一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统

摘要

一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统涉及一种光栅位移测量系统；该测量系统包括单频激光光源、分光部件、偏振分光棱镜、测量臂四分之一波片、测量臂折光元件、参考臂四分之一波片、参考臂折光元件、二维反射式参考光栅、光电探测及信号处理部件和二维反射式测量光栅；所述二维反射式测量光栅和二维反射式参考光栅表面形貌相同，二维反射式测量光栅和二维反射式参考光栅的x方向周期和y方向周期均为d；所述测量臂折光元件和参考臂折光元件的x方向折光角度和y方向折光角度均为θ

说明书

技术领域

一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统涉及一种光栅位移测量系统，特别涉及一 种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统。

背景技术

光栅位移测量技术最早起源于19世纪，从20世纪50年代开始得到了迅速的发展。 目前，光栅位移测量系统已经成为了一种典型的位移传感器，并被广泛应用于众多机电设 备。光栅位移测量系统因具有分辨力高、精度高、成本低、环境敏感性低等众多优点，不 仅在工业和科研领域得到了广泛的应用，而且被众多国内外学者研究。

光刻机是生产半导体芯片的核心设备。超精密工件台是光刻机的核心子系统，用于承 载基片并完成装片、曝光、换台、卸片过程中的高速超精密运动。超精密工件台具有高速 度、高加速度、多自由度、大行程、超精密等特点。双频激光干涉仪因为同时具有高精度、 大量程的优点，被广泛用于超精密工件台的位移测量。然而，近年来半导体芯片制造的工 艺水平不断提升：2010年，半导体芯片的加工已经采用了32nm线宽工艺；在2011年底， 22nm线宽的CPU芯片也已上市销售。不断提高的半导体芯片加工水平对超精密工件台位 移测量的分辨力、精度等指标都提出了更高的要求，双频激光干涉仪因其存在环境敏感性 差、占用空间大、多自由度测量结构复杂、价格昂贵等问题难以满足新的测量需求。

为了解决上述问题，国内外超精密测量领域的有关公司及众多学者都进行了大量的 研究，研究成果在诸多专利和论文中均有揭露。荷兰ASML公司的专利US7,483,120B2 （公开日2007年11月15日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的平面光栅测量系 统及布置方案，该测量系统主要利用二维平面光栅与读数头测量工件台的水平大行程位 移，工件台竖直方向的位移可以通过单独布置的高度传感器进行测量，但是使用多种传感 器会使超精密工件台的结构复杂并会限制位移的测量精度。日本学者Gao Wei在发表的 论文“A sub-nanometric three-axis surface encoder with short-period planar gratings for stage  motion measurement.Precision Engineering36(2012)576-585.”中提出了一种基于衍射干涉 原理的三维光栅位移测量系统，可以同时测量x、y、z三个方向的直线位移，但是该系统 在测量z方向的直线位移时会导致测量光与参考光的干涉区域变小，因此系统的z方向直 线位移的量程受限于光束直径的大小，无法实现z方向大行程直线位移的测量。清华大学 朱煜等人的专利CN102937411A（公开日2013年2月20日）中公开了一种双频光栅干 涉仪位移测量系统，可以同时测量水平和竖直两个方向的直线位移，而且使用了双频激光 作为光源以提高信号的抗干扰能力，但是该系统的竖直方向直线位移的量程同样受限于光 束直径的大小，仍然无法实现竖直方向大行程直线位移的测量，而且该系统使用一维二维 反射式测量光栅仅能测量两个方向的直线位移。国立台湾大学Fan Kuang-Chao等人在发 表的论文“Displacement Measurement of Planar Stage by Diffraction Planar Encoder in  Nanometer Resolution.I2MTC(2012)894-897.”中研制了一种纳米量级分辨力的二维平面 光栅位移测量装置，可以测量两个水平方向的直线位移，但是无法测量竖直方向的直线位 移，也不能满足超精密工件台竖直方向的位移测量要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系 统，该测量系统不仅能够同时测量沿x轴、y轴、z轴三个方向的直线位移，而且相比已 有技术该系统的z向位移量程得到了极大的扩展。

