專利名稱：一種激光干涉儀測量系統(tǒng)及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光干涉儀測量領域，特別涉及測量載物臺垂向位移的激光干涉儀測量系統(tǒng)。
背景技術：
在光刻機系統(tǒng)中，激光干涉儀可以精確測量エ件臺和掩模臺(統(tǒng)稱載物臺)的位置及旋轉。對于光刻機載物臺水平方向X向或Y向的測量(在此定義坐標系垂向為Z向，水平方向為X向和Y向)，可直接在載物臺側面安裝垂直于水平方向入射光的長方形反射鏡，測量X坐標和Y坐標。而載物臺側面無需載物，所以側面安裝和行程相當?shù)拈L方形反射鏡，可以在大行程內(nèi)測量載物臺的X坐標或Y坐標。
垂向的測量與以上有所區(qū)別。一般說來，載物臺垂向行程不大，水平向行程卻很大。載物臺中間往往需要載物，不能在載物臺垂向表面安裝一面和水平向的行程相當?shù)拇箸R子直接反射垂向測量光，因此，無法采用類似測量X坐標和Y坐標的方法測量Z。專利US7333174B2和專利US7355719提出的垂向測量方案都是在載物臺ー側安裝一 45度反射鏡，將光線反射至鏡頭下部，同時鏡頭底部安裝一平行反射鏡將光線原路返回，帶回垂向位置信息。由于載物臺水平向具有很大的行程，該方法要求鏡頭下部的反射鏡足夠長以覆蓋載物臺的全行程范圍，反射鏡還不能擋住鏡頭的成像光線，這給設計帶來了很大的困難。專利CN200910050529提出了一種折射方案，在載物臺上面安裝一折射鏡，將測量光折射至鏡頭另ー側的反射鏡，再沿原路返回，形成測量光，但載物臺上方的空間有限，所裝折射鏡的大小又至少要覆蓋垂向行程，該方法必然會拉大載物臺和鏡頭之間的距離，影響曝光性能，同時該方法也未能完全避免鏡頭上的反射鏡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是載物臺垂向位移測量中反射鏡的布局難以覆蓋載物臺的全行程范圍以及擋住鏡頭的成像光線。本發(fā)明提供了一種激光干涉儀測量系統(tǒng)，包括激光器，發(fā)出激光；由兩個相互垂直的長條平面鏡組成的直角長條反射鏡，安裝在載物臺側面，所述直角長條反射鏡的兩個反射面與載物臺水平面成45°，所述激光沿水平方向入射到所述直角長條反射鏡，經(jīng)過所述兩個反射面的反射后出射形成測量光；接收器模塊，包括探測器和折射薄膜，所述折射薄膜覆蓋所述探測器，所述測量光的第一部分入射到所述折射薄膜的上表面，形成第一相干光；鏡組模塊，包括至少ー個平面反射鏡，為第一平面反射鏡，所述測量光的第二部分通過所述鏡組模塊的至少一次反射后，入射到所述折射薄膜的上表面，形成第二相干光，所述第一相干光與所述第二相干光在所述折射薄膜上的位置相同；
所述第一相干光和所述第二相干光經(jīng)過所述折射薄膜折射后在所述折射薄膜底面發(fā)生干渉，形成干涉條紋，所述干涉條紋被所述探測器探測。進ー步，所述測量光被所述折射薄膜分為兩部分，所述測量光的第二部分經(jīng)過所述折射薄膜反射后再入射到所述鏡組模塊。優(yōu)選的，所述接收器模塊還包括ー個第二平面反射鏡，所述測量光經(jīng)過所述第二平面反射鏡反射后，再入射到所述折射薄膜的上表面。優(yōu)選的，所述折射薄膜的上表面與所述水平面成45°，所述測量光的第一部分以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面，所述測量光的第二部分通過所述鏡組模塊的至少一次反射后沿原路返回后，以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面。進ー步，所述鏡組模塊還包括分光鏡、偏振分光鏡和四分之一波片，所述接收器模 塊還包括第二平面反射鏡，所述測量光通過所述分光鏡分為兩部分，所述測量光的第二部分經(jīng)過所述偏振分光鏡反射后通過所述四分之一波片入射到所述第一反射鏡形成反射光，所述反射光經(jīng)所述第一反射鏡反射后沿原路返回，通過所述四分之一波片后入射到所述偏振分光鏡，經(jīng)所述偏振分光鏡透射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。