TWI627388B - Grating measuring device - Google Patents
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Abstract
一種光柵測量裝置，包括：光源模組，用於產生頻率不同的兩束光束，兩束光束中的一束作為測量光束，另一束作為參考光束；光柵以及光柵測量探頭，包括雙頻入光模組、垂直測量模組、垂直探測模組及參考探測模組，雙頻入光模組接收測量光束和參考光束，垂直測量模組將測量光束投射到光柵上，收集經光柵二次繞射後繞射光的零階繞射光，並將零階繞射光投射至垂直探測模組，零階繞射光束與參考光束在垂直探測模組中發生干涉形成垂直干涉信號，參考探測模組中的該測量光束和參考光束發生干涉形成參考干涉信號；信號處理模組接收垂直干涉信號和參考干涉信號後計算光柵的垂直位移。本發明可以在任意工作距離下，實現大範圍垂直位移測量。
Description
本發明有關於積體電路製造領域，特別有關於一種光柵測量裝置。
奈米測量技術是奈米加工、奈米操控、奈米材料等領域的基礎。IC產業、精密機械、微機電系統等都需要高解析度、高精度的位移感測器，以達到奈米精度定位。隨著積體電路朝大規模、高集成度的方向飛躍發展，光蝕刻機的套刻精度要求也越來越高，與之相應地，獲取工件台、遮罩台的六自由度位置資訊的精度要求也隨之提高。
干涉儀有較高的測量精度，可達奈米量級，在光蝕刻系統中，被運用於測量工件台、遮罩台的位置。然而，目前干涉儀的測量精度幾乎達到極限，同時干涉儀測量精度受周圍環境影響較大，測量重複精度不高，即便環境很好，誤差也會超過1nm，因此，傳統干涉儀測量系統很難滿足進一步提高套刻精度的要求，所以高精度、高穩定性的皮米測量方案迫切需要。
光柵測量系統在工作中受環境影響較小，有較好的重複精度，在新一代光蝕刻系統中已開始逐漸取代干涉儀，承擔高精度、高穩定性皮米精度測量任務。公開號為US 7,389,595的美國專利提出一種基於光纖傳輸的二維光柵測量系統，光源和探測信號光
均採用光纖傳輸。該專利方案中，光源為半導體雷射器，採用零差探測方式測量光柵與讀取頭之間的位移。然而零差探測的方式抗干擾能力較弱，位置資料容易受到外界雜散光、電磁場及振動干擾的影響。申請號為CN 201210449244.9的中國專利提出一種雙頻外差光柵測量系統，該系統可以有效提高測量精度。但其只有探測信號通過光纖傳輸，雷射光源與光柵讀取頭放在一起，體積大，不適用於空間緊湊的使用場景；另外，當光柵相對於讀取頭之間有Rx、Ry角度偏轉時，測量系統干涉性能會降低，導致測量系統失效，該發明中光柵與讀取頭的裝調難度太大，安裝使用不方便。
公開號為US 8,300,233 B2的美國專利提出一種光柵尺測量系統，它採用光束垂直射入光柵，角錐稜鏡返回繞射光束後獲取水平方向和垂直方向的二維位置資料。由於採用角錐稜鏡的結構，當光柵和探頭之間有垂直運動時，接收器處的參考光斑和測量光斑會發生偏離，當參考光斑和測量光斑完全偏離時，就無法形成有效干涉。因此垂直的測量範圍受限於光斑尺寸大小，該發明中光柵和探頭之間的垂直測量範圍很小。
本發明提供一種光柵測量裝置，以在任意工作距離下，實現大範圍垂直位移測量。
為解決上述技術問題，本發明提供一種光柵測量裝置，用於測量光柵的位移，包括：光源模組，用於產生頻率不同的兩束光束，該兩束光束中的一束作為測量光束，另一束作為參考光束；光柵測量探頭，包括雙頻入光模組、垂直測量模組、垂直探測
模組及參考探測模組，其中，該雙頻入光模組用於接收該測量光束和參考光束，將該測量光束投射至該垂直測量模組和參考探測模組，將該參考光束投射至該垂直探測模組及參考探測模組，該垂直測量模組將該測量光束投射到該光柵上，收集經該光柵二次繞射後繞射光的零階繞射光，並將該零階繞射光投射至該垂直探測模組，該零階繞射光與該參考光束在該垂直探測模組中發生干涉形成垂直干涉信號，該參考探測模組中的該測量光束和參考光束發生干涉形成參考干涉信號；以及信號處理模組，接收該垂直干涉信號和參考干涉信號並計算該光柵的垂直位移。
