專利名稱：一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光柵測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種雙頻光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光柵測(cè)量系統(tǒng)作為一種典型的位移傳感器廣泛應(yīng)用于眾多機(jī)電設(shè)備。光柵測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理主要基于莫爾條紋原理和衍射干涉原理?；谀獱枟l紋原理的光柵測(cè)量系統(tǒng)作為一種發(fā)展成熟的位移傳感器以其高分辨率、高精度、成本低、易于裝調(diào)等眾多優(yōu)點(diǎn)成為眾多機(jī)電設(shè)備位移測(cè)量的首選。半導(dǎo)體制造裝備中的光刻機(jī)是半導(dǎo)體芯片制作中的關(guān)鍵設(shè)備。超精密工件臺(tái)是光刻機(jī)的核心子系統(tǒng)，用于承載掩模板和硅片完成高速超精密步進(jìn)掃描運(yùn)動(dòng)。超精密工件臺(tái)以其聞速、聞加速、大行程、超精密、多自由度等運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)成為超精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中最具代表性的一類系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)，超精密工件臺(tái)通常采用雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量超精密工件臺(tái)多自由度位移。然而隨著測(cè)量精度、測(cè)量距離、測(cè)量速度等運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的不斷提高，雙頻激光干涉儀以環(huán)境敏感性、測(cè)量速度難以提高、占用空間、價(jià)格昂貴、測(cè)量目標(biāo)工件臺(tái)難以設(shè)計(jì)制造控制等一系列問題難以滿足測(cè)量需求。針對(duì)上述問題，世界上超精密測(cè)量領(lǐng)域的各大公司及研究機(jī)構(gòu)展開了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光柵測(cè)量系統(tǒng)，研究成果在諸多專利論文中均有揭露。荷蘭ASML公司美國(guó)專利US7, 102，729B2(
公開日2005年8月4日)、US7, 483，120B2(
公開日2007年11月15日)、US7,，940, 392B2 (
公開日2009年12月24日)、公開號(hào)US2010/0321665A1 (
公開日2010年12月23日)公開了一種應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的平面光柵測(cè)量系統(tǒng)及布置方案，該測(cè)量系統(tǒng)主要利用一維或二維的平面光柵配合讀數(shù)頭測(cè)量工件臺(tái)水平大行程位移，高度方向位移測(cè)量采用電渦流或干涉儀等高度傳感器，但多種傳感器的應(yīng)用限制工件臺(tái)測(cè)量精度。美國(guó)ZYGO公司美國(guó)專利公開號(hào)US2011/0255096A1(
公開日2011年10月20日)公開了一種應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的光柵測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)亦采用一維或二維光柵配合特定的讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，可同時(shí)進(jìn)行水平向和垂向位移測(cè)量；日本CANON公司美國(guó)專利公開號(hào)US2011/0096334AU
公開日2011年4月28日)公開了一種外差干涉儀，該干涉儀中采用光柵作為目標(biāo)鏡，但該干涉儀僅能實(shí)現(xiàn)一維測(cè)量。日本學(xué)者 GAOWEI 在研究論文 “Design and construction of a two-degree-of-freedomlinear encoder for nanometricmeasurement of stage position and straightness.Precision Engineering34 (2010) 145-155”中提出了一種利用衍射干涉原理的單頻二維光柵測(cè)量系統(tǒng)，該光柵測(cè)量系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平和垂直向的位移測(cè)量，但由于采用單頻激光，測(cè)量信號(hào)易受干擾，精度難以保證?？紤]到上述技術(shù)方案的局限，尋求一種利用光學(xué)拍頻原理的外差光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時(shí)測(cè)量水平向大行程位移和垂向位移。選用該測(cè)量系統(tǒng)作為超精密工件臺(tái)位移測(cè)量裝置，能夠有效的降低激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)在超精密工件臺(tái)應(yīng)用中的不足，使光刻機(jī)超精密工件臺(tái)性能提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙頻光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時(shí)測(cè)量水平向大行程位移和垂向位移。