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TWI467126B - 熱穩定光感測器基座 - Google Patents

熱穩定光感測器基座 Download PDF

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TWI467126B
TWI467126B TW101141504A TW101141504A TWI467126B TW I467126 B TWI467126 B TW I467126B TW 101141504 A TW101141504 A TW 101141504A TW 101141504 A TW101141504 A TW 101141504A TW I467126 B TWI467126 B TW I467126B
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thermally stable
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photosensor
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rigidity
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TW101141504A
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Inventor
Vivek G Badami
Original Assignee
Zygo Corp
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Publication date
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Description

熱穩定光感測器基座
本揭露係關於一種熱穩定光感測器基座，例如光學編碼頭，其用於根據編碼器尺規來監視微影機台中之晶圓平台的相對位置改變。
在準確儀器設計領域中常會碰到的問題是要求以此方式來安裝或附接不同熱膨脹係數(CTE,coefficient of thermal expansion)的兩本體：兩本體遇到溫度與伴隨的尺寸改變時，要維持兩本體之相對位置。通常，安裝方法必須調節兩本體之間的相對維度變化以防止變形，且限制所欲點之位置，以防止此點相對於外部參考機座移動。
第1圖顯示限制件100的一種可能配置，其滿足上述要求。本體105相對於參考機座的膨脹會導致本體之所有部件與參考機座之間的相對位移，除了已知為熱中心(TC)的一點以外。此點位於垂直於該等限制線之該等線的相交處。熱中心是重要的，因為這是儀器中之探針(或機台)所定位的點，以利用此點之維度不變性來獲得所要求的熱不敏感性。
第2圖顯示限制系統200，其相對於另一本體來限制一本體，且具有由它們的限制件之幾何形狀所界定的熱中心。該運動基座的兩個範例實施分別為馬克士威與開爾文夾鉗 (Maxwell and Kelvin clamps)210/215與220。馬克士威夾鉗幾何形狀210/215通常較優於開爾文夾鉗220，因為TC重疊於基座的中心，例如在基座未被擋住的部分中。第3圖顯示經修改的馬克士威夾鉗幾何形狀300’、300”，不同於對稱的馬克士威夾鉗300。藉由改變限制件C2與C3之幾何形狀(例如兩個V溝槽的方向)，可以修改TC的位置。這些基座仰賴在介面處沿著正交於限制方向的方向滑動，來調節該等本體之間的相對尺寸變化，而僅在介面處沒有摩擦力時才可達到理想性能。當存在有摩擦力時，較無法預測反應，且可以觀察到不同於理想反應的誤差。針對小相對移動，對於所有六個限制點來說，在限制與滑動方向中之剛性(亦即，其回應於一施力來抵抗變形的程度)通常相同。針對較大移動或者消除或最小化滑動方向中之摩擦力的配置，剛性基本上為零。
第4A至4B圖顯示了另一方法，其通常用於建構運動基座400，且利用兩本體之間的順應連接元件C1、C2、C3。順應元件C1、C2、C3係設計成提供在限制方向中的高剛性以及在剩餘轉移與旋轉方向中的高順應性。第3圖顯示之對稱馬克士威夾鉗之類運動彎曲件均等物係顯示在第4A至4B圖中。第4A圖顯示一種彎曲件配置C1、C2、C3，其產生馬克士威夾鉗之類運動均等物。第4B圖顯示第4A圖所示之限制件形態的頂視圖。在第4A與4B圖每一者中，顯示了個別的熱中心，且熱中心位於(虛)線的交叉處，虛線界定了「滑動方向」或最大順應方向。根據彈性構件C1、C2、C3的形狀，藉由個別順應元件C1、C2、C3的幾何形狀來決定兩方向中(亦 即，限制方向kT 與滑動方向kR )的剛性。在傳統的實施中，順應元件C1、C2、C3標稱上為相同且具有相同的剛性性質。此外，當實施中使用了滑動接觸器，TC的位置是由順應元件C1、C2、C3的配置來決定。
