具有位置测量装置的多个扫描单元的装置

摘要

本发明涉及一种用于检测对象相对于基准系统的位置的装置。该对象在此至少沿两个正交的、第一和第二主运动轴线相对于基准系统可运动地布置。位置测量装置为了检测对象相对于基准系统的位置而包括至少两个、沿第一主运动轴线布置的、二维量具和四个用于光学地扫描这些量具的扫描单元。此外设有至少四个附加的扩展扫描单元，它们沿第一主运动轴线布置在四个扫描单元之间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有位置测量装置的多个扫描单元的装置。

背景技术

在当制造和检验半导体元件时使用的机器中，通常存在精确地定位对 象的要求。因此例如可能需要的是，将晶片高精度地定位在工具、曝光- 或检验单元之下。晶片在此处于一个可在六个自由度中运动的、通过相应 的驱动装置运动的桌子上。该桌子因此也就起对象的作用，需要高精度地 检测该对象相对于基准系统的位置；机器的、相应的位置固定的基准框架 用作为基准系统。为了通过驱动装置和所属的控制单元对桌子进行定位， 需要借助于高精度的位置测量装置来产生关于桌子或者是基准框架的空 间位置的位置信号。

在这种机器中，优先地将干涉仪或基于格栅的光学的位置测量装置考 虑作为高精度的位置测量装置。在使用基于格栅的光学的位置测量装置的 情况下例如可以提出，在可运动的桌子上布置一个或多个扫描单元，在基 准框架上布置合适的量具。如果在此需要沿桌子的两个正交的主运动轴线 进行位置检测，那么所需要的量具设计为所谓的十字格栅形式的二维量 具。如果桌子现在沿主运动轴线之一运动经过一个相对较大的移动范围， 那么产生了问题，这是因为然后相应地需要大型的二维量具。这些量具具 有增大的体积并且仅仅在巨额消耗下才能制造。

为了避免制造非常大的二维量具已知的是，应用多个单个的二维量具 或者是十字格栅板，以便以这种方式和方法能实现测量区域的扩大。单个 的二维量具随后在基准框架上彼此相邻地沿相应的（多个）主运动轴线放 置。相应的布置例如在US 7,602,489B2中提出，在形成权利要求1的前 序部分时由此出发。在那里，总共四个十字格栅板或者是二维量具固定在 基准框架上的正方形的装置中，以便遮盖住测量区域。为了进行光学扫描， 在沿两个正交的主运动轴线可运动的对象的侧面上设置有总共四个扫描 单元。四个扫描单元的扫描格栅相对于两个主运动轴线分别旋转了+/-45° 地布置，其中，四个扫描单元近似地放置在正方形的角中。该正方形的延 伸长度在此大约对应于单个的二维量具的空间延伸长度。在机器运行时， 在不同的扫描单元之间限定地进行转换，以便确保，即在经过在相邻的量 具之间的冲击位置时不会丢失位置信息。为了除了沿两个主运动轴线对桌 子进行位置确定之外还能检测桌子的定向，需要的是，即始终同时提供具 有各两个轴线的至少三个扫描单元的位置值。沿主运动轴线的最大移动路 径在这种布置中相应于扣除了扫描单元沿该主运动轴线的距离的、相邻布 置的十字格栅板沿该主运动轴线的总延伸长度。

可运动的对象沿两个主运动轴线中至少一个的移动路径的进一步增 大可能在由US 7,602,489B2中已知的装置中要求，即沿该主运动轴线布 置其它的二维量具、或者更确切地说是十字格栅板，或者将该十字格栅板 增大地设计。然而，两个变体可能造成对于总装置的巨大的额外投入。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提出一种具有位置测量装置的多个扫描单 元的装置，通过该位置测量装置可实现对对象的高精度的位置检测，其中， 对象可沿两个正交的主运动轴线运动。该对象在此沿主运动轴线可围绕移 动路径移动，该移动路径大于被扫描的量具沿该主运动轴线的延伸长度。

该目的通过一种具有权利要求1所述特征的装置来实现。

根据本发明的装置的有利的实施方式在从属权利要求中描述。

根据本发明的装置包括：对象，该对象至少沿两个正交的、第一和第 二主运动轴线相对于基准系统可运动地布置；和用于检测对象相对于基准 系统的位置的位置测量装置，该位置测量装置具有至少两个、沿第一主运 动轴线布置的、二维量具和四个用于光学地扫描量具的扫描单元。该位置 测量装置为了检测位置还包括至少四个附加的扩展扫描单元，该扩展扫描 单元沿第一主运动轴线布置在四个扫描单元之间。

