CN102944176A - 一种外差光栅干涉仪位移测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种外差光栅干涉仪位移测量系统，包括读数头、测量光栅、电子信号处理部件，该测量系统基于光栅衍射、光学多普勒效应和光学拍频原理实现位移测量。读数头包括双频激发生器、干涉仪、信号转换单元，双频激光发生器出射双频激光经偏振分光镜分为参考光和测量光，测量光入射至测量光栅处产生正负一级衍射，衍射光与参考光在光电探测单元处形成包含两个方向位移信息的拍频信号，经信号处理实现线性位移输出。该测量系统能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度，且能够同时测量水平向大行程位移和垂向位移。该测量系统具有对环境不敏感、测量精度高、体积小、质量轻等优点，作为光刻机超精密工件台位置测量系统可提升工件台综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种光栅测量系统，特别涉及一种外差光栅干涉仪测量系统。
背景技术
光栅测量系统作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备。光栅测量系统的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干涉原理。基于莫尔条纹原理的光栅测量系统作为一种发展成熟的位移传感器以其高分辨率、高精度、成本低、易于装调等众多优点成为众多机电设备位移测量的首选。
半导体制造装备中的光刻机是半导体芯片制作中的关键设备。超精密工件台是光刻机的核心子系统，用于承载掩模板和硅片完成高速超精密步进扫描运动。超精密工件台以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等运动特点成为超精密运动系统中最具代表性的一类系统。为实现上述运动，超精密工件台通常采用双频激光干涉仪测量系统测量超精密工件台多自由度位移。然而随着测量精度、测量距离、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪以环境敏感性、测量速度难以提高、占用空间、价格昂贵、测量目标工件台难以设计制造控制等一系列问题难以满足测量需求。
针对上述问题，世界上超精密测量领域的各大公司及研究机构展开了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光栅测量系统，研究成果在诸多专利论文中均有揭露。荷兰ASML公司美国专利US7,102,729B2（公开日2005年8月4日）、US7,483,120B2（公开日2007年11月15日）、US7,,940,392B2（公开日2009年12月24日）、公开号US2010/0321665A1（公开日2010年12月23日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的平面光栅测量系统及布置方案，该测量系统主要利用一维或二维的平面光栅配合读数头测量工件台水平大行程位移，高度方向位移测量采用电涡流或干涉仪等高度传感器，但多种传感器的应用限制工件台测量精度。美国ZYGO公司美国专利公开号US2011/0255096A1（公开日2011年10月20日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅测量系统，该测量系统亦采用一维或二维光栅配合特定的读数头实现位移测量，可同时进行水平向和垂向位移测量；日本CANON公司美国专利公开号US2011/0096334A1（公开日2011年4月28日）公开了一种外差干涉仪，该干涉仪中采用光栅作为目标镜，但该干涉仪仅能实现一维测量。日本学者GAOWEI在研究论文“Design and construction of a two-degree-of-freedom linear encoder for nanometricmeasurement of stage position and straightness.Precision Engineering34(2010)145-155”中提出了一种利用衍射干涉原理的单频二维光栅测量系统，该光栅测量系统可同时实现水平和垂直向的位移测量，但由于采用单频激光，测量信号易受干扰，精度难以保证。
考虑到上述技术方案的局限，寻求一种利用光学拍频原理的外差光栅干涉仪测量系统，该测量系统能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度，且能够同时测量水平向大行程位移和垂向位移。选用该测量系统作为超精密工件台位移测量装置，能够有效的降低激光干涉仪测量系统在超精密工件台应用中的不足，使光刻机超精密工件台性能提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种外差光栅干涉仪测量系统，该测量系统能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度，且能够同时测量水平向大行程位移和垂向位移。
