一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置的制作方法

本技术涉及一种纳米长度计量部件的校准装置，特别是公开一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置。

背景技术：

1、纳米位移台是集成电路产业、超精密加工、精密科学仪器等领域中精密位移测量的关键零部件。随着集成电路特征尺寸不断缩小、精密零件尺寸越来越小，对超精密定位技术的要求也越来越高，对纳米位移台的精确校准是保证其性能可靠的关键。

2、常用的精密位移测量技术有激光干涉仪和光栅干涉仪。激光干涉仪具有非接触、可溯源、精度高、量程大的优点，具有广泛的应用。激光干涉仪是以激光的波长作为长度测量的标准，具有很高的精度。基于该测量原理，激光干涉仪对激光波长的稳定性要求很高，波长的变化直接影响测量的精度。而激光的波长受环境因素的影响，温度、湿度、压力发生变化时，引起激光波长的变动。为减小环境误差带来的影响，使用激光干涉仪的方法对环境条件的要求非常苛刻。在实际现场使用过程中，往往需要复杂的补偿系统来减小环境因素的影响。光栅干涉仪采用光栅作为长度测量的标准，相比于激光波长，光栅的物理结构对环境因素的变化不敏感、抗干扰能力强、稳定性高。随着光栅工艺的发展，光栅的刻线密度有了大幅提升，使得光栅干涉仪的测量精度有了很大的提高，应用范围也越来越广。世界主流光刻机供应商asml在晶圆定位系统中逐步采用光栅干涉仪替代激光干涉仪。

3、对光栅周期的定值通常采用光学衍射法或者计量型原子力显微镜。光学衍射法是实验室最常用的光栅周期测量方法，其测量原理基于光栅方程。激光以littrow角入射时满足，θ为littrow角，λ为激光的波长，n为空气的折射率，d为光栅的周期。已知入射激光的波长，通过测量入射角θ以及空气的折射率即可得到光栅的周期，光栅周期通过激光波长λ溯源到633nm国家长度基准。

4、目前纳米位移台校准规范采用激光干涉仪作为主要的测量设备，整个校准过程在严格控制的实验室环境条件下进行。由于纳米位移台实际的使用环境与实验室环境存在差异，导致校准的效果在现场无法长时间维持，其校准周期较短，所以对生产效率的影响较大。另外，由于纳米位移台安装的复杂性，每次校准后的复位安装也是极大地增加了生产成本。因而迫切需要一种能对纳米位移台实现在线校准的装置，同时还需具有溯源性的、抗环境干扰能力强的特点，这是解决目前采用激光干涉仪校准纳米位移台方式中瓶颈的关键。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是突破现有技术中采用激光干涉仪校准位移台方法的限制，设计一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，实现对纳米位移台的校准，同时具有溯源性、抗环境干扰能力强的优点。

2、本实用新型是这样实现的：一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：包括准直光源、置于所述准直光源光路上的光电探测模块、与所述光电探测模块位置对应的待校准的纳米位移台、置于所述待校准的纳米位移台上的光栅、与所述光电探测模块电路连接的信号处理系统以及与所述待校准的纳米位移台电路连接的位移台驱动系统，所述位移台驱动系统驱动待校准的纳米位移台带动光栅同步运动，所述的光电探测模块设有用于采集干涉信号的光电探测器。

3、所述的光栅通过可调整的支架固定在待校准的纳米位移台上，通过支架实现光栅在待校准的纳米位移台上的俯仰及旋转角度调整，所述的位移台驱动系统与待校准的纳米位移台之间、所述的信号处理系统与光电探测器之间分别通过各自相应的通信电缆连接。

4、所述的光电探测模块包括依次设于准直光源向待校准的纳米位移台的入射光路上的第一平面反射镜、第一波片和偏振分光棱镜，入射光路经所述偏振分光棱镜后等比例地分为垂直偏振光路和水平偏振光路，所述垂直偏振光路依次设有第三波片和第三平面反射镜，所述水平偏振光路依次设有第二波片和第二平面反射镜，所述垂直偏振光路和水平偏振光路在以littow角入射到光栅表面后形成的两路衍射光路分别沿原路返回至偏振分光棱镜后合束，合束后的衍射光路上依次设有偏振片和光电探测器。所述的第一波片采用二分之一波片，所述的第二波片和第三波片采用四分之一波片。

5、所述的位移台驱动系统包括电路连接的信号发生器和信号放大器，所述的信号放大器与所述待校准的纳米位移台通过通信电缆连接，所述的位移台驱动系统连接有输入设备，用于输入的用于驱动待校准的纳米位移台运动的目标数据信息。

