CN107664481A - 光栅测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光栅测量装置，包括：光源模块，用于产生频率不同的两束光束，两束光束中的一束作为测量光束，另一束作为参考光束；光栅以及光栅测量探头，包括双频入光模块、垂向测量模块、垂向探测模块及参考探测模块，双频入光模块接收测量光束和参考光束，垂向测量模块将测量光束投射到光栅上，收集经光栅二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将零级衍射光投射至垂向探测模块，零级衍射光束与参考光束在垂向探测模块中发生干涉形成垂向干涉信号，参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉形成参考干涉信号；信号处理模块接收垂向干涉信号和参考干涉信号后计算光栅的垂向位移。本发明可以在任意工作距离下，实现大范围垂向位移测量。

Description

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。
公开号为US8300233B2的美国专利提出了一种光栅尺测量系统，它采用光束垂直入射光栅，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。由于采用角锥棱镜的结构，当光栅和探头之间有垂向运动时，接收器处的参考光斑和测量光斑会发生偏离，当参考光斑和测量光斑完全偏离时，就无法形成有效干涉。因此垂向的测量范围受限于光斑尺寸大小，该发明中光栅和探头之间的垂向测量范围很小。
发明内容
本发明提供一种光栅测量装置，以在任意工作距离下，实现大范围垂向位移测量。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光栅测量装置，包括：
光源模块，用于产生频率不同的两束光束，所述两束光束中的一束作为测量光束，另一束作为参考光束；
光栅；
以及光栅测量探头，包括双频入光模块、垂向测量模块、垂向探测模块及参考探测模块，其中，所述双频入光模块用于接收所述测量光束和参考光束，将所述测量光束投射至所述垂向测量模块和参考探测模块，将所述参考光束投射至所述垂向探测模块及参考探测模块，所述垂向测量模块将所述测量光束投射到所述光栅上，收集经所述光栅二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将所述零级衍射光投射至所述垂向探测模块，所述零级衍射光束与所述参考光束在所述垂向探测模块中发生干涉形成垂向干涉信号，所述参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉形成参考干涉信号；所述装置还包括信号处理模块，接收所述垂向干涉信号和参考干涉信号后计算所述光栅的垂向位移。
作为优选，所述光源模块包括：激光器、隔离器、分光器、频移器、第一耦合器和第二耦合器；所述激光器发出的光束经隔离器后，由所述分光器分光为两束进入所述频移器产生频率不同的所述两束光束，所述两束光束分别经第一、第二耦合器耦合后传送至所述光栅测量探头。
作为优选，所述激光器所发射的激光具有400～1500nm之间的任意波长。
作为优选，所述频移器为塞曼分频器、双折射元件或两个声光频移器。
作为优选，所述光栅为一维光栅或者二维光栅。
作为优选，所述垂向测量模块包括：偏振分光棱镜、角锥棱镜和偏振控制器，所述测量分束先经偏振分光棱镜透射，由所述偏振控制器旋转偏振方向，投射到所述光栅上发生衍射，衍射光中的零级衍射光再次经所述偏振控制器旋转偏振方向，偏振光束在经过所述偏振分光棱镜时发生反射，并经过角锥棱镜返回偏振分光棱镜，再次入射到所述光栅上发生二次衍射，二次衍射光中的零级衍射光经所述偏振分光棱镜最终投射到所述垂向探测模块。
作为优选，所述偏转控制器采用法拉第旋转器或者二分之一波片。
作为优选，所述双频入光模块包括：第一分束镜及第二分束镜，所述垂向探测模块包括垂向测量耦合器，其中，所述测量光束经所述第一分束镜分成两测量分束，一测量分束经所述垂向测量模块投射到所述光栅，另一测量分束投射到所述参考探测模块，所述参考光束经所述第二分束镜分成两参考分束，一参考分束经所述垂向测量模块出射后与一经所述垂向测量出射的测量分束被所述垂向测量耦合器耦合，另一参考分束投射到所述参考探测模块。
作为优选，所述双频入光模块包括：第一分束镜和第二分束镜，所述垂向探测模块包括垂向测量耦合器和第三分束镜，所述测量光束经所述第一分束镜分成两测量分束，一测量分束经所述垂向测量模块投射到所述光栅，另一测量分束投射到所述参考探测模块，所述参考光束经所述第二分束镜分成两参考分束，一参考分束通过所述第三分束器与经所述垂向测量模块出射的测量分束合束后被所述垂向测量耦合器耦合，另一参考分束投射到所述参考探测模块。
