CN112882347A - 一种光栅可切换位移测量装置、测量方法及光刻系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光栅可切换位移测量装置、测量方法及光刻系统。其中测量装置包括光源模块，用于产生第一光束和第二光束；衍射引导单元，用于引导第一光束和/或第二光束经由一维光栅衍射后的衍射光回射至一维光栅，和/或引导第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至一维光栅，并输出光束；探测模块，用于接收输出光束；信号处理模块，用于计算一维光栅沿第二方向的位移和沿第三方向的位移；或者计算一维光栅沿第一方向的位移和第三方向的位移。本发明实施例的技术方案，可以实现利用一维光栅进行两个自由度的高精度、高稳定性位移测量，且可以匹配一维光栅的栅线方向切换的场景下的连续测量，具有结构简单、成本低等优点。

Description

一种光栅可切换位移测量装置、测量方法及光刻系统

技术领域

本发明实施例涉及集成电路制造技术，尤其涉及一种光栅可切换位移测量装置、测量方法及光刻系统。

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。集成电路(Integrated Circuit，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IC朝大规模、高集成度的方向飞跃发展，光刻系统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。

在进行位移测量时，干涉仪可达纳米量级的精度，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，测量重复精度较低(即便环境很好，误差也会在1nm以上)，传统干涉仪测量装置很难满足进一步提高套刻精度的要求。相比之下，光栅尺测量装置的光程可以做到很小，通常为几毫米，其光程和测量范围无关，因此它的测量精度对环境影响不敏感，具有测量稳定性高、结构简单、易于小型化的特点，使其在纳米测量领域占据重要的一席之地。现有的光栅尺测量装置，以二维光栅为探测对象。采用二维光栅，成本高，加工难度大；且由于在二维方向上都会发生衍射，但只有一个维度的光功率用于测量，系统的光功率利用率低，杂散光多。

发明内容

本发明实施例提供一种光栅可切换位移测量装置、测量方法及光刻系统，以实现利用一维光栅进行两个自由度的高精度、高稳定性位移测量，且可以匹配一维光栅的栅线方向切换的场景下的连续测量，具有结构简单、成本低等优点。

第一方面，本发明实施例提供一种光栅可切换位移测量装置，用于测量一维光栅的位移，所述一维光栅的栅线沿第一方向或第二方向延伸，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直；所述光栅可切换位移测量装置包括：

光源模块，用于产生第一光束和第二光束；

衍射引导单元，包括两组回射元件组，其中一组回射元件组设置在所述一维光栅沿第一方向相对的两侧，另一组回射元件组设置在所述一维光栅沿第二方向相对的两侧；

所述衍射引导单元用于引导所述第一光束和/或第二光束经由所述一维光栅衍射后的衍射光回射至所述一维光栅，和/或引导所述第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至所述一维光栅；

所述光栅可切换位移测量装置，采用衍射后的反射光与衍射光干涉，实现第三方向的位移测量；

当所述一维光栅的栅线沿所述第一方向延伸时，所述第一光束与所述第二光束均以非利特罗角度照射所述一维光栅，分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第一输出光束，所述第一输出光束携带第二方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第二输出光束，所述第二输出光束携带第三方向的位移信息；

当所述一维光栅的栅线沿所述第二方向延伸时，所述第一光束与所述第二光束均以非利特罗角度照射所述一维光栅，分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第三输出光束，所述第三输出光束携带所述第一方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第四输出光束，所述第四输出光束携带第三方向的位移信息；

所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均垂直；

探测模块，用于接收第一输出光束、第二输出光束或第三输出光束、第四输出光束；

信号处理模块，与所述探测模块连接，用于根据所述第一输出光束计算所述一维光栅沿所述第二方向的位移，根据所述第二输出光束计算所述一维光栅沿所述第三方向的位移；或者

根据所述第三输出光束计算所述一维光栅沿所述第一方向的位移，根据所述第四输出光束计算所述一维光栅沿所述第三方向的位移。

第二方面，本发明实施例还提供一种光栅可切换位移测量方法，采用上述任意一种光栅可切换位移测量装置执行，包括：

光源模块发出第一光束和第二光束；

衍射引导单元引导所述第一光束和/或第二光束经由一维光栅衍射后的衍射光回射至所述一维光栅，和/或引导所述第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至所述一维光栅；

其中，当所述一维光栅的栅线沿所述第一方向延伸时，所述第一光束与所述第二光束均以非利特罗角度照射所述一维光栅，分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第一输出光束，所述第一输出光束携带第二方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第二输出光束，所述第二输出光束携带第三方向的位移信息；

当所述一维光栅的栅线沿所述第二方向延伸时，所述第一光束与所述第二光束均以非利特罗角度照射所述一维光栅，分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第三输出光束，所述第三输出光束携带所述第一方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第四输出光束，所述第四输出光束携带第三方向的位移信息；所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均垂直；

探测模块接收第一输出光束、第二输出光束或第三输出光束、第四输出光束；

信号处理模块根据所述第一输出光束计算所述一维光栅沿所述第二方向的位移，根据所述第二输出光束计算所述一维光栅沿所述第三方向的位移；或者

根据所述第三输出光束计算所述一维光栅沿所述第一方向的位移，根据所述第四输出光束计算所述一维光栅沿所述第三方向的位移。

第三方面，本发明实施例还提供一种光刻系统，包括上述任意一种光栅可切换位移测量装置。

本发明实施例提供的光栅可切换位移测量装置，包括光源模块、衍射引导单元、探测模块以及信号处理模块，通过光源模块产生第一光束和第二光束，通过衍射引导单元引导光束传播，通过探测模块接收衍射引导单元的输出光束，通过信号处理模块计算一维光栅的位移；当一维光栅的栅线沿第一方向延伸时，衍射引导单元输出第一输出光束和第二输出光束，其中第一输出光束携带第二方向的位移信息，第二光束携带第三方向的位移信息；当一维光束的栅线沿第二方向延伸时，衍射引导单元输出第三输出光束和第四输出光束，其中第三输出光束携带第一方向的位移信息，第四输出光束携带第三方向的位移，第一方向、第二方向以及第三方向两两相互垂直。本发明实施例的技术方案，可以实现利用一维光栅进行两个自由度的高精度、高稳定性位移测量，且可以匹配一维光栅的栅线方向切换(例如从第一方向切换为第二方向)的场景下的连续测量，具有结构简单、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种光栅可切换位移测量装置的结构示意图；

