CN220556313U - 一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，包括准直光源、置于所述准直光源光路上的光电探测模块、与所述光电探测模块位置对应的待校准的纳米位移台、置于所述待校准的纳米位移台上的光栅、与所述光电探测模块电路连接的信号处理系统以及与所述待校准的纳米位移台电路连接的位移台驱动系统，所述位移台驱动系统驱动待校准的纳米位移台带动光栅同步运动，所述的光电探测模块设有用于采集干涉信号的光电探测器，所述光电探测器采集的干涉信号转化为电流信号传输至信号处理系统，由信号处理系统对干涉信号进行数据处理，获得光栅和待校准的纳米位移台的位移信息。

Description

一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置

技术领域

本实用新型涉及一种纳米长度计量部件的校准装置，特别是公开一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置。

背景技术

纳米位移台是集成电路产业、超精密加工、精密科学仪器等领域中精密位移测量的关键零部件。随着集成电路特征尺寸不断缩小、精密零件尺寸越来越小，对超精密定位技术的要求也越来越高，对纳米位移台的精确校准是保证其性能可靠的关键。

常用的精密位移测量技术有激光干涉仪和光栅干涉仪。激光干涉仪具有非接触、可溯源、精度高、量程大的优点，具有广泛的应用。激光干涉仪是以激光的波长作为长度测量的标准，具有很高的精度。基于该测量原理，激光干涉仪对激光波长的稳定性要求很高，波长的变化直接影响测量的精度。而激光的波长受环境因素的影响，温度、湿度、压力发生变化时，引起激光波长的变动。为减小环境误差带来的影响，使用激光干涉仪的方法对环境条件的要求非常苛刻。在实际现场使用过程中，往往需要复杂的补偿系统来减小环境因素的影响。光栅干涉仪采用光栅作为长度测量的标准，相比于激光波长，光栅的物理结构对环境因素的变化不敏感、抗干扰能力强、稳定性高。随着光栅工艺的发展，光栅的刻线密度有了大幅提升，使得光栅干涉仪的测量精度有了很大的提高，应用范围也越来越广。世界主流光刻机供应商ASML在晶圆定位系统中逐步采用光栅干涉仪替代激光干涉仪。

对光栅周期的定值通常采用光学衍射法或者计量型原子力显微镜。光学衍射法是实验室最常用的光栅周期测量方法，其测量原理基于光栅方程。激光以Littrow角入射时满足，θ为Littrow角，λ为激光的波长，n为空气的折射率，d为光栅的周期。已知入射激光的波长，通过测量入射角θ以及空气的折射率即可得到光栅的周期，光栅周期通过激光波长λ溯源到633nm国家长度基准。

目前纳米位移台校准规范采用激光干涉仪作为主要的测量设备，整个校准过程在严格控制的实验室环境条件下进行。由于纳米位移台实际的使用环境与实验室环境存在差异，导致校准的效果在现场无法长时间维持，其校准周期较短，所以对生产效率的影响较大。另外，由于纳米位移台安装的复杂性，每次校准后的复位安装也是极大地增加了生产成本。因而迫切需要一种能对纳米位移台实现在线校准的装置，同时还需具有溯源性的、抗环境干扰能力强的特点，这是解决目前采用激光干涉仪校准纳米位移台方式中瓶颈的关键。

发明内容

本实用新型的目的是突破现有技术中采用激光干涉仪校准位移台方法的限制，设计一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，实现对纳米位移台的校准，同时具有溯源性、抗环境干扰能力强的优点。

本实用新型是这样实现的：一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：包括准直光源、置于所述准直光源光路上的光电探测模块、与所述光电探测模块位置对应的待校准的纳米位移台、置于所述待校准的纳米位移台上的光栅、与所述光电探测模块电路连接的信号处理系统以及与所述待校准的纳米位移台电路连接的位移台驱动系统，所述位移台驱动系统驱动待校准的纳米位移台带动光栅同步运动，所述的光电探测模块设有用于采集干涉信号的光电探测器。

所述的光栅通过可调整的支架固定在待校准的纳米位移台上，通过支架实现光栅在待校准的纳米位移台上的俯仰及旋转角度调整，所述的位移台驱动系统与待校准的纳米位移台之间、所述的信号处理系统与光电探测器之间分别通过各自相应的通信电缆连接。

所述的光电探测模块包括依次设于准直光源向待校准的纳米位移台的入射光路上的第一平面反射镜、第一波片和偏振分光棱镜，入射光路经所述偏振分光棱镜后等比例地分为垂直偏振光路和水平偏振光路，所述垂直偏振光路依次设有第三波片和第三平面反射镜，所述水平偏振光路依次设有第二波片和第二平面反射镜，所述垂直偏振光路和水平偏振光路在以Littow角入射到光栅表面后形成的两路衍射光路分别沿原路返回至偏振分光棱镜后合束，合束后的衍射光路上依次设有偏振片和光电探测器。所述的第一波片采用二分之一波片，所述的第二波片和第三波片采用四分之一波片。

