝置示意圖3為Scheimpflug條件的基本原理圖4為本發(fā)明位置測量裝置和方法的投影光闌和投影光柵的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明位置測量裝置和方法的投影標(biāo)記模塊經(jīng)投影成像單元成像到
4皮測對象上形成的測量標(biāo)記；
圖6為本發(fā)明位置測量裝置和方法的探測光柵的示意圖7為本發(fā)明位置測量裝置和方法的投影標(biāo)記與探測標(biāo)記形成莫爾條紋示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
由于本發(fā)明位置測量裝置和方法是基于莫爾條紋檢測原理設(shè)計(jì)的，所以在 介紹本發(fā)明位置測量裝置和方法之前，下文將首先介紹莫爾條紋的形成及其特 性。圖1示出了莫爾條紋的形成示意圖。其中，圖1 (a)示出了當(dāng)兩個(gè)周期為 P的振幅光柵，圖1 (b)示出了圖1 (a)中的兩個(gè)周期為P的振幅光柵以某一 特定夾角(比如o)疊加在一起并被照明后形成的周期為S的莫爾條紋。當(dāng)兩個(gè) 周期為P的振幅光柵之間的夾角o很小時(shí)，振幅光柵周期P與其形成的莫爾條 紋的周期S之間滿足以下關(guān)系
S=P/o (1)
其中夾角o的單位為弧度。
根據(jù)莫爾條紋的形成原理可知莫爾條紋具有如下特性由式(1)可知莫爾 條紋具有放大性，這更有利于提高分辨率和測量精度以及探測器的布置；莫爾 條紋的移動(dòng)方向與兩振幅光柵的相對移動(dòng)方向垂直；莫爾條紋的移動(dòng)與兩振幅 光柵的相對移動(dòng)同步；莫爾條紋具有平均作用，也就是說，莫爾條文可以平均 掉兩振幅光柵的局部誤差，如制造誤差等。另外，圖1所示為兩個(gè)周期相同的 振幅光柵形成橫向莫爾條紋的過程。此外，兩個(gè)不同周期的振幅光柵可以平行 疊加并形成縱向莫爾條紋、斜向莫爾條紋等。下文只以橫向莫爾條紋為例說明 本發(fā)明，但本發(fā)明并不只限于應(yīng)用橫向莫爾條紋。
接著，請參考圖2，圖2是本發(fā)明位置測量裝置和方法的裝置示意圖，本發(fā)明位置測量裝置和方法屬于多點(diǎn)測量系統(tǒng)，至少測量3個(gè)點(diǎn)， 一般為保證精度， 選擇測量4個(gè)點(diǎn)，當(dāng)然，測量點(diǎn)的數(shù)量越多，測量精度越高。在本發(fā)明中各個(gè) 點(diǎn)的測量結(jié)構(gòu)和原理等特性完全相同，因此下文只以一個(gè)測量點(diǎn)為例說明本發(fā) 明。
圖2的坐標(biāo)系為xyz組成的右手直角坐標(biāo)系，從圖2上可以看到，本發(fā)明 包括光源模塊40、照明模塊41、投影光闌42、投影光柵43、投影成像模塊44、 探測成像模塊45、探測光柵46和探測模塊47，所述光源模塊40發(fā)出的光經(jīng)過 所述照明模塊41、所述投影光闌42和所述投影光柵43后，由所述投影成像模 塊44將所述投影光柵43成像于被測對象2上，以形成光柵像，所述探測成像 模塊45將所述光^H象成像于所述纟笨測光柵46以形成探測像，所述探測像和所 述探測光柵46疊加形成莫爾條紋，所述莫爾條紋被所述探測模塊47探測，其 中所述投影光柵43為粗光柵，所述投影光柵43和所述探測光柵46的線空比均 為1: 1，所述探測光柵46的柵距是所述投影光柵43的柵距的整數(shù)倍，倍數(shù)可 以為1倍、2倍、3倍、4倍或者5倍，其中探測光柵46的柵距，本實(shí)施例中取
所述投影光柵43的4冊距也為0. 635mm, 所述探測光柵46和所述探測像成一夾 角放置，所述探測模塊的敏感方向和所述莫爾條紋的移動(dòng)方向一致，所述探測 模塊由光柵尺讀數(shù)系統(tǒng)和物體位置數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，所述投影成像模塊為像 方遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心，所述探測成係J漠塊為物方遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心。
當(dāng)探測光柵46與探測像成某一特定夾角放置時(shí)便形成了莫爾條紋，莫爾條 紋進(jìn)一步被沿M軸探測的探測模塊47探測。由于在兩次成像過程中，打到被測 對象2上的光束被被測對象2反射后攜帶了被測對象2上相應(yīng)位置的Z向信息，
位置關(guān)系代表了被測對象2上相應(yīng)位置的Z向信息。根據(jù)莫爾條紋的特點(diǎn)可知， 莫爾條紋的位置和移動(dòng)信息包含了被測對象2上相應(yīng)位置的的Z向位置信息。 通過探測模塊47探測和處理莫爾條紋的位置和移動(dòng)信息，位置測量模塊可最終 得到被測對象2上相應(yīng)位置的的Z向位置信息。