本发明的目的是这样实现的：

一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，包括单频激光光源、分光部件、偏振分 光棱镜、测量臂四分之一波片、测量臂折光元件、参考臂四分之一波片、参考臂折光元件、 二维反射式参考光栅、光电探测及信号处理部件和二维反射式测量光栅；

所述二维反射式测量光栅和二维反射式参考光栅表面形貌相同，二维反射式测量光栅 的x方向周期和y方向周期均为d；二维反射式参考光栅的x方向周期和y方向周期均为 d；所述测量臂折光元件的x方向折光角度和y方向折光角度均为θ_i，参考臂折光元件的 x方向折光角度和y方向折光角度均为θ_i，且满足2dsinθ_i=±mλ，式中λ为单频激光光源的 波长、m为衍射级次；

所述单频激光光源射出的单频激光经过分光部件分成四束光强相等的平行光，其中两 束光的传播方向与xoy平面平行、另两束光的传播方向与xoz平面平行，这四束平行光经 过偏振分光棱镜后分为传播方向偏转90度的测量光和沿原方向传播的参考光，测量光的 偏振方向与参考光的偏振方向垂直；

测量光的四束平行光经过快轴方向与测量光偏振方向呈45度的测量臂四分之一波片 后，均被测量臂折光元件偏折，偏折后的四束测量光中两束光的传播方向平行于yoz平面、 另两束光的传播方向平行于xoz平面，传播方向平行于yoz平面的两束测量光入射至二维 反射式测量光栅并分别被衍射为y方向的+m级衍射测量光和-m级衍射测量光，传播方向 平行于xoz平面的两束测量光入射至二维反射式测量光栅并分别被衍射为x方向的+m级 衍射测量光和-m级衍射测量光，四束衍射测量光分别沿各自入射光传播方向的反方向传 播，并再次经过测量臂折光元件、测量臂四分之一波片和偏振分光棱镜后，入射至光电探 测及信号处理部件；

参考光的四束平行光经过快轴方向与参考光偏振方向呈45度的参考臂四分之一波片 后，均被参考臂折光元件偏折，偏折后的四束参考光中两束光的传播方向平行于xoy平面、 另两束光的传播方向平行于xoz平面，传播方向平行于xoy平面的两束参考光入射至二维 反射式参考光栅并分别被衍射为y方向的+m级衍射参考光和-m级衍射参考光，传播方向 平行于xoz平面的两束参考光入射至二维反射式参考光栅并分别被衍射为x方向的+m级 衍射参考光和-m级衍射参考光，四束衍射参考光分别沿各自入射光传播方向的反方向传 播，并再次经过参考臂折光元件、参考臂四分之一波片和偏振分光棱镜后，入射至光电探 测及信号处理部件；

x方向的两束衍射测量光和x方向的两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件表面 形成两组干涉，y方向的两束衍射测量光和y方向的两束衍射参考光在光电探测及信号处 理部件表面形成另两组干涉；当其他元件不动、二维反射式测量光栅沿x轴、y轴和z轴 运动时，光电探测及信号处理部件分别输出x方向、y方向和z方向的直线位移。

上述的一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，所述单频激光光源是半导体激光 二极管或出射端接光纤的气体激光器。

上述的一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，所述分光部件为以下四种结构中 的一种：

第一，所述分光部件由准直透镜、第一非偏振分光棱镜、第二非偏振分光棱镜、第一 直角反射棱镜、第三非偏振分光棱镜、第二直角反射棱镜组成，单频激光光源发射的激光 经过准直透镜准直后入射至第一非偏振分光棱镜被分成光强相等、传播方向互相垂直的两 束光，其中一束光沿z方向入射至第二非偏振分光棱镜被分成光强相等的透射光和传播方 向沿x方向的反射光、透射光被第一直角反射棱镜反射沿x方向传播，另一束光沿x方向 传播入射至第三非偏振分光棱镜被分成光强相等的透射光和传播方向沿-y方向的反射光、 反射光被第二直角反射棱镜反射沿x方向传播；

