CN1149387C - 补偿空气扰动的双波长外差干涉仪的结构 - Google Patents

Abstract

一种激光干涉仪，用于在台架反射镜在第一和第二位置之间移动时测量其相对于参考反射镜的位置变化，激光干涉仪包括：用于产生第一和第二重合光束的光源；偏振分光镜；第一探测器；第二探测器；参考信号发生器；光程测量电路；以及校正项电路[33]，该电路用于测量在所述台架反射镜从所述第一位置移动到所述第二位置期间包括MF₁(t)-F₂(t)的信号振荡的次数，和用于产生表示所述测量振荡次数的校正信号。

Description

补偿空气扰动的双波长外差干涉仪的结构

本发明涉及干涉仪，具体地说，涉及补偿空气扰动对干涉仪测量的影响的长度测量干涉仪。

利用激光光束的干涉仪被用于进行高精度位移测量，例如控制用于集成电路(IC)生产中的圆片分档器所需要的高精度位移测量。在长度测量激光干涉仪中，来自激光光源的光被分成两束。参考光束被静止参考反射镜反射，而测量光束被移动测量反射镜反射。两束光被重新叠加在探测器处。叠加光束的光强度依赖于参考路径和测量路径之间的光程差。光程测量通常达到激光波长的几分之一的精确度。

长度测量干涉仪通常分为DC和AC干涉仪。在DC干涉仪中，激光器发射单一频率。只有在测量反射镜移动时，干涉信号才随时间变化。当测量反射镜静止时，干涉信号不变。不幸的是，可能容易把扰动例如激光功率漂移和电子噪声误认为移动信号，尤其是当测量反射镜静止时。

在AC干涉仪中，激光器发射具有两个正交偏振分量的光频率。两个光频率有一小差值。一束光沿着参考路径传播，而另一束光沿着将要测量的路径传播。两个频率用偏振分光镜分开，一个频率传向参考反射镜，而另一个频率传向测量反射镜。当光束重新叠加时，产生光频率差的拍频。当测量反射镜移动时，因为移动引起的多普勒频移而产生拍频。在这种结构中，通过求测量反射镜移动时观测到的频率与两个反射镜都静止时的频率之间的差实现长度测量。后一频率通过把激光器输出的一部分照射在适当的探测器上以便产生拍频获得。因为只有位于参考拍频与反射镜正在移动时观测的拍频之间的频率带宽内的噪声成分能够影响信号，所以在AC干涉仪中基本上减小了噪声的影响。

因此，当测量反射镜静止时以及它移动时探测器产生AC信号。对于随时间变化的信号比恒定信号更容易消除噪声。因此，由于AC干涉仪消除噪声的优越性能，它比DC干涉仪更精确。

在DC干涉仪情况下，通过观测上述频率差值或者通过数干涉条文测量的距离，是干涉仪的参考臂与包括移动反射镜的臂之间的光程差。在大多数情况下，感兴趣的参数是物理距离差。物理路径长度是光程长度除以光束通过路径上空气的平均折射率。因此，干涉仪测量必须修正沿着路径的空气折射率。实际中，沿着测量路径的空气可能扰动，尤其是在分档器的圆片台架周围区域内。折射率依赖于沿着路径的局部空气密度。因此，除非已知进行测量时实际路径上的折射率，在从光程长度变换为物理距离时将产生误差。由于电路的形体尺寸收缩，由空气扰动引起的误差可能导致严重的位置测量误差。因此，提出了同时测量折射率与光程长度的方法。

一种同时确定空气密度和物理长度的方法是利用空气折射率、空气密度和光程长度之间的测量关系。因为折射率随着波长、平均密度变化，因此可以通过测量两个或多个波长的光程长度求出折射率。

