一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種超精密位移測(cè)量技術(shù)及光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，特別設(shè)及一種使用雙 頻激光和衍射光柵的=維位移測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，超精密測(cè)量已成為世界測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。考慮到測(cè)量范圍、精度、系 統(tǒng)尺寸和工作環(huán)境等因素的影響，用小體積多自由度的測(cè)量方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量在現(xiàn)代 位移測(cè)量中的需求也越來(lái)越突出。在半導(dǎo)體加工領(lǐng)域，光刻機(jī)中的掩膜臺(tái)和工件臺(tái)的定位 精度和運(yùn)動(dòng)精度是限制半導(dǎo)體巧片加工線寬的主要因素，為了保證掩膜臺(tái)和工件臺(tái)的定位 精度和運(yùn)動(dòng)精度，光刻機(jī)中通常采用具有高精度、大量程的雙頻激光干設(shè)儀測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行 位移測(cè)量。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的半導(dǎo)體巧片的線寬已經(jīng)逼近14nm，不斷提高的半導(dǎo)體加工要 求對(duì)超精密位移測(cè)量技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)，而雙頻激光干設(shè)儀測(cè)量系統(tǒng)由于其長(zhǎng)光程測(cè) 量易受環(huán)境影響，且存在系統(tǒng)體積大、價(jià)格高昂等一系列問(wèn)題，難W滿足新的測(cè)量需求。
[0003] 針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外超精密測(cè)量領(lǐng)域的各大公司及研究機(jī)構(gòu)都投入了大量精力 進(jìn)行研究，其中一個(gè)主要研究方向包括研發(fā)基于衍射光柵的新型位移測(cè)量系統(tǒng)?；谘苌?光柵的位移測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已有較多的研究成果，在諸多專利和論文中均有 揭露。
[0004] 德國(guó)肥IDENHAIN公司的專利US477670U公開(kāi)日1988年10月11日）提出了利 用光束通過(guò)折射光柵和反射光柵后實(shí)現(xiàn)相干疊加與光學(xué)移相的方式來(lái)測(cè)量X方向位移的 方法。該方法利用光柵本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)了干設(shè)信號(hào)移相，同時(shí)測(cè)量結(jié)果不受Y方 向和Z方向位移的影響。由于該方法不需額外的移相元件，因此系統(tǒng)體積較小，但是該方法 只能用于X方向的位移測(cè)量。
[0005] 荷蘭ASML公司的專利US736244她2 (公開(kāi)日2008年4月22日）提出了一種利用 光柵衍射編碼器和干設(shè)儀原理測(cè)量標(biāo)尺光柵在X方向和Z方向位移的位置測(cè)量單元，利用 3個(gè)該位置測(cè)量單元能夠同時(shí)測(cè)量平臺(tái)的6個(gè)自由度；通過(guò)特殊的棱鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得該位 置測(cè)量單元除了標(biāo)尺光柵W外的其他分光、移相、合光等光學(xué)元件組合成一個(gè)整體，達(dá)到減 輕單元尺寸和質(zhì)量，結(jié)構(gòu)緊湊的目的；該位置測(cè)量單元測(cè)量標(biāo)尺光柵X向位移所使用光柵 衍射編碼器的測(cè)量光來(lái)自標(biāo)尺光柵的衍射光，測(cè)量標(biāo)尺光柵Z向位移所使用干設(shè)儀的測(cè)量 光也來(lái)自標(biāo)尺光柵的衍射光，但來(lái)源于不同光束的衍射，是分立的。該方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)X向 和Z向的位移測(cè)量，但干設(shè)儀和光柵衍射測(cè)量的位置不同，棱鏡組結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
