一種雙頻光柵干涉儀位移測量系統技術方案

一種雙頻光柵干涉儀位移測量系統，包括雙頻激光器、干涉儀、測量光柵、電子信號處理部件，該測量系統基于光柵衍射、光學多普勒效應和光學拍頻原理實現位移測量。雙頻激光器出射雙頻激光經偏振分光鏡分為參考光和測量光，測量光入射至測量光柵處產生正負一級衍射，衍射光與參考光在光電探測單元處形成包含兩個方向位移信息的拍頻信號，經信號處理實現線性位移輸出。該測量系統能夠實現亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時測量水平向大行程位移和垂向位移。該測量系統具有對環境不敏感、測量精度高、體積小、質量輕等優點，作為光刻機超精密工件臺位置測量系統可提升工件臺綜合性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種光柵測量系統，特別涉及一種雙頻光柵干涉儀測量系統。
技術介紹
光柵測量系統作為一種典型的位移傳感器廣泛應用于眾多機電設備。光柵測量系統的測量原理主要基于莫爾條紋原理和衍射干涉原理。基于莫爾條紋原理的光柵測量系統作為一種發展成熟的位移傳感器以其高分辨率、高精度、成本低、易于裝調等眾多優點成為眾多機電設備位移測量的首選。半導體制造裝備中的光刻機是半導體芯片制作中的關鍵設備。超精密工件臺是光刻機的核心子系統，用于承載掩模板和硅片完成高速超精密步進掃描運動。超精密工件臺以其聞速、聞加速、大行程、超精密、多自由度等運動特點成為超精密運動系統中最具代表性的一類系統。為實現上述運動，超精密工件臺通常采用雙頻激光干涉儀測量系統測量超精密工件臺多自由度位移。然而隨著測量精度、測量距離、測量速度等運動指標的不斷提高，雙頻激光干涉儀以環境敏感性、測量速度難以提高、占用空間、價格昂貴、測量目標工件臺難以設計制造控制等一系列問題難以滿足測量需求。針對上述問題，世界上超精密測量領域的各大公司及研究機構展開了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光柵測量系統，研究成果在諸多專利論文中均有揭露。荷蘭ASML公司美國專利US7, 102，729B2(公開日2005年8月4日)、US7, 483，120B2(公開日2007年11月15日)、US7,，940, 392B2 (公開日2009年12月24日)、公開號US2010/0321665A1 (公開日2010年12月23日)公開了一種應用于光刻機超精密工件臺的平面光柵測量系統及布置方案，該測量系統主要利用一維或二維的平面光柵配合讀數頭測量工件臺水平大行程位移，高度方向位移測量采用電渦流或干涉儀等高度傳感器，但多種傳感器的應用限制工件臺測量精度。美國ZYGO公司美國專利公開號US2011/0255096A1(公開日2011年10月20日)公開了一種應用于光刻機超精密工件臺的光柵測量系統，該測量系統亦采用一維或二維光柵配合特定的讀數頭實現位移測量，可同時進行水平向和垂向位移測量；日本CANON公司美國專利公開號US2011/0096334AU公開日2011年4月28日)公開了一種外差干涉儀，該干涉儀中采用光柵作為目標鏡，但該干涉儀僅能實現一維測量。日本學者 GAOWEI 在研究論文 “Design and construction of a two-degree-of-freedomlinear encoder for nanometricmeasurement of stage position and straightness.Precision Engineering34 (2010) 145-155”中提出了一種利用衍射干涉原理的單頻二維光柵測量系統，該光柵測量系統可同時實現水平和垂直向的位移測量，但由于采用單頻激光，測量信號易受干擾，精度難以保證。考慮到上述技術方案的局限，尋求一種利用光學拍頻原理的外差光柵干涉儀測量系統，該測量系統能夠實現亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時測量水平向大行程位移和垂向位移。選用該測量系統作為超精密工件臺位移測量裝置，能夠有效的降低激光干涉儀測量系統在超精密工件臺應用中的不足，使光刻機超精密工件臺性能提升。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種雙頻光柵干涉儀測量系統，該測量系統能夠實現亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時測量水平向大行程位移和垂向位移。