本发明的技术方案如下：
一种外差光栅干涉仪位移测量系统，特征在于：包括读数头1、测量光栅2和电子信号处理部件3；
所述的读数头1包括双频激光发生器11、干涉仪12、参考信号光电转换单元13和测量信号光电转换单元14；
所述双频激光发生器11包括激光管111、第一偏振分光镜112、声光调制器、反射镜、偏振片和分光镜113；
所述干涉仪12包括第二偏振分光镜121、波片、折光元件123、反射器124；
所述的激光管111出射的激光准直后经第一偏振分光镜112后出射两束偏振方向垂直、传播方向垂直的光束，两束光束经两个声光调制器分别产生两束频率不同一级衍射光，两束一级衍射光分别经反射镜、偏振片后至分光镜113进行分光合光，分光镜113的一个出口出射一束双频激光至参考信号光电转换单元13后形成参考信号，另一个出口同时出射一束双频激光至第二偏振分光镜121；
所述分光镜113一个出口出射的双频激光经第二偏振分光镜121后分为参考光和测量光，参考光经参考臂四分之一波片122’、参考臂反射器124反射后产生两束平行参考光，两束平行参考光经参考臂四分之一波片122’、第二偏振分光镜121后分别入射至测量信号光电转换单元14；测量光经测量臂四分之一波片122、折光元件123后入射至测量光栅2发生衍射，正负一级衍射测量光经测量折弯光元件123、测量臂四分之一波片122、偏振分光镜121后分别入射至测量信号光电转换单元14；两束平行参考光分别和正负一级衍射测量光经测量信号光电转换单元14形成拍频电信号，拍频电信号传输至电子信号处理部件3进行信号处理；当所述的读数头1与测量光栅2之间具有x向和z的相对运动时，通过电子信号处理部件3实现两个方向线性位移的输出。
本发明优选技术方案是：所述的参考信号光电转换单元13和测量信号光电转换单元14构成接收器4，从分光镜113出射的光与偏振分光镜121出射的两束平行光分别经光纤传输至接收器4。
本发明的又一优选方案是：所述接收器4和电子信号处理部件3形成一体化结构5。
上述技术方案中，所述的反射器124由参考光栅1241和反射镜2a组成，所述的参考光入射至参考光栅1241发生衍射反射后经反射镜2a形成两束平行光；或反射器由参考光栅1241和透镜2b组成，所述的参考光入射至参考光栅1241发生衍射反射后经透镜2b形成两束平行光；或反射器124由参考光栅1241和棱镜2c组成，所述的参考光入射至参考光栅1241发生衍射反射后经棱镜2c形成两束平行光；或反射器124采用直角棱镜1242，该直角棱镜的截面由直角梯形和等腰直角三角形构成，直角梯形和等腰三角形拼接面为分光面，所述的参考光入射至直径棱镜1242的分光面后分为两束光，两束光分别经45度反射面反射形成两束平行光。
本发明所述的折光元件123采用反射镜2a、透镜2b或棱镜2c。
本发明所述参考信号光电转换单元13由检偏器2d的第一光电探测单元131组成；测量信号光电转换单元14由检偏器2d、第二光电探测单元142和第三光电探测单元143组成。
本发明所提供的一种外差光栅干涉仪位移测量系统具有以下优点及突出性效果：
可实现亚纳米甚至更高分辨率及精度；测量精度受外界环境影响小；可同时测量水平向大行程位移和垂向位移；测量系统读数头体积小、质量轻、易于安装，方便应用；作为于光刻机超精密工件台测量系统，在满足测量需求的基础上，可有效的降低工件台体积、质量，降低测量系统对工件台的线缆扰动，提高工件台的动态性能，使工件台整体性能综合提高。
附图说明
图1为本发明第一种外差光栅干涉仪位移测量系统实施例的结构原理示意图。
图2为本发明第二种外差光栅干涉仪位移测量系统实施例的结构原理示意图。
图3为本发明第三种外差光栅干涉仪位移测量系统实施例的结构原理示意图。
图4为本发明的第一种反射器实施例示意图。
图5为本发明的第二种反射器实施例示意图。
图6为本发明的第三种反射器实施例示意图。
图7为本发明第四种反射器实施例示意图。
图8为本发明的第一种折光元件实施例示意图。
图9为本发明的第二种折光元件实施例示意图。
图10为本发明的第三种折光元件实施例示意图。
图11为本发明的一种参考信号光电转换单元实施例示意图。
图12为本发明的一种测量信号光电转换单元实施例示意图。
