CN103307986A - 一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，包括双频激光器、光栅干涉仪、测量光栅、接收器、电子信号处理部件；光栅干涉仪包括偏振分光镜、参考光栅、折光元件；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。双频激光器出射的双频激光入射至光栅干涉仪、测量光栅后输出两路光信号至接收器，后至电子信号处理部件。当光栅干涉仪与测量光栅做二自由度线性相对运动时，系统可输出二个线性位移。该测量系统能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度，且能够同时测量二个线性位移。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

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统
技术领域
本发明涉及一种光栅测量系统，特别涉及一种用于光刻机工件台位移测量的二自由度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测距长、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，但精度通常在微米量级，常见于一般工业应用。
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、占用空间大、价格昂贵、测量目标工件台动态特性差等存在的一系列问题，从而难以满足更高的测量需求。
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。
美国专利文献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，垂直方向位移测量采用电涡流或干涉仪等传感器，但多种传感器的应用限制工件台测量精度。美国专利文献公开号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，但结构复杂；美国专利文献公开号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 andconstruction of a two-degree-of-freedom linear encoder for nanometric measurementof 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。中国专利文献申请号201210449244.9（申请日2012年11月09日）及201210448734.7（申请日2012年11月09日）分别公开了一种外差光栅干涉仪测量系统，两种干涉仪测量系统中的读数头结构中均采用了四分之一波片用于改变光束的偏振态，光学结构复杂，同时光学元件的非理想性将导致测量误差。
发明内容
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二个线性自由度位移的同时测量；该测量系统测量光路短、环境敏感性低、测量信号易于处理，分辨率与精度可达亚纳米甚至更高；同时该光栅干涉仪测量系统还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。采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。该二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统还可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量。
本发明的技术方案如下：
一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：包括双频激光器、光栅干涉仪、测量光栅、两个接收器和电子信号处理部件；光栅干涉仪包括偏振分光镜、参考光栅、第一折光元件和第二折光元件；双频激光器出射双频正交偏振激光经光纤耦合入射至偏振分光镜后分光，透射光为参考光，反射光为测量光；
所述参考光入射至参考光栅后产生两束衍射反射参考光，两束参考光经第一折光元件后偏转形成两束平行参考光，两束平行参考光回射至偏振分光镜后透射；
所述测量光入射至测量光栅后产生两束衍射反射测量光，两束测量光经第二折光元件后偏转形成两束平行测量光，两束平行测量光回射至偏振分光镜后反射；
其中的一束透射参考光和一束反射测量光重合形成一路测量光信号，另一束透射参考光和另一束反射测量光重合形成另一路测量光信号，两路测量光信号分别经光纤传输至两个接收器进行处理分别形成两路测量电信号，两路测量电信号输入至电子信号处理部件进行处理；
双频激光器同时也输出一束参考电信号至电子信号处理部件；当测量光栅相对于光栅干涉仪做水平向和垂向两个自由度的线性运动时，电子信号处理部件将输出二自由度线性位移。
上述技术方案中，所述的参考光栅、测量光栅均采用一维反射型光栅，所述的第一折光元件和第二折光元件均采用两个直角棱镜组成，两个直角棱镜并列布置。
本发明另一技术方案是：所述的第一折光元件和第二折光元件均采用两个反射镜组成。
本发明另一技术方案是：所述的第一折光元件和第二折光元件均采用截面为等腰梯形折光的棱镜。
本发明优选技术方案是：所述的第一折光元件和第二折光元件均采用透镜。
本发明另一优选技术方案是：所述的两个接收器与电子信号处理部件集成为一体化结构，所述的两路测量光信号和双频激光器输出的一路参考电信号输入至一体化结构进行处理后，输出水平向和垂直向二自由度线性运动位移。
本发明所提供的一种二自由度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：
该测量系统能够实现二个线性自由度位移的同时测量；该测量系统测量光路短、环境敏感性低、测量信号易于处理，分辨率与精度可达亚纳米甚至更高；同时该光栅干涉仪测量系统还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。应用于光刻机超精密工件台的位移测量，对比激光干涉仪测量系统，在满足测量需求的基础上，可有效的降低工件台体积、质量，大大提高工件台的动态性能，使工件台整体性能综合提高。该二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统还可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量中。
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示意图。
图2为本发明第一种光栅干涉仪内部结构示意图。
图3为本发明第二种外差光栅干涉仪位移测量系统示意图。
图4为本发明第二种光栅干涉仪内部结构示意图。
图5为本发明第三种光栅干涉仪内部结构示意图。
图6为本发明第四种光栅干涉仪内部结构示意图。
图中，1——双频激光器，2——光栅干涉仪，3——测量光栅，4——接收器，5——电子信号处理部件，6——一体化结构；21——偏振分光镜，22——参考光栅，23a——直角棱镜，23b——反射镜，23c——折光棱镜，23d——透镜。
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示意图。如图1所示，该二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统包括双频激光器1、光栅干涉仪2、测量光栅3、接收器4、电子信号处理部件5，测量光栅3为一维反射型光栅。
请参考图2，图2为本发明第一种光栅干涉仪内部结构示意图。所述的光栅干涉仪2包括偏振分光镜21、参考光栅22、第一折光元件、第二折光元件，参考光栅22为一维反射型光栅，第一折光元件与第二折光元件均采用两个直角棱镜23a组成，两个直角棱镜23a并列布置。
结合图1、图2阐述测量系统原理，所述的双频激光器1出射双频正交偏振激光经光纤耦合入射至偏振分光镜21后分光，透射光为参考光，反射光为测量光。
所述参考光入射至参考光栅22后产生两束衍射反射参考光，两束参考光分别经两个直角棱镜23a后偏转形成两束平行参考光，两束平行参考光回射至偏振分光镜21后透射。
所述测量光入射至测量光栅3后产生两束衍射反射测量光，两束测量光经分别经两个直角棱镜23a后偏转形成两束平行测量光，两束平行测量光回射至偏振分光镜21后反射。
其中的一束透射参考光和一束反射测量光重合形成一路测量光信号，另一束透射参考光和另一束反射测量光重合形成另一路测量光信号，两路测量光信号分别经光纤传输至两个接收器4进行处理分别形成两路测量电信号，两路测量电信号输入至电子信号处理部件5进行处理。
双频激光器1同时也输出一束参考电信号至电子信号处理部件5；当测量光栅3相对于光栅干涉仪2做水平向和垂向（其中垂向运动为微小运动，运动范围为1mm）两个自由度的线性运动时，电子信号处理部件5将输出二自由度线性位移。
二自由度运动位移的表达式为x=kx×(α-β)、z=kz×(α+β)，kx=Λ/4π，kz=λ/4（1+cosθ）,式中α、β为电子信号处理卡的读数值，Λ为光栅常数，λ为激光波长，θ为光栅衍射角，取Λ=1μm，λ=632.8nm，α、β的相位分辨率为2π/1024，外差光栅干涉仪的x、z的测量分辨率分别为0.49nm、0.18nm。
请参考图3，图3为本发明第二种外差光栅干涉仪位移测量系统示意图。如图3所示，所述的两个接收器与电子信号处理部件5集成为一体化结构6，所述的两路测量光信号和双频激光器输出的一路参考电信号输入至一体化结构6进行处理后，输出水平向和垂直向二自由度线性运动位移。测量系统采用这种一体化结构6可有效的减少系统部件数量，提高系统的抗干扰能力，提高系统集成性。
请参考图4，图4为本发明第二种光栅干涉仪内部结构示意图。如图4所示，光栅干涉仪内部结构中的第一折光元件、第二折光元件均采用两个反射镜23b组成。对比采用直角棱镜23a方案，该方案可消除光束通过直角棱镜所引起的测量非线性，但反射镜的安装占据更大的空间。
请参考图5，图5为本发明第三种光栅干涉仪内部结构示意图。如图5所示，光栅干涉仪内部结构中的第一折光元件、第二折光元件均采用截面为等腰梯形的折光棱镜23c。该折光棱镜23c将一组直角棱镜23a集成，具有结构简洁、便于安装等优点。
请参考图6，图6为本发明第四种光栅干涉仪内部结构示意图。如图6所示，光栅干涉仪内部结构中的第一折光元件、第二折光元件均采用透镜23d实现光束偏转，对比折光棱镜23c，采用透镜23d，占用空间小，可使干涉仪结构更加紧凑、简洁、便于安装。
上述实施方式中给出的测量系统及结构方案能够实现二个线性自由度位移的同时测量；且系统测量光路短、环境敏感性低、测量信号易于处理，分辨率与精度可达亚纳米甚至更高；同时该光栅干涉仪测量系统还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。应用于光刻机超精密工件台的位移测量，对比激光干涉仪测量系统，在满足测量需求的基础上，可有效的降低工件台体积、质量，大大提高工件台的动态性能，使工件台整体性能综合提高。该三自由度外差光栅干涉仪位移测量系统还可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量中。

