一種基于平面光柵的硅片臺大行程運動測量系統的制作方法
【專利摘要】一種基于平面光柵的硅片臺大行程運動測量系統，屬于超精密測量【技術領域】。該測量系統包含平面光柵與讀數頭陣列，平面光柵安裝在硅片臺動臺下表面，讀數頭陣列安裝在定臺上。每個讀數頭能夠測量動臺兩個方向位移，任一時刻平面光柵下方覆蓋三個及三個以上的讀數頭；因此，當硅片臺動臺進行大行程平面運動時，通過讀數頭之間的切換，能夠實現動臺的位移測量。本發明采用二維高精度平面光柵作為測量元件，在硅片臺運動區域內布置多個讀數頭，滿足硅片臺大行程運動的測量需求；讀數頭與平面光柵之間測量光路短，環境變化引起的誤差較小，同時將平面光柵布置在動臺上，避免了測量系統對硅片臺運動產生線纜擾動。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及硅片臺六自由度大行程運動測量系統，尤其涉及一種大行程平面運動 的高精密測量方案，主要應用于半導體加工制造和檢測設備中，屬于超精密測量【技術領域】。 一種基于平面光柵的硅片臺大行程運動測量系統
【背景技術】
[0002] 在光刻機系統中，硅片臺用于承載硅片進行步進掃描運動。光刻機的產率和套刻 精度決定了硅片臺高速、高加速度、大行程與超精密的運動特點。目前硅片臺平面運動的測 量主要采用光學測量法、電感測量法和電容測量法等，光學測量法在超精密測量中相對較 為成熟，是目前應用較為廣泛的位移測量方法。
[0003] 在光刻機硅片臺運動測量中，往往采用基于激光干涉儀的測量方法。根據所需測 量的自由度的數目，配置相應軸數的激光干涉儀測量系統，或者利用冗余測量的方法，采用 多余自由度軸數的激光干涉儀，降低解算難度，并提高測量精度。為實現提高測量范圍，滿 足硅片臺大行程運動的應用需求，硅片臺上需要安裝長反射鏡及45°反射鏡（參見美國專 利US7, 355, 719 B2)。這種布置方案將會大大增加硅片臺體積與重量，進而導致硅片臺動態 性能降低、能耗增大、發熱嚴重等一系列問題。同時，利用激光進行測量時，光路隨著運動行 程增大而增長，且激光易受環境影響。為保證高精度測量，需要進行嚴格的環境控制，給光 刻機系統的設計、控制帶來極大的挑戰。
[0004] 針對上述問題，世界上超精密測量領域的各大公司與研究機構展開了一系列研 究，主要集中于基于衍射干涉原理的光柵測量系統。例如在美國專利US7, 289, 212 B2中，采 用兩塊長條形光柵配合三個讀數頭實現對掩模臺的運動測量，但是該方案中只能實現一個 方向的大行程測量，并且當掩模臺運動范圍超出上述三個讀數頭布置區域后，該測量方案 失效。美國專利US8, 665, 455 B2采用多個讀數頭按照一維陣列進行布置，并通過四個一維 陣列正交布置實現對硅片臺大行程平面運動的測量，方案中光柵布置在硅片臺上表面，讀 數頭以陣列形式布置在硅片臺上方。但是該方案中的硅片臺運動行程受限于讀數頭的布置 方式，即當硅片臺上的光柵處于正交布置的讀數頭陣列下方時，測量系統才能正常工作。
【發明內容】
[0005] 本發明旨在提供一種基于平面光柵的硅片臺大行程運動測量系統，用以實現硅片 臺大行程平面運動的高精密測量，具有測量光路短、受環境影響小等特點。
[0006] 本發明的技術方案如下：
[0007] -種基于平面光柵的硅片臺運動測量系統，含有硅片臺定臺、硅片臺動臺、平面光 柵和讀數頭，其特征在于：所述的平面光柵安裝在硅片臺動臺底面，測量面朝向硅片臺定 臺；所述的讀數頭采用多個，多個讀數頭成二維陣列布置在硅片臺定臺上，并分布安裝在硅 片臺動臺的運動區域內，且靠近硅片臺定臺的上表面，讀數頭與平面光柵之間保留間隙；每 個讀數頭同時測量娃片臺動臺兩個方向上的位移，即X方向和Z方向或者y方向和z方向； 二維陣列的每行中的測量X方向和z方向的讀數頭與測量y方向和z方向的讀數頭間隔布 置，相鄰兩行的讀數頭之間對齊布置或者錯列布置；當所述的硅片臺動臺進行平面運動時， 任意時刻下平面光柵覆蓋至少三個讀數頭。
[0008] 上述技術方案中，所述的平面光柵采用一塊，或者采用多塊二維平面光柵拼接而 成。
[0009] 本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果：該測量系統采用二維讀數 頭陣列與平面光柵，通過在硅片臺動臺運動區域內布置多個讀數頭，實現對硅片臺大行程 運動的測量。二維讀數頭陣列減少了對動臺運動區域的限制。同時，平面光柵安裝在動臺 上，避免了線纜干擾。與采用激光干涉儀的測量方案相比，本發明提供的測量系統光路更 短，環境變化引起的誤差較小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1為發明提供的一種基于平面光柵的硅片臺大行程運動測量系統的示意圖。
