台湾专利TW201303264A 干涉式外差光學編碼系統

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专利摘要:
一種編碼干涉系統，包括一干涉儀，用以接收具有不同頻率的一第一光束與一第二光束，上述干涉儀包括至少一光束偏振分離元件，用以引導上述第一光束沿著一量測路徑以定義一量測光束，與引導上述第二光束沿著一參考路徑以定義一參考光束。上述編碼干涉系統一編碼器尺規，用以將上述量測光束繞射至少一次；一偵測器，用以在上述量測光束由上述編碼器尺規繞射之後，接收上述量測光束與上述參考光束；以及一輸出元件，用以在上述量測光束與參考光束進入上述偵測器之前，接收上述量測光束與上述參考光束，並將上述量測光束與上述參考光束中的混附部分由上述偵測器折射出去。
公开号:TW201303264A
申请号:TW101103218
申请日:2012-02-01
公开日:2013-01-16
发明作者:Groot Peter De；Michael Schroeder
申请人:Zygo Corp；
IPC主号:G01B9-00

专利说明:
干涉式外差光學編碼系統
本揭露有關於干涉式外差光學編碼系統和方法，用以對編碼器尺規繞射產生的反射或穿透光束進行相位差的外差量測。
在一些情況中，干涉量測系統偵測器會根據光學干涉訊號來改變待測物的相對位置。舉例來說，干涉儀將與待測物作用(例如由待測物反射回來)的量測光束與第二光束(有時稱為參考光束)重疊與干涉後產生光學干涉訊號。待測物相對位置的改變對應於量測後光學干涉訊號的相位改變。
然而，許多干涉量測系統均會包括例為循環誤差(cyclic errors)的非線性度。一般來說，循環誤差被認為是相對於待測物之相對位置為週期性的量測誤差。循環誤差可表為量得之干涉訊號的相位及/或強度的函數，並且與量測光束和第二光束之間的光程差變化具有正弦的關係。“混光”(beam mixing)會產生循環誤差，其中理論上形成第二光束的部份輸入光束沿著量測路徑前進，且/或是本應沿量測路徑前進的部份輸入光卻沿著參考路徑前進。輸入光的橢圓偏振及/或干涉元件的缺陷會造成上述混光。在干涉儀的光束之中產生不需要的橢圓偏振的元件(例如反向反射鏡(retroreflectors))缺陷及/或相位推遲板(phase retardation plates)也會造成循環誤差。若是不加以補償，上述循環誤差會限制干涉系統所量得的位置改變。
本揭露有關於編碼系統與方法，當編碼器尺規移動時，編碼器尺規所繞射之反射或穿透光束會產生的相位改變，本揭露用以對其進行相位改變的量測。在一較佳實施例中，編碼系統包括一輸出元件，用以於偵測器將混附光束折射離開，並且降低偽光束(ghost beams)及/或偏振混合效應產生的循環錯誤大小。
在一些實施樣態中，本揭露提供一種編碼系統包括干涉儀，用以接收具有不同頻率的第一光束與第二光束，其中干涉儀包括至少一光束偏振分離元件，用以引導第一光束沿著量測路徑以定義量測光束，與引導第二光束沿著參考路徑以定義參考光束；編碼器尺規，用以將量測光束繞射至少一次；偵測器，用以在量測光束由編碼器尺規繞射之後，接收量測光束與參考光束；以及輸出元件，用以在量測光束與參考光束進入偵測器之前，接收量測光束與參考光束，並將量測光束與參考光束中的混附部分由偵測器折射出去。混附部分包括因為第一光束之偏振、第二光束之偏振以及光束偏振分離元件之任何缺陷造成沿著參考路徑被引導的部份第一光束與沿著量測路徑被引導的部份第二光束。
編碼系統更包括一種或多種下列技術特徵及/或其他實施態樣的技術特徵。舉例來說，輸出元件能夠為雙折射輸出元件。雙折射輸出元件能夠包括稜鏡對。稜鏡對中之第一稜鏡為雙折射斜楔，且稜鏡對中之第二稜鏡為玻璃斜楔。
在一些實施例中，系統更包括線性偏振器；輸出光纖透鏡；以及輸出光纖，用以將量測光束與參考光束由輸出原件耦接至偵測器。輸入光纖透鏡與輸入元件結合以使第一與第二光束在傳播方向上的上述角度差約介於0.1至10毫徑度或約介於0.5至5毫徑度。
在一些實施例中，系統更包括光源，用以產生具有不同頻率的第一與第二光束，其中光源更用於使得第一與第二光束具有大致上正交的偏振。光源包括聲光調製器、電光調製器或Zeeman分裂雷射，用以產生不同的頻率。光源係使得第一與第二光束均具有線性偏振、圓偏振或橢圓偏振。
輸入元件能夠為雙折射輸入元件。輸入元件能包括稜鏡對。光源更包括一對輸入偏振保持光纖，用以引導第一與第二光束朝向干涉儀；以及輸入光纖透鏡，用以將量測光束與上述參考光束由輸入光纖耦接至輸入元件。輸入與輸出元件對應於共用雙折射元件之不同部分。
在一些實施例中，輸出元件更用於將量測與參考光束彼此結合。
在一些實施例中，偵測器用以根據量測與參考光束之間的干涉來量測一干涉強度訊號。
在一些實施例中，編碼器尺規包括一維光柵。
在一些實施例中，干涉儀包括量測光束後向反射器，其中編碼器尺規將量測光束繞射至量測後向反射器、接收量測光束後向反射器回來的上述量測光束，以及接著將量測光束繞射回到光束偏振分離元件。干涉儀能夠具有包括光束偏振分離器的光束偏振分離元件。干涉儀更包括參考光束後向反射器，用以將參考光束後向反射回到光束偏振分離元件。
在一些實施例中，第一與第二光束定義出第一組輸入光束，其中干涉儀進一步接收第二組輸入光束以定義第二量測光束與第二參考光束，其中編碼器尺規將第二量測光束繞射至少一次，且其中系統更包括第二偵測器，用以在第二量測光束由編碼器尺規繞射出去後，接收第二量測光束與參考光束。系統能夠更包括第二輸出元件，用以在第二量測光束與參考光束進入第二偵測器之前，接收第二量測光束與參考光束，並將第二組輸入光的混附部分由第二偵測器折射出去。干涉儀能夠更包括第二量測光束後向反射器，其中編碼器尺規將第二量測光束繞射至第二量量測後向反射器、接收由第二量測後向反射器回來的第二量測光束，以及接著將第二量測光繞射回到光束偏振分離元件。第二偵測器用以根據第二量測光束與第二參考光束之間的干涉來量測第二干涉強度訊號。系統能夠更包括訊號處理系統，用以根據第一與第二干涉強度訊號來決定編碼器尺規沿著至少二個自由度的位置變化。
在一些實施例中，第一與第二光束在射入光束偏振分離元件之前在傳播方向上具有角度差。舉例來說，在傳播方向上的角度差約介於0.1至10毫徑度或介於0.5至5毫徑度。
在一些實施例中，光束分離元件包括光束分離介面。光束分離元件包括稜鏡立方體、繞射元件或雙折射元件。
一種或多種實施例細節搭配所附圖式作說明如下。根據說明書、圖式與申請專利範圍，本發明其他技術特徵與優點係清晰易懂的。
本揭露有關於干涉式外差光學編碼系統的錯誤補償。本揭露包括三個部分。本揭露第一個部分，名為『干涉式外差光學編碼系統』，有關於干涉式外差光學編碼系統可能的操作方式。本揭露第二個部分，名為『斜角光束誤差校正(Angled-Beam Error Correction)』，有關於用於校正干涉式外差光學編碼系統的誤差的架構與方法。本揭露第三個部分，名為『微影工具中的應用』，有關於將干涉式外差光學編碼系統應用於微影系統的架構與方法。
干涉式外差光學編碼系統