作为优选，还包括多个用于实现光束转向和传播的反射镜组件。
作为优选，所述双频入光模块包括：第一准直器、第二准直器和楔角片对，其中，所述测量光束由所述第一准直器和楔角片对进行准直和角度控制，所述参考光束由所述第二准直器准直。
作为优选，所述光源模块与所述光栅测量探头之间通过保偏光纤连接。
作为优选，所述测量光束的偏振方向与所述参考光束的偏振方向存在第一夹角，相应地所述偏振分光棱镜的放置方向旋转第一夹角，经所述偏振控制器后出射的光束的偏振方向也旋转第一夹角。
作为优选，所述第一夹角为45度。
作为优选，入射至所述光栅表面的光束的偏振方向与所述光栅的栅格方向存在第二夹角。
作为优选，所述第二夹角为45+k*90度，其中k为自然数。
作为优选，所述垂向探测模块通过多模光纤连接所述信号处理模块。
作为优选，所述参考探测模块通过多模光纤连接所述信号处理模块。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明可实现全光纤传输，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多维测量领域。
2、本发明的光栅测量装置中的水平测量模块可以控制两束光束实现水平向位移测量，水平向探测模块可以探测水平向位移信号和参考光信号，实现水平方向(X/Y)二维探测，可以使X方向的测量和Y方向的测量点相同，有效减小了因被测点不同带来的测量误差；也大大减小了光栅所需的通光面尺寸，降低光栅成本。此外本发明也可以使光栅测量探头的尺寸更加紧凑，压缩安装空间。
3、本发明直接利用光栅的零级反射光进行测量，垂向测量距离不会受到光斑尺寸的限制，可以实现任意距离的垂向测量。
4、本发明还可以有效的将水平方向(X/Y)和垂向(Z)测量方案融合，实现多轴测量。而且垂向(Z)测量时使用的是水平方向(X/Y)测量时并不会使用的零级反射光来实现，提高了光栅尺测量系统的能量利用率。在不增加入射光束功率的情况下，增加了测量轴数。
5、本发明可以制造出集成度非常高的三轴或多轴读数头，适用于对空间和尺寸要求非常高，同时对测量精度和重复性要求极高的运动台多轴测量控制系统中。
6、本发明可实现基于全光纤传输的双频外差光栅测量。
7、本发明采用气体激光器作为光源，相干长度长，确保了在光栅和光栅测量探头的倾斜或偏转较大时，也可有效干涉。
8、本发明还可以实现激光光源与光栅读头的分离，读头体积小，可适用于空间紧凑的使用场景。
9、本发明采用双频光探测，稳定性更高、抗干扰能力更强，测量精度和重复性更优。
附图说明
图1为本发明实施例1中光栅测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2中光栅测量装置的结构示意图；
图3为本发明实施例3中光栅测量装置的结构示意图；
图4为本发明实施例3中光束通过垂向测量模块的偏振态变化示意图。
图中所示：
100-光栅测量探头、
110-双频入光模块、111-第一准直器、112-第二准直器、113-楔角片对；
120-垂向测量模块、121-偏振分光棱镜、122-角锥棱镜、123-偏振控制器；
130-垂向探测模块、131-第一分束镜、132-第二分束镜、133-第三分束镜、134-第四分束镜、135-第一远程耦合器、136-第二远程耦合器、137-第一反射镜、138-第二反射镜、139-第三反射镜、13a-第四反射镜；
140-水平向测量模块、141-第一角锥棱镜；
150-水平向探测模块、153-第一偏振分光棱镜、154-第三远程耦合器、155-第四远程耦合器；
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。
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
如图1所示，本实施例的光栅测量装置包括：
光源模块300，用于产生频率不同的两束光束，为示区分，将所述两束光束中的一束称为测量光束，另一束称为参考光束；
光栅200；
第一探测器；
第二探测器；
以及
