掩模臺(tái)水平向的二維衍射平面光柵測(cè)量模型驗(yàn)證

郝春曉，張文濤，王獻(xiàn)英，黃遜志

（1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004 2.上海微電子裝備（集團(tuán)）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(jī)也發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其是運(yùn)動(dòng)臺(tái)的位置測(cè)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(cè)量模型，對(duì)掩模臺(tái)的位置進(jìn)行精確定位。

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

一般運(yùn)動(dòng)臺(tái)的位置測(cè)量系統(tǒng)是以雙頻激光干涉儀為核心部件，建立運(yùn)動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)移動(dòng)引起光程變化的關(guān)系模型，測(cè)量運(yùn)動(dòng)臺(tái)的位置。文獻(xiàn)[1]研究分析的激光干涉儀測(cè)量運(yùn)動(dòng)臺(tái)的不確定度可達(dá)25nm，行程為120mm。文獻(xiàn)[2]程吉水等建立運(yùn)動(dòng)臺(tái)的位置測(cè)量模型，控制精度達(dá)到10nm。但是激光干涉儀[3]由于波長(zhǎng)受到環(huán)境等影響較大，導(dǎo)致其在精密測(cè)量上受到限制，文獻(xiàn)[4]中也涉及到激光干涉儀系統(tǒng)的環(huán)境補(bǔ)償?shù)妊芯?。平面光柵尺很好地完善了此缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[5]中利用一維光柵干涉儀建立掩模臺(tái)的位置測(cè)量模型，但是文獻(xiàn)[6]中研究證明，所提出的測(cè)量方法不僅解決了使用3個(gè)一維線性光柵的安裝不便，而且利用數(shù)學(xué)模型本身對(duì)裝配誤差進(jìn)行了計(jì)算和補(bǔ)償。與使用3個(gè)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(cè)量精度遠(yuǎn)高于一維光柵干涉儀測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，并與雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證平面光柵尺測(cè)量系統(tǒng)具有較高地測(cè)量精度。

1 測(cè)量系統(tǒng)安裝布局

如圖1是用兩個(gè)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(diǎn)處，安裝在掩模臺(tái)主基板兩側(cè)。為了使測(cè)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(tái)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(duì)稱的位置上。為了使測(cè)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(cè)是掩模臺(tái)的平面光柵尺和讀頭的安裝俯視圖，右側(cè)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(gè)軸建立光程與掩模臺(tái)的位置模型。左側(cè)是掩模臺(tái)的激光干涉儀的測(cè)量軸的安裝俯視圖，右側(cè)是X向的反射鏡（Reflector Mirror）。

2 測(cè)量系統(tǒng)

雙頻激光器（He-Ne dual-frequency laser）發(fā)出雙頻的光信號(hào)，經(jīng)過分光鏡（Beam splitter）分成兩束光，一束作為參考信號(hào)連接到測(cè)量系統(tǒng)的控制機(jī)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(cè)量信號(hào)，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(yīng)和干涉原理，得到不同位置的光信號(hào)，再由光電接收處理板卡處理成莫爾條紋數(shù)；最后模型計(jì)算板卡（Model calculation board）利用產(chǎn)生的莫爾條紋數(shù)計(jì)算掩模臺(tái)運(yùn)動(dòng)的位置，輸出掩模臺(tái)的X、Y和Rz自由度。

圖2 激光干涉儀的掩模臺(tái)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(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Two-dimensional diffraction plane grating measuring system

3 測(cè)量模型

掩模臺(tái)平面光柵尺主要是對(duì)掩模臺(tái)水平方向自由度的測(cè)量，以二維衍射平面光柵尺為掩模臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的核心測(cè)量部件，且每個(gè)平面光柵可以同時(shí)進(jìn)行二維位移測(cè)量，再通過掩模位置與讀頭照射到光柵尺上移動(dòng)的位移之間的關(guān)系。最后建立了根據(jù)兩個(gè)平面光柵的4個(gè)輸出量計(jì)算平面移動(dòng)臺(tái)三自由度位移的數(shù)學(xué)模型。

圖4 掩模臺(tái)的實(shí)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(tái)的6個(gè)自由度。

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

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)圖1搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。兩個(gè)二維衍射平面光柵尺和激光干涉儀分別安裝在掩模臺(tái)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(jìn)行測(cè)量位置誤差對(duì)比。由于掩模臺(tái)的主要行程是Y向，所以下列分析主要是以Y向進(jìn)行分析。

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

圖5中，在勻速運(yùn)動(dòng)階段，激光干涉儀和平面光柵尺測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)環(huán)境下，平面光柵尺測(cè)量系統(tǒng)受環(huán)境影響要比激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)小很多，所以誤差更小，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

5 總結(jié)

圖5 測(cè)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(gè)二維衍射平面光柵組成的平面運(yùn)動(dòng)階段三自由度位移測(cè)量方法，并建立了計(jì)算和補(bǔ)償耦合誤差、提高定位精度的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)證明，與激光干涉儀測(cè)量方法相比，采用兩種平面光柵測(cè)量方法可以提高X、Y和Rz方向的測(cè)量精度。結(jié)果表明，所提出的測(cè)量模型更適用于測(cè)量平面移動(dòng)臺(tái)的三自由度位移。