參考第1圖，干涉式外差光學編碼系統100包括一光源模組120(例如包括雷射)、一光學組件110、一待測物101、一偵測器模組130(例如包括一偏振器與一偵測器)，以及一電子處理器150。一般來說，光源模組120包括光源且亦能包括其他元件，例如光束整形元件(beam shaping optics)(例如光準直元件)、光導元件(light guiding components)(例如光纖波導)及/或偏振調節元件(例如偏振器及/或波板)。光學組件110的多種實施例係如下述。光學組件亦稱為『編碼器頭端(encoder head)』。笛卡爾座標為參考座標系。
待測物101設置於距離光學組件110沿Z軸些許標稱距離(nominal distance)之處。在一些應用中，例如編碼系統用於監測微影工具中晶圓台(wafer stage)或標線片台(reticle stage)的位置，待測物101能夠相對於光學組件在X和Y方向上移動，而與光學組件在Z軸維持大致上固定的距離。這個固定的距離係相對地小(例如數公分或更小)。然而，在上述應用中，待測物的位置通常會與上述大致上固定的距離有些微變動，且待測物的取向(orientation)也會相對於笛卡爾座標而有些許變動。操作期間，編碼系統100監測待測物101相對於光學組件110的一個或多個自由度，包括待測物101相對於X軸的位置，在一些實施例中，更包括待測物101相對於Y軸及/或Z軸及/或其角度取向所傾斜與偏離的位置。在一些實施例中，光學組件能夠相對於待測物101而移動，而在另外一些實施例中，待測物101與光學組件均能移動。
為了監測待測物101的位置，光源模組120將輸入光束122引導至光學組件110。光學組件110由輸入光束122導出量測光束112並將量測光束112引導至待測物101。光學組件110亦由輸入光束122導出參考光束(未圖示)並引導參考光束沿著不同於量測光束之路徑的路徑前進。舉例來說，光學組件110包括分光器，用以將輸入光束122分為量測光束112與參考光束。量測光束與參考光束具有正交的偏振(例如正交的線性偏振)。
待測物101包括編碼器尺規(encoder scale)105，其為一種量測分度(measuring graduation)，用以將來自編碼器頭端的的量測光束繞射為一個或多個繞射階。一般來說，編碼器尺規包括多種不同的繞射結構，例如光柵或全像繞射結構。光柵包括正弦、矩形或鋸齒光柵。光柵的特徵在於具有固定距離的周期性結構，但亦可具有複雜的周期性結構(例如擾頻光柵(chirped gratings))。一般來說，編碼器能夠將量測光束繞射至不只一個平面。舉例來說，編碼器可為二維光柵，其能將量測光束繞射至X-Z與Y-Z平面中的繞射階。編碼器尺規在X-Y平面延伸的範圍對應於待測物110的移動範圍。
在本實施例中，編碼器尺規105是具有光柵線的光柵，其延伸方向垂直於頁面，且其平行於第1圖所示笛卡爾座標系的Y軸。光柵線在X軸方向上是週期性的。編碼器尺規105具有對應於X-Y平面的光柵平面且編碼器尺規將量測光束112繞射至Y-Z平面中的一個或多個繞射階。
量測光束之上述繞射階的至少一者(標記為光束114)，回到光學組件110，並且與參考光束結合以形成輸出光束132。舉例來說，經繞射的量測光束114能夠為一階繞射的光束。
輸出光束132包括與量測光束和參考光束之光程差有關的相位資訊。光學組件110將輸出光束132引導至偵測器模組130，偵測器模組130偵測輸出光束並且傳送訊號至電子處理器150以對偵測到的輸出光束作回應。電子處理器接收並分析訊號並且決定待測物101相對於光學組件110之一個或多個自由度的相關資訊。
在一些實施例中，量測光束和參考光束具有微小的頻率差(例如在kHz至MHz範圍內的頻率差)，用以在一個頻率上產生感興趣的干涉訊號，上述頻率通常對應於此頻率差。文後稱此頻率為『外差』(heterodyne)頻率或『參考』頻率，並記為(相對於角頻率)。在外差頻率下，待測物相對位置改變的相關資訊通常對應於干涉訊號的相位。訊號處理技術能夠用來求取相位。一般來說，可移動的量測物使得相位項成為時變的(time-varying)相位項。待測物的第一階導數讓干涉訊號的頻率從外差頻率位移一個頻率，本文中稱為都卜勒位移(Doppler shift)。
舉例來說，量測光束和參考光束的頻率差能夠用Zeeman分裂雷射(Zeeman splitting laser)、聲光調製器(acousto-optical modulator)、使用兩種不同模式的雷射、在雷射內使用雙折射元件，或其他技術。正交偏振使得光束偏振分離器能夠引導量測光束和參考光束沿著不同路徑前進，並將其結合成為輸出光束，輸出光束接著穿過偏振器，偏振器將正交偏振分量混合起來使得其能夠干涉。在目標(target)沒有移動的情況下，干涉訊號共振於外差頻率，外差頻率恰為兩種分量的頻率差。在有移動的情況下，外差頻率藉由週知的都卜勒關係式而引入與目標速度有關的變化。因此，監測外差頻率的變化能夠監測目標相對於光學組件的移動。
在下述實施例中，『輸入光束』通常表示光源模組所射出的光束。對於外差偵測，輸入光束包括具有些許不同頻率的成分，如上所述。
第1圖所示編碼器尺規105是在一個方向上的週期性結構，一般來說，待測物包括多種不同的繞射結構，用以適當地將量測光束繞射。在一些實施例中，待測物包括在兩個方向上(例如沿著X軸及Y軸)的繞射結構，將量測光束繞射至兩個正交平面。一般來說，當在系統的幾何限制內結合兩個相應的參考光束時，編碼器尺規的繞射結構和光源模組係被選擇使得編碼系統提供具有足夠強度之一個或多個繞射的量測光束，用以產生一個或多個可偵測的干涉訊號。在一些實施例中，光源模組提供波長範圍為400nm-1,500nm的輸入光束。舉例來說，輸入光束具有約為633nm或980nm的波長。要注意的是，一般來說，外差光源(heterodyne source)的頻率分離僅會在輸入光束的兩種成分分量產生極微小的差，所以即使輸入光束不是純粹的單色光源，實際上仍可將其近似為單波長光源。在一些實施例中，光源模組包括氦氖雷射(HeNe laser)、雷射二極體(laser diode)或其他固態雷射(solid-state laser)、發光二極體(light-emitting diode)，或熱源，例如具有或不具有濾光器的鹵素燈以修正頻譜的頻寬。
一般來說，繞射結構(例如光柵週期)能夠根據輸入光束的波長、光學組件的設置與量測所使用的繞射階而改變。在一些實施例中，繞射結構為週期介於1 λ至20 λ的光柵，其中λ為光源波長。光柵的週期範圍約為1μm至10μm。
編碼系統的多種實施例是可行的。舉例來說，量測光束能夠以一入射角入射待測物101，使得繞射的量測光束不滿足Littrow條件。Littrow條件指的是繞射結構(例如光柵)相對於入射光束的取向，使得繞射後的光束與入射光束共線(co-linear)，其中繞射結構引導繞射後的光束回到光源。當繞射後的光束與入射光束不共線時，即不滿足Littrow條件。
在一些實施例中，編碼系統的設置方式是讓量測光束穿過編碼器尺規兩次並且使用量測光束的二次繞射階。舉例來說，參考第2圖，干涉式外差光學編碼系統200包括一光學組件210，光學組件210具有一參考光束後向反射器212、一量測光束後向反射器214，以及一偏振分光器216。系統200也包括一目標201、一雷射光源218、一偵測器模組240，偵測器模組240包括一偵測器242與一偏振器244，以及一電子處理器250。笛卡爾座標為參考座標系。