6、所述光栅的运动方向垂直于入射光的法线方向，所述待校准的纳米位移台的运动方向和光栅的运动方向保持一致。

7、所述光电探测器采集的干涉信号转化为电流信号传输至信号处理系统，由信号处理系统对干涉信号进行数据处理，获得光栅和待校准的纳米位移台的位移信息。

8、本实用新型的有益效果是：

9、1、本实用新型采用光栅干涉式测量方式，以光栅的周期作为长度测量的标准，利用光栅周期结构的稳定性，突破了激光干涉仪受环境因素影响的限制，不需要对环境参数进行额外的补偿，简化了测量过程；

10、2、本实用新型抗环境干扰能力强，可以在现场环境下实现对纳米位移台的在线校准；

11、3、本实用新型具有溯源性，光栅的周期溯源到国家长度基准；

12、4、本实用新型中干涉信号的周期是光栅周期的二分之一，通过信号处理系统对干涉信号进行光学细分和电子细分，有效提高了测量的分辨力。

13、本实用新型提出的这种全新的纳米位移台校准装置，通过光栅周期溯源到“米”的定义，适用于复杂环境条件下纳米位移台的现场校准，具有稳定性高、鲁棒性强的优势。

技术特征：

1.一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：包括准直光源、置于所述准直光源光路上的光电探测模块、与所述光电探测模块位置对应的待校准的纳米位移台、置于所述待校准的纳米位移台上的光栅、与所述光电探测模块电路连接的信号处理系统以及与所述待校准的纳米位移台电路连接的位移台驱动系统，所述位移台驱动系统驱动待校准的纳米位移台带动光栅同步运动，所述的光电探测模块设有用于采集干涉信号的光电探测器。

2.根据权利要求 1 所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述的光栅通过可调整的支架固定在待校准的纳米位移台上，通过支架实现光栅在待校准的纳米位移台上的俯仰及旋转角度调整，所述的位移台驱动系统与待校准的纳米位移台之间、所述的信号处理系统与光电探测器之间分别通过各自相应的通信电缆连接。

3.根据权利要求 1 所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述的光电探测模块包括依次设于准直光源向待校准的纳米位移台的入射光路上的第一平面反射镜、第一波片和偏振分光棱镜，入射光路经所述偏振分光棱镜后等比例地分为垂直偏振光路和水平偏振光路，所述垂直偏振光路依次设有第三波片和第三平面反射镜，所述水平偏振光路依次设有第二波片和第二平面反射镜，所述垂直偏振光路和水平偏振光路在以littow角入射到光栅表面后形成的两路衍射光路分别沿原路返回至偏振分光棱镜后合束，合束后的衍射光路上依次设有偏振片和光电探测器。

4.根据权利要求 3 所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述的第一波片采用二分之一波片，所述的第二波片和第三波片采用四分之一波片。

5.根据权利要求 2 所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述的位移台驱动系统包括电路连接的信号发生器和信号放大器，所述的信号放大器与所述待校准的纳米位移台通过通信电缆连接，所述的位移台驱动系统连接有输入设备。

6.根据权利要求 1 或2所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述光栅的运动方向垂直于入射光的法线方向，所述待校准的纳米位移台的运动方向和光栅的运动方向保持一致。

7.根据权利要求 1 或2所述的一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，其特征在于：所述光电探测器采集的干涉信号转化为电流信号传输至信号处理系统，由信号处理系统对干涉信号进行数据处理，获得光栅和待校准的纳米位移台的位移信息。

技术总结
本技术为一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置，包括准直光源、置于所述准直光源光路上的光电探测模块、与所述光电探测模块位置对应的待校准的纳米位移台、置于所述待校准的纳米位移台上的光栅、与所述光电探测模块电路连接的信号处理系统以及与所述待校准的纳米位移台电路连接的位移台驱动系统，所述位移台驱动系统驱动待校准的纳米位移台带动光栅同步运动，所述的光电探测模块设有用于采集干涉信号的光电探测器，所述光电探测器采集的干涉信号转化为电流信号传输至信号处理系统，由信号处理系统对干涉信号进行数据处理，获得光栅和待校准的纳米位移台的位移信息。

技术研发人员：刘丽琴,雷李华,沈瑶琼,管钰晴,邹文哲,郭创为,张玉杰,傅云霞,徐瑞书
受保护的技术使用者：上海市计量测试技术研究院
技术研发日：20230825
技术公布日：2024/3/5