WO2013013345A1

WO2013013345A1 - 六轴4细分干涉仪

Info

Publication number: WO2013013345A1
Application number: PCT/CN2011/001272
Authority: WO
Inventors: 陈建芳; 程兆谷; 程亚; 黄惠杰; 池峰
Original assignee: 中国科学院上海光学精密机械研究所; 上海微电子装备有限公司
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-01-31
Also published as: CN102288104B; CN102288104A; US20140125989A1; US9036155B2

Abstract

一种六轴4细分干涉仪，其构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次为六轴分光系统和干涉模块。六轴分光系统由5个45°平面分光镜（1，2，4，5，6）和4个45°全反镜（3，7，8，9）组成。提出的六轴4细分干涉仪具有元件易加工、光路调节方便、非线性误差小和各路光束温漂一致的优点。

Description

六轴 4细分干涉仪技术领域

本发明涉及多轴干涉仪，特别是一种六轴 4细分干涉仪。背景技术

干涉仪是对目标装置的位移、长度等量进行精密测量的必不可少的工具。在干涉仪中，通过将光学路径长度的变化转换成位移量以对位移进行精确测量。双频激光干涉仪具有分辨率高、测速快、测量范围大、可进行多轴同步测量等优点，因此被广泛应用于先进制造和纳米技术中，比如用作高精度光刻机工件台掩模台的定位和测量。

为了能同时对目标装置进行长度或位移量、轴向旋转量等多个自由度的测量，可采用包含多个激光束的多轴干涉仪，每一个激光束对应干涉仪的一个测量轴。在多轴干涉仪中，多轴分光的光束必须具有相等的能量而且彼此互相平行。分光系统设计的好坏是多轴细分干涉仪成败的关键所在。一个好的分光系统能使干涉仪具有高稳定性和各路光束温度漂移的一致性。

尽管多轴干涉仪已经被成功应用于诸多领域，但是对其性能进行持续提高以获得很好的测量精度，特别是对多轴干涉仪的分光系统进行不断改进以获得较好的稳定性、较低的温漂和非线性误差以及可调节性，仍是当前不断追求的目标。因此，多轴干涉仪的分光系统必须进行精心设计以确保由于光路不平衡引入的测量误差，比如热漂移和非线性误差等降低到最小。目前多轴干涉仪常采用单一表面镀多种不同要求的膜层的块状光学分光元件用于分光。这种分光方法对光学加工精度要求非常高，而且同一块分光元件要在二个通光面镀多种不同要求的膜层（如增透、全反、 50%分光膜、 33%分光膜等），对镀膜造成很大困难。此外，由于各路分光光束在块状光学分光元件中走过的路径不同，引起各路光束的温度漂移不一致，对差分干涉仪这种结构通常还会引起测量光束和参考光束在介质（如石英玻璃）中的传输距离的不同。由于块状光学分光元件的各个分光面和反射面之间的几何位置是固定的，对每一分光束无法进行单独调节。因此，这种分光系统在应用中存在着各路光束温度漂移一致性较差、光路调节较难等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种六轴 4细分干涉仪，该干涉仪应具有元件易加工、光路调节相对容易、非线性误差小和各路光束温漂一致等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种六轴 4细分干涉仪，特点在于其构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次为六轴分光系统和干涉模块。

所述的六轴分光系统由 5个 45° 平面分光镜和 4个 45° 全反镜组成，其位置关系如下：

在偏振激光入射方向设置一个分光比为 33%的第一 45° 平面分光镜，在该第一 45° 平面分光镜的上方依次设置分光比 50%第二平面分光镜和第一 45° 全反镜， 3 个 50%第三平面分光镜、第四平面分光镜、第五平面分光镜自下而上依次放置在同一个垂面上， 3个第二 45° 全反镜、第三 45° 全反镜、第四 45° 全反镜自下而上依次放置在另一个与其平行的垂面上；

第一 45° 平面分光镜将入射的偏振正交双频激光（IN)分成 33%的透射光束和 66%的反射光束，该透射光束方向设置 50%的第三 45° 平面分光镜，经该第三 45° 平面分光镜分为能量相等的透射光和反射光各一束，其中反射光束经第二 45° 全反镜反射后，其传播方向与透射光平行，形成下层八、 B号光；