光源模塊40經(jīng)照明模塊41后形成準(zhǔn)直光束照明到投影光柵43上，投影光 柵43與被測對象2為物象共軛關(guān)系，它們相對于投影成像模塊44構(gòu)成了Scheimpflug(沙伊姆弗勒)成像條件，可使投影標(biāo)記清晰成像在被測對象2上， 同理被測對象2與探測光柵46相對于投影成像模塊44構(gòu)成了 Scheimpf lug成 像條件。其中投影成像單元與探測成像單元的光軸與z向的夾角為e， e角在 圖上已經(jīng)標(biāo)出。關(guān)于Scheimpf lug成像條件的原理會(huì)在一下段進(jìn)行說明。
圖3是Scheimpflug條件的基本原理圖，Scheimpf lug定理為只要影像平 面、鏡頭平面和被攝體平面的延伸面相交于一線，肯定會(huì)在影像平面上獲得清晰 的被攝體影。圖中b為物面，c為像面，P0為透鏡LO的主平面位置，b與光軸 夾角為6 ，像面c與光軸的夾角為6 '，假設(shè)放大倍率為m0，則其物象關(guān)系滿足 條件為
tan6=m0*tan6 '， ot匕艮卩為Scheimpf lug條件。
圖4為投影光闌和投影光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。投影光柵43光柵柵距為col， 線控比為1: l的黑白光柵，其面積與被測對象相匹配，其柵線沿y方向布局。 投影光闌42前可放置一開有多個(gè)透光孔的不透光基板，圖四種所示為開有四個(gè) 透光孔的示意圖，當(dāng)然也可用多個(gè)透光孔以形成多點(diǎn)測量。^投影光闌42緊貼在 投影光柵43前，以在被測面2上形成所需的多個(gè)探測光斑，圖中為四個(gè)。 圖5為投影標(biāo)記模塊經(jīng)投影成像單元成像到被測對象上形成的測量標(biāo)記。 圖6為探測光柵的示意圖，其柵距為co2,線空比為1: 1的黑白光柵。探 測光柵46與投影標(biāo)記的二次像的柵線方向成一個(gè)微小的夾角(T，形成測量用得 莫爾條紋，圖7為投影標(biāo)記與探測標(biāo)記形成莫爾條紋示意圖，如圖7所示，由 于夾角C7很小，從而導(dǎo)致莫爾條紋寬度很大，因此便于放置光電探測模塊對條 紋進(jìn)行測量。
對于該測量系統(tǒng)，由于采用了 Scheimpflug成像條件，當(dāng)被測對象2沿z 軸的偏移量為Az時(shí)，由于探測成傳^莫塊的倍率為-1,則在探測光柵面上的偏移 量為Ay，有
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其中，由于投影光柵柵距col為探測光柵柵距co2的整數(shù)倍，既有
即對于上述光柵付構(gòu)成的莫爾條紋當(dāng)投影光柵變化一個(gè)柵距co 1 ，則莫爾條 紋變化Y次，即相比于傳統(tǒng)光柵付的一個(gè)柵距對應(yīng)一次莫爾條紋的變化，其靈敏度提高了 Y倍。
當(dāng)被測對象2沿z軸的偏移量為Az時(shí)，設(shè)光電探測模塊的一個(gè)莫爾條紋的 電子細(xì)分?jǐn)?shù)為M,其莫爾條紋的變化數(shù)為N,有 N/M=2*Az*tan6 / ( co2 )
根據(jù)上式可知，由莫爾條紋的變化數(shù)就可得出被測對象的位移量，同樣通 過多個(gè)測量點(diǎn)的位置信息就可以計(jì)算出其傾斜量，本案例中測量點(diǎn)為四個(gè)。
由上式可以看出投影光柵只起傳遞信息的作用，與系統(tǒng)的靈敏度無關(guān)，因 此可以降^f氐由于釆用Scheimpflug條件導(dǎo)致分辨率下降而對投影光4冊柵距的要 求。
通用的電子細(xì)分技術(shù)的細(xì)分?jǐn)?shù)在20至IOO之間，假設(shè)M為50， 6為80° , (o2為0. Olmm,則系統(tǒng)的可分辨Az的量為18訓(xùn)，如進(jìn)一步改變以上各量其分 辨率可達(dá)到幾個(gè)納米。而對于非釆用以上技術(shù)的莫爾條紋測量技術(shù)，其投影光 柵與探測光柵都采用相同的柵距，都為細(xì)光柵，且在采用相同的電子細(xì)分?jǐn)?shù)和 柵距情況下分辨本領(lǐng)為降至108nm。就測量精度上比較，本系統(tǒng)具有更高的測量 精度。
由于細(xì)光柵對光學(xué)、機(jī)械部分的要求較嚴(yán)，因此安裝調(diào)試的時(shí)候比較費(fèi)時(shí)， 而本系統(tǒng)只有探測光柵部分采用細(xì)光柵，降低了對系統(tǒng)安裝和調(diào)試的要求。
由于采用了莫爾條紋測量技術(shù)，其測量值是多個(gè)莫爾條紋的均化值，因此 降低了被測對象局部變化對測量的影響。
由于采用直接測量技術(shù)，其結(jié)構(gòu)上也更為簡單。
