一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于精密仪器领域，具体为一种测量系统，特别适合于高端精密、高速要求、大幅面运动控制的系统和设备，为其提供运动反馈控制所必须的测量支撑。
【背景技术】
[0002]光刻机作为工业母机其相关技术一直引领芯片相关产业的发展。按照目前的行业态势，下一代光刻机将针对18inch直径的晶圆(450mm)开发相关技术，对作为运动控制不可或缺的测量技术提出了更高的要求:运动部的运动规划范围至少达到米级、精度达到纳米甚至亚纳米、加速度不低于10g。在如此极端要求下，运动控制和材料性状等随时间变化情况的快速实时获取都将最终转化为对测量的要求，这对测量提出了更大的挑战，也是各国、相关企业时下暗中较劲争夺技术制高点的核心领域。当然，相关的应用还非常广泛，如大幅面液晶面板、高精度机床、大幅面光栅刻划机等需要高精度测量、而运动范围又非常大、测量速度要求非常快的高端装备。
[0003]但是，目前大幅面光栅的制作非常困难，世界上也只有美国、法国和中国可以制作米级尺寸大幅面光栅，但超过I米尺度大幅面光栅加工机器仍未见有报道。光栅拼接以构成整块大光栅的想法已有文献报道和科学基金支持，研究诸如制栅过程分区曝光构造大幅面光栅等。其研究的目的主要是将同频率的两块光栅等相位拼接起来，但现实的加工操作能力限制了其应用。例如，对于2000线对/mm的光栅要在复制或粘帖在大幅面板上，其搭接精度低于1/4光栅周期就没有意义了，一般至少要高于1/8光栅周期(0.0625微米)，这个配准精度已经超过了很多大幅度运动控制系统的控制能力，而这还没考虑空间位置中的倾斜、微转等方面的影响。
[0004]根据文献、专利检索和业内咨询讨论，以上采用大幅面(单频率)光栅测量大幅度运动是相关领域研究人员目前仍然在努力探索的事情，尚无可靠的方案。本发明专利则另辟蹊径，采用并列多道二维光栅、阵列多探头协调测量，并做统计分析以提高可靠性，同时借助光栅道标作为基准点从而建立起整体台面坐标控制网络。不仅完美解决了大幅面光栅的问题，而且进一步发展了提高测量稳定可靠性的新思路，这对高达纳米甚至亚纳米测量尤其重要，多项权利要求均属世界首创发明。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出一种适合于大幅面运动规划的高精度、高速度测量系统，尤其适合于光刻机、大幅面液晶面板加工装备、精密机床、光栅刻划机等。本系统与目前此类设备所采用的测量系统相比，具有明显的技术优势，但同时也并限于所列应用，高精、快速、大幅面运动控制这三项极端要求中只要有一项需要，均可能考虑本发明的应用。
[0006]为实现上述目的所采用的具体技术方案为:
[0007]—种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统，包括高平整度台面、运动块、多块光栅、多组光栅测量探头、协调控制电路、多个光栅道标;其中，光栅和光栅道标均固定于台面之上，光栅测量探头和协调控制电路固定于运动块上，运动块在协调控制电路的驱动下相对于台面移动。
[0008]所述的多块光栅沿运动路径分为多道铺设于高平整度台面;铺设方法是:不同规格(周期)的光栅邻道铺设，同规格的光栅至少出现两道，并且当其中一道的光栅因光栅块不够长而出现断口时，其他道的光栅有足够的连续长度在运动块的运动方向覆盖该断口位置。
[0009]所述的光栅道标布置在光栅道的断口中央、相邻栅道的交界线以及台面边沿。
[0010]所述测量探头包括多个光电感应探头和集成屏，集成屏内包括有支撑框架、多个折射晶体，多个光电感应探头和多个折射晶体均相对固定在支撑框架上。
[0011]每道光栅对应运动块的位置至少有两个测量探头，S卩运动块在运动过程中有多个测量探头对任意一道的光栅进行位置探测，且同道测量探头布置的前后间距不超过单一光栅块在运动方向的长度。
[0012]所述台面上布置的光栅可以选择不同的类型，根据光栅的类型不同，测量探头布置也相应的不同；
[0013]当采用反射型光栅时，激光光源与测量探头布置在光栅面的同侧，便于与运动快集成在一起;当采用透射型光栅时，激光光源与测量探头分布在光栅面的两侧，运动块或者与测量探头集成或者与激光光源一起集成，没有与运动块集成在一起的则阵列化布置于台面。
