一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种超精密位移测量技术及光栅位移测量系统，特别设及一种使用双 频激光和衍射光栅的=维位移测量装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，超精密测量已成为世界测量领域的研究热点。考虑到测量范围、精度、系 统尺寸和工作环境等因素的影响，用小体积多自由度的测量方法来实现高精度测量在现代 位移测量中的需求也越来越突出。在半导体加工领域，光刻机中的掩膜台和工件台的定位 精度和运动精度是限制半导体巧片加工线宽的主要因素，为了保证掩膜台和工件台的定位 精度和运动精度，光刻机中通常采用具有高精度、大量程的双频激光干设仪测量系统进行 位移测量。目前市场上现有的半导体巧片的线宽已经逼近14nm，不断提高的半导体加工要 求对超精密位移测量技术提出了更大的挑战，而双频激光干设仪测量系统由于其长光程测 量易受环境影响，且存在系统体积大、价格高昂等一系列问题，难W满足新的测量需求。
[0003] 针对上述问题，国内外超精密测量领域的各大公司及研究机构都投入了大量精力 进行研究，其中一个主要研究方向包括研发基于衍射光栅的新型位移测量系统。基于衍射 光栅的位移测量系统经过数十年的发展，已有较多的研究成果，在诸多专利和论文中均有 揭露。
[0004] 德国肥IDENHAIN公司的专利US477670U公开日1988年10月11日）提出了利 用光束通过折射光栅和反射光栅后实现相干叠加与光学移相的方式来测量X方向位移的 方法。该方法利用光栅本身的结构参数调整实现了干设信号移相，同时测量结果不受Y方 向和Z方向位移的影响。由于该方法不需额外的移相元件，因此系统体积较小，但是该方法 只能用于X方向的位移测量。
[0005] 荷兰ASML公司的专利US736244她2 (公开日2008年4月22日）提出了一种利用 光栅衍射编码器和干设仪原理测量标尺光栅在X方向和Z方向位移的位置测量单元，利用 3个该位置测量单元能够同时测量平台的6个自由度；通过特殊的棱镜结构设计，使得该位 置测量单元除了标尺光栅W外的其他分光、移相、合光等光学元件组合成一个整体，达到减 轻单元尺寸和质量，结构紧凑的目的；该位置测量单元测量标尺光栅X向位移所使用光栅 衍射编码器的测量光来自标尺光栅的衍射光，测量标尺光栅Z向位移所使用干设仪的测量 光也来自标尺光栅的衍射光，但来源于不同光束的衍射，是分立的。该方法可同时实现X向 和Z向的位移测量，但干设仪和光栅衍射测量的位置不同，棱镜组结构较复杂。
[0006] 日本学者Wei Gao与清华大学学者曾理江等人联合发表的论文 "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"中提出了一种利用衍射光栅干设原理的二维光栅测量装 置。激光器出射的激光经过偏振分光棱镜分为测量光和参考光，二者分别入射到标尺光栅 和参考光栅并发生反向衍射，反向衍射光在偏振分光棱镜处汇聚后入射到光电探测单元发 生干设，利用后续光路移相，可w在四组探测器表面接收到干设信号。通过对干设信号进行 处理，可W解禪出光栅读数头相对于标尺光栅在X向和Z向两个方向的位移信息。该方法 为了实现对信号的移相，引入了很多的移相合光器件，体积较大；而且当读数头与光栅产生 的Z向运动时，干设区域的范围变小，不利于Z向较大量程的测量。
[0007] 清华大学学者朱燈的专利CN102937411A(公开日2013年2月20日）和 CN102944176A(公开日2013年2月27日）中，提出了利用衍射光栅干设原理设计的二维 光栅测量系统，并引入了双频激光产生了拍频信号，增强了测量信号的抗干扰能力。该组专 利当读数头相对于标尺光栅发生Z向运动时，干设区域范围变小，不利于Z向较大量程的测 量。
[0008] 日本株式会社S丰的专利CN102865817A(公开日2013年1月9日）W及 US8604413B2(公开日2013年12月10日）提出了一种二维位移传感器的构造，该构造能够 实现多维位移测量，但是整个系统采用透射方式，并且使用了棱镜等光学器件用于折光，因 此系统体积较大。
[0009] 哈尔滨工业大学学者胡鹏程等人的专利CN103604376A(公开日2014年2月26日） 中，提出了一种抗光学频率混叠的光栅干设仪系统，通过激光器出射的双频激光在空间上 分开传输的设置，消除了光学频率混叠和相应的周期非线性误差，并能够实现=维位移的 测量；哈尔滨工业大学学者林杰等人的专利CN103644849A(公开日2014年3月19日）中， 通过引入自准直原理提出了一种=维位移测量系统，该系统能够实现较大量程的Z向位移 测量，但是由于光束分光次数较多，不利于提高干设信号的质量。