[0006] 日本學(xué)者Wei Gao與清華大學(xué)學(xué)者曾理江等人聯(lián)合發(fā)表的論文 "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"中提出了一種利用衍射光柵干設(shè)原理的二維光柵測(cè)量裝 置。激光器出射的激光經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡分為測(cè)量光和參考光，二者分別入射到標(biāo)尺光柵 和參考光柵并發(fā)生反向衍射，反向衍射光在偏振分光棱鏡處匯聚后入射到光電探測(cè)單元發(fā) 生干設(shè)，利用后續(xù)光路移相，可w在四組探測(cè)器表面接收到干設(shè)信號(hào)。通過(guò)對(duì)干設(shè)信號(hào)進(jìn)行 處理，可W解禪出光柵讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵在X向和Z向兩個(gè)方向的位移信息。該方法 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的移相，引入了很多的移相合光器件，體積較大；而且當(dāng)讀數(shù)頭與光柵產(chǎn)生 的Z向運(yùn)動(dòng)時(shí)，干設(shè)區(qū)域的范圍變小，不利于Z向較大量程的測(cè)量。
[0007] 清華大學(xué)學(xué)者朱燈的專利CN102937411A(公開(kāi)日2013年2月20日）和 CN102944176A(公開(kāi)日2013年2月27日）中，提出了利用衍射光柵干設(shè)原理設(shè)計(jì)的二維 光柵測(cè)量系統(tǒng)，并引入了雙頻激光產(chǎn)生了拍頻信號(hào)，增強(qiáng)了測(cè)量信號(hào)的抗干擾能力。該組專 利當(dāng)讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵發(fā)生Z向運(yùn)動(dòng)時(shí)，干設(shè)區(qū)域范圍變小，不利于Z向較大量程的測(cè) 量。
[0008] 日本株式會(huì)社S豐的專利CN102865817A(公開(kāi)日2013年1月9日）W及 US8604413B2(公開(kāi)日2013年12月10日）提出了一種二維位移傳感器的構(gòu)造，該構(gòu)造能夠 實(shí)現(xiàn)多維位移測(cè)量，但是整個(gè)系統(tǒng)采用透射方式，并且使用了棱鏡等光學(xué)器件用于折光，因 此系統(tǒng)體積較大。
[0009] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者胡鵬程等人的專利CN103604376A(公開(kāi)日2014年2月26日） 中，提出了一種抗光學(xué)頻率混疊的光柵干設(shè)儀系統(tǒng)，通過(guò)激光器出射的雙頻激光在空間上 分開(kāi)傳輸?shù)脑O(shè)置，消除了光學(xué)頻率混疊和相應(yīng)的周期非線性誤差，并能夠?qū)崿F(xiàn)=維位移的 測(cè)量；哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者林杰等人的專利CN103644849A(公開(kāi)日2014年3月19日）中， 通過(guò)引入自準(zhǔn)直原理提出了一種=維位移測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較大量程的Z向位移 測(cè)量，但是由于光束分光次數(shù)較多，不利于提高干設(shè)信號(hào)的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為解決上述方案的局限性，適應(yīng)和滿足前述的測(cè)量要求，本發(fā)明利用典型邁克爾 遜干設(shè)儀原理、多衍射光柵干設(shè)原理和光學(xué)拍頻原理，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、 抗干擾能力強(qiáng)的使用雙頻激光和衍射光柵的=維位移測(cè)量裝置。當(dāng)本裝置的讀數(shù)頭相對(duì)于 標(biāo)尺光柵發(fā)生水平方向狂向）、豎直方向（Y向）、垂直方向狂向）的位移時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高精 度的=維位移實(shí)時(shí)測(cè)量。