Claims (7)

1.一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：包括双频激光器（1）、光栅干涉仪（2）、测量光栅（3）、两个接收器（4）和电子信号处理部件（5）；光栅干涉仪（2）包括偏振分光镜（21）、参考光栅（22）、第一折光元件和第二折光元件；双频激光器（1）出射双频正交偏振激光经光纤耦合入射至偏振分光镜（21）后分光，透射光为参考光，反射光为测量光；
所述参考光入射至参考光栅（22）后产生两束衍射反射参考光，两束参考光经第一折光元件后偏转形成两束平行参考光，两束平行参考光回射至偏振分光镜（21）后透射；
所述测量光入射至测量光栅（3）后产生两束衍射反射测量光，两束测量光经第二折光元件后偏转形成两束平行测量光，两束平行测量光回射至偏振分光镜（21）后反射；
其中的一束透射参考光和一束反射测量光重合形成一路测量光信号，另一束透射参考光和另一束反射测量光重合形成另一路测量光信号，两路测量光信号分别经光纤传输至两个接收器（4）进行处理分别形成两路测量电信号，两路测量电信号输入至电子信号处理部件（5）进行处理；
双频激光器（1）同时也输出一束参考电信号至电子信号处理部件（5）；当测量光栅（3）相对于光栅干涉仪（2）做水平向和垂向两个自由度的线性运动时，电子信号处理部件（5）将输出二自由度线性位移。
2.根据权利要求1所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的参考光栅（22）和测量光栅（3）均采用一维反射型光栅。
3.根据权利要求1所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的第一折光元件和第二折光元件均采用两个直角棱镜（23a）组成，两个直角棱镜（23a）并列布置。
4.根据权利要求1所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的第一折光元件和第二折光元件均采用两个反射镜（23b）组成。
5.根据权利要求1所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的第一折光元件和第二折光元件均采用截面为等腰梯形的折光棱镜（23c）。
6.根据权利要求1所述的一种三自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的第一折光元件和第二折光元件均采用透镜（23d）。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的两个接收器与电子信号处理部件（5）集成为一体化结构（6），所述的两路测量光信号和双频激光器输出的一路参考电信号输入至一体化结构（6）进行处理后，输出水平向和垂直向二自由度线性运动位移。
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