作為優選，該光源模組包括：雷射器、隔離器、分光器、頻移器、第一耦合器和第二耦合器；該雷射器發出的光束經隔離器後，由該分光器分為兩束光且經該頻移器產生該頻率不同的兩束光束，該兩束光束分別經第一、第二耦合器耦合後傳送至該光柵測量探頭。
作為優選，該雷射器所發射的雷射具有400~1500nm之間的任意波長。
作為優選，該頻移器為塞曼分頻器、雙折射元件或兩個聲光頻移器。
作為優選，該光柵為一維光柵或者二維光柵。
作為優選，該垂直測量模組包括：偏振分光稜鏡、角錐稜鏡和偏振控制器，該測量光束先經偏振分光稜鏡透射，由該偏振控制器旋轉偏振方向，投射到該光柵上發生繞射，繞射光中的零階繞射光再次經該偏振控制器旋轉偏振方向，偏振光束在經過該偏
振分光稜鏡時發生反射，並經過角錐稜鏡返回偏振分光稜鏡，再次射入到該光柵上發生二次繞射，二次繞射光中的零階繞射光經該偏振分光稜鏡最終投射到該垂直探測模組。
作為優選，該偏轉控制器採用法拉第旋轉器或者二分之一波片。
作為優選，該雙頻入光模組包括：第一分束鏡及第二分束鏡，該垂直探測模組包括垂直測量耦合器，其中，該測量光束經該第一分束鏡分成第一和第二測量分束，第一測量分束經該垂直測量模組投射到該光柵，第二測量分束投射到該參考探測模組，該參考光束經該第二分束鏡分成第一和第二參考分束，第一參考分束與第一測量分束經該垂直測量模組射出後的光束被該垂直測量耦合器耦合，第二參考分束投射到該參考探測模組。
作為優選，該雙頻入光模組包括：第一分束鏡和第二分束鏡，該垂直探測模組包括垂直測量耦合器和第三分束鏡，該測量光束經該第一分束鏡分成第一、第二測量分束，第一測量分束經該垂直測量模組投射到該光柵，第二測量分束投射到該參考探測模組，該參考光束經該第二分束鏡分成第一、第二參考分束，第一參考分束通過該第三分束鏡與第一測量分束經該垂直測量模組射出後的光束合束後被該垂直測量耦合器耦合，第二參考分束投射到該參考探測模組。
作為優選，還包括多個用於實現光束轉向和傳播的反射鏡組件。
作為優選，該雙頻入光模組包括：第一準直器、第二準直器和楔角片對，其中，該測量光束由該第一準直器和楔角片對
進行準直和角度控制，該參考光束由該第二準直器準直。
作為優選，該光源模組與該光柵測量探頭之間藉由保偏光纖連接。
作為優選，該測量光束的偏振方向與該參考光束的偏振方向存在第一夾角，相應地該偏振分光稜鏡的放置方向旋轉第一夾角，經該偏振控制器後射出的光束的偏振方向也旋轉第一夾角。
作為優選，該第一夾角為45度。
作為優選，射入至該光柵表面的光束的偏振方向與該光柵的柵格方向存在第二夾角。
作為優選，該第二夾角為45+k*90度，其中k為自然數。
作為優選，該垂直探測模組藉由多模光纖連接該信號處理模組。
作為優選，該參考探測模組藉由多模光纖連接該信號處理模組。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
1、本發明可實現全光纖傳輸，具有抗干擾能力強、測量精度高、重複測量精度高、無非線性誤差影響、結構簡單和安裝使用便捷的特點，極其適用於高穩定性要求的皮米精度多維測量領域。
2、本發明的光柵測量裝置中的水平測量模組可以控制兩束光束實現水平位移測量，水平探測模組可以探測水平位移信號和參考光信號，實現水平方向(X/Y)二維探測，可以使X方向的測量和Y方向的測量點相同，有效減小因被測點不同帶來的測量誤差；也大大減小光柵所需的通光面尺寸，降低光柵成本。此外本發明也可以
使光柵測量探頭的尺寸更加緊湊，壓縮安裝空間。
3、本發明直接利用光柵的零階反射光進行測量，垂直測量距離不會受到光斑尺寸的限制，可以實現任意距離的垂直測量。
4、本發明還可以有效的將水平方向(X/Y)和垂直(Z)測量方案融合，實現多軸測量。而且垂直(Z)測量時使用的是水平方向(X/Y)測量時並不會使用的零階反射光來實現，提高光柵尺測量系統的能量利用率。在不增加射入光束功率的情況下，增加測量軸數。