通常，在一態樣中，本發明之特徵在於一種設備，其包含一機械參考機座，以及一堅硬物體，該堅硬物體藉由二或更多限制件而機械式耦接至該參考機座。至少兩個該等限制件的剛性是不同於彼此。在該堅硬物體經過一範圍之溫度的熱膨脹期間，該等限制件的相對位置與剛性會導致該堅硬物體上的一指定點相對於該參考機座維持固定。
該設備之實施例可包含任何下述特徵。該堅硬物體可支撐一測量探針。該指定點可為該測量探針的一基準。例如，該等不同剛性可經過選擇而導致該堅硬物體之一熱中心之該位置對準於該測量探針基準。在某些實施例中，該測量探針為一光學編碼頭(例如干涉式編碼頭)，且該參考機座包含一編碼器尺規。該光學編碼頭可配置成光學地監視該參考機座相對於該測量基準的位置變化。該光學編碼頭可另外配置成光學地監視該參考機座沿著多個自由度之每一自由度的位置變化。
該等二或更多限制件可包含三或更多限制件。每一限制件之剛性係量化了該限制件沿著多個方向之每一方向的一順應程度。例如，每一限制件可具有沿著一限制方向的一剛性分量，其不同於該限制件沿著一第二限制方向的一剛性分量，該第二限制方向正交於該第一限制方向。
該等限制件可包含任何彎曲件、固體接觸器、或其組合。該等彎曲件可包含任何結構，被尺寸化或配置成具有剛性分量是沿著不同的限制維度而改變。例如，該等彎曲件可為彎曲葉片，其在重疊於該葉片的一限制方向中具有一較高剛性，且在垂直於該葉片的一限制方向中具有一較低剛性。
一或更多實施例之細節係提出於所附圖式與下面敘述中。其他特徵與優點將從敘述與圖式以及從該等申請專利範圍而明顯得知。
100‧‧‧限制件
105‧‧‧本體
200‧‧‧限制系統
210/215‧‧‧馬克士威夾鉗
220‧‧‧開爾文夾鉗
300‧‧‧馬克士威夾鉗
300’、300”‧‧‧馬克士威夾鉗幾何形狀
400‧‧‧基座
500‧‧‧彎曲件均等物
512‧‧‧熱中心(TC)
600‧‧‧受限制系統
605‧‧‧本體
700‧‧‧編碼頭裝置(編碼頭、頭、編碼器)
800‧‧‧編碼頭裝置
805‧‧‧編碼器基座
900‧‧‧編碼頭裝置
905‧‧‧基座
1000‧‧‧位移場的標繪圖
1100‧‧‧示圖
1105‧‧‧堅硬本體
1205、1305‧‧‧本體
1400‧‧‧標繪圖
1500‧‧‧位移場的標繪圖
1800‧‧‧微影機台(掃描器)
1802‧‧‧框架
1804‧‧‧曝光基座
1806‧‧‧透鏡殼體
1808‧‧‧透鏡組合
1810‧‧‧輻射光束
1812‧‧‧光束成形光學裝置
1813‧‧‧支撐基座
1814‧‧‧反射鏡
1816‧‧‧光罩或遮罩平台
1817‧‧‧定位系統
1819‧‧‧定位系統
1820‧‧‧彈簧
1822‧‧‧平台
1826‧‧‧干涉式系統(光學裝置)
1828‧‧‧測量物體
1854‧‧‧測量光束
C1、C2、C3‧‧‧限制件(彎曲件、順應元件)
kR 、kT 、kRi 、kTi ‧‧‧剛性
M1 、M2 ‧‧‧測量基準
θi ‧‧‧角度
第1圖例示熱中心(TC)的原理。
第2圖顯示運動基座之範例之熱中心。
第3圖顯示透過限制件幾何定向來控制TC的位置。
第4A至4B圖顯示馬克士威夾鉗之類運動均等物之態樣。
第5A至5B圖顯示藉由控制限制件剛性來調整TC。
第6圖顯示一般限制件之示意圖。
第7圖顯示編碼頭之基座與測量點的示意圖。
第8圖顯示熱變形裝置之熱中心。
第9圖顯示對應於第8圖之限制件形態的彎曲件均等物。
第10圖顯示位移場的標繪圖，其顯示相同剛性之限制件的TC的位移。
第11圖顯示堅硬本體，其被兩順應限制件支撐。
第12圖例示在熱中心位置上之限制件順應性的影響。
第13圖顯示用於獲得TC位置的參數，其以限制件剛性來 表示。
第14圖顯示正規化TC位置對於剛性比率之相依性。
第15圖顯示在調整彎曲件且加入補償彎曲件之後的TC位置。
第16圖為微影機台的實施例的示意圖，其包含干涉計。
第17A與17B圖是流程圖，描述製造積體電路的步驟。
類似參考符號在各圖式中是表示類似的元件。
在本發明之某些實施例中，藉由控制限制件的剛性，來控制受限制物體之熱中心位置。相反的，許多傳統方式依賴的是控制限制件的幾何形狀配置。
第5A至五B圖顯示熱中心(TC,thermal center)如何可被操控來用於馬克士威夾鉗(Maxwell clamp)的彎曲件均等物500。在第5A圖中，TC 512的位置是由限制件C1、C2、C3的方位與位置來決定，因為所有三個限制件C1、C2、C3在徑向與切線方向的剛性分別同樣是kR 與kT 。不同的，在第5B圖中，徑向與切線的剛性kRi 與kTi (i=1..3)不再相等，且因此，TC從由限制件幾何形狀所決定的位置512移動到由剛性之相對值所決定的某個其他點514。雖然上面所用的範例具有三個限制件C1、C2、C3(與六個相關剛性)，此方法係普遍的，且可延伸至具有超過限制件之實際數目的情況，例如過分限制(overconstraint)的情況。
此性能提供了額外的「旋鈕」給光學感測器基座的設計師，例如在設計問題的解決方案中會要求多個性能要求 的同時最佳化，例如熱穩定、動態性能、無關於基本變形等等。這些要求通常是衝突的，因此，難以同時實現它們。這種情況的範例將是共同遭遇的情況，其中與另一組件或部件的干涉會難以將限制件置於所欲之位置或方位，因此導致無法單獨根據限制件幾何形狀就將TC置於所欲之位置。