所述的位移台驱动系统包括电路连接的信号发生器和信号放大器，所述的信号放大器与所述待校准的纳米位移台通过通信电缆连接，所述的位移台驱动系统连接有输入设备，用于输入的用于驱动待校准的纳米位移台运动的目标数据信息。

所述光栅的运动方向垂直于入射光的法线方向，所述待校准的纳米位移台的运动方向和光栅的运动方向保持一致。

所述光电探测器采集的干涉信号转化为电流信号传输至信号处理系统，由信号处理系统对干涉信号进行数据处理，获得光栅和待校准的纳米位移台的位移信息。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用光栅干涉式测量方式，以光栅的周期作为长度测量的标准，利用光栅周期结构的稳定性，突破了激光干涉仪受环境因素影响的限制，不需要对环境参数进行额外的补偿，简化了测量过程；

2、本实用新型抗环境干扰能力强，可以在现场环境下实现对纳米位移台的在线校准；

3、本实用新型具有溯源性，光栅的周期溯源到国家长度基准；

4、本实用新型中干涉信号的周期是光栅周期的二分之一，通过信号处理系统对干涉信号进行光学细分和电子细分，有效提高了测量的分辨力。

本实用新型提出的这种全新的纳米位移台校准装置，通过光栅周期溯源到“米”的定义，适用于复杂环境条件下纳米位移台的现场校准，具有稳定性高、鲁棒性强的优势。

附图说明

图1 是本实用新型的结构示意简图。

图2 是本实用新型中的信号传输路径示意简图。

图3 是本实用新型中光栅周期结构示意图。

图4 是本实用新型中光电探测模块采集干涉信号的光路系统示意简图。

图5 是实施例中驱动待校准的纳米位移台运动的驱动电压信号图。

图6 是实施例中采用本实用新型进行校准的输出结果图。

图中：1、准直光源； 2、光电探测模块； 3、待校准的纳米位移台； 4、光栅； 5、信号处理系统； 6、位移台驱动系统；

201、第一平面反射镜； 202、第一波片； 203、偏振分光棱镜； 204、第二波片；205、第三波片； 206、第二平面反射镜； 207、第三平面反射镜； 208、偏振片； 209、光电探测器；

601、信号发生器； 602、信号放大器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。本实施例是以本实用新型技术方案为前提的，并给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述具体实施例。

根据附图1和附图2，本实用新型为一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，包括准直光源1、置于所述准直光源1光路上的光电探测模块2、与所述光电探测模块2位置对应的待校准的纳米位移台3、置于所述待校准的纳米位移台3上的光栅4、与所述光电探测模块2电路连接的信号处理系统5以及与所述待校准的纳米位移台3电路连接的位移台驱动系统6，所述的位移台驱动系统6包括电路连接的信号发生器601和信号放大器602，所述的光电探测模块2设有光电探测器209。

所述的光栅4通过可调整的支架固定在待校准的纳米位移台3上，通过支架对光栅4在待校准的纳米位移台3上的俯仰及旋转角度等各姿态进行调整。所述的位移台驱动系统6与待校准的纳米位移台3之间、所述的信号处理系统5与光电探测模块2中的光电探测器209之间分别通过各自相应的通信电缆连接。

调整安装光栅4的支架，使光栅4的运动方向垂直于入射光的法线方向。调整待校准的纳米位移台3，使待校准的纳米位移台3的运动方向和光栅4的运动方向保持一致。所述准直光源1发出的单频激光光源由光电探测模块2等比例地分为两路，分别以Littrow角入射到光栅4，在光栅4的表面发生衍射，衍射光逆着入射光的方向返回至光电探测模块2。两路衍射光在光电探测模块2中合束产生干涉并继续传播，由光电探测模块2采集此干涉信号并转化为电流信号的形式传输给信号处理系统5。信号处理系统5接收光电探测模块2采集的干涉信号并求解，得到待校准的纳米位移台3的位移信息数据。

所述位移台驱动系统6中的信号放大器602与所述待校准的纳米位移台3通过通信电缆连接，所述位移台驱动系统6中的信号发生器601将通过与之连接的输入设备输入的用于驱动待校准的纳米位移台3运动的目标数据信息转换为驱动电压信号，并经信号放大器602放大后驱动待校准的纳米位移台3带动光栅4同步运动。