5、本發明可以製造出集成度非常高的三軸或多軸讀取頭，適用於對空間和尺寸要求非常高，同時對測量精度和重複性要求極高的運動台多軸測量控制系統中。
6、本發明可實現基於全光纖傳輸的雙頻外差光柵測量。
7、本發明採用氣體雷射器作為光源，相干涉長度長，確保在光柵和光柵測量探頭的傾斜或偏轉較大時，也可有效干涉。
8、本發明還可以實現雷射光源與光柵讀取頭的分離，讀取頭體積小，可適用於空間緊湊的使用場景。
9、本發明採用雙頻光探測，穩定性更高、抗干擾能力更強，測量精度和重複性更優。
13a‧‧‧第四反射鏡
13b‧‧‧第五分束鏡
100‧‧‧光柵測量探頭
111‧‧‧第一準直器
112‧‧‧第二準直器
113‧‧‧楔角片對
121‧‧‧偏振分光稜鏡
122‧‧‧角錐稜鏡
123‧‧‧偏振控制器
131‧‧‧第一分束鏡
132‧‧‧第二分束鏡
133‧‧‧第三分束鏡
134‧‧‧第四分束鏡
135‧‧‧第一遠端耦合器
136‧‧‧第二遠端耦合器
137‧‧‧第一反射鏡
138‧‧‧第二反射鏡
139‧‧‧第三反射鏡
141a‧‧‧第一角錐稜鏡
141b‧‧‧第一角錐稜鏡
153‧‧‧第一偏振分光稜鏡
154‧‧‧第三遠端耦合器
155‧‧‧第四遠端耦合器
200‧‧‧光柵
300‧‧‧光源模組
301‧‧‧雷射器
302‧‧‧隔離器
303‧‧‧分束鏡
304‧‧‧反射鏡
305‧‧‧第一頻移器
306‧‧‧第二頻移器
307‧‧‧第一耦合器
308‧‧‧第二耦合器
401‧‧‧保偏光纖
402‧‧‧保偏光纖
403‧‧‧多模光纖
404‧‧‧多模光纖
405‧‧‧多模光纖
406‧‧‧多模光纖
501‧‧‧測量分束
502‧‧‧測量分束
503‧‧‧參考分束
503a‧‧‧參考子分束
503b‧‧‧參考子分束
504‧‧‧參考分束
505‧‧‧零階繞射光
506‧‧‧零階繞射光
圖1為本發明實施例1中光柵測量裝置的結構示意圖；圖2為本發明實施例2中光柵測量裝置的結構示意圖；圖3為本發明實施例3中光柵測量裝置的結構示意圖；圖4為本發明實施例3中光束通過垂直測量模組的偏振態變化示意圖。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。需說明的是，本發明附圖均採用簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、清晰地輔助說明本發明實施例的目的。
如圖1所示，本實施例的光柵測量裝置用於測量光柵200的位移，包括：光源模組300，用於產生頻率不同的兩束光束，為示區分，將該兩束光束中的一束稱為測量光束，另一束稱為參考光束；第一探測器；第二探測器；以及光柵測量探頭100，包括雙頻入光模組、垂直探測模組、垂直測量模組及參考探測模組，其中，雙頻入光模組用於接收該測量光束和參考光束，將該測量光束投射至該垂直測量模組和參考探測模組，將該參考光束投射至該垂直探測模組及參考探測模組，該垂直測量模組將該測量光束投射到該光柵200上，收集經該光柵200二次繞射後繞射光的零階繞射光，並將該零階繞射光投射至該垂直探測模組，該零階繞射光與該參考光束在該垂直探測模組中發生干涉，形成垂直干涉信號後被第一探測器探測，該參考探測模組中的該測量光束和參考光束發生干涉，形成參考干涉信號後被第二探測器探測；該裝置還包括信號處理器，接收該垂直干涉信號和參考干涉信號後計算該光柵200的垂直位移。
繼續參照圖1，該光源模組300包括雷射器301、隔離器302、分光器、頻移器以及耦合器，分光器包括分束鏡303和反射鏡304。
該雷射器301採用400~1500nm之間的任意波長，例如633nm、780nm、980nm。進一步的，該雷射器301上還設置有波長監控系統，用於監控雷射器301波長的變化情況，並對波長實施補償。更進一步的，該雷射器301可以直接採用氣體雷射器，如氦氖雷射器，具有線寬極窄、頻率穩定性能好的特點。該雷射器301用於產生雷射光束，該雷射光束為線偏振光，偏振方向可以是P偏振，也可以是S偏振。
