本發(fā)明涉及基于平面光柵尺的位移測量定位領(lǐng)域中使用的二維平面光柵，特別是一種反射式全介質(zhì)二維平面光柵。

背景技術(shù)：

1、平面光柵尺作為微納米精密位移測量的重要工具，不僅具有亞微米甚至納米級的分辨率和精度，而且能夠進(jìn)行數(shù)百毫米甚至米量級的長程測量。相比于激光干涉儀，平面光柵尺具有結(jié)構(gòu)緊湊、測量重復(fù)性高、對環(huán)境變化不敏感、成本低等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于高端光刻機(jī)工件臺位置測量、精密機(jī)床數(shù)控加工、機(jī)器人機(jī)器視覺等領(lǐng)域。二維光柵是平面光柵尺的核心部件，其衍射效率、偏振特性、光柵圖形定位精度等是決定光柵尺測量精度的核心。因此，研究高精密二維光柵技術(shù)，對于推動光刻機(jī)技術(shù)進(jìn)步具有重大意義。

2、1987年，德國heidenhain公司首次推出了一種基于干涉測量原理的干涉掃描式直線光柵尺ls101，其測量分辨率為0.02μm。與早期的基于莫爾條紋的幾何測量原理不同，干涉測量原理采用周期較小的相位型衍射光柵，可以實現(xiàn)納米級的測量，并且允許比較寬松的安裝。1995年，heidenhain公司在玻璃基體上制造出8μm周期二維平面光柵，這為利用一個光柵讀數(shù)頭和一塊光柵實現(xiàn)二維位移的測量提供了可能。同時，該公司研制了基于此周期二維平面光柵的pp281型二維光柵尺。pp281型二維光柵尺的測量范圍68mm×68mm，測量分辨率可以達(dá)到1nm，測量準(zhǔn)確度為±2μm。1999年，美國的optra公司推出了nanogrid平面光柵編碼器，nanogrid平面光柵編碼器使用柵距為10μm的二維平面光柵，目前的最大測量范圍可以達(dá)到400mm×400mm，最高測量分辨率可達(dá)0.305nm，重復(fù)性測量精度小于5nm，測量準(zhǔn)確度小于1um。2009年，德國heidenhain公司研制出400mmx400mm的大型二維平面光柵，以此為基礎(chǔ)研發(fā)出的光柵位移測量系統(tǒng)，首次應(yīng)用到荷蘭的asml公司的nxt：1950i型光刻機(jī)中，實現(xiàn)了大范圍測量和2.5nm單機(jī)套刻精度；并在隨后的nxt：1970ci、nxt：1980di型光刻機(jī)中采用平面光柵測量技術(shù)實現(xiàn)2.0nm、1.6nm的套刻精度。從第4代duv光刻機(jī)開始后續(xù)高端euv光刻機(jī)均采用浸沒式光刻技術(shù)，在同等波長和投影數(shù)值孔徑條件下，浸沒式曝光系統(tǒng)可以獲得更小的線寬和更高的光刻精度。在浸沒式光刻機(jī)中，要求平面光柵尺能夠在高濕環(huán)境下保持相應(yīng)的性能穩(wěn)定和使用壽命。目前，國際上高端光刻機(jī)生產(chǎn)廠家使用的平面光柵尺，其中的計量光柵主要是表面鍍制金屬薄膜的二維鍍金光柵，該類型光柵在長期的使用過程中表面容易被氧化而且金薄膜質(zhì)地較軟，影響其使用性能和壽命。相比之下，全介質(zhì)二維平面計量光柵采用了氧化硅、氧化鉭等高穩(wěn)定性的全介質(zhì)氧化物薄膜材料，其材料屬性更穩(wěn)定、不易水解，在高濕度環(huán)境下可以保持長的使用壽命，同時其偏振不敏感適用于計量光柵多衍射級次使用需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種反射式全介質(zhì)二維平面計量光柵，具有偏振不敏感、高化學(xué)穩(wěn)定性和長使用壽命等特點，適用于浸沒式曝光條件下的平面光柵測量系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一種反射式全介質(zhì)二維平面計量光柵，該光柵由下而上依次分別是光柵基底、周期膜系、位相匹配層和頂部二維光柵層，相鄰膜層高低折射率交替堆疊；所述的周期膜系是由周期膜系高折射率材料層和周期膜系低折射率材料層交替疊加構(gòu)成；所述的光柵基底和周期膜系構(gòu)成底部高反射層，該底部高反射層的膜系為：s∣(hnl)^m∣h，其中，s為光柵基底材料，h和l分別代表光學(xué)厚度為λr/4的周期膜系高折射率材料層和周期膜系低折射率材料層，λr為參考波長，m代表膜層周期數(shù)，m為正整數(shù)，n代表周期膜系低折射率材料層的厚度系數(shù)，n＞0；所述的位相匹配層由高折射率材料和/或低折射率材料構(gòu)成；所述的頂部二維光柵層由高折射率材料或低折射率材料構(gòu)成，該光柵層x和y兩個方向的周期px和py相等，均為800-2100納米，x方向光柵矢量和y方向光柵矢量正交成90°夾角或45°夾角，x方向和y方向光柵頂部的占寬比fx和fy分別為0.4-0.7，優(yōu)選fx和fy分別為0.4-0.59。所述周期膜系高折射率材料層由高折射率材料構(gòu)成，所述周期膜系低折射率材料層由低折射率材料構(gòu)成。優(yōu)選地，所述的頂部光柵層、位相匹配層、周期膜系所使用的低折射率材料為sio2；高折射率材料為hfo2或ta2o5。