图2和图3分别是本发明实施例提供的一种光栅可切换位移测量装置的局部结构示意图；

图4是本发明实施例中的回射元件的结构示意图；

图5和图6是本发明实施例提供的另一种光栅可切换位移测量装置的局部结构示意图；

图7是本发明实施例提供的又一种光栅可切换位移测量装置的局部结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种第二反射元件的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的又一种光栅可切换位移测量装置的局部结构示意图；

图10是图9中一维光栅的光斑分布及光路布局示意图；

图11是本发明实施例提供的X向光栅分解测量原理示意图；

图12是图11所示光路的光斑分布示意图；

图13是本发明实施例提供的Y向光栅分解测量原理示意图；

图14是图13所示光路的光斑分布示意图；

图15是本发明实施例提供的光栅可切换位移测量装置在一维光栅切换时的测量原理示意图；

图16是本发明实施例提供的光栅可切换位移测量装置的光栅表面光斑分布示意图；

图17和图18分别是本发明实施例提供的光栅可切换位移测量装置的在不同光栅方向时的光斑分布示意图；

图19是本发明实施例提供的一种光栅可切换位移测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明实施例提供的一种光栅可切换位移测量装置的结构示意图。参考图1，本实施例提供的光栅可切换位移测量装置，用于测量一维光栅200的位移，一维光栅200的栅线沿第一方向或第二方向延伸(图1中未示出)，其中，第一方向与第二方向垂直；本实施例提供的可切换位移测量装置包括：

光源模块300，用于产生第一光束和第二光束；衍射引导单元100，包括两组回射元件组，其中一组回射元件组设置在一维光栅沿第一方向相对的两侧，另一组回射元件组设置在一维光栅沿第二方向相对的两侧；衍射引导单元100用于引导第一光束和/或第二光束经由一维光栅200衍射后的衍射光回射至一维光栅200，和/或引导第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至一维光栅200；该光栅可切换位移测量装置，采用衍射后的反射光与衍射光干涉，实现第三方向的位移测量；

当一维光栅200的栅线沿第一方向延伸时，第一光束与第二光束均以非利特罗角度照射一维光栅200，分别经一维光栅200衍射后，至少部分重合的衍射光形成第一输出光束，第一输出光束携带第二方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第二输出光束，第二输出光束携带第三方向的位移信息；

当一维光栅200的栅线沿第二方向延伸时，第一光束与第二光束均以非利特罗角度照射一维光栅，分别经一维光栅200衍射后，至少部分重合的衍射光形成第三输出光束，第三输出光束携带第一方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第四输出光束，第四输出光束携带第三方向的位移信息；第三方向与第一方向和第二方向均垂直；

探测模块400，用于接收第一输出光束、第二输出光束或第三输出光束、第四输出光束；

信号处理模块500，与探测模块400连接，用于根据第一输出光束计算一维光栅200沿第二方向的位移，根据第二输出光束计算一维光栅200沿第三方向的位移；或者

根据第三输出光束计算一维光栅200沿第一方向的位移，根据第四输出光束计算一维光栅200沿第三方向的位移。

本实施例的技术方案，通过光源模块产生第一光束和第二光束，通过衍射引导单元引导光束传播，通过探测模块接收衍射引导单元的输出光束，通过信号处理模块计算一维光栅的位移；当一维光栅的栅线沿第一方向延伸时，衍射引导单元输出第一输出光束和第二输出光束，其中第一输出光束携带第二方向的位移信息，第二光束携带第三方向的位移信息；当一维光束的栅线沿第二方向延伸时，衍射引导单元输出第三输出光束和第四输出光束，其中第三输出光束携带第一方向的位移信息，第四输出光束携带第三方向的位移，第一方向、第二方向以及第三方向两两相互垂直。本发明实施例的技术方案，可以实现利用一维光栅进行两个自由度的高精度、高稳定性位移测量，且可以匹配一维光栅的栅线方向切换(例如从第一方向切换为第二方向)的场景下的连续测量，具有结构简单、成本低等优点。

以上为本发明实施例提供的光栅可切换位移测量装置的核心思路，以下结合具体附图及附图中的光路示意性解释本实施例中的位移测量原理，应当理解，下述实施例仅是应用本发明的示例性的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。

可选的，两组回射元件组包括第一回射元件组和第二回射元件组，第一回射元件组设置在一维光栅沿第一方向相对的两侧，第二回射元件组设置在一维光栅沿第二方向相对的两侧；

当一维光栅的栅线沿第一方向延伸时，第二回射元件组用于引导第一光束和/或第二光束经由一维光栅衍射后的衍射光回射至一维光栅的位置至少部分重合，和/或引导第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至一维光栅的位置至少部分重合；

当一维光栅的栅线沿第二方向延伸时，第一回射元件组用于引导第一光束和/或第二光束经由一维光栅衍射后的衍射光回射至一维光栅的位置至少部分重合，和/或引导第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至一维光栅的位置至少部分重合。

示例性的，图2和图3所示分别为本发明实施例提供的一种光栅可切换位移测量装置的局部结构示意图。参考图2或图3，可选的，第一光束610和第二光束611均垂直入射一维光栅200的不同位置。参考图2，图2中示出了沿第二方向Y设置于一维光栅200相对的两侧的第二回射元件组，示例性的，第二回射元件组包括回射元件110和回射元件111，当一维光栅200的栅线沿第一方向X延伸时(图2示出的是YZ平面的剖视结构示意图，因此图2中未示出栅线)，第一光束610和第二光束611分别经一维光栅200衍射后，至少部分重合的衍射光沿第三方向Z出射，形成第一输出光束612；另一至少部分重合的衍射光沿第四方向Z1出射，形成第二输出光束613；参考图3，图3中示出了沿第一方向X设置于一维光栅200相对的两侧第一回射元件组，示例性的，第一回射元件组包括回射元件112和回射元件113，当一维光栅200的栅线沿第二方向Y延伸时(图3示出的是XZ平面的剖视结构示意图，因此图3中未示出栅线)，第一光束610和第二光束611分别经一维光栅200衍射后，至少部分重合的衍射光沿第三方向Z出射，形成第三输出光束612；另一至少部分重合的衍射光沿第五方向Z2出射，形成第四输出光束613；第四方向Z1与一维光栅200所在平面的夹角和第五方向Z2与一维光栅200所在平面的夹角相同。