為了進行監測，光源218將輸入光束270引導至偏振分光器216。偏振分光器216由輸入光束270導出量測光束274與參考光束275，其中量測光束274和參考光束275的偏振是正交的。如第2圖所示，量測光束274的偏振方向垂直於圖式平面(s-偏振)而第二光束275的偏振方向平行於圖式平面(p-偏振)。然而，只要能夠區分出量測光束和參考光束(例如正交偏振)，它們能夠具有任何偏振(例如線性偏振、圓偏振或橢圓偏振)。
分光器216將量測光束274引導至目標201。目標201包括編碼器尺規205，編碼器尺規205將入射的量測光束274繞射，用以產生對應於量測光束274之非零次繞射階(例如第一階或第二階)之一次繞射的量測光束。
接著，繞射後的量測光束274被量測光束後向反射器212重新引導，再一次入射編碼器尺規205以產生二次繞射的量測光束。二次繞射的量測光束274接著回到偏振分光器216。偏振分光器216將二次繞射的量測光束274和參考光束275結合為輸出光束290，其中參考光束275已經被參考光束後向反射器212重新導向。雖然第2圖圖示一偏振分光器，其他能夠根據偏振特性而引導光線的光學元件也是可以使用的。舉例來說，上述光學元件包括稜鏡立方體(prism cube)、繞射元件(diffractive optics)、雙折射元件(birefringent optics)，以及反射面(無反射層的(rare)或鍍膜的(coated))，其中光束以掠射角(glancing angles)入射。
輸出光束290包括相位資訊，相位資訊與兩次繞射的量測光束與參考光束之間的光程差有關。接著，偏振分光器216將輸出光束290引導至偵測器模組240。在偵測器模組240，輸出光束入射偵測器242之前，偏振器244將輸出光束290中，量測光束和參考光束混合起來。舉例來說，旋轉偏振器244的穿透軸(例如將穿透軸相對於頁面旋轉45度)使得部分的s-偏振光穿透，部分的p-偏振光穿透。藉由偵測輸出光束290的混合分量，偵測器模組240的偵測器242接著傳送訊號至電子處理器250以茲回應。
電子處理器250接收並分析訊號，並且決定目標201相關於光學組件210的一維(或以上)的相關資訊。具體而言，電子處理器處理這些資訊部分根據訊號的外插相位(heterodyne phase)。因此，監測外插頻率的改變即能監測目標201相關於光學組件210的移動。
如第2圖所示，偏振分光器使得量測光束和參考光束由輸入光束中分離出來。然而，在一些實施例中，量測光束和參考光束可能無法完全被分開，例如部分的量測光束分量並未沿著量測光束的路徑，且部分的參考光束分量並未沿著參考光束的路徑，造成光束的『混合(mixing)』。
一般來說，與其他所需之光束混合在一起的混附光束(spurious beams)稱為『偽光束(ghost beams)』。相較於與偽光束混合的光束，偽光束具有不同的振幅、相位偏移及/或頻率，造成偵測到之干涉訊號的頻率偏移或相位偏移，或偵測到之干涉訊號的振幅改變。因此，量測編碼器尺規的位置時便會產生循環錯誤，其中循環錯誤是週期性的，週期性視編碼器尺規相對於光學組件的位置而定。
偽光束能在干涉編碼系統中產生多種缺陷。舉例來說，輸入光束不同頻率分量的偏振中，預期之外橢圓偏振會在偏振光束分離器中造成洩漏(leakage)，偏振光束分離器沿著個別的量測路徑和參考路徑將輸入光束分開。換句話說，部分具有第一偏振和頻率的量測光束可能會沿著參考路徑離開分離器，而非預期中的量測路徑；部分具有第二偏振和頻率的參考光束可能會沿著量測路徑離開光束分離器，而非預期中的參考路徑。在一些實施例中，偏振光分離器能具有低消光比(extinction ratio)，其中消光比為非預期的光穿透量與預期的光穿透量的比值。在一些實施例中，若輸入光束並未與光束分離器偏振面對齊(misalignment)，便會在光束分離器中產生洩漏。
干涉編碼系統其他元件預期之外的反射也會產生偽光束。舉例來說，在一些實施例中，干涉編碼系統使用一個或多個1/4波長板(quarter wave plates)。若1/4波長板不能讓100%的光束穿透，部分入射到波長板的光束便會反射回到量測路徑或參考路徑。
在一些實施例中，來自於編碼器尺規的反射也會產生偽光束。舉例來說，部份繞射後的量測光束可能會沿與入射的量測光束共線的路徑前進至分光器(例如在編碼器尺規繞射之前)。要注意的是，循環錯誤的來源並非以上述為限，其他機制也會產生此類循環錯誤。
所需之光束與偽光束之間的干涉，不論是來自洩漏或是干涉系統中的其他缺陷，都會產生多種循環錯誤，進而造成所偵測之輸出光束的誤差。電子或計算裝置能用來減少因系統缺陷產生的循環誤差。然而，在一些實施例中，誤差實在非常大，以致於對量測結果產生極大的不確定性。
斜角光束誤差校正(Angled-Beam Error Correction)
在一些實施例中，增加量測光束和參考光束之間分開的角度能夠降低循環誤差。舉例來說，第3圖是用來抑制非線性與循環誤差之外差光學編碼系統300的示意圖，例如光束混合所產生的非線性與循環誤差。編碼系統300的基本操作原理類似於第1圖所示之系統100。然而，編碼系統300包括一個或多個偏振元件，上述偏振元件在量測光束和參考光束的傳播方向之間引入或移除角度差，讓兩種光束能盡量分開(separation)。這讓光束除了偏振之外，也能藉由其傳播方向而被辨別，因此可以減少偽光束和偏振混合效應產生之循環誤差的數值。
類似於第2圖的干涉編碼系統，系統300包括一偵測器模組340，偵測器模組340具有一偵測器342與一偏振器344、一光源318、一電子處理器350、一目標301，目標301包括編碼器尺規305，以及一光學組件310，光學組件310具有一參考光束後向反射器312、量測光束後向反射器314以及一偏振分光器316。光學組件310也包括一偏振元件320，例如雙折射元件。
系統300操作期間，雷射光源318產生輸入光束370，輸入光束370具有彼此共線且正交偏振的主要光束371與次要光束372。舉例來說，主要光束可以是偏振方向不在頁面上的線性偏振(例如s-偏振)，而次要光束可以是偏振方向在頁面上的線性偏振(例如p-偏振)。正交偏振的兩道光束之間還包括外差頻率偏移(heterodyne frequency shift)。要注意的是，只要能夠區分主要光束和次要光束，它們能夠具有任何偏振(例如線性、圓或橢圓偏振)。
輸入光束370射入第一偏振元件320。偏振元件320在主要和次要光束371、372的傳播方向之間引入微小的角度差α。角度差的數值可視輸入光束370最初的偏振而定，其中輸入光束370最初的偏振可由雷射光源318、偏振元件320的材料和取向而決定，將於後文詳述。離開偏振元件320之後，主要和次要光束保有各自的偏振狀態。
接著，根據主要光束371和次要光束372的偏振，它們被偏振分光器316分開，以分別定義出量測光束374和參考光束375。偏振分光器介面311引導量測光束374沿量測路徑至編碼器尺規305，且同時讓參考光束375穿透沿參考路徑至參考光束後向反射器312。目標301上的編碼器尺規305將量測光束374繞射至一階或更多階。在一較佳實施例中，接著，繞射後的量測光束沿著遠離偏振分光器316的方向朝向量測光束後向分光器314前進，其中繞射後的光束被重新導向編碼器尺規305。量測光束374接著再次被編碼器尺規305繞射然後回到偏振分光器310。此時，參考光束後向反射器312引導參考光束375回到偏振分光器316。