优选地，外部的扫描单元沿第一主运动轴线的最大间距分别等于量具 之一沿第一主运动轴线的长度。

有利的是，内部的扩展扫描单元沿第一主运动轴线的间距小于外部的 扫描单元沿第一主运动轴线的间距。

可以提出，即扫描单元和扩展扫描单元沿第二主运动轴线的最大间距 等于量具沿第二主运动轴线的长度。

在一个有利的实施方式中，沿第一主运动轴线得出最大移动路径

V＝2·DM_y-DA_y2，

其中，

V：=沿第一主运动轴线的最大移动路径，

DM_y：=量具沿第一主运动轴线的长度，

DA_y2：=扩展扫描单元沿第一主运动轴线的间距。

沿该移动路径通过扫描单元和扩展扫描单元能持续地检测位 置。

在根据本发明的装置的一个实施方式中可能的是，四个扫描单元和四 个扩展扫描单元布置在对象的一侧。

此外可以提出，即沿第二主运动轴线，至少两个另外的二维量具相邻 于至少两个、沿第一主运动轴线布置的二维量具布置。

在此，扫描单元和扩展扫描单元沿第二主运动轴线的最小间距可以等 于二维量具沿第二主运动轴线的间距与量具沿第二主运动轴线的长度之 和。

在一个优选的实施方式中，扫描单元和扩展扫描单元分别包括一维的 扫描格栅，其中扫描单元和扩展扫描单元这样布置，即各所属的扫描格栅 的格线相对于第一主运动轴线旋转了+45°或-45°地定向。

可以提出，即两个扫描单元和两个扩展扫描单元布置在对称轴线的一 侧，该对称轴线平行于第二主运动轴线定向，其中，这些扫描单元和该扩 展扫描单元这样布置，即各所属的扫描格栅的格线相对于第一主运动轴线 旋转了+45°地定向。两个另外的扫描单元和两个另外的扩展扫描单元布置 在对称轴线的另一侧，其中，这些扫描单元和该扩展扫描单元这样布置， 即各所属的扫描格栅的格线相对于第一主运动轴线旋转了-45°地定向。

有利的是，为了检测位置，选择性地将单个的扫描单元和/或扩展扫 描单元设计为可激活的。

替代扩大用于扩展测量区域的二维量具的延伸长度和/或数量，在本 发明的范畴中因此提出，所使用的扫描单元的数量通过至少四个额外的扩 展扫描单元扩大并且通过扫描单元和扩展扫描单元的一个合适地选择的 布置实现测量区域的增大。这实现了明显更低投入的解决方案，似乎与此 相比可能使用例如其它的或者是更大的二维量具。

附图说明

根据下面的对实施例的说明结合附图对本发明的其它细节和优点进 行说明。

图中示出：

图1a示出根据本发明的装置的第一实施方式的示意图；

图1b示出根据本发明的装置的第一实施方式的二维量具和两个扫描 单元的示意性部分视图；

图2示出根据本发明的装置的第一实施方式的示意性三维视图；

图3a-3d示出根据本发明的装置的第一实施方式在运行期间的移动区 域的各一个部段；

图4示出根据本发明的装置的第二实施方式的示意图。

具体实施方式

根据图1a，1b和2在下面对根据本发明的装置的第一实施方式进行 说明；图3a-3d用于说明借助于该实施方式进行的加工过程。在此，在这 些附图中分别仅示出了对于根据本发明的装置是决定性的组件，然而特别 未示出可在其中使用这种装置的相应机器的细节。其在此例如可以是用于 制造半导体或用于检验半导体的机器。

根据本发明的装置用于检测可运动的对象1相对于基准系统的位置。 对象1例如可以是机器中的桌子，其沿两个正交的主运动轴线x，y可运 动地布置；在桌子上放置有应被加工和/或检验的晶片1.1。在图中以参考 标号y标注的主运动轴线在下面称为第一主运动轴线，以参考标号x标注 的主运动轴线在下面称为第二主运动轴线，其垂直于第一主运动轴线y定 向。通过两个主运动轴线y，x，在机器中撑开了运动平面，其中，必须在 加工或检验期间限定地对桌子或者是对象1进行定位。通常，对象1还沿 垂直于两个主运动轴线x，y定向的第三轴线可运动，但是这在本发明的 情况下并不重要。