本專利技術的技術方案如下·一種雙頻光柵干涉儀位移測量系統，特征在于包括雙頻激光器I、干涉儀2、測量光柵3和電子信號處理部件4 ;所述干涉儀2包括偏振分光鏡21、波片、折光兀件23、反射器24、檢偏器25和光電探測器；所述雙頻激光器I出射的雙頻激光經光纖傳輸至偏振分光鏡21后分為參考光和測量光，參考光經參考臂四分之一波片22’、反射器24反射后產生兩束平行參考光，兩束平行參考光經參考臂四分之一波片22’、偏振分光鏡21、檢偏器25后分別入射至第一光電探測器26、第二光電探測器27 ;測量光經測量臂四分之一波片22、折光元件23后入射至測量光柵3發生衍射，正負一級衍射測量光經折光元件23、測量臂四分之一波片22、偏振分光鏡21、檢偏器25后分別入射至第一光電探測器26和第二光電探測器27 ;兩束平行參考光分別和兩束衍射測量光經第一光電探測器26和第二光電探測器27形成拍頻電信號，拍頻電信號傳輸至電子信號處理部件4進行信號處理；同時，雙頻激光器I輸出參考信號傳輸電子信號處理部件4 ;當所述的干涉儀2與測量光柵3之間具有X向和z的相對運動時，通過電子信號處理部件4實現兩個方向線性位移的輸出。本專利技術的技術特征還在于所述的檢偏器25、第一光電探測器26和第二光電探測器27構成接收器5,從偏振分光鏡21出射的兩束平行的參考光和測量光經光纖傳輸至接收器。本專利技術的另一技術特征是所述接收器5和電子信號處理部件4形成一體化結構。本專利技術所述的反射器24由參考光柵241和反射鏡2a組成，所述的參考光入射至參考光柵241發生衍射反射后經反射鏡2a形成兩束平行光；或反射器24由參考光柵241和透鏡2b組成，所述的參考光入射至參考光柵241發生衍射反射后經透鏡2b形成兩束平行光；或反射器24由參考光柵241和棱鏡2c組成，所述的參考光入射至參考光柵241發生衍射反射后經棱鏡2c形成兩束平行光；或所述的反射器24采用直角棱鏡242，該直角棱鏡的截面由直角梯形和等腰直角三角形構成，直角梯形和等腰三角形拼接面為分光面，所述的參考光入射至直徑棱鏡242的分光面后分為兩束光，兩束光分別經45度反射面反射形成兩束平行光。本專利技術所述的折光元件23采用反射鏡2a或透鏡2b或棱鏡2c。本專利技術提供的一種雙頻光柵干涉儀位移測量系統，具有以下優點及突出性效果①實現亞納米甚至更高分辨率及精度，測量精度受外界環境影響小；②可同時測量水平向大行程位移和垂向位移；③測量系統讀數頭體積小、質量輕、易于安裝，方便應用；④用于光刻機超精密工件臺測量系統，在滿足測量需求的基礎上，可有效的降低工件臺體積、質量，提高工件臺的動態性能，使工件臺整體性能綜合提高。附圖說明圖I為本專利技術第一種雙頻光柵干涉儀位移測量系統實施例的結構原理示意圖。圖2為本專利技術第二種雙頻光柵干涉儀位移測量系統實施例的結構原理示意圖。圖3為本專利技術第三種雙頻光 柵干涉儀位移測量系統實施例的結構原理示意圖。圖4為本專利技術第一種反射器實施例不意圖。圖5為本專利技術第二種反射器實施例示意圖。圖6為本專利技術第三種反射器實施例示意圖。圖7為本專利技術第四種反射器實施例示意圖。圖8為本專利技術第一種折光元件實施例示意圖。圖9為本專利技術第二種折光元件實施例示意圖。圖10為本專利技術第三種折光元件實施例示意圖。圖中，I一雙頻激光頭；2—干涉儀；3—測量光柵；4一電子信號處理部件；5—接收器；6—一體化結構件；21—偏振分光鏡；22—測量臂四分之一波片；22’ 一參考臂四分之一波片，23—折光兀件；24 —反射器；25—檢偏器；26—第一光電探測器；27—第二光電探測器；241—參考光柵；242—直角棱鏡；2a—反射鏡；2b—透鏡；2c—棱鏡。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術實施方式作進一步地詳細描述。請參考圖1，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種雙頻光柵干涉儀位移測量系統，特征在于：包括雙頻激光器（1）、干涉儀（2）、測量光柵（3）和電子信號處理部件（4）；所述干涉儀（2）包括偏振分光鏡（21）、波片、折光元件（23）、反射器（24）、檢偏器（25）和光電探測器；所述雙頻激光器（1）出射的雙頻激光經光纖傳輸至偏振分光鏡（21）后分為參考光和測量光，參考光經參考臂四分之一波片（22’）、反射器（24）反射后產生兩束平行參考光，兩束平行參考光經參考臂四分之一波片（22’）、偏振分光鏡（21）、檢偏器（25）后分別入射至第一光電探測器（26）、第二光電探測器（27）；測量光經測量臂四分之一波片（22）、折光元件（23）后入射至測量光柵（3）發生衍射，正負一級衍射測量光經折光元件（23）、測量臂四分之一波片（22）、偏振分光鏡（21）、檢偏器（25）后分別入射至第一光電探測器（26）和第二光電探測器（27）；兩束平行參考光分別和兩束衍射測量光經第一光電探測器（26）和第二光電探測器（27）形成拍頻電信號，拍頻電信號傳輸至電子信號處理部件（4）進行信號處理；同時，雙頻激光器（1）輸出參考信號傳輸電子信號處理部件（4）；當所述的干涉儀（2）與測量光柵（3）之間具有x向和z的相對運動時，通過電子信號處理部件（4）實現兩個方向線性位移的輸出。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱煜，張鳴，王磊杰，胡金春，陳龍敏，楊開明，徐登峰，尹文生，穆海華，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：