進ー步，所述激光是雙頻激光。進ー步，所述鏡組模塊還包括第一偏振分光鏡、第二偏振分光鏡、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射鏡，所述測量光經(jīng)所述第一偏振分光鏡分為兩部分，所述測量光的第一部分為第二偏振光，所述測量光的第二部分為第一偏振光。進ー步，所述第一偏振光經(jīng)所述第一平面反射鏡反射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。進ー步，所述第二偏振光依次經(jīng)過所述第二偏振分光鏡、第一四分之一波片、第二平面反射鏡后沿原路返回，再依次經(jīng)過所述第二偏振分光鏡和所述第二四分之一波片后入射到所述折射薄膜，形成所述第一相干光。 優(yōu)選的，所述折射薄膜上表面涂有透射膜。本發(fā)明還提供了一種激光干涉儀測量方法，包括激光器發(fā)出激光；由兩個相互垂直的長條平面鏡組成的直角長條反射鏡安裝在載物臺側面，所述直角長條反射鏡的兩個反射面與載物臺水平面成45°，所述激光沿水平方向入射到所述直角長條反射鏡，經(jīng)過所述兩個反射面的反射后出射形成測量光；包括探測器和折射薄膜的接收器模塊，所述折射薄膜覆蓋所述探測器，所述測量光的第一部分入射到所述折射薄膜的上表面，形成第一相干光；包括至少第一平面反射鏡的鏡組模塊，所述測量光的第二部分通過所述鏡組模塊的至少一次反射后，入射到所述折射薄膜的上表面，形成第二相干光，所述第一相干光與所述第二相干光在所述折射薄膜上的位置相同；所述第一相干光和所述第二相干光經(jīng)過所述折射薄膜折射后在所述折射薄膜底面發(fā)生干渉，形成干涉條紋，所述干涉條紋被所述探測器探測；根據(jù)所述干涉條紋的頻率計算所述載物臺的垂向運動速率，獲得載物臺垂向位移。進ー步，所述測量光被所述折射薄膜分為兩部分，所述測量光的第二部分經(jīng)過所述折射薄膜反射后再入射到所述鏡組模塊。進一歩，所述接收器模塊還包括ー個第二平面反射鏡，所述測量光經(jīng)過所述第二平面反射鏡反射后，再入射到所述折射薄膜的上表面。優(yōu)選的，所述折射薄膜的上表面與所述水平面成45°，所述測量光的第一部分以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面，所述測量光的第二部分通過所述鏡組模塊的至少一次反射后沿原路返回后，以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面。進ー步，所述鏡組模塊還包括分光鏡、偏振分光鏡和四分之一波片，所述接收器模塊還包括第二平面反射鏡，所述測量光通過所述分光鏡分為兩部分，所述測量光的第二部分經(jīng)過所述偏振分光鏡反射后通過所述四分之一波片入射到所述第一反射鏡形成反射光， 所述反射光經(jīng)所述第一反射鏡反射后沿原路返回，通過所述四分之一波片后入射到所述偏振分光鏡，經(jīng)所述偏振分光鏡透射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。進ー步,所述激光是雙頻激光。進ー步，所述鏡組模塊還包括第一偏振分光鏡、第二偏振分光鏡、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射鏡，所述測量光經(jīng)所述第一偏振分光鏡分為兩部分，所述測量光的第一部分為第二偏振光，所述測量光的第二部分為第一偏振光。進一歩，所述第一偏振光經(jīng)所述第一平面反射鏡反射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。進ー步，所述第二偏振光依次經(jīng)過所述第二偏振分光鏡、第一四分之一波片、第二平面反射鏡后沿原路返回，再依次經(jīng)過所述第二偏振分光鏡和所述第二四分之一波片后入射到所述折射薄膜，形成所述第一相干光。優(yōu)選的，所述折射薄膜上表面涂有透射膜。本發(fā)明激光干涉儀測量系統(tǒng)及其測量方法的優(yōu)點在于在載物臺測量布置直角長條反射鏡，布局簡單、可以減小載物臺傾斜帶來的測量誤差，能覆蓋載物臺的全行程范圍且不擋住鏡頭的成像光線。