加工工具2.3相对于可运动的对象1布置在一个固定的基准系统中， 例如设计为机器的基准框架。在相对于对象1固定的基准系统中，两个相 同的、二维量具2.1，2.2与加工工具2.3机械连接地布置。在所示出的实 施例中，两个二维量具2.1，2.2沿第一主运动轴线y相邻地布置。量具2.1， 2.2沿第一主运动轴线y的各自的长度或者是延伸长度在下面称为DM_y， 沿第二主运动轴线x的长度称为DM_x。

两个二维量具2.1，2.2设计为十字格栅板并且具有两个彼此垂直定向 的、反射光-衍射格栅形式的格栅栅距。第一格栅栅距包括周期性地在y 方向上布置的栅距标记T_y，与第一格栅栅距叠加的第二格栅栅距包括周期 性地在x方向上布置的栅距标记T_x，这如在图1b中的二维量具2.1的放 大示意图中所表明地。在一个可能的实施例中，两个格栅栅距具有在 2.048μm的范围中的栅距周期。

在可运动的对象1的侧面上还布置有总共八个扫描单元1.2a-1.2h，其 用于光学地扫描二维量具2.1，2.2和产生位置信号。除了四个外部的扫描 单元1.2a，1.2b和1.2g，1.2h之外，在此根据本发明还设有至少四个内部 的、额外的扩展扫描单元1.2c，1.2d，1.2e，1.2f。通过光学地扫描量具2.1， 2.2，在机器运行时产生了关于带有晶片1.1的对象1或者是桌子相对于带 有加工工具2.3的基准系统的运动的位置信号，并且提供给机器控制装置 以用于进一步处理。在合适的光学扫描的其它细节方面例如可参考申请人 的EP 1 762 828 A2。

通常，扫描单元1.2a，1.2b，1.2g，1.2h以及扩展扫描单元1.2c，1.2d， 1.2e，1.2f为了产生位置信号还包括不同的光学组件，在下面也包括一维 的扫描格栅1.2dG，1.2cG，如在图1b中示意性地联系两个扩展扫描单元 1.2c，1.2d所表明的。一维的扫描格栅1.2dG，1.2cG分别由周期性地沿一 个方向布置的栅距标记组成。在此，在本实施例中，扫描格栅1.2dG，1.2cG 的栅距标记相对于第一主运动轴线y旋转了角度α=+45°或者是β=-45°地 布置。通过这样设计的扫描单元或者是扩展扫描单元，可以在对象1沿第 一主运动轴线y移动时产生关于在该方向上进行的相对运动的高分辨率的 增量式位置信号；同时基于旋转地布置的扫描格栅1.2dG，1.2cG产生了 其它的可用于另外的目的的增量式扫描信号。

不仅四个外部的扫描单元1.2a，1.2b，1.2g，1.2h、而且四个扩展扫 描单元1.2c，1.2d，1.2f，1.2h都-如由图1a可看到地-相对于第一对称轴 线S_y镜像对称地布置，该第一对称轴线平行于第一主运动轴线y定向。此 外，四个外部的扫描单元1.2a，1.2b，1.2g，1.2h和四个扩展扫描单元1.2c， 1.2d，1.2f，1.2h都相对于第二对称轴线S_x镜像对称地布置，该第二对称 轴线平行于第二主运动轴线x定向。

两个扫描单元1.2a，1.2b和两个扩展扫描单元1.2c，1.2d在此布置在 第二对称轴线S_x的一侧（左侧），该第二对称轴线平行于第二主运动轴线 x定向。该扫描单元1.2a，1.2b和扩展扫描单元1.2c，1.2d这样布置，即 各所属的扫描格栅的格线相对于第一主运动轴线y旋转了+45°地定向。两 个另外的扫描单元1.2g，1.2h和扩展扫描单元1.2e，1.2f布置在第二对称 轴线S_x的另一侧（右侧）。该扫描单元1.2g，1.2h和扩展扫描单元1.ec， 1.2f这样布置，即各所属的扫描格栅的格线相对于第一主运动轴线y旋转 了-45°地定向。

不仅四个外部的扫描单元1.2a，1.2b，1.2g，1.2h、而且四个内部的 扩展扫描单元1.2c，1.2d，1.2f，1.2h在根据本发明的装置的该实施方式中 都布置在对象1或者是桌子的一侧，也就是说在图1a中指向上方的一侧。 这种变体能够实现总装置的紧凑的设计、特别是桌子沿第二主运动轴线x 的紧凑的设计。此外和现有技术相反，对于沿第一主运动轴线y所需要的 移动路径仅需要两个二维量具2.1，2.2。