第二，所述分光部件由准直透镜、二维透射光栅、反射镜、孔径光阑组成，所述二维 透射光栅x方向和y方向的光栅周期相等，单频激光光源发射的激光经过准直透镜准直后 入射至二维透射光栅并被衍射，x方向和y方向的±1级衍射光经反射镜偏折并通过孔径 光阑形成四束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔径光阑过滤；

第三，所述分光部件由准直透镜、二维透射光栅、透镜、孔径光阑组成，所述二维透 射光栅x方向和y方向的光栅周期相等，单频激光光源发射的激光经过准直透镜准直后入 射至二维透射光栅并被衍射，x方向和y方向的±1级衍射光经透镜偏折并通过孔径光阑 形成四束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔径光阑过滤；

第四，所述分光部件由准直透镜、二维透射光栅、棱镜、孔径光阑组成，所述二维透 射光栅x方向和y方向的光栅周期相等，单频激光光源发射的激光经过准直透镜准直后入 射至二维透射光栅并被衍射，x方向和y方向的±1级衍射光经棱镜偏折并通过孔径光阑 形成四束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔径光阑过滤。

上述的一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，所述测量臂折光元件为以下四种 结构中的一种：

第一，所述测量臂折光元件包括光阑和折光反射镜，所述传播方向平行于yoz平面的 两束平行测量光经过光阑和折光反射镜后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式 测量光栅发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过光阑和折光反射 镜后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅发生衍射；

第二，所述测量臂折光元件包括光阑和折光棱镜，所述传播方向平行于yoz平面的两 束平行测量光经过光阑和折光棱镜后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量 光栅发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过光阑和折光棱镜后传 播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅发生衍射；

第三，所述测量臂折光元件包括光阑和第一折光透镜，所述传播方向平行于yoz平面 的两束平行测量光经过光阑和第一折光透镜后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反 射式测量光栅发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过光阑和第一 折光透镜后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅发生衍射；

第四，所述测量臂折光元件包括光阑和第二折光透镜，所述传播方向平行于yoz平面 的两束平行测量光经过光阑和第二折光透镜后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反 射式测量光栅发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过光阑和第二 折光透镜后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅发生衍射。

所述参考臂折光元件为测量臂折光元件采用的四种结构中的一种。

本发明的有益效果说明如下：

该测量系统使用了满足2dsinθ_i=±mλ条件的二维反射式测量光栅、二维反射式参考光 栅、测量臂折光元件、参考臂折光元件及单频激光光源，保证了四束衍射测量光分别沿各 自入射光传播方向的反方向传播，因此在二维反射式测量光栅相对测量臂折光元件沿z 轴运动时，四束衍射测量光在光电探测及信号处理部件表面的光斑位置不变，又因为系统 在测量时除二维反射式测量光栅外其他元件的相对位置始终不变，因此四束衍射参考光在 光电探测及信号处理部件表面的光斑位置始终不变，所以在二维反射式测量光栅相对测量 臂折光元件沿z轴运动时，光电探测及信号处理部件表面的四组干涉光斑的干涉区域不 变，系统的z向位移量程不再受限于光斑直径的大小，而是取决于光源的相干长度，本发 明的光源为单频激光光源，单频激光光源的相干长度一般在厘米量级以上，可以达到米量 级甚至千米量级，因此本发明的z向位移量程可以扩展到米量级甚至千米量级，已有技术 中日本学者Gao Wei所研制的测量装置是唯一能够使用单一测量装置实现三维位移测量 的装置，但其z向位移量程也仅达到4mm，因此本发明具有的显著有益效果为不仅提出 了一种可以同时测量三维位移的光栅测量系统，并且该系统的z向位移量程相比已有技术 得到了极大的扩展。