基于在两个分开很远的频率测量光程长度的测量系统在本领域是公知的。例如，Lis(美国专利5,404,222)描述了一种系统，其中利用两个激光器测量不同频率处的光程长度。Lis教导的系统所需要的光学系统比传统AC干涉仪中使用的光学系统复杂得多。这一系统需要3个波长和测量多个距离以便修正空气扰动。此外，由于该系统的信噪比不好，因为它依靠非谐振的二次谐波振荡提供多个波长。该系统还依赖于昂贵的光学技术产生校正信号。

概括地说，本发明的目的在于提供一种改进的AC干涉仪。

本发明的另一目的在于提供一种自动补偿沿着测量光路的波动的干涉仪。

本发明的再一目的在于提供一种比现有技术中补偿波动的干涉仪简单的干涉仪。

通过下面结合附图对本发明的详细描述，本发明的这些和其他目的对于本领域的技术人员将是显然的。

本发明是一种装置，当台架反射镜在第一和第二位置之间移动时用于测量台架反射镜相对于参考反射镜的位置变化。该装置包括用于产生第一和第二重合光束的光源，第一光束的波长为λ₁，第二光束的波长为λ₂，其中λ₁＝Mλ₂。第一光束包括两个互相垂直的偏振分量，它们的频率差为第一拍频F_ref(λ1)，第二光束包括两个互相垂直的偏振分量，它们的频率差为第二拍频F_ref(λ2)，其中F_ref(λ2)＝MF_ref(λ1)，M是大于1的整数。偏振分光镜把每束光中的垂直偏振分量之一传递到参考反射镜，而把每束光中的另一个垂直偏振分量传递到台架反射镜。在垂直偏振分量被参考反射镜或台架反射镜反射之后，偏振分光镜还使得垂直偏振分量重新叠加。在偏振分光镜使得第一光束的垂直偏振分量叠加之后，第一探测器测量第一光束的光强，产生数值等于第一探测器处光强的第一探测器信号，第一探测器信号以瞬时频率F_1(t)振荡。在第二光束的垂直偏振分量被偏振分光镜组合之后，第二探测器测量第二光束的光强。第二探测器产生数值等于第二探测器处光强的第二探测器信号，第二探测器信号以瞬时频率F_2(t)振荡。参考信号发生器产生以频率F_ref(λ2)振荡的参考信号。光程测量电路测量在台架反射镜从第一位置移动到第二位置期间第二探测器信号与参考信号发生器振荡次数的差值。校正项电路测量在台架反射镜从第一位置移动到第二位置期间瞬时频率等于MF₁(t)-F₂(t)的信号振荡次数。在本发明的最佳实施例中，M＝2。

根据本发明的激光干涉仪进一步包括用于形成所述光程信号和所述校正信号的线性加权差值的电路。

图1是根据本发明的激光干涉仪的方框图。

参考图1，图1是根据本发明的激光干涉仪10的方框图，用于测量参考反射镜21与移动反射镜22之间的距离差。光源11在两个波长λ₁和λ₂＝λ₁/2处产生两个垂直偏振的分频波。为了简化绘图，两个波表示为两个分离的光束，然而，应该理解两个光束在空间上应该是重合的。波长为λ₁的光束表示为12，波长为λ₂的光束表示为13。每个光束由两个频率差为5-10Mkz的垂直偏振分量组成。最佳频率差由台架反射镜移动的最大速度确定。具有所需性能的激光器在美国专利5,732,095中有介绍，结合在这里以供参考。

每束光被偏振分光镜17分光，以便一个分量射向参考反射镜21，另一个分量射向台架反射镜22。四分之一波片14使得从参考反射镜反射的分量的偏振方向旋转90°。因此，在返回分光镜17时，这些分量通过分光镜并通过检偏器25到达探测器2 3和24。检偏器25由来自参考反射镜和测量反射镜的垂直偏振光束产生拍频信号。它相对于这些光束的偏振方向取向为45°。类似地，四分之一波片15使得通过分光镜17的分量的偏振方向偏转90°，并从台架反射镜22反射。因此，这些分量到达分光镜17时也反射进入探测器23和24。探测器23具有适当的滤光器以便限制它探测频率为光束12的频率的光，探测器24具有滤光器，用于限制它检测频率为光束13的频率的光。