在具体实施时，一维光栅200的栅线沿第一方向X或第二方向Y延伸仅是示意性的，在其他实施例中，一维光栅200可以为包括其他微小周期的重复结构，例如可以是微光学元件。可选的，光源模块可以包括单频光源或双频光源，第一光束610和第二光束611可以均是激光光束，二者的波长约在150nm至2000nm的范围，也可以在400nm至1500nm范围内选择，或者在1500至2000nm范围内选择，进一步的，第一光束610和第二光束611可以具有例如633nm、980nm或者1070nm的波长。第一光束610和第二光束611的频率可以相同或者略有差别(频率差例如小于等于10Hz)，第一光束610和第二光束611可以为线偏振光，可以为同偏振态光束或具有预设偏振夹角的偏振光束，在光路中设置偏振控制元件例如波片或偏振片调节光束的偏振态，第一光束610和第二光束611还可以为非偏振光束。第一光束610可以为稳频激光束或者非稳频激光束；第二光束611可以为稳频激光束或者非稳频激光束。

示例性的，参考图2，设置在一维光栅200沿第二方向Y相对的两侧的第二回射元件组包括回射元件110和回射元件111，参考图3，设置在一维光栅200沿第一方向X相对的两侧的第一回射元件组包括回射元件112和回射元件113，入射至回射元件内的光束经反向回射作用可以输出与入射光束平行但传播方向相反、且偏移一定距离的出射光束，从而可以通过对回射元件的安装位置和角度的改变，对第一光束610和/或第二光束611接触一维光栅200后的衍射光束的光程和传播方向进行调节。可选的，回射元件组中的回射元件包括角锥棱镜、直角棱镜、猫眼反射器、道威棱镜或者屋脊棱镜中的任意一种。图4所示为本发明实施例中的回射元件的结构示意图，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为角锥棱镜、直角棱镜猫眼反射器以及道威棱镜的结构示意图。

示例性的，以图2中的光路为例，解释本实施例中的光束传输过程：

第一光束610和第二光束611垂直入射一维光栅200时，第一光束610在第一光斑位置A发生一次衍射(或第一次衍射)，第二光束611在第二光斑位置B发生一次衍射(或第一次衍射)，本实施例中，第一光束610和第二光束611的一次衍射级次方向相同。此处“衍射级次方向相同”指的是第一光束610和第二光束611的一次衍射的衍射级次均为正向衍射级次或均为负向衍射级次。可选实施方式中，参照图2，第二光束611在第二光斑位置B产生+q级一次衍射光束(q为0以外的整数，例如±1、±2、±3、…，下同)，并沿第四方向Z1出射；第一光束610在第一光斑位置A产生+m级一次衍射光束(m为0以外的整数，例如±1、±2、±3、…，下同)，当回射元件110的位置经特殊设计后，对应于第一光束610的一次衍射光束经回射元件111反向回射至一维光栅200，在一维光栅200的光接触面反射后，进入回射元件110并再次反向回射至一维光栅200，在一维光栅200光接触面的第二光斑位置B再次发生反射，使第一光束610产生的一次衍射后反射光束与第二光束611的一次衍射光束在第二光斑位置B至少部分重合并沿第四方向Z1出射，形成第二输出光束613，第二输出光束613形成的干涉信号中的相位信息携带一维光栅200在第三方向Z的位移信息；第一光束610和第二光束611垂直入射200后，产生衍射级次方向相反的一次衍射光束，例如第一光束610在第一光斑位置A产生+m级一次衍射光束，第二光束611在第二光斑位置B产生-q级一次衍射光束，第一光束610的一次衍射光束经过回射元件111反向回射至一维光栅200，第二光栅610的一次衍射光束经过回射元件110反向回射至一维光栅200接触，并分别发生与一次衍射的衍射级次方向相同的二次衍射，并且，在第三光斑位置C产生了对应于第一光束610的+m极二次衍射光束以及对应于第二光束611的-q级二次衍射光束，也即，通过对衍射引导单元100的结构设计，可使得对应于第一光束610的二次衍射光束和对应于第二光束611的二次衍射光束在一维光栅200的同一光斑位置至少部分重叠并沿第三方向Z出射，从而形成第一输出光束612，第一输出光束612形成的干涉信号中的相位信息携带一维光栅200在第二方向的位移信息。

图3中的光束传输过程与图2类似，此处不再详述。

可选的，第一光束和第二光束关于一维光栅的法线对称且非垂直入射至一维光栅的不同位置。可选的，衍射引导单元还包括第一角度旋转控制元件和第二角度旋转控制元件；当一维光栅的栅线沿第一方向延伸时，第一光束和第二光束分别经一维光栅衍射后，至少部分经过第一角度旋转控制元件后重合形成第一输出光束，另一至少部分经过第二角度旋转控制元件后重合形成第二输出光束；当一维光栅的栅线沿第二方向延伸时，第一光束和第二光束分别经一维光栅衍射后，至少部分经过第一角度旋转控制元件后重合形成第三输出光束，另一至少部分经过第二角度旋转控制元件后重合形成第四输出光束。

