使用光谱分析的干涉式编码器的制作方法
本公开涉及使用光谱分析的干涉式编码器。
背景技术：
光学干涉测量用于在各种设置中进行精确测量。例如，半导体光刻系统使用激光干涉测量来测量位移并将台架精确地定位到纳米精度。在这些系统中，与腔运动对准的激光束(有时称为测试光束或测量光束)被从附接到移动物体的反射镜反射，并且与用作基准的另一光束干涉。每当光束路径改变一波长时，干涉相位改变2π，所以干涉相位提供了对腔长度变化的测量。可以使用外差或零差技术来提取干涉的相位。
通常在这些系统中，测试光束在空气中行进很长距离。如果光束路径中的空气的折射率改变，即使局部改变，则该改变本身表现为被测量物体的明显位移。这种明显的位移构成测量误差，并且空气路径越长，该误差可能越严重。
一类具有显著更短的光束路径的位移测量干涉仪包括干涉式编码器系统。通常，干涉式编码器系统包括称为编码器标尺(例如，光栅)的周期性结构和编码器头部。编码器头部是包括干涉仪的组件。干涉仪将测试光束引导到编码器标尺，在那里它衍射。干涉仪将衍射的测试光束与参考光束组合，以形成干涉输出光束，其干涉相位与两个光束之间的光学相位差相关。干涉式编码器系统通过测量从编码器标尺反射的光束的相移来测量横向于测试光束的位移。当编码器标尺的图案化表面在测试光束下移动时，测试光束在从编码器反射之后相对于固定参考光束的相位对于每个图案周期偏移2π。然后，光束相位的高精度测量允许位移测量到图案周期的一小部分。由于编码器标尺的测量运动横向于测试光束，因此可以实现腔长度以及因此光束空气路径的显著减小，从而最小化大气折射率波动。
技术实现要素：
本公开涉及用于执行位移测量的各种光学编码器配置，其中配置依赖于将波长扫描光束导向编码器标尺或将宽带光束导向编码器标尺。在与编码器标尺和至少一个其它光束相互作用之后，从波长扫描光束或宽带光束的干涉中产生的干涉光束作为波长的函数被记录和分析。干涉导致强度调制，其是编码器标尺相对于参考系的位置和取向的特征。
光学编码器配置可以具有各种实施方式。例如，入射光束可以被编码器标尺分割成不同的衍射阶，这些衍射阶被重新定向回到编码器标尺，在那里它们衍射第两次，随后彼此干涉。在一些情况下，两次衍射光束通常与未与编码器标尺相互作用的另一独立光束干涉。在一些情况下，使用平面反射镜、屋顶反射镜或回射器将衍射光束重新定向回编码器标尺。在某些实施方式中，编码器可以包括被配置为扩展用于信号处理的衍射光束的可用波长范围的光学元件。在一些情况下，编码器标尺包括沿着一个维度的周期性图案(例如1D光栅)，使得编码器对编码器标尺在一个横向维度上的运动敏感。在一些情况下，编码器标尺包括沿着两个维度的周期性图案(例如2D光栅)，使得编码器对两个横向维度上的编码器标尺的运动敏感。在一些情况下，编码器被配置为针对编码器标尺上的图案重复的每个维度捕获多个衍射阶，从而允许将编码器标尺的横向运动与垂直于编码器标尺的周期性图案的表面的运动区分开。在一些实施方式中，编码器从编码器标尺捕获镜面衍射阶，以便确定对沿着编码器标尺的表面法线的运动的敏感度。在某些情况下，编码器被配置为作为波长的函数来评估干涉光束的幅度，以便获得关于编码器标尺的倾斜的信息。在一些情况下，捕获的光束耦合回传送初始光束的同一光纤。可替代地，在一些情况下，一旦衍射光束到达编码器的光学组件，它们就采用替代路径。其他实施方式也是可能的并且在本文中详细描述。
在第一方面中，本公开的主题可以体现在包括以下步骤的方法中：沿着第一光束从编码器标尺衍射的不同路径引导第一光束和第二光束、将第一光束的衍射分量与第二光束组合以形成输出光束、监控作为第一和第二光束的波长的函数的输出光束强度的变化以及基于输出光束作为波长的函数的变化确定关于编码器标尺的刚体运动的一个或多个自由度的信息。
该方法可以具有各种实施方式。例如，在一些实施方式中，确定关于编码器标尺的自由度的信息包括确定参考表面和编码器标尺之间的绝对距离。
在一些实施方式中，监控输出光束包括确定输出光束的干涉对比度是局部最大值处的一个或多个波长。编码器标尺可以包括光栅和满足Littrow条件的一个或多个波长。当波长变化时，编码器标尺可以处于固定位置。该方法还可以包括改变编码器标尺的位置，以及根据在对应于光学频域中局部最大对比度的一个或多个波长中的至少一个处的编码器标尺位置的变化来确定输出光束的干涉相位的变化。确定关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息还可以包括基于干涉相位的变化确定关于编码器标尺的位置的相对变化的信息。关于编码器标尺的位置的相对变化的信息可以包括关于编码器标尺沿着平行于编码器标尺的表面法线的方向的相对位移的信息和/或关于编码器标尺沿着正交于编码器标尺的表面法线的第一方向的相对位移的信息。
在一些实施方式中，第一光束的衍射分量包括从编码器标尺一次衍射的分量。一次衍射分量可对应于来自编码器标尺的第m阶衍射，其中|m|>1。
在一些实施方式中，与第二光束组合的第一光束的衍射分量包括由编码器标尺一次衍射的第一光束分量和从编码器标尺至少两次衍射的第二光束分量。对应于由第一光束分量穿过的空间的光学路径长度(OPL)可以不同于对应于第二光束分量穿过的空间的OPL。第二分量可以从反射镜反射。反射镜可以包括平面反射镜、屋顶棱镜或角回射器。在一些实施方式中，衍射分量包括已经从第一反射镜反射并由编码器标尺沿由第一分量和第一光束限定的第一平面进行两次衍射的第一分量、已经从第二反射镜反射并且由编码器标尺沿由第二分量和第一光束限定的第二平面进行两次衍射的第二分量以及已经被编码器标尺一次衍射的第三分量。第一平面和第二平面可以彼此正交。
由第一分量穿过的第一空间可以具有第一OPL，由第二分量穿过的第二空间可以具有第二OPL，由第三分量穿过的第三空间可以具有第三OPL，其中第一OPL、第二OPL和第三OPL不同。衍射分量还可以包括已经从第三反射镜反射并且由编码器标尺沿着第一平面两次衍射的第四分量，以及已经从第四反射镜反射并且由编码器标尺沿着第二平面两次衍射的第五分量，其中第一平面和第二平面彼此正交，由第四分量穿过的第四空间具有第四OPL，由第五分量穿过的第五空间具有第五OPL，并且第一、第二、第三、第四和第五OPL中的每一个都不同。
在一些实施方式中，第一光束的光束路径相对于编码器标尺的表面法线平行定向。
在一些实施方式中，第一光束的光束路径相对于编码器标尺的表面法线倾斜地定向并且垂直于编码器标尺的周期性表面图案。
在一些实施方式中，第一光束的衍射分量和第二光束形成第一输出光束，其中编码器标尺包括在二维上是周期性的表面图案。该方法还可以包括沿着不同的路径引导第三光束和第四光束，其中第三光束从编码器标尺衍射，并且其中第一光束和第三光束的路径相对于编码器标尺的表面法线倾斜地定向。
该方法还可以包括将第三光束的衍射分量与第四光束组合以形成第二输出光束、针对编码器标尺的固定位置改变第三和第四光束的波长、基于第一光束和第三光束的波长的变化来确定第一光束和第三光束在光学频域中第一输出光束和第二输出光束的对比度分别是局部最大值处的波、改变编码器标尺的位置、根据编码器标尺位置的改变确定在对应局部最大值处的波长处第一输出光束和第二输出光束的干涉相位的变化，其中确定关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息还包括基于干涉相位的变化来确定关于编码器标尺的位置的相对变化的信息。第一光束和第三光束的路径可以位于正交平面中。第一光束、第二光束、第三光束和第四光束可以具有公共源。
