專利名稱：一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光柵測量系統(tǒng)，特別涉及一種外差光柵干涉儀測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光柵測量系統(tǒng)作為一種典型的位移傳感器廣泛應(yīng)用于眾多機電設(shè)備。光柵測量系統(tǒng)的測量原理主要基于莫爾條紋原理和衍射干涉原理。基于莫爾條紋原理的光柵測量系統(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)點成為眾多機電設(shè)備位移測量的首選。半導(dǎo)體制造裝備中的光刻機是半導(dǎo)體芯片制作中的關(guān)鍵設(shè)備。超精密工件臺是光刻機的核心子系統(tǒng)，用于承載掩模板和硅片完成高速超精密步進掃描運動。超精密工件臺以其聞速、聞加速、大行程、超精密、多自由度等運動特點成為超精密運動系統(tǒng)中最具代表性的一類系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述運動，超精密工件臺通常采用雙頻激光干涉儀測量系統(tǒng)測量超精密工件臺多自由度位移。然而隨著測量精度、測量距離、測量速度等運動指標的不斷提高，雙頻激光干涉儀以環(huán)境敏感性、測量速度難以提高、占用空間、價格昂貴、測量目標工件臺難以設(shè)計制造控制等一系列問題難以滿足測量需求。針對上述問題，世界上超精密測量領(lǐng)域的各大公司及研究機構(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US2010/0321665A1 (
公開日2010年12月23日)公開了一種應(yīng)用于光刻機超精密工件臺的平面光柵測量系統(tǒng)及布置方案，該測量系統(tǒng)主要利用一維或二維的平面光柵配合讀數(shù)頭測量工件臺水平大行程位移，高度方向位移測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)用限制工件臺測量精度。美國ZYGO公司美國專利公開號US2011/0255096A1(
公開日2011年10月20日)公開了一種應(yīng)用于光刻機超精密工件臺的光柵測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)亦采用一維或二維光柵配合特定的讀數(shù)頭實現(xiàn)位移測量，可同時進行水平向和垂向位移測量；日本CANON公司美國專利公開號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鏡，但該干涉儀僅能實現(xiàn)一維測量。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量系統(tǒng)，該光柵測量系統(tǒng)可同時實現(xiàn)水平和垂直向的位移測量，但由于采用單頻激光，測量信號易受干擾，精度難以保證。考慮到上述技術(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量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時測量水平向大行程位移和垂向位移。選用該測量系統(tǒng)作為超精密工件臺位移測量裝置，能夠有效的降低激光干涉儀測量系統(tǒng)在超精密工件臺應(yīng)用中的不足，使光刻機超精密工件臺性能提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種外差光柵干涉儀測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時測量水平向大行程位移和垂向位移。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，特征在于包括讀數(shù)頭I、測量光柵2和電子信號處理部件3 ；所述的讀數(shù)頭I包括雙頻激光發(fā)生器11、干涉儀12、參考信號光電轉(zhuǎn)換單元13和測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14;所述雙頻激光發(fā)生器11包括激光管111、第一偏振分光鏡112、聲光調(diào)制器、反射鏡、偏振片和分光鏡113 ;所述干涉儀12包括第二偏振分光鏡121、波片、折光元件123、反射器124 ；所述的激光管111出射的激光準直后經(jīng)第一偏振分光鏡112后出射兩束偏振方向垂直、傳播方向垂直的光束，兩束光束經(jīng)兩個聲光調(diào)制器分別產(chǎn)生兩束頻率不同一級衍射光，兩束一級衍射光分別經(jīng)反射鏡、偏振片后至分光鏡113進行分光合光,分光鏡113的一個出口出射一束雙頻激光至參考信號光電轉(zhuǎn)換單兀13后形成參考信號，另一個出口同時出射一束雙頻激光至第二偏振分光鏡121 ；所述分光鏡113 —個出口出射的雙頻激光經(jīng)第二偏振分光鏡121后分為參考光和測量光，參考光經(jīng)參考臂四分之一波片122’、參考臂反射器124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122’、第二偏振分光鏡121后分別入射至測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14;測量光經(jīng)測量臂四分之一波片122、折光元件123后入射至測量光柵2發(fā)生衍射，正負一級衍射測量光經(jīng)測量折彎光元件123、測量臂四分之一波片122、偏振分光鏡121后分別入射至測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14 ;兩束平行參考光分別和正負一級衍射測量光經(jīng)測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14形成拍頻電信號，拍頻電信號傳輸至電子信號處理部件3進行信號處理；當所述的讀數(shù)頭I與測量光柵2之間具有X向和z的相對運動時，通過電子信號處理部件3實現(xiàn)兩個方向線性位移的輸出。