经第一 45° 平面分光镜反射能量为 66%的反射光束则经过与第一 45° 平面分光镜上下平行放置的分光比为 50%的第二 45° 平面分光镜又被分成能量相等的透射光束和反射光束；其中的反射光束又入射到分光比 50%的第四 45° 平面分光镜，该第四平面分光镜分为能量相等的透射光束和反射光束，其中的反射光束再经第三 45° 全反镜反射后，其方向与透射光平行，形成中层 (、 D号光；

经第二平面分光镜的透射光束再经与第二平面分光镜上下平行放置的第一 45° 全反镜反射后也改变其传播方向并与上述各分光束平行；同样地，该光束又入射到一个分光比为 50%的第五 45° 平面分光镜，并经该第五 45° 平面分光镜分为能量相等的透射光束和反射光束，其中的反射光又经过第三 45° 全反镜反射后，其传播方向与透射光平行，形成上层£、 F号光；这样，从激光器输出的一束偏振正交双频激光经过该六轴分光系统后被分成能量相等且相互平行的六束光，上、中、下层各两束。

所述的干涉模块包括偏振分光镜，在该偏振分光镜的透光方向是第一四分之一波片和测量反射镜，在该偏振分光镜的反射光方向是第二四分之一波片和参考反射镜，在该偏振分光镜的第四方设有垂直列放的两个长条状的直角棱镜，或由下向上两列三层的六个直角棱镜，所述的测量反射镜固定在待测物体上。

所述的干涉模块包括偏振分光镜，在该偏振分光镜的透光方向是第一四分之一波片和测量反射镜，在该偏振分光镜的反射光方向是第二四分之一波片和可调 45° 反射镜，在该可调 45° 反射镜的反射光方向是参考反射镜，在该偏振分光镜的第四方设有垂直列放的两个长条状的直角棱镜，或由下向上两列三层的六个直角棱镜，所述的测量反射镜和参考反射镜都固定在待测物体上。

所述的六个直角棱镜的设置如下：自下而上第一层：第一直角棱镜、第二直角棱镜；第二层：第三直角棱镜、第四直角棱镜；第三层：第五直角棱镜和第六直角棱镜。

采用一个具有系列 45° 平面分光镜（33%和 50%分光比）和 45° 反射镜的六轴分光系统，将入射光分成能量相等的六束平行光。这六束平行光分别被用作 6个自由度的精密测量。由于采用了这种分光系统，与通常的块状分光系统比较，相应于 6个测量轴的六束光在石英或玻璃介质中的传输距离显著縮短，并且这 6束光在介质中的传输距离相等，从而可以使各路光束的温度漂移一致性得到明显改善，还可以有效减小各测量轴由热漂移引起的测量误差。此外，由于该分光系统中的每个 45° 平面分光镜和 45° 反射镜都能单独调节，因此对应于每一个测量轴的光束也都能独立调节。该发明的新型六轴分光系统可以用于各种类型的多轴干涉仪，如六轴平镜干涉仪和六轴差分干涉仪等。

对平镜干涉仪，参考反射镜固定在干涉仪内部，测量反射镜固定在被测量物体上，如光刻机工件台，而对差分干涉仪，参考镜和测量镜分别固定在测量物体上，如光刻机的工件台和物镜。

光源通常为氦氖双频激光器，输出一束具有两个能量相等、偏振方向相互垂直的线偏振光束，这两个偏振分量有若干 MHz的的频差和高的频率稳定度。

一个偏振分光镜又将经过六轴分光系统后的六束平行光根据偏振特性的不同将每一束光分成测量光和参考光。六个测量光束是六束光经过偏振分光镜后透射的光, 而六个参考光束则是六束光经过偏振分光镜后被反射的光。同样地，如果将干涉仪的组件进行适当的重新组合，参考光束与测量光束可以互换，而干涉仪的功能不变。

六个测量光束经过公用的四分之一波片后传播到测量反射镜上，被反射后再经过四分之一波片进入偏振分光镜。由于六束测量光束两次通过四分之一波片，因此六束测量光束的偏振方向被旋转 90° ，从而使再次进入偏振分光镜的六束测量光束在偏振分光镜偏振面上被反射而不是透射。反射后的六束测量光束进入六个直角棱镜，随后又被反射回到偏振分光镜。经过偏振分光镜的反射，六束测量光束将再次被送入测量反射镜进行反射。于是经过两次通过四分之一波片后，四束测量光束的偏振方向又被旋转 90° ，从而使再次进入偏振分光镜的四束测量光束在偏振分光镜偏振面上被透射输出。偏振分光镜也产生了六束参考光束，它们是六束入射光经过偏振分光镜后被反射的光束。六个参考光束经过公用的四分之一波片后入射到参考反射镜上，经其反射后再次经过四分之一波片进入公用偏振分光镜，偏振面转动 90°。经过偏振分光镜的透射和直角棱镜的转折，六束参考光束将再次经过公用的偏振分光镜、四分之一波片和参考反射镜重复上述过程，偏振方向再次被旋转 90° 的参考光束到达偏振分光镜 45°偏振面时，将被反射输出。