在一些实施方式中，第一光束的光束路径相对于编码器标尺的表面法线平行定向。衍射分量可以包括已经从第一反射镜反射并且由编码器标尺沿着第一平面两次衍射的第一分量，其中第一分量在编码器标尺和第一反射镜之间的路径对应于第m衍射阶，并且其中|m|>1。衍射分量可以包括已经从第二反射镜反射并且由编码器标尺沿着第一平面两次衍射的第二分量，其中第二分量在编码器标尺和第二反射镜之间的路径对应于第n衍射阶，并且其中|n|>1。
该方法还可以包括基于第一光束的波长变化确定第一光束的一个或多个波长，在该波长处光学频域中的输出光束的对比度是局部最大值。该方法还可以包括改变编码器标尺的位置，并且监控作为编码器标尺的位置变化的函数的、与局部最大对比度相对应的一个或多个波长处的输出光束的相位变化，其中确定关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息包括确定关于编码器标尺沿着平行于编码器标尺的表面法线的第一方向的位置的相对变化、编码器标尺沿着与编码器标尺的表面法线正交的第二方向的相对位移、以及编码器标尺沿着与第一和第二方向都正交的第三方向的相对位移的信息。
衍射分量还可以包括已经从第三反射镜反射并且由编码器标尺沿着与第一平面正交的第二平面两次衍射的第三分量，以及已经从第四反射镜反射并且由编码器标尺沿着第二平面两次衍射的第四分量。每个反射镜可以相对于编码器标尺表面的法线以不同的角度布置，使得光学频域中的第一分量和第二光束之间的最大对比度发生在第一波长处，并且光学频域中的第二分量和第二光束之间的最大干涉发生在不同于第一波长的第二波长处。
在一些实施方式中，确定关于编码器标尺的位置的信息包括确定关于编码器标尺沿着多达五个不同自由度的运动的信息。
在一些实施方式中，编码器标尺包括在二维中是周期性的表面图案。
在一些实施方式中，该方法还包括确定编码器标尺的尖端和/或倾斜。
在一些实施方式中，衍射分量包括：已经从反射镜反射并由编码器标尺两次衍射的第一分量，其中，第一分量在编码器标尺和第一反射镜之间的路径对应于第m衍射阶；以及已经从反射镜反射并由编码器标尺两次衍射的第二分量，其中第二分量在编码器标尺和第二反射镜之间的路径对应于第n衍射阶，其中n≠m。在从反射镜反射之前，第一分量和第二分量中的每一个可以由透射光栅衍射。
在一些实施方式中，衍射分量包括：已经由编码器标尺两次衍射并且由单独的反射光栅衍射的第一分量，其中第一分量在反射光栅和编码器标尺之间的路径对应于第m衍射阶；以及已经由编码器标尺两次衍射并由反射光栅衍射的第二分量，其中第二分量在反射光栅和编码器标尺之间的路径对应于第n衍射阶，其中n≠m。
在一些实施方式中，该方法还包括将输出光束耦合到光纤中。
在一些实施方式中，该方法还包括连续地调谐输入光束的光学波长。
在一些实施方式中，该方法还包括离散地采样输入光束或输出光束的多个波长。
在一些实施方式中，第一和第二光束从公共光源导出。
在一些实施方式中，第一和第二光束从不同的光源导出。
在一些实施方式中，该方法还包括使输出光束穿过色散光学元件以在空间上分离输出光束的波长光谱。
在一些实施方式中，干涉输出光束的相位与第一和第二光束的波长相关。
在另一方面中，本公开的主题可以实施为包括可操作以产生输入光束的光源、编码器标尺和光学组件的系统中，所述光学组件布置为：接收来自光源的输入光并从输入光束导出第一光束和第二光束、沿着不同的路径朝向编码器标尺引导第一光束和第二光束，使得第一光束从编码器标尺衍射，以及将第一光束的衍射分量与第二光束组合以形成输出光束。该系统还包括布置为检测输出光束的检测器和联接到检测器的电子处理器，其中处理器配置为：监控作为第一光束的波长的函数的输出光束的变化，并基于作为第一光束的波长的函数的输出光束的变化，确定关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息。
该系统可以具有各种实施方式。例如，在一些实施方式中，关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息可以包括光学组件和编码器标尺之间的绝对距离。
在一些实施方式中，关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息可以包括关于编码器标尺沿着多达五个不同自由度的运动的信息。
在一些实施方式中，电子处理器被配置为确定第一光束的一个或多个波长，在该波长处光学频域中的输出光束的峰值对比度是局部最大值。电子处理器可以被配置为确定输出光束的干涉相位的变化，其作为在对应于局部最大对比度的一个或多个波长中的至少一个波长处的编码器标尺位置的变化的函数，并且关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息还可以包括基于干涉相位的变化关于编码器标尺的位置的相对变化的信息。关于编码器标尺的位置的相对变化的信息可以包括关于编码器标尺沿着平行于编码器标尺的表面法线的方向的相对位移的信息和/或关于编码器标尺沿着正交于编码器标尺的表面法线的第一方向的相对位移的信息。
在一些实施方式中，光学组件布置为输出与编码器标尺的表面法线平行的第一光束。
在一些实施方式中，光学组件布置为相对于编码器标尺的表面法线以倾斜角度且相对于编码器标尺的周期性表面图案的周期垂直地输出第一光束。
在一些实施方式中，光学组件包括布置为接收输入光并输出准直输入光束的准直器，以及配置为将准直输入光束部分地反射到第二光束中并部分地透射准直输入光束作为第一光束的光学元件。光学元件可以包括分束器。该系统还可以包括布置在分束器和检测器之间的输出光束的光束路径中的透镜。
在一些实施方式中，该系统还包括第一反射镜，其布置为重新定向从编码器标尺衍射的第一光束的第一光束分量。第一反射镜可以是平面反射镜、屋顶棱镜或角立方体回射器。与从光学组件到编码器标尺的第一光束路径相关联的第一光学路径长度(OPL)可以不同于与从第一反射镜到光学组件的第二光束路径相关联的第二OPL。该系统还可以包括第二反射镜，其布置为重新定向从编码器标尺衍射的第一光束的第二光束分量。第一OPL可以与从光学组件到编码器标尺的第一光束路径相关联，第二OPL可以与从第一反射镜到光学组件的第二光束路径相关联，并且第三OPL可以与从第二反射镜到光学组件的第三光束路径相关联，其中第一OPL、第二OPL和第三OPL中的每一个是不同的。
第二光束路径和第三光束路径可以在正交平面中。该系统还可以包括第三反射镜，其布置为重新定向从编码器标尺衍射的第一光束的第三光束分量；以及第四反射镜，其布置为重新定向从编码器标尺衍射的第一光束的第四光束分量，其中第四OPL与从第三反射镜到光学组件的第四光束路径相关联，第五OPL与从第四反射镜到光学组件的第五光束路径相关联，并且其中第一OPL、第二OPL、第三OPL、第四OPL和第五OPL彼此不同。
该系统还可以包括透镜，其布置在反射镜和编码器标尺之间的第一光束的第一部分的光束路径中，其中反射镜位于透镜的焦平面处。反射镜还可以布置为重新定向从编码器标尺衍射的第一光束的第二部分，其中透镜进一步布置在第二部分的光束路径中，并且其中第一和第二部分对应于来自编码器标尺的不同衍射阶。
该系统还可以包括透射光栅，其布置在反射镜和编码器标尺之间的第一光束的第一部分的光束路径中。反射镜还可以布置为重新定向从编码器标尺衍射的第一光束的第二部分，其中透射光栅进一步布置在第二部分的光束路径中，并且其中第一和第二部分对应于来自编码器标尺的不同衍射阶。
在一些实施方式中，该系统还包括光栅结构，其布置为接收从编码器标尺衍射的第一光束的第一部分并且将其重新定向回到编码器标尺。光栅结构可以布置为接收从编码器标尺衍射的第一光束的第二部分并将其重新定向回到编码器标尺，其中第一和第二部分对应于来自编码器标尺的不同衍射阶。
