双通干涉测量编码器系统的制作方法

背景技术：

在一些情况下，干涉测量系统基于光学干涉信号监控测量对象的相对位置的改变。例如，干涉测量仪通过利用第二光束(有时称作“基准光束”)叠加和干涉从测量对象反射的测量光束来生成光学干涉信号，其中测量光束和基准光束源自于公共源。测量对象的相对位置的改变对应于所测量的光学干涉信号的相位的改变。

这种干涉测量系统的一个例子是通过跟踪被称作编码器刻度(encoder scale)的测量分度(graduation)来评估对象的运动的干涉测量编码器系统。典型地，干涉测量编码器系统包括编码器刻度和编码器头(encoder head)。编码器头是包括干涉仪的配件。干涉测量仪将测量光束定向到它衍射到的编码器刻度。干涉测量仪将衍射的测量光束与基准光束组合以形成包括与对象的位置相关的相位的输出光束。编码器系统被广泛用于光刻应用以监控光刻工具中可移动台的运动。编码器系统由于它们对大气湍流的相对不敏感性而在这样的应用中是有利的。

技术实现要素：

本公开涉及双通干涉测量编码器系统和方法，以及用于双通干涉测量编码器系统和方法的应用。

本发明的各个方面概述如下。

一般说来，在第一方面，本公开的主题可以以一种编码器系统具体体现，编码器系统包括：编码器头，与衍射编码器刻度一起使用，其中所述编码器头包括被如下配置的一个或多个光学元件：i)将以相对于编码器刻度的法线的第一入射角第一入射光束定向到所述衍射编码器刻度；ii)以相对于编码器刻度的法线的第一返回角从衍射编码器刻度接收第一返回光束，第一返回角不同于第一入射角；iii)以相对于编码器刻度的法线的第二入射角将第一返回光束作为第二入射光束重定向到所述衍射编码器刻度；和iv)以相对于编码器刻度的法线的第二返回角从所述衍射编码器刻度接收回第二返回光束，第二返回角不同于第二入射角，其中第一入射角与第二入射角之间的差小于第一入射角与第一返回角之间的差并且小于第二入射角与第二返回角之间的差。

所述系统的实施例可以包括其它方面的一个或多个以下特征和/或特征。例如，所述一个或多个光学元件可以被布置为将第二返回光束与基准光束组合以形成输出光束，并且所述编码器系统包括被定位用于检测所述输出光束的检测器。

所述编码器系统还可以包括电子处理器，被配置为：从所述检测器接收干涉信号，所述干涉信号包括与所述基准光束与第二返回光束之间的光程差相关的相位；以及基于所述相位确定关于所述编码器刻度的自由度的信息。所述相位可以包括外差相位。所述编码器系统还可以包括所述衍射编码器刻度。所述编码器刻度可以包括一维光栅或二维光栅。

在一些实施例中，第一返回光束以及第二返回光束中的每一个包括衍射光束。每个衍射光束可以包括一阶衍射光束。

在一些实施例中，第一入射光束和第一返回光束是非共线的并且非平行的，第二入射光束和第二返回光束是非共线的且非平行的。

在一些实施例中，所述一个或多个光学元件包括光束分离元件，被布置为从光源接收源光束以及从所述源光束导出第一入射光束。可替换地，或者另外，所述光束分离元件被布置为从所述源光束导出基准光束。

在一些实施例中，所述系统还可以包括检测器。

在一些实施例中，所述一个或多个反射元件包括如下布置的第一反射元件：接收第二返回光束；以及重定向第二返回光束到所述光束分离元件。所述一个或多个反射元件还可以包括第二反射元件，所述第一反射元件被布置为重定向第一返回光束到第二反射元件，以及第二反射元件被布置为：从第一反射元件接收第一返回光束；以及以第二入射角重定向第一返回光束到所述编码器刻度作为第二入射光束。第一反射元件可以包括光栅，其中所述光栅被配置为衍射第一返回光束和第二返回光束两者。

在一些实施例中，所述一个或多个光学元件包括第一后向反射器和第一反射元件，第一反射元件被布置为：从所述编码器刻度接收第一返回光束和第二返回光束两者；和重定向第一返回光束和第二返回光束到第一后向反射器，第一后向反射器被布置为重定向第二返回光束到所述光束分离元件。所述一个或多个光学元件还可以包括第二反射元件，其中所述后向反射器被布置为将第一返回光束从第一反射元件重定向到第二反射元件。所述第二反射元件可以被布置为：从所述第一反射元件接收第一返回光束，以及以第二角度将第一返回光束作为第二入射光束重定向到所述测量对象。

在一些实施例中，所述一个或多个光学元件包括第一后向反射器，其中所述光束分离元件和第一后向反射器被组合布置为：接收第一返回光束；和将第一返回光束作为第二入射光束重定向到所述测量对象。所述第一后向反射器可以被布置为：从所述光束分离元件接收所述基准光束；和重定向所述基准光束到所述光束分离元件。在一些实施例中，所述一个或多个光学元件包括在所述光束分离元件与第一后向反射器之间的多个棱镜元件，其中所述多个棱镜元件被配置为增加第一返回光束与所述基准光束之间的偏差。所述多个棱镜元件可以被布置在所述基准光束的光束路径和第一返回光束的光束路径中。所述多个棱镜元件可以包括楔形棱镜或者双折射棱镜。

在一些实施例中，所述系统还包括基准反射镜，被布置为在第一位置和在第二位置从所述光束分离元件接收基准光束。所述基准反射镜可以包括镜子。所述基准反射镜可以包括所述编码器光栅的表面。所述系统还可以包括第一四分之一波片，该第一四分之一波片被布置在所述基准反射镜与所述光束分离元件之间。

在一些实施例中，所述编码器系统还包括第二四分之一波片，该第二四分之一波片被布置在所述编码器光栅与所述光束分离元件之间。

在某些实施例中，所述一个或多个光学元件包括光束组合器，被布置为：从所述编码器刻度接收第二返回光束；从所述光束分离元件接收所述基准光束；以及将第二返回光束与所述基准光束组合以形成所述输出光束。所述一个或多个光学元件可以包括棱镜对和后向反射器。所述棱镜对以及所述后向反射器被组合布置以将第一返回光束作为第二入射光束重定向到所述测量对象。