接著，偏振分光器介面311將兩次繞射的量測光束374反射而讓參考光束375穿透。然而，由於起初使用第一偏振元件320對輸入光束370引入角度差，所以兩次繞射的量測光束374和參考光束375不會沿著平行的路徑朝向偵測器342前進。相對地，在分光器316內，兩次繞射的量測光束374和參考光束375的傳播路徑之間具有角度差α。
前進方向收斂的光束接著射入第二偏振元件321(例如雙折射元件)，第二偏振元件移除兩次繞射的量測光束和參考光束傳播路徑之間的角度差。因此，量測光束374和參考光束375穿過第二偏振元件321並作為輸出光線共線地傳播。偏振器344將共線的光束混合。偵測器342偵測到混合後的光束，混合後的光束產生干涉訊號。偵測器342接著將干涉訊號傳送至電子處理器350。
然而，具有不正確之偏振及/或傳播角度的光束卻包含其中，舉例來說，偽光束不會在第二偏振元件321共線地穿透出去。相對地，第二偏振元件321會把這些混附光束折射離開偵測器。
電子處理器350接收並分析干涉訊號的外差頻率(heterodyne frequency)，以決定目標301相對於編碼系統300一個或多個自由度的相關資訊。類似於第2圖的編碼器系統200，外差頻率的變化透過都卜勒關係式對應於目標301的速度變化。然而，相對於第2圖的編碼器系統200，因為混附光線在第二偏振元件321內是非平行的，因此抑制了其對干涉量測的貢獻。因此，在一些實施例中，監測目標301相對於編碼器系統300的移動可以減少光束混合造成的循環誤差。
在第3圖中，第一偏振元件320和第二偏振元件321都包括雙折射元件，例如雙折射稜鏡對。舉例來說，稜鏡對中的第一稜鏡包括一雙折射斜楔稜鏡(birefringent wedge prism)，而稜鏡對中的第二稜鏡包括一各向同性斜楔稜鏡(isotropic wedge prism)。在一些實施例中，雙折射斜楔和各向同性斜楔能夠融合在一起(例如使用光學黏著劑)以形成單一個組合成的雙折射元件。斜楔材料和取向的選擇係使得具有一既定偏振的第一光束穿透雙折射元件而無角度偏折，而具有與上述既定偏振正交之偏振的第二光束被雙折射元件偏折。舉例來說，各向同性稜鏡能夠由任何常見的光學玻璃所形成，例如BK7或熔融二氧化矽(fused silica)。雙折射稜鏡能由一種或多種不同材料形成，例如結晶型石英(crystalline quartz)SiO2、金紅石(rutile)TiO2、藍寶石(sapphire)Al2O3、鈮酸鋰(lithium niobate)、釔方解石(calcite)CaCO3。稜鏡對可為具有不同晶格配向或雙折射程度的兩種不同雙折射材料。雖然第3圖所示之雙折射元件均包括稜鏡對，但是也可以只包括單一稜鏡、三個稜鏡或稜鏡的其他種組合。
偏振元件320引入的角度差約介於0.05至20毫徑度(mrad)，舉例來說包括約介於0.1至10毫徑度，或約介於0.5至5毫徑度。
在一些實施例中，並不需要使用兩個偏振元件。相對地，單一個偏振元件(例如單一個雙折射稜鏡對)即可在輸入光束的正交偏振分量之間引入角度差，並且可以在繞射後的量測光束和參考光束離開偏振元件時移除角度差。
第4圖繪示在系統300操作期間，第3圖之編碼系統300的細部示意圖。具體來說，第4圖繪示離開偏振分光器316並朝向偵測器342前進的量測光束374和參考光束375。在沒有光束混合或偽光束的情況下，量測光束374(例如具有s-偏振)和參考光束375(例如具有p-偏振)以等於角度差α的收斂角接近雙折射元件321。雙折射元件321接著移除角度差使得兩道光束能夠共線地朝向偏振器344及偵測器342前進。
相對地，若射入雙折射元件321的是具有不恰當角度的偽光束(例如由於分光器介面缺陷或偏振不佳造成光束不慎穿透偏振分光器或被偏振分光器反射)，則這類的偽光束會折射通過雙折射元件321且成為混附偏振光離開偵測器。舉例來說，參考第3圖，若錯誤偏振的光束沿光束374平行傳播，則錯誤偏振的光束會成為p-偏振混附光束(spurious p-polarized beam)而離開雙折射元件321。兩個混附光束之間的夾角大約是角度差α的兩倍。
雖然在被元件321折射之後混附光束仍會通過偏振器344進入偵測器342，但是混附光束不致於大幅改變量測光束和參考光束所產生的主要干涉訊號。相對地，當對整個偵測器的空間分量作積分時，混附光束對干涉訊號的貢獻為零。舉例來說，當對整個偵測器表面作積分時，混附光束可能會在偵測器表面產生條紋圖案，進而產生微弱的雜訊(contamination signal)。若有需要，可用空間濾波器(第3圖未圖示)去除混附光束。相對地，當穿過輸出元件321之後，具有合適傳播角度和偏振的量測和參考光束共線地穿透至偵測器，光束產生外差干涉訊號具有最佳的對比度(例如訊號調變對平均訊號值的比值)。
第5A圖為干涉圖案的模擬示意圖，其模擬兩道光束之間具有非零角度差時(例如非共線混附光束)的干涉。此模擬所使用的軟體是MATHCAD^®14。第5B圖是第5A圖所示干涉圖案在整個偵測器表面之總強度值的示意圖(對時間作圖)。相對地，第5C圖為干涉圖案的模擬示意圖，其模擬兩道光束之間沒有角度差時(例如共線的量測和參考光束)的干涉。假設兩道光束強度是均勻的。實際上，光束通常具有高斯強度分佈(Gaussian Intensity profile)。第5D圖顯示第5C圖所示干涉圖案的積分強度值(對整個偵測器表面積分後對時間作圖)。如第5圖所示，混附光束所生干涉圖案之干涉，其對應的強度較小；而量測和參考光束所生之干涉訊號對應的積分強度較大。
為了決定非預期混附光束衰減的程度，先決定整個偵測器上的條紋總數ν。在一實施例中，假設偵測器為圓形，條紋數可由下列式子表示：其中R為偵測器半徑，λ為波長，α為干涉光束之間的發散角。接著，計算外差訊號，其等於複數表示式的實部。為了化簡，假設在偵測器孔洞(aperture)中的光束分佈是完全平坦的(雖然實際上光束分佈可能會改變)，使得外差訊號的複數表示式可為：I(t,v,x)=exp[i(ft+πvx/R)] (2)其中f為外差頻率，x為與干涉條紋正交的線座標，且訊號強度被歸一化至1。總訊號等於對整個偵測器作積分，如下式：將式子(3)改為極座標如下：其中，x(r,θ)=r cos(θ) (5)將式子(1)代入式子(5)，得到使用其中，u'=(rπυ/R) (9) u=πv (10)外差訊號可表示為：因此，積分後的訊號強度正比於，
第6圖繪示模擬的積分訊號強度和條紋數的關係(對整個偵測器半徑積分)。如第6圖所示，其顯示光束具有較小的相對發散(relative divergence)，且條紋數越少(參考式子(1))，外差訊號的強度越大。舉例來說，若偵測器為半徑R=0.5mm的圓且光束分佈在圓內是均勻的，則根據式子(1)，若發散角α=1 mrad，波長λ=633 nm，則在可視區(field of view)中會產生3.16個條紋。相較於共線光束時的最大值1，上述情況對訊號的貢獻僅0.0125。雖然不同光束分佈可能會讓精確的數字有所不同，但是基本原理仍舊可以套用於上述說明。