本發(fā)明的技術(shù)方案如下·一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，特征在于包括雙頻激光器I、干涉儀2、測(cè)量光柵3和電子信號(hào)處理部件4 ;所述干涉儀2包括偏振分光鏡21、波片、折光兀件23、反射器24、檢偏器25和光電探測(cè)器；所述雙頻激光器I出射的雙頻激光經(jīng)光纖傳輸至偏振分光鏡21后分為參考光和測(cè)量光，參考光經(jīng)參考臂四分之一波片22’、反射器24反射后產(chǎn)生兩束平行參考光，兩束平行參考光經(jīng)參考臂四分之一波片22’、偏振分光鏡21、檢偏器25后分別入射至第一光電探測(cè)器26、第二光電探測(cè)器27 ;測(cè)量光經(jīng)測(cè)量臂四分之一波片22、折光元件23后入射至測(cè)量光柵3發(fā)生衍射，正負(fù)一級(jí)衍射測(cè)量光經(jīng)折光元件23、測(cè)量臂四分之一波片22、偏振分光鏡21、檢偏器25后分別入射至第一光電探測(cè)器26和第二光電探測(cè)器27 ;兩束平行參考光分別和兩束衍射測(cè)量光經(jīng)第一光電探測(cè)器26和第二光電探測(cè)器27形成拍頻電信號(hào)，拍頻電信號(hào)傳輸至電子信號(hào)處理部件4進(jìn)行信號(hào)處理；同時(shí)，雙頻激光器I輸出參考信號(hào)傳輸電子信號(hào)處理部件4 ;當(dāng)所述的干涉儀2與測(cè)量光柵3之間具有X向和z的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過電子信號(hào)處理部件4實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向線性位移的輸出。本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的檢偏器25、第一光電探測(cè)器26和第二光電探測(cè)器27構(gòu)成接收器5,從偏振分光鏡21出射的兩束平行的參考光和測(cè)量光經(jīng)光纖傳輸至接收器。本發(fā)明的另一技術(shù)特征是所述接收器5和電子信號(hào)處理部件4形成一體化結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的反射器24由參考光柵241和反射鏡2a組成，所述的參考光入射至參考光柵241發(fā)生衍射反射后經(jīng)反射鏡2a形成兩束平行光；或反射器24由參考光柵241和透鏡2b組成，所述的參考光入射至參考光柵241發(fā)生衍射反射后經(jīng)透鏡2b形成兩束平行光；或反射器24由參考光柵241和棱鏡2c組成，所述的參考光入射至參考光柵241發(fā)生衍射反射后經(jīng)棱鏡2c形成兩束平行光；或所述的反射器24采用直角棱鏡242，該直角棱鏡的截面由直角梯形和等腰直角三角形構(gòu)成，直角梯形和等腰三角形拼接面為分光面，所述的參考光入射至直徑棱鏡242的分光面后分為兩束光，兩束光分別經(jīng)45度反射面反射形成兩束平行光。本發(fā)明所述的折光元件23采用反射鏡2a或透鏡2b或棱鏡2c。本發(fā)明提供的一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果①實(shí)現(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，測(cè)量精度受外界環(huán)境影響??；②可同時(shí)測(cè)量水平向大行程位移和垂向位移；③測(cè)量系統(tǒng)讀數(shù)頭體積小、質(zhì)量輕、易于安裝，方便應(yīng)用；④用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)，在滿足測(cè)量需求的基礎(chǔ)上，可有效的降低工件臺(tái)體積、質(zhì)量，提高工件臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能，使工件臺(tái)整體性能綜合提高。


圖I為本發(fā)明第一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2為本發(fā)明第二種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3為本發(fā)明第三種雙頻光 柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖4為本發(fā)明第一種反射器實(shí)施例不意圖。圖5為本發(fā)明第二種反射器實(shí)施例示意圖。圖6為本發(fā)明第三種反射器實(shí)施例示意圖。圖7為本發(fā)明第四種反射器實(shí)施例示意圖。圖8為本發(fā)明第一種折光元件實(shí)施例示意圖。圖9為本發(fā)明第二種折光元件實(shí)施例示意圖。圖10為本發(fā)明第三種折光元件實(shí)施例示意圖。圖中，I一雙頻激光頭；2—干涉儀；3—測(cè)量光柵；4一電子信號(hào)處理部件；5—接收器；6—一體化結(jié)構(gòu)件；21—偏振分光鏡；22—測(cè)量臂四分之一波片；22’ 一參考臂四分之一波片，23—折光兀件；24 —反射器；25—檢偏器；26—第一光電探測(cè)器；27—第二光電探測(cè)器；241—參考光柵；242—直角棱鏡；2a—反射鏡；2b—透鏡；2c—棱鏡。