一種基于衍射光柵的三維位移測量裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種超精密位移測量技術及光柵位移測量系統,特別設及一種基于衍 射光柵的=維位移測量裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來,超精密測量已成為世界測量領域的研究熱點。考慮到測量范圍、精度、系 統尺寸和工作環境等因素的影響,用小體積多自由度的測量方法來實現高精度測量在現代 位移測量中的需求也越來越突出。在半導體加工領域,光刻機中的掩膜臺和工件臺的定位 精度和運動精度是限制半導體巧片加工線寬的主要因素,為了保證掩膜臺和工件臺的定位 精度和運動精度,光刻機中通常采用具有高精度、大量程的雙頻激光干設儀測量系統進行 位移測量。目前市場上現有的半導體巧片的線寬已經逼近14nm,不斷提高的半導體加工要 求對超精密位移測量技術提出了更大的挑戰,而雙頻激光干設儀測量系統由于其長光程測 量易受環境影響,且存在系統體積大、價格高昂等一系列問題,難W滿足新的測量需求。
[0003] 針對上述問題,國內外超精密測量領域的各大公司及研究機構都投入了大量精力 進行研究,其中一個主要研究方向包括研發基于衍射光柵的新型位移測量系統。基于衍射 光柵的位移測量系統經過數十年的發展,已有較多的研究成果,在諸多專利和論文中均有 揭露。
[0004] 德國肥IDENHAIN公司的專利US477670U公開日1988年10月11日)提出了利 用光束通過折射光柵和反射光柵后實現相干疊加與光學移相的方式來測量X方向位移的 方法。該方法利用光柵本身的結構參數調整實現了干設信號移相,同時測量結果不受Y方 向和Z方向位移的影響。由于該方法不需額外的移相元件,因此系統體積較小,但是該方法 只能用于X方向的位移測量。
[0005] 荷蘭ASML公司的專利US736244她2 (公開日2008年4月22日)提出了一種利用 光柵衍射編碼器和干設儀原理測量標尺光柵在X方向和Z方向位移的位置測量單元,利用 3個該位置測量單元能夠同時測量平臺的6個自由度;通過特殊的棱鏡結構設計,使得該位 置測量單元除了標尺光柵W外的其他分光、移相、合光等光學元件組合成一個整體,達到減 輕單元尺寸和質量,結構緊湊的目的;該位置測量單元測量標尺光柵X向位移所使用光柵 衍射編碼器的測量光來自標尺光柵的衍射光,測量標尺光柵Z向位移所使用干設儀的測量 光也來自標尺光柵的衍射光,但來源于不同光束的衍射,是分立的。該方法可同時實現X向 和Z向的位移測量,但干設儀和光柵衍射測量的位置不同,棱鏡組結構較復雜。
[0006] 日本學者Wei Gao與清華大學學者曾理江等人聯合發表的論文 "Design and construction of a tw〇-degree-〇f-freedom linear encoder for nanometric measurement of stage position and straightness.Precision 化gineering34(2010) 145-155"中提出了一種利用衍射光柵干設原理的二維光柵測量裝 置。激光器出射的激光經過偏振分光棱鏡分為測量光和參考光,二者分別入射到標尺光柵 和參考光柵并發生反向衍射,反向衍射光在偏振分光棱鏡處匯聚后入射到光電探測單元發 生干設,利用后續光路移相,可w在四組探測器表面接收到干設信號。通過對干設信號進行 處理,可W解禪出光柵讀數頭相對于標尺光柵在X向和Z向兩個方向的位移信息。該方法 為了實現對信號的移相,引入了很多的移相合光器件,體積較大;而且當讀數頭與光柵產生 的Z向運動時,干設區域的范圍變小,不利于Z向較大量程的測量。
[0007] 清華大學學者朱燈的專利CN102937411A(公開日2013年2月20日)和 CN102944176A(公開日2013年2月27日)中,提出了利用衍射光柵干設原理設計的二維 光柵測量系統,并引入了雙頻激光產生了拍頻信號,增強了測量信號的抗干擾能力。該組專 利當讀數頭相對于標尺光柵發生Z向運動時,干設區域范圍變小,不利于Z向較大量程的測 量。
[0008] 日本株式會社S豐的專利CN102865817A(公開日2013年1月9日)W及 US8604413B2(公開日2013年12月10日)提出了一種二維位移傳感器的構造,該構造能夠 實現多維位移測量,但是整個系統采用透射方式,并且使用了棱鏡等光學器件用于折光,因 此系統體積較大。