雖然本發(fā)明已以4交佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所 屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種 的更動(dòng)與潤飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種位置測量裝置，其特征在于包括光源模塊、照明模塊、投影光闌、投影光柵、投影成像模塊、探測成像模塊、探測光柵和探測模塊，所述光源模塊發(fā)出的光經(jīng)過所述照明模塊、所述投影光闌和所述投影光柵后，由所述投影成像模塊將所述投影光柵成像于被測對象上，以形成光柵像，所述探測成像模塊將所述光柵像成像于所述探測光柵以形成探測像，所述探測像和所述探測光柵疊加形成莫爾條紋，所述莫爾條紋被所述探測模塊探測，其中所述投影光柵為粗光柵。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種位置測量裝置，其特征在于所述投影光柵和 所述探測光柵的線空比均為1: 1。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種位置測量裝置，其特征在于所述投影光 柵的柵距是所述探測光柵的柵距的整數(shù)倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種位置測量裝置，其特征在于所述投影光柵的 柵距是所述探測光柵的柵距的1倍、2倍、3倍、4倍或者5倍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種位置測量裝置，其特征在于所述探測光柵和 所述探測像成一夾角放置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種位置測量裝置，其特征在于所述探測模塊的 敏感方向和所述莫爾條紋的移動(dòng)方向一致。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種位置測量裝置，其特征在于所述探測模塊由 光柵尺讀數(shù)系統(tǒng)和物體位置數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種位置測量裝置，其特征在于所述投影成像模 塊為像方遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心，所述#罙測成像才莫塊為物方遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心。
9. 一種位置測量方法，其特征在于包括以下步驟光源模塊發(fā)出的光經(jīng)照明模塊、投影光闌和投影光柵后，由投影成像模塊 將投影光柵成像于被測對象以形成光柵像，所述投影光柵為粗光柵； 探測成像模塊將所述光柵像成像于探測光柵以形成探測像； 所述探測像與所述探測光柵疊加形成莫爾條紋； 所述莫爾條紋被探測模塊探測。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種位置測量方法，其特征在于所述投影光柵和所述探測光柵的線空比均為1: 1。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或IO所述的一種位置測量方法，其特征在于所述投影 光柵的柵距是所述探測光柵的柵距的整數(shù)倍。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種位置測量方法，其特征在于所述投影光柵 的柵距是所述探測光柵的柵距的1倍、2倍、3倍、4倍或者5倍。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種位置測量方法，其特征在于所述探測光柵 和所述探測像成一夾角放置。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種位置測量方法，其特征在于所述探測模塊 的敏感方向和所述莫爾條紋的移動(dòng)方向一致。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種位置測量方法，其特征在于所述探測模塊 由光柵尺讀數(shù)系統(tǒng)和物體位置數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種位置測量方法，其特征在于所述投影成像 模塊為像方遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心，所述探測成像模塊為物方遠(yuǎn)心或雙遠(yuǎn)心。
全文摘要
本發(fā)明提出一種位置測量裝置和方法，包括光源模塊、照明模塊、投影光闌、投影光柵、投影成像模塊、探測成像模塊、探測光柵和探測模塊，所述光源模塊發(fā)出的光經(jīng)過所述照明模塊、所述投影光闌和所述投影光柵后，由所述投影成像模塊將所述投影光柵成像于被測對象上，以形成光柵像，所述探測成像模塊將所述光柵像成像于所述探測光柵以形成探測像，所述探測像和所述探測光柵疊加形成莫爾條紋，所述莫爾條紋被所述探測模塊探測，其中所述投影光柵為粗光柵。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，以直接的方式測量，靈敏度較高。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101634545SQ20091019443
公開日2010年1月27日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者沖 張, 李志丹 申請人:上海微電子裝備有限公司