CN106931887B - 双频光栅测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频光栅测量装置，包括：光源模块，用于产生频率不同的两束光束；光栅；第一探测器；第二探测器；以及光栅测量探头，与所述光源模块和探测器连接，所述光栅测量探头从所述光源模块接收所述两束光束，对所述两束光束进行分光，使两束光束的一部分平行入射至所述光栅，经所述光栅衍射后传送至所述第一探测器，另一部分传送至所述第二探测器。本发明具有抗干扰能力强、测量精度高、重复测量精度高、无非线性误差影响、结构简单和安装使用便捷的特点，极其适用于高稳定性要求的皮米精度二维测量领域。

Description

双频光栅测量装置

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种双频光栅测量装置。

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，即便环境很好，误差也会超过1nm，因此，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，所以高精度、高稳定性的皮米测量方案迫切需要。

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已开始逐渐取代干涉仪，承担高精度、高稳定性皮米精度测量任务。(公开号为US7389595的美国专利提出了一种基于光纤传输的二维光栅测量系统，光源和探测信号光均采用光纤传输。该专利方案中，光源为半导体激光器，采用零差探测方式测量光栅与读头之间的位移。然而零差探测的方式抗干扰能力较弱，位置数据容易受到外界杂散光、电磁场及振动干扰的影响。申请号为CN201210449244的中国专利提出了一种双频外差光栅测量系统，该系统可以有效提高测量精度。但其只有探测信号通过光纤传输，激光光源与光栅读头放在一起，体积大，不适用于空间紧凑的使用场景；另外，当光栅相对于读头之间有Rx、Ry角度偏转时，测量系统干涉性能会降低，导致测量系统失效，该发明中光栅与读头的装调难度太大，安装使用不方便。

发明内容

本发明提供一种双频光栅测量装置，可以实现高精度、高稳定性皮米精度测量任务，并且结构简单、安装使用便捷。

为解决上述技术问题，本发明提供一种双频光栅测量装置，包括：光源模块，用于产生频率不同的两束光束；光栅；第一探测器；第二探测器；以及光栅测量探头，与所述光源模块和探测器连接，所述光栅测量探头从所述光源模块接收所述两束光束，对所述两束光束进行分光，使两束光束的一部分平行入射至所述光栅，经所述光栅衍射后传送至所述第一探测器，另一部分传送至所述第二探测器。

作为优选，所述光源模块包括激光器、分光器、第一频移器和第二频移器；所述激光器发出的光束经所述分光器分光后分别进入第一频移器和第二频移器产生所述频率不同的两束光束传送至所述光栅测量探头。

作为优选，所述光源模块还包括耦合器，所述两束光束经过所述耦合器后传送至所述光栅测量探头。

作为优选，所述光栅测量探头包括：第一分光镜、第一角锥棱镜、第二分光镜、第二角锥棱镜、反光镜及分光片；所述两束光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束入射至所述第一分光镜，经所述第一分光镜分光后，一部分光束入射至所述光栅，经所述光栅衍射的-1级衍射光入射至所述第一角锥棱镜后再次反射至所述光栅，再经所述光栅衍射后传送至所述第一探测器，另一部分光束经所述反射镜反射至所述分光片；所述第二光束入射至所述第二分光镜，经所述第二分光镜后，一部分光束入射至所述光栅，经所述光栅衍射的+1级衍射光入射至所述第二角锥棱镜后再次反射至所述光栅，再经所述光栅衍射后传送至所述第一探测器，另一部分光束在所述分光片处与所述第一光束的另一部分光束合并后传送至所述第二探测器。

作为优选，所述光栅测量探头还包括第一准直器、第二准直器，所述第一光束经所述第一准直器后入射至第一分光镜，所述第二光束经所述第二准直器后入射至第二分光镜。

作为优选，所述光栅测量探头还包括角度调整装置，所述角度调整装置设置在所述第一准直器与第一分光镜之间或设置在所述第二准直器与第二分光镜之间。

作为优选，所述角度调整装置为楔角片或机械角度调整装置。

作为优选，所述角度调整装置为楔角片或机械角度调整装置。

作为优选，所述光栅为一维反射光栅或者二维反射光栅。

作为优选，所述光栅为一维反射光栅时，所述每组反射棱镜的数目为1个，所述光栅为二维反射光栅时，每组反射棱镜的数目为2个。

作为优选，所述光栅测量探头与所述光源模块和探测器均通过光纤连接。作为优选，所述远程耦合器与探测器之间采用多模光纤连接，所述光源模块与光栅测量探头之间的光栅为保偏光纤或者单模光纤。

