CN103604376B - 抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量方法及系统属于光栅测量技术；该系统包括激光器、光栅干涉镜组、光电探测与信号处理单元，激光器同时输出的两束频率不同、空间分开的激光平行入射到偏振分光镜，第一束经偏振分光镜反射后入射到参考光栅形成多个级次的多束参考衍射光束，第二束经偏振分光镜透射后入射到测量光栅形成多束测量衍射光束，参考衍射光束中的五束依次分别和测量衍射光束中的(0，0)级、(0，±1)级、(±1，0)级光束对应汇合形成光学拍频，经光电探测与信号处理得到测量光栅的三维相对运动信息；该方法和系统消除了传统偏振分光不完全引起的光学频率混叠、偏振态混叠及相应的周期非线性误差。

Description

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种光栅测量方法及测量系统，尤其涉及一种双频激光光栅干涉三维测量方法及测量系统。

背景技术

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)、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；清华大学中国专利CN102937411A(公开日2013年02月20日)、清华大学中国专利CN102944176A(公开日2013年02月27日)公开了一种光刻机超精密工件台的双频光栅干涉仪位移测量系统，该测量系统是将传统的双频激光干涉仪的测量目标反射器(角锥)替换成光栅，实现双频激光光栅干涉测量，能够同时测量水平向大行程位移和垂向位移，但由于双频激光共轴，是采用偏振分光镜分开为参考光和测量光的，存在偏振分光不完全引起的光学频率混叠、偏振态混叠以及相应的周期非线性误差问题。中国人民解放军国防科学技术大学中国专利CN102353327A(公开日2013年02月15日)公开了一种双频激光光栅干涉测量方法及测量系统，该方案利用偏振分光镜将双频激光分成参考光和测量光，参考光和测量光同时入射到运动的测量光栅上，经测量光栅衍射的参考光和测量光汇合形成光学拍频，由光电探测与信号处理获得运动光栅的位移，该系统仅能实现一维测量，同样存在偏振分光不完全引起的光学频率混叠、偏振态混叠以及相应的周期非线性误差问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，寻求一种抗光学混叠的双频激光光栅干涉测量方法及系统，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。该测量系统用于超精密工件台位移测量，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。

本发明的目的是这样实现的：

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量方法，激光器同时输出两束激光，其中第一束激光为第一个频率，第二束激光为第二个频率，所述第一束激光和第二束激光在空间上分开并平行入射到一个分光镜，第一束激光经分光镜反射形成参考光束入射到参考光栅，由参考光栅衍射形成多个级次的多束参考衍射光束，第二束激光经分光镜透射形成测量光束入射到测量光栅，由测量光栅衍射形成多个级次的多束测量衍射光束，所述参考衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束依次分别与测量衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束对应汇合形成光学拍频干涉，光学拍频信号经光电探测与信号处理得到测量光栅的三维相对运动信息。