光栅测量探头100，包括双频入光模块、垂向探测模块、垂向测量模块及参考探测模块，其中，双频入光模块用于接收所述测量光束和参考光束，将所述测量光束投射至所述垂向测量模块和参考探测模块，将所述参考光束投射至所述垂向探测模块及参考探测模块，所述垂向测量模块将所述测量光束投射到所述光栅200上，收集经所述光栅200二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将所述零级衍射光投射至所述垂向探测模块，所述零级衍射光束与所述参考光束在所述垂向探测模块中发生干涉，形成垂向干涉信号后被第一探测器探测，所述参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉，形成参考干涉信号后被第二探测器探测；所述装置还包括信号处理器，接收所述垂向干涉信号和参考干涉信号后计算所述光栅200的垂向位移。
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400～1500nm之间的任意波长，例如633nm、780nm、980nm。进一步的，所述激光器301上还设置有波长监控系统，用于对监控激光器301波长的变化情况，并对波长进行实施补偿。更进一步的，所述激光器301可以直接采用气体激光器，如氦氖激光器，具有线宽极窄、频率稳定性能好的特点。所述激光器301用于产生激光光束，该激光光束为线偏振光，偏振方向可以是P偏振，也可以是S偏振。
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、电光频移器、塞曼分频器或双折射元件，本实施例优选声光频移器，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100。
继续参照图1，所述双频入光模块包括：第一准直器111、第二准直器112和楔角片对113，其中，所述测量光束由所述第一准直器111和楔角片对113进行准直和角度控制，所述参考光束由所述第二准直器112准直，所述楔角片对113控制所述两束光束的相对平行度。所述双频入光模块还包括第一分束镜131和第二分束镜132，所述垂向探测模块包括第一远程耦合器135和第三分束镜133，所述参考探测模块包括第二远程耦合器136。
所述测量光束经所述第一分束镜131分成两测量分束，一测量分束经所述垂向测量模块投射到所述光栅200，另一测量分束投射到所述参考探测模块；
所述参考光束经所述第二分束镜132分成两参考分束，一参考分束通过所述第三分束器与经所述垂向测量模块出射后与一经所述垂向测量模块出射的测量分束被所述垂向探测模块耦合，另一参考分束投射到所述参考探测模块。
继续参考图1，所述垂向测量模块包括：偏振分光棱镜121、角锥棱镜122和偏振控制器123，测量光束和参考光束由垂向探测模块分束后，其中一测量分束先经偏振分光棱镜121透射，由偏振控制器123旋转偏振方向，投射到光栅200上发生衍射，衍射光中的零级衍射光再次经偏振控制器123旋转偏振方向，偏振光束在经过偏振分光棱镜121时发生反射，并经过角锥棱镜122返回偏振分光棱镜121，再次入射到光栅200上发生二次衍射，二次衍射光中的零级衍射光经所述偏振分光棱镜121最终投射到垂向探测模块。
所述偏转控制器123采用法拉第旋转器或者二分之一波片，所述光栅200为一维光栅或者二维光栅，光栅200的栅格为正弦型、长方型或锯齿型。
继续参照图1，所述垂向探测模块还包括设置在所述垂向测量模块与所述第三分束镜133之间的第一反射镜137和第二反射镜138，用于将从垂向测量模块返回的零级光束投射到第一远程耦合器135，以及用于实现参考分束转向的第三反射镜139、用于实现测量分束转向的第四反射镜13a。进一步的，所述第二反射镜138与第一远程耦合器135之间还设有第四分束镜134，用于将光束合束后投射到第一远程耦合器135。
所述光源模块300与所述光栅测量探头100之间通过保偏光纤连接，所述光栅测量探头与所述第一、第二探测器之间通过多模光纤连接。
具体地，光源模块300中的氦氖激光器发出频率为f0的氦氖激光束，通过隔离器302后，由分束镜303分成两路，分别入射第一频移器305和第二频移器306，其中，第一频移器305的频移量为Δf1，通过第一频移器305的氦氖激光束，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的氦氖激光束，频率变为f0+Δf2；这两束光束分别用第一耦合器307和第二耦合器308耦合到保偏光纤，远程传输到光栅测量探头100。
频率分别为f0+Δf1和f0+Δf2的两束光投射到所述光栅测量探头100上，为示区别，将频率为f0+Δf1的偏振光束称为测量光束，将频率为f0+Δf2的光束称为参考光束。其中，测量光束由第一准直器111准直后由楔角片对113控制角度，接着由第一分束镜131分为两束。其中一测量分束经偏振分光棱镜121透射，并经偏振控制器123旋转偏振方向45度，投射到光栅200上并由光栅200衍射0级光束，再次经偏振控制器123旋转偏振方向45度，此时该测量分束的偏振方向相对于入射时旋转90度，与入射光束偏振方向正交，因此，在经过偏振分光棱镜121时发生反射，并经过角锥棱镜122返回偏振分光棱镜121，再次入射到光栅200上发生二次衍射同时返回0级衍射光，该0级衍射光经所述第一、第二反射镜137、138转向，并经第四分束镜134最终入射到第一远程耦合器135。另一测量分束经第三反射镜139反射投入到第二远程耦合器136中。