在一些实施方式中，光源包括可调谐光源，并且其中电子处理器被配置为连续扫描由可调谐光源产生的输入光束的波长。
在一些实施方式中，光源包括多波长源。该系统还可以包括联接到光源的密集波分复用器(DWDM)，其中DWDM被配置为对输入光束的离散波长进行采样。该系统还可以包括定位在检测器和光学组件头部之间的输出光束的光束路径中的DWDM，其中DWDM被配置为对输出光束的一个或多个离散波长进行采样。DWDM可以被配置为同时对输出光束的多个离散波长进行采样。
在一些实施方式中，光学组件是第一光学组件，输出光束是第一输出光束，并且系统包括第二光学组件，其布置为：沿着不同的路径引导第三光束和第四光束，使得第三光束从编码器标尺衍射，以及将第三光束的衍射分量与第四光束组合以形成第二输出光束。第一光学组件和第二光学组件可以都相对于编码器标尺的表面法线以倾斜角定向。编码器标尺可以包括具有第一周期和第二周期的2D周期性图案，其中第一光学组件被定向为垂直于第一周期，并且第二光学组件定向成垂直于第二周期。
在一些实施方式中，该系统还包括参考光源以产生第二光束。
在一些实施方式中，该系统还包括色散光学元件，其布置为接收输出光束并且配置为在空间上分离输出光束的波长光谱。
不同的实施方式可以具有各种优点。例如，本文描述的系统和方法可以组合由于通过空气的短光束路径减少的测量误差的优点加上执行绝对距离测量的能力。在一些实施方式中，作为波长调谐的结果，系统和方法能够显著增加测量密度。例如，当干涉式编码器系统的不同腔具有不同的光学路径长度时，可以在单个波长扫描中获得关于编码器标尺的多个自由度的信息，包括例如编码器标尺的位置和/或相对运动。在一些实施方式中，光学腔不需要不同的光学路径长度。相反，可以使用以不同角度布置的反射光学元件来形成光学腔，这又可以引起在不同光学频率处的对比度峰。在一些实施方式中，如果编码器标尺包括具有不同周期(例如，在X和Y方向)的二维周期性图案，则可以使用不同的波长带来分析编码器标尺在不同方向上的位置和/或相对运动，包括尖端和/或倾斜。
在一些实施方式中，用于在干涉式编码器系统中形成光学腔的反射镜是屋顶棱镜，其可降低系统对编码器标尺和/或反射镜中的未对准的敏感度。在一些情况下，干涉式编码器系统可依赖于多个不同腔(例如，5个不同腔)，使得能够获得更高精度并减少编码器标尺的自由度的测量误差。
在某些实施方式中，参考腔整体地形成为干涉式编码器系统的一部分，消除对单独的局部参考干涉仪的需要。也就是说，该系统可以包括用于监测系统中使用的光的波长的全局参考腔。在一些实施方式中，干涉式编码器系统可以使用比可与传统编码器测量系统一起使用少得多的光学组件来执行编码器标尺的位置和/或相对运动的测量。在一些实施方式中，使用光纤将来自光源的输入光束传递到光学组件并将输出光束从光学组件传递到检测器模块进一步减少了光学部件的数量，并最小化了由于光束与空气的相互作用导致的误差。
在附图和下面的描述中阐述了本发明的一个或多个实施方式的细节。从说明书和附图以及从权利要求书中，本发明的其它特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1-8是示出了具有波长可调光束的编码器系统的示例的示意图。
图9A是示出了用于干涉式编码器系统的光束路径的示意图。
图9B是示出了具有倾斜的编码器标尺的干涉式编码器系统的光束路径的示意图。
图10A示出了其中调谐了测试光束的波长的编码器系统的强度的图表。
图10B示出了部分奈奎斯特(fractional Nyquist)中的功率谱图，并且对应于图10A的图表的傅立叶变换。
图11A示出了其中调谐了测试光束的波长的编码器系统的强度的图表。
图11B示出了部分奈奎斯特中的功率谱图，并且对应于图11A的图表的傅立叶变换。
图12A-12C是示出了用于加宽对比度峰值的干涉式编码器系统的示例的示意图。
图13A-13B是示出了离散波长采样的示例的示意图。
图14是示出了干涉式编码器系统的示例的示意图。
图15是包括干涉仪的光刻工具的实施方式的示意图。
图16A和图16B是描述用于制造集成电路的步骤的流程图。
具体实施方式
本公开包括依赖于波长调谐以评估干涉信号的相位(部分地源自编码器标尺的一个或多个衍射阶)的方法和系统，以便获得关于编码器标尺位置和运动的信息。在编码器系统中，编码器标尺的运动被编码到干涉相位中，使得测量干涉相位可以继而被用于推断运动。波长调谐提供了以已知方式调制干涉强度以便恢复干涉相位的方便且有用的方式。
参考图1，编码器系统100包括光源模块102(例如，包括宽带或波长可调光源)、光纤104、光学组件106、测量对象108、检测器模块120(例如，包括偏振器和光电检测器)和电子处理器130。通常，光源模块102包括光源，并且还可以包括其它部件，例如光束整形光学器件(例如透镜)、波长滤波器和/或偏振管理光学器件(例如，偏振器和/或波片)。在整个本公开中描述了编码器系统的各种实施方式。示出了笛卡尔坐标系以供参考。
光纤104可以是单模光纤或多模光纤。在一些实施方式中，不需要光纤并且光被引导通过自由空间。
测量对象108沿着Z轴定位在距光学组件106一些标称距离处。在许多应用中，例如在使用编码器系统用于监控光刻工具中的晶片台或掩模母版台的位置的情况下，测量对象108相对于光学组件在X方向和/或Y方向上移动，但是测量对象108还可以沿着Z轴移动。在操作期间，编码器系统100监控测量对象108相对于光学组件106的这些自由度中的一个或多个，包括测量对象108相对于x轴的位置，并且在某些实施方式中还包括测量对象108相对于y轴和/或z轴和/或相对于俯仰(例如，绕x轴和/或y轴的旋转)角取向和/或偏航(例如，绕z轴旋转)角取向的位置。
在图1的实施方式中，光(图1所示通过光纤104传送)从光源模块102传送并经过光学部件114(例如，分束器或光学循环器)到达光学组件106。光学组件106包含布置为产生准直输入光束的一个或多个光学部件(例如，准直器116)。光学组件106还包括参考表面118，其中准直输入光束的一部分从参考表面118反射，以提供返回通过组件106并耦合回到光纤104中的参考光束(未示出)。参考表面118可以是被配置为部分地反射准直输入光束并且部分地透射准直输入光束的光学元件(例如，分束器)的一部分。例如，参考表面可以是组件106中的最后光学部件的出射相位。透射通过参考表面118的准直光束的一部分(即测试光束112)指向并撞击编码器标尺110。编码器标尺110可以刚性地附接到测量对象108，或者可以是测量对象本身。
编码器标尺110包括例如将测试光束112衍射成一个或多个衍射阶的测量分度。通常，编码器标尺可以包括各种不同的衍射结构，例如光栅或全息衍射结构。光栅的示例包括正弦、矩形或锯齿光栅。光栅可以由具有恒定周期的周期性结构表征，但还可以由更复杂的周期性结构(例如，啁啾光栅)来表征。在一些实施方式中，编码器标尺110可以将测量光束衍射到多于一个平面中。例如，编码器标尺可以是将测量光束衍射成X-Z和Y-Z平面中的衍射阶的二维光栅。编码器标尺可以在X-Y平面中在对应于测量对象108的运动范围的距离上延伸。通常，所使用的衍射结构的选择(例如光栅周期)可以根据输入光束的波长以及用于测量的光学组件和衍射阶的布置而变化。在一些实施方式中，衍射结构是具有在约1λ至约20λ范围内的周期的光栅，其中λ是光源的波长。光栅可以具有在例如约1μm至大约10μm的范围内的周期。其他周期也是可能的。