本說明書中所述之實施例係配置來解決在光學編碼器應用之設計中操控熱中心之位置的需求，如同下面所詳細敘述的，以恢復熱中心至所欲之位置，同時也滿足其他設計限制。這導致了一般的概念：故意操控剛性來以可預測之方式改變熱中心的位置。
雖然，此處之敘述描述了在二維平面中操控熱中心之位置，相同的原理可延伸至三維。此外，雖然此處敘述的剛性操控是根據藉由改變構成限制件之順應構件(compliant member)的尺寸來調整限制件之剛性，其他機制的剛性控制亦可設想到。例如，赫茲接觸(Hertzian contact)之接觸剛性可藉由操控預壓來調整，順應元件之剛性可藉由下述來調整：改變軸向負載、改變邊界條件(夾鉗、負載位置、材料)、利用彈性係數的熱相依性..等等。
現在描述支持上面性質敘述的數學。在此所呈現之數學處理是一般性的，且可用於具有任何數量之限制件的本體。此分析是根據一些假設：(i)不考慮受限制本體在限制件平面中的變形。此處該假設為限制件之剛性係明顯低於本體之剛性，藉此允許其處理是作為堅硬本體。(ii)該分析係限制於二維限制系統，雖然原則上它可延伸至三維系統。此處所得到 的公式是藉由有限元素模擬來驗證。
第6圖顯示一般受限制系統600，包含具有總共N個限制件C1、C2、...、CN的本體605。每一限制件「i」的位置是藉由原點在O處之全域座標系統中的其座標(x i ,y i )來界定。相似地，熱中心TC的座標是由相同座標系統中的(x TC ,y TC )來給定。每一限制件i處的剛性是分別用徑向(或正交)與切線的剛性kRi 與kTi 來表示。此外，徑向剛性是假設沿著局部座標系統之x軸來定向。局部座標系統之定向是藉由角度θi 來敘述，其代表局部座標系統之x軸與全域座標系統之對應軸之間的角度。一如慣例，順時鐘方向的旋轉是假設為正。
每一限制件處的剛性Ki 可用該限制件之局部座標系統中之剛性張量來描述，且由下式給定
第i限制件在全域座標系統中之剛性然後由下式給定
其中，旋轉矩陣R(θi )是由下式給定
將(0.1)與(0.3)代入到(0.2)，得到用局部座標系統中之剛性來描述在全域座標系統中之剛性的式子，其為
熱中心之位置(x TC ,y TC )現在可根據在x與y方向中之力平衡來獲得。每一限制件處在給定方向中所產生的力是該限制件的變形與對應剛性的乘積。該位移因此正比於基座與受限制物體之間的差異溫度的改變△T、差異CTE α以及限制件離TC的距離。該位移在x與y方向中之表示(△xi 與△yi )分別是由下式給定△x i =α △T (x i +x TC ) △x i =α △T (y i +y TC ) (0.5)
每一限制件處所衍生的力F i 然後就是剛性張量與位移向量的乘積，其由下式給定
將(0.5)代入(0.6)會得到每一限制件處的力分量的表示
現在應用兩方向中之力平衡(亦即，與)，且用未知項x TC 與y TC 來簡化兩個同時存在的式子，得到
其中，k 11 (θ i )與k 22 (θ i )代表剛性張量之對角線的項，且k 12 (θ i )與k 21 (θ i )代表並非對角線的項。用矩陣符號用Ax =B 的形式來重寫，得到
這些式子的解會產生在相同座標系統中熱中心之位置之座標x TC 與y TC ，其中定義了限制件C1、C2、...、CN的位置。可以看出熱中心TC之位置如同所預期的是實際上無關於溫度改變與膨脹係數兩者。一些耦接可能發生在非常大的溫度改變時。它是限制件幾何形狀與剛性的第一階函數。上面式子不包含堅硬本體旋轉，其在限制件剛性有不對稱時伴隨任何尺寸改變而發生，但此旋轉通常可能在小溫度改變時是小的。旋轉的大小正比於溫度改變△T與CTE α。此旋轉必須列入考量，且其對特定應用之影響要被分析來決定該影響。在許多實際應用中，例如旋轉對稱光學系統之光軸之位置的溫度變化效應(athermalization)，這些旋轉是不重要的。
上述分析可延伸至三維實例，亦即，針對控制TC在三維中之位置的目的。在此實例中，每一限制件具有三個剛性分量，且通常需要六個式子來求得TC之位置與三個堅硬本體旋轉。藉由設定在三個座標方向中之力平衡式子與對於座標軸之力矩平衡式子等於零，可以獲得這些式子。剛性轉換現在亦牽涉到三個旋轉。
上述技術可應用至光學編碼頭之基座，光學編碼頭用於根據編碼器尺規來監視微影系統中之晶圓平台之相對位置的改變。多種光學編碼器系統(包含干涉式編碼器系統)係揭露於Leslie L.Deck等人的美國專利公開號NO. 2011/0255096 A1中，且標題為「INTERFEROMETRIC ENCODER SYSTEM」，在此藉由參照將其整個內容併入。編碼頭的熱性能是關鍵的性能參數，且此處揭露之技術提供一種方式來控制熱引致之尺寸變化，以達到所欲之性能。
編碼頭裝置中的熱不穩定性主要產生自三個來源：光學元件之實體尺寸與光學元件之折射係數的改變所導致的光學路徑長度(OPL)改變、光學元件之總移動以及整個光學裝置之總移動(其導致測量基準之位置的改變)。本說明書所述之技術控制了產生自最後一項因素的熱不穩定性移動。
