干涉式编码器系统的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年10月13日提交的美国临时申请no.62/063261的权益，该美国临时申请的内容作为引用全部并入本文。
本公开涉及一种干涉式编码器系统。
背景技术：
干涉式编码器可执行机械台相对于参考系的位置的高精度测量。为此，编码器头安装到台，周期性光栅结构(例如编码器标尺(scale))安装到参考系，或者反之亦然。与自由空间距离测量干涉仪相比，这可具有显著缩短空气中的路径从而减少空气湍流的影响。通常，必须在多个维度中监测台运动，从而要求一般使用不同光栅衍射级的多个测量波束。
在空间十分有限且各台以几十m/s2加速(例如在光刻步进机中)的干涉式编码器的应用中，有动机保持测量方案的各部件尽可能紧凑和轻量。关于编码器头，减少尺寸和重量的一种方式是选择小的波束尺寸，从而使得相同编码器头的缩小版成为可能。然而，结果，编码器对小等级光栅误差的灵敏度增加，因为波束尺寸上的平均效果降低。而且，取决于波束几何形状，该方法可限制沿光栅法线的测量范围，在光栅法线上，编码器可维持强干涉信号(例如测量波束可与参考波束交叉并损失重叠)。
技术实现要素：
本公开涉及减小干涉式编码器的尺寸和重量。本文公开的技术需要使干涉式编码器的波束路由，使得最小化编码器标尺上的所需空间(例如最小化波束覆盖区)和/或可以使用用于多个测量波束的玻璃部件，而不需要减少波束尺寸。特别地，通过允许多个测量波束的覆盖区在编码器标尺上重叠并在编码器标尺的第一和最后一级衍射之前传播穿过编码器头中的相同体积的玻璃，紧凑的编码器构造是可能的。作为有利措施，编码器头光学系统设计成提供波束之间的轻微角分隔，使得单个聚焦透镜可以将波束引导到分离的检测器。
总体上，在第一方面，本公开的主题涵盖一种编码器干涉测量系统，其包括多个光学部件，多个光学部件构造成并布置成将测量波束引导至编码器标尺以产生多个二次衍射测量波束，多个二次衍射测量波束中的两个沿具有角分隔α的非平行波束路径传播，两个二次衍射波束的非平行波束路径至少部分地重叠；第一检测器，布置成接收两个二次衍射测量波束之一和第一参考波束；第二检测器，布置成接收两个二次衍射测量波束中的另一个和第二参考波束中；以及电子处理器，构造成从第一和第二检测器中的每个接收干涉信号(每个干涉信号包括与编码器标尺和编码器头之间的相对位移有关的相位)，并基于每个干涉信号的相位确定与编码器头或编码器标尺的自由度相关的信息。
各实施例可包括下列特征中的一个或多个。例如，在一些实施例中，多个光学部件包括：第一回射器、第一波片和第一双折射楔形棱镜，布置成从编码器标尺接收第一一次衍射测量波束，并将第一一次衍射测量波束重新引导返回编码器标尺；第二回射器、第二波片和第二双折射楔形棱镜，布置成从编码器标尺接收第二一次衍射测量波束，并将第二一次衍射测量波束重新引导返回编码器标尺。
在一些实施例中，多个光学部件包括：第一回射器和第一楔形棱镜，第一楔形棱镜布置成接收第一一次衍射测量波束的单次通过；以及第二回射器和第二楔形棱镜，第二楔形棱镜布置成接收第二一次衍射测量波束的单次通过。
在一些实施例中，编码器干涉测量系统还包括：聚焦透镜，定位成接收第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束；以及包括第一光纤和第二光纤的装置，第一光纤定位成接收两个二次衍射测量波束之一和第一参考波束，第二光纤定位成接收两个二次衍射测量波束中的另一个和第二参考波束，第一光纤的入口表面与第二光纤的入口表面分开一距离d＝(α)(f)，d，f是聚焦透镜的焦距。
在一些实施例中，多个光学部件构造并布置成：从编码器标尺接收第一一次衍射测量波束；从编码器标尺接收第二一次衍射测量波束；以及将第一和第二一次衍射测量波束重新引导到编码器标尺上的大致相同区域。大致相同区域包括例如小于波束半径的波束之间的分隔。
在一些实施例中，第一一次衍射测量波束包括正第一级衍射波束，第二一次衍射测量波束包括负第一级衍射波束。
在一些实施例中，多个光学部件包括：第一反射器元件，具有布置成接收并将第一一次衍射测量波束重新引导至编码器标尺的至少两个反射分面，第一反射器的至少两个反射分面之间的角度大于或小于90度；第二反射器元件，具有布置成接收并将第二一次衍射测量波束重新引导至编码器标尺的至少两个反射分面，第二反射器的至少两个反射分面之间的角度大于或小于90度。
在一些实施例中，编码器干涉测量系统还包括：编码器标；以及可移动台，编码器标尺或编码器头附接到可移动台。
在一些实施例中，多个光学部件包括分束元件，其构造并布置成：接收第一参考波束和第二参考波束；以及将第一参考波束和第二参考波束分别与两个二次衍射测量波束之一和两个二次衍射测量波束中的另一个组合起来，以形成第一输出波束和第二输出波束。
在一些实施例中，多个光学部件还构造并布置成将第二波束引导到编码器标尺以产生多个二次衍射第二波束，二次衍射第二波束包括第一参考波束和第二参考波束，第一参考波束和第二参考波束沿具有角分隔α的非平行波束路径传播，第一参考波束和第二参考波束的非平行波束路径至少部分地重叠。
在一些实施例中，多个光学部件包括多个参考光学部件，参考光学部件构造并布置成：接收第二波束；从第二波束产生第一参考波束和第二参考波束，第一参考波束和第二参考波束沿具有角分隔α的非平行波束路径传播。多个参考光学部件可包括衍射光栅。多个参考光学部件可包括：分束部件、第一反射表面和第二反射表面，分束部件布置成将第二波束分为第一参考波束和第二参考波束，将第一参考波束引导到第一反射表面，将第二波束引导至第二反射表面，并在第一和第二参考波束分别从第一和第二反射表面反射之后接收和组合第一和第二参考波束，第一反射表面的面向分束部件的第一侧的平面与分束部件的第一侧不平行，第二反射表面的面向分束部件的第二侧的第二反射表面与分束部件的第二侧不平行。多个参考光学部件可包括布置成接收第二波束的第一四分之一波偏振器、第二四分之一波偏振器、第一和第二四分之一波偏振器之间的双折射楔形部件以及回射器，回射器布置成：从第二四分之一波偏振器接收第一参考波束和第二参考波束；以及将第一参考波束和第二参考波束重新引导至第二四分之一波偏振器。多个参考光学部件可包括：回射器和衍射光栅，回射器布置成接收第二波束，并将第二波束重新引导至衍射光栅，衍射光栅布置成用从回射器接收的第二波束产生第一和第二参考波束。多个参考光学部件可包括反射表面和楔形棱镜，反射表面布置成接收第二波束，并将第二波束重新引导至楔形棱镜，楔形棱镜布置成从反射表面接收第二波束，以产生第一和第二参考波束。
多个参考光学部件可包括：回射器，布置成接收和重新引导第二波束；偏振元件，布置成从回射器接收重新引导的第二波束；以及双折射楔形棱镜对，布置成从偏振元件接收第二波束，并产生第一和第二参考波束。
总体上，在另一方面中，本公开的主题可涵盖一种编码器干涉测量系统，包括：编码器头，编码器头构造成将光引导至编码器标尺，以产生多个二次衍射测量波束，编码器头包括布置成从光源接收输入波束的单个光学元件，光学元件构造成沿测量路径引导输入波束的第一部分以限定测量波束，光学元件还构造并布置成从编码器标尺接收第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束，并将第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束朝向编码器标尺重新引导，以产生第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束，使得第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束沿具有角分隔α的非平行波束路径传播穿过在编码器标尺处位于第二衍射之后的光学元件，第一和第二二次衍射波束的非平行波束路径至少部分地重叠；第一检测器，布置成接收第一二次衍射测量波束和第一参考波束；第二检测器，布置成接收第二二次衍射测量波束和第二参考波束；以及电子处理器，构造成从第一和第二检测器中的每个接收干涉信号，并基于每个干涉信号的相位确定与编码器头或编码器标尺的自由度有关的信息，每个干涉信号包括与编码器标尺和编码器头之间的相对位移有关的相位。
各实施例可包括下列特征中的一个或多个。例如，在一些实施例中，单个光学元件包括：布置成重新引导第一一次衍射测量波束的至少两个反射分面，布置成重新引导第一一次衍射测量波束的至少两个反射分面之间的角度大于或小于90度；以及布置成朝向编码器标尺重新引导第二一次衍射测量波束的至少两个反射分面，布置成朝向编码器标尺重新引导第二一次衍射测量波束的至少两个反射分面之间的角度大于或小于90度。
在一些实施例中，该系统还包括：聚焦透镜，定位成从单个光学元件接收第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束；以及包括第一光纤和第二光纤的装置，第一光纤定位成接收第一二次衍射测量波束，第二光纤定位成接收第二二次衍射测量波束，第一光纤的入口表面与第二光纤的入口表面分开一距离d，d＝(α)(f)，f是聚焦透镜的焦距。
在一些实施例中，单个光学元件构造并布置成重新引导第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束至编码器标尺上的大致相同区域。大致相同区域可包括例如小于波束半径的波束之间的分隔。
在一些实施例中，第一一次衍射测量波束包括正第一级衍射波束，第二一次衍射测量波束包括负第一级衍射波束。
在一些实施例中，该系统还包括：编码器标尺；以及可移动台，编码器标尺或编码器头附接到可移动台。
在一些实施例中，该系统还包括编码器标尺；可移动台，编码器系统或编码器标尺附接到可移动台；照明系统，包括辐射源，在光刻系统操作期间，辐射源将辐射引导至由可移动台支撑的物体；以及定位系统，联接到编码器干涉测量系统的电子处理器，并构造成基于与自由度有关的信息调节台的位置。
总体上，在另一方面中，本公开的主题可涵盖一种方法，包括：从编码器头将输入波束的一部分引导到编码器标尺，输入波束的该部分通过编码器标尺被衍射成第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束；在从编码器标尺衍射之后，在编码器头接收第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束；从编码器头朝向编码器标尺重新引导第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束，以产生第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束，使得第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束沿具有角分隔α的非平行波束路径传播通过编码器头，两个二次衍射波束的非平行波束路径至少部分地重叠；在第一检测器处接收包括第一二次衍射测量波束和第一参考波束的第一输出波束，以产生第一干涉信号；在第二检测器处接收包括第二二次衍射测量波束和第二参考波束的第二输出波束，以产生第二干涉信号，每个干涉信号包括与编码器标尺和编码器头之间的相对位移有关的相位；在电子处理器处接收第一和第二干涉信号；以及通过电子处理器基于每个干涉信号的相位确定与编码器标尺或编码器头的自由度相关的信息。