該隔離器302設置在該雷射器301的出口處以阻擋回波反射；該隔離器302也可以由具有傾斜表面的光纖端頭替代，同樣可以降低回波反射影響，在雷射器301上安裝隔離器302或帶有傾斜表面的光纖端頭可以提高雷射器301的穩定性。
該頻移器採用聲光頻移器、電光頻移器、塞曼分頻器或雙折射元件，本實施例優選聲光頻移器，本實施例中的頻移器和耦合器均為兩組，為示區別分別稱之為第一、第二頻移器305、306和第一、第二耦合器307、308。雷射器301發出的光束經該分束鏡303分為兩束，一束經該第一頻移器305產生一定頻移量後經第一耦合器307射出，形成測量光束，另一光束經反射鏡304進入該第二頻移器306並產生與前一光束不同的頻移量後經第二耦合器308射出，形成參考光束。
進一步的，該兩束頻率不同、有一定頻差的光束(即測量光束和參考光束)採用保偏光纖401、402以遠端傳輸至光柵測
量探頭100。
繼續參照圖1，該雙頻入光模組包括：第一準直器111、第二準直器112和楔角片對113，其中，該楔角片對113的位置與該第一準直器111的位置相對應，該測量光束由該第一準直器111和楔角片對113進行準直和角度控制，該參考光束由該第二準直器112準直，該楔角片對113控制該測量光束和參考光束的相對平行度。該雙頻入光模組還包括第一分束鏡131和第二分束鏡132。該垂直探測模組包括第一遠端耦合器135，該參考探測模組包括第二遠端耦合器136和第三分束鏡133。
該測量光束經該第一分束鏡131分成兩測量分束，一測量分束501經該垂直測量模組投射到該光柵200，另一測量分束502投射到該參考探測模組。
該參考光束經該第二分束鏡132分成兩參考分束，一參考分束503與經該垂直測量模組射出後的測量分束(即前述的二次繞射後繞射光的零階繞射光)被該垂直探測模組(第一遠端耦合器135)耦合，另一參考分束504投射到該參考探測模組，即經該第三分束鏡133反射後進入第二遠端耦合器136。
繼續參考圖1，該垂直測量模組包括：偏振分光稜鏡121、角錐稜鏡122和偏振控制器123，其中，偏振分光稜鏡121包括兩個並排設置的分光鏡，圖中所示為沿X方向並排設置。需要說明的是，圖中所描繪的光路走向並不精確，可能與實際的光路存在偏差，附圖的目的只是為了示意性表示出光線的傳播及偏轉方向，例如，在圖中特意將相互重合的兩條光路分開描繪以便於更清楚地理解本發明，因而不應以圖式光路對本發明作出任何限制。
測量光束由第一分束鏡131分束後，其中一測量分束501先沿+Z方向射入偏振分光稜鏡121，經偏振分光稜鏡121透射，由偏振控制器123旋轉偏振方向，投射到光柵200上發生繞射，繞射光中的零階繞射光505沿-Z方向原路返回再次經偏振控制器123旋轉偏振方向，偏振光束在經過偏振分光稜鏡121時發生反射，並經過角錐稜鏡122返回偏振分光稜鏡121，並再次沿+Z方向射入到光柵200上(見圖中虛線光路)從而發生二次繞射，二次繞射光中的零階繞射光506沿-Z方向原路返回，經該偏振分光稜鏡121最終投射到垂直探測模組。
該偏振控制器123採用法拉第旋轉器或者二分之一波片，該光柵200為一維光柵或者二維光柵，光柵200的柵格為正弦型、長方型或鋸齒型。
繼續參照圖1，該垂直探測模組還包括設置在該垂直測量模組與該第一遠端耦合器135之間的第一反射鏡137和第二反射鏡138，用於將從垂直測量模組返回的零階繞射光506投射到第一遠端耦合器135，以及用於實現參考分束503轉向的第三反射鏡139、用於實現測量分束502轉向的第四反射鏡13a。進一步的，該第二反射鏡138與第一遠端耦合器135之間還設有第四分束鏡134，用於將參考分束503和零階繞射光506合束後投射到第一遠端耦合器135。
該光源模組300與該光柵測量探頭100之間藉由保偏光纖401、402連接，該光柵測量探頭100與該第一、第二探測器(未圖示)之間藉由多模光纖403、404連接。