第三探测器27和第二检偏器28从光源11在波长λ₂处的输出产生参考信号。非偏振分光镜16用于把激光输出的一部分传向探测器27，探测器27具有阻档波长为λ₁的光的滤光器。

为了讨论，将假设波长为λ₁的光束的两个分量相差10Mhz，而且M＝2，即λ₁＝2λ₂。因此，探测器27的输出的拍频将为10Mhz，而且仅由激光线的谱线分裂(splitting)确定。探测器24产生的拍频将相对于这一参考频率产生多普勒频移，频移量依赖于台架反射镜移动的速度。

波长为λ₂的光束分量之间的频差由波长处λ₁的差确定。因此，在这一例子中，探测器23的输出的拍频将产生20Mhz多普勒频移，频移量依赖于台架反射镜移动的速度。

本发明是根据如下观测，即相应于反射镜从位置A移到位置B的光程长度P_AB(λ)与反射镜移动的距离L_AB和空气在测量波长处的折射率有关，关系式如下：

$P_{\mathrm{AB}}\left(\mathrm{\λ}\right)=L_{\mathrm{AB}}+{\∫}_A^B\[n\left(\mathrm{\λ}\right)-1\]\mathrm{dx}---\left(1\right)$

其中n(λ)是空气在波长λ处的折射率。在所述两个频率处使用公式(1)，而且解出L_AB：

$L_{\mathrm{AB}}=P_{\mathrm{AB}}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-\frac{{\mathrm{\α}}_2\[P_{\mathrm{AB}}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-P_{\mathrm{AB}}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\]}{{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2}---\left(2\right)$

其中

${\mathrm{\α}}_i=\frac{n\left({\mathrm{\λ}}_i\right)-1}{\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

i＝1，2。这里，ρ是空气密度。应该注意公式(2)与ρ无关；因此，从公式(2)计算的距离可以校正任何扰动。

对于AC干涉测量，光程长度与由时刻t的瞬时台架速度引起的光束多普勒频移的两个偏振态的频率差有关。尤其是：

$P_{\mathrm{AB}}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}{\∫}_A^B\[F\left(t\right)-F_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\λ}\right)\]\mathrm{dt}---\left(4\right)$

其中，F_λ(t)是由调整为检测波长λ的探测器在时刻t测得的拍频，F_ref(λ)是在波长λ处的参考拍频，即当台架反射镜不移动时的拍频。如上所述，λ₁＝2λ₂，而且F_ref(λ₂)＝2F_ref(λ₁)。因此，

$P_{\mathrm{AB}}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-P_{\mathrm{AB}}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{4\mathrm{\π}}{\∫}_A^B\[2F_{\mathrm{\λ}1}\left(t\right)-F_{\mathrm{\λ}2}\left(\mathrm{\λ}\right)\]\mathrm{dt}---\left(5\right)$

应该注意积分只是计数器自动累加计数，所述计数器的输入是台架反射镜从位置A移到位置B期间二倍较低拍频与较高拍频之间差值。在本发明的最佳实施例中，利用倍频电路34把来自探测器23拍频加倍，利用加法器32形成加倍的拍频与探测器24测量的拍频之间的差值，从而产生所述差值。所产生的差值信号由校正项生成器33积分，它还把校正项乘以如下值：

$\mathrm{\Γ}=\frac{{\mathrm{\α}}_1}{{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2}---\left(6\right)$

波长λ₂处的光程由电路31产生，电路31在台架反射镜从位置A移到位置B期间累计来自探测器24的拍频与来自探测器27的参考频率之间的差值。累计的差值乘以λ₂/4π以便产生光程测量P_AB(λ₂)。减法器35通过计算测量光程与校正项之间的差值产生校正的测量距离。