在撞击编码器标尺110之后，第0阶衍射光束返回通过光学组件106并且重新耦合到光纤104中。光纤104中的参考光束和测试光束组合以产生输出光束，其被分离器/循环器114引导到检测器模块120，检测器模块120检测输出光束，并响应于检测到的输出光束向电子处理器130发送干涉信号。电子处理器130接收并分析信号，并确定关于测量对象108相对于光学组件106的一个或多个自由度的信息。图1仅为干涉式位移测量系统的一个示例。关于编码器系统的布置和配置的其它示例和附加信息可以在美国专利8,300,233中找到，该美国专利通过引用全部并入本文。
相对于参考光束，测试光束的相位取决于穿过的光学路径长度(OPL)nD和光的光学频率，并且可以表示为
其中v＝c/λ是真空光学频率(λ是波长)，n是介质沿D的折射率，D是由光束在编码器标尺122和光学组件106的参考表面118之间行进的空间限定的腔区域的物理路径长度(单程)。假定随着光学频率被扫描，D和n是固定的，则输出光束的干涉相位可以根据以下等式变化
其中Δ表示变量的改变或变化。因此，如果光学频率范围Δv是已知的，则与测量相对位移的典型位移测量干涉仪系统相比，可以绝对地确定距离D。
可替代地，假设准直器组件位置是固定的，并且编码器标尺被允许沿着z轴移动，则在固定波长处的第0阶干涉的相位对于OPL中的变化Δz敏感，并且可以表示为
其中负号表示如果光栅在+z方向(即朝向图1所示的准直器组件106)上移动，则相位减小。图1所示的实施方式对垂直于光栅平面(即平面外运动或沿光束轴线)的运动敏感，而不是平行于光栅的平面内运动。
可以通过扫描从光源模块102提供的光的光学频率来调谐输出光束的光学频率。例如，在一些实施方式中，光源模块102包括波长/频率可调光源，其中由光源输出的光的光学频率可以通过调节激光腔的光学路径长度而变化(例如通过调节激光腔的折射率、通过机械调节激光腔的长度，或通过热改变激光腔的光学路径长度)。在其他实施方式中，光源模块102可以包括对离散波长进行采样的宽带光源(例如氙灯或石英钨卤素灯)。例如，光源模块102可以包括具有多个彩色滤光器的集成可调滤光器，其可以被改变以隔离光源的不同波长。光源模块102可以联接到电子处理器130，电子处理器130通过改变施加到由光源产生的光的彩色滤光器来控制光束的光学频率。关于图13A-13B描述了用于离散地采样波长的其他选项。无论通过连续调谐光源还是通过离散地选择波长，光源模块102可以提供相对宽范围的可用波长。例如，光源模块102能够输出在高达约700nm范围内的光的输出波长(例如，约600nm，约500nm，约400nm，约300nm，约200nm，约100nm或约50nm的范围)。可以使用可见和近红外的波长(例如约400nm至约2,000nm)。示例性波长范围包括在约1,000nm和约1,600nm之间。光源模块102可以高达约100kHz或更高(例如高达约150kHz，高达约200kHz，高达约300kHz，高达约400kHz，或者高达约500kHz)的速率扫描波长范围。可以使用高达约1MHz的最大频率。
可以对图1所示的实施方式进行多种变化，以获得关于测量对象的附加的和/或不同的信息。例如，图2是示出了使得能够确定关于测量对象的多个自由度的信息的示例性编码器系统200的示意图。如图1,编码器系统200包括用于接收来自光源模块的光的光纤204、用于导出测试光束212和参考光束(未示出)的光学组件206以及测量对象208，编码器标尺210附接到测量对象208。为了清楚起见，省略了系统200的光源模块、检测器模块和电子处理器。光学组件206包含布置为产生准直光束的一个或多个光学部件(例如准直器216)，以及反射参考光束并允许测试光束通过到编码器标尺210的参考表面218。第一腔由光束在光学组件206和编码器标尺210之间行进的空间限定，并且具有nD的光学路径长度。
与图1的系统100相比，光学组件206相对于编码器标尺表面法线倾斜，使得测试光束212以Littrow角θL撞击编码器标尺210。当扫描测试光束212的波长时，衍射光束角度根据光栅方程变化；
其中θi和θm分别是入射角和第m阶衍射角，Λ是光栅周期，并且所有角度都相对于编码器标尺表面法线测量。对于固定的Λ，较长的波长比较短的波长衍射成更大的角度。通常正和负衍射阶(m)将存在，因此m是有符号的整数。
因此，当扫描波长时，返回的测试光束(其已经被编码器标尺210衍射)的角度变化，使得返回的测试光束扫过光学组件206。仅对于接近满足Littrow条件的波长λL的波长范围，返回的测试光束被标称地沿着入射测试光束路径反射：
mλL＝2Λsin(θL) (5)
返回的测试光束和参考光束由光学组件206组合以产生由检测器模块检测的输出光束。由于衍射测试光束和参考光束的干涉，输出光束的观察到的干涉对比度在波长扫描期间在λL处呈现最大值。这种现象在这里被称为“对比度峰化”或“峰值对比度”，并且对传感器设计和功能具有许多意义，如将在后面解释的。
将参考位置设置为坐标原点，瞬时干涉相位取决于光束撞击编码器标尺的点，并且可以表示为
对于如图2所示的一维周期性结构，其中(x，z)是测试光束在x-z平面中撞击光栅的点。另外，由于D可以用等式(2)测量，因此x和z相对运动可以用以下两个等式解耦和导出；
Δz＝ΔDcos(θL)，(7)
和
因此，通过分析扫描上的干涉调制，可以推导出Littrow波长λL和到编码器标尺210的绝对距离D。在对比度峰值处的相位变化又提供关于编码器标尺210沿着多个自由度的位置的相对变化的信息。
图2中的编码器标尺210被假定为具有在x方向上周期性的1维周期性结构，使得衍射光束在x-z平面中行进。然而，如果结构沿着2维是周期性的，则可以在y-z平面中提供另一光学组件头部，以检测在y-z平面中的衍射测试光束，并且随后测量y方向运动。类似于第一光学组件，第二光学组件可以包括例如准直器以接收输入光，并且可以使用部分反射性参考表面导出第二测试光束和第二参考光束。第二测试光束和第二参考光束可以从由与第一测试光束和第一参考光束相同的光源产生的光束导出。可替代地，第二测试光束和第二参考光束可以从由不同光源产生的光束导出。
第二光学组件的相对y和z位移可以从以下表述确定
其中符号’表示变量与第二光学组件相关联。第二光学组件还形成第二腔，其由测试光束在第二腔的参考表面和编码器标尺的表面之间行进的空间限定，并且具有物理距离D'。由于两个组件具有不同的基准，由第二光学组件形成的第二腔的OPL nD'一般将不同于由第一光学组件206形成的第一腔的OPL nD。然而，Δz对于两者是相同的。
图3是示出了利用波长调谐的编码器系统的另一实施方式的示意图。如图3所示，系统300包括用于从光源模块接收输入光束的光纤304、用于从输入光束导出测试光束312和参考光束(未示出)的光学组件306，以及编码器标尺310。为了清楚起见，省略了系统300的测量对象、光源模块、检测器模块和电子处理器。光学组件306包含布置为产生准直输入光束的一个或多个光学部件(例如准直器316)和反射输入光束的第一部分(产生参考光束)并且透射输入光束的第二部分作为测试光束312的参考表面318。系统300还包括反射器320(例如反射镜)。
