CN102445279B - 一种测量干涉仪波长的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量工件台干涉仪波长的装置，包括：分别位于该工件台相对两侧的第一、第二干涉仪，该第一、第二干涉仪发出的第一、第二测量光束组成一波长测量轴，以及计算模块，用以计算该波长测量轴的理论长度、实际长度以及计算该第一、第二测量光束的实际波长，进而通过本发明之第一、第二干涉仪及计算模块实现对干涉仪测量光束的波长进行实时计算。本发明同时还公开了一种测量工件台干涉仪波长的方法。

Description

一种测量干涉仪波长的装置及方法

技术领域

本技术方案涉及干涉仪，尤其涉及一种实时测量激光干涉波长的装置及方法。

背景技术

条纹计数式的干涉仪是以波长为基准来进行长度测量的，其测量原理可以简单地表达为：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}N=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2n}N$

式中，λ是激光在测量环境中的波长，λ₀是激光在真空中的波长，N是条纹数。只有实时地测出空气折射率n或者激光在测量环境中的波长λ，才能精确地计算出待测长度，否则干涉仪对空间长度的亚纳米级精度的测量将无从谈起。

当前的应用中，主要有两种方法来确定激光波长。

第一种是借助Elden公式计算当前的空气折射率。激光波长主要受环境的大气压强和温度影响，因此通过测定所处环境的大气压强和温度，可以计算出空与折射率

$n=\frac{a\·p_{\mathrm{air}}}{1+b(T_{\mathrm{air}}-273.15)}+c$

其中P_air和T_air为空气中的压强和温度，a、b、c为常数。

另一种是如Agilent公司提供的一种专门监测环境波长的Wavelength Tracker(波长追踪器)，如图1中所示。它利用一个固定长度的光学腔体作为基准，由干涉仪实时测量这个腔体的长度，通过干涉仪测量的长度变化从而得知当前激光波长的变化。

由于测试原理的限制，以上两种方法测定折射率或者波长的位置与干涉仪的实际工作位置不在同一个地方，因此测量得到的波长与干涉仪实际工作位置的波长会存在不同。由于干涉仪的测量对象经常要求在一定范围内移动，如沿X、Y方向平移，绕Z轴旋转，或者绕Y轴倾斜。Agilent公司提供的Wavelength Tracker通常都只能放置于离测量光束束较远的距离。而且，干涉仪是一个相对位置测量系统，在该波长跟踪器进行正常工作之初，需要对波长的初试值进行一个较为准确的标定，测量腔体的设计使它不能较为满意地完成该项功能。采用Elden公式计算空气折射率时，由于是间接地测量光束的波长，还容易受到气压和气温的测量误差等因素影响。

除此之外，中国专利CN99814090.2公开的改善干涉仪的测量的方法中，通过同时测量沿测量路径行进方向的声速来确定环境的影响，这种方法无疑增大了设备成本；中国专利CN99118742.3公开的补偿空气扰动的双波长外差干涉仪的结构中，通过测量两个或多个波长的光程长度求出折射率，这种方法需要两个分开很远的测量波长(通常是倍数关系)，对激光器提出了新的要求。

发明内容

本发明针对现有技术方案中所存在的上述缺点，提供了一种测量工件台干涉仪波长的装置及方法，用以实时测量干涉仪的测量光束波长。

为实现上述及其他目的，本发明提供一种测量工件台干涉仪波长的装置，包括：第一干涉仪及第二干涉仪，该第一、第二干涉仪分别位于该工件台的相对两侧，该第一干涉仪所发出的第一测量光束与该第二干涉仪所发出的第二测量光束组成一波长测量轴，该第一、第二干涉仪分别获得该第一、第二测量光束的第一光程及第二光程，该第一、第二干涉仪测量该第一、第二测量光束的光波相对于一测量周期初始时刻的周期变化数；以及计算模块，用以依据该第一、第二干涉仪获得的第一光程及第二光程计算该波长测量轴的理论长度，并依据该波长测量轴的理论长度、该工件台的运动参数计算该波长测量轴的实际长度，以及依据该波长测量轴的实际长度、该第一、第二测量光束的光波相对于初始时刻的周期变化数，以及该测量周期初始时刻的该第一、第二测量光束的初始波长计算该第一、第二测量光束的实际波长。