与现有技术相比，本发明利用两个频率不同的光束分别入射光栅，并对重合的衍射光进行双频干涉探测，且全程利用光纤传输，具有抗干扰能力强、测量精度高、重复测量精度高、无非线性误差影响、结构简单和安装使用便捷的特点，极其适用于高稳定性要求的皮米精度二维测量领域。

附图说明

图1为本发明实施例1中双频一维光栅测量装置的原理图；

图2为本发明实施例2中双频二维光栅测量装置的布局示意图；

图3为本发明实施例2中二维光栅上的测量光斑分布示意图。

图中所示：100-光栅测量探头、101-第一角锥棱镜、102-第二角锥棱镜、103-第一准直器、104-第二准直器、105-楔角片对、106-第一远程耦合器、107-第二远程耦合器；

111-第一保偏光纤、112-第二保偏光纤、113-第一多模光纤、114-第二多模光纤、115-第一分光镜、116-反光镜、117-分光片、118-第二分光镜；

121、123、125-光束；

122--1级衍射光；

124-+1级衍射光；

200-光栅；

300-光源模块、301-激光器、302-隔离器、303-分束镜、304-反射镜、305-第一频移器、306-第二频移器、307-第一耦合器、308-第二耦合器；

401～408-光束；421～424-角锥棱镜；501～504-光斑。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

参照图1，本发明的双频光栅测量装置，包括：光栅测量探头100、光栅200和光源模块300。其中，所述光源模块300用于产生两束频率不同的光束，并通过光纤将两束光束传递到所述光栅测量探头100中，所述光栅测量探头100中设置有两组光路，用于分别接收所述两束光束，并对所述两束光束进行分光，使其一部分经光纤传递至探测器，另一部分投射到光栅表面进行衍射后再经光纤传送至探测器。

继续参照图1，所述光源模块300包括激光器301、隔离器302、分光器、频移器以及耦合器，分光器包括分束镜303和反射镜304。

所述激光器301采用氦氖激光器或者半导体激光器，用于产生激光光束，该激光光束可以为线偏振光或者非线偏振光。

激光器301可以采用稳频激光器，所述隔离器302设置在所述激光器301的出口处以阻挡回波反射；所述隔离器302也可以由具有倾斜表面的光纤端头替代，同样可以降低回波反射影响，在激光器301上安装隔离器302或带有倾斜表面的光纤端头可以提高激光器301的稳定性。

所述频移器采用声光频移器或者电光频移器，本实施例中的频移器和耦合器均为两组，为示区别分别称之为第一、第二频移器305、306和第一、第二耦合器307、308。激光器301发出的光束经所述分束镜303分为两束，一束经所述第一频移器305产生一定频移量后经第一耦合器307射出，另一光束经反射镜304进入所述第二频移器306并产生与前一光束不同的频移量后经第二耦合器308射出。

进一步的，所述两束频率不同，有一定频差的光束，采用保偏光纤远程传输至光栅测量探头，当采用非偏振光束进行测量时，也可使用单模光纤，本实施例中采用保偏光纤，为示区别，称之为第一、第二保偏光纤111、112。

光栅测量探头100包括：两组对应设置的准直器、反射棱镜、分光器件和远程耦合器，其中，两束光束平行入射，由所述准直器准直后，经所述分光器件分光，一部分光束经所述反射棱镜入射至光栅表面，在光栅表面衍射后两束光束经反射棱镜回射后合并为同一光束，传送至一远程耦合器；另一部分光束合并为同一光束后传送至另一远程耦合器，两远程耦合器将收集到的光束通过多模光纤传送至远程的探测器中。