图中，1——读数头，2——测量光栅，3——电子信号处理部件，4——接收器，5——一体化结构；11——双频激光发生器，12——干涉仪，13——参考信号光电转换单元，14——测量信号光电转换单元；111——激光管，112——第一偏振分光镜，113——分光镜；121——第二偏振分光镜，122——测量臂四分之一波片，122’——参考臂四分之一波片，123——折光元件，124——反射器；1241——参考光栅，1242——直角棱镜；131——第一光电探测单元；141——第二光电探测单元，142——第三光电探测单元；2a——反射镜，2b——透镜，2c——棱镜，2d——检偏器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和具体实施方式作进一步地详细描述。
请参考图1，图1为本发明第一种外差光栅干涉仪位移测量系统实施例结构原理示意图。如图1所示，该外差光栅干涉仪位移测量系统包括读数头1、测量光栅2和电子信号处理部件3；所述的读数头1包括双频激光发生器11、干涉仪12、参考信号光电转换单元13和测量信号光电转换单元14；所述双频激光发生器11包括激光管111、第一偏振分光镜112、声光调制器、反射镜、偏振片和分光镜113；所述干涉仪12包括第二偏振分光镜121、波片、折光元件123、反射器124。
所述的激光管111出射的激光准直后经第一偏振分光镜112后出射两束偏振方向垂直、传播方向垂直的光束，两束光束经两个声光调制器分别产生两束频率不同一级衍射光，两束一级衍射光分别经反射镜、偏振片后至分光镜113进行分光合光，分光镜113的一个出口出射一束双频激光至参考信号光电转换单元13后形成参考信号，另一个出口同时出射一束双频激光至第二偏振分光镜121。
所述分光镜113一个出口出射的双频激光经第二偏振分光镜121后分为参考光和测量光，参考光经参考臂四分之一波片122’、参考臂反射器124反射后产生两束平行参考光，两束平行参考光经参考臂四分之一波片122’、第二偏振分光镜121后分别入射至测量信号光电转换单元14；测量光经测量臂四分之一波片122、折光元件123后入射至测量光栅2发生衍射，正负一级衍射测量光经测量折弯光元件123、测量臂四分之一波片122、偏振分光镜121后分别入射至测量信号光电转换单元14；两束平行参考光分别和正负一级衍射测量光经测量信号光电转换单元14形成拍频电信号，拍频电信号传输至电子信号处理部件3进行信号处理；当所述的读数头1与测量光栅2之间具有x向和z的相对运动时，通过电子信号处理部件3实现两个方向线性位移的输出。
请参考图2，图2为本发明第二种外差光栅干涉仪位移测量系统实施例示意图。如图2所示，所述的参考信号光电转换单元13和测量信号光电转换单元14构成接收器4，从分光镜113出射的光与偏振分光镜121出射的两束平行光分别经光纤传输至接收器4。测量系统采用这种方案可降低干涉仪设计的复杂程度，同时可缩小干涉仪体积和降低干涉仪质量；采用接收器5更易于光电转换后电信号的预处理，提高系统信号的抗干扰能力。
请参考图3，图3为本发明第三种外差光栅干涉仪位移测量系统实施例示意图。如图3所示，所述接收器4和电子信号处理部件3形成一体化结构5。测量系统采用这种方案可缩小干涉仪体积、降低干涉仪质量、提高系统的抗干扰能力，提高系统集成性。
请参考图4，图4为本发明第一种反射器实施例示意图。如图4所示，所述的反射器124由参考光栅1241和反射镜2a组成，所述的参考光入射至参考光栅1241发生衍射反射后经反射镜2a形成两束平行光。
请参考图5，图5为本发明第二种反射器实施例示意图。如图5所示，所述的反射器124由参考光栅1241和透镜2b组成，所述的参考光入射至参考光栅1241发生衍射反射后经透镜2b形成两束平行光。
请参考图6，图6为本发明第三种反射器实施例示意图。如图6所示，所述的反射器124由参考光栅1241和棱镜2c组成，所述的参考光入射至参考光栅1241发生衍射反射后经棱镜2c形成两束平行光。
请参考图7，图7为第四种反射器实施例示意图。如图7所示，所述的反射器124采用直角棱镜1242，该直角棱镜的截面由直角梯形和等腰直角三角形构成，直角梯形和等腰三角形拼接面为分光面，所述的参考光入射至直径棱镜1242的分光面后分为两束光，两束光分别经45度反射面反射形成两束平行光。
请参考图8，图8为本发明第一种折光元件实施例示意图。如图8所示，折光元件23采用反射镜2a。
请参考图9，图9为本发明第二种折光元件实施例示意图。如图9所示，折光元件23采用透镜2b。
请参考图10，图10为本发明第三种折光元件实施例示意图。如图10所示，折光元件23采用棱镜2c。
请参考图11，图11为本发明的一种参考信号光电转换单元实施例示意图。如图11所示，参考信号光电转换单元13由检偏器2d、第二光电探测单元131组成，双频激光经检偏器2d入射至第一光电探测单元131后转换为参考电信号。
请参考图12，图12为本发明的测量信号光电转换单元实施例示意图。如图12所示，测量信号光电转换单元14由检偏器2d、第二光电探测单元141和第三光电探测单元142组成，混合的参考光与测量光经检偏器2d分别入射至第二光电探测单元141和第三光电探测单元142后转换为两个拍频电信号。