干涉外差光學編碼系統的其他組態也是可行的。舉例來說，在一些實施例中，干涉外差光學編碼系統包括兩個個別的偵測器模組，每一個上述偵測器分別與一參考光束干涉並偵測不同繞射階，以同時改善移動靈敏解析度且分辨沿著主要光束軸和沿著次要光束編碼器位移。
舉例來說，第7圖是使用兩個偵測器740、741之編碼系統700的示意圖。在第7圖中，雷射光源718產生具有共線且正交分量的輸入光線770。輸入光線770射入非偏振分光器760，其中光束770被分為輸入光束770a(第7圖，實線)和770b(第7圖，虛線)。非偏振分光器760亦包括後向反射器762，用以引導至少一道光束770a、770b共線地朝向偏振分光器716前進。
在抵達分光器716之前，每一道光束穿透相應的偏振元件，上述偏振元件在光束彼此正交偏振的分量之間引入角度差。如第7圖所示，偏振元件720a在輸入光束770a的s-偏振和p-偏振分量之間引入第一角度差α₁(未圖示)，用以產生第一量測光束774a和第一參考光束775a。類似地，偏振元件720b在輸入光束770b的s-偏振和p-偏振分量之間引入第二角度差α₂(未圖示)，用以產生第二量測光束774b和第二參考光束775b。
分光器介面711將兩道量測光束引導至具有編碼器尺規705的目標701。在本實施例中，編碼器尺規705將每一道入射的量測光束774a、774b繞射至一個或更多個繞射階。量測光束第一後向反射器714a將量測光束774a的至少一個繞射階重新引導回到編碼器尺規705。類似地，量測光束第二後向反射器714b將量測光束774b的至少一個繞射階重新引導回到編碼器尺規705。接著，兩個繞射階再次被繞射回到偏振分光器716。此外，兩道參考光束穿透分光器介面711至參考光束後向反射器712，參考光束後向反射器712將兩道參考光束反射回到分光器716。離開分光器716後，兩次繞射的量測光束774a和參考光束775a以一個角度差α₁(未圖示)朝向偏振元件721a前進。類似地，兩次繞射的量測光束774b和參考光束775b以一個角度差α₂(未圖示)朝向偏振元件721b前進。
接著，每一個偏振元件移除兩次繞射的量測光束和參考光束之間的角度差，以提供第一輸出光束790a和第二輸出光束790b。偏振器744接著將輸出光束790a中共線且正交的分量混合以產生第一干涉圖案，並且將輸出光束790b中共線且正交的分量混合以產生第二干涉圖案，其中偵測器740、741分別偵測第一和第二干涉圖案。偵測器740、741接著產生干涉訊號，干涉訊號被傳送至處理器750。雖然第7圖僅顯示一個偏振器744，但是可以對輸出光束790a和790b分別使用偏振器。
然而，具有錯誤偏振及/或傳播方向的混附光束不會共線地穿過偏振元件721a、721b。相對地，偏振元件721a、721b會將上述混附光束偏折離開偵測器。
電子處理器750接收並分析干涉訊號的外差頻率。因為對兩個偵測器模組來說，編碼器尺規沿著z軸的移動都是相同的，而編碼器沿著x方向會具有相反的正負號；對於每一個干涉訊號來說，由兩種相位的和或差所構成的複合訊號可以用來分辨沿著x及z方向的移動。在一些實施例中，可以使用額外的偵測器模組來偵測沿著y軸的位移。對於這種2D類型的應用(x和y方向的測量)，可以使用區域光柵(area grating)。舉例來說，編碼器尺規705可以在x和y方向上都是週期性的。
在其他實施例中，每一個第一偏振元件720a和720b都包括雙折射元件，例如雙折射稜鏡對，其中稜鏡對中的第一稜鏡為雙折射斜楔，稜鏡對中的第二稜鏡為各向同性斜楔。雙折射斜楔和各向同性斜楔可以是分立的元件或融合在一起(例如使用光學黏著劑)以形成單一個組合成的雙折射元件。斜楔材料和取向的選擇係使得具有一既定偏振的第一光束穿透雙折射元件而無角度偏折，而具有與上述既定偏振正交之偏振的第二光束被雙折射元件偏折。在一些實施例中，單一個偏振元件(例如單一個雙折射稜鏡對)即可在輸入光束的正交偏振分量之間引入角度差，並且可以在繞射後的量測光束和參考光束離開偏振分光器時移除角度差。
在一些實施例中，可以使用光纖取代自由空間的光源輸入(free-space light source input)。舉例來說，第8圖是干涉外差光學編碼系統800的示意圖，其包括雙光纖輸入818和光纖輸出808。在本實施例中，光纖輸入818為偏振保持光纖(polarization preserving fiber)，偏振保持光纖包括第一光纖核心(fiber core)和第二光纖核心。第一光纖核心提供具有第一偏振的第一光束，而第二光纖核心提供具有第二偏振的第二光束，第二偏振與第一偏振正交。
偏振元件820(例如具有雙折射稜鏡A和玻璃稜鏡B的雙折射稜鏡對)與聚焦透鏡819協同操作以在正交偏振的輸入光束之間引入角度差。相對地，偏振元件821(例如第二雙折射稜鏡對)用於移除繞射的量測光束和參考光束之間的角度差，且用以將混附波偏折離開光纖輸出808。透鏡809用於將干涉訊號耦合進入光纖輸出808，其中偏振器844混合繞射後的量測光束和參考光束以獲得干涉訊號。編碼系統800的其他元件類似於系統300及/或系統700的相應元件。
第9圖為系統800之光束傳輸部(beam delivery portion)的詳細示意圖。如第9圖所示，透鏡819設置於輸入光纖豬尾式接頭(input fiber pigtail)817的端點。偏振元件820包括雙折射稜鏡822和玻璃稜鏡823。雙光纖輸入818兩個光纖核心的距離是可以改變的，例如大約介於75-175μm、100-150μm或125-135μm，但並非以此為限。透鏡819的焦距可視所需的準直光束寬度而定。舉例來說，若光束於準直光束最大強度的1/e²之處寬度為1.25mm，則透鏡819的焦距約為7.0mm，並會在量測光束與參考光束之間產生約1.023°至1.105°的初始角度差。在光束間引入其他角度差亦是可能的。舉例來說，輸入光纖的透鏡819和偏振元件820能夠在第一和第二光束的傳播方向之間引入約介於0.1至10毫徑度或介於0.5至5毫徑度的角度差。
第10圖為第8圖光纖輸出的示意圖，包括偏振元件821和偏振器844。如本實施例所示，透鏡809設置於輸入光纖豬尾式接頭807的端點。在一些實施例中，偏振元件能在1/e²光束直徑的範圍內減少繞射的量測光束和參考光束之間的角度差約1毫徑度或2個條紋，其中偏振元件包括雙折射稜鏡和各向同性稜鏡(isotropic prism)。在一些實施例中，上述減少的角度差足以消除大部分循環誤差的來源。
一般來說，電腦硬體或軟體，或是其組合，均能用於實現上述任何分析方法，包括決定編碼器尺規自由度的相關資訊。舉例來說，在一些實施例中，電子處理器能夠設置於電腦中並連接至一個或多個編碼器系統，用於進行編碼器系統的訊號分析。使用下述標準程式化技巧的計算機程式能夠用來進行分析。將輸入資料(例如干涉相位資訊)輸入程式碼，以進行此處所述功能並產生輸出資訊(例如自由度資訊)。輸出資訊被輸出至一個或多個輸出裝置，例如顯示監視器。為了與電腦進行通訊，每一種程式碼都能被編寫至更高階的處理程序或物件導向語法(object oriented programming language)。程式也能被編寫為組合語言或機器語言(assembly or machine language)。在所有的情況下，所有的語言均能為編譯後或解譯後的語言。此外，程式亦能於本發明目的所用積體電路上執行。
