CN109579694B - 一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法及系统，该系统包括分别调制外差激光模块、光栅干涉镜组、光电探测与信号处理单元；分别调制外差激光模块同时输出两束频率不同的激光平行入射到第一分光面分光，一部分入射后向反射器产生参考光束入射第三分光面，另一部分经过被测光栅‑后向反射器构成的二次衍射结构得到两束测量光束，并入射第二分光面分为两部分，其中一部分合光形成第一干涉光束，另一部分入射第三分光面与对应的参考光束合光形成第二和第三干涉光束，三束干涉光的光学拍频信号经过光电探测与信号处理解算出光栅的水平和垂直方向位移信息，该方法和系统在提高光学细分数的同时提高对光栅偏摆的角度容差。

Description

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种光栅测量方法及系统，特别涉及一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法及系统。

背景技术

光刻机是集成电路制造领域中的核心装备，用于对晶圆进行对准曝光。其中，超精密工件台是光刻机的核心子系统之一，用于承载晶圆完成米秒级速度下的纳米—亚纳米级超精密步进扫描运动。而实际运动中，工件台会产生微弧度至毫弧度量级的偏摆和微米量级的垂向偏移。因此，为了实现超精密工件台的运动与定位，工件台测量系统需要具备高速、高分辨力、多自由度测量等特性。目前，外差激光干涉测量系统是常用的超精密工件台测量方案。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升，双频激光干涉仪以环境敏感性高、多自由度布局占用空间大等问题难以满足测量需求。

针对上述问题，国内外超精密测量领域的各公司及研究机构展开了一系列研究，其中的一个主要研究方向是基于衍射干涉原理的外差光栅测量系统，研究成果在诸多专利和论文中均有揭露。清华大学中国专利CN103307986A(公开日2013年9月18日)、CN105823422A(公开日2016年8月3日)分别公开了一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统及方法，能够同时测量水平向大行程位移和垂向位移，但以上方案由于双频激光共轴，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。美国ZYGO公司美国专利US2013/114062A1(公开日2013年5月9日)公开了一种干涉型编码器系统的紧凑型测头方案，该方案利用整体光学镜组代替分立的角锥棱镜实现二次衍射的光学四细分结构，具有结构紧凑、光学四细分和高角度容差的特性，但该方案仅在光栅平面内进行测量，无法实现垂向测量；而且也存在双频激光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。中国科学院上海光学精密机械研究所中国专利CN105203031A(公开日2015年12月30日)公开了一种四倍光学细分的两轴外差光栅干涉仪，该系统利用双频激光器发出的激光，经分光后分别进入呈利特罗结构放置的两个安捷伦公司的N10715A干涉模块，实现光栅水平方向和竖直方向上的位移的光学四细分测量。然而，该系统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。

哈尔滨工业大学中国专利CN103604376A(公开日2014年2月26日)公开了一种抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量方法及系统，利用分别调制的双频激光光源避免了上述偏振分光不完全造成的影响，且实现了三维测量。但该方法为光学二细分结构，分辨力较低，且对光栅偏摆的角度容差较低。清华大学中国专利CN106289068A(公开日2017年1月4日)公开了一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，该方法利用分别调制的双频激光光源和利特罗式光学结构实现了对光栅水平位移和垂向位移的测量，具有抗光学混叠、小型化的特点，但该方案中差分的利特罗式结构仅可以实现光栅水平位移的光学二细分。此外，该结构中激光光源与光学镜组距离较近，激光光源发热会造成一定的热漂移；且光束为空间传输，对安装和准直要求较高。上述研究表明，现有技术尚未兼顾抗光学混叠、高倍数光学细分和高角度容差的特性，仍需要进一步研究以更好的满足光刻机等应用环境中对测量系统日益提高的需求。

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，寻求一种高容差的抗光学混叠外差光栅干涉测量方法，该测量方法能够实现亚纳米级甚至更高的分辨力，能够同时在光学四细分下测量光栅平面位移和垂向位移，且兼顾对光栅偏摆角度的高容差特性，并避免激光光源的发热影响、降低激光干涉测头在装配中的准直要求。该测量系统应用于光刻机当中，能够实现超精密工件台的多轴、快速、超精密位移测量，显著提升工件台的性能。