具体地，所述反射棱镜采用角锥棱镜或者屋脊棱镜。

所述光栅测量探头还包括角度调整装置，所述角度调整装置设置在所述两束光束所在的其中一条光路的准直器与分束器件之间，具体采用楔角片或机械角度调整装置。所述角度调整装置可以对光束方向进行微调，实现两束光相对平行度的调整，进而使两个频率的光束能够较好的干涉。

请继续参照图1，下面将具体说明本发明的工作过程：

首先，光源模块300中的激光器301发出频率为f₀的激光束，通过隔离器302后，用分光镜303分成两路，分别入射第一频移器305和第二频移器306，第一、第二频移器305、306的频移量大小不同，对原有激光束的频率进行调制。第一频移器305的频移量为Δf₁，通过第一频移器305的激光束，频率变为f₀+Δf₁；第二频移器306的频移量为Δf₂，通过第二频移器306的激光束，频率变为f₀+Δf₂；这两束光分别用第一耦合器307和第二耦合器308耦合到第一保偏光纤111和第二保偏光纤112，远程传输到光栅测量探头100。

频率为f₀+Δf₁和f₀+Δf₂的激光束，分别用第一准直器103和第二准直器104准直为平行光束121和123，并垂直入射光栅200，本实施例采用楔角片对105控制光束121和光束123的相对平行度。频率为f₀+Δf₁的光束121取-1级衍射光122并用第一角锥棱镜101回射至光栅200上，再次发生衍射后沿光束125方向出射；频率为f₀+Δf₂的光束123取+1级衍射光124并用第二角锥棱镜102回射至光栅200上，再次发生衍射后沿光束125方向出射，通过第一远程耦合器106耦合到第一多模光纤113，远程传输至探测器探测双频干涉信号。光束121用第一分光镜115分光并用反光镜116反射，光束123用第二分光镜118分光，光束121和光束123分出的部分光在分光片117处合光并通过第二远程耦合器107耦合到第二多模光纤114，远程传输至探测器，提供参考信号。

当光栅200沿X向运动ΔX时，经第一多模光纤113探测到含有被测位移的干涉信号，其条纹数为N₁：

N₁＝[(f₀+Δf₂)T+2ΔX/d]-[(f₀+Δf₁)T-2ΔX/d]＝(Δf₂-Δf₁)T+4ΔX/d (1)

其中，T为运动ΔX位移量所用时间，d为光栅栅距。频率为f₀+Δf₁的光束在光栅200的-1级衍射光方向两次发生衍射，相位变化为-2ΔX/d；频率为f₀+Δf₂的光束在光栅200的+1级衍射光方向两次发生衍射，相位变化为+2ΔX/d。

经第二多模光纤114探测到不含被测位移的参考信号，其条纹数为N₂：

N₂＝(f₀+Δf₂)T-(f₀+Δf₁)T＝(Δf₂-Δf₁)T (2)

将两个探测器探测到的条纹数相减，即可得到光栅200相对于光栅测量探头100在X向运动的位移ΔX：

ΔX＝d(N₁-N₂)/4 (3)

本实施例采用全光纤传输的方式，可以极大提高测量系统的使用便利性；而采用双频信号，也从原理上确保了本发明具有极好的抗干扰性。

实施例2

本实施例与实施例1的区别点在于，实施例1中采用一维反射光栅，而本实施例中采用二维反射光栅。

二维探测的布局如图2所示。频率为Δf1的入射光束401和频率为Δf2的入射光束402在二维光栅上发生二维衍射，衍射光束403为Δf1(0，-1)级，衍射光束404为Δf2(0，+1)级，衍射光束406为Δf1(+1，0)级，衍射光束407为Δf2(-1，0)级。采用四个角锥棱镜420、421、422和423回射光束，使光束403和光束404在同一点回射并沿光束405方向出射，通过光束405的信号，可以探测到二维光栅在Y方向的位移；使光束406和光束407在同一点回射并沿光束408方向出射，通过光束408的信号，可以探测到二维光栅在X方向的位移。因此，本实施例可以实现X和Y二维位置测量。

二维光栅上，光斑分布如图3所示。频率Δf1的光束入射光斑为501，频率Δf2的光束入射光斑为502。Y方向位置探测光信号的光斑处于光斑501和502中间，为光斑503。X方向位置探测光信号的光斑可以根据角锥棱镜排布不同，处于光斑503之外的任意位置，一个较优选的位置为光斑504处。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种双频光栅测量装置，包括：