上述每一種計算機程式係較佳地儲存於通用或專用可程式化計算機可讀取的儲存媒體或裝置之中(例如ROM或磁碟)，當儲存媒體或裝置被計算機讀取以進行此處所述程序時，用以組態或操作計算機。當程式執行時，計算機程式亦能常駐在快取記憶體或主記憶體。分析方法亦能設置為計算機可讀取儲存媒體，以計算機程式加以組態，其中儲存媒體讓計算機以特定或既定方式操作以執行此處所述功能。
微影工具中的應用
微影工具對於用來製造超大型積體電路(例如電腦晶片或類似裝置)的微影應用來說是很重要的。對於半導體製造產業來說，微影技術是關鍵技術。當線寬降至22奈米(設計規則)以下時，疊對改善(overlay improvement)是五個最重要的挑戰之一，例如參考”International Technology Roadmap for Semiconductors”，pp.58-59(2009)。亦可參考“System overview of optical steppers and scanners,”Microlithography,K.Suzuki,B.Smith,Eds.,pp.46-47(CRC Press,Boca Raton,2007)。
疊對與用來定位晶圓和網線/光罩台(wafer and reticle/mask stages)量測系統效能(例如準確度和精確度)有很大關係。因為微影工具每年產值約為$50-100M，所以改善量測系統所產生的經濟價值便很重要。微影工具1%的良率改善可提供積體電路製造商大約每年1M的經濟效益，也會讓微影工具設備商變的非常有競爭力。
微影工具的功能是引導空間上圖案化的光輻射照射到鍍有光阻的晶圓之上。整個過程包括決定晶圓接收光輻射的位置(對準)以及在該位置上應該施加多少光輻射(曝光量)。
在曝光過程中，輻射光源照射圖案網線，其會散射輻射以產生空間上圖案化輻射。網線有時候又稱為光罩，這兩個名稱在下文中有時會交替使用。在縮影(reduction lithography)的情況下，縮影透鏡(reduction lens)將散射後的輻射收集起來以形成光罩圖案的縮影。換句話說，在接近式曝光(proximity printing)的情況下，散射光線在射到晶圓上產生1：1的光罩圖案影像之前，其前進的距離很短(通常是數微米等級)。輻射誘發了光阻的光化學過程，將輻射圖案轉為光阻中的圖案。
為了將晶圓精確地定位，使用專用的偵測器量測晶圓和位於其上的光罩。所量到的光罩位置便定義出晶圓在工具內的位置。這些資訊，依循晶圓表面所需圖案的規格，讓晶圓能夠對準圖案化幅射。根據上述資訊，其上載有鍍上光阻之晶圓的可動式平台開始移動晶圓，使得輻射能夠正確地曝光在晶圓正確的位置之上。在特定的微影工具中，例如微影掃瞄器(lithography scanners)，光罩在微影過程中亦設置於可動式平台上並和晶圓一起移動。
編碼系統，如前述的編碼系統，是定位過程中很重要的元件，其控制晶圓和光罩的定位，並將光罩的影像轉移至晶圓。若包括上述特徵的編碼系統，其量測距離的精確度能夠提升及/或能夠長時間不需要作停機維護(offline maintenance)，則因為良率提升及停機時間縮短，生產的效率會提升。
一般來說，微影工具(亦可稱為曝光系統)通常包括照射系統(illumination system)和晶圓定位系統。照射系統包括輻射源和光罩。輻射源用以提供輻射，例如紫外光、可見光、x-ray、電子或離子輻射。光罩用以引入圖案至輻射中，藉此產生圖案化幅射。此外，在縮影的情況中，照射系統通常包括透鏡組，用以將圖案化幅射成像至晶圓上。圖案化幅射對鍍於晶圓上的光阻作曝光。照射系統亦包括光罩台和定位系統。光罩台用於承載光罩，定位系統用於調整光罩台和穿過光罩之輻射的相對位置。晶圓定位系統包括晶圓台和定位系統。晶圓台用於承載晶圓，定位系統用於調整晶圓台和圖案化幅射的相對位置。積體電路的製造過程包括很多曝光步驟。舉例來說，可參考J.R.Sheats and B.W.Smith,in Microlithography：Science and Technology(Marcel Dekker,Inc.,New York,1998)，上述所列專利參考文獻全體俱引用作為本說明書的揭示內容。
上述編碼系統用來精確地量測晶圓台和光罩台與曝光系統其他元件的相對位置，例如透鏡組、輻射源或承載結構。在這些例子中，編碼系統的光學組件設置於靜止的結構上，編碼器尺規設置於可動式元件上，例如光罩台或晶圓台。此外，情況也可以顛倒過來，光學組件設置於可動式元件上，而編碼器尺規設置於靜止的元件上。
更一般來說，該編碼系統能用來量測曝光系統中任意元件對曝光系統中另外任意元件的相對位置，其中光學組件設置於該元件之上或由該元件承載，並且編碼器尺規設置於該元件之上或由其他元件承載。
第11圖為使用干涉編碼系統1126的微影工具1100。干涉編碼系統用來測量曝光系統內晶圓(未圖示)的精確位置。平台1122用於定位和承載晶圓。掃描器1100包括框架1102，用來支撐其他結構和設置其他元件。曝光座1104設置於框架1102上，透鏡外罩1106設置於曝光座1104上，透鏡外罩1106上設置有光罩台1116，光罩台1116用來承載光罩或網線。定位系統中，定位元件1117用來定位光罩。定位元件1117可包括，例如壓電轉換器元件和相應控制電子裝置。雖然其未包括於所述實施例中，但是上述編碼系統的一個或多個元件亦能用來精確定位光罩台的位置，並且可動式元件的位置在微影製程中亦能被精確地監測。(參考Sheats and Smith Microlithography：Science and Technology)。
支撐座1113懸於曝光座1104之下，支撐座1113承載晶圓台1122。晶圓台1122包括待測物1128，用以繞射量測光束1154，光學組件1126引導量測光束1154至晶圓台1122。定位元件1119用來進行晶圓台1122相對於光學組件1126位置的定位。定位元件1119可包括，例如壓電轉換器元件和相應控制電子裝置。待測物將量測光束繞射回光學組件，光學組件設置於曝光座1104。干涉編碼系統可以是前述數種實施例的任何一者。
輻射光束1110，例如由UV雷射(未圖示)產生的UV光束，穿過光束整形鏡組1112後被鏡子1114反射。然後，幅射光束穿過光罩台1116上的光罩(未圖示)。透鏡外罩1106內的透鏡組1108將光罩(未圖示)的圖案轉移到晶圓台1122上的晶圓(未圖示)。制振系統中的彈簧1120能夠將曝光座1104以及設置於其上的任何元件和外界的振動隔絕開來。
在一些實施例中，前述一種或多種編碼系統可以用來量測與晶圓台或光罩台相關之多軸向和多角度的位移，但並非以此為限。此外，除了UV雷射光束，其他的光束亦可用來對晶圓曝光，例如x-ray、電子束、離子束以及可見光束。
在一些實施例中，光學組件1126可用來量測光罩台1116或掃描系統其他可動式元件的位置改變。編碼系統可以類似方式用於微影系統，例如步進機(steppers)或掃描機(scanners)。
本領域具有通常知識者均能知悉，微影是製造半導體裝置的關鍵技術。舉例來說，美國專利號5,483,343概述製造的步驟。上述步驟將於第12A圖和第12B圖中詳述。第12A圖為製造半導體裝置(例如半導體晶片(IC或LSI)、LCD面板或CCD)的流程圖。步驟1251為設計程序，其中設計半導體裝置的電路。步驟1252是根據電路設計製造光罩。步驟1253使用例為矽之材料製造晶圓。