上述的本发明最佳实施例利用频率差因子为2的两束光。然而，通过上面的描述如下情况对本领域的技术人员来说是显然的，即本发明可以利用频率差值为任何整数因子的两束光实现。

上面对于本发明实施例的描述还利用了计算拍频差的具体电路。然而，通过前面的讨论，对于本领域的技术人员来说是显然的，即可以利用其他电路而不脱离本发明的教导。例如，各个拍频可以在台架移动期间分别积分，而且校正项从累计差值确定。

通过上面的描述和附图，对本发明进行各种改进对本领域的技术人员来说是显然的。因此，本发明仅由后面的权利要求书的范围所限定。

Claims (5)

1.一种激光干涉仪[10]，用于在台架反射镜[22]在第一和第二位置之间移动时测量所述台架反射镜[22]相对于参考反射镜[21]的位置变化，所述激光干涉仪[10]包括：用于产生第一和第二重合光束的光源[11]，所述第一光束[12]的波长为λ₁，所述第二光束[13]的波长为λ₂，其中λ₁＝Mλ₂，所述第一光束[12]包括两个互相垂直的偏振分量，它们的频率差为第一拍频F_ref(λ1)，所述第二光束[13]包括两个互相垂直的偏振分量，它们的频率差为第二拍频F_ref(λ2)，其中F_ref(λ2)＝MF_ref(λ1)，M是大于1的整数；偏振分光镜[17]，用于把所述光束中每束的垂直偏振分量之一传递到所述参考反射镜[21]，而把所述光束中每束的另一个所述垂直偏振分量传递到所述台架反射镜[22]，和用于在所述垂直偏振分量被所述参考反射镜[21]或所述台架反射镜[22]反射之后，把所述垂直偏振分量叠加；第一探测器[23]，用于在所述第一光束[12]的所述垂直偏振分量被所述偏振分光镜[17]组合之后，测量所述第一光束的光强，所述第一探测器[23]产生数值等于所述第一探测器[23]处光强的第一探测器[23]信号，所述第一探测器[23]信号以瞬时频率F₁(t)振荡；第二探测器[24]，用于在所述第二光束[13]的所述垂直偏振分量被所述偏振分光镜[17]组合之后，测量所述第二光束[13]的光强，所述第二探测器[24]产生数值等于所述第二探测器[24]处光强的第二探测器[24]信号，所述第二探测器[24]信号以瞬时频率F₂(t)振荡；参考信号发生器[27]，用于产生以所述第二拍频振荡的参考信号；光程测量电路[31]，用于测量在所述台架反射镜[22]从所述第一位置移动到所述第二位置期间所述第二探测器[24]信号与所述参考信号发生器[27]的振荡次数的差值，和用于产生表示所述差值的光程信号；以及校正项电路[33]，用于测量在所述台架反射镜[22]从所述第一位置移动到所述第二位置期间包括MF₁(t)-F₂(t)的信号振荡的次数，和用于产生表示所述测量振荡次数的校正信号。

2.根据权利要求1所述的激光干涉仪[10]，进一步包括电路[34]，用于形成所述光程信号和所述校正信号的线性加权差值。

3.根据权利要求1所述的激光干涉仪[10]，其中所述校正项电路[33]包括倍频电路[34]，用于产生频率为所述第一探测器[23]信号的频率的M倍的信号，以及加法器[32]，用于从所述产生的频率为所述第一探测器[23]信号的频率的M倍的信号减去所述第二探测器[24]信号。

4.根据权利要求1所述的激光干涉仪[10]，其中M＝2。

5.根据权利要求1所述的激光干涉仪[10]，其中所述参考信号发生器[27]包括非偏振分光镜[16]，用于把所述第二光束[13]的一部分传播到产生所述参考信号的光探测器上。

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