该工件台的运动参数包括：该工件台的旋转角度及/或该工件台的倾斜角度。

该第一测量光束与第二测量光束位于同一直线上。

本发明还提供一种测量工件台干涉仪波长的方法，包括利用位于该工件台相对两侧的第一干涉仪与第二干涉仪分别获得该第一、第二干涉仪分别发出的第一、第二测量光束的第一光程及第二光程，该第一测量光束与第二测量光束组成一波长测量轴；利用该第一、第二干涉仪测量该第一、第二测量光束的光波相对于一测量周期初始时刻的周期变化数；依据该第一光程及第二光程计算该波长测量轴的理论长度；依据该波长测量轴的理论长度、该工件台的运动参数计算该波长测量轴的实际长度；以及依据该波长测量轴的实际长度、该第一、第二测量光束的光波相对于初始时刻的周期变化数，以及该测量周期初始时刻的该第一、第二测量光束的初始波长计算该第一、第二测量光束的实际波长。

该第一测量光束与第二测量光束位于同一直线上。

该测量周期初始时刻的该第一、第二测量光束的初始波长是透过以下方法获得：利用一定位装置进行两个标记对准时，该第一、第二干涉仪测量沿该波长测量轴方向的平均变化周期(请确认该平均变化周期是谁的平均变化周期)；以及依据该两个标记在该波长测量轴方向上的相隔距离及该平均变化周期计算该第一、第二测量光束的初始波长。

该定位装置是对准系统或霍尔传感器。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

本发明所公开的测量工件台激光干涉波长的装置及方法，通过将测量光束布置在干涉仪测量装置中，直接而有效地测量了波长，测量更准确；测量干涉仪测量的光路和相关装置，无需额外增加专门的测量设备，结构更简单，成本更低廉；借助光刻机的对准系统，本测量方案能够通过定期校正，从而消除系统误差。本发明所提供的测量工件台激光干涉波长的装置及方法，既可以适用于双频干涉仪，又可适用于单频干涉仪。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是现有技术中利用波长追踪器监测环境波长的干涉仪应用方式；

图2是现有技术中利用干涉仪来测量工件台移动的结构示意图；

图3是本发明所公开的测量干涉仪波长的装置的结构示意图；

图4是工件台处于旋转或倾斜状态时的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

图1中所示出的是现有技术中干涉仪来测量工件台移动的结构示意图。本图以光刻机中所使用的典型的测量工件台位置的干涉仪测量结构作为示意。该干涉仪位于工件台的X及Y方向，它在工件台的X向和Y向分别设置有若干测量光束。测量光束通过安装于工件台侧面的平面方镜反射，干涉仪通过测量光束的长度变化从而得之工件台的位置变化。根据干涉仪测量光束的结构安排，最多可以实时地测量工件台的六个自由度。

图2是现有技术中利用干涉仪来测量工件台移动的结构示意图。如图2所示，图2中沿工件台102的X向和Y向，在光刻设备的基准框架(图中未示出)上分别放置三台干涉仪，包括沿X向设置的101a与101c，沿Y向设置的101b。干涉仪101a和干涉仪101b中别设置有若干测量光束。该测量光束通过安装于工件台102侧面的平面方镜(图中未示出)反射，干涉仪通过测量光束的长度变化从而得之工件台的位置变化。然而，由于干涉仪所处环境参数，例如环境温度、压强等的变化，干涉仪所发出的测量光束的波长亦会受到环境参数的影响而发生变化，如若无法有效地实时测量测量光束的波长，就无法有效地透过干涉仪测量工件台的运动状况，进而无法有效定位工件台。

图3是本发明所公开的测量工件台干涉仪波长的装置的结构示意图。如图3所示，干涉仪101a与干涉仪101c中分别增加两条测量光1与测量光2，并将测量光1与测量光2称之为波长测量轴。如图中所示，测量光1与测量光2位于同一直线上，即干涉仪101a，工件台102与干涉仪101c三者位于同一直线上。在本实施例中，波长测量轴由沿X向的干涉仪所发出的测量光束组成，但是在实际使用过程中，同样可以将波长测量轴设置为沿Y轴方向设置的干涉仪所发出的测量光束组成。波长测量轴(即测量光束1与测量光束2)可以有一个或者两个测量光束与其它测量轴共用，即，波长测量轴可以同时也是其它测量逻辑轴。

于本发明中，干涉仪101a、101c分别测量其所发出的测量光束1、2的光程(即测量光束1、2的长度)L1、L2。，以及测量测量光束束1、2的光波相对于一测量周期初始时刻的周期变化数δi，以供本发明之计算模块(为图示)依据干涉仪的测量结果进行相应的计算。

该计算模块依据测量光束1、2的测量光束程L1、L2计算该波长测量轴的理论长度L0＝L1+L2。之后该计算模块依据该波长测量轴的理论长度、该工件台102的运动参数(例如工件台旋转角度、工件台倾斜角度)计算该波长测量轴的实际长度L，以及该计算模块依据该波长测量轴的实际长度、测量光束1、2的光波相对于该测量周期初始时刻的周期变化数，以及该测量周期初始时刻的测量光束1、2的初始波长计算测量光束1、2的实际波长：