步驟1254是稱為前處理(pre-process)的晶圓程序，使用前述備妥的光罩和晶圓，使用微影技術將電路形成於晶圓上。為了在晶圓上形成電路，微影工具的干涉定位是必須的。本文所述干涉系統和方法對於改善晶圓程序所用微影的效用是很有用的。
步驟1255為稱為後處理(post-process)的組裝程序，其中在步驟1254中處理的晶圓被組裝為半導體晶片。此步驟包括組裝(切割和拉引線)和封裝(晶片封裝)。步驟1256為檢查步驟，其中檢查步驟是對在步驟1255製造的半導體晶片作可操作性檢查(operability check)和耐久性檢查(durability check)等。經過上述程序之後，半導體晶片便可以出貨(步驟1257)。
第12B圖晶圓程序的詳細流程圖。步驟1261是氧化程序，用以在晶圓表面產生氧化層。步驟1262是化學氣相沉積(CVD)程序，用以在晶圓表面形成絕緣層。步驟1263是電極形成程序，使用氣相沉積在晶圓表面形成電極。步驟1264是離子佈植程序，用於將離子佈植進入晶圓。步驟1265為光阻塗佈程序，用以將光阻(光敏材料)塗佈在晶圓上。步驟1266是曝光程序，利用上述曝光裝置將光罩的電路圖案轉移至晶圓。再次強調，使用本揭露干涉系統和方法能夠改善微影的解析度和精確度。
步驟1267為形成程序，用於形成曝光後的晶圓。步驟1268為蝕刻程序，用於移除不需要的部份。步驟1269為光阻移除程序，用於移除蝕刻程序後殘留在晶圓表面的光阻。重覆上述程序，便可以在晶圓上形成電路圖案。
本揭露所述編碼系統亦可用於其他需要精確相對定位的應用。舉例來說，將光束(例如雷射、x-ray、離子束或電子束)寫入基板以形成圖案的程序，當基板或光束移動時，編碼系統能用於量測基板和寫入光束之間的相對位移。
本發明已以數種實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本領域具有通常知識者當能知悉，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，本發明保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧干涉式外差光學編碼系統
120‧‧‧光源模組
110‧‧‧光學組件
101‧‧‧待測物
130‧‧‧偵測器模組
150‧‧‧電子處理器
122‧‧‧輸入光束
112‧‧‧量測光束
105‧‧‧編碼器尺規
114‧‧‧光束
132‧‧‧輸出光束
200‧‧‧干涉式外差光學編碼系統
210‧‧‧光學組件
212‧‧‧參考光束後向反射器
214‧‧‧量測光束後向反射器
216‧‧‧偏振分光器
201‧‧‧目標
205‧‧‧編碼器尺規
218‧‧‧雷射光源
240‧‧‧偵測器模組
242‧‧‧偵測器
244‧‧‧偏振器
250‧‧‧電子處理器
274‧‧‧量測光束
290‧‧‧輸出光束
275‧‧‧參考光束
300‧‧‧外差光學編碼系統
340‧‧‧偵測器模組
342‧‧‧偵測器
344‧‧‧偏振器
318‧‧‧光源
350‧‧‧電子處理器
301‧‧‧目標
311‧‧‧偏振分光器介面
316‧‧‧偏振分光器
305‧‧‧編碼器尺規
310‧‧‧光學組件
320、321‧‧‧偏振元件
370‧‧‧輸出光束
371‧‧‧主要光束
372‧‧‧次要光束
374‧‧‧量測光束
375‧‧‧參考光束
312‧‧‧參考光束後向反射器
314‧‧‧量測光束後向反射器
α‧‧‧角度差
700‧‧‧編碼系統
740、741‧‧‧偵測器
718‧‧‧雷射光源
770、770a、770b‧‧‧輸入光線
760‧‧‧非偏振分光器
762‧‧‧後向反射器
716‧‧‧分光器
711‧‧‧分光器介面
720a、720b‧‧‧偏振元件
α₁、α₂‧‧‧角度差
774a‧‧‧第一量測光束
774b‧‧‧第二量測光束
775a‧‧‧第一參考光束
775b‧‧‧第二參考光束
701‧‧‧目標
705‧‧‧編碼器尺規
714a‧‧‧量測光束第一後向反射器
714b‧‧‧量測光束第二後向反射器
712‧‧‧參考光束後向反射器
721a、721b‧‧‧偏振元件
790a、790b‧‧‧輸出光束
744‧‧‧偏振器
800‧‧‧干涉式外差光學編碼系統
818‧‧‧光纖輸入
808‧‧‧光纖輸出
820、821‧‧‧偏振元件
819‧‧‧聚焦透鏡
809‧‧‧透鏡
844‧‧‧偏振器
822‧‧‧雙折射稜鏡
823‧‧‧玻璃稜鏡
817‧‧‧輸入光纖豬尾式接頭
807‧‧‧輸出光纖豬尾式接頭
1100‧‧‧微影工具
1126‧‧‧干涉編碼系統
1122‧‧‧平台
1100‧‧‧掃瞄器
1102‧‧‧框架
1106‧‧‧透鏡外罩
1116‧‧‧光罩台
1117‧‧‧定位元件
1113‧‧‧支撐座
1104‧‧‧曝光座
1122‧‧‧晶圓台
1128‧‧‧待測物
1120‧‧‧彈簧
1154‧‧‧量測光束
1126‧‧‧光學組件
1119‧‧‧定位元件
1110‧‧‧輻射光束
1112‧‧‧光束整形鏡組
1114‧‧‧鏡子
1108‧‧‧透鏡組
第1圖為干涉外差光學編碼系統之實施例的示意圖。
第2圖為干涉外差光學編碼系統之實施例的示意圖。
第3圖為干涉外差光學編碼系統之實施例的示意圖。
第4圖為第3圖之編碼系統的細部示意圖。
第5A圖為干涉外差光學編碼系統產生之干涉圖案的示意圖。
第5B圖是第5A圖所示干涉圖案在整個偵測器表面之總強度值的示意圖。
第5C圖為干涉外差光學編碼系統產生之干涉圖案的示意圖。
第5D圖顯示第5C圖所示干涉圖案的積分強度值。
第6圖顯示積分訊號強度和條紋數的關係。
第7圖為干涉外差光學編碼系統之實施例的示意圖。
第8圖為干涉外差光學編碼系統之實施例的示意圖。
第9圖為第8圖系統之光束傳輸部的詳細示意圖。
第10圖為第8圖光纖輸出的示意圖。
第11圖為使用干涉編碼系統的微影工具的實施例。
第12A圖和第12B圖為製造積體電路的流程圖。
200‧‧‧干涉式外差光學編碼系統
210‧‧‧光學組件
212‧‧‧參考光束後向反射器
214‧‧‧量測光束後向反射器
216‧‧‧偏振分光器
201‧‧‧目標
205‧‧‧編碼器尺規
218‧‧‧雷射光源
240‧‧‧偵測器模組
242‧‧‧偵測器
244‧‧‧偏振器
250‧‧‧電子處理器
274‧‧‧量測光束
290‧‧‧輸出光束
275‧‧‧參考光束

权利要求:
Claims (32)
[1] 一種編碼干涉系統，包括：一干涉儀，用以接收具有不同頻率的一第一光束與一第二光束，上述干涉儀包括至少一光束偏振分離元件，用以引導上述第一光束沿著一量測路徑以定義一量測光束，與引導上述第二光束沿著一參考路徑以定義一參考光束；一編碼器尺規，用以將上述量測光束繞射至少一次；一偵測器，用以在上述量測光束由上述編碼器尺規繞射之後，接收上述量測光束與上述參考光束；以及一輸出元件，用以在上述量測光束與參考光束進入上述偵測器之前，接收上述量測光束與上述參考光束，並將上述量測光束與上述參考光束中的混附部分由上述偵測器折射出去，上述混附部分包括因為上述第一光束之偏振、上述第二光束之偏振以及上述光束偏振分離元件之任何缺陷造成沿著上述參考路徑被引導的部份上述第一光束與沿著上述量測路徑被引導的部份上述第二光束。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述輸出元件為一雙折射輸出元件。