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0012] 一種使用雙頻激光和衍射光柵的=維位移測(cè)量裝置，包括標(biāo)尺光柵和讀數(shù)頭，讀 數(shù)頭包括雙頻激光光源、Z向干設(shè)部件、掃描分光光柵部件、X向探測(cè)部件、Y向探測(cè)部件、 Z向探測(cè)部件、信號(hào)處理部件；所述的雙頻激光光源包括雙頻激光器、分光棱鏡、偏振片A ;Z 向干設(shè)部件包括偏振分光棱鏡、1/4波片A、反射部件、1/4波片B、偏振片B ;掃描分光光柵 部件包括掃描分光光柵、光闊；掃描分光光柵的柵線所在平面和標(biāo)尺光柵的柵線所在平面 平行；掃描分光光柵為組合光柵，包括位于掃描分光光柵中間區(qū)域的二維正交光柵W及位 于二維正交光柵兩側(cè)的一維光柵A和一維光柵B，二維正交光柵、一維光柵A和一維光柵B 的柵線共面，一維光柵A和一維光柵B的柵線方向相互垂直，且分別平行于二維正交光柵的 兩個(gè)柵線方向，二維正交光柵、一維光柵A和一維光柵B的光柵周期相等；掃描分光光柵在 放置時(shí)，其柵線方向與標(biāo)尺光柵的柵線方向成45° ;標(biāo)尺光柵為二維正交光柵，具有后向零 級(jí)衍射光，其周期為掃描分光光柵周期的1/V5;X方向是與掃描分光光柵的柵線所在平面平 行，且垂直于一維光柵A柵線的方向；Y方向是與掃描分光光柵的柵線所在平面平行，且垂 直于一維光柵B柵線的方向；Z方向是與掃描分光光柵的柵線所在平面垂直的方向；雙頻激 光器出射的雙頻正交偏振光入射到分光棱鏡，其反射光透過(guò)偏振片A后入射到Z向探測(cè)部 件，形成的拍頻信號(hào)作為Z向測(cè)量的一路參考信號(hào)，其透射光入射到偏振分光棱鏡后分為 參考光和測(cè)量光；參考光透過(guò)1/4波片A，并由反射部件反射后，依次透過(guò)1/4波片A、偏振 分光棱鏡、偏振片B入射到Z向探測(cè)部件；測(cè)量光透過(guò)1/4波片B后沿Z方向入射到掃描分 光光柵中間區(qū)域的二維正交光柵，經(jīng)二維正交光柵衍射后衍射光束入射到標(biāo)尺光柵并發(fā)生 反向衍射，得到九束測(cè)量光束與其他雜散光束；九束測(cè)量光束中，其中四束在掃描分光光柵 的一維光柵A上兩兩相交并衍射入射到X向探測(cè)部件形成四組干設(shè)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理單 元解算后得到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵在X向發(fā)生的位移；九束測(cè)量光束中，另外四束在掃 描分光光柵的一維光柵B上兩兩相交并衍射入射到Y(jié)向探測(cè)部件形成另外四組干設(shè)信號(hào)， 通過(guò)信號(hào)處理單元解算后得到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵在Y向發(fā)生的位移；九束測(cè)量光束中 的另一沿入射方向返回的測(cè)量光束依次透過(guò)掃描分光光柵中間區(qū)域的二維正交光柵、1/4 波片B，并由偏振分光棱鏡反射后透過(guò)偏振片B入射到Z向探測(cè)部件；入射到Z向探測(cè)部件 的參考光和測(cè)量光相遇形成的拍頻信號(hào)作為Z向測(cè)量的一路測(cè)量信號(hào)，Z向測(cè)量的參考信 號(hào)和測(cè)量信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理單元解算后得到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵在Z向發(fā)生的位移。
[0013] 在掃描分光光柵部件中增設(shè)了光闊，并且光闊位于掃描分光光柵與X向探測(cè)部件 之間，光闊同時(shí)位于掃描分光光柵與Y向探測(cè)部件之間。
[0014] 在雙頻激光器出射的透過(guò)掃描分光光柵的測(cè)量光的波長(zhǎng)A = 632. 8nm時(shí)，掃描分 光光柵采用矩形光柵，一組優(yōu)選參數(shù)為二維正交光柵兩個(gè)柵線方向的光柵周期di= d 2 = 10 ym、光柵臺(tái)階高度h = 159皿、兩個(gè)柵線方向的光柵臺(tái)階寬度ai= a 2= 5. 67 ym，一維 光柵A和一維光柵B的光柵周期d = 10 ym、光柵臺(tái)階高度h = 488皿、光柵臺(tái)階寬度a = 3. 567 ym，標(biāo)尺光柵采用二維矩形光柵，其一組優(yōu)選參數(shù)為兩個(gè)柵線方向的光柵周期di = d2= 7.07 ym、光柵臺(tái)階高度h = 159皿、兩個(gè)柵線方向光柵臺(tái)階寬度a 1= 32= 4.01 ym。
[0015] 本發(fā)明是利用典型邁克爾遜干設(shè)儀原理、多衍射光柵干設(shè)原理和光學(xué)拍頻原理提 出的一種使用雙頻激光和衍射光柵的的=維位移測(cè)量裝置，具有W下創(chuàng)新性和突出效果：
[0016] 1.通過(guò)將標(biāo)尺光柵和掃描分光光柵平行放置、掃描分