本发明的目的是这样实现的：

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法，外差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，在空间上分开传输至第一分光面得到对应的参考光束和测量光束，其中两参考光束经过后向反射器结构形成第一参考光束和第二参考光束，入射第三分光面；两测量光束垂直入射被测光栅，经过光栅-后向反射器形成的二次衍射结构得到对应的第一测量光束和第二测量光束，并经过第二分光面分为两部分，其中一部分经过合光镜组形成第一干涉光束，另一部分入射第三分光面；在第三分光面上，第一参考光束和第二测量光束、第二参考光束和第一测量光束各自汇合形成第二干涉光束和第三干涉光束，三干涉光束各自产生光学拍频干涉，其光学拍频信号经光电探测与信号处理得到被测光栅的水平位移和垂直位移信息。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，包括可以输出两束不同频率激光束的激光光源模块和光学镜组，其中第一束激光束经第一根单模保偏光纤传输至光栅干涉测头的入射端，形成第一入射激光束；另一束激光束经过第二根单模保偏光纤传输至光栅干涉测头的入射端，形成第二入射激光束；调整两入射激光束的偏振态，使两入射激光束在偏振分光镜的分光面的反射部分形成第一参考光束和第二参考光束，在所述参考光束的光路上放置一个有效孔径足够大的后向反射器，使参考光束交叉产生一定的偏移并沿反方向平行出射；两入射激光束在偏振分光镜的分光面的透射部分对应形成第一测量光束和第二测量光束，两测量光束入射光栅发生第一次衍射，形成各级第一次衍射光束，选择第一测量光束衍射光和第二测量光束的衍射光并在其光路上各自放置一个粘接在光学镜组上的后向反射器，使两束第一次衍射光产生一定的空间偏移后平行反向出射，再次经过光栅产生第二次衍射，其中第一测量光束的对应级次衍射光束和第二测量光束的对应级次衍射光束与第一、第二测量光束平行且反向，利用一个非偏振分光面进行反射取出所述的两束第二次衍射光束的一部分，并经过合光棱镜得到第一干涉光束；而第一、第二次衍射光束的另一透射的部分分别与第二、第一参考光束在前述偏振分光面上汇合，形成第二、第三干涉光束，以上三束干涉光束分别经过检偏器产生干涉，经多模光纤传输，最终射向对应的三个光电探测器，所述的光电探测器将拍频光信号转换成电信号，由导线送入信号处理单元完成信号处理以及位移信息的解算。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

(1)本发明中利用二次衍射结构同时获得光学四细分的光栅水平运动和更高细分数的垂向运动测量，提高了测量分辨力；

(2)本发明中利用两束测量光束的二次衍射光束进行光栅垂向运动的测量，避免了利用两束测量光束的第一次衍射的0级衍射光测量光栅垂向运动时，由于光栅运动偏摆引起的角度失配问题，将第一次衍射光束的角度失配转化为第二次衍射光束的位置失配，保证了光纤耦合器件对干涉光束的有效耦合，显著提升了对于光栅角度偏摆的容差；

(3)本发明中利用同时包含水平位移和垂向位移的光学干涉拍频信号解调得到量测量方向上的位移信息，提高了对于测量光束的能量利用。

附图说明

附图1是一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统结构示意图。

附图2是本发明的一种光栅干涉读数头内部镜组结构示意图。

附图3是图2镜组结构中空间光路示意图。图中为清晰表达光学镜组中各空间光路，对部分光学元件适当作爆炸视图处理。

图中：1-分别调制的外差激光模块；11-单频激光器；12-空间光与光纤耦合器；13-保偏光纤1×2分束器；14a、14b-光纤法兰盘；15a、15b-光纤声光移频器；16a、16b-光纤法兰盘；2-光栅干涉测头模块；21a、21b-保偏单模光纤；22a、22b-带有偏振片的光纤准直头；23-光学镜组；24a、24b、24c-带有检偏器的光纤耦合头；25a、25b、25c-多模光纤；3-反射光栅；41a、41b、41c-笼式结构；42a、42b、42c-光电探测器；43-信号处理板卡；231a、231b-入射光束反射棱镜；232-同时具有偏振分光面和非偏振分光面的中心分光棱镜；233-角锥棱镜；234a、234b-五棱柱角锥棱镜；235-平行光合光镜组；236a、236b-干涉光束反射棱镜；51至59-第一入射光束产生的各光束；51a至59a-第二入射光束产生的各光束；61、62、63-干涉光束。