所述参考光束由第二准直器112准直后，被第二分束镜132分为两束，一参考分束经第三反射镜139转向，并经第四分束镜134与上述的0级衍射光合束后投射到第一远程耦合器135，另一参考分束与另一测量分束由所述第三分束镜133合束后投射到第二远程耦合器136。
当光栅200相对于光栅测量探头100在Z向即垂向移动时，从垂向测量模块120中投射出的0级衍射光中包含f0+Δf1+ΔZ的位移信息，其与一参考分束合束后，第一远程耦合器135对其耦合，形成(Δf2-Δf1)的干涉信号，并通过多模光纤传送至第一探测器；信号处理模块计算(Δf2-Δf1-ΔZ)的干涉信号与从第三远程耦合器156探测到不含被测位移的参考干涉信号的差值就可以知道光栅200相对于光栅测量探头100在Z方向位移量，从而实现垂向测量。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：参考光束的路线不同。
如图2所示，所述垂向探测模块相较于实施例1减少了第一、第二反射镜137、138和第四分束镜134。具体为：参考光束经所述第二准直器112准直后，由第二分束镜132分为两束，其中一参考分束经第三反射镜139投射到垂向测量模块120的偏振分光棱镜121中，与一测量分束汇合，并投射到光栅200上，返回零级光束至第一远程耦合器135。另一参考分束经第三分束镜133与另一测量分束汇合，投射到第二远程耦合器136。本实施例的其它部分结构及工作原理与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例3
本实施例与实施例1和2的区别点在于，本实施例不仅能够实现垂向测量，且可以实现水平向位移测量。
如图3所示，本实施例的光栅测量装置包括：光源模块300、光栅测量探头100、光栅200以及多个与所述光栅测量探头100连接的探测器，光源模块300通过保偏光纤分别向光栅测量探头100输入两个频率不同的光束，光栅测量探头100经过光栅200探测后，通过多模光纤向探测器输出带有X、Y、Z的位置信息以及参考信号。
如图3所示，本实施例相对于实施例1增设了水平向探测模块和水平向测量模块，其中，所述水平向测量模块包括两对称设置的第一角锥棱镜，所述第一角锥棱镜141分别用于收集投射到光栅200上光束的±1级衍射光(不限于+1/-1级光束，也可以使用+2/-2级光束，以及1级和/或2级光束的组合)，并将该±1级衍射光反射后再次投射到所述光栅200上，再次经光栅200衍射后，汇聚投射到所述水平向探测模块。
所述水平向探测模块包括：第一偏振分光棱镜153、第三远程耦合器154和第四远程耦合器155。
具体地，所述测量光束经所述第一分束镜131分束后，一测量分束经所述垂向测量模块投射到的光栅200表面，并在所述光栅200表面发生反射和衍射，其中的衍射光束经所述第一偏振分光棱镜153分别投射到第三、第四远程耦合器154、155，另一测量分束投射到所述第二远程耦合器136，作为参考信号；
参考光束经所述第二分束镜132分束后，一参考分束投射到光栅200表面，并在所述光栅200表面发生衍射，衍射光束经所述第一偏振分光棱镜153分别投射到第三、第四远程耦合器154、155，分束后的另一参考分束投射到所述第二远程耦合器136，作为参考信号。
具体地，所述光源模块300发出频率分别为的f0+Δf1、f0+Δf2的两束光，为示区别，将频率为f0+Δf1的偏振光束称为测量光束，将频率为f0+Δf2的光束称为参考光束。其中，测量光束通过垂向测量模块时的偏振态变化情况如图4所示。测量光束的偏振方向相对于参考光束的偏振方向有夹角α。偏振分光棱镜121的放置方向也相应旋转α角。测量光束入射偏振分光棱镜121后，偏振方向不变，经偏振控制器123后，偏振方向旋转α角，此时测量光束的偏振方向与参考光束的偏振方向相同，都与光栅200的栅格方向呈θ夹角，当然所述测量光束和参考光束均垂直入射到光栅200表面。本实施例中，夹角α为45度。