具體地，光源模組300中的氦氖雷射器發出頻率為f0
的氦氖雷射光束，通過隔離器302後由分束鏡303分成兩路，分別射入第一頻移器305和第二頻移器306，其中，第一頻移器305的頻移量為△f1，通過第一頻移器305的氦氖雷射光束的頻率變為f0+△f1；第二頻移器306的頻移量為△f2，通過第二頻移器306的氦氖雷射光束的頻率變為f0+△f2；這兩束光束分別用第一耦合器307和第二耦合器308耦合到保偏光纖401、402，以遠端傳輸到光柵測量探頭100。
頻率分別為f0+△f1和f0+△f2的兩束光投射到該光柵測量探頭100上，為示區別，將頻率為f0+△f1的偏振光束稱為測量光束，將頻率為f0+△f2的光束稱為參考光束。其中，測量光束由第一準直器111準直後由楔角片對113控制角度，接著由第一分束鏡131分為兩束測量分束501、502。其中一測量分束501經偏振分光稜鏡121透射，並經偏振控制器123旋轉偏振方向45度，以投射到光柵200上並由光柵200繞射零階繞射光505，再次經偏振控制器123旋轉偏振方向45度，此時該零階繞射光505的偏振方向相對於射入時旋轉90度，與射入光束偏振方向正交，因此，在經過偏振分光稜鏡121時發生反射，並經過角錐稜鏡122返回偏振分光稜鏡121，再次射入到光柵200上發生二次繞射同時返回零階繞射光506，該零階繞射光506經該第一、第二反射鏡137、138轉向，並經第四分束鏡134最終射入到第一遠端耦合器135。另一測量分束502經第四反射鏡13a反射，並經第三分束鏡133投入到第二遠端耦合器136中。
該參考光束由第二準直器112準直後，被第二分束鏡132分為兩束參考分束503、504，一參考分束503經第三反射鏡139
轉向，並經第四分束鏡134與上述的零階繞射光506合束後投射到第一遠端耦合器135，另一參考分束504與另一測量分束502由該第三分束鏡133合束後投射到第二遠端耦合器136。
當光柵200相對於光柵測量探頭100在Z方向即垂直移動時，從垂直測量模組中投射出的零階繞射光506中包含f0+△f1+△Z的位移資訊，其與一參考分束503合束後，第一遠端耦合器135對其耦合，形成(△f2-△f1-△Z)的干涉信號，通過多模光纖403傳送至第一探測器；而另一測量分束502與另一參考分束504合束後，第二遠端耦合器136對其耦合，形成(△f2-△f1)的干涉信號，並通過多模光纖404傳送至第二探測器；信號處理模組根據從第一、第二探測器接收到的信號，計算從第一遠端耦合器135探測到的包含被測位移的測量干涉信號(△f2-△f1-△Z)與從第二遠端耦合器136探測到不含被測位移的參考干涉信號(△f2-△f1)的差值就可以知道光柵200相對於光柵測量探頭100在Z方向位移量△Z，從而實現垂直測量。
本實施例與實施例1的區別在於：參考光束的路線不同。
如圖2所示，相較於實施例1，該垂直探測模組的上游減少了第一、第二反射鏡137、138和第四分束鏡134。具體為：參考光束經該第二準直器112準直後，由第二分束鏡132分為兩束光束，其中一參考分束503經第三反射鏡139投射到垂直測量模組的偏振分光稜鏡121中，與一測量分束501投射到光柵200上返回的二次繞射光中的零階繞射光506匯合後投射至第一遠端耦合器
135。另一參考分束504經第三分束鏡133與另一測量分束502匯合，投射到第二遠端耦合器136。其中，測量分束501從第一分束鏡131射出直至在光柵200上發生二次繞射的整個光路可參考圖1。本實施例的其它部分結構及工作原理與實施例1相同，此處不再贅述。
本實施例與實施例1和2的區別點在於，本實施例不僅能夠實現垂直測量，且可以實現水平位移測量。
如圖3所示，本實施例的光柵測量裝置包括：光源模組300、光柵測量探頭100、光柵200以及多個與該光柵測量探頭100連接的探測器(未圖示)，光源模組300藉由保偏光纖401、402分別向光柵測量探頭100輸入兩個頻率不同的光束，光柵測量探頭100經過光柵200探測後，通過多模光纖403-406向探測器輸出帶有X、Y、Z的位置資訊以及參考信號。