在一些实施例中，所述一个或多个光学元件包括单个光学元件。

在一些实施例中，所述编码器系统可以耦接到照明系统，其中所述照明系统包括：辐射源，其中在所述光刻系统的操作期间，所述源将辐射定向到所述编码器系统；电子处理器，被配置为：从所述检测器接收干涉信号，所述干涉信号包括与光程差相关的相位；以及基于所述相位确定关于所述编码器刻度的位移的信息；以及定位系统，耦接到所述电子处理器并且被配置为基于关于所述编码器刻度的位移的信息调整所述台的位置。

在某些方面，本公开的主题可以在包括可移动台和编码器系统的系统中具体体现。衍射编码器刻度和测量对象二者之一可以附于所述可移动台。所述编码器系统可以包括：编码器头，用于衍射编码器刻度，其中所述编码器头包括被如下配置的一个或多个光学元件：i)以相对于编码器刻度的法线的第一入射角将第一入射光束定向到所述衍射编码器刻度；ii)以相对于编码器刻度的法线的第一返回角从衍射编码器刻度接收第一返回光束，第一返回角不同于第一入射角；iii)以相对于编码器刻度的法线的第二入射角将第一返回光束作为第二入射光束重定向到所述衍射编码器刻度；和iv)以相对于编码器刻度的法线的第二返回角从所述衍射编码器刻度接收回第二返回光束，第二返回角不同于第二入射角，其中第一入射角与第二入射角之间的差小于第一入射角与第一返回角之间的差或者小于第二入射角与第二返回角之间的差二者之一。

在某些方面，本公开的主题可以以包括可移动台和编码器系统的光刻系统中具体体现，在编码器系统中衍射编码器刻度或者测量对象二者之一可以附于所述可移动台。所述光刻系统还可以包括耦接到所述编码器系统的照明系统，其中所述照明系统具有辐射源，以使得在所述光刻系统的操作期间，所述源将辐射定向所述编码器系统。所述光刻系统还可以包括检测器，用于在光刻系统的操作期间检测来自所述编码器系统的输出光束；和电子处理器，被配置为：从所述光刻系统接收干涉信号，所述干涉信号包括与所述基准光束与第二返回光束之间的光程差相关的相位；以及基于所述相位确定关于所述编码器刻度的位置的变化的信息。所述光刻系统还可以包括定位系统，耦接到所述处理器并且被配置为基于关于所述编码器刻度的位移的信息调整所述台的位置。

某些实施例可以具有特定的优点。例如，在一些实施例中。

一个或多个实施例的细节将在附图和下面的描述中阐明。从描述和附图以及从权利要求中其它特征和优点将变得明显。

附图说明

图1是示范性干涉测量编码器系统的示意图。

图2-图10是示范性双通干涉测量编码器系统的示意图。

图11A是编码器头的示范性光学元件的示意图。

图11B是图11A中所示的元件的三维示意图。

图11C是图11A中所示的光学元件的示意图。

图11D是图11A中所示的元件的三维示意图。

图12是编码器头的示范性光学元件的三维示意图。

图13A是编码器头的测量光学元件的三维示意图。

图13B是与图13A中所示的光学元件一起使用的基准光学元件的三维示意图。

图13C是与图13B中所示的光学元件光学耦接的、图13A中所示的光学元件的三维示意图。

图14A和图14B是分别显示图13A的光学元件的横截面的二维示意图。

图15是包括双通干涉测量编码器系统的光刻工具的实施例的示意图。

图16A和图16B是描述用于制做集成电路的步骤的流程图。

在各个附图中同样的参考标记指示同样的元素。

具体实施方式

参照图1，干涉测量编码器系统100包括光源模块120(例如，包括激光器)、光学配件110、测量对象101、检测器模块130(例如，包括偏振器和检测器)以及电子处理器150。通常，光源模块120包括光源并且还可以包括其它元件，诸如光束成形光学器件(例如，光瞄准光学器件)、光导元件(例如，光纤波导)和/或偏振管理光学器件(例如，偏振器和/或波片)。光学配件110的各个实施例描述如下。在一些实施方式中，光学配件也可以称为“编码器头”。显示笛卡儿坐标系以供参考，其中Y轴(未显示)延伸到页中。

测量对象101位于沿Z轴距光学配件110一定法线距离的位置。在许多应用中，诸如编码器系统用于监控光刻工具中的晶圆台(wafer stage)或者掩模台(reticle stage)的位置之类的应用，测量对象101相对于光学配件110沿x和/或y方向移动，同时相对于z轴法线地保持距光学配件恒定距离。该恒定距离可以相对较小(例如，几厘米或者更小)。然而，在诸如此类的应用中，测量对象的位置通常将偏离法线恒定距离少量变化，并且笛卡儿坐标系内测量对象的相对方位也会少量变化。在操作期间，编码器系统100监控测量对象101相对于光学配件110的一个或多个这些自由度，包括测量对象101相对于x轴的位置，并且在某些实施例中，还包括测量对象101相对于y轴和/或z轴和/或相对于俯仰角方位(pitch angular orientation)和偏转角方位(yaw angular orientation)的位置。

为了监控测量对象101的位置，源模块120将输入光束122定向到光学配件110。光学配件110从输入光束122导出测量光束112并且将测量光束112定向到测量对象101。光学配件110还从输入光束122导出基准光束(未显示)并且将基准光束沿不同于测量光束的路径定向。例如，光学配件110可以包括将输入光束122分为测量光束112和基准光束的分光器(beam splitter)。测量和基准光束可以具有正交偏振(例如，正交线性偏振)。

测量对象101包括编码器刻度105，其是将来自编码器头的测量光束衍射到一个或多个衍射阶(order)。通常，编码器刻度可以包括诸如光栅或者全息衍射结构之类的各种不同的衍射结构。光栅的例子包括正弦曲线的、矩形的或者锯齿光栅。光栅的特征不仅可以是具有恒定节距(constant pitch)的周期性结构，而且可以是更复杂的周期性结构(例如，啁啾光栅(chirped gratings))。通常，编码器刻度可以将测量光束衍射到一个以上的平面。例如，编码器刻度可以是将测量光束衍射到x-z平面和y-z平面中的衍射阶的二维光栅。编码器刻度在x-y平面上延伸与测量对象110的运动范围相应的距离。