第7圖顯示編碼頭裝置700(也稱為編碼頭、頭、或編碼器)的示意圖。編碼頭700包含兩干涉計裝置(干涉計1與干涉計2)，其附接至編碼器基座，編碼器基座接著附接至使用編碼器700的機器結構。頭裝置700具有對應於干涉計1與2的兩測量基準M1 與M2 ，其分別感測XZ方向與YZ方向中的位移。(Z方向垂直於該頁)。干涉計1與2對於在剩餘正交平面方向中的位移不敏感，例如，干涉計1對於Y方向中的位移不敏感，且干涉計2對於X方向中的位移不敏感。通常，基座設計較佳地是同時滿足數個要求。
頭裝置700的第一要求是關於控制測量基準M1 與M2 相對於個別感測方向中之機器機座上之固定基準的移動。例如，針對M1 與M2 ，應該分別控制X與Y方向中的移動。
第二要求是關於最小化或調節基座與光學元件內部之間的熱引致應變。這是重要的，關於最小化光學元件相對於基座的移動以及因為應力引致係數改變所導致的OPL改 變、連結線之完整性的維持與穩定..等等。
第三要求是關於最小化或調節基座與安裝有該裝置之機器機座之間的相對熱應變。這是關鍵的，以防止大應力的建立與基座的因此變形，以及基座的無法判定之移動。
第四要求是關於最小化各種光學元件的總移動。這會是此應用中的第二考量，因為該獨特的測量原理會排除光學元件的共同模式移動，這是X與Y方向中之位移測量的熱膨脹特性(如同揭露於Deck等人的美國專利公開號NO.2011/0255096中，在此藉由參照將其整個內容併入。)此種狀況不適用於平面外(Z)方向。
第五要求是關於提供具有合適剛性的基座，以符合動態性能要求。
在一些實施中，測量點M1與M2的要求控制是藉由定位測量點M1與M2於在溫度改變之下不會改變的位置處以及干涉計1與2的單方向平面中敏感性(第7圖之雙頭箭頭所指示)來解決。這可藉由限制件C1、C2、與C3之預定配置來達成，例如編碼器基座與機器機座之間的連接，一個可能的配置係顯示在第7圖中。限制件C1、C2與C3被描繪為半圓，沿著直邊緣的影線代表限制件對「地」的附接，在本例中「地」為機器機座。限制件C1、C2與C3可想成是抗摩擦軸承裝置，其於所示點處之假設切除部分內接觸該裝置。這些限制件C1、C2與C3在接觸點處具有高垂直剛性，且在切線方向中實際上是零剛性與摩擦力，亦即，膨脹期間在切線方向中沒有阻力衍生在接觸點處。
第8圖繪示編碼頭裝置800在熱擴張之下的反應。如同第8圖所示，編碼器基座805上有一個點在擴張之下是沒有改變的。此點稱為熱中心(TC)，且被選擇來重疊於測量點M2 ，藉此實際上消除此點在熱擴張之下對於平面中之移動的熱敏感性。如同第8圖另外所示，除了TC之外，有兩條單方向無變化的線，其亦由限制件C1、C2與C3的幾何形狀來決定。這些線是由線AA’與BB’來表示，沿著線AA’與BB’，膨脹是單方向的並且只沿著個別X與Y方向發生。另一測量點M1 之Y方向中之所要求熱不敏感性是藉由配置線AA’通過此點而達成。因此，干涉計1沿著其敏感方向實際上沒有經歷移動，熱引致之移動被限制在重疊於其不敏感方向的方向。
上面所揭示之技術可適用於在限制件之點處的切線力缺乏不平衡改變時(因為熱變形所導致)。切線力係衍生自限制件C1、C2與C3處的摩擦力或切線剛性。存在有不平衡力時，本體之堅硬本體移動被要求等化該等力且達到靜力平衡，這有效地改變熱中心的位置，如同下述。
上述之第一與第三要求可以驅動該設計朝向一種導致不平衡力以及因此熱中心從所欲位置移動的設計。此狀況是因為需要調節各種介面處的差異熱膨脹而產生，如同下述。必須考量差異膨脹的第一介面是在基座805與光學元件之間。這是藉由選擇基座805的材料來調節，使得基座805與光學組件之間的CTE失配被最小化。這可透過選擇具有8.5-9 ppm/K之CTE的鈦合金(例如Ti6Al4V)來匹配~8.4 ppm/K之BK7光學元件之CTE而達成。上述之第三要求可藉由提供調節相 對應力而非消除相對應力的方式來滿足。這是需要的，因為鋁機器機座具有~5.4 ppm/K之CTE，其明顯不同於鈦的CTE。此調節可藉由策略性定位的彎曲元件而達成，該等彎曲元件提供所要求方向中的限制，而且同時提供需要來調節熱引致之差異尺寸變化的順應性，且用消除在滑動介面處之摩擦力的無法判定反應的方式而達成。
第9圖顯示編碼頭裝置900之限制件形態的彎曲件均等物。此相等是根據該概念：旋轉元件限制件在與基座905接觸之點處具有非常高的剛性，且在垂直於法線的方向中具有零或非常低的剛性。第9圖繪示的彎曲葉片C1、C2與C3配置成使得在限制方向中(其重疊於葉片C1、C2與C3的平面)具有高的剛性，且在垂直於葉片C1、C2與C3的方向中具有較低的剛性。此外，很像旋轉元件限制件，彎曲件C1、C2與C3的配置也允許小的平面中旋轉以及較少程度的平面外旋轉。總結來說，針對小的變形，彎曲件C1、C2與C3提供與旋轉元件或滑動接觸器相同的限制和自由度，雖然有不同的力特性。