在操作期间，测试光束312照射在编码器标尺310上，导致第0阶衍射测试光束沿着与入射测试光束312相同的路径返回到光学组件306，第m阶衍射测试光束相对于编码器标尺表面法线以角度θm行进。第m阶衍射光束被反射器320重新引导回编码器标尺310，光束从编码器标尺沿着与第0阶衍射测试光束共同入射的路径再次衍射。因此，第m阶和第0阶衍射测试光束路径之间的差别是由第m阶光束穿过的附加光学长度，即nDm。这两个光束返回通过光学组件306，与参考光束干涉，并且被重新耦合到光纤304中，并被分离器/循环器引导到检测器模块，在其中由电子处理器分析干涉。假设编码器标尺是周期性光栅，则对于第1阶，这种配置具有两个干涉腔：参考光栅(RG)腔(具有等于nD的光学路径长度)和参考镜(RM)腔(具有等于nD+nDm的光学路径长度)。因此，RM腔对应于由第m阶衍射测试光束在反射器320和编码器标尺310之间行进的区域加上由入射和衍射测试光束在编码器标尺310和光学组件306之间行进的区域，而RG腔对应于由入射和衍射测试光束在编码器标尺310和光学组件306之间行进的区域。多重干涉产生附加的高阶腔，但这些暂时忽略。
两个第1阶腔的干涉随着光学频率的扫描而表现不同。由于RG腔，在检测器处的干涉对比度在扫描期间基本上是恒定的，因为光束的角度没有因扫描而变化，所以干涉相位可以由等式(3)来控制，在下面再现并且考虑光行进通过的光学介质的折射率n：
另一方面，由于RM腔，干涉对比度在第m阶衍射测试光束垂直撞击反射镜的波长处是最大的。从光栅等式(等式(4))，这在以下波长处发生
λm＝Λsin(θm)/m (11)
与RM腔相关的干涉相位将根据以下等式对平面内和平面外的光栅运动二者敏感：
由于RM腔中的光与图2的几何形状相比撞击光栅两次，与等式(6)相比，在第一项中存在2的附加因子。假设同时测量两个腔的相位，可以使用等式(10)和(12)来解出x和z位移。
由于两个腔具有不同的OPL，它们的干涉频率将不同，因此可以利用傅立叶变换(或其他类型的频率敏感滤波器)同时测量它们的相位。因此，图3的实施方式同时提供了测量x和z位移二者。注意，等式(12)描述了在固定波长处的相位行为，但是在该波长处的相位提取通过分析针对一定波长范围记录的调制强度来进行，如稍后将示出的。
如果编码器标尺是2维的，则可以放置另一反射镜以截取y衍射，这形成对应于测试光束在第二反射镜和编码器标尺310之间行进的区域加上由测试光束在编码器标尺310和光学组件306之间行进的区域的第三腔。来自该第三腔的输出光束的相位将根据以下等式对平面内和平面外光栅运动敏感：
组合等式(10)、(12)和(13)的三个相位测量提供了沿x、y和z的位移的同时测量。只要所有三个腔具有不同的OPL，所以相位在测量的输出光束中是频率可分离的，则所有三个相位测量可以用单个光学组件和相应的检测器模块进行。
未知参数Δx、Δy和Δz也可以通过监控图3所示的实施方式的负阶衍射来找到。例如，图4所示的编码器系统400类似于系统300，除了系统400包括第二腔，以测量来自编码器标尺310的第负m'阶衍射。第二腔对应于第m'阶衍射测试光束在第二反射器404和编码器标尺310之间行进的区域加上由入射测试光束和衍射测试光束在编码器标尺310和光学组件306之间穿过的区域。因此，第二腔的OPL可以表示为nDm’+nD。
由于等式(12)和(13)中的第一项对于负衍射阶改变符号，因此正负阶相位测量的合适线性组合可以用于将这些参数解耦。例如，将负衍射阶腔标记为m'，Δx和Δz可以用以下等式获得
并且对于Δy有类似的等式。
通常，|m|不需要等于|m'|，但是如果等于，则几何关系被简化。例如，如果m＝1，m'＝-1，则等式(14)和(15)减少为；
类似的等式可以使用y腔获得。如果对于x和y方向使用+和-阶二者，则可以利用附加的冗余来减少测量误差。然而，注意，由于单个通道(例如，通过光学组件和输出光纤)携带所有信息，所有5个腔(第0阶、两个正阶和两个负阶)必须具有不同的光学长度，使得相位在测量的输出光束中是频率可分离的。
例如，图5是示出了与图3的系统300类似的编码器系统500的示意图，其包括具有准直器516和参考表面518的光学组件506、编码器标尺510和反射镜520，以将衍射的测试光束偏转回到编码器标尺510。对比图3，反射镜520被布置为沿着x-z和y-z平面二者偏转+和-衍射阶。然而，注意，由于单个光学组件携带所有信息，所有5个腔(第0阶、两个正阶和两个负阶)必须具有不同的光学长度，使得相位是频率可分离的。这可以通过布置反射镜520使得每个反射镜520与其他三个反射镜相比位于距编码器标尺510不同的距离处来实现。
图1-3所示的三个实施方式具有概括在表1中的测量特性。对于该表，假设编码器系统使用单个光学组件/检测器模块和作为编码器标尺的2D光栅。对于每一列，编码器系统：测量自由度的变化(M)、对自由度的变化敏感(S)或对自由度的变化不敏感(I)。注意图2所示的实施方式，可以测量y轴，但是仅通过添加另一光学组件/检测器模块组合。
表1：对沿着6个自由度的运动的灵敏度
虽然图3-5所示的实施方式利用反射镜来创建光学腔，其他光学元件可以有利地替换。例如，图6A和6B是示出了两个可替代编码器系统布置的示意图，其中反射器分别包括屋顶反射镜602和角立方体回射器604。角立方体回射器是由三个相互垂直的平面反射镜的交叉(即，立方体的角)制造的光学器件。角立方体将反射撞击任何一个镜面的光束。屋顶反射镜或棱镜是由两个相互垂直的反射镜(即，立方体的边缘之一)制成的光学器件。它与角立方体不同之处在于，屋顶棱镜只能反射位于垂直于两个相互垂直的反射镜的平面中的光束。使用屋顶反射镜和回射器的优点在于，它们提高了编码器系统相对于编码器标尺的变化(例如，编码器标尺的错误倾斜和/或光栅结构的变化)或可能导致衍射测试光束的角度偏差的其它特征的公差。
图1-6所示的实施方式的另一优点在于，编码器系统不需要大量的部件并且可以形成为紧凑的，因为衍射的测试光束和参考光束沿着用于照明的相同光纤返回。尽管如此，其它实施方式也是可能的，其不需要沿着用于照明的相同路径发送参考光束和衍射测试光束。
例如，图7A是示出了编码器系统700的示意图，其中参考光束和测试光束与光学组件704分离地组合。特别地，来自光源模块702的准直输入光束经由光学组件704的准直光学器件传送到光束分离部件706。光束分离部件706将准直的输入光束分割成朝向检测器模块708重新定向的第一部分(例如，参考光束)和朝向编码器标尺710输送的第二部分(例如，测试光束)。一旦测试光束从编码器标尺710衍射，则其然后被反射器712(例如，反射镜)反射回到光束分离部件706，其中衍射的测试光束与参考光束组合以形成输出光束。检测器模块708检测输出光束以产生可由电子处理器(未示出)分析的干涉信号。第二腔具有由衍射光束从部件706的分束界面到编码器标尺710(图7A中的距离“a”)、从编码器标尺710到反射器712(图7A中的距离“b”)，并返回到分束界面(图7A中的距离“c”)行进的距离限定的对应OPL nDm。
如在其它实施方式中，相对于编码器标尺表面法线测量，衍射测试光束的角度将随着测试光束的光学频率的变化而变化，导致输出光束的干涉强度的相应变化。一旦为每个腔确定与最大干涉强度相关联的光学频率，则可以分析那些频率处的相位变化，以确定关于编码器标尺710的不同运动程度的信息。
图7B是示出了图7A所示的编码器系统的变化的示意图。在图7B中，编码器系统750包括分束元件706，但还包括与输入光纤751分离的第二光纤754，其联接到检测器模块756。包括参考光束和衍射测试光束的输出光束使用透镜758耦合到光纤754中。尽管透镜758在这里示出为与光纤754分离，但是透镜758可以联接到光纤754的端部。图7A和7B所示的实施方式的优点在于，它们使测试光束与编码器标尺的相互作用最小化，并且因此增加了编码器系统的辐射效率。也就是说，因为衍射本身由于产生多阶衍射光束而可能是低效的，所以有利的是减少测试光束实际被编码器标尺衍射的次数。当测试光束和编码器标尺之间存在较少的相互作用时，最终与参考光束干涉的衍射测试光束的强度可以更大，从而提高由电子处理器分析的干涉信号的信噪比。此外，另一优点是，重新耦合到光纤中提供了显著减少来自散射光的杂散干扰的空间滤波。
