掩模臺水平向的二維衍射平面光柵測量模型驗證

郝春曉，張文濤，王獻英，黃遜志

（1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004 2.上海微電子裝備（集團）股份有限公司，上海 201203）

0 引言

隨著集成電路行業(yè)的崛起，光刻機也發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其是運動臺的位置測量系統(tǒng)。本文提出利用平面光柵尺為核心部件，建立位置測量模型，對掩模臺的位置進行精確定位。

圖1 二維衍射平面光柵尺的掩模臺布局圖Fig.1 Plane layouts of planar grating of reticle stage

一般運動臺的位置測量系統(tǒng)是以雙頻激光干涉儀為核心部件，建立運動臺的運動移動引起光程變化的關系模型，測量運動臺的位置。文獻[1]研究分析的激光干涉儀測量運動臺的不確定度可達25nm，行程為120mm。文獻[2]程吉水等建立運動臺的位置測量模型，控制精度達到10nm。但是激光干涉儀[3]由于波長受到環(huán)境等影響較大，導致其在精密測量上受到限制，文獻[4]中也涉及到激光干涉儀系統(tǒng)的環(huán)境補償?shù)妊芯?。平面光柵尺很好地完善了此缺點，文獻[5]中利用一維光柵干涉儀建立掩模臺的位置測量模型，但是文獻[6]中研究證明，所提出的測量方法不僅解決了使用3個一維線性光柵的安裝不便，而且利用數(shù)學模型本身對裝配誤差進行了計算和補償。與使用3個一維線性光柵的方法相比，該方法在x和y方向上的耦合誤差分別減小了約3倍和15倍。二維平面光柵尺解決了非正交性，使其測量精度遠高于一維光柵干涉儀測量系統(tǒng)。所以本文研究用二維衍射平面光柵尺建立位置測量系統(tǒng)，并與雙頻激光干涉儀測量系統(tǒng)進行對比，驗證平面光柵尺測量系統(tǒng)具有較高地測量精度。

1 測量系統(tǒng)安裝布局

如圖1是用兩個二維衍射平面光柵尺[7]（Planar grating）作為核心部件，分別在等距離的X向在0.5*L且Y向在零點處，安裝在掩模臺主基板兩側。為了使測量的阿貝誤差盡可能小，所以要求光柵尺的工作面與掩模臺平面為同一高度。讀頭1[8]（Read Head 1）和讀頭2（Read Head 2）分別同軸安裝在X向和Y向等距離且對稱的位置上。為了使測量余弦誤差減小，所以要求讀頭光束要垂直照射到平面光柵尺的平面上。左側是掩模臺的平面光柵尺和讀頭的安裝俯視圖，右側是其左視圖。

如圖2是用激光干涉儀（Laser interferometer）作為核心部件，分別在X和Y向采用3個軸建立光程與掩模臺的位置模型。左側是掩模臺的激光干涉儀的測量軸的安裝俯視圖，右側是X向的反射鏡（Reflector Mirror）。

2 測量系統(tǒng)

雙頻激光器（He-Ne dual-frequency laser）發(fā)出雙頻的光信號，經(jīng)過分光鏡（Beam splitter）分成兩束光，一束作為參考信號連接到測量系統(tǒng)的控制機箱（Measuring system control cabinet）光電接收處理板卡（Optical signal Processing board）上；另一束入射到讀頭（Read head）作為測量信號，經(jīng)過讀頭內(nèi)部光路，照射到二維衍射平面光柵（Twodimensional diffraction plane grating）的表面，然后利用多普勒效應和干涉原理，得到不同位置的光信號，再由光電接收處理板卡處理成莫爾條紋數(shù)；最后模型計算板卡（Model calculation board）利用產(chǎn)生的莫爾條紋數(shù)計算掩模臺運動的位置，輸出掩模臺的X、Y和Rz自由度。

圖2 激光干涉儀的掩模臺布局圖Fig.2 Plane layouts of laser interferometer of reticle stage

圖3 二維衍射平面光柵尺測量系統(tǒng)Fig.3 Two-dimensional diffraction plane grating measuring system

3 測量模型

掩模臺平面光柵尺主要是對掩模臺水平方向自由度的測量，以二維衍射平面光柵尺為掩模臺測量系統(tǒng)的核心測量部件，且每個平面光柵可以同時進行二維位移測量，再通過掩模位置與讀頭照射到光柵尺上移動的位移之間的關系。最后建立了根據(jù)兩個平面光柵的4個輸出量計算平面移動臺三自由度位移的數(shù)學模型。

圖4 掩模臺的實物裝置圖Fig. 4 Physical layout of reticle stage

其中，X、Y、Z、Rx、Ry和Rz均指掩模臺的6個自由度。

φ1：光斑在平面光柵尺X向上移動的位移；φ2：光斑在平面光柵尺Y向上移動的位移；φ3：光斑在平面光柵尺Rz向上移動的位移。

4 實驗驗證

本次實驗根據(jù)圖1搭建實驗環(huán)境。兩個二維衍射平面光柵尺和激光干涉儀分別安裝在掩模臺主基板上，使其伺服控制誤差與環(huán)境干擾等誤差盡可能相同，更好地進行測量位置誤差對比。由于掩模臺的主要行程是Y向，所以下列分析主要是以Y向進行分析。

首先，分別利用掩模臺測量系統(tǒng)的PID閉環(huán)反饋[10]與加速度前饋控制策略，兩個測量系統(tǒng)分別測量出水平向自由度；然后，把激光干涉儀測量系統(tǒng)和平面光柵尺測量系統(tǒng)的測量值與Y向自由度的名義值進行對比。其中，激光干涉儀測量系統(tǒng)的3sigma值為181nm，在其同個位置上采集405次取其平均后的值，目的是去掉部分重復性的干擾。

圖5中，在勻速運動階段，激光干涉儀和平面光柵尺測量值的誤差都較小，而且平面光柵尺要小于激光干涉儀的誤差值。激光干涉儀和平面光柵尺的測量誤差主要是由伺服控制和環(huán)境等引起的系統(tǒng)誤差，這間接可以說明，在相同的實驗環(huán)境下，平面光柵尺測量系統(tǒng)受環(huán)境影響要比激光干涉儀測量系統(tǒng)小很多，所以誤差更小，穩(wěn)定性更強。

5 總結

圖5 測量系統(tǒng)的位置誤差分布圖Fig.5 Position error distribution diagram of measurement system

綜上所述，本文提出了一種由兩個二維衍射平面光柵組成的平面運動階段三自由度位移測量方法，并建立了計算和補償耦合誤差、提高定位精度的數(shù)學模型。實驗證明，與激光干涉儀測量方法相比，采用兩種平面光柵測量方法可以提高X、Y和Rz方向的測量精度。結果表明，所提出的測量模型更適用于測量平面移動臺的三自由度位移。