此外提出，即沿第一主运动轴线y的外部的扫描单元1.2a，1.2b和 1.2g，1.2h彼此之间具有最大间距，该间距等于量具2.1，2.2的长度DM_y。 在示出的实施例中，恰好选择了这个最大间距、也就是说外部的扫描单元 1.2a，1.2b和1.2g，1.2h的间距DA_y1选择为DA_y1=DM_y；但是原则上也可 能的是，在此选择在外部的扫描单元1.2a，1.2b和1.2g，1.2h之间的较小 的间距DA_y1。

额外地，或者是在四个外部的扫描单元1.2a，1.2b和1.2g，1.2h之间， 在根据本发明的装置中现在还设有至少四个额外的扩展扫描单元1.2c， 1.2d，1.2e，1.2f，它们沿第一主运动轴线y布置在四个外部的扫描单元1.2a， 1.2b和1.2g，1.2h之间。四个位于内部的扩展扫描单元1.2c，1.2d，1.2e， 1.2f沿第一主运动轴线y具有间距DA_y2，其小于外部的扫描单元1.2a，1.2b， 1.2g，1.2h的上述的间距DA_y1地被选择。

布置在对称轴线S两侧的扫描单元1.2a，1.2b，1.2g，1.2h或者是扩 展扫描单元1.2c，1.2d，1.2e，1.2f沿第二主运动轴线X全部具有相同的 间距DA_x。该间距DA_x最大程度上可以等于量具2.1，2.2沿第二主运动轴 线x的长度DM_x。在第一实施例中-如从图1a中可看出地-，然而间距DA_x明显小于量具2.1，2.2沿该方向的长度DM_x地被选择。

基于根据本发明的装置的这种设计，现在可能的是，使得对象1沿第 一主运动轴线y的移动路径增大，在其内部可实现高精度的位置检测。因 此例如在根据现有技术的解决方案中以仅仅四个外部的扫描单元1.2a， 1.2b，1.2g，1.2h可能存在沿y-轴线最大程度上经过移动路径 V＝2·DM_y-DA_y1的位置检测。通过额外设计的四个扫描单元1.2c， 1.2d，1.2e，1.2f，对象1的可能的移动路径现在可以无需额外的或更大的 量具2.1，2.2扩展为移动路径V＝2·DM_y-DA_y2，这是因为如根据图1a可 看出地，存在DA_y1＞DA_y2。下面根据图3a-3d说明该移动路径-扩展。

图3a-3d分别示出用于制造半导体的机器中的加工过程的不同阶段， 其中，根据本发明的装置的第一实施方式用于检测桌子的位置。在该过程 的各个单个的阶段中，分别仅应用总共八个现有的扫描单元或者是扩展扫 描单元中的四个来检测位置；因此在根据本发明的装置内，单个的扫描单 元或者是扩展扫描单元选择性地对于-未示出的-控制单元的位置检测是可 激活的。在不同的过程-阶段中分别激活的扫描单元或者是扩展扫描单元 在图3a-3d中以虚线标记。

图3a示出该加工过程的加速阶段，在该加速阶段内，对象1或者是 桌子沿第一主运动轴线y尽可能快速地从左向右移动接近那个在其中应该 利用加工工具2.3对晶片1.1进行加工的位置。在该阶段中，通过四个布 置在内部的扩展扫描单元检测位置，该扩展扫描单元在该阶段中连续地扫 描布置在图3a中左侧的量具2.1。

在图3b中，在到达加工位置附近的期望的对象位置之后显示了测量 阶段的开始。在测量阶段中，在同时加工晶片1.1时，以高精度通过四个 位于外部的扫描单元检测对象1的位置。四个位于外部的扫描单元在该阶 段中被激活并且扫描两个量具2.1，2.2以便产生位置信号。基于外部的扫 描单元的选择的间距在此确保了，即在经过在两个量具2.1，2.2之间的冲 击位置的情况下始终为上一级的控制单元提供位置信号。在该测量阶段 中，四个内部的扩展扫描单元另作他用，例如用于进行校准测量等。

在图3c中示出了加工过程的测量阶段的结束。对象1在此还例如沿 第一主运动轴线y继续向右移动。在该阶段中也通过四个外部的、一如既 往地位于两个量具2.1，2.2上方的扫描单元实现了高精度的位置检测。通 过四个扩展扫描单元可以一如既往地实现将位置测量另作他用。

