CN106931877A - 一种光栅测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅测量系统，包括测量装置和光栅，所述测量装置设置有测量光束和参考光束，所述测量光束沿光束传播方向，依次经过光源、分光单元、所述光栅、第一回射单元、所述光栅、所述分光单元后，入射至信号接收单元，所述参考光束沿光束传播方向，依次经过光源、所述分光单元、扩束单元、第二回射单元、所述分光单元入射至所述信号接收单元。本发明采用扩束元件对第二光束即参考光束进行扩束，增大参考光束的直径尺寸，使第一光束即测量光束能够偏移更大距离，参考光束与测量光束能够部分重合产生被探测器探测的干涉光信号，在测量光束偏移更大距离的情况下光栅测量系统依然能正常工作，从而实现大行程光栅尺测量。

Description

一种光栅测量系统

技术领域

本发明涉及一种光栅测量系统，适用于光刻机中工件台和掩模台的6个自由度的高精度测量，属于光刻机设备领域。

背景技术

纳米测量技术是纳米加工、纳米操控、纳米材料等领域的基础。IC产业、精密机械、微机电系统等都需要高分辨率、高精度的位移传感器，以达到纳米精度定位。随着集成电路朝大规模、高集成度的方向飞跃发展，光刻机的套刻精度要求也越来越高，与之相应地，获取工件台、掩模台的六个自由度位置信息的精度也随之提高。干涉仪有较高的测量精度，可达纳米量级，在光刻系统中，被运用于测量工件台、掩模台的位置。然而，目前干涉仪的测量精度几乎达到极限，同时干涉仪测量精度受周围环境影响较大，测量重复精度不高，传统干涉仪测量系统很难满足进一步提高套刻精度的要求。光栅测量系统在工作中受环境影响较小，有较好的重复精度，在新一代光刻系统中光栅测量系统已开始逐渐取代干涉仪，承担高精度、高稳定性的测量任务。

现有技术中公开了一种光栅测量系统，它采用光束垂直入射光栅，通过角锥棱镜返回衍射光束后获取水平方向和垂直方向的二维位置数据。如图1和图2所示，现有的光栅测量系统包括测量装置100和光栅200，所述测量装置100包括光源110、信号接收单元120、测量单元300及回射单元500，所述光源110为激光光源111，所述回射单元500为第一角锥棱镜501，所述测量单元300包括偏振分光棱镜301和第二角锥棱镜303，所述信号接收单元120包括探测器121和检偏器122。激光光源111发出具有一定频差的正交偏振光131，该正交偏振光131中同时包含P偏振光133和S偏振光132。正交偏振光131入射偏振分光棱镜301，S偏振光132在偏振分光面302上反射，经第二角锥棱镜303反射后，再次在偏振分光棱镜301的偏振分光面302反射，经过检偏器122进入探测器121，该光束为参考光束。P偏振光133在偏振分光面302上透射后垂直入射光栅200，以β角401发生衍射，衍射光束134垂直入射第一角锥棱镜501后，反射光束135以相同角度返回衍射光栅200，以β角401再次入射到衍射光栅200，衍射光束136沿垂直方向返回测量单元，光束136在偏振分光面302上透射，经过检偏器122进入探测器121，该光束为测量光束。如果光栅200相对于测量探头100在垂向有位移时，如图2中光栅201所示，则光束133照射到光栅201后沿光束138方向衍射，经第一角锥棱镜501反射后沿光束139方向回射光栅201，在光栅201上再次发生衍射垂直返回测量单元，该光束为测量光束140。可以看到，测量光束140与参考光束137并不完全重合。当光栅相对于测量探头垂向位移过大时，就会出现参考光束与测量光束完全分离而无法探测到干涉信号的情况。现有的光栅测量系统的测量行程范围如图3所示，设光束直径为D，采用现有技术测量光束140相对于参考光束141最大偏移量Δ1＝D。因此，采用这种方案，光栅尺垂向测量范围受限于参考光束直径，影响垂向探测范围和测量精度，该方案无法满足大垂向测量范围的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以增加测量行程的光栅测量系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：一种光栅测量系统，包括测量装置和光栅，所述测量装置设置有测量光束和参考光束，所述测量光束沿光束传播方向，依次经过光源、分光单元、所述光栅、第一回射单元、所述光栅、所述分光单元后，入射至信号接收单元，所述参考光束沿光束传播方向，依次经过光源、所述分光单元、扩束单元、第二回射单元、所述分光单元入射至所述信号接收单元。