在本实施例中，编码器刻度105是具有光栅线的光栅，该光栅线与页所在的平面正交并且平行于图1的笛卡儿坐标系的y轴延伸。光栅线沿x轴方向是周期性的。编码器刻度105具有与x-y平面相对应的光栅平面，并且编码器刻度将测量光束112衍射在y-z平面上的一个或多个衍射阶。

测量光束的这些衍射阶的至少一个(标记的光束114)返回到光学配件110，在那里其与基准光束组合以形成输出光束132。例如，一次衍射的测量光束114可以是一阶衍射光束。

输出光束132包括与测量光束与基准光束之间的光程长度差相关的相位信息。光学配件110将输出光束132定向到检测输出光束的检测器模块130，并且响应于检测后的输出光束发送信号到电子处理器150。电子处理器150接收并且分析所述信号并且确定关于测量对象101相对于光学配件110的一个或多个自由度的信息。

在某些实施例中，测量光束和基准光束在频率上有较小差别(例如，千赫兹到兆赫范围内的差)，以便在基本相应于该频率差的频率处产生感兴趣的干涉信号。该频率在下文中可交换地称为“外差(heterodyne)”频率。关于测量对象的相对位置的改变的信息通常相应于在该外差频率上的干涉信号的相位。信号处理技术可用于提取该相位。通常，可移动测量对象导致该相位项随时间变化。在这点上，测量对象运动的一阶时间导数导致干涉信号的频率从外差频率偏移一定量——这里称为“多普勒”偏移。

测量光束和基准光束的不同频率可以例如，通过激光器塞曼分离(Zeeman splitting)、通过声光调制利用两种不同的激光器模式、或者在激光器内部使用双折射元件等等技术来产生。正交偏振使偏振分光器沿不同的路径定向测量光束和基准光束，并且将它们组合以形成随后穿过偏振器的输出光束，偏振器将正交偏振的分量混合以使得它们可以干涉。在目标没有移动的情况下，干涉信号在外差频率振动，该外差频率正是两个分量的光频率中的差。在目标移动时，外差频率通过众所周知的多普勒关系引起与目标的速度相关的改变。因此，监控外差频率的改变使得人员能够监控目标相对于光学配件的运动。

在如下所述的实施例中，“输入光束”通常指的是由源模块发出的光束。对于外差检测来说，输入光束的分量的频率稍有不同，正如以上的讨论。

在某些实施例中，设计干涉测量仪系统使得它们不在利特罗(Littrow)中操作。例如，通常，测量光束以某一入射角入射到测量对象101上，因此一次衍射的测量光束不满足利特罗条件。利特罗条件指的是诸如光栅之类的衍射结构相对于入射光束的方位，其中衍射结构将衍射光束定向回到源。换句话说，在编码器系统100中，一次衍射的测量光束不满足利特罗条件，因为一次衍射的测量光束与入射到编码器刻度上的测量光束是非共线的。

虽然在图1中描绘编码器刻度105为在一个方向上是周期性的，但是更一般地，测量对象可以包括适当地衍射测量光束的各种不同的衍射结构。在一些实施例中，测量对象可以包括在两个方向上(例如，沿x轴和Y轴)是周期性的衍射结构，其将测量光束在两个正交平面上衍射为光束。通常，编码器刻度的衍射结构和源模块被选择，以使得编码器系统提供一个或多个具有足够强度的衍射的测量光束以便当在系统的几何约束内与相应基准光束组合时建立一个或多个可检波的干涉信号。在一些实施例中，源模块提供具有波长从400nm到1,500nm范围的波长的输入光束。例如，输入光束可以具有大约633nm或者大约980nm的波长。注意的是，通常，外差源的分频仅仅导致输入光束的两个分量的波长之间非常小的差别，因此即使输入光束不是严格单频的，以单个波长作为输入光束也仍然是实际的。在一些实施例中，源模块可以包括气体激光器(例如，氦氖激光器)、激光二极管或者其它固态激光器源、发光二极管、或者热源，诸如带有更改光谱带宽的滤光器或者不带有滤光器的卤素灯。

通常，衍射结构(例如，光栅节距)可以依赖于输入光束的波长以及用于测量的光学配件和衍射阶的布置而变化。在一些实施例中，衍射结构是具有范围从大约1λ到大约20λ的节距的光栅，其中λ是源的波长。光栅可以具有范围从大约1μm到大约10μm的节距。

在一些情况下，光学误差可能通过典型被称为光束混合的过程而引入干涉测量编码器系统，其中“重影(ghost)”光束与测量光束和/或基准光束干涉。与重影光束与之组合的光束相比，这些重影光束可以具有不同的振幅、不同的相位偏移和/或差分频率，这导致检测到的干涉信号的相位中的偏移。因此，编码器刻度的相对位置的测量可以偏离编码器刻度的实际位置，从而限制由干涉测量仪测量的位移改变的准确性。

这样的重影光束可能由干涉测量编码器系统中的各种缺陷所引起。例如，如果测量光束和基准光束有不同频率，则那些光束的不同频率分量的偏振中的椭圆率可能通过干涉测量编码器系统中的一个或多个光学元件导致基准光束和/或测量光束的不想要的漏失。基准光束和/或测量光束的不想要的漏失还可能由于光学元件本身引起。例如，干涉测量编码器系统可以包括偏振分光器，其中分光器具有较低消光比(extinction ratio)，因此不想要的分量被透射而不是被分光器反射，反之亦然。重影光束也可能由于来自干涉测量编码器系统的其它元件的不想要的反射而产生。例如，在一些实施例中，入射到编码器刻度上的一部分光束被沿入射方向衍射回，而非沿与输入光束非共线的路径被衍射。

由于光束剪切(shearing)的发生，其它光学误差也可能存在于干涉测量编码器系统中。光束剪切在编码器光栅相对于编码器头的相对位置升高或者降低(例如，由于图1中沿z方向编码器刻度和/或编码器的运动)时发生。在一些情况下，该运动可能引起测量光束和基准光束的光路发散，导致编码器刻度位置的更进一步的测量误差。类似的误差可能由于编码器刻度相对于编码器头的方向上的小变化而产生，包括例如编码器刻度的倾倒、倾斜和偏转的改变。