光源模块，用于产生频率不同的两束光束，分别用f0+Δf1与f0+Δf2表示；

光栅；

第一探测器；

第二探测器；

以及

光栅测量探头，与所述光源模块和探测器连接，所述光栅测量探头从所述光源模块接收所述两束光束，对所述两束光束进行分光，使两束光束的一部分平行入射至所述光栅，经所述光栅衍射后传送至所述第一探测器作为双频干涉信号，另一部分传送至所述第二探测器作为参考信号；

当光栅沿X向运动ΔX时，第一探测器探测到含有被测位移的双频干涉信号，其条纹数为N1：

N1＝[(f0+Δf2)T+2ΔX/d]-[(f0+Δf1)T-2ΔX/d]＝(Δf2-Δf1)T+4ΔX/d；

其中，T为运动ΔX位移量所用时间，d为光栅栅距；频率为f0+Δf1的光束在光栅200的-1级衍射光方向两次发生衍射，相位变化为-2ΔX/d；频率为f0+Δf2的光束在光栅200的+1级衍射光方向两次发生衍射，相位变化为+2ΔX/d；

第二探测器探测到不含被测位移的参考信号，其条纹数为N2：

N2＝(f0+Δf2)T-(f0+Δf1)T＝(Δf2-Δf1)；

将两个探测器探测到的条纹数相减，即可得到光栅相对于光栅测量探头在X向运动的位移ΔX：

ΔX＝d(N1-N2)/4。

2.如权利要求1所述的双频光栅测量装置，其特征在于，所述光源模块包括激光器、分光器、第一频移器和第二频移器；所述激光器发出的光束经所述分光器分光后分别进入第一频移器和第二频移器产生所述频率不同的两束光束传送至所述光栅测量探头。

3.如权利要求2所述的双频光栅测量装置，其特征在于，所述光源模块还包括耦合器，所述两束光束经过所述耦合器后传送至所述光栅测量探头。

4.如权利要求1所述的双频光栅测量装置，其特征在于，所述光栅测量探头包括：第一分光镜、第一角锥棱镜、第二分光镜、第二角锥棱镜、反光镜及分光片；所述两束光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束入射至所述第一分光镜，经所述第一分光镜分光后，一部分光束入射至所述光栅，经所述光栅衍射的-1级衍射光入射至所述第一角锥棱镜后再次反射至所述光栅，再经所述光栅衍射后传送至所述第一探测器，另一部分光束经所述反射镜反射至所述分光片；所述第二光束入射至所述第二分光镜，经所述第二分光镜后，一部分光束入射至所述光栅，经所述光栅衍射的+1级衍射光入射至所述第二角锥棱镜后再次反射至所述光栅，再经所述光栅衍射后传送至所述第一探测器，另一部分光束在所述分光片处与所述第一光束的另一部分光束合并后传送至所述第二探测器。

5.如权利要求4所述的双频光栅测量装置，其特征在于，所述光栅测量探头还包括第一准直器、第二准直器，所述第一光束经所述第一准直器后入射至第一分光镜，所述第二光束经所述第二准直器后入射至第二分光镜。

6.如权利要求5所述的双频光栅测量装置，其特征在于，所述光栅测量探头还包括角度调整装置，所述角度调整装置设置在所述第一准直器与第一分光镜之间或设置在所述第二准直器与第二分光镜之间。

7.如权利要求6所述的双频光栅测量装置，其特征在于，所述角度调整装置为楔角片或机械角度调整装置。

8.如权利要求4所述的双频光栅测量装置，其特征在于，所述光栅为一维反射光栅或者二维反射光栅。

9.如权利要求8所述的双频光栅测量装置，其特征在于，所述光栅为一维反射光栅时，所述第一角锥棱镜和第二角锥棱镜均为1个，所述光栅为二维反射光栅时，所述第一角锥棱镜和第二角锥棱镜均为2个。

10.如权利要求1所述的双频光栅测量装置，其特征在于，所述光栅测量探头与所述光源模块和探测器均通过光纤连接。