一種使用雙頻激光和衍射光柵的二維位移測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉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)，特別涉及一種使用雙頻激光和衍射光柵的二維位移測(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)域的研宄熱點(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)體芯片加工線(xiàn)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涉儀測(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)體芯片的線(xiàn)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)，而雙頻激光干涉儀測(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，難以滿(mǎn)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)域的各大公司及研宄機(jī)構(gòu)都投入了大量精力進(jìn)行研宄，其中一個(gè)主要研宄方向包括研發(fā)基于衍射光柵的新型位移測(cè)量系統(tǒng)?；谘苌涔鈻诺奈灰茰y(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已有較多的研宄成果，在諸多專(zhuān)利和論文中均有揭露。
[0004]德國(guó)HEIDENHAIN公司的專(zhuān)利US4776701(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)了干涉信號(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(zhuān)利US7362446B2(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涉儀原理測(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)尺光柵以外的其他分光、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向位移所使用干涉儀的測(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，但干涉儀和光柵衍射測(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 construct1n of a two-degree-of-freedom linear encoder fornanometric measurement of stage posit1n and straightness.Precis1nEngineering34(2010) 145-155”中提出了一種利用衍射光柵干涉原理的二維光柵測(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)生干涉，利用后續(xù)光路移相，可以在四組探測(cè)器表面接收到干涉信號(hào)。通過(guò)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行處理，可以解耦出光柵讀數(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)，干涉區(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)者朱煜的專(zhuān)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涉原理設(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(zhuān)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)，干涉區(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)社三豐的專(zhuān)利CN102865817A(公開(kāi)日2013年I月9日)以及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?qū)崿F(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(zhuān)利CN103604376A(公開(kāi)日2014年2月26日)中，提出了一種抗光學(xué)頻率混疊的光柵干涉儀系統(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(xiàn)性誤差，并能夠?qū)崿F(xiàn)三維位移的測(cè)量；哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者林杰等人的專(zhuān)利CN103644849A(公開(kāi)日2014年3月19日)中，通過(guò)引入自準(zhǔn)直原理提出了一種三維位移測(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，不利于提高干涉信號(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(mǎn)足前述的測(cè)量要求，本發(fā)明利用典型邁克爾遜干涉原理、多衍射光柵干涉原理和光學(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二維位移測(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(X向)和垂直方向(Z向)的位移時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高精度的二維位移實(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二維位移測(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向干涉部件、掃描分光光柵部件、X向探測(cè)部件、Z向探測(cè)部件、信號(hào)處理部件；雙頻激光光源包括雙頻激光器、分光棱鏡、偏振片A ；Z向干涉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、光闌；掃描分光光柵的柵線(xiàn)所在平面和標(biāo)尺光柵的柵線(xiàn)所在平面平行；掃描分光光柵為一維光柵，標(biāo)尺光柵具有后向零級(jí)衍射光，且掃描分光光柵和標(biāo)尺光柵在X方向上的等效光柵周期相等；X方向是與掃描分光光柵的柵線(xiàn)所在平面平行，且垂直于掃描分光光柵柵線(xiàn)的方向2方向是與掃描分光光柵的柵線(xiàn)所在平面垂直的方向；等效光柵周期是指光柵在某一方向上的周期；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，經(jīng)掃描分光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，反向衍射光透過(guò)掃描分光光柵衍射分光，得到九束測(cè)量光束與其他雜散光束；九束測(cè)量光束中，其中八束兩兩傳播方向相同，入射到X向探測(cè)部件形成四組干涉信號(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)量光束中的另一沿入射方向返回的測(cè)量光束透過(guò)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]掃描分光光柵為一維矩形光柵時(shí)，標(biāo)尺光柵包括以下結(jié)構(gòu)安排方式:①標(biāo)尺光柵為一維矩形光柵，且其柵線(xiàn)方向與掃描分光光柵的柵線(xiàn)方向平行標(biāo)尺光柵為二維矩形光柵，且其兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵的柵線(xiàn)方向平行和垂直；③標(biāo)尺光柵為二維矩形光柵，且其兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵的柵線(xiàn)方向成45°。
[0014]在掃描分光光柵部件中增設(shè)了光闌，并且光闌位于掃描分光光柵與X向探測(cè)部件之間。
[0015]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)λ = 632.8nm時(shí)，①掃描分光光柵采用一維矩形光柵的一組優(yōu)選參數(shù)為光柵周期d = ΙΟμπκ光柵臺(tái)階高度h =488nm、光柵臺(tái)階寬度a = 3.567 μm ;②標(biāo)尺光柵的參數(shù)包括:(a)當(dāng)標(biāo)尺光柵采用一維矩形光柵，且其柵線(xiàn)方向與掃描分光光柵的柵線(xiàn)方向平行時(shí)，其一組優(yōu)選參數(shù)為光柵周期d=?ο μm、光柵臺(tái)階高度h = 488nm、光柵臺(tái)階寬度a = 3.567 μπι; (b)當(dāng)標(biāo)尺光柵采用二維矩形光柵，且其兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵的柵線(xiàn)方向平行和垂直時(shí)，其一組優(yōu)選參數(shù)為兩個(gè)柵線(xiàn)方向的光柵周期(I1= d2= 10 μπκ光柵臺(tái)階高度h = 159nm、兩個(gè)柵線(xiàn)方向的光柵臺(tái)階寬度％= a2= 5.67 μπι ; (c)當(dāng)標(biāo)尺光柵采用二維矩形光柵，且其兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵的柵線(xiàn)方向成45°時(shí)，其一組優(yōu)選參數(shù)為兩個(gè)柵線(xiàn)方向的光柵周期(I1=d2= 7