如圖3所示，本實施例相對於實施例1增設水平探測模組和水平測量模組，其中，該水平測量模組包括兩個對稱設置的第一角錐稜鏡141a、141b，該第一角錐稜鏡141a、141b分別用於收集投射到光柵200上光束的+1階、-1階繞射光(不限於+1/-1階光束，也可以使用+2/-2階光束，以及1階和/或2階光束的組合)，並將該±1階繞射光反射後再次投射到該光柵200上，再次經光柵200繞射後，匯聚投射到該水平探測模組。
該水平探測模組包括：第一偏振分光稜鏡153、第三遠端耦合器154和第四遠端耦合器155。
具體地，該測量光束經該第一分束鏡131分束後，一測量分束501經該垂直測量模組投射到光柵200表面，並在該光柵200表面發生反射和繞射，其中的繞射光束經該第一偏振分光稜鏡153分別投射到第三、第四遠端耦合器154、155，另一測量分束502投射到該第二遠端耦合器136，作為參考信號。
參考光束經該第二分束鏡132分束後，一參考分束503投射到光柵200表面，並在該光柵200表面發生繞射，繞射光束經該第一偏振分光稜鏡153分別投射到第三、第四遠端耦合器154、155，分束後的另一參考分束504投射到該第二遠端耦合器136，作為參考信號。
具體地，該光源模組300發出頻率分別為f0+△f1、f0+△f2的兩束光束，為示區別，將頻率為f0+△f1的偏振光束稱為測量光束，將頻率為f0+△f2的光束稱為參考光束。其中，測量光束通過垂直測量模組時的偏振態變化情況如圖4所示。測量光束的偏振方向相對於參考光束的偏振方向有夾角α。偏振分光稜鏡121的放置方向也相應旋轉α角。測量光束射入偏振分光稜鏡121後，偏振方向不變，經偏振控制器123後，偏振方向旋轉α角，此時測量光束的偏振方向與參考光束的偏振方向相同，都與光柵200的柵格方向呈θ夾角，當然該測量光束和參考光束均垂直射入到光柵200表面。本實施例中，夾角α為45度。
具體地，由雙頻入光模組調製後的測量光束經該第一分束鏡131分束後，一測量分束501經該垂直測量模組投射到光柵200表面，並在該光柵200表面發生繞射，其中，繞射的-1階光束經該第一偏振分光稜鏡153分別投射到第三、第四遠端耦合器
154、155，分束後的另一測量分束502投射到該第二遠端耦合器136；在光柵200上繞射的零階光束由偏振控制器123旋轉偏振方向，零階偏振光束在經過偏振分光稜鏡121時發生反射，並經過角錐稜鏡122返回偏振分光稜鏡121，再次射入到光柵200上並返回零階繞射光506，最終經分束鏡13b投射到第一遠端耦合器135。
參考光束經該第二分束鏡132分束後，一參考分束503經第四分束鏡134進一步分束為兩個參考子分束503a、503b，其中參考子分束503a投射到光柵200表面，並在該光柵200表面發生繞射，繞射的+1階光束經該第一偏振分光稜鏡153分別投射到第三、第四遠端耦合器154、155，參考子分束503b經分束鏡13b投射到第一遠端耦合器135；參考光束經該第二分束鏡132分束後的另一參考分束504經第三分束鏡133投射到該第二遠端耦合器136。進一步的，該第一偏振分光稜鏡153的分光方向與光柵200柵距方向相同。
當光柵200沿X方向運動△X時，經第三遠端耦合器154探測到含有被測位移△X的干涉信號，其條紋數為N1：N1=[(f0+△f2)T1+2△X/d]-[(f0+△f1)T1-2△X/d]=(△f2-△f1)T1+4△X/d (1)
其中，T1為光柵運動△X位移量所用時間，d為光柵200的柵距。頻率為f0+△f1的光束在光柵200的-1階繞射光方向兩次發生繞射，相位變化-2△X/d；頻率為f0+△f2的光束在光柵200的+1階繞射光方向兩次發生繞射，相位變化+2△X/d。