各实施例可包括下列特征中的一个或多个。例如，在一些实施例中，该方法还包括使第一输出波束和第二输出波束通过焦距f的透镜；分别在第一光纤和第二光纤处从透镜接收第一输出波束和第二输出波束，第一输出波束在第一光纤的入口表面处与第二输出波束在第二光纤的入口表面处的空间分隔d定义为d＝(α)(f)；以及使第一输出波束和第二输出波束从第一光纤和第二光纤分别传到第一检测器和第二检测器。
在一些实施例中，将第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束重新引导返回编码器标尺包括将第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束重新引导到编码器标尺上的大致相同区域。大致相同区域可以包括例如小于波束半么的波束之间的分隔。
在一些实施例中，将第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束重新引导返回编码器标尺包括：使第一一次衍射测量波束通过第一波片和第一双折射楔形棱镜到达第一回射器；重新引导第一一次衍射测量波束返回通过第一波片和第一双折射楔形棱镜；使第二一次衍射测量波束通过第二波片和第二双折射楔形棱镜到达第二回射器；以及重新引导第二一次衍射测量波束返回通过第二波片和第二双折射楔形棱镜。
在一些实施例中，重新引导第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束返回编码器标尺包括：使第一一次衍射测量波束传到第一回射器；在第一一次衍射测量波束到达第一回射器之前或之后，使第一一次衍射测量波束通过第一楔形棱镜一次；使第二一次衍射测量波束通过第二回射器；以及在第二衍射测量波束到达第二回射器之前或之后，使第二一次衍射测量波束通过第二楔形棱镜一次。
在一些实施例中，重新引导第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束返回编码器标尺包括：使第一一次衍射测量波束传到包括三个反射分面的第一角棱镜反射器(cornercubereflector)，第一角棱镜反射器的相邻反射分面中的至少两个之间的角度大于或小于90度；以及使第二一次衍射测量波束传到包括三个反射分面的第二角棱镜反射器，第二角棱镜反射器的相邻反射分面中的至少两个之间的角度大于或小于90度。
在一些实施例中，编码器头包括具有多个反射分面的整体式光学元件，整体式光学元件的相邻反射分面之间的角度大于或小于90度。
在一些实施例中，第一一次衍射测量波束包括正第一级衍射波束，第二一次衍射测量波束包括负第一级衍射波束。
在一些实施例中，该方法还包括在第二次衍射之后，在编码器头中分别组合第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束与第三衍射测量波束和第四衍射测量波束以产生第一输出波束和第二输出波束，第三衍射测量波束和第四衍射测量波束具有与第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束之间的角分隔相同的角分隔，第三衍射测量波束和第四衍射测量波束源自输入波束。
总体上，在另一方面中，本公开的主题可涵盖一种编码器干涉测量系统，包括：编码器头，编码器头包括多个光学元件，多个光学元件布置并构造成朝向编码器标尺引导第一测量波束和第二测量波束以产生第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束，从编码器标尺接收第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束，朝向编码器标尺重新引导第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束以产生第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束，使得在编码器标尺处第二次衍射之后，第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束沿具有角分隔α的非平行波束路径传播，并分别组合第一二次衍射测量波束和第二二次衍射测量波束与第三波束和第四波束，非平行波束路径至少部分地重叠，第三波束和第四波束具有相同的角分隔α，使得第一二次衍射测量波束和第三波束沿第一共线性路径传播，第二二次衍射测量波束和第四波束沿第二共线性路径传播；第一检测器，布置成接收第一二次衍射测量波束和第三波束；第二检测器，布置成接收第二二次衍射测量波束和第四波束；以及电子处理器，构造成从第一和第二检测器的每个接收干涉信号，并基于每个干涉信号的相位确定与编码器头或编码器标尺的自由度有关的信息，每个干涉信号包括与编码器标尺和编码器头之间的相对位移有关的相位。
各实施例可包括下列特征中的一个或多个。例如，在一些实施例中，多个光学部件包括：至少一个回射器元件；至少一个波片；至少一个光学楔形元件，波片中的至少一个和光学楔形元件中的至少一个以定位在第一一次衍射测量波束的波束路径中的对应波片-楔形件对布置。
在一些实施例中，该系统包括两个回射器元件和第二波片-楔形件对，第一回射器元件定位成从第一波片-楔形件对接收第一一次衍射测量波束和/或将第一一次衍射测量波束重新引导至第一波片-楔形件对，第二回射器元件定位成从第二波片-楔形件对接收第二一次衍射测量波束和/或将第二一次衍射测量波束重新引导至第二波片-楔形件对。
在一些实施例中，该系统包括单个回射器元件和至少两个波片-楔形件对，单个回射器元件是具有多个回射角部的立方体状光学元件，立方体状光学元件定位成：在第一回射角部从第一波片-楔形件对接收第一一次衍射测量波束，将第一一次衍射测量波束重新引导返回第一波片-楔形件对，在第二回射角部从第二波片-楔形件对接收第二一次衍射测量波束，并将第二一次衍射测量波束重新引导返回第二波片-楔形件对。
在一些实施例中，该系统包括编码器标尺。
在一些实施例中，该系统包括：三个回射元件；两个非双折射楔形元件；双折射楔形元件；以及两个波片，第一非双折射楔形元件定位在第一回射器元件的输入或输出表面，第二非双折射楔形元件和第一波片定位在第二回射器元件的输入或输出表面，双折射楔形元件和第二波片定位在第三回射器元件的输入或输出表面，第一和第二回射器元件布置成从彼此跨过，使得第一和第二回射器元件从编码器标尺分别接收第一一次衍射测量波束和第二一次衍射测量波束，第一一次衍射测量波束的波束路径和第二一次衍射测量波束的波束路径位于相同的第一平面中，第三回射器元件布置成从编码器标尺接收沿位于与第一平面正交取向的第二平面中的波束路径传播的第三一次衍射测量波束，双折射楔形元件和第二波片布置成将第三一次衍射测量波束分为两个分离的波束，两个分离的波束在从编码器标尺衍射之后对应于第三和第四波束。
各光学部件设计可用于实现测量波束之间的轻微角分隔，包括例如具有分面之间的设计好的非90度角的准回射部件以及可选地可以是或不是双折射的额外楔形棱镜。如本文所使用的，术语“光学部件”有时还称为“光学元件”，并且在某些实施方式中可以理解为包括光学仪器中的影响行进穿过仪器的光的部件或元件，比如透镜、棱镜或反射镜。
本文所公开的系统和方法的优点包括例如减少由干涉式编码器使用的重量和空间。减少重量和空间需求可以是由于一个或多个因素，比如增加了可以在多个测量波束之间共享的光学部件的数量，减少了一个或多个光学部件的尺寸，使用仅需要单个透镜来耦合到多个光纤的光纤耦合组件，使用较小的分束器来分离和重新组合测量波束和参考波束，因为分速器的体积在多个波束之间共享，和/或由于更小的组合波束覆盖区而使用更小的编码器标尺。本文公开的系统和方法的另一优点是减少成本需求，这还可归因于上述一个或多个因素。另一优点在于，在一些实施方式中，可以避免来自一些寄生波束路径的测量误差。另一优点在于，在一些实施方式中，可以消除编码器标尺基板误差对横向位置测量的影响，如果使用正负衍射级的通道的覆盖区是相同的话。另一优点在于，在一些实施方式中，如果使用正负衍射级的通道的覆盖区是相同的，则可以消除全息编码器标尺误差对正交于表面的位置测量的影响。另一优点在于，在一些实施方式中，由于共同的路径特性，对于涉及计算各通道之间的干涉相位差的测量(例如对于检查光栅平面中的运动)，存在减少的飘移。
一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中阐述。其它特征和优点从说明书、附图和权利要求中是明显的。
附图说明
图1是干涉式光学编码器系统的实施例的示意图。
图2是干涉式光学编码器系统的实施例的示意图。
图3是干涉式光学编码器系统的实施例的示意图。
图4a和4b是干涉式光学编码器系统的示意图。
图5a是干涉式光学编码器系统的编码器头的实施例的示意图。
图5b是示出不完全的(imperfect)回射器的二维侧视图的示图。
图5c是示出回射器和楔形棱镜的二维侧视图的示图。
图6是干涉式光学编码器系统的编码器头的实施例的示意图。
图7a-7f是示出编码器头的光学元件的示例的示图，光学元件布置成对参考波束施加角分隔。
图8是示出具有两个输出通道的编码器头的示例的示图，每个输出通道布置成检测已由编码器标尺衍射的两个波束之间的干涉。
图9是示出图8所示编码器头布置的剖视图的示图。
图10a-10b是示出局部参考干涉仪相对于准直器/耦合光学系统的可能位置的示图。
图11是示出编码器头的示例的示图。
图12是示出图11的示例编码器头的顶视图的示图。
图13是包括干涉仪的光刻工具的实施例的示意图。
图14a和14b是描述制造集成电路的步骤的流程图。
具体实施方式
光学干涉仪用于在多种设定中进行精确测量。例如，半导体光刻系统使用激光干涉仪测量位移，并以纳米精度精确地定位台。在这些系统中，对准空腔运动的激光束从附接到移动物体的反射镜反射，并与充分参考的另一波束干涉。每次波束路径改变一波长，干涉相位改变2π，所以干涉相位提供了空腔长度的改变的测量。外差或零差技术常规地用于得到干涉相位。通常在这些系统中，测量光束在空气中行进长距离。如果波束路径中的空气的折射率改变(即使是局部地改变)，该改变也会使其本身呈现为明显的位移。该明显的位移构成测量误差，空气路径越长，该误差越可能严重。