$\mathrm{\λ}=\frac{L}{i_0+{\mathrm{\δ}}_i}=\frac{L}{\frac{L_0}{{\mathrm{\λ}}_0}+{\mathrm{\δ}}_i}.$

其中，

为两个测量光束1、2所经过光程的总共的光波周期个数，λ₀为该测量周期初始时刻的测量光束1、2的初始波长。K是工件台沿该波长测量轴方向(即沿图3所示的X方向)的长度。初始波长λ₀的获得方式，下文中详细叙述。

需特别说明的是，本发明装置中，由于波长测量轴，即发出测量光束1与测量光束2的干涉仪101a与101c均放置于光刻设备的基准框架上，干涉仪101a、101c相对位置固定。在光刻机工作的过程中，当工件台102会发生沿图3所示的X向或Y向位移时，由于工件台102的尺寸不发生变动，因此测量光束1与测量光束2所经过的光程之和为一固定值，此种情形下上述波长测量轴的实际长度L＝L0。有鉴如此，如果干涉仪101a和101c的条纹变化之和存在变化，则表明测量光束1、2的波长发生变化。

根据条纹变化的个数，可以测量出当前的测量光束波长：

$\mathrm{\λ}=\frac{L_0}{i_0+\mathrm{\δi}}=\frac{L_0}{\frac{L_0}{{\mathrm{\λ}}_0}+\mathrm{\δi}}.$

然，在光刻机的实际工作过程中，工件台102除了需要水平向移动外，还需要适时地旋转和倾斜。当工件台存在旋转或者倾斜时，组成波长测量轴的测量光的长度将发生变化，即此时测量轴的实际长度L≠L0。如图4中所示，当工件台带有旋转和倾斜角度Rx、Ry、Rz角度时，波长测量轴的实际长度

K是工件台沿该波长测量轴方向的长度。

以下将详细说明本发明所公开的测量工件台干涉仪波长的方法的具体实施方式。

首先于步骤1中，利用干涉仪101a与干涉仪101c分别获得测量光束1、2的光程L1、L2，以及测量测量光束束1、2的光波相对于一测量周期初始时刻的周期变化数δi。

于步骤2中，该计算模块依据干涉仪101a、101c获得的测量光束1、2的光程L1、L2计算出测量光束1、2组成的波长测量轴的理论长度L0＝L1+L2。

于步骤3中，该计算模块依据该波长测量轴的理论长度、该工件台的运动参数(运动参数包括工件台旋转角度、倾斜角度等)计算该波长测量轴的实际长度

于步骤4中，该计算模块依据该波长测量轴的实际长度L、测量光束1、2的光波相对于初始时刻的周期变化数δi，以及该测量周期初始时刻的测量光束1、2的初始波长λ₀计算该第一、第二测量光束的实际波长

$\mathrm{\λ}=\frac{L}{i_0+{\mathrm{\δ}}_i}=\frac{L}{\frac{L_0}{{\mathrm{\λ}}_0}+{\mathrm{\δ}}_i}.$

需特别说明的是，本发明之方法中，由于波长测量轴，即发出测量光束1与测量光束2的干涉仪101a与101c均放置于光刻设备的基准框架上，干涉仪101a、101c相对位置固定。在光刻机工作的过程中，当工件台102会发生沿图3所示的X向或Y向位移时，由于工件台102的尺寸不发生变动，因此测量光束1与测量光束2所经过的光程之和为一固定值，此种情形下上述步骤3中计算出的波长测量轴的实际长度L＝L0。有鉴如此，如果干涉仪101a和101c的条纹变化之和存在变化，则表明测量光束1、2的波长发生变化。

根据条纹变化的个数，可以测量出当前的测量光束波长：

$\mathrm{\λ}=\frac{L_0}{i_0+\mathrm{\δi}}=\frac{L_0}{\frac{L_0}{{\mathrm{\λ}}_0}+\mathrm{\δi}}.$

然，在光刻机的实际工作过程中，工件台102除了需要水平向移动外，还需要适时地旋转和倾斜。当工件台存在旋转或者倾斜时，组成波长测量轴的测量光的长度将发生变化，即此时上述步骤3中计算出的波长测量轴的实际长度L≠L0。例如图4中所示，当工件台带有旋转和倾斜角度Rx、Ry、Rz角度时，上述步骤3计算出的波长测量轴的实际长度