为了提高上述误差的容限，干涉测量编码器系统可以被设置为使得测量光束相对于编码器刻度双通(double pass)，以使得测量光束从编码器刻度衍射两次。通过将系统配置为产生入射光束与相应衍射光束之间大角度差，可以降低来自重影光束及其他伪光束(spurious beam)的干涉。在一些实施例中，用于干涉测量编码器系统的双通布置也可以补偿当编码器刻度与编码器头之间的相对距离变化时可能发生的光束剪切。另外，在一些实施例中，对于一阶来说，双通结构具有补偿对象的方向的小变化(诸如倾倒、倾斜和偏转)的优点。

图2是用于监控测量对象105的位置的双通干涉测量编码器系统200的编码器头210的示例的示意图，其中编码器头210被设置为使得测量光束对两次通过测量对象105通并且从测量对象105返回的单个衍射光束用于与基准光束组合以确定测量对象105的位置。在本示例中，测量对象105是诸如一维光栅之类的编码器刻度。编码器刻度105可以附着于其它物体，包括可移动台。

编码器系统200被配置为检测沿z坐标和沿x坐标的位移，其中z坐标与光栅表面正交，而且x坐标位于光栅表面的平面中并且正交于所示的光栅槽(grating grooves)。编码器头210包括第一分光器202、第二分光器(光束组合器)204、后向反射器(retro-reflector)206和棱镜对208。在编码器系统200的操作期间，编码器头210从光源120接收源光束101。第一分光器202将源光束划分为测量光束和基准光束30，然后它们被沿不同的路径定向。如图2所示，测量光束包括四个不同的部分：第一入射光束11、第一返回光束12、第二入射光束21和第二返回光束22。因为测量对象105是编码器刻度，所以第一返回光束12相应于第一入射光束11的衍射阶(例如，一阶或者第二阶)。

第一返回光束12被后向反射器206和棱镜对208的组合重定向以作为第二入射光束21返回到编码器刻度105，其中测量光束被再次衍射以产生第二返回光束22。第二返回光束22相应于第二入射光束12的衍射阶(例如，一阶或第二阶)。然后，分光器204再组合基准光束30和第二返回光束22以形成被定向到检测器的输出光束207。然后，在检测器130处形成的干涉信号被递送到电子处理器，其基于干涉信号确定关于编码器刻度105的位置信息。

源光束可以从诸如外差激光器之类的外差源生成，其中源光束包括由正交偏振编码的、以稍有不同的频率传播的两个分离的光束。分光器202可以是偏振分光器，其基于两个频率的不同偏振将两个频率分离。在光束组合器204中重组合基准光束203和第二返回光束22之后，输出光束207传播到检测器模块130。正弦信号是从检测到的输出光束207的拍频(beat frequency)获得，其中信号的相位是φ_m-φ_r，其中φ_r是假定稳定或者已知的基准相位，并且φ_m是测量相位。

假定第一入射光束和第二入射光束的入射面包含x坐标并且相对于所示的z坐标定义角度，光束11、12、21、22传播相对于编码器刻度105的法线的角度分别是θ₁₁,θ₁₂,θ₂₁,θ₂₂。图2中示出第二返回光束22的角度θ₂₂作为示例。因为测量对象105将入射光束衍射，所以以下众所周知的光栅关系得以应用：

sin(θ₁₁)+sin(θ₁₂)＝mλ/D (1)

sin(θ₂₁)+sin(θ₂₂)＝mλ/D (2)

其中m是整数，称作衍射阶，D是光栅节距或者线或编码器刻度105的重复特征之间的间隔。如图中明显可见的是，下列附加不等式得以应用。第一返回光束12即不与第一入射光束11共线也不平行于第一入射光束11：

θ₁₂≠θ₁₁ (3)

第二返回光束22即不与第二入射光束21共线也不平行于第二入射光束21：

θ₂₂≠θ₂₁ (4)

图2中所示的结构的更多基本特性是第一入射光束11的传播角度与第二入射光束21的传播角度之间的差小于第一入射光束11与第一返回光束12的传播角度之间的差：

|θ₁₁-θ₂₁|<|θ₁₁-θ₁₂| (5)

并且第一入射光束21的传播角度与第二入射光束21的传播角度之间的差小于第二入射光束21的传播角度与第二返回光束22的传播角度之间的差：

|θ₁₁-θ₂₁|<|θ₂₁-θ₂₂| (6)

类似地，第一返回光束12的传播角度与第二返回光束22的传播角度之间的差小于第一入射光束11的传播角度与第一返回光束12的传播角度之间的差：

|θ₁₂-θ₂₂|<|θ₁₁-θ₁₂| (7)

第一返回光束12的传播角度与第二返回光束22的传播角度之间的差小于第二入射光束21与第二返回光束22的传播角度之间的差：

|θ₁₂-θ₂₂|<|θ₂₁-θ₂₂| (8)

等式(3)至(8)中的不等性的幅值足够大，以使得光束不被光学元件阻挡。例如，图2中所示的光束11不被后向反射棱镜206阻挡。在本示例中，两个入射光束11和21大致平行，而两个反射束12与22大致平行：

θ₁₁≈θ₂₁ (9)

θ₁₂≈θ₂₂ (10)

相反，对于本示例来说，两个入射光束都不平行于相应反射光束，如公式(3)和(4)中所示。

在一些实施例中，入射光束与返回光束之间的角度差足够大，从而减少由来自重影反射及其它伪光束的最终干涉信号的干涉所引起的测量误差。例如，在一些实施例中，编码器头210的光学元件被布置为使得公式(5)至(8)中的不等性对于1mm光束直径，大于大约1mrad(毫拉德)。在一些情况下，较大的角度可以按比例地用于较小的光束直径。

双通干涉测量编码器系统可以对于编码器刻度105的沿两个正交方向的位移灵敏。例如，编码器刻度105沿x坐标在平面内的位移在以某一速率从编码器两次反射之后改变了测量光束的相位φ_m，该相位φ_m可以表达为

φ_m＝(4πm/D)Δx, (11)

其中，Δx是编码器刻度105沿x方向的位移。类似地，编码器刻度105沿z坐标的平面外位移由下式给出

${\mathrm{\&phi;}}_m=4\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&Delta;}z\sqrt{1-{(m\mathrm{\&lambda;}/D)}^2}---\left(12\right)$