一类具有显著更短的空气路径的位移测量干涉仪是干涉式编码器。编码器通过确定从周期结构(通常为光栅)反射的波束的相移来测量横向于测量波束的位移。因为图案化表面在波束下方移动，所以激光束的相位在每个图案周期期间漂移2π。那么波束相位的高精度测量值(或者部分地从测量波束中得到的干涉波束的相位)允许以图案周期的一小部分进行位移测量。测量的运动横向于波束的事实允许显著减少空腔长度，因此减少波束空气路径，从而最小化大气折射率波动。与基本干涉式编码器设计相关的其它细节可以例如在deck等人的美国专利no.8300233(interferometricencodersystems)中找到，该专利的主题作为引用全部并入本文。
干涉式编码器可以设计成降低对光栅倾斜的敏感度。这通过双程几何开关来实现，在第一衍射事件时被传递到波束的倾斜在第二衍射事件时被补偿。这种系统的详细讨论可以在例如groot等人的美国专利申请出版物no.2013/0114061(doublepassinterferometricencodersystem)中找到，该专利申请的主题作为引用全部并入本文。双程几何形状还增加了对光栅运动的灵敏度，因为两个衍射事件均使测量波束的相位每光栅周期漂移2π。在衍射事件之间，要求一些类型的反射光学系统朝向光栅重新引导波束。通常，这涉及回射器，有时与额外的分束器和/或折射或衍射波束控制部件组合。在波束路径中具有回射器可提供便利的方式来实现波束在正好与输入波束的方向相反的方向上返回。如果施加到测量和参考波束，则这保证共方向性，因此在重新组合波束之后保证良好的干涉对比。
一些光学编码器使用多个测量波束来探查光栅，每个测量波束对应于光栅的不同衍射级。每个返回的衍射测量波束与相关的参考波束或另一测量波束干涉，对于每个干涉的测量波束-参考波束对(即对于每个“通道”)，检测干涉相位。通过以各种方式组合多个得到的干涉相位，可以区分各方向上的运动，例如光栅平面中的运动与正交于光栅的运动。为了避免源自另一测量波束的光污染一个测量波束，典型的多个波束编码器设计保持波束物理地分隔一安全边界。保持测量波束处于这样的距离可能会妨碍或干扰对系统重量和体积的减小。
本文公开的技术消除了在多个返回的衍射测量波束之间提供显著间隔的需求。这通过在返回的波束之间提供有目的的角度差而完成。分隔角度选择成足够小以便波束可名义上一般地行进通过编码器头的一个或多个光学部件，并且选择成足够大以便波束可被引导至分离的检测器，使得干涉相位不会被相应其它通道污染。对于最大紧凑度和辐射效率，多个通道的输入可以是借助衍射而分为多个波束(例如1d光栅的+1和-1级或者2d光栅的(+1,0)(-1,0)(0,+1)和(0,-1)级)的单个波束。在一些情况下，输入波束和所有返回的波束共享光栅上的相同的名义覆盖区。
干涉式外差光学编码器系统
在描述引入返回的衍射测量波束之间的分隔角度的干涉式编码器实施方式之前，首先回顾典型干涉式编码器的操作是有利的。参见图1，干涉式外差光学编码器系统100的示例包括光源模块120、光学组件110、测量物体101、检测器模块130(例如包括偏振器和检测器)和电子处理器150。一般地，光源模块120包括光源(例如包括激光)，并还可包括其它部件，比如波束整形光学系统(例如透镜和光准直光学系统)、光引导部件(例如光纤波导)和/或偏振操纵光学系统(例如偏振器和/或波片)。光学组件还称为“编码器头”。示出了笛卡尔坐标系以备参考。
测量物体101定位成沿z轴与光学组件110相距一名义距离。在许多应用中，比如编码器系统用于监测光刻工具中的晶片台或掩模母版台的位置，测量物体101相对于光学组件在x和/或y方向上移动，同时名义地保持与光学组件相对于z轴的恒定距离。该恒定距离可以比较小(例如几厘米或更小)。然而，在这种应用中，测量物体的位置通常会从名义上的恒定距离变化一小量，测量物体在笛卡尔坐标系内的相对取向也会变化一小量。在操作期间，编码器系统100监测测量物体101相对于编码器头110的那些自由度中的一个或多个，包括测量物体101相对于x轴的位置，并且在某些实施例中还包括测量物体101相对于y轴和/或z轴和/或相对于俯仰和偏航角方位的位置。在一些实施例中，编码器头可以相对于测量物体101移动，而在另外一些实施例中，测量物体101和编码器头两者可以移动。
为了监测测量物体101的位置，源模块120将输入波束122引导到编码器头110。编码器头110从输入波束122中得到测量波束112，并将测量波束112引导到测量物体101。编码器头110还从输入波束122中得到参考波束(未示出)，并沿与测量波束不同的路径引导参考波束。例如，编码器头110可包括分束器，其将输入波束122分为测量波束112和参考波束。测量波束和参考波束可具有正交偏振(例如正交线偏振)。
测量物体101包括编码器标尺105，其是将来自编码器头的测量波束衍射为一个或多个衍射级的测量刻度。总体上，编码器标尺可包括各种不同的衍射结构，比如光栅或全息衍射结构。光栅示例包括正弦、矩形或锯齿光栅。光栅可以由具有恒定间距的周期结构表征，但是还可以由更复杂的周期结构(例如啁啾光栅)表征。总体上，编码器标尺可将测量波束衍射为多于一个平面。例如，编码器标尺可以是二维光栅，其将测量波束衍射为x-z和y-z平面中的衍射级。编码器标尺在x-y平面中在对应于测量物体110的运动范围的距离内延伸。
在图1所示的本实施例中，编码器标尺105是具有正交于页面平面、平行于图1所示笛卡尔坐标系的y轴延伸的光栅线的光栅。光栅线沿x轴是周期性的。编码器标尺105具有对应于x-y平面的光栅平面，编码器标尺使测量波束112衍射为x-z平面中的一个或多个衍射级。
测量波束(标记的波束114)的这些衍射级中的至少一个返回光学组件110，在那儿，其与参考波束组合以形成输出波束132。例如，一次衍射测量波束114可以是正的或负的第一级衍射波束(即+1或-1衍射波束)。
输出波束132包括与测量波束和参考波束之间的光学路径长度差有关的相位信息。光学组件110将输出波束132引导至检测器模块130，检测器模块检测输出波束，并响应于检测的输出波束发送信号给电子处理器150。电子处理器150接收和分析该信号，并确定与测量物体101相对于光学组件110的一个或多个自由度有关的信息。
在某些实施例中，测量波束和参考波束具有小的频率差(例如khz至mhz范围中的差别)，以在通常对应于该频率差的频率处产生感兴趣的干涉信号。该频率在下文中可互换地称为“外差”频率或“参考”频率，并由ωr表示(相对于角频率)。与测量物体的相对位置的变化有关的信息一般对应于干涉信号在该外差频率处的相位。信号处理技术可用于提取该相位。总体上，可移动的测量物体导致该相位项是时间变化的。在这方面，测量物体移动的一阶时间导数导致干涉信号的频率从外差频率漂移一在本文中称为“多普勒”漂移的量。
在其它技术中，测量波束和参考波束的不同频率可以例如通过激光塞曼分裂、通过声光调制、使用两个不同的激光模式或使用双折射元件的激光内部而产生。正交偏振允许偏振分束器沿不同路径引导测量和参考波束，并将它们组合以形成随后通过偏振器的输出波束，偏振器混合正交偏振的分量，所以它们可以干涉。在没有目标运动的情况下，干涉信号在外差频率下振荡，外差频率正好是两个分量的光学频率之差。在存在运动的情况下，外差频率经由熟知的多普勒关系招致与目标速度有关的变化。相应地，监测外差频率中的变化允许监测目标相对于光学组件的运动。
在下述实施例中，“输入波束”一般指的是由光源模块发射的波束。对于外差检测，输入波束可以包括具有轻微不同频率的分量，如上所讨论的。
尽管图1中示出编码器标尺105作为在一个方向上周期性的结构，但是更普遍地，测量物体可包括各种恰当地衍射测量波束的不同衍射结构。在一些实施例中，测量物体可包括在两个方向(即沿x和y轴线)上周期性的衍射结构，将测量波束衍射为两个正交平面中的波束。总体上，编码器标尺的衍射结构和源模块在系统的几何约束内选择成使得编码器系统提供具有足够强度以在与对应参考波束组合时确立一个或多个可检测干涉信号的一个或多个衍射测量波束。在一些实施例中，源模块提供具有在从400nm至1600nm范围内的波长的输入波束。例如，输入波束可具有约633nm、约980nm或约1550nm的波长。应注意，总体上，外差源的频率分裂仅导致输入波束的两个分量的波长之间的十分小差别，所以即使输入波束不是严格地单色的，其仍保持实际上用单个波长表征输入波束。在一些实施例中，源模块可包括hene激光器、激光二极管或其它固态激光源、发光二极管或热源，比如具有或不具有过滤器以改造频谱带宽的卤素灯。
总体上，编码器标尺的设计可根据输入波束的波长的光学组件的布置以及用于测量的衍射级而改变。在一些实施例中，衍射结构是具有从约1λ到约20λ的范围中的间距的光栅，λ是源的波长。光栅可具有例如从约0.5μm到约10μm范围中的间距。
在一些实施例中，编码器系统布置成测量波束对编码器标尺进行双通过，测量波束的二次衍射级用于测量。例如，参见图2，干涉式外差光学编码器系统200包括编码器头210，其具有参考回射器212、测量回射器214和偏振分束器216。系统200还包含目标201、激光源218、检测器模块240和电子处理器250，检测器模块包括检测器242。源模块240或编码器头210还可包括偏振器244。示出笛卡尔坐标系以便参考。
为了执行监测，外差激光源218将输入波束270引导到偏振分束器216。偏振分束器216从输入波束270中得到测量波束274和参考波束275，测量波束274和参考波束275的偏振是正交的。如图2的示例所示，测量波束274正交于附图平面偏振(s偏振)，而二次波束275在附图平面中偏振(p偏振)。然而，测量波束和参考波束可具有任何偏振(例如线性、圆形或椭圆形)，只要它们彼此区分开即可(例如正交偏振)。
分束器216将测量波束274引导到目标201。目标201可包括编码器标尺205，其使入射的测量波束274衍射，提供对应于测量波束274的非零衍射级(例如一级或二级)的一次衍射测量波束。
然后，衍射测量波束274由测量回射器214重新引导以再一次照射在编码器标尺205上，以提供二次衍射测量波束。然后，二次衍射测量波束274返回偏振分束器216。然后，偏振分束器216组合二次衍射测量波束274与参考波束275以形成输出波束290，参考波束275已由参考回射器212重新引导。尽管图2示出偏振分束器，但是可使用基于偏振属性引导波束的其它光学部件。这些光学部件包括例如棱镜立方体、衍射光学系统、双折射部件和反射表面(暴露的或涂覆的)，波束以掠射角入射到反射表面。类似地，除了回射器的光学部件和/或光学部件的其它组合可用在编码器系统200中以沿与衍射测量波束一致的方向朝向检测器模块240重新引导参考波束。