示例性的，图5和图6所示分别为本发明实施例提供的另一种光栅可切换位移测量装置的局部结构示意图，参考图5或图6，第一光束610和第二光束612关于一维光栅200的法线AA'对称入射一维光栅200；衍射引导单元100还包括第一角度旋转控制元件101和第二角度旋转控制元件102；参考图5，当一维光栅200的栅线沿第一方向X延伸时，第一光束610和第二光束611分别经一维光栅200衍射后，至少部分经过第一角度旋转控制元件101后重合形成第一输出光束612，另一至少部分经过第二角度旋转控制元件102后重合形成第二输出光束613；参考图6，当一维光栅200的栅线沿第二方向Y延伸时，第一光束610和第二光束611分别经一维光栅200衍射后，至少部分经过第一角度旋转控制元件101后重合形成第三输出光束612，另一至少部分经过第二角度旋转控制元件102后重合形成第四输出光束613。在某些实施例中，当第一光束610和第二光束611有偏振特性差异时，第一角度旋转控制元件101和第二角度旋转控制元件102可以为偏振角度选择元件；当第一光束610和第二光束611为同偏振特性时，第一角度旋转控制元件101和第二角度旋转控制元件102可以为楔角元件。

可以理解的是，当图5和图6中β₁＝β₂＝0时，为第一光束610和第二光束611垂直入射光栅，即为图2和图3所示的实施例，此时可以不设置角度旋转控制元件。在其他实施例中，可选的，还可以设置第一光束和第二光束平行，且第一光束和第二光束非垂直入射至一维光栅的不同位置。当第一光束610和第二光束611不是关于法线对称，而是平行入射(非垂直)时，可以通过调整角度旋转控制元件实现位移干涉信号探测。图5和图6中光束传输过程与图2和图3中类似，此处不再详述。

可选的，参考图2，第一输出光束612在一维光栅200上的出射位置与第一光束610和第二光束611在一维光栅200上的入射位置均不相同，第二输出光束613在一维光栅200上的出射位置与第一光610束和第二光束611在一维光栅200上的入射位置均不相同；或者，参考图3，第三输出光束612在一维光栅200上的出射位置与第一光束610和第二光束611在一维光栅200上的入射位置均不相同，第四输出光束613在一维光栅200上的出射位置与第一光束610和第二光束611在一维光栅200上的入射位置均不相同。

可选的，继续参考图2、3或图5、6，本实施例提供的光栅可切换位移测量装置还包括出射角度调整单元600；出射角度调整单元600用于使第二输出光束(图2和图5中613)或第四输出光束(图3和图6中613)沿第三方向Z出射(图2、3、5、6中实线表示的613)。

需要说明的是，本实施例中出射角度调整单元600仅为可选部件，可以根据实际安装尺寸以及探测模块的位置选择性采用。

可选的，出射角度调整单元包括多个第一反射元件和至少一个合光元件。

可以理解的是，第一反射元件用于改变光束传播方向，合光元件用于在一维光栅的栅线切换时使携带第三方向位移信息的输出光束合束输出，以减少探测器的使用，简化结构，降低成本。

可选的，衍射引导单元还包括至少一个光束角度控制器，角度控制器设置于任一光束的传播路径上，用于调整光束的传播方向。

示例性的，继续参考图2，衍射引导单元100还包括光束角度控制器700和光束角度控制器701，光束角度控制器700用于控制第一光束610的入射角度，光束角度控制器701用于控制回射元件110和一维光栅200之间光束的角度。需要说明的是，图2中光束角度控制器的位置和数量只是示意性的，具体实施时可以根据实际需求设计。

可选的，光束角度控制器可以包括单个的楔角片、楔角片对、衍射光栅以及双折射元件中的一种。具体实施时可以根据实际需要灵活选择。

可选的，每组回射元件组包括n对回射元件，用于成倍增加位移测量的光学细分数；衍射引导单元还包括(n-1)对第二反射元件，第二反射元件用于将衍射光束偏离一定距离后再次反射至一维光栅，且具有一空间夹角的两光束经第二反射元件反射后的出射光束的空间夹角不变；其中，n≥2，且n为整数。

示例性的，图7所示为本发明实施例提供的又一种光栅可切换位移测量装置的局部结构示意图。图7中示意性的示出回射元件组包括两对回射元件110～113，衍射引导单元100还包括一对第二反射元件120和121，为了清楚的表示光束传输过程，图7(a)示出了输出第三输出光束612的光路示意图，图7(b)示出了输出第四输出光束613的光路示意图。为了避免线条重叠，图7中示意性地将两束光的输出光束错位表示。

参考图7(a)，第一光束610入射一维光栅200后产生-q级衍射光束，经回射元件110反向回射至一维光栅200，在一维光栅200上产生-q级衍射光束、经第二反射元件120反射至一维光栅200，产生-q级衍射光束，经回射元件111反向回射至一维光栅200，发生-q级衍射后沿光束612方向出射。同时，第二光束611入射一维光栅200后产生+m级衍射，衍射光束经回射元件112、第二反射元件121及回射元件113反向回射至一维光栅200，并发生+m级衍射，当回射元件110、111、112、113，第二反射元件120、121的位置经特殊设计后，可以使第一光束610的-q级四次衍射光束与第二光束611的+m级四次衍射光束在一维光栅200表面重合，均沿光束612方向出射，形成携带第一方向X的位移信息的第三输出光束，从而增加位移测量的光学细分数。

参考图7(b)，第一光束610入射一维光栅200后产生-q级衍射光束，经回射元件110反向回射至一维光栅200，在一维光栅200上产生-q级衍射光束、经第二反射元件120反射至光栅200，产生+q级衍射光束后沿光束613方向出射；第二光束611入射一维光栅200后，产生+m级衍射光束，经回射元件113、第二反射元件121、回射元件112及回射元件111后沿光束613方向出射。当回射元件110、111、112、113，第二反射元件120、121的位置经特殊设计后，可以使第一光束610的衍射光束与第二光束611的衍射光束重合，均沿光束613方向出射，该干涉信号中包含第三方向Z的位移信号。需要说明的是，第一光束610和第二光束611经回射元件、第二反射元件及一维光栅200的衍射和反射后在一维光栅200上的出射位置与第一光束610和第二光束611的第一次入射至一维光栅200的入射位置不同。

可以理解的是，图7中以第一光束610和第二光束611垂直入射一维光栅200为例，当以其他方式入射(例如关于法线对称入射或平行且非垂直入射)时，需要设置角度旋转控制元件，其原理与前述实施例类似。