如上所述，重要的设计考虑是设置各种腔光学长度，使得可以从输出光束干涉信号中清楚地提取来自每个腔的信号相位。
由于对比度峰值，修改反射镜倾斜是另一种选择。具有不同OPL的腔可以在傅里叶域中被隔离，而修改反射镜倾斜在时域中隔离腔，因为干涉信号发生在波长扫描中的不同点。调整腔测试反射镜的倾斜是有利的，使得对于不同的腔在不同波长处发生最大干涉，从而允许干净的信号提取。
因此，测试反射镜倾斜是另一种编码器系统设计考虑。图8是示出了依赖于倾斜反射镜以在时域中隔离不同腔的编码器系统800的示例的示意图。类似于图3所示的编码器系统实施方式，系统800包括用于接收来自光源模块的输入光束的光纤804、分离器805、用于从输入光束导出测试光束812和参考光束(未示出)的光学组件806(具有准直器816和参考表面818)、编码器标尺810以及平面反射镜820。为了清楚起见，省略了系统800的测量对象、光源模块、检测器模块和电子处理器。反射镜820可绕一轴线(例如图8中的y轴)旋转。当反射镜820绕其轴线旋转时，与来自反射镜820的法线反射相关联的波长以及由此的最大干涉从λ偏移到λ'，其中λ'>λ。如图8所示，波长的这种偏移与衍射光束的角度中的增加相关联，该增加产生从θ到θ'的最大干涉。
在现实世界的情况下，编码器标尺运动还包括旋转以及平移，并且这些旋转改变光束经历的入射和衍射角。如果编码器标尺性质和波长扫描是公知的，则测量峰值对比度(λP)处的波长使得能够确定围绕垂直于由入射光束和衍射光束限定的平面的轴线的旋转。例如，考虑图9A的示意图中所示的几何形状和光束路径。实验室坐标系示出为z轴垂直且x轴水平。首先假设当编码器标尺表面法线与入射光束(其沿着z轴)对准时进行λP的测量并且称该测量为现在让光栅在页面平面内绕实验室原点旋转角度τ，正τ表示顺时针旋转(右手绘图)。由于提供入射光束的光学组件不移动，所以入射光束仍然与z轴对准，因此τ表示具有与Richardson光栅约定一致的符号的新入射角。峰值对比度波长现在将发生在实验室坐标系中的衍射角τ不改变的波长处。从图9B所示的光束路径和光栅等式，可以通过求解关于τ的超越方程来恢复倾斜角：
对于小τ，有用近似是；
假设光学组件和反射镜刚性地安装，因此仅编码器标尺表面相对于该组件移动，快速重复这些波长扫描并且利用傅里叶变换分析每个轨迹以获得在各个对比度峰值处的腔相位和波长提供了需要跟踪编码器标尺相对于组件的运动的所有信息。可以直接从峰值位置测量编码器标尺倾斜(围绕垂直于包含光束的平面的轴线)，并且以特定光学频率跟踪相位提供了光束光学路径的变化的高分辨率测量，其是平面内和平面外编码器标尺运动的混合。然后可以使用上述用于适当几何形状的等式来分离运动。因此，单个光学组件/检测器装置可以被配置用于编码器标尺运动的5个自由度：x，y和z中的位移以及关于x和y的旋转。
使用示例可以最好地理解峰值对比度的识别，无论是由于不同的腔OPL还是反射器倾斜。例如，考虑从类似于图4所示的示例性编码器系统几何形状获得的干涉强度的模拟，其中反射镜被布置为反射第1阶衍射测试光束，其中D＝10mm，Dm＝+1＝16mm，Dn＝-1＝12mm。在模拟中，照明是在100nm上调谐的并且中心在约1.45μm的波长。编码器标尺被假定为具有2.8μm的周期的光栅，使得λ＝1.4μm处的第1阶衍射角相对于编码器表面法线约为30度。由准直器焦距和单模光纤纤芯直径(通常约9μm)给出的光束直径将对比度衰减定义为角度的函数。假定用于正负衍射阶二者的反射镜被设置为相对于编码器标尺表面法线的相同角度，使得当测试光束被调谐到中心波长时，衍射测试光束正交地撞击反射镜。
在使用上述布置的第一测量中，假设编码器标尺是静止的。图10A中的图表示出了在光学频率线性增加的100nm调谐期间观察到的模拟系统的8192个干涉强度样本。注意在从第0阶腔的整个轨迹观察到的连续干涉。这是因为第0阶腔对比度不是波长的函数(但是依赖于测试光栅倾斜)。当来自+1和-1衍射阶腔的光干涉时，在中心附近观察到额外的干涉。这两个腔的干涉被限制在中心波长的附近(其发生在图10A所示的干涉强度轨迹的中心处)。
通过执行强度信号的傅里叶变换，干涉轨迹提供用于每个不同腔的相位和干涉对比度信息。例如,图10B中的图表示出了作为从顶图的干涉强度轨迹的傅立叶变换中导出的部分奈奎斯特中的频率的函数的功率谱。观察到六个峰，表示六个干涉腔。三个峰对应于迄今讨论的腔，即第0阶腔(参考和光栅表面之间的干涉)、+1阶腔(参考和左反射镜之间的干涉)和-1阶腔(参考和右反射镜之间的干涉)。剩余的峰表示两个测试反射镜之间的干涉、右反射镜与编码器标尺之间的干涉，以及左反射镜和编码器标尺之间的干涉。腔长度被选择为使得六个干涉峰被良好地分离。具体地，在频率0.116处的窄峰(几乎呈现为无限高延伸的单线)是第0阶腔，在0.255处的峰是-1阶腔，并且+1阶腔在0.302处。在0.047、0.140、0.186处的峰分别表示两个测试反射镜、具有-1阶反射镜的测试光栅和具有+1阶反射镜的测试光栅之间的干涉。每个腔的相位可以从相应峰的最大值处的复数傅立叶系数获得。
图11A是示出了对于图10A的图基于的相同的编码器系统几何形状的干涉强度轨迹的模拟的曲线图，但是用于-1阶腔的反射镜倾斜，使得在1.43μm的波长处发生最大干涉。如图11A所示，从-1阶腔产生的干涉现在移位到近似强度样本5500。此外，参考图11B，表示功率谱中的两个测试反射镜之间的干涉的峰(在图10B中在0.047处)已经消失，因为从两个反射镜反射的光不再一致。因此，该光谱区域清除了不期望的干涉信号，使得与该范围中的干涉频率相关联的附加腔可以被添加到编码器系统。
在腔端部处使用如平面反射镜的非色散元件意味着仅当波长被扫描时在短时间内观察到干涉对比度。这加宽和削弱了傅里叶域中的峰，导致降低的相位分辨率。因此，在一些情况下，增加观察到良好对比度干涉的时间可能是有利的。
例如，图12A是示出了依赖于透镜以增加观察到良好干涉的时间的干涉式编码器系统的示例的示意图。如在其他实施方式中，图12A所示的系统包括光学组件1206，其将测试光束1212朝向编码器标尺1210引导，并且从编码器标尺1210的反射和衍射之后接收测试光束。然而，与先前的实施方式不同，反射镜1220被放置在中间透镜1218的焦平面。中间透镜1218的定位增加了回射的衍射光束角度的范围，从而扩展了产生良好质量干涉的波长范围。
图12B是示出了依赖于第二衍射光栅以增加观察到良好干涉的时间的干涉式编码器系统的示例的示意图。光栅1222在透射中操作，其光栅周期近似等于编码器标尺1210的周期，使得光束(1214,1216)朝向反射镜1224重新定向。类似于图12A，图12B所示的布置通过补偿编码器标尺1210的色散还增加了记录在检测器模块处有良好对比度干涉的衍射光束角度的范围，并且因此扩展了产生期望回射的波长范围。
图12C是示出了依赖于第二衍射光栅1226以补偿编码器标尺色散并且因此增加扫描期间观察到良好干涉的时间的干涉式编码器系统的示例的示意图。在图12C的实施方式中，衍射光栅1226在反射Littrow条件中操作，其光栅周期近似等于编码器标尺1210的周期的一半，使得光束(1214,1216)朝向编码器标尺1210反射。类似于图12A-12B所示的实施方式，图12C的布置也增加了回射的衍射光束角度的范围，因此在扩展的波长范围内在检测器模块处提供了记录的良好的干涉对比度。