输出波束290包括与对应于二次衍射测量波束的分量和对应于参考波束的分量之间的光学路径差相关的相位信息。然后，偏振分束器216将输出波束290引导到检测器模块240。在检测器模块240处，偏振器244在输出波束入射到检测器242之前混合输出波束290的测量波束和参考波束分量。这可以例如通过定向偏振器244的透射轴(例如，相对于页面平面以45°定向透射轴)使得其透过s偏振光分量和p偏振光分量。尽管仅示出单个回射器，但是一个或多个额外的回射器(未示出)可以定位成接收其它衍射测量波束，并将这些波束重新引导返回编码器标尺以获得额外的二次衍射测量波束。例如，一个回射器可以布置成将+1衍射测量波束重新引导返回编码器标尺，而另一回射器可以布置成将-1衍射测量波束重新引导返回编码器标尺。然后，分束器216会接收每个二次衍射测量波束，并将它们与它们的对应参考波束组合以形成两个输出波束(即对于每个通道有一个)。在一些实施方式中，编码器标尺可包括二维周期性图案，使得两个额外的回射器可以定位成接收和重新引导正交平面(例如图2中的y-z平面)中的衍射级。
在检测输出波束290的混合分量时，检测器模块240的检测器242随后作为响应发送信号给电子处理器250。电子处理器250接收和分析该信号，并确定与目标201相对于光学组件210的一个或多个自由度有关的信息。确切地，电子处理器部分地基于信号的外差相位确定该信息。相应地，监测外差频率的改变允许监测目标201相对于光学组件210的运动。
引入衍射测量波束之间的角分隔
如上所解释的，当利用多个衍射测量波束执行位移和位置的测量时，干涉式编码器系统通常保持衍射测量波束物理地分隔一安全边界，以避免在检测器处来自另一测量波束的光污染一个测量波束。保持测量波束处于这种距离可妨碍或干扰对系统重量和体积的减小。为了进一步减小系统尺寸和重量，编码器系统(比如由图1-2的实施例设想的编码器系统中的任一)可以改造成在返回的衍射测量波束之间引入相对小的有意图的角度差。
图3示出该方法的示例。图3是干涉式编码器系统300的示意图，其是相对于图1-2描述的编码器系统的改造例。类似于图1-2的编码器系统，编码器系统300包括目标301，其具有编码器标尺305、分束光学部件302、第一回射器304、第二回射器306和偏振器316。系统300还包括第一四分之一波片308、第二四分之一波片310、第一双折射楔形棱镜312、第二双折射楔形棱镜314、聚焦透镜318和双光纤套管320。为了便于观看，没有示出系统300的光源模块、检测器模块和参考波束光学系统。
在系统300操作期间，分束光学部件302从光源模块(例如外差激光源)接收输入波束303。输入波束303可以由测量波束部分和参考波束部分构成，每个部分具有不同偏振。光学部件302将输入光束分为测量波束和参考波束(未示出)。测量波束通过分束部件302朝向编码器标尺305重新引导，在编码器标尺，测量波束被衍射。在本示例中，编码器标尺305是1维周期性光栅，提供x-z平面中的衍射波束，但是可使用2维光栅。额外地，尽管图3仅示出+1和-1衍射级，但是由于测量波束照射在编码器标尺305上，还可产生其它衍射波束。回射器304、306定位并布置成接收和重新引导单个测量波束的+1和-1衍射级返回编码器标尺305，在编码器标尺，它们第二次衍射。
当波束朝向编码器标尺305向回传播时，四分之一波片308、310和双折射楔形棱镜312、314的存在在一次衍射测量波束的传播方向中引入的轻微偏离。如果双折射楔形件和四分之一波片没有位于编码器305和回射器304、306之间，则测量波束会在第二次衍射事件之后平行。
双折射棱镜可指的是导致光在穿过棱镜时分为两个不相等地折射的正交偏振光线的光学部件。由于倾斜的棱镜面，行进穿过双折射棱镜的输入波束可以经受传播方向的改变，方向的改变大小取决于输入波束的偏振。例如，具有第一偏振类型的输入波束可以比具有正交于第一偏振类型的第二偏振类型的输入波束偏离更大的角度。四分之一波片可以指的是在穿过其的寻常和非常光线之间引入四分之一周期的相位差以改变光线偏振的波片。
相应地，双折射棱镜/四分之一波片对(312、308和314、310)均布置成具有第一偏振类型的波束在穿过双折射棱镜时以第一角度折射，在第二次穿过四分之一波片之后改变偏振(例如改变90°)，然后在其返回编码器标尺的路上第二次通过双折射棱镜时以第二不同角度折射。例如，在图3所示设定中，测量波束的偏振选择成其从在第一次通过棱镜308、310之前的第一偏振(例如s偏振，偏振向量正交于衍射平面)转换到在第二次通过棱镜308、310之前的第二偏振(例如p偏振，偏振向量在衍射平面中)。结果，在每个波束第二次通过棱镜时由双折射棱镜308、310施加的角度变化与每个波束第一次通过棱镜时的不同。
在编码器标尺305上的第二次衍射事件之后，两个返回的波束现在在朝向分束光学部件302的大致方向上共同地行进，但是彼此之间具有轻微角分隔。在此所示角分隔被夸大，以帮助理解系统操作。聚焦透镜318在距透镜的焦距长度处将角分隔转变为空间分隔。尽管未示出，但是每个测量波束与对应参考波束共线性地传播，使得有两个输出波束(即一个输出波束用于一个通道)。在距透镜318的焦距长度处，第一和第二检测器可定位成分别测量第一和第二输出波束的强度。或者，如图3所示，两个波束可以耦合进两个分离的光纤，每个光纤又通向构造成检测接收的输出波束的强度的分离的检测器。
如果如图3所示实施，则光纤311a、311b的输入表面(显示为包含在光学套管320中)分隔一距离d。该分隔距离d和透镜318的选择的焦距f确定两个波束之间所需的角分隔δα。该角分隔可以表示为：
例如，对于具有633nm波长的hene波束，在d＝125μm(双光纤套管中的光纤的十分常见的分隔)和f＝10mm的情况下，波束所需的角分隔是12.5mrad。12.5mrad的角分隔可以通过使双折射楔形棱镜312、314形成为具有1.6°楔角的金红石楔形棱镜来获得。因此，实际上，分隔角可以基于硬件部件来确定，比如套管中的纤维分隔和准直透镜。优选地，在某些实施方式中，至少提供跨过波束直径的波前差的若干波，以分离两个波束。例如，对于2mm直径的hene激光束，1mrad的角分隔(对应于跨过波束直径的差别的3个波)会提供优选的分隔。
为了清楚起见，图3的双折射楔形棱镜312、314在附图平面中楔形化。然而，实际上，楔形件方位优选地选择成将来自非期望衍射级的任何波束引导远离期望波束，从而防止它们促成干涉信号。
如上所述，图3没有示出参考波束的路径。对于图3所示实施例，可以提供将参考波束分成两个参考波束并以恰当角度引导两个参考波束使得当它们进入正好在聚焦透镜318之前的组合偏振器316时它们与相应测量波束平行且共线地传播的光学系统。这种参考波束如何产生的其它讨论在本文中关于图7a-7d阐述。图3所示实施例包括源自单个输入波束的两个测量波束。然而，相同原理可应用于使用2d光栅并且高达四个测量波束的编码器系统。依旧，进来的波束会分成不同的衍射级(这次有四个，例如图3中的沿x-z平面的+1和-1级以及沿y-z平面的+1和-1级)，它们在通过回射器、偏振波片和楔形件重新引导之后会返回编码器标尺上的大致相同位置(例如以小于束半径的波束之间的分隔)。然后，二次衍射波束与参考波束组合以形成朝向分离的检测器传播的多个输出波束，每个检测器构造成检测检测器接收的输出波束的强度。如在图3的示例中，每个输出波束在传到对应检测器之前可以耦合到分离的纤维。
图4a和4b是示出两个编码器系统之间的直接对比的示意图，图4a所示系统没有在衍射波束之间引入轻微角偏离，图4b所示系统引入了轻微角偏离(图4b所示系统与图3所示系统相同)。
图4a和4b呈现的对比表明了在衍射波束之间提供轻微角偏离的空间和材料节省潜力。例如，图4b所示构造中的分束器可以制得比图4a的分束器更小，因为返回的衍射测量波束在它们朝向光纤(或检测器)传播时基本上彼此重叠，从而减少了分束界面所需的区域。图4所示构造中的回射器也可制得比图4a的回射器更小，因为一次衍射测量波束可以更靠近回射器顶点引导(图3和4b所示中具有小偏移以为了波束的更好可见性)。额外地，图4a的系统中所需的两个纤维耦合组件减少到图4b的系统中的一个。此外，编码器标尺上的更小的组合波束覆盖区(即测量波束入射到编码器标尺上的区域)允许利用具有更小周期性图案或光栅尺寸的编码器标尺。
在一些实施例中，衍射波束之间的角分隔可以通过改造回射器的形状来引入。例如，图5a是示出干涉式编码器系统的编码器头500的示例，其中，两个输出波束(衍射测量波束)的角分隔使用两个有意不完全的回射器来实现。每个不完全的回射器包括反射衍射测量波束的多个分面，反射分面之间的角度选择成从90°轻微偏离。
在作为干涉式编码器系统的一部分的编码器头500的操作期间，第一反射器502从光源(例如外差激光源)接收输入波束503，输入波束503可以由测量波束部分和参考波束部分构成，两部分具有不同偏振。第一反射器502可以是例如分束器的一部分，分束器将输入波束503分为测量波束和参考波束，测量波束朝向测量物体501上的编码器标尺505重新引导。为了便于观看，参考波束和参考波束光学系统作为编码器头500的一部分未示出。在图5a的示例中，编码器标尺505包括1维光栅(例如平行光栅线的周期性阵列)，1维光栅在第一入射区域501处将测量波束衍射为不同衍射级(例如+1和-1衍射级)。为了便于观看，仅示出形成编码器标尺505的光栅线的一部分。
两个不完全回射器504、506均从编码器标尺505接收对应一次衍射测量波束。例如，回射器504可从编码器标尺505接收+1衍射级503a，而回射器506可从编码器标尺505接收-1衍射级503b。在一些实施方式中，额外的不完全回射器还可用编码器头500包含，以接收例如沿正交于波束503a、503b行进平面的平面传播的衍射测量波束(比如在具有2维光栅的编码器标尺情况下会发生的)。
由回射器504接收的衍射测量波束503a通过回射器504的多个反射分面作为波束503c反射回编码器标尺505的表面。从回射器504的分面反射的波束的覆盖区使用椭圆/卵形边界511示出。因此，在图5a所示示例中，回射器504包括三个反射分面507，用于将衍射测量波束反射回编码器标尺505。回射器506、507的内表面可以镜面化以诱导反射或者波束可由于全内反射而反射。由于反射器504的相邻反射分面507之间轻微偏离90°，所以反射的测量波束503c不会正好平行于进入不完全反射器504的衍射波束503a对向传播。回射器506在图5a所示视图中局部地遮挡，但是其以与回射器504类似的方式操作。即，回射器506从编码器标尺505接收衍射波束503b，并作为波束503d朝向编码器标尺505重新引导该波束。重新引导衍射测量波束的回射器506的相邻反射分面之间的角度轻微偏离90°，使得波束503d不会正好平行于波束503b对向传播。