本發(fā)明優(yōu)選技術(shù)方案是所述的參考信號光電轉(zhuǎn)換單兀13和測量信號光電轉(zhuǎn)換單兀14構(gòu)成接收器4,從分光鏡113出射的光與偏振分光鏡121出射的兩束平行光分別經(jīng)光纖傳輸至接收器4。本發(fā)明的又一優(yōu)選方案是所述接收器4和電子信號處理部件3形成一體化結(jié)構(gòu)5。上述技術(shù)方案中，所述的反射器124由參考光柵1241和反射鏡2a組成，所述的參考光入射至參考光柵1241發(fā)生衍射反射后經(jīng)反射鏡2a形成兩束平行光；或反射器由參考光柵1241和透鏡2b組成，所述的參考光入射至參考光柵1241發(fā)生衍射反射后經(jīng)透鏡2b形成兩束平行光；或反射器124由參考光柵1241和棱鏡2c組成，所述的參考光入射至參考光柵1241發(fā)生衍射反射后經(jīng)棱鏡2c形成兩束平行光；或反射器124采用直角棱鏡1242，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1242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。
5
本發(fā)明所述的折光元件123采用反射鏡2a、透鏡2b或棱鏡2c。本發(fā)明所述參考信號光電轉(zhuǎn)換單兀13由檢偏器2d的第一光電探測單兀131組成；測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14由檢偏器2d、第二光電探測單元142和第三光電探測單元143組成。本發(fā)明所提供的一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點及突出性效果可實現(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度；測量精度受外界環(huán)境影響小；可同時測量水平向大行程位移和垂向位移；測量系統(tǒng)讀數(shù)頭體積小、質(zhì)量輕、易于安裝，方便應(yīng)用；作為于光刻機超精密工件臺測量系統(tǒng)，在滿足測量需求的基礎(chǔ)上，可有效的降低工件臺體積、質(zhì)量，降低測量系統(tǒng)對工件臺的線纜擾動，提高工件臺的動態(tài)性能，使工件臺整體性能綜合提聞。


圖I為本發(fā)明第一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明第二種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3為本發(fā)明第三種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖4為本發(fā)明的第一種反射器實施例示意圖。圖5為本發(fā)明的第二種反射器實施例示意圖。圖6為本發(fā)明的第三種反射器實施例示意圖。圖7為本發(fā)明第四種反射器實施例示意圖。圖8為本發(fā)明的第一種折光元件實施例示意圖。圖9為本發(fā)明的第二種折光元件實施例示意圖。圖10為本發(fā)明的第三種折光元件實施例示意圖。圖11為本發(fā)明的一種參考信號光電轉(zhuǎn)換單元實施例示意圖。圖12為本發(fā)明的一種測量信號光電轉(zhuǎn)換單元實施例示意圖。圖中，I—讀數(shù)頭，2—測量光柵，3—電子信號處理部件，4—接收器，5——一體化結(jié)構(gòu)；11——雙頻激光發(fā)生器，12——干涉儀，13——參考信號光電轉(zhuǎn)換單元，
14-測量信號光電轉(zhuǎn)換單兀；111-激光管，112-第一偏振分光鏡，113-分光
鏡；121——第二偏振分光鏡，122——測量臂四分之一波片，122’——參考臂四分之一波片，123——折光元件，124——反射器；1241——參考光柵，1242——直角棱鏡；131——第一光電探測單元；141—第二光電探測單元，142—第三光電探測單元；2a——反射鏡，2b——透鏡，2c——棱鏡，2d——檢偏器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和具體實施方式
作進一步地詳細描述。請參考圖1，圖I為本發(fā)明第一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)實施例結(jié)構(gòu)原理示意圖。如圖I所示，該外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)包括讀數(shù)頭I、測量光柵2和電子信號處理部件3 ;所述的讀數(shù)頭I包括雙頻激光發(fā)生器11、干涉儀12、參考信號光電轉(zhuǎn)換單元13和測量信號光電轉(zhuǎn)換單兀14 ;所述雙頻激光發(fā)生器11包括激光管111、第一偏振分光鏡112、聲光調(diào)制器、反射鏡、偏振片和分光鏡113 ;所述干涉儀12包括第二偏振分光鏡121、波片、折光元件123、反射器124。所述的激光管111出射的激光準直后經(jīng)第一偏振分光鏡112后出射兩束偏振方向垂直、傳播方向垂直的光束，兩束光束經(jīng)兩個聲光調(diào)制器分別產(chǎn)生兩束頻率不同一級衍射光，兩束一級衍射光分別經(jīng)反射鏡、偏振片后至分光鏡113進行分光合光,分光鏡113的一個出口出射一束雙頻激光至參考信號光電轉(zhuǎn)換單兀13后形成參考信號，另一個出口同時出射一束雙頻激光至第二偏振分光鏡121。所述分光鏡113 —個出口出射的雙頻激光經(jīng)第二偏振分光鏡121后分為參考光和測量光，參考光經(jīng)參考臂四分之一波片122’、參考臂反射器124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122’、第二偏振分光鏡121后分別入射至測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14 ;測量光經(jīng)測量臂四分之一波片122、折光元件123后入射至測量光柵