但是，選擇使用彎曲元件現在將開啟對於在切線方向中(垂直於限制方向)具有有限剛性且熱中心的位置可能會有非所欲移動的限制件的大門。第10圖顯示此預期被實現。位移場的標繪圖1000對應於編碼器900之限制件形態的簡化有限元素分析，其中所有限制件剛性係假設為相等。熱中心(真正的TC)距離限制件之幾何形狀所指定之位置(所欲的TC)的位移可以在向量標繪圖1000之擴張視圖中(真正的)熱中 心附近看見。明顯的，(真正的)熱中心在X與Y方向都移動了。X方向中之移動的主要因素是因為對於限制件C3的堅硬本體旋轉。換句話說，此移動的主要因素是對於C3所產生的力矩(由於沿著AA’作用的不平衡力)。該不平衡力因此是起因於C1與C2沿著X方向之彎曲的不相等變形。熱變形正比於長度，且因為距離幾何形狀所實施之熱中心位置的長度(亦即，線BB’沿著AA’到C1與C2之位置)為不相等，則會產生不平衡力，其導致基座905旋轉，直到該等力達到平衡。因此，(真正的)熱中心移動於X方向中。平衡該等力的任何方法都可防止此移動。在Y方向中從幾何形狀所指定之位置的移動是因為相似的原因而發生。
力的不平衡變化可用數種方式來防止。在一些實施中，接觸器被配置成具有「零」切線剛性，藉此防止力的任何變化。此狀況可藉由如同上述之具有旋轉元件的限制件來大致近似。但是這並不總是實用，特別是在編碼頭應用700、800、900中。在其他實施中，限制件則設置成具有有限且相等的切線剛性，對稱於熱中心。這導致本體上力的平衡變化，藉此防止堅硬本體移動以及因此熱中心的移動。例如，沿著AA’作用的不平衡力可藉由將限制件C1與C2設置成對稱於BB’而消除。這是被其他組件之位置與系統700、800、900之整體允許外形所排除的選項。
在一些其他實施中，限制件的剛性被調整來產生零的總力變化。這可包含引入額外的元件來產生補償力。這個對策可用於熱穩定編碼頭的實施例中，舉例來說。在又一些其 他實施中，限制件的幾何形狀被調整來預先補償熱中心的移動。換句話說，限制件係故意相對於理想幾何形狀誤置，以產生所欲的不變化。當限制件的位置已經預先決定來滿足特定介面要求時，這個對策不可用於感測器基座的設計中。此外，力的不平衡變化可藉由使用上述兩種實施的組合來加以防止。
第11圖顯示矩形堅硬本體1105之示圖1100，堅硬本體1105被彈性支撐限制在兩端。示圖1100用於說明選擇限制件C1與C2之合適剛性的技術。在此範例中，彈性支撐係繪示為彈簧。針對此範例的目的，限制件C1與C2在Y方向中的剛性係假設成對於兩支撐為相同，且現在可假設成是零。但是，此剛性有可能是高的，以提供此方向中的限制。此剛性目前可被忽略，因為根據定義它在X方向中沒有分量。水平X方向中之順應性之目的是提供一種手段來調節堅硬本體1105之熱引致尺寸變化。從對稱的觀點來看，簡單可以看出，如果剛性k1 與k2 相等，則在沿著長軸方向中維持不變的本體1105上的點是在兩支撐之間的中間，因為熱中心重疊於幾何中心。
如同第12A圖所示，膨脹會導致受限制本體1205的尺寸變化，但是本體1205並沒有總堅硬本體移動。如果另一方面，剛性不相等，如同第12B至12C圖所示，則會產生堅硬本體移動，其抵消因為限制件C1與C2之間的一位置處之尺寸變化所導致的移動，使得在熱引致尺寸變化之下位置並無改變。藉由堅硬本體移動來抵消熱膨脹可以用來產生相對於外部參考機座為不變的點。
熱中心之正規化(或參數化)位置β的表示可從 力平衡式子獲得。如同第11圖所示，參數β的值範圍從0到1，極端值是對應於在本體1105之任一末端處之限制件C1與C2的位置。熱中心位置在限制件C1與C2之間的中間(亦即，幾何中心)將對應於β=0.5。用兩限制件之剛性k1 與k2 來表示β可參照第13圖來獲得。讓熱中心位於離具有剛性k1 之限制件C1某個距離l1 。然後根據β的定義，得到l1 為l 1 =βL (0.10)
且l 2 =(1-β )L (0.11)，其中，L是本體1305的長度，且l2 是熱中心離具有剛性k2 之限制件C2的距離。此外，假設本體1305是由具有CTE α的材料製成，且經歷溫度變化△T。溫度變化與CTE在此範例中假設是正的。
再次參照第13圖，且注意到，兩限制件C1與C2通常變形是△1 與△2 ，且產生力F1 與F2 ，其由下式給定F 1 =k 1 △1 =k 1 αl 1 △T =k 1 α △TβL F 2 =k 2 △2 =k 2 αl 2 △T =k 2 α △T (1-β )L (0.12)靜力平衡需要F1 =F2 。將來自(0.12)之該等力的該等式子相等，且求β的解，產生 將分子與分母除以k1 ，產生用剛性比率γ =k 2 /k 1 來表示的式子，其為
式子(0.14)之限制測試之結果係總結於表1，且作為剛性比率γ之函數的β的標繪圖1400則顯示在第14圖中。
注意到，熱中心的位置朝向主要限制件移動，且當剛性比率接近極限值時就無預兆地接近該限制件的位置。這符合物理直覺，如果一個限制件是無限剛性的，則周遭發生膨脹的點將出現在該限制件的位置處，且所有尺寸變化將被較順應的限制件調節。
注意到，式子(0.14)無關於溫度變化(如同對於熱中心之要求)以及材料之CTE兩者。它純粹是剛性比率的函數。這最後一個因素要再三強調，因為它提供很多設計自由，特別是具有多個目標的設計方案。例如，系統在X方向中的動態性能(共振頻率)係根據(一給定塊之)剛性絕對值，而熱中心位置則根據該比率，因此可以同時達到多個目標。