图5b是示出具有非90°分面角度以重新引导输入波束551的不完全回射器550的二维侧视图的示意图，比如图5a的回射器。如果从90°的偏离是δα，离开回射器的波束552会相对于进来的波束方向具有2nδα的角度，n是玻璃的折射率。替代将回射器本身形成为不完全的，还可引入额外的光学部件，其改变来自回射器的光束的路径。例如，图5c是示出示例完全回射器(即具有90°棱角)553的二维侧视图的示图，其通过添加仅由波束通过一次的玻璃楔形件554而制得不完全。
再次参见图5a，每个反射器504、506的反射分面可彼此形成接近90°的多种不同角度，以在衍射测量波束之间引入偏离。例如，其中，分面可彼此形成从90°偏离±10°,5°,3°,2°,1°,0.8°,0.6°,0.5°,0.4°,0.3°,0.2°,or0.1°的角度。在一些实施方式中，用于重新引导测量波束的回射器(例如回射器504、506)可从90°偏离不同量或相同量。
重新引导的一次衍射测量波束503c、503d离开回射器504、506，并以第二入射区域512入射到编码器标尺505上，每个波束503c、503d第二次从编码器标尺505衍射。由与编码器标尺505的第二次相互作用产生的多个二次衍射波束中的至少两个波束503e朝向反射器502向回传播，一个源自波束503c的衍射，另一个源自波束503d的衍射。由于引入角棱镜504、506中的轻微角偏离，某些差别是可观察到的。首先，如图5所示，离开反射器504的波束503c的中心在从离开反射器506的波束503d的中心入射在编码器标尺505上的位置轻微移位的位置处入射到编码器标尺505。结果，波束503c和503d的碰撞区域部分地重叠。其次，二次衍射波束503e朝向反射器502的传播方向是不平行的。相应地，当波束503e通过反射器502重新引导时，波束在离开编码器头500时是非平行的。在此所示波束503e之间的角分隔被夸大，以帮助理解系统操作。每个波束503e与对应参考波束(未示出)成对，以形成对应输出波束509。每个参考波束沿与其对应衍射波束相同的路径共线性地传播。结果，输出波束509也是彼此非平行的。如在图3所示的实施方式中，输出波束509被引导到对应检测器，对应检测器记录它们的强度。在一些实施方式中，输出波束509可以朝向聚焦透镜引导，聚焦透镜将波束之间的角分隔转换为距透镜焦距长度距离处的空间分隔。然后，输出波束509可以耦合到分离的纤维，w分离的纤维可以通向检测器模块或可以直接供给到检测器模块。如本文所解释的，分隔距离d和透镜的选择的焦距f确定输出波束之间的可接受的角分隔。在一些实施例中，“完全的(perfect)”回射器可替代不完全的回射器使用。“完全的”回射器包括例如反射入射波束使得其平行于入射波束的光学路径对向传播的回射器。这种“完全的”回射器包括具有至少两个反射分面的反射器，至少两个反射分面布置成在反射之后的波前误差(包括倾斜)是波有一小部分。例如，对于2mm直径的波束，完全的回射器的顶角(反射分面之间的角度)应当被控制在几角分内。
完全的回射器可与玻璃楔形件组合使用，在由比如图5c中的回射器重新引导之前或之后，每个测量波束仅通过一次玻璃楔形件。由于测量波束仅单次通过楔形件，所以楔形件不需要是双折射的，这与图3所示实施例的楔形件312、314相反。这种实施例中的波束不会跨过回射器的任何分面边缘，否则在某些实施方式中会导致衍射损失和波束前方上的偏振变化。
在一些实施例中，整体式光学部件可用于将测量波束引导至编码器标尺，以在衍射波束之间引入角分隔，并接收两个衍射测量波束。涉及光学部件，在一些实施方式中，“整体式”可以理解为意味着构造成单个一体物体。例如，整体式光学部件可以理解为在物体本体上具有大致均匀材料成分的单个物体。在一些实施方式中，整体式物体可以理解为包括由单件材料形成(例如机加工、雕刻、模制、成形)的单个物体。在一些实施方式中，整体式物体可以理解为通过组合(例如熔合、胶合、粘合、焊接)两个或更多个物体而形成的单个物体。在一些实施方式中，比如当整体式光学部件构造成从单个波束中得到多个波束时(例如当用作分束器时)，整体式光学部件可包括一个或多个内部分束界面。
采用整体式光学部件来在衍射测量波束之间引入角分隔的编码器头的示例在图6中描绘出。如图6所示，编码器头600包括整体式光学部件602和参考衍射光栅607。整体式光学部件602可以理解为具有两部分：参考腿部604和测量腿部分606。
在编码器头600操作期间，测量腿部分606在第一分面620处接收输入波束603。输入波束603从光源(例如外差激光源)获得，并由测量波束部分和参考波束部分构成，两部分具有不同偏振。参考波束部分通过部件602引导至参考光栅607，而测量波束部分沿正交于参考波束路径被重新引导至编码器标尺605。例如，整体式光学部件602可包括内部分束界面(未示出)，其布置成分裂沿不同路径的测量和参考波束。在图6所示示例中，整体式光学部件602包括偏振分束部分608，其构造成基于测量和参考波束之间的偏振差别分裂输入波束603。偏振分束器608可以理解为位于测量腿部分606和参考腿部分604的一部分之间。
编码器标尺605位于测量物体601处或上，并包括1维光栅(例如平行光栅线的周期阵列)。为了便于观看，仅示出形成编码器标尺605的光栅线的一部分。测量波束朝向编码器标尺605通过分束界面重新引导。在撞击编码器标尺605的表面时，测量波束沿多个不同路径衍射，两个不同衍射级(例如+1和-1衍射波束)朝向测量腿部分606行进。一旦衍射测量波束到达测量腿部分606，波束沿返回朝向编码器标尺605的路径通过部件602的多个反射分面重新引导。示例部件602包括6个反射分面，其中3个用于重新引导第一衍射测量波束，另外3个用于重新引导第二衍射测量波束。当波束从反射分面反射时，波束的覆盖区630以虚线椭圆形描绘出。如在图5所示的实施方式中，重新引导每个衍射测量波束的相邻反射分面之间的角度轻微偏离90°，使得朝向编码器标尺605离开部件的每个衍射波束不会正好平行于进入部件602的对应一次衍射波束对向传播。反射分面可彼此形成接近90°的多种不同角度，以在衍射测量波束之间引入偏离。例如，其中，分面可彼此形成偏离90°约±10°,5°,3°,2°,1°,0.8°,0.6°,0.5°,0.4°,0.3°,0.2°,或0.1°的角度。
离开部件602的一次衍射测量波束的中心撞击在编码器标尺605的表面上，使得每个波束的覆盖区(碰撞区域)部分地重叠。由与编码器标尺605的第二交相互作用产生的多个二次衍射波束中的至少两个波束向回朝向光学部件602的测量腿部分606传播。由于在光学部件602的反射测量波束的分面之间引入的轻微角偏离，朝向光学部件602行进的二次衍射波束的传播方向是非平行的。
在图6所示示例中，参考腿部分605构造成参考波束跟随匹配测量波束路径的路径，但是参考波束撞击在参考光栅607上而不是编码器标尺605。即，在参考光栅607上的第一次碰撞之后，产生多个一次衍射参考波束。这些衍射参考波束的至少两个(例如+1和-1级)行进回光学部件602的参考腿部分604。在光学部件602内，一次衍射参考波束从若干分面反射，并被重新引导回参考光栅607。
重新引导参考波束返回参考光栅607的分面之间的角度轻微偏离90°，使得波束不会正好平行于进入参考腿部分604的一次衍射参考波束对向传播。参考腿部分604的反射分面可彼此形成接近90°的多种不同角度，以在衍射参考波束之间引入偏离。例如，其中，各分面可彼此形成从90°偏离约±10°,5°,3°,2°,1°,0.8°,0.6°,0.5°,0.4°,0.3°,0.2°,或0.1°的角度。在某些实施方式中，反射分面之间的角度和参考光栅属性(例如沟槽宽度、间距)与用于测量腿606的反射分面和编码器标尺601的那些是相同的。
离开部件602的一次衍射参考波束的中心撞击参考物体607的表面上，使得每个波束的覆盖区(碰撞区域)部分地重叠。由与参考物体607的第二次相互作用产生的多个二次衍射波束中的至少两个波束朝向光学部件602的参考腿部分604返回传播。由于在光学部件602的反射参考波束的分面之间引入的轻微角偏离，朝向光学部件602行进的二次衍射波束的传播方向是非平行的。
在到达光学部件602的偏振分束部分608时，分束器608组合每个二次衍射参考波束与对应二次衍射测量波束以产生多个输出波束609(图6显示为单个区域609)。即，每个衍射参考波束沿与对应衍射测量波束相同的路径共线性地传播。由于参考腿部分604的反射分布之间以及测量腿部分606的反射分面之间的从90°轻微偏离，输出波束609以它们之间的轻微角分隔朝向检测器部件行进。
对于本文示出的多个实施例，为了清楚，省略了参考波束和/或参考光学部件。参考光学部件的各不同构造可用于产生具有与它们意在与其干涉的对应衍射测量波束相同的轻微角偏离的参考波束，使得每个参考波束-衍射测量波束对朝向检测器(或者例如纤维套管)传播。例如，图7a-7f描绘了示意图，每个示意图示出了布置在提供与对应测量波束共线性且平行传播的参考波束的光学部件的不同集。在每个实施方式中，偏振或非偏振的分束器用于将输入波束分为测量波束和参考波束。在一些实施方式中，多个参考波束通过使用衍射光栅(见图7a和7d)、镜面/反射表面(图7b和7e)或双折射元件(图7c和7f)来产生。图7a-7c所示实施例设计成操作成多个参考波束通过反射得到，这允许参考波束相对于输入波束以低切变返回分束器。图7d-7d所示实施方式设计成操作成多个参考波束通过透射得到，这允许波束相对于输入波束以显著切变返回。
在图7a所示第一实施方式中，分束光学部件702从光源模块(例如hene外差激光源)接收输入波束703。输入波束703可以由测量波束部分和参考波束部分构成，两部分具有不同偏振。分束器702将输出波束分为测量波束和参考波束。测量波束704朝向与例如相对于图3所述的测量物体相关的编码器标尺引导。然而，参考波束706被重新引导到参考标尺708(例如衍射光栅)，在参考标尺，其被衍射为朝向分束器702返回行进的多个波束。然后，分束器702组合每个衍射测量波束与对应衍射测量波束，使得每个测量-参考波束对朝向检测器(或纤维套管)以角分隔(即非平行地)传播。为了保证每个衍射参考波束沿与其对应测量波束相同的方向和路径行进，参考标尺708上的光栅标记的间距间隔成获得期望角分隔。例如，对于1维光栅和12.5mrad角分隔，间距可以是101μm，使得+1和-1衍射波束均沿与图3阐述的示例中得到的对应测量波束相同的路径行进。