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统，包括可输出两束不同频率激光束的激光器和偏振分光镜，其中一束激光束经第一单模保偏光纤传输至偏振分光镜的入射端形成第一入射激光束，另一束激光束经第二单模保偏光纤传输至偏振分光镜的入射端形成第二入射激光束，调整第一入射激光束的偏振态，使第一入射激光束在偏振分光镜的分光膜面反射形成参考臂光束，在所述参考臂光束光路上依次配置参考臂四分之一波片、参考臂折光元件和参考光栅，参考臂光束经过参考臂四分之一波片和参考臂折光元件射向参考光栅，参考臂光束经参考光栅衍射反射形成(0，0)级光束和高级次光束A、B、C、D，所述(0，0)级光束和高级次光束A、B、C、D经参考臂折光元件后其光束方向调整为与参考臂光束平行并反向，(0，0)级光束和高级次光束A、B、C、D再经过参考臂四分之一波片返回至偏振分光镜，并透过分光膜，在透过分光膜的透射光路上依次配置光电探测器A、光电探测器B、光电探测器C、光电探测器D、光电探测器E，所述高级次光束A射向光电探测器A，(0，0)级光束射向光电探测器B，高级次光束C射向光电探测器C，高级次光束B射向光电探测器D，高级次光束D射向光电探测器E；调整第二入射激光束的偏振态，使第二入射激光束在偏振分光镜的分光膜面透射形成测量臂光束，在所述测量臂光束光路上依次配置测量臂四分之一波片、测量臂折光元件和测量光栅，测量臂光束经过测量臂四分之一波片和测量臂折光元件射向测量光栅，测量臂光束经测量光栅衍射反射形成测量光栅衍射反射(0，0)级光束和测量光栅衍射反射高级次光束A、B、C、D，所述测量光栅衍射反射(0，0)级光束和测量光栅衍射反射高级次光束A、B、C、D经测量臂折光元件后其光束方向调整为与测量臂光束平行并反向，测量光栅衍射反射(0，0)级光束和测量光栅衍射反射高级次光束A、B、C、D再经过测量臂四分之一波片返回至偏振分光镜，经偏振分光镜反射依次分别形成光束C、A、B、D、E，所述光束A与高级次光束A汇合射向光电探测器A，光束B与(0，0)级光束汇合射向光电探测器B，光束C与高级次光束C汇合射向光电探测器C，光束D与高级次光束B汇合射向光电探测器D，光束E与高级次光束D汇合射向光电探测器E，所述光电探测器A、B、C、D、E将拍频光信号转换为电信号由光纤或导线分别送到光电信号处理单元完成处理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明中激光器输出的双频激光束在空间上分开传输，并分开入射到偏振分光镜上，消除了传统的共轴双频激光由偏振分光镜分光不完全引起的光学频率混叠、偏振态混叠以及相应的周期非线性误差；

(2)本发明中由两根单模保偏光纤分开传输双频激光，这有利于双频激光的偏振态调整及光路对准；

(3)本发明中测量光栅衍射所产生的0级和对称高级次衍射光分别和参考光栅的衍射光形成光学拍频干涉，由五个光电探测器同时测量，通过信号处理可精确测量测量光栅在三维空间的位移，由于不需要激光器提供单独的双频激光频率差的拍频信号，减少了光学元件，简化了光路布局。

附图说明

附图是一种抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统结构示意图。

图中：1-激光器；2-第一单模保偏光纤；3-第二单模保偏光纤；4-偏振分光镜；5-参考臂四分之一波片；6-参考臂折光元件；7-参考光栅；8-测量臂四分之一波片；9-测量臂折光元件；10-测量光栅；11-光电探测器A；12-光电探测器B；13-光电探测器C；14-光电探测器D；15-光电探测器E；16-光电信号处理单元；2-1-第一入射激光束；2-2-参考臂光束；2-5-(0，0)级光束；2-3、2-4、2-6、2-7-高级次光束A、B、C、D；3-1-第二入射激光束；3-2-测量臂光束；3-5-测量光栅衍射反射(0，0)级光束；3-3、3-4、3-6、3-7-测量光栅衍射反射高级次光束A、B、C、D；3-8、3-9、3-10、3-11、3-12-光束A、B、C、D、E。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量方法，激光器同时输出两束激光，其中第一束激光为第一个频率，第二束激光为第二个频率，所述第一束激光和第二束激光在空间上分开并平行入射到一个分光镜，第一束激光经分光镜反射形成参考光束入射到参考光栅，由参考光栅衍射形成多个级次的多束参考衍射光束，第二束激光经分光镜透射形成测量光束入射到测量光栅，由测量光栅衍射形成多个级次的多束测量衍射光束，所述参考衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束依次分别与测量衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束对应汇合形成光学拍频干涉，光学拍频信号经光电探测与信号处理得到测量光栅的三维相对运动信息。