此對策已經有利地用於以兩種不同方式來定位熱中心於編碼頭中之所欲位置處。TC在X方向中的轉移已經藉由增加C2之彎曲葉片厚度而大部分達成，當比較個別第10與15圖中之位移場的標繪圖1000與1500時就可明顯看出。在第 10與15圖中，控制剛性(對應於連結於第11至13圖之上面所述的簡單模型中的剛性k1 與k2 )係為限制件C1與C2之X方向中的剛性。增加剛性會導致TC朝向堅硬彎曲件移動，如同第12圖之版(b)所示。以此方式，藉由增加C2的剛性或減少C1的剛性，使TC移動於第10與15圖之正X方向中。
TC之位置在Y方向中的調整則涉及到更多。在此實例中，控制剛性係為在堅硬本體之一端處在Y方向中C1與C2的總剛性以及在另一端處C3的Y方向剛性。原則上，Y位置應該重疊於線AA’，因為這是連結限制件C1與C2的線(例如如同第8圖所示)。但是，因為C3沿著BB’的有限剛性以及在溫度引致之尺寸改變期間C3的較大變形(因為線AA’與C3之間的較長「距離」)，會產生明顯的不平衡力，其導致TC在Y方向中的移動，因為C1與C2彎曲件在Y方向中的有限(高但非無限)剛性。不同於前面情況，其中TC並不靠近具有β為0.3或0.7(取決於所採用的座標系統)的任一順應構件(在X方向中)，在此實例中的要求是把TC就設置於Y方向中的一個彈性限制件處(例如沿著線AA’)，其對應於β值非常接近0或1(再次取決於所採用的座標系統)。第14圖的檢查顯示出這對應於曲線1400的平坦區域，其中甚至剛性比率γ的大改變都不會產生β的顯著改變。換句話說，增加C1與C2的Y方向剛性或減少C3的Y方向剛性甚至實質上對於TC的位置只有非常小的影響。
需要一個替代方法，且此處所採用的該方法是藉由引進額外的補償彎曲件於線AA’之上，而將TC的所欲位置 設於β的有利值處(0.17或0.83)，如同第15圖所示。β的這個值是在曲線中具有顯著非零斜率的區域，藉此提供所要求的敏感度來實行所要求的改變。看待此補償彎曲件之作用的另一方式是把它當成一種裝置，其提供一補償力來抵消由C3之撓曲所產生的不平衡力。
雖然，此處之敘述描述了熱中心之位置在二維平面中的操控，相同的原理可用簡單的方式延伸至三維。此外，雖然此處所述之剛性操控是根據調整含有順應構件的限制件的剛性(藉由改變它們的尺寸，例如藉由使用彎曲葉片)，其他機制的剛性控制亦可設想到。例如，赫茲接觸(Hertzian contact)之接觸剛性可藉由操控預壓來調整，順應元件之剛性可藉由下述來調整：改變軸向負載、改變邊界條件(夾鉗、負載位置、材料)、利用彈性係數的熱相依性..等等。
微影機台應用
如同前述，此處揭露之技術可用於安裝一或多個編碼頭於例如微影機台中。微影機台在用於製造大型積體電路(例如電腦晶片與類似者)的微影應用中特別有用。微影是半導體製造工業的關鍵技術驅動器。覆蓋改善(Overlay improvement)是降至100 nm線寬及100 nm線寬以下的五個最困難挑戰的其中之一(設計規則)，例如參見the Semiconductor Industry Roadmap,p.82(1997)。
覆蓋直接取決於用於定位晶圓與光罩(或遮罩)平台的測量系統的性能(亦即，準確度與精準度)。因為微影機台可生產每年5千萬至1億美元的產品，來自改進之測量系 統的經濟值是可觀的。微影機台每1%的良率增加會導致大約每年1百萬美元對於積體電路製造廠的經濟利益，且對於微影機台供應商有很大的競爭優勢。
微影機台的功能是導引空間上圖案化的輻射到塗覆有光阻的晶圓上。該程序牽涉到決定晶圓的哪個位置要接收輻射(對準)，以及應用輻射到那個位置處的光阻(曝光)。
在曝光期間，輻射源照射圖案化的光罩，其散射該輻射來產生空間上圖案化的輻射。光罩亦稱為遮罩，且這些術語在下面可交換使用。在縮小倍率微影(reduction lithography)的情況中，縮小倍率透鏡收集散射的輻射且形成光罩圖案的縮小影像。替代地，在近接式曝光(proximity printing)的情況中，散射的輻射在接觸晶圓之前行進一小段距離(通常是微米的大小)，以產生光罩圖案的1：1影像。該輻射初始化光阻中的光化學程序，其將輻射圖案轉換成光阻內的潛在影像。
為了正確地定位晶圓，晶圓包含在晶圓上的對準標記，其可被專屬感測器測量。對準標記之經測量位置界定了機台內的晶圓的位置。此資訊以及晶圓表面之所欲圖案化之規格可導引晶圓相對於空間上圖案化輻射的對準。根據此種資訊，支撐已塗覆光阻之晶圓的可轉移平台將晶圓移動，使得輻射將會曝光晶圓的正確位置。在某些微影機台中(例如微影掃描器)，遮罩亦定位在可轉移平台上，其在曝光期間與晶圓一致地移動。
編碼器系統(例如那些先前討論的)是控制晶圓 與光罩之位置的定位機構的重要組件，且將光罩影像暫存於晶圓上。如果此種編碼器系統包含上述特徵，系統所測量之距離的準確度可以增加及/或維持較長時期而不用下線維護，由於增加的良率與較少工具的停工期而導致較高產率。