K是工件台沿该波长测量轴方向的长度。

以下说明在测量周期初始时刻上述测量光束1、2的初始波长λ₀的获得方法。

在本技术方案中，由于该实施例采用了光刻设备中利用干涉仪来测量工件台移动作为阐述，因此可以通过光刻机当中的对准功能来实现。光刻机中的对准功能主要由对准系统来实现，光刻机中的对准功能主要指，通过在工件台上设置基准标记或在硅片上设置对准标记以实现准确的掩模-硅片坐标位置关系。由于如何实现对准功能及对准系统的组成，在光刻机技术领域内已属于较为熟知的常识性技术，且本发明并不涉及对对准功能或对准系统的改进，故此处略过。

请参照图3，初始波长λ₀的获得借助于工件台102上基准标记103、104或者基准硅片106上的对准标记105、106实现。工件台102在干涉仪的控制下运动时，假设两个基准标记103、104在沿测量光束1、2组成的波长测量轴方向(即图3所示的X向)相隔距离为Δx，而光刻机的对准系统依次对这两个标记103、104进行对准，在对准时刻干涉仪101a、101c所测量到的两个测量光束1、2沿波长测量轴方向(即图3所示的X向)的平均变化周期为Δi，则测量光束1、2初始波长为

同样地，当本发明应用在光刻机及其它机床或仪器中时，可以采用其它具备定位功能的系统获得初始波长，比如在固定位置安装霍尔传感器用于工件台或机床的定位。

本实施例应用在光刻设备中时，可以借助于光刻机的对准系统作为其定位装置，且可以自行定期地对波长测量值进行精确校正。

透过本发明，可有效时的实时计算干涉仪测量光束的波长，进而可透过干涉仪对工件台运动状况进行有效的测量，实现对工件台精确定位。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种测量工件台干涉仪波长的装置，包括：

第一干涉仪及第二干涉仪，该第一、第二干涉仪分别位于该工件台的相对两侧，该第一干涉仪所发出的第一测量光束与该第二干涉仪所发出的第二测量光束组成一波长测量轴，该第一测量光束与第二测量光束位于同一直线上，该第一、第二干涉仪分别获得该第一、第二测量光束的第一光程及第二光程，该第一、第二干涉仪测量该第一、第二测量光束的光波相对于一测量周期初始时刻的周期变化数；以及

计算模块，用以依据该第一、第二干涉仪获得的第一光程L1及第二光程L2计算该波长测量轴的理论长度L₀＝L1+L2，

并依据该波长测量轴的理论长度L₀、该工件台的运动参数计算该波长测量轴的实际长度

其中，Ry、Rz分别为该工件台的运动参数中的倾斜和旋转角度，即分别为相对于y轴和z轴的旋转角度，x轴方向为该波长测量轴方向，k是工件台沿该波长测量轴方向的长度，

以及依据该波长测量轴的实际长度L、该第一、第二测量光束的光波相对于该测量周期初始时刻的周期变化数δ_i，以及该测量周期初始时刻的该第一、第二测量光束的初始波长λ₀计算该第一、第二测量光束的实际波长

2.一种测量工件台干涉仪波长的方法，包括：

利用位于该工件台相对两侧的第一干涉仪与第二干涉仪分别获得该第一、第二干涉仪分别发出的第一、第二测量光束的第一光程及第二光程，该第一测量光束与第二测量光束组成一波长测量轴，该第一测量光束与第二测量光束位于同一直线上；

利用该第一、第二干涉仪测量该第一、第二测量光束的光波相对于一测量周期初始时刻的周期变化数；

依据该第一光程L1及第二光程L2计算该波长测量轴的理论长度L₀＝L1+L2；

依据该波长测量轴的理论长度L₀、该工件台的运动参数计算该波长测量轴的实际长度

其中，Ry、Rz分别为该工件台的运动参数中的倾斜和旋转角度，即分别为相对于y轴和z轴的旋转角度，x轴方向为该波长测量轴方向，k是工件台沿该波长测量轴方向的长度；以及

依据该波长测量轴的实际长度L、该第一、第二测量光束的光波相对于初始时刻的周期变化数δ_i，以及该测量周期初始时刻的该第一、第二测量光束的初始波长λ₀计算该第一、第二测量光束的实际波长

3.如权利要求2所述的测量工件台干涉仪波长的方法，其特征在于，该测量周期初始时刻的该第一、第二测量光束的初始波长是透过以下方法获得：

利用一定位装置进行两个标记对准时，该第一、第二干涉仪测量该第一、第二测量光束沿该波长测量轴方向的平均变化周期；以及

依据该两个标记在该波长测量轴方向上的相隔距离Δx及该第一、第二测量光束沿该波长测量轴方向的平均变化周期Δi计算该第一、第二测量光束的初始波长

4.如权利要求3所述的测量工件台干涉仪波长的方法，其特征在于，该定位装置是霍尔传感器。

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