關于本發(fā)明的優(yōu)點與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進ー步的了解。圖I為本發(fā)明激光干涉儀測量系統(tǒng)ー種實施方式示意圖；圖2為本發(fā)明激光干涉儀測量系統(tǒng)另ー種實施方式示意圖；圖3為載物臺安裝直角長條反射鏡的示意圖；圖4為接收器中折射薄膜的干渉原理圖；圖5為本發(fā)明激光干涉儀測量系統(tǒng)采用雙頻激光干渉儀的實施方式示意圖；圖6為圖5中實施方式載物臺靜止時光程計算示意圖；圖7為圖5中實施方式載物臺運動時光程計算示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施例。實施例I
本實施例提供了ー種六自由度載物臺干涉儀測量系統(tǒng)，用以測量載物臺的垂向位置。如圖I所示，本測量系統(tǒng)由激光器1，直角長條反射鏡3，平面鏡組，接收器6組成，平面鏡組包括平面反射鏡4和平面反射鏡5。直角長條反射鏡3由兩個相互垂直的長條平面鏡組成，安裝在載物臺2的側面，其直角邊所在平面與載物臺所在的水平面成45°，如圖3所示。激光器I發(fā)出的激光沿水平方向入射到直角長條反射鏡3，經(jīng)過直角長條反射鏡3的兩個反射面后沿水平方向入射到接收器6，一部分光經(jīng)接收器反射后入射到平面反射鏡5，再沿原路返回到接收器6。直角長條反射鏡3和接收器6之間還可以有平面反射鏡4，使入射光以45°入射角入射到接收器6，接收器接收面與水平方向成45°放置。這里的45°放置方式只是ー種較優(yōu)方式，實質上可以采用其他角度放置，只要接收器6接收面和平面反射鏡5能夠配合使用。實施例I提供一種單頻激光干涉儀測量光路的具體方案。激光器I發(fā)出單頻率的激光，經(jīng)過載物臺側面的直角長條反射鏡后，帶回了載物臺的垂向位置信息，該位置信息通過反射光的位置變化來體現(xiàn)。從載物臺返回的光直接照射到接收器上，或者通過平面反射鏡4反射后照射到接收器6上，作為第一相干光；同時，接收器中折射薄膜反射一部分光至 平面反射鏡5，經(jīng)平面反射鏡5反射后沿原路返回，入射到接收器6，經(jīng)平面反射鏡6返回的光作為第二相關光，第二相關光與第一相干光照射到折射薄膜的同一個位置，經(jīng)折射薄膜折射后，在薄膜的另ー側形成干渉。圖4圖示了第一相干光603和第二相干光604在接收器上的折反射情況，接收器由探測器601和折射薄膜602組成，折射薄膜位于探測器601表面。接收器中的折射薄膜越薄，折射率越大，第一相干光603和第二相干光604分別折射后在薄膜后側的探測器601上的相交區(qū)域越大，這時形成干涉條紋605。同時，折射薄膜的折射率大還可以減小兩束相干光之間的夾角，使干渉效果更明顯。載物臺向上移動時，圖4中的第一相干光603向右移動，折射薄膜反射位置和平面反射鏡5之間的距離變短，第二相干光604的光程變短；同理，載物臺向下移動時，圖4中的第一相干光603向左移動，折射薄膜反射位置和平面反射鏡5之間的距離變長，第二相干光604的光程變長。隨著載物臺上下移動，探測器601上將產(chǎn)生上下移動的明暗變化的干涉條紋，該條紋的明暗變化頻率反應了載物臺的垂向運動速度。載物臺水平向移動對干涉條紋沒有影響。圖2給出了ー種光路經(jīng)過調(diào)整的實現(xiàn)方式。