具体地，由双频入光模块调制后的测量光束经所述第一分束镜131分束后，一测量分束经所述垂向测量模块投射到的光栅200表面，并在所述光栅200表面发生衍射，其中，衍射的-1级光束经所述第一偏振分光棱镜153分别投射到第三、第四远程耦合器154、155，分束后的另一测量分束投射到所述第二远程耦合器136；在光栅200上衍射的0级光束由偏振控制器123旋转偏振方向，零级偏振光束在经过偏振分光棱镜121时发生反射，并经过角锥棱镜122返回偏振分光棱镜121，再次入射到光栅200上并返回零级衍射光，最终投射到第一远程耦合器135。
参考光束经所述第二分束镜132分束后，一参考分束投射到光栅200表面，并在所述光栅200表面发生衍射，衍射的+1级光束经所述第一偏振分光棱镜153分别投射到第三、第四远程耦合器154、155，分束后的另一参考分束经第四分束镜134分别投射到所述第二远程耦合器136和第一远程耦合器135。进一步的，所述第一偏振分光棱镜153的分光方向与光栅200栅距方向相同。
当光栅200沿X向运动ΔX时，经第三远程耦合器154探测到含有被测位移的干涉信号，其条纹数为N1：
N1＝[(f0+Δf2)T1+2ΔX/d]-[(f0+Δf1)T1-2ΔX/d]＝(Δf2-Δf1)T1+4ΔX/d (1)
其中，T1为运动ΔX位移量所用时间，d为光栅200的栅距。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-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+2ΔX/d。
从第二远程耦合器136探测到不含被测位移的参考信号，其条纹数为N2：
N2＝(f0+Δf2)T1-(f0+Δf1)T1＝(Δf2-Δf1)T1 (2)
将两个探测器探测到的条纹数相减，可得到光栅200相对于光栅测量读头100在X向运动的位移ΔX：
ΔX＝d(N1-N2)/4 (3)
当光栅200沿Y向运动ΔY时，从第四远程耦合器155探测到的含有被测位移的干涉信号，其条纹数为N3：
N3＝[(f0+Δf2)T2+2ΔY/d]-[(f0+Δf1)T2-2ΔY/d]＝(Δf2-Δf1)T2+4ΔY/d (4)
其中，T2为运动ΔY位移量所用时间，d为光栅200的栅距。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-2ΔY/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+2ΔY/d。
将其与参考信号探测器探测到的条纹数相减，即可得到光栅200相对于光栅测量读头100在Y向运动的位移ΔY：
ΔY＝d(N3-N2)/4
需要说明的是，所述光栅测量探头100中光斑分布方向相对于光栅200的栅距方向倾斜θ角，θ可以为0至360度以及0至360度倍数的任意角度，用于实现X和/或Y方向位置测量。当该角度为0，90，180，360度以及90度的倍数时，可探测到X或Y的位置，实现光栅200水平方向一维位置测量。当该角度为除以上0，90，180，360度以及90度的倍数以外的角度时，可探测到X和/或Y的位置，实现光栅尺水平方向二维位置测量。特别的，当该角度为45度，135度，以及45+k*90度(k为自然数)时，光栅测量探头100的X和Y方向相对于光栅200的刻线方向对称分布，X和Y方向的光信号能量分布均匀，可较好的实现水平方向的二维位置测量。
本发明采用两路及以上不同频率的偏振光输入，可实现X轴和/或Y轴和/或Z轴测量；还可以通过适当增加探测的轴数以及辅助校正装置或其它校正装置，还可以增加测量自由度，通过多轴测量改善测量灵敏度，减小测量误差，实现例如Rx和/或Ry和/或Rz的测量。本发明可以用于步进光刻机或者扫描光刻机中的工件台和掩模台的运动控制反馈系统中，实现运动台的超高精度多自由度姿态控制。也可用于其它高精度测量中，如激光、X-ray，离子束等设备中的运动装置的测量和反馈控制。
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 (18)

1.一种光栅测量装置，其特征在于，包括：
光源模块，用于产生频率不同的两束光束，所述两束光束中的一束作为测量光束，另一束作为参考光束；
光栅；
以及
光栅测量探头，包括双频入光模块、垂向测量模块、垂向探测模块及参考探测模块，其中，所述双频入光模块用于接收所述测量光束和参考光束，将所述测量光束投射至所述垂向测量模块和参考探测模块，将所述参考光束投射至所述垂向探测模块及参考探测模块，所述垂向测量模块将所述测量光束投射到所述光栅上，收集经所述光栅二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将所述零级衍射光投射至所述垂向探测模块，所述零级衍射光束与所述参考光束在所述垂向探测模块中发生干涉形成垂向干涉信号，所述参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉形成参考干涉信号；