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。請(qǐng)參考圖1，圖I本發(fā)明第一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例示意圖。雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)包括雙頻激光器I、干涉儀2、測(cè)量光柵3和電子信號(hào)處理部件4 ；所述干涉儀2包括偏振分光鏡21、波片、折光元件23、反射器24、檢偏器25和光電探測(cè)器。所述雙頻激光器I出射的雙頻激光經(jīng)光纖傳輸至偏振分光鏡21后分為參考光和測(cè)量光，參考光經(jīng)參考臂四分之一波片22’、反射器24反射后產(chǎn)生兩束平行參考光，兩束平行參考光經(jīng)參考臂四分之一波片22’、偏振分光鏡21、檢偏器25后分別入射至第一光電探測(cè)器26、第二光電探測(cè)器27 ;測(cè)量光經(jīng)測(cè)量臂四分之一波片22、折光元件23后入射至測(cè)量光柵3發(fā)生衍射，正負(fù)一級(jí)衍射測(cè)量光經(jīng)折光元件23、測(cè)量臂四分之一波片22、偏振分光鏡21、檢偏器25后分別入射至第一光電探測(cè)器26和第二光電探測(cè)器27 ;兩束平行參考光分別和正負(fù)一級(jí)衍射測(cè)量光經(jīng)第一光電探測(cè)器26和第二光電探測(cè)器27形成拍頻電信號(hào)，拍頻電信號(hào)傳輸至電子信號(hào)處理部件4進(jìn)行信號(hào)處理；同時(shí)，雙頻激光器I輸出參考信號(hào)傳輸電子信號(hào)處理部件4 ;當(dāng)所述的干涉儀2與測(cè)量光柵3之間具有X向和z的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過電子信號(hào)處理部件4實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向線性位移的輸出。請(qǐng)參考圖2，圖2為本發(fā)明第二種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例示意圖。本實(shí)施例是在第一種方案的基礎(chǔ)上，將檢偏器25、第一光電探測(cè)器26和第二光電探測(cè)器27構(gòu)成接收器5，從偏振分光鏡21出射的兩束平行的參考光和測(cè)量經(jīng)光纖傳輸至接收器5。測(cè)量系統(tǒng)采用這種方案可降低干涉儀設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，同時(shí)可縮小干涉儀體積和降低干涉儀質(zhì)量；采用接收器5更易于光電轉(zhuǎn)換后電信號(hào)的預(yù)處理，提高系統(tǒng)信號(hào)的抗干擾能力。請(qǐng)參考圖3，圖3為本發(fā)明第三種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例示意圖。本實(shí)施例是在第二種方案的基礎(chǔ)上，將接收器5和電子信號(hào)處理部件4形成一體化結(jié)構(gòu)件6。測(cè)量系統(tǒng)采用這種方案可縮小干涉儀體積、降低干涉儀質(zhì)量、提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)集成性。請(qǐng)參考圖4，圖4為本發(fā)明第一種反射器實(shí)施例示意圖，反射器24由參考光柵241和反射鏡2a組成，所述的參考光入射至參考光柵241發(fā)生衍射反射后經(jīng)反射鏡2a形成兩束平行光。請(qǐng)參考圖5，圖5為本發(fā)明第二種反射器實(shí)施例示意圖，反射器24由參考光柵241和透鏡2b組成，所述的參考光入射至參考光柵241發(fā)生衍射反射后經(jīng)透鏡2b形成兩束平行光。請(qǐng)參考圖6，圖6為本發(fā)明一種反射器實(shí)施例示意圖，反射器24由參考光柵241和棱鏡2c組成，所述的參考光入射至參考光柵241發(fā)生衍射反射后經(jīng)棱鏡2c形成兩束平行光。請(qǐng)參考圖7，圖7為本發(fā)明一種反射器實(shí)施例示意圖，反射器24采用直角棱鏡242，該直角棱鏡的截面由直角梯形和等腰直角三角形構(gòu)成，直角梯形和等腰三角形拼接面為分光面，所述的參考光入射至直徑棱鏡242的分光面后分為兩束光，兩束光分別經(jīng)45度反射面反射形成兩束平行光。請(qǐng)參考圖8,圖8為本發(fā)明一種折光元件實(shí)施例示意圖,折光元件23采用反射鏡
2β ο請(qǐng)參考圖9，圖9為本發(fā)明一種折光元件實(shí)施例示意圖，折光元件23采用透鏡2b。請(qǐng)參考圖10，圖10為本發(fā)明一種折光元件實(shí)施例示意圖，折光元件23采用棱鏡2c0上述雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，而且可同時(shí)測(cè)量水平向大行程位移和垂向位移，更兼具體積小、質(zhì)量輕、環(huán)境敏感性弱等眾多優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)位移測(cè)量，可提高工件臺(tái)系統(tǒng)綜合性能，滿足工件臺(tái)系統(tǒng)近極限的性能需求，同時(shí)有助于光刻機(jī)整機(jī)性能提升。
權(quán)利要求