通常，微影機台(亦稱為曝光系統)通常包含照射系統與晶圓定位系統。照射系統包含輻射源，用於提供輻射(例如紫外光、可見光、x射線、電子或離子輻射)，以及包含光罩或遮罩，用於將圖案分給輻射，藉此產生空間上圖案化的輻射。此外，針對縮小倍率微影的情況，照射系統可包含透鏡組合，用於將空間上圖案化輻射成像至晶圓上。經成像的輻射將晶圓上塗覆的光阻曝光。照射系統亦包含用於支撐遮罩的遮罩平台，與用於調整遮罩平台相對於被導引通過遮罩之輻射的位置的定位系統。晶圓定位系統包含用於支撐晶圓的晶圓平台，與用於調整晶圓平台相對於經成像之輻射的位置的定位系統。積體電路的製造可包含多個曝光步驟。針對微影的一般參照，可參見例如J.R.Sheats and B.W.Smith,in Microlithography：Science and Technology_(Marcel Dekker,Inc.,New York,1998)，其內容在此藉由參照而併入。
上述編碼器系統可用於準確地測量晶圓平台與遮罩平台之每一者相對於曝光系統之其他組件(例如透鏡組合、輻射源、或支撐結構)的位置。在此種實例中，編碼器系統的光學裝置可附接至固定結構，且編碼器尺規可附接至可移動元件(例如遮罩與晶圓平台之一者)。替代地，可反轉該狀況，把光學裝置附接至可移動物件且編碼器尺規附接至固定物件。
更一般來說，此種編碼器系統可用於測量曝光系統之任一組件相對於曝光系統之任何其他組件的位置，其中光學裝置可附接至一個組件或被它支撐，且編碼器尺規可附接至另一個組件或被它支撐。
使用干涉式系統1826的微影機台1800的範例係顯示在第16圖中。編碼器系統可用於準確地測量曝光系統內晶圓(未示)的位置。在此，平台1822用於相對於曝光站來定位及支撐晶圓。掃描器1800包含框架1802，其承載其他支撐結構與承載在那些結構上的各種組件。曝光基座1804在其頂部安裝了透鏡殼體1806，透鏡殼體1806頂部安裝了光罩或遮罩平台1816，平台1816用於支撐光罩或遮罩。用於相對於曝光站來定位遮罩的定位系統係由元件1817示意地指出。定位系統1817可包含例如壓電換能器元件與對應的控制電子系統。雖然它未包含在這個所述實施例中，上述的一或多個編碼器系統亦可用於準確地測量遮罩平台以及其他可移動元件的位置，它們的位置必須在製造微影結構的程序中被準確地監視(參見supra Sheats and Smith Microlithography：Science and Technology)。
懸掛在曝光基座1804底下的是支撐基座1813，其承載晶圓平台1822。平台1822包含測量物體1828，用於繞射被光學裝置1826導向至該平台的測量光束1854。用於相對於光學裝置1826來定位平台1822的定位系統係由元件1819示意地指出。定位系統1819可包含例如壓電換能器元件與對應的控制電子系統。測量物體繞射該測量光束反射回到光學裝 置，光學裝置安裝在曝光基座1804上。編碼器系統可為任何前述實施例。
在操作期間，輻射光束1810(例如來自紫外光(UV)雷射(未示)之紫外光束)通過光束成形光學裝置1812，且從反射鏡1814反射之後，朝下行進。之後，輻射光束通過遮罩平台1816所承載之遮罩(未示)。遮罩(未示)透過透鏡殼體1806中所承載之透鏡組合1808而成像至晶圓平台1822上的晶圓(未示)上。基座1804與其所支撐的各種組件藉由彈簧1820所繪示之阻尼系統而與周遭振動隔離。
在一些實施例中，前述的一或多個編碼器系統可用於測量沿著多個軸的位移以及例如(但不限於)與晶圓及光罩(或遮罩)平台相關的角度。此外，除了UV雷射光束之外，可使用其他光束來曝光晶圓，包含例如x射線光束、電子束、離子束、與可見光束。
在某些實施例中，光學裝置1826可被定位來測量光罩(或遮罩)平台1816或掃描器系統之其他可移動組件的位置變化。最後，除了掃描器之外或並非掃描器，編碼器系統可以相似的方式與含有步進器的微影系統使用。
如同本領域中熟知的，微影是用於製造半導體裝置的製造方法的關鍵部分。例如，美國專利號5,483,343概述了此種製造方法的步驟。這些步驟參照第17A及17B圖敘述於下。第17A圖是製造半導體裝置的程序的流程圖，例如半導體晶片(例如IC或LSI)、液晶面板或CCD。步驟1951是設計程序，用於設計半導體裝置的電路。步驟1952是程序，用 於根據電路圖案設計來製造遮罩。步驟1953是程序，用於藉由使用例如矽的材料來製造晶圓。
步驟1954是晶圓程序，稱為預先程序，其中藉由使用如此預備的遮罩與晶圓而透過微影將電路形成於晶圓上。為了形成電路於晶圓上是對應於遮罩上的那些圖案具有的足夠空間解析度，微影機台相對於晶圓的干涉式定位是需要的。在此所述之干涉式方法與系統會特別有用處來改善晶圓程序中所用的微影的效用。
步驟1955是組合程序，稱為後續程序，其中步驟1954所處理的晶圓被形成為半導體晶片。此步驟包含組合(切割與接線)與封裝(晶片密封)。步驟1956是檢查程序，其中步驟1955所產生的半導體裝置的可操作性檢查、耐用度檢查..等等被施行。利用這些程序，完成半導體裝置且裝運它們(步驟1957)。