其中，Δz是编码器刻度105沿z方向的位移。公式(11)和(12)也可以应用于编码器头210相对于编码器刻度105的运动。因此，一旦电子处理器评估了来自检测到的干涉信号的相位信息，公式(11)和(12)就可用于确定编码器头210或者编码器刻度105在x方向或者在z方向的运动。例如，如本领域普通技术人员应当认识到的那样，电子处理器可以通过从检测到的信号的相位信息减去已知基准相位φ_r来计算测量相位φ_m，然后使用公式(11)和(12)计算x方向或z方向的位移。

对于编码器刻度和/或编码器头沿两个正交方向(例如，沿x方向和z方向)移动的应用中，编码器头210可以被修改为提取分别沿运动的不同正交方向中每一个方向的位置信息。例如，在一些实施例中，编码器头210扩展为包括图2中所示的第二组光学元件(例如，分光器202、分光器204、后向反射器206和棱镜对208)。第二组光学元件被配置为从源光束导出第二测量光束，以使得第二测量光束另外两次通过编码器刻度的表面。然而，与第一测量光束相反，第二测量光束最初入射到编码器刻度105上的角度不同于光束11的入射角，例如，第二测量光束可以最初以与相对于编码器刻度表面的法线的-θ₁₁相对应的角度入射。为了将x轴方向与y轴方向区分，在两个不同角度处使用使用至少两个测量。不同的角度可以包括但是不局限于幅值相等但是方向相反的角度。因而，对于第二测量光束来说公式(11)中对Δx的相位依赖性反转，但是对公式(12)中对z的相位依赖性保持不变。因此，由公式(11)提供的对于第一测量光束和第二测量光束的两个结果之间的差可以用于提取独立于z的x位移。可替换地或者此外，由公式(12)提供的对于第一测量光束和第二测量光束的两个结果之和可以用于提取独立于x的z位移。

在上面相对于图2的系统的公式提及的不等性也适用于下面描述的附加实施例。特别是，干涉测量编码器系统被配置为阻止返回光束角度12和22正好处于利特罗条件。因而，在光束之间引进至少一些角度间距，其可以有助于降低由来自重影反射的干涉所引起的位置测量误差。在一些实施例中，编码器头可以被配置为提高光学元件中基准光束路径与测量光束路径之间的间距。增加光束路径之间的间距可以降低伪光束对干涉信号的显著影响。

例如，图3是包括用于监控测量对象105的位置的编码器头310的双通干涉测量编码器系统300的示意图，其中编码器头310被配置为增加基准光束路径与测量光束路径之间的间距。编码器头310包括偏振分光器302、后向反射器304、一对楔形棱镜306和基准反射镜308。编码器头310还可以包括基准反射镜308和分光器302之间的第一四分之一波片(quarter wave-plate)312、测量对象105(例如，编码器刻度)和分光器302之间的第二四分之一波片。楔形棱镜306将根据公式(3)至(8)的不等性引入系统300。在某些实施例中，编码器头310的结构具有高热稳定性和容易用于管理大光束的优点。

如图3的例子所示，编码器头310从源120接收源光束301。分光器302从源光束301导出基准光束303和测量光束(例如，基于源光束的不同频率分量的偏振的差)。测量光束包括四个不同的部分：第一入射光束11、第一返回光束12、第二入射光束21和第二返回光束22。分光器302通过第二四分之一波片314将第一入射光束11定向到编码器刻度105，其中第一入射光束11被衍射以产生第一返回光束12。第一返回光束12通过分光器302和后向反射器304的组合作为第二入射光束21重定向回编码器刻度105，其中第二入射光束21然后被衍射以产生第二返回光束22。

分光器302还将基准光束303向基准反射镜308重定向。基准反射镜308可以包括任意适当的反射面，诸如例如镜子。在一些实施例中，反射镜308的位置是可调节的。例如，在一些情况下，反射镜308可以附着到可移动台。基准反射镜308将基准光束反射回分光器302，其中光束303被分光器302和后向反射器304的组合再次重定向回基准反射镜308。基准反射镜308将基准光束303第二次反射到分光器302。不是穿过分光器302，而是被两次反射的基准光束303与第二返回光束22组合以形成输出光束307。输出光束307被包括检测器(例如，光检测器)和混合偏振器的检测器模块130记录。波束分离基于入射光束的不同偏振来完成。例如，光束301具有向基准镜308反射的s偏振分量和作为测量光束向光栅105透射的p偏振分量。在两次通过四分之一波片314之后，偏振被反转以使得基准光束被透射而测量光束被反射。

图4是包括编码器头410的另一示范性双通干涉测量编码器系统400的示意图。编码器头410的布置类似于图3中所示的编码器头310的布置，除了编码器头410包括第一双折射棱镜对416和第二双折射棱镜对418来代替楔形棱镜之外。双折射棱镜对的添加导致通过编码器410的测量光束路径与基准光束路径之间的额外偏离/分离。

在一些实施例中，编码器头可以被设计为测量独立于第二正交运动方向的第一运动方向。例如，图5示出了双通干涉测量编码器系统500的示意图，该双通干涉测量编码器系统500包括编码器头510，其被配置为测量编码器刻度105在独立于z方向的x方向的位移。编码器头510的结构类似于图3中所示的例子。然而，与图3的例子相比，编码器头510被配置为使得基准光束503入射到编码器刻度表面的一部分上而不是基准反射镜。也就是说，分光器502相对于编码器刻度被放置，以使得从分光器502出射的入射基准光束503a沿着朝向编码器刻度105的光束路径行进。然后入射基准光束503被编码器刻度衍射以产生传播到分光器502的具有衍射阶(例如，一阶或第二阶)的衍射基准光束。分光器502和后向反射器504的组合将一次衍射的光束向编码器刻度105重定向，在编码器刻度105中一次衍射的光束被再次衍射。然后两次衍射的基准光束503b返回到分光器502并且与两次衍射的测量光束组合以产生输出光束。

当基准光束503相对于编码器刻度表面的法线以与-θ₁₁相对应的角度(入射测量光束11入射编码器刻度的角度的负值)入射到编码器刻度105上时，图5的例子中所示的结构可用于确定编码器刻度105沿独立于z方向的x方向的位移。例如，公式(11)可用于计算两次衍射的基准光束和两次衍射的测量光束二者对于Δx的相位依赖性。由公式(11)提供的对于基准光束和测量光束的两个结果之间的差就可以用于提取关于y轴没有倾斜的、独立于z方向的x方向位移。