上述外差光栅干涉仪位移测量系统不仅能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度，而且可同时测量水平向大行程位移和垂向位移，更兼具体积小、质量轻、环境敏感性弱等众多优点。应用于光刻机超精密工件台位移测量，可提高工件台系统综合性能，满足工件台系统近极限的性能需求，同时有助于光刻机整机性能提升。
Claims (9)
1.一种外差光栅干涉仪位移测量系统，特征在于：包括读数头（1）、测量光栅（2）和电子信号处理部件（3）；
所述的读数头（1）包括双频激光发生器（11）、干涉仪（12）、参考信号光电转换单元（13）和测量信号光电转换单元（14）；
所述双频激光发生器（11）包括激光管（111）、第一偏振分光镜（112）、声光调制器、反射镜、偏振片和分光镜（113）；
所述干涉仪（12）包括第二偏振分光镜（121）、波片、折光元件（123）、反射器（124）；
所述的激光管（111）出射的激光准直后经第一偏振分光镜（112）后出射两束偏振方向垂直、传播方向垂直的光束，两束光束经两个声光调制器分别产生两束频率不同一级衍射光，两束一级衍射光分别经反射镜、偏振片后至分光镜（113）进行分光合光，分光镜（113）的一个出口出射一束双频激光至参考信号光电转换单元（13）后形成参考信号，同时，另一个出口出射一束双频激光至第二偏振分光镜（121）；
所述分光镜（113）一个出口出射的双频激光经第二偏振分光镜（121）后分为参考光和测量光，参考光经参考臂四分之一波片（122’）、参考臂反射器（124）反射后产生两束平行参考光，两束平行参考光经参考臂四分之一波片（122’）、第二偏振分光镜（121）后分别入射至测量信号光电转换单元（14）；测量光经测量臂四分之一波片（122）、折光元件（123）后入射至测量光栅（2）发生衍射，正负一级衍射测量光经测量折弯光元件（123）、测量臂四分之一波片（122）、偏振分光镜（121）后分别入射至测量信号光电转换单元（14）；两束平行参考光分别和正负一级衍射测量光经测量信号光电转换单元（14）形成拍频电信号，拍频电信号传输至电子信号处理部件（3）进行信号处理；当所述的读数头（1）与测量光栅（2）之间具有x向和z的相对运动时，通过电子信号处理部件（3）实现两个方向线性位移的输出。
2.根据权利要求1所述的一种外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的参考信号光电转换单元（13）和测量信号光电转换单元（14）构成接收器（4），从分光镜（113）出射的光与偏振分光镜（121）出射的两束平行光分别经光纤传输至接收器（4）。
3.根据权利要求2所述的一种外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述接收器（4）和电子信号处理部件（3）形成一体化结构（5）。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的反射器（124）由参考光栅（1241）和反射镜（2a）组成，所述的参考光入射至参考光栅（1241）发生衍射反射后经反射镜（2a）形成两束平行光。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的反射器（124）由参考光栅（1241）和透镜（2b）组成，所述的参考光入射至参考光栅（1241）发生衍射反射后经透镜（2b）形成两束平行光。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的反射器（124）由参考光栅（1241）和棱镜（2c）组成，所述的参考光入射至参考光栅（1241）发生衍射反射后经棱镜（2c）形成两束平行光。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的反射器（124）采用直角棱镜（1242），该直角棱镜的截面由直角梯形和等腰直角三角形构成，直角梯形和等腰三角形拼接面为分光面，所述的参考光入射至直径棱镜（1242）的分光面后分为两束光，两束光分别经45度反射面反射形成两束平行光。
8.根据权利要求1、2或3所述的一种外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的折光元件（123）采用反射镜（2a）、透镜（2b）或棱镜（2c）。
9.根据权利要求1、2或3所述的一种外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述参考信号光电转换单元（13）由检偏器（2d）和第一光电探测单元（131）组成；测量信号光电转换单元（14）由检偏器（2d）、第二光电探测单元（142）和第三光电探测单元（143）组成。
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