第17B圖是流程圖，顯示晶圓程序的細節。步驟1961是氧化程序，用於氧化晶圓的表面。步驟1962是CVD程序，用於形成絕緣膜於晶圓表面上。步驟1963是電極形成程序，用於藉由氣相沉積來形成電極於晶圓上。步驟1964是離子佈植程序，用於佈植離子至晶圓。步驟1965是光阻程序，用於施加光阻(感光材料)至晶圓。步驟1966是曝光程序，用於藉由曝光(例如微影)且透過上述之曝光設備而將遮罩的電路圖案印刷在晶圓上。再次，如同上述，在此所述之干涉式系統與方法的使用會改善此種微影步驟的準確度與解析度。
步驟1967是顯影程序，用於顯影被曝光的晶圓。 步驟1968是蝕刻程序，用於移除並非被顯影之光阻影像的部分。步驟1969是光阻分離程序，用於在施行完蝕刻程序之後將殘留在晶圓上的光阻材料加以分離。藉由重覆這些程序，電路圖案可形成且疊加於晶圓上。
根據上述技術所安裝之編碼器系統亦可用於其他應用中，其中一物體的相關位置需要被準確地測量。例如，在當基板或光束移動時一寫入光束(例如雷射、x射線、離子、或電子束)標示一圖案於基板上的應用中，編碼器系統可用於測量基板與寫入光束之間的相對移動。
其他實施例亦在下述申請專利範圍的範圍內。
500‧‧‧彎曲件均等物
512‧‧‧熱中心(TC)
C1、C2、C3‧‧‧限制件
kR 、kT ‧‧‧剛性

Claims (15)

  1. 一種熱穩定光感測器基座，包含：a.一機械參考機座；以及b.一堅硬物體，藉由二或更多限制件而機械式耦接至該參考機座；c.其中，至少兩個該等限制件的剛性是不同於彼此，且其中，在該堅硬物體經過一範圍之溫度的熱膨脹期間，該等限制件的相對位置與剛性會導致該堅硬物體上的一指定點相對於該參考機座維持固定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該堅硬物體支撐一測量探針，且其中，該指定點為該測量探針的一基準。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該等不同剛性經過選擇而導致該堅硬物體之一熱中心之該位置對準於該測量探針基準。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該測量探針為一光學編碼頭，且該參考機座包含一編碼器尺規。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該光學編碼頭為一干涉式編碼頭。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該光學編碼頭係配置成光學地監視該參考機座相對於該測量基準的位置變化。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之熱穩定光感測器基座，其中， 該光學編碼頭係配置成光學地監視該參考機座沿著多個自由度之每一自由度的位置變化。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該等二或更多限制件包含三或更多限制件。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之熱穩定光感測器基座，其中，每一限制件之剛性係量化了該限制件沿著多個方向之每一方向的一順應程度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之熱穩定光感測器基座，其中，每一限制件具有沿著一限制方向的一剛性分量，其不同於該限制件沿著一第二限制方向的一剛性分量，該第二限制方向正交於該第一限制方向。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該等限制件包含彎曲件。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該等彎曲件包含彎曲葉片，其在重疊於該葉片的一限制方向中具有一較高剛性，且在垂直於該葉片的一限制方向中具有一較低剛性。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該等限制件包含固體接觸器。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之熱穩定光感測器基座，其中，該等限制件包含固體接觸器與彎曲件的一組合。
  15. 一種微影系統，包含：一投射物鏡，用於將一物體平面處的一物體成像至一成像平面； 一平台，用於定位一晶圓於該成像平面處，該平台支撐一機械參考機座，該機械參考機座包含一編碼器尺規；一編碼頭，被定位來導引光至該編碼器尺規且從該編碼器尺規接收光；以及一堅硬物體，藉由二或更多限制件而機械式耦接至該參考機座，該堅硬物體支撐該編碼頭，其中，至少兩個該等限制件的剛性是不同於彼此，且其中，在該堅硬物體經過一範圍之溫度的熱膨脹期間，該等限制件的相對位置與剛性會導致該堅硬物體上的一指定點相對於該參考機座維持固定。
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