通常，在图2至图5中图解的实施例中入射光束与相应衍射光束之间的角度的差可以包括但是不局限于大约1与大约10度之间的区间的角度。在一些实施例中，角度的差可以更小。例如，参照图3，角度的差可以在关于1mrad与大约10mrad之间。在一些实施例中，编码器头可以被配置为产生入射光束与衍射光束之间的较大的角度差。例如，图6是示范性双通干涉测量编码器系统600的示意图，其中入射测量光束与相应衍射光束之间的角度可以在大约10度到大约80度的0阶上。

编码器头610包括用于从源光束601导出基准光束和第一入射测量光束11的分光器602。第一入射光束11向编码器刻度105传播，并且被衍射以产生第一衍射返回光束12。返回光束12被第一反射元件604朝向第二反射元件606反射。然后，第二反射元件606将第一返回光束12作为第二入射光束21朝向编码器刻度105重定向。第二入射光束21被编码器刻度105衍射以产生第二返回光束22，其中第二返回光束22相应于两次衍射的测量光束。然后，第二返回光束22被第一反射元件604朝向分光器/光束组合器602重定向并且与基准光束组合以产生传递到检测器模块130(例如，包括偏振器与检测器)的输出光束605。第一反射元件604与第二反射元件606可以包括任意适当的高反射元件，诸如镜子。

为了图解的目的，在图6中仅仅在图所在的平面中示出入射光束的衍射。然而，系统600可以还被配置为重定向以沿着图所在的平面向内或者向外的方向衍射以用于完整的3D后向反射，并且由此进一步降低系统对对象倾斜的灵敏度。类似于图2至图5中公开的实施例，系统600可用于补偿检测器中的横向光束剪切，其中检测器中的光束剪切是由编码器头610或者编码器刻度105的位置沿平行于z方向的方向的相对变化所引起的。

图7是示范性双通干涉测量编码器系统700的示意图，双通干涉测量编码器系统700是图6中所示的布置的变形。具体来说，除了第一反射元件704、第二反射元件706和分光器/光组合器702之外，系统700的编码器头710还包括后向反射器708。后向反射器708可操作用于从第一反射元件704接收第一返回光束12，并且可操作用于顺次将光束12定向到编码器刻度105。后向反射器708还可操作用于将第二返回光束22向分光器702重定向，其中第二返回光束22在分光器/光束组合器702中与基准光束组合以形成输出光束705。

图8是示范性双通干涉测量编码器系统800的示意图，双通干涉测量编码器系统800是图6中所示的布置的另一变形。具体来说，第一反射元件804包括诸如像衍射光栅之类的衍射元件。因此，在分光器/光束组合器802中与基准光束组合的测量光束相应于已经被四次不同地衍射的光束，包括两次被编码器刻度105衍射和两次被衍射元件804衍射。在某些实施例中，图8中所示的编码器头结构相较于图6中所示的系统600的编码器头结构能够提高对于光栅倾斜的补偿。具体来说，编码器头810补偿编码器刻度105的非线性衍射角度特性。如本领域普通技术人员应当理解的那样，如果在入射光束11的角度上有小变化，则从公式(1)计算的反射光束12的角度的变化将与入射光束11的角度的变化相同。然而，通过将衍射元件804如图所示放置，该角度变化的差得以补偿，并且光束21保持平行于光束11，如公式(9)中那样。

图9是示范性双通干涉测量编码器系统900的示意图，双通干涉测量编码器系统900是图6中所示的布置的另一变形。编码器系统900采用用于透射来自编码器刻度105的第一返回光束12和第二返回光束22的透射光栅904。系统900包括用于将第一返回光束12作为第二入射光束21重定向到编码器刻度105的后向反射器906，并且包括用于将已经通过透射光栅904的第二返回光束22朝分光器902重定向的反射元件908。在一些实施例中，图9中所示的布置通过补偿不同倾斜角度的编码器刻度105的非线性衍射特性来提高编码器刻度105的倾斜的容限。

图10是示范性双通干涉测量编码器系统1000的示意图，双通干涉测量编码器系统1000是图6中所示的布置的另一变形。编码器系统1000采用棱镜元件1004(例如，棱镜)、反射元件1006(例如，镜子)和后向反射器1008。在一些实施例中，图10中所示的布置通过补偿不同倾斜角度的编码器刻度105的非线性衍射特性来提高编码器刻度105的倾斜的容限。

在一些实施例中，单个单片光学元件可用于使测量光束两次通过编码器刻度。使用单个单片光学元件可以使能更紧凑的编码器系统设计以及降低对准需求。图11A是在元件1110内使用内反射向编码器刻度105重定向测量光束1101的单个单片光学元件1110的示意图。图11B是图11A中所示的元件1110的三维示意图。图11C是图11A中所示的光学元件的替换示图。图11D是元件1110的替换三维图。为了图解的目的，没有显示基准光束及编码器系统的其他光学元件。元件1110可以由适当的光学透明材料形成，包括例如玻璃。图11A-11D中所示的元件1110包含隐含的玻璃楔，其中来自编码器刻度105的衍射光束以相对于编码器刻度105的法线和相对于元件1110的表面法线所测量的不同的角度进入和退出元件1110。光学元件1110的表面角度被优化以使得隐含楔的折射角的非线性特性补偿相对于编码器刻度的光栅倾斜的衍射角的非线性特性。在与编码器刻度105的第一交互和第二交互之间，测量光束在光学元件1110中经历三次内反射，类似于后向反射器内的光束路径。

在一些实施例中，图8和图11中所示的编码器头结构具有额外好处：1)补偿在检测器中由z运动引起的光束剪切；和2)与图2和图3中所示的实施例的表现出对光束剪切的部分补偿和缩短的编码器头结构相比，很少或几乎不呈现光束缩短(foreshortening)。

在一些实施例中，图11中所示的编码器头可以被更改以提高效率。例如，图12是单片光学元件1210的三维示意图，其被配置为与捕获单个衍射阶相反的、在测量光束的初始衍射之后接收两个衍射阶。例如，光学元件1210可以被配置为从编码器刻度接收+1衍射光束和-1衍射光束，并且将+1和-1衍射光束中的每一个重定向回编码器刻度105。因而，两个分离的两次衍射的测量光束被元件1210输出。两个测量光束中的每一个可以与基准光束组合以产生两个输出光束，然后两个输出光束可用于计算二维的编码器刻度105位置。为了图解的目的，没有显示编码器系统的基准光束及其他光学元件。再次，元件1210可以由适当的光学透明材料形成，包括例如玻璃。