該實現(xiàn)方式在圖I光路中増加了分光鏡201，偏振分光鏡202和1/4波片203，通過直角長條反射鏡3兩個長條反射面后入射到分光鏡201，分成透射光204和反射光205，透射光直接入射到或者通過平面鏡4入射到接收器6的折射薄膜表面形成第一相干光，反射光經(jīng)過偏振分光鏡202后改變傳播方向90°垂直入射到1/4波片203后，再經(jīng)平面鏡5反射后沿原路返回后再經(jīng)過1/4波片203，此時反射光經(jīng)過偏振分光鏡202時為透射光,不改變傳播方向，入射到第一相干光在接收器折射薄膜反射位置處，形成第二相干光。光程計算設載物臺垂向移動距離Z ;由平面幾何知識可得兩束相干光的光程差為2*Ζ+Δ ;其中Δ項為機械安裝引起的恒定光程差。該實施例的激光也可以使用雙頻激光。實施例2
本實施例在實施例I的基礎上加以改進，作為本測量系統(tǒng)采用雙頻激光干涉儀的典型光路，實施例中的長條直角反射鏡、接收器放置等沒有改變，但接收器材料的參數(shù)需根據(jù)具體情況進行調(diào)整。如圖5所示，激光器發(fā)出兩偏振方向垂直、頻率分別為fl，f2的線偏振光，兩個頻率的偏振光經(jīng)位于載物臺側面的直角長條反射鏡反射后到達偏振分光鏡301。頻率為fl的線偏振光LI經(jīng)偏振分光鏡301反射向下，再經(jīng)平面反射鏡5反射至接收器6，頻率為f2的線偏振光L2經(jīng)偏振分光鏡301透射。透射后的L2經(jīng)過偏振分光鏡302透射，經(jīng)過1/4波片303旋轉偏振方向，經(jīng)過平面反射鏡304反射，再沿原路返回到1/4波片303，經(jīng)過1/4波片303旋轉偏振方向后，經(jīng)過偏振分光鏡302反射，再經(jīng)過1/4波片305投射到接收器上，形成第一相干光。反射后的LI經(jīng)過平面反射鏡5的反射后，投射到接收器6，形成第二相干光。第一相干光和第二相干光在接收器上的接收位置相同，通過折射薄膜折射后在折射薄膜底面發(fā)生干渉，形成干渉條紋。接收器6的結構與實施例I中的接收器類似，但這里產(chǎn)生干涉的是兩束光的折射分量，可以給折射薄膜上表面涂上透射膜，使其主要能量折射至探測器上。兩個頻率相近的 光將在探測器上產(chǎn)生拍頻干涉現(xiàn)象。光程計算過程如下參考圖5、圖6所示，LI，L2為從載物臺反射過來的光，由平面幾何知識可知，在進入接收器前，L2比LI多經(jīng)過的光程為h ;隨著載物臺的上下移動，L2的光路將會上下移動，參考圖7，L2比LI多經(jīng)過的光程將會在hi至h2之間變化；該光程差的變化正好反應了載物臺垂向的運動，由干涉條紋測試出光程差就可以測出載物臺垂向姿態(tài)。當載物臺移動時，設載物臺水平向移動速度為Vh，垂向移動速度為Vv，接收器處兩束光的頻率將發(fā)生變化，設為f/ f2/。頻率變化量分別為Af1, Af2;則由多普勒效應得
權利要求
1.一種激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在于，包括 激光器，發(fā)出激光； 由兩個相互垂直的長條平面鏡組成的直角長條反射鏡，安裝在載物臺側面，所述直角長條反射鏡的兩個反射面與載物臺水平面成45°，所述激光沿水平方向入射到所述直角長條反射鏡，經(jīng)過所述兩個反射面的反射后出射形成測量光； 接收器模塊，包括探測器和折射薄膜，所述折射薄膜覆蓋所述探測器，所述測量光的第一部分入射到所述折射薄膜的上表面，形成第一相干光； 鏡組模塊，包括至少ー個平面反射鏡，為第一平面反射鏡，所述測量光的第二部分通過所述鏡組模塊的至少一次反射后，入射到所述折射薄膜的上表面，形成第二相干光，所述第一相干光與所述第二相干光在所述折射薄膜上的位置相同； 所述第一相干光和所述第二相干光經(jīng)過所述折射薄膜折射后在所述折射薄膜底面發(fā)生干渉，形成干涉條紋，所述干涉條紋被所述探測器探測。
2.根據(jù)權利要求I所述的激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量光被所述折射薄膜分為兩部分，所述測量光的第二部分經(jīng)過所述折射薄膜反射后再入射到所述鏡組模塊。