附图说明

图1为本发明的一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统的结构示意图。

图2为本发明分光部件的第一种结构的结构示意图。

图3为本发明分光部件的第二种结构的xoz方向剖面图。

图4为本发明分光部件的第三种结构的xoz方向剖面图。

图5为本发明分光部件的第四种结构的xoz方向剖面图。

图6为本发明测量臂折光元件的第一种结构的xoz方向剖面图。

图7为本发明测量臂折光元件的第二种结构的xoz方向剖面图。

图8为本发明测量臂折光元件的第三种结构的xoz方向剖面图。

图9为本发明测量臂折光元件的第四种结构的xoz方向剖面图。

图中：1单频激光光源；2分光部件；21准直透镜；22第一非偏振分光棱镜；23第 二非偏振分光棱镜；24第一直角反射棱镜；25第三非偏振分光棱镜；26第二直角反射棱 镜；27二维透射光栅；281反射镜；282透镜；283棱镜；29孔径光阑；31偏振分光棱镜； 32测量臂四分之一波片；33测量臂折光元件；331光阑；332折光反射镜；333折光棱镜； 334第一折光透镜；335第二折光透镜；34参考臂四分之一波片；35参考臂折光元件；36 二维反射式参考光栅；4光电探测及信号处理部件；5二维反射式测量光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，结构示意图如图1所示。该测量 系统包括单频激光光源1、分光部件2、偏振分光棱镜31、测量臂四分之一波片32、测量 臂折光元件33、参考臂四分之一波片34、参考臂折光元件35、二维反射式参考光栅36、 光电探测及信号处理部件4和二维反射式测量光栅5；

所述二维反射式测量光栅5和二维反射式参考光栅36表面形貌相同，二维反射式测 量光栅5的x方向周期和y方向周期均为d；二维反射式参考光栅36的x方向周期和y 方向周期均为d；所述测量臂折光元件33的x方向折光角度和y方向折光角度均为θ_i， 参考臂折光元件35的x方向折光角度和y方向折光角度均为θ_i，且满足2dsinθ_i=±mλ，式 中λ为单频激光光源1的波长、m为衍射级次；

所述单频激光光源1射出的单频激光经过分光部件2分成四束光强相等的平行光，其 中两束光的传播方向与xoy平面平行、另两束光的传播方向与xoz平面平行，这四束平行 光经过偏振分光棱镜31后分为传播方向偏转90度的测量光和沿原方向传播的参考光，测 量光的偏振方向与参考光的偏振方向垂直；

测量光的四束平行光经过快轴方向与测量光偏振方向呈45度的测量臂四分之一波片 32后，均被测量臂折光元件33偏折，偏折后的四束测量光中两束光的传播方向平行于yoz 平面、另两束光的传播方向平行于xoz平面，传播方向平行于yoz平面的两束测量光入射 至二维反射式测量光栅5并分别被衍射为y方向的+m级衍射测量光和-m级衍射测量光， 传播方向平行于xoz平面的两束测量光入射至二维反射式测量光栅5并分别被衍射为x方 向的+m级衍射测量光和-m级衍射测量光，四束衍射测量光分别沿各自入射光传播方向的 反方向传播，并再次经过测量臂折光元件33、测量臂四分之一波片32和偏振分光棱镜31 后，入射至光电探测及信号处理部件4；

参考光的四束平行光经过快轴方向与参考光偏振方向呈45度的参考臂四分之一波片 34后，均被参考臂折光元件35偏折，偏折后的四束参考光中两束光的传播方向平行于xoy 平面、另两束光的传播方向平行于xoz平面，传播方向平行于xoy平面的两束参考光入射 至二维反射式参考光栅36并分别被衍射为y方向的+m级衍射参考光和-m级衍射参考光， 传播方向平行于xoz平面的两束参考光入射至二维反射式参考光栅36并分别被衍射为x 方向的+m级衍射参考光和-m级衍射参考光，四束衍射参考光分别沿各自入射光传播方向 的反方向传播，并再次经过参考臂折光元件35、参考臂四分之一波片34和偏振分光棱镜 31后，入射至光电探测及信号处理部件4；

x方向的两束衍射测量光和x方向的两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件4表 面形成两组干涉，y方向的两束衍射测量光和y方向的两束衍射参考光在光电探测及信号 处理部件4表面形成另两组干涉；当其他元件不动、二维反射式测量光栅5沿x轴、y轴 和z轴运动时，光电探测及信号处理部件4分别输出x方向、y方向和z方向的直线位移。