在一些实施例中，面向编码器刻度105的单片光学元件的表面可以组合为单个连续平面。例如，图13A是单片光学元件1310的三维示意图，其中测量光束通过元件1310的单个平面1302退出和进入光学元件1310。图13B是与光学元件1310一起使用的单片光学元件1312的三维示意图，其中光学元件1312被配置为接收基准光束。光学元件1310和元件1312被配置为使得测量光束1305通过元件1310的光程长度等于基准光束的光程长度。图13C是光学耦接到光学元件1312以产生输出光束的光学元件1310的三维示意图，输出光束是两次衍射的测量光束和基准光束的组合。在一些实施例中，光学元件1310和元件1312可以组合成单个单片光学元件。在一些实施例中，图13C中所示的结构具有相对紧凑的优点。此外，图13C中所示的编码器头结构能够保证相对于由倾斜和光束剪切所引起的输入光束对准误差，具有类似的输出光束特性。

图14A是图13A的光学元件1310的横截面的二维示意图，其中显示了第一返回光束12相应于入射测量光束11的一阶衍射光束而且第二返回光束22相应于第二入射测量光束21的一阶衍射光束。与此对比，图14B是图14A中相同横截面的二维示意图，其中显示了伪光束(诸如零阶衍射光束)沿着不能被光学元件重定向到与所期望的测量光束共线的光束路径。因此，能够降低由伪光束对测量光束的干涉所引起测量误差。

通常，如上所述的分析方法中任意一种，包括从检测的干涉信号确定相位信息以及编码器刻度的自由度信息，能够在计算机硬件或者软件或者两者的组合中实现。例如，在一些实施例中，电子处理器150能够安装在计算机中并且连接到一个或多个编码器系统并且被配置为执行来自编码器系统的信号的分析。能够使用遵循这里描述的方法的标准编程技术以计算机程序实现所述分析。程序代码被应用于输入数据(例如，干涉测量相位信息)以执行这里描述的功能并且生成输出信息(例如，自由度信息)。输出信息被施加于诸如显示器监控器之类的一个或多个输出装置。每个程序可以以用于与计算机系统通信的高级程序语言或者面向对象编程语言实现。然而，所述程序能够以汇编语言或者机器语言实现，如果期望的话。在任何情况下，所述语言能够是编译语言或者解释语言。而且，所述程序能够在针对该目的的专用集成电路上运行。

每个这样的计算机程序优选存储在可由通用或专用可编程计算机读取的存储介质或器件(例如，ROM或者软磁盘)上，用于当存储介质或器件被计算机读取以执行这里描述的程序时配置并且操作计算机。计算机程序还可以在程序执行期间驻留在高速缓存或者主存储器中。所述分析方法还可以实现为计算机可读存储介质、利用计算机程序进行配置，其中存储介质被配置为使得计算机以特定且预定义的方式运行以执行这里描述的功能。

光刻工具应用

光刻工具对于用于制造诸如计算机芯片等等的大规模集成电路中使用的光刻应用特别有用。光刻是半导体制造业的关键技术推动者。覆盖改善(overlay improvement)是降至或低于22nm行宽(设计规则)的五个最困难的挑战之一，参见例如International Technology Roadmap for Semiconductors，第58-59页(2009)。

覆盖直接信赖于用于晶圆台和掩模(reticle)(或者光罩(mask))台定位的计量系统的性能，即准确性和精确性。因为光刻工具可以产生5千万-1亿美元/年的产品，所以改善的计量制系统的经济价值意义重大。在光刻工具产量上每1％的增长大约导致集成电路厂商1百万美元/年的经济收益以及对光刻工具供应厂商重大的竞争优势。

光刻工具的功能是将空间图案化的辐射定向到涂有光致抗蚀剂(photoresist)的晶圆上。所述过程包括确定晶圆的哪个位置将接收辐射(对准)以及将辐射施加到该位置的光致抗蚀剂(曝光)。

在曝光期间，辐射源照亮图案化的的掩模，其将辐射散射以产生空间图案化的的辐射。所述掩模也称为光罩(mask)，并且这些术语在下面可交换使用。在缩小光刻的情况下，缩影镜头(reduction lens)集中散射辐射并且形成掩模图案的缩小图像。可替换地，在邻近印刷的情况下，散射辐射在接触晶圆以前传播较小距离(通过是微米级)以产生掩模的1:1图像。辐射在抗蚀剂中启动光化学过程，所述电阻将辐射图案转换为抗蚀剂内的潜像。

为了适当地定位晶圆，晶圆包括能够由专用传感器测量的晶圆上的对准标记。所测量的对准标记的位置定义工具内晶圆的位置。该信息与期望的晶圆表面的图案的规格一起，指导晶圆相对于空间图案化的的辐射的对准。基于这样的信息，支撑涂有光致抗蚀剂的晶圆的可转移台将晶圆移动以使得辐射将曝光晶圆的正确位置。在某些光刻工具中，例如，光刻扫描仪，光罩也位于可转移台上，可转移台在曝光期间与晶圆一致地运动。

编码器系统，诸如先前讨论论述那些，是控制晶圆和掩模的位置的定位机制的重要元件，并且在晶圆上对准(register)掩模图像。如果这样的编码器系统包括如上所述的特征，则能够在不进行脱机维护的条件下提高和/或保持系统测量的距离的准确性较久的时间段，导致由于增加的产量和更小的工具停工时间而得到较高的生产能力。

通常，光刻工具，也称为曝光系统，典型地包括照明系统和晶圆定位系统。所述照明系统包括用于提供诸如紫外线、可见光、x射线、电子或离子辐射之类的辐射的辐射源，以及用于将图案给予辐射从而生成空间图案的辐射的掩模或者光罩。此外，对于缩小光刻的情况，照明系统能够包括用于将空间图案化的辐射成像到晶圆上。成像的辐射曝光晶圆上所涂的光致抗蚀剂。照明系统还包括用于支撑光罩的光罩台和用于调整光罩台相对于通过光罩定向的辐射的位置的定位系统。晶圆定位系统包括用于支撑晶圆的晶圆台和用于调整晶圆台相对于成像的辐射的定位系统。集成电路的建造可以包括多个曝光步骤。对于关于光刻的一般参考资料来说，参见，例如，J.R.Sheatsand B.W.Smith,in Microlithography:Science and Technology(Marcel Dekker,Inc.,New York,1998),其内容通过引用合并于此。