在图7b所示实施方式中，使用第一分束器702和第二分束器710。再次，第一分束器702将输入波束703分为测量波束704和参考波束706。测量波束704朝向与例如相对于图3所述的测量物体相关联的编码器标尺引导。然而，参考波束706被重新引导到第二分束器710，在第二分束器，参考波束分为两个不同参考波束，每个朝向对应反射镜表面712a、712b沿不同路径行进。镜面(或倾斜以引起全内反射的表面)712a、712b倾斜使得在反射时，参考波束沿与入射参考波束不同的路径朝向第二分束器710返回行进。然后，每个反射的参考波束在第一分束器702与已从测量编码器标尺衍射的对应测量波束重新组合。每个测量-参考波束对朝向检测器(或纤维套管)传播。镜面712a、712b倾斜的角度选择成保证每个衍射参考波束沿与其对应测量波束相同的方向和路径行进。
在图7c所示实施方式中，参考光学部件的布置包括第一四分之一波偏振器714、双折射楔形件716、第二四分之一波偏振器718和回射器720。再次，第一分束器702将输入波束703分为测量波束704和参考波束706。测量波束704朝向与例如相对于图3所述的测量物体相关联的编码器标尺引导。参考波束706朝向偏振器714、718、楔形件716和回射器720传播。偏振器和双折射楔形件的组合提供了以轻微不同角度传播的两个不同参考波束，这两个不同参考波束然后通过回射器720朝向分束器702被重新引导返回，它们均与对应衍射测量波束组合然后朝向检测器(或纤维套管)行进。参考波束的角分隔基于双折射楔形棱镜716的选择角而选择。
在图7d所示实施方式中，分束光学部件702从光源模块(例如hene外差激光源)接收输入波束703。输入波束703可以由测量波束部分和参考波束部分构成，两部分具有不同偏振。测量波束704朝向与例如相对于图5a所述的测量物体相关联的编码器标尺引导。然而，参考波束706被重新引导到回射器722，并回射到参考标尺724(例如衍射光栅)，在参考标尺，其被衍射为朝向分束器702返回行进的多个波束。然后，分束器702组合每个衍射测量波束与对应衍射测量波束，使得每个测量-参考波束对以角分隔(即非平行地)朝向检测器(或纤维套管)传播。为了保证每个衍射参考波束沿与其对应测量波束相同的方向和路径行进，参考标尺720上的光栅标记的间距间隔成获得期望角分隔。
在图7e的实施方式中，镜面(或倾斜以引起全内反射的表面)726和楔形棱镜元件728代替回射器722和参考标尺724使用。特别地，参考波束706朝向楔形件728从镜面726反射，楔形件将入射参考波束分为彼此不平行地传播的两个分离的波束，两个分离的波束然后朝向分束器反射回，并与衍射测量波束组合。
在图7f的实施方式中，参考波束朝向回射器722引导，而不是穿过参考标尺，回射的参考波束穿过延迟或偏振元件730和双折射楔形棱镜对732，其将参考波束分为彼此不平行地传播的两个分离的参考波束。
除了图7a-7f所示实施例，还可重复在参考腿中限定干涉仪的测量腿的硬件(例如使用以与图6所示实施方式中相同的方式布置的相同部件)。该方法的优点是，光学部件对环境参数(比如温度)的响应在两个腿之间平衡，从而提供更可靠的方案，该方案对由部件响应于环境变化而导致的误差是能抵抗的。
在一些实施方式中，输出波束之间的角分隔可以被转换成空间分隔，比如相对于图3所述的示例中所示，其中，输出波束穿过聚焦透镜。然后，波速之间的期望空间分隔被确立为相当于透镜焦距的距离。然后，每个输出波束可以由对应检测器模块接收，检测器模块记录干涉波束的强度，并随后发送信号给电子处理器以进行分析。或者，输出波束可以耦合进分离的纤维中，每个纤维又通向构造成检测接收的波束的强度的分离的检测器。如本文所解释的，纤维之间的分隔距离d和透镜的选择焦距f确定输出波束之间的可接受的角分隔。
除了减少了尺寸要求，在某些实施方式中，本文公开的技术还能够减少输出波束的寄生效应。在光学测量中使用衍射元件的一般挑战是，光不仅衍射为期望衍射级，而且还衍射为非期望衍射级。得到的光路可贡献于干涉信号，从而损害测量结果。此外，期望输出波束的强度相对于原始输出波束的强度明显减小，从而使期望输出波束更易受到这种寄生误差的影响。例如，良好设计的2维衍射光栅会将约20％的光衍射成第一衍射级，几百分比(例如5％)的光衍射为零级衍射或更高衍射级。
更确切地，在具有完全的回射器的编码器几何形状中，例如通过以下产生的期望输出波束可包含4％的初始输入波束强度(使用上面的示例衍射效率并忽略损失)：
·输入波束的第一级衍射
·回射
·朝向输出引导波束的第一级衍射。
在一些实施方式中，测量波束分量的一个或多个部分不会距离测量波束路径和/或参考波束分量的一个或多个部分不会跟随参考波束路径，从而导致成问题的寄生/伪造波束路径。考虑比如图3或图5所示构造的编码器系统，包括回射器(具有楔形件的完全的回射器或不完全的回射器)，以朝向编码器标尺重新引导一次衍射测量波束返回。该系统中的寄生路径的示例包括根据以下序列传播的波束：
·在编码器标尺处的输出测量波束的第一级衍射
·在回射器处的回射
·在利特罗条件下在编码器标尺处的第二级衍射
·在回射器处的回射
·在利特罗条件下在编码器标尺处的第二级衍射
·在回射器处的回射
·在朝向输出(平行于期望最终波束)引导衍射波束的编码器标尺处的第一级衍射
在上面的示例中，由于第二级利特罗衍射，在最终沿平行于期望最终波束的路径朝向波束组合器/分裂器重新引导之前，寄生波束经受多于预期的两次回射。前述示例寄生输出测量波束可包含0.01％的初始波束强度。在该量值，对于沿光栅表面法线的距离测量，寄生测量波束可贡献多于1nm周期误差。先前，这种误差可以使用电子周期误差补偿来消除，比如美国专利申请出版物no.2013/0278914中公开的，该申请的主题作为引用全部并入本文。然而，使用本文所述技术，对于每次通过楔形件或每次由不完全的回射器反射，寄生波束可积累从期望波束的额外的角分隔。结果，寄生波束在输出处与期望波束分隔开一角度，该角度足够大，使得寄生波束不会贡献测量波束的干涉。
由于本文所述引入角偏离的技术允许来自多个编码器通道的波束使用编码器标尺上的相同覆盖层，所以注意跨过到相应其它回射器的寄生波束是有益的。例如，考虑包括第一回射器(回射器1)和第二回射器(回射器2)的编码器系统，它们布置在用于将一次衍射测量波束重新引导返回编码器标尺的平面中，比如图3或图5所示构造。源自前述构造中的寄生测量波束可以根据下列序列传播：
·在编码器标尺处的输入测量波束的第一级衍射
·返回到编码器标尺的回射(在回射器1处)
·朝向回射器2以非零入射角的编码器标尺处的频谱反射
·返回编码器标尺的回射(在回射器2处)
·以非零入射角从编码器标尺的频谱反射
·返回编码器标尺的回射(在回射器1处)
·引导寄生波束朝向输出的第一级衍射。
对于要与期望测量波束角分隔使得寄生波束不会贡献检测的干涉信号的寄生波束，楔形件或不完全的回射器(不管用哪个)可选择成不对称地改变波束方向，即不是在相反方向上。如此，三个角变化的非预期积累合起来不会达到与预期单个角变化相同的角度。例如，图3的两个楔形件可以以不同量楔形化或者它们可具有在另一平面(比如沿y方向)中取向的楔形分量。
对编码器系统中的测量误差的另一潜在贡献者是存在编码器标尺误差。编码器标尺误差可以分为全息误差(例如一个或多个光栅特征位置从位置的严格周期格栅的横向偏离)和基板误差(例如形成正交于表面的由基板表面中的变化引起的和/或由形成在基板上的一个或多个层的厚度变化引起的变化)。本文公开的技术可帮助减少这两种编码器标尺误差。
在评估编码器头相对于编码器标尺的横向位置的系统中，可以使用类似于图4a所示的系统构造，其中，两个输出通道利用相反的衍射级。假设横向位置由x表示，检测的输出波束的相位出数(phaseoutcome)
g是光栅间距。因此，电子处理器可以构造成通过对于每个干涉信号得到相位出数并应用方程(2)来获得和输出横向位置的值。
正交于编码器标尺(例如沿如图4a所示的z方向)的编码器头运动以相同方式改变两个相位，所以其不会影响出数。然而，基板误差一般引起由第一通道(即第一测量波束)探查的与由第二通过(即第二测量波束)探查的表面区域不同的表面区域，这直接导致测量误差。当两个波束探查编码器标尺上的分离的区域时，比如图4a所示构造，至少是这样的情况。另一方面，如果两个波束探查编码器标尺上的大致相同或相似区域(例如，在引入测量波束之间的角偏离的构造中，比如图3和5所示，其中，衍射测量波束的覆盖区重叠)，测量波束可基本上探查相同基板误差，这导致两个相同的相位误差(随后在方程(2)中消掉)。
类似地，当正交于编码器标尺(沿z方向)的表面测量时，共享的波束覆盖区可导致显著地减少对全息误差的灵敏度。对于确定z位移，两个通道的相位以相加的方式组合，使得z位移可以表示成：
其中，λ是光波长。在全息误差的情况下(光栅特征局部地横向偏移)，仅当两个波束探查光栅上的相同区域时，两个相位
本文公开的技术的另一优点是，在一些实施方式中，测量波束和参考波束不仅共享部件，而且对于它们大部分波束路径几乎传播通过光学部件材料(玻璃)和空气的相同体积。结果，横向位置测量值(再次使用方程(2))对于例如由空气湍流、光学部件的粘合线移动(由于湿度变化)或包括膨胀和折射率变化的热效应引起的波动或漂移不太敏感，因为每个波束大致经受相同类型和大小的效应。
图5a和6所示实施例利用1维编码器标尺。然而，相同原理可以扩展用于2维编码器标尺。在图5a的示例中，这需要供应第二对不完全的回射器，它们沿正交于第一对不完全的回射器的平面中布置，例如沿输入波束进入反射器502的平面。在图6的示例中，整体式光学部件602可以被改造以接收沿正交于第一组衍射测量(参考)波束的传播平面的平面传播的第二组衍射测量(参考)波束。
在一些实施例中，编码器头不包括具有参考光学部件的参考腿。替代地，每个输出波束由在检测器处干涉的衍射测量波束构成。在一些实施方式中，由于，更少的光学部件，这种构造可以减少编码器头的空间要求和/或可以减少成本。例如，图8是示出具有两个输出通道(x、y输出850)编码器头800的示例的示意图，每个输出通道布置成检测通过编码器标尺801衍射的两个波束之间的干涉。
示例编码器头800包括光学部件802，比如立方体(例如见j.liesener的美国专利no.9152061“compactencoderheadforinterferometricencodersystem”，通过引用全部并入本文)、四个延迟或偏振元件804(例如四分之一波片)和四个双折射楔形元件806，每个延迟或偏振元件804和楔形元件806布置在部件802的不同底部角部处。在其它实施方式中，部件802可以用四个不同的回射器代替，每个回射器的顶点布置在与图8所示立方体的对应顶部角部相同的位置和方位上。在这种实施方式中，偏振器804和楔形元件806可以保持在与它们在图8所示示例中相同的位置。