图3d最后示出加工过程的最终的制动阶段，在该加工过程中，对象 1还继续向右移动。在该阶段中，通过现在被再次激活的四个扩展扫描单 元检测对象1的位置。

如由对加工过程和所属附图的这些说明中可看出地，可以通过根据本 发明的装置实现经过一个区域沿移动路径V的位置检测，该区域大于两个 量具2.1，2.2沿该主运动轴线y的长度DMy。如上面说明地，得出根据 本发明的增大的移动路径V＝2·DM_y-DA_y2。

除了根据图3a-3d说明的、用于单个的扫描单元或者是扩展扫描单元 的激活程序之外，与根据本发明的装置的第一实施方式相联系地，也可在 加工过程期间实现可替换的转换-变体。因此例如可能在根据图3a的加速 阶段中为了确定位置也共同使用一对扩展扫描单元和一对扫描单元。然后 还可能在加速期间为了检测位置完全接通扩展扫描单元。在测量运行期间 可能再次利用外部的扫描单元检测位置，并且在后面的制动期间接通扩展 扫描单元。在制动阶段结束时最后可能又利用扩展扫描单元和一对扫描单 元进行位置检测。例如证明为有利的是，使用所有的根据示出的可替换的 方式的分别最大可能的扫描单元，以便关于此实现减少在产生的位置信号 中的位置噪声。因此可实现不同的变体，用于利用根据本发明的装置和特 别用于激活和利用不同的扫描单元或者是扩展扫描单元。

最后，根据图4说明根据本发明的装置的第二实施方式。随后仅说明 相对于根据本发明的装置的第一个实施方式的主要区别。

在此，相对于第一个实施方式的主要区别在于，即现在设有四个在正 方形的布置中的二维量具12.1-12.4；加工工具12.3放置在这四个量具 12.1-12.4的中心处。除了沿第一主运动轴线y布置的两个量具12.1，12.2 之外，还设有两个另外的量具12.3，12.4，这两个另外的量具沿第二主运 动轴线x相邻于两个首先提出的量具12.1，12.2布置。所有四个应用的量 具12.1-12.4在其尺寸和布置在其上的反射光-衍射格栅方面相同地设计。

作为相对于第一个实施例的另外的区别，作为应用现在是四个的二维 量具的后果，设有四个外部的扫描单元11.2a，11.2b，11.2g，11.2h和四 个内部的扩展扫描单元11.2c，11.2d，11.2e，11.2f的近似的变形布置。第 二对称轴线S_x相对于前面的例子相同地选择，而现在第一对称轴线S_y精 确地处于对象11的中心。这表明，即两个扫描单元11.2b，11.2g和两个 扩展扫描单元11.2c，11.2f布置在对象11的一侧，并且两个扫描单元11.2a， 11.2h和两个扩展扫描单元11.2d，11.2e布置在对象11或者是桌子的相反 的另一侧。上面探讨的间距条件因此对于扫描单元11.2a，11.2b，11.2g， 11.2h和扩展扫描单元11.2c，11.2d，11.2e，11.2f沿第一主运动轴线y的 间距而言是不变的。然而对于沿第二主运动轴线x的间距而言，现在得出 了其它的条件。因此扫描单元11.2a，11.2b，11.2g，11.2h和扩展扫描单 元11.2c，11.2d，11.2e，11.2f沿第二主运动轴线x的最小间距等于二维量 具12.1-12.4沿第二主运动轴线x的间距d_x与量具12.1-12.4沿第二主运动 轴线x的长度DM_x之和。如果应该确保，即在相对于量具12.1-12.4的每 个对象位置上可产生位置信号，那么扫描单元11.2a，11.2b，11.2g，11.2h 和扩展扫描单元11.2c，11.2d，11.2e，11.2f沿第二运动轴线x的间距不能 选择得比这种最小间距更小。

总体上，在根据本发明的装置的这个变体中得出了对象11或者是桌 子沿第二主运动轴线x的更大的尺寸。如果这对于各自的应用是可接受的， 证明为该实施方式的优点的是，桌子可以然后设计为对称构造的。这可以 对总系统的动力产生有利的作用。

当然，除了根据本发明的位置测量装置或者是根据本发明的装置的所 说明的实施例之外，在本发明的范畴中还存在其它设计可能性。因此，说 明的第二实施方式可以如下改变，即沿第二主运动轴线x未设有在二维量 具之间的间距。在二维量具中随之可能要安装用于工具的空隙。此外可以 考虑的是，在所说明的实施例中沿第一主运动轴线y设置限定的间距，以 便关于此必要时再次增大可使用的移动路径。此外当然可能的是，必要时 也使用四个以上的扩展扫描单元，等等。