如上所述的编码器系统可用于精确测量晶圆台和光罩台中的每一个相对于曝光系统的其它元件，诸如透镜组、辐射源或者支撑结构的位置。在此情况下，编码器系统的光学配件可以附于固定式结构，而且编码器刻度附于诸如光罩台和晶圆台其中之一的可移动元件。可替换地，所述情形可以反过来，光学配件附于可移动对象而且编码器刻度附于固定对象。

更加一般地说，这样的编码器系统可用于测量曝光系统的任意一个元件相对于曝光系统的任意其它元件的位置，在曝光系统中光学配件附于元件中的一个或者由其支撑，并且编码器刻度附于另一个元件或者由其支撑。

在图15中示出使用干涉测量系统1526的光刻工具1500的例子。编码器系统用于精确测量曝光系统内晶圆(未显示)的位置。这里，台1522用于相对于曝光台定位和支撑晶圆。扫描仪1500包括框1502，其承载其它支撑结构和在那些结构上承载的各种元件。曝光基座1504在其顶部安装有镜头罩1506，其顶部安装有掩模台或者光罩台1516，用于支撑掩模或者光罩。用于定位光罩相对于曝光台的位置的定位系统示意性地由元件1517表示。定位系统1517可以包括例如压电转换器元件和相应的电子控制设备。虽然没有包括在该描述的实施例中，但是如上所述的一个或多个编码器系统还可以用于精确测量光罩台的位置以及在制造光刻结构的过程中位置必须被准确监控的其它可移动元件(参见supra Sheats and Smith Microlithography：Science and Technology)。

曝光基座1504下面的是是支撑基座1513，其承载晶圆台1522。台1522包括用于衍射被光学配件1526定向到所述台的测量光束1554的测量对象1528。用于定位台1522相对于光学配件1526的位置的定位系统示意性地由元件1519表示。定位系统1519可以包括例如压电转换器元件和相应电子控制设备。测量对象将反射回光学配件的测量光束衍射，所述光学配件安装在曝光基座1504上。编码器系统可以是先前描述的实施例中的任意一个。

在操作期间，辐射光束1510，例如来自紫外激光器(未显示)的紫外线(UV)光束，穿过光束成形光学配件1512并且在从镜子1514反射回之后向下行进。此后，辐射光束穿过由光罩台1516承载了光罩(未显示)。光罩(未显示)是经由在镜头罩1506中所承载的透镜组1508在晶圆台1522上的晶圆(未显示)上成像。基座1504和由其支撑的各种元件利用由弹簧1520表示的减震装置与环境振动隔绝。

在一些实施例中，先前描述的一个或多个编码器系统可用于测量沿与例如但是不限于晶圆台和掩模(或者光罩)台关联的多个轴和角度的位移。并且，除了紫外激光器光束，其它光束可用于曝光晶圆，包括例如X射线光束、电子束、离子束和可见光束。

在某些实施例中，光学配件1526可以被定位为测量掩模(或者光罩)台1516或者扫描仪系统的其它可活动元件的位置的变化。最后，编码器系统可以以类似的方式与除了扫描仪之外还包括分节器(stepper)或者不包括扫描仪而是包括分节器的光刻系统一起使用。

如本领域所公知的那样，光刻是用于制做半导电设备的制造方法的关键部分。例如，美国专利5,483,343概述了用于这样的制造方法的步骤。参考图16A和图16B描述这些步骤如下。图16A是制造诸如半导体芯片(例如，IC或者LSI)、液晶板或者CCD之类的半导体器件的顺序的流程图。步骤1651是用于设计半导体器件的电路的设计过程。步骤1652是用于根据电路模型设计制造光罩的过程。步骤1653是用于通过使用诸如硅之类的材料制造晶圆的过程。

步骤1654是被称为预处理的晶圆过程，其中通过使用如此准备的光罩和晶圆，通过光刻在晶圆上形成电路。为了在晶圆上形成与光罩上的那些图案的足够空间分辨率相对应的电路，光刻工具相对于晶圆的干涉测量位置是必要的。这里描述的干涉测量方法和系统可以对提高晶圆工艺中使用的光刻的效率特别有用。

步骤1655是组装步骤，被称作后处理，其中通过步骤1654处理的晶圆被形成为半导体芯片。该步骤包括组装(切割和焊接)和封装(芯片封装)。步骤1656是检查步骤，其中执行由步骤1655生产的半导体器件的可操作性检查、耐用性检查等等。通过这些过程，半导体器件被完成并且它们被运输(步骤1657)。

图16B是显示晶圆工艺的细节的流程图。步骤1661是用于氧化晶圆的表面的氧化过程。步骤1662是用于在晶圆表面形成绝缘膜的CVD处理。步骤1663是用于通过汽相沉积(vapor deposition)在晶圆上形成电极的成形处理。步骤1664是用于植入离子到晶圆中的植入处理。步骤1665是用于将光致抗蚀剂(感光材料)施加到晶圆上的抗蚀处理。步骤1666是用于通过如上所述的曝光装置通过曝光(即，光刻)将光罩的电路图案印刷在晶圆上的曝光过程。再一次，如上所述，使用这里描述的干涉测量系统和方法提高这样的光刻步骤的准确性和分辨率。

步骤1667是用于显影所述曝光晶圆的显影过程。步骤1668是用于除去除了显影的抗蚀图像之外的部分的刻蚀过程。步骤1669是用于将在经历刻蚀过程之后保持在晶圆上的抗蚀材料分离的抗蚀分离过程。通过重复这些过程，电路图案被形成并且加在晶圆上。

如上所述的编码器系统还可以用于其它应用中，其中对象的相对位置需要被精确测量。例如，在诸如激光器、X射线、离子或者电子束之类的写光束随着衬底或者光束移动而在衬底上标记图案的应用中，编码器系统可用于测量衬底与写光束之间的相对运动。

已经描述了许多实施例。然而，将理解，可以进行各种修改。其它实施例在权利要求的范围之内。