[3] 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中上述雙折射輸出元件包括一稜鏡對。
[4] 如申請專利範圍第3項所述之系統，其中上述稜鏡對中之一第一稜鏡為一雙折射斜楔，且其中上述稜鏡對中之一第二稜鏡為一玻璃斜楔。
[5] 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括：一線性偏振器；一輸出光纖透鏡；以及一輸出光纖，用以將上述量測光束與上述參考光束由上述輸出原件耦接至上述偵測器。
[6] 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括一光源，用以產生具有上述不同頻率的上述第一與第二光束，其中上述光源更用於使得上述第一與第二光束具有大致上正交的偏振。
[7] 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中上述光源包括一聲光調製器、一電光調製器或一Zeeman分裂雷射，用以產生上述不同的頻率。
[8] 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中上述光源包括一輸入元件，用以在上述第一與第二光束的傳播方向上引入一角度差。
[9] 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中上述輸入元件為一雙折射輸入元件。
[10] 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中上述輸入元件包括一稜鏡對。
[11] 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中上述光源更包括：一對輸入偏振保持光纖，用以引導上述第一與第二光束朝向上述干涉儀；以及一輸入光纖透鏡，用以將上述量測光束與上述參考光束由上述輸入光纖耦接至上述輸入元件。
[12] 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中上述輸入與輸出元件對應於一共用雙折射元件之不同部分。
[13] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述輸出元件更用於將上述量測與參考光束彼此結合。
[14] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述偵測器用以根據上述量測與參考光束之間的干涉來量測一干涉強度訊號。
[15] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述編碼器尺規包括一一維光柵。
[16] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述干涉儀包括一量測光束後向反射器，並且其中上述編碼器尺規將上述量測光束繞射至上述量測後向反射器、接收由上述量測光束後向反射器回來的上述量測光束，以及接著將上述量測光束繞射回到上述光束偏振分離元件。
[17] 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中上述光束偏振分離元件為一光束偏振分離器且其中上述干涉儀更包括一參考光束後向反射器，用以將上述參考光束後向反射回到上述光束偏振分離器。
[18] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述第一與第二光束定義出一第一組輸入光束且其中上述干涉儀進一步接收一第二組輸入光束以定義一第二量測光束與一第二參考光束，其中上述編碼器尺規將上述第二量測光束繞射至少一次，且其中上述系統更包括一第二偵測器，用以在上述第二量測光束由上述編碼器尺規繞射出去後，接收上述第二量測光束與參考光束。
[19] 如申請專利範圍第18項所述之系統，更包括一第二輸出元件，用以在上述第二量測光束與參考光束進入上述第二偵測器之前，接收上述第二量測光束與上述參考光束，並將上述第二組輸入光的混附部分由上述第二偵測器折射出去。
[20] 如申請專利範圍第18項所述之系統，其中上述干涉儀包括一第二量測光束後向反射器，其中上述編碼器尺規將上述第二量測光束繞射至上述第二量量測後向反射器、接收由上述第二量測後向反射器回來的上述第二量測光束，以及接著將上述第二量測光繞射回到上述光束偏振分離元件。
[21] 如申請專利範圍第18項所述之系統，其中上述第二偵測器用以根據上述第二量測光束與第二參考光束之間的干涉來量測一第二干涉強度訊號。
[22] 如申請專利範圍第21項所述之系統，更包括一訊號處理系統，用以根據上述第一與第二干涉強度訊號來決定上述編碼器尺規沿著至少二個自由度的位置變化。
[23] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述第一與第二光束在射入上述光束偏振分離元件之前在傳播方向上具有一角度差。
[24] 如申請專利範圍第23項所述之系統，其中在傳播方向上的上述角度差約介於0.1至10毫徑度。
[25] 如申請專利範圍第24項所述之系統，其中在傳播方向上的上述角度差約介於0.5至5毫徑度。
[26] 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中上述輸入光纖透鏡與上述輸入元件結合以使上述第一與第二光束在傳播方向上的上述角度差約介於0.1至10毫徑度。
[27] 如申請專利範圍第26項所述之系統，其中上述角度差約介於0.5至5毫徑度。
[28] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述光束分離元件包括一光束分離介面。
[29] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述光束分離元件包括一稜鏡立方體。
[30] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述光束分離元件包括一繞射元件。
[31] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中上述光束分離元件包括一雙折射元件。
[32] 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中上述光源係使得上述第一與第二光束均具有一線性偏振、一圓偏振或一橢圓偏振。

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法律状态:
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优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

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