虽然可以通过随时间连续扫描光源的光学频率/波长来实现波长的变化，但是连续扫描不是必须的。相反，可以使用由许多离散波长组成的源，依次选择离散波长，并且在每个离散波长处对干涉进行采样。图13A-13B是示出了依赖于在不同波长处的输出光束的离散采样的编码器系统的两个可选实施方式的示意图。每个配置依赖于波长滤波器(在这种情况下是密集波分复用器(DWDM))，使得一次对一个离散波长进行采样。每个配置中的DWDM可以联接到电子处理器(未示出)，该电子处理器可操作以控制由DWDM选择哪个波长的光。图13A示出了具有多波长源1330(例如光谱宽带光源)的编码器系统1300，其中使用联接到光学组件上游的光纤1304(即在输入光束被分离成测试光束和参考光束之前)的DWDM 1332一次一个地选择离散波长。使用检测器模块中的单个高速检测器对输出光束的干涉进行采样。
图13B示出了编码器系统1350的替代配置，其中DWDM 1332联接到光学组件下游的光纤1304(即在衍射测试光束和参考光束组合之后)。与图13A所示的实施方式相比，DWDM 1332可以被配置为一次一个地或者同时离散地采样输出光束的多个波长。如果输出光束的多个波长同时被采样，则每个采样的输出光束可以从DWDM 1332传送到单个检测器或分离的对应检测器。因此，图13B中的实施方式由于同时采样与图13A的实施方式相比具有速度优点。图13B中的实施方式还可以由于使用多个检测器而需要更大的复杂性。
在一些实施方式中，光源可以包括多个单独可选择的窄带源的布置。可以一次一个地激励源，并且对于每个激励的源，可以对输出干涉进行采样。
在一些实施方式中，使用光谱宽带源(例如白光源)作为光源模块，并且代替调谐波长，宽的波长范围被同时使用。图14是示出了干涉式编码器系统1400的示例的示意图，其中通过同时引导来自宽带源1402的多个波长在编码器标尺1410处而获得输出干涉。来自源1402的照明通过光纤1404馈送到准直器组件1406并且朝向编码器标尺1410引导。编码器标尺1410将光衍射为多个衍射阶，其中一些被重新定向回到组件1406，在那里它们被重新耦合到光纤1404中。例如，第0阶衍射直接返回到组件1406。另外，非零衍射阶朝向反射镜1408光谱扩展(参见光谱1430)，其中至少一些衍射分量被反射回到编码器标尺1410(即法向入射或接近法向入射撞击反射镜的那些光谱分量)并且重新引导到组件1406。
与系统300和第一阶近似类似，形成三个光学腔：参考-光栅(RG)腔、参考-反射镜(RM)腔和光栅-反射镜(GM)腔。被重新耦合回到光纤1404中的光穿过分离器/循环器1414到达光谱仪组件/检测器模块1420。光谱仪组件1420包括用于将光准直的光学器件、用于接收准直光并且用于在空间上分离准直光的波长光谱的光栅(或其他色散元件)1440、用于将光引导到多元件检测器1444的光学元件1442以及多元件检测器1444。每个检测器元件接收小的光谱分量，但是每个分量由检测器1444同时获取。随后，来自每个元件的信号由电子处理器(未示出)处理，电子处理器联接到检测器1444以恢复各个频谱分量的振幅和相位。由每个元件截取的光谱分量的宽度优选地足够窄，使得由于所有期望的腔而观察到适当的对比度干涉。因此，分辨光栅的色散特性和要使用的检测器元件的数量取决于期望的对比度干涉和光谱分量的宽度。还可以使用其他类型的光谱仪。例如，检测器模块1420可以包括扫描型光谱仪，例如滤光轮、可调Fabry-Perot腔或具有倾斜光学器件的光栅。在一些实施方式中，检测器模块1420可以包括被动光谱仪，例如图14所示的那个，但具有不同的色散元件(例如折射楔)和聚焦光学器件。
如果假设多元件检测器1444的每个检测器元件检测到足够窄的光谱分量，使得在第1阶腔中观察到适当的对比度，则由检测器元件阵列获取的强度的同时分析可以提供通过在相同光谱范围上扫描波长而获得的相同信息。例如，在对在检测器模块处检测到的信号应用傅立叶变换之后，可以针对每个腔观察不同频率的峰，如图14的插图中所示。然而，由于来自每个检测器元件的信号被同时获取，所以系统1400可能对在波长扫描期间发生的腔运动不太敏感。尽管该方案具有潜在地需要更复杂的检测系统的缺点，但是根据可以使用系统1400的应用，减小的腔运动灵敏度可能是期望的优点。
本文所描述的系统和技术的其他实施方式也是可能的。例如，在一些实施方式中，干涉式编码器系统可包括多个光学组件，其中光学组件相对于编码器标尺在构造和布置方面类似于本文所述的组件。每个组件可以具有相应的输出光纤，并且多个组件的输出光纤可以布置成一条线。此外，系统可以包括被布置为从每个输出光纤接收光输出(即参考和衍射测量光束)的色散元件(例如光栅或折射楔)和对应的光学元件(例如透镜)。色散元件和对应的光学元件可以被配置为使得接收的光沿着与光纤对准的方向正交的方向光谱地扩展。然后可以将光谱扩展的输出光束导向表面检测器(例如电荷耦合检测器或互补金属氧化物半导体相机芯片)。由检测器记录的强度图案那么将对应于一个维度中的波长和另一正交维度中的不同光学组件。
在一些实施方式中，本文中所描述的干涉式编码器系统可包括一个或多个参考光源(例如参考波长激光源)，而不是从相同光源导出测试光束和参考光束。从独立源提供参考光束对于图14中所示的“瞬时”光谱仪布置可能是特别有用的，因为参考光束可以用于校准光谱仪。
一般来说，上述任何分析方法(包括确定关于编码器标尺的自由度的信息)可以在计算机硬件或软件或两者的组合中实现。例如，在一些实施方式中，联接到本文描述的各种实施方式中的检测器的电子处理器可以安装在计算机中并且被配置为执行从检测器模块获得的信号的分析。分析可以使用遵循本文所述的方法的标准编程技术在计算机程序中实现。将程序代码应用于输入数据(例如干涉测量的相位信息)以执行本文中所描述的功能且产生输出信息(例如自由度信息)。输出信息被施加到一个或多个输出装置，例如显示监视器。每个程序可以以高级程序语言或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，如果需要，程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，语言可以是编译或解释语言。此外，程序可以在为此目的预编程的专用集成电路上运行。
每个这样的计算机程序优选地存储在可由通用或专用可编程计算机读取的存储介质或设备(例如ROM或磁盘)上，用于当存储介质或设备被计算机读取时配置和操作计算机，以执行本文所述的程序。在程序执行期间，计算机程序也可以驻留在高速缓存或主存储器中。分析方法还可以被实现为配置有计算机程序的计算机可读存储介质，其中这样配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作，以执行本文所述的功能。
光刻工具应用
光刻工具在制造大规模集成电路(例如计算机芯片等)中使用的光刻应用中特别有用。光刻是半导体制造业的关键技术驱动力。覆盖层改进是下至16nm线宽(设计规则)以下的五个最困难的挑战之一，例如，参见International Technology Roadmap for Semiconductors(2010年更新)。
覆盖层直接取决于用于定位晶片和掩模母版(或掩模)台的计量系统的性能，即准确度和精度。由于光刻工具可以产生50-100百万美元/年的产品，所以来自改进的计量系统的经济价值是相当大的。光刻工具的产量的每1％的增加导致对集成电路制造商大约1百万美元/年的经济益处和对光刻工具供应商的显著的竞争优势。
光刻工具的功能是将空间图案化的辐射引导到光致抗蚀剂涂覆的晶片上。该过程包括确定晶片的哪个位置接收辐射(对准)并将辐射施加到该位置处的光致抗蚀剂(曝光)。