上述可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，所述单频激光光源1是半导体激光二极 管。

具体实施例二

本实施例与具体实施例一的不同在于，所述单频激光光源1是出射端接光纤的气体激 光器。

具体实施例三

本实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，分光部件2的立体具体结构如图2所示。该分光部件2由准直透镜21、第一 非偏振分光棱镜22、第二非偏振分光棱镜23、第一直角反射棱镜24、第三非偏振分光棱 镜25、第二直角反射棱镜26组成，单频激光光源1发射的激光经过准直透镜21准直后 入射至第一非偏振分光棱镜22被分成光强相等、传播方向互相垂直的两束光，其中一束 光沿z方向入射至第二非偏振分光棱镜23被分成光强相等的透射光和传播方向沿x方向 的反射光、透射光被第一直角反射棱镜24反射沿x方向传播，另一束光沿x方向传播入 射至第三非偏振分光棱镜25被分成光强相等的透射光和传播方向沿-y方向的反射光、反 射光被第二直角反射棱镜26反射沿x方向传播。

具体实施例四

本实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，分光部件2的xoz方向剖面图如图3所示。该分光部件由准直透镜21、二维 透射光栅27、反射镜281、孔径光阑29组成，所述二维透射光栅27x方向和y方向的光 栅周期相等，单频激光光源1发射的激光经过准直透镜2准直后入射至二维透射光栅27 并被衍射，x方向和y方向的±1级衍射光经反射镜281偏折并通过孔径光阑29形成四束 光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔径光阑29过滤。

具体实施例五

本实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，分光部件2的xoz方向剖面图如图4所示。该分光部件由准直透镜21、二维 透射光栅27、透镜282、孔径光阑29组成，所述二维透射光栅27x方向和y方向的光栅 周期相等，单频激光光源1发射的激光经过准直透镜2准直后入射至二维透射光栅27并 被衍射，x方向和y方向的±1级衍射光经透镜282偏折并通过孔径光阑29形成四束光强 相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔径光阑29过滤。

具体实施例六

本实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，分光部件2的xoz方向剖面图如图5所示。该分光部件由准直透镜21、二维 透射光栅27、棱镜282、孔径光阑29组成，所述二维透射光栅27x方向和y方向的光栅 周期相等，单频激光光源1发射的激光经过准直透镜2准直后入射至二维透射光栅27并 被衍射，x方向和y方向的±1级衍射光经棱镜282偏折并通过孔径光阑29形成四束光强 相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔径光阑29过滤。

具体实施例七

本实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，测量臂折光元件33的xoz方向剖面图如图6所示。该测量臂折光元件33包括 光阑331和折光反射镜332，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过光阑331 和折光反射镜332后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅5发生衍射， 所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过光阑331和折光反射镜332后传播方 向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅5发生衍射。

具体实施例八

本实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，测量臂折光元件33的xoz方向剖面图如图7所示。该测量臂折光元件33包括 光阑331和折光棱镜333，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过光阑331 和折光棱镜333后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅5发生衍射，所 述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过光阑331和折光棱镜333后传播方向分 别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅5发生衍射。

具体实施例九

本实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，测量臂折光元件33的xoz方向剖面图如图8所示。该测量臂折光元件33包括 光阑331和第一折光透镜334，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过光阑 331和第一折光透镜334后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅5发生 衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过光阑331和第一折光透镜334 后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅5发生衍射。

具体实施例十

本实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，测量臂折光元件33的xoz方向剖面图如图9所示。该测量臂折光元件33包括 光阑331和第二折光透镜334，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过光阑 331和第二折光透镜334后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅5发生 衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过光阑331和第二折光透镜334 后传播方向分别被偏折±θ_i并入射至二维反射式测量光栅5发生衍射。

以上实施例的可测竖直位移的三维光栅位移测量系统，参考臂折光元件35为具体实 施例七、具体实施例八、具体实施例九、具体实施例十所述的测量臂折光元件33结构中 的一种。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变 化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。