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阐述。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法，外差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，在空间上分开传输至第一分光面得到对应的参考光束和测量光束，其中两参考光束经过后向反射器结构形成第一参考光束和第二参考光束，入射第三分光面；两测量光束垂直入射被测光栅，经过光栅-后向反射器形成的二次衍射结构得到对应的第一测量光束和第二测量光束，并经过第二分光面分为两部分，其中一部分经过合光镜组形成第一干涉光束，另一部分入射第三分光面；在第三分光面上，第一参考光束和第二测量光束、第二参考光束和第一测量光束各自汇合形成第二干涉光束和第三干涉光束，三干涉光束各自产生光学拍频干涉，其光学拍频信号经光电探测与信号处理得到被测光栅的水平位移和垂直位移信息。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法，所述的第一分光面、第二分光面、第三分光面可以由三个不同分光面实现，也可以由两个或一个分光面实现，具体实现的分光面可以根据实际光路结构配置为偏振分光面或非偏振分光面。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，请参考图1至图3，由单频激光器11发出一固定频率的空间光束，经耦合器12耦合进入保偏光纤，由1×2分束器13分为第一光束和第二光束，经过光纤法兰盘14a和14b分别进入不同调制频率的光纤声光移频器15a和15b，经调制，第一光束为第一频率，第二光束为第二频率，经过光纤法兰盘16a和16b进入保偏光纤21a和21b，由带有偏振片的光纤准直器22a和22b调整为45°圆偏振的准直空间光束，命名为第一入射光束51a和第二入射光束51b，进入干涉镜组23；首先由入射光束反射棱镜231a和231b转换为垂直光栅平面方向，经过中心分光镜组232的偏振分光面，分为第一反射光束52a、第二反射光束52b和第一透射光束54a、第二透射光束54b，两束反射光束52a和52b经过后向反射器结构产生交叉偏移，得到第一参考光束53a和第二参考光束53b，另一方面，透射光束垂直入射光栅3发生第一次衍射，选择第一透射光束衍射光55a和第二透射光束的衍射光55b，并经过五棱柱后向反射器结构的234a和234b的底面折射和侧面、顶面的三次反射得到产生偏移的第一回射光束56a和第二回射光束56b，再次经过折射面后斜入射光栅3，发生第二次衍射，产生平行于透射光束的对应级次第一束二次衍射光束57a和第二束二次衍射光束57b，并再次进入中心分光棱镜232，经过中心分光棱镜的非偏振分光平面分光，其反射部分58a和58b入射平行光合光镜组235，产生第一干涉光束61；其透射部分命名为第一测量光束59a和第二测量光束59b并再次经过中心分光棱镜的偏振分光平面，此处，第二测量光束59b和第一参考光束53a、第一测量光束59a和第二参考光束53b汇合，分别产生第二干涉光束62和第三干涉光束63，经过干涉光束反射棱镜236a和236b调整为平行光栅的方向出射；至此，三束干涉光束61、62和63分别进入带有检偏器的光纤耦合器24a、24b和24c产生干涉并分别耦合进入多模光纤25a、25b、25c，经多模光纤传输后分别进入包含会聚形式光纤准直器的笼式结构41a、41b和41c，使光束分别聚焦在光电探测器42a、42b、42c的感光平面上进行采集和放大，再经过导线传输至信号处理板卡43进行位移解算，得到水平位移和垂直位移信息。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述光束55a和55b可以选择为第一透射光束的+1级衍射光和第二透射光束的-1级衍射光，或选择为分别代表第一透射光束的-1级衍射光和第二透射光束的+1级衍射光。相应的，经过置于光束55a和55b光路上的参考光束后向反射器234a和234b反射回被测光栅产生二次衍射，垂直出射的二次衍射光束57a和57b对应为第一束(+1,+1)级二次衍射光束和第二束(-1,-1)级二次衍射光束，或第一束(-1,-1)级二次衍射光束和第二束(+1,+1)级二次衍射光束。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述分别调制的外差光源模块1可以为光纤传输结构或空间光结构，即：单频激光束的分光部分可以利用光纤分束器或空间光分光棱镜实现；其频率调制部分可以由光纤声光移频器或空间光声光移频器实现。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述入射光束反射棱镜231a、231b、干涉光束反射棱镜236a、236b可以由反射棱镜或平面镜实现。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述中心分光棱镜232可以由特制的包含偏振分光面和非偏振分光面的整体式分光棱镜、或分立的分光棱镜组合实现。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述参考光束的后向反射器233可以由角锥棱镜或会聚透镜与平面镜的组合等后向反射器结构实现。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述测量光束后向反射器234a、234b可以由标准角锥棱镜元件、等效于角锥棱镜的棱柱或方镜、会聚透镜与平面镜的组合等后向反射器结构实现。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述光栅3可以为反射式或透射式的线光栅或平面光栅，当所述光栅为反射光栅时，测量光束后向反射器234a和234b与光学镜组的其他元件处于光栅面的同一侧；当所述光栅为透射光栅时，测量光束后向反射器234a和234b与光学镜组的其他元件位于光栅平面的两侧。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述入射光束反射棱镜231a、231b，参考光束后向反射器233，测量光束后向反射器234a、234b，干涉光束合光镜组235，干涉光束反射棱镜236a、236b可以直接粘接或通过光学定位件粘接在中心分光棱镜232上构成一个整体式光学镜组并通过粘接于机械外壳上的中心分光棱镜232实现固定，或以多个分立镜组的形式分别直接粘接在机械外壳上固定。