优选的，所述测量光束，是通过所述光源发射的光束，经所述分光单元分束的第一光束形成，所述参考光束，是通过所述光源发射的光束，经所述分光单元分束的第二光束形成。

优选的，所述第一回射单元用于将入射至所述第一回射单元的第一光束，沿入射方向平行的相反方向出射，所述第二回射单元用于将入射至所述第二回射单元的第二光束，沿入射方向平行的相反方向出射。

优选的，所述光源为激光光源。

优选的，所述激光光源为双频激光光源，发出的正交偏振光具有频差。

优选的，所述第一回射单元为第一角锥棱镜，所述第二回射单元为第二角锥棱镜。

优选的，所述分光单元采用偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜同时对准所述扩束元件和所述光栅。

优选的，所述信号接收单元包括探测器和检偏器，所述测量光束和参考光束通过检偏器进入探测器。

优选的，所述扩束元件具有凹凸透镜结构，包括一个凹透镜面和一个凸透镜面，所述凹透镜面将参考光束扩束，所述凸透镜面将扩束后的参考光束平行出射。

优选的，所述第二角锥棱镜具有相互垂直的第一反射面和第二反射面。

优选的，所述凹透镜面对准所述第二角锥棱镜的第一反射面，所述凸透镜面对准所述第二角锥棱镜的第二反射面。

优选的，所述扩束元件为倍率可调的扩束镜。

优选的，所述光栅为反射光栅。

优选的，所述光栅测量系统具有2个所述测量装置，所述2个测量装置平行放置且2个测量装置的第一回射单元相互对称，构成二维测量装置。

优选的，所述二维测量装置为3个，分别对应探测6个空间自由度数据。

优选的，所述光源通过光纤连接所述测量装置。

优选的，入射到信号接收单元的所述测量光束和参考光束通过光纤进入所述探测器。

与现有技术相比，本发明采用扩束元件对第二光束即参考光束进行扩束，增大参考光束的直径尺寸，使第一光束即测量光束能够偏移更大距离，参考光束与测量光束能够部分重合产生被探测器探测的干涉光信号，在测量光束偏移更大距离的情况下光栅测量系统依然能正常工作，从而实现大行程光栅尺测量。

附图说明

图1是现有技术中光栅测量系统的结构示意图；

图2是现有技术中光栅测量系统的结构示意图；

图3是现有技术中光栅测量系统测量行程范围的示意图；

图4是本发明一具体实施方式中光栅测量系统的结构示意图；

图5是本发明一具体实施方式中光栅测量系统测量行程范围的示意图。

图中所示：100是测量装置、110是光源、111是激光光源、120是信号接收单元、121是探测器、122是检偏器、131是正交偏振光、132是S偏振光、133是P偏振光、140是测量光束、141是参考光束、200是光栅、201是移动后的光栅、300是测量单元、301是偏振分光棱镜、302是偏振分光面、303是第二角锥棱镜、304是扩束元件、401是β角、500是回射单元、501是第一角锥棱镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

如图4所示，本发明的光栅测量系统，包括测量装置100和光栅200，所述测量装置100设置有测量光束140和参考光束141，所述测量光束140沿光束传播方向，依次经过光源、分光单元、所述光栅200、第一回射单元、所述光栅200、所述分光单元后，入射至信号接收单元120，所述参考光束141沿光束传播方向，依次经过光源、所述分光单元、扩束单元304、第二回射单元、所述分光单元入射至所述信号接收单元120。所述测量光束140，是通过所述光源发射的光束，经所述分光单元分束的第一光束形成，所述参考光束141，是通过所述光源发射的光束，经所述分光单元分束的第二光束形成。