[0011] 圖2a、2b和2c分別表不出平面光柵的組成方式。
[0012] 圖3a、3b分別表示出讀數頭陣列的兩種形式。
[0013] 圖中：1 一硅片臺定臺；2 -讀數頭；3 -平面光柵；4 一硅片臺動臺。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖對本發明的原理、結構和【具體實施方式】做進一步的說明。
[0015] 圖1給出了本發明提供的一種基于平面光柵的硅片臺大行程運動測量系統的示 意圖。運動系統含有硅片臺動臺4與硅片臺定臺1。硅片臺動臺4利用無鐵芯平面電機作 為驅動元件，采用氣浮或者磁浮實現大范圍平面運動。平面光柵3安裝在硅片臺動臺4下 表面，測量面朝向硅片臺定臺1，可以采用螺釘連接、粘接的方式安裝。平面光柵3與硅片臺 定臺1之間也保留間隙，避免工作時損壞光柵。讀數頭2安裝在硅片臺定臺1之上，且靠近 定臺上表面，縮短測量光路，降低環境變化對測量精度的影響。在硅片臺運動范圍內，布置 多個讀數頭，多個讀數頭成陣列安裝。每個讀數頭測量硅片臺動臺4兩個方向的線性位移， 即X方向和z向，或者y方向和z方向。為實現六自由度運動測量，任意時刻處于平面光柵 3測量面下方的讀數頭2的數量至少為三個，進而解算出硅片臺動臺六自由度位移。硅片臺 動臺4進行大行程運動時，在不同的位置上使用的傳感器也不同。不同傳感器根據位置進 行切換，處于硅片臺動臺4下方的讀數頭反饋位置信息，處于硅片臺動臺之外的讀數頭不 工作。
[0016] 圖2a、圖2b和圖2c表示出本發明中平面光柵的組成方式。由于每個讀數頭只能 測量兩個自由度的運動，因此在進行六自由度測量時，需要同時使用多個讀數頭。而讀數頭 2成陣列布置，因此對平面光柵的尺寸有一定的要求，使其能夠至少覆蓋3個讀數頭。因此 本發明中平面光柵3的第一種組成方式為由一大塊平面光柵組成，如圖2(a)所示。但是， 考慮到大型光柵制作難度較大，且成本較高，因此可以采用多塊小平面光柵拼接成一塊大 平面光柵進行測量。本發明中給出了兩種拼接方式，第一種方式為緊密拼接方式，即每兩個 相鄰光柵之間不存在間隙，如圖2(b)所示；第二種方式為間隙拼接方式，此種拼接方式中， 相鄰平面光柵之間存在一定的間隙，如圖2(c)所示，進一步減小了所需的單塊平面光柵的 尺寸，有利于降低成本。
[0017] 圖3a和圖3b分別表示出本發明的測量系統中讀數頭陣列形式。硅片臺動臺4在 硅片臺定臺1上方進行大范圍平面運動，為保證在整個運動行程內都能實現運動測量，本 發明在整個運動區域內布置了多個讀數頭2。多個讀數頭成二維陣列布置，二維陣列中每行 中的測量X方向和z方向的讀數頭與測量y方向和z方向的讀數頭間隔布置。除此之外， 相鄰兩行的讀數頭之間對齊布置，如圖3(a)所示，或者錯列布置，如圖3(b)所示。
【權利要求】
1. 一種基于平面光柵的硅片臺運動測量系統，含有硅片臺定臺（1)、硅片臺動臺（4)、 平面光柵（3)和讀數頭（2)，其特征在于：所述的平面光柵（3)安裝在硅片臺動臺（4)底面， 測量面朝向硅片臺定臺（1);所述的讀數頭（2)采用多個，多個讀數頭（2)成二維陣列布置 在娃片臺定臺（1)上，并分布安裝在娃片臺動臺（4)的運動區域內，且罪近娃片臺定臺（1) 的上表面，讀數頭（2)與平面光柵（3)之間保留間隙；每個讀數頭（2)同時測量硅片臺動臺 (4)兩個方向上的位移，即X方向和z方向或者y方向和z方向；二維陣列的每行中的測量 X方向和z方向的讀數頭與測量y方向和z方向的讀數頭間隔布置，相鄰兩行的讀數頭之間 對齊布置或者錯列布置；當所述的硅片臺動臺（4)進行平面運動時，任意時刻下平面光柵 (3)覆蓋至少三個讀數頭（2)。
2. 如權利要求1所述的一種基于平面光柵的硅片臺運動測量系統，其特征在于：所述 的平面光柵（3)采用一塊，或者采用多塊二維平面光柵拼接而成。
【文檔編號】G01B11/04GK104061864SQ201410306846
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】朱煜, 張鳴, 劉峰, 成榮, 楊開明, 支凡, 張利, 趙彥坡, 胡清平, 田麗, 徐登峰, 尹文生, 穆海華, 張金, 陳安林 申請人:清華大學, 北京華卓精科科技有限公司