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述光电探测器41a、41b和41c对光学拍频信号的探测可以由光电探测器直接探测空间光或由光纤耦合器远程接收并传输至光电转换部分进行探测。

不妨设分别调制外差光源模块1输出的第一光束频率为f₁，第二光束频率为f₂，且f₁>f₂。

当光栅3静止时，中心分光棱镜的反射光束58a和58b、第一参考光束53a和第二测量光束59b、第二参考光束53b和第一测量光束59a分别形成测量光学拍频干涉，其拍频为f₁-f₂，即分别调制的外差光源模块1中声光移频器15a和15b调制频率之差。

当光栅3产生水平方向和垂直方向的运动时，不妨设由水平运动和垂直运动引起的多普勒频移分别为f_x和f_z，此时有第一参考光束53a频率仍为f₁、第二参考光束53b频率仍为f₂，包含了多普勒频移的第一束(+1,+1)级二次衍射光束57a及其经过中心分光棱镜的反射光束58a、透射第一测量光束59a的频率为f₁+2f_x+kf_z；包含了多普勒频移的第二束(-1,-1)级二次衍射光束57b及其经过中心分光棱镜的反射光束58b、透射第二测量光束59b的频率为f₂-2f_x+kf_z，式中k为垂直方向多普勒频移系数

根据光束的空间几何关系，有k＝1+1/cosθ，θ为衍射角，可依据垂直入射的光栅方程计算得出。

因此，在第一干涉光束61中产生的干涉拍频频率为f₁-f₂+4f_x；在第二干涉光束62中产生的干涉拍频频率为f₁-f₂+2f_x-kf_z；在第三干涉光束63中产生的干涉拍频频率为f₁-f₂+2f_x+kf_z。

在信号处理板卡43中，由第一干涉光束61和第二干涉光束62对应的干涉信号解调得到频率为2f_x+kf_z的第一解调信号；由第一干涉光束61和第三干涉光束63对应的干涉信号解调得到频率为2f_x-kf_z的第二解调信号；由第二干涉光束62和第三干涉光束63对应的干涉光束解调得到频率为2kf_z的第三解调信号；由第一解调信号和第二解调信号再次解调得到频率为4f_x的二级解调信号。

将第三解调信号和二级解调信号进行相位计算，可分别得到光学四细分下的光栅水平方向运动的位移和更高光学细分的光栅垂直方向运动位移。

Claims (10)