1.一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，特征在于包括雙頻激光器(I)、干涉儀(2)、測(cè)量光柵(3)和電子信號(hào)處理部件(4);所述干涉儀(2)包括偏振分光鏡(21)、波片、折光元件(23)、反射器(24)、檢偏器(25)和光電探測(cè)器；所述雙頻激光器(I)出射的雙頻激光經(jīng)光纖傳輸至偏振分光鏡(21)后分為參考光和測(cè)量光，參考光經(jīng)參考臂四分之一波片(22’)、反射器(24)反射后產(chǎn)生兩束平行參考光，兩束平行參考光經(jīng)參考臂四分之一波片(22’)、偏振分光鏡(21)、檢偏器(25)后分別入射至第一光電探測(cè)器(26)、第二光電探測(cè)器(27);測(cè)量光經(jīng)測(cè)量臂四分之一波片(22)、折光元件(23)后入射至測(cè)量光柵(3)發(fā)生衍射，正負(fù)一級(jí)衍射測(cè)量光經(jīng)折光元件(23)、測(cè)量臂四分之一波片(22)、偏振分光鏡(21)、檢偏器(25)后分別入射至第一光電探測(cè)器(26)和第二光電探測(cè)器(27 );兩束平行參考光分別和兩束衍射測(cè)量光經(jīng)第一光電探測(cè)器(26 )和第二光電探測(cè)器(27)形成拍頻電信號(hào)，拍頻電信號(hào)傳輸至電子信號(hào)處理部件(4)進(jìn)行信號(hào)處理;同時(shí)，雙頻激光器(I)輸出參考信號(hào)傳輸電子信號(hào)處理部件(4);當(dāng)所述的干涉儀(2)與測(cè)量光柵(3)之間具有X向和z的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過電子信號(hào)處理部件(4)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向線性位移的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的檢偏器(25)、第一光電探測(cè)器(26)和第二光電探測(cè)器(27)構(gòu)成接收器(5),從偏振分光鏡(21)出射的兩束平行的參考光和測(cè)量光經(jīng)光纖傳輸至接收器(5 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述接收器(5)和電子信號(hào)處理部件(4)形成一體化結(jié)構(gòu)件(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的反射器(24)由參考光柵(241)和反射鏡(2a)組成，所述的參考光入射至參考光柵(241)發(fā)生衍射反射后經(jīng)反射鏡(2a)形成兩束平行光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的反射器(24)由參考光柵(241)和透鏡(2b)組成，所述的參考光入射至參考光柵(241)發(fā)生衍射反射后經(jīng)透鏡(2b)形成兩束平行光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的反射器(24)由參考光柵(241)和棱鏡(2c)組成，所述的參考光入射至參考光柵(241)發(fā)生衍射反射后經(jīng)棱鏡(2c)形成兩束平行光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的反射器(24)采用直角棱鏡(242)，該直角棱鏡的截面由直角梯形和等腰直角三角形構(gòu)成，直角梯形和等腰三角形拼接面為分光面，所述的參考光入射至直角棱鏡(242)的分光面后分為兩束光，兩束光分別經(jīng)45度反射面反射形成兩束平行光。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的折光元件(23)采用反射鏡(2a)或透鏡(2b)或棱鏡(2c)。
全文摘要
一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，包括雙頻激光器、干涉儀、測(cè)量光柵、電子信號(hào)處理部件，該測(cè)量系統(tǒng)基于光柵衍射、光學(xué)多普勒效應(yīng)和光學(xué)拍頻原理實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。雙頻激光器出射雙頻激光經(jīng)偏振分光鏡分為參考光和測(cè)量光，測(cè)量光入射至測(cè)量光柵處產(chǎn)生正負(fù)一級(jí)衍射，衍射光與參考光在光電探測(cè)單元處形成包含兩個(gè)方向位移信息的拍頻信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)線性位移輸出。該測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時(shí)測(cè)量水平向大行程位移和垂向位移。該測(cè)量系統(tǒng)具有對(duì)環(huán)境不敏感、測(cè)量精度高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，作為光刻機(jī)超精密工件臺(tái)位置測(cè)量系統(tǒng)可提升工件臺(tái)綜合性能。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102937411SQ20121044873
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者朱煜, 張鳴, 王磊杰, 胡金春, 陳龍敏, 楊開明, 徐登峰, 尹文生, 穆海華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)