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统，包括可输出两束不同频率激光束的激光器1和偏振分光镜4，其中一束激光束经第一单模保偏光纤2传输至偏振分光镜4的入射端形成第一入射激光束2-1，另一束激光束经第二单模保偏光纤3传输至偏振分光镜4的入射端形成第二入射激光束3-1，其特征在于调整第一入射激光束2-1的偏振态，使第一入射激光束2-1在偏振分光镜4的分光膜面反射形成参考臂光束2-2，在所述参考臂光束2-2光路上依次配置参考臂四分之一波片5、参考臂折光元件6和参考光栅7，参考臂光束2-2经过参考臂四分之一波片5和参考臂折光元件6射向参考光栅7，参考臂光束2-2经参考光栅7衍射反射形成(0，0)级光束2-5和高级次光束A2-3、B2-4、C2-6、D2-7，所述(0，0)级光束2-5和高级次光束A2-3、B2-4、C2-6、D2-7经参考臂折光元件6后其光束方向调整为与参考臂光束2-2平行并反向，(0，0)级光束2-5和高级次光束A2-3、B2-4、C2-6、D2-7再经过参考臂四分之一波片5返回至偏振分光镜4，并透过分光膜，在透过分光膜的透射光路上依次配置光电探测器A11、光电探测器B12、光电探测器C13、光电探测器D14、光电探测器E15，所述高级次光束A2-3射向光电探测器A11，(0，0)级光束2-5射向光电探测器B12，高级次光束C2-6射向光电探测器C13，高级次光束B2-4射向光电探测器D14，高级次光束D2-7射向光电探测器E15；调整第二入射激光束3-1的偏振态，使第二入射激光束3-1在偏振分光镜4的分光膜面透射形成测量臂光束3-2，在所述测量臂光束3-2光路上依次配置测量臂四分之一波片8、测量臂折光元件9和测量光栅10，测量臂光束3-2经过测量臂四分之一波片8和测量臂折光元件9射向测量光栅10，测量臂光束3-2经测量光栅10衍射反射形成测量光栅衍射反射(0，0)级光束3-5和测量光栅衍射反射高级次光束A3-3、B3-4、C3-6、D3-7，所述测量光栅衍射反射(0，0)级光束3-5和测量光栅衍射反射高级次光束A3-3、B3-4、C3-6、D3-7经测量臂折光元件9后其光束方向调整为与测量臂光束3-2平行并反向，测量光栅衍射反射(0，0)级光束3-5和测量光栅衍射反射高级次光束A3-3、B3-4、C3-6、D3-7再经过测量臂四分之一波片8返回至偏振分光镜4，经偏振分光镜4反射依次分别形成光束C3-10、A3-8、B3-9、D3-11、E3-12，所述光束A3-8与高级次光束A2-3汇合射向光电探测器A11，光束B3-9与(0，0)级光束2-5汇合射向光电探测器B12，光束C3-10与高级次光束C2-6汇合射向光电探测器C13，光束D3-11与高级次光束B2-4汇合射向光电探测器D14，光束E3-12与高级次光束D2-7汇合射向光电探测器E15，所述光电探测器A11、B12、C13、D14、E15将拍频光信号转换为电信号由光纤或导线分别送到光电信号处理单元16完成处理。

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统，所述参考光栅7为平面反射式二维正交光栅，所述测量光栅10为平面反射式二维正交光栅。

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统，所述测量光栅衍射反射高级次光束A3-3、B3-4、C3-6、D3-7依次分别是(0，+1)级、(+1，0)级、(-1，0)级、(0，-1)级光束。

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统，所述光电探测器A11、B12、C13、D14、E15对光学拍频信号的探测可以由光电探测器直接探测或由光纤探头远程探测。

当测量光栅10静止时，高级次光束A2-3和光束A3-8、(0，0)级光束2-5和光束B3-9、高级次光束C2-6和光束C3-10、高级次光束B2-4和光束D3-11、高级次光束D2-7和光束E3-12分别形成测量光学拍频干涉，其拍频为激光器1输出的双频激光的频率之差，当测量光栅10沿X轴运动时，光束C3-10将产生相应的多普勒频移，当测量光栅10沿Y轴运动时，光束B3-9和D3-11将产生大小相等，符号相反的多普勒频移，当测量光栅10沿Z轴运动时，光束A3-8和E3-12将产生大小相等，符号相反的多普勒频移，这使得光电探测器A11、B12、C13、D14、E15探测的光学拍频信号发生变化，最后将光电探测器A11、B12、C13、D14、E15接收的信号进行处理，可精确测量光栅10在三维空间的位移。

Claims (4)