根据附图3，本实用新型是以光栅的周期d作为长度测量的标准。光栅的周期通过激光波长溯源到国家波长基准，所以基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置具有溯源性。光栅干涉式测量的方法以光栅周期的二分之一作为原始信号，并通过信号处理系统对原始信号进行光学细分和电子细分，具有较高的测量的分辨力。与激光干涉仪校准位移台的方法相比，光栅周期结构稳定，无须对环境条件进行补偿，简化了测量过程，抗环境干扰能力强，重复性好，能够在复杂的现场环境下实现对纳米位移台的在线校准。

根据附图4，本实用新型中的光电探测模块2包括第一平面反射镜201、第一波片202、偏振分光棱镜203、第二波片204、第三波片205、第二平面反射镜206、第三平面反射镜207、偏振片208、光电探测器209。所述准直光源1发出的激光光源依次经第一平面反射镜201和第一波片202后正入射至偏振分光棱镜203，偏振分光棱镜203将入射光等比例地分为垂直偏振光和水平偏振光。垂直偏振光透射后经过第三波片205和第三平面反射镜207，以Littow角入射到光栅4表面发生衍射，衍射光沿着原路返回，再依次经过第三平面反射镜207、第三波片205，经偏振分光棱镜203反射后继续向前传播。另一路的水平偏振光依次经过第二波片204第二平面反射镜206，同样以Littow角入射到光栅4表面发生衍射，衍射光沿着原路返回，再依次经过第二平面反射镜206、第二波片204，经偏振分光棱镜203透射后继续向前传播，并与前面一路垂直偏振光产生的衍射光合束。所述的第一波片202为二分之一波片，所述的第二波片204和第三波片205为四分之一波片。所述垂直偏振光和水平偏振光的衍射光经过偏振片208后偏振方向变为一致并发生干涉进入到光电探测器209。

所述的光电探测器209将采集到的干涉信号转化为电流信号的形式传输给信号处理系统5，基于光强信号与光栅位移的关系式，式中/>是光栅和待校准的纳米位移台的位移，d是光栅的周期，I是干涉信号的光强。信号处理系统5根据接收到的光强信号I，求解得到光栅4和待校准的纳米位移台3的位移信息/>。以测量的位移作为参考值，和待校准的纳米位移台的自身输出值进行比对，实现对纳米位移台的校准。

附图5为驱动待校准的纳米位移台运动的驱动电压信号，待校准的纳米位移台在此驱动电压下带动光栅同步做往复运动，由于位移台为压电陶瓷驱动器，根据位移台的特性曲线可以知道电压位移的转换关系，通过查询待校准位移台的技术手册可知驱动电压和位移转换关系为5μm/V，附图6是采用本实用新型进行校准输出的测量结果案例图——信号处理系统得到的位移信息，可以看到测量结果和待校准的纳米位移台运动一致，很好地证明了本实用新型的可行性。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：包括准直光源、置于所述准直光源光路上的光电探测模块、与所述光电探测模块位置对应的待校准的纳米位移台、置于所述待校准的纳米位移台上的光栅、与所述光电探测模块电路连接的信号处理系统以及与所述待校准的纳米位移台电路连接的位移台驱动系统，所述位移台驱动系统驱动待校准的纳米位移台带动光栅同步运动，所述的光电探测模块设有用于采集干涉信号的光电探测器。

2.根据权利要求 1 所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述的光栅通过可调整的支架固定在待校准的纳米位移台上，通过支架实现光栅在待校准的纳米位移台上的俯仰及旋转角度调整，所述的位移台驱动系统与待校准的纳米位移台之间、所述的信号处理系统与光电探测器之间分别通过各自相应的通信电缆连接。

3.根据权利要求 1 所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述的光电探测模块包括依次设于准直光源向待校准的纳米位移台的入射光路上的第一平面反射镜、第一波片和偏振分光棱镜，入射光路经所述偏振分光棱镜后等比例地分为垂直偏振光路和水平偏振光路，所述垂直偏振光路依次设有第三波片和第三平面反射镜，所述水平偏振光路依次设有第二波片和第二平面反射镜，所述垂直偏振光路和水平偏振光路在以Littow角入射到光栅表面后形成的两路衍射光路分别沿原路返回至偏振分光棱镜后合束，合束后的衍射光路上依次设有偏振片和光电探测器。

4.根据权利要求 3 所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述的第一波片采用二分之一波片，所述的第二波片和第三波片采用四分之一波片。

5.根据权利要求 2 所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述的位移台驱动系统包括电路连接的信号发生器和信号放大器，所述的信号放大器与所述待校准的纳米位移台通过通信电缆连接，所述的位移台驱动系统连接有输入设备。

6.根据权利要求 1 或2所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述光栅的运动方向垂直于入射光的法线方向，所述待校准的纳米位移台的运动方向和光栅的运动方向保持一致。

7.根据权利要求 1 或2所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述光电探测器采集的干涉信号转化为电流信号传输至信号处理系统，由信号处理系统对干涉信号进行数据处理，获得光栅和待校准的纳米位移台的位移信息。