從第二遠端耦合器136探測到不含被測位移△X的參考信號，其條紋數為N2：N2=(f0+△f2)T1-(f0+△f1)T1=(△f2-△f1)T1 (2)
將兩個探測器探測到的條紋數相減，可得到光柵200相對於光柵測量探頭100在X向運動的位移△X：△X=d(N1-N2)/4 (3)
當光柵200沿Y方向運動△Y時，從第四遠端耦合器155探測到含有被測位移△Y的干涉信號，其條紋數為N3：N3=[(f0+△f2)T2+2△Y/d]-[(f0+△f1)T2-2△Y/d]=(△f2-△f1)T2+4△Y/d (4)
其中，T2為光柵運動△Y位移量所用時間，d為光柵200的柵距。頻率為f0+△f1的光束在光柵200的-1階繞射光方向兩次發生繞射，相位變化-2△Y/d；頻率為f0+△f2的光束在光柵200的+1階繞射光方向兩次發生繞射，相位變化+2△Y/d。
將其與參考信號探測器探測到的條紋數N2相減，即可得到光柵200相對於光柵測量探頭100在Y方向運動的位移△Y：△Y=d(N3-N2)/4
需要說明的是，該光柵測量探頭100中光斑分佈方向相對於光柵200的柵距方向傾斜θ角，θ可以為0至360度以及0至360度倍數的任意角度，用於實現X和/或Y方向位置測量。當該角度為0，90，180，360度以及90度的倍數時，可探測到X或Y的位置，實現光柵200水平方向一維位置測量。當該角度為除以上0，90，180，360度以及90度的倍數以外的角度時，可探測到X和/或Y的位置，實現光柵尺水平方向二維位置測量。特別的，當該角度為45度，135度，以及45+k*90度(k為自然數)時，光柵測量探頭100的X和Y方向相對於光柵200的刻線方向對稱分佈，X和Y方向的光信號能量分佈均勻，可較好的實現水平方向的二維位置測量。
本發明採用兩路及以上不同頻率的偏振光輸入，可實現光柵X軸和/或Y軸和/或Z軸位移的測量；還可以藉由適當增加探測的軸數以及輔助校正裝置或其它校正裝置，增加測量自由度，藉由多軸測量改善測量靈敏度，減小測量誤差，實現例如Rx和/或Ry和/或Rz的測量。本發明可以用於步進光蝕刻機或者掃描光蝕刻機中的工件台和遮罩台的運動控制回饋系統中，實現運動台的超高精度多自由度姿態控制。也可用於其它高精度測量中，如雷射、X-ray，離子束等設備中的運動裝置的測量和回饋控制。
顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明請求項及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包括這些改動和變型在內。
Claims (18)
- 一種光柵測量裝置，用於測量一光柵(200)的位移，其包括：一光源模組(300)，用於產生頻率不同的兩束光束，該兩束光束中的一束作為一測量光束，另一束作為一參考光束；一光柵測量探頭(100)，包括一雙頻入光模組、一垂直測量模組、一垂直探測模組及一參考探測模組，其中，該雙頻入光模組用於接收該測量光束和該參考光束，將該測量光束投射至該垂直測量模組和該參考探測模組，將該參考光束投射至該垂直探測模組及該參考探測模組，該垂直測量模組將該測量光束投射到該光柵(200)上，收集經該光柵二次繞射後繞射光的一零階繞射光(506)，並將該零階繞射光投射至該垂直探測模組，該零階繞射光(506)與該參考光束在該垂直探測模組中發生干涉形成一垂直干涉信號，該參考探測模組中的該測量光束和該參考光束發生干涉形成一參考干涉信號；以及一信號處理模組，接收該垂直干涉信號和該參考干涉信號並計算該光柵(200)的一垂直位移。
- 如請求項1之光柵測量裝置，其中，該光源模組(300)包括：一雷射器(301)、一隔離器(302)、複數個分光器(303，304)、複數個頻移器(305，306)、一第一耦合器(307)和一第二耦合器(308)；該雷射器發出的光束經該隔離器後，由該等分光器分為兩束光束且經該等頻移器產生頻率不同的該兩束光束，該兩束光束分別經該第一耦合器、該第二耦合器耦合後傳送至該光柵測量探頭(100)。