随后六束参考光束和六束测量光束分别合束，形成 6个输出光束 21-26, 每一束出射光束包含了共线传输的参考光束和测量光束各一束，对应一个测量光轴。输出光束由探测器探测并经计算机软件处理，通过分析每一个出射光束中的参考光束和测量光束间的拍频信号，求解拍频信号中的运动物体的多普勒频移信息，就可以得到六个自由度的物体运动信息。

同现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1、六轴分光系统由 5个 45° 平面分光镜和 4个反光镜构成。一个 33%的分光镜首先将入射偏振激光分为两束，其中的 33%的透射光束又入射到一个 50%的 45° 平面分光镜，并经该分光镜分为能量相等的透射光和反射光各一束，其中的反射光又经过一个 45° 全反镜，使得上述反射光与透射光平行；而经过第一个 33%平面分光镜之后被反射的能量为 66%的反射光束则经过一个与其在同一条垂线上平行放置的分光比为 50%的 45° 平面分光镜后又被分成能量相等的透射光和反射光各一束；同样地，其中的反射光束又经由一个 50%的分光镜分为能量相等的透射光和反射光各一束，并使其中的反射光再次经过一个 45° 全反镜后与透射光平行传输；经过与 33% 分光镜同一垂线上的 50%平面分光镜的透射光束经过一个与其在同一条垂线上平行放置的 45° 全反镜后也改变其传播方向并与上述各分光束平行；同样地，该光束经由一个分光比为 50%的 45° 平面分光镜也分为能量相等的透射光和反射光各一束，其中的反射光又经过一个 45° 全反镜后与透射光平行传输。这样，从激光器输出的一束双频激光经过该六轴分光系统后最终被分成能量相等的六束光且相互平行，分别作为干涉仪六个轴的的光源提供六个自由度的精密测量。

2、由于整个分光系统仅使用了平面分光镜和反射镜的组合，因此和通常采用的在单一表面镀多种不同要求膜层的块状光学分光元件相比，具有元件易加工、光路容易调节等优点。

3、同样，由于整个分光模块仅使用了平面分光镜和反射镜的组合，能够确保每一分光路在分光元件中走过的路径相同，因此和通常使用的块状光学分光元件系统相比，还具有温漂小且每一路光束的温度漂移一致等优点。 4、该发明的新型分光原理可以用于各种类型的多轴干涉仪，如六轴平镜和差分干涉仪等。在六轴平镜干涉仪中，参考反射镜与测量反射镜被安排成相互垂直的几何构型，这样六束参考光束经过公用的偏振分光镜和四分之一波片后将直接照射到位置固定的参考反射镜上；在六轴差分干涉仪中，六束参考光束则需经过一个 45° 反射镜的转折，将经过了公用的偏振分光镜和四分之一波片之后的光束改变传播方向 90° ，入射到与测量反射镜平行放置的参考反射镜上。该结构确保了测量光束和参考光束在光学元件里走过的路径相同，具有温度漂移小、非线性误差低等优点。同时由于该 45° 反射镜可独立调节，因此还具有元件易加工、光路调节相对容易等优点。附图说明