1.一种抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统，包括可输出两束不同频率激光束的激光器(1)和偏振分光镜(4)，其中一束激光束经第一单模保偏光纤(2)传输至偏振分光镜(4)的入射端形成第一入射激光束(2-1)，另一束激光束经第二单模保偏光纤(3)传输至偏振分光镜(4)的入射端形成第二入射激光束(3-1)，其特征在于调整第一入射激光束(2-1)的偏振态，使第一入射激光束(2-1)在偏振分光镜(4)的分光膜面反射形成参考臂光束(2-2)，在所述参考臂光束(2-2)光路上依次配置参考臂四分之一波片(5)、参考臂折光元件(6)和参考光栅(7)，参考臂光束(2-2)经过参考臂四分之一波片(5)和参考臂折光元件(6)射向参考光栅(7)，参考臂光束(2-2)经参考光栅(7)衍射反射形成(0，0)级光束(2-5)和高级次光束A(2-3)、B(2-4)、C(2-6)、D(2-7)，所述(0，0)级光束(2-5)和高级次光束A(2-3)、B(2-4)、C(2-6)、D(2-7)经参考臂折光元件(6)后其光束方向调整为与参考臂光束(2-2)平行并反向，(0，0)级光束(2-5)和高级次光束A(2-3)、B(2-4)、C(2-6)、D(2-7)再经过参考臂四分之一波片(5)返回至偏振分光镜(4)，并透过分光膜，在透过分光膜的透射光路上依次配置光电探测器A(11)、光电探测器B(12)、光电探测器C(13)、光电探测器D(14)、光电探测器E(15)，所述高级次光束A(2-3)射向光电探测器A(11)，(0，0)级光束(2-5)射向光电探测器B(12)，高级次光束C(2-6)射向光电探测器C(13)，高级次光束B(2-4)射向光电探测器D(14)，高级次光束D(2-7)射向光电探测器E(15)；调整第二入射激光束(3-1)的偏振态，使第二入射激光束(3-1)在偏振分光镜(4)的分光膜面透射形成测量臂光束(3-2)，在所述测量臂光束(3-2)光路上依次配置测量臂四分之一波片(8)、测量臂折光元件(9)和测量光栅(10)，测量臂光束(3-2)经过测量臂四分之一波片(8)和测量臂折光元件(9)射向测量光栅(10)，测量臂光束(3-2)经测量光栅(10)衍射反射形成测量光栅衍射反射(0，0)级光束(3-5)和测量光栅衍射反射高级次光束A(3-3)、B(3-4)、C(3-6)、D(3-7)，所述测量光栅衍射反射(0，0)级光束(3-5)和测量光栅衍射反射高级次光束A(3-3)、B(3-4)、C(3-6)、D(3-7)经测量臂折光元件(9)后其光束方向调整为与测量臂光束(3-2)平行并反向，测量光栅衍射反射(0，0)级光束(3-5)和测量光栅衍射反射高级次光束A(3-3)、B(3-4)、C(3-6)、D(3-7)再经过测量臂四分之一波片(8)返回至偏振分光镜(4)，经偏振分光镜(4)反射依次分别形成光束C(3-10)、A(3-8)、B(3-9)、D(3-11)、E(3-12)，所述光束A(3-8)与高级次光束A(2-3)汇合射向光电探测器A(11)，光束B(3-9)与(0，0)级光束(2-5)汇合射向光电探测器B(12)，光束C(3-10)与高级次光束C(2-6)汇合射向光电探测器C(13)，光束D(3-11)与高级次光束B(2-4)汇合射向光电探测器D(14)，光束E(3-12)与高级次光束D(2-7)汇合射向光电探测器E(15)，所述光电探测器A、B、C、D、E(11、12、13、14、15)将拍频光信号转换为电信号由光纤或导线分别送到光电信号处理单元(16)完成处理。

2.根据权利要求1所述的抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统，其特征在于所述参考光栅(7)为平面反射式二维正交光栅，所述测量光栅(10)为平面反射式二维正交光栅。

3.根据权利要求1所述的抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统，其特征在于所述测量光栅衍射反射高级次光束A(3-3)、B(3-4)、C(3-6)、D(3-7)依次分别是(0，+1)级、(+1，0)级、(-1，0)级、(0，-1)级光束。

4.根据权利要求1所述的抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量系统，其特征在于所述光电探测器A、B、C、D、E(11、12、13、14、15)对光学拍频信号的探测可以由光电探测器直接探测或由光纤探头远程探测。