在某一实施例中，可选的，第二反射元件可以是一个整体元件，包括平移反射镜、角锥棱镜、直角棱镜、猫眼反射器、道威棱镜或者屋脊棱镜中的任意一种。

在另一实施例中，可选的，第二反射元件还可以是两个独立的元件组合，以分别反射两光束，使两光束经第二反射元件反射后空间夹角不变。

可选的，第二反射元件包括平移反射镜组、角锥棱镜组、直角棱镜组、猫眼反射器组、道威棱镜组或者屋脊棱镜组中的任意一种。

示例性的，图8所示为本发明实施例提供的一种第二反射元件的结构示意图。参考图8，第二反射元件用于将衍射光束偏离一定距离后再次反射至一维光栅，第二反射元件不要求进入该元件的反射光束相对于入射光束完全平行，只需要保证两入射光束的多次衍射光，进入第二反射元件前的夹角α₁，在经过第二反射元件后，出射光束的夹角相同，同样为α₁即可。如图8所示，入射光束631、632的空间夹角为α₁，经过第二反射元件后，出射光束633、634的空间夹角仍为α₁，即具有一空间夹角的两光束经第二反射元件反射后的出射光束的空间夹角不变。第二反射元件在光栅尺测量装置的特性是：保证入射两光束的夹角，经过第二反射元件后，出射光束的夹角不变，且保证出射光束相对于入射光束偏离一定距离。

可选的，继续参考图1，光源模块300与衍射引导单元100之间设置有入光光纤310，衍射引导单元100与探测模块400之间设置有出光光纤410，入光光纤310、出光光纤410和衍射引导单元100集成为一光纤式微型结构。

本实施例提供的光栅可切换位移测量装置，在不同光栅方向情况下，可以实现在水平向或垂向位移测量，至少其中一个方向上的位移信号输出通道相同。衍射引导单元可自动匹配光栅刻线方向，测量光栅面内正交方向的位移信息。本实施例采用一维光栅作为被测目标，即可在光栅面内正交方向上实现切换位移测量。示例性的，图9所示为本发明实施例提供的又一种光栅可切换位移测量装置的局部结构示意图。参考图9，衍射引导单元100包括角锥棱镜110～113，第一反射元件130～137，光束角度控制器700～702。一维光栅200可以为刻线沿X方向的一维光栅201，也可以为刻线方向沿Y方向的一维光栅202。光源(图9中未示出)输出第一光束610和第二光束611；合光元件810和811。

本实施例提供的光栅可切换位移测量装置，衍射引导单元100中角锥棱镜110～113实现水平向(X/Y)或垂向(Z)位移探测，第一反射元件130～137用于光束路径控制；光束角度控制器700～702用于对输出光束612～614进行干涉特性调整；探测模块和信号处理模块未在图中画出，用于对输出612～614的干涉信号采集及信号处理。合光元件810和811用于在光栅方向切换情况下使输出光束613或614共输出通道。在具体实施时，合光元件可以为分光元件；也可以为偏振控制元件的组合，如偏振分光棱镜和/或二分之一波片；也可以为合光光纤束。当采用分光元件合光时，有50％光功率损失；当采用偏振控制元件，如偏振分光棱镜和二分之一波片时，则无光功率损失。

可以理解的是，图9示出的为光栅可切换测量装置的立体结构示意图，当一维光栅200的栅线沿X方向(前述实施例中第一方向)延伸时，输出光束612携带Y方向(前述实施例中第二方向)的位移信息，当一维光栅200的栅线沿Y方向延伸时，输出光束612携带X方向的位移信息，一维光栅的栅线沿X方向或Y方向延伸时，输出光束613和614均携带Z方向(前述实施例中第三方向)的位移信息，其中输出光束613和614对应第一光束610和第二光束611的衍射方向相反，进一步的，结合输出光束613和614还可以测量一维光栅200旋转时的角度信息。

图10所示为图9中一维光栅的光斑分布及光路布局示意图。参考图10，角锥棱镜110～113分布在一维光栅外围；第一光束610和第二光束611在一维光栅上的入射光斑分别为920和921，出射光束612在一维光栅上的光斑为922。一维光栅的栅线方向可以为201，也可以为202方向。输出光束612包含一维光栅相对于衍射引导单元的水平向(X/Y)位移信息。输出光束613和输出光束614包含一维光栅相对于衍射引导单元的垂向(Z)位移信息。

图11所示为本发明实施例提供的X向光栅分解测量原理示意图，图12所示为图11所示光路的光斑分布示意图。可以理解的是，X向光栅指的是光栅的栅线沿Y方向延伸(201)，衍射引导单元中角锥棱镜110和111实现水平向X和垂向Z位移探测，第一反射元件130～135用于光束路径控制；光束角度控制器700用于输出光束612的干涉特性调整；合光元件810和811用于在光栅方向切换情况下使输出光束613或614共输出通道。参考图12，角锥棱镜110和111分布在光斑外围；第一光束610和第二光束611在一维光栅上的光斑分别为920和921，输出光束612在光栅上的光斑为922。输出光束612包含一维光栅相对于衍射引导单元的水平向(X)的位移信息。输出光束613和614包含一维光栅相对于衍射引导单元的垂向(Z)的位移信息

图13所示为本发明实施例提供的Y向光栅分解测量原理示意图，图14所示为图13所示光路的光斑分布示意图。可以理解的是，Y向光栅指的是光栅的栅线沿X方向延伸(202)，衍射引导单元中角锥棱镜112和113实现水平向Y和垂向Z位移探测，第一反射元件136和137用于光束路径控制；光束角度控制器700～702用于输出光束612～614的干涉特性调整；合光元件810和811用于在光栅方向切换情况下使输出光束613或614共输出通道。参考图14，角锥棱镜112和113分布在光斑外围；第一光束610和第二光束611在一维光栅上的光斑分别为920和921，输出光束612在一维光栅上的光斑为922。输出光束612包含一维光栅相对于衍射引导单元的水平向(Y)的位移信息。输出光束613和614包含一维光栅相对于衍射引导单元的垂向(Z)的位移信息。