图 1是本发明一个实施例六轴 4细分平镜干涉仪立体光路原理示意图。

图 2是一个包含了 5个分光镜和 4个反光镜的六轴 4细分平镜干涉仪的平面光路示意图。具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图 1。图 1是本发明一个实施例六轴 4细分平镜干涉仪立体光路原理示意图，也是本发明最佳实施例的结构示意图。该六轴 4细分平镜干涉仪包括一个包含 5个 45° 平面分光镜和 4个反光镜的六轴分光系统、一个偏振分光镜 10、第一四分之一波片 11和第二四分之一波片 12、一个测量反射镜 13、一个参考反射镜 14、六个直角棱镜 15、 16、 17、 18、 19、 20。由图可见，本实施例由双频氦氖激光器输出的具有两个相互垂直线偏振双频激光束 IN，经过六轴分光系统后分成能量相等的六束平行光。在该分光系统中，一个分光比为 33%的第一 45° 平面分光镜 1首先将入射偏振激光 IN分成两束，其中的 33%的透射光束又入射到一个分光比为 50%的第三 45° 平面分光镜 4，并经该第三 45° 平面分光镜 4分为能量相等的透射光（下层 A号光）和反射光各一束，其中的反射光又经过一个第六 45° 全反镜 7后，使得传播方向与透射光平行（下层 B号光）；而经过第一 33%平面分光镜 1之后被反射的能量为 66%的反射光束则经过一个与其中心点在同一条垂线上平行放置的分光比为 50%的第二 45° 平面分光镜 2又被分成能量相等的透射光和反射光各一束；同样地, 其中的反射光束又入射到 50%的第四 45° 平面分光镜 5，并经该第四 45° 平面分光镜 5分为能量相等的透射光（中层 C号光）和反射光各一束，其中的反射光又经过第三 45° 全反镜 8后，使得传播方向与透射光平行（中层 D号光)；经过第二 50% 平面分光镜 2之后的透射光束再次经过一个与其在同一条垂线上平行放置的第一 45° 全反镜 3后也改变其传播方向并与上述各分光束平行；同样地，该光束又入射到一个分光比为 50%的第五 45° 平面分光镜 6，并经该第五 45° 平面分光镜 6分为能量相等的透射光（上层 E号光）和反射光各一束，其中的反射光又经过一个第四 45° 全反镜 9后，使传播方向与透射光平行（上层 F号光）；在该分光光路中， 3个 50%第三平面分光镜 4、第四平面分光镜 5、第五平面分光镜 6放置在一个垂面上， 3 个第二 45° 全反镜 7、第三 45° 全反镜 8、第四 45° 全反镜 9放置在另一个与其平行的垂面上。这样，从激光器输出的双频激光经过六轴分光系统后被分成能量相等水平偏振和垂直偏振保持不变的（消偏振）的六束光且相互平行，分别用于六轴干涉仪的六个自由度的测量。六束光相互之间距离一般在 10到 25ram之间，通过检测六轴的位移，可以计算出六个自由度的变化量。

随后，一个偏振分光镜 10根据偏振特性的不同又将每一束光分别分成测量光和参考光。六个测量光束是四束光经过偏振分光镜 10后透射的光，而六个参考光束则是四束光经过偏振分光镜 10后被反射的光。每束测量光分别经过公用的四分之一波片 11后被测量镜 13反射，该反射光再次经过第一四分之一波片 11，两次通过第一四分之一波片 11的测量光束的偏振方向被旋转 90° ，于是测量光束在所述的偏振分光镜 10的分光界面上被反射而不是透射，经过 6只直角棱镜 15， 16， 17、 18、 19和 20的光束传输，达到使测量光束（参考光也如此)。所述的偏振分光镜 10的分光界面反射后的六束测量光束分别进入六个直角棱镜 15， 16， 17、 18、 19和 20，又被这六个直角棱镜反射回到偏振分光镜 10。经过偏振分光器 10的反射，六束测量光束将再次被测量反射镜 13反射。于是两次通过四分之一波片 11的测量光束的偏振方向又被旋转 90° ，从而使得测量光束在偏振分光镜 10上被透射。最终实现在测量距离上重复走过 4倍路径，达到光学 4细分目标。上述有着同样类似光束传播过程的两次改变偏振方向的六束参考光束分别合束，形成与某个测量轴相关联的六束拍频输出光束 21、 22、 23、 24、 25、 26。带有运动物体多普勒频移信息的拍频光束，经过与水平偏振和垂直偏振互成 45°轴的检偏器，进入光电接收器，由探测器探测并经计算机软件处理，获得待测物体移动量的信息，从而给出六个自由度精密测量。与通常块状光学元件分光方法相比较，相应于 6个测量轴的六个光束在分光元件中走过的路径短并相等，由温度漂移引起的测量误差可以减小。此外，由于每一个光学元件都能单独调节，相应于每一个测量轴的光束也都能独立调整，从而使得干涉仪更方便调节。本发明中的分光原理同样可应用于六轴 4细分差分干涉仪是本发明的另一实施例。与上述实施例（见图 1 ) 不同的是，六束参考光束经过公用的偏振分光镜 10和四分之一波片 12后，不是直接射入参考反射镜 14, 而是需经过一个 45° 反射镜的转折，将参考光束传播方向改变 90° ，变成与测量光束平行，并射入与测量反射镜平行放置的参考反射镜上。该结构确保了测量光束和参考光束在光学元件里走过的路径相同，具有温度漂移小、非线性误差低等优点。同时由于该 45° 反射镜可独立调节，还具有元件易加工、光路调节相对容易等优点。