4、可選地，所述的頂部二維光柵層的光柵脊水平方向的剖面為圓形或矩形。

5、可選地，所述的光柵基底為低膨脹的微晶或石英玻璃。

6、優(yōu)選地，|fx-fy|≤0.1。本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

7、1、光柵使用全介質(zhì)材料，機(jī)械/化學(xué)性能穩(wěn)定、使用壽命長、吸收極小、抗損傷閾值高。

8、2、光柵在使用波段具有高的衍射效率(各級次效率≥17％)，各級次效率均衡。

9、3、具備高的偏振不敏感性，s和p偏振光的衍射效率差值≤2％。

技術(shù)特征：

1.一種反射式全介質(zhì)二維平面計量光柵，其特征在于，該光柵由下而上依次分別是光柵基底、周期膜系，位相匹配層和頂部二維光柵層，相鄰膜層高低折射率交替堆疊；所述的周期膜系由周期膜系高折射率材料層和周期膜系低折射率材料層交替疊加構(gòu)成；所述的光柵基底和周期膜系構(gòu)成底部高反射層，該底部高反射層的膜系為：s∣(hnl)^m∣h，其中，s為光柵基底；h和l分別代表光學(xué)厚度為λr/4的周期膜系高折射率材料層和周期膜系低折射率材料層，λr為參考波長，m代表膜層周期數(shù)，m為正整數(shù)，n代表周期膜系低折射率材料層的厚度系數(shù)，n＞0；所述的位相匹配層由高折射率材料和/或低折射率材料構(gòu)成；所述的頂部二維光柵由高折射率材料或低折射率材料構(gòu)成，該光柵層x和y兩個方向的周期px和py相等，均為800-2100納米，x方向光柵矢量和y方向光柵矢量正交成90°夾角或45°夾角，x方向和y方向光柵頂部的占寬比fx和fy分別為0.4-0.7；所述周期膜系高折射率材料層由高折射率材料構(gòu)成，所述周期膜系低折射率材料層由低折射率材料構(gòu)成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式全介質(zhì)二維平面計量光柵，其特征在于，所述的頂部光柵層、位相匹配層、周期膜系所使用的低折射率材料為sio2；高折射率材料為hfo2或ta2o5。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式全介質(zhì)二維平面計量光柵，其特征在于，所述的頂部二維光柵層的光柵脊水平方向的剖面為圓形或矩形。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式全介質(zhì)二維平面計量光柵，其特征在于，所述的光柵基底為低膨脹的微晶或石英玻璃。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式全介質(zhì)二維平面計量光柵，其特征在于，|fx-fy|≤0.1。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式全介質(zhì)二維平面計量光柵，其特征在于，fx和fy分別為0.4-0.59。

技術(shù)總結(jié)
一種反射式全介質(zhì)二維平面計量光柵，其特征在于該光柵由下而上依次分別是光柵基底、周期膜系、位相匹配層和頂部二維光柵層，相鄰膜層高低折射率交替堆疊。本發(fā)明全介質(zhì)二維平面計量光柵具有偏振不敏感、高化學(xué)穩(wěn)定性和長使用壽命等特點，適用于浸沒式曝光條件下的平面光柵測量系統(tǒng)。

技術(shù)研發(fā)人員：曹紅超,晉云霞,汪瑞,張益彬,王云坤,孔釩宇,韓昱行
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19