- 如請求項2之光柵測量裝置，其中，該雷射器(301)所發射的雷射具有400~1500nm之間的任意波長。
- 如請求項2之光柵測量裝置，其中，該等頻移器(305，306)為塞曼分頻器、雙折射元件或兩個聲光頻移器。
- 如請求項1之光柵測量裝置，其中，該光柵(200)為一維光柵或者二維光柵。
- 如請求項1之光柵測量裝置，其中，該垂直測量模組包括：一偏振分光稜鏡(121)、一角錐稜鏡(122)和一偏振控制器(123)，該測量光束先經該偏振分光稜鏡(121)透射，由該偏振控制器(123)旋轉偏振方向，投射到該光柵(200)上發生繞射，繞射光中的該零階繞射光再次經該偏振控制器(123)旋轉偏振方向，偏振光束在經過該偏振分光稜鏡(121)時發生反射，並經過該角錐稜鏡(122)返回該偏振分光稜鏡，再次射入到該光柵(200)上發生二次繞射，二次繞射光中的該零階繞射光(506)經該偏振分光稜鏡(121)最終投射到該垂直探測模組。
- 如請求項6之光柵測量裝置，其中，該偏轉控制器(123)採用法拉第旋轉器或者二分之一波片。
- 如請求項1之光柵測量裝置，其中，該雙頻入光模組包括：一第一分束鏡(131)及一第二分束鏡(132)，該垂直探測模組包括一垂直測量耦合器，其中，該測量光束經該第一分束鏡(131)分成一第一測量分束和一第二測量分束，該第一測量分束(501)經該垂直測量模組投射到該光柵(200)，該第二測量分束(502)投射到該參考探測模組，該參考光束經該第二分束鏡(132)分成一第一參考分束和一第二參考分束，該第一參考分束(503)與該第一測量分束經該垂直測量模組射出後的該零階繞射光(506)被該垂直測量耦合器耦合，該第二參考分束(504)投射到該參考探測模組。
- 如請求項1之光柵測量裝置，其中，該雙頻入光模組包括：一第一分束鏡(131)和一第二分束鏡(132)，該垂直探測模組包括一垂直測量耦合器和一第三分束鏡(133)，該測量光束經該第一分束鏡(131)分成一第一測量分束、一第二測量分束，該第一測量分束(501)經該垂直測量模組投射到該光柵(200)，該第二測量分束(502)投射到該參考探測模組，該參考光束經該第二分束鏡(132)分成一第一參考分束、一第二參考分束，該第一參考分束(503)通過該第三分束鏡(133)與該第一測量分束經該垂直測量模組射出後的該零階繞射光(506)合束後被該垂直測量耦合器耦合，該第二參考分束(504)投射到該參考探測模組。
- 如請求項8或9之光柵測量裝置，還包括多個用於實現光束轉向和傳播的反射鏡組件。
- 如請求項1、8或9之光柵測量裝置，其中，該雙頻入光模組還包括：一第一準直器(111)、一第二準直器(112)和一楔角片對(113)，其中，該測量光束由該第一準直器(111)和該楔角片對(113)進行準直和角度控制，該參考光束由該第二準直器(112)準直。
- 如請求項1之光柵測量裝置，其中，該光源模組(300)與該光柵測量探頭(100)之間藉由複數個保偏光纖(401，402)連接。
- 如請求項6之光柵測量裝置，其中，該測量光束的偏振方向與該參考光束的偏振方向存在一第一夾角，相應地該偏振分光稜鏡(121)的放置方向旋轉該第一夾角，經該偏振控制器(123)後射出的光束的偏振方向也旋轉該第一夾角。
- 如請求項13之光柵測量裝置，其中，該第一夾角為45度。
- 如請求項1之光柵測量裝置，其中，射入至該光柵表面的光束的偏振方向與該光柵(200)的柵格方向存在一第二夾角。
- 如請求項15之光柵測量裝置，其中，該第二夾角為45+k*90度，其中k為自然數。
- 如請求項1之光柵測量裝置，其中，該垂直探測模組藉由一多模光纖(403)連接該信號處理模組。
- 如請求項1之光柵測量裝置，其中，該參考探測模組藉由一多模光纖(404)連接該信號處理模組。
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