[0009] 哈爾濱工業大學學者胡鵬程等人的專利CN103604376A(公開日2014年2月26日) 中,提出了一種抗光學頻率混疊的光柵干設儀系統,通過激光器出射的雙頻激光在空間上 分開傳輸的設置,消除了光學頻率混疊和相應的周期非線性誤差,并能夠實現=維位移的 測量;哈爾濱工業大學學者林杰等人的專利CN103644849A(公開日2014年3月19日)中, 通過引入自準直原理提出了一種=維位移測量系統,該系統能夠實現較大量程的Z向位移 測量,但是由于光束分光次數較多,不利于提高干設信號的質量。
【發明內容】
[0010] 為解決上述方案的局限性,適應和滿足前述的測量要求,本發明利用典型邁克爾 遜干設原理與多衍射光柵干設原理,設計了一種結構簡單緊湊、體積小的基于衍射光柵的 =維位移測量裝置。當本裝置的讀數頭相對于標尺光柵發生水平方向狂向)、豎直方向(Y 向)、垂直方向狂向)的位移時,可實現高精度的S維位移實時測量。
[0011] 本發明的技術方案如下:
[0012] 一種基于衍射光柵的=維位移測量裝置,包括標尺光柵和讀數頭,讀數頭包括光 源、分光部件、掃描分光光柵部件、X向探測部件、Y向探測部件、Z向探測部件、信號處理部 件;光源包括單頻激光器、偏振片A ;分光部件包括偏振分光棱鏡A、l/4波片A、反射部件、 1/4波片B ;掃描分光光柵部件包括掃描分光光柵、光闊;掃描分光光柵的柵線所在平面和 標尺光柵的柵線所在平面平行;掃描分光光柵為組合光柵,包括位于掃描分光光柵中間區 域的二維正交光柵W及位于二維正交光柵兩側的一維光柵A和一維光柵B,二維正交光柵、 一維光柵A和一維光柵B的柵線共面,一維光柵A和一維光柵B的柵線方向相互垂直,且分 別平行于二維正交光柵的兩個柵線方向,二維正交光柵、一維光柵A和一維光柵B的光柵周 期相等;掃描分光光柵在放置時,其柵線方向與標尺光柵的柵線方向成45° ;標尺光柵為二 維正交光柵,具有后向零級衍射光,其周期為掃描分光光柵周期的1/V5 ;X方向是與掃描分 光光柵的柵線所在平面平行,且垂直于一維光柵A柵線的方向;Y方向是與掃描分光光柵的 柵線所在平面平行,且垂直于一維光柵B柵線的方向;Z方向是與掃描分光光柵的柵線所在 平面垂直的方向;單頻激光器出射的激光透過偏振片A入射到偏振分光棱鏡A后分為參考 光和測量光;參考光透過1/4波片A,并由反射部件反射后,依次透過1/4波片A、偏振分光 棱鏡A入射到Z向探測部件;測量光透過1/4波片B后沿Z方向入射到掃描分光光柵中間 區域的二維正交光柵,經二維正交光柵衍射后衍射光束入射到標尺光柵并發生反向衍射, 得到九束測量光束與其他雜散光束;九束測量光束中,其中四束在掃描分光光柵的一維光 柵A上兩兩相交并衍射入射到X向探測部件形成四組干設信號,通過信號處理單元解算后 得到讀數頭相對于標尺光柵在X向發生的位移;九束測量光束中,另外四束在掃描分光光 柵的一維光柵B上兩兩相交并衍射入射到Y向探測部件形成另外四組干設信號,通過信號 處理單元解算后得到讀數頭相對于標尺光柵在Y向發生的位移;九束測量光束中的另一沿 入射方向返回的測量光束依次透過掃描分光光柵中間區域的二維正交光柵、1/4波片B,并 由偏振分光棱鏡A反射后入射到Z向探測部件;入射到Z向探測部件的參考光和測量光相 遇形成干設信號,通過信號處理單元解算后得到讀數頭相對于標尺光柵(4)在Z向發生的 位移。
[0013] Z向探測部件為二通道探測器或四通道探測器。
[0014] 在掃描分光光柵部件中增設了光闊,并且光闊位于掃描分光光柵與X向探測部件 之間,光闊也位于掃描分光光柵與Y向探測部件之間。
[0015] 在單頻激光器出射的激光波長A = 632. 8nm時,掃描分光光柵采用矩形光柵,一 組優選參數為二維正交光柵兩個柵線方向的光柵周期di = d 2 = 10 y m、光柵臺階高度h = 159nm、兩個柵線方向的光柵臺階寬度ai= a 2= 5. 67 ym,一維光柵A和一維光柵B的光柵 周期d = 10 ym、光柵臺階高度h = 488皿、光柵臺階寬度a = 3. 567 ym,標尺光柵采用二維 矩形光柵,其一組優選參數為兩個柵線方向的光柵周期di= d2= 7. 07 y m、光柵臺階高度h =159皿、兩個柵線方向光柵臺階寬度3i= ag= 4. 01 ym。
[0016] 本發明是利用典型邁克爾遜干設儀原理和多衍射光柵干設原理提出的一種基于 衍射光柵的=維位移測量裝置,具有W下創新性和突出效果:
[0017] 1.通過將標尺光柵和掃描分光光柵平行放置、掃描分光光柵的柵線方向與標尺光 柵的柵線方向成45°、標尺光柵周期為掃描分光光柵周期的1/VI、標尺光柵具有后向零級 衍射光的設置,可同時為X向、Y向和Z向提供測量信號,進而同時測量讀數頭