[0014]所述协调控制电路与所述测量探头一起进行协调控制，以实现单一探头细分次数少但整体测量精度更高的效果(粗周期光栅道对应的探头和细周期光栅道对应探头，它们得到的信号需要进行精度细分的次数少而更容易实现，这样粗细光栅及探头得到的最终结果就可以覆盖多个分辨率实现高精度绝对定位)；所述协调控制电路的控制方法包括同级栅道多个测量探头测量结果的统计分析，相同精度级的多个测量结果中剔除偏差较大的数据，取平均值作为输出，且测量精度要求越高，相应的光栅道和测量探头数则越多布置。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0016]其一，本发明首次提出了多道光栅、测量探头阵列同步测量、协调统计分析的方法进行纳米级精密测量，并给出了具体实现方案。与以往纳米级测量方法相比，其测量稳定性得到显著提高。
[0017]其二，双频激光干涉仪是通常用于纳米级测量的一种典型方案，虽然其精度高，但必须有一个前提条件:运动必须是严格直线运动。从其原理不难发现，通常跟随运动部一起运动的反光镜平面、探头平面之间出现很小的不平行都将引起很大的误差，而且距离越远由非平行性引起的光程差越大。但问题的关键是，以当今世界的技术水平，要保证如此严格的直线运动、且运动过程几乎无任何抖动，往往是不现实的，难以实现的。本发明则可以同时考虑二维测量，且考虑到当运动部向某个方向运动(主运动方向)时其另一维运动量(即相对主运动方向的偏尚量)很小，本发明米用在偏尚方向铺设相对较窄的光栅宽度，很好地利用了光栅和测量探头的布置空间。
[0018]其三，相比与通常基于光栅的测量方法，光栅尺是一个典型应用代表。且不谈光栅尺往往只利用了一维光栅、一个探头，本发明采用测量探头阵列、且有多种频率的栅道，其协调输出精度的重复稳定性也将得到明显的提高。且本发明所提出的粗、精探头协调细分技术、精度互验方法都是已有文献、国内外专利所没有过的。
【附图说明】
[0019]图1是本发明以两种规格光栅铺设(具体使用时可以有很多道)为例的示意图。其中编号，A-a、B_b分别是两种频率规格的光栅(大写字母表示水平向、小写字母代表竖直向)栅道，其中每一道的断口位置与其同规格栅线道的断口位置错开;C代表光栅道标(形状仅做示意)，布置在栅线道的断口处，可直接由测量探头唯一识别；边上的箭头线代表主运动方向。
[0020]由于各道测量探头的探测方法相同，阵列化布置方案对于转弯部位并无特别要求，只要通过道标识别出相应位置并由协调控制电路重新协调分配各测量探头的探测任务即可(直接变向)。当然，也可以采用环形多道光栅布置于拐角位置，运动块经过该位置时自身也进行一定的自转来实现转弯(自转后变向)。
[0021]图2是本发明的总体组成示意图的一个例子，指示各组成的相对位置关系。其中编号，I是运动块(如，磁悬浮平面电机动子)，2是测量探头及协调控制电路，3是阵列光栅(SP图1所示)，4是台面(如，磁悬浮平面电机定子)。
[0022]图3本发明中原理示意图。其中编号，5是光电感应探头(分别探测两个方向，这里限于图示空间，仅画出两个)，只要参与干涉的两路衍射光强(如+m和-m、+η和-n，m、η是整数)足以形成有效的干涉信号，均可安排一个光电感应探头进行探测；6是折射晶体(或微镜、小片光栅)、光强衰减片、光程补偿片的集合体，主要用于将计量光栅的衍射光传播方向以设计需要的方向改变;7是激光光源，最好是半导体激光器以便于封装小型化;8是计量光栅，图示为二维反射光栅。
[0023]另外，当采用透射型计量光栅时则，激光光源7将置于计量光栅的背面，一样垂直光栅面入射，这样其衍射光分布与图3的衍射光分布相同。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明:
[0025]该系统包括高平整度台面、运动块、多块光栅、光栅测量探头阵列、协调控制电路、多个光栅道标。光栅和光栅道标均固定于台面之上，测量探头和协调控制电路可以集成于运动块的下表面(此处仅为便于表述，并不仅限于这种上下关系，而是指运动块与台面之间的关系，即便台面是侧立的甚至面向下的都适用于本发明)。(运动块可以是各种电机的运动部，台面和运动块的组合关系类似于诸如磁悬浮平面电机、气浮平面电机等的情况)。
[0026]所述高平整度台面是指，为了配合基于光栅的云纹干涉高精度测量所必须的平整度台面，作为光栅的载体，用以在其表面铺设光栅。材质要求应该耐摩、热稳定性好、热膨胀系数低、不易变形等;对于采用反射光栅时其可以是非透光材料;对于采用透射光栅时其应该采用透光性能较好的材料，如石英玻璃等。
[0027]进一步地，当采用透射光栅时，光栅铺设于台面的表面，在表面之下还将布置激光光源阵列，或探头阵列，或二者兼有。目的是，当光源从下方向上照射，照射光向上穿过光栅后被上方布置的探头接收;类似地，当光源从上方向下照射，照射光向下穿过光栅后被下方布置的探头接收。当采用反射光栅时则只有一种情况，光源从上方照射到光栅，经过光栅反射后被探头接收。
[0028]进一步地，所述测量探头包括光电感应探头(或其他光电感应器件，如CCD、⑶MS等)和集成屏，本发