1.一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，包括分别调制的外差激光光源模块（1）、光学干涉镜组（2）、被测光栅（3）、光电探测器和信号处理模块（4），其特征在于：由单频激光器（11）发出一固定频率的空间光束，经耦合器（12）耦合进入保偏光纤，由1×2分束器（13）分为第一光束和第二光束，经过光纤法兰盘（14a）和光纤法兰盘（14b）分别进入不同调制频率的光纤声光移频器（15a）和光纤声光移频器（15b），经调制，第一光束为第一频率，第二光束为第二频率，经过光纤法兰盘（16a）和光纤法兰盘（16b）进入保偏光纤（21a）和保偏光纤（21b），由带有偏振片的光纤准直器（22a）和光纤准直器（22b）调整为椭圆偏振或圆偏振的准直空间光束，命名为第一入射光束（51a）和第二入射光束（51b），进入干涉镜组（23）；首先由入射光束反射棱镜（231a）和入射光束反射棱镜（231b）转换为垂直光栅平面方向，经过中心分光镜组（232）的偏振分光面，分为第一反射光束（52a）、第二反射光束（52b）和第一透射光束（54a）、第二透射光束（54b），两束反射光束（52a）和（52b）经过后向反射器（233）产生交叉偏移，得到第一参考光束（53a）和第二参考光束（53b），另一方面，透射光束垂直入射光栅（3）发生第一次衍射，选取第一透射光束衍射光（55a）和第二透射光束衍射光（55b），并经过后向反射器（234a）和后向反射器（234b）的各个相关表面折射、反射得到产生偏移的第一回射光束（56a）和第二回射光束（56b），再次经过折射面后斜入射光栅（3），发生第二次衍射，产生平行于第一透射光束的第一束二次衍射光束（57a）和平行于第二透射光束的第二束二次衍射光束（57b），并再次进入中心分光棱镜（232），经过中心分光棱镜的非偏振分光平面分光，其反射光束（58a）和反射光束（58b）入射平行光合光镜组（235），产生第一干涉光束（61）；其透射光束命名为第一测量光束（59a）和第二测量光束（59b）并再次经过中心分光棱镜的偏振分光平面，此处，第二测量光束（59b）和第一参考光束（53a）、第一测量光束（59a）和第二参考光束（53b）汇合，分别产生第二干涉光束（62）和第三干涉光束（63），经过干涉光束反射棱镜（236a）和干涉光束反射棱镜（236b）调整为平行光栅的方向出射；至此，干涉光束（61）、干涉光束（62）和干涉光束（63）分别进入带有检偏器的光纤耦合器（24a）、光纤耦合器（24b）和光纤耦合器（24c）产生干涉并对应耦合进入多模光纤（25a）、多模光纤（25b）、多模光纤（25c），经多模光纤传输进入包含会聚形式光纤准直器的笼式结构（41a）、笼式结构（41b）和笼式结构（41c），使光束分别聚焦在光电探测器（42a）、光电探测器（42b）、光电探测器（42c）的感光平面上进行采集和放大，再经过导线传输至信号处理板卡（43）进行位移解算，得到被测光栅的水平位移和垂直位移信息。

2.根据权利要求1所述的高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述第一透射光束衍射光（55a）和第二透射光束衍射光（55b）的具体级次可以选择为：第一透射光束的+1级衍射光和第二透射光束的-1级衍射光，或选择为：第一透射光束的-1级衍射光和第二透射光束的+1级衍射光。

3.根据权利要求1所述的高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述分别调制的外差激光光源模块（1）中单频激光束的分光部分可以利用光纤分束器或空间光分光棱镜实现；其频率调制部分可以由光纤声光移频器或空间光声光移频器实现。

4.根据权利要求1所述的高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述入射光束反射棱镜（231a）、入射光束反射棱镜（231b）、干涉光束反射棱镜（236a）、干涉光束反射棱镜（236b）可以由反射棱镜或平面镜实现。

5.根据权利要求1所述的高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述中心分光镜组（232）可以由特制的包含偏振分光面和非偏振分光面的整体式分光棱镜，或分立的分光棱镜组合实现。

6.根据权利要求1所述的高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述参考光束的后向反射器结构（233）可以由角锥棱镜或会聚透镜与平面镜的组合的后向反射器结构实现。

7.根据权利要求1所述的高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述测量光束后向反射器（234a）、后向反射器（234b）可以由标准角锥棱镜元件、等效于角锥棱镜的棱柱或方镜、会聚透镜与平面镜的组合的后向反射器结构实现。

8.根据权利要求1所述的高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述入射光束反射棱镜（231a）、入射光束反射棱镜（231b），参考光束后向反射器（233），测量光束后向反射器（234a）、后向反射器（234b），干涉光束合光镜组（235），干涉光束反射棱镜（236a）、干涉光束反射棱镜（236b）可以直接粘接或通过光学定位件粘接在中心分光棱镜（232）上构成一个整体式光学镜组，并通过粘接于机械外壳上的中心分光棱镜（232）实现固定，或以多个分立镜组的形式分别直接粘接在机械外壳上固定。

9.根据权利要求1所述的高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述光栅（3）为反射式或透射式的线光栅或平面光栅。

10.根据权利要求1所述的高容差的二自由度外差光栅干涉测量系统，所述光电探测器（42a）、光电探测器（42b）和光电探测器（42c）对光学拍频信号的探测可以由光电探测器直接探测空间光或由光纤耦合器远程接收并传输至光电转换部分进行探测。

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