3.根據(jù)權利要求2所述的激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述接收器模塊還包括ー個第二平面反射鏡，所述測量光經(jīng)過所述第二平面反射鏡反射后，再入射到所述折射薄膜的上表面。
4.根據(jù)權利要求I所述的激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述折射薄膜的上表面與所述水平面成45°，所述測量光的第一部分以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面，所述測量光的第二部分通過所述鏡組模塊的至少一次反射后沿原路返回后，以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面。
5.根據(jù)權利要求I所述的激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述鏡組模塊還包括分光鏡、偏振分光鏡和四分之一波片，所述接收器模塊還包括第二平面反射鏡，所述測量光通過所述分光鏡分為兩部分，所述測量光的第二部分經(jīng)過所述偏振分光鏡反射后通過所述四分之一波片入射到所述第一反射鏡形成反射光，所述反射光經(jīng)所述第一反射鏡反射后沿原路返回，通過所述四分之一波片后入射到所述偏振分光鏡，經(jīng)所述偏振分光鏡透射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。
6.根據(jù)權利要求I所述的激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光是雙頻激光。
7.根據(jù)權利要求6所述的激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述鏡組模塊還包括第一偏振分光鏡、第二偏振分光鏡、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射鏡，所述測量光經(jīng)所述第一偏振分光鏡分為兩部分，所述測量光的第一部分為第二偏振光，所述測量光的第二部分為第一偏振光。
8.根據(jù)權利要求7所述的激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一偏振光經(jīng)所述第一平面反射鏡反射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。
9.根據(jù)權利要求7所述的激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在干，所述第二偏振光依次經(jīng)過所述第二偏振分光鏡、第一四分之一波片、第二平面反射鏡后沿原路返回，再依次經(jīng)過所述第二偏振分光鏡和所述第二四分之一波片后入射到所述折射薄膜，形成所述第一相干光。
10.根據(jù)權利要求5或6所述的激光干涉儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述折射薄膜上表面涂有透射膜。
11.一種激光干涉儀測量方法，其特征在于，包括 激光器發(fā)出激光； 由兩個相互垂直的長條平面鏡組成的直角長條反射鏡安裝在載物臺側面，所述直角長條反射鏡的兩個反射面與載物臺水平面成45°，所述激光沿水平方向入射到所述直角長條反射鏡，經(jīng)過所述兩個反射面的反射后出射形成測量光； 包括探測器和折射薄膜的接收器模塊，所述折射薄膜覆蓋所述探測器，所述測量光的第一部分入射到所述折射薄膜的上表面，形成第一相干光； 包括至少第一平面反射鏡的鏡組模塊，所述測量光的第二部分通過所述鏡組模塊的至少一次反射后，入射到所述折射薄膜的上表面，形成第二相干光，所述第一相干光與所述第二相干光在所述折射薄膜上的位置相同； 所述第一相干光和所述第二相干光經(jīng)過所述折射薄膜折射后在所述折射薄膜底面發(fā)生干渉，形成干涉條紋，所述干涉條紋被所述探測器探測； 根據(jù)所述干涉條紋的頻率計算所述載物臺的垂向運動速率，獲得載物臺垂向位移。