所述装置还包括信号处理模块，接收所述垂向干涉信号和参考干涉信号后计算所述光栅的垂向位移。
2.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述光源模块包括：激光器、隔离器、分光器、频移器、第一耦合器和第二耦合器；所述激光器发出的光束经隔离器后，由所述分光器分光为两束进入所述频移器产生频率不同的所述两束光束，所述两束光束分别经第一、第二耦合器耦合后传送至所述光栅测量探头。
3.如权利要求2所述的光栅测量装置，其特征在于，所述激光器所发射的激光具有400～1500nm之间的任意波长。
4.如权利要求2所述的光栅测量装置，其特征在于，所述频移器为塞曼分频器、双折射元件或两个声光频移器。
5.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述光栅为一维光栅或者二维光栅。
6.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述垂向测量模块包括：偏振分光棱镜、角锥棱镜和偏振控制器，所述测量光束先经偏振分光棱镜透射，由所述偏振控制器旋转偏振方向，投射到所述光栅上发生衍射，衍射光中的零级衍射光再次经所述偏振控制器旋转偏振方向，偏振光束在经过所述偏振分光棱镜时发生反射，并经过角锥棱镜返回偏振分光棱镜，再次入射到所述光栅上发生二次衍射，二次衍射光中的零级衍射光经所述偏振分光棱镜最终投射到所述垂向探测模块。
7.如权利要求6所述的光栅测量装置，其特征在于，所述偏转控制器采用法拉第旋转器或者二分之一波片。
8.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述双频入光模块包括：第一分束镜及第二分束镜，所述垂向探测模块包括垂向测量耦合器，其中，所述测量光束经所述第一分束镜分成两测量分束，一测量分束经所述垂向测量模块投射到所述光栅，另一测量分束投射到所述参考探测模块，所述参考光束经所述第二分束镜分成两参考分束，一参考分束经所述垂向测量模块出射后与一经所述垂向测量模块出射的测量分束被所述垂向测量耦合器耦合，另一参考分束投射到所述参考探测模块。
9.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述双频入光模块包括：第一分束镜和第二分束镜，所述垂向探测模块包括垂向测量耦合器和第三分束镜，所述测量光束经所述第一分束镜分成两测量分束，一测量分束经所述垂向测量模块投射到所述光栅，另一测量分束投射到所述参考探测模块，所述参考光束经所述第二分束镜分成两参考分束，一参考分束通过所述第三分束器与经所述垂向测量模块出射的测量分束合束后被所述垂向测量耦合器耦合，另一参考分束投射到所述参考探测模块。
10.如权利要求8或9所述的光栅测量装置，其特征在于，还包括多个用于实现光束转向和传播的反射镜组件。
11.如权利要求1、8或9所述的光栅测量装置，其特征在于，所述双频入光模块包括：第一准直器、第二准直器和楔角片对，其中，所述测量光束由所述第一准直器和楔角片对进行准直和角度控制，所述参考光束由所述第二准直器准直。
12.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述光源模块与所述光栅测量探头之间通过保偏光纤连接。
13.如权利要求6所述的光栅测量装置，其特征在于，所述测量光束的偏振方向与所述参考光束的偏振方向存在第一夹角，相应地所述偏振分光棱镜的放置方向旋转第一夹角，经所述偏振控制器后出射的光束的偏振方向也旋转第一夹角。
14.如权利要求13所述的光栅测量装置，其特征在于，所述第一夹角为45度。
15.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，入射至所述光栅表面的光束的偏振方向与所述光栅的栅格方向存在第二夹角。
16.如权利要求15所述的光栅测量装置，其特征在于，所述第二夹角为45+k*90度，其中k为自然数。
17.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述垂向探测模块通过多模光纤连接所述信号处理模块。
18.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述参考探测模块通过多模光纤连接所述信号处理模块。
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