Claims

权利要求

1、一种六轴 4细分干涉仪，特征在于其构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次为六轴分光系统和干涉模块。

2、根据权利要求 1所述的六轴 4细分干涉仪，其特征在于：所述的六轴分光系统由 5个 45° 平面分光镜和 4个 45° 全反镜组成，其位置关系如下：

在偏振正交双频激光（IN)入射方向设置一个分光比为 33%的第一 45° 平面分光镜（1 )，在该第一 45° 平面分光镜（1 )的上方依次设置分光比 50%第二平面分光镜（2)和第一 45° 全反镜 (3)， 3个 50%第三平面分光镜（4)、第四平面分光镜（5)、第五平面分光镜（6)自下而上依次放置在同一个垂面上， 3个第二 45° 全反镜（7)、第三 45° 全反镜（8)、第四 45° 全反镜（9) 自下而上依次放置在另一个与其平行的垂面上；

第一 45° 平面分光镜（1 )将入射的偏振正交双频激光（IN)分成 33%的透射光束和 66%的反射光束，该透射光束方向设置 50%的第三 45° 平面分光镜 (4) , 经该第三 45° 平面分光镜（4) 分为能量相等的透射光和反射光各一束，其中反射光束经第二 45° 全反镜 (7)反射后，其传播方向与透射光平行，从而形成下层 A、 B号光；经第一 ₄₅° 平面分光镜 (1)反射能量为 66%的反射光束则经过与第一 45° 平面分光镜（1 )上下平行放置的分光比为 50%的第二 45° 平面分光镜（2) 又被分成能量相等的透射光束和反射光束；其中的反射光束又入射到 50%的第四 45° 平面分光镜 (5)，该第四平面分光镜（5) 分为能量相等的透射光束和反射光束，其中的反射光束再经第三 45° 全反镜 (8)反射后，使得传播方向与透射光平行，从而形成中层 (：、 D号光；

经第二平面分光镜（2) 的透射光束再经与第二平面分光镜（2 ) 上下平行放置的第一 ₄₅° 全反镜 (3)反射后也改变其传播方向并与上述各分光束平行；同样地，该光束又入射到一个分光比为 50%的第五 45° 平面分光镜 (6)，并经该第五 45° 平面分光镜 (6)分为能量相等的透射光束和反射光束，其中的反射光又经过第三 45° 全反镜 (9)反射后，其传播方向与透射光平行，从而形成上层 E、 F号光；这样，从激光器输出的一束双频激光经过该六轴分光系统后被分成能量相等且相互平行的六束光，上、中、下层各两束。

3、根据权利要求 1所述的六轴 4细分干涉仪，其特征在于：所述的干涉模块包括偏振分光镜 (10)，在该偏振分光镜 (10)的透光方向是第一四分之一波片（11)和测量反射镜 (13) ，在该偏振分光镜 (10)的反射光方向是第二四分之一波片（12) 和参考反射镜 (14)，在该偏振分光镜 (10)的第四方设有垂直列放的两个长条状的直角棱镜，或由下向上两列三层的六个直角棱镜，所述的测量反射镜 (13)固定在待测物体上。

4、根据权利要求 1所述的六轴 4细分干涉仪，其特征在于：所述的干涉模块包括偏振分光镜 (10)，在该偏振分光镜 (10)的透光方向是第一四分之一波片（11)和测量反射镜 (13) , 在该偏振分光镜 (10)的反射光方向是第二四分之一波片（12) 和可调 45° 反射镜 (在六轴 4细分差分干涉仪中采用），在该可调 45° 反射镜的反射光方向是参考反射镜 (14)，在该偏振分光镜 (10)的第四方设有垂直列放的两个长条状的直角棱镜，或由下向上两列三层的六个直角棱镜，所述的测量反射镜 (13) 和参考反射镜 (14)都固定在待测物体上。

5、根据权利要求 3或 4所述的六轴 4细分干涉仪，其特征在于：所述的六个直角棱镜的设置如下：自下而上

第一层：第一直角棱镜 (15)、第二直角棱镜 (16) ;

第二层：第三直角棱镜 (17)、第四直角棱镜 (18) ;

第三层：第五直角棱镜 (19)和第六直角棱镜 (20)。