12.根據(jù)權利要求11所述的激光干涉儀測量方法，其特征在于，所述測量光被所述折射薄膜分為兩部分，所述測量光的第二部分經(jīng)過所述折射薄膜反射后再入射到所述鏡組模塊。
13.根據(jù)權利要求12所述的激光干涉儀測量方法，其特征在于，所述接收器模塊還包括ー個第二平面反射鏡，所述測量光經(jīng)過所述第二平面反射鏡反射后，再入射到所述折射薄膜的上表面。
14.根據(jù)權利要求11所述的激光干涉儀測量方法，其特征在于，所述折射薄膜的上表面與所述水平面成45°，所述測量光的第一部分以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面，所述測量光的第二部分通過所述鏡組模塊的至少一次反射后沿原路返回后，以45°入射角入射到所述折射薄膜的上表面。
15.根據(jù)權利要求11所述的激光干涉儀測量方法，其特征在于，所述鏡組模塊還包括分光鏡、偏振分光鏡和四分之一波片，所述接收器模塊還包括第二平面反射鏡，所述測量光通過所述分光鏡分為兩部分，所述測量光的第二部分經(jīng)過所述偏振分光鏡反射后通過所述四分之一波片入射到所述第一反射鏡形成反射光，所述反射光經(jīng)所述第一反射鏡反射后沿原路返回，通過所述四分之一波片后入射到所述偏振分光鏡，經(jīng)所述偏振分光鏡透射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。
16.根據(jù)權利要求11所述的激光干涉儀測量方法，其特征在于，所述激光是雙頻激光。
17.根據(jù)權利要求16所述的激光干涉儀測量方法，其特征在于，所述鏡組模塊還包括第一偏振分光鏡、第二偏振分光鏡、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射鏡，所述測量光經(jīng)所述第一偏振分光鏡分為兩部分，所述測量光的第一部分為第二偏振光，所述測量光的第二部分為第一偏振光。
18.根據(jù)權利要求17所述的激光干涉儀測量方法，其特征在于，所述第一偏振光經(jīng)所述第一平面反射鏡反射后入射到所述折射薄膜，形成所述第二相干光。
19.根據(jù)權利要求17所述的激光干涉儀測量方法，其特征在于，所述第二偏振光依次經(jīng)過所述第二偏振分光鏡、第一四分之一波片、第二平面反射鏡后沿原路返回，再依次經(jīng)過所述第二偏振分光鏡和所述第二四分之一波片后入射到所述折射薄膜，形成所述第一相干光。
20.根據(jù)權利要求15或16所述的激光干涉儀測量方法，其特征在于，所述折射薄膜上表面涂有透射膜。
全文摘要
一種激光干涉儀測量系統(tǒng)及其測量方法，激光器發(fā)出激光；直角長條反射鏡安裝在載物臺側面，其兩個反射面與載物臺水平面成45°，激光沿水平方向入射直角長條反射鏡，經(jīng)過兩個反射面反射后形成測量光；折射薄膜覆蓋探測器，折射薄膜的上表面與水平面成45°，測量光的第一部分以45°入射角入射到折射薄膜表面形成第一相干光；測量光的第二部分通過鏡組模塊的至少一次反射后，以45°入射角入射到折射薄膜表面形成第二相干光，第一相干光與第二相干光在折射薄膜上位置相同，經(jīng)過折射薄膜折射后發(fā)生干涉形成干涉條紋，被探測器探測；根據(jù)干涉條紋的頻率計算載物臺的垂向運動速率，獲得垂向位移。本系統(tǒng)及方法布局簡單，不擋住鏡頭的成像光線。
文檔編號G03F7/20GK102841506SQ20111016871
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權日2011年6月22日
發(fā)明者馬雨雷, 許琦欣, 林彬, 馬明英 申請人:上海微電子裝備有限公司