本实施例提供的光栅可切换位移测量装置，可以自动匹配一维光栅的栅线方向，图15所示为本发明实施例提供的光栅可切换位移测量装置在一维光栅切换时的测量原理示意图。当衍射引导单元相对于一维光栅移动，被测目标由X向光栅变化为Y向光栅时：衍射引导单元的输入光束不变，仍然为光束610和611，在光栅上光斑为920和921；衍射引导单元的输出光束通道也不变，分别为沿612方向的水平向(X/Y)测量轴，和沿613/614方向的垂向(Z)测量轴。只是在测量过程中起作用的角锥棱镜，由垂直X方向光栅分布的110和111，变化为垂直于Y方向光栅分布的112和113。即：本实施例提供一种光栅可切换位移测量装置，不同光栅方向情况下，衍射引导单元可自动匹配光栅刻线方向，测量光栅面内正交方向的位移信息。

图16所示为本发明实施例提供的光栅可切换位移测量装置的光栅表面光斑分布示意图。参考图16，光斑920，921和922三点布置在一条直线上。三个点与光栅方向的关系可以为：1)三个点组成的线平行于栅线；2)三个点组成的线垂直于栅线；3)三个点组成的线，与栅线呈一定角度；4)也可以考虑外接圆直径最小，将三个点放在一个圆周上。可选的，参考图15，光斑920、921、922的连线与栅线夹角为45°时，有利于角锥棱镜110～113的布置。

本实施例的优势有以下几个方面：

第一，本实施例中水平向(X/Y)和垂向(Z)测量方案结构简单，可以较容易实现可切换测量方案。

第二，衍射引导单元采用可切换设计，用于替代二维光栅的功能，实现一维光栅在切换场景下的连续测量，可以降低光栅制造难度和成本。

第三，采用一维光栅，光栅衍射只在一维方向上发生。相对于二维光栅作为衍射目标的情况，可以提高激光器的光功率利用率，减小杂散光。

第四，被测光栅栅线方向正交情况下，输出垂向(Z)和水平向(X/Y)信号各自均只有一个输出通道，可以减少探测器数量，降低成本。

第五，用合光元件实现光栅栅线方向正交情况下输出干涉信号共光路。合光元件可以为分光元件；也可以为偏振控制元件的组合；也可以为合光光纤束。当采用分光元件合光时，有50％光功率损失；当采用偏振控制元件，如偏振分光棱镜和二分之一波片时，无光功率损失。

本实施例中，第一光束610和第二光束611在一维光栅表面的入射点可以在任意不重合位置。角锥棱镜的位置需要特殊设计，使得第一光束610和第二光束611分别经各自角锥棱镜回射到光栅上的光斑位置相同，形成重合的二次衍射干涉信号。

本实施例中，可以选取第一光束610的任意-q级衍射光，与第二光束611的任意+m级衍射光，用角锥棱镜合束后形成干涉信号，获得光学细分数不同的各种水平向和垂向测量方案。其中m可为±1，±2，±3…；q可为±1，±2,±3…。

本实施例中，第一光束610与第二光束611不一定要求垂直入射光栅，也可以以任意非利特罗角度入射光栅。

本实施例中，Z向位移信号光路中用的反射元件，也可以是其它形式的折光元件进行干涉光束的方位控制。

图17和图18所示分别为本发明实施例提供的光栅可切换位移测量装置的在不同光栅方向时的光斑分布示意图。不同光栅方向情况下，衍射引导单元在水平向或垂向测量方向，至少其中一个方向上的位移信号输出通道相同。本实施例中，光栅方向不同时，入光位置可以不相同，如图17所示。光栅方向为X向时，两入光在光栅上光斑为920和921，出光光斑为922；光栅方向为Y向时，两入光在光栅上光斑为923和924，出光光斑为922。衍射引导单元水平向出光沿光斑922所在光束方向；衍射引导单元垂向出光通过合光元件合成至一路光束输出。

本实施例中，入光位置不相同，也可以为图18所示。光栅方向为X向时，两入光在光栅上光斑为920和921，出光光斑为922；光栅方向为Y向时，两入光在光栅上光斑为923和924，出光光斑为925。衍射引导单元水平向出光通过将光斑922和光斑925所在的光束合成一路光束输出；衍射引导单元垂向出光通过合光元件合成至一路光束输出。

图19所示为本发明实施例提供的一种光栅可切换位移测量方法的流程示意图，该方法可以由上述实施例提供的光栅可切换位移测量装置来执行，包括：

步骤S110、光源模块发出第一光束和第二光束。

步骤S120、衍射引导单元引导第一光束和/或第二光束经由一维光栅衍射后的衍射光回射至一维光栅，和/或引导第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至一维光栅。

其中，当一维光栅的栅线沿第一方向延伸时，第一光束与第二光束均以非利特罗角度照射一维光栅，分别经一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第一输出光束，第一输出光束携带第二方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第二输出光束，第二输出光束携带第三方向的位移信息；

当一维光栅的栅线沿第二方向延伸时，第一光束与第二光束均以非利特罗角度照射一维光栅，分别经一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第三输出光束，第三输出光束携带第一方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第四输出光束，第四输出光束携带第三方向的位移信息；第三方向与第一方向和第二方向均垂直。

步骤S130、探测模块接收第一输出光束、第二输出光束或第三输出光束、第四输出光束。

步骤S140、信号处理模块根据第一输出光束计算一维光栅沿第二方向的位移，根据第二输出光束计算一维光栅沿第三方向的位移；或者

根据第三输出光束计算一维光栅沿第一方向的位移，根据第四输出光束计算一维光栅沿第三方向的位移。

本实施例的技术方案，通过光源模块产生第一光束和第二光束，通过衍射引导单元引导光束传播，通过探测模块接收衍射引导单元的输出光束，通过信号处理模块计算一维光栅的位移；当一维光栅的栅线沿第一方向延伸时，衍射引导单元输出第一输出光束和第二输出光束，其中第一输出光束携带第二方向的位移信息，第二光束携带第三方向的位移信息；当一维光束的栅线沿第二方向延伸时，衍射引导单元输出第三输出光束和第四输出光束，其中第三输出光束携带第一方向的位移信息，第四输出光束携带第三方向的位移，第一方向、第二方向以及第三方向两两相互垂直。本发明实施例的技术方案，可以实现利用一维光栅进行两个自由度的高精度、高稳定性位移测量，且可以匹配一维光栅的栅线方向切换(例如从第一方向切换为第二方向)的场景下的连续测量，具有结构简单、成本低等优点。