2發(fā)生衍射，正負一級衍射測量光經(jīng)測量折彎光元件123、測量臂四分之一波片122、偏振分光鏡121后分別入射至測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14 ;兩束平行參考光分別和正負一級衍射測量光經(jīng)測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14形成拍頻電信號，拍頻電信號傳輸至電子信號處理部件3進行信號處理；當所述的讀數(shù)頭I與測量光柵2之間具有X向和z的相對運動時，通過電子信號處理部件3實現(xiàn)兩個方向線性位移的輸出。請參考圖2，圖2為本發(fā)明第二種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)實施例示意圖。如圖2所示，所述的參考信號光電轉(zhuǎn)換單元13和測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14構(gòu)成接收器4，從分光鏡113出射的光與偏振分光鏡121出射的兩束平行光分別經(jīng)光纖傳輸至接收器4。測量系統(tǒng)采用這種方案可降低干涉儀設(shè)計的復(fù)雜程度，同時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)換后電信號的預(yù)處理，提高系統(tǒng)信號的抗干擾能力。請參考圖3，圖3為本發(fā)明第三種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)實施例示意圖。如圖3所示，所述接收器4和電子信號處理部件3形成一體化結(jié)構(gòu)5。測量系統(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。請參考圖4,圖4為本發(fā)明第一種反射器實施例示意圖。如圖4所示,所述的反射器124由參考光柵1241和反射鏡2a組成，所述的參考光入射至參考光柵1241發(fā)生衍射反射后經(jīng)反射鏡2a形成兩束平行光。請參考圖5，圖5為本發(fā)明第二種反射器實施例示意圖。如圖5所示，所述的反射器124由參考光柵1241和透鏡2b組成，所述的參考光入射至參考光柵1241發(fā)生衍射反射后經(jīng)透鏡2b形成兩束平行光。請參考圖6,圖6為本發(fā)明第三種反射器實施例示意圖。如圖6所示,所述的反射器124由參考光柵1241和棱鏡2c組成，所述的參考光入射至參考光柵1241發(fā)生衍射反射后經(jīng)棱鏡2c形成兩束平行光。請參考圖7，圖7為第四種反射器實施例示意圖。如圖7所示，所述的反射器124采用直角棱鏡1242，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1242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。請參考圖8,圖8為本發(fā)明第一種折光元件實施例示意圖。如圖8所示,折光元件23采用反射鏡2a。
請參考圖9,圖9為本發(fā)明第二種折光元件實施例示意圖。如圖9所示,折光元件23采用透鏡2b。請參考圖10,圖10為本發(fā)明第三種折光元件實施例示意圖。如圖10所示,折光元件23采用棱鏡2c。請參考圖11，圖11為本發(fā)明的一種參考信號光電轉(zhuǎn)換單元實施例示意圖。如圖11所示，參考信號光電轉(zhuǎn)換單元13由檢偏器2d、第二光電探測單元131組成，雙頻激光經(jīng)檢偏器2d入射至第一光電探測單兀131后轉(zhuǎn)換為參考電信號。請參考圖12，圖12為本發(fā)明的測量信號光電轉(zhuǎn)換單元實施例示意圖。如圖12所示，測量信號光電轉(zhuǎn)換單元14由檢偏器2d、第二光電探測單元141和第三光電探測單元142組成，混合的參考光與測量光經(jīng)檢偏器2d分別入射至第二光電探測單元141和第三光電探測單元142后轉(zhuǎn)換為兩個拍頻電信號。上述外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，而且可同時測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。應(yīng)用于光刻機超精密工件臺位移測量，可提高工件臺系統(tǒng)綜合性能，滿足工件臺系統(tǒng)近極限的性能需求，同時有助于光刻機整機性能提升。
權(quán)利要求