较佳的，所述第一回射单元为第一角锥棱镜501，所述第二回射单元为第二角锥棱镜303。

在具体实施中，所述光源110为激光光源111，其发出的光束包含P偏振光133和S偏振光132，P偏振光133即所述第一光束经分光单元透射到光栅200，S偏振光132即所述第二光束经分光单元反射到扩束元件304。所述P偏振光133在分光单元上透射后垂直入射光栅200，发生第一次衍射后垂直入射第一角锥棱镜501，经第一角锥棱镜501反射后以相同角度返回光栅200，发生第二次衍射后光束沿垂直方向返回分光单元，在分光单元上透射后，进入信号接收单元120，该光束为测量光束140。所述S偏振光132在分光单元上发生反射后垂直入射扩束元件304，经扩束元件304扩束光束后，再经所述第二角锥棱镜303反射，进入信号接收单元120，该光束为参考光束141。本发明采用扩束元件304对第二光束即参考光束141进行扩束，增大参考光束141的直径尺寸，使第一光束即测量光束140能够偏移更大距离，参考光束141与测量光束140能够部分重合产生被探测器121探测的干涉光信号，使测量光束140在偏移更大距离的情况下光栅测量系统依然能正常工作，从而实现大行程光栅尺测量。

继续参照图4，所述第一角锥棱镜501的放置角度与所述光栅200的衍射角度相配合，所述第一光束经光栅200衍射垂直入射第一角锥棱镜501后以相同角度返回光栅200。所述分光单元采用偏振分光棱镜301，所述扩束元件304位于所述偏振分光棱镜301和第二角锥棱镜303之间，所述第二光束垂直入射扩束元件304后进入第二角锥棱镜303，经第二角锥棱镜303反射后再经扩束元件304返回偏振分光棱镜301。所述偏振分光棱镜301同时对准所述扩束元件304和所述光栅200，所述光源110发出的光束经偏振分光棱镜301分光后，第一光束垂直入射所述光栅200，第二光束垂直入射所述扩束元件304。所述信号接收单元120包括探测器121和检偏器122，所述第一光束和第二光束通过检偏器122进入探测器121。采用上述结构，能够将光源110发出的光束分光为第一光束和第二光束，通过探测器121探测第一光束和第二光束最终的偏移，进而测出光栅200发生的位移。

作为本发明的一种改进，所述扩束元件304具有凹凸透镜结构，包括一个凹透镜面和一个凸透镜面，所述凹透镜面将第二光束扩束，所述凸透镜面将扩束后的第二光束平行出射。所述第二角锥棱镜303具有相互垂直的第一反射面和第二反射面。所述凹透镜面对准所述第二角锥棱镜303的第一反射面，所述凸透镜面对准所述第二角锥棱镜303的第二反射面。采用扩束元件304为凹凸透镜结构，通过所述凹透镜面将第二光束扩束，通过所述凸透镜面将扩束后的第二光束平行出射，进而实现扩束元件的扩束作用。

所述扩束元件304还可以采用倍率可调的扩束镜。采用倍率可调的扩束镜，动态控制实时调节扩束镜倍率。

所述光栅200优选为反射光栅。采用反射光栅，既可以使光束按一定角度衍射，又可以根据反射光栅的移动所产生的第二次衍射测量反射光栅的位移自由度。

参照图4所示，激光光源111为双频激光光源，发出具有一定频差的正交偏振光131，该正交偏振光131中同时包含P偏振光133和S偏振光132。正交偏振光131入射偏振分光棱镜301，S偏振光132即第二光束在偏振分光面302上反射后垂直入射扩束元件304，经扩束元件304的凹透镜面后光束发散，经第二角锥棱镜303反射后，入射扩束元件304的凸透镜面后光束平行出射，出射光束直径相对于光束132增大。增大的光束在偏振分光棱镜301的偏振分光面302上反射，沿光束141方向经过检偏器122进入探测器121，该光束为参考光束141。当光栅200相对于测量装置100在垂向有位移时，如光栅200移动到如图中光栅201所示位置，则P偏振光133即第一光束在偏振分光面302上透射后垂直入射光栅201，以β角401发生衍射，衍射光束138垂直入射第一角锥棱镜501后，反射光束139以相同角度返回衍射光栅201，在光栅201上以β角度再次衍射，衍射光束140沿垂直方向返回分光单元，光束140在偏振分光面302上透射，经过检偏器122进入探测器121，该光束140为测量光束140。参考光束141与测量光束140能够部分重合，提供部分干涉光信号供探测器121探测，实现大行程光栅尺测量。