在编码器头800操作期间，来自光源(例如hene)的输入波束803被引导通过准直透镜805到达编码器标尺801(例如2维光栅)。输入波束803可包括单个波束或具有不同频率f1、f2的两个分离波束。输入波束可以从保持在纤维套管807中的对应光纤输出。在本示例中，输入波束在到达编码器标尺801的表面之前穿过立方体802。然而，在回射器代替立方体使用的实施方式中，输入波束在撞击编码器标尺801之前不会与回射器相互作用。测量波束的路径在图8中使用虚线表示。
相应地，多个构造是可能的：(1)零差构造，其中，提供朝向编码器标尺801的具有单个频率的单个输入波束(例如经由单模纤维)，两个输出通道是可用的(例如x和y通道)，以测量x和y方向上的位移。两个输出通道可以由两个纤维(优选地用于更简单对准的多模)提供，这导致x、y输出850。(2)具有两个输入波束的外差系统，每个输入波束具有对应频率f1和f2。两个输入波束可以由两个光纤(优选地单模纤维)供应，如图8所示。外差系统还可包括两个输出通道(例如x和y通道)，以测量x和y方向上的位移。再次，两个输出通道可以由两个纤维(优选地用于更简单对准的多模)提供，这导致x、y输出850。
在外差和零差构造中，衍射测量波束的角度通过将它们引导穿过延迟或偏振元件804和楔形元件806而控制/操纵。在零差构造中，单个测量波束从2维编码器标尺801衍射为四个衍射级。在本示例中，每个不同的衍射测量波束以沿+x、-x、+y、-y方向的向量分量传播，由此称为+x、-x、+y、-y衍射级。四个一次衍射波束均朝向对应偏振器/楔形棱镜对传播，然后入射到立方体802的角部(回射器的顶点)，并经由偏振器/楔形件对重新引导返回编码器标尺801。在第二次衍射之后，那么测量波束朝向x、y输出通道传播回。
通过使波束穿过双折射楔形件806和进一步的偏振元件804，衍射波束的角度被控制成二次衍射波束对于+x和-x衍射级以特定角度传播，以及对于+y和-y衍射级以不同的特定角度传播。以相同角度传播的波束(例如+x和-x衍射级)有效地干涉，并可被引导至一个检测器(例如x通道)，而以另一角度传播的波束(+y和-y衍射级)被引导至不同的检测器(例如y通道)。那么，x和y方向上的运动可以通过分别评估x和y通道中的光学信号来确定。z方向上的运动不利用该实施例确定。实际上，在某些实施方式中，z方向上的运动不会影响x和y方向上的测量出数。
在外差构造中，具有输入频率f1的第一输入波束和具有输入频率f2的第二输入波束从输入纤维朝向编码器标尺801以轻微不同角度传播。图9是示出沿x轴线穿过立方体802的两个相对角部的图8所示编码器布置的剖视图的示意图。因为图9示出横截面，所以仅示出沿x轴传播的波束。
两个输入波束811、813使用不同的虚线长度描绘出。两个输入波束811、813共享相同的线性偏振(针对本示例的目的在附图平面中选择)。在从编码器标尺801第一次衍射之后，输入波束811、813产生+x和-x衍射级。结果，2个一次衍射测量波束沿-x方向朝向图示中的立方体802的顶左角部(“角部1”)传播，2个一次衍射测量波束沿+x方向朝向图示中的立方体802的顶右角部(“角部3”)传播。在角部处，每个一次衍射测量波束回射回编码器标尺801，在编码器标尺波束第二次衍射并朝向耦合透镜传播。再次，双折射楔形件806和四分之一波片804充当图3所示实施例中的相同目的，即操纵波束角度。在该实施例中，角度被操纵成具有穿过角部1的路径的二次衍射f1波束822平行于具有穿过角部3的路径的二次衍射f2波束824。这两个波束干涉，它们的共同角度选择成使它们耦合进输出纤维之一。剩余两个波束852、854不具有干涉的平行配对物。而且，波束852、854以不使它们耦合进输出纤维任一的角度作为结果。因此，波束852、854不会贡献检测器处的任何光学信号。通过+y和-y衍射级产生的波束(在图9中未示出)在立方体802的另两个角部处回射。再次，仅这些波束中的两个平行，并且选择成具有使它们耦合进第二输出纤维的角度。
在在光纤馈电外差构造(比如图8所示)中，两个输入纤维之间的光学相位波动(由于环境波动)必须被补偿。为此，两个输入波束的一部分可以在准直之后但是在与编码器标尺相互使用并且干涉之前被“除去”。从干涉输入波束获得相位信息，然后电子处理器可补偿环境波动，如本文所解释的。图10a-10b是示出这种所谓的局部参考干涉仪相对于准直器/耦合光学系统的可能位置的示意图。为了清楚起见，省略了干涉测量系统的编码器标尺和其它光学部件。
在每个构造中，示出局部参考干涉仪的对于两个输入波束具有径向取向的相同线性偏振的情况的模式。其它输入波束偏振可要求延迟或偏振元件的不同设定。每个输入波束使用不同虚线长度表示。在图10a中，局部参考干涉仪1001包括分束器1004、一对双折射楔形件1006、偏振器1008和反射镜1010。在两个输入波束经过准直透镜1012之后，分束器除去彼此不平行地行进的两个输入波束的一部分。然后，两个波束传播通过双折射楔形件对1006、偏振器1008，并从反射镜1010反射。然后，波束第二次穿过偏振器1008和双折射楔形件对1006。波束在分束器1004处重新组合，所以它们现在是平行的，并被引导回准直器/耦合透镜1012，其将光耦合到由例如保持输入纤维和其它输出纤维(见例如图8)的相同套管保持的第五纤维(未示出)。输入波束对从第五纤维传到对应检测器，在检测器，产生干涉信号。然后，电子处理器从干涉信号提取相位信息。
在图10b中，省略了局部参考干涉仪1002的反射镜，并用第二分束器1014代替之。因为省略了反射镜，所以准直透镜1012不充当将输出光耦合到纤维中的耦合透镜。替代地，提供了分离的耦合透镜1016。在该实施方式中，非平行输入波束再次由第一分束器1004除去，并穿过双折射楔形件对1006和偏振器1008。在该示例中，偏振器还可充当偏振混合器，其混合由双折射楔形件产生的两个正交的偏振波束。在到达第二分束器1014之前，输入波束重新组合，并朝向耦合透镜1016平行地传播。再次，平行输入波束对耦合进例如由保持输入纤维和其它输出纤维的(见例如图8)相同套管保持的第五纤维。输入波束对传到对应检测器，在检测器产生干涉信号。然后，电子处理器从干涉信号提取相位信息。对于两个输入波束具有相同偏振的情况(比如图9的示例)，具有光栅或具有两个分离的反射镜的构造可使两个波束平行。
如使用从输入波束对干涉信号中得到的相位信息所补偿的，对于图8所示实施例，x和y位移的计算可以表示为：
在此，
在一些实施例中，编码器头利用三个回射元件或角部而不是四个。例如，图11是示出编码器头1300的示例的示意图，其使得使用三个回射元件并基于衍射测量波束之间的干涉来测量x和y方向上的运动。这种构造在对于第四回射元件来说空间有限的情形下是优选的。编码器头1300用在外差构造中，但是其它构造也是可能的。在外差构造内，从包含在输入纤维套管1302中的两个分离的纤维提供两个输入波束。每个输入波束具有对应光学频率f1或f2，并以不同角度朝向编码器标尺1301行进穿过准直透镜1303。输出的衍射光束对通过分离的耦合透镜1307耦合进两个输出纤维1305中。输出的波束对携带表示在光栅平面中(不是z方向)沿两个正交方向的编码器标尺运动的光学信号。
编码器头1300的每个回射器1304可包括或布置有改造波束的偏振和方向的光学部件，例如在输入表面或输出表面的波片、双折射楔形件或玻璃楔形件。两个测量通道可以例如通过如下获得：
·对于“x-y”测量通道，f1输入波束的一部分在+x方向(页面右侧)上衍射，f2波束的一部分在+y方向(进入页面)上衍射。+x衍射测量波束和+y衍射测量波束分别通过右侧和后侧回射器1304朝向编码器标尺1301回射，在编码器标尺，波束第二次衍射。如本文所述的其它实施例(例如见图3)，波束穿过定位在回射器1304和编码器标尺1301之间的双折射楔形件和延迟或偏振元件。延迟或偏振元件和双折射楔形元件调节测量波束的角度，使得当衍射测量波束朝向耦合透镜1307传播时是平行的。从这些衍射波束之间的干涉得到的相位信息使得电子处理器确定x和y方向上的运动之间的差别。
·对于“x+y”测量通道，f1输入波束的一部分在-x方向(页面的左侧)上衍射，f2波束的一部分在+y方向上衍射(进入页面)。波束分别通过左侧和后侧回射器1304朝向编码器标尺1301回射，在编码器标尺，它们第二次衍射。再次，如相对于其它实施例所解释的，延迟或偏振元件和双折射楔形件调节衍射波束的角度，使得前述波束(-x衍射级和+y衍射级)在它们朝向耦合透镜1307传播时是平行的。f2波束在+y方向上衍射的一部分一开始是如由“x-y”通道使用的相同波束。然而，附接到后侧回射器1304(位于页面中心)的双折射楔形件和恰当的偏振元件将+y衍射波束分为两个分离的波束，从而在两个通道之间提供所需的角分隔。从+y衍射级和-x衍射级的干涉得到的相位信息使电子处理器确定x和y方向上的运动总和。
如上所解释的，需要双折射楔形元件和偏振器校正衍射级以平行地传播并由此干涉。图12是示出适于如此操纵波束的传播角度的一组示例部件的示意图。
图12所示示图对应于图11所示系统从纤维套管视角的俯视图。为了清楚，省略了编码器标尺和衍射事件。额外地，楔形件和延迟或偏振元件的位置以及波束路径可以认为不精确地表示它们的实际位置和方位，而是以便于下列描述的方式示出。
如图12所示，双纤维套管1400与准直透镜协作提供了f1和f2的两个光学频率输入，它们在角度上是分隔的，并具有彼此正交的偏振。下面仅解释相关波束路径：具有频率f2的x偏振输入波束通过光栅衍射(+y衍射级)，并朝向角棱镜2(1402)引导，在角棱镜，波束回射回编码器标尺。在到达回射器1402之前，波束的偏振通过在单个透射中使用半波片1404而旋转45°。在回射之后，但是在到达编码器标尺之前，那么双折射部件(例如双楔形件)1406将波束分为具有轻微不同角度和彼此正交偏振的两个波束。在第二次衍射事件之后，这些波束之一现在是x-偏振的，另一个是y偏振的，两个角度选择成使波束耦合进由共同套管1408保持的两个输出纤维。具有频率f1和y偏振的另一输入波束衍射为分别在角棱镜1(1410)和3(1412)中回射的-x和+x衍射级。两个路径中的玻璃楔形件1414、1416用在单次透射中，以使角度与另两个f2波束对准。而且，穿过角棱镜1(1410)的波束的偏振利用半波片1418旋转，使得在第二次衍射之后其偏振变成与设计成与其干涉的f2波束的偏振相同的x偏振。穿过角棱镜3(1412)的另一f1波束已具有正确的y偏振，所以在此不需要其它偏振元件。
从针对图11所示实施例测量的相位计算x和y位移可以表达为：
注意，方程2至7中的符号取决于实际实施方式中的符号规约。