1.一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，特征在于包括讀數(shù)頭(I)、測量光柵(2)和電子信號處理部件(3);所述的讀數(shù)頭(I)包括雙頻激光發(fā)生器(11)、干涉儀(12)、參考信號光電轉(zhuǎn)換單元(13)和測量信號光電轉(zhuǎn)換單元(14)；所述雙頻激光發(fā)生器(11)包括激光管(111)、第一偏振分光鏡(112)、聲光調(diào)制器、反射鏡、偏振片和分光鏡(113)；所述干涉儀(12)包括第二偏振分光鏡(121)、波片、折光元件(123)、反射器(124)；所述的激光管(111)出射的激光準直后經(jīng)第一偏振分光鏡(112 )后出射兩束偏振方向垂直、傳播方向垂直的光束，兩束光束經(jīng)兩個聲光調(diào)制器分別產(chǎn)生兩束頻率不同一級衍射光，兩束一級衍射光分別經(jīng)反射鏡、偏振片后至分光鏡(113)進行分光合光,分光鏡(113)的一個出口出射一束雙頻激光至參考信號光電轉(zhuǎn)換單兀(13)后形成參考信號，同時，另一個出口出射一束雙頻激光至第二偏振分光鏡(121)；所述分光鏡(I 13) —個出口出射的雙頻激光經(jīng)第二偏振分光鏡(121)后分為參考光和測量光，參考光經(jīng)參考臂四分之一波片(122’)、參考臂反射器(124)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(122’)、第二偏振分光鏡(121)后分別入射至測量信號光電轉(zhuǎn)換單元(14);測量光經(jīng)測量臂四分之一波片(122)、折光元件(123)后入射至測量光柵(2)發(fā)生衍射，正負一級衍射測量光經(jīng)測量折彎光元件(123)、測量臂四分之一波片(122)、偏振分光鏡(121)后分別入射至測量信號光電轉(zhuǎn)換單元(14);兩束平行參考光分別和正負一級衍射測量光經(jīng)測量信號光電轉(zhuǎn)換單元(14)形成拍頻電信號，拍頻電信號傳輸至電子信號處理部件(3)進行信號處理；當所述的讀數(shù)頭(I)與測量光柵(2)之間具有X向和z的相對運動時，通過電子信號處理部件(3)實現(xiàn)兩個方向線性位移的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，其特征在于所述的參考信號光電轉(zhuǎn)換單元(13)和測量信號光電轉(zhuǎn)換單元(14)構(gòu)成接收器(4)，從分光鏡(113)出射的光與偏振分光鏡(121)出射的兩束平行光分別經(jīng)光纖傳輸至接收器(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，其特征在于所述接收器(4 )和電子信號處理部件(3 )形成一體化結(jié)構(gòu)(5 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，其特征在于所述的反射器(124)由參考光柵(1241)和反射鏡(2a)組成，所述的參考光入射至參考光柵(1241)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所述的一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，其特征在于所述的反射器(124)由參考光柵(1241)和透鏡(2b)組成，所述的參考光入射至參考光柵(1241)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所述的一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，其特征在于所述的反射器(124)由參考光柵(1241)和棱鏡(2c)組成，所述的參考光入射至參考光柵(1241)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所述的一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，其特征在于所述的反射器(124)采用直角棱鏡(1242)，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(1242)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所述的一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，其特征在于所述的折光元件(123 )采用反射鏡(2a)、透鏡(2b )或棱鏡(2c )。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，其特征在于所述參考信號光電轉(zhuǎn)換單元(13)由檢偏器(2d)和第一光電探測單元(131)組成；測量信號光電轉(zhuǎn)換單元(14)由檢偏器(2d)、第二光電探測單元(142)和第三光電探測單元(143)組成。
全文摘要
一種外差光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，包括讀數(shù)頭、測量光柵、電子信號處理部件，該測量系統(tǒng)基于光柵衍射、光學(xué)多普勒效應(yīng)和光學(xué)拍頻原理實現(xiàn)位移測量。讀數(shù)頭包括雙頻激發(fā)生器、干涉儀、信號轉(zhuǎn)換單元，雙頻激光發(fā)生器出射雙頻激光經(jīng)偏振分光鏡分為參考光和測量光，測量光入射至測量光柵處產(chǎn)生正負一級衍射，衍射光與參考光在光電探測單元處形成包含兩個方向位移信息的拍頻信號，經(jīng)信號處理實現(xiàn)線性位移輸出。該測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時測量水平向大行程位移和垂向位移。該測量系統(tǒng)具有對環(huán)境不敏感、測量精度高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，作為光刻機超精密工件臺位置測量系統(tǒng)可提升工件臺綜合性能。
文檔編號G01B11/02GK102944176SQ20121044924
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者張鳴, 朱煜, 王磊杰, 胡金春, 陳龍敏, 楊開明, 徐登峰, 尹文生, 穆海華 申請人:清華大學(xué)