相对于现有技术，采用本发明所述的光栅测量系统，在测量行程上的提高效果原理如图5所示。设光束直径为D，扩束元件304的扩束比为M倍，则采用现有技术时，如图3所示，测量光束140相对于参考光束141最大偏移量Δ1＝D；采用本发明所述的光栅测量系统时，如图5所示，测量光束140相对于参考光束141最大偏移量Δ2＝D/2+D*M/2；因此本发明所述光栅测量系统相对于现有技术，光束偏移量提高了Δ2/Δ1＝(1+M)/2倍。由于光束偏移量对应测量系统的最大可测行程，因此本发明所述的光栅测量系统，相对于现有技术，可测行程范围提高了(1+M)/2倍，其中M为扩束元件304的扩束比。

作为本发明的一种改进，所述光栅测量系统具有2个所述测量装置100，所述2个测量装置100平行放置且2个第一角锥棱镜501方向相互对称，构成二维测量装置。采用这种技术，通过2个所述测量装置100对两个自由度的数据解耦，分别获取两个方向如：水平方向和垂直方向的位移量，实现二维光栅尺测量。

作为本发明的一种改进，所述二维测量装置为3个，分别对应探测光栅相对于所述测量探头运动的6个空间自由度数据。采用这种技术，所述二维测量装置可以同时获取水平方向和垂直方向的二维自由度数据。当在运动台上合理布置3个所述二维测量装置时，即可高精度、高稳定性地获得运动台相对与测量探头运动的6个自由度数据。

作为本发明的一种改进，所述光源110通过光纤连接到所述测量装置100。所述入射到信号接收单元的光束通过光纤进入到所述探测器121中。采用光纤远程传输的方式，可以减小测量装置100的体积，同时由于光源110和探测器121都是发热量较大的器件，将这两个部分放置在测量装置100的外部，可以极大地减小测量装置100的发热量，提高光栅测量系统的温度稳定性。

Claims (17)

1.一种光栅测量系统，包括测量装置和光栅，其特征在于,

所述测量装置设置有测量光束和参考光束，

所述测量光束沿光束传播方向，依次经过光源、分光单元、所述光栅、第一回射单元、所述光栅、所述分光单元后，入射至信号接收单元，

所述参考光束沿光束传播方向，依次经过光源、所述分光单元、扩束单元、第二回射单元、所述分光单元入射至所述信号接收单元。

2.根据权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述测量光束，是通过所述光源发射的光束，经所述分光单元分束的第一光束形成，所述参考光束，是通过所述光源发射的光束，经所述分光单元分束的第二光束形成。

3.根据权利要求2所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述第一回射单元用于将入射至所述第一回射单元的第一光束，沿入射方向平行的相反方向出射，所述第二回射单元用于将入射至所述第二回射单元的第二光束，沿入射方向平行的相反方向出射。

4.根据权利要求1或2所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述光源为激光光源。

5.根据权利要求4所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述激光光源为双频激光光源，发出的正交偏振光具有频差。

6.根据权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述第一回射单元为第一角锥棱镜，所述第二回射单元为第二角锥棱镜。

7.根据权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述分光单元采用偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜同时对准所述扩束元件和所述光栅。

8.根据权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述信号接收单元包括探测器和检偏器，所述测量光束和参考光束通过检偏器进入探测器。

9.根据权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述扩束元件具有凹凸透镜结构，包括一个凹透镜面和一个凸透镜面，所述凹透镜面将参考光束扩束，所述凸透镜面将扩束后的参考光束平行出射。

10.根据权利要求9所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述第二角锥棱镜具有相互垂直的第一反射面和第二反射面。

11.根据权利要求10所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述凹透镜面对准所述第二角锥棱镜的第一反射面，所述凸透镜面对准所述第二角锥棱镜的第二反射面。

12.根据权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述扩束元件为倍率可调的扩束镜。

13.根据权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述光栅为反射光栅。

14.根据权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述光栅测量系统具有2个所述测量装置，所述2个测量装置平行放置且2个测量装置的第一回射单元相互对称，构成二维测量装置。

15.根据权利要求14所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述二维测量装置为3个，分别对应探测6个空间自由度数据。

16.根据权利要求1所述的一种光栅测量系统，其特征在于，所述光源通过光纤连接所述测量装置。

17.根据权利要求8所述的一种光栅测量系统，其特征在于，入射到信号接收单元的所述测量光束和参考光束通过光纤进入所述探测器。