【发明内容】
[0010] 为解决上述方案的局限性，适应和满足前述的测量要求，本发明利用典型迈克尔 逊干设仪原理、多衍射光栅干设原理和光学拍频原理，设计了一种结构简单紧凑、体积小、 抗干扰能力强的使用双频激光和衍射光栅的=维位移测量装置。当本装置的读数头相对于 标尺光栅发生水平方向狂向）、竖直方向（Y向）、垂直方向狂向）的位移时，可实现高精 度的=维位移实时测量。
[0011] 本发明的技术方案如下：
[0012] 一种使用双频激光和衍射光栅的=维位移测量装置，包括标尺光栅和读数头，读 数头包括双频激光光源、Z向干设部件、扫描分光光栅部件、X向探测部件、Y向探测部件、 Z向探测部件、信号处理部件；所述的双频激光光源包括双频激光器、分光棱镜、偏振片A ;Z 向干设部件包括偏振分光棱镜、1/4波片A、反射部件、1/4波片B、偏振片B ;扫描分光光栅 部件包括扫描分光光栅、光阔；扫描分光光栅的栅线所在平面和标尺光栅的栅线所在平面 平行；扫描分光光栅为组合光栅，包括位于扫描分光光栅中间区域的二维正交光栅W及位 于二维正交光栅两侧的一维光栅A和一维光栅B，二维正交光栅、一维光栅A和一维光栅B 的栅线共面，一维光栅A和一维光栅B的栅线方向相互垂直，且分别平行于二维正交光栅的 两个栅线方向，二维正交光栅、一维光栅A和一维光栅B的光栅周期相等；扫描分光光栅在 放置时，其栅线方向与标尺光栅的栅线方向成45° ;标尺光栅为二维正交光栅，具有后向零 级衍射光，其周期为扫描分光光栅周期的1/V5;X方向是与扫描分光光栅的栅线所在平面平 行，且垂直于一维光栅A栅线的方向；Y方向是与扫描分光光栅的栅线所在平面平行，且垂 直于一维光栅B栅线的方向；Z方向是与扫描分光光栅的栅线所在平面垂直的方向；双频激 光器出射的双频正交偏振光入射到分光棱镜，其反射光透过偏振片A后入射到Z向探测部 件，形成的拍频信号作为Z向测量的一路参考信号，其透射光入射到偏振分光棱镜后分为 参考光和测量光；参考光透过1/4波片A，并由反射部件反射后，依次透过1/4波片A、偏振 分光棱镜、偏振片B入射到Z向探测部件；测量光透过1/4波片B后沿Z方向入射到扫描分 光光栅中间区域的二维正交光栅，经二维正交光栅衍射后衍射光束入射到标尺光栅并发生 反向衍射，得到九束测量光束与其他杂散光束；九束测量光束中，其中四束在扫描分光光栅 的一维光栅A上两两相交并衍射入射到X向探测部件形成四组干设信号，通过信号处理单 元解算后得到读数头相对于标尺光栅在X向发生的位移；九束测量光束中，另外四束在扫 描分光光栅的一维光栅B上两两相交并衍射入射到Y向探测部件形成另外四组干设信号， 通过信号处理单元解算后得到读数头相对于标尺光栅在Y向发生的位移；九束测量光束中 的另一沿入射方向返回的测量光束依次透过扫描分光光栅中间区域的二维正交光栅、1/4 波片B，并由偏振分光棱镜反射后透过偏振片B入射到Z向探测部件；入射到Z向探测部件 的参考光和测量光相遇形成的拍频信号作为Z向测量的一路测量信号，Z向测量的参考信 号和测量信号通过信号处理单元解算后得到读数头相对于标尺光栅在Z向发生的位移。
[0013] 在扫描分光光栅部件中增设了光阔，并且光阔位于扫描分光光栅与X向探测部件 之间，光阔同时位于扫描分光光栅与Y向探测部件之间。
[0014] 在双频激光器出射的透过扫描分光光栅的测量光的波长A = 632. 8nm时，扫描分 光光栅采用矩形光栅，一组优选参数为二维正交光栅两个栅线方向的光栅周期di= d 2 = 10 ym、光栅台阶高度h = 159皿、两个栅线方向的光栅台阶宽度ai= a 2= 5. 67 ym，一维 光栅A和一维光栅B的光栅周期d = 10 ym、光栅台阶高度h = 488皿、光栅台阶宽度a = 3. 567 ym，标尺光栅采用二维矩形光栅，其一组优选参数为两个栅线方向的光栅周期di = d2= 7.07 ym、光栅台阶高度h = 159皿、两个栅线方向光栅台阶宽度a 1= 32= 4.01 ym。
[0015] 本发明是利用典型迈克尔逊干设仪原理、多衍射光栅干设原理和光学拍频原理提 出的一种使用双频激光和衍射光栅的的=维位移测量装置，具有W下创新性和突出效果：
[0016] 1.通过将标尺光栅和扫描分光光栅平行放置、扫描分