总之，本文公开的在测量波束之间引入角偏离的技术可包括多个优点，比如减少干涉式编码器系统的重量和空间需求，因为光学部件的数量可以更少和/或在多个测量波束之间共享。这种减少例如可经由使用要求单个透镜耦合到多个纤维的纤维耦合组件，使用较小的分束器来分隔和重新组件测量和参考波束(由于多个波束之间的体积共享)，使用较小的编码器标尺(由于更小的组合波束覆盖区)来获得。出于减少系统重量和尺寸的相同理由中的一个或多个，成本节省也是可能的。另一潜在优点是，可以避免由某些寄生波束路径产生的测量误差。额外地，如果正负通道测量波束在编码器标尺上的覆盖区基本上重叠，则基板误差对横向位置测量的影响可以降低或消除。此外，如果正负通道测量波束的覆盖区在编码器标尺上基本相同或相似，则正交于表面的位置测量上的全息误差的影响可以降低或消除。在一些实施方式中，由于共同路径特性，还减少了测量值的漂移，其涉及计算测量通道之间的干涉相位差(例如检测光栅平面中的运动)。
总体上，上述分析方法的任一(包括基于检测的干涉信号确定与编码器标尺的自由度相关的信息)可以在计算机软件或硬件或两者组合中实施。例如，在一些实施例中，电子处理器可以安装在计算机中，并连接到一个或多个编码器系统，并构造成执行来自编码器系统的信号的分析。分析可以使用本文所述方法之后的标准编程技术在计算机程序中实施。程序代码应用于输入数据(例如干涉式相位信息)，以执行本文所述功能，并产生输出信息(例如自由度信息)。输出信息应用于一个或多个输出装置，比如监测器。每个程序榀以在高级程序设计语言或面向对象程序设计语言中实施以与计算机系统通信。然而，必要时，程序可以在汇编或机器语言中实施。在任何情况下，语言可以是编译或解释语言。此外，程序可以在为此预编码的专用集成电路上运行。
每个这种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装置(例如rom或磁盘)上，以在存储介质或装置由计算机读取来执行本文所述过程时构造和操作计算机。在程序执行期间，计算机程序还可位于高速缓存或主存储器中。分析方法还可实施为计算机可读存储介质，构造有计算机程序，存储保持构造成导致计算机以特定和预定方式操作以执行本文所述功能。
光刻工具应用
光刻工具尤其用在光刻应用中，光刻应用用于制造大规模集成电路，比如计算机芯片等。光刻是半导体制造工业的关键技术驱动力。套刻精度(overlay)改进是下至22nm线宽(设计规则)并在22nm线宽以下的五个最难挑战之一，例如见internationaltechnologyroadmapforsemiconductors,pp.58-59(2009)。还见m.s.hibbs的“systemoverviewofopticalsteppersandscanners,”microlithography,k.suzuki,b.smith,eds.,pp.46-47(crcpress,bocaraton,2007)。
套刻精度直接取决于用于定位晶片和掩模目版(或掩模)台的测量系统的性能，即准确度和精确度。由于光刻工具可产生$50-100m/年的产品，所以改进的测量系统的经济价值是显著的。光刻工具的产量的每1％的增长导致给集成电路制造者约$1m/年的经济效益，并导致给光刻工具供应商明显竞争优势。
光刻工具的功能是将空间图案化辐射引导到光刻胶涂覆的晶片。该过程涉及确定晶片的哪个位置接收辐射(对准)和将辐射施加到该位置的光刻胶(曝光)。
在曝光期间，辐射源照明图案化掩模母版，图案化掩模目版将辐射散射以产生空间图案化辐射。掩模目版还称为掩模，这些术语在下面可互换。在缩小光刻的情况下，缩影透镜收集散射的辐射，并形成掩模母版图案的缩小图像。或者，在接近式印刷的情况下，散射的辐射在接触晶片之前传播一小距离(通常维几微米)，以产生掩模母版的1:1像。辐射在抗蚀剂中开始光化学过程，将辐射图案转换为抗蚀剂内的潜像。
为了恰当地定位晶片，晶片包括位于晶片上的对准掩模，其可以通过专用传感器测量。测量的对准掩模的位置限定晶片在工具内的位置。与晶片表面的期望图案化的规格一起，该信息引导晶片相对于空间图案化辐射的对准。基于这种信息，支撑光刻胶涂覆的晶片的可平移台移动晶片，使得辐射会曝光晶片的正确位置。在某些光刻工具中，例如光刻扫描机中，掩模也定位在可平移台上，其在曝光期间与晶片相呼应地移动。
编码器系统(比如本文所讨论的)可以是控制晶片和掩模母版的位置并配准晶片上的掩模母版图像的定位机构的重要部件。如果这种编码器系统包括本文所述特征，则由系统测量的距离的准确度可以增加和/或在较长时期内维持而不是离线维护，从而导致更高的吞吐量(由于增加的产量和减少的工具停机)此外，使用本文所述编码器系统可以通过降低材料成本而降低整体成本。
总体上，光刻工具(还称为曝光系统)通常包括照明系统和晶片定位系统。照明系统包括提供辐射(比如紫外线、可见光、x射线、电子或离子辐射)的辐射源，以及将图案施加到辐射的掩模母版或掩模，从而产生空间图案化辐射。此外，对于缩小光刻的情况，照明系统可包括透镜组件，用于将空间图案化辐射成像在晶片上。成像的辐射使涂覆在晶片上的抗蚀剂曝光。照明系统还包括用于支撑掩模的掩模台以及用于调节掩模台相对于引导穿鞋过掩模的辐射的位置的定位系统。晶片定位系统包括用于支撑晶片的晶片台以及用于调节晶片台相对于成像辐射的位置的定位系统。集成电路的制造可包括多个曝光步骤。对于光刻的一般参考，例如见j.r.sheats和b.w.smith的inmicrolithography:scienceandtechnology(marceldekker,inc.,newyork,1998)，其内容作为引用全部并入本文。
上述编码器系统可用于精确地测量晶片台和掩模台相对于曝光系统的其它部件(比如透镜组件、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附接到静止结构，编码器标尺附接到可移动元件，比如掩模和晶片台之一。或者，情况可以反过来，光学组件附接到可移动物体，而编码器标尺附接到静止物体。
更具体地，这种编码器系统可用于测量测量曝光系统的任一部件相对于曝光系统的其它部件的位置，光学组件附接到该任一部件或由其支撑，编码器标尺附接到其它部件或由其支撑。
使用干涉式编码器系统1126的光刻工具1100的示例在图13中示出。干涉式编码器系统用于精确地测量晶片(未示出)在曝光系统内的位置。在此，台1122用于相对于曝光站定位和支撑晶片。扫描器1100包括框架1102，其支承其它支撑结构和支承在这些结构上的各部件。曝光基底1104在其顶部安装有透镜壳体1106，其顶部安装有掩模母版或掩模台1116，其用于支撑掩模母版或掩模。用于相对于曝光站定位掩模的定位系统由元件1117示意性地示出。定位系统1117可包括例如压电换能器元件和对应的控制电子器件。尽管所述实施例中没有包含，但是上述编码器中的一个或多个也可用于精确地测量掩模台以及其它可移动元件的位置，它们的位置在制造光刻结构期间必须被准确地监测(见suprasheatsandsmithmicrolithography:scienceandtechnology)。
在曝光基1104下方悬出的是支撑基底1113，其支承晶片台1122。台1122包括测量物体1128，以衍射通过光学组件1126引导到台的测量波束1154。用于相对于光学组件1126定位台1122的定位系统由元件1119示意性表示。定位系统1119可包括例如压电换能器元件和对应控制电子器件。测量物体使测量波束衍射回安装在曝光基底1104上的光学组件。干涉式编码器系统可以是先前所述实施例的任一。
在操作期间，辐射波束1110，比如来自uv激光器(未示出)的紫外线(uv)波束，穿过波束成型光学组件1112，并在从反射镜1114反射之后向下行进。之后。辐射波束穿过由掩模台1116支承的掩模(未示出)。掩模(未示出)经由支承在透镜壳体1106中的透镜组件1108成像在由晶片台1122睥晶片(未示出)上。基底1104及由其支撑的各部件通过由弹簧1120描绘的阻尼系统与环境振动隔离。
在一些实施例中，先前所述编码器系统中的一个或多个可用于测量例如但是不限于与晶片和掩模母版(掩模)台相关的沿多个轴线的位移和角度。另外，除了uv激光束，其它波束可用于曝光晶片，包括例如x射线波束、电子束、离子束和可见光束。
在某些实施例中，光学组件1126可以定位成测量扫描器系统的掩模母版(或掩模)台1116或其它可移动部件的位置。最后，编码器系统可以以与涉及步进机(除了扫描器)的光刻系统类似的方式使用。
如本领域中熟知的，光刻是制造半导体装置的制造方法的重要部分。例如，美国专利5483343提及了这种制造方法的步骤。这些步骤在下面相对于图14a和14b描述。图14a是制造半导体装置的序列的流程图，半导体装置是比如半导体芯片(例如ic或lsi)、液晶面板或ccd。步骤1251是用于设计半导体装置的电路的设计过程。步骤1252是基于电路图案设计制造掩模的过程。步骤1253是通过使用比如硅的材料制造晶片的过程。
步骤1254是称为预加工的晶片加工，其中，通过使用制备的掩模和晶片，电路经由光刻形成在晶片上。为了在晶片上形成使掩模上的那些图案对应于充足空间分辨率的电路，光刻工具相对于晶片的干涉定位是必要的。本文描述的干涉测量方法和系统可尤其用于改进用在晶片加工中的光刻的有效性。
步骤1225是组装步骤，其称为后加工，其中，由步骤1254处理的晶片形成为半导体芯片。该步骤包括组装(切割和焊接)和封装(芯片密封)。步骤1256是检查步骤，其中，实施由步骤1255生产的半导体装置的操作性检查、耐用性检查等。利用这些加工，完成并运输半导体装置(步骤1257)。
图14b是示出晶片加工的细节的流程图。步骤1261是用于氧化晶片表面的氧化过程。步骤1262是在晶片表面上形成绝缘膜的cvd工艺。步骤1263是通过气相沉积在晶片上形成电极的电极形成工艺。步骤1264是用于将离子注入晶片的离子注入工艺。步骤1265是将抗蚀剂(光敏材料)施加到晶片的抗蚀剂工艺。步骤1266是经由上述曝光设备通过曝光(即光刻)将掩模的电路图案印刷在晶片上的曝光工艺。再次，如上所述，使用本文所述编码器系统和方法改进了这种光刻步骤的精确度和分辨率。
步骤1267是显影被曝光晶片的显影工艺。步骤1268是移除除了被显影抗蚀剂图像之外的部分的蚀刻工艺。步骤1269是在蚀刻工艺之后分离晶片上剩余的抗蚀剂材料的抗蚀剂分离工艺。通过重复这些工艺，电路图案形成和添加在晶片上。
上述编码器系统还可用在物体的相对位置需要精确测量的其它应用中。例如，在记录波束(比如激光、x射线、离子或电子束)随着基板或波束移动而将图案标记在基板的应用中，编码器系统可用于测量基板和记录波束之间的相对移动。
描述了许多实施例。然而，应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改造。其它实施例位于权利要求书的范围内。
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