在上述技术方案的基础上，可选的，一维光栅在第二方向上的位移满足：

其中，

表示第一输出光束的干涉信号的相位变化量，ΔY表示一维光栅在第二方向上的位移，p表示一维光栅的多个重复衍射单元在第一方向的间距，m为非零整数；

一维光栅在第三方向上的位移满足：

其中，

表示第二输出光束的干涉信号的相位变化量，ΔZ表示一维光栅在第三方向上的位移，λ表示第一光束和第二光束的波长平均值，θ表示第一光束和第二光束接触一维光栅后发生的一次衍射的m级衍射角，m为非零整数。

可选的，一维光栅在第一方向上的位移满足：

其中，

表示第三输出光束的干涉信号的相位变化量，ΔX表示一维光栅在第一方向上的位移，p表示一维光栅的多个重复衍射单元在第二方向的间距，m为非零整数；

一维光栅在第三方向上的位移满足：

其中，

表示第四输出光束的干涉信号相位变化量，ΔZ表示一维光栅在第三方向上的位移，λ表示第一光束和第二光束的波长平均值，θ表示第一光束和第二光束平行地接触一维光栅后发生的一次衍射的m级衍射角，m为非零整数。

本发明实施例还提供一种光刻系统，包括上述实施例提供的任意一种光栅可切换位移测量装置。由于本实施例提供的光刻系统包括上述实施例提供的任意一种光栅可切换位移测量装置，具备相同或相应的技术效果，此处不再详述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (26)

1.一种光栅可切换位移测量装置，其特征在于，用于测量一维光栅的位移，所述一维光栅的栅线沿第一方向或第二方向延伸，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直；所述光栅可切换位移测量装置包括：

光源模块，用于产生第一光束和第二光束；

衍射引导单元，包括两组回射元件组，其中一组回射元件组设置在所述一维光栅沿第一方向相对的两侧，另一组回射元件组设置在所述一维光栅沿第二方向相对的两侧；

所述衍射引导单元用于引导所述第一光束和/或第二光束经由所述一维光栅衍射后的衍射光回射至所述一维光栅，和/或引导所述第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至所述一维光栅；

所述光栅可切换位移测量装置，采用衍射后的反射光与衍射光干涉，实现第三方向的位移测量；

当所述一维光栅的栅线沿所述第一方向延伸时，所述第一光束与所述第二光束均以非利特罗角度照射所述一维光栅，分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第一输出光束，所述第一输出光束携带第二方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第二输出光束，所述第二输出光束携带第三方向的位移信息；

当所述一维光栅的栅线沿所述第二方向延伸时，所述第一光束与所述第二光束均以非利特罗角度照射所述一维光栅，分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第三输出光束，所述第三输出光束携带所述第一方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第四输出光束，所述第四输出光束携带第三方向的位移信息；

所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均垂直；

探测模块，用于接收第一输出光束、第二输出光束或第三输出光束、第四输出光束；

信号处理模块，与所述探测模块连接，用于根据所述第一输出光束计算所述一维光栅沿所述第二方向的位移，根据所述第二输出光束计算所述一维光栅沿所述第三方向的位移；或者

根据所述第三输出光束计算所述一维光栅沿所述第一方向的位移，根据所述第四输出光束计算所述一维光栅沿所述第三方向的位移。

2.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，两组所述回射元件组包括第一回射元件组和第二回射元件组，所述第一回射元件组设置在所述一维光栅沿第一方向相对的两侧，所述第二回射元件组设置在所述一维光栅沿第二方向相对的两侧；

当所述一维光栅的栅线沿所述第一方向延伸时，所述第二回射元件组用于引导所述第一光束和/或第二光束经由所述一维光栅衍射后的衍射光回射至所述一维光栅的位置至少部分重合，和/或引导所述第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至所述一维光栅的位置至少部分重合；

当所述一维光栅的栅线沿所述第二方向延伸时，所述第一回射元件组用于引导所述第一光束和/或第二光束经由所述一维光栅衍射后的衍射光回射至所述一维光栅的位置至少部分重合，和/或引导所述第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至所述一维光栅的位置至少部分重合。

3.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第一光束和所述第二光束均垂直入射至所述一维光栅的不同位置。

4.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第一光束和所述第二光束平行，且所述第一光束和所述第二光束非垂直入射至所述一维光栅的不同位置。

5.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第一光束和所述第二光束关于所述一维光栅的法线对称且非垂直入射至所述一维光栅的不同位置。

6.根据权利要求5所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，

所述衍射引导单元还包括第一角度旋转控制元件和第二角度旋转控制元件；

当所述一维光栅的栅线沿所述第一方向延伸时，所述第一光束和所述第二光束分别经所述一维光栅衍射后，至少部分经过所述第一角度旋转控制元件后至少部分重合形成所述第一输出光束，另一至少部分经过所述第二角度旋转控制元件后至少部分重合形成所述第二输出光束；

当所述一维光栅的栅线沿所述第二方向延伸时，所述第一光束和所述第二光束分别经所述一维光栅衍射后，至少部分经过所述第一角度旋转控制元件后至少部分重合形成所述第三输出光束，另一至少部分经过所述第二角度旋转控制元件后至少部分重合形成所述第四输出光束。

7.根据权利要求3～5任一所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，当所述一维光栅的栅线沿所述第一方向延伸时，所述第一光束和所述第二光束分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光沿所述第三方向出射，形成所述第一输出光束；另一至少部分重合的衍射光沿第四方向出射，形成所述第二输出光束；

当所述一维光栅的栅线沿所述第二方向延伸时，所述第一光束和所述第二光束分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光沿所述第三方向出射，形成所述第三输出光束；另一至少部分重合的衍射光沿第五方向出射，形成所述第四输出光束；