在曝光期间，辐射源照射图案化掩模母版，其散射辐射以产生空间图案化的辐射。掩模母版也称为掩模，并且这些术语在下面可互换使用。在缩小光刻的情况下，缩小透镜收集散射辐射并形成掩模母版图案的缩小图像。可替代地，在接近打印的情况下，散射辐射在接触晶片之前传播小的距离(通常为微米量级)以产生掩模母版图案的1:1图像。辐射在抗蚀剂中引发光化学过程，其将辐射图案转化为抗蚀剂内的潜像。
为了正确地定位晶片，晶片包括晶片上的对准标记，其可以通过专用传感器测量。测量的对准标记的位置限定晶片在工具内的位置。该信息连同晶片表面的期望图案化的规格一起指导晶片相对于空间图案化辐射的对准。基于这样的信息，支撑光致抗蚀剂涂覆的晶片的可平移台移动晶片，使得辐射将暴露晶片的正确位置。在某些光刻工具中，例如光刻扫描器，掩模也位于可移动台上，该移动台在曝光期间与晶片一致移动。
诸如先前讨论的编码器系统是控制晶片和掩模母版的位置并且将掩模母版图像配准在晶片上的定位机构的重要部件。如果这样的编码器系统包括上述特征，则可以在没有离线维护的情况下在较长时间内增加和/或维持由系统测量的距离的精度，从而由于增加的产量和较少的工具停机时间，导致较高的生产量。
通常，光刻工具(也称为曝光系统)通常包括照明系统和晶片定位系统。照明系统包括用于提供诸如紫外线、可见光、x射线、电子或离子辐射等辐射的辐射源以及用于将图案赋予辐射的掩模母版或掩模，从而产生空间图案化的辐射。此外，对于缩小光刻的情况，照明系统可以包括用于将空间图案化的辐射成像到晶片上的透镜组件。成像的辐射曝光涂覆在晶片上的抗蚀剂。照明系统还包括用于支撑掩模的掩模台和用于相对于经由掩模引导的辐射调节掩模台的位置的定位系统。晶片定位系统包括用于支撑晶片的晶片台和用于相对于成像的辐射调节晶片台的位置的定位系统。集成电路的制造可以包括多个曝光步骤。关于光刻的一般参考文献，例如参见J.R.Sheats和B.W.Smith的Microlithography：Science and Technology(Marcel Dekker，Inc.，New York，1998)，其内容通过引用并入本文。
上述的编码器系统可以用于精确地测量晶片台和掩模台中的每一个相对于曝光系统的其它部件(例如透镜组件、辐射源或支撑结构)的位置。在这种情况下，编码器系统的光学组件可以附接到固定结构，并且编码器标尺附接到可移动元件，例如掩模和晶片台中的一个。可替代地，可以颠倒该情况，其中光学组件附接到可移动物体并且编码器标尺附接到静止物体。
更一般地，这样的编码器系统可以用于测量曝光系统的任何一个部件相对于曝光系统的任何其他部件的位置，其中光学组件附接到部件中的一个或由其支撑，编码器标尺附接到另一个部件或由其支撑。
在图15中示出了使用干涉测量系统1826的光刻工具1800的示例。编码器系统用于精确地测量曝光系统内的晶片(未示出)的位置。这里，台1822用于相对于曝光站定位和支撑晶片。扫描器1800包括框架1802，框架1802承载其他支撑结构和承载在那些结构上的各种部件。曝光基座1804在其顶部安装有透镜外壳1806，透镜外壳1806的顶部安装有掩模母版或掩模台1816，其用于支撑掩模母版或掩模。通过元件1817示意性地示出了用于相对于曝光站定位掩模的定位系统。定位系统1817可以包括例如压电换能器元件和相应的控制电子器件。尽管它不包括在该描述的实施方式中，但是上述编码器系统中的一个或多个还可以用于精确地测量掩模台以及其它可移动元件的位置，其中在制造光刻结构的工艺中必须精确地监测可移动元件的位置(参见Sheats和Smith的Microlithosraphy：Science and Technology)。
悬挂在曝光基座1804下方的是支撑基座1813，其承载晶片台1822。台1822包括测量对象1828，其用于衍射由光学组件1826导向该台的测量光束1854。用于相对于光学组件1826定位台1822的定位系统由元件1819示意性地指示。定位系统1819可以包括例如压电换能器元件和相应的控制电子器件。测量对象衍射测量光束，反射回到安装在曝光基座1804上的光学组件。编码器系统可以是先前描述的任何实施方式。
在操作期间，辐射光束1810(例如来自UV激光器(未示出)的紫外线(UV)束)穿过束成形光学组件1812，并且在从反射镜1814反射之后向下行进。此后，辐射光束穿过由掩模台1816承载的掩模(未示出)。掩模(未示出)经由透镜外壳1806中承载的透镜组件1808成像到晶片台1822上的晶片(未示出)上。基座1804和由其支撑的各个部件通过由弹簧1820描绘的阻尼系统与环境振动隔离。
在一些实施方式中，先前描述的编码器系统中的一个或多个可以用于测量沿着多个轴线的位移和与例如但不限于晶片和掩模母版(或掩模)台相关联的角度。此外，除了UV激光束，可以使用其它光束来曝光晶片，包括例如x射线束、电子束、离子束和可见光束。
在某些实施方式中，光学组件1826可以被定位为测量掩模母版(或掩模)台1816或扫描器系统的其它可移动部件的位置的变化。最后，除了或代替扫描器，编码器系统可以以类似的方式与包括步进器的光刻系统一起使用。
如本领域所公知的，光刻是制造半导体器件的制造方法的关键部分。例如，美国专利5,483,343概述了这种制造方法的步骤。这些步骤在下面参照图16A和16B进行描述。图16A是制造半导体器件(例如半导体芯片(例如，IC或LSI)，液晶面板或CCD)的顺序的流程图。步骤1951是用于设计半导体器件的电路的设计工艺。步骤1952是基于电路图案设计制造掩模的工艺。步骤1953是通过使用诸如硅的材料制造晶片的工艺。
步骤1954是称为预处理的晶片工艺，其中通过使用如此准备的掩模和晶片，通过光刻在晶片上形成电路。为了在晶片上形成与掩模上的那些图案足够的空间分辨率对应的电路，光刻工具相对于晶片的干涉定位是必要的。本文所述的干涉测量方法和系统可特别地用于改善晶片工艺中使用的光刻的有效性。
步骤1955是组装步骤，其被称为后处理，其中将通过步骤1954处理的晶片形成为半导体芯片。该步骤包括组装(切割和粘合)和封装(芯片密封)。步骤1956是检查步骤，其中执行通过步骤1955生产的半导体器件的可操作性检查、耐久性检查等。利用这些工艺，半导体器件完成并且被装运(步骤1957)。
图16B是示出了晶片工艺的细节的流程图。步骤1961是用于氧化晶片表面的氧化工艺。步骤1962是用于在晶片表面上形成绝缘膜的CVD工艺。步骤1963是通过气相沉积在晶片上形成电极的电极形成工艺。步骤1964是用于将离子注入晶片的离子注入工艺。步骤1965是用于将抗蚀剂(感光材料)施加到晶片的抗蚀剂工艺。步骤1966是用于通过上述曝光装置在晶片上印刷(通过曝光(即光刻))掩模的电路图案的曝光工艺。再次，如上所述，本文所述的干涉测量系统和方法的使用提高了这样的光刻步骤的精度和分辨率。
步骤1967是用于显影曝光的晶片的显影工艺。步骤1968是用于移除显影的抗蚀剂图像之外的部分的蚀刻工艺。步骤1969是用于分离在经历蚀刻工艺之后残留在晶片上的抗蚀剂材料的抗蚀剂分离工艺。通过重复这些工艺，形成电路图案并将其叠加在晶片上。
上述编码器系统还可以用于需要精确地测量物体的相对位置的其它应用中。例如，在其中诸如激光，x射线，离子或电子束的写入光束随着基底或光束移动而将图案标记到基底上的应用中，编码器系统可以用于测量基底和写入光束之间的相对运动。
已经描述了多个实施方式。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！