所述第四方向与所述一维光栅所在平面的夹角和所述第五方向与所述一维光栅所在平面的夹角相同。

8.根据权利要求7所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第一输出光束在所述一维光栅上的出射位置与所述第一光束和所述第二光束在所述一维光栅上的入射位置均不相同，所述第二输出光束在所述一维光栅上的出射位置与所述第一光束和所述第二光束在所述一维光栅上的入射位置均不相同；

或者，所述第三输出光束在所述一维光栅上的出射位置与所述第一光束和所述第二光束在所述一维光栅上的入射位置均不相同，所述第四输出光束在所述一维光栅上的出射位置与所述第一光束和所述第二光束在所述一维光栅上的入射位置均不相同。

9.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，还包括出射角度调整单元；

所述出射角度调整单元用于使所述第二输出光束或所述第四输出光束沿所述第三方向出射。

10.根据权利要求9所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述出射角度调整单元包括多个第一反射元件和至少一个合光元件。

11.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述衍射引导单元还包括至少一个光束角度控制器，所述光束角度控制器设置于任一光束的传播路径上，用于调整光束的传播方向。

12.根据权利要求11所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述光束角度控制器包括单个的楔角片、楔角片对、衍射光栅以及双折射元件中的一种。

13.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述回射元件组中的回射元件包括角锥棱镜、直角棱镜、猫眼反射器、道威棱镜或者屋脊棱镜中的任意一种。

14.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述光源模块包括单频光源或双频光源。

15.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第一光束和所述第二光束均为线偏振光：

所述第一光束和所述第二光束为同偏振态光束或具有预设偏振夹角的偏振光束。

16.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第一光束和所述第二光束为非偏振光束。

17.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第一光束为稳频激光束或者非稳频激光束；所述第二光束为稳频激光束或者非稳频激光束。

18.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，每组所述回射元件组包括n对回射元件，用于成倍增加位移测量的光学细分数；

所述衍射引导单元还包括(n-1)对第二反射元件，所述第二反射元件用于将衍射光束偏离一定距离后再次反射至所述一维光栅，且具有一空间夹角的两光束经所述第二反射元件反射后的出射光束的空间夹角不变；

其中，n≥2，且n为整数。

19.根据权利要求18所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第二反射元件是一个整体元件，包括平移反射镜、角锥棱镜、直角棱镜、猫眼反射器、道威棱镜或者屋脊棱镜中的任意一种。

20.根据权利要求18所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第二反射元件是两个独立的元件组合，以分别反射两光束，使两光束经所述反射元件反射后空间夹角不变。

21.根据权利要求20所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述第二反射元件包括平移反射镜组、角锥棱镜组、直角棱镜组、猫眼反射器组、道威棱镜组或者屋脊棱镜组中的任意一种。

22.根据权利要求1所述的光栅可切换位移测量装置，其特征在于，所述光源模块与所述衍射引导单元之间设置有入光光纤，所述衍射引导单元与所述探测模块之间设置有出光光纤，所述入光光纤、所述出光光纤和所述衍射引导单元集成为一光纤式微型结构。

23.一种光栅可切换位移测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～22任一所述的光栅可切换位移测量装置执行，包括：

光源模块发出第一光束和第二光束；

衍射引导单元引导所述第一光束和/或第二光束经由一维光栅衍射后的衍射光回射至所述一维光栅，和/或引导所述第一光束和/或第二光束衍射后的反射光回射至所述一维光栅；

其中，当所述一维光栅的栅线沿所述第一方向延伸时，所述第一光束与所述第二光束均以非利特罗角度照射所述一维光栅，分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第一输出光束，所述第一输出光束携带第二方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第二输出光束，所述第二输出光束携带第三方向的位移信息；

当所述一维光栅的栅线沿所述第二方向延伸时，所述第一光束与所述第二光束均以非利特罗角度照射所述一维光栅，分别经所述一维光栅衍射后，至少部分重合的衍射光形成第三输出光束，所述第三输出光束携带所述第一方向的位移信息；另一至少部分重合的衍射光形成第四输出光束，所述第四输出光束携带第三方向的位移信息；所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均垂直；

探测模块接收第一输出光束、第二输出光束或第三输出光束、第四输出光束；

信号处理模块根据所述第一输出光束计算所述一维光栅沿所述第二方向的位移，根据所述第二输出光束计算所述一维光栅沿所述第三方向的位移；或者

根据所述第三输出光束计算所述一维光栅沿所述第一方向的位移，根据所述第四输出光束计算所述一维光栅沿所述第三方向的位移。

24.根据权利要求23所述的光栅可切换位移测量方法，其特征在于，所述一维光栅在所述第二方向上的位移满足：

其中，

表示所述第一输出光束的干涉信号的相位变化量，ΔY表示所述一维光栅在所述第二方向上的位移，p表示所述一维光栅的多个重复衍射单元在所述第一方向的间距，m为非零整数；

所述一维光栅在所述第三方向上的位移满足：

其中，

表示所述第二输出光束的干涉信号的相位变化量，ΔZ表示所述一维光栅在所述第三方向上的位移，λ表示所述第一光束和所述第二光束的波长平均值，θ表示所述第一光束和所述第二光束接触所述一维光栅后发生的一次衍射的m级衍射角，m为非零整数。

25.根据权利要求23所述的光栅可切换位移测量方法，其特征在于，所述一维光栅在所述第一方向上的位移满足：

其中，

表示所述第三输出光束的干涉信号的相位变化量，ΔX表示所述一维光栅在所述第一方向上的位移，p表示所述一维光栅的多个重复衍射单元在所述第二方向的间距，m为非零整数；

所述一维光栅在所述第三方向上的位移满足：

其中，

表示所述第四输出光束的干涉信号相位变化量，ΔZ表示所述一维光栅在所述第三方向上的位移，λ表示所述第一光束和所述第二光束的波长平均值，θ表示所述第一光束和所述第二光束平行地接触所述一维光栅后发生的一次衍射的m级衍射角，m为非零整数。

26.一种光刻系统，其特征在于，包括权利要求1～22任一所述的光栅可切换位移测量装置。

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